一种热反射降温抗凝冰功能材料、涂层及其制备方法

1.本发明涉及路面抗凝冰领域，具体涉及一种热反射降温抗凝冰功能材料、涂层及其制备方法。

背景技术：

2.近年来，全球气候变化恶劣，在夏季极端高温天气下，太阳照射将其带有的能量传递给物体，物体吸收后，将其转化为热能以辐射的形式散发到环境中，最终形成以城市为中心的“热岛效应”，例如夏季沥青路面、房屋建筑等吸热后温度可达到50℃～60℃以上等，这使得本来就人口稠密的城市出现比郊区更高的气温，居民降温用电需求量急剧增加，严重影响了人们居住、出行的舒适度和国家节能减排号召。同样在冬季持续低温情况下，水分凝结极易形成“暗冰”或者“黑冰”，导致人们冬季驾车出行、货物运输时，车辆常出现跑偏、打滑、制动距离延长等问题，严重影响驾驶安全。尤其是隧道的出入口、转弯处及山区的背阴面道路、城市道路交叉口、高速公路的匝道处等特殊路段，属于交通事故多发地。因此，在房屋建筑、罐体运输及道路交通等领域展开热反射降温和抗凝冰工作极为重要。
3.现有技术中只单一涉及热反射降温或抗凝冰功能，如专利cn 114456659 a和专利cn 114213925 a只提及热反射降温功能；专利cn 101786834 b、cn104672929b、cn 108949109 b和专利cn 108893095 b只提及抗凝冰功能。尚无通过一次制备实现热反射降温和缓释抗凝冰双功能材料及涂层。

