納米建筑材料

1、淺談納米技術施赟豪摘要：納米技術是2 0世紀8 0年代末誕生并正在崛起的新技術。新興的納米材料技術，在 多個領域得到了重要的應用，尤其是在新型建筑材料方面應用尤為廣泛。近年來，國內(nèi)外開 始探索納米材料和納米技術在建材中的發(fā)展及應用工作，并取得了一些可喜的成果。文章介 紹了納米技術在新型建筑涂料、金屬、陶瓷、水泥、混凝土、防護外表等方面的應用，通過 論述可知：納米材料為新型建筑材料的發(fā)展提供了廣闊的空間。關鍵詞：納米技術建筑材料引言納米技術是二十世紀80年代末誕生并正在崛起的新技術，主要是指在0.1100nm尺度范圍內(nèi)， 研究物質(zhì)組成體系中電子、原子和分子運動規(guī)律與相互作用，其研究目的是按人的意

2、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。納米技術 是高度交叉的綜合性學科，它主要包括:納米體系物理學、納米化學、納米材料學、納米生物 學、納米電子學、納米加工學、納米力學、納米機械學。納米技術已應用于建筑材料、光學、 醫(yī)藥、半導體、信息通訊、軍事等領域。目前，納米材料技術是唯一可以實現(xiàn)的納米技術。 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電功能而開發(fā)的導電涂料利用納米材料屏蔽紫外線 的功能可大大提

3、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 度等。由此可見,納米材料在建材中具有十分廣闊的市場應用前景和巨大的經(jīng)濟、社會效益。納米材料及特性2.1納米復合涂料納米復合涂料可分為納米改性涂料和納米結(jié)構涂料。利用納米粒子的某些功能對現(xiàn)有涂料進 行改性，提高涂料的性能，這種涂料稱為納米改性涂料;使用某些特殊工藝制備的涂料,其中某 種特別組分的細度在納米級，這種涂料稱為納米結(jié)構涂料。2.1.1納米自潔抗菌涂料光的照射可以引起TiO2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)

4、生潔具、室內(nèi)空間、用具、醫(yī)院手術間和病房的墻面、地面等，起到殺菌、保潔作用。納 米TiO2顆粒在波長小于400nm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)到導帶,并形成電子-空穴對，將能量傳遞到周圍介質(zhì)，誘導光化學反應， 從而具有光催化性能。2.1.2納米導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合涂料，所用的納米粒子有Fe2O3、TiO2、ZnO等。這些具有半導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,而且克 服了涂料顏色的單調(diào)性。2.1.3納米高力學性能涂

5、料當涂料的重要組成部分顏料顆粒達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，對有機涂層有一定的增強作用，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力，從而增強涂層的 附著力。研究表明8,納米SiO2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， 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納米玻璃最近，美國兩大玻璃制造企業(yè)分別宣布，他們利用納米技術研制成功了新型的“自凈玻璃”， 即給玻璃“穿上” 40nm厚的二氧化鈦“外套”，相當于頭發(fā)絲粗細的1/1,500，這層納米外套 使它具有不同與

6、傳統(tǒng)玻璃的特點：自我清潔:這種納米膜與太陽光線中的紫外線發(fā)生反應，能產(chǎn)生雙重作用:一是把落在玻璃 上的有機物分解掉;二是使玻璃表面產(chǎn)生親水性，把雨點或霧氣變成一個薄層而使玻璃表面濕 潤，并且洗掉玻璃表面的臟物。通常，這個涂層被光照五天后,夜間也能堅持“工作”。凈化空氣:這種玻璃在“自潔”的同時,納米涂層還能不斷分解甲醛、苯、氨等有害氣體， 殺滅空氣中的各種細菌和病毒，有效地凈化空氣，減少了室內(nèi)污染。2.3納米塑料從廣義來說納米塑料的定義分兩個層次。第一個層次是指把高分子做成納米結(jié)構單元，用它 再合成這種材料叫納米塑料。這種塑料正在基礎研究階段。另一個層次是指把無機納米粒子 分散到有機聚合物基體

