纳米建筑材料

浅谈纳米技术

施赟豪

摘要：纳米技术是２０世纪８０年代末诞生并正在崛起的新技术。新兴的纳米材料技术，在多个领域得到了重要的应用，尤其是在新型建筑材料方面应用尤为广泛。近年来,国内外开始探索纳米材料和纳米技术在建材中的发展及应用工作,并取得了一些可喜的成果。文章介绍了纳米技术在新型建筑涂料、金属、陶瓷、水泥、混凝土、防护外表等方面的应用，通过论述可知：纳米材料为新型建筑材料的发展提供了广阔的空间。

关键词：纳米技术建筑材料

1.引言

纳米技术是二十世纪80年代末诞生并正在崛起的新技术,主要是指在0.1~100nm尺度范围内,研究物质组成体系中电子、原子和分子运动规律与相互作用,其研究目的是按人的意志直接操纵电子、原子或分子,研制出人们所希望的、具有特定功能特性的材料和制品。纳米技术是高度交叉的综合性学科,它主要包括:纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学、纳米机械学。纳米技术已应用于建筑材料、光学、医药、半导体、信息通讯、军事等领域。目前,纳米材料技术是唯一可以实现的纳米技术。纳米材料以其特有的光、电、热、磁等性能为建筑材料的发展带来一次前所未有的革命。利用纳米材料的随角异色现象开发的新型涂料,利用纳米材料的自洁功能开发的抗菌防霉涂料、PPR供水管,利用纳米材料具有的导电功能而开发的导电涂料,利用纳米材料屏蔽紫外线的功能可大大提高PVC塑钢门窗的抗老化黄变性能,利用纳米材料可大大提高塑料管材的强度等。由此可见,纳米材料在建材中具有十分广阔的市场应用前景和巨大的经济、社会效益。

2.纳米材料及特性

2.1纳米复合涂料

纳米复合涂料可分为纳米改性涂料和纳米结构涂料。利用纳米粒子的某些功能对现有涂料进行改性,提高涂料的性能,这种涂料称为纳米改性涂料;使用某些特殊工艺制备的涂料,其中某种特别组分的细度在纳米级,这种涂料称为纳米结构涂料。

2.1.1纳米自洁抗菌涂料

光的照射可以引起TiO2表面在纳米区域形成亲水性及亲油性两相共存奇妙的超双亲性。如将国内已经工业化生产的纳米抗菌粉用于涂料中,可制得纳米杀菌涂料,涂覆于建材产品,如卫生洁具、室内空间、用具、医院手术间和病房的墙面、地面等,起到杀菌、保洁作用。纳米TiO2颗粒在波长小于400nm的光照下,能吸收高于其禁带宽度的短波光辐射,产生电子跃迁,使价带电子被激发到导带,并形成电子-空穴对,将能量传递到周围介质,诱导光化学反应,从而具有光催化性能。

2.1.2纳米导电涂料

日本松下公司已研制成功具有良好静电屏蔽作用的纳米复合涂料,所用的纳米粒子有Fe2O3、TiO2、ZnO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,同时,纳米氧化物粒子的颜色不同,这种涂料不但具有静电屏蔽特性,而且克服了涂料颜色的单调性。

2.1.3纳米高力学性能涂料当涂料的重要组成部分颜料颗粒达到纳米级大小并分散在涂膜中时,由于比界面很大,具有很大的结合力,对有机涂层有一定的增强作用,提高了涂层的硬度、抗冲击性和耐磨性。此外,纳米颗粒还可以降低涂层在干燥过程中的残余应力,从而增强涂层的附着力。研究表明[8],纳米SiO2颗粒在紫外光固化涂料中可明显提高涂膜的硬度和附着力,并且经纳米材料改性后的家具表面漆、汽车面漆的耐磨性和耐刮伤性也有很大提高。

2.2纳米玻璃

最近,美国两大玻璃制造企业分别宣布,他们利用纳米技术研制成功了新型的“自净玻璃”,

即给玻璃“穿上”40nm厚的二氧化钛“外套”,相当于头发丝粗细的1/1,500,这层纳米外套使它具有不同与传统玻璃的特点:

