一种铝掺杂Cr2O3高红外反射材料及其制备方法与流程

本发明涉及无机材料的制备技术领域，具体涉及一种铝掺杂cr2o3高红外反射材料及其制备方法。

背景技术：

如今，随着全世界大规模城市化发展，建筑物周围越来越多的植物被移除，取而代之的是一座座高楼大厦，由此产生的热岛效应逐渐引发公众的关注。热岛效应是指由于城市化的速度加快，城市建筑群密集、柏油路和水泥路面比郊区的土壤、植被吸热快而热容量小，使得同一时间城区气温普遍高于周围的郊区气温，高温的城区处于低温的郊区包围之中，如同汪洋大海中的岛屿的现象。热岛效应使建筑物周围的温度比郊区高10℃以上，这不仅让市民感觉无比闷热，也会加剧空调等制冷设备的能耗，在这种情形下，将具有高红反射性能的涂料涂于建筑物的外层，可以帮助降低建筑物表面和周围的温度，降低城市热岛效应的影响。

一般来说，传统的红外反射材料以白色为主，比如二氧化钛等，这些材料的缺点是颜色单一，不能满足人们对红外反射材料在颜色上多样性的需求。现有技术中，向cr2o3中掺杂其他金属可以得到不同颜色的红外反射材料。其中，一般采用固相反应法进行掺杂，其具体步骤为将所需氧化物按不同比例掺入球磨罐中进行混料，但这种混料方式比较粗糙，不易将物料混合均匀，即使通过行星式球磨机已将物料均匀混合，但在球磨罐后续的静置过程中，罐内的各种物料可能会因为沉淀速率不一致而导致分层，影响后续混合料的煅烧过程，导致煅烧所需温度较高。因此，寻求一种新的掺杂方法，提高物料的混合均匀性、降低煅烧温度具有重要的现实意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种铝掺杂cr2o3高红外反射材料及其制备方法，解决现有技术中现有的掺杂方法不易将物料混合均匀、煅烧温度高的技术问题。

为达到上述技术目的，本发明的第一解决方案提供了一种铝掺杂cr2o3高红外反射材料的制备方法，包括以下步骤：

将铬盐和铝盐依次分散到水中，进行搅拌，得到溶液a；

将柠檬酸和乙二醇依次分散到水中，进行搅拌反应，得到溶液b；

将上述溶液b滴加至上述溶液a中，经保温搅拌、升温搅拌和保温静置后，得到湿凝胶；

将上述湿凝胶经烘干、研磨和煅烧过程后，得到铝掺杂cr2o3高红外反射材料。

本发明的第二解决方案提供了一种铝掺杂cr2o3高红外反射材料，该铝掺杂cr2o3高红外反射材料通过本发明第一解决方案中提供的铝掺杂cr2o3高红外反射材料的制备方法得到。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过溶胶凝胶法得到的混合物不会在后续静置过程中因各自物料沉淀速率不同而导致物料分层影响混合均匀性；同时，煅烧过程中所需的温度较低；本发明得到的铝掺杂cr2o3高红外反射材料呈现出绿色，且具有较高的红外反射率。

附图说明

图1是本发明提供的铝掺杂cr2o3高红外反射材料的制备方法一实施方式的工艺流程图。

图2是实施例1～2中相同掺量在不同温度下制得产物的xrd图；

图3是实施例3～6中不同掺杂量在相同温度下制得产物的xrd图；

图4是实施例1制得产物在光谱波段为800～2500nm下的红外反射率图；

图5是实施例2制得产物在光谱波段为800～2500nm下的红外反射率图；

图6是实施例3制得产物在光谱波段为800～2500nm下的红外反射率图；

图7是实施例4制得产物在光谱波段为800～2500nm下的红外反射率图；

图8是实施例5制得产物在光谱波段为800～2500nm下的红外反射率图；

图9是实施例6制得产物在光谱波段为800～2500nm下的红外反射率图；

图10是对比例1～3制得产物的xrd图；

图11是对比例1～3制得产物在光谱波段为800～2500nm下的红外反射率图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1，图1是本发明提供的铝掺杂cr2o3高红外反射材料的制备方法一实施方式的工艺流程图。对于本发明的第一解决方案，本发明提供了一种铝掺杂cr2o3高红外反射材料的制备方法，包括以下步骤：

