苯丙乳液/納米ATO隔熱涂料的制備與性能

杜威，臧金燕，殷昊，張福強

（1.河北工業(yè)大學化工學院，天津 300130；2.河北常山生化藥業(yè)股份有限公司，河北石家莊 050800）

苯丙乳液/納米ATO隔熱涂料的制備與性能

杜威1，臧金燕2，殷昊1，張福強1

（1.河北工業(yè)大學化工學院，天津 300130；2.河北常山生化藥業(yè)股份有限公司，河北石家莊 050800）

為了提高建筑玻璃的隔熱效果，將半連續(xù)滴加法合成的苯丙乳液與納米氧化錫銻（ATO）復(fù)合，制備了苯丙乳液/納米ATO隔熱涂料．研究了乳化劑和丙烯酸用量對涂膜附著力和吸水率的影響，測定了涂膜的透光率和隔熱效果．結(jié)果表明，乳化劑用量（質(zhì)量分數(shù)）為1.5%，丙烯酸用量從1.5%增加到2.4%時，附著力由2級提高到1級，吸水率由11.4%升高到12.7%.納米ATO用量為7.0%（質(zhì)量分數(shù)），近紅外光的屏蔽率可達66.3%，可見光透過率為70.5%，隔熱效果明顯．

納米ATO；苯丙乳液；吸水率；透光率；隔熱

現(xiàn)代建筑往往采用較大面積的玻璃窗，普通玻璃不能達到隔熱保溫的要求，增加了制冷和取暖能耗[1]．利用納米粒子對近紅外光極高的反射率和較高的可見光透過率，Miyazaki[2]制備了納米氧化銦錫/聚氨酯透明隔熱涂料，涂膜在近紅外區(qū)完全不透過，可見光透過率達80.0%．Qu[3]采用價格相對低廉的納米ATO與聚硅氧烷復(fù)合，近紅外光屏蔽率達79.0%，可見光透過率為64.0%.李小兵[4]制得納米ATO/TiO2聚氨酯隔熱涂膜，比空白玻璃可降溫3.6℃，可見光透過率達75.0%．

本文采用苯丙乳液為成膜物質(zhì)，納米ATO為隔熱填料，制備了納米ATO/苯丙隔熱涂料．研究了苯丙乳液體系涂膜性能以及ATO用量對涂膜透光率和隔熱效果的影響．

1 實驗部分

1.1 主要原料

苯乙烯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸，乳化劑OP-10、A-103和過硫酸鉀為化學純；納米ATO為工業(yè)級，平均粒徑50 nm．

1.2 納米ATO/苯丙隔熱涂料的制備

將50.0 g St、50.0 g BA、6.0 g MMA、2.5 g AA，0.7 g A-103、0.5 g OP-10與55.0 g去離子水預(yù)乳化．將0.3 g NaHCO3、0.4g乳化劑與100.0 g去離子水加入500 mL四口反應(yīng)瓶中，85℃下加入4.0 g預(yù)乳化液及1.0 g KPS制備種子乳液．2.5 h內(nèi)滴加剩余的預(yù)乳化液，保溫1.5 h，冷卻，調(diào)pH至9.0，出料．高速攪拌下向苯丙乳液體系中加入納米ATO分散液，攪拌均勻即為納米ATO/苯丙隔熱涂料．

1.3 測試與表征

涂膜附著力測定：按GB/T9286-1988標準測定涂膜附著力．

涂膜吸水率測定：準確稱取質(zhì)量為m1的涂膜，在去離子水中浸泡24 h后取出，用濾紙吸干表面的水，稱其質(zhì)量m2．按公式(1)計算吸水率．透射光譜測試：利用日本日立公司的U-4100紫外-可見-近紅外光譜儀測量涂膜的透射光譜．隔熱性能測試：采用實驗室自制隔熱裝置測定涂膜隔熱效果[5]．

2 結(jié)果與討論

2.1乳化劑用量對涂膜吸水率的影響

涂膜耐水性直接影響隔熱涂料的應(yīng)用效果，因此在A-103/OP-10質(zhì)量比為1.5∶1的前提下，研究了乳化劑用量對涂膜吸水率的影響．結(jié)果見圖1，乳化劑用量（質(zhì)量分數(shù)）從1.0%增加到1.5%，吸水率由13.7%降到12.7%．這是因為乳化劑用量增加，導(dǎo)致形成的膠束數(shù)量增多，生成的乳膠粒較小．較小的乳膠?？商岣叱赡ぶ旅苄?，有效阻止水分子向膜內(nèi)擴散，吸水率降低．乳化劑用量大于1.5%時，乳膠粒表面的親水性基團增多，導(dǎo)致膠膜親水性增大，吸水率明顯增大，耐水性變差．因此，將乳化劑用量定為1.5%．

2.2 丙烯酸用量對涂膜附著力和吸水率的影響

A-103/OP-10質(zhì)量比為1.5∶1，乳化劑用量為1.5%時，丙烯酸用量對涂膜附著力和吸水率的影響如表1所示．當丙烯酸用量（質(zhì)量分數(shù)）從1.5%增加到3.4%，涂膜的附著力由2級提高到0級，吸水率由11.4%升高到16.5%．原因是丙烯酸的羧基引入到聚合物側(cè)基上，聚合物分子與玻璃界面的作用力增強，從而提高了涂膜的附著力．而丙烯酸為強親水性單體，用量增大時，較多的羧基殘留在粒子表面，使得涂膜耐水性明顯下降．綜合考慮，選擇丙烯酸用量為2.4%．

