轻质膏状腻子的制备与性能研究

郭锋

（江苏尼高科技有限公司，江苏 常州 213141）

0 引言

随着我国“碳达峰、碳中和”目标的提出，各地方政府出台了一系列政策支持低能耗建筑的发展，各省新版《居住建筑节能设计标准》已陆续实施，设计节能率要求达到75%，对建筑外护围结构保温材料隔热层的热传系数作出了强制要求。2021年7月1日起实施的江苏省地方标准DB32/4066—2021《居住建筑热环境和节能设计标准》与旧标准GJ32/J 71—2014相比，为了进一步改善居住建筑物室内热环境和室内空气质量，提高江苏省居住建筑物供暖、空调降温用能效率，节约能源，同时提升居住建筑的功能和品质，建筑节能率由65%提高至75%。新标准中，对分散供暖建筑，当热惰性指标D＞2.5时，外墙传热系数由K≤1.2 W/（m2·K）提升为K≤0.8 W/（m2·K）；当1.6＜D≤2.5时，由K≤1.0 W/（m2·K）提升为K≤0.7 W/（m2·K）；对集中供暖建筑，当D＞2.5时，外墙传热系数由K≤0.85 W/（m2·K）提升为K≤0.60 W/（m2·K）。

当节能率从65%提高到75%，不考虑围护结构墙体、门窗等的变化，保温层材料的热阻需增加60%以上，这意味着原来30 mm厚左右的保温层将增加到50 mm厚左右，保温层厚度的大幅增加，除了造价大幅提高外还会带来一定的安全隐患，增大保温系统开裂、渗漏、脱落的风险。本文主要研究制备一种薄层施工的轻质膏状腻子，其除具有较好的粘结性能和柔韧性能外，同时兼具一定的保温隔热功能，与常见的各种保温系统有良好的匹配性和协调增效性。

1 试验

1.1 主要原材料

（1）乳液：苯丙乳液，陶氏公司，物理性能见表1。

表1 乳液的物理性能

（2）空心微珠：HL20，郑州圣莱特空心微珠新材料有限公司产，主要物理力学性能见表2。

表2 空心微珠的物理力学性能

（3）气凝胶：进口气凝胶颗粒A、B，国产气凝胶颗粒C，主要物理性能见表3。

表3 气凝胶的颗粒物理性能

（4）填料：200目方解石粉。

（5）纤维素醚：羟乙基甲基纤维素，黏度15 000 mPa·s，陶氏公司。

（6）其它助剂：选用常见的成膜助剂、分散剂、润湿剂、硅烷偶联剂等其它助剂，以改善轻质膏状腻子的施工性和产品质量。

1.2 基础配方及制备方法

（1）轻质膏状腻子基础配方。乳液：12%～27%，气凝胶：3%～12%，空心微珠：0～20%，方解石粉：10%，纤维素醚：总量的1%，成膜助剂：乳液量的4%，分散剂：总量的0.2%，润湿剂：总量的0.2%，硅烷偶联剂：总量的2%。

（2）轻质膏状腻子制备方法。将气凝胶颗粒加入水中，加入适量分散剂、润湿剂等助剂，在密闭容器中用磁力搅拌器搅拌，制备出气凝胶浆料，随后在气凝胶浆料中依次加入乳液、凝胶状纤维素醚（在水中分散制得）及其它助剂，低速搅拌均匀，最后加入填料和空心微珠继续搅拌均匀后得到轻质膏状腻子。

1.3 性能测试方法

轻质膏状腻子的常规性能参照JG/T 157—2009《建筑外墙用腻子》进行测试，导热系数参照GB/T 10295—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定 热流计法》进行测试，涂层附加热阻参照JG/T 517—2017《工程用中空玻璃微珠保温隔热材料》附录A进行测试，见图1。

2 试验结果与讨论

2.1 气凝胶颗粒对轻质膏状腻子保温隔热性能的影响

气凝胶是目前最轻的固体，具有高孔隙率，25℃时的导热系数仅为0.013 W/（m·K），具有极好的保温隔热性能，并且防火性能好，燃烧性能为A级[1]。气凝胶的保温隔热性能远优于玻化微珠、膨胀珍珠岩等常见的轻骨料。有研究表明[1]，在保温砂浆中用气凝胶部分替代其它轻骨料可以使导热系数降低到0.036 W/（m·K）；但由于气凝胶价格远高于其它常用的轻骨料，而保温砂浆又是厚层施工，因此保温砂浆中使用气凝胶会导致成本显著提高，所以在国内的实际工程中几乎没有应用。

本文对比了不同种类、不同掺量（占总量3%～12%）的气凝胶颗粒对轻质膏状腻子热工性能的影响，导热系数测试结果如图2所示，3 mm厚涂层附加热阻测试结果如图3所示。

