SiO2氣凝膠對丙烯酸酯反射隔熱涂料的影響

［摘 要］ 以丙烯酸酯乳液為基料，以復合SiO2氣凝膠、金紅石型TiO2、中空陶瓷微珠為功能性填料，成功制備一種新型反射隔熱涂料。探討SiO2氣凝膠用量、分散劑的種類及用量、溶液的pH值、分散速度與時間等因素對SiO2氣凝膠漿料分散穩定性的影響，同時考察了SiO2氣凝膠用量對涂料隔熱效果的影響。實驗結果表明，在SiO2氣凝膠用量為1.0%，分散劑用量為0.75%，潤濕劑用量為0.2%，溶劑pH控制在6.5，以800 r/min的轉速分散50 min的條件下，可以制備出分散均勻的SiO2氣凝膠漿料。進一步測試表明，含有1.0% SiO2氣凝膠制備的反射隔熱涂層展現出優異的隔熱性能，其熱擴散系數低至0.16 mm2/s，隔熱溫差高達5.8℃。

［關鍵詞］ 反射隔熱涂料； 丙烯酸酯乳液； SiO2氣凝膠； 分散劑

［中圖分類號］ TQ637 ［文獻標識碼］ A

加快綠色建筑技術的發展對于減少能耗、節約資源、保護環境至關重要。在眾多綠色建筑技術中，建筑屋頂外墻使用反射隔熱涂料能有效降低室內溫度，為人們創造一個健康、舒適的居住和使用空間[1-2]，并且因其安全性高而受到廣泛關注[3]。反射隔熱涂料的反射隔熱效果在很大程度上取決于其所使用的功能性顏填料。多孔性有機或無機填料能夠賦予涂料隔熱性能。其中，SiO2氣凝膠是一種具有多孔三維網狀結構的無機材料，因其孔隙率高、比表面積大、密度低、導熱系數小等優勢，在反射隔熱涂料中展現出巨大的應用前景[4-10]。然而，納米尺度的SiO2氣凝膠極易發生團聚，是應用過程需要解決的難點問題。

本文以丙烯酸酯乳液為基料，以SiO2氣凝膠、金紅石型TiO2、中空陶瓷微珠為功能性填料，制備一種新型反射隔熱涂料，研究分散劑種類及用量、SiO2氣凝膠用量、潤濕劑用量、溶液的pH值、分散速度和分散時間等因素對SiO2氣凝膠漿料分散穩定性的影響，并探討SiO2氣凝膠用量對隔熱效果的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

RS-9900A高性能彈性面漆乳液、RS-2205高性能外墻平涂乳液，巴德富實業有限公司；SiO2氣凝膠，工業級，河北力環防腐材料有限公司；IR-1000鈦白粉，江蘇泛華化學科技有限公司；中空陶瓷微珠，重慶阿羅科技發展有限公司；GY316重鈣，江西廣源化工有限責任公司；800目滑石粉，常州市樂環商貿有限公司；分散劑1124，陶氏化學有限公司；圣諾普科分散劑5040，臨沂云航涂料有限公司；分散劑BYK-180、BYK-191、BYK-2012，消泡劑BYK-094，潤濕劑BYK-346，畢克化學有限公司；增稠劑RM-8W，上海羅門哈斯化工有限公司；成膜助劑，工業級，陶氏化學有限公司；碳酸氫鈉，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；鹽酸，分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 樣品制備

1.2.1 SiO2氣凝膠漿料的制備 將一定配比的分散劑、潤濕劑、消泡劑和去離子水加入長型燒杯中，用磨砂分散兩用機低速攪拌5 min（轉速為350 r/min）后調至特定的pH值。再將適量的SiO2氣凝膠加入上述溶液中，高速分散后制得一定含量的SiO2氣凝膠漿料。

1.2.2 SiO2氣凝膠反射隔熱涂料的制備 稱取10%TiO2、5%滑石粉、8%重鈣加入SiO2氣凝膠漿料中高速分散30 min（1500 r/min），再加入27%純丙乳液、0.2%消泡劑、0.2%成膜助劑低速分散30 min（350 r/min），之后再加入4%中空陶瓷微珠低速分散1 h（800 r/min），最后加入0.6%增稠劑低速分散30 min（350 r/min）后得到SiO2氣凝膠反射隔熱涂料。

