纳米涂料工艺手册

纳米涂料工艺手册

目录

第一章纳米功能涂料的基本概况

1.1概述

1.2定义和特点

1.2.1定义

1.2.2特点

1.3基本原理

1.4纳米涂料分类

1.5 纳米涂料组成

第二章纳米涂料的历史

第三章纳米涂料的应用

第四章纳米功能涂料的性能

第五章纳米功能涂料的发展

第一章纳米功能涂料的基本概况

1.1概述

纳米功能涂料是一种能提供不同特殊功能的涂料。采用不同的施工工艺涂覆在干净的工件表面，形成连续，均匀的，结合牢固的固体膜，具有一定强度和不同功能，这样形成的膜通称纳米漆膜或纳米涂层。

1.2定义和特点

1.2.1定义

广义上讲，纳米涂料是指含有纳米材料的的涂料统称纳米涂料。纳米涂料是指至少含有一相尺寸在1～100nm，而且性能得到显著提高的涂料。纳米功能涂料分为两种：纳米涂料和纳米复合涂料。

纳米涂料是指全部由纳米材料组成的一种涂覆材料。复合纳米涂料是指至少有一相是纳米材料组成的复合涂料。

随着涂料应用的不断增加，对涂料的质量提出了更高的要求。在生产和使用过程中造成的对环境污染也越来越引起人们的重视。今年来，涂料的新品种、新技术不断得到了发展，特别是无溶剂、水性涂料正在逐步取代溶剂涂料，并在特殊功能上要求越来越高。纳米涂料能提供特殊的功能，其应用越来越广泛。且环保，安全，满足现代涂料技术要求。

1.2.2特点

纳米涂料因有纳米晶相粒子，具有纳米离子的特性，能够提供不同的特色功能。

（1）、纳米材料的表面效应

纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。粒径在10nm以下，将迅速增加表面原子的比例。当粒径降到1nm时，表面原子数比例达到约90%以上，原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性。

（2）、纳米材料的体积效应

由于纳米粒子体积极小，所包含的原子数很少，相应的质量极小。因此，许多现象就不能用通常有无限个原子的块状物质的性质加以说明，这种特殊的现象通常称之为体积效应。其中有名的久保理论就是体积效应的典型例子。久保理论是针对金属纳米粒子费米面附近电子能级状态分布而提出的。久保把金属纳米粒子靠近费米面附近的电子状态看作是

受尺寸限制的简并电子态，并进一步假设它们的能级为准粒子态的不连续能级，并认为相邻电子能级间距δ和金属纳米粒子的直径d的关系为：δ=4EF/3N ∞V-1 ∞1/d3 其中 N 为一个金属纳米粒子的总导电电子数；V为纳米粒子的体积；EF为费米能级。随着纳米粒子的直径减小，能级间隔增大，电子移动困难，电阻率增大，从而使能隙变宽，金属导体将变为绝缘体。

（3）、纳米材料的量子尺寸效应

当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子费米面附近电子能级由准连续变为离散能级；并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级，使得能隙变宽的现象，被称为纳米材料的量子尺寸效应。在纳米粒子中处于分立的量子化能级中的电子的波动性带来了纳米粒子的一系列特殊性质，如高的光学非线性，特异的催化和光催化性质等。当纳米粒子的尺寸与光波波长，德布罗意波长，超导态的相干长度或与磁场穿透深度相当或更小时，晶体周期性边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性出现异常。如光吸收显著增加，超导相向正常相转变，金属熔点降低，增强微波吸收等。利用等离子共振频移随颗粒尺寸变化的性质，可以改变颗粒尺寸，控制吸收边的位移，制造具有一定频宽的微波吸收纳米材料，用于电磁波屏蔽、隐型飞机等。

由于纳米粒子细化，晶界数量大幅度的增加，可使材料的强度、韧性和超塑性大为提高。其结构颗粒对光，机械应力和电的反应完全不同于微米或毫米级的结构颗粒，使得纳米材料在宏观上显示出许多奇妙的特性，例如：纳米相铜强度比普通铜高5倍；纳米相陶瓷是摔不碎的，这与大颗粒组成的普通陶瓷完全不一样。纳米材料从根本上改变了材料的结构，可望得到诸如高强度金属和合金、塑性陶瓷、金属间化合物以及性能特异的原子规模复合材料等新一代材料，为克服材料科学研究领域中长期未能解决的问题开拓了新的途径。

因而大大改变了涂料的特性，提供了不同的功能。粒度进入纳米尺度，材料表面活性中心的增多可提高其化学催化和光催化的反应能力，在紫外线和氧气的作用下给予涂层自清洁能力；表面活性中心与成膜物质的官能团可发生次化学键结合，大大增加涂层的刚性和强度，从而改进涂层的耐划伤性；高表面能的纳米材料表面经过改性可以获得同时憎水和憎油的特性，用于内外墙涂料可以显著提高涂层的抗污性并可提高耐候性；某些粒径小于100nm的纳米材料，对、Y射线具有吸收和散射作用，可提高涂层防辐射的能力，在内

外墙涂料中可起到防氡气的作用；将纳米材料用在底漆中，可以增加底漆与基材的附着力，提高机械强度，且纳米级的颜料与底漆的强作用力及填充效果，有助于改进底漆一涂层的界面结合；纳米材料在面漆中可起到表面填充和光洁作用，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；纳米二氧化钛添加到建筑外墙涂料中，可将乳胶漆的耐候性提高到一个新的等级，同时还使乳胶漆的耐老化性能有很大的提高；纳米氧化锌添加到外墙涂料中，能使涂层具有屏蔽紫外线、吸收红外线以及杀菌防毒作用。

1.3纳米涂料的基本作用原理

1.3.1黏结力和内聚力

生产和使用纳米涂料的目的是为了得到满足要求的涂膜，涂膜的形成是依靠涂料中成膜物所产生的对基材的黏结力和涂料组成内部分子间的内聚力来完成的。

黏结力是涂膜和基材之间的结合力，是外向的力，涂料成膜物对基材的黏结力越强，漆膜附着力越好。内聚力是涂料内部分子的集结力，是内向的力，内聚力越小，漆膜层间易断裂，漆膜易老化，内聚力越大，漆膜黏结力差，伸缩小或聚合物不易溶解，使涂料的各组分分散性能不好，流平性差。

1.3.2成膜机理

纳米涂料的成膜机理和普通涂料的成膜机理基本相似。物理固化成膜和化学固化成膜。纳米涂料的成膜既可以是单一成膜机理，也可以是两种机理结合成膜。

（1）物理成膜

物理固化成膜是指涂膜的形成仅仅依靠涂料中分散介质的挥发，成膜粒子在一定条件下互相凝聚（靠近、接触、挤压而聚集）而获得固化成膜的过程，没有发生化学反应，无物质的转化。

（2）化学成膜

化学固化成膜是指涂膜的形成低分子化合物与基材金属离子、氧气、固化剂及自身官能团通过化学反应生成网状的不溶性物质的过程。

1.4 纳米涂料的分类

前面已经讲过，纳米功能涂料分为两种：纳米涂料和复合纳米涂料。按对环境功能作用或性能分为：特种功能涂料、特种表面性能涂料、特种装饰涂料。

1.4.1特种功能涂料