纳米耐高温绝热涂料的研制

data-full-width-responsive="true"> 0 引言为了达到生态环保、节能减排的目标，对民用建筑物、输热管道、工业热力设施等必须采取有效的隔热保温措施。传统的隔热保温材料中，如岩棉毡、无机保温砂浆、聚苯泡沫板、发泡聚氨酯等厚度必须达到一定要求，才能有较好的保温性能，且在防水、抗裂、施工性等方面存在不足；有机高分子发泡材料耐燃性差，存在火灾隐患。近年来，国内外以空心微珠为主要填料开发的轻质、薄层、高效隔热涂料成为该领域的研究热点。本研究以改性六钛酸钾晶须（PTW）、纳米SiO2气凝胶、超细空心陶瓷微珠、纳米TiO2 和Al2O3 为主要隔热填料，以耐高温有机硅树脂乳液和丙烯酸乳液为基料，在多种功能助剂的配合下制备成耐600℃高温的纳米真空绝热保温涂料，涂层具有薄层、绝热、防水、抗裂、防腐、隔音、耐高温和耐候等特性。1 实验部分11 原材料SiO2 气凝胶，因素高科（北京）科技发展有限公司；六钛酸钾晶须，唐山晶须复合材料制造公司；超细陶瓷微珠，上海汇精亚纳米新材料有限公司；纳米TiO2、Al2O3，江苏海泰；有机硅树脂乳液，德国瓦克；丙烯酸乳液，美国陶氏；硅烷偶联剂，南京曙光；分散剂、润湿剂、消泡剂、防腐剂、增稠剂、成膜助剂等，美国陶氏。12 基本配方纳米耐高温绝热涂料的基本配方见表1。13 制备工艺（1） 改性六钛酸钾晶须浆的制备将适量硅烷偶联剂、分散剂、润湿剂、消泡剂、pH 调节剂等加入去离子水中，搅拌均匀后加入六钛酸钾晶须，高速分散1 h，制成80% 的六钛酸钾晶须浆；（2） SiO2 气凝胶浆的制备将适量分散剂、润湿剂、消泡剂，稳定剂、pH 调节剂加入去离子水中，搅拌分散均匀，缓慢加入SiO2气凝胶，分散均匀后超声波振荡05 h，制成15% 的气凝胶浆；（3） 绝热保温涂料的制备将去离子水、助剂、树脂乳液加入分散釜中，搅拌均匀后加入SiO2 气凝胶浆、改性六钛酸钾晶须浆和无机填料，分散均匀成稠浆状涂料。14 性能检测（1） 常规性能指标按GB/T 173712008《硅酸盐复合绝热涂料》和JG 1582004《胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统》进行检测。（2） 耐高温性：将涂层干燥后的碳钢试板置于马弗炉中，逐步升温至600℃时开始计时，经过一段时间后取出，冷却至25℃，用放大镜观察涂层表面状况，如无龟裂、脱落现象，则表示涂层耐热性良好。（3） 耐温度变化性：将涂层干燥后的碳钢试板放入马弗炉中升温至400℃，经过30 min 后取出，冷却至-30℃，观察试板表面状况，反复几个周期直至涂层被破坏，记录周期数。（4） 导热系数：按GB/T 204732006《建筑保温砂浆》进行检测。（5） 隔热性能：在08 mm 厚的钢板表面涂覆隔热涂料。干膜厚度分别为05 mm、1 mm、2 mm、4 mm、6 mm、8 mm，并以同样规格空白钢板做对照。室温下养护7 d 干燥后，通过自制的涂层隔热测试装置测试涂层的隔热性能。2 结果与讨论21 成膜物的选择常温快速自干型水性有机硅树脂乳液是一种高分子三维交联化合物，具有甲基、苯基官能团，耐高温性、耐候性优异，涂膜具有一定柔韧性和硬度，附着力强，疏水性和耐腐蚀性佳，但耐低温柔韧性差。自交联弹性丙烯酸乳液涂膜具有导热系数低、弹缩性好、耐低温性优异、防水抗渗性佳、附着力好等优点，但是耐高温性差。将两种乳液以一定比例复配，制备的隔热涂料既保持了有机硅树脂的突出优点，也保持了丙烯酸树脂的长处。有机硅树脂乳液与丙烯酸乳液可以以较宽比例范围混合，且相容性很好。随着隔热保温涂料使用环境温度提高，有机硅树脂乳液在成膜物中的比例应相应提高。而单独用有机硅树脂乳液制备的涂料在常温下干燥很慢，7 d 后涂膜仍发黏，复配少量丙烯酸乳液即可改善之。经丙烯酸改性的有机硅树脂具有较好的耐湿热性和耐盐雾性。复配成膜物用量对隔热涂料性能的影响见表2。由表2 可见：随着复配成膜物用量的提高，涂膜外观逐渐变得平整，附着力提高，耐水性变好，导热系数上升。当复配成膜物用量为30% 左右时，涂膜综合性能最好。22 隔热填料的选择耐高温绝热材料必须具备以下三个条件：一是在保证材料足够机械强度的条件下，其体积密度要极端地小；二是要将材料中的空气对流减弱到最小极限；三是要通过近无穷多的界面和材料的改性，使热辐射经发射、散射和吸收而降到最低。