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纳米二氧化钛在建筑涂料中的应用

来源: | 作者: | 发布日期:08-22
纳米二氧化钛在建筑涂料中的应用

   发展高性能、环保型及多功能的建筑涂料,在国内外都受到了高度的重视。作为使纳米材料具有良好的分散性,并使之功能化的纳米材料复合技术是纳米技术应用于建筑涂料所必需的专业技术之一。高档次的建筑涂料除了必须具有高耐候性、耐沾污性和高保色性以外,还需要具有诸如除臭、杀(抗)菌、防尘及隔热保温等多种功能。由于纳米级的TiO2在有光照(包括灯光和日光)的作用下,具有杀菌、分解有机臭气及自清洁等功能。因此,将TiO2制成纳米粒子再添加到涂料中,可以赋予建筑涂料一定的功能性,有助于提高涂料的档次,增加涂料本身的附加值。但纳米TiO2本身的强极性和颗粒的微细化,使得纳米TiO2不易在非极性介质中分散,在极性介质中又易于团聚,直接影响TiO2本身优异性能的发挥。

 

  当涂料系统的颜料体积浓度(PVC)增加时,TiO2粒子互相靠近,甚至互相接触进而发生团聚,使TiO2粒子的光散射性能下降,出现光群集现象。人们试图在涂料配方中加人填料以间隔开TiO2粒子,防止产生群集效应,但分布在涂料系统中的这些填料粒子很难使TiO2达到最高的遮盖力。因为填料粒子一般较粗,也可能是呈聚集体状态,在加人到配方中以后取代了树脂成分,提高了TiO2,体积浓度,但却降低了其散射性能。因此,必须对纳米TiO2进行处理,以便获得良好的分散性,从而解决纳米TiO2,本身的团聚及其在其他体系中的分散性问题。

 

  1.纳米TiO2的团聚原因

 

  纳米粒子的表面原子所占比例随粒径减小而迅速增加,而表面原子与处于晶体内部的原子所受力场有很大的不同。内部原子所受作用力包括来自周围原子的对称价键力和来自稍远原子的远程范德华力,受力对称,其价键是饱和的;而表面原子受力为与其邻近的内部原子的非对称价键力和其它原子的远程范德华力,其裸露在外的部分没有力的作用,受到的作用力不对称,其价键是不饱和的,有与外界原子键合的倾向。这些微细颗粒的团聚过程其实就是粒子间结合力的不断形成,体系总能量不断降低的过程。

 

 

  2.纳米TiO2的复合

 

  减弱纳米粒子问的范德华力,防止超微纳米粒子团聚的方式有多种,较常用的方法是在溶液中的超微粒子表面包覆一层有机表面活性剂,利用表面活性剂的电荷排斥力、空间位阻等减弱粒子问的范德华力。但若要得到纳米微粉,就会使有机表面活性剂在热处理时被破坏掉,其中的微粒子仍然会形成一定程度的团聚体。目前能较好地改善TiO2超微粒子的分散性的方法就是使超微粒子与其它粒子进行复合的二元(或多元)复合法,通过这种方法获得的纳米TiO2复合微粉具有很好的分散性,而且可以通过改变其它粒子的种类使TiO2复合粒子具有额外的、新的功能根据TiO2在复合粒子中所处的位置不同,可以将这种复合方法分为母粒子复合法和子粒子复合法两种。

 

  母粒子复合法就是以TiO2颜料粒子作为核心粒子,在其表面包覆无机膜或在其表面黏附上不连续的无机物粒子。这种方法由于在TiO2粒子外表面包覆或黏附上了其它物质,使其表面能降低,同时也减弱了粒子问的范德华力,很好地提高了在涂料中的分散性。在目前的许多具有自清洁和杀菌作用的功能性内、外墙涂料中,纳米TiO2粒子是其中的主要功效物质,它的分散性的好坏直接影响到涂料功效的发挥。在TiO2粒子表面间断地黏附上一些无机微粒子,使粘附力下降。因为表面无机粒子的存在而无法紧密接触,发生原子问的键合。美国杜邦公司采用这种方法使颜料用于中等到高等颜料体积浓度(PVC)的涂料系统中时,光散射系数得到较大的提高。但该方法中由于表面无机粒子的存在,也会遮挡一部分光对TiO2本身表面的照射。同时,表面粒子与Ti02之间的结合强度也会影响到涂料的使用。如果结合强度太低,在分散到涂料溶剂中时的搅拌过程就会有可能使表面粒子发生脱落。若在TiO2粒子表面包覆一层或多层透明的无机纳米薄膜(如SiO2,Al2O3等),就可以避免上述情况的发生。 

与母粒子复合法相反,子粒子法则是以纳米TiO2颜料粒子作为子粒子,通过物理化学作用,以黏附、镶嵌等形式将其固定在其它粒子的表面。这样两种粒子之间不但可能有物理作用力,还会存在有一定化学键,复合很牢固。如果通过化学方法合成,则无机或有机母粒子与nTiO2粒子的粒径之比可以没有太大的差别;如果通过机械物理作用使两种粒子发生这种复合,那么TiO2粒子的粒径必须是母粒子的1/5—1/10,否则复合效果不会很好,结合强度也不高。在测试其紫外吸收谱时,发现复合微粒比PMMA与TiO2粒子简单混合样品的吸收蜂要强要宽。这表明经过复合后的TiO2的分散性大为改善,TiO2对光照的作用效率有很大的提高。如果将这种复合后的TiO2添加到涂料中,在达到同等功效的情况下,比使用单纯的纳米Ti02的用量要大为减少,成本也就会大大降低。

 

 

  3.纳米TiO2在建筑涂料中的应用

 

  纳米TiO2除具有普通TiO2涂料的所有性能以外,还具有很强的屏蔽紫外线能力和优异的透明性,可应用于汽车工业、防晒化妆品、感光材料及文物保护等诸多方面。虽然纳米材料在建材(特别是建筑涂料)方面的应用刚开始,却已经显示出了它的独特魅力。作为内墙涂料,将TiO2涂在室内建筑物的砖墙或墙纸上,在有太阳光或室内的照明光时,利用纳米TiO2的强氧化分解能力不仅可使室内的恶臭物和油污分解,而且对杀死大肠杆菌有明显效果。有利于室内空气的清新和病菌、细菌的减少。

 

  在污染严重的地域,在建筑物外墙壁或高速公路的隔音壁上涂上含有纳米TiO2的建筑涂料,利用太阳光可有效地分解除去空气中的NOx。而涂料表面所积聚的HN可由雨水冲洗,不会引起TiO2光催化活性的降低。有人在日本的长滨隧道中放置涂有纳米TiO2和不涂TiO2膜的灯具进行对比实验,结果发现随时间的延长,前者比后者的透光率要高得多。通常情况下,TiO2表面与水的接触角约为72。经紫外光照射以后,水的接触角在5。以下,甚至可以达到0o左右。水滴可完全浸润其表面,显示出非常强的超亲水性。利用TiO2表面的超亲水性,可使涂有含纳米.n02的建筑涂料的建筑物表面具有防污、防雾、易洗、易干等特性,使其表面具有长期的自清洁去污效应。

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