日期：2022-04-14
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193 核心提示：建筑涂料是与国民经济产业部门配套的工程材料。随着人民生活水平的逐步提高，人们对建筑涂料提出了更高的性能要求，因此其在我国
建筑涂料是与国民经济产业部门配套的工程材料。随着人民生活水平的逐步提高，人们对建筑涂料提出了更高的性能要求，因此其在我国涂料生产中的地位也越来越重要。目前建筑涂料正朝着能适应环境要求的水性、高固体、无溶剂、粉末的方向发展［1］，这些都对现代建筑涂料及其制备工艺提出了挑战，开发和应用高质量的建筑涂料成为当前涂料业的重要课题。
纳米技术是近年来科学上的一项重大发展，已成为当今许多学科的研究热点。利用纳米技术可以使材料具有优异或奇特的性能，尤其在结构、光电、力学、催化及物理化学性质等方面具有诱人特征，所以纳米技术被广泛地应用于工业和民用领域［2］。纳米技术在建筑涂料中的应用是近几年上研究的热点之一。20 世纪90 年代，国内外学者针对纳米技术在建筑涂料中的应用进行了大量研究，并已有产品陆续上市。纳米技术可以大幅度提高建筑涂料的抗菌防污性能、耐老化性能、亲水性能、防火性能及其他性能［3］，具有广阔的应用和发展前景，但同时应用纳米技术改性的建筑涂料的安全性必须引起足够的重视，加强研究力度，确保对人们健康和环境不存在负面影响。
1 改性建筑涂料用纳米材料
涂料基料的粒径对涂膜性能有影响，如粒径在100 nm 以下的乳液是较好的成膜物，能够为建筑涂料提供优良的颜料分散性和附着力。目前改性建筑涂料用的纳米材料主要有以下几种。
1. 1 纳米CaCO3
CaCO3是重要的无机粉体产品，广泛用于塑料、橡胶、造纸、油墨等行业。微细化及表面处理技术的进步，使得CaCO3产品向专用化、精细化、功能化方向发展，新材料纳米CaCO3应运而生，进而拓展了CaCO3产品的应用领域［4］。纳米Ca-CO3指化学合成CaCO3的粒径在1 ～ 100 nm 范围内的产品，是一种新型超细固体材料，其晶体结构和表面电子结构发生变化，产生量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，在磁性、催化性、光热阻等方面与常规材料相比显示出优越性能。
1. 2 纳米SiO2
纳米SiO2为无定形白色粉末，是一种无毒、无味、无污染的无机非金属材料，呈絮状和网状的准颗粒结构，为球状。单个的纳米SiO2粒子因表面作用能强，彼此接触团聚，形成二次结构。纳米SiO2具有化学纯度高，分散性好，比表面积大等优越的性质，使其成为当今世界大规模工业化生产中产量高的一种纳米粉体材料［5］。
1. 3 纳米TiO2
TiO2有板钛型、锐钛型和金红石型3 种晶型，其中锐钛型和金红石型TiO2应用较广泛，这2 种TiO2均属于四方晶系［6］。纳米TiO2的粒径为普通TiO2的1 /10，与常规材料相比，纳米TiO2具有独特的性能: 比表面积大、磁性强、光吸收性好、吸收紫外线的能力强、表面活性大、热导性好、分散性好且所制悬浮液稳定。金红石型纳米TiO2具有透明性和紫外吸收能力; 锐钛型纳米TiO2被光源激发形成的孔穴电子亲和力大，氧化能力强，可以进行各种光催化反应。
1. 4 纳米ZnO
纳米ZnO 俗称锌白，难溶于水，可溶于酸和强碱，是一种常用的化学添加剂，广泛应用于塑料、硅酸盐制品、涂料、阻燃剂等产品的制作中［7］。随着对纳米ZnO 性能认识的深化，发现纳米ZnO 的能带隙和激子束缚能较大，透明度高，有优异的常温发光性能，纳米ZnO 对紫外线的防护功能比传统的纳米TiO2强，对紫外线A 和紫外线B 均具有良好的防护效果。
2 纳米材料在建筑涂料中的应用
