一種納米孔絕熱材料表面保護塗層及其製備方法與流程
2023-10-25 08:10:12 2
本發明涉及材料技術領域，特別涉及一種納米孔絕熱材料表面保護塗層，同時還涉及該納米孔絕熱材料表面保護塗層的製備方法。
背景技術：
納米孔絕熱材料是一種新近發展，主要面向高、低溫絕熱工程，採用納米技術製作的新型隔熱材料，其納米孔隙(小於100nm)的網絡結構及其對工業波長的紅外輻射和散射特性能夠有效抑制固、氣態熱傳導，氣體對流和輻射傳熱。和傳統隔熱材料相比，納米孔絕熱材料通常可降低隔熱層厚度3/4，在相同隔熱層厚度下，節能率普遍達到25-30%，不僅可顯著降低生產和使用中的能耗，還相應使設備的尺寸和重量得以大幅降低。
近年來，納米孔絕熱材料因其優異的隔熱、阻燃性能，在玻璃工業、工業窯爐、電解鋁，電熱蓄能器、電梯、船舶、軍工等需要高效節能和阻燃、防火等領域獲得了廣泛應用。但該材料為保證其優異的傳熱學性能，在常規生產中未使用有機或無機粘接劑而主要採用粉壓成型工藝，因此其表面不耐磨、不防水、整體強度低，不能碰撞。常規工藝中，一般採用經特殊處理的玻璃纖維布做封套材料進行保護，以便於運輸和安裝。該工藝採用玻纖布封套和芯體材料一次成型法，適用於對精度要求不高的常規板材的製作。在一些對精度要求較高，且需要曲面、開孔、溝槽、臺階等異型結構件的領域，採用玻璃布封裝需要大量的人工裁減和貼合工序，就此增加了生產成本，並使工藝流程較為複雜，難以達到工業化生產的目標。特別是玻璃纖維布的封裝方式，仍然存在粉塵洩漏問題，無法滿足食品工業設備、醫療健康設備以及軍用光學設備的使用條件，因而限制了納米孔絕熱材料的應用領域。
為了生產結構穩定且表面無塵的納米孔絕熱材料構件，在其表面製作保護性塗層是最易實現的方法。該塗層應滿足結構穩定、成膜均勻、和芯材之間的結合力強，表面無龜裂和粉塵脫落，具備耐高溫和抗熱震的特性且不影響基材性能。
經發明人大量實驗表明，耐火隔熱材料領域常規使用的高溫有機和無機塗料均存在塗層龜裂、脫落等現象，難以使用。保護性塗層相關的大量文獻報導幾乎大多集中於結構強度較高的多孔陶瓷領域，有關針對納米孔絕熱材料的塗層解決方案，美國專利5,474,806公開了一種施加水基保護性塗層到納米孔絕熱材料表面的方法，該方法認為由於常規納米孔絕熱材料的親水性，施加水基保護性塗層，很容易造成材料表面潤溼和吸水，水在乾燥過程中會破壞微孔結構，從而導致絕熱性能的降低。該專利因此提出用疏水型氣相二氧化矽來製造納米孔絕熱材料，採用燃氣噴嘴爍燒或在爐體中高溫加熱來破壞有機疏水層，生成表面親水，基體疏水的隔熱材料，隨後用水基矽酸鈉粘接劑進行表面處理，這樣很容易潤溼表層並吸附在那裡或形成連續的保護塗層，可實現耐磨並抵抗碰撞而不會造成基體材料的收縮和微孔結構的破壞。該方法的原理雖較為簡單，但在生產過程中需要使用昂貴的疏水型氣相二氧化矽，且需要增加破壞表面疏水層的高溫燒蝕工藝，致使產品的生產成本大幅提高，而且高溫燒蝕工藝的溫度及處理時間是很難控制的，這決定了燒蝕層的厚度，進而決定了塗層厚度，在工業生產的情況下，材料一般採用堆垛放置，各層之間存在溫度梯度，最終塗層的厚度必定厚薄不一，且矽酸鹽粘接劑在納米孔絕熱材料通常的高溫應用中，因其較高的鹼性和脆性並不是合適的粘接劑。此外，疏水型氣相氧化物粒子由於有機包覆層的存在，降低了粒子之間的粘接強度，材料的整體強度更低、更不耐磨，這樣的保護層很可能是得不償失的。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服上述缺點而提供的一種無塵、不脫落，可以抵抗相對較高的碰撞衝擊，防水、防火且環保的納米孔絕熱材料表面保護塗層。
