关键的外卖
编者按:
以下是....涂料文章中的智能涂料和纳米技术应用中的闪现版本ASM手册，第5B卷：保护性有机涂料．本手册共480页，分为五个部分，分别介绍了介绍性材料、对特定涂层材料的深入介绍、表面制备和涂层应用的实用信息、各行业涂层使用的覆盖情况、涂层分析和评价方法的详细讨论。第5B卷作者提供了许多行业标准的最新信息，必须遵守在制备，应用和测试保护涂层。
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在纳米技术和所谓的地区的持续研究智能涂层或智能涂料系统正在显示出巨大的潜力，开发新型高性能涂料。(关于这个话题的更多信息，请阅读涂料进展：纳米粒子技术和冷喷雾．)
纳米技术和纳米织物的研究努力
纳米材料研究是在30多个国家进行的，与美国，日本，中国，法国，英国和俄罗斯占世界纳米技术科学论文的70％。今天，众多技术会议在全球范围内持有纳米技术和智能涂料的主题。虽然这项研究大部分仍然存在于实验室，但商业应用开始出现。根据NANOfutures，欧洲可持续发展倡议的家庭利用纳米技术，2010年全球纳米技术市场达到290亿美元，预计到2015年将增长到4980亿美元，涂料带来增加。价值纳米织物市场预计到2015年将达到200亿美元。预计到2015年，使用纳米技术的家庭数量将超过2.5亿户。美国国家科学基金会(National Science Foundation)预计，到2015年，纳米技术将成为全球每年1万亿美元的市场。
鉴于这些增长预测，涂层工程师和最终用户都应该对所涉及的术语，过程和材料具有基本的理解。本文审查了这些令人兴奋的新领域的当前发展。
什么是纳米技术？
纳米技术是对具有1至100nm的物理尺寸的物质的研究。（纳米是米的十亿分之一：1nm = 10-9m。）以透视图，人毛的宽度约为80,000nm，并且原子具有0.1至0.3nm的尺寸。
图1.纳米材料的代表性尺寸和形状。
今天涂料行业内的纳米技术应用包括：
- 使用极小的纳米粒子物质作为原料涂料
- 在涂层内原位开发极其精细的纳米结构
- 本身是非常薄的涂层，例如沉积的薄膜（即，纳米箔）
具有纳米尺度尺寸的材料和结构对科学和工业有着极大的兴趣，因为与传统工程材料相比，它们已经被发现表现出非常独特和意想不到的材料特性，因为它们相对较大的表面积和由此产生的非常高的比表面积/重量/质量比。
了解智能涂层作为一种纳米织物
根据定义，智能涂层具有内置智能机制，允许涂层对环境刺激进行响应。在服务条件下，这些涂层可以以某种方式改变，因此它们的外观或保护能力得到了增强。（读如何规划设施涂料条件评估要了解如何确定环境条件，涂层系统需要持续处理）
智能涂层的环境刺激可能是物理性质，例如撞击或化学性质，例如pH变化。通常，通过传感环境刺激以某种方式激活涂层。一种自愈涂层例如，可以设计用于释放裂缝修复液体聚合物当物理损坏时，可以设计一个耐腐蚀的涂层来释放缓蚀剂当在活动腐蚀过程期间感测已知的pH变化时。
据报道，纳米技术和智能涂层技术在一些关键领域显示出极大的改善性能的前景:
利用纳米技术的涂层不一定是智能的，并且智能涂层可能不一定利用纳米技术。但是，通常存在相当大的重叠。纳米技术可以通过制造用于涂布配方用途的新型纳米级原料来提供用于开发先进的智能涂覆系统的途径。纳米技术和智能涂层是这方面的互补技术。
最后，术语纳米技术和智能是今天在涂料行业中的流行语，并且经常被过于松散地使用。在审查声称纳米技术或智能技术的新产品时，建议谨慎。
将智能涂层与常规涂层进行比较
对涂料系统的开发有相当兴趣，可以以智能或智能方式响应环境刺激。这种涂层真正代表先进涂料技术的终极。
