一种节能环保型隔热涂料及其制备方法与流程

本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种节能环保型隔热涂料及其制备方法。

背景技术：

太阳能是人类生存和生活的必备条件，但是强烈的辐射也给人们的生活带来一些不便。我国每年夏季因降低室内温度消耗的资源能源巨大。而且除去夏季的制冷耗能之外，到了冬季，室内热量随外墙温度降低而通过热传递散失。目前，应用在建筑物外墙上面的酚醛保温板、陶瓷保温材料等外墙保温材料，成本较高而且往往在使用上还不是特别完美。

隔热涂料是通过阻隔屋顶及墙面与外部环境之间的热量传递，来降低屋顶及墙面温度，达到减少建筑物的热量累积的目的，可以在冬季和夏季两种季节里面为人们的生活发挥巨大的贡献，具有极为广阔的市场前景。

但是目前市场已有的隔热涂料还存在光反射效率不高，隔热效果不好等问题。同时涂料耐污能力不强，外墙表面极易被污染，大大影响了建筑的美观性和耐久性。另一方面涂料表面污染会导致反射效率不能持续高强度等问题。以上因素限制了隔热涂料的发展和应用。因此研发一种具有自清洁特性的高效隔热涂料显得尤为重要。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足之处，本发明目的在于提供一种节能环保型隔热涂料及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种节能环保型隔热涂料，以重量份数计，该涂料的组成配比为：分散剂10～15份、润湿剂5～7.5份、消泡剂3～5份、防腐剂2～4份、高分散性TiO₂ 23～33份、石英 17～25份、重质碳酸钙17～36份、纯丙乳液62～90份、成膜助剂16～24份、中空球形SiO₂10～15份、红外反射颜料 0～30份、增稠剂14～24份、水45～67.5份；

其中，高分散性TiO₂按下述方法制备获得：

S1、制备纳米TiO₂；

S2、制备TiO₂@Al₂O₃复合粒子：

S2.1、取S1制备得到的纳米TiO₂加入到质量分数为15～35%的水溶性铝盐溶液中，超声分散；

S2.2、向S2.1的混合液中滴入PH=12的氢氧化钠溶液，不断搅拌，直至混合液PH=7；

S2.3、取S2.2的混合液离心，去除上层清液，用无水乙醇反复清洗，烘干，得TiO₂@Al₂O₃复合粒子；

S3、制备TiO₂@Al₂O₃@PAM复合材料：

S3.1、取S2制备得到的TiO₂@Al₂O₃复合粒子置于管中，加入丙烯酰胺水溶液，搅拌，通入氮气后密封管口；

S3.2、将管置于可见光下，光照2～4h，得TiO₂@Al₂O₃@PAM复合材料，即为高分散性TiO₂。

本发明中，分散剂、润湿剂、消泡剂、防腐剂、成膜助剂、增稠剂可在本领域常规范围内进行选择，纯丙乳液可通过市购获得。

纳米TiO₂可按现有技术制备，但优选S1的步骤为：采用溶胶凝胶法，将钛酸丁酯与无水乙醇混合均匀，滴加浓盐酸、无水乙醇和水的混合液直至成为凝胶，将凝胶烘干、煅烧，即得纳米TiO₂。

具体地，S1的步骤为：

S1.1、将钛酸丁酯与无水乙醇混合均匀；

S1.2、混合均匀后，水浴加热至30～40℃，边搅拌边滴加浓盐酸、无水乙醇和水的混合液，滴加完毕后继续搅拌加热20～40min；

S1.3、边搅拌边升温至70～80℃，继续搅拌至凝胶；

S1.4、将凝胶在60～80℃下干燥2～6小时，随后在450～550℃下煅烧3～5小时，即得纳米TiO₂。

进一步，以体积份数计，原料用量分别为：S1.1中，钛酸丁酯2.6～3.2份，无水乙醇5～6.5份；S1.2中，水 1.8～2.1份、浓盐酸0.23～0.28份、无水乙醇25～28份。

