涂料中的新科技——綠色納米技術
http://www.xibaipo.cc 2009-02-19 15:19 中企顧問網
本文導讀：在2007年，具有環保意識的消費者在他們生活中的各個方面都開始使用“綠色”產品。“綠色化”和購買產品的技巧隨處可見：網絡、新聞播報、電視節目中進行的插播，雜志和報紙。住宅建筑者和供應商們開始尋找可以使住宅更具有能量有效性的方法。
在2007年，具有環保意識的消費者在他們生活中的各個方面都開始使用“綠色”產品。“綠色化”和購買產品的技巧隨處可見：網絡、新聞播報、電視節目中進行的插播，雜志和報紙。住宅建筑者和供應商們開始尋找可以使住宅更具有能量有效性的方法。
在2008年，前景繼續發生著變化。現在隨著環境危機擺在了公眾意識的前列，傳統的節約能源的方法已經不能滿足當今的要求。很多公司都在研究新的技術，從而不僅僅是可以改善環境的平衡而是要對其進行轉換。從更基本的層面來講，消費者和業主們比以往任何時候都理解綠色化真正意味著什么并且他們正在尋求可以產生最大影響的解決方案。他們還很清楚地知道哪些綠色產品可以帶來最大的價值。因此，他們正在尋找可以達到多項目標同時具有成本效益的解決方案。例如，可以將綠色納米技術應用在住宅建筑和工業景觀中，尤其是將其應用于涂料中。
綠色納米技術
綠色納米技術可以為此提供生動的解決方案，從而將結果進行最優化并且最大化地滿足具有環境保護意識的業主的基本要求。甚至是EPA都已經開始重視納米技術對于環境的價值。在2007年，EPA向steward新一代的納米技術公司發布了一條內部建議。這些新一代的納米技術公司支持綠色建筑和綠色化學，并且不斷尋求新的更有力的解決環境危機的方法。但是什么是綠色納米技術？為什么納米技術科學在這一領域的最新進展會在涂料行業中如此地引人注目？
和其他每天沉浸在思索納米技術科學的人們一樣，我明確地理解了納米技術的誘惑力：納米技術是對材料中尺寸不超過十億分之一米的單元結構和原子結構所進行的操作。在納米技術這一新興領域中，納米技術具有競爭力的基本優點是：該技術可以創造出大量的完全嶄新的方法或材料。在納米技術的工業應用中，我們已經創造出了：可以明顯地保存能量的類似于油漆的涂料；可以在零度以下的冬季降低住宅熱量需求的涂料；可以在炎熱的天氣中為住宅降溫的涂料；可以改善汽車外觀的涂料；或者可以使管件具有更好的侵蝕保護效果的涂料。這些科學幻想已經都變成了科學事實，并且這也敲響了工業納米科技涂料的鐘聲。
結果表明，半結晶化聚酯的使用一方面造成了薄膜在固化過程中流動性能的提高，另一方面與無定形聚酯粉末涂料配方相比，半結晶化聚酯的使用增加了反應活性。
更進一步而言，半結晶化聚酯的影響可以通過實際的測試而得到：將粉末涂料PCF 2和PCF 3用在脫脂型鋼板上，并且在不同溫度下的空氣循環烘箱中加熱30分鐘。固化后漆膜的機械性能可以根據ASTM D 2794標準進行抗沖擊強度測試。盡管在140℃時，可以在兩種體系中都獲得沖擊強度值為160inch-lb的高柔性漆膜，但是PCF 2在130℃時的柔性發生了降低。而對于PCF 3而言，可以在不損失柔性的情況下將固化溫度降低至120℃。
顆粒設計方法
