SiO2氣凝膠及其他功能填料對(duì)反射隔熱涂料性能影響

辛英杰 趙蘇

摘????? 要：為了提高SiO2氣凝膠反射隔熱涂料的保溫隔熱性能，研究了親水、疏水性SiO2氣凝膠的摻量對(duì)反射隔熱涂料的太陽(yáng)熱反射率和隔熱溫差的影響，以及幾種功能性填料的作用。結(jié)果表明：摻量1.5%的疏水SiO2氣凝膠制得的反射隔熱涂料性能最好，其太陽(yáng)熱反射率達(dá)到了83.32%，隔熱溫差達(dá)到了31.6 ℃。摻量為9%的空心玻璃微珠所制的反射隔熱涂料的反射率達(dá)到85.33%，隔熱溫差達(dá)到32.65 ℃，是其他功能性填料中表現(xiàn)最佳的一種填料。1.5%疏水SiO2氣凝膠和9%空心玻璃微珠復(fù)配制得的反射隔熱涂料其導(dǎo)熱系數(shù)為0.041 W·m-1·K-1，比各自單獨(dú)使用制得的反射隔熱涂料的導(dǎo)熱系數(shù)低30%～40%，表現(xiàn)出良好的保溫隔熱效果。

關(guān)? 鍵? 詞：SiO2氣凝膠；功能填料；反射隔熱涂料；空心玻璃微珠

中圖分類號(hào)：TQ630.6???? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A???? 文章編號(hào)： 1004-0935（2024）06-0909-06

節(jié)能建筑材料是通過(guò)提高建筑物保溫和隔熱性能、降低能耗、減少排放來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的目? 的[1-3]。而反射隔熱涂料作為一種能夠有效降低能耗、提高能源利用率的節(jié)能建筑材料，得到了廣泛認(rèn)可和應(yīng)用[4-7]。我國(guó)反射隔熱涂料的研究已取得了一定進(jìn)展，但實(shí)際應(yīng)用多在我國(guó)南方建筑上。主要是北方冬天接受的太陽(yáng)輻射較少，需要供暖來(lái)保持室內(nèi)的溫度，同時(shí)又因?yàn)槭彝夂?，熱量?jīng)熱傳導(dǎo)不斷向室外散失，所以北方建筑物的保溫隔熱性能尤為重要。

填料是隔熱涂料中的重要組成部分，直接影響著涂料的隔熱性、保溫性和耐久性。洪曉[8]等以制備的粘結(jié)劑為基料，通過(guò)加入空心玻璃微珠和金屬鋁粉等功能性填料提高涂料的保溫隔熱效果。孫書靜[9]在涂料中加入石棉、珍珠巖、硅酸鹽纖維，制得的涂料導(dǎo)熱系數(shù)低，能夠有效地降低熱量的傳遞。汪慧[10]將SiO2氣凝膠表面進(jìn)行改性，加入以苯丙乳液為成膜物的基底溶液制得保溫隔熱涂料，當(dāng)SiO2氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)在4%左右時(shí)，獲得了最好的隔熱性能。目前研究人員主要針對(duì)納米粒子、纖維、微珠玻璃、陶瓷微珠、SiO2氣凝膠等功能填料單獨(dú)使用時(shí)對(duì)涂料隔熱性能的影響研究較多[11]。

為了提高SiO2氣凝膠反射隔熱涂料的保溫隔熱性能，使其適用我國(guó)北方的氣候特點(diǎn)，本文將考察親水、疏水性SiO2氣凝膠摻量對(duì)太陽(yáng)光反射率及隔熱溫差的影響，采用控制變量法研究6種功能性填料對(duì)反射隔熱涂料性能的影響，篩選出保溫隔熱性能優(yōu)秀的填料與SiO2氣凝膠復(fù)摻，擬制得保溫性能優(yōu)異的反射隔熱涂料。

1? 實(shí)驗(yàn)部分

1.1? 主要原材料

SiO2氣凝膠（親水/疏水），廣東埃力生科技股份有限公司；陶氏分散劑，美國(guó)羅門哈斯公司；潤(rùn)濕劑PE-100，臨沂綠森化工有限公司；消泡劑AFE-1410，美國(guó)道康寧公司；穩(wěn)定劑，武漢拉那白醫(yī)藥化工有限公司；成膜助劑醇酯十二，廣州市忠高化工有限公司；乙二醇，天津市富宇精細(xì)化工有限公司；增稠劑，深圳市吉田化工有限公司；重質(zhì)碳酸鈣，800目（15 μm），分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠；金紅石型鈦白粉（R-902+），科慕化學(xué)（上海）有限公司；滑石粉，福晨（天津）化學(xué)試劑有限公司；硅丙乳液，北京東聯(lián)化工有限公司；空心玻璃微珠，河南鉑潤(rùn)鑄造材料有限公司；木質(zhì)纖維素，上海臣啟化工科技有限公司；膨脹珍珠巖，信陽(yáng)市弘生保溫材料有限公司；膨脹蛭石，臨沂鑫磊礦業(yè)有限責(zé)任公司；硅酸鋁纖維，廊坊亞夏保溫材料有限公司；海泡石，磊寶海泡石加工有限公司。

