纳米技术在涂料中的应用

涂料与涂装论文材物（实验）1301侯全刚1309000208纳米技术在涂料中的应用摘要：本文从纳米材料的力学性能，光学性能等方面概括了纳米技术在涂料中的应用前景，并指出了纳米涂料发展中存在的问题，对纳米涂料技术的进一步研究提出了建议。关键词：纳米技术；纳米复合涂料；纳米2TiO；抗菌涂料；耐老化涂料；引言：纳米涂料是由纳米材料与有机涂料复合而成的，因此一般称为纳米复合涂料(Nanocompositecoating)。纳米涂料必须满足两个条件:一是至少含一相尺寸在1～100nm之间，二是由于纳米相的存在而使涂料性能得到显著提高或有新功能，两者缺一不可。纳米涂料在常规的力学性能（如附着力、抗冲击、柔韧性)方面会得到提高，还有可能提高涂料的耐老化、耐腐蚀、抗辐射性能。此外，纳米涂料还可能呈现出某些特殊功能如：自清洁、抗静电、隐身吸波、阻燃等性能。纳米涂料力学性能的研究颜料是涂料的重要组成物，当颜料颗粒以纳米级的大小分布在涂膜中时，因为纳米粒子与树脂的比界面很大，结合力强，对有机涂层起到增强作用，从而提高硬度、抗冲击性，另外，纳米粒子的存在还可降低涂膜干燥过程中的残余内应力，从而提高涂膜的附着力。根据研究表明，纳米2SiO在紫外光固化涂料中可明显提高涂膜的硬度与附着力。2SiO表面含有大量羟基,亲水性较强,与树脂(4~5%)时,涂料硬度明显提高，原因是当纳米粒子均匀分散在有机材料中时,与材料的比界面大,结合力强,对有机材料具有增强效应,提高了有机复合材料的硬度。此外，纳米CaCO3在纸张涂料中的应用也提高了纸张的折曲性和柔软度，纳米建筑涂料的耐磨性、耐擦洗性都有明显改善。纳米改性的家具面漆、汽车面漆的耐磨性、硬度、耐刮伤性也极优越。在纳米涂料机械性能的研究方面，目前主要研究纳米CaC03、Si02．滑石粉、硅酸铝、铁系颜料等对涂膜耐擦洗、耐磨、附着力、抗冲击、柔韧性的改进。这方面的研究重点是探索纳米粒子与树脂界面的相互作用机理和混合机理，以期为纳米涂层机械性能的提高获得理论依据。这方面纳米高分子复合材料的研究有借鉴意义。纳米涂料光学性能的研究纳米涂料作为豪华汽车面漆的研究当纳米级二氧化钛与铝粉颜料或云母珠光颜料混合用于涂料中，使其涂层具有随角异色性即从不同角度观察其反射光可看到不同的颜色。产生这种现象的原因是：纳米二氧化钛本身有透明性，又具有对可见光一定程度的遮盖，透射光在铝粉表面反射与纳米二氧化钛本身表面反射产生了不同的视觉效果。这种配色技术最早由美国于1985年开发成功，1987年便应用于轻工业。目前至少有11家涂料公司开发了这类产品。还可以利用纳米2TiO材料对紫外线的屏蔽作用来提高汽车面漆涂料的耐老化性能。因为紫外线常引起涂料主要成膜物质的分子链断裂，形成非常活泼的游离基，这种游离进一步引起整个主要成膜物质分子链的分解，最后导致涂层老化变质。对有机涂层来讲，太阳辐射的紫外线是所有在大气条件下作用于涂层的其它各因素中最有侵蚀性的因素。因此对有机涂层来说，若能屏蔽太阳光中的紫外线，则可大幅提高漆膜的耐老化性能。纳米涂料在隐身材料中的应用纳米隐身涂料又称为雷达波吸收涂料指能有效地吸人雷达波并使其散射衰减的一类功能涂料。当纳米级的羟基铁粉、镍粉、铁氧体粉末改性的有机涂料涂到飞机、导弹、军舰等武器装备上，可使这些装备具有隐身性能，其原理是：一方面，纳米超细粉末具有很大的比表面积，能吸收电磁波；另一方面，纳米粒子尺寸远小于红外线及雷达波长，对波的透过率很大，因此不仅能吸收雷达波，也能吸收可见光和红外线。由它制成的涂层在很宽的频率范围内可以逃避雷达的侦察，同时也有红外隐身作用。在目前研究的纳米粒子中，纳米ZnO等金属氧化物由于质量轻、厚度薄、颜色浅、吸波能力强等优点，成为吸波涂料的重要研究方向之一。另外，据报道，美国研制的超细石墨粉纳米吸渡涂料，对雷达渡的吸收率大于99％，其它金属超细粉AI、Co、Ti、Cr、Nd、Mo等也是很有潜力的吸波纳米粉体。