摘要：汽车纳米技术的发展已经在涂料工业中发挥了重要的作用，它以其优异的性能开辟了许多新的应用领域，因此在涂料行业受到了广泛的关注，开发应用汽车纳米涂料成为涂料行业重要课题。本文介绍了纳米涂料的概念和特点;纳米涂料的特殊性能和功能;以及纳米材料在汽车涂料中的应用;同时指出了汽车纳米涂料今后的研发重点。
关键词：纳米涂料;环保;发展
1·开发汽车纳米涂料成为涂料业的重要课题
汽车表面需要涂料的保护和装饰，涂层质量不但决定着汽车的美观与否，而且直接影响着汽车的市场竞争力。所以汽车面漆除要求具有高装饰性外，还要求有优良的耐久性，包括抵抗紫外线、水分、化学物质及酸雨的侵蚀和抗划痕的性能。
汽车面漆是最终决定汽车美观与否的关键，所以涂层必须具有高装饰性(鲜艳性)、户外耐久性及抗污性等。汽车面漆以美观豪华性分为单色面漆和金属闪光面漆两大类。为满足汽车，特别是高档轿车的要求，国内对汽车面漆开展了许多研究，部分油漆厂引进了国外汽车面漆或全套汽车涂料。当以不同颜色的单色面漆或闪光面漆涂覆后，汽车的美观性则大大增加。
由于静电的作用会引起诸多麻烦，因此汽车内饰件涂料及塑料部件用防静电涂料的开发和应用日益广泛。美国用纳米材料作为静电屏蔽涂层，日本利用纳米氧化物制成多颜色的静电屏蔽涂料，还研发了汽车塑料部件用无裂纹抗静电透明涂料。
另外，纳米材料还具有随角变色的效应，在汽车的装饰喷涂中，作为后起之秀的随角变色效应颜料是纳米材料应用中最重要和最有发展前途的应用领域之一。例如将纳米TiO2添加在汽车、轿车等金属闪光面漆中，能使涂层产生丰富而变幻莫测的色彩效果。纳米粉与闪光铝粉或云母珠光颜料并用于涂料体系时，能在涂层的光照区的侧光区反射蓝色乳光，从而增加金属面漆颜色的丰满度，产生独特的视觉效果。
汽车烤漆的剥落与老化，是造成汽车美观程度变差的主要因素，其中又以老化为棘手且难以控制的问题。影响烤漆老化的因素很多，但其中最关键的当属太阳光中的紫外线，紫外线容易使材料的分子链断裂，进而使材料性能老化，因为紫外线会引起涂层中主要成膜物质的分子链断裂，形成非常活泼的游离基，这些游离基进一步引起整个主要成膜物质分子链的分解，最后导致涂层老化变质。对有机涂层而言，由于紫外线是所有因素中，最具侵蚀性的，因此若能避开紫外线的作用，则可大幅提高漆膜的耐老化性能。目前最能有效遮蔽紫外线的材料，首推TiO2纳米粒子。TiO2纳米粒子是20世纪80年代末发展起来的主要纳米材料之一。纳米TiO2的光学效应随粒径而变，尤其是纳米金红石型TiO2具有随角变色效应，是汽车烤漆中最重要和最有发展前途的改质材料。纳米TiO2对紫外线的屏蔽以散射为主，粒径是影响散射能力的重要因素之一。由理论推导得出，纳米TiO2粒径在65μm－130μm之间，对紫外线的散射效果最佳。纳米颗粒分散在有机聚合物骨架中，作承受负载的填料，与骨架材料相互作用，有助于提高材料的韧性和其他机械性能。
研究表明。将10%的纳米级TiO2粒子完全分散于树脂中，可提高机械性能，尤其抗划痕性能大大提高，而且外观好，利于制造汽车面漆涂料。将改性纳米CaCO3以15%加入聚氨酯清漆中，可提高清漆涂料光泽、流平性、柔韧性及涂层硬度等。
影响汽车使用寿命的最为重要的因素莫过于耐候性了。汽车外部零件如保险杠、挡泥板以及车门的镶边等所选择的涂料其耐候性是最突出的要求，另外也要求能够有较好的耐介质性和耐磨性。因此汽车上那些经常受到外界因素摩擦、冲击的部位，最好采用具有防护作用的涂料。利用纳米材料特殊的抗紫外线、抗老化、高强度和韧性、良好的静电屏蔽效应、色泽变换效应及抗菌消臭功能等，开发和制备新型、性能优异的汽车涂料，具有广阔的应用和发展前景。
