納米技術(shù)是二十世紀(jì)80年代末誕生并正在崛起的新技術(shù), 主要是指在0.1~100nm 尺度范圍內(nèi), 研究物質(zhì)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[1]。納米技術(shù)是高度交叉的綜合性學(xué)科, 它主要包括:納米體系物理學(xué)、納米化學(xué)、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米電子學(xué)、納米加工學(xué)、納米力學(xué)、納米機械學(xué)。納米技術(shù)已應(yīng)用于建筑材料、光學(xué)、醫(yī)藥、半導(dǎo)體、信息通訊、軍事等領(lǐng)域[2, 3]。目前, 納米材料技術(shù)是唯一可以實現(xiàn)的納米技術(shù)[1]。
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(xiàn)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(dǎo)電功能而開發(fā)的導(dǎo)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(yīng)用前景和巨大的經(jīng)濟、社會效益。
近年來, 國內(nèi)外開始探索納米材料和納米技術(shù)在建材中的發(fā)展及應(yīng)用工作, 并取得了一些可喜的成果, 現(xiàn)分類介紹如下:
1 納米技術(shù)在建筑涂料中的應(yīng)用
涂料是建筑物的內(nèi)衣( 內(nèi)墻涂料) 和外衣( 外墻涂料) , 國內(nèi)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(fù)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(yīng)用已經(jīng)顯示出了它的獨特魅力[4]。
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(fù)合涂料的用途可歸納為以下幾種:
1.1 光學(xué)應(yīng)用納米復(fù)合涂料
納米粒子的粒徑遠(yuǎn)小于可見光的波長400～750nm,具有透過作用, 從而保證了納米復(fù)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(tuán)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(jié)構(gòu)[5]。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(fù)原, 使其結(jié)構(gòu)迅速重組。這種依賴時間與外力作用而回復(fù)原狀的剪切力弱化反應(yīng), 稱為“觸變性”[6]。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[7]。徐國財?shù)热薣8]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(xì)TiO2 在汽車面漆中還可起到效應(yīng)顏料作用, 與其它片狀效應(yīng)顏料如鋁粉顏料或珠光顏料并用時, 會產(chǎn)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(yīng)用最為成功的例子之一[9]。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(nèi)部的不同, 表面原子配位不全等, 導(dǎo)致表面的活性位置增多, 加大了反應(yīng)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(zhì), 起抗菌和除臭作用。具有這一性質(zhì)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。
1.2 吸波納米復(fù)合涂料
由于納米超細(xì)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(dá)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(xì)石墨粉納米吸波涂料, 對雷達(dá)波的吸收率可達(dá)99%[10]。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(dǎo)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[11]。
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(nèi)已經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)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(chǎn)品, 如衛(wèi)生潔具、室內(nèi)空間、用具、醫(yī)院手術(shù)間和病房的墻面、地面等, 起到殺菌、保潔作用[12]。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(chǎn)生電子躍遷, 使價帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶, 并形成電子- 空穴對, 將能量傳遞到周圍介質(zhì), 誘導(dǎo)光化學(xué)反應(yīng), 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(fù)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(xué)活性, 能與多種有機物發(fā)生氧化反應(yīng)( 包括細(xì)菌內(nèi)的有機物) , 從而把大多數(shù)病菌和病毒殺死。西北大學(xué)曾進(jìn)行過納米氧化鋅的定量殺菌試驗, 在5min 內(nèi)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[13]。
1.4 納米導(dǎo)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(fù)合涂料, 所用的納米粒子有Fe2O3、TiO2、ZnO等。這些具有半導(dǎo)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(dǎo)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(diào)性。
1.4 納米高力學(xué)性能涂料
當(dāng)涂料的重要組成部分顏料顆粒達(dá)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(jié)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(yīng)力, 從而增強涂層的附著力。研究表明[8], 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(jīng)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(shù)在混凝土材料中的應(yīng)用