絕大多數的納米技術只有在顆粒尺寸小于十億分之一米時才能發揮作用。然而，這正是工業納米技術的顆粒設計方法與通常的納米技術市場在科學方法上的不同。在工業納米技術中，我們清楚地知道我們想要創造的是一種方便使用的家庭友好型涂料。這種涂料要能夠有助于保存能量和保護環境，并且希望能夠可以有效防止危險的霉變和鉛污染。為了達到上述要求，我們開始將安全的微米級（而并非納米級）顆粒用于納米尺度的建筑中。這種方法論使得我們可以創造出包含納米技術所有優點而又不含任何缺點的涂料。然而，這只是平衡中的一部分。我們仍然需要一種聚合物涂料，從而可以使納米材料與其進行混合但又不會遭到破壞。將結果進行組合可以獲得的是――一類特定的納米復合材料和多種二級“載體”成分。材料還具有一些獨特且頗具價值的特征，包括非常低的導熱系數、非常高的耐侵蝕性和杰出的耐用性等等。此外，它將這兩種過程連接起來從而最終形成了Nansulate涂料發展的可能性。
Nansulate
本質上來講，工業納米技術的Nansulate生產線包含8條針對家用和商用項目的具體的涂料生產線。Nansulate HomeProtect和它的第一代產品NanoPrime，這兩種涂料可以為住宅內部和外部均提供保溫性能。它們也可以作為改進型的防霉劑，并且與市場上的其他產品不同的是，在這兩種涂料中是不含任何FDA登記的具有潛在危害性的微生物。Nansulate EPX?是特別設計用來對輸油管道和天然氣管道進行隔熱的涂料，以防止具有價值的燃料在運輸過程中發生冷凍。Nansulate PT是針對金屬表面而設計的涂料，可以用在石油、天燃氣、生物柴油、農業、以及商業貨物等產品的金屬表面上。Nansulate GP是經過NSF國際注冊的可以用于食品接觸的涂料，可以應用在食品和飲料行業、葡萄酒釀造廠、商業飯店，還可以用于制藥和貨運應用領域中，尤其是需要保溫的冷藏單元中。Nansulate HH (High Heat)涂料有著廣泛的應用，包括可以減少熱損傷從而使加工設備、槽、機器、干燥機頭部、紡織類的設備（例如換熱器、染色機器）具有防蝕性。NASCAR賽車隊所使用的Nanoboost是一種超薄等級的汽車涂料，用來在增加汽車馬力的同時減少它的燃料消耗量。最后，Nansulate LDX涂料具有先進的防鉛性能，并且是一種優異的修復鉛污染的產品。
證明
Nansulate絕大多數的普遍應用之一是其在住宅中的保溫和節能應用。當由于對空間的考慮限制了有效絕緣措施的使用時，Nansulate不但可以對房屋進行保溫還可以有效地降低加熱和冷卻住宅結構的能量成本。具體的案例是美國紐約的Roy Kortick希望可以改變他的平房風格的例子。他重新為住宅搭建了屋頂，并且增加了天窗和屋脊通風口，創造出了“大教堂”式的屋頂以及用來休息和貯藏的閣樓。Kotrick使用家具用的樺樹夾板對屋頂內部的椽木進行了加護并且用透明的Nansulate GP涂料對其進行了密封。這使得Kotrick最大程度地保持了屋頂的通風性以及樺木表面顆粒的美觀性。而對于暴露于大氣通道中的泡沫塑料附屬裝置，Kotrick采用了傳統的粉色保溫涂料。他對于涂料的保溫性能也感到滿意。Kotrick解釋說：“我昨晚親自證實了保溫的有效性。盡管長島的天氣寒冷，但是我僅僅使用一個小型火爐就使室內溫度維持在了68°F。鍋爐的溫度設置在了65°F，因而一晚上都沒有打開過。”
另一個居住在新墨西哥的業主，Marc Izzard曾經一直在尋找一種環境友好型的產品來對其住宅進行保溫從而節約能源。能源的節約以及綠色建筑問題對他和他的家人來說是非常重要的。Izzards使用Nansulate Translucent GP涂料和面漆對住宅的室內墻壁和屋頂進行包覆。據Izzard所講，他已經實現了能源成本的顯著的節約，與此同時也實現了房屋在夏天降溫和冬天升溫時所需時間的顯著縮短。“能源的開支降低了40%，而住宅冷卻/加熱速率獲得了提高，我們對此真的感到非常高興。我們還對腳浴盆進行了油漆，這樣熱水就可以保溫更長時間。”Izzard說，“使用了納米技術涂料之后，你可以使用一支蠟燭和一個吹風機就對房屋進行加熱。”
