本發(fā)明涉及材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種納米孔絕熱材料表面保護(hù)涂層，同時還涉及該納米孔絕熱材料表面保護(hù)涂層的制備方法。
背景技術(shù)：
納米孔絕熱材料是一種新近發(fā)展，主要面向高、低溫絕熱工程，采用納米技術(shù)制作的新型隔熱材料，其納米孔隙(小于100nm)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其對工業(yè)波長的紅外輻射和散射特性能夠有效抑制固、氣態(tài)熱傳導(dǎo)，氣體對流和輻射傳熱。和傳統(tǒng)隔熱材料相比，納米孔絕熱材料通常可降低隔熱層厚度3/4，在相同隔熱層厚度下，節(jié)能率普遍達(dá)到25-30%，不僅可顯著降低生產(chǎn)和使用中的能耗，還相應(yīng)使設(shè)備的尺寸和重量得以大幅降低。
近年來，納米孔絕熱材料因其優(yōu)異的隔熱、阻燃性能，在玻璃工業(yè)、工業(yè)窯爐、電解鋁，電熱蓄能器、電梯、船舶、軍工等需要高效節(jié)能和阻燃、防火等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。但該材料為保證其優(yōu)異的傳熱學(xué)性能，在常規(guī)生產(chǎn)中未使用有機(jī)或無機(jī)粘接劑而主要采用粉壓成型工藝，因此其表面不耐磨、不防水、整體強(qiáng)度低，不能碰撞。常規(guī)工藝中，一般采用經(jīng)特殊處理的玻璃纖維布做封套材料進(jìn)行保護(hù)，以便于運(yùn)輸和安裝。該工藝采用玻纖布封套和芯體材料一次成型法，適用于對精度要求不高的常規(guī)板材的制作。在一些對精度要求較高，且需要曲面、開孔、溝槽、臺階等異型結(jié)構(gòu)件的領(lǐng)域，采用玻璃布封裝需要大量的人工裁減和貼合工序，就此增加了生產(chǎn)成本，并使工藝流程較為復(fù)雜，難以達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)的目標(biāo)。特別是玻璃纖維布的封裝方式，仍然存在粉塵泄漏問題，無法滿足食品工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療健康設(shè)備以及軍用光學(xué)設(shè)備的使用條件，因而限制了納米孔絕熱材料的應(yīng)用領(lǐng)域。
為了生產(chǎn)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且表面無塵的納米孔絕熱材料構(gòu)件，在其表面制作保護(hù)性涂層是最易實(shí)現(xiàn)的方法。該涂層應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、成膜均勻、和芯材之間的結(jié)合力強(qiáng)，表面無龜裂和粉塵脫落，具備耐高溫和抗熱震的特性且不影響基材性能。
經(jīng)發(fā)明人大量實(shí)驗(yàn)表明，耐火隔熱材料領(lǐng)域常規(guī)使用的高溫有機(jī)和無機(jī)涂料均存在涂層龜裂、脫落等現(xiàn)象，難以使用。保護(hù)性涂層相關(guān)的大量文獻(xiàn)報(bào)道幾乎大多集中于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高的多孔陶瓷領(lǐng)域，有關(guān)針對納米孔絕熱材料的涂層解決方案，美國專利5,474,806公開了一種施加水基保護(hù)性涂層到納米孔絕熱材料表面的方法，該方法認(rèn)為由于常規(guī)納米孔絕熱材料的親水性，施加水基保護(hù)性涂層，很容易造成材料表面潤濕和吸水，水在干燥過程中會破壞微孔結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致絕熱性能的降低。