李楚忠，劉曉國, *，劉志強(qiáng)

（1.廣州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.贛州永安安全生產(chǎn)科技服務(wù)有限公司，江西 贛州 341000）

隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，節(jié)能環(huán)保受到了越來越多的關(guān)注。對于建筑物較大面積的玻璃窗口及透明頂棚、汽車車窗等，太陽光的熱輻射會增加空調(diào)的使用，造成能源的浪費(fèi)。普通玻璃雖然透光性好，但在隔熱方面存在著很大的缺陷。傳統(tǒng)的解決方案是使用金屬鍍膜熱反射玻璃或各種熱反射貼膜等產(chǎn)品來達(dá)到降溫的目的，但這些產(chǎn)品往往因其在可見光區(qū)透過率低、工藝條件復(fù)雜、價格昂貴等原因，限制了其推廣應(yīng)用[1-2]。而銻摻雜二氧化錫(簡稱ATO)納米半導(dǎo)體材料具有獨(dú)特的光電性能和氣敏特性，被廣泛應(yīng)用于氣敏元件、防輻射抗靜電涂層、催化劑以及紅外吸收阻隔材料等領(lǐng)域。研究證實(shí)，納米ATO 制成的膜有很高的紅外屏蔽效果和可見光區(qū)良好的透過率[3-5]。水性納米透明隔熱涂料不僅具有高效節(jié)能的效果，而且具有綠色環(huán)保、健康安全的綜合優(yōu)勢，作為溶劑型玻璃納米透明隔熱涂料的替代產(chǎn)品，其市場前景廣闊，且對于國家提倡的節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)有深刻的現(xiàn)實(shí)意義和積極的社會意義。

本文先合成了性能良好的水溶性氟丙樹脂，采用共混法將水溶性氟丙樹脂與水性納米ATO 分散液共混，制備水性納米ATO 透明隔熱涂料。在良好的隔熱性能的基礎(chǔ)上，氟元素的特殊功能賦予了漆膜更好的耐沾污性、耐候性以及耐化學(xué)品性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原料及儀器

本實(shí)驗(yàn)所用到的一些主要實(shí)驗(yàn)原料和試劑如下：丙烯酸丁酯(BA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)、丙烯酸(AA)、甲基丙烯酸羥乙酯(HEMA)、雙丙酮丙烯酰胺(DAAM)、己二酰肼(ADH)、含氟丙烯酸單體(FB)、偶氮二異丁腈(AIBN)、乙醇、丙二醇甲醚(PM)，市售化學(xué)純；UV-A 紫外線吸收劑和N,N-二甲基乙醇胺(ADEA)，市售工業(yè)級；水性納米ATO 分散液(WATO，固含量40%，平均粒徑87.14 nm)、去離子水，自制。

主要實(shí)驗(yàn)儀器：SM-1 砂磨攪拌分散機(jī)，長沙天創(chuàng)粉末技術(shù)有限公司；3101UV 紫外-可見光-近紅外分光光度計，日本島津公司；LS102 光學(xué)透過率測試儀，深圳市林上科技有限公司；JJ-100W 電動攪拌機(jī)，深圳市瑞鑫達(dá)科教儀器貿(mào)易部；ZKYY-2L 恒溫油浴鍋，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；隔熱效果測試裝置，自制。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 水性氟丙樹脂的合成

按配方將BA、AA、MMA、HEMA、DAAM 等丙烯酸單體以及含氟丙烯酸單體FB[占丙烯酸單體總量的20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)]、引發(fā)劑AIBN 混合均勻，裝入到分液漏斗中備用；按配方量將丙二醇甲醚(占單體總量的50%)加入到四口燒瓶中，并向四口燒瓶中充入氮?dú)猓訜嶂?10 °C，開始向燒瓶中滴加混合均勻的單體混合物，溫度控制在(110 ± 2) °C，時間控制在2.5 ～ 3.0 h 滴加完，然后保溫4.0 h；真空抽出部分反應(yīng)介質(zhì)PM，降溫至60 °C，加入占AA 用量80%的ADEA，攪拌0.5 h，制備得到水性有機(jī)氟改性丙烯酸樹脂(固含64.24%)。

