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纳米材料和技术在新型建筑材料中的应用分析

作者：中国建筑金属结构信息网网    
时间：2009-12-23 10:03:00 [收藏]


    纳米技术是二十世纪80年代末诞生并正在崛起的新技术，主要是指在0.1~100nm尺度范围内，研究物质组成体系中电子、原子和分子运动规律与相互作用，其研究目的是按人的意志直接操纵电子、原子或分子，研制出人们所希望的、具有特定功能特性的材料和制品[1]。纳米技术是高度交叉的综合性学科，它主要包括:纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学、纳米机械学。纳米技术已应用于建筑材料、光学、医药、半导体、信息通讯、军事等领域[2，3]。目前，纳米材料技术是唯一可以实现的纳米技术[1]。

    纳米材料以其特有的光、电、热、磁等性能为建筑材料的发展带来一次前所未有的革命。利用纳米材料的随角异色现象开发的新型涂料，利用纳米材料的自洁功能开发的抗菌防霉涂料、PPR供水管，利用纳米材料具有的导电功能而开发的导电涂料，利用纳米材料屏蔽紫外线的功能可大大提高PVC塑钢门窗的抗老化黄变性能，利用纳米材料可大大提高塑料管材的强度等。由此可见，纳米材料在建材中具有十分广阔的市场应用前景和巨大的经济、社会效益。

    近年来，国内外开始探索纳米材料和纳米技术在建材中的发展及应用工作，并取得了一些可喜的成果，现分类介绍如下：

    1纳米技术在建筑涂料中的应用

    涂料是建筑物的内衣(内墙涂料)和外衣(外墙涂料)，国内传统的涂料普遍存在悬浮稳定性差、不耐老化、耐洗刷性差、光洁度不高等缺陷。纳米复合涂料就是将纳米粉体用于涂料中所得到的一类具有耐老化、抗辐射、剥离强度高或具有某些特殊功能的涂料。在建材(特别是建筑涂料)方面的应用已经显示出了它的独特魅力。

    同一种纳米粒子在不同粒径下会有不同的作用，不同种类的纳米粒子也可以在涂料中起相同的作用。按纳米复合涂料的用途可归纳为以下几种：

    1.1光学应用纳米复合涂料

    纳米粒子的粒径远小于可见光的波长400～750nm，具有透过作用，从而保证了纳米复合涂料具有较高的透明性。纳米粒子对紫外线具有较强的吸收作用。在外墙建筑涂料中添加TiO2、SiO2等纳米粒子以提高耐候性，在汽车面漆中添加TiO2以提高汽车涂料的耐老化性等。纳米SiO2是无定型白色粉末(指其团聚体)，表面存在不饱和的残键及不同键合状态的羟基，其分子状态呈三维链状结构[5]。一般来讲，纳米粒子表面氢键会在外部剪切力消除后迅速复原，使其结构迅速重组。这种依赖时间与外力作用而回复原状的剪切力弱化反应，称为“触变性”[6]。触变性是纳米二氧化硅改善传统涂料各项性能的主要因素[7]。徐国财等人[8]通过纳米微粒填充法，将纳米二氧化硅掺杂到紫外光固化涂料中。实验表明，纳米二氧化硅减弱了紫外光固化涂料吸收UV辐照的强度，从而降低了光固化涂料的固化速度，但可明显提高紫外光固化涂料的硬度和附着力。特别是金红石型超细TiO2在汽车面漆中还可起到效应颜料作用，与其它片状效应颜料如铝粉颜料或珠光颜料并用时，会产生伴有乳光的随角异色性，可用于豪华轿车面漆，这是目前纳米TiO2的最大用途，也是国外纳米材料在涂料中应用最为成功的例子之一[9]。纳米氧化锌由于尺寸小，比表面积大，表面的键态与颗粒内部的不同，表面原子配位不全等，导致表面的活性位置增多，加大了反应接触面，因此，纳米氧化锌也是一种很好的光催化剂。在紫外光照射下，它能分解有机物质，起抗菌和除臭作用。具有这一性质的光催化剂可用于环保涂料中，纳米ZnO加入涂料可显著提高涂料的耐人工老化能力。

    1.2吸波纳米复合涂料

    由于纳米超细粉末尺寸非常小，具有吸收电磁波的性能，它们对不同波长的雷达波和红外线具有很强的吸收作用。因此，被纳米颗粒改性后的涂料可成为军事上用的隐身涂料。美国曾报道过一种“超”黑体纳米吸收材料，即超细石墨粉纳米吸波涂料，对雷达波的吸收率可达99%[10]。国外用纳米级羰基铁粉、镍粉、铁氧体粉末已成功配制了军事隐身涂料，涂到飞机、军舰、导弹、潜艇等武器装备上，使其具有隐身性能。纳米涂层材料由于具有吸收频带宽、重量轻、厚度薄等优点，可望在未来军事隐身化方面大展身手。

