CN102627874A - 一种低明度和低红外发射率复合结构颜料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种低明度和低红外发射率复合结构颜料及其制备方法，属于功能材料技术领域。所述复合结构颜料为一种表面包覆纳米氧化铬颗粒的铝粉，利用纳米氧化铬颗粒遮盖铝粉表面的金属光泽，适当降低铝粉的高红外反射能力，从而得到低明度和低红外发射率的复合结构颜料。本发明采用化学沉淀法加煅烧工艺在铝粉表面沉积纳米氧化铬颗粒，所制备的复合结构颜料在大气探测窗口(8-14μm)范围内具有较低的明度(72.1～53.6)和红外发射率(0.71～0.43)，可作为多波段(可见光与红外波段)红外伪装涂料的主体填料用。

Description

一种低明度和低红外发射率复合结构颜料及其制备方法

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，涉及节能材料，尤其是适用于节能装饰涂料。发明包含一种具有低明度和红外低发射率复合颜料及其制备方法。

背景技术

随着工业生产的快速发展，能源问题带来的矛盾在现代社会日益突出。人们也越发提倡高效集约的使用能源。采用环保节能材料和技术能够有效提高能源的利用效率。在不远的将来，节能材料的广泛使用将是一种重要趋势。

因为铝具有价格低廉、延展性、密度小等优点，微米级铝粉被广泛用作普通涂层的颜料。金属铝对红外辐射波和可见光的高反射特性，可能使其成为一种在未来被广泛使用的节能材料。如采用含铝粉颜料的装饰涂层能够有效减少建筑外立面对太阳辐射波的吸收，降低建筑物表面热量的聚集，对建筑物起到隔热保温的作用。较高的热红外反射率也使铝粉成为一种重要的红外伪装填料。如上世纪八十年代起，西方国家都在红外隐身涂料中加入大量铝箔片，以降低目标红外发射率。

铝粉在装饰涂料和红外伪装涂层中的应用空间主要受限于铝的颜色泛白、高金属光泽等特性。为了克服应用中的缺陷，通常的做法是在涂料中添加着色颜料以掩盖铝粉的光泽并调制涂层的颜色。但着色颜料通常具有的红外高发射特性使得涂层的红外低发射性能下降。

因此，一种具有低光泽、红外低发射、较好着色力特性的填料将具有广阔的应用前景。将一种小颗粒材料包覆在另一种材料的大颗粒基体表面，制备核壳结构的复合材料，可使复合材料兼具两种材料的性能。根据朗伯定律：

I＝I₀e^-αd $\mathrm{\α}=\frac{4\mathrm{\π\κ}}{\mathrm{\λ}}---\left(1\right)$

其中α为均匀介质的吸收系数，k为消光系数。公式(1)表明辐射光穿过厚度为d的介质时，其辐射强度I会呈指数衰减，但同一介质对不同波长的辐射吸收效率存在巨大的差异：辐射的波长越短，介质对其的吸收系数越高。根据上式，只需合理控制铝片表面颗粒包覆层的厚度，红外光就能以较小的损耗穿过颗粒层到达铝片表面，从而保持高红外反射率；波长较短的可见光穿透介质时大部分被介质损耗，使得材料的明度降低。最终实现复合材料的红外低发射、低明度特性。

发明内容

本发明提供一种低明度和低红外发射率复合结构颜料，所述复合结构颜料为一种表面包覆纳米氧化铬颗粒的铝粉，利用纳米氧化铬颗粒遮盖铝粉表面的金属光泽，适当降低铝粉的高红外反射能力，从而得到低明度和低红外发射率的复合结构颜料。所述复合结构颜料由于具有较低的明度和红外发射率，使得该复合结构颜料可作为多波段(可见光与红外波段)红外伪装涂料的主体填料用。本发明同时提供该复合结构颜料的制备方法，该方法采用化学沉淀法加煅烧工艺在铝粉表面沉积纳米氧化铬颗粒，具有成本低廉、易于实现的特点。

本发明的实质是将一种小颗粒材料附着在另一种材料的大颗粒基体表面，制备核壳结构的复合材料，使复合材料兼具两种材料的性能。在片状铝粉表面附着氧化铬颗粒，降低铝粉的反光特性，同时对铝粉的低红外发射特性影响较小。

