納米材料在建筑方面的應(yīng)用沐風(fēng)書屋

1、納米材料在建筑方面的應(yīng)用張浩峰（1.北京石油化工學(xué)院，機(jī)械工程學(xué)院，油氣儲運(yùn)工程，北京 102617)摘 要:納米材料以其特有的光、電、熱、磁等性能為建筑材料的發(fā)展帶來一次前所未有的革命，利用納米材料的隨角異色現(xiàn)象開發(fā)的新型涂料，利用納米材料的自潔功能開發(fā)的抗菌防霉涂料 、ppr供水管，利用納米材料具有的導(dǎo)電功能而開發(fā)的導(dǎo)電涂料，利用納米材料屏蔽紫外線的功能可大大提高pvc塑鋼門窗的抗老化黃變性能，利用納米材料可大大提高塑料管材的強(qiáng)度等。由此可見，納米材料在建材中具有十分廣闊的市場應(yīng)用前景和巨大的經(jīng)濟(jì)、社會效益。關(guān)鍵詞: 納米材料；建筑；應(yīng)用中圖分類號: tb383 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: aappli

2、cation of nano-material in architecturezhang haofeng1(1. oil-gas storage and transportation engineering, college of mechanical engineering, beijing institute of petrochemical technology, beijing 102617, china)abstract:nanomaterials its unique optical, electrical, thermal, magnetic and other properti

3、es for the development of building materials has brought an unprecedented revolution in the use of nanomaterials flop phenomenon and development of new coatings using nanomaterials developed self-cleaning function mildew antibacterial paint, ppr water pipes, the use of nano-materials with conductive

4、 features developed conductive coating, using nanomaterials ultraviolet shielding function can greatly improve aging yellowing properties of pvc plastic doors and windows, the use of nano-materials can greatly improve the plastic pipe of strength. thus, nano-materials with a very broad market prospe

5、cts and huge economic and social benefits in building materials.key words: nano-material; building;application1 引言納米技術(shù)是20世紀(jì)80年代末誕生并正在崛起的新技術(shù),主要是在0.1-100 nm尺度范圍內(nèi),研究 物質(zhì)組成的體系中電子、原子和分子運(yùn)動規(guī)律與相互作用,其研究目的是按人的意志直接操縱電子、原子或分子,研制出人們所希望的、具有特定功能特性的材料和制品1。納米技術(shù)是高度交叉的綜合性學(xué)科,它主要包括:納米體系物理學(xué)、納米化學(xué)、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米電子學(xué)、納米加工學(xué)、納米

6、力學(xué)、納米機(jī)械學(xué)。納米技術(shù)已應(yīng)用于建筑材料、光學(xué)、醫(yī)藥、半導(dǎo)體、信息通訊、軍事等領(lǐng)域。目前,納米材料技術(shù)是唯一可以實現(xiàn)的納米技術(shù)。納米材料以其特有的光、電、熱、磁等性能為建筑材料的發(fā)展帶來一次前所未有的革命。利用納米材料的隨角異色現(xiàn)象開發(fā)的新型涂料,利用納米材料的自潔功能而開發(fā)的抗菌防霉涂料、ppr供水管,利用納米材料具有的導(dǎo)電功能而開發(fā)的導(dǎo)電涂料。由此可見,納米材料在建材中具有十分廣闊的市場應(yīng)用前景和巨大的經(jīng)濟(jì)、社會效益。近年來,國內(nèi)外開始探索納米技術(shù)在建材中的發(fā)展及應(yīng)用工作,并取得了一些可喜的成果,現(xiàn)就納米技術(shù)在建筑涂料中的應(yīng)用分類介紹如下。2 納米材料在建筑方面的應(yīng)用2.1 納米在建筑涂

