基于气凝胶的防火保温隔热涂料

技术领域

本发明属于涂料技术领域，具体地，涉及一种基于气凝胶的防火保温隔热涂料。

背景技术

近年来由于外墙隔热保温技术的发展，建筑墙体隔热保温涂料也逐步由内墙向外墙转变。建筑墙体隔热保温涂料，是一种绝热涂料，属于功能性涂料。

热量传递主要有3种方式，即热传导、对流传热、辐射传热。热传导是由于物体分子的热振动具有相互影响的特性而产生的，其趋势是使固体不存在温差；对流传热是气体或液体进行热量交换而产生的；辐射传热是任何温度高于绝对零度的物体以电磁波的形式向外传热的方式。气凝胶具有极高的孔隙率，固含量极低，因此固体热传导很小，可以忽略不计；气凝胶内部平均孔径为20-50nm，而空气分子的平均自由程约为70nm，空气在气凝胶孔洞内无法流动，从而抑制空气的对流辐射；气凝胶内部具有无数的孔洞，每个孔壁均可作为辐射的反射面和折射面，可以很大程度地阻隔辐射传热。因此气凝胶具有非常优异的隔热保温性能。因此，现有技术中多采用气凝胶作为隔热涂料的有效介质。

例如公开号为CN115197619A的中国发明专利公开了一种新型环保气凝胶隔热涂料的制备，这种新型环保气凝胶隔热涂料的制备包括气凝胶、水性丙烯酸树脂、隔热填料、成膜物质、分散剂、消泡剂、流平剂、增稠剂、固化剂备用材料。但是该涂料没有对产品的阻燃防火性能进行优化，且气凝胶与涂料内其余成分之间的相互作用弱，难以更好的发挥效果。而建筑物表面进行防火处理，可抑制发烟量并延迟火灾发展，为人员的逃生和火灾扑救赢得时间，因此，改善隔热涂料的阻燃防火性能具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供了一种基于气凝胶的防火保温隔热涂料。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

基于气凝胶的防火保温隔热涂料，包括如下重量份的原料：水性丙烯酸酯乳液100份、云母粉18-22份、改性气凝胶8-10份、空心玻璃微珠8-10份、阻燃剂12-15份、甲基硅酸钠5-6份、羟乙基纤维素9-10份、聚丙烯酸钠1-1.2份、消泡剂1-1.2份；

所述涂料通过如下步骤制备：

将云母粉、改性气凝胶、空心玻璃微珠、阻燃剂、甲基硅酸钠和羟乙基纤维素放入高速混合机，1300-1400r/min混合30min，再转移到搅拌器内，500r/min搅拌下加入水性丙烯酸酯乳液，再加入聚丙烯酸钠和消泡剂，持续搅拌20min以上，制得所述涂料。

进一步地，所述消泡剂为聚氧丙烯氧化乙烯甘油醚。

云母粉作为功能填料的加入，其具有非常优异的耐热性能，最高耐温等级可达1000℃，导热系数低，具有非常好的隔热性能，是一种性能优越的防火隔热材料，能够赋予涂料良好的防火隔热性能。

进一步地，所述改性气凝胶通过如下步骤制备：

A1、将正硅酸乙酯、无水乙醇和去离子水混合均匀，加入酸调整pH值至3-4，水解3h，再加入碱调整pH值至7-8，形成湿凝胶，将湿凝胶进行老化、无水乙醇置换2次，得到干凝胶；正硅酸乙酯、无水乙醇和去离子水的摩尔比为1:15:5；

A2、将干凝胶置于硅烷偶联剂KH560的分散液中，搅拌条件下，升高温度至80℃，回流处理2h，离心分离，并用乙醇水溶液洗涤3-4次，干燥、研磨，得到改性气凝胶；干凝胶和硅烷偶联剂KH560的用量比为10g:23.6g。

二氧化硅气凝胶结构内存在大量孔隙，具有阻隔热传导、反射隔热和辐射隔热保温的作用；通过硅烷偶联剂KH560的表面改性处理，以获得改性气凝胶，促进气凝胶在涂料中的均匀分布。

