有关纳米功能镀膜技术在建筑节能中的应用毕业论文写作资料-论文写作网

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镀膜纳米论文范文

一、纳米功能镀膜技术简介

纳米功能镀膜技术是指将包含不同种类、不同粒径、不同形貌的无机纳米材料与特殊粘接材料进行杂化复合制成的透明或半透明液体,采用适当工艺或装备在各种物质表面进行化学组装,形成均匀、稳定、牢固的转化膜或透明涂层.膜层的厚度一般处于纳微米量级,具有疏水、疏油（或亲水、亲油）、隔热保温、防静电、防雾、防冰、自清洁、抗腐蚀、耐高温、耐磨、防火、防伪等特点.

纳米功能镀膜技术包括2个部分,一是制备出具有一定功能的纳米材料稳定均匀分散体和镀液,这是材料基础；二是研制出适应不同基材、实现不同功能的镀膜工艺和装备,这是纳米功能镀膜技术实现产业化应用的关键.关于镀膜材料,国内外很多研究机构开展了大量研究,目前已经开发出了近30种不同功能的材料.其中,在北京市科学技术委员会等部门的支持下,北京首创纳米科技有限公司（简称“首创纳米”）成功研制出了X2系列纳米防护液并开发出了相应的镀膜工艺和装备,现已具备大规模产业化的条件,并已在多个领域展开应用.

二、纳米功能镀膜技术典型应用案例

1.阻燃防火

万众瞩目的北京奥运会开幕式在国家体育场（简称“鸟巢”）举行,燃放焰火和礼花成为开幕式的重要亮点,鸟巢的上层膜采用乙烯与聚四氟乙烯共聚物材料（E T F E）,该材料具有优异的物化性能和良好的透光性,但工作温度要求150℃以下,熔点265℃.然而,普通礼花燃烧的温度超过400℃,即使是冷焰火燃烧时的温度也达到270℃,也就是说,只要有未燃尽的焰火余灰与上层膜直接接触,膜就很容易被烧化.北京奥运会开闭幕式运营中心有关工作组做了大量的实验预防工作,在试放中仍然出现膜被烧化、烧穿现象,因此非常有必要对鸟巢的外膜进行防火保护处理.

北京奥运会开闭幕式运营中心有关工作组咨询了包括膜材料供应商的专家以及多名业内人士,得到的结论是“很难提高该膜的耐燃烧性能”.于是,首创纳米组织了各方面技术人员进行集中攻关,在北京奥运会开闭幕式运营中心工作组成员的紧密合作和帮助下,联合清华－首创纳米材料联合实验室、北京表面纳米工程研究中心的专家进行了攻关,在现有国家“863”计划纳米防火涂料技术成果的基础上,试制出了具有极强粘接力、耐700℃高温、透明的特种防护材料,涂敷在E T F E膜上.经过实验测试,E T FE膜材料耐火时限提高了近10倍（从6s提高到50s以上,见图1、图2所示）,大大地提高了膜的安全系数,消除了现场焰火的潜在隐患.

在E T F E膜表面涂覆透明耐燃烧涂层主要有2个技术难点：一是要处理E T F E膜表面,使其表面能提高,能够附着其他功能涂层（这是最重要的基础,这也是公认的技术难题）；二是要开发出透明的、环保型隔热防火涂料.首创纳米采用含有纳米三氧化二锑（Sb2O3）、纳米二氧化硅（SiO2）等材料的纳米防护液,通过对鸟巢使用的E T F E膜表面进行镀膜处理,最终获得良好的阻燃效果,具体的实验数据见图3、图4所示.

2.玻璃幕墙自清洁

玻璃幕墙是一种美观的建筑墙体装饰材料,能充分体现建筑师的想象力,展示建筑物的现代风格,发挥玻璃本身的特性,使建筑物显得别具一格.然而,在使用玻璃幕墙过程中存在着耐污性差的问题,玻璃幕墙极易蒙尘纳垢,破坏城市景观,玻璃幕墙清洗的难度大,而且大量使用有机溶剂,清洗后易对周围环境造成污染,同时,清洗废液的排放也是难题.因此,开发具有自清洁功能的玻璃涂层成为当前研究的热点.英国Pilkington公司、美国PPG公司等行业巨头纷纷推出了具有自清洁功能的镀膜玻璃,但是这些自清洁镀膜玻璃论文范文昂贵,在中国很少使用.国家大剧院在选择自清洁技术时,尝试采用纳米镀膜的方式,并在中国科学院江雷院士的指导下取得了一定成功,此后,经过首创纳米等公司不断进行深入的研究和推广,又开发出了系统的镀膜材料和工艺装备,目前,纳米自清洁镀膜玻璃幕墙产品获得了业内的广泛认可.

