SiO2氣凝膠絕熱涂料的制備與絕熱性能研究

摘要：以氣凝膠為主要原料，以玻璃微珠、氣相二氧化硅為隔熱骨料，配以高溫黏結(jié)劑及其他功能填料制備了一種絕熱涂料，通過單因素實(shí)驗(yàn)探討了氣凝膠、玻璃微珠、氣相二氧化硅對(duì)干密度的影響。結(jié)果表明：SiO2氣凝膠絕熱涂料最佳組分為SiO2氣凝膠用量8%、玻璃微珠用量70%、氣相二氧化硅用量5%。同時(shí)玻璃纖維用量為5%、其他功能填料用量為12%時(shí)，SiO2氣凝膠絕熱材料100 ℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)為0.038 6 W·m-1·K-1，當(dāng)熱源200 ℃、材料厚度為2 cm時(shí)，其隔熱溫差為97.7 ℃，壓縮強(qiáng)度為0.567 MPa。該氣凝膠絕熱涂料不僅隔熱效果好、密度低，還有一定機(jī)械強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：SiO2氣凝膠；隔熱涂料；組分優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TQ630 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1004-0935（2025）02-0244-05

石油、化工、冶金、電力等行業(yè)有大量的高溫管道設(shè)備需要保溫隔熱，硅酸鋁纖維棉[1]、巖棉[2]、礦物棉[3]、硅酸鈣保溫殼[4]、珍珠巖[5]等傳統(tǒng)保溫材料被廣泛應(yīng)用在上述領(lǐng)域并起到了重要的作用。但這些保溫材料存在易碎、沉降、吸水等缺點(diǎn)，導(dǎo)致保溫效果降低，使用壽命僅3～5年[6]。因此，具有優(yōu)異絕熱保溫性能的新型保溫材料成為近年來的研究熱點(diǎn)。

氣凝膠作為近年來新興起的新型絕熱材料獲得了研究人員的重視，其內(nèi)部納米級(jí)孔徑10～50 nm小于空氣分子的振程，因此可有效阻止熱量的傳播。而且SiO2氣凝膠的比熱容通常較低，意味著SiO2氣凝膠在吸熱放熱時(shí)，引起的溫度變化較小，減少了熱量的傳輸。研究結(jié)果表明，通過將氣凝膠嵌入各類絕熱材料中制成絕熱涂料，可以實(shí)現(xiàn)低密度和高孔隙率的結(jié)合，阻礙熱傳遞，降低導(dǎo)熱系數(shù)[6]。絕熱涂料的密度、尺寸、孔隙率、導(dǎo)熱系數(shù)和隔熱強(qiáng)度是研究的重點(diǎn)。SONG等[7]采用溶膠-凝膠法、高壓浸漬法和超臨界干燥法合成了泡沫陶瓷復(fù)合材料SiO2氣凝膠（FC@SA）和泡沫玻璃復(fù)合材料SiO2氣凝膠（FG@SA）材料。在保持氣凝膠多孔納米結(jié)構(gòu)的同時(shí)，通過高壓浸漬法將氣凝膠填充并嵌入發(fā)泡材料的孔隙中。這2種氣凝膠材料的熱導(dǎo)系數(shù)在25 ℃時(shí)分別為0.041 5、0.044 2 W·m-1·K-1。GOLDER等[8]通過在窗戶中加入半透明氣凝膠玻璃系統(tǒng)并將氣凝膠保溫用在建筑物墻壁中，研究氣凝膠作為建筑物隔熱材料的有效性。結(jié)果表明，將氣凝膠集成到建筑物的玻璃系統(tǒng)和墻體保溫中具有降低建筑物能源消耗的潛力。LU等[9]將不同百分比的SiO2氣凝膠加入涂料樣品中制備二氧化硅氣凝膠隔熱涂料，可以改善涂料的隔熱性能。以上研究結(jié)果均表明，SiO2氣凝膠用作涂料的重要組成部分，會(huì)使涂料具備更加優(yōu)異的絕熱性能。

以氣凝膠為主要原料，以玻璃微珠、氣相二氧化硅為隔熱骨料，配以高溫黏結(jié)劑及其他功能填料制備了一種絕熱涂料，通過單因素實(shí)驗(yàn)確定了絕熱涂料的合理組成，探討了氣凝膠、玻璃微珠、氣相二氧化硅對(duì)干密度的影響。該涂料綜合了涂料及隔熱保溫材料的雙重特性，具有導(dǎo)熱系數(shù)低、保溫效果顯著、方便施工等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于異形設(shè)備如閥門、球體、錐體、旋轉(zhuǎn)體等管道附件和印染設(shè)備的保溫。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1原料及儀器

