CN104231917A - 一种纳米耐高温隔热保温涂料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米耐高温隔热保温涂料，隔热填料选择SiO₂气凝胶、改性六钛酸钾晶须、硅酸铝纤维、超细空心微珠、纳米TiO₂、Al₂O₃作绝热填料，利用SiO₂气凝胶、空心微珠的纳米微孔结构构成真空绝热层，利用硅酸铝纤维做增强、增韧材料，利用六钛酸钾晶须、纳米TiO₂、Al₂O₃的红外遮光性能做辐射热的屏蔽层，以硅树脂乳液和丙烯酸乳液复配为胶粘剂，在多种功能助剂的配合下制备成耐600℃纳米隔热保温涂料，本发明具有薄涂、绝热、防水、抗裂、防腐、耐高温、耐候耐久等特性，适于在工业耐高温隔热节能领域推广应用。

Description

一种纳米耐高温隔热保温涂料

所属发明领域

本发明涉及工业耐高温隔热节能防护涂料技术领域，具体说是涉及到一种纳米耐高温隔热保温涂料。

背景技术

众所周知，为了实现生态环保、节能减排的目标，对工业输热管道、热力设备等金属结构表面必须采取有效的隔热保温防腐措施。现有技术中，传统的隔热保温材料如岩棉毡、无机保温砂浆、聚苯泡沫板、发泡聚氨酯等使用的较为广泛，但是这些传统的保温材料的使用必须要达到一定厚度才能有较好的保温性能，在施工中比较费时费力，施工质量决定着其防水性差，对于户外还存在着阳光照射容易出现保温层开裂、渗水，直接影响金属表面的防腐性能。而使用有机高分子发泡材料做保温层，其耐燃性较差，存在一定的火灾隐患。所以近年来国内外都在研制新型保温材料来替代传统的保温材料。其中，以空心微珠为主要填料开发轻质、薄层、高温隔热的纳米涂料成为该领域的研究热点。虽然陆续推出了一些这类保温材料的制备方法，但是都不是很成熟，还处在研究阶段，距离大规模推广应用还有一定的差距。尽快研制出一种涂层具有薄涂、绝热、耐高温、防水、抗裂、防腐、隔音、耐候耐久等特性的成纳米耐高温隔热保温涂料是本技术领域当前的重要任务。

发明内容

本发明的目的在于提供一种环保、薄层、耐高温、绝热、防水、防腐的水性纳米耐高温隔热保温涂料，并提供其制备方法。

为了达到上述目的，本发明采取以下技术方案：一种纳米耐高温隔热保温涂料，隔热填料选择二氧化硅气凝胶、改性六钛酸钾晶须、硅酸铝纤维、超细空心微珠，而纳米二氧化钛、纳米三氧化二铝作为绝热填料，利用二氧化硅气凝胶、空心微珠的纳米微孔结构构成真空绝热层，利用硅酸铝纤维做增强和增韧材料，利用六钛酸钾晶须、纳米二氧化钛、纳米三氧化二铝的红外遮光性能做辐射热的屏蔽层，以硅树脂乳液和丙烯酸乳液复配为胶粘剂，在多种功能助剂的配合下制备成耐600℃温度的纳米隔热保温涂料；具体配方组成如下：

上述各组份成分含量单位按质量分数计。

纳米耐高温隔热保温涂料制备工艺步骤如下：

a.改性六钛酸钾晶须浆料的制备

将2-4份硅烷偶联剂KH-570、2-3份分散剂5040、0.3-0.5份润湿剂x-405、0.3-0.5份消泡剂NXZ、1-2份PH值调节剂AMP-95加入13-16份去离子水中，搅拌均匀后加入六钛酸钾晶须80份，高速分散1h，制成80％的六钛酸钾晶须浆料；

b.二氧化硅气凝胶浆料的制备

将2-3份分散剂5040、0.3-0.5份润湿剂x-405、0.3-0.5份消泡剂NXZ，1-2份稳定剂、1-2份PH值调节剂AMP-95加入去离子水中，搅拌分散均匀，缓慢加入15份二氧化硅气凝胶，分散均匀后超声波振荡0.5h，再经蓝式研磨机研磨制备成15％的气凝胶浆料；

c.纳米三氧化二铝浆料的制备

将67份去离子水加入分散罐中，中速搅拌下加入0.5-1份硅烷偶联剂KH-570、0.5-1份分散剂BYK-190、0.5份润湿剂PE-100、0.3-0.5份消泡剂BYK-26、0.2份PH值调节剂AMP-95、0.5份防沉剂纳米FC-818、25份纳米三氧化二铝，高速分散1小时，再经精细研磨成水性浆料，制备成25％的纳米三氧化二铝浆料。

d.纳米二氧化钛浆料的制备(以下均为质量分数)