本發明的另一目的在於提供該納米孔絕熱材料表面保護塗層的製備方法。
本發明的一種納米孔絕熱材料表面保護塗層，其配方重量份如下：
液態磷酸二氫鋁45-75
膨脹蛭石10-30
沸石3-6
雲母8-12
有機矽防水劑(甲基矽酸鈉)1.9-7
鹼金屬氧化物（氧化鋅、氧化鎂）1.5-3
分散劑（duramaxd-3005）0.1-0.5
優選各成分的重量份如下：
液態磷酸二氫鋁60
膨脹蛭石15
沸石6
雲母12
鹼金屬氧化物3
有機矽防水劑(甲基矽酸鈉)3.7
分散劑（duramaxd-3005）0.3
本發明的一種納米孔絕熱材料的表面保護塗層的製備方法，包括以下步驟：
（1）固體材料的處理：
a.將膨脹蛭石顆粒經高溫預處理後，取2-5份與1份液態磷酸二氫鋁混勻，再採用氧化鋁球的球磨機中球磨24-48小時至平均粒徑小於4μm（以便於滲透進入納米孔絕熱材料的表面孔隙，避免僅附著於表面而容易脫落）；
b.將沸石顆粒按浸沒量（固體顆粒完全吸附液體後保持液體浸沒）加入液態磷酸二氫鋁，採用氧化鋁球的球磨機中球磨24-48小時至平均粒徑小於4μm；
c.鹼金屬氧化物加入乙醇，採用氧化鋁球的球磨機中球磨24-48小時至平均粒徑小於4μm；
d.將雲母顆粒用水浸沒後，採用氧化鋁球的球磨機中球磨24-48小時至平均粒徑小於4μm，後經300℃烘烤脫水；
（2）上述處理好的固體材料與液態磷酸二氫鋁、甲基矽酸鈉按下述比例混合製成漿料，
液態磷酸二氫鋁45-75
膨脹蛭石10-30
沸石3-6
雲母8-12
有機矽防水劑(甲基矽酸鈉)1.9-7
鹼金屬氧化物（氧化鋅、氧化鎂）1.5-3
分散劑（duramaxd-3005）0.1-0.5
進入高剪切混合機中以1500-3000rpm混合30-100分鐘，以噴塗或塗刷方式施加到納米孔絕熱材料基體上以浸漬入孔；
（3）在常溫下乾燥30分鐘，再進入爐內在80-120℃下進行3-8分鐘快速乾燥（因基材高含氣量，長時間加溫會引起表層塗料鼓包、脫層或開裂，溫度過低磷酸鹽不能脫水固化）上漿數量為乾燥後，絕熱體增重1.8-3.0克/cm2，形成0.3-0.5mm的耐磨、耐高溫（同基材同溫）防水的保護塗層。
塗層性能測試：
由於納米孔絕熱材料基材的結構強度極低，按上述方法製成的保護性塗層無法類比在金屬、陶瓷、混凝土等剛性基材上形成的塗層，塗層和基材的結合強度的測定不能採用常規的，如:彎曲、基片拉伸、銼磨、磨損等實驗方法。實際上在納米孔絕熱材料基材上生成保護性塗層的主要目的是方便運輸、安裝等人工操作同時在保持基材絕熱性能的同時實現防潮和抗熱震性，因此該保護性塗層無需達到那些剛性基材塗層的要求，其耐磨、抗碰撞衝擊的性能採用定性法以經驗判斷和相對比較來表述較為適用。
1）耐磨、抗碰撞衝擊性：常規納米孔絕熱材料如果未採用保護性玻璃纖維布封套，輕拿輕放或堆垛放置都會造成表麵粉體脫落，特別是異型構件的稜、邊、倒角，孔等極易在運輸和安裝過程中被破壞，更不耐碰撞衝擊。實驗中採用110*110*20的試塊，無塗層材料5cm高的跌落即可造成斷裂，而採用按本發明製成的保護性塗層的同樣試塊，跌落斷裂高度提高至45cm，且安裝操作方便、堆垛不掉粉，外觀成膜均勻，無龜裂。
