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纳米科技在内外墙涂料中的应用


来源: 时间:2015-12-04 16:47:13 作者:佚名

内外墙涂料已成为内外墙装饰的主流,随着人们生活水平的提高,对内外墙涂料提出了更高的要求,开发一种集装饰性与功能性于一体的内外墙涂料日益成为必要。科学技术的迅猛发展,纳米材料和纳米技术异军突起,成为当今新材料研究领域中最富活力、对未来经济和社会发展有着重要影响的研究对象,同时伴随着研究的深入,纳米科技已经渗透到很多领域。纳米科技的应用为改造传统产业注入高科技含量提供了新的机遇。纳米科技应用到涂料中是两者完美的结合。纳米科技为人们开发新型涂料开辟了一条新的途径。
  纳米科技是研究由尺寸在0.1~100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中技术问题的科学技术。纳米科技主要包括:纳米体系物理学、纳米材料学、纳米化学、纳米加工学、纳米生物学、纳米力学等。纳米科技在内外墙涂料中的应用主要包括纳米加工学以及纳米材料两个方面。纳米加工学体现在把乳液直接加工成纳米乳液,以及用不同手段产生纳米材料或对一般材料进行改性使其具有纳米材料的性能。纳米材料在涂料中的应用可分为两种情况:一是纳米粒子在传统有机涂料中分散后形成纳米复合涂料;二是完全由纳米粒子组成的纳米涂层材料。第一种纳米复合涂料主要通过添加纳米粒子对传统涂料进行改性,工艺相对简单,工业可行性好。第二种方法由于技术和成本问题,短期内很难在工业化中有所突破。
  1纳米材料的特性在内外墙涂料中的应用
  纳米材料分为两个层次,即纳米超微粒子与纳米固体材料。纳米超微粒子是指粒子尺寸为1~100nm的超微粒子。纳米固体是指纳米超微粒子制成的固体材料。纳米材料具有表面效应、小尺寸效应、光学效应、量子尺寸效应、宏观量子尺寸效应等特殊性质,下面介绍如何利用纳米材料的这些特性来为内外墙涂料所用。
  (1)纳米材料的光学特性及应用
  由于纳米粒子粒径小、表面分散率高,对不同波长的光线会产生不同的吸收、反射、散射等作用。纳米粒子粒径远远小于可见光的波长(400~750nm),具有透过作用,从而保证纳米复合涂层具有较高的透明性。不同粒径的纳米材料对光的散射和反射效应不同,可产生随入射光角度不同的变色效应。粒度小于300nm的纳米材料具有可见光反射和散射能力,它们在可见光区是透明的,但对紫外光具有很强的吸收和散射能力,当然吸收能力还与材料的结构有关,与纳米材料的表面催化特性相结合,赋予纳米SiO2、TiO2、ZnO等填充的涂料以消毒杀菌和自清洁作用。用于外墙涂料可提高耐候性和抗污染能力。某些粒径小于100nm的纳米材料对放射性α、γ射线具有吸收和散射作用,可提高涂层防辐射的能力,在内墙涂料中可起到防氡气的作用。
  (2)纳米材料的表面活性及应用
  纳米材料极大的表面积和近似于大分子水平的粒径决定其具有很高的表面活性。
纳米材料高活性的巨大表面积与成膜物和溶剂形成强大的相互作用力。纳米SiO2以及硅酸盐为主的纳米改性膨润土可极大地改进涂料的流变性,提高其开罐性能防沉降和良好的触变性和施工性能防流挂。随着粒度进入纳米尺度,材料表面活性中心的增多提高其化学催化和光催化的反应能力,在紫外线和氧的作用下给予涂层的自清洁能力。表面活性中心与成膜物质的官能团可发生次化学键结合,极大增加涂层的刚性和强度,从而改进涂层的耐划伤性。高表面能的纳米材料表面经过改性可以获得同时憎水和憎油的特性。这样的材料用于内外墙涂料可以显著提高涂层的抗污性。
  (3)纳米材料的小体积效应及应用
  纳米级的颜料和填料可以极大地减少涂料中颜料与成膜物之间的自由体积,协同得到增强的成膜物质与纳米填料的结合力从而大大提高填充比,改进涂层的机械强度,减少毛细管而提高涂层的屏蔽作用。将纳米材料用在底漆中,可以加固底漆与基层的粘结作用,底漆微细颗粒渗透到基层中使之连成一个整体,其机械强度的提高是不言而喻的。纳米级的颜填料与底漆的强作用力及填充效果有助于改进底漆-涂层的界面结合。同样,纳米材料在面漆中起到表面填充和修饰作用,提高面漆的光泽,减少阻力。纳米二氧化硅添加到外墙涂料中可提高涂料的耐擦洗性。纳米碳酸钙可提高聚氨酯的强度、硬度等。
  2目前应用在内外墙涂料中的纳米材料以及纳米技术
  (1)纳米二氧化硅在内外墙涂料中的应用