进一步，S2.1中，纳米TiO₂与水溶性铝盐溶液的质量比为5～8∶30～40。

进一步，S3.1中，丙烯酰胺水溶液的浓度为0.1～0.5g/mL；TiO₂@Al₂O₃复合粒子与丙烯酰胺水溶液的料液比为：TiO₂@Al₂O₃复合粒子∶丙烯酰胺水溶液=1.5～3.0g∶30～50mL。

进一步，所述水溶性铝盐为AlCl₃、Al(NO₃)₃或Al₂(SO₄)₃。

中空球形SiO₂可按现有技术制备，但优选按下述方法制备获得：采用溶胶凝胶法在纳米球形ZnO粉体表面包覆一层SiO₂，得到ZnO@SiO₂复合粒子；之后将ZnO@SiO₂复合粒子在稀硫酸中浸泡溶解掉ZnO，即得中空球形SiO₂。

具体地，中空球形SiO₂的制备步骤为：

（a）、按照质量体积比，纳米球形ZnO粉末∶无水乙醇=0.2～0.5g∶30～50mL，将纳米球形ZnO粉末加入到无水乙醇中并超声分散（20～40min），随后加入正硅酸乙酯溶液，混合均匀得到混合液，备用；其中，正硅酸乙酯溶液是按照体积比，正硅酸乙酯∶无水乙醇=4～5∶16～18 配制而成；按照质量体积比，纳米球形ZnO粉末∶正硅酸乙酯溶液=0.2～0.5g∶4～15mL；

（b）、按照体积比，正硅酸乙酯溶液∶氨水=20～33∶10～12，在（a）的混合液中滴加质量分数为25～28%的氨水，搅拌（反应 6～8h）至正硅酸乙酯水解完全；随后离心（3500～7000r/min，3～8min）得到沉淀物，洗涤（用无水乙醇和蒸馏水各3～5次，直至 pH 为 7），再烘干，即得ZnO@SiO₂复合粒子；

（c）、按照质量体积比，ZnO@SiO₂复合粒子∶稀硫酸=2～5g∶50～80mL，将（b）制备得到的ZnO@SiO₂复合粒子放入5～6mol/L稀硫酸中浸泡至溶解掉ZnO，随后离心（3500～7000r/min，3～8min）得到沉淀物，洗涤（用无水乙醇和蒸馏水各3～5次，直至 pH 为 7），再烘干，即得中空球形SiO₂。

所述节能环保型隔热涂料的制备方法，步骤如下：

（1）、将分散剂、润湿剂、1/2量（消泡剂总量一半）的消泡剂、防腐剂、水加入到分散罐中，开动搅拌机，调节其转速至每分钟1000~3000转，搅拌5~10分钟，搅拌均匀；

（2）、然后向（1）得到的混合物中加入高分散性TiO₂、石英、重质碳酸钙，搅拌30～35分钟；

（3）、将搅拌机转速调至每分钟500~2000转，再加入纯丙乳液、成膜助剂、余量消泡剂、中空球形SiO₂、红外反射颜料，搅拌5~10分钟；

（4）、加入增稠剂，将搅拌机转速调至每分钟500~1000转，分散10~20min，即得涂料。

有益效果：本发明研究助剂内部结构变化，改变涂料的内部微观结构，使所得隔热涂料具有良好的隔热性能，同时具有自清洁特性。具体是：

1、采用中空球形SiO₂代替现有的玻璃微珠作为功能性填料来提高涂料的反射性能，使其对太阳光具有非常高的反射率，减少了太阳光的热辐射，同时可以隔绝热量，降低了墙面和屋顶对室内环境的热传导，实现低能耗、绿色环保的效果；

2、在涂料中加入TiO₂，利用TiO₂的光催化性能，在光照条件下涂料形成氧化还原体系，可以将附着在墙表面的有机物、细菌等分解；同时，TiO₂在光照条件下具有超亲水性，雨水冲刷时不会形成雨痕，而是形成水膜平铺在可以将墙体表面的污物冲刷干净，达到自清洁的效果；

