含二氧化硅气凝胶的水性浆料、其制备方法及应用
技术领域
[0001] 本
发明涉及一种功能性浆料，特别涉及一种含
二氧化硅气凝胶的水性浆料、其制备方法及应用。
背景技术
[0002] 气凝胶是在保持凝胶体积不变的情况下把其内部的水分置换为气体后的所得到的材料。气凝胶具有低
密度、高孔隙率、高
比表面积和低热导率等优良特点。气凝胶的制备方法一般使用超临界干燥，但是超临界干燥需要在较高
温度和较高压
力下进行，所以使用设备昂贵，危险性高，所以常压干燥技术被开发，公布号为CN103073008A和CN103043673A的
专利公开了使用常压干燥制备气凝胶的方法，常压干燥条件温和而且成本较低，一般常压干燥得到的产品为气凝胶的颗粒和粉体。颗粒和粉末的使用有诸多的不便之处，特别是粉体释放和难以封装的问题。专利号为US2014/0273701A1的美国专利和公布号为CN101124371的专利公开了一种使用气凝胶粉体利用湿法制毡的工艺来制备气凝胶毡的方法，其制备的气凝胶毡可以部分避免气凝胶粉体在使用过程中的粉体释放和封装难题,但无法从根本上解决粉体释放问题。专利号为US2008/0241490A1的专利公开了一种气凝胶
热喷涂的方法来制备气凝胶
隔热涂层，其使用气凝胶粉体、低温陶瓷粉末以及有机粘结剂混合制备出
热喷涂原料，在将气凝胶热喷涂至金属基底表面得到隔热涂层。这种技术设备复杂，并且在喷涂过程中高分子的熔融态会使高分子进入气凝胶孔洞，使得气凝胶性能下降。使用浆料技术可以有效解决气凝胶粉体释放问题，便于材料的运输和使用，同时气凝胶浆料应用广泛，既可以用于涂层材料也可以应用在
水泥，
石膏等结构材料复合制备
复合材料。公布号为CN102719129A的专利报道了一种气凝胶隔热涂料的制备方法，但是此方法需要首先将疏水性的气凝胶改性为亲水性气凝胶，再分散在水中制备水性涂料，此种方法过程繁琐且难以控制气凝胶的疏水亲水性质。
发明内容
[0003] 本发明的目的之一在于提出一种含二氧化硅气凝胶的水性浆料，以克服
现有技术中的不足。
[0004] 本发明的目的之二在于提供一种含二氧化硅气凝胶的水性浆料的制备方法，其无需对气凝胶表面进行改性，而是直接使用气凝胶粉体和
表面活性剂以及粘结剂混合制备出具有适当的
粘度和良好的涂覆性能的浆料，而藉此浆料可以成表面均匀、粘附力很强、隔热性良好的涂层。
[0005] 本发明的目的之三在于提供所述含二氧化硅气凝胶的应用。
[0006] 为实现前述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
[0007] 一种含二氧化硅气凝胶的水性浆料，是主要由二氧化硅气凝胶粉体、表面活性剂、粘结剂与水均匀混合形成的稳定分散体系。
[0008] 较为优选的，所述含二氧化硅气凝胶的水性浆料包含按重量份计算的如下组份：水30～80份，二氧化硅气凝胶5～30份，表面活性剂0～10份，粘结剂2～30份。
[0009] 进一步的，所述气凝胶粉体采用疏水性二氧化硅气凝胶，且所述气凝胶粉体的粒径优选为0.1μm～500μm，尤其优选为50～100μm。
[0010] 一种含二氧化硅气凝胶的水性浆料的制备方法，包括：将二氧化硅气凝胶粉体、表面活性剂、粘结剂与水均匀混合，形成所述水性浆料。
[0011] 进一步的，所述制备方法包括：
[0012] (1)将水与表面活性剂混合均匀，形成
混合液；
[0013] (2)向所述混合液内加入二氧化硅气凝胶粉体，混合均匀，形成悬浮液；
[0014] (3)所述悬浮液内加入粘结剂和可选择添加或不添加的助剂，混合均匀，形成所述水性浆料。
[0015] 前述含二氧化硅气凝胶的水性浆料可用以制备隔热涂层。
[0016] 与现有技术相比，本发明的优点至少在于：
[0017] (1)本发明制备的含二氧化硅气凝胶的水性浆料(如下简称“气凝胶浆料”或“浆料”)为水性浆料，无
