涂料中的新科技——绿色纳米技术
http://www.cction.com 2009-02-19 15:19 中企顾问网
本文导读：在2007年，具有环保意识的消费者在他们生活中的各个方面都开始使用“绿色”产品。“绿色化”和购买产品的技巧随处可见：网络、新闻播报、电视节目中进行的插播，杂志和报纸。住宅建筑者和供应商们开始寻找可以使住宅更具有能量有效性的方法。
在2007年，具有环保意识的消费者在他们生活中的各个方面都开始使用“绿色”产品。“绿色化”和购买产品的技巧随处可见：网络、新闻播报、电视节目中进行的插播，杂志和报纸。住宅建筑者和供应商们开始寻找可以使住宅更具有能量有效性的方法。
在2008年，前景继续发生着变化。现在随着环境危机摆在了公众意识的前列，传统的节约能源的方法已经不能满足当今的要求。很多公司都在研究新的技术，从而不仅仅是可以改善环境的平衡而是要对其进行转换。从更基本的层面来讲，消费者和业主们比以往任何时候都理解绿色化真正意味着什么并且他们正在寻求可以产生最大影响的解决方案。他们还很清楚地知道哪些绿色产品可以带来最大的价值。因此，他们正在寻找可以达到多项目标同时具有成本效益的解决方案。例如，可以将绿色纳米技术应用在住宅建筑和工业景观中，尤其是将其应用于涂料中。
绿色纳米技术
绿色纳米技术可以为此提供生动的解决方案，从而将结果进行最优化并且最大化地满足具有环境保护意识的业主的基本要求。甚至是EPA都已经开始重视纳米技术对于环境的价值。在2007年，EPA向steward新一代的纳米技术公司发布了一条内部建议。这些新一代的纳米技术公司支持绿色建筑和绿色化学，并且不断寻求新的更有力的解决环境危机的方法。但是什么是绿色纳米技术？为什么纳米技术科学在这一领域的最新进展会在涂料行业中如此地引人注目？
和其他每天沉浸在思索纳米技术科学的人们一样，我明确地理解了纳米技术的诱惑力：纳米技术是对材料中尺寸不超过十亿分之一米的单元结构和原子结构所进行的操作。在纳米技术这一新兴领域中，纳米技术具有竞争力的基本优点是：该技术可以创造出大量的完全崭新的方法或材料。在纳米技术的工业应用中，我们已经创造出了：可以明显地保存能量的类似于油漆的涂料；可以在零度以下的冬季降低住宅热量需求的涂料；可以在炎热的天气中为住宅降温的涂料；可以改善汽车外观的涂料；或者可以使管件具有更好的侵蚀保护效果的涂料。这些科学幻想已经都变成了科学事实，并且这也敲响了工业纳米科技涂料的钟声。
结果表明，半结晶化聚酯的使用一方面造成了薄膜在固化过程中流动性能的提高，另一方面与无定形聚酯粉末涂料配方相比，半结晶化聚酯的使用增加了反应活性。
更进一步而言，半结晶化聚酯的影响可以通过实际的测试而得到：将粉末涂料PCF 2和PCF 3用在脱脂型钢板上，并且在不同温度下的空气循环烘箱中加热30分钟。固化后漆膜的机械性能可以根据ASTM D 2794标准进行抗冲击强度测试。尽管在140℃时，可以在两种体系中都获得冲击强度值为160inch-lb的高柔性漆膜，但是PCF 2在130℃时的柔性发生了降低。而对于PCF 3而言，可以在不损失柔性的情况下将固化温度降低至120℃。
颗粒设计方法