7、料中的應(yīng)用涂料是建筑物的內(nèi)衣（內(nèi)墻涂料）和外衣（外墻涂料），國內(nèi)傳統(tǒng)的涂料普遍存在懸浮穩(wěn)定性差、不耐老化、耐洗刷性差、光潔度不高等缺陷。納米復(fù)合涂料就是將納米粉體用于涂料中所得到的一類具有耐老化、抗輻射、剝離強(qiáng)度高或具有某些特殊功能的涂料。在建材（特別是建筑涂料）方面的應(yīng)用已經(jīng)顯示出了它的獨(dú)特魅力。同一種納米粒子在不同粒徑下會有不同的作用，不同種類的納米粒子也可以在涂料中起相同的作用。按納米復(fù)合涂料的用途可歸納為以下幾種：2.1.1 光學(xué)應(yīng)用納米復(fù)合材料納米粒子的粒徑遠(yuǎn)小于可見光的波長，具有透過作用，從而保證了納米復(fù)合涂料具有較高的透明性。納米粒子對紫外線具有較強(qiáng)的吸收作用。在外墻建筑涂料中添

8、加、等納米粒子以提高耐候性，在汽車面漆中添加以提高汽車涂料的耐老化性等。納米是無定型白色粉末（指其團(tuán)聚體），表面存在不飽和的殘鍵及不同鍵合狀態(tài)的羥基，其分子狀態(tài)呈三維鏈狀結(jié)構(gòu)1。一般來講，納米粒子表面氫鍵會在外部剪切力消除后迅速復(fù)原，使其結(jié)構(gòu)迅速重組。這種依賴時間與外力作用而回復(fù)原狀的剪切力弱化反應(yīng)，稱為“觸變性”2。觸變性是納米二氧化硅改善傳統(tǒng)涂料各項性能的主要因素3。徐國財?shù)热?通過納米微粒填充法，將納米二氧化硅摻雜到紫外光固化涂料中。實驗表明，納米二氧化硅減弱了紫外光固化涂料吸收輻照的強(qiáng)度，從而降低了光固化涂料的固化速度，但可明顯提高紫外光固化涂料的硬度和附著力。特別是金紅石型超細(xì)在汽車

9、面漆中還可起到效應(yīng)顏料作用，與其它片狀效應(yīng)顏料如鋁粉顏料或珠光顏料并用時，會產(chǎn)生伴有乳光的隨角異色性，可用于豪華轎車面漆，這是目前納米的最大用途，也是國外納米材料在涂料中應(yīng)用最為成功的例子之一5。納米氧化鋅由于尺寸小，比表面積大，表面的鍵態(tài)與顆粒內(nèi)部的不同，表面原子配位不全等，導(dǎo)致表面的活性位置增多，加大了反應(yīng)接觸面，因此，納米氧化鋅也是一種很好的光催化劑。在紫外光照射下，它能分解有機(jī)物質(zhì)，起抗菌和除臭作用。具有這一性質(zhì)的光催化劑可用于環(huán)保涂料中，納米加入涂料可顯著提高涂料的耐人工老化能力。2.1.2 吸波納米復(fù)合材料由于納米超細(xì)粉末尺寸非常小，具有吸收電磁波的性能，它們對不同波長的雷達(dá)波和紅

10、外線具有很強(qiáng)的吸收作用。因此，被納米顆粒改性后的涂料可成為軍事上用的隱身涂料。美國曾報道過一種“超”黑體納米吸收材料，即超細(xì)石墨粉納米吸波涂料，對雷達(dá)波的吸收率可達(dá)6。國外用納米級羰基鐵粉、鎳粉、鐵氧體粉末已成功配制了軍事隱身涂料，涂到飛機(jī)、軍艦、導(dǎo)彈、潛艇等武器裝備上，使其具有隱身性能。納米涂層材料由于具有吸收頻帶寬、重量輕、厚度薄等優(yōu)點(diǎn)，可望在未來軍事隱身化方面大展身手7。2.1.3 納米自潔抗菌涂料光的照射可以引起表面在納米區(qū)域形成親水性及親油性兩相共存奇妙的超雙親性。如將國內(nèi)已經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)的納米抗菌粉用于涂料中，可制得納米殺菌涂料，涂覆于建材產(chǎn)品，如衛(wèi)生潔具、室內(nèi)空間、用具、醫(yī)院手術(shù)間

