CN109722121A - 一种富勒烯改性的防火隔热涂层材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种富勒烯改性的防火隔热涂层材料及其制备方法，属于涂料技术领域。该防火隔热涂层材料为水性环保涂料，其包括以下按照重量份计的原料：树脂乳液15～42份、颜填料14～51份、助剂3～11份、碳纤维0.3～5份、富勒烯0.02～4份、纳米空心多孔隔热填料3～12份、防火剂1～10份、去离子水16～50份。本发明制得的涂层材料同时具有防火、隔热和防腐的功能，避免了需要在设备或建筑表面反复涂覆不同的涂料，也避免了需要考虑不同涂料间的排斥性以及施工工艺的差异的问题，可以解决传统隔热涂料防腐效果欠佳等问题，从而可以广泛应用于民用建筑的外墙、工业设备、储罐和管道等的外表面喷涂。

Description

一种富勒烯改性的防火隔热涂层材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及涂料技术领域，具体是一种富勒烯改性的防火隔热涂层材料及其制备方法。

背景技术

石化企业的各类成品油储罐和槽罐车等设备表面温度快速上升，内部所储藏的化学品也随着显著升温，带来安全隐患。比如化学品储罐，夏季将出现呼吸效应在过去三十年，我国经济一直持续快速发展，引起全世界的关注。随着全球石化能源的日益枯竭，如何在有限的能源供给前提下保持经济的快速持续发展已经成为我国面临的严峻挑战。特别在炎热的夏季，如何在工业和民用领域实现节能减排已经成为全社会共同努力的方向。

在春夏两季，由于环境温度较高且日照时间增加，民用建筑室内的温度高居不下，空调能耗逐年增加，已经成为用能耗大户。另外，工业领域中的各类化学品储罐、特别是石油，每天损失的油量高达罐体总体积的的0.03%，带来大量的能源浪费。并且由于大部分的化学品蒸汽密度高于空气密度，其将沉降在储罐周围，带来严重的安全问题。为了解决上述问题，目前广泛采用的办法是大量喷淋冷水给设备降温，造成大量水资源浪费。与此同时，由于设备常年暴露在自然环境中，采用冷淋水喷淋容易引发储罐的锈蚀，显著缩短其使用寿命。传统的防锈漆可以抑制锈蚀的发生，但是功能单一，不能同时解决温度升高问题。近年来人们开发出隔热涂料，通过将太阳光中的红外线部分进行反射从而达到隔热的作用。目前比较成熟的国外技术包括日本专利JP98-120946的隔热涂料，虽然效果不错，但是其是油性涂料，在生产和使用过程中会对人及环境产生不良影响，而且防腐效果一般。

为了克服现有隔热涂料性能的不足，本发明公开了一种富勒烯改性的防火隔热涂层材料，同时实现碳纤维和富勒烯的强传热性能和机械性能、纳米隔热空心原料的隔绝红外线能力、防火填料的防火性能和改性树脂乳液的强附着力的协同作用。该涂料隔热效果明显，在夏季正午能有效降低设备表面温度，同时具有良好的防火性能，并且赋予设备良好的防腐性能，使用寿命长，可广泛适用于各类金属设备和民用建筑外墙表面。此外涂料的流平性，成膜性及干燥等性能较好，干燥后其机械性能和耐冲刷性高于国家相关标准。另外，此涂料配方不含有机溶剂、不含重金属、不含苯、甲醛等有害挥发气体，对人体及环境友好。

发明内容

本发明的目的在于提供一种富勒烯改性的防火隔热涂层材料及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种富勒烯改性的防火隔热涂层材料，为水性环保涂料，其包括以下按照重量份计的原料：树脂乳液15～42份、颜填料14～51份、助剂3～11份、碳纤维0.3～5份、富勒烯0.02～4份、纳米空心多孔隔热填料3～12份、防火剂1～10份、去离子水16～50份。

