CN114437594A - 一种气凝胶水性涂料及其制备方法和涂层 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种气凝胶涂料、包含气凝胶浆料及保温隔热中涂层、其制备方法及应用，制备方法包括：将水与表面活性剂混合均匀后，加入气凝胶粉体再次混合均匀形成悬浮液，而后加入颜填料、粘结剂和可选择添加或不添加的助剂并混合均匀，获得所述涂料。本发明的涂料不含石棉等有害纤维材料，运输和施工方便，不需要切割而且可以很容易的控制保温隔热材料的厚度，可以自由选择最优化的施工方案，且制备工艺简单，成本低廉，适于进行大规模工业化生产。本发明的涂料可以涂覆在基材表面干燥后成为表面平整、隔热性能优良，且粘结力强的保温隔热中涂层，也可和其他结构材料混合制备气凝胶复合材料。
Description
技术领域
本发明涉及功能性涂料，尤其是一种气凝胶水性涂料及其制备方法和涂层。
背景技术
气凝胶(aerogel)是一种纳米多孔网状结构的固体材料，也是目前已知世界上最好的固体保温材料(导热系数低至0.013W/m·k)，1931年由美国Kistler.S.发明，因轻若薄雾颜色泛蓝，又被称为“蓝烟”、“冻结的烟”，创下15项吉尼斯纪录，与石墨烯、富勒烯等被共誉为改变世界的十大新材料之一，也是世界上最轻的固体材料，在热学、光学、电学、力学、声学等领域具备突出性能，列入20世纪90年代以来10大热门科学技术之一，是具有巨大应用价值的军民两用技术。
由于气凝胶属于轻质材料，在运输时容易飘散，污染环境，在使用时切割容易掉粉，不利于安装施工。为了解决这些问题，可将气凝胶粉体制成浆料以有效解决诸如等问题，便于材料的运输和使用，同时也使气凝胶的应用范围扩大，浆料可以应用于涂料材料也可应用于水泥，石膏等结构材料制备成复合材料。
例如，中国发明专利CN105038445A公开了一种含二氧化硅气凝胶的水性浆料，所述浆料是主要由二氧化硅气凝胶粉体、表面活性剂、粘结剂与水均匀混合形成的稳定分散体系。其制备方法包括：将水与表面活性剂混合均匀后，加入气凝胶粉体再次混合均匀形成悬浮液，而后加入粘结剂和可选择添加或不添加的助剂并混合均匀，获得所述浆料。该方案将疏水的气凝胶改性为亲水性气凝胶再分散在水中制备成浆料的方法，此种方法过程繁琐且难以控制气凝胶的疏水亲水性质。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种气凝胶涂料，不仅可以解决了气凝胶使用运输过程中的粉尘等问题，而且不影响气凝胶在涂层中的使用。
该方法在制备气凝胶涂层时，无需对气凝胶表面进行改性，而是直接使用气凝胶粉体和表面活性剂以及粘结剂混合制备出具有适当粘度和良好的涂敷性能的涂料，此涂料可以成表面均匀、黏附力很强隔热性良好的涂层。
具体方案如下：
一种气凝胶水性涂料，按照重量份计包含以下各组分：水30-80份、气凝胶粉体5-30份、表面活性剂0.1-10份、粘结剂2-50份、颜填料5-25份、助剂0-10。
进一步的，按照重量份计包含以下各组分：水30-50份、气凝胶粉体5-20份、表面活性剂2-10份、粘结剂2-30份、颜填料5-15份。
进一步的，所述气凝胶水性涂料，按照重量份计包含以下各组分：水54份、粉体6份、表面活性剂1份、粘结剂28份、颜填料8份、助剂3份。
进一步的，所述气凝胶粉体为疏水性二氧化硅气凝胶，粒径为0.1微米至500微米。
进一步的，所述表面活性剂为阴离子型，阳离子型或者非离子型表面活性剂，优选地，所述表面活性剂为十六烷基二甲基苄基氯化铵、烷基溴化吡啶、十六烷基氯化吡啶、十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、仲烷基磺酸钠、烷基苯磺酸盐、仲烷基硫酸钠与烷基苯磺酸钠的混合物、仲烷基硫酸钠、蔗糖单月桂酸酯、蔗糖单油酸酯、蔗糖单棕榈酸酯、聚乙二醇二硬脂酸酯、王基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚中任意一种。
