CN105419597A - 一种环保隔热涂料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种环保隔热涂料，由以下重量百分比的组分组成：成膜剂30-40％，SiO2/TiO2/ZrO2/Al2O3复合纳米气凝胶10-20％，聚乙烯吡咯烷酮分散剂2-3％，余量为体积浓度为10％的异丙醇水溶液；所述成膜剂为有机氟改性或有机硅改性的聚氨酯乳液。所述SiO2/TiO2/ZrO2/Al2O3复合纳米气凝胶中SiO2、TiO2、ZrO2、Al2O3摩尔分数分别为65-75％、10-20％、5-15％、1-10％。本发明的环保隔热涂料，可实现导热系数为0.02～0.1W/MK，半球反射率85-90％，太阳能反射率大于0.87-0.90。可广泛用于建筑、汽车、化工、船舶等领域。

Description

一种环保隔热涂料
技术领域
本发明涉及一种环保隔热涂料，属于涂料技术领域。
背景技术
隔热涂料是一种功能性涂料，其从特性原理分类主要有三种：阻隔型隔热涂料、反射型隔热涂料和辐射型隔热涂料。
阻隔型隔热涂料是通过对热传递的显著阻抗性来实现隔热的涂料。热传递是通过对流、辐射及分子振动热传导3种途径来实现的。阻隔型绝热涂料涂装成膜后膜中充满着孔隙，因而涂膜的密度很低，其导热系数一般小于0.06W/m2·K，所以具有很好的绝热性能，阻隔型隔热涂料在实际应用中的绝热效果与涂膜厚度密切相关。阻隔型隔热涂料原材料易得，生产设备简单，投入少产出大施工方便，适于弯头、阀门、旋转体、球体等异形体的保温施工，可不停工对热管、设备进行施工。其缺点是对降低对流和辐射传热效果差且保温层较厚，吸水率高，不抗振动，使用寿命短，而且为了形成一个稳定的保温体系，还需另设防水层及外护层。
反射型隔热涂料是利用涂膜对光和热的高反射作用使太阳照射到涂膜上的大部分能量得到反射，而不是被涂膜吸收。这类涂料是在涂料中添加中空玻璃或陶瓷微珠，或添加铝基反光隔热涂料，通过选择合适的树脂、金属、或金属氧化物颜、填料及生产工艺，制得高反射率涂层。这类涂膜本身的导热系数很小，绝热性能很好，这就阻止了热量通过涂膜的传导。反射型隔热涂料要保持长时间的稳定，需要使用有机溶剂，因此大多数反射隔热涂料为溶剂体系，不环保。
辐射隔热涂料是通过辐射的形式把建筑物吸收的日照光线和热量以一定的波长发射到空气中，从而达到良好隔热降温效果的涂料。其主要是通过使抵达建筑物表面的辐射转化为热反射电磁波辐射到大气中而达到隔热的目的。在涂料中添加3％～4％的远红外粉体可以大大提高涂层的红外辐射能力。使涂层的辐射系数达到0.88以上。，加入量超过5％时，涂层的辐射系数开始下降。作为热辐射源的高辐射系数的远红外辐射材料有金属氧化物、碳化物、氮化物和硼化物。采用几种高辐射系数的远红外辐射材料，使其与固有发射波长相吻合加入以稀土元素为主的活化剂，以提高常温下的发射率。但是辐射型隔热涂料基料的选取和烧结工艺比较复杂，要想达到稳定的发射率还需进一步地深入研究。
隔热保温涂料向水性、环保、复合型等多功能方向发展，避免使用环保法规中禁用的有害物质。一种保温效果良好的涂料往往是两种或多种隔热机理协同作用的结果，各种保温涂料各有其优缺点，可充分发挥各自的特点，进行优势互补，研制出性能优良的复合型保温涂料。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服阻隔型隔热涂料、反射型隔热涂料和辐射型隔热涂料的缺点，提供一种制备简单、水性环保、隔热效果好、涂料性能稳定且具有自清洁作用的纳米隔热涂料。
一种环保隔热涂料，由以下重量百分比的组分组成：
成膜剂30-40％，SiO2/TiO2/ZrO2/Al2O3复合纳米气凝胶10-20％，聚乙烯吡咯烷酮分散剂2-3％，余量为体积浓度为10％的异丙醇水溶液；所述成膜剂为有机氟改性或有机硅改性的聚氨酯乳液。
所述聚乙烯吡咯烷酮的K值为30。
上述环保隔热涂料，优选的，由以下重量百分比的组分组成：
成膜剂35-40％，SiO2/TiO2/ZrO2/Al2O3复合纳米气凝胶15-20％，聚乙烯吡咯烷酮分散剂2-3％，余量为体积浓度为10％的异丙醇水溶液。
