CN114656811A - 一种防火保温隔热无机涂层材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种防火保温隔热无机涂层材料及其制备方法，包括依次叠层设置的胶凝材料层和气凝胶层，其中，按质量份数计，所述胶凝材料层的原料组分包括25～75份的胶凝材料、75～15份水以及0～15份增稠剂；所述气凝胶层的原料组分包括1～5份气凝胶与10～100份的溶剂。本发明胶凝材料层具有粘结、保护以及防火的功效，能够与基底形成良好的结合、保护涂层表面，并在发生火灾的时候能阻隔火势蔓延。气凝胶层为保温隔热层，具有极低的热导率，使其具有良好的保温隔热性能。本发明是一种环境友好的材料，具有无毒无害、安全防火、施工简易的特点，可应用于建筑内外墙防火保温隔热。

Description

一种防火保温隔热无机涂层材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及阻隔型保温隔热涂层材料领域，具体涉及一种防火保温隔热无机涂层材料及其制备方法。

背景技术

随着工业的发展，加剧了对资源的消耗以及环境负荷，世界能源紧缺的问题也越来越严重。作为能源消耗最多的建筑领域，建筑物以及建材的CO₂排放量占总排放量的50％。建筑行业积极推进建筑节能以及绿色建筑发展。然而，现有的建筑保温材料却跟不上当今建筑发展的需要，从而导致火灾隐患挥之不去，脱落现象变本加厉。

目前有许多关于保温隔热涂料的研究，它们大多为有机涂层、无机涂层以及有机与无机复合的涂层，它们的制备比较复杂，并且成分也比较繁杂。专利CN111909591A是一种A、B组分混合的有机树脂涂层，其含有复杂的组分，包括了9类物质，并且在制备工艺上需要加热搅拌、氮气氛围以及密闭环境。虽然，其热导率低于0.05W/m·K，但是这种有机涂层在发生火灾的时候，很容易成为助燃物质。此外，有机涂层在太阳光的长期照射下，会发生老化，分解产生有害物质。专利CN101302363B公开了一种无机偏高岭土涂层材料，是由偏高岭土、高岭土、重质碳酸钙粉以及灰钙粉等组成的复杂建筑涂层。虽然，这种涂层克服了有机涂层的耐久性差的问题，并具有高的结合力和耐水性。但是这种涂层仅仅具有有机涂层的基本性能，在固化成膜的过程中需要碱激发剂，并不满足节能环保的要求。这迫切需要一种环境友好、安全环保的保温隔热材料来改变如今的现状。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种防火保温隔热无机涂层材料及其制备方法，解决现有技术中涂层成分复杂且无法同时满足耐久性和隔热的技术问题。

为达到上述技术目的，本发明涂层材料的技术方案是：

包括依次叠层设置的胶凝材料层和气凝胶层，其中，按质量份数计，胶凝材料层的原料组分包括25～75份的胶凝材料、75～15份水以及0～15份增稠剂；气凝胶层的原料组分包括1～5份气凝胶与10～100份的溶剂。

进一步地，胶凝材料层和气凝胶层的总层数为N，N为3～35中的奇数。

进一步地，胶凝材料包括碳矿化活性成分或者含有不少于70wt％碳矿化活性成分的钢渣或镁渣，碳矿化活性成分包括硅酸二钙、硅酸三钙、氢氧化钙和氢氧化镁中的一种或多种。

进一步地，胶凝材料的粒径小于200um。

进一步地，增稠剂包括硅酸镁锂、膨润土、硅灰、硅藻土、高岭土、羟甲基纤维素和纤维素醚中的一种或多种。

进一步地，气凝胶包括SiO₂气凝胶、氧化锆气凝胶、氧化铝气凝胶和碳基气凝胶中的一种或几种；气凝胶的比表面积为400～2000m²/g。

进一步地，气凝胶层的原料组分中的溶剂为水或乙醇。

本发明制备方法的技术方案是，包括以下步骤：

(1)将胶凝材料层的原料组分混合均匀，得到胶凝浆体，将胶凝浆体涂覆于基体表面，在CO₂环境中养护得到胶凝材料层；

(2)将气凝胶层的原料组分混合均匀后涂覆到胶凝材料层上，得到气凝胶层；

(3)在气凝胶层上重复胶凝浆体的涂覆和养护步骤，再重复气凝胶层的涂覆步骤，形成防火保温隔热无机涂层材料。

进一步地，CO₂环境中含有体积分数在8～100％的CO₂气体，养护时间为10～60min。

进一步地，胶凝材料层的单层涂覆厚度为0.2～0.35mm；气凝胶层的单层涂覆厚度为0.1～0.2mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