本发明采用的一种优选方案，所述的树脂乳液为环氧磷酸酯接枝后的有机硅改性的丙烯酸乳液，其固含量为40±7%，玻璃化温度为5～25℃。

本发明采用的另一种优选方案，所述的颜填料为二氧化钛、硫酸钡、硫酸钙、硫酸铝、硫酸铁、气相白炭黑、重质碳酸钙、轻质碳酸钙、滑石粉、膨润土、联苯胺黄、酞青蓝、氧化铁黄和永固红中的至少两种。

本发明采用的另一种优选方案，所述颜填料的最大颗粒尺寸为800目～3000目。

本发明采用的另一种优选方案，所述的助剂为润湿剂、分散剂、消泡剂、成膜剂、增稠剂、流平剂和防腐剂的一种或者几种。

本发明采用的另一种优选方案，所述碳纤维的平均直径为0.1～5μm，平均长度为5～2000μm；所述的富勒烯包括C₆₀和C₇₀，其平均直径为1～20nm。

本发明采用的另一种优选方案，所述的纳米多孔隔热填料为纳米陶瓷空心微珠、空心玻璃微珠和纳米空心纤维素中的一种或几种。

本发明采用的另一种优选方案，所述纳米多孔隔热填料的平均粒度为20～200nm。

本发明采用的另一种优选方案，所述的防火剂为纳米氧化铝、聚磷酸铵和季戊四醇中的一种或几种。

本发明还提供一种上述防火隔热涂层材料的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）按照上述各原料的重量份进行配料，备用；

（2）将上述配好的颜填料和防火剂加入到配好的去离子水中进行搅拌，并逐步加快搅拌速度直到1000～1500转/分，搅拌20～60分钟后，再加入一部分上述配好的助剂，搅拌均匀得到混合液；

（3）然后将上述配好的纳米多孔隔热填料、树脂乳液、碳纤维和富勒烯加入到上述得到的混合液中，继续搅拌10～50分钟，同时将搅拌速度降至500-900转/分后，加入上述剩下一部分的助剂，继续搅拌20～60分钟后，即可得到所述的防火隔热涂层材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明制得的涂层材料的使用寿命长，并且不含挥发性有机气体，对人体和环境友好；另外，该涂层材料具有附着力强、柔韧性好、耐候性强、耐化学品性能强的特点，以及具有防火、隔热和防腐的功能，避免了需要在设备或建筑表面反复涂覆不同的涂料，也避免了需要考虑不同涂料间的排斥性以及施工工艺的差异的问题。

（2）本发明制得的涂层材料采用多级隔热方案，通过添加纳米多孔隔热填料以及优选颜填料的最大尺寸来增加其对红外光的反射能力，从而最大限度地实现涂层材料的隔热性能。

（3）本发明通过优选的防火剂的添加比例，从而可以实现涂层材料达到A级的防火能力。

（4）本发明通过添加碳纤维和富勒烯，可以显著提升涂层材料的延展性能，使其在设备或建筑表面形成完备的保护膜，从而可以赋予其良好的防腐性能。

（5）本发明制得的涂层材料应用前景广阔，尤其适合在民用建筑外墙、石油化工厂的储罐和传输管道等设备的外表面使用。另外，使用本发明制得的涂层材料可显著降低储罐和传输管道等设备的温度，一般可使其外部温度比使用前降低20℃以上，同时具备较强防腐功能，解决了设备的腐蚀问题，从而可以实现节约能源以及延长设备使用寿命的目的。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

将140g二氧化钛和20g纳米氧化铝加入160g去离子水中，逐步加快搅拌速度直到1000转/分搅拌20分钟，加入6g分散剂、8g成膜剂、3g增稠剂和1g流平剂，得到分散均匀的混合液；然后将30g陶瓷微珠、150g环氧磷酸酯接枝后的有机硅改性的丙烯酸乳液、3g碳纤维和0.2g富勒烯加入混合液中，继续搅拌10分钟，同时将搅拌速率降至500转/分；最后加入4g分散剂、5g成膜剂、2g增稠剂和1g流平剂，搅拌20分钟后，即可得到防火隔热防腐环保涂料。

