1、新型纳米建筑材料土木123 霍峰磊1.前言 纳米技术是指在纳米尺度范围内通过操纵原子、分子、原子团或分子团使其重新排列组合成新物质的技术，研究内容主要包括纳米材料技术、纳米加工技术、纳米性能检测技术和纳米应用技术等。从20世纪8O年代以来，纳米科技研究在世界范围内受到高度重视，有的技术已实用化了。目前纳米科技已经渗透到很多的传统产业中，如染料、涂料、食品等。纳米技术作为一门新兴科学，必将对建材领域产生深远的影响，利用纳米技术解决高性能建材将成为未来建材领域发展的必然趋势。把高科技的纳米材料引入建筑业，开发多功能、高附加值的建筑新材料，以提高我国建行业的技术竞争实力，开拓建筑材料在国内外的市场地
2、位。纳米科技发展到今天，成为一项影响产业发展和国家竞争力的社会化的科技，纳米科技将在新世纪对社会、经济以及国家安全产生重大影响。2.主题 2.1高强度和高韧性纳米陶瓷材料 2.2在建筑涂料中的应用 2.3纳米材料在新型混凝土材料中的应用 2.4纳米技术在高分子材料中的应用 2.5纳米技术在其他方面的应用 2.6纳米材料在建筑材料应用中存在的问题2.1高强度和高韧性纳米陶瓷材料20世纪90年代初，日本Nihara首次报道了以纳米尺寸的SiC颗粒为第二相的纳米复相陶瓷具有很高的力学性能，纳米陶瓷还具有很多独特的性能，例如作为外墙用的建筑陶瓷材料，在经过修饰的陶瓷表面具有清洁和防雾功能；纳米陶瓷具有
3、的塑性行为，使陶瓷在本质上具备了吸收外来能量的机制，陶瓷的脆性有可能解决；纳米陶瓷具有低的烧结温度、短的烧结时间、高的塑性性能和高的断裂韧性；在陶瓷基中加人纳米级的金属碳化物纤维，可大大提高其硬度，同时具有良好的抗烧蚀和防热性。纳米陶瓷材料图片存在问题随着科技界对纳米陶瓷材料的研究和开发的深入，人们发现了越来越多的问题：由于纳米陶瓷粉体颗粒细小，必然带来体积庞大、容重较小不利于混合均匀且难以压实、试样成型困难等问题；同时它还具有很大的表面积，在范德华力、静电力和磁力的作用下易发生团聚等问题。因此，为了开发利用纳米陶瓷粉体崭新特性的应用及使之在世界范围内得到最快的推广应用，有下列问题有待解决：深
4、人研究和探索开发高纯度的纳米陶瓷粉体的制备技术，同时努力搞清楚各种因素对纳米陶瓷粉体性能的影响；团聚现象是纳米陶瓷粉体制备中最难控制的问题，加强对团聚和解聚的研究势在必行；研究纳米陶瓷粉体在粒径逐渐变小时的性能变化，特别是低温性能的变化已经越来越必要了。因此，如何控制纳米陶瓷粉体的优势发挥，已经成为高技术陶瓷的一个重要研究课题。2.2在建筑涂料中的应用 2.2.1光学应用纳米复合涂料 2.2.2吸波纳米复合涂料 2.2.3纳米抗菌涂料光学应用纳米复合材料纳米粒子的粒径远小于可见光的波长(400750 nm)。具有透过作用，从而保证了纳米复合涂料具有较高的透明性。纳米粒子对紫外线则具有较强的吸收
5、作用。在外墙建筑涂料中添加TiO2，SiO2 等纳米粒子以提高耐候性，在汽车面漆中添加TiO2以提高汽车涂料的耐老化性等。特别是金红石型超细TiO2，在汽车面漆中还可起到效应颜料作用，与其他片状效应颜料如铝粉颜料或珠光颜料并用时，会产生伴有乳光的随角异色性，可用于豪华轿车面漆，这是目前纳米TiO2的最大用途，也是国外纳米材料在涂料中应用最为成功的例子之一.吸波纳米复合涂料利用纳米粒子的表面效应，可以制备出吸收不同频段电磁波的纳米复合材料，可用作雷达波吸收剂的纳米粉体有：纳米金属(Fe，co，Ni等)与合金的复合粉体、纳米氧化物(Fe3O4，Fe2O3，ZnO，NiO2，TiO2，MoO2等)的
