CN116023830A - 一种具有防火保温功能的节能环保型气凝胶涂料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有防火保温功能的节能环保型气凝胶涂料及其制备方法和应用，所述具有防火保温功能的节能环保型气凝胶涂料按重量份计包括如下组分：钛白粉8～15份，气凝胶隔热保温复合材料8～15份，成膜助剂1‑3份，丙烯酸乳液12～35份，增稠剂0.3～0.8份，防冻助剂1～2份，杀菌剂0.3～0.5份，pH值调节剂0.1～0.3份，消泡剂0.2～0.5份，分散剂1～2份，润湿剂0.1～0.5份，水15～30份，改性膨胀型阻燃剂30～40份，发泡剂0.2～1.5份。本发明提供的具有防火保温功能的节能环保型气凝胶涂料，具有良好的隔热阻燃效果，无毒无味无污染、施工方便，是一种理想的防火保温装饰材料。
Description
技术领域
本发明涉及高分子材料领域，具体涉及一种具有防火保温功能的节能环保型气凝胶涂料及其制备方法和应用。
背景技术
气凝胶是一种具有纳米多孔网格结构的新型材料、并在孔隙中充满气态分散介质的固体材料，因轻若薄雾蓝色泛蓝，又被称为“蓝烟”、“冻结的烟”，创下15项吉尼斯纪录，在热学、光学、电学、力学、声学等领域显示许多奇特的性能，被称为改变世界的神奇材料，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。按照成分不同可以将气凝胶分为二氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶、氧化锆气凝胶和碳气凝胶等。现阶段二氧化硅气凝胶的技术最为成熟，产业化程度最高，既具有实用价值的纳米孔超级绝热材料，同时还兼有良好的隔热和力学性能，主要应用于航空航天、军事、电子、建筑、家电和工业管道等领域的保温隔热。具体应用领域包括石化油管和高温反应装置保温、锂电池Pack外保温、锂电池电芯间隔热、建筑保温外墙保温、户外体育用品等。
气凝胶比传统保温材料隔热隔音性好、使用寿命长、防水性能优异，是目前最高效的隔热材料，契合节能减排大趋势。
但是，现有的气凝胶涂料虽然具有良好的隔热保温效果，但不能兼具良好的阻燃和耐燃性能，如何提供一种具有防火保温功能的节能环保型气凝胶涂料，对于其应用具有重要意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有防火保温功能的节能环保型气凝胶涂料及其制备方法和应用，解决了现有的气凝胶涂料不能完美兼具良好的保温性能与防火性能的问题。该涂料在遇火时，会发生化学反应，涂层迅速膨胀，厚度达到原来的30-100倍，膨胀的碳层致密且不易掉落，从而有效的阻止火焰对基材的燃烧，使基材被很好的保护起来，为灭火赢得宝贵的时间。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种具有防火保温功能的节能环保型气凝胶涂料，所述具有防火保温功能的节能环保型气凝胶涂料按重量份计包括如下组分：
本发明提供的具有防火保温功能的节能环保型气凝胶涂料，通过钛白粉、气凝胶隔热保温复合材料、分散剂等成分搭配使用，使得涂料具有良好的隔热阻燃效果，无毒无味、无污染、施工方便，是一种理想的防火保温装饰材料。
在本发明中，钛白粉的重量份为8～15份，例如可以是8份、9份、10份、11份、12份、13份、14份或15份等。
优选地，所述钛白粉为金红石型钛白粉和反射隔热钛白粉(例如使用A550反射隔热钛白粉)的组合。
优选地，所述金红石型钛白粉和反射隔热钛白粉的质量比为1:1。在本发明中，控制两种钛白粉的质量比为1:1，可以提供遮盖力和反射隔热性能。
优选地，所述金红石型钛白粉为科美基CR-828、科慕R-706、中信钛业CR-210、龙蟒R-996或东方钛业R-5566中的任意一种；
优选地，所述金红石型钛白粉为科美基CR-828。