2·纳米涂料的概念和特点
纳米材料是指颗粒粒径在1nm－100nm之间，并且具有特殊物理化学性能的材料，广义的纳米材料包括在三维结构中有一维的长度在1nm－100nm之间或者具有纳米结构的材料。纳米材料具有很多神奇的功能，如界面效益、小尺寸效应、宏观量子效应、光催化效应等。使得它们在磁、光、电、敏感等方面呈现常规材料不具备的特性。因此纳米微粒在磁性材料、电子材料、光学材料、高致密度材料的烧结、催化、传感、陶瓷增韧等方面有广阔的应用前景。
一般来说，纳米涂料必须满足两个条件:首先，涂料中至少有一相的粒径尺寸在1nm－100nm的粒径范围;其次，纳米相的存在使涂料的性能要有明显的提高或具有新的功能。将纳米级的材料简单地加入后，性能没有明显提高的产品算不上是纳米产品，并不是添加了纳米材料的涂料就能称之为纳米涂料的。在国外，许多涂料产品均使用了纳米技术，但出于技术保密，并没有直接称作纳米涂料。纳米涂料能产生负离子，对人体有保健作用。纳米涂料在日光灯、紫外线和阳光照射下，可以促进空气负离子的产生，并随着时间的增大，负离子增多会更加明显，而且在释放负离子的同时无臭氧产生;能分解和吸收空气中的有害物质，特别是板材释放出的苯、甲醛以及聚酯漆释放的TDI等;具有独特的防霉、杀菌功能。
该涂料有独特的防霉杀菌作用，产品在贮存及涂刷后能有效防止霉菌的滋生，空气中霉菌、细菌数可降低90%以上;具有超强自洁功能，具有超强的耐洗刷性。其耐洗刷性，超过国家合格产品标准的200倍;具有超强的耐人工老化性，可保证使用后15－20年不脱粉、漆膜完好，免去经常翻新的麻烦;具有防水、隔离红外线，超强隔热的作用。
20世纪的工业文明给人类带来了空前的新生活，同时也毁坏了环境，这种对人体有害的发展模式催生了环境与居住新观念，引发了对健康空间居住的要求。绿色的、环保的、可持续的、和谐的等诸如此类的发展，成为当今世界普遍要求。这种基于保障健康的发展必然要求从技术方面改进和创新来满足。因此，对于以健康为基础的消费走向来看，不是观念的问题，而是技术的开发难度和成本与产出的关系所形成的普及程度问题。环境污染问题越来越受到世界各国政府重视，采用纳米二氧化钛进行光催化，是一项正在蓬勃兴起的新型空气净化技术。它能直接利用包括太阳光在内的各种途径的紫外光，在室温下对各种有机的或无机的污染物进行分解或氧化，达到从空气中清除这些污染物的效果。该项技术具有能耗低、易操作、除净度高等特点，尤其对一些特殊的污染物具有比其他方法更突出的去除效果，而且没有二次污染，这种技术已经成为各国高科技竞争中的一个热点。
因此，具有广泛的应用前景。
3·纳米材料在汽车涂料中的应用
纳米涂料一般都是由纳米材料与有机涂料复合制成的，因此，更科学地讲应称作纳米复合涂料。纳米涂层材料还包括金属纳米涂层材料和无机纳米涂层材料。金属纳米涂层材料主要是指材料中含有纳米晶相，无机纳米涂层材料则由纳米粒子之间的熔融、烧结复合而得。我们经常所说的纳米涂料均为有机纳米复合涂料。
纳米材料种类繁多，性能各异，即使同一种纳米粒子在不同粒径下也可能会有不同的功能，不同种类的纳米粒子也可以在涂料中起到同一作用。因此，需要进行大量的研究开发工作，才有可能得到性能理想的纳米涂料。
在面漆中加入纳米材料TiO2，可以屏蔽太阳光中的紫外线，大幅提高漆膜的耐老化性能，纳米材料TiO2对紫外线的屏蔽以散射为主，粒径是影响散射能力的重要因素之一。计算出纳米材料TiO2屏蔽紫外线的最佳粒径为65μm－130μm。选用极性比较强的树脂，利用物理包覆法可以分散纳米粒子。优选出纳米粒子分散剂，用高速搅拌、砂磨法可以分散纳米粒子。利用纳米粒子和颜料粒子的互相衬托嵌镶作用抑制纳米粒子的团聚，保持了纳米涂料的稳定性。漆膜的光泽、耐水性、耐紫外线老化性能比原来有较大提高，耐紫外线老化性能提高20%以上。纳米TiO2的最佳加入量为0.6%－2.0%。纳米材料应用于涂料，主要是提高涂料的装饰性、防腐蚀性，尤其是赋予涂料各种各样的功能性和特殊性能。
