納米材料在涂料中的應用

納米材料在涂料中的應用

由于它具有幾種特殊的物理性能，人們越來越關注納米，而采用納米改性涂料的產品現在在涂料研究領域非常活躍。根據我們承擔的北京市重點科技創(chuàng)新項目研究進展,對有關納米材料在涂料中的應用情況做一介紹。1改性涂料的表征納米材料是指粒徑在1～100nm具有特殊物理化學性能的材料,廣義的納米材料還包括三維結構中有一維長度在1～100nm或者具有納米結構的材料。一般認為納米材料具有界面效應、小尺寸效應及宏觀量子隧道效應等。從物理學角度考慮納米材料存在以下一些重要問題。(1)納米材料中電子的強關聯(lián)或相關性。(2)納米材料中能級分裂和電子布局的變化。(3)納米材料中的激發(fā)態(tài)和激子過程。(4)表面結構與表面態(tài):納米材料中的表面占有相當大的比例,當材料尺寸減小到10nm左右時,表面原子和體內原子的數目比幾乎達到50%左右。表面原子所處的化學環(huán)境迥然不同于體內原子,它們可能形成一種表面相。在大塊材料的研究中,人們早已認識到表面相對許多物理過程都有重要的影響,但是,由于表面相所占的比例甚少,表面相的研究受到極大的限制而對于納米材料其表面相已經達到與體相的比例相近時,不但易于研究它的性質,而且在許多物理化學過程中的作用十分顯著。例如,在催化過程中表面結構的變化和作用、發(fā)光和輸運過程中表面態(tài)的作用以及表面吸附和表面擴散等。特別是,當材料已處于納米尺度時,材料表面形狀、結構的變化都會影響到材料的性質。(5)局域化和量子輸運。(6)量子隧道與納米尺度的耦合。目前改性涂料所使用的納米材料一般為納米半導體材料,如納米SiO2、TiO2、ZnO等。這些納米材料具有一些特性:如光學特性、光電催化特性、奇特的選擇性、吸收特性及光電轉換特性等。2由納米材料的抗紫外老化性能來改變2.1涂料老化試驗對納米TiO2、SiO2進行適當的表面處理,做成分別含納米TiO20、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%的白色涂料,制做6cm×3cm人工老化試樣板,取12塊6cm×2cm樣板做500h人工老化試驗,另外6塊6cm×1cm的樣板作對比樣,用尼康分光光度計測其老化前后顏色變化;分別做成含納米SiO20、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%的白色涂料樣,試驗同上。2.2苯丙涂料在不同納米tio對苯丙涂料中,加入占涂料量(質量)計0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%納米TiO2(或SiO2)和不加納米材料的涂料進行500h人工老化(主要是紫外老化)試驗,并對它們的變色差(■E值)進行對比(見表1)。由表1可見,在苯丙涂料中加入0.5%～2.0%納米SiO2或納米TiO2,■E比空白小,涂膜(乳液樹脂)老化明顯減緩,說明納米SiO2或納米TiO2對紫外光的屏蔽作用,保護了涂膜。另外,作為對比,使用了乳膠漆抗紫外防老化分散液S-3225D(瑞士產)的涂料老化前后的變色差■E為0.50,這與添加納米SiO2或納米TiO2結果類似。這說明納米SiO2或納米TiO2確實起到了紫外吸收劑的作用。2.3自適應的識別耐老化性能是涂料的一項重要性能,紫外線是一種比可見光波長短的電磁波,其波長介于200～400nm。紫外線是造成涂料老化的重要因素,紫外線的波長越短,能量越強,對涂料的耐久性危害也越大。這可以由下式(1)看出。式中:E—1mol光量子所具有的能量;N—阿佛加德羅常數;h—普朗克常數;c—光速;h—光的波長。由上式計算出不同波長的光所具有的能量如表2所示。納米TiO2對紫外線的屏蔽以散射為主,粒徑是影響散射能力的重要因素之一。關于最佳粒徑的計算公式很多,不同研究者的計算公式不同,結果亦有差異,最常用的如式(2)。式中:d最佳—散射效率最大的的粒徑,μm;λ—入射光波長,nm;np—分散質的折射率,銳鈦型TiO2為2.52,金紅石型TiO2為2.7;nb—分散介質的折射率。根據式(2)計算出的銳鈦型TiO2在水中對不同波長紫外線散射的最佳粒徑見表由表2見,銳鈦型納米級TiO2的粒徑(77nm)最有利散射波長為200nm的紫外線,因此可提高涂料的耐紫外老化性能。3納米ti0與純丙樹脂對涂料表面活性劑的催化作用利用某些納米材料的光催化特性,可研制成納米光催化涂料。我們在實驗中使用經過特殊表面處理的納米TiO2與純丙樹脂配制成涂料,經有關單位測試表明,其對氮氧化物、油脂、甲醛等物質具有明顯的催化降解作用。其中對氮氧化物的降解效率可以達到80%。4疏水、疏油性能我們在實驗中發(fā)現一些納米材料與某些樹脂經過特殊復合后,其表面具有一些特殊的物理化學性能,比如同時存在疏水、疏油現象,這種性能應用于建筑涂料中對提高涂料的耐污染性能具有極大的改進作用。中科院專家最近提出了“二元協(xié)同納米界面材料”的概念,根據這種理論可以開發(fā)出超雙親界面物性(同時具有超親水性及超親油性的表面)材料和超雙疏性界面物性材料。4.1納米表面結構材料的應用研究表明,光的照射可引起TiO2表面在納米區(qū)域形成親水性及親油性兩相共存的二元協(xié)同納米界面結構。這樣在宏觀的TiO2表面將表現出奇妙的超雙親性。利用這種原理制作的新材料,可修飾玻璃表面及建筑材料表面,使之具有自清潔及防霧等效果。這種雙親二元協(xié)同原理,同樣可以用來指導我們進一步設計和制作在其它基材上使用的超雙親性修飾劑。4.2表面修飾涂層利用由下到上、由原子到分子、由分子到聚集體的外延生長納米化學方法,可以在特定的表面上建造納米尺寸幾何形狀互補的(如凸與凹相間)界面結構。由于納米尺寸低凹的表面可使吸附氣體分子穩(wěn)定存在,所以在宏觀表面上相當于有一層穩(wěn)定的氣體薄膜,使油或水無法在材料的表面呈現超常的雙疏性。這時水滴或油滴與界面的接觸角趨于最大值。如果在輸油管的管道內壁采用帶有防靜電功能的材料建造這種表面修飾涂層,則可實施石油與管壁的無接觸運輸。這對于輸油管道的安全運行有重要價值。5無機—納米材料對涂料的其它作用(1)納米材料經適當處理后可以提高涂料的觸變性、儲存穩(wěn)定性、漆