一種超級絕熱氣凝膠隔熱涂料及涂膜的開發(fā)

孫 曄，陳建偉，吳 娜，白鳳祥，王建龍，劉 鵬，姜 佩

(華豹(天津)新材料科技發(fā)展股份有限公司 天津 301702)

0 引 言

目前國內(nèi)外隔熱膜的發(fā)展趨勢[1]，主要是薄膜固體一類的隔熱膜，施工方式多為貼膜，液體涂膜比較少。隔熱膜的隔熱原理主要利用了降低熱輻射、熱對流方式，對于熱傳導(dǎo)降低模式技術(shù)較少利用[2]。薄膜制造技術(shù)主要是磁控濺射技術(shù)和金屬蒸鍍技術(shù)[3]，磁控濺射技術(shù)目前是主流，全球占比60%。對于建筑玻璃貼膜，歐美及發(fā)達(dá)國家玻璃貼膜普及率已高達(dá)90%。目前我國隔熱膜主要依賴進(jìn)口，如伊士曼、強(qiáng)生、3M等，貼膜產(chǎn)量2022年預(yù)期13 587萬m2[4]。常見的隔熱膜性能對比見表1。

表1 幾種常見隔熱膜材料性能對比Tab.1 Performance comparison of several common thermal insulation film materials

紫外線波段(200～370 nm)、可見光波段(380～780 nm)、紅外線波段(78～2 500 nm)，分別占太陽光能能量的3%、44%、53%。太陽能主要集中在波長0.4～1.8 μm的可見光和紅外光[5-6]。控制該波段的能量是目前隔熱膜控制隔熱的主要方法。

在隔熱涂料方面[7-8]，目前主要有阻隔型隔熱涂料：一般為硅酸鹽復(fù)合涂料，熱導(dǎo)率一般在0.06 W/(mK)，缺點是干燥周期長，施工受季節(jié)氣候影響大，抗沖擊能力弱，干燥收縮率大，熱導(dǎo)率波動大等。

反射型隔熱涂料[9]：主要反射材料主體為玻璃微珠或金屬。其特點為保溫隔熱性好、耐候性好、防火阻燃、防塵自潔、無菌滋長、無揮發(fā)物、無毒，反射率可達(dá)85%。原理是吸收太陽能，以紅外輻射模式向外散熱，主要起到降溫的作用。目前的紅外吸收劑為氧化鐵、氧化錳、氧化銅。

透明隔熱涂料[10-11]：填料主要采用(ITO)氧化銦錫、氧化錫銻(ATO)[12]、氟摻雜氧化錫(FTO)、鋁摻雜氧化鋅(AZO)，二氧化鈦、氧化鐵、氧化鋁紫外吸收劑等。

特殊控溫隔熱涂料[13-14]：材料主要采用VO2、Ti4O7、Ti3O5、Fe3O4、CrS、NiS等。

針對目前已有隔熱膜的施工和絕熱性能特點，研究開發(fā)了以一種利用氣凝膠材料制備的隔熱性能好、透光率高、施工簡單的超級絕熱氣凝膠隔熱膜。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

PVB工業(yè)級；鈦酸乙酯(ET)，工業(yè)級，濟(jì)南樂奇化工。正硅酸乙酯，工業(yè)級，張家港新亞化工有限公司。三氟乙酸，工業(yè)級，濟(jì)南。助劑，自制。溶劑，化學(xué)試劑。去離子水，自制。

1.2 試驗主要器材

本課題主要材料制備及測試儀器見表2。

表2 試驗儀器設(shè)備Tab.2 Laboratory equipment

1.3 氣凝膠隔熱膜制備

1.3.1 氣凝膠隔熱膜前驅(qū)體制備

將鈦酸乙酯和正硅酸乙酯、乙酸乙酯、三甲基三氧硅烷按照一定比例混合均勻后，將PVB溶解。混合液溫度控制在10～15℃，在攪拌狀態(tài)下緩慢滴加去離子水稀釋的三氟乙酸溶液，沉淀物研磨，得到改性混合物A。

將一定的銀粉、二氧化硅氣凝膠粉體分散到

PVB溶液中，研磨，獲得納米級銀粉漿料B。

將A、B按一定比例混合后，控制pH在4～6之間，溫度在-20℃以下。攪拌并緩慢加入助劑，保溫4 h后升溫到50～60℃，在攪拌狀態(tài)下保溫2 h，獲得氣凝膠隔熱膜前驅(qū)體涂料C。

1.3.2 氣凝膠隔熱膜制備

將前驅(qū)體C用150 μm規(guī)格絲棒刮涂或用無氣噴涂模式噴涂在普通玻璃表面，室溫放置24 h，獲得氣凝膠隔熱膜。

1.4 氣凝膠涂料及涂膜性能測試

1.4.1 常規(guī)性能測試

常規(guī)性能測試檢測標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)果見表3。

表3 氣凝膠涂料及隔熱膜性能Tab.3 Properties of aerogel coating and thermal insulation film

1.4.2 掃描電子顯微鏡(SEM)分析

使用導(dǎo)電膠將制備的隔熱膜固定在載玻片上，利用濺射法對待測樣品的表面處理，通過QUANTA200型號掃描電子顯微鏡觀察樣品的容貌。

1.4.3 導(dǎo)熱系數(shù)測定

環(huán)境溫度25℃，濕度50%，將樣品在該環(huán)境下靜止24 h后，采用熱線法測試相關(guān)樣品的熱導(dǎo)率。樣品分別選擇了普通玻璃、普通隔熱貼膜、ATO貼膜和自制氣凝膠隔熱膜。

