CN103589258B - 一种气凝胶涂料、生产方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气凝胶涂料、生产方法及应用，其特征在于，包括按重量份数比的下述组成：成膜物质100，膜助剂5-15，分散剂2-10，阻燃剂50-100，填料40-120，短纤维0-5，增稠剂0-3，防霉剂0.5-3，消泡剂0.5-3，颜料0-15，去离子水50-200。本发明配置的气凝胶涂料，用于喷涂在气凝胶基材料的外表面，具有不掉粉、外型美观、防火阻燃、防水防潮、防腐防霉、柔韧性优良、安全环保、生产方法简单等优点。

Description

一种气凝胶涂料、生产方法及应用

技术领域：

本发明涉及一种气凝胶涂料、生产方法及应用，具体是涉及一种在车体、船舱、工业管道、工业设备、建筑墙体等保温隔热领域有广泛应用的不掉粉超级绝热气凝胶复合材料及其生产方法。

背景技术：

气凝胶是一种结构可控的纳米多孔轻质材料，具有纳米结构（孔洞1-10nm，骨架颗粒为1-20nm），表面积大（最高可达800-1000m²/g）,孔洞率高（可达80-99.8%），导热系数可达到0.013w/(m·k)以下等特点。气凝胶的纳米多孔结构及纳米微粒网络使气凝胶材料在宏观上呈现出纳米材料所特有的界面效应和小尺寸效应，是一种具有奇异性能和极高附加值的超级绝热材料，这些性能使其在建筑节能、能源环保、航空航天、输油管道、太阳能集热、炉窑保温等领域具有极大的应用潜力。

气凝胶独特的网络结构及高空隙率和低密度等特点导致了气凝胶本身强度低、脆性大等特点，在外在压力下很容易被破坏（杨氏模量小于10MPa，抗拉强度仅为16kPa，断裂韧度小于0.8kPa/m）、力学强度低，并且在温度较高的环境中，半透明的气凝胶材料很难阻抗辐射热的影响。因此，在很多领域中，气凝胶很难作为隔热材料单独使用。为了克服气凝胶这些缺点，研究者将气凝胶与其他材料复合，制造出既具有优良绝热性能又具有一定强度的复合型纳米孔超级绝热材料。例如，用纤维作为增强相，制备增强型气凝胶隔热复合材料，在不太影响隔热效果的前体下，所制备的材料可以大幅改善气凝胶的力学性能。

近年来国内外绝热保温材料发展明显加快，由于整体纳米技术的发展，又激发起了人们对纳米孔超级绝热材料的重视。在国外，美国阿斯彭（ASPEN）公司对气凝胶隔热的研究较早，对气凝胶隔热机理认识比较深刻，主要针对气凝胶隔热产品的开发和应用。在国内，很多高校对气凝胶也有研究，但都仅限于基础研究领域，主要在实验室使用。浙江的纳诺科技有限公司率先将二氧化硅气凝胶产业化，生产的柔性隔热毡以二氧化硅气凝胶为主体材料，通过特殊的制造工艺复合而成，具有导热系数低、密度小、柔韧性高、绿色环保、防水等优越性能，同时兼具优异的隔声减震性能，可取代聚氨酯泡沫、石棉保温毡、硅酸盐纤维等不环保、保温性能差的传统柔性保温材料，并且已应用于管道、汽车、船舶舱体、工业设备等保温体系中。

复合纤维后的气凝胶产品在力学性能（强度、柔韧性、成形性）方面有了大幅度的提高，但是由于纤维的分割作用，气凝胶多以小颗粒形式充斥于纤维体的缝隙中，表面的小颗粒在产品成型后及使用过程中容易掉出。特别在切割及安装使用过程中这些小颗粒对环境造成一定的影响，并且随着颗粒的脱落，气凝胶基材料性能也会下降，一定程度上将影响使用效果和寿命。因此，市场上经常使用粘接剂在气凝胶复合材料表面粘贴无机防火布、铝箔、钢板等材料后进行使用。如申请专利CN103192582A即采用无机或有机胶黏剂将无机防火布和气凝胶材料进行粘结的方法防止气凝胶基材料表面掉粉。但此方法存在材料边缘缝隙等包边繁琐困难，封闭性不够好以及导致材料厚度和密度增加明显等缺点。因此，本发明开发了一种专用于气凝胶基绝热材料的复合保温涂料，以形成涂层结构的方式解决气凝胶基材料表面掉粉的问题。