本发明技术方案如下：

一种低明度和低红外发射率复合结构颜料，包括片状铝粉和包覆于片状铝粉表面的纳米氧化铬颗粒，采用如下方法制备：

步骤1：采用粒径在1～50微米的漂浮型片状铝粉，用无水乙醇将铝粉泡开并溶解其表面有机物，清洗、过滤、干燥后得到纯净的片状铝粉。

步骤2：将Cr(NO₃)₃·9H₂O溶于无水乙醇，控制Cr离子浓度在0.03～0.2M之间。

步骤3：将步骤1所得纯净的片状铝粉、步骤2所得Cr(NO₃)₃·9H₂O的无水乙醇溶液和乳化剂OP-10混合，控制混合体系中Cr(NO₃)₃·9H₂O与片状铝粉的摩尔比在(0.04～1.0)∶1之间。

步骤4：将步骤3所得混合体系置于20～70℃环境下搅拌反应，搅拌反应过程中滴加无水乙醇稀释的碱性溶液，使混合体系pH值保持在7～9之间；反应完毕后收集沉淀，并经清洗、干燥、研磨得到表面包覆Cr(OH)₃的片状铝粉。

步骤5：将步骤4所得表面包覆Cr(OH)₃的片状铝粉置于400～450℃环境下煅烧处理，得到表面包覆纳米氧化铬颗粒的片状铝粉，即低明度和低红外发射率的复合结构颜料。

上述技术方案中，为了防止纳米氧化铬颗粒在片状铝粉表面团聚，提高氧化铬颗粒在片状铝粉表面的分散性，在对步骤4所得表面包覆Cr(OH)₃的片状铝粉进行步骤5所述煅烧处理之前，可先对步骤4所得表面包覆Cr(OH)₃的片状铝粉进行水热处理，具体水热处理温度在150～200℃之间，时间为4～24小时。

一种低明度和低红外发射率复合结构颜料的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：采用粒径在1～50微米的漂浮型片状铝粉，用无水乙醇将铝粉泡开并溶解其表面有机物，清洗、过滤、干燥后得到纯净的片状铝粉。

步骤2：将Cr(NO₃)₃·9H₂O溶于无水乙醇，控制Cr离子浓度在0.03～0.2M之间。

步骤3：将步骤1所得纯净的片状铝粉、步骤2所得Cr(NO₃)₃·9H₂O的无水乙醇溶液和乳化剂OP-10混合，控制混合体系中Cr(NO₃)₃·9H₂O与片状铝粉的摩尔比在(0.04～1.0)∶1之间。

步骤4：将步骤3所得混合体系置于40～70℃环境下搅拌反应，搅拌反应过程中滴加碱性乙醇溶液，使混合体系pH值保持在7～9之间；反应完毕后收集沉淀，并经清洗、干燥、研磨得到表面包覆Cr(OH)₃的片状铝粉。

步骤5：将步骤4所得表面包覆Cr(OH)₃的片状铝粉置于400～450℃环境下煅烧处理，得到表面包覆纳米氧化铬颗粒的片状铝粉，即低明度和低红外发射率的复合结构颜料。

上述技术方案中，为了防止纳米氧化铬颗粒在片状铝粉表面团聚，提高氧化铬颗粒在片状铝粉表面的分散性，在对步骤4所得表面包覆Cr(OH)₃的片状铝粉进行步骤5所述煅烧处理之前，可先对步骤4所得表面包覆Cr(OH)₃的片状铝粉进行水热处理，具体水热处理温度在150～200℃之间，时间为4～24小时。

步骤3中所述混合体系的Cr(NO₃)₃·9H₂O与片状铝粉的摩尔比应控制在(0.04～1.0)∶1之间，铝粉和Cr(NO₃)₃的比例过高时，铝粉表面附着的颗粒较少，无法降低铝粉的明度值；铝粉和Cr(NO3)3的比例过低时，最终生成的氧化铬颗粒团聚严重，并堆积在铝粉表面，使得粉体的发射率急剧升高。

步骤4中所述碱性乙醇溶液为氢氧化钠的乙醇溶液或氨水的乙醇溶液。步骤4中混合体系的pH值若低于7无法提供反应用的OH^-1根离子，若pH值高于9，微米级的片状铝粉因为有很高的比表面积、活性较高，会和OH^-1反应，在铝表面生成氢氧化铝。在添加碱性乙醇溶液时，混合体系应控制在40℃～70℃，并进行搅拌，低于40℃的温度需要加压，过高的温度则会导致无水乙醇的过度挥发，严重改变反应条件。

