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納米粉體材料及其在涂料領域的應用概述 |
來源:中國粉體技術網 更新時間:2014-08-20 09:53:43 瀏覽次數: |
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(中國粉體技術網/遠志)納米材料狹義上是指粒徑在0.1-100nm范圍內的或具有特殊物理化學性能的材料。廣義上,納米材料是指在三維空間中至少有一維長度在0.1-100nm范圍內的或具有納米結構的材料。按化學組成可分為:納米金屬、納米晶體、納米陶瓷、納米玻璃、納米高分子和納米復合材料等。由于納米材料具有表面效應、體積效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應和一些奇異的光、電、磁等性能,將其用于涂料中后,除了可以改性傳統涂料外,更為重要的是可以制備各種功能涂料,如具有抗輻射、耐老化、抗菌殺菌、隱身等特殊功能的涂料。
1、 納米材料在涂料領域中的應用
現階段納米材料在涂料中的應用主要為兩種情況:
(1)納米材料經特殊處理后,添加到傳統涂料中分散后制成的納米復合涂料(Nanocomposite coating),使涂料的各項指標均得到了顯著的提高。將納米離子用于涂料中 所得到的一類具有抗輻射、耐老化、具有某些特殊功能的涂料稱為納米復合涂料。
(2)完全由納米粒子和有機膜材料形成的納米涂層材料,通常所說的納米涂料均為有機納米復合涂料。目前,用于涂料的納米粒子主要是某些金屬氧化物(如TiO2、Fe2O2、ZnO等)、納米金屬粉末(如納米Al、Co、Ti、Cr、Nd等)、無機鹽類(CaCO3)和層狀硅酸鹽(如一堆的納米級粘土)。
2、納米TiO2在涂料中的應用
納米SiO2具有三維網狀結構,擁有龐大的比表面積,表現出極大的活性,能在涂料干燥時形成網狀結構,同時增加了涂料的強度和光潔度,而且還提高了顏料的懸浮性,能保持涂料的顏色長期不變。在建筑內外墻涂料中,若添加納米SiO2,可明顯改善涂料的開罐效果,涂料不分層,具有觸變性、防流掛、施工性能良好等優點,尤其是抗沾污性能大大提高,具有優良的自清潔能力和附著力。納米SiO2還可與有機顏料配用,可獲得光致變色涂料。
欲使納米SiO2材料在涂料中真正地得到廣泛應用,須解決納米SiO2在涂料中的分散穩定性問題。通常的做法是加入表面活性劑包裹微?;蚍葱跄齽┬纬呻p電層的措施。同時在分散時可配合使用超聲波分散。
3、納米氧化鋅在涂料中的應用
納米ZnO等由于質量輕、厚度薄、顏色淺、吸波能力強等優點而成為吸波涂料研究的熱點之一。在陽光的照射下納米ZnO在水和空氣中具有極強的化學活性,能與多種有機物發生氧化反應(包括細菌中的有機物),從而把大多數細菌和病毒殺死。 ZnO也具有良好的紫外線屏蔽作用,粒徑60nm的ZnO對波長300-400nm的紫外線有良好的吸收和散射作用,因此可以作為涂料的抗老化添加劑。日本已經開發出用樹脂包覆的片狀ZnO紫外線屏蔽劑[7]。在涂料中添加納米ZnO可改善它的抗氧化性能,使其具有抗菌性能。
4、納米氧化鐵在涂料中的應用
納米氧化鐵作為顏料無毒無味,具有很好的耐溫、耐侯、耐酸、耐堿以及高彩度、高著色力、高透明度和強烈吸收紫外光的優良性能,可廣泛用于高檔汽車涂料、建筑涂料、防腐涂料、粉末涂料,是較好的環保涂料。紫外線分解木材中的木質素而破壞細胞結構導致木材老化,納米氧化鐵顏料分散于涂層中,由于顆粒直徑小不會散射光線、涂層成透明狀態且吸收紫外線輻射,起到保護木材的作用。
左美祥等研究發現:在樹脂中摻入納米級的TiO2(白色)、Cr2O3(綠色)、Fe2O3(褐色)、ZnO等具有半導體性質的粉體,會產生良好的靜電屏蔽性能。日本松下電器公司研究所據此成功開發了適用于電器外殼的樹脂基納米氧化物復合的靜電屏蔽涂料。與傳統的樹脂基碳黑復合的涂料相比,樹脂基納米氧化物復合涂料具有更為優異的靜電屏蔽性能,而且后者在顏色選擇方面也更為靈活。用納米級Fe3O4與樹脂復合制成了磁性涂料,目前這方面的制備工藝已有所突破而進入產業化階段。
