一种纳米隔热保温涂料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种纳米隔热保温涂料及其制备方法 (Nano heat insulation coating and preparation method thereof ) 是由 杨万亮 周成亮 王春 曹锐 张天景 于 2021-08-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种纳米隔热保温涂料及其制备方法。用以下重量组份比的原料制成：苯丙乳液10-30份、阻隔反射型材料1-25份、重钙粉10-20份、硅藻土15-20份、增稠剂0.1-0.3份、流平剂0.3-0.5份、润湿剂0.4-0.7份、成膜助剂0.3-0.6份、分散剂0.4-0.6份、消泡剂0.1-0.3份和水10-40份；所述阻隔反射型材料为ZnO-HHSS、Fe-(2)O-(3)-HHSS、TiO-(2)-HHSS、ZrO-(2)-HHSS或/和MgO-HHSS其中一种或几种混合物,该阻隔反射型材料是一种以二氧化硅层次空心球为载体,在其表层和内部生长金属氧化物,具有反射和阻隔型的新型纳米材料。本发明具有所用各种原料廉价易得,制备方法简单,隔热性能好、耐酸碱、使用寿命长,易于推广普及使用的有益效果。(The invention discloses a nano heat-insulating coating and a preparation method thereof. The material is prepared from the following raw materials in parts by weight: 10-30 parts of styrene-acrylic emulsion, 1-25 parts of barrier reflection type material, 10-20 parts of heavy calcium carbonate powder, 15-20 parts of diatomite, 0.1-0.3 part of thickening agent, 0.3-0.5 part of flatting agent, 0.4-0.7 part of wetting agent, 0.3-0.6 part of film-forming assistant, 0.4-0.6 part of dispersing agent, 0.1-0.3 part of defoaming agent and 10-40 parts of water; the barrier reflection type material is ZnO-HHSS or Fe 2 O 3 ‑HHSS、TiO 2 ‑HHSS、ZrO 2 The barrier reflection type material is a novel nano material which takes a silica-layered hollow sphere as a carrier, grows metal oxides on the surface layer and in the interior of the carrier, and has reflection and barrier types. The invention has the advantages of low cost of various raw materialsEasy obtaining, simple preparation method, good heat insulation performance, acid and alkali resistance, long service life and easy popularization and use.)
技术领域
本发明涉及一种纳米隔热保温涂料，特别是一种纳米隔热保温涂料及其制备方法。
背景技术
随着社会的不断进步与科学技术的不断发展，人们对建筑物保温节能性能越来越重视，建筑外墙的保温性能的设定不仅是一种节能环保的措施，而且很大程度上决定了建筑内部的舒适度。
