纳米功能复合涂料

关于纳米功能复合涂料调查报告组员：王娟陈洋吴越常树林韩提虎方琴概述人类生产使用涂料已经有了很悠久的里历史，纳米功能涂料是从我国传统“油漆”基础上发展所形成的、能提供多种不同的特殊功能的一种新型的涂料。不论是传统的以天然物质为原料的涂料产品，还是现代发展中以合成化工产品为原料的纳米功能涂料产品，都属于有机化工高分子材料，所形成的涂膜属于高分子化合物类型。按现在的化工产品的分类，涂料属于传统的精细化工产品，而纳米功能复合涂料使涂料这种传统精细化工产品成为化工产品中一个更为重要的门类。那什么是纳米功能复合涂料？广义上讲，纳米粒子用于涂料中所得到的一类具有抗辐射、耐老化和剥离强度高或具有某些特殊功能的涂料称之为纳米功能涂料。利用纳米粒子抗紫外线等性能对涂料进行改性，提高涂料的某些性能，这种涂料应称之为纳米改性功能涂料。而使用某些特殊工艺制备的涂料，其细度在纳米量级，这种涂料应称之为纳米结构功能涂料。在建筑材料领域主要使用的是具有耐老化和抗辐射功能等要求的纳米功能涂料。作用与特点：纳米功能复合涂料涂布于物件表面，并在其表面形成涂膜，其主要作用表现如下：1.保护作用。涂料涂布于物件的表面在其表面形成涂膜，隔绝物件与外界环境因素引起的损坏。2.装饰作用。涂料能赋予被涂物表面以各种鲜艳的色彩和良好的光泽，给人以美的感受。3.功能作用。基于涂料的组成，并且与光学、声学、力学、电磁学和生物学等相结合发展起来的专业性很强、具有特殊功能的新材料。例如，漆包线漆具有电绝缘功能、产品包装变色涂料的防伪、火箭表面烧灼涂料具有耐高温功能。成膜物质颜料助剂溶剂涂料涂料的组成成膜物质：成膜物质是组成纳米功能型涂料的基础，它具有黏接涂料中其他组分形成涂膜的功能，对涂料和涂膜的性能起决定性作用。原始的涂料成膜物质是油脂，主要是植物油，现在依然在使用。不过现在大量采用树脂作为涂料的成膜物质。过去使用天然树脂作为成膜物质，现在则广泛应用合成树脂，包括热塑型和热固型树脂。1.成膜物质在涂料成膜过程中组成结构不发生变化，即成膜物质与涂膜的组成结构相同，这类成膜物质称为非转化型成膜物质，它们具有热塑性，受热软化，冷却后又变硬，多具有可溶性。由此类成膜物质构成的涂膜，具有与成膜物质同样的化学结构，也是可溶的。2.成膜物质在成膜过程种组成结构发生变化，即成膜物质形成与其原来结构完全不同的涂膜，这类成膜物质称之为转化型成膜物质。它们都具有引起化学反应的官能团，在热、氧或其他物质作用下能够聚合成与原来结构不同的网状高聚物。这种一般是热固性涂膜，通常具有网状结构。纳米功能复合涂料很少使用单一的品种作为成膜物质，而通常是采用几个树脂品种，互相补充或互相改性，以适应很多方面的性能要求。随着科学技术的进步，将会有更多的品种的合成材料应用为纳米功能涂料的成膜物质。颜料：颜料是有颜色的涂料即通称的色漆的一个主要组分。颜料使涂膜呈现色彩，并使涂膜具有一定的遮盖物件表面的能力以发挥其装饰和保护作用。颜料还能增强涂膜的机械性能和耐久性能。有些颜料还能为涂膜提供一定的特殊功能，如防腐、导电，防延燃性等。涂料一般为微细的粉末转有色物质。将其均匀的分散在成膜物质或其溶液或其分散体中之后形成色漆，在成为涂膜之后，颜料均匀的散布在涂膜中。助剂：助剂，也称为纳米功能涂料的辅助材料组分，它是涂料的一个组成部分，但不能单独形成膜，而是在涂膜后作为涂膜中的一个组分在涂膜中存在。助剂可以改进涂料中或涂膜的某一方面性能。不同品种的涂料需要不同作用的助剂。总之，助剂的使用是根据涂料和涂膜的不同要求而定的。助剂应用于纳米功能涂料时，量很少，但能起到显著的作用，因而助剂在材料中的应用越来越受到重视，已成为现代涂料生产技术的重要的内容之一。溶剂：从溶剂来分类，可分为有溶剂涂料和无溶剂涂料。前者又可以分为水性涂料和溶剂型涂料。无溶剂型涂料包括粉末涂料、光敏涂料以及干性油等。溶剂是使液态涂料完成施工过程所必须的一类组分。原则上是不构成涂膜，也不存在涂膜中。