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TiO2 修饰空心玻璃微珠隔热涂料的制备及其性能表征
陆洪彬 冯春霞 李文丹 杨凤玲 焦宝祥(盐城工学院材料工程学院江苏省生态环境材料重点实验室,盐城224051)
空心玻璃微珠是一种薄壁、密封的玻璃球壳体,由于其内部是真空或者含有N2 、CO2 气体,具有轻质、高强、隔音、隔热、绝缘等特性,日渐成为建材、宇航、电子、煤炭、冶金等领域中的重要填料[1 ] 。将空心玻璃微珠应用于涂料中,待涂料干燥后,中空微珠紧密排列起来,形成一个完整的空心隔离层,不仅具有良好的隔热效果,还具有优异的隔音效果。然而,空心玻璃微珠真密度仅为250～400kg/ m3 ,将其直接加入水性涂料体系中,空心玻璃微珠易上浮在涂料表面形成结膜而降低涂料的均匀性。因此,通过对空心玻璃微珠表面进行修饰,实现其在涂料体系中的均匀分散,是当前实现空心玻璃微珠应用及其功能化的有效方法之一。TiO2 是涂料中最广泛使用的一种重要颜料,它常温下几乎不与其它物质反应,不溶于水、脂肪,也不溶于酸、碱,能够赋予涂料优良的耐候性和光泽度。早在上世纪90 年代,科学家就已经证实了纳米TiO2 具有光催化特性,即在光作用下,纳米TiO2 可发生连续的氧化还原反应,最终有机污染物将解为CO2 和水[2 ] 。因此,纳米TiO2 在有害气体的净化以及废水处理等领域具有潜在应用价值。常见的TiO2 晶型有锐钛矿型和金红石型两种,锐钛矿型的质量密度(3 894g cm- 3 ) 略小于金红石型(4250g cm- 3 ) ,带隙(33eV) 略大于金红石型(31eV) , 对O2 的吸附能力和催化活性优于金红石型TiO2[3 ] 。基于核2壳复合材料的设计思路[426 ] ,本研究尝试运用非均相沉淀法将TiO2 淀积于空心玻璃微珠表面。通过这种功能化的复合,一方面增加空心玻璃微珠的密度,提高其在涂料体系中的悬浮性和均匀性;另一方面,TiO2 修饰后的空心玻璃微珠隔热涂料功能多元化,同时具备热反射、热阻隔和光催化等特性。
1 实验部分111 主要原料空心玻璃微珠(10～100m ,广州兆通玻璃微珠商行) 、硫酸钛(化学纯,上海南汇彭镇营房化工厂) 、十二烷基苯磺酸钠(分析纯,宜兴市第二化学试剂厂) 、氨水(分析纯,无锡市亚盛化工有限公司) 、纯丙乳液(江苏日出化工有限公司) 、涂料助剂(BYK公司) 、铝板(05mm 厚) 。
112 试验方法称取空心玻璃微珠3g 与30mL 水进行混合,在该混合溶液中加入013g 十二烷基苯磺酸钠,置于磁力搅拌机上搅拌得到空心玻璃微珠的悬浮液。控制一定的反应温度向悬浮液中滴加300mL 的011mol/ L 的硫酸钛溶液,用氨水调整体系的p H 值,反应持续6h ,静置一定时间,抽滤并洗涤至滤液中加入碱金属氢氧化物无白色沉淀为止。将抽滤所得粉料在110～120 ℃下干燥,并在600～1000 ℃煅烧3h 制得TiO2 修饰空心玻璃微珠。结合前期对阻隔型隔热涂料的研究结果[728 ] ,将本研究的TiO2 修饰后的空心玻璃微珠作为功能填料按表1 配方配制隔热涂料。将外购的厚度为015mm 的薄铝板裁剪成10cm 10cm 的正方形,去掉边角的飞边和毛刺,将配制的隔热涂料分3 道均匀涂刷于铝板表面。
113 性能测试与表征运用XRD 分析TiO2 修饰空心玻璃微珠的相组成;通过SEM 观察TiO2 修饰空心玻璃微珠的微结构;采用自制热反射比测试装置按相关文献[728 ] 报道的方法测定隔热涂料的热反射比。将涂料涂刷于气体催化反应器的样板上,使用300W中压汞灯为光源,向反应器内通入一定量浓度为C0 的甲醛气体,每隔一段时间用Agilent 6890 气相色谱仪分析并记录反应器内甲醛浓度C ,甲醛浓度用ppm 表示。
2 结果与讨论2 1 TiO2 修饰空心玻璃微珠的性能表征2 1 1 XRD 分析图1 是修饰反应前和在反应温度为60 ℃、p H = 7 修饰反应后空心玻璃微珠的XRD 图。未经过TiO2 修饰的空心玻璃微珠无明显衍射峰存在(图1a) ,其主要组成非晶态。而伴随煅烧温度由600 ℃升高到800 ℃(图1b～d) ,空心玻璃微珠表面锐钛矿型TiO2 (101) 晶面衍射峰逐渐增强;当煅烧温度继续升高到900 ℃(图1e) ,表面修饰的空心玻璃微珠开始出现金红石型TiO2 衍射峰;而经过1000 ℃煅烧后(图1f) ,其表面的锐钛矿型TiO2 则完全转变为金红石。如前所述发生高温软化,导致修饰体变形,相互之间发生烧结和团聚,最终影响其在涂料体系中的分散性和其他性能。因此, TiO2修饰空心玻璃微珠煅烧温度宜控制在600 ℃左右。锐钛矿型TiO2 的光催化性能优于金红石。为了获得锐钛矿型TiO2 修饰空心玻璃微珠,煅烧温度应控制在600～800 ℃。然而,试验发现,当煅烧温度高于600 ℃, TiO2 修饰空心玻璃微珠因核体发生高温软化,导致修饰体变形,相互之间发生烧结和团聚,最终影响其在涂料体系中的分散性和其他性能。因此, TiO2修饰空心玻璃微珠煅烧温度宜控制在600 ℃左右。