将铬盐和铝盐依次分散到水中，进行搅拌，得到溶液a；

将柠檬酸和乙二醇依次分散到水中，进行搅拌反应，得到溶液b；

将上述溶液b滴加至上述溶液a中，经保温搅拌、升温搅拌和保温静置后，得到湿凝胶；

将上述湿凝胶经烘干、研磨和煅烧过程后，得到铝掺杂cr2o3高红外反射材料。

本发明中，将各种原料分散到水中，便于提高物料的混合均匀性。

本发明中，采用溶胶凝胶法，与固相反应相比，体系中各组分的扩散在纳米范围内，化学反应更容易进行，而且仅需要更低的合成温度。

本发明中，通过利用柠檬酸和乙二醇发生水解反应形成的络合物将已经混合均匀的物料进行“包裹”，避免物料在静置过程中因分层而分布不均匀，在后续煅烧过程中，一方面有利于降低反应体系的温度，另一方面有利于形成固溶体，最终得到具有高红外反射率的产物。

本发明中，铬盐为硝酸铬、硫酸铬和氯化铬中的一种或多种。

本发明中，铝盐为硝酸铝、硫酸铝、氯化铝、甲酸铝、醋酸铝、柠檬酸铝中的一种或多种。

本发明中，铝盐与铬盐的摩尔比为(3～9):10，优选为(6～8):10，进一步优选为7:10。

本发明中，得到溶液a的过程中，搅拌的温度为60～70℃，搅拌的时间为1.5～2.5h。在此温度和时间范围内，更有利于使铝盐和铬盐在体系中分散均匀。

本发明中，柠檬酸与溶液a中铝盐和铬盐总加入量的摩尔比为1:(1～1.2)，优选为1:1。

本发明中，柠檬酸与乙二醇的摩尔比为1:(1～2)，优选为1:1.5。

本发明中，得到溶液b的过程中，搅拌反应的温度为20℃～30℃，搅拌反应的时间为1.5～2.5h，便于柠檬酸与乙二醇充分水解。

本发明中，将溶液b滴加至溶液a的过程中，溶液a的温度控制在60～70℃，滴加时间为1～2min。

本发明中，得到湿凝胶的过程中，保温搅拌的温度为60℃～70℃，保温搅拌的时间为6～7h，其中，保温形成溶胶的过程在搅拌的条件下进行，便于使溶液a和溶液b中的原料充分混合，水分慢慢蒸发，形成溶胶。

本发明中，得到湿凝胶的过程中，保温搅拌过程结束后，在搅拌的条件下升温至75～85℃，保温静置1.5～2.5h，便于使溶胶中的水分继续蒸发，直至形成凝胶。此处需要说明的是，升温形成凝胶的过程中，无需搅拌，静置即可。

本发明中，烘干的温度为70～75℃，烘干的时间为3～4天。此过程中，若烘干温度过低，将导致更长的烘干时间，若烘干温度过高，将导致胶体由于温度过高因膨胀而溢出。需要注意的是，确定该过程中的烘干为将凝胶取出后，观察容器内是否还有凝胶粘附在容器底部，若无，则烘干完全，若有，还需继续烘干。

本发明中，煅烧的温度为800～900℃，煅烧的时间为2～6h，优选的，煅烧的时间为4h。

进一步地，煅烧过程中的升温速率为5～10℃/min，优选为8℃/min。其中，煅烧过程中的升温为从室温升至目标温度。

在传统的合成工艺中，制备铝掺杂cr2o3高红外反射材料的煅烧温度在1000℃以上，本发明中，通过采用溶胶凝胶法使原料充分混合，能够有效降低后续煅烧过程中的反应温度，有利于节能、且符合当今环保高效的理念。

对于本发明的第二解决方案，本发明提供了一种铝掺杂cr2o3高红外反射材料，该铝掺杂cr2o3高红外反射材料通过本发明第一解决方案中提供的铝掺杂cr2o3高红外反射材料的制备方法得到。

实施例1

将cr(no3)3·9h2o(23.69g，0.0592mol)、al(no3)3·9h2o(6.66g，0.0177mol)加入35ml去离子水中，在60℃下搅拌1.5h，得到溶液a；

将c6h8o7·h2o(16.1963g，0.0769mol)、乙二醇(7.17ml，0.1155mol)加入10ml去离子水中，在常温下搅拌1.5h，得到溶液b；

