纳米耐高温绝热涂料的研制

纳米耐高温绝热涂料的研制
刘成楼，郑德莲，刘昊天
（北京国泰瑞华精藻硅特种材料有限公司，北京100037）摘要：以改性六钛酸钾晶须（PTW）、纳米SiO2 气凝胶、超细空心陶瓷微珠、纳米TiO2 和Al2O3为主要隔热填料，以耐高温有机硅树脂乳液和丙烯酸乳液为基料，在多种功能助剂的配合下制备成纳米耐高温绝热涂料。

涂层具有薄层、绝热、防水、抗裂、防腐、隔音、耐高温、耐候等特性。

关键词：纳米涂料；绝热涂料；耐高温涂料；节能中图分类号：TQ 630.7 文献标识码：A 文章编号：1009-1696（2015）01-0010-04
0·引言
为了达到生态环保、节能减排的目标，对民用建筑物、输热管道、工业热力设施等必须采取有效的隔热保温措施。

传统的隔热保温材料中，如岩棉毡、无机保温砂浆、聚苯泡沫板、发泡聚氨酯等厚度必须达到一定要求，才能有较好的保温性能，且在防水、抗裂、施工性等方面存在不足；有机高分子发泡材料耐燃性差，存在火灾隐患。

近年来，国内外以空心微珠为主要填料开发的轻质、薄层、高效隔热涂料成为该领域的研究热点。

本研究以改性六钛酸钾晶须（PTW）、纳米SiO2气凝
胶、超细空心陶瓷微珠、纳米TiO2 和Al2O3 为主要隔热填料，以耐高温有机硅树脂乳液和丙烯酸乳液为基料，在多种功能助剂的配合下制备成耐600℃高温的纳米真空绝热保温涂料，涂层具有薄层、绝热、防水、抗裂、防腐、隔音、耐高温和耐候等特性。

1 ·实验部分
1.1 原材料
SiO2 气凝胶，因素高科（北京）科技发展有限公司；六钛酸钾晶须，唐山晶须复合材料制造公司；超细陶瓷微珠，上海汇精亚纳米新材料有限公司；纳米TiO2、Al2O3，江苏海泰；有机硅树脂乳液，德国瓦克；丙烯酸乳液，美国陶氏；硅烷偶联剂，南京曙光；分散剂、润湿剂、消泡剂、防腐剂、增稠剂、成膜助剂等，美国陶氏。

1.2 基本配方
纳米耐高温绝热涂料的基本配方见表1。

1.3 制备工艺
（1）改性六钛酸钾晶须浆的制备
将适量硅烷偶联剂、分散剂、润湿剂、消泡剂、pH 调节剂等加入去离子水中，搅拌均匀后加入六钛酸钾晶须，高速分散1 h，制成80% 的六钛酸钾晶须浆；
（2）SiO2 气凝胶浆的制备
将适量分散剂、润湿剂、消泡剂，稳定剂、pH 调节剂
加入去离子水中，搅拌分散均匀，缓慢加入SiO2气凝胶，分散均匀后超声波振荡0.5 h，制成15% 的气凝胶浆；
（3）绝热保温涂料的制备
将去离子水、助剂、树脂乳液加入分散釜中，搅拌均匀后加入SiO2 气凝胶浆、改性六钛酸钾晶须浆和无机填料，分散均匀成稠浆状涂料。

1.4 性能检测
（1）常规性能指标按GB/T 17371—2008《硅酸盐复合绝热涂料》和JG 158—2004《胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统》进行检测。

（2）耐高温性：将涂层干燥后的碳钢试板置于马弗炉中，逐步升温至600℃时开始计时，经过一段时间后取出，冷却至25℃，用放大镜观察涂层表面状况，如无龟裂、脱落现象，则表示涂层耐热性良好。

（3）耐温度变化性：将涂层干燥后的碳钢试板放入马弗炉中升温至400℃，经过30 min 后取出，冷却至-30℃，观察试板表面状况，反复几个周期直至涂层被破坏，记录周期数。

