一种群青材料及其制备方法、近红外高反射的蓝色涂层及其制备方法与流程

[0001]
本发明属于材料领域，尤其涉及一种颜料及其制备方法、涂层其制备方法。


背景技术：

[0002]
为了满足人们的审美需求，越来越多的建筑和设备表面粉刷了有颜色的涂层。然而在炎热的夏季，由于太阳辐射作用，会使建筑物表面升温，降低了室内工作者的环境舒适度。常用的解决方案是使用空调等降温设备进行降温，但这会造成大量的能源消耗。太阳辐射的能量有52％分布于近红外波段(780-2500nm)。对于有颜色的涂层来说，若能最大程度的反射近红外波段的能量，那么就可以有效的降低建筑物对太阳能量的吸收，减少能源消耗。
[0003]
蓝色涂层作为一种被广泛使用的涂层，与其相关的在近红外波段具有高反射率的材料也有相关报道，但普遍存在反射率低，制备工艺复杂，成本较高等问题，并不适合大规模推广使用。


技术实现要素：

[0004]
本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种在近红外波段具有高反射率、制备工艺简单、成本低的群青材料及其制备方法、近红外高反射的蓝色涂层及其制备方法。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
[0005]
一种用于制备近红外高反射的蓝色涂层的群青材料，包括以下重量份的原料：
[0006][0007]
上述群青材料中，优选的，所述硫磺粉和无水碳酸钠的质量比为1：(0.1-0.2)，所述4a分子筛和石英粉的质量比为(4-8)：1。本发明中，碳酸钠和s的比值是制备成本发明中群青材料的关键，优选的，硫磺粉和无水碳酸钠的质量比为1：(0.1-0.2)。本发明中，为了使群青材料达到在近红外波段具有高反射率的目的，需要加入石英粉调控群青材料的成分、尺寸和形貌。通过控制4a分子筛和石英粉的质量比为(4-8)：1，可以确保本发明群青材料的原料满足需求。
[0008]
上述群青材料中，优选的，所述群青材料呈椭球状，尺寸分布在1-3微米之间。
[0009]
本发明中的群青材料的晶粒形状规则并且尺寸分布范围较窄，其相比于常规商用群青蓝材料，在近红外波段的反射率明显提升。
[0010]
作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述群青材料的制备方法，包括以下
步骤：
[0011]
(1)将4a分子筛、石英粉、硫磺粉、无水碳酸钠和松香经过混合压实，得到混合料；
[0012]
(2)对步骤(1)中的混合料进行一段低温热处理和二段高温热处理后，再经冷却、提纯即得到所述群青材料。
[0013]
上述制备方法中，优选的，所述一段低温热处理的温度为400-500℃，升温速度为5-8℃/分钟，时间为20-60min；所述二段高温热处理的温度为950-1000℃，升温速度为5-8℃/分钟，时间为1-3h。本发明采用上述两段热处理过程有利于反应原料反应更加充分，产物更加纯净，杂质含量更少，得到的群青类材料为椭球状，尺寸分布较窄，群青材料在近红外波段的反射率更高。上述两段热处理的温度需要严格控制，尤其是二段高温热处理时，温度过高或过低对产品在近红外波段的反射率均有较大的影响。
[0014]
上述制备方法中，优选的，所述提纯时采用亚硫酸钠沸腾液进行提纯，所述亚硫酸钠沸腾液中亚硫酸钠与去离子水的质量比为1：(30-50)。本发明中，由于初级产品中存在较多的杂质，需要进一步的提纯处理。利用亚硫酸钠沸腾液可以达到较好的提纯效果。
[0015]
作为一个总的技术构思，本发明还提供一种近红外高反射的蓝色涂层，所述蓝色涂层主要由椭球状群青材料与成膜剂组成，所述蓝色涂层在近红外波段的反射率为75-90％。所述椭球状群青材料为上述前文中的群青材料。现有常规蓝色涂层在近红外波段的反射率为60-70％，本发明通过对群青材料的成分、尺寸和形貌进行优化改进，可以反射太阳在近红外波段的大部分能量，降温效果更加明显。
[0016]
作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述近红外高反射的蓝色涂层的制备方法，包括以下步骤：
[0017]
(1)将成膜剂溶解，再加入椭球状群青材料，搅拌得到均匀混合的溶液；
[0018]
(2)将步骤(1)中得到的均匀混合的溶液刮涂成膜，然后干燥固化(优选在真空条件下)，即得到所述近红外高反射的蓝色涂层。
[0019]
