SiO2氣凝膠絕熱涂料的制備與絕熱性能研究

摘要：以氣凝膠為主要原料，以玻璃微珠、氣相二氧化硅為隔熱骨料，配以高溫黏結劑及其他功能填料制備了一種絕熱涂料，通過單因素實驗探討了氣凝膠、玻璃微珠、氣相二氧化硅對干密度的影響。結果表明：SiO2氣凝膠絕熱涂料最佳組分為SiO2氣凝膠用量8%、玻璃微珠用量70%、氣相二氧化硅用量5%。同時玻璃纖維用量為5%、其他功能填料用量為12%時，SiO2氣凝膠絕熱材料100 ℃時導熱系數為0.038 6 W·m-1·K-1，當熱源200 ℃、材料厚度為2 cm時，其隔熱溫差為97.7 ℃，壓縮強度為0.567 MPa。該氣凝膠絕熱涂料不僅隔熱效果好、密度低，還有一定機械強度。

關鍵詞：SiO2氣凝膠；隔熱涂料；組分優化

中圖分類號：TQ630 文獻標志碼：A 文章編號：1004-0935（2025）02-0244-05

石油、化工、冶金、電力等行業有大量的高溫管道設備需要保溫隔熱，硅酸鋁纖維棉[1]、巖棉[2]、礦物棉[3]、硅酸鈣保溫殼[4]、珍珠巖[5]等傳統保溫材料被廣泛應用在上述領域并起到了重要的作用。但這些保溫材料存在易碎、沉降、吸水等缺點，導致保溫效果降低，使用壽命僅3～5年[6]。因此，具有優異絕熱保溫性能的新型保溫材料成為近年來的研究熱點。

氣凝膠作為近年來新興起的新型絕熱材料獲得了研究人員的重視，其內部納米級孔徑10～50 nm小于空氣分子的振程，因此可有效阻止熱量的傳播。而且SiO2氣凝膠的比熱容通常較低，意味著SiO2氣凝膠在吸熱放熱時，引起的溫度變化較小，減少了熱量的傳輸。研究結果表明，通過將氣凝膠嵌入各類絕熱材料中制成絕熱涂料，可以實現低密度和高孔隙率的結合，阻礙熱傳遞，降低導熱系數[6]。絕熱涂料的密度、尺寸、孔隙率、導熱系數和隔熱強度是研究的重點。SONG等[7]采用溶膠-凝膠法、高壓浸漬法和超臨界干燥法合成了泡沫陶瓷復合材料SiO2氣凝膠（FC@SA）和泡沫玻璃復合材料SiO2氣凝膠（FG@SA）材料。在保持氣凝膠多孔納米結構的同時，通過高壓浸漬法將氣凝膠填充并嵌入發泡材料的孔隙中。這2種氣凝膠材料的熱導系數在25 ℃時分別為0.041 5、0.044 2 W·m-1·K-1。GOLDER等[8]通過在窗戶中加入半透明氣凝膠玻璃系統并將氣凝膠保溫用在建筑物墻壁中，研究氣凝膠作為建筑物隔熱材料的有效性。結果表明，將氣凝膠集成到建筑物的玻璃系統和墻體保溫中具有降低建筑物能源消耗的潛力。LU等[9]將不同百分比的SiO2氣凝膠加入涂料樣品中制備二氧化硅氣凝膠隔熱涂料，可以改善涂料的隔熱性能。以上研究結果均表明，SiO2氣凝膠用作涂料的重要組成部分，會使涂料具備更加優異的絕熱性能。

以氣凝膠為主要原料，以玻璃微珠、氣相二氧化硅為隔熱骨料，配以高溫黏結劑及其他功能填料制備了一種絕熱涂料，通過單因素實驗確定了絕熱涂料的合理組成，探討了氣凝膠、玻璃微珠、氣相二氧化硅對干密度的影響。該涂料綜合了涂料及隔熱保溫材料的雙重特性，具有導熱系數低、保溫效果顯著、方便施工等優點，特別適用于異形設備如閥門、球體、錐體、旋轉體等管道附件和印染設備的保溫。

1實驗部分

1.1原料及儀器

所用原材料：SiO2氣凝膠（P300），卡博特（中國）投資有限公司；氣相二氧化硅（HL-200），湖北匯富納米材料股份有限公司；玻璃微珠，中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；玻璃纖維，中國巨石股份有限公司，高溫黏結劑，安徽明美礦物化工有限公司；調節劑，晉州市廣通建筑材料有限公司；增稠劑，純度99.0%，國藥集團化學試劑有限公司。

