纳米涂料
纳米复合涂料的探讨 (附莎哈利本专访)3
4.1.1 表面覆盖改性
利用表面活性剂与纳米粒子表面化学吸附或者化学反应,从而使得表面活性剂覆盖于纳米粒子表面,起到降低表面能,减少粒子间相互团聚的作用。
4.1.2 机械化学改性
采用粉碎、摩擦等方法对粒子进行表面激活,以改变其表面晶体结构和物理化学结构。这种方法可以使分子晶格发生位移,内能增大,在外力的作用下,活性的粉末表面与其他物质发生反应、附着,从而达到对其表面改性的目的。
4.1.3 包膜改性
在粒子表面均匀地包覆一层其他物质的包膜,使粒子的表面性质发生变化,然后利用具有表面活性的高聚物来稳定纳米粒子。
4.1.4 表面接枝改性
通过化学反应将高分子连接到无机纳米粒子的表面,以达到包覆纳米粒子的目的。有以下 3 种类型: (1) 聚合与接枝同步进行,单体在引发剂的作用下完成聚合的同时,立即被纳米粒子表面的强自由基捕获,使高分子链与无机纳米粒子表面化学连接,实现颗粒表面的接枝。 (2) 颗粒表面聚合生长接枝,单体在引发剂的作用下直接从纳米粒子表面开始聚合,诱发生长,完成颗粒表面的高分子包膜,此方法接枝效率较高。 (3) 偶联接枝,通过纳米粒子表面的官能团与可聚合的有机单体或经过处理可产生自由基的有机化合物发生偶联反应,就可以在无机纳米粒子的表面生成各种
乙烯基聚合物以实现接枝。 4.1.5 高能量表面改性 高能量表面改性法是利用高能电晕放电、紫外线、等离子体或辐射处理等引发聚合反应而实现改性方法。无机微粒表面往往含有少量的羟基,用化学方法难以引发这些羟基,但上述这些方法可使这些结合羟基产生具有引发活性的基团 ( 自由基,阳离子或阴离子 ) ,进而引发单体在其表面上聚合。 4.1.6 利用沉淀反应进行改性 利用有机物或无机物在粒子表面形成一层包覆物,以改变粒子的表面性质。 4.2 纳米复合涂料的制备方法 [2 ~ 7] 4.2.1 原位聚合法 该法首先将纳米粒子分散在单体溶液中,然后使单体进行聚合,典型例子有 SiO 2 / PMMA 纳米复合涂料。该法的反应条件温和,粒子在单体中分散均匀,适合于含有金属、硫化物或是氢氧化物胶体粒子。 4.2.2 溶胶?凝胶法 使用烷氧基金属或其金属盐等母体和有机聚合物的共溶剂,在聚合物存在下,共溶剂体系使母体水解或缩合生成纳米级的粒子并形成溶胶,溶胶经蒸发干燥转变为凝胶。该方法反应条件温和,分散均匀。 4.2.3 共混法 把基料树脂熔融或溶解于适宜的溶剂中,然后加入包括经改性的纳米粒子在内的其他成膜物中,充分搅拌,即得纳米复合涂料。该法的优点是易于控制粒子的尺寸和形态,但难以解决纳米粒子之间的团聚问题来保证纳米粒子在聚合物基料中的均匀分散。 4.2.4 插层复合法 许多有机物 ( 如硅酸盐类粘土,磷酸盐类等 ) 具有层状结构,可以嵌入有机物之间。通过合适的方法将单体或聚合物插入片层之间,再将厚 1nm ,宽 00nm 左右的片层结构基体单元剥离,使其均匀分散于聚合物中,从而实现聚合物与无机层状材料在纳米尺度上的复合。按复合过程可以分为 3 类: (1) 插层聚合法,先将聚合物单体分散,插层进入层状硅酸盐片层中,进行原位聚合。利用聚合时放出的大量热量来克服硅酸盐片层间的库仑力而使其剥离,从而使硅酸盐片层与聚合物基料以纳米尺度复合。 (2) 熔体插层,把聚合物加热到熔融状态,在静止或剪切力的作用下直接插入片层中,制得聚合物复合纳米材料,该法不需要溶剂,可直接加工。 (3) 溶液插层,聚合物大分子链在溶液中借助于溶剂而插层进入无机物层间,然后挥发除去溶剂。 