纳米技术在精细化工中的应用与发展前景.doc

1、 应用1. 高分子（1）涂料将纳米材料应用与涂料中可分为两种情况：一是将纳米材料分散于传统涂料后得到的纳米材料改性涂料；二是完全有纳米粒子组成的纳米涂层材料。前者主要利用纳米粒子的抗紫外线、光催化等性能对传统涂料进行改性，从而提高涂料的某些性能。由于纳米材料改性涂料的工艺相对简单，工业可行性好，因此目前的研究工作大多集中在该领域。一方面纳米材料改性涂料不仅在常规的力学性能如附着力、抗冲击、柔韧性等方面会得到提高，而且还有可能提高涂料的耐老化、耐腐蚀、抗辐射性能。此外，纳米材料改性涂料还可能出现某些特殊功能：自清洁、抗静电、隐身吸波、阻燃等性能。纳米材料是粒径非常微小的细微颗粒，其表面活性相当高，如何将其有效的分散在涂料体系中，是纳米材料在涂料中应用的关键问题。纳米材料的表面处理、添加方式、分散设备的选择等，直接影响到纳米材料在涂料中的分散状态。xin纳米材料在涂料中的应用进展_刘红波.pdf（2） 塑料纳米 S Oi2 对塑料不仅起补强作用, 而且具有 许多新的特性。利用它透光、粒度小, 可使塑料变 得更致密, 可使塑料薄膜的透明度、强度和韧性、 防水性能大大提高。纳米塑料是指基体为高分子聚合物，通过纳米粒子在塑料树脂中的充分分散,有效地提高了塑料的耐热、耐候、耐磨等性能。纳米塑料能使普通塑料具有象陶瓷材料一样的刚性和耐热性，同时又保留了塑料本身所具备的韧性、耐冲击性和易加工性。目前，能实行产业化的有通过纳米粒子改性的NPE、NPET和NPA6(即纳米聚乙烯、纳米PET聚脂、纳米尼龙6)利用纳米粒子，将银(Ag+)设计到粒子表面的微孔中并稳定，就能制成纳米栽银抗菌材料，将这种材料加入到塑料中去就能使塑料具有抗菌防霉，自洁等优良性能，使其成为绿色环保产品。目前，已在ABS、SPVC、HIPS、PP塑料中得到应用。（3） 粘合剂和密封胶将纳米材料如纳米SiO2作为添加剂加入到粘合剂和密封胶中，使粘合剂的粘结效果和密封胶的密封性都大大提高。其作用机理是在纳米SiO2的表面包覆一层有机材料，是指具有亲水性，将它添加到密封胶中很快形成一种硅石结构，即纳米SiO2形成网络结构掏胶体流动，固体速度加快，提高粘结效果，由于颗粒尺寸小，更增加了胶的密封性。（4） 纤维纳米纤维的用途很广，如将纳米纤维植入织物表面，可形成一层稳定的气体薄膜，制成双疏性界面织物，既可防水，又可防油、防污；用纳米纤维制成的高级防护服，其织物多孔且有膜，不仅能使空气透过，具可呼吸性，还能挡风和过滤微细粒子，对气溶胶有阻挡性，可防生化武器及有毒物质。以纳米 S iO 2 和纳米 T iO2 经适当配比而成的 复合粉体作为纤维的添加剂, 可制得满足国防工业要求的抗紫外线辐射的功能纤维。A. 紫外防护纤维B. 远红外功能纤维C. 抗菌防臭和除臭纤维D. 抗静电纤维2.催化领域纳米粒子是一种极好的催化剂，这是由于纳米粒子尺寸小、表面的体积分数较大、表面的化学键状态和电子态与颗粒内部不同、表面原子配位不全，导致表面的活性位置增加，使它具备了作为催化剂的基本条件。镍或铜锌化合物的纳米粒子对某些有机物的氢化反应是极好的催化剂，可替代昂贵的铂或钯催化剂。纳米铂黑催化剂可以使乙烯的氧化反应的温度从600 降低到室温。 3. 化妆品在防晒产品中以往多使用有机化合物为紫外线吸收剂, 但是存在诸如为了尽可能保护皮肤不接触紫外线而提高添加量之后, 会增加发生皮肤癌以及产生化学性过敏等问题。在纳米技术被广泛应用的今天, 钠米氧化钛及氧化锌以其安全无毒、能屏蔽紫外线、无毒、无味、不分解、不变质、着色力高、遮盖力强或透明度高、色相好和色谱广等优异性能, 被广泛应用于防晒化妆品中。从防晒新技术、新原料的发展来看, 它们也是极具发展前途的一类防晒化妆品原料。