CN117186743B - 一种耐高温气凝胶保温涂料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种耐高温气凝胶保温涂料及其制备方法，属于气凝胶涂料技术领域。该保温涂料按照重量份计包括：酚醛环氧树脂100份、改性硅气凝胶粉12‑18份、稀释剂6‑8份、咪唑催化剂0.08‑0.11份、润湿剂1.3‑1.7份、消泡剂0.4‑0.5份、分散剂2.2‑2.6份和二元胺固化剂4.5‑5.5份；改性硅气凝胶粉通过硅烷偶联剂KH550和六亚甲基二异氰酸酯处理，在硅基气凝胶粉表面接枝具有长链状的异氰酸酯结构修饰，在咪唑型催化剂的促进下与酚醛环氧树脂反应形成噁唑环结构，其与金属基底具有螯合作用，硅基气凝胶粉富集到金属基底表层形成连续的隔热层，同时提高涂层与基底的粘接强度。

Description

一种耐高温气凝胶保温涂料及其制备方法

技术领域

本发明属于气凝胶涂料技术领域，具体地，涉及一种耐高温气凝胶保温涂料及其制备方法。

背景技术

为了实现生态环保、节能减排的目标，一般工业输热管道、热力设备等金属结构表面都进行隔热保温措施。传统的保温材料主要有岩棉毡、保温砂浆、发泡管等，通过连接件固定在需要隔热的结构表面，保温层厚度大，保温效果一般，且施工效率低；随着涂料技术的发展，人们向成膜材料中添加一定量的硅酸盐、玻璃微珠、金属反光粒子等隔热材料，将隔热材料制成涂料的形式，大大降低施工难度，导热系数可达到0.06W/(m·K)。

随着气凝胶的研发问世，保温涂料的性能进一步提升，所谓气凝胶是由高聚物分子或胶体粒子相互聚结而成具有纳米孔隙的多孔材料，且其纳米孔隙中充满气态分散介质，从而使其密度低、热导率低，现有技术中，可见的气凝胶包括硅系、碳系、金属氧化物等，在绝热材料中具有巨大的应用前景；但是，气凝胶的质地脆且难以在工件表面成型，因此，现有技术中将其制成粉料取代或者与玻璃微珠等隔热材料复配得到新型气凝胶保温涂料，如中国专利申请202110525845.2，以丙烯酸乳液为成膜材料，将SiC-SiO₂复合气凝胶与中空玻璃微珠和金红石型二氧化钛纳米颗粒复配作为隔热材料制成气凝胶涂料，市面上也存在各式各样复配型气凝胶涂料，但是，均存在如下问题：气凝胶粉料通过各种分散手段混合在成膜材料，难以形成连续的隔热壁垒，导致较优的气凝胶涂料的室温导热系数仅能达到0.03W/(m·K)左右，达不到纯气凝胶的导热系数，通过增加气凝胶的比例，可在一定程度上提升保温性能，但是，气凝胶作为掺杂材料，增加比例会导致涂层力学性能恶化，降低成膜材料与基底的附着强度，导致涂层易脱落。

发明内容

为了解决背景技术中提到的技术问题，本发明的目的在于提供一种耐高温气凝胶保温涂料及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种耐高温气凝胶保温涂料，按照重量份计包括如下原料：

酚醛环氧树脂100份、改性硅气凝胶粉12-18份、稀释剂6-8份、咪唑催化剂0.08-0.11份、润湿剂1.3-1.7份、消泡剂0.4-0.5份、分散剂2.2-2.6份和二元胺固化剂4.5-5.5份；

所述改性硅气凝胶粉由以下方法制备：

步骤A1：将硅烷偶联剂KH550溶于去离子水作为处理液，加入硅基气凝胶微粉室温下高速搅拌分散10-15min，硅烷偶联剂KH550溶于水后呈现弱碱性，促进硅基气凝胶微粉表面产生大量活化硅羟基，同时，硅基气凝胶微粉表面微孔结构对硅烷偶联剂KH550具有良好的吸附性，将硅烷偶联剂KH550富集在硅基气凝胶微粉表层，之后升温至40-50℃，加入甲酸调节pH值为5-6，搅拌偶联处理2-3h，在甲酸的促进下，硅烷偶联剂KH550充分水解，并与硅基气凝胶微粉表面的硅羟基实现近似原位偶联，获得较高的偶联负载率，之后抽滤取滤渣用乙醇清洗、干燥，得到偶联粉体；

