一种含气凝胶复合改性硅酸盐粘结剂的建筑隔热防火涂料及其制备方法与流程

本发明属于建筑涂料领域，涉及一种含气凝胶复合改性硅酸盐粘结剂的建筑隔热防火涂料及其制备方法。

背景技术：

1、建筑物的隔热和防火性能是保证建筑物安全性和能源效率的关键因素。传统的隔热防火涂料，如无机矿物质涂料和有机高分子涂料，存在耐高温性能差、热传导系数高、易开裂、易燃烧等缺点，难以满足现代建筑物对隔热防火材料的需求。

2、作为隔热防火涂料的主要成分，硅酸盐类粘结剂（如水玻璃、硅酸铝、硅酸锂等）来源广泛、成本低廉，且制备工艺简单，易于大规模生产。其次，硅酸盐粘结剂具有优异的耐高温性能，在高温环境下仍能保持其稳定性，不易分解或变质。此外，硅酸盐粘结剂还具有良好的绝缘性能和一定的防腐蚀能力，使其在多种恶劣环境下具有较好的应用前景。然而，单一的硅酸盐粘结剂在实际应用中也存在显著的缺陷：硅酸盐粘结剂的耐久性较差，长期暴露于自然环境中容易发生老化、开裂等现象，从而影响其使用寿命。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的在于提供一种含气凝胶复合改性硅酸盐粘结剂的建筑隔热防火涂料及其制备方法。本发明通过引入改性蛭石、改性无机纤维对硅酸盐粘结剂进行改性。蛭石在高温下膨胀，形成多孔结构，显著提高材料的隔热性能和防火性能，并在一定程度上增强其耐久性。添加无机纤维可以增强硅酸盐粘结剂的韧性和抗冲击性能，无机纤维的高强度和高模量有助于提高复合材料的机械性能。同时，无机纤维和蛭石能够协同作用，增加材料的抗裂性和耐久性。在固化过程中，无机纤维可以阻止裂纹的扩展，而蛭石形成的多孔结构可以吸收应力，从而减少固化和使用过程中的开裂现象；而改性气凝胶的引入还能够与粘结剂基体形成紧密结合，显著改善其机械强度、耐久性和粘结性。这些改性措施共同作用，使得改性后的硅酸盐粘结剂具有优异的隔热性能、机械强度和耐久性，满足建筑物节能环保的需求。

2、为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种含气凝胶复合改性硅酸盐粘结剂的建筑隔热防火涂料，所述建筑隔热防火涂料包含改性二氧化硅气凝胶、改性硅酸盐粘结剂、填料和助剂。

4、硅酸盐粘结剂的脆性大、耐久性较差以及固化过程中容易出现收缩和变形等缺点制约着其在实际应用中的发展。本发明通过引入蛭石、无机纤维和气凝胶对硅酸盐粘结剂进行改性。蛭石在高温下膨胀，形成多孔结构，显著提高材料的隔热性能和防火性能，并在一定程度上增强其耐久性。添加无机纤维可以增强硅酸盐粘结剂的韧性和抗冲击性能，无机纤维的高强度和高模量有助于提高复合材料的机械性能。同时，无机纤维和蛭石能够协同作用，增加材料的抗裂性和耐久性。在固化过程中，无机纤维可以阻止裂纹的扩展，而蛭石形成的多孔结构可以吸收应力，从而减少固化和使用过程中的开裂现象；而改性气凝胶的引入还能够与粘结剂基体形成紧密结合，显著改善其机械强度、耐久性和粘结性。这些改性措施共同作用，使得改性后的硅酸盐粘结剂具有优异的隔热性能、机械强度和耐久性，满足建筑物节能环保的需求。