所用原材料：SiO2氣凝膠（P300），卡博特（中國(guó)）投資有限公司；氣相二氧化硅（HL-200），湖北匯富納米材料股份有限公司；玻璃微珠，中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；玻璃纖維，中國(guó)巨石股份有限公司，高溫黏結(jié)劑，安徽明美礦物化工有限公司；調(diào)節(jié)劑，晉州市廣通建筑材料有限公司；增稠劑，純度99.0%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

儀器設(shè)備：FN1004N電子天平，上海民橋精密儀器有限公司；U400/80-220高速分散機(jī)，上海威達(dá)工貿(mào)有限公司；JJ-5水泥膠砂攪拌機(jī)，無錫市邁方儀器設(shè)備有限公司；DHG-9246A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海精宏設(shè)備有限公司；WNK-200D平板高溫導(dǎo)熱儀，南京高特電子科技有限公司；微機(jī)控制電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)，深圳三思縱橫科技股份有限公司；多路溫度測(cè)試記錄儀，自制。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1SiO2氣凝膠絕熱涂料制備工藝

稱取一定量的去離子水放入高速分散機(jī)的攪拌桶中，將一定量的增稠劑緩慢均勻地加入攪拌桶中，以300 r·min-1的轉(zhuǎn)速攪拌5～10 min后得到均勻的溶液。然后再將一定量的玻璃纖維分次加入上述溶液中，以600～1 000 r·min-1的轉(zhuǎn)速攪拌約30 min，得到纖維分散均勻的漿料。在桶中依次加入SiO2氣凝膠、玻璃微珠、氣相二氧化硅保持1 000 r·min-1的速度混合均勻后，將漿料桶移至膠砂攪拌機(jī)下，加入一定量高溫黏結(jié)劑和調(diào)節(jié)劑，以30～60 r·min-1的速度攪拌約20 min，最終得到膏狀的納米SiO2氣凝膠絕熱涂料。將絕熱材料漿料放置在模具中成型，經(jīng)過干燥、脫模形成待測(cè)樣品。工藝流程如圖1所示。

1.2.1隔熱保溫涂層及樣板的制備

絕熱涂料制備完成后，填充到直徑和高為 200 mm×200 mm×20 mm的圓餅體模具中，為了不留空隙，要一層一層涂抹，壓實(shí)。最后涂料的表面用抹刀抹平，把填滿涂料的模具放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，溫度設(shè)為 60 ℃。待絕熱涂料樣品完全干燥從模具中取出后脫模。將涂層兩面打磨平整，以免因不平整對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響。

1.3性能測(cè)試與表征

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及其有關(guān)特性的測(cè)定—防護(hù)熱平板法》（GB/T 10294—2008）[10]進(jìn)行高溫導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試。采用南京高特電子科技有限公司的WNK-200D型雙試件穩(wěn)態(tài)法（防護(hù)熱板法）平板保溫材料熱導(dǎo)率檢測(cè)儀測(cè)定SiO2氣凝膠絕熱材料的高溫導(dǎo)熱系數(shù)。

采用自制溫度測(cè)試裝置對(duì)材料的隔熱能力進(jìn)行測(cè)試。將材料涂抹在直徑為200 mm的加熱管表面，控制材料厚度。將熱電偶一端連接到溫度控制設(shè)備上，另一端放在材料的內(nèi)外表面。采用多通路溫度測(cè)試記錄儀測(cè)定加熱管上材料內(nèi)外表面的溫度。記錄儀可實(shí)時(shí)顯示每個(gè)設(shè)定溫度下材料內(nèi)外表面的溫度。設(shè)定溫度70～190 ℃，每30 ℃調(diào)整1次，待溫度不變后，記錄外表面溫度。

2結(jié)果與討論

2.1SiO2氣凝膠用量對(duì)絕熱涂料密度的影響

保持玻璃纖維用量為5%，其他功能填料用量為10%不變，SiO2氣凝膠用量分別為0、4%、8%、12%、16%，對(duì)所制備的絕熱涂料干密度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖2所示。

在0～8% SiO2氣凝膠添加量時(shí)，絕熱涂料的干密度不斷減小，氣凝膠添加量對(duì)絕熱涂料干密度起到一定影響，氣凝膠本身孔隙率高、密度小，加入絕熱涂料后，導(dǎo)致涂料的孔隙率增加，干密度隨之減小[11-12]。SiO2氣凝膠添加量達(dá)到12%時(shí)，由于體積分?jǐn)?shù)的增大，氣凝膠粉體無法完全摻入到涂料中，部分氣凝膠殘留在漿料底部，無法形成均勻的涂料體系，導(dǎo)致涂料干密度曲線呈上升趨勢(shì)。因此氣凝膠用量8%較為適宜。

