本发明涉及化工涂料领域，尤其涉及一种气凝胶水性隔热涂料及其制备方法。气凝胶水性隔热涂料具有优异的隔热保温性能，在建筑保温、车辆交通、军事和航天等领域均具有巨大的应用价值。
背景技术：
气凝胶是一种由纳米级颗粒堆积而成的、具有纳米级孔洞的轻质固体材料，因此具有极高的孔隙率、比表面积，优异的化学稳定性和不燃性，表现出优异的轻质、透光、隔热、保温、隔音、防火、抗冲击性能。
但是，由于气凝胶具有极低的固含量和密度，导致其骨架纤细，强度较低。而且，由于气凝胶表面存在很多纳米孔，涂料体系中的低分子量液态物质容易进入微孔，产生巨大的毛细管力，从而导致气凝胶骨架坍塌，失去纳米多孔结构，进而失去气凝胶优异的隔热保温性能，制约其工程应用。
技术实现要素：
基于此，有必要提供一种气凝胶水性隔热涂料及其制备方法。
一种气凝胶水性隔热涂料，主要由水性树脂和气凝胶粉体组成，所述气凝胶粉体由内部疏水层和表面亲水层构成，所述表面亲水层厚度为0.1~100μm。
在其中一个实施例中，所述气凝胶水性隔热涂料还包括颜填料、助剂、分散介质中的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述水性树脂为醇酸树脂、丙烯酸树脂、饱和聚酯树脂、聚脲树脂、聚氨酯树脂、氨基树脂、环氧树脂、氟碳树脂、有机硅树脂、硝基纤维素、乙烯基树脂中的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述颜填料为钛白粉、氧化锌、立德粉、锑白、铅白、炭黑、铁系颜料、铬酸盐颜料、镉系颜料、偶氮颜料、酞菁颜料、多环颜料、玻化微珠、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、碳酸钙、硫酸钡、硅藻土、气相二氧化硅、滑石粉、高岭土、硅灰石、云母粉、合成硅酸铝中的一种或多种；所述颜填料还包括纳米钛白粉、ato纳米半导体粉、ito纳米半导体粉、金属氧化物粉中的一种或多种；所述助剂为润湿剂、分散剂、流平剂、防沉剂、消泡剂、增稠剂、催干剂、抗结皮剂、防腐剂、光稳定剂、成膜助剂中的一种或多种；所述分散介质为水、二甲苯、醋酸丁酯、乙醇、异丙醇、正丁醇、乙二醇中的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述气凝胶水性隔热涂料包括以下重量组分：所述水性树脂30~60份、所述气凝胶粉体5~40份、所述颜填料0~25份、所述助剂0~10份、所述分散介质0~30份。
一种气凝胶水性隔热涂料的制备方法，包括以下步骤：
（1）气凝胶粉体改性；
（2）将步骤（1）的气凝胶粉体与所述水性树脂混合，搅拌或球磨处理。
在其中一个实施例中，所述步骤（1）包括疏水改性步骤；所述疏水改性为在密闭的疏水改性剂气相环境中对气凝胶粉体进行疏水改性；所述疏水改性剂为三甲基氯硅烷、六甲基二硅氮烷、六甲基二硅氧烷、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-（2,3-环氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、n-（β-氨乙基）-γ-氨丙基三乙氧基硅烷中的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述步骤（1）还包括表面亲水改性步骤；所述表面亲水改性为采用表面亲水改性溶液对气凝胶粉体表面进行改性；所述表面亲水改性溶液是表面活性剂和低表面张力溶剂的水溶液或低表面张力溶剂的水溶液；所述表面活性剂为阴离子型表面活性剂、阳离子型表面活性剂、两性表面活性剂、非离子型表面活性剂中的一种或多种；所述阴离子型表面活性剂为脂肪醇磷酸酯盐、脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯盐、烷基硫酸盐、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐、甘油脂肪酸酯硫酸盐、硫酸化蓖麻酸盐、环烷硫酸盐、脂肪酰胺烷基硫酸盐、烷基苯磺酸盐、烷基磺酸盐、脂肪酸甲酯乙氧基化物磺酸盐、脂肪酸甲酯磺酸盐、脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸盐中的一种或多种；所述阳离子型表面活性剂为脂肪族铵盐；所述两性表面活性剂为烷基氨基酸、羧酸基甜菜碱、磺基甜菜碱、磷酸酯甜菜碱、烷基羟基氧化胺中的一种或多种；所述非离子型表面活性剂为脂肪族聚酯、烷基酚聚氧乙烯醚、高碳脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯、脂肪酸甲酯乙氧基化物、聚丙二醇的环氧乙烯加成物、失水山梨醇酯、蔗糖脂肪酸酯、烷基酯酰胺中的一种或多种；所述低表面张力溶剂为丙酮、正己烷、正戊烷、正庚烷、乙醇、异丙醇、叔丁醇、丙二醇、甘油中的一种或多种；所述表面亲水改性步骤中，还包括外加物理场作用步骤；所述外加物理场作用步骤为远红外辐射、搅拌、超声波处理、球磨中的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述步骤（1）还包括干燥处理步骤；所述干燥处理为远红外干燥、喷雾干燥、微波干燥、常压干燥、超临界干燥、亚临界干燥、冷冻干燥中的一种。
在其中一个实施例中，所述步骤（2）还可以加入所述颜填料、所述助剂、所述分散介质中的一种或多种。
上述气凝胶水性隔热涂料保温隔热性能优异，导热系数可低至0.03w/m·k以下，制备工艺简单，实用，性能优异，价格低廉，适合工业化生产。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
本发明的气凝胶水性隔热涂料的一种实施例，主要由水性树脂和气凝胶粉体组成，所述气凝胶粉体由内部疏水层和表面亲水层构成，所述表面亲水层厚度为0.1~100μm。
如此，本发明的气凝胶水性隔热涂料组分简单，无需针对气凝胶添加过多化学添加剂，不影响涂膜性能，并且气凝胶与水性树脂之间具有良好的界面结合。
本实施例中，所述气凝胶水性隔热涂料还包括颜填料、助剂、分散介质中的一种或多种。
本实施例中，所述水性树脂为醇酸树脂、丙烯酸树脂、饱和聚酯树脂、聚脲树脂、聚氨酯树脂、氨基树脂、环氧树脂、氟碳树脂、有机硅树脂、硝基纤维素、乙烯基树脂中的一种或多种。
如此，根据使用环境以及基材性质，选择匹配的水性树脂。
本实施例中，所述颜填料为钛白粉、氧化锌、立德粉、锑白、铅白、炭黑、铁系颜料、铬酸盐颜料、镉系颜料、偶氮颜料、酞菁颜料、多环颜料、玻化微珠、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、碳酸钙、硫酸钡、硅藻土、气相二氧化硅、滑石粉、高岭土、硅灰石、云母粉、合成硅酸铝中的一种或多种；所述颜填料还包括纳米钛白粉、ato纳米半导体粉、ito纳米半导体粉、金属氧化物粉中的一种或多种；所述助剂为润湿剂、分散剂、流平剂、防沉剂、消泡剂、增稠剂、催干剂、抗结皮剂、防腐剂、光稳定剂、成膜助剂中的一种或多种；所述分散介质为水、二甲苯、醋酸丁酯、乙醇、异丙醇、正丁醇、乙二醇中的一种或多种。
如此，向气凝胶水性隔热涂料中添加颜填料可以提高美观度，并且由于部分颜填料具有吸热脱水特性，在一定程度上提高涂料的耐火极限；添加纳米钛白粉、ato纳米半导体粉、ito纳米半导体粉、金属氧化物粉等反射光波型颜填料，可以减少太阳光在涂层上产生的热量，进一步提高涂料的隔热性能；添加合适的助剂，可以改善涂料的物理化学性能，如流动性、和易性、防霉性、耐候性、涂膜硬度等，进而提高涂料的综合性能。
