氣凝膠在建筑保溫隔熱涂料中的應(yīng)用研究

徐永飛 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽合肥 230001）

0 引言

氣凝膠是目前人類科技所能達(dá)到的導(dǎo)熱系數(shù)最低的絕熱材料（導(dǎo)熱系數(shù)約為 0.01 W·m-1·K-1）。目前在保溫隔熱材料中廣泛應(yīng)用的是SiO2氣凝膠，其合成方法最早由 Kistler 于1931 年提出［1］，后經(jīng)歷了正硅酸四乙酯（TEOS）溶膠凝膠法［2］，有機(jī)硅源［3］法等的不斷發(fā)展。至今，SiO2氣凝膠仍是國內(nèi)外絕熱材料的研究熱點(diǎn)，文獻(xiàn)報(bào)道層出不窮［4-6］。由于SiO2氣凝膠具有極低的導(dǎo)熱系數(shù)（0.013～0.016 W·m-1·K-1），比靜態(tài)空氣的導(dǎo)熱系數(shù)（0.024 W·m-1·K-1）還低，且相較于其他類型的氣凝膠，SiO2氣凝膠耐高溫，在火災(zāi)中無有害氣體放出，屬于綠色環(huán)保型材料。近年來，因其出色的熱穩(wěn)定性和絕熱性，SiO2氣凝膠在建筑保溫隔熱材料中的應(yīng)用研究受到廣泛關(guān)注。為了探索氣凝膠在建筑保溫隔熱材料中應(yīng)用的可行性，并研發(fā)新型材料，本研究進(jìn)行了氣凝膠在建筑保溫隔熱涂料中的應(yīng)用性能研究。

1 原材料及配比

主要原材料如下：S-400 彈性建筑乳液，巴斯夫公司；5040 型分散劑、513 型觸變性增稠劑、90 型pH 緩沖劑和048 型防霉劑，上海斯諾化學(xué)有限公司；粉狀膩?zhàn)佑媚举|(zhì)纖維和高黏度羥丙基甲基纖維素，市售；膨脹?；⒅?，河南中原礦業(yè)有限公司；膨脹珍珠巖，工業(yè)級(jí)；建筑涂料用灰鈣粉、丙二醇、水分散性塊狀氣凝膠等，市售。

保溫隔熱涂料的基礎(chǔ)配方如表1 所示。

2 保溫隔熱涂料的制備及性能測試

2.1 保溫隔熱涂料的制備工藝

將水、048 型防霉劑、丙二醇、羥丙基甲基纖維素等按表1 配比加入混合罐中，開動(dòng)攪拌器攪拌，用90 型pH 緩沖劑調(diào)節(jié)混合液的pH 至9.0～10.0，并攪拌至羥丙基甲基纖維素充分溶解，使之成為近于透明的均勻溶液。

向羥丙基甲基纖維素溶液中投入5040 型分散劑并攪拌均勻后，投入塊狀氣凝膠，并快速攪拌使之粗破碎，拌合均勻。然后，通過適當(dāng)?shù)哪ゼ?xì)設(shè)備研磨，使之成為氣凝膠-羥丙基甲基纖維素分散液。再在低速攪拌下加入S-400 彈性建筑乳液，并攪拌均勻。

隨后，投入灰鈣粉和木質(zhì)纖維，攪拌均勻；再投入膨脹珍珠巖和膨脹玻化微珠，攪拌均勻，成為稠厚的混合料。

最后，用513 型觸變性增稠劑調(diào)節(jié)稠度至合適范圍，即得到保溫隔熱涂料，供性能檢測用。

2.2 保溫隔熱涂料的性能檢測

參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17371—2008《硅酸鹽復(fù)合絕熱涂料》、GB/T 26000—2010《膨脹?；⒅楸馗魺嵘皾{》和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG 158—2013《膠粉聚苯顆粒外墻外保溫系統(tǒng)材料》等規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行保溫隔熱涂料的性能檢測。

3 結(jié)果與討論

3.1 保溫隔熱骨料對(duì)保溫隔熱涂料力學(xué)性能的影響

固定配方中氣凝膠的用量，考察保溫隔熱骨料的用量對(duì)保溫隔熱涂料力學(xué)性能的影響，結(jié)果見表2。

表2 保溫隔熱骨料用量對(duì)保溫隔熱涂料力學(xué)性能的影響Table 2 The influence of the content of thermal insulation aggregates on the mechanical properties of the thermal insulation coatings

如表2 所示，隨著保溫隔熱骨料（膨脹玻化微珠、膨脹珍珠巖）用量的增加，保溫隔熱涂料的干密度、抗拉強(qiáng)度都隨之降低。這可能是因?yàn)楸馗魺峁橇系牧奖戎畾饽z要大得多，是構(gòu)成保溫隔熱涂料的骨架材料，但因其在體系中是分散相，需要由膠結(jié)材料作為連續(xù)相對(duì)骨料界面進(jìn)行粘結(jié)以提高強(qiáng)度。隨著保溫隔熱骨料用量的增加，導(dǎo)致膠結(jié)材料占比降低，從而使體系強(qiáng)度降低；同時(shí)，骨料為低密度材料，其平均密度小于未添加骨料的體系密度，因此，隨著骨料用量占比的增加，體系宏觀密度降低。

