纳米复合涂料的发展现状及未来发展趋势.pdf
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1、2 9 季i0 5 2 0 1 4 互0 5 口郝庆辉,于清章,武琳琳,邱再明 ( 裕祥化工( 大连) 有限公司,辽宁大连1 1 6 0 3 3 ) 0 l2 9N 00 5 M a v2 0 1 4 摘要:综述了国内外纳米复合涂料在各方面的应用和发展现状,指出了其发展中需要解决的问题和发 展趋势。 关键词:纳米涂料;纳米材料;涂层 中图分类号:T Q 6 3 0 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 6 2 5 5 6 ( 2 0 1 4 ) 0 5 一0 0 1 3 0 4 P r e s e n tS t a t u sa n dD e V e l o p m e n t1 r e n
2、do fN a n o C o m p o s i t eC o a t i n g sC 0 m D O S l t eC 0 a t l n g S H A OQ i n g h u i ,Y UQ i n g - z h a n g ,W UL i n - n ,Q I UZ a i m i n g ( Y I l x i n n gC h e m i c n l ( D n l i a n ) C o L t d L i n o n i n gl 16 0 3 3 D a l i n n C h i n a ) A b s t r a c t :N a n oc o m p o s i
3、 t ec o a t i n g sa p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n ts t a t u sa r es u m m a r i z e d T h ee x i s t i n gp r o b l e m sa r ea n a l y z e da n d d e v e l o p m e n tt r e n di sf b r e c a s t e da sw e l l K e yw o r d s :N a n oc o a t i n g s ,N a n om a t e r i a l s ,c o a t
4、i n g 0 月U置 纳米材料是指颗粒粒径在1 1 0 0n m ,并且具有 特殊物理化学性能的材料,广义的纳米材料包括在 三维结构中有一维的长度在1 1 0 0n m 或者具有纳 米结构的材料。纳米材料具有很多特殊的性质,如界 面效应、宏观量子效应、小尺寸效应、光催化效应等。 近些年来,国内外大量文献对纳米材料在化妆品、制 药、涂料、催化剂、油墨、纺织品等方面的应用进行了 报道。其中纳米复合涂料通过利用纳米材料的独特 物理、化学、生物特性来提高涂料的功能性,拓展涂 料的应用领域,从而为涂料的发展提供了新的机遇。 一般认为,纳米复合涂料必须满足其中至少有 技术进j l f : r e c l
5、 l | l i c a I l r o ;r e 弘 万方数据 中国涂利 一种材料属于纳米材料,且添加纳米材料之后使涂 料具有新的功能或使涂层原有性能得到显著提高。 一般来说,纳米复合涂料一般由纳米材料添加至有 机涂料复合而成。目前,涂料用纳米粒子主要包括金 属氧化物( 如A 1 :0 ,、T i O :、Z n O 、S i O :等) 、金属粉末( 如 纳米A l 、T i 等) 和无机盐类( 如C a C 0 ,) 等”训。 1 纳米复合涂料发展现状 在纳米复合涂料研发和产业化方面国外( 如美国 和日本) 发展较早,且已取得了不少进展。美国主要在 隐身涂料、豪华轿车面漆、绝缘涂料、透明
