創意家居新材料
——能監控溫度變化的水性乳膠漆復合涂料*

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 化學與生物工程學院，廣西 桂林 541004）

1 概述

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

如今，傳統涂料的裝飾和簡單的保護作用早已滿足不了現代工業的發展，現代涂料不但要有裝飾或保護作用，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運而生了，從而也是未來智能家居的發展方向之一。隨著現代科技的進步，已經開發出各種具有特殊功能的涂料，其獨特的性能使許多產品和設備的性能得以充分發揮，成為涂料工業中不可缺少的新品種。尤其是一些在特殊環境里應用的產品特種方面的需要，促進了功能性特種涂料的研制和開發。如今，該領域正在形成一個規模宏大的高科技產業群，各種新涂料已經與尖端科學技術的發展密切相關，有著十分廣闊的市場前景和極為重要的戰略意義。

PEDOT：PSS 導電聚合物是一種性能優越的新型功能聚合物材料，已在多個研究領域得到了廣泛關注。其是聚電解質復合物，由聚陽離子聚（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PEDOT 單體聚合而成，結構如圖1 所示，整條鏈上的噻吩環連接形成一大的π 鍵共軛系統。因此 PEDOT 鏈導電性優良，且電學性質跟摻雜濃度有關。然而 PEDOT 鏈幾乎不溶于各種溶劑中，所以引入易溶于水的 PSS，與之形成穩定的聚電解質復合物PEDOT：PSS 的分散液。

2 論文立意

有機導電材料通過π 電子軌道重疊交蓋所形成的共軛π 電子體系，作為導電能帶為載流子的轉移和躍遷提供通道[3]。其導電能力的高低由本身的能級、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，前期研究報道證明了升高溫度能提高有機導電材料的導電性能。

圖1 PEDOT：PSS 的結構

本文利用上述有機導電材料特性，將有機導電高分子聚合物PEDOT：PSS 的水溶液與常見的市售水性乳膠漆混合，通過正交實驗在不同比例、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，篩選出對溫度響應最明顯的制備條件，從而研發出可監控溫度變化的水性乳膠漆，該材料可作為建筑材料應用于未來智能家居。

3 實驗內容

3.1 乳膠漆復合材料的制備

實驗前將PEDOT：PSS 水溶液（質量比為1.3%）放置磁力攪拌器上攪拌 1 小時,混合均勻后使用。

選取了 6 組不同配比，分別以PEDOT：PSS/乳膠漆的質量分數為 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，用玻璃棒充分攪拌，待PEDOT：PSS 與乳膠漆完全混合后，通過集熱式磁力加熱攪拌器在80℃適當加熱8 分鐘，加熱期間要利用攪拌棒均勻攪拌，防止加熱過程中加熱不均勻導致樣品存在顆粒感，加熱后得到灰白色的懸濁液。

3.2 PEDOT：PSS-乳膠漆復合材料電學性能測試器件的制備

取干燥的玻璃（1.5cm*1.5cm），在其表面貼上導電碳膠，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，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晾干后放在加熱臺上80℃退火30min。用導電銀膠粘寬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℃加熱半小時使銀膠蒸發變干，得到制備好的PEDOT：PSS-乳膠漆復合材料測試器件（如圖2 所示）。

3.3 電阻測試方法

涂膜電阻采用萬用表測定。測試時使用電阻接線方式。通過式磁力加熱攪拌器進行加熱改變樣品溫度，每隔5℃測量一次，測量至100℃（如圖3 所示）。

圖2 PEDOT：PSS-乳膠漆復合材料電學性能測試器件

圖3 測試過程照片

3.4 數據分析

分別在不同溫度下，測試樣品的電阻，記錄數據以溫度-電阻率做圖，圖4 為不同質量比PEDOT：PSS-乳膠漆薄膜的溫度-電阻率曲線。由于0.3%的質量比在測試時電阻過大且不穩定，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，不同質量比的薄膜的電阻率均隨溫度升高而有規律的降低，在20-50℃的溫度區間里電阻率隨對溫度變化的尤為敏感。質量比太高，如為2%，3%時的曲線相對于0.5%和0.8%更為平緩，可見高配比條件下制備的乳膠漆膜對溫度變化不敏感。另外，雖然圖中0.5%的曲線對溫度最敏感，但考慮到低配比條件下可能會出現摻雜劑PEDOT：PSS 分布不均的情況，如0.3%的質量比在測試時電阻過大且不穩定。因此，為了排除操作上的誤差，進行了可重復性的驗證。

圖4 不同質量比PEDOT：PSS-乳膠漆薄膜電阻率隨溫度的變化曲線

3.5 可重復性驗證

為了進一步研究不同實驗條件對所制備復合膜的性能影響。我們選定了0.8% 的質量比，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 復合膜并進行電阻率的測試，測試結果如圖5 所示。

圖5 不同膜厚的溫度-電阻率曲線

如圖5 所示，測定了在不同膜厚下的電阻率的變化趨勢，可以看到在200-700um 膜厚范圍內，電阻率隨著膜厚的增加變化不太明顯。說明在一定范圍內，膜厚對電阻率的影響很小。此外，我們還制備了950um 膜厚的薄膜，但其電阻過大且不穩定無法在圖中顯示，可能是因為薄膜太厚，其內部出現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果

可通過擬合曲線來得到所制備薄膜電阻率與溫度的變化關系公式。我們選擇0.8%摻雜比、453um 膜厚的曲線，進行擬合，如圖6 所示，即可得到電阻率隨溫度變化的規律公式，可使用該公式來以所測得電阻率計算溫度，從而達到監控房屋的溫度變化的目標。

4 結論

本文將有機導電高分子聚合物PEDOT：PSS 的水溶液與水性乳膠漆混合，利用有機導電材料特性，賦予乳膠漆材料可監控溫度變化的性能。通過一系列的實驗在不同比例、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，發現其在20-50℃范圍的電阻率變化最為明顯。篩選出對溫度響應最明顯的制備條件是PEDOT：PSS 質量比為0.8%，且膜厚在200-700um 范圍內性能重復性良好。最終，研發出了可監控溫度變化的水性乳膠漆復合材料，這類功能性特種涂料可以用于日常居住房屋溫度監測，作為建筑材料應用于未來智能家居。