， ，，，

(1.河南工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽(yáng) 621900)

二氧化硅氣凝膠隔熱涂料的性能評(píng)價(jià)

豆新豐1，何方1，李榮春1，吳菊英2，黃渝鴻2

(1.河南工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽(yáng) 621900)

通過(guò)控制合適的條件，將SiO2氣凝膠微球加入到純丙乳液中，混合其它助劑，制成SiO2氣凝膠隔熱涂料；并運(yùn)用相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)提供的方法對(duì)其進(jìn)行性能檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，它具有較好的液態(tài)性能、顏色和外觀、硬度和附著力、耐水耐熱性和隔熱性；在實(shí)驗(yàn)探索中，還建立了一套針對(duì)于SiO2氣凝膠隔熱涂料的性能評(píng)價(jià)體系。

SiO2氣凝膠；隔熱涂料；性能評(píng)價(jià)

Keywords:SiO2airgel；insulation coating；performance evaluation

0 引言

目前，建筑耗能在人類(lèi)整個(gè)能耗中占11%～25%，節(jié)約意義重大，因此，采用一種高效、節(jié)能的隔熱材料便成為了解決能源危機(jī)的重要途徑[1]。然而，當(dāng)前市場(chǎng)上的建筑隔熱材料主要是以有機(jī)材料聚氨酯、擠塑聚苯乙烯保溫板和膨脹型聚苯乙烯保溫板為主，它們雖然隔熱性能較好，但是防火性能較差，不能做到節(jié)能與防火兼?zhèn)鋄2]。

SiO2氣凝膠具有獨(dú)特的納米孔結(jié)構(gòu)，孔隙率高達(dá)90%以上、比表面積為800～1 000 m2/g[3-4]，這種結(jié)構(gòu)可以降低其內(nèi)部氣體和固體的導(dǎo)熱效率，提升隔熱性能，所以氣凝膠是固體材料中隔熱性能最好的一種[5-7]。此外，氣凝膠防水阻熱、綠色環(huán)保、防酸耐腐蝕、不易老化、使用壽命長(zhǎng)，是其它傳統(tǒng)材料無(wú)法比擬的[8]。鑒于SiO2氣凝膠的以上優(yōu)良性能，人們開(kāi)始嘗試以它為主要原料，以某些填料助劑進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐浔?，制成SiO2氣凝膠隔熱涂料，使其達(dá)到既隔熱、又防火的要求。但是，此類(lèi)研究目前正處于探索階段，不免存在諸多問(wèn)題。

郭迪[9]選用水性丙烯酸為成膜物質(zhì)、SiO2氣凝膠水分散漿料為填料，制得了具有很好透明性和隔熱效果的水性透明隔熱涂料。但在對(duì)涂膜耐水性測(cè)試時(shí)，忽略了“實(shí)際環(huán)境中的水可能是循環(huán)的、高溫的水”的因素。汪慧[10]首先用硅烷偶聯(lián)劑KH570對(duì)SiO2氣凝膠表面進(jìn)行改性，最后以SiO2氣凝膠/苯丙乳液作為基料制備了隔熱涂料。在評(píng)價(jià)其隔熱性能時(shí)，只運(yùn)用了測(cè)箱體內(nèi)外溫差和測(cè)定涂層對(duì)各個(gè)光譜區(qū)域的透過(guò)率的方法。虞瑩瑩[11]對(duì)各種涂層和漆膜的檢測(cè)方法做出了較為全面的總結(jié)，但是對(duì)隔熱涂料的檢測(cè)并無(wú)單獨(dú)列出。

由此可見(jiàn)，由于該類(lèi)涂料的配方不同、測(cè)定方法各異產(chǎn)生的問(wèn)題，嚴(yán)重阻礙了SiO2氣凝膠隔熱涂料研究的發(fā)展。基于上述問(wèn)題，本文通過(guò)控制合適的條件，將SiO2氣凝膠微球加入到純丙乳液中，混合其它助劑，制成SiO2氣凝膠隔熱涂料。并運(yùn)用相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)提供的方法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，最終在實(shí)驗(yàn)探索中建立一套針對(duì)于SiO2氣凝膠隔熱涂料的性能評(píng)價(jià)體系。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要原料和試劑

實(shí)驗(yàn)所需的主要原料和試劑如表1所示。

表1 主要實(shí)驗(yàn)試劑一覽表

注：固含量及活性成分為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。

1.2主要儀器和設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所需的主要儀器和設(shè)備如下：鉛筆劃痕試驗(yàn)儀，QHQ-A，深圳市豐順科技有限公司；立方抗壓試模，70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm(鑄鐵)，河北海奧試驗(yàn)儀器公司；Hot Disk熱物性分析儀，TPS2500s，瑞典凱戈納斯有限公司。

