創(chuàng)意家居新材料
——能監(jiān)控溫度變化的水性乳膠漆復(fù)合涂料*

黃 海，潘朝宇，梁瀟瑤，黃同瑞，宋世恒，高 然，陸振歡

（桂林理工大學(xué) 化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

1 概述

在建筑家居的墻面裝飾領(lǐng)域中，目前主要包括：乳膠漆、壁紙、硅藻泥。乳膠漆又稱(chēng)為合成樹(shù)脂乳液涂料，是有機(jī)涂料的一種，是以合成樹(shù)脂乳液為基料加入顏料、填料及各種助劑配制而成的一類(lèi)水性涂料。乳膠漆因其環(huán)保、施工方便、涂膜干燥快、透氣性好、耐水性好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于建筑涂料上[1]。

如今，傳統(tǒng)涂料的裝飾和簡(jiǎn)單的保護(hù)作用早已滿(mǎn)足不了現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)代涂料不但要有裝飾或保護(hù)作用，還要兼具其他一種或多種功能，比如隔熱保溫、耐高溫、耐特殊介質(zhì)腐蝕、自潔性、高絕緣性、高耐磨性、防火性等。因此，功能性特種涂料就應(yīng)運(yùn)而生了，從而也是未來(lái)智能家居的發(fā)展方向之一。隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出各種具有特殊功能的涂料，其獨(dú)特的性能使許多產(chǎn)品和設(shè)備的性能得以充分發(fā)揮，成為涂料工業(yè)中不可缺少的新品種。尤其是一些在特殊環(huán)境里應(yīng)用的產(chǎn)品特種方面的需要，促進(jìn)了功能性特種涂料的研制和開(kāi)發(fā)。如今，該領(lǐng)域正在形成一個(gè)規(guī)模宏大的高科技產(chǎn)業(yè)群，各種新涂料已經(jīng)與尖端科學(xué)技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)，有著十分廣闊的市場(chǎng)前景和極為重要的戰(zhàn)略意義。

PEDOT：PSS 導(dǎo)電聚合物是一種性能優(yōu)越的新型功能聚合物材料，已在多個(gè)研究領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注。其是聚電解質(zhì)復(fù)合物，由聚陽(yáng)離子聚（3，4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）和聚陰離子聚苯乙烯磺酸鹽（PSS）按一定比例混合而成[2]。PEDOT 由多個(gè)PEDOT 單體聚合而成，結(jié)構(gòu)如圖1 所示，整條鏈上的噻吩環(huán)連接形成一大的π 鍵共軛系統(tǒng)。因此 PEDOT 鏈導(dǎo)電性?xún)?yōu)良，且電學(xué)性質(zhì)跟摻雜濃度有關(guān)。然而 PEDOT 鏈幾乎不溶于各種溶劑中，所以引入易溶于水的 PSS，與之形成穩(wěn)定的聚電解質(zhì)復(fù)合物PEDOT：PSS 的分散液。

2 論文立意

有機(jī)導(dǎo)電材料通過(guò)π 電子軌道重疊交蓋所形成的共軛π 電子體系，作為導(dǎo)電能帶為載流子的轉(zhuǎn)移和躍遷提供通道[3]。其導(dǎo)電能力的高低由本身的能級(jí)、電子遷移、缺陷等等因素決定。但影響最大的外部因素則是溫度，前期研究報(bào)道證明了升高溫度能提高有機(jī)導(dǎo)電材料的導(dǎo)電性能。

圖1 PEDOT：PSS 的結(jié)構(gòu)

本文利用上述有機(jī)導(dǎo)電材料特性，將有機(jī)導(dǎo)電高分子聚合物PEDOT：PSS 的水溶液與常見(jiàn)的市售水性乳膠漆混合，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)在不同比例、厚度等條件下制備得到乳膠漆薄膜，研究該薄膜在不同溫度下的電阻率的變化，篩選出對(duì)溫度響應(yīng)最明顯的制備條件，從而研發(fā)出可監(jiān)控溫度變化的水性乳膠漆，該材料可作為建筑材料應(yīng)用于未來(lái)智能家居。

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

3.1 乳膠漆復(fù)合材料的制備

實(shí)驗(yàn)前將PEDOT：PSS 水溶液（質(zhì)量比為1.3%）放置磁力攪拌器上攪拌 1 小時(shí),混合均勻后使用。

選取了 6 組不同配比，分別以PEDOT：PSS/乳膠漆的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.3%，0.5%，0.8%，1%，2%，3%的比例將PEDOT：PSS 水溶液與乳膠漆混合，分別稱(chēng)取1g 的水性乳膠漆于25mL 的燒杯中，再依次加入0.23g，0.38g，0.62g，0.77g，1.54g，2.3g PEDOT：PSS 溶液，用玻璃棒充分?jǐn)嚢瑁齈EDOT：PSS 與乳膠漆完全混合后，通過(guò)集熱式磁力加熱攪拌器在80℃適當(dāng)加熱8 分鐘，加熱期間要利用攪拌棒均勻攪拌，防止加熱過(guò)程中加熱不均勻?qū)е聵悠反嬖陬w粒感，加熱后得到灰白色的懸濁液。