該專利因此提出用疏水型氣相二氧化硅來制造納米孔絕熱材料，采用燃?xì)鈬娮鞝q燒或在爐體中高溫加熱來破壞有機(jī)疏水層，生成表面親水，基體疏水的隔熱材料，隨后用水基硅酸鈉粘接劑進(jìn)行表面處理，這樣很容易潤濕表層并吸附在那里或形成連續(xù)的保護(hù)涂層，可實(shí)現(xiàn)耐磨并抵抗碰撞而不會造成基體材料的收縮和微孔結(jié)構(gòu)的破壞。該方法的原理雖較為簡單，但在生產(chǎn)過程中需要使用昂貴的疏水型氣相二氧化硅，且需要增加破壞表面疏水層的高溫?zé)g工藝，致使產(chǎn)品的生產(chǎn)成本大幅提高，而且高溫?zé)g工藝的溫度及處理時間是很難控制的，這決定了燒蝕層的厚度，進(jìn)而決定了涂層厚度，在工業(yè)生產(chǎn)的情況下，材料一般采用堆垛放置，各層之間存在溫度梯度，最終涂層的厚度必定厚薄不一，且硅酸鹽粘接劑在納米孔絕熱材料通常的高溫應(yīng)用中，因其較高的堿性和脆性并不是合適的粘接劑。此外，疏水型氣相氧化物粒子由于有機(jī)包覆層的存在，降低了粒子之間的粘接強(qiáng)度，材料的整體強(qiáng)度更低、更不耐磨，這樣的保護(hù)層很可能是得不償失的。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于克服上述缺點(diǎn)而提供的一種無塵、不脫落，可以抵抗相對較高的碰撞沖擊，防水、防火且環(huán)保的納米孔絕熱材料表面保護(hù)涂層。
本發(fā)明的另一目的在于提供該納米孔絕熱材料表面保護(hù)涂層的制備方法。
本發(fā)明的一種納米孔絕熱材料表面保護(hù)涂層，其配方重量份如下：
液態(tài)磷酸二氫鋁45-75
膨脹蛭石10-30
沸石3-6
云母8-12
有機(jī)硅防水劑(甲基硅酸鈉)1.9-7
堿金屬氧化物（氧化鋅、氧化鎂）1.5-3
分散劑（duramaxd-3005）0.1-0.5
優(yōu)選各成分的重量份如下：
液態(tài)磷酸二氫鋁60
膨脹蛭石15
沸石6
云母12
堿金屬氧化物3
有機(jī)硅防水劑(甲基硅酸鈉)3.7
分散劑（duramaxd-3005）0.3
本發(fā)明的一種納米孔絕熱材料的表面保護(hù)涂層的制備方法，包括以下步驟：
（1）固體材料的處理：
a.將膨脹蛭石顆粒經(jīng)高溫預(yù)處理后，取2-5份與1份液態(tài)磷酸二氫鋁混勻，再采用氧化鋁球的球磨機(jī)中球磨24-48小時至平均粒徑小于4μm（以便于滲透進(jìn)入納米孔絕熱材料的表面孔隙，避免僅附著于表面而容易脫落）；
b.將沸石顆粒按浸沒量（固體顆粒完全吸附液體后保持液體浸沒）加入液態(tài)磷酸二氫鋁，采用氧化鋁球的球磨機(jī)中球磨24-48小時至平均粒徑小于4μm；
c.堿金屬氧化物加入乙醇，采用氧化鋁球的球磨機(jī)中球磨24-48小時至平均粒徑小于4μm；
d.將云母顆粒用水浸沒后，采用氧化鋁球的球磨機(jī)中球磨24-48小時至平均粒徑小于4μm，后經(jīng)300℃烘烤脫水；
（2）上述處理好的固體材料與液態(tài)磷酸二氫鋁、甲基硅酸鈉按下述比例混合制成漿料，
液態(tài)磷酸二氫鋁45-75
膨脹蛭石10-30
沸石3-6
云母8-12
有機(jī)硅防水劑(甲基硅酸鈉)1.9-7
堿金屬氧化物（氧化鋅、氧化鎂）1.5-3
分散劑（duramaxd-3005）0.1-0.5
