项目概况

• 项目名称：湖南奥飞新材料有限公司年产2000吨水性涂料建设项目
• 建设单位：湖南奥飞新材料有限公司
• 建设地点：湖南省浏阳市永安镇西湖潭村永安家具制造产业聚集区（星辰·尚东产业小镇）北园16栋102号房
• 建设性质：新建
• 项目投资：总投资500万元，其中环保投资为18万元
• 施工工期：1个月
• 用地（用海）面积：520平方米

项目建设内容：本项目租赁厂房占地面积为520平方米，作为生产加工与办公用房；项目依托已建的标准厂房，仅进行厂房装修及设备的安装调试等；企业给排水、供电等公用设施依托园区；项目产品种类属于建筑外墙或者建筑内墙上面保温隔热和工业领域的隔热涂料。项目投产后可形成年产水性涂料2000吨的产品建设规模，包括1000t/a气凝胶外墙隔热反射涂料、500t/a气凝胶内墙净味涂料、300t/a气凝胶保冷防结露涂料、100t/a气凝胶节能防烫涂料以及100t/a耐火隔热腻子。

本项目产品为气凝胶水性涂料，通过对配比调整、部分填料更换可以衍生出各种功能性的水性涂料。项目中的溶剂为水，乳液、助剂以及除气凝胶粉末以外的填料均为外购，气凝胶粉末则由自行处理制备。

项目建设背景

湖南奥飞新材料有限公司成立于2022年，法定代表人为张丁日，公司主要业务范围：建筑节能、工业节能、气凝胶相关技术授权、合作开发。公司技术团队来源于中南大学粉末冶金国家重点实验室高水平科研单位，拥有国家级专家、博士为主的科研开发团队。

低成本超疏水气凝胶制备技术项目始于2010年，公司技术团队成功攻克溶胶-凝胶调控技术和低成本快速常压干燥技术，并形成公司独立知识产权，建立气凝胶微观性能与气凝胶涂料宏观性能的逻辑关系，为高品质气凝胶涂料的配方设计及连续化生产奠定理论和实践基础。

水性气凝胶涂料项目始于2015年，公司技术团队率先突破气凝胶涂料制备关键技术及连续化生产技术，技术团队不断深耕气凝胶涂料在电学、光学、声学、热学等领域的精细化应用，已研发成功多款不同应用领域的水性气凝胶涂料产品，并形成公司独立知识产权。

• 气凝胶节能玻璃能有效降低建筑能耗，但低透光性和弱机械性能限制了其在节能窗户中的应用。
• 本研究旨在设计并合成一种高强度、高韧性、透明的芳纶纳米纤维气凝胶薄膜，用于被动加热节能窗户。

研究方法与成果

1. 材料设计与合成
   • 采用纳米线域空间结构策略，首次制备了高度透明、机械性能强、能承受极端热性能的改性芳纶纳米纤维气凝胶。
   • 引入第三单体2-(4-氨基苯基)-1H-苯并咪唑-5-胺（APBIA），键角为150°，以调节基于对苯二甲酰氯（TPC）和苯二胺（PDA）的传统对位芳纶的空间结构。
   • 所得聚（对苯二甲酰氯-共聚-苯二胺-共聚-2-(4-氨基苯基)-1H-苯并咪唑-5-胺）（PTPA）气凝胶呈纤维状，具有均匀的空间孔隙，允许光线穿过网络，表现出透明度。
2. 材料性能
   • PTPA气凝胶在780nm处的透光率为87.53%，红外区域透光率高达94.38%。
   • 分子链的交织和大量的分子间氢键极大地增强了气凝胶的机械性能，能承受超过自身重量30000倍的拉力。
   • 拉伸断裂率达到10.41%，是对位芳纶气凝胶的5.66倍；拉伸应力达到1.80MPa，是对位芳纶气凝胶的11.5倍；杨氏模量约为15.26MPa，是对位芳纶气凝胶的2.05倍。
   • 分解温度高于500°C，热导率为0.0368W m-1，具有多种耐极端环境性能，包括高隔热性、能承受极低液氮温度、良好的阻燃和自熄性。
3. 应用测试
   • 将PTPA气凝胶制成模型房屋窗户，测试其在冬季的被动加热热管理性能。
   • 结果显示，上午10点至下午4点期间，节能窗户的平均温度比普通玻璃房屋和室外温度分别高出4.01°C和7.01°C。
   • 节能性能计算结果显示，即使在中国最冷的省份黑龙江，PTPA气凝胶用于被动加热也能节省119.93 kWh m-2的CO2排放。

材料

• N-甲基吡咯烷酮（色谱级，阿拉丁试剂，中国）
• 无水乙醇（MOS，苏州晶协高科电子材料有限公司，中国）
• 无水氯化钙（AR级，国药集团化学试剂有限公司，中国）
• PDA（纯度97%，麦克林试剂，中国）
• APBIA（纯度99.99%，博德医药科技有限公司，中国）
• TPC（纯度99.99%，TCI，日本）

上述材料未经进一步纯化直接使用。其他所有化学品和溶剂均为分析纯试剂。

PTPA气凝胶的合成

为了获得PTPA，将第三种弯曲单体APBIA以不同的摩尔比引入TPC和PDA中进行缩聚反应。

以PTPA-2气凝胶为例的合成步骤：

1. 溶液配制：
   • 向三口烧瓶中加入100毫升N-甲基吡咯烷酮（NMP）和6克氯化钙（CaCl₂）。
2. 单体溶解：
   • 在氮气保护下，加入PDA（1.30克，12毫摩尔）和APBIA（1.79克，8毫摩尔），并使其溶解。
3. 聚合反应：
   • 在冰浴条件下，向混合物中加入TPC（4.12克，20.3毫摩尔），并聚合4小时。随着聚合时间的增加，溶液的粘度逐渐增大，形成改性芳纶纳米纤维溶胶。
4. 气凝胶制备：
   • 将改性芳纶纳米纤维溶胶的薄膜刮下，然后用乙醇进行置换，最后通过超临界液体交换干燥法获得改性芳纶纳米纤维气凝胶，即PTPA-2。

其他改性芳纶纳米纤维气凝胶的实验步骤相同，但实验比例不同。

• 实验比例详见支持信息中的表S1。
• 根据PDA与APBIA的投料摩尔比，所得的改性芳纶纤维分别命名为PTPA-0、PTPA-1、PTPA-2、PTPA-3、PTPA-4和PTPA-5。