丙烯酸單體的用量如下(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示)：

BA 29%

MMA 45%

AA 10%

HEMA 10%

DAAM 6%

1.2.2 水性納米ATO 透明隔熱涂料的制備

采用共混法制備水性納米透明隔熱涂料。取一定量的水溶性氟丙樹脂，加入計量好的ADH，適量的乙醇、PM 以及去離子水?dāng)嚢杈鶆?，在攪拌下按配方加入水性WATO 分散液，攪拌均勻，然后加適量的增稠劑、流平劑、消泡劑等各種水性助劑，混合均勻即可制得水性納米ATO 透明隔熱涂料。納米ATO 透明隔熱涂料配方如下(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示)：

水性氟丙樹脂(固含64.24%) 30%

乙二酰肼溶液(ADH，固含12%) 10%

水性納米ATO 分散液(固含40%) 0 ～ 30%

去離子水 10% ～ 30%

乙醇、丙二醇甲醚、水性助劑等 適量

1.2.3 涂膜制備

把所制得的水性納米ATO透明隔熱涂料用線棒涂布器均勻涂覆于100 mm × 100 mm × 3 mm 的玻璃片(白玻)上，控制漆膜厚度為(10 ± 1) μm，在常溫下(30 ± 2) °C 固化24 h，即得透明隔熱涂膜。

1.3 性能測試與表征

1.3.1 光學(xué)性能表征

用光學(xué)透過率測試儀以及島津UV3101 型紫外-可見光-近紅外分光光度計測定水性納米透明隔熱涂料涂層在波長250 ～ 2 500 nm 范圍內(nèi)的透射光譜曲線，考察涂膜樣品在各個波段的光學(xué)透過特性。

1.3.2 隔熱性能的測定

隔熱性能測試實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，將配好的不同配比的隔熱涂料涂覆于100 mm × 100 mm × 3 mm 的玻璃上，與沒有涂膜的同樣規(guī)格的空白玻璃片進(jìn)行比較，模擬日照條件，采用500 W 的碘鎢燈光源發(fā)射放熱，箱頂溫度均控制在(40 ± 1) °C，照射時間為6 h，每隔1 h 記錄玻璃片下層溫度，取其算術(shù)平均值作為溫度數(shù)據(jù)，用此分析涂料的隔熱性能。隔熱效果測試裝置見圖1。

圖1 隔熱效果測試裝置示意圖 Figure 1 Schematic diagram of the device for testing the heat insulating effect

2 結(jié)果與討論

2.1 水性納米ATO分散液用量對漆膜光學(xué)性能的影響

根據(jù)涂膜性能要求，在確定水性氟丙樹脂清漆配方的基礎(chǔ)上，改變WATO 用量，用黃金分割法設(shè)計實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，在0 ～ 30%之間取點(diǎn)考察不同WATO 隔熱漿料的添加量對產(chǎn)品漆膜隔熱性能的影響，結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，水性納米ATO 漿料的用量越大，漆膜的紅外光透過率就越低，也就是漆膜的紅外阻隔效果越好，最高的紅外阻隔可以達(dá)到86.74%；隨著水性納米ATO 漿料用量的增加，漆膜的可見光透過率呈下降趨勢；而紫外光透過率下降的趨勢緩慢，說明納米ATO 對紫外線的吸收效果不是很好。根據(jù)玻璃隔熱 涂料的要求，既要有較高的紅外光阻隔，又必須有較高的可見光透過率，保持玻璃的通透性。因此，納米ATO 的含量并不是越高越好，從圖中可以得出納米ATO 的最佳添加量為25.62%，其紅外阻隔率可以達(dá)到80.21%，同時可見光透過率可以達(dá)到80.56%，達(dá)到玻璃隔熱涂料的要求。

圖2 納米ATO 漿料添加量對漆膜光學(xué)性能的影響 Figure 2 Influence of the content of nano-ATO slurry on optical property of the film

2.2 涂膜的隔熱性能測試結(jié)果分析

將制備有涂膜的白玻置于自制的500 W 碘鎢燈隔熱裝置下，設(shè)定加熱至40 °C，與空白玻璃進(jìn)行比較，不同ATO含量的涂膜在不同光照時間下的溫度測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同樣品隔熱效果測試結(jié)果 Figure 3 Test results of insulating effect of different samples

