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1、HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING结课论文结课论文题 目 纳米改性环保涂料 学生姓名 徐伟 专业班级 环境工程 1241 学 号 0 院 （部） 资源与环境学院 指导教师(职称) 李钢（副教授） 完成时间 2015 年 10 月 1纳米改性环保涂料摘要摘要随着科学技术水平的不断发展，人类对生活水平和居住环境的要求也越来越高，注重人与自然的和谐发展，而纳米建材的出现正好满足了这一切。纳米涂料是纳米材料的一个重要应用领域，人们进行了多种纳米材料在涂料中的应用研究，不断地对原有的材料进行纳米改性，从而产生具有耐老化、耐腐蚀、抗辐射、抗静电、自清洁、净化空气等特性和性能的环保
2、涂料。本文主要从纳米改性涂料研究背景、改性涂料种类、制备新技术、不同功能涂料作用原理以及改性涂料在环保行业的应用等五个方面对纳米改性环保涂料进行研究和讲述。纳米涂料的改性主要是由于加入了功能性纳米材料，比如纳米 TiO2、纳米SiO2、纳米 Cr2O3、纳米 ZnO、纳米 CaCO3等。利用纳米 TiO2具有高的光催化性制成抗菌涂料并起到净化空气的作用，在未来环保行业有着非常广泛的应用领域；纳米 ZnO 能使涂层具有屏蔽紫外线、吸收红外线以及杀菌防毒的作用，通常与其他纳米材料配合使用于内外墙涂料中，可以大大提高涂料的抗老化性能；纳米 SiO2可以改变其表面极性，提高粒子分散性，从而达到增加涂料
3、隔热性的目的。纳米改性环保涂料的研究符合我国 21 世纪建设环境友好型社会的要求，推动环保事业的发展，是未来建筑材料科技中的新领域。关键词：关键词：纳米涂料，环保，抗菌，光催化性1.1. 研究背景及意义研究背景及意义1.1.1.1. 纳米改性涂料概念纳米改性涂料概念纳米科技是在20世纪80年代末90年代初逐步发展起来的前沿、交叉性新兴科学，其迅猛发展将成为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，为涂料的发展提供了新的机遇。纳米涂料一般由纳米材料与有机涂料复合而成，更严格地讲应称作纳米复合涂料。纳米复合涂料必须满足两个
4、条件：一是至少有一种材料的尺度在1100 nm之间，二是纳米相使涂料性能得到显著提高或增加了新功能，二者缺一不可。2纳米改性涂料则是在涂料中加入功能性纳米材料，不仅使涂料的传统性有很大改善，而且赋予涂料许多新的特性和功能。纳米在常规的力学性能，如附着力、耐刷洗性、抗冲击性、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，纳米改性涂料还可能呈现出某些特殊功能，如自清洁、变色、抗静电、影身吸波、阻燃等性能。1.2.1.2. 国内外纳米涂料研发状况国内外纳米涂料研发状况20世纪90年代，国内外开展了大量纳米涂料的研究开发工作，具有各种特殊性能的纳米涂料产品陆续上市，如美国用
5、80nm的BaTiO3作介电绝缘涂层，用40nm的Fe3O4作磁性涂层。日本等国家已有部分纳米二氧化钛的化妆品问世，可以有效地遮蔽紫外线。此外，美国Du Pont公司还推出添加有银粒子的抗菌涂料，德国Nano 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。我国纳米涂料的研究比国外晚，但发展快。如北京建筑材料科学院下属的纳美科技责任公司，已生产纳米涂料供应市场。上海复旦大学成立了“国家教育部先进涂料工程研究中心”，专门研究纳米涂料。武汉材料保护研究所也有