发明内容：

本发明的第一目的在于提供一种气凝胶涂料，包括按重量份数比的下述组成：

成膜物质100

成膜助剂5-15

分散剂2-10

阻燃剂50-100

填料40-120

短纤维0-5

增稠剂0-3

防霉剂0.5-3

消泡剂0.5-3

颜料0-15

去离子水50-200。

本发明配置的气凝胶涂料，用于喷涂在气凝胶基材料的外表面，具有不掉粉、外型美观、防火阻燃、防水防潮、防腐防霉、柔韧性优良、安全环保、生产方法简单等优点。

本发明的第二方面目的是提供一种气凝胶涂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

⑴、根据配方组成称取原料；

⑵、在容器中依次加入去离子水、分散剂、填料、增稠剂、短纤维，搅拌均匀；

⑶、将成膜助剂加入成膜物质中，并搅拌均匀；

⑷、将步骤⑵和步骤⑶所得到的两种物料混合在一起，再依次加入阻燃剂、防霉剂、颜料、消泡剂，并置于球磨机中碾磨均匀，即得气凝胶涂料。

本发明的第三方面目的是提供一种气凝胶涂料在制备气凝胶复合材料中的应用，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、将气凝胶基材料进行轧制，去除表面易脱落的粉末或颗粒；

（2）、将气凝胶涂料均匀喷涂或刮涂在步骤（1）处理后的气凝胶基材料的外表面；

（3）、将步骤2处理后的气凝胶基材料，经5-110℃固化1-120min后，即得气凝胶复合材料。

本发明通过将自主研发的气凝胶涂料，喷涂在气凝胶基材料的外表面，制备的气凝胶复合材料，在保持气凝胶轻质、柔韧和超级绝热性能的同时，改善其力学特性，并阻止掉粉、使得材料外型美观。

作为本发明的优选方案之一：

前述的成膜物质为弹性丙烯酸酯乳液。

前述的成膜助剂为乙二醇、丙三醇、季戊四醇中的一种或一种以上的混合物。

前述的分散剂为吐温60、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、六偏磷酸钠中的一种或是一种以上的混合物。

前述的阻燃剂为无机阻燃剂或、氮磷系阻燃剂的一种或是一种以上的混合物。所述无机阻燃剂为氢氧化铝、氢氧化镁、磷酸铵或硼酸锌，所述氮磷系阻燃剂为聚磷酸铵，密胺磷酸盐、密胺焦磷酸盐、磷酸酯齐聚物或三聚氰胺氰尿酸盐。

前述的填料为蛭石粉、硅藻土、膨胀珍珠岩、海泡石绒中的一种或是一种以上的混合物。

前述的短纤维为聚酯纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维中的一种或一种以上的混合物。

前述的增稠剂为羟丙基甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、甲基纤维素中的一种或是一种以上的混合物。

前述的防霉剂为山梨酸钾、苯甲酸钠中的一种或是一种以上的混合物。

前述的消泡剂为有机硅消泡剂。

前述的颜料可按涂料配色的需要任选市售商品，例如钛白粉、铁红、铁黑、华兰及各色颜料中的一种或是一种以上的混合物。

前述的气凝胶基材料是指以气凝胶为主体的毡、毯或板等复合材料的任意一种。可选择市售的气凝胶柔性毡、气凝胶保温隔热毯、或气凝胶复合板等。

本发明的有益效果如下：

1、本发明涉及的复合保温涂料的原料易得、成本低廉、安全环保、生产方法适合工业化。

2、本发明采用自主研发的气凝胶涂料，与气凝胶基材料结合性好，喷、涂、刷过程简单易行，成膜性及封闭性好，无裂纹，且能常温固化。

3、本发明制备的气凝胶复合材料，具有不掉粉、外型美观、防火阻燃、防水防潮、使用寿命长、柔性材料仍可保持其柔韧性等优点，并且解决了材料边缘缝隙、异形件、套块等包边繁琐困难，封闭性不好等问题，对于工业管道、船舶舱体、汽车、建筑墙体等保温隔热领域具有重要的意义。