由图2、图3可见，轻质膏状腻子的导热系数随着气凝胶颗粒掺量的增加而减小，附加热阻随着气凝胶颗粒掺量的增加而增大；气凝胶颗粒A的效果要优于B和C，当其掺量达到12%时，轻质膏状腻子的导热系数为0.034 W/（m·K），3 mm厚轻质膏状腻子涂层的附加热阻可达0.303（m2·K）/W，约相当于16 mm厚岩棉板的保温隔热效果。材料内部热量一般以固体热传导、空气热对流和热辐射3种形式传递，其中固体热传导和热辐射占了很大比例，当轻质膏状腻子中掺入气凝胶颗粒以后，气凝胶会组成纳米级开孔网络结构，空隙率较高，孔径＜70 nm（分子平均运动自由程），因而可有效阻隔空气热对流传导。此外，气凝胶中含量极少的固体骨架也是由纳米颗粒组成，其接触面积非常小，使得气凝胶同样具有极小的固态热导率[2]。但是气凝胶颗粒掺量超过6%时，轻质膏状腻子导热系数的降幅和涂层附加热阻的增幅均变小。综合考虑，气凝胶颗粒A掺量为6%时，性价比最优。

2.2 空心微珠对轻质膏状腻子保温隔热性能的影响

空心微珠简单的来说就是薄壁、密封的球壳体，其内部填充气体或真空，具有密度小、易均匀分散、抗压能力强、导热系数小等优点，导热系数一般为0.03～0.10 W/（m·K）[3]。试验在掺6%气凝胶颗粒A的基础上，对比了不同掺量（占总量0～20%）空心微珠对轻质膏状腻子热工性能的影响，结果如图4所示。

由图4可见，空心微珠掺量对轻质膏状腻子热工性能的影响小于气凝胶颗粒，当空心微珠掺量为10%，轻质膏状腻子的导热系数为0.035 W/（m·K），3 mm厚轻质膏状腻子涂层的附加热阻可达0.288 m2·K/W，当以空心微珠掺量超过10%以后，轻质膏状腻子的导热系数和附加热阻趋于稳定，且当空心微珠的掺量超过20%时，会影响乳液的成膜性。综合考虑，空心微珠的最佳掺量为10%。

2.3 轻质膏状腻子涂层厚度对附加热阻的影响

一般来说保温材料涂层越厚，其保温隔热功能越好，保温层附加热阻也越高。测试了轻质膏状腻子（气凝胶掺量6%，空心微珠掺量10%）涂层在不同厚度下的附加热阻，结果如图5所示。

由图5可见，轻质膏状腻子的附加热阻随着其涂层厚度的增加而增大，实际工程应用中，轻质膏状腻子单次施涂的厚度一般在2 mm左右，若涂层厚度过厚则需要多次分层施工，会造成材料和施工成本的大幅提升，因此实际工程应用中，3～5 mm厚的轻质膏状腻子性价比最优，5 mm厚轻质膏状腻子涂层的附加热阻可达0.346 m2·K/W。。

2.4 乳液掺量对轻质膏状腻子性能的影响

聚合物乳液是轻质膏状腻子的主要成膜物，乳液的类型及用量直接决定了轻质膏状腻子的粘结性、柔韧性和抗裂性能等。试验采用陶氏公司的苯丙乳液，测试不同乳液掺量对轻质膏状腻子粘结强度的影响，结果如图6所示。

由图6可见，轻质膏状腻子的粘结强度随着乳液掺量的增加而提高，当乳液掺量大于15%时，轻质膏状腻子的粘结强度（原）大于0.7 MPa。并且乳液掺量的提高也能显著改善轻质膏状腻子的柔韧性，当乳液掺量为18%时，其粘结强度（原）为0.81 MPa，粘结强度（冻融）为0.70 MPa，轻质膏状腻子能满足直径50 mm卷曲无裂纹，如图7所示。

2.5 轻质膏状腻子应用评价

考虑到轻质膏状腻子在实际工程应用中会作为保温系统的一个组成材料使用，试验对比了在轻质膏状腻子表面批刮抗裂砂浆和涂刷浅色涂料后复合涂层的附加热阻，结果如表4所示。

由表4可见，当轻质膏状腻子表面批刮抗裂砂浆时，复合涂层的附加热阻会降低，但是当其表面涂刷浅色涂料时，复合涂层的附加热阻会略有增大。因此，在实际节能保温工程应用中，可以在涂料饰面的保温系统中用轻质膏状腻子替代普通外墙腻子，与原有的保温系统组合使用。以一个75%节能设计要求的项目验算，原设计需要做50 mm厚匀质保温板外墙外保温系统，当采用轻质膏状腻子替代外墙普通腻子时，仅需30 mm厚匀质保温板+（3～5）mm厚轻质膏状腻子即可满足节能设计要求，大大降低了保温层厚度，提升了整个保温系统的安全性。

表4 不同复合涂层的附加热阻

3 结论

（1）以6%气凝胶颗粒A和10%空心微珠为主要超轻骨料制备的轻质膏状腻子具有良好的保温隔热功能，其导热系数为0.035 W/（m·K），5 mm厚涂层附加热阻可达0.346 m2·K/W。

（2）乳液掺量为18%时，轻质膏状腻子的粘结强度（原）为0.81 MPa，柔韧性满足直径50 mm卷曲无裂纹，可以达到JG/T 157—2009中相关技术参数要求。

（3）轻质膏状腻子与其它涂料饰面的保温系统组合使用，能大大降低原保温层厚度，可以有效降低保温层过厚带来的开裂、脱落风险。