张科（广东青龙新材料有限公司/广西青龙化学建材有限公司）

 

摘要：硅气凝胶是一种具有三维网状结构的新型材料，具有具有质轻，保温隔热，防火隔音等多种功能，使用气凝胶作为特种功能填料将其与聚合物如何混合制备的硅气凝胶涂料具有优异的防水及保温隔热效果。

文章阐述了气凝胶的基本概念，并通过常压干燥法制备出气凝胶粉体，再使用气凝胶粉体，及其他助剂复配制备出集防水隔热为一体的新型功能涂料，保温及防水性能优异。

关键词：二氧化硅气凝胶；防水隔热；节能

 

1.气凝胶基本概念

 

在我国建筑能耗占全社会能耗超过30%，降低新建建筑能耗迫在眉睫，目前市面常用节能材料多为聚氨酯泡沫，岩棉，聚苯乙烯等传统有机材料，这些传统材料始终无法在隔热及防水防火性能上兼顾，保证了隔热防火可能又会带你吸水率高的问题。因此急需一种具有优异隔热及防水防火性能的新型建筑材料用于建筑的节能降耗，气凝胶作为21世纪新型材料则为建筑节能指明了新道路，气凝胶根据制备原材料不同可以分为硅系，碳系，硫系，金属氧化物等，目前在建筑节能方面以二氧化硅气凝胶及其复合材料为主。

 二氧化硅气凝胶是一种具备纳米多孔网状结构的固体材料，因其密度极小，被誉为世界上最轻的固体材料，也被称为“冻结的烟”。二氧化硅气凝胶因其纤细的的纳米多孔结构和高比表面积，导致气凝胶导具有极低的热系数，最低可达0.013W/（m.k）^[1]。

热量的传递方式有三种：热传导，热对流，热辐射，一般情况下，固体的热传递方式以热传导为主，但对于二氧化硅气凝胶而言，它特殊的纳米空隙结构使得其同时具备三种传递形式，但三种传递形式热传导率都很低。

在热传导方面，由于二氧化硅气凝胶无数纳米空隙的存在，热量的传递只能沿着气凝胶的气孔壁进行传递，由于孔隙无限多，其对应的气孔壁也就形成了近乎无穷的传递通道，在这无穷传递的过程中热能被逐渐消耗，最终表现出气凝胶材料热传导能力低的特点。

热对流即流体之间通过相对运动将热量从高温区域传递到低温区域。气体的分子平均运动自由程为70nm，而二氧化硅气凝胶空隙多为70nm以下，虽然气凝胶的纳米孔隙内充斥着大量气体，但因孔隙太小，使得气体分子无法自由流动，无法形成良好的对流运动，热对流传导率非常小，产生”零对流”效应。

热辐射方面，二氧化硅气凝胶内部的纳米孔隙接近无限多，孔隙壁可以起到“遮阳板”作用，无数的的孔隙壁则相当于无数多的遮阳板，从而将二氧化硅气凝胶的热辐射传导率降到了最低^[2]。 

同时二氧化硅气凝胶在合成过程中会进行疏水改性，因此二氧化硅气凝胶整体具有很强的疏水性。鉴于二氧化硅气凝胶防火隔热又防水的优异性能，本文以以水性聚氨酯，二氧化硅气凝胶为主要原材料，并与其他功能助剂复配制得具备防水隔热工能的二氧化硅气凝胶涂料。 

2.二氧化硅气凝胶及其涂料的制备 

2.1主要原料

去离子水 自制，水玻璃 M324 佛山大沥中发水玻璃厂，甲酰胺、乙醇、乙酸、六甲基二硅醚 分析纯 国药集团化学试剂有限公司，亲水改性剂、脂肪族水性聚氨酯 自制，分散剂 BYK154 德国毕克，消泡剂 CF-16 布莱克本（中国）有限公司 

2.2气凝胶制备

1、将去离子水、水玻璃、甲酰胺、乙二醇按照质量比1:3:1混合，开动搅拌恒温在50℃反应2.5小时，最后使用10%乙酸调节PH至12-13后静置2小时制的二氧化硅凝胶体。

2、将去离子水和无水乙醇按照质量比1:5配置成老化液，将所得的二氧化硅凝胶体至于老化液中老化24小时

3、六甲基二硅醚和正己烷按照质量比1:10配制成改性液，将完成老化的硅凝胶放入改性液中，每24小时更换一次改性液，重复2次，完成改性。

4、将改性完成的二氧化硅气凝胶放入70℃的恒温干燥箱内，干燥48小时得到具有疏水性的二氧化硅气凝胶成品。

2.3二氧化硅气凝胶涂料制备

将二氧化硅气凝胶进行亲水改性，依次称量完成亲水改性的二氧化硅气凝胶，去离子水，分散剂；将去离子水，分散剂依次加入脂肪族水性聚氨酯内搅拌分散均匀，然后缓慢加入称量好的二氧化硅气凝胶，高速分散30分钟，最后加入称量好的消泡剂低速搅拌5分钟，最后制得具有隔热防水隔热功能的二氧化硅气凝胶涂料。将制的涂料在恒温恒湿室制版养护并检测。 

