纳米涂料的开发与应用国内外发展情况综述

摘        要

    现代涂料发展方向可用一句话概括:开发符合环保要求的高性能涂料。纳米粒子具有常规微细粉末所不具备的特性。将其应用于涂料中，纳米粒子特殊的磁、光、电性能及其在高温下仍具有高强、高韧、耐磨、优良稳定性的性能，可为开发符合环保要求的高性能涂料提供新的机遇，是制造高性能涂料特别是功能涂料的战略途径。本文介绍了国内外纳米涂料的开发与应用情况。

纳米是长度计量单位，为lm的十亿分之一。当固体微颗粒的尺寸减小到一定临界尺寸时，粒子将表现出与原固体完全不同的行为，其尺寸上限与所研究的物理、化学特性、材料种类有关，甚至与温度环境因素有关。一般而言，在室温下产生理化性质显著变化的颗粒尺寸多数介于lnm-lOOnm范围内，因此，把粒径在1皿~1OOnm范围内，并且能观察到体积效应或表面效应的颗粒称为纳米粒子。纳米粒子是由数目较少的原子或分子组成的原子群或分子群，处在原子蔟和宏观物体交界的过渡区域，是一种典型的介观系统，只有在显微镜下才能观察到其颗粒形态。纳米粒子表面原子是长程与短程皆无序的非晶层，而在粒子心部，存在结晶完好周期性排布的原子，不过其结构与本体样品稍有不同。正是由于纳米粒子的这种特殊结构类型，导致了纳米粒子具有常规微细粉末所不具备的反常特性。这些特殊性质主要取决于纳米粒子的小尺寸效应、表面界面效应以及量子效应，三者相互联系难以截然分开。纳米粒子特殊的磁、光、电性能及其在高温下仍具有高强、高韧、优良稳定性等特性，使其具有广阔的应用前景。本文拟综述纳米材料在涂料中的应用。

国内研究

    哈尔滨鑫科纳米科技发展有限公司打破物质由大到小的逐级粉碎的常规，加工中使研磨球与普通钛粉都处悬浮状态，在高速旋转中相互撞击，终于在瞬间得到纳米级钛粉。专家们还成功地找到了分散剂、保护剂，不但解决了困扰纳米研究的团聚问题，又让纳米钛可在常态下长期保存。将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年不坏，是目前海洋船体防腐蚀涂料中最具发展前景的。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能力，可作为金属、非金属材料通用的修补剂。

     南京化工大学与河海纳米科技公司合作开发了三种纳米内墙涂料。涂料 1)具有持久释放负离子，改善室内空气质量的功能；涂料2)可吸收空气中异味(如室内装修后的甲醛、 氨气、烟味)，净化空气。涂料3)具有抗菌、防霉、辐射远红外及保健功能。

广漆化工公司川采用聚硅氧烷、锐钛型纳米级TiO₂、填料和溶剂，制得光催化净化大气环保涂料，对空气中NoX净化效果良好，降解率很高，在太阳光下，达到97%。反应产物为硝酸，大部分吸附在催化剂表面，水洗后可使涂层的催化活性恢复如初。

国外研究

    纳米粒子在涂料中的应用研究，美国走在世界的前列。经过我们的调查，美国已有三个公司供应商业化的纳米涂料产品。

   Nanophase Technologies公司在纳米涂料的研究中处于领先地位，产量最大的纳米粒子品种是 nm-ZnO。Nanophase Technoloeies也生产其他用于涂料的无机纳米材料 (如氧化铟锡，氧化锑锡等等)，用其制得的涂料具有透明性，具有隔绝红外和紫外的作用。另外，这些纳米粒子可用来生产高耐磨涂料，用于眼镜镜片，地板等场所。同时，在军事上也有了应用，海军舰艇上的金属部件涂装这种涂料后，耐磨蚀性可以成倍的增加，极大地提高了这些需长期经受磨损和腐蚀考验的金属部件的寿命。

   Altair Technologies公司与Nanopowder公司合作，生产具有先进功能的涂料。主要的纳米材料产品是nm-TiO₂，产品牌号为TiNano40系列，粒径为30-5Onm。表面处理过的 TiO₂，产品在800℃下氧化l00个小时晶型不发生变化，比表面积为60m²/g。 TiNano40系列产品还包括不需分散就能直接在涂料或其他场合运用的浆料。

   美国TRITON SYSTEMS公司生产透明超耐磨纳米涂料，商品名为NanoTuf Coatigs。据称，耐磨性是传统耐磨涂料的四倍。这种耐磨涂料还具有隔热功能和优异的耐化学腐蚀性能，可用作头盔的护目镜，飞机座舱盖和玻璃，轿车玻璃和建筑物玻璃等的保护涂层。所采用的填料是经过化学改性纳米蒙脱土粒子。美国海军正在计划采用这种涂料涂装高级保护目镜及舰船的易磨损部件。另据德国专利把纳米SiO₂粒子加入涂料后，也可获得高耐磨透明涂料。

    超微细TiO₂(10-5Onm)，对可见光的透射能力很强，例如对55Onm的可见光，透明度可达90%以上，具有极大的紫外光屏蔽性。当超微细TiO2与铝粉颜料和/或珠光颜料配合用于涂料，能得到产生随角异色效应的涂料，通常称为金属闪光漆。所用的超细TiO₂最佳粒径为20-3Onm，透明度为8-10级，紫外光吸收度6级左右。目前，世界上己有福特  (Ford)、克菜斯乐(Chrysler)、丰田(Toyota)、马自达 (Mazda)等著名的汽车制造公司使用含超微细TiO2的金属轿车面漆。此外，超微细TiO2作为一种良好的永久性紫外线吸收剂，还可用于配制耐久型外用透明涂料，加入量为0.5-4%，用于木器、家具、文物保护等领域。汽车面漆中应用非常广泛的另一种纳米材料是透明氧化铁，粒径 10-90nm，没有遮盖力，呈透明或半透明状，有红、黄、黑、棕四种颜色，以透铁红和透铁黄用量最大。

    纳米TiO2已在可见光的照射下对碳氢化合物有催化作用。任何沾污在表面上的物质，包括油污、细菌在光的照射下由纳米TiO2的催化，能使这些碳氢化合物氧化变成气体或者很容易被擦掉的物质。日本东京己有人利用这一效应可以在玻璃、陶瓷和瓷砖的表面涂覆一层纳米 TiO₂薄层，生产出自洁玻璃和自洁瓷砖。纳米TiO₂光致催化作用给人们带来了福音，使高层建筑的玻璃、厨房容易粘污的瓷砖、医院的墙壁的保洁除菌都可以很容易地进行。

纳米静电屏蔽材料用于家用电器和其它电器的静电屏蔽具有良好的作用。日本松下公司已研制成功具有良好静电屏蔽的纳米涂料，所应用的纳米微粒有 Fe₂O₃，TiO₂，Cr₂O₃，ZnO等。这些具有半导体特性的纳米氧化物粒子在室温下具有比常规的氧化物高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用，同时氧化物纳米微粒的颜色不同，TiO₂，SiO₂纳米粒子为白色，Cr₂O₃为绿色，Fe₂O₃为褐色，这样就可以通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色。这种纳米静电屏蔽涂料不但有很好的静电屏蔽特性，而且也克服了通常由树脂加碳黑制成的静电屏蔽涂料的颜色单调性。