納米技術(shù)在建筑環(huán)境與設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用

納米技術(shù)在建筑環(huán)境與設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用摘要：介紹了納米技術(shù)在建筑環(huán)境、建筑智能化、建筑消防、燃?xì)廨斉涞阮I(lǐng)域的應(yīng)用情況，指出納米技術(shù)會(huì)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高人們的生活質(zhì)量起到重要的作用。此外，對(duì)納米技術(shù)在建筑環(huán)境與設(shè)備領(lǐng)域的發(fā)展方向和應(yīng)用前景進(jìn)行了預(yù)測(cè)。關(guān)鍵字：納米技術(shù)建筑環(huán)境與設(shè)備應(yīng)用前景1

前言諾貝爾獎(jiǎng)獲得者海·羅雷爾曾說(shuō)過(guò)[1]:“未來(lái)將屬于那些明智接受納米，并且首先學(xué)習(xí)和使用它的國(guó)家。”發(fā)展我國(guó)的納米技術(shù)具有重要意義，中國(guó)科學(xué)院副院長(zhǎng)、國(guó)家納米科技指導(dǎo)協(xié)調(diào)委員會(huì)首席科學(xué)家白春禮院士曾撰文呼吁：“為增強(qiáng)我國(guó)的國(guó)際科技競(jìng)爭(zhēng)力和經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)第三步發(fā)展戰(zhàn)略的順利實(shí)施，保障我國(guó)未來(lái)的可持續(xù)發(fā)展和國(guó)家安全，必須大力加強(qiáng)納米科技的研發(fā)工作，動(dòng)員多學(xué)科、跨部門和跨行業(yè)的力量參加到這一領(lǐng)域中來(lái)?！庇捎诂F(xiàn)實(shí)的納米技術(shù)，尤其是納米材料所表現(xiàn)的投入少、見(jiàn)效快、市場(chǎng)前景廣闊等特點(diǎn)，納米技術(shù)的應(yīng)用已得到我國(guó)企業(yè)界的廣泛響應(yīng)。納米（nm）其實(shí)是一種計(jì)量單位，即10-9ｍ。國(guó)際上確認(rèn)，當(dāng)物質(zhì)的粒徑在100nm以下時(shí)，這種物質(zhì)就可稱為納米材料。制備和駕馭這樣小的物質(zhì)的技術(shù)就是納米技術(shù)。納米材料是納米技術(shù)中最為活躍的重要組成部分，納米技術(shù)內(nèi)涵包含各個(gè)領(lǐng)域，就納米材料學(xué)而言，它包括納米材料的制備技術(shù)以及納米材料向各個(gè)高科技和所有傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域滲透應(yīng)用的技術(shù)。近年來(lái)，納米技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始在建筑環(huán)境與設(shè)備領(lǐng)域得到應(yīng)用，對(duì)促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高人們的生活水平起到了積極的作用。本文將就納米技術(shù)在建筑環(huán)境與設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用作簡(jiǎn)單的介紹。2