进一步地，所述阻燃剂通过如下步骤制备：

S1、将氯仿和烯丙基胺加入三口烧瓶，置于冰浴中，保持搅拌，待温度稳定在0℃时，滴加氯乙醇与乙醚的混合液，滴加结束后，于常温下搅拌反应3h，反应结束后，降温至20℃，加入三乙胺调节pH值为中性，继续搅拌10min，加入蒸馏水进行萃取，取有机层，用无水硫酸钠干燥后，过滤，滤液减压旋蒸除去溶剂(氯仿和乙醚)，得到中间体1；烯丙基胺和氯乙醇的用量摩尔比为1:1；

烯丙基胺分子上的-NH

S2、将四甲基二硅氧烷和四氯化碳置于三口烧瓶中，加入铂催化剂并搅拌20min，加热，待温度升至70℃后，将中间体1的乙腈溶液缓慢滴入体系，继续在该温度条件下反应2h，反应结束后，过滤除去催化剂，将反应液旋蒸除去溶剂，得到中间体2；四甲基二硅氧烷、铂催化剂和中间体1的用量之比为13.4g:336μg:20.2g；

在铂催化剂作用下，四甲基二硅氧烷和中间体1分子上的不饱和碳碳双键发生硅氢加成反应，通过控制二者的摩尔比为1:2，发生如下所示的反应过程，得到中间体2：

S3、将亚磷酸二甲酯、四氯化碳和四氢呋喃依次加入带有搅拌装置的三口烧瓶中，将烧瓶转移至冰浴中并进行搅拌，向烧瓶内同时逐滴滴加三乙胺、中间体2和四氢呋喃的混合液，滴加结束后将三口烧瓶转移至室温下持续搅拌反应10h，反应结束后，抽滤，取滤液，减压蒸馏，得到中间体3；亚磷酸二甲酯、四氯化碳、三乙胺和中间体2的用量之比为11g:15.4g:10.1g:16.8g；

中间体2上的-NH-与亚磷酸二甲酯发生Atherton-Todd反应，反应过程如下所示，得到中间体3：

S4、在装有温度计、搅拌器、回流冷凝管的三口烧瓶中加入对氨基苯甲酰氯、氯化亚铜(阻聚剂)和DMF(N,N-二甲基甲酰胺)，升温至50℃，在此温度下向三口烧瓶中慢慢滴加含有中间体3和DMAP(4-二甲氨基吡啶，催化剂)的DMF混合液，加毕，缓慢升温至58℃，保温反应4h，冷至室温，用质量分数为5％的NaOH溶液中和至中性，分出有机层，用饱和食盐水洗，并用无水硫酸镁干燥，过滤，滤液经旋转蒸发器旋干后进行柱层析提纯(洗脱剂为乙酸乙酯/石油醚，体积比为13/7)，蒸干洗脱剂，得到阻燃剂；对氨基苯甲酰氯、氯化亚铜、中间体3和DMAP的用量之比为15.6g:0.1g:27.6g:0.1g；

中间体3与对氨基苯甲酰氯发生酯化反应，得到阻燃剂，反应过程如下所示：

获得的阻燃剂中含有磷酸酯基团、P-N键团以及Si-O-Si链段，磷酸酯基团能促进高分子材料脱水炭化，从而使高分子材料不能产生可燃性气体，并且由于不挥发性磷化合物起凝结剂的作用，使炭化物形成保护性炭膜，以隔绝外界的空气和热，含N基团燃烧过程中受热分解生成的N

此外，阻燃剂分子的两端含有-NH

另外，阻燃剂还能与改性气凝胶表面接枝的环氧基团产生化学作用，能起到桥接改性气凝胶与聚丙烯酸酯的作用，形成质地均匀的涂料，使各有效成分充分发挥效果。

本发明的有益效果：

本发明以水性丙烯酸酯乳液作为涂料的成膜基质，以改性气凝胶与空心玻璃微珠作为主要隔热介质，以云母粉作为填料，使涂料兼具防火以及隔热保温的性能；另外，通过阻燃剂的加入，不仅能有效提升涂料的阻燃性能，也能一定程度提升涂层的力学强度、耐磨和防腐性能；且阻燃剂会与改性气凝胶产生化学作用，起到桥接改性气凝胶与聚丙烯酸酯的作用，形成质地均匀的涂料，使各有效成分充分发挥效果；最终形成综合性能强的涂料，具有重要的应用意义。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

