一种轻质超强气凝胶隔热涂料及其制备方法与流程

本发明涉及耐高温隔热涂层
技术领域：
，特别是涉及一种轻质超强气凝胶隔热涂料及其制备方法。
背景技术：
：建筑物节能、输热管道热损和工业热力设施的经济运行等领域都需要采取安全有效的保温隔热措施。在建筑物外围和热力设施表面喷涂隔热涂料是常用的保温隔热手段。隔热涂料一方面可以减少建筑、热力设施的能源损失，另一方面它能保证热力设施的安全和可靠的运行。隔热涂料根据隔热的原理可以分为阻隔型、反射型、辐射型以及复合型。其中阻隔型隔热涂料是通过对热量的阻抗作用来实现保温隔热。传统的阻隔型隔热涂料通常采用低导热系数的材料作为隔热功能填料，如膨胀蛭石、膨胀珍珠岩以及矿岩棉等。气凝胶是一种具备纳米多孔网络结构的轻质纳米固态材料。目前，国内外所报道的气凝胶隔热材料主要包括sio2气凝胶、zro2气凝胶、al2o3气凝胶、si-c-o气凝胶，其中以纳米孔sio2气凝胶材料的研究最为广泛。sio2气凝胶是一种以空气为主要组成成分、无定形态的sio2为基本骨架，具有复杂三维网络结构的纳米轻质多孔材料，它同时囊括了低热导率、低密度、高孔隙率以及高比表面积等性质，从而在很多领域都有着广阔的应用前景。将sio2气凝胶作为填料加入到隔热涂料中，制成sio2气凝胶隔热涂料，可大幅提升隔热涂料的隔热效果。sio2气凝胶虽然拥有较为优秀的隔热性能，但其力学性能较差。以sio2气凝胶作为主要隔热骨料的涂层易产生开裂现象。另外，在当前已公开的气凝胶隔热涂料专利中，大多都采用润湿剂或表面活性剂对气凝胶表面进行改性处理，改善气凝胶在水性涂料体系中的分散效果(如专利cn107266997a、cn104231798a)。而添加了润湿剂或表面活性剂的涂料在搅拌分散过程中会产生大量气泡。这些气泡在涂层内部形成较大缝隙或缺陷，影响涂料的隔热性能。技术实现要素：为解决现有的气凝胶涂料所存在的缺陷，本发明提供一种轻质超强隔热气凝胶涂料及其制备方法，采用耐高温纤维与无机粘结剂增强气凝胶涂层的机械强度，解决气凝胶涂层易开裂情况。本发明制备得到的涂料具有分散性能好，稳定性好等特点。固化、干燥后形成的气凝胶涂层具有耐高温、轻质、隔热性能好、抗裂能力强等特点。采用超声波辅助制备，消除涂料内较大气泡，形成微米级气泡，增加涂层孔隙率，提升涂层的隔热能力。本发明的制备方法简便，适合工业化生产。为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种轻质超强气凝胶隔热涂料，包括以下组分：无机黏结剂、气凝胶粉末、空心隔热填料、增强纤维、增稠剂、表面活性剂、分散剂和去离子水。进一步地，按照质量份数计，包括如下组分：无机黏结剂30～100份、增强纤维10～50份、空心隔热填料10～50份、气凝胶粉末5～20份、增稠剂3～6份、表面活性剂1～10份、分散剂0.5～2份和去离子水100～300份。进一步地，所述无机黏结剂为硅酸钾钠、硅溶胶中的一种或两者组合；所述气凝胶粉末为氧化硅气凝胶粉末、氧化铝气凝胶粉末、氧化钛气凝胶粉末中的一种或几种组合；所述空心隔热填料为空心玻璃微珠、空心陶瓷微珠中的一种或两者组合；所述增强纤维为氧化锆纤维散棉、莫来石纤维散棉、氧化铝纤维散棉中的一种或几种组合。进一步地，所述氧化锆纤维散棉直径为3～8μm；所述莫来石纤维散棉直径为3～5μm、长度为50～100mm；所述氧化铝纤维散棉直径为3～4μm；所述空心玻璃微珠粒径为30～100μm；所述空心陶瓷微珠粒径为10～400μm；所述气凝胶粉末粒径为2～40μm。进一步地，所述增稠剂为羧甲基纤维素钠、海藻酸钠、凹凸棒土、膨润土中的一种或几种。