納米材料和技術在新型建筑材料中的應用

    納米技術是二十世紀80年代末誕生并正在崛起的新技術,主要是指在0.1~100nm尺度范圍內,研究物質組成體系中電子、原子和分子運動規(guī)律與相互作用,其研究目的是按人的意志直接操縱電子、原子或分子,研制出人們所希望的、具有特定功能特性的材料和制品[1]。納米技術是高度交叉的綜合性學科,它主要包括:納米體系物理學、納米化學、納米材料學、納米生物學、納米電子學、納米加工學、納米力學、納米機械學。納米技術已應用于建筑材料、光學、醫(yī)藥、半導體、信息通訊、軍事等領域[2,3]。目前,納米材料技術是*可以實現(xiàn)的納米技術[1]。

    納米材料以其*的光、電、熱、磁等性能為建筑材料的發(fā)展帶來一次的革命。利用納米材料的隨角異色現(xiàn)象開發(fā)的新型涂料,利用納米材料的自潔功能開發(fā)的抗菌防霉涂料、PPR供水管,利用納米材料具有的導電功能而開發(fā)的導電涂料,利用納米材料屏蔽紫外線的功能可大大提高PVC塑鋼門窗的抗老化黃變性能,利用納米材料可大大提高塑料管材的強度等。由此可見,納米材料在建材中具有十分廣闊的市場應用前景和巨大的經(jīng)濟、社會效益。

    近年來,國內外開始探索納米材料和納米技術在建材中的發(fā)展及應用工作,并取得了一些可喜的成果,現(xiàn)分類介紹如下:

    1納米技術在建筑涂料中的應用

    涂料是建筑物的內衣（內墻涂料）和外衣（外墻涂料）,國內傳統(tǒng)的涂料普遍存在懸浮穩(wěn)定性差、不耐老化、耐洗刷性差、光潔度不高等缺陷。納米復合涂料就是將納米粉體用于涂料中所得到的一類具有耐老化、抗輻射、剝離強度高或具有某些特殊功能的涂料。在建材（特別是建筑涂料）方面的應用已經(jīng)顯示出了它的*魅力[4]。

    同一種納米粒子在不同粒徑下會有不同的作用,不同種類的納米粒子也可以在涂料中起相同的作用。按納米復合涂料的用途可歸納為以下幾種:

    1.1光學應用納米復合涂料

    納米粒子的粒徑遠小于可見光的波長400～750nm,具有透過作用,從而保證了納米復合涂料具有較高的透明性。納米粒子對紫外線具有較強的吸收作用。在外墻建筑涂料中添加TiO2、SiO2等納米粒子以提高耐候性,在汽車面漆中添加TiO2以提高汽車涂料的耐老化性等。納米SiO2是無定型白色粉末（指其團聚體）,表面存在不飽和的殘鍵及不同鍵合狀態(tài)的羥基,其分子狀態(tài)呈三維鏈狀結構[5]。一般來講,納米粒子表面氫鍵會在外部剪切力消除后迅速復原,使其結構迅速重組。這種依賴時間與外力作用而回復原狀的剪切力弱化反應,稱為“觸變性”[6]。觸變性是納米二氧化硅改善傳統(tǒng)涂料各項性能的主要因素[7]。徐國財?shù)热薣8]通過納米微粒填充法,將納米二氧化硅摻雜到紫外光固化涂料中。實驗表明,納米二氧化硅減弱了紫外光固化涂料吸收UV輻照的強度,從而降低了光固化涂料的固化速度,但可明顯提高紫外光固化涂料的硬度和附著力。特別是金紅石型超細TiO2在汽車面漆中還可起到效應顏料作用,與其它片狀效應顏料如鋁粉顏料或珠光顏料并用時,會產(chǎn)生伴有乳光的隨角異色性,可用于豪華轎車面漆,這是目前納米TiO2的zui大用途,也是國外納米材料在涂料中應用zui為成功的例子之一[9]。納米氧化鋅由于尺寸小,比表面積大（3H-2000系列比表面積測試儀專業(yè)隊納米材料的比表面積進行測試）,表面的鍵態(tài)與顆粒內部的不同,表面原子配位不全等,導致表面的活性位置增多,加大了反應接觸面,因此,納米氧化鋅也是一種很好的光催化劑。在紫外光照射下,它能分解有機物質,起抗菌和除臭作用。具有這一性質的光催化劑可用于環(huán)保涂料中,納米ZnO加入涂料可顯著提高涂料的耐人工老化能力。

