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第3章 涂料方面(3)

4.纳米材料改性建筑涂料的评价体系。纳米材料和纳米技术在我国近几年有了长足的发展,但纳米材料改性涂料及建筑涂料的评价体系仍然是一个空白。首先,纳米材料就缺乏标准的评价体系,纳米材料究竟是以纳米粒子状态存在,还是以团聚物存在,用户很难评价。若以团聚物存在,使用什么方法和手段可以达到纳米粒子状态,生产企业也没有具体的指导和说明。这样纳米材料的应用就大打折扣。同时,纳米改性建筑涂料,纳米粒子在涂料中又是以何种状态存在,也缺乏标准和检测手段,造成了把纳米材料加入到涂料中,就称为纳米涂料,引起整个市场体系的混乱。因此,可以说并不是纳米改性的涂料都是好涂料,好涂料也未必都是纳米改性涂料,要看纳米材料发挥的功能如何。目前的评价体系只是从涂料和涂膜性能来评价,还应建立深层次的评价体系,才能更有利于纳米材料改性建筑涂料的健康发展。

四、采用纳米技术改造和提升化工涂料等产业纳米技术是20世纪80年代末发展兴起的前沿、交叉性的新兴技术,是继信息技术和生物技术之后,又一个将可能领导新一轮工业革命的新技术,已成为世界各国科技研究的战略要地和学科前沿。化工是重要的传统产业,因而采用纳米技术改造和提升这一传统产业,具有重大的经济价值和社会意义。

纳米材料在化工领域的应用主要有具有纳米增强增韧等新功能、多功能的纳米复合材料,具有目标特性的纳米结构材料以及纳米催化剂等,这些材料主要用于橡胶、塑料、农业、医药、涂料、纤维、化妆品及环保等领域。

橡塑领域将纳米材料填充到聚合物基体中,把有机聚合物的柔韧性好、易于加工等优点与无机填料的强度和硬度高、耐热耐老化性好、不易变形等特点进行优势互补,结合纳米粒子特有的纳米效应,开发出超轻、超强的多功能结构与杂化材料。

北京化工大学纳米材料先进制备技术与应用科学教育部重点实验室通过科学的无机颗粒设计与合成、独特的颗粒表面和高分子界面设计、独创的母料法纳米分散技术以及创新的复合材料加工工艺,实现了纳米颗粒在塑料树脂基体中的纳米级分散,从而创制出纳米无机粒子与聚合物复合的一系列低成本高性能纳米复合材料,用于包括汽车内饰件、聚乙烯薄膜、农用地膜、降解塑料、家用器件等在内的广阔领域。

催化剂领域利用纳米微粒及空心纳米介孔新材料的特性,制备纳米光催化材料、纳米结构负载异形催化材料、纳米分子筛结构催化材料等,可以控制反应速度,优化反应路径,显著提高催化效率,甚至使原来不能进行的反应也能进行。

涂料领域在涂料中添加纳米材料如纳米SiO2、TiO2、钛粉、Fe2O3、ZnO等,可以大幅度提高涂料产品的悬浮稳定性、流变性、耐水洗刷性、抓持力、光洁度、对比率、抗老化性和涂膜的表面硬度及自洁能力,用来制造出具有杀菌、防污、除臭、自洁的抗菌防污涂料、防紫外线涂料、吸波隐身涂料等各种功能不同的涂料。

医药、农业领域用先进化学组装和集成控制技术,制备环境用纳米孔材料和药物缓释用特种结构纳米材料,可以控制药物释放、减少副作用、提高药效、减少药量等。北京化工大学以纳米碳酸钙为模板稳定合成出具有可控垂直孔道和中空结构的SiO2基纳米介孔新材料,用该材料负载药物可以降低高毒农药对环境的毒害性、提高药效持续时间、降低用药量,具有重大的社会和环境效益。

化工助剂及添加剂领域纳米材料可以作润滑油添加剂,如用脂肪酸修饰的ZrO2及MoS2的纳米微粒具有非常好的润滑性及抗磨性;纳米氟化稀土及氢氧化稀土润滑油添加剂是一种低毒、低污染、性能优良的抗磨添加剂;超重力反应器制备纳米碳酸钙润滑油清净剂与传统釜式法相比,物耗能耗明显减少,产品粒径分布窄,性能达到国际领先水平。

环保领域利用纳米粒子的光催化降解作用,可处理化工污水。TiO2光催化剂能有效地分解室内外的有机污染物、氧化去除在大气中的氮氧化物和硫氧化物及各类臭气、可充分抑制或杀灭环境中的有害微生物等。

化纤领域化纤中加入纳米材料是目前开发纺织类新功能产品的主要方法。各种纳米改性合成纤维织物,具有抗紫外线、抗可见光、抗电磁波以及通过红外吸收原理可以改善人体微循环等特性。