纳米原料用在化妆品防晒剂中, 最大的优点是其属于无机惰性原料, 不像有机防晒剂其活性和刺激性较强, 会对皮肤产生毒副作用, 应用非常安全。例如 , TiO2 就是一种很好的纳米防晒原料。纳米 TiO2对长波(320 nm400 nm)和中波(280 nm320 nm)均有屏蔽作用 , 且自身为白色 , 可以随意着色 , 在防晒霜、粉底霜、口红和防晒摩丝等化妆品中得到广泛应用。纳米 TiO2 的粒径对紫外线的吸收能力和遮盖力 影响很大, 一般以 30 nm50 nm 粒径为最佳。纳米ZnO 的抗菌性源于两个方面 , 其一 , Zn2+ 与 Ag+ 、Cu2+ 一样属于重金属离子, 可与病菌和病毒体内蛋白质上的巯基结合, 从而抑制它们的活性。其二, 在 紫外线的照射下, ZnO 会产生空穴(h +)电子(e - )对, 活泼的空穴和电子分别从纳米 ZnO 价带(VB)、导带 (CB)迁移至粒子表面, 把表面吸附的水或羟基(OH)转 变成氢氧自由基(OH), 把表面吸附的氧气转变成原 子氧(O 2- ), 氢氧自由基具有极强的氧化能力, 从而 把大多数细菌和病毒杀死。纳米 ZnO 应用于防晒化 妆品中, 不但使体系拥有收敛性和抗炎性, 而且具有 吸收人体皮肤所分泌出的油脂的功效。4. 医药方面纳米粒子将使药物在人体内的传输更为方便。用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体，可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织；使用纳米技术的新型诊断仪器，只需检测少量血液就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病，美国麻省理工学院已制备出以纳米磁性材料作为药物载体的靶定向药物，称之为“定向导弹”。该技术是在磁性纳米微粒包覆蛋白质表面携带药物，注射到人体血管中，通过磁场导航输送到病变部位，然后释放药物。纳米粒子的尺寸小，可以在血管中自由流动，因此可以用来检查和治疗身体各部位的病变。对纳米微粒的临床医疗以及放射性治疗等方面的应用也进行了大量的研究工作。据人民日报报道，我国将纳米技术应用于医学领域获得成功。南京希科集团利用纳米银技术研制生产出医用敷料长效广谱抗菌棉。这种抗菌棉的生产原理是通过纳米技术将银制成尺寸在纳米级的超细小微粒，然后使之附着在棉织物上。银具有预防溃烂和加速伤口愈合的作用，通过纳米技术处理后的银表面急剧增大，表面结构发生变化，杀菌能力提高200倍左右，对临床常见的外科感染细菌都有较好的抑制作用。微粒和纳粒作为给药系统，其制备材料的基本性质是无毒、稳定、有良好的生物性并且与药物不发生化学反应。纳米系统主要用于毒副作用大、生物半衰期短、易被生物酶降解的药物的给药。纳米生物学用来研究在纳米尺度上的生物过程，从而根据生物学原理发展分子应用工程。在金属铁的超细颗粒表面覆盖一层厚为520nm的聚合物后，可以固定大量蛋白质特别是酶，从而控制生化反应。这在生化技术、酶工程中大有用处。使纳米技术和生物学相结合，研究分子生物器件，利用纳米传感器，可以获取细胞内的生物信息，从而了解机体状态，深化人们对生理及病理的解释。二、展望前景1材料和制备在纳米尺度上，通过精确地控制尺寸和成分来合成材料单元，制备更轻、更强和可设计的材料，同时具有长寿命和低维修费用的特点；以新原理和新结构在纳米层次上构筑特定性质的材料或自然界不存在的材料、生物材料和仿生材料。实现材料破坏过程中纳米级损伤的诊断和修复。纳米材料奇异性：纳米金属的熔点比普通金属低几百度；气体在纳米材料中的扩散速度比在普通材料中快几千倍；纳米磁性材料的磁记录密度可比普通的磁性材料提高倍；纳米复合材料对光的反射度极低，但对电磁波的吸收性能极强，是隐形技术的突破；纳米材料颗粒与生物细胞结合力很强。