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纳米复合建筑涂料纳米复合建筑涂料藤木直人


2022年10月11日

纳米复合建筑涂料,纳米复合建筑涂料

纳米复合建筑涂料 郑洪平 , 黄婉霞 , 汪斌华 , 李彦峰 , 涂铭旌 ( 四川大学材料科学与工程学院金材系 , 成都 610065) 摘 要 : 介绍了纳米材料及其在建筑涂料中的应用现状。着重阐述了纳米复合建筑涂料的耐候性、抗菌性、耐沾污性和自清洁性等优良性能。关键词 : 纳米材料 ; 复合建筑涂料 ; 应用 1  前 言 建筑涂料是目前国内外广泛使用的建筑装饰装修材料之一 , 在涂料工业中占有很重要的地位在欧美等发达国家 , 建筑外墙采用高档涂料装饰的已占 80 % , 建筑涂料占涂料消耗总量的 30 % ~ 50 % 。我国建筑涂料的研制始于 20 世纪 60 年代初 , 已有近 40 年的历史 , 但目前外墙涂料仅占建筑外墙装饰材料的 10 % 左右 , 而且主要是一些中低档产品。近年来 , 随着科技的进步 , 我国的建筑涂料研究水平有所提高 , 特别是纳米材料及其技术的应用为我国中高档建筑涂料的研发提供了契机。 纳米材料是粒度为 1 ~ 100 nm 的材料。这种尺寸上的量的变化 , 使纳米材料既不同于微观的原子、分子 , 也不同于宏观状态的材料 , 具有表面界面效应、量子尺寸效应、隧道效应、介电限域效应以及特殊的光学性能等 [ 1 ] 。 纳米复合建筑涂料是指将纳米材料作为一种颜填料加入到传统建筑涂料组分之中 [ 2 ] , 利用纳米材料特殊的物理化学性能 , 赋予涂料优良的耐候性、耐擦洗性、耐沾污性、抗菌性和自清洁性等功能。 2  纳米复合建筑涂料的性能 2 . 1  超耐候性 涂料的耐候性是指涂膜抵抗因受到阳光照射、温度变化、风吹雨淋以及大气中各种污染物 , 尤其是酸性污染物的影响 , 而出现的褪色、变色、龟裂、粉化、剥落、附着力下降等一系列老化现象的能力 [ 3 ] 。其中紫外线照射是促使涂膜老化的关键因素。 纳米材料具有特殊的光学性能 , 在提高涂料的耐候性方面 , 特别是提高涂膜抗紫外线能力方面有很好的应用前景。据报道 , 某种纳米 SiO x 对中长波段 (280 ~ 400 nm) 的紫外线的反射率高达 85 % 以上 , 对紫外短波的反射率也达 70 % ~ 80 % [ 4 ] 。有研究发现 , 纳米 TiO 2 的紫外线屏蔽能力相当强 , 其当量衰减率 > 90 % [ 5 ] 。将这类纳米材料应用于建筑涂料中 , 可有效屏蔽紫外线对涂膜的伤害 , 提高建筑涂料的耐候性。 2 . 2  耐擦洗性 纳米粉体的粒度小 , 比表面非常大 , 表面自由能很高。将纳米粉体作为填料加入乳胶漆中 , 充分分散后 , 纳米粉体分布在颜填料颗粒和乳胶颗粒之间。涂 料成膜时 , 由于纳米粉体的表面能高 , 能有效地改善乳胶颗粒之间、乳胶颗粒与颜填料颗粒之间的界面结合力。某些纳米粉体 , 比如纳米 SiO 2 在涂料成膜时能够聚结成网状结构 [ 6 ] , 可有效地提高乳涂膜的强度和耐擦洗性能。 2 . 3  耐沾污性和自清洁性 建筑涂料除对墙体的保护作用外 , 还起装饰的作用。因此 , 对建筑涂料耐沾污性的要求很高。我国的空气质量比较差 , 外墙涂料往往不到一年就面目全非。这曾是制约我国建筑涂料应用推广的一大难题。 通过对纳米粒子的特殊处理 , 纳米复合建筑涂料成膜后 , 涂膜表面具有特殊的双亲双疏性能。据报道 , 对纳米二氧化硅进行表面改性后 , 可使二氧化硅纳米粒子表面具有特殊的亲油基团和亲水基团。将该纳米二氧化硅用于建筑涂料中 , 这种特殊的双亲性能够有效改善雨水对建筑涂料涂膜表面的润湿以及粉尘的附着性 , 从而提高涂膜的耐沾污性。另有报道指出 , 复合纳米二氧化钛具有超亲水作用 [ 7 ] , 将其应用于建筑涂料中 , 在光照下 , 涂膜表面对水完全润湿 , 光照停止后 , 蓄水物质放出水分 , 使涂膜表面较长时间保持对水润湿状态。复合建筑涂料的这种超亲水特性使涂膜表面产生水膜 , 将油污、粉尘等污染物与涂膜隔绝 , 使得污染物不能与涂膜形成牢固的结合 , 不易在涂料表面聚积 , 极易清洗 [ 8 ] , 甚至可被雨水等冲刷干净 , 使涂料具有自清洁性。2 . 4  抗菌杀菌性 纳米材料的抗菌杀菌性主要是通过纳米粒子的光催化作用获得的 , 这一点已得到比较成熟的研究。