納米涂料制備技術(shù)及納米涂料的性能

隨著科技的進(jìn)步，科學(xué)家們?cè)絹?lái)越深入的發(fā)現(xiàn)了奇妙的微觀世界，21世紀(jì)以來(lái)，對(duì)納米技術(shù)的研究得到了快速的發(fā)展，特別是納米粒子的發(fā)現(xiàn)對(duì)光催化技術(shù)的發(fā)展是一次嶄新革命，許多材料的制造工藝及其性能都髓之而發(fā)生質(zhì)的飛躍。納米粒子是由數(shù)目較少的原予或分子組成的原予群或分子群，處在原子簇和宏觀物體交界的過(guò)渡區(qū)域。納米粒子表面原子是長(zhǎng)程與短程皆無(wú)序的非晶層，而在粒子芯部存在著結(jié)晶完好周期性排布的原子，可以認(rèn)為納米粒子表面原子的狀態(tài)更接近氣態(tài)，而粒子內(nèi)部的原子可能呈有序的排列。即使如此，由于粒徑小，表面曲率大，內(nèi)部產(chǎn)生很高的Gilibs壓力，能導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)的某種變形。納米粒子的這種結(jié)構(gòu)特征使它具有體積效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)以及有關(guān)光、電、磁特性。

納米涂料一般由納米材料與有機(jī)涂料復(fù)合而成，更嚴(yán)格地講應(yīng)稱作納米復(fù)合涂料（nanocomposite coating）。納米復(fù)合涂料必須滿足兩個(gè)條件：一是至少有一種材料的尺度在1~100nm之間，二是納米相使涂料性能得到顯著提高或增加了新功能，二者缺一不可。廣義上講，納米涂層材料包括兩種：金屬納米涂層材料和無(wú)機(jī)納米涂層材料。金屬納米涂層材料主要是指材料中含有納米晶相，無(wú)機(jī)納米涂層材料則是由納米粒子之間的熔融、燒結(jié)復(fù)合而得。通常所說(shuō)的納米涂料均為有機(jī)納米復(fù)合涂料。目前，用于涂料的納米粒子主要是某些金屬氧化物（TiO₂、Fe₂O₃、ZnO等）納米金屬粉末、無(wú)機(jī)鹽類和層狀硅酸鹽（如一堆的納米級(jí)粘土）。

納米涂料的制備技術(shù)

1 電化學(xué)分散法 

由于納米粒子表面存在等電點(diǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)pH值使之與等電點(diǎn)時(shí)pH值相差最大時(shí)，可增大納米粒子分散的穩(wěn)定性，但該法僅適用于納米粒子在水中的分散。 

2 化學(xué)分散法 

化學(xué)分散法即對(duì)納米粒子的表面改性。利用硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯、硬脂酸、表面活性劑和超分散劑等表面處理劑對(duì)納米粒子進(jìn)行表面改性處理，改善納米粒子的分散性。

3 物理分散法 

物理分散法包括使用高速剪切分散機(jī)的高速攪拌、用三輥機(jī)及研磨機(jī)的研磨分散、使用球磨機(jī)的球磨分散以及超聲波分散。

納米涂料的性能

納米TiO₂光催化技術(shù)的理論研究在涂料中添加了納米粒子后，一方面可使涂料在常規(guī)的力學(xué)性能，如附著力、抗沖擊、柔韌性方面得到提高，另一方面有可能提高涂料的耐老化、耐腐蝕、抗輻射性能。此外，納米改性涂料還可能呈現(xiàn)出某些特殊功能，如自清潔、抗靜電、隱身吸波、阻燃等性能。下面按照功能和用途分別介紹添加不同的納米微粒得到的納米改性涂料。

1、納米抗老化涂料

涂料在使用過(guò)程中，受到紫外線的照射很容易產(chǎn)生涂膜基體中高分子鏈的斷裂、粉化等現(xiàn)象。而納米TiO₂、SiO₂、ZnO等粒子添加到涂層中，能明顯提高涂料的抗老化性能。納米TiO₂晶體的光學(xué)性質(zhì)服從瑞利光散射理論，可透過(guò)可見(jiàn)光和散射波長(zhǎng)更短(200～400nm)的紫外光，這表明納米TiO₂具有透明性和散射紫外線的能力。普通TiO2具有一定的吸收紫外線的能力，納米TiO₂吸收紫外線的能力更強(qiáng)。