在我国南方城市，夏季的温度长时间高于30℃，甚至40℃以上的高温天越来越多。常年直接受太阳光辐射，在其表面积累大量热量，而通常的建筑材料对光和热的吸收范围大，使得室内温度居高不下，人们不得不使用电扇、空调等方式降低室内环境温度，提高舒适度，导致夏季高峰的用电负荷大、存在一定的安全隐患。
隔热涂料是指最近发展起来的一种阻挡、反射、辐射太阳光近红外热量的功能性涂料。保温隔热涂料从特性原理上可分为阻隔性隔热涂料、反射隔热涂料及辐射隔热涂料三类。目前市场上的保温涂料，都是以硅酸盐或氧化铝为主材料生产的。硅酸盐保温涂料为干粉状材料，需要在涂抹施工现场加水搅拌，人工成本高，且干粉能对周围环境造成污染；氧化铝保温涂料，生产工艺复杂，成本高，不利于广泛应用。如何制备一种保温强度大，成本低，涂装工艺简单的涂料成为目前需要解决的技术问题。
且现有已公开的中国专利申请如CN1037165A、CN1067667A、CN1076943A，CN1148072A等所涉及的隔热保温涂料，均采用常规的保温材料如海泡石、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石等制备，因涂层较厚，仅适用于管道、釜体或建筑物等的隔热保温，不适合作建筑物外墙饰面层；CN1757689A公开了一种薄层涂覆型防水保温涂料，虽然涂层厚度减少到2mm左右，但是其成膜物质仍采用普通的弹性丙烯酸乳液，所形成的涂膜耐沾污性和耐久性仍较差，而且对建筑物外墙外保温体系的聚苯板保温层不具有保护作用。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种纳米隔热保温涂料及其制备方法。本发明具有所用各种原料廉价易得，制备方法简单，隔热性能好、耐酸碱、使用寿命长，易于推广普及使用的特点。
本发明的技术方案：一种纳米隔热保温涂料，用以下重量组份比的原料制成：苯丙乳液10-30份、阻隔反射型材料1-25份、重钙粉10-20份、硅藻土15-20份、增稠剂0.1-0.3份、流平剂0.3-0.5份、润湿剂0.4-0.7份、成膜助剂0.3-0.6份、分散剂0.4-0.6份、消泡剂0.1-0.3份和水10-40份。
前述的纳米隔热保温涂料中，用以下重量组份比的原料制成：苯丙乳液20份、阻隔反射型材料15份、重钙粉14.8份、硅藻土18份、增稠剂0.2份、流平剂0.4份、润湿剂0.5份、成膜助剂0.4份、分散剂0.5份、消泡剂0.2份和水30份。
前述的纳米隔热保温涂料中，所述增稠剂为增稠剂SN-612或羧甲基纤维素；所述润湿剂为润湿剂X-405或润湿剂SN991；所述分散剂为分散剂SN-5040；所述消泡剂为消泡剂NXZ或聚合物型消泡剂。
前述的纳米隔热保温涂料中，所述阻隔反射型材料为ZnO-HHSS、Fe2O3-HHSS、TiO2-HHSS、ZrO2-HHSS或/和MgO-HHSS其中一种或几种混合物。
前述的纳米隔热保温涂料中，所述HHSS为纳米二氧化硅层次空心球，HHSS是一种以二氧化硅为球壁，具有大球@小球复合特殊结构的纳米层次空心球，HHSS壁是由小的纳米二氧化硅球自组装而成，其直径为90-150nm，外观为白色粉末，内部具有空腔。
前述的纳米隔热保温涂料中，所述ZnO-HHSS、Fe2O3-HHSS、ZrO2-HHSS或MgO-HHSS阻隔反射型材料制备：取1-5g二氧化硅纳米层次空心球加入10mL质量分数为2-16％的金属盐溶液，然后加入1-10mL浓度为1-28％的氨水和0-9mL乙醇，在500-5000r/min的转速下搅拌1-4h，将所得固体过滤或者离心，在60-120℃下干燥过夜，最后在300-800℃下焙烧1-8h，制备质量分数为1-50％的ZnO-HHSS、Fe2O3-HHSS、ZrO2-HHSS或MgO-HHSS阻隔反射型材料；
所述金属盐溶液为锌盐溶液、铁盐溶液、锆盐溶液或镁盐溶液；所述锌盐溶液为氯化锌、硫酸锌、硝酸锌或醋酸锌；所述铁盐溶液为氯化铁、氯化亚铁、硫酸铁、硫酸亚铁、硝酸铁或醋酸铁；所述锆盐溶液为氯化锆、硫酸锆、硝酸锆或醋酸锆；所述镁盐溶液为氯化镁、硫酸镁、硝酸镁或醋酸镁；
所述TiO2-HHSS阻隔反射型材料制备：取1-5g二氧化硅纳米层次空心球分散到无水乙醇中1-100mL，得分散液；然后把钛源1-50ml分散到1-50ml无水乙醇中，滴加到上述分散液中，搅拌1-100分钟，然后缓慢滴加1-50％的水乙醇溶液，滴加完成后，在500-5000r/min的转速下搅拌1-4h，将所得固体过滤或者离心，在60-120℃下干燥过夜，最后在300-800℃下焙烧1-8h，制备质量分数为1-50％的TiO2-HHSS阻隔反射型材料；所述钛源为钛酸四丁酯或氯化钛。
