论文部分内容阅读
一方面,由于太阳具有较高的热辐射能,导致随着城市化和工业化进程的逐渐加大,城市热岛效应日益严重,制冷能源消耗逐渐加大。另一方面,由于太阳光中近红外光的产热,导致在室外使用的塑料存在严重的老化问题,限制了其使用期限。因此,合成具有高近红外反射性能的彩色环保型太阳热反射材料以缓解上述现象是目前的研究热点。本论文主要通过水热法在不同的反应条件下合成了一系列过渡金属离子掺杂BiPO4和LaPO4近红外反射无机颜料。并通过X射线粉末衍射仪（XRD）、傅立叶变换红外光谱仪（FTIR）、高分辨场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、高分辨透射电子显微镜（TEM/HR-TEM）、X射线光电子能谱分析仪（XPS）、高品质电脑色差仪（Lab）、紫外-可见-近红外分光光度计（UV-vis-NIR）、热分析仪（TG-DTA）、自制的温度测试装置,以及热老化试验箱等仪器对合成粉末颜料样品的物相结构、晶胞参数、相转变、粒径形貌、元素组成、晶面间距、元素价态、颜色性能、耐热稳定性、耐化学稳定性、近红外反射性能以及应用性能进行了测试、表征与评估。研究与分析结果表明:（1）合成的BiP1-xVxO4（x=0.00,0.01,0.05,0.08,0.10,0.15）颜料为单斜独居石型结构,尺寸约为0.25-2μm,具有优异的热稳定性和化学稳定性。随着V5+取代BiPO4中P5+含量的增加,颜料的禁带宽度从3.657eV减小到3.244eV,同时颜料的颜色从白色变为黄色。更重要的是,合成的颜料在近红外范围内具有高NIR反射率（>72%）和NIR太阳反射率（≥75.64%）。而且,用合成颜料着色的涂层比传统相近颜色的颜料着色的具有更高的NIR太阳反射率（≥78.59%）。（2）制备的Cr掺杂BiPO4绿色太阳热反射颜料中,Cr3+的掺入导致相结构从低温单斜相（LTMP）转变为水合六方相（HP）,粒径减小,形貌从不规则棱镜形变为棒状。合成的颜料中铬离子的价态为+3价且具有高的NIR反射率（>83%）,NIR太阳反射率（>86%）以及优异的热稳定性和化学稳定性。掺杂样品NIR反射率的下降是由自由载流子浓度的降低引起的。与纯聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和现有报道的着色PMMA相比,掺入合成颜料PMMA的NIR反射性能得到了极大的改善,同时具有良好的着色性能。而且,在短波近红外区域,Bi0.85Cr0.15PO4着色PMMA的NIR太阳反射率达到77.83%,相比纯PMMA增幅接近52%。Cr掺杂的BiPO4颜料能够显著改善PMMA的抗老化性能。（3）实验制备的V掺杂LaPO4太阳热反射彩色颜料均为单斜相结构,但结晶度却随着掺杂量的增加而逐渐降低,说明形成的晶格缺陷逐渐增多。随着V5+掺杂量的增加,颜料的形貌从长棒状结构逐渐变为短棒状结构,直至粒状结构,且颗粒的尺寸显著减小,吸收限从228nm增加到550nm,禁带宽度从5.42eV减小至2.25eV,颜色也逐渐由白色变成黄绿色直到灰黄色。合成颜料具有较优异的近红外反射性能,耐高温性能以及耐酸碱腐蚀性能。近红外反射性能随V5+掺杂量增加逐渐减弱,是由晶格缺陷逐渐增加导致晶体中自由载流子浓度减小引起的。而且,V掺杂LaPO4颜料能极大提高PMMA近红外反射性能,减少在太阳辐射下热量在其表面的积累,降低温度,改善PMMA耐老化性能的作用。同时,在掺入颜料含量不超过20wt%的情况下,适量加大掺入的含量,PMMA耐老化性能增加。本论文合成的颜料均具有作为环境友好、节能且价格低廉“冷颜料”的潜力,其中合成的Cr掺杂BiPO4和V掺杂LaPO4近红外反射颜料,还有望用作塑料添加剂,以增强塑料的近红外反射性能和抗老化性能。因此,无论是在太阳热反射颜料领域还是在塑料改性领域,都具有一定的研究价值。