新型氣凝膠復(fù)合保溫隔熱涂料的研制*

呂文東，欒煥光，王 淦，陳和銳，羅智斌

1.廣東省資源綜合利用研究所，稀有金屬分離與綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省礦產(chǎn)資源開發(fā)與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州，510650；2.中山科邦化工技術(shù)有限公司，廣東 中山，528437

在能源匱乏和環(huán)境污染問題日益突出的今天，節(jié)能降耗、提高能源的有效利用率是當(dāng)前社會(huì)發(fā)展的趨勢(shì)[1].我國(guó)的能耗，包括建筑、石油化工、冶金、熱電、汽車等領(lǐng)域因保溫隔熱材料的落后而損失的能量巨大[2-3].因此，研發(fā)高性能的節(jié)能保溫隔熱涂料具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益.

自然界熱量的傳遞主要有熱傳導(dǎo)、輻射和對(duì)流等方式[4-6].根據(jù)不同的隔熱機(jī)理，可將保溫隔熱涂料分為阻隔型、輻射型和反射型.如今市場(chǎng)上常見的中低溫區(qū)(<250 ℃)保溫隔熱涂料[7-9]，主要是復(fù)合硅酸鹽隔熱保溫涂料[10]，此類材料保溫效果、性能相對(duì)較差.以氣凝膠為主的新型復(fù)合保溫隔熱材料[11-12]，因其優(yōu)越的保溫性能，正成為一種新型的保溫涂料.針對(duì)以上問題，本研究以阻隔型隔熱機(jī)理為主，結(jié)合其它保溫隔熱機(jī)理，以改性有機(jī)硅丙烯酸成膜樹脂CPS-1800為成膜材料，改性氣凝膠(50～200 μm)為功能填料，輔以適當(dāng)?shù)奶盍虾椭鷦?，旨在制備一種中低溫區(qū)高性能的復(fù)合保溫隔熱涂料.

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料及儀器

主要試驗(yàn)原料：甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷和苯基三氯、其它有機(jī)硅單體、丙烯酸單體/樹脂、聚酯單體/樹脂、分散劑、去離子水、氣凝膠、陶瓷微珠、玻璃纖維、水性有機(jī)硅改性丙烯酸樹脂(自制)、納米空隙氣凝膠復(fù)合隔熱填料(自制)、封閉劑、成膜助劑、消泡劑、脫脂劑和防霉劑等.

主要試驗(yàn)儀器：帶有攪拌設(shè)備的配料反應(yīng)釜、高速混合機(jī)、噴涂房、涂層測(cè)試儀、導(dǎo)熱系數(shù)儀、模擬保溫工況試驗(yàn)儀(自制)、小型玻璃反應(yīng)釜(帶溫控和壓力控制系統(tǒng))、JJ-1型電動(dòng)攪拌器、HH-4型數(shù)顯恒溫水浴鍋、JM3202型電子天平、101FA-00型電熱鼓風(fēng)干燥箱、刮涂器、DZTW型調(diào)溫電熱套、研磨分散多用機(jī)、NDJ型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、刮板細(xì)度計(jì)、接觸式探頭測(cè)溫儀等.

1.2 改性成膜樹脂的制備

將適量的丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、苯乙烯、丙烯酸異辛酯和BPO混合后在90～120 ℃反應(yīng)至體系透明，然后滴加一定量的有機(jī)硅中間體，降溫至40～50 ℃反應(yīng)至分水器中無產(chǎn)物分出，調(diào)節(jié)pH至7～8，冷卻出料.利用分散設(shè)備制得的有機(jī)改性硅丙烯酸成膜樹脂，命名為CPS-1800.

1.3 氣凝膠的改性

在密閉的容器中，加入適量的水、分散劑和助劑，攪拌均勻后，慢慢加入選定的50～200 μm氣凝膠粉末，并緩慢攪拌.在攪拌的過程中當(dāng)氣凝膠粉末與水形成均勻分散的漿料時(shí)，對(duì)容器進(jìn)行抽真空，并持續(xù)攪拌，直至氣凝膠粉末與水的質(zhì)量比為25∶75，即制得改性后的氣凝膠粉末漿料.

1.4 隔熱保溫涂料的制備

將改性氣凝膠漿料、改性成膜樹脂、顏填料以及成膜助劑等按照一定比例先后加入反應(yīng)釜中，低速攪拌均勻之后，再經(jīng)過高速分散研磨機(jī)分散研磨、過濾，即得到保溫隔熱涂料，通過改變?cè)囼?yàn)條件得到不同細(xì)度的涂料.