圖1 乳化劑用量對涂膜吸水率的影響Fig.1Emulsifier dosage effects on the water absorption of the films

表1 丙烯酸用量對涂膜附著力和吸水率的影響Tab.1Acrylic acid dosage effects on the adhesion and water absorption of the films

2.3 ATO用量對涂膜透光率的影響

圖2為空白玻璃和ATO/苯丙涂膜的紫外-可見-近紅外透射光譜．涂膜在波長為400～800nm的可見光區(qū)透過率較高，并隨著ATO用量的增加而下降．ATO用量（質(zhì)量分數(shù)）為7.0%時，可見光透過率為70.5%，與空白玻璃僅差10.6%．涂膜在800～2 500 nm的近紅外區(qū)，隨著ATO用量的逐漸增大，屏蔽率越來越高．ATO用量為5.0%和7.0%時，近紅外光屏蔽率分別為51.5%和66.3%．原因是ATO內(nèi)部的自由載流子濃度約為1020cm3，載流子大量吸收近紅外光，隨著波長逐漸增大吸收率增大[6]，所以涂膜的近紅外光透過率較低．

2.4 ATO/苯丙涂膜的隔熱性能

空白玻璃和不同ATO用量的涂膜在隔熱裝置內(nèi)溫度變化曲線如圖3所示．加入ATO的涂膜與空白玻璃的溫度差別較大，說明涂膜具有隔熱效果．ATO用量增加，涂膜隔熱效果逐漸增強．大約照射40min后，苯丙乳液涂膜與空白玻璃平衡溫度均為47.8℃，即苯丙涂膜沒有隔熱效果，起隔熱作用的是納米ATO．隨著照射時間的延長，涂膜與空白玻璃的溫差越來越大，約60 min后達到平衡．納米ATO用量為3.0%、5.0%、7.0%的涂膜平衡溫度分別比空白玻璃低2.2℃、5.5℃、6.9℃．

圖2 不同ATO用量涂膜透射光譜Fig.2The transmission spectra of the films of different ATO content

3 結(jié)論

圖3 不同ATO用量對涂膜隔熱性能的影響Fig.3The different ATO content effects on the heat insulation performance of the films

1）本文通過制備納米ATO/苯丙隔熱涂料，對苯丙乳液體系涂膜性能以及涂膜透光率和隔熱性能進行了研究．

2）涂膜附著力隨著丙烯酸用量增加而升高，耐水性逐漸變差．乳化劑用量為1.5%，丙烯酸用量為2.4%時，附著力為1級，吸水率為12.7%．

3）隨著ATO用量增加，涂膜透光率下降．苯丙乳液中ATO用量為7.0%時，涂膜可見光透過率為70.5%，近紅外光屏蔽率為66.3%，比空白玻璃平衡溫度低6.9℃．

[1]Azematia A A，Hadavandc B S，Hosseini H，et al．Thermal modeling of mineral insulator in paints for energy saving[J]．Energy and Buildings，2013，56：109-114．

[2]Miyazaki H，Ota T，Yasui I．Design of ITO/transparent resin optically selective transparent composite[J]．Solar Energy Materials&Solar Cells，2003，79：51-55．

[3]QuJ，SongJ R，QinJ，etal．Transparent thermalinsulationcoatingsforenergyefficientglasswindowsandcurtainwalls[J]．EnergyandBuildings，2014，77：1-10．

[4]李小兵，付雪梅，余桂英，等．納米ATO/TiO2填料聚氨酯透明隔熱涂料的制備與性能[J]．材料保護，2014，47：19-21．

[5]李雪，周斯，吳金麗，等．ATO/WPU復(fù)合隔熱涂料的制備與性能研究[J]．新型建筑材料，2011，38：50-53．

[6]Jain G，Kumar R．Electrical and optical properties of tin oxide and antimony doped tin oxide films[J]．Optical Materials，2004，26：27-31．

[7]曹同玉，劉慶，胡金生．聚合物乳液合成原理性能及應(yīng)用[M]．第2版．北京：化學工業(yè)出版社，2007：174-177．

[責任編輯 田豐]

Preparation and heat insulation performance of poly (styrene-acrylate)emulsion/nano-ATO coating

DU Wei1，ZANG Jinyan2，YIN Hao1，ZHANG Fuqiang1

(1.School of Chemical Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China;2.Hebei Changshan Biochem Pharma Co Ltd,Hebei Shijiazhuang 050800,China)

To improve the heat insulation effect of building glass,poly(styrene-acrylate)emulsion/nano antimony tin oxide(ATO)heat insulation coating was prepared through semi-continuous emulsion polymerization method and nano-ATO.The effects of emulsifier dosage and acrylic acid dosage on the adhesion force and water absorption of the films was investigated and the light transmittance and heat insulation effects was tested.When the emulsifier dosage was 1.5%, the results showed that adhesion force enhanced from 2 degrees to 1 degree along with acrylic acid dosage increasing from 1.5%to 2.4%,and the water absorption rose from 11.4%to 12.7%.When the nano-ATO content was 7%,the shield rate to near infrared light was 66.3%,and the transmittance for visible light was 70.5%.

nano-ATO;styrene-acrylate emulsion;water absorption;light transmittance;heat insulation

TQ630.7

A

1007-2373(2015)05-0083-03

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.05.017

2014-11-12

河北省科技支撐計劃項目（15273708D）

杜威（1990-），男（漢族），碩士生．通訊作者：張福強（1965-），男（漢族），教授，fqzhang@hebut.edu.cn．