1.2.3 涂層的制備 將制備的反射隔熱涂料，用200 μm的線棒涂布器，均勻涂布在150 mm×150 mm×7 mm 的硅酸鈣板上，室溫（25℃）干燥48 h后保養96 h，用于隔熱性能檢測；將樣品反射隔熱涂料均勻涂布在100 mm×100 mm×1.5 mm的聚四氟乙烯模具板上，室溫（25℃）干燥48 h，待樣品完全干透后脫模保養96 h，即可進行涂膜的各項性能測試。

1.3 測試與表征

采用美國Brookhaven公司Zeta Plus型粒度分析儀對SiO2氣凝膠漿料的粒徑進行表征；采用美國PerkinElmer公司Lambda950型紫外可見近紅外分光光度計對SiO2氣凝膠漿料的透過率進行表征；采用沉降試管對SiO2氣凝膠漿料的沉降率進行測量；采用日本Hitachi公司SU8010型高分辨場發射掃描電鏡觀察SiO2氣凝膠在水溶液中的分散效果；采用美國Bruker公司Tensor 2型紅外光譜儀對乳液進行紅外分析；采用德國耐馳公司LFA467型導熱系數儀對隔熱涂層的熱擴散系數進行表征；采用自制隔熱溫差測試箱測試涂層的隔熱溫差，如圖1所示，實驗時將室溫控制在21.5℃，相當于建筑物周圍環境溫度恒定，測試樣板相當于涂了隔熱涂料的外墻，聚苯乙烯泡沫箱相當于建筑物，使用275 W的紅外燈模擬太陽光照射，由熱電偶溫度計可以讀出測試箱內與測試樣板表面的溫差。

2 結果與討論

2.1 分散劑種類對分散效果的影響

圖2顯示了分散劑種類對SiO2氣凝膠漿料平均粒徑的影響。使用磨砂分散兩用機在800 r/min的分散速度下制備分散劑和SiO2氣凝膠含量均為1.0% 的漿料用于粒徑測試。從圖2可看出，使用不同的分散劑，所測出漿料的粒徑存在較大差異，使用BYK-191所測得漿料的平均粒徑小至143 nm，由此得出使用該分散劑可將SiO2氣凝膠最大限度分散于溶液中，分散效果最佳。然而，使用分散劑1124所測得漿料的粒徑最大，可達937nm，表明使用該分散劑時出現SiO2氣凝膠團聚的現象。從圖3可以看出：使用BYK-191所測得漿料的透過率最高，分散效果最好；使用分散劑1124所測得漿料的透過率最低，分散效果最差，與圖2結果一致。其中，BYK-191的主要成分為含有顏料親和基團的高分子量嵌段共聚物溶液，通過空間位阻穩定作用使顏填料解絮凝，以此來達到較好的分散效果。分散劑1124的主要成分為聚丙烯酸銨鹽，通過電荷靜電作用使得顏填料分散均勻，由此可以得出空間位阻穩定作用更有利于SiO2氣凝膠顆粒的分散，且BYK-191是最佳分散劑。

2.2 助劑及分散條件對分散效果的影響

根據上一步實驗結果，選定BYK-191作為分散劑，對SiO2氣凝膠用量、助劑用量以及分散條件進行五因素四水平正交實驗，采用L16（54）正交表優化正交實驗（表1）。基于表1中各項因素和水平，設計正交實驗配方表（表2）。

圖4、5分別是基于表2的配方所測得SiO2氣凝膠漿料的平均粒徑、透過率以及Zeta電位。由圖4可以看出，第1、2、5、6、7、8、11、12組SiO2氣凝膠漿料的平均粒徑在500 nm以下，其中第1組分散效果最佳，第13組分散效果最差。由圖5可以看出，第1、2、5、6、7、8、11、12組SiO2氣凝膠漿料的透過率較高，表明這幾組漿料中SiO2氣凝膠顆粒分散得較為均勻，與圖4結果一致。根據16組實驗測出的平均粒徑，比較SiO2氣凝膠用量、助劑用量以及分散條件對SiO2氣凝膠分散效果的影響，極差分析的數據如表3所示。

