纳米科技是在20世纪80年代末90年代初逐步发展起来的前沿、交叉性新兴科学,其迅猛发展将成为21世纪科学技术发展的主流。它不仅是信息技术、生物技术等新兴领域发展的推动力,而且因其具有独特的物理、化学、生物特性,为涂料的发展提供了新的机遇。

南京理工大学课程论文

纳米涂料的研究与发展

课程：化工工艺学

教师：朱广军

姓名：聂钦龙

学号：

专业：化学工程与工艺 0603290136

纳米科技是在20世纪80年代末90年代初逐步发展起来的前沿、交叉性新兴科学,其迅猛发展将成为21世纪科学技术发展的主流。它不仅是信息技术、生物技术等新兴领域发展的推动力,而且因其具有独特的物理、化学、生物特性,为涂料的发展提供了新的机遇。

纳米涂料的研究与发展

纳米科技是在20世纪80年代末90年代初逐步发展起来的前沿、交叉性新兴科学，其迅猛发展将成为21世纪科学技术发展的主流。它不仅是信息技术、生物技术等新兴领域发展的推动力，而且因其具有独特的物理、化学、生物特性，为涂料的发展提供了新的机遇。

纳米涂料一般由纳米材料与有机涂料复合而成，更严格地讲应称作纳米复合涂料。纳米复合涂料必须满足两个条件：一是至少有一种材料的尺度在1～100 nm之间，二是纳米相使涂料性能得到显著提高或增加了新功能，二者缺一不可。广义上讲，纳米涂层材料包括两种：金属纳米涂层材料和无机纳米涂层材料。金属纳米涂层材料主要是指材料中含有纳米晶相，无机纳米涂层材料则是由纳米粒子 之间的熔融、烧结复合而得。通常所说的纳米涂料均为有机纳米复合涂料。目前，用于涂料的纳米粒子主要是某些金属氧化物(如TiO 、Fe O 、ZnO等)、纳米金属粉末(如纳米C0、Ti、Cr、Nd、Mo等)、无机盐类(如CaCO )和层状硅酸盐。 1 纳米涂料的制备技术

纳米涂料的制备方法可分为四种：(1)溶胶凝胶法，由纳米粒子在单体或树脂溶液中的原位生成；(2)原位聚合法，指纳米粒子直接分散在单体中，聚合后生成纳米涂料；(3)共混法，指纳米粒子和树脂溶液或乳液的共混复合；(4)插层法，通过单体或聚合物溶液进入无机纳米层间，制得纳米涂料，但这种方法只适合蒙脱土一类的层状无机材料。在纳米复合涂料的开发研究中还有很多问题急待解决，其中最关键的问题是如何保证纳米粒子在涂料中有效稳定的分散。纳米涂料中的纳米粒子如果分散不好，不仅达不到预期目的，还有可能破坏涂料的稳定性。目前，分散纳米粒子的方法有电，化学方法、化学分散法和物理分散法。

(1)电化学方法

由于纳米粒子表面存在等电点，通过调节pH值使之与等电点时的pH值相差最大时，可增大纳米粒子分散的稳定性，但该法仅适用于纳米粒子在水中的分散。

(2)化学分散法

化学分散法即对纳米粒子的表面改眭。利用硅烷偶联剂、钛酸酯、硬脂酸、表面活性剂和超分散剂等表面处理剂对纳米粒子进行表面改性处理，改善纳米粒子的分散性。

(3)物理分散法

物理分散法包括使用高速剪切分散机的高速搅拌、用三辊机及研磨机的研磨分散、使用球磨机的球磨分散以及超声波分散。

2 纳米涂料的开发应用现状及其应用前景

纳米技术在涂料领域应用的方向有两个：一是改善传统涂料性能同，利用涂料的流变性与填料的粒径存在的一定关系，引用纳米技术可制得施工性能优良的纳米涂料，纳米粒子由于比表面积大，与有机树脂基质之间存在良好的界面结合力，从而可提高原有涂层的强度、硬度、耐磨性、耐刮伤性等力学性能，而且由于其对可见光可透，还可保证涂层的透明性，利用这一特性可制备高耐刮伤性汽车涂料、家具漆等纳米涂料；二是制备出新的功能性纳米涂料，如军事隐身涂料、静电屏蔽涂料、纳米抗菌涂料、纳米界面涂料等。