5、作为本发明的一种优选的技术方案，所述含气凝胶复合改性硅酸盐粘结剂的建筑隔热防火涂料包括如下质量份的各组分：

6、改性二氧化硅气凝胶 20-40份

7、改性硅酸盐粘结剂 30-50份

8、填料 10-30份

9、助剂 5-10份

10、去离子水 40-50份

11、其中，改性二氧化硅气凝胶的质量份可以是20份、21份、22份、23份、24份、25份、26份、27份、28份、29份、30份、31份、32份、33份、34份、35份、36份、37份、38份、39份或40份，改性硅酸盐粘结剂的质量份可以是30份、31份、32份、33份、34份、35份、36份、37份、38份、39份、40份、41份、42份、43份、44份、45份、46份、47份、48份、49份或50份，填料的质量份可以是10份、11份、12份、13份、14份、15份、16份、17份、18份、19份、20份、21份、22份、23份、24份、25份、26份、27份、28份、29份或30份，助剂的质量份可以是5.0份、5.5份、6.0份、6.5份、7.0份、7.5份、8.0份、8.5份、9.0份、9.5份或10.0份，去离子水的质量份可以是40份、41份、42份、43份、44份、45份、46份、47份、48份、49份或50份，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

12、本发明通过羧基化改性的埃洛石和纳米碳纤维对二氧化硅气凝胶进行改性处理。埃洛石本身具有一定的耐高温性能，在适当的高温条件下可形成具有较好隔热性能的材料，进一步提升气凝胶的隔热效果。羧基化改性可以使埃洛石与气凝胶表面的羟基发生酯化反应，形成共价键，从而增强埃洛石与气凝胶基体的相容性和结合力，形成更加牢固的复合结构，使整体结构更加稳定耐热；同时也可以与硅酸盐粘结剂中的羟基发生反应，增强粘结剂与气凝胶之间的结合力。

13、纳米碳纤维具有优异的机械强度和耐拉伸性，能够有效提升气凝胶的机械性能。在高温环境下，纳米碳纤维可以均匀分散热量，减少局部热应力集中，从而增强气凝胶的稳定性和耐久性。此外，纳米碳纤维的高比表面积和独特的结构可以提供更多的增强点，进一步提高复合材料的整体性能。

14、本发明特别限定改性二氧化硅气凝胶的质量份为20-40份，由于气凝胶的结构较脆，含量过高可能导致涂料的机械强度下降，影响其在恶劣环境下的使用寿命；同时可能导致涂料与基材的附着力下降，从而影响涂层的耐久性和稳定性。

15、本发明通过引入改性蛭石和改性无机纤维对硅酸盐粘结剂进行改性。蛭石在高温下膨胀，形成多孔结构，显著提高材料的隔热性能和防火性能，并在一定程度上增强其耐久性。蛭石是一种层状硅酸盐矿物，在高温条件下，其层间水分蒸发，导致其体积迅速膨胀，形成具有高比表面积的多孔结构。这种多孔结构不仅能够有效阻隔热量的传导，提高材料的隔热性能，还能在火灾情况下提供优异的防火性能，防止火焰的蔓延。此外，蛭石的化学稳定性和耐候性使其能够在各种恶劣环境中长期保持稳定性能。

16、添加无机纤维可以增强硅酸盐粘结剂的韧性和抗冲击性能。如玻璃纤维具有良好的化学惰性和耐腐蚀性，能够在酸碱环境中保持稳定，而碳纤维则以其高强度和高模量著称，能够显著提升复合材料的机械性能。无机纤维通过在基体中形成均匀分布的增强网络，能够有效地分散和吸收外部冲击能量，增强材料的韧性和抗冲击能力，防止脆性断裂的发生。

17、无机纤维和蛭石能够协同作用，增加材料的抗裂性和耐久性。在固化过程中，无机纤维作为增强骨架，能够阻止裂纹的萌生和扩展，提升材料的整体抗裂性能。而蛭石形成的多孔结构能够有效地吸收和分散应力，减少应力集中现象，从而防止固化和使用过程中的开裂。这种多孔结构还具有一定的吸水性，能够在湿度变化环境中吸收和释放水分，防止材料因湿胀干缩而产生裂缝，从而进一步提高耐久性。