6、一个小组在研究纳米涂料，国家科技部已批准在天津开发区建立国内首家“国家纳米技术产业化基地”。纳米原材料的开发和纳米技术研究开发已经列入中国“863计划”，中国科学院在知识创新试点过程中，将纳米材料的研究和开发列入首批的20个重大项目之一，并投入2000多万元资金。1.3.1.3. 研究意义研究意义纳米改性涂料是近几年纳米材料在国际上研究的热点之一，纳米材料和纳米技术的异军突起，成为当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着重要影响的研究对象。同时伴随着研究的深入，纳米科技已经渗透到很多领域，为改造传统产业、提高科技含量提供了新的机遇。纳米科技应用于涂料中是二者的完美结合，为开发新
7、型涂料开辟了一条新的途径。1.4.1.4. 研究思路和主要内容研究思路和主要内容本文主要对纳米改性涂料种类、制备新技术、不同功能涂料作用原理以及改性涂料在环保行业的应用等方面进行研究。主要阐述了改性后的纳米涂料所3具有的独特功能和特性，以及在环保行业的实际应用，通过对不同种类纳米涂料的研究分析，进一步得出纳米科技在生产生活中的重要作用与意义。2.2. 纳米改性涂料的种类纳米改性涂料的种类纳米材料种类繁多，性能各异，即使同一种纳米粒子在不同粒径下也可能会有不同的功能，不同种类的纳米粒子也可以在涂料中起到同一作用。纳米材料在涂料中的应用可分为两种情况:一是纳米粒子在传统有机涂料中分散后形成的纳米复
8、合涂料,主要通过添加纳米粒子对传统涂料进行改性，其工艺相对简单，生产效率高;二是完全由纳米粒子组成的纳米涂层材料,一般直接与固体物件的制备联系在一起，并不单独作为涂料研究，而且难以实现工业化生产。目前，应用较多的纳米涂料种类如下：2.1.2.1. 纳米纳米 SiOSiO2 2涂料涂料在建筑内外墙涂料中，添加纳米二氧化硅，可以使得涂料不分层，具有触变性，防流挂，施工性能良好，尤其是抗沾污性大大提高，具有优良的自清洁性能和附着力。在车辆和船舶涂料中，添加纳米二氧化硅是提高涂层光洁度和抗老化的关键环节，涂层干燥时，纳米二氧化硅能形成网络结构，使其耐老化性能、光洁度及强度成倍提高。2.2.2.2. 纳
9、米纳米 TiOTiO2 2涂料涂料在建筑外墙涂料中，添加适量纳米二氧化钛，可将乳胶漆的耐候性提高到一个新的等级。随着环境污染问题日益严重，特别是氮化物和硫化物对大气的污染，光催化技术在环境污染物治理方面有着良好的应用前景。利用纳米二氧化钛光催化氧化技术制成的大气环境净化涂料，对空气中的 NOx 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它污染物，如卤代烃、硫化物、醛类、多环芳烃等。二氧化钛光催化活性好，化学性能和光电化学性能均十分稳定，耐强酸强碱，并且具有较深的价带能级，可使一些吸热反应在光照射的二氧化钛微粒表面得以实现和加速；二氧化钛自身无毒、无味、无刺激性、热稳定
10、性与耐热性好、不燃烧、为白色，因而二氧化钛是很好的半导体光催化杀灭微生物细菌的催化剂；加之纳米二氧化钛光催化复合涂料应用技术工艺简单，成本低廉。42.3.2.3. 纳米纳米 CaCOCaCO3 3涂料涂料碳酸钙作为一种优良的填充剂和白色颜料，具有价格便宜、资源丰富、色泽好、品味高的特点。应用研究表明，纳米碳酸钙填充涂料，其柔韧性、硬度、流平性及光泽均有较大幅度提高。2.4.2.4. 载载 AgAg 纳米纳米 TiOTiO2 2涂料涂料因为二氧化钛只有在有紫外线的条件下才可以分解细菌，在紫外线较弱的情况下，抗菌效果不明显。为了提高光催化杀菌活性，可以通过表面沉积贵金属来进行改性。掺杂的贵金属可以
