納米技術(shù)是二十世紀(jì)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(yùn)動(dòng)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(xué)科, 它主要包括:納米體系物理學(xué)、納米化學(xué)、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米電子學(xué)、納米加工學(xué)、納米力學(xué)、納米機(jī)械學(xué)。納米技術(shù)已應(yīng)用于建筑材料、光學(xué)、醫(yī)藥、半導(dǎo)體、信息通訊、軍事等領(lǐng)域[2, 3]。目前, 納米材料技術(shù)是唯一可以實(shí)現(xiàn)的納米技術(shù)[1]。
納米材料以其特有的光、電、熱、磁等性能為建筑材料的發(fā)展帶來(lái)一次前所未有的革命。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(dǎo)電功能而開發(fā)的導(dǎo)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(qiáng)度等。由此可見(jiàn), 納米材料在建材中具有十分廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景和巨大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。
近年來(lái), 國(guó)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(guó)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(fù)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(qiáng)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)顯示出了它的獨(dú)特魅力[4]。
同一種納米粒子在不同粒徑下會(huì)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(fù)合涂料的用途可歸納為以下幾種:
1.1 光學(xué)應(yīng)用納米復(fù)合涂料
納米粒子的粒徑遠(yuǎn)小于可見(jiàn)光的波長(zhǎng)400～750nm,具有透過(guò)作用, 從而保證了納米復(fù)合涂料具有較高的透明性。納米粒子對(duì)紫外線具有較強(qiáng)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(wú)定型白色粉末( 指其團(tuán)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(lái)講, 納米粒子表面氫鍵會(huì)在外部剪切力消除后迅速?gòu)?fù)原, 使其結(jié)構(gòu)迅速重組。這種依賴時(shí)間與外力作用而回復(fù)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(xiàng)性能的主要因素[7]。徐國(guó)財(cái)?shù)热薣8]通過(guò)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(xì)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(shí), 會(huì)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 的最大用途, 也是國(guó)外納米材料在涂料中應(yīng)用最為成功的例子之一[9]。納米氧化鋅由于尺寸小, 比表面積大, 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(dǎo)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(jī)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(fù)合涂料
由于納米超細(xì)粉末尺寸非常小, 具有吸收電磁波的性能, 它們對(duì)不同波長(zhǎng)的雷達(dá)波和紅外線具有很強(qiáng)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(guó)曾報(bào)道過(guò)一種“超”黑體納米吸收材料, 即超細(xì)石墨粉納米吸波涂料, 對(duì)雷達(dá)波的吸收率可達(dá)99%[10]。國(guó)外用納米級(jí)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(jī)、軍艦、導(dǎo)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(diǎn), 可望在未來(lái)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(guó)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(zhǎng)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(jià)帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶, 并形成電子- 空穴對(duì), 將能量傳遞到周圍介質(zhì), 誘導(dǎo)光化學(xué)反應(yīng), 從而具有光催化性能。
納米ZnO 也是一種高效殺菌劑, 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(fù)電的電子( e-) , 同時(shí)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? 有極強(qiáng)的化學(xué)活性, 能與多種有機(jī)物發(fā)生氧化反應(yīng)( 包括細(xì)菌內(nèi)的有機(jī)物) , 從而把大多數(shù)病菌和病毒殺死。西北大學(xué)曾進(jìn)行過(guò)納米氧化鋅的定量殺菌試驗(yàn), 在5min 內(nèi)納米氧化鋅的濃度為1 %時(shí), 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(dǎo)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(fù)合涂料, 所用的納米粒子有Fe2O3、TiO2、ZnO等。這些具有半導(dǎo)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(dǎo)電特性, 同時(shí), 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 納米高力學(xué)性能涂料
