纳米改性环保涂料环境影响评价.docx

henan institute of engineering 结课论文题 目 纳米改性环保涂料 学生姓名 徐伟 专业班级 环境工程1241 学 号 201210407220 院 （部） 资源与环境学院 指导教师(职称) 李钢（副教授） 完成时间 2015 年 10 月 纳米改性环保涂料摘要随着科学技术水平的不断发展，人类对生活水平和居住环境的要求也越来越高，注重人与自然的和谐发展，而纳米建材的出现正好满足了这一切。纳米涂料是纳米材料的一个重要应用领域，人们进行了多种纳米材料在涂料中的应用研究，不断地对原有的材料进行纳米改性，从而产生具有耐老化、耐腐蚀、抗辐射、抗静电、自清洁、净化空气等特性和性能的环保涂料。本文主要从纳米改性涂料研究背景、改性涂料种类、制备新技术、不同功能涂料作用原理以及改性涂料在环保行业的应用等五个方面对纳米改性环保涂料进行研究和讲述。纳米涂料的改性主要是由于加入了功能性纳米材料，比如纳米tio2、纳米sio2、纳米cr2o3、纳米zno、纳米caco3等。利用纳米tio2具有高的光催化性制成抗菌涂料并起到净化空气的作用，在未来环保行业有着非常广泛的应用领域；纳米zno能使涂层具有屏蔽紫外线、吸收红外线以及杀菌防毒的作用，通常与其他纳米材料配合使用于内外墙涂料中，可以大大提高涂料的抗老化性能；纳米sio2可以改变其表面极性，提高粒子分散性，从而达到增加涂料隔热性的目的。纳米改性环保涂料的研究符合我国21世纪建设环境友好型社会的要求，推动环保事业的发展，是未来建筑材料科技中的新领域。关键词：纳米涂料，环保，抗菌，光催化性1. 研究背景及意义1.1. 纳米改性涂料概念纳米科技是在20世纪80年代末90年代初逐步发展起来的前沿、交叉性新兴科学，其迅猛发展将成为21世纪科学技术发展的主流。它不仅是信息技术、生物技术等新兴领域发展的推动力，而且因其具有独特的物理、化学、生物特性，为涂料的发展提供了新的机遇。纳米涂料一般由纳米材料与有机涂料复合而成，更严格地讲应称作纳米复合涂料。纳米复合涂料必须满足两个条件：一是至少有一种材料的尺度在1100 nm之间，二是纳米相使涂料性能得到显著提高或增加了新功能，二者缺一不可。纳米改性涂料则是在涂料中加入功能性纳米材料，不仅使涂料的传统性有很大改善，而且赋予涂料许多新的特性和功能。纳米在常规的力学性能，如附着力、耐刷洗性、抗冲击性、柔韧性方面会得到提高，还有可能提高涂料的耐老化、耐腐蚀、抗辐射性能。此外，纳米改性涂料还可能呈现出某些特殊功能，如自清洁、变色、抗静电、影身吸波、阻燃等性能。1.2. 国内外纳米涂料研发状况20世纪90年代，国内外开展了大量纳米涂料的研究开发工作，具有各种特殊性能的纳米涂料产品陆续上市，如美国用80nm的batio3作介电绝缘涂层，用40nm的fe3o4作磁性涂层。日本等国家已有部分纳米二氧化钛的化妆品问世，可以有效地遮蔽紫外线。此外，美国du pont公司还推出添加有银粒子的抗菌涂料，德国nano chem system公司开发了可用于混凝土、石材、陶瓷、木材、玻璃等表面的涂层材料。据称，该涂层应用了纳米技术，能降低被涂饰表面的表面张力（疏水、疏油），从而达到抗污、防雾、易清洗的目的。我国纳米涂料的研究比国外晚，但发展快。