本发明涂层材料是具有碳矿化活性的胶凝材料层和具有保温隔热的气凝胶材料层的多层结构。其中，胶凝材料层作为结合层和表面修饰层，具有粘结、保护以及防火的功效，能够与基底形成良好的结合、保护涂层表面，并在发生火灾的时候能阻隔火势蔓延。气凝胶层为保温隔热层，具有极低的热导率，使其具有良好的保温隔热性能。本发明除了具有防火保温隔热的性能，在制备过程能够封存大量的CO₂(自身质量的45％)，是一种环境友好的材料，具有无毒无害、安全防火、施工简易的特点，可应用于建筑内外墙防火保温隔热。本发明提供的涂层的热导率能够达到0.043～0.081W/m·K；本发明为多层结构，基体与涂层之间的显微维氏硬度可达84.53～120.72Mpa；表面纳米划痕为0.70GPa。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明防火保温隔热无机涂层材料原料均为无机材料，工艺流程简单，具有高耐久性以及高硬度，是一种环境友好的防火保温隔热无机涂层，可适用于建筑表面的涂覆，也可用于预制装饰板的涂覆。

本发明由胶凝材料层以及气凝胶层多层组成。胶凝材料层是保证涂层与建筑基底具有良好的结合力，并具有一定的强度，可保护涂层表面。气凝胶层存在于胶凝材料层之间。

本发明保温隔热涂层材料的制备，包括以下步骤：

1)将胶凝材料层通过喷涂、刷涂等工艺涂于建筑基底表面：25～75份的胶凝材料、75～15份的水以及0～15份增稠剂搅拌均匀后，制备成浆体，在水泥基体上喷涂或者涂刷形成胶凝材料层，再进一步外辅碳化10～60min；

2)在上述胶凝材料层通过喷涂或刷涂等工艺涂覆一层气凝胶层：1～5份气凝胶与10～100份的水或者有机溶剂搅拌均匀后，喷涂或者涂刷至上述样品上，形成气凝胶层；

3)在根据(1)的步骤在上述气凝胶层再喷涂或刷涂一层胶凝材料层作为保护层，再进一步外辅碳化10～60min。

4)上述流程为一个周期，可在(3)基础上再次涂覆一层气凝胶层，然后再涂覆胶凝材料层，重复多层结构操作。

优选地，防火保温隔热无机涂层材料具有多层结构，胶凝材料层与气凝胶层可多层交叉，但不仅仅限制于三层，可以是3～35层之间，每层厚度为0.1～0.35mm。

优选地，胶凝材料层，粒径小于200um；胶凝材料具有碳矿化活性，可以使用硅酸二钙。但不仅仅限制于硅酸二钙，可以是具有碳矿化活性的材料，如硅酸三钙、氢氧化钙、氢氧化镁，以及含有不少于70wt％碳矿化活性成分的钢渣、镁渣。

优选地，气凝胶层，具有低的导热系数，可以是SiO₂气凝胶。但不仅仅限制为SiO₂气凝胶，可以使氧化锆气凝胶、氧化铝气凝胶以及碳基气凝胶中的一种或几种，比表面积为400～2000m²/g。

优选地，胶凝材料层采用一定浓度CO₂气体作为喷涂气源，不仅仅是高纯CO₂气体，还可以使含较高浓度的CO₂的废气或者混合气，如水泥窑尾气、火力发电尾气，CO₂环境中含有体积分数8～100％的CO₂气体，通过外辅碳化1h具有一定的强度、硬度以及多孔结构，表面孔隙率为20～50％。

