納米材料是處在原子簇和宏觀物體交界過渡區(qū)的一種典型系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)既不同于體塊材料,也不同于單個的原子,其特殊的結(jié)構(gòu)層次使它具有表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等,擁有一系列新穎的物理和化學(xué)特性,在眾多領(lǐng)域特別是在光、電、磁、催化等方面具有非常重大的應(yīng)用價值[1]。20世紀(jì)80年代初期納米材料這一概念形成以后,世界各國都給予了極大關(guān)注。它所具有的獨特的物理和化學(xué)性質(zhì),使人們意識到它的發(fā)展可能給物理、化學(xué)、材料、生物、醫(yī)藥等學(xué)科的研究帶來新的機遇[2]。

    近年來,其在化工領(lǐng)域得到了一定的應(yīng)用,其中包括在涂料工業(yè)中的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計,在發(fā)達(dá)的工業(yè)國家內(nèi),涂料產(chǎn)值約占化學(xué)工業(yè)年產(chǎn)值的10%。這不僅是因為涂料工業(yè)投資小、見效快、經(jīng)濟效益高,更重要的是涂料在發(fā)展現(xiàn)代工業(yè)方面起著非常重要的輔助作用。借助于傳統(tǒng)的涂層技術(shù),添加納米材料,可獲得納米復(fù)合體系涂層,實現(xiàn)功能的飛躍[3]。因此,納米材料的開發(fā)為涂料工業(yè)的發(fā)展,為提高涂料性能和賦予其特殊功能開辟了一條新途徑。目前,在涂料工業(yè)中有較多應(yīng)用報道的納米材料主要有二氧化硅、二氧化鈦、碳酸鈣、氧化鋅、氧化鐵等。

    1　納米二氧化硅在涂料中的應(yīng)用納米ＳｉＯ2是無定型白色粉末(指其團聚體),表面存在不飽和的殘鍵及不  同鍵合狀態(tài)的羥基,其分子狀態(tài)呈三維鏈狀結(jié)構(gòu)[4]。一般來講,納米粒子表面相互聚集的氫鍵之間的作用力不強,易以剪切力加以分開。然而,這些氫鍵會在外部剪切力消除后迅速復(fù)原,使其結(jié)構(gòu)迅速重組。這種依賴時間與外力作用而回復(fù)原狀的剪切力弱化反應(yīng),稱為“觸變性”[5]。觸變性是納米二氧化硅改善傳統(tǒng)涂料各項性能的主要因素[6]。在建筑內(nèi)外墻涂料中,添加納米二氧化硅,可以明顯改善涂料的開罐效果,涂料不分層,具有觸變性,防流掛,施工性能良好,尤其是抗沾污性大大提高,具有優(yōu)良的自清潔性能和附著力[7],有報道稱[8]耐擦洗性達(dá)10000次以上。在車輛和船舶涂料中,添加納米二氧化硅是提高涂層光潔度和抗老化性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié),涂層干燥時,納米二氧化硅能很快形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),使其耐老化性能、光潔度及強度成倍提高。納米微粒具有大顆粒所不具備的特殊光學(xué)性能,普遍存在“藍(lán)移”現(xiàn)象[9]。經(jīng)分光光度儀測試表明,納米二氧化硅具有極強的紫外吸收、紅外反射特性,對波長400ｎｍ以內(nèi)的紫外光吸收率達(dá)70%以上,對波長400ｎｍ以內(nèi)的紅外光反射率也達(dá)70%以上。它添加在涂料中,能對涂料形成屏蔽作用,達(dá)到抗紫外老化和熱老化的目的,同時增加涂料的隔熱性。徐國財?shù)热薣10]通過納米微粒填充法,將納米二氧化硅摻雜到紫外光固化涂料中。實驗表明,納米二氧化硅減弱了紫外光固化涂料吸收ＵＶ輻照的強度,從而降低了光固化涂料的固化速度,但可明顯提高紫外光固化涂料的硬度和附著力。

