1納米技術(shù)在涂料中的應(yīng)用分析

1.1納米技術(shù)及納米材料簡介納米材料通常是指粒徑在1nm到100nm之間的材料，這種材料通常具備特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，而納米材料加入其它物質(zhì)中往往會(huì)改變其它物質(zhì)的性質(zhì)，這種納米材料改變其它材料性質(zhì)的技術(shù)稱為納米技術(shù)。納米材料因其粒徑過小而具有界面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)以及宏觀量子隧道效應(yīng)等，從而改變了材料的性能，并影響了其它物質(zhì)的性能。從物理學(xué)角度解釋是：納米粒度過小，其表面就占有了很大的比例，當(dāng)粒度小于10nm時(shí)，材料表面的原子占材料原子總數(shù)的三分之一以上，處于表面的原子與內(nèi)部的原子所處的化學(xué)環(huán)境完全不同，就會(huì)表現(xiàn)出一些特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，叫做表面相。在大塊材料中，由于處于表面的原子遠(yuǎn)小于體內(nèi)原子，所以表面相很難表現(xiàn)，而納米材料的表面相現(xiàn)象就十分明細(xì)，如：在催化過程中，粒度表面結(jié)構(gòu)的變化、表面的吸附以及表面的擴(kuò)散等。實(shí)踐證明：當(dāng)材料達(dá)到納米尺度時(shí)，材料的表面相會(huì)影響到材料的性質(zhì)。除此之外，納米材料中的電子相關(guān)性很強(qiáng)、能級分裂和電子布局的改變，量子隧道和輸運(yùn)的不同以及材料中的激發(fā)態(tài)都會(huì)影響納米材料的性能。

1.2納米材料對涂料性能的影響分析目前在涂料生產(chǎn)領(lǐng)域使用的涂料有納米二氧化硅、納米二氧化鈦、納米氧化鋅等半導(dǎo)體材料，這些材料具備一些其它材料不具備的性能，如光電催化特性、吸收特性、光電特性等，下面以納米二氧化硅和納米二氧化鈦為例，研究納米材料對涂料性能的改變。納米材料對白色涂料的影響試驗(yàn)：將經(jīng)過表面處理的納米二氧化硅、納米二氧化鈦分別做成含納米材料不同含量的白色涂料（0、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%），各制作出12塊標(biāo)準(zhǔn)的人工老化試樣板，然后各取其中6塊含納米二氧化硅或納米二氧化鈦不同的進(jìn)行耐紫外老化試驗(yàn)，另外的6塊作為對比樣板，最后使用尼康分光光度計(jì)測其顏色變化情況。

試驗(yàn)的結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)：在苯丙涂料中加入0.5%-2.0%的納米二氧化硅或二氧化鈦，涂膜的老化速度明顯變慢，說明納米二氧化硅或二氧化鈦對紫外光有著很好的屏蔽作用；作為對比，含有乳化漆抗紫外防老化分散液涂料的老化速度與含有納米材料的涂料類似，也說明了納米二氧化硅和二氧化鈦有著很好的吸收紫外線的作用。納米涂料耐老化機(jī)理分析：耐老化性能是衡量涂料好壞的一種重要性能，紫外線是導(dǎo)致涂料老化的一種電磁波，波長200-400nm，紫外線的波長越短，能量越強(qiáng)，對涂料的損壞也越大。納米二氧化鈦能夠引起紫外線的散射，從而實(shí)現(xiàn)屏蔽紫外線的作用，而粒徑是影響其散射能力的主要因素，經(jīng)過試樣驗(yàn)證得知，二氧化鈦在水中屏蔽紫外線的最佳粒徑是77nm，即銳鈦型納米級二氧化鈦，因此采用銳鈦級二氧化鈦是提高涂料耐紫外老化性能的最佳粒徑。

1.3納米材料在涂料中的應(yīng)用納米材料在涂料生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛，按功能分通常分為結(jié)構(gòu)涂層和功能涂層，結(jié)構(gòu)涂層是通過提高基體的性質(zhì)或改性，如超硬、抗氧化、耐熱、耐腐蝕等，功能性涂層是指賦予基體所不具備的其它性能，如消光、導(dǎo)電、絕緣、光反射等，在涂料中加入納米材料可以更好的提高涂層的防護(hù)能力，如防紫外線、抗降解、變色等。目前已經(jīng)投入生產(chǎn)使用的涂料研究成果有很多，其中最為典型的是光催化涂料和特殊界面涂料。光催化涂料的工作原理是：某些納米材料在光照條件下對有害物質(zhì)的降解有著很好的催化作用，利用這種催化作用原理研制成納米光催化涂料，如：利用特殊處理的納米二氧化鈦與純丙樹脂配制成的光催化涂料，這種涂料對氮氧化物、油脂、甲醛等有害物質(zhì)有著很好的催化降解作用，其中對氮氧化物的降解效率超過了80%。

