CN117534990A - 高耐候纳米绝热涂料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高耐候纳米绝热涂料及制备方法。所述高耐候纳米绝热涂料，包括下述原材料：去离子水：80‑300重量份；羟乙基纤维素：1‑15重量份；气凝胶：40‑120重量份；玻璃微珠：80‑250重量份；纳米二氧化硅：80‑250重量份；纳米氧化铝：3‑50重量份；弹性乳液：80‑250重量份；含钨化合物：10‑80重量份。本发明的全效凝胶隔热保温涂料充分考虑了涂料在高太阳辐射环境下的性能需求，通过合理的配方设计，成功地解决了现有涂料在高太阳辐射环境下易出现的收缩、开裂和脱落问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种高耐候纳米绝热涂料及制备方法。
背景技术
在现代建筑工程中，隔热保温涂料在外墙保温隔热方面发挥了重要作用。尤其是含有气凝胶和玻璃微珠的涂料，由于其优异的保温性能，已被广泛应用于各种类型的建筑物中。这类涂料能够有效地隔绝热量的传输，从而大幅度提高了建筑物的能源效率，并为人们的生活带来了极大的舒适性。然而，尽管这类涂料具有上述优点，但在一些特殊环境下，它们的性能却可能会受到严重影响。
尤其在高太阳辐射环境下，常规的隔热保温涂料可能会出现一些问题。例如，高太阳辐射环境可能会加速涂料的氧化、变色甚至老化，从而影响其保护和耐久性。更为严重的是，高太阳辐射环境可能导致涂料出现收缩、开裂甚至脱落，进一步影响涂料的隔热效果，并可能最终导致涂料的失效。
这些问题主要源于涂料内部应力的不均匀分布，以及涂料与基材之间附着力的减弱。高太阳辐射环境可能会加速涂料内部化学反应的速度，导致涂料内部产生大量的自由基，这些自由基会破坏涂料内部的分子结构，从而引发涂料的收缩和开裂。同时，高太阳辐射环境也可能破坏涂料与基材之间的化学键合，导致涂料的脱落。
因此，面对高太阳辐射环境对涂料的严峻挑战，开发出一种能够在高太阳辐射环境下保持稳定性能，不易出现收缩、开裂和脱落问题的隔热保温涂料，以满足更广泛的应用需求，已经成为该领域的重要研究课题。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种高耐候纳米绝热涂料及制备方法，能够有效解决现有涂料在高太阳辐射环境下易出现的收缩、开裂和脱落问题。
本发明的技术方案具体如下：
本发明提供了一种高耐候纳米绝热涂料，包括下述原材料：
去离子水：80-300重量份；
羟乙基纤维素：1-15重量份；
气凝胶：40-120重量份；
玻璃微珠：80-250重量份；
纳米二氧化硅：80-250重量份；
纳米氧化铝：3-50重量份；
弹性乳液：80-250重量份；
含钨化合物：10-80重量份。
优选地，一种高耐候纳米绝热涂料，包括下述原材料：
去离子水：100-250重量份；
羟乙基纤维素：2-10重量份；
气凝胶：50-100重量份；
玻璃微珠：100-200重量份；
纳米二氧化硅：100-200重量份；
纳米氧化铝：5-40重量份；
弹性乳液：100-200重量份；
含钨化合物：20-70重量份。
优选地，一种高耐候纳米绝热涂料，包括下述原材料：
去离子水：150-200重量份；
羟乙基纤维素：4-7重量份；
气凝胶：60-80重量份；
