CN110177846A - 用于隔热涂层的组合物 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于隔热的涂层组合物。该涂层组合物包含：中空微球；三聚氰胺；以及有机硅改性丙烯酸乳液。包含涂层组合物的涂层可以是非易燃的，并且在高达250℃热稳定，并且可以具有低于0.1W·m^‑1·K^‑1的导热率。

Description

用于隔热涂层的组合物

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年1月11日提交的名称为隔热涂层系统的组合物(COMPOSITIONOF A THERMAL INSULATION COATING SYSTEM)的美国临时专利申请序列号62/498,894的优先权和权益，并且其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及用作隔热涂层的涂层组合物。

背景技术

家庭供暖应用和工业加热应用是造成大部分全球能源消耗的原因。加热应用通常涉及将在一定温度下将隔间或管道(例如反应容器、传输管道、热交换器、存储罐或其它设备)中的流体或气体加热。在这些加热应用中缺少隔热会增加加热过程的能源消耗和成本。

隔热还用于保护用户避免暴露于极热表面。美国测试和材料学会(ASTM)C1055标准限定在工业工作环境中，皮肤与热表面接触的容许极限为60℃，持续5秒或更短时间。

隔热可以通过大体积隔热包装(bulk insulation package)或通过应用隔热涂层系统来实现。

大体积隔热包装通常包括三层：在基材表面上的第一层，用于黏附；中间功能隔热层，其包括低导热材料和粘结剂；以及任选地被添加用于防止隔热涂层系统受腐蚀和/或用于美观的顶层。

隔热涂层系统通常通过并入具有低导热率的填充材料和粘结剂来配制，从而提供内聚强度、对基材的黏附、柔性以及对恒常高工作温度的稳定性。

目前，针对150℃以下的温度应用，最常见的隔热涂层通常由水性聚合物材料制成。这些涂层可以直接涂于基材或耐腐蚀的底漆上，然后进行顶涂。底漆在多涂层系统中提供耐腐蚀性能；顶涂层提供装饰性能以及对隔热涂层的保护。

对于超过250℃的温度应用，涂层中配有无机陶瓷基粘结材料。然而，这些涂层的隔热性能不如聚合物基涂层的隔热性能好。

因此，需要一种具有改进性能并且消除或减少上述缺点和问题的新型隔热涂层。

发明内容

本文提供一种涂层组合物，其包含：中空微球；三聚氰胺；以及有机硅改性丙烯酸乳液(silicone modified acrylic emulsion)。

在某些实施方案中，中空微球在组合物中存在，其浓度的范围为14％-19％w/w，三聚氰胺在组合物中存在，其浓度的范围为21％-28％w/w，并且有机硅改性丙烯酸乳液在组合物中存在，其浓度的范围为42％-55％w/w。

在某些实施方案中，中空微球包含玻璃、陶瓷材料或有机聚合物。

在某些实施方案中，中空微球的导热率低于0.1W·m^-1·K^-1。

在某些实施方案中，中空微球的平均粒径在0.5微米和300微米之间。

在某些实施方案中，中空微球的密度在0.1g/cm³和5.0g/cm³之间。

在某些实施方案中，涂层组合物还包含至少一种增稠剂。

在某些实施方案中，增稠剂在组合物中存在，其浓度的范围为0.15％-1.2％w/w。

在某些实施方案中，涂层组合物还包含至少一种体质颜料。

在某些实施方案中，体质颜料是碳酸钙、结晶和无定形二氧化硅、硅酸盐矿物、三水合氧化铝、氧化铝、重晶石、氧化钛、锌钡白或其组合。

在某些实施方案中，涂层组合物还包含至少一种红外反射颜料。

在某些实施方案中，红外反射颜料是包含具有客体组分金属氧化物的结晶结构的刚玉和/或赤铁矿的固溶体。

在某些实施方案中，增稠剂是聚醚聚氨酯。

在某些实施方案中，中空微球是玻璃，密度在0.2-0.6g/cm³范围内并且在组合物中的浓度范围为18.2％w/w，三聚氰胺在组合物中存在，其浓度的范围为27.2％w/w，有机硅改性丙烯酸乳液在组合物中存在，其浓度的范围为54.4％w/w，并且聚醚聚氨酯在组合物中存在，其浓度的范围为0.2％w/w。

