近年来，空调系统的普及使用和较高的太阳辐射等引发了严重的城市热岛效应，使得全球能源消耗急剧增加[1-2]。在建筑物或材料的表面涂有隔热降温效果的涂料以降低其内部温度[3]。隔热涂料作用机理主要包括阻隔、反射及辐射三种类型[4]。隔热涂料具有低成本、施工简单等优点，在建筑领域具有一定应用前景。SiO2气凝胶因其特殊纳米孔网络结构而具有诸多优异的性能，如无毒无害、孔隙率高（最高达99.8%）、比表面积大（最高达1 000 m2/g）、导热系数低（最低为0.012 W/(m·K)）、密度低（最低为0.003 g/cm3）等[5-8]。目前，国内外已有较多关于SiO2复合隔热材料的报道。Ibrahim等[9]及Kiil[10]以实验结合热传导模拟的方式研究SiO2气凝胶隔热材料。结果表明：添加SiO2气凝胶的隔热涂料比添加空心玻璃微珠或其他高分子空心材料具有更好的隔热效果。刘红霞等[11]以SiO2气凝胶及空心微珠为功能填料制备隔热涂料。结果表明：使用SiO2气凝隔热涂料的隔热效果比普通家用装饰墙体乳胶漆低5.3 ℃。王焕焕等[12]以SiO2气凝胶、空心玻璃微珠及ZrO2等为功能填料，长径玻璃纤维为相增强材料，以改性硅溶胶与改性水玻璃混合无机树脂为成膜基料，制备SiO2气凝胶隔热保温涂料。结果表明：涂层具有一定的隔热效果，导热系数为0.053 9 W/(m·K)。汪纯宇等[13]以SiO2气凝胶粉和硅藻泥为原料制备一种复合隔热涂料。当SiO2气凝胶粉体的添加量为37.5%时，涂层具有良好的隔热效果，其导热系数仅为0.055 3 W/(m·K)，与空白金属罐相比，有涂层的金属罐内温度可降低19.9 ℃。与传统的保温隔热功能填料相比，加入SiO2气凝胶的隔热涂料在建筑、船体、储罐及管道等领域具有广阔的应用前景。玻璃纤维是一种具有耐热、耐水、耐酸碱、质量轻及力学强度高的无机相增强材料[14-16]，可用于增强各类复合材料的力学强度及耐候性，其在绝热保温材料领域广泛应用[17-19]。本实验以SiO2气凝胶粉为辐射填料，玻璃纤维粉为相增强材料，氟硅丙乳液为成膜物质制备玻璃纤维/SiO2隔热涂层。探究SiO2气凝胶粉的添加量对涂层隔热性能的影响，以期得到隔热性能优异且成本较低的玻璃纤维/SiO2隔热涂料。1实验部分1.1主要原料玻璃纤维粉，800目，工业级，安徽维佳复合材料有限公司；亲水型SiO2气凝胶粉（粒径范围7~40 nm），分析纯，阿拉丁试剂（上海）有限公司；氟硅丙乳液，固含量30%，工业级，上海训达新材料科技有限公司；十二碳醇酯，工业级，山东优索化工科技有限公司；流平剂(XYS-5360)，工业级，盐城市云峰化工有限公司；增稠剂(ASE-60)，工业级，济南青春化工有限公司；润湿剂(X405)，工业级，深圳市吉田化工有限公司；消泡剂(Silok 4600)，工业级，广州市斯洛柯化学有限公司。1.2仪器与设备扫描电子显微镜(SEM)，S-3400N，日本日立公司；紫外-可见-近红外分光光度计，UV3600 PLUS，日本岛津公司；发射率测试仪，AE1/RD1，美国D&S公司；鼓风干燥箱，DGX-9073B-1，上海福玛实验设备有限公司；紫外老化箱，ST-WK80A，厦门易仕特仪器有限公司；铅笔硬度计，QHQ-A，东莞华国精密仪器有限公司；超声清洗仪，AK-040SD，深圳市钰洁清洗设备有限公司。1.3样品制备表1为玻璃纤维/SiO2隔热涂料的配方。按表1配方称取一定量的玻璃纤维粉和SiO2气凝胶粉（0、0.15%、0.30%、0.45%、0.60%和0.75%）加入烧杯中，加入适量的去离子水、润湿剂进行超声搅拌分散30 min；加入一定量的氟硅丙乳液，进行超声搅拌分散15 min，再加入适量的消泡剂、流平剂、成膜助剂及增稠剂，进行超声搅拌分散10 min得到隔热涂料；使用喷枪喷涂于铝合金板表面，将样片置于鼓风干燥箱中固化成膜，固化温度为40 ℃，固化时间12 h，制备得到玻璃纤维/SiO2隔热涂层，涂层厚度约为(400±30) µm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.003.T001表1玻璃纤维/SiO2隔热涂料的配方Tab.1Formula of glass fiber/SiO2 thermal insulation