隔热填料的结构及其对保温隔热涂料性能的影响研究

姜 俊，胡道盼，查纯喜（亚士漆（上海）有限公司，上海 201700）

0 引言

太阳辐射作为地球的主要能量来源，对人们的生活和生产活动产生重要影响，而能量的聚集和分散又给人类带来了很多挑战。例如在炎热的夏季，空调等制冷设施每年的能耗占到我国全年建筑能耗的27 %［1］；而在寒冷的冬季，升温制热设施的能耗占到全年建筑能耗的30 %～50 %［2］。据统计，全球建筑能耗占总能耗的40 %，碳排放占总碳排放的36 %［3］。面对这种严峻的形势，我国承诺二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值，努力争取在2060 年前实现碳中和。在“双碳”目标的大形势下，减少围护结构传热而产生的能耗，实现围护结构的保温隔热将成为建筑节能的重要手段，对节能降耗有着重要意义。

保温隔热涂料是指以合成树脂乳液为粘结剂，掺入功能性隔热填料（颜料、空心微珠等）而形成的具有隔热、装饰等性能的一类功能涂料。近年来，它逐渐在住宅、厂房等建筑领域得到了广泛的应用。保温隔热涂料根据热量传递方式的不同，可分为反射型隔热保温涂料、辐射型隔热保温涂料和阻隔型隔热保温涂料［4-5］。反射型隔热保温涂料是通过增加涂层表面对太阳光的反射率和散射率来降低建筑物外表面温度；辐射型隔热保温涂料是通过提高建筑表层对已吸收热量的红外发射率来降低表层和内部温度；阻隔型隔热保温涂料是通过降低建筑围护结构总的导热系数来减少建筑表层对热量的吸收及热量的传导效率。

本研究主要以阻隔型隔热保温涂料的隔热机理为主，探究具有中空结构的隔热功能填料在保温隔热涂料中的应用，通过对市面上常用的轻质多孔保温填料进行微观表征，研究了不同隔热填料对涂料隔热性能的影响，并选择二氧化硅气凝胶为隔热填料，制备了一种具有优异强度和良好隔热性能的保温隔热涂料。

1 试验部分

1.1 主要原料

漂珠，河北恒光矿产品有限公司；玻化微珠，信阳市永凯保温材料有限公司；陶瓷微珠，上海汇精亚纳米新材料有限公司；二氧化硅气凝胶，深圳中凝科技有限公司；中空玻璃微珠K1，3M 中国有限公司；Expancel 微球，诺力昂化学品（宁波）有限公司；真空玻璃棉，中国巨石股份有限公司；DL1069水性聚氨酯分散体，科思创聚合物（中国）有限公司；S308 硅溶胶，上海澳润化工有限公司；杀菌剂、丙二醇、消泡剂、羟乙基纤维素醚等，市售。

表1 为不同隔热填料的基本性质。

表1 不同隔热填料的基本性质Table 1 Basic performances of different thermal insulation fillers

1.2 主要试验设备

BL-5000F 精密电子天平、BGD740/1 高速分散机、QNIX4500 涂层测厚仪，标格达精密仪器（广州）有限公司；SU1510 扫描电子显微镜，日本日立株式会社；HG-1692C 万能拉力机，江苏恒广精密仪器有限公司；GYDR-3030A 热流计法导热系数仪，天津市港源试验仪器厂。

1.3 试验方法

1.3.1 试验配方

保温隔热涂料的基础配方见表2。

表2 保温隔热涂料的基础配方Table 2 Basic formula of the thermal insulation coatings

1.3.2 性能测试

粘结强度：按照标准JG/T 157—2009《建筑外墙用腻子》规定的方法进行测试；导热系数：按照标准GB/T 10294—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定 热流计法》规定的方法进行测试。