光催化涂料。采用纳米TiO2进行光催化是一项正在蓬勃兴起的新型空气净化技术。它能直接利用包括太阳光在内的各种途径的紫外光，在室温下对各种有机的或无机的污染物进行分解或氧化，达到从空气中清除这些污染物的效果。该项技术具有能耗低、易操作、除净度高等特点，尤其对一些特殊的污染物具有比其他方法更突出的去除效果，而且没有二次污染，因此具有广泛的应用前景。目前，在光催化技术的理论研究方面，日本、美国、德国均投入巨资开展研究与开发工作，并大力推动其产业化，其中纳米光催化涂料已经用于医院、隧道、隔音墙和住宅等。在日本，大批公司正在这个新兴的技术领域进行角逐，其中最突出的品牌是ARC－FLASH光触媒，为日本光触媒涂料第一品牌，其功能受日本厚生省实验证明，效果获日本国土交通省认可，杀菌、脱臭、自净、防霉，可有效防止各种疾病的传染，杀菌率高达99.99%，除臭率高达99.8%。该类涂料可以用于各种场合的室内污染的治理且效果突出。
汽车金属闪光涂料。国外将纳米材料用于涂料中的另一个成功例子是豪华轿车面漆。用纳米级TiO2与铝粉颜料或云母珠光颜料混合用于涂料中，其涂层具有随角异色性，从不同角度观察其反射光可看到不同的颜色。与闪光铝粉或云母珠光颜料并用于涂料体系时，能在涂层的照光区呈现一种金红色亮光，而在侧光区则反射蓝色乳光，因而能增加金属颜色的丰满度和视角闪色性。这使得该涂料在高档轿车涂装中很快得到推广应用，BASF公司已能生产多种含纳米TiO2的金属闪光面漆。目前已有福特、克莱斯勒、丰田、马自达等著名的汽车制造公司使用含TiO2的轿车金属闪光面漆。国内已着手此方面的研究。
屏蔽涂料。在紫外光屏蔽方面，作为重要的光学颜料，纳米TiO2的紫外光屏蔽特征一直受到广泛关注。
因为用作涂料基料的高分子树脂受到太阳中紫外线的长期照射会导致分子链的降解，影响涂膜的物性，传统的紫外光吸收剂主要为有机物，但是有机紫外光吸收剂的寿命短、有毒，而纳米TiO2粒子是一种稳定的无毒的紫外光吸收剂。将无机纳米材料与树脂复合制备的涂料涂覆在固体表面，得到纳米级“褥垫”可以缓解原子或分子簇的高速冲击。该技术可以用来制备纳米级表面涂层。
纳米玻璃涂料。利用纳米粉体材料对紫外线反射特性，将纳米TiO2粉体按一定比例加入到涂料中，将其涂于车窗玻璃表面，可以有效地遮蔽紫外线，使乘员免受紫外线辐射，还可以分解沉积在玻璃上的污物，氧化有害气体，杀灭空气中的细菌，具有防污、防尘、耐刮、耐磨、防火、净化车内环境、保证乘员身体健康等作用。
亲水玻璃纳米涂料。主要用于汽车挡风玻璃防水等，这种涂料具有防水除尘和自动清洁玻璃的作用，减少清洗费用和水资源，避免大量使用清洗剂从而达到环保的效果。自洁玻璃上的纳米膜与太阳光线中的紫外线反应，会产生双重作用:其一它能使玻璃表面变成亲水性的，能把雨点或雾气变成一个薄层而使玻璃表面湿润，并洗掉玻璃表面的脏物。其二是催化作用，即可以使可见光中的紫外线分解落在玻璃上的有机物，这种纳米涂层还能不断分解甲醛、苯、氨气等有害气体，杀灭室内空气中的各种细菌和病毒，有效地净化空气，减少污染。
疏水纳米玻璃涂料也称万能型纳米涂料。主要用于各种玻璃和陶瓷产品。这种涂料可以在汽车下雨时轻松地吹掉玻璃上的雨水，因为这种纳米涂料本身具有一种荷叶效能，使水珠在玻璃上滑落，大大减轻驾驶员的视觉障碍。该产品的最大特点就是容易清洗。
