专利名称：一种具有纳米多孔结构助剂的透明隔热涂料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及纳米功能性涂料领域，尤其涉及一种可简单刷涂、滚涂或喷涂于物体表面的具有纳米多孔结构助剂的透明隔热涂料及其制备方法。
背景技术：
目前，国内外已经有一些透明隔热涂料的相关研究和专利。其中透明隔热性能较好的是含纳米氧化铟锡(Ι )和氧化锡锑(ATO)的隔热涂层。纳米ΙΤ0、ΑΤ0制成的膜有较高的红外屏蔽效果和较高的透光性，但该材料价格昂贵，难以得到普及，并且其不能很好的实现对热传导的阻隔，即太阳光热量到达物体表面后，其仍然会通过热传导、对流和辐射传 递到内部空间。另外，有些添加了空心微珠和纳米颗粒的涂料，尽管其导热系数小，对于紫外及近红外线也有很好的反射性，隔热性良好，但由于空心微珠自身的不透明性，使这种涂料形成的涂层透光性能得不到满足。
发明内容
鉴于上述现有技术所存在的问题，本发明提供一种具有纳米多孔结构助剂的透明隔热涂料及其制备方法，可以解决现有的隔热涂料无法兼具高透光率与优良的隔热性的问题，其具有对热阻隔、对紫外光屏蔽，对红外光吸收与反射，对可见光透过之间的协同效应，从而实现既透明又隔热。实现本发明目的的技术方案具体如下本发明给出一种具有纳米多孔结构助剂的透明隔热涂料，该涂料由改性聚氨酯、纳米多孔结构的纳米陶瓷颗粒、半导体氧化物、表面活性剂、流平剂、增稠剂和消泡剂组成。上述隔热涂料各原料的用量按重量百分比计为
改性聚氨脂51~93%
纳米多孔结构的纳米陶瓷颗粒I ~ 5%
半导体氧化物5 ~ 40%
表面活性剂O. 2 ~ I %
流平剂O. I ~ 1%
增稠剂O. 01 ~ I %
消泡剂O. 1~1%。上述隔热涂料中，所述纳米多孔结构的纳米陶瓷颗粒包括纳米多孔SiO2、纳米多孔Al2O3和纳米多孔TiO2中一种或多种组合。上述隔热涂料中，所述纳米多孔结构的纳米陶瓷颗粒包括两级颗粒，其一级颗粒大小为3 8nm, 二级颗粒由一级颗粒和气孔组成,大小为30 80nm ;纳米多孔结构的纳米陶瓷颗粒堆实密度小于O. 2g/cm3,孔隙率大于80%。上述隔热涂料中，所述改性聚氨酯采用水性丙烯酸改性聚氨酯或环氧改性聚氨酯中的任一种。上述隔热涂料中，所述水性丙烯酸改性聚氨酯中的水性丙烯酸采用聚丙乙烯；所述环氧改性聚氨酯中的环氧树脂采用环氧树脂E-44或E-12中的任一种。上述隔热涂料中，所述半导体氧化物采用半导体氧化物粉体或浆料；所述半导体氧化物粉体或浆料采用Ζη0、ΑΤ0、ΙΤ0粉体或浆料中一种或多种组合；所述采用半导体氧化物粉体的颗粒粒径范围为10 70nm。上述隔热涂料中，所述表面活性剂采用全氟烷基四乙基胺； 所述流平剂采用含羟基丙烯酸树脂；所述增稠剂采用聚氨酯缔合增稠剂；所述消泡剂采用聚醚嵌段型消泡剂％。本发明一种具有纳米多孔结构助剂的透明隔热涂料的制备方法，该方法包括按上述透明隔热涂料的配方取各原料组分；向占改性聚氨脂总重量30 80%的改性聚氨酯中，加入全部的纳米多孔结构的纳米陶瓷颗粒和表面活性剂，经高速搅拌研磨，充分分散后形成浆料I;将剩余的改性聚氨酯和全部半导体氧化物经高速搅拌充分分散后形成浆料2 ；将上述形成的浆料I与浆料2分别经真空抽虑后，加入流平剂、增稠剂和消泡剂，搅拌混合均匀后，即得到透明隔热涂料。本发明的有益效果是通过加入具有纳米多孔结构的纳米陶瓷颗粒和半导体氧化物，使得该透明隔热涂料透光性好，隔热效率高，具有优异的综合性能，用于物体表面时，可保持物体表面高透光性的同时又能有较好的隔热效果，节能减排，被晒物体表面温差可达8-1 (TC，内部温度可降低2-5 °C，节能达30%。
