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超輕中空聚合物微球保溫隔熱涂料制備及性能研究

嘉峪檢測網        2025-05-20 11:41

摘要:

 

【目的】降低建筑物內維持自身舒適溫度所需的大量能耗。【方法】以PVA/SiO2復合氣凝膠、HGM和HPM 為主要隔熱填料,制備了空心玻璃微球保溫隔熱涂料(HGM-TIM)和中空聚合物微球保溫隔熱涂料(HPM-TIM),研究了PVA/SiO2復合氣凝膠、HGM和HPM摻量對涂料導熱系數的影響,并對比了HGM-TIM和HPM-TIM的力學性能、耐介質、耐溫變性和保溫隔熱性能。【結果】PVA/SiO2復合氣凝膠、HGM(或HPM)質量分數分別為3%、23%(或8%)時涂膜導熱系數最低,且HPM-TIM的密度低至0.056 8 g/cm3,35 ℃時導熱系數為0.027 7 W /(m·K),涂層厚度僅為2 mm時隔熱溫差可達40 ℃。【結論】HPM-TIM比HGM-TIM表現出更優的保溫隔熱性能。

 

關鍵詞:

 

PVA/SiO2復合氣凝膠;中空聚合物微球;空心玻璃微球;超輕;導熱系數;保溫隔熱

 

建筑物的能源消耗主要來源于維持建筑圍護結構內舒適溫度所需的加熱和冷卻系統,建筑墻體和屋頂熱傳導作為主要傳熱途徑占典型建筑總熱負荷的40% 左右。目前,國內外市場上應用最為廣泛的墻體保溫形式為外墻外保溫,即使用擠塑聚苯(XPS)板、巖棉板、聚氨酯(PU)泡沫板、膨脹聚苯(EPS)板等保溫材料黏結在建筑外墻表面以阻隔熱能傳導,從而實現建筑保溫的目的。然而,此類保溫系統施工難度大,保溫板厚度大、彈性強、易變形,容易發生開裂脫落而造成事故隱患,此外,有機物保溫板極易引發火災,對人民生命和財產安全造成嚴重威脅。

 

保溫隔熱涂料是一種兼具隔熱需要和保溫效果的建筑外墻和屋頂涂覆材料,干燥固化后形成具有一定強度和彈性的熱傳導阻隔層,涂層厚度僅需2~3 mm即可達到傳統保溫系統的保溫效果,具有黏結力強、保溫效果和防火效果良好等優點,是一種理想的建筑外墻保溫隔熱材料。近年來,研究者們對保溫隔熱涂料做了較多研究,梅治國研究了乳液類型及用量、填料種類、空心玻璃微珠及蛭石對保溫隔熱涂料性能的影響,并結合隔熱性能和經濟成本,確定了最佳涂料配方。陳泳志等制得一種改性貝殼粉-苯丙乳液涂料,貝殼粉添加量為 28.0%時涂料的綜合性能最佳,涂層的導熱系數為0.118 W/(m·K),隔熱溫差為10.2 ℃。成保拓等研究發現保溫隔熱涂層的導熱系數與二氧化硅氣凝膠和空心玻璃微珠的體積比密切相關,且當填料體積分數為70%、二氧化硅氣凝膠和空心玻璃微珠的體積比為8∶2時,涂層導熱系數最低為0.053 W/(m·K)。目前大多數保溫隔熱涂料以SiO2 氣凝膠搭配空心玻璃微珠、海泡石、蛭石、珍珠巖粉等隔熱填料制備而成,但以SiO2 氣凝膠搭配中空聚合物微球的保溫隔熱涂料鮮有報道,而中空聚合物微球極小的密度和導熱系數可能對提高氣凝膠涂料保溫性能具有積極作用。

 

本研究以PVA/SiO2 復合氣凝膠、空心玻璃微球(HGM)、中空聚合物微球(HPM)為隔熱填料制備保溫隔熱涂料,研究了PVA/SiO2 復合氣凝膠、HGM 和HPM 摻量對涂層導熱系數的影響,并對比研究了HGM保溫隔熱涂料和HPM保溫隔熱涂料的力學性能、耐液體性、耐溫變性和隔熱性能。