5、納米CaCO3在涂料中的應用
納米CaCO3作為顏料填充劑,具有細膩、均勻、白度高、光學性能好等優點,隨著納米碳酸鈣的粒子微細化,填料粒表面的原子數目占整個總原子數目的比例增大,使粒子表面的電子結構和晶體結構都發生變化,到了納米級水平。填料粒子將成為有限個原子的集合體,表現出常規粒子所沒有的表面效應和小尺寸效應,使納米材料具有一系列優良的理化性能。它添加到涂料膠乳中,加強了透明性、觸變性和流平性。觸變性是納米CaCO3改善膠乳涂料各項性能的主要因素。同時能對涂料形成屏蔽作用,達到抗紫外老化和防熱老化的目的和增加涂料的隔熱性。
杜振霞等研究表明:在納米CaCO3改性的涂料中,如果CaCO3固相體積分數達到20%時,涂料的粘度曲線存在低剪切稀化冪律特征區和高剪切牛頓兩個區域,而且有明顯的觸變性。當乳膠漆聚合物乳液的粒徑為10-100nm,表面張力非常低,有極好的流平性、流變性、潤濕性與滲透性,表現超常規的特性。
6、其它新型納米涂料
納米隱身涂料(雷達波吸收涂料)系指能有效地吸收入射雷達波并使其散射衰減的一類功能涂料。當將納米級的羧基鐵粉、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,使它們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。美國研制的超細石墨納米吸波涂料,對雷達波的吸收率大于99%,其他金屬超細粉末如Al,Co,Ti,Cr,Nd,Mo等,也具有很好的潛力。法國研制出一種寬頻微波吸收涂層,這種吸收涂層由粘結劑和納米材料、填充材料組成,具有很好的磁導率,在50MHz-50GHz范圍內具有良好的吸波性能。我國也有相關的研究,如不同粒徑的Fe3O4在1-1000 MHz頻率范圍對電磁波具有吸收性能,隨著頻率的增加,納米Fe3O4吸收能效增加,且納米粒徑越小,吸收效能越高。
7、納米涂料研究中存在的技術問題
首先是納米材料在涂料中的穩定分散問題。
由于納米粒子比表面積和表面張力都很大,容易吸附而發生團聚,在溶液中將其有效地分散成納米級粒子是非常困難的。尋找合適的分散劑來分散納米材料,并采用合適的穩定劑將良好分散的納米材料粒徑穩定在納米級,是納米技術在涂料改性中獲得廣泛應用必須解決的最關鍵問題。
其次, 納米材料加入量的適度問題。
一般而言,納米材料的用量與涂料性能變化之間的關系曲線近似于拋物線,開始時隨著納米材料添加量的增加,涂料性能大幅度提高,到一定值后,涂料性能增幅趨緩,最后達到峰值:之后,隨著納米材料添加量的進一步增加,涂料的性能反而呈迅速下降的趨勢,同時也增加了成本。因此,做好對比試驗,選好納米材料添加量也十分關鍵。最后,必須開展納米涂料施工工藝的研究。納米涂料就本身而言只是一個半成品,只有施工完畢后才真正成為最終產品,而現實情況是人們大都將注意力集中在納米涂料產品本身,而忽略了施工工藝的研究,致使納米涂料無法達到其應有的效果。
8、納米技術在涂料領域的應用展望
今后納米涂料的發展主要將體現在以下幾個方面:
(1)新的納米原材料的開發和商品化。即根據不同材料的物理化學性能,開發研制出新納米改性材料,使之具有更多更新的功能。
(2)研究納米材料在涂料中的分散和穩定性。即探索納米材料顆粒與涂料間的相互作用和混合機理,并根據納米粉體在涂料中分散成納米級和保持分散穩定性的原理,開發新的表面改性劑和穩定劑,以提高納米材料在涂料中的改性效果。
(3)加強納米材料表征方法和測試技術的研究。即為了能更好地利用納米材料的特殊性能,必須研究新的測試手段對納米材料進行研究,并將傳統納米材料的測試方法進一步完善和標準化。降低成本,并逐漸實現納米技術的工業化、商品化,從而改變我國高檔、高性能涂料大量依賴進口的狀況,是將來的研究重點。
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