二氧化硅氣凝膠隔熱涂料的性能評價

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(1.河南工業大學 材料科學與工程學院，河南 鄭州 450001；2.中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900)

二氧化硅氣凝膠隔熱涂料的性能評價

豆新豐1，何方1，李榮春1，吳菊英2，黃渝鴻2

(1.河南工業大學 材料科學與工程學院，河南 鄭州 450001；2.中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900)

通過控制合適的條件，將SiO2氣凝膠微球加入到純丙乳液中，混合其它助劑，制成SiO2氣凝膠隔熱涂料；并運用相關國家標準提供的方法對其進行性能檢測。實驗結果表明，它具有較好的液態性能、顏色和外觀、硬度和附著力、耐水耐熱性和隔熱性；在實驗探索中，還建立了一套針對于SiO2氣凝膠隔熱涂料的性能評價體系。

SiO2氣凝膠；隔熱涂料；性能評價

Keywords:SiO2airgel；insulation coating；performance evaluation

0 引言

目前，建筑耗能在人類整個能耗中占11%～25%，節約意義重大，因此，采用一種高效、節能的隔熱材料便成為了解決能源危機的重要途徑[1]。然而，當前市場上的建筑隔熱材料主要是以有機材料聚氨酯、擠塑聚苯乙烯保溫板和膨脹型聚苯乙烯保溫板為主，它們雖然隔熱性能較好，但是防火性能較差，不能做到節能與防火兼備[2]。

SiO2氣凝膠具有獨特的納米孔結構，孔隙率高達90%以上、比表面積為800～1 000 m2/g[3-4]，這種結構可以降低其內部氣體和固體的導熱效率，提升隔熱性能，所以氣凝膠是固體材料中隔熱性能最好的一種[5-7]。此外，氣凝膠防水阻熱、綠色環保、防酸耐腐蝕、不易老化、使用壽命長，是其它傳統材料無法比擬的[8]。鑒于SiO2氣凝膠的以上優良性能，人們開始嘗試以它為主要原料，以某些填料助劑進行適當的配比，制成SiO2氣凝膠隔熱涂料，使其達到既隔熱、又防火的要求。但是，此類研究目前正處于探索階段，不免存在諸多問題。

郭迪[9]選用水性丙烯酸為成膜物質、SiO2氣凝膠水分散漿料為填料，制得了具有很好透明性和隔熱效果的水性透明隔熱涂料。但在對涂膜耐水性測試時，忽略了“實際環境中的水可能是循環的、高溫的水”的因素。汪慧[10]首先用硅烷偶聯劑KH570對SiO2氣凝膠表面進行改性，最后以SiO2氣凝膠/苯丙乳液作為基料制備了隔熱涂料。在評價其隔熱性能時，只運用了測箱體內外溫差和測定涂層對各個光譜區域的透過率的方法。虞瑩瑩[11]對各種涂層和漆膜的檢測方法做出了較為全面的總結，但是對隔熱涂料的檢測并無單獨列出。

由此可見，由于該類涂料的配方不同、測定方法各異產生的問題，嚴重阻礙了SiO2氣凝膠隔熱涂料研究的發展。基于上述問題，本文通過控制合適的條件，將SiO2氣凝膠微球加入到純丙乳液中，混合其它助劑，制成SiO2氣凝膠隔熱涂料。并運用相關國家標準提供的方法對其進行檢測，最終在實驗探索中建立一套針對于SiO2氣凝膠隔熱涂料的性能評價體系。

1 實驗部分

1.1主要原料和試劑

實驗所需的主要原料和試劑如表1所示。

表1 主要實驗試劑一覽表

注：固含量及活性成分為質量百分數。

1.2主要儀器和設備

實驗所需的主要儀器和設備如下：鉛筆劃痕試驗儀，QHQ-A，深圳市豐順科技有限公司；立方抗壓試模，70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm(鑄鐵)，河北海奧試驗儀器公司；Hot Disk熱物性分析儀，TPS2500s，瑞典凱戈納斯有限公司。

1.3涂膜的制備

實驗流程圖如圖1所示。

圖1 SiO2氣凝膠隔熱涂料制備過程

首先，將水、潤濕劑、分散劑、(2/3量)消泡劑、流平劑等助劑分別稱量后加入50 mL的燒杯，振蕩搖勻；然后加入填料SiO2氣凝膠和一定量的滑石粉，得到均勻料漿；最后將乳液，剩余消泡劑(1/3量)加入混合料漿中，充分攪拌，即得涂料漿體。