锐钛型二氧化钛纳米粒子在紫外光的照射下能分解出自由移动的带负电的电子 (e - ) 和带正电的空穴 (h + ) , 形成电子 - 空穴对。该电子 - 空穴对能与空气中的氧和 H 2 O 发生作用 , 通过一系列化学反应 , 形成原子氧 (O) 和氢氧自由基 (HO · ) [ 9 ] 。这种原子氧和氢氧自由基具有很高的化学活性 , 能与细菌中的有机物反应 , 生成二氧化碳和水 , 从而达到杀灭细菌的作用。纳米二氧化钛的光催化反应是个可逆过程 , 在无光照条件下活化的二氧化钛可以恢复原状 ( 见图 1) , 因而可以获得持久的抗菌效果。 图 1 TiO 2 的可逆光催化 将这种锐钛型纳米二氧化钛粒子作为一种颜填 料加入内外墙建筑涂料中 , 在日光灯或阳光的照射下能获得很好的杀菌效果 , 无需另外添加抗菌剂。 2 . 5  净化大气功能 纳米复合建筑涂料在净化大气方面的作用是其另一优点。纳米复合涂料的净化大气功能也是通过纳米材料的特殊的催化特性获得的。 空气中的污染物主要有室内的甲醛、丙酮等有毒异味气体 , 加上吸烟产生的有害烟雾 ; 在室外 , 就是指一般所谓的大气污染物 , 比如汽车尾气与工业废气等产生的 NO x 、 SO 2 等有害物质 [ 10 ] 。纳米复合建筑涂料由于其特殊的光催化作用 , 产生的高活性的原子基团 SO 2 - 能够将 NO x 、 SO 2 气体氧化成 NO 3 - 、 4 , 并能够降解甲醛、丙酮等气体。由于纳米复合涂料的耐沾污性 , 氧化降解的产物能够经风吹雨淋而自动清洗 , 从而使得纳米复合建筑涂料能够保持良好的催化再生功能 , 持久地发挥净化大气的作用。 3  国内外纳米复合建筑涂料的发展现状 3 . 1  国外的研究现状 美国、西欧、日本等国家和地区在纳米材料及其技术的基础研究领域起步较早 , 处于世界领先水平 , 个别领域目前已进入产业化应用的阶段。在纳米复合涂料方面 , 美、日等国的研究方向主要集中在环保型高性能汽车漆、船舶涂料、高耐磨涂料等一些技术要求比较高的领域。 在纳米复合建筑涂料方面 , 欧美等地区比较重视环境保护的国家的研究应用水平也很高。据悉 , 在德国 , 纳米复合涂料已经广泛应用于建筑内外墙、桥梁和公路等方面。日本某公司开发的一种透明耐磨的瓷砖表面用纳米复合涂料 , 已开始应用于厨房、厕所等场所。韩国的 ANP 等公司也已经开发成功了高性能的纳米复合乳胶漆。 3 . 2  国内的研究现状 我国的建筑涂料市场一直比较混乱 , 中小涂料厂非常多 , 技术力量薄弱 , 研究开发水平较低 , 这导致了目前我国建筑涂料产品的档次、质量都较低。纳米技术的研究应用为我国建筑涂料的研究开发提供了一个追赶世界领先水平的契机。据报道 , 国内一些开发机构已经推出了一些纳米复合建筑涂料产品。比如北京纳美公司新近推出一系列纳米复合抗菌建筑涂料 ; 北京工业大学环境与能源工程学院与北京紫外光云科技有限公司新近研制成的一种纳米光催化涂料 ; 江苏大象东亚集团的纳米负离子内墙乳胶漆、纳米抗 菌内墙乳胶漆 ; 上海天邦纳米材料有限公司开发的纳米复合内墙涂料等。但是 , 与美、欧和日本等国相比 , 我国纳米复合涂料研究开发工作目前还处在基础研究阶段 , 还谈不上产业化应用研究。我们在纳米材料的开发 ; 纳米相在涂料中的分散、稳定性 ; 纳米相与涂料组分间的相互作用机理 ; 纳米相对涂料性能改进的机理等方面还有很多研究工作要做。 我们目前进行的纳米复合建筑涂料的基础和应用研究表明 , 利用纳米 TiO 2 、纳米 SiO 2 、纳米 ZnO 等粉体材料对建筑涂料进行改性 , 可提高传统中低档乳胶漆的耐候性约 3 倍 , 耐擦洗性提高到 5 000 次以上 , 同时具有明显的自清洁性。抗菌实验的结果表明 , 纳米复合乳胶漆可以有效杀灭大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等一系列菌种 , 其中对大肠杆菌的杀灭率在 3 h 左右可达 99 % 以上 , 而且抑菌效果相当持久。 4  结 语 纳米材料在传统的建筑涂料中的应用 , 能够显著提高涂料的耐候性、耐擦洗性以及耐沾污性 , 并且使传统的建筑涂料具备抗菌杀菌、自清洁、净化大气等一系列特殊的功能。纳米复合建筑涂料的研究开发 , 为提高我国建筑涂料的质量提供了一条很好的思路。

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