一种气凝胶保温隔热水性涂料及其制备方法和应用与流程

1.本发明涉及保温隔热涂料技术领域，特别涉及一种气凝胶保温隔热水性涂料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.在能源匮乏和环境污染问题日益突出的今天，节能降耗、提高能源的有效利用率是当前社会发展的趋势。我国的能耗，包括建筑、石油化工、冶金、热电、汽车等领域因保温隔热材料的落后而损失的能量巨大。因此，研发高性能的保温隔热水性涂料具有较大的经济效益和社会效益。sio2气凝胶由于具有独特的结构，显示出低热导率、低密度等特性，在保温隔热水性涂料领域有着极其广泛的应用。因此，制备sio2气凝胶保温隔热水性涂料可以有效节约能源、提升能源的有效利用率。
3.中国专利cn111117421a(公开日期2020.05.08)公开了一种气凝胶复合涂料及其在井下油管的应用，该发明申请主要将sio2气凝胶粉末、水性环氧树脂、空心玻璃微珠、表面改性剂、成膜助剂、流平剂和消泡剂按质量比10：50～100：10～20：5～10：3～5：0.1～1.0：1～2进行混合制备得到气凝胶保温复合涂料。该发明申请的优点是由此制备得到的涂料保温性能出众，能明显降低油管结蜡现象，着力强且能长期适应井下油水环境；该方法的缺点是工艺复杂，其使用的原料(如甲基环氧氯丙烷等)会对人体和环境产生一定的危害。
4.中国专利cn109913007a(公开日期2019.06.21)公开了水溶性sio2气凝胶外墙反射隔热涂料的制备方法及其应用，该发明主要包括以下两个步骤：(1)sio2气凝胶浆料的制备，其中包含到sio2气凝胶改性和气凝胶浆料的制备；(2)sio2气凝胶涂料的制备。该发明申请的优点是解决了疏水型sio2气凝胶在水溶性保温涂料中的限制；该方法的缺点是制备工艺繁琐，且在sio2气凝胶改性过程中使用的助溶剂为有机物，这不仅对人体和环境产生一定的危害且在操作过程中存在安全隐患，与此同时还会使涂料的voc含量过高。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种气凝胶保温隔热水性涂料及其制备方法和应用，以解决现有技术的不足。
6.本发明采用以下技术方案：
7.一种气凝胶保温隔热水性涂料，所述气凝胶保温隔热水性涂料采用如下步骤制备得到：
8.(1)将乳化剂和分散剂混合均匀后加入水和sio2气凝胶粉末，在搅拌的条件下缓慢加入表面活性剂后持续搅拌，得到sio2气凝胶浆料；其中，sio2气凝胶粉末为疏水性sio2气凝胶粉末，乳化剂为吐温60、司盘60、高分子量聚乙二醇中的一种或几种，分散剂为聚羧酸钠盐型分散剂，表面活性剂为氨基官能团硅烷偶联剂；
9.(2)将步骤(1)中sio2气凝胶浆料与水性聚丙烯酸乳液混合后并进行持续搅拌，得到聚丙烯酸—气凝胶混合液体；
10.(3)向步骤(2)中聚丙烯酸—气凝胶混合液体依次加入消泡剂、成膜助剂和阻燃剂后进行持续搅拌，得到气凝胶保温隔热水性涂料中间体；其中，消泡剂为矿物油消泡剂，成膜助剂为醇酯12，阻燃剂为聚磷酸铵；
11.(4)将步骤(3)中气凝胶保温隔热水性涂料中间体同颜填料、增稠剂一起加入至高速研磨机中进行高速搅拌研磨，得到气凝胶保温隔热水性涂料；其中，颜填料为金红石型tio2，增稠剂为纤维素类增稠剂、无机盐类增稠剂的一种或几种；
12.其中，水性聚丙烯酸乳液、sio2气凝胶粉末、乳化剂、分散剂、表面活性剂、消泡剂、成膜助剂、阻燃剂、颜填料、增稠剂和水的添加量按如下质量比：200～450：8～20：0.5～1：0.1～1：0.2～2：0.1～1：1～3：3～5：5～8：1～3：100～200。