它既能散射又能吸收紫外線，屏蔽紫外線的能力很強(qiáng)。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)納米TiO₂可以顯著增強(qiáng)丙烯酸樹(shù)脂的紫外線屏蔽性能。P1Stamatakis認(rèn)為，衰減300～400 nm紫外線，球狀TiO2最佳的顆粒尺寸是50～120 nm。納米TiO2衰減長(zhǎng)波紫外線時(shí)，散射起主要作用；納米TiO2衰減短波紫外線時(shí)，吸收起主要作用經(jīng)分光光度儀測(cè)試表明：納米SiO2具有極強(qiáng)的紫外反射，對(duì)波長(zhǎng)400n以內(nèi)的紫外光反射率70%以上；在涂料中能形成屏蔽作用，達(dá)到抗紫外老化和熱老化的目的；同時(shí)增加涂料的隔熱性。因此，納米SiO2是一種良好的涂料抗老化添加劑。添加納米SiO2制得的納米涂料，可顯著降低由于UV照射而造成的顏色衰減，大大提高涂料的抗老化性能，在苯丙涂料中加入0.15～2%納米SiO2涂膜老化明顯減緩。

2、納米隱身涂料

納米隱身涂料(雷達(dá)波吸收涂料)指能有效地吸入雷達(dá)波并使其散射衰減的一類功能涂料。當(dāng)納米級(jí)的羥基鐵粉、鎳粉、鐵粉末改性的有機(jī)涂料涂到飛機(jī)、導(dǎo)彈、軍艦等武器裝備上，可使這些裝備具有隱身性能。其原理是：一方面，納米微粒尺寸遠(yuǎn)小于紅外及雷達(dá)波長(zhǎng)，對(duì)這種波的透過(guò)率比常規(guī)材料要強(qiáng)得多，大大減少波的反射率，使得紅外探測(cè)器和雷達(dá)接收到的反射信號(hào)變得很微弱，從而達(dá)到隱身作用；另一方面，納米微粒材料的比表面積比常規(guī)材料大得多，使得紅外探測(cè)器及雷達(dá)得到的反射信號(hào)強(qiáng)度大大降低，因此很難發(fā)現(xiàn)被探測(cè)目標(biāo),起到了隱身作用。

在目前研究的納米粒子中，納米ZnO等金屬氧化物由于質(zhì)量輕、厚度薄、顏色淺、吸波能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為吸波涂料研究的熱點(diǎn)之一。

3、納米光效應(yīng)涂料

根據(jù)Rayleigh光散射理論，納米TiO2對(duì)可見(jiàn)光呈透明性，在與鋁粉等混用時(shí)，入射光一部分在散光鋁粉表面發(fā)生鏡面反射，另一部分透過(guò)納TiO2發(fā)生色散后，在納米TiO2與鋁粉界面反射，形成散光涂層，因而具有獨(dú)特的顏色效應(yīng)。納米TiO2閃光鋁粉或云母珠光顏料用于涂料體系中，能在涂層的照光區(qū)呈現(xiàn)一種金黃色的亮光，而在側(cè)光區(qū)反射藍(lán)色乳光，能增加金屬面漆顏色的豐滿度。牛健發(fā)明了一種納米金屬汽車面漆，它是采用多種納米金屬粉體材料，與引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)納米金屬汽車面漆制作技術(shù)相結(jié)合研制成功的新一代高級(jí)汽車涂料，它具有極強(qiáng)的附著力和耐酸、耐堿、抗氧化等耐化學(xué)藥品性能；具有隨角異色效應(yīng)，并具有抗磨、抗刮碰等優(yōu)異的抗外界物理沖擊性能，還吸收有害射線對(duì)人體及底漆的輻射，能保護(hù)人體健康，延長(zhǎng)面漆的使用壽命。美國(guó)人則普拉尚特卡馬特領(lǐng)導(dǎo)的科研小組在納米月刊上寫(xiě)道，這種涂料含有半導(dǎo)體微粒這種被稱為量子點(diǎn)的納米微粒由二氧化鈦組成將二氧化鈦納米微粒涂上硫化鎘或硒化鎘，然后將其放入酒精和水的混合液中就形成了粘稠的糊狀物涂到透明的導(dǎo)電物質(zhì)上以后，這種涂料就會(huì)把光轉(zhuǎn)化為電能這種涂料不用特殊工具就能涂抹在任何導(dǎo)電表面上卡馬特說(shuō)他的研究工作得到了美國(guó)能源部的資助。

4、特殊納米界面涂料

在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，納米材料與某些樹(shù)脂經(jīng)過(guò)特殊復(fù)合后，其表面會(huì)具有一些特殊的物理化學(xué)性能，比如可同時(shí)存在疏水、疏油現(xiàn)象，這種性能可應(yīng)用于開(kāi)發(fā)超雙親界面物性材料和超雙疏界面物性材料，應(yīng)用于建筑涂料中可以提高涂料的耐污染性能。