  纳米二氧化硅的团聚体是无定性的白色粉末,表面分子状态呈三维网状结构。这种结构赋予涂料优良的触变性和分散的稳定性。纳米二氧化硅具有极强的紫外线吸收、红外线反射特性,能提高涂料的抗老化性能。如果对二氧化硅表面进行处理,可使二氧化硅纳米粒子表面具有亲水基团和亲油基团,这种特性改善了二氧化硅纳米粒子原来的润湿特性。
  在建筑内外墙涂料中添加少量的纳米二氧化硅后涂料的抗紫外老化性能由原来的250h提高到600h以上。耐擦洗性由1000次提高到10000次以上,干燥时间大幅度降低,其悬浮稳定差、触变性差、光洁度不高等问题也得到很好地解决。添加纳米二氧化硅的内外墙涂料的开罐效果明显地改善,涂料不分层,防流挂、施工性良好,尤其抗污性大大提高,具有优良的自清洁和附着力。另外,由于纳米二氧化硅对400nm以内的紫外光吸收率大于70%以上,相对减弱了紫外光吸收UV照射的强度,可明显提高涂料的抗老化性能。
  纳米二氧化硅的添加量:纳米二氧化硅的添加量一般为0.1%~1%,最多不超过5%。
  (2)纳米二氧化钛在内外墙涂料中的应用
  纳米二氧化钛的光学效应随粒径而变,尤其是金石红型纳米二氧化钛具有随着角度变色的效应,同时二氧化钛还具有吸收紫外线的效应。建筑外墙涂料中添加适量纳米二氧化钛,也可以将乳胶漆的耐候性提高到一个新的等级。同时还使乳胶漆的耐老化性能有很大的提高。
  纳米二氧化钛的添加量:纳米二氧化钛的粒度一般为10~50nm,其添加量控制在1%以下。
  (3)纳米碳酸钙在内外墙涂料中的应用
  碳酸钙作为一种填料广泛地应用在内外墙涂料中,纳米碳酸钙作为一种优质的填充剂和白色颜料,具有资源丰富、色泽好、品位高的特点,可以应用于内外墙涂料中,赋予涂料良好的触变性和流平性,同时可提高涂料的机械强度。
应当注意的是纳米碳酸钙虽然价格不是很高,但还是远高于碳酸钙的价格,如果大量使用纳米碳酸钙不仅不经济,而且还有可能给涂料带来负面影响,例如:纳米粒子的用量过度或分散不佳则导致涂层机械强度的恶化。
  (4)纳米氧化锌在内外墙涂料中的应用
  纳米氧化锌具有一般氧化锌无法比拟的新性能和新用途,能使涂层具有屏蔽紫外线、吸收红外线以及杀菌防毒作用。它与其它纳米材料配合用在内外墙涂料中。另外,纳米氧化锌还具有增稠的作用,有助于颜料分散的稳定性。
  (5)纳米水性乳液在内外墙涂料中的应用
  目前已经有单位研制出新型纳米水性聚氨酯乳液并实现工业化。纳米水性乳液区别于传统的聚氨酯乳液在于:纳米水性乳液不是简单的添加型,而是需要通过一定的化学反应。这样生产出的涂料稳定性好,抗老化、耐化学品、耐磨、抗静电性能良好。
  3纳米材料在内外墙涂料中应用的主要技术关键
  (1)分散:由于纳米材料有着其本身特有的属性,尤其是其表面积较大,颗粒较细,导致表面活性相当高,极其容易结团,不易在乳液中分散。如何将纳米材料分散在涂料的基料中是其关键。纳米材料的表面处理、添加方式、分散设备的选择等,直接影响到纳米材料在涂料中的分散状态。我们还可以通过选择合适的分散剂,来实现纳米材料在涂料中的分散,现在一种超分散剂的出现,可以将其用于纳米材料在涂料中的分散。另外可以对常规的材料进行表面处理使常规物质具有纳米材料的性质,这不仅使常规物质作为纳米材料使用,同时可以解决纳米材料本身所固有的缺点。
  (2)稳定:纳米材料加到基料中配制成涂料后,纳米材料是否保持分散状态的稳定也是影响涂料性能的一个主要原因。不仅要防止纳米材料进一步团聚、絮凝,还要保持纳米材料赋予涂料的特殊功能。稳定性和分散性是相辅相成的,其分散性好,也必然具有好的稳定性。
  (3)配比:纳米材料添加量一定要适当。对于不同的涂料添加量肯定不尽相同。对于同一种涂料,不同粒径的同种纳米材料加量也不会相同,这需要大量的实验作基础来得出合适的添加量。如果纳米材料加量过少,将达不到预期目的。如果加量过量,不仅不经济,还会产生副作用,使涂料产品质量下降。总之,基料不同、用途不同、使用环境不同等,纳米材料的加量也不尽相同。
  (4)经济:由于纳米材料作为一种新型材料,其生产的过程及方法都有别于一般的物质,其价格高于一般物质也是必然的,所以怎么衡量加入纳米材料和未加入以前的涂料之间的性价比及生产出性价比高的纳米涂料也是一个至关重要的因素。
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