CN104974581A - 超疏水隔热涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超疏水隔热涂层及其制备方法。该涂层主要是由对于不同温度的水体均具有超疏水以及隔热效果的多孔气膜层构成，所述多孔气膜层包括低导热率的固相材料，以及分布在所述固相材料内或固相材料之间的多个气孔；其中，所述多孔气膜层内的气孔孔径为10～300nm，孔隙率为85～99%。进一步的，所述涂层的导热系数为0.01～0.18W/k?m，其表面还具有凹凸不平的微结构。优选的，所述多孔气膜层表面还修饰有低表面能物质。本发明的涂层对不同温度的水体均具有高效的超疏水以及隔热效果，且安全性好，低耗环保，易于制备，具有很好的工业应用前景，例如可应用于建筑、航天、仓储等诸多方面，且不限于此。

Description

超疏水隔热涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种隔热涂层材料，特别涉及一种针对不同温度的水体均具有防水隔热性能的超疏水纳米结构，属于材料科学领域。

背景技术

多孔隔热材料是利用其基体内封闭气孔中气体的低导热性来达到隔热效能的，是隔热材料体系中应用最广、最有效的材料之一。在建筑、航天、仓储等各个领域中起着保温、隔热的作用。常用的多孔隔热材料有：多孔无机气凝胶材料、有机泡沫塑料、有机-无机复合多孔材料等。例如公开号为CN 103101917 A、CN 101875785 A的专利中制备的二氧化硅气凝胶以及多孔聚硅氧烷均具有超疏水隔热性能。然而，上述隔热材料大都是用于隔绝大气环境中热交换，但应用于水体环境的隔热材料，尤其是对高温、低温水体具有超疏水隔热性能的材料未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超疏水隔热涂层及其制备方法，以克服现有技术中的不足。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种超疏水隔热涂层，主要是由对于不同温度的水体均具有超疏水以及隔热效果的多孔气膜层构成，所述多孔气膜层包括：

低导热率的固相材料，

以及，分布在所述固相材料内或固相材料之间的多个气孔；

其中，所述多孔气膜层内的气孔孔径为10 ～ 300nm，孔隙率为85 ～ 99%。

进一步的，所述涂层的导热系数为0.01 ～ 0.18W/k?m。

进一步的，所述涂层表面还具有凹凸不平的微结构。

进一步的，所述多孔气膜层表面还修饰有低表面能物质。

一种超疏水隔热涂层的制备方法，包括：空气填充在低导热率的固相材料之间形成多孔气膜层，

其中，所述多孔气膜层内的气孔孔径为10 ～ 300nm，孔隙率为85 ～ 99%，

所述涂层的导热系数为0.01 ～ 0.18W/k?m。

进一步的，该方法还可包括：在所述多孔气膜层表面修饰低表面能物质，从而使所述涂层表面呈现超疏水特性。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：该超疏水隔热涂层对不同温度的水体均具有高效的超疏水以及隔热效果，且安全性好，低耗环保，易于制备，具有很好的工业应用前景，例如可应用于建筑、航天、仓储等诸多方面，且不限于此。

附图说明

图1a-图1b分别是本发明实施例1-3中所获多孔气膜层的结构示意图；

其中：11-基底、12-低导热率的固体材料、13-填充在低导热率固体材料之间的多孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

鉴于现有技术的缺陷，本发明的一个方面提供了一种超疏水隔热涂层，其主要是由对于不同温度的水体均具有超疏水以及隔热效果的多孔气膜层构成，所述多孔气膜层包括：

低导热率的固相材料，

以及，分布在所述固相材料内或固相材料之间的多个气孔；

其中，所述多孔气膜层内的气孔孔径为10 ～ 300nm，孔隙率为85 ～ 99%。

进一步的，所述涂层的导热系数为0.01 ～ 0.18W/k?m。

在一较为优选的实施方案之中，所述涂层表面还具有凹凸不平的微结构。

进一步的，所述低导热率的固相材料包括但不限于有机物、无机物或有机-无机纳米杂化材料，例如可选自但不限于氧化锌、氧化铁、聚甲基硅氧烷、烷烃、PA6/SiO₂有机-无机杂化材料、POSS/聚合物有机-无机杂化材料等。

