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纳米材料技术在涂料中的应用

    如今纳米材料技术在涂料行业受到了广泛的关注。利用这一技术领域中的几种方法可以获得有机-无机纳米复合材料或纳米构型涂料。纳米材料技术是广义的纳米技术下的一个子集,而如今这一技术对于涂料行业来说意义非凡。纳米技术对于涂料的重要性不仅清晰的体现在为数众多的与纳米材料相关的研究出版物和专利的接连问世,还体现在近年来大量的纳米材料公司的纷纷成立。如今无论你身处行业内、政府还是学术实验室,你都不可避免的要面对这样一个事实:“纳米项目”所受关注度与日俱增,而且已经成为了现有资源的重要组成部分。社会给予这个项目如此高的关注度的主要原因在于它可以使涂料性能在原有基础上实现质的飞跃。例如,使涂料具有抗划伤性和抗擦伤性,表现出抗腐蚀性等防护性能,以及拥有其它重要的机械性能。 应当指出,“越小越好”对于涂料科研人员和配方设计师来说并不是一个全新的理念。早在几十年前,科学家们就已经了解到,粒径较小的乳液更容易成膜,并且使建筑涂料中的颜色附着力表现更为优异。也有几家原材料供应商在这方面做出了一些尝试,但是,可以肯定的说所有对于纳米材料在涂料中应用的较早前的工作都基本是零星的没有系统的。如今,虽然未经正式的统一协调,但全球有为数众多的机构和团体从不同方面对纳米材料在涂料中的应用进行不懈的科研开发。因此,在未来几年内,条件一旦成熟必将实现涂料行业的重大突破。

     纳米材料技术在涂料中应用的最基本的目的就是产生一种纳米复合材料(比如在有机基质中包含无机纳米颗粒),或在单相纳米涂层中形成纳米结构。纳米材料的种类包罗万象,只要材料的最小直径在几纳米到100多纳米之间,即可称为纳米材料。从涂料角度来说这一技术有两个关键作用:第一,有相对大量的界面物质;第二,材料外观光学透明。

    通常我们公认为,处在两种材料之间接触面的“界面物质”的性质与两边主体材料的性质均不相同。另一方面,在界面上聚合物的玻璃化转变温度([Tg])发生改变。聚合物的玻璃化转变温度的改变是源于空间位阻效应和热函效应,这部分地改变了位于聚合物/填料接触界面上的聚合物分子的迁移率。从理论上讲,“界面物质”的性能差异相对于主体材料来说,更能影响整个复合材料的性能。但是对于传统复合材料来说(比如一种填充微米级填料的涂层),因为所涉及的界面面积相对较小,所以这一现象对于整体性能的影响可忽略不计。而在纳米复合材料中,这一面积范围至少要高出一个数量级。因此,“界面物质”可以说是非常重要的。我们可以想象的到,当分散的纳米粒子替代了原有较大颗粒时,可使涂料配方设计师们显著地增加界面物质的含量。这样,界面物质就成为了复合涂层的一个主要部分。如果界面物质在不增加其它复合材料的物质的基础上拥有更为优良的性能,那么将产生最大的收益。

    光学透明是许多涂料的一个最基本的性能要求,比如汽车清漆、地板耐磨层以及光学透镜涂层。除非无机粒子的折射率与涂料树脂的相匹配,否则加入无机粒子后会引起光线发生散射,从而降低或消除涂料的透明性。而由于纳米粒子小于可见光的波长(400-800纳米),因此它们产生的光散射很小。所以它们可以被添加到涂料清漆配方中,而对于涂料视觉效果的影响很少甚至几乎没有。纳米粒子这一特性是极为重要的,它使纳米粒子在涂料领域的应用得到了扩展、延伸。