有机溶剂成分，成本较低且污染小；
[0018] (2)本发明使用的气凝胶粉体粒径在0.1μm～500μm之间，对于传统的气凝胶材料(如气凝胶毡和气凝胶板)在切割和安装时掉粉严重，操作人员需要很严格的防护和防尘保护，而使用本发明的浆料有效的避免传统气凝胶使用过程中的粉体释放问题；
[0019] (3)传统的气凝胶毡和气凝胶板只能用于规则外形的隔热施工，如墙面或者管道，但是对于复杂外形的隔
热处理，气凝胶毡和气凝胶板就很难施工，同时气凝胶毡和气凝胶板在使用过程中无法避免毡与毡之间或者板与板之间接缝处的
热损失，以及基地与隔热材料的
接触热桥损失，本发明的气凝胶浆料在应用时，可以完全克服前述
缺陷，且通过采用涂覆技术可以使气凝胶涂层与基底非常牢固的粘结，同时可以做到无缝结合，热损失可以降到最低；
[0020] (4)本发明气凝胶浆体的制备工艺只使用利用简单搅拌装置等即可，制备工艺简单，设备投入低，适于进行大规模工业化生产，而传统气凝胶毡和气凝胶板的制造设备昂贵，制备工艺复杂；
[0021] (5)本发明制备的气凝胶浆料施工可以使用刷涂，滚涂和喷涂等多种施工方法，隔
热层的厚度可以从0.05mm～10mm之间，厚度控制容易，施工简单，且所形成的隔热层隔热性能优良，不易脱落，表面平整，耐高温耐
腐蚀，不易老化，使用寿命长。
附图说明
[0022] 图1是本发明一典型实施方案中一种含二氧化硅气凝胶的水性浆料(如下简称“气凝胶浆料”)的制备工艺流程示意图；
[0023] 图2是本发明
实施例1制备的气凝胶浆料的照片；
[0024] 图3是本发明实施例1制备的气凝胶涂层照片；
[0025] 图4是本发明实施例1制备的气凝胶涂层的SEM照片。
具体实施方式
[0026] 如前所述，鉴于现有技术的诸多不足，本案
发明人经大量研究和实践，得以提出本发明的技术方案，如下具体说明。
[0027] 本发明的一个方面提供了一种含二氧化硅气凝胶的水性浆料，它是主要由二氧化硅气凝胶粉体(如下简称“气凝胶粉体”)、表面活性剂、粘结剂与水均匀混合形成的稳定分散体系。
[0028] 进一步的，所述气凝胶粉体采用疏水性二氧化硅气凝胶。
[0029] 优选的，所述气凝胶粉体的粒径为0.1μm～500μm，尤为优选的，所述气凝胶粉体的粒径为50～100μm，密度在0.04～0.25g/ml之间，孔隙率在80％～99％之间，比表2 2
面在500m/g～2000m/g之间。
[0030] 进一步的，所述水可选自去离子水或者
自来水。
[0031] 若使用的为自来水，则可以使用极软水、软水和中硬水，而不得使用高硬水和超高硬水。同时，不宜使用pH值小于5或者pH值大于9的酸性和
碱性水。
[0032] 作为较佳实施方案之一，所述浆料含有30wt％～80wt％水。
[0033] 进一步的，所述表面活性剂可选自阴离子型，阳离子型或者非离子型表面活性剂，例如十六烷基二甲基苄基
氯化铵、烷基溴化吡啶、十六烷基氯化吡啶、十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵等阳离子表面活性剂，例如仲
烷基磺酸钠、仲烷基磺酸钠、烷基苯磺酸盐、仲烷基
硫酸钠与烷基苯磺酸钠的混合物、仲烷基硫酸钠等阴离子表面活性剂，例如
蔗糖单月桂酸酯、蔗糖单油酸酯、蔗糖单棕榈酸酯、聚乙二醇二
硬脂酸酯、壬基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚等非离子表面活性剂，但均不限于此。
[0034] 进一步的，所述粘结剂优选自全水性粘结剂，并且，更为优选的，所述粘结剂中的有机物含量小于2wt％。
[0035] 其中，所述粘结剂可选自聚乙烯醇、水性
丙烯酸树脂、水性聚
氨酯、水性
环氧树脂，水性
纤维素、丙烯酸乳液、环氧树脂乳液、有机硅乳液等，但不限于此。
[0036] 作为较佳实施方案之一，所述浆料含有2wt％～30wt％粘结剂。