1.5 測(cè)試方法

參照GB/T3399-1982《塑料導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)方法 防護(hù)熱板法》自制了隔熱性能測(cè)試儀，對(duì)所制備的涂料進(jìn)行阻隔隔熱性能測(cè)試.圖1為自制隔熱性能測(cè)試儀的原理圖.測(cè)試時(shí)，設(shè)定恒溫?zé)嵩礈囟?，待散熱面溫度恒定時(shí)，測(cè)量樣品所隔溫差，結(jié)合厚度與面積評(píng)估隔熱材料的保溫隔熱效果.

圖1 隔熱性能測(cè)試儀的測(cè)試原理圖 Fig.1 Schematic diagram of thermal insulation tester

2 結(jié)果與討論

2.1 改性氣凝膠對(duì)涂料的隔熱保溫性能評(píng)價(jià)

由于氣凝膠特有的物理性能，其粒徑大小及在涂料中的分布狀態(tài)，直接影響保溫涂料的整體隔熱效果.為此，需要對(duì)氣凝膠進(jìn)行改性，不僅增加在水中的分散相容性，同時(shí)還要保留氣凝膠一定的疏水性，進(jìn)而保持氣凝膠粉末在涂料中的優(yōu)異保溫隔熱性能.

在其它配料及其用量相同的條件下，按表1列出的氣凝膠及其用量制備不同保溫涂料.

表1 不同配方中的氣凝膠及其用量

將不同粒徑改性氣凝膠制備的4種保溫涂料制成厚8 mm的隔熱材料，放到恒溫加熱儀器上，用加熱器來調(diào)節(jié)實(shí)際熱面測(cè)試的溫度為250 ℃，然后用接觸式探頭測(cè)試涂層的表面溫度.所制備的4種保溫涂料表面溫度隨時(shí)間變化的情況如圖2所示.

圖2 不同氣凝膠配方的涂料表面溫度隨時(shí)間的變化Fig.2 The surface temperature of different aerogel formulations varied with time

由圖2可知，氣凝膠對(duì)涂料的隔熱保溫性能影響較大.對(duì)比分析自制的不同粒徑改性氣凝膠隔熱保溫性能發(fā)現(xiàn)，用粒徑<50 μm改性氣凝膠制備的1號(hào)涂料的保溫性能最差，用粒徑50～200 μm改性氣凝膠制備的2號(hào)涂料的隔熱保溫性能最好.經(jīng)過0.5 h，2號(hào)涂料其表面溫度僅為100 ℃，遠(yuǎn)低于市面上商用1號(hào)、商用2號(hào)配方的106 ℃、110 ℃；在3.5 h內(nèi)，該涂料表面的溫度仍遠(yuǎn)低于市面上商用1號(hào)、商用2號(hào)配方涂料的表面溫度，說明該自制的改性氣凝膠的隔熱保溫性能良好，故選用自制的粒徑50～200 μm改性氣凝膠進(jìn)一步試驗(yàn).

2.2 成膜材料對(duì)涂料的隔熱保溫性能評(píng)價(jià)

成膜材料性能決定涂料的整體保溫性能，常規(guī)成膜樹脂由于其物理性能不高，不能滿足高性能保溫涂料要求.本研究選用自行設(shè)計(jì)開發(fā)的水性有機(jī)硅改性丙烯酸雜化樹脂作為成膜材料.該材料具有優(yōu)異的耐熱性、阻燃性，而且其導(dǎo)熱系數(shù)低，能夠?qū)崿F(xiàn)常溫固化.

在其它配料及其用量相同的條件下，按表2列出的不同成膜材料及其用量制備了4種保溫涂料.

表2 不同配方中的成膜材料及其用量

Table 2 Film forming materials and dosage in different formulations

配方成膜材料質(zhì)量/g百分含量/%5水性丙烯酸(652)100776水性有機(jī)硅(德國(guó)瓦克MP50E)100777丙烯酸:有機(jī)硅(652:MP50E)質(zhì)量比1∶1100778CPS-180010077

所制備的涂料做成厚8 mm的隔熱材料，放到恒溫加熱儀器上，用加熱器調(diào)節(jié)實(shí)際熱面測(cè)試的溫度為250 ℃，然后用接觸式探頭測(cè)試涂層的表面溫度.制備的4種保溫涂料表面溫度隨時(shí)間變化的情況如圖3所示.

圖3 不同成膜材料配方涂料表面溫度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)Fig.3 The surface temperature of coatings with different film-forming material formulations changes with time

由圖3可知，成膜材料對(duì)涂料保溫性能的影響較大.所有涂料表面溫度均呈現(xiàn)出隨時(shí)間延長(zhǎng)而升高的趨勢(shì).其中配方6的保溫性能最差，0.5 h時(shí)涂料表面溫度就達(dá)到125 ℃，且隨時(shí)間延長(zhǎng)而升高，3.5 h達(dá)到130 ℃.用CPS-1800制備的配方8涂料在0.5 h時(shí)涂料表面溫度僅為121 ℃，在3.5 h測(cè)試時(shí)間內(nèi)涂料表面溫度未超過125 ℃，保溫性能良好，故選用自制的CPS-1800 成膜樹脂進(jìn)一步試驗(yàn).

