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納米技術(shù)在涂料中的應(yīng)用

ainet.cn   2009年04月09日

  納米技術(shù)的發(fā)展雖然是瞬息間的事情,但是卻已經(jīng)在涂料工業(yè)中發(fā)揮了重要的作用,它以其優(yōu)異的性能開辟了許多新的應(yīng)用領(lǐng)域,如大大改善了汽車面漆的抗劃傷性能,提高了產(chǎn)品的抗菌性能,可做成自潔性涂料、能提高產(chǎn)品的耐侵蝕性能等等。我們對涂料化學(xué)的研究工作處于才剛剛開始的階段。

  在接下來的數(shù)年內(nèi)我們能取得什么樣的成就呢?如圖所示,從事納米技術(shù)研究的涂料制造部門提出了當(dāng)前主流的一些觀點,接下來我們將分析 這些觀點;但是需要肯定的一點是,還有45%"其它"的應(yīng)用領(lǐng)域,對我們的工業(yè)部門來說,這意味著納米技術(shù)將會有更多的、令人感興趣的功能,對于這部分內(nèi)容我們將在本月的評論中進(jìn)行討論。


             

 

                 圖 1: 納米技術(shù)在涂料領(lǐng)域中應(yīng)用一覽
  納米尺度的問題

  對于所有的納米技術(shù)進(jìn)行研究,我們都需要考慮物質(zhì)在納米水平上的相互作用,有時甚至需要考慮粒子的量子效應(yīng)。但是在納米尺度和微觀態(tài)結(jié)構(gòu)之間并沒有明顯的界限,因此比較通用的解釋是納米技術(shù)針對的對象是尺寸范圍在1到100納米(0.001到0.1微米)之間、或者更小的粒子或結(jié)構(gòu)(一根人的頭發(fā)平均直徑在100微米范圍內(nèi))。

  我們可以把鈉迷技術(shù)細(xì)分成納米裝置和納米材料兩大領(lǐng)域。據(jù)報道美國軍方正在關(guān)注含有嵌入納米機器的涂料的開發(fā),這種機器可以檢測出微 小的缺陷并進(jìn)行修補;或者這種機器能產(chǎn)生"變色龍"式的擬態(tài)涂料,從而保證在戰(zhàn)場上坦克能夠改變它們的偽裝圖案。納米裝置是邊緣性的、純理論式的技術(shù),而納米材料現(xiàn)在卻正在改變著我們的工業(yè)體系。

  相關(guān)的納米技術(shù)被合理有效的應(yīng)用到多類型的有機/無機混合涂料領(lǐng)域。對這些技術(shù)感興趣的讀者可以回顧最新的關(guān)于有機/無機的混合涂料的技術(shù)概述以及相關(guān)的評論。在本次討論中那些被討論過的主題只做概略性的介紹。樹枝狀聚合物(dendrimers),可以作為納米技術(shù)發(fā)展的一 個特殊的領(lǐng)域,將在以后的分子結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行綜述性的討論。納米技術(shù)的發(fā)展還深深地影響了被稱之為"智能"涂料的開發(fā)應(yīng)用,這將在以后的欄目中作更深入的討論。

