一种金属表面用水性隔热涂料及其制备方法与流程

1.本发明涉及涂料技术领域，具体涉及一种金属表面用水性隔热涂料及其制备方法。


背景技术：

2.随着工业的发展，生产厂房以及临时建筑所采用的金属材料越来越多，而在高温环境下，这些金属材料需要采用空调或淋水的方式降温，特别一些金属制的石油化工储罐、管道和的反应釜，若不及时降温将可能造成安全事故，但传统的物理降温方式效率不高，同时还会造成能源浪费。
3.为了解决金属材料的降温需求，金属基材上的表面隔热涂料应运而生，这些反射隔热涂料一般由基料、热反射颜填料、保温隔热材料和助剂等组成，通过高效反射太阳光及延缓和阻隔热量传递来达到隔热目的，是一种新型降温涂料，一般能对400nm～2500nm范围的太阳红外线和紫外线进行高反射，不让太阳的热量在物体表面进行累积升温，又能自动进行热量辐射散热降温。
4.然而，由于这些涂料中主要的热反射颜填料主要为无机填料，考虑到涂料的比重、外观及力学性能等问题，该组分不能过量添加，同时该组分与有机涂料基体存在相容性问题，长时间使用后容易出现性能下降的问题。


技术实现要素：

5.基于现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供了一种金属表面用水性隔热涂料，该产品以几种特定不同的无机填料搭配特殊的改性气凝胶作为主要功效组分，一方面有效提升产品的光反射效果，另一方面降低该产品的导热系数，同时与有机树脂基体的相容性好，整体产品稳定性高。
6.为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
7.一种金属表面用水性隔热涂料，包括以下重量份的原料：
8.丙烯酸乳液45～55份、分散剂0.1～0.5份、润湿剂0.1～0.6份、消泡剂0.2～0.4份、钛白粉15～30份、陶瓷微粒10～30份、空心玻璃微珠10～20份、改性气凝胶5～20份、中和剂0.1～0.3份、成膜剂1～5份以及增稠剂0.1～1份；
9.所述改性气凝胶为含有氨基和乙氧基的二氧化硅纳米气凝胶。
10.本发明所述金属表面用水性隔热涂料中，以钛白粉、陶瓷微粒、空心玻璃微珠以及改性气凝胶四种无机填料颗粒相互作用，其中钛白粉和陶瓷微粒可以有效反射外界紫外线，降低外界光线带来的热量积累，而空心玻璃微珠和改性气凝胶这两种特殊的轻量组分可以有效降低整体产品的导热系数，四种关键组分协同实现了产品的优异保温效果，若配比不当或选择不当，均难以实现预期效果。
11.而在所述原料中，气凝胶是一种特殊的纳米多孔网状结构固体材料，尤其是常用的二氧化硅纳米气凝胶，其具有极高的孔隙率和基底的密度，相比于常见的二氧化硅填料
具有更好的隔热防护功效，但相对而言其与丙烯酸乳液的接触面积更大，存在相容性问题，非常容易造成产品在使用一段时间后，气凝胶组分漂移至体系表面，导致产品的组分不稳定甚至漆膜开裂现象，而本技术技术方案中，所述改性气凝胶含有特定的氨基和乙氧基，氨基在与丙烯酸乳液接触时发生氧化交联反应，提升涂料固化后改性气凝胶的稳定性，而乙氧基则会在产品中与有机丙烯酸乳液、改性气凝胶或其他无机填料组分上含有的羟基发生缩合反应，使得整体有机和无机原料均连接在一起，相容性提升，同时导热系数也因为气凝胶的分散程度提升而进一步降低。
12.优选地，丙烯酸乳液为苯丙乳液、纯丙乳液中的至少一种。
13.更优选地，所述丙烯酸乳液的固含量为40～50％，ph为7～9，玻璃化温度为30～40℃。
14.对于有机主体丙烯酸乳液而言，为了保障产品在使用过程中具有良好的耐候、耐酸耐碱性以及能够满足隔热涂料的标准，优选使用上述范围内的丙烯酸乳液种类。
15.更优选地，所述丙烯酸乳液为蓝德堡集团生产的mt-102a、mt-6806、d-0107-1、新光新材料生产的xg-9068、xg-9728、万华集团生产的wantipro 0626、wantipro 0628、wantipro 0630、恒和永盛集团生产的lr-8800、lr-2052、湛新树脂生产的dtm 6919、dtm 6754、陶氏化学生产hg-100、hg-200中的至少一种。