此外,纳米技术还在陶瓷、黏合剂和密封胶、能源、化妆品等领域中得到了应用。在黏合剂和密封胶中添加纳米材料,可以显著提高黏合剂的粘结效果和密封胶的密封性能;纳米粒子的尺寸效应可以使材料质地较脆,韧性、强度较差的传统陶瓷,在高温烧结下获得高密度烧结体,提高了陶瓷的表面光洁度,使产品质量大幅度提高,而在陶瓷釉料中加入纳米ZnO、TiO2、Ag及其化合物等纳米材料,还能使陶瓷具有抗菌、杀菌性能;用纳米技术还可制成大功率、寿命长的纳米蓄电池和贮氢材料用于燃料电池等。

目前纳米技术不十分成熟,产品在化工行业应用的市场比较狭小,主要限于橡胶、塑料、涂料等传统产品的改性及在催化、污水处理领域的应用。但是随着对纳米材料研究的不断深入,纳米材料对化工及其紧密相关的行业将起到不可估量的作用。

五、纳米材料在涂料中应用前景

据估算,全球纳米技术的年产值已达到500亿美元。发达国家政府和大的企业纷纷启动了发展纳米技术和纳米计划的研究计划。美国将纳米技术视为下一次工业革命的核心,2003年年初把纳米技术列为国家战略目标,在纳米科技基础研究方面的投资,从1997年的1亿多美元增加到2003年近5亿美元,准备像微电子技术那样在这一领域独占领先地位。日本也设立了纳米材料中心,把纳米技术列入新五年科技基本计划的研究开发重点,将以纳米技术为代表的新材料技术与生命科学、信息通信、环境保护等并列为四大重点发展领域。德国也把纳米材料列入21世纪科研的战略领域,全国有19家机构专门建立了纳米技术研究网。在21世纪,纳米科学技术的发展,对社会的发展和生存环境改善及人体健康的保障都将做出更大的贡献。从某种意义上说,21世纪将是一个纳米世纪。

由于表面纳米技术运用面广、产业化周期短、附加值高,所形成的高新技术和高技术产品、以及对传统产业和产品的改造升级,产业化市场前景极好。

在纳米功能和结构材料方面,将充分利用纳米材料的异常光学特性、电学特性、磁学特性、力学特性、敏感特性、催化与化学特性等开发高技术新产品,以及对传统材料改性;将重点突破各类纳米功能和结构材料的产业化关键技术、检测技术和表征技术。多功能的纳米复合材料、高性能的纳米硬质合金等为化工、建材、轻工、冶金等行业的跨越式发展提供了广泛的机遇。各类纳米材料的产业化可能形成一批大型企业或企业集团,将对国民经济产生重要影响;纳米技术的应用逐渐渗透到涉及国计民生的各个领域,将产生新的经济增长点。

纳米技术在涂料行业的应用和发展,促使涂料更新换代,为涂料成为真正的绿色环保产品开创了突破性的新纪元。

我国每年房屋竣工面积约为18亿平方米,年增长速度大约为3%。18亿平方米的建筑若全部采用建筑涂料装饰则总共需建筑涂料近300万吨,约200亿~300亿元的市场。目前,我国建筑涂料年产量仅60多万吨,世界现在涂料年总产量为2500万吨,每人每年消耗4千克,为发达国家的1/10,中国人年均涂料消费只有1.5千克。因而,建筑涂料具有十分广阔的发展前景。

纳米涂料已被认定为北京奥运村建筑工程的专用产品,展示出该涂料在建筑领域里的应用价值。它利用独特的光催化技术对空气中有毒气体有强烈的分解,消除作用。对甲醛、氨气等有害气体有吸收和消除的功能,使室内空气更加清新。经测试,对各种霉菌的杀抑率达99%以上,有长期的防霉防藻效果。纳米改性内墙涂料,实际上是高级的卫生型涂料,适合于家庭、医院、宾馆和学校的涂装。纳米改性外墙涂料,利用纳米材料二元协同的荷叶双疏机理,较低的表面张力,具有高强的附着力,漆膜硬度高且有韧性,优良的自洁功能,强劲的抗粉尘和抗脏物的粘附能力,疏水性极佳,容易清洗污物的性能。耐洗性大于15000次,具有良好的保光保色性能,抗紫外线能力极强。使用寿命达15年以上。颗粒径细小,能深入墙体,与墙面的硅酸盐类物质配位反应,使其牢牢结合成一体,附着力强,不起皮,不剥落,抗老化。其纳米抗冻性功能涂料,除具备纳米型涂料各种优良性之外,可在-10℃~-25℃正常施工。突破了建筑涂料要求墙体湿度在10%以下的规定,使建筑行业施工缩短了工期,提高了功效,又创造出高质量,一举三得,所以备受建筑施工单位的欢迎。

由于目前应用纳米材料对涂料进行改性尚处在初级阶段,技术、工艺还不太成熟,需要探索和改进。但涂料的各种性能得到某些改进的试验结果足以证明,纳米改性涂料的市场前景是非常好的。

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