以下结合附图说明以及具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明：

图1为现有气凝胶柔性毡的外部形态图；

图2为本发明实施例1制备的气凝胶复合材料外部形态图；

图3为本发明实施例1弯折状态图；

图4为本发明实施例1弯折20次后的外部形态图；

图5为现有气凝胶复合板的外部形态图；

图6为本发明实施例2制备的气凝胶复合材料外部形态图；

图7为现有气凝胶保温隔热毯的外部形态图；

图8为本发明实施例3制备的气凝胶复合材料外部形态图；

图9为本发明实施例3弯折状态图；

图10为本发明实施例3弯折20次后的外部形态图。

具体实施方式：

以下实施例中：所述的气凝胶基材料可通过市售获得，如实施例1的气凝胶柔性毡选择纳诺科技有限公司销售的SiO₂气凝胶复合玻璃纤维毡；实施例2的气凝胶复合板选择纳诺科技有限公司销售的SiO₂气凝胶复合玻璃纤维板；实施例3的气凝胶保温隔热毯选择纳诺科技有限公司销售的SiO₂气凝胶复合碳纤维毯，当然，选择其他市售气凝胶基材料，亦可获得相同效果，并无特殊限制。

本发明其他组分采用市售材料即可。

实施例1：

1、制备气凝胶涂料：

表1：气凝胶涂料配方

按表1所述配方中的比例称量好各原料，在配料容器中先加入去离子水、分散剂、填料、增稠剂、短纤维，搅拌均匀，制得物料1；在成膜物质中加入成膜助剂搅拌均匀，制得物料2；然后将物料1和2混合在一起，再依次加入阻燃剂、防霉剂、消泡剂、颜料，并于球磨机中碾磨均匀，即得所需复合保温涂料。

2、制备气凝胶复合材料：

将10mm厚的气凝胶柔性毡进行轧制，去除表面易脱落的粉末或颗粒，将配制好的气凝胶涂料均匀喷涂在处理后的气凝胶柔性毡外表面，在40℃下固化20min后，即获得气凝胶复合材料。

实施例2：

1、制备气凝胶涂料：

表2：气凝胶涂料配方

按表2配方中的比例称量好各原料，在配料容器中先加入去离子水、分散剂、填料、增稠剂、短纤维，搅拌均匀，制得物料1；在成膜物质中加入成膜助剂搅拌均匀，制得物料2；然后将物料1和2混合在一起，再依次加入阻燃剂、防霉剂、颜料、消泡剂，并于球磨机中碾磨均匀，即得气凝胶涂料。

2、制备气凝胶复合材料：

将10mm厚的气凝胶复合板进行轧制，去除表面易脱落的粉末或颗粒，将配制好的气凝胶涂料均匀喷涂在处理后的气凝胶复合板外表面，在80℃下固化5min后，即得气凝胶复合材料。

实施例3：

1、制备气凝胶涂料：

表3：气凝胶涂料配方

按表3配方中的比例称量好各原料，在配料容器中先加入去离子水、分散剂、填料、增稠剂、短纤维，搅拌均匀，制得物料1；在成膜物质中加入成膜助剂搅拌均匀，制得物料2；然后将物料1和2混合在一起，再依次加入阻燃剂、防霉剂、颜料、消泡剂，并于球磨机中碾磨均匀，即得气凝胶涂料。

2、制备气凝胶复合材料：

将3mm厚的气凝胶保温隔热毯进行轧制，去除表面易脱落的粉末或颗粒，将配制好的气凝胶涂料均匀喷涂在预处理后的气凝胶保温隔热毯的外表面，在25℃下固化50min后，即得气凝胶复合材料。

性能检测：

将本发明实施例制备的气凝胶复合材料，与现有未经气凝胶涂料处理的气凝胶基材料（气凝胶柔性毡、气凝胶复合板、气凝胶保温隔热毯）等进行对比，如表4、表5、表6，以及图1-图10所示。

