黄 海，潘朝宇，梁潇瑶，黄同瑞，宋世恒，高 然，陆振欢

（桂林理工大学 化学与生物工程学院，广西 桂林 541004）

1 概述

在建筑家居的墙面装饰领域中，目前主要包括：乳胶漆、壁纸、硅藻泥。乳胶漆又称为合成树脂乳液涂料，是有机涂料的一种，是以合成树脂乳液为基料加入颜料、填料及各种助剂配制而成的一类水性涂料。乳胶漆因其环保、施工方便、涂膜干燥快、透气性好、耐水性好等优点而被广泛应用于建筑涂料上[1]。

如今，传统涂料的装饰和简单的保护作用早已满足不了现代工业的发展，现代涂料不但要有装饰或保护作用，还要兼具其他一种或多种功能，比如隔热保温、耐高温、耐特殊介质腐蚀、自洁性、高绝缘性、高耐磨性、防火性等。因此，功能性特种涂料就应运而生了，从而也是未来智能家居的发展方向之一。随着现代科技的进步，已经开发出各种具有特殊功能的涂料，其独特的性能使许多产品和设备的性能得以充分发挥，成为涂料工业中不可缺少的新品种。尤其是一些在特殊环境里应用的产品特种方面的需要，促进了功能性特种涂料的研制和开发。如今，该领域正在形成一个规模宏大的高科技产业群，各种新涂料已经与尖端科学技术的发展密切相关，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。

PEDOT：PSS 导电聚合物是一种性能优越的新型功能聚合物材料，已在多个研究领域得到了广泛关注。其是聚电解质复合物，由聚阳离子聚（3，4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）和聚阴离子聚苯乙烯磺酸盐（PSS）按一定比例混合而成[2]。PEDOT 由多个PEDOT 单体聚合而成，结构如图1 所示，整条链上的噻吩环连接形成一大的π 键共轭系统。因此 PEDOT 链导电性优良，且电学性质跟掺杂浓度有关。然而 PEDOT 链几乎不溶于各种溶剂中，所以引入易溶于水的 PSS，与之形成稳定的聚电解质复合物PEDOT：PSS 的分散液。

2 论文立意

有机导电材料通过π 电子轨道重叠交盖所形成的共轭π 电子体系，作为导电能带为载流子的转移和跃迁提供通道[3]。其导电能力的高低由本身的能级、电子迁移、缺陷等等因素决定。但影响最大的外部因素则是温度，前期研究报道证明了升高温度能提高有机导电材料的导电性能。

图1 PEDOT：PSS 的结构

本文利用上述有机导电材料特性，将有机导电高分子聚合物PEDOT：PSS 的水溶液与常见的市售水性乳胶漆混合，通过正交实验在不同比例、厚度等条件下制备得到乳胶漆薄膜，研究该薄膜在不同温度下的电阻率的变化，筛选出对温度响应最明显的制备条件，从而研发出可监控温度变化的水性乳胶漆，该材料可作为建筑材料应用于未来智能家居。

3 实验内容

3.1 乳胶漆复合材料的制备

实验前将PEDOT：PSS 水溶液（质量比为1.3%）放置磁力搅拌器上搅拌 1 小时,混合均匀后使用。

选取了 6 组不同配比，分别以PEDOT：PSS/乳胶漆的质量分数为 0.3%，0.5%，0.8%，1%，2%，3%的比例将PEDOT：PSS 水溶液与乳胶漆混合，分别称取1g 的水性乳胶漆于25mL 的烧杯中，再依次加入0.23g，0.38g，0.62g，0.77g，1.54g，2.3g PEDOT：PSS 溶液，用玻璃棒充分搅拌，待PEDOT：PSS 与乳胶漆完全混合后，通过集热式磁力加热搅拌器在80℃适当加热8 分钟，加热期间要利用搅拌棒均匀搅拌，防止加热过程中加热不均匀导致样品存在颗粒感，加热后得到灰白色的悬浊液。