[0037] 进一步的，所述水性浆料还可包含可选择添加或不添加的助剂，例如
增塑剂、成膜助剂等。
[0038] 其中，所述增塑剂可选自聚乙二醇400、聚乙二醇600、聚正丁基(二丁基)乙烯、邻苯二
甲酸二丁酯、硬脂酸丁酯、松香酸甲酯、
磷酸三
甲苯酯、
碳酸丙烯酯，所述成膜助剂可选自丙二醇丁醚、丙二醇甲醚
醋酸酯，但均不限于此。
[0039] 本发明的浆料可以是均匀稳定的白色浆料，当然，为适应实际应用的需要，本领域技术人员亦可通过在浆料中施加适量颜料等，而改变该浆料的
颜色等。
[0040] 本发明的浆料与其他的气凝胶产品相比，不含
石棉等有害纤维材料，运输和施工方便，不需要切割而且可以很容易的控制隔热材料的厚度，可以自由选择最优化的施工方案。
[0041] 本发明的另一方面提供了一种含二氧化硅气凝胶的水性浆料的制备方法包括：将二氧化硅气凝胶粉体、表面活性剂、粘结剂与水均匀混合，形成所述水性浆料。
[0042] 请参阅图1，作为本发明的一典型实施方案，该含二氧化硅气凝胶的水性浆料的制备方法，包括：
[0043] (1)将水与表面活性剂混合均匀，形成混合液(混合溶液1)；
[0044] (2)向所述混合液内加入二氧化硅气凝胶粉体，混合均匀，形成悬浮液(混合物1)，
[0045] (3)所述悬浮液内加入粘结剂和可选择添加或不添加的助剂，混合均匀，形成所述水性浆料(浆料1)。
[0046] 进一步的，该典型实施方案之中，在浆料1制备完成后可以视实际使用需要而进行除泡处理，获得浆料2，其中除泡方法可以采用除泡剂或者
真空搅拌的方法除泡。
[0047] 进一步的，该制备方法中采用的混合方法至少选自球磨、机械搅拌、沙磨、超声混合方法。
[0048] 本发明步骤1)采用的混合方法可以是机械搅拌，球磨，沙磨等混合方法。对于球磨分散，可以使用行星
球磨机，滚筒球磨机等。对于机械搅拌，较为优选的，搅拌速度可以控制在50rpm～2000rpm之间，混合时间控制在30min～2h之间。
[0049] 本发明步骤2)中气凝胶为疏水性二氧化硅气凝胶粉体，粉体形貌可以是球形或者不规则形状，粉体粒径控制在0.1μm～500μm之间。为了保持最好的涂层性能，尤其优选使用粉体粒径在50～100μm之间的气凝胶粉体，
[0050] 本发明步骤2)中的混合方法可以是机械搅拌，较为优选的，搅拌速度在50rpm～1000rpm之间，搅拌时间在3min～3h之间，优选为5min～2h。进一步的，在搅拌过程中为了避免气凝胶粉体的飞扬和释放，应该使用封闭进料和全封闭搅拌。
[0051] 本发明步骤3)中的混合方法可以是机械搅拌，球磨，沙磨等混合方法。
[0052] 本发明的再一个方面还提供了前述任一种含二氧化硅气凝胶的水性浆料在制备隔热涂层中的应用。
[0053] 本发明的再一个方面还提供了一种隔热涂层的制备方法，包括：将前述任一种含二氧化硅气凝胶的水性浆料直接涂覆在基底表面形成隔热涂层。
[0054] 进一步的，所述隔热涂层的制备方法可以包括：分一次或多次将所述含二氧化硅气凝胶的水性浆料直接涂覆在基底表面，每次涂抹厚度在1mm以下，干燥时间在5h以内。
[0055] 本发明的再一个方面提供了一种利用前述任一种方法形成的隔热涂层，所述隔热涂层的厚度为0.05mm～10mm。当然，涂层厚度也可依据实际情况而调整，例如，可以控制在50μm到5mm之间。
[0056] 该隔热涂层表面均匀，粘附力强，不易脱落，隔热性能优良，耐高温耐腐蚀，不易老化，使用寿命长。
[0057] 本发明的再一个方面提供一种物品，包含前述任一种含二氧化硅气凝胶的水性浆料或利用前述任一种气凝胶浆料形成的隔热结构，例如隔热涂层。
[0058] 其中，一种典型隔热涂层的厚度为0.05mm～10mm，热导率为0.0246～0.0342W/mk，
工作温度在-50℃～300℃之间。
