1、涂料與涂裝論文材物（實驗）1301侯全剛1309000208納米技術在涂料中的應用摘要：本文從納米材料的力學性能，光學性能等方面概括了納米技術在涂料中的應用前景，并指出了納米涂料發展中存在的問題，對納米涂料技術的進一步研究提出了建議。關鍵詞：納米技術；納米復合涂料；納米；抗菌涂料；耐老化涂料；引言：納米涂料是由納米材料與有機涂料復合而成的，因此一般稱為納米復合涂料(Nanocomposite coating)。納米涂料必須滿足兩個條件: 一是至少含一相尺寸在1100 nm之間，二是由于納米相的存在而使涂料性能得到顯著提高或有新功能，兩者缺一不可。納米涂料在常規的力學性能（如附著力、抗沖擊、柔韌

2、性)方面會得到提高，還有可能提高涂料的耐老化、耐腐蝕、抗輻射性能。此外，納米涂料還可能呈現出某些特殊功能如：自清潔、抗靜電、隱身吸波、阻燃等性能。納米涂料力學性能的研究顏料是涂料的重要組成物，當顏料顆粒以納米級的大小分布在涂膜中時，因為納米粒子與樹脂的比界面很大，結合力強，對有機涂層起到增強作用，從而提高硬度、抗沖擊性，另外，納米粒子的存在還可降低涂膜干燥過程中的殘余內應力，從而提高涂膜的附著力。根據研究表明，納米在紫外光固化涂料中可明顯提高涂膜的硬度與附著力。表面含有大量羥基,親水性較強,與樹脂(45%)時,涂料硬度明顯提高，原因是當納米粒子均勻分散在有機材料中時,與材料的比界面大,結合力強

3、,對有機材料具有增強效應,提高了有機復合材料的硬度。此外，納米CaCO3在紙張涂料中的應用也提高了紙張的折曲性和柔軟度，納米建筑涂料的耐磨性、耐擦洗性都有明顯改善。納米改性的家具面漆、汽車面漆的耐磨性、硬度、耐刮傷性也極優越。在納米涂料機械性能的研究方面，目前主要研究納米CaC03、Si02滑石粉、硅酸鋁、鐵系顏料等對涂膜耐擦洗、耐磨、附著力、抗沖擊、柔韌性的改進。這方面的研究重點是探索納米粒子與樹脂界面的相互作用機理和混合機理，以期為納米涂層機械性能的提高獲得理論依據。這方面納米高分子復合材料的研究有借鑒意義。納米涂料光學性能的研究納米涂料作為豪華汽車面漆的研究當納米級二氧化鈦與鋁粉顏料或云

4、母珠光顏料混合用于涂料中，使其涂層具有隨角異色性即從不同角度觀察其反射光可看到不同的顏色。產生這種現象的原因是：納米二氧化鈦本身有透明性，又具有對可見光一定程度的遮蓋，透射光在鋁粉表面反射與納米二氧化鈦本身表面反射產生了不同的視覺效果。這種配色技術最早由美國于1985年開發成功，1987年便應用于輕工業。目前至少有11家涂料公司開發了這類產品。還可以利用納米材料對紫外線的屏蔽作用來提高汽車面漆涂料的耐老化性能。因為紫外線常引起涂料主要成膜物質的分子鏈斷裂，形成非常活潑的游離基，這種游離進一步引起整個主要成膜物質分子鏈的分解，最后導致涂層老化變質。對有機涂層來講，太陽輻射的紫外線是所有在大氣條件

5、下作用于涂層的其它各因素中最有侵蝕性的因素。因此對有機涂層來說，若能屏蔽太陽光中的紫外線，則可大幅提高漆膜的耐老化性能。納米涂料在隱身材料中的應用納米隱身涂料又稱為雷達波吸收涂料指能有效地吸人雷達波并使其散射衰減的一類功能涂料。當納米級的羥基鐵粉、鎳粉、鐵氧體粉末改性的有機涂料涂到飛機、導彈、軍艦等武器裝備上，可使這些裝備具有隱身性能，其原理是：一方面，納米超細粉末具有很大的比表面積，能吸收電磁波；另一方面，納米粒子尺寸遠小于紅外線及雷達波長，對波的透過率很大，因此不僅能吸收雷達波，也能吸收可見光和紅外線。由它制成的涂層在很寬的頻率范圍內可以逃避雷達的偵察，同時也有紅外隱身作用。在目前研究的納

6、米粒子中，納米ZnO等金屬氧化物由于質量輕、厚度薄、顏色淺、吸波能力強等優點，成為吸波涂料的重要研究方向之一。另外，據報道，美國研制的超細石墨粉納米吸渡涂料，對雷達渡的吸收率大于99 ，其它金屬超細粉AI、Co、Ti、Cr、Nd、Mo等也是很有潛力的吸波納米粉體。 納米涂料在環境保護中的應用納米涂料的光催化性質以納米為代表的半導體光催化材料, 能利用太陽光或紫外光催化降解有機污染物、消毒滅菌、吸附并分解有毒氣體、自清潔, 因此倍受人們的青睞。納米T iO2 具有無毒、催化活性高、氧化能力強、穩定性好等優點已被廣泛用于空氣凈化等環保領域。室內空氣的凈化室內有害氣體主要有裝飾材料等放出的甲醛及生活