下面给出实施例描述中所需要使用的附图。图I为本发明实施例提供的具有纳米多孔结构的纳米陶瓷颗粒的结构示意图；图2为本发明实施例提供的具有纳米多孔结构的纳米陶瓷颗粒的透光隔热原理示意图；图3为本发明实施例提供的透明隔热材料涂覆使用后的温度变化对比图；图4为本发明实施例提供的透明隔热材料的制备方法流程图。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此为应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。本发明实施例给出一种具有纳米多孔结构助剂的透明隔热涂料，该涂料可应用于多种场合，达到既保证高透光率又保证良好隔热性的效果，该涂料由改性聚氨脂、纳米多孔结构的纳米陶瓷颗粒、半导体氧化物、表面活性剂、流平剂、增稠剂和消泡剂组成。本发明给出一种具有纳米多孔结构助剂的透明隔热涂料，该涂料由改性聚氨酯、纳米多孔结构的纳米陶瓷颗粒、半导体氧化物、表面活性剂、流平剂、增稠剂和消泡剂组成。上述隔热涂料各原料的用量按重量百分比计为
改性聚氧脂51-93%
纳米多孔结构的纳米陶瓷颗粒I ~ 5%
半导体氧化物5~40%
表面活性剂O. 2 ~ 1%
流平剂O. I ~ 1%
增稠剂O. 01 ~ I %
消泡剂O. 1~1%。上述隔热涂料中的纳米多孔结构的纳米陶瓷颗粒包括纳米多孔SiO2、纳米多孔Al2O3和纳米多孔TiO2中一种或多种组合。上述隔热涂料中的纳米多孔结构的纳米陶瓷颗粒包括两级颗粒，其一级颗粒大小为3 8nm, 二级颗粒由一级颗粒和气孔组成,大小为30 80nm ;纳米多孔结构的纳米陶瓷颗粒堆实密度小于O. 2g/cm3，孔隙率大于80%。上述隔热涂料中的改性聚氨酯采用水性丙烯酸改性聚氨酯或环氧改性聚氨酯中的任一种。其中，水性丙烯酸改性聚氨酯中的水性丙烯酸采用聚丙乙烯；环氧改性聚氨酯中的环氧树脂采用环氧树脂E-44或E-12中的任一种。上述隔热涂料中的半导体氧化物采用半导体氧化物粉体或浆料；所述半导体氧化物粉体或浆料采用ZnO、ATO、ITO粉体或浆料中一种或多种组合；所述采用半导体氧化物粉体的颗粒粒径范围为10 70nm。半导体氧化物若采用半导体氧化物浆料，则可以将颗粒粒径范围为10 70nm的半导体氧化物粉体均匀分布在浆料中形成半导体氧化物浆料。上述隔热涂料中的表面活性剂采用全氟烷基四乙基胺，表面活性剂的用量按重量百分比为O. 2 1% ;所述的流平剂采用含羟基丙烯酸树脂％ ；所述的增稠剂采用聚氨酯缔合增稠剂；增稠剂可以根据粘度加入，若粘度符合要求也可以不加增稠剂。所述的消泡剂采用聚醚嵌段型消泡剂。上述具有纳米多孔结构助剂的透明隔热涂料的制备方法，具体包括以下步骤按上述透明隔热涂料的配方取各原料组分；向占改性聚氨脂总重量30 80%的改性聚氨酯中，加入全部的纳米多孔结构的纳米陶瓷颗粒和表面活性剂，经高速搅拌研磨，充分分散后形成浆料I ;将剩余的改性聚氨酯和全部半导体氧化物经高速搅拌充分分散后形成浆料2 ；将上述形成的浆料I与浆料2分别经真空抽虑后，加入流平剂、增稠剂和消泡剂，搅拌混合均匀后，即得到透明隔热涂料。