SiO2气凝胶及其他功能填料对反射隔热涂料性能影响

辛英杰 赵苏

摘      要：为了提高SiO2气凝胶反射隔热涂料的保温隔热性能，研究了亲水、疏水性SiO2气凝胶的掺量对反射隔热涂料的太阳热反射率和隔热温差的影响，以及几种功能性填料的作用。结果表明：掺量1.5%的疏水SiO2气凝胶制得的反射隔热涂料性能最好，其太阳热反射率达到了83.32%，隔热温差达到了31.6 ℃。掺量为9%的空心玻璃微珠所制的反射隔热涂料的反射率达到85.33%，隔热温差达到32.65 ℃，是其他功能性填料中表现最佳的一种填料。1.5%疏水SiO2气凝胶和9%空心玻璃微珠复配制得的反射隔热涂料其导热系数为0.041 W·m-1·K-1，比各自单独使用制得的反射隔热涂料的导热系数低30%～40%，表现出良好的保温隔热效果。

关  键  词：SiO2气凝胶；功能填料；反射隔热涂料；空心玻璃微珠

中图分类号：TQ630.6     文献标识码： A     文章编号： 1004-0935（2024）06-0909-06

节能建筑材料是通过提高建筑物保温和隔热性能、降低能耗、减少排放来实现建筑节能的目  的[1-3]。而反射隔热涂料作为一种能够有效降低能耗、提高能源利用率的节能建筑材料，得到了广泛认可和应用[4-7]。我国反射隔热涂料的研究已取得了一定进展，但实际应用多在我国南方建筑上。主要是北方冬天接受的太阳辐射较少，需要供暖来保持室内的温度，同时又因为室外寒冷，热量经热传导不断向室外散失，所以北方建筑物的保温隔热性能尤为重要。

填料是隔热涂料中的重要组成部分，直接影响着涂料的隔热性、保温性和耐久性。洪晓[8]等以制备的粘结剂为基料，通过加入空心玻璃微珠和金属铝粉等功能性填料提高涂料的保温隔热效果。孙书静[9]在涂料中加入石棉、珍珠岩、硅酸盐纤维，制得的涂料导热系数低，能够有效地降低热量的传递。汪慧[10]将SiO2气凝胶表面进行改性，加入以苯丙乳液为成膜物的基底溶液制得保温隔热涂料，当SiO2气凝胶质量分数在4%左右时，获得了最好的隔热性能。目前研究人员主要针对纳米粒子、纤维、微珠玻璃、陶瓷微珠、SiO2气凝胶等功能填料单独使用时对涂料隔热性能的影响研究较多[11]。

为了提高SiO2气凝胶反射隔热涂料的保温隔热性能，使其适用我国北方的气候特点，本文将考察亲水、疏水性SiO2气凝胶掺量对太阳光反射率及隔热温差的影响，采用控制变量法研究6种功能性填料对反射隔热涂料性能的影响，筛选出保温隔热性能优秀的填料与SiO2气凝胶复掺，拟制得保温性能优异的反射隔热涂料。

1  实验部分

1.1  主要原材料

SiO2气凝胶（亲水/疏水），广东埃力生科技股份有限公司；陶氏分散剂，美国罗门哈斯公司；润湿剂PE-100，临沂绿森化工有限公司；消泡剂AFE-1410，美国道康宁公司；稳定剂，武汉拉那白医药化工有限公司；成膜助剂醇酯十二，广州市忠高化工有限公司；乙二醇，天津市富宇精细化工有限公司；增稠剂，深圳市吉田化工有限公司；重质碳酸钙，800目（15 μm），分析纯，天津市大茂化学试剂厂；金红石型钛白粉（R-902+），科慕化学（上海）有限公司；滑石粉，福晨（天津）化学试剂有限公司；硅丙乳液，北京东联化工有限公司；空心玻璃微珠，河南铂润铸造材料有限公司；木质纤维素，上海臣启化工科技有限公司；膨胀珍珠岩，信阳市弘生保温材料有限公司；膨胀蛭石，临沂鑫磊矿业有限责任公司；硅酸铝纤维，廊坊亚夏保温材料有限公司；海泡石，磊宝海泡石加工有限公司。