納米技術(shù)在建筑環(huán)境中的應(yīng)用隨著住宅改革和國(guó)民生活水平的提高，特別是建材業(yè)的高速發(fā)展，裝修熱的興起，裝飾材料所造成的污染成了室內(nèi)污染的主要來(lái)源。尤其是空調(diào)的普遍使用，要求建筑結(jié)構(gòu)有良好的密閉性能，以達(dá)到節(jié)能的目的，而現(xiàn)行設(shè)計(jì)的空調(diào)系統(tǒng)多數(shù)新風(fēng)量不足，在這種情況下造成室內(nèi)空氣質(zhì)量惡化。室內(nèi)有機(jī)揮發(fā)物的污染，輕者得建筑物綜合癥，重可致癌。2.1納米技術(shù)與空氣凈化具有空氣凈化功能的納米建材利用離子交換復(fù)合工藝，使層狀無(wú)機(jī)材料在極性分子的作用下發(fā)生膨脹，層離均勻分散在水介質(zhì)中。其層間可交換性陽(yáng)離子在電性力的作用下與交聯(lián)劑發(fā)生交換，通過(guò)這種交換作用，抗菌或凈化成分進(jìn)入其層間，把層與層撐開(kāi)，在層間交替形成分子級(jí)支柱，從而形成各不相同的納米復(fù)合抗菌材料、凈化空氣材料。這種納米復(fù)合抗菌材料和凈化空氣材料可凈化甲醛、苯等有毒有害揮發(fā)物80%以上，抗菌率達(dá)98%以上。利用納米技術(shù)可以開(kāi)發(fā)出凈化CO2并產(chǎn)生負(fù)離子具有森林功能的建材。森林功能建材具有兩個(gè)特點(diǎn)，可凈化CO2及有害氣體，室內(nèi)的CO2濃度可減少到森林中大氣的濃度，還可增加空氣中負(fù)離子的數(shù)量。由于人類的活動(dòng)，一方面使CO2向大氣中的排放量逐年增加，據(jù)測(cè)定，19世紀(jì)CO2的環(huán)境濃度為290×10-6，1995年為363×10-6。每年平均上升幅度為0.7×10-6。20世紀(jì)初正負(fù)離子的比例為1:12[2]，現(xiàn)在正負(fù)離子的比例為12:1，正離子的增加引起慢性病增加，交通事故增多。負(fù)離子的主要作用為：①減少電子波的污染；②空氣凈化；③減少VOC和香煙污染；④抗菌防霉；⑤促進(jìn)動(dòng)植物的成長(zhǎng)。減少空氣中CO2的作用有：①減少地球環(huán)境負(fù)荷；②空氣凈化作用；③減少細(xì)菌繁殖；④減輕疲勞，創(chuàng)造舒適環(huán)境?？傊?，增加負(fù)離子和減少CO2均可創(chuàng)造清爽和舒適的環(huán)境，有利于健康。2.2納米建筑材料氨的室內(nèi)來(lái)源其中最重要的一方面：建筑施工中為了加快混凝土的凝固速度和冬季施工防凍，在混凝土中加入了高堿混凝土膨脹劑和含尿素與氨水的混凝土的防凍劑等外加劑，這類含有大量氨類物質(zhì)的外加劑在墻體中隨著溫度、濕度等環(huán)境因素的變化而還原成氨氣從墻體中緩慢釋放出來(lái)，造成室內(nèi)空氣中氨的濃度大量增加，特別是夏季溫度較高，氨從墻體中釋放速度較快，造成室內(nèi)空氣中氨濃度嚴(yán)重超標(biāo)。利用納米技術(shù)和納米材料開(kāi)發(fā)新型的混凝土外加劑，增加混凝土外加劑的品種，提高混凝土外加劑的性能和對(duì)混凝土改性的效果，并減少副作用。為了提高混凝土的壽命，防止腐蝕老化，可在多孔的混凝土中使用浸漬涂覆等技術(shù)進(jìn)行表面處理。在混凝土內(nèi)進(jìn)行Ca、Mg、Al離子的反應(yīng)使混凝土內(nèi)部和表面形成玻璃態(tài)，最后形成的涂覆材料是以硅酸鹽為主要成分的納米膠態(tài)材料，可使混凝土強(qiáng)度提高2～10倍，使用壽命提高3倍以上，并提高表面硬度和防水性，可用于建筑、鐵路、道路路面、港灣、河川、水壩，也可用于屋頂防水。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)方向發(fā)展，特別是利用納米技術(shù)開(kāi)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(shí)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,這是納米界面材料技術(shù)賦予傳統(tǒng)建材的神奇效果。3納米技術(shù)在建筑智能化中的應(yīng)用促進(jìn)智能建筑的發(fā)展智能建筑是指利用系統(tǒng)集成方法，將智能型計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、信息處理技術(shù)與建筑藝術(shù)有機(jī)結(jié)合，通過(guò)設(shè)備的自動(dòng)控制、對(duì)信息資源的管理和對(duì)使用者的信息服務(wù)及其與建筑的優(yōu)化組合，所獲得的投資合理、適合信息社會(huì)需要，并且具有安全、高效、舒適、便利和靈活特點(diǎn)的建筑物。智能建筑是IT技術(shù)向傳統(tǒng)建筑產(chǎn)業(yè)滲透發(fā)展的必然結(jié)果。自1984年在美國(guó)誕生第一座智能大廈以來(lái)，智能建筑的發(fā)展在世界范圍內(nèi)一浪高過(guò)一浪，從各種特殊功用的高智能大樓，到近幾年已經(jīng)全面向建筑行業(yè)的最基本的民用住宅發(fā)展，引起了住宅建筑本身智能型、舒適型的革命性變化，還帶動(dòng)了家用電器的操作控制智能化，產(chǎn)生了信息家電產(chǎn)業(yè)。國(guó)外甚至出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)房屋，出現(xiàn)了與虛擬社區(qū)相對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)社區(qū)。智能建筑是社會(huì)信息化與經(jīng)濟(jì)國(guó)際化的產(chǎn)物，是多學(xué)科、高新技術(shù)的巧妙集成，也是綜合經(jīng)濟(jì)實(shí)力的象征。使用的高新技術(shù)有：多功能可視電話、多媒體技術(shù)、衛(wèi)星通訊、計(jì)算機(jī)國(guó)際通訊網(wǎng)絡(luò)、辦公自動(dòng)化技術(shù)、智能保安與環(huán)境控制、自動(dòng)節(jié)能技術(shù)等。目前，國(guó)內(nèi)智能建筑的產(chǎn)品基本由國(guó)外的廠家生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)目前還無(wú)一家廠商的產(chǎn)品通過(guò)國(guó)際質(zhì)量認(rèn)證。利用納米技術(shù)和納米材料開(kāi)發(fā)智能建筑所需的技術(shù)設(shè)備和元器件，建立適應(yīng)納米尺度的新的集成方法和新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在這一尺度上制造出的計(jì)算機(jī)的運(yùn)算和存儲(chǔ)能力將比目前微米技術(shù)下的計(jì)算機(jī)性能呈指數(shù)倍地提高，這將是對(duì)信息產(chǎn)業(yè)和建筑領(lǐng)域的一場(chǎng)深刻的革命。同時(shí)可以利用納米技術(shù)和納米材料研制智能混凝土，設(shè)計(jì)新型智能結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)智能檢測(cè)技術(shù)，對(duì)建筑物使用的全過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)，以掌握結(jié)構(gòu)受力、變形及破壞的規(guī)律，更好地研究結(jié)構(gòu)耐久性和安全性的問(wèn)題。4

