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纳米材料在几种功能涂料中的应用

2018-10-15 16:38:56 来源:本站点击数:503

一、纳米材料的定义及特点

当前定义纳米材料尺寸范围为0.1-100纳米。现代材料和物理学家所称的纳米材料是指固体颗粒小到纳米尺度的超微粒子(也称之为纳米粉)和晶粒尺寸小到纳米量极的固体和薄膜。

纳米粒子具有常规微细粉末所不具备的四大效应,即量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、和宏观量子隧道效应,从而表现出许多奇特的光学、表面活性、填充特性、磁学、力学、物理、化学性能。

由于纳米纳米材料独特的光、电、磁性能,将其应用于涂料中后,除了可以起到改性作用外,更为重要的是可以制备出各种功能涂料,如抗辐射、耐老化、抗菌杀菌、隐身等特殊功能。


二、纳米材料在涂料中的应用

纳米材料在涂料中应用主要为两种:①纳米材料经特殊处理后,添加到传统涂料分散后制成的纳米复合涂料。将纳米离子应用于涂料中所得到的一类具有抗辐射、耐老化、具有某种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。


a、随角异色效应涂料---变色龙漆

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(390~780纳米),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跟在纳米二氧化钛表面反射产生了不同的视觉效果。

举例:将纳米级二氧化钛与铝粉混合颜料或纳米二氧化钛包覆的云母变色颜料添加于涂料中,其涂层能产生神秘而富有变幻的随角异色效应,主要是因为当入射光射到纳米二氧化钛粒子时,由于粒径小,蓝色光会发生较强散射,结果除掉蓝色光的绿色光和红色光(呈黄相)被铝片反射成为正反射光,即散射光为蓝相强的光,反射光为黄相强的光(金色),随观察角度的不同可见不同色相。

粒径为几十纳米二氧化钛微晶还赋予了涂膜金属光泽效应、珠光效应、闪光效应和增色效应,使得我们看到的汽车表面好像是珍珠片在闪闪发光,给人以深度感与层次感。


b、隐身效应—军事隐身涂料

无机纳米材料一个很成功的应用例子就是制备军事隐身涂料,这要归因于纳米超细粉体具有较大的比表面积,有极好的吸收特性,能吸收电磁波,同时又因为纳米粒子粒径小于红外和雷达波长,由它制成的涂层在很宽的频带范围内可以逃避雷达的侦察,同时也有红外隐身作用。

国内一些大学和军工系统的研究单位在六角平面铁氧体及氧化物改性物等材料方面取得了很多进展和阶段性成果。电子科大、南京大学、清华大学、53所、59所、中科院等单位开发了不少产品,最早期时的(上上一代)产品大部分是氧化物铁氧。中科院开发的是导电聚合物。

很多单位各自开发了不少产品,纳米级的碳基铁粉、镍粉、铁氧体粉末改性的有机涂料,将纳米金属(Fe、Co、Ni)或其合金的复合粉体,采用多相复合方式,或将纳米氧化物(Fe3O4、Fe2O3、ZnO、NiO2、TiO2、MoO2等)的粉体,纳米石墨,纳米碳化硅及混合物粉体用于隐身涂料的雷达波吸收剂。


c、荷叶效应以及其它特殊表面

所谓的“荷叶效应”是指那些模仿荷叶和其它植物的表面的自洁抗污能力。一般由至少两种类型的纳米结构相结合,含有强憎水的腊层表面,这种结构除了非常小的尺寸外是不相同的(大尺寸的织态结构可能有助于这个效应,但是拥有一个比污垢粒子小的结构有助于减少污垢粒子和表面的接触面积,表面也降低了它们的粘性)。

人们已经找到不同的方法来模仿它们,在这些方面主要还是依赖于纳米技术的发展。已经开发出具有荷叶效应的涂料,它可以通过喷洒罐进行操作使用。在涂料中,聚丙烯和聚乙烯纳米粒子和腊相结合,产生了大约1纳米尺寸的憎水的微结构表面。

美国旧金山市还使用超疏水涂层涂料—超级干(Ultra-Ever Dry)涂在酒吧附近墙上,流浪汉或喝醉的人如果在墙壁上随地小便,小便就会被会反射回来,以此来治理随地小便现象。


d、耐老化型涂料

经研究发现,纳米TiO2、SiO2、ZnO、Fe2O3等都是优良的抗老化剂,可以提高涂膜的耐候性。

纳米粒子的耐老化性是利用了其对光的散射和吸收的特殊功能。提出了以紫外线透过率、吸收系数、紫外线当量衰减率和太阳光防护效果为指标考察UV屏蔽能力,并测试纳米TiO2的紫外线屏蔽能力。

纳米SiO2是不定型白色粉末(指团聚状态),也具有紫外光吸收、红外线反射的特性,由于其分子结构中存在着大量的不饱和残键和不同状态的羟基,分子结构呈三维硅石结构,这种结构可与树脂某些基团发生键合作用,从而大大改善材料的热稳定性和化学稳定性。


e、用于防静电纳米涂料

纳米ZnO是一种半导体,呈白色或透明,因此在白色系或浅色系防静电涂料将占有一席之地。Wang E P等用添加镉的ZnO制备了导电ZnO,获得了导电性较好的ZnO超细微粒。

美国及其它一些国家研究人员用纳米TiO2、SnO2、Cr2O3等与树脂复合制备防静电涂料,发现这种涂料的静电屏蔽性能优于常规的树脂基与炭黑的涂料,同时可根据氧化物的类型来改变涂料的颜色。


f、抗菌涂料

纳米材料可以增强涂料的抗菌性和空气静化性。将纳米抗菌材料,纳米氧化钛、氧化锌、银系纳米抗菌材料等混入涂料,可制得纳米抗菌涂料。

涂布在人们经常接触到的产品表面,如家具、卫生洁具、墙面、地板等,能够起到杀菌效果。利用负离子粉制得负离子涂料还可以降解室内的环境污染,静化室内空气。

三、纳米技术的发展方向

纳米技术的发展主要有如下三个方向:

a、新的纳米原材料开发及其商品化;

b、纳米材料在涂料中的分散和稳定性。

c、加强纳米材料的表征方法及测试技术的研究。