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隔热保温涂料的研究现状及其应用,文章综述了隔热保温涂料的研究进展
2019年12月25日    阅读量:1980    新闻来源:中国牛涂网-涂料,化工,机械,建材,行业资讯门户网站  |  投稿

涂料的应用始于史前,时至今日,涂料领域还在不断发展中。环顾四周,涂料无处不在,其功能性和装饰性跨越众多领域[1-2]。80 年代以来,能源、材料与环境已成为具有时代特征的三大课题[3-4]涂料在线coatingol.com。涂料是保护材料的重要手段,也是对材料进行改性以赋予新性能的最简便方法。


自然,涂料的使用也和能源有一定的关系。因为涂料是对材料的改性或赋予特殊功能最简便的方法,因此特种涂料品种繁多。


特种涂料[5]泛指为特殊用途设计的涂料或称功能性涂料,它是和近代科学技术的发展密切相关的一类涂料[6]。其中,耐高温涂料、高温涂料、隔热涂料等属于热功能性涂料,对其的研究具有一定的基础。


而今,随着能源的日益紧缺,节能降耗成为科技开发的基本目标之一,涂料技术也不例外。为此,高效、薄层、隔热外护一体化的保温涂料是未来的发展趋势[7]。因此,研制耐高温隔热保温涂料具有重要意义。


1 各类隔热保温涂料

涂料的耐热性不仅与有机高聚物基料有关,而且还与组成涂料的颜填料有关[7]。耐热聚合物必须具备以下三个条件:

(1)必须具有较好的物理稳定性(即较高的玻璃化温度Tg和熔化温度Tm);

(2)必须具有高的热化学稳定温度Tg;

(3)必须具有耐氧化性和耐臭氧化性。

要获得较高温度的耐热涂料,必须加入耐热的无机涂料,采用有机物与无机物相结合的方法来提高涂料的耐热温度。涂料的隔热性是要求涂料在较高的温度条件下具有保护作用。作为隔热涂料的基料树脂,应是具有烧蚀作用的有机聚合物,其组分应具有吸热、散热和隔热能力。同时,在涂料中加入耐热隔热填料(如空心玻璃粉)和具有阻燃作用的三氧化二锑、氯化橡胶等,对涂料的隔热也起到一定作用。涂料的保温性是要求涂料具有在一定温度下能蓄热、贮能、隔热等保温材料的效果。中国传统的保温材料是以提高气相孔隙率,降低导热系数和传导传热为主。纤维类保温材料在使用环境中要使对流传热和辐射传热降低,必须有较厚的覆层;型材类无机保温材料要拼装施工,存在接缝多、影响美观、防水性差、使用寿命短等缺点。


1.1 耐高温无机涂料

无机涂料由于有耐高温、粘结强度优良、成本低廉、热膨胀系数小、耐久性极佳、不污染环境等优点成为极有发展前途的涂料。中国计量学院以硅酸钠溶液改性的羟甲基纤维素为基料,添加适量的SiO2、CoO、TiO2 和皂土等,研制成耐高温无机涂料。将其涂覆在合金铸件表面1~2 h 后,放入马弗炉内在100~1100 ℃下涂层不炭化,不龟裂,合金铸件不易氧化,耐高温时间达240 h,且无毒无味,不污染环境。硅酸钠的成膜主体是胶体SiO2,在水溶液中水解成硅酸或与空气中的CO2 发生作用,形成硅酸并逐渐干燥而固化。由于涂膜中大量的游离的钠离子和OH-可以进入水中,所以钠水玻璃溶于水;反应形成高度交联的-Si-O-Si-无机涂层当中,Si-O 键的脆性大,因而涂膜易收缩干裂[9]。所以可以对硅酸盐进行改性[10]。


1.2 有机硅耐高温隔热涂料

有机硅涂料[11-13]通常是用纯有机硅树脂或经过改性后的有机硅树脂为基料配以无机耐高温的骨料或填料制成的,它具有耐潮湿、耐酸碱、耐辐射等性能,并且其清漆可乃200~250 ℃高温,若加入金属粉末、玻璃料等填料制成的涂料可耐300~700 ℃。据文献报道,有机硅树脂能很好地抵抗100 ℃时10 %的硝酸、50 %的硫酸及浓盐溶液的作用[14]。