将78份去离子水加入分散罐中，中速搅拌下加入0.8-1.2份硅烷偶联剂KH-570、0.5-1份分散剂BYK-190、0.5份润湿剂PE-100、0.3份消泡剂BYK-26、0.2份PH值调节剂AMP-95、20份纳米金红石型二氧化钛，高速分散1小时，再经精细研磨成水性浆料。

e.纳米耐高温隔热保温涂料的制备

将去离子水、乙二醇、分散剂5040、润湿剂x-405、消泡剂NXZ、防闪锈剂、醇酯-12、增稠剂、PH值调节剂AMP-95、硅树脂乳液、丙烯酸乳液加入分散釜中，搅拌匀后加入二氧化硅气凝胶浆、改性六钛酸钾晶须浆、纳米三氧化二铝浆料、纳米二氧化钛浆料、硅酸铝纤维、超细空心微珠，中速分散均匀成稠浆状涂料，构成纳米耐高温隔热保温涂料。

上述制备工艺中所述各组份成分含量单位均按质量分数计。

本发明各组分选择机理是：

1.所述胶粘剂，胶粘剂是以硅树脂乳液和丙烯酸乳液复配而成，有机硅树脂是制备耐高温涂料的常用成膜物。在有机硅高聚物中，Si-O键的共价键能(451kJ/mol)比普通有机高聚物中的C-C键的键能(346kJ/mol)大，而且Si-O原子形成d-pπ键，增加了高聚物的稳定性。有机硅高聚物中Si原子上连接羟基受热氧化后，生成的是高温交联的更加稳定Si-O-Si键，能防止其主键的断裂降解。也就是说，在受热氧化时，形成Si-O-Si键保护层，减轻了对高聚物的内部影响。有机硅树脂乳液是一种高分子三维交联化合物，涂膜呈刚性，导热系数较小[0.19w/(m.k)]，耐高温性好，防水抗渗性优异，附着力强，但耐低温柔性差。自交联弹性丙烯酸乳液，玻璃化温度低，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混配复合作粘结剂，制备的隔热涂料既保持了硅树脂的突出优点，也保持了丙烯酸树脂的长处，可获得取长补短、优势互补之效果。

2.所述纳米二氧化硅气凝胶(SiO₂气凝胶)、硅酸铝纤维和超细空心微珠等隔热填料：二氧化硅气凝胶是一种保温隔热性能优秀的轻质纳米多孔非晶固体材料，其孔隙率高达80-99％，孔洞的平均孔径为20nm，比表面积为600-1000m²/g，表观密度为0.003-0.35cm³/g，室温导热系数可低达0.013-0.043W/(m.k)，且高温下不分解，无有害气体放出，其保温隔热原理有三，(1)固体热传导：二氧化硅气凝胶是由若干Si-O-Si基团相互连接聚集形成的纳米三维网络骨架结构，由于近无穷多纳米孔的存在，固体热传递只能沿着孔壁传递，近无穷多气孔壁构成了近于“无穷长路径”效应，使得固体热导率降到几乎最低极限。(2)对流热传导：二氧化硅气凝胶的介孔尺寸为2-50nm，当材料中的气孔直径小于70nm时，孔内的空气分子就失去了自由流动的能力，相对地附着在气孔壁上，此时，纳米孔处于近似真空状态，材料中的空气对流减弱到最小极限。(3)辐射热传导：辐射传导热是一种非接触式的热量传递。由于气凝胶为均匀的纳米气孔，且具有极低的体积密度，使材料内部气孔壁数目趋于“无穷多”，而每个气孔壁都有遮阳板的作用，从而产生近于“无穷多遮阳板”效应，使辐射传热下降到最低极限。但是高温条件下产生的辐射热却能几乎全部透过气凝胶材料，失去“遮阳板”效应，并随温度升高辐射热的传导率会急剧上升，因此需要添加红外遮光剂以降低其辐射传导热导率。另外单纯二氧化硅气凝胶涂膜机械强度低、韧性差，所以要与机械强度较高的多孔绝热材料和韧性纤维复合。本发明选择硅酸铝短切纤维作为韧性纤维，硅酸铝短切纤维，纤维长度0.15-2.5um，纤维直径2-4um，压缩状态下密度为0.13-0.20g/cm³，导热系数为0.036-0.060W/(m.k)；具有优良的柔韧性、化学稳定性、抗腐蚀性、耐高温性、吸音性，具有抗拉强度大、低导热率、低热容量、低密度等特点。保温涂料中加入适量的硅酸铝纤维，利用其在涂层中的乱向分布，构立体网络结构，不但提高了涂层的孔隙率，同时也增强了涂层的粘结强度、抗拉强度和柔韧抗裂性。本发明选择超细空心微珠为多孔绝热材料，超细空心微珠内部呈微小的多孔性空心结构，表面由纤维空心网状结构构成坚硬的外壳，外壳里存在着一定的静态空气层。抗压强度为4000-7000kg/cm²，导热系数为0.07-0.12W/(m·k)，耐热度达到1500℃。其典型特征和物理特性为：球型、超细、流动好；中空、超轻、密度低；多孔、润滑易填充；抗压、增韧、硬度高；阻燃、隔热、耐高温；隔音、绝缘、防静电；防水、防腐、低收缩；无毒、防菌、耐酸碱，与硅酸铝短切纤维和二氧化硅气凝胶复合后构成隔热填料。