进一步地，所述表面活性剂为烷基苯磺酸盐、烷基磺酸盐、烷基萘磺酸盐、石油磺酸盐、木质素磺酸盐、脂肪醇硫酸酯盐、仲烷基硫酸酯盐中的一种或多种。进一步地，所述分散剂为聚苯烯酸盐、多聚磷酸盐、多元羧酸酯铵盐中的一种或几种。本发明提供所述的轻质超强气凝胶隔热涂料的制备方法，包括如下步骤：(1)在搅拌容器中加入去离子水、无机黏结剂、增稠剂，以100～300rpm的转速搅拌5～30min，然后加入增强纤维，以500～1000rpm的转速搅拌30min，得到分散均匀的纤维浆料；(2)在搅拌容器中加入去离子水、表面活性剂、分散剂，100～300rpm的转速搅拌5～30min，然后加入气凝胶粉末，以300～500rpm的转速搅拌60～120min，得到气凝胶的水分散体；(3)在搅拌容器中加入所述纤维浆料和所述气凝胶的水分散体，以300～500rpm的转速搅拌10～30min，然后在该转速的搅拌状态下，加入空心隔热填料，采用少量多次添加的方式，待全部空心隔热填料加入后，以500～1000rpm的转速搅拌20～40min，得到粘稠浆料；(4)对所述粘稠浆料进行超声处理10～30min，得到所述轻质超强气凝胶隔热涂料。进一步地，步骤(1)中所述增稠剂与去离子水的质量比为(1～5)：(50～150)；步骤(2)中所述气凝胶粉末与去离子水的质量比为1：(8～10)。本发明还提供一种由所述的轻质超强气凝胶隔热涂料涂覆在基材上或浇注于模具内，固化、干燥得到的轻质超强气凝胶隔热涂层。进一步地，所述干燥为自然干燥或加热干燥；所述干燥的温度为常温或50℃～100℃；所述干燥时间为24～48h；所述基底材料主要为金属。本发明公开了以下技术效果：(1)本发明涂料组分基本为无机物，具有优秀的耐高温性能，同时在高温环境下不会挥发有害物质；采用水性涂料体系，可以有效避免有机溶剂中的小分子进入气凝胶内部，影响气凝胶的隔热性能；(2)本发明涂料由隔热填料、增强纤维、黏结剂及各类助剂组成。各个组分相互作用，共同构造轻质超强气凝胶涂料隔热体系。采用无机黏结剂作为黏结剂，无机黏结剂在高温环境下有较好的稳定性；采用轻质高强度的无机纤维散棉增强涂层的机械强度；采用优异隔热效果的气凝胶和空心玻璃\陶瓷微珠提升涂层的隔热性能。涂料在干燥固化形成涂层的过程中，各类组分相互配合。无机黏结剂在硬化后形成的二氧化硅网状骨架与增强纤维共同构成稳定的三维网络结构，对涂层起到良好的骨架支撑作用。气凝胶与空心玻璃\陶瓷微珠的粒径相差较大，气凝胶粉粒径小、机械性能差，但隔热性能优越；空心玻璃\陶瓷微珠粒径大、机械性能好。在涂层结构中，小粒径的气凝胶填充在大粒径的空心玻璃\陶瓷微珠的间隙中，提高了隔热功能填料的体积占比，从而提升了涂料的隔热性能。两种隔热填料在黏结剂的作用下，粘附在上述的三维网络机构中，形成致密的涂层结构。(3)本发明采用工业化生产的疏水型气凝胶粉末作为主要的隔热填料，为了使疏水型气凝胶能分散到水性体系中，使用阴离子型表面活性剂对气凝胶粉末进行表面亲水改性。阴离子型表面活性剂具有极性的亲水基团，在亲水改性过程中可以取代气凝胶表面的疏水基团，使得气凝胶粉末能水性涂料中均匀分散，并保持稳定。采用增稠剂提升涂料的粘稠度，改善涂料体系的流变性能，抑制涂料在长期储存后产生的分层现象。(4)本发明采用超声波辅助制备气凝胶隔热涂料，利用超声波的空化作用消除涂层内部缺陷，同时生成微米级气泡，使涂层的孔隙率增加，提升涂层的隔热性能。(5)本发明提供的气凝胶涂料、涂层制备工艺操作简便，易于实施，适合工业化生产。制得的涂料具有低密度(0.15～0.30g/cm3)、优异的隔热性能(导热系数0.03～0.06w/(m·k))和良好的力学性能(压缩强度0.3～0.8mpa)。