納米技術(shù)在建筑消防中的應(yīng)用納米材料在消防中的應(yīng)用主要包括兩方面的內(nèi)容：納米阻燃材料、納米滅火劑等?，F(xiàn)分述如下：4.1

納米阻燃材料作為納米材料，首先要看它是否在納米級(jí)（一般指1nm～100nm），均勻度怎么樣；另一個(gè)要看它是否具有納米材料所具有的特異性能。因此真正的納米材料必須具備兩個(gè)條件：一是納米尺寸，二是至少應(yīng)該在性能上有突變。例如，作為阻燃劑的三氧化二銻。三氧化二銻作為一種高效阻燃劑已有廣泛應(yīng)用。但由于目前使用的三氧化二銻阻燃材料均為微米級(jí)的顆粒，而且分散度大，粒子大小不均勻，這樣產(chǎn)品只能涂覆到被保護(hù)材料的外表，大大降低了三氧化二銻的阻燃性能。納米級(jí)三氧化二銻阻燃材料由于其粒度的變小具有了特殊的延展性能，在阻燃性能方面比微米級(jí)三氧化二銻有了數(shù)量級(jí)的提高。尤其重要的是由于納米級(jí)三氧化二銻粒子直徑小于化纖纖維的直徑，有可能加入到化纖原料母粒中，這樣紡絲后在化纖中均勻分布阻燃材料，從而使得纖維本身具有高效阻燃性。若一種材料雖然也做成了納米級(jí)，但其性能沒(méi)有明顯突變，就難以稱其為納米材料。4.2