3.所述由六钛酸钾晶须、纳米二氧化钛(纳米TiO₂)、纳米三氧化二铝(纳米Al₂O₃)构成的防辐射热屏蔽层，六钛酸钾晶须的组成为K₂Ti₆O₁₃，结构为连锁隧道式结构，K+离子居隧道中间，具有较高的稳定性，从而使六钛酸钾晶须具有高温吸音、化学稳定性、绝缘性、反射红外线、优良的防腐性能等。六钛酸钾晶须作为隔热材料主要基于结构隔热、物理隔热、红外线反射三点。其松散密度为0.1-0.3g/cm³，比表面积为本11m²/g，介孔尺寸为：直径0.8-1.2um、长度30-50um，导热系数低(常温下0.0534W/(m.k)，且具有负温度系数(温度越高导热系越低，)，红外线透过率小：在波长0.9-2.4um范围，厚0.25umPTW透过率仅为8.4％。且无毒无害，使用寿命长，可以耐1200℃的高温，耐酸耐碱，耐磨绝缘，力学和物理性能好，广泛应用于隔热材料、摩擦材料、绝缘材料、耐火材料等领域。是一种优良的开发红外线反射涂料和耐热隔热涂料的功能填料。当六钛酸钾晶须：二氧化硅气凝胶＝3∶7(质量比)时，制备的隔热涂料其涂层的导热系数为0.027W/(m.k)，且常规物化性能也较好。纳米二氧化钛、纳米三氧化二铝，表面活性强、折光指数高、高温稳定性好，纳米金属铝粉和二氧化钛具有优异的远红外发射性，且能提高涂层的致密性、韧性和热辐射率。

所述助剂均为常规水性涂料用助剂，获取容易。

对本发明进行检测，其主要性能如下：

本发明不同温度下不同涂层厚度的隔热降温幅度如下表：

通过上述检测数据表明，本发明的各项性能达到了发明目的。

具体实施方式

下面结合具体实施例详细描述本发明：一种纳米耐高温隔热保温涂料，具体配方组成如下：

上述各组份成分含量单位按质量分数计。

纳米耐高温隔热保温涂料制备工艺步骤如下：

a.改性六钛酸钾晶须浆料的制备

将2份硅烷偶联剂、3份分散剂、0.4份润湿剂、0.4份消泡剂、2份PH值调节剂加入15份去离子水中，搅拌均匀后加入六钛酸钾晶须80份，高速分散1h，制成80％的六钛酸钾晶须浆料；

b.二氧化硅气凝胶浆料的制备

将2份分散剂、0.4份润湿剂、0.4份消泡剂，1份稳定剂、1份PH值调节剂加入去离子水中，搅拌分散均匀，缓慢加入15份二氧化硅气凝胶，分散均匀后超声波振荡0.5h，再经蓝式研磨机研磨制备成15％的气凝胶浆料；

c.纳米三氧化二铝浆料的制备

将去67份离子水加入分散罐中，中速搅拌下加入1份硅烷偶联剂KH-570、1份分散剂BYK-190、0.5份润湿剂PE-100、0.5份消泡剂BYK-26、0.2份PH值调节剂AMP-95、0.5份防沉剂纳米FC-818、25份纳米三氧化二铝，高速分散1小时，再经精细研磨成水性浆料。

