CN114806240A - 保温隔热涂料及其制备方法与应用 - Google Patents

保温隔热涂料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种保温隔热涂料，以重量份数计，所述保温隔热涂料包括如下原料：5份～30份的基料、1份～6份的碱激发剂、0.5份～5份的保温材料、4份～12份的水，以及0.02份～4份的助剂；其中，所述基料包含硅铝酸盐；所述保温材料为气凝胶。该保温隔热涂料具有较强的保温隔热性、抗压强度与耐高温性。进一步地，本发明所述的保温隔热涂料经济环保，所需制备工艺简单，适合工业化大规模生产。

Description

保温隔热涂料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及涂料技术领域，特别是涉及一种保温隔热涂料及其制备方法与应用。
背景技术
在核能发电、石油化工等领域，管道输热过程中存在热量散失问题，这不仅造成巨大的能源浪费，还会给生产过程带来严重的安全隐患。因此，寻求一种行之有效的保温隔热方法将具有巨大的经济效益、社会效益和环境效益。
传统的保温隔热方法存在诸多缺陷，比如采用传统的隔热制品，如石棉毡、硅酸盐毡等，这类制品导热系数高，通常需要很厚的毡制品才能达到预期的保温隔热效果，并且其在输热管道上存在施工困难的问题，特别是在管网中的拐角和接口等异形区域。近些年，普遍应用一种复合硅酸盐水泥保温隔热涂料，虽然其导热系数低，施工也更方便，但仍存在成本高、凝固时间长、强度低、耐高温性和耐腐蚀性不好的问题，很难有效适用于以金属输热管道为代表的金属物体表面，同时，其主要原料硅酸盐水泥在生产过程中的“两磨一烧”还会消耗大量能源，排放出各种有害气体。还有传统技术公开了一种保温效果良好的硅酸盐保温涂料，其在硅酸盐水泥基涂料中，通过加入大量外加剂，改善了部分性能，但并不能完全解决上述问题，还增加了原料成本和制备工艺。
发明内容
基于此，本发明提供了一种保温隔热涂料，所述保温隔热涂料具有较强的保温隔热性、抗压强度与耐高温性。
本发明通过如下技术方案实现。
一种保温隔热涂料，以重量份数计，所述保温隔热涂料包括如下原料：
Figure BDA0003668320540000021
其中，所述基料包含硅铝酸盐；
所述保温材料为气凝胶。
在其中一个实施例中，以重量份数计，所述保温隔热涂料包括如下原料：
Figure BDA0003668320540000022
在其中一个实施例中，所述基料选自水渣、钢渣、矿渣、偏高岭土、粉煤灰、硅微粉、赤泥与合成高活性Al2O3-2SiO2粉体中的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述碱激发剂选自钠水玻璃、钾水玻璃、氢氧化钠与氢氧化钾中的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述助剂选自润湿剂、硅烷偶联剂与发泡剂中的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述气凝胶选自二氧化硅气凝胶与改性疏水二氧化硅气凝胶中的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述气凝胶的粒径为0.09mm～4.6mm。
在其中一个实施例中，所述保温隔热涂料的原料还包括增稠剂。
在其中一个实施例中，所述增稠剂选自无机增稠剂、纤维素醚、天然高分子及其衍生物、合成高分子与络合型有机金属化合物中的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述保温隔热涂料的原料还包括石英砂。
本发明还提供一种如上所述的保温隔热涂料的制备方法，包括如下步骤：
将所述基料、所述碱激发剂与水第一次混合，制备第一溶液；
将所述第一溶液、所述保温材料与所述助剂第二次混合。
在其中一个实施例中，第一次混合的条件包括：转速为100r/min～4000r/min，时间为1min～5min。
在其中一个实施例中，第二次混合的条件包括：转速为50r/min～150r/min，时间为0.5min～5min。
本发明还提供如上所述的保温隔热涂料在输热管道中的应用。
与现有技术相比较，本发明所述的保温隔热涂料具有如下有益效果：
本发明通过将保温材料、含硅铝酸盐的基料、碱激发剂、助剂和水以特定比例混合，筛选出气凝胶为保温材料，气凝胶不仅作为热导率极低的填料，能够提升涂料的保温隔热性能，还与其它原料存在协同增效关系，明显增强了保温隔热涂料的抗压强度与耐高温性。
