薛来奇;马向阳;陈秉辉
3d涂鸦笔【摘 要】通过分析颜料光学性质、形貌和粒径与热反射比的关系,制备了一种对波长范围为400~2500 nm的光具有较高反射比的球形二氧化钛粉体材料.通过粉体的X射线衍射分析、扫描电镜成像、动态激光散射粒度分析等表征,证实粉体晶型为金红石型,粒径较好的分布在200~1250 nm,经紫外-可见-近红外分光光度计检测,其反射比均优于市售钛白,其中所制备的1.228 μm球形二氧化钛粉体具有最好的反射比. 【期刊名称】《广州化工》
【年(卷),期】2017(045)012
农药渗透剂【总页数】4页(P36-38,83)
【关键词】高反射比;二氧化钛;制备;表征
【作 者】薛来奇;马向阳;陈秉辉
【作者单位】昌吉学院化学与应用化学系,新疆 昌吉 831100;厦门大学化学化工学院,福建 厦门 361005;昌吉学院化学与应用化学系,新疆 昌吉 831100;厦门大学化学化工学院,福建 厦门 361005
【正文语种】中 文
【中图分类】TB302
太阳以辐射形式不断向周围空间释放热量，每秒到达地球的太阳能为1.765×1017 J[1]，能量的供给为人类的生存和生活提供了必备条件。太阳能开发和利用受到了研究者的重视，其替代传统能源的比重在不断提高，以节约地球上有限的不可再生资源[2-3]。但强烈的太阳辐射也给工业生产和日常生活带来诸多问题和不便，据统计，在许多发达国家中，空调、喷淋装置和冷气机等降温致冷设备所用的能量，占全年总能耗的20%以上[4]，在我国，这些设备消耗的能量也在逐年上升，因此，在开发新型能源的同时，绿节能涂料的研制同样具有重要的意义。
太阳热反射涂料是最近几年研究较多、效果显著的隔热涂料，它使物体表面对太阳光具有
高的反射比，主要是根据太阳光谱能量分布，反射占太阳辐射能比重为95%的波长范围为400～2500 nm的光，来降低物体表面温度，达到节能降耗的目的。国外研究者对太阳热反射隔热涂料进行了大量的理论研究和实验工作[5-7]，并广泛应用取得了较好的效果[8-9]；国内对其研究也十分活跃[10-15]。
经研究，涂层的太阳热反射能力与颜填料的光学性质、形貌和粒径有密切的关系。研究以理论分析为指导，自主制备了分散性能优良，存在一定粒径分布范围，具有较高折射率的球形二氧化钛这一粉体材料。经测试，此粉体颜料具有优异的热反射比性能。38ggg
1.1 理论分析
物质的折光指数主要是用反射太阳光的强弱来表征的，折光指数越大，对太阳光的反射就越强，有机树脂的折光指数为1.45～1.50，可见不同的树脂对涂层的太阳热反射效果并无显著的改变，只是要求树脂的透明度高，对太阳光的吸收率低。那么太阳热反射涂料的反射率则主要取决于涂料中颜填料的光学属性，涂料中的颜填料主要以散射为主，其对白光的散射能力为[16]：
燃烧匙
式中：np——分散质的折射率 nr——分散介质的折射率分析可见，颜填料的折光指数与树脂的折光指数相差越大，对太阳光的反射就越强，则金红石型二氧化钛是最好的白颜料，其折光指数为2.8。
当反射材料与基料确定后，材料的粒径和形貌是影响散射能力的重要因素。关于最佳粒径的计算公式很多，最常用的经验公式为拉诺克公式[16]，如下：
式中：d——散射效率最大的TiO2颗粒粒径，nm λ——入射光波长，nm
由计算可知若要较高散射波长为400～2500 nm范围的可见-近红外光，则选用200～1250 nm范围粒径的颜填料为最佳；且存在一定粒径分布的球形颗粒具有较高的堆积密度，颗粒表面粗糙度越低对光的反射率越高[17]。同时考虑到粉体颗粒在基料中较好的流动性、分布状态以及涂层高的反射率，制备粒径范围为200～1250 nm的球形形貌的金红石型TiO2颗粒为最佳。
1.2 实验试剂和仪器
试剂：四氯化钛(化学纯)，国药集团化学试剂有限公司。
仪器：DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器，巩义市予华仪器有限责任公司；DZF-6030A型真空干燥箱，上海一恒科技有限公司；SX2-4-13型箱式电阻炉，济南精密科学仪器仪表有限公司；S-4800 冷场发射电子显微镜，日本Hitachi公司；Panalytical X’pert PRO X-射线衍射仪，荷兰帕纳科(PANalytical)公司；Microtrac Zetatrac粒度仪，美国麦奇克公司；CARY 5000 紫外-可见-近红外分光光度计，美国瓦里安公司。
1.3 实验方法
分别配制不同浓度的TiCl4溶液为前驱体，其浓度分别为1.2 M，1.4 M，1.6 M，1.8 M，对应的二氧化钛粉体材料标记为A，B，C，D。实验时，分别各取35 mL上述TiCl4溶液，加入50 mL带有聚四氟乙烯内衬的高压釜中，150 ℃维持1 h，结束后取出反应釜自然冷却至室温，离心并洗涤得到TiO2粉体，在真空干燥箱中以70 ℃干燥24 h，再在500 ℃条件下高温处理3 h，即得制备的二氧化钛粉体材料。