进一步地，硅基气凝胶微粉和硅烷偶联剂KH550的用量比100g：2.6-3.3mL，硅基气凝胶微粉的细度为70-100μm。

进一步地，硅基气凝胶微粉和处理液的固液质量比为1：6.5-8。

步骤A2：将六亚甲基二异氰酸酯和无水丙酮在干燥氮气氛围下混合，采用冰水浴在10℃以下恒温，施加360-480rpm机械搅拌，缓慢加入偶联粉体，控制偶联粉体的加入反应时间为8-10h，反应结束再次抽滤取滤渣真空干燥，得到改性硅气凝胶粉；

进一步地，偶联粉体、六亚甲基二异氰酸酯和无水丙酮的用量比为100g：4.2-4.8mL：300-350mL，在低温高混状态下，六亚甲基二异氰酸酯与偶联粉体表面接枝的活性氨基反应，对偶联粉体表面形成异氰酸酯基修饰。

一种耐高温气凝胶保温涂料的制备方法，包括如下步骤：

步骤S1：将酚醛环氧树脂、稀释剂和润湿剂混匀，通入干燥氮气，升温至80-90℃，加入改性硅气凝胶粉混匀，再投加咪唑催化剂，控制搅拌速率为420-540rpm，恒温搅拌反应35-45min，迅速降温至40℃以下，真空脱气泡，得到成膜胶液；

步骤S2：将消泡剂、分散剂和二元胺固化剂混合，加入成膜胶液，在室温下以80-120rpm混合5-8min，现配现用，得到耐高温气凝胶保温涂料。

优选地，酚醛环氧树脂为双酚A型酚醛环氧树脂，牌号为F-51，其分子结构中含有苯环结构，具有良好的耐温性和成膜稳定性。

优选地，稀释剂为活性稀释剂501，在较低用量下获得优异的降粘效果，且可参与酚醛环氧树脂的交联，对涂层的力学性能影响小。

优选地，咪唑催化剂为2-乙基-4-甲基咪唑，在咪唑型催化剂的作用下，改性硅气凝胶粉表面接枝的异氰酸酯基与环氧基反应，将改性硅气凝胶粉与酚醛环氧树脂通过共价键连接，同时形成噁唑环结构，与金属涂覆基底具有螯合作用。

优选地，二元胺固化剂为间苯二甲胺。

优选地，润湿剂为Disuper S27。

优选地，分散剂为乙酸乙酯。

优选地，消泡剂为KEPERPOL-766。

本发明的有益效果：

本发明以硅基气凝胶粉为保温材料，在弱碱性水环境下表面产生大量硅羟基，通过合理工艺设置，形成吸附-水解-偶联机制，将硅烷偶联剂KH550负载到硅基气凝胶粉表面，向表面引入氨基，之后通过六亚甲基二异氰酸酯和氨基反应，接枝具有长链的异氰酸酯基改性，选取酚醛环氧树脂为成膜基材，使得涂层具有良好的耐温性，在制备涂料的过程中，通过咪唑型催化剂促进改性硅气凝胶粉表面的异氰酸酯基和酚醛环氧树脂反应形成具有噁唑环结构的大分子化合物，该结构与金属基底具有螯合作用，施工过程中，在螯合力的作用下，将硅基气凝胶粉富集到金属基底表层，达到均匀铺设效果，易于形成连续的隔热层，相较于无序分散的气凝胶粉，具有更高效的隔热作用；同时，噁唑环结构与酚醛环氧树脂通过共价键连接，提高涂层与基底的粘接强度，具有更好的附着性能，在受到外界作用时不易脱落，得到长效保温防护作用。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例中所材料原料具体如下：