  微型化的發(fā)展

  用最簡單的話來說,納米粒子只是一個非常精細(xì)的分散形式,這在涂料技術(shù)中已被大家所熟知。生產(chǎn)這些精細(xì)粒子的常規(guī)研磨法的能力需要使用更小的研磨微珠。在研磨設(shè)計中,生產(chǎn)者掌握了相當(dāng)多的技巧,他們可以長時間的研磨而不會產(chǎn)生過熱,這就保證了分離后的研磨產(chǎn)物不含有那些微小的微珠,而且非常干凈。如果粒子的大小被充分減小的話,只要粒子被烘干或者固化后能夠保持分散狀態(tài),那么下面觀察到的綜合性能就完全是以下粒子的相互作用產(chǎn)生的:小粒子尺寸、每克單位粒子數(shù)以及大大改善了的比表面積。粒子和粘結(jié)劑之間的反應(yīng)鍵合點的數(shù)量大大增多,一般可提高材料的韌性。 所有原來固有的色彩會被改變,光學(xué)透明度提高,這主要是因為粒子上發(fā)生最大反射的波長是與粒子的直徑成比例的。 取向的碟狀材料會產(chǎn)生非常高的阻隔效應(yīng)。 容易產(chǎn)生毒性危害問題,這一點接下來將會討論。 很小的金屬粒子,它可以小到足夠滿足量子物理學(xué)定律的要求,而開始明顯地影響粒子行為。
  在催化劑中,通常一個簡單類型的納米粒子結(jié)構(gòu)就能引起相當(dāng)大的興趣的,這主要是因為它們能夠提供一個非常高的反應(yīng)活性比表面積。在納 米材料尺寸研究的另一個領(lǐng)域內(nèi),我們可以精確的定制大分子或者如樹枝狀聚合物、碳的富勒稀等"納米化合物",它們的用途取決于它們本身的特殊分子結(jié)構(gòu)以及活性。

  其中還有一個特別受到涂料領(lǐng)域關(guān)注的技術(shù)領(lǐng)域:具有特定結(jié)構(gòu)的納米粒子;納米復(fù)合材料的粒子的定位控制能力,能形成比一般隨機排列的涂層結(jié)構(gòu)更加緊密的結(jié)構(gòu)。

  如下圖所示,對眾多不同類型的納米技術(shù)進(jìn)行一般性的歸類。由于材料尺度以及無機物含量等可以在一個更寬的范圍內(nèi)變化,因此這個圖不是太完整,不需要做深入的研究。

 

          


  圖2: 納米技術(shù)分類

  改良的顆粒造就性能優(yōu)異的薄膜

  納米技術(shù)的一些應(yīng)用完全屬于現(xiàn)有技術(shù)的一種延伸,如噴墨用墨水的生產(chǎn)是常見的例子。一般顏料的耐久性能比染料好,但是為了保證生產(chǎn)出墨水能夠順利通過噴墨頭的微細(xì)孔洞,顏料需要有高穩(wěn)定性、非常精細(xì)的顏料顆粒尺寸特征。

  有很多研究報道指出,含有1-2%含量的硅或氧化鋁等硬質(zhì)納米粒子的添加劑,能顯著提高抗劃傷性能、抗水性等性能。這項技術(shù)已經(jīng)用于實際生產(chǎn)中,如用于汽車的透明涂料等。

  研究人員還報道了一則比較受關(guān)注的信息,在涂料輻射固化時,使用納米硅材料可以加快固化,這可能是由于在納米硅粒子的表面發(fā)生了鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)的原因。樹脂結(jié)構(gòu)本身就含有一個關(guān)鍵的組分,其它材料可以起協(xié)同作用。例如聚硅氧烷在涂料中的作用本身很小,在添加的量較低時,被證明它能明顯提高納米鋁粒子的改善涂料的抗劃傷性能。一個比較合理的解釋是在薄膜中硅氧烷提高了納米鋁粒子的分散能力。

  許多化合物可以通過溶膠-凝膠反應(yīng)(在混合涂料技術(shù)概述中做更詳細(xì)討論)做成混合材料。目前已經(jīng)生產(chǎn)出的溶膠-凝膠法薄膜,它含有光催化型二氧化鈦(也有抗菌性能)、陽離子型抗生物化合物、銀、殼聚糖(這一點除了大家比較熟悉的生產(chǎn)生物型塑料外,還具有抗生物性能 )以及揮發(fā)性的有機抗菌劑。適用領(lǐng)域有紡織物涂料和木材保護涂料等。

  在一個聚合物的固化加工過程中,在薄膜中添加納米粒子的最終目的,實際上是為了能在可溶性的母體中產(chǎn)生金屬氧化物。這樣就有可能將粒子尺寸降低到接近分子水平,生成一個高折光指數(shù)(可以達(dá)到1.9),具有良好光學(xué)均質(zhì)材料特征的化合物。這種材料在嵌入或者連接復(fù)合材料時能夠降低反射量,主要適應(yīng)于光電子應(yīng)用領(lǐng)域。