1.2  保温隔热涂料的制备

保温隔热涂料基础配料如表1所示。在配制不同功能性填料保温隔热涂料时，表1中“原料”为基础助剂和颜填料，“功能性填料”择其一添加。具体制备步骤如下：将1%的聚丙烯酸铵盐分散剂1124、1.2%的润湿剂PE-100、1%的稳定剂和0.6%的机硅消泡剂以及适量的去离子水混合在一起，水浴加热至50 ℃，400 r·min-1搅拌10 min，然后添加30%的重钙、10%的滑石粉、7%的金红石型钛白粉，400 r·min-1搅拌10 min，得到基础混合浆料，再依次加入30%的硅丙乳液、1%的乙二醇、1%成膜助剂、适量增稠剂，最后加入SiO2气凝胶等功能性填料中的一种，400 r·min-1搅拌10 min，再移至高速匀浆仪10 000 r·min-1搅拌20 min后得到相应的保温隔热涂料。

1.3  涂层样板的制备

本实验样板均选用符合GB/T 2520—2017的涂料测试铝板，尺寸为100 mm×60 mm×0.3 mm，用砂纸对其边角打磨平整，然后用乙醇浸泡并用去离子水清洗掉表面的杂质，待其晾干后，在其一面涂上涂料，涂层厚度为1 mm，自然干燥至干实。

1.4  涂料性能测试

1.4.1  太阳热反射率

参照美国MLI-E-46117军标中规定的测定方法，自制太阳光反射率仪器[12]测定涂层的反射率，测试装置分左右两部分测试格，每个格中有4根热电偶，分别测试涂层样板的4个不同的位置，每个测试样板均在左右测试格各测试一次，然后将所得的8个热电偶温度取平均，以减小误差。将所得的平均温度按照下列公式计算得反射率。

（1）

式中：—黑色样板所测温度，℃；

—涂层样板所测温度，℃；

—室温，℃。

1.4.2  涂层的隔热温差

按《建筑用反射隔热涂料》（GB/T 25261—2018）附录B中规定的测试方法，自制隔热温差测试装  置[13]，装置左边测试格为参比黑板，右边测试格为待测涂层样板，每个格分别有4根热电偶，测试样板底部的温度。距离两个格上方30 cm的位置放置两个250 W的碘钨灯，每个待测涂层样板稳定照射时间为30 min，记录每个热电偶的温度值，然后取其平均温度。按照下列公式计算隔热温差。

（2）

式中：—隔热温差，℃；

—参比黑板背面温度，℃；

—待测涂层样板背面温度，℃。

使用TPS 2500S型导热系数测定仪测量涂层的导热系数；采用S-4800型扫描电镜在10 kV加速电压下对样品的表观形貌进行分析。

2  结果与讨论

2.1  SiO2气凝胶及功能填料掺量对太阳热反射率的影响

以1%的分散剂、1.2%润湿剂、1%稳定剂、0.6%消泡剂、1%成膜助剂、1%乙二醇以及适量的增稠剂作为涂料助剂，再添加30%重钙、10%滑石粉和7%金红石型钛白粉，将以上助剂和填料搅拌混合后制得保温隔热涂料基础浆料，再分别加入亲水、疏水性SiO2气凝胶、硅酸铝纤维、海泡石、空心玻璃微珠、木质纤维、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石等功能填料中的一种，制得保温隔热涂料样品，分别对其太阳热反射率进行测试，结果如图1、2所示。

由图1可知，SiO2气凝胶用量在0.5%～2.5%时，疏水SiO2气凝胶保温隔热涂料的太阳热反射率高于亲水SiO2气凝胶保温隔热涂料。分析原因：亲水SiO2气凝胶对水的亲和力大，可以吸附水分子，易团聚和沉降，机械搅拌强制分开后，过一段时间又会由于范德华力再次使粒子团聚[14-16]。而疏水SiO2气凝胶浆料中随着聚丙烯酸铵盐的加入，引入了一定量的阴离子，使界面缺陷电荷表现为正电荷的疏水SiO2气凝胶粒子排斥作用减弱，静置后也不易发生粒子团聚和沉降，分散较均匀，所以加入疏水SiO2气凝胶涂层的太阳热反射率比加入亲水SiO2气凝胶涂层的太阳热反射率高[17-18]。 亲、疏水SiO2气凝胶添加量分别为1.0%和1.5%时太阳热反射率分别最高，继续添加SiO2气凝胶太阳热反射率下降，因为亲水SiO2气凝胶易团聚，而疏水SiO2气凝胶分散不均[19]。

图2表示其他填料种类及掺量对涂层太阳热反射率的影响，不同种类和掺量的填料对涂层太阳热反射率的影响不同。空心玻璃微珠的添加对涂料反射率提高最大，膨胀蛭石最小。填料掺量的变化规律大致相同，大部分呈现先提高后下降的趋势。功能性填料掺量太少会导致涂层反射率降低，过多会使涂层粒子聚集成团，反射率也会降低。最佳填料掺量因填料种类不同而不同。