所述的纳米隔热保温涂料的制备方法，包括有以下步骤：
(1)将水、重钙粉、硅藻土和阻隔反射型材料混合，超声分散，搅拌；
(2)往(1)中加入苯丙乳液，进行超声处理5-10min，同时加入增稠剂、流平剂、润湿剂、成膜助剂、分散剂、消泡剂，得混合料；
(3)将(2)得到的混合料搅拌2-3小时，即得纳米隔热保温涂料。
前述的纳米隔热保温涂料的制备方法中，所述步骤(1)-(3)的环境温度为20-25℃；搅拌速率为500-700r/min。
前述的纳米隔热保温涂料的制备方法中，所述步骤(1)超声分散时间为5-10min，搅拌时间为10-20min。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
纳米二氧化硅层次空心球(HHSS)是一种以二氧化硅为球壁，具有大球@小球复合特殊结构的纳米层次空心球，HHSS壁是由小的纳米二氧化硅球(20nm)自组装而成，其直径为90-150nm，外观为白色粉末，内部具有空腔，有堆积密度小、比表面积大的特点，热导率小，隔热性能优良。
纳米金属氧化物，如二氧化钛，氧化锌，氧化锆，氧化铁，是一种纳米级粉末，有良好的色度，遮盖力强，可以用作染料、颜料，溶于水，具有较大比表面积，可以有效屏蔽紫外线，同时也能起到很好的反射作用。
纳米金属氧化物复合二氧化硅层次空心球(HHSS)，是一种以二氧化硅层次空心球为载体，在其表层和内部生长金属氧化物，形成的一种纳米级具有反射和阻隔型的新型纳米材料，其表面分散有反射太阳光的金属金属氧化物，同时兼具内部层次空腔结构、堆积密度小、比表面积大的特点，热导率小，隔热性能优良。
本发明选择的主料为苯丙乳液，使得涂料具有优异的耐候性，附着性，耐化学品性。加入自制反射型材料，不仅反射性较高，还具有良好的红外辐射性能，能提高涂料的反射率及耐候性，增强其隔热效果，具有环保节能的优点，且所用纳米二氧化硅层次空心球，其具有大球@小球复合特殊结构，内部具有空腔、比表面积大、热导率小，增强隔热性能。
本发明的纳米隔热保温涂料，通过制备阻隔反射型材料(如TiO2-HHSS，ZnO-HHSS、Fe2O3-HHSS、ZrO2-HHSS或MgO-HHSS等)作为主要隔热填料，重钙粉、硅藻土、纳米二氧化钛为次要填料，苯丙乳液为成膜物质，制备制备出了一种性能优良的新型纳米层次空腔结构隔热涂料，在红外灯的照射下，纳米隔热保温涂料的隔热温差比不加阻隔反射型材料低23.1℃。
综上所述，本发明具有所用各种原料廉价易得，制备方法简单，隔热性能好、耐酸碱、使用寿命长，易于推广普及使用的有益效果。
附图说明
图1是本发明TiO2-HHSS阻隔反射型材料的SEM图；
图2是本发明TiO2-HHSS阻隔反射型材料的TEM图；
图3是本发明纳米隔热保温涂料的隔热机理图；
图4是本发明纳米隔热保温涂料成膜后的SEM图；
图5是本发明纳米隔热保温涂料的不同HHSS添加量的涂料隔热性能测试图；
图6是本发明纳米隔热保温涂料的不同厚度涂料的隔热性能测试图；
图7是本发明纳米隔热保温涂料耐酸(A)和耐碱(B)测试。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
ZnO-HHSS、Fe2O3-HHSS、ZrO2-HHSS或MgO-HHSS阻隔反射型材料制备：取1-5g二氧化硅纳米层次空心球加入10mL质量分数为2-16％的金属盐溶液，然后加入1-10mL浓度为1-28％的氨水和0-9mL乙醇，在500-5000r/min的转速下搅拌1-4h，将所得固体过滤或者离心，在60-120℃下干燥过夜，最后在300-800℃下焙烧1-8h，制备质量分数为1-50％的ZnO-HHSS、Fe2O3-HHSS、ZrO2-HHSS或MgO-HHSS阻隔反射型材料；
所述金属盐溶液为锌盐溶液、铁盐溶液、锆盐溶液或镁盐溶液；所述锌盐溶液为氯化锌、硫酸锌、硝酸锌或醋酸锌；所述铁盐溶液为氯化铁、氯化亚铁、硫酸铁、硫酸亚铁、硝酸铁或醋酸铁；所述锆盐溶液为氯化锆、硫酸锆、硝酸锆或醋酸锆；所述镁盐溶液为氯化镁、硫酸镁、硝酸镁或醋酸镁；
