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隔熱保溫涂料的研究現狀及其應用,文章綜述了隔熱保溫涂料的研究進展
2019年12月25日    閱讀量:1942    新聞來源:中國牛涂網-涂料,化工,機械,建材,行業資訊門戶網站  |  投稿

涂料的應用始于史前,時至今日,涂料領域還在不斷發展中。環顧四周,涂料無處不在,其功能性和裝飾性跨越眾多領域[1-2]。80 年代以來,能源、材料與環境已成為具有時代特征的三大課題[3-4]涂料在線coatingol.com。涂料是保護材料的重要手段,也是對材料進行改性以賦予新性能的最簡便方法。


自然,涂料的使用也和能源有一定的關系。因為涂料是對材料的改性或賦予特殊功能最簡便的方法,因此特種涂料品種繁多。


特種涂料[5]泛指為特殊用途設計的涂料或稱功能性涂料,它是和近代科學技術的發展密切相關的一類涂料[6]。其中,耐高溫涂料、高溫涂料、隔熱涂料等屬于熱功能性涂料,對其的研究具有一定的基礎。


而今,隨著能源的日益緊缺,節能降耗成為科技開發的基本目標之一,涂料技術也不例外。為此,高效、薄層、隔熱外護一體化的保溫涂料是未來的發展趨勢[7]。因此,研制耐高溫隔熱保溫涂料具有重要意義。


1 各類隔熱保溫涂料

涂料的耐熱性不僅與有機高聚物基料有關,而且還與組成涂料的顏填料有關[7]。耐熱聚合物必須具備以下三個條件:

(1)必須具有較好的物理穩定性(即較高的玻璃化溫度Tg和熔化溫度Tm);

(2)必須具有高的熱化學穩定溫度Tg;

(3)必須具有耐氧化性和耐臭氧化性。

要獲得較高溫度的耐熱涂料,必須加入耐熱的無機涂料,采用有機物與無機物相結合的方法來提高涂料的耐熱溫度。涂料的隔熱性是要求涂料在較高的溫度條件下具有保護作用。作為隔熱涂料的基料樹脂,應是具有燒蝕作用的有機聚合物,其組分應具有吸熱、散熱和隔熱能力。同時,在涂料中加入耐熱隔熱填料(如空心玻璃粉)和具有阻燃作用的三氧化二銻、氯化橡膠等,對涂料的隔熱也起到一定作用。涂料的保溫性是要求涂料具有在一定溫度下能蓄熱、貯能、隔熱等保溫材料的效果。中國傳統的保溫材料是以提高氣相孔隙率,降低導熱系數和傳導傳熱為主。纖維類保溫材料在使用環境中要使對流傳熱和輻射傳熱降低,必須有較厚的覆層;型材類無機保溫材料要拼裝施工,存在接縫多、影響美觀、防水性差、使用壽命短等缺點。


1.1 耐高溫無機涂料

無機涂料由于有耐高溫、粘結強度優良、成本低廉、熱膨脹系數小、耐久性極佳、不污染環境等優點成為極有發展前途的涂料。中國計量學院以硅酸鈉溶液改性的羥甲基纖維素為基料,添加適量的SiO2、CoO、TiO2 和皂土等,研制成耐高溫無機涂料。將其涂覆在合金鑄件表面1~2 h 后,放入馬弗爐內在100~1100 ℃下涂層不炭化,不龜裂,合金鑄件不易氧化,耐高溫時間達240 h,且無毒無味,不污染環境。硅酸鈉的成膜主體是膠體SiO2,在水溶液中水解成硅酸或與空氣中的CO2 發生作用,形成硅酸并逐漸干燥而固化。由于涂膜中大量的游離的鈉離子和OH-可以進入水中,所以鈉水玻璃溶于水;反應形成高度交聯的-Si-O-Si-無機涂層當中,Si-O 鍵的脆性大,因而涂膜易收縮干裂[9]。所以可以對硅酸鹽進行改性[10]。


1.2 有機硅耐高溫隔熱涂料

有機硅涂料[11-13]通常是用純有機硅樹脂或經過改性后的有機硅樹脂為基料配以無機耐高溫的骨料或填料制成的,它具有耐潮濕、耐酸堿、耐輻射等性能,并且其清漆可乃200~250 ℃高溫,若加入金屬粉末、玻璃料等填料制成的涂料可耐300~700 ℃。據文獻報道,有機硅樹脂能很好地抵抗100 ℃時10 %的硝酸、50 %的硫酸及濃鹽溶液的作用[14]。