6、粉体、纳米石墨、纳米碳化硅及混合物粉体等。国外用纳米级羰基铁粉、镍粉、铁氧体粉末已成功配制了军事隐身涂料，涂到飞机、军舰、导弹、潜艇等武器装备上，使该装备具有隐身性能。由于纳米涂层材料具有吸收频带宽、重量轻、厚度薄等优点，因而可望在未来军事隐身化方面大展身手。纳米抗菌涂料 在国内纳米抗菌粉体已实现工业化生产，市场上已有多个牌号的产品出售，主要用于纤维织物中。制成新一代抗菌保洁内衣。如将纳米抗菌粉用于涂料中，则可制得纳米杀菌涂料，涂覆在建材产品，如卫生洁具、室内空间、用具、医院手术间和病房的墙面、地面等，起到杀菌、保洁效果。纳米抗菌涂料实例现状目前，美国研究开发成功并进行产业化的具有随角异色性的
7、豪华轿车面漆、军事隐身涂料、绝缘涂料等，另外，还开展了光致变色涂料、透明耐磨涂料、包装用阻隔涂料层等纳米涂料的研究。日本则在静电屏蔽涂料、光催化自洁涂料的研究开发方面取得了成功并实现了产业化。我国目前的研究开发主要集中在改善建筑外墙涂料的耐候性和建筑内墙涂料的抗菌性方面，二者基本已研制成功。而在工业用涂料、航空航天用涂料以及功能性涂料的研究开发和产业化方面则落后于发达国家。我国已有较多的纳米粉末生产企业，但其并未打开在涂料工业中的应用市场，纳米粒子生产企业及科研单位在纳米粒子的制备及表面改性技术方面具有优势，而涂料科研单位则在涂料的应用研究方面具有优势，只有两者之间紧密结合，才能加快纳米粒子在
8、涂料中的应用步伐。纳米材料在涂料中应用产业化与基础研究应齐头并进。由于涂料种类繁多、成分复杂，纳米粒子的一种亲油改性并不能适用于所有涂料体系，因而必须加强纳米粒子的表面特性与不同涂料体系之间的匹配性研究，只有这样，才能充分发挥纳米粒子的特性。2.3纳米材料在新型混凝土材料中的应用 2.3.1纳米矿粉在水泥混凝土中的应用 2.3.2纳米金属粉末在混凝土中的应用 2.3.3纳米金属氧化物在混凝土中的应用 2.3.4聚合物无机纳米复合材料在混凝土中的应用 2.3.5绿色水泥工业中的应用纳米矿粉在水泥混凝土中的应用纳米材料由于具有小尺寸效应、量子效应、表面及界面效应等优异特性，因而能够在结构或功能上赋
9、予其所添加体系许多不同于传统材料的性能。利用纳米技术开发新型的混凝土可大幅度提高混凝土的强度、施工性能和耐久性能，如添加纳米SiO2、纳米CaCO3和纳米硅粉等。纳米矿粉不但可以填充水泥的空隙，提高混凝土的流动度，更重要的是可改善混凝土中水石与骨料的界面结构，使混凝土强度、抗渗性与耐久性均得以提高。有研究报道，当纳米材料的添加量为水泥用量的13，并在高速混合机中与其他混合料进行混合后，制备成的纳米复合水泥结构材料，在7d和28d龄期的水泥硬化强度比未添加纳米材料水泥的提高约5O倍，而且韧性、耐久性等性能也得到较大的改善。文献研究了硅灰和纳米级SiO2对水泥浆体需水量的影响。研究表明，纳米级Si