2.2  SiO2气凝胶及功能性填料掺量对隔热温差的影响

利用与参照黑色样板背面温度做对比，测定不同功能填料对涂层隔热温差的影响。稳定测试室温5 min，起始隔热温差均为0±0.5 ℃，打开加热装置后，记录样板背面温度变化，亲、疏水SiO2气凝胶保温隔热涂料的隔热温差如图3、图4所示。

随着时间的增长，添加0.5%～2.5%的亲水或疏水SiO2气凝胶涂层的隔热效果逐渐提高，并均在430 s左右达到峰值。其中，1.5%的亲水SiO2气凝胶涂料的涂层隔热温差达到最大值，而添加2.5%的涂层隔热温差最小。随后，隔热温差逐渐降低并趋于稳定。在稳定阶段，相比之下，添加疏水SiO2气凝胶涂层的隔热效果更好，且隔热温差稳定后较高。其中，添加1.5%的疏水SiO2气凝胶涂料的涂层隔热温差最稳定，约为31.6 ℃，而添加0.5%疏水SiO2气凝胶涂层的隔热温差最小，约为25.76 ℃。这是因为亲水SiO2气凝胶在涂层干燥过程中易发生团聚，导致背板温度不均匀，而疏水SiO2气凝胶则可以均匀分散且不易团聚，背板温度均匀。因此，添加1.5%疏水SiO2气凝胶涂层的隔热效果最佳。

其他功能性填料制得保温隔热涂料的隔热温差如图5所示。由图5可以看出，添加空心玻璃微珠的涂料涂层隔热温差最稳定，因为其封闭的中空小微珠能形成紧密整体，使传热路径变长，从而背板温度上升速度减慢并形成稳定的隔热温差。相比之下，膨胀蛭石的隔热效果最差，且不稳定。其他4种填料对涂层隔热温差的影响规律相似，不同掺量的涂层照射稳定后隔热温差有较大的差距。

稳定后涂层隔热温差如表2所示。由表2可知，硅酸铝纤维、木质纤维素和海泡石的隔热效果相近，最佳掺量分别为9%和12%；空心玻璃微珠的最佳掺量也为9%和12%；膨胀珍珠岩的最佳掺量为12%；而膨胀蛭石的最佳掺量只有3%。

2.3  不同隔热填料对涂料常规性能影响

按2.1样品制备方法，将硅酸铝纤维、海泡石、空心玻璃微珠、木质纤维、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、亲水、疏水气凝胶配成的涂料样品，标号1～8，分别涂在处理过的马口铁片上，对涂膜进行相关性能测试，结果如表3所示。

2.4  导热系数

以上实验表明，疏水SiO2气凝胶所制涂料相比亲水SiO2气凝胶所制涂料，在反射率、隔热温差和涂料基本性能方面表现更好。另外，空心玻璃微珠所制的保温隔热涂料性能优异。将1.5%疏水SiO2气凝胶和9%空心玻璃微珠复掺制成的涂料导热系数与单掺相比，发现混合后的涂料导热系数远低于单独作为功能性填料所制涂料的导热系数，如表4所示。

样品的扫描电镜如图6所示。图6（a）为添加SiO2气凝胶的保温隔热涂料，涂层内部充斥着SiO2气凝胶并充满孔隙；而图6（b）是空心玻璃微珠保温隔热涂料，涂层中空心玻璃微珠单独悬浮在其他填料中，且结合不紧密；图6（c）是SiO2气凝胶和空心玻璃微珠复掺保温隔热涂料，涂层中微珠均匀分布且被气凝胶包裹；图6（d）的空心玻璃微珠界面与SiO2气凝胶结合紧实不易撕裂，这是导热系数低和抗撕裂性好的原因。

3  结 论

1）通过单因素和对比实验，得出SiO2气凝胶的添加量在1.5%时，反射率和隔热温差最好。同等条件下疏水SiO2气凝胶反射隔热涂层的反射率比亲水SiO2气凝胶反射隔热涂层的反射率高5%左右，隔热温差高1.5 ℃左右，隔热效果更好。

2）硅酸铝纤维、海泡石、空心玻璃微珠、木质纤维、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石6种填料中，综合性能最好的功能性填料是空心玻璃微珠，且添加量在9%时所制得的涂料反射率最大，达到了为85.33%，隔热温差达到了32.65 ℃，其保温隔热性能最佳。

3）用1.5%的疏水SiO2气凝胶和9%的空心玻璃微珠复掺制得的反射隔热涂料，其涂层导热系数为0.041 W·m-1·K-1，且气凝胶对空心玻璃微珠的包裹性能良好，反射和隔热效果均比单独添加时所制成的涂料性能好。

参考文献：

［1］李义. 基于绿色建筑理念的夏热冬冷地区小型公共建筑节能设计实践[D]. 株洲：湖南工业大学，2013.

