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关于纳米涂料的研究开发与产业化

关于纳米涂料的研究开发与产业化 2011年12月04日 来源： 摘要：本文介绍了国内外有关纳米涂料的研究开发和产业化现状，提出了我国纳米涂料研究开发应优先考虑的几大方向及其产业化前景。文中认为涂料质量的好坏直接影响到汽车、建材、仪器仪表、电子产品、船舶、飞机等产品的档次和市场竞争力，应予以重点支持，优先发展。关键词：纳米涂料、功能涂料、研究开发、产业化1 前言涂料按用途可分为建筑涂料、汽车涂料、船舶涂料、罐头涂料、飞机涂料、家电涂料、木器涂料、桥梁涂料、塑料涂料、纸张涂料等，按功能则可分为装饰涂料、防腐防锈涂料、耐高温涂料、防霉抗菌涂料、隔热涂料、导电涂料、绝缘涂料、隐身/伪装涂料、热敏涂料、静电屏蔽涂料、防辐射涂料、防火涂料、隔音涂料等，可以说是品种繁多，性能各异，用途十分广泛。鉴于涂料质量的好坏直接影响到汽车、建材、仪器仪表、电子产品、船舶、飞机等产品的档次和市场竞争力，以及环境保护的压力，各国都在投巨资进行环保型涂料和功能性涂料的研究开发。以美国为例，美国2000年涂料年产量约为670万吨，其中环保型涂料（水性、高固体分、粉末、光固化）已从1990年51%上升到现在的85%左右，传统的溶剂性涂料则由49%下降至现在的15%左右。功能性涂料则占涂料总量的一大半。国内涂料年产量则约为200万吨，且传统的溶剂性涂料仍占58.5%以上，环保型涂料则仅占41.5%，并且其中大多数为建筑涂料，功能性涂料所占比例极少。据国外权威机构预测世界涂料市场如下表所示（亿美元）。国家 1998年 2004年 2009年美国 180 230 240中国 30 60 120欧洲 160 200 260进入新世纪以来，纳米技术作为三大主要研究方向(生物、信息、纳米)之一，受到了人们的广泛关注与重视，纳米粒子由于具有表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等特殊性质，将其用于涂料中后，可使涂层的光学性能、磁性能、电性能、力学性能得到大大提高或显示新的功能，可以大大提高汽车、建材、仪器仪表、船舶、飞机等产品的档次和市场竞争力，因而也引起了高分子材料和涂料工作者的浓厚兴趣，有关纳米涂料的研究报道、专利申请越来越多，纳米涂料产品在国内外市场上都有问世。本文就目前国内外纳米涂料的研究开发与产业化现状作一个阐述，并对我国纳米涂料的研究开发与产业化前景谈谈自己的一些看法，供我国决策部门、科技工作者和产业界参考。2 纳米涂料的定义和基本概念纳米涂料一般都是由纳米材料与有机涂料复合而成的，因此，更科学地讲应称作纳米复合涂料（Nanocomposite coating）。普遍认为，必须满足两个条件才能称为纳米涂料：一是至少含一相尺寸在1~100nm之间，二是由于纳米相的存在而使涂料性能得到显著提高或有新功能，二者缺一不可。广义地讲，纳米涂层材料还包括另外两种：金属纳米涂层材料和无机纳米涂层材料。金属纳米涂层材料主要是指材料中含有纳米晶相，无机纳米涂层材料则由纳米粒子之间的熔融、烧结复合而得。我们经常所说的纳米涂料均为有机纳米复合涂料。之所以叫纳米涂料，正如纳米塑料、纳米陶瓷等一样，只是一个习惯叫法而已，严格的说，也应称为纳米复合塑料、纳米复合陶瓷。玻璃钢，既不是玻璃也不是钢，而是玻纤增强不饱和聚酯，但国内就叫玻璃钢。有关纳米涂料的定义和叫法需要进一步指出的是：* 并不是用了纳米材料的涂料都是纳米涂料；* 并不是性能很好就是纳米涂料；* 纳米复合涂料的叫法更科学，但作为习惯，叫纳米涂料也未尝不可。例如，我们称丙烯酸乳胶漆，大多数情况下我们给客户介绍它也是环保涂料；水性木器漆，我们给客户介绍它也是环保涂料。因此，某种涂料，如建筑涂料，如果它确实满足了纳米涂料的两个条件，我们也可以同时称它为纳米涂料，只是不要刻意去炒作就行；在国外，许多涂料产品均使用了纳米技术，但出于技术保密，并没有直接称作纳米涂料。 3 国内外纳米涂料的研究开发和产业化现状国外在纳米涂料的研究开发和产业化方面起步较早，美国研究开发成功并已进行产业化的有具有随角异色性的豪华轿车面漆、军事隐身涂料、绝缘涂料等，另外，还开展了光致变色涂料(纳米SiO2与有机颜料的结合)、透明耐磨涂料、包装用阻隔性涂层等纳米涂料的研究。日本则在静电屏蔽涂料、光催化自清洁涂料的研究开发方面取得了成功并实现了产业化。德国政府在1992-1996年间对纳米涂料的开发投入了大量的科研经费，1997-1999年为纳米涂料产业化时间，在此期间年产值为20亿马克，至1999-2000年，纳米涂料年产值猛增到200亿马克。国内纳米涂料的发展大多刚刚起步，主要集中在改善建筑外墙涂料的耐候性和建筑内墙涂料的抗菌性方面，二者基本上已研制成功，正在进行产业化准备工作。