3.2 PEDOT：PSS-乳膠漆復(fù)合材料電學(xué)性能測(cè)試器件的制備

取干燥的玻璃（1.5cm*1.5cm），在其表面貼上導(dǎo)電碳膠，用寬0.2cm 的銅箔作為下電極將其引出并用透明膠帶固定。用鑷子固定住玻璃基底的同時(shí)，將配置好的混合液均勻的涂在玻璃基底上，制得的膜要將電極完全覆蓋。將制備好的薄膜放置在一旁自然晾干，為了確保水分完全蒸發(fā)晾干后放在加熱臺(tái)上80℃退火30min。用導(dǎo)電銀膠粘寬0.2cm 的銅箔作為上電極，上下電極重疊的部分（0.2cm*0.2cm）為有效面積，之后放入烘箱中60℃加熱半小時(shí)使銀膠蒸發(fā)變干，得到制備好的PEDOT：PSS-乳膠漆復(fù)合材料測(cè)試器件（如圖2 所示）。

3.3 電阻測(cè)試方法

涂膜電阻采用萬(wàn)用表測(cè)定。測(cè)試時(shí)使用電阻接線方式。通過(guò)式磁力加熱攪拌器進(jìn)行加熱改變樣品溫度，每隔5℃測(cè)量一次，測(cè)量至100℃（如圖3 所示）。

圖2 PEDOT：PSS-乳膠漆復(fù)合材料電學(xué)性能測(cè)試器件

圖3 測(cè)試過(guò)程照片

3.4 數(shù)據(jù)分析

分別在不同溫度下，測(cè)試樣品的電阻，記錄數(shù)據(jù)以溫度-電阻率做圖，圖4 為不同質(zhì)量比PEDOT：PSS-乳膠漆薄膜的溫度-電阻率曲線。由于0.3%的質(zhì)量比在測(cè)試時(shí)電阻過(guò)大且不穩(wěn)定，因此未在圖中顯示。所得樣品的厚度從 0.5%，0.8%，1%，2%，3%的比例樣品分別為 235um，268um，270um，255um，300um。

從圖4 可以看出，在相同的膜厚下和退火條件下，不同質(zhì)量比的薄膜的電阻率均隨溫度升高而有規(guī)律的降低，在20-50℃的溫度區(qū)間里電阻率隨對(duì)溫度變化的尤為敏感。質(zhì)量比太高，如為2%，3%時(shí)的曲線相對(duì)于0.5%和0.8%更為平緩，可見(jiàn)高配比條件下制備的乳膠漆膜對(duì)溫度變化不敏感。另外，雖然圖中0.5%的曲線對(duì)溫度最敏感，但考慮到低配比條件下可能會(huì)出現(xiàn)摻雜劑PEDOT：PSS 分布不均的情況，如0.3%的質(zhì)量比在測(cè)試時(shí)電阻過(guò)大且不穩(wěn)定。因此，為了排除操作上的誤差，進(jìn)行了可重復(fù)性的驗(yàn)證。

圖4 不同質(zhì)量比PEDOT：PSS-乳膠漆薄膜電阻率隨溫度的變化曲線

3.5 可重復(fù)性驗(yàn)證

為了進(jìn)一步研究不同實(shí)驗(yàn)條件對(duì)所制備復(fù)合膜的性能影響。我們選定了0.8% 的質(zhì)量比，并且按照上文的制備方法制備了不同厚度的乳膠漆和PEDOT：PSS 復(fù)合膜并進(jìn)行電阻率的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同膜厚的溫度-電阻率曲線

如圖5 所示，測(cè)定了在不同膜厚下的電阻率的變化趨勢(shì)，可以看到在200-700um 膜厚范圍內(nèi)，電阻率隨著膜厚的增加變化不太明顯。說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，膜厚對(duì)電阻率的影響很小。此外，我們還制備了950um 膜厚的薄膜，但其電阻過(guò)大且不穩(wěn)定無(wú)法在圖中顯示，可能是因?yàn)楸∧ぬ瘢鋬?nèi)部出現(xiàn)摻雜劑不均勻引起的缺陷大量增加。

圖6 溫度-電阻率曲線的擬合結(jié)果

可通過(guò)擬合曲線來(lái)得到所制備薄膜電阻率與溫度的變化關(guān)系公式。我們選擇0.8%摻雜比、453um 膜厚的曲線，進(jìn)行擬合，如圖6 所示，即可得到電阻率隨溫度變化的規(guī)律公式，可使用該公式來(lái)以所測(cè)得電阻率計(jì)算溫度，從而達(dá)到監(jiān)控房屋的溫度變化的目標(biāo)。

4 結(jié)論

本文將有機(jī)導(dǎo)電高分子聚合物PEDOT：PSS 的水溶液與水性乳膠漆混合，利用有機(jī)導(dǎo)電材料特性，賦予乳膠漆材料可監(jiān)控溫度變化的性能。通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)在不同比例、厚度等條件下制備得到乳膠漆薄膜，研究該薄膜在不同溫度下的電阻率變化，發(fā)現(xiàn)其在20-50℃范圍的電阻率變化最為明顯。篩選出對(duì)溫度響應(yīng)最明顯的制備條件是PEDOT：PSS 質(zhì)量比為0.8%，且膜厚在200-700um 范圍內(nèi)性能重復(fù)性良好。最終，研發(fā)出了可監(jiān)控溫度變化的水性乳膠漆復(fù)合材料，這類(lèi)功能性特種涂料可以用于日常居住房屋溫度監(jiān)測(cè)，作為建筑材料應(yīng)用于未來(lái)智能家居。