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探析納米材料在化工行業(yè)中的應用
文章來自3edu教育網(wǎng) 摘要:充滿生機的二十一世紀,以知識經(jīng)濟為主旋律和推動力正引發(fā)一場新的工業(yè)革命,節(jié)省資源、合理利用能源、凈化生存環(huán)境是這場工業(yè)革命的核心,納米技術在生產(chǎn)方式和工作方式的變革中正發(fā)揮重要作用,它對化工行業(yè)產(chǎn)生的影響是無法估量的。這里主要介紹納米材料在化工領域中的幾種應用。
關鍵詞:納米材料;化工領域;應用
納米材料(又稱超細微粒、超細粉末)是處在原子簇和宏觀物體交界過渡區(qū)域的一種典型系統(tǒng),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。
納米材料在結構、光電和化學性質等方面的誘人特征,引起物理學家、材料學家和化學家的濃厚興趣。80年代初期納米材料這一概念形成以后,世界各國對這種材料給予極大關注。它所具有的獨特的物理和化學性質,使人們意識到它的發(fā)展可能給物理、化學、材料、生物、醫(yī)藥等學科的研究帶來新的機遇。納米材料的應用前景十分廣闊。近年來,它在化工生產(chǎn)領域也得到了一定的應用,并顯示出它的獨特魅力。
一、納米材料的特殊性質
(一)力學性質
高韌、高硬、高強是結構材料開發(fā)應用的經(jīng)典主題。具有納米結構的材料強度與粒徑成反比。納米材料的位錯密度很低,位錯滑移和增殖符合Frank-Reed模型,其臨界位錯圈的直徑比納米晶粒粒徑還要大,增殖后位錯塞積的平均間距一般比晶粒大,所以納迷材料中位錯滑移和增殖不會發(fā)生,這就是納米晶強化效應。
(二)磁學性質
當代計算機硬盤系統(tǒng)的磁記錄密度超過1.55Gb/cm2,在這情況下,感應法讀出磁頭和普通坡莫合金磁電阻磁頭的磁致電阻效應為3%,已不能滿足需要,而納米多層膜系統(tǒng)的巨磁電阻效應高達50%,可以用于信息存儲的磁電阻讀出磁頭,具有相當高的靈敏度和低噪音。
(三)電學性質
由于晶界面上原子體積分數(shù)增大,納米材料的電阻高于同類粗晶材料,甚至發(fā)生尺寸誘導金屬——絕緣體轉變(SIMIT)。利用納米粒子的隧道量子效應和庫侖堵塞效應制成的納米電子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特點,有可能在不久的將來全面取代目前的常規(guī)半導體器件。
(四)熱學性質
納米材料的比熱和熱膨脹系數(shù)都大于同類粗晶材料和非晶體材料的值,這是由于界面原子排列較為混亂、原子密度低、界面原子耦合作用變弱的結果。因此在儲熱材料、納米復合材料的機械耦合性能應用方面有其廣泛的應用前景。
二、納米材料在化工行業(yè)中的應用
(一)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(shù)傳統(tǒng)的催化劑不僅催化效率低,而且其制備是憑經(jīng)驗進行,不僅造成生產(chǎn)原料的巨大浪費,使經(jīng)濟效益難以提高,而且對環(huán)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。納米粒于作催化劑,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。
納米微粒作為催化劑應用較多的是半導體光催化劑,特別是在有機物制備方面。分散在溶液中的每一個半導體顆粒,可近似地看成是一個短路的微型電池,用能量大于半導體能隙的光照射半導體分散系時,半導體納米粒子吸收光產(chǎn)生電子——空穴對。在電場作用下,電子與空穴分離,分別遷移到粒子表面的不同位置,與溶液中相似的組分進行氧化和還原反應。
(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(yōu)異性能,顯示出強大的生命力。表面涂層技術也是當今世界關注的熱點。納米材料為表面涂層提供了良好的機遇,使得材料的功能化具有極大的可能。借助于傳統(tǒng)的涂層技術,添加納米材料,可獲得納米復合體系涂層,實現(xiàn)功能的飛躍,使得傳統(tǒng)涂層功能改性。涂層按其用途可分為結構涂層和功能涂層。結構涂層是指涂層提高基體的某些性質和改性;功能涂層是賦予基體所不具備的性能,從而獲得傳統(tǒng)涂層沒有的功能。結構涂層有超硬、耐磨涂層,抗氧化、耐熱、阻燃涂層,耐腐蝕、裝飾涂層等;功能涂層有消光、光反射、光選擇吸收的光學涂層,導電、絕緣、半導體特性的電學涂層,氧敏、濕敏、氣敏的敏感特性涂層等。在涂料中加入納米材料,可進一步提高其防護能力,實現(xiàn)防紫外線照射、耐大氣侵害和抗降解、變色等,在衛(wèi)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(jié)約能源的目的。在建材產(chǎn)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(chǎn)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(guī)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(yè)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(chǎn)生豐富而神秘的色彩效果,從而使傳統(tǒng)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(fā)與應用。
(三)在精細化工方面的應用
精細化工是一個巨大的工業(yè)領域,產(chǎn)品數(shù)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(yōu)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(fā)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(yōu)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。
納米科學是一門將基礎科學和應用科學集于一體的新興科學,主要包括納米電子學、納米材料學和納米生物學等。21世紀將是納米技術的時代,為此,國家科委、中科院將納米技術定位為“21世紀最重要、最前沿的科學”。納米材料的應用涉及到各個領域,在機械、電子、光學、磁學、化學和生物學領域有著廣泛的應用前景。納米科學技術的誕生,將對人類社會產(chǎn)生深遠的影響,并有可能從根本上解決人類面臨的許多問題,特別是能源、人類健康和環(huán)境保護等重大問題。
參考文獻:
[1]張立德,牟季美,納米材料和納米結構,科學出版社,2001.
[2]嚴東生,馮端,材料新星?納米材料科學,湖南科學技術出版社,1998年.
[3]H.Gleiter (德)著,崔平,方永,葛庭燧譯,納米材料,原子能出版社,1994年.
[4]Dyer P E, Farley R J, Giedl R, et al.. Excimer laser ablation of polymers and glasses for grating 文章來自3edu教育網(wǎng)
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