選取尺寸規格為50 mm×120 mm的馬口鐵片，洗凈烘干。將制得的隔熱涂料，用均勻涂覆于鐵片表面，干燥固化制得SiO2氣凝膠隔熱涂膜試樣。

1.4檢測方法

SiO2氣凝膠隔熱涂料要想得到很好的應用，除了有比較好的隔熱性能外，還應該在外觀、附著力、耐水、耐熱性等性能上有著良好的表現。實驗室標準測試條件：溫度是( 28±3) ℃；相對濕度是(50±5)%。

①涂料在容器中的狀態。將調制好的料漿置于一容器中，用調刀或玻璃棒攪拌容器中的試樣，觀察涂料在容器中的狀態，具體測定方法按GB/T 9278-2008《涂料試樣狀態調節和實驗的溫濕度》中的相關標準進行。②干燥時間。采用實際干燥測定方法中的“壓濾紙法”，具體操作參照GB/T 1728-1979 (1989)《涂膜、膩子干燥時間測定法》的相關規定。③顏色和外觀。選擇用肉眼觀察涂料的顏色、外觀，也可按照GB/T 1722-92《清漆、清油及稀釋劑顏色測定法》來測定SiO2氣凝膠隔熱涂料的顏色和外觀。④硬度。采用便攜式鉛筆硬度測定儀，然后按照GB/T 6739-1996《膜硬度鉛筆測定法》的規定測定了SiO2氣凝膠隔熱涂料的涂膜硬度。⑤附著力。運用“劃格法”，并按照GB/T 9286-1998《色漆和清漆、漆膜的劃格試驗》的相關規定測定了SiO2氣凝膠隔熱涂料的附著力。⑥耐水性。采用40 ℃的恒溫循環水、運用“浸水法”進行測定，具體操作步驟參照GB/T 5209《色漆和清漆 耐水性測定 浸水法》的相關規定。⑦耐熱性。選用電烘箱為實驗儀器，按照GB/T 1735《漆膜耐熱性測定》的相關規定測定了SiO2氣凝膠隔熱涂料的耐熱性。然而，考慮到施工環境，我們并未按照“在(125±2)℃條件下試驗24 h”的建議，而是改成“在(90±2)℃條件下試驗24 h”。⑧隔熱性能。采用Hot Disk TPS2500s 熱物性分析儀，利用瞬變平面熱源技術(Transient Plane Sources，TPS)測試SiO2氣凝膠隔熱涂料的導熱系數，從而表征它的隔熱性能。

2 實驗結果與討論

2.1液體性能和涂層外觀

圖2 制備的隔熱涂料與常規隔熱涂料外觀比較圖

實驗發現，SiO2氣凝膠隔熱涂料在容器中的狀態：呈均勻稠厚流體狀態，無結塊。另外，圖2的第一塊試板涂層是本文研究制備的，第二塊試板涂層是常規隔熱涂層。我們可以明顯看出，前者表面光滑，顏色乳白，色澤飽滿，厚度較薄，后者表面粗糙，顏色淺灰色，色澤不飽滿，厚度較厚。涂料產品主要是用來裝飾的，所以它的外觀質量非常重要。顯然，本文制備的隔熱涂料比常規涂料的外觀質量要好。

2.2涂膜硬度

測試不同含量的SiO2氣凝膠隔熱涂料的涂膜硬度，結果如圖3所示。

圖3 SiO2氣凝膠體積分數對涂膜硬度的影響

由圖3可知，當SiO2氣凝膠體積分數從0逐步升至10%時，涂膜硬度隨之發生變化，表明填充SiO2氣凝膠粒子對復合材料的硬度具有明顯的增強效果。但當SiO2氣凝膠體積分數從10%升至20%以及從40%升至50%時，涂料硬度相當，沒有發生大的變化。說明在此階段增加SiO2氣凝膠的量對涂料硬度影響不大。實驗結果表明，填充SiO2氣凝膠粒子對復合材料的硬度具有明顯的增強效果。

2.3涂膜的附著力

SiO2氣凝膠隔熱涂料在120 ℃下，固化時間為20 min，固化成膜。在室溫27 ℃下測試其力學性能，測量結果如表2所示。其中，當SiO2氣凝膠體積分數為40%時，其附著力為1級。而同樣條件下測普通隔熱涂料的力學性能，結果附著力為3級，數值遠低于該SiO2氣凝膠隔熱涂料。這表明，SiO2氣凝膠隔熱涂料的附著力與普通隔熱涂料相比，性能較好。