3、本发明涂料中的高分散性TiO₂，是在TiO₂的表面包覆了一层多孔状Al₂O₃无机层，无机层对部分紫外进行散射，减少了内层TiO₂对紫外光的吸收，降低其光催化活性，减少了TiO₂对涂膜的腐蚀、粉化现象；此外用本发明方法包覆的Al₂O₃无机层为孔状结构，不影响TiO₂与周围介质的接触，紫外光条件下TiO₂表面会产生-OH等自由基，引发丙烯酰胺单体产生自由基聚合，生成聚丙烯酰胺高分子链生长在TiO₂@Al₂O₃复合粒子表面，产生了空间位阻斥力，从而减小了粒子间的范德华力，避免了TiO₂粒子之间的团聚现象，促使二氧化钛在涂料中均匀分散。

附图说明

图1：红外反射颜料的XRD图。

图2：红外反射颜料的红外谱图。

图3：红外反射颜料的SEM图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细介绍，但本发明的保护范围并不局限于此。

实施例1

一种节能环保型隔热涂料，该涂料的组成配比为：分散剂15g、润湿剂7.5g、消泡剂10g、防腐剂3g、高分散性TiO₂ 33g、石英 25g、重质碳酸钙36g、纯丙乳液90g、成膜助剂24g、中空球形SiO₂15g、增稠剂24g、水67.5g。

涂料的制备方法：

（1）、将分散剂、润湿剂、1/2量的消泡剂、防腐剂、水加入到分散罐中，开动搅拌机，调节其转速至每分钟1000转，搅拌5分钟，搅拌均匀；

（2）、然后向（1）得到的混合物中加入高分散性TiO₂、石英、重质碳酸钙，搅拌30分钟；

（3）、将搅拌机转速调至每分钟500转，再加入纯丙乳液、成膜助剂、余量消泡剂、中空球形SiO₂，搅拌5分钟；

（4）、加入增稠剂，分散10min，即得涂料。

本实施例中，分散剂为聚乙烯醇；润湿剂为脂肪醇聚氧乙烯醚；消泡剂为有机硅消泡剂；防腐剂为苯并咪唑；成膜助剂为乙二醇；增稠剂为聚氨酯；纯丙乳液购自南通生达化工有限工司。

本实施例中，高分散性TiO₂按下述方法制备获得：

S1、制备纳米TiO₂：

S1.1、将6.5mL无水乙醇与3.2mL钛酸丁酯混合，搅拌30min，再超声分散30min；

S1.2、分散后，水浴加热至40℃，边搅拌边滴加2mL蒸馏水、0.25mL浓盐酸（质量百分数36%）和25mL无水乙醇的混合液，滴加完毕后继续搅拌加热40min；

S1.3、边搅拌边升温至80℃，继续搅拌至凝胶；

S1.4、将凝胶在80℃下干燥6小时，随后在450℃下煅烧5小时，得到纳米TiO₂；

S2、制备TiO₂@Al₂O₃复合粒子，即在纳米TiO₂表面包覆Al₂O₃无机层：

S2.1、取8g S1制备得到的纳米TiO₂加入到40g 质量分数为15%的AlCl₃溶液中，超声分散15min；

S2.2、向S2.1的混合液中逐滴滴入PH=12的氢氧化钠溶液，不断搅拌，直至混合液PH=7，使生成的Al₂O₃^. nH₂O沉寂在TiO₂表面；

S2.3、取S2.2的混合液离心，去除上层清液，用无水乙醇反复清洗3次，70℃烘干，得TiO₂@Al₂O₃复合粒子；

S3、制备TiO₂@Al₂O₃@PAM复合材料，即在Al₂O₃无机层表面键合聚丙烯酰胺：

S3.1、取2.5g S2制备得到的TiO₂@Al₂O₃复合粒子置于管中，加入50mL浓度0.3g/mL的丙烯酰胺水溶液，磁子搅拌，通入氮气15min后密封管口；