2）耐溫性：按astmc356testmethodforlinearshrinkageofpreformedhigh-temperaturethermalinsulationsubjectedtosoakingheat（預成型高溫絕熱材料置於均熱下的線收縮測試方法）-相關國標：gbt5486-2008無機硬質絕熱製品試驗方法：採用按本發明製成的保護性塗層的同樣試塊整體展現了滿意的耐溫性和抗熱震性（在24小時，均熱900度的實驗中觀察到沒有起泡、碎裂或剝蝕。長寬方向收縮1.7%，厚度方向收縮5.5%，滿足astmc1676的要求。
3）吸水性：按astmc1104/c1104mtestmethodfordeterminingthewatervaporsorptionofunfacedmineralfiberinsulation（確定未貼面礦物纖維水蒸氣吸附的測試方法）-相關國標：gbt10299-1988保溫材料憎水性試驗方法，採用按本發明製成的保護性塗層的同樣試塊，蒸氣吸附重量百分比為6.1%，而常規材料蒸氣吸附重量百分比為9.4%
4）導熱係數：按astmc1676的測試方法，採用本發明塗層的納米孔絕熱材料，平均溫度100℃時，導熱係數為0.021w/m.k，平均溫度500℃時，導熱係數為0.0275w/m.k，常規納米孔絕熱材料相應的導熱係數，平均溫度100℃時，導熱係數為0.020w/m.k，平均溫度500℃時，導熱係數為0.0270w/m.k，幾乎沒有變化，證明本發明的塗層並未破壞基材結構。
本發明同現有技術相比具有明顯的優點和有益效果。由以上技術方案可知，本發明經前期大量實驗和研究證明，納米孔絕熱材料表面難以生成穩定保護塗層的主要原因是除了其表面強度較低之外，內部納米孔隙結構中富含大量的空氣（含氣量體積佔比甚至達到90%），在環境溫度發生變化時，由於氣體體積的變化，同外界之間會產生不同程度的氣體交換，加之塗層結構和基體的熱脹冷縮會造成材料表面的微變形，而傳統塗料大多是不透氣材料，塗敷在納米孔絕熱材料表面會因此出現龜裂和脫落現象。為避免此現象，構成塗層的骨架材料應具有熱膨脹性和透氣性，即塗層骨架材料應具有作為溫度的函數而發生膨脹或收縮的特性，此外當塗層結構出現微細三維變化時，也應具有保證塗層穩定的層理結構。這樣的保護性塗料，即使是水基的，只要塗層較薄，所吸附水份在乾燥過程中也不會破壞微孔結構。因此本發明的塗層配方，以45wt%-75wt%（45-75重量份）液態磷酸二氫鋁作粘接劑，10wt%-35wt%（10-35重量份）膨脹蛭石和3wt%-10wt%（3-10重量份）的沸石作為塗層骨料，8wt%-18wt%（8-18重量份）雲母顆粒作為塗層穩定材料，1.5wt%-7wt%（1.5-7重量份）鹼金屬氧化物作為硬化劑並加入2wt%-7wt%（2-7重量份）有機矽作為防水劑構成完整的塗料配方。