3.2 S-400 彈性建筑乳液對(duì)保溫隔熱涂料力學(xué)性能的影響

S-400 彈性建筑乳液是本體系的膠結(jié)材料，主要為保溫隔熱涂料提供足夠的抗拉強(qiáng)度，其用量對(duì)保溫隔熱涂料的力學(xué)性能有重要影響。粘結(jié)強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度決定著保溫隔熱涂料在基層墻體上的附著性能、抗開裂性能、抗沖擊性能和耐久性等。S-400 彈性建筑乳液用量對(duì)保溫隔熱涂料力學(xué)性能的影響如表3 所示。

表3 S-400彈性建筑乳液用量對(duì)保溫隔熱涂料力學(xué)性能的影響Table 3 The influence of the content of S-400 elastic building emulsion on the mechanical properties of the thermal insulation coatings

表3 結(jié)果表明，保溫隔熱涂料的粘結(jié)強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都隨著S-400 彈性建筑乳液用量的提高而顯著增大，且粘結(jié)強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的增量差別不大。應(yīng)根據(jù)對(duì)保溫隔熱涂料粘結(jié)性能的要求，并綜合考慮對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響而確定出恰當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)強(qiáng)度要求，再通過試驗(yàn)得到S-400 彈性建筑乳液的合理用量。

3.3 氣凝膠對(duì)保溫隔熱涂料保溫性能的影響

3.3.1 氣凝膠添加量對(duì)保溫隔熱涂料的干密度與導(dǎo)熱系數(shù)的影響

在可行性研究的初期試驗(yàn)中曾發(fā)現(xiàn)，僅使用S-400 彈性建筑乳液和氣凝膠制備保溫隔熱涂料，當(dāng)所得涂料的導(dǎo)熱系數(shù)低于0.058 W·m-1·K-1，且具有材料應(yīng)用所要求的力學(xué)性能時(shí)，其干燥收縮率在10%以上，甚至高達(dá)16.5%，即已失去了實(shí)用價(jià)值。但當(dāng)氣凝膠與膨脹?；⒅椤⑴蛎浾渲閹r等保溫隔熱骨料復(fù)配使用時(shí)，由于產(chǎn)生骨架支撐作用，其干燥收縮率可以滿足要求。而相較于保溫隔熱骨料，氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)更低，添加一定量的氣凝膠能夠顯著降低體系的總體導(dǎo)熱系數(shù)，因而，我們將其復(fù)配使用。試驗(yàn)中配制了不同氣凝膠添加量的保溫隔熱涂料，考察了氣凝膠加量對(duì)涂料干密度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響，結(jié)果如表4 所示。

表4 氣凝膠加量對(duì)保溫隔熱涂料干密度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響Table 4 The influence of the aerogel content on the dry density and thermal conductivity of thermal insulation coatings

3.3.2 氣凝膠添加量對(duì)保溫隔熱涂料強(qiáng)度的影響

氣凝膠的添加能夠增強(qiáng)保溫隔熱涂料的保溫性能，但同時(shí)因?yàn)闅饽z的細(xì)度極細(xì)，需要消耗大量的膠結(jié)物質(zhì)進(jìn)行粘結(jié)，因而對(duì)涂料的力學(xué)強(qiáng)度也會(huì)產(chǎn)生顯著影響，試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。

表5 氣凝膠加量對(duì)保溫隔熱涂料干密度和抗拉強(qiáng)度的影響1Table 5 The influence of the content of aerogel on the dry density and tensile strength of thermal insulation coatings

從表5 中可以看出，隨著氣凝膠添加量的增加，涂料的干密度與抗拉強(qiáng)度均出現(xiàn)了一定程度的降低，其原因主要是，氣凝膠本身密度低，力學(xué)性能低，隨著氣凝膠用量占比的增加，體系的總體密度與力學(xué)性能也隨之降低。由此可見，受制于成本與力學(xué)性能的限制，單獨(dú)使用氣凝膠作為建筑保溫隔熱材料并不合適，而將氣凝膠與傳統(tǒng)的保溫隔熱材料復(fù)配使用，可以揚(yáng)長避短，大幅度降低體系的導(dǎo)熱系數(shù)，并保持其成本與力學(xué)性能在可接受的范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

氣凝膠作為目前世界上表觀密度最低的無機(jī)隔熱材料之一，可用于增強(qiáng)建筑保溫隔熱涂料的性能，但不能使用氣凝膠作為保溫隔熱涂料的主導(dǎo)保溫隔熱骨料，研究了使用膨脹?；⒅?、膨脹珍珠巖作為主導(dǎo)保溫隔熱骨料，氣凝膠作為輔助材料的保溫隔熱涂料的性能。隨著保溫隔熱骨料的添加及其添加量的增加，保溫隔熱涂料的干密度和抗拉強(qiáng)度隨之降低；保溫隔熱涂料的粘結(jié)強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度都隨著S-400 彈性建筑乳液的用量提高而顯著增大；氣凝膠能夠適當(dāng)降低保溫隔熱涂料的導(dǎo)熱系數(shù)，隨著氣凝膠加量的增大，體系的導(dǎo)熱系數(shù)下降，而干密度和抗拉強(qiáng)度也隨之降低。

致謝：本研究受到安徽省住房城鄉(xiāng)建設(shè)廳項(xiàng)目、住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部項(xiàng)目“夏熱冬冷地區(qū)外墻保溫節(jié)能技術(shù)研究與應(yīng)用”（2019-K-062），及安徽省住房城鄉(xiāng)建設(shè)廳項(xiàng)目“多用途紅外反射乳液技術(shù)研究與應(yīng)用”等的資助與支持，作者在此一并表示感謝。