    1.2吸波納米復合涂料

    由于納米超細粉末尺寸非常小,具有吸收電磁波的性能,它們對不同波長的雷達波和紅外線具有很強的吸收作用。因此,被納米顆粒改性后的涂料可成為軍事上用的隱身涂料。美國曾報道過一種“超”黑體納米吸收材料,即超細石墨粉納米吸波涂料,對雷達波的吸收率可達99%[10]。國外用納米級羰基鐵粉、鎳粉、鐵氧體粉末已成功配制了軍事隱身涂料,涂到飛機、軍艦、導彈、潛艇等武器裝備上,使其具有隱身性能。納米涂層材料由于具有吸收頻帶寬、重量輕、厚度薄等優(yōu)點,可望在未來軍事隱身化方面大展身手[11]。

    1.3納米自潔抗菌涂料

    光的照射可以引起TiO2表面在納米區(qū)域形成親水性及親油性兩相共存奇妙的超雙親性。如將國內已經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)的納米抗菌粉用于涂料中,可制得納米殺菌涂料,涂覆于建材產(chǎn)品,如衛(wèi)生潔具、室內空間、用具、醫(yī)院手術間和病房的墻面、地面等,起到殺菌、保潔作用[12]。納米TiO2顆粒在波長小于400nm的光照下,能吸收高于其禁帶寬度的短波光輻射,產(chǎn)生電子躍遷,使價帶電子被激發(fā)到導帶,并形成電子-空穴對,將能量傳遞到周圍介質,誘導光化學反應,從而具有光催化性能。

    納米ZnO也是一種殺菌劑,納米氧化鋅在紫外線照射下,在水和空氣（氧氣）中能自行分解出帶負電的電子（e-）,同時留下帶正電的空穴（h+）,這種空穴可以激活空氣中的氧變?yōu)榛钚匝?有*的化學活性,能與多種有機物發(fā)生氧化反應（包括細菌內的有機物）,從而把大多數(shù)病菌和病毒殺死。西北大學曾進行過納米氧化鋅的定量殺菌試驗,在5min內納米氧化鋅的濃度為1%時,金黃色葡萄球菌的殺滅率為98.86%,大腸桿菌的殺滅率為99.93%。所以在化妝品中添加納米氧化鋅既能屏蔽紫外線防曬,又能抗菌除臭[13]。

    1.4納米導電涂料

    日本松下公司已研制成功具有良好靜電屏蔽作用的納米復合涂料,所用的納米粒子有Fe2O3、TiO2、ZnO等。這些具有半導體特性的納米氧化物粒子在室溫下具有比常規(guī)的氧化物高的導電特性,同時,納米氧化物粒子的顏色不同,這種涂料不但具有靜電屏蔽特性,而且克服了涂料顏色的單調性。

    1.4.1納米高力學性能涂料

    當涂料的重要組成部分顏料顆粒達到納米級大小并分散在涂膜中時,由于比界面很大,具有很大的結合力,對有機涂層有一定的增強作用,提高了涂層的硬度、抗沖擊性和耐磨性。此外,納米顆粒還可以降低涂層在干燥過程中的殘余應力,從而增強涂層的附著力。研究表明[8],納米SiO2顆粒在紫外光固化涂料中可明顯提高涂膜的硬度和附著力,并且經(jīng)納米材料改性后的家具表面漆、汽車面漆的耐磨性和耐刮傷性也有很大提高。

    2納米技術在混凝土材料中的應用

    隨著社會工業(yè)化的深入發(fā)展和我國基礎建設的廣泛開展,水泥混凝土作為一種傳統(tǒng)的建材,其產(chǎn)量和用量都在不斷地增加,高性能混凝土已成為水泥基復合材料領域中的研究熱點。同時,許多特殊領域要求水泥混凝土具有一定的功能性,如希望其具有吸聲、防凍、高強且高韌性等功能。納米材料由于具有小尺寸效應、量子效應、表面及界面效應等優(yōu)異特性,因而能夠在結構或功能上賦予其所添加體系許多不同于傳統(tǒng)材料的性能。利用納米技術開發(fā)新型的混凝土可大幅度提高混凝土的強度、施工性能和耐久性能。

    2.1納米礦粉在水泥混凝土中的應用

    納米礦粉如納米SiO2、納米CaCO3和納米硅粉等不但可以填充水泥的空隙,提高混凝土的流動度,更重要的是可改善混凝土中水泥石與骨料的界面結構,使混凝土的強度、抗?jié)B性與耐久性均得以提高。

