Наноматериалы — одно из наиболее активных направлений на стыке материаловедения и промышленности покрытий за последние тридцать лет. Под термином «нано» по сути понимается масштаб длины: один нанометр равен одной миллиардной части метра, что примерно соответствует протяженности в три-четыре атома, расположенных рядом. Когда хотя бы одно измерение материала контролируется в диапазоне от десяти до ста нанометров и вследствие этого он проявляет физико-химические свойства, отличные от свойств макроскопического массивного материала, мы называем его наноматериалом. Именно этот скачок масштаба и свойств является коренной причиной того, что нанотехнологии смогли изменить такие отрасли, как покрытия, электроника, медицина, энергетика. Они превращают обычные металлические оксиды, углеродные материалы, силикаты в «активные элементы», обладающие функциями усиления, антибактериальности, самоочищения, экранирования, электропроводности и т.д.
Как технический поставщик, глубоко работающий в области промышленной защиты и функциональных покрытий, Kexin New Materials (kexinMaterials) накопил большой объем данных по рецептурам и нанесению в области нанодиоксида кремния, нанодиоксида титана, наноантибактериальных систем и нанокомпозитных антикоррозийных систем. Данная статья служит общим введением к серии материалов этой партии о наноматериалах: сначала подробно разбираются границы масштаба наноматериалов, логика классификации и четыре основных эффекта, а затем они увязываются с применением в покрытиях нижнего передела, чтобы создать единую концептуальную базу для последующих статей (гидрофобный диоксид кремния, фотокаталитический диоксид титана, антибактериальные, характеризация, диспергирование и др.), помогая инженерам при выборе переводить «наноконцепцию» в «проверяемые инженерные переменные». Необходимо особо подчеркнуть, что успех или неудача наномодифицированного покрытия никогда не определяется тем, «добавлен ли нанопорошок», а зависит от того, удается ли стабильно, контролируемо и воспроизводимо проявить четыре эффекта, привносимые наномасштабом, — именно это и есть задача, которую решают технологии характеризации и диспергирования.
一、Определение наноматериалов и границы масштаба
Относительно того, какой размер считается нано, в отечественных и зарубежных стандартах уже есть четкие договоренности. Согласно определению национального стандарта GB/T 19619-2004 «Терминология наноматериалов», наноматериал — это материал, любое измерение которого находится в диапазоне от десяти до ста нанометров, либо материал, превышающий сто нанометров в целом, но обладающий наномасштабной структурой и вследствие этого проявляющий новые свойства. Международная организация по стандартизации в серии ISO/TS 80004 (терминология нанотехнологий) определяет наномасштаб как интервал примерно от десяти до ста нанометров и подчеркивает, что наноструктурные материалы должны проявлять зависящие от масштаба свойства. Следует отметить, что сто нанометров — не абсолютная жесткая граница: например, некоторые квантовые точки начинают проявлять эффект квантового ограничения лишь после превышения десяти нанометров, а некоторые пластинчатые материалы имеют толщину всего в несколько нанометров при плоском размере в микрометровом диапазоне и всё же относятся к наноматериалам. Гибкость границ масштаба как раз показывает, что «нано» — это концепция, ориентированная на свойства, а не застывший ярлык размера.
Для понимания полезно сопоставить масштаб с наглядными объектами: диаметр человеческого волоса составляет около семидесяти тысяч — ста тысяч нанометров; эритроцит — около семи тысяч нанометров; длина волны большинства видимого света — от трехсот восьмидесяти до семисот восьмидесяти нанометров; бактерии — от нескольких сотен до нескольких тысяч нанометров. Когда размер частиц сопоставим с длиной волны света, дебройлевской длиной волны электрона или характерной длиной материала (например, магнитным доменом, длиной когерентности), макроскопические закономерности перестают работать и появляются новые физико-химические явления. Именно поэтому диоксид титана того же химического состава в микрометровом виде — обычный белый пигмент, а в виде анатаза размером в десяток нанометров способен каталитически разлагать органику; диоксид кремния того же состава в микрометровом виде — лишь дешевый наполнитель, а в наноразмере может повышать твердость, стойкость к царапинам, матовость и изменять смачиваемость.