由表3可知，5種因素對SiO2氣凝膠分散影響的大小順序為Agt;Dgt;Cgt;Egt;B，即SiO2氣凝膠用量對分散的影響最大，其次是溶液的pH值，助劑用量與分散速度對SiO2氣凝膠分散效果的影響較小。其中，最優水平的組合為A2B3C1D1E4，即SiO2氣凝膠用量為1.0%，分散劑用量為0.75%，潤濕劑用量為0.2%，pH值為6.5，分散速度為800 r/min。由圖6b可以看出，團聚的SiO2氣凝膠在最優實驗條件下被均勻地分散。從圖中可以看出，隨著沉降時間的增長，沉降率不斷增加，并且在前120 min內增長速度較快，之后趨于平緩。隨著分散時間的增加，沉降率不斷降低。這是因為隨著分散時間的增加，SiO2氣凝膠漿料得到更充分攪拌，在外力作用下更多SiO2氣凝膠團聚體被打散，使粒子在介質中充分分散達到穩定的狀態。其中，當分散時間增加至50 min時，與分散時間為40 min的沉降率差距并不顯著，表明此時溶液中SiO2氣凝膠顆粒趨于完全分散的狀態。

2.3 分散速度和分散時間對穩定性的影響

圖7為不同分散速度時SiO2氣凝膠漿料的沉降率隨時間變化曲線。

圖8為分散時長為50 min時，不同分散速度的最終沉降率。可見，當轉速為600 r/min時，沉降率最高，可能是因為此時轉速較小，產生的剪切力不足以將較小的SiO2氣凝膠團聚體分散開；當轉速為800 r/min時，最終沉降率最低，隨著分散速度的增加，沉降率逐漸增加，可能是因為轉速過快，導致SiO2氣凝膠破碎，破碎的SiO2氣凝膠再次發生團聚，導致分散效果變差。

2.4 乳液基料的選擇

對于反射隔熱涂料而言，對乳液基料的要求除了具備聚合物乳液基本物化性能外，還有對可見光與近紅外光的吸收率越低越好，即分子結構中盡可能少含gt;C=O、—C—O—C—等吸能基團。圖9為純丙乳液、苯丙乳液和硅丙乳液的紅外光譜。從圖中可以看出，1164 cm-1 處為醚氧鍵（—C—O—C—）的吸收峰，1731 cm-1 處為酯基中gt;C=O的吸收峰，三種乳液中均存在該兩種吸熱基團，其中純丙乳液在該兩處吸收峰位置處的透過率較低，說明純丙乳液中吸熱基團的含量相對較少，其適合作為反射隔熱涂料中的乳液基料。

圖10展示了不同最低成膜溫度（MFT）下，由純丙乳液制備的乳液涂層和隔熱涂層的外觀。圖10a、b分別為25℃條件下，MFT為25℃ 乳液涂層和隔熱涂層。在這一溫度下，可以觀察到涂層有明顯的開裂現象，這是因為溫度達到25℃時，乳液中的水分揮發后，聚合物粒子仍保持離散狀態，不能融為一體，導致乳液無法因水分的蒸發而形成連續且均勻的涂膜。相比之下，圖10c和d展示了在25℃環境下，由MFT分別為25℃和0℃乳液質量比為1∶1制備的乳液涂層和隔熱涂層。在這種情況下，乳液涂層呈現出連續且透明的特征，而隔熱涂層則無裂紋。這說明當乳液的最低成膜溫度低于25℃時，水分蒸發后，聚合物粒子中的分子能夠滲透、擴散、變形，填補了水分從乳液顆粒間隙中遷移后所留下的空隙，從而形成了一個連續的膜結構。

2.5 SiO2氣凝膠用量對涂層隔熱效果的影響

由圖11可見，未添加SiO2氣凝膠的涂層熱擴散系數較高，說明均勻分散于涂層中的SiO2氣凝膠有著很好的隔熱作用。隨著SiO2氣凝膠用量的增加，熱擴散系數先降低后升高。當SiO2氣凝膠的用量為1.0%時，涂層的熱擴散系數低至0.16 mm2/s，說明此時涂層的隔熱效果最好；當SiO2氣凝膠的用量超過1.0% 時，熱擴散系數逐漸增加，可能是因為涂層中SiO2氣凝膠含量過多，導致粒子間發生團聚，分散性變差，涂層隔熱效果減弱。

由圖12可以看出，覆蓋空白樣板測試箱內的溫度在前40 min內迅速上升，而覆蓋涂有隔熱涂層樣板的測試箱內溫度在前20 min內上升較快，之后緩慢上升，說明SiO2氣凝膠能夠起到阻隔熱量傳遞的作用。由圖13可知，當SiO2氣凝膠的用量為1.0%時，測試箱內溫度最低，與空白組的溫度相差5.8℃，說明適量的SiO2氣凝膠穩定、均勻的分散在涂層中可以最大限度地發揮隔熱作用，而隨著SiO2氣凝膠用量的增加，隔熱效果逐漸減弱。這可能是因為當SiO2氣凝膠含量高于一定值時，過高含量的SiO2氣凝膠會使得其分散均勻程度下降，SiO2氣凝膠粒子部分聚集，涂層的色散效率降低，從而限制了涂層隔熱性能的進一步提高。