2 结果与讨论

2.1 不同隔热填料的微观表征

不同隔热填料的微观结构如图1 所示。

图1 不同隔热填料的微观结构Figure 1 Microstructures of different thermal insulation fillers

由图1 可见，6 种中空结构填料的粒径相差不大，漂珠和玻化微珠的表面封闭不完全，呈现较多的多孔结构［6］，且颗粒形状不规则，这种材料由于廉价易得，具有一定的保温隔热和良好的防火性能，广泛用于外墙外保温系统，但是由于颗粒强度较差，孔径过大，表面封闭不完全，易产生导热通道，进而影响涂层的导热系数。中空玻璃微珠、陶瓷微珠和Expancel 微球结构相似，都为表面封闭的空心球状颗粒。Expancel 微球为膨胀聚合物，球体的外壳为高分子聚合物（丙烯腈共聚物），内部是碳氢化合物，在高温受热情况下，外壳软化，碳氢化合物由液态气化，从而使外壳膨胀增大，当温度降低后外壳冷却变硬，微球仍然能保持膨胀后的状态，由于具有一定的弹性，呈现不圆滑的球形结构。中空玻璃微珠和陶瓷微珠为玻璃质密闭中空球体［7］，具有坚硬的球壳，空腔内是稀薄的空气，呈现规则的球状结构，而中空玻璃微珠由于玻化得较完全，表面更加光滑。二氧化硅气凝胶呈现不规则的透明块状结构，是一类具有超低导热系数的新型纳米材料［8］，它具有极高的孔隙率，其纳米级的孔道结构能够有效地阻隔固体热传导，并延长空气热对流路径，其室温条件下的导热系数最低可达0.013 W/（m·K），低于静止状态下空气的导热系数0.025 W/（m·K）［9-11］。

2.2 不同填料的隔热性能分析

阻隔型保温隔热涂料主要是由低导热率填料来减少涂层导热，按照保温隔热涂料的配方，分别探索了不同隔热填料对涂层隔热性能的影响，试验结果见表3。

表3 含不同隔热填料的涂层性能对比Table 3 Performance comparison of coatings with different thermal insulation fillers

由表3 可见，6 种隔热填料的隔热效果由大到小依次为：二氧化硅气凝胶＞Expancel 微球＞中空玻璃微珠＞陶瓷微珠＞玻化微珠＞漂珠，这是由隔热填料的结构、成分和其在涂料中的分散状态决定的。二氧化硅气凝胶具有空间网络结构，并且其中的固体框架与孔隙均为纳米级，这样连续的纳米网络结构形成了无数个纳米气囊，使气体对流的热传导受到了抑制；同时由于其内部孔径小于气体分子运动的平均自由程，有效地抑制热传导和热对流［12］，因此二氧化硅气凝胶能够赋予涂层极好的隔热保温性能。Expancel 微球是热塑性的空心球，由壳体和它包裹着的气体组成，导热系数仅高于二氧化硅气凝胶，具有良好的可塑性和弹性，易成形、可挤压、不易破碎，可以在涂层中紧密堆积，具有很好的填充性，使得涂膜内形成许多封闭的气孔［13］，从而具有良好的隔热性能。中空玻璃微珠和陶瓷微珠都为无机中空球体，球体内部包含的气体使其具有较低的导热系数，壳体为刚性的玻璃质材质，不易变形，应用于保温涂料中时，由于颗粒与颗粒之间的空隙较大，不能形成致密、均匀的涂层，并且颗粒之间的空隙易形成导热通道，从而影响导热系数。漂珠和玻化微珠为无机硅酸盐膨胀后形成的多孔材料，没有封闭的外壳，且强度较差，在生产和成型过程中易破碎，不具备良好的隔热性能［14］。

2.3 保温隔热涂料的制备

基于上述不同填料的隔热性能分析，选用隔热效果最好的二氧化硅气凝胶作为隔热填料［15-16］，探索其添加量对涂层隔热性能的影响，结果如表4 所示。由表4 可见，随着二氧化硅气凝胶添加量的增大，涂层的导热系数和相对密度不断下降，而当二氧化硅气凝胶添加量超过4.5 %后，由于涂料的PVC（颜料体积浓度）过高，且二氧化硅气凝胶具有疏水性和较低的密度，过量地加入必然影响其与树脂的相容性，使得树脂不能很好地包覆填料，导致粘结强度变差，不能满足涂层要求。基于综合考虑，选择二氧化硅气凝胶的添加量为3.5 %，此时涂层具有较好的隔热性能，其导热系数为0.051 W/（m·K）。

表4 不同二氧化硅气凝胶添加量对涂层性能的影响Table 4 The effects of different dosages of silica aerogel on the performance of coating

3 结语

由于碳达峰、碳中和的国家重大战略及建筑行业绿色低碳发展的需求，高性能隔热保温涂料将迎来巨大的发展前景。从隔热填料的微观结构的角度，分析了不同隔热填料对涂层保温隔热性能的影响，并在以上基础上，采用二氧化硅气凝胶作为隔热填料，制备一种导热系数、相对密度和粘结强度等性能均优异的隔热涂料。