纳米涂料制备技术及纳米涂料的性能

随着科技的进步，科学家们越来越深入的发现了奇妙的微观世界，21世纪以来，对纳米技术的研究得到了快速的发展，特别是纳米粒子的发现对光催化技术的发展是一次崭新革命，许多材料的制造工艺及其性能都髓之而发生质的飞跃。纳米粒子是由数目较少的原予或分子组成的原予群或分子群，处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域。纳米粒子表面原子是长程与短程皆无序的非晶层，而在粒子芯部存在着结晶完好周期性排布的原子，可以认为纳米粒子表面原子的状态更接近气态，而粒子内部的原子可能呈有序的排列。即使如此，由于粒径小，表面曲率大，内部产生很高的Gilibs压力，能导致内部结构的某种变形。纳米粒子的这种结构特征使它具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应以及有关光、电、磁特性。

纳米涂料一般由纳米材料与有机涂料复合而成，更严格地讲应称作纳米复合涂料（nanocomposite coating）。纳米复合涂料必须满足两个条件：一是至少有一种材料的尺度在1~100nm之间，二是纳米相使涂料性能得到显著提高或增加了新功能，二者缺一不可。广义上讲，纳米涂层材料包括两种：金属纳米涂层材料和无机纳米涂层材料。金属纳米涂层材料主要是指材料中含有纳米晶相，无机纳米涂层材料则是由纳米粒子之间的熔融、烧结复合而得。通常所说的纳米涂料均为有机纳米复合涂料。目前，用于涂料的纳米粒子主要是某些金属氧化物（TiO₂、Fe₂O₃、ZnO等）纳米金属粉末、无机盐类和层状硅酸盐（如一堆的纳米级粘土）。

纳米涂料的制备技术

1 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。 

2 化学分散法 

化学分散法即对纳米粒子的表面改性。利用硅烷偶联剂、钛酸酯、硬脂酸、表面活性剂和超分散剂等表面处理剂对纳米粒子进行表面改性处理，改善纳米粒子的分散性。

3 物理分散法 

物理分散法包括使用高速剪切分散机的高速搅拌、用三辊机及研磨机的研磨分散、使用球磨机的球磨分散以及超声波分散。

纳米涂料的性能

纳米TiO₂光催化技术的理论研究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添加不同的纳米微粒得到的纳米改性涂料。

1、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。通过研究发现纳米TiO₂可以显著增强丙烯酸树脂的紫外线屏蔽性能。P1Stamatakis认为，衰减300～400 nm紫外线，球状TiO2最佳的颗粒尺寸是50～120 nm。纳米TiO2衰减长波紫外线时，散射起主要作用；纳米TiO2衰减短波紫外线时，吸收起主要作用经分光光度仪测试表明：纳米SiO2具有极强的紫外反射，对波长400n以内的紫外光反射率70%以上；在涂料中能形成屏蔽作用，达到抗紫外老化和热老化的目的；同时增加涂料的隔热性。因此，纳米SiO2是一种良好的涂料抗老化添加剂。添加纳米SiO2制得的纳米涂料，可显著降低由于UV照射而造成的颜色衰减，大大提高涂料的抗老化性能，在苯丙涂料中加入0.15～2%纳米SiO2涂膜老化明显减缓。

2、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。

在目前研究的纳米粒子中，纳米ZnO等金属氧化物由于质量轻、厚度薄、颜色浅、吸波能力强等优点，成为吸波涂料研究的热点之一。

3、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。牛健发明了一种纳米金属汽车面漆，它是采用多种纳米金属粉体材料，与引进国外先进纳米金属汽车面漆制作技术相结合研制成功的新一代高级汽车涂料，它具有极强的附着力和耐酸、耐碱、抗氧化等耐化学药品性能；具有随角异色效应，并具有抗磨、抗刮碰等优异的抗外界物理冲击性能，还吸收有害射线对人体及底漆的辐射，能保护人体健康，延长面漆的使用寿命。美国人则普拉尚特卡马特领导的科研小组在纳米月刊上写道，这种涂料含有半导体微粒这种被称为量子点的纳米微粒由二氧化钛组成将二氧化钛纳米微粒涂上硫化镉或硒化镉，然后将其放入酒精和水的混合液中就形成了粘稠的糊状物涂到透明的导电物质上以后，这种涂料就会把光转化为电能这种涂料不用特殊工具就能涂抹在任何导电表面上卡马特说他的研究工作得到了美国能源部的资助。