7、環境中產生的甲硫醇、硫化氫、氨氣等, 這些氣體在百萬分之幾時就能使人感到不適, 有些甚至能致癌。隨著人們健康和環保意識的增強, 人們迫切需要凈化室內外空氣的環保材科, 納米光催化劑就是一種很好的環境凈化材料。光催化劑在光照條件下可將空氣中的有機物分解為CO2、H2O 和相應的有機酸，如納米光催化綠色涂料在密閉空間內7天的降解效率達到92% , 納米光催化降解甲醛為CO2 和H2O, 不會產生其它有機物的污染, 只要含有納米 光催化劑的復合材料存在, 對甲醛的驅除作用就會有效。除臭空氣中惡臭氣體主要有五種: ( 1)含硫化合物,如硫化氫、二氧化硫、硫醇類、硫醚類等; ( 2)含氮化合物, 如胺類

8、、酰胺等; ( 3) 鹵素及其衍生物, 如氯氣、鹵代烴等; ( 4)烴類, 如烷烴、烯烴、炔烴、芳香烴等; ( 5)含氧的有機物, 如醇、酚醛、酮、有機酸等。以前普遍采用活性炭除這些臭氣, 隨著氣體在活性炭表面的富集, 其吸附能力明顯降低, 使其應用受到限制; 而使用了光催化劑吸附這些氣體, 經紫外光照射氣體分解后又可恢復其新鮮表面, 消除了吸附限制，所以納米光催化綠色涂料對空氣中的臭氣具有較好的降解作用。殺菌消毒光照下的催化劑可以對細菌細胞產生光化學氧化作用而降低生物體中輔酶的活性導致細胞死亡, 從而使水中的酵母菌、大腸桿菌、乳酸桿菌和葡萄球菌等不能存活。利用金屬離子摻雜改性的光催化膜功能材

9、料, 在紫外光照下20 min, 可使大腸桿菌和金黃色葡萄球菌體等的失活率達到90% 以上，應用光催化的方法在體外對宮頸癌細胞進行殺菌試驗, 結果表明, 在光照下對宮頸癌細胞具有明顯的殺滅作用。由于納米 是一種比較安全和穩定的化合物, 它對人和動物體無毒性, 在國外已用于制作食品添加劑, 不會產生任何毒素又能殺滅微生物, 光催化因而成為很有發展潛力的消毒殺菌新工藝。目前, 運用光催化反應凈化室內空氣的產品有:抗菌瓷磚、抗菌衛生陶瓷、除臭照明燈具、防污除臭日光燈、除臭殺菌空氣清凈器、除臭板、除臭紙和布等; 除此還可在居室、辦公室窗玻璃、陶瓷等建材表面涂敷光催化薄膜或在房間內安裝光催化設備如空氣凈

10、化器或空調器中安裝納米空氣凈化網等, 均可有效地降解這些有機物,凈化室內空氣。日本已有多家公司利用T iO2 光催化反應生產出了改善空氣品質的技術和實用產品。日本石源公司與豐田汽車公司、Equos研發公司聯合成功開發了消除空氣中的NOx、甲醛的技術。該技術在中添加了特殊的氧化助催化劑, 大大提高了凈化污染空氣的能力。石源公司還開發出了一系列的二次產品。例如將混入活性炭并加無機粘結劑做成成型的產品。富士電機綜合研究所制成了處理低濃度NOx 的空氣凈化器, 并制成了除臭的冷藏車。三菱制紙利用和無機吸附劑的復合材料制成了空氣凈化除臭機。日本國立材料科學研究所開發了一種能高效分解化學物質的光催化劑,

11、由于采用了很薄的薄膜成形技術, 從而提高了催化劑單位面積的容量, 其分解效率比目前工業上用的催化劑高一個數量級以上。白清潔納米涂層自清潔涂層最早是通過溶膠一凝膠法制成溶膠，涂附在玻璃或陶瓷物面上后，在500以上溫度進行熱處理，生成有光活性的薄膜，通過工藝條件的改變可控制的晶型與粒徑大小。90年代日本ToTo、Takenaka公司已經在陶瓷等建材產品上涂敷薄膜來達到物面的自清潔作用，它的用途極其廣泛，可以保證玻璃清潔、防止墻面有油膩的印跡，減少醫院墻面的細菌數，甚至可用于污水處理。隨著納米粉體技術的發展，自清潔涂層可以直接由納米涂料附在物面上，如把氣相法生成的納米粒子分散在含 一二酮和偶聯劑的有

