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1、纳米涂料的应用现状和发展前景（材料科学与工程学院 09级二班 乔楠 学号222009319012077 ）摘要：本文简述了纳米技术发展及其内涵，讨论纳米涂料现阶段的发展情况及其在某些金属氧化物涂料中的应用，预测纳米涂料未来的发展前景。关键词:纳米技术；纳米涂料 ；应用1.1纳米发展小史1959年著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德.费曼预言了人类可以像排列积木一样排列原子，这是人类关于纳米的最早梦想。从此以后纳米飞速发展。1991年美国科学家成功合成了碳纳米管，并发现其质量仅为同体积的钢的六分之一，强度却是钢的十倍，因此称作超级纤维，超级纤维的发现标志人类对纳米材料性能的发掘达到了新的高度。至1
2、999年，纳米产品的年产值达到500亿美元。1.2纳米技术的内涵及内容1.2.1纳米技术的内涵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（61025m3/10nm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。纳米是长度单位，原称“毫微米”，就是109（10亿分之一）米。纳米科学与技术，有时简称为纳米技术，是研究结构尺寸在1100纳米范围内材料的性质和应用。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
3、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。1.2.2纳米技术的内容（1）纳米材料包括制备和表征。在纳米尺度下，物质中电子的放性（量子力学学性质）和原子的相互作用将受到尺度大小的影响，如能得到纳米尺度的结构，就可能控制材料的基本性质如熔点、磁性、电容甚至颜色。而不改变物质的化学成份。（2）纳米动力学主要是微机械和微电机，
4、或总称为微型电动机械系统（MEMS），用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统，特种电子设备、医疗和诊断仪器等。MEMS使用的是一种类似于集成电器设计和制造的新工艺。特点是部件很小，刻蚀的深度往往要求数十至数百微米，而宽度误差很小。这种工艺还可用于制作三相电动机，用于超快速离心机或陀螺仪等。在研究方面还要相应地检测准原子尺度的微变形和微摩擦等。虽然它们目前尚未真正进入纳米尺度，但有很大的潜在科学价值和经济价值。（3）纳米生物学和纳米药物学，如在云母表面用纳米微粒度的胶体金固定DNA的粒子，在二氧化硅表面的叉指形电极做生物分子间相互作用的试验，磷脂和脂肪酸双层平面生物膜，DNA的精细结构
5、等。有了纳米技术，还可用自组装方法在细胞内放入零件或组件使构成新的材料。新的药物，即使是微米粒子的细粉，也大约有半数不溶于水；但如粒子为纳米尺度（即超微粒子），则可溶于水。（4）纳米电子学包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光电性质、纳米电子材料的表征，以及原子操纵和原子组装等。当前电子技术的趋势要求器件和系统更小、更快、更冷。“更快”是指响应速度要快。“更冷”是指单个器件的功耗要小。但是“更小”并非没有限度。2纳米材料在涂料领域中的应用2.1纳米涂料的内涵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
6、 1 100 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。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。2.2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，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
7、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。2.2.1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 )。 2.2.2纳米
8、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。2.2.3分散纳米涂料的方法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
9、。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点 , 通过调节 pH 值使之与等电点时的 p H 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、使用球磨机的球磨分散以及超声波分散 。2.3纳米涂料的应用举例2.3.1纳米
10、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漆4。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
11、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。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。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
12、能的提高和完善方面还有大量的工作要做，为此，我们还要继续做出贡献。2.3.2纳米在氧化铁涂料中的应用纳米氧化铁作为颜料无毒无味，具有很好的耐温、耐侯、耐酸、耐碱以及高彩度、高着色力、高透明度和强烈吸收紫外光的优良性能，可广泛用于高档汽车涂料、建筑涂料、防腐涂料、粉末涂料，是较好的环保涂料。紫外线分解木材中的木质素而破坏细胞结构导致木材老化，纳米氧化铁颜料分散于涂层中，由于颗粒直径小不会散射光线、涂层成透明状态且吸收紫外线辐射，起到保护木材的作用。左美祥7等研究发现:在树脂中掺入纳米级的TiO2（白色）、Cr2O3（绿色）、Fe2O3（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