在本发明中，金红石型钛白粉优选使用科美基CR-828，其耐候性、遮盖力等更优；对反射隔热性能影响最小。用量优选占整体涂料总质量的5％，搭配A550反射隔热钛白粉，共同提高遮盖力。如果用量过低遮盖力提升不够，用量过高对遮盖力微量提升、不明显反而增加成本。
本发明所述气凝胶隔热保温复合材料的重量份为8～15份，例如可以是8份、9份、10份、11份、12份、13份、14份或15份等。
优选地，所述气凝胶隔热保温复合材料为纳米级隔热保温复合材料；
优选地，所述纳米级隔热保温复合材料为纳米二氧化硅气凝胶与纳米硅烷改性碱硼硅酸盐的混合物；纳米硅烷改性碱硼硅酸盐为竹中科技提供的产品，该材料具有良好的保温隔热性能，按一定比例与气凝胶复合使用，在获得保温隔热性能的同时，可大大提高气凝胶与体系的相容性，提高产品综合性能，并获得更好的性价比。
优选地，所述纳米二氧化硅气凝胶与纳米硅烷改性碱硼硅酸盐的质量比为4:6。
本发明所使用的纳米二氧化硅气凝胶和纳米硅烷改性碱硼硅酸盐的混合物，相比于3M空心玻璃微珠、膨胀珍珠岩、硅铝纤维、三维网络纤维状陶瓷封闭微珠等隔热保温材料，其隔热保温性能更优，对防火性能影响最小。一般用量优选10％(用量为纳米二氧化硅气凝胶和纳米硅烷改性碱硼硅酸盐的混合物占整个涂料的百分比)。如果用量过低隔热保温性能低；用量过高对提升隔热保温性能有限，且增加成本、降低发泡倍数和碳层致密性从而影响防火性能。
本发明所述成膜助剂的重量份为1～3份，例如可以是1份、2份或3份等。成膜助剂一般为本领域常规使用的助剂，例如可以是：醇类(如苯甲醇BA、乙二醇、丙二醇、己二醇)、醇醚类(乙二醇丁醚EB、丙二醇甲醚PM、丙二醇乙醚、丙二醇丁醚、二丙二醇单甲醚DPM、二丙二醇单丙醚DPnP、二丙二醇单丁醚DPnB、三丙二醇正丁醚TPnB、丙二醇苯醚PPH等)、醇醚酯类(如己二醇丁醚醋酸酯、3-乙氧基丙酸乙酯EEP)等、醇脂类(如十二碳醇酯)。优选十二碳醇脂。
优选地，所述丙烯酸乳液为巴德富RS-996KD硅丙乳液、巴德富RS-2205纯丙乳液、保立佳BLJ-KD96硅丙乳液、保立佳BLJ-9965纯丙乳液或新光XG-2606纯丙乳液中的任意一种；优选为巴德富RS-996KD硅丙乳液。
本发明优选使用的巴德富RS-996KD硅丙乳液，其耐候性、耐水性、配色宽容度等性能相比于其他助剂，效果更优。
本发明所述丙烯酸乳液的重量份为12～35份，例如可以是12份、15份、20份、25份、27份、30份、32份或35份等。
本发明所述增稠剂的重量份为0.3-0.8份，例如可以是1份、2份或3份等。
优选地，所述增稠剂为羟丙基甲基纤维素。
本发明所述防冻助剂的重量份为1～2份，例如可以是1份、1.5份或2份等。
优选地，所述防冻助剂为FT-100、丙二醇或乙二醇中的任意一种或至少两种的组合，优选乙二醇，其防冻效率最高，。
本发明所述杀菌剂的重量份为0.3份～0.5份，例如可以是0.3份、0.4份或0.5份等。
优选地，所述杀菌剂为氯甲基异噻唑啉酮、甲基异噻唑啉酮、辛基异噻唑啉酮或苯并异噻唑酮中的任意一种或至少两种的组合。
本发明所述pH值调节剂的重量份为0.1～0.3份，例如可以是0.1份、0.2份或0.3份等。
优选地，所述pH值调节剂为2-氨基-2-甲基-1-丙醇、氢氧化钠或氨水中的任意一种或至少两种的组合。
本发明所述消泡剂的重量份为0.2～0.5份，例如可以是0.2份、0.3份、0.4份或0.5份等。
优选地，所述消泡剂为CF-439。
本发明所述分散剂的重量份为1～2份，例如可以是1份、1.5份或2份等。
优选地，所述分散剂为圣诺普科SN 5027，对比陶氏731A、陶氏CA-2500、巴斯夫GA40或高泰P90中的任意一种；优选为圣诺普科SN 5027。
在本发明中，优选使用圣诺普科SN 5027是因为其分散性最优，分散效果最好，耐水性最好，配色宽容度更广。
本发明所述润湿剂的重量份为0.1～0.5份，例如可以是0.1份、0.2份、0.3份、0.4份或0.5份等。
优选地，所述润湿剂为陶氏BD-109、巴斯夫E9289、科莱恩LCN070或海川化工NS-2510中的任意一种；优选为陶氏BD-109。在本发明中，选用陶氏BD-109作为润湿剂，其润湿效果最优，在体系中粘度温度，无粘度增长现象，配色宽容度更高。