從圖3可以看出，與空白試樣相比較，涂上水性納米透明隔熱涂料的玻璃片具有良好的隔熱效果，隨著水性納米ATO 分散液添加量的增加，玻璃的隔熱效果越來越好，添加量為30%時，隔熱性能最好，與空白樣相比，平衡溫度最高相差了7.4 °C。但考慮到成本以及隔熱玻璃透明度的要求，選擇25.62%的納米ATO漿料，其平衡溫度與空白樣相差6.8 °C，既保證良好的隔熱效果同時又有較高的可見光透過率。

2.3 紫外線吸收劑添加量對漆膜光學(xué)性能的影響

為了提高產(chǎn)品的隔熱性能，在添加25.62%納米ATO 隔熱漿料的基礎(chǔ)上，添加經(jīng)實(shí)驗(yàn)篩選的紫外線吸收劑UV-A，并考察紫外線吸收劑不同用量對漆膜紫外線透過率的影響，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯贤夤馔高^率隨著UV-A 用量的增加而呈下降趨勢，當(dāng)UV-A 的用量為3%時，漆膜的紫外光透過率僅為20.12%，之后，繼續(xù)增加其用量，紫外線透過率變化不大。因此，從成本和實(shí)際效果考慮，選擇紫外線吸收劑UV-A 添加量為3%。

圖4 紫外線吸收劑用量對漆膜紫外光透過率的影響 Figure 4 Influence of the content of UV absorbent on UV transmittance of the film

2.4 漆膜在250 ～ 2 500 nm 波長范圍的透射光譜分析

確定納米ATO 隔熱漿料添加量為25.62%、紫外線吸收劑UV-A 添加量為3%，制備了水性氟丙樹脂納米透明隔熱涂料，按涂膜制備方法制備涂膜，通過島津UV3101 型紫外-可見光-近紅外分光光度計測定涂膜在波長250 ～ 2 500 nm 范圍內(nèi)的透射光譜曲線，結(jié)果如圖5所示。

圖5 隔熱涂層在250 ～ 2 500 nm 波長的透射光譜曲線 Figure 5 Transmittance curve of insulation coating at wavelength 250-2 500 nm

從圖5可以看出，試樣在波長400 ～ 800 nm 之間具有較高的透過率，而在波長800 ～ 2 500 nm 的紅外光區(qū)具有較好的阻隔效果，特別是波長在1 400 ～ 2 500 nm之間對紅外光的阻隔效果特別明顯，與文獻(xiàn)[6-7]報道的一致。這說明本文制備的水性納米透明隔熱涂料具有良好的隔熱效果，其紅外阻隔率達(dá)到80.21%，可見光透過率為78%，紫外光透過率為20.12%。

2.5 水性納米透明隔熱涂料的基本性能

對以納米ATO 隔熱漿料添加量為25.62%、紫外線吸收劑UV-A 添加量為3%制備的水性氟丙樹脂納米透明隔熱涂料涂膜的綜合性能進(jìn)行了測試，結(jié)果如表1所示。從表中可以得出，水性氟丙樹脂納米隔熱涂料具有優(yōu)異的漆膜性能及良好的隔熱效果，達(dá)到了隔熱涂料的基本要求，具有較好的應(yīng)用前景和市場價值。

表1 水性氟丙樹脂納米隔熱涂料涂膜性能測試結(jié)果 Table 1 Test results of film performance of water-based fluorine-containing acrylate resin nano heat-insulating coating

3 結(jié)論

通過連鎖聚合方法合成了能常溫固化的水性含氟丙烯酸樹脂，將所合成的樹脂與水性納米ATO 分散液混合制備了水性納米含氟丙烯酸透明隔熱涂料，當(dāng)水性納米漿料WATO 的添加量為25.62%，同時加入3%的紫外線吸收劑UV-A，制得的水性納米含氟丙烯酸透明隔熱涂料涂膜的附著力為0 級，硬度2H，耐沾污性試驗(yàn)1 級，耐老化時間480 h，具有較好的可見光透過率和較好的紅外光、紫外光阻隔率，其紅外阻隔率達(dá)到80.21%，可見光透過率為 78%，紫外光透過率為20.12%，實(shí)現(xiàn)了較好的隔熱效果。

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