许多常规涂层，例如建筑房屋涂料，是相对较为不精以的被动或障碍材料。这些产品通过充当物理屏障和/或赋予外观质量，如颜色、光泽和纹理，来保护基材。
功能涂层和设备涂料代表涂料技术的下一步，是涂层设计用于更专业的应用，通常通过使用专业化添加剂改善耐腐蚀，阻燃，细菌抗性等关键性能。例如，涂层通常用略微可溶的腐蚀抑制剂配制l从涂膜上经过一段时间来抑制腐蚀过程。在本例中，无论是否可能发生腐蚀，都要释放缓蚀剂。
图2.腐蚀防腐蚀功能涂层。
智能涂层代表传统功能涂层的进步，因为它们是在环境刺激的量身定制的方式变化的活性材料，从而提高性能。例如，如果腐蚀抑制剂的释放可能发生腐蚀活动，则含有微溶于腐蚀抑制剂的功能性涂层将被认为是智能涂层。就减少抑制剂耗竭和延长耐久性而言，这的优点是显而易见的。
智能涂层的环境刺激可以是物理性质，例如冲击/损伤，紫外线降解或表面润湿，或化学性质，例如与之相互作用大气气体，腐蚀过程或溶剂．智能涂层的涂层应答可包括颜色，抑制剂释放，表面催化等的变化。
智能涂层的例子包括：
- 含有聚合物填充微胶囊的自愈涂层。当涂层损坏或破裂时，释放聚合物以物理地修复损伤。
- 腐蚀抑制涂层，可以化学检测腐蚀活动，并以某种方式释放腐蚀抑制剂或改变以更大的耐腐蚀性
- 耐化学试剂涂层，通过改变颜色来表明化学试剂的存在
- 可调节的窗户涂层，根据光的强度控制光的传输
智能和功能涂层之间的区别是重要的。通常声称涂层闪现将更好地描述为高度先进的功能涂层。因此，今天的大多数研究是基于先进的功能涂料与真正的智能系统。然而，开发涂层的概念，可以以量身定制的环境压力响应肯定是有趣的，这将继续成为一个活跃的研究区域。（相关阅读：顶级纳米涂料的发展，以了解腐蚀保护．)
含有牺牲金属的涂层
铁的腐蚀需要氧气和水。催化生锈的是氯离子．因此，涂层的良好阻隔性是强制性的。开裂将完全破坏当地的防腐性质。氧气和水将穿透纳米裂纹而不会阻力并开始腐蚀表面。发生小裂缝后，自我愈合涂层可以再生表面。甚至更好的方法是首先防止裂缝形成。碳纳米管（CNT）和其他纤维纳米材料，例如碳化硅晶须，已被用于提高含牺牲金属的涂层的性能。有利的是，CNT是用涂层聚合物的官能化和化学结合的，例如环氧树脂．
最终，尽管有CNT和自我愈合的方法，涂料将在某种程度上损坏。但是，通过合并腐蚀可以急剧放缓sacr金属颗粒组成。这些金属颗粒应与衬底金属；也就是说，它们的浓度应该超过渗流阈值，即使它们已被部分消耗。在实践中，这需要在涂层中牺牲金属颗粒超过60%。然而，如果涂层中含有如此高浓度的固体颗粒，那么涂层的完整性就会受到影响。这一问题通过添加石墨增加得到了部分解决电导率，因此可以降低金属颗粒的量。
通过在防腐涂层中使用CNT可以同时优化物理韧性和电导率。金属颗粒提供阴极保护对于基板金属，而CNT提供导电网络，使得所有牺牲金属颗粒保护基板。同时，CNT加强涂层，使得裂化降低。锌是钢结构防护的最佳牺牲金属。在某些情况下,镍或者钴可以防止锈肌，即使它们不防止初始氧化铁。锌镍和钴在锌的优势是它们可能持续更长时间。
图3。碳纳米管用环氧树脂粘合剂连接钢和锌的示意图。
碳纳米管已成功使用环氧涂料填充腐蚀涂料应用中的牺牲金属。虽然这样的涂层（例如，富锌底漆）已被使用多年，并且被认为具有出色的性能，因此由于在涂层内建立导电通路所需的牺牲金属的高负荷，它们可以是脆性和多孔的。在这些涂层中包含CNT，如图2所示。如图3所示，允许使用更低的牺牲金属水平，而仍然保持电导率和腐蚀抑制。
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