上述环保隔热涂料，最佳的，由以下重量百分比的组分组成：
成膜剂35％，SiO2/TiO2/ZrO2/Al2O3复合纳米气凝胶20％，聚乙烯吡咯烷酮分散剂3％，余量为体积浓度为10％的异丙醇水溶液。
所述SiO2/TiO2/ZrO2/Al2O3复合纳米气凝胶中SiO2、TiO2、ZrO2、Al2O3摩尔分数分别为65-75％、10-20％、5-15％、1-10％。
所述SiO2/TiO2/ZrO2/Al2O3复合纳米气凝胶中SiO2、TiO2、ZrO2、Al2O3摩尔分数，优选的，分别为70％、15％、10％、5％。
所述环保隔热涂料按如下方法制备：
(1)将聚乙烯吡咯烷酮分散剂、SiO2/TiO2/ZrO2/Al2O3复合纳米气凝胶和少量体积浓度为10％的异丙醇水溶液制成的浆料加入到星行式高能球磨反应器的球磨罐内，球磨2-3小时；球磨机公转速度为800-1100rpm，每隔30min改变一次球磨机旋转方向；然后超声分散于体积浓度为10％的异丙醇水溶液中，制备分散液；超声分散机的功率为250-500w；超声时间为1-2h；
(2)将上述制备的分散液和成膜剂混合，超声搅拌，得到环保隔热涂料；超声分散机的功率为250-500w；超声时间为5-6h。
上述环保隔热涂料，可实现导热系数为0.02～0.1W/MK，半球反射率85-90％，太阳能反射率大于0.87-0.90。
将本发明的环保隔热涂料可广泛用于建筑、汽车、化工、船舶等领域，可通过涂覆浸涂、辊涂、幕涂、喷涂、刷涂中的一种或多种结合的方式进行涂覆的基材进行涂覆，涂覆厚度为150微米以下。
有机氟改性即将含氟单体或有机氟基团共聚到水基高分子材料的聚合物主链中，其中可选择含端基-CF3
有机硅改性水性聚氨酯的方法主要有烷氧基硅烷交联改性法、硅醇改性法、氨烷基封端的聚硅氧烷改性法和羟烷基封端的聚硅氧烷改性法。
本发明的环保隔热涂料与现有技术相比，具有下述优点：
1、本发明的环保隔热涂料采用SiO2/TiO2/ZrO2/Al2O3复合纳米气凝胶，通过以SiO2气凝胶粒子作为载体，有效负载纳米TiO2·ZrO2·Al2O3纳米粒子，并且在聚乙烯吡咯烷酮分散剂作用下，与乳液成膜剂相互作用创造“真空状态”，从而降低分子振动热传导和对流热传导率，提高反射率。复合气凝胶各组分的有效组合充分体现了气凝胶的功能特点，即涂膜中气孔的直径小至纳米数量级时(如小于50nm)，气孔内的空气分子将完全被吸附在气孔壁上而不能自由运动，这样的气孔实际上相当于真空状态。如果保持涂膜的体积密度及其中的气孔直径足够小，则可以使涂膜的分子振动热传导和对流热传导率接近于0；而且，众多足够小的微孔使得涂膜中界面的数量趋于无穷多，可以使材料内部有非常多的反射界面，从而使辐射热传导的效率趋近于0。
2、本发明的环保隔热涂料采用SiO2/TiO2/ZrO2/Al2O3复合纳米气凝胶组分中氧化钛还具有热反射的作用，氧化锆还可以提高材料的表面硬度，稳定保温体系，氧化铝提高材料的物理性能和热辐射性能。
3、有机氟改性或有机硅改性的聚氨酯乳液成膜剂，得到的隔热涂料表面与水的疏水接触角大于150°，表面可提高涂料表面的疏水性和自清洁效果，聚乙烯吡咯烷酮分散剂不但可以有效提高复合纳米气凝胶颗粒间的空间位阻，充分分散纳米颗粒，而且与氟改性或有机硅改性的聚氨酯乳液具有良好的相似相容特性，以提高涂料的综合性能。
4、本发明的环保隔热涂料，可实现导热系数为0.02～0.1W/MK，半球反射率85-90％，太阳能反射率大于0.87-0.90。
将本发明的的涂料进行如下测评，结果如表1：
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例，对本发明作进一步详细的说明。
本发明的所有实施例中的试剂和原料如无特殊说明，均为市售商品。
其中，本发明中的SiO2/TiO2/ZrO2/Al2O3复合纳米气凝胶可采用溶胶-凝胶法-常压干燥制备。
具体为：
称取特定质量的钛、锆、铝及硅的化合物。
以Al(NO3)3·9H2O为先驱体、蒸馏水为溶剂、氨水为催化剂，制备AlOOH溶胶，水浴温度80-90℃，pH＞12。反应1小时候利用硝酸胶溶，制备AlOOH溶胶，浓度为1-5mol/L。