13.进一步地，步骤(1)中搅拌转速为300r/min～750r/min，加入表面活性剂后持续搅拌时间为5min～30min；步骤(2)中搅拌转速为600r/min～1200r/min，持续搅拌时间为30min～90min；步骤(3)中搅拌转速为700r/min～1500r/min，持续搅拌时间为90min～150min；步骤(4)中高速搅拌研磨转速为2000r/min～3500r/min，高速搅拌研磨时间为120min～180min。
14.进一步地，步骤(1)中水为去离子水或自来水；高分子量聚乙二醇的分子量≥2000。
15.进一步地，步骤(1)中疏水性sio2气凝胶粉末的粒径为1～50μm；步骤(4)中金红石型tio2的粒径为200～300μm。
16.一种气凝胶保温隔热水性涂料的制备方法，采用如下步骤：
17.(1)将乳化剂和分散剂混合均匀后加入水和sio2气凝胶粉末，在搅拌的条件下缓慢加入表面活性剂后持续搅拌，得到sio2气凝胶浆料；其中，sio2气凝胶粉末为疏水性sio2气凝胶粉末，乳化剂为吐温60、司盘60、高分子量聚乙二醇中的一种或几种，分散剂为聚羧酸钠盐型分散剂，表面活性剂为氨基官能团硅烷偶联剂；
18.(2)将步骤(1)中sio2气凝胶浆料与水性聚丙烯酸乳液混合后并进行持续搅拌，得到聚丙烯酸—气凝胶混合液体；
19.(3)向步骤(2)中聚丙烯酸—气凝胶混合液体依次加入消泡剂、成膜助剂和阻燃剂后进行持续搅拌，得到气凝胶保温隔热水性涂料中间体；其中，消泡剂为矿物油消泡剂，成膜助剂为醇酯12，阻燃剂为聚磷酸铵；
20.(4)将步骤(3)中气凝胶保温隔热水性涂料中间体同颜填料、增稠剂一起加入至高速研磨机中进行高速搅拌研磨，得到气凝胶保温隔热水性涂料；其中，颜填料为金红石型tio2，增稠剂为纤维素类增稠剂、无机盐类增稠剂的一种或几种；
21.其中，水性聚丙烯酸乳液、sio2气凝胶粉末、乳化剂、分散剂、表面活性剂、消泡剂、成膜助剂、阻燃剂、颜填料、增稠剂和水的添加量按如下质量比：200～450：8～20：0.5～1：0.1～1：0.2～2：0.1～1：1～3：3～5：5～8：1～3：100～200。
22.进一步地，步骤(1)中搅拌转速为300r/min～750r/min，加入表面活性剂后持续搅拌时间为5min～30min；步骤(2)中搅拌转速为600r/min～1200r/min，持续搅拌时间为30min～90min；步骤(3)中搅拌转速为700r/min～1500r/min，持续搅拌时间为90min～150min；步骤(4)中高速搅拌研磨转速为2000r/min～3500r/min，高速搅拌研磨时间为120min～180min。
23.进一步地，步骤(1)中水为去离子水或自来水；高分子量聚乙二醇的分子量≥2000。
24.进一步地，步骤(1)中疏水性sio2气凝胶粉末的粒径为1～50μm；步骤(4)中金红石型tio2的粒径为200～300μm。
25.上述气凝胶保温隔热水性涂料在金属基材上的应用。
26.进一步地，所述金属基材包括不锈钢、铝合金或铁。
27.本发明的有益效果：
28.1、本发明水性涂料的制备工艺简单，过程绿色环保，成本低廉。
29.2、本发明水性涂料制备使用的所有原料均无毒无害、绿色环保，易保存，不存在安全隐患，制备过程中也不会对人体和环境产生任何危害。