为此，选择了SiO2 气凝胶、改性六钛酸钾晶须、超细陶瓷微珠、纳米TiO2、Al2O3 作绝热填料。利用SiO2 气凝胶、空心陶瓷微珠的纳米微孔结构构成真空绝热层，并利用六钛酸钾晶须、纳米TiO2、Al2O3 的红外遮光性能构成辐射热的屏蔽层。221 SiO2 气凝胶的特性及用量SiO2 气凝胶是一种保温隔热性能非常优异的轻质纳米多孔非晶固体材料，其孔隙率高达80%~99%，孔洞的典型尺寸为2~50 nm，平均孔径为20 nm，比表面积为600~1 000 m2/g，表观密度为0003~035 g/cm3，室温下导热系数可低至0013 W/（mK），即使在800℃高温下，其导热系数也只有0043 W/（mK），且高温下不分解，无有害气体放出，是纯绿色环保材料。在基本配方中其他因素不变的条件下，只改变SiO2 气凝胶的添加量，考察其对涂膜性能的影响，结果见表3。由表3 可见：随着SiO2 气凝胶添加量的提高，涂膜外观变差，附着力降低，耐水性变差，导热系数缓慢下降。当SiO2 气凝胶用量在50% 时，涂膜的综合性能较好。222 六钛酸钾晶须的特性及用量六钛酸钾晶须（PTW）具有高温吸音、化学稳定性、绝缘性、反射红外线性好、优良的防腐性能等。其作为隔热材料主要基于结构隔热、物理隔热、红外线反射三点，红外反射率大于95%。其松散密度为01~03 g/cm3，比表面积为11 m2/g，介孔尺寸为：直径08~12 m、长度30~50 m，导热系数低［常温下0053 4 W/（mK）］，且具有负温度系数（温度越高，导热系数越低），760℃时导热系数为0017 4 W/（mK）。PTW 无毒无害，使用寿命长，可以耐1 200℃的高温。六钛酸钾晶须的表面能极高，易团聚，且表面具有很强的亲水性，表面光滑，与有机基料润湿性较差，必须进行表面改性，一般采用硅烷偶联剂对六钛酸钾晶须进行表面改性。在基本配方中隔热填料总添加量不变的条件下，考察改性PTW 与SiO2 气凝胶的质量比在800℃时对涂层导热系数的影响，结果见表4。由表4 可见：随着改性PTW 与SiO2 气凝胶质量比的提高，即改性PTW 用量的增加，在高温环境下涂层的导热系数先降低后升高。这是因为当改性PTW 添加量较少时，材料的辐射性能较差，辐射热导率较低，致使材料的总热导率降低；当改性PTW加入量较多时，材料中的固态热导率上升的程度大于辐射热导率下降的程度，因此材料的总热导率升高；当m（ 改性PTW）∶m（SiO2 气凝胶）=3∶7 时，涂层的导热系数最低，为0027 W/（mK），且常规物化性能也较好。223 超细陶瓷微珠的特性和用量硅铝基陶瓷空心微珠，其内部呈微小的多孔性空心结构，抗压强度为4 000~7 000 kg/cm2，导热系数为007~012 W/（mK），耐热温度达到1 500℃。其典型特征和物理特性为：球型、超细、流动性好；中空、超轻、密度低；多孔、润滑、易填充；抗压、增韧、硬度高；阻燃、隔热、耐高温；隔音、绝缘、防静电；防水、防腐、低收缩；无毒、防菌、耐酸碱，是一种多功能、多用途、高性能、低成本的体质颜料。在配方中其他因素不变的条件下，硅铝基空心微珠的添加量对涂层隔热性的影响见表5。由表5 可见：随着空心微珠添加量的增加，涂层的导热系数增大、抗压强度提高。为了达到涂料的隔热保温性与物理机械性能的平衡，硅铝基空心微珠的添加量控制在10%~15% 为宜。224 纳米二氧化钛、三氧化二铝的作用纳米二氧化钛、三氧化二铝粒径小、表面活性强、折光指数高、高温稳定性好，细微金属氧化物形成反射层，可提高涂层的热辐射率。23 纳米耐高温绝热涂料的性能指标研制的纳米耐高温绝热涂料的性能指标见表6。3 结语（1） 选择有机硅树脂乳液与丙烯酸乳液复配作为成膜物，随着使用环境温度的提高，有机硅树脂乳液的质量比相应提高，当复配成膜物用量为30% 左右时，涂膜综合性能较好。（2） 当SiO2 气凝胶用量在5%~6%，m（ 改性PTW）∶m（SiO2 气凝胶）=3∶7 或4∶6，超细陶瓷空心微珠添加量为10%~15% 时，制备的隔热涂料其涂层的导热系数较低，且常规物化性能也较好。（3） 耐高温隔热涂料在高温环境下，可根据使用环境温度和要达到的降温幅度，选择施工的涂膜厚度。