一種氣凝膠隔熱涂料及其制備方法
【專利摘要】本發明提出一種氣凝膠隔熱涂料及其制備方法，氣凝膠隔熱涂料原材料包括二氧化硅濕凝膠和涂料，兩者的重量比為1∶0.1～1，所述的濕凝膠采用溶膠凝膠法制備得到。本發明取消了氣凝膠粉體制備的步驟，直接由濕凝膠和商業可得的涂料混合，在涂料自然晾干的過程中，濕凝膠同步緩慢自然干燥，最終可獲得具有優異隔熱性能的氣凝膠涂層。
【專利說明】一種氣凝膠隔熱涂料及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種二氧化硅氣凝膠隔熱涂料及其制備方法，屬于功能材料技術領 域。
【背景技術】
[0002] 氣凝膠是一種具有多孔三維網絡結構的材料。其內部分布大量納米孔，密度低、比 表面積和孔隙率非常高。因此，這類材料具有非常低的熱導率，在工業上具有廣泛的應用前 景。目前，氣凝膠作為新型節能環保的隔熱保溫材料在航天、航空、建筑、石化等工業領域已 得到應用。
[0003] 二氧化硅氣凝膠隔熱涂料是一種新型隔熱涂料，施工方便，隔熱性能好，能在建筑 等領域廣泛使用。目前，隔熱性能較好的氣凝膠隔熱涂料的組成形式主要包括：1)由一個 疏水內核、親水表面的氣凝膠粉體和水型涂料混合而成（如CN102719129A) ;2)由疏水型氣 凝膠粉體和含有浸潤劑、分散劑等的水型涂料混合而成（如CN103911030A) ;3)氣凝膠粉體 和樹酯混合后粉碎制成粉末型涂料（如CN101143981A)。上述不論哪一種類型，都是將氣凝 膠作為一種功能填料，添加到涂料中，均要制備出干燥完全的氣凝膠粉末，這是由于只有干 燥完全的氣凝膠才能起到隔熱作用。而氣凝膠粉末的制備一般包括：溶膠凝膠法制備出濕 凝膠、濕凝膠的改性及溶劑置換、濕凝膠的超臨界干燥等。氣凝膠制備生產周期較長，如果 規模化生產時，還需占用大量空間，氣凝膠粉體制備及涂料制備生產過程還涉及大量粉塵 泄漏的風險。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于克服現有技術不足，提供了一種無需制備氣凝膠粉末、生產周 期短、成本低、具有良好隔熱性能的一種二氧化硅氣凝膠隔熱涂料及其制備方法。
[0005] 本發明的技術解決方案：一種二氧化硅氣凝膠隔熱涂料，所述的氣凝膠隔熱涂料 原材料包括二氧化硅濕凝膠和涂料，兩者的重量比為1 : 0.1?1，所述的二氧化硅濕凝膠 采用溶膠凝膠法制備得到。
[0006] 二氧化硅濕凝膠以二氧化硅氣凝膠前驅體（如硅醇鹽等）、水作為反應原料，以醇 或酮溶劑作為溶劑，以酸和堿作為催化劑制備得到。具體制備方法為本領域公知技術，本發 明在此就不一一贅述。
[0007] 一般來說隔熱涂料中二氧化硅氣凝膠含量越高，最終涂層的隔熱性能越好，但本 發明中涂料起到了降低濕凝膠干燥速度的作用，因此，涂料含量不能太少，否則作用不明 顯，濕凝膠干燥過快，多孔三維網絡結構坍塌，反而會降低涂層的隔熱性能。本發明給出了 二氧化硅濕凝膠和涂料的最佳重量比，在此范圍內氣凝膠和涂料都能很好的發揮各自的作 用；在重量比最佳范圍內，相同條件下，氣凝膠含量越高，最終涂層的隔熱性能越好。
[0008] 本發明中采用濕凝膠和涂料混合制備隔熱涂料，隔熱涂料在形成涂層時，涂料包 裹住濕凝膠，濕凝膠得以緩慢干燥得到氣凝膠，使隔熱涂層中的氣凝膠的多孔三維網絡結 構保存完好，不會由于干燥過快造成多孔三維網絡結構坍塌，影響涂層的隔熱性能。
[0009] 濕凝膠粒徑不宜太大，否則會影響涂層的外觀質量，一般要< 1_。
[0010] 本發明中的涂料作為形成涂層后的成膜基體，對其種類沒有特殊限制，只要能在 濕凝膠表面鋪展成膜，可采用商業可得的涂料，本領域技術人員可根據具體需要選擇適合 的種類。涂料主要包括溶劑型涂料和水型涂料，溶劑型涂料主要包括的環氧樹酯、氯丁橡 膠、丁苯橡膠、丙烯酸樹酯、聚氨酯等類型的醇溶劑、烷烴溶劑、酮溶劑涂料等；水型涂料主 要苯丙乳液等各類乳液以及環氧樹脂、丙烯酸樹脂等水型涂料。
