CN104152029B

CN104152029B - 一种耐高温纳米孔保温涂料及制备方法

Info

Publication number: CN104152029B
Application number: CN201410434538.3A
Authority: CN
Inventors: 张伟; 石干; 王刚; 闫宁波
Original assignee: Sinosteel Luoyang Institute of Refractories Research Co Ltd
Current assignee: Sinosteel Luoyang Institute of Refractories Research Co Ltd
Priority date: 2014-08-29
Filing date: 2014-08-29
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2034-08-29
Also published as: CN104152029A

Abstract

本发明属于高温节能涂料领域，具体涉及一种耐高温纳米孔保温涂料及制备方法。所述涂料由以下重量份的组分组成：气凝胶粉末5-15份，填料10-20份，长度为1-3mm的短纤维5-10份，成膜物质30-40份，溶剂10-50份；另外加入0.1-0.2份的分散剂、0.15-0.3份的偶联剂和0.05-0.15份的消泡剂。本发明耐高温纳米孔保温涂料的有益效果是：1）低热导率；2）耐高温；3）高温下（600℃以上）与基体粘接力强；4）工艺简单。

Description

一种耐高温纳米孔保温涂料及制备方法

技术领域

本发明属于高温节能涂料领域，具体涉及一种耐高温纳米孔保温涂料及制备方法。

技术背景

当今世界矿物资源能源日益短缺，严重威胁着世界工业的发展。工业窑炉耗能约占总能耗的25％～40％，主要是由于热量通过炉衬和炉外壁损蚀，因此，开发出应用在工业窑炉内壁的耐高温高效节能保温涂料，从而减少热量通过炉衬和炉外壁损蚀对提高资源利用率具有重要意义。

纳米孔隔热材料是指材料内部的孔直径在纳米尺寸的多孔材料。纳米孔隔热材料的隔热原理主要体现在以下几个方面。首先，纳米颗粒之间的接触面积较小，因此，其热导率也较其他隔热材料小；其次，根据分子运动及碰撞理论，气体传热主要是通过高温侧的高速分子与低温侧的低速分子相互碰撞来实现的，由于空气中主要成分N₂和O₂的平均自由程为70nm左右，所以当材料内部的孔径小于这一临界尺寸时，气体分子的对流传热被抑制，从而获得比无对流空气更低的热导率。目前，国内外高温窑炉上用的耐高温隔热涂料种类繁多，但大多在技术性能和使用效果上并不理想，主要是因为所制备保温涂料内部的孔结构处在宏观尺度，热导率较高，隔热效果不够理想；另一方面采用泡沫塑料为原料使用温度不高，主要是用在热水管道和建筑行业。发明专利“一种纳米陶瓷耐高温保温涂料及其制备方法和应用”（专利申请号：200610113748.8）是以陶瓷微珠、珍珠岩、玻璃微珠等为主要原料，这些原料内部孔径都在宏观尺度，属于传统隔热材料，纳米材料需要经过搅拌、干燥脱水和研磨而成，工艺比较复杂。发明专利“一种纳米保温涂料”（专利申请号：201210554146.1）主要以纳米磷酸铝、纳米氧化锰、纳米氧化锆、纳米碳化钛、纳米珍珠岩、纳米硅酸钙粉为原料，制备的涂料只能用在常温或中低温环境，用在高温环境这些原料容易被烧结、晶体长大失去纳米材料的性质。发明专利“一种耐高温隔热涂料”（专利申请号：201310245274.2）选用耐热树脂、中空微球无机填充物，针状堇青石粉，石墨、二硫化钼为原料，此隔热涂料的孔径较大，石墨原料的热导率较高并且高温下易氧化，因此使用温度不高。如果能实现保温涂料在高温下能保持纳米孔结构的性质，对提高工业窑炉的节能有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种耐高温纳米孔保温涂料及制备方法。

本发明目的是通过以下技术方案实现的：

一种耐高温纳米孔保温涂料，所述涂料由以下重量份的组分组成：气凝胶粉末5-15份，填料10-20份，长度为1-3mm的短纤维5-10份，成膜物质30-40份，溶剂10-50份，另外加入0.1-0.2份的分散剂、0.15-0.3份的偶联剂和0.05-0.15份的消泡剂。