1.3涂膜的制備

實(shí)驗(yàn)流程圖如圖1所示。

圖1 SiO2氣凝膠隔熱涂料制備過(guò)程

首先，將水、潤(rùn)濕劑、分散劑、(2/3量)消泡劑、流平劑等助劑分別稱(chēng)量后加入50 mL的燒杯，振蕩搖勻；然后加入填料SiO2氣凝膠和一定量的滑石粉，得到均勻料漿；最后將乳液，剩余消泡劑(1/3量)加入混合料漿中，充分?jǐn)嚢?，即得涂料漿體。

選取尺寸規(guī)格為50 mm×120 mm的馬口鐵片，洗凈烘干。將制得的隔熱涂料，用均勻涂覆于鐵片表面，干燥固化制得SiO2氣凝膠隔熱涂膜試樣。

1.4檢測(cè)方法

SiO2氣凝膠隔熱涂料要想得到很好的應(yīng)用，除了有比較好的隔熱性能外，還應(yīng)該在外觀、附著力、耐水、耐熱性等性能上有著良好的表現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件：溫度是( 28±3) ℃；相對(duì)濕度是(50±5)%。

①涂料在容器中的狀態(tài)。將調(diào)制好的料漿置于一容器中，用調(diào)刀或玻璃棒攪拌容器中的試樣，觀察涂料在容器中的狀態(tài)，具體測(cè)定方法按GB/T 9278-2008《涂料試樣狀態(tài)調(diào)節(jié)和實(shí)驗(yàn)的溫濕度》中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。②干燥時(shí)間。采用實(shí)際干燥測(cè)定方法中的“壓濾紙法”，具體操作參照GB/T 1728-1979 (1989)《涂膜、膩?zhàn)痈稍飼r(shí)間測(cè)定法》的相關(guān)規(guī)定。③顏色和外觀。選擇用肉眼觀察涂料的顏色、外觀，也可按照GB/T 1722-92《清漆、清油及稀釋劑顏色測(cè)定法》來(lái)測(cè)定SiO2氣凝膠隔熱涂料的顏色和外觀。④硬度。采用便攜式鉛筆硬度測(cè)定儀，然后按照GB/T 6739-1996《膜硬度鉛筆測(cè)定法》的規(guī)定測(cè)定了SiO2氣凝膠隔熱涂料的涂膜硬度。⑤附著力。運(yùn)用“劃格法”，并按照GB/T 9286-1998《色漆和清漆、漆膜的劃格試驗(yàn)》的相關(guān)規(guī)定測(cè)定了SiO2氣凝膠隔熱涂料的附著力。⑥耐水性。采用40 ℃的恒溫循環(huán)水、運(yùn)用“浸水法”進(jìn)行測(cè)定，具體操作步驟參照GB/T 5209《色漆和清漆 耐水性測(cè)定 浸水法》的相關(guān)規(guī)定。⑦耐熱性。選用電烘箱為實(shí)驗(yàn)儀器，按照GB/T 1735《漆膜耐熱性測(cè)定》的相關(guān)規(guī)定測(cè)定了SiO2氣凝膠隔熱涂料的耐熱性。然而，考慮到施工環(huán)境，我們并未按照“在(125±2)℃條件下試驗(yàn)24 h”的建議，而是改成“在(90±2)℃條件下試驗(yàn)24 h”。⑧隔熱性能。采用Hot Disk TPS2500s 熱物性分析儀，利用瞬變平面熱源技術(shù)(Transient Plane Sources，TPS)測(cè)試SiO2氣凝膠隔熱涂料的導(dǎo)熱系數(shù)，從而表征它的隔熱性能。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1液體性能和涂層外觀

圖2 制備的隔熱涂料與常規(guī)隔熱涂料外觀比較圖

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，SiO2氣凝膠隔熱涂料在容器中的狀態(tài)：呈均勻稠厚流體狀態(tài)，無(wú)結(jié)塊。另外，圖2的第一塊試板涂層是本文研究制備的，第二塊試板涂層是常規(guī)隔熱涂層。我們可以明顯看出，前者表面光滑，顏色乳白，色澤飽滿(mǎn)，厚度較薄，后者表面粗糙，顏色淺灰色，色澤不飽滿(mǎn)，厚度較厚。涂料產(chǎn)品主要是用來(lái)裝飾的，所以它的外觀質(zhì)量非常重要。顯然，本文制備的隔熱涂料比常規(guī)涂料的外觀質(zhì)量要好。

