中空二氧化钛微球的制备及其在隔热涂料中的作用

张变芳，　沈英明，　曹东升，　李　勇

(1.石家庄铁道大学 数理系，河北 石家庄　050043；2.石家庄铁道大学 科技处，河北 石家庄　050043；3.邯郸钢铁集团责任有限公司设备制造有限公司, 河北 邯郸　056015)



中空二氧化钛微球的制备及其在隔热涂料中的作用

张变芳1，沈英明2，曹东升3，李勇3

(1.石家庄铁道大学 数理系，河北 石家庄050043；2.石家庄铁道大学 科技处，河北 石家庄050043；3.邯郸钢铁集团责任有限公司设备制造有限公司, 河北 邯郸056015)

二氧化钛是一种重要的无机功能材料。将高反射中空二氧化钛加入涂料中，合成反射型隔热涂料。涂料性能测试，包括耐候性、耐水性、耐热性、耐碱性以及力学性能。本文的重点在于利用中空二氧化钛增强涂料的热反射能力，从而实现隔热目的。

涂料；二氧化钛；隔热性能

0　引言

近年来，纳米二氧化钛材料已经被广泛应用于许多领域，包括能源、化工、冶金、光催化材料、太阳能的储存与利用、光化学转换和精细陶瓷等方面，所以，合成纳米二氧化钛已成为人们关注的热点[1-3]。经过改性以后的二氧化钛纳米微粉、纳米管、纳米棒等形貌早在10年前就已经研制成功[4]，其中空心结构纳米二氧化钛作为一种新型材料，具有低密度、高比表面积和较强的热反射能力等。

由于地球的不断变暖，过量的太阳热辐射和强烈的城市热岛效应，使得开发高档隔热涂料成为涂料发展的一个重要方向。我们利用纳米中空二氧化钛降低涂料的热传导能力，增强涂料的热反射能力，从而实现隔热目的。

涂料的性能测试，一般包括耐候性、耐水性、耐热性、耐碱性以及力学性能[5]。

对于纳米中空二氧化钛微球，我们测试了XRD和SEM。合成涂料以后，我们测试了耐候性、耐水性、耐热性、耐碱性以及力学性能。

1　实验

1.1中空二氧化钛的制备

所用试剂有NaBF4，TiCl3，H2O2。

将0.006 mol的NaBF4，0.012 mol的TiCl3，0.03 mol的H2O2加入去离子水中分别制成溶液，然后，一边缓慢搅拌一边将后两种溶液添加到NaBF4溶液中，得到澄清溶液，将其装入不锈钢反应釜中，反应釜内装有聚四氟乙烯内衬，密封后放入烘箱中，在200 ℃保温12 h，自然冷却到室温后再用去离子水反复清洗所得沉淀物，通过离心分离，接着在100 ℃下烘干，最终得到纳米中空二氧化钛微球。

1.2调漆配制成品

涂料的基本配方如表1所示。首先，按基本配方配成均匀液体，然后，不断低速搅拌并缓慢加入中空二氧化钛，直到均匀分散进入溶液，然后添加余水。

表1　基本配料

由于研制的隔热涂料主要用于各种隔热材料的外表，因此，所需的成膜基料不仅要具备很强的粘接力和耐水性以及很好的耐候性，另外，所需树脂对太阳能的吸收率应该低，因此，选择反射率较高的TBH乳液作为成膜基料。

制备隔热涂料的工艺流程图见图1。

图1　工艺流程图

2　实验结果分析

2.1二氧化钛的测试性能

图2为纳米中空二氧化钛X衍射图谱。从图2中可以看到，属于金红石型结构。

图2　二氧化钛X衍射图谱

图3　中空二氧化钛SEM图谱

图3为纳米中空二氧化钛微球的SEM图谱。由图3可知，有个别微球裂开，显示确实为中空结构，而且，粒径小于200 nm，这样，气孔内的气体失去自由运动能力，只在其平衡位置附近振动，这样，其热传导能力就似真空状态一样，只有反射传热，而无对流传热。将这种高反射纳米中空二氧化钛微球加入涂料中，合成反射型隔热涂料。