本发明所述改性膨胀型阻燃剂30～40份，例如可以是30份、34份、38份或40份等。
优选地，所述改性膨胀型阻燃剂占具有防火保温功能的节能环保型气凝胶涂料总质量的30％～40％，例如可以是30％、31％、32％、33％、34％、35％、36％、37％、38％、39％或40％等，优选为33％～36％。
优选地，所述改性膨胀型阻燃剂为道尔化工Doher-6001、聚磷酸铵三组分体系或卓安IFR201-A中的任意一种，优选为道尔化工Doher-6001。
聚磷酸铵三组分体系为聚磷酸铵、三聚氰胺和季戊四醇组成的三组分体系。
本发明优选使用道尔化工Doher-6001，相比于其他阻燃剂，其耐水性耐碱性耐候性更好、更适合外墙使用，涂层发泡倍数更高、效果更好，分散性更优、更加细腻，且使用更方便，对反射隔热性能影响最小。用量最优选35％，配合发泡剂用量优选0.8％，过低发泡倍数低，阻燃效果差；过高对提高发泡倍数提升不明显，反而增加成本，且会降低反射隔热性能。
本发明所述发泡剂的重量份为0.2～1.5份，例如可以是0.2份、0.5份、0.8份、1份或1.5份等。
优选地，所述发泡剂占具有防火保温功能的节能环保型气凝胶涂料总质量的0.2％～1.5％；优选为0.6％～1％。
优选地，所述发泡剂为松本可膨胀微球发泡剂(日本松本公司的F-190D)、科莱恩Hydrocerol 2035、博力肯Clocell 180du45或索普Dn6中的任意一种；优选为松本可膨胀微球发泡剂。可膨胀微球发泡剂是一种核壳结构，壳体为热塑性丙烯酸树脂类聚合物，内核为包裹可挥发性的碳氢化合物组成的球状塑料颗粒，形成微球体，直径为10～45微米，当200℃左右受热后，热塑性壳体软化，壳体里面的化合物迅速膨胀，微球体积可迅速膨胀增大到自身的几十倍，从而达到发泡的效果。
本发明中，优选松本可膨胀微球发泡剂配合改性膨胀型阻燃剂使用，发泡倍数更高、阻燃效果更优，对反射隔热性能影响最小。
在本发明中，改性膨胀型阻燃剂和发泡剂协同实现良好的防火功能，传统膨胀型阻燃剂因其耐水性差等诸多缺点不适宜用于外墙使用，需选用改性过的阻燃剂；隔热保温功能主要靠纳米级气凝胶隔热保温复合材料粉末实现，辅以钛白粉提高一定的反射隔热性能。本发明恰恰解决了防火和保温两种功能之间的冲突，达到了两种性能上的平衡，既不能影响防火性能，也不能影响保温隔热性能，同时还需满足外墙使用要求。
本发明所使用的部分成分，列出了具体品牌与其牌号。例如，科莱恩Hydrocerol2035的含义为，其为科莱恩牌，牌号为Hydrocerol 2035。
第二方面，本发明提供了一种如第一方面所述的具有防火保温功能的节能环保型气凝胶涂料的制备方法，所述制备方法为：将钛白粉、气凝胶隔热保温复合材料、成膜助剂、丙烯酸乳液、增稠剂、防冻助剂、杀菌剂、pH值调节剂、消泡剂、分散剂、润湿剂、水以及改性膨胀型阻燃剂和发泡剂分散混合均匀，得到所述具有防火保温功能的节能环保型气凝胶涂料。
第三方面，本发明提供了一种如第一方面所述的具有防火保温功能的节能环保型气凝胶涂料在内外墙装饰中的应用。
有益效果：
1、涂层体系总厚度低，自重轻，对墙体厚度的影响可以忽略，可有效避免脱落等问题。
2、可连续施工，不产生接缝，有效避免缝隙渗漏，且工序少、施工简便，施工工期短、成本造价低、周边影响小、不会产生大量的建筑垃圾，适用于既有建筑改造这类属于“边施工、边运行”的工程型式。
3、本发明提供的气凝胶涂料是一种全水性体系，无添加甲醛、苯等有毒有害物质，有害物质限量符合现行国家标准GB 18582《建筑用墙面涂料中有害物质限量》的规定，对环境人体友好，符合环保要求的涂料。
4、各方面综合性能优异，具有优异的保温隔热性能，在太阳光反射比和近红外反射比方面性能优异，半球发射率大于0.90，远超出一般反射隔热涂料，同时其理化性能优异。
5、遇火时涂层会发生化学反应，迅速膨胀，发泡厚度高、碳层致密强度高，厚度达到原来的30-100倍，从而有效的阻止火焰对基材的燃烧，使基材被很好的保护起来，为灭火赢得宝贵的时间。
