纳米ATO-TiO2复合隔热自清洁材料的制备与性能表征

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N型半导体氧化锡锑(ATO)是一种优异的透明隔热材料,而TiO:是一种性能优异的颜料,具备较高的光催化活性及亲水性能。若采用适当方式将两者复合形成一种新的透明隔热自清洁材料,该材料既对可见光透过又具有隔热效果,同时还能去污、抗菌自清洁。多种性能的复合使它在节能环保领域具有良好的应用前景。但两种材料的复合方式是一个关键的问题。传统的磁控溅射、化学气相沉积法等制备成本高,不宜大量生产。而湿化学沉积法不仅成膜均匀、膜性能良好,而且成本低、工艺简单,较适合应用和推广。因此,透明隔热自清洁复合材料的湿化学制备具有重要意义。本文从制粉出发,先采用溶胶-凝胶法制备了纳米Ti02粉体,并对粉体进行掺锌、掺氮、掺铁以及锌氮、铁氮共掺处理。结果表明,掺杂原子替换Ti4+进入Ti02晶格中,不产生新相。粉体在掺锌和掺氮后尺寸均一,分布均匀。而掺铁后具有絮状介孔结构。锌氮共掺粉体尺寸分布不均,铁氮共掺粉体尺寸较大,团聚严重。光催化实验显示,掺氮和掺铁能明显提高粉体的光催化性能,掺锌对光催化活性提高不大,铁氮共掺及锌氮共掺反而会降低粉体的光催化能力。活性最高的掺氮Ti02粉体,最佳掺氮量和热处理温度分别为1.0%,500℃,此时光催化反应速率常数达到了22.11×10-3min-1。采用水解沉淀法制备了纳米锑掺杂氧化锡(ATO)粉体,考察了反应温度、滴定终点pH值、煅烧温度对ATO粉体物相、形貌及光学性能的影响。结果显示锑以离子形式进入氧化锡晶格,部分取代了Sn4+,形成一种替换式固溶体,未引入新相。反应条件的改变对晶粒平均晶粒尺寸、晶格畸变及单胞体积的影响不同。单胞体积和平均晶粒尺寸随反应条件的变化而产生的变化趋势一致,但与晶格畸变的变化趋势相反。反应温度为60℃,滴定终点pH值为3.5,煅烧温度为600℃时得到的ATO粉体结晶度高,晶粒细小,适合作为浆料分散的粉体。为得到稳定的浆料,先研究了分散剂种类、用量、体系pH值、超声时间和搅拌时间对纳米TiO:水性浆料稳定性的影响。得到的最优分散条件:分散剂FS-02取质量百分比10%,调节浆料体系pH=5,以6000r/min搅拌3h,最后超声15min。得到的浆料能长期稳定而不发生沉降。再制备了单因素条件下的ATO水性浆料,考察了分散剂种类、含量以及体系pH值对ATO浆料稳定性的影响。得到的最佳条件:加入0.25g FS-02,调节体系pH=8,剪切乳化搅拌1h后再超声15min。采用湿化学沉积-浸渍提拉法制备了ATO/TiO2复合薄膜,并考察了涂料中ATO与Ti02的粉体含量比对膜力学、光学、隔热及自清洁性能的影响,得到的粉体最佳含量比为2/3。在该比值下,涂膜厚约3.5μm,附着力达到0级,铅笔硬度为2H,吸水率低于0.02%。可见光透过率约55%,红外光透过率不足10%。膜的隔热性能较好,与未涂复合膜的保温盒相比,涂有复合膜的保温盒经过1h光照后少升了10℃。光催化实验及亲水角测试结果显示,膜对甲基橙的降解也将近60%,亲水角接近0°。采用溶胶-凝胶-浸渍提拉法制备了ATO/TiO2复合膜。先考察了Sb掺杂量、膜层数对ATO纯膜(不含Ti02)隔热性能的影响,得到的最佳掺Sb量为10%,膜层数为6。再考察了TiO2膜的层数对ATO/TiO2复合膜光学、隔热以及光催化性能的影响,得到性能最佳的薄膜为A4T4膜。该膜阻隔了近90%的红外光,对甲基橙的降解也达到了55%,但未表现良好的亲水性能。与未涂复合膜的保温盒相比,经过1h光照后,涂有复合膜的保温盒内部少升了6℃。具有良好隔热效果。
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