呂文東，欒煥光，王 淦，陳和銳，羅智斌

1.廣東省資源綜合利用研究所，稀有金屬分離與綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省礦產(chǎn)資源開發(fā)與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州，510650；2.中山科邦化工技術(shù)有限公司，廣東 中山，528437

在能源匱乏和環(huán)境污染問題日益突出的今天，節(jié)能降耗、提高能源的有效利用率是當(dāng)前社會發(fā)展的趨勢[1].我國的能耗，包括建筑、石油化工、冶金、熱電、汽車等領(lǐng)域因保溫隔熱材料的落后而損失的能量巨大[2-3].因此，研發(fā)高性能的節(jié)能保溫隔熱涂料具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益.

自然界熱量的傳遞主要有熱傳導(dǎo)、輻射和對流等方式[4-6].根據(jù)不同的隔熱機(jī)理，可將保溫隔熱涂料分為阻隔型、輻射型和反射型.如今市場上常見的中低溫區(qū)(<250 ℃)保溫隔熱涂料[7-9]，主要是復(fù)合硅酸鹽隔熱保溫涂料[10]，此類材料保溫效果、性能相對較差.以氣凝膠為主的新型復(fù)合保溫隔熱材料[11-12]，因其優(yōu)越的保溫性能，正成為一種新型的保溫涂料.針對以上問題，本研究以阻隔型隔熱機(jī)理為主，結(jié)合其它保溫隔熱機(jī)理，以改性有機(jī)硅丙烯酸成膜樹脂CPS-1800為成膜材料，改性氣凝膠(50～200 μm)為功能填料，輔以適當(dāng)?shù)奶盍虾椭鷦?，旨在制備一種中低溫區(qū)高性能的復(fù)合保溫隔熱涂料.

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料及儀器

主要試驗(yàn)原料：甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷和苯基三氯、其它有機(jī)硅單體、丙烯酸單體/樹脂、聚酯單體/樹脂、分散劑、去離子水、氣凝膠、陶瓷微珠、玻璃纖維、水性有機(jī)硅改性丙烯酸樹脂(自制)、納米空隙氣凝膠復(fù)合隔熱填料(自制)、封閉劑、成膜助劑、消泡劑、脫脂劑和防霉劑等.

主要試驗(yàn)儀器：帶有攪拌設(shè)備的配料反應(yīng)釜、高速混合機(jī)、噴涂房、涂層測試儀、導(dǎo)熱系數(shù)儀、模擬保溫工況試驗(yàn)儀(自制)、小型玻璃反應(yīng)釜(帶溫控和壓力控制系統(tǒng))、JJ-1型電動(dòng)攪拌器、HH-4型數(shù)顯恒溫水浴鍋、JM3202型電子天平、101FA-00型電熱鼓風(fēng)干燥箱、刮涂器、DZTW型調(diào)溫電熱套、研磨分散多用機(jī)、NDJ型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、刮板細(xì)度計(jì)、接觸式探頭測溫儀等.

1.2 改性成膜樹脂的制備

將適量的丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、苯乙烯、丙烯酸異辛酯和BPO混合后在90～120 ℃反應(yīng)至體系透明，然后滴加一定量的有機(jī)硅中間體，降溫至40～50 ℃反應(yīng)至分水器中無產(chǎn)物分出，調(diào)節(jié)pH至7～8，冷卻出料.利用分散設(shè)備制得的有機(jī)改性硅丙烯酸成膜樹脂，命名為CPS-1800.

1.3 氣凝膠的改性

在密閉的容器中，加入適量的水、分散劑和助劑，攪拌均勻后，慢慢加入選定的50～200 μm氣凝膠粉末，并緩慢攪拌.在攪拌的過程中當(dāng)氣凝膠粉末與水形成均勻分散的漿料時(shí)，對容器進(jìn)行抽真空，并持續(xù)攪拌，直至氣凝膠粉末與水的質(zhì)量比為25∶75，即制得改性后的氣凝膠粉末漿料.

1.4 隔熱保溫涂料的制備

將改性氣凝膠漿料、改性成膜樹脂、顏填料以及成膜助劑等按照一定比例先后加入反應(yīng)釜中，低速攪拌均勻之后，再經(jīng)過高速分散研磨機(jī)分散研磨、過濾，即得到保溫隔熱涂料，通過改變試驗(yàn)條件得到不同細(xì)度的涂料.