隨著社會工業(yè)化的深入發(fā)展和我國基礎(chǔ)建設(shè)的廣泛開展, 水泥混凝土作為一種傳統(tǒng)的建材, 其產(chǎn)量和用量都在不斷地增加, 高性能混凝土已成為水泥基復(fù)合材料領(lǐng)域中的研究熱點。同時, 許多特殊領(lǐng)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(yīng)、量子效應(yīng)、表面及界面效應(yīng)等優(yōu)異特性, 因而能夠在結(jié)構(gòu)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(shù)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。
2.1 納米礦粉在水泥混凝土中的應(yīng)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(jié)構(gòu), 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(dāng)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(jìn)行混合后,制備的納米復(fù)合水泥結(jié)構(gòu)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(dāng)納米級SiO2 摻量達(dá)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(xiàn), 當(dāng)將水泥用量8%和10%進(jìn)行復(fù)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(jié)構(gòu)。當(dāng)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(yīng)用
由于納米材料的表面效應(yīng), 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(xiàn)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(yīng)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(yīng), 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(jìn)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(jìn)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(dǎo)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(jié)構(gòu)的實時和長期監(jiān)測, 便于監(jiān)控混凝土結(jié)構(gòu)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(fù)合材料在混凝土中的應(yīng)用
由于聚合物/無機納米復(fù)合材料的優(yōu)異性能, 使得有關(guān)它的理論和應(yīng)用研究成為當(dāng)前復(fù)合材料的熱點[23-26], 它也有可能應(yīng)用于水泥混凝土中。把聚合物/無機納米復(fù)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(fù)合材料, 使之均勻分散在混凝土中, 利用聚合物/無機納米復(fù)合材料的導(dǎo)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(yù)測混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。
3 納米技術(shù)在陶瓷材料中的應(yīng)用
3.1 納米材料在耐高溫陶瓷中的應(yīng)用
二十世紀(jì)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(fù)相陶瓷具有很高的力學(xué)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(zhì)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(shù)在陶瓷上的應(yīng)用潛力不可估量[27, 28]。
近年來國內(nèi)外對納米復(fù)相陶瓷的研究表明, 在微米級基體中引入納米分散相進(jìn)行復(fù)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(yīng)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(chǎn)抗菌陶瓷釉面磚和衛(wèi)生陶瓷等產(chǎn)品, 主要用于墻地面裝飾、廚房、浴室及衛(wèi)生間。在生產(chǎn)抗菌陶瓷的過程中, 如果再加入遠(yuǎn)紅外陶瓷粉, 就可以制成具有復(fù)合功能的抗菌保健陶瓷, 這種產(chǎn)品不斷向外輻射紅外線, 可促進(jìn)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。
3.3 納米材料在環(huán)境友好陶瓷中的應(yīng)用
利用納米技術(shù)生產(chǎn)的多孔陶瓷( 陶瓷微孔材料) 材料, 可對工業(yè)廢氣進(jìn)行過濾分離。多孔陶瓷具有很好的耐熱、耐化學(xué)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(yīng), 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(zhì)量。
3.4 納米材料在綠色能源陶瓷中的應(yīng)用
利用納米粒子特殊的光電磁特性制成太陽能陶瓷、遠(yuǎn)紅外陶瓷等, 用于建筑物飾面, 可開發(fā)太陽能, 調(diào)節(jié)環(huán)境溫度, 促進(jìn)人們身體健康。
4 納米技術(shù)在其它方面的應(yīng)用
建筑鋼材也是現(xiàn)代土木工程中應(yīng)用較廣泛的工程材料之一, 也在向高強輕質(zhì)方向發(fā)展, 特別是利用納米技術(shù)開發(fā)自身防火和防腐的鋼材, 必將促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)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(shù)后, 水滴或油滴與表面的接觸角接近于零, 從而實現(xiàn)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(shù)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(dá)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[18]。
