纳米材料在人居环境方面的应用--修改

纳米材料在环境及能源领域中的应用,智林杰国家纳米科学中心,纳米材料在人居环境中的应用纳米材料在节能减排中的应用纳米材料在绿色能源中的应用纳米材料在太阳能电池中的应用,纳米材料在人居环境中的应用,人居环境,衣食住行玩,人居小环境,衣,纳米材料在纺织领域的应用,纳米材料在纺织品领域的应用,在纺织原料方面的应用在后整理技术方面的应用纳米光敏微粒在纺织面料领域的应用其它功能性纺织品,在纺织原料方面的应用,（1）抗菌纤维：将某些具有一定杀菌性能的金属离子（如纳米银离子、纳米铜离子）与化纤复合纺丝，可纺制出各种抗菌纤维，该抗菌纤维比一般的抗菌织物抗菌效果更强，耐洗次数更多。在合成纤维中加1%的该抗菌粉体就能得到可纺性良好的抗菌纤维,在纺织原料方面的应用,（2）抗紫外纤维太阳能对人体有伤害的紫外线主要在300400nm波段，纳米TiO2、ZnO、Fe2O3和纳米云母等都有在这个波段吸收紫外线的特征，将少量纳米微粒添加到化学纤维中，就会产生紫外线吸收现象，从而可以有效保护人体免受紫外线的损伤。,在纺织原料方面的应用,（3）防辐射衣服传统的防辐射服为金属线纺织而成，其原理都是直接屏蔽，电磁波辐射来了之后就被这种面料的衣服给屏蔽然后折射到别的地方去，这样就容易造成二次污染，而目前采用纳米银为面料的衣服防辐射的原理是吸收转化原理，即衣服将来自于四面八方的电磁波辐射进行吸收，然后转化为热量再释放到空气中，这样可以避免电磁波辐射的二次污染。是目前最好的防辐射材料。,在纺织原料方面的应用,（4）抗水抗油在材料表面进行特殊加工在其宏观界面建立一个二元协同纳米界面结构，使材料不仅具有防水、防油和防墨水等功能，而且用这种材料制成的衣物洗涤时可以仅用清水冲洗而不需使用传统的洗涤剂。,智能服装,纳米光敏染料对各种不同波长的可见光敏感，因此可以感知周边环境的颜色并作出相应的调节，同时改变自己的色泽，变成与周边环境一致的保护色。利用它的这种特性，将这种光敏染料植入纤维内部，制成的服装就具有了可以调节成与周边环境一致的隐蔽色功能。,高级智能服装系统,单兵作战系统系统,食,纳米材料在食品领域的应用,在食品包装方面的应用在食品检测方面的应用在高效医药方面的应用纳米材料的生物安全性问题,在食品加工过程中，添加的纳米颗粒(NPs)以其尺寸小(100nm)，比表面积大和表面活性高的特点，可有效提高食品的口味，改善食品的质地和颜色，提高食品中营养成分被吸收的几率，为人们的健康带来益处，在食品包装行业，纳米复合材料以其抗菌效果好、机械强度高、阻隔能力强的特点在现代食品包装市场上取得了快速发展。,抗菌保鲜类食品包装材料,纳米结构在水果保鲜中的应用,“活性”和“智能”食品包装是近年来广泛应用的一类新型包装技术。所谓“活性”，是指包装材料具有去除异味和氧气，增加食品色泽和感官指标的功能。例如，在食品包装材料中复合碳黑(BC)和多壁碳纳米管(MWNT)等具有表面积大和吸附气体能力强的NPs以后，包装袋内释放的异味气体能被吸附;同样，在MWNT中添加一定的香料后，可以有效保持包装食品的色泽和感官指标。“智能”包装的概念和应用较“活性”包装要广泛很多。例如，利用NPs合成得到的纳米微球或囊泡可以携带食品防腐剂，在食品运输和存储过程中通过缓慢释放起到防腐功效，这种包装材料的开发是建立在纳米生物开关的基础之上，以达到“按需释放(Release-on-Command)”的目的，另外，利用NPs研制的阵列传感器，是一种基于“电子舌头(ElectronicTongue)”的传感技术，可以用于监控，追溯和显示包装袋内食品的基本安全情况。