SiO2氣凝膠/硅藻泥復(fù)合涂料的制備及隔熱性能

汪 純 宇， 史 非， 劉 敬 肖

( 大連工業(yè)大學(xué) 紡織與材料工程學(xué)院, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

氣凝膠是一種具有高孔隙率、高比表面積、低密度和低熱導(dǎo)率等特點(diǎn)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無機(jī)材料[1]。由于其獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，氣凝膠在光學(xué)、聲學(xué)、隔熱、航空、醫(yī)療等行業(yè)都具有廣闊的應(yīng)用前景[2]。在相同環(huán)境下空氣的熱導(dǎo)率約為0.025 W/(m·K)，而SiO2氣凝膠得益于其微觀結(jié)構(gòu)的不同，熱導(dǎo)率為0.015 W/(m·K)。因此，SiO2氣凝膠在保溫隔熱方面呈現(xiàn)出更優(yōu)異的性能[3]。

與傳統(tǒng)的隔熱材料相比，SiO2氣凝膠涂料不僅節(jié)能環(huán)保，而且具有優(yōu)異的防火阻燃性能，能夠有效消除聚苯泡沫板等有機(jī)高分子保溫材料防火阻燃性差的弱點(diǎn)；SiO2氣凝膠涂料可以彌補(bǔ)巖棉、玻璃棉等無機(jī)保溫材料密度大且保溫效果一般的缺陷[4]。當(dāng)前，國內(nèi)外已有較多對氣凝膠隔熱涂料的研究報(bào)道。Ibrahim等[5]通過將實(shí)驗(yàn)與傳熱數(shù)學(xué)模擬相結(jié)合的方式對SiO2氣凝膠涂料進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)SiO2氣凝膠涂層的隔熱效果比其他隔熱材料要好。Kill[6]同樣以實(shí)驗(yàn)與建立數(shù)學(xué)模型相結(jié)合為基礎(chǔ)，得出了相同的結(jié)論：含有SiO2氣凝膠顆粒的涂料的隔熱效果比在涂料中加入空心微珠或者其他具有空心化合物材料的隔熱效果要好。劉成樓等[7]以丙烯酸為成膜物，以SiO2氣凝膠微球?yàn)樘盍?，所制備的涂料?dǎo)熱系數(shù)為0.027 W/(m·K)，并且涂層的節(jié)能效果比厚度高于自身80倍的苯板大約高出5%。劉紅霞等[8]將SiO2氣凝膠、空心微珠作為主要填料，將制作好的涂層放在其自制的隔熱保溫箱中檢測，使用SiO2氣凝膠復(fù)合涂料的樣品箱內(nèi)溫度要比使用普通家用裝飾墻體乳膠漆的樣品箱內(nèi)溫度要低出6 ℃。氣凝膠超低導(dǎo)熱系數(shù)可使復(fù)合氣凝膠隔熱涂料的隔熱性能優(yōu)于傳統(tǒng)的無機(jī)保溫材料，同時(shí)氣凝膠的低密度又可以大大減輕無機(jī)保溫材料的自重，涂料節(jié)能效果十分優(yōu)異[9]。因此，SiO2氣凝膠涂料可以廣泛應(yīng)用于建筑物內(nèi)外墻、倉儲、管道、船體等領(lǐng)域。

硅藻泥作為一種天然環(huán)保的家用建筑裝飾材料，具有凈化空氣、吸音降噪、色彩柔和、防火阻燃，保溫隔熱等特點(diǎn)[10]。因此，研究開發(fā)SiO2氣凝膠/硅藻泥復(fù)合保溫隔熱涂料，不僅具有優(yōu)異的保溫隔熱性能，而且具有吸除甲醛、耐高溫、環(huán)保等特點(diǎn)，符合未來墻體隔熱涂料的發(fā)展趨勢。