进一步的，所述粘结剂为水性粘结剂，粘结剂中的有机物含量小于2Wt％，优选地，所述粘结剂为聚乙烯醇、水性丙烯酸树脂、水性聚氨酯、水性环氧树脂，水性纤维素、丙烯酸乳液、环氧树脂乳液、有机硅乳液中至少一种。
进一步的，所述颜填料为重钙、轻钙、滑石粉、气硅、钛白粉、氧化锌、碳黑、氧化铁黑、云母粉、硫酸钡、高岭土、碳酸钙、石英粉、硅酸盐中至少一种；
任选的，所述助剂为消泡剂、中和剂、增稠剂、流平剂、润湿剂、防沉剂、增塑剂、成膜助剂、抗冻剂及市售涂料助剂中至少一种。
本发明还保护所述气凝胶水性涂料的制备方法，包括将水与表面活性剂混合均匀，形成混合液；向所述混合液内加入气凝胶粉体，混合均匀，形成悬浮液；向所述悬浮液内加入颜填料、粘结剂和可选择添加或不添加的助剂，混合均匀，形成所述气凝胶水性涂料。
本发明还保护由所述气凝胶水性涂料干燥后得到涂层，以及包含所述涂层的建筑材料。
有益效果：本发明所述涂料为水性涂料，不含有机溶剂成分，成本较低且污染小。
优选地，选用气凝胶粉体粒径在0.1微米至500微米，对于传统的气凝胶板板和气凝胶毡在切割和安装的时候掉粉严重，操作人员需严格的防护，而本发明所述涂料有效的避免的传统气凝胶材料在使用时的掉粉问题。
进一步的，传统的气凝胶毡和气凝胶板只能用于规则外形的隔热施工，如墙面或者管道，但是对于复杂外形的隔热处理，气凝胶毡和气凝胶板就很难施工，同时气凝胶毡和气凝胶板在使用过程中无法避免毡与毡之间或者板与板之间接缝处的热损失，以及基地与隔热材料的接触热量损失，本发明所述气凝胶涂料在应用时，可以完全克服前述缺陷，且通过采用涂覆技术可以使气凝胶涂层与基底非常牢固的粘结，同时可以做到无缝结合，热损失可以降到最低。
再则，本发明所述气凝胶涂料的制备工艺只使用利用简单搅拌装置等即可，制备工艺简单，设备投入低，适于进行大规模工业化生产，而传统气凝胶毡和气凝胶板的制造设备昂贵，制备工艺复杂。
最后，本发明所述气凝胶涂料料施工可以使用刷涂，滚涂和喷涂等多种施工方法，隔热层的厚度可以从0.05mm～10mm之间，厚度控制容易，施工简单，且所形成的隔热层隔热性能优良，不易脱落，表面平整，耐高温耐腐蚀，不易老化，使用寿命长。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。在下面的实施例中，如未明确说明，“％”均指重量百分比。
发明的技术方案，如下具体说明。
一种含二氧化硅气凝胶的水性涂料，它是主要由二氧化硅气凝胶粉体、表面活性剂、颜填料、粘结剂与水均匀混合形成的稳定分散体系。
所述气凝胶粉体采用疏水性二氧化硅气凝胶。粒径为0.1um～500um，
所述水可选自去离子水或者自来水。
若使用的为自来水，则可以使用极软水、软水和中硬水，而不得使用高硬水和超高硬水。同时，不宜使用pH值小于5或者pH值大于9的酸性和碱性水。
作为较佳实施方案之一，所述浆料含有30wt％～80wt％水。
所述表面活性剂可选自阴离子型，阳离子型或者非离子型表面活性剂，例如十六烷基二甲基苄基氯化铵、烷基溴化吡啶、十六烷基氯化吡啶、十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵等阳离子表面活性剂；例如仲烷基磺酸钠、烷基苯磺酸盐、仲烷基硫酸钠与烷基苯磺酸钠的混合物、仲烷基硫酸钠等阴离子表面活性剂；例如蔗糖单月桂酸酯、蔗糖单油酸酯、蔗糖单棕榈酸酯、聚乙二醇二硬脂酸酯、王基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚等非离子表面活性剂，但均不限于此。
所述粘结剂为水性粘结剂，粘结剂中的有机物含量小于2Wt％。粘结剂可选自聚乙烯醇、水性丙烯酸树脂、水性聚氨酯、水性环氧树脂，水性纤维素、丙烯酸乳液、环氧树脂乳液、有机硅乳液等，但不限于此。所述浆料含有2wt％～30wt％粘结剂。