10、O2的掺量对水泥浆体的需水量影响非常显著，当纳米级SiO2掺量达到水泥用量的8%时，水泥浆体的需水量增大一倍，而硅灰的掺量在水泥用量10%以内时，对水泥浆体的需水量影响不明显。同时，研究发现当将两者进行复合添加时，纳米级SiO2的小球体填充于硅灰颗粒之间，与硅灰形成很好的颗粒级配结构。因此，当两者同时添加且纳米级SiO2为1%和硅灰为9%时，需水量并未双倍增加，可见两者的交互作用十分明显。纳米金属粉末在混凝土中的应用 纳米金属粉末具有两个特殊性能，其一是纳米金属粉末的强度、硬度高，并随着晶粒尺寸的减小，其强度、硬度不断提高，同时还表现出非常好的塑韧性；其二是纳米金属粉末是一种良好的吸波材料，这
11、是由于纳米材料的表面效应，增加了纳米材料的活性。利用上述纳米金属粉末的特殊性能，如果把它掺入到水泥混凝土中，可制成功能性的电磁屏蔽混凝土。纳米金属氧化物在混凝土中的应用 锐钛型纳米TiO2是一种优良的光催化剂，它具有净化空气、杀菌、除臭、表面自洁等特殊功能。利用纳米TiO2。具有净化空气的特性来制备光催化混凝土，它在净化机动车排出的尾气时发生了光催化反应，对机动车辆排放的二氧化硫、氮氧化物等对人体有害的污染气体进行分解去除，起到净化空气的作用。聚合物无机纳米复合材料在混凝土中的应用关于聚合物用于混凝土中，国内外已经有许多报道，而关于聚合物无机纳米复合材料用于混凝土中却未见报道。由于聚合物无机纳
12、米复合材料的优异性能，使得有关它的理论和应用研究成为当前复合材料的热点，它也有可能应用于水泥混凝土中。根据聚合物无机纳米复合材料的性能和聚合物水泥混凝土的研究，如果把聚合物无机纳米复合材料用于水泥混凝土中，不仅可提高混凝土的抗压、抗拉和弯曲强度，而且可提高其耐久性。在混凝土混合料中掺入一定量的聚合物无机纳米复合材料，使之均匀分散在混凝土中，利用聚合物无机纳米复合材料的导电性能，测试电阻的变化，建立电阻与荷载之间的模型，从而可以预测混凝土结构的破坏。绿色水泥工业中的应用 在水泥配料中加人部分纳米级粉料，经均匀分散，在生产过程中可大大节约能源，降低烧成温度，并有利于固相反应和水泥材料显微结构的形成
13、，改善水泥性能，提高水泥强度、耐久性等一系列指标。若采用一定措施控制配料中纳微米颗粒的晶粒长大，则可获得一系列其他意想不到的良好性能，生产一系列高性能水泥新品种，如弹性水泥、延性水泥、太阳能水泥、远红外水泥、环境友好水泥等。2.4纳米技术在高分子材料中的应用 2.4.1新型纳米结构的玻璃、塑料和橡胶制品 2.4.2抗静电、防电磁辐射的静电屏蔽材料 2.4.3耐热、隔热、阻燃材料新型纳米结构的玻璃、塑料和橡胶制品纳米材料在玻璃、塑料和橡胶等领域都能发挥重要作用，如纳米Al2O3和siO2加入橡胶中可提高橡胶的介电性和耐磨性，而且弹性也明显优于用炭黑作填料的橡胶。在有机玻璃中加入经过表面修饰处理的
14、SiO2，既不影响透明度又提高了玻璃强度和韧性，可使有机玻璃抗紫外线辐射而达到抗老化的目的，并具有屏蔽紫外线和短波辐射功能，有可能替代传统的钢化玻璃和某些镀膜玻璃。在透明产品塑料中添加少量的纳米Al2O3 和SiO2，利用它透光、粒度小，可使塑料变得更致密，可使塑料薄膜的透明度、强度和韧性、防水性能大大提高，会大大减弱紫外线对透明产品的损伤作用，已被广泛用于塑料薄膜方面。抗静电、防电磁辐射的静电屏蔽材料 电子产品的普及使得电磁辐射对人体健康造成了巨大威胁，一些纳米微粒如纳米氧化铁、纳米氧化镍等能强烈吸收电磁辐射，从而对人体起到防护作用。以往的静电屏蔽材料一般都是由树脂掺加碳黑喷涂而成，但性能并
