CN115286989B - 一种透明防水隔热涂料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透明防水隔热涂料及其制备方法，属于高分子涂料技术领域。本发明研制产品时，包括以水溶性锡盐为原料，聚苯乙烯丙烯酸为模板剂，碱液为沉淀剂，采用液相沉淀法获得氢氧化锡，再经焙烧去除模板剂，得空心内核；将空心内核分散于乙醇溶液中，再加入硅烷偶联剂，调节pH后，水解反应，再经过滤、洗涤和干燥，得包覆有偶联剂的空心内核；以水溶性钇盐为原料，所述包覆有偶联剂的空心内核为模板，碳酸氢钠为沉淀剂，采用液相沉淀法获得包覆有碳酸钇外壳的内核，再经焙烧，以使外壳中碳酸钇分解形成多孔的氧化钇，即为功能性填料；将增稠剂在水中溶胀后，加热搅拌溶解，加入水性聚氨酯、功能性填料、和消泡剂，分散均匀，即得产品。

Description

一种透明防水隔热涂料及其制备方法

技术领域

本发明公开了一种透明防水隔热涂料及其制备方法，属于高分子涂料技术领域。

背景技术

近年来，我国建筑物普遍采用大型窗户和玻璃幕墙，在改善室内景观的同时使太阳光照射到室内，夏天室内温度大幅度升高，冬天又会使室内的能量辐射到室外，从而降低室内温度，增加了夏季制冷和冬季取暖的能耗。建筑能耗占总能耗的30％～40％，其中约半数是由建筑制冷或采暖造成的。隔热透明涂料是一种安全节能材料，在欧美、东南亚及日本、韩国等国家，隔热透明涂料广泛应用于建筑领域。在建筑玻璃上使用隔热透明节能涂料，可以降低建筑能耗，对缓解能源危机和维护我国经济的可持续发展具有重要意义。

目前隔热透明涂料的功能填料主要包括：空心玻璃微珠、中空陶瓷微珠以及导热系数低、比热小的材料，如二氧化钛、氧化锌、氧化镁、氧化铝等；表面包覆金红石相二氧化钛的陶瓷微珠，二氧化钛包覆的粉煤灰漂珠，无机半导体纳米粉体，如氧化锡、氧化铟锡、氧化锑锡等。其中纳米金属氧化物粉体对太阳光谱具有理想的选择性，在可见光区透过率高，对红外线具有很好的屏蔽作用。而纳米氧化铟锡、氧化锑锡、氧化镓锡等锡基透明半导体材料，透明性和导电率更高。

现有技术CN201811391748.3公开了一种导电超疏水涂料及其制备方法，其通过改性纳米氧化钇、改性碳纳米管等组分的加入，改善了涂料的导电和超疏水性能，更容易清洁，然而，其无法对涂料的透过率、隔热性和防水性进行进一步提升；现有技术CN201010237787.5公开了一种纳米玻璃隔热涂料及其制备方法，其将聚氨酯、氧化锑锡和其他助剂共混，有效提升了涂料的隔热能力和光学透射性能，然而其未解决涂料组分团聚、沉降以及不均匀造成的老化问题。

虽然纳米锡基功能填料具有良好的隔热效果，然而，如果将其直接添加到高分子树脂涂料体系中去，由于纳米颗粒的表面效应，以及纳米锡基填料为无机颗粒，而高分子涂料为有机树脂，两者相容性较差，如此，容易导致添加的纳米锡基功能填料在涂料体系中发生团聚、沉降，从而导致涂膜表面的隔热性能不均一，并且，由于涂层表面隔热性能的不同，很容易导致其基体树脂在受热过程中热量不均衡，导致其老化寿命不同，局部的失效，很容易加剧发展后引发整体失效，由此，由于涂膜局部甚至整体的粘附失效，引起其防水效果显著下降。