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为实施例1所制备的轻质超强气凝胶隔热涂层的扫描电镜微观形貌图；图2为实施例4所制备的轻质超强气凝胶隔热涂层的扫描电镜微观形貌图；图3为对比例1所制备的气凝胶隔热涂层的扫描电镜微观形貌图。具体实施方式现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。实施例1(1)取50份硅酸钾钠、100份去离子水以及4份羧甲基纤维素钠，置于搅拌容器中，以300rpm的转速搅拌30min，待羧甲基纤维素钠充分溶解后，加入30份莫来石纤维散棉(直径3～5μm)，以500rpm的转速搅拌30min，得到分散均匀的纤维浆料；(2)取50份去离子水、3份十二烷基硫酸钠以及0.5份二甲基马来酸酯铵盐分散剂，置于搅拌容器中，以100rpm的转速搅拌10min，待溶剂充分混合后，加入5份二氧化硅气凝胶粉末(粒径2～40μm)，以300rpm的转速搅拌120min，得到二氧化硅气凝胶的水分散体；(3)在搅拌容器中加入步骤(1)中的纤维浆料和步骤(2)中的二氧化硅气凝胶的水分散体，以500rpm的转速搅拌30min，然后在该转速的搅拌状态下，加入15份空心玻璃微珠(粒径30～100μm)，采用每次添加三分之一的方式，待全部空心玻璃微珠加入后，以800rpm的转速搅拌40min，得到粘稠浆料；(4)利用超声波分散仪器对粘稠浆料进行超声波处理30min，得到轻质超强气凝胶隔热涂料。将步骤(4)得到的气凝胶隔热涂料喷涂在基材表面，经过80℃加热干燥48h后，形成轻质超强气凝胶隔热涂层。本实施例制备的轻质超强气凝胶隔热涂层的扫描电镜微观形貌图见图1。实施例2(1)取60份硅酸钾钠、50份去离子水以及3份海藻酸钠，置于搅拌容器中，以300rpm的转速搅拌30min，待海藻酸钠充分溶解后，加入50份氧化锆纤维散棉(直径3～8μm)，以500rpm的转速搅拌30min，得到分散均匀的纤维浆料；(2)取80份去离子水、4份十二烷基苯磺酸钠以及1份二甲基马来酸酯铵盐分散剂，置于搅拌容器中，以300rpm的转速搅拌10min，待溶剂充分混合后，加入8份氧化铝气凝胶粉末(粒径2～40μm)，以500rpm的转速搅拌120min，得到氧化铝气凝胶的水分散体；(3)在搅拌容器中加入步骤(1)中的纤维浆料和步骤(2)中的二氧化硅气凝胶的水分散体，以500rpm的转速搅拌20min，然后在该转速的搅拌状态下，加入10份空心陶瓷微珠(粒径10～400μm)，采用每次添加三分之一的方式，待全部空心陶瓷微珠加入后，以1000rpm的转速搅拌30min，得到粘稠浆料；(4)利用超声波分散仪器对粘稠浆料进行超声波处理10min，得到轻质超强气凝胶隔热涂料。将步骤(4)得到的气凝胶隔热涂料喷涂在基材表面，经过100℃加热干燥24h后，形成轻质超强气凝胶隔热涂层。实施例3(1)取100份硅酸钾钠、150份去离子水以及6份凹凸棒土，置于搅拌容器中，以300rpm的转速搅拌5min，待凹凸棒土充分分散后，加入10份氧化铝纤维散棉(直径3～4μm)，以800rpm的转速搅拌30min，得到分散均匀的纤维浆料；(2)取120份去离子水、10份脂肪醇硫酸钠以及2份二甲基琥珀酸酯铵盐分散剂，置于搅拌容器中，以100rpm的转速搅拌20min，待溶剂充分混合后，加入15份二氧化钛气凝胶粉末(粒径2～40μm)，以300rpm的转速搅拌120min，得到二氧化钛气凝胶的水分散体；(3)在搅拌容器中加入步骤(1)中的纤维浆料和步骤(2)中的二氧化硅气凝胶的水分散体，以400rpm的转速搅拌30min，然后在该转速的搅拌状态下，加入50份空心玻璃微珠(粒径30～100μm)，采用每次添加三分之一的方式，待全部空心玻璃微珠加入后，以900rpm的转速搅拌40min，得到粘稠浆料；(4)利用超声波分散仪器对粘稠浆料进行超声波处理20min，得到轻质超强气凝胶隔热涂料。