7、中形成的有機/無機納米復合材料。這也是我們常說的納米塑料。中 國科學院化學所工程塑料國家重點實驗室的漆宗能研究員率領的小組利用插層復合技術，將 我國豐產(chǎn)的天然納米材料一蒙脫土粘土礦物(由成千上萬個厚度為一納米、長度為幾十到幾 百納米的小片層結(jié)成的顆粒)均勻分散到聚合物中，從而形成納米塑料。檢測結(jié)果表明,納米塑 料與常規(guī)增強塑料相比，呈現(xiàn)出優(yōu)異的物理力學性能：高強度和高耐熱性用插層復合技術制備的納米塑料可將無機物的剛性、尺寸穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性與聚合物的韌 性、可加工性完美地結(jié)合起來。含有少量粘土的納米塑料與常規(guī)玻纖或礦物增強復合材料的 剛性、強度、耐熱性相當。同時，由于納米粒子尺寸小于可見光波長，

8、納米塑料具有高的光澤 和良好的透明度。高阻隔及自熄滅性由于聚合物基體與蒙脫土片層的良好結(jié)合。通過控制納米硅酸鹽片層的平面取向，納米塑料 制品表現(xiàn)出良好的尺寸穩(wěn)定性和很好的氣體(包括水蒸氣)阻隔性.如尼龍6lun復合材料的氧 氣透過率與純的尼龍相比降低了一半,水蒸氣的透過率降低了三分之一以上。一些納米塑料 還具有阻燃白熄滅性能。優(yōu)良的加工性納米塑料熔體強度高，結(jié)晶速度快，熔體粘度低，因此注塑、擠出和吹塑的加工性能優(yōu)良。部分塑料的耐磨性是黃銅的27倍,鋼鐵的7倍。2.4納米技術在混凝土中的應用隨著社會工業(yè)化的深入發(fā)展和我國基礎建設的廣泛開展，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

9、加，高性能混凝土已成為水泥基復合材料領域中的研究熱點。同時, 許多特殊領域要求水泥混凝土具有一定的功能性，如希望其具有吸聲、防凍、高強且高韌性 等功能。納米材料由于具有小尺寸效應、量子效應、表面及界面效應等優(yōu)異特性，因而能夠 在結(jié)構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。利用納米技術開發(fā)新型的混 凝土可大幅度提高混凝土的強度、施工性能和耐久性能。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,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，使混凝土的強度、抗?jié)B性與耐 久性均得以提高。由于納米材料的表面效應，增加了納米材料的活性，使得納米

10、金屬粉末具有兩個特殊性能，其 一是納米金屬粉末的強度、硬度高并隨著晶粒尺寸的減小,其強度、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。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，可制成具有功能性的電磁屏蔽混凝土。銳鈦型納米TiO2是一種優(yōu)良的光催化劑，它具有凈化空氣、殺菌、除臭、表面自潔等特殊功 能。利用納米TiO2具有凈化空氣的特性來制備光催化混凝土，它在凈化機動車排出的尾氣時 發(fā)生了光催化反應,對機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行分 解去除，起到凈化空氣的作用。利用納米金屬氧化物材料可以進行電磁屏蔽，還可以用來

11、制備 智能水泥混凝土,如自警水泥混凝土等。這種水泥混凝土具有較強的導電性能,同時還具有傳 感作用。這種智能型水泥混凝土可用于土木工程結(jié)構的實時和長期監(jiān)測，便于監(jiān)控混凝土結(jié) 構的開裂與破壞情況及其損傷評價、檢測車重與車速等，這對混凝土性能的檢測是一場革命。 由于聚合物/無機納米復合材料的優(yōu)異性能，使得有關它的理論和應用研究成為當前復合材料 的熱點，它也有可能應用于水泥混凝土中。把聚合物/無機納米復合材料用于水泥混凝土中， 不僅可以提高混凝土的抗壓、抗拉和彎曲強度,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/無機納米復合材料，使之均勻分散在混凝土中，利用聚合物/無機納米復合 材料的導

12、電性能，測試電阻的變化，建立電阻與荷載之間的模型,從而可以預測混凝土結(jié)構的 破壞。2.5納米陶瓷傳統(tǒng)的陶瓷材料中晶粒不易滑動，材料質(zhì)脆，燒結(jié)溫度高。納米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容 易在其他晶粒上運動，因此，納米陶瓷材料具有極高的強度和高韌性以及良好的延展性，這 些特性使納米陶瓷材料可在常溫或次高溫下進行冷加工。這種冷加工方法制成的納米材料，是一種表面保持常規(guī)陶瓷材料的硬度和化學穩(wěn)定性，而內(nèi) 部卻具有納米材料的延展性的高性能陶瓷。應用納米二氧化硅、高純球型硅粉、高性能樹脂 等可制成特種耐高溫復合陶瓷材料。其中納米二氧化硅用于降低燒成溫度和提高成品率；而 高純球型硅粉作為載體、填料方面，可提高陶瓷制

