纳米ATO/PVB透明隔热涂料制备与性能研究

黄菊*，杨莹（徐州工程学院化学化工学院，江苏 徐州 221111）



纳米ATO/PVB透明隔热涂料制备与性能研究

黄菊*，杨莹
（徐州工程学院化学化工学院，江苏 徐州 221111）

作者联系方式：(E-mail) 281770895@qq.com。

摘要：以聚乙烯醇缩丁醛(PVB)为成膜物质，纳米氧化锡锑(ATO)为颜填料，乙醇为溶剂，借助超声波分散技术制备了纳米ATO/PVB透明隔热涂料并涂覆于玻璃表面。讨论了ATO添加量和涂膜厚度对涂膜的透光性和隔热性的影响。结果表明：当颜基比为1∶8，膜厚为75 ～ 100 μm时，涂膜的透光隔热性能最好，可见光透过率可达87.04%，红外光阻隔率66.12%，平衡温差5 ～ 8 °C，好于某市售汽车隔热膜。其耐水性、铅笔硬度和附着力等综合性能也较好。

关键词：透明隔热涂料；聚乙烯醇缩丁醛；纳米氧化锡锑；制备

First-author’s address: School of Chemistry and Chemical Engineering, Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou 221111, China

在建筑物和汽车车窗等大量使用玻璃的场合，透光隔热问题表现得越来越严峻，而纳米氧化锡锑(ATO)、纳米氧化铟锡(ITO)等多功能粉体材料具有较好的可见光透过率和良好的红外线阻隔率[1-3]，从而使透明隔热涂料成为近年来的研究热点。不少文献报道了ATO粉体在透光隔热方面的作用，如Wang[4]、Qu[5]等的研究表明纳米ATO可吸收近红外辐射，阻隔传热，且隔热性能随着ATO用量增加而提高；但用量过高会影响透光性。陈浩锦等[6]研究了纳米ATO添加量对涂料性能的影响，当添加量为15%时，所得涂膜的综合性能最好，平衡温差达5 °C。国内相关专利[7-9]报道的纳米透明隔热涂料大多采用水性聚氨酯树脂、纳米ATO浆料、助剂、稀释剂等混合而成，ATO浆料的分散是涂料制备的关键。Li等[10]以聚磷酸钠为分散剂，pH = 9，研磨36 h，制备的ATO悬浮液分散良好，可在室温下存放1年。余桂英等[11]的研究表明高速剪切和超声分散相结合是较好的分散方法。龚圣[12]则筛选了助剂，制备了综合性能良好的ATO/WPU涂料。可见目前关于该类涂料的研究主要集中在纳米ATO浆料的分散和助剂的选择等方面。

本文选用成膜性、力学性能和耐候性优良的聚乙烯醇缩丁醛(PVB)树脂为成膜物质，以纳米ATO为颜填料制备了ATO/PVB透光隔热涂料，讨论了颜基比、涂膜厚度等因素对涂膜透光隔热性能的影响，侧重于研究涂料的应用，为开发具有实用价值的透明隔热涂料提供参考。

1 实验

1. 1 材料与仪器

纳米氧化锡锑，GN-P-A02，上海纳米技术及应用国家工程研究中心有限公司；聚乙烯醇缩丁醛，黏度8 s，营口天元高分子树脂有限公司；水性润湿剂X-405，广州恒宇化工有限公司；分散剂5040，日本圣诺科普有限公司；增稠剂羧甲基纤维素钠，化学纯，宁津县烁丰纤维素有限公司；消泡剂QX-202G，南京全希化工有限公司；流平剂KF-69，杭州迪祥化工有限公司。

FS-600N超声波细胞粉碎机，上海生析超声仪器有限公司；QHQ-A便携式铅笔法硬度计、QFZ漆膜附着力试验仪，天津市精科材料试验机厂；DHG-9013A电热恒温干燥箱，杭州蓝天化验仪器厂。

1. 2 ATO/PVB透明隔热涂料的制备

1. 2. 1 纳米ATO浆料的制备

将1.0 g纳米ATO粉末加到150 mL单口烧瓶中，用适量乙醇作溶剂，再加入0.5 g羧甲基纤维素钠、1.0 g分散剂，消泡剂和流平剂各2滴，在300 r/min下搅拌2 h，然后将浆料倒入小烧杯，转移至超声波细胞粉碎机中以功率200 W分散30 min，制备出固含量为14%的纳米ATO醇性浆料。