(1)自我清洁:这种纳米膜与太阳光线中的紫外线发生反应,能产生双重作用:一是把落在玻璃上的有机物分解掉;二是使玻璃表面产生亲水性,把雨点或雾气变成一个薄层而使玻璃表面湿润,并且洗掉玻璃表面的脏物。通常,这个涂层被光照五天后,夜间也能坚持“工作”。

(2)净化空气:这种玻璃在“自洁”的同时,纳米涂层还能不断分解甲醛、苯、氨等有害气体,杀灭空气中的各种细菌和病毒,有效地净化空气,减少了室内污染。

2.3纳米塑料

从广义来说纳米塑料的定义分两个层次。第一个层次是指把高分子做成纳米结构单元,用它再合成这种材料叫纳米塑料。这种塑料正在基础研究阶段。另一个层次是指把无机纳米粒子分散到有机聚合物基体中形成的有机/无机纳米复合材料。这也是我们常说的纳米塑料。中国科学院化学所工程塑料国家重点实验室的漆宗能研究员率领的小组,利用插层复合技术,将我国丰产的天然纳米材料一蒙脱土粘土矿物(由成千上万个厚度为一纳米、长度为几十到几百纳米的小片层结成的颗粒)均匀分散到聚合物中,从而形成纳米塑料。检测结果表明,纳米塑料与常规增强塑料相比,呈现出优异的物理力学性能:

(1)高强度和高耐热性

用插层复合技术制备的纳米塑料可将无机物的刚性、尺寸稳定性和热稳定性与聚合物的韧性、可加工性完美地结合起来。含有少量粘土的纳米塑料与常规玻纤或矿物增强复合材料的刚性、强度、耐热性相当。同时,由于纳米粒子尺寸小于可见光波长,纳米塑料具有高的光泽和良好的透明度。

(2)高阻隔及自熄灭性

由于聚合物基体与蒙脱土片层的良好结合。通过控制纳米硅酸盐片层的平面取向,纳米塑料制品表现出良好的尺寸稳定性和很好的气体(包括水蒸气)阻隔性.如尼龙6lun复合材料的氧气透过率与纯的尼龙相比降低了一半,水蒸气的透过率降低了三分之一以上。一些纳米塑料还具有阻燃白熄灭性能。

(3)优良的加工性

纳米塑料熔体强度高,结晶速度快,熔体粘度低,因此注塑、挤出和吹塑的加工性能优良。(4)部分塑料的耐磨性是黄铜的27倍,钢铁的7倍。

2.4纳米技术在混凝土中的应用

随着社会工业化的深入发展和我国基础建设的广泛开展,水泥混凝土作为一种传统的建材,其产量和用量都在不断地增加,高性能混凝土已成为水泥基复合材料领域中的研究热点。同时,许多特殊领域要求水泥混凝土具有一定的功能性,如希望其具有吸声、防冻、高强且高韧性等功能。纳米材料由于具有小尺寸效应、量子效应、表面及界面效应等优异特性,因而能够在结构或功能上赋予其所添加体系许多不同于传统材料的性能。利用纳米技术开发新型的混凝土可大幅度提高混凝土的强度、施工性能和耐久性能。

纳米矿粉如纳米SiO2、纳米CaCO3和纳米硅粉等不但可以填充水泥的空隙,提高混凝土的流动度,更重要的是可改善混凝土中水泥石与骨料的界面结构,使混凝土的强度、抗渗性与耐久性均得以提高。

由于纳米材料的表面效应,增加了纳米材料的活性,使得纳米金属粉末具有两个特殊性能,其一是纳米金属粉末的强度、硬度高,并随着晶粒尺寸的减小,其强度、硬度不断提高,同时还表现出非常好的塑韧性;其二是纳米金属粉末是一种良好的吸波材料。利用上述纳米金属粉末的特殊性能,如果把它掺入到水泥混凝土中,可制成具有功能性的电磁屏蔽混凝土。

锐钛型纳米TiO2是一种优良的光催化剂,它具有净化空气、杀菌、除臭、表面自洁等特殊功能。利用纳米TiO2具有净化空气的特性来制备光催化混凝土,它在净化机动车排出的尾气时