膏状蓄能纳米绝热外墙腻子的研制

刘成楼 （北京虹霞正升涂料有限责任公司，北京 102400）

0 引言［1-3］

大力发展绿色建筑、实施节能降耗、低碳环保是实现我国可持续发展战略的重要措施。目前，我国建筑能耗已占社会总能耗的1/3，单位面积能耗比气候条件接近的发达国家高2~3倍，建筑供暖造成的空气污染比发达国家高2~5倍，供热采暖能耗占社会总能耗的10%，约为1.3亿吨标准煤。我国既有建筑面积达400亿m2，每年新增建筑面积30亿m2，其中高能耗建筑占95%以上，为此国家将建筑节能指标由50%提高到70%，大城市节能要求达到75%，并对既有建筑逐步进行节能改造，同时要兼顾冬季采暖与夏季空调的能源平衡，建筑节能材料具有广阔市场。

目前我国推行的EPS（膨胀聚苯乙烯泡沫板）/XPS（挤出聚苯乙烯泡沫板）板薄抹灰外保温系统，存在着防火性能低的缺陷，并且为将来严重的白色垃圾污染埋下了隐患；聚氨酯硬泡喷涂系统，防火性能差、存在着安全隐患；岩棉板强度低、吸湿性强，吸湿后保温效果大幅度降低；聚苯颗粒保温浆料和玻化微珠保温砂浆因涂层厚、施工周期长、保温效果差等原因已淡出市场。

本研究以弹性丙烯酸乳液和VAE707乳胶复配为基料，以纳米二氧化硅气凝胶、海泡石纤维、膨胀珍珠岩/石墨烯改性石蜡定型相变浆料、空心玻璃微珠等为填料，在多种功能助剂的配合下制备膏状蓄能纳米绝热外墙腻子。它集反射、阻隔、辐射、相变储能、保温隔热功能于一体，具有施工薄层、柔性抗裂、高效隔热、耐高低温、耐水防渗、经久耐用、施工简便、性价比优等特点。与太阳热反射隔热涂料配套使用，可替代传统厚层保温隔热系统，广泛应用于建筑和工业隔热节能领域。

1 试验部分

1.1 原材料

SiO2气凝胶，因素高科（北京）科技发展有限公司；海泡石纤维、膨胀珍珠岩，石家庄锦川矿业；石墨烯，成都有机化学公司；空心玻璃微珠，中钢马鞍山矿院新材料科技公司；石蜡48#（熔点50 ℃，潜热205 J/g），燕山石化；VAE707乳胶，山西三维集团；弹性丙烯酸乳液，陶氏化学；分散剂、润湿剂、消泡剂、防腐剂等，陶氏化学。

1.2 基础配方

膏状蓄能纳米绝热外墙腻子的基础配方如下：

1.3 制备工艺

（1） SiO2气凝胶浆料的制备：

将适量分散剂、润湿剂、消泡剂、稳定剂、pH调节剂加入到80~85份（质量分）去离子水中，搅拌分散均匀，缓慢加入15~20份（质量分）SiO2气凝胶，分散均匀后，超声波振荡0.5 h，制得SiO2气凝胶浆料；

（2） 乳化石蜡浆的制备：

将48#石蜡20~30份（质量分）、适量石墨烯粉加入水浴烧杯中，加热至75~80 ℃，使石蜡熔融，高速搅拌均匀。加入复配乳化剂、适量甘油，搅拌均匀。在600~800 r/min转速下滴加70~74 ℃的水10份（质量分），然后呈细流状加入余量70 ℃温水，再于室温下搅拌10 min。

（3） 定型相变蓄能浆料的制备：

将50~60份（质量分）膨胀珍珠岩加入反应釜中，于80 r/min搅拌下抽真空20 min，负压为0.05~0.06 MPa，关闭抽真空阀并打开液料阀，将乳化石蜡浆200~250份（质量分）加入反应釜内，加完后关闭进料阀，抽真空，负压为0.09~0.1 MPa，搅拌速度调至120 r/min，反应30 min，关闭真空泵，打开加料孔，卸料、包装。

（4） 膏状蓄能纳米绝热外墙腻子的制备：

将定型相变蓄能浆料、助剂加入分散釜中，搅拌均匀后加入海泡石纤维 、气凝胶浆，中速分散20 min至均匀，变低速搅拌，加入复配乳液、空心玻璃微珠，继续搅拌20 min，得到均匀膏状体，计量包装。

1.4 性能检测

（1） 常规性能 ：按GB/T 17371—2008《硅酸盐复合绝热涂料》和JG 158—2004《胶粉聚苯颗粒外墙保温系统》进行检测。

（2） 导热系数 ：按GB/T 20473—2006《建筑保温砂浆》进行检测。

（3） 保温隔热性能：采用自制试验箱模拟工程实测方法进行测试。自制2个相同的钢板试验箱1#和2#，钢板厚度1 mm，外形尺寸为：长×宽×高=1.2 m×0.6 m×1.2 m，1#箱外面包覆一层3 cm厚的聚苯泡沫板，2#箱外面涂刷1 mm厚的蓄能纳米绝热腻子，养护干燥。在夏季晴天最高温度为38 ℃的条件下，将2个箱子架空在室外阳光下曝晒，至下午3时同时检测2个箱子内部的温度；在冬季-10 ℃条件下，将上述2个箱子内部加热至25 ℃，封闭后同时移至室外，经2 h后，测试2个箱子内部的温度。

