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

doi:10.7503/cjcu20250185

Abstract

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

CLC Number:

O611

TrendMD:

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[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(11): 20250185.

Figures/Tables 11

References 39

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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

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

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

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