碰撞变色涂料。碰撞变色涂料是为了防止汽车碰撞留下隐患，在碰撞变色涂料内含有微型胶囊，胶囊中装有染料。涂有这种碰撞变色涂料的汽车，一旦外壳受到碰撞等强外力作用时，胶囊就会破裂，释放出染料，使受撞部位颜色立即改变或变成指定颜色，以提醒人们重视。使用碰撞变色涂料后可根据变色情况对撞伤部位进行修复。
抗石击涂料。汽车车体最贴近地面的部分，经常受到各种溅起的碎石、瓦砾冲击，最好采用具有抗石击作用的防护涂料;在汽车窗导槽等经常摩擦磨损部位，应该使用具有低摩擦系数的涂料。在汽车涂料中添加纳米CaCO3、纳米TiO2等可提高涂层的表面强度，提高耐磨性，减少碎石、瓦砾的冲击损伤。
防静电涂料。由于静电的作用会引起诸多麻烦，因此汽车内饰件涂料及塑料部件用防静电涂料的开发和应用日益广泛。用纳米材料与树脂复合可作为静电屏蔽涂层应用到汽车上。
除臭涂料。在新车中往往会有异味，它们来源于汽车内装饰材料中的树脂添加剂里所含的挥发性物质。另外，汽车内的香烟味、汗臭味被座椅、壁板等表面吸收后，留存于汽车内也很难清除。纳米材料具有很强的抗菌消臭功能与吸附能力，因此利用某些纳米微粒作载体，吸附抗菌离子，制成脱臭涂料用于汽车内饰等表面可达到杀菌、抗菌的目的。纳米微粒具有优越的抗菌、消毒、除臭功能，因此把它作为功能助剂对天然纤维进行后整理，可以获得性能良好的抗菌纤维，用于汽车内饰纺织品、窗帘用纺织品等，能够吸收异味净化空气。
新近开发出的高性能高固体反光纳米标线涂料系列产品是水性和溶剂型的液态涂料，单组份的，固体分含量达到70%－80%，成膜物是厚膜型(0.4mm－0.8mm)，常温快于(4min－6min)的昼夜可视性能优秀的功能性反光涂料。
在路面标线应用，能降低综合成本，大幅提高施工效率，在生产、贮存、施工中都符合“环保、资源、效益”同步优化，达到国际先进水平的目的。
4·纳米涂料今后的研发重点
纳米涂料今后应在以下几个方面重点突破:
耐候性:一些纳米粒子对于紫外线有较强的吸收能力，据此将纳米TiO2、SiO2、ZnO等颗粒填充于涂料中，可显著提高涂料的紫外线吸收性，从而提高户外用涂料的耐候性。如提高汽车面漆等的耐老化性，使涂层的寿命提高50%甚至100%。
电磁性:目前电磁波的辐射污染已成为人类的第四大公害，如何有效屏蔽电磁波，防止电磁波辐射的污染，已成为当前急待解决的重大课题。利用纳米粒子的静电屏蔽性，可制得防静电性能比传统防静电涂料更为优异的静电屏蔽涂料，对解决移动电话、对讲机、飞机客舱屏蔽、电脑、电视、微波炉、通讯电缆各保密室的屏蔽，强化对于强电磁场环境下工作的人员的人体防护，可收到理想的效果。
力学性能:某些纳米材料用于涂料中，可以大幅提高有机涂层的力学性能，如改善涂层的耐磨性、耐划伤性、硬度、强度及韧性等，可以用于汽车面漆、汽车玻璃易磨损易腐蚀金属部件等的保护，大大延长产品的使用寿命。
抗菌性和大气净化性:将纳米抗菌粉用于涂料中，涂覆在产品的表面，起到杀菌、保洁作用。利用TiO2、ZnO、CdS、WO2等纳米粒子的光催化特性，可将大气中的NOx转化成硝酸。
其它功能性涂料:采用纳米技术可制成纳米界面涂料，其涂膜界面为既疏水又避油的超双亲性二元协同界面，将其涂在产品的表面上，任何油质、水、灰尘等都不会存留于表面。
5·结语
汽车涂料被认为是涂料最高水平的体现，纳米技术的发展虽然是瞬息间的事情，但是却已经在涂料工业中发挥了重要的作用，它以其优异的性能开辟了许多新的应用领域。纳米技术为涂料工业的发展提供了一个难得的发展机会，纳米涂料具有十分广阔的市场前景。 |
