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当前,能源日益紧张的形势正困扰全球经济发展,节约能源将是我国缓解能源紧张形势的重要战略方向。由于传统的建筑玻璃隔热节能效果差,造成大量的能源浪费。因此开发高性能的玻璃节能产品,有利于降低建筑物能耗,对缓解我国能源短缺形势具有重要的政治和经济意义。本文研究利用纳米ATO对光谱的选择性原理,基于复合乳胶的设计思想,首先解决纳米ATO粒子易团聚、难分散的问题,制得低团聚的纳米ATO光电材料;然后利用分散剂以及硅烷偶联剂修饰改性纳米ATO粒子,使纳米ATO粒子能够在液相中稳定分散,以便后面复合乳胶粒的构筑;最终采用原位细乳液聚合法制备核-壳结构的、具有透明、隔热性能的复合乳液。与其他的玻璃节能方式相比,该复合涂料工艺简单、施工方便、成本较低,具有良好的市场推广前景。
以无机盐SnCl4·5H2O,SbCl3为起始原料,采用溶胶-凝胶-超临界CO2萃取干燥法(Sol-Gel-SCF-CO2)制备纳米锑掺杂氧化锡(ATO)前驱体干粉,然后经热处理制得高分散性的纳米ATO粒子。考察了工艺参数对产物的粒径和比表面积的影响,得到了较佳的制备工艺条件。通过FT-IR、XRD、XPS、TEM、SEM等分析手段,对纳米ATO材料进行了结构分析和表征。结果表明:在掺杂比Sb:Sn(at:at)为1:9,反应物起始浓度为0.4mol/L,反应终点pH值为2.5,反应温度25℃,反应3小时,萃取干燥温度为40℃,压力12MPa,干燥时间为5h,超临界流体流量控制在20mL/min等条件下,制得了疏松的前驱体干粉,经600℃热处理3h所得四方形金红石结构的纳米ATO粉体呈不规则球形,其结构疏松、粒径小,平均粒径在25nm左右,再分散性能较好。
考察了不同干燥工艺对制得的纳米ATO粒子形貌以及团聚分散性能的影响,从理论上探讨了Sol-Gel制备纳米ATO粉体造成纳米粒子团聚的原因。研究了超临界CO2(SCF-CO2)干燥对ATO前驱体醇凝胶干燥过程中消除团聚的机理,认为:由于SCF流体具有极好的渗透性,在无表面张力的情况下,贫乙醇流体和富乙醇流体相容为C2H5OH-CO2二元均质流体,凝胶中的乙醇转移到SCF-CO2流体中;凝胶中乙醇被CO2流体取代,避免了在萃取结束后毛细管力作用产生的凝胶严重塌陷的发生,明显降低了前驱体粒子的收缩团聚。最后,还研究了SCF-CO2干燥的传质动力学,并建立了本研究的SCFD传质动力学模型。
鉴于纳米材料的高表面能、难分散的问题,本研究根据纳米ATO粒子在液相中的分散稳定机理,采用分散剂结合球磨技术,将纳米ATO粒子分散于水相中,制备稳定分散的纳米ATO水分散浆料,研究结果表明:在pH7.0时,0.6(wt)%阴离子表面活性剂聚丙烯酸钠(SPA)对ATO粒子分散稳定性较好。然而,由于纳米ATO的亲水性及其与有机基体的不相容等问题,本研究采用γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷(MPS)对纳米ATO的表面进行亲油改性。经过FTIR、XPS、TG/DSC分析,结果表明:在ATO纳米粒子表面接枝上了一层约7.18-7.53wt%的MPS后,改性后的ATO粒子亲油性能有了大幅度的提高,能够稳定分散于正丁醇中,100小时内不发生明显沉降。
由于共混法制备复合涂料中存在的相分离问题,为了提高纳米ATO在涂料相容性,将改性后的纳米ATO粉体分散于丙烯酸单体中,在本研究的工艺条件下采用原位细乳液聚合法成功制得稳定的、粒径在100nm以下且粒径分布较窄的核-壳结构的ATO/聚丙烯酸酯复合涂料。经过FTIR、XRD、TG/DSC以及TEM分析,研究结果表明:ATO/聚丙烯酸酯(ATO/PMB)复合乳液具有明显的核壳结构,复合涂料涂膜仍然具有ATO典型的四方型金红石结构;纳米ATO的引入,复合涂料的涂膜力学性能、耐水性、耐热性能均有较大幅度的提高。复合涂料的透明隔热性能研究表明:涂膜具有较高的透明性以及优异的隔热性能,10%ATO含量的复合树脂膜的可见过透过率仍可达82.3%,而且近红外热辐射的阻隔率也超过60%以上,在长达7.5小时的碘钨灯的照射实验中,经过10%ATO含量的隔热膜保护的室内可降温可达6℃以上。因此,本研究制得的ATO/PMB复合涂料,能够在较长时间内维持室内相对低的温度(温差能保持6℃左右),在炎热的夏天给人们一个清凉的室内环境。在全球能源日益短缺的今天,对建筑物的节能有着重要的意义。