特殊界面涂料是指通過樹脂與納米材料的特殊復(fù)合后的涂料，會(huì)表現(xiàn)出一些特殊的物理化學(xué)性能，如疏水、疏油等，這些特殊性能是衡量涂料質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，對提高涂料的耐污染性能至關(guān)重要，目前存在的有超雙親界面物性材料和超雙疏性界面材料。研究證明，通過有效的光照改變納米二氧化鈦的表面，可以形成親水性和親油性兩相共存的界面，稱為二元協(xié)同納米界面。這樣處理后的具有超雙親性的二氧化鈦表面，用作玻璃表面或建筑物表面，可以是建筑物表面和玻璃表面具有自動(dòng)清潔和防止煙霧的效果。超雙疏性界面物性材料則是利用特殊的外延生長納米化學(xué)方法在特定表面構(gòu)建納米尺寸幾何形狀互補(bǔ)的界面結(jié)構(gòu)，這種構(gòu)造方法是自下而上，由原子到分子、分子到聚集體的方式構(gòu)建的，最終形成的凹凸相間界面的低凹表面可以吸附氣體分子穩(wěn)定存在，而這種穩(wěn)定存在在宏觀上表現(xiàn)為界面表面有一層穩(wěn)定的氣體薄膜，從而使材料表現(xiàn)出對水和油的雙疏性。采用這樣的表面涂層修飾輸油管道，可以達(dá)到石油和管壁的無接觸運(yùn)輸，很好的保護(hù)輸油管道的安全。納米材料對涂料性能的影響還有很多，如可以提高涂料觸變性、高附著力、儲存穩(wěn)定性等，還有研究人員發(fā)現(xiàn)，納米材料與樹脂結(jié)合時(shí)可以形成的大量共價(jià)鍵，當(dāng)納米材料的含量達(dá)到30%以上時(shí)，涂料膜會(huì)具有高強(qiáng)度、高彈性、高耐磨性等特性，但其研究成果還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。納米技術(shù)還屬于新型技術(shù)，其在涂料要的應(yīng)用還需要進(jìn)一步的研究和探索，隨著納米技術(shù)的改性特點(diǎn)被不斷的開發(fā)，在不久的將來必然有更多的納米技術(shù)與涂料結(jié)合的成果出現(xiàn)。

【論文關(guān)鍵詞】：納米科學(xué)納米技術(shù)納米管

【論文摘要】：討論納米科學(xué)和技術(shù)在新時(shí)期里發(fā)展所面對的困難和挑戰(zhàn)。一系列新的方法將被討論。我們還將討論倘若這些困難能夠被克服我們可能會(huì)有的收獲。

納米科學(xué)和技術(shù)所涉及的是具有尺寸在1-100納米范圍的結(jié)構(gòu)的制備和表征。在這個(gè)領(lǐng)域的研究舉世矚目。無論是從基礎(chǔ)研究（探索基于非經(jīng)典效應(yīng)的新物理現(xiàn)象）的觀念出發(fā)，還是從應(yīng)用（受因結(jié)構(gòu)減少空間維度而帶來的優(yōu)點(diǎn)以及因應(yīng)半導(dǎo)體器件特征尺寸持續(xù)減小而需要這兩個(gè)方面的因素驅(qū)使）的角度來看，納米結(jié)構(gòu)都是令人極其感興趣的。

1.納米結(jié)構(gòu)的制備

有兩種制備納米結(jié)構(gòu)的基本方法：build-up和build-down。所謂build-up方法就是將已預(yù)制好的納米部件（納米團(tuán)簇、納米線以及納米管）組裝起來；而build-down方法就是將納米結(jié)構(gòu)直接地淀積在襯底上。前一種方法包含有三個(gè)基本步驟：1）納米部件的制備；2）納米部件的整理和篩選；3）納米部件組裝成器件（這可以包括不同的步驟如固定在襯底及電接觸的淀積等等）；“Build-down”方法提供了杰出的材料純度控制，而且它的制造機(jī)理與現(xiàn)代工業(yè)裝置相匹配，換句話說，它是利用廣泛已知的各種外延技術(shù)如分子束外延(MBE)、化學(xué)氣相淀積（MOVCD）等來進(jìn)行器件制造的傳統(tǒng)方法?！癇uild-down”方法的缺點(diǎn)是較高的成本。