综上所述，亟需开发一种新的技术方案，提供一种性能更好的隔热涂料，解决现有技术中的不足。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有隔热涂料在实际使用过程中，内部添加的功能性填料不仅容易团聚，而且隔热性能瓶颈显著，难以进一步提升产品的隔热效果，从而使得用户体验下降的缺陷和不足，提供一种透明防水隔热涂料及其制备方法。

本发明的目的是提供一种透明防水隔热涂料。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：

一种透明防水隔热涂料，包括以下重量份数的原料：

120-150分水性聚氨酯涂料，20-35份功能性填料，2-4份消泡剂，1-3份增稠剂溶液；

其中，所述功能性填料为核壳结构，所述核壳结构包括内核和外壳；

所述内核材料包括氧化锡；所述外壳材料包括氧化钇；

所述外壳为多孔外壳。

氧化锡颗粒如果直接添加至涂料基体中，容易发生团聚，从而影响其在涂料中的分散稳定性，最终导致产品的隔热效果下降，并且，由于沉降后的氧化锡颗粒由于和建筑材料基体，尤其是玻璃材质的基体粘附性差，将导致表面的隔热涂层很容易脱落，涂料的防水和隔热效果都会显著下降；

上述方案首先在氧化锡表面包覆多孔结构的氧化钇，并且多孔结构仅存在于表面的壳层，如此，可以有效提高功能性填料和涂料基体之间的接触面积，而颗粒和颗粒之间由于范德华力吸附时，由于表面的空隙引起了表面结构的不完整，相比于涂料和填料之间的作用力，例如氢键等作用力而言，要弱得多，如此，颗粒和颗粒之间得团聚现象被减少；并且，其表面的多孔结构存在，在太阳光照射过程中，可以使得光线在颗粒表面得反射和折射路径变多，可以理解的是，此时太阳光在透过功能性填料时，可以获得更多的接触机会，进一步提升其对热量的阻隔效果。

进一步的，所述核壳结构为纳米核壳结构；其中，所述内核的粒径分布范围为5-80nm；所述外壳的平均厚度为1-10nm。

进一步的，所述内核为球形或类球形结构的空心内核。

内部空心内核的存在，可以作为热量传递过程中的不良导体，减少热量的传递路径，并且，空心内核的存在，可以有效降低填料的密度，保证其可以稳定的在体系内部分散，避免过量的沉降。

进一步的，所述核壳结构还包括分布于所述内核和所述外壳之间的偶联剂层；所述偶联剂选自硅烷偶联剂KH-550、硅烷偶联剂KH-560、硅烷偶联剂KH-570中的任意一种。

通过在核壳结构之间构建偶联剂层，一方面，有利于在产品制造过程中，表面壳层的均匀吸附固定，获得较为均一的包覆效果，从而提升填料颗粒整体的均一程度，使得其在体系中的稳定性容易控制；另一方面，由于偶联剂仅仅只是热的不良导体，并且也是电子的不良导体，因此使得表面的壳层和内核无法形成电子通路，两者可以实现太阳光能量的差异化转变，尤其是内核转变后形成的热能，其会相对迟滞的向外传递扩散，使得产品的整体隔热性能得到进一步提升。

进一步的，所述消泡剂选自聚二甲基硅氧烷、硬脂酸钙、硬脂酸镁、棕榈酸钙、棕榈酸镁、聚醚改性硅油中的任意一种。

进一步的，所述增稠剂选自羧甲基纤维素，羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、纳基膨润土、钙基膨润土、海泡石中的任意一种。

本发明另一目的是提供一种透明防水隔热涂料的制备方法。

一种透明防水隔热涂料的制备方法，具体制备步骤包括：

功能性填料的制备：

内核的制备：以水溶性锡盐为原料，聚苯乙烯丙烯酸为模板剂，碱液为沉淀剂，采用液相沉淀法获得氢氧化锡，再经焙烧去除模板剂，得空心内核；

偶联剂的包覆：将空心内核分散于乙醇溶液中，再加入硅烷偶联剂，调节pH至8.4-8.6后，水解反应，再经过滤、洗涤和干燥，得包覆有偶联剂的空心内核；

外壳的包覆：以水溶性钇盐为原料，所述包覆有偶联剂的空心内核为模板，碳酸氢钠为沉淀剂，采用液相沉淀法获得包覆有碳酸钇外壳的内核，再经焙烧，以使外壳中碳酸钇分解形成多孔的氧化钇，即为功能性填料；