進(jìn)入高剪切混合機(jī)中以1500-3000rpm混合30-100分鐘，以噴涂或涂刷方式施加到納米孔絕熱材料基體上以浸漬入孔；
（3）在常溫下干燥30分鐘，再進(jìn)入爐內(nèi)在80-120℃下進(jìn)行3-8分鐘快速干燥（因基材高含氣量，長時間加溫會引起表層涂料鼓包、脫層或開裂，溫度過低磷酸鹽不能脫水固化）上漿數(shù)量為干燥后，絕熱體增重1.8-3.0克/cm2，形成0.3-0.5mm的耐磨、耐高溫（同基材同溫）防水的保護(hù)涂層。
涂層性能測試：
由于納米孔絕熱材料基材的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度極低，按上述方法制成的保護(hù)性涂層無法類比在金屬、陶瓷、混凝土等剛性基材上形成的涂層，涂層和基材的結(jié)合強(qiáng)度的測定不能采用常規(guī)的，如:彎曲、基片拉伸、銼磨、磨損等實(shí)驗(yàn)方法。實(shí)際上在納米孔絕熱材料基材上生成保護(hù)性涂層的主要目的是方便運(yùn)輸、安裝等人工操作同時在保持基材絕熱性能的同時實(shí)現(xiàn)防潮和抗熱震性，因此該保護(hù)性涂層無需達(dá)到那些剛性基材涂層的要求，其耐磨、抗碰撞沖擊的性能采用定性法以經(jīng)驗(yàn)判斷和相對比較來表述較為適用。
1）耐磨、抗碰撞沖擊性：常規(guī)納米孔絕熱材料如果未采用保護(hù)性玻璃纖維布封套，輕拿輕放或堆垛放置都會造成表面粉體脫落，特別是異型構(gòu)件的棱、邊、倒角，孔等極易在運(yùn)輸和安裝過程中被破壞，更不耐碰撞沖擊。實(shí)驗(yàn)中采用110*110*20的試塊，無涂層材料5cm高的跌落即可造成斷裂，而采用按本發(fā)明制成的保護(hù)性涂層的同樣試塊，跌落斷裂高度提高至45cm，且安裝操作方便、堆垛不掉粉，外觀成膜均勻，無龜裂。
2）耐溫性：按astmc356testmethodforlinearshrinkageofpreformedhigh-temperaturethermalinsulationsubjectedtosoakingheat（預(yù)成型高溫絕熱材料置于均熱下的線收縮測試方法）-相關(guān)國標(biāo)：gbt5486-2008無機(jī)硬質(zhì)絕熱制品試驗(yàn)方法：采用按本發(fā)明制成的保護(hù)性涂層的同樣試塊整體展現(xiàn)了滿意的耐溫性和抗熱震性（在24小時，均熱900度的實(shí)驗(yàn)中觀察到?jīng)]有起泡、碎裂或剝蝕。長寬方向收縮1.7%，厚度方向收縮5.5%，滿足astmc1676的要求。
3）吸水性：按astmc1104/c1104mtestmethodfordeterminingthewatervaporsorptionofunfacedmineralfiberinsulation（確定未貼面礦物纖維水蒸氣吸附的測試方法）-相關(guān)國標(biāo)：gbt10299-1988保溫材料憎水性試驗(yàn)方法，采用按本發(fā)明制成的保護(hù)性涂層的同樣試塊，蒸氣吸附重量百分比為6.1%，而常規(guī)材料蒸氣吸附重量百分比為9.4%