18、而引入酚醛树脂对无机纤维和蛭石进行改性，可以改善其分散性和相容性。酚醛树脂中的极性官能团，如羟基能与无机纤维和蛭石表面的极性基团发生氢键作用，从而增强了无机填料与树脂之间的相互作用力，提高了其分散性和相容性。同时，酚醛树脂可以在无机纤维和蛭石表面形成一层亲和性较强的改性层，进一步促进了它们在粘结剂中的分散和相容。此外，酚醛树脂中的酚基和甲醛基团可以与硅酸盐粘结剂中的活性基团发生缩合反应，形成共价键，显著增强了无机填料与粘结剂之间的结合强度，提高了整个复合材料的界面结合性能。

19、本发明特别限定改性硅酸盐粘结剂的质量份为30-50份，硅酸盐粘结剂的含量增加能使涂料的粘结力增强，但过高的硅酸盐含量可能导致涂料层变得过于脆和坚硬，易开裂，从而影响涂料的使用效果及耐久性。

20、第二方面，本发明提供了一种含气凝胶复合改性硅酸盐粘结剂的隔热防火涂料的制备方法，所述制备方法为：

21、s1：将埃洛石加入到无水乙醇中得到埃洛石分散液，超声分散，随后加入甲基丙烯酸，得到的混合分散液在氮气保护下恒温下搅拌；将所述混合分散液洗涤、抽滤后所得样品通过干燥得到羧基化改性埃洛石；将水玻璃在室温下溶于去离子水中，并通过强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂进行离子交换，得到硅酸溶液，向所述硅酸溶液中加入十二烷基硫酸钠，搅拌至溶解均匀，得到混合溶液，向所述混合溶液中加入所述羧基化改性埃洛石和纳米碳纤维得到悬浮液前体，机械搅拌，超声分散，形成悬浮液；使用氨水溶液调节所述悬浮液的ph后注入聚丙烯模具中静置、凝胶形成后老化，将其从模具中取出，放置在第一乙醇水溶液中进行第一浸泡，再移入到无水乙醇中进行第二浸泡，得到改性二氧化硅湿凝胶，将所述改性二氧化硅湿凝胶进行疏水改性，后转入真空干燥箱中干燥，得到改性二氧化硅气凝胶；

22、s2：将无机纤维和蛭石投入到酚醛树脂乙醇溶液中得到无机纤维/蛭石分散液，搅拌浸渍，抽滤后得到混合物，将所述混合物在烘箱中进行热固化处理，得到改性无机纤维/蛭石混合物；将硅酸盐溶解在第二乙醇水溶液中，得到硅酸盐溶液，向所述硅酸盐溶液中加入硅烷偶联剂和油酸，搅拌得到改性硅酸盐溶液，向所述改性硅酸盐溶液中加入改性无机纤维/蛭石混合物并不断搅拌，得到混合悬浮液；

23、s3：将所述改性二氧化硅气凝胶粉碎研磨后与所述混合悬浮液加入到去离子水中，搅拌均匀后，再加入填料、消泡剂、分散剂、增稠剂并继续搅拌，得到所述防火隔热涂料。

24、作为本发明的一种优选的技术方案，步骤s1中，所述埃洛石分散液的超声处理的超声时间为20~30min，例如可以是20min、21min、22min、23min、24min、25min、26min、27min、28min、29min或30min，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

25、在一些可选的实例中，所述埃洛石分散液的超声处理的超声时间为1000~2000w，例如可以是1000w、1100w、1200w、1300w、1400w、1500w、1600w、1700w、1800w、1900w或2000w，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

26、在一些可选的实例中，所述甲基丙烯酸和埃洛石的质量比为（2~3）：1，例如可以是2:1、2.1:1、2.2:1、2.3:1、2.4:1、2.5:1、2.6:1、2.7:1、2.8:1、2.9:1或3.0:1，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

27、在一些可选的实例中，所述混合分散液所处的恒温为70~80℃，例如可以是70°c、71°c、72°c、73°c、74°c、75°c、76°c、77°c、78°c、79°c或80°c，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

28、在一些可选的实例中，所述混合分散液搅拌处理的时间为2~4h，例如可以是2.0h、2.2h、2.4h、2.6h、2.8h、3.0h、3.2h、3.4h、3.6h、3.8h或4.0h，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

