编号：CYYJ00094

篇名：我国纳米材料的化工应用开发动向

作者： 曹珍元

关键词： 纳米材料

机构： 中化化工科学技术研究总院

原文： 1 纳米改性纤维 据报道，中科院化学所江雷教授首次提出“二元协同纳米界面材料”这一新概念，并利用这一理论研制出同时具有超疏水性和超疏油性的“超双疏性界面材料”，采用这种材料处理的纺织品同时具有防水和防油的功能。西安高新技术开发区的杨建忠科研组开发的纳米改性纤维，可以阻隔95％以上的紫外线和电磁波，而且无毒、无刺激，不受洗涤、着色和磨损的影响，可制成衬衣、裙装、T恤等防紫外线和电磁波辐射的“纳米服装”。中国纺织科学研究院、化工科技研究总院等也在开展纳米改性合成纤维的应用研究和开发。 北京安美尔集团总工程师舒军和中国纺织大学教授戴承渠采用30nm的超微颗粒与合成纤维原料共混，研制出抗菌复合纤维。这种抗菌复合纤维具有强大的抗菌功能，对人体非常安全。经中华预防医学会认证，该产品与同类产品相比，分散性能更好，抗菌能力更强，安全性可靠，吸水性强，透气性好，以这种材料制成的抗菌卫生巾、卫生护垫等个人卫生用品现已正式推向市场。安美尔集团还成功研制出一种同时具有抗菌、发射远红外线和发生负氧离子的功能纤维。这种功能纤维发射的远红外线可在皮下产生温热效应，改善微循环，促进人体新陈代谢，是远红外线保暖服装最好的更新换代材料。 2 纳米改性涂料 哈尔滨鑫科纳米科技发展有限公司采用独特工艺制备的纳米钛白粉，与树脂化合后生成的纳米改性涂料具有耐腐蚀，耐沸水，在海水中浸泡10年不坏，并且其涂层的硬度和耐磨性显著提高，可以作为金属、非金属材料的修补剂。纳米钛白粉改性涂料具有自洁性，吉林通化葡萄酒厂热水罐内壁用其处理后，5年未发现结垢现象。纳米钛白粉改性涂料在石化、食品和煤矿机械领域，涂复面积已超过10万m2。据称，北京市的二环和三环路的立交桥和过街天桥粉刷纳米改性涂料，两分钟即可固化，不掉粉渣，能吸收紫外线，并且适合冬季施工，性能稳定，在风吹日晒的室外环境下，能使用10年以上。据估计，仅我国已建和在建的彩管生产线所需的三防涂料（防静电、防眩光、防辐射）每年近千吨，市值超过2亿元。具有多年彩管料浆生产经验的山东烟台佳隆实业有限公司，依托中科院固体物理研究所，进行材料选择、配方研究和工艺设计，试制出符合技术指标的纳米粒子，中试生产的小批量产品已获得用户的认定。据鉴定，该产品在纳米粒子的分散、分级和干燥技术以及复合纳米粒子的浆料制备方面具有创新，三防效果好，适应性强，其制造成本远比国外低，而质量和性能却毫不逊色。解放军后勤工程学院开发的舰船甲板防滑处理技术，是将纳米粒子复合加工处理后，通过热喷涂在设备的表面，与常规粉体热喷涂防滑技术相比，具有涂层薄、附着力强和热稳定性好等特点，可大大提高甲板的防滑效果。化工科技研究总院下属的凌兹涂料公司也在开发纳米改性建筑涂料。 3 纳米水处理技术 湖南智能达有限公司开发的工氏纳米污水处理成套技术成果由7项技术组成，包括工氏多元复合纳米超高效净水剂、絮凝剂、杀菌消毒剂，以及工氏超高效净化器和沉降成套设备、工氏法废水处理新工艺等。经株化集团临氮公司等10多家企业应用表明，与当前通用的生化法相比，可节省投资50％，节约运行费用40％。上海博纳科技发展有限公司以维来公司的纳米光催化剂技术为龙头，通过与活性炭复合技术相结合，形成整套蜂窝状或瓦楞状光催化空气净化网技术；还可以通过在新颖载体上的固相催化，得到可用于饮用水的纯净技术和治理多种污水的液相光催化剂技术，已进入中试阶段。光催化空气净化系列产品已有销售。 4 纳米改性塑料和橡胶 据报道，中科院化学所工程塑料国家重点实验室采用插层复合技术，将我国丰产的天然纳米材料蒙脱土均匀分散到聚酰胺、聚乙烯、聚苯乙烯、环氧树脂、硅橡胶等聚合物中，制成一系列纳米改性塑料。检测结果表明，纳米改性塑料呈现出优异的物理力学性能，强度高，耐热性好，比重较低。