當(dāng)涂料的重要組成部分顏料顆粒達(dá)到納米級(jí)大小并分散在涂膜中時(shí), 由于比界面很大, 具有很大的結(jié)合力, 對(duì)有機(jī)涂層有一定的增強(qiáng)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(guò)程中的殘余應(yīng)力, 從而增強(qiáng)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(huì)工業(yè)化的深入發(fā)展和我國(guó)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(fù)合材料領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。同時(shí), 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(qiáng)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(qiáng)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(dòng)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(qiáng)度、抗?jié)B性與耐久性均得以提高。
有研究報(bào)道[14], 當(dāng)納米材料的添加量為水泥用量的1%～3%, 并在高速混合機(jī)中與其他混合料進(jìn)行混合后,制備的納米復(fù)合水泥結(jié)構(gòu)材料在7d 和28d 齡期的水泥硬化強(qiáng)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(jí)SiO2 對(duì)水泥漿體需水量的影響。研究表明, 當(dāng)納米級(jí)SiO2 摻量達(dá)到水泥用量的8%時(shí), 水泥漿體的需水量增大一倍。同時(shí), 研究發(fā)現(xiàn), 當(dāng)將水泥用量8%和10%進(jìn)行復(fù)合添加時(shí), 納米級(jí)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(jí)配結(jié)構(gòu)。當(dāng)兩者同時(shí)添加且納米級(jí)SiO2 為l%和硅灰為9%時(shí), 需水量并未雙倍增加, 可見(jiàn)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(gè)特殊性能, 其一是納米金屬粉末的強(qiáng)度、硬度高, 并隨著晶粒尺寸的減小, 其強(qiáng)度、硬度不斷提高, 同時(shí)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(lái)制備光催化混凝土, 它在凈化機(jī)動(dòng)車排出的尾氣時(shí)發(fā)生了光催化反應(yīng), 對(duì)機(jī)動(dòng)車輛排放的二氧化硫、氮氧化物等對(duì)人體有害的污染氣體進(jìn)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(jìn)行電磁屏蔽, 還可以用來(lái)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(qiáng)的導(dǎo)電性能, 同時(shí)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(shí)時(shí)和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè), 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(píng)價(jià)、檢測(cè)車重與車速等, 這對(duì)混凝土性能的檢測(cè)是一場(chǎng)革命。
2.4 聚合物/無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料在混凝土中的應(yīng)用
由于聚合物/無(wú)機(jī)納米復(fù)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(dāng)前復(fù)合材料的熱點(diǎn)[23-26], 它也有可能應(yīng)用于水泥混凝土中。把聚合物/無(wú)機(jī)納米復(fù)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(qiáng)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(wú)機(jī)納米復(fù)合材料, 使之均勻分散在混凝土中, 利用聚合物/無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料的導(dǎo)電性能, 測(cè)試電阻的變化, 建立電阻與荷載之間的模型, 從而可以預(yù)測(cè)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(jì)90 年代初, 日本Nihara 首次報(bào)道了以納米尺寸SiC 顆粒為第二相的納米復(fù)相陶瓷具有很高的力學(xué)性能, 并具有很多獨(dú)特的性能。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(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)納米復(fù)相陶瓷的研究表明, 在微米級(jí)基體中引入納米分散相進(jìn)行復(fù)合, 可使材料的斷裂強(qiáng)度、斷裂韌性大大提高( 2～4 倍) , 使最高使用溫度提高400～600℃, 同時(shí)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(guò)程中, 如果再加入遠(yuǎn)紅外陶瓷粉, 就可以制成具有復(fù)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(jìn)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(duì)工業(yè)廢氣進(jìn)行過(guò)濾分離。多孔陶瓷具有很好的耐熱、耐化學(xué)腐蝕等性能, 具有壽命長(zhǎng)、免維修的特點(diǎn)。利用納米材料的光催化效應(yīng), 可對(duì)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(yáng)能陶瓷、遠(yuǎn)紅外陶瓷等, 用于建筑物飾面, 可開發(fā)太陽(yáng)能, 調(diào)節(jié)環(huán)境溫度, 促進(jìn)人們身體健康。
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(qiáng)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(jìn)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(shí)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(qiáng)度,同時(shí)還能起到增韌作用。納米材料的問(wèn)世, 為新型增強(qiáng)塑料的合成提供了新的機(jī)遇, 為傳統(tǒng)增強(qiáng)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(dá)到全面改善增強(qiáng)塑料性能的目的。通過(guò)加入納米材料, 能夠明顯提高塑料的強(qiáng)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]。
5結(jié)束語(yǔ)
