纳米ATO透明隔热涂料分散工艺的研究

data-full-width-responsive="true"> 纳米ＡＴＯ透明隔热涂料分散工艺的研究余桂英１　李　兵２　李小兵１＊　周　川３　魏　杨１　付雪梅２（１．南昌大学机电工程学院，南昌３３００３１；２．南昌大学材料科学与工程学院，南昌３３００３１；３．南昌大学资源环境与化工学院，南昌３３００３１）建筑能耗在人类整个能源消耗中所占的比例一般在３０％～４０％，它们绝大多数是采暖和空调造成的能耗，门窗是建筑能量损失的最薄弱部位，面积约占建筑外维护结构面积的３０％，其能量耗散约占建筑总能耗的２／３，是建筑节能的关键。纳米透明隔热涂料是新发展的一种功能性涂料，有良好的可见光透过率和很高的红外屏蔽效果，用于门窗玻璃节能具有很高的应用价值和广阔的应用前景。在建筑玻璃隔热涂料中，纳米ＡＴＯ的隔热效果好，成本低，是目前主流的纳米隔热粉体材料。纳米ＡＴＯ在涂料体系中的分散和稳定是研制透明隔热水性纳米涂料的关键，浆料分散效果的好坏直接决定了涂料的性能。美国和日本对透明隔热水性纳米涂料的研究开发起步较早，处于世界前列，且多以专利形式公布。国内对透明隔热水性纳米涂料的研究起步较晚，但也取得了较好成绩。近年来，关于纳米ＡＴＯ分散液的制备已有不少的报道，纳米ＡＴＯ 颗粒的分散技术有了一定提高，但纳米ＡＴＯ的分散程度与稳定性仍有待进一步提高与深入研究。为此研究ＡＴＯ纳米浆料的制备及其分散稳定性对研制纳米透明隔热涂料意义重大。本研究分散剂种类、分散方法和分散时间对纳米ＡＴＯ浆料分散效果的影响和制备涂料透过率不同导致隔热效果的差异，为制备性能优异的纳米ＡＴＯ透明隔热涂料提供参考。１　实验部分１．１　试剂与仪器纳米氧化锡锑、硅烷偶联剂，江苏淮安逸振公司；水性聚氨酯，泰兴中纺助剂厂；螯合型分散剂２３２０、离子型分散剂２３２１、嵌段型分散剂２３２７、附着力促进剂，深圳海川化工有限公司；流平剂，广州市众庆胶粘制品有限公司；增稠剂，广州宣宁化工科技有限公司；成膜助剂；消泡剂；润湿剂；ｐＨ调节剂。隔热膜温度测试仪，深圳市林上科技有限公司；紫外可见分光光度计，上海美谱达仪器有限公司；环境扫描电子显微镜（Ｑｕａｎｔａ　２００Ｆ），荷兰ＦＥＩ公司；超声分散机，昆山市超声仪器有限公司；电子恒速搅拌器（ＧＳ２８－Ｂ），上海安亭电子仪器厂；ＺＢＱ四面湿膜制备器，上海魅宇仪器设备有限公司。１．２　纳米ＡＴＯ浆料的制备取一定量的ＡＴＯ纳米粉体于锥形瓶中，加入一定量的去离子水，磁力搅拌条件下按一定配比先后加入硅烷偶联剂ＫＨ－５７０（对ＡＴＯ粒子表面进行化学改性）、分散剂使其混合均匀，调节ｐＨ值为７～９，然后利用电子恒速搅拌器进行高速剪切、超声分散机进行超声处理至设定时间后取出浆料，以备用。浆料配方如表１所示。１．３　透明隔热涂料的制备在磁力搅拌条件下，将纳米ＡＴＯ水性浆料加入水性聚氨酯中，并依次按一定比例加入一定量的润湿剂、分散剂、增稠剂、成膜助剂、流平剂，调节ｐＨ值为７～９，进行高速剪切分散和超声分散，得到ＡＴＯ水性聚氨酯透明隔热玻璃涂料。搅拌过程中若出现大量气泡时，滴加消泡剂消泡。涂料配方如表２所示。１．４　测试与表征隔热性能，采用２００ｍｍ１６０ｍｍ ３ｍｍ 规格的涂膜平板玻璃片，用隔热膜温度测试仪测试，与空白玻璃对比，以隔热温差为隔热效果衡量标准。光学性能，采用７５ｍｍ２５ｍｍ１ｍｍ规格的涂膜载玻片，按ＧＢ／Ｔ２６８－１９９４标准用紫外可见分光光度计测量其在紫外光（１９０～１１００ｎｍ）、可见光（３８０～７８０ｎｍ）和红外光区的透过率。分散效果，用环境扫描电子显微镜观察透明隔热玻璃涂料中ＡＴＯ 颗粒的粒径和分布均匀性。２　结果与分析２．１　分散剂种类的影响对于纳米粉体在液体中的分散，仅采用物理分散方法并不能得到分散均匀稳定的分散液，故需要在体系中添加合适的分散剂，以获得稳定分散的分散液。在对多种分散剂分散效果研究的基础上，选择３种不同类型的分散剂（螯合型分散剂２３２０，离子型分散剂２３２１，嵌段型分散剂２３２７）对纳米ＡＴＯ浆料进行分散处理。