所述填料为纳米氧化硅粉、纳米氧化铝粉、纳米氧化锆粉中的一种或几种任意比例混合。

所述气凝胶粉末为中山科邦化工材料技术有限公司生产的具有纳米孔隙结构的二氧化硅气凝胶粉末，粉末粒径大小为1-100微米。

所述短纤维为氧化锆晶体纤维、氧化铝晶体纤维、莫来石晶体纤维和高铝纤维中的一种或几种。

所述成膜物质为有机硅树脂乳液、聚氨酯树脂、丙烯酸树脂、硅溶胶和苯丙乳液中的一种或几种任意比例混合。

所述溶剂为酒精或去离子水中的一种或两种；所述分散剂为三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、聚丙烯酸铵和德国巴斯夫公司生产的聚乙二醇型减水剂CAMTMENTFS10中的一种；所述偶联剂为硅烷偶联剂；所述消泡剂为有机硅消泡剂或者聚醚改性硅消泡剂中的一种。

本发明中所用到的原料都可以在市场上买到，规格符合国家或行业标准。

上述耐高温纳米孔保温涂料的制备方法，其制备方法是：按照配比称取溶剂和分散剂放入高速搅拌机中以500-1000rpm的转速搅拌5-10分钟，使分散剂充分溶解于溶剂中；按配比加入纳米级填料粉末以5000-8000rpm的转速搅拌，高转速和分散剂共同作用将纳米粉末部分软团聚充分打开，均匀分布在溶剂里，搅拌10-30分钟后加入相应量的二氧化硅气凝胶以相同的转速再搅拌10-30分钟，一方面可以使气凝胶粉末充分分散开，另一方面将纳米粉末和气凝胶粉末均匀的混合在一起；然后加入成膜物质以1000-2000rpm的转速搅拌10-30分钟，成膜物质中含有乳液如果转速太高容易导致乳液破乳而失去应有的作用；最后按配比依次加入短纤维、消泡剂和偶联剂以1000-2000rpm的转速搅拌30-60分钟，即得到耐高温纳米孔保温涂料。

短纤维在涂层中起到骨架作用，一方面可以保持涂料的稳定性，另一方面可以减少涂层的高温烧结收缩、降低涂层的高温热导率和阻碍涂层开裂的作用；消泡剂可以消除涂料中的泡沫提高涂料的流动性；偶联剂可以提高涂层与基体（涂料所要涂刷的材料）的常温粘接性，阻碍涂层开裂。

本发明的目的在于保温涂料内部形成纳米孔结构。本发明选用二氧化硅气凝胶为主要原料，另外加入一些纳米粉末为填充物，以长度为1-3mm的短纤维为骨架形成纳米孔网络结构。SiO₂气凝胶粉末具有复杂的纳米尺度孔隙结构，SiO₂气凝胶与大孔洞的多孔材料不同，其纤细的纳米结构使得材料的热导率极低，具有极大的比表面积，对光、声的散射均比传统的多孔性材料小得多。SiO₂气凝胶的纳米孔隙和纤维多孔网络结构的弯曲路径分别阻止了空气的气态热传导和凝胶骨架的固态热传导,通过掺杂纳米粉末还可以阻隔热辐射。这3方面共同作用，几乎阻断了热传递的所有途径，使SiO₂气凝胶起到很好的绝热效果。SiO₂气凝胶的导热系数在0.013W/(m﹒K)以下,远低于常温下静态空气的导热系数[0.025W/(m﹒K)]，且具有密度低、防水阻燃、绿色环保、防酸碱耐腐蚀、不易老化、使用寿命长等特点。本发明选用SiO₂气凝胶和纳米粉末作为制备纳米孔保温涂料的原料，可以使涂层具备纳米孔的结构特点，具有超低的热导率，并且SiO₂气凝胶粉属于松散状的无机材料，再加上耐高温纤维和纳米填料可以保证涂料在高温下使用。

