水性保溫涂料的研制

張勇，馬玉民，陸瑜翀，李瑤，蔡耀武，王建斌

（鄭州圣萊特空心微珠新材料有限公司，河南 鄭州 450100）

根據(jù)相關(guān)報(bào)道，目前建筑能源的消耗量占據(jù)全部能量消耗量的1/3 左右[1]，建筑上一般使用的保溫材料為巖棉、復(fù)合硅酸鹽保溫板、玻璃棉、聚氨酯泡沫等，這些材料在使用過程中會(huì)對(duì)環(huán)境以及人體帶來一定的危害，且施工過程繁瑣，難以滿足一些使用場景（異性結(jié)構(gòu)件或者對(duì)防水要求較高的場景巖棉、玻璃棉）。在使用后巖棉、玻璃棉這類纖維狀的無機(jī)保溫材料難以回收，對(duì)環(huán)境再次造成污染，所以開發(fā)出一款綠色、環(huán)保、性能優(yōu)良，且便于施工的保溫涂料成為市場上研究的熱點(diǎn)。目前，研發(fā)一系列新型綠色建筑材料，使其在降低能耗的同時(shí)，又能滿足綠色環(huán)保的需要是建筑業(yè)上亟需解決的問題。目前關(guān)于水性保溫涂料的報(bào)道有很多[2-9]，主要是通過在水性乳液中添加具有保溫功能的材料，賦予涂料一定的保溫特性，但是真正能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的卻寥寥無幾。中空玻璃微珠作為一種無機(jī)非金屬材料，主要由玻璃珠外殼（1～3 μm）以及中空結(jié)構(gòu)組成，具有強(qiáng)度高、耐磨、密度低、隔熱性能好、化學(xué)穩(wěn)定性好且具備一定的光線反射性能等特點(diǎn)，在制備涂料時(shí)能有效地降低輻射傳導(dǎo)以及熱能傳導(dǎo)，起到一定的隔熱保溫作用，是一種新型的環(huán)境友好型隔熱保溫填充材料。

二氧化硅氣凝膠[10]是一種密度極低的粉體（一般密度約為80 kg/m3），其具有復(fù)雜三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且內(nèi)部含有的孔隙率高達(dá)80%～99.5%，具有極低的導(dǎo)熱系數(shù)，僅為0.02 W/（m·K）左右（低于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)0.027 W/（m·K）），且自身無毒無害，環(huán)境友好，可以耐受超1 000℃的高溫，是目前市場上絕熱性能較為優(yōu)異的絕熱材料之一，在隔熱保溫涂料領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，但是其強(qiáng)度相較于中空玻璃微珠較差，且價(jià)格遠(yuǎn)超過玻璃微珠，是一種奢侈保溫材料，而完全使用氣凝膠制備的保溫涂料性能很差，所以將玻璃微珠與氣凝膠復(fù)配是制備高性價(jià)比保溫涂料的有效手段。本文通過探討不同規(guī)格玻璃微珠、氣凝膠漿、反射物質(zhì)對(duì)保溫涂料的影響，并將玻璃微珠、氣凝膠、鈦白粉作為隔熱材料復(fù)配，制備了一種綜合性能優(yōu)良的水性保溫涂料。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

去離子水，實(shí)驗(yàn)室自制；丙烯酸乳液，市售；液體助劑A，市售；液體助劑B，市售；液體助劑C，市售；液體助劑D，市售；液體助劑E，市售；玻璃微珠，HL20、HL25，鄭州圣萊特空心微球新材料有限公司；氣凝膠漿體，市售；鈦白粉，金紅石型，市售。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

BGD750 高速攪拌機(jī)，標(biāo)格達(dá)精密儀器（廣州）有限公司；BGD580 反射率測試儀，標(biāo)格達(dá)精密儀器（廣州）有限公司；JE1201電子天平，上海浦春計(jì)量儀器有限公司；OTM-1422 電子萬能試驗(yàn)機(jī)，承德市金建檢測儀器有限公司；DRPL-2A導(dǎo)熱系數(shù)測試儀，北京明杰藍(lán)天科技有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 不同隔熱物質(zhì)種類及用量對(duì)涂料性能的影響