本发明的透明隔热涂料中，通过向改性聚氨酯加入具有纳米多孔结构的纳米陶瓷颗粒和半导体氧化物，使得该透明隔热涂料透光性好，隔热效率高，具有优异的综合性能，用于物体表面时，可保持物体表面高透光性的同时又能有较好的隔热效果，节能减排，被晒物体表面温差可达8-10°C，内部温度可降低2-5°C，节能达30%。下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。实施例I本实施例提供一种透明隔热涂料，是一种具有纳米多孔结构助剂的纳米多功能涂料，该涂料中各原料的用量，按质量百分比计为
水性丙烯酸改性聚氨脂( 文性聚氨脂)64. 5%
纳米多孔纳米SiO2陶瓷(纳米多孔结构的陶瓷颗粒)3%
ZnO浆料(半导体氧化物)10%,固含量大于20%
ATO浆料(半导体氧化物)20%,固含量大于30%
全氟烷基四乙基胺(表面活性剂)O. 5%
含择基丙稀J爽树脂(流平剂)1°/。
聚氨酯缔合增稠剂(HEUR )(增稠剂)O. 5%
聚醚嵌段型消泡剂(消泡剂)O. 5%。如图I所示，上述具有纳米多孔结构的纳米陶瓷颗粒的多孔结构由两级颗粒组成，其一级颗粒约3 8nm大小,是由更小的纳米级颗粒堆积而成；二级颗粒约为30 80nm大小，是由一级颗粒和气孔组成，其结构示意图如图I所示。这种纳米陶瓷颗粒的透光隔热方式如图2所示。上述透明隔热涂料中，纳米多孔SiO2陶瓷颗粒的加入，对提高涂料强度、硬度、耐磨性、耐洗擦性具有明显的效果；半导体氧化物ZnO具有半导体光学特性，有效的吸收和反射了太阳光中的紫外光和红外线部分；半导体氧化物ATO是一种N型半导体材料，对太阳光谱具有理想的选择性，在可见光区透过率高，而对红外光却具有很好的屏蔽性能。而且无机纳米粒子直径远远低于可见光的波长，因此对可见光完全没有遮盖力，呈透明状，其可见光透过率大于80%。这些纳米功能材料只以微量的形式加入透明涂料中，对涂料的施工性影响不大、外观更漂亮、略微增加了成本和降低了透光性，但通过材料的设计和工艺的优化，能达到应用要求。并且本发明的透明隔热涂料为水性涂料，可解决溶剂型涂料存在有毒、溶剂挥发严重等问题的环保问题。在物体表面涂覆(刷涂、滚涂、喷涂、淋涂等)透明隔热涂料2 lOum，保持物体表面高透光性的同时又能有较好的隔热效果，减少空调的使用率，被晒物体表面温差可达8 10°C，内部温度可降低2 5°C，节能达30%。如图3所示，按相同的实验条件做涂膜和未涂膜玻璃的隔热效果实验，其温差达到5 8°C。上述透明隔热涂料的制备方法，如图4所示，具体包括以下步骤按上述给出的透明隔热涂料的配方取各原料组分；
先取占水性丙烯酸改性聚氨脂50% (可在30 80%的用量中任选)的水性丙烯酸改性聚氨脂，向其中加入占纳米多孔结构的陶瓷颗粒3%的纳米多孔结构的陶瓷颗粒和全部的全氟烷基四乙基胺，经砂磨机(也可用高速搅拌机或三锟机)研磨，充分分散后形成浆料I ;再取余下的水性丙烯酸改性聚氨酯和10%的ZnO和20%的ATO半导体氧化物经高速搅拌充分分散后形成浆料2 ;最后把浆料I和浆料2分别经真空抽虑后，加入流平剂1%的含羟基丙烯酸树脂、O. 5%的聚氨酯缔合增稠剂(HEUR)和O. 5%的聚醚嵌段型消泡剂，搅拌混合均匀，即形成最终产品。本发明的透明涂料按太阳光隔热需要对纳米材料不同波长的响应频段进行设计，充分发挥纳米材料特性，将具有纳米多孔结构的纳米陶瓷颗粒氧化硅(SiO2)、具有半导体特性的氧化锌(ZnO)和掺锑二氧化锡(ATO)粉体浆料均匀分散到水性透明改性聚氨酯中。