采用超疏水性PTFE/微纳米隔热颗粒复合技术的外墙保温涂层研究

Study on Exterior Wall Thermal Insulation Coating Using Super Hydrophobic PTFE/Micro Nano Thermal Insulation Particles Composite Technology

摘要

为提升外墙保温涂层的综合性能，研究以水性聚四氟乙烯（PTFE）分散体为基体，采用氟硅烷改性剂（FAS-17）对SiO₂气凝胶颗粒进行表面疏水化改性，制备PTFE/气凝胶复合涂层。通过拉伸试验、附着力和耐冲击性测试，结合导热系数测定、静态接触角与滚动角分析以及紫外老化加速试验，系统评估涂层的力学、热学、表面及耐候性能。结果表明：填充适量改性气凝胶能够显著提升涂层的拉伸强度和附着力，使涂层保持良好的冲击韧性；导热系数由0.232 W/（m·K）降至0.128 W/（m·K），热阻显著提高；涂层表面接触角超过150°，滚动角低于10°，实现超疏水特性；经500 h紫外老化后，性能保持率仍在85%以上，色差小于3，表现出优异的耐候性。FAS-17改性气凝胶在填充质量分数为10%~15%时，可实现力学性能、隔热性能、超疏水性和耐候性的综合优化，这为高性能外墙保温涂层的设计与应用提供参考。

Abstract

To enhance the overall performance of exterior wall thermal insulation coatings, the study employed aqueous polytetrafluoroethylene (PTFE) dispersion as the matrix and utilized fluorosilane modifier (FAS-17) to perform surface hydrophobic modification of SiO₂ aerogel particles, thereby preparing PTFE/aerogel composite coatings. Through tensile testing, adhesion and impact resistance tests, combined with thermal conductivity measurement, static contact angle and rolling angle analysis, as well as accelerated UV aging experiments, the mechanical, thermal, surface, and weathering properties of the coatings were systematically evaluated. The results indicated that incorporating an appropriate amount of modified aerogel significantly improved the tensile strength and adhesion of the coatings and made the coating maintain good impact toughness. The thermal conductivity decreased from 0.232 W/(m·K) to 0.128 W/(m·K), indicating substantially enhanced thermal resistance. The coating surface exhibited a contact angle exceeding 150° and a rolling angle below 10°, achieving superhydrophobic characteristics. After 500 h of UV aging, the performance retention rate remained above 85% with a color difference less than 3, demonstrating excellent weatherability. When the filling mass fraction of FAS-17 modified aerogel was 10%~15%, comprehensive optimization of mechanical properties, thermal insulation performance, superhydrophobicity, and weatherability was achieved, providing a reference for the design and application of high-performance exterior wall thermal insulation coatings.

关键词

聚四氟乙烯 / SiO₂气凝胶 / FAS-17 / 超疏水涂层 / 外墙保温

Key words

PTFE / SiO₂ aerogel / FAS-17 / Superhydrophobic coating / Exterior wall thermal insulation

建筑能耗是全球能源消耗和碳排放的重要来源之一^[1]，外墙作为建筑外围护结构的主要组成部分，其隔热性能直接关系建筑能效与室内舒适性^[2]。建筑领域能耗约占全球总能耗的30%~40%，其中围护结构的传热损失贡献显著。因此，开发兼具隔热、耐候和防护功能的外墙保温涂层对实现绿色建筑及“双碳”目标具有重要意义。传统有机聚合物涂层虽具有良好的施工性和耐候性，但导热系数普遍在0.2~0.3 W/(m·K)之间，难以满足高性能节能要求^[3]。近年来，纳米SiO₂气凝胶因其极低的导热系数、高孔隙率及优良的光学与热学性能，被广泛研究用于绝热材料及外墙复合体系^[4]。然而，气凝胶颗粒表面富含羟基，易吸湿团聚，与有机基体相容性差，限制其在聚合物基涂层中的应用^[5-6]。为改善界面相容性，研究人员尝试通过表面改性提升气凝胶的分散性与界面结合力。氟硅烷因可引入低表面能的氟碳链段，能够在颗粒表面构筑稳定的疏水层，从而实现与含氟聚合物基体的良好相容^[7-8]。另一方面，聚四氟乙烯(PTFE)因其独特的C—F键结构，具有优异的耐紫外、耐化学腐蚀、耐磨及低表面能特性，是理想的耐候基体材料^[9-11]。SiO₂纳米颗粒与氟聚合物的协同作用，不仅能够降低涂层导热系数，还能提升涂层的超疏水性和耐候稳定性^[12-13]。