涂料的配置：将增稠剂在水中溶胀后，加热搅拌溶解，冷却后，加入水性聚氨酯、功能性填料、和消泡剂，分散均匀，即得产品。

进一步的，所述水溶性锡盐选自氯化锡、硝酸锡中的任意一种；所述水溶性钇盐选自氯化钇、硝酸钇中的任意一种。

进一步的，所述碱液选自氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、氨水中的任意一种。

有益技术效果：

本发明通过对功能性填料的物理结构进行设计调整，不仅优化了填料在涂料体系中的分散性能，还利用该结构改变了常规填料的太阳光在能量转变过程中的传递过程，有效提高了对入射光线的吸收和反射，其透过率为58-60％，显著降低了光线的透过率，从而综合实现了产品隔热性能的提升，另外，得益于其中填料的良好分散，涂料性能均一且稳定，涂层致密，如此，可以获得较为持久的隔热和防水效果，相同环境下能够降低温度6℃以上。

具体实施方式

以下结合具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。

实施例1

功能性填料的制备：

内核的制备：将水溶性锡盐倒入去离子水中，用搅拌器以300r/min转速，于温度为55℃条件下，加热搅拌溶解，以配置成质量分数为10％的锡盐溶液；

按重量份数计，依次取100份锡盐溶液，4份聚苯乙烯丙烯酸，用搅拌器以400r/min转速搅拌混合，随后于搅拌状态下，边搅拌混合边向其中滴加碱液作为沉淀剂，调节pH至8.8，继续搅拌反应2h后，静置放置3h，通过调节沉淀的Ph值，搅拌反应时间，以及静置时间，控制所述内核的粒径分布范围为5-50nm，待静置结束，过滤，收集滤饼，并用去离子水洗涤滤饼直至洗涤液呈中性，再将洗涤后的滤饼转入烘箱中，于温度为80℃条件下干燥至恒重，随后将干燥后的滤饼于马弗炉中，于温度为550℃条件下，加热煅烧3h后，随炉冷却至室温，出料，得空心内核；

偶联剂的包覆：将空心内核和质量分数为60％的乙醇溶液按质量比为1：8混合分散，再加入空心内核质量0.1倍的硅烷偶联剂，随后用氨水调节pH至8.4，搅拌水解反应3h后，过滤，收集滤饼，并用无水乙醇洗涤滤饼3次，再将洗涤后的滤饼转入烘箱中干燥，得包覆有偶联剂的空心内核；

外壳的包覆：将水溶性钇盐倒入去离子水中，用搅拌器以300r/min转速，于温度为55℃条件下，加热搅拌溶解，以配置成质量分数为4％的钇盐溶液；

按重量份数计，依次取100份钇盐溶液，20份包覆有偶联剂的空心内核，用搅拌器以400r/min转速搅拌混合，随后于搅拌状态下，边搅拌混合边向其中滴加碳酸氢钠溶液作为沉淀剂，调节pH至8.2，继续搅拌反应2h后，静置放置30min，通过控制Ph值，反应时间以及静置时间，控制外壳的平均厚度为1nm，静置结束后过滤，收集滤饼，并用去离子水洗涤滤饼直至洗涤液呈中性，再将洗涤后的滤饼转入烘箱中，于温度为80℃条件下干燥至恒重，随后将干燥后的滤饼于马弗炉中，加热焙烧3h，以使外壳中碳酸钇分解形成多孔的氧化钇，随炉冷却至室温，出料，得功能性填料；