进一步的，当以具有一定亲水性的固相材料构建多孔气膜层时，为获得具有前述超疏水隔热涂层，还应在所述多孔气膜层表面修饰低表面能物质。

当然，对于由其它固相构建的多孔气膜层，也可在所述多孔气膜层表面修饰低表面能物质，以进一步提升所述涂层的超疏水、隔热性能。

前述低表面能物质可选自但不限于氟硅烷、硅氧烷、聚四氟乙烯、硅烷偶联剂、高级脂肪酸等。

在一具体应用案例中，前述涂层的厚度可以控制在0.5 ～ 10 μm。

本发明的另一个方面还提供了一种超疏水隔热涂层的制备方法，其包括：低导热率的固相材料与空气形成多孔气膜层。

进一步的，该方法还可包括：在所述多孔气膜层表面修饰低表面能物质，从而使所述涂层表面呈现超疏水特性，其中所采用的修饰的方法包括蒸镀法或浸泡-烘干法，且不限于此。

本案发明人在长期研究和实践中发现，超疏水界面中存在的稳定的气膜能够有效的降低其导热率，基于这样的发现，本案发明人认为，设计超疏水多孔涂层应是解决高温水体隔热的有效途径。例如，在本发明中，超疏水多孔隔热涂层（即，超疏水隔热涂层）对不同温度水体均能保持超疏水隔热性能，其原理在于，该隔热涂层是多孔气膜层，孔隙内的空气或惰性气体导热系数低，有较好的隔热效果。

在本发明的超疏水隔热涂层的典型样例中，其多孔结构中的孔径为10 ～ 300 nm，孔隙率为85 ～ 99%，导热系数为0.01 ～ 0.18W/k?m，且多孔气膜层表面还修饰有低表面能物质。

当对该典型样例所涉及的超疏水隔热涂层的性能进行测试时，可发现出其具有优异隔热性能。例如，当将前述超疏水多孔涂层的样品正面（修饰有低表面能物质的一侧表面）朝下置于水浴中，水温控制在0 ～ 100 ℃，利用红外摄像仪在样品的背面实时记录温度的变化，数据显示样品背面的温度接近于室温，其偏差在0 ～ 10 ℃ 以内。

综述之，本发明的超疏水隔热涂层具有优异的隔热性能，且比表面积大、导热率小、孔隙率高，安全性好，便于制备，绿色环保，可应用于建筑、航天、仓储等诸多方面。

以下结合若干代表性实施例进一步直观展示本发明的技术方案。

实施例1 

1. 超疏水隔热多孔涂层，其中涂层由低导热率有机固体材料与气孔构成，利用溶剂交换法得到湿凝胶，干燥后得到多孔气膜涂层。

表面修饰，该步骤可以采用蒸镀法修饰也可以采用其他如先浸泡后烘干的修饰方法而实现。具体为将待修饰样品放入已经升温至120 ℃，蒸镀2h待降至常温后取出。或者用2%的FAS乙醇溶液浸泡2h,接着在已升温至80 ^oC的烘箱中恒温1h,待降至常温后取出备用。

性能测试。将样品以正面朝下的方式分别放置于50 ℃、70 ℃、90 ℃的恒温水面，通过红外测量仪对其背面进行温度测试，结果发现，样品背面温度与室温差异较小（0 ～ 10 ℃ 以内）。这种测试方法直接而定量地证明了超疏水多孔涂层具有很好的隔热效果。

