纳米改性涂料的应用现状和发展趋势

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1、纳米改性涂料的应用现状和发展趋势黑龙江省建筑涂料专家委员会前言纳米（改性）涂料的应用是建筑内外装修发展的新动向，本文主要是介绍纳米（改性）涂料的应用现状、发展预测。由于目前在这方面开展的研究尚处于起步阶段，文中不当之处在所难免，只以此文抛砖引玉以促进我省在纳米材料应用于建筑涂料中的工作方面取得更扎实快速地进步。1、纳米材料概述1.1纳米科技纳米科学技术（Nano-ST）是20世纪80年代末期刚刚诞生并正在掘起的新科技，他的基本涵义是在纳米尺寸（10-9~10-7m）范围内认识和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创制新的物质。早在1959年美国著名的物理学家，诺贝尔奖金获得者

2、费曼就设想：“如果有朝一日人们能把百科全书储存在一个针尖大小的空间内并能搬动原子，那么这将给科学带来什么？”这正是对纳米科技的预言，也就是人们常说的小尺寸大世界。纳米科技是研究由尺寸在0.1-100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。纳米科技是21世纪产业革命的重要内容之一，是可以和产业革命相比拟的，它是高度交叉的综合性学科，包括物理、化学、生物学、材料科学和电子学。它不仅包含以观测、分析和研究为主线的基础学科，同时还有以纳米工程与加工学为主线的技术科学，所以纳米科学与技术也是一个融前沿科学和高技术于一体的完整体系。而纳米（改性

3、）涂料（以下简称纳米涂料）恰恰是研究纳米材料学和纳米加工学在涂料中的具体应用的技术科学。1.2纳米材料简介谈到纳米材料的应用，首先应清楚什么是宏观领域和微观领域？纳米材料是怎样界定的？这样才能更好地理解纳米材料在涂料中的应用和其功能。7首先宏观领域是指以人的肉眼可见的物体为最小物体开始为下限上至无限大的宇宙天体；这里的微观领域是以分子原子为最大起点，下限是无限的领域。纳米材料和技术是纳米科技领域最富有活力，研究内涵十分丰富的学科分支。“纳米”是一个尺度的度量，最早把这个术语用到技术上是日本在1974年底；但是以“纳米”来命名的材料是在20世纪80年代，它作为一种材料的定义把纳米

4、颗粒限制到1-100nm范围。现在广义地纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。如果按维数，纳米材料的基础单元可分为三类：（Ⅰ）零维，指在三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺寸颗粒，原子团簇等；（Ⅱ）一维，指在空间尺度有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等；（Ⅲ）二维，指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜，多层膜，超晶格等。因为这些单元往往具有量子性质，所以对零维、一维和二维的基本单元分别又有量子点、量子线和量子阱之称。纳米材料发展的历史，大致可以划分为3个阶段，第一阶段（1990年以前）主要是在实验室探索，用各种手段制备各种材料

5、的纳米颗粒粉体、合成块体（包括薄膜），研究评估表征方法，探索纳米材料不同于常规材料的特性性能。研究的对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上把这类材料称为纳米晶或纳米相材料。第二阶段（1994年以前）人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，设计出纳米复合材料，通常采用纳米微粒与纳米微粒复合（0-0复合）、纳米微粒与常规块体复合（0-3复合）及发展纳米薄膜（0-2复合），国际上通常把这类材料称为纳米复合材料。第三阶段（从1994年到现在）纳米组装体系，人工组装合成的纳米结构的材料体系越来越受到人们的关注或者称为纳米尺度的图案材料。它的基本内涵是以纳米

6、颗粒以及纳米丝、管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。一、二阶段带有一定的随机性，而这一阶段研究的特点要强调按人们的意愿设计、组装、创造新的体系，更有目的地使该体系具有人们所希望的特性。7纳米材料由于其颗粒（丝、管或薄膜）尺寸在纳米范围，所以其比表面积超过常规材料的数十倍，因其表面活性极高，这种表面活性的作用使其具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等特殊性质，将纳米材料用于涂料中，这些特殊功能改变了涂料的固有特性，使其某些性能有极大提高。例如表面效应纳米微粒尺寸小、表面能高，位于表面的原子占相当大的比例，见表1。纳米微粒尺寸与表面原

7、子数的关系表1纳米微粒尺寸d（nm）包含总原子数表面原子所占比例（%）103×1042044×1034022.5×1028013099纳米Cu微粒的粒径与比表面积和比表面能的关系见表2。纳米Cu微粒的粒径与比表面积和比表面能的关系表2粒径d（nm）Cu的比表面积/m2·g-1比表面能/J·m01-11006.65.9×10210665.9×10316665.9×104由表2看出Cu的纳米微粒粒径从100nm→10nm→1nm，Cu微粒的比表面积和表面能增加了2个数量级，其它效应限于篇幅和主题