这种监控和溯源技术在食品加工、运输、存储、销售、质量监管等领域都有巨大的应用价值。,“活性”包装与“智能”包装,“电子舌头”,这种人工舌头的用途无限，它可以用阵列的色泽指示器来识别葡萄酒的年龄和品种，还可以检测有毒物质和人类的血糖水平。目前电子舌只能检测出甜味，而酸、苦、辣、鲜、咸还需要进一步做工作才能完成。,纳米材料本身就是非常敏感的化学和生物传感器，纳米技术与生物学、电子材料相结合，可以制备新型的传感器件。例如与生物芯片等技术结合，可以使分子检测更加高效、简便。美国乔治亚大学与韩国食品研究所的联合研究团队发现了一项新颖高效的探测食源性病原菌沙门氏菌的方法。他们研制出一个金/硅基于异质结构纳米棒技术的沙门氏菌探测传感器。,纳米材料在食品检测中的应用,纳米材料在高效医药中的应用,药物的高效输运与选择性反应,具有纳米结构的药物,纳米材料在高效医药中的应用,纳米材料的生物安全性问题,碳纳米材料的毒性？！,住,纳米材料在建筑方面的应用,纳米材料在建筑方面的应用,低毒性、多功能建筑涂料纳米孔超级隔热保温材料橡胶类防水纳米材料混凝土添加材料,低毒性、多功能的建筑涂料,乳胶涂料的组分,水杀微生物剂增稠剂成膜助剂润湿分散剂颜、填料其他助剂,纳米TiO2在建筑涂料中的应用,与常规材料相比，纳米TiO2具有独特的性能：（1）比表面积大（2）磁性强（3）光吸收性好，且吸收紫外线的能力强（4）表面活性大（5）热导性好（6）分散性好，所制悬浮液稳定,TiO2超双亲性涂料自清洁玻璃,光的照射可以引起TiO2表面在纳米区域形成亲水性和亲油性两相共存的二元协同纳米界面结构，使宏观的TiO2表面表现出巧妙地超双亲性。利用这种原理制作的新材料，可修饰玻璃表面及建筑材料表面，使之具有自清洁及防雾等效果,纳米TiO2光催化涂料,光催化涂料可以做为一种环保涂料有效的降解空气中的各种污染物，如氮氧化物、卤代烃、硫化物、醛类、多环芳烃等，现已被广泛添加到涂料类产品中。TiO2相对于其他光催化剂具有化学稳定性好、无毒、价廉易得到等优点，是理想的光催化剂。实验表明：添加纳米TiO2的涂料与为添加的同类产品相比较，前者在自然光微弱的条件下对氮氧化物的催化降解率仍然可达80%以上。,纳米SiO2在建筑涂料中的应用,纳米SiO2的特性：（1）基本物性纳米SiO2为无定型白色粉末，是一种无毒、无味、为污染的无机非金属材料。这种材料颗粒尺寸小，比表面积大，表面存在大量不饱和残键及不同键合状态的羟基。（2）独特的光学特性由于其粒径只有几个纳米或十几个纳米而表面出现奇异的小尺寸效应和表面几面效应。,纳米SiO2作为涂料改善剂,抗紫外老化和热老化的添加剂：纳米SiO2具有极强的紫外吸收、红外反射特性，对波长400nm以下的紫外光吸收率高达70%以上，对800nm以上的红外光反射率也达70%。颜色保持剂：由于纳米SiO2具有三维硅石结构，庞大的比表面积，表面严重的配位不足，出现极强的活性，以致对色素粒子的吸附力很强，紧紧包裹在色素粒子表面，形成屏蔽作用，大大降低了因素外光的照射而造成的色素衰减，同时纳米SiO2粒子的分散相是透明的，对色彩毫无影响。,纳米CaCO3建筑涂料中的应用,纳米CaCO3作为涂料填充剂：将纳米CaCO3添加到涂料中可显著增加涂料的力学性能，同时纳米CaCO3表面结构比较简单，对填充的聚合物材料是化学惰性，很适合有特殊要求的聚合物材料的填充增强增韧。