二氧化硅气凝胶隔热涂料的制备及性能评定

二氧化硅气凝胶隔热涂料的制备及性能评定

孙福强张校铜刘哲

吉林建筑大学材料科学与工程学院吉林省长春市130118

摘要：SiO2凭借着极高的孔隙率和低热导性能已成为近年来的热门研究材料之一，尤其在高效保温隔热材料领域越来越引起人们的关注。本文制备了SiO2气凝胶苯丙乳液隔热涂料。实验结果表明，涂料具有较好的颜色和外观，性能上硬度和附着力较好，涂膜耐水性和隔热性效果良好。

关键词：SiO2气凝胶；隔热涂料；性能评定

Abstract:SiO2withhighporosityandlowthermalconductivityhasbecomeoneofthehottestresearchmaterialsinrecentyears,especiallyinthefieldofhighefficiencyinsulationmaterials,moreandmoreattention.Inthispaper,SiO2aerogelstyreneacrylateemulsionthermalinsulationcoatingwasprepared.Theexperimentalresultsshowthatthecoatinghasgoodcolorandappearance,goodhardnessandadhesion,andgoodwaterresistanceandheatinsulationperformance.

Keywords:SiO2aerogels,heatinsulationcoatings,performanceevaluation

引言

气凝胶是一种兼具超轻、隔热、透明、防火等诸多优异特性的多孔材料，它是目前已知的热导率最低的固体材料[1]。SiO2气凝胶具有独特的孔结构，孔隙率高达90%，比表面积为800-1000m2/g，这种结构可以降低SiO2气凝胶导热系数，增强了保温隔热能力[2]。气凝胶隔热涂料已经成为近年来研究较多的新型隔热涂料之一[3-6]。但是，SiO2气凝胶涂料还存在成本高、分散性和团聚现象等问题还没有很好地解决，严重阻碍了SiO2气凝胶保温隔热涂料的发展。

本文通过控制合适的条件，将SiO2气凝胶粉末加入到苯丙乳液中，混合其它助剂，制备了SiO2气凝胶隔热涂料，并运用相关国家标准提供的方法对其进行性能测试。

1.实验部分

1.1涂料样品制备

研究中所用苯丙乳液200g，密度1.1g/cm3。二氧化硅气凝胶堆积密度0.19g/cm3，那么气凝胶用量分别为0、3.5g、6.9g、10.4g、13.8g、17.3g在涂料中的体积分数分别约为0、10%、20%、30%、40%、50%。

首先，称取200g苯丙乳液以及2.5g的分散剂，2g的消泡剂、增稠剂、流平剂，然后加入填料SiO2气凝胶，用量分别为0、3.5g、6.9g、10.4g、13.8g、17.3g，然后加入20g的钛白粉料和适量水，合并搅拌均匀后倒入JSF-400搅拌砂磨分散多用机，以转速300-400研磨涂料浆体，搅拌过程加入1g消泡剂和2g成膜助剂，研磨20分钟后得到涂料浆体，用涂料刮墨棒将二氧化硅气凝胶隔热涂料均匀涂刷在6cm×10cm马口铁片上，每组份分别涂敷3块，放入干燥箱干燥24小时，作为待测样品进行各项性能测试。实验中添加不同质量SiO2气凝胶的实验配方如表1所示：

1.2检测方法

实验室标准测试条件:温度是(20±2)℃;相对湿度是60%～80%。根据用肉眼观察涂料的颜色、外观，可按照GB/T1822-92《清漆、清油及稀释剂的颜色测定法》来判断SiO2气凝胶隔热涂料的颜色和外观。参照GB/T9286-1998标准采用划格法测定涂膜在基材上的附着力。按GB/T1577-1993《建筑涂料涂膜耐水性测定法》进行了涂膜耐水性测试。把样板放在水中浸泡48小时，观察涂层的变化。漆膜硬度的测定方法按《铅笔法测定漆膜硬度》的规定进行测定SiO2气凝胶隔热涂料的涂膜硬度。

涂料隔热效果的测试采用碘钨灯作为光源，自制测试设备来进行。制作1个尺寸为长×宽×高=300mm×150mm×150mm的热箱，热箱内为中空，热箱的5个面用10mm厚的聚苯乙烯泡沫板构成,将涂料试板编号后水平放在聚苯乙烯泡沫上方,涂隔热涂料的一面朝上,其几何中心应在灯泡中心下方，调节灯与板之间的距离至300mm，打开稳压电源，每隔10min记录试板背面的温度，直到温度变化不再明显，停止记录。

2结果分析

将涂料涂敷在马口铁片后干燥得到涂膜厚度为100μm的样板如图1。由图1可见，样板表面光滑，颜色乳白，色泽饱满，涂层均匀，没有结块及空隙，无开裂起皱脱落的现象。

图1涂料样板的外观

涂膜的附着力和耐水性测试结果列于表2。由表可见，不同二氧化硅气凝胶含量的涂膜均未出现起泡和脱落的现象，再次烘干后未出现裂纹，只是颜色稍微变浅，说明此二氧化硅气凝胶隔热涂料具有较好的耐水性。当SiO2气凝胶的含量在30%以下，涂膜的附着力良好；当SiO2气凝胶含量增加到40%以上时，涂膜的附着力略有下降，说明气凝胶的加入降低了涂层的柔韧性。因此，SiO2气凝胶的含量应控制适当。

图2为不同SiO2气凝胶含量涂膜的硬度。由图可见，添加了SiO2气凝胶的涂料的硬度均比未添加的涂膜的硬度高，且随SiO2气凝胶含量的增加，涂膜的硬度也随之增大。表明，SiO2气凝胶颗粒对涂料膜的硬度有明显的强化作用。也许是由于SiO2作为一种无机材料与有机的苯丙相比硬度更大，因此对苯丙能起到增强作用。然而，当气凝胶含量增加到40%以上，涂层硬度变化不大。

图2不同SiO2气凝胶含量涂膜的硬度等级

不同SiO2气凝胶含量的涂料试板的温度随时间变化趋势如图3所示。对比未添加SiO2气凝胶涂膜的温度变化曲线，SiO2气凝胶涂料试板的表面温度更低，并且随测试时间的延长，温度变化幅度明显变小。可见SiO2气凝胶隔热性能良好；随着SiO2气凝胶体积含量增加，试板表面温差变化幅度越来越小。说明二氧化硅气凝胶的引入不同程度地提高了涂料的隔热性能。需要指出的是，SiO2气凝胶的增加使涂料黏度有所增加，影响了其施工工艺。

图3SiO2气凝胶涂膜的温度变化曲线

结论

本文制备的二氧化硅气凝胶苯丙涂料具有较好的外观，膜层致密均匀，耐水性良好。SiO2气凝胶的含量在40%时较为适宜,具有较好的硬度和隔热性能。

参考文献：

[1]汪世平，建筑隔热保温涂料及其研究进展[J].上海涂料,2005,43(3)：13-15.

[2]吴志坚，无机气凝胶研究进展[J].材料导报，2001，5(11):38．

[3]刘薇薇，王代民.隔热涂料研究进展[J].涂料技术与文摘,2004,10:8-9.

[4]徐峰，对我国建筑保温隔热涂料应用与发展的几点认识[J].上海涂料.2005,11(43):32-34.

[5]陆洪彬,陈建华.隔热涂料的隔热机理及其研究进展[J].材料导报，2005,19(4):72.

[6]李可，建筑外墙隔热涂料的隔热机理及研究进展[J].云南化工,2013,40(3):35-41.