2.2玻璃微珠用量對(duì)絕熱涂料的影響

保持玻璃纖維用量為5%，其他功能填料用量為10%不變，玻璃微珠用量為65%、70%、75%、80%、85%，對(duì)所制備的絕熱涂料干密度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，玻璃微珠用量從65%增加至70%時(shí)，涂料干密度呈下降趨勢(shì)，這是因?yàn)椴Ａ⒅閷儆谳p質(zhì)材料。玻璃微珠用量的增加意味著輕質(zhì)材料用量增加，涂料的干密度隨之下降。而當(dāng)玻璃微珠用量為70%～85%，盡管仍遵循著輕質(zhì)材料增加導(dǎo)致涂料干密度下降的規(guī)律，但在70%～85%時(shí)，在總質(zhì)量不變的前提下，玻璃微珠用量的增加，相對(duì)SiO2氣凝膠用量隨之減少，而氣凝膠要比玻璃微珠密度小得多，因此此時(shí)玻璃微珠所占質(zhì)量比決定了涂料的干密度呈上升趨勢(shì)。所以，SiO2氣凝膠絕熱材料中玻璃微珠用量70%為最佳。

2.3氣相二氧化硅用量對(duì)絕熱涂料的影響

氣相二氧化硅不僅可以作為隔熱填料，它還具有流變控制性能和防沉降、防掛流等特性，并可提升保溫涂料強(qiáng)度，增加涂料對(duì)于基材附著力，因此也是一種不可缺少的填料。保持玻璃纖維用量為5%，其他功能填料用量為10%不變，氣相二氧化硅用量為0、5%、10%、15%、20%，對(duì)所制備的絕熱涂料干密度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，絕熱涂料隨著氣相二氧化硅添加量的上升而上升。這是因?yàn)闅庀喽趸璧拿芏冗h(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣凝膠和玻璃微珠，因此它的加入會(huì)對(duì)涂料干密度產(chǎn)生明顯的影響。所以，絕熱涂料中氣相二氧化硅適宜用量為5%。

2.4驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，SiO2氣凝膠絕熱涂料最佳組分為SiO2氣凝膠用量8%、玻璃微珠用量70%、氣相二氧化硅用量5%。同時(shí)玻璃纖維用量為5%，其他功能填料用量為12%，按照以上配比進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，得到的平均干密度為134 kg·m-3，壓縮強(qiáng)度為0.567 MPa。這表明該涂層在絕熱性能優(yōu)異的同時(shí)，也具備一定的機(jī)械強(qiáng)度。SiO2氣凝膠絕熱材料宏觀照片如圖5所示。由圖5可以看出，復(fù)合材料表面平整，截面無裂紋，具有良好的成型性。

2.5 SiO2氣凝膠絕熱材料表征測(cè)試

2.5.1SiO2氣凝膠絕熱材料不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)

SiO2氣凝膠絕熱材料不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)如圖6所示。由圖6可以看出，100 ℃時(shí)材料的導(dǎo)熱系數(shù)0.038 6 W·m-1·K-1，400 ℃時(shí)材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.057 8 W·m-1·K-1，這表明該材料具有優(yōu)異的絕熱性能。

2.5.2涂層厚度對(duì)氣凝膠絕熱涂料隔熱溫差的影響

將制備的SiO2氣凝膠絕熱涂料涂抹到加熱棒上進(jìn)行烘干，對(duì)不同厚度涂層的隔熱溫差進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖3所示。

由圖7可以看出，隨著涂層厚度的增加，SiO2氣凝膠絕熱涂料的隔熱溫差不斷增加。隨著熱源的溫度增加，在10 mm厚之后，涂層厚度的增加對(duì)涂料隔熱效果增強(qiáng)變緩。在熱源溫度達(dá)到190 ℃的情況下，涂層厚度僅為5 mm時(shí)，涂層表面溫度為161.5 ℃，隔熱溫差達(dá)到了28.5 ℃；當(dāng)涂層厚度為10 mm時(shí)，涂層表面溫度為109.2 ℃，隔熱溫差為80.8 ℃；當(dāng)涂層厚度為15 mm時(shí)，涂層表面溫度為97.8 ℃，隔熱溫差為92.2 ℃；當(dāng)涂層厚度為20 mm時(shí)，涂層表面溫度僅為92.3 ℃，隔熱溫差高達(dá)97.7 ℃。