其中以磷酸二氫鋁作為粘接劑可實現低溫高強度粘接，且和各種無機高溫材料的相容性較強，特別是它可和納米孔絕熱材料表層的二氧化矽產生針型晶體，提高了粘接性，其可耐1700℃高溫，覆蓋了納米孔絕熱材料的溫度使用範圍；塗層骨架材料採用膨脹蛭石和沸石，可充分利用蛭石的膨脹性和透氣性抵禦環境溫度的變化，且沸石具有穩定的空心結構和微米級超細孔隙，和膨脹蛭石配合，在塗層固化過程中可保證孔隙內外形成一體化結構，加強了固化強度；塗料輔料採用雲母可利用其片狀層理結構，加入塗料中可作為塗層的穩定劑，當塗層結構出現微細三維變化時，雲母可助其變化防止龜裂等微結構破壞；加入鹼金屬氧化物如氧化鋅和氧化鎂等可加速塗層硬化；有機矽（甲基矽酸鈉）易溶於水，能和本發明的其它塗料配方較好的溶合，可在納米孔絕熱材料基材表層形成一層網狀防水透氣膜，具有較好的防水效果和防滲、防潮優點，避免了水分吸入基底。本發明塗層無塵、不脫落，可以抵抗相對較高的碰撞衝擊，且防水、防火，不會在使用過程中釋放有毒氣體和煙霧。
具體實施方式
實施例1
一種納米孔絕熱材料的表面保護塗層的製備方法，包括以下步驟：
（1）固體材料的處理：
a.將800℃高溫預處理1小時後的膨脹蛭石顆粒以4:1的比例和液態磷酸二氫鋁混勻，然後在球磨機中球磨48小時後備用；
b.將沸石顆粒按浸沒量（固體顆粒完全吸附液體後保持液體浸沒）加入液態磷酸二氫鋁，隨後在球磨機中球磨48小時後備用；
c.鹼金屬氧化物（氧化鋅、氧化鎂按3：1比例）加入乙醇（固體顆粒完全吸附液體後保持液體浸沒），在球磨機中球磨48小時備用；
d.將雲母顆粒用水浸沒後，在球磨機中球磨48小時，後經300℃烘烤1小時脫水後備用；
（2）上述處理好的固體材料與液態磷酸二氫鋁、甲基矽酸鈉按下述比例
液態磷酸二氫鋁60
膨脹蛭石15
沸石6
雲母12
氧化鋅3
甲基矽酸鈉3.7
分散劑（duramaxd-3005購自rohmandhaas,france）0.3
混合製成漿料，進入高剪切混合機中以3000rpm混合75分鐘，以噴塗或塗刷方式施加到納米孔絕熱材料基體；
（3）在常溫下乾燥30分鐘，再進入爐內在80-120℃下進行5分鐘快速乾燥，上漿數量為乾燥後，絕熱體增重2.3克/cm2，形成約0.4mm的保護塗層。
塗層性能測試：
1）耐磨、抗碰撞衝擊性：塗層外觀成膜均勻、無龜裂和脫落，採用110*110*20的試塊，跌落斷裂高度為45cm。
2）耐溫性：按astmc356標準進行測試，在24小時，均熱900度的實驗中觀察到沒有起泡、碎裂或剝蝕。長寬方向收縮1.7%，厚度方向收縮5.5%，滿足astmc1676的要求。
3）吸水性：按astmc1104/c1104m標準進行測試，蒸氣吸附重量百分比為6.1%。
4）導熱係數：按astmc1676的測試方法，採用本發明塗層的納米孔絕熱材料，平均溫度100℃時，導熱係數為0.021w/m.k，平均溫度500℃時，導熱係數為0.0275w/m.k。
實施例2
一種納米孔絕熱材料的表面保護塗層的製備方法，包括以下步驟：
（1）固體材料的處理：
a.將800℃高溫預處理1小時後的膨脹蛭石顆粒以4:1的比例和液態磷酸二氫鋁混勻，然後在球磨機中球磨48小時後備用；
b.將沸石顆粒按浸沒量（固體顆粒完全吸附液體後保持液體浸沒）加入液態磷酸二氫鋁，隨後在球磨機中球磨48小時後備用；
c.鹼金屬氧化物（氧化鋅、氧化鎂按3：1比例）加入乙醇（固體顆粒完全吸附液體後保持液體浸沒），在球磨機中球磨48小時備用；
d.將雲母顆粒用水浸沒後，在球磨機中球磨48小時，後經300℃烘烤1小時脫水後備用；
（2）上述處理好的固體材料與液態磷酸二氫鋁、甲基矽酸鈉按下述比例
