纳米外墙涂料应用研究

纳米技术在外墙涂料中的应用研究

摘要：本文主要针对纳米技术的一个分支——纳米材料的主要特性以及这些特性赋予外墙涂料的某些特殊性能做了阐述，同时分析了纳米材料给涂料带来的负面影响。在此基础上提出了纳米材料在外墙涂料中应用的主要技术关键。

关键词：纳米技术；纳米材料；外墙涂料

引言：随着我国国民经济的持续发展和人民生活水平的提高, 人们对美观耐用的高性能外墙涂料的需求不断提高, 且随着保护环境的观念不断深入人心, 对外墙涂料也提出了更高的要求。在欧美发达国家, 建筑外墙采用高档涂料装饰已占80% , 外墙涂料占涂料消耗总量30%~ 50%。我国外墙涂料仅占建筑外墙装饰材料的10% 左右, 而且品质档次也较低[1]。近年来, 国内外墙涂料向水性化、环保型方向发展, 向三高一低( 高装饰性、高耐候性、高耐沾污性和低污染)的方向发展。结合以上要求, 将纳米材料和技术应用于外墙涂料, 为外墙涂料向高质量、高档次、环保型、多功能化方向发展提供新契机.近年来，国内外开始重视纳米技术在各领域的应用研究。在建筑涂料体系中引入纳米粒子或纳米结构，与涂料树脂相复合，基于纳米粒子的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等特殊性质，使得建筑涂料性能得到显著提高或被赋予新功能的研究引起了大家的注意，但处于探索研究阶段。

纳米技术是研究由尺寸在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。纳米技术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[3]。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、纳米材料的特性及其在外墙涂料中的应用：

1.1纳米材料的光学效应及其应用：

由于纳米粒子的粒径小、表面分散率高，对不同波长的光线会产生不同反射、散射、吸收作用。纳米粒子的直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。可产生随入射角不同的变色作用{4}。粒径小于300nm的纳米材料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作用相结合，赋予纳米二氧化硅、二氧化钛、氧化锌等填充的涂料以消毒杀菌和自清洁作用【5】、。用于外墙涂料还可以提高耐候性和抗污染能力。某些粒径小于100纳米的纳米材料对放射性ā、ß射线具有吸收和散射作用，可提高涂层防辐射能力，在内墙涂料中可起到防氡气的作用。

1.2纳米的表面活性及其应用：

纳米材料极大的表面积和近似大分子水平的粒径决定其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[6]。纳米SiO2以及硅酸盐为主的纳米改性膨润图可极大的改变涂料的流变性，提高其开罐——芳沉降和良好触变性和施工性能——仿流挂。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学催化的反应能力，在紫外线和氧的作用给予涂层的自清洁能力。表面与成膜物质的官能团可能与化学键结合，极大的的增家涂层的刚性和强度。这样的材料用于内外墙涂料可以显著提高涂层的抗污性。

1.3纳米材料的小体积效应及作用：

纳米级的颜料和填料可以极大的减少涂料中的颜料与成膜物之间的自由体积，协同的得到增强的成膜物与纳米填料的结合力从而大大的提高填料比，改进涂层的机械强度，减少毛细管而提高涂层的屏蔽作用[6]。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改进底油漆涂层的界面结合。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[7]。

1.4量子尺寸效应

纳米粒子尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由连续能级变为分立能级的现象称为量子尺寸效应。。这一效应使纳米粒子具有高的光学线性、特异催化性等[6]。宏观物质含有无限个原子（即N趋向于正无穷），则能级间距趋向与零；而纳米材料含有的原子数有限，即N值较小，这就导致能级具有一定的数值，即能级间距发生分裂，能级的平均间距与纳米晶粒中自由电子的总数成反比。

量子尺寸效应最明显的影响就是纳米材料吸收光谱的边界蓝移，这是由于在半导体纳米晶粒中，光照产生的电子和空穴不再自由，即存在库伦作用，此电子一空穴对类似宏观晶体材料中的激子。由于空间的强烈束缚导致激子吸收峰蓝移，边带及导带中更高激发态均相应蓝移，并且电子空穴对的有效质量越小，电子和空穴受到影响越明显，吸收值就越向光子能量偏移，尺寸效应也越显著。纳米材料中处于分立的量子化能级中的电子波动性，将直接导致纳米材料中的一系列性能，如高度的光学非线性，特异的化学的化学催化和光催化性能[7]。

2、目前应用在内外墙涂料中的纳米材料以及纳米技术：

2.1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[4]。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[8]。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