上述制备方法中，优选的，所述成膜剂为聚偏氟乙烯，控制所述椭球状群青材料与成膜剂的质量比为1：(0.1-0.5)；所述成膜剂溶解为将成膜剂加入98％的n-甲基吡咯烷酮溶液中搅拌溶解，控制搅拌温度为20-40℃，搅拌时间为3-6h，控制所述n-甲基吡咯烷酮与4a分子筛的质量比为(1.5-3)：1。椭球状群青材料与成膜剂控制在上述配比可以保证成膜效率，外观整洁可用，成膜后均匀，易干燥。
[0020]
上述制备方法中，优选的，搅拌得到均匀混合的溶液时，控制搅拌温度为20-50℃，搅拌时间为3-10h；所述干燥固化时，控制加热温度为50-130℃。
[0021]
本发明基于以下原理：1)材料或者有色涂料，常被广泛用于具有颜色需求的墙体以及构件表面，以满足人们的要求。然而常用的该类材料在太阳光谱波段反射率较低，在炎热的夏季，会吸收太阳辐射热量(太阳辐射能量的5％分布于紫外波段(200-380nm)，43％分布于可见光波段(380-780nm)，52％分布于近红外波段(780-2500nm))，导致建筑物温度偏高。本发明中提出了一种形貌为椭球状的群青材料，该材料最高可以反射太阳在近红外波段75-90％的能量，达到降温以及减少能源消耗的目的。2)材料在近红外波段的反射率主要受其成分、尺寸和形貌的影响。在本发明中，所合成的群青类材料为椭球状，尺寸分布较窄，该形貌、尺寸与商用群青材料相比，对近红外波段太阳光谱的反射率更高。该群青材料是以4a分子筛为原料进行制备，4a分子筛在经过高温热处理后，其内部结构发生改变，结构内部
本来存在的具有强吸水能力的α笼结构消失，再加上该材料不含-ch、-nh和-oh键等在近红外波段具有能量吸收的官能团，因此其在近红外波段无吸收，具有较高的反射率。3)本发明将聚偏四氟乙烯作为成膜材料，由于聚偏氟乙烯内部c-h键较少，因此在近红外波段对太阳光谱吸收能力较弱，并且其具有一定的热稳定性以及环境适用性，经与分子筛混合可以制成降温涂层。
[0022]
与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0023]
1、本发明所合成的群青材料在近红外波段具有高反射率，可以反射75-90％的太阳在近红外波段的能量，可以最大化的减少涂层本身对太阳热量的吸收，达到减少能源消耗的目的。
[0024]
2、本发明提供的近红外高反射的蓝色涂层的成型方法简便高效，通过简单的刮涂成膜，经烘干后就可以附着在墙体以及各种构件的表面，不但能达到人们对审美的需求，而且还兼具降温以及减少能源消耗的目的。
附图说明
[0025]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0026]
图1为实施例1中椭球状群青材料的可见光图片以及l*，a*，b*值。
[0027]
图2为实施例1中椭球状群青材料的sem图。
[0028]
图3为实施例1中椭球状群青材料的粒径分布图。
[0029]
图4为实施例1中椭球状群青材料在太阳光谱波段的反射率曲线图。
[0030]
图5为实施例2中椭球状群青材料的sem图。
[0031]
图6为实施例2中椭球状群青材料在太阳光谱波段的反射率曲线图。
[0032]
图7为实施例3中椭球状群青材料的sem图。
[0033]
图8为实施例3中椭球状群青材料在太阳光谱波段的反射率曲线图。
[0034]
图9为对比例1中合成材料的可见光图片。
[0035]
图10为对比例1中合成材料的sem图。
[0036]
图11为对比例1中合成材料在太阳光谱波段的反射率曲线图。
[0037]
图12为对比例2中合成材料的可见光图片。
[0038]
图13为对比例2中合成材料在太阳光谱波段的反射率曲线图。
[0039]
图14为实施例1中合成群青材料与商用群青材料在太阳光谱波段的反射率对比图。
[0040]
图15为应用实施例中测温装置的实物图。
[0041]
图16为实施例1中合成群青材料与商用群青材料所制备的涂层在红外灯照射下30分钟，铝板内壁的温度变化曲线。
[0042]
图17为图16中所示两条温度曲线的差值。
具体实施方式
[0043]
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
[0044]
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
[0045]
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