13、品的韌性、光潔度；而球型硅粉則是高性 能樹脂、陶瓷的基體材料。這種復合納米陶瓷作為高新科技材料應用廣泛?！帮w船”外表面采用的“太空”納米陶瓷， 防靜電性能穩(wěn)定永久，且具有理想的耐磨、耐腐蝕、耐高溫、防滲透等太空飛船外表面必備 的特性。納米陶瓷應用于刀具方面，能生產(chǎn)出遠勝于金屬刀具的新型刀具，該種刀具采用氧 化鋯材料精制而成，具有如下特性：1）鋒利無比，既能切割鋼鐵等超堅硬物質(zhì)，也能將肉 之類的柔軟物質(zhì)切削得像紙一樣??；2）硬度高、耐磨性好，耐磨性是金屬刀的6 0倍；3） 完全無磁性，不生銹變色，是用于健康環(huán)保方面的理想材料；4）良好的耐酸堿性，可耐各 種酸堿有機物的腐蝕；5）全致密材料，無孔隙

14、、不沾污、易清潔。上述納米陶瓷充分體現(xiàn) 了新世紀、新材料的綠色環(huán)保概念，是高新技術為現(xiàn)代科技奉獻的又一杰作。制備方法方法制備特點蒸發(fā)冷凝法物理粉碎法物理方法非晶晶化法用真空蒸發(fā)、激光、電弧高頻感應、電子束照 射等方法使原料氣化或形成等離子體.然后 在介質(zhì)中驟冷使之凝結(jié)。通過機械粉碎、沖擊波誘導爆炸反應等方法 合成單一或復合納米粒子。熔融金屬快冷成非晶，控制晶化。純度高、表面潔凈、粒度可調(diào)，但技術設備要求操作簡單、成本較低.但易引入雜質(zhì).降低純度. 粒度不易控制且分布不均，難以獲得粒徑小于 100 nm的微粒。高密度、產(chǎn)量小，應用范圍有限機械合金化法濺射法利用高能球磨方法，控制適當?shù)那蚰l件以

15、獲得納米級晶粒的純元素、合金或復合材料。激光、電弧、高頻感應加熱。工藝簡單、制備效率高，能制備出高培點金屬和 合金納米材料，成本較低，適用于制備純金屬納 米材料、固溶體、納米金屬間化合物及納米金屬 陶瓷復合材料等。但制備中易引入雜質(zhì).純度 不高顆粒分布也不均勻宜于制造顆粒膜?；瘜W氣相法利用揮發(fā)性金屬化合物蒸氣的化學反應來合 成所需物質(zhì)。粒度小、可控.粒子易團聚?；瘜W方法沉淀法將納米沉淀物加入到金屬鹽溶液中進行沉淀 處理，再將沉淀物加熱分解。操作簡單.但制作的納米材料純度不高,難以制 備粒徑小的納米微粒。發(fā)展現(xiàn)狀納米技術的運用，克服了傳統(tǒng)建材的某些不足，完善了納米建材的性能,如納米涂料抗老化性

16、的提高，納米塑料的高阻隔及自熄滅性，這對我國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級換代有很重要的作用：納米 技術的運用也斌予納米建材一些奇異功能，如納米涂料、玻璃凈化空氣和殺菌的作用,自清潔 功能等，適應了綠色建材的發(fā)展方向，可減少生態(tài)環(huán)境壓力。目前,納米建材產(chǎn)品已逐步開發(fā)生 產(chǎn)并運用到工程中，如奧揮樣板工程首都體育館對納米涂料的運用，中國國家大劇院彎頂納米 自潔玻璃的運用等。但是納米建材也有很多問題。1）對納米顆粒合成裝置研究不夠成熟充分，制造成本高，難以形成工業(yè)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。且納 米微粒的收集、存放問題難以解決。2）納米材料實用化技術的研究系統(tǒng)性和應用性不深，其性能和表征測試手段亟待改進。3）納米產(chǎn)品的毒理學沒有廣泛的深入，在某種意義上講一些東西處于探索階段。結(jié)語被譽為二十一世紀最具有發(fā)展前景的納米材料和納米技術一經(jīng)問世，便以極快的速度滲透到 各個研究領域。納米技術是對未來經(jīng)濟和社會發(fā)展產(chǎn)生重大影響的一種關鍵性前沿技術，這 是世界各國科學家的共識。納米技術在建筑材料方面的應用前景非常廣闊，研究開發(fā)工作剛 剛起步，可以預料,納米技術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)境，提高 生活