氣凝膠水性隔熱保溫涂料的研究進展★

游 然，翟現明，胡 博，王小建，秦劍坤，要如磊

(1.山西省建筑科學研究院有限公司，山西 太原 030001； 2.華陽新材料科技集團有限公司，山西 陽泉 045000； 3.山西陽泰環保技術服務有限公司，山西 太原 030001)

1 概述

建筑能耗占社會總能耗的30%左右[1]，因此，為了符合可持續發展的能源戰略要求，推動綠色、低碳、環保城市的建設，推進近零能耗建筑的建設，降低建筑能耗十分必要。

墻體保溫是建筑節能的主要降耗方式，水性隔熱保溫涂料可以與墻體保溫相結合，改善墻體保溫效果。水性隔熱保溫涂料一方面起到隔熱作用，阻隔室外高溫進入室內，降低空調、冰箱等設備的能源消耗，另一方面起到保溫作用，阻止室內熱量逸散。并且水性隔熱保溫涂料作為新興功能材料，不僅符合VOC要求，綠色環保[2]，而且可以針對不同的氣候條件，采用不同的復配方案，從而實現熱量傳遞的有效阻隔，降低熱損耗，提高能源利用率。因此，水性隔熱保溫涂料在降低建筑能耗方面有著非常廣闊的應用前景。

納米材料的興起為水性隔熱保溫涂料的發展帶來了新的機遇。氣凝膠是由大量納米顆粒相互交聯構成的三維網絡結構，內部充斥著大量的微孔結構，其空氣占比高達80%以上。因此氣凝膠又被成為“藍煙”，是世界上密度最小的固體。正是因為氣凝膠這種獨特的結構特點，使其具有孔隙率高、密度低、比表面積大等優點，在熱學方面表現出優異的性能。熱量的傳遞有三種途徑，分別是：熱傳導、熱對流和熱輻射。氣凝膠中大量納米孔隙的存在，造成了熱傳導的“無窮長路徑”效應，熱量只能沿著無盡的氣孔壁進行傳遞，能量被不斷消耗，熱量在固體中的熱傳導能力被大幅度減弱；氣凝膠中還存在熱對流的“零對流”效應，這是因為氣凝膠孔隙的尺寸小于空氣分子運動的平均自由程，孔隙內存在的大量氣體分子失去流動能力，依附在孔壁上，不能形成熱對流；氣凝膠內無數的納米孔壁結構構成了無數的“遮熱板”，使得熱輻射能量能夠被有效阻擋[3]。綜合氣凝膠在上述三種熱傳遞方式上的阻礙或者屏蔽作用，氣凝膠具有非常好的隔熱保溫作用，成為了固體材料中導熱率最低的材料，其室溫條件下的導熱系數最低可達到0.013 W/(m·K)[4]，即使是在800 ℃高溫條件下，其導熱系數也只有0.04 W/(m·K)左右。

氣凝膠作為導熱率最低、密度最低的固體材料，在建筑隔熱保溫方面的應用備受關注。但是，氣凝膠的應用也受限于其物理機械性能較差，比如：強度低、脆性大、價格高。因此，氣凝膠很難被單獨使用。而作為水性涂料的功能填料，用來制作水性隔熱保溫涂料，既可以在彈性成膜物質的作用下，改善其物理機械性能，又可以為水性涂料提供隔熱保溫作用。劉紅霞等[5]就曾以氣凝膠和空心微珠作為功能填料，對涂料的隔熱效果進行對比，實驗證明，氣凝膠比空心微珠具有更好隔熱效果。

2 氣凝膠表面改性對水性涂料隔熱保溫性能的影響

將氣凝膠應用于水性隔熱保溫涂料的研發工作一直方興未艾，也取得了較為可喜的成績，但是也存在一些問題亟待解決。氣凝膠中的納米顆粒粒徑小，比表面積大，表面自由能高，表面原子活性高，在外部范德華力和內部價健力的作用下，容易產生團聚[6]。何方等[7]就影響二氧化硅氣凝膠隔熱涂料熱導率的因素進行了研究，研究表明小粒徑的氣凝膠更容易發生團聚，并且團聚不利于熱導率的降低。因為顆粒的團聚造成了兩種不同的導熱通路，熱量不會沿著界面熱阻大的團聚氣凝膠傳遞，而是會通過熱阻較低的聚合物傳遞，因此相比于均勻分散的氣凝膠涂料，團聚并不利于減低涂料的熱導率。同時，團聚還會影響氣凝膠納米性能的發揮。因此，團聚已經成為阻礙氣凝膠水性涂料發展的瓶頸[8]。