本实施例中，所述气凝胶水性隔热涂料包括以下重量组分：所述水性树脂30~60份、所述气凝胶粉体5~40份、所述颜填料0~25份、所述助剂0~10份、所述分散介质0~30份。
一种气凝胶水性隔热涂料的制备方法，包括以下步骤：
（1）气凝胶粉体改性；
（2）将步骤（1）的气凝胶粉体与所述水性树脂混合，搅拌或球磨处理。
如此，上述工艺简单、周期短，适合工业化生产。
本实施例中，所述步骤（1）包括疏水改性步骤；所述疏水改性为在密闭的疏水改性剂气相环境中对气凝胶粉体进行疏水改性；所述疏水改性剂为三甲基氯硅烷、六甲基二硅氮烷、六甲基二硅氧烷、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-（2,3-环氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、n-（β-氨乙基）-γ-氨丙基三乙氧基硅烷中的一种或多种。
如此，由于现有气凝胶材料制备方法中，前躯体、置换溶剂和干燥工艺对气凝胶的疏水性有极大的影响，如果气凝胶的表面与水的接触角大于90°，可以不预先进行疏水改性，直接进行表面亲水改性；如果气凝胶的表面与水的接触角小于90°，则需要预先进行疏水改性；在密闭的疏水改性剂气相环境中对气凝胶粉体进行疏水改性，除了显著提高气凝胶粉体的改性效果，确保后续亲水改性时内部纳米多孔结构不被破坏外，还显著提高改性效率和生产效率，降低生产成本。
本实施例中，所述步骤（1）还包括表面亲水改性步骤；所述表面亲水改性步骤为采用表面亲水改性溶液对疏水气凝胶粉体表面进行改性；所述表面亲水改性溶液是表面活性剂和低表面张力溶剂的水溶液或低表面张力溶剂的水溶液；所述表面活性剂为阴离子型表面活性剂、阳离子型表面活性剂、两性表面活性剂、非离子型表面活性剂中的一种或多种；所述阴离子型表面活性剂为脂肪醇磷酸酯盐、脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯盐、烷基硫酸盐、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐、甘油脂肪酸酯硫酸盐、硫酸化蓖麻酸盐、环烷硫酸盐、脂肪酰胺烷基硫酸盐、烷基苯磺酸盐、烷基磺酸盐、脂肪酸甲酯乙氧基化物磺酸盐、脂肪酸甲酯磺酸盐、脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸盐中的一种或多种；所述阳离子型表面活性剂为脂肪族铵盐；所述两性表面活性剂为烷基氨基酸、羧酸基甜菜碱、磺基甜菜碱、磷酸酯甜菜碱、烷基羟基氧化胺中的一种或多种；所述非离子型表面活性剂为脂肪族聚酯、烷基酚聚氧乙烯醚、高碳脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯、脂肪酸甲酯乙氧基化物、聚丙二醇的环氧乙烯加成物、失水山梨醇酯、蔗糖脂肪酸酯、烷基酯酰胺中的一种或多种；所述低表面张力溶剂为丙酮、正己烷、正戊烷、正庚烷、乙醇、异丙醇、叔丁醇、丙二醇、甘油中的一种或多种；所述表面亲水改性步骤中，还包括外加物理场作用步骤；所述外加物理场作用步骤为远红外辐射、搅拌、超声波处理、球磨中的一种。
如此，采用表面活性剂和低表面张力溶剂的水溶液或低表面张力溶剂的水溶液，在对疏水气凝胶粉体表面进行亲水改性处理过程中具有表面协同亲水改性效应，可显著提高表面亲水改性溶液在气凝胶粉体表面的润湿扩展速率，同时显著减缓向气凝胶粉体内部的润湿扩展，通过调控改性溶液的用量，可以精确地实现对气凝胶粉体表面亲水层厚度的调控，低表面张力溶剂不仅与水以及表面活性剂具有表面协同亲水改性效应，而且可以大大地降低进入气凝胶粉体表层纳米孔中的亲水改性溶液的毛细管力，很容易通过干燥工艺将气凝胶粉体表层纳米孔中的亲水改性溶液蒸发出来，而不破坏其纳米多孔结构，使得气凝胶粉体呈现内部疏水、表面亲水、表面亲水层仍保留纳米多孔结构且表面亲水层厚度为0.1~100μm的结构特征，与水性树脂之间具有良好的界面结合；外加物理场作用可以显著提高表面亲水改性溶液的活性以及与气凝胶粉体的接触几率，降低表面活性剂用量，提高气凝胶粉体的表面亲水改性速率，降低成本，提高生产效率。