被譽(yù)為二十一世紀(jì)最具有發(fā)展前景的納米材料和納米技術(shù)一經(jīng)問(wèn)世, 便以極快的速度滲透到各個(gè)研究領(lǐng)域。納米技術(shù)是對(duì)未來(lái)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生重大影響的一種關(guān)鍵性前沿技術(shù), 這是世界各國(guó)科學(xué)家的共識(shí)。納米技術(shù)在建筑材料方面的應(yīng)用前景非常廣闊, 研究開發(fā)工作剛剛起步, 可以預(yù)料, 納米技術(shù)不僅會(huì)推動(dòng)建材新產(chǎn)品的開發(fā), 還將為改善人們的生活環(huán)境, 提高生活質(zhì)量作出不可估量的貢獻(xiàn), 納米技術(shù)將為二十一世紀(jì)建筑材料的發(fā)展開拓新的方向。
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近年來(lái), 國(guó)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(guó)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(fù)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(qiáng)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)顯示出了它的獨(dú)特魅力[4]。
同一種納米粒子在不同粒徑下會(huì)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(fù)合涂料的用途可歸納為以下幾種:
1.1 光學(xué)應(yīng)用納米復(fù)合涂料
納米粒子的粒徑遠(yuǎn)小于可見(jiàn)光的波長(zhǎng)400～750nm,具有透過(guò)作用, 從而保證了納米復(fù)合涂料具有較高的透明性。納米粒子對(duì)紫外線具有較強(qiáng)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(wú)定型白色粉末( 指其團(tuán)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(lái)講, 納米粒子表面氫鍵會(huì)在外部剪切力消除后迅速?gòu)?fù)原, 使其結(jié)構(gòu)迅速重組。這種依賴時(shí)間與外力作用而回復(fù)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(xiàng)性能的主要因素[7]。徐國(guó)財(cái)?shù)热薣8]通過(guò)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(xì)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(shí), 會(huì)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 的最大用途, 也是國(guó)外納米材料在涂料中應(yīng)用最為成功的例子之一[9]。納米氧化鋅由于尺寸小, 比表面積大, 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(dǎo)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(jī)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(fù)合涂料
由于納米超細(xì)粉末尺寸非常小, 具有吸收電磁波的性能, 它們對(duì)不同波長(zhǎng)的雷達(dá)波和紅外線具有很強(qiáng)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(guó)曾報(bào)道過(guò)一種“超”黑體納米吸收材料, 即超細(xì)石墨粉納米吸波涂料, 對(duì)雷達(dá)波的吸收率可達(dá)99%[10]。國(guó)外用納米級(jí)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(jī)、軍艦、導(dǎo)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(diǎn), 可望在未來(lái)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(guó)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(zhǎng)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(jià)帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶, 并形成電子- 空穴對(duì), 將能量傳遞到周圍介質(zhì), 誘導(dǎo)光化學(xué)反應(yīng), 從而具有光催化性能。
納米ZnO 也是一種高效殺菌劑, 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(fù)電的電子( e-) , 同時(shí)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? 有極強(qiáng)的化學(xué)活性, 能與多種有機(jī)物發(fā)生氧化反應(yīng)( 包括細(xì)菌內(nèi)的有機(jī)物) , 從而把大多數(shù)病菌和病毒殺死。西北大學(xué)曾進(jìn)行過(guò)納米氧化鋅的定量殺菌試驗(yàn), 在5min 內(nèi)納米氧化鋅的濃度為1 %時(shí), 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(dǎo)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(fù)合涂料, 所用的納米粒子有Fe2O3、TiO2、ZnO等。這些具有半導(dǎo)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(dǎo)電特性, 同時(shí), 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 納米高力學(xué)性能涂料
當(dāng)涂料的重要組成部分顏料顆粒達(dá)到納米級(jí)大小并分散在涂膜中時(shí), 由于比界面很大, 具有很大的結(jié)合力, 對(duì)有機(jī)涂層有一定的增強(qiáng)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(guò)程中的殘余應(yīng)力, 從而增強(qiáng)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(huì)工業(yè)化的深入發(fā)展和我國(guó)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(fù)合材料領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。同時(shí), 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(qiáng)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(qiáng)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(dòng)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(qiáng)度、抗?jié)B性與耐久性均得以提高。