其中，上述环氧磷酸酯接枝后的有机硅改性的丙烯酸乳液的固含量为33%，玻璃化温度为5℃；上述二氧化钛的最大颗粒尺寸为800目；上述碳纤维的平均直径为0.1μm，平均长度为5μm；上述富勒烯包括C₆₀和C₇₀，其平均直径为1nm；上述的纳米多孔隔热填料的平均粒度为20nm。

实施例2

将510g二氧化钛和100g纳米氧化铝加入500g去离子水中，逐步加快搅拌速度直到1500转/分搅拌60分钟，加入22g分散剂、30g成膜剂、10g增稠剂和4g流平剂，得到分散均匀的混合液；然后将120g陶瓷微珠、420g环氧磷酸酯接枝后的有机硅改性的丙烯酸乳液、50g碳纤维和40g富勒烯加入混合液中，继续搅拌50分钟，同时将搅拌速率降至900转/分；最后加入16g分散剂、20g成膜剂、6g增稠剂和2g流平剂，搅拌60分钟后，即可得到防火隔热防腐环保涂料。

其中，上述环氧磷酸酯接枝后的有机硅改性的丙烯酸乳液的固含量为47%，玻璃化温度为25℃；上述二氧化钛的最大颗粒尺寸为3000目；上述碳纤维的平均直径为5μm，平均长度为2000μm；上述富勒烯包括C₆₀和C₇₀，其平均直径为20nm；上述的纳米多孔隔热填料的平均粒度为200nm。

实施例3

将80g二氧化钛、50g硫酸钡、130g气相白炭黑、40g膨润土、20g纳米氧化铝和50g滑石粉加入300g去离子水中，逐步加快搅拌速度直到1300转/分搅拌40分钟，加入3g润湿剂、12g分散剂、9g消泡剂、6g成膜剂、3g增稠剂、1.5g流平剂和1.5g防腐剂，得到分散均匀的混合液；然后将70g陶瓷微珠和30g玻璃微珠、180g环氧磷酸酯接枝后的有机硅改性的丙烯酸乳液、8g碳纤维和1g富勒烯加入混合液中，继续搅拌30分钟，同时将搅拌速率降至800转/分；最后加入2g润湿剂、8g分散剂、6g消泡剂、4g成膜剂、2g增稠剂、1g流平剂和1g防腐剂，搅拌30分钟后，即可得到防火隔热防腐环保涂料。

其中，上述环氧磷酸酯接枝后的有机硅改性的丙烯酸乳液的固含量为47%，玻璃化温度为25℃；上述二氧化钛的最大颗粒尺寸为3000目；上述碳纤维的平均直径为1μm，平均长度为86μm；上述富勒烯包括C₆₀和C₇₀，其平均直径为9nm；上述的纳米多孔隔热填料的平均粒度为125nm。

实施例4

将70g二氧化钛、80g硫酸钡、180g气相白炭黑、15g聚磷酸铵、20g膨润土和50g滑石粉加入330g去离子水中，逐步加快搅拌速度直到1300转/分搅拌40分钟，并加入3g润湿剂、9g分散剂、6g消泡剂、3g成膜剂、1.5g流平剂和1.5g防腐剂，得到分散均匀的混合液；然后将50g陶瓷微珠和20g玻璃微珠、150g环氧磷酸酯接枝后的有机硅改性的丙烯酸乳液、5g碳纤维和2g富勒烯加入混合液中，继续搅拌30分钟，同时将搅拌速率降至800转/分；最后加入2g润湿剂、6g分散剂、4g消泡剂、2g成膜剂、1g流平剂和1g防腐剂，搅拌30分钟，即可得到隔热防腐环保涂料。