2.2涂膜硬度

測(cè)試不同含量的SiO2氣凝膠隔熱涂料的涂膜硬度，結(jié)果如圖3所示。

圖3 SiO2氣凝膠體積分?jǐn)?shù)對(duì)涂膜硬度的影響

由圖3可知，當(dāng)SiO2氣凝膠體積分?jǐn)?shù)從0逐步升至10%時(shí)，涂膜硬度隨之發(fā)生變化，表明填充SiO2氣凝膠粒子對(duì)復(fù)合材料的硬度具有明顯的增強(qiáng)效果。但當(dāng)SiO2氣凝膠體積分?jǐn)?shù)從10%升至20%以及從40%升至50%時(shí)，涂料硬度相當(dāng)，沒(méi)有發(fā)生大的變化。說(shuō)明在此階段增加SiO2氣凝膠的量對(duì)涂料硬度影響不大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，填充SiO2氣凝膠粒子對(duì)復(fù)合材料的硬度具有明顯的增強(qiáng)效果。

2.3涂膜的附著力

SiO2氣凝膠隔熱涂料在120 ℃下，固化時(shí)間為20 min，固化成膜。在室溫27 ℃下測(cè)試其力學(xué)性能，測(cè)量結(jié)果如表2所示。其中，當(dāng)SiO2氣凝膠體積分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，其附著力為1級(jí)。而同樣條件下測(cè)普通隔熱涂料的力學(xué)性能，結(jié)果附著力為3級(jí)，數(shù)值遠(yuǎn)低于該SiO2氣凝膠隔熱涂料。這表明，SiO2氣凝膠隔熱涂料的附著力與普通隔熱涂料相比，性能較好。

表2 SiO2氣凝膠含量對(duì)涂料附著力的影響

2.4涂膜的耐水性

本實(shí)驗(yàn)分別選取SiO2氣凝膠體積分?jǐn)?shù)為0、10%、20%、30%、40%、50%的SiO2氣凝膠隔熱涂料，測(cè)量其耐水性。測(cè)量結(jié)果表明，6組實(shí)驗(yàn)結(jié)果均為“不起泡，不脫落”。

這就說(shuō)明，此時(shí)純丙乳液占大部分，SiO2氣凝膠添加量對(duì)涂膜的耐水性影響不大；同時(shí)也說(shuō)明，涂膜的耐水性能主要取決于聚合乳液?jiǎn)误w的結(jié)構(gòu)，即純丙乳液的性能。所以，我們?cè)谘芯窟^(guò)程中，可以依據(jù)它來(lái)選擇一個(gè)合適的配比。

2.5涂膜的耐熱性

同理，本實(shí)驗(yàn)也分別選取SiO2氣凝膠體積分?jǐn)?shù)為0、10%、20%、30%、40%、50%的SiO2氣凝膠隔熱涂料，SiO2氣凝膠隔熱涂料在120 ℃的條件下，連續(xù)加熱16 h，測(cè)量其耐熱性，得到的樣板與空白樣板對(duì)照。對(duì)照結(jié)果表明，6組實(shí)驗(yàn)結(jié)果均為“無(wú)粉化、無(wú)脫落、無(wú)顏色變化”。證明其耐熱性能良好，符合實(shí)際建筑環(huán)境的需要。

2.6涂膜的隔熱性能

經(jīng)過(guò)多組分的實(shí)驗(yàn)得出，SiO2氣凝膠隔熱涂料樣品的導(dǎo)熱系數(shù)隨氣凝膠體積分?jǐn)?shù)的增加而變化的過(guò)程如圖4所示。

圖4 SiO2氣凝膠隔熱涂料的導(dǎo)熱系數(shù)曲線圖

首先，由圖可知，隨著涂料中SiO2氣凝膠微球添加量不同，其導(dǎo)熱系數(shù)值也不同；隨著SiO2氣凝膠體積分?jǐn)?shù)的不斷增加，涂料的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減小，隔熱性能逐步增強(qiáng)。在本實(shí)驗(yàn)所選取的SiO2氣凝膠體積分?jǐn)?shù)的范圍內(nèi)，SiO2氣凝膠體積分?jǐn)?shù)與涂料的導(dǎo)熱系數(shù)成反比關(guān)系。但是，該涂料的導(dǎo)熱系數(shù)不會(huì)一直減小，并且當(dāng)SiO2氣凝膠體積分?jǐn)?shù)為50%時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)已達(dá)到0.106 4 W/(m·K)，已經(jīng)明顯優(yōu)于普通涂料，擁有很高的應(yīng)用價(jià)值和開(kāi)發(fā)的潛能。

