二氧化硅氣凝膠隔熱涂料的性能評價

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(1.河南工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900)

二氧化硅氣凝膠隔熱涂料的性能評價

豆新豐1，何方1，李榮春1，吳菊英2，黃渝鴻2

(1.河南工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900)

通過控制合適的條件，將SiO2氣凝膠微球加入到純丙乳液中，混合其它助劑，制成SiO2氣凝膠隔熱涂料；并運用相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)提供的方法對其進(jìn)行性能檢測。實驗結(jié)果表明，它具有較好的液態(tài)性能、顏色和外觀、硬度和附著力、耐水耐熱性和隔熱性；在實驗探索中，還建立了一套針對于SiO2氣凝膠隔熱涂料的性能評價體系。

SiO2氣凝膠；隔熱涂料；性能評價

Keywords:SiO2airgel；insulation coating；performance evaluation

0 引言

目前，建筑耗能在人類整個能耗中占11%～25%，節(jié)約意義重大，因此，采用一種高效、節(jié)能的隔熱材料便成為了解決能源危機的重要途徑[1]。然而，當(dāng)前市場上的建筑隔熱材料主要是以有機材料聚氨酯、擠塑聚苯乙烯保溫板和膨脹型聚苯乙烯保溫板為主，它們雖然隔熱性能較好，但是防火性能較差，不能做到節(jié)能與防火兼?zhèn)鋄2]。

SiO2氣凝膠具有獨特的納米孔結(jié)構(gòu)，孔隙率高達(dá)90%以上、比表面積為800～1 000 m2/g[3-4]，這種結(jié)構(gòu)可以降低其內(nèi)部氣體和固體的導(dǎo)熱效率，提升隔熱性能，所以氣凝膠是固體材料中隔熱性能最好的一種[5-7]。此外，氣凝膠防水阻熱、綠色環(huán)保、防酸耐腐蝕、不易老化、使用壽命長，是其它傳統(tǒng)材料無法比擬的[8]。鑒于SiO2氣凝膠的以上優(yōu)良性能，人們開始嘗試以它為主要原料，以某些填料助劑進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐浔?，制成SiO2氣凝膠隔熱涂料，使其達(dá)到既隔熱、又防火的要求。但是，此類研究目前正處于探索階段，不免存在諸多問題。

郭迪[9]選用水性丙烯酸為成膜物質(zhì)、SiO2氣凝膠水分散漿料為填料，制得了具有很好透明性和隔熱效果的水性透明隔熱涂料。但在對涂膜耐水性測試時，忽略了“實際環(huán)境中的水可能是循環(huán)的、高溫的水”的因素。汪慧[10]首先用硅烷偶聯(lián)劑KH570對SiO2氣凝膠表面進(jìn)行改性，最后以SiO2氣凝膠/苯丙乳液作為基料制備了隔熱涂料。在評價其隔熱性能時，只運用了測箱體內(nèi)外溫差和測定涂層對各個光譜區(qū)域的透過率的方法。虞瑩瑩[11]對各種涂層和漆膜的檢測方法做出了較為全面的總結(jié)，但是對隔熱涂料的檢測并無單獨列出。

由此可見，由于該類涂料的配方不同、測定方法各異產(chǎn)生的問題，嚴(yán)重阻礙了SiO2氣凝膠隔熱涂料研究的發(fā)展?；谏鲜鰡栴}，本文通過控制合適的條件，將SiO2氣凝膠微球加入到純丙乳液中，混合其它助劑，制成SiO2氣凝膠隔熱涂料。并運用相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)提供的方法對其進(jìn)行檢測，最終在實驗探索中建立一套針對于SiO2氣凝膠隔熱涂料的性能評價體系。

1 實驗部分

1.1主要原料和試劑

實驗所需的主要原料和試劑如表1所示。

表1 主要實驗試劑一覽表

注：固含量及活性成分為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。

1.2主要儀器和設(shè)備

實驗所需的主要儀器和設(shè)備如下：鉛筆劃痕試驗儀，QHQ-A，深圳市豐順科技有限公司；立方抗壓試模，70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm(鑄鐵)，河北海奧試驗儀器公司；Hot Disk熱物性分析儀，TPS2500s，瑞典凱戈納斯有限公司。

1.3涂膜的制備

實驗流程圖如圖1所示。

圖1 SiO2氣凝膠隔熱涂料制備過程

首先，將水、潤濕劑、分散劑、(2/3量)消泡劑、流平劑等助劑分別稱量后加入50 mL的燒杯，振蕩搖勻；然后加入填料SiO2氣凝膠和一定量的滑石粉，得到均勻料漿；最后將乳液，剩余消泡劑(1/3量)加入混合料漿中，充分?jǐn)嚢?，即得涂料漿體。