6、耐磨涂料 等方面已实现产业化。日本则在光催化自清洁涂料、 静电屏蔽涂料、耐热涂料等方面取得了较大的进展。 而国内纳米复合涂料起步较晚,2 0 世纪9 0 年代纳米 概念开始兴起,但由于技术上的壁垒,直到近几年纳 米复合涂料的产业化才真正开始。 由于纳米材料比表面积大,表面能较高,未经处 理的纳米粒子极不稳定,容易团聚,从而会失去纳米 材料的特殊性能,这就使得纳米材料不可能像颜料、 填料一样只通过简单研磨分散就可以稳定存在于涂 料之中。因此,成功制备纳米复合涂料的首要技术问 题就是如何使纳米材料在涂料中有效稳定地分散。 经过近l O 年的研究,中科纳米涂料技术( 苏州) 有限公 司利用中科院的纳
7、米浓缩浆技术解决了这一难题。 采用先进的超分散技术制备的纳米浓缩浆具有良好 的稳定性,纳米粒子不易团聚,易于使用。目前国外 的也有许多研究所和公司在进行纳米浆的研究,但 在固含量和黏度的指标上中科院仍处于领先水平, 高固含量和低黏度的特性使得其应用更加方便安 全。在通过纳米浓缩浆技术制得的纳米复合涂料中, 纳米粒子呈纳米级分散,最终得以在涂膜中真正地 体现出纳米材料的特殊性能。 目前,根据涂料的功能性,纳米复合涂料主要可 分为以下几类:( 1 ) 纳米复合光催化涂料;( 2 ) 耐候型 纳米复合涂料:( 3 ) 耐磨型纳米复合涂料;( 4 ) 随角异 色效应型纳米复合涂料:( 5 ) 纳米复合
8、透明隔热、阻燃 涂料;( 6 ) 纳米复合隐身涂料;( 7 ) 其他纳米复合功能涂 料。 1 1 纳米复合光催化涂料 利用T i O :、z n O 等纳米粒子的光催化特性,可制 得具有光催化、抗菌性和自清洁的涂料。 纳米二氧化钛光催化技术是一项新兴的空气净 化技术,在紫外光甚至可见光的作用下,它可以在室 温下分解或氧化各种有机或无机污染物,从而达到 清除空气中污染物的效果。光催化的最终产物为水、 二氧化碳及其他无害物质,不会造成二次污染,因此 1 4 技术进艘 l - e c h n i c :I IP r o 芷I e s s 应用前景广阔。随着工业的不断发展,环境污染问题 日益严重,关乎
9、人类的健康与生存,各国政府越来越 重视环境保护的工作,美国、日本、德国政府均为环 保的相关研究与开发工作投入巨资,并大力支持其 产业化,目前在住宅、医院、隧道和广告牌等领域已 开始应用,商业化产品包括石原产业( 株式会社) 生产 的涂料S T K 系列、水分散涂料S T S 系列等陋1 。欧洲科学 家也利用直径仅2 0n m 的光触媒二氧化钛和碳酸钙 与聚硅氧烷树脂混合研制出能消除氧化氮等汽车废 气的生态型涂料。当此种生态型涂料应用在建筑物 表面之后,能在长达5a 的时间内,吸附和分解氮氧化 物气体。氮氧化物气体进入聚硅氧烷涂层中的细孔 后被二氧化钛微粒所吸附,通过太阳光中紫外光的 催化,转化
10、成硝酸,与涂层中碱性的碳酸钙反应,最 终得到无害的二氧化碳、水和硝酸钙,被雨水冲刷剥 离旧1 。目前在国内也已有了相关的产品和应用o ”。 纳米材料的自清洁功能主要是基于纳米复合涂 层表面对水、油的双亲或双疏特性,应用于汽车挡 风玻璃、后视镜、浴室的大镜子等表面可防止水滴或 水雾的产生,应用在抽油烟机等设备上,可防止油滴 的黏附。自清洁作用与其分解表面有机物的作用相 结合,可使涂膜具有长期的耐沾污效应。2 0 世纪9 0 年 代,日本1 酞e n a k a 、T o T o 公司已在其陶瓷等建材产品 上应用了具有自清洁作用的T i 0 :薄膜。N a n oc h e m S y s t e
