建筑節(jié)能型熱反射陶瓷色料的研究現(xiàn)狀與展望

張緹

摘 要：在未來(lái)三十年內(nèi)，城市熱島現(xiàn)象將會(huì)日益嚴(yán)峻，建筑節(jié)能型新材料的開(kāi)發(fā)，將成為未來(lái)幾年的重要課題。在城市建筑物外部鋪貼具有高近紅外反射率的無(wú)機(jī)材料，將在節(jié)能降耗方面發(fā)揮重要作用。本文對(duì)建筑節(jié)能型熱反射陶瓷色料的近期研究進(jìn)行了闡述，對(duì)其制備技術(shù)及市場(chǎng)前景提出了展望。

關(guān)鍵詞：建筑節(jié)能;熱反射陶瓷色料;離子摻雜型;包裹型;日光反射率;近紅外反射率

1 前 言

近年，隨著全球經(jīng)濟(jì)和人口發(fā)展，“城市熱島”效應(yīng)[1]日益嚴(yán)重。在太陽(yáng)輻射中，有52%都集中在近紅外區(qū)域（700～2500nm）。減少城市建筑物表面熱量的最有效方法之一，是將吸收近紅外輻射較少的熱反射陶瓷色料作為隔熱建筑材料。熱反射陶瓷色料反射了太陽(yáng)光譜的紅外區(qū)域，可在炎熱的夏季有效降低建筑物表面溫度，降低城市建筑制冷能耗，因此，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的研究與應(yīng)用。

陶瓷色料的熱反射性能與其顏色密切相關(guān)。白色陶瓷色料（如TiO2 [3]、ZnO [4]等）有著極佳的熱反射性能。但是，仍需要開(kāi)發(fā)出多種顏色各異的近紅外熱反射陶瓷色料，可同時(shí)滿足美觀、防眩光和抗污特性，來(lái)滿足人們對(duì)于產(chǎn)品功能性和實(shí)用美觀的諸多需求。

2 離子摻雜型熱反射陶瓷色料

對(duì)于陶瓷色料而言，離子摻雜有助于形成雜質(zhì)缺陷，減小材料的光學(xué)帶隙。因此，元素?fù)诫s可用于制備多種有色陶瓷色料[5]。目前，離子摻雜型熱反射陶瓷色料的研究主要有以下幾種：

（1）黃色熱反射陶瓷色料：Jose等人[6]采用溶膠-凝膠水熱法，在150℃下反應(yīng)24h合成了一系列Bi摻雜CeO2黃色熱反射陶瓷色料，日光反射率高達(dá)87%。CeO2的著色機(jī)制基于半導(dǎo)體CeO2中從O 2p（價(jià)帶）到Ce 4f（導(dǎo)帶）的電荷轉(zhuǎn)移帶，因此，在CeO2中摻入Bi3+后，可在CeO2的帶隙內(nèi)形成額外能級(jí)，從而減小CeO2的帶隙。Radhika等人[7]采用溶膠-凝膠法合成了Mo摻雜Gd1Ce1-xO3.5+y黃色熱反射陶瓷色料，日光反射率高達(dá)91%。Mo摻雜Gd1Ce1-xO3.5+y黃色熱反射陶瓷色料無(wú)有毒金屬離子，且具有優(yōu)異的化學(xué)和熱穩(wěn)定性，可用于兒童玩具塑料著色、浴室瓷磚表面等與人體皮膚直接接觸的產(chǎn)品中。

（2）橙色熱反射陶瓷色料：Shi等人[8]通過(guò)共沉淀法合成了Fe摻雜AlPO4熱反射陶瓷色料，在摻入Fe3+后，色料顏色由白色變?yōu)辄S橙色，近紅外反射率從98.03%降至72.56%。Jovaní等人[9]采用溶膠-凝膠法制備出了Pr、Fe共摻雜Y2Zr2O7紅橙色熱反射陶瓷色料（Y2-xPrxZr2-yFeyO7-δ），近紅外反射率為80%。

（3）棕色熱反射陶瓷色料：Zou等人[10]合成了Cr摻雜CaTiO3棕色熱反射陶瓷色料，該色料為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，Cr摻雜量為1%時(shí)色料的日光反射率為58%，這種棕色熱反射陶瓷色料可有效地降低陶瓷表面的溫度8.9℃。Alkallas等人[11]合成了Cr摻雜ZnO棕色熱反射陶瓷色料，Cr摻雜量為0.5%的色料日光反射率為53.1%。Jovaní等人[12]采用Tb、Fe共摻雜Y2Zr2O7制備出了紅棕色熱反射陶瓷色料（Y2-xTbxZr2-yFeyO7-δ），其紅度值a*優(yōu)于工業(yè)珊瑚紅色料的紅度值。