酚醛环氧树脂，选用双酚A型酚醛环氧树脂，牌号为F-51；

稀释剂，选用活性稀释剂501；

咪唑催化剂，选用2-乙基-4-甲基咪唑；

润湿剂，选自高效润湿分散剂，型号为Disuper S27；

消泡剂，选自有机硅消泡剂，型号为KEPERPOL-766；

分散剂，选自乙酸乙酯。

二元胺固化剂

实施例1，本实施例制备耐高温气凝胶保温涂料，具体实施过程如下：

1)制备改性硅气凝胶粉

步骤A1：取硅烷偶联剂KH550加入去离子水混合均匀，得到处理液，向处理液中投加硅基气凝胶微粉(实施例中硅基气凝胶微粉均由苏州同玄新材料有限公司提供，本实施例采用细度为70μm的二氧化硅气凝胶微粉)，施加1200rpm高速搅拌分散15min，之后对分散液快速升温至50℃，加入甲酸调节pH值为6，辅以360rpm机械搅拌，偶联处理2h，其中，硅基气凝胶微粉和硅烷偶联剂KH550的用量比100g：3.3mL，硅基气凝胶微粉和处理液的固液质量比为1：8，偶联处理后抽滤，将滤渣用乙醇清洗，氮气保护烘干，得到偶联粉体。

步骤A2：向反应器中通入干燥氮气进行气洗，加入六亚甲基二异氰酸酯和无水丙酮混匀，采用冰水浴控制温度为5-10℃内恒温，施加480rpm机械搅拌，在2h内缓慢加入偶联粉体，完全加入后继续恒温反应，控制总加入反应时间为8h，反应中，偶联粉体、六亚甲基二异氰酸酯和无水丙酮的用量比为100g：4.8mL：350mL，反应结束进行抽滤，取滤渣真空干燥，得到改性硅气凝胶粉。

2)制备耐高温气凝胶保温涂料

步骤S1：按照重量份计取100份酚醛环氧树脂、6份稀释剂和1.7份润湿剂投料混合，通入干燥氮气直至有稳定气流排出，升温至90℃，加入15份改性硅气凝胶粉混匀，再投加0.08份咪唑催化剂，控制搅拌速率为540rpm，恒温搅拌反应35min，反应结束采用冷却水强制迅速降温至40℃以下，真空脱气泡处理20min，得到成膜胶液。

步骤S2：按照重量份计取0.4份消泡剂、2.5份分散剂和5.5份二元胺固化剂投加到搅拌器混匀，将混合料投加到成膜胶液，室温下控制搅拌速率为120rpm混合5min，现配现用，得到耐高温气凝胶保温涂料。

实施例2，本实施例制备耐高温气凝胶保温涂料，具体实施过程如下：

1)制备改性硅气凝胶粉

步骤A1：取硅烷偶联剂KH550加入去离子水混合均匀，得到处理液，向处理液中投加硅基气凝胶微粉(100μm)，施加1800rpm高速搅拌分散10min，之后对分散液快速升温至40℃，加入甲酸调节pH值为5，辅以240rpm机械搅拌，偶联处理3h，其中，硅基气凝胶微粉和硅烷偶联剂KH550的用量比100g：2.6mL，硅基气凝胶微粉和处理液的固液质量比为1：6.5，偶联处理后抽滤，将滤渣用乙醇清洗，氮气保护烘干，得到偶联粉体。

步骤A2：向反应器中通入干燥氮气进行气洗，加入六亚甲基二异氰酸酯和无水丙酮混匀，采用冰水浴控制温度为5-10℃内恒温，施加360rpm机械搅拌，在3h内缓慢加入偶联粉体，完全加入后继续恒温反应，控制总加入反应时间为10h，反应中，偶联粉体、六亚甲基二异氰酸酯和无水丙酮的用量比为100g：4.2mL：300mL，反应结束进行抽滤，取滤渣真空干燥，得到改性硅气凝胶粉。

2)制备耐高温气凝胶保温涂料

步骤S1：按照重量份计取100份酚醛环氧树脂、7份稀释剂和1.3份润湿剂投料混合，通入干燥氮气直至有稳定气流排出，升温至80℃，加入12份改性硅气凝胶粉混匀，再投加0.1份咪唑催化剂，控制搅拌速率为420rpm，恒温搅拌反应45min，反应结束采用冷却水强制迅速降温至40℃以下，真空脱气泡处理20min，得到成膜胶液。

步骤S2：按照重量份计取0.5份消泡剂、2.2份分散剂和4.5份二元胺固化剂投加到搅拌器混匀，将混合料投加到成膜胶液，室温下控制搅拌速率为80rpm混合8min，现配现用，得到耐高温气凝胶保温涂料。