因此，本研究以水性PTFE分散体为基体，采用氟硅烷改性剂(FAS-17)对SiO₂气凝胶进行表面疏水化改性，制备PTFE/气凝胶复合涂层，系统研究其力学性能、隔热性能、表面润湿性及耐紫外老化行为，旨在探索疏水改性气凝胶在外墙保温涂层中的应用潜力，为高性能建筑节能涂层的设计与工程化提供参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

PTFE分散体，水性PTFE乳液(固含量60%)，上海三爱富新材料股份有限公司；氟丙乳液，固含量约50%，浙江华特化工有限公司；SiO₂气凝胶颗粒，粒径10~50 μm，山东德瑞纳米材料有限公司；氟硅烷改性剂，FAS-17，质量分数97%，麦克林试剂有限公司；交联剂，水性多异氰酸酯，Bayhydur®系列，德国拜耳公司；乙醇、冰乙酸，分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

电子万能材料试验机，CMT-6104，深圳新三思材料测试有限公司；拉拔附着力测试仪，PosiTest AT-A，美国Defelsko公司；漆膜冲击试验仪，QGZ-1，天津材料试验机厂；导热系数测定仪，HC-DRL-Ⅱ，北京恒奥德科技有限公司；接触角测定仪，DSA100，德国KRÜSS公司；紫外老化试验箱，QUV/se，美国Q-Lab公司；分光测色仪，CM-2600d，日本柯尼卡美能达公司。

1.3 样品制备

首先对SiO₂气凝胶进行表面疏水化改性。按乙醇、水、冰乙酸体积比为95∶4∶1配制溶液，加入占气凝胶质量1%的FAS-17，在室温下水解30 min，然后加入粒径为10~50 μm的SiO₂气凝胶，磁搅拌1 h，过滤后于60 ℃真空干燥12 h，过200目筛备用，得到Aero-SiO₂@FAS。以水性PTFE分散体为基体，氟丙乳液为成膜助剂，助剂和交联剂总质量分数为5%。表1为PTFE/气凝胶复合涂层配方。按总固含量100%设计5组配方，分别为A0、A5、A10、A15和A20，其中Aero-SiO₂@FAS添加质量分数依次为0、5%、10%、15%和20%。制备时先将PTFE分散体、氟丙乳液及助剂于分散釜内低速预混10 min，加入交联剂后分批加入Aero-SiO₂@FAS，低剪切搅拌10 min，静置30 min，脱泡，调节黏度至3 000~6 000 mPa·s(25 ℃)，经80~100目过滤后用于施工。施工采用无气喷涂或批刮方式，两道交叉施工，湿膜厚度控制在0.8~1.2 mm，室温固化24 h后于40~60 ℃下温养4~6 h，经7 d养护后性能稳定。

1.4 性能测试与表征

拉伸性能测试：按照ASTM D882，采用电子万能材料试验机(拉伸速度50 mm/min)测试拉伸强度和断裂伸长率，每组5个平行试样，取平均值。试样长度100 mm，宽度10 mm，厚度0.10~0.20 mm。

附着力测试：采用GB/T 5210—2006拉开法进行附着力测定，在钢板基材上制备涂层，使用拉拔试验机测试涂层与基材的结合力，附着面积20 mm×20 mm。

耐冲击性测试：采用冲击试验仪(冲击锤质量1 kg)依据GB/T 1732—2020漆膜耐冲击测定法进行测定，记录涂层在不同冲击高度下的开裂情况，取不开裂高度作为冲击强度。

导热系数与热阻测试：按照GB/T 10295—2008热流计法测定，将样品制成1 mm厚膜，使用热流计导热系数仪，在25 ℃下测定导热系数(λ)，根据样品厚度(d)计算热阻(R)，R=d/λ。

接触角测试：采用接触角测定仪(滴水量5 μL，室温25 ℃)，测定静态水接触角，每个样品至少测试5个点，取平均值。

滚动角测试：在可倾斜平台上逐步增加倾角，直至液滴(5 μL)发生滑动，记录其滑动角度。

耐紫外老化性能测试：依据GB/T 14522—2008人造气候加速试验方法在紫外灯[波长340 nm，辐照强度0.89 W/(m²·nm)，黑板温度(60±3) ℃]下照射500 h。测试前后涂层的接触角保持率、拉伸强度保持率及色差(ΔE)，其中ΔE依据GB/T 11186.3—1989评定。