    有研究報道[14],當納米材料的添加量為水泥用量的1%～3%,并在高速混合機中與其他混合料進行混合后,制備的納米復合水泥結構材料在7d和28d齡期的水泥硬化強度,比未添加納米材料提高約50%,而且韌性、耐久性等性能也得到較大的改善。李穎等人[15]研究了硅灰和納米級SiO2對水泥漿體需水量的影響。研究表明,當納米級SiO2摻量達到水泥用量的8%時,水泥漿體的需水量增大一倍。同時,研究發(fā)現(xiàn),當將水泥用量8%和10%進行復合添加時,納米級SiO2的小球體填充于硅灰顆粒之間,與硅灰形成很好的顆粒級配結構。當兩者同時添加且納米級SiO2為l%和硅灰為9%時,需水量并未雙倍增加,可見兩者的交互作用十分明顯。

    2.2納米金屬粉末在混凝土中的應用

    由于納米材料的表面效應,增加了納米材料的活性,使得納米金屬粉末具有兩個特殊性能,其一是納米金屬粉末的強度、硬度高,并隨著晶粒尺寸的減小,其強度、硬度不斷提高,同時還表現(xiàn)出非常好的塑韌性;其二是納米金屬粉末是一種良好的吸波材料[16]。利用上述納米金屬粉末的特殊性能,如果把它摻入到水泥混凝土中,可制成具有功能性的電磁屏蔽混凝土。

    2.3納米金屬氧化物在混凝土中的應用

    銳鈦型納米TiO2是一種優(yōu)良的光催化劑,它具有凈化空氣、殺菌、除臭、表面自潔等特殊功能[17]。利用納米TiO2具有凈化空氣的特性來制備光催化混凝土,它在凈化機動車排出的尾氣時發(fā)生了光催化反應,對機動車輛排放的二氧化硫、氮氧化物等對人體有害的污染氣體進行分解去除,起到凈化空氣的作用[18,19,20]。

    利用納米金屬氧化物材料可以進行電磁屏蔽,還可以用來制備智能水泥混凝土[21,22],如自警水泥混凝土等。這種水泥混凝土具有較強的導電性能,同時還具有傳感作用。這種智能型水泥混凝土可用于土木工程結構的實時和長期監(jiān)測,便于監(jiān)控混凝土結構的開裂與破壞情況及其損傷評價、檢測車重與車速等,這對混凝土性能的檢測是一場革命。

    2.4聚合物/無機納米復合材料在混凝土中的應用

    由于聚合物/無機納米復合材料的優(yōu)異性能,使得有關它的理論和應用研究成為當前復合材料的熱點[23-26],它也有可能應用于水泥混凝土中。把聚合物/無機納米復合材料用于水泥混凝土中,不僅可以提高混凝土的抗壓、抗拉和彎曲強度,而且可提高其耐久性。在混凝土混合料中摻入一定量的聚合物/無機納米復合材料,使之均勻分散在混凝土中,利用聚合物/無機納米復合材料的導電性能,測試電阻的變化,建立電阻與荷載之間的模型,從而可以預測混凝土結構的破壞。

3納米技術在陶瓷材料中的應用

    3.1納米材料在耐高溫陶瓷中的應用

    二十世紀90年代初,日本Nihara報道了以納米尺寸SiC顆粒為第二相的納米復相陶瓷具有很高的力學性能,并具有很多*的性能。含有20%納米鈷粉的金屬陶瓷是火箭噴氣口的耐高溫材料。氧化物納米材料在這方面都優(yōu)于同質傳統(tǒng)陶瓷材料,在陶瓷基中添加其他納米微粒的效果也正在研究。納米技術在陶瓷上的應用潛力不可估量[27,28]。

    近年來國內外對納米復相陶瓷的研究表明,在微米級基體中引入納米分散相進行復合,可使材料的斷裂強度、斷裂韌性大大提高（2～4倍）,使zui高使用溫度提高400～600℃,同時還可使材料的硬度、彈性模量、抗蠕變性和抗疲勞破壞性能提高。

