纳米材料技术在涂料产业中的应用现状与发展趋势锅炉配件

纳米材料技术在涂料产业中的应用现状与发展趋势

纳米材料技术在涂料产业中的应用现状与发展趋势 贾爱忠 , 梁金生 ( 河北工业大学材料学院 , 天津 300130) 摘要 : 介绍了纳米材料、纳米技术在涂料工业中的应用及其对涂料的改性作用 , 阐述了纳米材料及其技术应用于涂料中的意义 , 对国内外纳米材料及其技术在改造涂料产业中的研发现状进行了综述 , 分析了纳米材料及其技术应用在涂料中的主要问题 , 并针对其发展趋势进行了展望 .关　键　词 : 纳米材料 ; 纳米技术 ; 功能涂料涂料中加入纳米材料 , 如纳米级 T iO 2 、 ZnO 、 CaCO 3 、 SiO 2 及炭黑等作为颜填料或助剂 , 可以显著提高涂膜的机械强度、附着力、防腐性能、耐光性和耐候性或其他特殊性能 . 例如 : 经多次在水性体系建筑涂料原配方的基础之上 , 添加质量分数为 3% 左右的纳米 SiO x , 经过充分的分散获得改性涂料 . 其各项技术性能指标均有很大程度的提高 : 干燥时间由原来的 2 h 缩短到小于 1 h; 耐洗刷性能由 1 000 次 ( 外墙涂料 ) 和 100 次 ( 内墙涂料 ) 提高到 10 000 次以上 ; 人工加速老化试验由 240 h 的一级变色、二级粉化提高到 450 h 无任何变化 . 此外 , 由于纳米材料奇异的理、化特性 , 使得改性涂料一些无须测试的技术指标诸如涂层与基体之间的结合强度 ( 附着力 ) 、涂膜的表面硬度、涂膜的自洁能力等也获得了显著提高 [ 1 ] . 纳米材料具备大颗粒所不具备的光学性能 ， 当纳米级微粒掺合进母体材料时 , 如能达到纳米级的分散 ,则表现为这种母体材料是透明的 , 可以散射紫外光 , 但不反射可见光 , 而其吸收带则偏移至远紫外区域 ， 由于到达地球的紫外线波长落在纳米材料可以散射的区域 , 因此纳米材料对紫外线的屏蔽以散射为主 ， 当纳米粒子用于涂料达到纳米级的分散时 , 可作为优良的罩光漆 , 由于是透明的且可以屏蔽紫外光 , 因此可以大大增加其保光、保色及抗老化性能 .由于纳米粒子尺寸小 , 比表面积大 , 表面原子配位不全 , 导致表面活性点增多 , 加大了反应接触面 , 催化效率高 ， 纳米粒子作为光催化剂时 , 因其粒穴对所激发出的极子到达表面的数量多 , 所以光催化效率就高 ， 近年来研究较多的是纳米二氧化钛的光催化性能 , 它是目前光催化降解领域最受重视的一种光催化剂 , 广泛应用于废水处理、有害气体净化、日用品、建材等领域 , 并可以此为添加剂制成环境保护涂料及杀菌涂料 ， 如可将烃类、卤代物、羧酸、表面活性剂、染料、含氮有机物、有机磷杀虫剂等较快地氧化降解为二氧化碳和氢气等无害气体 , 并可将大气污染气体如氮氧化物和硫氧化物氧化 , 形成蒸气压低的硝酸和硫酸 , 这些硝酸和硫酸可在降雨过程中除去 ， 由于纳米材料表面原子数所占的比例大 , 表面原子周围缺少相邻的原子 , 具有不饱和性质 , 在与其他组份作用时 , 在两个混合相之间产生很大的作用力 , 将很大程度地对材料增强、增韧 ， 所以 , 以纳米材料作为添加剂制备涂料时 ,就涂膜本体而言 , 象复合材料一样 , 被显著地增强、增韧 ; 就基材 - 涂层、涂层 - 涂层的界面而言 , 则表现为附着力得到显著提高 ， 其次 , 纳米材料的加入将改善涂层中颜料和填料的体积填充致密度 , 减少毛细管作用 ,增强涂层对腐蚀介质的屏蔽作用 , 同时 , 涂料的流变特性及热稳定性也得以改善 1 这是由于纳米粒子的加入 , 纳米粒子与涂料中的某些链段产生了某种相互作用 , 阻碍了这种链段的运动 , 提高了涂膜的玻璃化转变温度 [ 2 ] 1 1 　纳米材料及其技术在涂料中的应用现状 在涂料中引入纳米结构 , 可赋予涂料以超耐候、抗菌、大气净化、静电屏蔽、耐刮伤、自愈合、隐身 ( 对电磁波、微波而言 ) 等功能 . 