,纳米ZnO建筑涂料中的应用,耐人工老化能力当涂料颜基比越高时，ZnO越可以显著提高涂料的附着力，同时涂料的耐水、耐碱、耐擦洗性等也均有很大的提高高效杀菌剂其对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌等细菌的杀灭效果均非常突出,有机/金属混合聚合物在电致变色玻璃中的应用原理,关闭电源后电致变色窗户保持透明,打开电源后低压电流使电致变色窗户变得半透明,有机/金属混合聚合物在电致变色玻璃中的应用,采用金属离子与有机分子连成串珠状的有机/金属混合聚合物显示多种颜色的元件。通过对该元件在2.52.5V范围内改变施加的电压使颜色发生变化，实现了5种颜色显示。试制元件在制造时将混合聚合物涂在玻璃透明电极上形成薄膜，然后通过固体电解质重叠。元件厚度仅为2mm。使用两节5号电池驱动，在1秒内可稳定并可逆性地反复写入（显色）和擦除（褪色）,纳米孔超级隔热保温材料,为了减少环境污染和温室效应，保温材料在建筑材料中的使用倍受关注。国内外在开发和研制新型保温材料方面都做了大量工作,国外绝热材料的发展历史和现状,矿物棉：以矿渣为原料玻璃棉：以玻璃为原料膨胀珍珠岩：原料以珍珠岩为主硅酸钙绝热制品：硅酸钙为主要原料,我国绝热材料的现状和发展,1980年以前，我国保温材料的发展十分缓慢，生产的产品主要为膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、矿渣棉、超细玻璃棉、微孔硅酸钙等产品改革开放以来，我国的绝热保温材料的生产有了长足的进展，其中一些大些的生产企业如北新建材等在北京奥运会建材的投标项目中打败了众多外国知名企业。,绝热材料中的纳米效应,1、零对流效应空气中的分子在无限制条件下可自由的运动，这种运动既包含了宏观的迁移，又包含了围绕其平衡位置附近的振动。但是当空间的限制尺寸小于空气分子的平均振幅时，分子就会处于宏观的“静止”状态，这种可以发生分子宏观迁移的最小尺寸为气体分子的“自然程”。由于空气分子的平均自由程为70nm，因此当材料内部的气孔全封闭孔同时小于50nm时，所有的空气分子都失去了宏观迁移的能力，因此也就失去了热对流运动和对流传热能力。,绝热材料中的纳米效应,2、无穷多遮热板效应当气孔尺寸减少到纳米级时，纳米气孔的表面积急剧增加，产生的气-固界面的层数趋向于无穷多。热辐射的射线穿过每一层界面时都会发生反射、吸收、透射和在辐射，相当于在热辐射传播的路径上设置了近于无穷的遮热板，使热辐射的传播能力迅速衰减，最后大部分被吸收在纳米孔绝热材料中，通过再辐射的方式返回给原有的发射体，从而达到保温的目的。,绝热材料中的纳米效应,3、长路途效应这种形式是通过固体热导路径的延长实现的。虽然“路径效应”在普通绝热材料中也存在，但对纳米孔超级绝热材料来说，这种路径效应要比普通绝热材料大几十甚至上百倍。,具有良好隔热性能的SiO2气凝胶,纳米透明隔热涂料,应用于建筑物的玻璃表面，不改变玻璃的透光性能有效屏蔽红外热辐射和吸收紫外线。而且兼顾了整体性和美观性。只要在玻璃表面涂敷形成20um左右的透明整体涂膜玻璃在施工前后的温差达68。尤其是在日照最历害、隔热需求最强烈的中午前后表现更为出色。可有效降低空调制冷消耗，节能达35左右，隔热效果显著。,纳米透明隔热涂料应用原理：,太阳光谱中波长在40Onm-800nm的可见光区，涂膜透过率不受影响；波长在小于40Onm的紫外线区，涂膜吸收率为90左右；波长在800nm-2500nm的近红外区域，由于太阳入射光的频率高于涂膜中纳米导电粒子的振动频率，引起其离子的高反射。对分布于红外波段占43左右的太阳能量起反射阻隔作用。