2 结果与讨论

2.1 乳液对腻子性能的影响

本研究选择了自交联型弹性丙烯酸乳液与VAE707乳液复配为基料，自交联型弹性丙烯酸乳液最低成膜温度（MFT）<0 ℃，具有优异的断裂延伸率、抗拉强度、耐水性、抗渗性、机械稳定性、耐久性和耐沾污性，并且涂膜具有“呼吸”透气功能；VAE707乳液的MFT为0 ℃，固含量为56%，具有良好的柔韧性、黏结性、相容性和稳定性。将两者以适当的比例复配，其涂膜不但综合了两者的优点，而且能够降低成本。在配方中基料用量固定且其它因素不变的前提下，仅改变弹性丙烯酸乳液与VAE707的质量比，考察其对腻子性能的影响，结果见表1。

表1 弹性丙烯酸乳液与VAE707的配比对腻子性能的影响Table 1 Effect of the ratio of elastic acrylic emulsion to VAE707 on the performance of putty

由表1可知：在复配乳液用量固定的条件下，随着VAE707用量的减少，腻子层的黏结强度降低，但是耐水性、低温贮存稳定性、柔韧性提高，当m（弹性丙烯酸乳液）∶m（VAE707）= 3∶1时，蓄能绝热腻子的综合性能较好。

2.2 保温填料的选择

本研究选择了SiO2气凝胶、空心玻璃微珠、定型相变材料、海泡石纤维为填料。

2.2.1 SiO2气凝胶的特性及用量

SiO2气凝胶是一种保温隔热性能非常优异的轻质纳米多孔非晶固体材料，其孔隙率高达80%~99%，孔洞的典型尺寸为2~50 nm，平均孔径为20 nm，比表面积为600~1 000 m2/g，表观密度为0.003~0.35 g/cm3，室温导热系数可低至0.013 W/（m·K），即使在800 ℃高温下，其导热系数亦只有0.043 W/（m·K），且高温不分解，无有害气体放出，是纯绿色环保材料［4］。

在配方中其他因素不变的条件下，SiO2气凝胶的用量对蓄能纳米绝热腻子主要性能的影响见表2。

表2 SiO2气凝胶用量对腻子层性能的影响Table 2 Effect of SiO2 aerogel amount on the performance of putty

由表2可知，随着SiO2气凝胶用量的增加，腻子层的抗拉强度、黏结强度、抗压强度、导热系数均逐渐下降，即机械性能下降、隔热性能提高。当SiO2气凝胶添加量>7%时，其抗拉强度、黏结强度和抗压强度均达不到相关标准规定的指标，这是因为SiO2气凝胶密度低、比表面积大，当其添加量过多时，配方中的黏结剂不足以将其完全包覆，致使腻子黏结强度下降，并影响抗拉强度；SiO2气凝胶粒子表面的疏水性，也会影响腻子体系的融合性和黏结性。随着SiO2气凝胶用量的增加，腻子干密度降低、相同体积下纳米微孔增加、导热系数降低，保温隔热性能提高。当SiO2气凝胶用量在3%~6%时，腻子的综合性能较好。

2.2.2 空心玻璃微珠的特性及用量

空心玻璃微珠是一种外壳坚硬、内部中空的封闭性球形微珠，壳内充满了N2或CO2惰性气体，壁厚为直径的8%~10%，导热系数为0.05~0.07 W/（m·K），堆积密度为200 kg/m3，粒度为25~48 μm，具有质轻、保温隔热、耐高低温、耐腐蚀、隔音、防辐射、吸水率低、环保等优点。将适量空心玻璃微珠添加到绝热腻子中，不但因滚珠效应而改善其施工性，而且还可显著提高腻子的保温性能。

本研究选用的空心玻璃微珠堆积密度为200 kg/m3，粒度为62~120 μm，导热系数为0.04~0.05 W/（m·K），光反射率80%~90%。

空心玻璃微珠用量对腻子性能的影响见表3。

表3 空心玻璃微珠用量对腻子性能的影响Table 3 Effect of the amount of hollow glass microspheres on the performance of putty

由表3可知，随着空心玻璃微珠用量的增加，腻子的抗拉强度、抗压强度、干密度、导热系数均有不同程度的提高，黏结强度逐渐下降，空心玻璃微珠用量应低于20%为宜。

2.2.3 定型相变蓄能浆料的作用［5］

本研究中的定型相变蓄能浆料由膨胀珍珠岩吸附石墨烯改性石蜡构成。膨胀珍珠岩是以珍珠岩为原料，经高温烧结、瞬间膨胀而成的轻质多孔材料，其颗粒表面开孔、内部呈蜂窝状结构，因此吸水率达到65%。48#石蜡熔点为50 ℃，相变潜热205 J/g，性能稳定，无腐蚀性，价格便宜，无过冷析出现象，并有一定的抗张强度、黏结强度、柔韧性、憎水密封性，但热传导性差、抗压强度低。