透明涂层对紫外线基本完全吸收，吸收率大于98% ;对红外线阻隔率高达80% ;对可见光透过率大于80% ;隔热温差达；5 8V ;附着性强(O级)；铅笔硬度H ;耐水性大于90小时；使用方便(以刷涂、滚涂、喷涂为主)；成本低；适于扩大生产。在军队舰船、装甲车辆表面、飞机蒙皮；油田储油罐、输油管道、运油车；建筑幕墙玻璃；汽车隔热玻璃等领域有着重 要的应用前景。可以解决石油行业储油罐、输油管道，建筑行业幕墙玻璃、外墙，交通行业汽车玻璃和军工行业武器装备等表面对太阳光中的高热量部分和可见光部分的不同需求，是一种具有透光率高、隔热性优良、成本低廉、性价比高的透明隔热涂料。该涂料充分利用具有纳米多孔结构的纳米陶瓷颗粒氧化材料对光、热的阻隔、反射、吸收及辐射的特性，使形成的涂料对热的阻隔、对紫外光的屏蔽，对红外光的吸收和反射，对可见光的透过之间的协同效应，突破既透明又隔热这个不可兼得的难题，能对热传导、对流和辐射三种传导方式有效隔绝。 同时，涂料中的这些具有纳米多孔结构的纳米陶瓷颗粒在增强涂层的耐磨性、耐候性和自洁性等方面都有较好的作用。并且，正是由于这些具有纳米多孔结构的纳米陶瓷颗粒决定了形成的透明隔热涂料，在不影响涂料可见光透过性的前提下，对太阳光中热量集中的紫外和红外部分实行有效的隔绝和反射，对已经吸收的热量，由纳米多孔结构实行有效的阻隔，真正起到“既透明又隔热”的作用。实施例2本实施例提供一种透明隔热涂料，是一种具有纳米多孔结构助剂的纳米多功能涂料，该涂料中各原料的用量，按质量百分比计为
环氧E-44改性聚氨脂(改性聚氣脂)58. 5%
纳米多孔纳米S i O2陶瓷(纳米多孔结构的陶瓷颗粒)4%ZnO浆料(半导体氧化物)15%，固含量大于20%
ATO浆料(半导体氧化物)20%,固含量大于30%
全氟统基四乙基胺(表面活性剂)O. 5%
含择基丙烯酸树脂(流平剂)1%
聚氨酯缔合增稠剂(HEUR)(增稠剂)0.5%
聚醚嵌段型消泡剂(消泡剂)O. 5%本实施例透明隔热涂料的制备方法与实施例I中的制备方法基本相同，可参见实施例I (见图4的制备流程)，在此不再重复。实施例3本实施例提供一种透明隔热涂料，是一种具有纳米多孔结构助剂的纳米多功能涂料，该涂料中各原料的用量，按质量百分比计为
环氧E-12改性聚氨脂(改性聚氨脂)60%·
纳米多孔纳米SiO2陶瓷(纳米多孔结构的陶瓷颗粒)2. 5%
ZnO浆料(半导体氧化物)10%，固含量大于20%
ATO浆料(半导体氧化物)25%,固含量大于30%
全氟烷基四乙基胺(表面活性剂)O. 5%
含羟基丙烯酸树脂(流平剂)1%
聚氨酯缔合增稠剂(HEUR )(增稠剂)O. 5%
聚酸嵌段型消泡剂(消泡剂)0.5%本实施例透明隔热涂料的制备方法与实施例I中的制备方法基本相同，可参见实施例I (见图4的制备流程)，在此不再重复。本发明的透明隔热纳米多功能涂料可应用于多个领域，举例说明(I)作为建筑涂料建筑涂料尤其是建筑玻璃涂料是透明隔热水性纳米涂料最大的应用领域。我国玻璃隔热主要通过三条途径一是贴隔热膜，价格高达300元/m2，普通用户难以承受，目前只有在少数高档轿车上使用；二是用热反射膜，通过反射膜反射热量，达到隔热的效果，但热反射膜透光性较差，阻碍了它的广泛应用；三是LOW-E中空玻璃，目前国内有南玻、北玻、耀华、福耀、信义等厂家都有生产线，设备及投资巨大运营成本高涨导致价格在250元/平方米，使商家没办法全面采用，同时对既有的建筑玻璃节能改造没办法应用。