Масштаб важен потому, что он напрямую определяет долю поверхностных атомов, силу квантового ограничения и плотность межфазных взаимодействий. Иными словами, «аномальность» наноматериалов — не магия, а закономерный результат физико-химических законов, когда размер входит в определенный интервал. Поняв это, можно в рецептуре покрытия правильно «обменивать масштаб на свойства», а не слепо набивать нанопорошок. В инженерной практике для количественной оценки этого эффекта масштаба часто используют удельную поверхность — например, удельная поверхность пирогенного диоксида кремния может достигать ста — четырехсот квадратных метров на грамм, в то время как у микронного диоксида кремния того же качества — всего несколько квадратных метров на грамм, разрыв в активной поверхности достигает двух порядков, что и является коренной причиной того, что нанонаполнитель при очень малом расходе способен значительно изменить свойства покрытия.
二、Четыре измерения классификации: от геометрии к составу
Наноматериалы можно классифицировать по нескольким непротиворечивым измерениям. В инженерной практике чаще всего используют классификацию по измерениям и по химическому составу, с дополнительных позиций — по морфологии и по функциям. Четкая классификация позволяет обсуждать свойства и выбор в одном контексте, избегая смешения материалов разных измерений.
2.1 Классификация по пространственным измерениям (наиболее распространенная)
Это основная классификация, принятая в ISO/TS 80004 и большинстве учебников, основанная на числу измерений в трехмерном пространстве, ограниченных наномасштабом:
Нульмерные — три измерения в наномасштабе, типичны наночастицы, квантовые точки, нанокластеры. Сюда относятся сферический диоксид кремния, серебряные наночастицы, квантовые точки селенида кадмия. Одномерные — два измерения в наномасштабе, одно вытянуто, типичны нанопроволоки, наностержни, нанотрубки, нановолокна. Представители — углеродные нанотрубки, галлуазитовые нанотрубки. Двумерные — одно измерение в наномасштабе (толщина), два других свободно вытянуты, типичны графен, нанопластины, нанопластины монтмориллонита, слоистые двойные гидроксиды. Трехмерные — общий размер велик, но внутри состоит из наномасштабных элементов, иначе называемые наноструктурными материалами, массивными наноматериалами, такие как нанокристаллические металлы, аэрогели, мезопористые материалы, поликристаллическая керамика, спеченная из наночастиц.
Ценность такой классификации в том, что измерение напрямую определяет поведение при диспергировании, площадь межфазной поверхности и механизм упрочнения. Например, двумерные пластины в покрытии легко ориентируются, образуя лабиринтный эффект и повышая барьерные свойства, а нульмерные частицы легче равномерно заполняют; одномерные волокна способствуют мостообразованию внутри покрытия, повышая трещиностойкость и вязкость. При выборе: если цель — блокировать воду и кислород, приоритет у двумерных пластин; цель — повышение твердости — у нульмерных частиц; цель — электропроводность или антистатика — больше подходят одномерные или двумерные сети.
2.2 Классификация по химическому составу
Углеродные наноматериалы включают фуллерены, углеродные нанотрубки, графен, углеродные квантовые точки. Неорганические неметаллические наноматериалы — нанодиоксид кремния, диоксид титана, оксид цинка, оксид алюминия, карбонат кальция, монтмориллонит. Металлические и оксидно-металлические наноматериалы — наносеребро, медь, железо, оксид цинка, магнетит, диоксид церия. Органические или полимерные наноматериалы — наномицеллы, дендримеры, полимерные наночастицы, самосборные блок-сополимеры. Композитные или гибридные наноматериалы — ядро-оболочка (например, серебро в оболочке из диоксида кремния), органо-неорганические гибриды, нанесенные катализаторы. В отрасли покрытий чаще всего используются первые четыре типа, композитные — в основном в высококлассных функциональных покрытиях.
2.3 Классификация по морфологии
Сферические, стержневидные, пластинчатые, трубчатые, кубические, многогранные, волокнистые, пористые или мезопористые и т.д. Морфология тесно связана с методом синтеза и также влияет на итоговые свойства — пластинчатые способствуют экранированию, стержневидные и трубчатые — проводящей сети, пористые — адсорбции и нанесению. Например, мезопористый диоксид кремния благодаря упорядоченным порам может служить носителем с замедленным высвобождением серебра; пластинчатый нитрид бора одновременно проводит тепло и обеспечивает изоляционное экранирование.