    1.3纳米自洁抗菌涂料

    光的照射可以引起TiO2表面在纳米区域形成亲水性及亲油性两相共存奇妙的超双亲性。如将国内已经工业化生产的纳米抗菌粉用于涂料中，可制得纳米杀菌涂料，涂覆于建材产品，如卫生洁具、室内空间、用具、医院手术间和病房的墙面、地面等，起到杀菌、保洁作用[12]。纳米TiO2颗粒在波长小于400nm的光照下，能吸收高于其禁带宽度的短波光辐射，产生电子跃迁，使价带电子被激发到导带，并形成电子-空穴对，将能量传递到周围介质，诱导光化学反应，从而具有光催化性能。

    纳米ZnO也是一种高效杀菌剂，纳米氧化锌在紫外线照射下，在水和空气(氧气)中能自行分解出带负电的电子(e-)，同时留下带正电的空穴(h+)，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。西北大学曾进行过纳米氧化锌的定量杀菌试验，在5min内纳米氧化锌的浓度为1%时，金黄色葡萄球菌的杀灭率为98.86%，大肠杆菌的杀灭率为99.93%。所以在化妆品中添加纳米氧化锌既能屏蔽紫外线防晒，又能抗菌除臭[13]。

    1.4纳米导电涂料

    日本松下公司已研制成功具有良好静电屏蔽作用的纳米复合涂料，所用的纳米粒子有Fe2O3、TiO2、ZnO等。这些具有半导体特性的纳米氧化物粒子在室温下具有比常规的氧化物高的导电特性，同时，纳米氧化物粒子的颜色不同，这种涂料不但具有静电屏蔽特性，而且克服了涂料颜色的单调性。

    1.4.1纳米高力学性能涂料

    当涂料的重要组成部分颜料颗粒达到纳米级大小并分散在涂膜中时，由于比界面很大，具有很大的结合力，对有机涂层有一定的增强作用，提高了涂层的硬度、抗冲击性和耐磨性。此外，纳米颗粒还可以降低涂层在干燥过程中的残余应力，从而增强涂层的附着力。研究表明[8]，纳米SiO2颗粒在紫外光固化涂料中可明显提高涂膜的硬度和附着力，并且经纳米材料改性后的家具表面漆、汽车面漆的耐磨性和耐刮伤性也有很大提高。

    2纳米技术在混凝土材料中的应用

    随着社会工业化的深入发展和我国基础建设的广泛开展，水泥混凝土作为一种传统的建材，其产量和用量都在不断地增加，高性能混凝土已成为水泥基复合材料领域中的研究热点。同时，许多特殊领域要求水泥混凝土具有一定的功能性，如希望其具有吸声、防冻、高强且高韧性等功能。纳米材料由于具有小尺寸效应、量子效应、表面及界面效应等优异特性，因而能够在结构或功能上赋予其所添加体系许多不同于传统材料的性能。利用纳米技术开发新型的混凝土可大幅度提高混凝土的强度、施工性能和耐久性能。

    2.1纳米矿粉在水泥混凝土中的应用

    纳米矿粉如纳米SiO2、纳米CaCO3和纳米硅粉等不但可以填充水泥的空隙，提高混凝土的流动度，更重要的是可改善混凝土中水泥石与骨料的界面结构，使混凝土的强度、抗渗性与耐久性均得以提高。

    有研究报道[14]，当纳米材料的添加量为水泥用量的1%～3%，并在高速混合机中与其他混合料进行混合后，制备的纳米复合水泥结构材料在7d和28d龄期的水泥硬化强度，比未添加纳米材料提高约50%，而且韧性、耐久性等性能也得到较大的改善。李颖等人[15]研究了硅灰和纳米级SiO2对水泥浆体需水量的影响。研究表明，当纳米级SiO2掺量达到水泥用量的8%时，水泥浆体的需水量增大一倍。同时，研究发现，当将水泥用量8%和10%进行复合添加时，纳米级SiO2的小球体填充于硅灰颗粒之间，与硅灰形成很好的颗粒级配结构。当两者同时添加且纳米级SiO2为l%和硅灰为9%时，需水量并未双倍增加，可见两者的交互作用十分明显。

    2.2纳米金属粉末在混凝土中的应用

    由于纳米材料的表面效应，增加了纳米材料的活性，使得纳米金属粉末具有两个特殊性能，其一是纳米金属粉末的强度、硬度高，并随着晶粒尺寸的减小，其强度、硬度不断提高，同时还表现出非常好的塑韧性;其二是纳米金属粉末是一种良好的吸波材料[16]。利用上述纳米金属粉末的特殊性能，如果把它掺入到水泥混凝土中，可制成具有功能性的电磁屏蔽混凝土。

    2.3纳米金属氧化物在混凝土中的应用

    锐钛型纳米TiO2是一种优良的光催化剂，它具有净化空气、杀菌、除臭、表面自洁等特殊功能[17]。利用纳米TiO2具有净化空气的特性来制备光催化混凝土，它在净化机动车排出的尾气时发生了光催化反应，对机动车辆排放的二氧化硫、氮氧化物等对人体有害的污染气体进行分解去除，起到净化空气的作用[18，19，20]。