2 结果与讨论

2.1 PTFE/气凝胶复合涂层拉伸性能分析

图1为PTFE/气凝胶复合涂层的拉伸性能。从图1可以看出，A0涂层的拉伸强度为7.42 MPa，断裂伸长率为218.6%。随着Aero‑SiO₂@FAS的加入，拉伸强度呈现先增加后下降的趋势，其中A15拉伸强度最高(10.12 MPa)，较A0提升约36.3%，表明适量添加改性气凝胶能够显著增强涂层的力学强度。这可能与FAS‑17氟硅烷处理增强气凝胶与PTFE基体间界面结合有关，使填料更均匀地分散并发挥增强作用。类似结论已有报道，LI等^[13]研究指出，合适粒径的SiO₂填料能够明显改善PTFE的耐磨性等性能。而当Aero‑SiO₂@FAS质量分数增加至20%时，拉伸强度下降至8.36 MPa，说明过量填料易导致团聚并形成界面缺陷，从而削弱增强效果。这一现象与常见纳米填料增强高分子基体的规律一致。KIM等^[14]研究发现，聚氨酯泡沫(PUF)-硅气凝胶复合中，当气凝胶含量超过某一阈值时，力学性能反而下降。在断裂伸长率方面，随着填料含量增加，韧性逐步下降，A20的断裂伸长率降低至142.7%，表明刚性填料限制聚合物链段的运动性。尽管FAS‑17改性改善了界面相容性，但高含量仍难以避免对柔性的削弱。这种趋势在多种刚性填料/聚合物复合中均有体现。值得关注的是，A10和A15在显著提高强度的同时仍保持较高的断裂伸长率，分别为173.4%和161.8%，表明加入填料质量分数为10%~15%时能够达到强度与柔韧性的平衡。这种效果与纳米SiO₂适量填料在聚合物体系中的增强机制一致，即界面增强和载荷转移效应最优^[15]。

2.2 PTFE/气凝胶复合涂层附着力分析

图2为PTFE/气凝胶复合涂层的附着力。从图2可以看出，A0涂层的拉开附着力为1.42 MPa，等级为2级，属于中等附着力水平。随着Aero‑SiO₂@FAS质量分数增加至15%，附着力显著增强，高达2.08 MPa(等级0~1)，较A0提升约46.5%。这表明适量的Aero‑SiO₂@FAS能够显著改善涂层与基材间的结合能力。界面结合增强可能源于FAS‑17疏水化处理提升气凝胶粒子的分散性和亲和性，从而提升机械咬合作用与界面兼容性。类似的增强作用在包含纳米SiO₂的涂层系统中已有报道。例如，纳米SiO₂可以有效改善聚合物涂层的附着性能，增强涂层与基底间的结合稳定性^[16-17]。当Aero‑SiO₂@FAS质量分数继续增加至20%时，附着力反而下降至1.71 MPa(等级恢复至2级)，表明填料过量可能导致聚集、界面缺陷或孔隙增多，从而破坏涂层的连续性与界面完整性，降低附着性能。这种趋势与其他研究中高填充纳米气凝胶聚合物附着力下降的规律一致。例如，李丹鸿等^[18]发现，在某些热绝缘涂层中，过高含量的气凝胶会导致涂层剥离倾向显著升高，附着力降低。

2.3 PTFE/气凝胶复合涂层耐冲击性分析

图3为PTFE/气凝胶复合涂层的落锤冲击高度。从图3可以看出，A0在52.3 cm高度下仍无遮挡裂纹，表现出优良的冲击韧性。这主要归因于纯PTFE基体具备优越的链段移动性和柔韧性。然而，随着Aero‑SiO₂@FAS的逐步加入，材料耐冲击能力逐步下降，A20仅能承受41.7 cm的落锤冲击高度，虽然高于40 cm的标准下限，但明显较弱，下降幅度约20.3%。这表明刚性填料的引入限制聚合物链段的塑性变形，从而削弱涂层整体的抗冲击性能。尽管如此，A10和A15仍能保持45~48 cm的抗冲击高度，说明在10%~15%填料范围内，界面增强起到一定补偿作用，使涂层韧性损失得到部分缓解。这与KUCHAREK等^[15]的研究结果一致，即在某些含无机填料的聚合物复合材料中，适量填料可提升强度与刚度，但过量填料则会造成冲击韧性显著下降。

