纳米材料在涂料中的应用

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1、纳米材料在涂料中的应用                             武利民                         (复旦大学材料系，上海200433)　　摘要   纳米材料是近年来发展起来的一种新型高性能材料，认识这种材料的性能和拓展其应用领域，是许多材料工作者非常感兴趣的课题。着重介绍了近年来国内外有关纳米材料在涂料中的应用和研究开发情况，并对其发展方向提出了一些建议。　　关键词  纳米材料涂料复合材料    纳米材料的晶粒尺寸、晶界尺寸、缺陷尺寸均在1OOnm以下，随着晶格数量大幅度增加，材料的强度、韧性和超塑性都大为提高，对材料的电学、磁学、光学等性能产生重要的影响

2、。　　纳米材料有四个基本的效应，即小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应，因而出现常规材料所没有的一些特别性能，如高强度和高韧性、高热膨胀系数、高比热和低熔点、奇特的磁性和极强的吸波性等，从而使纳米材料己获得和正在获得广泛的应用，如以纳米二氧化铁改性做成的陶瓷，其硬度和强度是普通陶瓷的3-4倍；以纳米碳管作为金属表面上的复合镀层，其耐磨性要比轴承钢高100倍，摩擦系数为0.06-0.1；用纳米材料制造电子器件，可使电子产品的体积大大缩小，电子元件信息存储量大为增加；以纳米材料做成的磁性材料在高频场中具有巨磁阻抗效应，已成为铁氧体用于功能变压器、脉冲变压器、高频变压器、扼流圈

3、、互感器磁头、传感器等的有力竞争者。    以无机纳米材料与有机高分子树脂复合，通过精细控制无机纳米粒子均匀分散在高聚物基体中以制备性能更加优异的新型涂料是近几年的事，国内外有关这方面的报道正在不断增加。　　l国外研究概况   国外将无机纳米材料用于涂料中的一个最成功例子莫过于军事隐身涂料，用纳米级的碳基铁粉、镍粉、铁氧体粉末改性的有机涂料涂到飞机、导弹、军舰等武器上，使该装备具有隐身性能，因为纳米超细粉末具有很大的比表面积，能吸收电磁波，同时纳米粒子尺寸远小于红外及雷达波波长，对波的透过率很大，因此不仅能吸收雷达波，也能吸收可见光和红外线，由它制成的涂层在很宽的频带范围内可以逃避雷达的侦察，

4、同时也有红外隐身作用。现在，隐身涂料作为隐身技术的关键技术之一，己不仅仅用于飞航导弹等飞行器上，最新的发展是几个主要工业化国家和军事强国已开始将隐身涂料技术应用于海军舰艇、隐身装甲车、隐身水雷、隐身火炮、隐身坦克、隐身车辆、隐身雷达、隐身通讯系统、隐身工程、隐身工事、隐身机器人、隐身作战服和红外隐身照明弹等技术装备上。   国外将无机纳米材料用于涂料中的另一个成功例子是豪华轿车面漆，用纳米级二氧化钛与铝粉颜料或云母珠光颜料混合用于涂料中，其涂层具有随角异色性，如图1所示，从不同角度观察其反射光可看到不同的颜色。产生这种现象的原因，据称是纳米TiO2本身既具有透明性，又具有对可见光一定程度的遮盖

5、所造成的，透射光在铝粉表面反射与纳米TiO2本身表面反射产生了不同的视角效果。这一随角异色性使之在高档轿车涂料中很快得到推广应用并有可能应用于其它特种涂料中，目前BASF公司、Silberline公司己能生产多种含纳米TiO2的金属闪光面漆。   已取得突破的有静电屏蔽涂料和电绝缘涂料。美、日等国研究人员用纳米级二氧化钛、二氧化锡、三氧化铬等与树脂复合作为静电屏蔽涂层；用纳米级钛酸钡与树脂复合制成高介电绝缘涂层；用纳米级Fe3O4与树脂复合作为磁性涂料。目前这方面的制备工艺方面已有所突破，已进入产业化阶段。用无机纳米粒子/树脂复合，其阻隔性能较纯的树脂及其混合物都有显著提高，水汽透过率与粘土含

6、量的关系如图2所示，粘土含量仅占2%就能使阻隔性能提高1倍，其它气体(O2、He)的透过率的关系也类似。日本宇部工业集团与丰田利用这一特性也开发出用于纸张和塑料包装涂料。   作为重要的光学颜料，纳米TiO2的紫外光屏蔽特征一直受到广泛关注。因为用作涂料基料的高分子树脂受到太阳中紫外线的长期照射会导致分子链的降解，影响涂膜的物性，传统的紫外光吸收剂主要为有机物，但是有机紫外光吸收剂的寿命短，有毒，而纳米TiO2粒子是一种稳定的无毒的紫外光吸收剂。P.Stamatakis通过计算机模拟，认为屏蔽35Onm紫外线的最适宜粒径为0.08µm，而对30Onm紫外线的最适宜粒径为0.03-0.06µm，

7、纳米TiO2的这一重要特征使其在食品包装涂料、高档木器涂料以及其它高档涂料方面正得到越来越广泛的应用。   将无机纳米材料与树脂复合制备的涂层涂覆在固体表面，得到纳米级“褥垫”可以缓解原子或分子簇的高速冲击，该技术可以用来制备纳米级表面涂层，和制备可供AFM和STM探针分析的样品。正当笔者准备有关纳米材料在涂料中的应用的材料之际，获悉与笔者有长期良好合作关系的美国NSF下属的涂料研究中心教授Jam