2.4 Классификация по функциям или применению
Структурно-упрочняющие (повышение твердости, износостойкости), функциональные (электропроводность, теплопроводность, антибактериальность, самоочищение, огнестойкость, защита от УФ), интеллектуально-чувствительные (термочувствительные, кислотно-щелочно-чувствительные, фотооткликающиеся) и др. В отрасли покрытий больше всего интересуют последние два типа, так как они напрямую соответствуют конечным болям заказчика: антибактериальные внутренние стены, самоочищающиеся фасады, антикоррозийные грунт-эмали, проводящие и антистатические половые покрытия и т.д.
Ниже приведена сравнительная таблица, обобщающая ключевые характеристики классификации по измерениям, для быстрой ориентации при выборе:
| Измерение | Типичная форма | Типичные материалы | Ведущая роль в покрытиях | Трудности диспергирования |
|---|---|---|---|---|
| Нульмерные | Частицы, квантовые точки | Нанодиоксид кремния, серебро, диоксид титана | Усиление, антибактериальность, фотокатализ, матовость | Легко агломерируют, требуют поверхностной модификации |
| Одномерные | Проволоки, стержни, трубки, волокна | Углеродные нанотрубки, галлуазит, наностержни оксида цинка | Проводящая сеть, механическое усиление, трещиностойкость | Спутывание, неравномерная ориентация |
| Двумерные | Пластины, слои, пленки | Графен, монтмориллонит, MXene | Лабиринтное экранирование, блокирование воды и кислорода, электропроводность | Повторное расслоение, межслоевое проскальзывание |
| Трехмерные | Массивные наноструктуры, аэрогели | Нанокристаллическая керамика, аэрогель диоксида кремния | Пористая теплоизоляция, цельное усиление | Объемная однородность |
三、Четыре основных эффекта наноматериалов
Аномальность наноматериалов коренится в наложении четырех физико-химических эффектов, возникающем после вхождения масштаба в нанодиапазон. Поняв их, можно объяснить наблюдаемый в покрытиях нижнего передела феномен того, что при том же составе свойства резко возрастают, а также целенаправленно проектировать рецептуры.
Эффект малых размеров означает, что когда размер частиц сопоставим с физической характерной длиной (например, длиной волны света, размером магнитного домена, длиной когерентности сверхпроводимости), звуковые, оптические, электрические, магнитные, тепловые и механические свойства материала значительно меняются. Например, металлические наночастицы из-за дискретизации непрерывных энергетических зон приобретают цвет, отличный от массивного материала; нанокарбонат кальция за счет измельчения частиц улучшает ударную вязкость пластмасс; нанодиоксид титана благодаря вхождению размера в интервал квантового ограничения имеет регулируемую запрещенную зону и повышенную фотокаталитическую активность.
Поверхностный эффект означает, что с уменьшением размера частиц доля поверхностных атомов резко возрастает. По оценке для сферических частиц, при снижении диаметра с одного микрометра до десяти нанометров доля поверхностных атомов скачком растет с примерно 0,1% до более чем 15%; при дальнейшем уменьшении до 2–3 нанометров она может достигать 50–80%. Поверхностные атомы имеют ненасыщенную координацию, высокую энергию и сильную реакционную активность, что влечет два следствия: во-первых, высокая активность (благоприятно для катализа, адсорбции, межфазного связывания), во-вторых, сильная склонность к агломерации (самопроизвольное слипание под действием поверхностной энергии). Наночастицы в покрытиях должны подавлять агломерацию путем поверхностной модификации или диспергирующих добавок, иначе они не только не сработают, но и могут вызвать дефекты. Поверхностный эффект — общая физическая основа гидрофобной модификации нанодиоксида кремния и высокой активности наноантибактериальных агентов.
Эффект квантового размера означает, что когда размер частицы становится сопоставим с боровским радиусом электрона или экситона, энергетические уровни переходят от непрерывных к дискретным, а запрещенная зона регулируется размером. Цвет флуоресценции полупроводниковых квантовых точек поэтому можно точно настраивать размером — это основа областей дисплеев и маркировки. В фотокаталитических покрытиях квантовое ограничение также влияет на запрещенную зону диоксида титана и поведение носителей заряда, изменяя длину волны начала фотокатализа и его эффективность.
