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何永潘论文
纳米TiO2改性建筑涂料的制备与性能研究
班级：
材料1102班姓名：
何永潘指导老师：
贺格平
摘要：
纳米建筑涂料是指利用最新纳米技术，结合建筑涂料使用的特性，所生产的新型纳米环保涂料。
本文介绍了纳米TiO2改性建筑涂料的制备与性能研究。
首先，将纳米功能材料TiO2，通过一定的手段分散到涂料中制备多功能纳米TiO2改性建筑涂料，该纳米改性建筑涂料具有高疏水性能、光催化活性和高耐候性能等特点。
其次，着重阐述了纳米TiO2改性的建筑涂料的抗菌防污性能、亲水性能、光催化活性及其他性能及其应用；同时对目前纳米建筑涂料的应用现状做了一些分析。
最后，指出纳米改性建筑涂料存在的问题。
尽管国内外对对纳米改性的建筑涂料在光催化净化空气中的苯、甲醛及上面所提到其他领域有所应用，但纳米改性的建筑涂料的研究尚存在的纳米材料引入涂料基体或分散等一些问题有待解决。
关键词：
纳米技术，纳米TiO2改性建筑涂料，性能
目录
1绪论.............................................................3
2纳米TiO2改性建筑涂料..............................................4
2.1纳米技术......................................................4
2.2纳米TiO2改性建筑涂料.........................................4
3纳米TiO2改性涂料的制备...........................................4
3.1原材料.......................................................4
3.2纳米TiO2改性涂料的基本配方...................................4
3.3纳米TiO2改性涂料的制备........................................4
3.4纳米TiO2改性涂料的性能测试方法................................5
4纳米TiO2改性涂料的性能............................................6
4.1改进建筑涂料的抗菌防污性能....................................6
4.2改进建筑涂料的亲水性能........................................6
4.3改进建筑涂料的稳定性.........................................7
4.4改进建筑涂料的耐碱性.........................................7
4.5改进建筑涂料的机械性能.......................................7
4.6改进建筑涂料的光催化活性......................................8
4.7改进建筑涂料的耐光稳定性......................................8
5纳米技术在建筑涂料中应用存在的问题...............................9
6结语.............................................................9
致谢............................................................10
参考文献........................................................10
1绪论
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]。
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，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。
将纳米材料及纳米技术与涂料相结合,是对涂料进行改性和研制具有新功能涂料的有效方法,并且对涂料产业的发展产生深远的影响[2]。
