一种纳米隔热保温涂料及其制备方法

1.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：

2.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。
3.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。
4.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。
5.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。


技术实现要素：

6.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。
7.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。
8.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。
9.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。
10.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。
11.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。
12.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；
13.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；
14.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。
15.所述的纳米隔热保温涂料的制备方法，包括有以下步骤：
16.(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；
17.(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；
18.(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。
19.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。
20.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。
21.与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
22.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。
23.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。
24.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。
25.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。
26.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℃。
27.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
28.图1是本发明tio2‑
hhss阻隔反射型材料的sem图；
29.图2是本发明tio2‑
hhss阻隔反射型材料的tem图；
30.图3是本发明纳米隔热保温涂料的隔热机理图；
31.图4是本发明纳米隔热保温涂料成膜后的sem图；
32.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；
33.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；
34.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
35.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。
36.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；
37.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；
38.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。
39.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。
40.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。
41.所述纳米隔热保温涂料的制备方法，包括有以下步骤：
42.(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；
43.(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；
44.(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。
45.所述步骤(1)
‑
(3)的环境温度为20
‑
25℃；搅拌速率为500r/min。
46.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。
47.所述纳米隔热保温涂料的制备方法，包括有以下步骤：
48.(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；
49.(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；
50.(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。
51.所述步骤(1)
‑
(3)的环境温度为20
‑
25℃；搅拌速率为600r/min。
52.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。
53.所述纳米隔热保温涂料的制备方法，包括有以下步骤：
54.(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；
55.(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；
56.(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。
57.所述步骤(1)
‑
(3)的环境温度为20
‑
25℃；搅拌速率为700r/min。
58.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。
59.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。
60.所述纳米隔热保温涂料的制备方法，包括有以下步骤：
61.(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；
62.(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；
63.(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。
64.所述步骤(1)
‑
(3)的环境温度为20
‑
25℃；搅拌速率为600r/min。
65.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。
66.所述纳米隔热保温涂料的制备方法，包括有以下步骤：
67.(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；
68.(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；
69.(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。
70.所述步骤(1)
‑
(3)的环境温度为20
‑
25℃；搅拌速率为500r/min。
71.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。
72.所述纳米隔热保温涂料的制备方法，包括有以下步骤：
73.(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；
74.(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；
75.(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。
76.所述步骤(1)
‑
(3)的环境温度为20
‑
25℃；搅拌速率为700r/min。
77.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。
78.所述纳米隔热保温涂料的制备方法，包括有以下步骤：
79.(1)将水、重钙粉和硅藻土混合，超声分散5
‑
10min，搅拌10
‑
20min；
80.(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；
81.(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。
82.所述步骤(1)
‑
(3)的环境温度为20
‑
25℃；搅拌速率为600r/min。
83.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℃。
84.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。
85.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。