溶剂组分的作用是将涂料的成膜物质溶解或分散成液态。溶剂组分通常是可挥发性液体。溶剂品种的选用是根据涂料的成膜要求而确定的。一种涂料可以使用一个溶剂品种，也可以使用多个溶剂品种。溶剂组分虽是制备液态涂料所必须的，但在施工成膜后要挥发掉，会造成资源的损失，特别是使用具有光化学反应性的溶剂，在涂料生产和施工过程造成环境污染，危害人类健康。努力解决溶剂生产问题，是纳米功能涂料发展中的一个重要方向。纳米功能复合涂料的市场展望：最近几年，随着环保呼声越来越高，纳米功能型涂料、纳米水性涂料在全球市场中成为持续的热点，其中纳米功能性涂料表现的最为耀眼。据中国建筑装饰协会不完全统计，功能性纳米复合涂料约占建筑涂料总产量的7%~8%。而建筑用涂料占据整个涂料行业的半壁江山。最近几年国内的房地产行业的迅速发展，目前国内市场对功能性纳米涂料需求量以每年10%~15%增长。2008-2012年中国涂料市场产量及增速国内市场对功能性纳米建筑涂料需求量的增长来自两个方面。一个是每年新建房屋建筑竣工面积的增长，同时，房屋功能性涂料装饰率提高；二十近年来房屋建筑保有面积迅速增长，同时，随着人们生活水平的提高，房屋维修频率加快。因此，国内建筑装饰呈上升态势，市场规模从2003年的3826亿元，上升到2005年4500亿到2008年已经到7000亿。这无疑给建筑材料的长远发展提供了极大的市场空间。纳米功能复合涂料的分类：1.纳米导电功能复合涂料2.纳米稀土功能发光涂料3.纳米耐核辐射复合涂料4.纳米防污功能复合涂料5.纳米耐热隔热防热复合涂料6.纳米耐磨复合涂料7.纳米建筑防水功能复合涂料8.纳米防火功能复合涂料9.纳米阻尼功能复合涂料10.纳米示温复合涂料纳米防污功能复合涂料船舶污损指的是船舶水线以下的壳体长期浸没在海水中而受到海水腐蚀以及各种海生物(如贝类、海藻类、海草等)和其他污物的附着，使船壳受到污损。船舶污损会引起海洋监测仪器传动机构失灵、信号失真、性能下降、使用寿命缩短等严重问题。有数据表明，万吨以上的远洋轮，若其船底污损5%，燃油消耗则增加10%，每年的损失超过100万美元。纳米防污涂料是纳米防污基料、漆基、毒剂、颜料、助剂和溶剂所组成的。纳米防污、漆基一般采用沥青、氯化橡胶、苯烯树脂和乙烯类树脂。最初的毒剂是砷、汞等化合物，因毒性大已禁用。为此了防止船舶污损造成的损失，人们研发出了各种防污损涂料涂覆于船体以增加船舶抗污损能力。如传统的有机锡防污涂料，以及新型的由铜、锌离子或有机杀虫剂等新型功能结构涂料。尽管涂料工作者坚持不懈地努力以应对新的挑战，但是涂料性能的改进速度却远远落后于社会发展的需求。涂料与涂膜存在的一些通病例如:涂膜与底材脱离、剥落，早期起泡、锈蚀损坏、化学介质渗漏，粉化、褪色、失光，易划伤磨耗、易损坏霉和菌滋生、沾污等。不仅如此，在长期使用中还会将重金属等有毒物质逸散入水体，更会对海洋生物和生态系统构成很大的威胁。因此结合纳米材料的特殊功能，在涂料工业需要环保的前提下，长效无毒含有某些纳米尺寸组分的防污涂料及纳米量级的防污涂料将会成为海洋防污涂料的主要研制方向。纳米防污功能复合涂料的优点（1）具有广泛的抗生物谱，在足够低的浓度下可阻止附着生物的生长。（2）在海水中溶解度足够低，在保证其具有有效渗出浓度的同时，又避免过快的溶解和流失。（3）符合环境的要求，不仅对涂料的生产和施工人员无害，更重要的是对海洋生物无害。防污剂分为无机和有机防污剂两种。无机防污剂对铜粉、氧化亚铜；有机防污剂有有机锡等。（1）氧化亚铜。铜离子可以降低生物机体中主酶对生物代谢的活化作用，以此缩短生物寿命，并可使生物体内蛋白质凝固。铜类毒剂的主要成分是氧化亚铜，它对人体的毒性小，有效地防污剂，其污染程度较低。（2）有机锡。有机锡的临界渗出率只有氧化亚铜的1/10，其种类很多，主要有三丁基锡和三苯基锡两大类。有机锡和氧化亚铜合用，其效果非常明显。有机锡容易通过反应成膜制成自抛光防污涂料。（3）有机化合物。