在相同工艺条件下（先高速剪切２ｈ，再超声处理２０ｍｉｎ）将所得到的分散液制备成涂料，得到涂料的透过率如图１所示。由图１可知，与空白玻璃相比，不同的分散剂对涂料的隔热效果有明显的影响。离子型分散剂２３２１因在水溶液中能更好的离解而适用于水性聚氨酯环境，图１中可看到涂料的红外光透过率最低，达到６０％以下，隔热效果最好，但是可见光透过率低，无法满足透明性的要求。螯合型分散剂２３２０与嵌段型分散剂２３２７相比，在满足透明性的要求上，２３２０的红外阻隔效果更好，故以２３２０分散剂分散ＡＴＯ粉体，制备的涂料性能较为优异，原因在于与嵌段型分散剂和ＡＴＯ之间的作用力相比，螯合型分散剂２３２０与ＡＴＯ形成的螯合物更稳定。２．２　分散工艺的影响选择ＡＴＯ 粉体为浆料总质量的８％，硅烷偶联剂ＫＨ－５７０用量为浆料总质量的２％和分散剂用量为总质量的１％的基础上，采用高速剪切分散和超声分散相结合的方法分散纳米ＡＴＯ 粉体，试验结果如表３所示。由上表３可知，只用单纯的高速剪切分散或超声分散时，浆料的稳定性差，一段时间后浆料就会产生团聚而沉淀。将两种分散方法结合后，纳米ＡＴＯ 粉体在经过高速剪切分散后，又经超声空化作用，其团聚体被进一步分散细化，从而表现出良好的分散稳定性。２．２．１　浆料的不同高速剪切时间对涂料透过率和隔热效果的影响纳米ＡＴＯ浆料不同高速剪切分散时间（１ｈ～３ｈ）制备涂料的透过率和隔热效果如图２和图３。　高速剪切分散是依靠高速旋转的叶片将物料在容器内剧烈搅拌，从而产生强烈的剪切和拉拽作用，使团聚体被破坏，以达到迅速分散和均匀混合的目的。由图２可以看出，空白的水性聚氨酯涂层在整个波长范围内透过率变化不大且保持在较高的数值上，对红外光没什么阻隔作用。对于相同的ＡＴＯ浆料，不同的剪切分散时间所得浆料制备的涂料中，分散２ｈ与分散２．５ｈ制备的涂料红外透过率最低且相近，而分散２ｈ的可见光透过率较高，从隔热效果图３也可以看出，高速剪切分散２ｈ制备的涂料温差可达到４．３℃，隔热效果明显。故综合考虑，高速剪切分散２ｈ为最佳。２．２．２　浆料的超声分散时间对透过率和隔热效果的影响分析纳米ＡＴＯ浆料不同超声分散时间（１０～５０ｍｉｎ）对制备涂料透过率和隔热效果的影响如图４和图５所示。超声分散中，超声空化作用产生的高温高压将加速水分子的蒸发，防止氢键形成。另外它产生的冲击波和微射流具有粉碎作用，可使已形成的团聚体破碎，使其表面能削弱。由图５可知，分散时间为２０ｍｉｎ的涂料隔热效果十分突出，图４中分散１０ｍｉｎ和２０ｍｉｎ的涂料红外光透过率都比较低，将图４与图２对比可看到超声分散时间对涂料的影响比高速分散时间大，因而综合考虑选择最佳超声分散时间２０ｍｉｎ。２．３　纳米ＡＴＯ涂料分散情况的电镜观察采用扫描电子显微镜，对经过分散处理的ＡＴＯ浆料制成的涂料进行观察，其分散效果如图６（ｃ），涂料中ＡＴＯ粒子分散效果好，粒径大多数分布在１００ｎｍ附近，故涂料的隔热效果好。由图６（ｂ）可知，未经分散处理的纳米ＡＴＯ 粒子团聚非常严重，大块的团聚物粒径远远超过１００ｎｍ，最高可达到微米级别，ＡＴＯ粒子在涂料中分散效果极差，从而导致隔热效果不明显。通过选择合适的分散剂和优化的分散工艺可使纳米ＡＴＯ 粉体在浆料中获得有效分散，纳米ＡＴＯ 粉体团聚体基本被打散，粉体在浆料中稳定存在，即可制备出隔热效果优异的隔热涂料。３　结论研究了分散剂种类、分散工艺对纳米ＡＴＯ隔热透明涂料性能的影响，得出以下主要结论：（１）高速剪切分散与超声分散结合比采用单一分散工艺分散纳米ＡＴＯ浆料的效果更好；（２）考察不同的分散时间对涂料隔热性能的影响，结果表明高速剪切分散２ｈ，超声分散２０ｍｉｎ可得出分散较好的浆料，所制备的涂料隔热效果优异。（３）比较螯合型分散剂、离子型分散剂、嵌段型分散剂的分散效果发现，采用螯合型分散剂分散纳米ＡＴＯ浆料，在满足透明的前提下可得到较好隔热性能的涂料。