化工生產(chǎn)中納米材料的應(yīng)用

聶莉莎

摘 要：近年來， 納米材料在化工生產(chǎn)領(lǐng)域也得到了一定的應(yīng)用，并顯示出它的獨(dú)特魅力。在催化方面的應(yīng)用催化劑在許多化學(xué)化工領(lǐng)域中起著舉足輕重的作用，它可以控制反應(yīng)時(shí)間、提高反應(yīng)效率和反應(yīng)速度。納米粒子表面活性中心多，為它作催化劑提供了必要條件。納米粒子作催化劑，可大大提高反應(yīng)效率，控制反應(yīng)速度，甚至使原來不能進(jìn)行的反應(yīng)也能進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：納米材料 化工 生產(chǎn) 效率

在高新技術(shù)中，納米技術(shù)、生物技術(shù)和信息技術(shù)對(duì)化學(xué)工業(yè)發(fā)展有著深遠(yuǎn)的影響，對(duì)于材料科學(xué)而言，當(dāng)首推納米技術(shù)。它不僅能推動(dòng)化學(xué)反應(yīng)、催化和許多單元操作的突破性的改進(jìn)，而且提供了納米多孔材料、納米粒子、納米復(fù)合材料、納米傳感器等新型材料以及化學(xué)機(jī)械拋光、藥物可控釋放、獨(dú)特的去污作用等功能應(yīng)用，為化工新材料發(fā)展及其應(yīng)用開辟了廣闊的前景。

納米材料（又稱超細(xì)微粒、超細(xì)粉未）是處在原子簇和宏觀物體交界過渡區(qū)域的一種典型系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)既不同于體塊材料，也不同于單個(gè)的原子。其特殊的結(jié)構(gòu)層次使它具有表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等，擁有一系列新穎的物理和化學(xué)特性，在眾多領(lǐng)域特別是在光、電、磁、催化等方面具有非常重大的應(yīng)用價(jià)值。

一、通用塑料的工程化和化學(xué)纖維改性

近年來出現(xiàn)了各種新型的功能性化學(xué)纖維，其中不少是應(yīng)用了納米技術(shù)，如日本帝人公司將納米ZnO和納米SiO2混入化學(xué)纖維， 得到具有除臭及靜化空氣功能的化學(xué)纖維，這種化學(xué)纖維被廣泛用于制造長期臥床病人和醫(yī)院的消臭敷料、繃帶、睡衣等；日本倉螺公司將納米ZnO加入到聚酯纖維中，制得了防紫外線纖維， 該纖維除了具有防紫外線功能外，還具有抗菌、消毒、除臭的功能。在通用塑料中加入納米粒子能使其達(dá)到工程塑料的性能，用納米技術(shù)對(duì)通用聚丙烯進(jìn)行改性，其性能達(dá)到了尼龍6的性能指標(biāo)，而成本卻降低1/3。

二、在涂料方面的應(yīng)用

納米材料由于其表面和結(jié)構(gòu)的特殊性，具有一般材料難以獲得的優(yōu)異性能，顯示出強(qiáng)大的生命力。借助于傳統(tǒng)的涂層技術(shù)，添加納米材料，可獲得納米復(fù)合體系涂層，實(shí)現(xiàn)功能的飛躍，使得傳統(tǒng)涂層功能改性。涂層按其用途可分為結(jié)構(gòu)涂層和功能涂層。在涂料中加入納米材料，可進(jìn)一步提高其防護(hù)能力，實(shí)現(xiàn)防紫外線照射、耐大氣侵害和抗降解、變色等，在衛(wèi)生用品上應(yīng)用可起到殺菌保潔作用。在標(biāo)牌上使用納米材料涂層，可利用其光學(xué)特性，達(dá)到儲(chǔ)存太陽能、節(jié)約能源的目的。在建材產(chǎn)品如玻璃、涂料中加入適宜的納米材料，可以達(dá)到減少光的透射和熱傳遞效果，產(chǎn)生隔熱、阻燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好靜電屏蔽的納米涂料，所應(yīng)用的納米微粒有氧化鐵、二氧化鈦和氧化鋅等。這些具有半導(dǎo)體特性的納米氧化物粒子，在室溫下具有比常規(guī)的氧化物高的導(dǎo)電特性，因而能起到靜電屏蔽作用，而且氧化物納米微粒的顏色不同，這樣還可以通過復(fù)合控制靜電屏蔽涂料的顏色，克服炭黑靜電屏蔽涂料只有單一顏色的單調(diào)性。納米材料的顏色不僅隨粒徑而變，還具有隨角變色效應(yīng)。在汽車的裝飾噴涂業(yè)中，將納米TiO2添加在汽車、轎車的金屬閃光面漆中，能使涂層產(chǎn)生豐富而神秘的色彩效果，從而使傳統(tǒng)汽車面漆舊貌換新顏。納米SiO2是一種抗紫外線輻射材料。在涂料中加入納米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光潔度及強(qiáng)度成倍地增加。納米涂層具有良好的應(yīng)用前景，將為涂層技術(shù)帶來一場(chǎng)新的技術(shù)革命，也將推動(dòng)復(fù)合材料的研究開發(fā)與應(yīng)用。

三、納米材料在化工生產(chǎn)中應(yīng)用

由于納米材料的特殊結(jié)構(gòu)和特殊性能，使納米材料在化工生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，主要應(yīng)用在以下幾方面。