将步骤(4)得到的气凝胶隔热涂料喷涂在基材表面，经过80℃加热干燥48h后，形成轻质超强气凝胶隔热涂层。实施例4(1)取30份硅酸钾钠、130份去离子水以及5份膨润土，置于搅拌容器中，以300rpm的转速搅拌30min，待膨润土充分分散后，加入20份氧化铝纤维散棉(直径3～5μm)，以1000rpm的转速搅拌30min，得到分散均匀的纤维浆料；(2)取160份去离子水、8份十二烷基苯磺酸钠以及2份三聚磷酸钠分散剂，置于搅拌容器中，以150rpm的转速搅拌10min。待溶剂充分混合后，加入20份二氧化硅气凝胶粉末(粒径2～40μm)，以300rpm的转速搅拌120min，得到二氧化硅气凝胶的水分散体；(3)在搅拌容器中加入步骤(1)中的纤维浆料和步骤(2)中的二氧化硅气凝胶的水分散体，以500rpm的转速搅拌30min，然后在该转速的搅拌状态下，加入25份空心玻璃微珠(粒径30～100μm)，采用每次添加三分之一的方式，待全部空心玻璃微珠加入后，以1000rpm的转速搅拌20min，得到粘稠浆料；(4)利用超声波分散仪器对粘稠浆料进行超声波处理30min，得到轻质超强气凝胶隔热涂料。将步骤(4)得到的气凝胶隔热涂料喷涂在基材表面，经过90℃加热干燥48h后，形成轻质超强气凝胶隔热涂层。本实施例制备的轻质超强气凝胶隔热涂层的扫描电镜微观形貌图见图2。实施例5(1)取30份硅溶胶、100份去离子水以及5份海藻酸钠，置于搅拌容器中，以100rpm的转速搅拌25min，待海藻酸钠充分溶解后，加入20份氧化锆纤维散棉(直径3～8μm)，以500rpm的转速搅拌30min，得到分散均匀的纤维浆料；(2)取160份去离子水、6份十二烷基硫酸钠以及1.5份三聚磷酸钠分散剂，置于搅拌容器中，以200rpm的转速搅拌20min。待溶剂充分混合后，加入20份二氧化硅气凝胶粉末(粒径2～40μm)，以300rpm的转速搅拌120min，得到二氧化硅气凝胶的水分散体；(3)在搅拌容器中加入步骤(1)中的纤维浆料和步骤(2)中的二氧化硅气凝胶的水分散体，以500rpm的转速搅拌30min，然后在该转速的搅拌状态下，加入25份空心玻璃微珠(粒径30～100μm)，采用每次添加三分之一的方式，待全部空心玻璃微珠加入后，以600rpm的转速搅拌30min，得到粘稠浆料；(4)利用超声波分散仪器对粘稠浆料进行超声波处理25min，得到轻质超强气凝胶隔热涂料。将步骤(4)得到的气凝胶隔热涂料喷涂在基材表面，经过90℃加热干燥48h后，形成轻质超强气凝胶隔热涂层。实施例6(1)取30份硅酸钾钠和硅溶胶的混合物(二者质量比1：1)、130份去离子水以及5份膨润土和羧甲基纤维素钠的混合物(二者质量比1：1)，置于搅拌容器中，以300rpm的转速搅拌30min，待膨润土和羧甲基纤维素钠充分分散后，加入20份莫来石纤维散棉(直径3～5μm)和氧化铝纤维散棉(直径3～5μm)的混合物(二者质量比1：1)，以1000rpm的转速搅拌30min，得到分散均匀的纤维浆料；(2)取160份去离子水、8份十二烷基苯磺酸钠以及2份三聚磷酸钠分散剂，置于搅拌容器中，以150rpm的转速搅拌10min，待溶剂充分混合后，加入20份二氧