由于有機硅樹脂結構中既有Si-O-Si 的無機結構,又有有機基團,所以具有無機物和有機物的雙重性能[15]。為配合不同的實際工業環境,科研工作者相繼開發出純有機硅樹脂和改性有機硅樹脂。


如日本龜田化工工業公司采用純有機硅樹脂加入無機填料和玻璃料配制成能耐500~600 ℃的高溫涂料[14],美國道康寧公司用DC-805 和DC-806 有機硅樹脂混合物與鋁粉漿配制耐650 ℃的涂料用在飛機換熱器上[15]。


在實際應用中,有時需要不加任何填料顏料,山東大學用四苯基三乙氧基硅烷與硼酸或硅酸共縮合,研制成一種耐熱的有機硅樹脂清漆,其清漆涂于銅片上,光澤明亮,經500 ℃高溫,10 h 后銅片不被氧化,涂層保持光澤,烘烤后銅片測試附著力仍為一級,耐沖擊強度為50 kg?cm[14]。純有機硅樹脂存在價格偏高,附著力和耐有機溶劑性能差的缺點,而且固化溫度偏高(250~300 ℃),固化時間長,不便于大型設備的涂裝、施工等問題,針對這些問題常用其它樹脂進行改性來彌補其缺點[16]。


1.2.1 環氧-有機硅共聚樹脂涂料

有機硅樹脂具有低溫柔韌性(Tg=-120 ℃)、低表面能、耐熱、耐候、憎水、介電強度高等。但其機械性能、附著力、耐磨性、耐有機溶劑較差、成本高。然而環氧樹脂具有優良的機械性能、電氣性能、化學性能、粘接性能以及易成型加工、成本低廉等優點,而廣泛用于涂料、粘合劑、電子電氣絕緣以及先進復合材料的基體中。


用環氧樹脂改性有機硅形成立體網狀結構,生成類似無機硅酸鹽結構的硅-氧鍵的鍵能(372.6 kJ/mol)比碳-碳鍵的鍵能(242.8 kJ/mol)大得多,從而使改性的環氧樹脂的耐熱性提高;在環氧內引入柔性鏈段進行增韌;用低表面能的有機硅部分敷于樹脂表面,使高表面能的環氧樹脂防水、防油性能得到改觀。對該涂料的研究有新型耐高溫納米防護涂料等,是以環氧樹脂化學改性有機硅樹脂為基體材料,納米粒子為填料并采用了常溫固化體系。


1.2.2 聚氨酯改性有機硅樹脂涂料

聚有機硅氧分子中的烷氧基與聚氨酯預聚物中的部分羥基進行酯交換反應可制得聚氨酷改性有機硅樹脂。安徽大學利用一系列低分子質量的a,w-二羥基聚二甲基硅氧烷齊聚物及1,3-二(3-羥丙基)四甲基二硅烷,制成了分子量可以控制的a,w-二羥基聚二甲基硅氧烷低聚物,使之與聚氨酯預聚物體共聚形成聚氨酯-有機硅嵌段共聚物[17],劉俊峰[18]用丙三醇和蓖麻油聚氨酯改性有機硅,在保持有機硅樹脂許多原有優良性質基本不變的前提下,可以使其附著力,耐候性和固化性質得到改善。


1.2.3 酚醛改性硅樹脂涂料

改性后的酚醛-硅樹脂加入適當的填料和助劑制成的涂層,具有優良的耐磨性、耐酸性[19]。據文獻報道[20],酚醛改性有機硅樹脂可長期工作在350 ℃左右。


1.2.4 丙烯酸改性樹脂涂料

在各種改性硅樹脂中丙烯酸改性后的硅樹脂具有優異的耐候性。丙烯酸改性硅樹脂主要采用化學方法,而且主要是由含C-OH 鍵(主要為CH-OH)的耐熱丙烯酸樹脂與含SiOH 或SiOR 的多官能硅烷或硅樹脂的中間體通過縮合反應而得。由于丙烯酸樹脂對硅樹脂的相溶性優于其它有機樹脂,因而其改性也可通過物理混合法配制。浙江工業大學采用有機硅氧烷原位接枝聚合改性丙烯酸樹脂的方法提高了聚硅氧烷和丙烯酸樹脂的相溶性,該改性樹脂既保留了丙烯酸樹脂的優良物理機械性能,又提高了耐熱性、耐溶劑性和耐鹽霧性[21]。