d.纳米二氧化钛浆料的制备

将去78份离子水加入分散罐中，中速搅拌下加入1份硅烷偶联剂KH-570、0.7份分散剂BYK-190、0.5份润湿剂PE-100、0.3份消泡剂BYK-26、0.2份PH值调节剂AMP-95、20份纳米金红石型二氧化钛，高速分散1小时，再经精细研磨成水性浆料。

e.纳米耐高温隔热保温涂料的制备

将去离子水、乙二醇、分散剂5040、润湿剂x-405、消泡剂NXZ、防闪锈剂、醇酯-12、增稠剂、PH值调节剂AMP-95、硅树脂乳液、丙烯酸乳液加入分散釜中，搅拌匀后加入二氧化硅气凝胶浆、改性六钛酸钾晶须浆、纳米三氧化二铝浆料、纳米二氧化钛浆料、硅酸铝纤维、超细空心微珠，中速分散均匀成稠浆状涂料，构成纳米耐高温隔热保温涂料。

上述制备工艺中所述各组份成分含量单位均按质量分数计。

Claims (2)

1.一种纳米耐高温隔热保温涂料，隔热填料选择二氧化硅气凝胶、改性六钛酸钾晶须、硅酸铝纤维、超细空心微珠，而纳米二氧化钛、纳米三氧化二铝作为绝热填料，利用二氧化硅气凝胶、空心微珠的纳米微孔结构构成真空绝热层，利用硅酸铝纤维做增强和增韧材料，利用六钛酸钾晶须、纳米二氧化钛、纳米三氧化二铝的红外遮光性能做辐射热的屏蔽层，以硅树脂乳液和丙烯酸乳液复配为胶粘剂，在多种功能助剂的配合下制备成耐600℃温度的纳米隔热保温涂料；具体配方组成如下：

上述各组份成分含量单位按质量分数计。

2.如权利要求1所述纳米耐高温隔热保温涂料的制备方法：其制备工艺步骤为：

a.改性六钛酸钾晶须浆料的制备

将2-4份硅烷偶联剂KH-570、2-3份分散剂5040、0.3-0.5份润湿剂x-405、0.3-0.5份消泡剂NXZ、1-2份PH值调节剂AMP-95加入13-16份去离子水中，搅拌均匀后加入六钛酸钾晶须80份，高速分散1h，制成80％的六钛酸钾晶须浆料；

b.二氧化硅气凝胶浆料的制备

将2-3份分散剂5040、0.3-0.5份润湿剂x-405、0.3-0.5份消泡剂NXZ，1-2份稳定剂、1-2份PH值调节剂AMP-95加入去离子水中，搅拌分散均匀，缓慢加入15份二氧化硅气凝胶，分散均匀后超声波振荡0.5h，再经蓝式研磨机研磨制备成15％的气凝胶浆料；

c.纳米三氧化二铝浆料的制备

将67份去离子水加入分散罐中，中速搅拌下加入0.5-1份硅烷偶联剂KH-570、0.5-1份分散剂BYK-190、0.5份润湿剂PE-100、0.3-0.5份消泡剂BYK-26、0.2份PH值调节剂AMP-95、0.5份防沉剂纳米FC-818、25份纳米三氧化二铝，高速分散1小时，再经精细研磨成水性浆料，制备成25％的纳米三氧化二铝浆料。

d.纳米二氧化钛浆料的制备(以下均为质量分数)

将78份去离子水加入分散罐中，中速搅拌下加入0.8-1.2份硅烷偶联剂KH-570、0.5-1份分散剂BYK-190、0.5份润湿剂PE-100、0.3份消泡剂BYK-26、0.2份PH值调节剂AMP-95、20份纳米金红石型二氧化钛，高速分散1小时，再经精细研磨成水性浆料。

e.纳米耐高温隔热保温涂料的制备

将去离子水、乙二醇、分散剂5040、润湿剂x-405、消泡剂NXZ、防闪锈剂、醇酯-12、增稠剂、PH值调节剂AMP-95、硅树脂乳液、丙烯酸乳液加入分散釜中，搅拌匀后加入二氧化硅气凝胶浆、改性六钛酸钾晶须浆、纳米三氧化二铝浆料、纳米二氧化钛浆料、硅酸铝纤维、超细空心微珠，中速分散均匀成稠浆状涂料，构成纳米耐高温隔热保温涂料。

上述制备工艺中所述各组份成分含量单位均按质量分数计。