13、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。用纳米级Fe3O4与树脂复合制成了磁性涂料，目前这方面的制备工艺已有所突破而进入产业化阶段。2.3.3纳米在ZnO涂料中的应用纳米ZnO等由于质量轻、厚度薄、颜色浅、吸波能力强等优点而成为吸波涂料研究的热点之一。在阳光的照射下纳米ZnO在水和空气中具有极强的化学活性，能与多种有机物发生氧化反应（包括细菌中的有机物），从而把大多数细菌和病毒杀死。 ZnO也具有良好的紫外线屏蔽作用，粒径6
14、0nm的ZnO对波长300-400nm的紫外线有良好的吸收和散射作用，因此可以作为涂料的抗老化添加剂。日本已经开发出用树脂包覆的片状ZnO紫外线屏蔽剂8。在涂料中添加纳米ZnO可改善它的抗氧化性能，使其具有抗菌性能。2.3.4纳米在CaCO3涂料中的应用纳米CaCO3作为颜料填充剂，具有细腻、均匀、白度高、光学性能好等优点，随着纳米碳酸钙的粒子微细化，填料粒表面的原子数目占整个总原子数目的比例增大，使粒子表面的电子结构和晶体结构都发生变化，到了纳米级水平。填料粒子将成为有限个原子的集合体，表现出常规粒子所没有的表面效应和小尺寸效应，使纳米材料具有一系列优良的理化性能。它添加到涂料胶乳中，加强了
15、透明性、触变性和流平性。触变性是纳米CaCO3改善胶乳涂料各项性能的主要因素。同时能对涂料形成屏蔽作用，达到抗紫外老化和防热老化的目的和增加涂料的隔热性。 杜振霞9等研究表明:在纳米CaCO3改性的涂料中，如果CaCO3固相体积分数达到20%时，涂料的粘度曲线存在低剪切稀化幂律特征区和高剪切牛顿两个区域，而且有明显的触变性。当乳胶漆聚合物乳液的粒径为10-100nm，表面张力非常低，有极好的流平性、流变性、润湿性与渗透性，表现超常规的特性。2.4纳米涂料研究中存在的技术问题首先是纳米材料在涂料中的稳定分散问题。由于纳米粒子比表面积和表面张力都很大，容易吸附而发生团聚，在溶液中将其有效地分散成纳
16、米级粒子是非常困难的。寻找合适的分散剂来分散纳米材料，并采用合适的稳定剂将良好分散的纳米材料粒径稳定在纳米级，是纳米技术在涂料改性中获得广泛应用必须解决的最关键问题。其次， 纳米材料加入量的适度问题。一般而言，纳米材料的用量与涂料性能变化之间的关系曲线近似于抛物线，开始时随着纳米材料添加量的增加，涂料性能大幅度提高，到一定值后，涂料性能增幅趋缓，最后达到峰值：之后，随着纳米材料添加量的进一步增加，涂料的性能反而呈迅速下降的趋势，同时也增加了成本。因此，做好对比试验，选好纳米材料添加量也十分关键。最后，必须开展纳米涂料施工工艺的研究。纳米涂料就本身而言只是一个半成品，只有施工完毕后才真正成为最终
17、产品，而现实情况是人们大都将注意力集中在纳米涂料产品本身，而忽略了施工工艺的研究，致使纳米涂料无法达到其应有的效果。2.5纳米涂料的国内外应用现状2.5.1纳米涂料在国外的研究开发现状国外在纳米涂料的研究开发和产业化方面起步较早 , 尤其美国与日本在这方面走在了世界前列。美国研究开发成功并已进行产业化的有豪华轿车面漆、军事隐身涂料、绝缘涂料等 , 另外还开展了光致变色涂料、透明耐磨涂料、包装用阻隔性涂层等纳米涂料的研究 , 目前已有 3 个公司供应商业纳米复合涂料产品。日本则在静电屏蔽涂料、光催化自清洁涂料的研究开发方面 , 取得了成功并实现了产业化。2.5.2纳米涂料在国内的研究开发现状国内
18、纳米涂料的发展起步于上世纪九十年代末期 , 主要集中在改善建筑外墙涂料的耐候性和建筑内墙涂料的抗菌性方面 , 且基本上已研制成功 , 目前正准备走向产业化 , 而在工业用涂料、航空航天涂料以及功能性涂料的研究开发和产业化方面则落后于发达国家。3纳米涂料的发展前景纳米技术在涂料领域应用的方向有两个 : 一是改善传统涂料性能, 利用涂料的流变性与填料的粒径存在的一定关系 , 引用纳米技术可制得施工性能优良的纳米涂料 , 纳米粒子由于比表面积大 , 与有机树脂基质之间存在良好的界面结合力 , 从而可提高原有涂层的强度、硬度、耐磨性、耐刮伤性等力学性能 , 而且由于其对可见光可透 , 还可保证涂层的透
19、明性 , 利用这一特性可制备高耐刮伤性汽车涂料、家具漆等纳米涂料 ; 二是制备出新的功能性纳米涂料, 如军事隐身涂料、静电屏蔽涂料、纳米抗菌涂料、纳米界面涂料等。总的来说 , 目前纳米涂料尚处于初步阶段 , 商品化的纳米涂料生产也刚刚起步 , 而目前有些商业媒体的宣传对纳米科技有一定的炒作嫌疑 , 科技工作者对此应该保持严谨求实的态度 , 踏踏实实地做好基础工作。我们有理由相信 , 我们最终会克服纳米涂料的研制中存在的上述许多问题 , 随着纳米技术和涂料研究的深入 , 涂料工业将迈上一个新台阶 , 纳米涂料的前景也将是无限光明、辉煌的。4结语综上所述纳米技术是现代逐步发展起来的一门前沿性与综合
20、性交叉的新学科，是现代科学和现代技术相结合的产物，它的迅猛发展将引发21世纪新的工业革命。纳米涂料便是纳米技术的产物，现在国内外对纳米涂料的需求量也注定纳米涂料的迅速发展。纳米涂料必将使世界更为绚丽。参考文献1 Gleiter.H， On the structure of grain boundaries in metals J.Materials Science and Engineering，1982， （52）:91-102.2 卞明哲.纳米材料在建筑涂料中的应用J.江苏建材，2001，（4）:11-12.3 柯昌美，汪厚植.纳米复合涂料的制备J.涂料工业，2003，33（3）:14.5
21、 郭刚，汪斌华，黄婉霞.纳米TiO2的紫外光学特性及在粉末涂料抗老化改性中的应用J.四川大学学报，2004，36（5）:54-61.6 Marye Anne Fox， Maria T， Dulay. Heterogeneous phototocatalysJ.Chem Rev， 1993，（93）:341-357.7 P.Stamatakis. Optional Particles Size of Titanium Dioxide and Zinc Oxide for Attention of Ultraviolet RadiationJ.JCT， 1990，62 （789） :95.8左美祥，黄志杰，张玉敏.纳米在涂料中的分散及改性作用J.应用基础，2001，（29）:1-3.9杜振霞.改性纳米碳酸钙表面性质的研究J.现代化工，2001，（4）:42-45.