自清洁镀膜是指在玻璃表面镀一层具有超亲水〔即表面与水的接触角（CA）小于5°﹞的膜.超亲水表面的形成方法主要有2种：一种是通过对物质表面化学和几何微结构的改造,质感的表面或微孔表面可以使材料具有超亲水性能；另一种是利用光催化物质,使其受紫外光或可见光的辐射影响后具有超亲水的性能.在通常情况下,二氧化钛（T i O2）薄膜表面与水接触角较大,当T i O2表面受到紫外线照射时,T i O2的价带电子被发到导带,分别生成T i3+和氧空位,空气中的水分子与氧空位键合形成表面羟基,从而形成物理吸附水层,其表面就会有极强的亲水性,与水的接触角减小到5°以下,甚至水滴可以完全浸润T i O2薄膜表面.在紫外光的辐照下,水能够在超亲水膜上形成水膜,防止小液滴的形成.由于超亲水效果,表面亲水污物很容易被雨水冲洗去,油性物质被水膜隔离或被催化为水和二氧化碳,形成所谓“自清洁”的效果.亲水自清洁机理示意图如图5所示.

超亲水涂层性能优异、应用广泛,可以用于自清洁、防雾、提高表面热交换效率等,可用在透明玻璃上,如建筑物窗玻璃、运输工具窗玻璃、挡风玻璃、后视镜、浴室镜子、眼镜镜片、测量仪器的玻璃罩等.

3.陶瓷洁具智洁

近年来,一种在陶瓷（包括卫生洁具）、玻璃、高档石材表面镀膜形成仿荷叶效果的技术非常盛行,日本东陶（T O T O）公司、德国弗郎霍夫公司等都有应用,业内流行叫做“纳米智洁”技术.该技术是在陶瓷釉层、玻璃表层等表面渗透形成一层表面光滑（粗糙度在纳米量级）、超疏水的纳米膜,这种纳米薄膜与无机材质表面以非常牢固的化学键结合,可以实现用少量水冲洗就可轻易除去各种污染物.使用了纳米智洁镀膜的TOTO马桶容易保持长久清洁光亮,使用了纳米智洁镀膜的汽车挡风玻璃具有防尘、防冰、下雨天保持良好视线的优点,使用了纳米智洁镀膜的高档石材具有防水、防滑、易清洁的特点.在国内,首创纳米在纳米智洁镀膜方面处于国内领先水平,其中,北京“钓鱼台7号院”的卫生间大量使用了首创纳米生产的纳米智洁镀膜,除此之外,首创纳米还开发出了用于汽车前挡风玻璃的纳米防护镀膜产品,并与国内某知名陶瓷企业合作进行在线镀膜生产.

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纳米智洁镀膜技术的核心是创造具有超疏水的表面,基于超疏水原理的自清洁表面主要是指C A≥ 150°、滚动角（S A）＜ 10°的类荷叶表面.德国玻恩大学植物学教授W.Bartblott研究了荷花叶子的结构和荷叶效应机理.经研究发现,荷花叶子之所以具有以上性能,是因为叶子表面既憎水又有一个显微结构,如图6所示.

在荷叶粗糙的表面上,水珠只是与荷叶表面乳瘤的部分蜡质晶体毛茸相接触,明显地减少了水珠与固体表面的接触面积,扩大了水珠与空气的界面,水珠通过扩大的表面积获得了一定的能量,在这种情况下,水珠不会自动扩展而是一直保持球体状.在植物表皮上存在的微尘废屑,尺寸一般比表皮的蜡晶体微结构大,所以只落在表面乳瘤的顶部,不但接触面积很小,而且由于大多数微尘废屑比表皮蜡晶体更易湿润,当水滴在其表面滚动时,微尘废屑就粘在了水珠的表面.微尘废屑和水珠的粘合力又比它们与荷叶表面的粘合力大,所以容易被水珠卷走.对于非常光滑的表面,液滴的接触角比较小,液滴滚动比较难,而且微尘废屑与表面的接触面积大,粘合牢固,水滴经过后,只是从水滴的前端移动到了水滴的后部,但仍然粘在固体的表面上,疏水颗粒更易粘在这样的表面上,如图7所示.

基于超疏水原理的自清洁表面由于其独特的表面微观结构和优异的超疏水性能,使雨水、冰雪等难以在其表面附着,因而在建筑玻璃、汽车和飞机挡风玻璃、论文范文、高压电线,甚至机车和飞机涂装、材料防腐蚀等方面具有重要应用前景.

4.建筑玻璃隔热节能

玻璃门窗、玻璃幕墙是大量使用的建筑材料,玻璃是否节能已经成为建筑节能的重点.建筑玻璃的镀膜技术主要就是要解决能量传递性能和环境相容性,低辐射镀膜玻璃是最重要的节能玻璃.在欧美国家,镀膜玻璃已经占到所有建筑玻璃的80%以上.我国是世界建筑玻璃第一大国,2011年建筑玻璃使用量估计已经超过10亿m2,而镀膜玻璃不到2亿m2,仅占20%,由此可见我国节能镀膜玻璃具有巨大的发展空间.影响我国节能型镀膜玻璃发展的主要障碍是技术和成本,国产技术不成熟导致我国节能镀膜玻璃产品的成本较高.目前,我国在线低辐射镀膜技术几乎全都依赖进口,国际4大玻璃产业巨头垄断着知识产权,包括离线镀膜技术、材料和装备都离不开国外技术.首创纳米与高校等研究机构合作,开发成功了具有自主知识产权的低成本镀膜技术,目前已经在一些重点工程使用,并实现了在线镀膜技术材料和装备的突破,在线镀膜玻璃生产线如图8所示.