Макроскопический квантовый туннельный эффект означает, что вероятность прохождения микрочастиц через потенциальный барьер при вхождении масштаба в нанодиапазон становится непренебрежимо малой и влияет на намагниченность, электронный транспорт и т.д. Прямое применение этого эффекта в покрытиях редко, но он служит теоретической базой для понимания нанопроводящих сетей и приборов на квантовых точках, а также объясняет, почему очень тонкие металлические сети при низком содержании добавки уже могут формировать перколяционный проводящий путь.
四、Распространенная номенклатура наноматериалов в промышленных покрытиях
Привязывая вышеописанную классификацию к рецептурам покрытий, наиболее часто встречаются следующие типы:
Нанодиоксид кремния (пирогенный или осажденный) используется для повышения износостойкости, стойкости к царапинам, матовости, загустения, тиксотропности; после гидрофобной модификации может образовывать супергидрофобное покрытие, подробнее в гидрофобной модификации нано-SiO₂. Нанодиоксид титана (анатаз или рутил) используется для УФ-экранирования, фотокаталитического самоочищения, эффекта смены цвета в зависимости от угла, подробнее в фотокаталитическом самоочищении нано-TiO₂. Нанооксид цинка и серебро используются для антибактериальности, защиты от УФ, электропроводности; серебро — для эффективной антибактериальности, оксид цинка совмещает антибактериальность и УФ-экранирование, подробнее в наноантибактериальных материалах Ag/ZnO。Углеродные наноматериалы (графен, углеродные трубки) используются для проводимости, теплопроводности, экранирования воды и кислорода, а также для антикоррозии и электромагнитной защиты. Наноглина (монтмориллонит) после интеркаляции или расслоения образует барьерный слой, повышая огнестойкость и стойкость к средам. Нанокомпозитные антикоррозийные наполнители повышают эффективность экранирования и ингибирования в наномасштабе.
Следует также добавить, что наноматериалы в покрытиях часто выступают как «добавки», а не как «пленкообразователи» — они не образуют пленку самостоятельно, а диспергируются в непрерывной фазе смолы, проявляя свои свойства. Поэтому их реальное состояние (размер частиц, степень дисперсности, совместимость со смолой) определяет конечные характеристики, и именно поэтому разные продукты с одинаковой маркировкой «нанодиоксид кремния» могут вести себя в одной и той же рецептуре совершенно по-разному. При выборе обязательно запрашивайте данные о распределении размеров частиц и стабильности дисперсии, а не смотрите только на слово «нано».
V. Почему наноматериалы могут изменять химический состав без изменений, но производительность резко возрастает
Вернемся к самому важному для инженера-технолога покрытий вопросу: при одинаковом диоксиде кремния микронный уровень — это лишь наполнитель, а наноуровень может повысить твердость, вязкость и стойкость к царапинам. Причины можно свести к трем пунктам: во-первых, огромная удельная поверхность дает больше точек межфазного связывания, значительно усиливается взаимодействие на границе частиц и смоляной матрицы, трещины отклоняются, сшиваются и притупляются у наночастиц, что повышает вязкость (механизм отклонения и закрепления трещин); во-вторых, размер близок или сопоставим с длиной волны видимого света, изменяется рассеяние света, что позволяет регулировать прозрачность и матовость; в-третьих, высокая активность поверхностных атомов способствует химическому или физическому закреплению с матрицей и участвует в каталитических, антибактериальных и других функциональных реакциях.
Но нужно остерегаться преувеличений: не означает, что слово «нано» автоматически равно высокой производительности. Если наночастицы диспергированы плохо и образуют микронные агрегаты, характеристики не только не повышаются, но и падают, а также могут вызвать дефекты лакокрасочной пленки. Поэтому ключевая конкурентоспособность наномодифицированных покрытий часто заключается не в добавлении нанопорошка, а в способности стабильно, равномерно и контролируемо проявлять наноразмерный эффект — именно в этом состоит ценность технологий диспергирования и характеризации (см. методы характеризации наноматериалов). Распространенное инженерное заблуждение — считать «количество добавки» «эффективным количеством»: на самом деле действуют количество диспергированных по отдельности наночастиц после дезагрегации; как только происходит агрегация, число эффективных частиц резко падает, и характеристики, естественно, исчезают.