石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料，是碳的二维结构，是一种“超级材料”，硬度超过钻石，同时又像橡胶一样可以伸展。它的导电性和导热性超过任何铜线。

膨胀珍珠岩吸附改性石蜡以后，由于表面开孔全部被防水性好的石蜡封堵，内部仍为蜂窝状亚纳米级空心结构，其吸水率大幅度降低至5.4%，并具有优良的隔热保温性能。膨胀珍珠岩吸附饱和后剩余的少量乳化石蜡，在制备腻子过程中又被海泡石纤维多孔结构吸附。

在基础配方各因素不变的条件下，仅改变定型相变蓄能浆料的用量，考察其对腻子性能的影响，结果见表4。

表4 定型相变蓄能浆料用量对腻子性能的影响Table 4 Effect of the dosage of shaped phase change energy storage slurry on the performance of putty

由表4可知，随着定型相变蓄能浆料用量的增加，腻子层的抗压强度逐渐升高，其原因是定型相变蓄能浆料与膨胀珍珠岩相比，相对密度增大、抗压强度提高；腻子层的黏结强度和抗拉强度呈下降趋势，其原因是定型相变蓄能浆料表面的石蜡影响了其与有机基料的黏结融合性；在25 ℃条件下导热系数逐渐升高，在70 ℃条件下导热系数反而逐渐降低。这是因为48#石蜡的熔点为50 ℃，在25 ℃条件下石蜡呈固态休眠状态，在70 ℃条件下石蜡已经相变成液态，在相变过程中吸收并贮存了大量辐射热能，从而减少了热量传导，导致绝热腻子随定型相变蓄能浆料用量增加，蓄热量增加，导热系数下降。

在水泥墙向阳面分别涂抹不含石蜡的同配方腻子和蓄能纳米绝热腻子，规格为1 000 mm×1 000 mm×2 mm，于夏季晴天午后3时，气温38 ℃条件下同时测试2块墙面腻子层的表面温度，结果如下：不含石蜡的同配方腻子表面温度为68 ℃，蓄能纳米绝热腻子表面温度为59 ℃，二者相差9 ℃，说明相变蓄能浆料具有吸热、储热、降低表面温度、减少热传导的作用。

2.2.4 海泡石纤维的作用

海泡石纤维是一种天然富镁型层链状硅酸盐，灰白色，呈针束状，内部多孔且孔隙相通，表面有凹槽，相对密度低，吸附性和水化性强，但吸水后不膨胀，其结构中的Si—OH键能与有机物直接反应，熔点1 650 ℃，导热系数0.032~0.042 W/（m·K），是一种耐热、抗辐射、绝缘、吸音、隔热、无毒的绿色天然矿物纤维。海泡石的针状及表面凹槽结构，有利于在腻子中异向分布、凹槽咬合、交联，可有效改善腻子的物理性能（表5）。

表5 海泡石纤维用量对腻子性能的影响Table 5 Effect of the amount of sepiolite fiber on the performance of putty

由表5可知，随着海泡石纤维用量的增加，蓄能绝热腻子的抗拉强度、黏结强度和抗压强度提高，导热系数逐渐降低，保温隔热性提高。当海泡石纤维用量为3%~5%时，腻子的综合性能较好。

3 蓄能纳米绝热腻子的性能及隔热效果

3.1 蓄能纳米绝热腻子的性能

蓄能纳米绝热腻子的性能检测结果见表6。

3.2 隔热效果

按照1.4中的模拟工程检测方法，夏季1#箱的内部温度为29.5 ℃，2#箱的内部温度为27 ℃。在冬季-10 ℃条件下，将上述2个箱子内部加热至25 ℃，封闭后同时移至室外，放置2 h后，1#箱的内部温度为13 ℃，2#箱的内部温度为12.5 ℃。

以上测试结果表明，1 mm厚的蓄能纳米绝热腻子与30 mm厚的聚苯泡沫板相比，夏季保温隔热效果更好，冬季效果大致相当。

表6 蓄能纳米绝热腻子的性能Table 6 Performance of energy storage nano-insulation putty

4 结语

（1） 以复配乳液为成膜物，当m（弹性丙烯酸乳液）∶m（VAE707）=3∶1左右时，腻子的综合性能较好。

（2） SiO2气凝胶用量为20%~50%、海泡石纤维用量为3%~5%、空心玻璃微珠用量为5%~10%、定型相变蓄能浆料用量为15%~25%时，腻子的常规性能指标均超过GB/T 17371—2008标准和JG 158—2004标准。25 ℃条件下导热系数为0.047 W/（m·K），70 ℃条件下导热系数为0.049 W/（m·K），1 mm厚腻子层与3 cm厚聚苯泡沫板隔热效果相当。

（3） 蓄能纳米绝热腻子具有施工薄层、安全防火、环保节能、性价比优等优点。可广泛应用于建筑物内外墙、仓储、冷库等保温隔热工程。