很清楚納米科學(xué)的首次浪潮發(fā)生在過去的十年中。在這段時(shí)期，研究者已經(jīng)證明了納米結(jié)構(gòu)的許多嶄新的性質(zhì)。學(xué)者們更進(jìn)一步征明可以用“build-down”或者“build-up”方法來進(jìn)行納米結(jié)構(gòu)制造。這些成果向我們展示，如果納米結(jié)構(gòu)能夠大量且廉價(jià)地被制造出來，我們必將收獲更多的成果。

1納米技術(shù)概念

納米科學(xué)技術(shù)指的是在一定的尺度空間內(nèi)（通常是0．1nm～100nm），觀測分子、原子、電子3者的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而揭示其運(yùn)動(dòng)規(guī)律和特性的學(xué)科。納米科學(xué)技術(shù)的研究目的，是人類希望通過掌握分子、原子、電子等微粒的特性，能按照自己的意志操縱他們，結(jié)合計(jì)算機(jī)、微電子、核分析和掃描隧道顯微鏡等現(xiàn)代科技，從而制造出新的產(chǎn)品并運(yùn)用到多個(gè)領(lǐng)域，并派生出一系列的新學(xué)科新技術(shù)，如納米機(jī)械學(xué)、納米材料學(xué)、納米電子學(xué)等等。

2納米技術(shù)在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用

2．1在焊接材料中的應(yīng)用

2．1．1在焊絲涂層中的應(yīng)用。為了讓焊絲暴露在空氣環(huán)境下不至于生銹氧化，人們往往會(huì)對焊絲表面進(jìn)行一些處理，如最常見的就是在焊絲表面鍍上一層銅粉，用以保護(hù)焊絲和延長焊絲的使用壽命。但這樣做的副作用卻是使表面經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)蝕現(xiàn)象。隨著科技的發(fā)展，對原材料的強(qiáng)度提出了越來越高的要求，而焊縫中的Cu元素對焊縫強(qiáng)度無益，反而被指會(huì)削弱焊縫的性能和材料強(qiáng)度。因此，在現(xiàn)階段實(shí)際應(yīng)用中，高強(qiáng)度鋼焊絲則不再鍍銅，而這樣就對焊絲材料的表面處理工藝提出了新的要求，需要運(yùn)用一種新的材料去做焊絲涂層。而近來，國內(nèi)著名學(xué)府天津大學(xué)，就運(yùn)用了納米技術(shù)和現(xiàn)代金屬表面工程技術(shù)相結(jié)合的方法，采用特殊工藝對焊絲表面進(jìn)行了處理，形成了一層非常薄的保護(hù)膜，從根本上解決了焊絲制造業(yè)傳統(tǒng)鍍銅防銹帶來的問題，對焊絲保護(hù)起到了非常好的作用。

2．1．2在焊條藥皮中添加納米材料。在焊接工藝?yán)?，焊條藥皮的制造是至關(guān)重要的一環(huán)，它擔(dān)負(fù)著造渣、穩(wěn)弧、脫氧、造氣等多重使命，更要向焊縫過渡合金元素。為了保證焊條有良好的性能和精良的制作工藝，通常要在藥皮中要加入共計(jì)十多種材料糅合而成各種組成物?，F(xiàn)今在制作原料中加入納米材料，而納米材料本身有著較強(qiáng)的體積效應(yīng)和表面效應(yīng)，能使熔滴和焊條藥皮的接觸面積大大增大，并使相互的化學(xué)反應(yīng)速度加快，在焊接冶金等反應(yīng)過程中，有助于反應(yīng)過渡有益合金元素，同時(shí)減少雜質(zhì)。同時(shí)，在焊縫的制作過程中添加納米材料元素過渡到焊縫，可以使得焊縫中的有益元素分布發(fā)生改變，通過對焊縫內(nèi)部組織的調(diào)整，從而使其性能更加優(yōu)異。

1各國納米技術(shù)專利統(tǒng)計(jì)分析

研究各國納米技術(shù)專利在中國的專利發(fā)展情況，本文所依據(jù)的數(shù)據(jù)檢索自CPRS文摘數(shù)據(jù)庫(CPRSABS)，納米技術(shù)高速發(fā)展階段(2000-2011年)期間的，時(shí)間限定在2013年1月31日以前公開的文件。由于2011和2012年的部分專利文獻(xiàn)還沒有入庫，因此未采納2012年的數(shù)據(jù)，其中2011年僅提供參考，通過綜合分析，相信這些數(shù)據(jù)并不影響對趨勢的預(yù)測。在CPRS文摘數(shù)據(jù)庫中采用納米技術(shù)領(lǐng)域涉及的關(guān)鍵詞：納米、富勒烯、量子點(diǎn)、量子線、準(zhǔn)晶體、自組裝、原子力顯微鏡、掃描顯微鏡、分子電子學(xué)、分子模擬、分子馬達(dá)、分子傳感器、分子仿真、分子器件、原子模擬進(jìn)行檢索，得到65817篇專利申請，下面以這些專利申請為樣本，分析了納米技術(shù)領(lǐng)域在我國的專利技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

