新型纳米晶荧光材料及其应用技术(技术)（共5篇）

第一篇：新型纳米晶荧光材料及其应用技术(技术)

三、化工材料类

（九）材料学院

1.新型纳米晶荧光材料及其应用技术（技术）

 成果简介：

北京理工大学材料学院纳米光子学材料与技术实验室在致力于开发性能优异、绿色、实用的纳米晶发光材料研究。在国家“973”计划项目和自然基金项目的支持下，研制出一种基于铜铟硫（CuInS2）和铜铟硒（CuInSe2）的新型、绿色、低毒荧光纳米晶材料，已在白光照明、发光二极管、生物标记、太阳能电池等领域获得重要的应用，相关的材料制备和应用技术已申请了专利。

本项目所制备的新型纳米晶荧光材料性能优异，波长可在500-900 nm之间调控，荧光量子产率超过50%，可作为荧光材料用于白光照明二极管、电致发光器件、近红外生物标记以及低成本太阳能电池等领域，具有广泛的应用前景。该材料是使用我们自己发展起来的技术路线，具有成本低廉，合成路线绿色，可大规模生产等特点，已经在实验室已经实现其10g量级的制备，未来中试开发能够实现公斤级别的放大生产。

 项目来源：973项目/自然科学基金项目

 技术领域：新材料技术/信息技术/生物和医药技术/先进能源技术  应用范围：白光照明二极管、电致发光器件、近红外生物标记以及低成本太阳能电池等领域

 现状特点：国内领先、国际先进  技术创新：新型材料、绿色合成路线  所在阶段：研发阶段/样机/小批量生产

 成果知识产权：已经申请发明专利两项，发表学术论文4篇  成果转让方式：合作开发/技术许可

 市场状况及效益分析：有望代替稀土荧光粉成为白光照明二极管的荧光粉材料；有望代替广泛使用的CdSe量子点，作为发光二极管和生物标记材料；有望成为“电子墨水”成为低成本的太阳能电池材料。

2.动脉大出血用快速止血材料制备技术（技术）

 成果简介：

平时严重交通伤，战时火器伤，恐怖袭击，抢险救灾以及塌方、台风、地震、海啸、泥石流等自然灾害可能造成短时间内同时出现大批伤员。对这些伤员伤口的急救历来是创伤急救医学甚为关注的问题。由于不及时的止血，可能会导致伤员昏迷、休克甚至死亡的严重后果。

目前临床常用的止血材料主要适合于日常手术中的止血，但对大动脉剧烈喷射状出血止血效果欠佳。对这种类型出血的止血一直是医学研究中的难题。美国军方早在2003年伊拉克战争中就已将所研制的动脉出血用快速止血材料装备部队，并在2007年开发出了可快速止血的先进军装。我国进行此类产品目前仍是市场空白。本课题组对新型止血材料已经过多年的深入研究，目前材料性能稳定，价格低廉，止血效果突出。

本课题组根据功能高分子材料结构—性能相关性，设计、制备了对动脉喷射状大出血具有快速止血作用的新型止血材料。该材料在第三军医大学创伤、烧伤、复合伤国家重点实验室和军事医学科学院对本材料的止血性能进行了全面的试验。止血性能试验结果表明，该材料对动脉喷射状出血具有优异的止血效果，使用该材料后创面恢复情况良好，不会产生任何刺激作用,材料具有良好的生物相容性,性能明显优于目前常用的明胶海绵、海藻酸钙、云南白药等止血材料。第三军医大学创伤、烧伤、复合伤国家重点实验室对本材料的使用效果给予了高度评价，认为“此研究成果处于国内先进地位，具有很强的独创性”。 项目来源：自然科学基金项目，横向项目等  技术领域：新材料技术

 应用范围：该类材料可制成止血粉、止血海绵、止血栓、止血绷带、喷雾剂等剂型。可用于临床手术，院外急救，家庭药房，装备军队等。 现状特点：国内领先  所在阶段：中试阶段  成果知识产权：发明专利申请

 成果转让方式：技术转让或技术许可

 市场状况及效益分析： 针对动脉大出血的快速止血材料具有较大的市场需求量。目前，美国已经将具有类似功能的快速止血材料装备于部队，但国内未见具体应用；国内临床手术用的较好的止血材料也多是Merocel、Ivalon等进口材料，但价格昂贵。本项目所制得的产品止血性能优异，制造成本低，具有良好的公益效益、经济价值和产业化前景。 图片展示：

表1 不同材料对新西兰白兔不同部位动脉出血的止血效果

股动脉

止血材料

止血时间/s 本研究成果 云南白药 明胶海绵 海藻酸钙 阴性对照 空白对照 34.00±8.43 84.00±58.92 50.50±13.83 80.00±48.99 62.00±18.74 69.00±28.85

止血率/%

90 100 90 100 100

止血时间/s 20.00±0.00 110.00±42.43 118.00±57.62 56.00±26.08 122.00±79.50 180.00±00.00

止血率/% 100 90 100 100 40 0

止血时间/s 23.00±6.75 41.50±14.92 35.00±13.33 41.00±21.83 107.00±43.47 154.00±35.34

止血率/% 100 100 100 100 100 40

脾脏

耳动脉

注：止血率指180s内止血成功率

A

B

C

D

新西兰白兔耳动脉止血后创面恢复情况

A手术后5min, B手术后7d, C手术后15d, D手术后20d 3.包埋缓释型功能高吸水性树脂（技术）

 成果简介：

在高吸水性树脂的网络结构中包埋肥料、药物等功能性物质，可利用高吸水性树脂本身优异的网络结构获得良好的缓释效果，大大提高高吸水性树脂的功能，拓宽其应用范围。但传统的高吸水性树脂包埋技术将包埋与聚合、交联过程同步进行，由于聚合单体的强化学腐蚀性以及聚合过程的放热作用，极易对包埋物质的结构及功效造成破坏，使这些物质难以起到应有的应用效果。

