關(guān)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(jī)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(dǎo)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(shuō)是品種繁多，性能各異，用途十分廣泛。鑒於塗料品質(zhì)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(jī)等產(chǎn)品的檔次和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，以及環(huán)境保護(hù)的壓力，各國(guó)都在投鉅資進(jìn)行環(huán)保型塗料和功能性塗料的研究開發(fā)。以美國(guó)為例，美國(guó)2000年塗料年產(chǎn)量約為670萬(wàn)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?jí)T料總量的一大半。國(guó)內(nèi)塗料年產(chǎn)量則約為200萬(wàn)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(guó)外權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)世界塗料市場(chǎng)如下表所示（億美元）。
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國(guó)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(guó)
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180
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230
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280
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英國(guó)（歐洲）
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160
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200
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260
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中國(guó)
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30
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60
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150
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進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，納米技術(shù)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(guān)注與重視，納米粒子由於具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子效應(yīng)等特殊性質(zhì)，將其用於塗料中後，可使塗層的光學(xué)性能、磁性能、電性能、力學(xué)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(jī)等產(chǎn)品的檔次和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(guān)於納米塗料研究的報(bào)導(dǎo)、專利申請(qǐng)?jiān)絹?lái)越多，納米塗料產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上都有問(wèn)世。本文就目前國(guó)內(nèi)外納米塗料的研究開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀作一個(gè)闡述，並對(duì)中國(guó)納米塗料的研究開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化前景談?wù)勛约旱囊恍┛捶ǎ┪覈?guó)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(jī)塗料複合而成的，因此，更科學(xué)地講應(yīng)稱作納米複合塗料 （BAS_BAS_Nanocomposite coating）。普遍認(rèn)為，必須滿足兩個(gè)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(wú)機(jī)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(wú)機(jī)納米塗層材料則由納米粒子之間的熔融、燒結(jié)複合而得。我們經(jīng)常所說(shuō)的納米塗料均為有機(jī)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(gè)習(xí)慣叫法而已，嚴(yán)格的說(shuō)，也應(yīng)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(qiáng)不飽和聚酯，但國(guó)內(nèi)就叫玻璃鋼。
有關(guān)納米塗料酌定義和叫法需要進(jìn)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(xué)，但作為習(xí)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(shí)滿足了納米塗料的兩個(gè)條件，我們也可以同時(shí)稱它為納米塗料，只是不要刻意去炒作就行：④在國(guó)外，許多塗料產(chǎn)品均使用了納米技術(shù)，但出於技術(shù)保密，並沒(méi)有直接稱作納米塗料。
三、國(guó)內(nèi)外納米塗料的研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀
國(guó)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(guó)研究開發(fā)成功並已進(jìn)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(jī)顏料的結(jié)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(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。德國(guó)政府在1992—1996年間對(duì)納米塗料的開發(fā)投入了大量的科研經(jīng)費(fèi)，1997—1999年為納米塗料產(chǎn)業(yè)化時(shí)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(guó)內(nèi)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(nèi)牆塗料的抗菌性方面，二者基本上已研製成功，正在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化準(zhǔn)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(dá)國(guó)家。
四、中國(guó)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(huì)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(jìn)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(jié)合到納米塗料的產(chǎn)業(yè)化前景，筆者認(rèn)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(duì)紫外線則具有較強(qiáng)的吸收作用，現(xiàn)市場(chǎng)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(lái)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(dāng)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(yīng)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(yīng)用，電磁波的輻射污染，也成為人類的第四大公害。因?yàn)殡姶挪ㄊ且环N熱效應(yīng)，當(dāng)它的頻率大於人體的調(diào)節(jié)頻率時(shí)，就會(huì)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(tái)，各飛機(jī)導(dǎo)航塔，各微波通訊臺(tái)、塔、手機(jī)、對(duì)講機(jī)、微波爐、電腦等及各高頻醫(yī)療器械的輻射污染對(duì)人體的危害、已大大超過(guò)了人們的想像程度，它對(duì)人體的視覺(jué)系統(tǒng)、大腦細(xì)胞、生殖系統(tǒng)、血液、尤其是對(duì)胎兒的危害極其嚴(yán)重，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究成果表明：電磁波輻射污染已成為人類的“無(wú)形殺手”。
因此，對(duì)電磁波的遮罩及防止電磁波輻射污染和人體對(duì)電磁波輻射污染的防護(hù)，就成了當(dāng)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(guò)選用不同的納米粒子來(lái)調(diào)節(jié)防靜電塗料的顏色，對(duì)解決移動(dòng)電話、對(duì)講機(jī)、飛機(jī)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(qiáng)場(chǎng)強(qiáng)環(huán)境下工作的，如各微波通訊站、廣播電視臺(tái)、塔和在電腦前工作的人員的人體防護(hù)，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(jī)、軍艦、導(dǎo)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(diǎn)，因而可望在未來(lái)軍事隱身化方面大展身手。
3、改善塗料的力學(xué)性能
某些納米材料用於塗料中，可以大幅度提高有機(jī)塗層的力學(xué)性能，如塗層的耐磨性、耐劃傷性、硬度、強(qiáng)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(hù)，大大延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命。
4、改善塗料的抗菌性和大氣淨(jìng)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(nèi)空間、用具、醫(yī)院手術(shù)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(jìng)化大氣環(huán)保塗料。比如，採(cǎi)用聚矽氧烷、銳鈦級(jí)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(zhuǎn)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(shè)置淨(jìng)化面板等。
5、其他功能性塗料
採(cǎi)用納米技術(shù)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(zhì)、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(zhǎng)期一塵不染，也會(huì)使浴室內(nèi)的大鏡子以及人戴的眼鏡在任何情況下也不會(huì)產(chǎn)生霧氣。
利用納米粒子對(duì)紅外線的吸收和反射性能，將它們與有機(jī)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(tái)、油罐、石油管道、汽車、火車、飛機(jī)表面、船殼、甲板、坦克、軍艦、太空船表面等場(chǎng)合的隔熱。
將納米鋁酸鹽用於塗料中，可以儲(chǔ)存自然光或燈光的光能，當(dāng)外來(lái)光停止後再緩慢地以光的形式釋放出來(lái)，可發(fā)出多種顏色的光，而且發(fā)光的持續(xù)時(shí)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(shù)裝潢、公共場(chǎng)所的安全通道、危險(xiǎn)場(chǎng)所的警示等。
五、結(jié)語(yǔ)
納米技術(shù)為塗料工業(yè)的發(fā)展提供了一個(gè)難得的發(fā)展機(jī)遇，鑒於塗料本身具有十分廣闊的市場(chǎng)前景 （千億級(jí)人民幣／年的市場(chǎng)），而塗料品質(zhì)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(jī)械、石油化工、電子產(chǎn)品、船舶、飛航導(dǎo)彈等產(chǎn)品的檔次和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，政府各主管部門、企業(yè)界應(yīng)抓緊時(shí)間，加大相關(guān)科技開發(fā)的力度，以全面提升我國(guó)塗料工業(yè)的技術(shù)水準(zhǔn)和其他產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。