  近來另一個受關(guān)注的、比較新穎的研究發(fā)現(xiàn)在聚合物鏈空間的某個特定的地方,可以將金屬原子和聚合物鏈連接起來。在一組實驗中發(fā)現(xiàn),能將鈷化合物鍵接到嵌段共聚物的某一個特定的嵌段上。這種技術(shù)在常規(guī)性的應(yīng)用中或許不需要,但是在其它領(lǐng)域仍然有一定的開發(fā)興趣,例如具有催化性的活性的涂料,需要提高薄膜彼此之間或和粘結(jié)基層間的粘結(jié)力的應(yīng)用領(lǐng)域。

  類似的,樹枝狀聚合物(dendrimers)用于構(gòu)造直徑小于2納米的金屬納米粒子材料的一種"骨架"結(jié)構(gòu),它能夠產(chǎn)生一個具有高的表面體積比例的非常有效的催化劑。

   輕輕松松的實現(xiàn)抗紫外降解

  二氧化鈦在光催化涂料中的相關(guān)應(yīng)用已經(jīng)有大量的報導(dǎo),用市場原則上的一個經(jīng)典引用就是"不存在難度,只有機遇"。眾所周知,常規(guī)的二氧化鈦和紫外光作用加速了涂料的降解,用二氧化鈦粒子涂層能最小化這個作用。用紫外光照射后(小于400納米),納米粒子產(chǎn)生環(huán)氧基和羥基自由基,然后與氮的氧化物作用,生成硝基基團(NO3-)。在涂料中,通過和它物質(zhì)如碳酸鈣的反應(yīng),將生成的這些基團依次去除。

  通過光催化反應(yīng)的其它的氧化反應(yīng)可以降低有機污物顆粒,提高涂料的自潔性能。一個明顯的問題是這些反應(yīng)同時也容易迅速的降解粘合劑,但是有些硅基的聚合物能夠抵抗這個作用,這樣的涂料最近已經(jīng)問世了。另一個二氧化鈦微粒的應(yīng)用實例是使用其它無機氧化物涂裝它的表面,通過電子和紫外輻射作用產(chǎn)生陽性空位,將這些能量轉(zhuǎn)換成無害的熱量,使材料變成非常有效的保護性涂料,從而變成不受紫外和其它常規(guī)二氧化鈦的有害作用的材料。

  在這些應(yīng)用中,需要小心的控制顆粒尺寸達(dá)到大約35-45納米,因為雷利散射(Rayleigh scattering)有效的條件是微粒尺寸須達(dá)到對應(yīng)光波長的大約十分之一大小。當(dāng)粒子尺寸下降時,才有可能讓作用在上面的波長產(chǎn)生最有效的散射。

  同樣,目前可以得到作為紫外光的吸收劑用的鍛制的氧化鋅,它有兩種形態(tài):一個親水的形態(tài),另一個硅烷化憎水的形態(tài)。一個非常肯定的例子就是作為遮光劑洗液中的配合劑(這個實際上就是二氧化鈦)。氧化鈰(CeO)納米粒子已經(jīng)作為紫外光吸收劑被商品化。雖然氧化鈰具有相對較高的折光指數(shù),大約2.1,但是仍然低于二氧化鈦的2.5-2.7的水平,因此如果粒子尺寸選擇合理的話,就有可能在大約370納米處產(chǎn)生非常強烈的吸收截斷(cut-off)-換句話說,粒子相對于可見光幾乎是透明的。

  為了保證獲得足夠小的粒子尺寸,材料一般制作成水相或者溶劑型的凝膠態(tài)。開始的試驗表明氧化鈰不僅表現(xiàn)出比有機紫外吸收劑更好的耐久力,而且能顯著提高薄膜的硬度、抗劃傷性能、憎水性能以及彈性。在涂料應(yīng)用中也可以驗證這一點,這些材料附加了比有機材料更好的耐高溫性能,實驗還表明它們可以提供比常規(guī)的有機紫外吸收劑更長的壽命。

