纳米改性涂料的发展及应用陈林

纳米改性涂料的发展及应用

引言

随着我国经济的快速发展，建筑业已经成为我国的主要产业之一。随着人民生活水平的提高，过去的建筑条件已经远远不能满足人们的需要。在人们的众多需求中，建筑涂料扮演着举足轻重的角色进入21 世纪以来，人们要求建筑涂料具有较好的耐久性、低污染性和抗菌防污等性能，这些要求对我国目前的建筑涂料和施工工艺提出了巨大的挑战。因此，开发和应用高水准的建筑涂料及施工工艺已经成为当今许多学科的研究热点。随着纳米技术和纳米材料的飞速发展，纳米材料已经应用到建筑业中的方方面面，如掺入混凝土、水泥、涂料等基础材料中，改造了传统建筑产业的发展，使建筑材料具有了新的功能和使命。

1 不同功能的纳米改性涂料

纳米改性涂料不仅具有传统涂料的各种优越性能，而且使传统涂料具有许多新的功能，例如抗菌、自清洁、抗静电、隐身、净化大气、高透明度等。若按功能对纳米改性涂料进行分类，具体可分为以下几类。

1． 1 纳米抗菌涂料

纳米抗菌材料已被广泛应用于纤维、塑料、陶瓷和电器中，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，由于人手经常接触，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，很有必要发展纳米改性抗菌涂料。目前，具有较好的抗菌性能的纳米材料主要是指纳米TiO2、纳米ZnO 以及纳米载银材料。

1． 2 纳米改性防水涂料

特殊纳米界面涂料具有优异的防腐蚀和自清洁功能，是一种非常重要的涂料品种，特别是在金属防腐方面具有重要的意义。据统计，世界上每年因腐蚀而报废的钢铁制品的质量，大约相当于钢铁产量的1 /3，其中占年产量约10%的钢铁变为铁锈，这对资源和能源都是一种巨大的损失。因此，如何运用科学技术，经济而安全地防止、控制或减轻钢铁材料的腐蚀，对于我国的经济建设和发展具有重大意义。

1． 3 耐老化纳米涂料

提高外墙涂料的耐候性是外墙涂料的发展方向之一。纳米级颜涂料在耐候性能方面有了大幅度提高，纳米级颜填料粒子能够吸收紫外线，因此这种材料可起到紫外线吸收剂的作用，可以有效地增强涂料的耐老化性能。纳米ZnO、SiO2、TiO2、Fe2O3、CaCO3等微粒都具有大颗粒所不具备的特殊光学性能，普遍存在“蓝移”现象，添加到涂料中能对涂料形成屏蔽作用，从而达到抗紫外线老化的目的。将纳米TiO2按照一定的比例添加到涂料中，可制得一种特殊的防紫外线产品———纳米涂层，并且纳米材料可增强涂料与基体的附着力，使其具有防变色的功效，并且可以使涂料本身成为一种装饰材料。在涂料中添加一定量的纳米SiO2也可以起到很好的作用。纳米SiO2是一种无定形的白色粉末状物质，具有良好的吸收紫外线和反射红外线等光学性能的纳米材料，它对于波长400 mm 以下的紫外线和波长80 mm 以上的红外线的吸收率和反射率高达70%。纳米SiO2分子结构中具有大量的不饱和键，这些不饱和键的存在表现出极强的活性，可吸收一些有颜色的粒子，这在一定程度上降低了涂料在紫外线照射下产生的色素衰减。

2 纳米材料对涂料性能的影响

2． 1 纳米SiO2对涂料性能的影响

在建筑内外墙涂料中加入适量的纳米SiO2后，常规的涂料的抗紫外线耐老化性能较之前提高2． 5 倍以上; 耐擦洗性较之前可提高10 倍以上。纳米SiO2在内外墙涂料中的添加量一般为0． 1% ～1%，最多≯5%。纳米SiO2具有极强的紫外线屏蔽性，对长波黑斑效应紫外线屏蔽率达到88%，而对中波红斑效应紫外线屏蔽率为85%，对灭菌紫外线短波屏蔽率仍为70% ～ 80%( 由于这种短波的穿透力较低) ，所以纳米SiO2在涂料中可起到屏蔽各种紫外线的作用，从而达到涂料抗紫外线老化和抗热老化的目的。

2． 2 纳米TiO2对涂料性能的影响

与常规材料相比，纳米TiO2具有几个独特的性能: ①比表面积大; ②磁性强; ③光吸收性好，且吸收紫外线的能力强; ④表面活性大; ⑤热导性好; ⑥分散性好，所制悬浮液稳定等。由于纳米TiO2具有许多优异的性能，因此在涂料领域具有广阔的应用前景。建筑涂料尤其是外墙涂料的应用环境比较恶劣，紫外线、热能、微生物、水、空气中的污染物等均能引起涂料中聚合物的老化，而其中又以紫外线老化的破坏性最大。因此，提高涂料耐候性的关键是如何降低紫外线对涂料的降解。

2． 3 纳米ZnO 对涂料性能的影响

纳米ZnO 也是涂料中添加的一种优良的抗老化剂，在涂料中添加一定量的纳米ZnO 可以明显地提高涂料的抗老化性能。纳米ZnO 吸收紫外线的能力较其他纳米材料更强，无论是对长波黑斑效应紫外线，还是对中波红斑效应紫外线，都具有较好的屏蔽功效，因此很适合作为涂料中的抗老化剂。日本的专利报道称，近藤刚等研究员使用一定量的ZnO 作为玻璃添加剂，研制成功了一种玻璃用紫外线屏蔽涂层。美国Foster Products 公司使用纳米ZnO 制作出一种抗老化涂料，其抗老化性能是常规涂料的15 倍。美国的另一家公司利用Foster Products 公司的纳米ZnO，与一定的溶剂、树脂、催化剂等成功地配制出一种抗紫外线的预混合物，这种预混合物可作为涂料和塑料配方中一个至关重要的部分。

2． 4 纳米黏土对涂料性能的影响

黏土是一种“一维”的纳米材料，因此其比表面积相对于其他的纳米材料更高，最高可达700 ～800 m2 /g。黏土作为一种添加剂在复合材料中的应用也极其广泛，根据其在复合材料中添加量的不同，可制得以下几种产品: 常规复合材料、插层复合材料和剥离复合材料。在涂料中添加适量的黏土，可以大幅度地提高涂料的力学性能和热工性能。将黏土进行改性然后添加到涂料中，不仅可以提高涂料的柔韧性和抗冲击性，并且可以在一定程度上改善涂层的光学性能，从而得到一种新型的建筑涂料。

3 结语

涂料是工业产品的配套产品，其应用范围极为广泛。可以说，任何一种工业产品都离不开涂料。21 世纪是信息工业的时代，涂料又有了新的应用领域。例如电激发光元件，它是将荧光体材料夹在两个电极之间，当加上交/直流偏压电场时，其荧光体电子受冲击而以能量转移的方式发送。它分为无机电发光元件和有机电发光元件。这种元件具有冷光、不发热且无紫外线伤害、耗电少、防水且抗湿度、防振、抗冲击、光色种类多、发光均匀及其强度可调节和使用寿命长等优点，可用于计算机、家用电器、设备、仪表等液晶背光以及汽车、交通、建筑、广告等标志显示和多彩、全彩显示器等方面，这种电激发光元件的绝缘层就需要使用涂料且今后用量巨大，所以是涂料的一个很好的开发和发展领域。

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