3 常见纳米填料对涂料的改性

纳米科技是在20世纪80年代末90年代初逐步发展起来的前沿、交叉性新兴科学,其迅猛发展将成为21世纪科学技术发展的主流。它不仅是信息技术、生物技术等新兴领域发展的推动力,而且因其具有独特的物理、化学、生物特性,为涂料的发展提供了新的机遇。

目前在涂料行业中，纳米技术的研究非常广泛，已经取得显著成绩的主要是纳米SiO2、纳米纳米ZnO等，它们有望首先达到工业化水平。

纳米Si 具有极强的紫外线吸收、红外线反射特性，能提高涂料的抗老化性能。对纳米Si02表面进行处理，可使 O2纳米粒子表面具有亲水性和亲油性。在建筑内外墙涂料中，添加纳米SiO2，可以明显改善涂料的开罐效果，涂料不分层，具有触变性、防流挂、施工性良好，且抗沾污性大大提高，具有优良的自清洁性能和附着力，耐擦洗性。在车辆和船舶涂料中，加入纳米SiO2可提高涂料的耐老化性、光洁度及强度。纳米 O2掺合到紫外线固化涂料中，可降低固化涂料的固化速度，明显提高涂膜的硬度和附着力。

纳米TiO2的颜色不仅随粒径而变，还具有随角度变色效应。在建筑外墙涂料中，添加适量纳米TiO2，可将乳胶漆的耐候性提高到一个新的等级。将纳米TiO2添加在汽车用的金属闪光面漆中，能使涂层产生丰富而神秘的色彩效果。纳米Ti具有吸收紫外线的效应，可明显提高轿车漆的耐热性。邱星林等制成光催化净化大气环保涂料，利用纳米TiO2光催化氧化技术制成的环境净化涂料对空气中NOx净化效果良好，在太阳光下，降解率高达97％。同时还可降解大气中的其他污染物，如卤代烃、硫化物、醛类、多环芳烃等。

纳米CaCO3用作纸张涂料中颜料粒子时，能改善涂层的色相，有利于涂布纸光泽和白度的改善。由于纳米碳酸钙不仅粒度小，形状有多种可供选择，并且粒径分布窄，能够保证白料颜色的纯正。使用纳米级粒子，由于粒径小，对纸的光学性质如不透明度、光泽及印刷光泽度的提高非常有利。

纳米钛粉，能让普通涂料增添极强的耐磨、耐腐蚀等性能。纳米钛与树脂化合后生成的多种全新涂料，具有多种同类产品无法相比的优越性。首先是耐腐蚀，用其涂覆的物品既能耐沸水，又能在海水中浸泡10年不损坏，在目前海洋船体防腐蚀涂料中最具发展前景。其次，涂层的硬度和耐磨性显著提高，它还有神奇的自我修复功能，可作为金属、非金属材料通用的修补剂。纳米ZnO能使涂层具有屏蔽紫外线、吸收红外线及杀菌防霉作用，与其它纳米材料配合，可应用于建筑内外墙乳液涂料，纳米ZnO具有增稠作用。有助于颜料分散的稳定性。

此外，纳米Ti02、纳米ZnO和纳米Si02具有抗菌、防锈、分解异臭、防污等特性，用作杀菌涂料。具有引人注目的杀菌去污作用。

4我国纳米涂料的研究进展与产业化现状

4．1 传统涂料性能的改善

利用纳米技术对涂料的基本性能进行改进与提升。柯博等从纳米Si02的结构出发，阐述了纳米SiOz改善涂料性能的原理，认为纳米Si02涂料的触变性、颜料悬浮性、抗老化性等有明显改善。徐国财将平均粒径30nm 的纳米Si02用于紫外光固化涂料后，提高了涂膜的固化速度、硬度、附着力和低温下的热稳定性Il 。北京化工大学贾志谦等分别以脂肪酸盐和树脂酸盐改性纳米CaCO~，再分别以改性纳米CaCO3和未改性纳米CaCCh填充聚酯聚氨酯清漆，发现纳米CaCO~涂料稀悬浮液基本表现为牛顿流体性质，固相体积分率大于4时，粘度曲线偏离爱因斯坦粘度方程。改性纳米CaCO~具有明显的触变性能，用其填充聚氨酯清漆，在柔韧性、硬度、流平性及光泽等方面均优于未改性纳米CaCO~填充的清漆。浙江大学提出了一种纳米涂料的表面原位纳米改性制备方法，并制备出具有显著纳米改 性效果的高性能纳米涂料。中科院、浙江大学开发的由纳米材料改性的外墙乳胶漆，其耐老化性强、抗沾污性好、耐洗刷性强、抗紫外线保色性强。而一种由TiC

