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干貨 | 一文帶你了解氣凝膠涂料

干貨 | 一文帶你了解氣凝膠涂料

編輯:轉自:材料科學(xué)與工程技術(shù) 發(fā)布時(shí)間:2024-07-19

SiO2氣凝膠是一種以空氣為主要組成成分、無(wú)定形態(tài)的 SiO2為基本骨架,具有復雜三維網(wǎng)絡(luò )結構的納米輕質(zhì)多孔材料,其基本物理性能:表觀(guān)密度0.003-0.35g/cm3,比表面積800-1000m2/g,孔隙率80.0%-99.8%,孔洞平均尺寸20nm,導熱系數0.008-0.043W/(m·K)。它同時(shí)囊括了低熱導率、低密度、高孔隙率、高光透過(guò)性、高比表面積、低折射率以及低聲速性等性質(zhì),從而在很多領(lǐng)域都有著(zhù)廣闊的應用前景。

隨著(zhù)涂料使用量的增加及對涂料性能要求的提高,SiO2氣凝膠作為涂料的一種功能填料得到了許多研究者的關(guān)注。SiO2氣凝膠用作涂料的重要組成部分,會(huì )使涂料具備隔熱、耐高溫、防火、吸附、光催化和隔音吸聲等特殊功能。

01 SiO2氣凝膠及其涂料的制備

目前SiO2 氣凝膠的制備方法很多,其主要過(guò)程包括由溶膠-凝膠法制備出SiO2濕凝膠以及干燥得到SiO2 氣凝膠。SiO2 濕凝膠的制備過(guò)程相似,主要區別在于干燥方法,采用不同干燥技術(shù)制備出的SiO2 氣凝膠在性質(zhì)和質(zhì)量上都會(huì )有所差異。采用超臨界干燥法干燥時(shí),凝膠的骨架網(wǎng)絡(luò )不會(huì )出現收縮和塌陷,制成的SiO2 氣凝膠質(zhì)量高,各方面性能優(yōu)越,但實(shí)驗條件苛刻,制作周期長(cháng),成本較高,不能實(shí)現批量生產(chǎn)。

SiO2 氣凝膠涂料是SiO2 氣凝膠應用中的一個(gè)重要分支。在SiO2氣凝膠制備的基礎上,添加穩定劑、分散劑等助劑,通過(guò)多種分散方法將其先制成SiO2 氣凝膠漿料,再和成膜樹(shù)脂、助劑、溶劑以及其他顏填料相混合,最后通過(guò)高速分散制得SiO2 氣凝膠涂料。整個(gè)制備過(guò)程中,SiO2 氣凝膠漿料的制備過(guò)程是最關(guān)鍵的一步,也是SiO2 氣凝膠涂料性能優(yōu)越與否的直接影響因素。該過(guò)程需要解決納米粒子在介質(zhì)中的團聚問(wèn)題,使SiO2 氣凝膠納米顆粒均勻穩定地分散于溶劑中。

02 SiO2氣凝膠涂料的分類(lèi)

各種SiO2 氣凝膠涂料的制備過(guò)程大致相同,但其所利用的SiO2 氣凝膠主要特性各有差異,涂料中加入的顏填料、助劑也各有特殊性能,因此制成的SiO2 氣凝膠涂料的主要功能差異也較大。按功能劃分,SiO2 氣凝膠涂料的具體分類(lèi)如下所示。

(1)氣凝膠隔熱涂料

SiO2 氣凝膠隔熱涂料因SiO2 氣凝膠本身的結構特性,能有效降低熱量的傳輸,起到改善環(huán)境、降低能耗的作用。SiO2 氣凝膠的納米孔以及三維網(wǎng)狀結構破壞了基質(zhì)的熱量傳導路徑,這是它具有極低導熱系數的一個(gè)重要原因。獨特的納米孔結構限制了空氣分子的自由流動(dòng),抑制了空氣的對流傳導,無(wú)限多的孔壁形成了熱輻射的反射面和折射面,具有“無(wú)窮隔熱板效應”,最大限度地抑制了輻射導熱。因此將具有優(yōu)異隔熱性能的SiO2 氣凝膠用于隔熱涂料中會(huì )使涂膜的隔熱效果得到很大提升。