11、防止电子-空穴对的复合，促进电子-空穴对的有效分离，从而使二氧化钛抗菌性能更加稳定。同时银本身具有优异杀菌性能。因此，将二者有机结合，会使二氧化钛的抗菌性能得到极大的提高。可以利用热沉积法在二氧化钛的表面负载一定量的银，以提高颗粒的光催化抗菌性能。2.5.2.5. 纳米光催化环保涂料纳米光催化环保涂料环境有害气体可以分为两个方面：室内有害气体和大气污染气体。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，这些气体在一百万分之几的浓度时即能使人产生不适。TiO2通过光催化作用可将吸附于其表面的这些物质分解氧化，从而使空气中这些物质的浓度降低，减轻或消除环境不适感。
12、利用纳米 TiO2的光催化作用还可将这些气体氧化，形成蒸汽压低的硝酸和硫酸，这些硝酸和硫酸可在降雨过程中除去，从而达到降低大气污染的目的。3.3. 纳米改性涂料制备技术纳米改性涂料制备技术纳米涂料的制备方法可分为四种：(1)溶胶凝胶法，由纳米粒子在单体或树脂溶液中的原位生成；(2)原位聚合法，指纳米粒子直接分散在单体中，聚合后生成纳米涂料；(3)共混法，指纳米粒子和树脂溶液或乳液的共混复合；(4)插层法，通过单体或聚合物溶液进入无机纳米层间，制得纳米涂料，但这种方法只适合蒙脱土一类的层状无机材料。纳米涂料制备常用工艺如下图所示：5在纳米复合涂料的开发研究中还有很多问题急待解决，其中最关键的问题
13、是如何保证纳米粒子在涂料中有效稳定的分散。纳米涂料中的纳米粒子如果分散不好，不仅达不到预期目的，还有可能破坏涂料的稳定性。目前，分散纳米粒子的方法有电化学方法、化学分散法和物理分散法。(1)电化学方法：由于纳米粒子表面存在等电位点，通过调节pH值使之与等电位点时的pH值相差最大时，可增大纳米粒子分散的稳定性，但该法仅适用于纳米粒子在水中的分散。(2)化学分散法：化学分散法即对纳米粒子的表面改性，利用硅烷偶联剂、钛酸酯、硬脂酸、表面活性剂和超分散剂等表面处理剂对纳米粒子进行表面改性处理，改善纳米粒子的分散性。(3)物理分散法：物理分散法包括使用高速剪切分散机的高速搅拌、用三辊机及研磨机的研磨分散
14、、使用球磨机的球磨分散以及超声波分散。4.4. 不同功能纳米改性涂料的作用原理不同功能纳米改性涂料的作用原理纳米改性涂料不仅大大提高了传统涂料的性能，而且也赋予涂料许多新的功能，比如抗菌、自清洁、抗静电、隐身、净化大气、高透明度等。水添加剂颜、填料黏度调节剂烷基硅氧烷溶剂溶液水解、缩聚混合、分散涂料水、催化剂64.1.4.1. 纳米抗菌涂料纳米抗菌涂料纳米抗菌材料已经被广泛用于纤维、塑料、陶瓷、电器中，用于杀灭大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等各种细菌和病毒。内墙涂料和用于各种仪器、家具表面的涂料，由于人经常接触，会有大量的细菌和病毒驻留在其表面，很容易造成交叉感染。因此，极有必要发展纳米改性抗菌涂料
15、。具有良好抗菌性能的纳米材料主要指纳米 TiO2、纳米 ZnO 以及纳米载银材料。4.1.1.4.1.1. 纳米纳米 TiOTiO2 2的抗菌机理的抗菌机理纳米 TiO2具有高的光催化性，是一种光催化半导体抗菌剂，作为一种 n 型半导体，其禁带宽度相当于波长 400nm 光的能量，在波长小于 400nm 的光照射下，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，形成空穴电子对，并将能量传递给周围的介质，诱发光化学反应，具有光催化能力。其光催化反应如下所示：2+ (2)+(2)2+ 22 + + + + 2+ + OOH式中，与分别代表晶体表面产生的电子及空穴，它们与水及氧反应的-+产物是（过氧离子）及反应活性很高的或。由于生成的自由基具- 2 OOH有很强的氧化、分解能力，可以破坏有机物中的 C-C 键、C-H 键、C-N 键、C-O 键、H-O 键、N-H 键，因而具有高效的分解有机物的能力，可用于杀菌、除臭、防老化及消毒，比常用的氯气、次氯酸等具有更大效力。4.