所述TiO2-HHSS阻隔反射型材料制备：取1-5g二氧化硅纳米层次空心球分散到无水乙醇中1-100mL，得分散液；然后把钛源1-50ml分散到1-50ml无水乙醇中，滴加到上述分散液中，搅拌1-100分钟，然后缓慢滴加1-50％的水乙醇溶液，滴加完成后，在500-5000r/min的转速下搅拌1-4h，将所得固体过滤或者离心，在60-120℃下干燥过夜，最后在300-800℃下焙烧1-8h，制备质量分数为1-50％的TiO2-HHSS阻隔反射型材料；所述钛源为钛酸四丁酯或氯化钛。
如图1为TiO2-HHSS阻隔反射型材料的SEM图，证明该材料为100-150nm空心球组成，且球的表面没有明显的二氧化钛颗粒，说明二氧化钛分散均匀；如图2为TiO2-HHSS阻隔反射型材料的TEM图，再次证明该材料为空心结构，且具有由小空心球组成大空心球的层次结构，且没有看见明显的二氧化钛颗粒，再次证明二氧化钛均匀分散在HHSS上。
实施例1：一种纳米隔热保温涂料，用以下重量组份比的原料制成：苯丙乳液10份、阻隔反射型材料5份、重钙粉10份、硅藻土15份、增稠剂0.1份、流平剂0.3份、润湿剂0.4份、成膜助剂0.3份、分散剂0.4份、消泡剂0.1份和水10份；所述增稠剂为增稠剂SN-612；所述润湿剂为润湿剂X-405；所述分散剂为分散剂SN-5040；所述消泡剂为消泡剂NXZ；所述阻隔反射型材料为ZnO-HHSS。
所述纳米隔热保温涂料的制备方法，包括有以下步骤：
(1)将水、重钙粉、硅藻土和阻隔反射型材料混合，超声分散5-10min，搅拌10-20min；
(2)往(1)中加入苯丙乳液，进行超声处理5-10min，同时加入增稠剂、流平剂、润湿剂、成膜助剂、分散剂、消泡剂，得混合料；
(3)将(2)得到的混合料搅拌2-3小时，即得纳米隔热保温涂料。
所述步骤(1)-(3)的环境温度为20-25℃；搅拌速率为500r/min。
实施例2：一种纳米隔热保温涂料，用以下重量组份比的原料制成：苯丙乳液15份、反射型材料5份、重钙粉15份、硅藻土17份、增稠剂0.2份、流平剂0.4份、润湿剂0.5份、成膜助剂0.4份、分散剂0.5份、消泡剂0.2份和水20份；所述增稠剂为羧甲基纤维素；所述润湿剂为润湿剂SN991；所述分散剂为分散剂SN-5040；所述消泡剂为聚合物型消泡剂；所述阻隔反射型材料为Fe2O3-HHSS。
所述纳米隔热保温涂料的制备方法，包括有以下步骤：
(1)将水、重钙粉、硅藻土和阻隔反射型材料混合，超声分散5-10min，搅拌10-20min；
(2)往(1)中加入苯丙乳液，进行超声处理5-10min，同时加入增稠剂、流平剂、润湿剂、成膜助剂、分散剂、消泡剂，得混合料；
(3)将(2)得到的混合料搅拌2-3小时，即得纳米隔热保温涂料。
所述步骤(1)-(3)的环境温度为20-25℃；搅拌速率为600r/min。
实施例3：一种纳米隔热保温涂料，用以下重量组份比的原料制成：苯丙乳液20份、阻隔反射型材料15份、重钙粉14.8份、硅藻土18份、增稠剂0.2份、流平剂0.4份、润湿剂0.5份、成膜助剂0.4份、分散剂0.5份、消泡剂0.2份和水30份；所述阻隔反射型材料为TiO2-HHSS。
所述纳米隔热保温涂料的制备方法，包括有以下步骤：
(1)将水、重钙粉、硅藻土和阻隔反射型材料混合，超声分散5-10min，搅拌10-20min；
(2)往(1)中加入苯丙乳液，进行超声处理5-10min，同时加入增稠剂、流平剂、润湿剂、成膜助剂、分散剂、消泡剂，得混合料；
(3)将(2)得到的混合料搅拌2-3小时，即得纳米隔热保温涂料。
所述步骤(1)-(3)的环境温度为20-25℃；搅拌速率为700r/min。
制备的纳米隔热保温涂料刷涂后的薄膜进行SEM表征，如图4所示，图4左图说明“纳米隔热保温涂料”经刷涂后，表面比较平整；而图4右图为“纳米隔热保温涂料”薄膜的不规则切面，明显可以看到纳米级的球形结构堆积在成膜物质中，说明阻隔反射型材料，TiO2-HHSS能很好在涂料中保持良好的形貌。
实施例4：一种纳米隔热保温涂料，用以下重量组份比的原料制成：苯丙乳液25份、阻隔反射型材料20份、重钙粉18份、硅藻土16份、增稠剂0.1份、流平剂0.4份、润湿剂0.6份、成膜助剂0.5份、分散剂0.4份、消泡剂0.2份和水25份；所述阻隔反射型材料为ZnO-HHSS和TiO2-HHSS。
所述纳米隔热保温涂料的制备方法，包括有以下步骤：
