掺杂锑/铋二氧化锡纳米粉体的制备及其在透明隔热涂料中的应用

摘要

进入21世纪以来，随着我国经济的快速增长，能源和环境问题已经越来越严重地制约着我国国民经济的快速健康发展。传统建筑物玻璃隔热效果差，是造成建筑物能量损失原因之一。因此，研制开发新型节能产品，降低空调负荷，对缓解我国现阶段能源紧缺具有非常重要的意义。 本文在对前人研究成果进行总结的基础上，利用纳米材料优良的电、光、热等性能将具有光谱选择性的锑掺杂二氧化锡(ATO)和铋掺杂二氧化锡(BTO)无机纳米材料与有机硅改性水性聚氨酯分别采用共混法和原位聚合法制备并获得具有透明、隔热等多功能性水性环境友好纳米涂料。与低辐射玻璃和高性能贴膜相比，该水性纳米涂料生产工艺简单，使用方便，成本较低，具有较好的经济效益。 液相共沉淀法由于其具有设备简单、成本低、工艺流程短、操作方便、产率高和产品质量好的优点而被普遍接受。基于对液相共沉淀法制备无机纳米粒子的化学原理的研究，本文采用液相共沉淀法制备ATO纳米粉体。研究了锑掺杂比、沉淀剂类型、反应pH值、前驱体后处理方式及煅烧温度等对产物晶型、粒径大小及导电性能的影响，通过对前驱体煅烧过程的晶体生长动力学的研究，获得了煅烧温度对晶粒粒径变化的规律。首次提出将絮凝剂PAM运用于纳米前驱体的后处理，研究了絮凝剂聚丙烯酰胺(PAM)对纳米ATO前驱体固液相分离过滤速度和产物ATO粒径的影响及其相互作用机理。研究结果表明采用适量PAM对纳米ATO前驱体进行絮凝处理，不但能显著地加快纳米ATO前驱体的固液相分离，缩短分离过滤时间，还能有效地抑制硬团聚的形成。 采用液相共沉淀法首次制备了BTO纳米粉体。研究了煅烧温度、掺杂比及后处理方法对产物的物相、晶貌、光学性能、电学性能及粒径大小的影响。结果表明当对BTO前驱体采用超声波分散、正丁醇．苯共沸回流和蒸馏(DRD)相结合的脱水处理工艺，使前驱体颗粒表面及内部的水分子被具有较低表面张力和较大的空间位阻的正丁基所取代，减弱了粉体形成硬团聚的机会；采用微波干燥技术对粉体进行整体干燥，有效地消除粉体的硬团聚。 以自制纳米ATO、BTO分散浆料和水性聚氨酯为原料，采用共混法制备纳米ATO、BTO水性聚氨酯复合材料。运用zeta电位仪、激光粒度仪和TEM等研究了纳米ATO、纳米BTO的zeta电位分布及其分散情况。结果表明对于纳米．ATO在水相中的分散采用硅烷偶联剂Z-6042与油酸钠复合作为分散剂具有较好的分散效果；对于纳米BTO采用硅烷偶联剂KH-550进行分散处理，能获得稳定的水性分散浆料。采用紫外-可见-近红外分光光度计和自制的隔热测试装置等研究了纳米ATO、BTO水性聚氨酯复合材料的光学性能和热学性能。采用原位聚合法制备了纳米ATO/水性聚氨酯复合材料。讨论了反应条件(温度、原料配比等)对产物性能的影响，研究了纳米ATO存在下对聚氨酯合成反应动力学的影响。研究表明体系中添加了纳米ATO粉体后，由于纳米ATO的高度反应活性及其表面的Sn原子具有催化反应特性，降低了体系反应的活化能，加快了反应速率。 通过对太阳辐射的分析，研究了太阳辐射在建筑玻璃的传热规律，建立了反映透明隔热涂层体系的辐射传热数学模型，并通过实验对数学模型进行了验证，结果与实验值基本吻合。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1前言

