以模板法制備二氧化硅納米空心球及其保溫性能研究

孫義忠

(佛山市天寶利硅工程科技有限公司，廣東 佛山 528137)

以模板法制備二氧化硅納米空心球及其保溫性能研究

孫義忠

(佛山市天寶利硅工程科技有限公司，廣東 佛山 528137)

以陽離子化聚苯乙烯微球?yàn)槟０逡徊椒ㄋ庹杷嵋阴ブ苽涠趸杓{米空心球，得到直徑為200～500 nm之間、外形規(guī)整的二氧化硅納米空心球。將空心球作為保溫填料用于苯丙涂料后，對(duì)涂料保溫性能的測試結(jié)果表明二氧化硅納米空心球能顯著提高涂料的保溫性能。隨二氧化硅納米空心球在涂料中含量的增加，涂料的保溫性能越好，并且由于其粒徑小，并不影響涂料外觀。

二氧化硅；空心球；聚苯乙烯；保溫涂料

節(jié)能環(huán)保型社會(huì)是未來社會(huì)發(fā)展的目標(biāo)。在建筑業(yè)中，保溫隔熱涂料已得到廣泛關(guān)注[1-3]。目前保溫隔熱涂料種類繁多，但都有各種各樣的缺陷，其總的發(fā)展趨勢之一就是保溫隔熱涂料薄層化。這就需要所用的功能填料的保溫隔熱效率要高。而填料的導(dǎo)熱系數(shù)和粒徑是影響其保溫隔熱性能的主要因素。一般來說，如果材料中含有孔隙(即含有不流動(dòng)的空氣)，其導(dǎo)熱系數(shù)就會(huì)變得很低。因此在制備保溫隔熱涂料時(shí)，優(yōu)先選用多孔輕質(zhì)的材料[4]。目前有利用海泡石、中空陶瓷微珠、中空玻璃微珠等作為功能填料的涂料[5]，但是，卻沒有發(fā)現(xiàn)二氧化硅空心球在保溫隔熱涂料中應(yīng)用的報(bào)道。因此本文擬利用陽離子化的聚苯乙烯(PS)微球?yàn)槟０迥０逯苽涠趸杩招募{米球，并對(duì)其在涂料中的保溫性能進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

正硅酸乙酯(TEOS)，苯乙烯，過硫酸鉀，AIBN，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，CaCl2，NaHCO3和β- (甲基丙烯酰基)乙基三甲基氯化銨(MTC)，均為分析純，購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；無水乙醇，分析純，購自天津市大茂化學(xué)試劑廠；丙烯酸丁酯，化學(xué)純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；氨水(25%)，分析純，萊陽市康德化工有限公司。透射電子顯微鏡(TEM)，JEOL H-600日本電子公司；掃描電子顯微鏡(SEM)，Hitachi S-3000N日立電子公司。

1.2 二氧化硅納米空心球的制備

空心球的制備方法參考文獻(xiàn)[6]。典型步驟如下：將1.5 gPVP，5.0 g H2O以及22.5 g 乙醇置于250 mL四口圓底燒瓶中，劇烈攪拌，形成均相溶液。稱取5 g苯乙烯溶解0.2 g AIBN后，用滴管緩慢滴加到上述體系之中。通入氮?dú)? h，升溫到70°C，反應(yīng)1.5 h。將5.0 g苯乙烯、0.39 gMTC和22.5 g 乙醇配成溶液加入到上述體系中繼續(xù)反應(yīng)24 h。將反應(yīng)液冷卻到后加入6.0 g TEOS在50℃下反應(yīng)10min，再加入1 mL氨水和2 g TEOS反應(yīng)10min，重復(fù)上述步驟，直到氨水總量達(dá)到4 mL ，TEOS量達(dá)到12 g。保持50 ℃反應(yīng)1 h，離心，干燥。