其中，上述环氧磷酸酯接枝后的有机硅改性的丙烯酸乳液的固含量为47%，玻璃化温度为25℃；上述二氧化钛的最大颗粒尺寸为3000目；上述碳纤维的平均直径为1.2μm，平均长度为98μm；上述富勒烯包括C₆₀和C₇₀，其平均直径为8nm；上述的纳米多孔隔热填料的平均粒度为133nm。

实施例5

将55g二氧化钛、65g硫酸钡、90g气相白炭黑、10g聚磷酸铵、6g纳米氧化铝、20g膨润土和140g滑石粉加入330g去离子水中，逐步加快搅拌速度直到1300转/分搅拌40分钟，并加入1.5g润湿剂、7.5g分散剂、9g消泡剂、1.5g成膜剂、1.5g增稠剂、1.5g流平剂和1.5g防腐剂，得到分散均匀的混合液；然后将60g陶瓷微珠和60g玻璃微珠、158g环氧磷酸酯接枝后的有机硅改性的丙烯酸乳液、3g碳纤维和2g富勒烯加入混合液中，继续搅拌30分钟，同时将搅拌速率降至800转/分；最后加入1g润湿剂、5g分散剂、6g消泡剂、1g成膜剂、1g增稠剂、1g流平剂和1g防腐剂，搅拌30分钟，即可得到隔热防腐环保涂料。

其中，上述环氧磷酸酯接枝后的有机硅改性的丙烯酸乳液的固含量为47%，玻璃化温度为25℃；上述二氧化钛的最大颗粒尺寸为3000目；上述碳纤维的平均直径为2.5μm，平均长度为102μm；上述富勒烯包括C₆₀和C₇₀，其平均直径为11nm；上述的纳米多孔隔热填料的平均粒度为118nm。

对比例6

将70g二氧化钛、150g硫酸钡、20g气相白炭黑、5g季戊四醇、5g纳米氧化铝、10g膨润土和30g滑石粉颜填料加入320g去离子水中，逐步加快搅拌速度直到1300转/分搅拌40分钟，并加入3g润湿剂、9g分散剂、7.5g消泡剂、3g成膜剂、1.5g增稠剂、3g流平剂和3g防腐剂，得到分散均匀的混合液；然后将65g陶瓷微珠和22g纳米纤维素、210g环氧磷酸酯接枝后的有机硅改性的丙烯酸乳液、6g碳纤维和4g富勒烯加入混合液中，继续搅拌30分钟，同时将搅拌速率降至800转/分；最后加入2g润湿剂、6g分散剂、5g消泡剂、2g成膜剂、1g增稠剂、2g流平剂和2g防腐剂，搅拌30分钟，即可得到含有石墨烯的隔热防腐环保涂料。

其中，上述环氧磷酸酯接枝后的有机硅改性的丙烯酸乳液的固含量为47%，玻璃化温度为25℃；上述二氧化钛的最大颗粒尺寸为3000目；上述碳纤维的平均直径为3.0μm，平均长度为114μm；上述富勒烯包括C₆₀和C₇₀，其平均直径为12nm；上述的纳米多孔隔热填料的平均粒度为108nm。