纳米材料种类繁多，性能各异，即使同一纳米材料在不同粒径下也可能会有不同的功能，而不同种类的纳米材料也可以在涂料中起到同一作用。因此，将不同种类或不同粒径的纳米材料应用于建筑涂料中会表现出不同的特性。
2. 1 改进建筑涂料抗菌防污性能
乳胶漆是建筑涂料的主流品种，应用广泛。乳胶漆的主要成分里包含了大量的有机物和高分子材料，这些都是微生物的养料，且乳胶漆成膜后也易受周围环境里微生物的侵蚀，从而产生各种问题［8 － 9］。为了解决这些问题，在乳胶漆中除添加防腐剂保护外，还可加入纳米TiO2。纳米TiO2具备常规材料所不具有的光、热敏感等性能，利用其光活性，并与无机抗菌防腐剂配合，可有效吸附和分解空气中的有害气体，在建筑涂料中起到很好的杀菌和抑菌效果。同时还可以保证玻璃清洁、防止墙面油腻，减少医院墙壁的细菌数，甚至用于污水处理。
2. 2 改进建筑涂料耐老化性能
建筑涂料受到紫外线的照射后涂膜基体中高分子链容易产生断裂、粉化等现象。纳米级TiO2、SiO2和ZnO 等具有优异的耐老化性能，可以明显地提高涂料的耐老化性能［10］。纳米SiO2具有紫外线吸收、红外线反射的光学特性，对波长为400 nm以内的紫外线吸收率可达70% 以上，对波长为80 nm以外的红外线反射可达70%以上。其分子结构中存在着大量的不饱和残键及不同状态的羟基，可与树脂的某些基团发生键合作用，大大改善材料的热稳定性和化学稳定性。又由于其表面配位不足，表现出极强的活性，可以对颜料等色素粒子起吸附作用，大大降低由于光源的照射而造成色素的衰减，达到抗紫外和抗热老化的目的，同时增加建筑涂料的隔热性。
2. 3 改进建筑涂料亲水性能
纳米TiO2在光照条件下，其表面结构发生变化，具有超亲水性。在紫外光照射下，纳米TiO2表面生成电子－ 空穴对，分别与Ti4 + 反应生成Ti3 + 和氧空位。空气中的水解离子吸附在氧空位中称为化学吸附水，并进一步吸附空气中的水分，形成物理吸附层，即在缺陷周围形成高度亲水微区，而剩余区域仍保持疏水性，这样就构成了均匀分布且尺寸远大于水滴或油滴的相分离的纳米尺寸亲水和亲油微区，在宏观上表现出亲水和亲油性。停止紫外光照射后，化学吸附羟基被空气中的氧取代，数小时后又回到疏水状态，再用紫外光照射，又表现出超亲水性。镀有纳米TiO2的表面因为其超亲水性，使油污不易附着［11］。即使有所附着，也是和外层水膜结合，在外部风力、水淋及自重作用下能自动从涂层表面脱落，从而达到防污及自清洁的目的。
2. 4 改进建筑涂料防火性能
纳米SiO2的尺寸小、表面积大，可以有效地提高钢结构涂料的反应面积，增强发泡层的强度，从而提高建筑涂料的防火性能［12］。防火涂料受热膨胀形成炭质层，基体中的纳米SiO2在其中可以起到“钉扎”作用，能大大增强燃烧后炭质层的强度; 同时纳米SiO2表面还有大量的缺陷态，不仅具有储能的作用，而且与基体中的分子间有较强的范德华力作用，这样燃烧后炭质层与基体结合相对较好，不易脱落，从而使耐火极限延长。同时纳米SiO2的独特结构使其表现出一些特殊的光学性能，提高防火涂料的耐老化性能，从而保证建筑涂料防火性能的稳定。
2. 5 改进建筑涂料其他性能
纳米粉末填料具有粒径小、表面活性高的特点。选择适当种类和粒径的纳米材料用于涂料中，可改变涂料的黏度及流变性，从而获得施工性能更好的纳米涂料。如纳米SiO2在建筑涂料中应用后，可以增加涂料的触变性，改善涂料施工过程中的流挂以及涂料的贮存稳定性等问题。由于纳米粒子与有机树脂基料之间存在良好的界面结合力，因此纳米材料加入到涂料中不仅可以很好地与其他组分结合，还可以因涂层内部各组分协同作用而产生一些新的特性，从而提高涂层的强度、硬度、耐磨性、耐刮伤性等力学性能［13］。同时，还可以保证涂层的透明性。
