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  • 納米二氧化鈦在建筑涂料中的應用

    http://www.080yt.com  時間:2021/3/26  來源:全球涂料網

      

     

     發展高性能、環保型及多功能的建筑涂料,在國內外都受到了高度的重視。作為使納米材料具有良好的分散性,并使之功能化的納米材料復合技術是納米技術應用于建筑涂料所必需的專業技術之一。高檔次的建筑涂料除了必須具有高耐候性、耐沾污性和高保色性以外,還需要具有諸如除臭、殺(抗)菌、防塵及隔熱保溫等多種功能。由于納米級的TiO2在有光照(包括燈光和日光)的作用下,具有殺菌、分解有機臭氣及自清潔等功能。因此,將TiO2制成納米粒子再添加到涂料中,可以賦予建筑涂料一定的功能性,有助于提高涂料的檔次,增加涂料本身的附加值。但納米TiO2本身的強極性和顆粒的微細化,使得納米TiO2不易在非極性介質中分散,在極性介質中又易于團聚,直接影響TiO2本身優異性能的發揮。

     

      當涂料系統的顏料體積濃度(PVC)增加時,TiO2粒子互相靠近,甚至互相接觸進而發生團聚,使TiO2粒子的光散射性能下降,出現光群集現象。人們試圖在涂料配方中加人填料以間隔開TiO2粒子,防止產生群集效應,但分布在涂料系統中的這些填料粒子很難使TiO2達到最高的遮蓋力。因為填料粒子一般較粗,也可能是呈聚集體狀態,在加人到配方中以后取代了樹脂成分,提高了TiO2,體積濃度,但卻降低了其散射性能。因此,必須對納米TiO2進行處理,以便獲得良好的分散性,從而解決納米TiO2,本身的團聚及其在其他體系中的分散性問題。

     

    1.納米TiO2的團聚原因

     

      納米粒子的表面原子所占比例隨粒徑減小而迅速增加,而表面原子與處于晶體內部的原子所受力場有很大的不同。內部原子所受作用力包括來自周圍原子的對稱價鍵力和來自稍遠原子的遠程范德華力,受力對稱,其價鍵是飽和的;而表面原子受力為與其鄰近的內部原子的非對稱價鍵力和其它原子的遠程范德華力,其裸露在外的部分沒有力的作用,受到的作用力不對稱,其價鍵是不飽和的,有與外界原子鍵合的傾向。這些微細顆粒的團聚過程其實就是粒子間結合力的不斷形成,體系總能量不斷降低的過程。

     

    2.納米TiO2的復合

     

      減弱納米粒子問的范德華力,防止超微納米粒子團聚的方式有多種,較常用的方法是在溶液中的超微粒子表面包覆一層有機表面活性劑,利用表面活性劑的電荷排斥力、空間位阻等減弱粒子問的范德華力。但若要得到納米微粉,就會使有機表面活性劑在熱處理時被破壞掉,其中的微粒子仍然會形成一定程度的團聚體。目前能較好地改善TiO2超微粒子的分散性的方法就是使超微粒子與其它粒子進行復合的二元(或多元)復合法,通過這種方法獲得的納米TiO2復合微粉具有很好的分散性,而且可以通過改變其它粒子的種類使TiO2復合粒子具有額外的、新的功能根據TiO2在復合粒子中所處的位置不同,可以將這種復合方法分為母粒子復合法和子粒子復合法兩種。

     

      母粒子復合法就是以TiO2顏料粒子作為核心粒子,在其表面包覆無機膜或在其表面黏附上不連續的無機物粒子。這種方法由于在TiO2粒子外表面包覆或黏附上了其它物質,使其表面能降低,同時也減弱了粒子問的范德華力,很好地提高了在涂料中的分散性。在目前的許多具有自清潔和殺菌作用的功能性內、外墻涂料中,納米TiO2粒子是其中的主要功效物質,它的分散性的好壞直接影響到涂料功效的發揮。在TiO2粒子表面間斷地黏附上一些無機微粒子,使粘附力下降。因為表面無機粒子的存在而無法緊密接觸,發生原子問的鍵合。美國杜邦公司采用這種方法使顏料用于中等到高等顏料體積濃度(PVC)的涂料系統中時,光散射系數得到較大的提高。但該方法中由于表面無機粒子的存在,也會遮擋一部分光對TiO2本身表面的照射。同時,表面粒子與Ti02之間的結合強度也會影響到涂料的使用。如果結合強度太低,在分散到涂料溶劑中時的攪拌過程就會有可能使表面粒子發生脫落。若在TiO2粒子表面包覆一層或多層透明的無機納米薄膜(如SiO2,Al2O3等),就可以避免上述情況的發生。 


      與母粒子復合法相反,子粒子法則是以納米TiO2顏料粒子作為子粒子,通過物理化學作用,以黏附、鑲嵌等形式將其固定在其它粒子的表面。這樣兩種粒子之間不但可能有物理作用力,還會存在有一定化學鍵,復合很牢固。如果通過化學方法合成,則無機或有機母粒子與nTiO2粒子的粒徑之比可以沒有太大的差別;如果通過機械物理作用使兩種粒子發生這種復合,那么TiO2粒子的粒徑必須是母粒子的1/5—1/10,否則復合效果不會很好,結合強度也不高。在測試其紫外吸收譜時,發現復合微粒比PMMA與TiO2粒子簡單混合樣品的吸收蜂要強要寬。這表明經過復合后的TiO2的分散性大為改善,TiO2對光照的作用效率有很大的提高。如果將這種復合后的TiO2添加到涂料中,在達到同等功效的情況下,比使用單純的納米Ti02的用量要大為減少,成本也就會大大降低。

     

    3.納米TiO2在建筑涂料中的應用

     

      納米TiO2除具有普通TiO2涂料的所有性能以外,還具有很強的屏蔽紫外線能力和優異的透明性,可應用于汽車工業、防曬化妝品、感光材料及文物保護等諸多方面。雖然納米材料在建材(特別是建筑涂料)方面的應用剛開始,卻已經顯示出了它的獨特魅力。作為內墻涂料,將TiO2涂在室內建筑物的磚墻或墻紙上,在有太陽光或室內的照明光時,利用納米TiO2的強氧化分解能力不僅可使室內的惡臭物和油污分解,而且對殺死大腸桿菌有明顯效果。有利于室內空氣的清新和病菌、細菌的減少。

     

      在污染嚴重的地域,在建筑物外墻壁或高速公路的隔音壁上涂上含有納米TiO2的建筑涂料,利用太陽光可有效地分解除去空氣中的NOx。而涂料表面所積聚的HN可由雨水沖洗,不會引起TiO2光催化活性的降低。有人在日本的長濱隧道中放置涂有納米TiO2和不涂TiO2膜的燈具進行對比實驗,結果發現隨時間的延長,前者比后者的透光率要高得多。通常情況下,TiO2表面與水的接觸角約為72。經紫外光照射以后,水的接觸角在5。以下,甚至可以達到0o左右。水滴可完全浸潤其表面,顯示出非常強的超親水性。利用TiO2表面的超親水性,可使涂有含納米.n02的建筑涂料的建筑物表面具有防污、防霧、易洗、易干等特性,使其表面具有長期的自清潔去污效應。



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