浅析纳米改性涂料

一、纳米改性涂料的制备方法

纳米改性涂料是将纳米粒子分散在传统涂料中,利用其抗紫外线、光催化等性能对传统涂料进行改性,使涂料具有某些特殊功能。目前,用于涂料的纳米粒子主要是一些金属氧化物,如TiO2、SiO2、SnO2、ZnO等和一些纳米金属粉末,如纳米Al、Co、Ti、Cr、Nd、Mo等以及一些无机盐类,如CaCO3。根据要得到的涂料的性能来选择合适的纳米微粒。

（1）物理分散法

物理分散法是指在强剪切力作用下,使纳米粒子在涂料基料中分散,形成纳米粒子填充涂料。该方法采用机械手段实现颗粒团聚体的解团,效果并不理想。其原因在于,该方法属于机械力强制性解团方法,团聚颗粒尽管在强制剪切力作用下解团,但颗粒间的吸附引力犹存,解团后又可能迅速团聚长大。徐国财等采用高速分散机制备的纳米紫外光固化涂料表明,适量的纳米SiO2可提高涂膜的硬度、附着力、热稳定性。

在超声波振荡下,也能使团聚的纳米粒子分散在涂料基料中。在使用超声波分散纳米粒子的过程中,要注意涂料的及时散热问题,以防止涂料由于过热而引起树脂的热降解。

（2）电化学分散法

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。

（3）化学分散法

化学分散法是指对纳米粒子进行表面改性,使其具有表面疏水性或表面两亲性,均匀地分散于涂料基质中,形成高质量纳米粒子改性涂料。

二、纳米改性涂料的研究进展

在涂料中添加了纳米粒子后,一方面可使涂料在常规的力学性能,如附着力、抗冲击、柔韧性方面得到提高,另一方面有可能提高涂料的耐老化、耐腐蚀、抗辐射性能。此外,纳米改性涂料还可能呈现出某些特殊功能,如自清洁、抗静电、隐身吸波、阻燃等性能。下面按照功能和用途分别介绍近年来开发的添加不同的纳米微粒得到的纳米改性涂料。

（1）纳米光催化涂料

日本等发达国家首先提出了在传统建筑材料中添加纳米光催化材料使其增加光催化空气净化功能的解决方案。可应用于光催化涂料的纳米材料有纳米TiO2、ZnO以及纳米载银抗菌材料等,其中纳米TiO2是研究的热点。由于纳米TiO2的粒径小,比表面积、表面能及表面结合力大,表面活性中心多,催化效率高,且纳米TiO2对环境无二次污染,在污水净化、抗菌杀菌等方面具有十分广阔的应用前景。现已发现纳米TiO2能处理80多种有毒化合物,包括工业有毒溶剂、化学杀虫剂、防腐剂、染料及油污等;纳米TiO2对绿脓杆菌、大肠杆菌、金黄色葡萄糖菌、沙门氏菌、芽枝菌和曲霉菌等具有很强的杀菌能力。

（2）纳米抗老化涂料

涂料在使用过程中,受到紫外线的照射很容易产生涂膜基体中高分子链的断裂、粉化等现象。而纳米TiO2、SiO2、ZnO等粒子添加到涂层中,能明显提高涂料的抗老化性能。

纳米TiO2晶体的光学性质服从瑞利光散射理论,可透过可见光和散射波长更短(200~400nm)的紫外光,这表明纳米TiO2具有透明性和散射紫外线的能力。普通TiO2具有一定的吸收紫外线的能力,纳米TiO2吸收紫外线的能力更强。它既能散射又能吸收紫外线,屏蔽紫外线的能力很强。

（3）纳米隐身涂料

纳米隐身涂料(雷达波吸收涂料)指能有效地吸入雷达波并使其散射衰减的一类功能涂料。当纳米级的羟基铁粉、镍粉、铁粉末改性的有机涂料涂到飞机、导弹、军舰等武器装备上,可使这些装备具有隐身性能。其原理是:一方面,纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波长,对这种波的透过率比常规材料要强得多,大大减少波的反射率,使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱,从而达到隐身作用;另一方面,纳米微粒材料的比表面积比常规材料大得多,使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低,因此很难发现被探测目标,起到了隐身作用。

现在,隐身涂料作为隐身技术的关键技术之一,已不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。

（4）纳米光效应涂料

根据Rayleigh光散射理论,纳米TiO2对可见光呈透明性,在与铝粉等混用时,入射光一部分在散光铝粉表面发生镜面反射,另一部分透过纳米TiO2发生色散后,在纳米TiO2与铝粉界面反射,形成散光涂层,因而具有独特的颜色效应。纳米TiO2闪光铝粉或云母珠光颜料用于涂料体系中,能在涂层的照光区呈现一种金黄色的亮光,而在侧光区反射蓝色乳光,能增加金属面漆颜色的丰满度。

（5）特殊纳米界面涂料

在实验中发现,纳米材料与某些树脂经过特殊复合后,其表面会具有一些特殊的物理化学性能,比如可同时存在疏水、疏油现象,这种性能可应用于开发超双亲界面物性材料和超双疏界面物性材料,应用于建筑涂料中可以提高涂料的耐污染性能。

（6）其他类型纳米改性涂料

纳米改性涂料的应用范围非常广泛。如利用纳米TiO2、Cr2O3、SnO2、ZnO等具有半导体性质的粉体作为颜料掺入树脂中,有良好的静电屏蔽性能,可制成导电型抗静电涂料,在电子仪器、家电、家具方面有着极广泛的用途。在提高涂层热稳定性方面,有关研究表明,加入纳米SiO2有一定的改善效果。低温热失重情况下,纳米SiO2可使环氧丙烯酸酯的光固化涂料的热失重初温从330K提高到366K,热失重终温由358K提高到370K。