    3.2納米材料在保健抗菌陶瓷中的應用

    納米材料的抗菌系列主要有TiO2系列、Ag系列、Cu系列、ZnO系列等,主要是摻入陶瓷釉面中或摻入陶瓷面層中,生產(chǎn)抗菌陶瓷釉面磚和衛(wèi)生陶瓷等產(chǎn)品,主要用于墻地面裝飾、廚房、浴室及衛(wèi)生間。在生產(chǎn)抗菌陶瓷的過程中,如果再加入遠紅外陶瓷粉,就可以制成具有復合功能的抗菌保健陶瓷,這種產(chǎn)品不斷向外輻射紅外線,可促進人體微循環(huán),增加血流量,并提高人體抗寒、抗病及抗衰老能力。

    3.3納米材料在環(huán)境友好陶瓷中的應用

    利用納米技術生產(chǎn)的多孔陶瓷（陶瓷微孔材料）材料,可對工業(yè)廢氣進行過濾分離。多孔陶瓷具有很好的耐熱、耐化學腐蝕等性能,具有壽命長、免維修的特點。利用納米材料的光催化效應,可對汽車尾氣催化分解。載有TiO2光催化劑和Cu離子催化劑的新型陶瓷在常溫下可直接將NOx分解成為N2和O2,還可制成直接吸收并固定SO2的陶瓷材料。將這些材料做成飾面瓷磚,可凈化大氣,提高環(huán)境質量。

    3.4納米材料在綠色能源陶瓷中的應用

    利用納米粒子特殊的光電磁特性制成太陽能陶瓷、遠紅外陶瓷等,用于建筑物飾面,可開發(fā)太陽能,調節(jié)環(huán)境溫度,促進人們身體健康。
    3.5納米材料的比表面積是很重要的參數(shù)。比表面積是每克固體材料所具有的表面積，單位為m2/g；比表面積測試的國家標準是基于BET理論的低溫氮吸附BET多點法（GB/T 19587-2004）。由氮吸附BET多點法測定比表面積的要點是：在5-30%氮氣分壓范圍內，在不同氮氣分壓點下測定吸附劑（待測粉體）對氮氣的吸附量，做出吸附等溫線，通過BET公式求出相應于吸附劑表面被氮氣分子覆蓋滿單分子層時的單分子層飽和吸附量，即可計算出吸附劑的比表面積。3H-2000BET-M比表面儀是依據(jù)國家比表面測試標準的高精度分析儀器，擁有7項國內*的技術；如國內*的一體化原位吹掃處理功能，針對色譜法比表面測試的不同氮氣分壓點之間需要吹掃處理的問題，使不同氮氣分壓點之間的吹掃處理更方便，減少了連續(xù)測試對準確度的影響；國內*的程控風熱助脫裝置，使在實現(xiàn)全自動化后,保證得到尖銳快速的脫附峰，減少背景誤差；國內*的色譜濃度檢測系統(tǒng)，使氮氣分壓檢測精度相對流量法提高10倍；六通閥進樣器程序控制，國內*的定量管程控切換功能；國內*的粒度報告等功能；儀器參數(shù)軟件顯示的同時，在儀器上大屏幕液晶硬件顯示，使儀器工作狀態(tài)參數(shù)一目了然，運行更可靠；以及液氮溫度監(jiān)測、檢測器斷氣保護、檢測器恒溫裝置、重要環(huán)節(jié)聲音提示，使3H-2000BET-M比表面儀在測試精度、穩(wěn)定安全性、操作便捷性等方面達到并部分超越了國外同類儀器性能， 3H-2000系列比表面儀在國內擁有大量客戶，為比表面儀。

    4納米技術在其它方面的應用

    建筑鋼材也是現(xiàn)代土木工程中應用較廣泛的工程材料之一,也在向高強輕質方向發(fā)展,特別是利用納米技術開發(fā)自身防火和防腐的鋼材,必將促進鋼結構更快的發(fā)展。

    在玻璃、瓷磚等建筑材料表面采用超雙親界面材料技術后,水滴或油滴與表面的接觸角接近于零,從而實現(xiàn)自清潔及防霧效果,使作為外墻使用的玻璃、陶瓷等建筑材料也能像荷花一樣出污泥而不染,這是納米界面材料技術賦予傳統(tǒng)建材的神奇效果。

    利用納米材料可以提高塑料（高分子材料）的強度,同時還能起到增韌作用。納米材料的問世,為新型增強塑料的合成提供了新的機遇,為傳統(tǒng)增強塑料的改性提供了一條新的途徑。把分散好的納米顆粒均勻地添加到樹脂材料中,可達到*增強塑料性能的目的。通過加入納米材料,能夠明顯提高塑料的強度和延伸率,提高耐磨性和改善材料表面的光潔度,提高抗老化性能[18]。

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