[0059] 此外，还需说明的是，本发明的浆料除前述用途之外，也可以和其他结构材料混合制备气凝胶复合材料，例如，可以作为水泥，石膏等结构的隔热、减重添加剂，也可以与各种纤维材料复合制备纤维复合材料，添加量视实际需要可以控制在合适范围内，例如1wt％到80wt％以内。
[0060] 以下结合若干实施例及附图对本发明的技术方案作进一步的解释说明。
[0061] 实施例1将80g去离子水和2g三
乙醇胺使用机械搅拌器混合，搅拌速度100rpm，搅拌时间5分钟，得到均匀混合液，在此混合液中加入10g二氧化硅气凝胶粉体，粉体密度为0.1g/ml，平均粒径为50μm，搅拌速度为500rpm，搅拌时间为30分钟，制备的气凝胶分散液应该是乳白色稳定的分散体系，在此分散液中再加入5g聚乙烯醇1500、1.5g聚乙二醇400和1.5g邻苯二甲酸二丁酯，使用机械搅拌器搅拌30分钟，搅拌速度为200rpm，得到的浆料在真空除泡剂中除泡20分钟，除泡搅拌速度为10rpm，真空度为0.08atm。得到气凝胶水性浆料，浆料粘度为2000mPa/s。将气凝胶浆料采用喷雾的方法喷涂至
铝合金底板，喷雾厚度0.5mm，干燥10个小时，涂层的热导率为0.045W/mk。
[0062] 实施例2将20g去离子水和2g三乙醇胺使用机械搅拌器混合，搅拌速度100rpm，搅拌时间5分钟，得到均匀混合液，在此混合液中加入10g二氧化硅气凝胶粉体，粉体密度为0.1g/ml，平均粒径为50μm，搅拌速度为500rpm，搅拌时间为30分钟，制备的气凝胶分散液应该是乳白色稳定的分散体系，在此分散液中加入64g去丙烯酸乳液和20g水以及4gTexanol使用机械搅拌器混合10分钟，搅拌速度为200rpm。得到的浆料在真空除泡剂中除泡20分钟，除泡搅拌速度为10rpm，真空度为0.08atm。得到气凝胶水性浆料，浆料粘度为3500mPa/s。将气凝胶浆料采用喷雾的方法喷涂至
铝合金底板，喷雾厚度为0.5mm，干燥
10个小时，涂层的热导率为0.05W/mk。
[0063] 实施例3将64份丙烯酸乳液和20份水以及4份Texanol(
质量比例)使用机械搅拌器混合10min至均匀状态；加入2份三乙醇胺使用机械搅拌器搅拌10min成为均匀状态；加入10份气凝胶粉体，使用机械搅拌器搅拌30min；得到气凝胶水性浆料。将此气凝胶浆料涂覆在玻璃基低表面，厚度在500μm-5mm之间，由热线法测得的热导率介于0.0246到0.0312W/mK之间。将此气凝胶浆料涂覆在铝合金板上，厚度在50μm到5μm之间，由热线法测得的热导率介于0.0246到0.0342W/mK之间。
[0064] 实施例4将80份去离子水和1-5份十二烷基苯磺酸钠(质量比例)使用机械搅拌器搅拌混合10min至均匀状态；加入5-10份气凝胶粉体，使用机械搅拌器搅拌30min得到气凝胶分散体系；加入2-10份聚乙烯醇和2份邻苯二甲酸二丁酯，使用机械搅拌器搅拌30min，得到气凝胶水性浆料。
[0065] 实施例5将60份自来水和1-3份三乙醇胺(质量比例)使用机械搅拌器搅拌混合5min至均匀状态；加入4-8份气凝胶粉体，使用机械搅拌器搅拌30min得到气凝胶分散体系；加入5-10份聚乙烯醇，使用机械搅拌器搅拌30min，得到气凝胶水性浆料。
[0066] 实施例6将80份自来水和2-5份十二烷基苯磺酸钠(质量比例)使用机械搅拌器搅拌混合10min至均匀状态；加入1份三乙醇胺使用机械搅拌器搅拌混合5min至均匀状态；加入5-10份气凝胶粉体，使用机械搅拌器搅拌30min，得到气凝胶水性浆料。
[0067] 当采用实施例1-3所示方法对实施例4-6所获气凝胶水性浆料的导热性能进行测试后，可获得相近测试结果。
[0068] 应当理解，以上说明及在图纸上所示的实施例，不可解析为限定本发明的设计思想。在本发明的技术领域里持有相同知识者可以将本发明的技术性思想以多样的形态改良变更，这样的改良及变更应理解为属于本发明的保护范围内。