2.1 晶体结构分析
对制备得到的二氧化钛粉末进行了X 射线衍射分析，仪器型号为Rigaku Ultima IV，工作条
件为：Cu靶材(λ=1.5406 Å)；工作电流30 mA；工作电压40 kV；石墨单器，Kα为辐射源；使用步进扫描方式，步长0.0167°，每步停留时间10 s，扫面角度(2θ)为20°～80°。将样品研磨为较细的粉末，压制密实，得到的X射线衍射图如图1所示。
查看JCPDS No.21-1276和JCPDS No.21-1272得，金红石相TiO2特征峰的2θ值分别为27.492°、36.149°、54.434°，而锐钛矿的分别为25.281°、37.800°、48.049°。由图1可见，不同浓度的TiCl4溶液制备得的二氧化钛为金红石型，产物晶体各衍射峰位置均与金红石型二氧化钛的标准卡片相吻合。我们得到的样品即具有较高的折射率，无需再经过更高的温度处理来转晶型；且峰型尖锐对称，晶体具有较好的结晶度。
2.2 扫描电镜分析
扫描电镜测试在日本日立公司HITACHZ S-4800扫描电镜上进行，图2分别是制备得到的TiO2颗粒和市售钛白的SEM图片。其中R902为杜邦公司的钛白产品，JR1000为日本帝国化工公司(Tayca Corporation)的钛白产品，由图2可以看出，R902为纳米级不规则钛白颗粒，JR1000为微米级片形钛白；我们制备的A，B和C样TiO2均具有较好的球形度，D样由于前驱体浓度较大，水解速度过快而生成的球形有破裂，而A和B样表面没有C和D样表面
光滑。
2.3 粒度分布分析
图3是利用动态激光散射粒度仪，得到不同浓度制备得的TiO2粉体的粒径分布图。
从图3中可以看出，随着前驱体浓度的增大，制备得到的TiO2的平均粒径不断增大，分别为0.621 μm、0.767 μm、1.195 μm、1.228 μm；样品在1 μm左右的体积分布不断增加，而在较低粒径范围的体积分布略有下降。四个样品的颗粒粒径均在0.2～1.25 μm范围有较好的分布，且以此得到的粒径分布和扫描电子显微镜观察到的干燥颗粒粒径分布基本一致。
2.4 热反射比影响分析
采用CARY 5000 紫外-可见-近红外分光光度计配套的螳螂爪式漫反射附件，以BaSO4为参比样，测试了样品在波长为400～2500 nm范围的相对反射比。图4即为样品的漫反射光谱。
图4中R902和JR1000是热反射涂料配方中起关键反射性能的市售钛白。由图4中样品的反射比光谱可以看出制备的金红石型TiO2粉体在可见光和近红外光波段的反射比均明显高于R902和JR1000，这也证实了球形形貌的粉体材料对光具有更强的反射作用；随前驱体浓度的升高，TiO2颗粒粒径分布向大粒径范围移动，由光谱图可以看出随粒径的增大，粉体对近红外光波段的反射比有明显的增加，也由于大粒径颗粒对整个波段光反射比的贡献，样品在可见光波段的反射比也有略微的增加，这也和TiO2颗粒表面光滑度的增加有一定的关系；同时，也可以看出，由于R902的平均粒径为500 nm，而JR1000主要是微米级钛白，故在可见光波段R902的光反射比优于JR1000。
(1)二氧化钛粉体颜料的光学性质、形貌和粒径是影响涂层反射比的重要因素。
(2)球形形貌的金红石型二氧化钛对光具有较高的反射比，且粉体表面粗糙度越小，粒径越大，粉体对可见-近红外波段光的反射比越大，以粒径主要分布在200～1250 nm为优。
【相关文献】
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智能装备与系统[5] Levinson R, Berdahl P, Akbari H. Solar spectral optical properties of pigments-PartⅠ:Model for deriving scattering and absorption coefficients from transmittance and reflectance measurements[J]. Solar Energy Materials & Solar Cells,2005,89(4):319-349.
[6] Levinson R, Berdahl P, Akbari H. Solar spectral optical properties of pigments-PartⅡ:Model survey of common colorants[J]. Solar Energy Materials & Solar Cells,2005,89(4):351-389.多功能按摩垫
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