1.4.4 隔熱效果紅外攝像儀測試

用模擬人造太陽能照射樣品，測試樣品向光面和被光面溫度。紅外熱像測試儀型號為UTi220A。

1.4.5 隔熱膜光阻隔率測試

用型號為LH1013的透光率測量儀測試隔熱膜的光阻隔率。

1.4.6 疏水性測試用FCA2000A2R型電動旋轉(zhuǎn)接觸角測量儀測試去離子水和食用油在不同材料上的接觸角。

2 結(jié)果與討論

2.1 SEM掃描結(jié)果及分析

在顯微鏡下觀察，200 μm尺度下觀察金屬顆粒處于隨機(jī)分布狀態(tài)，如圖1所示，改性PVB纖維分布均勻并成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在100 μm狀態(tài)下觀察，非晶型納米粒子構(gòu)筑了氣凝膠物質(zhì)的多孔結(jié)構(gòu)，如圖2所示。放大到1 μm，可以明顯觀察到二氧化硅包覆二氧化鈦或二氧化鈦包覆二氧化硅的納米粒子球體結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖1 隔熱膜200 μm掃描電子顯微鏡圖Fig.1 Scanning electron micrograph of thermal insulation film 200 μm

圖2 隔熱膜100 μm掃描電子顯微鏡圖Fig.2 Scanning electron micrograph of thermal insulation film 100 μm

圖3 隔熱膜1 μm掃描電子顯微鏡圖Fig.3 Scanning electron micrograph of thermal insulation film 1 μm

隨機(jī)分散的納米金屬顆粒，由于粒徑遠(yuǎn)小于可見光部分的波長，可見光遇到金屬粒子后，可以很容易繞過粒子。多孔結(jié)構(gòu)構(gòu)筑，有效起到了熱傳導(dǎo)的阻滯作用，二氧化硅和二氧化鈦氧化物的相互包覆，可有效提高可見光透過率和降低紫外線透過率及紅外線透過率。

2.2 熱導(dǎo)率測定結(jié)果及分析

從表4可以明確看出，玻璃的熱導(dǎo)率最大，在熱傳導(dǎo)方面起到了主要作用，ATO貼膜可能是采用了高熱導(dǎo)率的物質(zhì)復(fù)合，導(dǎo)致貼膜的熱導(dǎo)率高于普通貼膜，自制氣凝膠隔熱膜，具有非常低的導(dǎo)熱率，在隔熱性能方面具有明顯優(yōu)勢。

表4 幾種隔熱材料熱導(dǎo)率Tab.4 Thermal conductivity of several thermal insulation materials

2.3 整體隔熱效果測試結(jié)果及分析

如圖4、圖5所示：利用紅外攝像儀記錄模擬陽光照射不同隔熱膜材料，熱面升溫到50℃以上后，迅速測量各種材料冷面溫度。

圖4 各種隔熱膜材料模擬陽光照射后冷熱面溫度差值對比Tab.4 Comparison of temperature difference between hot and cold surfaces of various thermal insulation film materials after simulated sunlight exposure

圖5 不同材料隔熱溫差Fig.5 Thermal insulation temperature difference of different materials

氣凝膠膜冷熱溫差12℃＞ATO貼膜冷熱面溫差3.4℃＞普通貼膜冷熱面溫差2.9℃。通過對比，在材料厚度一致、底材背景一致的條件下，氣凝膠隔熱膜具有非常好的隔熱特點，明顯優(yōu)于目前市面已有隔熱膜材料。

2.4 不同隔熱材料光線阻隔測試結(jié)果及分析

表5 和圖6顯示，氣凝膠隔熱膜具有很好的阻隔紫外線和紅外線能力，具有較高的可見光部分的透射性，為提供明亮的環(huán)境創(chuàng)造了條件。在光線阻隔熱能力上，氣凝膠膜＞ATO膜＞常規(guī)膜＞玻璃；在光透性上，玻璃＞常規(guī)膜＞氣凝膠隔熱膜＞ATO 膜。

圖6 不同材料透光率和阻隔率對比Fig.6 Comparison of transmittance and barrier of different materials

表5 不同材料光線阻隔測試數(shù)據(jù)Tab.5 Light barrier test data of different materials

2.5 疏水角去離子水和食用油測試結(jié)果與分析

表6 數(shù)據(jù)顯示，氣凝膠隔熱膜具有超級疏水特性和疏油特性，ATO膜具有疏水性但沒有疏油的特性，普通隔熱膜和玻璃均沒有疏水性和疏油性。氣凝膠隔熱膜具有超級疏水的特點，是由于甲基的改性存在，其疏油性主要是由于氟碳基的存在。

表6 去離子水和食用油在不同材料表面的接觸角Tab.6 Contact angle of deionized water and edible oil on different materials

3 結(jié) 論

①以用溶膠-凝膠技術(shù)和納米技術(shù)復(fù)合改性的PVB隔熱涂料，可以采用簡單的施工方法如刮涂或噴涂等方式，獲得優(yōu)良的氣凝膠隔熱涂膜。涂膜具有低熱導(dǎo)率、高光阻、較高透光性、超級疏水和疏油的特性。

②改性二氧化硅氣凝膠與二氧化鈦氣凝膠相互包覆，提高了光透性和紫外線紅外線阻隔性。

③納米銀離子提高了光反射能力。

④甲基和氟碳基的嫁接引入，提高了疏水性和抗油污性能。■