绝大多数的纳米技术只有在颗粒尺寸小于十亿分之一米时才能发挥作用。然而，这正是工业纳米技术的颗粒设计方法与通常的纳米技术市场在科学方法上的不同。在工业纳米技术中，我们清楚地知道我们想要创造的是一种方便使用的家庭友好型涂料。这种涂料要能够有助于保存能量和保护环境，并且希望能够可以有效防止危险的霉变和铅污染。为了达到上述要求，我们开始将安全的微米级（而并非纳米级）颗粒用于纳米尺度的建筑中。这种方法论使得我们可以创造出包含纳米技术所有优点而又不含任何缺点的涂料。然而，这只是平衡中的一部分。我们仍然需要一种聚合物涂料，从而可以使纳米材料与其进行混合但又不会遭到破坏。将结果进行组合可以获得的是――一类特定的纳米复合材料和多种二级“载体”成分。材料还具有一些独特且颇具价值的特征，包括非常低的导热系数、非常高的耐侵蚀性和杰出的耐用性等等。此外，它将这两种过程连接起来从而最终形成了Nansulate涂料发展的可能性。
Nansulate
本质上来讲，工业纳米技术的Nansulate生产线包含8条针对家用和商用项目的具体的涂料生产线。Nansulate HomeProtect和它的第一代产品NanoPrime，这两种涂料可以为住宅内部和外部均提供保温性能。它们也可以作为改进型的防霉剂，并且与市场上的其他产品不同的是，在这两种涂料中是不含任何FDA登记的具有潜在危害性的微生物。Nansulate EPX?是特别设计用来对输油管道和天然气管道进行隔热的涂料，以防止具有价值的燃料在运输过程中发生冷冻。Nansulate PT是针对金属表面而设计的涂料，可以用在石油、天燃气、生物柴油、农业、以及商业货物等产品的金属表面上。Nansulate GP是经过NSF国际注册的可以用于食品接触的涂料，可以应用在食品和饮料行业、葡萄酒酿造厂、商业饭店，还可以用于制药和货运应用领域中，尤其是需要保温的冷藏单元中。Nansulate HH (High Heat)涂料有着广泛的应用，包括可以减少热损伤从而使加工设备、槽、机器、干燥机头部、纺织类的设备（例如换热器、染色机器）具有防蚀性。NASCAR赛车队所使用的Nanoboost是一种超薄等级的汽车涂料，用来在增加汽车马力的同时减少它的燃料消耗量。最后，Nansulate LDX涂料具有先进的防铅性能，并且是一种优异的修复铅污染的产品。
证明
Nansulate绝大多数的普遍应用之一是其在住宅中的保温和节能应用。当由于对空间的考虑限制了有效绝缘措施的使用时，Nansulate不但可以对房屋进行保温还可以有效地降低加热和冷却住宅结构的能量成本。具体的案例是美国纽约的Roy Kortick希望可以改变他的平房风格的例子。他重新为住宅搭建了屋顶，并且增加了天窗和屋脊通风口，创造出了“大教堂”式的屋顶以及用来休息和贮藏的阁楼。Kotrick使用家具用的桦树夹板对屋顶内部的椽木进行了加护并且用透明的Nansulate GP涂料对其进行了密封。这使得Kotrick最大程度地保持了屋顶的通风性以及桦木表面颗粒的美观性。而对于暴露于大气通道中的泡沫塑料附属装置，Kotrick采用了传统的粉色保温涂料。他对于涂料的保温性能也感到满意。Kotrick解释说：“我昨晚亲自证实了保温的有效性。尽管长岛的天气寒冷，但是我仅仅使用一个小型火炉就使室内温度维持在了68°F。锅炉的温度设置在了65°F，因而一晚上都没有打开过。”
另一个居住在新墨西哥的业主，Marc Izzard曾经一直在寻找一种环境友好型的产品来对其住宅进行保温从而节约能源。能源的节约以及绿色建筑问题对他和他的家人来说是非常重要的。Izzards使用Nansulate Translucent GP涂料和面漆对住宅的室内墙壁和屋顶进行包覆。据Izzard所讲，他已经实现了能源成本的显著的节约，与此同时也实现了房屋在夏天降温和冬天升温时所需时间的显著缩短。“能源的开支降低了40%，而住宅冷却/加热速率获得了提高，我们对此真的感到非常高兴。我们还对脚浴盆进行了油漆，这样热水就可以保温更长时间。”Izzard说，“使用了纳米技术涂料之后，你可以使用一支蜡烛和一个吹风机就对房屋进行加热。”