实施例3，本实施例制备耐高温气凝胶保温涂料，具体实施过程如下：

1)制备改性硅气凝胶粉

步骤A1：取硅烷偶联剂KH550加入去离子水混合均匀，得到处理液，向处理液中投加硅基气凝胶微粉(70μm)，施加1800rpm高速搅拌分散15min，之后对分散液快速升温至45℃，加入甲酸调节pH值为5，辅以300rpm机械搅拌，偶联处理2.2h，其中，硅基气凝胶微粉和硅烷偶联剂KH550的用量比100g：2.8mL，硅基气凝胶微粉和处理液的固液质量比为1：7，偶联处理后抽滤，将滤渣用乙醇清洗，氮气保护烘干，得到偶联粉体。

步骤A2：向反应器中通入干燥氮气进行气洗，加入六亚甲基二异氰酸酯和无水丙酮混匀，采用冰水浴控制温度为5-10℃内恒温，施加420rpm机械搅拌，在3h内缓慢加入偶联粉体，完全加入后继续恒温反应，控制总加入反应时间为9h，反应中，偶联粉体、六亚甲基二异氰酸酯和无水丙酮的用量比为100g：4.5mL：320mL，反应结束进行抽滤，取滤渣真空干燥，得到改性硅气凝胶粉。

2)制备耐高温气凝胶保温涂料

步骤S1：按照重量份计取100份酚醛环氧树脂、7份稀释剂和1.3份润湿剂投料混合，通入干燥氮气直至有稳定气流排出，升温至82℃，加入17份改性硅气凝胶粉混匀，再投加0.1份咪唑催化剂，控制搅拌速率为480rpm，恒温搅拌反应40min，反应结束采用冷却水强制迅速降温至40℃以下，真空脱气泡处理20min，得到成膜胶液。

步骤S2：按照重量份计取0.4份消泡剂、2.4份分散剂和4.8份二元胺固化剂投加到搅拌器混匀，将混合料投加到成膜胶液，室温下控制搅拌速率为80rpm混合7min，现配现用，得到耐高温气凝胶保温涂料。

实施例4，本实施例制备耐高温气凝胶保温涂料，具体实施过程如下：

1)制备改性硅气凝胶粉

步骤A1：取硅烷偶联剂KH550加入去离子水混合均匀，得到处理液，向处理液中投加硅基气凝胶微粉(100μm)，施加1500rpm高速搅拌分散12min，之后对分散液快速升温至48℃，加入甲酸调节pH值为6，辅以360rpm机械搅拌，偶联处理2.6h，其中，硅基气凝胶微粉和硅烷偶联剂KH550的用量比100g：3.1mL，硅基气凝胶微粉和处理液的固液质量比为1：7.5，偶联处理后抽滤，将滤渣用乙醇清洗，氮气保护烘干，得到偶联粉体。

步骤A2：向反应器中通入干燥氮气进行气洗，加入六亚甲基二异氰酸酯和无水丙酮混匀，采用冰水浴控制温度为5-10℃内恒温，施加420rpm机械搅拌，在2.8h内缓慢加入偶联粉体，完全加入后继续恒温反应，控制总加入反应时间为8.5h，反应中，偶联粉体、六亚甲基二异氰酸酯和无水丙酮的用量比为100g：4.5mL：330mL，反应结束进行抽滤，取滤渣真空干燥，得到改性硅气凝胶粉。

2)制备耐高温气凝胶保温涂料

步骤S1：按照重量份计取100份酚醛环氧树脂、8份稀释剂和1.5份润湿剂投料混合，通入干燥氮气直至有稳定气流排出，升温至85℃，加入18份改性硅气凝胶粉混匀，再投加0.11份咪唑催化剂，控制搅拌速率为480rpm，恒温搅拌反应42min，反应结束采用冷却水强制迅速降温至40℃以下，真空脱气泡处理20min，得到成膜胶液。

步骤S2：按照重量份计取0.4份消泡剂、2.6份分散剂和5.2份二元胺固化剂投加到搅拌器混匀，将混合料投加到成膜胶液，室温下控制搅拌速率为120rpm混合6min，现配现用，得到耐高温气凝胶保温涂料。