实施例2

1.超疏水隔热多孔涂层，其中涂层由低导热率无机固体材料与气孔构成，利用溶胶-凝胶聚合而成，在超临界状态或常压下降该凝胶干燥，即可得多孔气膜层。

表面修饰，该步骤可以采用蒸镀法修饰也可以采用其他如先浸泡后烘干的修饰方法而实现。具体为将待修饰样品放入已经升温至120 ℃，蒸镀2h待降至常温后取出。或者用2%的FAS乙醇溶液浸泡2h,接着在已升温至80℃的烘箱中恒温1h,待降至常温后取出备用。

性能测试。将样品以正面朝下的方式分别放置于50 ℃、70 ℃、90 ℃的恒温水面，通过红外测量仪对其背面进行温度测试，结果发现，样品背面温度与室温差异较小（0 ～ 10 ℃ 以内）。这种测试方法直接而定量地证明了超疏水隔热涂层具有很好的隔热效果。

实施例3

1. 超疏水隔热多孔涂层，其中涂层由低导热率有机-无机纳米杂化固体材料与气孔构成，利用自由基聚合得到多孔气膜涂层。

表面修饰，该步骤可以采用蒸镀法修饰也可以采用其他如先浸泡后烘干的修饰方法而实现。具体为将待修饰样品放入已经升温至120 ℃，蒸镀2h待降至常温后取出。或者用2%的FAS乙醇溶液浸泡2h,接着在已升温至80 ^oC的烘箱中恒温1h,待降至常温后取出备用。

性能测试。将样品以正面朝下的方式分别放置于50 ℃、70℃、90 ℃的恒温水面，通过红外测量仪对其背面进行温度测试，结果发现，样品背面温度与室温差异较小（0 ～ 10 ℃ 以内）。这种测试方法直接而定量地证明了超疏水隔热涂层具有很好的隔热效果。

需要说明的是，在本说明书中术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个…”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

应当理解，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种超疏水隔热涂层，其特征在于主要是由对于不同温度的水体均具有超疏水以及隔热效果的多孔气膜层构成，所述多孔气膜层包括：

低导热率的固相材料，

以及，分布在所述固相材料内或固相材料之间的多个气孔；

其中，所述多孔气膜层内的气孔孔径为10 ～ 300nm，孔隙率为85 ～ 99%。

2.根据权利要求1所述的超疏水隔热涂层，其特征在于所述涂层的导热系数为0.01 ～ 0.18W/k?m。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的超疏水隔热涂层，其特征在于所述涂层表面还具有凹凸不平的微结构。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的超疏水隔热涂层，其特征在于所述多孔气膜层表面还修饰有低表面能物质。

5.根据权利要求4所述的超疏水隔热涂层，其特征在于所述低表面能物质包括氟硅烷、硅氧烷、聚四氟乙烯、硅烷偶联剂或高级脂肪酸。

6.根据权利要求1所述的超疏水隔热涂层，其特征在于所述低导热率的固相材料包括有机物、无机物或有机-无机纳米杂化材料。

7.根据权利要求1或6所述的超疏水隔热涂层，其特征在于所述低导热率的固相材料包括氧化锌、氧化铁、全氟代聚甲基硅氧烷、烷烃、PA6/SiO₂有机-无机杂化材料、POSS/聚合物有机-无机杂化材料。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的超疏水隔热涂层，其特征在于所述涂层厚度为0.5 ～ 10 μm。

9.一种超疏水隔热涂层的制备方法，其特征在于包括：空气填充在低导热率的固相材料之间形成多孔气膜层，

其中，所述多孔气膜层内的气孔孔径为10 ～ 300nm，孔隙率为85 ～ 99%，

所述涂层的导热系数为0.01 ～ 0.18W/k?m。

10.根据权利要求9所述超疏水隔热涂层的制备方法，其特征在于还包括：在所述多孔气膜层表面修饰低表面能物质，从而使所述涂层表面呈现超疏水特性，

所述修饰的方法包括蒸镀法或浸泡-烘干法，

所述低表面能物质包括氟硅烷、硅氧烷、聚四氟乙烯、硅烷偶联剂或高级脂肪酸。