本发明技术的难点在于SiO₂气凝胶的分散性和高温下的烧结收缩。SiO₂气凝胶属于相互连接固体胶粒，经过表面改性和处理做成高度疏水性能的SiO₂气凝胶粉末，气凝胶粉末在溶剂中经过高速搅拌和分散剂分散，其分散效果也不是十分理想。本发明中将纳米粉末和分散剂充分搅拌后再和SiO₂气凝胶一起搅拌，分散剂将纳米粉末和部分软团聚的气凝胶分散开，分散开的纳米粒子填充到气凝胶内部通过高速搅拌将大部分气凝胶软团聚打开，这样可以实现纳米粉末和SiO₂气凝胶分散良好。SiO₂气凝胶都是由胶体粒子组成，在高温下（超过600℃）使用容易产生烧结收缩造成涂层的开裂和脱落，影响使用性能。本发明将耐高温的短纤维加入到保温涂料中，在涂层内起到骨架的作用，一方面起到阻碍气凝胶烧结收缩的作用，另一方面提高涂层的强度和气孔率降低导热系数。

本发明耐高温纳米孔保温涂料的有益效果是：

1）低热导率。本发明选用具有纳米孔结构的二氧化硅气凝胶为主要原料，二氧化硅气凝胶的热导率在0.013W/(m﹒K)以下，可以使涂层具有较低的热导率。另外，本发明选用的纳米粉末为填料与气凝胶相互堆积可形成纳米孔结构，在涂料中添加短纤维不仅可以提高涂层的强度而且可以降低涂层的热导率。

2）耐高温。本发明选用几种无机材料相结合，涂料中选用纤维来减小涂层收缩，选用耐高温的无机填料来提高涂层的使用温度，本发明所制备的涂料最高使用温度可达1000℃。

3）高温下（600℃以上）与基体粘接力强。大部分保温涂料使用温度不高一方面是因为涂料本身以有机物为主，孔结构是靠有机物来形成的；另一方面选用有机结合剂，当温度过高时涂层容易脱落。本发明选用的纳米级填料在高温下能与耐火材料基体相互渗透、烧结为一体可保证涂层与基体连接紧密，涂层不脱落。

4）工艺简单。本发明所用原料不需要经过混合、烘干、破碎和研磨，涂料一次搅拌即可使用。

具体实施方式

结合给出的实施例对本发明加以说明：

实施例1：一种耐高温纳米孔保温涂料，由如下重量份组成，纳米孔结构的二氧化硅气凝胶5份、纳米氧化锆3份、纳米氧化硅10份、纳米氧化铝7份、氧化铝晶体短纤维2份、莫来石晶体短纤维3份、高铝短纤维(Al₂O₃≥40w%)5份、有机硅树脂30份、去离子水30份、酒精5份，德国巴斯夫公司生产的聚乙二醇型减水剂CAMTMENTFS10分散剂0.15份、硅烷偶联剂0.3份、有机硅消泡剂0.05份。

按照上述配比称取去离子水、酒精和分散剂放入高速搅拌机中以500rpm的转速搅拌10分钟后加入相应的纳米氧化锆、氧化铝和氧化硅粉末以8000rpm的转速搅拌30分钟后，加入相应量的二氧化硅气凝胶以8000rpm的转速再搅拌10分钟；然后加入有机硅树脂以2000rpm的转速搅拌30分钟；最后按配比依次加入短纤维、有机硅消泡剂和硅烷偶联剂以2000rpm的转速搅拌30分钟，即得到耐高温纳米孔保温涂料。

实施例2：一种耐高温纳米孔保温涂料及制备方法，由如下重量份组成，纳米孔结构的二氧化硅气凝胶10份、纳米氧化硅10份、纳米氧化铝7份、莫来石晶体短纤维3份、高铝短纤维(Al₂O₃≥40w%)2份、聚氨酯树脂40份、去离子水10份、酒精18份，外加德国巴斯夫公司生产的聚乙二醇型减水剂CAMTMENTFS20分散剂0.2份、硅烷偶联剂0.15份、有机硅消泡剂0.15份。

