納米材料及其技術(shù)在涂料產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用論文
1納米材料的概述
納米材料是指由尺寸介于原子、分子和宏觀體系之間的納米粒子組成的新一代材料。而納米技術(shù)是研究物質(zhì)組成體系的運動規(guī)律和相互作用以及在應(yīng)用中實現(xiàn)特有功能和智能作用的一種科學(xué)技術(shù)。納米涂料是利用納米粒子抗紫外線的性能對涂料進行改性，提高涂料的某些性能。納米涂料也是納米復(fù)合涂料，是在涂料生產(chǎn)過程中加入納米粒子，從而產(chǎn)生許多優(yōu)異性能，使納米涂料具有優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)及電磁學(xué)性能，這些都是傳統(tǒng)涂料不能比擬的，而且添加不同的納米粒子便生產(chǎn)出不同功能的納米涂料，從而擴大了涂料的應(yīng)用范圍。
納米涂料的發(fā)展：首先，納米材料在我國的發(fā)展已經(jīng)很廣泛，在市場上也取得較好的反應(yīng)，納米建筑涂料是納米涂料用量最大的品種之一，也是提升傳統(tǒng)涂料的重點領(lǐng)域。近幾年來，納米材料的發(fā)展更為迅速，在建筑行業(yè)中，主要被用于改善建筑內(nèi)墻涂料的抗菌性和建筑外墻涂料的耐候性，已經(jīng)逐漸形成一種產(chǎn)業(yè)。但是還是落后于發(fā)達國家，國外的納米材料的應(yīng)用，對于納米涂料的應(yīng)用，國外對其的開發(fā)起步較早并形成產(chǎn)業(yè)化，美國對于納米材料的應(yīng)用主要用于絕緣涂料、豪華轎車面漆以及軍事方面，還開展了在包裝上使用阻隔性涂層、透明并耐磨性涂料、光致變色涂料等納米涂料的應(yīng)用研究。而日本主要在由光催化進行自動清潔涂料、靜電屏蔽涂料的研究方面取得成效并將其發(fā)展為產(chǎn)業(yè)化。
2納米材料的物理性能
納米材料中能級分裂和電子布局的變化；納米材料電子的強關(guān)聯(lián)或相關(guān)性；納米材料具備的激子過程和激發(fā)態(tài)；納米材料的表面態(tài)與表面結(jié)構(gòu)：納米材料占比例較大的是的其表面，當(dāng)納米材料減少到10nm時，體內(nèi)原子和表面原子的數(shù)目比將達到50%。表面原子與體內(nèi)原子所處的化學(xué)環(huán)境截然不同，因此會有表面相形成。但是，由于普通材料中，表面相受到比例小的影響，局限性較大。對于納米材料來說，由于自身表象與體相比例相差不大，因此，在許多物理變化以及化學(xué)變化中的作用顯著，而且更加利于人們對其進行研究；納米材料的量子隧穿與納米尺度的耦合：目前改性涂料所使用納米材料一般為半導(dǎo)體納米材料，如納米SiO2、TiO2、ZnO等，半導(dǎo)體納米材料比較特殊；具有光學(xué)性；納米半導(dǎo)體粒子，1-100nm。由于量子尺寸效應(yīng)差異較大，因此目前最活躍的研究領(lǐng)域之一就是納米半導(dǎo)體粒子的光化學(xué)性質(zhì)和光物理性質(zhì)，對于納米半導(dǎo)體粒子所具有的室溫光致發(fā)光及超快速的光學(xué)非線性響應(yīng)等特性更加受到關(guān)注。一般情況下，當(dāng)導(dǎo)體激子玻爾半徑與導(dǎo)體粒子尺寸半徑極其相近時，隨著導(dǎo)體粒子尺寸的變化，其導(dǎo)體的有效帶隙也隨之發(fā)生變化。導(dǎo)體尺寸越小，其導(dǎo)體的有效帶隙越多，其相應(yīng)的熒光光譜和吸收光譜會發(fā)生藍移，最終形成能級在能帶中。
3納米材料的其他性能
3.1光學(xué)性能：當(dāng)納米微粒的粒徑與電子的德布羅意波長、超導(dǎo)相干波長以及玻爾半徑相當(dāng)時，其具有較為顯著的尺寸效應(yīng)。同時，納米材料的比表面使處于小顆粒內(nèi)部的電子、原子以及處于表面態(tài)的電子、原子與的行為有很大的差別，影響納米微粒的光學(xué)特性與納米材料的這種量子尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)有很大的關(guān)系。這是同樣材質(zhì)納米材料的宏觀大塊物體不具備的。例如SiO2、TiO2、ZnO等，能夠很好的吸收紫外光，而其中一些氧化物幾乎不吸收紫外光，例如亞微米的TiO2。由于這些納米材料具有良好的半導(dǎo)體特性，因此容易吸收紫外光，其主要原因是由于電子被激發(fā)發(fā)生躍遷，從而吸收紫外光線。納米材料與具有相同材質(zhì)的大塊材料相比，納米材料在吸收紫外光線過程中，會出現(xiàn)藍移現(xiàn)象，出現(xiàn)藍移現(xiàn)象的原因有，量子尺寸發(fā)生變化，能隙變寬，光吸收靠近短波。另一種是表面效應(yīng)。大的表面張力使晶格畸變，晶格常數(shù)變小。