6、本产品通过各组分之间的协同作用，得到的具有防火保温功能的节能环保型气凝胶涂料具有环保、装饰性、可调色，耐水性、附着力好，储存稳定好的性能。遇火时发泡膨胀形成致密的蜂窝状碳层结构，不易开裂，能够抵御高温对建筑的损害，有效起到阻隔热量传导，使建筑与外界隔离，延缓建筑坍塌的作用，这样可以为营救和灭火争取了时间，同时具有一定装饰效果。本发明具有防火保温功能的节能环保型气凝胶涂料适用于室内外木材、墙面等基材表面。
具体实施方式
为更好地说明本发明，便于理解技术方案，下面对本发明进一步详细说明。
本发明提供的具有防火保温功能的节能环保型气凝胶涂料具体组成，如实施例1-14所示，另提供对比例1-5，详见下表1，所有的数据单位为“份”。
实施例1-14的制备方法为：将钛白粉、气凝胶隔热保温复合材料、成膜助剂、丙烯酸乳液、增稠剂、防冻助剂、杀菌剂、pH值调节剂、消泡剂、分散剂、润湿剂、水以及改性膨胀型阻燃剂和发泡剂按照配比分散混合均匀，得到具有防火保温功能的节能环保型气凝胶涂料。
对比例的制备过程与实施例的制备过程基本相同，仅是缺少添加某种具体的组分。
表1
将上述提供的实施例1-14与对比例1-5进行性能测试，测试结果如下表2所示。其中，细度、发泡高度、耐水性、耐冲击性、耐然时间、质量损失、炭化体积测试标准参考GB12441，对比率、耐碱性、低温稳定性测试标准参考GBT-9755，太阳光反射比、近红外反射比测试和半球发射率标准参考JGT 235。下表中的“OK”表示产品完整，低温稳定性良好。
表2
通过以上实验数据可知：由实施例1与实施例2对比可知，当涂料中缺少反射钛白影响太阳光反射性能。
实施例3和实施例4的数据可知，当乳液用量过低，影响耐水耐碱性能，且漆膜出现开裂掉粉现象；乳液用量过高，影响防火性能。实施例5中，乳液用量偏低，耐水耐碱性能勉强合格，不加防冻剂，影响防冻性能。
实施例6中气凝胶隔热保温复合材料选用单一纳米二氧化硅气凝胶时，影响防火性能，且性价比低。实施例7中气凝胶隔热保温复合材料选用单一纳米硅烷改性碱硼硅酸盐时，虽然性价比高，但是反射隔热性能比较卡线，且影响半球发射率性能。
实施例8，使用RS-2205乳液时，影响防火性能(发泡高度)。其效果相比于RS-996KD硅丙乳液较差。
实施例9分散剂不是最优选的圣诺普科SN 5027，而选用陶氏731A。通过数据看出，会影响细度、对比率和反射隔热性能。
实施例10中，润湿剂选用巴斯夫E9289，未选用陶氏BD-109影响细度、对比率和反射隔热性能，还会出现储存轻微结块现象。
实施例11中未添加发泡剂，影响防火性能。
实施例12中钛白粉选用R-996时，相比于CR828，影响对比率和反射隔热性能。
实施例13，发泡剂选用Hydrocerol 2035时，影响防火性能。实施例14，阻燃剂选用IFR201-A时，影响细度、耐水耐碱和防火性能。
对比例1中不添加气凝胶隔热保温复合材料，影响反射隔热性能。太阳光和近红外反射比均较低。对比例2和对比例3中，不添加分散剂和润湿剂，不易分散，严重影响细度，且储存出现轻微结块现象。对比例4和对比例5，不加钛白粉，影响对比率和反射隔热性能。
综上，本发明提供的具有防火保温功能的节能环保型气凝胶涂料，各方面综合性能优异，具有优异的保温隔热性能，在太阳光反射比和近红外反射比方面性能优异，半球发射率大于0.90，远超出一般反射隔热涂料，同时其理化性能优异。具有一定装饰效果。
本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种具有防火保温功能的节能环保型气凝胶涂料，其特征在于，所述具有防火保温功能的节能环保型气凝胶涂料按重量份计包括如下组分：
2.根据权利要求1所述的具有防火保温功能的节能环保型气凝胶涂料，其特征在于，所述钛白粉为金红石型钛白粉和反射隔热钛白粉的组合；
优选地，所述金红石型钛白粉和反射隔热钛白粉的质量比为1:1；
优选地，所述金红石型钛白粉为科美基CR-828、科慕R-706、中信钛业CR-210、龙蟒R-996或东方钛业R-5566中的任意一种；