制备改性气凝胶：

A1、将0.1mol正硅酸乙酯、1.5mol无水乙醇和0.5mol去离子水混合均匀，加入草酸调整pH值至3.5，水解3h，再加入氨水调整pH值至7.5，形成湿凝胶，将湿凝胶进行老化、无水乙醇置换2次，得到干凝胶；

A2、将10g干凝胶置于150mL含有23.6g硅烷偶联剂KH560的乙醇水溶液中，搅拌条件下，升高温度至80℃，回流处理2h，离心分离，并用乙醇水溶液洗涤4次，干燥、研磨，得到改性气凝胶。

实施例2

制备阻燃剂：

S1、将50mL氯仿和5.7g烯丙基胺加入三口烧瓶，置于冰浴中，保持搅拌，待温度稳定在0℃时，滴加8g氯乙醇与20mL乙醚的混合液，滴加结束后，于常温下搅拌反应3h，反应结束后，降温至20℃，加入三乙胺调节pH值为中性，继续搅拌10min，加入蒸馏水进行萃取，取有机层，用无水硫酸钠干燥后，过滤，滤液减压旋蒸除去溶剂(氯仿和乙醚)，得到中间体1；

S2、将13.4g四甲基二硅氧烷和80mL四氯化碳置于三口烧瓶中，加入336μg铂催化剂并搅拌20min，加热，待温度升至70℃后，将50mL含有20.2g中间体1的乙腈溶液缓慢滴入体系，继续在该温度条件下反应2h，反应结束后，过滤除去催化剂，将反应液旋蒸除去溶剂，得到中间体2；

S3、将11g亚磷酸二甲酯、15.4g四氯化碳和50mL四氢呋喃依次加入带有搅拌装置的三口烧瓶中，将烧瓶转移至冰浴中并进行搅拌，向烧瓶内同时逐滴滴加10.1g三乙胺、16.8g中间体2和30mL四氢呋喃的混合液，滴加结束后将三口烧瓶转移至室温下持续搅拌反应10h，反应结束后，抽滤，取滤液，减压蒸馏，得到中间体3；

S4、在装有温度计、搅拌器、回流冷凝管的三口烧瓶中加入15.6g对氨基苯甲酰氯、0.1g氯化亚铜(阻聚剂)和100mL的DMF，升温至50℃，在此温度下向三口烧瓶中慢慢滴加50mL含有27.6g中间体3和0.1g的DMAP(催化剂)的DMF混合液，加毕，缓慢升温至58℃，保温反应4h，冷至室温，用质量分数为5％的NaOH溶液中和至中性，分出有机层，用饱和食盐水洗，并用无水硫酸镁干燥，过滤，滤液经旋转蒸发器旋干后进行柱层析提纯(洗脱剂为乙酸乙酯/石油醚，体积比为13/7)，蒸干洗脱剂，得到阻燃剂。

实施例3

制备阻燃剂：

S1、将100mL氯仿和11.4g烯丙基胺加入三口烧瓶，置于冰浴中，保持搅拌，待温度稳定在0℃时，滴加16g氯乙醇与40mL乙醚的混合液，滴加结束后，于常温下搅拌反应3h，反应结束后，降温至20℃，加入三乙胺调节pH值为中性，继续搅拌10min，加入蒸馏水进行萃取，取有机层，用无水硫酸钠干燥后，过滤，滤液减压旋蒸除去溶剂(氯仿和乙醚)，得到中间体1；

S2、将26.8g四甲基二硅氧烷和150mL四氯化碳置于三口烧瓶中，加入672μg铂催化剂并搅拌20min，加热，待温度升至70℃后，将80mL含有40.4g中间体1的乙腈溶液缓慢滴入体系，继续在该温度条件下反应2h，反应结束后，过滤除去催化剂，将反应液旋蒸除去溶剂，得到中间体2；