 

1. 實驗部分

 

1. 1 主要原料

 

疏水性丙烯酸酯- 苯乙烯共聚物乳液(IC-1002):陶氏;彈性丙烯酸酯和苯乙烯聚合物分散液(Acronal 7026G):巴斯夫;空心玻璃微球(HGM):3M公司;丙烯酸酯聚合物中空微球(HPM,固體含量15%)∶Nouryon;疏水性PVA/SiO2 復合氣凝膠(PVA/SA):孔隙率>90%,安徽科昂新材料科技有限公司;乙二醇、十二碳醇酯(2,2,4-三甲基−1,3-戊二醇單異丁酸酯):阿拉丁;消泡劑(NOPCO NXZ):圣諾普科;去離子水:自制。HGM、HPM和PVA/SA的詳細參數如表1所示。

 

表1 HGM、HPM 和PVA/SA 的詳細參數

Table 1 Detailed parameters of HGM,HPM and PVA/SA

 

 

 

1. 2 保溫隔熱涂料的制備

 

在常溫常壓下,膏狀保溫隔熱涂料的制備過程如下:參考表2配方,將Acronal 7026G或IC-1002添加到去離子水中并充分攪拌10 min。依次將消泡劑、乙二醇和十二碳醇酯添加到上述分散液中攪拌10 min。然后加入PVA/SA 連續攪拌30 min,獲得黏稠狀預分散體。最后,將預分散體轉移到行星攪拌器中,分別加入空心玻璃微球(HGM)或中空聚合物微球(HPM),連續攪拌1 h,得到均勻分散的保溫隔熱涂料(TIM),分別命名為HGM-TIM和HPM-TIM。

 

表2 保溫隔熱涂料的參考配方

Table 2 Reference formula of thermal insulation coatings

 

1. 3 測試與表征

 

利用掃描電鏡(Hitachi 8230,日立)觀察HGM、HPM、HGM-TIM 和HPM-TIM 的微觀形貌和尺寸。采用熱重分析儀(Netzsch STA449F3,Netzsch)對SiO2氣凝膠(SA)、聚乙烯醇(PVA)及PVA/SA進行熱重分析,25~1 000 ℃,空氣氣氛。用熱常數分析儀(HotDisk TPS2 500 s,Hot Disk)測定導熱系數。采用萬能材料試驗機(Instron 5969,Instron)測試HGM-TIM和HPM-TIM、聚氨酯泡沫(PUF)和膨脹聚苯乙烯(EPS)在5 mm/min應變速率下的力學性能。利用紅外熱成像相機(FOTRIC 628C,上海熱像科技股份有限公司)拍攝HGM-TIM 和HPM-TIM 的熱紅外偽彩色圖像。

 

參照T/CECS 10126—2021《氣凝膠絕熱厚型涂料系統》對HGM-TIM和HPM-TIM進行耐水性、耐堿性、耐溫變性和柔韌性測試。將HGM-TIM和HPMTIM分別刮涂于無石棉纖維水泥板(NAF)上,控制厚度為2 mm,每項測試各制作3塊樣板,養護7 d備用。將養護后樣板分別浸泡于三級水和飽和Ca(OH)2 水溶液中進行耐水性和耐堿性測試。對HGM-TIM 和HPM-TIM進行耐溫變性測試,先將樣板浸泡于三級水中18 h,然后放置于−20 ℃環境中3 h,最后轉移至50 ℃環境中3 h,此為1個循環,如此進行3個循環,最后觀察樣板變化。對HGM-TIM和HPM-TIM進行柔韌性測試,與制作耐液體性測試樣板相似,將基體材料更換為馬口鐵板,選擇直徑為100 mm的柔韌性測定儀進行測試,觀察涂層表面有無裂紋。

 