本研究以常壓干燥法制備的SiO2氣凝膠為原料，研究制備了SiO2氣凝膠/硅藻泥復(fù)合隔熱涂料，探討了SiO2氣凝膠加入量對復(fù)合涂料隔熱性能的影響，研究結(jié)果對于實(shí)現(xiàn)氣凝膠復(fù)合涂料在冷熱環(huán)境下的應(yīng)用具有重要的推動(dòng)作用。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材 料

SiO2氣凝膠，自制；硅藻泥涂料，吉林遠(yuǎn)通礦業(yè)有限公司；消泡劑，廣州原野實(shí)業(yè)有限公司；分散助劑，自制。

1.2 樣品制備

將自制的SiO2氣凝膠進(jìn)行破碎粉磨后，經(jīng)60目過篩，得到松散的氣凝膠粉末備用。稱取適量的分散助劑，加入去離子水，攪拌均勻，逐漸加入氣凝膠粉末，制得氣凝膠含量為70%的氣凝膠膏體。將氣凝膠膏體、消泡劑按照一定比例加入硅藻泥涂料中，1 800 r/min，20 min。制備出氣凝膠粉體加入量占總體積分?jǐn)?shù)分別為0、9.0%、16.7%、28.5%、37.5%的復(fù)合隔熱涂料，分別記為樣品1、2、3、4、5。使用0.8 mm涂布器單面刮涂在空白玻璃(150 mm×100 mm×3 mm)表面和金屬鋁罐表面，置于空氣中室溫風(fēng)干12 h。

1.3 結(jié)構(gòu)表征和性能測試

1.3.1 涂層試樣形貌表征

根據(jù)GB/T 1729—1979測試涂膜顏色及外觀。采用掃描電子顯微鏡(SEM，日本電子公司，MP-60030PLUS)觀察涂層試樣的微觀形貌。

1.3.2 導(dǎo)熱系數(shù)測試

采用導(dǎo)熱系數(shù)測試儀(西安夏溪電子科技有限公司，TC3000E)對試樣的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測定。

1.3.3 玻璃表面涂層隔熱性能測試

利用自制的隔熱效果檢測保溫箱，在距離保溫箱正上方20 cm處，垂直放置一個(gè)紅外燈作為光源，箱體為泡沫保溫板，并在紅外燈正下方開出一個(gè)窗口。將涂有不同含量的隔熱涂料玻璃板覆蓋于窗口上，涂層向上。使用熱電偶每隔1 s記錄保溫箱內(nèi)溫度的變化，測試時(shí)間為40 min，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

1.3.4 金屬表面涂層隔熱性能測試

將表面涂有不同氣凝膠含量的隔熱涂層的金屬鋁罐放置于烘箱中，將烘箱溫度加熱到100 ℃，使用熱電偶記錄罐內(nèi)溫度變化，并進(jìn)行對比。

將表面涂有不同氣凝膠含量的隔熱涂層的金屬鋁罐放置于-5 ℃制冷機(jī)中，內(nèi)部加滿水，測試時(shí)間50 min，使用熱電偶記錄罐內(nèi)水溫變化，并進(jìn)行對比。

1.3.5 涂料的附著力、耐水性等基本性能測試

根據(jù)GB/T 9286—1998測試涂膜的附著力；根據(jù)GB/T 1733—1993測試涂膜的耐水性；根據(jù)GB/T 1735—2009測試涂膜的耐熱性。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層試樣形貌表征

圖1為不同體積分?jǐn)?shù)SiO2氣凝膠涂層的照片，從圖中可以看出，涂層試樣完整性好，沒有出現(xiàn)開裂，沒有氣泡，說明硅藻泥涂料作為氣凝膠載體具有良好的成膜性能和結(jié)合性能。當(dāng)氣凝膠加入量占總體積分?jǐn)?shù)超過37.5%時(shí)，硅藻泥涂料包裹性下降，表面出現(xiàn)開裂，氣凝膠粉體大量堆積，所以選用體積分?jǐn)?shù)為37.5%的樣品5為最高含量的復(fù)合涂料。