技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种热反射降温抗凝冰功能材料、涂层及其制备方法，兼具热反射降温与缓释抗凝冰双功能，解决现有热反射降温、抗凝冰材料及其涂层的单一功能性，通过一次制备将热反射降温和缓释抗凝冰功能一体化，同时还可解决现有的负载型抗凝冰材料载盐量较少，缓释效果不良，以及长效性不足的问题，且制备方法简单。
5.本发明的热反射降温抗凝冰功能材料，将降低冰点的盐溶解于二氧化钛溶胶中，利用盐中反离子促凝使二氧化钛溶胶胶凝，同时在胶凝过程中负载降低冰点的盐，然后经高温烧结使无定形态的二氧化钛转变为金红石型二氧化钛，降低冰点的盐均匀分布于金红石型二氧化钛孔隙结构中，形成兼具热反射降温与缓释抗凝冰功能的材料；
6.进一步，按质量比二氧化钛溶胶:降低冰点的盐＝100:10～100；
7.进一步，所述二氧化钛溶胶的ph值为6～8，质量浓度为10～50％；
8.进一步，所述降低冰点的盐为氯化钠、氯化钾、氯化钙、氯化镁、乙酸钾、乙酸钠中的至少一种。
9.本发明还公开一种热反射降温抗凝冰功能材料的制备方法，包括以下步骤：
10.a.预先将降低冰点盐加入到二氧化钛溶胶中，机械搅拌使，利用盐分的反离子其发生胶凝化反应，静置陈化后形成三维网络结构复合凝胶；
11.b.将复合凝胶进行高温烧结使无定形的二氧化钛呈金红石型二氧化钛，制得热反射降温抗凝冰材料；
12.进一步，步骤b中，高温烧结的温度为500-800℃，烧结时间为4～6h。
13.本发明还公开一种彩热反射降温抗凝冰涂层，将热反射降温抗凝冰材料干燥研磨成粉料后以填料的形式添加于彩树脂涂层中。
14.进一步，所述相变降温抗凝冰材料添加量为8％～12％；树脂涂层中的树脂为丙烯酸树脂、改性丙烯酸树脂、环氧树脂、改性环氧树脂、聚氨酯、改性聚氨酯中一种；
15.进一步，所述彩树脂涂层中得颜料为氧化铁红、氧化铁紫、氧化铬绿、氧化铬黄中的一种，所述颜料掺量为1％～4％。
16.本发明的有益效果是：本发明公开的热反射降温抗凝冰功能材料、涂层及其制备方法，降低冰点的盐负载于具有热反射降温功能的金红石型二氧钛孔隙结构中，并可在不同的环境下分别行使热反射降温和抗凝冰功能，且相互无影响；降低冰点的盐的负载量高且可控，制备方法简单，可一次性制备获得热反射降温与抗凝冰双重功能的材料。可作为填料直接彩树脂涂层材料中形成热反射降温抗凝冰彩涂层。
具体实施方式
17.本实施例的热反射降温抗凝冰功能材料，将降低冰点盐溶于二氧化钛溶胶中，利用盐溶液中反离子促凝使分散有盐溶解的二氧化钛溶胶胶凝，在胶凝过程中负载降低冰点盐分，干燥后得到抗凝冰二氧化钛复合物，此时二氧化钛为无定形态，无定形二氧化钛经高温烧结后转变为金红石型二氧化钛，而降低冰点盐分熔点较高，仍负载于二氧钛孔隙结构中，制备得到热反射降温抗凝冰材料。
18.制备原理：降低冰点盐可溶于水，将其掺入无机氧化物溶胶中，机械搅拌，一方面盐溶液形成水合离子与溶胶分散更加均匀，另一方面盐溶液中的反离子进入到溶胶双电层的紧密层，使扩散层减薄，斥力势能降低，促进分散有盐离子的溶胶聚集胶凝，在胶凝过程中溶胶粒子相互联接形成三维多孔骨架结构。在此过程中，降低冰点盐成分被分散于凝胶骨架孔隙内，随着水分蒸发(高温烧结处理)，盐成分达到过饱和结晶析出，负载于凝胶骨架孔隙内获得抗凝冰粉料。
19.抗凝冰原理：将具备抗凝冰功能的材料以填料的形式应用于沥青路面工程中，在冬季当路表水通过空隙渗入路面内部，抗凝冰有效成分被水分溶解，在车轮荷载、毛细管压力下，有效成分不断析出至沥青路表，即从路面内部逐渐转移至路表，由于形成的盐溶液蒸汽压低于纯水的蒸汽压，随着温度降低，导致盐溶液凝固点比纯水的凝固点低，从而有效阻止和延缓路面结冰，达到抗凝冰的目的。
20.热反射降温原理：太阳光中95％的能量集中在可见光(波长400～720nm)和近红外光(波长720～2500nm)，热反射涂料中金红石型二氧化钛具有高折光性和高光活性，具有很强的反射这部分光线的作用；而少数被吸收的光线会被涂料中的热反射填料以8000～14000nm的波长辐射出去，这部分波长的能量不会被大气层所吸收，会进入外太空。正是通过大部分反射、小部分辐射共同作用，使物体不会吸收太阳光的能量，从而到达降温的目的。
21.本实施例中，按质量比二氧化钛溶胶:降低冰点的盐＝100:10～100；所述二氧化
钛溶胶的ph值为6～8(正溶胶)，质量浓度为10～50％；降低冰点的盐负载量高且质量可控。
22.本实施例中，所述降低冰点的盐为氯化钠、氯化钾、氯化钙、氯化镁、乙酸钾、乙酸钠中的至少一种。由于涉及高温烧结，温度较高，因此本专利所涉及降低冰点盐主要为无机盐中的至少一种，优选采用氯化钠、氯化钾、氯化钙、氯化镁中的至少一种。
23.本实施例的热反射降温抗凝冰功能材料的制备方法，包括以下步骤：
24.a.预先将降低冰点盐加入到二氧化钛溶胶中，机械搅拌，利用盐分的反离子使其发生胶凝化反应，静置陈化后形成三维网络结构复合凝胶；
25.b.将复合凝胶进行高温烧结使无定形的二氧化钛呈金红石型二氧化钛，制得热反射降温抗凝冰材料；
26.本实施例中，步骤b中，高温烧结的温度为500-800℃，烧结时间为4～6h。
27.本发明还公开一种彩热反射降温抗凝冰涂层，将热反射降温抗凝冰材料干燥研磨成粉料后以填料的形式添加于彩树脂涂层中。
28.本实施例中，所述相变降温抗凝冰材料添加量为彩树脂的8％～12％；树脂涂层中的树脂为丙烯酸树脂、改性丙烯酸树脂、环氧树脂、改性环氧树脂、聚氨酯、改性聚氨酯中一种；所述颜料为氧化铁红、氧化铁紫、氧化铬绿、氧化铬黄等中的一种，所述颜料掺量为彩树脂的1％～4％。
29.实施例一