用滴管将溶液b滴加至溶液a中，在60℃下继续搅拌7h形成溶胶，随后在搅拌的条件下将温度升至80℃，保温静置1.5h，得到湿凝胶；

将湿凝胶取出放入70℃的烘箱中，4天后取出，经研磨成前驱体粉末后，将前驱体粉末放置在温度设置为800℃的马弗炉中煅烧，升温速率为8℃/min，保温时间为4h，得到铝掺杂cr2o3高红外反射材料。本实施例中，铝盐与铬盐的摩尔比为3:10。

实施例2

将cr(no3)3·9h2o(23.69g，0.0592mol)、al(no3)3·9h2o(6.66g，0.0177mol)加入35ml去离子水中，在60℃下搅拌1.5h，得到溶液a；

将c6h8o7·h2o(16.1963g，0.0769mol)、乙二醇(7.17ml，0.1155mol)加入10ml去离子水中，在常温下搅拌1.5h，得到溶液b；

用滴管将溶液b滴加至溶液a中，在60℃下继续搅拌7h形成溶胶，随后在搅拌的条件下将温度升至80℃，保温静置1.5h，得到湿凝胶；

将湿凝胶取出放入70℃的烘箱中，4天后取出，经研磨成前驱体粉末后，将前驱体粉末放置在温度设置为900℃马弗炉中煅烧，升温速率为8℃/min，保温时间为4h，得到铝掺杂cr2o3高红外反射材料。本实施例中，铝盐与铬盐的摩尔比为3:10。

实施例3

将cr(no3)3·9h2o(21.06g，0.05263mol)、(al(no3)3·9h2o)(11.85g，0.03159mol)加入35ml去离子中，在60℃下搅拌2.5h，得到溶液a；

将c6h8o7·h2o(17.72g，0.08422mol)、乙二醇(7.84ml，0.1263mol)加入10ml去离子水中，在常温下搅拌2.5h，得到溶液b；

用滴管将溶液b滴加至溶液a中，在70℃下继续搅拌6h形成溶胶，随后在搅拌的条件下将温度升至80℃，保温静置2.5h，得到湿凝胶；

将湿凝胶取出放入75℃的烘箱中，3天后取出，经研磨成前驱体粉末后，将前驱体粉末放置在温度设置为900℃的马弗炉中煅烧，升温速率为8℃/min，保温时间为4h，得到铝掺杂cr2o3高红外反射材料。本实施例中，铝盐与铬盐的摩尔比为6:10。

实施例4

将cr(no3)3·9h2o(18.43g，0.04605mol)、al(no3)3·9h2o(12.09g，0.03223mol)加入35ml去离子水中，在60℃下搅拌2.5h，得到溶液a；

将c6h8o7·h2o(16.47g，0.07828mol)、乙二醇(7.29mlg，0.11745mol)加入10ml的去离子水中，在常温下搅拌2.5h，得到溶液b；

用滴管将溶液b滴加至溶液a中，在70℃下继续搅拌6h形成溶胶，随后在搅拌的条件下将温度升至80℃，保温静置2.5h，得到湿凝胶；

将湿凝胶取出放入75℃的烘箱中，3天后取出，经研磨成前驱体粉末后，将前驱体粉末放置在温度设置为900℃的马弗炉中煅烧，升温速率为8℃/min，保温时间为4h，得到铝掺杂cr2o3高红外反射材料。本实施例中，铝盐与铬盐的摩尔比为7:10。

实施例5

将cr(no3)3·9h2o(18.43g，0.04605mol)、al(no3)3·9h2o(13.83g，0.03686mol)加入35ml去离子水中，在60℃下搅拌2.5h，得到溶液a；

将c6h8o7·h2o(17.444g，0.08291mol)、乙二醇(7.72ml，0.1244mol)加入10ml去离子水中，在常温下搅拌2.5h，得到溶液b；

用滴管将溶液b滴加至溶液a中，在70℃下继续搅拌6h形成溶胶，随后在搅拌的条件下将温度升至80℃，保温静置2.5h，得到湿凝胶；

将湿凝胶取出放入75℃的烘箱中，3天后取出，经研磨成前驱体粉末后，将此前驱体粉末放置在温度设置为900℃的马弗炉中煅烧，升温速率为8℃/min，保温时间为4h，得到铝掺杂cr2o3高红外反射材料。本实施例中，铝盐与铬盐的摩尔比为8:10。