总的来说,对具有层状结构的无机物,可用插层复合法;对不易获得纳米粒子的材料,可采用溶胶-凝胶法;对易得到纳米粒子的无机物可采用原位聚合法。 5 结语 纳米技术为涂料工业的发展提供了一个难得的发展机遇,纳米复合涂料是一种新型的涂料,鉴于纳米复合涂料本身具有十分广阔的市场前景,而涂料质量的好坏 ( 高性能、功能化、环保型、低成本 ) 又直接影响到汽车、建材、机械、石油化工、电子产品、船舶、宇航导弹等产品的档次和市场竞争力,企业界应抓紧时间,加大相关科技开发的力度,以提升我国纳米复合涂料工业的制备工艺、理论基础和市场竞争力。
乙烯基聚合物以实现接枝。 4.1.5 高能量表面改性 高能量表面改性法是利用高能电晕放电、紫外线、等离子体或辐射处理等引发聚合反应而实现改性方法。无机微粒表面往往含有少量的羟基,用化学方法难以引发这些羟基,但上述这些方法可使这些结合羟基产生具有引发活性的基团 ( 自由基,阳离子或阴离子 ) ,进而引发单体在其表面上聚合。 4.1.6 利用沉淀反应进行改性 利用有机物或无机物在粒子表面形成一层包覆物,以改变粒子的表面性质。 4.2 纳米复合涂料的制备方法 [2 ~ 7] 4.2.1 原位聚合法 该法首先将纳米粒子分散在单体溶液中,然后使单体进行聚合,典型例子有 SiO 2 / PMMA 纳米复合涂料。该法的反应条件温和,粒子在单体中分散均匀,适合于含有金属、硫化物或是氢氧化物胶体粒子。 4.2.2 溶胶?凝胶法 使用烷氧基金属或其金属盐等母体和有机聚合物的共溶剂,在聚合物存在下,共溶剂体系使母体水解或缩合生成纳米级的粒子并形成溶胶,溶胶经蒸发干燥转变为凝胶。该方法反应条件温和,分散均匀。 4.2.3 共混法 把基料树脂熔融或溶解于适宜的溶剂中,然后加入包括经改性的纳米粒子在内的其他成膜物中,充分搅拌,即得纳米复合涂料。该法的优点是易于控制粒子的尺寸和形态,但难以解决纳米粒子之间的团聚问题来保证纳米粒子在聚合物基料中的均匀分散。 4.2.4 插层复合法 许多有机物 ( 如硅酸盐类粘土,磷酸盐类等 ) 具有层状结构,可以嵌入有机物之间。通过合适的方法将单体或聚合物插入片层之间,再将厚 1nm ,宽 00nm 左右的片层结构基体单元剥离,使其均匀分散于聚合物中,从而实现聚合物与无机层状材料在纳米尺度上的复合。按复合过程可以分为 3 类: (1) 插层聚合法,先将聚合物单体分散,插层进入层状硅酸盐片层中,进行原位聚合。利用聚合时放出的大量热量来克服硅酸盐片层间的库仑力而使其剥离,从而使硅酸盐片层与聚合物基料以纳米尺度复合。 (2) 熔体插层,把聚合物加热到熔融状态,在静止或剪切力的作用下直接插入片层中,制得聚合物复合纳米材料,该法不需要溶剂,可直接加工。 (3) 溶液插层,聚合物大分子链在溶液中借助于溶剂而插层进入无机物层间,然后挥发除去溶剂。 总的来说,对具有层状结构的无机物,可用插层复合法;对不易获得纳米粒子的材料,可采用溶胶-凝胶法;对易得到纳米粒子的无机物可采用原位聚合法。 5 结语 纳米技术为涂料工业的发展提供了一个难得的发展机遇,纳米复合涂料是一种新型的涂料,鉴于纳米复合涂料本身具有十分广阔的市场前景,而涂料质量的好坏 ( 高性能、功能化、环保型、低成本 ) 又直接影响到汽车、建材、机械、石油化工、电子产品、船舶、宇航导弹等产品的档次和市场竞争力,企业界应抓紧时间,加大相关科技开发的力度,以提升我国纳米复合涂料工业的制备工艺、理论基础和市场竞争力。
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