本课题组近期新开发了一种温和、高效的包埋功能性物质的高吸水性树脂制备技术，此过程不会对各种需要包埋的功能性肥料或药物造成任何破坏作用，制备过程简单，制备好的树脂对包埋分子具有良好的缓释效果。

树脂饱和吸水倍率>800g/g，饱和吸生理盐水倍率>60g/g，对包埋的药物不产生破坏作用，具有良好的缓释效果。 项目来源：自然科学基金项目，横向项目等  技术领域：新材料技术

 应用范围：采用此技术制备的功能性高吸水性树脂可在农业、医药等领域获得广泛应用。 现状特点：国内领先  技术创新：  所在阶段：中试阶段  成果知识产权：发明专利申请  成果转让方式：技术转让或技术许可

 市场状况及效益分析： 该包埋型高吸水性树脂的制备方法独特，分子包埋效果好，制备过程温和、能耗小。采用此方法制备的高吸水性树脂可作为缓释型医疗吸收剂，也可作为农业中对肥料、农药的缓释制剂，具有很大的市场需求量。

4.新型高效稳定型壳聚糖衍生物络合碘杀菌材料（技术）

 成果简介：

将功能性壳聚糖的改性产物（壳聚糖改性接枝共聚物，壳聚糖改性季铵盐衍生物等）与碘络合，制得新型高分子抗菌剂。该材料具有高效、安全的杀菌、抗病毒效果，成为新一代抗菌材料：

① 有效碘含量＞60mg/g，远高于目前市场使用的碘制品；

② 碘结合稳定，60℃下加热6h，有效碘含量降低比率＜3%，碘具有良好的缓释性；

③ 具有广谱的杀菌性能，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、绿脓杆菌、粪肠球菌、肺炎克雷伯菌、白色念珠菌、淋球菌、单纯疱疹病毒及乙肝病毒有良好的杀灭效果，近期研究发现，对HIV、HPV病毒等均体现出杀灭作用；

④ 动物实验表明，该衍生物动动物皮肤及粘膜都不会产生任何刺激作用。⑤ 产品形式多样，冻干型制剂使用促进冻干新技术，可在极短的时间内迅速冷冻干燥成粉末状固体，易于与其它敷料一起混合后冷冻干燥定型；水溶性及油溶性碘络合物可分别与不同性质基体复合，制得多用途、多剂型的抗菌材料。 项目来源：自然科学基金项目，横向项目等  技术领域：新材料技术

 应用范围：该类敷料，具有特别好的碘稳定性，具有很强的市场竞争力，在各类医疗器械、消毒制剂、药品中可广泛使用，具有良好的效果和优异的稳定性能。

 现状特点：国内领先  所在阶段：中试阶段  成果知识产权：发明专利申请  成果转让方式：技术转让或技术许可

 市场状况及效益分析：该类络合碘制品具有高的有效碘含量，高的碘稳定性，高的广谱杀菌性，低刺激性等优异特点，在高端抗菌医疗器械方面有很好的应用效果，具有广阔的应用前景。

5.廉价、高效的材料微、细观力学性能原位观察系统（产品）

 成果简介：

对于各种颗粒、纤维增强复合材料，目前主要采用大规模的宏观力学实验寻找力学性能变化规律，进而为提高材料力学性能提供支持，实验繁杂，周期长，投入大。采用显微镜原位力学性能测试方法，对复合材料在各种外力作用下的破坏过程进行细观观测，有助于对填料、纤维的增强效果及其对复合材料力学性能的影响进行研究，进而探寻影响材料力学性能的主要因素，可大大节约开发成本，提高开发效率。但目前国内所具有的细观力学性能观测条件主要利用带有原位加载台的扫描电镜技术，该实验系统成本昂贵，国内仅有少数几家科研院所拥有此设备，主要适于科学研究，不适于企业、应用型研究单位的平时性能调配试验，不利于本实验技术的推广普及。

本课题组与分析设备企业联合开发，设计研制了满足企业、科研单位日常生产、研究所需的立体显微镜—原位细观力学观测—数据评价系统。利用此系统，可对材料在不同温度下（200℃~-70℃），在一定的外力作用下的细观破坏过程进行原位观测、数据分析和评价，发现影响材料力学性能的主要因素，进而对材料的力学性能的调整提供技术支持。此系统以立体显微镜代替扫描电镜，同时创新性地开发了原位拉伸系统的数据分析、评价功能，大大提高了分析研究水平。目前，此设备已完成了开发及试用，使用效果受到好评。在合作中，可根据企业、研究单位的具体测试需求进行设计与加工。 项目来源：973项目，横向项目等  技术领域：新材料技术

 应用范围：该技术可应用于各种颗粒、显微增强复合材料的细观力学性能观测与评价，大大提高复合材料力学性能调节效率，促进企业、研发单位相关技术的提高。 现状特点：国内领先  所在阶段：样机

 成果知识产权：发明专利申请

 成果转让方式：合作开发/技术服务/技术转让/技术许可/合作办厂等  市场状况及效益分析：

该实验系统包括立体显微镜（材料表面细观变化的观测系统）—原位加载台及控制系统（实现准静态、可控、可测量加载）—数据分析及评价系统（对实验结果进行判定，指导力学性能调节）。该系统应用于力学性能调节等研究中，可大大节约研究成本，提高研究效率。

6.耐油膨胀型防火橡胶及防火捆扎带（产品）

 项目简介：由北京理工大学阻燃材料研究国家专业实验室研发的耐油膨胀型防火橡胶及防火捆扎带，可应用于燃油、润滑油等环境中电线电缆火安全防

护。已通过20kg级工艺放大，材料厚度≤1.0 mm的耐火时间≥5 min（1200℃火焰）；热稳定性≥200℃；具有耐油、耐高温加速老化、耐冷热循环及良好的力学性能。