選取尺寸規(guī)格為50 mm×120 mm的馬口鐵片，洗凈烘干。將制得的隔熱涂料，用均勻涂覆于鐵片表面，干燥固化制得SiO2氣凝膠隔熱涂膜試樣。

1.4檢測方法

SiO2氣凝膠隔熱涂料要想得到很好的應(yīng)用，除了有比較好的隔熱性能外，還應(yīng)該在外觀、附著力、耐水、耐熱性等性能上有著良好的表現(xiàn)。實驗室標(biāo)準(zhǔn)測試條件：溫度是( 28±3) ℃；相對濕度是(50±5)%。

①涂料在容器中的狀態(tài)。將調(diào)制好的料漿置于一容器中，用調(diào)刀或玻璃棒攪拌容器中的試樣，觀察涂料在容器中的狀態(tài)，具體測定方法按GB/T 9278-2008《涂料試樣狀態(tài)調(diào)節(jié)和實驗的溫濕度》中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。②干燥時間。采用實際干燥測定方法中的“壓濾紙法”，具體操作參照GB/T 1728-1979 (1989)《涂膜、膩子干燥時間測定法》的相關(guān)規(guī)定。③顏色和外觀。選擇用肉眼觀察涂料的顏色、外觀，也可按照GB/T 1722-92《清漆、清油及稀釋劑顏色測定法》來測定SiO2氣凝膠隔熱涂料的顏色和外觀。④硬度。采用便攜式鉛筆硬度測定儀，然后按照GB/T 6739-1996《膜硬度鉛筆測定法》的規(guī)定測定了SiO2氣凝膠隔熱涂料的涂膜硬度。⑤附著力。運用“劃格法”，并按照GB/T 9286-1998《色漆和清漆、漆膜的劃格試驗》的相關(guān)規(guī)定測定了SiO2氣凝膠隔熱涂料的附著力。⑥耐水性。采用40 ℃的恒溫循環(huán)水、運用“浸水法”進(jìn)行測定，具體操作步驟參照GB/T 5209《色漆和清漆 耐水性測定 浸水法》的相關(guān)規(guī)定。⑦耐熱性。選用電烘箱為實驗儀器，按照GB/T 1735《漆膜耐熱性測定》的相關(guān)規(guī)定測定了SiO2氣凝膠隔熱涂料的耐熱性。然而，考慮到施工環(huán)境，我們并未按照“在(125±2)℃條件下試驗24 h”的建議，而是改成“在(90±2)℃條件下試驗24 h”。⑧隔熱性能。采用Hot Disk TPS2500s 熱物性分析儀，利用瞬變平面熱源技術(shù)(Transient Plane Sources，TPS)測試SiO2氣凝膠隔熱涂料的導(dǎo)熱系數(shù)，從而表征它的隔熱性能。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1液體性能和涂層外觀

圖2 制備的隔熱涂料與常規(guī)隔熱涂料外觀比較圖

實驗發(fā)現(xiàn)，SiO2氣凝膠隔熱涂料在容器中的狀態(tài)：呈均勻稠厚流體狀態(tài)，無結(jié)塊。另外，圖2的第一塊試板涂層是本文研究制備的，第二塊試板涂層是常規(guī)隔熱涂層。我們可以明顯看出，前者表面光滑，顏色乳白，色澤飽滿，厚度較薄，后者表面粗糙，顏色淺灰色，色澤不飽滿，厚度較厚。涂料產(chǎn)品主要是用來裝飾的，所以它的外觀質(zhì)量非常重要。顯然，本文制備的隔熱涂料比常規(guī)涂料的外觀質(zhì)量要好。

2.2涂膜硬度

測試不同含量的SiO2氣凝膠隔熱涂料的涂膜硬度，結(jié)果如圖3所示。

圖3 SiO2氣凝膠體積分?jǐn)?shù)對涂膜硬度的影響

由圖3可知，當(dāng)SiO2氣凝膠體積分?jǐn)?shù)從0逐步升至10%時，涂膜硬度隨之發(fā)生變化，表明填充SiO2氣凝膠粒子對復(fù)合材料的硬度具有明顯的增強效果。但當(dāng)SiO2氣凝膠體積分?jǐn)?shù)從10%升至20%以及從40%升至50%時，涂料硬度相當(dāng)，沒有發(fā)生大的變化。說明在此階段增加SiO2氣凝膠的量對涂料硬度影響不大。實驗結(jié)果表明，填充SiO2氣凝膠粒子對復(fù)合材料的硬度具有明顯的增強效果。

2.3涂膜的附著力

SiO2氣凝膠隔熱涂料在120 ℃下，固化時間為20 min，固化成膜。在室溫27 ℃下測試其力學(xué)性能，測量結(jié)果如表2所示。其中，當(dāng)SiO2氣凝膠體積分?jǐn)?shù)為40%時，其附著力為1級。而同樣條件下測普通隔熱涂料的力學(xué)性能，結(jié)果附著力為3級，數(shù)值遠(yuǎn)低于該SiO2氣凝膠隔熱涂料。這表明，SiO2氣凝膠隔熱涂料的附著力與普通隔熱涂料相比，性能較好。