16.优选地，所述分散剂为阴离子羧酸盐类分散剂、阳离子季铵盐类分散剂、非离子型分散剂中的至少一种。
17.优选地，所述润湿剂为羧酸盐类润湿剂、有机硅类润湿剂中的至少一种。
18.优选地，所述消泡剂为有机硅类消泡剂和矿物消泡剂的混合物。
19.在本发明产品中，有机硅类消泡剂消泡能力强，但容易产生缩孔现象，因需要配合矿物消泡剂在产品制备过程中的不同时期搭配添加。
20.优选地，所述钛白粉为金红石型钛白粉。
21.更优选地，所述金红石型钛白粉的密度为0.7～0.9g/cm3，d90为6～10μm。
22.常见使用的钛白粉主要分为金红石型和锐钛矿型，本发明所述产品中在对比性能后发现，金红石型钛白粉更适合于本发明产品体系，其具有更好的紫外线反射效果，从而达到隔热功效。
23.优选地，所述陶瓷微粒的密度为0.3～0.9g/cm3，d90为3～120μm。
24.更优选地，所述陶瓷微粒为3m生产的陶瓷微粒g-3125或上海汇精亚纳米新材料生产的改性陶瓷微粒。
25.3m生产的陶瓷微粒g-3125具有较低的密度，颗粒尺寸适中，因此使用时的比重也更低，导热系数低，而上海汇精亚纳米新材料生产的改性陶瓷微粒相对而言具有更强的光反射能力，两者基于导热和反射两种原理可在特定环境下实现优异的隔热保温效果。
26.优选地，所述中空玻璃微珠的密度为0.15～0.4g/cm3，d90为60～110μm。
27.不同的中空玻璃微珠在本发明所述产品中的效果有所差异，当密度和粒径不同时，中空玻璃微珠的密度越小，产品的保温效果越好，但相对而言其粒径较大，产品的均匀性有所影响，也会增加产品的施工难度。
28.优选地，所述改性气凝胶为硅烷偶联剂改性的二氧化硅纳米气凝胶。
29.更优选地，所述改性气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
30.将二氧化硅纳米气凝胶溶于溶剂中，随后加入硅烷偶联剂于70～90℃下搅拌反应至完全，得改性气凝胶；
31.所述硅烷偶联剂的分子式为nh2(ch2)nsi(oc2h5)3，n＝1～5；
32.所述硅烷偶联剂与二氧化硅纳米气凝胶的质量比为1∶(0.25～0.35)。
33.更优选地，所述二氧化硅纳米气凝胶为中凝科技生产ag-dc15、ag-dc50中的至少一种。
34.基于氨基和乙氧基的选择，所述硅烷偶联剂与二氧化硅纳米气凝胶的添加比例也需要特殊选择，主要在于若硅烷偶联剂的添加比例过少，则改性程度不足，对于气凝胶的性能提升效果不佳；但如果硅烷偶联剂添加过多，改性过度，反而会造成该改性气凝胶的导热系数提升，整体产品的保温效果下降，因此，优选选择1∶(0.25～0.35)的质量比范围进行改性气凝胶的制备。
35.优选地，所述中和剂为醇胺类中和剂。
36.优选地，所述成膜剂为十二醇酯、二丙二醇丁醚、二乙二醇丁醚、丙二醇二乙酸酯中的至少一种。
37.优选地，所述增稠剂为聚氯酯类增稠剂、碱性溶胀类增稠剂、纤维素类增稠剂、膨润土类增稠剂。
38.一般而言，纤维素类增稠剂和膨润土类增稠剂增稠效率高，但不易分散，而聚氯酯类增稠剂和碱性溶胀类增稠剂分散性较高。由于本发明产品的制备原料的中空玻璃微珠、改性气凝胶等组分的密度相对较小，在产品制备过程中容易上浮分层，因此基于实际生产体系，需要选择合适的增稠剂保持其体系的组分稳定性。
39.优选地，所述金属表面用水性隔热涂料的原料还包括10～20重量份水。
40.本发明的另一目的在于提供所述金属表面用水性隔热涂料的制备方法，包括以下步骤：
41.(1)将润湿剂、分散剂、消泡剂、钛白粉、陶瓷微粒和中和剂在水中混合并研磨处理，得浆料a；
42.(2)将浆料a与丙烯酸乳液、中空玻璃微珠和改性气凝胶混合均匀，随后加入成膜剂和增稠剂混合均匀，即得所述金属表面用水性隔热涂料。
43.优选地，所述步骤(1)中浆料a的颗粒粒度≤30μm。
44.本发明所述金属表面用水性隔热涂料的制备方法操作步骤简单，本领域技术人员可根据实际情况选择优选范围内的原料配方根据所述方法高效制备产品，可实现工业化大规模生产。
