納米涂料論文

1、For personal use only in study and research; not for commercial use納米涂料的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景材料化學(xué)1班 李貽鵬 0關(guān)鍵詞:納米技術(shù)；納米涂料 ；應(yīng)用1.1納米發(fā)展小史1959年著名物理學(xué)家、諾貝爾獎獲得者理查德.費(fèi)曼預(yù)言了人類可以像排列積木一樣排列原子，這是人類關(guān)于納米的最早夢想。從此以后納米飛速發(fā)展。1991年美國科學(xué)家成功合成了碳納米管，并發(fā)現(xiàn)其質(zhì)量僅為同體積的鋼的六分之一，強(qiáng)度卻是鋼的十倍，因此稱作超級纖維，超級纖維的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志人類對納米材料性能的發(fā)掘達(dá)到了新的高度。至1999年，納米產(chǎn)品的年產(chǎn)值達(dá)到500億美元。1.

2、2納米技術(shù)的內(nèi)涵及內(nèi)容納米材料主要由納米晶粒和晶粒界面兩部分組成，其晶粒中原子的長程有序排列和無序界面成分的組成后有大量的界面（6×1025m3/10nm晶粒尺寸），晶界原子達(dá)15%50%，且原子排列互不相同，界面周圍的晶格原子結(jié)構(gòu)互不相關(guān)，使得納米材料成為介于晶態(tài)與非晶態(tài)之間的一種新的結(jié)構(gòu)狀態(tài)1。納米是長度單位，原稱“毫微米”，就是109（10億分之一）米。納米科學(xué)與技術(shù)，有時簡稱為納米技術(shù)，是研究結(jié)構(gòu)尺寸在1100納米范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應(yīng)用。納米科技與眾多學(xué)科密切相關(guān)，它是一門體現(xiàn)多學(xué)科交叉性質(zhì)的前沿領(lǐng)域。若以研究對象或工作性質(zhì)來區(qū)分，納米科技包括三個研究領(lǐng)域：納米材料、納米器件

3、、納米尺度的檢測與表征。其中納米材料是納米科技的基礎(chǔ)；納米器件的研制水平和應(yīng)用程度是人類是否進(jìn)入納米科技時代的重要標(biāo)志；納米尺度的檢測與表征是納米科技研究必不可少的手段和理論與實(shí)驗(yàn)的重要基礎(chǔ)。納米科技的最終目的是以原子、分子為起點(diǎn)，去設(shè)計制造具有特殊功能的產(chǎn)品。（1）納米材料包括制備和表征。在納米尺度下，物質(zhì)中電子的放性（量子力學(xué)學(xué)性質(zhì)）和原子的相互作用將受到尺度大小的影響，如能得到納米尺度的結(jié)構(gòu)，就可能控制材料的基本性質(zhì)如熔點(diǎn)、磁性、電容甚至顏色。而不改變物質(zhì)的化學(xué)成份。（2）納米動力學(xué)主要是微機(jī)械和微電機(jī)，或總稱為微型電動機(jī)械系統(tǒng)（MEMS），用于有傳動機(jī)械的微型傳感器和執(zhí)行器、光纖通訊系

4、統(tǒng)，特種電子設(shè)備、醫(yī)療和診斷儀器等。MEMS使用的是一種類似于集成電器設(shè)計和制造的新工藝。特點(diǎn)是部件很小，刻蝕的深度往往要求數(shù)十至數(shù)百微米，而寬度誤差很小。這種工藝還可用于制作三相電動機(jī)，用于超快速離心機(jī)或陀螺儀等。在研究方面還要相應(yīng)地檢測準(zhǔn)原子尺度的微變形和微摩擦等。雖然它們目前尚未真正進(jìn)入納米尺度，但有很大的潛在科學(xué)價值和經(jīng)濟(jì)價值。（3）納米生物學(xué)和納米藥物學(xué)，如在云母表面用納米微粒度的膠體金固定DNA的粒子，在二氧化硅表面的叉指形電極做生物分子間相互作用的試驗(yàn)，磷脂和脂肪酸雙層平面生物膜，DNA的精細(xì)結(jié)構(gòu)等。有了納米技術(shù)，還可用自組裝方法在細(xì)胞內(nèi)放入零件或組件使構(gòu)成新的材料。新的藥物，即

