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納米涂料制備技術及納米涂料的性能

發布時間:2017-08-01 09:48:34

隨著科技的進步,科學家們越來越深入的發現了奇妙的微觀世界,21世紀以來,對納米技術的研究得到了快速的發展,特別是納米粒子的發現對光催化技術的發展是一次嶄新革命,許多材料的制造工藝及其性能都髓之而發生質的飛躍。納米粒子是由數目較少的原予或分子組成的原予群或分子群,處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區域。納米粒子表面原子是長程與短程皆無序的非晶層,而在粒子芯部存在著結晶完好周期性排布的原子,可以認為納米粒子表面原子的狀態更接近氣態,而粒子內部的原子可能呈有序的排列。即使如此,由于粒徑小,表面曲率大,內部產生很高的Gilibs壓力,能導致內部結構的某種變形。納米粒子的這種結構特征使它具有體積效應、表面效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應以及有關光、電、磁特性。

納米粒子

納米涂料一般由納米材料與有機涂料復合而成,更嚴格地講應稱作納米復合涂料(nanocomposite coating)。納米復合涂料必須滿足兩個條件:一是至少有一種材料的尺度在1~100nm之間,二是納米相使涂料性能得到顯著提高或增加了新功能,二者缺一不可。廣義上講,納米涂層材料包括兩種:金屬納米涂層材料和無機納米涂層材料。金屬納米涂層材料主要是指材料中含有納米晶相,無機納米涂層材料則是由納米粒子之間的熔融、燒結復合而得。通常所說的納米涂料均為有機納米復合涂料。目前,用于涂料的納米粒子主要是某些金屬氧化物(TiO2、Fe2O3、ZnO等)納米金屬粉末、無機鹽類和層狀硅酸鹽(如一堆的納米級粘土)。


納米涂料的制備技術


1 電化學分散法 

由于納米粒子表面存在等電點,通過調節pH值使之與等電點時pH值相差最大時,可增大納米粒子分散的穩定性,但該法僅適用于納米粒子在水中的分散。 

2 化學分散法 

化學分散法即對納米粒子的表面改性。利用硅烷偶聯劑、鈦酸酯、硬脂酸、表面活性劑和超分散劑等表面處理劑對納米粒子進行表面改性處理,改善納米粒子的分散性。

3 物理分散法 

物理分散法包括使用高速剪切分散機的高速攪拌、用三輥機及研磨機的研磨分散、使用球磨機的球磨分散以及超聲波分散。


納米涂料的性能

 

納米TiO2光催化技術的理論研究在涂料中添加了納米粒子后,一方面可使涂料在常規的力學性能,如附著力、抗沖擊、柔韌性方面得到提高,另一方面有可能提高涂料的耐老化、耐腐蝕、抗輻射性能。此外,納米改性涂料還可能呈現出某些特殊功能,如自清潔、抗靜電、隱身吸波、阻燃等性能。下面按照功能和用途分別介紹添加不同的納米微粒得到的納米改性涂料。

 

1、納米抗老化涂料

 

涂料在使用過程中,受到紫外線的照射很容易產生涂膜基體中高分子鏈的斷裂、粉化等現象。而納米TiO2、SiO2、ZnO等粒子添加到涂層中,能明顯提高涂料的抗老化性能。納米TiO2晶體的光學性質服從瑞利光散射理論,可透過可見光和散射波長更短(200~400nm)的紫外光,這表明納米TiO2具有透明性和散射紫外線的能力。普通TiO2具有一定的吸收紫外線的能力,納米TiO2吸收紫外線的能力更強。

它既能散射又能吸收紫外線,屏蔽紫外線的能力很強。通過研究發現納米TiO2可以顯著增強丙烯酸樹脂的紫外線屏蔽性能。P1Stamatakis認為,衰減300~400 nm紫外線,球狀TiO2最佳的顆粒尺寸是50~120 nm。納米TiO2衰減長波紫外線時,散射起主要作用;納米TiO2衰減短波紫外線時,吸收起主要作用經分光光度儀測試表明:納米SiO2具有極強的紫外反射,對波長400n以內的紫外光反射率70%以上;在涂料中能形成屏蔽作用,達到抗紫外老化和熱老化的目的;同時增加涂料的隔熱性。因此,納米SiO2是一種良好的涂料抗老化添加劑。添加納米SiO2制得的納米涂料,可顯著降低由于UV照射而造成的顏色衰減,大大提高涂料的抗老化性能,在苯丙涂料中加入0.15~2%納米SiO2涂膜老化明顯減緩。

 

2、納米隱身涂料

 

納米隱身涂料(雷達波吸收涂料)指能有效地吸入雷達波并使其散射衰減的一類功能涂料。當納米級的羥基鐵粉、鎳粉、鐵粉末改性的有機涂料涂到飛機、導彈、軍艦等武器裝備上,可使這些裝備具有隱身性能。其原理是:一方面,納米微粒尺寸遠小于紅外及雷達波長,對這種波的透過率比常規材料要強得多,大大減少波的反射率,使得紅外探測器和雷達接收到的反射信號變得很微弱,從而達到隱身作用;另一方面,納米微粒材料的比表面積比常規材料大得多,使得紅外探測器及雷達得到的反射信號強度大大降低,因此很難發現被探測目標,起到了隱身作用。

在目前研究的納米粒子中,納米ZnO等金屬氧化物由于質量輕、厚度薄、顏色淺、吸波能力強等優點,成為吸波涂料研究的熱點之一。

 