SiO2 氣凝膠本身透光性好,可以制備納米透明隔熱涂料涂覆在玻璃上,該涂料吸收波長(cháng)在小于400nm的紫外線(xiàn)波段,透過(guò)波長(cháng)在400~760nm的可見(jiàn)光波段,阻隔波長(cháng)在760~2500nm的近紅外波段。當前,已經(jīng)有利用SiO2 氣凝膠制備透明隔熱涂料的相關(guān)成果。這種制備工藝利用SiO2氣凝膠為隔熱涂料的基本填料,再采用合適的穩定劑將SiO2 氣凝膠有效地均勻分散,將其制成漿料,然后再利用成膜物,將這兩種材料和其他的助劑混合均勻而成。這種隔熱涂料的基本特點(diǎn)就是既沒(méi)有改變玻璃原有的良好透光性能,也有效地阻擋了紫外線(xiàn)和紅外熱輻射對室內環(huán)境以及室內溫度的影響,以其節能環(huán)保、性能優(yōu)良的特點(diǎn),成為隔熱涂料開(kāi)發(fā)、研究與生產(chǎn)的主要方向。

SiO2氣凝膠隔熱涂料也可用在建筑物其他部位上,與傳統的墻體隔熱材料相比,SiO2 氣凝膠涂料不僅施工方便,更是彌補了一般有機保溫材料防火阻燃性差和無(wú)機保溫材料密度大且保溫效果欠佳的缺陷。此類(lèi)SiO2 氣凝膠涂料可廣泛應用于建筑物內外墻、倉儲、冷庫等,具有薄層施工、納米孔隔熱、安全防火、環(huán)保節能、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。早在2010年上海世博會(huì )零碳館及萬(wàn)科實(shí)驗中便已投入使用,事實(shí)證明了該涂料具有突出的節能效果。

(2)氣凝膠耐高溫涂料

SiO2氣凝膠耐高溫涂料是指能長(cháng)期在200℃以上高溫環(huán)境中使用,能夠對基材進(jìn)行保護,且涂層自身的物理化學(xué)性能仍能保持相對穩定的一種功能涂料。SiO2 氣凝膠可在900℃以下保持良好的多孔網(wǎng)絡(luò )結構特性,但當溫度達到900℃ 以上時(shí)會(huì )發(fā)生燒結現象,Si-O-Si網(wǎng)絡(luò )結構會(huì )收縮并團聚,孔結構遭到破壞,比表面積在溫度達到900℃后急劇下降,導熱系數會(huì )隨著(zhù)溫度的升高而提高。為實(shí)現SiO2 氣凝膠在超高溫度下維持原有的納米孔網(wǎng)絡(luò )結構,保持其低熱導率及高孔隙率,一般通過(guò)摻雜其他耐高溫材料的方法來(lái)制備耐高溫復合材料。

SiO2 氣凝膠良好的耐高溫性是用其制備耐高溫涂料的主要原因,現已有研究者成功制備出了SiO2氣凝膠耐高溫涂料。以納米SiO2 氣凝膠、改性六鈦酸鉀晶須(PTW)、硅鋁基陶瓷空心微珠等為主要功能填料,以耐高溫有機硅樹(shù)脂乳液和丙烯酸乳液為成膜物,在多種功能助劑的配合下可制備成耐高溫絕熱涂料。制備的耐高溫隔熱涂料導熱系數較低,在0.027-0.031之間,可承受600℃的高溫,耐熱性好。

SiO2 氣凝膠耐高溫涂料具有厚度薄、耐高溫、絕熱等特性,且在高溫環(huán)境下,可根據使用環(huán)境溫度和要達到的降溫幅度,選擇施工的涂膜厚度,適應性好、可控性強,有著(zhù)極為廣泛的用途,可以應用于高溫蒸汽管道、高溫爐、石油裂解設備、發(fā)動(dòng)機部位和冶金行業(yè)的金屬高溫防護等領(lǐng)域。

(3)氣凝膠防火涂料

SiO2氣凝膠防火涂料是涂敷在可燃性基材表面,能有效阻止熱量的傳遞,降低基材可燃性以及延滯甚至阻止火災的蔓延,可提高被涂基材耐火極限的一種特種功能涂料。SiO2 氣凝膠防火涂料的防火機理主要在于SiO2 氣凝膠本身屬于難燃性物質(zhì),從而使涂料具有難燃特性。SiO2 氣凝膠的孔隙尺寸在2-50nm之間,空氣中主要成分氮氣和氧氣的平均自由程均在70nm左右,如果涂料夠密實(shí),就能有效阻止被保護基材與空氣的直接接觸。SiO2 氣凝膠極低的導熱系數,可以較大地降低火焰溫度,使被保護基材達不到自身著(zhù)火點(diǎn)。以 SiO2 氣凝膠為功能填料,均勻分散于涂料的穩定體系中,當涂料被涂刷形成涂層時(shí),能有效地起到良好的絕熱保護作用,從而提高其耐火性,起到防火的作用。