涂料的配置：将增稠剂和水按质量比为1：10混合溶胀后，于温度为85℃条件下，加热搅拌溶解，冷却后，得增稠剂溶液；

按重量份数计，依次取120份水性聚氨酯涂料，20份功能性填料，2份消泡剂，1份增稠剂溶液，用搅拌器以600r/min转速搅拌分散3h后，真空脱泡，封装，即得产品；

所述偶联剂为硅烷偶联剂KH-550；

所述消泡剂为聚二甲基硅氧烷；

所述增稠剂为羧甲基纤维素；

所述水溶性锡盐为氯化锡；所述水溶性钇盐为氯化钇；

所述碱液为氢氧化钠溶液。

实施例2

功能性填料的制备：

内核的制备：将水溶性锡盐倒入去离子水中，用搅拌器以400r/min转速，于温度为60℃条件下，加热搅拌溶解，以配置成质量分数为12％的锡盐溶液；

按重量份数计，依次取110份锡盐溶液，5份聚苯乙烯丙烯酸，用搅拌器以500r/min转速搅拌混合，随后于搅拌状态下，边搅拌混合边向其中滴加碱液作为沉淀剂，调节pH至8.9，继续搅拌反应3h后，静置放置4h，通过调节沉淀的Ph值，搅拌反应时间，以及静置时间，控制所述内核的粒径分布范围为5-70nm，待静置结束，过滤，收集滤饼，并用去离子水洗涤滤饼直至洗涤液呈中性，再将洗涤后的滤饼转入烘箱中，于温度为90℃条件下干燥至恒重，随后将干燥后的滤饼于马弗炉中，于温度为580℃条件下，加热煅烧4h后，随炉冷却至室温，出料，得空心内核；

偶联剂的包覆：将空心内核和质量分数为70％的乙醇溶液按质量比为1：9混合分散，再加入空心内核质量0.15倍的硅烷偶联剂，随后用氨水调节pH至8.5，搅拌水解反应4h后，过滤，收集滤饼，并用无水乙醇洗涤滤饼4次，再将洗涤后的滤饼转入烘箱中干燥，得包覆有偶联剂的空心内核；

外壳的包覆：将水溶性钇盐倒入去离子水中，用搅拌器以400r/min转速，于温度为60℃条件下，加热搅拌溶解，以配置成质量分数为5％的钇盐溶液；

按重量份数计，依次取110份钇盐溶液，22份包覆有偶联剂的空心内核，用搅拌器以500r/min转速搅拌混合，随后于搅拌状态下，边搅拌混合边向其中滴加碳酸氢钠溶液作为沉淀剂，调节pH至8.3，继续搅拌反应3h后，静置放置40min，通过控制Ph值，反应时间以及静置时间，控制外壳的平均厚度为5nm，静置结束后过滤，收集滤饼，并用去离子水洗涤滤饼直至洗涤液呈中性，再将洗涤后的滤饼转入烘箱中，于温度为90℃条件下干燥至恒重，随后将干燥后的滤饼于马弗炉中，加热焙烧4h，以使外壳中碳酸钇分解形成多孔的氧化钇，随炉冷却至室温，出料，得功能性填料；

涂料的配置：将增稠剂和水按质量比为1：15混合溶胀后，于温度为88℃条件下，加热搅拌溶解，冷却后，得增稠剂溶液；

按重量份数计，依次取130份水性聚氨酯涂料，25份功能性填料，3份消泡剂，3份增稠剂溶液，用搅拌器以800r/min转速搅拌分散5h后，真空脱泡，封装，即得产品；