5、超雙親界面物性材料

光照可引起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)，即在紫外光照射下，TiO₂價(jià)帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶，在其表面生成電子空穴對(duì)，電子與四價(jià)鈦反應(yīng)，空穴與表面橋氧離子反應(yīng)，分別形成正三價(jià)的鈦離子和氧空位。此時(shí)表面吸附的空氣中的水在氧空位離解成為化學(xué)吸附水(表面羥基)，化學(xué)吸附水可進(jìn)一步吸附空氣中的水分形成物理水吸附層，這樣就構(gòu)成了均勻分布納米尺寸分離的親水和親油微區(qū)，類似二維的毛細(xì)管現(xiàn)象，在宏觀的TiO₂表面將表現(xiàn)出奇妙的超雙親性。利用這個(gè)性質(zhì)可制作新型裝修材料，如可應(yīng)用于高層建筑大廈、運(yùn)輸工具等的窗玻璃、擋風(fēng)玻璃的后視鏡、浴室鏡子、眼鏡片、測(cè)量?jī)x器的玻璃罩表面，使之具有自潔和防污、防霧等效果。另外用于輪船等表面摩擦阻力可減少10～15%，節(jié)約能源并提高運(yùn)行速度。

6、超雙疏性界面物性材料 

納米尺寸的差異使納米材料表面存在凹凸不平的界面結(jié)構(gòu)，由于這種結(jié)構(gòu)的存在，納米材料表面可使吸附的氣體分子穩(wěn)定存在，相當(dāng)于宏觀表面有一層穩(wěn)定的氣膜，使油和水都在其表面呈現(xiàn)出超常的雙疏現(xiàn)象，這時(shí)水滴或油滴與界面的接觸角趨于最大值。利用這個(gè)性質(zhì)使涂在輸油管道壁上的涂料對(duì)輸油管道的安全輸送原油具有重要的價(jià)值。也可以如青山新材的納米涂層那樣涂在電路板上使電子元器件管腳不受水氣的侵害，達(dá)到防水防潮防腐蝕的目的。這種納米涂料應(yīng)用于大型機(jī)械設(shè)備可防止靜電。

7、納米高強(qiáng)度涂料 

利用納米粒子的比表面能大等特性可明顯改善涂膜的力學(xué)性能，如涂膜的韌性和強(qiáng)度等。涂料樹(shù)脂中剛性顏填料粒子的存在會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)，引起周圍樹(shù)脂產(chǎn)生微開(kāi)裂，加入納米粒子后，由于納米粒子的界面效應(yīng)，使之與樹(shù)脂之間產(chǎn)生更多的接觸面積，產(chǎn)生更多的微裂紋和彈性變形，將更多的沖擊能轉(zhuǎn)化為熱量吸收，從而提高沖擊強(qiáng)度，達(dá)到增加強(qiáng)度、提高韌性的目的。

8、保型隔熱納米涂 

這是一種環(huán)保型隔熱納米涂料,其所述一種環(huán)保型隔熱納米涂料包括以下組份：納米顏填料漿料、合成水性樹(shù)脂、成膜助劑、偶聯(lián)劑、消泡劑、流平劑和潤(rùn)濕劑,所述一種環(huán)保型隔熱納米涂料的制備方法是：先將納米顏填料漿料加入到合成水性樹(shù)脂中,然后依次加入成膜助劑、偶聯(lián)劑、消泡劑、流平劑和潤(rùn)濕劑,快速攪拌,即得到一種環(huán)保型隔熱納米涂料。本發(fā)明加工工藝簡(jiǎn)單,組分配比合理,具有熱阻大、反射率高,輻射傳熱性能好的功能. 

9、其他納米改性涂料 

納米改性涂料的應(yīng)用范圍非常廣泛。如利用納米TiO₂、Cr₂O₃、SnO₂、ZnO等具有半導(dǎo)體性質(zhì)的粉體作為顏料摻入樹(shù)脂中，有良好的靜電屏蔽性能，可制成導(dǎo)電型抗靜電涂料。在電子儀器、家電、家具方面有著極廣泛的用途在提高涂層熱穩(wěn)定性方面，有關(guān)研究表明，加入納米SiO₂有一定的改善效果。低溫?zé)崾е厍闆r下，納米SiO₂可使環(huán)氧丙烯酸酯的光固化涂料的熱失重初溫從330K提高到366K，熱失重終溫由358 K提高到370 K。Jiansirisomboon等對(duì)Al₂O₃/SiC納米復(fù)合陶瓷涂料體系進(jìn)行了初步的研究。研究表明，具有納米尺寸的SiC 顆粒在復(fù)合涂料中仍為納米尺寸，在等離子噴涂過(guò)程中，αAl₂O₃轉(zhuǎn)變成亞穩(wěn)態(tài)的γAl₂O₃和δAl₂O₃相。在此基礎(chǔ)上，利用溶膠凝膠過(guò)程和凍干過(guò)程制得的原料粉及低壓等。