納米滅火劑[3]納米技術(shù)的精髓就是從原子分子的精確操縱出發(fā)構(gòu)建具有全新分子、排列形式的人造結(jié)構(gòu)。換句話說(shuō)納米技術(shù)希望能夠從一個(gè)一個(gè)原子，一個(gè)一個(gè)分子的操縱，擺弄一個(gè)原子、一個(gè)分子，并用這種辦法來(lái)做成具有特定功能的產(chǎn)品。因此，納米技術(shù)是一種科技水平極高的新的前沿科技領(lǐng)域。目前已有一些報(bào)導(dǎo):將傳統(tǒng)的干粉滅火劑制成納米材料。從干粉滅火劑的滅火原理來(lái)講，滅火效率與干粉顆粒的大小有關(guān)。但把干粉做成納米顆粒，首先必須考慮在納米尺度范圍的干粉其滅火性能是否有明顯提高(目前尚無(wú)相應(yīng)的報(bào)導(dǎo))。因?yàn)楫?dāng)顆粒達(dá)到納米量級(jí)，很多性質(zhì)發(fā)生突變，但具體對(duì)滅火性能來(lái)講，該種突變是有利還是不利，無(wú)定論。研究幾種常用的干粉滅火劑(NaHCO3、KHCO3、NH4H2PO4、KCl)的粒徑與滅火效能的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)其滅火效能隨其粒徑的減小在大約10μm～50μm之內(nèi)出現(xiàn)了突變，而突變之后，粒徑大小對(duì)滅火效能影響很小。至于納米顆粒與滅火效能的關(guān)系因缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)目前不好下定論。納米級(jí)干粉的第二個(gè)問(wèn)題是制備，就目前納米技術(shù)來(lái)講，納米材料的制備仍是一大難題。由于普通的干粉滅火劑一般為水溶性的,用普通常用的溶劑法制備比較困難。對(duì)滅火劑來(lái)講，屬于大量使用的低成本的產(chǎn)品，若在制備方面成本太高，就必須考慮其實(shí)用性。4.3

納米技術(shù)在消防領(lǐng)域的應(yīng)用前景筆者認(rèn)為對(duì)目前我國(guó)消防科學(xué)中的納米熱應(yīng)有比較冷靜的分析，一方面鑒于納米科技不可質(zhì)疑的前景，應(yīng)重視和加強(qiáng)納米技術(shù)在消防工作中的研究，另一方面，應(yīng)充分考慮到納米技術(shù)的難度及與實(shí)際應(yīng)用的距離，目前應(yīng)將主攻方向放在應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面。5