水性纳米透明隔热涂料不但透光性好，而且能有效阻隔太阳热辐射，使室内外温差明显降低，即使不开空调也能达到“冬暖夏凉”的效果，此种材料的价格在30元/平方米左右，性能和价格为大众所接受，具有较大的竞争力。我国建筑玻璃市场历来难以统计，仅以每年玻璃厂的产量推算，就将为该材料带来上百亿元的市场。截至2004年底，全国现有建筑玻璃量为14. 9亿平方米，只要其中30%采用纳米透明隔热玻璃涂料，产值将超200亿元。
(2)作为汽车涂料汽车涂料尤其是汽车玻璃是水性纳米透明隔热涂料重要的应用领域。例如一辆汽车的挡风玻璃总面积达I. 42平方米，车顶又有玻璃天幕式天窗，总面达1. 61平方米。当室外温度为32°C时，在不开空调的情况下，车内温度可达70°C以上，车内长时间的开空调无疑增加了汽油的消耗和环境的污染。全世界汽车的数量随时都在更新，这是一个庞大的市场，水性纳米透明隔热涂料承担起神圣的使命，带来巨大的社会效益和经济效益。(3)作为油田隔热油田储油罐、输油管道、运油车及各类设备都急需高效的隔热材料，水性纳米透明隔热涂料将有着广阔的应用空间，尤其是海上油田，大量的热来自太阳光，轻质高效的水性纳米透明隔热涂料不仅可以减少海上油田的附重，还能为油田工作人员提供舒适的工作环境。而储油罐、输油管道、运油车对高效隔热涂料的需求更是强烈，夏天，储油罐内的温度 可达50°C以上，这带来了巨大的危险和降温费用。以前储油罐表面防护是由两道底漆及两道银粉面漆构成，但在夏季高温天气下为了安全运行，不得不采用工业水喷淋降温，不仅浪费了宝贵的水资源，而且污染环境，腐蚀设备，而采用水性纳米透明隔热涂料将可达到预期目的。据了解我国的石油化工储罐总计在十万座以上，大的上万立方米，小的几百立方米，假定平均为1000m3，十万座储罐折成面积总计约4550万平方米，假定50 %需保温隔热，在实际销售过程中市场占有率为50%，净利润20元/平方米计算，那么企业的净利润为2亿2750万元。可以知道，上述应用仅是举例说明，对任何既要保证透光性，又要隔热的领域均可使用本发明的透明隔热涂料。综上所述，本发明透明隔热涂料中通过加入具有纳米多孔结构的纳米陶瓷颗粒氧化材料，使得该透明隔热涂料透光性好，隔热效率高，具有优异的综合性能，即硬度更高、附着力更强、耐候性更好等。施工简单，可广泛应用于石油化工、建筑、汽车等行业，保持物体表面高透光性的同时又能有较好的隔热效果，节能减排，使被晒物体表面温差可达8-10°C，内部温度可降低2-5 °C，节能达30 %以上。上述仅是本发明较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限在这些实施例，本技术领域的技术人员在本发明披露技术范围内，可以想到的变化及替换，都在本发明保护范围内。因此，本发明保护范围以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
1.一种具有纳米多孔结构助剂的透明隔热涂料，其特征在于，该涂料由改性聚氨酯、纳米多孔结构的纳米陶瓷颗粒、半导体氧化物、表面活性剂、流平剂、增稠剂和消泡剂组成。