液態磷酸二氫鋁75
膨脹蛭石10
沸石3
雲母8
氧化鎂2
甲基矽酸鈉1.9
分散劑（duramaxd-3005）0.1
混合製成漿料，進入高剪切混合機中以3000rpm混合75分鐘，以噴塗或塗刷方式施加到納米孔絕熱材料基體上以浸漬入孔；
（3）在常溫下乾燥30分鐘，再進入爐內在80-120℃下進行8分鐘快速乾燥，上漿數量為乾燥後，絕熱體增重1.8克/cm2，形成約0.3mm的保護塗層。
塗層性能測試：
1）耐磨、抗碰撞衝擊性：塗層外觀成膜均勻，無龜裂，無脫落，採用110*110*20的試塊，跌落斷裂高度為37cm。
2）耐溫性：按astmc356標準進行測試，在24小時，均熱900度的實驗中觀察到沒有起泡、碎裂或剝蝕。長寬方向收縮1.5%，厚度方向收縮5.7%，滿足astmc1676的要求。
3）吸水性：按astmc1104/c1104m標準進行測試，蒸氣吸附重量百分比為7.3%。
4）導熱係數：按astmc1676的測試方法，採用本發明塗層的納米孔絕熱材料，平均溫度100℃時，導熱係數為0.020w/m.k，平均溫度500℃時，導熱係數為0.0251w/m.k。
實施例3
一種納米孔絕熱材料的表面保護塗層的製備方法，包括以下步驟：
（1）固體材料的處理：
a.將800℃高溫預處理1小時後的膨脹蛭石顆粒以4:1的比例和液態磷酸二氫鋁混勻，然後在球磨機中球磨48小時後備用；
b.將沸石顆粒按浸沒量（固體顆粒完全吸附液體後保持液體浸沒）加入液態磷酸二氫鋁，隨後在球磨機中球磨48小時後備用；
c.鹼金屬氧化物（氧化鋅、氧化鎂按3：1比例）加入乙醇（固體顆粒完全吸附液體後保持液體浸沒），在球磨機中球磨48小時備用；
d.將雲母顆粒用水浸沒後，在球磨機中球磨48小時，後經300℃烘烤1小時脫水後備用；
（2）上述處理好的固體材料與液態磷酸二氫鋁、甲基矽酸鈉按下述比例
液態磷酸二氫鋁45
膨脹蛭石30
沸石5
雲母11
氧化鋅或氧化鎂1.5
甲基矽酸鈉7
分散劑（duramaxd-3005）0.5
混合製成漿料，進入高剪切混合機中以3000rpm混合75分鐘，以噴塗或塗刷方式施加到納米孔絕熱材料基體上以浸漬入孔；
（3）在常溫下乾燥30分鐘，再進入爐內在80-120℃下進行3分鐘快速乾燥，上漿數量為乾燥後，絕熱體增重2.7克/cm2，形成約0.4mm的保護塗層。
塗層性能測試：
1）耐磨、抗碰撞衝擊性：塗層外觀成膜基本均勻，有稍許裂紋，但無脫落，採用110*110*20的試塊，跌落斷裂高度為49cm。
2）耐溫性：按astmc356標準進行測試，在24小時，均熱900度的實驗中觀察到沒有起泡、碎裂或剝蝕。長寬方向收縮1.9%，厚度方向收縮7.5%，滿足astmc1676的要求。
3）吸水性：按astmc1104/c1104m標準進行測試，蒸氣吸附重量百分比為4.7%。
4）導熱係數：按astmc1676的測試方法，採用本發明塗層的納米孔絕熱材料，平均溫度100℃時，導熱係數為0.0218w/m.k，平均溫度500℃時，導熱係數為0.0278w/m.k。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制，任何未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。