15、不是特别理想。13本松下公司已研制出具有良好静电屏蔽的纳米涂料，利用具有半导体特性的纳米氧化物粒子如Fe2O3、Cr2O3、TiO2、ZnO等做成涂料，在室温下具有比常规的氧化物高的导电特性，就会产生良好的静电屏蔽性能，可以达到防静电、防爆、防尘、防电磁波辐射等功效。耐热、隔热、阻燃材料由于纳米微粒具有特殊的光学性能，对波长为800 nm以上的红外光反射率达70以上，所以有高度的抗热辐射性能，可达到减少光的透射和热传递效果，具有优良的隔热效果。在建材产品如玻璃、涂料中加入适宜的纳米材料，可以达到减少光的透射和热传递效果，产生隔热、阻燃等效果。在新型、高效防火涂料的研制中，使用氢氧化铝、氢氧化镁
16、、硼酸锌、铝化合物以及锡化合物等超细无机阻燃添加剂，由于其粒径小，分散性能好，能显著提高涂料的阻燃消烟效果，并能节省阻燃剂的用量，改善涂层的物理机械性能。2.5纳米技术在其他方面的应用 2.5.1在粘合剂，密封胶和润滑剂方面的应用 2.5.2在净化空气和水抗菌、消毒除臭等方面的应用 2.5.3性能特殊的光学材料 2.5.4光催化材料 2.5.5新型防护材料在粘合剂，密封胶和润滑剂方面的应用 利用纳米技术可开发粘合剂及密封胶，将纳米SiO2作为添加剂加入到粘合剂和密封胶中，使粘结效果和密封性能大大提高。其原因是在纳米SiO2：表面包覆一层有机材料，使其具有永久性，而添加到密封胶中很快能形成一种硅
17、石结构，即纳米SiO2，形成网络结构，提高粘结效果，由于颗粒尺寸小，更增加了胶的密封性。大型建材机械等主机工作时的噪声达到上百分贝，用纳米技术制成的润滑剂，既能在物体表面形成半永久性的固态膜，产生很好的润滑作用，大大降低噪声，又能延长装备寿命。在净化空气和水抗菌、消毒除臭等方面的应用利用离子交换复合工艺，使层状无机材料在极性分子的作用下发生膨胀、层离，均匀分散在水介质中。其层间可交换性阳离子在电性力的作用下与交联剂发生交换，通过这种交换作用，抗菌或净化成分进入其层间，把层与层撑开，在层间交替形成分子级支柱，从而形成各不相同的纳米复合抗菌材料、净化空气材料。这种纳米复合抗菌材料和净化空气材料可净
18、化甲醛、苯等有毒有害挥发物80以上，抗菌率达98以上。利用纳米技术可开发可净化CO2并产生负离子具有森林功能的建材。森林功能建材具有两个特点，可净化CO2及有害气体，室内的CO2浓度可减少到森林中大气的浓度，还可增加空气中负离子的数量。由于人类的活动，一方面使CO2向大气中的排放量逐年增加。加上人类大量采伐森林，毁灭草木，以致减少了植物从大气中吸收CO2的数量。目前，全球CO2的浓度正在逐年上升，据测定，19世纪CO2的环境浓度为290X10（-6）像荷花一样出污泥而不染，这是纳米界面材料技术赋予传统建材的神奇效果。资料表明20世纪初正负离子的比例为1：12，现在正负离子的比例为12：1，正离
