新型納米技術(shù)在建筑學(xué)方面的應(yīng)用

1、新型納米技術(shù)在建筑學(xué)方面的應(yīng)用王瑤皖西學(xué)院建筑學(xué)系摘要：針對(duì)新型的納米技術(shù)，簡述了幾種納米材料的合成；探討了新型納米技術(shù)在建筑學(xué)， 尤其是在建筑材料方面的可能運(yùn)用。關(guān)鍵字：納米材料；建筑學(xué)；涂料；混凝土1引言被譽(yù)為二十一世紀(jì)最具有發(fā)展前景的納米材料和納米技術(shù)一經(jīng)問世，便以極快的速度滲透到各個(gè)研究領(lǐng)域。納米技術(shù)是對(duì)未來經(jīng)濟(jì)和社會(huì)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(shí)。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(huì)推動(dòng)建材新產(chǎn)品的開發(fā)，還將為改善人們的生活環(huán)境，提高生活質(zhì)量作出不可估量的貢獻(xiàn)，納米技術(shù)將為二十一世紀(jì)建筑材料的發(fā)展開拓

2、新的方向。2新型納米材料2.1納米材料簡述納米技術(shù)是二十世紀(jì) 80年代末誕生并正在崛起的新技術(shù) ，主要是指在0.110Onm尺度范 圍內(nèi)，研究物質(zhì)組成體系中電子、原子和分子運(yùn)動(dòng)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。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(shí)現(xiàn)的納米技術(shù)。納米材料具有納米晶粒與高濃度晶界兩個(gè)重要特點(diǎn)。其中

3、大晶體連續(xù)能帶可以分裂成接近分子軌道的能級(jí)，所以納米晶粒的原子排列不能處理為無限長程序。而由納米晶粒產(chǎn)生的高濃度晶界及晶界原子的特殊結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致材料的力學(xué)性能、磁性、介電性、超導(dǎo)性、光學(xué)乃至熱力學(xué)性能的改變。以金為例，當(dāng)金的顆粒直徑小于100nm時(shí)，金顆粒由金屬態(tài)轉(zhuǎn)化成為膠態(tài)，可溶于水，且溶液的顏色隨金顆粒直徑的減小由紫色變?yōu)榧t色，如右圖所示。22納米技術(shù)在建筑學(xué)方面的優(yōu)點(diǎn)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

4、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(huì)效益。3納米技術(shù)在建筑涂料中的運(yùn)用3.1什么是建筑涂料涂料是建筑物的內(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(huì)有不同的作用 不同種類的納米粒子也可以

5、在涂料中起相同的作用。3.2光學(xué)應(yīng)用納米復(fù)合涂料納米粒子的粒徑遠(yuǎn)小于可見光的波長400750nm，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(duì)紫外線具有較強(qiáng)的吸收作用。在外墻建筑涂料中添加TiO2 、SiO2 等納米粒子以提高耐候性 ,在汽車面漆中添加 TiO2 以提高汽車涂料的耐老化性 等。納米 SiO2 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)。一般來講,納米粒子表面氫鍵會(huì)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(shí)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”。觸變性是納米二氧化硅改

6、善傳統(tǒng)涂料各項(xiàng)性能的主要因素。徐國財(cái)?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(shí)驗(yàn)表明,納米二氧化硅減弱了紫外光固化涂料吸收 UV 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) TiO2 在汽車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(shí),會(huì)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 TiO2 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。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

7、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 ZnO 加入涂料可顯著提高涂料的耐人工老化能力。3.3 吸波納米復(fù)合涂料由于納米超細(xì)粉末尺寸非常小 ,具有吸收電磁波的性能 ,它們對(duì)不同波長的雷達(dá)波和紅 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(bào)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(duì)雷達(dá)波的吸收率可達(dá) 99% 。國外用納米級(jí)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

8、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。3.4 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)生潔具、室內(nèi)空間、用具、醫(yī)院手術(shù)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(jià)帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶 ,并形成電子 -空穴對(duì) ,將能量傳遞到周圍介質(zhì) ,

9、誘導(dǎo)光化學(xué)反應(yīng) 從而具有光催化性能。納米 ZnO 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（e-）,同時(shí)留下帶正電的空穴 （h+）,這種空穴可以激活空氣中的氧變?yōu)榛?性氧 ,有極強(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(yàn),在 5min 內(nèi)納米氧化鋅的濃度為 1%時(shí) ,金黃色葡萄球菌的殺滅率為 98.86% ,大腸桿菌的殺滅率為 99.93%。所以在化妝品 中添加納米氧化鋅既能屏蔽紫外線防曬 ,又能抗菌除臭。4 納米技術(shù)在混凝土材料中的

10、應(yīng)用4.1 混凝土隨著社會(huì)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(shí) ,許多特殊領(lǐng)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(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的強(qiáng)度、施工性能和耐久性能。4.2 納米礦粉在水泥混凝土中的應(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

11、的空隙 ,提高混凝 土的流動(dòng)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。有研究報(bào)道，當(dāng)納米材料的添加量為水泥用量的1%3%,并在高速混合機(jī)中與其他混合料進(jìn)行混合后,制備的納米復(fù)合水泥結(jié)構(gòu)材料在 7d和28d齡期的水泥硬化強(qiáng)度，比未添加納 米材料提高約 50%,而且韌性、耐久性等性能也得到較大的改善?？茖W(xué)家研究了硅灰和納米級(jí) SiO2 對(duì)水泥漿體需水量的影響。研究表明 ,當(dāng)納米級(jí) SiO2 摻量達(dá)到水泥用量的 8%時(shí) ,水泥漿體的需水量增大一倍。同時(shí) ,研究發(fā)現(xiàn) ,當(dāng)將水泥用量 8%和 10%進(jìn)行復(fù)合添加時(shí) ,納米級(jí) SiO2 的小球體填充于硅

12、灰顆粒之間 ,與硅灰形成很好的顆粒級(jí)配結(jié)構(gòu)。當(dāng)兩者同時(shí)添加且納 米級(jí) SiO2 為 l% 和硅灰為 9%時(shí),需水量并未雙倍增加 ,可見兩者的交互作用十分明顯。4.3 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) ,增加了納米材料的活性 ,使得納米金屬粉末具有兩個(gè)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(shí)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。4.4 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

13、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(jī)動(dòng)車排出的尾氣時(shí)發(fā)生了光催化反應(yīng) ,對(duì)機(jī)動(dòng)車輛排放的二氧化硫、氮氧化物等對(duì)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。利用納米金屬氧化物材料可以進(jìn)行電磁屏蔽,還可以用來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(qiáng)的導(dǎo)電性能 ,同時(shí)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(gòu)的實(shí)時(shí)和長期監(jiān)測 ,便于監(jiān)控混凝土結(jié)構(gòu)的開裂與破壞情況及 其損傷評(píng)價(jià)、檢測車重與車速等 ,這對(duì)混凝土性能的檢測是一場革命。4.5 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,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 ,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