CN103275530B - 一种二氧化硅气凝胶涂料及其应用 - Google Patents

一种二氧化硅气凝胶涂料及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种二氧化硅气凝胶涂料，其是由以下质量份的成分组成：二氧化硅气凝胶粉10-30份，成膜剂100-120份，固化剂1-2份，成膜助剂1-2份。本发明还提出所述的二氧化硅气凝胶涂料在构成隔热防爆涂层中的应用。本发明提出的二氧化硅气凝胶涂料制备简单，成本低廉。通过选择适当配方使涂料与基材具有良好的键合，可以有效地隔热、减少爆炸变形，具有防护功能，可以用于建筑或设备的保温、隔热、降噪，也可以用于车辆外表面，在突发事件中减少车辆变形、提高乘员安全。

Description

一种二氧化硅气凝胶涂料及其应用
技术领域
本发明属于薄层材料领域，具体涉及一种含有二氧化硅粉末的薄层材料。
背景技术
气凝胶是通过干燥方法将湿凝胶中的液体被气体所取代，同时凝胶的网络结构基本保留不变所得的材料。气凝胶的结构特征是拥有高通透性的圆筒形多分枝纳米多孔三维网络结构，拥有极高孔洞率、极低的密度、高比表面积、超高孔体积率，其体密度在0.003-0.500g/cm3范围内可调。二氧化硅气凝胶的制备技术日趋成熟，而且二氧化硅气凝胶的运用一直是从事气凝胶研究的工作者的重点研究方向，例如专利CN10137650.1A公开了气凝胶减反射涂层。专利CN103011619A提出其作为固相微萃取涂层的应用。但是作为出现不到百年的这一新型材料，气凝胶实际还有更多应用有待研究者开发。
涂料发展到今天已经要求将涂料功能化专一化了。隔热涂料是近期才被人们关注的产物，因为具有保温隔热的功能，让人们可以节能降耗，适合现代生活要求，所以隔热涂料是发展较快的一类功能涂料。现在在军工等领域又提出涂料的防护功能，需要涂料不仅要求保温隔热、降噪，还要求防爆。现在越来越多的需求比如车辆，在考虑车辆的舒适性的同时更多的是在考虑其安全性能，对车辆本身行驶过程中的碰撞，故障等安全性能目前通过加装安全气囊，安全带等措施等，但是车辆本身的防弹防爆性能没有得到加强，特别是在战乱国家，恐怖袭击时有发生，乘员对车辆的防炸防护的安全性能要求越来越高。气凝胶涂料作为可以方便地涂敷在材料的表面，不受材料的形状和结构的限制，涂料里的气凝胶又具有很好的保温隔热防爆的功能，作为汽车舱室的防护和汽车底甲的爆炸冲击波的防护具有一定的辅助作用。
发明内容
本发明针对现有装甲车的爆炸试验现象，专门有针对性的研制出了气凝胶涂料用于车辆、建筑、设备等保温隔热，以及用于涉及到爆炸冲击波的场合、部件的冲击波防护涂料。
针对现有技术的不足之处，本发明的目的是提出一种二氧化硅气凝胶涂料。
本发明的另一目的是提出所述涂料的应用。
实现本发明上述目的的具体技术方案为：
一种二氧化硅气凝胶涂料，其是由以下质量份的成分组成：
二氧化硅气凝胶粉10-30份，成膜剂100-120份，固化剂1-2份，成膜助剂1-2份。
其中，所述二氧化硅气凝胶粉密度为30-70kg/m3，常温导热系数0.007-0.015W/m·K，粉体粒径50-5000nm。
优选地，所述二氧化硅气凝胶粉密度为55-65kg/m3，常温导热系数0.009-0.011W/m·K，粉体粒径500-700nm。
其中，所述成膜剂为硅酸钠、硅酸钾、苯丙乳液、硅酸锂、丙烯酸乳液、聚氨酯乳液中的一种或几种。通常是以硅酸钠、苯丙乳液、硅酸锂、丙烯酸乳液、聚氨酯乳液中的一种按质量比例1：1-2与硅酸钾混合。硅酸钠的模数为2.0-3.5范围内；硅酸钾模数为2.0-3.0范围内。
其中，所述固化助剂为氧化镁、三氧化二铝、氟硅酸钠中的一种；所述成膜助剂为苯甲醇（BA）、乙二醇丁醚（EB）、丙二醇苯醚（PPH）醇酯-12中的一种或几种。
本发明所述二氧化硅气凝胶涂料通过以下方法制备：
按比例混合二氧化硅气凝胶粉、胶粘剂、固化剂、成膜助剂，搅拌均匀，研磨20-60min即可。灌装待用。
本发明提出的二氧化硅气凝胶涂料在构成隔热防爆涂层中的应用。
其中，所述应用是将二氧化硅气凝胶涂料涂覆于材料表面，涂覆的厚度为2-4mm，分2-4次涂覆，每一次涂覆后固化。每一次涂覆后固化7-12小时。