1.2? 保溫隔熱涂料的制備

保溫隔熱涂料基礎(chǔ)配料如表1所示。在配制不同功能性填料保溫隔熱涂料時(shí)，表1中“原料”為基礎(chǔ)助劑和顏填料，“功能性填料”擇其一添加。具體制備步驟如下：將1%的聚丙烯酸銨鹽分散劑1124、1.2%的潤(rùn)濕劑PE-100、1%的穩(wěn)定劑和0.6%的機(jī)硅消泡劑以及適量的去離子水混合在一起，水浴加熱至50 ℃，400 r·min-1攪拌10 min，然后添加30%的重鈣、10%的滑石粉、7%的金紅石型鈦白粉，400 r·min-1攪拌10 min，得到基礎(chǔ)混合漿料，再依次加入30%的硅丙乳液、1%的乙二醇、1%成膜助劑、適量增稠劑，最后加入SiO2氣凝膠等功能性填料中的一種，400 r·min-1攪拌10 min，再移至高速勻漿儀10 000 r·min-1攪拌20 min后得到相應(yīng)的保溫隔熱涂料。

1.3? 涂層樣板的制備

本實(shí)驗(yàn)樣板均選用符合GB/T 2520—2017的涂料測(cè)試鋁板，尺寸為100 mm×60 mm×0.3 mm，用砂紙對(duì)其邊角打磨平整，然后用乙醇浸泡并用去離子水清洗掉表面的雜質(zhì)，待其晾干后，在其一面涂上涂料，涂層厚度為1 mm，自然干燥至干實(shí)。

1.4? 涂料性能測(cè)試

1.4.1? 太陽(yáng)熱反射率

參照美國(guó)MLI-E-46117軍標(biāo)中規(guī)定的測(cè)定方法，自制太陽(yáng)光反射率儀器[12]測(cè)定涂層的反射率，測(cè)試裝置分左右兩部分測(cè)試格，每個(gè)格中有4根熱電偶，分別測(cè)試涂層樣板的4個(gè)不同的位置，每個(gè)測(cè)試樣板均在左右測(cè)試格各測(cè)試一次，然后將所得的8個(gè)熱電偶溫度取平均，以減小誤差。將所得的平均溫度按照下列公式計(jì)算得反射率。

（1）

式中：—黑色樣板所測(cè)溫度，℃；

—涂層樣板所測(cè)溫度，℃；

—室溫，℃。

1.4.2? 涂層的隔熱溫差

按《建筑用反射隔熱涂料》（GB/T 25261—2018）附錄B中規(guī)定的測(cè)試方法，自制隔熱溫差測(cè)試裝? 置[13]，裝置左邊測(cè)試格為參比黑板，右邊測(cè)試格為待測(cè)涂層樣板，每個(gè)格分別有4根熱電偶，測(cè)試樣板底部的溫度。距離兩個(gè)格上方30 cm的位置放置兩個(gè)250 W的碘鎢燈，每個(gè)待測(cè)涂層樣板穩(wěn)定照射時(shí)間為30 min，記錄每個(gè)熱電偶的溫度值，然后取其平均溫度。按照下列公式計(jì)算隔熱溫差。

（2）

式中：—隔熱溫差，℃；

—參比黑板背面溫度，℃；

—待測(cè)涂層樣板背面溫度，℃。

使用TPS 2500S型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀測(cè)量涂層的導(dǎo)熱系數(shù)；采用S-4800型掃描電鏡在10 kV加速電壓下對(duì)樣品的表觀形貌進(jìn)行分析。

2? 結(jié)果與討論

2.1? SiO2氣凝膠及功能填料摻量對(duì)太陽(yáng)熱反射率的影響

以1%的分散劑、1.2%潤(rùn)濕劑、1%穩(wěn)定劑、0.6%消泡劑、1%成膜助劑、1%乙二醇以及適量的增稠劑作為涂料助劑，再添加30%重鈣、10%滑石粉和7%金紅石型鈦白粉，將以上助劑和填料攪拌混合后制得保溫隔熱涂料基礎(chǔ)漿料，再分別加入親水、疏水性SiO2氣凝膠、硅酸鋁纖維、海泡石、空心玻璃微珠、木質(zhì)纖維、膨脹珍珠巖、膨脹蛭石等功能填料中的一種，制得保溫隔熱涂料樣品，分別對(duì)其太陽(yáng)熱反射率進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖1、2所示。

