納米材料和技術在混凝土等材料中的應用分析
2008-10-09 00:00
| 近年來，國內外開始探索納米材料和納米技術在建材中的發(fā)展及應用工作，并取得了一些可喜的成果，現分類介紹如下： 納米技術是二十世紀80年代末誕生并正在崛起的新技術，主要是指在0.1~100nm尺度范圍內，研究物質組成體系中電子、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。納米技術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。納米技術已應用于建筑材料、光學、醫(yī)藥、半導體、信息通訊、軍事等領域。目前，納米材料技術是唯一可以實現的納米技術。 納米材料以其特有的光、電、熱、磁等性能為建筑材料的發(fā)展帶來一次前所未有的革命。利用納米材料的隨角異色現象開發(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用前景和巨大的經濟、社會效益。 近年來，國內外開始探索納米材料和納米技術在建材中的發(fā)展及應用工作，并取得了一些可喜的成果，現分類介紹如下： 1納米技術在建筑涂料中的應用 涂料是建筑物的內衣(內墻涂料)和外衣(外墻涂料)，國內傳統(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)方面的應用已經顯示出了它的獨特魅力。 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)呈三維鏈狀結構。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，使其結構迅速重組。這種依賴時間與外力作用而回復原狀的剪切力弱化反應，稱為“觸變性”。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。徐國財等人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顏料作用，與其它片狀效應顏料如鋁粉顏料或珠光顏料并用時，會產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，也是國外納米材料在涂料中應用最為成功的例子之一。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，起抗菌和除臭作用。具有這一性質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。 [Page] 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%。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。 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。如將國內已經工業(yè)化生產的納米抗菌粉用于涂料中，可制得納米殺菌涂料，涂覆于建材產品，如衛(wèi)生潔具、室內空間、用具、醫(yī)院手術間和病房的墻面、地面等，起到殺菌、保潔作用。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，誘導光化學反應，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?，有極強的化學活性，能與多種有機物發(fā)生氧化反應(包括細菌內的有機物)，從而把大多數病菌和病毒殺死。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。 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力，從而增強涂層的附著力。研究表明，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納米技術在混凝土材料中的應用 隨著社會工業(yè)化的深入發(fā)展和我國基礎建設的廣泛開展，水泥混凝土作為一種傳統(tǒng)的建材，其產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域中的研究熱點。同時，許多特殊領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、量子效應、表面及界面效應等優(yōu)異特性，因而能夠在結構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。 [Page] 2.1納米礦粉在水泥混凝土中的應用 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構，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構材料在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，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構。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用 由于納米材料的表面效應，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，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構的實時和長期監(jiān)測，便于監(jiān)控混凝土結構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用 由于聚合物/無機納米復合材料的優(yōu)異性能，使得有關它的理論和應用研究成為當前復合材料的熱點[23-26]，它也有可能應用于水泥混凝土中。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構的破壞。 3納米技術在陶瓷材料中的應用 3.1納米材料在耐高溫陶瓷中的應用 二十世紀90年代初，日本Nihara首次報道了以納米尺寸SiC顆粒為第二相的納米復相陶瓷具有很高的力學性能，并具有很多獨特的性能。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。納米技術在陶瓷上的應用潛力不可估量[27，28]。 近年來國內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)，使最高使用溫度提高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，生產抗菌陶瓷釉面磚和衛(wèi)生陶瓷等產品，主要用于墻地面裝飾、廚房、浴室及衛(wèi)生間。在生產抗菌陶瓷的過程中，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。 [Page] 3.3納米材料在環(huán)境友好陶瓷中的應用 利用納米技術生產的多孔陶瓷(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，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)境質量。 3.4納米材料在綠色能源陶瓷中的應用 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，調節(jié)環(huán)境溫度，促進人們身體健康。 4納米技術在其它方面的應用 建筑鋼材也是現代土木工程中應用較廣泛的工程材料之一，也在向高強輕質方向發(fā)展，特別是利用納米技術開發(fā)自身防火和防腐的鋼材，必將促進鋼結構更快的發(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后，水滴或油滴與表面的接觸角接近于零，從而實現自清潔及防霧效果，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，可達到全面改善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。 5結束語 被譽為二十一世紀最具有發(fā)展前景的納米材料和納米技術一經問世，便以極快的速度滲透到各個研究領域。納米技術是對未來經濟和社會發(fā)展產生重大影響的一種關鍵性前沿技術，這是世界各國科學家的共識。納米技術在建筑材料方面的應用前景非常廣闊，研究開發(fā)工作剛剛起步，可以預料，納米技術不僅會推動建材新產品的開發(fā)，還將為改善人們的生活環(huán)境，提高生活質量作出不可估量的貢獻，納米技術將為二十一世紀建筑材料的發(fā)展開拓新的方向。 |
| 原作者： 家天下 |
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