由于有机硅树脂结构中既有Si-O-Si 的无机结构,又有有机基团,所以具有无机物和有机物的双重性能[15]。为配合不同的实际工业环境,科研工作者相继开发出纯有机硅树脂和改性有机硅树脂。


如日本龟田化工工业公司采用纯有机硅树脂加入无机填料和玻璃料配制成能耐500~600 ℃的高温涂料[14],美国道康宁公司用DC-805 和DC-806 有机硅树脂混合物与铝粉浆配制耐650 ℃的涂料用在飞机换热器上[15]。


在实际应用中,有时需要不加任何填料颜料,山东大学用四苯基三乙氧基硅烷与硼酸或硅酸共缩合,研制成一种耐热的有机硅树脂清漆,其清漆涂于铜片上,光泽明亮,经500 ℃高温,10 h 后铜片不被氧化,涂层保持光泽,烘烤后铜片测试附着力仍为一级,耐冲击强度为50 kg•cm[14]。纯有机硅树脂存在价格偏高,附着力和耐有机溶剂性能差的缺点,而且固化温度偏高(250~300 ℃),固化时间长,不便于大型设备的涂装、施工等问题,针对这些问题常用其它树脂进行改性来弥补其缺点[16]。


1.2.1 环氧-有机硅共聚树脂涂料

有机硅树脂具有低温柔韧性(Tg=-120 ℃)、低表面能、耐热、耐候、憎水、介电强度高等。但其机械性能、附着力、耐磨性、耐有机溶剂较差、成本高。然而环氧树脂具有优良的机械性能、电气性能、化学性能、粘接性能以及易成型加工、成本低廉等优点,而广泛用于涂料、粘合剂、电子电气绝缘以及先进复合材料的基体中。


用环氧树脂改性有机硅形成立体网状结构,生成类似无机硅酸盐结构的硅-氧键的键能(372.6 kJ/mol)比碳-碳键的键能(242.8 kJ/mol)大得多,从而使改性的环氧树脂的耐热性提高;在环氧内引入柔性链段进行增韧;用低表面能的有机硅部分敷于树脂表面,使高表面能的环氧树脂防水、防油性能得到改观。对该涂料的研究有新型耐高温纳米防护涂料等,是以环氧树脂化学改性有机硅树脂为基体材料,纳米粒子为填料并采用了常温固化体系。


1.2.2 聚氨酯改性有机硅树脂涂料

聚有机硅氧分子中的烷氧基与聚氨酯预聚物中的部分羟基进行酯交换反应可制得聚氨酷改性有机硅树脂。安徽大学利用一系列低分子质量的a,w-二羟基聚二甲基硅氧烷齐聚物及1,3-二(3-羟丙基)四甲基二硅烷,制成了分子量可以控制的a,w-二羟基聚二甲基硅氧烷低聚物,使之与聚氨酯预聚物体共聚形成聚氨酯-有机硅嵌段共聚物[17],刘俊峰[18]用丙三醇和蓖麻油聚氨酯改性有机硅,在保持有机硅树脂许多原有优良性质基本不变的前提下,可以使其附着力,耐候性和固化性质得到改善。


1.2.3 酚醛改性硅树脂涂料

改性后的酚醛-硅树脂加入适当的填料和助剂制成的涂层,具有优良的耐磨性、耐酸性[19]。据文献报道[20],酚醛改性有机硅树脂可长期工作在350 ℃左右。


1.2.4 丙烯酸改性树脂涂料

在各种改性硅树脂中丙烯酸改性后的硅树脂具有优异的耐候性。丙烯酸改性硅树脂主要采用化学方法,而且主要是由含C-OH 键(主要为CH-OH)的耐热丙烯酸树脂与含SiOH 或SiOR 的多官能硅烷或硅树脂的中间体通过缩合反应而得。由于丙烯酸树脂对硅树脂的相溶性优于其它有机树脂,因而其改性也可通过物理混合法配制。浙江工业大学采用有机硅氧烷原位接枝聚合改性丙烯酸树脂的方法提高了聚硅氧烷和丙烯酸树脂的相溶性,该改性树脂既保留了丙烯酸树脂的优良物理机械性能,又提高了耐热性、耐溶剂性和耐盐雾性[21]。


