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化工生产中纳米材料的应用

作者:admin 更新时间:2019年06月03日 10:02:20

  摘要:近年来,纳米材料在化工生产领域也得到了一定的应用,并显示出它的独特魅力。在催化方面的应用催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用,它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。纳米粒子表面活性中心多,为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒子作催化剂,可大大提高反应效率,控制反应速度,甚至使原来不能进行的反应也能进行。


  关键词:纳米材料,化工,生产,效率


  在高新技术中,纳米技术、生物技术和信息技术对化学工业发展有着深远的影响,对于材料科学而言,当首推纳米技术。它不仅能推动化学反应、催化和许多单元操作的突破性的改进,而且提供了纳米多孔材料、纳米粒子、纳米复合材料、纳米传感器等新型材料以及化学机械抛光、药物可控释放、独特的去污作用等功能应用,为化工新材料发展及其应用开辟了广阔的前景。


  纳米材料(又称超细微粒、超细粉未)是处在原子簇和宏观物体交界过渡区域的一种典型系统,其结构既不同于体块材料,也不同于单个的原子。其特殊的结构层次使它具有表面效应、体积效应、量子尺寸效应等,拥有一系列新颖的物理和化学特性,在众多领域特别是在光、电、磁、催化等方面具有非常重大的应用价值。


  一、通用塑料的工程化和化学纤维改性


  近年来出现了各种新型的功能性化学纤维,其中不少是应用了纳米技术,如日本帝人公司将纳米ZnO和纳米SiO2混入化学纤维,得到具有除臭及静化空气功能的化学纤维,这种化学纤维被广泛用于制造长期卧床病人和医院的消臭敷料、绷带、睡衣等;日本仓螺公司将纳米ZnO加入到聚酯纤维中,制得了防紫外线纤维,该纤维除了具有防紫外线功能外,还具有抗菌、消毒、除臭的功能。在通用塑料中加入纳米粒子能使其达到工程塑料的性能,用纳米技术对通用聚丙烯进行改性,其性能达到了尼龙6的性能指标,而成本却降低1/3。


  二、在涂料方面的应用


  纳米材料由于其表面和结构的特殊性,具有一般材料难以获得的优异性能,显示出强大的生命力。借助于传统的涂层技术,添加纳米材料,可获得纳米复合体系涂层,实现功能的飞跃,使得传统涂层功能改性。涂层按其用途可分为结构涂层和功能涂层。在涂料中加入纳米材料,可进一步提高其防护能力,实现防紫外线照射、耐大气侵害和抗降解、变色等,在卫生用品上应用可起到杀菌保洁作用。在标牌上使用纳米材料涂层,可利用其光学特性,达到储存太阳能、节约能源的目的。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。日本松下公司已研制出具有良好静电屏蔽的纳米涂料,所应用的纳米微粒有氧化铁、二氧化钛和氧化锌等。这些具有半导体特性的纳米氧化物粒子,在室温下具有比常规的氧化物高的导电特性,因而能起到静电屏蔽作用,而且氧化物纳米微粒的颜色不同,这样还可以通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色,克服炭黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。纳米材料的颜色不仅随粒径而变,还具有随角变色效应。在汽车的装饰喷涂业中,将纳米TiO2添加在汽车、轿车的金属闪光面漆中,能使涂层产生丰富而神秘的色彩效果,从而使传统汽车面漆旧貌换新颜。纳米SiO2是一种抗紫外线辐射材料。在涂料中加入纳米SiO2,可使涂料的抗老化性能、光洁度及强度成倍地增加。纳米涂层具有良好的应用前景,将为涂层技术带来一场新的技术革命,也将推动复合材料的研究开发与应用。


  三、纳米材料在化工生产中应用


  由于纳米材料的特殊结构和特殊性能,使纳米材料在化工生产中得到了广泛的应用,主要应用在以下几方面。


  1。在化学改性方面


  炭黑纳米粒子加入到橡胶中后可显著提高橡胶的强度、耐磨性、抗老化性,这一技术早已在橡胶工业中运用。纳米技术在制造彩色橡胶中也发挥了独特的作用,过去的橡胶制品一般为黑色(纳米级的炭黑较易得到)。若要制造彩色橡胶可选用白色纳米级的粒子(如白炭黑)作补强剂,使用纳米粒子级着色剂,此时橡胶制品的性能优异。把纳米粒子添加到塑料中,对增加塑料韧性有较大的作用。用纳米级SiC/Si3N4粒子经钛酸酯处理后填充LDPE,当添加量为5%时冲击强度最大,缺口冲击强度为55.7kj/m2,是纯LDPE的2倍多;断裂伸长率到625%时仍未断裂,为纯LDPE的5倍。用纳米级CaCO3,改性HDPE,当纳米级CaCO3含量为25%时,冲击强度达到最大值,最大冲击强度为纯HDPE的1.7倍,断裂伸长率在CaCO3含量为16%时最大,约为660%超过纯HDPE的值。


  2.在催化方面的应用


  催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用,它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低,而且其制备是凭经验进行,不仅造成生产原料的巨大浪费,使经济效益难以提高,而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多,为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒子作催化剂,可大大提高反应效率,控制反应速度,甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10~15倍。


  3.在其它精细化工方面的应用


  精细化工是一个巨大的工业领域,产品数量繁多,用途广泛,并且影响到人类生活的方方面面。纳米材料的优越性无疑也会给精细化工带来福音,并显示它的独特畦力。在橡胶、塑料、涂料等精细化工领域,纳米材料都能发挥重要作用。如在橡胶中加入纳米SiO2,可以提高橡胶的抗紫外辐射和红外反射能力。纳米Al2O3,和SiO2,加入到普通橡胶中,可以提高橡胶的耐磨性和介电特性,而且弹性也明显优于用白炭黑作填料的橡胶。塑料中添加一定的纳米材料,可以提高塑料的强度和韧性,而且致密性和防水性也相应提高。国外已将纳米SiO2,作为添加剂加入到密封胶和粘合剂中,使其密封性和粘合性都大为提高。此外,纳米材料在纤维改性、有机玻璃制造方面也都有很好的应用。在有机玻璃中加入经过表面修饰处理的SiO2,可使有机玻璃抗紫外线辐射而达到抗老化的目的;而加入A12O3,不仅不影响玻璃的透明度,而且还会提高玻璃的高温冲击韧性。一定粒度的锐钛矿型TiO2具有优良的紫外线屏蔽性能,而且质地细腻,无毒无臭,添加在化妆品中,可使化妆品的性能得到提高。超细TiO2的应用还可扩展到涂料、塑料、人造纤维等行业。最近又开发了用于食品包装的TiO2及高档汽车面漆用的珠光钛白。纳米TiO2,能够强烈吸收太阳光中的紫外线,产生很强的光化学活性,可以用光催化降解工业废水中的有机污染物,具有除净度高,无二次污染,适用性广泛等优点,在环保水处理中有着很好的应用前景。


  纳米技术将不断发生变化,展望前景是光明的。当然,纳米技术也与其它技术一样,对环境和社会有正反两方面的影响。提高能源生产和供应效率,对产业和环境都是有好处的,例如通过减轻复合材料重量,应用替代能源(提高太阳能和风能效率及经济性)以及扩大燃料电池应用等,达到节省大量能源的效果。其它具有竞争力的方面为纳米粒子在医学上应用,有效地进行药品施放,但纳米粒子对人类健康的影响尚无定论。任何一个新的化合物和产品在批准应用之前都必须进行全面鉴定,在化学工业化前要经过长期应用研究。当前用以评价这类产品的通用程序和方法将面临许多挑战。