（4）綠色熱反射陶瓷色料：Ding等人[13]采用水熱法合成了Cr摻雜BiPO4綠色熱反射陶瓷色料，BiPO4成本低、無(wú)毒、電子和空穴分離效率高，日光反射性能優(yōu)異（日光反射率>86%）。

（5）藍(lán)色熱反射陶瓷色料：Ianos等人[14]通過(guò)溶液燃燒法制備了Co摻雜ZnAl2O4基顏料藍(lán)色熱反射陶瓷色料，日光反射率為63%。

3 包裹型熱反射陶瓷色料

一般來(lái)說(shuō)，包裹型陶瓷色料具有高溫穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，通過(guò)采用具有高折射率的材料對(duì)陶瓷色料進(jìn)行包裹，可達(dá)到不影響其色彩性質(zhì)并提高熱穩(wěn)定性的效果。近期研究發(fā)現(xiàn)，包裹型熱反射陶瓷色料具有高散射性能，隔熱效果顯著且成本更加低廉[15]。目前，包裹型熱反射陶瓷色料的研究主要有以下幾種：

（1）核-殼結(jié)構(gòu)：核-殼結(jié)構(gòu)的色料顆粒，是具有定制特性的高功能材料。與單組分色料或相同尺寸的納米色料顆粒相比，它們的性質(zhì)可以通過(guò)改變構(gòu)成材料或核殼比來(lái)改變[16]。Sadeghi-Niaraki等人[17]合成了（Fe，Cr）2O3@TiO2核-殼納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的包裹型熱反射陶瓷色料，其中Fe和Cr離子位于核中，Ti離子位于殼中。這種核-殼結(jié)構(gòu)陶瓷色料近紅外反射率高達(dá)57.8%，由于其易于合成、顏色多樣和高日光反射率的性質(zhì)，（Fe，Cr）2O3@TiO2核-殼結(jié)構(gòu)熱反射陶瓷色料可用于建筑節(jié)能。Sharma等人[18]采用飛灰為核體材料，在上面沉積了納米TiO2顆粒殼層，得到飛灰@TiO2核-殼結(jié)構(gòu)熱反射陶瓷色料。與商業(yè)TiO2色料相比，飛灰@TiO2核-殼結(jié)構(gòu)色料制備出的瓷磚表面具有更低的熱擴(kuò)散率。

（2）以云母為基底：二氧化鈦包裹云母復(fù)合色料[19]，是將TiO2沉積在云母片上，具有高日光反射率，以及優(yōu)異光澤和彩虹色效果。Gao等人[20]通過(guò)簡(jiǎn)單溶液法合成了云母@Fe2TiO5核-殼結(jié)構(gòu)的黃色熱反射陶瓷色料，近紅外反射率高達(dá)80.3%。在隔熱測(cè)試中，涂有云母@Fe2TiO5核-殼結(jié)構(gòu)復(fù)合色料的涂層將加熱箱的內(nèi)部溫度降低了3℃。Zhang等人[21]通過(guò)溶膠-凝膠法合成了具有式云母@γ-Ce2-xYxS3系列包裹型復(fù)合色料，色料熱分解溫度可以達(dá)到500℃，近紅外反射率為93.25%～93.80%。

（3）以空心玻璃微珠為基底：空心玻璃微珠（Hollow Glass Microspheres，HGM）是一種中空結(jié)構(gòu)的硅酸鹽材料，具有比粘土、方解石和沸石的更低的熱導(dǎo)率[4]。因此，在HGM表面上包裹熱反射納米陶瓷色料，有助于降低熱反射陶瓷色料的成本和色料導(dǎo)熱性。Gao[22， 23]等人將熱反射陶瓷色料沉積在中空玻璃微球上，制備出了HGM@BiOBr1-xIx [22]和HGM@BiOCl1-xIx [23]熱反射陶瓷色料，色料顏色為白色至棕紅，近紅外反射率為94.7%～95.2%。Zeng等人[24]采用混合漿料燒結(jié)法，制備出了HGM@TiNiY熱反射復(fù)合陶瓷色料，通過(guò)將TiNiY色料包裹在空心玻璃微珠上，提高了其日光反射率，且節(jié)省了約87%的TiNiY色料用量。

4 結(jié) 語(yǔ)

在未來(lái)三十年內(nèi)，城市熱島現(xiàn)象將會(huì)日益嚴(yán)峻。建筑節(jié)能型新材料的開(kāi)發(fā)，將成為未來(lái)幾年的重要課題。熱反射陶瓷色料的使用可達(dá)到節(jié)約能源的效果，因此，熱反射陶瓷色料具有極大的應(yīng)用空間和廣闊的市場(chǎng)前景。

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