如北京建筑材料科学院下属的纳美科技责任公司，已生产纳米涂料供应市场。上海复旦大学成立了“国家教育部先进涂料工程研究中心”，专门研究纳米涂料。武汉材料保护研究所也有一个小组在研究纳米涂料，国家科技部已批准在天津开发区建立国内首家“国家纳米技术产业化基地”。纳米原材料的开发和纳米技术研究开发已经列入中国“863计划”，中国科学院在知识创新试点过程中，将纳米材料的研究和开发列入首批的20个重大项目之一，并投入2000多万元资金。1.3. 研究意义纳米改性涂料是近几年纳米材料在国际上研究的热点之一，纳米材料和纳米技术的异军突起，成为当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着重要影响的研究对象。同时伴随着研究的深入，纳米科技已经渗透到很多领域，为改造传统产业、提高科技含量提供了新的机遇。纳米科技应用于涂料中是二者的完美结合，为开发新型涂料开辟了一条新的途径。1.4. 研究思路和主要内容本文主要对纳米改性涂料种类、制备新技术、不同功能涂料作用原理以及改性涂料在环保行业的应用等方面进行研究。主要阐述了改性后的纳米涂料所具有的独特功能和特性，以及在环保行业的实际应用，通过对不同种类纳米涂料的研究分析，进一步得出纳米科技在生产生活中的重要作用与意义。2. 纳米改性涂料的种类纳米材料种类繁多，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。纳米材料在涂料中的应用可分为两种情况:一是纳米粒子在传统有机涂料中分散后形成的纳米复合涂料,主要通过添加纳米粒子对传统涂料进行改性，其工艺相对简单，生产效率高;二是完全由纳米粒子组成的纳米涂层材料,一般直接与固体物件的制备联系在一起，并不单独作为涂料研究，而且难以实现工业化生产。目前，应用较多的纳米涂料种类如下：2.1. 纳米sio2涂料在建筑内外墙涂料中，添加纳米二氧化硅，可以使得涂料不分层，具有触变性，防流挂，施工性能良好，尤其是抗沾污性大大提高，具有优良的自清洁性能和附着力。在车辆和船舶涂料中，添加纳米二氧化硅是提高涂层光洁度和抗老化的关键环节，涂层干燥时，纳米二氧化硅能形成网络结构，使其耐老化性能、光洁度及强度成倍提高。2.2. 纳米tio2涂料在建筑外墙涂料中，添加适量纳米二氧化钛，可将乳胶漆的耐候性提高到一个新的等级。随着环境污染问题日益严重，特别是氮化物和硫化物对大气的污染，光催化技术在环境污染物治理方面有着良好的应用前景。利用纳米二氧化钛光催化氧化技术制成的大气环境净化涂料，对空气中的nox净化效果良好，在太阳光下，降解率高达97%。同时还可降解大气中的其它污染物，如卤代烃、硫化物、醛类、多环芳烃等。二氧化钛光催化活性好，化学性能和光电化学性能均十分稳定，耐强酸强碱，并且具有较深的价带能级，可使一些吸热反应在光照射的二氧化钛微粒表面得以实现和加速；二氧化钛自身无毒、无味、无刺激性、热稳定性与耐热性好、不燃烧、为白色，因而二氧化钛是很好的半导体光催化杀灭微生物细菌的催化剂；加之纳米二氧化钛光催化复合涂料应用技术工艺简单，成本低廉。2.3. 纳米caco3涂料碳酸钙作为一种优良的填充剂和白色颜料，具有价格便宜、资源丰富、色泽好、品味高的特点。应用研究表明，纳米碳酸钙填充涂料，其柔韧性、硬度、流平性及光泽均有较大幅度提高。2.4. 