（4）导热系数：按GB/T 20473—2006《建筑保温砂浆》进行检测。

（5）隔热性能：在0.8 mm 厚的钢板表面涂覆隔热涂料。

干膜厚度分别为0.5 mm、1 mm、2 mm、4 mm、6 mm、
8 mm，并以同样规格空白钢板做对照。

室温下养护7 d 干燥后，通过自制的涂层隔热测试装置测试涂层的隔热性能。

2·结果与讨论
2.1 成膜物的选择［1-3］
常温快速自干型水性有机硅树脂乳液是一种高分子三维交联化合物，具有甲基、苯基官能团，耐高温性、耐候性优异，涂膜具有一定柔韧性和硬度，附着力强，疏水性和耐腐蚀性佳，但耐低温柔韧性差。

自交联弹性丙烯酸乳液涂膜具有导热系数低、弹缩性好、耐低温性优异、防水抗渗性佳、附着力好等优点，但是耐高温性差。

将两种乳液以一定比例复配，制备的隔热涂料既保持了有机硅树脂的突出优点，也保持了丙烯酸树脂的长处。

有机硅树脂乳液与丙烯酸乳液可以以较宽比例范围混合，且相容性很好。

随着隔热保温涂料使用环境温度提高，有机硅树脂乳液在成膜物中的比例应相应提高。

而单独用有机硅树脂乳液制备的涂料在常温下干燥很慢，7 d 后涂膜仍发黏，复配少量丙烯酸乳液即可改善之。

经丙烯酸改性的有机硅树脂具有较好的耐湿热性和耐盐雾性。

复配成膜物用量对隔热涂料性能的影响见表2。

由表2 可见：随着复配成膜物用量的提高，涂膜外观逐渐变得平整，附着力提高，耐水性变好，导热系数上升。

当复配成膜物用量为30% 左右时，涂膜综合性能最好。

2.2 隔热填料的选择
耐高温绝热材料必须具备以下三个条件：一是在保证材料足够机械强度的条件下，其体积密度要极端地小；二是要将材料中的空气对流减弱到最小极限；三是要通过近无穷多的界面和材料的改性，使热辐射经发射、散射和吸收而降到最低。

为此，选择了SiO2 气凝胶、改性六钛酸钾晶须、超细陶瓷微珠、纳米TiO2、Al2O3 作绝热填料。

利用SiO2 气凝胶、空心陶瓷微珠的纳米微孔结构构成真空绝热层，并利用六钛酸钾晶须、纳米TiO2、Al2O3 的红外遮光性能构成辐射热的屏蔽层。

2.2.1 SiO2 气凝胶的特性及用量
SiO2 气凝胶是一种保温隔热性能非常优异的轻质纳米多孔非晶固体材料，其孔隙率高达80%~99%，孔洞的典型尺寸为2~50 nm，平均孔径为20 nm，比表面积为600~1 000 m2/g，表观密度为0.003~0.35 g/cm3，室温下导热系数可低至0.013 W/（m·K），即使在800℃高温下，其导热系数也只有0.043 W/（m·K），且高温下不分解，无有害气体放出，是纯绿色环保材料。

在基本配方中其他因素不变的条件下，只改变SiO2 气凝胶的添加量，考察其对涂膜性能的影响，结果见表3。

由表3 可见：随着SiO2 气凝胶添加量的提高，涂膜外观变差，附着力降低，耐水性变差，导热系数缓慢下降。

当SiO2
气凝胶用量在5.0% 时，涂膜的综合性能较好。

2.2.2 六钛酸钾晶须的特性及用量
六钛酸钾晶须（PTW）具有高温吸音、化学稳定性、绝缘性、反射红外线性好、优良的防腐性能等。

其作为隔热材料主要基于结构隔热、物理隔热、红外线反射三点，红外反射率大于95%。

其松散密度为0.1~0.3 g/cm3，比表面积为11 m2/g，介孔尺寸为：直径0.8~1.2 μm、长度30~50 μm，导热系数低［常温下0.053 4 W/（m·K）］，且具有负温度系数（温度越高，导热系数越低），760℃时导热系数为
0.017 4 W/（m·K）。