所述偶联剂为硅烷偶联剂KH-560；

所述消泡剂为硬脂酸钙；

所述增稠剂为羟乙基纤维素；

所述水溶性锡盐为硝酸锡；所述水溶性钇盐为硝酸钇；

所述碱液为氨水。

实施例3

功能性填料的制备：

内核的制备：将水溶性锡盐倒入去离子水中，用搅拌器以500r/min转速，于温度为65℃条件下，加热搅拌溶解，以配置成质量分数为15％的锡盐溶液；

按重量份数计，依次取120份锡盐溶液，6份聚苯乙烯丙烯酸，用搅拌器以600r/min转速搅拌混合，随后于搅拌状态下，边搅拌混合边向其中滴加碱液作为沉淀剂，调节pH至9.0，继续搅拌反应4h后，静置放置5h，通过调节沉淀的Ph值，搅拌反应时间，以及静置时间，控制所述内核的粒径分布范围为20-80nm，待静置结束，过滤，收集滤饼，并用去离子水洗涤滤饼直至洗涤液呈中性，再将洗涤后的滤饼转入烘箱中，于温度为100℃条件下干燥至恒重，随后将干燥后的滤饼于马弗炉中，于温度为600℃条件下，加热煅烧5h后，随炉冷却至室温，出料，得空心内核；

偶联剂的包覆：将空心内核和质量分数为80％的乙醇溶液按质量比为1：10混合分散，再加入空心内核质量0.2倍的硅烷偶联剂，随后用氨水调节pH至8.6，搅拌水解反应5h后，过滤，收集滤饼，并用无水乙醇洗涤滤饼5次，再将洗涤后的滤饼转入烘箱中干燥，得包覆有偶联剂的空心内核；

外壳的包覆：将水溶性钇盐倒入去离子水中，用搅拌器以500r/min转速，于温度为65℃条件下，加热搅拌溶解，以配置成质量分数为6％的钇盐溶液；

按重量份数计，依次取120份钇盐溶液，25份包覆有偶联剂的空心内核，用搅拌器以600r/min转速搅拌混合，随后于搅拌状态下，边搅拌混合边向其中滴加碳酸氢钠溶液作为沉淀剂，调节pH至8.4，继续搅拌反应4h后，静置放置45min，通过控制Ph值，反应时间以及静置时间，控制外壳的平均厚度为10nm，静置结束后过滤，收集滤饼，并用去离子水洗涤滤饼直至洗涤液呈中性，再将洗涤后的滤饼转入烘箱中，于温度为100℃条件下干燥至恒重，随后将干燥后的滤饼于马弗炉中，加热焙烧5h，以使外壳中碳酸钇分解形成多孔的氧化钇，随炉冷却至室温，出料，得功能性填料；

涂料的配置：将增稠剂和水按质量比为1：20混合溶胀后，于温度为90℃条件下，加热搅拌溶解，冷却后，得增稠剂溶液；

按重量份数计，依次取150分水性聚氨酯涂料，35份功能性填料，4份消泡剂，3份增稠剂溶液，用搅拌器以800r/min转速搅拌分散5h后，真空脱泡，封装，即得产品；

所述偶联剂为硅烷偶联剂KH-570；

所述消泡剂为聚二甲基硅氧烷；

所述增稠剂为钙基膨润土；

所述水溶性锡盐为氯化锡；所述水溶性钇盐为硝酸钇；

所述碱液为氨水。

实施例4

本实施例和实施例1相比，区别在于：未添加硅烷偶联剂，其余条件保持不变。

实施例5

本实施例和实施例1相比，区别在于：采用等质量的聚乙烯醇替代聚苯乙烯丙烯酸，其余条件保持不变。

对比例1

本对比例和实施例1相比，区别在于：在外壳的包覆过程中，采用氢氧化钠溶液替代碳酸氢钠溶液，其余条件保持不变。

对比例2

本对比例和实施例1相比，区别在于：未进行外壳的包覆，其余条件保持不变。

对实施例1-5及对比例1-2所得产品进行性能测试，具体测试方法和测试结果如下所述：

涂料分散性能表征：

取适量涂料产品，于频率为80kHz条件下超声分散10min后，将分散液置于离心管中，在离心机中以2000r/min转速，离心15min，然后取其上层清液按照1：5的比例用蒸馏水稀释，在分光光度计中测定稀释后溶液的吸光度，波长取600nm；

