高近红外反射稀土颜料的制备与性能研究

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钇酸镧(LaYO3)和铈酸镧(La2Ce2O7)因其独特的物理和化学性能被广泛应用于陶瓷颜料和涡轮叶片涂料中,但是对其近红外反射性能的相关研究报道甚少。目前,具有高近红外反射,环境友好型的无机颜料是应用于隔热涂料的主要研究趋势。本文通过溶胶凝胶法制备了一系列的环境友好、具有高近红外反射率的钇酸镧和铈酸镧无机颜料,为了改变颜料颜色过于单一的情况,通过Bi3+掺杂和Bi3+/Tb3+共掺杂LaYO3以及Pr,Tb和W/Fe掺杂La2Ce2O7来对其颜色进行改良,并对合成的颜料采用X射线衍射(XRD),紫外可见近红外分光光度计,色度仪等仪器进行测试分析。对于Bi3+掺杂和Bi3+/Tb3+共掺杂LaYO3颜料来说,Bi3+取代La3+离子使LaYO3颜料的颜色变化由浅黄色渐变至暗黄色,而Bi3+/Tb3+共掺杂LaYO3颜料却使颜料颜色由浅橙色渐变到暗橙色,与此同时,颜料的禁带能量分别从4.52eV减小至2.95eV(Bi掺杂)和2.15eV(Bi/Tb共掺杂),禁带能量的降低是由于引入了一个额外的6s电子的Bi3+或4f的Tb3+价电子层能级水平进入到O2-价带和La3+导带之间,减小了禁带宽度,从而减小禁带能量。此外,Bi3+掺杂La YO3颜料在700-2500nm波段拥有95%以上的近红外太阳能反射率,相比之下,Bi3+/Tb3+共掺杂LaYO3颜料的近红外太阳能反射率则由98.28%降低至78.77%。在应用研究上,将La0.5Bi0.5YO3和La0.5Bi0.25Tb0.25YO3颜料涂覆在有或者没有TiO2的镀锌片上后,涂层拥有较高的近红外反射率。酸碱测试表明合成的颜料具有良好的化学稳定性。对于Pr,Tb和W/Fe掺杂La2Ce2O7颜料来说,它们的晶体结构都是有缺陷的氟石结构且具有较高的耐酸碱性和化学稳定性。Pr4+或Tb4+取代Ce4+后的La2Ce2O7颜料的颜色都是由淡黄色变为暖黄色再变为暗黄色,相应地,颜料的禁带能量由3.34eV减小到2.37eV(Pr掺杂)和2.24ev(Tb掺杂),这是由于引入了一个4f电子层的Pr或Tb能级水平插入到O2p价带和Ce4f导带之间,导致颜料的吸收限增加,禁带能量降低。而W/Fe共掺杂La2Ce2O7颜料则使颜料的颜色从黄色到橙色的变化。此外,Pr4+掺杂La2Ce2O7颜料在700-2500nm波段的近红外太阳能反射率都高于72.47%(L*=46.87 a*=13.5 b*=13.4),而Tb4+取代Ce4+的La2Ce2O7颜料的近红外太阳能反射率从99.11%减小到87.41%(L*=51.35a*=15.94 b*=17.57),这两种颜料在涂层应用中也展现出艳丽的颜色性能。此外,La2Ce1.5W0.25Fe0.25O7+δ橙色颜料的近红外太阳能反射率高达82.05%(L*=77.21,a*=8.79,b*=35.80),有趣的是,较高的煅烧温度能够明显的改善W/Fe掺杂La2Ce2O7颜料的颜色性能,但是对其近红外反射性能却影响不大。另外,1150oC煅烧下的La2Ce1.7W0.15Fe0.15O7+δ涂层应用也展现出更高的反射性能。总之,本论文研发的无机稀土颜料在隔热保温领域具有良好的应用潜能。
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