5、使是微米粒子的細(xì)粉，也大約有半數(shù)不溶于水；但如粒子為納米尺度（即超微粒子），則可溶于水。（4）納米電子學(xué)包括基于量子效應(yīng)的納米電子器件、納米結(jié)構(gòu)的光電性質(zhì)、納米電子材料的表征，以及原子操縱和原子組裝等。當(dāng)前電子技術(shù)的趨勢要求器件和系統(tǒng)更小、更快、更冷。“更快”是指響應(yīng)速度要快。“更冷”是指單個器件的功耗要小。但是“更小”并非沒有限度。2納米材料在涂料領(lǐng)域中的應(yīng)用2.1納米涂料的內(nèi)涵納米涂料一般由納米材料與有機(jī)涂料復(fù)合而成 , 更嚴(yán)格地講應(yīng)稱作納米復(fù)合涂料。納米復(fù)合涂料必須滿足兩個條件：一是至少有一種材料的尺度在 1 100 nm 之間 , 二是納米相使涂料性能得到顯著提高或增加了新功能 , 二

6、者缺一不可。廣義上講 , 納米涂層材料包括兩種 : 金屬納米涂層材料和無機(jī)納米涂層材料。金屬納米涂層材料主要是指材料中含有納米晶相 , 無機(jī)納米涂層材料則是由納米粒子之間的熔融、燒結(jié)復(fù)合而得。通常所說的納米涂料均為有機(jī)納米復(fù)合涂料。2.2納米涂料現(xiàn)階段應(yīng)用現(xiàn)階段納米材料在涂料中的應(yīng)用主要為兩種情況2：（1）納米材料經(jīng)特殊處理后，添加到傳統(tǒng)涂料中分散后制成的納米復(fù)合涂料，使涂料的各項(xiàng)指標(biāo)均得到了顯著的提高。將納米離子用于涂料中所得到的一類具有抗輻射、耐老化、具有某些特殊功能的涂料稱為納米復(fù)合涂料。（2）完全由納米粒子和有機(jī)膜材料形成的納米涂層材料，通常所說的納米涂料均為有機(jī)納米復(fù)合涂料。目前，用

7、于涂料的納米粒子主要是某些金屬氧化物（如TiO2、Fe2O2、ZnO等）、納米金屬粉末（如納米Al、Co、Ti、Cr、Nd等）、無機(jī)鹽類（CaCO3）和層狀硅酸鹽（如一堆的納米級粘土）3。目前 , 用于涂料的納米粒子主要是某些金屬氧化物 ( 如 TiO 2 、 Fe 2 O 3 、 ZnO 等 ) 、納米金屬粉末 ( 如納米 Al 、 Co 、 Ti 、 Cr 、 Nd 、 Mo 等 ) 、無機(jī)鹽類 ( 如 CaCO 3 ) 和層狀硅酸鹽 ( 如一堆的納米級粘土 )。 納米涂料的制備方法可分為四種 : (1) 溶膠凝膠法 , 由納米粒子在單體或樹脂溶液中的原位生成 ; (2) 原位聚合法 ,

8、指納米粒子直接分散在單體中 , 聚合后生成納米涂料 ;(3) 共混法 , 指納米粒子和樹脂溶液或乳液的共混復(fù)合 ;(4) 插層法 , 通過單體或聚合物溶液進(jìn)入無機(jī)納米層間 , 制得納米涂料 , 但這種方法只適合蒙脫土一類的層狀無機(jī)材料。2.3納米涂料的應(yīng)用舉例由于納米二氧化鈦晶體的粒徑大約是普通鈦白粉的1/10，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于可見光的波長，本身具有透明性，又對可見光具有一定程度的遮蓋，透射光在鋁粉表面反射與在納米二氧化鈦表面反射產(chǎn)生了不同的視覺效果。到1991年，全世界已有11種含超細(xì)二氧化鈦的金屬閃光漆。目前，福特、克萊斯樂、豐田、馬自達(dá)等許多著名的汽車制造公司都已使用含有超細(xì)二氧化鈦的金屬閃光漆

