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1、纳米涂料的应用现状和发展前景摘 要：综述了纳米技术，纳米涂料的制备方法，介绍了使用纳米粒子改性的光催化、耐老化、隐身、特殊界面，保型隔热以及高强度等新型涂料的特点及新进展，同时介绍了纳米 TiO2、SiO 2、SnO 2、ZnO 等一些粒子的特性对涂料性能的影响。简述了纳米改性涂料目前的一些实际应用及进展，并对纳米改性涂料的进一步研究方向提出了建议。关键词:纳米技术；纳米涂料 ；制备方法 ；特殊效应；应用前言纳米技术是近年来出现的一门高新技术。自 20 世纪 80 年代初,德国科学家 Gleiter 提出纳米晶体材料的概念，随后采用人工制备首次获得纳米晶体, 并对其各种物性进行系统的研究以来，
2、纳米材料已引起世界各国科技界及产业界的广泛关注。纳米材料是指特征尺寸在纳米数量级 (通常指 1 100 nm)的极细颗粒组成的固体材料。从广义上讲 , 纳米材料是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级的材料。通常分为零维材料 (纳米微粒 ), 一维材料 (直径为纳米量级的纤维 ), 二维材料 (厚度为纳米量级的薄膜与多层膜 ), 以及基于上述低维材料所构成的固体。从狭义上讲, 则主要包括纳米微粒及由它构成的纳米固体( 体材料与微粒膜 )纳米材料的研究是人类认识客观世界的新层次, 是交叉学科跨世纪的战略科技领域。随着人们对这一新兴研究领域的深入纳米技术目前已成功用于许多领域，包括医学、药学、化学
3、及生物检测、制造业、光学以及国防等等，纳米技术的研究近几年来也是十分的活跃，尤其是在涉及到纳米材料的应用方面纳米材料国内外研究进展最趋于活跃，纳米复合、塑胶、橡胶和纤维的改性，纳米功能涂层材料的设计和应用，将给传统产生和产品注入新的高科技含量。专家指出，纺织、建材、化工、石油、汽车、军事装备、通讯设备等领域，将免不了一场因纳米而引发的“材料革命”。纳米粒子的发现是对现代制备技术的一次革命，许多材料的制造工艺及其性能都随之而发生质的飞跃，如纳米陶瓷、合金、改性复合材料等，将具有特种性能的纳米材料添加到涂料中，使涂料的抗老化性、耐刷洗性、耐磨性、悬浮性、附着力、保色性抗菌性等得到显著改善，从而得到
4、新型高性能纳米涂料。正文1、纳米技术纳米科技与众多学科密切相关，它是一门体现多学科交叉性质的前沿领域。若以研究对象或工作性质来区分，纳米科技包括三个研究领域：纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征。其中纳米材料是纳米科技的基础；纳米器件的研制水平和应用程度是人类是否进入纳米科技时代的重要标志；纳米尺度的检测与表征是纳米科技研究必不可少的手段和理论与实验的重要基础。纳米科技的最终目的是以原子、分子为起点，去设计制造具有特殊功能的产品。2、纳米涂料纳米粒子的发现对光催化技术的发展是一次崭新革命，许多材料的制造工艺及其性能都髓之而发生质的飞跃。纳米粒子是由数目较少的原予或分子组成的原予群或分子群，
5、处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域。纳米粒子表面原子是长程与短程皆无序的非晶层，而在粒子芯部存在着结晶完好周期性排布的原子，不过其结构与本体样品稍有不同，正是纳米粒子的特殊结构，导致纳米粒子具有的异常特性如表面效应、体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应以及有关光、电、磁特性 。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条件：一是至少有一种材料的尺度在 1100nm 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。广义上讲，纳米涂层材料包括两种：金属纳米涂层材料和无机纳米涂层材料。金属纳米涂层材料主要是指材料中含有纳米
6、晶相，无机纳米涂层材料则是由纳米粒子之间的熔融、烧结复合而得。通常所说的纳米涂料均为有机纳米复合涂料。2.1 纳米涂料运用的材料目前 , 用于涂料的纳米粒子主要是某些金属氧化物 ( 如 TiO 2 、 Fe 2 O 3 、 ZnO 等 ) 、纳米金属粉末 ( 如纳米 Al 、 Co 、 Ti 、 Cr 、 Nd 、 Mo 等 ) 、无机盐类 ( 如 CaCO 3 ) 和层状硅酸盐 ( 如一堆的纳米级粘土 )。 2.2 纳米涂料的制备方法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
7、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。2.3 纳米涂料现阶段应用现阶段纳米材料在涂料中的应用主要为两种情况：（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，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
8、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、纳米涂料性能纳米 TiO2 光催化技术的理论研究在涂料中添加了纳米粒子后，一方面可使涂料在常规的力学性能，如附着力、抗冲击、柔韧性方面得到提高，另一方面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、抗静电、隐身吸波、阻燃等性能。下面按照功能和用途分别介绍近年来开发的添加不同的纳米微粒得到的纳米改性涂料。3.1 纳米抗老化涂料涂料在使用过程中，受到紫外线的照射很容易产生涂膜基