进一步地，本发明所述的保温隔热涂料经济环保，所需制备工艺简单，适合工业化大规模生产。
附图说明
图1为本发明提供的保温隔热涂料的导热系数、抗压强度、高温收缩率与XRD表征图；
图2为本发明提供的保温隔热涂料的SEM图；
图3为本发明提供的保温隔热涂料的实物图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。在本发明的描述中，“若干”的含义是至少一个，例如一个，两个等，除非另有明确具体的限定。
本发明中的词语“优选地”、“更优选地”等是指，在某些情况下可提供某些有益效果的本发明实施方案。然而，在相同的情况下或其他情况下，其他实施方案也可能是优选的。此外，对一个或多个优选实施方案的表述并不暗示其他实施方案不可用，也并非旨在将其他实施方案排除在本发明的范围之外。
当本文中公开一个数值范围时，上述范围视为连续，且包括该范围的最小值及最大值，以及这种最小值与最大值之间的每一个值。进一步地，当范围是指整数时，包括该范围的最小值与最大值之间的每一个整数。此外，当提供多个范围描述特征或特性时，可以合并该范围。换言之，除非另有指明，否则本文中所公开之所有范围应理解为包括其中所归入的任何及所有的子范围。
除非另外指明，所有百分比、分数和比率都是按本发明组合物的总质量计算的。除非另外指明，有关所列成分的所有质量均给予活性物质的含量，因此它们不包括在可商购获得的材料中可能包含的溶剂或副产物。本文术语“质量百分比含量”可用符号“％”表示。除非另外指明，在本文中所有的分子量都是以道尔顿为单位表示的重均分子量。除非另外指明，在本文中所有配制和测试发生在25℃的环境。本文中“包括”、“包含”、“含”、“含有”、“具有”或其它变体意在涵盖非封闭式包括，这些术语之间不作区分。术语“包含”是指可加入不影响最终结果的其它步骤和成分。本发明的组合物和方法/工艺包含、由其组成和基本上由本文描述的必要元素和限制项以及本文描述的任一的附加的或任选的成分、组份、步骤或限制项组成。本文中术语“效能”、“性能”、“效果”、“功效”之间不作区分。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明提供了一种保温隔热涂料，以重量份数计，保温隔热涂料包括如下原料：
Figure BDA0003668320540000051
Figure BDA0003668320540000061
其中，所述基料包含硅铝酸盐；保温材料为气凝胶。
上述保温隔热涂料的保温隔热性能好，尤其适用于一些特殊领域(如核能发电、石油化工等领域)输热管道温度较高(300℃～600℃)的使用环境。施工方便易操作，其制备工艺简单，适合工业化大规模生产，施工可以通过刷涂、滚涂或喷涂到输热管道外壁，贴合于各种异形区域。经久耐用强度高，得益于地质聚合物本身的高强度、耐高温、耐腐蚀等性能，该涂料可以在较为复杂恶劣的环境条件下使用。并且上述保温隔热涂料经济环保，合成地质聚合物的原料来源广泛，如固体废弃物、天然矿物和人工合成粉体等，没有水泥生产过程中的“两磨一烧”，也没有传统有机涂料的VOC排放，可节约能源，绿色环保。
在本发明中，含硅铝酸盐的基料(包括固体废弃物、天然矿物和人工合成粉体等)可经过碱性物质激发，制备得到碱激发地质聚合物。碱激发地质聚合物是一种由铝氧四面体和硅氧四面体结构单元组成三维立体网状结构的无机聚合物。与硅酸盐水泥相比，其具有更好的强度、固化更快、更耐高温、更耐腐蚀、抗冻融循环性能更好等优势。采用高碱激发活性的固体废弃物作原料可实现变废为宝，达到绿色环保的目标。
在一个具体的示例中，以重量份数计，保温隔热涂料包括如下原料：
Figure BDA0003668320540000062
可以理解地，在本发明中，水用作该涂料的溶剂。
在一个具体的示例中，基料选自水渣、钢渣、矿渣、偏高岭土、粉煤灰、硅微粉、赤泥与合成高活性Al2O3-2SiO2粉体中的一种或多种。
在一个具体的示例中，碱激发剂选自钠水玻璃、钾水玻璃、氢氧化钠与氢氧化钾中的一种或多种。
更具体地，钠水玻璃为干粉或液体。
更具体地，钾水玻璃为干粉或液体。
在一个具体的示例中，助剂选自润湿剂、硅烷偶联剂与发泡剂中的一种或多种。
在一个具体的示例中，气凝胶选自二氧化硅气凝胶与改性疏水二氧化硅气凝胶中的一种或多种。
在一个具体的示例中，气凝胶的粒径为0.09mm～4.6mm。