而在工业用涂料、航空航天用涂料以及功能性涂料的研究开发和产业化方面则落后于发达国家。4 我国纳米涂料的研究开发与产业化前景纳米材料种类繁多，性能各异，即使同一种纳米粒子在不同粒径下也可能会有不同的功能，不同种类的纳米粒子也可以在涂料中起到同一作用。因此，用在涂料中也可能表现出不同的特性，需要进行大量的研究开发工作，才有可能得到性能理想的纳米涂料。结合到纳米涂料的产业化前景，笔者认为，可以优先开展下列几方面的研究开发工作：（1）改善涂料的耐候性 某些纳米粒子对紫外线则具有较强的吸收作用，现市场上销售的纳米TiO2、SiO2、ZnO等颗粒填充于涂料中，可显著提高涂料的紫外线吸收性，从而提高户外用涂料的耐候性。比如用来提高外墙建筑涂料的耐候性，汽车面漆的耐老化性、桥梁涂料、塑料涂料、木器涂料等的耐老化性，使涂层的寿命提高50%或一倍以上。（2）改善涂料的电磁性 随着当前高科技产品的崛起，尤其是电子工业的迅猛发展，电磁波的广泛应用，尤其是微波在通讯、航空、航天、家用电器、现代军事方面的普及应用，电磁波的辐射污染，也成为人类的第四大公害。因为电磁波是一种热效应，当它的频率大于人体的调节频率时，就会烧伤人体的各部组织，而高频电波（100MHz以上）如各广播电视的发射台,各飞机导航塔，各微波通讯台、塔、手机、对讲机、微波炉、电脑等及各高频医疗器械的辐射污染对人体的危害、已大大超过了人们的想象程度，它对人体的视觉系统、大脑细胞、生殖系统、血液、尤其是对胎儿的危害极其严重，现代医学研究成果表明：电磁波辐射污染已成为人类的“无形杀手”。因此，对电磁波的屏蔽及防止电磁波辐射污染和人体对电磁波辐射污染的防护，就成了当前急待解决的重大课题。利用纳米粒子的静电屏蔽性，可制得静电屏蔽涂料，与传统碳黑填充的防静电涂料相比, 其具有更优异的防静电性能，而且由于不同纳米粒子吸收不同的可见光波段，因此可通过选用不同的纳米粒子来调节防静电涂料的颜色，对解决移动电话、对讲机、飞机客舱屏蔽、电脑、电视、微波炉、通讯电缆各保密室的屏蔽及在各强场强环境下工作的，如各微波通讯站、广播电视台、塔和在电脑前工作的人员的人体防护，提供了可靠的屏蔽材料。某些纳米材料如纳米金属(Fe、Co、Ni等)与合金的复合粉体、纳米氧化物(Fe3O4、Fe2O3、ZnO、NiO2、TiO2、MoO2等)的粉体、纳米石墨、纳米碳化硅及混合物粉体等，可用于制备出吸收不同频段电磁波的纳米复合涂料，作为军事隐身涂料，涂敷到飞机、军舰、导弹、潜艇等武器装备上，使该装备具有隐身性能。由于纳米涂层材料具有吸收频带宽、重量轻、厚度薄等优点，因而可望在未来军事隐身化方面大展身手。(3) 改善涂料的力学性能某些纳米材料用于涂料中，可以大幅度提高有机涂层的力学性能，如涂层的耐磨性、耐划伤性、硬度、强度、韧性等，可以用于汽车面漆、汽车玻璃、眼镜镜片、建筑物玻璃、地板、船舰易磨损易腐蚀金属部件等的保护，大大延长产品的使用寿命。（4）改善涂料的抗菌性和大气净化性将纳米抗菌粉用于涂料中，则可制得纳米杀菌涂料，涂覆在建材产品，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、保洁效果。利用TiO2、ZnO、CdS、WO3等纳米粒子的光催化特性，可制得光催化净化大气环保涂料。比如，采用聚硅氧烷、锐钛级纳米TiO2、填料和溶剂复合可制得大气环保涂料，能将大气中NOx转化成硝酸，可涂覆在高速公路、桥梁、建筑物、广告牌的表面上，或在需要的地方专门设置净化面板等。（5）其它功能性涂料采用纳米技术可制成纳米界面涂料，其涂膜界面为超双亲性二元协同界面(既疏水又避油)，将这种涂料涂在建筑材料(如玻璃、陶瓷等)，任何油质、水、灰尘等都不能存留于表面，可保持用玻璃和陶瓷等挂面的建筑物长期一尘不染，也会使浴室内的大镜子以及人戴的眼镜在任何情况下也不会产生雾气。利用纳米粒子对红外线的吸收和反射性能，将它们与有机涂料复合后制得的隔热涂料，可广泛用于玻璃幕墙、汽车玻璃、海上钻井平台、油罐、石油管道、汽车、火车、飞机表面、船壳、甲板、坦克、军舰、宇宙飞船表面等场合的隔热。将纳米铝酸盐用于涂料中，可以储存自然光或灯光的光能，当外来光停止后再缓慢地以光的形式释放出来，可发出多种颜色的光，而且发光的持续时间是传统发光材料的几十倍，而且理化性能稳定，可在暗处用于低度照明和指示。这种发光涂料可以用于建筑、艺术装潢、公共场所的安全通道、危险场所的警示等。5 结语纳米技术为涂料工业的发展提供了一个难得的发展机遇，鉴于涂料本身具有十分广阔的市场前景（千亿级人民币/年的市场），而涂料质量的好坏（高性能、功能化、环保型、低成本）又直接影响到汽车、建材、机械、石油化工、电子产品、船舶、飞航导弹等产品的档次和市场竞争力，政府各主管部门、企业界应抓紧时间，加大相关科技开发的力度，以全面提升我国涂料工业的技术水平和其它产品在国际市场上的竞争力。