气凝胶涂料生产的关键环节和工艺要点介绍

 1  原材料选择与预处理  

1.1 气凝胶的选型与预处理  

• 气凝胶种类：根据涂料体系（水性/溶剂型）和应用场景选择气凝胶类型。常见的有二氧化硅气凝胶（性价比高，保温性好）、碳气凝胶（耐高温、导电）、复合气凝胶（如硅铝气凝胶，增强力学性能）。优先选择表面改性气凝胶（如硅烷改性、偶联剂处理），可改善其与基料的相容性，减少团聚。  如三聚氰胺-甲醛(MF)气凝胶，其机械强度和化学稳定性优于无机气凝胶；氧化硅-氧化铝复合陶瓷气凝胶，可通过“凤凰涅槃法”制备，具备柔性、可赋型及耐1300℃以上高温的特性，其前驱体溶液可直接用作阻燃隔热涂料。

• 粒径与形态：气凝胶粉末粒径通常为1-50μm，需控制粒径分布均匀（避免过细导致飞扬、过粗影响涂层平整度）；优先选择颗粒状或微球型气凝胶（结构完整性更好，避免纳米级粉末过度团聚）。 可通过梯度浸渍技术在气凝胶基底上依次构建化合键合层、功能过渡层和防护层，形成多相梯度涂层，以解决涂层的多尺度协同问题，同时赋予高力学性能、低导热和高导电性。

   

• 预处理：若使用未改性气凝胶，需进行表面改性（如用KH-550、KH-570硅烷偶联剂处理），提升其在基料中的分散性和界面结合力（避免后期涂层开裂或气凝胶沉降）。 

   

1.2  基料与助剂的匹配性  

1.2.1 基料选择

根据应用场景选择成膜树脂（基料），需满足与气凝胶的相容性、成膜性及功能需求：  

• 水性体系：优先用水性丙烯酸乳液、水性聚氨酯、水性环氧等（环保性好，适用于建筑、室内），需确保气凝胶（尤其是改性后）在水中的分散稳定（避免疏水改性气凝胶漂浮或团聚）。  

• 溶剂型体系：选用溶剂型丙烯酸、环氧、有机硅树脂等（耐候性、耐温性更好，适用于工业管道、高温设备），需匹配气凝胶的表面极性（如疏水改性气凝胶适配油性基料）。  

1.2.2 功能需求

若需耐高温（如≥200℃），选择有机硅或无机硅基料；若需柔韧性（如金属基材），选择聚氨酯或弹性丙烯酸基料。  

1.2.3 助剂选择

• 分散剂：关键助剂！需选用超分散剂（如高分子量梳型分散剂）或针对纳米粉体的分散剂，通过空间位阻或静电斥力防止气凝胶团聚（气凝胶比表面积大，易因范德华力团聚）。  

• 流变助剂：气凝胶密度极低（0.05-0.2g/cm³），易漂浮或沉降，需添加触变剂（如改性膨润土、脲类流变剂）调节体系黏度，确保储存稳定性和施工性（如防流挂）。  

• 消泡剂：气凝胶多孔结构易引入气泡，需添加非硅类消泡剂（避免影响涂层透明度或与气凝胶表面基团反应），少量多次添加，避免消泡剂残留导致缩孔。  

 2  气凝胶分散工艺控制

2.1 分散设备选择

气凝胶的纳米多孔结构是其优异隔热性能的根源，分散过程中必须优先保护该结构免遭高剪切力破坏。

• 设备选择：一项专业的纳米材料分散方案指出，采用“蝶形低剪切桨”配合导流筒的设计，可以形成温和的轴向循环流场，有效打散团聚体，同时将剪切损伤率控制在极低水平（例如对碳纳米管的损伤率≤3%）。相比之下，高剪切砂磨机或涡轮桨产生的局部高强度剪切力极易粉碎气凝胶颗粒，破坏其孔隙结构，导致导热系数显著上升。

2.2 分散温度与时间  

2.2.1 温度控制

分散过程中的摩擦生热是导致体系温度升高的主要原因。温度超过40-60℃不仅可能加速溶剂挥发、影响流变性，更关键的是可能导致气凝胶表面的疏水改性基团（如硅烷基团）失效或分解，从而降低其与基料的相容性，诱发二次团聚。建议采用带夹套水冷的设备，将体系温度始终控制在40℃以下。