4）導(dǎo)熱系數(shù)：按astmc1676的測試方法，采用本發(fā)明涂層的納米孔絕熱材料，平均溫度100℃時，導(dǎo)熱系數(shù)為0.021w/m.k，平均溫度500℃時，導(dǎo)熱系數(shù)為0.0275w/m.k，常規(guī)納米孔絕熱材料相應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)，平均溫度100℃時，導(dǎo)熱系數(shù)為0.020w/m.k，平均溫度500℃時，導(dǎo)熱系數(shù)為0.0270w/m.k，幾乎沒有變化，證明本發(fā)明的涂層并未破壞基材結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)和有益效果。由以上技術(shù)方案可知，本發(fā)明經(jīng)前期大量實(shí)驗(yàn)和研究證明，納米孔絕熱材料表面難以生成穩(wěn)定保護(hù)涂層的主要原因是除了其表面強(qiáng)度較低之外，內(nèi)部納米孔隙結(jié)構(gòu)中富含大量的空氣（含氣量體積占比甚至達(dá)到90%），在環(huán)境溫度發(fā)生變化時，由于氣體體積的變化，同外界之間會產(chǎn)生不同程度的氣體交換，加之涂層結(jié)構(gòu)和基體的熱脹冷縮會造成材料表面的微變形，而傳統(tǒng)涂料大多是不透氣材料，涂敷在納米孔絕熱材料表面會因此出現(xiàn)龜裂和脫落現(xiàn)象。為避免此現(xiàn)象，構(gòu)成涂層的骨架材料應(yīng)具有熱膨脹性和透氣性，即涂層骨架材料應(yīng)具有作為溫度的函數(shù)而發(fā)生膨脹或收縮的特性，此外當(dāng)涂層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)微細(xì)三維變化時，也應(yīng)具有保證涂層穩(wěn)定的層理結(jié)構(gòu)。這樣的保護(hù)性涂料，即使是水基的，只要涂層較薄，所吸附水份在干燥過程中也不會破壞微孔結(jié)構(gòu)。因此本發(fā)明的涂層配方，以45wt%-75wt%（45-75重量份）液態(tài)磷酸二氫鋁作粘接劑，10wt%-35wt%（10-35重量份）膨脹蛭石和3wt%-10wt%（3-10重量份）的沸石作為涂層骨料，8wt%-18wt%（8-18重量份）云母顆粒作為涂層穩(wěn)定材料，1.5wt%-7wt%（1.5-7重量份）堿金屬氧化物作為硬化劑并加入2wt%-7wt%（2-7重量份）有機(jī)硅作為防水劑構(gòu)成完整的涂料配方。其中以磷酸二氫鋁作為粘接劑可實(shí)現(xiàn)低溫高強(qiáng)度粘接，且和各種無機(jī)高溫材料的相容性較強(qiáng)，特別是它可和納米孔絕熱材料表層的二氧化硅產(chǎn)生針型晶體，提高了粘接性，其可耐1700℃高溫，覆蓋了納米孔絕熱材料的溫度使用范圍；涂層骨架材料采用膨脹蛭石和沸石，可充分利用蛭石的膨脹性和透氣性抵御環(huán)境溫度的變化，且沸石具有穩(wěn)定的空心結(jié)構(gòu)和微米級超細(xì)孔隙，和膨脹蛭石配合，在涂層固化過程中可保證孔隙內(nèi)外形成一體化結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)了固化強(qiáng)度；涂料輔料采用云母可利用其片狀層理結(jié)構(gòu)，加入涂料中可作為涂層的穩(wěn)定劑，當(dāng)涂層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)微細(xì)三維變化時，云母可助其變化防止龜裂等微結(jié)構(gòu)破壞；加入堿金屬氧化物如氧化鋅和氧化鎂等可加速涂層硬化；有機(jī)硅（甲基硅酸鈉）易溶于水，能和本發(fā)明的其它涂料配方較好的溶合，可在納米孔絕熱材料基材表層形成一層網(wǎng)狀防水透氣膜，具有較好的防水效果和防滲、防潮優(yōu)點(diǎn)，避免了水分吸入基底。本發(fā)明涂層無塵、不脫落，可以抵抗相對較高的碰撞沖擊，且防水、防火，不會在使用過程中釋放有毒氣體和煙霧。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