由此可见，纳米透明隔热涂料对太阳光谱具有选择性。从而表现出具有吸收紫外线、透过可见光、阻隔红外热辐射的综合性能。,行,纳米材料在汽车涂料中的应用,纳米材料在汽车涂料中的应用,汽车涂层除要求高装饰性外，还要求有优良的耐久性，包括抵抗大气紫外线、水分、化学物质及酸雨的侵蚀和抗石击性能。利用纳米材料特殊的抗紫外线、抗老化、高强度和韧性、良好的静电屏蔽效应、色泽变换效应及抗菌消臭功能等，开发和制备新型、性能优异的汽车涂料，具有广阔的应用前景和发展前景。,纳米材料在汽车涂料中的应用,1、防护涂料利用纳米粉体材料较强的紫外光反射特性，将纳米TiO2粉体按一定比例加入到涂料中，可以有效地遮蔽紫外线，免受紫外光损害。纳米SiO2是一种抗紫外线辐射材料(即抗老化)，加之其极微小颗粒的比表面积大，能在涂料干燥时很快形成网络结构，同时增强涂料的强度和光洁度。用纳米粒子TiO2或SiO2改性的塑料膜，贴在汽车玻璃上具有保温效果，可以降低空调的能耗。,纳米材料在汽车涂料中的应用,2、变色涂料温敏变色涂料可随环境阴晴和温度高低而改变颜色。例如，涂有某种温敏变色涂料的车辆，一旦遇到天气阴冷和气温下降时，车身的颜色就会随环境的改变而自行变化，以便对方司乘人员和交通管理人员易于发现识别，避免车祸和交通事故的发生。,纳米材料在汽车涂料中的应用,2、变色涂料碰撞变色涂料是为了防止汽车碰撞留下隐患，在涂料内含有微型胶囊，胶囊中装有染料。涂有这种涂料的汽车、飞机等，一旦外壳受到碰撞等外力作用，胶囊破裂释放出染料，使受撞部位颜色立即改变或变成指定颜色，以提醒人们重视。,纳米材料在汽车涂料中的应用,3、抗石击涂料汽车车体最贴近地面的部分，往往受到各种溅石、瓦砾的冲击，这就需要有性能良好的抗石击涂料。在汽车窗导槽等经常摩擦磨损部位，应该用具有低摩擦系数的涂料，从而减少对汽车的伤损。在涂料中添加纳米Al2O3、纳米SiO2等可提高涂层的表面强度，提高耐磨性,纳米材料在汽车涂料中的应用,4、防静电涂料由于静电的作用会引起诸多麻烦，因此汽车内饰件涂料及塑料部件用防静电涂料的开发和应用日益广泛。利用纳米氧化物Fe3O4、TiO2、ZnO等可制成多颜色的静电屏蔽涂料,纳米材料在汽车涂料中的应用,5、除臭涂料纳米材料具有强的抗菌消臭功能与吸附能力，因此利用某些纳米微粒作载体，吸附抗菌离子，制成脱臭涂料用于汽车内饰等表面达到杀菌、抗菌的目的。纳米ZnO微粒不仅具有良好的紫外线遮蔽功能，而且也具有优越的抗菌、消毒、除臭功能，因此把其作为功能助剂对天然纤维进行后整理可以获得性能良好的抗菌织物,纳米复合材料车体,用10%碳纳米管分散于不同的工程树脂中，包括聚碳酸酯、聚酰胺、聚酯和聚苯醚/聚酰胺(PPE/PA)等，其导电率均比炭黑、微米级填料和不锈钢纤维作填料为高。如果用导电性纳米管填充的PPE/PA复合材料做车体，既具有抗冲击的韧性，又可方便喷漆操作，使漆层能与车体良好的结合。,纳米复合材料车体,有机/无机纳米复合材料还具有良好的高温性能，适于制作汽车外罩。尼龙纳米复合材料，具有独特性能，既提高了聚合物刚性和强度，而并未牺牲其韧性。更重要的是这种材料有很好的高温抗弯能力。这种尼龙-粘土纳米复合材料已经用在丰田的Camery型车上,纳米彩色轮胎,汽车用橡胶以轮胎的用量最大。在轮胎橡胶的生产中，橡胶助剂大部分成粉体状，现今加入纳米ZnO、CaCO3、Al2CO3、TiO2等的轮胎最大的改变就是颜色已不再仅限于黑色，而能有多样化的鲜艳色彩。另外无论在强度、耐磨性或抗老化等性能上，新的纳米轮胎均