本文采用高速分散和分散剂分散相结合的方法制备纳米TiO2改性建筑涂料，并对该涂料的亲水性能、光催化性能和耐候性等进行研究。
2纳米技术与纳米TiO2改性建筑涂料
2.1纳米技术定义
纳米技术是研究由尺寸在0.1～100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中技术问题的科学技术。
纳米技术在内外墙涂料中的应用主要包括纳米加工学以及纳米材料两个方面[3]。
2.2纳米TiO2改性建筑涂料
纳米建筑涂料是指利用最新纳米技术，结合建筑涂料使用的特性，所生产的新型纳米环保涂料.以纳米TiO2作为功能材料，通过一定的手段分散到涂料中制备的多功能建筑涂料，具有高疏水性能、光催化活性和高耐候性能等。
国外对光催化净化空气中的苯、甲醛等已有研究。
3纳米TiO2改性涂料的制备[4]
3．1原材料
纳米材料：
纳米TiO2粉体及预分散的纳米TiO2水体分散液，自制；乳液，叔醋丙烯酸乳液（宝达PD一9B）、苯丙乳液（宝达PD-01）；助剂，为海川系列产品：
分散剂5040、消泡剂122、成膜助剂醇酯l2、增稠剂662、流平剂2000、中和剂AMP一95；颜填料，市售。
3．2纳米TiO2改性涂料的基本配方（见表1）
表1纳米TiO2改性建筑涂料的基本配方％
原材料
乳液
水
分散剂
消泡剂
纳米TiO2
配比
40
20
0.6
适量
1～3
原材料
颜填料
成膜助剂
增稠剂
流平剂
中和剂
配比
35
2
1
0.5
适量
3.3纳米TiO2改性涂料的制备
将一定量的水和分散剂（海川5040）、消泡剂（海川122）、成膜助剂等依次加入到三VI烧瓶中，搅拌均匀后，缓缓加入一定量的自制纳米粉体TiO2或预分散的纳米TiO2水体分散液，高速搅拌得水性胶体。
上述分散体系在低速搅拌状态下，缓缓加入颜填料，然后高速搅拌30min使之分散充分。
在低速搅拌下，加入一定量的乳液（除特别说明外均为宝达PD一9B），搅拌均匀后，用中和剂调节pH值到8.5。
最后加入增稠剂、流平剂，搅拌均匀后陈化一定时间，测定触变指数在2.5左右，黏度（涂I4）65—101S，制得纳米Ti02改性涂料，取出密封保存。
3.4纳米TiO2改性涂料的性能测试方法
（1）常规性能
按GB／T9755-2001《合成树脂乳液外墙涂料》进行测试。
（2）疏水性
取适量涂料涂刷在试板上，涂膜干燥后，在涂膜表面用滴管滴加水滴，观察水滴的形状；滴加完毕后，将试板倾斜至30。
，观察水滴的流动状况；当水流完全流尽后，观察涂膜的水流痕迹。
（3）贮存稳定性
取适量涂料放在100ml的量筒中，一定时间后，测量分层的透明层厚度。
（4）光催化活性
利用涂膜对气态污染物甲醛和氨的降解进行表征。
将上述纳米TiO2改性涂料涂刷在250emx30em试板上，充分干燥后，称量。
然后将试板水平放置在石英玻璃管光催化反应器中，密封后通过减压将气态污染物吸人反应器中，待吸附平衡后，测试反应器中气相的浓度。
用高压汞灯（200W，最大发射波长为365nm）照射一定时间后，取l0TIll气相样品测定其残余浓度（试验装置见图1）。
甲醛的检测用气相色谱法（气相色谱仪GC979），氨的检测用靛酚蓝比色法。
（5）耐光稳定性能
涂膜在高压汞灯发射的紫外光辐照前后的耐光稳定性，采用红外光谱进行表征，通过红外谱图（红外光谱仪l65，美国BIO—RAD）对比分析以及涂膜是否泛黄、粉化等现象的对比，进一步说明其耐光稳定性。
4纳米TiO2改性涂料的性能
4.1改进建筑涂料的抗菌防污性能
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［5－6］。
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。
4.2改进建筑涂料的亲水性能
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［7］。
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
4.3改进建筑涂料的稳定性
分散剂对涂料分散体系的稳定性有很大的影响，实验通过采用不同的分散剂制备了不同的纳米分散体系，并分别对这些分散体系的稳定性进行测试。
结果发现，对纳米TiO2具有良好分散效果的分散剂是聚丙烯酸盐类分散剂，这是因为丙烯酸系聚合物吸附在固体颗粒表面，具有一定长度的高分子链，能起到立体稳定作用，同时其本身携带电荷又可以起到静电稳定作用，可以降低悬浮液的黏度，防止颗粒团聚。
