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辐射型隔热涂料的研究以过渡金属氧化物Fe2O3MnO2为主要组分5

发布时间:2022年04月29日    点击:[2]人次

辐射型隔热涂料的研究,以过渡金属氧化物Fe2O3、MnO2 为主要组分

隔热涂料是通过阻隔、反射、辐射等机理来降低被涂物内部的热量积累, 从而达到节能和改善工作环境或安全等目的的一种功能性涂料[ 1] 。一般将隔热涂料分为阻隔型、反射型和辐射型隔热涂料三类。

其中,辐射型隔热涂料通过将吸收到的太阳能中的紫外光、可见光及近红外光能转为热能, 以红外辐射的方式在8~ 13. 5um波段内穿过大气红外窗口, 高效地发射到大气外层, 从而达到降低温度的目的中国化工网okmart.com。

辐射型隔热涂料区别于其他两类隔热涂料的一个显著特点是: 其余两类隔热涂料只能减缓但不能阻挡热量的传递, 而辐射型隔热涂料能够以热发射的形式将吸收的热量辐射掉, 从而促使涂层内外以同样的速率降温。

由此可见, 研制辐射型隔热涂料具有显著优势和积极意义。因过渡金属氧化物系列红外辐射材料具有复杂的反尖晶石相或混尖晶石相[ 2] , 材料发射率较高, 故本文利用掺杂原理和材料复合方法, 研制在8~ 14um具有高发射率的过渡金属氧化物系列红外辐射材料, 并利用红外辐射材料作为填料制备辐射型隔热涂料。

1 实验部分

1. 1 实验原材料

分析纯Fe2O3、MnO2、N iO、Co2O3、CuO; TBH 乳液; 钛白粉; 滑石粉; 膨润土; 高岭土; 云母; 堇青石; 涂料助剂等。

1. 2 主要实验仪器

ND - 2行星球磨机; SX2- 2. 5- 12型箱式电阻炉; SDF400实验分散砂磨机; FT - IR傅立叶变换红外光谱仪; Y- 500 X 衍射仪; 自制热反射率测定装置等。

1. 3 实验方法

按表1、表2配料, 在行星磨上湿混16h; 取出烘干、研磨, 过200目筛; 再将粉料放入高铝陶瓷坩埚, 置于高温实验电炉中, 在1150 oc下保温2h制备红外辐射材料; 合成产物经粉碎、研磨、过200目筛, 得红外辐射粉料。

制备过渡金属氧化物红外辐射材料的配方(

堇青石基过渡金属氧化物红外辐射材料的组成

隔热涂料的基本配方(

在表3所示隔热涂料的基本配方中添加所合成的红外辐射粉料制备辐射型隔热涂料。

1. 4 热反射率的测试

隔热涂料的热反射率测试装置示意图见图1, 热反射率的计算公式[ 4] 为:

式中: p为热反射率; T1 为标准黑板温度; T2 为样板温度; T3 为当时的室温, 一般固定在28. 8 。

热反射率测定装置示意图

2 红外辐射材料的性能研究

2. 1 红外辐射材料的XRD 分析

图2~ 图5分别为1150oc 下保温2h 所制备红外辐射材料A、D、E、F的XRD 图。在图2、图3中, 试样A、D经高温固相反应后形成了明显的CoFe2O4 反尖晶石相; 对堇青石基过渡金属氧化物红外辐射材料E、F而言, 图谱中除形成了CoFe2O4 反尖晶石相外, 还存在大量堇青石( 2MgO? 2A l2O3 ? 5SiO2 )的衍射峰。

试样的XRD图

2. 2 红外辐射材料的红外发射率

采用中科院上海技术物理研究所研制的IRE- 2红外辐射率测定仪对样品A ~ E 在8~ 14um 范围内的红外发射率进行了测定, 其测试结果见表4。由表4可以看出, 添加10w%t CuO 的试样A、B的红外反射率高于添加10w%t N iO 的试样C、D; 且堇青石与过渡金属氧化物复合样品E、F的8~ 14um红外发射率比单纯过渡金属氧化物样品A~ D高。