30.3、本发明水性涂料具有优异的保温隔热性能、抗弯曲性能、附着力、耐水性能、耐污渍性能、耐酸碱性能、耐洗刷性能、疏水自洁性能、防结露性能，可低温长时间保存，安全环保。
31.4、本发明水性涂料可适用于多种金属基材表面，可采取包含涂刷、辊涂、喷涂在内的多种施工方式。
32.5、本发明首先将疏水性sio2气凝胶粉末和乳化剂、分散剂、表面活性剂、水混配形成浆料，肉眼即可分辨是否分散均匀，且以浆料的形式易于均匀分散在水性涂料余下成分中，操作简单易行，适合产业化。
33.6、本发明阻燃剂选用聚磷酸铵，增稠剂选用纤维素类增稠剂、无机盐类增稠剂的一种或几种，聚磷酸铵可以与增稠剂协同配合，使水性涂料的粘度在尽可能使用较少增稠剂的前提下，达到可喷涂、且在一次性施工厚度大于3mm时仍不产生流挂现象，与此同时还可有效降低涂料成本及赋予其阻燃性能。
34.7、本发明中采取的配比、加工步骤及参数均与本发明中使用的成分匹配而来，本发明原料的配比原则上是在保持其各项性能指标稳定的情况下尽可能降低成本；本发明加工步骤可操作性强且操作过程安全，使用的设备仪器简单且易购买，且加工步骤均可在常温下进行；本发明加工参数保持各类原料在该加工工艺下不产生分解与失效且分散均匀，尤其是水性聚丙烯酸乳液在该加工工艺下不产生破乳现象，可保证水性涂料成膜性能的稳定性。
具体实施方式
35.下面结合实施例对本发明做更进一步地解释。下列实施例仅用于说明本发明，但并不用来限定本发明的实施范围。
36.一种气凝胶保温隔热水性涂料，所述气凝胶保温隔热水性涂料采用如下步骤制备得到：
37.(1)将乳化剂和分散剂混合均匀后加入水和sio2气凝胶粉末，在搅拌的条件下缓慢加入(使表面活性剂在该搅拌工艺下能够迅速与上述混合物均匀混合，使其在短时间内形成浆料)表面活性剂后持续搅拌，得到sio2气凝胶浆料；其中，sio2气凝胶粉末为疏水性sio2气凝胶粉末，疏水性sio2气凝胶粉末的粒径为1～50μm；乳化剂为吐温60、司盘60、高分子量聚乙二醇中的一种或几种，高分子量聚乙二醇的分子量≥2000；分散剂为聚羧酸钠盐
型分散剂，表面活性剂为氨基官能团硅烷偶联剂，水为去离子水或自来水；搅拌转速为300r/min～750r/min，加入表面活性剂后持续搅拌时间为5min～30min；
38.(2)将步骤(1)中sio2气凝胶浆料与水性聚丙烯酸乳液混合后并进行持续搅拌，得到聚丙烯酸—气凝胶混合液体；搅拌转速为600r/min～1200r/min，持续搅拌时间为30min～90min；
39.(3)向步骤(2)中聚丙烯酸—气凝胶混合液体依次加入消泡剂、成膜助剂和阻燃剂后进行持续搅拌，得到气凝胶保温隔热水性涂料中间体；其中，消泡剂为矿物油消泡剂，成膜助剂为醇酯12，阻燃剂为聚磷酸铵；搅拌转速为700r/min～1500r/min，持续搅拌时间为90min～150min；
40.(4)将步骤(3)中气凝胶保温隔热水性涂料中间体同颜填料、增稠剂一起加入至高速研磨机中进行高速搅拌研磨，得到气凝胶保温隔热水性涂料；其中，颜填料为金红石型tio2，金红石型tio2的粒径为200～300μm；增稠剂为纤维素类增稠剂、无机盐类增稠剂的一种或几种；高速搅拌研磨转速为2000r/min～3500r/min，高速搅拌研磨时间为120min～180min；
41.其中，水性聚丙烯酸乳液、sio2气凝胶粉末、乳化剂、分散剂、表面活性剂、消泡剂、成膜助剂、阻燃剂、颜填料、增稠剂和水的添加量按如下质量比：200～450：8～20：0.5～1：0.1～1：0.2～2：0.1～1：1～3：3～5：5～8：1～3：100～200。