另一個Nansulate客戶則報告說：根據個人使用情況的不同，可以節約20-40%的能量。導熱系數，k，是材料的強度性質，反映了材料的導熱能力。導熱系數越低，保溫性能越好。Hydro-NM-Oxide是Nansulate中的保溫成分，它的導熱系數為0.017W/mK。當將Nansulate完全固化后，Nansulate中大約含有70%的Hydro-NM-Oxide和30%的丙烯酸樹脂以及性能添加劑。為了對能量的節約性進行測試，我們采用了兩個相同的并在內部裝有白熾燈和熱電偶的木質盒子。其中一只木盒用Nansulate GP涂料對其內部和外部的所有表面進行三層包覆。在82.4 °F的室溫條件下（28℃），對這兩只木盒同時開啟加熱裝置并記錄溫度對應于時間的變化。經過測試發現：使用Nansulate涂料包覆的盒子在24分鐘之后溫度就達到了158°F (70℃)，然而未進行保溫的盒子達到相同的溫度需要41分鐘的時間。因此，使用Nansulate涂料包覆的木盒總體的加熱時間幾乎減半，在該測試中大約節約了20%的能量。
總結
這些是關于具有環境保護意識的業主的幾個例子，但是并沒有提及大量的在生活和生意中采用綠色納米技術的商業實例。在我們繼續尋找解決方案的過程中，或許可以證明：綠色納米技術是尚未被發現的、可以用于解決世界環境問題的答案。在2008年以及今后的日子里，隨著新技術越來越被人們理解和熟悉，綠色納米技術涂料將會繼續表現出它的獨特之處。
除了漆層薄膜具有非凡的機械性能和光學性能之外，粉末涂料還具有優異的耐風化穩定性。與已有的用于室外應用中的涂料體系不同，新型的聚脲基甲酸酯粉末涂料在加速風化測試中表現出了明顯的穩定性。
聚脲基甲酸酯粉末涂料的固化過程可以使用一級動力學分析進行模擬。實驗測試證實了預測的結果。最佳的固化條件為在140℃或150℃的溫度條件下固化30分鐘。
最后，預涂鋼板和鋁板的成形操作中，漆層表現出了高度的柔性和光學性能。預涂板材通過了真實加工條件下的成形測試。
在2008年，前景繼續發生著變化。現在隨著環境危機擺在了公眾意識的前列，傳統的節約能源的方法已經不能滿足當今的要求。很多公司都在研究新的技術，從而不僅僅是可以改善環境的平衡而是要對其進行轉換。從更基本的層面來講，消費者和業主們比以往任何時候都理解綠色化真正意味著什么并且他們正在尋求可以產生最大影響的解決方案。他們還很清楚地知道哪些綠色產品可以帶來最大的價值。因此，他們正在尋找可以達到多項目標同時具有成本效益的解決方案。例如，可以將綠色納米技術應用在住宅建筑和工業景觀中，尤其是將其應用于涂料中。
綠色納米技術
綠色納米技術可以為此提供生動的解決方案，從而將結果進行最優化并且最大化地滿足具有環境保護意識的業主的基本要求。甚至是EPA都已經開始重視納米技術對于環境的價值。在2007年，EPA向steward新一代的納米技術公司發布了一條內部建議。這些新一代的納米技術公司支持綠色建筑和綠色化學，并且不斷尋求新的更有力的解決環境危機的方法。但是什么是綠色納米技術？為什么納米技術科學在這一領域的最新進展會在涂料行業中如此地引人注目？
和其他每天沉浸在思索納米技術科學的人們一樣，我明確地理解了納米技術的誘惑力：納米技術是對材料中尺寸不超過十億分之一米的單元結構和原子結構所進行的操作。在納米技術這一新興領域中，納米技術具有競爭力的基本優點是：該技術可以創造出大量的完全嶄新的方法或材料。在納米技術的工業應用中，我們已經創造出了：可以明顯地保存能量的類似于油漆的涂料；可以在零度以下的冬季降低住宅熱量需求的涂料；可以在炎熱的天氣中為住宅降溫的涂料；可以改善汽車外觀的涂料；或者可以使管件具有更好的侵蝕保護效果的涂料。這些科學幻想已經都變成了科學事實，并且這也敲響了工業納米科技涂料的鐘聲。