由圖1可知，SiO2氣凝膠用量在0.5%～2.5%時(shí)，疏水SiO2氣凝膠保溫隔熱涂料的太陽(yáng)熱反射率高于親水SiO2氣凝膠保溫隔熱涂料。分析原因：親水SiO2氣凝膠對(duì)水的親和力大，可以吸附水分子，易團(tuán)聚和沉降，機(jī)械攪拌強(qiáng)制分開后，過(guò)一段時(shí)間又會(huì)由于范德華力再次使粒子團(tuán)聚[14-16]。而疏水SiO2氣凝膠漿料中隨著聚丙烯酸銨鹽的加入，引入了一定量的陰離子，使界面缺陷電荷表現(xiàn)為正電荷的疏水SiO2氣凝膠粒子排斥作用減弱，靜置后也不易發(fā)生粒子團(tuán)聚和沉降，分散較均勻，所以加入疏水SiO2氣凝膠涂層的太陽(yáng)熱反射率比加入親水SiO2氣凝膠涂層的太陽(yáng)熱反射率高[17-18]。 親、疏水SiO2氣凝膠添加量分別為1.0%和1.5%時(shí)太陽(yáng)熱反射率分別最高，繼續(xù)添加SiO2氣凝膠太陽(yáng)熱反射率下降，因?yàn)橛H水SiO2氣凝膠易團(tuán)聚，而疏水SiO2氣凝膠分散不均[19]。

圖2表示其他填料種類及摻量對(duì)涂層太陽(yáng)熱反射率的影響，不同種類和摻量的填料對(duì)涂層太陽(yáng)熱反射率的影響不同?？招牟Ａ⒅榈奶砑訉?duì)涂料反射率提高最大，膨脹蛭石最小。填料摻量的變化規(guī)律大致相同，大部分呈現(xiàn)先提高后下降的趨勢(shì)。功能性填料摻量太少會(huì)導(dǎo)致涂層反射率降低，過(guò)多會(huì)使涂層粒子聚集成團(tuán)，反射率也會(huì)降低。最佳填料摻量因填料種類不同而不同。

2.2? SiO2氣凝膠及功能性填料摻量對(duì)隔熱溫差的影響

利用與參照黑色樣板背面溫度做對(duì)比，測(cè)定不同功能填料對(duì)涂層隔熱溫差的影響。穩(wěn)定測(cè)試室溫5 min，起始隔熱溫差均為0±0.5 ℃，打開加熱裝置后，記錄樣板背面溫度變化，親、疏水SiO2氣凝膠保溫隔熱涂料的隔熱溫差如圖3、圖4所示。

隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，添加0.5%～2.5%的親水或疏水SiO2氣凝膠涂層的隔熱效果逐漸提高，并均在430 s左右達(dá)到峰值。其中，1.5%的親水SiO2氣凝膠涂料的涂層隔熱溫差達(dá)到最大值，而添加2.5%的涂層隔熱溫差最小。隨后，隔熱溫差逐漸降低并趨于穩(wěn)定。在穩(wěn)定階段，相比之下，添加疏水SiO2氣凝膠涂層的隔熱效果更好，且隔熱溫差穩(wěn)定后較高。其中，添加1.5%的疏水SiO2氣凝膠涂料的涂層隔熱溫差最穩(wěn)定，約為31.6 ℃，而添加0.5%疏水SiO2氣凝膠涂層的隔熱溫差最小，約為25.76 ℃。這是因?yàn)橛H水SiO2氣凝膠在涂層干燥過(guò)程中易發(fā)生團(tuán)聚，導(dǎo)致背板溫度不均勻，而疏水SiO2氣凝膠則可以均勻分散且不易團(tuán)聚，背板溫度均勻。因此，添加1.5%疏水SiO2氣凝膠涂層的隔熱效果最佳。

其他功能性填料制得保溫隔熱涂料的隔熱溫差如圖5所示。由圖5可以看出，添加空心玻璃微珠的涂料涂層隔熱溫差最穩(wěn)定，因?yàn)槠浞忾]的中空小微珠能形成緊密整體，使傳熱路徑變長(zhǎng)，從而背板溫度上升速度減慢并形成穩(wěn)定的隔熱溫差。相比之下，膨脹蛭石的隔熱效果最差，且不穩(wěn)定。其他4種填料對(duì)涂層隔熱溫差的影響規(guī)律相似，不同摻量的涂層照射穩(wěn)定后隔熱溫差有較大的差距。