42.一种气凝胶保温隔热水性涂料的制备方法，采用如下步骤：
43.(1)将乳化剂和分散剂混合均匀后加入水和sio2气凝胶粉末，在搅拌的条件下缓慢加入表面活性剂后持续搅拌，得到sio2气凝胶浆料；其中，sio2气凝胶粉末为疏水性sio2气凝胶粉末，疏水性sio2气凝胶粉末的粒径为1～50μm；乳化剂为吐温60、司盘60、高分子量聚乙二醇中的一种或几种，高分子量聚乙二醇的分子量≥2000；分散剂为聚羧酸钠盐型分散剂，表面活性剂为氨基官能团硅烷偶联剂，水为去离子水或自来水；搅拌转速为300r/min～750r/min，加入表面活性剂后持续搅拌时间为5min～30min；
44.(2)将步骤(1)中sio2气凝胶浆料与水性聚丙烯酸乳液混合后并进行持续搅拌，得到聚丙烯酸—气凝胶混合液体；搅拌转速为600r/min～1200r/min，持续搅拌时间为30min～90min；
45.(3)向步骤(2)中聚丙烯酸—气凝胶混合液体依次加入消泡剂、成膜助剂和阻燃剂后进行持续搅拌，得到气凝胶保温隔热水性涂料中间体；其中，消泡剂为矿物油消泡剂，成膜助剂为醇酯12，阻燃剂为聚磷酸铵；搅拌转速为700r/min～1500r/min，持续搅拌时间为90min～150min；
46.(4)将步骤(3)中气凝胶保温隔热水性涂料中间体同颜填料、增稠剂一起加入至高速研磨机中进行高速搅拌研磨，得到气凝胶保温隔热水性涂料；其中，颜填料为金红石型tio2，金红石型tio2的粒径为200～300μm；增稠剂为纤维素类增稠剂、无机盐类增稠剂的一种或几种；高速搅拌研磨转速为2000r/min～3500r/min，高速搅拌研磨时间为120min～180min；
47.其中，水性聚丙烯酸乳液、sio2气凝胶粉末、乳化剂、分散剂、表面活性剂、消泡剂、成膜助剂、阻燃剂、颜填料、增稠剂和水的添加量按如下质量比：200～450：8～20：0.5～1：0.1～1：0.2～2：0.1～1：1～3：3～5：5～8：1～3：100～200。
48.上述气凝胶保温隔热水性涂料在金属基材上的应用，所述金属基材包括但不限于不锈钢、铝合金、铁。可采取包含涂刷、辊涂、喷涂在内的多种施工方式。
49.以下实施例涉及的疏水性sio2气凝胶粉末采用韩国jios aerogel的疏水性sio2气凝胶粉末(粒径≤5μm)，吐温60采用广东华纳化工有限公司的吐温60，司盘60采用广东华纳化工有限公司的司盘60，sn
‑
5040采用日本圣诺普科有限公司的sn
‑
dispersant 5040，kh
‑
550采用杭州杰西卡化工有限公司的kh
‑
550，水性聚丙烯酸乳液采用深圳市吉田化工有限公司的e0504，消泡剂nxz采用日本圣诺普科有限公司的nopco nxz，醇酯
‑
12采用深圳市吉田化工有限公司的醇酯
‑
12，聚磷酸铵采用山东昶盛阻燃新材料股份有限公司的cs fr app 121h，金红石型tio2采用济南铭亮化工有限公司的r818，羟乙基纤维素采用深圳市吉田化工有限公司的羟乙基纤维素，羟丙基甲基纤维素采用山东潍坊力特复合材料有限公司的ht
‑
f。
50.以下实施例喷涂涂料后的工件按照jg/t 235
‑
2008《建筑反射隔热涂料》测试隔热性能，按照gb/t 11185
‑
2009《色漆和清漆弯曲试验(锥形轴)》测试弯曲强度，按照gb/t 9286
‑
1998《色漆和清漆漆膜的划格试验》测试附着力，按照gb 5209
‑
1985《色漆和清漆耐水性的测定法浸水法》测试耐水性，按照gb/t 9780
‑
2013《建筑涂料涂层耐沾污性试验方法》测试耐污渍性，按照gb/t 14907