3、納米光效應涂料


根據Rayleigh光散射理論,納米TiO2對可見光呈透明性,在與鋁粉等混用時,入射光一部分在散光鋁粉表面發生鏡面反射,另一部分透過納TiO2發生色散后,在納米TiO2與鋁粉界面反射,形成散光涂層,因而具有獨特的顏色效應。納米TiO2閃光鋁粉或云母珠光顏料用于涂料體系中,能在涂層的照光區呈現一種金黃色的亮光,而在側光區反射藍色乳光,能增加金屬面漆顏色的豐滿度。牛健發明了一種納米金屬汽車面漆,它是采用多種納米金屬粉體材料,與引進國外先進納米金屬汽車面漆制作技術相結合研制成功的新一代高級汽車涂料,它具有極強的附著力和耐酸、耐堿、抗氧化等耐化學藥品性能;具有隨角異色效應,并具有抗磨、抗刮碰等優異的抗外界物理沖擊性能,還吸收有害射線對人體及底漆的輻射,能保護人體健康,延長面漆的使用壽命。美國人則普拉尚特卡馬特領導的科研小組在納米月刊上寫道,這種涂料含有半導體微粒這種被稱為量子點的納米微粒由二氧化鈦組成將二氧化鈦納米微粒涂上硫化鎘或硒化鎘,然后將其放入酒精和水的混合液中就形成了粘稠的糊狀物涂到透明的導電物質上以后,這種涂料就會把光轉化為電能這種涂料不用特殊工具就能涂抹在任何導電表面上卡馬特說他的研究工作得到了美國能源部的資助。

 

4、特殊納米界面涂料

 

在實驗中發現,納米材料與某些樹脂經過特殊復合后,其表面會具有一些特殊的物理化學性能,比如可同時存在疏水、疏油現象,這種性能可應用于開發超雙親界面物性材料和超雙疏界面物性材料,應用于建筑涂料中可以提高涂料的耐污染性能。


5、超雙親界面物性材料

光照可引起TiO2表面在納米區域形成親水性及親油性兩相共存的二元協同納米界面結構,即在紫外光照射下,TiO2價帶電子被激發到導帶,在其表面生成電子空穴對,電子與四價鈦反應,空穴與表面橋氧離子反應,分別形成正三價的鈦離子和氧空位。此時表面吸附的空氣中的水在氧空位離解成為化學吸附水(表面羥基),化學吸附水可進一步吸附空氣中的水分形成物理水吸附層,這樣就構成了均勻分布納米尺寸分離的親水和親油微區,類似二維的毛細管現象,在宏觀的TiO2表面將表現出奇妙的超雙親性。利用這個性質可制作新型裝修材料,如可應用于高層建筑大廈、運輸工具等的窗玻璃、擋風玻璃的后視鏡、浴室鏡子、眼鏡片、測量儀器的玻璃罩表面,使之具有自潔和防污、防霧等效果。另外用于輪船等表面摩擦阻力可減少10~15%,節約能源并提高運行速度。

 

6、超雙疏性界面物性材料 

納米尺寸的差異使納米材料表面存在凹凸不平的界面結構,由于這種結構的存在,納米材料表面可使吸附的氣體分子穩定存在,相當于宏觀表面有一層穩定的氣膜,使油和水都在其表面呈現出超常的雙疏現象,這時水滴或油滴與界面的接觸角趨于最大值。利用這個性質使涂在輸油管道壁上的涂料對輸油管道的安全輸送原油具有重要的價值。也可以如青山新材的納米涂層那樣涂在電路板上使電子元器件管腳不受水氣的侵害,達到防水防潮防腐蝕的目的。這種納米涂料應用于大型機械設備可防止靜電。


7、納米高強度涂料 

利用納米粒子的比表面能大等特性可明顯改善涂膜的力學性能,如涂膜的韌性和強度等。涂料樹脂中剛性顏填料粒子的存在會產生應力集中效應,引起周圍樹脂產生微開裂,加入納米粒子后,由于納米粒子的界面效應,使之與樹脂之間產生更多的接觸面積,產生更多的微裂紋和彈性變形,將更多的沖擊能轉化為熱量吸收,從而提高沖擊強度,達到增加強度、提高韌性的目的。


8、保型隔熱納米涂 

這是一種環保型隔熱納米涂料,其所述一種環保型隔熱納米涂料包括以下組份:納米顏填料漿料、合成水性樹脂、成膜助劑、偶聯劑、消泡劑、流平劑和潤濕劑,所述一種環保型隔熱納米涂料的制備方法是:先將納米顏填料漿料加入到合成水性樹脂中,然后依次加入成膜助劑、偶聯劑、消泡劑、流平劑和潤濕劑,快速攪拌,即得到一種環保型隔熱納米涂料。本發明加工工藝簡單,組分配比合理,具有熱阻大、反射率高,輻射傳熱性能好的功能. 


9、其他納米改性涂料 

納米改性涂料的應用范圍非常廣泛。如利用納米TiO2、Cr2O3、SnO2、ZnO等具有半導體性質的粉體作為顏料摻入樹脂中,有良好的靜電屏蔽性能,可制成導電型抗靜電涂料。在電子儀器、家電、家具方面有著極廣泛的用途在提高涂層熱穩定性方面,有關研究表明,加入納米SiO2有一定的改善效果。低溫熱失重情況下,納米SiO2可使環氧丙烯酸酯的光固化涂料的熱失重初溫從330K提高到366K,熱失重終溫由358 K提高到370 K。Jiansirisomboon等對Al2O3/SiC納米復合陶瓷涂料體系進行了初步的研究。研究表明,具有納米尺寸的SiC 顆粒在復合涂料中仍為納米尺寸,在等離子噴涂過程中,αAl2O3轉變成亞穩態的γAl2O3和δAl2O3相。在此基礎上,利用溶膠凝膠過程和凍干過程制得的原料粉及低壓等。

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