儀器設備：FN1004N電子天平，上海民橋精密儀器有限公司；U400/80-220高速分散機，上海威達工貿有限公司；JJ-5水泥膠砂攪拌機，無錫市邁方儀器設備有限公司；DHG-9246A電熱恒溫鼓風干燥箱，上海精宏設備有限公司；WNK-200D平板高溫導熱儀，南京高特電子科技有限公司；微機控制電子萬能實驗機，深圳三思縱橫科技股份有限公司；多路溫度測試記錄儀，自制。

1.2實驗方法

1.2.1SiO2氣凝膠絕熱涂料制備工藝

稱取一定量的去離子水放入高速分散機的攪拌桶中，將一定量的增稠劑緩慢均勻地加入攪拌桶中，以300 r·min-1的轉速攪拌5～10 min后得到均勻的溶液。然后再將一定量的玻璃纖維分次加入上述溶液中，以600～1 000 r·min-1的轉速攪拌約30 min，得到纖維分散均勻的漿料。在桶中依次加入SiO2氣凝膠、玻璃微珠、氣相二氧化硅保持1 000 r·min-1的速度混合均勻后，將漿料桶移至膠砂攪拌機下，加入一定量高溫黏結劑和調節劑，以30～60 r·min-1的速度攪拌約20 min，最終得到膏狀的納米SiO2氣凝膠絕熱涂料。將絕熱材料漿料放置在模具中成型，經過干燥、脫模形成待測樣品。工藝流程如圖1所示。

1.2.1隔熱保溫涂層及樣板的制備

絕熱涂料制備完成后，填充到直徑和高為 200 mm×200 mm×20 mm的圓餅體模具中，為了不留空隙，要一層一層涂抹，壓實。最后涂料的表面用抹刀抹平，把填滿涂料的模具放入電熱恒溫鼓風干燥箱中，溫度設為 60 ℃。待絕熱涂料樣品完全干燥從模具中取出后脫模。將涂層兩面打磨平整，以免因不平整對測試結果產生影響。

1.3性能測試與表征

根據標準《絕熱材料穩態熱阻及其有關特性的測定—防護熱平板法》（GB/T 10294—2008）[10]進行高溫導熱系數測試。采用南京高特電子科技有限公司的WNK-200D型雙試件穩態法（防護熱板法）平板保溫材料熱導率檢測儀測定SiO2氣凝膠絕熱材料的高溫導熱系數。

采用自制溫度測試裝置對材料的隔熱能力進行測試。將材料涂抹在直徑為200 mm的加熱管表面，控制材料厚度。將熱電偶一端連接到溫度控制設備上，另一端放在材料的內外表面。采用多通路溫度測試記錄儀測定加熱管上材料內外表面的溫度。記錄儀可實時顯示每個設定溫度下材料內外表面的溫度。設定溫度70～190 ℃，每30 ℃調整1次，待溫度不變后，記錄外表面溫度。

2結果與討論

2.1SiO2氣凝膠用量對絕熱涂料密度的影響

保持玻璃纖維用量為5%，其他功能填料用量為10%不變，SiO2氣凝膠用量分別為0、4%、8%、12%、16%，對所制備的絕熱涂料干密度進行檢測，結果如圖2所示。

在0～8% SiO2氣凝膠添加量時，絕熱涂料的干密度不斷減小，氣凝膠添加量對絕熱涂料干密度起到一定影響，氣凝膠本身孔隙率高、密度小，加入絕熱涂料后，導致涂料的孔隙率增加，干密度隨之減小[11-12]。SiO2氣凝膠添加量達到12%時，由于體積分數的增大，氣凝膠粉體無法完全摻入到涂料中，部分氣凝膠殘留在漿料底部，無法形成均勻的涂料體系，導致涂料干密度曲線呈上升趨勢。因此氣凝膠用量8%較為適宜。

2.2玻璃微珠用量對絕熱涂料的影響

保持玻璃纖維用量為5%，其他功能填料用量為10%不變，玻璃微珠用量為65%、70%、75%、80%、85%，對所制備的絕熱涂料干密度進行檢測，結果如圖3所示。

由圖3可以看出，玻璃微珠用量從65%增加至70%時，涂料干密度呈下降趨勢，這是因為玻璃微珠屬于輕質材料。玻璃微珠用量的增加意味著輕質材料用量增加，涂料的干密度隨之下降。而當玻璃微珠用量為70%～85%，盡管仍遵循著輕質材料增加導致涂料干密度下降的規律，但在70%～85%時，在總質量不變的前提下，玻璃微珠用量的增加，相對SiO2氣凝膠用量隨之減少，而氣凝膠要比玻璃微珠密度小得多，因此此時玻璃微珠所占質量比決定了涂料的干密度呈上升趨勢。所以，SiO2氣凝膠絕熱材料中玻璃微珠用量70%為最佳。

