隔熱填料的結構及其對保溫隔熱涂料性能的影響研究

姜 俊，胡道盼，查純喜（亞士漆（上海）有限公司，上海 201700）

0 引言

太陽輻射作為地球的主要能量來源，對人們的生活和生產活動產生重要影響，而能量的聚集和分散又給人類帶來了很多挑戰。例如在炎熱的夏季，空調等制冷設施每年的能耗占到我國全年建筑能耗的27 %［1］；而在寒冷的冬季，升溫制熱設施的能耗占到全年建筑能耗的30 %～50 %［2］。據統計，全球建筑能耗占總能耗的40 %，碳排放占總碳排放的36 %［3］。面對這種嚴峻的形勢，我國承諾二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取在2060 年前實現碳中和。在“雙碳”目標的大形勢下，減少圍護結構傳熱而產生的能耗，實現圍護結構的保溫隔熱將成為建筑節能的重要手段，對節能降耗有著重要意義。

保溫隔熱涂料是指以合成樹脂乳液為粘結劑，摻入功能性隔熱填料（顏料、空心微珠等）而形成的具有隔熱、裝飾等性能的一類功能涂料。近年來，它逐漸在住宅、廠房等建筑領域得到了廣泛的應用。保溫隔熱涂料根據熱量傳遞方式的不同，可分為反射型隔熱保溫涂料、輻射型隔熱保溫涂料和阻隔型隔熱保溫涂料［4-5］。反射型隔熱保溫涂料是通過增加涂層表面對太陽光的反射率和散射率來降低建筑物外表面溫度；輻射型隔熱保溫涂料是通過提高建筑表層對已吸收熱量的紅外發射率來降低表層和內部溫度；阻隔型隔熱保溫涂料是通過降低建筑圍護結構總的導熱系數來減少建筑表層對熱量的吸收及熱量的傳導效率。

本研究主要以阻隔型隔熱保溫涂料的隔熱機理為主，探究具有中空結構的隔熱功能填料在保溫隔熱涂料中的應用，通過對市面上常用的輕質多孔保溫填料進行微觀表征，研究了不同隔熱填料對涂料隔熱性能的影響，并選擇二氧化硅氣凝膠為隔熱填料，制備了一種具有優異強度和良好隔熱性能的保溫隔熱涂料。

1 試驗部分

1.1 主要原料

漂珠，河北恒光礦產品有限公司；?；⒅?，信陽市永凱保溫材料有限公司；陶瓷微珠，上海匯精亞納米新材料有限公司；二氧化硅氣凝膠，深圳中凝科技有限公司；中空玻璃微珠K1，3M 中國有限公司；Expancel 微球，諾力昂化學品（寧波）有限公司；真空玻璃棉，中國巨石股份有限公司；DL1069水性聚氨酯分散體，科思創聚合物（中國）有限公司；S308 硅溶膠，上海澳潤化工有限公司；殺菌劑、丙二醇、消泡劑、羥乙基纖維素醚等，市售。

表1 為不同隔熱填料的基本性質。

表1 不同隔熱填料的基本性質Table 1 Basic performances of different thermal insulation fillers

1.2 主要試驗設備

BL-5000F 精密電子天平、BGD740/1 高速分散機、QNIX4500 涂層測厚儀，標格達精密儀器（廣州）有限公司；SU1510 掃描電子顯微鏡，日本日立株式會社；HG-1692C 萬能拉力機，江蘇恒廣精密儀器有限公司；GYDR-3030A 熱流計法導熱系數儀，天津市港源試驗儀器廠。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗配方

保溫隔熱涂料的基礎配方見表2。

表2 保溫隔熱涂料的基礎配方Table 2 Basic formula of the thermal insulation coatings

1.3.2 性能測試

粘結強度：按照標準JG/T 157—2009《建筑外墻用膩子》規定的方法進行測試；導熱系數：按照標準GB/T 10294—2008《絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定 熱流計法》規定的方法進行測試。