有机化合物作为毒料的有DDT、四甲基秋兰姆二硫代物（百菌清）等。DDT对纺织藤壶等贝类有特效，常做氧化亚铜和有机锡的辅助毒料。纳米防污功能复合涂料现状现在大量使用的氧化亚铜虽然对人体的伤害不大，但对某些鱼类和鲸的毒性指标大于24h。苏伊士运河中Cu2+含量超过正常海水的20倍。从长远来看，铜化合物作为防污剂会被逐渐限制使用。国外无毒的纳米防污涂料的研究主要以下几类：•低表面能防污涂料•生物化学防污涂料•高吸水性树脂防污涂料•反渗透膜防污涂料•碱式硅酸盐防污涂料有机硅低表面能防污涂料涂料的作用机理污损生物在海洋设施表面上的附着首先是要分泌一种黏液，这种黏液对物体表面进行润湿，并在其上分散，然后通过化学键合、静电作用、机械连锁及扩散作用中的一种或几种机理进行黏附。而去除海生物则是通过剥离、平面剪切、非平面剪切等方式从涂层表面脱落（见图1），其中剥离脱落所需要的能量最小。因此，有效的措施是采用表面能较低的涂层，使得污损生物与涂层的表面润湿性差，从而难以附着或附着不牢。此类涂层还应具有较低的弹性模量，利于污损生物以剥离的方式从涂层上脱落有机硅低表面能防污涂料研究现状国内外学者对低表面能有机硅防污涂料开展了长期的、大量的研究工作，主要集中在添加小分子的硅油种类与基体树脂改进两方面。添加硅油在有机硅树脂中添加相对分子质量低的硅油，可增加防污涂料的污损释放性能。当非键合的硅油从涂层内部迁移到涂层表面时，不仅增加了涂层表面的光滑性，而且增加了涂层表面的憎水性，海生物的附着难度加大，从而改善了涂层的污损释放性能，实际上是为低表面能有机硅涂层增加了一个附加防污机理。不仅如此，添加硅油还能够显著影响海生物的初期附着行为，并能将亲油性的海生物幼虫（如藤壶幼虫）诱困在其中然后将其杀死，但对亲水性的海生物幼虫（如藤壶无节幼体）却不起作用。Truby等研究了在PDMS弹性体中添加PDMDPS硅油前后的性能比较。在不同海域试验发现，添加硅油后，涂层表面海生物附着总量都有所减少。并且在佛罗里达海域发现，添加硅油能够显著降低藤壶的附着强度，牡蛎的附着强度也下降了大约1/3，但管虫的附着强度基本没受影响。因此低表面能有机硅防污涂料对不同海生物的响应程度是不一样的。同时发现，添加硅油后，涂层的弹性模量和耐磨性都有所降低，这给海生物的清理带来了不利影响。涂层表面海生物的附着量不仅与所添加的硅油种类有关，而且还与基体树脂有关。因此需要两者之间配合良好才能具有优异的防污性能。同时须注意，如果添加的硅油不合适，不仅会增加海生物的附着量，而且会增加海生物与涂层之间的黏附力基体树脂的选择和改性Wynne发现硅氢化作用固化的PDMS树脂要比乙氧基硅氧烷固化PDMS树脂具有更好的防污性能。值得注意的是，涂层中的CaCO3填料会在海水中逐渐溶解，导致了有机硅涂层的表面粗糙度增大，增加了海生物的附着强度，但同时降低了涂层的弹性模量。通过前面的讨论可知，涂层弹性模量的降低有利于增加其防污性能，但究竟以哪种作用为主有待于进一步研究。最近的研究发现，添加CaCO3的防污涂层要比添加SiO2的防污涂层表现出更好的污损释放性能，这是因为SiO2作为增强填料致使涂层的弹性模量增加，从而导致涂层的污损释放性能降低低表面能防污涂料存在的问题•与基材的附着力差，重涂性差，施工难度较大。•机械强度差，表面易划伤破损，而增加其稳定性的措施往往又会降低其污损释放性能。•更适用于高速、高在航率的船只，对航速低于30节的船只防污性能较差。而且其表面容易聚集硅藻黏泥物，即使在高航速下也难以清除。•添加的硅油释放殆尽后，有机硅涂层将变脆开裂，海生物会很快附着在其表面，因此限制了其防污期效。另外释放到海洋环境中的硅油是否有潜在的污染尚未有定论纳米防火功能复合涂料防火涂料又称阻燃材料，他除了具有一般材料所具有的装饰性能和保护性能外，还有其特殊的功能，其一就是涂层本身具有不燃性和难燃性，即防止火焰的点燃，其二是防止燃烧或对燃烧有延缓作用，即能在一定时间内阻止和抑制燃烧的扩展，有利于灭火。防火涂料分为两大类