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行业聚焦—谈谈SiO2气凝胶涂料的不同种类及其功能和应用

      SiO2气凝胶是一种以空气为主要组成成分、无定形态的SiO2为基本骨架,具有复杂三维网络结构的纳米轻质多孔材料。其基本物理性能有,表观密度0.003~0.35 g/cm3;比表面积800~1000 m2/g;孔隙率80.0%~99.8%;孔洞平均尺寸20 nm;导热系数0.008~0.043 W/(m·K)。它同时具有低热导率、低密度、高孔隙率、高光透过性、高比表面积、低折射率及低声速性等性质,从而在很多领域都有着广阔的应用前景。SiO2气凝胶用作涂料的重要组成部分,能使涂料具备隔热、耐高温、防火、吸附、光催化和隔音吸声等特殊功能。按功能分,SiO2气凝胶涂料的具体分类如下。

一、SiO2气凝胶隔热涂料。

       因SiO2气凝胶本身的结构特性,它能有效降低热量的传输,起到改善环境、降低能耗的作用。Si O2气凝胶的纳米孔以及三维网状结构破坏了基质的热量传导路径,这是它具有极低导热系数的一个重要原因。独特的纳米孔结构限制了空气分子的自由流动,抑制了空气的对流传导,无限多的孔壁形成了热辐射的反射面和折射面,具有“无穷隔热板效应”,最大限度地抑制了辐射导热。因此将具有优异隔热性能的Si O2气凝胶用于隔热涂料中会使涂膜的隔热效果得到很大提升。

      SiO2气凝胶本身透光性好,可以制备纳米透明隔热涂料涂覆在玻璃上。这种隔热涂料的基本特点就是既没有改变玻璃原有的良好透光性能,也有效地阻挡了紫外线和红外热辐射对室内环境以及室内温度的影响,以其节能环保、性能优良的特点成为隔热涂料开发、研究与生产的重要方向。该涂料吸收波长在小于400 nm的紫外线波段(具有紫外线吸收剂的功效),透过波长在400~760 nm的可见光波段,阻隔波长在760~2500 nm的近红外波段。此种涂料的生产利用Si O2气凝胶为隔热涂料的基本填料,再采用合适的稳定剂将SiO2气凝胶有效地均匀分散,将其制成浆料,然后再利用成膜物,将这两种材料和其他的助剂混合均匀而成。

       SiO2气凝胶隔热涂料也可用在建筑物上,与传统的墙体隔热材料相比,Si O2气凝胶涂料不仅施工方便,更是弥补了一般有机保温材料(如聚苯泡沫板)防火阻燃性差和无机保温材料(如岩棉、玻璃棉等)密度大且保温效果欠佳的缺陷。此类Si O2气凝胶涂料可广泛应用于建筑物内外墙、仓储、冷库等,具有薄层施工、纳米孔隔热、安全防火、环保节能、性价比高等优点。

二、Si O2气凝胶耐高温涂料。

       此种涂料是指能长期在200℃以上高温环境中使用,能够对基材进行保护,且涂层自身的物理化学性能仍能保持相对稳定的一种功能涂料。Si O2气凝胶可在900℃以下保持良好的多孔网络结构特性,但当温度达到900℃以上时会发生烧结现象,Si-O-Si网络结构会收缩并团聚,孔结构遭到破坏,比表面积在温度达到900℃后急剧下降,导热系数会随着温度的升高而提高。为实现Si O2气凝胶在超高温度下维持原有的纳米孔网络结构,保持其低热导率及高孔隙率,一般通过掺杂其他耐高温材料的方法来制备耐高温复合材料。Si O2气凝胶耐高温涂料具有厚度薄、耐高温、绝热等特性,且在高温环境下,可根据使用环境温度和要达到的降温幅度,选择施工的涂膜厚度。产品适应性好、可控性强,可以应用于高温蒸汽管道、高温炉、石油裂解设备、发动机部位和冶金行业的金属高温防护等领域。

三、Si O2气凝胶防火涂料。

      此种涂料是涂敷在可燃性基材表面,能有效阻止热量的传递,降低基材可燃性以及延滞甚至阻止火灾的蔓延,可提高被涂基材耐火极限的一种特种功能涂料。涂料防火机理主要在于Si O2气凝胶本身属于难燃性物质,从而使涂料具有难燃特性。Si O2气凝胶的孔隙尺寸在2~50 nm之间,空气中主要成分氮气和氧气的平均自由程均在70 nm左右,如果涂料够密实,就能有效阻止被保护基材与空气的直接接触。Si O2气凝胶极低的导热系数,可以较大地降低火焰温度,使被保护基材达不到自身着火点。气凝胶防火涂料能较大幅度降低建筑设施遭遇火灾时的毁坏程度,也可利用其优越的防火性能来保护人员的安全。以Si O2气凝胶为主要功能填料做成的防火涂料可以适应于众多场合,用以保护建筑物、器材设备、人员安全等,而且其防火效果远好于普通的防火涂料及其他防火材料。

四、Si O2气凝胶吸附涂料。

       Si O2气凝胶具有纳米多孔网络结构,加上其巨大的内表面积,使其具备了吸附材料应有的结构特性,对有机溶剂和有机物质有超强的吸附能力,且吸附性能比现在常见的吸附剂(活性炭、硅胶、氧化铝、分子筛等)还要好。同时由于其表面原子数众多,缺少相邻的原子与之结合,导致Si O2气凝胶表面原子具有很高的化学活性,极容易吸附其他原子,从而具有较强的吸附作用。

       Si O2气凝胶具有良好的吸附和解吸特性,可与其他基材复合形成新的吸附材料。不管Si O2气凝胶本身,还是它与其他基材复合形成的新材料,其吸附性能比常见的吸附材料都有所增强。Si O2气凝胶吸附涂层可循环利用、绿色经济,具备优越的发展潜力,可被广泛应用于空气净化、污水处理、水蒸气吸附、医药过滤、海水淡化等领域,具有广阔的应用前景。

五、 光催化涂料。

       Si O2气凝胶光催化涂料能在一定波长光的照射下具有催化反应功能,这种涂料具有分解有毒物质、杀菌消毒、降解有机物和净化空气等作用。Si O2气凝胶特殊的性质使建立高效的催化降解体系、实现气凝胶的高层次利用成为可能,也为研究Si O2气凝胶材料对污染物的光催化机理和新的应用前景提供了理论依据。目前实际应用中更多的是将气凝胶作催化剂的载体。光催化作为一种新兴的环境修复技术在治理污染方面的应用日益受到人们的重视。

六、 隔音吸声涂料。

       Si O2气凝胶具有低声速特性,可用作吸声隔音材料。其作用机理在于它具有大量微小的连通孔隙,声波可沿着这些孔隙深入内部,与Si O2气凝胶发生摩擦作用进而将声能转化为热能,从而达到隔音效果。目前少有单独使用Si O2气凝胶作吸音材料,一般都是与其他材料复合形成吸声材料,或者将Si O2气凝胶涂层涂覆在其他吸音材料表面上制成吸声效果更强的隔音材料。Si O2气凝胶可以用来当成隔音吸声材料做成各种形式的吸声体,用于家庭住户、商场办公楼、工业设备等各种需要隔音吸声的场合。

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