(a) 玻璃涂層樣品

(b) 金屬罐表面涂層樣品

圖2為不同體積分?jǐn)?shù)氣凝膠的涂層斷面SEM微觀形貌圖?？梢钥闯?，涂料內(nèi)部含有較多微米級孔隙，這是由于基體涂料在成膜劑作用下將氣凝膠粉體緊密包裹，涂層干燥固化過程中涂料中原來溶劑與水的位置隨著蒸發(fā)形成氣孔并留在了涂料內(nèi)部。同時(shí)可以看出，隨著氣凝膠含量的增加，涂料內(nèi)部孔隙逐漸減少，這是由于納米氣凝膠材料在分散劑作用下具有良好的均勻分散效果，與基體復(fù)合后使大尺寸孔隙減少。

(a) 9.0%

(c) 28.5%

2.2 涂料導(dǎo)熱系數(shù)與隔熱性能分析

圖3為不同體積分?jǐn)?shù)SiO2氣凝膠涂層玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果，可見，隨著SiO2氣凝膠體積分?jǐn)?shù)的增加，涂層試樣的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸降低。當(dāng)加入SiO2氣凝膠體積分?jǐn)?shù)達(dá)到37.5%時(shí)，試樣5的導(dǎo)熱系數(shù)最低，為0.055 3 W/(m·K)，滿足涂料的保溫隔熱要求。SiO2氣凝膠體積分?jǐn)?shù)決定了復(fù)合保溫材料的保溫性能。這是由于SiO2氣凝膠中的介孔結(jié)構(gòu)熱阻極大，隔熱效果優(yōu)于基體硅藻泥微米孔結(jié)構(gòu)涂料，隨著氣凝膠含量的增加，導(dǎo)致涂料的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸降低。

圖3 涂有涂層玻璃試樣的導(dǎo)熱系數(shù)Fig.3 Thermal conductivity of coated glass samples

圖4為不同體積分?jǐn)?shù)SiO2氣凝膠的涂層玻璃對箱體溫度的影響?？梢钥闯觯瞻撞Ａc表面涂有涂層的玻璃對應(yīng)的箱體內(nèi)空氣升溫速度具有明顯的差異，涂層中SiO2氣凝膠含量越大，保溫箱內(nèi)的溫度越低。在初始階段，溫度的上升幅度較快，加熱到30 min時(shí)，箱內(nèi)溫度趨于平緩。氣凝膠體積分?jǐn)?shù)為0時(shí)，與空白玻璃試樣對比，箱體內(nèi)溫度低29.8 ℃，說明硅藻泥本身就具備隔熱效果，且效果良好。氣凝膠體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，與空白玻璃試樣溫差分別為29.8、32.2、32.9、35.3 ℃，說明氣凝膠對涂料的隔熱效果作用明顯。其中，SiO2氣凝膠體積分?jǐn)?shù)為37.5%的涂層試樣5與空白試樣溫差最大，達(dá)到了35.3 ℃。

圖4 紅外燈輻照下玻璃表面涂有不同體積分?jǐn)?shù)SiO2氣凝膠涂層對箱體內(nèi)溫度的影響

2.3 金屬罐表面涂層的隔熱效果分析

圖5為熱源環(huán)境下表面涂有氣凝膠/硅藻泥涂料的金屬罐體內(nèi)的溫度變化曲線?？梢钥闯觯S著SiO2氣凝膠含量的增加，金屬罐內(nèi)的溫度越低。當(dāng)罐體外部加熱到100 ℃時(shí)，空白試樣的金屬罐內(nèi)溫度達(dá)到了92.6 ℃，與外界環(huán)境溫差為7.4 ℃，而表面涂有氣凝膠/硅藻泥涂料的金屬罐內(nèi)溫度與外界環(huán)境溫度差為9.3～27.3 ℃。隨著SiO2氣凝膠體積分?jǐn)?shù)增加，金屬罐內(nèi)溫度與外界環(huán)境溫度差值逐漸增大，當(dāng)SiO2氣凝膠體積分?jǐn)?shù)為37.5%時(shí)，在100 ℃烘箱環(huán)境下，涂層樣品金屬罐與普通金屬罐內(nèi)溫差可達(dá)到19.9 ℃，說明氣凝膠的加入量是決定涂料隔熱效果的關(guān)鍵。其中氣凝膠加入量體積分?jǐn)?shù)為37.5%的涂層金屬試樣5罐內(nèi)溫度與外界環(huán)境溫度之間的差值最大，達(dá)到了27.3 ℃。

