钴铁尖晶石型棕黑色纳米陶瓷颜料的合成及在制备太阳能吸光涂层中的应用制造技术

本发明专利技术公开了一种CoFe2O4尖晶石型棕黑色纳米陶瓷颜料的制备，是将过渡金属钴盐、过渡金属铁盐、络合剂、酯化剂、分散剂溶于蒸馏水中，调pH值至中性形成溶胶溶液，将溶胶溶液加热蒸发溶剂得干凝胶；然后将干凝胶用引燃剂在空气中引燃，使干凝胶以自蔓延的方式迅速燃烧形成棕褐色自蔓延粉末；最后将自蔓延粉末经煅烧处理，得到组分均匀、纯度高、晶型结构较好的CoFe2O4尖晶石型纳米陶瓷颜料。将该CoFe2O4尖晶石型纳米陶瓷颜料与有机粘结剂、有机溶剂混合，球磨分散后喷涂到金属基材上，制得棕黑色陶瓷太阳能吸光涂层，丰富了太阳能吸光涂层的种类，有助于实现尖晶石型陶瓷太阳能吸光涂层在太阳能户外建筑中的应用。

Synthesis of cobalt iron spinel black brown nano ceramic pigment and its application in preparation of solar energy absorbing coating

The invention discloses a CoFe2O4 spinel Brown Black nano ceramic pigment preparation, the transition metal cobalt salt, transition metal salts, complexing agent, esterification agent, dispersing agent dissolved in distilled water, pH value is adjusted to neutral form sol solution, the sol solution heating evaporation of solvent dry gel; then dry ignition ignition agent in the air with the dry gel, gel forming brown powder by SHS self propagating combustion rapidly; the SHS powder obtained by calcination treatment, uniform composition, high purity and good crystalline structure of spinel type CoFe2O4 nano ceramic pigment. The CoFe2O4 spinel nano ceramic pigment and organic binder, organic solvent, ball milling dispersion after spraying to the metal substrate, was a brown black ceramic solar light absorbing coating, rich solar energy absorbing light types of coatings, contribute to the realization of the spinel ceramic solar energy absorption coating on solar outdoor application of light in architecture.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种CoFe2O4尖晶石型棕黑色纳米陶瓷颜料的合成方法，尤其涉及到一种溶胶-凝胶自蔓延法在低温条件下合成CoFe2O4尖晶石型棕黑色纳米陶瓷颜料的方法；本专利技术同时还涉及到该CoFe2O4尖晶石型棕黑色纳米陶瓷颜料用于制备棕黑色尖晶石型陶瓷太阳能吸光涂层，属于一种太阳能光热转化材料应用领域。
技术介绍
随着全球性能源危机的加剧以及环境问题（污染、温室效应）的日益严重，太阳能作为一种新能源，具有清洁、环保、持续、长久的优势，因此，利用太阳能的各种新材料、新设计、新技术成为当今新能源领域的研究热点。目前，实现太阳能热利用最普遍、最简单、最有效、最直接的方式是通过转化装置把太阳辐射能转化为热能。其中，太阳能光-热转装置的核心部件是太阳能选择性吸收涂层，其高效的选择性吸收是指吸收涂层在太阳光可见及近红外辐射区表现出较高的吸收率（α），而在红外辐射区具有较低的发射率（ε）。目前，太阳能选择性吸收涂层的制备方法有很多，如喷涂法、物理气相沉积（真空蒸镀、磁控溅射、离子镀、阴极电弧蒸发）、化学气相沉积、电化学法、溶胶-凝胶法等。虽然，电化学法、真空沉积和磁控溅射技术制备太阳能选择性吸收涂层展现除了较高的太阳能吸收值以及较低的热发射值，但是电化学沉积薄膜的过程面临着耗能大，污染大，并且材料的附着力不强、抗腐蚀性能差等缺点；真空沉积和磁控溅射技术需要昂贵的设备及苛刻的实验条件，从而增加了制备太阳能吸光涂层的成本。采用化学气相沉积制备的太阳能吸光涂层尽管具有很高的光谱选择性，但由于该种制备手段设备投资大、成本高，对气体的纯度要求高、制备过程中产生的剧烈噪音、强光辐射、有害气体、金属蒸气粉尘等对人体有害，并且难以对小孔孔径的内表面进行涂覆。尽管溶胶-凝胶法是一种工艺操作简单、生产成本低、环境友好的太阳能吸光涂层制备技术，但薄膜的在进行商业化应用之前仍然有许多技术问题需要进行深入研究。