游 然，翟现明，胡 博，王小建，秦剑坤，要如磊
(1.山西省建筑科学研究院有限公司，山西 太原 030001； 2.华阳新材料科技集团有限公司，山西 阳泉 045000； 3.山西阳泰环保技术服务有限公司，山西 太原 030001)
1 概述
建筑能耗占社会总能耗的30%左右[1]，因此，为了符合可持续发展的能源战略要求，推动绿色、低碳、环保城市的建设，推进近零能耗建筑的建设，降低建筑能耗十分必要。
墙体保温是建筑节能的主要降耗方式，水性隔热保温涂料可以与墙体保温相结合，改善墙体保温效果。水性隔热保温涂料一方面起到隔热作用，阻隔室外高温进入室内，降低空调、冰箱等设备的能源消耗，另一方面起到保温作用，阻止室内热量逸散。并且水性隔热保温涂料作为新兴功能材料，不仅符合VOC要求，绿色环保[2]，而且可以针对不同的气候条件，采用不同的复配方案，从而实现热量传递的有效阻隔，降低热损耗，提高能源利用率。因此，水性隔热保温涂料在降低建筑能耗方面有着非常广阔的应用前景。
纳米材料的兴起为水性隔热保温涂料的发展带来了新的机遇。气凝胶是由大量纳米颗粒相互交联构成的三维网络结构，内部充斥着大量的微孔结构，其空气占比高达80%以上。因此气凝胶又被成为“蓝烟”，是世界上密度最小的固体。正是因为气凝胶这种独特的结构特点，使其具有孔隙率高、密度低、比表面积大等优点，在热学方面表现出优异的性能。热量的传递有三种途径，分别是：热传导、热对流和热辐射。气凝胶中大量纳米孔隙的存在，造成了热传导的“无穷长路径”效应，热量只能沿着无尽的气孔壁进行传递，能量被不断消耗，热量在固体中的热传导能力被大幅度减弱；气凝胶中还存在热对流的“零对流”效应，这是因为气凝胶孔隙的尺寸小于空气分子运动的平均自由程，孔隙内存在的大量气体分子失去流动能力，依附在孔壁上，不能形成热对流；气凝胶内无数的纳米孔壁结构构成了无数的“遮热板”，使得热辐射能量能够被有效阻挡[3]。综合气凝胶在上述三种热传递方式上的阻碍或者屏蔽作用，气凝胶具有非常好的隔热保温作用，成为了固体材料中导热率最低的材料，其室温条件下的导热系数最低可达到0.013 W/(m·K)[4]，即使是在800 ℃高温条件下，其导热系数也只有0.04 W/(m·K)左右。
气凝胶作为导热率最低、密度最低的固体材料，在建筑隔热保温方面的应用备受关注。但是，气凝胶的应用也受限于其物理机械性能较差，比如：强度低、脆性大、价格高。因此，气凝胶很难被单独使用。而作为水性涂料的功能填料，用来制作水性隔热保温涂料，既可以在弹性成膜物质的作用下，改善其物理机械性能，又可以为水性涂料提供隔热保温作用。刘红霞等[5]就曾以气凝胶和空心微珠作为功能填料，对涂料的隔热效果进行对比，实验证明，气凝胶比空心微珠具有更好隔热效果。
2 气凝胶表面改性对水性涂料隔热保温性能的影响
将气凝胶应用于水性隔热保温涂料的研发工作一直方兴未艾，也取得了较为可喜的成绩，但是也存在一些问题亟待解决。气凝胶中的纳米颗粒粒径小，比表面积大，表面自由能高，表面原子活性高，在外部范德华力和内部价健力的作用下，容易产生团聚[6]。何方等[7]就影响二氧化硅气凝胶隔热涂料热导率的因素进行了研究，研究表明小粒径的气凝胶更容易发生团聚，并且团聚不利于热导率的降低。因为颗粒的团聚造成了两种不同的导热通路，热量不会沿着界面热阻大的团聚气凝胶传递，而是会通过热阻较低的聚合物传递，因此相比于均匀分散的气凝胶涂料，团聚并不利于减低涂料的热导率。同时，团聚还会影响气凝胶纳米性能的发挥。因此，团聚已经成为阻碍气凝胶水性涂料发展的瓶颈[8]。
