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