另一个Nansulate客户则报告说：根据个人使用情况的不同，可以节约20-40%的能量。导热系数，k，是材料的强度性质，反映了材料的导热能力。导热系数越低，保温性能越好。Hydro-NM-Oxide是Nansulate中的保温成分，它的导热系数为0.017W/mK。当将Nansulate完全固化后，Nansulate中大约含有70%的Hydro-NM-Oxide和30%的丙烯酸树脂以及性能添加剂。为了对能量的节约性进行测试，我们采用了两个相同的并在内部装有白炽灯和热电偶的木质盒子。其中一只木盒用Nansulate GP涂料对其内部和外部的所有表面进行三层包覆。在82.4 °F的室温条件下（28℃），对这两只木盒同时开启加热装置并记录温度对应于时间的变化。经过测试发现：使用Nansulate涂料包覆的盒子在24分钟之后温度就达到了158°F (70℃)，然而未进行保温的盒子达到相同的温度需要41分钟的时间。因此，使用Nansulate涂料包覆的木盒总体的加热时间几乎减半，在该测试中大约节约了20%的能量。
总结
这些是关于具有环境保护意识的业主的几个例子，但是并没有提及大量的在生活和生意中采用绿色纳米技术的商业实例。在我们继续寻找解决方案的过程中，或许可以证明：绿色纳米技术是尚未被发现的、可以用于解决世界环境问题的答案。在2008年以及今后的日子里，随着新技术越来越被人们理解和熟悉，绿色纳米技术涂料将会继续表现出它的独特之处。
除了漆层薄膜具有非凡的机械性能和光学性能之外，粉末涂料还具有优异的耐风化稳定性。与已有的用于室外应用中的涂料体系不同，新型的聚脲基甲酸酯粉末涂料在加速风化测试中表现出了明显的稳定性。
聚脲基甲酸酯粉末涂料的固化过程可以使用一级动力学分析进行模拟。实验测试证实了预测的结果。最佳的固化条件为在140℃或150℃的温度条件下固化30分钟。
最后，预涂钢板和铝板的成形操作中，漆层表现出了高度的柔性和光学性能。预涂板材通过了真实加工条件下的成形测试。
在2008年，前景继续发生着变化。现在随着环境危机摆在了公众意识的前列，传统的节约能源的方法已经不能满足当今的要求。很多公司都在研究新的技术，从而不仅仅是可以改善环境的平衡而是要对其进行转换。从更基本的层面来讲，消费者和业主们比以往任何时候都理解绿色化真正意味着什么并且他们正在寻求可以产生最大影响的解决方案。他们还很清楚地知道哪些绿色产品可以带来最大的价值。因此，他们正在寻找可以达到多项目标同时具有成本效益的解决方案。例如，可以将绿色纳米技术应用在住宅建筑和工业景观中，尤其是将其应用于涂料中。
绿色纳米技术
绿色纳米技术可以为此提供生动的解决方案，从而将结果进行最优化并且最大化地满足具有环境保护意识的业主的基本要求。甚至是EPA都已经开始重视纳米技术对于环境的价值。在2007年，EPA向steward新一代的纳米技术公司发布了一条内部建议。这些新一代的纳米技术公司支持绿色建筑和绿色化学，并且不断寻求新的更有力的解决环境危机的方法。但是什么是绿色纳米技术？为什么纳米技术科学在这一领域的最新进展会在涂料行业中如此地引人注目？
和其他每天沉浸在思索纳米技术科学的人们一样，我明确地理解了纳米技术的诱惑力：纳米技术是对材料中尺寸不超过十亿分之一米的单元结构和原子结构所进行的操作。在纳米技术这一新兴领域中，纳米技术具有竞争力的基本优点是：该技术可以创造出大量的完全崭新的方法或材料。在纳米技术的工业应用中，我们已经创造出了：可以明显地保存能量的类似于油漆的涂料；可以在零度以下的冬季降低住宅热量需求的涂料；可以在炎热的天气中为住宅降温的涂料；可以改善汽车外观的涂料；或者可以使管件具有更好的侵蚀保护效果的涂料。这些科学幻想已经都变成了科学事实，并且这也敲响了工业纳米科技涂料的钟声。