45.本发明的有益效果在于，本发明提供了一种金属表面用水性隔热涂料，该产品以几种特定不同的无机填料搭配特殊的改性气凝胶作为主要功效组分，一方面有效提升产品的光反射效果，另一方面降低该产品的导热系数，同时与有机树脂基体的相容性好，整体产品稳定性高。同时经验证，本发明所述产品可以达到gb/t 4341-2012标准，使用性能优异。本发明还提供了所述金属表面用水性隔热涂料的制备方法。
具体实施方式
46.为了更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例及对比
例对本发明作进一步说明，其目的在于详细地理解本发明的内容，而不是对本发明的限制。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。本发明实施、对比例所设计的实验试剂、原料及仪器，除非特别说明，均为常用的普通试剂、原料及仪器。
47.实施例1
48.本发明所述金属表面用水性隔热涂料的一种实施例，所述金属表面用水性隔热涂料包括以下重量份的原料：
49.水13份、丙烯酸乳液55份、分散剂0.3份、润湿剂0.3份、消泡剂0.4份、钛白粉20份、陶瓷微粒12份、空心玻璃微珠10份、改性气凝胶10份、中和剂0.3份、成膜剂3.5份以及增稠剂0.1份；
50.所述金属表面用水性隔热涂料的制备方法，包括以下步骤：
51.(1)将润湿剂、分散剂、消泡剂、钛白粉、陶瓷微粒和中和剂在水中混合并研磨处理至颗粒粒度≤30μm，得浆料a；
52.(2)将浆料a与丙烯酸乳液、中空玻璃微珠和改性气凝胶混合均匀，随后加入成膜剂和增稠剂混合均匀，即得所述金属表面用水性隔热涂料。
53.本实施例中，所述丙烯酸乳液为湛新树脂生产的dtm 6919；所述润湿剂为市售有机硅类润湿剂；分散剂为市售非离子型分散剂；所述消泡剂为市售有机硅消泡剂以及市售矿物油消泡剂的混合物，质量比为2：1；所述钛白粉为市售金红石型钛白粉，d90为0.8g/cm3，密度为8μm；所述陶瓷微粒为3m生产g-3125，密度为0.7g/cm3，d90为120um；所述中空玻璃微珠为中钢集团马鞍山矿院新材料科技有限公司的gs38hs，密度为0.38g/cm3，d90为70um；所述气凝胶为自制的改性气凝胶；所述中和剂为市售醇胺类中和剂；所述成膜剂为市售十二醇酯；所述增稠剂为市售纤维素类增稠剂以及市售聚氯酯增稠剂类增稠剂的混合物；
54.所述改性气凝胶的制备方法为：
55.将中凝科技生产ag-dc15二氧化硅纳米气凝胶溶于体积浓度为20％的乙醇水溶液中，随后加入硅烷偶联剂于80℃下搅拌反应至完全，得改性气凝胶；
56.所述硅烷偶联剂的分子式为nh2(ch2)2si(oc2h5)3；
57.所述硅烷偶联剂与二氧化硅纳米气凝胶的质量比为1∶0.2。
58.实施例2
59.本发明所述金属表面用水性隔热涂料的一种实施例，所述金属表面用水性隔热涂料包括以下重量份的原料：
60.水20份、丙烯酸乳液45份、分散剂0.1份、润湿剂0.6份、消泡剂0.2份、钛白粉15份、陶瓷微粒20份、空心玻璃微珠20份、改性气凝胶5份、中和剂0.1份、成膜剂2份以及增稠剂1份；
61.本实施例中各原料的来源同实施例1；
62.本实施例中金属表面用水性隔热涂料与改性气凝胶的制备方法同实施例1。
63.实施例3
64.本发明所述金属表面用水性隔热涂料的一种实施例，所述金属表面用水性隔热涂料包括以下重量份的原料：
65.水10份、丙烯酸乳液50份、分散剂0.5份、润湿剂0.1份、消泡剂0.4份、钛白粉20份、陶瓷微粒10份、空心玻璃微珠10份、改性气凝胶20份、中和剂份0.2、成膜剂3份以及增稠剂0.2份；
66.本实施例中各原料的来源同实施例1；
67.本实施例中金属表面用水性隔热涂料与改性气凝胶的制备方法同实施例1。
68.实施例4
69.本实施例与实施例1的差别仅在于，所述丙烯酸乳液为蓝德堡基团生产的mt-102a。
70.实施例5
71.本实施例与实施例1的差别仅在于，所述陶瓷微粒为上海汇精亚纳米新材料生产的改性中空陶瓷微粒，d90为3μm，密度为0.86g/cm3。
72.实施例6
73.本实施例与实施例5的差别仅在于，所述空心玻璃微珠为3m生产的s22，密度为0.22g/cm3，d90为60um。