其中，所述材料为金属材料或建筑材料。所述涂料可以直接涂敷在钢材、水泥、玻璃、木材、石材等材质表面。
本发明的有益效果在于：
本发明提出的二氧化硅气凝胶涂料制备简单，成本低廉。通过选择适当配方使涂料与基材良好的键合，可以有效地隔热、减少爆炸变形，具有防护功能，可以用于建筑或设备的保温、隔热、降噪，也可以用于车辆外表面，在突发事件中减少车辆变形、提高乘员安全。
具体实施方式
现以以下最佳实施例来说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例中，如无特殊说明，所使用的设备和方法均为所属领域常规的设备和方法。
实施例1
取二氧化硅气凝胶粉10质量份（密度60kg/m3，导热系数0.01w/m·k,粒度500nm，陕西盟创纳米新型材料股份有限公司所产），硅酸钠(3.0模数)：硅酸钾（2.8模数）的质量比为1：1的溶液100份，氟硅酸钠1份，醇酯-121份，混合搅拌均匀，然后在三辊球磨机中研磨30分钟，灌装得产品。
取上述涂料，涂于300×300的5mm钢板上，涂敷厚度为1mm，每次涂完固化8小时，分三次涂刷，每次1mm，固化8小时后再涂下一层。完全固化。
经车辆厂现场测试，各项指标均满足隔热和爆炸防护辅助功能：涂膜烧蚀余量99%，涂膜耐120次水洗，涂膜密度240g/m2,涂膜的导热系数0.034w/m·k,对涂覆后的钢板做8kgTNT，50公分距离爆炸分析，钢板变形量减小了10%，钢板表面瞬间温度降低了200℃。
实施例2
取二氧化硅气凝胶粉10份（密度60kg/m3，导热系数0.01w/m·k,粒度500nm，陕西盟创纳米新型材料股份有限公司所产），1：2硅酸钠(3.0模数)：硅酸钾（2.8模数）溶液100份，氧化镁1份，醇酯-121份，混合搅拌均匀，然后在三棍球磨机中研磨30分钟，灌装得产品。
取上述涂料，涂于300×300的5mm钢板上，涂敷厚度为3mm，分三次涂刷，每次1mm，固化8小时后再涂下一层。待完全固化后测其相关性能：涂膜烧蚀余量99%，涂膜耐80次水洗，涂膜密度230g/m2,涂膜的导热系数0.036w/m·k,对涂覆钢板做8kg TNT50公分距离爆炸分析，钢板变形量减小了15%，钢板表面瞬间温度降低了180℃。
实施例3
取二氧化硅气凝胶粉20份（密度60kg/m3，导热系数0.01w/m·k,粒度500nm，陕西盟创纳米新型材料股份有限公司所产），1：1硅酸钠(3.0模数)：硅酸钾（2.8模数）溶液100份，氟硅酸钠1份，丙二醇苯醚1份，混合搅拌均匀，然后在三棍球磨机中研磨30分钟，灌装得产品。
取上述涂料适量，涂于300×300的5mm钢板上，涂敷厚度为3mm，分三次涂刷，每次1mm，固化8小时后再涂下一层。待完全固化后测其相关性能：涂膜烧蚀余量99%，涂膜耐80次水洗，涂膜密度230g/m2,涂膜导热系数0.030w/m·k,对涂覆钢板做8kg TNT50公分距离爆炸分析，钢板变形量减小了20%，钢板表面瞬间温度降低了230℃。
实施例4
取二氧化硅气凝胶粉20份（密度60kg/m3，导热系数0.01w/m·k,粒度500nm，陕西盟创纳米新型材料股份有限公司所产），1：2硅酸钠(3.0模数)：硅酸钾（2.8模数）溶液100份，氟硅酸钠1份，醇酯-121份，混合搅拌均匀，然后在三辊球磨机中研磨30分钟，灌装得产品。
取上述涂料，涂于300×300的5mm钢板上，涂敷厚度为3mm，分三次涂刷，每次1mm，固化8小时后再涂下一层。待完全固化后测其相关性能：涂膜烧蚀余量99%，涂膜耐80次水洗，涂膜密度230g/m2,涂膜导热系数0.032w/m·k,对涂覆钢板做8kg TNT50公分距离爆炸分析，钢板变形量减小了20%，钢板表面瞬间温度降低了240℃。
实施例5
取二氧化硅气凝胶粉10份（密度60kg/m3，导热系数0.01w/m·k,粒度500nm，陕西盟创纳米新型材料股份有限公司所产），1：2苯丙乳液（固含量40%）：硅酸钾（2.8模数）溶液100份，氟硅酸钠1份，醇酯-121份，混合搅拌均匀，然后在三辊球磨机中研磨30分钟，灌装得产品。