        納米粘土提高了材料的阻隔性和強度

  通過納米技術(shù),使用作填料用和流變能力控制劑用的片晶結(jié)構(gòu)狀粘土材料,是另一個已知的賦予涂料新壽命的技術(shù)。粘土的效率取決于單體片 晶的擴散能力,常規(guī)狀態(tài)下,這些片晶是以"球棒式三明治"(club-sandwich)的形式堆積在一起,它可以被分散或剝離。在固化薄膜時,為了實現(xiàn)從有效厚度助劑到有效增強型助劑的轉(zhuǎn)變,片晶必須完全剝離,期望的理想狀態(tài)是片晶和涂料樹脂之間達(dá)到緊密地鍵合,但是由于樹脂分子太大通常很難有效的進(jìn)行剝離。

  一個成功的方法是粘土剝離成單體,然后完成粘土/單體混合物的聚合過程。輻射固化是最顯然適合的技術(shù),它在材料中的正常部位都具有較高活性的單體,但是同樣也要很好的使用熱處理方法。在包裝應(yīng)用領(lǐng)域一個備受關(guān)注的技術(shù)就是:粘土在熔融態(tài)己內(nèi)酰胺中實現(xiàn)剝離,然后聚合生成含有完全剝離的粘土粒子的尼龍。

  在一個飲料瓶生產(chǎn)的應(yīng)用中,在夾在兩層PET之間的用作阻隔層用的復(fù)合材料中添加氧清除劑,雖然阻隔層僅僅占整個薄膜厚度的5-8%,但是起到了非常有效的阻隔層用。這樣做的一個潛在的優(yōu)勢是:由于它們之間沒有化學(xué)鍵連接,這個薄膜層可以在以后的再循環(huán)操作中被分離出來。

  復(fù)合物粒子

  粒子的使用是下一個更復(fù)雜性的事情,復(fù)雜程度取決于出現(xiàn)的特殊結(jié)構(gòu)。在水基涂料中核-殼(core-shell)粒子,已經(jīng)是非常確定的結(jié)構(gòu),它在一個較軟的外層上覆蓋一個硬質(zhì)聚合物結(jié)構(gòu),如保留這個硬質(zhì)聚合物對薄膜性能的功能作用,能夠促進(jìn)粒子的凝聚。可以通過乳液聚合反應(yīng),完成聚合物層封裝小的無機粒子的過程,形成核-殼(core-shell)結(jié)構(gòu)的粒子。在這個工藝中,顏料或者其他粒子,同合適的添加劑組分,被分散在單體/水混合物中,這個聚合反應(yīng)在原位完成。

  如果通過添加合適的表面活性劑的方法,在微粒上形成一個憎水層, 那么將主要在粒子表面發(fā)生聚合反應(yīng)。根據(jù)具體的反應(yīng)條件,無機材料可以是單獨包封的結(jié)構(gòu)或者是含有幾個粒子的復(fù)合物膠束結(jié)構(gòu)。可以使用一系列范圍很寬的聚合物封鑄劑來完成反應(yīng),讓粒子和樹脂體系中具有更高的相容性或者讓粒子和樹脂發(fā)生高度交聯(lián)反應(yīng),以確保納米粒子在最終涂層中,保持高度分散的形態(tài)。

  一個明顯的變化是:通過乳液聚合讓一批單體反應(yīng)聚合;然后添加更多量的不同單體,讓它們有時間部分地擴散進(jìn)新形成的聚合物粒子中,然后通過聚合生成多層聚合物粒子,從而完成第二階段的乳液聚合。更復(fù)雜的納米粒子如:用電鍍工序生產(chǎn)的納米條形碼,生產(chǎn)一個生成大約350 納米寬度的抵抗性"條紋"的納米粒子。小型的辨別裝置可以允許不受約束數(shù)目的變量來制造 ,這是很難仿造的。一個可以選擇的納米條形碼形式使用了微小的磁性粒子,粒子可以以與眾不同的圖案印刷在塑料表面上,可以通過它們的磁場性質(zhì)或者通過它們的磁場力對偏振光的電磁感應(yīng)來閱讀。