按照上述配比称取去离子水、酒精和分散剂放入高速搅拌机中以1000rpm的转速搅拌5分钟后加入相应的纳米氧化铝和氧化硅粉末以8000rpm的转速搅拌10分钟后，加入相应量的二氧化硅气凝胶以8000rpm的转速再搅拌30分钟；然后加入聚氨酯树脂以1000rpm的转速搅拌10分钟；最后按配比依次加入莫来石晶体短纤维和高铝短纤维、有机硅消泡剂和硅烷偶联剂以1000rpm的转速搅拌60分钟，即得到耐高温纳米孔保温涂料。

实施例3：一种耐高温纳米孔保温涂料及制备方法，由如下重量份组成，纳米孔结构的二氧化硅气凝胶15份、纳米氧化硅10份、氧化锆晶体短纤维3份、高铝短纤维(Al₂O₃≥40w%)2份、聚氨酯树脂30份、硅溶胶10份、去离子水30份、酒精10份，德国巴斯夫公司生产的聚乙二醇型减水剂CAMTMENTFS10分散剂0.15份、硅烷偶联剂0.3份、聚醚改性硅消泡剂0.05份。

按照上述配比称取去离子水、酒精和分散剂放入高速搅拌机中以800rpm的转速搅拌10分钟后加入相应的纳米氧化硅粉末以6000rpm的转速搅拌20分钟后，加入相应量的二氧化硅气凝胶以6000rpm的转速再搅拌20分钟；然后加入聚氨酯树脂和硅溶胶以800rpm的转速搅拌15分钟；最后按配比依次加入氧化锆晶体短纤维和高铝短纤维、聚醚改性硅消泡剂和硅烷偶联剂以800rpm的转速搅拌45分钟，即得到耐高温纳米孔保温涂料。

实施例4：一种耐高温纳米孔保温涂料及制备方法，由如下重量份组成，纳米孔结构的二氧化硅气凝胶10份、纳米氧化锆5份、纳米氧化硅10份、纳米氧化铝5份、氧化铝晶体短纤维5份、莫来石晶体短纤维(Al₂O₃≥40w%)5份、丙烯酸树脂30份、硅溶胶20份、去离子水25份，外加三聚磷酸钠分散剂0.15份、硅烷偶联剂0.2份、聚醚改性硅消泡剂0.1份。

按照上述配比称取去离子水和分散剂放入高速搅拌机中以500rpm的转速搅拌5分钟后加入相应的纳米氧化锆、氧化铝和氧化硅粉末以5000rpm的转速搅拌10分钟后，加入相应量的二氧化硅气凝胶以5000rpm的转速再搅拌30分钟；然后加入丙烯酸树脂和硅溶胶以1000rpm的转速搅拌10分钟；最后按配比依次加入氧化铝和莫来石晶体短纤维、有机硅消泡剂和硅烷偶联剂以1000rpm的转速搅拌30分钟，即得到耐高温纳米孔保温涂料。

实施例5：一种耐高温纳米孔保温涂料及制备方法，由如下重量份组成，纳米孔结构的二氧化硅气凝胶10份、纳米氧化锆10份、纳米氧化硅5份、纳米氧化铝5份、氧化锆晶体短纤维2份、莫来石晶体短纤维3份、苯丙乳液30份、硅溶胶15份、酒精40份，聚丙烯酸铵分散剂0.15份、硅烷偶联剂0.2份、有机硅消泡剂0.05份。

按照上述配比称取酒精和分散剂放入高速搅拌机中以600rpm的转速搅拌8分钟后加入相应的纳米氧化锆、氧化铝和氧化硅粉末以7000rpm的转速搅拌10分钟后，加入相应量的二氧化硅气凝胶以7000rpm的转速再搅拌25分钟；然后加入苯丙乳液和硅溶胶以1500rpm的转速搅拌10分钟；最后按配比依次加入氧化锆和莫来石晶体短纤维、有机硅消泡剂和硅烷偶联剂以1500rpm的转速搅拌50分钟，即得到耐高温纳米孔保温涂料。

实施例6：一种耐高温纳米孔保温涂料及制备方法，由如下重量份组成，纳米孔结构的二氧化硅气凝胶5份、纳米氧化铝粉20份、高铝短纤维(Al₂O₃≥40w%)10份、丙烯酸树脂10份、苯丙乳液25份、去离子水20份、酒精15份，六偏磷酸钠分散剂0.2份、硅烷偶联剂0.2份、聚醚改性硅消泡剂0.1份。