3.2吸附性能：當(dāng)不同相相接觸并且互相結(jié)合時，就是吸附現(xiàn)象。納米微粒與材質(zhì)相同的一些材料相比吸附性較強，主要是由于其比表面積較大，并且其表面得原子不能足夠配位。影響納米材料吸附性能的因素較多，其中，溶液性質(zhì)、被吸附物質(zhì)的性質(zhì)、溶劑性質(zhì)都可能對其產(chǎn)生影響。比如，水溶液的PH值不同，納米材料微粒的電性也不相同，有可能帶正電、也有可能帶負電、還有可能呈中性。這些粒子所形成的吸附鍵不同，其吸附作用也具有差異。一些納米材料能夠利用氣體，形成吸附層，如納米氧化物可以與空氣中的一些氣體結(jié)合形成吸附表層。氣體不同，形成的吸附層也不相同。
4納米材料在涂料中的應(yīng)用
4.1力學(xué)性能的改善
涂料力學(xué)性能主要表現(xiàn)在強度、硬度、耐磨性等方面，涂料力學(xué)性能的好壞直接關(guān)系到涂料的使用壽命。在涂料實際應(yīng)用過程中，受多種因素的影響，會出現(xiàn)力學(xué)性能的變化，從而難以發(fā)揮涂料應(yīng)有的作用。而納米材料的應(yīng)用能夠有效地改善涂料的力學(xué)性能。納米材料中的納米粒子比表面積要大，能夠與有機樹脂基質(zhì)之間存在良好的界面結(jié)合力，大顆粒與成膜物之間的空隙非常小，能夠有效地減少毛細作用，從而提高涂層的強度、硬度以及耐磨性。
4.2光學(xué)性能的改善
涂料主要是涂在物體表面，而在物體表面，涂料很容易腐化、脫落，而出現(xiàn)這種問題的根源就在于涂料的光學(xué)性能比較差，涂料在太陽的照射下快速地發(fā)生反應(yīng)。而納米材料具備大顆粒所不具備的光學(xué)性能。當(dāng)納米級微粒摻和進母體材料時，可以提高母體材料的透明性，從而直接散射紫外光，同時，能夠?qū)⒆贤夤饫w帶出散射區(qū)域，從而大大的增強涂料的曝光、保色及抗老化性能。
4.3提高光催化效率
就納米材料而言，納米粒子尺寸小，比表面積要大，表面原子配位不全，從而使得表面活性點增多，由于表面活性點比較多，反應(yīng)接觸面就比較大，催化效率就要高。對于涂料這種產(chǎn)品而言，納米材料的可以作為涂料的光催化劑，因納米粒子的粒徑小，粒子吸收光能后，激發(fā)出的極子所到達表面的數(shù)量就會增多，從而加速催化，提高涂料的光催化性能。如二氧化鈦的光催化性能，這種光催化劑集廣泛應(yīng)用于廢水處理、有害氣體凈化、日用品等領(lǐng)域，同時還可以環(huán)境保護涂料自己殺菌涂料。
5納米材料在涂料中應(yīng)用的關(guān)鍵問題
納米材料作為科技產(chǎn)物，它的作用毋庸置疑，但是就納米材料在涂料中的應(yīng)用來看，還處于初級階段，在實際應(yīng)用過程中出現(xiàn)了一些問題，納米材料在涂料中的應(yīng)用還有待于深入研究。納米微粒比表面積以及表面張力大，納米微粒容易吸附而發(fā)生團聚，而這種易團聚的粒子很難分散開來，如果這些團聚的粒子沒有良好的分散，就難以發(fā)揮納米材料在涂料中應(yīng)有的作用。因此，針對納米粒子團聚問題，就必須深入研究納米粒子團聚后的分散，要加大研究，以科學(xué)、先進的方法來講這些團聚的粒子來分散。納米材料屬于該科技產(chǎn)品，納米材料在涂料中的應(yīng)用與其他材料在涂料中的應(yīng)用情況有著一定的區(qū)別，納米材料在應(yīng)用過程需要根據(jù)涂料的特性來進行，但是就目前來看，納米材料對涂料的作用研究還不夠深入，以至于納米涂料技術(shù)水平不夠高，涂料性能與國外相比存在著一定的差距。因此，加大科技的研究是納米材料普及應(yīng)用的保障。一方面，要繼續(xù)深入研究納米材料科技，不斷提高納米材料技術(shù)含量，另一方面，要加強國際合作，學(xué)習(xí)國外先進的`技術(shù)理念，從而更好地發(fā)揮納米材料在涂料中的作用，不斷能提高涂料的性能。