2.3 CPS-1800用量對(duì)涂料隔熱保溫性能的影響

將不同CPS-1800用量配方的涂料做成8 mm厚的隔熱材料，放到恒溫加熱儀器上，用加熱器來調(diào)節(jié)實(shí)際熱面測(cè)試的溫度為250 ℃，然后用接觸式探頭測(cè)試涂層表面溫度.

在其它配料及其用量相同的條件下，按表3列出的CPS-1800不同用量，制備了4種保溫涂料，其表面溫度隨時(shí)間變化的情況如圖4所示.

表3 不同配方中CPS-1800的用量

Table 3 Dosage and proportion of CPS-1800 in different formulations

配方CPS-1800 質(zhì)量/g質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%98550109051.41195531210555.3

由圖4可知，CPS-1800用量對(duì)涂料保溫性能的影響較大.在一定范圍內(nèi)，涂料的保溫性能隨CPS-1800用量增加而下降.當(dāng)CPS-1800用量為85 g時(shí)，涂料的保溫性能最好，但試驗(yàn)結(jié)果顯示，其強(qiáng)度較差、易開裂，無實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.當(dāng)CPS-1800用量增加到95 g時(shí)，涂料的保溫性能較好，且涂層強(qiáng)度高、不開裂.繼續(xù)增加CPS-1800用量至105 g時(shí)，涂料的隔熱保溫性能急劇下降，0.5 h時(shí)涂料表面溫度即達(dá)到103 ℃.故CPS-1800的最佳用量為95 g.

2.4 隔熱保溫涂料的研制

在保溫隔熱涂料的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮傳熱的三種路徑：傳導(dǎo)、輻射和對(duì)流，本研究中通過加入氣凝膠可以大大提高涂料中的微孔率以及延長(zhǎng)熱傳導(dǎo)路徑，進(jìn)而改善涂料的保溫隔熱性能；此外，還應(yīng)引入可以反射輻射熱的材料來阻隔輻射導(dǎo)熱的傳播路徑.相變儲(chǔ)能材料作為一種熱能的高效存儲(chǔ)物質(zhì)，其在保溫隔熱涂料中的引入能有效提高保溫隔熱涂料整體性能.經(jīng)過大量試驗(yàn)得到隔熱保溫性能優(yōu)良的最佳配方，如表4所示.其隔熱保溫性能及與其它同類產(chǎn)品主要指標(biāo)的對(duì)比如圖5所示.

由圖5可知，自制的隔熱保溫涂料，在0.5 h時(shí)，其表面溫度僅為85 ℃，明顯低于市面上常見的涂料，并且在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)隔熱效果良好，其溫度無明顯升高.表明其具有優(yōu)異保溫隔熱性能.

表5為該自制涂料與市面上涂料的各項(xiàng)性能指標(biāo)對(duì)比.由表5可知，自制涂料25 ℃導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.038 W/m·K，較小的導(dǎo)熱系數(shù)是該涂料的隔熱保溫性能優(yōu)于其它涂料的主要因素.此外，該自制涂料的強(qiáng)度高，厚涂不開裂，且價(jià)格相對(duì)低廉.

圖4 成膜樹脂用量不同時(shí)表面溫度隨時(shí)間的變化Fig.4 The surface temperature of coating varied with different dosage of film-forming resin

圖5 不同涂料的涂層表面溫度隨時(shí)間的變化Fig.5 The surface temperature of different coatings varied with time

表4 涂料的最佳配方

表5 不同保溫隔熱涂料性能對(duì)比

3 結(jié) 論

以自制的有機(jī)硅改性丙烯酸樹脂CPS-1800作為成膜材料，將改性氣凝膠(50～200 μm)作填充材料，成功制備出了性能優(yōu)良的隔熱保溫涂料.該自制涂料的最佳配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為： CPS-1800 50%、改性氣凝膠(50～200 μm)31.5%、玻璃微珠10.5%、熱反射材料2.6%、相變材料2.6%、助劑2.6%.在此配方下涂層接觸的高溫面250 ℃降至低溫面的85 ℃(膜厚8 mm)，保溫涂料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.038 W/m·K，較小的導(dǎo)熱系數(shù)是該涂料隔熱保溫優(yōu)異的關(guān)鍵因素.相比于市面上其它隔熱保溫涂料，該自制隔熱保溫涂料還具有性價(jià)比高、強(qiáng)度大、耐水性好等優(yōu)點(diǎn)，可替代傳統(tǒng)的隔熱保溫材料，用于對(duì)保溫隔熱有較高要求使用場(chǎng)景.不僅節(jié)約能源，還具有重大的社會(huì)效益，有著十分廣闊的市場(chǎng)前景.