在某些实施方案中，涂层组合物还包含水。

在某些实施方案中，中空微球是玻璃，密度在0.2-0.6g/cm³范围内并且在组合物中的浓度范围为14.24％w/w，三聚氰胺在组合物中存在，其浓度的范围为21.4％w/w，有机硅改性丙烯酸乳液在组合物中存在，其浓度的范围为42.8％w/w，聚醚聚氨酯在组合物中存在，其浓度的范围为0.16％w/w，并且水在组合物中存在，其浓度的范围为21.4％w/w。

本发明提供包含任何上述涂层组合物的涂层。

通过如下附图说明、附图、对某些实施方案的详细描述和所附权利要求，本发明的这些和其他方面、特征和优点将更加显易见。

具体实施方式

本发明总体上涉及用作隔热涂层的新型涂层组合物。包含本发明提供的组合物的涂层可以是非易燃的，高达250℃热稳定，且具有低导热率。高温下，含本发明提供的组合物的涂层释放的有毒气体的浓度低于IDLH(立即危及生命和健康)极限。含有本发明提供的组合物的涂层可具有低挥发性有机化合物(VOC)含量。含有本发明提供的组合物的涂层在各种基材上还具有良好的黏附性。

在某些实施方案中，本发明提供的组合物包含中空微球、三聚氰胺和有机硅改性丙烯酸乳液。

中空微球降低了涂层的导热率，从而减少了通过涂层的热流。中空微球可以由玻璃、陶瓷材料或具有低导热率的有机聚合物制成，例如，中空玻璃微球(例如，3MScotchlite微球)、中空陶瓷微球(例如，3M的Z-光球(Z-light Spheres)、空心微珠、飞灰)、由有机聚合物(包括丙烯酸材料的聚合物或共聚物、偏二氯乙烯和丙烯腈的共聚物、纤维素材料、聚合物、天然糖、合成复合材料或其共混物)制成的中空微球。

中空微球的导热率可以低于0.5W·m^-1·K^-1、低于0.1W·m^-1·K^-1或低于0.05W·m^-1·K^-1。中空微球可以具有在0.5微米和300微米之间、在5微米和200微米之间或在10微米和150微米之间的平均粒径(例如，直径)。中空微球可以具有单模态或多模态粒径分布。中空微球可以具有在0.1g/cm³和5.0g/cm³之间、在0.1g/cm³和1.0g/cm³之间或在0.1g/cm³和0.6g/cm³之间的密度。

三聚氰胺用作阻燃剂以提供涂层的热稳定性。当涂层暴露于火时，三聚氰胺释放氮气。含三聚氰胺的化合物可以用于涂层组合物中。适合的实例包括但不限于三聚氰胺、三聚氰胺磷酸盐、三聚氰胺焦磷酸盐、三聚氰胺聚磷酸盐、三聚氰胺氰脲酸盐等。

有机硅改性丙烯酸乳液用作粘结剂。有机硅改性丙烯酸乳液可以通过加热或在环境条件下固化。

在某些实施方案中，中空微球在组合物中存在，其浓度的范围为14％-19％w/w，三聚氰胺在组合物中存在，其浓度的范围为21％-28％w/w，并且有机硅改性丙烯酸乳液在组合物中存在，其浓度的范围为42％-55％w/w。

在某些实施方案中，组合物还包含至少一种增稠剂。增稠剂能够增加组合物的粘度以便于施加而基本上不改变涂层的隔热性能。增稠剂在组合物中的浓度范围可以为0.15％-1.2％w/w、在组合物中的浓度范围可以为0.55％-1.2％w/w或浓度范围可以为0.68％-0.8％w/w，可喷涂涂于喷砂钢基材上。增稠剂可以是聚醚聚氨酯。

在某些实施方案中，组合物包含中空玻璃微球、三聚氰胺、有机硅改性丙烯酸乳液、聚醚聚氨酯和水。聚醚聚氨酯的浓度是可调节的，以配合针对基材表面上的不同施加方法。

以下实例提供具有特定量的中空玻璃微球和有机硅改性丙烯酸乳液的涂层组合物，其提供涂层的良好机械强度以及低导热率。在某些实施方案中，中空微球在组合物中存在，其浓度的范围为14％-19％w/w。