一種納米孔絕熱材料的表面保護(hù)涂層的制備方法，包括以下步驟：
（1）固體材料的處理：
a.將800℃高溫預(yù)處理1小時后的膨脹蛭石顆粒以4:1的比例和液態(tài)磷酸二氫鋁混勻，然后在球磨機(jī)中球磨48小時后備用；
b.將沸石顆粒按浸沒量（固體顆粒完全吸附液體后保持液體浸沒）加入液態(tài)磷酸二氫鋁，隨后在球磨機(jī)中球磨48小時后備用；
c.堿金屬氧化物（氧化鋅、氧化鎂按3：1比例）加入乙醇（固體顆粒完全吸附液體后保持液體浸沒），在球磨機(jī)中球磨48小時備用；
d.將云母顆粒用水浸沒后，在球磨機(jī)中球磨48小時，后經(jīng)300℃烘烤1小時脫水后備用；
（2）上述處理好的固體材料與液態(tài)磷酸二氫鋁、甲基硅酸鈉按下述比例
液態(tài)磷酸二氫鋁60
膨脹蛭石15
沸石6
云母12
氧化鋅3
甲基硅酸鈉3.7
分散劑（duramaxd-3005購自rohmandhaas,france）0.3
混合制成漿料，進(jìn)入高剪切混合機(jī)中以3000rpm混合75分鐘，以噴涂或涂刷方式施加到納米孔絕熱材料基體；
（3）在常溫下干燥30分鐘，再進(jìn)入爐內(nèi)在80-120℃下進(jìn)行5分鐘快速干燥，上漿數(shù)量為干燥后，絕熱體增重2.3克/cm2，形成約0.4mm的保護(hù)涂層。
涂層性能測試：
1）耐磨、抗碰撞沖擊性：涂層外觀成膜均勻、無龜裂和脫落，采用110*110*20的試塊，跌落斷裂高度為45cm。
2）耐溫性：按astmc356標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，在24小時，均熱900度的實(shí)驗(yàn)中觀察到?jīng)]有起泡、碎裂或剝蝕。長寬方向收縮1.7%，厚度方向收縮5.5%，滿足astmc1676的要求。
3）吸水性：按astmc1104/c1104m標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，蒸氣吸附重量百分比為6.1%。
4）導(dǎo)熱系數(shù)：按astmc1676的測試方法，采用本發(fā)明涂層的納米孔絕熱材料，平均溫度100℃時，導(dǎo)熱系數(shù)為0.021w/m.k，平均溫度500℃時，導(dǎo)熱系數(shù)為0.0275w/m.k。
實(shí)施例2
一種納米孔絕熱材料的表面保護(hù)涂層的制備方法，包括以下步驟：
（1）固體材料的處理：
a.將800℃高溫預(yù)處理1小時后的膨脹蛭石顆粒以4:1的比例和液態(tài)磷酸二氫鋁混勻，然后在球磨機(jī)中球磨48小時后備用；
b.將沸石顆粒按浸沒量（固體顆粒完全吸附液體后保持液體浸沒）加入液態(tài)磷酸二氫鋁，隨后在球磨機(jī)中球磨48小時后備用；
c.堿金屬氧化物（氧化鋅、氧化鎂按3：1比例）加入乙醇（固體顆粒完全吸附液體后保持液體浸沒），在球磨機(jī)中球磨48小時備用；
d.將云母顆粒用水浸沒后，在球磨機(jī)中球磨48小時，后經(jīng)300℃烘烤1小時脫水后備用；
（2）上述處理好的固體材料與液態(tài)磷酸二氫鋁、甲基硅酸鈉按下述比例
液態(tài)磷酸二氫鋁75
膨脹蛭石10
沸石3
云母8
氧化鎂2
甲基硅酸鈉1.9
分散劑（duramaxd-3005）0.1
混合制成漿料，進(jìn)入高剪切混合機(jī)中以3000rpm混合75分鐘，以噴涂或涂刷方式施加到納米孔絕熱材料基體上以浸漬入孔；
（3）在常溫下干燥30分鐘，再進(jìn)入爐內(nèi)在80-120℃下進(jìn)行8分鐘快速干燥，上漿數(shù)量為干燥后，絕熱體增重1.8克/cm2，形成約0.3mm的保護(hù)涂層。