對(duì)比不同種類隔熱物質(zhì)對(duì)保溫涂料性能的影響，制備工藝如下：將去離子水、丙烯酸乳液置于高速分散機(jī)中，在1 200 r/min的轉(zhuǎn)速下分散3 min，之后依次將液體助劑A、液體助劑E、液體助劑C、液體助劑D 加入高速分散機(jī)中，在1 200 r/min的轉(zhuǎn)速下分散3 min，之后加入液體助劑B，繼續(xù)在1 200 r/min的條件下分散5 min，再加入氣凝膠漿體與鈦白粉（配方中不含氣凝膠漿或鈦白粉的不需添加，全都不含的忽略此步驟），在1 200 r/min的條件下分散3 min，最后加入玻璃微珠，在1 200 r/min的條件下分散5 min，即可制備保溫涂料，密封保存，實(shí)驗(yàn)配方如表1。

表1 不同玻璃微珠種類及用量對(duì)涂料性能的影響Tab.1 Effect of different types and amounts of glass beads on coating performance

1.3.2 氣凝膠用量對(duì)涂料性能的影響

根據(jù)表1 與表4，強(qiáng)度較高的A1 作為基礎(chǔ)配方（玻璃微珠為HL25）繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上添加導(dǎo)熱系數(shù)更低的氣凝膠漿體，測試氣凝膠漿體對(duì)保溫涂料性能的影響，其制備工藝如下：將去離子水、丙烯酸乳液置于高速分散機(jī)中，在1 200 r/min的轉(zhuǎn)速下分散3 min，之后將液體助劑A、液體助劑E、液體助劑C、液體助劑D 加入高速分散機(jī)中，在1 200 r/min的轉(zhuǎn)速下分散3 min，之后加入液體助劑B，繼續(xù)在1 200 r/min的條件下分散5 min，再加入氣凝膠漿體（配方中不含氣凝膠漿的忽略此步驟），在1 200 r/min 的條件下分散3 min，最后加入玻璃微珠，在1 200 r/min的條件下分散5 min，即可制備保溫涂料，密封保存，實(shí)驗(yàn)配方如表2。

表2 氣凝膠漿體對(duì)涂料性能的影響Tab.2 Effect of aerogel slurry on coating performance

1.3.3 反射物質(zhì)對(duì)涂料性能的影響

在一些應(yīng)用領(lǐng)域中需要有一定的反射作用，以使透過的能量較低，起到反射隔熱的作用，因此選用鈦白粉及隔熱粉做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，測試二者制備保溫涂料的效果。根據(jù)表2 及表5 選用A7 作為基礎(chǔ)配方，其制備工藝如下：將去離子水、丙烯酸乳液置于高速分散機(jī)中，在1 200 r/min 的轉(zhuǎn)速下分散3 min，之后依次將液體助劑A、液體助劑E、液體助劑C、液體助劑D 加入高速分散機(jī)中，在1 200 r/min的轉(zhuǎn)速下分散3 min，之后加入液體助劑B，繼續(xù)在1 200 r/min的條件下分散5 min，再加入氣凝膠漿體與鈦白粉、隔熱粉（配方中不含鈦白粉或隔熱粉的不需添加），在1 200 r/min 的條件下分散3 min，最后加入玻璃微珠，在1 200 r/min的條件下分散5 min，即可制備保溫涂料，密封保存，實(shí)驗(yàn)配方如表3。

表3 反射物質(zhì)對(duì)涂料性能的影響Tab.3 Effect of reflective substances on coating performance

1.4 測定與表征

粘接強(qiáng)度：JG/T 517—2017“工程用中空玻璃微珠保溫隔熱材料”；導(dǎo)熱系數(shù)：GB/T 10295—2008“絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定熱流計(jì)法”；反射率：按實(shí)驗(yàn)室測試標(biāo)準(zhǔn)測試。

2 結(jié)果及討論

2.1 不同玻璃微珠種類及用量制備涂料性能測試（表4）

表4 不同玻璃微珠種類及用量制備涂料性能測試Tab.4 Performance test of coatings prepared by different types and amounts of glass beads