优选地，增稠剂包括硅酸镁锂、膨润土、硅灰、硅藻土、高岭土以及羟甲基纤维素、纤维素醚中的一种或者多种。

下面将通过具体实施例对本发明进一步的具体说明。

实施例1

本实施例的胶凝材料层组成为：75份的硅酸二钙、15份水和3份的增稠剂，增稠剂采用膨润土。气凝胶层组成为1份的SiO₂气凝胶、70份的乙醇。本实施例的制备步骤具体包括：

(1)将胶凝材料的组成原料混合均匀，得到胶凝浆体，将胶凝浆体涂覆在水泥基体表面，涂覆厚度为0.2～0.35mm；采用80％CO₂气源进行外辅碳矿化1h，得到胶凝材料层，其表面孔隙率为23％；

(2)在胶凝材料层表面涂覆气凝胶浆体，涂覆厚度为0.1～0.2mm，得到气凝胶层；

(3)重复步骤(1)，在表面干燥的气凝胶层上再涂覆形成一层胶凝材料层，涂覆厚度为0.2～0.35mm，形成3层层状结构的防火保温隔热无机涂层材料。

实施例2

本实施例的胶凝材料层组成为：35份的硅酸二钙、45份水和9份的增稠剂，增稠剂采用硅藻土。气凝胶层组成为1份的氧化锆气凝胶、70份的乙醇。本实施例的制备步骤具体包括：

(1)将胶凝材料的组成原料混合均匀，得到胶凝浆体，将胶凝浆体涂覆在水泥基体表面，涂覆厚度为0.2～0.35mm；采用80％CO₂气源进行外辅碳矿化1h，得到胶凝材料层，其表面孔隙率为46％；

(2)在胶凝材料层表面涂覆气凝胶浆体，涂覆厚度为0.1～0.2mm，得到气凝胶层；

(3)重复步骤(1)，在表面干燥的气凝胶层上再涂覆形成一层胶凝材料层，涂覆厚度为0.2～0.35mm，形成3层层状结构的防火保温隔热无机涂层材料。

实施例3

本实施例的胶凝材料层组成为：45份的硅酸二钙、45份水和6份的增稠剂，增稠剂采用羟甲基纤维素。气凝胶层组成为5份的氧化铝气凝胶、100份的乙醇。本实施例的制备步骤具体包括：

(1)将胶凝材料的组成原料混合均匀，得到胶凝浆体，将胶凝浆体涂覆在水泥基体表面，涂覆厚度为0.2～0.35mm；采用100％CO₂气源进行外辅碳矿化1h，得到胶凝材料层，其表面孔隙率为43％；

(2)在胶凝材料层表面涂覆气凝胶浆体，涂覆厚度为0.1～0.2mm，得到气凝胶层；

(3)重复步骤(1)，在表面干燥的气凝胶层上再涂覆形成一层胶凝材料层，涂覆厚度为0.2～0.35mm，形成3层层状结构的防火保温隔热无机涂层材料。

实施例4

本实施例的胶凝材料层组成为：50份的硅酸二钙、40份水和6份的增稠剂，增稠剂采用纤维素醚。气凝胶层组成为5份的碳基气凝胶、70份的乙醇。本实施例的制备步骤具体包括：

(1)将胶凝材料的组成原料混合均匀，得到胶凝浆体，将胶凝浆体涂覆在水泥基体表面，涂覆厚度为0.2～0.35mm；采用100％CO₂气源进行外辅碳矿化1h，得到胶凝材料层，其表面孔隙率为34％；

(2)在胶凝材料层表面涂覆气凝胶浆体，涂覆厚度为0.1～0.2mm，得到气凝胶层；

(3)重复步骤(1)，在表面干燥的气凝胶层上再涂覆形成一层胶凝材料层，涂覆厚度为0.2～0.35mm，形成5层层状结构的防火保温隔热无机涂层材料。

对比例1

本对比例的胶凝材料层组成为：45份的硅酸二钙、45份水和16份的增稠剂。

按照实施例3相同步骤条件采用100％CO₂气源将胶凝材料层涂覆在水泥基体表面制备1层结构的防火保温隔热无机涂层材料。

对比例2

本对比例的胶凝材料层组成为：50份的硅酸二钙、40份水和6份的增稠剂。

按照实施例4相同步骤条件采用100％CO₂气源将胶凝材料层先后涂覆在水泥基体表面制备2层结构的防火保温隔热无机涂层材料。

以上实施例均使用的相同的制度混合均匀涂覆至相同的水泥基体上，并按照相应的CO₂浓度在相同条件上制备。制备出的防火保温隔热无机涂层材料使用显微硬度仪检测层之间的结合、纳米划痕仪检测表面硬度以及导热系数仪涂层整体导热系数，主要测试条件如下：

