減摩耐磨高分子復(fù)合材料中納米填料高效利用的研究

涂料是建筑物的內(nèi)衣(內(nèi)墻涂料)和外衣(外墻涂料)，國內(nèi)傳統(tǒng)的涂料普遍存在懸浮穩(wěn)定性差、不耐老化、耐洗刷性差、光潔度不高等缺陷。納米復(fù)合涂料就是將納米粉體用于涂料。

所得到的一類具有耐老化、抗輻射、剝離強(qiáng)度高或具有某些特殊功能的涂料。在建材(特別是建筑涂料)方面的應(yīng)用已經(jīng)顯示出了它的獨(dú)特魅力。

同一種納米粒子在不同粒徑下會有不同的作用，不同種類的納米粒子也可以在涂料中起相同的作用。按納米復(fù)合涂料的用途可歸納為以下幾種：

1、光學(xué)應(yīng)用納米復(fù)合涂料

納米粒子的粒徑遠(yuǎn)小于可見光的波長400～750nm，具有透過作用，從而保證了納米復(fù)合涂料具有較高的透明性。納米粒子對紫外線具有較強(qiáng)的吸收作用。在外墻建筑涂料中添加TiO2、SiO2等納米粒子以提高耐候性，在汽車面漆中添加TiO2以提高汽車涂料的耐老化性等。納米SiO2是無定型白色粉末(指其團(tuán)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)。一般來講，納米粒子表面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”。觸變性是納米二氧化硅改善傳統(tǒng)涂料各項(xiàng)性能的主要因素。徐國財(cái)?shù)热送ㄟ^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(shí)驗(yàn)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(qiáng)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。特別是金紅石型超細(xì)TiO2在汽車面漆中還可起到效應(yīng)顏料作用，與其它片狀效應(yīng)顏料如鋁粉顏料或珠光顏料并用時，會產(chǎn)生伴有乳光的隨角異色性，可用于豪華轎車面漆，這是目前納米TiO2的最大用途，也是國外納米材料在涂料中應(yīng)用最為成功的例子之一。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，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(jī)物質(zhì)，起抗菌和除臭作用。具有這一性質(zhì)的光催化劑可用于環(huán)保涂料中，納米ZnO加入涂料可顯著提高涂料的耐人工老化能力。

2、吸波納米復(fù)合涂料

由于納米超細(xì)粉末尺寸非常小，具有吸收電磁波的性能，它們對不同波長的雷達(dá)波和紅外線具有很強(qiáng)的吸收作用。因此，被納米顆粒改性后的涂料可成為軍事上用的隱身涂料。美國曾報(bào)道過一種“超”黑體納米吸收材料，即超細(xì)石墨粉納米吸波涂料，對雷達(dá)波的吸收率可達(dá)99%。國外用納米級羰基鐵粉、鎳粉、鐵氧體粉末已成功配制了軍事隱身涂料，涂到飛機(jī)、軍艦、導(dǎo)彈、潛艇等武器裝備上，使其具有隱身性能。納米涂層材料由于具有吸收頻帶寬、重量輕、厚度薄等優(yōu)點(diǎn)，可望在未來軍事隱身化方面大展身手。

3、納米自潔抗菌涂料

光的照射可以引起TiO2表面在納米區(qū)域形成親水性及親油性兩相共存奇妙的超雙親性。如將國內(nèi)已經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)的納米抗菌粉用于涂料中，可制得納米殺菌涂料，涂覆于建材產(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、保潔作用。納米TiO2顆粒在波長小于400nm的光照下，能吸收高于其禁帶寬度的短波光輻射，產(chǎn)生電子躍遷，使價(jià)帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶，并形成電子-空穴對，將能量傳遞到周圍介質(zhì)，誘導(dǎo)光化學(xué)反應(yīng)，從而具有光催化性能。

納米ZnO也是一種高效殺菌劑，納米氧化鋅在紫外線照射下，在水和空氣(氧氣)中能自行分解出帶負(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(qiáng)的化學(xué)活性，能與多種有機(jī)物發(fā)生氧化反應(yīng)(包括細(xì)菌內(nèi)的有機(jī)物)，從而把大多數(shù)病菌和病毒殺死。西北大學(xué)曾進(jìn)行過納米氧化鋅的定量殺菌試驗(yàn)，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。

4、 納米導(dǎo)電涂料

日本松下公司已研制成功具有良好靜電屏蔽作用的納米復(fù)合涂料，所用的納米粒子有Fe2O3、TiO2、ZnO等。這些具有半導(dǎo)體特性的納米氧化物粒子在室溫下具有比常規(guī)的氧化物高的導(dǎo)電特性，同時，納米氧化物粒子的顏色不同，這種涂料不但具有靜電屏蔽特性，而且克服了涂料顏色的單調(diào)性。

5、納米高力學(xué)性能涂料

當(dāng)涂料的重要組成部分顏料顆粒達(dá)到納米級大小并分散在涂膜中時，由于比界面很大，具有很大的結(jié)合力，對有機(jī)涂層有一定的增強(qiáng)作用，提高了涂層的硬度、抗沖擊性和耐磨性。此外，納米顆粒還可以降低涂層在干燥過程中的殘余應(yīng)力，從而增強(qiáng)涂層的附著力。研究表明，納米SiO2顆粒在紫外光固化涂料中可明顯提高涂膜的硬度和附著力，并且經(jīng)納米材料改性后的家具表面漆、汽車面漆的耐磨性和耐刮傷性也有很大提高。