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塑料 | 橡膠 | 纖維 | 復(fù)合材料 | 涂料、油墨及膠粘劑 | 天然高分子 | 新產(chǎn)業(yè) | 標(biāo)準(zhǔn) | 技術(shù)項(xiàng)目 | 返回首頁(yè) |
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一、前言
涂料按用途可分為建筑涂料、汽車(chē)涂料、船舶涂料、罐頭涂料、飛機(jī)涂料、家電涂料、木器涂料、橋梁涂料、塑料涂料、紙張涂料等，按功能則可分為裝飾涂料、防腐防銹涂料、耐高溫涂料、防霉抗菌涂料、隔熱涂料、導(dǎo)電涂料、絕緣涂料、隱身/偽裝涂料、熱敏涂料、靜電屏蔽涂料、防輻射涂料、防火涂料、隔音涂料等，可以說(shuō)是品種繁多，性能各異，用途十分廣泛。鑒于涂料質(zhì)量的好壞直接影響到汽車(chē)、建材、儀器儀表、電子產(chǎn)品、船舶、飛機(jī)等產(chǎn)品的檔次和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，以及環(huán)境保護(hù)的壓力，各國(guó)都在投巨資進(jìn)行環(huán)保型涂料和功能性涂料的研究開(kāi)發(fā)。以美國(guó)為例，美國(guó)2000年涂料年產(chǎn)量約為670萬(wàn)噸，其中環(huán)保型涂料(水性、高固體分、粉末、光固化)已從1990年51％上升到現(xiàn)在的85％左右，傳統(tǒng)的溶劑性涂料則由49％下降至現(xiàn)在的15％左右。功能性涂料則占涂料總量的一大半。國(guó)內(nèi)涂料年產(chǎn)量則約為200萬(wàn)噸，且傳統(tǒng)的溶劑性涂料仍占58．5％以上，環(huán)保型涂料則僅占41．5％，并且其中大多數(shù)為建筑涂料，功能性涂料所占比例極少。據(jù)國(guó)外權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)世界涂料市場(chǎng)如下表所示(億美元)。
國(guó)家 1998年 2004年 2009年
二、納米涂料的定義和基本概念
納米涂料一般都是由納米材料與有機(jī)涂料復(fù)合而成的，因此，更科學(xué)地講應(yīng)稱(chēng)作納米復(fù)合涂料 (Nanocomposite coating)。普遍認(rèn)為，必須滿足兩個(gè)條件才能稱(chēng)為納米涂料：一是至少含一相尺寸在 1-100nm之間，二是由于納米相的存在而使涂料性能得到顯著提高或有新功能，二者缺一不可。廣義地講，納米涂層材料還包括另外兩種：金屬納米涂層材料和無(wú)機(jī)納米涂層材料。金屬納米涂層材料主要是指材料中含有納米晶相，無(wú)機(jī)納米涂層材料則由納米粒子之間的熔融、燒結(jié)復(fù)合而得。我們經(jīng)常所說(shuō)的納米涂料均為有機(jī)納米復(fù)合涂料。之所以叫納米涂料，正如納米塑料、納米陶瓷等一樣，只是一個(gè)習(xí)慣叫法而已，嚴(yán)格的說(shuō)，也應(yīng)稱(chēng)為納米復(fù)合塑料、納米復(fù)合陶瓷。玻璃鋼，既不是玻璃也不是鋼，而是玻纖增強(qiáng)不飽和聚酯，但國(guó)內(nèi)就叫玻璃鋼。
有關(guān)納米涂料酌定義和叫法需要進(jìn)一步指出的是：①并不是用了納米材料的涂料都是納米涂料；②并不是性能很好就是納米涂料；③納米復(fù)合涂料的叫法更科學(xué)，但作為習(xí)慣，叫納米涂料也未嘗不可。例如，我們稱(chēng)丙烯酸乳膠漆，大多數(shù)情況下我們給客戶介紹它也是環(huán)保涂料；水性木器漆，我們給客戶介紹它也是環(huán)保涂料。因此，某種涂料，如建筑涂料，如果它確實(shí)滿足了納米涂料的兩個(gè)條件，我們也可以同時(shí)稱(chēng)它為納米涂料，只是不要刻意去炒作就行：④在國(guó)外，許多涂料產(chǎn)品均使用了納米技術(shù)，但出于技術(shù)保密，并沒(méi)有直接稱(chēng)作納米涂料。
三、國(guó)內(nèi)外納米涂料的研究開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀
國(guó)外在納米涂料的研究開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面起步較早，美國(guó)研究開(kāi)發(fā)成功并已進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化的有具有隨角異色性的豪華轎車(chē)面漆、軍事隱身涂料、絕緣涂料等，另外，還開(kāi)展了光致變色涂料(納米SiO2與有機(jī)顏料的結(jié)合)、透明耐磨涂料、包裝用阻隔性涂層等納米涂料的研究。日本則在靜電屏蔽涂料、光催化自清潔涂料的研究開(kāi)發(fā)方面取得了成功并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。德國(guó)政府在1992—1996年間對(duì)納米涂料的開(kāi)發(fā)投入了大量的科研經(jīng)費(fèi)，1997—1999年為納米涂料產(chǎn)業(yè)化時(shí)間，在此期間年產(chǎn)值為20億馬克，至1999—2000年，納米涂料年產(chǎn)值猛增到200億馬克。
國(guó)內(nèi)納米涂料的發(fā)展大多剛剛起步，主要集中在改善建筑外墻涂料的耐候性和建筑內(nèi)墻涂料的抗菌性方面，二者基本上已研制成功，正在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化準(zhǔn)備工作。而在工業(yè)用涂料、航空航天用涂料以及功能性涂料的研究開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面則落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。
四、我國(guó)納米涂料的研究開(kāi)發(fā)與產(chǎn)業(yè)化前景
納米材料種類(lèi)繁多，性能各異，即使同一種納米粒子在不同粒徑下也可能會(huì)有不同的功能，不同種類(lèi)的納米粒子也可以在涂料中起到同一作用。因此，用在涂料中也可能表現(xiàn)出不同的特性，需要進(jìn)行大量的研究開(kāi)發(fā)工作，才有可能得到性能理想的納米涂料。結(jié)合到納米涂料的產(chǎn)業(yè)化前景，筆者認(rèn)為，可以?xún)?yōu)先開(kāi)展下列幾方面的研究開(kāi)發(fā)工作：
1、改善涂料的耐候性
某些納米粒子對(duì)紫外線則具有較強(qiáng)的吸收作用，現(xiàn)市場(chǎng)上銷(xiāo)售的納米TiO2、SiO2、ZnO等顆粒填充于涂料中，可顯著提高涂料的紫外線吸收性，從而提高戶外用涂料的耐候性。比如用來(lái)提高外墻建筑涂料的耐候性，汽車(chē)面漆的耐老化性、橋梁涂料、塑料涂料、木器涂料等的耐老化性，使涂層的壽命提高50％或一倍以上。
2、改善涂料的電磁性
隨著當(dāng)前高科技產(chǎn)品的崛起，尤其是電子工業(yè)的迅猛發(fā)展，電磁波的廣泛應(yīng)用，尤其是微波在通訊、航空、航天、家用電器、現(xiàn)代軍事方面的普及應(yīng)用，電磁波的輻射污染，也成為人類(lèi)的第四大公害。因?yàn)殡姶挪ㄊ且环N熱效應(yīng)，當(dāng)它的頻率大于人體的調(diào)節(jié)頻率時(shí)，就會(huì)燒傷人體的各部組織，而高頻電波(100MHz以上)如各廣播電視的發(fā)射臺(tái)，各飛機(jī)導(dǎo)航塔，各微波通訊臺(tái)、塔、手機(jī)、對(duì)講機(jī)、微波爐、電腦等及各高頻醫(yī)療器械的輻射污染對(duì)人體的危害、已大大超過(guò)了人們的想象程度，它對(duì)人體的視覺(jué)系統(tǒng)、大腦細(xì)胞、生殖系統(tǒng)、血液、尤其是對(duì)胎兒的危害極其嚴(yán)重，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究成果表明：電磁波輻射污染已成為人類(lèi)的“無(wú)形殺手”。