9、4。提高材料抗老化性能的傳統(tǒng)方法是添加有機(jī)紫外線吸收劑，納米TiO2粒子是一種穩(wěn)定的、無毒的紫外光吸收劑。因?yàn)橛米魍苛匣系母叻肿訕渲艿教栔凶贤饩€的長期照射會導(dǎo)致分子鏈的降解，影響涂膜的物理性能，因此若能屏蔽太陽光中的紫外線，就可大幅提高漆膜的耐老化性能。郭剛5等研究發(fā)現(xiàn)利用金紅石型納米TiO2優(yōu)異的紫外線屏蔽性能改性傳統(tǒng)耐候型聚酯TGIC粉末涂料可以大幅度地提高其耐老化性能。納米TiO2有抗菌殺毒作用，用于涂料是涂料發(fā)展中的一個重大成就。納米二氧化鈦具有高的光催化性，在紫外光的照射下能分解出自由移動的帶負(fù)電的電子e-和帶正電的空穴h+形成電子空穴對， 該電子空穴對能與空氣中的氧和 H2O

10、發(fā)生作用，通過一系列化學(xué)反應(yīng)形成原子氧（O）氫氧自由基（OH）， 這種原子氧和氫氧自由基具有很高的化學(xué)活性，能與細(xì)菌中的有機(jī)物反應(yīng)生成二氧化碳和水，從而達(dá)到殺滅細(xì)菌的作用6。目前，由于國內(nèi)對于納米TiO2的研究大多還處于實(shí)驗(yàn)階段，在涂料性能的提高和完善方面還有大量的工作要做，為此，我們還要繼續(xù)做出貢獻(xiàn)。納米氧化鐵作為顏料無毒無味，具有很好的耐溫、耐侯、耐酸、耐堿以及高彩度、高著色力、高透明度和強(qiáng)烈吸收紫外光的優(yōu)良性能，可廣泛用于高檔汽車涂料、建筑涂料、防腐涂料、粉末涂料，是較好的環(huán)保涂料。紫外線分解木材中的木質(zhì)素而破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)導(dǎo)致木材老化，納米氧化鐵顏料分散于涂層中，由于顆粒直徑小不會散射光線

11、、涂層成透明狀態(tài)且吸收紫外線輻射，起到保護(hù)木材的作用。左美祥7等研究發(fā)現(xiàn):在樹脂中摻入納米級的TiO2（白色）、Cr2O3（綠色）、Fe2O3（褐色）、ZnO等具有半導(dǎo)體性質(zhì)的粉體，會產(chǎn)生良好的靜電屏蔽性能。日本松下電器公司研究所據(jù)此成功開發(fā)了適用于電器外殼的樹脂基納米氧化物復(fù)合的靜電屏蔽涂料。與傳統(tǒng)的樹脂基碳黑復(fù)合的涂料相比，樹脂基納米氧化物復(fù)合涂料具有更為優(yōu)異的靜電屏蔽性能，而且后者在顏色選擇方面也更為靈活。用納米級Fe3O4與樹脂復(fù)合制成了磁性涂料，目前這方面的制備工藝已有所突破而進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。納米ZnO等由于質(zhì)量輕、厚度薄、顏色淺、吸波能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而成為吸波涂料研究的熱點(diǎn)之一。在陽光

12、的照射下納米ZnO在水和空氣中具有極強(qiáng)的化學(xué)活性，能與多種有機(jī)物發(fā)生氧化反應(yīng)（包括細(xì)菌中的有機(jī)物），從而把大多數(shù)細(xì)菌和病毒殺死。 ZnO也具有良好的紫外線屏蔽作用，粒徑60nm的ZnO對波長300-400nm的紫外線有良好的吸收和散射作用，因此可以作為涂料的抗老化添加劑。日本已經(jīng)開發(fā)出用樹脂包覆的片狀ZnO紫外線屏蔽劑8。在涂料中添加納米ZnO可改善它的抗氧化性能，使其具有抗菌性能。納米CaCO3作為顏料填充劑，具有細(xì)膩、均勻、白度高、光學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)，隨著納米碳酸鈣的粒子微細(xì)化，填料粒表面的原子數(shù)目占整個總原子數(shù)目的比例增大，使粒子表面的電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)都發(fā)生變化，到了納米級水平。填料粒子