采用本发明的方法制备的低明度和红外低发射率复合结构颜料，在8～14微米的波长范围内，其红外发射率通常低于0.7(最低可达0.43)，明度值通常低于72(最低可达50以下)，表面几乎没有金属光泽。根据可见光和红外伪装关注的不同，采用本发明可以制备发射率在0.7～0.43，相应明度值范围在47.7～53.6的表面附着不同含量氧化铬和具有不同形貌的铝粉改性颜料。本发明的表面包覆氧化铬的片状铝粉颜料具备以下的效果：红外发射率低，基本满足红外伪装的要求；明度低，基本没有金属反光；进过水热处理有很好的分散性，易于作为涂料的填料使用；进过高温煅烧后，颜料具有很好的稳定性。

附图说明

图1即本发明流程示意图。

图2为本发明作制备的低明度和低红外发射率复合结构颜料(表面包覆纳米氧化铬颗粒的片状铝粉)的扫描电镜图。

具体实施方式

实施例1

按表1的摩尔比称取清洁的片状铝粉(粒径为8um)和Cr(NO₃)₃·9H₂O并加入乳化剂OP-10一起放入锥形瓶中，注入无水乙醇，控制Cr³⁺离子浓度为0.07M；将上述混合体系超声分散，并放入恒温水浴磁力搅拌器中搅拌；控制混合体系反应温度为60℃，缓慢滴加用无水乙醇稀释过的氨水溶液，使混合体系pH值控制在7～9之间；待反应结束后，将制得的产物用离心机在2000r/min离心2分钟，滤去上层清液，沉淀物清洗、过滤后在50℃的恒温干燥箱干燥10个小时，得到的干燥粉体用玛瑙研钵研磨、晒网过筛后放入马弗炉中，在400～450℃的温度条件下煅烧2小时，得到最终的低明度和低红外发射率的复合结构颜料。实验中铝粉由日本东洋公司生产，其他试剂均为分析纯。最终产品的红外发射率和明度值如表1所示。

表1

(Cr(ON3)3∶Al)(摩尔比)	1∶1	0.4∶1	0.1∶1	0.04∶1
					红外发射率	0.71	0.67	0.57	0.56
明度值	47.7	54.0	62.3	72.1

实施例2

依据表2选取不同摩尔浓度的Cr(NO₃)₃·9H₂O的乙醇溶液，按照Cr(NO₃)₃·9H₂O∶Al摩尔比为0.1∶1加入清洁片状铝粉、并加入乳化剂OP-10一起放入锥形瓶；将上述混合体系超声分散，并放入恒温水浴磁力搅拌器中搅拌；控制混合体系反应温度为60℃，缓慢滴加用无水乙醇稀释过的氨水溶液，使混合体系pH值控制在7～9之间；待反应结束后，将制得的产物用离心机在2000r/min离心2分钟，滤去上层清液，沉淀物清洗、过滤后在50℃的恒温干燥箱干燥10个小时，得到的干燥粉体用玛瑙研钵研磨、晒网过筛后放入马弗炉中，在恒定的温度400～450℃煅烧2小时，得到最终的低明度和低红外发射率的复合结构颜料。实验中铝粉由日本东洋公司生产，其他试剂均为分析纯。最终产品的发射率和明度值如表2所示。

表2

Cr3+浓度(M)	0.2	0.1	0.07	0.04	0.03
						红外发射率	0.54	0.57	0.63	0.64	0.66
明度值	66.1	62.3	62.1	60.5	56.8

实施例3

依据表3选取不同粒径的清洁片状铝粉，按照Al∶Cr(NO₃)₃·9H₂O摩尔比为0.1∶1加入Al∶Cr(NO₃)₃·9H₂O的乙醇溶液，并加入乳化剂OP-10一起放入锥形瓶配置溶液，控制Cr³⁺离子浓度为0.07M；将上述混合体系超声分散，放入恒温水浴磁力搅拌器中搅拌；控制混合体系的反应温度为60℃，缓慢滴加用无水乙醇稀释过的氨水溶液，使混合体系pH值控制在7～9之间；待反应结束后，将制得的产物用离心机在2000r/min离心2分钟，滤去上层清液，沉淀物清洗、过滤后在50℃的恒温干燥箱干燥10个小时，得到的干燥粉体用玛瑙研钵研磨、晒网过筛后放入马弗炉中，在恒定的温度400～450℃煅烧2小时，得到最终的低明度和低红外发射率的复合结构颜料。实验中铝粉由日本东洋公司生产，其他试剂均为分析纯。最终产品的发射率和明度值如表3所示。