12、機溶劑中，再加上烷氧基硅烷制成自清潔涂料,自清潔納米涂層的作用原理是利用納米粒子的光活性來分解有機物或殺菌。在波長小于400 nm的光照下，能吸收能量高于其禁帶寬度的短波光輻射，產生電子躍遷，價帶電子被激發到導帶，形成空穴一電子對，并將能量傳遞到周圍介質，誘發光化學反應，具有光催化能力，目前納米、ZnO的自清潔涂層研究得比較多。另外，以納米為載體，Ag吸附在載體上也能作為納米復合銀系抗菌涂層。納米技術在涂層其它方面的應用納米涂層的應用極其廣泛，利用納米粒子的流變性，可制成流平性與防流掛性極其優良的涂層，利用納米 、等具有半導體性質的粉體作為顏料加入涂料中，可制成導電型抗靜電涂料，在電子儀器、家

13、電、家具方面有著極廣泛的用途。在提高涂層熱穩定性方面，有關研究表明，加入納米有一定的改善效果。低溫熱失重情況下，納米可使環氧丙烯酸酯的光固化涂料的熱失重初溫從330 K提高到366 K，熱失重終溫由358 K提高到370 K。利用納米涂料還可制成含的親水親油涂層- 或含陣列碳納米管膜的超雙疏(疏水、疏油)涂層，從而改進物面的界面性能。另外，有文獻報道，防滑防腐蝕涂層也可通過納米技術得到改進。納米涂料存在的問題納米涂料制備過程中最大的問題就是納米分散與穩定的問題。納米粒子的分散可以使用現行的涂料生產設備(如砂磨機、球磨機、三輥機、膠體磨、高速分散機等)，另外超聲波分散也是一種經常使用的方法，分散

14、時最重要的不是暫時的均勻分散，而是長期的分散，防止納米粒子在涂料液中的沉降、絮凝。為了使表面活性很大的納米微粒在涂料中穩定存在，并且均勻分散，常采用納米微粒表面修飾方法，包括物理修飾與化學修飾。物理修飾一般是指表面活性劑法(如十二烷基苯磺酸鈉修飾納米)與表面沉積法(如納米表面包覆)，化學修飾可采用偶聯劑法(如硅烷偶聯劑修飾)、酯化反應法(如伯醇酯化反應修飾)和表面接枝改性法(如甲基丙烯酸接枝改性) 經過不同修飾方法改性的納米粒子在不同溶劑中的穩定性是不一樣的，在納米粒子穩定性方面，還有待進一步研究。納米測試技術有待提高，在表征納米顏料的粒度及分布時，現在采用的重力沉降、小角度激光衍射儀僅能測試

15、到微米或亞微米粒子，目前主要采用掃描電鏡成相觀察；在進行表面特征與界面性質分析時，采用原子力顯微鏡觀察。這些方法所采用的儀器有的很昂貴，在涂料中應用有待深入。另外，納米涂料缺乏相關的標準，比如納米顏料在純度、粒度、粒度分布、貯藏穩定性等的指標以及測試方法的標準亟待完善。結論納米涂料是一種新型的涂料，目前關于納米涂料的一些制備工藝、理論基礎、檢測方法與手段仍不是很完善，有待進一步提高。納米涂料的進一步研究主要集中在以下幾方面：利用納米材料改進潦層的基本性能，如研究納米CaCO3、Sio2、滑石粉、硅酸鋁、鐵系顏料等傳統無機鹽填料的納米微粒對涂膜光澤、耐擦洗性、耐磨性、柔韌性、抗沖擊性、硬度、附著

16、力、耐候性、抗老化性、阻透性、增效性、增稠性、遮蓋率、耐溫性的影響，進一步提高涂層的化學與物理性能 利用納米材料賦予涂層新的特殊性能，如研究 02等納米粒子對涂層吸光性、吸渡性、靜電屏蔽性、抗老化性、防腐防滑等性能的影響，拓展涂料的使用范圍。研究納米粒子在涂料中的分散與穩定性，探索納米粒子與樹脂界面的相互作用機理和相互混合機理，為納米沫料生產與研究提供理論支持。 研究納米粒子互配以及納米粒子與非納米粒子混合同題， 納米涂料中納米顏料的測試方法及標準化的完善。總之，隨著納米技術在建材、電子、信息、生命科學等各個領域的發展，納米涂料也將進一步取得突破并降低生產成本，逐漸走人生活、工業用途的領域。參考文獻1 劉登良, 邊蘊靜. 納米技術在涂料中的應用前景J. 中國涂料, 2001 (3): 9-11.2 陳東初, 鄭家燊. 納米技術在涂料中的應用研究進展J. 電鍍與涂飾, 2001, 20(6): 47-51.3 張玉林, 馮輝. 納米多功能外墻涂料的研制J. 新型建筑材料, 2002 (3): 18-21.4 卓長平, 張雄. 納米技術及其在涂料領域的應用J. 安徽大學學報 (自然科學版), 2004, 28(1): 73-78.5 劉福春