同时，由于纳米粒子尺寸小于可见光波长，纳米改性塑料显示出良好的透明度和较高的光泽度，部分材料的耐磨性是黄铜的27倍、钢铁的7倍，尤其是注塑级纳米改性超高分子量聚乙烯的研制成功，解决了超高分子量聚乙烯加工的国际难题。北京燕化公司从1996年起与中科院化学所合作，开发纳米复合聚酯新材料，2000年完成了扩大试验，目前已在2000L的中试装置上批量生产，累计生产纳米复合聚酯1．5t。纳米复合聚酯与普通聚酯相比，具有强度高、阻隔性好、耐热、耐磨、比重轻的特点，机械性能优异，可取代金属和陶瓷制作齿轮、电器插件等。青岛化工学院纳米材料研究所和海尔集团公司合作，研制开发出纳米改性多功能塑料，不仅具有抗菌功能，而且还有抗老化和增强增韧作用。中国化工新材料总公司正在进行采用纳米材料改性的乳胶手套的科研开发工作。 5 其他化工应用 2000年深圳高交会上，深圳中星汽车公司推出大功率纳米蓄电池，其蓄电能力为普通铅酸电池的10倍，使用寿命可达10年，而价格仅为锂电池的一半。深圳安信纳米科技有限公司推出25nm的“广谱速效纳米抗菌颗粒”，并开发出纳米创可贴、溃疡贴和烧烫伤敷料等产品。 解放军后勤工程学院联合课题组先后开发出纳米材料原位搪瓷釉化防腐技术、舰船甲板防滑处理技术和油品纳米添加剂应用技术。采用纳米硼酸盐作为釉料主体，使用氧化硅进一步降低釉料熔点，涂覆在室外机械设备的表面，经加热处理，实现原位“搪瓷化”或“釉化”，从而达到防腐的目的，其使用寿命比油漆长5倍。该技术适用于野外、地下及海水中的金属设备防腐。在润滑油脂中加入纳米粒子添加剂后，能提高油品的抗摩擦性能，降低能耗，增加机械使用寿命。 6 纳米改性材料的主要制备方法 由于纳米粒子之间的自聚现象严重，直接使用纳米粒子及其现有的共混复合方法难以达到制备纳米改性材料的目的，因此，纳米改性材料的制备方法一直是纳米技术应用开发的一个重要课题。目前，有机与无机纳米复合材料的试验制备方法主要有插层复合法、溶胶-凝胶法和无机超微粒分散法。 （1）插层复合法按照有机高聚物插入无机物层间的方法不同，又分为单体插入-原位聚合法、有机高聚物溶液直接插入法和有机高聚物熔融直接插入法。 单体插入-原位聚和法是先将有机高聚物单体和层状无机物分别溶解到某一溶剂中，经各自充分分散溶解后，再将两者混合、搅拌，有机高聚物单体进入无机物层间，形成单层的单体-蒙脱土（即高纯的膨润土）复合物，在合适的条件下经自由基引发，使有机高聚物的单体进行聚合，形成夹层聚合物-蒙脱土纳米复合材料。 高聚物溶液直接插入法是将高聚物大分子和层状无机物一起加入到某溶剂中，经充分搅拌，使两者均匀分散在溶液中，并实现层间插入。这一方法的最大优点是简化了复合过程，制备的材料性能较稳定。 高聚物熔融直接插入法是将层状无机物和高聚物混合，再将混合物加热到软化点以上，实现高聚物插入层状无机物层间。前两种方法都必须有合适的溶剂才能实现，但许多有机-无机插层型体系难以找到合适的溶剂，采用该法则可能实现。 （2）溶胶-凝胶法 其基本原理是易于水解的金属化合物（无机盐或金属醇盐）在某种溶剂中与水发生水解反应，再聚合，逐渐凝胶化，关键是获得高质量的溶胶和凝胶，形成无定形网络结构，再经干燥、烧结等后处理，制出纳米改性材料。溶胶-凝胶法的最大优点是可以在反应早期控制材料的表面和界面，防止分相聚集，无机纳米相与有机相之间有共价健相连，其缺点是成本高。 （3）超微无机粒子直接分散法，其原理是采用化学改性方法处理纳米粒之层间表面，如用离子连接有机表面活性剂，降低其亲水性，防止聚集，使其更好地被聚合物单体浸润。该表面活性剂含有硝酰基，对一些单体可引发游离基聚合。在单体中加入经表面活性剂改性的纳米粒子，单体分子即可扩散进入纳米粒子通道，聚合物便可在表面活性剂分子上不断增长，使纳米粒子渐渐分散，最后形成分散良好的纳米复合材料。 总体来看，目前我国纳米材料的化工应用仍处在科研开发和试制阶段，离产业化和大批量进入市场还有相当一段距离，而且工艺技术的先进性、产业化的成熟性及产品的经济性均有待论证和验证，特别是国家有关纳米材料及其复合改性材料的产品标准有待制定。