气凝胶在建筑保温隔热涂料中的应用研究

徐永飞 （安徽省建筑科学研究设计院，安徽合肥 230001）

0 引言

气凝胶是目前人类科技所能达到的导热系数最低的绝热材料（导热系数约为 0.01 W·m-1·K-1）。目前在保温隔热材料中广泛应用的是SiO2气凝胶，其合成方法最早由 Kistler 于1931 年提出［1］，后经历了正硅酸四乙酯（TEOS）溶胶凝胶法［2］，有机硅源［3］法等的不断发展。至今，SiO2气凝胶仍是国内外绝热材料的研究热点，文献报道层出不穷［4-6］。由于SiO2气凝胶具有极低的导热系数（0.013～0.016 W·m-1·K-1），比静态空气的导热系数（0.024 W·m-1·K-1）还低，且相较于其他类型的气凝胶，SiO2气凝胶耐高温，在火灾中无有害气体放出，属于绿色环保型材料。近年来，因其出色的热稳定性和绝热性，SiO2气凝胶在建筑保温隔热材料中的应用研究受到广泛关注。为了探索气凝胶在建筑保温隔热材料中应用的可行性，并研发新型材料，本研究进行了气凝胶在建筑保温隔热涂料中的应用性能研究。

1 原材料及配比

主要原材料如下：S-400 弹性建筑乳液，巴斯夫公司；5040 型分散剂、513 型触变性增稠剂、90 型pH 缓冲剂和048 型防霉剂，上海斯诺化学有限公司；粉状腻子用木质纤维和高黏度羟丙基甲基纤维素，市售；膨胀玻化微珠，河南中原矿业有限公司；膨胀珍珠岩，工业级；建筑涂料用灰钙粉、丙二醇、水分散性块状气凝胶等，市售。

保温隔热涂料的基础配方如表1 所示。

2 保温隔热涂料的制备及性能测试

2.1 保温隔热涂料的制备工艺

将水、048 型防霉剂、丙二醇、羟丙基甲基纤维素等按表1 配比加入混合罐中，开动搅拌器搅拌，用90 型pH 缓冲剂调节混合液的pH 至9.0～10.0，并搅拌至羟丙基甲基纤维素充分溶解，使之成为近于透明的均匀溶液。

向羟丙基甲基纤维素溶液中投入5040 型分散剂并搅拌均匀后，投入块状气凝胶，并快速搅拌使之粗破碎，拌合均匀。然后，通过适当的磨细设备研磨，使之成为气凝胶-羟丙基甲基纤维素分散液。再在低速搅拌下加入S-400 弹性建筑乳液，并搅拌均匀。

随后，投入灰钙粉和木质纤维，搅拌均匀；再投入膨胀珍珠岩和膨胀玻化微珠，搅拌均匀，成为稠厚的混合料。

最后，用513 型触变性增稠剂调节稠度至合适范围，即得到保温隔热涂料，供性能检测用。

2.2 保温隔热涂料的性能检测

参照国家标准GB/T 17371—2008《硅酸盐复合绝热涂料》、GB/T 26000—2010《膨胀玻化微珠保温隔热砂浆》和行业标准JG 158—2013《胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统材料》等规定的试验方法进行保温隔热涂料的性能检测。

3 结果与讨论

3.1 保温隔热骨料对保温隔热涂料力学性能的影响

固定配方中气凝胶的用量，考察保温隔热骨料的用量对保温隔热涂料力学性能的影响，结果见表2。

表2 保温隔热骨料用量对保温隔热涂料力学性能的影响Table 2 The influence of the content of thermal insulation aggregates on the mechanical properties of the thermal insulation coatings

如表2 所示，随着保温隔热骨料（膨胀玻化微珠、膨胀珍珠岩）用量的增加，保温隔热涂料的干密度、抗拉强度都随之降低。这可能是因为保温隔热骨料的粒径比之气凝胶要大得多，是构成保温隔热涂料的骨架材料，但因其在体系中是分散相，需要由胶结材料作为连续相对骨料界面进行粘结以提高强度。随着保温隔热骨料用量的增加，导致胶结材料占比降低，从而使体系强度降低；同时，骨料为低密度材料，其平均密度小于未添加骨料的体系密度，因此，随着骨料用量占比的增加，体系宏观密度降低。