其中, 40w%t 试样B与60w%t 堇青石复合制备的堇青石- 过渡金属氧化物红外辐射材料F的8~ 14um红外发射率达95. 4% 。由于2MgO? 2A l2O3 ? 5S iO2 也是一种红外辐射陶瓷粉体,在堇青石- 过渡金属氧化物复合粉体中CoFe2O4 与2MgO? 2A l2O3 ? 5S iO2 固溶, 因此, 该复合粉体具有较高的红外发射率;

同时, 由于过渡金属氧化系红外材料的颜色较深, 在涂料中的应用受到限制, 而通过与堇青石复合, 可使颜色变浅些, 应用领域得以拓展。

过渡金属氧化物系列填料的红外发射率

3 辐射型隔热涂料的制备与隔热机理研究

3. 1 辐射型隔热涂料的制备

在基础配方中各添加2. 0g过渡金属氧化物系列红外辐射材料A ~ F作为填料配制辐射型隔热涂料,并对其热反射率进行了研究(如图6)。添加堇青石基复合材料的涂料, 其反射率比纯粹添加过渡金属氧化物系列填料的涂料高, 并且堇青石的引入使得所配制涂料的颜色由黑色变浅至灰色, 有利于实际应用。

如前所述, 具有复杂的反尖晶石相或混尖晶石相材料的红外发射率较高, 因此, 利用上面所制备的过渡金属氧化物系列红外辐射材料制备辐射型隔热涂料能够起到一定的隔热效果, 图6中不同配方过渡金属氧化物系列填料所制备隔热涂料的热反射率均大于50%, 其中, 添加2. 0g 堇青石-过渡金属氧化物红外辐射材料F 为填料制备的辐射型隔热涂料的热反射率达73. 2%, 其隔热效果接近美军75% 的要求。

不同配方过渡金属氧化物系列填料所制备隔热涂料的热反射率

3. 2 辐射型隔热涂料的隔热机理

当涂料表面受到太阳光照射时, 反射、吸收和透过各占一部分, 以p、 a和t分别代表涂料层的表面总反射率、吸收率和透过率, 另外£( 8~ 13. 5um)代表表层吸收的太阳能转为8~ 13. 5um波段内的红外辐射率,则有由于建筑隔热涂料表层下面大多数为不透明的水泥层、钢铁层等不透明物质, 因此, 可以近似认为其透过率t = 0, 由此, 上式又可简化为: p( 入) + ( 入) = 1, 其中p( 入) 和 a( 入) 均是随波长变化而变化的。

选择性红外辐射降温涂料的主要特性, 就是希望其在可见光和近红外光范围内, 其反射率尽可能地高; 而在8 ~13. 5um波段内, 其发射率[等同于吸收率, 即£( 入) = ( 入) ]也尽可能高。

我们知道, 太阳的辐射能中0. 3~ 2. 5um处的能量占绝大部分, 把这部分能量反射回大气和天空是该涂料的一个主要功能。然而在8 ~13. 5um波段范围内, 太阳辐射能和大气辐射能远低于地面向外层空间的辐射能, 因此在此波段内, 如果涂料的吸收率即发射率尽可能高, 这样就能尽可能多地把涂层和下层的水泥层中吸收到的太阳能中的紫外光能和可见光及近红外光能转为热能, 以红外辐射的方式在此波段内穿过大气红外窗口, 高效地发射到大气外层的绝对零度区, 从而达到降低温度的目的。

4 结 论

( 1) 1150oc 保温2h所制备的红外辐射材料形成明显的CoFe2O4 反尖晶石相;

( 2)堇青石- 过渡金属氧化物复合红外辐射材料8~ 14um 红外发射率大于过渡金属氧化物系列红外辐射材料的红外发射率;

( 3)添加2. 0g堇青石- 过渡金属氧化物红外辐射材料F 为填料制备的辐射型隔热涂料的热反射率达73. 2%;

( 4)辐射型隔热涂料通过辐射的形式把建筑物吸收的日照光线和热量以8 ~ 13. 5um波长发射到空气中, 从而达到隔热降温目的。

冯春霞1, 陈建华2, 胡旭3, 陆洪彬1

( 1. 盐城工学院材料工程学院, 江苏盐城 224003;2. 常熟理工学院, 江苏常熟 215500;3. 南京龙潭水泥厂, 江苏南京 210034)

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