    利用纳米金属氧化物材料可以进行电磁屏蔽，还可以用来制备智能水泥混凝土[21，22]，如自警水泥混凝土等。这种水泥混凝土具有较强的导电性能，同时还具有传感作用。这种智能型水泥混凝土可用于土木工程结构的实时和长期监测，便于监控混凝土结构的开裂与破坏情况及其损伤评价、检测车重与车速等，这对混凝土性能的检测是一场革命。

    2.4聚合物/无机纳米复合材料在混凝土中的应用

    由于聚合物/无机纳米复合材料的优异性能，使得有关它的理论和应用研究成为当前复合材料的热点[23-26]，它也有可能应用于水泥混凝土中。把聚合物/无机纳米复合材料用于水泥混凝土中，不仅可以提高混凝土的抗压、抗拉和弯曲强度，而且可提高其耐久性。在混凝土混合料中掺入一定量的聚合物/无机纳米复合材料，使之均匀分散在混凝土中，利用聚合物/无机纳米复合材料的导电性能，测试电阻的变化，建立电阻与荷载之间的模型，从而可以预测混凝土结构的破坏。
    3纳米技术在陶瓷材料中的应用

    3.1纳米材料在耐高温陶瓷中的应用

    二十世纪90年代初，日本Nihara首次报道了以纳米尺寸SiC颗粒为第二相的纳米复相陶瓷具有很高的力学性能，并具有很多独特的性能。含有20%纳米钴粉的金属陶瓷是火箭喷气口的耐高温材料。氧化物纳米材料在这方面都优于同质传统陶瓷材料，在陶瓷基中添加其他纳米微粒的效果也正在研究。纳米技术在陶瓷上的应用潜力不可估量[27，28]。

    近年来国内外对纳米复相陶瓷的研究表明，在微米级基体中引入纳米分散相进行复合，可使材料的断裂强度、断裂韧性大大提高(2～4倍)，使最高使用温度提高400～600℃，同时还可使材料的硬度、弹性模量、抗蠕变性和抗疲劳破坏性能提高。

    3.2纳米材料在保健抗菌陶瓷中的应用

    纳米材料的抗菌系列主要有TiO2系列、Ag系列、Cu系列、ZnO系列等，主要是掺入陶瓷釉面中或掺入陶瓷面层中，生产抗菌陶瓷釉面砖和卫生陶瓷等产品，主要用于墙地面装饰、厨房、浴室及卫生间。在生产抗菌陶瓷的过程中，如果再加入远红外陶瓷粉，就可以制成具有复合功能的抗菌保健陶瓷，这种产品不断向外辐射红外线，可促进人体微循环，增加血流量，并提高人体抗寒、抗病及抗衰老能力。

    3.3纳米材料在环境友好陶瓷中的应用

    利用纳米技术生产的多孔陶瓷(陶瓷微孔材料)材料，可对工业废气进行过滤分离。多孔陶瓷具有很好的耐热、耐化学腐蚀等性能，具有寿命长、免维修的特点。利用纳米材料的光催化效应，可对汽车尾气催化分解。载有TiO2光催化剂和Cu离子催化剂的新型陶瓷在常温下可直接将NOx分解成为N2和O2，还可制成直接吸收并固定SO2的陶瓷材料。将这些材料做成饰面瓷砖，可净化大气，提高环境质量。

    3.4纳米材料在绿色能源陶瓷中的应用

    利用纳米粒子特殊的光电磁特性制成太阳能陶瓷、远红外陶瓷等，用于建筑物饰面，可开发太阳能，调节环境温度，促进人们身体健康。

    4纳米技术在其它方面的应用

    建筑钢材也是现代土木工程中应用较广泛的工程材料之一，也在向高强轻质方向发展，特别是利用纳米技术开发自身防火和防腐的钢材，必将促进中国建筑金属结构信息网更快的发展。

    在玻璃、瓷砖等建筑材料表面采用超双亲界面材料技术后，水滴或油滴与表面的接触角接近于零，从而实现自清洁及防雾效果，使作为外墙使用的玻璃、陶瓷等建筑材料也能像荷花一样出污泥而不染，这是纳米界面材料技术赋予传统建材的神奇效果。

    利用纳米材料可以提高塑料(高分子材料)的强度，同时还能起到增韧作用。纳米材料的问世，为新型增强塑料的合成提供了新的机遇，为传统增强塑料的改性提供了一条新的途径。把分散好的纳米颗粒均匀地添加到树脂材料中，可达到全面改善增强塑料性能的目的。通过加入纳米材料，能够明显提高塑料的强度和延伸率，提高耐磨性和改善材料表面的光洁度，提高抗老化性能[18]。

    5结束语

    被誉为二十一世纪最具有发展前景的纳米材料和纳米技术一经问世，便以极快的速度渗透到各个研究领域。纳米技术是对未来经济和社会发展产生重大影响的一种关键性前沿技术，这是世界各国科学家的共识。纳米技术在建筑材料方面的应用前景非常广阔，研究开发工作刚刚起步，可以预料，纳米技术不仅会推动建材新产品的开发，还将为改善人们的生活环境，提高生活质量作出不可估量的贡献，纳米技术将为二十一世纪建筑材料的发展开拓新的方向。
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