在某些实施方案中，组合物还包含至少一种体质颜料。由于涂层的反射特性是基于它们的太阳反射光谱来描述，因此体质颜料的选择取决于它们的可见光反射性能及其对可见颜色(例如，白色、红色、绿色和蓝色)的贡献。在红外区域具有高反射率的体质颜料显出有利的性能。因此，可以使用在电磁光谱的红外区域中相比于可见区域具有高反射率的体质颜料。

体质颜料的实例包括但不限于碳酸钙(天然研磨和沉淀的)、结晶和无定形二氧化硅(天然的和合成的)、硅酸盐矿物(例如滑石、高岭土、煅烧粘土、硅灰石、霞石正长岩、长石、云母、凹凸棒黏土、膨润土和有机改性膨润土)、三水合氧化铝、氧化铝、重晶石、氧化钛、锌钡白或其组合。

在某些实施方案中，涂层组合物还包含至少一种红外反射颜料。红外反射颜料用于反射来自光谱红外区域的辐射。红外反射颜料可以是包含具有客体组分金属氧化物(例如，氧化钛和来自富矿石的其它氧化物)的结晶结构的刚玉和/或赤铁矿的固溶体。

涂层组合物可以通过辊涂、刷涂、喷涂或其它常规方法施加到玻璃、陶瓷、混凝土、钢或喷砂钢上。

由组合物形成的涂层是非易燃的，并且在高达150℃或甚至高达250℃热稳定。涂层的导热率值低于0.5W·m^-1·K^-1或者甚至低于0.1W·m^-1·K^-1。在高温(高达250℃、或者甚至高达400℃)下从涂层排出的有毒气体的浓度低于IDLH限度。所提及的有毒气体包括一氧化碳(CO)、氰化氢(HCN)、氟化氢(HF)、氯化氢(HCl)、溴化氢(HBr)、包括二氧化氮(NO₂)的氮氧化物(NO_X)和二氧化硫(SO₂)。此外，由涂层组合物制备的涂层可以具有低于10g/L或甚至低于100mg/L的挥发性有机化合物(VOC)含量。

实施例1

将6克有机硅改性丙烯酸乳液和0.022克聚醚聚氨酯增稠剂加入容器中，并且通过机械搅拌器以300rpm的速率搅拌混合物。3小时后，加入3克三聚氰胺，并且将混合物在高速搅拌机中以300rpm的速率混合10分钟。加入2克中空玻璃微球(密度为0.2-0.6g/cm³)并且在高速搅拌机中以500rpm的速率混合10分钟。将涂层材料涂在喷砂不锈钢基材上，并且在120℃加热使其固化。它在高达250℃是热稳定的。涂层系统在喷砂钢基材上具有良好的黏附性。

实施例2

将6克有机硅改性丙烯酸乳液、3克水和0.022克聚醚聚氨酯增稠剂(在水中，0.73％w/w)加入容器中，并且通过机械搅拌器以300rpm的速率搅拌混合物。3小时后，加入3克三聚氰胺，并且将混合物在高速搅拌机中以300rpm的速率混合10分钟。加入2克中空玻璃微球(密度为0.2-0.6g/cm³)并且在高速搅拌机中以500rpm的速率混合10分钟。将涂层材料涂在喷砂不锈钢基材上，并且在120℃加热使其固化。该非易燃的隔热涂层在高温下排出的有毒气体的浓度，经测量低于IDLH(立即危及生命和健康)极限。涂层的导热率为0.0956W·m^-1·K^-1。它在高达250℃是热稳定的。涂层在喷砂钢基材上具有良好的黏附性。挥发性有机化合物(VOC)含量经测量后，高分子量烃低于100mg/L。它可以通过常规方法进行辊涂、刷涂或喷涂。

实施例2中描述的涂层的测量的物理性能列于表1中。

表1

比较实施例1

将1克作为粘结剂的聚氨酯改性丙烯酸乳液、0.1克聚醚聚氨酯增稠剂、3克作为粘结剂和阻燃剂的聚四氟乙烯(PTFE)乳液和2.5克水加入容器中，以300rpm的速率用机械搅拌器搅拌混合物。3小时后，加入2克中空玻璃微球(密度为0.2-0.6g/cm³)并且在高速搅拌机中以500rpm的速率混合10分钟。涂层是非易燃的。它在高达250℃是热稳定的。然而，与其它涂层相比，固化涂层在喷砂钢基材上的黏附性差。

