苯丙乳液/纳米ATO隔热涂料的制备与性能

杜威，臧金燕，殷昊，张福强

（1.河北工业大学化工学院，天津 300130；2.河北常山生化药业股份有限公司，河北石家庄 050800）

苯丙乳液/纳米ATO隔热涂料的制备与性能

杜威1，臧金燕2，殷昊1，张福强1

（1.河北工业大学化工学院，天津 300130；2.河北常山生化药业股份有限公司，河北石家庄 050800）

为了提高建筑玻璃的隔热效果，将半连续滴加法合成的苯丙乳液与纳米氧化锡锑（ATO）复合，制备了苯丙乳液/纳米ATO隔热涂料．研究了乳化剂和丙烯酸用量对涂膜附着力和吸水率的影响，测定了涂膜的透光率和隔热效果．结果表明，乳化剂用量（质量分数）为1.5%，丙烯酸用量从1.5%增加到2.4%时，附着力由2级提高到1级，吸水率由11.4%升高到12.7%.纳米ATO用量为7.0%（质量分数），近红外光的屏蔽率可达66.3%，可见光透过率为70.5%，隔热效果明显．

纳米ATO；苯丙乳液；吸水率；透光率；隔热

现代建筑往往采用较大面积的玻璃窗，普通玻璃不能达到隔热保温的要求，增加了制冷和取暖能耗[1]．利用纳米粒子对近红外光极高的反射率和较高的可见光透过率，Miyazaki[2]制备了纳米氧化铟锡/聚氨酯透明隔热涂料，涂膜在近红外区完全不透过，可见光透过率达80.0%．Qu[3]采用价格相对低廉的纳米ATO与聚硅氧烷复合，近红外光屏蔽率达79.0%，可见光透过率为64.0%.李小兵[4]制得纳米ATO/TiO2聚氨酯隔热涂膜，比空白玻璃可降温3.6℃，可见光透过率达75.0%．

本文采用苯丙乳液为成膜物质，纳米ATO为隔热填料，制备了纳米ATO/苯丙隔热涂料．研究了苯丙乳液体系涂膜性能以及ATO用量对涂膜透光率和隔热效果的影响．

1 实验部分

1.1 主要原料

苯乙烯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸，乳化剂OP-10、A-103和过硫酸钾为化学纯；纳米ATO为工业级，平均粒径50 nm．

1.2 纳米ATO/苯丙隔热涂料的制备

将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与55.0 g去离子水预乳化．将0.3 g NaHCO3、0.4g乳化剂与100.0 g去离子水加入500 mL四口反应瓶中，85℃下加入4.0 g预乳化液及1.0 g KPS制备种子乳液．2.5 h内滴加剩余的预乳化液，保温1.5 h，冷却，调pH至9.0，出料．高速搅拌下向苯丙乳液体系中加入纳米ATO分散液，搅拌均匀即为纳米ATO/苯丙隔热涂料．

1.3 测试与表征

涂膜附着力测定：按GB/T9286-1988标准测定涂膜附着力．

涂膜吸水率测定：准确称取质量为m1的涂膜，在去离子水中浸泡24 h后取出，用滤纸吸干表面的水，称其质量m2．按公式(1)计算吸水率．透射光谱测试：利用日本日立公司的U-4100紫外-可见-近红外光谱仪测量涂膜的透射光谱．隔热性能测试：采用实验室自制隔热装置测定涂膜隔热效果[5]．

2 结果与讨论

2.1乳化剂用量对涂膜吸水率的影响

涂膜耐水性直接影响隔热涂料的应用效果，因此在A-103/OP-10质量比为1.5∶1的前提下，研究了乳化剂用量对涂膜吸水率的影响．结果见图1，乳化剂用量（质量分数）从1.0%增加到1.5%，吸水率由13.7%降到12.7%．这是因为乳化剂用量增加，导致形成的胶束数量增多，生成的乳胶粒较小．较小的乳胶粒可提高成膜致密性，有效阻止水分子向膜内扩散，吸水率降低．乳化剂用量大于1.5%时，乳胶粒表面的亲水性基团增多，导致胶膜亲水性增大，吸水率明显增大，耐水性变差．因此，将乳化剂用量定为1.5%．