1.3 空心玻珠保温涂料

空心玻珠[22]是一种轻质、高强的空心玻璃微球,细度在几十至几百微米。一般可以承受-268 ℃至483 ℃的温度范围,具有耐水汽、不吸湿、耐腐蚀、自身不产生腐蚀,在高温和水汽环境中自身稳定,较高的耐压强度,抗微生物侵蚀等显著优点。由于中空的特性,与普通的玻璃微珠相比,具有质量轻、绝热性能好等特点,是一种非常理想的绝热材料。由于其体积较小,相当或约大于涂料填料的细度,因而可以以填料的方式引入涂料配方体系,使涂料固化形成的涂膜具有保温材料的共性,既质量较轻、中空等特性。以丙烯酸乳液为基料,空心玻珠为填料制得的涂料,具有较为明显的节能减耗作用[23]。


2 各类温控涂料的应用

2.1 在建筑行业的应用

建设部发布了《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》,2006 年强制新建建筑采用隔热保温措施,要求节能60 %以上[24]。建筑物的能耗系指建筑物在使用过程中的能耗,主要包括采暖、通风、空调、照明、炊事燃料、家用电器和热水供应等能耗,其中以采暖和空调为主,因此,建筑物节能的重点就是降低采暖和降温的能耗。保温涂料的作用就是对建筑物的维护结构实施保温,以减少建筑物内部结构的能量损失,达到节能的目的[25-26]。


根据涂施的位置不同,保温涂料可分为建筑外墙外保温涂料和建筑外墙内保温涂料。在室内外温差的作用下,导热系数大的材料会形成热流密集(称为热桥)。采用外墙内保温不能避免热桥的产生,且外墙内保温的墙面上难以吊挂物体,影响用户的二次装修。


外保温涂料处于建筑物维护结构的最外层,能够形成一个封闭的保温涂层体系,采用高效保温材料后,能够有效地切断纵墙、柱、楼板和梁等部位产生的结构性热桥。如果将窗、门口侧面及外部连接件做好相应的保温处理,围护结构就形成全封闭的保温体系,达到全面降低建筑物能耗的目的[27-28]。


现有研究者[29]研制的一种多功能外墙保温涂料是以膨胀珍珠岩、石棉纤维和海泡石粉为基料,辅以增稠剂、助剂及粘结剂按一定比例,经过破碎、筛选过滤、表面处理、高速短切、慢速搅拌而制成的粘稠状浆体。其保温机理就是利用产品中高气孔率密闭气孔中静止空气的低导热率达到保温的目的。还有研究[30]以有机硅改性丙烯酸乳液为基料,不透明、空心微珠和红外辐射功能颜料制备建筑反射隔热保温涂料。


也由报道将陶瓷隔热保温涂料应用于外墙的涂装,该材料为水基液体为涂料,由超细的空心陶瓷微珠经预处理和和高品质乳液调配而成。其主要特性是:空心微珠成型于涂料涂层中,使涂层具有极高的热反射率[31-32]和发射率,从而形成良好的隔热效果[33-34]。


2.2 在化工工业上的应用

高温管道上涂覆耐高温隔热保温涂料,可减少一部分热能的散失,节省能耗。也可用于给类钢制、钢筋混凝土质的罐体、管线以及机械、设备的隔热(保温)处理,如优点储油罐、输油管道以及其它石油化工企业需要进行隔热(保温)处理的机械、设备、管线等领域[35]。


2.3 在汽车领域的应用

除了拥有汽车涂料本身的作用[36],更重要的是在车身及部件应用温控涂料,能改善车内的环境,而缓解车内高温环境,提供一个相对舒适的车内温度,而后,打开空调即能降低其能源的损耗。特别是在汽车上应用相变涂料,不仅能缓解高温环境,在涂料中应用不同相变点的PCM 亦能控制寒冷环境下的车内温度,提高舒适度。

隔热保温涂料的研究现状及其应用


骆琼宇1,侯琳熙1,胡富陶1,孙永德2

(1.宁波大学,浙江 宁波 315211;2.宁波江北固得牢涂料厂,浙江 宁波 315020)


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