将上述实施例3-6制得的涂层材料按相关标准进行检测。其测试结果如下表1。

表1

产品性能	实施例3	实施例4	实施例5	实施例6
					施工性	涂刷二道无障碍	涂刷二道无障碍	涂刷二道无障碍	涂刷二道无障碍
低温稳定性	不变质	不变质	不变质	不变质
					附着力	0级	0级	0级	0级
涂膜外观	正常	正常	正常	正常
					表干时间（h）	1	1	1	1
耐冲击力 （Kg·cm）	≥50	≥50	≥50	≥50
					反射率（%）	86	88	87	89
辐射率	0.88	0.89	0.89	0.88
					耐洗涮性2000次	漆膜无损坏	漆膜无损坏	漆膜无损坏	漆膜无损坏
耐碱性（48h）	无异常	无异常	无异常	无异常
					耐水性（168h）	无异常	无异常	无异常	无异常
涂层耐温变性	无异常	无异常	无异常	无异常
					透水性（ml）	0.6	0.6	0.6	0.6
粉化	0级	0级	0级	0级
					100小时耐老化性	不起泡，不剥落	不起泡，不剥落	不起泡，不剥落	不起泡，不剥落
变色	1级	1级	1级	1级
					防火等级	A	A	A	A

从上表1的测试结果可以看到本发明的涂料各项性能优异，且具有优良的防火性、隔热性以及耐化学性。

需要说明的是，上述实施例中的原料组分如无特别说明，均为现有技术中或者市售的产品，故在这边就不作详细说明了。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种富勒烯改性的防火隔热涂层材料，为水性环保涂料，其特征在于，包括以下按照重量份计的原料：树脂乳液15～42份、颜填料14～51份、助剂3～11份、碳纤维0.3～5份、富勒烯0.02～4份、纳米空心多孔隔热填料3～12份、防火剂1～10份、去离子水16～50份。

2.根据权利要求1所述的一种富勒烯改性的防火隔热涂层材料，其特征在于，所述的树脂乳液为环氧磷酸酯接枝后的有机硅改性的丙烯酸乳液，其固含量为40±7%，玻璃化温度为5～25℃。

3.根据权利要求1所述的一种富勒烯改性的防火隔热涂层材料，其特征在于，所述的颜填料为二氧化钛、硫酸钡、硫酸钙、硫酸铝、硫酸铁、气相白炭黑、重质碳酸钙、轻质碳酸钙、滑石粉、膨润土、联苯胺黄、酞青蓝、氧化铁黄和永固红中的一种或者几种。

4.根据权利要求3所述的一种富勒烯改性的防火隔热涂层材料，其特征在于，所述颜填料的最大颗粒尺寸为800目～3000目。

5.根据权利要求1所述的一种富勒烯改性的防火隔热涂层材料，其特征在于，所述的助剂为润湿剂、分散剂、消泡剂、成膜剂、增稠剂、流平剂和防腐剂的一种或者几种。

6.根据权利要求1所述的一种富勒烯改性的防火隔热涂层材料，其特征在于，所述碳纤维的平均直径为0.1～5μm，平均长度为5～2000μm；所述的富勒烯包括C₆₀和C₇₀，其平均直径为1～20nm。

7.根据权利要求1所述的一种富勒烯改性的防火隔热涂层材料，其特征在于，所述的纳米多孔隔热填料为纳米陶瓷空心微珠、空心玻璃微珠和纳米空心纤维素中的一种或几种。

8.根据权利要求7所述的一种富勒烯改性的防火隔热涂层材料，其特征在于，所述纳米多孔隔热填料的平均粒度为20～200nm。

9.权利要求1所述的一种富勒烯改性的防火隔热涂层材料，其特征在于，所述的防火剂为纳米氧化铝、聚磷酸铵和季戊四醇中的一种或几种。

10.一种如权利要求1～9任一项所述的防火隔热涂层材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）按照上述各原料的重量份进行配料，备用；

（2）将上述配好的颜填料和防火剂加入到配好的去离子水中进行搅拌，并逐步加快搅拌速度直到1000～1500转/分，搅拌20～60分钟后，再加入一部分上述配好的助剂，搅拌均匀得到混合液；

（3）然后将上述配好的纳米多孔隔热填料、树脂乳液、碳纤维和富勒烯加入到上述得到的混合液中，继续搅拌10～50分钟，同时将搅拌速度降至500-900转/分后，加入上述剩下一部分的助剂，继续搅拌20～60分钟后，即可得到所述的防火隔热涂层材料。