1、显微硬度测试：利用环氧树脂将样品固定，制备成圆柱体，经过多次抛光暴露出涂层的侧面；使用0.1kgf的加载力，加载时间为10s的测试条件，最终结果取平均值。

2、纳米划痕测试：利用环氧树脂将样品固定，制备成圆柱体，经过多次抛光暴露出涂层的表面；以2000μN的法向力在涂层表面完成三条划痕试验，最终结果取平均值。

3、导热系数测试：将涂层制备成两块大小，通过仪器(TPS2500S型热常数分析仪)直接测样品导热系数，根据相对法计算涂层的导热系数。

表1上述实施例及对比例的实验结果

由表1可知，本发明涂层材料维氏硬度达到84.53～120.72MPa，纳米划痕在0.61～0.70GPa，导热系数在0.043～0.081W/m·K。一方面，胶凝材料在碳矿化过程中，水作为介质影响胶凝材料的碳矿化形貌以及碳矿化程度。当硅酸二钙为45份，水为45份时，碳矿化后，涂层的成膜能力最佳，涂层结构致密，使得其具有最高的维氏硬度值和纳米划痕值。由实施例3和对比例1可知，当增稠剂过多，涂层的力学性能相比实施例1明显下降，因此增稠剂优选用量为3～15份。通过对比例1和对比例2可以发现，涂层层数低于三层时性能较差。通过对比例2可以发现，胶凝材料层具有一定的保温隔热的效果。在涂层碳矿化固化的过程中，涂层表面的孔结构可以阻止热量的传播，因此本发明优选将表面修饰层为胶凝材料层。

对比例3

本对比例的胶凝材料层组成为：50份的硅酸二钙、40份水和6份的增稠剂。气凝胶层组成为10份的SiO₂气凝胶、70份的乙醇，其它条件同实施例4。

经测试发现，气凝胶含量过多会影响表层的胶凝材料层与气凝胶层的粘结，导致表层脱落。

由此可知，增加气凝胶的使用量可以提高涂层的保温隔热能力，但是过多的气凝胶会影响胶凝材料层与气凝胶层的结合，降低涂层的力学性能。

对比例4

胶凝材料和水的总用量为90份，将胶凝材料的用量调整为10份、20份和80份，其它条件同实施例4。

经测试发现，胶凝材料用量过少(10份和20份)时，所形成胶凝材料层无法形成连续的整体，涂层呈现粉体，无法作为连接和保护作用。当胶凝材料过多(80份)时，由于水分太少，涂料流动性很差，不合适来制作涂料，因此优选胶凝材料用量为25～75份。

对比例5

本对比例的胶凝材料层组成为：50份的硅酸二钙、40份水和6份的增稠剂。气凝胶层组成为5份的气凝胶、70份的乙醇。采用100％CO₂气源进行外辅碳矿化0h，其它条件同实施例4。

经测试发现，在外辅碳矿化0h的条件下，涂层并未固化成膜，仍是粉体，不利于提高最终涂层力学性能。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

1)本发明制备的防火保温隔热无机涂层材料，使用了气凝胶作为主要的保温隔热材料。所使用的气凝胶是通过缩合反应将固体颗粒连接在一起，形成具有三维网络结构的绝热材料；一方面气凝胶所具有的三维网络结构中存在大量无序结构和缺陷，对声子的传播产生了散射；另一方面，气凝胶的孔普遍小于大气环境中的气体分子的平均自由程，阻止气体分子之间的碰撞，使得热量只能沿着孔壁进行，这使得气凝胶具有优异的保温隔热性能，本发明提供的涂层的热导率能够达到0.043～0.081W/m·K。