11、和病房的墻面、地面等，起到殺菌、保潔作用8。納米顆粒在波長小于的光照下，能吸收高于其禁帶寬度的短波光輻射，產(chǎn)生電子躍遷，使價帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶，并形成電子空穴對，將能量傳遞到周圍介質(zhì)，誘導(dǎo)光化學(xué)反應(yīng)，從而具有光催化性能。納米也是一種高效殺菌劑，納米氧化鋅在紫外線照射下，在水和空氣（氧氣）中能自行分解出帶負(fù)電的電子（），同時留下帶正電的空穴（），這種空穴可以激活空氣中的氧變?yōu)榛钚匝酰袠O強(qiáng)的化學(xué)活性，能與多種有機(jī)物發(fā)生氧化反應(yīng)（包括細(xì)菌內(nèi)的有機(jī)物），從而把大多數(shù)病菌和病毒殺死。西北大學(xué)曾進(jìn)行過納米氧化鋅的定量殺菌試驗，在內(nèi)納米氧化鋅的濃度為時，金黃色葡萄球菌的殺滅率為，大腸桿菌的殺滅率為。所以在

12、化妝品中添加納米氧化鋅既能屏蔽紫外線防曬，又能抗菌除臭9。2.1.4 納米導(dǎo)電涂料日本松下公司已研制成功具有良好靜電屏蔽作用的納米復(fù)合涂料，所用的納米粒子有、等。這些具有半導(dǎo)體特性的納米氧化物粒子在室溫下具有比常規(guī)的氧化物高的導(dǎo)電特性，同時，納米氧化物粒子的顏色不同，這種涂料不但具有靜電屏蔽特性10，而且克服了涂料顏色的單調(diào)性。2.1.5 納米高力學(xué)性能涂料 當(dāng)涂料的重要組成部分顏料顆粒達(dá)到納米級大小并分散在涂膜中時，由于比界面很大，具有很大的結(jié)合力11，對有機(jī)涂層有一定的增強(qiáng)作用，提高了涂層的硬度、抗沖擊性和耐磨性。此外，納米顆粒還可以降低涂層在干燥過程中的殘余應(yīng)力，從而增強(qiáng)涂層的附著力。研

13、究表明，納米顆粒在紫外光固化涂料中可明顯提高涂膜的硬度和附著力12，并且經(jīng)納米材料改性后的家具表面漆、汽車面漆的耐磨性和耐刮傷性也有很大提高。2.2 在混凝土材料中的應(yīng)用隨著社會工業(yè)化的深入發(fā)展和我國基礎(chǔ)建設(shè)的廣泛開展，水泥混凝土作為一種傳統(tǒng)的建材，其產(chǎn)量和用量都在不斷地增加，高性能混凝土已成為水泥基復(fù)合材料領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。同時，許多特殊領(lǐng)域要求水泥混凝土具有一定的功能性13，如希望其具有吸聲、防凍、高強(qiáng)且高韌性等功能。納米材料由于具有小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)、表面及界面效應(yīng)等優(yōu)異特性，因而能夠在結(jié)構(gòu)或功能上賦予其所添加體系許多不同于傳統(tǒng)材料的性能。利用納米技術(shù)開發(fā)新型的混凝土可大幅度提高混凝土

14、的強(qiáng)度、施工性能和耐久性能。2.2.1 納米礦粉在混凝土中的應(yīng)用納米礦粉如納米sio2、納米caco3和納米硅粉等不但可以填充水泥的空隙14,提高混凝土的流動度,更重要的是可改善混凝土中水泥石與骨料的界面結(jié)構(gòu),使混凝土的強(qiáng)度、抗?jié)B性與耐久性均得以提高15。2.2.2 納米金屬粉末在混凝土中的應(yīng)用由于納米材料的表面效應(yīng)16,增加了納米材料的活性,使得納米金屬粉末具有兩個特殊性能,其一是納米金屬粉末的強(qiáng)度、硬度高,并隨著晶粒尺寸的減小,其強(qiáng)度、硬度不斷提高,同時還表現(xiàn)出非常好的塑韌性;其二是納米金屬粉末是一種良好的吸波材料17。利用上述納米金屬粉末的特殊性能,如果把它摻入到水泥混凝土中,可制成具有