[0046]
实施例1：
[0047]
一种近红外高反射的蓝色涂层，蓝色涂层主要由椭球状群青材料与成膜剂组成，且椭球状群青材料与聚偏氟乙烯的质量比为8.5：1.5。
[0048]
上述椭球状群青材料的原料包括2.5g 4a分子筛，3g硫磺粉，0.6g碳酸钠，0.5g石英粉和0.3g松香。
[0049]
上述椭球状群青材料的合成方法为：将2.5g 4a分子筛，3g硫磺粉，0.6g碳酸钠，0.5g石英粉，0.3g松香研磨并混合。将混合均匀的材料倒入有盖的石英坩埚中并压实，然后将石英坩埚放入到马弗炉中进行热处理，热处理程序为：从室温升温至450℃，并保温30分钟，然后继续升温到980℃后保温2h，控制上述升温速率均为5℃/min，然后坩埚随炉冷却，得到初级产品。然后需要对所得到的产品进行提纯，提纯工艺为：将初级产品加入到沸腾的亚硫酸钠溶液中，进行清洗过滤，然后用去离子水对样品进行清洗，直至过滤液的ph值小于9。将所得到的材料放入烘箱中100℃烘干6h得到本实施例中的椭球状群青材料。
[0050]
上述近红外高反射的蓝色涂层的制备方法，包括以下步骤：
[0051]
(1)将1.5g粉末状聚偏氟乙烯加入到20ml98％的n-甲基吡咯烷酮溶液中进行磁力搅拌，直至形成均匀混合的溶液，然后加入8.5g椭球状群青蓝材料，在25℃下搅拌5h得到均匀混合的溶液；
[0052]
(2)使用刮膜器将步骤(1)中得到的均匀混合的溶液刮涂到铝板上，放置于真空干燥箱中，70℃下真空干燥6h，即得到上述近红外高反射的蓝色涂层。
[0053]
图1中示出了本实施例所合成的椭球状群青材料在可见光下的图片，材料颜色为深蓝色，l*＝39.4，a*＝11.5，b*＝-30.5。
[0054]
本实施例中所合成的群青材料的sem图以及样品尺寸分布如图2、图3所示，从图中可以看出，所合成材料的形貌为椭球状，尺寸主要分布在1-3微米区间。表明在该实验方法的指导下，合成的材料尺寸比较均匀。
[0055]
本实施例中的近红外高反射率涂层在太阳光谱波段(0.25-2.5μm)的反射率曲线如图4所示，由图可知，由于该材料显蓝色，因而其在可见光波段有反射率较低，在近红外波段(780-2500nm)材料具有较高的反射率，经计算得知，该材料在太阳光谱近红外波段的反射率达到了80.7％，表明了该材料可以制备成具有近红外波段高反射的涂层。
[0056]
实施例2：
[0057]
一种近红外高反射的蓝色涂层，蓝色涂层主要由椭球状群青材料与成膜剂组成，且椭球状群青材料与聚偏氟乙烯的质量比为8.5：1.5。
[0058]
上述椭球状群青材料的原料包括2.5g 4a分子筛，3g硫磺粉，0.3g碳酸钠，0.5g石
英粉和0.3g松香。
[0059]
上述椭球状群青材料的合成方法为：将2.5g 4a分子筛，3g硫磺粉，0.3g碳酸钠，0.5g石英粉，0.3g松香研磨并混合。将混合均匀的材料倒入有盖的石英坩埚中并压实，然后将石英坩埚放入到马弗炉中进行热处理，热处理程序为：从室温升温至450℃，并保温30分钟，然后继续升温到950℃后保温1h，控制上述升温速率均为5℃/min，然后坩埚随炉冷却，得到初级产品。然后需要对所得到的产品进行提纯，提纯工艺为：将初级产品加入到沸腾的亚硫酸钠溶液中，进行清洗过滤，然后用去离子水对样品进行清洗，直至过滤液的ph值小于9。将所得到的材料放入烘箱中100℃烘干6h得到本实施例中的椭球状群青材料。
[0060]
上述近红外高反射的蓝色涂层的制备方法，包括以下步骤：
[0061]
(1)将1.5g粉末状聚偏氟乙烯加入到20ml98％的n-甲基吡咯烷酮溶液中进行磁力搅拌，直至形成均匀混合的溶液，然后加入8.5g椭球状群青蓝材料，在25℃下搅拌5h得到均匀混合的溶液；
[0062]
(2)使用刮膜器将步骤(1)中得到的均匀混合的溶液刮涂到铝板上，放置于真空干燥箱中，70℃下真空干燥6h，即得到上述近红外高反射的蓝色涂层。
[0063]
本实施例中所合成的群青材料的sem图如图5所示，从图中可以看出，所合成材料的形貌为椭球状，尺寸主要分布在1-3微米区间。表明在该实验方法的指导下，合成的材料尺寸比较均匀。
[0064]
本实施例中的近红外高反射率涂层在太阳光谱波段(0.25-2.5μm)的反射率曲线如图6所示，由图可知，由于该材料显蓝色，因而其在可见光波段有反射率较低，在近红外波段(780-2500nm)材料具有较高的反射率，经计算得知，该材料在太阳光谱近红外波段的反射率达到了76.9％，表明了该材料可以制备成具有近红外波段高反射的涂层。