  研究銀鍍層材料

  最近許多開發(fā)抗生物性能的涂料的方法使用了復(fù)合物微粒的技術(shù)??股镄阅艿牧W討?yīng)該能夠遷移到涂層的表面,從而發(fā)揮有效的抗生物作用。這就意味著抗生物性粒子應(yīng)該是可遷移的并且可以從表面除去,同時也意味著會向周圍環(huán)境連續(xù)不斷的釋放出排出物(一般具有毒性)。這些抗生物粒子一般使用壽命都是有限的。銀可以在非常低的濃度下起到殺菌的作用,然而具有非常低的哺乳動物毒性。它可以被精細(xì)的植入到玻璃粒子中然后和涂料合成一體,而不是 在涂料表面形成一個"活性膜"的抗菌面,和細(xì)菌的毛細(xì)壁接觸銀再現(xiàn)可溶解的性能。生成一個含有非常低劑量的、甚至在重復(fù)使用烈性的清除劑清除后,仍然很好的保留銀的活性的金屬銀的涂層?,F(xiàn)在已經(jīng)有商業(yè)化的基于該體系的熱塑性聚酰胺涂料,并且在各種衛(wèi)生型涂料應(yīng)用中被證明是有效的,在大氣環(huán)境下能抑制細(xì)菌生物膜的增長(這能導(dǎo)致水中軍團菌(Legionella)的爆發(fā))。純銀通過蒸發(fā)和沉積作用也可以形成直徑大約100納米的粒子。這對涂料的應(yīng)用來說雖然粒子太小不便于處理加工,但是可以熔結(jié)生成非常多孔的低密度銀粉,具有一個高達(dá)每克5平方米的比表面積。由于比表面積高這個特點,在添加量非常低的條件下就能夠起到很好的抗菌作用。這些技術(shù)面臨的一個難題是使用常規(guī)的微生物實驗很難精確的檢測出這些抗菌體系的效率,因為體系的設(shè)計是基于下面的假設(shè):抗菌劑會從涂料中流失掉。在抗污涂料應(yīng)用領(lǐng)域中也面臨著同樣的如何準(zhǔn)確的控制釋放和流失的問題,同類型的技術(shù)還用于其它材料的控制釋放的領(lǐng)域,如防腐劑是否能從食品包裝中的釋放出來,僅當(dāng)有機體損壞時才能被確認(rèn)。

  球狀碳結(jié)構(gòu)

碳纖維可以作為復(fù)合材料的增強劑和導(dǎo)電劑,這已經(jīng)是一個被確認(rèn)的技術(shù)。使用納米碳纖維替代"普通"的碳纖維,將意味著達(dá)到相似的物理性 能,只需要添加原來添加量的25%,達(dá)到等效電導(dǎo)性能只需要添加原來量的一半水平。追求更高等級的效率以及比"普通" 納米纖維更小的尺度將我們引入了碳納米管和碳納米球的世界,已知的被稱為富勒稀(fullerenes)或者巴基球(Buckyballs)的碳結(jié)構(gòu),這主要是來源于它們的分子排列在結(jié)構(gòu)上的類似之處-Buckminster Fuller描繪的網(wǎng)格球頂(geodesic dome)結(jié)構(gòu)。產(chǎn)生的納米單管結(jié)構(gòu)可以在直徑上小到一個納米,或直徑長達(dá)60納米的多壁形式。但是它們的長度經(jīng)檢測處于微米級水平。它的強度被認(rèn)為是
鋼的100倍,重量是鋼的六分之一,根據(jù)它們的結(jié)構(gòu)特征,可以認(rèn)為是導(dǎo)電體或是半導(dǎo)體。非常高的制造成本是其應(yīng)用的一個主要障礙,提供的研發(fā)費用在大約每克50美金的水平。許多公司包括阿科瑪(Arkema)和拜耳(Bayer)已經(jīng)推出了新工藝,它們預(yù)算在工廠里的價格在每千克50美金的水平,生產(chǎn)能力可達(dá)到每年數(shù)噸。