13、將成為有限個原子的集合體，表現(xiàn)出常規(guī)粒子所沒有的表面效應(yīng)和小尺寸效應(yīng)，使納米材料具有一系列優(yōu)良的理化性能。它添加到涂料膠乳中，加強(qiáng)了透明性、觸變性和流平性。觸變性是納米CaCO3改善膠乳涂料各項(xiàng)性能的主要因素。同時能對涂料形成屏蔽作用，達(dá)到抗紫外老化和防熱老化的目的和增加涂料的隔熱性。 杜振霞9等研究表明:在納米CaCO3改性的涂料中，如果CaCO3固相體積分?jǐn)?shù)達(dá)到20%時，涂料的粘度曲線存在低剪切稀化冪律特征區(qū)和高剪切牛頓兩個區(qū)域，而且有明顯的觸變性。當(dāng)乳膠漆聚合物乳液的粒徑為10-100nm，表面張力非常低，有極好的流平性、流變性、潤濕性與滲透性，表現(xiàn)超常規(guī)的特性。2.4納米涂料研究中存在

14、的技術(shù)問題首先是納米材料在涂料中的穩(wěn)定分散問題。由于納米粒子比表面積和表面張力都很大，容易吸附而發(fā)生團(tuán)聚，在溶液中將其有效地分散成納米級粒子是非常困難的。尋找合適的分散劑來分散納米材料，并采用合適的穩(wěn)定劑將良好分散的納米材料粒徑穩(wěn)定在納米級，是納米技術(shù)在涂料改性中獲得廣泛應(yīng)用必須解決的最關(guān)鍵問題。其次， 納米材料加入量的適度問題。一般而言，納米材料的用量與涂料性能變化之間的關(guān)系曲線近似于拋物線，開始時隨著納米材料添加量的增加，涂料性能大幅度提高，到一定值后，涂料性能增幅趨緩，最后達(dá)到峰值：之后，隨著納米材料添加量的進(jìn)一步增加，涂料的性能反而呈迅速下降的趨勢，同時也增加了成本。因此，做好對比試驗(yàn)

15、，選好納米材料添加量也十分關(guān)鍵。最后，必須開展納米涂料施工工藝的研究。納米涂料就本身而言只是一個半成品，只有施工完畢后才真正成為最終產(chǎn)品，而現(xiàn)實(shí)情況是人們大都將注意力集中在納米涂料產(chǎn)品本身，而忽略了施工工藝的研究，致使納米涂料無法達(dá)到其應(yīng)有的效果。2.5納米涂料的國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀國外在納米涂料的研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面起步較早 , 尤其美國與日本在這方面走在了世界前列。美國研究開發(fā)成功并已進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化的有豪華轎車面漆、軍事隱身涂料、絕緣涂料等 , 另外還開展了光致變色涂料、透明耐磨涂料、包裝用阻隔性涂層等納米涂料的研究 , 目前已有 3 個公司供應(yīng)商業(yè)納米復(fù)合涂料產(chǎn)品。日本則在靜電屏蔽涂料、光催化自清

16、潔涂料的研究開發(fā)方面 , 取得了成功并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。國內(nèi)納米涂料的發(fā)展起步于上世紀(jì)九十年代末期 , 主要集中在改善建筑外墻涂料的耐候性和建筑內(nèi)墻涂料的抗菌性方面 , 且基本上已研制成功 , 目前正準(zhǔn)備走向產(chǎn)業(yè)化 , 而在工業(yè)用涂料、航空航天涂料以及功能性涂料的研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面則落后于發(fā)達(dá)國家。3納米涂料的發(fā)展前景納米技術(shù)在涂料領(lǐng)域應(yīng)用的方向有兩個 : 一是改善傳統(tǒng)涂料性能, 利用涂料的流變性與填料的粒徑存在的一定關(guān)系 , 引用納米技術(shù)可制得施工性能優(yōu)良的納米涂料 , 納米粒子由于比表面積大 , 與有機(jī)樹脂基質(zhì)之間存在良好的界面結(jié)合力 , 從而可提高原有涂層的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、耐刮傷性等力