2 結果與討論

2.1 不同隔熱填料的微觀表征

不同隔熱填料的微觀結構如圖1 所示。

圖1 不同隔熱填料的微觀結構Figure 1 Microstructures of different thermal insulation fillers

由圖1 可見，6 種中空結構填料的粒徑相差不大，漂珠和?；⒅榈谋砻娣忾]不完全，呈現較多的多孔結構［6］，且顆粒形狀不規則，這種材料由于廉價易得，具有一定的保溫隔熱和良好的防火性能，廣泛用于外墻外保溫系統，但是由于顆粒強度較差，孔徑過大，表面封閉不完全，易產生導熱通道，進而影響涂層的導熱系數。中空玻璃微珠、陶瓷微珠和Expancel 微球結構相似，都為表面封閉的空心球狀顆粒。Expancel 微球為膨脹聚合物，球體的外殼為高分子聚合物（丙烯腈共聚物），內部是碳氫化合物，在高溫受熱情況下，外殼軟化，碳氫化合物由液態氣化，從而使外殼膨脹增大，當溫度降低后外殼冷卻變硬，微球仍然能保持膨脹后的狀態，由于具有一定的彈性，呈現不圓滑的球形結構。中空玻璃微珠和陶瓷微珠為玻璃質密閉中空球體［7］，具有堅硬的球殼，空腔內是稀薄的空氣，呈現規則的球狀結構，而中空玻璃微珠由于?；幂^完全，表面更加光滑。二氧化硅氣凝膠呈現不規則的透明塊狀結構，是一類具有超低導熱系數的新型納米材料［8］，它具有極高的孔隙率，其納米級的孔道結構能夠有效地阻隔固體熱傳導，并延長空氣熱對流路徑，其室溫條件下的導熱系數最低可達0.013 W/（m·K），低于靜止狀態下空氣的導熱系數0.025 W/（m·K）［9-11］。

2.2 不同填料的隔熱性能分析

阻隔型保溫隔熱涂料主要是由低導熱率填料來減少涂層導熱，按照保溫隔熱涂料的配方，分別探索了不同隔熱填料對涂層隔熱性能的影響，試驗結果見表3。

表3 含不同隔熱填料的涂層性能對比Table 3 Performance comparison of coatings with different thermal insulation fillers

由表3 可見，6 種隔熱填料的隔熱效果由大到小依次為：二氧化硅氣凝膠＞Expancel 微球＞中空玻璃微珠＞陶瓷微珠＞?；⒅椋酒?，這是由隔熱填料的結構、成分和其在涂料中的分散狀態決定的。二氧化硅氣凝膠具有空間網絡結構，并且其中的固體框架與孔隙均為納米級，這樣連續的納米網絡結構形成了無數個納米氣囊，使氣體對流的熱傳導受到了抑制；同時由于其內部孔徑小于氣體分子運動的平均自由程，有效地抑制熱傳導和熱對流［12］，因此二氧化硅氣凝膠能夠賦予涂層極好的隔熱保溫性能。Expancel 微球是熱塑性的空心球，由殼體和它包裹著的氣體組成，導熱系數僅高于二氧化硅氣凝膠，具有良好的可塑性和彈性，易成形、可擠壓、不易破碎，可以在涂層中緊密堆積，具有很好的填充性，使得涂膜內形成許多封閉的氣孔［13］，從而具有良好的隔熱性能。中空玻璃微珠和陶瓷微珠都為無機中空球體，球體內部包含的氣體使其具有較低的導熱系數，殼體為剛性的玻璃質材質，不易變形，應用于保溫涂料中時，由于顆粒與顆粒之間的空隙較大，不能形成致密、均勻的涂層，并且顆粒之間的空隙易形成導熱通道，從而影響導熱系數。漂珠和?；⒅闉闊o機硅酸鹽膨脹后形成的多孔材料，沒有封閉的外殼，且強度較差，在生產和成型過程中易破碎，不具備良好的隔熱性能［14］。

2.3 保溫隔熱涂料的制備

基于上述不同填料的隔熱性能分析，選用隔熱效果最好的二氧化硅氣凝膠作為隔熱填料［15-16］，探索其添加量對涂層隔熱性能的影響，結果如表4 所示。由表4 可見，隨著二氧化硅氣凝膠添加量的增大，涂層的導熱系數和相對密度不斷下降，而當二氧化硅氣凝膠添加量超過4.5 %后，由于涂料的PVC（顏料體積濃度）過高，且二氧化硅氣凝膠具有疏水性和較低的密度，過量地加入必然影響其與樹脂的相容性，使得樹脂不能很好地包覆填料，導致粘結強度變差，不能滿足涂層要求?；诰C合考慮，選擇二氧化硅氣凝膠的添加量為3.5 %，此時涂層具有較好的隔熱性能，其導熱系數為0.051 W/（m·K）。

表4 不同二氧化硅氣凝膠添加量對涂層性能的影響Table 4 The effects of different dosages of silica aerogel on the performance of coating

3 結語

由于碳達峰、碳中和的國家重大戰略及建筑行業綠色低碳發展的需求，高性能隔熱保溫涂料將迎來巨大的發展前景。從隔熱填料的微觀結構的角度，分析了不同隔熱填料對涂層保溫隔熱性能的影響，并在以上基礎上，采用二氧化硅氣凝膠作為隔熱填料，制備一種導熱系數、相對密度和粘結強度等性能均優異的隔熱涂料。