浅谈纳米材料在化工生产中的应用

浅谈纳米材料在化工生产中的应用

发表时间：2009-04-07T10:47:58.483Z 来源：《科海故事博览•科教创新》2009年第2期供稿作者：任雪松[导读] 纳米材料的应用前景十分广阔。

摘要：本文从纳米材料在催化方面、涂料方面、其它精细化工方面和医药方面的应用等几个方面探讨了其在化工生产中的应用。关键词：纳米技术化工生产催化应用

有人曾经预测在21世纪纳米技术将成为超过网络技术和基因技术的“决定性技术”，由此纳米材料将成为最有前途的材料。它所具有的独特的物理和化学性质，使人们意识到它的发展可能给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带来新的机遇。纳米材料的应用前景十分广阔。近年来，它在化工生产领域也得到了一定的应用，并显示出它的独特魅力。

一、纳米材料在工程上的应用

纳米材料的小尺寸效应使得通常在高温下才能烧结的材料如 Si C, BC等在纳米尺度下在较低的温度下即可烧结 ,另一方面 ,纳米材料作为烧结过程中的活性添加剂使用也可降低烧结温度 ,缩短烧结时间。由于纳米粒子的尺寸效应和表面效应 ,使得纳米复相材料的熔点和相转变温度下降 ,在较低的温度下即可得到烧结性能良好的复相材料。由纳米颗粒构成的纳米陶瓷在低温下出现良好的延展性。纳米 Ti O2 陶瓷在室温下具有良好的韧性 ,在 1 80°C下经受弯曲而不产生裂纹。纳米复合陶瓷具有良好的室温和高温力学性能 ,在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等方面具有广泛的应用 ,在许多超高温、强腐蚀等许多苛刻的环境下起着其它材料无法取代的作用。随着陶瓷多层结构在微电子器件的包封、电容器、传感器等方面的应用 ,利用纳米材料的优异性能来制作高性能电子陶瓷材料也成为一大热点。有人预计纳米陶瓷很可能发展成为跨世纪新材料 ,使陶瓷材料的研究出现一个新的飞跃。纳米颗粒添加到玻璃中 ,可以明显改善玻璃的脆性。无机纳米颗粒具有很好的流动性 ,可以用来制备在某些特殊场合下使用的固体润滑剂。

二、纳米材料在涂料方面的应用

纳米材料由于其表面和结构的特殊性，具有一般材料难以获得的优异性能，显示出强大的生命力。表面涂层技术也是当今世界关注的热点。纳米材料为表面涂层提供了良好的机遇，使得材料的功能化具有极大的可能。借助于传统的涂层技术，添加纳米材料，可获得纳米复合体系涂层，实现功能的飞跃，使得传统涂层功能改性。涂层按其用途可分为结构涂层和功能涂层。结构涂层是指涂层提高基体的某些性质和改性；功能涂层是赋予基体所不具备的性能，从而获得传统涂层没有的功能。结构涂层有超硬、耐磨涂层，抗氧化、耐热、阻燃涂层，耐腐蚀、装饰涂层等；功能涂层有消光、光反射、光选择吸收的光学涂层，导电、绝缘、半导体特性的电学涂层，氧敏、湿敏、气敏的敏感特性涂层等。在涂料中加入纳米材料，可进一步提高其防护能力，实现防紫外线照射、耐大气侵害和抗降解、变色等，在卫生用品上应用可起到杀菌保洁作用。在标牌上使用纳米材料涂层，可利用其光学特性，达到储存太阳能、节约能源的目的。在建材产品如玻璃、涂料中加入适宜的纳米材料，可以达到减少光的透射和热传递效果，产生隔热、阻燃等效果。

日本松下公司已研制出具有良好静电屏蔽的纳米涂料，所应用的纳米微粒有氧化铁、二氧化钛和氧化锌等。这些具有半导体特性的纳米氧化物粒子，在室温下具有比常规的氧化物高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用，而且氧化物纳米微粒的颜色不同，这样还可以通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色，克服炭黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。纳米材料的颜色不仅随粒径而变，还具有随角变色效应。在汽车的装饰喷涂业中，将纳米TiO2添加在汽车、轿车的金属闪光面漆中，能使涂层产生丰富而神秘的色彩效果，从而使传统汽车面漆旧貌换新颜。纳米SiO2是一种抗紫外线辐射材料。在涂料中加入纳米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光洁度及强度成倍地增加。纳米涂层具有良好的应用前景，将为涂层技术带来一场新的技术革命，也将推动复合材料的研究开发与应用。

三、纳米材料在催化方面的应用

催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10～15倍。

光催化反应涉及到许多反应类型，如醇与烃的氧化，无机离子氧化还原，有机物催化脱氢和加氢、氨基酸合成，固氮反应，水净化处理，水煤气变换等，其中有些是多相催化难以实现的。半导体多相光催化剂能有效地降解水中的有机污染物。例如纳米TiO2，既有较高的光催化活性，又能耐酸碱，对光稳定，无毒，便宜易得，是制备负载型光催化剂的最佳选择。已有文章报道，选用硅胶为基质，制得了催化活性较高的TiO／SiO2负载型光催化剂。Ni或Cu一Zn化合物的纳米颗粒，对某些有机化合物的氢化反应是极好的催化剂，可代替昂贵的铂或钮催化剂。纳米铂黑催化剂可使乙烯的氧化反应温度从600℃降至室温。用纳米微粒作催化剂提高反应效率、优化反应路径、提高反应速度方面的研究，是未来催化科学不可忽视的重要研究课题，很可能给催化在工业上的应用带来革命性的变革。

四、纳米陶瓷材料增韧改性

陶瓷材料作为材料的三大支柱之一 ,在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。但是 ,由于传统陶瓷材料质地较脆 ,韧性、强度较差 ,因而使其应用受到了较大的限制。随着纳米技术的广泛应用 ,纳米陶瓷随之产生 ,希望以此来克服陶瓷材料的脆性 ,使陶瓷具有象金属一样的柔韧性和可加工性。英国著名材料专家 Cahn指出纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。所谓纳米陶瓷 ,是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料 ,也就是说晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上。要制备纳米陶瓷 ,这就需要解决 :粉体尺寸、形貌和分布的控制 ,团聚体的控制和分散 ,块体形态、缺陷、粗糙度以及成分的控制。Gleiter指出 ,如果多晶陶瓷是由大小为几个纳米的晶粒组成 ,则能够在低温下变为延性的 ,能够发生 100%的塑性形变。并且发现 ,纳米 Ti O2陶瓷材料在室温下具有优良的韧性 , 在180℃经受弯曲而不产生裂纹。

许多专家认为 ,如能解决单相纳米陶瓷的烧结过程中抑制晶粒长大的技术问题 ,从而控制陶瓷晶粒尺寸在 50nm以下的纳米陶瓷 ,则它将具有的高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等传统陶瓷无与伦比的优点。上海硅酸盐研究所研究发现 ,纳米 3Y-TZP陶瓷 ( 100nm左右 )在经室温循环拉伸试验后 ,其样品的断口区域发生了局部超塑性形变 ,形变量高达38 0% ,并从断口侧面观察到了大量通常出现在金属断口的滑移线。Tatsuki等人对制得的 Al2O3-Si C纳米复相陶瓷进行拉伸蠕变实验 ,结果发现伴随晶界的滑移 , Al2O3晶界处的纳米 Si C粒子发生旋转并嵌入Al2O3晶粒之中 ,从而增强了晶界滑动的阻力 ,也即提高了Al2O3-Si C纳米复相陶瓷的蠕变能力。