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化工生產中納米材料的應用

作者:admin 更新時間:2019年06月03日 10:02:20

  摘要:近年來,納米材料在化工生產領域也得到了一定的應用,并顯示出它的獨特魅力。在催化方面的應用催化劑在許多化學化工領域中起著舉足輕重的作用,它可以控制反應時間、提高反應效率和反應速度。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,可大大提高反應效率,控制反應速度,甚至使原來不能進行的反應也能進行。


  關鍵詞:納米材料,化工,生產,效率


  在高新技術中,納米技術、生物技術和信息技術對化學工業發展有著深遠的影響,對于材料科學而言,當首推納米技術。它不僅能推動化學反應、催化和許多單元操作的突破性的改進,而且提供了納米多孔材料、納米粒子、納米復合材料、納米傳感器等新型材料以及化學機械拋光、藥物可控釋放、獨特的去污作用等功能應用,為化工新材料發展及其應用開辟了廣闊的前景。


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


  一、通用塑料的工程化和化學纖維改性


  近年來出現了各種新型的功能性化學纖維,其中不少是應用了納米技術,如日本帝人公司將納米ZnO和納米SiO2混入化學纖維,得到具有除臭及靜化空氣功能的化學纖維,這種化學纖維被廣泛用于制造長期臥床病人和醫院的消臭敷料、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到工程塑料的性能,用納米技術對通用聚丙烯進行改性,其性能達到了尼龍6的性能指標,而成本卻降低1/3。


  二、在涂料方面的應用


  納米材料由于其表面和結構的特殊性,具有一般材料難以獲得的優異性能,顯示出強大的生命力。借助于傳統的涂層技術,添加納米材料,可獲得納米復合體系涂層,實現功能的飛躍,使得傳統涂層功能改性。涂層按其用途可分為結構涂層和功能涂層。在涂料中加入納米材料,可進一步提高其防護能力,實現防紫外線照射、耐大氣侵害和抗降解、變色等,在衛生用品上應用可起到殺菌保潔作用。在標牌上使用納米材料涂層,可利用其光學特性,達到儲存太陽能、節約能源的目的。在建材產品如玻璃、涂料中加入適宜的納米材料,可以達到減少光的透射和熱傳遞效果,產生隔熱、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。這些具有半導體特性的納米氧化物粒子,在室溫下具有比常規的氧化物高的導電特性,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性。納米材料的顏色不僅隨粒徑而變,還具有隨角變色效應。在汽車的裝飾噴涂業中,將納米TiO2添加在汽車、轎車的金屬閃光面漆中,能使涂層產生豐富而神秘的色彩效果,從而使傳統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、光潔度及強度成倍地增加。納米涂層具有良好的應用前景,將為涂層技術帶來一場新的技術革命,也將推動復合材料的研究開發與應用。


  三、納米材料在化工生產中應用


  由于納米材料的特殊結構和特殊性能,使納米材料在化工生產中得到了廣泛的應用,主要應用在以下幾方面。


  1.在化學改性方面


  炭黑納米粒子加入到橡膠中后可顯著提高橡膠的強度、耐磨性、抗老化性,這一技術早已在橡膠工業中運用。納米技術在制造彩色橡膠中也發揮了獨特的作用,過去的橡膠制品一般為黑色(納米級的炭黑較易得到)。若要制造彩色橡膠可選用白色納米級的粒子(如白炭黑)作補強劑,使用納米粒子級著色劑,此時橡膠制品的性能優異。把納米粒子添加到塑料中,對增加塑料韌性有較大的作用。用納米級SiC/Si3N4粒子經鈦酸酯處理后填充LDPE,當添加量為5%時沖擊強度最大,缺口沖擊強度為55.7kj/m2,是純LDPE的2倍多;斷裂伸長率到625%時仍未斷裂,為純LDPE的5倍。用納米級CaCO3,改性HDPE,當納米級CaCO3含量為25%時,沖擊強度達到最大值,最大沖擊強度為純HDPE的1.7倍,斷裂伸長率在CaCO3含量為16%時最大,約為660%超過純HDPE的值。


  2.在催化方面的應用


  催化劑在許多化學化工領域中起著舉足輕重的作用,它可以控制反應時間、提高反應效率和反應速度。大多數傳統的催化劑不僅催化效率低,而且其制備是憑經驗進行,不僅造成生產原料的巨大浪費,使經濟效益難以提高,而且對環境也造成污染。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,可大大提高反應效率,控制反應速度,甚至使原來不能進行的反應也能進行。納米微粒作催化劑比一般催化劑的反應速度提高10~15倍。


  3.在其它精細化工方面的應用


  精細化工是一個巨大的工業領域,產品數量繁多,用途廣泛,并且影響到人類生活的方方面面。納米材料的優越性無疑也會給精細化工帶來福音,并顯示它的獨特畦力。在橡膠、塑料、涂料等精細化工領域,納米材料都能發揮重要作用。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,可以提高塑料的強度和韌性,而且致密性和防水性也相應提高。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、有機玻璃制造方面也都有很好的應用。在有機玻璃中加入經過表面修飾處理的SiO2,可使有機玻璃抗紫外線輻射而達到抗老化的目的;而加入A12O3,不僅不影響玻璃的透明度,而且還會提高玻璃的高溫沖擊韌性。一定粒度的銳鈦礦型TiO2具有優良的紫外線屏蔽性能,而且質地細膩,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TiO2的應用還可擴展到涂料、塑料、人造纖維等行業。最近又開發了用于食品包裝的TiO2及高檔汽車面漆用的珠光鈦白。納米TiO2,能夠強烈吸收太陽光中的紫外線,產生很強的光化學活性,可以用光催化降解工業廢水中的有機污染物,具有除凈度高,無二次污染,適用性廣泛等優點,在環保水處理中有著很好的應用前景。


  納米技術將不斷發生變化,展望前景是光明的。當然,納米技術也與其它技術一樣,對環境和社會有正反兩方面的影響。提高能源生產和供應效率,對產業和環境都是有好處的,例如通過減輕復合材料重量,應用替代能源(提高太陽能和風能效率及經濟性)以及擴大燃料電池應用等,達到節省大量能源的效果。其它具有競爭力的方面為納米粒子在醫學上應用,有效地進行藥品施放,但納米粒子對人類健康的影響尚無定論。任何一個新的化合物和產品在批準應用之前都必須進行全面鑒定,在化學工業化前要經過長期應用研究。當前用以評價這類產品的通用程序和方法將面臨許多挑戰。

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