2.2涂料隔热性能试验

图4为隔热仪示意装置，用它对涂层进行隔热效果进行表征。

选择具有一定保温作用的微孔硅酸钙板作为隔热测试装置的基材，首先对基材进行表面处理，接着涂膜，即将含有中空二氧化钛的隔热涂料均匀涂在硅酸钙板上，干膜厚度控制在为0.4～0.5 μm，用隔热仪测试其隔热效果。

按照JG/T235—2008要求的标准选择照明光源， 300 W的红外灯合适，保持灯泡底端与隔热样板距离约为30 cm。隔热测试条件为恒温恒湿，其中温度为(20±2)℃，湿度为45%±2%。

首先测量空白硅酸钙板的温度，再测量涂有隔热涂料的硅酸钙板上表面温度、背面温度以及箱体内部空气的温度。

测量结果见图5。由图5可知，随着纳米中空二氧化钛微球在钛白粉中含量的增加，涂层的隔热温差逐渐增大，含量为20%时温差达到13 ℃，以后虽然仍在增加，但是增加趋势逐渐减缓。这样，确定纳米中空二氧化钛微球在钛白粉中的含量20%为最佳。

图4　隔热仪示意图

图5　中空二氧化钛对涂层隔热效果的影响

2.3隔热涂料检验结果

产品送河北省产品质量监督检验院检测，涂料性能测试达到的主要技术指标：

隔热性：使用此反射型隔热涂料的室内温度低于不使用此涂料的室内温度5 ℃。

涂膜：均匀，外观无针孔、挂流。

涂层耐温变性：5次循环无异常。

耐水性：96 h无异常。

耐碱性：48 h无异常。

耐洗刷性：大于2 000次。

太阳反射比：(白色)大于等于0.8。

3　结语

利用有NaBF4、TiCl3和H2O2制备出纳米中空二氧化钛微球，此中空微球属于金红石型结构。把它加入涂料中，合成反射型隔热涂料，增强了涂料的热反射能力，其隔热效果显著，达到预期目的。

[1]陈春云，姚尧，吴永伟，等．负离子涂料的制备及其抗菌性能[J]．中山大学学报:自然科学版, 2007, 46(S1): 171-172.

[2] LEI Y．Effect of SiO2protective layer on the femtosecond laser-induceddamage of HfO2/SiO2multilayer high-reflective coating [J]．Applied Surface Science，2007，253(7): 3450-3455.

[3] 雷闫盈，俞行. 均匀沉淀法制备纳米TiO2的研究[J].化工进展, 2003, 22(1): 53-55.

[4] 周树学，武利民. 纳米涂料制备技术及其系列化产品研究开发[J].材料导报, 2002, 16(3): 41-43.

[5] 徐瑞芬，刘晓玲. 纳米层包裹TiO2粒子复合乳胶涂料的光催化和耐老化性能研究[J].化工新型材料, 2006, 24 (2): 34-36.

The Preparation of Hollow Titanium Dioxide and its Role in Heat Insulation Coating

Zhang Bianfang1，Shen Yingming2,Cao Dongsheng3,Li Yong3

(1.Department of Mathematics and Physics, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China；2.Administration of Science and Technology, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China；3.Equipment Manufacture Company, Handan Steel Group, Ltd., Handan 056015, China)

Titanium dioxide is a kind of important inorganic functional materials. The high reflective hollow titanium dioxide was added to coating, synthetizing reflective thermal insulation coatings. Performance was tested of coatings, including insulation, weather resistance, water resistance, heat resistance, alkali resistance and mechanical properties. The focus of this thesis was to enhance heat reflection by using hollow titanium dioxide coatings in order to achieve the adiabatic goal.

coatings;titanium dioxide;heat insulation performance

2015-03-26责任编辑:刘宪福DOI:10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.03.18

河北省教育厅自然科学重点项目(ZD20131012)；河北省自然科学基金(A2014210025)；石家庄市科技局技术应用课题(11107301A)

张变芳(1967-)，女，硕士，教授，研究方向为纳米材料。E-mail：zhbf2006@163.com

TQ637

A

2095-0373(2016)03-0101-04

张变芳，沈英明,曹东升，等.中空二氧化钛微球的制备及其在隔热涂料中的作用[J].石家庄铁道大学学报:自然科学版,2016,29(3):101-104.