  這些材料整體上處于高價位,但是它們在性能上的出色表現(xiàn)推進(jìn)了它們的應(yīng)用步伐,不僅可用于結(jié)構(gòu)增強材料而且可以作為提高導(dǎo)電性能的助劑,如提高汽車塑料的靜電噴涂性能。某些類型的富勒稀也被證明可用于潤滑性復(fù)合物和低摩擦涂料,歐盟在這項目上的投入已達(dá)到190萬歐元。

  荷葉效應(yīng)以及其它特殊表面

  所謂的"荷葉效應(yīng)"是指那些模仿荷葉和其它植物的表面的自潔抗污能力,一般由至少兩種類型的納米結(jié)構(gòu)相結(jié)合,含有強憎水的臘層表面,這種結(jié)構(gòu)除了非常小的尺寸外是不相同的(大尺寸的織態(tài)結(jié)構(gòu)可能有助于這個效應(yīng),但是擁有一個比污垢粒子小的結(jié)構(gòu)有助于減少污垢粒子和表面的接觸面積,表面也降低了它們的粘性)。人們已經(jīng)找到不同的方法來模仿它們,在這些方面主要還是依賴于納米技術(shù)的發(fā)展。

  已經(jīng)開發(fā)出具有荷葉效應(yīng)的涂料, 它可以通過噴灑罐進(jìn)行操作使用。在涂料中,聚丙烯和聚乙烯納米粒子和臘相結(jié)合,產(chǎn)生了大約1納米尺寸的憎水的微結(jié)構(gòu)表面。在最近的幾個月里,已經(jīng)找到許多完全不同的制造質(zhì)地粗造的納米表面方法,雖然這么說還為時過早,很難說它們將來會有重要的實用開發(fā)價值。

  美國的北加州大學(xué)(University of North Carolina)的研究人員意外的發(fā)現(xiàn),如果一個表面伸展開,變硬然后應(yīng)力解除,直到能夠產(chǎn)生五個嵌套('nested' wrinkles)的皺紋出現(xiàn),最小的一個被降低到納米尺度水平。尺寸精度效果最初依賴于伸長的長度。表面可以被用來分散不同尺寸的微珠,研究人員研究了可以用作為海上防污涂層的應(yīng)用。美國佛羅里達(dá)州立大學(xué)(Florida State University)的研究人員正在開發(fā)一個應(yīng)用超薄膜涂層的方法,讓充滿帶正電性和負(fù)電性的電解質(zhì)膜層彼此交替放置。據(jù)說操作工序和以前的生產(chǎn)相似的薄膜方法來比,非常簡單和經(jīng)濟,產(chǎn)生出帶有異常保護功能的涂層和憎水性能。據(jù)說它可以用于外科植入手術(shù)、電子、車身、船體等領(lǐng)域。

  某些聚合物(尤其是環(huán)氧乙烷/環(huán)氧丙烷共聚物)具有獨特的性能:在低溫下溶解很好,而在某個溫度以上事實上卻變得不再可溶。就有可能利用這個特征將聚合物薄膜沉淀到侵入的表面以下或被分散的顆粒(如顏料)中,只需要將這個初始清液進(jìn)行簡單地加熱,達(dá)到它的較低臨界溶解溫度以上的溫度。使用這樣的方法,幾乎可以將所有的聚合物沉積到可達(dá)到的基底上,產(chǎn)生一個可預(yù)期的平均厚度的涂層。這些涂層通常有一個表面結(jié)構(gòu),如果聚合的涂層在那里固化的話,它就能被"固定"(locked in)。可以根據(jù)涂層的表面性質(zhì)的需要進(jìn)行變化,這包括從親水性的到憎水性的變化。這些方法可以是蝕刻一個硅表面來形成一系列的支撐點,然后用含氟聚合物進(jìn)行涂層。在正常的條件下,這個可預(yù)測的表面是非常憎水的,但是如在表面之間施加一個20V的電位差的話,產(chǎn)生一個有效應(yīng)用的液態(tài)結(jié)構(gòu)提供了涂層的親水性能。