參照GB/T 10294—2008《絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定 防護熱板法》,將HGM-TIM 和HPMTIM制成300 mm×300 mm×15 mm的標準樣板并測試其導熱系數。隔熱溫差測試樣板以2 mm厚度模具控制涂層厚度,將HGM-TIM 和HPM-TIM 刮涂在無石棉纖維水泥板上制作。初始測試溫度為室溫(25 ℃),通過紅外加熱燈對涂層表面加熱,記錄加熱時間段內樣板直射面和非直射面的溫度,非直射面溫度記為T1,直射面溫度記為T2,隔熱溫差則為ΔT=T2-T1,加熱10 min時樣板兩側溫度趨于穩定。

 

2. 結果與討論

 

2. 1 HGM-TIM 和HPM-TIM 的微觀形貌

 

基于前期大量探索實驗發現,IC-1002 乳液與HPM、Acronal 7026G 乳液與HGM 具有更好的相容性,具體表現為涂膜不開裂、易施工。且當HPM 和HGM 摻量分別大于5% 和20% 時,IC-1002 和Acronal 7026G乳液對保溫隔熱材料導熱系數的影響不明顯,甚至可以忽略。將制備的保溫隔熱材料在300 mm×300 mm×15 mm 的模具中多次批刮、固化成型后即可得到保溫隔熱板,圖1 為HGM-TIM 和HPM-TIM不同放大倍數的掃描電鏡圖。

 

圖1 HGM-TIM和HPM-TIM的實物圖和不同放大倍數下的SEM圖

Fig.1 Digital image and SEM images at different magnifications of HGM-TIM and HPM-TIM

 

由圖1可清晰看到形貌完整的空心微球緊密排布,沒有出現明顯破碎,圖1(a)可觀察到玻璃微球的中空結構,密閉微球內部的空腔大大提升了涂層的隔熱性能。微球被成膜物包裹,且微球與微球之間由成膜物緊密鏈接,使保溫涂層具有良好的力學性能和耐液體性能。

 

2. 2 PVA/SA 氣凝膠摻量優化

 

本研究使用隔熱填料PVA/SA氣凝膠,其中PVA的—OH可與SiO2納米粒子表面豐富的活性基團形成氫鍵,SiO2納米粒子的大比表面積可為聚合物長鏈提供大量活性位點,增強納米粒子與聚合物長鏈的界面結合作用,使聚合物長鏈以骨架形式穿插纏繞在SiO2納米粒子周圍,從而起到增韌SiO2納米氣凝膠的作用。以HGM-TIM涂料為例,參考表2配方,保持HGM摻量為21%不變,研究PVA/SA摻量對涂層性能的影響,結果見圖2。

 

圖2 PVA/SA摻量對涂層性能的影響

Fig.2 Effect of PVA/SA contents on coating properties

 

從圖2(a)可知,PVA和PVA/SA在350~500 ℃間出現較大質量損失,這主要是PVA分子鏈斷裂,聚合物揮發導致的失質量,由此計算出PVA/SA中PVA含量約為18%。由圖2(b)可知,PVA/SA 摻量由1% 增大到5%時,保溫隔熱涂料導熱系數先降低后增大,且PVA/SA 摻量為3% 時導熱系數最低。此外以Acronal 7026G 乳液、21%HGM 和3%SA 制備保溫涂料,結果表明其導熱系數遠大于PVA/SA保溫涂料,因此PVA/SA相較于SA在保溫涂料應用中有一定優勢。由圖2(c)~(e)可以明顯看出,PVA/SA摻量為1%和3% 時,保溫涂層中復合氣凝膠多孔網絡結構正常,孔隙率豐富,這是由于PVA/SA兼具疏水性和柔韌性,且其三維多孔網絡為納米級孔結構,因此在制備保溫隔熱涂料過程中復合氣凝膠很大程度地保留了其原始的微觀形貌和孔結構,這也是涂層表現出優異隔熱性能的重要原因之一。而當PVA/SA摻量增加至5%時,明顯觀察到復合氣凝膠被壓縮堆積在一起,孔隙率大幅度減小,因此涂層導熱系數也隨之增大。研究結果表明,PVA/SA摻量為3%時,保溫隔熱涂料導熱系數最低。

 

2. 3 空心微球摻量優化

 