玻璃微珠：120-160重量份；
纳米二氧化硅：130-150重量份；
纳米氧化铝：10-30重量份；
弹性乳液：120-150重量份；
含钨化合物：30-60重量份。
优选地，一种高耐候纳米绝热涂料，包括下述原材料：
去离子水：160-180重量份；
羟乙基纤维素：5-6重量份；
气凝胶：65-75重量份；
玻璃微珠：130-140重量份；
纳米二氧化硅：135-145重量份；
纳米氧化铝：15-25重量份；
弹性乳液：130-140重量份；
含钨化合物：30-50重量份。
在本发明中，各原料的具体作用如下：
去离子水是制作涂料的基础溶剂，可以将其他原料有效混合。
羟乙基纤维素是一种优质的增稠剂和稳定剂，可以改善涂料的粘度和稳定性，使涂料更易于涂抹，也能防止涂料中的其他成分沉降。
气凝胶是一种高效的隔热材料，具有极低的导热系数和高的热阻，能有效地隔断热量的传递，提供出色的隔热效果。
玻璃微珠具有良好的隔热性能和机械性能，可以增加涂料的隔热效果和耐磨耐压性能。
纳米二氧化硅具有良好的紫外线阻挡性能和增强涂料的耐磨性，能够保护涂料在高太阳辐射环境下保持稳定的性能。
纳米氧化铝具有高的热稳定性和耐磨性，能够增加涂料在高温环境下的稳定性，防止涂料的热老化。
弹性乳液能够提供涂料良好的延展性和韧性，防止涂料在热胀冷缩的过程中产生裂纹和脱落。优选地，所述弹性乳液选自：BATF Acronal(安固力)7588、BATF RS-9699H、BASF Acronal(安固力)7016G、阿科玛Arkema ENCOR 187，这些弹性乳液都具有良好的耐候性和耐磨性。
含钨化合物具有良好的辐射防护性能，可以阻挡高能辐射，进一步提升涂料在高太阳辐射环境下的稳定性、颜色和物理性能。所述含钨化合物可以是水溶性含钨化合物或水不溶性含钨化合物，所述水溶性含钨化合物可以是钨酸钠、钨酸铵；水不溶性含钨化合物可以是钨酸钙、钨酸钡、碳化钨或钨酸铜。选择水不溶性含钨化合物可以提高涂料的耐水性，降低涂层在雨水冲刷时脱落的风险。特别优选地，所述含钨化合物为钨酸钡和/或碳化钨。
本发明还提供例如一种高耐候纳米绝热涂料的制备方法，包括下述步骤：
将羟乙基纤维素加入去离子水中，再加入气凝胶、玻璃微珠、纳米二氧化硅、纳米氧化铝、弹性乳液和含钨化合物，搅拌均匀，得到本发明的高耐候纳米绝热涂料。
本发明的高耐候纳米绝热涂料不仅能够提供出色的隔热效果，还能够在高太阳辐射环境下保持稳定的性能，有效地解决了涂料在高太阳辐射环境下易收缩、开裂和脱落的问题。此外，这款涂料还通过引入特殊的辐射防护成分，如钨酸钠，进一步提升了涂料的辐射防护性能，使得涂料在高太阳辐射环境下也能够保持良好的颜色和物理性能。
总之，本发明的全效凝胶隔热保温涂料及其制备方法充分考虑了涂料在高太阳辐射环境下的性能需求，通过科学的配方设计和先进的制备工艺，成功地解决了现有涂料在高太阳辐射环境下易出现的收缩、开裂和脱落问题，提供了一种新的解决方案，为涂料的应用拓宽了新的领域。
具体实施方式
本发明提供了一种高耐候纳米绝热涂料，包括下述原材料：
去离子水：160-180重量份；
羟乙基纤维素：5-6重量份；
气凝胶：65-75重量份；
玻璃微珠：130-140重量份；
纳米二氧化硅：135-145重量份；
纳米氧化铝：15-25重量份；
弹性乳液：130-140重量份；
含钨化合物：30-50重量份。
