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纳米材料在化工领域中的应用

目前,在全球范围内,商务通讯公司预测人们对信息科学和生物技术的需求量的年均增长率将只是对纳米技术材料需求的一半。根据纳米需求的发展趋势来观察,不管是化学加工领域,还是石油化工三大合成材料领域,纳米技术都已经渗透其中。

 

 

 

纳米材料的特殊性质

 

力学性质

 

高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低,位错滑移和增殖符合Frank-Reed模型,其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大,所以纳米材料中位错滑移和增殖不会发生,这就是纳米晶强化效应。

 

磁学性质

 

当代计算机硬盘系统的磁记录密度超过1.55Gb/cm2,这种情况下,感应法读出磁头和普通坡莫合金磁电阻磁头的磁致电阻效应为3%,已不能满足需要,而纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%,可以用于信息存储的磁电阻读出磁头,具有相当高的灵敏度和低噪音。

 

电学性质

 

由于晶界面上原子体积分数增大,纳米材料的电阻高于同类粗晶材料,甚至发生尺寸诱导金属一绝缘体转变(SIMIT)。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点,有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。

 

热学性质

 

纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值,这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。

 

 

 

 

 

在化工涂料领域的应用

 

由于纳米材料具有典型的表面及其结构特点,因而其自身拥有许多其他材料所不具备的优良性能,因而应用前景十分乐观。借助于传统的涂层技术,同时进行纳米材料的添加即可得到性能良好的纳米复合涂层体系。

 

一方面,纳米材料的添加不仅提高了涂层的防护功能,避免了紫外线的伤害及大气的侵蚀,同时还能更好地抵抗降解作用,防止涂层发生变色,应用在卫生用具方面还具有抗菌保洁的功能。将纳米复合涂层系统应用在标牌之上还可利用纳米材料特殊的光学特性,实现对太阳能的吸收和储存效果,这样就达到了节能的效果。将纳米材料添加到诸如玻璃或涂料等建材产品中,可进一步提高光透射及其热传递的效果,进而获得隔热阻燃等功能。若将纳米TiO2添加到汽车的金属闪光面漆等装饰喷涂行业中,所得到的色彩效果丰富且神秘,使得汽车面漆旧貌换新颜。再如纳米SiO2作为一种抗辐射材料,在涂料中添加后可成倍地提高涂料的光洁度、抗老化性能及其强度。由此可见,纳米复合体系涂层不仅应用前景十分乐观,同时还推动了复合材料的进一步开发、研究及其应用。

 

 

 

 

 

在化学催化领域的应用

 

化工生产过程中基本上都离不开催化剂,它不仅能够有效地进行化学反应时间的控制,还可以大幅度地提高化学反应速率及其效率。但是,应当注意的是多数化学催化剂的化学催化效率仍相对较低,且制备过程复杂困难,多数凭经验进行,并未形成一个成熟的生产体系,因而不仅浪费了大量的生产原料,还直接降低了经济效益,同时还为环境带来了污染。

 

纳米材料由于其表面活性中心相对较多,因而为催化剂提供了最必要的前提条件。采用纳米材料作为化工催化剂不仅可以大幅度提高化学反应速率及其效率,控制化学反应时间,还使得许多之前无法反应的化学粒子间发生化学反应。例如已有报道称采用硅胶作为反应基质而获得了化学催化活性极高的TiO/SiO2的负载型光化学催化剂。采用Ni或者Cu-Zn化合物所制得的纳米颗粒不仅是许多氢化反应中多种有机化合物的良好催化剂,且价格较昂贵的铂催化剂要便宜的多。再如,纳米铂黑催化剂可以将乙烯氧化反应温度从之前的600°C降到室温下即可进行反应。将纳米微粒作为化学催化剂,不仅可以提高化学反应的效率,优化化学反应的路径,还能够进一步推动化学反应速度等相关方面的研究,因而也是催化学科未来十分重要的一个研究课题,极有可能为化工催化领域带来翻天覆地的改变。

 

 

 

 

 

 

在精细化工相关领域的应用

 

作为化工行业的另一个巨大领域,精细化工领域不仅产品数量多、用途广,而且同人们的日常生活的各个方面都息息相关。将纳米材料应用于精细化工领域可以大大提高精细化工的优越性和独特性。如今,纳米材料已经在精细化工领域中的橡胶、塑料及涂料等方面发挥了巨大的作用,如橡胶中进行纳米SiO2的添加大大提高了橡胶原有的抗辐射及其抗红外反射的作用。若将纳米材料A12O3及SiO2添加至普通橡胶之中,不仅可以大幅度提高其原有的耐磨性及其介电特性,同传统的白炭黑填料的橡胶而言其弹性效果也得到了大幅度地提高。将纳米材料添加至塑料中可大幅度提高其原有强度及其韧性,同时还提高了其致密效果及其防水效果。如今国外已将纳米SiO2添加到了密封胶及粘合剂之中,因而大大提高了密封胶的密封性和粘合剂的粘合性。

 

此外,超细TiO2也应用到了多个行业领域中,如涂料、塑料、化妆品及人造纤维等领域,最近还有报道称将其应用到了于食品包装及高档汽车面漆中,大大提高了原有材料的性能。TiO2不仅可以将阳光中所含的紫外线吸收过来,同时还可以产生极强的光化活性,因而可通过光催化作用实现工业废水中有机污染成分的有效降解,这种降解方式不仅除净度极高,没有二次污染,且适用性广泛,因而在环保水处理领域具有极好的应用前景。