  新奇的復(fù)合物

  復(fù)合物技術(shù)也可用于涂層中,特別適合那些高成膜性的應(yīng)用領(lǐng)域-當(dāng)復(fù)合物結(jié)構(gòu)的尺寸變小的時候,涂層技術(shù)的潛在應(yīng)用領(lǐng)域卻變得寬闊。最近 的一些研究主要是針對食品領(lǐng)域的。美國麻省理工學(xué)院(MIT)的Anne Mayes教授領(lǐng)導(dǎo)的研究人員已經(jīng)開發(fā)出"壓塑性塑料"(baroplastics)-熱塑性塑料可以在相對低的溫度條件下,在高壓下成型。除了節(jié)能,該加工也使回收混合型的塑料變得更加容易。

  對于涂料化學(xué)家來說,常規(guī)的加工方法似乎都相當(dāng)熟悉,在這次討論中已經(jīng)較早的提及過:它是一個連接玻璃態(tài)的高玻璃化溫度(Tg)的聚合物和Tg較低的彈性材料的方法,例如聚苯乙烯和聚丙烯酸丁酯。當(dāng)這些材料結(jié)合生成核-殼納米粒子結(jié)構(gòu)時,外層對內(nèi)部硬核層起到了有效的增溶作用和增加流動性能力,讓塑料可以在溫度低于40攝氏度下成型。幾乎不是常規(guī)的涂料技術(shù)-但是其可用性原則適合于印刷以及任何平坦的表面處理。

  當(dāng)試圖回收塑料或者開發(fā)新的混合材料時,聚合物的可混合性能顯得非常重要。有跡象表明添加納米材料具有積極的作用。納米材料自身與聚合物的相容性是很重要的,同時它也在理論上計算出微粒越小、它們促進(jìn)穩(wěn)定化的效率越好-當(dāng)形成互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)(IPPN)類型的涂料時應(yīng)該注意的事情。

  用照相機閃光燈進(jìn)行照射局部加熱時,碳納米管和硅納米線(silicon nanowires)會出現(xiàn)火焰,但是加州大學(xué)(University of California) 的一個研究生,Jiaxin Huang偶然的發(fā)現(xiàn)可以對導(dǎo)電的聚苯胺的納米纖維進(jìn)行"火焰粘接"(flash weld)并形成一個交聯(lián)的薄膜。似乎是通過吸收光產(chǎn)生強大的局部熱通過熔化分散掉。潛在的應(yīng)用領(lǐng)域如生產(chǎn)帶圖紋薄膜:通過一個面罩進(jìn)行照射,將其它塑料和聚苯胺焊接起來產(chǎn)生微結(jié)構(gòu)的復(fù)合物和涂層。

  安全問題

  納米技術(shù)的迅速升溫,已經(jīng)引發(fā)了大量的關(guān)于可能的健康、安全與環(huán)境(HSE)問題的討論。由于缺乏足夠的可行性數(shù)據(jù),限制了立法者采取建設(shè)性措施的活動能力。今天,納米粒子已經(jīng)被應(yīng)用到遮光劑配方、其它的化妝品、醫(yī)藥品甚至食品中去。雖然大家都有一個很明晰的意識,但是目前的基于更大的粒子的風(fēng)險評估顯然不合適的。

  歐洲委員會(The European Commission)正在采取一個為期四年的針對納米技術(shù)的行動計劃,這包括沿著主要的技術(shù)和商業(yè)開發(fā)中面臨的焦點問題進(jìn)行風(fēng)險評估。在美國,政府的1億美元的納米技術(shù)研究預(yù)算的3.7%目前被投入到HSE的問題研究上。直到最近,甚至找到一些已經(jīng)被出版的相關(guān)的信息都是很困難的。因為文章可以被發(fā)表在納米技術(shù)刊物上或者HSE刊物上?!               ?/FONT>

         安全問題的根源

  為什么需要如此關(guān)注這個問題呢?再次強調(diào)的是最先受關(guān)注的是其粒子尺寸。所有的HSE立法體系都根據(jù)質(zhì)量濃度規(guī)定了氣生微粒物的暴露極限。然而不久前納米技術(shù)成了頭條焦點,跡象表明納米材料本身雖然沒有固有毒性,但是卻導(dǎo)致了肺部的炎癥。這個作用取決于吸入粒子的整個表面積而不是它們的質(zhì)量。大概來說,如果你等分了粒子的平均直徑,那么你就加倍了它們的比表面積。

