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纳米材料在建筑涂料中的应用纳米材料在建筑涂料中的应用巢湖

2022-08-05 17:38:45 巢湖

纳米材料在建筑涂料中的应用,纳米材料在建筑涂料中的应用

纳米材料在建筑涂料中的应用程凤宏周宏彬(郑州郑工机械集团技术开发部，450051) 摘要详细介绍了纳米材料在建筑涂料中的应用及研究情况。利用纳米材料特殊性质，开发和制备新型、性能优异的建筑涂料，具有广阔的应用和开发前景。关键词纳米材料建筑涂料应用 l引言随着我国经济的快速增长，建筑业已成为我国的支柱产业之一，人民生活水平的提高对建筑业提出了更高的要求，而建筑涂料又在其中扮演着重要角色建筑涂料作为涂料工业的两大支柱之一，一直在快速发展，建筑涂料在工业发达国家是消费比例最大的一类涂料，占涂料总产量的50％左右。预计到2005年，我国涂料工业总产量可达250万t，其中建筑涂料的年产量约为120万t，基本达到50％。建筑涂料在我国涂料生产中占有越来越重要的地位。我国许多地方政府相继出台了建筑外墙限用瓷砖、马赛克等的规定，提倡使用建筑涂料，更为建筑涂料的发展提供了动力。随着社会的发展，技术的进步及人们生活水平的提高，人们对建筑涂料提出了更高的要求，如高耐久性、高装饰性、低污染化、抗菌防污等，这些都对现代建筑涂层材料和工艺提出了挑战，开发和应用高质量的建筑涂料及其涂装技术成为当前涂料业的重要课题。纳米材料是近年来科学上的一项重大发展，已成为当今许多学科的研究热点。纳米材料是指结构单元至少在一维方向上受纳米尺度(1～100nm)调制的各种固体材料，其尺寸大于原子簇而小于通常的微粉，处在原子簇和宏观物体之间的过渡区域。纳米材料具有相同成分的粗晶材料所不具有的优异或奇异性能，在结构、光电、力学、催化及物理化学性质等方面具有诱人特征，所以纳米材料在军事、通讯、电子、激光技术、生物学等广泛的工业和民用领域有着广阔的应用前景。纳米涂层材料是近几年纳米材料在国际上研究的热点之一。20世纪90年代，国内外开展了大量纳米涂料的研究开发，具有各种特殊性能的纳米涂料产品陆续上市，如美国用80nm的BaTiO 3 可作介电绝缘涂层，用40 nm的Fe 3 0 4 可作磁性涂层，用80 nm的Y 2 0 3 作红外屏蔽涂层等H1。日本等国已有部分纳米二氧化钛的化妆品问世，可以有效地遮蔽紫外线。建筑涂层除要求具有高的装饰性外，还要求有良好的耐久性，包括抗紫外线、空气污染、抗菌防霉等性能。利用纳米材料特殊的抗紫外线、抗老化、高强度和韧性及抗菌防污功能等，开发和制备新型、性能优异的建筑涂料，具有广阔的应用和发展前景。 2纳米材料在建筑涂料中的应用将纳米粒子用于涂料的改性，可大幅度提高涂料产品的耐水洗刷性、附着力、抗老化、防油性及自洁能力。浙江纳米材料应用工程中心开发的一种纳米改性外墙乳胶漆耐洗刷性达到10万次以上，耐人工老化性达到650 h，很好地解决了常规建筑涂料经日晒雨淋墙面涂料发生剥落、褪色等问题。 2．1耐老化涂料纳米Ti0 2 、SiO 2 、Fe 2 0 3 等都是优良的抗老化剂，可以提高涂膜耐候性。将纳米Ti0 2 应用于涂料，制成特殊的防紫外线产品——纳米涂层，可提高与基体的附着力，耐候性好，具有防降解、防变色等功能，达到表面装饰的目的。纳米Si0 2 是不定型的白色粉末，测试表明纳米SiO 2 具有紫外线吸收、红外线反射的光学特性，对波长为400 nm以内的紫外线吸收率可达70％以上，对于波长为80nm以外的红外线反射也可达70％以上。由于其分子结构中存在着大量的不饱和残键和不同状态的羟基，分子结构呈三维硅石结构，这种结构可与树脂的某些基团发生键合作用，大大改善材料的热稳定性和化学稳定性，又由于其表面配位不足，表现出极强的活性，可以对颜料等色素粒子起吸附作用，大大降低由于UV的照射而造成色素的衰减，从而减少涂膜的“粉化”现象。 2．2超亲水性涂料 TiO 2 在光照条件下，其表面结构发生变化，具有超亲水性。在紫外光照射下，TiO 2 表面生成电子-空穴对，分别与Ti 4 +反应生成Ti 3 +和氧空位。