30.本实施例的彩热反射降温抗凝冰功能材料/涂层，它由二氧化钛溶胶、氯化钙、水性聚氨酯树脂和氧化铁紫制备而成，其中钛溶胶质量浓度为30％，ph值为8。制备热反射降温抗凝冰功能材料原材料质量比为二氧化钛溶胶:氯化钙＝100:24。
31.上述热反射降温抗凝冰功能材料/涂层的制备方法，包括以下步骤：
32.a.将氯化钙加入到二氧化钛溶胶中机械搅拌分散均匀，利用盐中ca
2+
使混合溶胶发生胶凝，静置陈化后形成三维网络结构的复合凝胶；
33.b.将复合凝胶置于600℃高温烧结8h，使无定形的二氧化钛呈金红石型二氧化钛，制得热反射降温抗凝冰材料。
34.c.在水性聚氨酯树脂中加入12％的上述b制备的热反射降温抗凝冰材料，搅拌均匀后加入3％氧化铁红颜料，继续搅拌10min，得到彩热反射降温抗凝冰涂料，将涂料按照涂覆量0.8kg/m2均匀涂刷在试件上，静置固化24h。
35.本发明采用结冰实验考察彩热反射降温抗凝冰涂料抗凝冰效果，具体方案为在热反射降温抗凝冰涂层试件表面用橡皮泥或者粘土围成内半径为50mm，高度为20mm的圆形凹槽，注入20g水后放入低温恒温箱中，观察凹槽中水的结冰现象，且在凹槽中放入温度采集装置，考察冰点下降值大小；同时采用1000w碘钨灯模拟太阳光源，在本发明专利实施例制备的彩热反射降温抗凝冰涂层试件下方，放入温度采集装置进行降温数据采集，以此评价其降温效果，以下同此。
36.在实施例制备的彩热反射降温抗凝冰涂层，盐分负载量(有效盐分与载体干质量比例)为80％，在-2℃低温下结冰不明显，能有效降低水的冰点至-3.14℃；且本实施例可降低试件表面温度13.4℃，具有较好的降温效果。
37.实施例二
38.本实施例的热反射降温抗凝冰功能材料/涂层，它由二氧化钛溶胶、氯化钠/氯化
钙混合盐、去离子水、环氧树脂和氧化铁红制备而成，其中钛溶胶质量浓度为40％，ph值为8；氯化钠/氯化钙混合盐质量比为1:1。制备热反射降温抗凝冰功能材料原材料质量比为二氧化钛溶胶:氯化钠/氯化钙:去离子水＝100:40，去离子水用量依据混合盐在溶胶中充分溶解需求量加入。
39.上述热反射降温抗凝冰功能材料/涂层的制备方法，包括以下步骤：
40.a.将氯化钠/氯化钙混合盐加入到二氧化钛溶胶中机械搅拌分散均匀，为使混合盐充分溶解，添加适量去离子水，利用盐中na
+
、ca
2+
使混合溶胶发生胶凝，静置陈化后形成三维网络结构的复合凝胶；
41.b.将复合凝胶置于500℃高温烧结8h，使无定形的二氧化钛呈金红石型二氧化钛，制得热反射降温抗凝冰材料。
42.c.在环氧树脂中加入10％的上述b制备的热反射降温抗凝冰材料，搅拌均匀后加入2％氧化铁红颜料，继续搅拌10min，得到彩热反射降温抗凝冰涂料，将涂料按照涂覆量0.8kg/m2均匀涂刷在试件上，静置固化24h。
43.在实施例制备的彩热反射降温抗凝冰涂料，盐分负载量为100％，在-5℃低温下结冰不明显，能有效降低水的冰点至-4.42℃；且本实施例可降低试件表面温度12℃，具有较好的降温效果。
44.实施例三
45.本实施例的热反射降温抗凝冰功能材料/涂层，它由二氧化钛溶胶、氯化钾、去离子水、水性环氧树脂和氧化铬绿制备而成，其中钛溶胶质量浓度为30％，ph值为8。制备热反射降温抗凝冰功能材料原材料质量比为二氧化钛溶胶:氯化钾:去离子水＝100:36，去离子水用量依据混合盐在溶胶中充分溶解需求量加入。
46.上述热反射降温抗凝冰功功能材料/涂层的制备方法，包括以下步骤：
47.a.将氯化钾加入到二氧化钛溶胶中机械搅拌分散均匀，利用盐中k
+
使混合溶胶发生胶凝，静置陈化后形成三维网络结构的复合凝胶；
48.b.将复合凝胶置于600℃高温烧结8h，使无定形的二氧化钛呈金红石型二氧化钛，制得热反射降温抗凝冰材料。
49.c.在水性环氧树脂中加入13％的上述b制备的热反射降温抗凝冰材料，搅拌均匀后加入4％氧化铬绿颜料，继续搅拌10min后得到彩热反射降温抗凝冰涂料，将涂料按照涂覆量0.8kg/m2均匀涂刷在试件上，静置固化24h。
50.在实施例制备的彩热反射降温抗凝冰涂料，盐分负载量为120％，在-5℃低温下结冰不明显，能有效降低水的冰点至-4.94℃；且本实施例可降低试件表面温度13.6℃，具有较好的降温效果。
51.实施例四
52.本实施例的热反射降温抗凝冰功能材料/涂层，它由二氧化钛溶胶、氯化钠/氯化钾/氯化镁、去离子水、丙烯酸树脂和氧化铬黄制备而成，其中钛溶胶质量浓度为40％，ph值为8，氯化钠/氯化钾/氯化镁按照质量比为1:1:1。制备热反射降温抗凝冰功能材料原材料质量比为二氧化钛溶胶:氯化镁/氯化钾/氯化钠:去离子水＝100:60，去离子水用量依据混合盐在溶胶中充分溶解需求量加入。
53.上述热反射降温抗凝冰功涂层的制备方法，包括以下步骤：
54.a.将氯化钠/氯化钾/氯化镁混合盐加入到二氧化钛溶胶中机械搅拌分散均匀，为使混合盐充分溶解，添加适量去离子水，利用盐中na
+
、k
+
、mg
2+
使混合溶胶发生胶凝，静置陈化后形成三维网络结构的复合凝胶；
55.b.将复合凝胶置于800℃高温烧结6h，使无定形的二氧化钛呈金红石型二氧化钛，制得热反射降温抗凝冰材料。
56.c.在丙烯酸树脂中加入15％的上述b制备的热反射降温抗凝冰材料，搅拌均匀后加入3％氧化铬黄颜料，继续搅拌10min后得到彩热反射降温抗凝冰涂料，将涂料按照涂覆量0.8kg/m2均匀涂刷在试件上，静置固化24h。
57.在实施例制备的彩热反射降温抗凝冰涂料，盐分负载量为150％，在-5℃低温下未结冰，能有效降低水的冰点至-5.42℃；且本实施例可降低试件表面温度15℃，具有较好的降温效果。
58.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：

