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纳米TiO2在水性聚氨酯涂料中的应用

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0 引言
随着各国环保法规的健全和人们环保意识的增强,水性聚氨酯涂料日益受到重视。将纳米TiO2 用于水性聚氨酯涂料中,不仅可制成力学性能优异的通用型纳米TiO2改性水性聚氨酯涂料,而且还可制成隔热型、抗紫外线型、导电型和抗菌型等功能涂料。目前,全球都在呼吁环境保护和资源的可持续发展,纳米TiO2作为高档涂料和功能性涂料用新型功能材料,具有广阔的应用前景。

1 纳米TiO2的光催化效应及应用
1.1 光催化机理
TiO2在紫外光照射下产生自由电子空穴对,使空气中的氧活化,产生的活性氧和OH自由基具有很高的反应活性。当污染物吸附于表面时,它们会与自由电子或空穴结合,发生氧化还原反应,从而达到消除污染的目的,同时还具杀菌作用。应用纳米TiO2的光催化效应,可配制成抗菌涂料和净化空气涂料等,不仅能净化室内VOC(挥发性有机化合物)、NH 等污染性气体,同时还可降解大气中的其他污染物,如汽车废气、卤代烃、硫化物、醛类、多环芳烃等。

1.2 抗菌型纳米TiO2聚氨酯复合涂料
近年来,随着人们环保意识的增强,绿色涂料已成为涂料发展的主流。水性聚氨酯涂料也得到了长足的发展,但该涂料的防霉、防菌问题较为突出,如在贮存过程中生菌使得涂料的品质降低,施涂后涂膜生霉,使外观受污损,甚至开裂、剥落,丧失了涂料原有的保护和装饰功能。在光催化作用下,纳米TiO2具有分解病原菌和毒素的功能,从而达到抗菌杀毒效果。纳米TiO2光催化杀灭微生物细胞有两种不同的反应机理:一种机理是紫外光激发TiO2,与细胞直接作用,即光生电子和光生空穴直接与细胞壁、细胞膜或细胞的组成成分发生化学反应而导致细胞死亡;另一机理是紫外光激发TiO2,与细胞间接作用,即光生电子和光生空穴先与水或水中的溶解氧反应,生成OH或HO2等活性氧类,它们再与细胞壁、细胞膜或细胞的组成成分发生生化反应。纳米TiO2用于水性聚氨酯涂料中,赋予涂料持久、长效的抗菌、杀菌功能。

1.3 纳米TiO2在净化空气涂料中的应用
随着工业的快速发展,城市大气中氮氧化物(NOx )及硫化物的污染日益严重,这已成为环保亟待解决的问题之一,利用TiO2的光催化效应可为解决这一问题提供良好而有效的途径。这是由于纳米TiO2制成的涂料具有净化空气的作用,当紫外光照射该涂层时,TiO2所产生的电子空穴对能分解空气中的有机或无机污染物,如氮氧化合物、二氧化硫、甲醛、汞等,从而达到净化空气的效果。如将纳米TiO2配制成光催化净化大气涂料,利用TiO2的光催化作用产生活性氧,并配合雨水的作用,可将这些污染物变成HNO 、H SO 而除去。纳米TiO 除去二氧化硫的速度相当快,它不仅具有良好的净化空气效果,且它的使用周期长,利用价值高。

2 纳米TiO 的紫外屏蔽效应及应用
2.1 紫外屏蔽效应机理
实验已证明:30~40 nm的纳米TiO2微粒对各种波长光的吸收带有宽化和蓝移的特点,可作为良好的紫外线屏蔽、防老化材料。利用纳米TiO2的这一特征,将其分散到涂料用树脂中,可制成具有紫外吸收能力的耐老化涂料,对400 nm波长以下的光均有极强的吸收能力,可有效提高涂料的力学性能和耐紫外老化性。

2.2 抗紫外射线纳米TiO2聚氨酯复合涂料
由于涂料用高分子树脂基料受到紫外线的长期照射时会导致分子链的降解,影响涂膜的物理性能和耐候性。因此在涂料工业中,常借助于紫外光吸收剂来屏蔽太阳光中的紫外线,以达到提高漆膜耐老化性的目的。传统的紫外光吸收剂主要为有机物,但有机紫外光吸收剂的寿命短且有毒,而纳米TiO2是一种稳定而无毒的紫外光吸收剂,如将纳米TiO2作为紫外线吸收剂加到聚氨酯涂料中,可防止分子链因紫外光长期照射而导致链的裂解,从而弥补其耐候性差的缺点,可显著提高其耐老化性。纳米TiO2的紫外屏蔽功能,使其在木器聚氨酯涂料、外墙聚氨酯涂料以及其它高档涂料中的应用越来越广泛。例如木器清漆中含0.5%~4% 的纳米TiO2,就能防止木材因受光照而发黑;在建筑外墙涂料中添加适量的纳米TiO2,可将其耐候性提高到一个新的等级。

3 纳米TiO2的随角异色光学效应及应用
3.1 随角异色光学效应机理
纳米Ti O2的随角异色光学效应随其粒径而变化,从不同的角度观察,可以看到不同的颜色。根据光散射理论,纳米TiO2对可见光呈透明性,在与铝粉等混用时,入射光一部分在铝粉表面发生反射,而另一部分透过纳米TiO2,在纳米TiO2与铝粉界面反射,因而具有独特的颜色效应。纳米TiO2、闪光铝粉或云母珠光颜料用于涂料体系中,能在涂层的照光区呈现一种金黄色的亮光,而在侧光区反射蓝色乳光,可增加金属闪光面漆颜色的丰满度。

3.2 随角异色纳米TiO2 聚氨酯复合涂料
将纳米TiO2添加到聚氨酯涂料中,涂覆于汽车表面,能使其表层产生丰富而神秘的色彩效果。这种随角异色效应所显现的颜色及其柔和变化,可随着汽车车身曲率的改变而变化,很适合当前流行的圆角度和流线型等新车型的需要。纳米TiO2除提高装饰效果外,由于其具有较强的紫外吸收能力,对光泽、附着力、抗冲击性等性能也有不同程度的提高,因而在汽车行业中得到了快速发展,取得了很好的经济效益。充分发挥纳米TiO2的随角异色效应,提高了汽车的装饰效果。此外,纳米TiO2聚氨酯涂料具有极强的附着力和耐酸性、耐碱性、耐化学品性等,且由于纳米TiO2的存在可吸收有害射线对人体及底漆的辐射,进一步保护人体健康,并延长了面漆的使用寿命。

4 结语
(1)随着人们对环保和涂料质量要求的不断提高,水性聚氨酯涂料将有更广泛、更深入的应用,这对其性能的要求也进一步提高,今后的水性聚氨酯涂料将朝着高性能、多功能化方向发展。从聚氨酯涂料性能以及特种应用来看,纳米改性水性聚氨酯涂料具有明显优势。
(2)在水性聚氨酯涂料中加入纳米Ti O2,可制成多功能涂料。随着水性聚氨酯涂料需求的增加,预计纳米TiO2在水性聚氨酯涂料中将得到更为广泛的应用。 (责任编辑:admin)