纳米材料在涂料中的应用

纳米材料在涂料中的应用

由于它具有几种特殊的物理性能，人们越来越关注纳米，而采用纳米改性涂料的产品现在在涂料研究领域非常活跃。根据我们承担的北京市重点科技创新项目研究进展,对有关纳米材料在涂料中的应用情况做一介绍。1改性涂料的表征纳米材料是指粒径在1～100nm具有特殊物理化学性能的材料,广义的纳米材料还包括三维结构中有一维长度在1～100nm或者具有纳米结构的材料。一般认为纳米材料具有界面效应、小尺寸效应及宏观量子隧道效应等。从物理学角度考虑纳米材料存在以下一些重要问题。(1)纳米材料中电子的强关联或相关性。(2)纳米材料中能级分裂和电子布局的变化。(3)纳米材料中的激发态和激子过程。(4)表面结构与表面态:纳米材料中的表面占有相当大的比例,当材料尺寸减小到10nm左右时,表面原子和体内原子的数目比几乎达到50%左右。表面原子所处的化学环境迥然不同于体内原子,它们可能形成一种表面相。在大块材料的研究中,人们早已认识到表面相对许多物理过程都有重要的影响,但是,由于表面相所占的比例甚少,表面相的研究受到极大的限制而对于纳米材料其表面相已经达到与体相的比例相近时,不但易于研究它的性质,而且在许多物理化学过程中的作用十分显著。例如,在催化过程中表面结构的变化和作用、发光和输运过程中表面态的作用以及表面吸附和表面扩散等。特别是,当材料已处于纳米尺度时,材料表面形状、结构的变化都会影响到材料的性质。(5)局域化和量子输运。(6)量子隧道与纳米尺度的耦合。目前改性涂料所使用的纳米材料一般为纳米半导体材料,如纳米SiO2、TiO2、ZnO等。这些纳米材料具有一些特性:如光学特性、光电催化特性、奇特的选择性、吸收特性及光电转换特性等。2由纳米材料的抗紫外老化性能来改变2.1涂料老化试验对纳米TiO2、SiO2进行适当的表面处理,做成分别含纳米TiO20、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%的白色涂料,制做6cm×3cm人工老化试样板,取12块6cm×2cm样板做500h人工老化试验,另外6块6cm×1cm的样板作对比样,用尼康分光光度计测其老化前后颜色变化;分别做成含纳米SiO20、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%的白色涂料样,试验同上。2.2苯丙涂料在不同纳米tio对苯丙涂料中,加入占涂料量(质量)计0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%纳米TiO2(或SiO2)和不加纳米材料的涂料进行500h人工老化(主要是紫外老化)试验,并对它们的变色差(■E值)进行对比(见表1)。由表1可见,在苯丙涂料中加入0.5%～2.0%纳米SiO2或纳米TiO2,■E比空白小,涂膜(乳液树脂)老化明显减缓,说明纳米SiO2或纳米TiO2对紫外光的屏蔽作用,保护了涂膜。另外,作为对比,使用了乳胶漆抗紫外防老化分散液S-3225D(瑞士产)的涂料老化前后的变色差■E为0.50,这与添加纳米SiO2或纳米TiO2结果类似。这说明纳米SiO2或纳米TiO2确实起到了紫外吸收剂的作用。2.3自适应的识别耐老化性能是涂料的一项重要性能,紫外线是一种比可见光波长短的电磁波,其波长介于200～400nm。紫外线是造成涂料老化的重要因素,紫外线的波长越短,能量越强,对涂料的耐久性危害也越大。这可以由下式(1)看出。式中:E—1mol光量子所具有的能量;N—阿佛加德罗常数;h—普朗克常数;c—光速;h—光的波长。由上式计算出不同波长的光所具有的能量如表2所示。纳米TiO2对紫外线的屏蔽以散射为主,粒径是影响散射能力的重要因素之一。关于最佳粒径的计算公式很多,不同研究者的计算公式不同,结果亦有差异,最常用的如式(2)。式中:d最佳—散射效率最大的的粒径,μm;λ—入射光波长,nm;np—分散质的折射率,锐钛型TiO2为2.52,金红石型TiO2为2.7;nb—分散介质的折射率。根据式(2)计算出的锐钛型TiO2在水中对不同波长紫外线散射的最佳粒径见表由表2见,锐钛型纳米级TiO2的粒径(77nm)最有利散射波长为200nm的紫外线,因此可提高涂料的耐紫外老化性能。3纳米ti0与纯丙树脂对涂料表面活性剂的催化作用利用某些纳米材料的光催化特性,可研制成纳米光催化涂料。我们在实验中使用经过特殊表面处理的纳米TiO2与纯丙树脂配制成涂料,经有关单位测试表明,其对氮氧化物、油脂、甲醛等物质具有明显的催化降解作用。其中对氮氧化物的降解效率可以达到80%。4疏水、疏油性能我们在实验中发现一些纳米材料与某些树脂经过特殊复合后,其表面具有一些特殊的物理化学性能,比如同时存在疏水、疏油现象,这种性能应用于建筑涂料中对提高涂料的耐污染性能具有极大的改进作用。中科院专家最近提出了“二元协同纳米界面材料”的概念,根据这种理论可以开发出超双亲界面物性(同时具有超亲水性及超亲油性的表面)材料和超双疏性界面物性材料。4.1纳米表面结构材料的应用研究表明,光的照射可引起TiO2表面在纳米区域形成亲水性及亲油性两相共存的二元协同纳米界面结构。这样在宏观的TiO2表面将表现出奇妙的超双亲性。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。这种双亲二元协同原理,同样可以用来指导我们进一步设计和制作在其它基材上使用的超双亲性修饰剂。4.2表面修饰涂层利用由下到上、由原子到分子、由分子到聚集体的外延生长纳米化学方法,可以在特定的表面上建造纳米尺寸几何形状互补的(如凸与凹相间)界面结构。由于纳米尺寸低凹的表面可使吸附气体分子稳定存在,所以在宏观表面上相当于有一层稳定的气体薄膜,使油或水无法在材料的表面呈现超常的双疏性。这时水滴或油滴与界面的接触角趋于最大值。如果在输油管的管道内壁采用带有防静电功能的材料建造这种表面修饰涂层,则可实施石油与管壁的无接触运输。这对于输油管道的安全运行有重要价值。5无机—纳米材料对涂料的其它作用(1)纳米材料经适当处理后可以提高涂料的触变性、储存稳定性、漆