1.3 苯丙乳膠漆與保溫涂料的制備

乳膠漆的配制參考高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)。稱取過硫酸鉀加水8 g 配成溶液備用，碳酸氫鈉加水5 g 溶解備用，稱取陰離子表面活性劑 1.31 g 加入63 g 水中攪拌配成水溶液，再加入非離子活性劑3.28 mL，稱取聚乙烯醇0.3 g攪拌配成水溶液。在上述溶液中加入原料進(jìn)行單體預(yù)乳化，包括苯乙烯，丙烯酸丁酯，丙烯酸，劇烈攪拌30min后，成穩(wěn)定的乳白色混合物。在三口燒瓶中加入1/3的引發(fā)劑水溶液，再加入1/4預(yù)乳化液，慢慢升溫至有藍(lán)光產(chǎn)生，溫度控制在80℃之間。把剩余的乳化液和剩余引發(fā)劑連續(xù)滴加入三口瓶中，在2～3 h 內(nèi)滴完。加完乳液后，88 ℃下保溫反應(yīng)1 h，待反應(yīng)完全，冷卻至40 °C以下，調(diào)節(jié)pH值在8～9 之間，即得具有微藍(lán)色乳光的乳白色粘稠狀液體苯丙乳液。將一定量的水放入裝置好的高速攪拌機(jī)中，首先在比較低的速度下慢慢加入成膜助劑、增稠劑、消泡劑、防酶劑、分散劑攪拌10min，待混合均勻之后，將剩余藥品慢慢的倒進(jìn)高速攪拌機(jī)中，加完后，繼續(xù)高速分散約30min，之后在攪拌的情況下再加入苯丙乳液、pH調(diào)整劑和消泡劑，控制攪拌速度，看涂料粘稠程度是否合適，根據(jù)粘稠程度適當(dāng)加水，用量約在50 mL，得到苯丙乳膠漆。將一定量二氧化硅納米空心球作為保溫材料加到上述涂料中攪拌均勻，即得具有保溫性能的涂料。

1.4 涂料保溫性能的測試

采用一個(gè)40 cm*25 cm*10 cm的聚苯乙烯泡沫保溫箱作為一個(gè)與外界隔熱的封閉空間，泡沫箱的厚度為3 cm，在保溫箱的頂部正中開一個(gè)10 cm*5 cm的缺口，用以放置待測試板。選擇紅外燈作為熱源，放在泡沫箱正中間上方，模擬日光照射進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)。測試時(shí)，待測試板下方放置一個(gè)精密溫度計(jì)，使溫度計(jì)的測溫頭與被測樣板的背面保持正對(duì)。打開紅外燈之后，調(diào)節(jié)光源，使光線盡可能照射在樣板涂料上，開始測試。利用秒表，并記錄原始溫度t1，每隔5min記錄一次精密溫度計(jì)的讀數(shù)，計(jì)數(shù)為t2，t3……四十分鐘后停止，共計(jì)9個(gè)數(shù)字，然后記錄8個(gè)溫度差，分別記作△t1， △t2， △t3……根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)涂料升高的數(shù)值的對(duì)比，可以分析保溫材料在涂料中的保溫性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 二氧化硅納米空心球

以陽離子化聚苯乙烯微球?yàn)槟０逡徊椒ㄖ苽涠趸杓{米空心球的形貌和大小如圖1所示。

圖1 以陽離子化聚苯乙烯微球?yàn)槟０逡徊椒ㄖ苽涠趸杓{米空心球的透射電鏡

由圖1可觀察到，二氧化硅空心納米球的孔徑在200～500nm之間，二氧化硅納米空心球的成型非常規(guī)整，成均勻的球形結(jié)構(gòu)，空心球內(nèi)部光感清析，無雜質(zhì)，球體表面圓潤，沒有任何破碎，塌陷等現(xiàn)象。在掃描電鏡下可以觀察到二氧化硅納米微球的外形非常圓潤，表面光滑，球體分散性好，不會(huì)影響到涂料的厚度及表面的光滑程度，可以用來做涂料的保溫填料。

2.2 涂料保溫性能測試

將對(duì)涂料的保溫性能進(jìn)行測試所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做曲線，討論保溫材料的含量對(duì)涂料保溫性能的影響。所得結(jié)果如圖2所示。

二氧化硅空心球加入量(10 mL涂料)：A:0.5 g；B：1.0 g； C 1.5 g；D：2.1 g；H：涂料基底，未添加保溫材料圖2 二氧化硅納米空心球在涂料中用量不同保溫性能測試曲線