結果表明，半結晶化聚酯的使用一方面造成了薄膜在固化過程中流動性能的提高，另一方面與無定形聚酯粉末涂料配方相比，半結晶化聚酯的使用增加了反應活性。
更進一步而言，半結晶化聚酯的影響可以通過實際的測試而得到：將粉末涂料PCF 2和PCF 3用在脫脂型鋼板上，并且在不同溫度下的空氣循環烘箱中加熱30分鐘。固化后漆膜的機械性能可以根據ASTM D 2794標準進行抗沖擊強度測試。盡管在140℃時，可以在兩種體系中都獲得沖擊強度值為160inch-lb的高柔性漆膜，但是PCF 2在130℃時的柔性發生了降低。而對于PCF 3而言，可以在不損失柔性的情況下將固化溫度降低至120℃。
顆粒設計方法
絕大多數的納米技術只有在顆粒尺寸小于十億分之一米時才能發揮作用。然而，這正是工業納米技術的顆粒設計方法與通常的納米技術市場在科學方法上的不同。在工業納米技術中，我們清楚地知道我們想要創造的是一種方便使用的家庭友好型涂料。這種涂料要能夠有助于保存能量和保護環境，并且希望能夠可以有效防止危險的霉變和鉛污染。為了達到上述要求，我們開始將安全的微米級（而并非納米級）顆粒用于納米尺度的建筑中。這種方法論使得我們可以創造出包含納米技術所有優點而又不含任何缺點的涂料。然而，這只是平衡中的一部分。我們仍然需要一種聚合物涂料，從而可以使納米材料與其進行混合但又不會遭到破壞。將結果進行組合可以獲得的是――一類特定的納米復合材料和多種二級“載體”成分。材料還具有一些獨特且頗具價值的特征，包括非常低的導熱系數、非常高的耐侵蝕性和杰出的耐用性等等。此外，它將這兩種過程連接起來從而最終形成了Nansulate涂料發展的可能性。
Nansulate
本質上來講，工業納米技術的Nansulate生產線包含8條針對家用和商用項目的具體的涂料生產線。Nansulate HomeProtect和它的第一代產品NanoPrime，這兩種涂料可以為住宅內部和外部均提供保溫性能。它們也可以作為改進型的防霉劑，并且與市場上的其他產品不同的是，在這兩種涂料中是不含任何FDA登記的具有潛在危害性的微生物。Nansulate EPX?是特別設計用來對輸油管道和天然氣管道進行隔熱的涂料，以防止具有價值的燃料在運輸過程中發生冷凍。Nansulate PT是針對金屬表面而設計的涂料，可以用在石油、天燃氣、生物柴油、農業、以及商業貨物等產品的金屬表面上。Nansulate GP是經過NSF國際注冊的可以用于食品接觸的涂料，可以應用在食品和飲料行業、葡萄酒釀造廠、商業飯店，還可以用于制藥和貨運應用領域中，尤其是需要保溫的冷藏單元中。Nansulate HH (High Heat)涂料有著廣泛的應用，包括可以減少熱損傷從而使加工設備、槽、機器、干燥機頭部、紡織類的設備（例如換熱器、染色機器）具有防蝕性。NASCAR賽車隊所使用的Nanoboost是一種超薄等級的汽車涂料，用來在增加汽車馬力的同時減少它的燃料消耗量。最后，Nansulate LDX涂料具有先進的防鉛性能，并且是一種優異的修復鉛污染的產品。
證明