6納米材料及其技術(shù)在涂料中的應(yīng)用
6.1TiO2在涂料中的應(yīng)用
納米TiO2具有光學(xué)效應(yīng)，其粒徑發(fā)生改變，光學(xué)效應(yīng)也發(fā)生變化。納米TiO2中的金紅石型材料能夠變色，角度不同，顏色隨之發(fā)生改變。多應(yīng)用于汽車噴漆中，能夠產(chǎn)生一些很神奇的變化。利用納米TiO2中的紫外吸收特性，對汽車面漆的耐候性能有較大的提升。除此之外，納米TiO2還具有光催化特性，利用其這一特性，能夠?qū)諝猱a(chǎn)生凈化作用，并且對于空氣中的其他污染物進行降解，保護環(huán)境。
TiO2的光催化效應(yīng)及應(yīng)用：納米二氧化鈦具有高的光催化活性，是一種光催化半導(dǎo)體抗菌劑，在波長小于400nm的光照下，能吸收能量高于其禁帶寬度的短波光輻射，產(chǎn)生電子躍遷，價帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶，形成空穴-電子對，并將能量傳遞到周圍介質(zhì)，誘發(fā)光化學(xué)反應(yīng)，具有光催化能力。一般抗菌劑有殺菌作用，但不能分解毒素，而二氧化鈦利用生成的活性氧殺菌，并且能使細菌死后產(chǎn)生的內(nèi)毒素分解。納米TiO2廣泛應(yīng)用于自潔陶瓷、玻璃以及廚房和醫(yī)院設(shè)施中，一些高速公路兩側(cè)的護墻上也涂有納米TiO2以消除汽車尾氣的影響。
TiO2的紫外屏蔽應(yīng)用：納米TiO2的小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)和誘導(dǎo)效應(yīng)可使光吸收帶藍移，產(chǎn)生強的紫外吸收。納米TiO2具有很好的紫外線屏蔽作用，也是一種防老化材料，可將其均勻分散到涂料中制成紫外線屏蔽涂層和抗老化涂層。納米TiO2作為一種良好的永久性紫外線吸收材料還可用于配制耐久型外用透明面漆，一般用于木器、家具、文物保護等領(lǐng)域。
6.2SiO2在涂料中的應(yīng)用
納米SiO2是無定型白色粉末，是一種無毒，無味，無污染的無機非金屬材料，表面存在不飽和的殘鍵和不同鍵和狀態(tài)的羥基，其分子結(jié)構(gòu)呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
納米顆粒的比表面積和表面張力都很大，容易相互吸附而發(fā)生團聚。而納米粒子如果不能真正的以納米級分散在涂料中，就失去了其應(yīng)有的作用。添加納米SiO2的涂料具有防流掛，施工性能良好，尤其是抗沾污性大大提高，具有優(yōu)良的自清潔性能和附著力。納米二氧化硅具有極強的紫外吸收、紅外反射特性，它添加在涂料中，能對涂料形成屏蔽作用，達到抗紫外老化和熱老化的目的，同時增加涂料的隔熱性。
6.3納米CaCO3在涂料中的應(yīng)用
納米碳酸鈣的主要作用是改善涂料的性能，使涂料的觸變性更好，在施工的過程中防止流掛并增加涂料的貯存穩(wěn)定性。納米碳酸鈣改善涂料觸變性的主要原因是由于納米碳酸鈣粒子表面相互聚集的氫鍵作用力不強，很容易被剪切力切開，在使用的時候這些氫鍵在外部剪切力的作用下又可以迅速的恢復(fù)，能夠迅速的重整結(jié)構(gòu)。納米碳酸鈣對涂膜有一定的補強作用，同時還具備其他納米材料的普遍共性“藍移”現(xiàn)象。從納米碳酸鈣的結(jié)構(gòu)來看，部分納米粒子聚集并形成一次鏈狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以將涂料的結(jié)構(gòu)化水平提高，在與聚合物混合時形成的物理纏結(jié)能力增強，從而增加涂膜補強效果。
7結(jié)束語
綜上所述，加強對納米材料及其技術(shù)在涂料產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用的研究分析，對于其良好實踐效果的取得有著十分重要的意義，因此在今后的納米材料及其技術(shù)應(yīng)用過程中，應(yīng)該加強對其關(guān)鍵環(huán)節(jié)與重點要素的重視程度，并注重其具體實施措施與方法的科學(xué)性。
參考文獻
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