纳米技术在涂料工业中的应用

涂料驿站讯：纳米技术是一个新兴领域，对于实现涂料工业新的有效工具和技术突破变得越来越重要。纳米技术涉及在单个分子和大约100纳米之间的结构和设备的设计和应用，与宏观材料相比，这些结构和设备具有独特的性质。纳米技术通过原子和分子级别的控制来构建定制纳米结构和设备的能力，以执行特定任务。

涂料主要提供两个功能：装饰和保护。全球生产的涂料中大约有52%用于装饰和保护新建筑以及维护现有结构，大约35%的涂料被用来装饰和/或保护工业产品。在美国、西欧和亚太地区，涂料行业非常成熟，通常反映了经济实力，尤其是在住房、建筑和交通领域。主要的涂料制造商正在大力投资研发，以开发出能够适应当今激烈环境的兼容和适用的涂料。许多涂料系统具有良好的化学性质，但在耐久性方面表现不佳，或者可能缺乏良好的热稳定性和抗划伤性能。纳米技术可以在配方中填补这些空白，满足这些条件。

纳米涂层通过在分子水平上收缩材料来形成更致密的产品。纳米技术可以提升涂料系统的性能，并且可以以较低的成本差异生产多功能涂层。纳米涂层由自组装单层构成，具有多种用途，例如在玻璃上形成防刮涂层、自清洁表面、吸湿、防涂鸦和耐腐蚀涂层。像纳米氧化锌这样的纳米颗粒是无毒的，因此为涂料行业带来了额外的优势。

图1：2022年高性能涂料市场占比

资料来源：二级研究、专家访谈和MAM市场分析

纳米技术在功能性涂料中的应用

纳米技术已被广泛应用于功能性涂料中，包括疏水性、亲水性和光催化涂层，减少表面太阳辐射的涂层以及相变材料（PCM）涂层。基于纳米复合材料的功能涂层材料可以创建，并随后涂覆在表面上。另一方面，沉积技术在纳米尺度上可以用来构建、更改或操纵涂层材料的表面结构。疏水性涂料目前广泛应用于各种工业应用，如纺织品、外科手术工具、医疗设备和建筑。由于它们具有排斥水的特性，因此对开发具有额外功能（如自清洁、抗菌、抗腐蚀和防结冰）的涂料产生了浓厚兴趣。超疏水性涂料因其独特属性，如自清洁、不粘附和抗污染，而受到广泛关注。

由于其低表面能，氟化聚合物被用于制造超疏水表面。除了氟碳化合物外，聚四氟乙烯（PTFE）作为防粘附剂和化学绝缘涂料广泛使用。随着新材料和技术的开发，超疏水涂料的表面准备方法变得更加多样化和深入。随着纳米技术的发展，预计固态颗粒喷涂将取代超疏水涂层中的液体喷涂方法。生物技术的发展导致许多新型生物材料的合成，预计将取代一些有毒化学试剂，从而得到环保的超疏水表面。

亲水性涂层具有喜爱水分子的特性，这意味着它们能与周围的水分子形成氢键。大多数亲水性涂层带有负电荷，这增强了它们与水的相互作用。这种涂料在医疗器械、航空航天、汽车、光学和海洋等多个领域都有应用。最新研究表明，使用树枝状二氧化硅纳米粒子能显著提高涂层的亲水性。研究者之所以选择二氧化硅纳米粒子，是因为它们具有独特的性质，如体积效应、表面效应、量子尺寸效应，以及表面的羟基团，使得它们具有亲水性。在多数研究中，制造超亲水涂层的常用原料是球形胶体二氧化硅，而涂层还需要经过高温处理。然而，涂料在实际应用中面临的主要挑战是其机械性能较弱，这限制了其广泛应用。

表1：全球亲水性涂料市场

纳米技术的新进展

纳米技术对涂料技术发展产生了重大影响，近期在制造商中引发了新的发展。

● 唐氏团队研发了多种阻燃涂料，包括基于有机硅硅树脂泡沫复合材料、聚二甲基硅氧烷/石墨烯泡沫纳米复合材料（polydimethysiloxane/graphene foam nanocomposites）、水基粘土/氧化石墨烯（GO）纳米带网络（water-based clay/graphene oxide (GO) nanoribbon network）以及GO/密胺海绵复合材料（GO/melamine sponge composites）。此外，他们还研发了基于氧化石墨烯宽带包裹海绵（GO wide-ribbons wrapped sponge）和氧化石墨烯网络（GO network）的火灾预警涂料。

● Coat-X SA公司开发了一种硅基共形涂层（silicon-based conformal coating），能够使复杂三维表面高度疏水。这种涂层适用于玻璃、聚合物、布料和印刷电路板（PCBs）表面。

●Cortec MC公司推出了采用Nano VpCI技术的EcoAir生物基户外涂料，这是一种适用于恶劣海洋和高湿度环境的生物基临时涂料。它形成了一层不干燥的油性保护膜，温度稳定性高达82摄氏度。该涂料可用于几乎所有需要保护的金属部件，如螺母、螺栓、汽车备用零件等，快速形成防锈层。它也非常适合于设备上的快速临时修补，例如当漆面剥落无法立即更换时。

● Signo-Nanocare UK Ltd.推出了Nanoflex Optiperl，一种无氟纳米涂料，能够为玻璃和陶瓷表面提供最佳‘易清洁’效果。Nanoflex Optiperl的优化疏水特性确保了污垢颗粒几乎不粘附于涂层表面。

上述趋势和发展被认为是未来几年影响涂料行业的热门选择。那些保持敏锐洞察并积极应对这些变化的公司，有望在充满活力且不断变化的市场中取得成功。