本实施例中，所述步骤（1）还包括干燥处理步骤；所述干燥处理为远红外干燥、喷雾干燥、微波干燥、常压干燥、超临界干燥、亚临界干燥、冷冻干燥中的一种。
如此，如果亲水改性后的气凝胶粉体与水性树脂复合时，表层残余的亲水改性溶液会影响界面结合，需预先干燥处理；本发明在确保气凝胶粉体表层纳米孔结构不被破坏的前提下，将气凝胶粉体表层纳米孔中残余的表面亲水改性溶液蒸发出来，提高气凝胶粉体与水性树脂之间的界面结合强度。
本实施例中，所述步骤（2）还可以加入所述颜填料、所述助剂、所述分散介质中的一种或多种。
上述气凝胶水性隔热涂料保温隔热性能优异，导热系数可低至0.03w/m·k以下，制备工艺简单，实用，性能优异，价格低廉，适合工业化生产。
下面为具体实施例部分。
实施例1
采用以下步骤制备气凝胶隔热涂料：
（1）使用接触角测量仪检测待处理的sio2气凝胶粉体表面与水的接触角，检测结果为31°，然后将粒径为22μm的sio2气凝胶粉体放置于真空加热炉中，用容器将称量后的六甲基二硅氮烷放置于真空加热炉中，加热气化，疏水改性2.5h，得到疏水sio2气凝胶粉体，用接触角测量仪检测疏水sio2气凝胶粉体表面与水的接触角，检测结果为150°；
（2）在室温下，按质量比1:0.5:15称取正己烷、甘油以及去离子水，混合均匀，配置成表面亲水改性溶液；
（3）按疏水sio2气凝胶粉体和表面亲水改性溶液的体积比1:3，称取表面改性溶液，并倒入相应容器中，将经过步骤（1）的疏水sio2气凝胶粉体放入由过滤网制成的盛具中，一同浸入表面亲水改性溶液中，1min后取出；
（4）将步骤（3）得到的表面含有亲水改性溶液的sio2气凝胶板材放置于远红外干燥炉中，在120℃温度下，干燥0.5h，随炉冷却到50℃以下后取出，对sio2气凝胶粉体的横截面进行检测，检测结果显示，表面亲水层厚度为99.2μm；
（5）制备涂料，（a）按表1.1的配比将部分水、步骤（4）的sio2气凝胶、氢氧化镁、硅酸铝、成膜助剂、润湿剂、分散剂、部分消泡剂、流平剂、无水乙醇混合并高速分散，搅拌速率为3000转/min；（b）加入弹性丙烯酸树脂、剩余消泡剂，混合均匀；（c）低速（搅拌速率为500转/min）缓慢加入增稠剂，调整涂料的粘度，制得sio2气凝胶水性隔热涂料；表1.1为实施例1的sio2气凝胶水性隔热涂料的重量组份，表1.2为实施例1的sio2气凝胶水性隔热涂料的性能指标。
表1.1实施例1的sio2气凝胶水性隔热涂料的重量组份
表1.2实施例1的sio2气凝胶水性隔热涂料的性能指标
实施例2
采用以下步骤制备气凝胶隔热涂料：
（1）使用接触角测量仪检测待用的sio2气凝胶表面与水的接触角，检测结果为126°，则该sio2气凝胶具有疏水性；
（2）在室温下，按质量比1:0.5:1000称取正己烷、烷基苯磺酸钠以及去离子水，混合均匀，配置成表面亲水改性溶液；
（3）按疏水sio2气凝胶粉体和表面亲水改性溶液的体积比1:3，称取表面改性溶液，并倒入相应容器中，将经过步骤（1）的疏水sio2气凝胶粉体放入由过滤网制成的盛具中，一同浸入表面亲水改性溶液中，1min后取出；
（4）将步骤（3）得到的表面含有亲水改性溶液的sio2气凝胶板材放置于远红外干燥炉中，在120℃温度下，干燥0.5h，随炉冷却到50℃以下后取出，对sio2气凝胶粉体的横截面进行检测，检测结果显示，表面亲水层厚度为0.1μm；