    2　納米二氧化鈦在涂料中的應(yīng)用納米二氧化鈦是20世紀(jì)80年代末發(fā)展起來的主要納米材料之一。納米二氧化鈦的光學(xué)效應(yīng)隨粒徑而變,尤其是納米金紅石型二氧化鈦具有隨角度變色效應(yīng),在汽車面漆中,是最重要和最具有發(fā)展前途的效應(yīng)顏料。將納米二氧化鈦添加在轎車用金屬閃光面漆中,能使涂層產(chǎn)生豐富而神秘的色彩效果[11]。納米二氧化鈦除提高轎車漆裝飾效果外,由于其具有吸收紫外線的效應(yīng),可明顯提高轎車漆的耐候性。在建筑外墻涂料中,添加適量納米二氧化鈦,也可以將乳膠漆的耐候性提高到一個新的等級。隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展,環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重,特別是氮化物及硫化物對大氣的污染,已成為亟待解決的環(huán)保問題。近年來,許多研究表明,光催化技術(shù)在環(huán)境污染物治理方面有著良好的應(yīng)用前景。邱星林等人[12]用納米二氧化鈦配制成光催化凈化大氣環(huán)保涂料,結(jié)果表明,利用納米二氧化鈦光催化氧化技術(shù)制成的環(huán)境凈化涂料對空氣中ＮＯｘ凈化效果良好,在太陽光下,降解率高達(dá)97%。同時還可降解大氣中的其他污染物,如鹵代烴、硫化物、醛類、多環(huán)芳烴等。

    3　納米碳酸鈣在涂料中的應(yīng)用碳酸鈣作為一種優(yōu)良的填充劑和白色顏料,具有價格便宜、資源豐富、色澤好、品位高的特點,廣泛應(yīng)用于紙張、塑料填料和涂布顏料。而納米碳酸鈣自問世以來,由于其具有的優(yōu)良特性,賦予了產(chǎn)品某些特殊性能,如補強性、透明性、觸變性和流平性等。是一種新型高檔功能性填充材料,在橡膠、塑料、油墨、涂料、造紙等諸多工業(yè)領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。在涂料中的應(yīng)用研究表明[13],納米碳酸鈣填充涂料,其柔韌性、硬度、流平性及光澤均有較大幅度提高。利用其存在的“藍(lán)移”現(xiàn)象,將其添加到膠乳中,也能對涂料形成屏蔽作用,達(dá)到抗紫外老化和防熱老化的目的,增加了涂料的隔熱性。

    4　納米氧化鋅在涂料中的應(yīng)用納米氧化鋅是一種面向21世紀(jì)的新型高功能精細(xì)無機產(chǎn)品,其粒徑介于1～100ｎｍ,又稱為超微細(xì)氧化鋅。納米氧化鋅在磁、光、電、敏感等方面具有一般氧化鋅產(chǎn)品無法比擬的特殊性能和新用途,其中在涂料方面的應(yīng)用主要有[14]:
(1)在化妝品中作為新型防曬劑和抗菌劑。因為它們無毒、無味、對皮膚無刺激性,不分解、不變質(zhì)、熱穩(wěn)定性好,且納米氧化鋅本身為白色,可以簡單地加以著色,價格便宜,吸收紫外線能力強,對ＵＶＡ(長波320～400ｎｍ)和ＵＶＢ(中波280～320ｎｍ)均有屏蔽作用,因而得到廣泛使用。納米氧化鋅在陽光,尤其在紫外線照射下,在水和空氣(氧氣)中能自行分解出自由移動的帶負(fù)電的電子(ｅ-),同時留下帶正電的空穴(ｈ+)。這種空穴可以激活空氣中的氧變?yōu)榛钚匝?有極強的化學(xué)活性,能與多種有機物發(fā)生氧化反應(yīng)(包括細(xì)菌內(nèi)的有機物),從而把大多數(shù)病菌和病毒殺死。西北大學(xué)曾進行過納米氧化鋅的定量殺菌試驗,在5ｍｉｎ內(nèi)納米氧化鋅的濃度為1%時,金黃色葡萄球菌的殺滅率為98.86%。大腸桿菌的殺滅率為99.93%。所以在化妝品中添加納米氧化鋅既能屏蔽紫外線防曬,又能抗菌除臭。
(2)用于電話機、微機等的防菌涂層。將一定量的超細(xì)氧化鋅制成涂層涂于電話機、微機上,有很好的抗菌性能.
(3)納米氧化鋅由于尺寸小、比表面積大,表面的鍵態(tài)與顆粒內(nèi)部的不同,表面原子配位不全等,導(dǎo)致表面的活性位置增多,形成了凸凹不平的原子臺階,加大了反應(yīng)接觸面,因此,納米氧化鋅也是一種很好的光催化劑。在紫外光照射下,它能分解有機物質(zhì),抗菌和除臭。具有這一性質(zhì)的光催化劑可用于環(huán)保涂料中。
(4)吸波涂層。吸波材料的研究在國防上具有重大的意義,這種“隱身材料”的發(fā)展和應(yīng)用是提高武器系統(tǒng)生存和突防能力的有效手段,納米微粉是一種非常有發(fā)展前途的新型軍用雷達(dá)波吸收劑。納米氧化鋅等金屬氧化物由于質(zhì)量輕、厚度薄、顏色淺、吸波能力強等優(yōu)點而成為吸波涂層研究的熱點之一。
(5)納米氧化鋅的導(dǎo)電性可賦予涂層以抗靜電性。