可以理解地，在本发明中，气凝胶的粒径包括但不限于0.09mm、0.10mm、0.11mm、0.12mm、0.13mm、0.14mm、0.15mm、0.20mm、0.25mm、0.30mm、0.35mm、0.40mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm、3.5mm、4.0mm、4.1mm、4.2mm、4.3mm、4.4mm、4.5mm、4.6mm。
在一个具体的示例中，保温隔热涂料的原料还包括增稠剂。
增稠剂可以调整粘度便于施工，抑制固体颗粒沉降分层，防止出现流挂等问题。
在一个具体的示例中，增稠剂选自无机增稠剂、纤维素醚、天然高分子及其衍生物、合成高分子与络合型有机金属化合物中的一种或多种。
更具体地，无机增稠剂选自钠基膨润土、有机膨润土、硅藻土、凹凸棒石土与硅凝胶中的一种或几种。
更具体地，纤维素醚选自甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素钠与羟乙基纤维素中的一种或几种。
更具体地，天然高分子及其衍生物选自淀粉、明胶与海藻酸钠中的一种或几种。
更具体地，合成高分子选自聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚氧化乙烯、聚丙烯酸、聚丙烯酸钠与聚丙烯酸酯共聚乳液中的一种或几种。
更具体地，络合型有机金属化合物为氨基醇络合型钛酸酯。
在一个具体的示例中，保温隔热涂料的原料还包括石英砂。
石英砂物理化学性质稳定，将其作为骨料以适当的比例掺入，可防止涂料变形开裂。
更具体地，石英砂的粒径为0.075mm～0.2mm；和/或80目～200目。
可以理解地，在本发明中，石英砂的粒径包括但不限于0.075mm、0.08mm、0.09mm、0.10mm、0.11mm、0.12mm、0.13mm、0.14mm、0.15mm、0.16mm、0.17mm、0.18mm、0.19mm、0.20mm。
本发明还提供一种上述保温隔热涂料的制备方法，包括如下步骤：
将基料、碱激发剂与水第一次混合，制备第一溶液；
将第一溶液、保温材料与助剂第二次混合。
在一个具体的示例中，第一次混合的条件包括：转速为100r/min～4000r/min，时间为1min～5min。
可以理解地，在本发明中，第一次混合的转速包括但不限于100r/min、200r/min、300r/min、400r/min、500r/min、600r/min、700r/min、800r/min、900r/min、1000r/min、1100r/min、1200r/min、1300r/min、1400r/min、1500r/min、1600r/min、1700r/min、1800r/min、1900r/min、2000r/min、2200r/min、2400r/min、2600r/min、2800r/min、3000r/min、3200r/min、3400r/min、3600r/min、3800r/min、4000r/min。
可以理解地，在本发明中，第一次混合的时间包括但不限于1min、1.5min、2.0min、2.5min、3.0min、3.5min、4.0min、4.5min、5.0min。
在一个具体的示例中，第二次混合的条件包括：转速为50r/min～150r/min，时间为0.5min～5min。
可以理解地，在本发明中，第二次混合的时间包括但不限于0.5min、0.6min、0.7min、0.8min、0.9min、1.0min、1.5min、2.0min、2.5min、3.0min、3.5min、4.0min、4.5min、5.0min。
在一个更为具体的示例中，上述保温隔热涂料的制备方法，包括如下步骤：
将基料、碱激发剂与水在转速为100r/min～4000r/min的条件下搅拌混合1min～5min，制备第一溶液；
将第一溶液、保温材料与助剂在转速50/min～150r/min的条件下搅拌混合0.5min～5min。
本发明还提供上述保温隔热涂料在输热管道中的应用。
以下结合具体实施例对本发明的保温隔热涂料做进一步详细的说明。以下实施例中所用的原料，如无特别说明，均为市售产品。
实施例1
本实施例提供一种保温隔热涂料及其制备方法，具体如下：
按重量份计，保温隔热涂料包括以下原料：矿渣10份、1.8M钠水玻璃(干粉)2份、水5.07份、硅烷偶联剂0.04份。首先，按上述配比将矿渣、1.8M钠水玻璃(干粉)和水混合均匀，在2000转/分钟的转速下搅拌3分钟；然后，将上述硅烷偶联剂添加到上述浆料中，在100转/分钟的转速下搅拌3分钟，即得涂料浆料。