1.一种热反射降温抗凝冰功能材料，其特征在于：将降低冰点的盐溶解于二氧化钛溶胶中，利用盐中反离子促凝使二氧化钛溶胶胶凝，同时在胶凝过程中负载降低冰点的盐，然后经高温烧结使无定形态的二氧化钛转变为金红石型二氧化钛，降低冰点的盐均匀分布于金红石型二氧化钛孔隙结构中，形成兼具热反射降温与缓释抗凝冰功能的材料。2.根据权利要求1所述的热反射降温抗凝冰功能材料，其特征在于：按质量比二氧化钛溶胶:降低冰点的盐＝100g：10～100g。3.根据权利要求2所述的热反射降温抗凝冰功能材料，其特征在于：所述二氧化钛溶胶的ph值为6～8，质量浓度为10～50％。4.根据权利要求3所述的热反射降温抗凝冰功能材料，其特征在于：所述降低冰点的盐为氯化钠、氯化钾、氯化钙、氯化镁、乙酸钾、乙酸钠中的至少一种。5.根据权利要求1-4任一所述的热反射降温抗凝冰功能材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：a.预先将降低冰点盐或降低冰点盐溶液加入到二氧化钛溶胶中，机械搅拌，利用盐分的反离子使其发生胶凝化反应，静置陈化后形成三维网络结构复合凝胶；b.将复合凝胶进行高温烧结使无定形的二氧化钛呈金红石型二氧化钛，制得热反射降温抗凝冰材料。6.根据权利要求5所述的热反射降温抗凝冰功能材料的制备方法，其特征在于：步骤b中，高温烧结的温度为500-800℃，烧结时间为6～8h。7.一种彩热反射降温抗凝冰涂层，其特征在于：将热反射降温抗凝冰功能材料干燥研磨成粉料后以填料的形式添加于彩树脂涂层中。8.根据权利要求7所述的彩热反射降温抗凝冰涂层，其特征在于：所述所述热反射降温抗凝冰功能材料添加量为8％～12％；树脂涂层中的树脂为丙烯酸树脂、改性丙烯酸树脂、环氧树脂、改性环氧树脂、聚氨酯、改性聚氨酯中一种。9.根据权利要求8所述的彩热反射降温抗凝冰涂层，其特征在于：所述彩树脂涂层中得颜料为氧化铁红、氧化铁紫、氧化铬绿、氧化铬黄中的一种，所述颜料掺量为1％～4％。

技术总结

本发明公开了一种热反射降温抗凝冰功能材料、涂层及其制备方法。本发明的热反射降温-抗凝冰功能材料是将降低冰点的盐溶解于二氧化钛溶胶中，利用盐中反离子促凝使二氧化钛溶胶胶凝，同时在胶凝过程中负载降低冰点的盐，然后经高温烧结使无定形态的二氧化钛转变为金红石型二氧化钛，此时降低冰点的盐均匀分布于金红石型二氧化钛孔隙结构中，形成兼具热反射降温与缓释抗凝冰功能的材料；将其替代填料应用于涂层材料中，可实现夏季热反射降温，冬季抗凝冰双功效。该制备方法简单，可一次性制备获得热反射降温与抗凝冰双重功能的材料及其涂层。其涂层。