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二氧化硅气凝胶在涂料中的应用

来源:山东埃尔派粉体科技有限公司发布日期:2021-05-14

气凝胶是指通过溶胶凝胶法,用一定的干燥方式使气体取代凝胶中的液相而形成的一种纳米级多孔固态材料。如明胶、阿拉伯胶、硅胶、毛发、指甲等。气凝胶也具凝胶的性质,即具膨胀作用、触变作用、离浆作用。

气凝胶是一种固体物质形态,世界上密度最小的固体。密度为3千克每立方米。一般常见的气凝胶为硅气凝胶,其最早由美国科学工作者Kistler在1931年因与其友打赌制得。气凝胶的种类很多,有硅系,碳系,硫系,金属氧化物系,金属系等等。aerogel是个组合词,此处aero是形容词,表示飞行的,gel显然是凝胶。字面意思是可以飞行的凝胶。任何物质的gel只要可以经干燥后除去内部溶剂后,又可基本保持其形状不变,且产物高孔隙率、低密度,则皆可以称之为气凝胶。

气凝胶中,SiO2气凝胶是最易制备也是被应用得最广的一类,它以空气为主要成分,无定形态的SiO2为基本骨架,具有超高的孔隙率(高达80~99.8%),在力学、热学、电学、光学、声学等方面均表现出独特的性能,如它在室温下导热系数可低达0.013w/(m·k)。同时还囊括了低热导率、低密度、高孔隙率、高光透过性、高比表面积、低折射率以及低声速性等性质,从而在很多领域都有着广阔的应用前景。

关于SiO2气凝胶的应用,先前已粗略提过多次,它在保温隔热领域的主要应用kok娱乐体育形式有4种:气凝胶粉体/颗粒;气凝胶毡;气凝胶板;气凝胶玻璃。而随着涂料使用量的增加及对涂料性能要求的提高,SiO2气凝胶作为涂料的一种功能填料也得到了许多研究者的关注,今天就来重点来讲讲这一部分。

气凝胶保温涂料的制备

气凝胶保温涂料的主要成分包括有交联丙烯酸乳液等成膜物、SiO2气凝胶等填料以及多种助剂。其中,SiO2气凝胶用作涂料的重要组成部分,会使涂料具备隔热、耐高温、防火、吸附、光催化和隔音吸声等特殊功能,因此它的品质会在很大程度上影响涂料的性能。

目前SiO2气凝胶的制备方法很多,其主要过程包括由溶胶-凝胶法制备出SiO2湿凝胶以及干燥得到SiO2气凝胶。SiO2湿凝胶的制备过程相似,主要区别在于干燥方法,采用不同干燥技术制备出的SiO2气凝胶在性质和质量上都会有所差异。随后在SiO2气凝胶制备的基础上,添加稳定剂、分散剂等助剂,通过多种分散方法将其先制成SiO2气凝胶浆料,再和成膜树脂、助剂、溶剂以及其他颜填料相混合,最后通过高速分散就能制得SiO2气凝胶涂料。

整个制备过程中,SiO2气凝胶浆料的制备过程是最关键的一步,也是SiO2气凝胶涂料性能优越与否的直接影响因素。该过程需要解决纳米粒子在介质中的团聚问题,使SiO2气凝胶纳米颗粒均匀稳定地分散于溶剂中。

气凝胶保温涂料的应用

虽然各种SiO2气凝胶涂料的制备过程大致相同,但如果作为填料使用的SiO2气凝胶在特性出现差异,加入的颜填料、助剂等配方也不同,就会导致制成的SiO2气凝胶涂料在主要功能上也产生差异,目前比较常见的发展方向有隔热、防火、吸附、光催化、隔音等。

1.隔热涂料

SiO2气凝胶隔热涂料因SiO2气凝胶本身的结构特性,能有效降低热量的传输,起到改善环境、降低能耗的作用。SiO2气凝胶的纳米孔以及三维网状结构破坏了基质的热量传导路径,这是它具有极低导热系数的一个重要原因。独特的纳米孔结构限制了空气分子的自由流动,抑制了空气的对流传导,无限多的孔壁形成了热辐射的反射面和折射面,具有“无穷隔热板效应”,最大限度地抑制了辐射导热。因此将具有优异隔热性能的SiO2气凝胶用于隔热涂料中会使涂膜的隔热效果得到很大提升。