由上述測試結(jié)果可知，在相同重量玻璃微珠的使用下，HL20 相對(duì)于HL25 有更低的導(dǎo)熱系數(shù)，這主要是由于HL20相對(duì)于HL25的真密度更低，且玻璃微珠處于一種微真空的狀態(tài)，在相同的重量條件下，體積更大可以引入更多的空洞；加入HL20相對(duì)于加入HL25的粘接強(qiáng)度較低，這主要是由于HL20 密度較低，在相同體積下HL20主要承受外力的外殼物質(zhì)相對(duì)較少；加入HL20相對(duì)于加入HL25 的對(duì)比率較低，這是由于在相同體積的情況下，涂料中含有的玻璃微珠外殼更多，能起到反射作用的物質(zhì)更多；另一方面，HL25 的尺寸相對(duì)也較低，光線在經(jīng)過微珠時(shí)與微珠表面形成的角度更大，且更不均勻，使能透過的光線更少；將A2與A5對(duì)比可知，氣凝膠（氣凝膠漿體固含在22%左右）在制備涂料時(shí)相對(duì)玻璃微珠有更低的導(dǎo)熱系數(shù)、更低的粘接強(qiáng)度、更高的對(duì)比率，這是由于氣凝膠的密度（80 kg/m3）相對(duì)于HL25密度（240 kg/m3）更低，150 g氣凝膠漿體與95 g HL25所引入的體積基本相同，但是實(shí)際上起到導(dǎo)熱物質(zhì)的量卻不相同（氣凝膠漿體為33 g左右，HL25為95 g），因此添加了氣凝膠漿體的導(dǎo)熱系數(shù)較低，同理添加了氣凝膠漿體的涂料其承重物質(zhì)與添加玻璃微珠的也不相同，所以粘接強(qiáng)度較低，同時(shí)氣凝膠的結(jié)構(gòu)為多孔三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（壁厚為納米級(jí)別），顆粒為10～30 nm之間，HL25為較為規(guī)則的球形（壁厚為1～3 μm），尺寸較大（D90=100 μm），相同體積條件下氣凝膠漿體所引入的反射結(jié)構(gòu)（微孔之間的壁）更多，且其自身具有更小的顆粒，相對(duì)于光線產(chǎn)生的角度會(huì)更不均勻，透光性更差，因此添加氣凝膠漿體所制備涂料的對(duì)比率更高。

2.2 氣凝膠漿體制備涂料性能測試（表5）

表5 氣凝膠漿體制備涂料性能測試Tab.5 Test performance of coatings prepared by aerogel slurry

由上述性能測試可以看出，隨著氣凝膠漿體用量的增加，涂料的導(dǎo)熱系數(shù)降低，這是由于氣凝膠漿體中含有22%左右的氣凝膠固含，而氣凝膠具有納米多孔結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.02 W/m·K左右，因此涂料的導(dǎo)熱系數(shù)降低；隨著氣凝膠漿的增加，粘接強(qiáng)度降低，這是由于隨著氣凝膠漿用量的增加，涂料中的丙烯酸體積固含迅速降低，因此粘接強(qiáng)度也迅速降低；隨著氣凝膠漿體用量的增加，對(duì)比率逐漸增加，這是由于氣凝膠漿是由尺寸在10～30 μm的氣凝膠顆粒組成，且氣凝膠的密度非常低（80 kg/m3），所以雖然添加的氣凝膠固含不多，但是實(shí)際上卻有非常多的顆粒，這些顆粒在涂料中能起到一定的反射作用。

2.3 氣凝膠漿體制備涂料性能測試（表6）

表6 反射物質(zhì)制備涂料性能測試Tab.6 Performance test of reflective material preparation coatings

由上述性能測試可知，導(dǎo)熱系數(shù)隨著鈦白粉及隔熱粉用量的增加而逐漸增加，這是由于鈦白粉相對(duì)玻璃微珠以及氣凝膠粉體是一種高密度物質(zhì)，具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)；粘接強(qiáng)度隨著鈦白粉及隔熱粉用量的增加而逐漸降低，這是由于鈦白粉及隔熱粉本身并不具備粘接性能，在加入后降低了涂料中粘接物質(zhì)的比例；對(duì)比率隨著鈦白粉及隔熱粉用量的增加而逐漸增加，這是由于鈦白粉與隔熱粉本身都具備反射光線的作用，通過對(duì)比A11 與A12 數(shù)據(jù)可知，隔熱粉與鈦白粉復(fù)配后涂料的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)略微降低，同時(shí)涂料的粘接強(qiáng)度及對(duì)比率也會(huì)略微降低?？v觀整體數(shù)據(jù)選用A10 為最優(yōu)配方。

3 結(jié)論

（1）氣凝膠漿體對(duì)涂料的導(dǎo)熱系數(shù)降低最明顯，且使涂料反射率有所增加，低密度玻璃微珠對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)降低有利，對(duì)增加涂料反射率不利，二者都對(duì)粘接強(qiáng)度不利。

（2）鈦白粉增加涂料反射率最為明顯，但對(duì)粘接強(qiáng)度及導(dǎo)熱系數(shù)均有不利影響。

（3）當(dāng)隔熱物質(zhì)的配比HL25∶氣凝膠漿體∶鈦白粉重量比為125∶100∶20時(shí)，保溫涂料的性能較優(yōu)。