coatings样品玻璃纤维粉SiO2气凝胶粉氟硅丙乳液润湿剂消泡剂成膜助剂增稠剂流平剂去离子水1200400.50.550.50.533.002200.15400.50.550.50.532.853200.30400.50.550.50.532.704200.45400.50.550.50.532.555200.60400.50.550.50.532.406200.75400.50.550.50.532.25%%1.4性能测试与表征铅笔硬度测试：按GB/T 6739—2006进行测试，负重为750 g，以0.5 mm/s的速度推动铅笔前进至少7 mm，以涂层没有出现3 mm划痕的最硬铅笔硬度表示涂层的铅笔硬度。耐水性测试：按GB/T 1733—1993进行测试，将涂层的2/3浸泡在去离子水中。耐酸碱性测试：按GB/T 9274—1988进行测试，将涂层的2/3分别浸泡在5%的硫酸溶液和5%的氢氧化钠溶液中。老化性能测试：按GB/T 1865—2009进行测试，测试温度为(50±2) ℃，湿度为(50±5)%。反射率及半球发射率测试：按JG/T 235—2014进行测试。太阳光反射比公式为：ρ=∑λ=300 nmλ=2500 nmρ0λρλSλΔλ∑λ=300 nmλ=2500 nmSλΔλ （1）式（1）中：ρ为涂层样片的太阳光反射比；ρ0(λ)为标准白板的光谱反射比；ρ(λ)为涂层样片的光谱反射比；Sλ为太阳辐射相对光谱分布；Δλ为波长间隔，nm；λ为波长，nm。隔热温差测试：按HG/T 4341—2012进行测试。采用厚度50 mm的聚苯乙烯泡沫板制成隔热测试箱(200 mm×200 mm×200 mm)。在顶端设置一个测试口(100 mm×100 mm)，依次将黑板与待测涂层样板置于缺口上方，使用红外加热灯(250 W)对样板均匀照射加热，测量样板背面温度。均匀照射一段时间后，涂层的隔热温差为涂层样板与黑板两者的背面温差。样板基材为铝合金板（100 mm×100 mm×2 mm），涂层厚度约为(400±30) µm，测试环境温度为(20±2) ℃。涂层的隔热温差公式为：ΔT=T0-T （2）式（2）中：ΔT为涂层样片的隔热温差，℃；T0为对比黑板的背面温度，℃；T为涂层样片的背面温度，℃。2结果与讨论2.1玻璃纤维/SiO2隔热涂层的SEM分析图1为玻璃纤维/SiO2隔热涂层的SEM照片。从图1可以看出，玻璃纤维/SiO2隔热涂层表面不平整，涂层表面存在大量微纳米结构。由于涂层在固化时，涂料中溶剂组分挥发而成膜物质快速收缩，但玻璃纤维粉和SiO2气凝胶粉的性质稳定，不会随着溶剂组分挥发而发生收缩，在涂层表面呈现不规则分布。随着SiO2气凝胶粉添加量的增加，涂料的表面粗糙度随着SiO2气凝胶粉添加量的增加而增加。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.003.F001图1玻璃纤维/SiO2隔热涂层的SEM照片Fig.1SEM images of glass fiber/SiO2 thermal insulation coatings2.2玻璃纤维/SiO2隔热涂层的反射率分析为了考察SiO2气凝胶粉添加量对隔热涂层的太阳光反射率的影响。在玻璃纤维粉的添加量为20%条件下，探究SiO2气凝胶粉添加量对玻璃纤维/SiO2隔热涂层的太阳光反射率的影响。表2为玻璃纤维/SiO2隔热涂层的太阳光反射比。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.003.T002表2玻璃纤维/SiO2隔热涂层的太阳光反射比Tab.2Solar reflectance of glass fiber/SiO2 thermal insulation coatings项目w（SiO2）/%00.150.300.450.600.75太阳光反射比76.0676.6777.0877.8278.3377.25%%从表2可以看出，当SiO2气凝胶粉添加量的逐渐增加，玻璃纤维/SiO2隔热涂层的太阳光反射比先升高后下降。当SiO2气凝胶粉添加量为0.60%时，玻璃纤维/SiO2隔热涂层的太阳光反射比最高，达到78.33%，但涂层的太阳光反射比整体不高（太阳光反射比的范围为76.06%~78.33%）。因为涂层表面较粗糙，对光的反射以漫反射形式为主。