1 . 1 　国外概况 国外已成功开发了耐刮伤、耐紫外光及耐化学腐蚀的透明汽车面漆有机 / 无机杂化树脂基涂料 ( 杂化相尺寸为纳米级 ), 并已应用于 Ford Taurus 、 Toyota - cam ry 、 Honda Civic / Del Sol 等多种型号的汽车 . 代表产品为美国 Du Port 公司生产的 Generation4, 其成分是可在同一条件下交联固化 ( 形成支链及互穿网络 ) 两个杂化体系的复合物 . 其中杂化体系一为高交联密度的丙烯酸类四元共聚物 , 可提供高模量及高耐刮伤性 ; 杂化体系二为低交联密度的三元共聚物 , 能提供良好的成膜性 . 杂化体系一作为硬核分散于杂化体系二中 . 由上述两杂化体系复合而成的汽车涂面透明、硬度高、耐刮伤、耐 UV ( 紫外线 ) 及化学腐蚀性好 , 与有色底涂配套使用 , 可获得良好的光学及机械性能 . 此外 , 美国 Du Pont 公司还推出添加有纳米银粒子的抗菌涂料 . 德国 N ano Chem System 公司 , 开发了可用于混凝土、石材、陶瓷、木材、玻璃等表面的涂层材料 . 据称该涂层应用了纳米技术 , 能降低被涂饰表面的表面张力 ( 疏水、疏油 ), 从而达到抗污、防雾、易清洗的目的 . 此外 , 该公司还推出了自清洁型外墙涂料硅纳米结构改性的丙烯酸酯涂料 . ① 经研究发现 : 在树脂中掺入纳米级的 T iO 2 ( 白色 ) 、 Cr 2 O 3 ( 绿色 ) 、 Fe 2 O 3 ( 褐色 ) 、 ZnO 等具有半导体性质的粉体 , 会产生良好的静电屏蔽性能 . 日本松下电器公司研究所据此成功开发了适用于电器外壳的树脂基纳米氧化物复合的静电屏蔽涂料 . 与传统的树脂基碳黑复合的涂料相比 , 树脂基纳米氧化物复合涂料具有更为优异的静电屏蔽性能 , 而且后者在颜色选择方面也更为灵活 [3] . 在军事上 , 利用雷达发射电磁波可以探测飞机 , 利用红外探测器可以发现放射红外线的物体 . 隐身涂层的原理为 : 纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长 , 也即纳米微粒材料对红外及雷达波的透过率比常规材料高 ; 纳米微粒的比表面积远大于常规粉体 , 致使其对电磁波的吸收率也高 . 上述两方面导致纳米微粒材料对红外及雷达波的反射率下降 , 使得红外探测器和雷达接收到的信号变微弱 , 从而起到隐身作用 . 例如 : 美国 F 117A 型飞 机蒙皮上就涂有由多种超微粒子构成的具有宽带电磁波吸收能力的隐身材料 [4 2 5] . 1 . 2 　国内状况 世纪纳米技术有限公司利用纳米技术开发了光催化自清洁涂料、矿棉吸声板表面防护剂、石材渗透防护剂及外场可控的超双亲性防雾、自清洁涂层材料 ( 纳米溶胶 ) . 据介绍 , 光催化自清洁涂层表面高度亲水 ( 耐污 ), 在阳光作用下能分解有害物质 ( 净化空气 ); 矿棉吸声板表面防护剂及石材渗透防护剂涂层防色素污染 ; 外场可控的超双亲性防雾、自清洁涂层材料在外场诱导 ( 光照、加热 ) 下 , 能形成双亲性表面 , 适用于玻璃及其它透明材料的防雾、外墙瓷砖的自清洁 . 