VI. Конкретные механизмы действия наноматериалов в антикоррозийных и защитных покрытиях
В промышленной антикоррозийной защите наноматериалы имеют три объяснимых механизма: экранирование, пассивация и синергия. Механизм экранирования заключается в том, что нанопластины (например, графен, монтмориллонит, двумерный нитрид бора) ориентированно выстраиваются в пленке, удлиняя путь диффузии коррозионной среды (вода, кислород, хлор-ионы) и образуя «эффект лабиринта», что эквивалентно превращению пленки толщиной сто микрон в более толстый барьерный слой. Механизм пассивации — нанонаполнители с замедлителем коррозии (например, нанодиоксид кремния с загруженным ингибитором, нанофосфат цинка) медленно высвобождают ингибирующие ионы на границе раздела, способствуя образованию пассивной пленки на поверхности металла. Синергетический механизм — наночастицы повышают плотность сшивки смолы, заполняют микропоры, в целом снижая процент дефектов пленки.
Эти три механизма часто накладываются друг на друга. Например, нанокомпозитная эпоксидная цинконаполненная грунтовка может одновременно обладать катодной защитой цинка, лабиринтным экранированием наночешуйчатого наполнителя и повышенной плотностью смолы. Следует напомнить, что нанонаполнители не исправят плохую подготовку основания — класс пескоструйной обработки (например, Sa2.5) остается фундаментом антикоррозийной защиты, нано — это «вишенка на торте», а не «помощь в беде».
VII. Система координат стандартов и соответствия
Применение наноматериалов должно быть встроено в рамки стандартов. Терминологию и классификацию можно соотнести с GB/T 19619-2004 и ISO/TS 80004; в части покрытий наномодифицированная продукция по-прежнему должна соответствовать обязательным стандартам соответствующих категорий покрытий, таким как GB 30981-2020 «Ограничения содержания вредных веществ в промышленных защитных покрытиях», GB 24409-2020 «Ограничения содержания вредных веществ в автомобильных покрытиях». В части безопасности требуются паспорт безопасности и контроль профессионального воздействия. Регламент REACH ЕС накладывает дополнительные обязательства по регистрации и информированию для наноформ веществ, особое внимание следует уделять экологическим лимитам выбросов для систем с содержанием серебра и меди.
Перед выпуском каждого наномодифицированного покрытия компания Kexin New Materials (kexinMaterials) делает четыре набора данных — распределение размеров частиц, стабильность дисперсии, лимиты вредных веществ, отчет третьей стороны — обязательным условием выхода на рынок, а не заменяет данные наноконцепцией. Такая дисциплина «сначала проверка, потом выход на рынок» — ключ к превращению нано из маркетингового слова в поставляемую инженерную переменную.
VIII. Мышление выбора: от потребности к наноматериалу в обратном порядке
При столкновении с защитной или функциональной потребностью рекомендуется выстраивать обратную цепочку по следующим шагам:
Шаг первый — четко определить функциональную цель: нужна ли износостойкость, антибактериальность, самоочистка, антикоррозия, проводимость или теплоизоляция? Шаг второй — сопоставить наномеханизм: для износостойкости выбирать нанодиоксид кремния, оксид алюминия; для антибактериальности — серебро, оксид цинка; для самоочистки — фотокатализ диоксида титана, гидрофобный диоксид кремния; для антикоррозии — графен, наночешуйчатые экранирующие наполнители. Шаг третий — определить размерность и морфологию: для экранирования приоритет двумерных пластин, для усиления — нульмерных частиц, для проводимости — одномерной или двумерной сети. Шаг четвертый — зафиксировать путь диспергирования и поверхностной модификации: гидрофильный или гидрофобный, силан или диспергатор. Шаг пятый — проверить стандарты и соответствие: вредные вещества, летучие органические соединения, тяжелые металлы, маркировка.
По этой схеме наноматериалы перестают быть мистикой и становятся проектируемой, проверяемой и серийно производимой инженерной переменной. Если на любом этапе не хватает данных, следует вернуться к этапу характеризации и восполнить их, а не угадывать на основе опыта.
IX. Разбор распространенных заблуждений
Заблуждение первое: чем меньше наночастицы, тем лучше. Неверно. Слишком маленькие частицы имеют чрезвычайно высокую поверхностную энергию, растет риск агрегации и биомиграции, а функциональность не обязательно монотонно растет. Оптимальный размер определяется целевым механизмом, например, для фотокатализа диоксида титана существует оптимальное окно кристаллической формы и размера частиц.