單純依靠機械分散不能避免納米顆粒在后期會重新團聚。因此，要解決氣凝膠的團聚問題，需要對氣凝膠進行表面物理改性或者化學改性。表面物理改性是指利用范德華力，氫鍵作用力等將改性劑吸附在氣凝膠顆粒表面，從而達到較低表面能，實現均勻分散的效果，可以利用表面活性劑、分散劑以及對氣凝膠顆粒進行表面沉積包覆等方法。

何方、陶艷平等[9]用表面活性劑對氣凝膠進行表面改性，表面活性劑擁有親油和親水兩種不同性質的基團，表面活性劑的親油基團通過分子力吸附在氣凝膠表面，氣凝膠納米顆粒外表面的親水基團降低其表面張力，使得水性聚合物包覆在氣凝膠顆粒外表面，從而幫助氣凝膠在水性聚合物乳液中均勻分散。

盧斌等[10]添加愛利索RM-825分散劑對二氧化硅氣凝膠進行表面改性，實現了納米級的分散效果。分散劑本身攜帶電荷，吸附于氣凝膠顆粒表面可以改變氣凝膠顆粒表面的電荷分布狀態，使顆粒表面形成雙電層結構，通過同種電荷之間的斥力作用克服范德華力，實現氣凝膠顆粒的均勻分散。

趙爽、姚億文等[11]使用陰離子表面活性劑對氣凝膠進行改性，使獲得的氣凝膠能夠在水性涂料中分散均勻，并且輔助超聲波消除涂料中的大氣泡，從而改善由表面活性劑帶來的大氣泡所造成的缺陷。改性后獲得的氣凝膠涂料導熱系數在0.03 W/(m·K)～0.06 W/(m·K)之間。

表面化學改性是指利用改性劑與氣凝膠顆粒表面官能團的反應，實現對氣凝膠顆粒外表面結構和狀態的改性，從而實現氣凝膠顆粒的均勻分散，如：酯化反應法、偶聯劑法、表面接枝改性法等。

何方、陶艷平等通過添加親水劑(3-氨丙基三羥基硅烷)對氣凝膠進行表面改性，改性后的氣凝膠顆粒外表面被嫁接新的親水基團，包括氨基與羥基，氣凝膠顆粒被改性成為內疏外親結構，其表面的親水基團可以與水性聚合物相互吸引，從而實現氣凝膠顆粒的均勻分散。氣凝膠隔熱涂料的熱導率由之前的0.15 W/(m·K)下降到0.09 W/(m·K)。

鄭偉[12]研究了潤濕劑對疏水的氣凝膠微球進行改性，所得的內疏外親的氣凝膠微球既能夠與水性聚合物緊密結合，改善其在乳液中的分散性，又可以避免水性聚合物分子進入納米孔，產生毛細管力，破壞氣凝膠的結構。未經改性的疏水氣凝膠熱導率最低為：0.12 W/(m·K)，而經過潤濕劑改性的氣凝膠涂料熱導率可降至0.07 W/(m·K)。

汪慧等[13]用硅烷偶聯劑(KH570)對二氧化硅氣凝膠進行表面改性，實驗表明KH570被接枝到氣凝膠粒子表面，氣凝膠在苯丙乳液中得到了很好的分散，用該方法制得的隔熱涂料與未添加二氧化硅氣凝膠的涂料相比，溫度降低了4 ℃～5 ℃。因為偶聯劑含有兩部分基團，其中親油基團可以與氣凝膠表面的官能團發生反應，而親水基團則可以與高聚物發生化學反應或者進行物理纏繞，從而改善氣凝膠在乳液中的分散性，進而改善涂料的保溫隔熱性能。

安春、沈軍[14]發明了一種氣凝膠涂料，對二氧化硅氣凝膠的疏水性以及團聚性進行改善。該發明經常壓干燥后獲得了復合型SiC-SiO2氣凝膠，再用KH570對獲得的復合氣凝膠進行表面改性，之后將改性的SiC-SiO2氣凝膠與丙烯酸單體反應，獲得了丙烯酸改性的SiC-SiO2氣凝膠。以丙烯酸乳液為成膜物質，丙烯酸改性的SiC-SiO2氣凝膠為功能填料，加入其他填料以及助劑，制備得到的氣凝膠涂料。與未經涂覆的聚乙烯泡沫板相比，二者的隔熱溫差達到了18.6 ℃。