3.  结果与讨论

3.1二氧化硅气凝胶含量对涂料导热系数的影响

通过依次改变涂料中二氧化硅气凝胶含量（质量分数），得出涂料导热系数随二氧化硅气凝胶含量变化的关系如下图：

      

                                     图表3.1.1

通过表3.1.1随着气凝胶含量的增加涂料的导热系数是呈下降趋势的，当二氧化硅气凝胶含量为25%时，涂料的导热系数为0.03w/(mk),当气凝胶含量超过30%时导热系数反而升高，通过分析我们可知，二氧化硅气凝胶颗粒众多的的纳米孔隙结构使得热量的三种传导方式热传导，热对流，热辐射都非常弱，而气凝胶含量的增加会进一步减弱上述三种传导方式，从而使得涂料的导热系数较低。另一方面热量也可能通过涂料中的成膜物质水性聚氨酯进行传递，相对于气凝胶，水性聚氨酯热导率很大，所以必须相对增加二氧化硅气凝胶的用量来降低涂料整体的导热系数。

但是气凝胶含量超过一定比例过后涂膜的流动性变差，成膜性变差，涂膜表面会出现开裂现象，导热系数升高，通过综合对比本次涂料制备气凝胶含量控制在25%。

3.2二氧化硅气凝胶对涂膜吸水率的影响                                   

通过依次改变涂料中二氧化硅气凝胶含量（质量分数），得出涂料吸水率随二氧化硅气凝胶含量变化的关系如下图：

                               图表3.2.1                              

从图中可以看出，随着气凝胶含量的增加，涂膜的吸水率也出现下降，当二氧化硅气凝胶含量达到25%时，涂膜吸水率为5%，可以满足防水隔热涂料基本要求且成本最佳。一方面成膜基料水性聚氨酯成型后本身吸水率较低，另外一方面气凝胶本身具备很强的疏水性也会随着气凝胶含量的增加而使涂膜吸水率急剧降低。 

3.3二氧化硅气凝胶含量对涂膜耐热性能影响

通过依次改变涂料中二氧化硅气凝胶含量（质量分数），得出涂料在高温90℃情况下拉伸强度保持率随二氧化硅气凝胶含量变化的关系如下图：

        

                                      图表3.3.1

从图中可以看出，随着二氧化硅气凝胶含量的增加，涂膜在高温情况下拉伸强度保持率逐渐升高，当气凝胶含量达到25%时，涂膜高温下拉伸强度保持率为92%，水性聚氨酯在高温下拉伸强度保持率较差，但是加入二氧化硅气凝胶后，因为二氧化硅气凝胶的耐热能力强，使得涂膜耐热性能得到了大幅度提高，但是当气凝胶超过一定量时由于成膜性变差会出现拉伸强度保持率较低的情况。 

3.4二氧化硅气凝胶含量（质量分数）对涂膜不透水性的影响

通过对气凝胶含量分别为5%，10%，15%，20%，25%,30%的涂膜分别在水压为0.7MP，0.8MP，0.9MP，1.0MP下进行不透水性测试，均通过不透水性测试。一方面成膜基料水性聚氨酯成型后致密性好具备很强的抗水压能力，另一方面气凝胶的超强疏水能力也有利于抵抗水压。

4.  工程案例

如下图4.1所示为广东佛山某工业厂房的金属屋面进行二氧化硅气凝胶防水隔热涂料的喷涂施工，完成施工并交付后未出现渗漏，并且室内较室外温度低3-5℃，在防水及隔热方面达到预期效果。

                 

5.结论

（1）二氧化硅气凝胶含量的增加能大大提高涂膜的各项性能，但并不是二氧化硅气凝胶含量越高越好，综合考虑涂料颜基比，成膜性以及实际生产成本，二氧化硅气凝胶含量在25%最为合适。

（2）人们节能环保意识越来越强，以脂肪族水性聚氨酯，气凝胶及其他一些助剂可以制备出安全环保，性能优异的防水隔热建筑涂料，且能提供长久的隔热防水功能，在我国建筑节能方面具有广阔的市场和应用前景

                    

参考文献

[1]张欣欣，乐恺，刘育松，等. 二氧化硅气凝胶的等效热导率理论[J]. 宇航材料工艺，2010（2）：15-20.

[2]Shen J，Wang G Q，Wang J，et a1．Preparation of silica aerogels and study of silica aerogels and study of surface modification and thermal conductivity[J]．Journal ofTongfi Uiversity，2004，32(8)：1106—11 10．