以SiO2氣凝膠為主要功能填料做成的防火涂料可以適應于眾多場(chǎng)合,用以保護建筑物、器材設備、人員安全等,而且其防火效果遠好于普通的防火涂料及其他防火材料。

(4)氣凝膠吸附涂料

SiO2氣凝膠具有納米多孔網(wǎng)絡(luò )結構,加上其巨大的內表面積,使其具備了吸附材料應有的結構特性,對有機溶劑和有機物質(zhì)有超強的吸附能力,且吸附性能比現在常見(jiàn)的吸附劑(活性炭、硅膠、氧化鋁、分子篩等)還要好。同時(shí)由于其表面原子數眾多,缺少相鄰的原子與之結合,導致SiO2 氣凝膠表面原子具有很高的化學(xué)活性,極容易吸附其他原子,從而具有較強的吸附作用。

SiO2氣凝膠,通過(guò)吸附材料測試比較得出它比活性炭纖維(activated carbon fibre,ACF)和活性炭顆粒(granule of activated carbon,GAC)更優(yōu)越。實(shí)驗還發(fā)現SiO2氣凝膠可脫附進(jìn)行再次吸附,且再吸附容量基本不變。SiO2氣凝膠具有良好的吸附和解吸特性,可與其他基材復合形成新的吸附材料。不管SiO2氣凝膠本身,還是它與其他基材復合形成的新材料,其吸附性能比常見(jiàn)的吸附材料都有所增強。但目前將其作為主要的功能填料制備吸附涂料的較少,這將是以后發(fā)展吸附涂料的一個(gè)重要方向。

SiO2 氣凝膠吸附涂層可循環(huán)利用、綠色經(jīng)濟,具備優(yōu)越的發(fā)展潛力,可被廣泛應用于空氣凈化、污水處理、水蒸氣吸附、醫藥過(guò)濾、海水淡化等領(lǐng)域,具有廣闊的應用前景。

(5)氣凝膠光催化涂料

通過(guò)溶膠-凝膠法制備的SiO2 氣凝膠孔隙率最高可達99.8%,比表面積最高將近1000m2/g,這些固有的性質(zhì)使它在催化劑的應用中獲得了極高的關(guān)注。SiO2氣凝膠光催化涂料能在一定波長(cháng)光的照射下具有催化反應功能,這種涂料具有分解有毒物質(zhì)、殺菌消毒、降解有機物和凈化空氣等作用。SiO2 氣凝膠特殊的性質(zhì)使建立高效的催化降解體系、實(shí)現氣凝膠的高層次利用成為可能,也為研究SiO2 氣凝膠材料對污染物的光催化機理和新的應用前景提供了理論依據。

白麓楠等人用SiO2 氣凝膠和WOx-TiO2復合光催化粒子為主要的功能性無(wú)機光催化劑添加相,合成制備了SiO2 氣凝膠/WOx-TiO2復合空氣凈化涂料。實(shí)驗表明光催化劑占涂料質(zhì)量分數的5.0%時(shí),具有穩定、較高的光催化率。用其光催化降解甲醛氣體時(shí),3h內對甲醛氣體的降解率高達84.62%。SiO2 氣凝膠光催化涂料不僅對空氣中的有害氣體有降解作用,還可以用于工業(yè)對污染物進(jìn)行催化降解。陳晨等利用TiCl4和工業(yè)水玻璃為原料,通過(guò)溶膠凝膠、常壓干燥法制備了TiO2-SiO2氣凝膠,并用乙醇作為分散劑,制成了TiO2-SiO2復合氣凝膠涂層。該凝膠涂層在可見(jiàn)光照射4 h后,光催化降解羅丹明B(工業(yè)生產(chǎn)中最常用的有機染料)的效率能達到77%。同樣研究TiO2-SiO2氣凝膠的光催化降解性能,王玉棟等通過(guò)它與TiO2粉末進(jìn)行對比實(shí)驗,結果表明在任何酸堿性環(huán)境下,TiO2-SiO2氣凝膠的光催化效果都遠遠優(yōu)于TiO2粉末,并且在pH=9、6.5h時(shí),其降解率達到97%。現今全球工業(yè)發(fā)展迅速,人們的生活水平得到顯著(zhù)的提高,社會(huì )對綠色、環(huán)保、節能日益重視,污染治理已成為當今世界關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。光催化作為一種新興的環(huán)境修復技術(shù)在治理污染方面的應用日益受到人們的重視。

(6)氣凝膠隔音吸聲涂料

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