优选地，所述金红石型钛白粉为科美基CR-828。
3.根据权利要求1或2所述的具有防火保温功能的节能环保型气凝胶涂料，其特征在于，所述气凝胶隔热保温复合材料为纳米级气凝胶隔热保温复合材料；
优选地，所述纳米级气凝胶隔热保温复合材料粉末为纳米二氧化硅气凝胶与纳米硅烷改性碱硼硅酸盐的混合物；
优选地，所述纳米二氧化硅气凝胶与纳米硅烷改性碱硼硅酸盐的质量比为4:6。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的具有防火保温功能的节能环保型气凝胶涂料，其特征在于，所述丙烯酸乳液为巴德富RS-996KD硅丙乳液、巴德富RS-2205纯丙乳液、保立佳BLJ-KD96硅丙乳液、保立佳BLJ-9965纯丙乳液或新光XG-2606纯丙乳液中的任意一种；优选为巴德富RS-996KD硅丙乳液。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的具有防火保温功能的节能环保型气凝胶涂料，其特征在于，所述增稠剂为羟丙基甲基纤维素；
优选地，所述防冻助剂为FT-100、丙二醇或乙二醇中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述杀菌剂为氯甲基异噻唑啉酮、甲基异噻唑啉酮、辛基异噻唑啉酮或苯并异噻唑酮中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述pH值调节剂为2-氨基-2-甲基-1-丙醇、氢氧化钠或氨水中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述消泡剂为CF-439。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的具有防火保温功能的节能环保型气凝胶涂料，其特征在于，所述分散剂为圣诺普科SN 5027、陶氏731A、陶氏CA-2500、巴斯夫GA40或高泰P90中的任意一种；优选为圣诺普科SN 5027；
优选地，所述润湿剂为陶氏BD-109、巴斯夫E9289、科莱恩LCN070或海川化工NS-2510中的任意一种；优选为陶氏BD-109。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的具有防火保温功能的节能环保型气凝胶涂料，其特征在于，所述改性膨胀型阻燃剂占具有防火保温功能的节能环保型气凝胶涂料总质量的30％～40％，优选为33％～36％；
优选地，所述改性膨胀型阻燃剂为道尔化工Doher-6001、聚磷酸铵三组分体系或卓安IFR201-A中的任意一种，优选为道尔化工Doher-6001。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的具有防火保温功能的节能环保型气凝胶涂料，其特征在于，所述发泡剂占具有防火保温功能的节能环保型气凝胶涂料总质量的0.2％～1.5％；优选为0.6％～1％；
优选地，所述发泡剂为松本可膨胀微球发泡剂、科莱恩Hydrocerol 2035、博力肯Clocell 180du45或索普Dn6中的任意一种；优选为松本可膨胀微球发泡剂。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的具有防火保温功能的节能环保型气凝胶涂料的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：将钛白粉、气凝胶隔热保温复合材料、成膜助剂、丙烯酸乳液、增稠剂、防冻助剂、杀菌剂、pH值调节剂、消泡剂、分散剂、润湿剂、水以及改性膨胀型阻燃剂和发泡剂分散混合均匀，得到所述具有防火保温功能的节能环保型气凝胶涂料。
10.根据权利要求1-8中任一项所述的具有防火保温功能的节能环保型气凝胶涂料在内外墙装饰中的应用。
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