關于納米涂料的研究開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化
發(fā)布日期:2007-07-14 09:14:06 閱讀數(shù):10263
一、前言
塗料按用途可分為建築塗料、汽車塗料、船舶塗料、罐頭塗料、飛機塗料、家電塗料、木器塗料、橋樑塗料、塑膠塗料、紙張塗料等，按功能則可分為裝飾塗料、防腐防銹塗料、耐高溫塗料、防黴抗菌塗料、隔熱塗料、導電塗料、絕緣塗料、隱身/偽裝塗料、熱敏塗料、靜電屏蔽塗料、防輻射塗料、防火塗料、隔音塗料等，可以說是品種繁多，性能各異，用途十分廣泛。鑒於塗料品質的好壞直接影響到汽車、建材、儀器儀錶、電子產(chǎn)品、船舶、飛機等產(chǎn)品的檔次和市場競爭力，以及環(huán)境保護的壓力，各國都在投鉅資進行環(huán)保型塗料和功能性塗料的研究開發(fā)。以美國為例，美國2000年塗料年產(chǎn)量約為670萬噸，其中環(huán)保型塗料（水性、高固體分、粉末、光固化）已從1990年51％上升到現(xiàn)在的85％左右，傳統(tǒng)的溶劑性塗料則由49％下降至現(xiàn)在的15％左右。功能性塗料則占塗料總量的一大半。國內塗料年產(chǎn)量則約為200萬噸，且傳統(tǒng)的溶劑性塗料仍占58．5％以上，環(huán)保型塗料則僅占41．5％，並且其中大多數(shù)為建築塗料，功能性塗料所占比例極少。據(jù)國外權威機構預測世界塗料市場如下表所示（億美元）。
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國家
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1998年
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2004年
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2009年
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美國
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180
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230
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280
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英國（歐洲）
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160
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200
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260
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中國
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30
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60
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150
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進入新世紀以來，納米技術作為三大主要研究方向（生物、資訊、納米）之一，受到了人們的廣泛關注與重視，納米粒子由於具有表面效應、小尺寸效應、量子尺寸效應、宏觀量子效應等特殊性質，將其用於塗料中後，可使塗層的光學性能、磁性能、電性能、力學性能得到大大提高或顯示新的功能，可以大大提高汽車、建材、儀器儀錶、船舶、飛機等產(chǎn)品的檔次和市場競爭力，因而也引起了高分子材料和塗料工作者的濃厚興趣，有關於納米塗料研究的報導、專利申請越來越多，納米塗料產(chǎn)品在國內外市場上都有問世。本文就目前國內外納米塗料的研究開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀作一個闡述，並對中國納米塗料的研究開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化前景談談自己的一些看法，供我國決策部門、科技工作者和產(chǎn)業(yè)界參考。