1.1年度數(shù)量統(tǒng)計(jì)

圖1給出了納米技術(shù)領(lǐng)域在我國的專利申請分布情況，從圖中可以看出，中國申請人提出的申請數(shù)量最多，占86%，國外來說，美國申請的專利最多，排名第二的是日本，其次是韓國。我們應(yīng)該對其他主要國家在中國申請的專利進(jìn)行仔細(xì)解讀，以便今后我們的產(chǎn)品走向國際化。圖2和圖3給出了在納米技術(shù)高速發(fā)展的階段我國、日本、美國和韓國年度申請量趨勢分布情況，明顯看出，從2002年開始我國一直保持較高的增長幅度，處于上升階段；美國在2007年之前也保持增長趨勢，之后兩年出現(xiàn)負(fù)增長，從2010年開始增量又趨于明顯；日本在2007-2010年申請量保持平穩(wěn)趨勢，可見，日本關(guān)于納米技術(shù)領(lǐng)域的申請相對進(jìn)入穩(wěn)定期，而韓國在2006年之前處于增長趨勢，后趨于平緩下行。

1.2領(lǐng)域分布統(tǒng)計(jì)(分類)對比各國研究熱點(diǎn)

圖4和圖5給出了納米技術(shù)相關(guān)專利IPC技術(shù)構(gòu)成(小類)分析結(jié)果。結(jié)果顯示，我國排名第一的是A61K(醫(yī)用、牙科用或梳妝用的配制品)，該小類共申請專利4701件；排名第二的是B01J(化學(xué)或物理方法)小類4361件；其次是C08L(高分子化合物的組合物)小類3904件。然而，國外來說，美國、日本、韓國排名第一的都是H01L(半導(dǎo)體器件；其他類目未包含的電固體器件)。美國在H01L領(lǐng)域尤為突出，其他分類領(lǐng)域較為均衡；日本排名第二的C01B(非金屬元素，其化合物)同排名第一的H01L數(shù)量相當(dāng)；而韓國同樣是在H01L領(lǐng)域比較突出，排名第二、三的分別是B82B(超微結(jié)構(gòu);超微結(jié)構(gòu)的制造或處理)和C01B。

1納米載藥系統(tǒng)的特點(diǎn)

1.1增加藥物的穩(wěn)定性和釋緩作用

中藥由于來源以及加工過程的特殊性,在其生產(chǎn)和使用過程中存在著較西藥更為復(fù)雜的穩(wěn)定性問題,而納米載藥系統(tǒng)大部分以藥物─載體的形式出現(xiàn),因而可以大幅提高中藥制劑的穩(wěn)定性。納米載藥系統(tǒng)在提高藥物的化學(xué)穩(wěn)定性的同時(shí)還可以提高其生物穩(wěn)定性。中藥材中富含蛋白質(zhì)、脂類和多糖類成分,中藥湯劑又是天然的膠體復(fù)合體系,因此,中藥的有效成分同樣可以通過選擇適當(dāng)?shù)妮o料和制備工藝制成具有緩釋作用的納米載藥系統(tǒng),從而延緩藥效成分在體內(nèi)的釋放、吸收和消除過程,達(dá)到維持穩(wěn)定持久的血藥濃度、減少給藥次數(shù)的目的。McCarron等采用PLGA制備的聚合物納米顆粒釋放實(shí)驗(yàn)表明,在開始的突釋完成后,有一緩慢釋放的過程,這個(gè)過程長達(dá)24h以上。藥物從納米顆粒中釋放的機(jī)制可能是通過表面解吸附、粒子小孔擴(kuò)散、聚合物整體擴(kuò)散、吸水溶脹和溶蝕等不同的機(jī)制。

1.2降低藥物的毒副作用

中藥雖然通常被認(rèn)為具有較小的毒性,但其中也有像砒霜、雷公藤等既具有良好療效又具有較強(qiáng)毒副作用的品種,如從喜樹中提取的喜樹堿對肝癌等腫瘤具有顯著療效,麻杏石甘湯中含有的苦杏仁苷具有止咳平喘等多種功效,然而,這些藥物在發(fā)揮功效的同時(shí),對其他非靶向部位有具有較強(qiáng)的毒副作用。納米技術(shù)的應(yīng)用可以使其增強(qiáng)靶向作用從而降低對非靶向部位的毒副作用。此外,對于經(jīng)口給藥的大分子物質(zhì),如蛋白質(zhì)、多肽、多糖等,可以通過淋巴靶向作用提高其生物利用率。

2中藥湯劑中的膠體與難溶性有效成分