载ag纳米tio2涂料因为二氧化钛只有在有紫外线的条件下才可以分解细菌，在紫外线较弱的情况下，抗菌效果不明显。为了提高光催化杀菌活性，可以通过表面沉积贵金属来进行改性。掺杂的贵金属可以防止电子-空穴对的复合，促进电子-空穴对的有效分离，从而使二氧化钛抗菌性能更加稳定。同时银本身具有优异杀菌性能。因此，将二者有机结合，会使二氧化钛的抗菌性能得到极大的提高。可以利用热沉积法在二氧化钛的表面负载一定量的银，以提高颗粒的光催化抗菌性能。2.5. 纳米光催化环保涂料环境有害气体可以分为两个方面：室内有害气体和大气污染气体。室内有害气体主要有装饰材料等放出的甲醛及生活环境中产生的甲硫醇、硫化氢、氨气等，这些气体在一百万分之几的浓度时即能使人产生不适。tio2通过光催化作用可将吸附于其表面的这些物质分解氧化，从而使空气中这些物质的浓度降低，减轻或消除环境不适感。利用纳米tio2的光催化作用还可将这些气体氧化，形成蒸汽压低的硝酸和硫酸，这些硝酸和硫酸可在降雨过程中除去，从而达到降低大气污染的目的。3. 纳米改性涂料制备技术纳米涂料的制备方法可分为四种：(1)溶胶凝胶法，由纳米粒子在单体或树脂溶液中的原位生成；(2)原位聚合法，指纳米粒子直接分散在单体中，聚合后生成纳米涂料；(3)共混法，指纳米粒子和树脂溶液或乳液的共混复合；(4)插层法，通过单体或聚合物溶液进入无机纳米层间，制得纳米涂料，但这种方法只适合蒙脱土一类的层状无机材料。纳米涂料制备常用工艺如下图所示：溶剂烷基硅氧烷溶液水、催化剂水解、缩聚水添加剂颜、填料黏度调节剂混合、分散涂料在纳米复合涂料的开发研究中还有很多问题急待解决，其中最关键的问题是如何保证纳米粒子在涂料中有效稳定的分散。纳米涂料中的纳米粒子如果分散不好，不仅达不到预期目的，还有可能破坏涂料的稳定性。目前，分散纳米粒子的方法有电化学方法、化学分散法和物理分散法。(1)电化学方法：由于纳米粒子表面存在等电位点，通过调节ph值使之与等电位点时的ph值相差最大时，可增大纳米粒子分散的稳定性，但该法仅适用于纳米粒子在水中的分散。(2)化学分散法：化学分散法即对纳米粒子的表面改性，利用硅烷偶联剂、钛酸酯、硬脂酸、表面活性剂和超分散剂等表面处理剂对纳米粒子进行表面改性处理，改善纳米粒子的分散性。(3)物理分散法：物理分散法包括使用高速剪切分散机的高速搅拌、用三辊机及研磨机的研磨分散、使用球磨机的球磨分散以及超声波分散。4. 不同功能纳米改性涂料的作用原理纳米改性涂料不仅大大提高了传统涂料的性能，而且也赋予涂料许多新的功能，比如抗菌、自清洁、抗静电、隐身、净化大气、高透明度等。4.1. 纳米抗菌涂料纳米抗菌材料已经被广泛用于纤维、塑料、陶瓷、电器中，用于杀灭大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等各种细菌和病毒。内墙涂料和用于各种仪器、家具表面的涂料，由于人经常接触，会有大量的细菌和病毒驻留在其表面，很容易造成交叉感染。因此，极有必要发展纳米改性抗菌涂料。具有良好抗菌性能的纳米材料主要指纳米tio2、纳米zno以及纳米载银材料。4.1.1. 纳米tio2的抗菌机理纳米tio2具有高的光催化性，是一种光催化半导体抗菌剂，作为一种n型半导体，其禁带宽度相当于波长400nm光的能量，在波长小于400nm的光照射下，能吸收能量高于其禁带宽度的短波光辐射，产生电子跃迁，价带电子被激发到导带，形成空穴电子对，并将能量传递给周围的介质，诱发光化学反应，具有光催化能力。