[0065]
实施例3：
[0066]
一种近红外高反射的蓝色涂层，蓝色涂层主要由椭球状群青材料与成膜剂组成，且椭球状群青材料与聚偏氟乙烯的质量比为8.5：1.5。
[0067]
上述椭球状群青材料的原料包括2.5g 4a分子筛，3g硫磺粉，0.5g碳酸钠，0.5g石英粉和0.3g松香。
[0068]
上述椭球状群青材料的合成方法为：将2.5g 4a分子筛，3g硫磺粉，0.5g碳酸钠，0.5g石英粉，0.3g松香研磨并混合。将混合均匀的材料倒入有盖的石英坩埚中并压实，然后将石英坩埚放入到马弗炉中进行热处理，热处理程序为：从室温升温至450℃，并保温30分钟，然后继续升温到950℃后保温2h，控制上述升温速率均为5℃/min，然后坩埚随炉冷却，得到初级产品。然后需要对所得到的产品进行提纯，提纯工艺为：将初级产品加入到沸腾的亚硫酸钠溶液中，进行清洗过滤，然后用去离子水对样品进行清洗，直至过滤液的ph值小于9。将所得到的材料放入烘箱中100℃烘干6h得到本实施例中的椭球状群青材料。
[0069]
上述近红外高反射的蓝色涂层的制备方法，包括以下步骤：
[0070]
(1)将1.5g粉末状聚偏氟乙烯加入到20ml98％的n-甲基吡咯烷酮溶液中进行磁力搅拌，直至形成均匀混合的溶液，然后加入8.5g椭球状群青蓝材料，在25℃下搅拌5h得到均匀混合的溶液；
[0071]
(2)使用刮膜器将步骤(1)中得到的均匀混合的溶液刮涂到铝板上，放置于真空干燥箱中，70℃下真空干燥6h，即得到上述近红外高反射的蓝色涂层。
[0072]
本实施例中所合成的群青材料的sem照片如图7所示，从图中可以看出，所合成材料的形貌为椭球状，尺寸主要分布在1-3微米区间。表明在该实验方法的指导下，合成的材料尺寸比较均匀。
[0073]
本实施例中的近红外高反射率涂层在太阳光谱波段(0.25-2.5μm)的反射率曲线如图8所示，由图可知，由于该材料显蓝色，因而其在可见光波段有反射率较低，在近红外波段(780-2500nm)材料具有较高的反射率，经计算得知，该材料在太阳光谱近红外波段的反射率达到了75.3％，表明了该材料可以制备成具有近红外波段高反射的涂层。
[0074]
对比例1：
[0075]
在本对比例中，改变了原材料中碳酸钠的用量为0.2g，其他条件均与实施例1相同。
[0076]
图9中示出了本对比例中所合成的群青材料在可见光下的图片，材料颜色为绿色。
[0077]
本实施例中所合成的群青材料的sem图如图10所示，从图中可以看出，所合成材料的形貌为球状与方形的混合结构。
[0078]
利用本对比例中的群青材料制备得到的近红外高反射率涂层在近红外波段(0.25-2.5μm)的反射率曲线如图11所示，由图可知，当碳酸钠的含量不能满足钠离子与硫离子的比例时，所合成的材料的反射率低于预期，在近红外波段的反射率为73.6％。
[0079]
对比例2：
[0080]
在本对比例中，改变了二段高温热处理的温度为700℃。其他条件均与实施例1相同。
[0081]
图12中示出了本对比例中所合成的群青材料在可见光下的图片，材料颜色为黑灰色。
[0082]
利用本对比例中的群青材料制备得到的近红外高反射率涂层在近红外波段(0.25-2.5μm)的反射率曲线如图13所示，由图可知，当二段高温热处理温度过低时，在近红外波段的反射率为43.5％。
[0083]
应用实施例：
[0084]
将实施例1中合成的椭球状群青材料与商业采购的群青材料做对比，两者在太阳光谱波段的反射率如图14所示，两者通过实施例1中提供的方法制备成涂层，将覆盖有群青材料的铝板放在具有保温作用箱子上部，用温度传感器测试铝板背面的温度，以测试两种不同材料的降温效果。测试装置如图15所示。
[0085]
将两组样品放在红外灯下照射30分钟，测试降温效果如图16所示，通过图中可以看出在30分钟的时间内，在前10分钟，两种材料的温度上升都比较快，在后10分钟时，温度趋于平稳，并且两种材料的表面存在明显的温差。温差大小如图17所示，可以看出最大温差达到了2℃，平均温差在1℃左右。
[0086]
此结果表明利用利用实施例1中得到的椭球状群青材料制备的涂层，在太阳光谱的近红外波段具有高反射率，能够起到降温，节约能源的目的，作用效果优于商用群青材料。

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