相對(duì)于H線，A、B、C、D線位于其下位置。由于線上折點(diǎn)表示的意義是單位時(shí)間間隔內(nèi)保溫箱內(nèi)溫度變化量，所以折線位置越低，所代表的涂料的保溫性能越好。由此說明A、B、C、D四種涂料都具有一定的保溫性能，即說明二氧化硅納米空心球在涂料中表現(xiàn)了其保溫的特性。圖中A線(含保溫材料3.6%)完全位于D線(含保溫材料15%)之上，B.C兩線間隔較小并略有交叉，B線基本位于C線之上，折線整體趨勢自上向下是A、B、C、D，說明隨保溫涂料百分含量的增加，涂料的保溫性能逐步提高。在時(shí)間為15min時(shí)溫差線間隔最大，含有15%二氧化硅空心納米球的涂料較涂料基體在單位時(shí)間內(nèi)溫度差近0.6 ℃，保溫性能顯著。

3 結(jié)論

利用陽離子化聚苯乙烯微球?yàn)槟０逡徊椒ㄖ苽涠趸瑁梢缘玫酵庑物枬M完整，粒徑在200～500 nm之間的納米空心球，適合做涂料的保溫填料。二氧化硅納米空心球?qū)τ谕苛媳匦阅艿母纳菩Ч黠@，隨著涂料中納米空心球質(zhì)量比例的增加涂料的保溫性能越好，單位時(shí)間內(nèi)溫差隨保溫涂料的增加而減小。并且由于二氧化硅納米空心球粒徑較小，分布均勻，加入涂料后涂料無明顯表觀變化，可以滿足涂料薄層化的要求。此外，二氧化硅無毒無味，耐候性好，安全環(huán)保，在涂料保溫方面應(yīng)用具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。 因此，將二氧化硅納米空心球作為涂料的保溫填料具有潛在的應(yīng)用前景。

[1] 李靜宇,王 培.摻雜納米SiO2建筑涂料的制備及性能研究[J].衡水學(xué)院學(xué)報(bào)，2016,18(1):15-17.

[2] 林宣益.反射隔熱涂料隔熱保溫系統(tǒng)[J].中國涂料,2017,32(1):13-15.

[3] 姚夢(mèng)佳,李春福,何俊波,等.隔熱保溫涂料的研究發(fā)展及應(yīng)用[J].表面技術(shù),2015,44(7):61-64.

[4] 劉加平.建筑物理[M].中國建筑工業(yè)出版社,2000:2.

[5] 張夏真.水性保溫隔熱涂料的制備及其性能研究[M].大連:大連海事大學(xué)，2011.

[6] 鄧字巍,陳 敏,周樹學(xué),等. 一種制備單分散SOi2空心微球的新方法[J].高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào),2006,27(10):1795-1799.

(本文文獻(xiàn)格式：孫義忠.以模板法制備二氧化硅納米空心球及其保溫性能研究[J].山東化工,2017,46(13):24-25,29.)

Preparation of SiO2Hollow Nanospheres by Using a Template Method and Their Heat-insulating Property

SunYizhong

(Foshan Tianbaoli Silicon Engineering Technology Co.,Ltd.,Foshan 528137,China)

In this paper,SiO2hollow nanospheres with diameters of 200～500 nm are prepared by using cation-functionalized polysterene microspheres as templates and tetraethyl orthosilicate (TEOS) as reactants. SiO2nanospheres are added into styrene-acrylic emulsion to prepare a kind of heat-insulating coating. Results show that the coatings exhibit good thermal insulating property after the addition of SiO2nanospheres. The property grows up when the amount of SiO2nanospheres in the coating is increased. And also,the addition of such hollow shperes doesn't affect the appearance of the latex paint due to the nano-sized diameters.

SiO2；hollow nanosphere; polysterene；heat-insulating; coating

2017-05-06

孫義忠(1971—)，男，山東萊蕪人，高級(jí)工程師，從事有機(jī)硅與微納米材料研究。

TQ630.4

A

1008-021X(2017)13-0024-02