并按照如下转换公式计算得到透过率：

A＝-lgT(A为吸光度，T为透过率)，具体计算结果见表1；

耐水性测试：

按照GB/T1733—93《漆膜耐水性测定法》，测定漆膜的耐水性能。把制备好的涂料样板用石蜡封边，然后浸入水中测试涂膜的耐水性，具体测试结果见表1；

隔热性能测试：

于室温为25℃条件下，以3mm后的玻璃板为基板，将各实施例和对比例产品分别涂敷于基板表面，并干燥成膜，在底板的下方放置保温盒，并在保温盒内置温度计，以测试盒腔体内的温度，随后于干燥成膜后的基板上方放置300W的红外灯，光源距离基板40cm，测试持续照射10min后，盒内的温度，具体测试结果见表1；

	透过率/％	耐水性	盒内温度/℃
				实施例1	58.9	3天不发白，不起泡	34.8
实施例2	58.2	3天不发白，不起泡	34.6
				实施例3	58.3	3天不发白，不起泡	34.5
实施例4	59.2	3天不发白，不起泡	35.8
				实施例5	59.4	3天不发白，不起泡	36.2
对比例1	70.6	3天轻微发白，不起泡	40.9
				对比例2	74.5	3天发白，轻微起泡	43.4

由表1测试结果可知，本发明所得产品可以获得较好的分散稳定性，并且涂料产品具有优异的耐水和隔热效果。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种透明防水隔热涂料，其特征在于，包括以下重量份数的原料：

120-150份水性聚氨酯涂料，20-35份功能性填料，2-4份消泡剂，1-3份增稠剂溶液；

其中，所述功能性填料为核壳结构，所述核壳结构包括内核和外壳；

所述内核材料包括氧化锡；所述外壳材料包括氧化钇；

所述外壳为多孔外壳；

所述透明防水隔热涂料的制备方法，包括如下步骤：

功能性填料的制备：

内核的制备：以水溶性锡盐为原料，聚苯乙烯丙烯酸为模板剂，碱液为沉淀剂，采用液相沉淀法获得氢氧化锡，再经焙烧去除模板剂，得空心内核；

偶联剂的包覆：将空心内核分散于乙醇溶液中，再加入硅烷偶联剂，调节pH至8.4-8.6后，水解反应，再经过滤、洗涤和干燥，得包覆有偶联剂的空心内核；

外壳的包覆：以水溶性钇盐为原料，所述包覆有偶联剂的空心内核为模板，碳酸氢钠为沉淀剂，采用液相沉淀法获得包覆有碳酸钇外壳的内核，再经焙烧，以使外壳中碳酸钇分解形成多孔的氧化钇，即为功能性填料；

涂料的配置：将增稠剂在水中溶胀后，加热搅拌溶解，冷却后，加入水性聚氨酯、功能性填料、和消泡剂，分散均匀，即得产品；

所述碱液选自氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、氨水中的任意一种。

2.根据权利要求1所述的一种透明防水隔热涂料，其特征在于，所述核壳结构为纳米核壳结构；其中，所述内核的粒径分布范围为5-80nm；所述外壳的平均厚度为1-10nm。

3.根据权利要求2所述的一种透明防水隔热涂料，其特征在于，所述内核为球形或类球形结构的空心内核。

4.根据权利要求1所述的一种透明防水隔热涂料，其特征在于，所述核壳结构还包括分布于所述内核和所述外壳之间的偶联剂层；所述偶联剂选自硅烷偶联剂KH-550、硅烷偶联剂KH-560、硅烷偶联剂KH-570中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的一种透明防水隔热涂料，其特征在于，所述消泡剂选自聚二甲基硅氧烷、硬脂酸钙、硬脂酸镁、棕榈酸钙、棕榈酸镁、聚醚改性硅油中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的一种透明防水隔热涂料，其特征在于，所述增稠剂选自羧甲基纤维素，羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、钠基膨润土、钙基膨润土、海泡石中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的一种透明防水隔热涂料，其特征在于，所述水溶性锡盐选自氯化锡、硝酸锡中的任意一种；所述水溶性钇盐选自氯化钇、硝酸钇中的任意一种。