1.5 測試方法

參照GB/T3399-1982《塑料導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)方法 防護(hù)熱板法》自制了隔熱性能測試儀，對所制備的涂料進(jìn)行阻隔隔熱性能測試.圖1為自制隔熱性能測試儀的原理圖.測試時(shí)，設(shè)定恒溫?zé)嵩礈囟?，待散熱面溫度恒定時(shí)，測量樣品所隔溫差，結(jié)合厚度與面積評估隔熱材料的保溫隔熱效果.

圖1 隔熱性能測試儀的測試原理圖 Fig.1 Schematic diagram of thermal insulation tester

2 結(jié)果與討論

2.1 改性氣凝膠對涂料的隔熱保溫性能評價(jià)

由于氣凝膠特有的物理性能，其粒徑大小及在涂料中的分布狀態(tài)，直接影響保溫涂料的整體隔熱效果.為此，需要對氣凝膠進(jìn)行改性，不僅增加在水中的分散相容性，同時(shí)還要保留氣凝膠一定的疏水性，進(jìn)而保持氣凝膠粉末在涂料中的優(yōu)異保溫隔熱性能.

在其它配料及其用量相同的條件下，按表1列出的氣凝膠及其用量制備不同保溫涂料.

表1 不同配方中的氣凝膠及其用量

將不同粒徑改性氣凝膠制備的4種保溫涂料制成厚8 mm的隔熱材料，放到恒溫加熱儀器上，用加熱器來調(diào)節(jié)實(shí)際熱面測試的溫度為250 ℃，然后用接觸式探頭測試涂層的表面溫度.所制備的4種保溫涂料表面溫度隨時(shí)間變化的情況如圖2所示.

圖2 不同氣凝膠配方的涂料表面溫度隨時(shí)間的變化Fig.2 The surface temperature of different aerogel formulations varied with time

由圖2可知，氣凝膠對涂料的隔熱保溫性能影響較大.對比分析自制的不同粒徑改性氣凝膠隔熱保溫性能發(fā)現(xiàn)，用粒徑<50 μm改性氣凝膠制備的1號涂料的保溫性能最差，用粒徑50～200 μm改性氣凝膠制備的2號涂料的隔熱保溫性能最好.經(jīng)過0.5 h，2號涂料其表面溫度僅為100 ℃，遠(yuǎn)低于市面上商用1號、商用2號配方的106 ℃、110 ℃；在3.5 h內(nèi)，該涂料表面的溫度仍遠(yuǎn)低于市面上商用1號、商用2號配方涂料的表面溫度，說明該自制的改性氣凝膠的隔熱保溫性能良好，故選用自制的粒徑50～200 μm改性氣凝膠進(jìn)一步試驗(yàn).

2.2 成膜材料對涂料的隔熱保溫性能評價(jià)

成膜材料性能決定涂料的整體保溫性能，常規(guī)成膜樹脂由于其物理性能不高，不能滿足高性能保溫涂料要求.本研究選用自行設(shè)計(jì)開發(fā)的水性有機(jī)硅改性丙烯酸雜化樹脂作為成膜材料.該材料具有優(yōu)異的耐熱性、阻燃性，而且其導(dǎo)熱系數(shù)低，能夠?qū)崿F(xiàn)常溫固化.

在其它配料及其用量相同的條件下，按表2列出的不同成膜材料及其用量制備了4種保溫涂料.

表2 不同配方中的成膜材料及其用量

Table 2 Film forming materials and dosage in different formulations

配方成膜材料質(zhì)量/g百分含量/%5水性丙烯酸(652)100776水性有機(jī)硅(德國瓦克MP50E)100777丙烯酸:有機(jī)硅(652:MP50E)質(zhì)量比1∶1100778CPS-180010077

所制備的涂料做成厚8 mm的隔熱材料，放到恒溫加熱儀器上，用加熱器調(diào)節(jié)實(shí)際熱面測試的溫度為250 ℃，然后用接觸式探頭測試涂層的表面溫度.制備的4種保溫涂料表面溫度隨時(shí)間變化的情況如圖3所示.

圖3 不同成膜材料配方涂料表面溫度隨時(shí)間變化的趨勢Fig.3 The surface temperature of coatings with different film-forming material formulations changes with time

由圖3可知，成膜材料對涂料保溫性能的影響較大.所有涂料表面溫度均呈現(xiàn)出隨時(shí)間延長而升高的趨勢.其中配方6的保溫性能最差，0.5 h時(shí)涂料表面溫度就達(dá)到125 ℃，且隨時(shí)間延長而升高，3.5 h達(dá)到130 ℃.用CPS-1800制備的配方8涂料在0.5 h時(shí)涂料表面溫度僅為121 ℃，在3.5 h測試時(shí)間內(nèi)涂料表面溫度未超過125 ℃，保溫性能良好，故選用自制的CPS-1800 成膜樹脂進(jìn)一步試驗(yàn).