3 結論

1）通過正交實驗和單因素實驗，確定在SiO2氣凝膠用量為1.0%，分散劑用量為0.75%，潤濕劑用量為0.2%，pH為6.5，以800 r/min的轉速分散50 min的條件下所制備的SiO2氣凝膠漿料的分散效果最好。

2）用質量分數為1.0% SiO2氣凝膠制備的反射隔熱涂層，其熱擴散系數低至0.16 mm2/s，隔熱溫差高達5.8℃。

［ 參 考 文 獻 ］

［1］ ZHOU B， WANG D. Integrated performance optimization of industrial buildings in relation to thermal comfort and energy consumption： A case study in hot summer and cold winter climate[J]. Case Studies in Thermal Engineering， 2023， 46： 102991.

[2] ALI S F， SHARMA L， RAKSHIT D. Influence of passive design parameters on thermal comfort of an office space in a building in delhi[J]. Journal of Architectural Engineering， 2020（03）：" 26.

[3] 李偉勝， 趙蘇， 呂毅涵. 二氧化硅氣凝膠在反射隔熱涂料中的應用[J]. 電鍍與涂飾， 2020， 39（06）： 316-322.

[4] SUHAIL A， SAMEER A， JAVED N S. Silica centered aerogels as advanced functional material and their applications： A review[J]. Journal of Non-Crystalline Solids， 2023， 611： 122322.

[5] OKAFOR P， TANG G. Study of effective thermal conductivity of a novel SiO2 aerogel composite for high-temperature thermal insulation[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2023， 212： 124242.

[6] 盧斌， 郭迪， 盧峰. SiO2氣凝膠透明隔熱涂料的研制[J]. 涂料工業， 2012， 42（06）： 15-18.

[7] 王煥煥， 狄志剛， 馬勝軍， 等. SiO2氣凝膠隔熱保溫涂料的研制及配套體系的研究[J]. 涂料工業， 2022， 52（03）： 57-64.

[8] SHI B， ZHOU Z， CHEN Y， et al. Preparation and properties of hydrophobic and highly transparent SiO2 aerogels[J]. Ceramics International， 2023， 49（16）： 27597-27603.

[9] 許輝， 汪牡丹， 涂進春， 等. SiO2氣凝膠對復合隔熱涂料性能的影響[J]. 材料導報， 2013， 27（14）： 100-103.

[10] WANG Y， CHU C， DUAN C， et al. Thermal insulation of 3D printed complex and miniaturized SiO2 aerogels at medium-high temperatures[J]. Journal of Non-Crystalline Solids， 2023， 608： 122251.

Study on the Influence of SiO2 Aerogel on AcrylateReflective Thermal Insulation Coatings

PENG Na， ZHANG Gaowen

（Hubei Provincial Key Laboratory of Green Materials for Light Industry，Hubei Univ. of Tech.， Wuhan 430068，" China）

Abstract： In this paper， a new reflective thermal insulation coating was made of acrylic emulsion as the base material， SiO2 aerogel， rutile TiO2 and hollow ceramic microsphere as functional fillers. The effects of SiO2 aerogel dosage， dispersant type and dosage， pH of solution， dispersion speed and time on the dispersion stability of SiO2 aerogel and the influence of SiO2 aerogel dosage on the heat insulation effect of coating were studied. The results show that a uniform SiO2 aerogel slurry could be made under the following conditions： SiO2 aerogel 1.0%， dispersant 0.75%， wetting agent 0.2%， pH 6.5， agitation rate 800r/min， and dispersing time 50 min. The reflective thermal insulation coating containing 1.0% of SiO2 aerogel had a thermal diffusivity as low as 0.16 mm 2/s and a temperature difference of 5.8℃ in thermal insulation test， showing a good thermal insulation effect.

Keywords： thermal insulation coating; acrylic emulsion; SiO2 aerogel; dispersant

［責任編校： 張 眾］

［收稿日期］ 2023-07-06

［第一作者］ 彭 娜（1998-）， 女， 安徽合肥人， 湖北工業大學碩士研究生， 研究方向為隔熱涂料。

［通信作者］ 張高文（1970-）， 男， 湖北武漢人， 工學博士， 湖北工業大學教授， 研究方向為功能高分子材料。