CN105820690B - 一种水性二氧化硅气凝胶反射隔热涂料的制备方法与应用 - Google Patents

一种水性二氧化硅气凝胶反射隔热涂料的制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种水性二氧化硅气凝胶反射隔热涂料的制备方法与应用，针对二氧化硅气凝胶的表面改性做了大量的工作，使其可以在不影响其微观结构特征的前提下，经过处理，添加到水性隔热反射涂料中，在绿色环保的前提下，达到节能减排隔热保温的效果，其制备方法简单，成本低，是一种有着较少经济投入和较高环境回报的节能减排绿色涂料，另外，本发明还提供了上述水性二氧化硅气凝胶反射隔热涂料的应用。

Description

一种水性二氧化硅气凝胶反射隔热涂料的制备方法与应用
技术领域
本发明涉及一种水性二氧化硅气凝胶反射隔热涂料的制备方法与应用。应用于建筑、石油化工、汽车、家电、运动机械、帐篷、服装等隔热保温领域，起到节能环保和隔热保温的效果。
背景技术
气凝胶是一种固体物质形态，是世界上密度最小的固体。一般常见的气凝胶为硅气凝胶。二氧化硅气凝胶是一种保温隔热性能非常优秀的轻质纳米多孔非晶固体材料，其孔隙率高达80-99.8％，孔洞的典型尺寸为1-100nm，比表面积为200-1000㎡/g，而密度可低至3kg/m3，室温导热系数低是目前热导率最低的固态材料。
气凝胶的独特结构特征使其在功能型材料中有着重要的应用。从分形结构方面来看，二氧化硅气凝胶是一种结构可控的纳米多孔材料。二氧化硅气凝胶中的纤细的纳米网络结构能有效地限制局域热激发的传播，其固态热导率比相应的玻璃态材料低2-3个数量级。二氧化硅气凝胶内部结构中的纳米微孔洞也能抑制气体分子的热传导。
目前亲水的二氧化硅气凝胶与水接触后，其内部结构会变的不稳定甚至会遭到破坏，从而失去隔热保温的特性。因而市面在售的二氧化硅气凝胶都是疏水的，但这一性质限制了其在环保的水性涂料中的应用，而更多的被应用于溶剂型涂料、粉末型涂料、较厚的保温毡和水泥砂浆隔热保温材料中。传统水性隔热保温涂料通过添加玻璃微珠或漂珠达到隔热保温的效果，但受玻璃微珠和漂珠自身结构的影响，传统水性隔热保温涂料有着隔热保温效果有限，玻璃微珠或漂珠添加量较大，涂膜表面细腻度差等缺点。而近几年的气凝胶在隔热保温材料中的应用主要集中在将气凝胶以2-30㎜的厚度涂覆于材料表面，有着厚度较大，固化时间长，用量大，成本较高和不环保等缺点。
本发明针对二氧化硅气凝胶的表面改性做了大量的工作，使其可以在不影响其微观结构特征的前提下，经过处理，添加到水性隔热反射涂料中，在绿色环保的前提下，达到节能减排隔热保温的效果。
发明内容
为了解决上述问题，本发明公开了一种水性二氧化硅气凝胶反射隔热涂料的制备方法，包括：步骤一：用表面处理剂对疏水性二氧化硅气凝胶进行处理制得改性二氧化硅气凝胶水溶液，上述改性二氧化硅气凝胶水溶液能与水性树脂相溶；步骤二：将水、润湿剂、分散剂、消泡剂、颜填料、改性二氧化硅气凝胶水溶液经过高速分散和研磨制得粒径小于40μm的浆液；步骤三：依次加入成膜物质、成膜助剂、防腐剂、流平剂搅拌均匀，加入增稠剂调至合理粘度即可。
根据上述的一种水性二氧化硅气凝胶反射隔热涂料的制备方法，进一步地，步骤一包括:利用硅烷偶联剂A-171和/或硅烷偶联剂KH-560、非离子表面活性剂、阴-非离子活性乳化剂在20-80℃下对疏水性二氧化硅气凝胶表面进行改性1-3h，得到初步溶于水的改性气凝胶；之后再将水溶性高分子聚乙烯醇-2000加入至上述初步溶于水的改性气凝胶中，在30-50℃下搅拌混合2h，利用其对改性气凝胶进行包覆，向包覆过的改性气凝胶中加入蒸馏水，在25-40℃下搅拌混合1h，得到改性二氧化硅气凝胶水溶液。