3 結(jié)論與展望

通過(guò)將助劑和純丙乳液均勻穩(wěn)定分散于水中，然后添加SiO2氣凝膠和滑石粉等制備出SiO2氣凝膠隔熱涂料的漿料，最后將它涂覆于普通馬口鐵基材上，制得隔熱涂層。所得的涂層表面光滑平整，附著力強(qiáng)，硬度好，耐水耐熱性能較好，隔熱性能突出，其性能可以很好的滿(mǎn)足隔熱涂料的基本需要。并且，通過(guò)對(duì)SiO2氣凝膠隔熱涂料的研究、制備和綜合性能檢測(cè)，我們得出了一套SiO2氣凝膠隔熱涂料專(zhuān)用的性能評(píng)價(jià)體系，以期望給將來(lái)的研究者帶來(lái)幫助。

眾所周知，當(dāng)前國(guó)內(nèi)隔熱涂料的使用最為廣泛的仍然是阻隔型隔熱涂料，而新型功能性的SiO2氣凝膠隔熱涂料將代表未來(lái)隔熱涂料的發(fā)展趨勢(shì)[12]。隨著自我保護(hù)意識(shí)的不斷增強(qiáng)，人們選擇使用節(jié)能環(huán)保的材料已大勢(shì)所趨，由此看來(lái)，隔熱又安全的SiO2氣凝膠隔熱涂料必定會(huì)擁有較為廣闊的市場(chǎng)和應(yīng)用前景。

[1]代德偉.《“十二五”建筑節(jié)能專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃》發(fā)布—墻體保溫材料和建筑節(jié)能行業(yè)迎來(lái)重大發(fā)展機(jī)遇[J].混凝土世界,2010,6(36):17-19.

[2]劉 陽(yáng),陳彥文,潘文浩.保溫隔熱墻體材料與建筑節(jié)能[J].建筑技術(shù)與應(yīng)用,2011,(2):9-10.

[3]郭建平,路忠國(guó),何光明.納米二氧化硅氣凝膠新型制備技術(shù)及其在建材領(lǐng)域的應(yīng)用[J].新材料產(chǎn)業(yè),2012,(4):30-34.

[4]鄧忠生,魏建東,王 玨,等.由多聚硅氧烷制備二氧化硅氣凝膠[J].功能材料,2000,31(3):296-298.

[5]Hrubesh L W. Aerogel applications[J].Journal of Non-Crystalline Solids,1998,225:335-342.

[6]沈 軍,周 斌,吳廣明，等.納米孔超級(jí)絕熱材料氣凝膠的制備與熱學(xué)特性[J].過(guò)程工程學(xué)報(bào),2002,2(4):341-345.

[7]Reim M,Korner W,Manara J,et al.Silica aerogel granulate material for thermal insulation and daylighting[J].Sol Energy,2005,79:131-139.

[8]秦慧元.二氧化硅氣凝膠材料的研究進(jìn)展[J].科協(xié)論壇,2013，(3):40-42.

[9]郭 迪.SiO2氣凝膠透明隔熱涂料的制備及性能研究[D].中南大學(xué)，2012:32-51.

[10]汪 慧.SiO2氣凝膠/苯丙原位復(fù)合乳液的制備及其在隔熱涂料中的應(yīng)用[D]. 廣東工業(yè)大學(xué)，2011:39-55.

[11]虞瑩瑩.涂料工業(yè)用檢驗(yàn)方法與儀器大全[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007:74-118.

[12]陸洪彬，陳建華. 隔熱涂料的隔熱機(jī)理及其研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2005,19(4):72-73.

PerformanceEvaluationofSilicaAirgelInsulationCoating

DOUXin-feng1,HEFang1，LIRong-chun1,WUJu-ying2,HUANGYu-hong2

(1.College of Material Science and Engineering，Henan University of Technology,Zhengzhou 450001，China；2.Institute of System Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China)

Through control suitable conditions adding the SiO2airgel microspheres to the acrylic emulsion mixed with other additives to produce SiO2airgel insulation coatings;using the methods provided by the relevant national standards test its performance.The experimental result shows that it has good liquid properties,color and appearance,hardness and adhesion,water resistance and heat insulation;while exploring the experiment,also established a compartment for the SiO2airgel thermal coating performance evaluation system.

2013-11-20

國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和中國(guó)工程物理研究院聯(lián)合基金資助項(xiàng)目(NSAF)(11076010)

豆新豐(1991-)，男，本科；聯(lián)系人：何方(1968-)，男，副教授，E-mail：hefangmail@aliyun.com。

TQ630.4；O642.3

A

1003-3467(2014)01-0031-04