喷涂法制备工艺简单，操作方便，易于控制，能够显著降低生产成本、容易实现大面积制备太阳能吸光涂层。专利CN103555106以丙烯酸为树脂，以纳米级的钛、纳米级镍、纳米级氧化铜、纳米级氧化锰组成粉体颜料，将其溶解于乙二醇苯醚与二甲苯的混合溶剂中制备太阳能吸光涂料，并且通过静电喷涂的方法将吸光涂料喷涂于铝合金芯板上制备出性能较好的太阳能吸光涂层。然而，该种方法所用的纳米级粉体种类繁多，不易于降低生产成本。此外，该种方法制备的涂层中含有纳米级钛、纳米级镍，难以维持该种涂层长期在户外环境中的稳定性。因此，有必要开发和制备性能稳定、材料廉价、生产操作简单、实用性强的陶瓷吸光颜料，同时采用连续化操作的方式将其用于制备性能稳定的太阳能吸光涂层。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种溶胶-凝胶自蔓延法合成CoFe2O4尖晶石型棕黑色纳米陶瓷颜料的方法；本专利技术的另一目的是提供一种上述制备的CoFe2O4尖晶石型棕黑色纳米陶瓷颜料在制备棕黑色尖晶石型陶瓷太阳能吸光涂层的应用。一、CoFe2O4尖晶石型棕黑色纳米陶瓷颜料的合成本专利技术采用溶胶-凝胶自蔓延法合成CoFe2O4尖晶石型棕黑色纳米陶瓷颜料的方法，将过渡金属钴盐、过渡金属铁盐、络合剂、酯化剂、分散剂溶解于蒸馏水中，并将溶液pH值调至中性形成溶胶溶液，再将溶胶溶液置于120~130℃的烘箱中加热蒸发溶剂得干凝胶；然后将干凝胶采用引燃剂无水乙醇在空气中引燃，使干凝胶以自蔓延的方式迅速燃烧形成棕褐色的自蔓延粉末；最后将自蔓延粉末于400~800℃下煅烧处理2~3h，得到CoFe2O4尖晶石型棕黑色纳米陶瓷颜料。所述过渡金属钴盐为硝酸钴、卤化钴、硫酸钴、磷酸钴、羧酸钴；所述过渡金属盐为金属铁的硝酸盐、卤化盐、硫酸盐、磷酸盐、羧酸盐；过渡金属钴盐与铁盐的摩尔比为1:2。所述络合剂为己二胺四乙酸、氨基三乙酸、甘氨酸、柠檬酸、酒石酸、乳酸、苹果酸、葡萄糖酸、羟乙基乙二胺三乙酸、二羟乙基甘氨酸中的任何一种；优选柠檬酸、甘氨酸、氨基三乙酸、己二胺四乙酸。络合剂的用量为过渡金属盐总摩尔量的0.8~1倍。所述酯化剂为乙二醇、丙三醇、聚乙二醇200、聚乙二醇300、聚乙二醇400、聚乙二醇600或聚乙二醇甲醚，优选聚乙二醇200、聚乙二醇400。酯化剂的用量为过渡金属盐总摩尔量的0.8~1倍。所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮，分散剂的用量为过渡金属盐总摩尔量的0.2~0.6倍。二、基于CoFe2O4尖晶石型棕黑色陶瓷太阳能吸光涂层的制备上述合成的CoFe2O4尖晶石型棕黑色纳米陶瓷颜料与有机粘结剂、有机溶剂混合，球磨分散9~12h形成不同颜色棕黑色的太阳能吸光涂料；再将太阳能吸光涂料喷涂到经清洗处理的金属基底上获得厚度为3~5μm的涂料涂层，然后将涂料涂层置于100~150℃的温度条件下固化1~3h，得到棕黑色的太阳能吸光涂层。CoFe2O4尖晶石型棕黑色纳米陶瓷颜料、有机粘结剂、有机溶剂的质量百分数分别为：CoFe2O4尖晶石型陶瓷颜料：10~15%，有机粘结剂：25~45%，有机溶剂：50~65%。所述有机粘结剂为热固化的环氧改性有机硅、丙烯酸改性有机硅、丙烯酸改性的聚氨酯、或有机硅改性的聚氨酯。所述溶剂为丙酮、甲苯、二甲苯、乙酸乙酯、醋酸丁酯中的至少一种。所述金属基底为铝板或不锈钢板；其清洗处理是将金属基底分别在无水乙醇和丙酮中超声清洗10~15min，然后用氮气吹干金属基底。本专利技术具有如下的显著优点：1、本专利技术采用溶胶-凝胶自蔓延法合成CoFe2O4尖晶石型棕黑色纳米陶瓷颜料的过程中，络合剂络合金属离子并通过聚合反应形成大分子的网络聚合物而形成溶胶，显著提高了溶胶的均一性、稳定性；在自蔓延反应中络合剂参与热诱导氧化还原反应，从而大大降低了形成CoFe2O4尖晶石相所需的晶化温度；2、在400℃的低温条件下成功制备出了CoFe2O4尖晶石型棕黑色纳米陶瓷颜料，从而有效的改进了制备尖晶石型陶瓷颜料苛刻的生产条件，节约了能耗，降低了生产成本；3、本专利技术将合成的CoFe2O4尖晶石型棕黑色纳米陶瓷颜料用于制备棕黑色尖晶石型陶瓷太阳能吸光涂层，丰富了太阳能吸光涂层在太阳能户外建筑中的应用；4、本专利技术可通过改变金属盐与络合剂的种类、燃料与金属盐的比例、溶剂的含量、煅烧温度、煅烧时间，可以很好地控制合成尖晶石型陶瓷颜料的成分、纯度、形貌及粒径分布；5、本专利技术中将合成的CoFe2O4尖晶石型棕黑色纳米陶瓷颜料与有机粘结剂、有机溶剂直接混合后采用喷涂法制备出棕黑色尖晶石型陶瓷太阳能吸光涂层，扩展了尖晶石型陶瓷颜料的应用范围；6、本专利技术制备方法操作工艺简单，连续可控，对环境无污染、设备要求低、成本低廉、便于工业化生产。附图说明图1为实施例1在不同煅烧温度条件下制备的CoFe2O4尖晶石型纳米陶瓷颜料的X-ray衍射谱图。图2为实施例1在800℃条件下煅烧3h制备得到CoFe2O4陶瓷颜料的扫描电镜图。图3为实施例1在不同煅烧温度条件下得到CoFe2O4陶瓷颜料的红外反射谱图。图4为实施例1中基于800℃煅烧合成的CoFe2O4尖晶石型棕黑色纳米陶瓷颜料制得的太阳能吸光涂层的反射谱图。图5为实施例2中基于800℃煅烧合成的CoFe2O4尖晶石型棕黑色纳米陶瓷颜料制得的太阳能吸光涂层的反射谱图。图6为实施例3中基于800℃煅烧合成的Co本文档来自技高网...