Заблуждение второе: добавил нанопорошок — значит нанопокрытие. Неверно. Если диспергирование неэффективно, нанопорошок уже агрегировал в микронные тела, характеристики равны обычному наполнителю, и могут возникнуть дефекты.
Заблуждение третье: нано означает абсолютную безопасность. Неверно. Малый размер дает более высокую биодоступность, требуются профессиональная защита и оценка рисков согласно паспорту безопасности.
Заблуждение четвертое: все наноматериалы обладают антибактериальностью или самоочисткой. Неверно. Только определенные материалы при определенных условиях обладают соответствующими функциями, требуется поддержка соответствующего механизма.
Заблуждение пятое: наномодификация может опустить обработку поверхности. Неверно. В антикоррозийных сценариях нанонаполнители не исправят плохой класс пескоструйной обработки, подготовка основания остается фундаментом.
Заблуждение шестое: чем больше добавить нанонаполнителя, тем лучше. Неверно. Большинство нанонаполнителей имеют лучшие характеристики в определенном окне массовой доли, избыток повысит вязкость, внесет дефекты и даже обратно ослабит характеристики, оптимальное окно необходимо определять экспериментально.
X. Наноматериалы и устойчивое развитие
Наномодификация также имеет две стороны в вопросах устойчивости. В позитиве: небольшое количество нанонаполнителя может продлить срок службы покрытия, снизить частоту перекраски и расход ресурсов; супергидрофобность и самоочистка могут снизить использование воды и химикатов для очистки зданий; фотокатализ может разлагать загрязнители воздуха. Ответственный подход: количественно оценивать выгоды и издержки с помощью характеризации и мышления жизненного цикла, в приоритете — наносистемы с низкой токсичностью, пригодные к вторичной переработке, с низким выбросом, и заранее ставить безопасность данных как барьер для выхода на рынок. Компания Kexin New Materials (kexinMaterials) настаивает на проведении оценки третьей стороны и оценки жизненного цикла перед выпуском наномодифицированной продукции, гарантируя, что функциональный выигрыш не достигается ценой ущерба окружающей среде, и в рецептуре в приоритете использует наносистемы с низким выбросом и низкой токсичностью.
XI. Будущие тренды: от монофункциональности к интеллектуальным композитам
Наноматериалы переходят от однофункциональных наполнителей к многофункциональным композитам и интеллектуальному отклику. Ядро-оболочка (диоксид кремния с серебром внутри) сочетает медленное высвобождение и стабильность; органо-неорганические гибриды сочетают совместимость и функциональность; стимул-чувствительные наноносители высвобождают ингибитор в коррозионной микросреде; микрокапсулы самовосстановления в сочетании с нанонаполнителями реализуют самозалечивание повреждений. Для предприятий покрытий фокус конкуренции смещается с «есть ли нано» на «контролируемо ли нано, проверяемо ли, серийно ли». В ближайшие пять лет можно ожидать направления: нанофотокаталитические системы, отзывчивые к видимому свету, рециркулируемые нанокомпозитные покрытия, а также оптимизацию процесса диспергирования нанонаполнителей с помощью ИИ.
Часто задаваемые вопросы
В: Какой размер имеется в виду под «нано» в наноматериалах?
О: Согласно GB/T 19619-2004 и ISO/TS 80004, наномасштаб обычно составляет от десяти до ста нанометров; материал называется наноматериалом, когда хотя бы одно его измерение попадает в этот диапазон и поэтому проявляет новые свойства. Но сто нанометров — не абсолютная граница, некоторые квантовые точки или пластинчатые материалы выходят за этот диапазон, но все еще обладают наносвойствами.
В: Для чего используются нульмерные, одномерные и двумерные наноматериалы в покрытиях?
О: Нульмерные (частицы) в основном используются для усиления, повышения твердости, антибактериальности; одномерные (нити, трубки) способствуют построению проводящей сети и механическому усилению; двумерные (пластины) блокируют воду и кислород через эффект лабиринта, повышают экранирование и проводимость. Размерность определяет механизм диспергирования и усиления.
