浅谈纳米技术 施赟豪 摘要：纳米技术是２０世纪８０年代末诞生并正在崛起的新技术。新兴的纳米材料技术，在多个领域得到了重要的应用，尤其是在新型建筑材料方面应用尤为广泛。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。文章介绍了纳米技术在新型建筑涂料、金属、陶瓷、水泥、混凝土、防护外表等方面的应用，通过论述可知：纳米材料为新型建筑材料的发展提供了广阔的空间。 关键词：纳米技术 建筑材料 1.引言 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。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。目前,纳米材料技术是唯一可以实现的纳米技术。 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。 2.纳米材料及特性 2.1纳米复合涂料 纳米复合涂料可分为纳米改性涂料和纳米结构涂料。利用纳米粒子的某些功能对现有涂料进行改性,提高涂料的性能,这种涂料称为纳米改性涂料;使用某些特殊工艺制备的涂料,其中某种特别组分的细度在纳米级,这种涂料称为纳米结构涂料。 2.1.1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。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。 2.1.2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。 2.1.3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。 2.2纳米玻璃 最近,美国两大玻璃制造企业分别宣布,他们利用纳米技术研制成功了新型的“自净玻璃”, 即给玻璃“穿上”40nm厚的二氧化钛“外套”,相当于头发丝粗细的1/1,500,这层纳米外套使它具有不同与传统玻璃的特点: (1)自我清洁:这种纳米膜与太阳光线中的紫外线发生反应,能产生双重作用:一是把落在玻璃上的有机物分解掉;二是使玻璃表面产生亲水性,把雨点或雾气变成一个薄层而使玻璃表面湿润,并且洗掉玻璃表面的脏物。通常,这个涂层被光照五天后,夜间也能坚持“工作”。 (2)净化空气:这种玻璃在“自洁”的同时,纳米涂层还能不断分解甲醛、苯、氨等有害气体,杀灭空气中的各种细菌和病毒,有效地净化空气,减少了室内污染。 2.3纳米塑料 从广义来说纳米塑料的定义分两个层次。第一个层次是指把高分子做成纳米结构单元,用它再合成这种材料叫纳米塑料。这种塑料正在基础研究阶段。另一个层次是指把无机纳米粒子分散到有机聚合物基体中形成的有机/无机纳米复合材料。这也是我们常说的纳米塑料。中国科学院化学所工程塑料国家重点实验室的漆宗能研究员率领的小组,利用插层复合技术,将我国丰产的天然纳米材料一蒙脱土粘土矿物(由成千上万个厚度为一纳米、长度为几十到几百纳米的小片层结成的颗粒)均匀分散到聚合物中,从而形成纳米塑料。检测结果表明,纳米塑料与常规增强塑料相比,呈现出优异的物理力学性能: (1)高强度和高耐热性 用插层复合技术制备的纳米塑料可将无机物的刚性、尺寸稳定性和热稳定性与聚合物的韧性、可加工性完美地结合起来。含有少量粘土的纳米塑料与常规玻纤或矿物增强复合材料的刚性、强度、耐热性相当。同时,由于纳米粒子尺寸小于可见光波长,纳米塑料具有高的光泽和良好的透明度。 (2)高阻隔及自熄灭性 由于聚合物基体与蒙脱土片层的良好结合。通过控制纳米硅酸盐片层的平面取向,纳米塑料制品表现出良好的尺寸稳定性和很好的气体(包括水蒸气)阻隔性.如尼龙6lun复合材料的氧气透过率与纯的尼龙相比降低了一半,水蒸气的透过率降低了三分之一以上。一些纳米塑料还具有阻燃白熄灭性能。 (3)优良的加工性 纳米塑料熔体强度高,结晶速度快,熔体粘度低,因此注塑、挤出和吹塑的加工性能优良。 (4)部分塑料的耐磨性是黄铜的27倍,钢铁的7倍。 2.4纳米技术在混凝土中的应用 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。 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。 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。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。 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。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。 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,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。 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,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。 2.5纳米陶瓷 传统的陶瓷材料中晶粒不易滑动，材料质脆，烧结温度高。纳米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上运动，因此，纳米陶瓷材料具有极高的强度和高韧性以及良好的延展性，这些特性使纳米陶瓷材料可在常温或次高温下进行冷加工。 这种冷加工方法制成的纳米材料，是一种表面保持常规陶瓷材料的硬度和化学稳定性，而内部却具有纳米材料的延展性的高性能陶瓷。应用纳米二氧化硅、高纯球型硅粉、高性能树脂等可制成特种耐高温复合陶瓷材料。其中纳米二氧化硅用于降低烧成温度和提高成品率；而高纯球型硅粉作为载体、填料方面，可提高陶瓷制品的韧性、光洁度；而球型硅粉则是高性能树脂、陶瓷的基体材料。 这种复合纳米陶瓷作为高新科技材料应用广泛。“飞船”外表面采用的“太空”纳米陶瓷，防静电性能稳定永久，且具有理想的耐磨、耐腐蚀、耐高温、防渗透等太空飞船外表面必备的特性。纳米陶瓷应用于刀具方面，能生产出远胜于金属刀具的新型刀具，该种刀具采用氧化锆材料精制而成，具有如下特性：１）锋利无比，既能切割钢铁等超坚硬物质，也能将肉之类的柔软物质切削得像纸一样薄；２）硬度高、耐磨性好，耐磨性是金属刀的６０倍；３）完全无磁性，不生锈变色，是用于健康环保方面的理想材料；４）良好的耐酸碱性，可耐各种酸碱有机物的腐蚀；５）全致密材料，无孔隙、不沾污、易清洁。上述纳米陶瓷充分体现了新世纪、新材料的绿色环保概念，是高新技术为现代科技奉献的又一杰作。 3.制备方法