将(BuO)4Ti、ZrOCl2·8H2O、TEOS按一定比例加入到无水乙醇中，其中(BuO)4Ti、ZrOCl2·8H2O、TEOS的摩尔浓度分别为0.1-1mol/L。加入少量水，水与无水乙醇的体积比1-2∶30，以盐酸为催化剂，调节pH为2-3，陈化2小时，制得SiO2-ZrO2-TiO2复合溶胶。
将制备好的AlOOH溶胶和SiO2-ZrO2-TiO2复合溶胶按一定比例相混合，搅拌10-30min，水浴温度330℃，反应1-2小时，制备四组分复合溶胶。
室温下静置使之成为凝胶，将凝胶在室温下老化48小时后，再加入无水乙醇，使凝胶浸泡于其中，50℃老化24小时，然后冷却至室温后进行表面疏水处理48小时，然后在60℃下干燥48小时，得到SiO2/TiO2/ZrO2/Al2O3复合纳米气凝胶。表面处理剂为体积浓度为10-15％的三甲基氯硅烷正己烷溶液。
实施例1
(1)将2质量份的聚乙烯吡咯烷酮分散剂、10质量份的SiO2/TiO2/ZrO2/Al2O3复合纳米气凝胶和5质量份的体积浓度为10％的异丙醇水溶液制成的浆料加入到星行式高能球磨反应器的球磨罐内，球磨2小时；球磨机公转速度为800rpm，每隔30min改变一次球磨机旋转方向；然后超声分散于53质量份的体积浓度为10％的异丙醇水溶液中，制备分散液；超声分散机的功率为250w；超声时间为1h；
(2)将上述制备的分散液和30质量份有机氟改性的聚氨酯乳液混合，超声搅拌，得到环保隔热涂料；超声分散机的功率为250w；超声时间为5h。
其中，SiO2/TiO2/ZrO2/Al2O3复合纳米气凝胶中SiO2、TiO2、ZrO2、Al2O3摩尔分数分别为65％、10％、15％、10％。
将制备的环保隔热涂料涂覆在车体表面，厚度100微米，经测试其导热系数为0.045W/MK，半球反射率85％。太阳能反射率0.89。
实施例2
(1)将3质量份聚乙烯吡咯烷酮分散剂、15质量份的SiO2/TiO2/ZrO2/Al2O3复合纳米气凝胶和7质量份的体积浓度为10％的异丙醇水溶液制成的浆料加入到星行式高能球磨反应器的球磨罐内，球磨3小时；球磨机公转速度为900rpm，每隔30min改变一次球磨机旋转方向；然后超声分散于40质量份体积浓度为10％的异丙醇水溶液中，制备分散液；超声分散机的功率为400w；超声时间为2h；
(2)将上述制备的分散液和35质量份有机硅改性的聚氨酯乳液混合，超声搅拌，得到环保隔热涂料；超声分散机的功率为400w；超声时间为6h。
其中，SiO2/TiO2/ZrO2/Al2O3复合纳米气凝胶中SiO2、TiO2、ZrO2、Al2O3摩尔分数分别为70％、10％、15％、5％。
将制备的环保隔热涂料涂覆在船体表面，厚度100微米，经测试其导热系数为0.057W/MK，半球反射率88％。太阳能反射率0.90。
实施例3
(1)将3质量份聚乙烯吡咯烷酮分散剂、20质量份的SiO2/TiO2/ZrO2/Al2O3复合纳米气凝胶和3质量份的体积浓度为10％的异丙醇水溶液制成的浆料加入到星行式高能球磨反应器的球磨罐内，球磨3小时；球磨机公转速度为1100rpm，每隔30min改变一次球磨机旋转方向；然后超声分散于39质量份的体积浓度为10％的异丙醇水溶液中，制备分散液；超声分散机的功率为500w；超声时间为2h；
(2)将上述制备的分散液和35质量份有机硅改性的聚氨酯乳液成膜剂混合，超声搅拌，得到环保隔热涂料；超声分散机的功率为500w；超声时间为6h。
其中，SiO2/TiO2/ZrO2/Al2O3复合纳米气凝胶中SiO2、TiO2、ZrO2、Al2O3摩尔分数分别为70％、15％、10％、5％。
将制备的环保隔热涂料涂覆在车体表面，厚度150微米，经测试其导热系数为0.02W/MK，半球反射率90％。太阳能反射率0.90。
实施例4
(1)将3质量份的聚乙烯吡咯烷酮分散剂、20质量份的SiO2/TiO2/ZrO2/Al2O3复合纳米气凝胶和7质量份的体积浓度为10％的异丙醇水溶液制成的浆料加入到星行式高能球磨反应器的球磨罐内，球磨2.5小时；球磨机公转速度为1000rpm，每隔30min改变一次球磨机旋转方向；然后超声分散于30质量份的体积浓度为10％的异丙醇水溶液中，制备分散液；超声分散机的功率为500w；超声时间为2h；