S3.2、将管置于可见光下，光照3h，得TiO₂@Al₂O₃@PAM复合材料，即为高分散性TiO₂填料。

各取本实施例S1制备的纳米TiO₂以及S3制备的TiO₂@Al₂O₃@PAM复合材料1g，分别加入到50mL水中，搅拌均匀，得样品1和样品2。室温放置12h后观察，发现：样品1中底部有沉淀产生，而样品2则呈均一的乳白液体状。可知：本实施例制备的TiO₂@Al₂O₃@PAM复合材料较包覆前的纳米TiO₂具有更高的分散性。

本实施例中，中空球形SiO₂按下述方法制备获得：

（a）、按照质量体积比，纳米球形ZnO粉末∶无水乙醇=0.5g∶50mL，将纳米球形ZnO粉末加入到无水乙醇中并超声分散30min，随后加入正硅酸乙酯溶液，混合均匀得到混合液，备用；其中，正硅酸乙酯溶液是按照体积比，正硅酸乙酯∶无水乙醇=5∶18 配制而成；按照质量体积比，纳米球形ZnO粉末∶正硅酸乙酯溶液=0.5g∶5mL；

（b）、按照体积比，正硅酸乙酯溶液∶氨水=33∶12，在（a）的混合液中滴加质量分数为25%的氨水，搅拌反应8h，保证正硅酸乙酯水解完全；随后以3500r/min离心 5min得到沉淀物，用无水乙醇和蒸馏水各洗涤4 次，直至 pH 为7，再在烘箱中 55℃下烘干，即得ZnO@SiO₂复合粒子；

（c）、按照质量体积比，ZnO@SiO₂复合粒子∶稀硫酸=5g∶80mL，将（b）制备得到的ZnO@SiO₂复合粒子放入5mol/L稀硫酸中浸泡至溶解掉ZnO，随后以5000/min离心 6min得到沉淀物，用无水乙醇和蒸馏水各洗涤5次，直至 pH 为7，再在烘箱中 55℃下烘干，即得中空球形SiO₂。

实施例2

一种节能环保型隔热涂料，该涂料的组成配比为：分散剂10g、润湿剂5g、消泡剂6g、防腐剂2g、高分散性TiO₂ 23g、石英 17g、重质碳酸钙24g、纯丙乳液62g、成膜助剂16g、中空球形SiO₂10g、增稠剂16g、水45g。

涂料的制备方法：

（1）、将分散剂、润湿剂、1/2量的消泡剂、防腐剂、水加入到分散罐中，开动搅拌机，调节其转速至每分钟1000，搅拌5分钟，搅拌均匀；

（2）、然后向（1）得到的混合物中加入高分散性TiO₂、石英、重质碳酸钙，搅拌30分钟；

（3）、将搅拌机转速调至每分钟500转，再加入纯丙乳液、成膜助剂、余量消泡剂、中空球形SiO₂，搅拌5分钟；

（4）、加入增稠剂，分散10min，即得涂料。

本实施例中，分散剂、润湿剂、消泡剂、防腐剂、成膜助剂、增稠剂、纯丙乳液同实施例1。

本实施例中，高分散性TiO₂按下述方法制备获得：

S1、制备纳米TiO₂：

S1.1、将5mL无水乙醇与2.8mL钛酸丁酯混合，搅拌25min，再超声分散25min；

S1.2、分散后，水浴加热至50℃，边搅拌边滴加2.1mL蒸馏水、0.28mL浓盐酸（质量百分数36%）和28mL无水乙醇的混合液，滴加完毕后继续搅拌加热40min；