表4

表5

表6

由表4-表6、图1-图10可以看出：本发明制备的气凝胶复合材料，与现有未经气凝胶涂料处理的气凝胶基材料相比：

1、产品在密度、厚度、导热系数方面性能良好，保持轻质、良好的隔热性能和机械强度等特性；

2、外型美观、柔韧性好：结合图2、6、8所示，本发明制备的气凝胶复合材料，外型更加光滑平整、美观，且通过无裂纹弯曲半径测试发现，气凝胶柔性材料仍可保持其柔韧性等优点。

3、不掉粉：结合图3、4、9、10所示，本发明的气凝胶复合材料，通过连续20次弯折次数的检测，没有裂缝产生，粉末不会掉出，且弯折前后形态无明显变化。制备的气凝胶复合材料板震动20次后的重量损失率基本无损失，证实本发明能有效解决现有气凝胶基材料易掉粉的缺点。

Claims (12)

1.一种用于气凝胶绝热材料的复合保温涂料，其特征在于，包括按重量份数比的下述组成：

成膜物质100

成膜助剂5-15

分散剂2-10

阻燃剂50-100

填料40-120

短纤维0-5

增稠剂0-3

防霉剂0.5-3

消泡剂0.5-3

颜料0-15

去离子水50-200；

所述的成膜物质为弹性丙烯酸酯乳液；

所述的填料为蛭石粉、硅藻土、膨胀珍珠岩、海泡石绒中的一种以上。

2.根据权利要求1所述的一种用于气凝胶绝热材料的复合保温涂料，其特征在于：所述的成膜助剂为乙二醇、丙三醇、季戊四醇中的一种以上。

3.根据权利要求1所述的一种用于气凝胶绝热材料的复合保温涂料，其特征在于：所述的分散剂为吐温60、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、六偏磷酸钠中的一种以上。

4.根据权利要求1所述的一种用于气凝胶绝热材料的复合保温涂料，其特征在于：所述的阻燃剂为无机阻燃剂或氮磷系阻燃剂的一种以上，所述无机阻燃剂为氢氧化铝、氢氧化镁、磷酸铵或硼酸锌，所述氮磷系阻燃剂为聚磷酸铵，密胺磷酸盐、密胺焦磷酸盐、磷酸酯齐聚物或三聚氰胺氰尿酸盐。

5.根据权利要求1所述的一种用于气凝胶绝热材料的复合保温涂料，其特征在于：所述的短纤维为聚酯纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维中的一种以上。

6.根据权利要求1所述的一种用于气凝胶绝热材料的复合保温涂料，其特征在于：所述的增稠剂为羟丙基甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、甲基纤维素中的一种以上。

7.根据权利要求1所述的一种用于气凝胶绝热材料的复合保温涂料，其特征在于：所述的防霉剂为山梨酸钾、苯甲酸钠中的一种以上。

8.根据权利要求1所述的一种用于气凝胶绝热材料的复合保温涂料，其特征在于：所述的消泡剂为有机硅消泡剂。

9.根据权利要求1所述的一种用于气凝胶绝热材料的复合保温涂料，其特征在于：所述的颜料为钛白粉、铁红、铁黑、华兰中的一种以上。

10.根据权利要求1所述的一种用于气凝胶绝热材料的复合保温涂料，其特征在于：所述的气凝胶绝热材料为气凝胶柔性毡、气凝胶保温隔热毯或气凝胶复合板。

11.一种权利要求1所述用于气凝胶绝热材料的复合保温涂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

⑴、根据配方组成称取原料；

⑵、在容器中依次加入去离子水、分散剂、填料、增稠剂、短纤维，搅拌均匀；

⑶、将成膜助剂加入成膜物质中，并搅拌均匀；

⑷、将步骤⑵和步骤⑶所得到的两种物料混合在一起，再依次加入阻燃剂、防霉剂、颜料、消泡剂，并置于球磨机中碾磨均匀，即得气凝胶涂料。

12.一种权利要求1所述用于气凝胶绝热材料的复合保温涂料在制备气凝胶复合材料中的应用，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、将气凝胶基材料进行轧制，去除表面易脱落的粉末或颗粒；

（2）、将气凝胶涂料均匀喷涂或刮涂在步骤（1）处理后的气凝胶基材料的外表面；

（3）、将步骤2处理后的气凝胶基材料，经5-110℃固化1-120min后，即得气凝胶复合材料。