7.阻燃硬质聚氨酯泡沫塑料（产品）

 成果简介：由北京理工大学阻燃材料研究国家专业实验室研发的阻燃硬质聚氨酯泡沫塑料，可广用于建筑外墙保温、管道保温及电冰箱隔热材料。该材料具有阻燃效率高、产烟量低、压缩强度高、导热系数低、等优点。密度6080 kg/m3；氧指数＞30%；垂直燃烧自熄时间＜10s、燃烧高度＜60mm；辐射热流50kW/m2下的峰值热释放速率＜170kW/m2。

8.赤泥复合阻燃剂开发和应用（产品）

 成果简介：赤泥复合阻燃剂属于环保型无机阻燃剂，具有高效阻燃、低的热释放速率、低的产烟量及低成本的优势。可应用于阻燃聚乙烯、阻燃聚丙烯等通用塑料及乙丙胶等橡胶材料。在阻燃电缆料、铝塑复合板等领域有广泛应用前景。已建成1000t/a赤泥复合型阻燃剂试验线。

性能指标

赤泥复合阻燃剂性能指标

序号 1 2 检测项目 粒度 热分解温度

检测标准 GB/T 19077.1-2008 JY/T014-1996

阻燃PE性能指标

序号

检测项目

检测标准

检测结果 检测结果 ≤10µm ≥200℃ 2 3 4 热释放速率峰值 垂直燃烧等级 烟密度等级

GB/T 16172-2007 GB/T 2408-2008 GB/T 8627-2007

≤150 kW/m2 FV-0 级 SDR≤75 满足应用需求 拉伸强度及断裂伸长率 GB/T1040.2-2006

9.无卤膨胀阻燃PES热熔胶（产品）

 本项目所研制的无卤膨胀阻燃PES热熔胶，具备优异的阻燃性能、良好的加工成膜性、环保、低烟。可应用于电子行业、服装行业等。 性能指标

1)阻燃PES热熔胶通过UL 94垂直燃烧V-0级； 2)具有良好的加工成膜性；

3)热熔胶膜厚度为0.5mm时，UL 94垂直燃烧通过VTM-0级； 4)热熔胶及其成膜后的力学性能及耐水洗性良好

10.新型多种肠溶包衣材料及生物纳米纤维制备（产品）

 成果简介：本项目是系列纤维素基医用肠溶包衣材料及其纳米纤维的制造技术。首先以天然棉纤维素为原材料, 通过成熟技术制备pH敏感性智能材料羟烷基烷基纤维素醋酸琥珀酸酯(HPMCAS/HEMCAS)、羟烷基烷基纤维素邻苯二甲酸酯(HPMCP/ HEMCP)、羟烷基烷基纤维素醋酸邻苯二甲酸酯(HPMCAP/HEMCP)、羟烷基烷基纤维素偏苯三甲酸酯(HPMCT/HEMCT)等系列pH值（3.5-6.8）溶液敏感的功能材料，可作为肠溶包衣或特殊环境监测用材料。产品为白色、无臭无味的颗粒；不溶于水、酸性溶液，在pH4.0～6.8缓冲溶液中能溶解；不溶于己烷，但溶于丙酮/甲醇、丙酮/乙醇或甲烷/氯甲烷混合液；25℃/80%RH时，平衡吸湿量为11%。它不溶于胃液，但能在小

肠上端快速膨化溶解，故是肠溶衣的良好材料，常用浓度一般为7%～10%。其特点为成膜性好，溶解的pH较低（pH5.0～5.5以上），溶解速度快，理化性质稳定等。它是性能优良的新型肠溶性薄膜包衣材料，无味，不溶于唾液，故可用作薄膜包衣，口服应用本品安全无毒。本项目进一步是采用静电纺丝技术，通过对以上新型材料的共混后溶解形成溶液，得到不同直径的纳米级纤维，该纳米纤维可载不同的药物，实现在人体不同位臵缓释控释目的。 项目来源：自行开发  技术领域：生物医药  应用范围：医药辅料

 技术创新：纤维素基肠溶包衣材料及其纳米纤维的制备。 所在阶段：中试

 成果知识产权：发明专利：纤维素类固体肠溶包衣材料的沉析改进方法.2007103003604.3  成果转让方式：转让专利、技术合作、合资

 市场状况及效益分析：静电纺丝纤维在组织工程、药物缓释、超敏感传感器、过滤材料等方面具有很大的潜在应用前景；薄膜包衣，形象美观，可进行企业标识或字体标识。从操作的标准化来讲，薄膜包衣技术也符合GMP的要求。

11.高品质低成本纤维素醚制备技术（技术）

 成果简介：项目结合生产实际，从配方（含溶剂体系）、工艺、设备等三方面进行优化、设计、实验与反复分析，在长期研究的基础上，集成多项专利技术，设计了一条制造设备独到、布局合理、工艺及配方科学的大规模生产线，实现了多品种、高品质、低成本、低消耗的纤维素醚生产。极大提高了反应过程的效率和产品均匀性，降低消耗、减少污染，提高了产品的应用性能，如溶解性、透光率、抗酸性、抗盐性、抗酶变性能等。 项目来源：自行开发  技术领域：新材料

 应用范围：适合于多种纤维素醚的制造，产品可用于石油开采、建材、食品、日用化工、航空航天和医药等多个工业领域。

 技术创新：采用了连续增溶液浆法技术，提高了产品质量与生产能力，减少了污染，降低了成本。

 所在阶段：产业化

 成果知识产权：授权专利号ZL03104639.8；专利申请号200610078867.4。 成果转让方式：出让专利、技术合作、合资

 市场状况及效益分析：采用连续增溶液浆法，提高了产品质量与生产能力，减少了污染，降低了成本；一线多用，适合于多种纤维素醚的制造。产品可用于石油开采、食品、医药和航空航天等多个领域。是“产、学、研”有机结合的楷模。 图片展示：

