旋转包覆法构筑高反射低导热型HGM@TiO2@ZnO核-壳-壳材料

doi:10.7503/cjcu20250185

高等学校化学学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (11): 20250185.doi: 10.7503/cjcu20250185

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旋转包覆法构筑高反射低导热型HGM@TiO₂@ZnO核-壳-壳材料

齐文甲¹, 赵开庆², 吴刚², 吾麦尔·亚森null¹(), 童刚生²^,³()

^1.上海工程技术大学化学化工学院，上海 201620
^2.上海交通大学化学化工学院，上海 200240
^3.上海航天设备制造总厂有限公司，上海 200245

收稿日期:2025-07-02 出版日期:2025-11-10 发布日期:2025-09-11
通讯作者: 吾麦尔·亚森null E-mail:omerjan@sues.edu.cn;tgs@sjtu.edu.cn
作者简介:童刚生，男，博士，副研究员，主要从事聚合物可控制备及航天特种涂料应用方面的研究. E-mail： tgs@sjtu.edu.cn
第一联系人：共同第一作者.
基金资助:
上海市学术/技术研究带头人计划(23XD1431800);上海高校青年教师资助培养计划项目(0234-A1-0100-25-QP034)

Fabrication of High-reflectance and Low-thermal-conductivity HGM@TiO₂@ZnO Core-shell-shell Material via Rotational Coating

QI Wenjia¹, ZHAO Kaiqing², WU Gang², WUMAIER·Yasen ¹(), TONG Gangsheng²^,³()

^1.School of Chemistry and Chemical Engineering，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620，China
^2.School of Chemistry and Chemical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China
^3.Shanghai Aerospace Equipments Manufacturer Co. Ltd. ，Shanghai，200245，China

Received:2025-07-02 Online:2025-11-10 Published:2025-09-11
Contact: WUMAIER·Yasen E-mail:omerjan@sues.edu.cn;tgs@sjtu.edu.cn
Supported by:
the Program of Shanghai Academic/Technology Research Leader, China(23XD1431800);the Shanghai Young College Teachers Training Funding Program, China(0234-A1-0100-25-QP034)

摘要/Abstract

摘要：

以空心玻璃微球（HGM）为基体，通过旋转包覆工艺和两步非均相沉淀法在其表面依次均匀包覆鸡蛋壳状TiO₂与纳米针状ZnO，构建了一种高反射低导热型核-壳-壳材料HGM@TiO₂@ZnO. 研究结果表明， HGM@TiO₂@ZnO具有的空心核结构减少了热量传递效率，高、低折射率双壳层结构对光产生了多级反射和散射，且纳米针状ZnO之间形成了空腔结构，进一步降低了HGM@TiO₂@ZnO的导热系数，实现了“反射-隔热”双重协同作用. HGM@TiO₂@ZnO材料在可见-近红外（380~2500 nm）波段的太阳光平均反射率高达88.64%，较HGM、 HGM@TiO₂及物理共混材料（HGM&TiO₂&ZnO）分别提升了25.6%， 6.2%和10.0%. 向丙烯酸树脂基体中加入体积分数40%的HGM@TiO₂@ZnO时，所得涂层的可见-近红外波段太阳光平均反射率高达72.86%，导热系数低至0.08 W·m^-1·K^-1，较添加相同体积分数HGM的丙烯酸树脂基涂层的反射率提升5.4%，导热系数降低34%. 本文揭示了核-壳-壳层级结构对光热性能的协同调控机制，为开发高效热反射隔热功能涂料提供了理论支撑与材料基础.

关键词: 空心玻璃微球, 核壳材料, 太阳光反射率, 导热系数, 涂料

Abstract:

Hollow glass microspheres（HGM） was utilized as the substrate and sequentially was coated with eggshell-like TiO₂ and needle-like nano-ZnO through a rotational coating process and a two-step heterogeneous precipitation method， constructing a high-reflectance， low-thermal-conductivity core-shell-shell material HGM@TiO₂@ZnO. Research demonstrates that the obtained HGM@TiO₂@ZnO exhibits a hollow core structure that reduces heat transfer efficiency. The dual-shell structure， comprising high and low refractive index layers， induces multi-level reflection and scattering of light， while the cavity structures formed between the needle-like nano-ZnO further decrease the thermal conductivity of HGM@TiO₂@ZnO， achieving a dual synergistic effect of "reflection-thermal insulation". Results indicate that the HGM@TiO₂@ZnO material achieves an average solar reflectance up to 88.64% in the visible-near-infrared（380—2500 nm） range， representing improvements of 25.6%， 6.2%， and 10.0% compared to HGM， HGM@TiO₂， and physically blended material HGM&TiO₂&ZnO， respectively. When HGM@TiO₂@ZnO was added to an acrylic resin matrix at volume fraction of 40%， the resulting coating exhibited an average solar reflectance of 72.86% and a thermal conductivity as low as 0.08 W·m^-1·K^-1. Compared to coatings with the same volume fraction of HGM added to the acrylic resin， the reflectance increased by 5.4%， while the thermal conductivity decreased by 34%. Thus， this study elucidates the synergistic regulation mechanism of the core-shell-shell hierarchical structure on photothermal performance， providing theoretical support and material foundations for the development of high-efficiency thermal-reflective and insulating functional coatings.