9、体中高分子链的断裂、粉化等现象。而纳米 TiO2、SiO 2、ZnO 等粒子添加到涂层中，能明显提高涂料的抗老化性能。纳米 TiO2 晶体的光学性质服从瑞利光散射理论，可透过可见光和散射波长更短(200400 nm)的紫外光，这表明纳米 TiO2 具有透明性和散射紫外线的能力。普通 TiO2 具有一定的吸收紫外线的能力，纳米 TiO2 吸收紫外线的能力更强。它既能散射又能吸收紫外线，屏蔽紫外线的能力很强。通过研究发现纳米 TiO2 可以显著增强丙烯酸树脂的紫外线屏蔽性能。P1Stamatakis 认为，衰减 300400 nm 紫外线，球状 TiO2 最佳的颗粒尺寸是 50120 nm。纳米
10、TiO2 衰减长波紫外线时，散射起主要作用；纳米 TiO2 衰减短波紫外线时，吸收起主要作用经分光光度仪测试表明：纳米 SiO2 具有极强的紫外反射，对波长 400n 以内的紫外光反射率 70%以上；在涂料中能形成屏蔽作用，达到抗紫外老化和热老化的目的；同时增加涂料的隔热性。因此，纳米 SiO2 是一种良好的涂料抗老化添加剂。添加纳米 SiO2 制得的纳米涂料，可显著降低由于 UV 照射而造成的颜色衰减，大大提高涂料的抗老化性能，在苯丙涂料中加入 0.152%纳米 SiO2 涂膜老化明显减缓。3.2 纳米隐身涂料纳米隐身涂料(雷达波吸收涂料 )指能有效地吸入雷达波并使其散射衰减的一类功能涂料。
11、当纳米级的羟基铁粉、镍粉、铁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，纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波长，对这种波的透过率比常规材料要强得多，大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身作用；另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规材料大得多，使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标,起到了隐身作用。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，成为吸波涂料研究的热点之一 。3.3 纳米光效应涂料根据 Rayleigh 光散射理论
12、，纳米 TiO2 对可见光呈透明性，在与铝粉等混用时，入射光一部分在散光铝粉表面发生镜面反射，另一部分透过纳 TiO2 发生色散后，在纳米 TiO2 与铝粉界面反射，形成散光涂层，因而具有独特的颜色效应。纳米 TiO2 闪光铝粉或云母珠光颜料用于涂料体系中，能在涂层的照光区呈现一种金黄色的亮光，而在侧光区反射蓝色乳光，能增加金属面漆颜色的丰满度。牛健发明了一种纳米金属汽车面漆，它是采用多种纳米金属粉体材料，与引进国外先进纳米金属汽车面漆制作技术相结合研制成功的新一代高级汽车涂料，它具有极强的附着力和耐酸、耐碱、抗氧化等耐化学药品性能；具有随角异色效应，并具有抗磨、抗刮碰等优异的抗外界物理冲击性
13、能，还吸收有害射线对人体及底漆的辐射，能保护人体健康，延长面漆的使用寿命。美国人则普拉尚特卡马特领导的科研小组在纳米月刊上写道，这种涂料含有半导体微粒这种被称为量子点的纳米微粒由二氧化钛组成将二氧化钛纳米微粒涂上硫化镉或硒化镉，然后将其放入酒精和水的混合液中就形成了粘稠的糊状物涂到透明的导电物质上以后，这种涂料就会把光转化为电能这种涂料不用特殊工具就能涂抹在任何导电表面上卡马特说他的研究工作得到了美国能源部的资助。3.4 特殊纳米界面涂料在实验中发现，纳米材料与某些树脂经过特殊复合后，其表面会具有一些特殊的物理化学性能，比如可同时存在疏水、疏油现象，这种性能可应用于开发超双亲界面物性材料和超双
14、疏界面物性材料，应用于建筑涂料中可以提高涂料的耐污染性能。3.5 纳米高强度涂料利用纳米粒子的比表面能大等特性可明显改善涂膜的力学性能，如涂膜的韧性和强度等。涂料树脂中刚性颜填料粒子的存在会产生应力集中效应，引起周围树脂产生微开裂，加入纳米粒子后，由于纳米粒子的界面效应，使之与树脂之间产生更多的接触面积，产生更多的微裂纹和弹性变形，将更多的冲击能转化为热量吸收，从而提高冲击强度，达到增加强度、提高韧性的目的。3.6 保型隔热纳米涂料这是一种环保型隔热纳米涂料,其所述一种环保型隔热纳米涂料包括以下组份：纳米颜填料浆料、合成水性树脂、成膜助剂、偶联剂、消泡剂、流平剂和润湿剂,所述一种环保型隔热纳米
15、涂料的制备方法是：先将纳米颜填料浆料加入到合成水性树脂中,然后依次加入成膜助剂、偶联剂、消泡剂、流平剂和润湿剂,快速搅拌,即得到一种环保型隔热纳米涂料。本发明加工工艺简单,组分配比合理,具有热阻大、反射率高,辐射传热性能好的功能.3.7 纳米抗菌涂料人居住的环境中存在各种各样的有害微生物，如卫生间、厨房等场所，微生物大量繁殖，对人体健康构成威胁，并产生不良的气味和污斑等。为杀灭或抑制微生物的生长，最近人们开发了纳米抗菌涂料。纳米抗菌涂料是利用纳米 TiO2 在光照下形成的电子-孔穴对具有很强的活性，来杀灭或抑制微生物的生长。目前日本在光催化抗菌材料方面处于世界领先地位，其效果也很好，特别是在医
16、院病房、手术室及生活空间的细菌叫多的地方，用TiO2 光催化才来哦可有效杀死细菌防止感染。有关研究表明：在病房手术室内墙瓷砖表面和玻璃表面涂敷 TiO2 光催化剂后，空气中游离的细菌数可降低 90%左右。4、纳米涂料的应用举例4.1 纳米在 TiO2 涂料中的应用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。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 TiO2 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。郭刚等研究发现利用金红石型纳米TiO2 优异的紫外线屏蔽性