因此，對(duì)電磁波的屏蔽及防止電磁波輻射污染和人體對(duì)電磁波輻射污染的防護(hù)，就成了當(dāng)前急待解決的重大課題。利用納米粒子的靜電屏蔽性，可制得靜電屏蔽涂料，與傳統(tǒng)碳黑填充的防靜電涂料相比，其具有更優(yōu)異的防靜電性能，而且由于不同納米粒子吸收不同的可見(jiàn)光波段，因此可通過(guò)選用不同的納米粒子來(lái)調(diào)節(jié)防靜電涂料的顏色，對(duì)解決移動(dòng)電話、對(duì)講機(jī)、飛機(jī)客艙屏蔽、電腦、電視、微波爐、通訊電纜各保密室的屏蔽及在各強(qiáng)場(chǎng)強(qiáng)環(huán)境下工作的，如各微波通訊站、廣播電視臺(tái)、塔和在電腦前工作的人員的人體防護(hù)，提供了可靠的屏蔽材料。
某些納米材料如納米金屬(Fe、Co、Ni等)與合金的復(fù)合粉體、納米氧化物(Fe3O4、Fe2O3、 ZnO、NiO2、TiO2、MoO2等)的粉體、納米石墨、納米碳化硅及混合物粉體等，可用于制備出吸收不同頻段電磁波的納米復(fù)合涂料，作為軍事隱身涂料，涂敷到飛機(jī)、軍艦、導(dǎo)彈、潛艇等武器裝備上，使該裝備具有隱身性能。由于納米涂層材料具有吸收頻帶寬、重量輕、厚度薄等優(yōu)點(diǎn)，因而可望在未來(lái)軍事隱身化方面大展身手。
3、改善涂料的力學(xué)性能
某些納米材料用于涂料中，可以大幅度提高有機(jī)涂層的力學(xué)性能，如涂層的耐磨性、耐劃傷性、硬度、強(qiáng)度、韌性等，可以用于汽車(chē)面漆、汽車(chē)玻璃、眼鏡鏡片、建筑物玻璃、地板、船艦易磨損易腐蝕金屬部件等的保護(hù)，大大延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命。
4、改善涂料的抗菌性和大氣凈化性
將納米抗菌粉用于涂料中，則可制得納米殺菌涂料，涂覆在建材產(chǎn)品，如衛(wèi)生潔具、室內(nèi)空間、用具、醫(yī)院手術(shù)間和病房的墻面、地面等，起到殺菌、保潔效果。利用Ti02、ZnO、CdS、WO3等納米粒子的光催化特性，可制得光催化凈化大氣環(huán)保涂料。比如，采用聚硅氧烷、銳鈦級(jí)納米TiO2、填料和溶劑復(fù)合可制得大氣環(huán)保涂料，能將大氣中 NOx轉(zhuǎn)化成硝酸，可涂覆在高速公路、橋梁、建筑物、廣告牌的表面上，或在需要的地方專(zhuān)門(mén)設(shè)置凈化面板等。
5、其它功能性涂料
采用納米技術(shù)可制成納米界面涂料，其涂膜界面為超雙親性二元協(xié)同界面(既疏水又避油)，將這種涂料涂在建筑材料(如玻璃、陶瓷等)，任何油質(zhì)、水、灰塵等都不能存留于表面，可保持用玻璃和陶瓷等掛面的建筑物長(zhǎng)期一塵不染，也會(huì)使浴室內(nèi)的大鏡子以及人戴的眼鏡在任何情況下也不會(huì)產(chǎn)生霧氣。
利用納米粒子對(duì)紅外線的吸收和反射性能，將它們與有機(jī)涂料復(fù)合后制得的隔熱涂料，可廣泛用于玻璃幕墻、汽車(chē)玻璃、海上鉆井平臺(tái)、油罐、石油管道、汽車(chē)、火車(chē)、飛機(jī)表面、船殼、甲板、坦克、軍艦、宇宙飛船表面等場(chǎng)合的隔熱。
將納米鋁酸鹽用于涂料中，可以?xún)?chǔ)存自然光或燈光的光能，當(dāng)外來(lái)光停止后再緩慢地以光的形式釋放出來(lái)，可發(fā)出多種顏色的光，而且發(fā)光的持續(xù)時(shí)間是傳統(tǒng)發(fā)光材料的幾十倍，而且理化性能穩(wěn)定，可在暗處用于低度照明和指示。這種發(fā)光涂料可以用于建筑、藝術(shù)裝潢、公共場(chǎng)所的安全通道、危險(xiǎn)場(chǎng)所的警示等。
五、結(jié)語(yǔ)
納米技術(shù)為涂料工業(yè)的發(fā)展提供了一個(gè)難得的發(fā)展機(jī)遇，鑒于涂料本身具有十分廣闊的市場(chǎng)前景 (千億級(jí)人民幣／年的市場(chǎng))，而涂料質(zhì)量的好壞 (高，性能、功能化、環(huán)保型、低成本)又直接影響到汽車(chē)、建材、機(jī)械、石油化工、電子產(chǎn)品、船舶、飛航導(dǎo)彈等產(chǎn)品的檔次和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，政府各主管部門(mén)、企業(yè)界應(yīng)抓緊時(shí)間，加大相關(guān)科技開(kāi)發(fā)的力度，以全面提升我國(guó)涂料工業(yè)的技術(shù)水平和其它產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。