參考表2配方,不添加PVA/SA,其他原料添加量不變,只改變HGM 和HPM 的添加量,研究HGM 和HPM摻量對保溫隔熱涂料導熱系數的影響,結果如圖3所示。

 

圖3 HGM與HPM的摻量對保溫隔熱涂料導熱系數的影響

Fig.3 Effect of addition amounts of HGM and HPM on thermal conductivity of thermal insulation coatings

 

由圖3可知,不同測試溫度下HPM 保溫隔熱涂料的導熱系數均遠小于HGM的,且HGM和HPM的最佳摻量分別為23%和8%,35 ℃時最低導熱系數分別為0.052 9 W/( m·K)和0.034 9 W/(m·K)。結合表1 分析,HPM 的密度和導熱系數均遠小于HGM 的,HPM更小的粒徑和更低的密度表明其具備更大的內部空腔,這與它制備的涂層具有更低的導熱系數密切相關。

 

基于上述研究,確定以Acronal 7026G乳液搭配23%HGM 和3%PVA/SA 制備HGM-TIM,以IC-1002乳液搭配8%HPM 和3% PVA/SA 制備HPM-TIM,并測試評價其力學性能、耐介質性、柔韌性和保溫隔熱性能。

 

2. 4 HGM-TIM 和HPM-TIM 的力學性能

 

HGM-TIM和HPM-TIM的力學性能測試結果如圖4所示。

 

圖4 HGM-TIM和HPM-TIM的力學性能

Fig.4 Mechanical property of HGM-TIM and HPM-TIM

 

由圖4(a)可知,HGM-TIM和HPM-TIM的拉伸強度優于PUF和EPS,但HGM-TIM的拉伸形變率較低,而HPM-TIM表現出與PUF相當的拉伸形變率。由圖4(b)可知,4種保溫材料都具有較大的壓縮形變能力,其壓縮形變率大于60%。由圖4(c)可知,將高度為22 mm的HPM-TIM施加外力使高度降低至7 mm,撤去外力后發現高度依然可恢復至22 mm,此過程中HPM-TIM的壓縮形變率達到68%,該過程更直觀地展現了HPMTIM優異的壓縮形變恢復能力,這主要取決于HPM優異的壓縮回彈性和PVA/SA良好的柔韌性。通過計算得到HGM-TIM 和HPM-TIM 的密度分別為0.141 4 g/cm3和0.056 8 g/cm3,HPM-TIM可輕松放置在盛開的花瓣上,且花瓣不會被壓彎[圖4(d)]。尺寸為300 mm×300 mm×15 mm的HPM保溫隔熱板可以完全承載一位成年人的質量而不發生任何變形[圖4(e)],表明HPM-TIM具有優異的載荷能力。綜上所述,HGMTIM和HPM-TIM表現出輕質、良好的力學性能和優異的載荷能力,具備在保溫隔熱領域規模化應用的潛力。

 

2. 5 HGM-TIM 和HPM-TIM 的耐介質性、耐溫變性和柔韌性

 

表3 為HGM-TIM 和HPM-TIM 的耐水性、耐堿性、耐溫變性和柔韌性測試結果。

 

表3 HGM-TIM 和HPM-TIM 的耐介質性、耐溫變性和柔韌性

Table 3 Chemical resistance,temperature change resistance and flexibility of HTM-TIM and HPM-TIM

 

由表3可知,HGM-TIM和HPM-TIM樣板的耐介質性、耐溫變性測試后,涂層均沒有出現起泡、掉粉、脫落等現象,柔韌性測試后未出現裂紋,均滿足T/CECS 10126—2021標準要求。

 

2. 6 HGM-TIM 和HPM-TIM 的保溫隔熱性能

 

HGM-TIM和HPM-TIM的保溫隔熱性能測試結果如圖5所示。

 

圖5 HGM-TIM和HPM-TIM的力學性能

Fig.5 Mechanical property of HGM-TIM and HPM-TIM

 