1.在化學(xué)改性方面

炭黑納米粒子加入到橡膠中后可顯著提高橡膠的強(qiáng)度、耐磨性、抗老化性，這一技術(shù)早已在橡膠工業(yè)中運(yùn)用。 納米技術(shù)在制造彩色橡膠中也發(fā)揮了獨(dú)特的作用，過去的橡膠制品一般為黑色（納米級(jí)的炭黑較易得到）。若要制造彩色橡膠可選用白色納米級(jí)的粒子（如白炭黑）作補(bǔ)強(qiáng)劑，使用納米粒子級(jí)著色劑，此時(shí)橡膠制品的性能優(yōu)異。 把納米粒子添加到塑料中，對(duì)增加塑料韌性有較大的作用。用納米級(jí)SiC/Si3N4粒子經(jīng)鈦酸酯處理后填充LDPE，當(dāng)添加量為5%時(shí)沖擊強(qiáng)度最大，缺口沖擊強(qiáng)度為55.7kj/m2，是純LDPE的2倍多；斷裂伸長率到625 %時(shí)仍未斷裂，為純LDPE的5倍。用納米級(jí)CaCO3，改性HDPE，當(dāng)納米級(jí)CaCO3含量為25%時(shí)，沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值，最大沖擊強(qiáng)度為純HDPE的1.7倍，斷裂伸長率在CaCO3含量為16%時(shí)最大，約為660%超過純HDPE的值。

2.在催化方面的應(yīng)用

催化劑在許多化學(xué)化工領(lǐng)域中起著舉足輕重的作用，它可以控制反應(yīng)時(shí)間、提高反應(yīng)效率和反應(yīng)速度。大多數(shù)傳統(tǒng)的催化劑不僅催化效率低，而且其制備是憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，不僅造成生產(chǎn)原料的巨大浪費(fèi)，使經(jīng)濟(jì)效益難以提高，而且對(duì)環(huán)境也造成污染。納米粒子表面活性中心多，為它作催化劑提供了必要條件。納米粒子作催化劑，可大大提高反應(yīng)效率，控制反應(yīng)速度，甚至使原來不能進(jìn)行的反應(yīng)也能進(jìn)行。納米微粒作催化劑比一般催化劑的反應(yīng)速度提高10～15倍。

3.在其它精細(xì)化工方面的應(yīng)用

精細(xì)化工是一個(gè)巨大的工業(yè)領(lǐng)域，產(chǎn)品數(shù)量繁多，用途廣泛，并且影響到人類生活的方方面面。納米材料的優(yōu)越性無疑也會(huì)給精細(xì)化工帶來福音，并顯示它的獨(dú)特畦力。在橡膠、塑料、涂料等精細(xì)化工領(lǐng)域，納米材料都能發(fā)揮重要作用。如在橡膠中加入納米SiO2，可以提高橡膠的抗紫外輻射和紅外反射能力。納米Al2O3，和SiO2，加入到普通橡膠中，可以提高橡膠的耐磨性和介電特性，而且彈性也明顯優(yōu)于用白炭黑作填料的橡膠。塑料中添加一定的納米材料，可以提高塑料的強(qiáng)度和韌性，而且致密性和防水性也相應(yīng)提高。國外已將納米SiO2，作為添加劑加入到密封膠和粘合劑中，使其密封性和粘合性都大為提高。此外，納米材料在纖維改性、有機(jī)玻璃制造方面也都有很好的應(yīng)用。在有機(jī)玻璃中加入經(jīng)過表面修飾處理的SiO2，可使有機(jī)玻璃抗紫外線輻射而達(dá)到抗老化的目的；而加入A12O3，不僅不影響玻璃的透明度，而且還會(huì)提高玻璃的高溫沖擊韌性。一定粒度的銳鈦礦型TiO2具有優(yōu)良的紫外線屏蔽性能，而且質(zhì)地細(xì)膩，無毒無臭，添加在化妝品中，可使化妝品的性能得到提高。超細(xì)TiO2的應(yīng)用還可擴(kuò)展到涂料、塑料、人造纖維等行業(yè)。最近又開發(fā)了用于食品包裝的TiO2及高檔汽車面漆用的珠光鈦白。納米TiO2，能夠強(qiáng)烈吸收太陽光中的紫外線，產(chǎn)生很強(qiáng)的光化學(xué)活性，可以用光催化降解工業(yè)廢水中的有機(jī)污染物，具有除凈度高，無二次污染，適用性廣泛等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)保水處理中有著很好的應(yīng)用前景。

納米技術(shù)將不斷發(fā)生變化，展望前景是光明的。當(dāng)然，納米技術(shù)也與其它技術(shù)一樣，對(duì)環(huán)境和社會(huì)有正反兩方面的影響。提高能源生產(chǎn)和供應(yīng)效率，對(duì)產(chǎn)業(yè)和環(huán)境都是有好處的，例如通過減輕復(fù)合材料重量，應(yīng)用替代能源（提高太陽能和風(fēng)能效率及經(jīng)濟(jì)性）以及擴(kuò)大燃料電池應(yīng)用等，達(dá)到節(jié)省大量能源的效果。其它具有競(jìng)爭(zhēng)力的方面為納米粒子在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用，有效地進(jìn)行藥品施放，但納米粒子對(duì)人類健康的影響尚無定論。任何一個(gè)新的化合物和產(chǎn)品在批準(zhǔn)應(yīng)用之前都必須進(jìn)行全面鑒定，在化學(xué)工業(yè)化前要經(jīng)過長期應(yīng)用研究。當(dāng)前用以評(píng)價(jià)這類產(chǎn)品的通用程序和方法將面臨許多挑戰(zhàn)。

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