表3

铝粉粒径(um)	8	14	23	37
					红外发射率	0.57	0.50	0.42	0.43
明度值	62.3	62.1	57.9	53.6

Claims (6)

1.一种低明度和低红外发射率复合结构颜料，包括片状铝粉和包覆于片状铝粉表面的纳米氧化铬颗粒，采用如下方法制备：

步骤1：采用粒径在1～50微米的漂浮型片状铝粉，用无水乙醇将铝粉泡开并溶解其表面有机物，清洗、过滤、干燥后得到纯净的片状铝粉；

步骤2：将Cr(NO₃)₃·9H₂O溶于无水乙醇，控制Cr离子浓度在0.03～0.2M之间；

步骤3：将步骤1所得纯净的片状铝粉、步骤2所得Cr(NO₃)₃·9H₂O的无水乙醇溶液和乳化剂OP-10混合，控制混合体系中Cr(NO₃)₃·9H₂O与片状铝粉的摩尔比在(0.04～1.0)∶1之间；

步骤4：将步骤3所得混合体系置于20～70℃环境下搅拌反应，搅拌反应过程中滴加无水乙醇稀释的碱性溶液，使混合体系pH值保持在7～9之间；反应完毕后收集沉淀，并经清洗、干燥、研磨得到表面包覆Cr(OH)₃的片状铝粉；

步骤5：将步骤4所得表面包覆Cr(OH)₃的片状铝粉置于400～450℃环境下煅烧处理，得到表面包覆纳米氧化铬颗粒的片状铝粉，即低明度和低红外发射率的复合结构颜料。

2.根据权利要求1所述的低明度和低红外发射率复合结构颜料，其特征在于，在对步骤4所得表面包覆Cr(OH)3的片状铝粉进行步骤5所述煅烧处理之前，先对步骤4所得表面包覆Cr(OH)₃的片状铝粉进行水热处理，具体水热处理温度在150～200℃之间，时间为4～24小时。

3.根据权利要求1所述的低明度和低红外发射率复合结构颜料，其特征在于，步骤4中所述碱性乙醇溶液为氢氧化钠的乙醇溶液或氨水的乙醇溶液。

4.一种低明度和低红外发射率复合结构颜料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：采用粒径在1～50微米的漂浮型片状铝粉，用无水乙醇将铝粉泡开并溶解其表面有机物，清洗、过滤、干燥后得到纯净的片状铝粉；

步骤2：将Cr(NO₃)₃·9H₂O溶于无水乙醇，控制Cr离子浓度在0.03～0.2M之间；

步骤3：将步骤1所得纯净的片状铝粉、步骤2所得Cr(NO₃)₃·9H₂O的无水乙醇溶液和乳化剂OP-10混合，控制混合体系中Cr(NO₃)₃·9H₂O与片状铝粉的摩尔比在(0.04～1.0)∶1之间；

步骤4：将步骤3所得混合体系置于40～70℃环境下搅拌反应，搅拌反应过程中滴加碱性乙醇溶液，使混合体系pH值保持在7～9之间；反应完毕后收集沉淀，并经清洗、干燥、研磨得到表面包覆Cr(OH)₃的片状铝粉；

步骤5：将步骤4所得表面包覆Cr(OH)₃的片状铝粉置于400～450℃环境下煅烧处理，得到表面包覆纳米氧化铬颗粒的片状铝粉，即低明度和低红外发射率的复合结构颜料。

5.根据权利要求4所述的低明度和低红外发射率复合结构颜料的制备方法，其特征在于，在对步骤4所得表面包覆Cr(OH)₃的片状铝粉进行步骤5所述煅烧处理之前，先对步骤4所得表面包覆Cr(OH)₃的片状铝粉进行水热处理，具体水热处理温度在150～200℃之间，时间为4～24小时。

6.根据权利要求1所述的低明度和低红外发射率复合结构颜料的制备方法，其特征在于，步骤4中所述碱性乙醇溶液为氢氧化钠的乙醇溶液或氨水的乙醇溶液。

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