3 纳米技术在建筑涂料中应用存在的问题
纳米技术在涂料中的应用进展为建筑涂料向更多功能、更高功能发展展示了灿烂的前景［14］，但要使纳米材料复合涂料更快、更普遍地商品化，仍有许多工作要做，有许多关键技术要解决，归纳起来有以下几点:
( 1) 制备无聚集的稳定分散的纳米材料仍是难题。尽管在纳米粒子表面修饰的工作取得了部分进展，但要获得适用性强、高效低毒、价格适宜、方法简便的表面处理剂及表面修饰方法，仍然是建筑涂料发展中主攻的课题。
( 2) 纳米材料引入涂料基体比较困难。涂料是多元体系，由于相容性问题，纳米材料引入建筑涂料体系比较困难。解决相容性问题后，纳米材料与涂料各组分之间能协同作用，使纳米材料能大限度地发挥改性作用，也是建筑涂料研究中不容忽视的课题。
( 3) 纳米材料品种少，价格高。纳米材料现处于商品化初期，品种少，产业规模小，供选择的品种少，价格偏高。如何有效地降低纳米材料的成本，将直接影响纳米材料在建筑涂料中应用的发展。
( 4) 纳米粒子对环境与人体健康的影响问题。纳米科技将成为21 世纪的关键科技，将成为支柱产业，可能会创造无穷无尽的商业利益。随着纳米材料研究的深入，纳米材料对环境与人体健康是否有负面影响也引起有关方面的关注。
4 纳米改性建筑涂料安全性的研究
任何技术的应用都是具有两面性的，纳米技术也可能成为双刃剑。因此，既要研究纳米技术对建筑涂料性能的提高，又要研究纳米材料对人类和社会存在的安全性，使纳米技术终能安全地应用于建筑涂料，因此需要从以下几个方向进行研究［15 － 16］:
( 1) 建立一个全面、切实可行的改性建筑涂料的安全评估体系。由于纳米材料的多样性及功能的复杂性，大大增加了危险认定、剂量反应关系评定和接触评定的难度，原有的对宏观物质的安全评估，已经不完全适合纳米材料。因此当前大量纳米改性建筑涂料进入市场，迫切需要研发一套评估纳米材料安全性的方法，然后在此基础上建立一个较为全面、切实可行的改性建筑涂料的安全评估体系。
( 2) 纳米材料的生物效应研究。纳米材料在生命体内的行为可能产生正负两方面的效应。正面的生物效应将是纳米技术在建筑涂料中发展的基础; 负面的生物效应将可能对人类健康和环境产生严重危害。通过化学或物理修饰去除改性建筑涂料中纳米材料负面的生物效应，保留其正面的生物效应，这对保证纳米技术在建筑涂料中可持续发展十分重要。
( 3) 尽快建立一个包含纳米材料特性的数据库。纳米材料的毒性与剂量密切相关，并且随着纳米材料表面结构的改变而改变。因此必须充分利用全世界的科技资源，建立一个包含纳米材料毒性和生理化学特性的数据库，以指导和优化纳米材料的设计和应用，提供消除负面效应的方法。
( 4) 研制开发系列监测和检测改性建筑涂料可能造成危害的仪器。根据监测和检测改性建筑涂料的需要，必须抓紧研制开发一系列检测仪器，以测量改性建筑涂料在研制、生产和使用过程中暴露的问题。具体设备仪器是可直接探测和显示出改性建筑涂料对人体健康与环境的危害情况的智能传感器、监测仪器等。
( 5) 制定改性建筑涂料生产安全法。目前从事改性建筑涂料生产工作的人员很多，他们的健康状况能否得到保证已经成为全球性的职业安全和健康研究的课题，尚未有专门针对纳米材料特殊危害的工人劳动保护法，因此制定改性建筑涂料生产安全法必须与纳米科技发展同步进行。
5 结语
纳米材料的独特性能对建筑涂料的影响将是深远的。利用纳米技术将纳米粒子的某些功能融入到建筑涂料中制造纳米改性建筑涂料，以提高建筑涂料的性能，是涂料工业发展的重要方向。任何技术的应用都具有两面性的，纳米技术也不可能避免。尽管纳米改性建筑涂料对人们健康和环境的负面影响尚无直接证明，但是必须引起足够的重视，加强研究力度，确保纳米技术在建筑涂料中安全应用，造福人类。