单纯依靠机械分散不能避免纳米颗粒在后期会重新团聚。因此，要解决气凝胶的团聚问题，需要对气凝胶进行表面物理改性或者化学改性。表面物理改性是指利用范德华力，氢键作用力等将改性剂吸附在气凝胶颗粒表面，从而达到较低表面能，实现均匀分散的效果，可以利用表面活性剂、分散剂以及对气凝胶颗粒进行表面沉积包覆等方法。
何方、陶艳平等[9]用表面活性剂对气凝胶进行表面改性，表面活性剂拥有亲油和亲水两种不同性质的基团，表面活性剂的亲油基团通过分子力吸附在气凝胶表面，气凝胶纳米颗粒外表面的亲水基团降低其表面张力，使得水性聚合物包覆在气凝胶颗粒外表面，从而帮助气凝胶在水性聚合物乳液中均匀分散。
卢斌等[10]添加爱利索RM-825分散剂对二氧化硅气凝胶进行表面改性，实现了纳米级的分散效果。分散剂本身携带电荷，吸附于气凝胶颗粒表面可以改变气凝胶颗粒表面的电荷分布状态，使颗粒表面形成双电层结构，通过同种电荷之间的斥力作用克服范德华力，实现气凝胶颗粒的均匀分散。
赵爽、姚亿文等[11]使用阴离子表面活性剂对气凝胶进行改性，使获得的气凝胶能够在水性涂料中分散均匀，并且辅助超声波消除涂料中的大气泡，从而改善由表面活性剂带来的大气泡所造成的缺陷。改性后获得的气凝胶涂料导热系数在0.03 W/(m·K)～0.06 W/(m·K)之间。
表面化学改性是指利用改性剂与气凝胶颗粒表面官能团的反应，实现对气凝胶颗粒外表面结构和状态的改性，从而实现气凝胶颗粒的均匀分散，如：酯化反应法、偶联剂法、表面接枝改性法等。
何方、陶艳平等通过添加亲水剂(3-氨丙基三羟基硅烷)对气凝胶进行表面改性，改性后的气凝胶颗粒外表面被嫁接新的亲水基团，包括氨基与羟基，气凝胶颗粒被改性成为内疏外亲结构，其表面的亲水基团可以与水性聚合物相互吸引，从而实现气凝胶颗粒的均匀分散。气凝胶隔热涂料的热导率由之前的0.15 W/(m·K)下降到0.09 W/(m·K)。
郑伟[12]研究了润湿剂对疏水的气凝胶微球进行改性，所得的内疏外亲的气凝胶微球既能够与水性聚合物紧密结合，改善其在乳液中的分散性，又可以避免水性聚合物分子进入纳米孔，产生毛细管力，破坏气凝胶的结构。未经改性的疏水气凝胶热导率最低为：0.12 W/(m·K)，而经过润湿剂改性的气凝胶涂料热导率可降至0.07 W/(m·K)。
汪慧等[13]用硅烷偶联剂(KH570)对二氧化硅气凝胶进行表面改性，实验表明KH570被接枝到气凝胶粒子表面，气凝胶在苯丙乳液中得到了很好的分散，用该方法制得的隔热涂料与未添加二氧化硅气凝胶的涂料相比，温度降低了4 ℃～5 ℃。因为偶联剂含有两部分基团，其中亲油基团可以与气凝胶表面的官能团发生反应，而亲水基团则可以与高聚物发生化学反应或者进行物理缠绕，从而改善气凝胶在乳液中的分散性，进而改善涂料的保温隔热性能。
安春、沈军[14]发明了一种气凝胶涂料，对二氧化硅气凝胶的疏水性以及团聚性进行改善。该发明经常压干燥后获得了复合型SiC-SiO2气凝胶，再用KH570对获得的复合气凝胶进行表面改性，之后将改性的SiC-SiO2气凝胶与丙烯酸单体反应，获得了丙烯酸改性的SiC-SiO2气凝胶。以丙烯酸乳液为成膜物质，丙烯酸改性的SiC-SiO2气凝胶为功能填料，加入其他填料以及助剂，制备得到的气凝胶涂料。与未经涂覆的聚乙烯泡沫板相比，二者的隔热温差达到了18.6 ℃。
3 其他因素对气凝胶水性涂料隔热保温性能的影响