Nansulate絕大多數的普遍應用之一是其在住宅中的保溫和節能應用。當由于對空間的考慮限制了有效絕緣措施的使用時，Nansulate不但可以對房屋進行保溫還可以有效地降低加熱和冷卻住宅結構的能量成本。具體的案例是美國紐約的Roy Kortick希望可以改變他的平房風格的例子。他重新為住宅搭建了屋頂，并且增加了天窗和屋脊通風口，創造出了“大教堂”式的屋頂以及用來休息和貯藏的閣樓。Kotrick使用家具用的樺樹夾板對屋頂內部的椽木進行了加護并且用透明的Nansulate GP涂料對其進行了密封。這使得Kotrick最大程度地保持了屋頂的通風性以及樺木表面顆粒的美觀性。而對于暴露于大氣通道中的泡沫塑料附屬裝置，Kotrick采用了傳統的粉色保溫涂料。他對于涂料的保溫性能也感到滿意。Kotrick解釋說：“我昨晚親自證實了保溫的有效性。盡管長島的天氣寒冷，但是我僅僅使用一個小型火爐就使室內溫度維持在了68°F。鍋爐的溫度設置在了65°F，因而一晚上都沒有打開過。”
另一個居住在新墨西哥的業主，Marc Izzard曾經一直在尋找一種環境友好型的產品來對其住宅進行保溫從而節約能源。能源的節約以及綠色建筑問題對他和他的家人來說是非常重要的。Izzards使用Nansulate Translucent GP涂料和面漆對住宅的室內墻壁和屋頂進行包覆。據Izzard所講，他已經實現了能源成本的顯著的節約，與此同時也實現了房屋在夏天降溫和冬天升溫時所需時間的顯著縮短。“能源的開支降低了40%，而住宅冷卻/加熱速率獲得了提高，我們對此真的感到非常高興。我們還對腳浴盆進行了油漆，這樣熱水就可以保溫更長時間。”Izzard說，“使用了納米技術涂料之后，你可以使用一支蠟燭和一個吹風機就對房屋進行加熱。”
另一個Nansulate客戶則報告說：根據個人使用情況的不同，可以節約20-40%的能量。導熱系數，k，是材料的強度性質，反映了材料的導熱能力。導熱系數越低，保溫性能越好。Hydro-NM-Oxide是Nansulate中的保溫成分，它的導熱系數為0.017W/mK。當將Nansulate完全固化后，Nansulate中大約含有70%的Hydro-NM-Oxide和30%的丙烯酸樹脂以及性能添加劑。為了對能量的節約性進行測試，我們采用了兩個相同的并在內部裝有白熾燈和熱電偶的木質盒子。其中一只木盒用Nansulate GP涂料對其內部和外部的所有表面進行三層包覆。在82.4 °F的室溫條件下（28℃），對這兩只木盒同時開啟加熱裝置并記錄溫度對應于時間的變化。經過測試發現：使用Nansulate涂料包覆的盒子在24分鐘之后溫度就達到了158°F (70℃)，然而未進行保溫的盒子達到相同的溫度需要41分鐘的時間。因此，使用Nansulate涂料包覆的木盒總體的加熱時間幾乎減半，在該測試中大約節約了20%的能量。
總結
這些是關于具有環境保護意識的業主的幾個例子，但是并沒有提及大量的在生活和生意中采用綠色納米技術的商業實例。在我們繼續尋找解決方案的過程中，或許可以證明：綠色納米技術是尚未被發現的、可以用于解決世界環境問題的答案。在2008年以及今后的日子里，隨著新技術越來越被人們理解和熟悉，綠色納米技術涂料將會繼續表現出它的獨特之處。
除了漆層薄膜具有非凡的機械性能和光學性能之外，粉末涂料還具有優異的耐風化穩定性。與已有的用于室外應用中的涂料體系不同，新型的聚脲基甲酸酯粉末涂料在加速風化測試中表現出了明顯的穩定性。
聚脲基甲酸酯粉末涂料的固化過程可以使用一級動力學分析進行模擬。實驗測試證實了預測的結果。最佳的固化條件為在140℃或150℃的溫度條件下固化30分鐘。
最后，預涂鋼板和鋁板的成形操作中，漆層表現出了高度的柔性和光學性能。預涂板材通過了真實加工條件下的成形測試。