В: Почему при одинаковом химическом составе диоксида кремния наноуровень работает лучше?
О: Потому что наноуровень имеет огромную удельную поверхность, высокую долю поверхностных атомов, сильное взаимодействие с границей смолы, более полное отклонение, сшивание и притупление трещин; также размер влияет на рассеяние света и активность поверхностных реакций. Но при условии хорошего диспергирования, иначе агрегация делает его неэффективным.
В: Какие четыре основных эффекта у наноматериалов?
О: Эффект малых размеров, поверхностный эффект, квантово-размерный эффект, эффект макроскопического квантового туннелирования. Первые два чаще всего прямо проявляются в покрытиях (высокая активность и склонность к агрегации сосуществуют), последние два больше используются для объяснения механизмов оптоэлектроники и катализа.
В: Какие наноматериалы чаще всего используются в покрытиях?
О: Нанодиоксид кремния (повышение твердости, износостойкости, матовости), нанодиоксид титана (УФ-блокирование, фотокаталитическая самоочистка), нанооксид цинка и серебро (антибактериальность, анти-УФ), углеродные наноматериалы (проводимость, экранирование), наноглина (барьер, огнестойкость), нанокомпозитные антикоррозийные наполнители (антикоррозия).
В: Обязательно ли проводить оценку безопасности для наномодифицированных покрытий?
О: Да. Из-за высокой биодоступности наноматериалов необходимо предоставлять паспорт безопасности и контролировать профессиональное воздействие, соответствующие моменты пронизывают управление рецептурой и нанесением, для экспортной продукции также следует учитывать обязательства по наноформам согласно REACH и другим регламентам.
В: Как понять, является ли нанопокрытие настоящим нано?
О: Смотрите, предоставляются ли данные о распределении размеров частиц (просвечивающий электронный микроскоп, рентгеновская дифракция, анализатор размеров), стабильности дисперсии (Zeta-потенциал, оседание), а также данные третьей стороны по соответствующим функциям. Только маркировка «нано» без данных должна насторожить. Подробнее см. методы характеризации наноматериалов.
В: В чем самая большая инженерная трудность наноматериалов в покрытиях?
О: Стабильное диспергирование и предотвращение повторной агрегации. Наночастицы обладают высокой поверхностной энергией и склонны к агрегации, требуется модификация поверхности и подходящая технология диспергирования, иначе свойства не улучшатся, а ухудшатся.
Вопрос: Должны ли наноматериалы соответствовать экологическим стандартам обычных покрытий?
Ответ: Да. Наномодифицированные покрытия по-прежнему подпадают под ограничения по вредным веществам согласно GB 30981-2020, GB 24409-2020 и др., наносвойства не освобождают от соблюдения экологических норм.
Вопрос: Какую практику в области наноматериалов имеет Кэсинь Синьцайляо (kexinMaterials)?
Ответ: Кэсинь Синьцайляо (kexinMaterials) использует распределение по размерам частиц, стабильность диспергирования, лимиты вредных веществ и сторонние испытания как предпосылки вывода на рынок каждого наномодифицированного покрытия, охватывая гидрофобный диоксид кремния, фотокаталитический диоксид титана, антибактериальные системы на основе серебра и цинка и нанокомпозитные антикоррозийные системы, а также может взаимодействовать с серийными решениями, такими как гидрофобная модификация нано�-SiO₂.
Дополнительное чтение
- Гидрофобная модификация нано�-SiO₂: отталкиваясь от поверхностного эффекта, описанного в статье, подробно разбирается, как превратить гидрофильный диоксид кремния с высокой поверхностной энергией в супергидрофобный функциональный наполнитель.
- Фотокаталитическая самоочистка наноТiO₂: раскрывает упомянутый в статье фотокаталитический механизм, разъясняя анатазную кристаллическую форму, ширину запрещенной зоны и инженерные границы самоочистки.
- НаноАнтибактериальные материалы Ag/ZnO: опираясь на четыре основных эффекта из статьи, переходит к антибактериальным механизмам серебра и оксида цинка и их применению в покрытиях.
- Безопасность наноматериалов и MSDS
- Методы характеризации наноматериалов: критерии размера частиц, морфологии, структуры и диспергирования
- Нанесение промышленного покрытия: параметры безвоздушного распыления, контроль толщины пленки и интервалы между слоями