该聚合物为离子型分散剂，在pH值大于3时将发生离解并吸附在颗粒表面，因此，它可使颗粒存在双电层稳定和空间位阻稳定，是一种良好的分散剂[8]。
纳米TiO2分散体系的稳定性受pH值影响很大，涂料的pH值一般在8-9，适宜的pH值可改变纳米TiO2粒子的表面吸附和等电点以及分散剂的状态而起到稳定作用。
纳米TiO2的等电点在pH值5～9，聚丙烯酸盐分散剂在碱性条件下可解离出聚丙烯酸根离子，它的长链被纳米TiO2巨大的表面吸附，起到静电位阻稳定作用。
4.4改进建筑涂料的耐碱性
纳米TiO2对改善涂料的耐碱性有良好的作用。
通过加有纳米TiO2的涂膜和未加纳米TiO2的涂膜的耐碱性对比实验，发现加有纳米Ti02的涂膜的耐碱性有大幅度的提高。
这是因为涂料中加人纳米材料后，由于纳米Ti02在涂料中分散均匀，颗粒较小，比表面积较大，消除了涂料涂膜的一些表面缺陷，同时在表面成膜时以多种形式发生键合，封闭了表面的一些水溶性基团，从而提高了涂膜的耐碱性。
另外，通过加人粉体纳米TiO2和纳米TiO2分散溶液2种不同的方式对比可见，两者涂膜的耐碱性能相同，这说明涂膜的耐碱性能仅与是否加人纳米材料有关，而与纳米材料的晶型和加人方式无关
4.5改进建筑涂料的机械性能
涂料的耐刷洗性能是反映涂膜机械性能的主要指标，试验结果表明，纳米TiO2改性涂料的耐刷洗次数可超过10000次，与未加纳米TiO2的涂料（9000次）相比有所提高，且可改善涂膜的机械性能，如涂膜的韧性和冲击强度等。
因为涂料树脂中刚性颜填料粒子的存在会产生应力集中效应，引起周围树脂产生微开裂。
加入纳米材料后，由于纳米材料的界面效应，使之与树脂之间产生更多的接触面积，产生更多的微裂纹和弹性变形，将更多的冲击能转化为热量吸收，从而提高冲击强度，达到增加强度、提高韧性效果[9]。
我们将涂膜润湿后测试其拉伸性能，结果发现加有纳米TiO2的涂膜具有较好的韧性。
4.6改进建筑涂料的光催化活性
TiO2为n型半导体，其禁带宽度为3.2ev，相当于波长387nm的光子能量，在波长小于400nm的紫外光照射下，价电子被激发到导带，形成电子一孔穴对，进而与吸附在其表面的水和氧气反应形成活性很高的自由基和超氧离子。
由于超氧离子和自由基具有很高的反应活性，可破坏有机物中的C—C、C一0、C—H、C—N、N—H等化学键，从而使有机物彻底氧化[10]。
因此利用这一性质将纳米TiO2添加于涂料中，制成光催化涂料，对氨气和甲醛进行光催化降解。
有研究表明，TiO2光催化降解污染物的起始氧化剂为·0H，气态甲醛的降解产物主要是二氧化碳和水。
本实验对甲醛在纳米TiO2改性涂料催化下的光降解产物进行了分析，表明其主要产物也是二氧化碳和水，且经过甲酸中间体逐步氧化而成。
另有研究表明，水中胺类化合物的降解产物主要是NO3-和NO一，实验同时对氨气在纳米TiO2改性涂料催化下的光降解产物进行了分析，证实其主要产物是NO3-和NO2-，且亚硝根和硝酸根之比为1：
10左右。
4.7改进建筑涂料的耐光稳定性
纳米粒子具有特殊的光学性能，如纳米TiO2等对紫外光有很强的吸收和散射作用，从而起到屏蔽紫外线、提高涂料耐老化性能的作用[11]。
涂膜在200W高压汞灯强烈照射20h后，其红外吸收峰未发现有明显变化，表明涂膜经紫外光照射后其化学结构未发生改变，即涂膜具有较好的光稳定性。
5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，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，使纳米材料能最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。
6结语
综上所述纳米技术是现代逐步发展起来的一门前沿性与综合性交叉的新学科，是现代科学和现代技术相结合的产物，它的迅猛发展将引发21世纪新的工业革命。
纳米TiO2改性建筑涂料便是纳米技术的产物，现在国内外对纳米复合建筑涂料的需求量也注定纳米复合涂料的迅速发展。
纳米复合建筑涂料必将使世界更为绚丽。
致谢
在此对贺格平老师的指导表示非常的感谢，同时感谢同学们的帮助以及各学院有关材料研究所所提供的参考资料。
姓名：
何永潘
西安建筑科技大学华清学院
2014-6-24
参考文献
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