有研究報(bào)道[14], 當(dāng)納米材料的添加量為水泥用量的1%～3%, 并在高速混合機(jī)中與其他混合料進(jìn)行混合后,制備的納米復(fù)合水泥結(jié)構(gòu)材料在7d 和28d 齡期的水泥硬化強(qiáng)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(jí)SiO2 對(duì)水泥漿體需水量的影響。研究表明, 當(dāng)納米級(jí)SiO2 摻量達(dá)到水泥用量的8%時(shí), 水泥漿體的需水量增大一倍。同時(shí), 研究發(fā)現(xiàn), 當(dāng)將水泥用量8%和10%進(jìn)行復(fù)合添加時(shí), 納米級(jí)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(jí)配結(jié)構(gòu)。當(dāng)兩者同時(shí)添加且納米級(jí)SiO2 為l%和硅灰為9%時(shí), 需水量并未雙倍增加, 可見(jiàn)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(gè)特殊性能, 其一是納米金屬粉末的強(qiáng)度、硬度高, 并隨著晶粒尺寸的減小, 其強(qiáng)度、硬度不斷提高, 同時(shí)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(lái)制備光催化混凝土, 它在凈化機(jī)動(dòng)車排出的尾氣時(shí)發(fā)生了光催化反應(yīng), 對(duì)機(jī)動(dòng)車輛排放的二氧化硫、氮氧化物等對(duì)人體有害的污染氣體進(jìn)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(jìn)行電磁屏蔽, 還可以用來(lái)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(qiáng)的導(dǎo)電性能, 同時(shí)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(shí)時(shí)和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè), 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(píng)價(jià)、檢測(cè)車重與車速等, 這對(duì)混凝土性能的檢測(cè)是一場(chǎng)革命。
2.4 聚合物/無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料在混凝土中的應(yīng)用
由于聚合物/無(wú)機(jī)納米復(fù)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(dāng)前復(fù)合材料的熱點(diǎn)[23-26], 它也有可能應(yīng)用于水泥混凝土中。把聚合物/無(wú)機(jī)納米復(fù)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(qiáng)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(wú)機(jī)納米復(fù)合材料, 使之均勻分散在混凝土中, 利用聚合物/無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料的導(dǎo)電性能, 測(cè)試電阻的變化, 建立電阻與荷載之間的模型, 從而可以預(yù)測(cè)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(jì)90 年代初, 日本Nihara 首次報(bào)道了以納米尺寸SiC 顆粒為第二相的納米復(fù)相陶瓷具有很高的力學(xué)性能, 并具有很多獨(dú)特的性能。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(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)納米復(fù)相陶瓷的研究表明, 在微米級(jí)基體中引入納米分散相進(jìn)行復(fù)合, 可使材料的斷裂強(qiáng)度、斷裂韌性大大提高( 2～4 倍) , 使最高使用溫度提高400～600℃, 同時(shí)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(guò)程中, 如果再加入遠(yuǎn)紅外陶瓷粉, 就可以制成具有復(fù)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(jìn)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(duì)工業(yè)廢氣進(jìn)行過(guò)濾分離。多孔陶瓷具有很好的耐熱、耐化學(xué)腐蝕等性能, 具有壽命長(zhǎng)、免維修的特點(diǎn)。利用納米材料的光催化效應(yīng), 可對(duì)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(yáng)能陶瓷、遠(yuǎn)紅外陶瓷等, 用于建筑物飾面, 可開發(fā)太陽(yáng)能, 調(diào)節(jié)環(huán)境溫度, 促進(jìn)人們身體健康。
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(qiáng)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(jìn)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(shí)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(qiáng)度,同時(shí)還能起到增韌作用。納米材料的問(wèn)世, 為新型增強(qiáng)塑料的合成提供了新的機(jī)遇, 為傳統(tǒng)增強(qiáng)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(dá)到全面改善增強(qiáng)塑料性能的目的。通過(guò)加入納米材料, 能夠明顯提高塑料的強(qiáng)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]。
5結(jié)束語(yǔ)
被譽(yù)為二十一世紀(jì)最具有發(fā)展前景的納米材料和納米技術(shù)一經(jīng)問(wèn)世, 便以極快的速度滲透到各個(gè)研究領(lǐng)域。納米技術(shù)是對(duì)未來(lái)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生重大影響的一種關(guān)鍵性前沿技術(shù), 這是世界各國(guó)科學(xué)家的共識(shí)。納米技術(shù)在建筑材料方面的應(yīng)用前景非常廣闊, 研究開發(fā)工作剛剛起步, 可以預(yù)料, 納米技術(shù)不僅會(huì)推動(dòng)建材新產(chǎn)品的開發(fā), 還將為改善人們的生活環(huán)境, 提高生活質(zhì)量作出不可估量的貢獻(xiàn), 納米技術(shù)將為二十一世紀(jì)建筑材料的發(fā)展開拓新的方向。
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