二、納米塗料的定義和基本概念
納米塗料一般都是由納米材料與有機塗料複合而成的，因此，更科學地講應稱作納米複合塗料 （BAS_BAS_Nanocomposite coating）。普遍認為，必須滿足兩個條件才能稱為納米塗料：一是至少含一相尺寸在 1-100nm之間，二是由於納米相的存在而使塗料性能得到顯著提高或有新功能，二者缺一不可。廣義地講，納米塗層材料還包括另外兩種：金屬納米塗層材料和無機納米塗層材料。金屬納米塗層材料主要是指材料中含有納米晶相，無機納米塗層材料則由納米粒子之間的熔融、燒結複合而得。我們經(jīng)常所說的納米塗料均為有機納米複合塗料。之所以叫納米塗料，正如納米塑膠、納米陶瓷等一樣，只是一個習慣叫法而已，嚴格的說，也應稱為納米複合塑膠、納米複合陶瓷。玻璃鋼，既不是玻璃也不是鋼，而是玻纖增強不飽和聚酯，但國內就叫玻璃鋼。
有關納米塗料酌定義和叫法需要進一步指出的是：①並不是用了納米材料的塗料都是納米塗料；②並不是性能很好就是納米塗料；③納米複合塗料的叫法更科學，但作為習慣，叫納米塗料也未嘗不可。例如，我們稱丙烯酸乳膠漆，大多數(shù)情況下我們給客戶介紹它也是環(huán)保塗料；水性木器漆，我們給客戶介紹它也是環(huán)保塗料。因此，某種塗料，如建築塗料，如果它確實滿足了納米塗料的兩個條件，我們也可以同時稱它為納米塗料，只是不要刻意去炒作就行：④在國外，許多塗料產(chǎn)品均使用了納米技術，但出於技術保密，並沒有直接稱作納米塗料。
三、國內外納米塗料的研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀
國外在納米塗料的研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面起步較早，美國研究開發(fā)成功並已進行產(chǎn)業(yè)化的有具有隨角異色性的豪華轎車面漆、軍事隱身塗料、絕緣塗料等，另外，還開展了光致變色塗料（納米BAS_BAS_SiO2與有機顏料的結合）、透明耐磨塗料、包裝用阻隔性塗層等納米塗料的研究。日本則在靜電屏蔽塗料、光催化自清潔塗料的研究開發(fā)方面取得了成功並實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。德國政府在1992—1996年間對納米塗料的開發(fā)投入了大量的科研經(jīng)費，1997—1999年為納米塗料產(chǎn)業(yè)化時間，在此期間年產(chǎn)值為20億馬克，至1999—2000年，納米塗料年產(chǎn)值猛增到200億馬克。
國內納米塗料的發(fā)展大多剛剛起步，主要集中在改善建築外牆塗料的耐候性和建築內牆塗料的抗菌性方面，二者基本上已研製成功，正在進行產(chǎn)業(yè)化準備工作。而在工業(yè)用塗料、航空航太用塗料以及功能性塗料的研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面則落後於發(fā)達國家。
四、中國納米塗料的研究開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化前景
納米材料種類繁多，性能各異，即使同一種納米粒子在不同粒徑下也可能會有不同的功能，不同種類的納米粒子也可以在塗料中起到同一作用。因此，用在塗料中也可能表現(xiàn)出不同的特性，需要進行大量的研究開發(fā)工作，才有可能得到性能理想的納米塗料。結合到納米塗料的產(chǎn)業(yè)化前景，筆者認為，可以優(yōu)先開展下列幾方面的研究開發(fā)工作：
1、改善塗料的耐候性
某些納米粒子對紫外線則具有較強的吸收作用，現(xiàn)市場上銷售的納米BAS_BAS_TiO2、BAS_BAS_SiO2、ZnO等顆粒填充於塗料中，可顯著提高塗料的紫外線吸收性，從而提高戶外用塗料的耐候性。比如用來提高外牆建築塗料的耐候性，汽車面漆的耐老化性、橋樑塗料、塑膠塗料、木器塗料等的耐老化性，使塗層的壽命提高50％或一倍以上。
2、改善塗料的電磁性