纳米涂料在环境保护中的应用纳米涂料的光催化性质以纳米2TiO为代表的半导体光催化材料,能利用太阳光或紫外光催化降解有机污染物、消毒灭菌、吸附并分解有毒气体、自清洁,因此倍受人们的青睐。纳米TiO2具有无毒、催化活性高、氧化能力强、稳定性好等优点已被广泛用于空气净化等环保领域。室内空气的净化室内有害气体主要有装饰材料等放出的甲醛及生活环境中产生的甲硫醇、硫化氢、氨气等,这些气体在百万分之几时就能使人感到不适,有些甚至能致癌。随着人们健康和环保意识的增强,人们迫切需要净化室内外空气的环保材科,纳米2TiO光催化剂就是一种很好的环境净化材料。2TiO光催化剂在光照条件下可将空气中的有机物分解为CO2、H2O和相应的有机酸，如纳米2TiO光催化绿色涂料在密闭空间内7天的降解效率达到92%,纳米2TiO光催化降解甲醛为CO2和H2O,不会产生其它有机物的污染,只要含有纳米2TiO光催化剂的复合材料存在,对甲醛的驱除作用就会有效。除臭空气中恶臭气体主要有五种:(1)含硫化合物,如硫化氢、二氧化硫、硫醇类、硫醚类等;(2)含氮化合物,如胺类、酰胺等;(3)卤素及其衍生物,如氯气、卤代烃等;(4)烃类,如烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃等;(5)含氧的有机物,如醇、酚醛、酮、有机酸等。以前普遍采用活性炭除这些臭气,随着气体在活性炭表面的富集,其吸附能力明显降低,使其应用受到限制;而使用了2TiO光催化剂吸附这些气体,经紫外光照射气体分解后又可恢复其新鲜表面,消除了吸附限制，所以纳米2TiO光催化绿色涂料对空气中的臭气具有较好的降解作用。杀菌消毒光照下的2TiO催化剂可以对细菌细胞产生光化学氧化作用而降低生物体中辅酶的活性导致细胞死亡,从而使水中的酵母菌、大肠杆菌、乳酸杆菌和葡萄球菌等不能存活。利用金属离子掺杂改性的2TiO光催化膜功能材料,在紫外光照下20min,可使大肠杆菌和金黄色葡萄球菌体等的失活率达到90%以上，应用2TiO光催化的方法在体外对宫颈癌细胞进行杀菌试验,结果表明,2TiO在光照下对宫颈癌细胞具有明显的杀灭作用。由于纳米2TiO是一种比较安全和稳定的化合物,它对人和动物体无毒性,在国外已用于制作食品添加剂,不会产生任何毒素又能杀灭微生物,光催化因而成为很有发展潜力的消毒杀菌新工艺。目前,运用光催化反应净化室内空气的产品有:抗菌瓷砖、抗菌卫生陶瓷、除臭照明灯具、防污除臭日光灯、除臭杀菌空气清净器、除臭板、除臭纸和布等;除此还可在居室、办公室窗玻璃、陶瓷等建材表面涂敷2TiO光催化薄膜或在房间内安装2TiO光催化设备如2TiO空气净化器或空调器中安装纳米2TiO空气净化网等,均可有效地降解这些有机物,净化室内空气。日本已有多家公司利用TiO2光催化反应生产出了改善空气品质的技术和实用产品。日本石源公司与丰田汽车公司、Equos研发公司联合成功开发了消除空气中的NOx、甲醛的技术。该技术在2TiO中添加了特殊的氧化助催化剂,大大提高了净化污染空气的能力。石源公司还开发出了一系列2TiO的二次产品。例如将2TiO混入活性炭并加无机粘结剂做成成型的产品。富士电机综合研究所制成了处理低浓度NOx的空气净化器,并制成了除臭的冷藏车。三菱制纸利用2TiO和无机吸附剂的复合材料制成了空气净化除臭机。日本国立材料科学研究所开发了一种能高效分解化学物质的2TiO光催化剂,由于采用了很薄的薄膜成形技术,从而提高了催化剂单位面积的容量,其分解效率比目前工业上用的催化剂高一个数量级以上。白清洁纳米涂层自清洁涂层最早是通过溶胶一凝胶法制成2TiO溶胶，涂附在玻璃或陶瓷物面上后，在500以上温度进行热处理，生成有光活性的2TiO薄膜，通过工艺条件的改变可控制2TiO的晶型与粒径大小。90年代日本ToTo、Takenaka公司已经在陶瓷等建材产品上涂敷2TiO薄膜来达到物面的自清洁作用，它的用途极其广泛，可以保证玻璃清洁、防止墙面有油腻的印迹，减少医院墙面的细菌数，甚至可用于污水处理。