15、功能性的電磁屏蔽混凝土。2.2.3 納米金屬氧化物在混凝土中的應(yīng)用銳鈦型納米tio2是一種優(yōu)良的光催化劑15,它具有凈化空氣、除臭、表面自潔等特殊功能18。利用納米tio2具有凈化空氣的特性來制備光催化混凝土,它在凈化機(jī)動車排出的尾氣時發(fā)生了光催化反應(yīng),對機(jī)動車輛排放的二氧化硫、氮氧化物等對人體有害的污染氣體進(jìn)行分解去除,起到凈化空氣的作用。2.2.4 聚合物/無機(jī)納米復(fù)合材料在混凝土中的應(yīng)用由于聚合物/無機(jī)納米復(fù)合材料的優(yōu)異性能,使得有關(guān)它的理論和應(yīng)用研究成為當(dāng)前復(fù)合材料的熱點(diǎn),它也有可能應(yīng)用于水泥混凝土中。把聚合物/無機(jī)納米復(fù)合材料用于水泥混凝土中,不僅可以提高混凝土的抗壓、抗拉和彎曲強(qiáng)度

16、,而且可提高其耐久性。在混凝土混合料中摻入一定量的聚合物/無機(jī)納米復(fù)合材料19,使之均勻分散在混凝土中,利用聚合物/無機(jī)納米復(fù)合材料的導(dǎo)電性能,測試電阻的變化,建立電阻與荷載之間的模型,從而可以預(yù)測混凝土結(jié)構(gòu)的破壞20。2.3 在陶瓷材料中的應(yīng)用2.3.1 在耐高溫陶瓷中的應(yīng)用二十世紀(jì)年代初，日本首次報道了以納米尺寸顆粒為第二相的納米復(fù)相陶瓷具有很高的力學(xué)性能，并具有很多獨(dú)特的性能。含有納米鈷粉 的金屬陶瓷是火箭噴氣口的耐高溫材料。氧化物納米材料在這方面都優(yōu)于同質(zhì)傳統(tǒng)陶瓷材料，在陶瓷基中添加其他納米微粒的效果也正在研究。納米技術(shù)在陶瓷上的應(yīng)用潛力不可估量。近年來國內(nèi)外對納米復(fù)相陶瓷的研究表明，

17、在微米級基體中引入納米分散相進(jìn)行復(fù)合，可使材料的斷裂強(qiáng)度、斷裂韌性大大提高（倍），使最高使用溫度提高，同時還可使材料的硬度、彈性模量、抗蠕變性和抗疲勞破壞性能提高21。2.3.2 在保健抗菌陶瓷中的應(yīng)用納米材料的抗菌系列主要有tio2系列、ag系列、cu系列、zno系列等,主要是摻入陶瓷釉面中或摻入陶瓷面層中,生產(chǎn)抗菌陶瓷釉面磚和衛(wèi)生陶瓷等產(chǎn)品22,主要用于墻地面裝飾、廚房、浴室及衛(wèi)生間。在生產(chǎn)抗菌陶瓷的過程中,如果再加入遠(yuǎn)紅外陶瓷粉,就可以制成具有復(fù)合功能的抗菌保健陶瓷,這種產(chǎn)品不斷向外輻射紅外線,可促進(jìn)人體微循環(huán),增加血流量,并提高人體抗寒、抗病及抗衰老能力。2.3.3 在環(huán)境友好陶瓷中的

18、應(yīng)用利用納米技術(shù)生產(chǎn)的多孔陶瓷（陶瓷微孔材料）材料，可對工業(yè)廢氣進(jìn)行過濾分離23。多孔陶瓷具有很好的耐熱、耐化學(xué)腐蝕等性能，具有壽命長、免維修的特點(diǎn)。利用納米材料的光催化效應(yīng)，可對汽車尾氣催化分解。載有光催化劑和離子催化劑的新型陶瓷在常溫下可直接將分解成為和，還可制成直接吸收并固定的陶瓷材料24。將這些材料做成飾面瓷磚，可凈化大氣，提高環(huán)境質(zhì)量。2.3.4 在綠色能源陶瓷中的應(yīng)用利用納米粒子特殊的光電磁特性制成太陽能陶瓷、遠(yuǎn)紅外陶瓷等，用于建筑物飾面，可開發(fā)太陽能，調(diào)節(jié)環(huán)境溫度，促進(jìn)人們身體健康25。2.4 在其他材料中的應(yīng)用建筑鋼材也是現(xiàn)代土木工程中應(yīng)用較廣泛的工程材料之一，也在向高強(qiáng)輕質(zhì)方