（5）涂料的制备，（a）按表2.1的配比将部分水、sio2气凝胶、纳米钛白粉、二丙二醇丁醚、二丙二醇甲醚、润湿剂、分散剂、部分消泡剂、流平剂、无水乙醇混合并高速分散，转速为3000转/min；（b）加入聚氨酯分散体、剩余消泡剂，混合均匀；（c）低速（转速为500转/min）缓慢加入增稠剂，调整涂料的粘度，制得气凝胶水性隔热涂料。表2.1为实施例2的sio2气凝胶水性隔热涂料的重量组份，表2.2为实施例2的sio2气凝胶水性隔热涂料的性能指标。
表2.1实施例2的sio2气凝胶水性隔热涂料的重量组份
表2.2实施例1的sio2气凝胶水性隔热涂料的性能指标
实施例3
采用以下步骤制备气凝胶隔热涂料：
（1）使用接触角测量仪检测待处理的粒径为75μm的sio2气凝胶粉体表面与水的接触角，检测结果为141°，则该sio2气凝胶粉体具有疏水性；
（2）在室温下，按质量比1:0.3:100称取壬基酚聚氧乙烯醚、正己烷和去离子水，混合均匀，配置成表面亲水改性溶液；
（3）按疏水sio2气凝胶粉体和表面亲水改性溶液的体积比1:3，称取表面改性溶液，并倒入相应容器中，将经过步骤（1）的疏水sio2气凝胶粉体与表面亲水改性溶液混合，球磨15min后，取出过滤；
（4）将步骤（3）得到的表面含有亲水改性溶液的sio2气凝胶粉体放置于远红外干燥炉中，在120℃温度下，干燥0.5h，随炉冷却到50℃以下后取出，对sio2气凝胶粉体的横截面进行检测，检测结果显示，表面亲水层厚度为11.1μm；
（5）制备涂料，（a）按表3.1的配比将sio2气凝胶、纳米钛白粉、高岭土、五溴甲苯、云母、碳酸钙、润湿剂、分散剂、部分消泡剂、部分水加入至高速分散机中，高速分散，搅拌速率为300转/min；（b）在球磨机中研磨2h；（c）加入内增塑丙烯酸乳液和剩余消泡剂，低速搅拌均匀，即得气凝胶水性隔热涂料。表3.1为实施例3的sio2气凝胶水性隔热涂料的重量组份，表3.2为实施例3的sio2气凝胶水性隔热涂料的性能指标。
表3.1实施例3的sio2气凝胶水性隔热涂料的重量组份
表3.2实施例3的sio2气凝胶水性隔热涂料的性能指标
实施例4
（1）使用接触角测量仪检测待处理的sio2气凝胶粉体表面与水的接触角，检测结果为45°，然后将粒径为205μm的sio2气凝胶粉体放置于真空加热炉中，用容器将称量后的六甲基二硅氮烷放置于真空加热炉中，加热气化，疏水改性1.5h，得到疏水sio2气凝胶粉体，用接触角测量仪检测疏水sio2气凝胶粉体表面与水的接触角，检测结果为146°；
（2）在室温下，按质量比1:1:250称取正己烷、烷基苯磺酸钠以及去离子水，混合均匀，配置成表面亲水改性溶液；
（3）按疏水sio2气凝胶粉体和表面亲水改性溶液的体积比1:3，称取表面改性溶液，并倒入相应容器中，将经过步骤（1）的疏水sio2气凝胶粉体放入由过滤网制成的盛具中，一同浸入表面亲水改性溶液中，1min后取出；
（4）将步骤（3）得到的表面含有亲水改性溶液的sio2气凝胶粉体放置于远红外干燥炉中，在120℃温度下，干燥0.5h，随炉冷却到50℃以下后取出，折断后，对sio2气凝胶粉体的横截面进行检测，检测结果显示，表面亲水层厚度为49.2μm；
（5）按表4.1的配比将步骤（4）的sio2气凝胶粉体、水性丙烯酸树脂、ato纳米半导体粉混合，机械搅拌1h，搅拌速率为2000转/min，得到sio2气凝胶隔热涂料。表4.1为实施例4的sio2气凝胶水性隔热涂料的重量组份，表4.2为实施例4的sio2气凝胶水性隔热涂料的性能指标。
表4.1实施例4的sio2气凝胶水性隔热涂料的重量组份
表4.2实施例4的sio2气凝胶水性隔热涂料的性能指标
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。