纳米科技是在20世纪80年代末90年代初逐步发展起来的前沿、交叉性新兴科学,其迅猛发展将成为21世纪科学技术发展的主流。它不仅是信息技术、生物技术等新兴领域发展的推动力,而且因其具有独特的物理、化学、生物特性,为涂料的发展提供了新的机遇。

纳米晶体和SiC等组成的涂料具有高达25GPa以上的硬度，并且在不同的表面均可使摩擦系数低于0．2。

4．2 功能型纳米涂料

纳米材料与技术可赋予涂料许多不同的新功能。北京中国科学院开发出了一种纳米复合耐高温防火涂料，这种涂料为多相复合体系，由纳米碳化硅、纳米硅酸盐粘土等以及磷酸盐、氧化物及纳米硅酸铝等纳米粒子中添加纳米的有机高分子材料(包括粘合剂)的插层复合法制备而成。安徽省五洋纳米涂料制造有限公司与中国科学院固体物理研究所合作研制开发出了纳米防水装饰涂料，不仅提高了2～3倍的弯曲强度，还具有防水、高粘结强度等性能。张哗等以不饱和双键的油酸为表面活性剂、甲基丙烯酸甲脂为活性溶剂制备了稳定的纳米TiOz溶胶，再将溶胶以自由基引发聚合制成了纳米Ti02粒子／聚甲基丙烯酸甲脂涂料。益小苏等用拟层间插入法制备了高聚物／无机物纳米复合材料。

4．3 生态型纳米涂料

我国在生态型涂料领域的研究主要集中于利用纳米材料与技术生产抗菌、自调湿、自清洁、空气净化等环保功能的涂料。

利用纳米材料的光催化性将纳米材料掺入到涂料中可制得具有抗菌、环保、自清洁功能的纳米复涂料。尤其是纳米Ti02具有较高的光催化性，可高效分解有机物，比次氯酸具有更大杀菌效力，可制成杀菌防污、净化空气的涂料。复旦大学涂料工程研究中心利用纳米粒子(si02、TiOz、znO)对紫外线的超强吸收性及纳米粒子的高表面活性对细菌的杀伤力(纳米抗菌粉)，在实验室规模上成功制备出超耐候外墙涂料及纳米内墙抗菌涂料。华中科技大学的研究人员将水溶性碳纳米管衍生物、纳米级Ti02和纳米级ZnO引入传统水性(或油性)有机涂料中，制备特种防护涂料。湖南大学研制生态功能型纳米涂料，通过对高性能建筑涂料和纳米组分(一种以二氧化钛、氧化锌、二氧化硅等无机纳米颗粒为主要成分的分散体系)的优化设计和采用纳米颗粒进行表面改性或制成溶胶等工艺技术，解决了纳米组分与建筑涂料的相容性、分散性和稳定性问题，制备出高性能、生态环保、抗菌自洁的新型建筑涂料。

5展望

综上所述，纳米材料在涂料中的应用具有广阔的前景，目前的研究尚处于初步阶段，大部分研究特别在我国还停留在实验室阶段，真正产业化的不多，还有很多技术的关键问题需要解决。纳米材料可能首先在一些高性能特种涂料应用上取得突破。国内外的发展趋势是加快研究开发环境适应型涂料，充分发挥纳米材料的耐候性、装饰性、抗污染性、抗菌性、抗电磁波干扰及其它特殊功能。同 时，纳米材料在涂料中的应用不同于一般材料在涂料中的应用情况，它属于一项高新技术，需要纳米材料的研发人员、涂料工作者等的共同努力，使纳米涂料尽快投入实际应用。