1.2太阳光谱分布及光谱选择性作用机理

1.2.1太阳光谱分布

1.2.2太阳光对固体物质的作用

1.2.3透明隔热材料的光学、热学作用机理

1.3纳米粒子的特性及其制备方法

1.3.1纳米粒子的特性

1.3.2纳米氧化物的制备方法

1.4透明隔热材料的选择及制备

1.4.1无机材料的选择

1.4.2无机固溶体

1.4.3纳米二氧化锡及其掺杂体系的研究

1.4.4有机成膜物的选择及制备

1.5透明隔热纳米涂料的研究进展

1.5.1纳米涂料的基本概念

1.5.2国内外透明隔热纳米涂料的研究进展

1.5.3纳米涂料的制备

1.6本论文的研究背景、研究内容和研究意义

1.6.1本论文的研究背景和研究意义

1.6.2本课题研究的主要研究内容

1.6.3本项目的创新之处

第二章液相共沉淀法制备锑掺杂二氧化锡纳米粒子及其性能表征

2.1引言

2.2液相共沉淀法制备纳米粒子的化学原理

2.2.1晶粒的形成

2.2.2晶粒的长大

2.2.3陈化

2.3实验部分

2.3.1试剂及仪器

2.3.2纳米ATO合成工艺

2.3.3测试与表征

2.4结果与讨论

2.4.1不同掺杂比对产物物相及粒度分布的影响

2.4.2反应pH值对粉体粒径的影响

2.4.3不同沉淀剂对ATO粉体的粒径影响

2.4.4前驱体后处理工艺对产物性能的影响

2.4.5煅烧温度对产物粒度的影响

2.4.6前驱体煅烧过程的晶体生长动力学研究

2.4.7纳米ATO导电性能影响因素分析

2.4.8产物的紫外可见近红外漫反射光谱分析

2.5本章小结

第三章铋掺杂纳米二氧化锡粉体的制备及性能表征

3.1引言

3.2实验部分

3.2.1原料及仪器

3.2.2液相共沉淀法制备纳米BTO粉体

3.3结果与讨论

3.3.1前驱体煅烧温度的确定

3.3.2前驱体后处理工艺对产物性能的影响

3.3.3煅烧温度对产物物相和粒度分布的影响

3.3.4不同掺杂比对产物物相及粒度分布的影响

3.3.5纳米BTO导电性能影响因素分析

3.3.6产物的紫外-可见-近红外漫反射光谱分析

3.4本章小结

第四章絮凝剂PAM于纳米前驱体作用机理研究

4.1引言

4.2有机高分子絮凝剂对纳米前驱体的絮凝作用机理

4.2.1化学絮凝剂分类及类型

4.2.2有机高分子絮凝剂与纳米前驱体颗粒的键合作用

4.2.3有机高分子絮凝剂的作用机理

4.3实验部分

4.3.1原料及仪器

4.3.2 ATO制备及其前驱体的后处理

4.3.3测试及表征

4.4结果与讨论

4.4.1 PAM类型对前驱体的分离速率的影响

4.4.2 PAM加入量对前驱体的絮凝沉降能力的影响

4.4.3 PAM分子量及其电荷性质对前驱体浆料的絮凝沉降能力的影响

4.4.4 PAM类型对ATO粒径的影响

4.4.5 PAM用量对ATO粒径的影响

4.4.6 PAM分子量及其电荷性质对ATO粒径的影响

4.4.7 PAM抗团聚作用机理分析

4.5本章小结

第五章纳米粉体-水性聚氨酯有机-无机复合材料的研究

5.1引言

5.2实验部分

5.2.1原料与试剂

5.2.2纳米BTO、ATO/水性聚氨酯复合材料的制备

5.3结果与讨论

5.3.1纳米BTO水性浆料的Zeta电位

5.3.2纳米BTO的分散及其作用机理研究

5.3.3纳米BTO/PU力学性能

5.3.4 Nano-BTO/PU复合材料的光学性能

5.3.5 Nano-BTO/PU复合涂层的隔热效果

5.3.6纳米ATO水性浆料的Zeta电位

5.3.7分散剂种类对纳米ATO分散影响

5.3.8分散剂的用量对纳米ATO分散影响

5.3.9 PU/nano-ATO纳米复合材料的光学性能

5.3.10 Nano-ATO/PU复合涂层的隔热效果

5.4正交实验优选纳米涂料配方

5.4.1优选ATO/水性PU纳米涂料配方

5.4.2优选BTO/水性PU纳米涂料配方

5.5本章小结

第六章Nano-ATO/水性聚氨酯复合材料的原位聚合及其动力学研究

6.1前言

6.2实验部分

6.2.1原料与试剂

6.2.2 Nano-ATO/水性聚氨酯复合材料的制备

6.2.3性能测试与表征

6.3结果与讨论

6.3.1聚合反应温度的确定

6.3.2 NCO/OH摩尔比的确定

6.3.3中和度的确定

6.3.4聚氨酯的有机硅改性对漆膜附着力的影响

6.3.5有机硅改性水性聚氨酯DSC分析

6.4纳米ATO对反应动力学的研究

6.4.1无纳米粉体参与下-NCO与-OH氨酯化反应的动力学研究

6.4.2纳米粉体参与下的-NCO与-OH氨酯化反应动力学研究

6.4.3纳米ATO对-NCO与-OH氨酯化反应的催化作用

6.5本章小结

第七章有机-无机复合材料用于建筑物的辐射传热数学模型的建立

7.1引言

7.2太阳光对玻璃窗的辐射作用

7.3透明隔热涂层体系的传热数学模型

7.3.1传热数学模型的建立

7.3.2传热数学模型的求解

7.4数学模型参数的确定

7.5隔热性能影响因素

7.5.1树脂类型对隔热性能的影响

7.5.2纳米材料含量对隔热性能的影响

7.5.3纳米材料种类对隔热性能的影响

7.6本章小结

结论与建议

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢

评定意见