【摘 要】
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VO2纳米粉体由于具有较低的相转变温度、相变前后发生显著的光学及电学性质致使其在建筑玻璃幕墙领域具有巨大的研究潜力。在室内温度较低时,VO2表现为单斜相,红外光可透过玻璃进入室内,使室内温度上升,当温度继续上升至相变温度时,VO2表现为四方金红石相,阻断红外光继续进入,降低室内温度,相应的减少了空调制冷的能耗。VO2快速感知温度变化自发的做出相变响应在不改变建筑玻璃自然采光的条件下,不改变可见光区
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VO2纳米粉体由于具有较低的相转变温度、相变前后发生显著的光学及电学性质致使其在建筑玻璃幕墙领域具有巨大的研究潜力。在室内温度较低时,VO2表现为单斜相,红外光可透过玻璃进入室内,使室内温度上升,当温度继续上升至相变温度时,VO2表现为四方金红石相,阻断红外光继续进入,降低室内温度,相应的减少了空调制冷的能耗。VO2快速感知温度变化自发的做出相变响应在不改变建筑玻璃自然采光的条件下,不改变可见光区透过率,仅对红外光的透过及反射做出响应,动态调节室内红外光的变化,达到智能控温的作用。但目前VO2粉体在智能窗涂层实际应用中存在的三个主要问题:一、高纯度的VO2超细粉体难以工业化制备;二、VO2纳米颗粒的相转变温度为68℃,元素掺杂可有效降低VO2的相变温度至室温附近,但会造成对可见光透过率和太阳光调节能力的削弱;三、传统上VO2涂层耐水性较差,不能满足涂层在室外的长期使用。本论文的研究成果和结论如下:(1)VO2(M)纳米粉体和智能控温涂层的制备和性能研究实验采用了一步水热法制备了M相VO2纳米粉体,通过探究反应钒源与还原剂盐酸肼的配比、水热反应温度、水热反应条件的探究确定了制备M相VO2粉体的制备最佳工艺条件。实验结果发现,水热反应温度为270℃条件下,反应时间24 h制备的VO2粉末所制备的薄膜的反射红外光、隔热性能最好;薄膜的可见光透过率达到60%,不影响日常采光同时兼具较高的太阳光调控能力11.5%,具备优异的热致变色性能。通过SEM,DSC对粉体的结构性能进行分析,DSC结果显示VO2粉体的升温相变温度在60℃,降温相变温度为37℃,平均相变温度为48℃,明显降低VO2相变温度有利于智能窗在实际生活中应用。(2)钨掺杂多孔二氧化钒粉体及性能研究在实验制备M相VO2纳米颗粒的基础上,制备了不同钨掺杂含量的介孔VO2纳米粉体并探究了VO2薄膜的热致变色性能。通过XRD、SEM、XPS、BET或DSC等测试手段对不同钨掺杂量的介孔VO2的结构与性能进行表征。采用PVP作为交联剂制备涂层,使用UV-3600对薄膜的透过率进行表征并使用相关公式计算热致变色性能两个关键性能参数可见光透过率和太阳光调节能力。成功制备了不同钨掺杂量的介孔VO2纳米粉体,通过XPS、XRD表征证实W元素成功掺杂进VO2的晶格中,BET数据显示介孔VO2纳米粉体中孔径大小为5-20 nm。DSC数据显示掺杂钨的含量为0.5 at%时,VO2的相变温度已降低44℃,非常接近室温。对制备的介孔VO2纳米粉体分散在交联剂PVP的乙醇溶液中制备出涂层,测试薄膜透过率发现随着W掺杂量的增加,薄膜的太阳光调节能力出现降低,但降低幅度低于VO2纳米颗粒所制备的薄膜,当钨掺杂量为0.5 at%,VO2的相变温度为44℃,对应的薄膜的可见光透过率为50%,太阳光调节能力为7.5%,具备较高的热致变色性能。(3)疏水性智能控温复合涂层的制备及其性能研究通过对VO2纳米颗粒表面进行改性,接枝有机基团使改性后的VO2能有效分散在疏水性的高分子聚合物中制备兼具热致变色性能和防水性涂层。研究结果表明使用油酸改性后的VO2粉末,颗粒平均粒径由157 nm降低到56 nm,改性后VO2粉末在有机介质中的分散性较改性前VO2粉末的分散性有了明显提升。使用XRD检测改性前后物相未发生改变。将改性前后的粉末分别加入到PTFE乳液中制备薄膜。结果发现改性后VO2粉末与PTFE乳液制备的复合薄膜的可见光透过率由改性前薄膜的37.46%提升至54.1%,增幅达30%,另太阳能调节效率从4.5%提升至10.1%,有效的提高了薄膜的热致变色性能。VO2与PTFE涂层兼具稳定性热致变色与疏水特性,为该材料在智能窗领域的实际应用奠定基础。
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