测试结果证明,1mm厚的气凝胶保温涂料比8cm厚的聚苯泡沫板保温隔热性能好,因此目前已被用于建筑外饰、建筑幕墙、墙体屋面等保温隔热,同时适用于工业中低温管道、储罐、通信基站、船舶、汽车运输行业等多个领域的应用。

气凝胶保温涂料的喷涂过程

2.耐高温涂料

SiO2气凝胶耐高温涂料是指能长期在200℃以上高温环境中使用,能够对基材进行保护,且涂层自身的物理化学性能仍能保持相对稳定的一种功能涂料。SiO2气凝胶可在900℃以下保持良好的多孔网络结构特性,但当温度达到900℃以上时会发生烧结现象,Si-O-Si网络结构会收缩并团聚,孔结构遭到破坏,因此为实现SiO2气凝胶在超高温度下维持原有的纳米孔网络结构,保持其低热导率及高孔隙率,一般通过掺杂其他耐高温材料的方法来制备耐高温复合材料。

SiO2气凝胶耐高温涂料具有厚度薄、耐高温、绝热等特性,且在高温环境下,可根据使用环境温度和要达到的降温幅度,选择施工的涂膜厚度,可应用于高温蒸汽管道、高温炉、石油裂解设备、发动机部位和冶金行业的金属高温防护等领域。

3.防火涂料

SiO2气凝胶防火涂料是涂敷在可燃性基材表面,能有效阻止热量的传递,降低基材可燃性以及延滞甚至阻止火灾的蔓延,可提高被涂基材耐火极限的一种特种功能涂料。SiO2气凝胶防火涂料的防火机理主要在于SiO2气凝胶本身属于难燃性物质,从而使涂料具有难燃特性。SiO2气凝胶的孔隙尺寸在2~50 nm之间,空气中主要成分氮气和氧气的平均自由程均在70 nm左右,如果涂料够密实,就能有效阻止被保护基材与空气的直接接触。

SiO2气凝胶极低的导热系数,可以较大地降低火焰温度,使被保护基材达不到自身着火点。以SiO2气凝胶为功能填料,均匀分散于涂料的稳定体系中,当涂料被涂刷形成涂层时,能有效地起到良好的绝热保护作用,从而提高其耐火性,起到防火的作用,可被用来保护建筑物、器材设备、人员安全等。

4.吸附涂料

SiO2气凝胶具有纳米多孔网络结构,加上其巨大的内表面积,使其具备了吸附材料应有的结构特性,对有机溶剂和有机物质有超强的吸附能力,且吸附性能比现在常见的吸附剂(活性炭、硅胶、氧化铝、分子筛等)还要好。同时由于其表面原子数众多,缺少相邻的原子与之结合,导致SiO2气凝胶表面原子具有很高的化学活性,极容易吸附其他原子,从而具有较强的吸附作用。由于SiO2气凝胶吸附涂层可循环利用、绿色经济,具备优越的发展潜力,可被广泛应用于空气净化、污水处理、水蒸气吸附、医药过滤、海水淡化等领域,具有广阔的应用前景。

5.光催化涂料

通过溶胶-凝胶法制备的SiO2气凝胶孔隙率最高可达99.8%,比表面积最高将近1000 m2/g,这些固有的性质使它在催化剂的应用中获得了极高的关注。SiO2气凝胶光催化涂料能在一定波长光的照射下具有催化反应功能,这种涂料具有分解有毒物质、杀菌消毒、降解有机物和净化空气等作用。SiO2气凝胶特殊的性质使建立高效的催化降解体系、实现气凝胶的高层次利用成为可能,也为研究SiO2气凝胶材料对污染物的光催化机理和新的应用前景提供了理论依据。

6.隔音吸声涂料

SiO2气凝胶具有低声速特性,可用作吸声隔音材料,其作用机理在于它具有大量微小的连通孔隙,声波可沿着这些孔隙深入内部,与SiO2气凝胶发生摩擦作用进而将声能转化为热能,从而达到隔音效果。不过,目前少有单独使用SiO2气凝胶作吸音材料,一般都是与其他材料复合形成吸声材料,或者将SiO2气凝胶涂层涂覆在其他吸音材料表面上制成吸声效果更强的隔音材料。

资料来源:

SiO2气凝胶涂料的制备及应用研究进展,丁逸栋,刘朝辉,王飞,叶圣天,贾艺凡,班国东,林锐。

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