空气中的水解离子吸附在氧空位中称为化学吸附水，并进一步吸附空气中的水分，形成物理吸附层，即在缺陷周围形成高度亲水微区，而剩余区域仍保持疏水性，这样就构成了均匀分布且尺寸远大于水滴或油滴的相分离的纳米尺寸亲水和亲油微区，在宏观上表现出亲水和亲油性。停止紫外线光照射后，化学吸附羟基被空气中的氧取代，数小时后又回到疏水状态，再用紫外光照射，又表现出超亲水性。镀有Ti0 2 的表面因为其超亲水性，使油污不易附着。即使有所附着，也是和外层水膜结合，在外部风力、水淋及自重作用下能自动从涂层表面脱落，从而达到防污及自清洁的目的。用于内外墙乳胶漆，可极大地改善墙面的清洁度。 2．3抗菌防污涂料乳胶漆是建筑涂料的主流品种，在工业发达国家应用非常普遍。20世纪90年代以来，乳胶漆在我国也有了很大的发展和应用，乳胶漆已在居室内的装饰中占据了主导地位，外墙应用也已经打开了局面，被越来越多的建筑商所青睐。而乳胶漆的主要成分里包含了大量的有机物和高分子材料，这些都是微生物的养料，除了在使用前要加防腐剂保护外，成膜后也易受周围环境里微生物的侵蚀，从而产生各种问题。如漆膜防水性下降、附着力变差并在漆膜上形成黑斑点，破坏漆膜的美观和完整性。为避免以上情况的发生，需要在涂料中加人防霉抗藻剂来保护，但常用的防霉抗藻剂都有毒性，不仅会污染周围环境，而且实际含量有限，不能长期起作用，利用纳米材料的光催化作用可解决这一问题。光催化使纳米材料在光的照射下，通过把光能变成化学能，促进有机物的合成或使有机物降解的过程。纳米TiO 2 在水和空气中受光的照射而产生带负电的电子(e-)和带正电的空穴(h+)，发生一系列化学反应，形成空穴-电子对。吸附溶解在TiO2表面的氧俘获电子形成O2-，而空穴则将吸附在Ti0 2 表面的OH-和H 2 0氧化成HO· 。生成的O 2 和HO·有强的氧化能力，有机物可被其氧化，生成CO 2 和H 2 0，在很短时间内杀灭细菌、消臭和除去油污等。还可有效净化NOx、S0 2 、VOC、NH 3 等有害气体，达到抗菌、自洁、减少空气污染的目的。如用添加此种纳米材料制成的漆用于室内装饰，能有效抑制细菌、霉菌生长，分解空气中的有机物及臭味，有效净化NOx、S0 2 、VOC、NH 3 及吸烟等产生的有害气体，可有效地解决目前建筑密封带来的有害气体不能尽快排出室外的问题。 2．4耐洗刷型涂料传统涂料由于耐洗刷性差，时间不长墙壁就可能变得斑驳陆离。应用纳米材料后，就会使涂料的许多指标大幅度提高，外墙涂料的洗刷性由原来的1000多次提高到约1万多次，老化时间也延长了许多。如浙江纳米材料应用中心开发的纳米材料改性丙烯酸外墙乳胶漆耐洗刷性大于10万次，超过国标的5倍多。 2．5其他涂料利用纳米材料的特殊性质，还能制备出许多具有特殊性能的建筑涂料。北京2008年奥运会为排球比赛主场地的首都体育馆，该馆吊顶用的吸声板是最新的材料，外表面采用了纳米涂层，这种吊顶可让体育馆的噪声更小，是一种防噪音建筑涂料；体育馆里经过纳米材料处理后的新型地板涂料让底板变得耐磨，用的就是一种纳米耐磨建筑涂料；训练馆的内墙涂料抗菌、抗污染，用水就可以清洁墙面。涂料在存放时易发生颜料沉降现象，而建筑涂料的主流是乳胶漆，存在不稳定性，在里面加纳米材料，能改善贮存稳定性。有人用微乳液聚合的方法，制备丙烯酸聚甲酯、丙烯酸丁酯共聚物纳米乳液，得到的纳米乳液胶乳中固含量最高可达45％，表面活性剂的用量少于3％，颗粒粒径达到15—25 nm，机械稳定性及-10℃的冷冻稳定性都很好。 3结语与展望人类社会不断发展，对建筑业及相关工业提出了更高的要求，建筑涂料必须适应市场竞争的需要，不断提高和改善涂料本身的性能，减少材料和能源消耗，降低涂装成本。纳米材料对建筑涂料性能的改善和提高不仅是可行的，而且在某些方面还比较突出，但纳米建筑涂料要实现工业化应用还有一定的困难，纳米材料价格、纳米材料颗料／媒体间的界面性质、表面活性等理论问题、纳米材料的分散性、颗粒混人介质的技术手段等。随着科学技术的不断进步以及纳米材料应用技术的不断发展，在应用方面存在的各种问题将会逐渐解决。利用纳米材料的特殊性能，开发和制备性能优异的建筑涂料具有广阔的应用和发展前景。