19、向發(fā)展，特別是利用納米技術(shù)開發(fā)自身防火和防腐的鋼材，必將促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)更快的發(fā)展。 在玻璃、瓷磚等建筑材料表面采用超雙親界面材料技術(shù)后，水滴或油滴與表面的接觸角接近于零，從而實現(xiàn)自清潔及防霧效果，使作為外墻使用的玻璃、陶瓷等建筑材料也能像荷花一樣出污泥而不染26，這是納米界面材料技術(shù)賦予傳統(tǒng)建材的神奇效果。 利用納米材料可以提高塑料（高分子材料）的強(qiáng)度，同時還能起到增韌作用。納米材料的問世，為新型增強(qiáng)塑料的合成提供了新的機(jī)遇，為傳統(tǒng)增強(qiáng)塑料的改性提供了一條新的途徑27。把分散好的納米顆粒均勻地添加到樹脂材料中，可達(dá)到全面改善增強(qiáng)塑料性能的目的。通過加入納米材料，能夠明顯提高塑料的強(qiáng)度和延伸率，提高

20、耐磨性和改善材料表面的光潔度，提高抗老化性能28。3 應(yīng)用領(lǐng)域存在的問題與前景展望納米材料添加到基料中配制成涂料后,其分散狀態(tài)的穩(wěn)定性也是人們普遍關(guān)心的問題。一方面要防止納米材料進(jìn)一步團(tuán)聚,另一方面又要保持納米材料在涂料中的特殊功能,這也是納米材料在涂料中應(yīng)用亟待解決的技術(shù)關(guān)鍵之一。納米材料添加到涂料中應(yīng)有一定的加入量。加入量不足,起不到預(yù)期的效應(yīng);加入量過多,增加了成本,同時會使涂料質(zhì)量下降。因此,配方研究也是納米材料應(yīng)用的關(guān)鍵所在。由于納米材料的表面活性相當(dāng)高,如何將其分散到涂料基體中,是納米材料在涂料中應(yīng)用的主要技術(shù)關(guān)鍵。納米材料的表面處理、添加方式、分散設(shè)備的選擇等,直接影響到納米材料

21、在涂料中的分散狀態(tài)。目前主要有化學(xué)分散、物理分散、超聲分散三種分散方式。發(fā)展高性能、環(huán)保型及多功能的建筑涂料,在國 內(nèi)外都受到了高度的重視。我國已有較多的納米粉末生產(chǎn)企業(yè),但并未打開涂料工業(yè)的應(yīng)用市場。作為使納米材料具有良好的分散性、并使之功能化的納米技術(shù)是納米材料應(yīng)用于建筑涂料所必需的專業(yè)技術(shù)之一,也必將對提高建筑涂料檔次和促使建筑涂料進(jìn)行新的歷史性變革發(fā)揮巨大推動作用。 納米技術(shù)是對未來經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展產(chǎn)生重大影響的一種關(guān)鍵性前沿技術(shù),這是世界各國科學(xué)家的共識。納米技術(shù)在建筑材料方面的應(yīng)用前景非常廣闊,研究開發(fā)工作剛剛起步,可以預(yù)料,納米技術(shù)不僅會推動建材新產(chǎn)品的開發(fā),還將為改善人們的生活環(huán)

22、境,提高生活質(zhì)量作出不可估量的貢獻(xiàn),納米技術(shù)將為21世紀(jì)建筑材料的發(fā)展開拓新的方向。4 總結(jié)縱觀現(xiàn)階段納米材料在建筑中的應(yīng)用，可以明顯發(fā)現(xiàn)納米材料相較多數(shù)傳統(tǒng)材料有著性能、價格、制造工藝等多方面的優(yōu)勢，納米材料可以有效改善傳統(tǒng)材料的性能或替代傳統(tǒng)材料。雖然現(xiàn)階段人類對納米科技的安全性的探索還不夠完善，但隨著人們對納米科技的探索的深入，納米科技將不止被應(yīng)用在建筑中，它將出現(xiàn)在我們生活的方方面面中，納米科技勢必可以更好地造福人類。參考文獻(xiàn)1 張立德.納米材料m.北京:化工出版社,2002.2 張金升,尹衍升,劉蕾,等.納米材料和技術(shù)與發(fā)展新型建 材j.中國建材裝備,2002(2):41-44. 3

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