12.天然纤维素蒸汽闪爆改性及其在新型溶剂中溶解与绿色湿纺技术（技术）

 成果简介：项目针对目前粘胶纤维工业生产过程存在的污染严重问题，采用自行设计的高压热蒸汽闪爆（Steam Explosion，简称SE）技术，在超分子水平实现对天然木纤维素快速、安全可靠、低污染物理改性并固化其构象，同时利用环保、廉价的新型纤维素溶剂体系，实现温和条件下纤维素的溶解，通过真空脱泡、充氮、喷丝、凝固等工艺的优化获得了纤维素纤维的绿色湿纺技术，丝性能达到或超过粘胶丝。 技术领域：工业材料  应用范围：粘胶纤维工业生产

 技术创新：1）建立了可靠、高效、无污染的闪爆处理系统，自主创新，拥有专利（专利200310113788.9）；2）优化了绿色溶剂体系，实现闪爆纤维素溶解，得到可纺丝好的溶液体系，国内首创；3）新溶剂绿色纺丝技术，国内首创。

 成果来源：国家技术创新项目计划，编号00BK127  经济、社会或军事效益：传统粘胶法成本约为21900元/吨；闪爆法19600元/吨，按5000吨/年算，前者税后利润2112万元/年，闪爆法可达2882万元/年。采用闪爆技术使木浆可高效率的溶解在新型溶剂体系，实现绿色纺丝技术，是湿纺领域一场技术革命。

13.北京市建筑干混砂浆综合技术及质量控制体系研究（服务）

 成果简介：本项目是采用独特的首创工艺—“连续增溶液浆法”在同一条生产线上生产多种高质量的非离子型纤维素醚（主要是混合醚）和其交联产品。 应用范围：产品可广泛用于建筑用新型保水材料，功能性涂料成膜剂、增稠剂、乳化剂和稳定剂。

 创新点：项目要将“制备工艺规范化、产品多样化和系列化、品种功能化”。同时针对市场需求，开发多种配方，以满足高质量、高难度施工环境用水泥浆料、干混砂浆、砂灰浆料、石膏和建筑染料配制。确定、规范建筑材料行业纤维素醚的行业标准。

 经济、社会或军事效益：发展干混砂浆是节约资源、保护环境、提高建筑工程质量、实现文明施工和促进建筑施工现代化的重要技术，本项目利用自主的知识产权优势，替代美国、日本、德国和南韩产品，提高我国建筑材料的产品粘度、凝胶点、保水性、透明性、缩短生产周期。

14.天然高分子基医用植物胶囊（产品）

 成果简介：传统胶囊囊壳基本由动物明胶构成，其易失水硬化、吸潮软化，遇醛类易交联，再加上国际穆斯林、犹太教和素食协会等特殊文化人群的抵制，使植物胶囊成为传统胶囊优选的替代产品。但国产的植物胶囊骨架材料——羟丙基甲基纤维素(HPMC)性能不达标。本技术解决了植物胶囊专用医药级HPMC研发、应用，及其胶囊母料复配技术与加工成型难题。胶囊的制备充分利用现有明胶生产设备与条件，在不改动或少改动胶囊加工设备的前提下，调整溶液浓度、成型工艺，控制烘干温度、风速、时间来调整胶囊的形

状、厚度及透明度、脱模性能与切割性能。

 关键技术： 1）植物胶囊用HPMC的控制技术；2）凝胶互补协同增效优化技术；3）低成本的植物胶囊的加工成型技术。

 经济、社会或军事效益：植物胶囊符合当今崇尚自然的消费群体的需求，对制药、保健品企业而言，采用区别于传统动物源性胶囊的植物胶囊，为产品区分和品牌价值提升提供了更多可能性，且成为国内药品和保健品出口的绿色通道。

 图片展示：图1 植物胶囊加工用0号胶囊轴针照片

15.纳米纤维素衍生物层层自组装胶囊研究（技术）

 成果简介：微胶囊技术现已广泛应用于生物医药，环境保护，日用化工，农业科学及航空航天等领域，随着应用范围的扩大，开发新技术与新方法制备微胶囊，使其具有更精确可控的结构成为微胶囊技术发展的重点课题之一。 技术特点：本研究采用了具有优越生物相容性和低生物毒性的天然聚电解质，羧甲基纤维素（CMC）和壳聚糖（CS），以三聚氰胺甲醛胶体微球为模板，在其表面交替组装CMC与CS，制成具有纳米核壳结构的粒子。通过调节组装条件控制聚电解质多层膜囊壁结构。通过盐酸熔解去除模板，得到中空微胶囊。得到的膜材料具有优越的控制释放能力，在药物控制释放，环境保护、纳米反应器及生物医用材料等方面具有广阔的应用前景。

16.硝化棉氮量及其分布均匀性快速测试系统（产品）

 成果简介：目前硝化棉（NC）生产厂家对其质量的监控主要是采用各种方法测定其含氮量，而人们在应用过程中发现，不仅是NC的含氮量，而且氮量分布的均匀性也是影响其一系列工艺和应用性能的重要指标之一。但一直以来缺乏一套能够在工业上应用的快速、准确、有效地表征NC氮量分布均匀

性的指标和测试方法。北京理工大学纤维素技术研发中心与四川北方硝化棉公司联合，研制出一套在国内外首创的NC硝化均匀性质量快速分析仪。该系统以偏光显微镜为核心部件，同时集成了现代CCD、角度传感器和计算机硬软件，是目前国内外唯一能够同时测得NC含氮量和氮量均匀性的科学手段。

