SiO2气凝胶/硅藻泥复合涂料的制备及隔热性能

汪 纯 宇， 史 非， 刘 敬 肖

( 大连工业大学 纺织与材料工程学院, 辽宁 大连 116034 )

0 引 言

气凝胶是一种具有高孔隙率、高比表面积、低密度和低热导率等特点的三维网络结构无机材料[1]。由于其独特的多孔结构和性质，气凝胶在光学、声学、隔热、航空、医疗等行业都具有广阔的应用前景[2]。在相同环境下空气的热导率约为0.025 W/(m·K)，而SiO2气凝胶得益于其微观结构的不同，热导率为0.015 W/(m·K)。因此，SiO2气凝胶在保温隔热方面呈现出更优异的性能[3]。

与传统的隔热材料相比，SiO2气凝胶涂料不仅节能环保，而且具有优异的防火阻燃性能，能够有效消除聚苯泡沫板等有机高分子保温材料防火阻燃性差的弱点；SiO2气凝胶涂料可以弥补岩棉、玻璃棉等无机保温材料密度大且保温效果一般的缺陷[4]。当前，国内外已有较多对气凝胶隔热涂料的研究报道。Ibrahim等[5]通过将实验与传热数学模拟相结合的方式对SiO2气凝胶涂料进行研究，发现SiO2气凝胶涂层的隔热效果比其他隔热材料要好。Kill[6]同样以实验与建立数学模型相结合为基础，得出了相同的结论：含有SiO2气凝胶颗粒的涂料的隔热效果比在涂料中加入空心微珠或者其他具有空心化合物材料的隔热效果要好。刘成楼等[7]以丙烯酸为成膜物，以SiO2气凝胶微球为填料，所制备的涂料导热系数为0.027 W/(m·K)，并且涂层的节能效果比厚度高于自身80倍的苯板大约高出5%。刘红霞等[8]将SiO2气凝胶、空心微珠作为主要填料，将制作好的涂层放在其自制的隔热保温箱中检测，使用SiO2气凝胶复合涂料的样品箱内温度要比使用普通家用装饰墙体乳胶漆的样品箱内温度要低出6 ℃。气凝胶超低导热系数可使复合气凝胶隔热涂料的隔热性能优于传统的无机保温材料，同时气凝胶的低密度又可以大大减轻无机保温材料的自重，涂料节能效果十分优异[9]。因此，SiO2气凝胶涂料可以广泛应用于建筑物内外墙、仓储、管道、船体等领域。

硅藻泥作为一种天然环保的家用建筑装饰材料，具有净化空气、吸音降噪、色彩柔和、防火阻燃，保温隔热等特点[10]。因此，研究开发SiO2气凝胶/硅藻泥复合保温隔热涂料，不仅具有优异的保温隔热性能，而且具有吸除甲醛、耐高温、环保等特点，符合未来墙体隔热涂料的发展趋势。

本研究以常压干燥法制备的SiO2气凝胶为原料，研究制备了SiO2气凝胶/硅藻泥复合隔热涂料，探讨了SiO2气凝胶加入量对复合涂料隔热性能的影响，研究结果对于实现气凝胶复合涂料在冷热环境下的应用具有重要的推动作用。

1 实 验

1.1 材 料

SiO2气凝胶，自制；硅藻泥涂料，吉林远通矿业有限公司；消泡剂，广州原野实业有限公司；分散助剂，自制。

1.2 样品制备

将自制的SiO2气凝胶进行破碎粉磨后，经60目过筛，得到松散的气凝胶粉末备用。称取适量的分散助剂，加入去离子水，搅拌均匀，逐渐加入气凝胶粉末，制得气凝胶含量为70%的气凝胶膏体。将气凝胶膏体、消泡剂按照一定比例加入硅藻泥涂料中，1 800 r/min，20 min。制备出气凝胶粉体加入量占总体积分数分别为0、9.0%、16.7%、28.5%、37.5%的复合隔热涂料，分别记为样品1、2、3、4、5。使用0.8 mm涂布器单面刮涂在空白玻璃(150 mm×100 mm×3 mm)表面和金属铝罐表面，置于空气中室温风干12 h。

