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复合结构二氧化钒基纳米粉体制备及性能研究

陈云翔  
【摘要】:二氧化钒(VO_2)是一种典型的热致变色材料,在68°C附近出现可逆的金属-半导体相变,并伴随光学性能的巨大变化,对近红外波段的透过率由低温时的高透过变为高温时的高反射状态。利用这种热致变色特性可以研发VO_2温控智能节能窗,实现对太阳热的自动调控,其在建筑节能领域展现出巨大的应用前景。当前,在VO_2智能窗的研发中主要采用两种制备方式,即在玻璃上直接镀膜,如广泛应用于工业镀膜的磁控溅射物理镀膜方式,和首先制备出VO_2纳米粉体,再与适当的高分子材料复合,形成贴膜或涂料等化学制膜方式。其中,基于VO_2纳米粉体的化学制备方式,由于设备和工艺相对简单,薄膜光学性能优异,以及颜色等性能调节范围大等突出优点,获得工业界的极大重视。但是,实现以化学方式制备的VO_2智能窗的产业化仍然存在若干瓶颈课题,如薄膜可见光透过率(T_(lum))和太阳能调节效率(ΔT_(sol))低,特别是由于VO_2化学价多变,在复杂苛刻的应用环境中容易产生化学结合状态的变化,从而失去温控相变功能,实现VO_2智能窗的耐候与稳定是其应用中的巨大挑战。最后,在实现温控智能调节的同时实现智能窗的多功能化,可以提高产品的附加价值和市场竞争能力,因此,多功能薄膜的研发也成为了目前智能窗领域的一个研究热点。针对VO_2温控智能窗的上述瓶颈问题,在本论文中,通过合成复合结构的VO_2基纳米粉体,对VO_2纳米颗粒进行改性与保护,以提升VO_2薄膜的光学性能与耐候稳定性。之后利用改性后的VO_2基复合粉体制备出综合性能优异的VO_2基热致变色薄膜,并对其光学性能与耐候稳定性能进行测试,分析性能提升的作用机理。最后,将性能优异的VO_2薄膜与亲/疏水材料进行复合,最终得到多功能VO_2基热致变色薄膜,对VO_2智能窗在建筑节能领域推广与应用具有重要意义。本论文的主要研究内容与结论总结如下:(1)采用水热法制备得到了形貌均一,尺寸较小且分散性好的VO_2(M)纳米粉体。之后分别采用TEOS(正硅酸乙酯,Tetraethyl Orthosilicate)-NH_3·H_2O体系与Na_2Si O_3-H_2SO_4体系,对合成的VO_2进行Si O_2壳层包覆,得到了复合结构的VO_2@Si O_2纳米粉体。对复合粉体的光学性能及耐候稳定性进行测试,结果显示其性能提升主要体现在耐候稳定性方面:在60°C,90%相对湿度的环境条件下,无包覆的VO_2纳米粉体在72 h后完全失去相变性能,采用Na_2Si O_3-VO_2体系合成的VO_2@Si O_2复合粉体仍保有25.3%的相变性能。(2)使用抗坏血酸(AA)对VO_2纳米粉体进行预处理,得到了AA-VO_2复合粉体。AA分子通过C-O-V键结合在VO_2纳米颗粒表面,使VO_2表面形成H掺杂H_xVO_2壳层。经过AA处理后的VO_2复合粉体在溶液中的抗氧化性与耐酸性提升,能够在1 mol/L过氧化氢溶液与0.5 mol/L硫酸溶液中保持相对稳定。此外AA-VO_2复合粉体耐候稳定性提升,在60°C,90%相对湿度下,经过3天老化实验后焓值仅降低0.9 J/g。经过10天老化实验后,粉体仍保有56.3%的相变性能。(3)以氧化锌为包覆VO_2纳米颗粒的壳层材料,成功合成出Core-Shell结构的VO_2@Zn O复合粉体。相比于VO_2薄膜,VO_2@Zn O薄膜光学性能与耐候稳定性能提升明显:可见光透过率T_(lum)由38.9%提升至51.0%(提高了31.1%),太阳能调节效率ΔT_(sol)由17.2%提升至19.1%(提高了11.0%),且在60°C,90%相对湿度的条件下经过1000 h的老化测试后,太阳能调节效率ΔT_(sol)从19.1%仅降低至14.7%,仍保有约77%的热致变色性能。该综合性能已能够满足VO_2智能窗的实际应用要求。(4)利用正硅酸乙酯(TEOS)与十七氟癸基三乙氧基硅烷(PFDTES)为反应前驱体,分别制备出Si O_2基亲水涂料与F-Si O_2基疏水涂料,并与VO_2薄膜进行复合,得到了疏水/防雾多功能VO_2基薄膜。此外,表面的疏水层还一定程度上提升了VO_2薄膜的耐候稳定性,结果显示在60°C,90%相对湿度的环境条件下,VO_2复合薄膜的太阳能调节效率从初始时ΔT_(sol)=16.0%,经过120 h后降低至11.9%,240 h后ΔT_(sol)为8.3%,仍保有约51%的调节性能。相比于普通的VO_2薄膜,耐候稳定性能提升约4~5倍。


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