所述含钨化合物为水溶性含钨化合物或水不溶性含钨化合物。所述水溶性含钨化合物可以是钨酸钠、钨酸铵；水不溶性含钨化合物可以是钨酸钙、钨酸钡、碳化钨或钨酸铜。
在本发明中，羟乙基纤维素起到了增稠和稳定的作用，提高了涂料的流动性和稳定性，使其涂抹更为方便，避免了涂料中的各种成分的沉淀。气凝胶是一种卓越的隔热材质，拥有极低的热传导率和高热阻，有效地阻止了热量的流失。玻璃微珠强化了涂料的隔热性能以及抗磨抗压能力。纳米二氧化硅具有优良的抵挡紫外线能力和提升涂料耐磨性能的特性，保障了涂料在强烈太阳辐射下依然保持稳定的性能。纳米氧化铝拥有较高的耐热性和抗磨损性，有助于提高涂料在高温条件下的稳定性，防止涂料过早老化。弹性乳液赋予涂料良好的伸缩性和韧度，避免在温度变化引起的热胀冷缩中产生裂纹或脱落，同时增强了涂料的耐候性和耐磨性。钨含量的化合物展现出优秀的辐射防护能力，可以抵挡高能辐射，从而进一步提高涂料在高辐射环境下的稳定性、颜色保持及物理性能。
所述高耐候纳米绝热涂料的制备方法，包括下述步骤：
首先，取160-180重量份的去离子水，将温度调节至25-35℃，保持恒温。
在保持恒温的去离子水中，加入5-6重量份的羟乙基纤维素，使用搅拌器以300-500转/分钟的速度搅拌，直至羟乙基纤维素溶解，搅拌时间约为60-90分钟。
在羟乙基纤维素溶液中，逐渐加入65-75重量份的气凝胶，再次使用搅拌器以300-500转/分钟的速度搅拌，搅拌时间约为30-60分钟。
然后，向混合液中加入130-140重量份的玻璃微珠，以及135-145重量份的纳米二氧化硅，继续以300-500转/分钟的速度搅拌，搅拌时间约为30-60分钟。
接下来，加入15-25重量份的纳米氧化铝，以及130-140重量份的弹性乳液，继续以300-500转/分钟的速度搅拌，搅拌时间约为30-60分钟。
最后，加入5-7重量份的含钨化合物，继续以300-500转/分钟的速度搅拌，搅拌时间约为30-60分钟。
搅拌完成后，将涂料放置于室温下静置24-48小时，使得各成分充分接触，形成均匀的高耐候纳米绝热涂料。
将所得的涂料进行包装，存储在阴凉干燥的环境中，以备使用。
在本发明高耐候纳米绝热涂料的制备过程中，各原料之间的互动和协作以独特且高效的方式实现了隔热保温效果。首先，羟乙基纤维素作为增稠剂和稳定剂，提升了涂料的粘度，使各种隔热材料如气凝胶和玻璃微珠能均匀分布在涂料中，最大限度地发挥其隔热效果。气凝胶以其极低的导热系数和高的热阻，有效地阻断了热量的传递。而玻璃微珠的独特微结构形成大量微小的空气隙间，这些空气隙间形成了有效的热绝缘层。这两者的协同作用大大增强了涂料的隔热效果。在此基础上，纳米二氧化硅和纳米氧化铝的添加进一步强化了涂料的性能。这两种纳米材料防止了紫外线辐射对涂料的影响，同时它们的高热稳定性可以抵抗高温，保护涂料免受热老化的影响。这不仅维护了涂料中气凝胶和玻璃微珠的隔热性能，也确保了涂料在高太阳辐射环境下的稳定性。此外，弹性乳液的加入为涂料提供了良好的延展性和韧性，防止了涂料在热胀冷缩的过程中产生裂纹和脱落。这样无论环境温度如何变化，涂料都能保持良好的隔热性能，从而维护和增强了由气凝胶、玻璃微珠以及纳米材料共同构建的隔热体系。