结果表明，半结晶化聚酯的使用一方面造成了薄膜在固化过程中流动性能的提高，另一方面与无定形聚酯粉末涂料配方相比，半结晶化聚酯的使用增加了反应活性。
更进一步而言，半结晶化聚酯的影响可以通过实际的测试而得到：将粉末涂料PCF 2和PCF 3用在脱脂型钢板上，并且在不同温度下的空气循环烘箱中加热30分钟。固化后漆膜的机械性能可以根据ASTM D 2794标准进行抗冲击强度测试。尽管在140℃时，可以在两种体系中都获得冲击强度值为160inch-lb的高柔性漆膜，但是PCF 2在130℃时的柔性发生了降低。而对于PCF 3而言，可以在不损失柔性的情况下将固化温度降低至120℃。
颗粒设计方法
绝大多数的纳米技术只有在颗粒尺寸小于十亿分之一米时才能发挥作用。然而，这正是工业纳米技术的颗粒设计方法与通常的纳米技术市场在科学方法上的不同。在工业纳米技术中，我们清楚地知道我们想要创造的是一种方便使用的家庭友好型涂料。这种涂料要能够有助于保存能量和保护环境，并且希望能够可以有效防止危险的霉变和铅污染。为了达到上述要求，我们开始将安全的微米级（而并非纳米级）颗粒用于纳米尺度的建筑中。这种方法论使得我们可以创造出包含纳米技术所有优点而又不含任何缺点的涂料。然而，这只是平衡中的一部分。我们仍然需要一种聚合物涂料，从而可以使纳米材料与其进行混合但又不会遭到破坏。将结果进行组合可以获得的是――一类特定的纳米复合材料和多种二级“载体”成分。材料还具有一些独特且颇具价值的特征，包括非常低的导热系数、非常高的耐侵蚀性和杰出的耐用性等等。此外，它将这两种过程连接起来从而最终形成了Nansulate涂料发展的可能性。
Nansulate
本质上来讲，工业纳米技术的Nansulate生产线包含8条针对家用和商用项目的具体的涂料生产线。Nansulate HomeProtect和它的第一代产品NanoPrime，这两种涂料可以为住宅内部和外部均提供保温性能。它们也可以作为改进型的防霉剂，并且与市场上的其他产品不同的是，在这两种涂料中是不含任何FDA登记的具有潜在危害性的微生物。Nansulate EPX?是特别设计用来对输油管道和天然气管道进行隔热的涂料，以防止具有价值的燃料在运输过程中发生冷冻。Nansulate PT是针对金属表面而设计的涂料，可以用在石油、天燃气、生物柴油、农业、以及商业货物等产品的金属表面上。Nansulate GP是经过NSF国际注册的可以用于食品接触的涂料，可以应用在食品和饮料行业、葡萄酒酿造厂、商业饭店，还可以用于制药和货运应用领域中，尤其是需要保温的冷藏单元中。Nansulate HH (High Heat)涂料有着广泛的应用，包括可以减少热损伤从而使加工设备、槽、机器、干燥机头部、纺织类的设备（例如换热器、染色机器）具有防蚀性。NASCAR赛车队所使用的Nanoboost是一种超薄等级的汽车涂料，用来在增加汽车马力的同时减少它的燃料消耗量。最后，Nansulate LDX涂料具有先进的防铅性能，并且是一种优异的修复铅污染的产品。
证明