S1.3、边搅拌边升温至80℃，继续搅拌至凝胶；

S1.4、将凝胶在80℃下干燥5小时，随后在550℃下煅烧5小时，得到纳米TiO₂；

S2、制备TiO₂@Al₂O₃复合粒子，即在纳米TiO₂表面包覆Al₂O₃无机层：

S2.1、取7.5g S1制备得到的纳米TiO₂加入到30g 质量分数为20%的Al(NO₃)₃溶液中，超声分散15min；

S2.2、向S2.1的混合液中逐滴滴入PH=12的氢氧化钠溶液，不断搅拌，直至混合液PH=7，使生成的Al₂O₃^. nH₂O沉寂在TiO₂表面；

S2.3、取S2.2的混合液离心，去除上层清液，用无水乙醇反复清洗3次，70℃烘干，得TiO₂@Al₂O₃复合粒子；

S3、制备TiO₂@Al₂O₃@PAM复合材料，即在Al₂O₃无机层表面键合聚丙烯酰胺：

S3.1、取3g S2制备得到的TiO₂@Al₂O₃复合粒子置于管中，加入50mL浓度0.5g/mL的丙烯酰胺水溶液，磁子搅拌，通入氮气15min后密封管口；

S3.2、将管置于可见光下，光照3h，得TiO₂@Al₂O₃@PAM复合材料，即为高分散性TiO₂填料。

各取本实施例S1制备的纳米TiO₂以及S3制备的TiO₂@Al₂O₃@PAM复合材料1g，分别加入到50mL水中，搅拌均匀，得样品3和样品4。室温放置24h后观察，发现：样品3中底部有沉淀产生，而样品4则呈均一的乳白液体状。可知：本实施例制备的TiO₂@Al₂O₃@PAM复合材料较包覆前的纳米TiO₂具有更高的分散性。

本实施例中，中空球形SiO₂按下述方法制备获得：

（a）、按照质量体积比，纳米球形ZnO粉末∶无水乙醇=0.25g∶35mL，将纳米球形ZnO粉末加入到无水乙醇中并超声分散30min，随后加入正硅酸乙酯溶液，混合均匀得到混合液，备用；其中，正硅酸乙酯溶液是按照体积比，正硅酸乙酯∶无水乙醇=4∶16 配制而成；按照质量体积比，纳米球形ZnO粉末∶正硅酸乙酯溶液=0.5g∶5mL；

（b）、按照体积比，正硅酸乙酯溶液∶氨水=20∶10，在（a）的混合液中滴加质量分数为25%的氨水，搅拌反应8h，保证正硅酸乙酯水解完全；随后以3500r/min离心 5min得到沉淀物，用无水乙醇和蒸馏水各洗涤4 次，直至 pH 为7，再在烘箱中 55℃下烘干，即得ZnO@SiO₂复合粒子；

（c）、按照质量体积比，ZnO@SiO₂复合粒子∶稀硫酸=2g∶50mL，将（b）制备得到的ZnO@SiO₂复合粒子放入6mol/L稀硫酸中浸泡至溶解掉ZnO，随后以5000/min离心 6min得到沉淀物，用无水乙醇和蒸馏水各洗涤5次，直至 pH 为7，再在烘箱中 55℃下烘干，即得中空球形SiO₂。

实施例3

一种节能环保型隔热涂料，该涂料的组成配比为：分散剂12g、润湿剂6g、消泡剂10g、防腐剂4g、高分散性TiO₂ 25g、石英 18g、重质碳酸钙26g、65g、成膜助剂18g、中空球形SiO₂10g、红外反射颜料26g、增稠剂14g、水55g。

涂料的制备方法：

（1）、将分散剂、润湿剂、1/2量的消泡剂、防腐剂、水加入到分散罐中，开动搅拌机，调节其转速至每分钟1000，搅拌5分钟，搅拌均匀；

（2）、然后向（1）得到的混合物中加入高分散性TiO₂、石英、重质碳酸钙，搅拌30分钟；

（3）、将搅拌机转速调至每分钟500转，再加入纯丙乳液、成膜助剂、余量消泡剂、中空球形SiO₂、红外反射颜料，搅拌5分钟；

（4）、加入增稠剂，分散10min，即得涂料。

本实施例中，分散剂、润湿剂、消泡剂、防腐剂、成膜助剂、增稠剂、纯丙乳液同实施例1。

本实施例中，高分散性TiO₂按下述方法制备获得：

S1、制备纳米TiO₂：

S1.1、将5.2mL无水乙醇与2.6mL钛酸丁酯混合，搅拌20min，再超声分散20min；

S1.2、分散后，水浴加热至40℃，边搅拌边滴加1.8mL蒸馏水、0.23mL浓盐酸（质量百分数36%）和25mL无水乙醇的混合液，滴加完毕后继续搅拌加热40min；