19、子的增加引起慢性病增加，交通事故增多。负离子的主要作用为：减少电子波的污染；空气净化；减少VOC(挥发性有机化合物）和香烟污染；抗菌防霉；促进动植物的成长。减少空气中CO2的作用有：减少地球环境负荷；空气净化作用；减少细菌繁殖；减轻疲劳，创造舒适环境。总之，增加负离子和减少CO2均可创造清爽和舒适的环境，有利于健康。性能特殊的光学材料纳米材料具有特殊的抗紫外线、吸收和反射红外线能力，这种材料用建筑材料可获得抗紫外、抗可见光和抗红外功能。研究表明纳米TiO2、ZnO、SiO2对波长在300400 nm波段具有很强的紫外线吸收能力，大大降低了紫外线对高分子材料分子链的攻击，大大减少了活性自由基的产
20、生，保护了高分子链不被紫外线所降解，从而可有效地保护人体免受紫外线的损伤。纳米微粒TiO2、ZnO、SiO2、A12O3和Fe203的复合粉体与高分子纤维结合，对中红外波段有很强的吸收性能。光催化材料纳米材料催化剂具有独特的晶体结构及表面特性，因而其催化活性和选择性都大大优于常规催化剂。例如Fe和Ni微颗粒可生成MrxCyHz组成的准金属有机粉末，其对氮氧化物、油脂、甲醛等物质具有明显的催化降解作用。在玻璃、陶瓷和瓷砖的表面涂上一层纳米TiO2薄层后具有的光催化氧化活性，在光的照射下任何玷污在表面上的物质，包括油污、细菌和病毒均可被其分解氧化变成气体或者很容易被擦掉的物质，达到除毒、脱色、矿化
21、的目的，高层建筑的玻璃、厨房、外墙陶瓷、瓷砖的保洁都可以很容易地进行。防护材料我国传统建筑防水材料是在胶料中加入炭黑，这种工艺比较成熟，但制成品全都为黑色，耐腐性及耐候性差，易老化，不能满足人们对色彩的要求。如何选择一种既能提高强度、弹力、耐腐、耐候、抗老化性能，又不影响染色剂染色效果的浅色无机填料，成为合成高性能彩色防水卷材的关键。北京市建材科学研究院成功研制了高耐老化性能的彩色氯化聚乙烯防水卷材，其各项主要技术性能达到了黑色三元乙丙橡胶防水卷材的性能标准。同时还开发了纳米材料建筑色浆、纳米材料改性高耐候性建筑涂料等。纳米SiO2，改性的防水卷材具有色彩新颖、光稳定性、热稳定性及化学稳定性好
22、，弹力、强度、韧性、抗老化性极佳等优点，是一种新型的高性能的彩色防水卷材，可广泛用于建筑顶面、地下室、卫生间、水池、水利堤坝、隧道等防水、防潜工程，发展前景极为广阔。2.6纳米材料在建筑材料应用中存在的问题问题在以上利用纳米材料对建筑材料进行改性的应用过程中都存在的主要问题就是纳米微粒的分散性差，易团聚凝聚。目前纳米材料应用的关键技术问题是在大规模制备的质量控制中，如何做到均匀化、分散化、稳定化。为解决这一问题，应当对纳米粒子的表面进行处理而降低其表面能，对颗粒表面进行表面化学改性和表面吸附包覆改性处理。尽管目前纳米材料的应用研究已经取得了一定的成果，但由于纳米微粒本身的高活性而引起的团聚问题，以及纳米微粒的制备、保存、运输等环节之间的关系问题使其应用受到限制，如何均匀地把纳米微粒分散到目标物中仍然是目前纳米微粒应用研究的热点之一。总结 纳米功能材料及纳米技术已成为世界各国研究的热点，纳米技术已渗透到人类生活和生产的各个领域，使得许多传统产业得到改进。随着建筑业的飞速发展，越来越多的新型纳米材料必将对建筑材料产生深远的影响，开发具有新功能的纳米材料和拓宽现有纳米材料在建材中的应用领域，对改造现有传统的建材产品，提高其发展空间和市场竞争力，具有十分重要的意义。