实施例2
本实施例提供一种保温隔热涂料及其制备方法，具体如下：
按重量份计，保温隔热涂料包括以下原料：矿渣10份、1.8M钠水玻璃(干粉)2份、水6.67份、硅烷偶联剂0.07份。首先，按上述配比将矿渣、1.8M钠水玻璃(干粉)和水混合均匀，在2000转/分钟的转速下搅拌3分钟；然后，将上述硅烷偶联剂添加到上述浆料中，在100转/分钟的转速下搅拌3分钟，即得涂料浆料。
实施例3
本实施例提供一种保温隔热涂料及其制备方法，具体如下：
按重量份计，保温隔热涂料包括以下原料：矿渣10份、1.8M钠水玻璃(干粉)2份、水5份、气凝胶0.66份、润湿剂0.02份。首先，按上述配比将矿渣、1.8M钠水玻璃(干粉)和水混合均匀，在2000转/分钟的转速下搅拌3分钟；然后，将上述配比的气凝胶和润湿剂添加到上述浆料中，在100转/分钟的转速下搅拌3分钟，即得涂料浆料。
其中，气凝胶为改性疏水二氧化硅气凝胶，粒径为0.09mm-0.3mm(或48目-170目)。
实施例4
本实施例提供一种保温隔热涂料及其制备方法，具体如下：
按重量份计，保温隔热涂料包括以下原料：矿渣10份、1.8M钠水玻璃(干粉)2份、水7.33份、气凝胶1.33份、润湿剂0.04份。首先，按上述配比将矿渣、1.8M钠水玻璃(干粉)和水混合均匀，在2000转/分钟的转速下搅拌3分钟；然后，将上述配比的气凝胶和润湿剂添加到上述浆料中，在100转/分钟的转速下搅拌3分钟，即得涂料浆料。
其中，气凝胶为改性疏水二氧化硅气凝胶，粒径为0.09mm-0.3mm(或48目-170目)。
实施例5
本实施例提供一种保温隔热涂料及其制备方法，具体如下：
按重量份计，保温隔热涂料包括以下原料：矿渣10份、1.8M钠水玻璃(干粉)2份、水9.23份、增稠剂0.04份、气凝胶0.67份、硅烷偶联剂0.04份、润湿剂0.02份、发泡剂1.33份。首先，按上述配比将矿渣、1.8M钠水玻璃(干粉)和水混合均匀，在2000转/分钟的转速下搅拌3分钟；然后，将上述配比的气凝胶、发泡剂、增稠剂、硅烷偶联剂和润湿剂添加到上述浆料中，在100转/分钟的转速下搅拌3分钟，即得涂料浆料。
其中，增稠剂为羧甲基纤维素钠。密度是0.4g/cm3，pH值8.0-9.0，漂浮率96％-99％。气凝胶为改性疏水二氧化硅气凝胶，粒径为0.09mm-0.3mm(或48目-170目)。
实施例6
本实施例提供一种保温隔热涂料及其制备方法，具体如下：
按重量份计，保温隔热涂料包括以下原料：矿渣10份、1.8M钠水玻璃(干粉)2份、水10.9份、增稠剂0.04份、气凝胶1份、硅烷偶联剂0.04份、润湿剂0.04份、发泡剂2份。首先，按上述配比将矿渣、1.8M钠水玻璃(干粉)和水混合均匀，在2000转/分钟的转速下搅拌3分钟；然后，将气凝胶、发泡剂、增稠剂、硅烷偶联剂和润湿剂添加到上述浆料中，在100转/分钟的转速下搅拌3分钟，即得涂料浆料。
其中，增稠剂为羧甲基纤维素钠。密度是0.4g/cm3，pH值8.0-9.0，漂浮率96％-99％。气凝胶为改性疏水二氧化硅气凝胶，粒径为0.09mm-0.3mm(或48目-170目)。
实施例7
本实施例提供一种保温隔热涂料及其制备方法，具体如下：
按重量份计，保温隔热涂料包括以下原料：矿渣20份、1.8M钠水玻璃(干粉)6份、水9份、气凝胶2份、石英砂10份。首先，按上述配比将矿渣、1.8M钠水玻璃(干粉)、水和石英砂混合均匀，在2000转/分钟的转速下搅拌3分钟；然后，将上述配比的气凝胶添加到上述浆料中，在100转/分钟的转速下搅拌3分钟，即得涂料浆料。
其中，气凝胶为二氧化硅气凝胶，粒径为0.09mm-0.3mm(或48目-170目)。
对比例1
本对比例提供一种保温隔热涂料及其制备方法，具体如下：
按重量份计，保温隔热涂料包括以下原料：矿渣10份、1.8M钠水玻璃(干粉)2份、水3份，按上述配比将矿渣、1.8M钠水玻璃(干粉)、水混合均匀，在2000转/分钟的转速下搅拌3分钟，即得涂料浆料。
效果验证数据
将实施例1～6与对比例1制备得到的保温隔热涂料进行效果验证，通过导热系数、抗压强度、高温收缩率、XRD和SEM等测试表征其保温隔热性能、力学性能和耐高温性能等综合使用性能。