[0011] 所述的氣凝膠隔熱涂料原材料還包括具有紅外反射性能的填料，紅外反射性能的 填料添加量為濕凝膠質量的1?10%。
[0012] 熱量通過氣體對流、固相熱傳導、輻射三種方式傳遞。涂料中氣凝膠起阻擋氣體對 流及固相熱傳導的作用，紅外反射性能的填料則阻擋熱環境下的紅外輻射傳熱。本發明對 紅外反射性能的填料種類沒有特殊限制，可以采用常用的鈦白粉、氧化鋅粉、氧化錫粉、氧 化鋯粉等。紅外反射性能的填料添加量不宜過多，過多會引起固相熱傳導增大，太少起不到 阻隔紅外輻射傳熱的作用。本發明給出了紅外反射性能的填料最佳添加量，在此范圍內，紅 外反射性能的填料能發揮最佳效力。在氣凝膠量一定的情況下，增大紅外反射填料的量會 逐漸增大涂層阻隔紅外輻射傳熱的能力，同時也會增大固相熱傳導。因此，在合適范圍內， 紅外反射填料量的增大會從整體上提高涂料的隔熱性能（填料阻隔紅外輻射傳熱的量超 過其引起的固相熱傳導增加的量），但超過這個范圍，則可能會從整體上降低涂料的隔熱性 能（填料阻隔紅外輻射傳熱的量小于其引起的固相熱傳導增加的量）。
[0013] 一種氣凝膠隔熱涂料制備方法，包括以下步驟：
[0014] 二氧化硅濕凝膠制備；
[0015] 本發明二氧化硅濕凝膠制備為本領域公知技術，本領域技術人員可以根據需要， 自行選擇適合工藝。如制備二氧化硅濕凝膠，可以采用如下工藝，在攪拌的條件下向反應釜 中依次加入硅醇鹽、溶劑、水。1?10分鐘后，加入酸；10?60分鐘后，加入堿。繼續攪拌 1?10分鐘。靜置，直至溶膠變成凝膠，得到二氧化硅濕凝膠。
[0016] 在本發明方法中，二氧化硅濕凝膠的制備過程可以增加老化過程（通過提高凝膠 反應溫度、延長反應時間等實現），濕凝膠老化為本領域公知技術，本領域技術人員可以根 據具體需要進行設置。凝膠溫度一般優選為KTC?60°C，更優選為15°C?45°C，老化時間 為1小時?168小時。
[0017] 二氧化硅濕凝膠粉碎；
[0018] 用機械攪拌器對濕凝膠進行攪拌，獲得粒度不超過Imm的濕凝膠。
[0019] 本發明對濕凝膠粉碎所用的機械攪拌器沒有特別限定，但由于濕凝膠含有大量易 燃易爆溶劑，使用過程注意不能產生火花或明火。
[0020] 粉碎后的二氧化硅濕凝膠進行疏水改性；
[0021] 濕凝膠的疏水改性為本領域公知技術，本領域技術人員可根據實際要求進行選 擇。對疏水試劑的種類也沒特殊要求，只要能與濕凝膠表面自由羥基發生反應，生成含難水 解的烷氧基鏈的化合物，如六甲基二硅氮烷、三甲基甲氧基硅烷、三乙基甲氧基硅烷、三甲 基乙氧基硅烷、三甲基氯硅烷、二甲基二甲氧基硅烷等。
[0022] 疏水改性后的二氧化硅濕凝膠與涂料混合，得到氣凝膠隔熱涂料。
[0023] 按照比例將疏水改性后的濕凝膠與涂料混合，疏水改性后的濕凝膠與涂料重量比 為1 : 0. 1?1 ;在混合過程中可以添加疏水改性后的濕凝膠質量的1?10%的紅外反射 性能的填料。
[0024] 本發明制備得到的隔熱涂料可采用噴涂、刷涂等方式施工，對于目標厚度為Imm 以內的涂層，只需一次涂布施工即可。若需制得超過Imm的涂層，則每次完成Imm厚涂層的 涂布，待該涂層干后，繼續涂布，直至達到目標厚度。
[0025] 本發明與現有技術相比的有益效果：
[0026] (1)本發明取消了氣凝膠粉體制備步驟，直接由濕凝膠和商業可得的涂料混合，在 涂料自然晾干的過程中，濕凝膠同步緩慢自然干燥，最終可獲得具有優異隔熱性能的氣凝 膠涂層；
[0027] (2)本發明減少了中間過程制備及使用氣凝膠粉末的步驟，非常方便于規模化生 產，避免了干燥及使用氣凝膠粉末時帶來的嚴重的粉塵污染，大大改善操作人員的工作環 境，同時減少了氣凝膠粉末的干燥、存儲空間；