1.3 结构表征和性能测试

1.3.1 涂层试样形貌表征

根据GB/T 1729—1979测试涂膜颜色及外观。采用扫描电子显微镜(SEM，日本电子公司，MP-60030PLUS)观察涂层试样的微观形貌。

1.3.2 导热系数测试

采用导热系数测试仪(西安夏溪电子科技有限公司，TC3000E)对试样的导热系数进行测定。

1.3.3 玻璃表面涂层隔热性能测试

利用自制的隔热效果检测保温箱，在距离保温箱正上方20 cm处，垂直放置一个红外灯作为光源，箱体为泡沫保温板，并在红外灯正下方开出一个窗口。将涂有不同含量的隔热涂料玻璃板覆盖于窗口上，涂层向上。使用热电偶每隔1 s记录保温箱内温度的变化，测试时间为40 min，并将数据进行对比。

1.3.4 金属表面涂层隔热性能测试

将表面涂有不同气凝胶含量的隔热涂层的金属铝罐放置于烘箱中，将烘箱温度加热到100 ℃，使用热电偶记录罐内温度变化，并进行对比。

将表面涂有不同气凝胶含量的隔热涂层的金属铝罐放置于-5 ℃制冷机中，内部加满水，测试时间50 min，使用热电偶记录罐内水温变化，并进行对比。

1.3.5 涂料的附着力、耐水性等基本性能测试

根据GB/T 9286—1998测试涂膜的附着力；根据GB/T 1733—1993测试涂膜的耐水性；根据GB/T 1735—2009测试涂膜的耐热性。

2 结果与讨论

2.1 涂层试样形貌表征

图1为不同体积分数SiO2气凝胶涂层的照片，从图中可以看出，涂层试样完整性好，没有出现开裂，没有气泡，说明硅藻泥涂料作为气凝胶载体具有良好的成膜性能和结合性能。当气凝胶加入量占总体积分数超过37.5%时，硅藻泥涂料包裹性下降，表面出现开裂，气凝胶粉体大量堆积，所以选用体积分数为37.5%的样品5为最高含量的复合涂料。

(a) 玻璃涂层样品

(b) 金属罐表面涂层样品

图2为不同体积分数气凝胶的涂层断面SEM微观形貌图。可以看出，涂料内部含有较多微米级孔隙，这是由于基体涂料在成膜剂作用下将气凝胶粉体紧密包裹，涂层干燥固化过程中涂料中原来溶剂与水的位置随着蒸发形成气孔并留在了涂料内部。同时可以看出，随着气凝胶含量的增加，涂料内部孔隙逐渐减少，这是由于纳米气凝胶材料在分散剂作用下具有良好的均匀分散效果，与基体复合后使大尺寸孔隙减少。

(a) 9.0%

(c) 28.5%

2.2 涂料导热系数与隔热性能分析

图3为不同体积分数SiO2气凝胶涂层玻璃的导热系数测试结果，可见，随着SiO2气凝胶体积分数的增加，涂层试样的导热系数逐渐降低。当加入SiO2气凝胶体积分数达到37.5%时，试样5的导热系数最低，为0.055 3 W/(m·K)，满足涂料的保温隔热要求。SiO2气凝胶体积分数决定了复合保温材料的保温性能。这是由于SiO2气凝胶中的介孔结构热阻极大，隔热效果优于基体硅藻泥微米孔结构涂料，随着气凝胶含量的增加，导致涂料的导热系数逐渐降低。

图3 涂有涂层玻璃试样的导热系数Fig.3 Thermal conductivity of coated glass samples

图4为不同体积分数SiO2气凝胶的涂层玻璃对箱体温度的影响。可以看出，空白玻璃与表面涂有涂层的玻璃对应的箱体内空气升温速度具有明显的差异，涂层中SiO2气凝胶含量越大，保温箱内的温度越低。在初始阶段，温度的上升幅度较快，加热到30 min时，箱内温度趋于平缓。气凝胶体积分数为0时，与空白玻璃试样对比，箱体内温度低29.8 ℃，说明硅藻泥本身就具备隔热效果，且效果良好。气凝胶体积分数逐渐增大，与空白玻璃试样温差分别为29.8、32.2、32.9、35.3 ℃，说明气凝胶对涂料的隔热效果作用明显。其中，SiO2气凝胶体积分数为37.5%的涂层试样5与空白试样温差最大，达到了35.3 ℃。