该涂料还可选择添加或不添加助剂，例如增塑剂、成膜助剂等。
增塑剂可选自聚乙二醇400、聚乙二醇600、聚正丁基(二丁基)乙烯、邻苯二甲酸二丁酯、硬脂酸丁酯、松香酸甲酯、磷酸三甲苯酯、碳酸丙烯酯，成膜助剂可选自丙二醇丁醚、丙二醇甲醚醋酸酯，但均不限于此。
所述颜填料为填料，可选自重钙、轻钙、滑石粉、气硅、钛白粉、氧化锌、碳黑、氧化铁黑、云母粉、硫酸钡、高岭土、碳酸钙、石英粉、硅酸盐等，但均不限于此。
该涂料与其他的气凝胶产品相比，不含石棉等有害纤维材料，运输和施工方便，不需要切割而且可以很容易的控制隔热材料的厚度，可以自由选择最优化的施工方案。
该含二氧化硅气凝胶的水性涂料的制备方法，如下：
将水与表面活性剂混合均匀，形成混合液(混合溶液1)；
向所述混合液1内加入二氧化硅气凝胶粉体，混合均匀，形成悬浮液(混合物1)。
所述悬浮液内加入颜填料、粘结剂和可选择添加或不添加的助剂，混合均匀，形成所述水性涂料(涂料1)。
方案之中，在涂料1制备完成后可以视实际使用需要而进行除泡处理，获得涂料2，其中除泡方法可以采用除泡剂或者真空搅拌的方法除泡。
该制备方法中采用的混合方法至少选自球磨、机械搅拌、沙磨、超声混合方法。
采用的混合方法可以是机械搅拌，球磨，沙磨等混合方法。对于球磨分散，可以使用行星球磨机，滚筒球磨机等。对于机械搅拌，搅拌速度可以控制在50rpm～2000rpm之间，混合时间控制在30min～2h之间。
气凝胶为疏水性二氧化硅气凝胶粉体，粉体形状可以是球形或者不规则形状，粉体粒径控制在0.1um～500um之间。为了保持最好的涂层性能，尤其优选使用粉体粒径在50～100mm之间的气凝胶粉体，
混合方法可以是机械搅拌，较为优选的，搅拌速度在500rpm-2000rpm之间，搅拌时间为5min～2h。在搅拌过程中为了避免气凝胶粉体的飞扬和释放，应该使用封闭进料和全封闭搅拌：
再一个方面还提供了一种保温隔热涂层的制备方法，包括：将前述任一种含二氧化硅气凝胶的水性浆料直接涂覆在基底表面形成保温隔热中涂层，然后在其表面进行其他装饰性施工。
所述保温隔热中涂层的制各方法可以包括：分一次或多次将所述含二氧化硅气凝胶的水性涂料直接涂覆在基底表面，每次涂抹厚度在1mm以下，干燥时间在5h以内。
该保温隔热中涂层表面均匀，粘附力强，不易脱落，保温隔热性能优良，耐高温耐腐蚀，不易老化，使用寿命长。
此外，该涂料除前述用途之外，也可以和其他结构材料混合。制备各种气凝胶复合材料，例如，可以作为水泥，石膏等结构的隔热、减重添加剂，也可以与各种纤维材料复合制备纤维复合材料，添加量视实际需要可以控制在合适范围内。
实施例1
将65g去离子水和2g三乙醇胺使用机械搅拌器混合，搅拌速度100rpm，搅拌时间5分钟，得到均匀混合液，在此混合液中加入10g二氧化硅气凝胶粉体，搅拌速度为500rpm，搅拌时间为30分钟，制备的气凝胶分散液应该是乳白色稳定的分散体系，在此分散液中再加入5g聚乙烯醇1500、1.5g聚乙二醇100、15g滑石粉和1.5g邻苯二甲酸二丁酯，使用机械搅拌器搅拌30分钟，搅拌速度为200-pm，得到的浆料在真空除泡剂中除泡20分钟，除泡搅拌速度为10rpm，真空度为0.08atm。得到气凝胶水性涂料，浆料粘度为2000mPa/s。将气凝胶涂料采用喷雾的方法喷涂至铝合金底板，厚度0.5mm，干燥10个小时，形成涂膜。
实施例2
将20g去离子水和2g三乙醇胺使用机械搅拌器混合，搅拌速度100rpm，搅拌时问5分钟，得到均匀混合液，在此混合液中加入10g气凝胶粉体，搅拌速度为500rpm，搅拌时间为30分钟，制备的气凝胶分散液应该是乳白色稳定的分散体系，在此分散液中加入20g气硅、64g丙烯酸乳液和20g水以及28g成膜助剂Texanol，使用机械搅拌器混合10分钟，搅拌速度为200rpm。得到的涂料在真空除泡剂中除泡20分钟，除泡搅拌速度为10rpm，真空度为0.08atm。得到气凝胶水性涂料，浆料粘度为3500mPa/s。将气凝胶涂料采用喷雾的方法喷涂至铝合金底板，厚度为0.5mm，干燥10个小时，形成涂膜。