2.2 丙烯酸用量对涂膜附着力和吸水率的影响

A-103/OP-10质量比为1.5∶1，乳化剂用量为1.5%时，丙烯酸用量对涂膜附着力和吸水率的影响如表1所示．当丙烯酸用量（质量分数）从1.5%增加到3.4%，涂膜的附着力由2级提高到0级，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侧基上，聚合物分子与玻璃界面的作用力增强，从而提高了涂膜的附着力．而丙烯酸为强亲水性单体，用量增大时，较多的羧基残留在粒子表面，使得涂膜耐水性明显下降．综合考虑，选择丙烯酸用量为2.4%．

图1 乳化剂用量对涂膜吸水率的影响Fig.1Emulsifier dosage effects on the water absorption of the films

表1 丙烯酸用量对涂膜附着力和吸水率的影响Tab.1Acrylic acid dosage effects on the adhesion and water absorption of the films

2.3 ATO用量对涂膜透光率的影响

图2为空白玻璃和ATO/苯丙涂膜的紫外-可见-近红外透射光谱．涂膜在波长为400～800nm的可见光区透过率较高，并随着ATO用量的增加而下降．ATO用量（质量分数）为7.0%时，可见光透过率为70.5%，与空白玻璃仅差10.6%．涂膜在800～2 500 nm的近红外区，随着ATO用量的逐渐增大，屏蔽率越来越高．ATO用量为5.0%和7.0%时，近红外光屏蔽率分别为51.5%和66.3%．原因是ATO内部的自由载流子浓度约为1020cm3，载流子大量吸收近红外光，随着波长逐渐增大吸收率增大[6]，所以涂膜的近红外光透过率较低．

2.4 ATO/苯丙涂膜的隔热性能

空白玻璃和不同ATO用量的涂膜在隔热装置内温度变化曲线如图3所示．加入ATO的涂膜与空白玻璃的温度差别较大，说明涂膜具有隔热效果．ATO用量增加，涂膜隔热效果逐渐增强．大约照射40min后，苯丙乳液涂膜与空白玻璃平衡温度均为47.8℃，即苯丙涂膜没有隔热效果，起隔热作用的是纳米ATO．随着照射时间的延长，涂膜与空白玻璃的温差越来越大，约60 min后达到平衡．纳米ATO用量为3.0%、5.0%、7.0%的涂膜平衡温度分别比空白玻璃低2.2℃、5.5℃、6.9℃．

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

3 结论

图3 不同ATO用量对涂膜隔热性能的影响Fig.3The different ATO content effects on the heat insulation performance of the films

1）本文通过制备纳米ATO/苯丙隔热涂料，对苯丙乳液体系涂膜性能以及涂膜透光率和隔热性能进行了研究．

2）涂膜附着力随着丙烯酸用量增加而升高，耐水性逐渐变差．乳化剂用量为1.5%，丙烯酸用量为2.4%时，附着力为1级，吸水率为12.7%．

3）随着ATO用量增加，涂膜透光率下降．苯丙乳液中ATO用量为7.0%时，涂膜可见光透过率为70.5%，近红外光屏蔽率为66.3%，比空白玻璃平衡温度低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．纳米ATO/TiO2填料聚氨酯透明隔热涂料的制备与性能[J]．材料保护，2014，47：19-21．

[5]李雪，周斯，吴金丽，等．ATO/WPU复合隔热涂料的制备与性能研究[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，刘庆，胡金生．聚合物乳液合成原理性能及应用[M]．第2版．北京：化学工业出版社，2007：174-177．

[责任编辑 田丰]

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

河北省科技支撑计划项目（15273708D）

杜威（1990-），男（汉族），硕士生．通讯作者：张福强（1965-），男（汉族），教授，fqzhang@hebut.edu.cn．