2.4 PTFE/气凝胶复合涂层导热系数和热阻分析

表2为PTFE/气凝胶复合涂层的\lambda和R。从表2可以看出，A0的\lambda为0.232 W/(m·K)，属于常见聚合物涂层量级。随着Aero-SiO₂@FAS含量的增加，\lambda显著降低，A15的\lambda达到最低值0.128 W/(m·K)，对应R提升至7.81 m²/(K·W)。当Aero-SiO₂@FAS质量分数继续提高至20%时，λ略回升至0.135 W/(m·K)。这主要是由于SiO₂气凝胶的高孔隙率与纳米孔径可显著延长热流路径，削弱固体或气体导热能力^[19]；但当填料过量而分散变差或孔网局部坍塌时，会出现热桥与有效孔隙率下降^[3]，从而减弱降导效果。BURATTI等^[20]用EN 12667—2001热流计法测得气凝胶抹灰的\lambda。结果表明，随着气凝胶体积分数的升高，体系\lambda降至0.050 W/(m·K)，在更高的气凝胶含量时甚至接近0.018~0.020 W/(m·K)的材料极限区间，强调均匀分散与合理掺量窗口对低λ的决定性作用。这与本研究在Aero-SiO₂@FAS质量分数为10%~15%时获得最佳隔热性能的结果相呼应。FANTUCCI等^[21]研究发现，基于气凝胶的外墙薄层热涂料/涂覆体系可在有限厚度下降低围护结构的传热系数并减弱冷凝风险，印证薄层低导热涂层在既有建筑节能中的有效性与工程可行性。

2.5 PTFE/气凝胶复合涂层静态接触角和滚动角分析

表3为PTFE/气凝胶复合涂层的静态接触角和滚动角。从表3可以看出，A0表现出本征疏水性，静态接触角约108°，但滚动角较大，黏附性强。随着Aero-SiO₂@FAS的加入，A10~A15表面形成“低表面能-微纳双尺度粗糙”协同结构。样品A15的静态接触角约为156°，滚动角约为6°，进入超疏水区。A20因颗粒团聚与表面缺陷增多，静态接触角略降，滚动角回升。该趋势与Cassie-Baxter湿润模型及氟硅烷/SiO₂构筑超疏水界面的共识一致，即低能端基(—CF₃/—CF₂—)配合多尺度粗糙度可显著提高静态接触角并降低黏附和滚动角；过量颗粒则破坏连续微观气垫，从而劣化滚动性^[22-24]。因此，面向外墙薄层节能改造，适量的疏水化气凝胶能在有限厚度内显著降低围护结构传热，这一结论与系统综述与外墙热涂料/抹灰实证研究一致^[20]。

2.6 PTFE/气凝胶复合涂层耐紫外老化性能分析

表4为PTFE/气凝胶复合涂层的耐紫外老化性能。从表4可以看出，A0在500 h紫外照射后接触角和力学性能衰减明显，接触角保持率仅为71.2%，拉伸强度保持率为68.5%，ΔE达4.8，说明涂层在长期紫外作用下存在老化与黄变风险。但是，总体来看，退化程度相对较轻，这主要是由于PTFE是能抵抗紫外线(UV)的塑料材料，具有极佳的耐UV能力，不易开裂或脆化^[25]。随着疏水化气凝胶的引入，老化后的性能显著提升，A10和A15样品表现最优，接触角保持率大于90%，拉伸强度保持率接近90%，ΔE仅约2，表现出良好的耐UV稳定性。这主要是由于PTFE与氟硅烷的协同作用造成的。其中，氟碳键能高(约485 kJ/mol)，可显著抵御UV光子能量(290~400 nm范围约300~400 kJ/mol)，赋予基体优异的耐候性。此外，SiO₂气凝胶的紫外屏蔽与散射效应-多孔纳米网络可部分散射/吸收紫外辐射，降低基体受光量。表面超疏水性降低光催化/氧化敏感位点的润湿与污染作用，间接减缓老化^[26]。

3 结论

本研究以水性PTFE为基体，采用FAS-17改性SiO₂气凝胶构筑超疏水复合外墙保温涂层。结果表明：适量Aero-SiO₂@FAS气凝胶能够显著提升涂层的拉伸强度和附着力，同时保持良好冲击韧性。\lambda由0.232 W/(m·K)降至0.128 W/(m·K)，R明显提高，表现出优异的隔热性能。涂层表面静态接触角超过150°，滚动角低于10°，实现稳定的超疏水状态。在紫外老化500 h后，Aero-SiO₂@FAS质量分数为10%~15%的涂层性能保持率仍在85%以上，ΔE低于3，展现出优良的耐候稳定性。

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