其光催化反应如下所示：tio2+htio2h+tio2e-o2+e-o2-h2o+h+oh+h+o2-+h+ooh式中，e-与h+分别代表晶体表面产生的电子及空穴，它们与水及氧反应的产物是o2-（过氧离子）及反应活性很高的oh或ooh。由于生成的自由基具有很强的氧化、分解能力，可以破坏有机物中的c-c键、c-h键、c-n键、c-o键、h-o键、n-h键，因而具有高效的分解有机物的能力，可用于杀菌、除臭、防老化及消毒，比常用的氯气、次氯酸等具有更大效力。4.1.2. 纳米zno的抗菌机理纳米zno在太阳光，尤其在紫外线照射下，在水和空气中，能自行分解出自由移动的带负电的电子，同时留下带正电的空穴。这种空穴可以激活空气中的氧变为活性氧，有极强的化学活性，能与多种有机物发生氧化反应（包括细菌内的有机物），从而把大多数病菌和病毒杀死。4.1.3. 纳米ag的抗菌机理银的化学结构决定了银具有较高的催化能力，高氧化态银的还原性极高，足以使其周围空间产生原子氧，原子氧具有强氧化性可以灭菌；ag可以强烈地吸引细菌细菌体中蛋白酶上的-sh并迅速与其结合在一起，使蛋白酶丧失活性，导致细菌死亡。当细菌被ag杀灭后，ag又由细菌尸体中游离出来，再与其他细菌接触，周而复始地进行上述过程，这也就是银杀菌持久性的原因。据测定，水中含ag为0.05mg/l时，就能完全杀灭水中的大肠细菌，并能保持长达90天不繁衍出新的菌群。4.2. 纳米改性防水涂料纳米疏水涂料不仅自身具有良好的黏结性、耐腐蚀性，同时又要具有高的致密性及抗离子的渗透性，可以有效地解决涂料和基体的腐蚀问题。纳米疏水材料主要包括纳米tio2和纳米zno。4.2.1. 纳米tio2的超双亲性原理利用纳米涂料可以制成含tio2的亲水亲油涂层或含阵列碳纳米管膜的超双疏（疏水、疏油）涂层，从而改进表面的界面性能。光的照射引起tio2表面在纳米区域形成亲水性及亲油性两相共存的二元协同纳米界面结构。在紫外线照射下，tio2表面生成电子-空穴对，分别与zn4反应生成zn3和氧空位。空气中的水解离子吸附在氧空位中称为化学吸附水，并进一步吸附空气中的水分，形成物理吸附层，即在缺陷周围形成高度亲水微区，而剩余区域仍保持疏水性，这样就构成了均匀分布且尺寸远大于水滴或油滴的相分离的纳米尺寸亲水和亲油微区，在宏观上表现出亲水性和亲油性。涂有tio2的表面因为其超亲水性，使油污不易附着，即使有所附着，也是和外层水膜结合，在外部风力、水淋及自重作用下能自动从涂层表面脱落，从而达到防污及自清洁的目的。用于内外墙乳胶漆，可极大地改善墙面的清洁度。4.2.2. 聚四氟乙烯涂料疏水性含氟、含硅的有机物一般都具有不同的疏水性，而公认疏水性最好的是聚四氟乙烯。ptfe具有优良的耐热、耐酸、耐碱、耐盐性，有“塑料王”之美誉，被认为是未来最具有前途的涂料。ptfe虽然具有好的疏水性，但它的高温流动性很差，所以单独用作涂料时形成的涂膜针孔较多，而且与基体的结合力很差，必须将它与纳米颗粒和别的有机物结合使用。另外，含氟的表面活性剂由于耐高温性能好，将其加入涂料形成涂层后也可以起到疏水的作用。4.3. 