74.实施例7
75.本实施例与实施例6的差别仅在于，所述改性气凝胶的制备方法中，所述硅烷偶联剂与二氧化硅纳米气凝胶的质量比为1∶0.1。
76.实施例8
77.本实施例与实施例6的差别仅在于，所述改性气凝胶的制备方法中，所述硅烷偶联剂与二氧化硅纳米气凝胶的质量比为1∶0.4。
78.对比例1
79.本实施例与实施例5的差别仅在于，所述陶瓷微粒被替换成等重量份的水。
80.对比例2
81.本实施例与实施例5的差别仅在于，所述陶瓷微粒被替换成等重量份的中空玻璃微珠。
82.对比例3
83.本实施例与实施例6的差别仅在于，所述中空玻璃微珠被替换成等重量份的水。
84.对比例4
85.本实施例与实施例6的差别仅在于，所述中空玻璃微珠被替换成等重量份的陶瓷微粒。
86.对比例5
87.本实施例与实施例5的差别仅在于，所述改性气凝胶被替换成等重量份的中空玻璃微珠。
88.对比例6
89.本实施例与实施例5的差别仅在于，所述改性气凝胶的制备方法中，所述硅烷偶联剂的分子式为(ch)2o(ch2)2si(oc2h5)3；所述改性气凝胶上不含氨基
90.对比例7
91.本实施例与实施例5的差别仅在于，所述改性气凝胶的制备方法中，所述硅烷偶联剂的分子式为nh2(ch2)2si(cl)3；所述改性气凝胶上不含乙氧基。
92.对比例8
93.本实施例与实施例6的差别仅在于，所述气凝胶为未经改性的中凝科技生产的ag-dc15二氧化硅纳米气凝胶。
94.效果例1
95.为了验证本发明所述金属表面用水性隔热涂料的使用性能，将各实施例和对比例产品按照hg/t 4341-2012进行测试，结果如表1所示。
96.表1
97.98.[0099][0100]
从表1可以看出，本发明所述金属表面用水性隔热涂料综合性能优异，其中各实施例产品的比重不高于0.7g/ml，同时太阳光反射比、半球反射比和近红外反射比均高于0.8，同时导热系数可维持在0.03～0.06范围内，具有良好的轻量化优点和隔热性能。其中根据实施例1和实施例4对比可知，使用的丙烯酸乳液种类不同，可能导致产品固化后的极性和稳定性不同，其中实施例4产品的耐碱性能较差，但其他性能与实施例1产品无异。从实施例5和6可知，本发明所述产品中的空心玻璃微珠和陶瓷微粒的种类不同，主要改变的是产品的比重和导热系数，选用改性或者合适尺寸的种类可与使得产品的隔热性能更好。从实施例7、实施例8与实施例1以及对比例8产品性能对比可知，未经改性的普通气凝胶由于相容性问题，在直接用于本发明产品后会发生迁移现象，不仅造成了漆膜的分层，甚至还发生了严重的开裂现象，且产品的初始导热系数较高，而本发明所述产品中改性气凝胶在经过改性时后，开裂现象有所缓解，且产品的导热系数先明显降低，随着改性程度的增加，产品的开裂现象进一步缓解，产品固化后的漆膜无明显分层现象，但导热系数也有一定提升，基于产品的综合性能和生产成本考虑，在气凝胶改性过程中硅烷偶联剂与二氧化硅纳米气凝胶的质量比为1∶(0.25～0.35)的效果最佳。当产品原料中的陶瓷微粒和中空玻璃微珠被去除后，产品整体的比重如对比例1和对比例3所示明显提升，同时这两种组分的缺少也会使得产品的光反射效率和导热效率显著降低，产品的导热系数提升一倍，难以达到理想的隔热效果；另一方面，由于本发明中钛白粉、陶瓷微粒、空心玻璃微珠以及改性气凝胶四种无机填料颗粒存在相互作用并协同通过光反射和降低热量积累两种机理同时起到保温效果，若其中一种组分被替换，如对比例2、对比例4和对比例5所示，不仅会使得产品的比重发生明显变化，产品可能会变得过重，也可能会使得产品的光反射效果和低导热效果无法兼顾。同时，从对比例6和7与实施例1、对比例8产品对比可知，相比于完全未改性的气凝胶产品，经过改性后的产品不仅可以有效缓解气凝胶在组分中的相容性问题，缓解产品漆膜的分层开裂现象，同时也可降低产品的导热系数，而如果气凝胶在改性时无法同时接枝氨基和乙氧基，则产品漆膜的分层开裂现象的改善程度不足，且难以实现实施例产品所述的隔热性。
[0101]
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。