1. 2. 2 透明隔热涂料的制备

用乙醇溶解一定量的PVB制得固含量为10%的PVB醇溶液。分别按m(ATO粉末)∶m(PVB粉末)(即颜基比)等于1∶6、1∶7、1∶8、1∶9和1∶10将ATO醇性浆料与PVB醇溶液倒入250 mL烧瓶中，并加入增稠剂羧甲基纤维素钠0.5 g，分散剂、流平剂、润湿剂、消泡剂各2滴，在300 r/min下搅拌2 h。如搅拌时出现泡沫，再加适量消泡剂。搅拌完转移至超声波细胞粉碎机(功率200 W)中分散30 min，制得ATO/PVB透明隔热涂料。

1. 3 涂层的制备

分别设置膜厚参数为25、50、75和100 μm，根据需要可连续涂2道，用QTG-A型涂膜涂布器将透明隔热涂料均匀涂覆在基材上。在(25 ± 5) °C下自然晾干后，放进干燥箱内60 °C干燥3 ～ 4 h。透光性试验基材为40 mm × 10 mm × 1 mm的玻璃片，隔热性及其他性能测试基材为400 mm × 400 mm × 5 mm的玻璃板。

1. 4 性能测试与表征

1. 4. 1 ATO醇性浆料的粒径分布

采用济南微纳颗粒技术有限公司的Winner 2008型激光粒度分析仪检测ATO醇性浆料的粒径。

1. 4. 2 涂膜的光学性能

将涂膜玻璃片放入北京普析通用仪器有限责任公司的T6型紫外−近红外分光光度计的测试盒内，测量其在不同波长下的透光率，以此计算其可见光透过率和红外光阻隔率。

1. 4. 3 涂膜的隔热性能

将涂膜玻璃和空白玻璃各自安装在一个聚苯乙烯保温箱上方，热电偶测温仪的探头置于保温箱内，保温箱上方20 cm处以500 W碘钨灯模拟太阳光源进行加热，如图1所示。每隔2 min记录一次数据，比较2块玻璃分别覆盖的盒内温度的变化，考察涂膜的隔热效果。

图1 隔热测试实验装置Figure 1 Device for testing heat-insulation property

1. 4. 4 其他性能

按照GB/T 1725－2007《色漆、清漆和塑料 不挥发物含量的测定》测定固含量。参照GB/T 1729－1979《漆膜颜色及外观测定法》观察涂膜的颜色及外观。分别依据GB/T 6739－2006《色漆和清漆 铅笔法测定漆膜硬度》和GB/T 1720－1979(1989)《漆膜附着力测定法》，用膜厚75 μm的涂膜玻璃片测定硬度和附着力。参照GB/T 1733－1993《漆膜耐水性测定法》的方法甲，将涂膜玻璃片浸泡在25 °C蒸馏水中24 h，观察涂膜情况。参照GB/T 1735－2009《色漆和清漆 耐热性的测定》，将玻璃片放入烘箱，升温至100 °C并保持3 h，观察涂膜是否发生变化，测试其耐热性。

2 结果与讨论

2. 1 ATO浆料的粒径分布及稳定性

购买的纳米氧化锡锑粉末呈蓝色，由于存在团聚现象，其粒径大都在320 nm以上，最高可达1 μm。制成的ATO醇性浆料是呈淡蓝色、分散均匀的悬浊液，静置大约3个月后观察无明显可见的沉降物。它的粒径分布如图2所示，其中大部分粒径处于80 ～ 150 nm之间。一般来说纳米粒子的粒径应控制在100 nm以下，因此所制ATO浆料基本符合要求。

图2 ATO/乙醇分散液的粒径分布Figure 2 Particle size distribution of ATO/ethanol dispersion

2. 2 ATO添加量对透光性能的影响

图3是涂覆不同纳米ATO含量的涂膜的玻璃(膜厚75 μm)透光率的曲线。从图3可知，在可见光(400 ～ 780 nm)范围内，不同颜基比所得涂膜的可见光透过率都在80%以上，而在红外光区(780 ～ 2 500 nm)的透过率随波长增大不断降低，尤其是在1 400 ～ 2 200 nm波长范围内的红外透过率非常低，说明涂膜对红外光的阻隔效果较明显。

图3 颜基比对涂膜透光率的影响Figure 3 Effect of pigment-to-binder ratio on transmittance of the coating

表1列出了不同纳米ATO含量的隔热涂膜玻璃(膜厚75 μm)的可见光透过率及红外光阻隔率。从表1可见，随着颜基比增加，涂膜在红外光区的阻隔率呈现先上升后下降的趋势，当颜基比为1∶8时，涂膜的红外光阻隔率最高，达到66.12%，此时可见光透过率为87.04%。因此，在保证可见光透过率的前提下，颜基比1∶8可作为本体系最佳的ATO用量。