穩(wěn)定后涂層隔熱溫差如表2所示。由表2可知，硅酸鋁纖維、木質(zhì)纖維素和海泡石的隔熱效果相近，最佳摻量分別為9%和12%；空心玻璃微珠的最佳摻量也為9%和12%；膨脹珍珠巖的最佳摻量為12%；而膨脹蛭石的最佳摻量只有3%。

2.3? 不同隔熱填料對(duì)涂料常規(guī)性能影響

按2.1樣品制備方法，將硅酸鋁纖維、海泡石、空心玻璃微珠、木質(zhì)纖維、膨脹珍珠巖、膨脹蛭石、親水、疏水氣凝膠配成的涂料樣品，標(biāo)號(hào)1～8，分別涂在處理過(guò)的馬口鐵片上，對(duì)涂膜進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試，結(jié)果如表3所示。

2.4? 導(dǎo)熱系數(shù)

以上實(shí)驗(yàn)表明，疏水SiO2氣凝膠所制涂料相比親水SiO2氣凝膠所制涂料，在反射率、隔熱溫差和涂料基本性能方面表現(xiàn)更好。另外，空心玻璃微珠所制的保溫隔熱涂料性能優(yōu)異。將1.5%疏水SiO2氣凝膠和9%空心玻璃微珠復(fù)摻制成的涂料導(dǎo)熱系數(shù)與單摻相比，發(fā)現(xiàn)混合后的涂料導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于單獨(dú)作為功能性填料所制涂料的導(dǎo)熱系數(shù)，如表4所示。

樣品的掃描電鏡如圖6所示。圖6（a）為添加SiO2氣凝膠的保溫隔熱涂料，涂層內(nèi)部充斥著SiO2氣凝膠并充滿孔隙；而圖6（b）是空心玻璃微珠保溫隔熱涂料，涂層中空心玻璃微珠單獨(dú)懸浮在其他填料中，且結(jié)合不緊密；圖6（c）是SiO2氣凝膠和空心玻璃微珠復(fù)摻保溫隔熱涂料，涂層中微珠均勻分布且被氣凝膠包裹；圖6（d）的空心玻璃微珠界面與SiO2氣凝膠結(jié)合緊實(shí)不易撕裂，這是導(dǎo)熱系數(shù)低和抗撕裂性好的原因。

3? 結(jié) 論

1）通過(guò)單因素和對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得出SiO2氣凝膠的添加量在1.5%時(shí)，反射率和隔熱溫差最好。同等條件下疏水SiO2氣凝膠反射隔熱涂層的反射率比親水SiO2氣凝膠反射隔熱涂層的反射率高5%左右，隔熱溫差高1.5 ℃左右，隔熱效果更好。

2）硅酸鋁纖維、海泡石、空心玻璃微珠、木質(zhì)纖維、膨脹珍珠巖、膨脹蛭石6種填料中，綜合性能最好的功能性填料是空心玻璃微珠，且添加量在9%時(shí)所制得的涂料反射率最大，達(dá)到了為85.33%，隔熱溫差達(dá)到了32.65 ℃，其保溫隔熱性能最佳。

3）用1.5%的疏水SiO2氣凝膠和9%的空心玻璃微珠復(fù)摻制得的反射隔熱涂料，其涂層導(dǎo)熱系數(shù)為0.041 W·m-1·K-1，且氣凝膠對(duì)空心玻璃微珠的包裹性能良好，反射和隔熱效果均比單獨(dú)添加時(shí)所制成的涂料性能好。

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Effect of SiO2 Aerogel and Other Functional Fillers

on Performance of Reflective Heat Insulation Coatings

XIN Yingjie， ZHAO Su

（College of Materials Science and Engineering， Shenyang Jianzhu University， Shenyang Liaoning 110168， China）

Abstract：? In order to improve the thermal insulation performance of SiO2 aerogel reflective thermal insulation coating， the influence of hydrophilic and hydrophobic SiO2 aerogel mixture on the solar thermal reflectance and thermal insulation temperature difference were studied， as well as the role of several functional fillers. The results showed that the reflective heat insulation coating made by hydrophobic SiO2 aerogel with 1.5% had the best performance， with the solar thermal reflectivity of 83.32% and the thermal insulation temperature difference of 31.6 ℃. The reflectance of the reflective heat insulation coating made of hollow glass beads with 9% content reached 85.33%， and the heat insulation temperature difference reached 32.65 ℃， which was the best performance among other functional fillers. The thermal conductivity of 1.5% hydrophobic SiO2 aerogel and 9% hollow glass beads was 0.041 W·m-1·K-1， which was 30%～40% lower than the thermal conductivity of the reflective heat insulation coating made by separate use， showing good thermal insulation effect.

Key words：? SiO2 aerogel; Functional filler; Reflective heat insulation coating; Hollow glass bead