另外，本发明还公开了一种水性二氧化硅气凝胶反射隔热涂料的应用，包括：在施工温度高于5℃的条件下，将上述任一水性二氧化硅气凝胶反射隔热涂料涂覆于基材表面，涂覆厚度为200μm，分两次涂覆，每次涂覆100μm，干燥2小时至表干后，再涂下一层，至完全干燥得到水性二氧化硅气凝胶反射隔热涂层。
有益效果
本发明的有益效果在于制得水性的、薄层的、绿色环保的反射隔热涂料及保温涂层。其制备方法简单，成本低，是一种有着较少经济投入和较高环境回报的节能减排绿色涂料。本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。
本发明的第一目的是用表面处理剂对疏水性二氧化硅气凝胶进行表面改性得到与水性树脂相溶性良好的改性二氧化硅气凝胶水溶液。
根据上述制备方法，进一步地，表面处理剂包括硅烷偶联剂A-171(乙烯基三甲氧基硅烷)和/或硅烷偶联剂KH-560(γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷)、非离子表面活性剂(如：非离子表面活性剂FS-3100)、阴-非离子活性乳化剂(阴-非离子活性乳化剂CO-436)和水溶性高分子聚乙烯醇-2000。
根据上述制备方法，进一步地，包括:利用硅烷偶联剂A-171和/或硅烷偶联剂KH-560、非离子表面活性剂、阴-非离子活性乳化剂在20-80℃下对疏水性二氧化硅气凝胶表面进行改性1-3h，得到初步溶于水的改性气凝胶；之后再将水溶性高分子聚乙烯醇-2000加入至上述初步溶于水的改性气凝胶中，在30-50℃下搅拌混合2h，利用其对改性气凝胶进行包覆，向包覆过的改性气凝胶中加入蒸馏水，在25-40℃下搅拌混合1h，得到与水性树脂相溶性良好的改性二氧化硅气凝胶水溶液。
根据上述制备方法，进一步地，疏水性二氧化硅气凝胶、改性剂、水溶性高分子聚乙烯醇-2000和水的质量比见表1，改性剂中的硅烷偶联剂A-171和/或硅烷偶联剂KH-560、非离子表面活性剂和阴-非离子活性乳化剂的质量比见表2，其中，当硅烷偶联剂A-171和硅烷偶联剂KH-560同时存在时，其质量比为1:1。
表1
表2
根据上述的一种水性二氧化硅气凝胶反射隔热涂料的制备方法，进一步地，疏水性二氧化硅气凝胶的堆积密度为30-50kg/m3，常温导热系数为0.01-0.04W/m.K。
本发明的第二目的是将水、润湿剂、分散剂、消泡剂、颜填料、改性二氧化硅气凝胶水溶液经过高速分散和研磨制得粒径小于40μm的浆液；然后，依次加入成膜物质、成膜助剂、防腐剂、流平剂搅拌均匀，加入增稠剂调至合理粘度，得到水性二氧化硅气凝胶反射隔热涂料。
根据上述制备方法，进一步地，成膜物质包括纯丙乳液和/或苯丙乳液。
根据上述制备方法，进一步地，成膜助剂的优选醇酯十二。
根据上述制备方法，进一步地，上述润湿剂、分散剂、消泡剂、颜填料、防腐剂、流平剂和增稠剂均为所属领域常用助剂，其中，润湿剂选自迪高270、亨斯曼OT-75和先创SW-452中的一种或多种；分散剂选自陶氏BD-405、迪高-740w和诺普科-5020中的一种或多种；消泡剂选自EFKA-2550、BYK-024和迪高-810中的一种或多种；颜填料选自改性气凝胶、钛白R902+、滑石粉、高岭土、膨润土、硅灰石、海泡石粉和超细膨胀珍珠岩粉中的一种或多种；防腐剂选自罗门哈斯LXE-150和/或BT-20；流平剂选自BYK-333和/或迪高450；增稠剂选自TT-935和/或UH-450(非离子型)。