实施例6

将cr(no3)3·9h2o(18.43g，0.04605mol)、al(no3)3·9h2o(15.55g，0.04145mol)加入35ml去离子水中，在60℃下搅拌2.5h，得到溶液a；

将18.41gc6h8o7·h2o(18.41g，0.0875mol)、乙二醇(8.15ml，0.1313mol)加入10ml的去离子水中，在常温下搅拌2.5h，得到溶液b；

用滴管将溶液b滴加至溶液a中，在70℃下继续搅拌6h形成溶胶，随后在搅拌的条件下将温度升至80℃，保温静置2.5h，得到湿凝胶；

将湿凝胶取出放入75℃的烘箱中，3天后取出，经研磨成前驱体粉末后，将前驱体粉末放置在温度设置为900℃的马弗炉中煅烧，升温速率为8℃/min，保温时间为4h，得到铝掺杂cr2o3高红外反射材料。本实施例中，铝盐与铬盐的摩尔比为9:10。

对比例1～3

将cr2o3(25.33g，0.167mol)和al2o3(11.89g，0.117mol)加入球磨罐中，以乙醇为分散介质，进行湿法球磨；其中，研磨料、研磨球及无水乙醇的比例为1:4:1，球磨机转速200r/min，球磨时间6小时，结束后将物料放入70℃恒温干燥箱中将粉体烘干，然后将烘干的粉体均匀的分成3份分别放置在温度设置为900℃、1000℃和1100℃的马弗炉中进行煅烧，升温速率为8℃/min，保温4小时，冷却至室温，得到对比例1～3的样品。对比例1～3中，al2o3与cr2o3的摩尔比为7:10。

性能测试

对上述实施例1～6和对比例1～3中得到的样品进行性能测试。其中，采用xrd对样品进行物相分析，采用紫外可见近红外分光光度计对样品进行红外反射性能测试。

由图2可以看出，在相同掺量下，煅烧温度分别为800℃和900℃时，所得铝掺杂cr2o3高红外反射材料具有不同的晶相结构。铝盐与铬盐的摩尔比为3:10的条件下，煅烧温度为900℃时，得到1.73cr2o3·0.35al2o3，煅烧温度为800℃时，得到1.70cr2o3·0.30al2o3。同时，结合图4和图5可以看出，煅烧温度为900℃时，所得铝掺杂cr2o3高红外反射材料的红外反射率较煅烧温度为800℃时高。

由图3可以看出，同一煅烧温度下，铝盐和铬盐的摩尔比不一致，也将导致不同的晶相结构。煅烧温度为900℃的条件下，铝盐与铬盐的摩尔比为(6～8):10时，得到3.8cr2o3·1.3al2o3，铝盐与铬盐的摩尔比为9:10时，得到2.3cr2o3·1.1al2o3。同时，结合图6～9可以看出，随着铝盐与铬盐摩尔比的增加，所得铝掺杂cr2o3高红外反射材料的红外反射率呈现出先升后降的趋势，当铝盐与铬盐摩尔比的增加至7:10时，所得铝掺杂cr2o3高红外反射材料的红外反射率最高，在近红外波段的各个波长范围反射率最低64％、最高可达81％，且在超过3/4的范围内其反射率都在70％以上。

由图10可以看出，煅烧温度为900～1100℃时，制得产物均为1cr2o3·0.7al2o3；由图11可以看出，采用固相反应法制得产物的红外反射率随着煅烧温度的增加而增加，当煅烧温度增加到1100℃时，产物的红外反射率最高，但仍未达到本发明提供的产物的性能。

综上，采用本发明的方法，能在较低的煅烧温度下，得到高红外反射率的铝掺杂cr2o3高红外反射材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过单独制备溶液a和溶液b，并将溶液b滴加到溶液a中，提高了物料混合的均匀性；通过溶胶凝胶法形成的络合物在物料混合均匀后将物料“包裹”住，使物料不会在后续静置过程中因各自物料沉淀速率不同而导致物料分层影响混合均匀性；同时，通过溶胶凝胶法得到的混合物料与固相法相比，煅烧过程中所需的温度较低；

本发明得到的铝掺杂cr2o3高红外反射材料在保持绿色的同时，还能具有较高的红外反射率，红外反射率可达81％，且在超过3/4的范围内其反射率都可达到70％。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。