涂層性能測試：
1）耐磨、抗碰撞沖擊性：涂層外觀成膜均勻，無龜裂，無脫落，采用110*110*20的試塊，跌落斷裂高度為37cm。
2）耐溫性：按astmc356標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，在24小時，均熱900度的實(shí)驗(yàn)中觀察到?jīng)]有起泡、碎裂或剝蝕。長寬方向收縮1.5%，厚度方向收縮5.7%，滿足astmc1676的要求。
3）吸水性：按astmc1104/c1104m標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，蒸氣吸附重量百分比為7.3%。
4）導(dǎo)熱系數(shù)：按astmc1676的測試方法，采用本發(fā)明涂層的納米孔絕熱材料，平均溫度100℃時，導(dǎo)熱系數(shù)為0.020w/m.k，平均溫度500℃時，導(dǎo)熱系數(shù)為0.0251w/m.k。
實(shí)施例3
一種納米孔絕熱材料的表面保護(hù)涂層的制備方法，包括以下步驟：
（1）固體材料的處理：
a.將800℃高溫預(yù)處理1小時后的膨脹蛭石顆粒以4:1的比例和液態(tài)磷酸二氫鋁混勻，然后在球磨機(jī)中球磨48小時后備用；
b.將沸石顆粒按浸沒量（固體顆粒完全吸附液體后保持液體浸沒）加入液態(tài)磷酸二氫鋁，隨后在球磨機(jī)中球磨48小時后備用；
c.堿金屬氧化物（氧化鋅、氧化鎂按3：1比例）加入乙醇（固體顆粒完全吸附液體后保持液體浸沒），在球磨機(jī)中球磨48小時備用；
d.將云母顆粒用水浸沒后，在球磨機(jī)中球磨48小時，后經(jīng)300℃烘烤1小時脫水后備用；
（2）上述處理好的固體材料與液態(tài)磷酸二氫鋁、甲基硅酸鈉按下述比例
液態(tài)磷酸二氫鋁45
膨脹蛭石30
沸石5
云母11
氧化鋅或氧化鎂1.5
甲基硅酸鈉7
分散劑（duramaxd-3005）0.5
混合制成漿料，進(jìn)入高剪切混合機(jī)中以3000rpm混合75分鐘，以噴涂或涂刷方式施加到納米孔絕熱材料基體上以浸漬入孔；
（3）在常溫下干燥30分鐘，再進(jìn)入爐內(nèi)在80-120℃下進(jìn)行3分鐘快速干燥，上漿數(shù)量為干燥后，絕熱體增重2.7克/cm2，形成約0.4mm的保護(hù)涂層。
涂層性能測試：
1）耐磨、抗碰撞沖擊性：涂層外觀成膜基本均勻，有稍許裂紋，但無脫落，采用110*110*20的試塊，跌落斷裂高度為49cm。
2）耐溫性：按astmc356標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，在24小時，均熱900度的實(shí)驗(yàn)中觀察到?jīng)]有起泡、碎裂或剝蝕。長寬方向收縮1.9%，厚度方向收縮7.5%，滿足astmc1676的要求。
3）吸水性：按astmc1104/c1104m標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，蒸氣吸附重量百分比為4.7%。
4）導(dǎo)熱系數(shù)：按astmc1676的測試方法，采用本發(fā)明涂層的納米孔絕熱材料，平均溫度100℃時，導(dǎo)熱系數(shù)為0.0218w/m.k，平均溫度500℃時，導(dǎo)熱系數(shù)為0.0278w/m.k。
以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，任何未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。