2.3 CPS-1800用量對涂料隔熱保溫性能的影響

將不同CPS-1800用量配方的涂料做成8 mm厚的隔熱材料，放到恒溫加熱儀器上，用加熱器來調(diào)節(jié)實(shí)際熱面測試的溫度為250 ℃，然后用接觸式探頭測試涂層表面溫度.

在其它配料及其用量相同的條件下，按表3列出的CPS-1800不同用量，制備了4種保溫涂料，其表面溫度隨時(shí)間變化的情況如圖4所示.

表3 不同配方中CPS-1800的用量

Table 3 Dosage and proportion of CPS-1800 in different formulations

配方CPS-1800 質(zhì)量/g質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%98550109051.41195531210555.3

由圖4可知，CPS-1800用量對涂料保溫性能的影響較大.在一定范圍內(nèi)，涂料的保溫性能隨CPS-1800用量增加而下降.當(dāng)CPS-1800用量為85 g時(shí)，涂料的保溫性能最好，但試驗(yàn)結(jié)果顯示，其強(qiáng)度較差、易開裂，無實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.當(dāng)CPS-1800用量增加到95 g時(shí)，涂料的保溫性能較好，且涂層強(qiáng)度高、不開裂.繼續(xù)增加CPS-1800用量至105 g時(shí)，涂料的隔熱保溫性能急劇下降，0.5 h時(shí)涂料表面溫度即達(dá)到103 ℃.故CPS-1800的最佳用量為95 g.

2.4 隔熱保溫涂料的研制

在保溫隔熱涂料的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮傳熱的三種路徑：傳導(dǎo)、輻射和對流，本研究中通過加入氣凝膠可以大大提高涂料中的微孔率以及延長熱傳導(dǎo)路徑，進(jìn)而改善涂料的保溫隔熱性能；此外，還應(yīng)引入可以反射輻射熱的材料來阻隔輻射導(dǎo)熱的傳播路徑.相變儲能材料作為一種熱能的高效存儲物質(zhì)，其在保溫隔熱涂料中的引入能有效提高保溫隔熱涂料整體性能.經(jīng)過大量試驗(yàn)得到隔熱保溫性能優(yōu)良的最佳配方，如表4所示.其隔熱保溫性能及與其它同類產(chǎn)品主要指標(biāo)的對比如圖5所示.

由圖5可知，自制的隔熱保溫涂料，在0.5 h時(shí)，其表面溫度僅為85 ℃，明顯低于市面上常見的涂料，并且在較長時(shí)間內(nèi)隔熱效果良好，其溫度無明顯升高.表明其具有優(yōu)異保溫隔熱性能.

表5為該自制涂料與市面上涂料的各項(xiàng)性能指標(biāo)對比.由表5可知，自制涂料25 ℃導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.038 W/m·K，較小的導(dǎo)熱系數(shù)是該涂料的隔熱保溫性能優(yōu)于其它涂料的主要因素.此外，該自制涂料的強(qiáng)度高，厚涂不開裂，且價(jià)格相對低廉.

圖4 成膜樹脂用量不同時(shí)表面溫度隨時(shí)間的變化Fig.4 The surface temperature of coating varied with different dosage of film-forming resin

圖5 不同涂料的涂層表面溫度隨時(shí)間的變化Fig.5 The surface temperature of different coatings varied with time

表4 涂料的最佳配方

表5 不同保溫隔熱涂料性能對比

3 結(jié) 論

以自制的有機(jī)硅改性丙烯酸樹脂CPS-1800作為成膜材料，將改性氣凝膠(50～200 μm)作填充材料，成功制備出了性能優(yōu)良的隔熱保溫涂料.該自制涂料的最佳配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為： CPS-1800 50%、改性氣凝膠(50～200 μm)31.5%、玻璃微珠10.5%、熱反射材料2.6%、相變材料2.6%、助劑2.6%.在此配方下涂層接觸的高溫面250 ℃降至低溫面的85 ℃(膜厚8 mm)，保溫涂料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.038 W/m·K，較小的導(dǎo)熱系數(shù)是該涂料隔熱保溫優(yōu)異的關(guān)鍵因素.相比于市面上其它隔熱保溫涂料，該自制隔熱保溫涂料還具有性價(jià)比高、強(qiáng)度大、耐水性好等優(yōu)點(diǎn)，可替代傳統(tǒng)的隔熱保溫材料，用于對保溫隔熱有較高要求使用場景.不僅節(jié)約能源，還具有重大的社會效益，有著十分廣闊的市場前景.