邱星林等人 [6 2 7] 用纳米 T iO 2 配制成光催化净化大气环保涂料 , 结果表明 , 利用纳米 T iO 2 光催化氧化技术制成的环境净化涂料 , 对空气中 NO x 净化效果良好 , 在太阳光下 , 降解率高达 97% . 同时还可降解大气中的其他污染物 , 如卤代烃、硫化物、醛类、多环芳烃等 . 北京纳美科技发展有限公司依据纳米材料可产生的超双疏性、光催化性及 UV 吸收特性 , 开发并推出了疏水耐污染内墙涂料、抗菌内墙涂料、疏水耐污染高耐候型外墙涂料 , 以及乳胶漆抗紫外防老化纳米胶体和高耐候水性有机颜料色浆两种涂料原料 . 据报道 , 长春新世纪纳米技术研究所已研制出适用于玻璃表面或瓷砖表面的具有超亲水性 ( 自洁净功能 ) 及一定光催化活性 ( 可催化氧化空气中有害气体 ) 的纳米涂层材料 . 同时 , 该研究所还开发了具有光催化氧化活性及杀菌消毒功能的纳米掺杂的内墙涂料 . 复旦大学涂料工程研究中心利用纳米粒子 (SiO 2 、 T iO 2 、 ZnO ) 对紫外线的超强吸收性及纳米粒子的高表面活性对细菌的杀伤力 ( 纳米抗菌粉 ), 在实验室规模上成功制备出超耐候外墙涂料及纳米内墙抗菌涂料 . 纳米氧化锌在阳光尤其在紫外线照射下 , 在水和空气 ( 氧气 ) 中能自行分解出自由移动的带负电的电子 (e - ), 同时留下带正电的空穴 (h + ) . 这种空穴可以激活空气中的氧变为活性氧 , 有极强的化学活性 , 能与多种有机物发生氧化反应 ( 包括细菌内的有机物 ), 从而把大多数病菌和病毒杀死 . 西北大学曾进行过纳米氧化锌的定量杀菌试验 , 在 5 m in 内纳米氧化锌的质量分数为 1% 时 , 金黄色葡萄球菌的杀灭率为 98 . 86% , 大肠杆菌的杀灭率为 99 . 93%; 所以在建筑涂料中加入纳米氧化锌既能净化空气 , 又能抗菌除臭清洁环境 [3] . 此外 , 具有高耐刮伤性或自愈合功能的纳米汽车涂料正在研制中 . 华中科技大学的研究人员开展了将水溶性碳纳米管衍生物、纳米级 T iO 2 和纳米级 ZnO 引入传统水性 ( 或油性 ) 有机涂料中 , 以 开展制备特种防护涂料的工作 . 2 　纳米材料技术现状及发展前景2 . 1 　主要的关键问题 [8 ] 纳米材料作为联系宏观物体及微观粒子的桥梁 , 其在涂料中的潜在重要性勿庸置疑 , 但就纳米材料在涂料中的应用而言 , 目前仍处于初级阶段 , 许多关键问题有待深入探讨 。 (1)纳米微粒比表面积及表面张力很大 , 容易吸附而发生团聚 , 将这种易团聚的粒子在溶液中有效地分散成纳米级粒子是比较困难的 , 而如果没有良好的分散 , 它在涂料中就会失去应有的作用 。 目前 , 涂料制造通常采用高速研磨分散的方法 , 当添加纳米材料作为添加剂时 , 这种方法就很难将纳米粒子进行充分分散 okmart.com。 有人提出采用流变仪测定分散体系的触变性 , 是可以尝试的 。 因为触变性是溶液微观结构的反映 , 当溶液的微观粒子构成相对不变时 , 溶液的触变性大小基本不变 。 如果测得体系的触变性基本不变 , 则认为纳米材料在涂料中基本达到纳米级分散了 。 因此建议涂料界开展涂料适用型纳米粒子的研制 , 开展表面处理工作 , 对粒子进行表面改性 , 使粒子表面包覆一层低分子量的表面活性剂或聚合物稳定剂 , 使其获得稳定的纳米级分散 。 也可采用纳米复合材料制备过程中所用的分散<

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