1.3 空心玻珠保溫涂料

空心玻珠[22]是一種輕質、高強的空心玻璃微球,細度在幾十至幾百微米。一般可以承受-268 ℃至483 ℃的溫度范圍,具有耐水汽、不吸濕、耐腐蝕、自身不產生腐蝕,在高溫和水汽環境中自身穩定,較高的耐壓強度,抗微生物侵蝕等顯著優點。由于中空的特性,與普通的玻璃微珠相比,具有質量輕、絕熱性能好等特點,是一種非常理想的絕熱材料。由于其體積較小,相當或約大于涂料填料的細度,因而可以以填料的方式引入涂料配方體系,使涂料固化形成的涂膜具有保溫材料的共性,既質量較輕、中空等特性。以丙烯酸乳液為基料,空心玻珠為填料制得的涂料,具有較為明顯的節能減耗作用[23]。


2 各類溫控涂料的應用

2.1 在建筑行業的應用

建設部發布了《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》,2006 年強制新建建筑采用隔熱保溫措施,要求節能60 %以上[24]。建筑物的能耗系指建筑物在使用過程中的能耗,主要包括采暖、通風、空調、照明、炊事燃料、家用電器和熱水供應等能耗,其中以采暖和空調為主,因此,建筑物節能的重點就是降低采暖和降溫的能耗。保溫涂料的作用就是對建筑物的維護結構實施保溫,以減少建筑物內部結構的能量損失,達到節能的目的[25-26]。


根據涂施的位置不同,保溫涂料可分為建筑外墻外保溫涂料和建筑外墻內保溫涂料。在室內外溫差的作用下,導熱系數大的材料會形成熱流密集(稱為熱橋)。采用外墻內保溫不能避免熱橋的產生,且外墻內保溫的墻面上難以吊掛物體,影響用戶的二次裝修。


外保溫涂料處于建筑物維護結構的最外層,能夠形成一個封閉的保溫涂層體系,采用高效保溫材料后,能夠有效地切斷縱墻、柱、樓板和梁等部位產生的結構性熱橋。如果將窗、門口側面及外部連接件做好相應的保溫處理,圍護結構就形成全封閉的保溫體系,達到全面降低建筑物能耗的目的[27-28]。


現有研究者[29]研制的一種多功能外墻保溫涂料是以膨脹珍珠巖、石棉纖維和海泡石粉為基料,輔以增稠劑、助劑及粘結劑按一定比例,經過破碎、篩選過濾、表面處理、高速短切、慢速攪拌而制成的粘稠狀漿體。其保溫機理就是利用產品中高氣孔率密閉氣孔中靜止空氣的低導熱率達到保溫的目的。還有研究[30]以有機硅改性丙烯酸乳液為基料,不透明、空心微珠和紅外輻射功能顏料制備建筑反射隔熱保溫涂料。


也由報道將陶瓷隔熱保溫涂料應用于外墻的涂裝,該材料為水基液體為涂料,由超細的空心陶瓷微珠經預處理和和高品質乳液調配而成。其主要特性是:空心微珠成型于涂料涂層中,使涂層具有極高的熱反射率[31-32]和發射率,從而形成良好的隔熱效果[33-34]。


2.2 在化工工業上的應用

高溫管道上涂覆耐高溫隔熱保溫涂料,可減少一部分熱能的散失,節省能耗。也可用于給類鋼制、鋼筋混凝土質的罐體、管線以及機械、設備的隔熱(保溫)處理,如優點儲油罐、輸油管道以及其它石油化工企業需要進行隔熱(保溫)處理的機械、設備、管線等領域[35]。


2.3 在汽車領域的應用

除了擁有汽車涂料本身的作用[36],更重要的是在車身及部件應用溫控涂料,能改善車內的環境,而緩解車內高溫環境,提供一個相對舒適的車內溫度,而后,打開空調即能降低其能源的損耗。特別是在汽車上應用相變涂料,不僅能緩解高溫環境,在涂料中應用不同相變點的PCM 亦能控制寒冷環境下的車內溫度,提高舒適度。

隔熱保溫涂料的研究現狀及其應用


駱瓊宇1,侯琳熙1,胡富陶1,孫永德2

(1.寧波大學,浙江 寧波 315211;2.寧波江北固得牢涂料廠,浙江 寧波 315020)


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