 项目来源：合作开发  技术领域：其他高新技术

 应用范围：适用于硝化棉生产及以硝化棉为原料的军用火炸药或民用涂料、塑料厂。可以实现在线检测、实时监控，为生产调控和应用提供依据。 所在阶段：产业化

 成果知识产权：发明专利：一种测定硝化棉含氮量与氮量均匀性的方法.200710119614.1  成果转让方式：技术许可、技术合作、出让专利

17.小口径人工血管制备（产品）

 成果简介：心血管疾病已经成为人类死亡率最高的疾病之一，人工心血管的制备及介入治疗是治疗心血管疾病的有效手段。小口径血管的制备在人工血管领域是一个很大的难题，我们采用自己独特的技术路线，采用生物相容性良好的天然丝素蛋白材料为基本原料，经过改性，解决了丝素蛋白易溶于水及脆性问题，制备出力学性能达到手术缝合要求及体内血流膨胀及收缩要求的小口径血管，通过改性大大提高其抗凝血性能。 项目来源：自行开发  技术领域：新型材料、生命

 技术特点：该小口径丝素血管在狗的颈动脉血管替代实验中表明：管材具有良好的缝合性能和与动物血管的顺服性；不存在血液渗透现象；管材在体内具有良好的抗凝血性能；缝合手术完成半年，经过对血管进行血管造影和流量测定，确定血管在体内没有堵塞现象。动物实验组织病理切片结果标明：材料较完整；组织有完整纤维囊包裹，外层明显胶原化，内层异细胞为主；细胞成分少，细胞成分以淋巴、单核细胞为主，偶见中性粒细胞，未见异物巨细胞；血管内腔面有薄层纤维结缔组织。目前动物实验最长时间已达22个月，畅通率达到100%。 所在阶段：小规模生产  成果知识产权：发明专利申请

 成果转让方式：共同开发  图片展示：

18.超薄钢结构防火涂料（产品）

 成果简介：普通钢结构在540度左右，就损失了它的结构强度,就算是混凝土结构，在600度以上高温也迅速损失其强度。采用防火涂料对钢结构进行防火保护，可将钢结构的耐火极限从0.25小时提高至2.0小时以上。根据钢结构的不同型式、不同部位以及相应的耐火极限要求，应选用不同类型的钢结构防火涂料加以涂覆保护。根据钢结构防火涂料的施工技术规范要求（CECS 24:90标准），对外观装饰性要求较高的钢结构（主要指轻钢结构的梁、网架和屋架），一般选用薄涂型的膨胀型钢结构防火涂料加以保护，尤其是选用可刷涂施工的超薄型钢结构防火漆或防火乳胶漆（涂层厚度<3毫米）。

 项目来源：自行开发  技术领域：新型材料

 应用范围：电厂、油田、发电机组车间、输电线路的铺设底层、电缆、石油管道、钻井平台等。

 现状特点：该项技术提高了涂料的环境友好程度，同时提高耐火的极限。预计建设部几年内计划要取消环氧类涂料的使用。我们将使用目前国际上推崇的丙烯酸或氨基树脂系列；耐火体系选择中排除卤系元素，涂层遇火时烟密度低，无任何有毒气体产生，大大提高对环境的友好程度。

 技术创新：最终产品通过国家级别的性能测试，耐火极限在1-2小时。涂料不燃、不爆、无毒、无污染、环境友好度高。施工方便，防火阻燃效果突出，同时使涂料具有良好的装饰效果。理化性能优越：粘接性好、干燥快、抗潮、耐水和耐冻融性好。 所在阶段：小规模生产

 成果转让方式：技术转让、合作开发、合作建厂

 市场状况及效益分析：目前建筑多采用轻钢结构框架，按国家技术标准，普通钢结构防火涂料的涂层厚度在5mm-3mm，而超薄钢构件防火涂料的涂层厚度为1.5mm-3mm，超薄钢结构防火涂料必将是防火涂料的发展趋势。 成本投资估算：涂料产品成本预计在11000-14000元/吨

19.CdS/PAMAM纳米材料的制备及潜指纹显现技术（技术）

 成果简介：本项目以聚酰胺-胺型树形分子（PAMAM）为模板制备了粒径可控、颜色可调的CdS/PAMAM量子点溶液，该溶液具有较高的荧光强度；应用于潜指纹识别时选择性吸附能力优异，发光量子点沉积在纹线上，小犁沟没有吸附（图1）；尤其对胶带粘面潜指纹具有非常理想的显现效果，可以通过室温反射和紫外可见荧光两种形式成像，具有较广的适应性；对陈旧指纹的显现效果良好，大大提高了使用范围。该显现液在公安部物证鉴定中心、北京市公安局等实战部门进行了实际应用，均取得很好的效果，一致认为其操作简便、显现潜指纹效果好，达到了国际先进水平。 知识产权：该项目申请国家发明专利1项。

 应用范围：该溶液具有较强的荧光性能和靶向作用，在癌细胞显现等领域也具有较大的应用前景。

20.高性能二次电池及相关能源材料、技术

 成果简介：项目获国家973、863计划支持，获得国家科技进步二等奖1项、省部级科技一等奖3项，发明专利20余项。 技术领域：新型材料

 应用范围：能源环保，新材料  所在阶段：小规模生产，试生产阶段

 成果转让方式：技术转让、技术入股与合作、技术服务 市场状况及效益分析：本项目研究开发的具有自主知识产权的高功率镍氢动力电池(>1250W/kg)和锂离子动力电池(>1800W/kg)已应用于东风、奇瑞、长安、长春一汽、沈阳华晨等公司的混合动力车；基于轻元素多电子反应和离子液体基复合电解质，构筑了Li/S电池新体系，研制电池样品能量密度达到378Wh/kg，展示出良好应用前景。

第二篇：新型纳米建筑材料

新 型 纳 米 建 筑 材 料 综 述 报 告

班级：土木123 姓名：霍峰磊 学号：3121611092

新型纳米建筑材料

1.前言

纳米技术是指在纳米尺度范围内通过操纵原子、分子、原子团或分子团使其重新排列组合成新物质的技术，研究内容主要包括纳米材料技术、纳米加工技术、纳米性能检测技术和纳米应用技术等。从20世纪8O年代以来，纳米科技研究在世界范围内受到高度重视，有的技术已实用化了。目前纳米科技已经渗透到很多的传统产业中，如染料、涂料、食品等。纳米技术作为一门新兴科学，必将对建材领域产生深远的影响，利用纳米技术解决高性能建材将成为未来建材领域发展的必然趋势。把高科技的纳米材料引入建筑业，开发多功能、高附加值的建筑新材料，以提高我国建行业的技术竞争实力，开拓建筑材料在国内外的市场地位。纳米科技发展到今天，成为一项影响产业发展和国家竞争力的社会化的科技，纳米科技将在新世纪对社会、经济以及国家安全产生重大影响。2.主题