(1)将水、重钙粉、硅藻土和阻隔反射型材料混合，超声分散5-10min，搅拌10-20min；
(2)往(1)中加入苯丙乳液，进行超声处理5-10min，同时加入增稠剂、流平剂、润湿剂、成膜助剂、分散剂、消泡剂，得混合料；
(3)将(2)得到的混合料搅拌2-3小时，即得纳米隔热保温涂料。
所述步骤(1)-(3)的环境温度为20-25℃；搅拌速率为600r/min。
实施例5：一种纳米隔热保温涂料，用以下重量组份比的原料制成：苯丙乳液20份、阻隔反射型材料20份、重钙粉15份、硅藻土18份、增稠剂0.2份、流平剂0.4份、润湿剂0.5份、成膜助剂0.4份、分散剂0.5份、消泡剂0.2份和水35份；所述反射型材料为ZrO2-HHSS。
所述纳米隔热保温涂料的制备方法，包括有以下步骤：
(1)将水、重钙粉、硅藻土和阻隔反射型材料混合，超声分散5-10min，搅拌10-20min；
(2)往(1)中加入苯丙乳液，进行超声处理5-10min，同时加入增稠剂、流平剂、润湿剂、成膜助剂、分散剂、消泡剂，得混合料；
(3)将(2)得到的混合料搅拌2-3小时，即得纳米隔热保温涂料。
所述步骤(1)-(3)的环境温度为20-25℃；搅拌速率为500r/min。
实施例6：一种纳米隔热保温涂料，用以下重量组份比的原料制成：苯丙乳液30份、阻隔反射型材料25份、重钙粉20份、硅藻土20份、增稠剂0.3份、流平剂0.5份、润湿剂0.7份、成膜助剂0.6份、分散剂0.6份、消泡剂0.3份和水40份；所述阻隔反射型材料为MgO-HHSS。
所述纳米隔热保温涂料的制备方法，包括有以下步骤：
(1)将水、重钙粉、硅藻土和阻隔反射型材料混合，超声分散5-10min，搅拌10-20min；
(2)往(1)中加入苯丙乳液，进行超声处理5-10min，同时加入增稠剂、流平剂、润湿剂、成膜助剂、分散剂、消泡剂，得混合料；
(3)将(2)得到的混合料搅拌2-3小时，即得纳米隔热保温涂料。
所述步骤(1)-(3)的环境温度为20-25℃；搅拌速率为700r/min。
实施例7：一种纳米隔热保温涂料，用以下重量组份比的原料制成：苯丙乳液20份、重钙粉14.8份、硅藻土18份、增稠剂0.2份、流平剂0.4份、润湿剂0.5份、成膜助剂0.4份、分散剂0.5份、消泡剂0.2份和水30份。
所述纳米隔热保温涂料的制备方法，包括有以下步骤：
(1)将水、重钙粉和硅藻土混合，超声分散5-10min，搅拌10-20min；
(2)往(1)中加入苯丙乳液，进行超声处理5-10min，同时加入增稠剂、流平剂、润湿剂、成膜助剂、分散剂、消泡剂，得混合料；
(3)将(2)得到的混合料搅拌2-3小时，即得纳米隔热保温涂料。
所述步骤(1)-(3)的环境温度为20-25℃；搅拌速率为600r/min。
对于实施例1-7，在使用250W卤钨灯照射下，如图5所示，涂料的隔热性能随阻隔反射型材料的加入量不断增加而上升，当加入的阻隔反射型材料质量分数分别是空白涂料填料的0％、5％、10％、15％、20％、25％时，一段时间后温度稳定时涂层表层温度分别为为50.6℃、42.7℃、38.7℃、35.2℃、34.8℃、34.5℃，而不加阻隔反射型材料的空白板最终温度为58.3℃。如图6所示，涂层的隔热能力随厚度的增加而明显提升，涂层厚度分别为2mm、3mm、4mm、5mm，最终表层温度稳定在41.5℃、37.6℃、34.9℃、32.4℃。根据实际要求又比较不同阻隔反射型材料加入量、不同涂抹厚度对隔热性能的影响，最终决定施工厚度3mm，阻隔反射型材料添加量为总质量的15％是最佳比例，隔热效果比不加阻隔反射型材料明显降低23.1℃。
另外，我们也所制备的实施例1-7进行了耐碱性检测，使用浓度为10％的硫酸溶液和10％的NaOH溶液分别浸泡，如图7所示，经过30天的时间，涂层并没有被碱液和酸液腐蚀，并保持良好的形貌。
本发明以阻隔反射型材料(如TiO2-HHSS，ZnO-HHSS、Fe2O3-HHSS、ZrO2-HHSS或MgO-HHSS等)作为填料，制备了集阻隔型与反射型于一体的隔热涂料，如图3所示。纳米金属氧化物包覆在二氧化硅空腔球的表面，当太阳光照射到涂料表面时，一部分被反射，剩余的热量大部分被新型纳米二氧化硅的层次空腔阻隔，仅有少量热量能传递到建筑内表面，因此具有优异的隔热效果。
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