3結(jié) 論

通過單因素實(shí)驗(yàn)初步確定了絕熱涂料的合理組成，探討了氣凝膠、玻璃微珠、氣相二氧化硅對(duì)干密度的影響，確定SiO2氣凝膠添加量8%、玻璃微珠添加量70%、氣相二氧化硅添加量5%、功能填料12%，制得的SiO2氣凝膠絕熱涂料100 ℃導(dǎo)熱系數(shù)為0.038 6 W·m-1·K-1，400 ℃導(dǎo)熱系數(shù)為0.057 8 W·m-1·K-1，壓縮強(qiáng)度為0.567 MPa。根據(jù)《硅酸鹽復(fù)合絕熱涂料》（GB/T 17371—2008）標(biāo)準(zhǔn)，納米SiO2氣凝膠絕熱涂料的干密度和其他基本性能的檢測(cè)結(jié)果均達(dá)到了A級(jí)性能指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1] WANG Y， TIAN J， WANG S W， et al. Experimental study on the penetration characteristics of leaking molten salt in the thermal insulation layer of aluminum silicate fiber[J]. Nuclear Science and Techniques， 2021.32（9）. 92-96.

[2] ALTUNTOP E， ERDEMIR D， KARAMI? M. Experimental investi- gation of heat conduction characteristics of density-layered stone wool materials[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer， 2021，126： 105334.

[3] MISKINIS K， DIKAVICIUS V， BUSKA A， et al. Influence of EPS， mineral wool and plaster layers on sound and thermal insulation of a wall： A case study[J]. Applied Acoustics， 2018， 137（4）： 62-68．

[4] DAVRAZ M， KORU M， AKDA? A E， et al. Investigating the use of raw perlite to produce monolithic thermal insulation material[J]. Construction and Building Materials， 2020， 263： 120674.

[5] LLANTOY N， CHàFER M， CABEZA L F. A comparative life cycle assessment （LCA） of different insulation materials for buildings in the continental mediterranean climate[J]. Energy and Buildings， 2020， 225（15）： 110323.

[6] DI Z， MA S， WANG H， et al. Modulation of thermal insulation and mechanical property of silica aerogel thermal insulation coatings[J]. Coatings， 2022，12（10）： 1421．

[7] SONG Z H， ZHAO Y F， YUAN M， et al. Thermal insulation and moisture resistance of high-performance silicon aerogel composite foam ceramic and foam glass[J]. Advanced Engineering Materials， 2022，24 （8）： 2101508.

[8] GOLDER S， NARAYANAN R， HOSSAIN Md R， et al. Experimental and CFD Investigation on the Application for Aerogel Insulation in Buildings[J]. Energies， 2021，14： 3310.

[9] LU Y， LIU Z， LI X， et al. Development of water-based thermal insulation paints using silica aerogel made from incineration bottom ash[J]. Energy and Buildings， 2022， 259（15）： 111866.

[10] GB/T 10294—2008，絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定防護(hù)板法 [S].

[11] 張濤，李珊珊，魏莉. 一種新型生態(tài)絕熱材料的制備和性能研究[J]. 沈陽理工大學(xué)，2022，41（3）：56-57.

[12] LUO M， WANG C， ZHAO J， et al. Characteristics of effective thermal conductivity of porous materials considering thermal radiation： A pore-level analysis [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2022， 188（1）： 122597.

Study on Preparation and Thermal Insulation Properties of SiO2 Aerogel Thermal Insulation Coatings

LIU Minghui， MA Ruiting， WEI Li

（Shenyang Ligong University， Shenyang Liaoning 110159， China）

Abstract： A kind of thermal insulation coating was prepared with aerogel as the main raw material， glass beads and fumed silica as the thermal insulation aggregate， and high temperature binder and other functional fillers. The effects of aerogel， glass beads and fumed silica on the dry density were discussed by single factor experiment. The results showed that the optimal composition of SiO2 aerogel insulation coating was SiO2 aerogel 8%， glass bead 70%， fumed silica 5%. Meanwhile， when the content of glass fiber was 5% and the content of other functional fillers was 12%， the thermal conductivity of SiO2 aerogel insulation material was 0.038 6 W·m-1·K-1 at 100 ℃， and when the heat source was 200 ℃ and the thickness of the material was 2 cm， the thermal insulation temperature difference was 97.7℃， and the compressive strength was 0.567 MPa. The aerogel insulation coating not only had good heat insulation effect and low density， but also had certain mechanical strength.

Key words： Silica aerogel; Thermal insulation coatings; Component optimization