圖5 熱源環(huán)境下不同體積分?jǐn)?shù)SiO2氣凝膠涂層對金屬罐體內(nèi)部溫度的影響

2.4 制冷環(huán)境下隔熱效果

圖6為-5 ℃制冷環(huán)境下表面涂有氣凝膠/硅藻泥涂料的金屬罐體內(nèi)水溫變化曲線。可以看出，隨著SiO2氣凝膠體積分?jǐn)?shù)的增加，金屬罐內(nèi)水溫降低速度減慢。裝有80 ℃熱水的金屬罐在制冷機(jī)中放置50 min時(shí)，空白試樣的金屬罐內(nèi)水溫下降到44.9 ℃，表面涂有氣凝膠/硅藻泥涂料的金屬罐內(nèi)水的溫度比空白試樣水溫低0.4～4.4 ℃；并且，隨SiO2氣凝膠體積分?jǐn)?shù)增加，金屬罐內(nèi)水溫下降幅度逐漸增大，當(dāng)SiO2氣凝膠體積分?jǐn)?shù)為37.5%時(shí)，在-5 ℃制冷環(huán)境下，涂層樣品金屬罐與普通金屬罐內(nèi)水溫差可達(dá)到4.4 ℃，說明所制備的氣凝膠/硅藻泥復(fù)合涂料在冷環(huán)境中具有優(yōu)異的保溫性能，且復(fù)合涂料隨氣凝膠加入量增多，保溫性能不斷增強(qiáng)。

圖6 制冷環(huán)境下不同體積分?jǐn)?shù)SiO2氣凝膠涂層對金屬罐體內(nèi)部溫度的影響

2.5 涂層的基本性能分析

按照國家標(biāo)準(zhǔn)BG/T 9286—1998《色漆和清漆漆膜的劃格試驗(yàn)》測定試樣5涂層的附著力，在切口交叉處有少許涂層脫落，但受影響面積不足5%，符合1級標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)GB/T 1733—1993浸水試驗(yàn)法，在涂膜浸水96 h后，無變色、氣泡和脫落等現(xiàn)象。

根據(jù)GB/T 1735—2009測試涂膜耐熱性，將涂層試樣放入120 ℃烘箱中加熱5 h，涂層表面未發(fā)生起泡和開裂現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

以SiO2氣凝膠為主要填料，制備SiO2氣凝膠/硅藻泥復(fù)合涂料，當(dāng)SiO2氣凝膠粉體體積分?jǐn)?shù)為37.5%時(shí)，隔熱性能最好，涂有涂層玻璃樣品的導(dǎo)熱系數(shù)為0.055 3 W/(m·K)，在紅外燈照射下，涂層玻璃樣品與空白玻璃對應(yīng)的箱體內(nèi)溫差可達(dá)到35.3 ℃；在100 ℃烘箱中，涂層樣品金屬罐與普通金屬罐內(nèi)溫差可達(dá)到19.9 ℃；在-5 ℃制冷機(jī)中，涂層樣品金屬罐與普通金屬罐內(nèi)部水溫溫差可達(dá)到4.4 ℃。涂層的附著力、耐熱性、耐水性、硬度等性能優(yōu)異。本研究所制備的復(fù)合涂料具有優(yōu)異的隔熱性能以及良好的綜合性能，可廣泛用于建筑、管道等對隔熱保溫有較高要求的場景，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。