纳米材料及其技术在涂料产业中的应用

摘要：随着我国科学技术的不断发展，纳米材料以及相应的技术被逐渐广泛的应用于各个行业中，纳米材料具有其独特的物理和化学特性，它的发展可能给物理、化学、生物、材料、医药等学科带来新的机遇，近年来，纳米材料及技术的发展在化工行业以及建筑行业最为广泛，尤其是在涂料工业中占据了更大的地位，主要是由于纳米材料投资较小、经济效益高、见效快的优势。本文主要探讨纳米材料及其技术在涂料产业中的应用。

关键词：纳米材料；涂料产业；应用

中图分类号： F767.4 文献标识码： A

一、对纳米材料的认识

（一）纳米材料的概述

1、纳米材料是指由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子组成的新一代材料。而纳米技术是研究物质组成体系的运动规律和相互作用以及在应用中实现特有功能和智能作用的一种科学技术。纳米涂料是利用纳米粒子抗紫外线的性能对涂料进行改性，提高涂料的某些性能。纳米涂料也是纳米复合涂料，是在涂料生产过程中加入纳米粒子，从而产生许多优异性能，使纳米涂料具有优异的力学、热学、光学及电磁学性能，这些都是传统涂料不能比拟的，而且添加不同的纳米粒子便生产出不同功能的纳米涂料，从而扩大了涂料的应用范围。

2、纳米涂料的发展：首先，纳米材料在我国的发展已经很广泛，在市场上也取得较好的反应，纳米建筑涂料是纳米涂料用量最大的品种之一，也是提升传统涂料的重点领域。近几年来，纳米材料的发展更为迅速，在建筑行业中，主要被用于改善建筑内墙涂料的抗菌性和建筑外墙涂料的耐候性，已经逐渐形成一种产业。但是还是落后于发达国家，国外的纳米材料的应用，对于纳米涂料的应用，国外对其的开发起步较早并形成产业化，美国对于纳米材料的应用主要用于绝缘涂料、豪华轿车面漆以及军事方面，还开展了在包装上使用阻隔性涂层、透明并耐磨性涂料、光致变色涂料等纳米涂料的应用研究。而日本主要在由光催化进行自动清洁涂料、静电屏蔽涂料的研究方面取得成效并将其发展为产业化。

（二）纳米材料的物理性能

纳米材料中能级分裂和电子布局的变化；纳米材料电子的强关联或相关性；纳米材料具备的激子过程和激发态；纳米材料的表面态与表面结构：纳米材料占比例较大的是的其表面，当纳米材料减少到10nm时，体内原子和表面原子的数目比将达到50%。表面原子与体内原子所处的化学环境截然不同，因此会有表面相形成。但是，由于普通材料中，表面相受到比例小的影响，局限性较大。对于纳米材料来说，由于自身表象与体相比例相差不大，因此，在许多物理变化以及化学变化中的作用显著，而且更加利于人们对其进行研究；纳米材料的量子隧穿与纳米尺度的耦合：目前改性涂料所使用纳米材料一般为半导体纳米材料，如纳米SiO2、TiO2、ZnO等，半导体纳米材料比较特殊；具有光学性；纳米半导体粒子，1-100nm。由于量子尺寸效应差异较大，因此目前最活跃的研究领域之一就是纳米半导体粒子的光化学性质和光物理性质，对于纳米半导体粒子所具有的室温光致发光及超快速的光学非线性响应等特性更加受到关注。一般情况下，当导体激子玻尔半径与导体粒子尺寸半径极其相近时，随着导体粒子尺寸的变化，其导体的有效带隙也随之发生变化。导体尺寸越小，其导体的有效带隙越多，其相应的荧光光谱和吸收光谱会发生蓝移，最终形成能级在能带中。

（三）纳米材料的其他性能

1、光学性能：当纳米微粒的粒径与电子的德布罗意波长、超导相干波长以及玻尔半径相当时，其具有较为显著的尺寸效应。同时，纳米材料的比表面使处于小颗粒内部的电子、原子以及处于表面态的电子、原子与的行为有很大的差别，影响纳米微粒的光学特性与纳米材料的这种量子尺寸效应和表面效应有很大的关系。这是同样材质纳米材料的宏观大块物体不具备的。例如SiO2、TiO2、ZnO等，能够很好的吸收紫外光，而其中一些氧化物几乎不吸收紫外光，例如亚微米的TiO2。由于这些纳米材料具有良好的半导体特性，因此容易吸收紫外光，其主要原因是由于电子被激发发生跃迁，从而吸收紫外光线。纳米材料与具有相同材质的大块材料相比，纳米材料在吸收紫外光线过程中，会出现蓝移现象，出现蓝移现象的原因有，量子尺寸发生变化，能隙变宽，光吸收靠近短波。另一种是表面效应。大的表面张力使晶格畸变，晶格常数变小。