3.2 PEDOT：PSS-乳胶漆复合材料电学性能测试器件的制备

取干燥的玻璃（1.5cm*1.5cm），在其表面贴上导电碳胶，用宽0.2cm 的铜箔作为下电极将其引出并用透明胶带固定。用镊子固定住玻璃基底的同时，将配置好的混合液均匀的涂在玻璃基底上，制得的膜要将电极完全覆盖。将制备好的薄膜放置在一旁自然晾干，为了确保水分完全蒸发晾干后放在加热台上80℃退火30min。用导电银胶粘宽0.2cm 的铜箔作为上电极，上下电极重叠的部分（0.2cm*0.2cm）为有效面积，之后放入烘箱中60℃加热半小时使银胶蒸发变干，得到制备好的PEDOT：PSS-乳胶漆复合材料测试器件（如图2 所示）。

3.3 电阻测试方法

涂膜电阻采用万用表测定。测试时使用电阻接线方式。通过式磁力加热搅拌器进行加热改变样品温度，每隔5℃测量一次，测量至100℃（如图3 所示）。

图2 PEDOT：PSS-乳胶漆复合材料电学性能测试器件

图3 测试过程照片

3.4 数据分析

分别在不同温度下，测试样品的电阻，记录数据以温度-电阻率做图，图4 为不同质量比PEDOT：PSS-乳胶漆薄膜的温度-电阻率曲线。由于0.3%的质量比在测试时电阻过大且不稳定，因此未在图中显示。所得样品的厚度从 0.5%，0.8%，1%，2%，3%的比例样品分别为 235um，268um，270um，255um，300um。

从图4 可以看出，在相同的膜厚下和退火条件下，不同质量比的薄膜的电阻率均随温度升高而有规律的降低，在20-50℃的温度区间里电阻率随对温度变化的尤为敏感。质量比太高，如为2%，3%时的曲线相对于0.5%和0.8%更为平缓，可见高配比条件下制备的乳胶漆膜对温度变化不敏感。另外，虽然图中0.5%的曲线对温度最敏感，但考虑到低配比条件下可能会出现掺杂剂PEDOT：PSS 分布不均的情况，如0.3%的质量比在测试时电阻过大且不稳定。因此，为了排除操作上的误差，进行了可重复性的验证。

图4 不同质量比PEDOT：PSS-乳胶漆薄膜电阻率随温度的变化曲线

3.5 可重复性验证

为了进一步研究不同实验条件对所制备复合膜的性能影响。我们选定了0.8% 的质量比，并且按照上文的制备方法制备了不同厚度的乳胶漆和PEDOT：PSS 复合膜并进行电阻率的测试，测试结果如图5 所示。

图5 不同膜厚的温度-电阻率曲线

如图5 所示，测定了在不同膜厚下的电阻率的变化趋势，可以看到在200-700um 膜厚范围内，电阻率随着膜厚的增加变化不太明显。说明在一定范围内，膜厚对电阻率的影响很小。此外，我们还制备了950um 膜厚的薄膜，但其电阻过大且不稳定无法在图中显示，可能是因为薄膜太厚，其内部出现掺杂剂不均匀引起的缺陷大量增加。

图6 温度-电阻率曲线的拟合结果

可通过拟合曲线来得到所制备薄膜电阻率与温度的变化关系公式。我们选择0.8%掺杂比、453um 膜厚的曲线，进行拟合，如图6 所示，即可得到电阻率随温度变化的规律公式，可使用该公式来以所测得电阻率计算温度，从而达到监控房屋的温度变化的目标。

4 结论

本文将有机导电高分子聚合物PEDOT：PSS 的水溶液与水性乳胶漆混合，利用有机导电材料特性，赋予乳胶漆材料可监控温度变化的性能。通过一系列的实验在不同比例、厚度等条件下制备得到乳胶漆薄膜，研究该薄膜在不同温度下的电阻率变化，发现其在20-50℃范围的电阻率变化最为明显。筛选出对温度响应最明显的制备条件是PEDOT：PSS 质量比为0.8%，且膜厚在200-700um 范围内性能重复性良好。最终，研发出了可监控温度变化的水性乳胶漆复合材料，这类功能性特种涂料可以用于日常居住房屋温度监测，作为建筑材料应用于未来智能家居。