图1是实施例1～6与对比例1的技术效果数据图。如图1A所示，各实施例相较于对比例的导热系数均有显著降低。如图1B所示，抗压强度随着气凝胶、掺量变化而变化。分析图1C可知：(1)在400℃和600℃处理后，各实施例的线收缩率均小于对比例，表明添加气凝胶等具有保温作用的材料还可以有效增强耐高温性；(2)800℃收缩率增幅较为显著，由后续图1D分析可知是由于800℃时地聚物发生晶型转变；图1D是不同温度处理试样的XRD图，由图可知室温至600℃范围内地质聚合物保持稳定，800℃则发生晶型转变，生成钙镁方柱石-钙铝黄长石(Ca2(Mg0.5Al0.5)(Si1.5Al0.5O7)，PDF#79-2423)和镁硅钙石(Ca3Mg(SiO4)2，PDF#74-0382)。
图2是实施例1与实施例3的SEM图，由图可知材料在600℃时结构较为稳定，在800℃时材料内部结构开始发生坍塌变化。
图3为实施例7提供的实物图，其中，图3a和图3b是分别在不同长度金属输热管道外壁实际涂覆的实物图，图3c和图3d分别为在钢片上平板涂覆的样品图和拉拔实验后断面产生内聚破坏图。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，便于具体和详细地理解本发明的技术方案，但并不能因此而理解为对发明专利保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。应当理解，本领域技术人员在本发明提供的技术方案的基础上，通过合乎逻辑的分析、推理或者有限的试验得到的技术方案，均在本发明所附权利要求的保护范围内。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求的内容为准，说明书及附图可以用于解释权利要求的内容。

Claims (14)

1.一种保温隔热涂料，其特征在于，以重量份数计，所述保温隔热涂料包括如下原料：
Figure FDA0003668320530000011
其中，所述基料包含硅铝酸盐；
所述保温材料为气凝胶。
2.根据权利要求1所述的保温隔热涂料，其特征在于，以重量份数计，所述保温隔热涂料包括如下原料：
Figure FDA0003668320530000012
3.根据权利要求1所述的保温隔热涂料，其特征在于，所述基料选自水渣、钢渣、矿渣、偏高岭土、粉煤灰、硅微粉、赤泥与合成高活性Al2O3-2SiO2粉体中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的保温隔热涂料，其特征在于，所述碱激发剂选自钠水玻璃、钾水玻璃、氢氧化钠与氢氧化钾中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的保温隔热涂料，其特征在于，所述助剂选自润湿剂、硅烷偶联剂与发泡剂中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的保温隔热涂料，其特征在于，所述气凝胶选自二氧化硅气凝胶与改性疏水二氧化硅气凝胶中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的保温隔热涂料，其特征在于，所述气凝胶的粒径为0.09mm～4.6mm。
8.根据权利要求1～7任一项所述的保温隔热涂料，其特征在于，所述保温隔热涂料的原料还包括增稠剂。
9.根据权利要求8所述的保温隔热涂料，其特征在于，所述增稠剂选自无机增稠剂、纤维素醚、天然高分子及其衍生物、合成高分子与络合型有机金属化合物中的一种或多种。
10.根据权利要求1～9任一项所述的保温隔热涂料，其特征在于，所述保温隔热涂料的原料还包括石英砂。
11.一种权利要求1～10任一项所述的保温隔热涂料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将所述基料、所述碱激发剂与水第一次混合，制备第一溶液；
将所述第一溶液、所述保温材料与所述助剂第二次混合。
12.根据权利要求11所述的保温隔热涂料的制备方法，其特征在于，第一次混合的条件包括：转速为100r/min～4000r/min，时间为1min～5min。
13.根据权利要求11所述的保温隔热涂料的制备方法，其特征在于，第二次混合的条件包括：转速为50r/min～150r/min，时间为0.5min～5min。
14.权利要求1～10任一项所述的保温隔热涂料在输热管道中的应用。
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