11、 m 公司1 通过在石材、陶瓷、混凝土、玻璃、木材 等表面应用纳米涂料,降低表面张力,最终达到防 雾、抗污、易清洗的目的。日产和丰田公司则利用纳 米复合涂料来提升汽车视镜防雾和自清洁功能。目 前国内也有不少厂家拥有自清洁功能的产品,并已 投放市场。 在抗菌方面,克服了传统的抗菌涂料有效期短、 毒性大和残效期长的缺点,光催化技术具有无毒、 能耗低、持久性强、对绝大多数污染物的去除效果优 异等优点。在纳米抗菌涂料中,锐钛矿型纳米T i 0 :、 z n 0 以及纳米银等抗菌材料应用最广。受日本国土 交通省认可的日本企业产A R C - F L A S H 光触媒可用 于各种室内场合的污染治理,在脱
12、臭、杀菌、防霉、自 净等方面效果明显,杀菌率高达9 9 9 9 ,可有效防止 各种疾病的传播,除臭率高达9 9 8 ,能迅速消除环 境中不良的气味。国内也有报道称添加T i 0 :后涂料 样品对枯草芽孢黑色变种的杀菌率由1 6 7 1 提高到 9 9 5 4 【9 】。Z n o 的抗菌机理与锐钛型T i 0 2 相似,对国 内已商业化的产品进行测试,其大肠杆菌和金黄色 葡萄球菌的抗菌性为9 9 9 9 ,防霉等级为0 级( 完全 不长霉) 。此外,俄罗斯科研人员利用纳米级银离子的 杀菌涂料应用于板材后,可将其表面的多种病菌有 万方数据 效杀死,有效期可以延续长达8 个月之久。 1 2 耐候型
13、纳米复合防腐涂料 涂料中基料树脂受到紫外线的长期作用后发生 降解是有机涂层在长期使用后性能降低甚至失效的 主要原因,为了减缓这一过程的发生常常在传统的 户外用涂料中加入有机紫外线吸收剂。但由于有机 紫外光吸收剂的有效寿命短且具有毒性,因此稳定 无毒的无机纳米紫外线吸收剂受到越来越广泛的关 注。 纳米S i O ! 为无定型结构,具有良好的吸收紫外光 和反射红外线的功能。纳米T i 0 :是一种良好的永久性 紫外线吸收剂,并且能散射和屏蔽紫外线。纳米z n 0 是高效持久的抗紫外添加剂。添加纳米S i O ,或纳米 T i O :或纳米z n 0 制得的纳米涂料,可显著提高涂膜的 保光保色性能。
14、研究表明,粒径足够小的纳米z n 0 呈 透明状,在涂层中可与有机紫外线吸收剂等产生协 同作用,抗紫外老化效果明显优于单独使用有机或 无机抗紫外线剂。在美国,F o s t e rP r d u c t s 公司”o l 使用 纳米级z n 0 ( 1 0 8 0n m ) 与丙烯酸乳液复合制成了抗 紫外老化的水性涂料,耐候性能优异。在国内,此方 面的研究也有十几年的历史,目前通过与中科院合 作,中科纳米已开发出了高性能的纳米复合涂料,并 已作为飞机涂料在海南等高湿高温的环境中长期使 用,其性能远远超过国际大品牌的蒙皮涂料,大大降 低了维修费用,受到业界的认可。 除了抗老化性能,纳米材料还可以
15、提高涂料的其 他性能,如耐盐雾、耐渗透等。纳米材料在涂料中形成 网状结构,利用迷宫效应提高涂层的耐腐蚀性。中科 纳米开发的纳米复合富锌底漆经权威机构测试证实 其耐盐雾性能在添加纳米材料以后提高5 倍以上。 1 3 耐磨型纳米复合涂料 利用各种纳米材料本身优异的耐磨性能和其在 涂层表面的均匀分布,可制得性能优异的耐磨涂料。 纳米氧化铝是一种硬度非常高的球形粒子, N a n o p h a s eT e c h n 0 1 0 9 i e s 公司将其N a n o t e k 纳米氧化铝 产品添加到透明清漆中,使涂层的硬度、耐划伤性及 耐磨性均得到明显的提高,其耐磨性是传统的涂料 的2 5 倍
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