2.3氣相二氧化硅用量對絕熱涂料的影響

氣相二氧化硅不僅可以作為隔熱填料，它還具有流變控制性能和防沉降、防掛流等特性，并可提升保溫涂料強度，增加涂料對于基材附著力，因此也是一種不可缺少的填料。保持玻璃纖維用量為5%，其他功能填料用量為10%不變，氣相二氧化硅用量為0、5%、10%、15%、20%，對所制備的絕熱涂料干密度進行檢測，結果如圖4所示。由圖4可以看出，絕熱涂料隨著氣相二氧化硅添加量的上升而上升。這是因為氣相二氧化硅的密度遠遠大于氣凝膠和玻璃微珠，因此它的加入會對涂料干密度產生明顯的影響。所以，絕熱涂料中氣相二氧化硅適宜用量為5%。

2.4驗證實驗

根據單因素實驗結果，SiO2氣凝膠絕熱涂料最佳組分為SiO2氣凝膠用量8%、玻璃微珠用量70%、氣相二氧化硅用量5%。同時玻璃纖維用量為5%，其他功能填料用量為12%，按照以上配比進行3次重復實驗，得到的平均干密度為134 kg·m-3，壓縮強度為0.567 MPa。這表明該涂層在絕熱性能優異的同時，也具備一定的機械強度。SiO2氣凝膠絕熱材料宏觀照片如圖5所示。由圖5可以看出，復合材料表面平整，截面無裂紋，具有良好的成型性。

2.5 SiO2氣凝膠絕熱材料表征測試

2.5.1SiO2氣凝膠絕熱材料不同溫度下的導熱系數

SiO2氣凝膠絕熱材料不同溫度下的導熱系數如圖6所示。由圖6可以看出，100 ℃時材料的導熱系數0.038 6 W·m-1·K-1，400 ℃時材料的導熱系數為0.057 8 W·m-1·K-1，這表明該材料具有優異的絕熱性能。

2.5.2涂層厚度對氣凝膠絕熱涂料隔熱溫差的影響

將制備的SiO2氣凝膠絕熱涂料涂抹到加熱棒上進行烘干，對不同厚度涂層的隔熱溫差進行測試，結果如圖3所示。

由圖7可以看出，隨著涂層厚度的增加，SiO2氣凝膠絕熱涂料的隔熱溫差不斷增加。隨著熱源的溫度增加，在10 mm厚之后，涂層厚度的增加對涂料隔熱效果增強變緩。在熱源溫度達到190 ℃的情況下，涂層厚度僅為5 mm時，涂層表面溫度為161.5 ℃，隔熱溫差達到了28.5 ℃；當涂層厚度為10 mm時，涂層表面溫度為109.2 ℃，隔熱溫差為80.8 ℃；當涂層厚度為15 mm時，涂層表面溫度為97.8 ℃，隔熱溫差為92.2 ℃；當涂層厚度為20 mm時，涂層表面溫度僅為92.3 ℃，隔熱溫差高達97.7 ℃。

3結 論

通過單因素實驗初步確定了絕熱涂料的合理組成，探討了氣凝膠、玻璃微珠、氣相二氧化硅對干密度的影響，確定SiO2氣凝膠添加量8%、玻璃微珠添加量70%、氣相二氧化硅添加量5%、功能填料12%，制得的SiO2氣凝膠絕熱涂料100 ℃導熱系數為0.038 6 W·m-1·K-1，400 ℃導熱系數為0.057 8 W·m-1·K-1，壓縮強度為0.567 MPa。根據《硅酸鹽復合絕熱涂料》（GB/T 17371—2008）標準，納米SiO2氣凝膠絕熱涂料的干密度和其他基本性能的檢測結果均達到了A級性能指標。

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Study on Preparation and Thermal Insulation Properties of SiO2 Aerogel Thermal Insulation Coatings

LIU Minghui， MA Ruiting， WEI Li

（Shenyang Ligong University， Shenyang Liaoning 110159， China）

Abstract： A kind of thermal insulation coating was prepared with aerogel as the main raw material， glass beads and fumed silica as the thermal insulation aggregate， and high temperature binder and other functional fillers. The effects of aerogel， glass beads and fumed silica on the dry density were discussed by single factor experiment. The results showed that the optimal composition of SiO2 aerogel insulation coating was SiO2 aerogel 8%， glass bead 70%， fumed silica 5%. Meanwhile， when the content of glass fiber was 5% and the content of other functional fillers was 12%， the thermal conductivity of SiO2 aerogel insulation material was 0.038 6 W·m-1·K-1 at 100 ℃， and when the heat source was 200 ℃ and the thickness of the material was 2 cm， the thermal insulation temperature difference was 97.7℃， and the compressive strength was 0.567 MPa. The aerogel insulation coating not only had good heat insulation effect and low density， but also had certain mechanical strength.

Key words： Silica aerogel; Thermal insulation coatings; Component optimization