[0028] (3)本發明減少了中間操作時間、工藝過程簡單；
[0029] (4)本發明所制備的氣凝膠隔熱涂層隔熱性能好、施工方便；
[0030] (5)本發明可以用于民用保溫隔熱領域，也能滿足航空、航天或軍事方面的特殊要 求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031] 圖1為本發明流程圖。
【具體實施方式】
[0032] 本發明如圖1所示，通過采用溶膠凝膠法制備出濕凝膠、濕凝膠的改性、濕凝膠與 水性涂料或溶劑型涂料混合即制得氣凝膠隔熱涂料。
[0033] 下面結合具體實例及附圖詳細說明本發明。
[0034] 實施例1
[0035] 室溫下，向容器中加入作為溶劑的甲醇、硅醇鹽Si (OCH3)4、去離子水并混合均勻。 5分鐘后加入IM的鹽酸，繼續攪拌。20分鐘后加入IM的氨水，繼續攪拌5分鐘后靜置。其 中Si (OCH3)4、甲醇、水、鹽酸、氨水的摩爾比為I : 10 : 4 : 0.001 : 0.02。2小時后溶膠 變成凝膠。室溫靜置24小時后，使用高速攪拌器攪拌10分鐘即獲得粒度不超過Imm的濕 凝膠。向其中加入濕凝膠重量0.5%的六甲基二硅氮烷，攪拌均勻后靜置12h。加入水型氯 丁橡膠及鈦白粉。濕凝膠：氯丁橡膠：鈦白粉重量為1 : 0.3 : 0.01。攪拌均勻，即得氣 凝膠隔熱涂料。
[0036] 使用噴涂的方式涂布，干燥后制得的涂層（厚度為5mm)室溫導熱系數為0. 084W/ m· K(依據 GB/T 10295-2008,下同）。
[0037] 實施例2?6
[0038] 濕凝膠：氯丁橡膠：鈦白粉重量比見表1，其余同實施例1，干燥后制得的涂層室 溫導熱系數見表1。
[0039] 表 1
[0040]
【權利要求】
1. 一種氣凝膠隔熱涂料，其特征在于：所述的氣凝膠隔熱涂料原材料包括二氧化硅濕 凝膠和涂料，兩者的重量比為1 : 0.1?1，所述的二氧化硅濕凝膠采用溶膠凝膠法制備得 到。
2. 根據權利要求1所述的一種氣凝膠隔熱涂料，其特征在于：所述的氣凝膠隔熱涂料 原材料還包括具有紅外反射性能的填料，紅外反射性能的填料添加量為二氧化硅濕凝膠質 量的1?10%。
3. 根據權利要求1所述的一種氣凝膠隔熱涂料，其特征在于：所述的二氧化硅濕凝膠 粒徑< 1_。
4. 一種氣凝膠隔熱涂料制備方法，其特征在于，包括以下步驟： 二氧化硅濕凝膠制備； 二氧化硅濕凝膠粉碎； 粉碎后的二氧化硅濕凝膠進行疏水改性；和 疏水改性后的二氧化硅濕凝膠與涂料混合，得到氣凝膠隔熱涂料。
5. 根據權利要求4所述的一種氣凝膠隔熱涂料制備方法，其特征在于：所述二氧化硅 濕凝膠粉碎后粒徑< 1_。
6. 根據權利要求4所述的一種氣凝膠隔熱涂料制備方法，其特征在于：所述二氧化硅 濕凝膠粉碎前進行老化處理。
7. 根據權利要求4所述的一種氣凝膠隔熱涂料制備方法，其特征在于：所述疏水改性 后的二氧化硅濕凝膠與涂料混合過程中添加紅外反射性能的填料。
8. 根據權利要求4所述的一種氣凝膠隔熱涂料制備方法，其特征在于：所述疏水改性 后的二氧化硅濕凝膠與涂料重量比為1 : 0.1?1。
9. 根據權利要求4所述的一種氣凝膠隔熱涂料制備方法，其特征在于：所述紅外反射 性能的填料添加量為疏水改性后的二氧化硅濕凝膠質量的1?10%。
【文檔編號】C09D7/12GK104497688SQ201410727554
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月5日 優先權日:2014年12月5日
【發明者】張繼承, 詹萬初, 周清, 鄒軍鋒, 艾素芬, 趙小玲, 高翠雪, 羅克強 申請人:航天特種材料及工藝技術研究所