纳米透明隔热镀膜是玻璃镀膜中的一种,其原理是在玻璃表面涂敷形成均匀的透明涂膜,涂膜中的纳米导电粒子含有一定浓度的电子空穴,电子空穴能够引起自由载流子的吸收.具体地说,在400 ～ 800n m的可见光区,涂膜透过率不受影响；在波长小于400n m的紫外线区,涂膜吸收率为90%左右；在波长为800 ～ 2500n m的近红外区域,由于太阳入射光的频率高于涂膜中纳米导电粒子的振动频率,引起了红外线的高反射,从而对分布于红外波段占43%左右的太阳能量起到了反射阻隔的作用.由此可见,纳米透明隔热涂料对太阳光谱具有选择性,从而表现出具有吸收紫外线、透过可见光、阻隔红外热辐射等综合性能.

纳米透明隔热镀膜结合了尖端纳米粒子技术和微层涂敷技术,应用于建筑物的玻璃表面,在不改变玻璃透光性的情况下,能有效屏蔽红外热辐射和吸收紫外线,而且兼顾整体性和观赏性.只要在玻璃表面涂敷形成微米厚的透明整体涂膜,施工前后玻璃的温差能够达3 ～ 9℃,尤其是在日照强度最大、隔热需求最强烈的中午前后表现更为出色.纳米透明隔热镀膜能够最大程度地降低空调制冷电能消耗,节能达35％左右,隔热效果显著.为了实现玻璃通体的透明性,纳米透明隔热镀膜选用了透明高分子树脂为成膜物,采用比头发丝还细几百倍的纳米导电超细粒子作功能材料,让纳米导电超细粒子均匀分布于透明树脂涂漠中,最大限度地保持了玻璃门窗整体的优美外观.从室内朝外看,施工后的玻璃呈现出淡淡的蓝色,晶莹剔透,即使在夜晚也能让人拥有清晰透明的视野.加之纳米透明隔热镀膜具有较高的紫外线阻隔率,不仅能够为住户提供一个安全的“阳光保护伞”,更能为玻璃景观设计带来更多灵感和创造空间.除此之外,纳米透明隔热镀膜在保证可见光透过的同时,还能反射波长较长的室内暖气热辐射,有利于保持采暖效果,阻挡室内热能通过玻璃门窗辐射外泄,减少冬季室内能量的损耗,使建筑物达到 “冬暧夏凉”的效果.镀膜玻璃与其他玻璃、镀膜中空玻璃与其他中空玻璃的性能比较见表1和表2所示,比较可知,镀膜后玻璃的各项性能都有明显地提高.

5.市政桥梁防护

城市立交桥、高架公路等市政工程主要使用混凝土材料,混凝土材料表面有大量微孔,随着汽车尾气、溶雪剂、雨水渗透等长期作用,一般混凝土都“不堪忍受”,随处可见混凝土表面开裂、脱落、腐蚀、沾满污染物等,不仅严重影响城市美观,而且会严重影响桥梁的使用寿命.

一般的混凝土在施工养护完毕、水分充分挥发后呈多孔性,密实度根据所用水泥与砂子石子的比例、添加剂、养护条件的不同而变化,混凝土防护示意图见图9所示.

首创纳米科研人员通过研究混凝土材料的污染物种类,分析污染的主要原因,开发出“纳米防护液”系列产品.纳米防护液被涂覆在基材表面,通过自组装形成纳米级球状结晶养护层,由于纳米防护液具有较强的渗透作用,渗入已经养护完毕的混凝土内部微孔5 ～ 10m m,并通过化学反应形成凝胶体,封堵住混凝土表面结构中的空隙、毛细孔等,这些凝胶体在水分挥发后与混凝土浑然形成一体,大大增加了混凝土表面结构的密实度,使处理过的混凝土表面不再风化,更加坚硬、耐磨.所形成的立体结构保护层,能够防止反碱等混凝土病变发生,非常有效地延长基材使用寿命,同时降低各种维护论文范文.混凝土防护后的微观效果见图10所示.

近年来,天津滨海新区建设的一些市政桥梁采用了首创纳米研发的纳米防护液镀膜技术,获得了良好的效果,桥面长久如新,纳米防护处理桥梁前后的对比见图11所示.

三、结语

纳米功能镀膜技术既是一种工艺创新,同时也是材料创新.由于纳米材料的应用,许多原本需要使用很复杂的传统镀膜技术（如物理化学气相沉积、真空离子溅射等）才能实现的镀膜工艺,现在通过相对简单的纳米镀膜技术就能够实现,甚至还赋予了镀膜全新的功能.事实上,除用于建筑节能环保领域,纳米功能镀膜技术在其他领域的应用也取得了很好的效果,如防指纹纳米镀膜、手机防水纳米镀膜等.作为一种创新的前沿技术,纳米功能镀膜技术还有很多新的应用有待进一步的尝试和探索.