納米材料和技術(shù)在新型建筑材料中的應(yīng)用

    納米技術(shù)是二十世紀80年代末誕生并正在崛起的新技術(shù),主要是指在0.1~100nm尺度范圍內(nèi),研究物質(zhì)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(shù)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(shù)已應(yīng)用于建筑材料、光學、醫(yī)藥、半導體、信息通訊、軍事等領(lǐng)域[2,3]。目前,納米材料技術(shù)是*可以實現(xiàn)的納米技術(shù)[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(yīng)用前景和巨大的經(jīng)濟、社會效益。

    近年來,國內(nèi)外開始探索納米材料和納米技術(shù)在建材中的發(fā)展及應(yīng)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(shù)在建筑涂料中的應(yīng)用

    涂料是建筑物的內(nèi)衣（內(nèi)墻涂料）和外衣（外墻涂料）,國內(nèi)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(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)[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(jié)構(gòu)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(yīng),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(yīng)顏料作用,與其它片狀效應(yīng)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(yīng)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(nèi)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(yīng)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(zhì),起抗菌和除臭作用。具有這一性質(zhì)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(nèi)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(nèi)空間、用具、醫(yī)院手術(shù)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(zhì),誘導光化學反應(yīng),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(yīng)（包括細菌內(nèi)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(nèi)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(diào)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(jié)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(yīng)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(shù)在混凝土材料中的應(yīng)用

    隨著社會工業(yè)化的深入發(fā)展和我國基礎(chǔ)建設(shè)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(lǐng)域中的研究熱點。同時,許多特殊領(lǐng)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(yīng)、量子效應(yīng)、表面及界面效應(yīng)等優(yōu)異特性,因而能夠在結(jié)構(gòu)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(shù)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(yīng)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(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。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(yīng)用

    由于納米材料的表面效應(yīng),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(yīng)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(yīng),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(jié)構(gòu)的實時和長期監(jiān)測,便于監(jiān)控混凝土結(jié)構(gòu)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(yīng)用

    由于聚合物/無機納米復合材料的優(yōu)異性能,使得有關(guān)它的理論和應(yīng)用研究成為當前復合材料的熱點[23-26],它也有可能應(yīng)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(jié)構(gòu)的破壞。

3納米技術(shù)在陶瓷材料中的應(yīng)用

    3.1納米材料在耐高溫陶瓷中的應(yīng)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(zhì)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(shù)在陶瓷上的應(yīng)用潛力不可估量[27,28]。

    近年來國內(nèi)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(yīng)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(yīng)用

    利用納米技術(shù)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(yīng),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(zhì)量。

    3.4納米材料在綠色能源陶瓷中的應(yīng)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(diào)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(nèi)，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(yīng)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(nèi)*的技術(shù)；如國內(nèi)*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(nèi)*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(nèi)*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(nèi)*的定量管程控切換功能；國內(nèi)*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(nèi)擁有大量客戶，為比表面儀。

    4納米技術(shù)在其它方面的應(yīng)用

    建筑鋼材也是現(xiàn)代土木工程中應(yīng)用較廣泛的工程材料之一,也在向高強輕質(zhì)方向發(fā)展,特別是利用納米技術(shù)開發(fā)自身防火和防腐的鋼材,必將促進鋼結(jié)構(gòu)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(shù)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(shù)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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