隨著當前高科技產(chǎn)品的崛起，尤其是電子工業(yè)的迅猛發(fā)展，電磁波的廣泛應用，尤其是微波在通訊、航空、航太、家用電器、現(xiàn)代軍事方面的普及應用，電磁波的輻射污染，也成為人類的第四大公害。因為電磁波是一種熱效應，當它的頻率大於人體的調節(jié)頻率時，就會燒傷人體的各部組織，而高頻電波（100MHz以上）如各廣播電視的發(fā)射臺，各飛機導航塔，各微波通訊臺、塔、手機、對講機、微波爐、電腦等及各高頻醫(yī)療器械的輻射污染對人體的危害、已大大超過了人們的想像程度，它對人體的視覺系統(tǒng)、大腦細胞、生殖系統(tǒng)、血液、尤其是對胎兒的危害極其嚴重，現(xiàn)代醫(yī)學研究成果表明：電磁波輻射污染已成為人類的“無形殺手”。
因此，對電磁波的遮罩及防止電磁波輻射污染和人體對電磁波輻射污染的防護，就成了當前急待解決的重大課題。利用納米粒子的靜電屏蔽性，可制得靜電屏蔽塗料，與傳統(tǒng)碳黑填充的防靜電塗料相比，其具有更優(yōu)異的防靜電性能，而且由於不同納米粒子吸收不同的可見光波段，因此可通過選用不同的納米粒子來調節(jié)防靜電塗料的顏色，對解決移動電話、對講機、飛機客艙遮罩、電腦、電視、微波爐、通訊電纜各保密室的遮罩及在各強場強環(huán)境下工作的，如各微波通訊站、廣播電視臺、塔和在電腦前工作的人員的人體防護，提供了可靠的遮罩材料。
某些納米材料如納米金屬（Fe、Co、Ni等）與合金的複合粉體、納米氧化物（BAS_BAS_Fe3O4、BAS_BAS_Fe2O3、 ZnO、BAS_BAS_NiO2、BAS_BAS_TiO2、BAS_BAS_MoO2等）的粉體、納米石墨、納米碳化矽及混合物粉體等，可用於製備出吸收不同頻段電磁波的納米複合塗料，作為軍事隱身塗料，塗敷到飛機、軍艦、導彈、潛艇等武器裝備上，使該裝備具有隱身性能。由於納米塗層材料具有吸收頻帶寬、重量輕、厚度薄等優(yōu)點，因而可望在未來軍事隱身化方面大展身手。
3、改善塗料的力學性能
某些納米材料用於塗料中，可以大幅度提高有機塗層的力學性能，如塗層的耐磨性、耐劃傷性、硬度、強度、韌性等，可以用於汽車面漆、汽車玻璃、眼鏡鏡片、建築物玻璃、地板、船艦易磨損易腐蝕金屬部件等的保護，大大延長產(chǎn)品的使用壽命。
4、改善塗料的抗菌性和大氣淨化性
將納米抗菌粉用於塗料中，則可制得殺菌塗料，塗覆在建材產(chǎn)品，如衛(wèi)生潔具、室內空間、用具、醫(yī)院手術間和病房的牆面、地面等，起到殺菌、保潔效果。利用Ti02、ZnO、CdS、WO3等納米粒子的光催化特性，可制得光催化淨化大氣環(huán)保塗料。比如，採用聚矽氧烷、銳鈦級納米BAS_BAS_TiO2、填料和溶劑複合可制得大氣環(huán)保塗料，能將大氣中 NOx轉化成硝酸，可塗覆在高速公路、橋樑、建築物、看板的表面上，或在需要的地方專門設置淨化面板等。
5、其他功能性塗料
採用納米技術可製成介面塗料，其塗膜介面為超雙親性二元協(xié)同介面（既疏水又避油），將這種塗料塗在建築材料（如玻璃、陶瓷等），任何油質、水、灰塵等都不能存留於表面，可保持用玻璃和陶瓷等掛麵的建築物長期一塵不染，也會使浴室內的大鏡子以及人戴的眼鏡在任何情況下也不會產(chǎn)生霧氣。
利用納米粒子對紅外線的吸收和反射性能，將它們與有機塗料複合後制得的隔熱塗料，可廣泛用於玻璃幕牆、汽車玻璃、海上鑽井平臺、油罐、石油管道、汽車、火車、飛機表面、船殼、甲板、坦克、軍艦、太空船表面等場合的隔熱。
將納米鋁酸鹽用於塗料中，可以儲存自然光或燈光的光能，當外來光停止後再緩慢地以光的形式釋放出來，可發(fā)出多種顏色的光，而且發(fā)光的持續(xù)時間是傳統(tǒng)發(fā)光材料的幾十倍，而且理化性能穩(wěn)定，可在暗處用於低度照明和指示。這種發(fā)光塗料可以用於建築、藝術裝潢、公共場所的安全通道、危險場所的警示等。
五、結語
納米技術為塗料工業(yè)的發(fā)展提供了一個難得的發(fā)展機遇，鑒於塗料本身具有十分廣闊的市場前景 （千億級人民幣／年的市場），而塗料品質的好壞 （高，性能、功能化、環(huán)保型、低成本）又直接影響到汽車、建材、機械、石油化工、電子產(chǎn)品、船舶、飛航導彈等產(chǎn)品的檔次和市場競爭力，政府各主管部門、企業(yè)界應抓緊時間，加大相關科技開發(fā)的力度，以全面提升我國塗料工業(yè)的技術水準和其他產(chǎn)品在國際市場上的競爭力。
