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关于外墙用纳米保温隔热涂料的研究

信息来源: 2015-07-08 9:42:07

      目前建筑节能外墙保温材料分为有机保温材料(PU发泡、聚苯乙烯泡沫、聚合酚醛树脂泡沫等);无机保温材料(松散无机纤维及制品、多孔轻质颗粒保温砂浆、纤维+多孔颗粒混合型保温材料)。无机纳米多孔绝热保温材料导热系数低、耐高温性好,常作太空绝热材料。将高科技太空绝热材料变为民用,开发出一种薄层、绝热保温涂料,是未来保温材料技术发展的重要途径。
    纳米保温隔热涂料的组成及性能
    纳米保温隔热涂料以自交联丙烯酸乳液为成膜物、以SiO2气凝胶、空心玻璃微珠、六钛酸钾晶须等为填料,在多种助剂的配合下制备而成。涂料具有施工薄层、纳米孔绝热、安全防火、环保节能、性价比优等优点。
    纳米保温隔热涂料的隔热原理
    热量的传导总是由高温区向低温方向传递,热量的传导有固体热传导、空气对流热传导、辐射热传导3种方式。纳米保温隔热涂料的特点是:能够将上述 3种热传导途径进行有效阻隔或屏蔽。在涂料组分中,起关键隔热作用的是纳米SiO2气凝胶,其次是六钛酸钾晶须和空心玻璃微珠。纳米SiO2气凝胶是一种保温隔热性能非常优秀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2~50nm,平均孔径为20nm,比表面积为 600~1000m2/g,表观密度为0.003~0.35g/cm3,室温导热系数可低达0.013W/(m·K),即使在800℃高温下,其导热系数才为0.043W/(m·K),且高温下不分解,无有害气体放出,是纯绿色环保材料,其缺点是强度低、脆性大,单独使用困难。将纳米SiO2气凝胶与硅酸 铝纤维和空心玻璃微珠混配,在弹性成膜物的交联作用下,可大大改善涂层的物理机械性能。
    1.SiO2气凝胶的隔热机理
    ①固体热传导:SiO2气凝胶是由若干Si-0-Si基团相互连接聚集形成的纳米三维网络骨架结构,由于近无穷多纳米孔的存在,固体热传递只能沿着孔壁传递,近无穷多气孔壁构成了近于“无穷长路径”效应,使得固体热导率降到几乎最低极限。
    ②对流热传导:SiO2气凝胶的介孔尺寸为2~50nm,当材料中的气孔直径<70nm时,孔内的空气分子就失去了自由流动的能力,相对地附着在气孔壁上,此时,纳米孔处于近似真空状态,材料中的空气对流减弱到最小极限。由于空气的主要成分是氮气和氧气,局域热激发无法通过空气分子跨越凝胶表面 进行对流作用,从而对热对流传热产生隔绝作用。
    ③辐射热传导:辐射传导热是一种非接触式的热量传递。由于气凝胶为均匀的纳米气孔,且具有极低的体积密度,使材料内部气孔壁数目趋于“无穷多”,而每个气孔壁都有遮阳板的作用,从而产生近于“无穷多遮阳板”效应,使辐射传热下降到最低极限。
    2.六钛酸钾晶须的隔热机理
    六钛酸钾晶须为连锁隧道式结构,松散密度为0.1~0.3g/cm3,比表面积为11m2/g,介孔尺寸为直径0.8~1.2μm、长度 30~50μm,导热系数低(常温0.0534W/(m·K),且具有负温度系数(温度越高导热系数越),760℃时导热系数为0.0174W /(m·K);红外线透过率小:在波长0.9~2.4μm范围,厚0.25μm六钛酸钾晶须透过率仅为8.4%。且无毒无害,使用寿命长,可以耐 1200℃的高温,耐酸耐碱,耐磨绝缘,力学和物理性能好。
六钛酸钾晶须集结构隔热、物理隔热、红外线反射于一体,红外反射率>95%。
    3.空心玻璃微珠的隔热机理
    空心玻璃微珠是由特殊工艺制成的中空薄壁圆球粉状、性能优异的新型轻质材料,是一种银白色光泽的球体,中空,有坚硬的外壳,壳内为N2或CO2 惰性气体,壁厚为直径的8%~10%,导热系数0.07W/(m·K)左右,具有密度低、体积大、导热系数低、抗压强度高、吸油率低、自流动性好等优点。 纳米SiO2气凝胶保温涂料中加入超细空心玻璃微珠,其涂膜具有独特的微孔结构,在保持导热系数上升幅度不大的前提下,显著提高涂层的抗压强度,同时具有 优异的热反射和热辐射性能。
    纳米保温隔热涂料的导热系数为0.041W/(m·K)。导热系数是材料保温隔热性能的重要参数,但不是唯一参数,对纳米隔热材料而言,光热反射率和红外辐射率是更重要的参数。评价保温材料的保温隔热性能时,应该根据材料的导热系数、光热反射率、红外辐射率综合因素评价。
    纳米保温隔热涂料的隔热效果
    自制两个相同外形尺寸的钢板试验箱1#和2#,钢板厚度1mm,外形尺寸分别为:长×宽×高=1.2m×0.6m×1.2m,1#箱外面包覆一 层8cm厚的聚苯泡沫板,2#箱六个外表面涂刷1mm厚的纳米保温隔热涂料,养护干燥。在夏季晴天最高温度为38℃的条件下,将两个箱架空在室外阳光下曝 晒至下午15点钟,同时检测两箱内部温度。测试结果:1#箱的内部温度为27.5℃,2#箱内温度为27℃。
在冬季低于零度条件下,将上述1#和2#箱内部加热至40℃,封闭后同时移至室外冷冻,2h后,测试2箱内部温度,结果如下:1#箱的内部温度为16.5℃,2#箱内温度为18℃。

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