取上述涂料适量，涂于300×300的5mm钢板上，涂敷厚度为3mm，分三次涂刷，每次1mm，固化8小时后再涂下一层。待完全固化后测其相关性能：涂膜烧蚀余量80%，涂膜耐200次水洗，涂膜密度210g/m2,涂膜的导热系数0.034w/m·k,对涂覆钢板做8kgTNT50公分距离爆炸分析，钢板变形量减小了17%，钢板表面瞬间温度降低了180摄氏度，涂层变黑。
实施例6
取二氧化硅气凝胶粉20份（密度60kg/m3，导热系数0.01w/m·k,粒度500nm，陕西盟创纳米新型材料股份有限公司所产），1：2苯丙乳液（固含量40%）：硅酸钾（2.8模数）溶液100份，氟硅酸钠剂1份，成醇酯-121份，混合搅拌均匀，然后在三棍球磨机中研磨30分钟，灌装得产品。
取上述涂料，涂于300×300的5mm钢板上，涂敷厚度为3mm，分三次涂刷，每次1mm厚，待完全固化后测其相关性能：涂膜烧蚀余量86%，涂膜耐180次水洗，涂膜密度170g/m2,导热系数0.028w/m·k,对涂覆钢板做8kg TNT50公分距离爆炸分析，钢板变形量减小了25%，钢板表面瞬间温度降低了270摄氏度，涂层变黑。
实施例7
取二氧化硅气凝胶粉10质量份（密度60kg/m3，导热系数0.01w/m·k,粒度500nm，陕西盟创纳米新型材料股份有限公司所产），质量比例1：1硅酸钠(3.0模数)：硅酸钾（2.8模数）溶液100份，氟硅酸钠1份，醇酯-121份，混合搅拌均匀，然后在三辊球磨机中研磨30分钟，灌装得产品。
取上述涂料，涂于300×300的1cm水泥板上，涂敷厚度为3mm，分三次涂刷，待完全固化。
涂膜的导热系数0.034w/m·k,比表面积800m2/g，孔隙率98%，孔径20-50nm。说明该涂膜仍具有气凝胶粉的多孔性能，因而具有隔热、隔音功能。
实施例8
取二氧化硅气凝胶粉20份（密度80kg/m3，导热系数0.015w/m·k,粒度5-10μm，美国cabot公司，1：2苯丙乳液（固含量40%）：硅酸钾（2.8模数）溶液100份，氟硅酸钠1份，醇酯-121份，混合搅拌均匀，然后在三棍球磨机中研磨30分钟，灌装得产品。
取上述涂料，涂于300×300的5mm钢板上，涂敷厚度为3mm，分三次涂刷，待完全固化后测其相关性能：涂膜烧蚀余量86%，涂膜耐150次水洗，涂膜密度150g/m2,导热系数0.031w/m·k,对涂覆钢板做8kgTNT50公分距离爆炸分析，钢板变形量减小了18%，钢板表面瞬间温度降低了170摄氏度，涂层变黑。
以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种二氧化硅气凝胶涂料，其特征在于，是由以下质量份的成分组成：
二氧化硅气凝胶粉10-30份，成膜剂100-120份，固化剂1-2份，成膜助剂1-2份，所述二氧化硅气凝胶粉密度为55-65kg/m3，常温导热系数0.009-0.011W/m·K，粉体粒径500-700nm；
其中，所述成膜剂是以硅酸钠、苯丙乳液、硅酸锂、丙烯酸乳液、聚氨酯乳液中的一种按质量比例1：1-2与硅酸钾混合，硅酸钠的模数为2.0-3.5范围内；硅酸钾模数为2.0-3.0范围内。
2.如权利要求1所述的二氧化硅气凝胶涂料，其特征在于，所述固化剂为氧化镁、三氧化二铝、氟硅酸钠中的一种；所述成膜助剂为苯甲醇、乙二醇丁醚、丙二醇苯醚、醇酯-12中的一种或几种。
3.如权利要求1或2所述的二氧化硅气凝胶涂料，其特征在于，所述二氧化硅气凝胶涂料通过以下方法制备：
按比例混合二氧化硅气凝胶粉、成膜剂、固化剂、成膜助剂，搅拌均匀，研磨20-60min即可。
4.权利要求1-3任一所述的二氧化硅气凝胶涂料在构成隔热防爆涂层中的应用，其特征在于，所述应用是将二氧化硅气凝胶涂料涂覆于材料表面，涂覆的厚度为2-4mm，分2-4次涂覆，每一次涂覆后固化；其中，所述材料为金属材料或建筑材料。
5.如权利要求4所述的应用，其特征在于，每一次涂覆后固化7-12小时。
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