S1.3、边搅拌边升温至80℃，继续搅拌至凝胶；

S1.4、将凝胶在80℃下干燥6小时，随后在450℃下煅烧5小时，得到纳米TiO₂；

S2、制备TiO₂@Al₂O₃复合粒子，即在纳米TiO₂表面包覆Al₂O₃无机层：

S2.1、取9g S1制备得到的纳米TiO₂加入到40g 质量分数为30%的Al₂(SO₄)₃溶液中，超声分散15min；

S2.2、向S2.1的混合液中逐滴滴入PH=12的氢氧化钠溶液，不断搅拌，直至混合液PH=7，使生成的Al₂O₃^. nH₂O沉寂在TiO₂表面；

S2.3、取S2.2的混合液离心，去除上层清液，用无水乙醇反复清洗3次，70℃烘干，得TiO₂@Al₂O₃复合粒子；

S3、制备TiO₂@Al₂O₃@PAM复合材料，即在Al₂O₃无机层表面键合聚丙烯酰胺：

S3.1、取2.5g S2制备得到的TiO₂@Al₂O₃复合粒子置于管中，加入35mL浓度0.15g/mL的丙烯酰胺水溶液，磁子搅拌，通入氮气15min后密封管口；

S3.2、将管置于可见光下，光照5h，得TiO₂@Al₂O₃@PAM复合材料，即为高分散性TiO₂填料。

各取本实施例S1制备的纳米TiO₂以及S3制备的TiO₂@Al₂O₃@PAM复合材料1g，分别加入到50mL水中，搅拌均匀，得样品5和样品6。室温放置36h后观察，发现：样品5中底部有沉淀产生，而样品6则呈均一的乳白液体状。可知：本实施例制备的TiO₂@Al₂O₃@PAM复合材料较包覆前的纳米TiO₂具有更高的分散性。

本实施例中，中空球形SiO₂按下述方法制备获得：

（a）、按照质量体积比，纳米球形ZnO粉末∶无水乙醇=0.4g∶40mL，将纳米球形ZnO粉末加入到无水乙醇中并超声分散20min，随后加入正硅酸乙酯溶液，混合均匀得到混合液，备用；其中，正硅酸乙酯溶液是按照体积比，正硅酸乙酯∶无水乙醇=5∶18 配制而成；按照质量体积比，纳米球形ZnO粉末∶正硅酸乙酯溶液=0.5g∶5mL；

（b）、按照体积比，正硅酸乙酯溶液∶氨水=23∶12，在（a）的混合液中滴加质量分数为25%的氨水，搅拌反应6h，保证正硅酸乙酯水解完全；随后以3000r/min离心6min得到沉淀物，用无水乙醇和蒸馏水各洗涤5 次，直至 pH 为7，再在烘箱中 55℃下烘干，即得ZnO@SiO₂复合粒子；

（c）、按照质量体积比，ZnO@SiO₂复合粒子∶稀硫酸=4g∶60mL，将（b）制备得到的ZnO@SiO₂复合粒子放入6mol/L稀硫酸中浸泡至溶解掉ZnO，随后以5000/min离心 6min得到沉淀物，用无水乙醇和蒸馏水各洗涤5次，直至 pH 为7，再在烘箱中 55℃下烘干，即得中空球形SiO₂。

本实施例中，红外反射颜料按下述方法制备获得：

取2.91gCo(NO₃)₂▪6H₂O和7.5gAl(NO₃)₃▪9H₂O，加水溶解后稀释到100mL，滴入250mL 1mol/L Na₂CO₃溶液中；碱溶液用恒温水浴锅75℃水浴加热，待金属盐溶液全部滴定完成后，继续在水溶液中加热20min，然后静置沉降2h后，进行离心、洗涤、干燥，再进行900℃煅烧2h，即得红外反射颜料。

红外反射颜料的XRD图、红外谱图、SEM图分别见图1、图2、图3，EDS能谱数据见表1。

表1