耐老化纳米涂料纳米级颜填料使涂料在耐候性能方面能够大幅度提高，纳米颜填料粒子能够吸收紫外线，起到紫外线吸收剂的作用，增强涂料的耐老化性能。纳米zno、sio2、tio2、fe2o3、caco3等微粒都具有大颗粒所不具备的特殊光学性能，普遍存在“蓝移”现象，添加到涂料中，能对涂料形成屏蔽作用，从而达到抗紫外老化的目的。例如纳米sio2是无定形的白色粉末，测试表明纳米sio2具有紫外线吸收、红外线反射的光学特性，对波长为400nm以内的紫外线吸收率可达70%以上，对于波长为80nm以外的红外线反射也可达70%。由于其分子结构中存在大量的不饱和残键和不同状态的羟基，分子结构呈三维硅石结构，这种结构可与树脂的某些基团发生键合作用，大大改善材料的热稳定性和化学稳定性，又由于其表面配位不足，表现出极强的活性，可以对颜料等色素粒子起吸附作用，大大降低由于紫外线的照射而造成色素的衰减，从而减少涂膜的“粉化”现象。5. 纳米改性涂料在环保行业中的应用纳米改性涂料是一种环保型多功能涂料，通过对涂料的原材料进行纳米改性，赋予涂料许多特殊的优良性能，具备新的功能，能够吸附空气中有毒有害物质，对空气产生净化作用。因此，纳米改性涂料在环保领域有非常广泛的运用，是未来建筑行业主要的环保产品。5.1. 纳米tio2对大气的净化作用纳米tio2具有较高的光催化氧化能力，其禁带宽度为3.2ev，相当于波长为387nm紫外线的能量。在紫外线作用下，其价带上的电子被激发到导带，而在价带上产生空穴，自由电子-空穴对可使氧活化，产生活性氧自由基和oh自由基，具有很高的反应活性，可使有机物、氮氧化物、硫氧化物等降解。甲醛是自建筑物装修材料散发到室内空气中的主要污染物之一，它既是一种致癌物，也是一种在很低浓度就能引发过敏症状的刺激物。no和so2也是两种主要的室外空气污染物。利用纳米tio2涂料进行固-气多相光催化从空气中清除挥发性有机化合物（voc）已引起人们的广泛关注，该类涂料能用于清除空气中的气味和污染物，并能同时用于杀菌和消毒。光催化反应通常在常温、常压下进行，小分子烃类化合物的最终氧化产物一般是对人体无害的co2和h2o。在tio2光催化过程中的光致空穴有较强的氧化能力，各类有毒有机物以及其他有毒物质如致病菌，几乎都能被氧化清除。在典型的室内环境中的紫外线也适合于降解极低浓度的污染物，这意味着太阳辐射可以用来净化室内外空气。5.2. 纳米fe2o3涂料的应用纳米氧化铁作为颜料无毒无味，具有很好的耐温、耐候、耐酸、耐碱以及高彩度、高着色力、高透明度和强烈吸收紫外光的优良性能，可广泛用于高档汽车涂料、建筑涂料、防腐涂料、粉末涂料，是较好的环保涂料。紫外线分解木材中的木质素而破坏细胞结构导致木材老化，纳米氧化铁颜料分散于涂层中，由于颗粒直径小，不会散射光线，涂层成透明状态且吸收紫外线辐射，起到保护木材的作用。研究发现:在树脂中掺入纳米级的tio2（白色）、cr2o3（绿色）、fe2o3（褐色）、zno等具有半导体性质的粉体，会产生良好的静电屏蔽性能，日本松下电器公司研究所据此成功开发了适用于电器外壳的树脂基纳米氧化物复合的静电屏蔽涂料。与传统的树脂基碳黑复合的涂料相比，树脂基纳米氧化物复合涂料具有更为优异的静电屏蔽性能，而且后者在颜色选择方面也更为灵活。6. 纳米涂料存在的问题纳米材料在涂料中的应用而言，目前仍处于初级阶段，许多关键问题有待深入探讨，主要问题有:(1)纳米微粒