納米技術(shù)在燃?xì)庑袠I(yè)的應(yīng)用納米技術(shù)尤其是納米材料在燃?xì)庑袠I(yè)同樣具有廣闊的應(yīng)用前景。簡(jiǎn)述如下：5.1燃?xì)夤艿婪栏痆1]由于電化學(xué)腐蝕、化學(xué)腐蝕、雜散電流腐蝕及細(xì)菌作用引起的腐蝕，我國(guó)燃?xì)庑袠I(yè)每年在燃?xì)夤艿澜饘俑g方面的損失相當(dāng)巨大。目前，燃?xì)怃摴艿姆栏に囃ǔ２捎霉艿劳獍^緣層防腐法、電保護(hù)法及排流保護(hù)等方法。絕緣層防腐法是根據(jù)土壤的腐蝕性能決定埋地鋼管的防腐絕緣等級(jí)，選用石油瀝青、聚乙烯防腐膠帶、環(huán)氧煤瀝青、聚乙烯熱塑涂層等防腐絕緣材料進(jìn)行防腐。這種方法操作簡(jiǎn)單，但絕緣層容易被破壞。電保護(hù)防腐法包括外加電源陰極保護(hù)法和犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)法，這種方法成本高且施工困難。納米微粒材料防腐性能良好、熔點(diǎn)低，可以取代目前采用的外包扎絕緣層、電保護(hù)及排流保護(hù)等防腐措施。它可以通過(guò)預(yù)組裝或在室外原位熱噴涂等方法，在設(shè)備的表面上形成優(yōu)質(zhì)的防腐層。5.2納米天然氣能源轉(zhuǎn)換裝置目前，國(guó)際上正抓緊進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化材料的研究，包括將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能、熱能轉(zhuǎn)化為電能、化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能等的納米材料。據(jù)報(bào)道，德國(guó)科學(xué)家正在設(shè)計(jì)用納米材料制作一個(gè)高溫能源轉(zhuǎn)換裝置，通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，不經(jīng)燃燒就把天然氣轉(zhuǎn)化為電能。燃料的利用率要比一般電廠的效率提高20%～30%，而且大大減少了二氧化碳的排放量。5.3納米塑料管目前，在燃?xì)廨斉溥^(guò)程中最常用的管材是鋼和聚乙烯。近十幾年來(lái),聚乙烯塑料管(簡(jiǎn)稱PE管，分中密度聚乙烯和高密度聚乙烯兩種)作為一種性能優(yōu)良、經(jīng)濟(jì)效益顯著、質(zhì)輕、耐腐蝕的新型材料，同時(shí)與金屬管道相比具有可撓性好、使用壽命長(zhǎng)、施工方便等特點(diǎn)，在燃?xì)庑袠I(yè)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但由于PE管在紫外線、熱、氧化、雨淋等情況下，材料的延伸率、抗沖擊強(qiáng)度等物理性能會(huì)降低，產(chǎn)生老化現(xiàn)象，因此PE管不能長(zhǎng)期受陽(yáng)光照射，只能埋于地下。此外，PE管的工作壓力較低，大多數(shù)國(guó)家將PE管的最高使用壓力定為0.4MPa[4]。納米材料的問(wèn)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。把分散性好的納米顆粒均勻地添加到樹(shù)脂管材中,可以提高塑料的強(qiáng)度和延伸率,提高塑料的耐磨性和改善塑料表面的光潔度,并且可以提高塑料的抗老化性能。5.4燃?xì)鈭?bào)警器傳感器是納米超微粒材料最有前途的應(yīng)用領(lǐng)域之一。氣體傳感器是利用金屬氧化物隨周圍環(huán)境中氣體組成的改變而導(dǎo)致其自身電學(xué)性能(如電阻等)發(fā)生改變的原理對(duì)氣體進(jìn)行檢測(cè)和定量測(cè)量的。納米材料的比表面積大，則表面與周圍氣體接觸而發(fā)生的相互作用越大，從而使得靈敏度越高。因此用納米材料制成的可燃?xì)怏w報(bào)警器具有靈敏度高、體積小、能耗低等顯著優(yōu)點(diǎn)。早在20世紀(jì)80年代松下電器的阿部等人就開(kāi)發(fā)了氧化錫超微粒材料傳感器[1]。目前已有用納米SnO2膜制成的可燃?xì)怏w報(bào)警器，納米SnO2膜隨溫度變化能有選擇地檢測(cè)多種氣體。陶瓷傳感器件的應(yīng)用也非常廣泛，當(dāng)發(fā)生煤氣泄漏時(shí)，只要有一丁點(diǎn)兒進(jìn)入報(bào)警器中的陶瓷元件，電路的電阻就會(huì)發(fā)生變化，超過(guò)一定的量就會(huì)自動(dòng)報(bào)警?；馂?zāi)警報(bào)器的原理也與此類似。由于納米氣敏傳感器具有常規(guī)傳感器不可替代的優(yōu)點(diǎn)，美國(guó)納米材料研究所(NRC)把發(fā)展納米氧敏傳感器列入重要的新型傳感器開(kāi)發(fā)中。但至今，超微粒傳感器的應(yīng)用研究還處于起步階段，要與已有的傳感器相競(jìng)爭(zhēng)，還需要一定的時(shí)間。6

結(jié)論被譽(yù)為21世紀(jì)最具有發(fā)展前景的納米材料和納米技術(shù)一經(jīng)問(wèn)世，便以極快的速度滲透到各個(gè)研究領(lǐng)域。就建筑環(huán)境與設(shè)備領(lǐng)域而言，納米材料和納米技術(shù)不僅會(huì)引發(fā)一場(chǎng)建筑材料的革命，而且會(huì)在智能建筑、建筑設(shè)備設(shè)計(jì)、建筑施工和檢測(cè)等方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。當(dāng)前，納米材料和納米技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)正處于千載難逢的大好時(shí)機(jī)，挑戰(zhàn)嚴(yán)峻，但也充滿了機(jī)遇，讓我們抓住機(jī)遇，使納米材料和納米技術(shù)在建筑環(huán)境與設(shè)備領(lǐng)域得到最廣泛的應(yīng)用，給傳統(tǒng)的暖通空調(diào)業(yè)帶來(lái)巨大的生機(jī)和活力。參考文獻(xiàn)[1]劉麗珍.納米技術(shù)及其在燃?xì)庑袠I(yè)的應(yīng)用前景.城市管理與科技,2002(3):36-38[2]夏軍武,夏大明等.納米材料與技術(shù)在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用.工業(yè)建筑,2002(12):44-45[3]肖進(jìn)新,劉玉恒.納米技術(shù)與消防又多遠(yuǎn).消防科學(xué)與技術(shù),2001(5):