2.1高强度和高韧性纳米陶瓷材料

纳米陶瓷和纳米陶瓷基复合材料是当前陶瓷研究的重要发展趋势。传统陶瓷材料质地较脆，韧性．强度较差，因而使其应用受到了较大的限制。由于纳米陶瓷的晶粒细化有助于晶粒内的滑移，因而使材料具有超塑性行为，也因晶粒细化从而引起材料内气孔或缺陷尺寸减少。在陶瓷基体中加入纳米材料，极大改善了材料的强度韧性及高温性能，用纳米SiC、Si3N4、ZnO、SiO2、Ti02、A12O3等制成的陶瓷材料具有高硬度、高韧性、高强度，并且耐磨性、低温超塑性、抗冷热疲劳性能优异等优点。这种高强度和高韧性纳米陶瓷将作为防腐、耐热、耐磨的新材料在更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十分宽广。

20世纪90年代初，日本Nihara首次报道了以纳米尺寸的SiC颗粒为第二相的纳米复相陶瓷具有很高的力学性能，纳米陶瓷还具有很多独特的性能，例如①作为外墙用的建筑陶瓷材料，在经过修饰的陶瓷表面具有清洁和防雾功能；②纳米陶瓷具有的塑性行为，使陶瓷在本质上具备了吸收外来能量的机制，陶瓷的脆性有可能解决；③纳米陶瓷具有低的烧结温度、短的烧结时间、高的塑性性能和高的断裂韧性；④在陶瓷基中加人纳米级的金属碳化物纤维，可大大提高其硬度，同时具有良好的抗烧蚀和防热性。

随着科技界对纳米陶瓷材料的研究和开发的深入，人们发现了越来越多的问题：由于纳米陶瓷粉体颗粒细小，必然带来体积庞大、容重较小不利于混合均匀且难以压实、试样成型困难等问题；同时它还具有很大的表面积，在范德华力、静电力和磁力的作用下易发生团聚等问题。因此，为了开发利用纳米陶瓷粉体崭新特性的应用及使之在世界范围内得到最快的推广应用，有下列问题有待解决：①深人研究和探索开发高纯度的纳米陶瓷粉体的制备技术，同时努力搞清楚各种因素对纳米陶瓷粉体性能的影响；②团聚现象是纳米陶瓷粉体制备中最难控制的问题，加强对团聚和解聚的研究势在必行；③研究纳米陶瓷粉体在粒径逐渐变小时的性能变化，特别是低温性能的变化已经越来越必要了。因此，如何控制纳米陶瓷粉体的优势发挥，已经成为高技术陶瓷的一个重要研究课题。【1-2】 2.2在建筑涂料中的应用 2.2.1光学应用纳米复合涂料

纳米粒子的粒径远小于可见光的波长(400～750 nm)。具有透过作用，从而保证了纳米复合涂料具有较高的透明性。纳米粒子对紫外线则具有较强的吸收作用。在外墙建筑涂料中添加TiO2，SiO2等纳米粒子以提高耐候性，在汽车面漆中添加TiO2以提高汽车涂料的耐老化性等。特别是金红石型超细TiO2在汽车面漆中还可起到效应颜料作用，与其他片状效应颜料如铝粉颜料或珠光颜料并用时，会产生伴有乳光的随角异色性，可用于豪华轿车面漆，这是目前纳米TiO2的最大用途，也是国外纳米材料在涂料中应用最为成功的例子之一【3】。2.2.2吸波纳米复合涂料

利用纳米粒子的表面效应，可以制备出吸收不同频段电磁波的纳米复合材料，可用作雷达波吸收剂的纳米粉体有：纳米金属(Fe，co，Ni等)与合金的复合粉体、纳米氧化物(Fe3O4，Fe2O3，ZnO，NiO2，TiO2，MoO2等)的粉体、纳米石墨、纳米碳化硅及混合物粉体等。国外用纳米级羰基铁粉、镍粉、铁氧体粉末已成功配制了军事隐身涂料，涂到飞机、军舰、导弹、潜艇等武器装备上，使该装备具有隐身性能。由于纳米涂层材料具有吸收频带宽、重量轻、厚度薄等优点，因而可望在未来军事隐身化方面大展身手。【4】 2.2.3纳米抗菌涂料

在国内纳米抗菌粉体已实现工业化生产，市场上已有多个牌号的产品出售，主要用于纤维织物中。制成新一代抗菌保洁内衣。如将纳米抗菌粉用于涂料中，则可制得纳米杀菌涂料，涂覆在建材产品，如卫生洁具、室内空间、用具、医院手术间和病房的墙面、地面等，起到杀菌、保洁效果。【5】

另外，采用纳米技术可制成纳米界面涂料，其涂膜界面为超双亲性二元协同界面(既疏水又避油)，将这种涂料涂于建筑材料(如玻璃、陶瓷等)，任何油质、水、灰尘等都不能存留于表面，可保持玻璃和陶瓷等挂面的建筑物长期一尘不染，也会使浴室内的大镜子以及人戴的眼镜在任何情况下也不会产生雾气；如果涂于布料，它不仅可以防水、防油，而且可以防止墨水、酱油等将衣服弄脏，是一种理想的卫生保健布料。