2.2.2 分散时间

分散时间并非越长越好，应以“分散均匀且结构完整”为原则。除了观察体系是否呈均一浆体外，更科学的终点判断方法是借助仪器检测：

• 离线检测：取分散浆料制成样片，使用光学显微镜或扫描电镜（SEM） 观察，应无明显的大团聚体（如粒径＞5μm的硬团聚）。

• 在线监测（高端工艺）：可采用动态光散射仪（DLS） 或在线粒度仪实时监测粒径分布，当粒径分布达到稳定且集中时即可停止。过度分散会破碎颗粒，增加体系导热通路。

2.3 气凝胶添加量优化  

增加气凝胶用量是降低涂层导热系数的直接方法，但会与涂层的机械性能形成矛盾，需要通过科学的复配与结构设计来突破这一限制。

2.3.1 性能矛盾与临界点

研究表明，随着气凝胶添加量的增加，涂层导热系数下降，但附着力等机械性能会呈现先上升后下降的趋势。例如，一项研究发现，当添加量在10%左右时，涂层附着力达到峰值，此后因成膜物质相对减少、内应力增加，附着力开始减弱。

2.3.2 突破性能瓶颈的策略

• 复配增强填料：单一提高气凝胶含量至15%以上时，为弥补涂层强度、附着力的损失，可复配少量纤维状填料（如玻璃微纤维）或片状填料（如云母）来提升韧性和阻隔性。更前沿的策略是构建“核壳结构” ，即将气凝胶集中在涂层中间作为隔热芯层，而用韧性更好的纯树脂或复合树脂作为上下表层，从而在宏观上协同提升隔热与力学性能。 
• 采用气凝胶微球：使用预先制备的气凝胶微球而非不规则粉末，可以从源头上改善分散性和涂层均匀性。例如，研究制备的二氧化硅气凝胶微球形貌规整、粘连少，其涂层织物表现出良好的隔热效果（正反面温差达3.2℃）。 
• 与纳米材料协同：利用不同尺度填料的协同效应是重要方向。例如，用少量疏水型气相二氧化硅（原生粒径7-14 nm）部分替代气凝胶，由于两者粒径差异产生的“嵌入”效应，能使颗粒间结合更紧密。实验表明，在适当比例下（如气相二氧化硅替换气凝胶量的40%），涂层在拉伸强度、附着力等方面均可获得显著提升，同时将隔热性能的损失控制在较小范围内。

 3  生产过程关键控制

3.1 气泡与黏度控制  

• 气泡处理：分散后可采用真空脱泡（真空度-0.08~-0.1MPa，脱泡时间10-15min），去除体系内气泡（气泡会增加涂层导热系数，影响致密性）。  

• 黏度调节：根据施工方式（喷涂、刷涂、刮涂）调整黏度（如喷涂黏度50-100s（涂-4杯），刮涂黏度200-500s），通过流变助剂和溶剂/水用量调节，确保施工时涂层均匀、无流挂、无针孔。  

3.2 配方混合顺序  

合理的混合顺序可提高分散效率，减少团聚：  

基料→分散剂→溶剂/水→（低速搅拌）→颜填料（若有）→（高速分散）→气凝胶（分批次）→（高速分散）→流变助剂→消泡剂→pH调节剂（水性体系，控制pH 7-9）→（低速搅拌均化）。  

3.3 质量稳定性控制  

• 储存稳定性：生产后需进行热储试验（50℃储存7d），观察是否分层、沉降或黏度异常（若沉降，需调整流变助剂或分散剂用量）。  

• 批次一致性：固定气凝胶批次（不同批次气凝胶比表面积、表面改性度可能差异）、分散时间和转速，确保每批次产品性能稳定。  

 4  总结

现代气凝胶涂料趋向于多组分、多机理的复合体系。气凝胶涂料生产的核心是“气凝胶分散均匀性”与“性能平衡（保温-力学-施工性）”，需从原材料预处理（表面改性）、分散工艺（低剪切、高效分散剂）、配方优化（流变与消泡控制）、性能检测（导热系数与稳定性）四个维度严格控制，同时适配应用场景需求，才能生产出高性能气凝胶涂料。

此外，高性能涂料方应用不仅依赖材料处理、设备选择，涂覆工艺也至关重要。例如，采用超声雾化喷涂技术可在多孔基底上形成超薄、无缺陷的均匀涂层，此过程中功能中间层（如氧化石墨烯层）对阻止溶液渗透、优化沉积至关重要。