随着纳米粉体技术的发展，自清洁涂层可以直接由纳米涂料附在物面上，如把气相法生成的纳米2TiO粒子分散在含一二酮和偶联剂的有机溶剂中，再加上烷氧基硅烷制成2TiO自清洁涂料,自清洁纳米涂层的作用原理是利用纳米粒子的光活性来分解有机物或杀菌。2TiO在波长小于400nm的光照下，能吸收能量高于其禁带宽度的短波光辐射，产生电子跃迁，价带电子被激发到导带，形成空穴一电子对，并将能量传递到周围介质，诱发光化学反应，具有光催化能力，目前纳米2SiO、ZnO的自清洁涂层研究得比较多。另外，以纳米2SiO为载体，Ag吸附在载体上也能作为纳米复合银系抗菌涂层。纳米技术在涂层其它方面的应用纳米涂层的应用极其广泛，利用纳米粒子的流变性，可制成流平性与防流挂性极其优良的涂层，利用纳米2TiO、23CrO、23FeO等具有半导体性质的粉体作为颜料加入涂料中，可制成导电型抗静电涂料，在电子仪器、家电、家具方面有着极广泛的用途。在提高涂层热稳定性方面，有关研究表明，加入纳米2SiO有一定的改善效果。低温热失重情况下，纳米2SiO可使环氧丙烯酸酯的光固化涂料的热失重初温从330K提高到366K，热失重终温由358K提高到370K。利用纳米涂料还可制成含2TiO的亲水亲油涂层-或含阵列碳纳米管膜的超双疏(疏水、疏油)涂层，从而改进物面的界面性能。另外，有文献报道，防滑防腐蚀涂层也可通过纳米技术得到改进。纳米涂料存在的问题纳米涂料制备过程中最大的问题就是纳米分散与稳定的问题。纳米粒子的分散可以使用现行的涂料生产设备(如砂磨机、球磨机、三辊机、胶体磨、高速分散机等)，另外超声波分散也是一种经常使用的方法，分散时最重要的不是暂时的均匀分散，而是长期的分散，防止纳米粒子在涂料液中的沉降、絮凝。为了使表面活性很大的纳米微粒在涂料中稳定存在，并且均匀分散，常采用纳米微粒表面修饰方法，包括物理修饰与化学修饰。物理修饰一般是指表面活性剂法(如十二烷基苯磺酸钠修饰纳米2TiO)与表面沉积法(如纳米23FeO表面包覆23AlO)，化学修饰可采用偶联剂法(如硅烷偶联剂修饰2SiO)、酯化反应法(如伯醇酯化反应修饰2TiO)和表面接枝改性法(如甲基丙烯酸接枝改性2SiO)经过不同修饰方法改性的纳米粒子在不同溶剂中的稳定性是不一样的，在纳米粒子稳定性方面，还有待进一步研究。纳米测试技术有待提高，在表征纳米颜料的粒度及分布时，现在采用的重力沉降、小角度激光衍射仪仅能测试到微米或亚微米粒子，目前主要采用扫描电镜成相观察；在进行表面特征与界面性质分析时，采用原子力显微镜观察。这些方法所采用的仪器有的很昂贵，在涂料中应用有待深入。另外，纳米涂料缺乏相关的标准，比如纳米颜料在纯度、粒度、粒度分布、贮藏稳定性等的指标以及测试方法的标准亟待完善。结论纳米涂料是一种新型的涂料，目前关于纳米涂料的一些制备工艺、理论基础、检测方法与手段仍不是很完善，有待进一步提高。纳米涂料的进一步研究主要集中在以下几方面：①利用纳米材料改进潦层的基本性能，如研究纳米CaCO3、Sio2、滑石粉、硅酸铝、铁系颜料等传统无机盐填料的纳米微粒对涂膜光泽、耐擦洗性、耐磨性、柔韧性、抗冲击性、硬度、附着力、耐候性、抗老化性、阻透性、增效性、增稠性、遮盖率、耐温性的影响，进一步提高涂层的化学与物理性能②利用纳米材料赋予涂层新的特殊性能，如研究02等纳米粒子对涂层吸光性、吸渡性、静电屏蔽性、抗老化性、防腐防滑等性能的影响，拓展涂料的使用范围。③研究纳米粒子在涂料中的分散与稳定性，探索纳米粒子与树脂界面的相互作用机理和相互混合机理，为纳米沫料生产与研究提供理论支持。④研究纳米粒子互配以及纳米粒子与非纳米粒子混合同题，⑤纳米涂料中纳米颜料的测试方法及标准化的完善。总之，随着纳米技术在建材、电子、信息、生命科学等各个领域的发展，纳米涂料也将进一步取得突破并降低生产成本，逐渐走人生活、工业用途的领域。参考文献[1]刘登良,边蕴静.纳米技术在涂料中的应用前景[J].中国涂料,2001(3):9-11.[2]陈东初,郑家燊.纳米技术在涂料中的应用研究进展[