根据上述制备方法，进一步地，上述改性二氧化硅气凝胶水溶液质量分数为10％时，水、润湿剂、分散剂、消泡剂、颜填料、改性二氧化硅气凝胶水溶液、成膜物质、成膜助剂、防腐剂、流平剂和增稠剂的质量比见表3。
表3
本发明的第三目的是提供一种水性二氧化硅气凝胶反射隔热涂料的应用，包括：在施工温度高于5℃的条件下，将上述水性二氧化硅气凝胶反射隔热涂料涂覆于基材表面，涂覆厚度为200μm，分两次涂覆，每次涂覆100μm，干燥2小时至表干后，再涂下一层，至完全干燥(养护7天)得到水性二氧化硅气凝胶反射隔热涂层。
根据上述应用，进一步地，基材包括金属、建筑、汽车、运动器材、户外用品、石油化工器件、帐篷和服装，但不局限于此。
现以以下三个具体实施例来说明本发明，但不局限于本发明的范围。
实施例1：
按表4所示称取一定量的水、润湿剂、分散剂、消泡剂、颜填料和质量分数为10％的改性二氧化硅气凝胶水溶液经高速分散和研磨制得粒径小于40μm的浆液。依次加入成膜物质、成膜助剂、防腐剂、流平剂搅拌均匀，加入增稠剂调至合理粘度即可。
表4
取上述涂料，在施工温度高于5℃的条件下，将上述涂料涂覆于平整的建筑或金属等材料表面，涂覆厚度为200μm，分两次涂覆，每次100μm，干燥2小时至表干后，再涂下一层，至完全干燥即可得到水性二氧化硅气凝胶反射隔热涂层1。
实施例2：
按表5所示称取一定量的水、润湿剂、分散剂、消泡剂、颜填料和质量分数为10％的改性二氧化硅气凝胶水溶液经高速分散和研磨制得粒径小于40μm的浆液。依次加入成膜物质、成膜助剂、防腐剂、流平剂搅拌均匀，加入增稠剂调至合理粘度即可。
表5
取上述涂料，在施工温度高于5℃的条件下，将上述涂料涂覆于平整的建筑或金属等材料表面，涂覆厚度为200μm，分两次涂覆，每次100μm，干燥2小时至表干后，再涂下一层，至完全干燥即可得到水性二氧化硅气凝胶反射隔热涂层2。
实施例3：
按表6所示称取一定量的水、润湿剂、分散剂、消泡剂、颜填料和质量分数为10％的改性二氧化硅气凝胶水溶液经高速分散和研磨制得粒径小于40μm的浆液。依次加入成膜物质、成膜助剂、防腐剂、流平剂搅拌均匀，加入增稠剂调至合理粘度即可。
表6
取上述涂料，在施工温度高于5℃的条件下，将上述涂料涂覆于平整的建筑或金属等材料表面，涂覆厚度为200μm，分两次涂覆，每次100μm，干燥2小时至表干后，再涂下一层，至完全干燥即可得到水性二氧化硅气凝胶反射隔热涂层3。
性能测试：
取符合反射隔热涂料标准的未添加二氧化硅气凝胶的水性反射隔热涂料与实施例1、实施例2和实施例3中制得的含二氧化硅气凝胶的水性反射隔热涂料做对比。以纤维复合水泥压力板为基板，样板制作过程相同，经测定，对比结果如表7所示
表7
普通反射隔热涂料 实施例1 实施例2 实施例3
粘度(KU) 103 94 95 94
耐洗刷(次) 1200 2500 2500 2500
发射率 0.80 0.90 0.89 0.91
导热系数(W/m.K) 0.15 0.04 0.03 0.03
由表7可以看出，实施例1、实施例2和实施例3制得的水性二氧化硅气凝胶反射隔热涂料粘度较普通反射隔热涂料的稳定粘度更低，更易施工；与普通反射隔热涂层相比，实施例1、实施例2和实施例3制得的水性二氧化硅气凝胶反射隔热涂层的耐洗刷性均提升了1倍以上；对比率分别提高了12.5％、11.3％和13.8％；导热系数分别降低了73.3％、80％和80％；实施例1、实施例2和实施例3制得的水性二氧化硅气凝胶反射隔热涂料在提高了涂层发射率的基础上大幅降低了涂层的导热系数，有着更好的节能减排效果。
