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纳米材料及其在涂料领域的应用


□ 万 红

  摘要:本文介绍了纳米技术、纳米材料的基本概念、原理、特征和各种纳米材料在涂料领域的应用;阐述了纳米材料在应用中所存在的技术问题,以及纳米技术在涂料领域的发展前景。
  关键词:纳米技术;纳米材料;涂料
  中图分类号:TB383 文献标识码:A
  
  1 纳米技术及纳米材料
  
  1.1纳米技术
  纳米技术是20世纪80年代末诞生且正在崛起的新技术,主要是在0.1-100nm尺度范围内,研究物质组成的体系中电子、原子和分子运动规律与相互作用,其研究目的是按人的意志直接操纵电子、原子或分子,研制出人们所希望的、具有特定功能的材料和制品。纳米科技将成为21世纪科学技术发展的主流,它不仅是信息技术、生物技术等新兴领域发展的推动力,而且因其具有独特的物理化学、生物特性为涂料等领域的发展提供了新的机遇。
  
  1.2纳米材料
  纳米材料主要由纳米晶粒和晶粒界面两部分组成,其晶粒中原子的长程有序排列和无序界面成分的组成后有大量的界面(6×1025m3/10nm晶粒尺寸),晶界原子达15%~50%,且原子排列互不相同,界面周围的晶格原子结构互不相关,使得纳米材料成为介于晶态与非晶态之间的一种新的结构状态[1]。 狭义上,纳米材料是指粒径在0.1-100nm范围内的或具有特殊物理化学性能的材料。广义上,纳米材料是指在三维空间中至少有一维长度在0.1-100nm范围内的或具有纳米结构的材料。按化学组成可分为:纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米高分子和纳米复合材料等。由于纳米材料具有表面效应、体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应和一些奇异的光、电、磁等性能,将其用于涂料中后,除了可以改性传统涂料外,更为重要的是可以制备各种功能涂料,如具有抗辐射、耐老化、抗菌杀菌、隐身等特殊功能的涂料。
  
  2 纳米材料在涂料领域中的应用
  
  现阶段纳米材料在涂料中的应用主要为两种情况[2]:(1)纳米材料经特殊处理后,添加到传统涂料中分散后制成的纳米复合涂料(Nanocomposite coating),使涂料的各项指标均得到了显著的提高。将纳米离子用于涂料中所得到的一类具有抗辐射、耐老化、具有某些特殊功能的涂料称为纳米复合涂料。(2)完全由纳米粒子和有机膜材料形成的纳米涂层材料,通常所说的纳米涂料均为有机纳米复合涂料。目前,用于涂料的纳米粒子主要是某些金属氧化物(如TiO2、Fe2O2、ZnO等)、纳米金属粉末(如纳米Al、Co、Ti、Cr、Nd等)、无机盐类(CaCO3)和层状硅酸盐(如一堆的纳米级粘土)[3]。
  
  2.1纳米TiO2在涂料中的应用
  2.1.1随角异色效应
  由于纳米二氧化钛晶体的粒径大约是普通钛白粉的1/10,远远低于可见光的波长,本身具有透明性,又对可见光具有一定程度的遮盖,透射光在铝粉表面反射与在纳米二氧化钛表面反射产生了不同的视觉效果。到1991年,全世界已有11种含超细二氧化钛的金属闪光漆。目前,福特、克莱斯乐、丰田、马自达等许多著名的汽车制造公司都已使用含有超细二氧化钛的金属闪光漆[4]。
  2.1.2抗老化性能
  提高材料抗老化性能的传统方法是添加有机紫外线吸收剂,纳米TiO2粒子是一种稳定的、无毒的紫外光吸收剂。因为用作涂料基料的高分子树脂受到太阳中紫外线的长期照射会导致分子链的降解,影响涂膜的物理性能,因此若能屏蔽太阳光中的紫外线,就可大幅提高漆膜的耐老化性能。郭刚[5]等研究发现利用金红石型纳米TiO2优异的紫外线屏蔽性能改性传统耐候型聚酯——TGIC粉末涂料可以大幅度地提高其耐老化性能。
  2.1.3抗菌杀毒
  纳米TiO2有抗菌杀毒作用,用于涂料是涂料发展中的一个重大成就。纳米二氧化钛具有高的光催化性,在紫外光的照射下能分解出自由移动的带负电的电子e-和带正电的空穴h+形成电子——空穴对, 该电子——空穴对能与空气中的氧和 H2O发生作用,通过一系列化学反应形成原子氧(O)氢氧自由基(OH), 这种原子氧和氢氧自由基具有很高的化学活性,能与细菌中的有机物反应生成二氧化碳和水,从而达到杀灭细菌的作用。[6]
  纳米TiO2的抗菌杀毒作用已成为国内外关注的焦点。日本已有不少企业开发出纳米TiO2光催化涂料并实现了商业化生产。目前,由于国内对于纳米TiO2的研究大多还处于实验阶段,在涂料性能的提高和完善方面还有大量的工作要做,因此,对纳米涂料的研究要不断深入,以提高我国涂料的工业水平,推动纳米涂料的发展和应用。
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