納米材料在涂料中的應(yīng)用

納米材料在涂料中的應(yīng)用

由于它具有幾種特殊的物理性能，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注納米，而采用納米改性涂料的產(chǎn)品現(xiàn)在在涂料研究領(lǐng)域非?；钴S。根據(jù)我們承擔(dān)的北京市重點(diǎn)科技創(chuàng)新項(xiàng)目研究進(jìn)展,對(duì)有關(guān)納米材料在涂料中的應(yīng)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(xué)性能的材料,廣義的納米材料還包括三維結(jié)構(gòu)中有一維長(zhǎng)度在1～100nm或者具有納米結(jié)構(gòu)的材料。一般認(rèn)為納米材料具有界面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)及宏觀量子隧道效應(yīng)等。從物理學(xué)角度考慮納米材料存在以下一些重要問(wèn)題。(1)納米材料中電子的強(qiáng)關(guān)聯(lián)或相關(guān)性。(2)納米材料中能級(jí)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(guò)程。(4)表面結(jié)構(gòu)與表面態(tài):納米材料中的表面占有相當(dāng)大的比例,當(dāng)材料尺寸減小到10nm左右時(shí),表面原子和體內(nèi)原子的數(shù)目比幾乎達(dá)到50%左右。表面原子所處的化學(xué)環(huán)境迥然不同于體內(nèi)原子,它們可能形成一種表面相。在大塊材料的研究中,人們?cè)缫颜J(rèn)識(shí)到表面相對(duì)許多物理過(guò)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(duì)于納米材料其表面相已經(jīng)達(dá)到與體相的比例相近時(shí),不但易于研究它的性質(zhì),而且在許多物理化學(xué)過(guò)程中的作用十分顯著。例如,在催化過(guò)程中表面結(jié)構(gòu)的變化和作用、發(fā)光和輸運(yùn)過(guò)程中表面態(tài)的作用以及表面吸附和表面擴(kuò)散等。特別是,當(dāng)材料已處于納米尺度時(shí),材料表面形狀、結(jié)構(gòu)的變化都會(huì)影響到材料的性質(zhì)。(5)局域化和量子輸運(yùn)。(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(dǎo)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(xué)特性、光電催化特性、奇特的選擇性、吸收特性及光電轉(zhuǎn)換特性等。2由納米材料的抗紫外老化性能來(lái)改變2.1涂料老化試驗(yàn)對(duì)納米TiO2、SiO2進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?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(yàn),另外6塊6cm×1cm的樣板作對(duì)比樣,用尼康分光光度計(jì)測(cè)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(yàn)同上。2.2苯丙涂料在不同納米tio對(duì)苯丙涂料中,加入占涂料量(質(zhì)量)計(jì)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(jìn)行500h人工老化(主要是紫外老化)試驗(yàn),并對(duì)它們的變色差(■E值)進(jìn)行對(duì)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(shuō)明納米SiO2或納米TiO2對(duì)紫外光的屏蔽作用,保護(hù)了涂膜。另外,作為對(duì)比,使用了乳膠漆抗紫外防老化分散液S-3225D(瑞士產(chǎn))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(jié)果類似。這說(shuō)明納米SiO2或納米TiO2確實(shí)起到了紫外吸收劑的作用。2.3自適應(yīng)的識(shí)別耐老化性能是涂料的一項(xiàng)重要性能,紫外線是一種比可見光波長(zhǎng)短的電磁波,其波長(zhǎng)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(zhǎng)越短,能量越強(qiáng),對(duì)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(shù);h—普朗克常數(shù);c—光速;h—光的波長(zhǎng)。由上式計(jì)算出不同波長(zhǎng)的光所具有的能量如表2所示。納米TiO2對(duì)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(guān)于最佳粒徑的計(jì)算公式很多,不同研究者的計(jì)算公式不同,結(jié)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(zhǎng),nm;np—分散質(zhì)的折射率,銳鈦型TiO2為2.52,金紅石型TiO2為2.7;nb—分散介質(zhì)的折射率。根據(jù)式(2)計(jì)算出的銳鈦型TiO2在水中對(duì)不同波長(zhǎng)紫外線散射的最佳粒徑見表由表2見,銳鈦型納米級(jí)TiO2的粒徑(77nm)最有利散射波長(zhǎng)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(duì)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?cè)趯?shí)驗(yàn)中使用經(jīng)過(guò)特殊表面處理的納米TiO2與純丙樹脂配制成涂料,經(jīng)有關(guān)單位測(cè)試表明,其對(duì)氮氧化物、油脂、甲醛等物質(zhì)具有明顯的催化降解作用。其中對(duì)氮氧化物的降解效率可以達(dá)到80%。4疏水、疏油性能我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)一些納米材料與某些樹脂經(jīng)過(guò)特殊復(fù)合后,其表面具有一些特殊的物理化學(xué)性能,比如同時(shí)存在疏水、疏油現(xiàn)象,這種性能應(yīng)用于建筑涂料中對(duì)提高涂料的耐污染性能具有極大的改進(jìn)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(jù)這種理論可以開發(fā)出超雙親界面物性(同時(shí)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(jié)構(gòu)材料的應(yīng)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(jié)構(gòu)。這樣在宏觀的TiO2表面將表現(xiàn)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(lái)指導(dǎo)我們進(jìn)一步設(shè)計(jì)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(zhǎng)納米化學(xué)方法,可以在特定的表面上建造納米尺寸幾何形狀互補(bǔ)的(如凸與凹相間)界面結(jié)構(gòu)。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(dāng)于有一層穩(wěn)定的氣體薄膜,使油或水無(wú)法在材料的表面呈現(xiàn)超常的雙疏性。這時(shí)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(nèi)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(shí)施石油與管壁的無(wú)接觸運(yùn)輸。這對(duì)于輸油管道的安全運(yùn)行有重要價(jià)值。5無(wú)機(jī)—納米材料對(duì)涂料的其它作用(1)納米材料經(jīng)適當(dāng)處理后可以提高涂料的觸變性、儲(chǔ)存穩(wěn)定性、漆