4、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。

5、超双亲界面物性材料

光照可引起TiO₂表面在纳米区域形成亲水性及亲油性两相共存的二元协同纳米界面结构，即在紫外光照射下，TiO₂价带电子被激发到导带，在其表面生成电子空穴对，电子与四价钛反应，空穴与表面桥氧离子反应，分别形成正三价的钛离子和氧空位。此时表面吸附的空气中的水在氧空位离解成为化学吸附水(表面羟基)，化学吸附水可进一步吸附空气中的水分形成物理水吸附层，这样就构成了均匀分布纳米尺寸分离的亲水和亲油微区，类似二维的毛细管现象，在宏观的TiO₂表面将表现出奇妙的超双亲性。利用这个性质可制作新型装修材料，如可应用于高层建筑大厦、运输工具等的窗玻璃、挡风玻璃的后视镜、浴室镜子、眼镜片、测量仪器的玻璃罩表面，使之具有自洁和防污、防雾等效果。另外用于轮船等表面摩擦阻力可减少10～15%，节约能源并提高运行速度。

6、超双疏性界面物性材料 

纳米尺寸的差异使纳米材料表面存在凹凸不平的界面结构，由于这种结构的存在，纳米材料表面可使吸附的气体分子稳定存在，相当于宏观表面有一层稳定的气膜，使油和水都在其表面呈现出超常的双疏现象，这时水滴或油滴与界面的接触角趋于最大值。利用这个性质使涂在输油管道壁上的涂料对输油管道的安全输送原油具有重要的价值。也可以如青山新材的纳米涂层那样涂在电路板上使电子元器件管脚不受水气的侵害，达到防水防潮防腐蚀的目的。这种纳米涂料应用于大型机械设备可防止静电。

7、纳米高强度涂料 

利用纳米粒子的比表面能大等特性可明显改善涂膜的力学性能，如涂膜的韧性和强度等。涂料树脂中刚性颜填料粒子的存在会产生应力集中效应，引起周围树脂产生微开裂，加入纳米粒子后，由于纳米粒子的界面效应，使之与树脂之间产生更多的接触面积，产生更多的微裂纹和弹性变形，将更多的冲击能转化为热量吸收，从而提高冲击强度，达到增加强度、提高韧性的目的。

8、保型隔热纳米涂 

这是一种环保型隔热纳米涂料,其所述一种环保型隔热纳米涂料包括以下组份：纳米颜填料浆料、合成水性树脂、成膜助剂、偶联剂、消泡剂、流平剂和润湿剂,所述一种环保型隔热纳米涂料的制备方法是：先将纳米颜填料浆料加入到合成水性树脂中,然后依次加入成膜助剂、偶联剂、消泡剂、流平剂和润湿剂,快速搅拌,即得到一种环保型隔热纳米涂料。本发明加工工艺简单,组分配比合理,具有热阻大、反射率高,辐射传热性能好的功能. 

9、其他纳米改性涂料 

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358 K提高到370 K。Jiansirisomboon等对Al₂O₃/SiC纳米复合陶瓷涂料体系进行了初步的研究。研究表明，具有纳米尺寸的SiC 颗粒在复合涂料中仍为纳米尺寸，在等离子喷涂过程中，αAl₂O₃转变成亚稳态的γAl₂O₃和δAl₂O₃相。在此基础上，利用溶胶凝胶过程和冻干过程制得的原料粉及低压等。