29、在一些可选的实例中，所述样品干燥的温度为70~90℃，例如可以是70°c、72°c、74°c、76°c、78°c、80°c、82°c、84°c、86°c、88°c或90°c，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

30、在一些可选的实例中，所述样品干燥的时间为6~8h，例如可以是6.0h、6.2h、6.4h、6.6h、6.8h、7.0h、7.2h、7.4h、7.6h、7.8h或8.0h，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

31、在一些可选的实例中，所述水玻璃与去离子水的体积比为（3~4）：1，例如可以是3.0:1、3.1:1、3.2:1、3.3:1、3.4:1、3.5:1、3.6:1、3.7:1、3.8:1、3.9:1、4.0:1，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

32、在一些可选的实例中，所述硅酸溶液中加入十二烷基硫酸钠的浓度为14-16mmol/l，例如可以是14.0mmol/l、14.2mmol/l、14.4mmol/l、14.6mmol/l、14.8mmol/l、15.0mmol/l、15.2mmol/l、15.4mmol/l、15.6mmol/l、15.8mmol/l或16.0mmol/l，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

33、在一些可选的实例中，所述混合溶液中加入纳米碳纤维的浓度为1~4wt%，例如可以是1.0wt%、1.3wt%、1.6wt%、1.9wt%、2.2wt%、2.5wt%、2.8wt%、3.1wt%、3.4wt%、3.7wt%或4.0wt%，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

34、在一些可选的实例中，所述混合溶液中加入羧基化改性埃洛石与水玻璃的质量比为（0.1~0.3）：1，例如可以是0.1:1、0.12:1、0.14:1、0.16:1、0.18:1、0.2:1、0.22:1、0.24:1、0.26:1、0.28:1或0.3:1，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

35、在一些可选的实例中，所述悬浮液前体超声处理的时间为20~30min，例如可以是20min、21min、22min、23min、24min、25min、26min、27min、28min、29min或30min，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

36、在一些可选的实例中，所述悬浮液前体超声处理的频率为1000~2000w，例如可以是1000w、1100w、1200w、1300w、1400w、1500w、1600w、1700w、1800w、1900w或2000w，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

37、在一些可选的实例中，所述氨水的浓度为1-2m，例如可以是1m、1.1m、1.2m、1.3m、1.4m、1.5m、1.6m、1.7m、1.8m、1.9m或2m，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

38、在一些可选的实例中，所述悬浮液用氨水调节ph至5.0~6.0，例如可以是5.0、5.1、5.2、5.3、5.4、5.5、5.6、5.7、5.8、5.9、6.0，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

39、在一些可选的实例中，所述凝胶老化的温度为25~35℃，例如可以是25°c、26°c、27°c、28°c、29°c、30°c、31°c、32°c、33°c、34°c、35°c，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

40、在一些可选的实例中，所述凝胶老化的时间为20~30h，例如可以是20h、21h、22h、23h、24h、25h、26h、27h、28h、29h、30h，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

41、在一些可选的实例中，所述第一浸泡的乙醇溶液的体积分数为40~60%，例如可以是40%、42%、44%、46%、48%、50%、52%、54%、56%、58%、或60%，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

42、在一些可选的实例中，所述第一浸泡、第二浸泡的溶液更换时间间隔为6~8h，例如可以是6.0h、6.2h、6.4h、6.6h、6.8h、7.0h、7.2h、7.4h、7.6h、7.8h或8.0h，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

43、在一些可选的实例中，所述改性二氧化硅湿凝胶真空干燥的温度为40~50℃，例如可以是40°c、41°c、42°c、43°c、44°c、45°c、46°c、47°c、48°c、49°c或50°c，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

44、在一些可选的实例中，所述改性二氧化硅湿凝胶真空干燥的时间为18~26h，例如可以是18h、19h、20h、21h、22h、23h、24h、25h或26h，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

45、作为本发明的一种优选的技术方案，步骤s2中，所述酚醛树脂乙醇溶液中酚醛树脂与无水乙醇的质量比为（1~2）:10，例如可以是1:10、1.1:10、1.2:10、1.3:10、1.4:10、1.5:10、1.6:10、1.7:10、1.8:10、1.9:10或2:10，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