3.2 S-400 弹性建筑乳液对保温隔热涂料力学性能的影响

S-400 弹性建筑乳液是本体系的胶结材料，主要为保温隔热涂料提供足够的抗拉强度，其用量对保温隔热涂料的力学性能有重要影响。粘结强度和抗拉强度决定着保温隔热涂料在基层墙体上的附着性能、抗开裂性能、抗冲击性能和耐久性等。S-400 弹性建筑乳液用量对保温隔热涂料力学性能的影响如表3 所示。

表3 S-400弹性建筑乳液用量对保温隔热涂料力学性能的影响Table 3 The influence of the content of S-400 elastic building emulsion on the mechanical properties of the thermal insulation coatings

表3 结果表明，保温隔热涂料的粘结强度和抗拉强度都随着S-400 弹性建筑乳液用量的提高而显著增大，且粘结强度和抗拉强度的增量差别不大。应根据对保温隔热涂料粘结性能的要求，并综合考虑对导热系数的影响而确定出恰当的粘结强度要求，再通过试验得到S-400 弹性建筑乳液的合理用量。

3.3 气凝胶对保温隔热涂料保温性能的影响

3.3.1 气凝胶添加量对保温隔热涂料的干密度与导热系数的影响

在可行性研究的初期试验中曾发现，仅使用S-400 弹性建筑乳液和气凝胶制备保温隔热涂料，当所得涂料的导热系数低于0.058 W·m-1·K-1，且具有材料应用所要求的力学性能时，其干燥收缩率在10%以上，甚至高达16.5%，即已失去了实用价值。但当气凝胶与膨胀玻化微珠、膨胀珍珠岩等保温隔热骨料复配使用时，由于产生骨架支撑作用，其干燥收缩率可以满足要求。而相较于保温隔热骨料，气凝胶的导热系数更低，添加一定量的气凝胶能够显著降低体系的总体导热系数，因而，我们将其复配使用。试验中配制了不同气凝胶添加量的保温隔热涂料，考察了气凝胶加量对涂料干密度和导热系数的影响，结果如表4 所示。

表4 气凝胶加量对保温隔热涂料干密度和导热系数的影响Table 4 The influence of the aerogel content on the dry density and thermal conductivity of thermal insulation coatings

3.3.2 气凝胶添加量对保温隔热涂料强度的影响

气凝胶的添加能够增强保温隔热涂料的保温性能，但同时因为气凝胶的细度极细，需要消耗大量的胶结物质进行粘结，因而对涂料的力学强度也会产生显著影响，试验结果如表5 所示。

表5 气凝胶加量对保温隔热涂料干密度和抗拉强度的影响1Table 5 The influence of the content of aerogel on the dry density and tensile strength of thermal insulation coatings

从表5 中可以看出，随着气凝胶添加量的增加，涂料的干密度与抗拉强度均出现了一定程度的降低，其原因主要是，气凝胶本身密度低，力学性能低，随着气凝胶用量占比的增加，体系的总体密度与力学性能也随之降低。由此可见，受制于成本与力学性能的限制，单独使用气凝胶作为建筑保温隔热材料并不合适，而将气凝胶与传统的保温隔热材料复配使用，可以扬长避短，大幅度降低体系的导热系数，并保持其成本与力学性能在可接受的范围内。

4 结语

气凝胶作为目前世界上表观密度最低的无机隔热材料之一，可用于增强建筑保温隔热涂料的性能，但不能使用气凝胶作为保温隔热涂料的主导保温隔热骨料，研究了使用膨胀玻化微珠、膨胀珍珠岩作为主导保温隔热骨料，气凝胶作为辅助材料的保温隔热涂料的性能。随着保温隔热骨料的添加及其添加量的增加，保温隔热涂料的干密度和抗拉强度随之降低；保温隔热涂料的粘结强度、抗拉强度都随着S-400 弹性建筑乳液的用量提高而显著增大；气凝胶能够适当降低保温隔热涂料的导热系数，随着气凝胶加量的增大，体系的导热系数下降，而干密度和抗拉强度也随之降低。

致谢：本研究受到安徽省住房城乡建设厅项目、住房与城乡建设部项目“夏热冬冷地区外墙保温节能技术研究与应用”（2019-K-062），及安徽省住房城乡建设厅项目“多用途红外反射乳液技术研究与应用”等的资助与支持，作者在此一并表示感谢。