建筑節能型熱反射陶瓷色料的研究現狀與展望

張緹

摘 要：在未來三十年內，城市熱島現象將會日益嚴峻，建筑節能型新材料的開發，將成為未來幾年的重要課題。在城市建筑物外部鋪貼具有高近紅外反射率的無機材料，將在節能降耗方面發揮重要作用。本文對建筑節能型熱反射陶瓷色料的近期研究進行了闡述，對其制備技術及市場前景提出了展望。

關鍵詞：建筑節能;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，隨著全球經濟和人口發展，“城市熱島”效應[1]日益嚴重。在太陽輻射中，有52%都集中在近紅外區域（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光譜的紅外區域，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，在國內外得到了廣泛的研究與應用。

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

2 離子摻雜型熱反射陶瓷色料

對于陶瓷色料而言，離子摻雜有助于形成雜質缺陷，減小材料的光學帶隙。因此，元素摻雜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87%。CeO2的著色機制基于半導體CeO2中從O 2p（價帶）到Ce 4f（導帶）的電荷轉移帶，因此，在CeO2中摻入Bi3+后，可在CeO2的帶隙內形成額外能級，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91%。Mo摻雜Gd1Ce1-xO3.5+y黃色熱反射陶瓷色料無有毒金屬離子，且具有優異的化學和熱穩定性，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品中。

（2）橙色熱反射陶瓷色料：Shi等人[8]通過共沉淀法合成了Fe摻雜AlPO4熱反射陶瓷色料，在摻入Fe3+后，色料顏色由白色變為黃橙色，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，該色料為鈣鈦礦結構，Cr摻雜量為1%時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*優于工業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、無毒、電子和空穴分離效率高，日光反射性能優異（日光反射率>86%）。

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

3 包裹型熱反射陶瓷色料

一般來說，包裹型陶瓷色料具有高溫穩定性和化學穩定性，通過采用具有高折射率的材料對陶瓷色料進行包裹，可達到不影響其色彩性質并提高熱穩定性的效果。近期研究發現，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-殼結構：核-殼結構的色料顆粒，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，它們的性質可以通過改變構成材料或核殼比來改變[16]。Sadeghi-Niaraki等人[17]合成了（Fe，Cr）2O3@TiO2核-殼納米復合結構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-殼結構陶瓷色料近紅外反射率高達57.8%，由于其易于合成、顏色多樣和高日光反射率的性質，（Fe，Cr）2O3@TiO2核-殼結構熱反射陶瓷色料可用于建筑節能。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-殼結構熱反射陶瓷色料。與商業TiO2色料相比，飛灰@TiO2核-殼結構色料制備出的瓷磚表面具有更低的熱擴散率。

（2）以云母為基底：二氧化鈦包裹云母復合色料[19]，是將TiO2沉積在云母片上，具有高日光反射率，以及優異光澤和彩虹色效果。Gao等人[20]通過簡單溶液法合成了云母@Fe2TiO5核-殼結構的黃色熱反射陶瓷色料，近紅外反射率高達80.3%。在隔熱測試中，涂有云母@Fe2TiO5核-殼結構復合色料的涂層將加熱箱的內部溫度降低了3℃。Zhang等人[21]通過溶膠-凝膠法合成了具有式云母@γ-Ce2-xYxS3系列包裹型復合色料，色料熱分解溫度可以達到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）是一種中空結構的硅酸鹽材料，具有比粘土、方解石和沸石的更低的熱導率[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]采用混合漿料燒結法，制備出了HGM@TiNiY熱反射復合陶瓷色料，通過將TiNiY色料包裹在空心玻璃微珠上，提高了其日光反射率，且節省了約87%的TiNiY色料用量。

4 結 語

在未來三十年內，城市熱島現象將會日益嚴峻。建筑節能型新材料的開發，將成為未來幾年的重要課題。熱反射陶瓷色料的使用可達到節約能源的效果，因此，熱反射陶瓷色料具有極大的應用空間和廣闊的市場前景。

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