    5　技術(shù)關(guān)鍵及發(fā)展展望由于納米材料的表面活性相當(dāng)高,如何將其分散到涂料基體中,是納米材料在涂料中應(yīng)用的主要技術(shù)關(guān)鍵。納米材料的表面處理、添加方式、分散設(shè)備的選擇等,直接影響到納米材料在涂料中的分散狀態(tài)。目前主要有以下3種分散方式。
(1)化學(xué)分散。通過對納米材料進行分子設(shè)計,使其具有以下兩個特性,一個為表面疏水性,利用有機或無機化合物對納米材料進行表面包敷處理,使處理后的納米材料具有疏水性,另一個為表面兩親性,選用的處理劑分子具有2個以上的官能基團,除一個與納米材料反應(yīng)外,另外的既有親水性,又有疏水性,經(jīng)處理的納米材料具有兩親性。
(2)物理分散。在強剪切力作用下使納米材料在涂料基體中分散,主要包括研磨分散、球磨分散、砂磨分散以及高速攪拌等。
(3)超聲分散。在實際操作過程中可將以上各種分散方式配合使用,以使納米材料在涂料基體中均勻分散。納米材料添加到基料中配制成涂料后,其分散狀態(tài)的穩(wěn)定性也是人們普遍關(guān)心的問題。一方面要防止納米材料進一步團聚,另一方面又要保持納米材料在涂料中的特殊功能,這也是納米材料在涂料中應(yīng)用亟待解決的技術(shù)關(guān)鍵之一。納米材料添加到涂料中應(yīng)有一定的加入量。加入量不足,起不到預(yù)期的效應(yīng);加入量過多,增加了成本,同時會使涂料質(zhì)量下降。因此,配方研究也是納米材料應(yīng)用的關(guān)鍵所在。

    綜上所述,納米材料在涂料中的應(yīng)用具有廣闊的前景,目前的研究尚處于起步階段,大部分研究特別在我國還停留在實驗室階段,還有很多技術(shù)的關(guān)鍵問題需要解決。國內(nèi)外的發(fā)展趨勢是加快研究開發(fā)環(huán)境適應(yīng)型涂料,充分發(fā)揮納米材料的耐候性、裝飾性、抗污染性、抗菌性、抗電磁波干擾及其它特殊功能,同時,納米材料在涂料中的應(yīng)用不同于一般材料在涂料中的應(yīng)用情況,因此,它屬于一項高新技術(shù),需要納米材料的研發(fā)人員、涂料工作者等的共同努力,使納米涂料盡快投入實際應(yīng)用。