在涂层中添加适量SiO2气凝胶粉，可提高玻璃纤维/SiO2隔热涂层太阳光反射比。2.3玻璃纤维/SiO2隔热涂层的半球发射率分析涂层半球发射率是考察隔热涂层的隔热降温效果的重要指标之一。SiO2气凝胶粉被广泛应用作窄带辐射体，在隔热涂料中添加SiO2气凝胶粉可提高涂料的辐射性能。图2为玻璃纤维/SiO2隔热涂层的半球发射率。从图2可以看出，随着SiO2气凝胶粉添加量的增加，玻璃纤维粉/SiO2隔热涂层的半球发射率先升高后降低。SiO2气凝胶粉的添加量为0.60%时，玻璃纤维/SiO2隔热涂层的半球发射率为0.94。因为纳米级的SiO2气凝胶粉具有较高的辐射率，在涂层中添加SiO2气凝胶粉可有效提高涂层对可见光及近红外光的辐射作用，使得涂层具有较高的半球发射率。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.003.F002图2玻璃纤维/SiO2隔热涂层的半球发射率Fig.2Hemispherical emittance of glass fiber/SiO2 thermal insulation coatings2.4玻璃纤维/SiO2隔热涂层的隔热性能分析涂层的隔热温差是衡量隔热涂层的隔热降温效果的直接指标。图3为玻璃纤维/SiO2隔热涂层的隔热温差。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.003.F003图3玻璃纤维/SiO2隔热涂层的隔热温差Fig.3Temperature difference curve of glass fiber/SiO2 thermal insulation coatings从图3可以看出，随着SiO2气凝胶粉添加量的增加，玻璃纤维/SiO2隔热涂层的隔热温差先增加后减小。玻璃纤维/SiO2隔热涂层在SiO2气凝胶粉的添加量为0.60%时，具有较高的太阳光反射比(78.33%)及半球发射率(0.94)，涂层表面的结构丰富，可从各向反射和辐射太阳辐射能量。当SiO2气凝胶粉的添加量为0.60%时，玻璃纤维粉/SiO2隔热涂层的隔热温差最大，其隔热温差为22.7 ℃，并与未添加SiO2气凝胶粉的涂层样片相比，其背面温度降低了9.3 ℃。2.5玻璃纤维/SiO2隔热涂层的其他性能分析表3为玻璃纤维/SiO2隔热涂层的硬度、耐水性、耐酸碱性和耐老化性。从表3可以看出，玻璃纤维/SiO2隔热涂层具有良好的铅笔硬度，玻璃纤维/SiO2隔热涂层的耐水性及耐酸性达到了国家相应的漆膜标准水平。玻璃纤维/SiO2隔热涂层还具备良好耐人工老化性能，符合国家的漆膜标准。但玻璃纤维/SiO2隔热涂层的耐碱性能测试显示涂层仅浸泡48 h出现起泡脱落的现象，说明涂层的耐碱性能较差，玻璃纤维/SiO2隔热涂层的耐碱性能还需进一步优化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.003.T003表3玻璃纤维/SiO2隔热涂层的硬度、耐水性、耐酸碱性和耐老化性Tab.3The hardness, water resistance, acid and alkali resistance and aging resistance of glass fiber/SiO2 thermal insulation coatings项目w（SiO2）/%00.150.300.450.600.75铅笔硬度（H）222222耐水性（48 h）无异常无异常无异常无异常无异常无异常耐酸性（168 h）少量起泡无异常无异常无异常无异常无异常耐碱性（48 h）起泡脱落起泡脱落起泡脱落起泡脱落起泡脱落起泡脱落人工老化（800 h）无粉化无粉化无粉化无粉化无粉化无粉化3结论以SiO2气凝胶粉为辐射功能填料，玻璃纤维粉为相增强材料，氟硅丙乳液为成膜物质制备玻璃纤维/SiO2隔热涂层。在涂层中添加SiO2气凝胶粉作为辐射填料，具有强烈的辐射作用，可有效地将基体吸收的热量以辐射形式发射到外部环境中。玻璃纤维粉含量为20%，SiO2气凝胶粉添加量为0.60%时，玻璃纤维/SiO2隔热涂层的太阳反射率为78.33%，半球发射率为0.94，隔热温差可达22.7 ℃，与未添加SiO2气凝胶粉涂层相比，其背面温度降低了9.3 ℃，说明玻璃纤维/SiO2隔热涂层具有良好的隔热降温效果。