表2 SiO2氣凝膠含量對涂料附著力的影響

2.4涂膜的耐水性

本實驗分別選取SiO2氣凝膠體積分?jǐn)?shù)為0、10%、20%、30%、40%、50%的SiO2氣凝膠隔熱涂料，測量其耐水性。測量結(jié)果表明，6組實驗結(jié)果均為“不起泡，不脫落”。

這就說明，此時純丙乳液占大部分，SiO2氣凝膠添加量對涂膜的耐水性影響不大；同時也說明，涂膜的耐水性能主要取決于聚合乳液單體的結(jié)構(gòu)，即純丙乳液的性能。所以，我們在研究過程中，可以依據(jù)它來選擇一個合適的配比。

2.5涂膜的耐熱性

同理，本實驗也分別選取SiO2氣凝膠體積分?jǐn)?shù)為0、10%、20%、30%、40%、50%的SiO2氣凝膠隔熱涂料，SiO2氣凝膠隔熱涂料在120 ℃的條件下，連續(xù)加熱16 h，測量其耐熱性，得到的樣板與空白樣板對照。對照結(jié)果表明，6組實驗結(jié)果均為“無粉化、無脫落、無顏色變化”。證明其耐熱性能良好，符合實際建筑環(huán)境的需要。

2.6涂膜的隔熱性能

經(jīng)過多組分的實驗得出，SiO2氣凝膠隔熱涂料樣品的導(dǎo)熱系數(shù)隨氣凝膠體積分?jǐn)?shù)的增加而變化的過程如圖4所示。

圖4 SiO2氣凝膠隔熱涂料的導(dǎo)熱系數(shù)曲線圖

首先，由圖可知，隨著涂料中SiO2氣凝膠微球添加量不同，其導(dǎo)熱系數(shù)值也不同；隨著SiO2氣凝膠體積分?jǐn)?shù)的不斷增加，涂料的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減小，隔熱性能逐步增強。在本實驗所選取的SiO2氣凝膠體積分?jǐn)?shù)的范圍內(nèi)，SiO2氣凝膠體積分?jǐn)?shù)與涂料的導(dǎo)熱系數(shù)成反比關(guān)系。但是，該涂料的導(dǎo)熱系數(shù)不會一直減小，并且當(dāng)SiO2氣凝膠體積分?jǐn)?shù)為50%時，其導(dǎo)熱系數(shù)已達(dá)到0.106 4 W/(m·K)，已經(jīng)明顯優(yōu)于普通涂料，擁有很高的應(yīng)用價值和開發(fā)的潛能。

3 結(jié)論與展望

通過將助劑和純丙乳液均勻穩(wěn)定分散于水中，然后添加SiO2氣凝膠和滑石粉等制備出SiO2氣凝膠隔熱涂料的漿料，最后將它涂覆于普通馬口鐵基材上，制得隔熱涂層。所得的涂層表面光滑平整，附著力強，硬度好，耐水耐熱性能較好，隔熱性能突出，其性能可以很好的滿足隔熱涂料的基本需要。并且，通過對SiO2氣凝膠隔熱涂料的研究、制備和綜合性能檢測，我們得出了一套SiO2氣凝膠隔熱涂料專用的性能評價體系，以期望給將來的研究者帶來幫助。

眾所周知，當(dāng)前國內(nèi)隔熱涂料的使用最為廣泛的仍然是阻隔型隔熱涂料，而新型功能性的SiO2氣凝膠隔熱涂料將代表未來隔熱涂料的發(fā)展趨勢[12]。隨著自我保護意識的不斷增強，人們選擇使用節(jié)能環(huán)保的材料已大勢所趨，由此看來，隔熱又安全的SiO2氣凝膠隔熱涂料必定會擁有較為廣闊的市場和應(yīng)用前景。

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PerformanceEvaluationofSilicaAirgelInsulationCoating

DOUXin-feng1,HEFang1，LIRong-chun1,WUJu-ying2,HUANGYu-hong2

(1.College of Material Science and Engineering，Henan University of Technology,Zhengzhou 450001，China；2.Institute of System Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China)

Through control suitable conditions adding the SiO2airgel microspheres to the acrylic emulsion mixed with other additives to produce SiO2airgel insulation coatings;using the methods provided by the relevant national standards test its performance.The experimental result shows that it has good liquid properties,color and appearance,hardness and adhesion,water resistance and heat insulation;while exploring the experiment,also established a compartment for the SiO2airgel thermal coating performance evaluation system.

2013-11-20

國家自然科學(xué)基金委員會和中國工程物理研究院聯(lián)合基金資助項目(NSAF)(11076010)

豆新豐(1991-)，男，本科；聯(lián)系人：何方(1968-)，男，副教授，E-mail：hefangmail@aliyun.com。

TQ630.4；O642.3

A

1003-3467(2014)01-0031-04