针对实施例1和实施例2以及对比实施例1进行隔热性能测试。将每个实施例的涂层溶液涂在喷砂钢基材上，并且使其固化，在基材上形成4mm厚度的涂层。具有涂层的基材利用热板加热。热电偶用于测量基材和涂层的温度。当基材的温度达到100℃、150℃和200℃并且在这些温度下稳定时，分别测量涂层表面的温度。结果列于表2。涂层表面温度越低，隔热性能将越好。如表2中所示，实施例1的固化涂层的隔热性能与实施例2的固化涂层的隔热性能一致，它们两者都具有良好的性能。然而，与实施例1和实施例2相比，对比实施例1的隔热性能较差。

表2

一个或多个涂层可以施加到基材上以形成涂层系统。涂层系统可以用作产品的外部表面。本发明的涂层的典型应用包括但不限于建筑结构外部涂层；用于人行道的混凝土、木材、塑料或其它材料的涂层；车辆的涂层；用于军事应用产品的涂层；用于工业系统(例如，反应容器、传输管道、热交换器和存储罐)的涂层。

尽管已经根据某些实施方案描述了本发明，但对于本领域的普通技术人员来说显而易见的其他实施方案也包含在本发明的范围之内。本发明的范围意图仅由所附权利要求书来限定。

Claims (17)

1.一种涂层组合物，其包含：

中空微球；

三聚氰胺；以及

有机硅改性丙烯酸乳液。

2.根据权利要求1所述的涂层组合物，其中，所述中空微球在所述组合物中存在，其浓度的范围为14％-19％w/w，所述三聚氰胺在所述组合物中存在，其浓度的范围为21％-28％w/w，并且所述有机硅改性丙烯酸乳液在所述组合物中存在，其浓度的范围为42％-55％w/w。

3.根据权利要求1所述的涂层组合物，其中，所述中空微球包含玻璃、陶瓷材料或有机聚合物。

4.根据权利要求1所述的涂层组合物，其中，所述中空微球具有低于0.1W·m^-1·K^-1的导热率。

5.根据权利要求1所述的涂层组合物，其中，所述中空微球具有在0.5微米和300微米之间的平均粒径。

6.根据权利要求1所述的涂层组合物，其中，所述中空微球具有在0.1g/cm³和5.0g/cm³之间的密度。

7.根据权利要求1所述的涂层组合物，还包含至少一种增稠剂。

8.根据权利要求1所述的涂层组合物，其中，所述增稠剂在所述组合物中存在，其浓度的范围为0.15％-1.2％w/w。

9.根据权利要求1所述的涂层组合物，还包含至少一种体质颜料。

10.根据权利要求9所述的涂层组合物，其中，所述体质颜料是碳酸钙、结晶和无定形二氧化硅、硅酸盐矿物、三水合氧化铝、氧化铝、重晶石、氧化钛、锌钡白或其组合。

11.根据权利要求1所述的涂层组合物，还包含至少一种红外反射颜料。

12.根据权利要求11所述的涂层组合物，其中，所述红外反射颜料是固溶体，所述固溶体包含具有客体组分金属氧化物的结晶结构的刚玉和/或赤铁矿。

13.根据权利要求7所述的涂层系统，其中，所述增稠剂是聚醚聚氨酯。

14.根据权利要求13所述的涂层组合物，其中，所述中空微球是玻璃，密度在0.2-0.6g/cm³范围内并且在所述组合物中的浓度范围为18.2％w/w，三聚氰胺在所述组合物中存在，其浓度的范围为27.2％w/w，所述有机硅改性丙烯酸乳液在所述组合物中存在，其浓度的范围为54.4％w/w，并且聚醚聚氨酯在所述组合物中存在，其浓度的范围为0.2％w/w。

15.根据权利要求13所述的涂层组合物，还包含水。

16.根据权利要求15所述的涂层组合物，其中，所述中空微球是玻璃，密度在0.2-0.6g/cm³范围内并且在所述组合物中的浓度范围为14.24％w/w，三聚氰胺在所述组合物中存在，其浓度的范围为21.4％w/w，所述有机硅改性丙烯酸乳液在所述组合物中存在，其浓度的范围为42.8％w/w，聚醚聚氨酯在所述组合物中存在，其浓度的范围为0.16％w/w，并且水在所述组合物中存在，其浓度的范围为21.4％w/w。

17.一种涂层，所述涂层包含根据权利要求1所述的涂层组合物。