Nansulate绝大多数的普遍应用之一是其在住宅中的保温和节能应用。当由于对空间的考虑限制了有效绝缘措施的使用时，Nansulate不但可以对房屋进行保温还可以有效地降低加热和冷却住宅结构的能量成本。具体的案例是美国纽约的Roy Kortick希望可以改变他的平房风格的例子。他重新为住宅搭建了屋顶，并且增加了天窗和屋脊通风口，创造出了“大教堂”式的屋顶以及用来休息和贮藏的阁楼。Kotrick使用家具用的桦树夹板对屋顶内部的椽木进行了加护并且用透明的Nansulate GP涂料对其进行了密封。这使得Kotrick最大程度地保持了屋顶的通风性以及桦木表面颗粒的美观性。而对于暴露于大气通道中的泡沫塑料附属装置，Kotrick采用了传统的粉色保温涂料。他对于涂料的保温性能也感到满意。Kotrick解释说：“我昨晚亲自证实了保温的有效性。尽管长岛的天气寒冷，但是我仅仅使用一个小型火炉就使室内温度维持在了68°F。锅炉的温度设置在了65°F，因而一晚上都没有打开过。”
另一个居住在新墨西哥的业主，Marc Izzard曾经一直在寻找一种环境友好型的产品来对其住宅进行保温从而节约能源。能源的节约以及绿色建筑问题对他和他的家人来说是非常重要的。Izzards使用Nansulate Translucent GP涂料和面漆对住宅的室内墙壁和屋顶进行包覆。据Izzard所讲，他已经实现了能源成本的显著的节约，与此同时也实现了房屋在夏天降温和冬天升温时所需时间的显著缩短。“能源的开支降低了40%，而住宅冷却/加热速率获得了提高，我们对此真的感到非常高兴。我们还对脚浴盆进行了油漆，这样热水就可以保温更长时间。”Izzard说，“使用了纳米技术涂料之后，你可以使用一支蜡烛和一个吹风机就对房屋进行加热。”
另一个Nansulate客户则报告说：根据个人使用情况的不同，可以节约20-40%的能量。导热系数，k，是材料的强度性质，反映了材料的导热能力。导热系数越低，保温性能越好。Hydro-NM-Oxide是Nansulate中的保温成分，它的导热系数为0.017W/mK。当将Nansulate完全固化后，Nansulate中大约含有70%的Hydro-NM-Oxide和30%的丙烯酸树脂以及性能添加剂。为了对能量的节约性进行测试，我们采用了两个相同的并在内部装有白炽灯和热电偶的木质盒子。其中一只木盒用Nansulate GP涂料对其内部和外部的所有表面进行三层包覆。在82.4 °F的室温条件下（28℃），对这两只木盒同时开启加热装置并记录温度对应于时间的变化。经过测试发现：使用Nansulate涂料包覆的盒子在24分钟之后温度就达到了158°F (70℃)，然而未进行保温的盒子达到相同的温度需要41分钟的时间。因此，使用Nansulate涂料包覆的木盒总体的加热时间几乎减半，在该测试中大约节约了20%的能量。
总结
这些是关于具有环境保护意识的业主的几个例子，但是并没有提及大量的在生活和生意中采用绿色纳米技术的商业实例。在我们继续寻找解决方案的过程中，或许可以证明：绿色纳米技术是尚未被发现的、可以用于解决世界环境问题的答案。在2008年以及今后的日子里，随着新技术越来越被人们理解和熟悉，绿色纳米技术涂料将会继续表现出它的独特之处。
除了漆层薄膜具有非凡的机械性能和光学性能之外，粉末涂料还具有优异的耐风化稳定性。与已有的用于室外应用中的涂料体系不同，新型的聚脲基甲酸酯粉末涂料在加速风化测试中表现出了明显的稳定性。
聚脲基甲酸酯粉末涂料的固化过程可以使用一级动力学分析进行模拟。实验测试证实了预测的结果。最佳的固化条件为在140℃或150℃的温度条件下固化30分钟。
最后，预涂钢板和铝板的成形操作中，漆层表现出了高度的柔性和光学性能。预涂板材通过了真实加工条件下的成形测试。