对比例，本对比例为市售气凝胶涂料，具体型号为：AG-S气凝胶浆料。

取实施例1-实施例4以及对比例提供的气凝胶涂料进行涂覆试验，以3mm厚Q235A钢板为涂覆对象，采用500目砂纸打磨露出基底，用丙酮清洗干燥，得到基板，将气凝胶涂料在基板上单面涂覆，涂覆厚度为1.5±0.1mm，置于干燥箱中，在60℃下加速干燥2h，再置于大气环境中均化24h，得到试样，从试样中取样进行关键性能测试：本发明制备的气凝胶涂料干膜导热系数为0.017-0.025W/(m·K)，长期工作温度为352-383℃，附着力为3.06-3.41MPa，相较于对比例，具有优异的隔热保温效果，附着力更强，不易脱落，且在高温下更加稳定，可满足绝大多数高温介质输送保温需求。

取以上制备的试样，对涂层表面耐受性能进行测试：本发明和对比例所提供的气凝胶涂料均具有良好的表面性能，符合一般涂层的使用标准。

在说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上内容仅仅是对本发明所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种耐高温气凝胶保温涂料，其特征在于，按照重量份计包括：

酚醛环氧树脂100份、改性硅气凝胶粉12-18份、稀释剂6-8份、咪唑催化剂0.08-0.11份、润湿剂1.3-1.7份、消泡剂0.4-0.5份、分散剂2.2-2.6份和二元胺固化剂4.5-5.5份；

所述改性硅气凝胶粉由以下方法制备：

步骤A1：将硅烷偶联剂KH550溶于去离子水作为处理液，加入硅基气凝胶微粉室温下高速搅拌分散，之后升温至40-50℃，加入甲酸调节pH值为5-6，搅拌偶联处理2-3h，抽滤取滤渣用乙醇清洗、干燥，得到偶联粉体，其中，硅基气凝胶微粉和硅烷偶联剂KH550的用量比100g：2.6-3.3mL，硅基气凝胶微粉的细度为70-100μm，硅基气凝胶微粉和处理液的固液质量比为1：6.5-8；

步骤A2：将六亚甲基二异氰酸酯和无水丙酮在干燥氮气氛围下混合，控制温度在10℃以下恒温，搅拌并缓慢加入偶联粉体，控制偶联粉体的加入反应时间为8-10h，反应结束再次抽滤取滤渣真空干燥，得到改性硅气凝胶粉，其中，偶联粉体、六亚甲基二异氰酸酯和无水丙酮的用量比为100g：4.2-4.8mL：300-350mL；

耐高温气凝胶保温涂料的制备方法，包括如下步骤：

步骤S1：将酚醛环氧树脂、稀释剂和润湿剂混匀，通入干燥氮气，升温至80-90℃，加入改性硅气凝胶粉混匀，再投加咪唑催化剂，搅拌恒温反应35-45min，反应结束迅速降温至40℃以下，真空脱气泡，得到成膜胶液；

步骤S2：将消泡剂、分散剂和二元胺固化剂混合，加入成膜胶液，在室温下混合，现配现用，得到耐高温气凝胶保温涂料。

2.根据权利要求1所述的一种耐高温气凝胶保温涂料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：将酚醛环氧树脂、稀释剂和润湿剂混匀，通入干燥氮气，升温至80-90℃，加入改性硅气凝胶粉混匀，再投加咪唑催化剂，搅拌恒温反应35-45min，反应结束迅速降温至40℃以下，真空脱气泡，得到成膜胶液；

步骤S2：将消泡剂、分散剂和二元胺固化剂混合，加入成膜胶液，在室温下混合，现配现用，得到耐高温气凝胶保温涂料。

3.根据权利要求2所述的一种耐高温气凝胶保温涂料的制备方法，其特征在于，咪唑催化剂为2-乙基-4-甲基咪唑。

4.根据权利要求2所述的一种耐高温气凝胶保温涂料的制备方法，其特征在于，二元胺固化剂为间苯二甲胺。

5.根据权利要求2所述的一种耐高温气凝胶保温涂料的制备方法，其特征在于，酚醛环氧树脂为双酚A型酚醛环氧树脂。