【技术保护点】
溶胶‑凝胶自蔓延法合成CoFe2O4尖晶石型棕黑色纳米陶瓷颜料的方法，将过渡金属钴盐、过渡金属铁盐、络合剂、酯化剂、分散剂溶解于蒸馏水中，并将溶液pH值调至中性形成溶胶溶液，再将溶胶溶液置于120~130℃的烘箱中加热蒸发溶剂得干凝胶；然后将干凝胶采用引燃剂无水乙醇在空气中引燃，使干凝胶以自蔓延的方式迅速燃烧形成棕褐色的自蔓延粉末；最后将自蔓延粉末于400~800℃下煅烧处理2~3h，得到CoFe2O4尖晶石型棕黑色纳米陶瓷颜料。

【技术特征摘要】
1.溶胶-凝胶自蔓延法合成CoFe2O4尖晶石型棕黑色纳米陶瓷颜料的方法，将过渡金属钴盐、过渡金属铁盐、络合剂、酯化剂、分散剂溶解于蒸馏水中，并将溶液pH值调至中性形成溶胶溶液，再将溶胶溶液置于120~130℃的烘箱中加热蒸发溶剂得干凝胶；然后将干凝胶采用引燃剂无水乙醇在空气中引燃，使干凝胶以自蔓延的方式迅速燃烧形成棕褐色的自蔓延粉末；最后将自蔓延粉末于400~800℃下煅烧处理2~3h，得到CoFe2O4尖晶石型棕黑色纳米陶瓷颜料。2.如权利要求1所述溶胶-凝胶自蔓延法合成CoFe2O4尖晶石型棕黑色纳米陶瓷颜料的方法，其特征在于：所述过渡金属钴盐为硝酸钴、卤化钴、硫酸钴、磷酸钴、羧酸钴；所述过渡金属铁盐为金属铁的硝酸盐、卤化盐、硫酸盐、磷酸盐或羧酸盐；且过渡金属钴盐与铁盐的摩尔比为1:2。3.如权利要求1所述溶胶-凝胶自蔓延法合成CoFe2O4尖晶石型棕黑色纳米陶瓷颜料的方法，其特征在于：所述络合剂为己二胺四乙酸、氨基三乙酸、甘氨酸、柠檬酸、酒石酸、乳酸、苹果酸、葡萄糖酸、羟乙基乙二胺三乙酸、二羟乙基甘氨酸中的任何一种；络合剂的用量为过渡金属盐总摩尔量的0.8~1倍。4.如权利要求1所述溶胶-凝胶自蔓延法合成CoFe2O4尖晶石型棕黑色纳米陶瓷颜料的方法，其特征在于：所述酯化剂为乙二醇、丙三醇、聚乙二醇200、聚乙二醇300、聚乙二醇400、聚乙二醇600或聚乙二醇甲醚；酯化剂的用量为过渡金属盐总摩尔量的0.8~1倍。5.如权利要求1所述溶胶-凝胶自蔓延法溶胶-凝胶自蔓延法合成CoFe2O4尖晶石型棕黑色纳米陶瓷颜料的方法，其特征在于：所述分散剂为聚乙烯...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘刚，马鹏军，周添红，高祥虎，
申请(专利权)人：中国科学院兰州化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：甘肃;62