【建材網】納米結構涂層的研究進展及發展趨勢
　　
　　武利民，周樹學
　　
　　(復旦大學材料科學系，教育部先進涂料工程研究中心，上海200433)
　　
　　摘要：從新型樹脂合成方法、納米粒子的直接引入、表面微納結構的構建等三方面介紹了納米結構涂層的研究進展，同時提出了納米結構涂層制備中存在的問題及未來研究方向，以期為新一代功能涂層的開發提供參考。
　　
　　關鍵詞：納米結構涂層;納米粒子;樹脂;功能涂層
　　
　　0.引言
　　
　　隨著世界各國對環境保護的高度重視，人們對生活品質的要求越來越高和各種高新技術產業的不斷發展，對涂層的性能要求也不斷提高。涂料產品的環保化、健康化、高性能化、多功能化和智能化發展已是社會發展必然之需求。但是，在涂料行業快速發展的今天，通過傳統樹脂合成方法或涂料配方設計來進一步提升現有涂層的性能和發展新一代功能涂層的空間已越來越小。近10年來，國內外一系列研究表明，納米材料和納米技術的應用可以突破傳統樹脂合成方法和涂料制備方法的技術瓶頸，為實現傳統涂層的高性能化和獲得新的功能涂層提供了可能。目前，國內外主要圍繞新的樹脂合成方法、納米粒子的引入方式、涂層表面的納米結構設計與構建等方面開展了納米結構涂層的制備研究，并已取得了一定的進展。
　　
　　1.利用新的樹脂合成方法獲得新的成膜物
　　
　　樹脂作為涂層的關鍵材料———成膜物質，直接影響涂層的物理、化學、機械性能和涂層的表面微觀結構等。為此，近年來，人們試圖通過探索新的樹脂合成方法以獲得新的樹脂成膜物。例如，乳液聚合廣泛用于合成樹脂、涂料、塑料、橡膠和膠粘劑工業等。但常規乳液聚合一般需要使用大量的有機小分子乳化劑先在水相中形成膠束，然后通過引發劑引發溶解在水中的少量單體，產生低聚物自由基，這些自由基進入乳化劑膠束中進行鏈增長、鏈終止，乳膠粒子通過表面乳化劑分子的靜電相斥和(或)空間位阻作用而穩定。但有機小分子乳化劑較終都殘留在樹脂中，對涂層的性能產生很大的負面影響(如耐污性和耐候性差等)。為此，近年來人們借助輔助單體，以酸-堿為驅動力，獲得了新型無皂乳液聚合方法。例如，Armes等[1-3]利用納米SiO2粒子表面硅羥基呈弱酸性的特點，在單體聚合中加入少量含堿性基團的輔助單體，在聚合過程中，納米SiO2粒子通過酸-堿相互作用吸附到單體液滴或聚合物乳膠粒子表面，起乳化劑作用，整個過程中無需加入任何有機小分子乳化劑，獲得了丙烯酸樹脂的無皂乳液聚合方法。作者[4-6]也以酸-堿、靜電或氫鍵為驅動力，獲得了以納米SiO2粒子為“乳化劑”的丙烯酸樹脂的無皂乳液聚合方法。世界上較大的化工公司之一———德國BASF公司[7]將這種納米SiO2粒子穩定的丙烯酸樹脂無皂乳液進行工業化應用后，發現涂層的耐污性、耐水性、耐久性等都有顯著提高。Schmid等[8]也對相關乳液的成膜性能進行了系統研究。作者在研究納米SiO2/苯丙復合乳液成膜性能時，還發現了乳膠膜的光子晶體特性[9]，通過本方法，可以獲得不需要任何顏料的色彩絢麗的結構色涂膜。Koukiotis等[10]通過微乳液聚合方法制備了高度透明的MMA/BA共聚物微乳液，固含量與普通的聚合物乳液相當。他們發現制備的乳液具有非常奇特的性質，不但制備的漆膜優異，而且較低成膜溫度顯著下降，為新型水性納米樹脂的開發奠定了良好的基礎。另外，設計合成具有特定支化結構的納米聚合物也是目前樹脂研究的一個重要方向。據報道[11]，超支化聚合物在相同相對分子質量的前提下具有較線型聚合物更低的黏度，而樹枝狀聚合物的黏度完全不符合現有的黏度-相對分子質量規律，在納米尺度范圍內其黏度異乎尋常的降低，如圖1所示，這為新型涂層用樹脂的合成提供了巨大的潛在機會。