PTW 无毒无害，使用寿命长，可以耐
1 200℃的高温。

六钛酸钾晶须的表面能极高，易团聚，且表面具有很强的亲水性，表面光滑，与有机基料润湿性较差，必须进行表面改性，一般采用硅烷偶联剂对六钛酸钾晶须进行表面改性。

在基本配方中隔热填料总添加量不变的条件下，考察改性PTW 与SiO2 气凝胶的质量比在800℃时对涂层导热系数的影响，结果见表4。

由表4 可见：随着改性PTW 与SiO2 气凝胶质量比的提高，即改性PTW 用量的增加，在高温环境下涂层的导热系数先降低后升高。

这是因为当改性PTW 添加量较少时，材料的辐射性能较差，辐射热导率较低，致使材料的总热导率降低；当改性PTW加入量较多时，材料中的固态热导率上升的程度大于辐射热导率下降的程
度，因此材料的总热导率升高；当m（改性PTW）∶m（SiO2 气凝胶）=3∶7 时，涂层的导热系数最低，为0.027 W/（m·K），且常规物化性能也较好。

2.2.3 超细陶瓷微珠的特性和用量硅铝基陶瓷空心微珠，其内部呈微小的多孔性空心结构，抗压强度为4 000~7 000 kg/cm2，导热系数为0.07~0.12 W/（m·K），耐热温度达到1 500℃。

其典型特征和物理特性为：球型、超细、流动性好；中空、超轻、密度低；多孔、润滑、易填充；抗压、增韧、硬度高；阻燃、隔热、耐高温；隔音、绝缘、防静电；防水、防腐、低收缩；无毒、防菌、耐酸碱，是一种多功能、多用途、高性能、低成本的体质颜料。

在配方中其他因素不变的条件下，硅铝基空心微珠的添加量对涂层隔热性的影响见表5。

由表5 可见：随着空心微珠添加量的增加，涂层的导热系数增大、抗压强度提高。

为了达到涂料的隔热保温性与物理机械性能的平衡，硅铝基空心微珠的添加量控制在
10%~15% 为宜。

2.2.4 纳米二氧化钛、三氧化二铝的作用
纳米二氧化钛、三氧化二铝粒径小、表面活性强、折光指数高、高温稳定性好，细微金属氧化物形成反射层，可提高涂层的热辐射率。

2.3 纳米耐高温绝热涂料的性能指标
研制的纳米耐高温绝热涂料的性能指标见表6。

3 ·结语
（1）选择有机硅树脂乳液与丙烯酸乳液复配作为成膜物，随着使用环境温度的提高，有机硅树脂乳液的质量比相应提高，当复配成膜物用量为30% 左右时，涂膜综合性能较好。

（2）当SiO2 气凝胶用量在5%~6%，m（改性PTW）∶m（SiO2 气凝胶）=3∶7 或4∶6，超细陶瓷空心微珠添加量为10%~15% 时，制备的隔热涂料其涂层的导热系数较低，且常规物化性能也较好。

（3）耐高温隔热涂料在高温环境下，可根据使用环境温度和要达到的降温幅度，选择施工的涂膜厚度。

参考文献
[1]刘成楼. 外墙外保温饰面用硅树脂弹性隔热涂料的研制［J］. 上海涂料，2011（04）：27-30.
[2]李志强. 一种防腐蚀的烧蚀性高温隔热涂料［A］.2012 防腐蚀涂料年会论文集［C］，上海：135-136.
[3]洪晓，朱长林. 耐高温隔热保温涂料的研制［J］. 上海涂料，2007（09）：13-15.。