17、學(xué)性能 , 而且由于其對可見光可透 , 還可保證涂層的透明性 , 利用這一特性可制備高耐刮傷性汽車涂料、家具漆等納米涂料 ; 二是制備出新的功能性納米涂料, 如軍事隱身涂料、靜電屏蔽涂料、納米抗菌涂料、納米界面涂料等?？偟膩碚f , 目前納米涂料尚處于初步階段 , 商品化的納米 料生產(chǎn)也剛剛起步 , 而目前有些商業(yè)媒體的宣傳對納米科技有一定的炒作嫌疑 , 科技工作者對此應(yīng)該保持嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的態(tài)度 , 踏踏實(shí)實(shí)地做好基礎(chǔ)工作。我們有理由相信 , 我們最終會克服納米涂料的研制中存在的上述許多問題 , 隨著納米技術(shù)和涂料研究的深入 , 涂料工業(yè)將邁上一個新臺階 , 納米涂料的前景也將是無限光明、輝煌的。2

18、.5對開展有關(guān)納米材料在涂料中應(yīng)用研究的一些建議    納米材料作為一種剛剛興起的新型功能材料，其研究與開發(fā)還很不成熟，由于其特殊的尺寸效應(yīng)、表面與界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等，使得其光學(xué)、磁學(xué)、電學(xué)、模量、強(qiáng)度、阻透性等方面的性能與普通無機(jī)填料有很大的不同，如何充分利用納米材料的這些己知和仍然未知的特殊性能，以拓展其應(yīng)用范圍是目前擺在國內(nèi)外廣大科技工作者面前急需解決的問題，據(jù)稱美國政府已撥專款以開發(fā)納米材料的應(yīng)用領(lǐng)域，相信國內(nèi)有關(guān)專家學(xué)者己有不少好的建議和想法。    關(guān)于納米材料在涂料中的應(yīng)用，筆者認(rèn)為，可從下面幾方

19、面開展工作:(1)以納米級TiO2為重點(diǎn)，研究其應(yīng)用在涂料體系中的一系列性能變化，尤其是涂膜的吸光性、吸波性、靜電屏蔽性、耐老化性、防腐防污性等，以開發(fā)高性能飛航導(dǎo)彈及船艦軍用隱身涂料；(2)研究納米級CaCO3、納米級SiO2、納米級滑石粉、納米級硅酸鋁、納米級鐵系顏料等一系列傳統(tǒng)無機(jī)顏填料的納米級粒子對涂膜的光澤、耐擦洗性、耐磨性、耐候性、阻透性、增效性、增稠性、遮蓋率、耐溫性、機(jī)械性能等的影響，以期開發(fā)新型高性能涂料；(3)無機(jī)納米粒子與無機(jī)非納米粒子混合，以期降低成本，改善涂料某些方面的性能；(4)從基礎(chǔ)的角度，探索納米粒子與樹脂的界面相互作用機(jī)理和相混合機(jī)理，以期為更有效開發(fā)利用納米

20、材料提供理論依據(jù)；(5)納米涂料(層)可能是未來高性能涂料的一個重要發(fā)展方向，應(yīng)引起重視。    總之，充分開發(fā)新型材料的性能和應(yīng)用領(lǐng)域，作到早開發(fā)早受益，為我所用，服務(wù)于國家，服務(wù)于人民，服務(wù)于國防建設(shè)，是每一位材料科學(xué)工作者應(yīng)盡的責(zé)任和義務(wù)。4結(jié)語綜上所述納米技術(shù)是現(xiàn)代逐步發(fā)展起來的一門前沿性與綜合性交叉的新學(xué)科，是現(xiàn)代科學(xué)和現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它的迅猛發(fā)展將引發(fā)21世紀(jì)新的工業(yè)革命。納米涂料便是納米技術(shù)的產(chǎn)物，現(xiàn)在國內(nèi)外對納米涂料的需求量也注定納米涂料的迅速發(fā)展。納米涂料必將使世界更為絢麗。參考文獻(xiàn)1 Gleiter.H， On the structure of grain boundaries in metals J.Materials Science and Engineering，1982， （52）:91-102.2 卞明哲.納米材料在建筑涂料中的應(yīng)用J.江蘇建材，2001，（4）:11-12.3 柯昌美，汪厚植.納米復(fù)合涂料的制備J.涂料工業(yè)，2003，33（3）:14.5 郭剛，汪斌華，黃婉霞.納米TiO2的紫外光學(xué)特性及在粉末涂料抗老化改性中的應(yīng)用J.四川大學(xué)學(xué)報，2004，36（5）:54-61.6 Marye Anne Fox， Maria