5結(jié)束語
被譽為二十一世紀(jì)最具有發(fā)展前景的納米材料和納米技術(shù)一經(jīng)問世, 便以極快的速度滲透到各個研究領(lǐng)域。納米技術(shù)是對未來經(jīng)濟和社會發(fā)展產(chǎn)生重大影響的一種關(guān)鍵性前沿技術(shù), 這是世界各國科學(xué)家的共識。納米技術(shù)在建筑材料方面的應(yīng)用前景非常廣闊, 研究開發(fā)工作剛剛起步, 可以預(yù)料, 納米技術(shù)不僅會推動建材新產(chǎn)品的開發(fā), 還將為改善人們的生活環(huán)境, 提高生活質(zhì)量作出不可估量的貢獻(xiàn), 納米技術(shù)將為二十一世紀(jì)建筑材料的發(fā)展開拓新的方向。
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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(fù)合涂料的用途可歸納為以下幾種:
1.1 光學(xué)應(yīng)用納米復(fù)合涂料
納米粒子的粒徑遠(yuǎn)小于可見光的波長400～750nm,具有透過作用, 從而保證了納米復(fù)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(tuán)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(jié)構(gòu)[5]。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(fù)原, 使其結(jié)構(gòu)迅速重組。這種依賴時間與外力作用而回復(fù)原狀的剪切力弱化反應(yīng), 稱為“觸變性”[6]。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[7]。徐國財?shù)热薣8]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(xì)TiO2 在汽車面漆中還可起到效應(yīng)顏料作用, 與其它片狀效應(yīng)顏料如鋁粉顏料或珠光顏料并用時, 會產(chǎn)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(yīng)用最為成功的例子之一[9]。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(nèi)部的不同, 表面原子配位不全等, 導(dǎo)致表面的活性位置增多, 加大了反應(yīng)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(zhì), 起抗菌和除臭作用。具有這一性質(zhì)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。
1.2 吸波納米復(fù)合涂料
由于納米超細(xì)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(dá)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(xì)石墨粉納米吸波涂料, 對雷達(dá)波的吸收率可達(dá)99%[10]。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(dǎo)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[11]。
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(nèi)已經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)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(chǎn)品, 如衛(wèi)生潔具、室內(nèi)空間、用具、醫(yī)院手術(shù)間和病房的墻面、地面等, 起到殺菌、保潔作用[12]。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(chǎn)生電子躍遷, 使價帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶, 并形成電子- 空穴對, 將能量傳遞到周圍介質(zhì), 誘導(dǎo)光化學(xué)反應(yīng), 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(fù)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(xué)活性, 能與多種有機物發(fā)生氧化反應(yīng)( 包括細(xì)菌內(nèi)的有機物) , 從而把大多數(shù)病菌和病毒殺死。西北大學(xué)曾進(jìn)行過納米氧化鋅的定量殺菌試驗, 在5min 內(nèi)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[13]。
1.4 納米導(dǎo)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(fù)合涂料, 所用的納米粒子有Fe2O3、TiO2、ZnO等。這些具有半導(dǎo)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(dǎo)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(diào)性。
1.4 納米高力學(xué)性能涂料
當(dāng)涂料的重要組成部分顏料顆粒達(dá)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(jié)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(yīng)力, 從而增強涂層的附著力。研究表明[8], 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(jīng)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(shù)在混凝土材料中的應(yīng)用
隨著社會工業(yè)化的深入發(fā)展和我國基礎(chǔ)建設(shè)的廣泛開展, 水泥混凝土作為一種傳統(tǒng)的建材, 其產(chǎn)量和用量都在不斷地增加, 高性能混凝土已成為水泥基復(fù)合材料領(lǐng)域中的研究熱點。同時, 許多特殊領(lǐng)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(yīng)、量子效應(yīng)、表面及界面效應(yīng)等優(yōu)異特性, 因而能夠在結(jié)構(gòu)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(shù)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。