3 其他因素對氣凝膠水性涂料隔熱保溫性能的影響

均勻分散的氣凝膠漿料在減少氣凝膠用量的條件下，可以更好地降低涂料的熱導率，發揮氣凝膠材料的納米優勢。但是水性隔熱保溫涂料的組成復雜，配方中各種乳液種類、助劑種類、氣凝膠粒徑尺寸、工藝條件等也會影響氣凝膠在水性涂料中的分散、堆積效果，從而影響其隔熱保溫性能。因此水性隔熱涂料的制備不是一蹴而就的，還需要做大量的研發工作。

李偉勝等[15]研究了pH值、分散劑、潤濕劑、穩定劑等的用量對氣凝膠反射隔熱涂料熱導率的影響。實驗證明，當分散劑用量為1.5%，pH=7.5，潤濕劑用量為0.75%，穩定劑用量為1.50%，氣凝膠漿料為1.00%時，該涂料的熱導率最低，可達到0.065 W/(m·K)，太陽光反射率為91%，溫差達到15.8 ℃。

張琪等[16]探究了助劑與高溫處理對氣凝膠水性苯丙乳液的隔熱保溫涂料的影響。實驗結果證明：當高溫處理為260 ℃，分散劑用量為2.5 g，潤濕劑用量為1 g，氣凝膠添加量為30%時，制備出的涂料導熱系數最低，可達到0.036 5 W/(m·K)。

鄭偉把氣凝膠分別添加到以環氧樹脂、純丙乳液、苯丙乳液為成膜物質的水性涂料中，研究了成膜物質種類對熱導率的影響。研究證明：相比于其他成膜物質，苯丙乳液的黏度低，有利于氣凝膠的分散，因此其熱導率最低。

呂文東等[17]選用不同粒徑的氣凝膠粉體，經改性后獲得分散均勻的氣凝膠漿料，探究不同粒徑的氣凝膠對水性涂料隔熱保溫性能的影響。實驗研究證明：以有機硅改性的丙烯酸樹脂為成膜物質，以粒徑在(50～200) μm的改性氣凝膠作為功能填料制備得到氣凝膠水性涂料，其隔熱保溫性能最好，導熱系數為0.038 W/(m·K)。

侯遠[18]將氣凝膠與水性乳液、助劑等制備得到的氣凝膠漿料進行處理，獲得氣凝膠的二次顆粒，又將氣凝膠的二次顆粒作為功能填料與水性乳液，助劑等混合分散，獲得一種穩定性較好的氣凝膠水性涂料。

曹曉峰、姜法興等[19]通過添加增稠劑來改善氣凝膠在水性乳液中的分散效果，并且利用增稠劑黏結力好的性能特點，改善了氣凝膠與水性乳液的結合能力，從而提高了分散氣凝膠在水性涂料中的占比，大大提高了氣凝膠水性涂料的隔熱效果，其常溫下的導熱系數根據干重占比的不同，分布在0.019 W/(m·K)～0.045 W/(m·K)之間。

張志毅、何宏偉等[20]將二氧化硅氣凝膠引入苯丙乳液的原料中，通過整體原位復合的方式制備得到了二氧化硅改性的水性苯丙隔熱涂料，這種方法有助于避免親水改性對氣凝膠的納米孔結構造成的破壞，有助于提高氣凝膠涂料的隔熱性能。

陽煤集團納谷(山西)氣凝膠科創城管理有限責任公司研發中心的李淑敏、胡博等[21]發明了一種水性氣凝膠涂料的制備方法，其以主填料與輔助填料混合作為底料，搭配助劑，并采用超聲法輔助分散的方法。制備得到的氣凝膠水性涂料根據配方助劑、填料的種類及份數的區別，其導熱系數在0.027 W/(m·K)～0.042 W/(m·K)之間，并且工藝流程適合連續化生產。

4 結語

氣凝膠因其特殊的納米多孔結構，具有優異的隔熱保溫性能，但是也因此存在一些影響其在水性涂料中應用的問題，比如：容易吸水造成網絡結構的塌陷，比表面積及表面自由能高造成在水性乳液中容易團聚。為此，研究人員對氣凝膠做了大量的表面改性工作。同時，介于氣凝膠分散于水性乳液中成為分散相，成為熱阻礙的孤島，勢必也會影響其降低涂料的熱阻，因此，研究人員也探究了其粒徑大小、添加量以及堆積密度等對涂料熱阻率的影響，以期建立預測涂料熱導率的模型，為后期水性保溫隔熱涂料的研發提供借鑒作用。隨著研究工作的深入推進，必將推動氣凝膠在節能降耗，促進資源改革等方面發揮更重要的作用。