46、在一些可选的实例中，所述无机纤维/蛭石分散液的搅拌浸渍时间为1~3h，例如可以是1h、1.2h、1.4h、1.6h、1.8h、2h、2.2h、2.4h、2.6h、2.8h或3h，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

47、在一些可选的实例中，所述混合物的热固化处理的温度为150~200℃，例如可以是150°c、155°c、160°c、165°c、170°c、175°c、180°c、185°c、190°c、195°c或200°c，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

48、在一些可选的实例中，所述混合物的热固化处理的温度为2~4h，例如可以是2h、2.2h、2.4h、2.6h、2.8h、3h、3.2h、3.4h、3.6h、3.8h或4h，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

49、在一些可选的实例中，所述第二乙醇水溶液中无水乙醇与去离子水体积比为(7~9):（1~3），例如可以是7:1、7:2、7:3、8:1、8:2、8:3、9:1、9:2或9:3，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

50、在一些可选的实例中，所述硅酸盐与第二乙醇水溶液的质量比为1:（2~3），例如可以是1:2、1:2.1、1:2.2、1:2.3、1:2.4、1:2.5、1:2.6、1:2.7、1:2.8、1:2.9或1:3，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

51、在一些可选的实例中，所述油酸与硅烷偶联剂的质量比为（0.5~1.5）：1，例如可以是0.5：1、0.6：1、0.7：1、0.8：1、0.9：1、1.0：1、1.1：1、1.2：1、1.3：1、1.4：1或1.5：1，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

52、在一些可选的实例中，所述硅烷偶联剂与所述硅酸盐溶液的质量比为（1~2）：20，例如可以是1:20、1.1:20、1.2:20、1.3:20、1.4:20、1.5:20、1.6:20、1.7:20、1.8:20、1.9:20或2:20，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

53、在一些可选的实例中，所述无机纤维占所述改性硅酸盐溶液的质量份为5~10wt%，例如可以是5wt%、5.5wt%、6wt%、6.5wt%、7wt%、7.5wt%、8wt%、8.5wt%、9wt%、9.5wt%或10wt%，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

54、在一些可选的实例中，所述蛭石占所述改性硅酸盐溶液的质量份为10~15wt%，例如可以是10wt%、10.5wt%、11wt%、11.5wt%、12wt%、12.5wt%、13wt%、13.5wt%、14wt%、14.5wt%或15wt%，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

55、在一些可选的实例中，所述改性硅酸盐溶液中加入改性无机纤维/蛭石混合物后的搅拌时间为40~60min，例如可以是40min、42min、44min、46min、48min、50min、52min、54min、56min、58min或60min，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

56、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

57、本发明通过引入改性无机纤维、改性蛭石，能够显著增强硅酸盐粘结剂的性能：蛭石在高温下膨胀，形成多孔结构，提升材料的隔热和防火性能。无机纤维增强粘结剂的韧性和抗冲击性能，协同作用增加材料的抗裂性和耐久性。且经过酚醛树脂改性无机纤维和蛭石，能增强其分散性和相容性，形成稳定的复合材料结构。

58、通过羧基化改性的埃洛石和纳米碳纤维对二氧化硅气凝胶进行改性。埃洛石具有耐高温性能，羧基化改性可以使埃洛石与气凝胶表面的羟基发生酯化反应，形成共价键，从而增强埃洛石与气凝胶基体的相容性和结合力，形成更加牢固的复合结构，使整体结构更加稳定耐热，并与硅酸盐粘结剂中的羟基反应，增强结合力。纳米碳纤维提升气凝胶的机械性能和热稳定性，均匀分散热量，减少热应力集中。

59、同时改性二氧化硅气凝胶和改性硅酸盐粘结剂之间也存在着协同作用。气凝胶的低导热性与硅酸盐粘结剂的防火性结合，使涂料在高温条件下提供更好的隔热和防火效果；羧基化改性埃洛石同时与硅酸盐粘结剂中的羟基反应，形成牢固的交联网络，进一步增强复合材料的整体结构稳定性。