2)本发明制备的防火保温隔热无机涂层材料，采用硅酸二钙等作为胶凝材料。硅酸二钙是一种具有碳矿化活性的无机材料，其在CO₂氛围中生成碳酸钙和硅胶，与本身以及其他的无机材料具有良好的粘结能力，可以在其碳矿化后的表面继续再次涂覆一层，由此来制备多层结构，层数可达35层，基体与涂层之间的显微维氏硬度可达84.53～120.72Mpa。

3)本发明制备的防火保温隔热无机涂层材料，采用控制胶凝材料浆体的固含量来控制胶凝材料层的孔结构。如使用40～45份的水与35～45份的硅酸二钙制备出来的胶凝材料层，其表面孔隙率可达到40％。这些孔隙率不仅可以来填充气凝胶，还封装气体，进一步提高其保温隔热能力。

4)本发明制备的防火保温隔热无机涂层材料，采用的原料均是无机的材料，如硅酸二钙以及气凝胶，这些材料本身就是不易燃的材料，防火等级高。而且，硅酸二钙在CO₂中养护生成的碳酸钙，在发生火宅时，可分解释放CO₂气体，阻止火势蔓延，防火等级为A级。

5)本发明制备的防火保温隔热无机涂层材料，采用硅酸二钙为主要成分。硅酸二钙本身是水泥一种矿物，具有高强度、防火的特点，其在CO₂氛围中后生成的碳酸钙也具有强度高和稳定性好的特点，可以保护涂层不受外界环境损伤，表面纳米划痕为0.70GPa。

6)本发明制备的防火保温隔热无机涂层材料，采用的胶凝的材料是具有碳矿化活性的硅酸二钙，可以封存CO₂，在与CO₂反应中可吸收自身质量的45％的CO₂，是一种环境友好的材料。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种防火保温隔热无机涂层材料，其特征在于，包括依次叠层设置的胶凝材料层和气凝胶层，其中，按质量份数计，所述胶凝材料层的原料组分包括25～75份的胶凝材料、75～15份水以及0～15份增稠剂；所述气凝胶层的原料组分包括1～5份气凝胶与10～100份的溶剂。

2.根据权利要求1所述的防火保温隔热无机涂层材料，其特征在于，所述胶凝材料层和气凝胶层的总层数为N，N为3～35中的奇数。

3.根据权利要求1所述的防火保温隔热无机涂层材料，其特征在于，所述胶凝材料包括碳矿化活性成分或者含有不少于70wt％碳矿化活性成分的钢渣或镁渣，碳矿化活性成分包括硅酸二钙、硅酸三钙、氢氧化钙和氢氧化镁中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的防火保温隔热无机涂层材料，其特征在于，所述胶凝材料的粒径小于200um。

5.根据权利要求1所述的防火保温隔热无机涂层材料，其特征在于，所述增稠剂包括硅酸镁锂、膨润土、硅灰、硅藻土、高岭土、羟甲基纤维素和纤维素醚中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的防火保温隔热无机涂层材料，其特征在于，所述气凝胶包括SiO₂气凝胶、氧化锆气凝胶、氧化铝气凝胶和碳基气凝胶中的一种或几种；所述气凝胶的比表面积为400～2000m²/g。

7.根据权利要求1所述的防火保温隔热无机涂层材料，其特征在于，气凝胶层的原料组分中的溶剂为水或乙醇。

8.如权利要求1-7任一项所述防火保温隔热无机涂层材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将胶凝材料层的原料组分混合均匀，得到胶凝浆体，将胶凝浆体涂覆于基体表面，在CO₂环境中养护得到胶凝材料层；

(2)将气凝胶层的原料组分混合均匀后涂覆到胶凝材料层上，得到气凝胶层；

(3)在气凝胶层上重复胶凝浆体的涂覆和养护步骤，再重复气凝胶层的涂覆步骤，形成防火保温隔热无机涂层材料。

9.根据权利要求8所述防火保温隔热无机涂层材料的制备方法，其特征在于，CO₂环境中含有体积分数在8～100％的CO₂气体，养护时间为10～60min。

10.根据权利要求8所述防火保温隔热无机涂层材料的制备方法，其特征在于，胶凝材料层的单层涂覆厚度为0.2～0.35mm；气凝胶层的单层涂覆厚度为0.1～0.2mm。