S3、将22g亚磷酸二甲酯、30.8g四氯化碳和80mL四氢呋喃依次加入带有搅拌装置的三口烧瓶中，将烧瓶转移至冰浴中并进行搅拌，向烧瓶内同时逐滴滴加20.2g三乙胺、33.6g中间体2和60mL四氢呋喃的混合液，滴加结束后将三口烧瓶转移至室温下持续搅拌反应10h，反应结束后，抽滤，取滤液，减压蒸馏，得到中间体3；

S4、在装有温度计、搅拌器、回流冷凝管的三口烧瓶中加入31.2g对氨基苯甲酰氯、0.2g氯化亚铜(阻聚剂)和180mL的DMF，升温至50℃，在此温度下向三口烧瓶中慢慢滴加80mL含有55.2g中间体3和0.2g的DMAP(催化剂)的DMF混合液，加毕，缓慢升温至58℃，保温反应4h，冷至室温，用质量分数为5％的NaOH溶液中和至中性，分出有机层，用饱和食盐水洗，并用无水硫酸镁干燥，过滤，滤液经旋转蒸发器旋干后进行柱层析提纯(洗脱剂为乙酸乙酯/石油醚，体积比为13/7)，蒸干洗脱剂，得到阻燃剂。

实施例4

制备防火保温隔热涂料：

将180g云母粉、80g实施例1制得的改性气凝胶、80g空心玻璃微珠、120g实施例2制得的阻燃剂、50g甲基硅酸钠和90g羟乙基纤维素放入高速混合机，1300r/min混合30min，再转移到搅拌器内，500r/min搅拌下加入1kg水性丙烯酸酯乳液，再加入10g聚丙烯酸钠和10g聚氧丙烯氧化乙烯甘油醚，持续搅拌25min，制得涂料。

实施例5

制备防火保温隔热涂料：

将200g云母粉、90g实施例1制得的改性气凝胶、90g空心玻璃微珠、135g实施例3制得的阻燃剂、55g甲基硅酸钠和95g羟乙基纤维素放入高速混合机，1350r/min混合30min，再转移到搅拌器内，500r/min搅拌下加入1kg水性丙烯酸酯乳液，再加入11g聚丙烯酸钠和11g聚氧丙烯氧化乙烯甘油醚，持续搅拌30min，制得涂料。

实施例6

制备防火保温隔热涂料：

将220g云母粉、100g实施例1制得的改性气凝胶、100g空心玻璃微珠、150g实施例2制得的阻燃剂、60g甲基硅酸钠和100g羟乙基纤维素放入高速混合机，1400r/min混合30min，再转移到搅拌器内，500r/min搅拌下加入1kg水性丙烯酸酯乳液，再加入12g聚丙烯酸钠和12g聚氧丙烯氧化乙烯甘油醚，持续搅拌35min，制得涂料。

对比例1

将实施例4中的改性气凝胶换成普通二氧化硅气凝胶，其余原料及制备过程不变所获得的涂料。

对比例2

将实施例4中的阻燃剂原料去掉，其余原料及制备过程保持不变所获得的涂料。

对实施例3-5和对比例得到的涂料，进行如下性能测试：

导热系数测试：按照GB/T 10295-2008标准测试150℃的导热系数(导热系数越低，说明隔热性能越好)；

防火性能测试：按照DIN 4102测试涂层的防火等级；

耐磨性测试：按照GB/T 1768-2006使用涂层耐磨仪测定形成的涂层的质量损失(质量损失越小，说明耐磨性能越高)；

测得的结果如下表所示：

由上表数据可知，本发明获得的涂料良好的保温隔热性能以及防火阻燃性能，且耐磨性高；结合对比例1的数据可知，气凝胶经过改性后，能够均布于涂料中，发挥隔热增强性能；结合对比例2的数据可知，阻燃剂的加入不仅能提升涂料的阻燃防火性能，也能促进交联网络结构的生成，从而提升耐磨性，且能与改性气凝胶作用，提高隔热效果。

在说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上内容仅仅是对本发明所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。