‑
2018《钢结构防火涂料》测试耐酸碱性，按照gb/t 9266
‑
2009《建筑涂料涂层耐洗刷性的测定》测试洗刷性能。以下实施例制备的涂料按照gb/t 9779
‑
2015《复层建筑涂料》测试低温保存能力。
51.实施例1
52.(1)、将0.5g吐温60和0.1g sn
‑
5040混合均匀后加入125g去离子水与10g疏水性sio2气凝胶粉末后350r/min的转速下对其进行搅拌，与此同时缓慢(30s左右加完)加入0.2g kh
‑
550后继续保持搅拌10min得到sio2气凝胶浆料；
53.(2)、取320g水性聚丙烯酸乳液与步骤(1)得到的sio2气凝胶浆料进行混合，并在750r/min的条件下进行持续搅拌30min得到聚丙烯酸—气凝胶混合液体；
54.(3)、向步骤(2)得到的聚丙烯酸—气凝胶混合液体中依次加入0.1g消泡剂nxz、2g醇酯
‑
12和3g聚磷酸铵，并在900r/min的条件下进行持续搅拌90min得到气凝胶保温隔热水性涂料中间体；
55.(4)、将步骤(3)得到的气凝胶保温隔热涂料中间体与8g金红石型tio2和2g羟乙基纤维素一起加入到高速研磨机中，并在2000r/min的条件下进行持续搅拌研磨150min得到气凝胶保温隔热水性涂料。
56.将本实施例制备得到的气凝胶保温隔热水性涂料喷涂在sus304上，厚度为3.5mm。经检测该涂料隔热性能达20℃/mm，弯曲强度为0mm，附着力为0级，且其分别在自来水、染料、0.3mol/l的hcl和0.3mol/l的nh3·
h2o中浸泡14d后未出现任何病膜和表面污染现象，在经过2500次洗刷测试后其表面未出现任何划痕。测得水接触角为125
°
，显示其具备疏水性，表明制备得到的涂料具备疏水自洁性能和防结露性能。此外，本实施例制备得到的水性涂料在低温条件(
‑
5℃)下保存30d不变质。
57.实施例2
58.(1)、将1g司盘60和0.5g sn
‑
5040混合均匀后加入200g自来水与20g疏水性sio2气凝胶粉末后600r/min的转速下对其进行搅拌，与此同时缓慢加入2gkh
‑
550(90s左右加完)
后继续保持搅拌5min得到sio2气凝胶浆料；
59.(2)、取320g水性聚丙烯酸乳液与步骤(1)得到的sio2气凝胶浆料进行混合，并在1000r/min的条件下进行持续搅拌45min得到聚丙烯酸—气凝胶混合液体；
60.(3)、向步骤(2)得到的聚丙烯酸—气凝胶混合液体中依次加入0.5g消泡剂nxz、1g醇酯
‑
12和5g聚磷酸铵，并在700r/min的条件下进行持续搅拌120min得到气凝胶保温隔热水性涂料中间体；
61.(4)、将步骤(3)得到的气凝胶保温隔热水性涂料中间体与5g金红石型tio2和3g羟丙基甲基纤维素一起加入到高速研磨机中，并在3000r/min的条件下进行持续搅拌研磨120min得到气凝胶保温隔热水性涂料。
62.将本实施例制备得到的气凝胶保温隔热水性涂料喷涂在sus 316上，厚度为3.5mm。经检测该涂料隔热性能达35℃/mm，弯曲强度为0mm，附着力为0级，且其分别在自来水、染料、0.3mol/l的hcl和0.3mol/l的nh3·
h2o中浸泡14d后未出现任何病膜和表面污染现象，在经过2500次洗刷测试后其表面未出现任何划痕。测得水接触角为130
°
，显示其具备疏水性，表明制备得到的涂料具备疏水自洁性能和防结露性能。此外，本实施例制备得到的水性涂料在低温条件(
‑
5℃)下保存30d不变质。