表2 SiO2氣凝膠含量對涂料附著力的影響

2.4涂膜的耐水性

本實驗分別選取SiO2氣凝膠體積分數為0、10%、20%、30%、40%、50%的SiO2氣凝膠隔熱涂料，測量其耐水性。測量結果表明，6組實驗結果均為“不起泡，不脫落”。

這就說明，此時純丙乳液占大部分，SiO2氣凝膠添加量對涂膜的耐水性影響不大；同時也說明，涂膜的耐水性能主要取決于聚合乳液單體的結構，即純丙乳液的性能。所以，我們在研究過程中，可以依據它來選擇一個合適的配比。

2.5涂膜的耐熱性

同理，本實驗也分別選取SiO2氣凝膠體積分數為0、10%、20%、30%、40%、50%的SiO2氣凝膠隔熱涂料，SiO2氣凝膠隔熱涂料在120 ℃的條件下，連續加熱16 h，測量其耐熱性，得到的樣板與空白樣板對照。對照結果表明，6組實驗結果均為“無粉化、無脫落、無顏色變化”。證明其耐熱性能良好，符合實際建筑環境的需要。

2.6涂膜的隔熱性能

經過多組分的實驗得出，SiO2氣凝膠隔熱涂料樣品的導熱系數隨氣凝膠體積分數的增加而變化的過程如圖4所示。

圖4 SiO2氣凝膠隔熱涂料的導熱系數曲線圖

首先，由圖可知，隨著涂料中SiO2氣凝膠微球添加量不同，其導熱系數值也不同；隨著SiO2氣凝膠體積分數的不斷增加，涂料的導熱系數逐漸減小，隔熱性能逐步增強。在本實驗所選取的SiO2氣凝膠體積分數的范圍內，SiO2氣凝膠體積分數與涂料的導熱系數成反比關系。但是，該涂料的導熱系數不會一直減小，并且當SiO2氣凝膠體積分數為50%時，其導熱系數已達到0.106 4 W/(m·K)，已經明顯優于普通涂料，擁有很高的應用價值和開發的潛能。

3 結論與展望

通過將助劑和純丙乳液均勻穩定分散于水中，然后添加SiO2氣凝膠和滑石粉等制備出SiO2氣凝膠隔熱涂料的漿料，最后將它涂覆于普通馬口鐵基材上，制得隔熱涂層。所得的涂層表面光滑平整，附著力強，硬度好，耐水耐熱性能較好，隔熱性能突出，其性能可以很好的滿足隔熱涂料的基本需要。并且，通過對SiO2氣凝膠隔熱涂料的研究、制備和綜合性能檢測，我們得出了一套SiO2氣凝膠隔熱涂料專用的性能評價體系，以期望給將來的研究者帶來幫助。

眾所周知，當前國內隔熱涂料的使用最為廣泛的仍然是阻隔型隔熱涂料，而新型功能性的SiO2氣凝膠隔熱涂料將代表未來隔熱涂料的發展趨勢[12]。隨著自我保護意識的不斷增強，人們選擇使用節能環保的材料已大勢所趨，由此看來，隔熱又安全的SiO2氣凝膠隔熱涂料必定會擁有較為廣闊的市場和應用前景。

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PerformanceEvaluationofSilicaAirgelInsulationCoating

DOUXin-feng1,HEFang1，LIRong-chun1,WUJu-ying2,HUANGYu-hong2

(1.College of Material Science and Engineering，Henan University of Technology,Zhengzhou 450001，China；2.Institute of System Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China)

Through control suitable conditions adding the SiO2airgel microspheres to the acrylic emulsion mixed with other additives to produce SiO2airgel insulation coatings;using the methods provided by the relevant national standards test its performance.The experimental result shows that it has good liquid properties,color and appearance,hardness and adhesion,water resistance and heat insulation;while exploring the experiment,also established a compartment for the SiO2airgel thermal coating performance evaluation system.

2013-11-20

國家自然科學基金委員會和中國工程物理研究院聯合基金資助項目(NSAF)(11076010)

豆新豐(1991-)，男，本科；聯系人：何方(1968-)，男，副教授，E-mail：hefangmail@aliyun.com。

TQ630.4；O642.3

A

1003-3467(2014)01-0031-04