图4 红外灯辐照下玻璃表面涂有不同体积分数SiO2气凝胶涂层对箱体内温度的影响

2.3 金属罐表面涂层的隔热效果分析

图5为热源环境下表面涂有气凝胶/硅藻泥涂料的金属罐体内的温度变化曲线。可以看出，随着SiO2气凝胶含量的增加，金属罐内的温度越低。当罐体外部加热到100 ℃时，空白试样的金属罐内温度达到了92.6 ℃，与外界环境温差为7.4 ℃，而表面涂有气凝胶/硅藻泥涂料的金属罐内温度与外界环境温度差为9.3～27.3 ℃。随着SiO2气凝胶体积分数增加，金属罐内温度与外界环境温度差值逐渐增大，当SiO2气凝胶体积分数为37.5%时，在100 ℃烘箱环境下，涂层样品金属罐与普通金属罐内温差可达到19.9 ℃，说明气凝胶的加入量是决定涂料隔热效果的关键。其中气凝胶加入量体积分数为37.5%的涂层金属试样5罐内温度与外界环境温度之间的差值最大，达到了27.3 ℃。

图5 热源环境下不同体积分数SiO2气凝胶涂层对金属罐体内部温度的影响

2.4 制冷环境下隔热效果

图6为-5 ℃制冷环境下表面涂有气凝胶/硅藻泥涂料的金属罐体内水温变化曲线。可以看出，随着SiO2气凝胶体积分数的增加，金属罐内水温降低速度减慢。装有80 ℃热水的金属罐在制冷机中放置50 min时，空白试样的金属罐内水温下降到44.9 ℃，表面涂有气凝胶/硅藻泥涂料的金属罐内水的温度比空白试样水温低0.4～4.4 ℃；并且，随SiO2气凝胶体积分数增加，金属罐内水温下降幅度逐渐增大，当SiO2气凝胶体积分数为37.5%时，在-5 ℃制冷环境下，涂层样品金属罐与普通金属罐内水温差可达到4.4 ℃，说明所制备的气凝胶/硅藻泥复合涂料在冷环境中具有优异的保温性能，且复合涂料随气凝胶加入量增多，保温性能不断增强。

图6 制冷环境下不同体积分数SiO2气凝胶涂层对金属罐体内部温度的影响

2.5 涂层的基本性能分析

按照国家标准BG/T 9286—1998《色漆和清漆漆膜的划格试验》测定试样5涂层的附着力，在切口交叉处有少许涂层脱落，但受影响面积不足5%，符合1级标准。

根据GB/T 1733—1993浸水试验法，在涂膜浸水96 h后，无变色、气泡和脱落等现象。

根据GB/T 1735—2009测试涂膜耐热性，将涂层试样放入120 ℃烘箱中加热5 h，涂层表面未发生起泡和开裂现象。

3 结 论

以SiO2气凝胶为主要填料，制备SiO2气凝胶/硅藻泥复合涂料，当SiO2气凝胶粉体体积分数为37.5%时，隔热性能最好，涂有涂层玻璃样品的导热系数为0.055 3 W/(m·K)，在红外灯照射下，涂层玻璃样品与空白玻璃对应的箱体内温差可达到35.3 ℃；在100 ℃烘箱中，涂层样品金属罐与普通金属罐内温差可达到19.9 ℃；在-5 ℃制冷机中，涂层样品金属罐与普通金属罐内部水温温差可达到4.4 ℃。涂层的附着力、耐热性、耐水性、硬度等性能优异。本研究所制备的复合涂料具有优异的隔热性能以及良好的综合性能，可广泛用于建筑、管道等对隔热保温有较高要求的场景，具有十分广阔的应用前景。