以上详细描述了本发明的实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案和加热材质进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (6)

1.一种水性二氧化硅气凝胶反射隔热涂料的制备方法，其特征在于：所述方法包括：
步骤一：用表面处理剂对疏水性二氧化硅气凝胶进行处理制得改性二氧化硅气凝胶水溶液，上述改性二氧化硅气凝胶水溶液能与水性树脂相溶；
步骤二：将水、润湿剂、分散剂、消泡剂、颜填料、改性二氧化硅气凝胶水溶液经过高速分散和研磨制得粒径小于40μm的浆液；
步骤三：依次加入成膜物质、成膜助剂、防腐剂、流平剂搅拌均匀，加入增稠剂调至合理粘度即可；
其中，所述表面处理剂包括改性剂和水溶性高分子聚乙烯醇-2000，其中改性剂包括硅烷偶联剂A-171和硅烷偶联剂KH-560中至少一种、非离子表面活性剂以及阴-非离子活性乳化剂；
其中，所述步骤一包括:
利用所述改性剂在20-80℃下对疏水性二氧化硅气凝胶表面进行改性1-3h，得到初步溶于水的改性气凝胶；
之后再将水溶性高分子聚乙烯醇-2000加入至上述初步溶于水的改性气凝胶中，在30-50℃下搅拌混合2h，利用其对改性气凝胶进行包覆，向包覆过的改性气凝胶中加入蒸馏水，在25-40℃下搅拌混合1h，得到改性二氧化硅气凝胶水溶液；
所述疏水性二氧化硅气凝胶、所述改性剂、所述水溶性高分子聚乙烯醇-2000和水的质量比为100:15-50:5-50:800-880，所述改性剂中的所述硅烷偶联剂A-171和/或硅烷偶联剂KH-560、所述非离子表面活性剂和所述阴-非离子活性乳化剂的质量比为2:1-3:3-6。
2.根据权利要求1所述的一种水性二氧化硅气凝胶反射隔热涂料的制备方法，其特征在于：所述疏水性二氧化硅气凝胶的堆积密度为30-50kg/m3，常温导热系数为0.01-0.04W/m.K。
3.根据权利要求1所述的一种水性二氧化硅气凝胶反射隔热涂料的制备方法，其特征在于：所述成膜物质包括纯丙乳液和/或硅丙乳液。
4.根据权利要求1所述的一种水性二氧化硅气凝胶反射隔热涂料的制备方法，其特征在于：所述步骤二中的所述改性二氧化硅气凝胶水溶液质量分数为10％时，所述水、所述润湿剂、所述分散剂、所述消泡剂、所述颜填料、所述改性二氧化硅气凝胶水溶液、成膜物质、成膜助剂、防腐剂、流平剂和增稠剂的质量比为93-117:2:3-5:2:300-400:100-200:350-370:17-19:2:2:3-6。
5.一种水性二氧化硅气凝胶反射隔热涂料的应用，其特征在于：所述应用包括：在施工温度高于5℃的条件下，将根据权利要求1-4中任一所述水性二氧化硅气凝胶反射隔热涂料涂覆于基材表面，涂覆厚度为200μm，分两次涂覆，每次涂覆100μm，干燥2小时至表干后，再涂下一层，至完全干燥得到水性二氧化硅气凝胶反射隔热涂层。
6.根据权利要求5所述的一种水性二氧化硅气凝胶反射隔热涂料的应用，其特征在于：所述基材包括金属、建筑、汽车、运动器材、户外用品、石油化工器件、帐篷和服装。
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