(2)将上述制备的分散液和40质量份的有机硅改性的聚氨酯乳液成膜剂混合，超声搅拌，得到环保隔热涂料；超声分散机的功率为500w；超声时间为6h。
其中，SiO2/TiO2/ZrO2/Al2O3复合纳米气凝胶中SiO2、TiO2、ZrO2、Al2O3摩尔分数分别为70％、20％、9％、1％。
将制备的环保隔热涂料涂覆在车体表面，厚度150微米，经测试其导热系数为0.1W/MK，半球反射率89％。太阳能反射率0.87。
实施例5
(1)将3质量份的聚乙烯吡咯烷酮分散剂、15质量份的SiO2/TiO2/ZrO2/Al2O3复合纳米气凝胶和5质量份的体积浓度为10％的异丙醇水溶液制成的浆料加入到星行式高能球磨反应器的球磨罐内，球磨2-3小时；球磨机公转速度为800-1100rpm，每隔30min改变一次球磨机旋转方向；然后超声分散于42质量份的体积浓度为10％的异丙醇水溶液中，制备分散液；超声分散机的功率为300-500w；超声时间为1-2h；
(2)将上述制备的分散液和35质量份的有机硅改性的聚氨酯乳液成膜剂混合，超声搅拌，得到环保隔热涂料；超声分散机的功率为300-500w；超声时间为5-6h。
其中，SiO2/TiO2/ZrO2/Al2O3复合纳米气凝胶中SiO2、TiO2、ZrO2、Al2O3摩尔分数分别为75％、10％、5％、10％。
将制备的环保隔热涂料涂覆在建筑物表面，厚度100微米，经测试其导热系数为0.1W/MK，半球反射率88％。太阳能反射率0.89。

Claims (8)

1.一种环保隔热涂料，其特征在于，由以下重量百分比的组分组成：
成膜剂30-40％，SiO2/TiO2/ZrO2/Al2O3复合纳米气凝胶10-20％，聚乙烯吡咯烷酮分散剂2-3％，余量为体积浓度为10％的异丙醇水溶液；所述成膜剂为有机氟改性或有机硅改性的聚氨酯乳液。
2.根据权利要求1所述的环保隔热涂料，其特征在于，所述聚乙烯吡咯烷酮的K值为30。
3.根据权利要求1或2所述的环保隔热涂料，其特征在于，由以下重量百分比的组分组成：
成膜剂35-40％，SiO2/TiO2/ZrO2/Al2O3复合纳米气凝胶15-20％，聚乙烯吡咯烷酮分散剂2-3％，余量为体积浓度为10％的异丙醇水溶液。
4.根据权利要求1或2所述的环保隔热涂料，其特征在于，由以下重量百分比的组分组成：
成膜剂35％，SiO2/TiO2/ZrO2/Al2O3复合纳米气凝胶20％，聚乙烯吡咯烷酮分散剂3％，余量为体积浓度为10％的异丙醇水溶液。
5.根据权利要求1-4任一项所述的环保隔热涂料，其特征在于，所述SiO2/TiO2/ZrO2/Al2O3复合纳米气凝胶中SiO2、TiO2、ZrO2、Al2O3摩尔分数分别为65-75％、10-20％、5-15％、1-10％。
6.根据权利要求5所述的环保隔热涂料，其特征在于，所述SiO2/TiO2/ZrO2/Al2O3复合纳米气凝胶中SiO2、TiO2、ZrO2、Al2O3摩尔分数分别为70％、15％、10％、5％。
7.根据权利要求1-6任一项所述的环保隔热涂料，其特征在于，所述环保隔热涂料按如下方法制备：
(1)将聚乙烯吡咯烷酮分散剂、SiO2/TiO2/ZrO2/Al2O3复合纳米气凝胶和少量体积浓度为10％的异丙醇水溶液制成的浆料加入到星行式高能球磨反应器的球磨罐内，球磨2-3小时；球磨机公转速度为800-1100rpm，每隔30min改变一次球磨机旋转方向；然后超声分散于体积浓度为10％的异丙醇水溶液中，制备分散液；超声分散机的功率为300-500w；超声时间为1-2h；
(2)将上述制备的分散液和成膜剂混合，超声搅拌，得到环保隔热涂料；超声分散机的功率为300-500w；超声时间为5-6h。
8.根据权利要求1-7任一项所述的环保隔热涂料，其特征在于，所述环保隔热涂料导热系数为0.02～0.1W/MK，半球反射率85-90％。太阳能反射率大于0.90。
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