2微电子和计算机技术 纳米结构微处理器的效率提高1兆倍，并实现太比特的存储器(提高1000倍)；研制集成纳米传感器系统3环境和能源发展绿色能源和环境处理技术，减少污染和恢复被破坏的环境；制备孔径lnm的纳孔材料作为催化剂的载体，有序纳米孔材料和纳米膜材料(孔径l0l00nm)用来消除水和空气中的污染；成倍的提高太阳能电池的能量转换效率。4医学与健康纳米技术将给医学带来变革：纳米级粒子将使药物在人体内的传输更为方便，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后，可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织；在人工器官外面涂上纳米粒子可预防移植后的排斥反应；研究耐用的与人体友好的人工组织、器官复明和复聪器件；疾病早期诊断的纳米传感器系统。5生物技术在纳米尺度上按照预定的对称性和排列制备具有生物活性的蛋白质、核糖核酸等；在纳米材料和器件中植入生物材料使其兼具生物功能和其他功能；生物仿生化学药品和生物可降解材料；动植物的基因改善和治疗，测定DNA的基因芯片等。6航天和航空 纳米器件在航空航天领域的应用，不仅是增加有效载荷，更重要的是使耗能指标成指数倍的降低。这方面的研究内容还包括：研制低能耗、抗辐照、高性能计算机；微型航天器用纳米集成的测试、控制电子设备；抗热障、耐磨损的纳米结构涂层材料。7国家安全先进的纳米电子器件在信息控制方面的应用；通过纳米机械学，微小机器人的应用将提高部队的灵活性和增加战斗的有效性；用纳米和微米机械设备控制，国家核防卫系统的性能将大幅度提高；通过纳米材料技术的应用，可使武器装备的耐腐蚀、吸波性和隐蔽性大大提高，可用于舰船、潜艇和战斗机等。蚂蚁士兵：它们可以通过各种途径钻进敌方武器装备中，长期潜伏下来。一旦启用，这些“纳米士兵”就会各显神通，有的专门破坏敌方电子设备，使其短路、毁坏；有的充当爆破手，用特种炸药引爆目标；有的施放各种化学制剂，使敌方金属变脆、油料凝结或使敌方人员神经麻痹、失去战斗力。我国纳米技术研究水平1995年，德国科技部对各国在纳米技术方面的相对领先程度的分析中，我国在纳米材料方面与法国同列第五等级，前四个等级为 日本、德国、美国、英国和北欧。纳米技术虽然起源于国外发达国家，但是目前在我国也具有极大的发展潜力，国家也在不断提升对这方面的关注程度，一方面增加对纳米技术的研究经费，并密切关注纳米技术以及纳米材料的基础研究工作。另一方面积极推动地方政府和企业对于纳米技术的应用，从而实现了以基础研究到产品应用的完整体系。现阶段，我国对一些纳米材料的研究也取得了令人瞩目的成就。在物理、化学方面采用多种方法研制出的高密度、性能优越的纳米陶瓷，以及制备出的金属合金氧化物、碳化物等纳米化合物，并且建立了相应的基础设备，能够真正意义上做到控制纳米微粒的尺寸大小，制成纳米薄膜以及其它纳米材料与传统材料相比较而言，在强度、硬度、韧性以及扩散度、可塑性、导电率等方面都有显著提升。并且我国还在世界上首次发现了氧化铝晶粒在拉伸疲劳中应力集中区所表现出的超塑性形变；在颗粒膜的巨磁电阻效应、磁光效应以及自旋波共振等领域也取得了卓越的成就；设计并研制出了纳米复合氧化物体系，它对中红外波段吸收率高达92，并将其应用于红外保暖纤维。目前，纳米材料和纳米技术这项诞生于二十一世纪的崭新技术已经逐渐打破了人们的传统生活理念，并从根本上解决了人类所面临的诸如能源、环境保护以及医药卫生等重大问题。参考文献1王学川, 任龙芳, 强涛涛. 纳米材料在化妆品中的应用J. 日用化学品科学, 2006, 29(4): 15-18.2刘红波. 纳米材料在涂料中的应用进展J. 中国涂料, 2010, 25(2): 25-28.3张智宏, 林西平, 汪信, 等. 纳米技术与纳米材料 (V)防晒化妆品中的纳米二氧化钛