Key words: Hollow glass microsphere, Core-shell material, Solar reflectance, Thermal conductivity, Coating

中图分类号:

O611

TrendMD:

齐文甲, 赵开庆, 吴刚, 吾麦尔·亚森null, 童刚生. 旋转包覆法构筑高反射低导热型HGM@TiO₂@ZnO核-壳-壳材料. 高等学校化学学报, 2025, 46(11): 20250185.

QI Wenjia, ZHAO Kaiqing, WU Gang, WUMAIER·Yasen , TONG Gangsheng. Fabrication of High-reflectance and Low-thermal-conductivity HGM@TiO₂@ZnO Core-shell-shell Material via Rotational Coating. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(11): 20250185.

图/表 11

Fig.1 FTIR spectra(A) and XRD patterns of HGM, HGM@TiO2 and HGM@TiO2@ZnO(B)

Fig.2 XPS full spectra of HGM@TiO2@ZnO, HGM@TiO2, TiO2 and ZnO(A), high resolution XPS spectra of Ti2p (B) and Zn2p (C)

Fig.3 SEM images of HGM(A), HGM@TiO2(B) and HGM@TiO2@ZnO(C) by mechanical stirring method

Fig.4 SEM images of HGM(A, D), HGM@TiO2(B, E) and HGM@TiO2@ZnO(C, F) with different magnifications

Fig.5 SEM images of HGM@TiO2(A) and HGM@TiO2@ZnO(D), O distribution map(B) and Ti distribution map(C) on HGM@TiO2, Zn distribution map(E) and Ti distribution map(F) on HGM@TiO2@ZnO

Table 1 Comparative elemental content of two processing methods

Method	Sample	Mass fraction（%）
Method	Sample	O	Na	Si	Ca	Ti	Zn
Rotational coating	HGM	75.2	2.5	17.4	4.9	—	—
	HGM@TiO₂	55.1	1.9	25.7	5.5	11.8	—
	HGM@TiO₂@ZnO	44.3	5.4	13.7	3.5	8.6	24.5
Mechanical stirring	HGM@TiO₂	70.2	1.7	19.2	3.6	5.2	—
Mechanical stirring	HGM@TiO₂@ZnO	70.8	1.9	16.5	3.5	4.1	3.2

Fig.6 Particle size distribution of HGMThe bar graph represents the percentage of particles within each size range, and the curve represents the cumulative sum of percentages from the smallest size range up to each specific range.

Fig.7 UV⁃Vis⁃NIR reflectance spectra(A) and reflectance values across spectral bands(B) of HGM, HGM@TiO2 and HGM@TiO2@ZnO

Fig.8 UV⁃Vis⁃NIR reflectance spectra(A) and reflectance values across spectral bands(B) of HGM&TiO2, HGM&TiO2&ZnO and HGM@TiO2@ZnO

Fig.9 UV⁃Vis⁃NIR reflectance spectra(A) and reflectance values across spectral band(B) of HGM@TiO2@ZnO and HGM in acrylic resin

Table 2 Comparison of reflectivity and thermal conductivity between PA-HGM and commercial high-reflective coatings/low-thermal-conductivity materials

Sample	Visble⁃near infrared reflectivity， R（%）	Thermal conductivity/（W·m^-1·K^-1）	Ref.
Commercial high reflective coatings	72.33	—	［26］
Acrylic reflective coatings	51.69	—	［27］
Polyurethane reflective coatings	48.08	—	［28］
Highly reflective hull coating	56.16	—	［29］
Silica aerogel films	—	0.2000	［30］
nano⁃TiO₂/LHPM	—	0.1687	［31］
Silica aerogel（building thermal insulation	—	0.07~0.11	［32］
PA⁃HGM@TiO₂@ZnO	72.86	0.0830	This work

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