［2］吴超，周杰.绿色节能建筑材料在建筑工程中的应用[J].建材发展导向，2019，17（20）：53-55.

［3］黄瑞云.试析新型保温节能建筑材料的性能及应用[J].建材与装饰，2019（11）：57.

［4］张广鹏，丁玉杰，吴会军，等.气凝胶反射隔热复合涂料的隔热与节能性能研究[J].建筑节能（中英文），2022，50（9）：34-38.

［5］刘杰，李翔，魏刚.水性太阳热反射隔热涂料的研究[J].北京化工大学学报（自然科学版），2009，，36（1）：44-49.

［6］王燕，姜经帅，郑晗祯，等.建筑用反射隔热涂料的研究现状[J].涂料工业，2022，52（2）：84-88.

［7］于献，李伟，姬文浪，等.氟碳-丙烯酸混合树脂基低成本太阳热反射涂料的制备[J].电镀与涂饰，2017，36（2）：75-80.

［8］ 洪晓，朱长林.耐高温隔热保温涂料的研制[J]. 上海化工，2007（10）：22-24.

［9］孙书静.新型硅酸盐复合保温涂料的生产[J].现代涂料与涂装，2004（1）：47-48.

［10］汪慧. SiO_2气凝胶/苯丙原位复合乳液的制备及其在隔热涂料中的应用[D]. 广州：广东工业大学，2011.

［11］范增军，郑延鹏，杨帆，等.简析几种隔热填料对水性节能涂料隔热性的影响[J].中国涂料，2022，37（7）：62-65.

［12］邱丽媛. 深色系反射型外墙隔热涂料的制备及性能研究[D].沈阳：沈阳建筑大学，2011.

［13］田静. 多色系热反射型隔热涂料的制备及其性能研究[D].沈阳：沈阳建筑大学，2012.

［14］WANG G F，LIU Y，ZU B Y，et al. Reversible adhesive hydrogel with enhanced sampling efficiency boosted by hydrogen bond and van der Waals force for visualized detection[J]. Chemical Engineering Journal，2023，455： 140493.

［15］刘润清，李瑶，刘军，等.气凝胶材料及其在建筑节能领域的应用[J].辽宁化工，2019，48（9）：891-894.

［16］李伟胜. SiO2气凝胶在反射隔热涂料中的应用[D].沈阳：沈阳建筑大学，2020.

［17］周文婷，阮雪君，程器，等.两种阴离子分散剂对总浆料的分散性研究[J].陶瓷学报，2018，39（2）：181-186.

［18］YE L Q， JIANG L， ZHU M M，et al. Sol-gel preparation of fluorine-containing hydrophobic SiO2 coating by using trifluoroethanol as dispersant and modifier simultaneously[J]. Results in Physics， 2020， 16： 102934.

［19］FENG B. Study on the optimization of thermoelectric properties of BiCuSeO ceramics by highly insulating/adiabatic SiO2 aerogel dispersion[J]. Journal of Materials Science： Materials in Electronics， 2021， 32（20）： 25473-25480.

Effect of SiO2 Aerogel and Other Functional Fillers

on Performance of Reflective Heat Insulation Coatings

XIN Yingjie， ZHAO Su

（College of Materials Science and Engineering， Shenyang Jianzhu University， Shenyang Liaoning 110168， China）

Abstract：  In order to improve the thermal insulation performance of SiO2 aerogel reflective thermal insulation coating， the influence of hydrophilic and hydrophobic SiO2 aerogel mixture on the solar thermal reflectance and thermal insulation temperature difference were studied， as well as the role of several functional fillers. The results showed that the reflective heat insulation coating made by hydrophobic SiO2 aerogel with 1.5% had the best performance， with the solar thermal reflectivity of 83.32% and the thermal insulation temperature difference of 31.6 ℃. The reflectance of the reflective heat insulation coating made of hollow glass beads with 9% content reached 85.33%， and the heat insulation temperature difference reached 32.65 ℃， which was the best performance among other functional fillers. The thermal conductivity of 1.5% hydrophobic SiO2 aerogel and 9% hollow glass beads was 0.041 W·m-1·K-1， which was 30%～40% lower than the thermal conductivity of the reflective heat insulation coating made by separate use， showing good thermal insulation effect.

Key words：  SiO2 aerogel; Functional filler; Reflective heat insulation coating; Hollow glass bead