化硅气凝胶粉末(粒径2～40μm)和二氧化钛气凝胶粉末(粒径2～40μm)(二者质量比1：1)，以300rpm的转速搅拌120min，得到气凝胶的水分散体；(3)在搅拌容器中加入步骤(1)中的纤维浆料和步骤(2)中的气凝胶的水分散体，以500rpm的转速搅拌30min，然后在该转速的搅拌状态下，加入25份空心玻璃微珠(粒径30～100μm)，采用每次添加三分之一的方式，待全部空心玻璃微珠加入后，以1000rpm的转速搅拌20min，得到粘稠浆料；(4)利用超声波分散仪器对粘稠浆料进行超声波处理30min，得到轻质超强气凝胶隔热涂料。将步骤(4)得到的气凝胶隔热涂料喷涂在基材表面，经过90℃加热干燥48h后，形成轻质超强气凝胶隔热涂层。对比例1同实施例1，不同之处仅在于未进行步骤(4)的超声处理。本对比例制备的气凝胶隔热涂层的扫描电镜微观形貌图见图3，可以看到涂层中存在大量百微米级的孔洞，严重影响了涂层的隔热性能。对比例2同实施例1，不同之处仅在于将硅酸钾钠更换为有机黏结剂丙烯酸树脂乳液。对比例3同实施例1，不同之处仅在于未加入二氧化硅气凝胶和十二烷基硫酸钠。测试实施例1～6及对比例1～3制备的气凝胶隔热涂料的性能。参考gb/t10295-2008测试室温导热系数，参考gb/t17371-2008测试压缩强度、干密度、体积收缩率。表1实施例1～6及对比例1～3性能指标由表1可以看出本发明实施例1～6具有低密度(0.15～0.30g/cm3)、优异的隔热性能(导热系数0.03～0.06w/(m·k))和良好的力学性能(压缩强度0.3～0.8mpa)。参考din4102分别测试实施例1～6、对比例1～3的防火等级。测试结果如表2所示。表2防火等级实施例防火等级实施例1a1实施例2a1实施例3a1实施例4a1实施例5a1实施例6a1对比例1a1对比例2a2对比例3a1由表2可以看出，本发明实施例1～6的防火等级为a1，表明本发明制得的轻质超强气凝胶隔热涂料具有较好的防火性能。分别将实施例1～6、对比例1～3的轻质超强气凝胶隔热涂层切割成30cm×30cm×100μm的试样，使用紫外光加速耐气候试验机进行测试，温度为60℃，相对湿度为60％，紫外光波长为400nm，照射8小时后降温至50℃，继续照射4小时为1循环，总共测试40个循环即测试时间为480小时，计算出各涂层的紫外光穿透度，紫外光穿透度越低表明耐光老化性能越好，测试结果见表3。表3紫外光穿透度由表3可知，本发明实施例制备的气凝胶隔热涂层的紫外光穿透度非常低，表明本发明制得的气凝胶隔热涂料具有较好的耐光老化性能。参考gb/t1768-2006使用涂层耐磨仪分别测定实施例1～6、对比例1～3制备的涂层的质量损失，载荷为500n，橡胶砂轮打磨涂层转数达到1400转，质量损失越小表明耐磨性能越好。测试结果见表4。表4质量损失实施例质量损失(g/100r)实施例10.045实施例20.051实施例30.048实施例40.047实施例50.055实施例60.059对比例10.105对比例20.098对比例30.115由表4可以看出，本发明实施例1～6的质量损失非常小，表明本发明制得的气凝胶隔热涂料具有较好的耐磨性能。参考gb/t1732-1993分别测定实施例1～6、对比例1～3形成的涂层的耐冲击高度，耐冲击高度越大表明耐冲击性能越好。测试结果见表5。表5耐冲击高度由表5可知，本发明实施例1～6的耐冲击高度非常大，表明本发明制得的气凝胶隔热涂料具有较好的耐冲击性能。以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。当前第1页12