2.1 納米礦粉在水泥混凝土中的應(yīng)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(jié)構(gòu), 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(dāng)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(jìn)行混合后,制備的納米復(fù)合水泥結(jié)構(gòu)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(dāng)納米級SiO2 摻量達(dá)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(xiàn), 當(dāng)將水泥用量8%和10%進(jìn)行復(fù)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(jié)構(gòu)。當(dāng)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(yīng)用
由于納米材料的表面效應(yīng), 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(xiàn)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(yīng)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(yīng), 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(jìn)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(jìn)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(dǎo)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(jié)構(gòu)的實時和長期監(jiān)測, 便于監(jiān)控混凝土結(jié)構(gòu)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(fù)合材料在混凝土中的應(yīng)用
由于聚合物/無機納米復(fù)合材料的優(yōu)異性能, 使得有關(guān)它的理論和應(yīng)用研究成為當(dāng)前復(fù)合材料的熱點[23-26], 它也有可能應(yīng)用于水泥混凝土中。把聚合物/無機納米復(fù)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(fù)合材料, 使之均勻分散在混凝土中, 利用聚合物/無機納米復(fù)合材料的導(dǎo)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(yù)測混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。
3 納米技術(shù)在陶瓷材料中的應(yīng)用
3.1 納米材料在耐高溫陶瓷中的應(yīng)用
二十世紀(jì)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(fù)相陶瓷具有很高的力學(xué)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(zhì)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(shù)在陶瓷上的應(yīng)用潛力不可估量[27, 28]。
近年來國內(nèi)外對納米復(fù)相陶瓷的研究表明, 在微米級基體中引入納米分散相進(jìn)行復(fù)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(yīng)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(chǎn)抗菌陶瓷釉面磚和衛(wèi)生陶瓷等產(chǎn)品, 主要用于墻地面裝飾、廚房、浴室及衛(wèi)生間。在生產(chǎn)抗菌陶瓷的過程中, 如果再加入遠(yuǎn)紅外陶瓷粉, 就可以制成具有復(fù)合功能的抗菌保健陶瓷, 這種產(chǎn)品不斷向外輻射紅外線, 可促進(jìn)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。
3.3 納米材料在環(huán)境友好陶瓷中的應(yīng)用
利用納米技術(shù)生產(chǎn)的多孔陶瓷( 陶瓷微孔材料) 材料, 可對工業(yè)廢氣進(jìn)行過濾分離。多孔陶瓷具有很好的耐熱、耐化學(xué)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(yīng), 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(zhì)量。
3.4 納米材料在綠色能源陶瓷中的應(yīng)用
利用納米粒子特殊的光電磁特性制成太陽能陶瓷、遠(yuǎn)紅外陶瓷等, 用于建筑物飾面, 可開發(fā)太陽能, 調(diào)節(jié)環(huán)境溫度, 促進(jìn)人們身體健康。
4 納米技術(shù)在其它方面的應(yīng)用
建筑鋼材也是現(xiàn)代土木工程中應(yīng)用較廣泛的工程材料之一, 也在向高強輕質(zhì)方向發(fā)展, 特別是利用納米技術(shù)開發(fā)自身防火和防腐的鋼材, 必將促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)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(shù)后, 水滴或油滴與表面的接觸角接近于零, 從而實現(xiàn)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(shù)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(dá)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[18]。
5結(jié)束語
被譽為二十一世紀(jì)最具有發(fā)展前景的納米材料和納米技術(shù)一經(jīng)問世, 便以極快的速度滲透到各個研究領(lǐng)域。納米技術(shù)是對未來經(jīng)濟和社會發(fā)展產(chǎn)生重大影響的一種關(guān)鍵性前沿技術(shù), 這是世界各國科學(xué)家的共識。納米技術(shù)在建筑材料方面的應(yīng)用前景非常廣闊, 研究開發(fā)工作剛剛起步, 可以預(yù)料, 納米技術(shù)不僅會推動建材新產(chǎn)品的開發(fā), 還將為改善人們的生活環(huán)境, 提高生活質(zhì)量作出不可估量的貢獻(xiàn), 納米技術(shù)將為二十一世紀(jì)建筑材料的發(fā)展開拓新的方向。
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