本发明首次采用将含钨化合物添加到涂料配方中，大幅提升了涂料在高太阳辐射环境下的稳定性及理化性能。首先，钨的高熔点和高稳定性使其在高温环境下保持稳定，这对于在高太阳辐射环境下使用的涂料来说是至关重要的。钨能够提高涂料的热稳定性，防止在高温下涂料性能的衰减和老化。其次，钨具有良好的辐射防护能力。高能太阳辐射包括紫外线、可见光和红外线等多种形式的电磁辐射。钨化合物可以吸收并阻挡这些辐射，尤其是高能紫外线，避免它们对涂料及其保护的物体造成损害。这一点对于提高涂料在高太阳辐射环境下的稳定性及理化性能具有重要意义。再者，钨化合物在涂料中可能形成一种微观结构，这种结构有助于形成更均匀的辐射防护层，进一步提升涂料的防护效果。同时，钨化合物的添加也可能改善涂料的机械性能，如硬度和耐磨性，进一步延长涂料的使用寿命。
下述各例中：
羟乙基纤维素，选用陶氏/DOW HEC羟乙基纤维素CELLOSIZE QP-100。
气凝胶，大城县艾瑞戈新材料有限公司提供的孔径20nm(亲水)货号06的纳米气凝胶粉体。
玻璃微珠，选用规格为DZ46mm的型号为K20的3MTM纳米空心玻璃微珠，粒径65μm。
纳米二氧化硅，佛山鸿昶新材料有限公司提供的AJ-20纳米二氧化硅，粒径20-50nm，比表面积640m2/g。
纳米氧化铝，湖北汇富纳米材料股份有限公司提供，货号ALuna100的气相三氧化二铝。
弹性乳液，选用巴斯夫公司的涂料用苯丙乳液Acronal(安固力)7588。
钨酸钠，苏州天恒化工科技有限公司提供的货号002的钨酸钠。
钨酸钙，郑州利盛源化工产品有限公司提供的钨酸钙粉末。
钨酸钡，武汉卡米克科技有限公司提供的钨酸钡粉末。
碳化钨，选用赣州创丰钨业有限公司提供的牌号FWC08-10的0.6-15um碳化钨粉。
实施例1
高耐候纳米绝热涂料的制备方法，包括下述步骤：
首先，取170重量份的去离子水，将温度调节至30℃，保持恒温。
在保持恒温的去离子水中，加入5.5重量份的羟乙基纤维素，使用搅拌器以400转/分钟的速度搅拌，直至羟乙基纤维素溶解，搅拌时间约为80分钟。
在羟乙基纤维素水溶液中，逐渐加入70重量份的气凝胶，再次使用搅拌器以400转/分钟的速度搅拌，搅拌时间为50分钟。
然后，向混合液中加入135重量份的玻璃微珠，以及140重量份的纳米二氧化硅，继续以400转/分钟的速度搅拌，搅拌时间为50分钟。
接下来，加入20重量份的纳米氧化铝，以及135重量份的弹性乳液，继续以400转/分钟的速度搅拌，搅拌时间为50分钟。
最后，加入32重量份的含钨化合物钨酸钠，继续以400转/分钟的速度搅拌，搅拌时间为50分钟。
搅拌完成后，将涂料放置于室温下静置36小时，使得各成分充分接触，形成均匀的高耐候纳米绝热涂料。
将所得的涂料进行包装，存储在阴凉干燥的环境中，以备使用。
实施例2
实施例2与实施例1的区别只在于含钨化合物不同。
实施例2选用的含钨化合物是水不溶性含钨化合物钨酸钙粉末。
钨酸钙的加入量为32重量份。
实施例3
实施例3与实施例1的区别只在于含钨化合物不同。
实施例3选用的含钨化合物是水不溶性含钨化合物钨酸钡粉末。
钨酸钡的加入量为32重量份。
实施例4
实施例4与实施例1的区别只在于含钨化合物不同。
实施例4选用的含钨化合物是水不溶性含钨化合物碳化钨粉末。
碳化钨的加入量为32重量份。
实施例5
实施例5与实施例1的区别只在于含钨化合物不同。选用的含钨化合物是水不溶性含钨化合物钨酸钙和钨酸钡混合粉末。其中，钨酸钙和钨酸钡的加入量均为16重量份。
对比例1
高耐候纳米绝热涂料的制备方法，包括下述步骤：