由圖5(a)可知,HGM-TIM的導熱系數在80 ℃以下 均 低 于 0.051 W/(m·K) ,35 ℃ 時 可 達0.042 1 W/(m·K);HPM-TIM的導熱系數在80 ℃以下 均 低 于 0. 04 W/(m·K),35 ℃ 時 可 低 至0. 027 7 W/( m·K),相同溫度下HPM-TIM的導熱系數較HGM-TIM 低約30%。HGM-TIM 和HPM-TIM的隔熱溫差如圖5(b)所示,NAF空白板的隔熱溫差約為10 ℃,而HGM-TIM涂層的隔熱溫差約為30 ℃,HPM-TIM涂層的隔熱溫差可達40 ℃,更大的隔熱溫差表明涂層具有優異的保溫隔熱性能。為更直觀評價保溫隔熱涂層的隔熱性能,采用紅外熱成像儀對厚度為15 mm的HGM-TIM和HPM-TIM試塊進行隔熱性能測試。圖5(c)記錄了加熱臺溫度為50 ℃、80 ℃和120 ℃時,HGM-TIM和HPM-TIM試塊上表面溫度恒定后的紅外熱成像圖,可清晰看到試塊上表面溫度始終遠低于加熱臺溫度,且HPM-TIM上表面溫度低于HGM-TIM,這與HPM-TIM 更低的導熱系數測試結果一致。當加熱臺溫度升至120 ℃時,HGM-TIM 和HPM-TIM 與加熱臺的溫度差可達75.8 ℃和78.9 ℃。此外,紅外熱成像圖直觀地顯示了垂直方向上試塊呈現明顯的溫度梯度差,從底部至頂部溫度顯著降低,證明HGM-TIM 和HPM-TIM優異的隔熱功能。

 

為進一步客觀真實評價HGM-TIM和HPM-TIM室外環境的保溫隔熱性能,制作了尺寸1.5 m×1.5 m×2 m的實驗屋,在實驗屋外墻面外側涂裝厚度2 mm的HGM-TIM和HPM-TIM與空白實驗屋進行對比,將實驗屋放置于室外環境,全天候長時間監測實驗屋內側的溫度變化曲線,結果如圖6所示。

 

圖6 HGM-TIM和HPM-TIM的室外環境保溫隔熱性能

Fig.6 Thermal insulation performance of HGM-TIM and HPMTIM in outdoors

 

從圖6可以看出,HGM-TIM和HPM-TIM實驗屋內側全天候溫度都低于空白實驗屋,且在每天最高溫度時,空白實驗屋內側溫度最高可達50 ℃以上,而此時涂裝有保溫涂料的實驗屋溫度約為35 ℃,二者溫度差可達15 ℃。此外,測試時段內空白實驗屋的溫度變化范圍為10~53 ℃,HGM-TIM和HPM-TIM實驗屋的溫度變化范圍為10~36 ℃,較空白實驗屋室內溫度變化率減小40%左右,表明HGM-TIM和HPM-TIM在減小實驗屋溫度變化上發揮積極作用。此外,HGM-TIM和HPM-TIM在測試時間內沒有出現粉化、開裂、脫落等現象。

 

3. 結 語

 

本文以PVA/SiO2復合氣凝膠、HGM和HPM為主要隔熱填料通過機械分散和行星攪拌制備了保溫隔熱材料,制備工藝簡單易行、可實現規模化生產。研究結果表明:

 

(1)當PVA/SiO2 復合氣凝膠、HGM 或HPM 的摻量分別為3%、23%和8%時,保溫隔熱材料導熱系數最低。

 

(2)HPM-TIM 和HGM-TIM 的耐水性、耐堿性、耐溫變性和柔韌性均滿足標準要求,且HPM-TIM相比于HGM-TIM 表現出更優的保溫隔熱性能和壓縮變形恢復能力,HPM-TIM的密度低至0.056 8 g/cm3,35 ℃時導熱系數可低至0.027 7 W/(m·K),涂層厚度為2 mm時隔熱溫差可達40 ℃。

 

(3)為期17 d的室外實驗屋溫度監測實驗表明,涂覆HPM-TIM和HGM-TIM的試驗屋內溫度變化率相比于空白試驗屋減小約40%,且保溫涂層沒有出現粉化、開裂、脫落等現象。

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來源:涂料工業

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