实施例3
将60份去离子水和5份十二烷基苯磺酸钠使用机械搅拌器搅拌混合10min至均匀状态；加入13份气凝胶粉体，使用机械搅拌器搅拌30min得到气凝胶分散体系；加入10份轻钙、10份聚乙烯醇和2份邻苯二甲酸二丁酯，使用机械搅拌器搅拌30min，之后进行真空除泡，得到气凝胶水性涂料。
实施例4
将66份自来水和33份三乙醇胺使用机械搅拌器搅拌混合5min至均匀状态；加入8份气凝胶粉体，使用机械搅拌器搅拌30min得到气凝胶分散体系；加入8份聚乙烯醇以及15份碳黑，使用机械搅拌器搅拌30min，得到气凝胶水性涂料。
性能检测
对实施例1、2获得的涂料、涂层的进行检测，结果见表1和表2。
表1实施例1制备的涂料和涂膜检测结果表
表2实施例2制备的涂料和涂膜检测结果表
以上详细描述了本发明的优选实施方式，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 (10)
1.一种气凝胶水性涂料，其特征在于：按照重量份计包含以下各组分：水30-80份、气凝胶粉体5-30份、表面活性剂0.1-10份、粘结剂2-50份、颜填料5-25份、助剂0-10。
2.根据权利要求1所述气凝胶水性涂料，其特征在于：按照重量份计包含以下各组分：水30-50份、气凝胶粉体5-20份、表面活性剂1-10份、粘结剂2-30份、颜填料5-15份，助剂1-6份。
3.根据权利要求2所述气凝胶水性涂料，其特征在于：按照重量份计由以下各组分组成：水54份、粉体6份、表面活性剂1份、粘结剂28份、颜填料8份、助剂3份。
4.根据权利要求1-3任一项所述气凝胶水性涂料，其特征在于：所述气凝胶粉体为疏水性二氧化硅气凝胶，粒径为0.1微米至500微米。
5.根据权利要求1-3任一项所述气凝胶水性涂料，其特征在于：所述表面活性剂为阴离子型，阳离子型或者非离子型表面活性剂，优选地，所述表面活性剂为十六烷基二甲基苄基氯化铵、烷基溴化吡啶、十六烷基氯化吡啶、十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、仲烷基磺酸钠、烷基苯磺酸盐、仲烷基硫酸钠与烷基苯磺酸钠的混合物、仲烷基硫酸钠、蔗糖单月桂酸酯、蔗糖单油酸酯、蔗糖单棕榈酸酯、聚乙二醇二硬脂酸酯、王基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚中任意一种。
6.根据权利要求1-3任一项所述气凝胶水性涂料，其特征在于：所述粘结剂为水性粘结剂，粘结剂中的有机物含量小于2Wt％，优选地，所述粘结剂为聚乙烯醇、水性丙烯酸树脂、水性聚氨酯、水性环氧树脂，水性纤维素、丙烯酸乳液、环氧树脂乳液、有机硅乳液中至少一种。
7.根据权利要求1-3任一项所述气凝胶水性涂料，其特征在于：所述颜填料为重钙、轻钙、滑石粉、气硅、钛白粉、氧化锌、碳黑、氧化铁黑、云母粉、硫酸钡、高岭土、碳酸钙、石英粉、硅酸盐中至少一种；
任选的，所述助剂为消泡剂、中和剂、增稠剂、流平剂、润湿剂、防沉剂、增塑剂、成膜助剂、抗冻剂中至少一种。
8.一种权利要求1-7任一项所述气凝胶水性涂料的制备方法，其特征在于：包括将水与表面活性剂混合均匀，形成混合液；向所述混合液内加入气凝胶粉体，混合均匀，形成悬浮液；向所述悬浮液内加入颜填料、粘结剂和可选择添加或不添加的助剂，混合均匀，形成所述气凝胶水性涂料。
9.一种涂层，由1-7任一项所述气凝胶水性涂料干燥后得到。
10.一种建筑材料，包含权利要求9所述的涂层。
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