均匀分散的气凝胶浆料在减少气凝胶用量的条件下，可以更好地降低涂料的热导率，发挥气凝胶材料的纳米优势。但是水性隔热保温涂料的组成复杂，配方中各种乳液种类、助剂种类、气凝胶粒径尺寸、工艺条件等也会影响气凝胶在水性涂料中的分散、堆积效果，从而影响其隔热保温性能。因此水性隔热涂料的制备不是一蹴而就的，还需要做大量的研发工作。
李伟胜等[15]研究了pH值、分散剂、润湿剂、稳定剂等的用量对气凝胶反射隔热涂料热导率的影响。实验证明，当分散剂用量为1.5%，pH=7.5，润湿剂用量为0.75%，稳定剂用量为1.50%，气凝胶浆料为1.00%时，该涂料的热导率最低，可达到0.065 W/(m·K)，太阳光反射率为91%，温差达到15.8 ℃。
张琪等[16]探究了助剂与高温处理对气凝胶水性苯丙乳液的隔热保温涂料的影响。实验结果证明：当高温处理为260 ℃，分散剂用量为2.5 g，润湿剂用量为1 g，气凝胶添加量为30%时，制备出的涂料导热系数最低，可达到0.036 5 W/(m·K)。
郑伟把气凝胶分别添加到以环氧树脂、纯丙乳液、苯丙乳液为成膜物质的水性涂料中，研究了成膜物质种类对热导率的影响。研究证明：相比于其他成膜物质，苯丙乳液的黏度低，有利于气凝胶的分散，因此其热导率最低。
吕文东等[17]选用不同粒径的气凝胶粉体，经改性后获得分散均匀的气凝胶浆料，探究不同粒径的气凝胶对水性涂料隔热保温性能的影响。实验研究证明：以有机硅改性的丙烯酸树脂为成膜物质，以粒径在(50～200) μm的改性气凝胶作为功能填料制备得到气凝胶水性涂料，其隔热保温性能最好，导热系数为0.038 W/(m·K)。
侯远[18]将气凝胶与水性乳液、助剂等制备得到的气凝胶浆料进行处理，获得气凝胶的二次颗粒，又将气凝胶的二次颗粒作为功能填料与水性乳液，助剂等混合分散，获得一种稳定性较好的气凝胶水性涂料。
曹晓峰、姜法兴等[19]通过添加增稠剂来改善气凝胶在水性乳液中的分散效果，并且利用增稠剂黏结力好的性能特点，改善了气凝胶与水性乳液的结合能力，从而提高了分散气凝胶在水性涂料中的占比，大大提高了气凝胶水性涂料的隔热效果，其常温下的导热系数根据干重占比的不同，分布在0.019 W/(m·K)～0.045 W/(m·K)之间。
张志毅、何宏伟等[20]将二氧化硅气凝胶引入苯丙乳液的原料中，通过整体原位复合的方式制备得到了二氧化硅改性的水性苯丙隔热涂料，这种方法有助于避免亲水改性对气凝胶的纳米孔结构造成的破坏，有助于提高气凝胶涂料的隔热性能。
阳煤集团纳谷(山西)气凝胶科创城管理有限责任公司研发中心的李淑敏、胡博等[21]发明了一种水性气凝胶涂料的制备方法，其以主填料与辅助填料混合作为底料，搭配助剂，并采用超声法辅助分散的方法。制备得到的气凝胶水性涂料根据配方助剂、填料的种类及份数的区别，其导热系数在0.027 W/(m·K)～0.042 W/(m·K)之间，并且工艺流程适合连续化生产。
4 结语
气凝胶因其特殊的纳米多孔结构，具有优异的隔热保温性能，但是也因此存在一些影响其在水性涂料中应用的问题，比如：容易吸水造成网络结构的塌陷，比表面积及表面自由能高造成在水性乳液中容易团聚。为此，研究人员对气凝胶做了大量的表面改性工作。同时，介于气凝胶分散于水性乳液中成为分散相，成为热阻碍的孤岛，势必也会影响其降低涂料的热阻，因此，研究人员也探究了其粒径大小、添加量以及堆积密度等对涂料热阻率的影响，以期建立预测涂料热导率的模型，为后期水性保温隔热涂料的研发提供借鉴作用。随着研究工作的深入推进，必将推动气凝胶在节能降耗，促进资源改革等方面发挥更重要的作用。