2、吸附性能：当不同相相接触并且互相结合时，就是吸附现象。纳米微粒与材质相同的一些材料相比吸附性较强，主要是由于其比表面积较大，并且其表面得原子不能足够配位。影响纳米材料吸附性能的因素较多，其中，溶液性质、被吸附物质的性质、溶剂性质都可能对其产生影响。比如，水溶液的PH值不同，纳米材料微粒的电性也不相同，有可能带正电、也有可能带负电、还有可能呈中性。这些粒子所形成的吸附键不同，其吸附作用也具有差异。一些纳米材料能够利用气体，形成吸附层，如纳米氧化物可以与空气中的一些气体结合形成吸附表层。气体不同，形成的吸附层也不相同。

二、纳米材料及其技术在涂料中的应用

（一）TiO2在涂料中的应用

1、纳米TiO2具有光学效应，其粒径发生改变，光学效应也发生变化。纳米TiO2中的金红石型材料能够变色，角度不同，颜色随之发生改变。多应用于汽车喷漆中，能够产生一些很神奇的变化。利用纳米TiO2中的紫外吸收特性，对汽车面漆的耐候性能有较大的提升。除此之外，纳米TiO2还具有光催化特性，利用其这一特性，能够对空气产生净化作用，并且对于空气中的其他污染物进行降解，保护环境。

2、TiO2的光催化效应及应用：纳米二氧化钛具有高的光催化活性，是一种光催化半导体抗菌剂，在波长小于400nm的光照下，能吸收能量高于其禁带宽度的短波光辐射，产生电子跃迁，价带电子被激发到导带，形成空穴－电子对，并将能量传递到周围介质，诱发光化学反应，具有光催化能力。一般抗菌剂有杀菌作用，但不能分解毒素，而二氧化钛利用生成的活性氧杀菌，并且能使细菌死后产生的内毒素分解。纳米TiO2广泛应用于自洁陶瓷、玻璃以及厨房和医院设施中，一些高速公路两侧的护墙上也涂有纳米TiO2以消除汽车尾气的影响。

3、TiO2的紫外屏蔽应用：纳米TiO2的小尺寸效应、量子效应和诱导效应可使光吸收带蓝移，产生强的紫外吸收。纳米TiO2具有很好的紫外线屏蔽作用，也是一种防老化材料，可将其均匀分散到涂料中制成紫外线屏蔽涂层和抗老化涂层。纳米TiO2作为一种良好的永久性紫外线吸收材料还可用于配制耐久型外用透明面漆，一般用于木器、家具、文物保护等领域。

（二）SiO2在涂料中的应用

1、纳米SiO2是无定型白色粉末，是一种无毒，无味，无污染的无机非金属材料，表面存在不饱和的残键和不同键和状态的羟基，其分子结构呈三维网状结构如图1。

图一纳米SiO2的三维结构图

2、纳米颗粒的比表面积和表面张力都很大，容易相互吸附而发生团聚。而纳米粒子如果不能真正的以纳米级分散在涂料中，就失去了其应有的作用。添加纳米SiO2的涂料具有防流挂，施工性能良好，尤其是抗沾污性大大提高，具有优良的自清洁性能和附着力。纳米二氧化硅具有极强的紫外吸收、红外反射特性，它添加在涂料中，能对涂料形成屏蔽作用，达到抗紫外老化和热老化的目的，同时增加涂料的隔热性。

（三）纳米CaCO3在涂料中的应用

纳米碳酸钙的主要作用是改善涂料的性能，使涂料的触变性更好，在施工的过程中防止流挂并增加涂料的贮存稳定性。纳米碳酸钙改善涂料触变性的主要原因是由于纳米碳酸钙粒子表面相互聚集的氢键作用力不强，很容易被剪切力切开，在使用的时候这些氢键在外部剪切力的作用下又可以迅速的恢复，能够迅速的重整结构。纳米碳酸钙对涂膜有一定的补强作用，同时还具备其他纳米材料的普遍共性“蓝移”现象。从纳米碳酸钙的结构来看，部分纳米粒子聚集并形成一次链状结构，这种结构可以将涂料的结构化水平提高，在与聚合物混合时形成的物理缠结能力增强，从而增加涂膜补强效果。

结束语：

纳米材料具有其独特的优势，在涂料产业中受到广泛的应用，将纳米材料及其纳米技术应用在涂料产业中，可以对涂料品质有很大的提升，纳米技术的发展前景还非常广阔，对于其在应用过程中出现的一些问题，还需要结合先进的科学技术解决。

参考文献：

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