按照上述配比称取去离子水、酒精和分散剂放入高速搅拌机中以1000rpm的转速搅拌7分钟后加入相应的纳米氧化铝粉末以6000rpm的转速搅拌15分钟后，加入相应量的二氧化硅气凝胶以6000rpm的转速再搅拌25分钟；然后加入丙烯酸树脂和苯丙乳液以1600rpm的转速搅拌10分钟；最后按配比依次加入高铝短纤维、聚醚改性硅消泡剂和硅烷偶联剂以1600rpm的转速搅拌35分钟，即得到耐高温纳米孔保温涂料。

实施例7：一种耐高温纳米孔保温涂料及制备方法，由如下重量份组成，纳米孔结构的二氧化硅气凝胶10份、纳米氧化硅20份、莫来石晶体短纤维3份、高铝短纤维(Al₂O₃≥40w%)2份、聚氨酯树脂30份、去离子水20份、酒精30份，外加德国巴斯夫公司生产的聚乙二醇型减水剂CAMTMENTFS10分散剂0.1份、硅烷偶联剂0.15份、有机硅消泡剂0.15份。

按照上述配比称取去离子水、酒精和分散剂放入高速搅拌机中以7000rpm的转速搅拌5分钟后加入相应的纳米氧化铝和氧化硅粉末以5000rpm的转速搅拌30分钟后，加入相应量的二氧化硅气凝胶以5000rpm的转速再搅拌30分钟；然后加入聚氨酯树脂以1000rpm的转速搅拌10分钟；最后按配比依次加入莫来石晶体短纤维和高铝短纤维、有机硅消泡剂和硅烷偶联剂以1000rpm的转速搅拌60分钟，即得到耐高温纳米孔保温涂料。

Claims

1.一种耐高温纳米孔保温涂料，其特征在于所述涂料由以下重量份的组分组成：气凝胶粉末5-15份，填料10-20份，长度为1-3mm的短纤维5-10份，成膜物质30-40份，溶剂10-50份，另外加入0.1-0.2份的分散剂、0.15-0.3份的偶联剂和0.05-0.15份的消泡剂；一种耐高温纳米孔保温涂料的制备方法，按照配比称取溶剂和分散剂放入高速搅拌机中以500-1000rpm的转速搅拌5-10分钟，使分散剂充分溶解于溶剂中；按配比加入填料以5000-8000rpm的转速搅拌，高转速和分散剂共同作用将填料部分软团聚充分打开，均匀分布在溶剂里，搅拌10-30分钟后加入气凝胶粉末以相同的转速再搅拌10-30分钟，一方面可以使气凝胶粉末充分分散开，另一方面将纳米粉末和气凝胶粉末均匀的混合在一起；然后加入成膜物质以1000-2000rpm的转速搅拌10-30分钟；最后按配比依次加入短纤维、消泡剂和偶联剂以1000-2000rpm的转速搅拌30-60分钟，即得到耐高温纳米孔保温涂料；所述气凝胶粉末为具有纳米孔隙结构的二氧化硅气凝胶粉末，粉末粒径为1-100微米；所述填料为纳米氧化硅粉末、纳米氧化铝粉末、纳米氧化锆粉末中的一种或几种任意比例的混合物。

2.如权利要求1所述的一种耐高温纳米孔保温涂料，其特征在于所述短纤维为氧化锆晶体纤维、氧化铝晶体纤维、莫来石晶体纤维和高铝纤维中的一种或几种。

3.如权利要求1所述的一种耐高温纳米孔保温涂料，其特征在于所述成膜物质为有机硅树脂乳液、水性聚氨酯树脂、水性丙烯酸树脂、硅溶胶中的一种或几种任意比例混合。

4.如权利要求1所述的一种耐高温纳米孔保温涂料，其特征在于所述溶剂为酒精和去离子水中的一种或两种。

5.如权利要求1所述的一种耐高温纳米孔保温涂料，其特征在于所述分散剂为三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、聚丙烯酸铵和聚乙二醇型减水剂中的一种；所述偶联剂为硅烷偶联剂；所述消泡剂为有机硅消泡剂。