2.根据权利要求I所述的具有纳米多孔结构助剂的透明隔热涂料，其特征在于，所述隔热涂料各原料的用量按重量百分比计为改性聚氨脂51~93%纳米多孔结构的纳米陶瓷颗粒I ~ 5%半导体氧化物5~40%表面活性剂0.2~1%流平剂O. I ~ 1%增稠剂O. Ol ~ I %消泡剂O. 1~1%。
3.根据权利要求I或2所述的具有纳米多孔结构助剂的透明隔热涂料，其特征在于，所述纳米多孔结构的纳米陶瓷颗粒包括纳米多孔SiO2、纳米多孔Al2O3和纳米多孔TiO2中一种或多种组合。
4.根据权利要求I或2所述的具有纳米多孔结构助剂的透明隔热涂料，其特征在于，所述纳米多孔结构的纳米陶瓷颗粒包括两级颗粒，其一级颗粒大小为3 8nm, 二级颗粒由一级颗粒和气孔组成，大小为30 80nm ;纳米多孔结构的纳米陶瓷颗粒堆实密度小于O. 2g/cm3,孔隙率大于80 %。
5.根据权利要求I或2所述的具有纳米多孔结构助剂的透明隔热涂料，其特征在于，所述改性聚氨酯采用水性丙烯酸改性聚氨酯或环氧改性聚氨酯中的任一种。
6.根据权利要求5所述的具有纳米多孔结构助剂的透明隔热涂料，其特征在于，所述水性丙烯酸改性聚氨酯中的水性丙烯酸采用聚丙乙烯；所述环氧改性聚氨酯中的环氧树脂采用环氧树脂E-44或E-12中的任一种。
7.根据权利要求I或2所述的具有纳米多孔结构助剂的透明隔热涂料，其特征在于，所述半导体氧化物采用半导体氧化物粉体或浆料；所述半导体氧化物粉体或浆料采用ZnO、ΑΤΟ、ITO粉体或浆料中一种或多种组合；所述采用半导体氧化物粉体的颗粒粒径范围为10 70nm。
8.根据权利要求I或2所述的具有纳米多孔结构助剂的透明隔热涂料，其特征在于， 所述表面活性剂采用全氟烷基四乙基胺； 所述流平剂采用含羟基丙烯酸树脂； 所述增稠剂采用聚氨酯缔合增稠剂； 所述消泡剂采用聚醚嵌段型消泡剂。
9.一种具有纳米多孔结构助剂的透明隔热涂料的制备方法，其特征在于，该方法包括 按上述权利要求I 8给出的透明隔热涂料的配方取各原料组分； 向占改性聚氨脂总重量30 80%的改性聚氨酯中，加入全部的纳米多孔结构的纳米陶瓷颗粒和表面活性剂，经高速搅拌研磨，充分分散后形成浆料I ;将剩余的改性聚氨酯和全部半导体氧化物经高速搅拌充分分散后形成浆料2 ； 将上述形成的浆料I与浆料2分别经真空抽虑后，加入流平剂、增稠剂和消泡剂，搅拌混合均匀后，即得到透明隔热涂料。
全文摘要
本发明公开一种具有纳米多孔结构助剂的透明隔热涂料及其制备方法，属于功能性涂料领域。该涂料由水性丙烯酸或环氧改性聚氨脂、具有纳米多孔结构的纳米陶瓷颗粒、半导体氧化物(ZnO、ATO、ITO粉体或浆料)、表面活性剂、流平剂、增稠剂和消泡剂等组成。该涂料的特点是将具有纳米多孔结构的纳米陶瓷颗粒和半导体氧化物等功能助剂均匀地分散到丙烯酸改性聚氨酯或环氧改性聚氨酯透明涂料中，充分发挥纳米材料特性，在保证涂料透光性的前提下，对热量传输的三种方式传导、对流和辐射进行有效地隔绝，真正起到透明、隔热、环保等作用。该涂料具有优异的综合性能，施工简单，用于石油化工、建筑、汽车等行业，可保持物体表面高透光性的同时又能有较好的隔热效果，节能减排，使被晒物体表面温差可达8-10℃，内部温度可降低2-5℃，节能达30％以上。
文档编号C09D175/04GK102911591SQ201110221628
公开日2013年2月6日 申请日期2011年8月4日 优先权日2011年8月4日
发明者杨大祥, 魏梧淞 申请人:中国人民解放军装甲兵工程学院, 北京博弈飞科技开发有限公司