目前，美国研究开发成功并进行产业化的具有随角异色性的豪华轿车面漆、军事隐身涂料、绝缘涂料等，另外，还开展了光致变色涂料、透明耐磨涂料、包装用阻隔涂料层等纳米涂料的研究。日本则在静电屏蔽涂料、光催化自洁涂料的研究开发方面取得了成功并实现了产业化。我国目前的研究开发主要集中在改善建筑外墙涂料的耐候性和建筑内墙涂料的抗菌性方面，二者基本已研制成功。而在工业用涂料、航空航天用涂料以及功能性涂料的研究开发和产业化方面则落后于发达国家。我国已有较多的纳米粉末生产企业，但其并未打开在涂料工业中的应用市场，纳米粒子生产企业及科研单位在纳米粒子的制备及表面改性技术方面具有优势，而涂料科研单位则在涂料的应用研究方面具有优势，只有两者之间紧密结合，才能加快纳米粒子在涂料中的应用步伐。纳米材料在涂料中应用产业化与基础研究应齐头并进。由于涂料种类繁多、成分复杂，纳米粒子的一种亲油改性并不能适用于所有涂料体系，因而必须加强纳米粒子的表面特性与不同涂料体系之间的匹配性研究，只有这样，才能充分发挥纳米粒子的特性。【6】

2.3纳米材料在新型混凝土材料中的应用 2.3.1纳米矿粉在水泥混凝土中的应用

纳米材料由于具有小尺寸效应、量子效应、表面及界面效应等优异特性，因而能够在结构或功能上赋予其所添加体系许多不同于传统材料的性能。利用纳米技术开发新型的混凝土可大幅度提高混凝土的强度、施工性能和耐久性能，如添加纳米SiO2、纳米CaCO3和纳米硅粉等。纳米矿粉不但可以填充水泥的空隙，提高混凝土的流动度，更重要的是可改善混凝土中水石与骨料的界面结构，使混凝土强度、抗渗性与耐久性均得以提高。有研究报道【7】，当纳米材料的添加量为水泥用量的1～3％，并在高速混合机中与其他混合料进行混合后，制备成的纳米复合水泥结构材料，在7d和28d龄期的水泥硬化强度比未添加纳米材料水泥的提高约5O倍，而且韧性、耐久性等性能也得到较大的改善。文献【8】研究了硅灰和纳米级SiO2 对水泥浆体需水量的影响。研究表明，纳米级SiO2的掺量对水泥浆体的需水量影响非常显著，当纳米级SiO2掺量达到水泥用量的8时，水泥浆体的需水量增大一倍，而硅灰的掺量在水泥用量10%以内时，对水泥浆体的需水量影响不明显。同时，研究发现当将两者进行复合添加时，纳米级SiO2的小球体填充于硅灰颗粒之间，与硅灰形成很好的颗粒级配结构。因此，当两者同时添加且纳米级SiO2为1%和硅灰为9%时，需水量并未双倍增加，可见两者的交互作用十分明显。2.3.2纳米金属粉末在混凝土中的应用

纳米金属粉末具有两个特殊性能，其一是纳米金属粉末的强度、硬度高，并随着晶粒尺寸的减小，其强度、硬度不断提高，同时还表现出非常好的塑韧性；其二是纳米金属粉末是一种良好的吸波材料【9】，这是由于纳米材料的表面效应，增加了纳米材料的活性。利用上述纳米金属粉末的特殊性能，如果把它掺入到水泥混凝土中，可制成功能性的电磁屏蔽混凝土。

纳米金属粉末种类较多，同时还包括纳米合金粉末；故应选择合适的纳米金属或合金粉末，使之对混凝土的强度、耐冲击性能的提高最大，而且电磁屏蔽效果最好。此外，要重视和加强纳米金属或合金粉末参与水泥水化反应机理的研究以及吸收电磁波的机理研究。2.3.3纳米金属氧化物在混凝土中的应用

锐钛型纳米TiO2是一种优良的光催化剂，它具有净化空气、杀菌、除臭、表面自洁等特殊功能[9]。利用纳米TiO2具有净化空气的特性来制备光催化混凝土，它在净化机动车排出的尾气时发生了光催化反应，对机动车辆排放的二氧化硫、氮氧化物等对人体有害的污染气体进行分解去除，起到净化空气的作用

2.3.4聚合物／无机纳米复合材料在混凝土中的应用 关于聚合物用于混凝土中，国内外已经有许多报道，而关于聚合物／无机纳米复合材料用于混凝土中却未见报道。由于聚合物／无机纳米复合材料的优异性能，使得有关它的理论和应用研究成为当前复合材料的热点，它也有可能应用于水泥混凝土中。根据聚合物／无机纳米复合材料的性能和聚合物水泥混凝土的研究，如果把聚合物／无机纳米复合材料用于水泥混凝土中，不仅可提高混凝土的抗压、抗拉和弯曲强度，而且可提高其耐久性。在混凝土混合料中掺入一定量的聚合物／无机纳米复合材料，使之均匀分散在混凝土中，利用聚合物／无机纳米复合材料的导电性能，测试电阻的变化，建立电阻与荷载之间的模型，从而可以预测混凝土结构的破坏。【10】 2.3.5绿色水泥工业中的应用

在水泥配料中加人部分纳米级粉料，经均匀分散，在生产过程中可大大节约能源，降低烧成温度，并有利于固相反应和水泥材料显微结构的形成，改善水泥性能，提高水泥强度、耐久性等一系列指标。若采用一定措施控制配料中纳微米颗粒的晶粒长大，则可获得一系列其他意想不到的良好性能，生产系列高性能水泥新品种，如弹性水泥、延性水泥、太阳能水泥、远红外一水泥、环境友好水泥等。