  關(guān)于納米粒子初步調(diào)查表明,一定劑量的材料能充分地降低種子發(fā)芽的速度。特別的是氧化鋁被發(fā)現(xiàn)對于樹木的發(fā)芽有害的而硅等材料卻沒有對此產(chǎn)生影響。然而很難將這些普遍性原理轉(zhuǎn)換成具體的危害計量,特別是當(dāng)非常精細(xì)、非?;钚缘牧W尤菀籽杆俚哪燮饋砗?,限制它們自身的危害的時候。根據(jù)這些,許多新的化學(xué)物被開發(fā)出來,其中富勒烯是最顯而易見的。常規(guī)的C60富勒烯已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)是細(xì)胞毒素的,甚至在低劑量時,雖然按照幾個不同的大小順序,進(jìn)行提高它們的水溶性能改性,發(fā)現(xiàn)能減少它們的細(xì)胞毒性。

  較復(fù)雜的納米粒子在鑒定它們的危害時,帶來了更大的問題。正在研究作為數(shù)據(jù)存儲和加工裝置,被稱為量子點的裝置。它有作為復(fù)雜的藥物輸送系統(tǒng)或者在醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)的潛在的醫(yī)學(xué)使用價值。它們是很小的半導(dǎo)體粒子,它的性能取決于一個來描述它們的行為,擁有足夠小的滿足量子物理學(xué)尺寸要求的粒子。許多都是基于本來有毒的鉛、砷、鎘元素的核心/中心。

  這些核結(jié)構(gòu)當(dāng)時是用于有機材料涂層,現(xiàn)在主要在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用。最近的研究表明量子點的潛在毒性很難進(jìn)行評估,因為這取決于暴露的方式、金屬核的合成、外層涂料的性質(zhì)以及涂層是否自然地降解在這些納米粒子中。

  因此,我們要想完全了解納米技術(shù)的潛在的危害還有很長的路要走。由于在許多不同的方法中,納米材料的活性和毒性可能會因使用的方式和化學(xué)結(jié)合不同而被改變,所以最后反映的結(jié)論一定要綜合性的。

  超自然材料

  這篇文章僅僅描繪了納米技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域的大致輪廓,它的應(yīng)用領(lǐng)域以及日常評價中還在繼續(xù)增多。更多的新穎的應(yīng)用仍在開發(fā)中,如作為涂料和在一些遠(yuǎn)離常規(guī)涂料技術(shù)的領(lǐng)域。納米技術(shù)已經(jīng)開始在性能上傳遞出驚人的提高速度,但是隨著最好的、長期效用的材料開發(fā),將使得那些以前想不到的事情成為現(xiàn)實。作為一個這樣的例子,事實上沒有天然材料可以永久地?fù)碛胸?fù)遮光指數(shù)或者負(fù)導(dǎo)磁系數(shù)。然而特殊結(jié)構(gòu)的納米粘土材料(有足夠理由證明其為亞穩(wěn)態(tài)材料)已經(jīng)被證明擁有這些性能。

  研究人員正在密切關(guān)注使用這些材料來產(chǎn)生具有更高分辨力的透鏡,它比受衍射極限(diffraction limit)限制的任何玻璃棱鏡產(chǎn)生的性能要好。無論多么昂貴和新穎的,在你的下一代照相機上你似乎不可能找到使用亞穩(wěn)態(tài)材料的技術(shù),但是你也會發(fā)現(xiàn)它最終在你的下一臺PC內(nèi),被用來制造一個比目前尺寸更小的電子電路,是有可能的。

  按照量子物理學(xué)、化學(xué)和光學(xué)的規(guī)律,納米技術(shù)的發(fā)展最終只會受到原子和分子的尺寸的限制。在接下來的時間中,會有更多讓我們驚奇的應(yīng)用出現(xiàn)。

 

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