表1 不同颜基比所制涂膜及空白玻璃的可见光透过率和红外光阻隔率Table 1 Visible light transmittance and infrared blocking rate of blank glass and the coatings prepared with different pigment-to-binder ratios

2. 3 涂膜厚度对透光性能的影响

表2列出了涂膜厚度为50 ～ 200 μm时测得的光学性能数据(颜基比为1∶8)。

表2 膜厚对可见光透过率与红外光阻隔率的影响Table 2 Effect of thickness of coating on its visible-light transmittance and infrared blocking rate

从表2可知，随着膜厚增加，可见光透过率缓慢下降，而红外光阻隔率上升；当膜厚超过100 μm，可见光透过率的下降趋势明显增大，特别是200 μm涂膜玻璃的可见光透过率降到了66.73%，严重影响了玻璃的透光性，因此膜厚应小于100 μm，综合来看在75 ～ 100 μm较适宜。

综上所述，选择颜基比为1∶8、膜厚75 μm来制备涂膜玻璃，后续研究以此为基础进行。

2. 4 涂膜的隔热性能

用自制保温箱测试涂膜玻璃的隔热性能，结果如图4所示。

图4 不同颜基比的涂膜在隔热测试中温度随时间的变化Figure 4 Variation of temperature in heat-insulation property test with time for the coatings with different pigment-to-binder ratios

从图4可知，与空白玻璃相比，涂膜玻璃的隔热效果明显。在相同时间内，它覆盖的盒内升温更慢，温度明显低于空白玻璃所覆盒内，温差可达5 ～ 8 °C。

2. 5 透明隔热涂料及其涂膜的基本性能

表3显示了所制透明隔热涂料及其涂膜的综合性能，可见其具有较好的机械性能。

表3 透明隔热涂料及其涂膜的综合性能Table 3 Properties of the transparent heat-insulation coating and its cured film

2. 6 与其他材料透光性的对比

在400 ～ 2 500 nm波长范围内，测试了膜厚为75 μm的涂膜玻璃与某市售汽车隔热膜的光谱透过率，将二者进行比较，结果见图5。隔热膜厚度为3 mil，即76.2 μm，贴于和涂膜玻璃相同厚度的空白玻璃上。

图5 自制涂膜与市售汽车隔热膜的光透过率对比Figure 5 Comparison of transmittance between home-made coating and commercial automotive heat-insulation film

从图5可见，该市售汽车隔热膜在可见光区(400 ～ 780 nm)透过率最高达60.00%，在红外光区(780 ～ 2 600 nm)透过率有所下降，但下降幅度不如制备的涂膜明显；而涂膜玻璃在可见光区的透过率较高，达到75.00%左右，红外光的阻隔率也较好，基本能够满足高透过可见光和高阻隔红外光这2个要求。

3 结论

(1) 采用机械搅拌和超声波分散相结合的方法制备了稳定性优良的纳米ATO醇性浆料，静置3个月后观察无明显可见的沉降物，其粒径分布在80 ～ 150 nm之间，满足制备透明隔热涂料的条件。

(2) 当ATO/PVB质量比为1∶8，膜厚75 ～ 100 μm时，涂膜玻璃的透光隔热性能最好，可见光透过率可达87.04%，红外光阻隔率可达66.12%，在模拟光源照射下，与空白玻璃相比温差可达5 ～ 8 °C。

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[ 编辑：杜娟娟 ]

Preparation and properties of transparent nano-ATO/PVB thermal insulation coating

HUANG Ju*，YANG Ying

Abstract:A transparent nano-ATO/PVB thermal insulation coating was prepared with polyvinyl butyral (PVB) as binder, antimony-doped tin oxide (ATO) nanoparticles as pigment, and ethanol as solvent by ultrasonic dispersion, and then coated on glass. The effects of ATO amount and coating thickness on transmittance and thermal insulation property of the coating were discussed. The results showed that the coating obtained at a pigment-to-binder ratio of 1:8 with a thickness of 75-100 μm has the best transparence and thermal insulation performance with a visible light transmittance of 87.04%, an infrared blocking rate of 66.12% and an equilibrium temperature difference of 5-8 °C, showing better performance than a commercial automotive heat-insulation film. It also presents a good comprehensive performance in water resistance, pencil hardness and adhesion strength.

Keywords:transparent thermal insulation coating; polyvinyl butyral; nano antimony-doped tin oxide; preparation

中图分类号：TQ630.7

文献标志码：A

文章编号：1004 － 227X (2016) 02 － 0058 － 05

作者简介：黄菊（1985－），女，四川内江人，博士，讲师，研究方向为功能涂料。

基金项目：徐州工程学院校级科研课题（XKY2013316）。

收稿日期：2015－09－05 修回日期：2015－11－07