首先，取170重量份的去离子水，将温度调节至30℃，保持恒温。
在保持恒温的去离子水中，加入5.5重量份的羟乙基纤维素，使用搅拌器以400转/分钟的速度搅拌，直至羟乙基纤维素溶解，搅拌时间约为80分钟。
在羟乙基纤维素水溶液中，逐渐加入70重量份的气凝胶，再次使用搅拌器以400转/分钟的速度搅拌，搅拌时间为50分钟。
然后，向混合液中加入135重量份的玻璃微珠，以及140重量份的纳米二氧化硅，继续以400转/分钟的速度搅拌，搅拌时间为50分钟。
接下来，加入20重量份的纳米氧化铝，以及135重量份的弹性乳液，继续以400转/分钟的速度搅拌，搅拌时间为50分钟。
搅拌完成后，将涂料放置于室温下静置36小时，使得各成分充分接触，形成均匀的高耐候纳米绝热涂料。
将所得的涂料进行包装，存储在阴凉干燥的环境中，以备使用。
测试例1：
砂浆块的制作和养护，按照中华人民共和国建材行业标准JC/T1024-2019《墙体饰面砂浆》的规定进行。试板的制备及养护按照JG/T24-2018《合成树脂乳液砂壁状建筑涂料》，将待测试件在实验室养护室的条件在温度23℃，湿度65％的条件下养护14天，然后按照JG/T24-2018《合成树脂乳液砂壁状建筑涂料》进行拉伸粘结强度的测试。将将待测试件在70℃烘烤2h(意图：模拟强太阳光照)测试其拉伸粘结强度，并计算粘结强度保持率。
表1涂料拉伸粘结强度的测试结果
测试例2：
参照GB/T10294-2008标准测试检测涂料的导热系数，实施例4导热系数为0.02W/(m.K)；实施例5导热系数为0.02W/(m.K)。
实施例1使用的是水溶性的钨酸钠，而实施例2、3、4则使用了不同的水不溶性含钨化合物：钨酸钙、钨酸钡和碳化钨。所有实施例中含钨化合物的加入量相同。对比例1的制备方法与实施例1相同，但是没有添加含钨化合物。所有涂料的制备过程基本相同，都是在恒温的去离子水中先后加入各种原料，然后进行搅拌和静置，最后将制得的涂料进行包装和存储。
在高太阳辐射环境下对涂料的粘结强度进行测试后，结果显示实施例4(使用碳化钨的涂料)的粘结强度最大，其次是实施例3(使用钨酸钡的涂料)、实施例2(使用钨酸钙的涂料)和实施例1(使用钨酸钠的涂料)，而对比例1(没有添加含钨化合物的涂料)的粘结强度最低。
这些结果表明，含钨化合物的添加显著提高了涂料的粘结强度，且不同类型的含钨化合物对涂料性能的提升效果有所不同。在这些含钨化合物中，碳化钨的效果最好，能使涂料具有较大的粘结强度，几乎不会出现收缩、开裂和脱落的问题，而没有添加含钨化合物的对比例1的表现非常差。
实施例1中使用的钨酸钠是一种水溶性化合物，这意味着它能够在水中较容易地溶解和分散。虽然这可能有助于提高涂料的初期均匀性，但是在高温或高辐射环境下，涂料中的水分可能会蒸发，导致钨酸钠的溶解度降低，从而影响涂料的稳定性和粘结强度。
相比之下，实施例2、3、4中使用的是水不溶性的含钨化合物(钨酸钙、钨酸钡和碳化钨)。这些水不溶性的化合物在涂料中的分散可能较困难，但是一旦形成均匀的涂料，它们能够提供更稳定的性能，特别是在高温和高辐射环境下。这是因为，水不溶性化合物不会因为水分的蒸发而发生显著的性能变化，从而能够保持涂料的稳定性和粘结强度。
因此，发明人推测使用水不溶性的含钨化合物可能是实施例2、3、4的涂料粘结强度优于实施例1的一个原因。
此外，从化学稳定性的角度来看，钨酸钙、钨酸钡和碳化钨的稳定性依次增强。钨酸钠的稳定性较低，容易受到环境中水分、氧气等因素的影响，而钨酸钙和钨酸钡的稳定性较高，碳化钨的稳定性则最高。这种化学稳定性的差异可能导致在高温、高辐射环境下，涂料的性能表现出一定的差异。其次，从热稳定性的角度考虑，碳化钨的热稳定性最高，这可能是因为碳化钨的结构更紧密，对热的传导性能较差，从而在高温环境下，更能保持涂料的稳定性。再次，钨化合物在涂料中可能形成不同的微观结构。碳化钨、钨酸钙和钨酸钡的颗粒大小、形状以及分布可能都存在差异，这些差异可能影响涂料的均匀性和隔热性能。例如，碳化钨可能形成更小、更均匀的颗粒，这将有助于形成更均匀的防护层，从而提高涂料的防护效果。总的来说，钨酸钙、钨酸钡和碳化钨这三种钨化合物在化学稳定性、热稳定性以及微观结构上的差异可能导致涂料的性能存在差异，使得碳化钨的性能最优，其次是钨酸钡，再次是钨酸钙。
Claims (7)
1.一种高耐候纳米绝热涂料，其特征在于，包括下述原材料：
去离子水：80-300重量份；
羟乙基纤维素：1-15重量份；
气凝胶：40-120重量份；
玻璃微珠：80-250重量份；
纳米二氧化硅：80-250重量份；
纳米氧化铝：3-50重量份；
弹性乳液：80-250重量份；
含钨化合物：10-80重量份。
2.如权利要求1所述的高耐候纳米绝热涂料，其特征在于，包括下述原材料：
去离子水：100-250重量份；
羟乙基纤维素：2-10重量份；
气凝胶：50-100重量份；
玻璃微珠：100-200重量份；
纳米二氧化硅：100-200重量份；
纳米氧化铝：5-40重量份；
弹性乳液：100-200重量份；
含钨化合物：20-70重量份。
3.如权利要求2所述的高耐候纳米绝热涂料，其特征在于，包括下述原材料：
去离子水：150-200重量份；
羟乙基纤维素：4-7重量份；
气凝胶：60-80重量份；
玻璃微珠：120-160重量份；
纳米二氧化硅：130-150重量份；
纳米氧化铝：10-30重量份；
弹性乳液：120-150重量份；
含钨化合物：30-60重量份。
4.如权利要求3所述的高耐候纳米绝热涂料，其特征在于，包括下述原材料：
去离子水：160-180重量份；
羟乙基纤维素：5-6重量份；
气凝胶：65-75重量份；
玻璃微珠：130-140重量份；
纳米二氧化硅：135-145重量份；
纳米氧化铝：15-25重量份；
弹性乳液：130-140重量份；
含钨化合物：30-50重量份。
5.如权利要求1-4任一项所述的高耐候纳米绝热涂料，其特征在于，所述弹性乳液选自：BATF Acronal 7588、BATF RS-9699H、BASF Acronal 7016G和阿科玛Arkema ENCOR 187中的至少一种。
6.如权利要求1-4任一项所述的高耐候纳米绝热涂料，其特征在于，所述含钨化合物是水溶性含钨化合物或水不溶性含钨化合物。
7.如权利要求1-6任一项所述的高耐候纳米绝热涂料的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：将羟乙基纤维素加入去离子水中，再加入气凝胶、玻璃微珠、纳米二氧化硅、纳米氧化铝、弹性乳液和含钨化合物，搅拌均匀。
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