虽然纳米矿粉的掺量一般为水泥质量的l％ ～3％时就有明显的效果，但由于加工纳米矿粉的成本很高，这在一定程度上限制了纳米矿粉在水泥材料中的使用。这就需要探索研制纳米级SiO2，CaCO3，Al2O3。和Fe2O3。等溶胶的方法，并由拌合水带入此溶胶直接制备纳米复合水泥结构材料。随着纳米技术的突飞猛进，相信其加工成本将大幅度地降低，纳米矿粉将成为超高性能混凝土的重要组分。纳米矿粉必须充分均匀地分散到水泥浆或混凝土拌合物中，才能有效地发挥纳米粉的潜在能力，但要做到均匀地分散是比较困难的。较有效的方法是在高速混样器中进行干混或制成溶胶由拌合水带人，直接制备纳米复合水泥结构材料。【11】 2.4纳米技术在高分子材料中的应用

2.4.1新型纳米结构的玻璃、塑料和橡胶制品

纳米材料在玻璃、塑料和橡胶等领域都能发挥重要作用，如纳米Al2O3和sio2加入橡胶中可提高橡胶的介电性和耐磨性，而且弹性也明显优于用炭黑作填料的橡胶。在有机玻璃中加入经过表面修饰处理的SiO2，既不影响透明度又提高了玻璃强度和韧性，可使有机玻璃抗紫外线辐射而达到抗老化的目的，并具有屏蔽紫外线和短波辐射功能，有可能替代传统的钢化玻璃和某些镀膜玻璃。在透明产品塑料中添加少量的纳米Al2O3 和SiO2，利用它透光、粒度小，可使塑料变得更致密，可使塑料薄膜的透明度、强度和韧性、防水性能大大提高，会大大减弱紫外线对透明产品的损伤作用，已被广泛用于塑料薄膜方面。2.4.2抗静电、防电磁辐射的静电屏蔽材料

电子产品的普及使得电磁辐射对人体健康造成了巨大威胁，一些纳米微粒如纳米氧化铁、纳米氧化镍等能强烈吸收电磁辐射，从而对人体起到防护作用。以往的静电屏蔽材料一般都是由树脂掺加碳黑喷涂而成，但性能并不是特别理想。13本松下公司已研制出具有良好静电屏蔽的纳米涂料，利用具有半导体特性的纳米氧化物粒子如Fe2O3、Cr2O3、TiO2、ZnO等做成涂料，在室温下具有比常规的氧化物高的导电特性，就会产生良好的静电屏蔽性能，可以达到防静电、防爆、防尘、防电磁波辐射等功效。2.4.3耐热、隔热、阻燃材料

由于纳米微粒具有特殊的光学性能，对波长为800 nm以上的红外光反射率达70％以上，所以有高度的抗热辐射性能，可达到减少光的透射和热传递效果，具有优良的隔热效果。在建材产品如玻璃、涂料中加入适宜的纳米材料，可以达到减少光的透射和热传递效果，产生隔热、阻燃等效果。在新型、高效防火涂料的研制中，使用氢氧化铝、氢氧化镁、硼酸锌、铝化合物以及锡化合物等超细无机阻燃添加剂，由于其粒径小，分散性能好，能显著提高涂料的阻燃消烟效果，并能节省阻燃剂的用量，改善涂层的物理机械性能。【12】 2.5纳米技术在其他方面的应用

2.5.1在粘合剂，密封胶和润滑剂方面的应用

利用纳米技术可开发粘合剂及密封胶，将纳米SiO2作为添加剂加入到粘合剂和密封胶中，使粘结效果和密封性能大大提高。其原因是在纳米SiO2：表面包覆一层有机材料，使其具有永久性，而添加到密封胶中很快能形成一种硅石结构，即纳米SiO2，形成网络结构，提高粘结效果，由于颗粒尺寸小，更增加了胶的密封性。【13】大型建材机械等主机工作 时的噪声达到上百分贝，用纳米技术制成的润滑剂，既能在物体表面形成半永久性的固态膜，产生很好的润滑作用，大大降低噪声，又能延长装备寿命。【14】 2.5.2在净化空气和水抗菌、消毒除臭等方面的应用

利用离子交换复合工艺，使层状无机材料在极性分子的作用下发生膨胀、层离，均匀分散在水介质中。其层间可交换性阳离子在电性力的作用下与交联剂发生交换，通过这种交换作用，抗菌或净化成分进入其层间，把层与层撑开，在层间交替形成分子级支柱，从而形成各不相同的纳米复合抗菌材料、净化空气材料。这种纳米复合抗菌材料和净化空气材料可净化甲醛、苯等有毒有害挥发物80％以上，抗菌率达98％以上。

利用纳米技术可开发可净化CO2并产生负离子具有森林功能的建材。森林功能建材具有两个特点，可净化CO2及有害气体，室内的CO2浓度可减少到森林中大气的浓度，还可增加空气中负离子的数量。由于人类的活动，一方面使CO2向大气中的排放量逐年增加。加上人类大量采伐森林，毁灭草木，以致减少了植物从大气中吸收CO2的数量。目前，全球CO2的浓度正在逐年上升，据测定，19世纪CO2的环境浓度为290X10（-6）像荷花一样出污泥而不染，这是纳米界面材料技术赋予传统建材的神奇效果。资料表明20世纪初正负离子的比例为1：12，现在正负离子的比例为12：1，正离子的增加引起慢性病增加，交通事故增多。负离子的主要作用为：① 减少电子波的污染；② 空气净化；③ 减少VOC（挥发性有机化合物）和香烟污染；④ 抗菌防霉；⑤ 促进动植物的成长。减少空气中CO2的作用有：① 减少地球环境负荷；② 空气净化作用；③ 减少细菌繁殖；④减轻疲劳，创造舒适环境。总之，增加负离子和减少CO2均可创造清爽和舒适的环境，有利于健康。【15】 2.5.3性能特殊的光学材料

纳米材料具有特殊的抗紫外线、吸收和反射红外线能力，这种材料用建筑材料可获得抗紫外、抗可见光和抗红外功能。研究表明纳米TiO2、ZnO、SiO2对波长在300～400 nm波段具有很强的紫外线吸收能力，大大降低了紫外线对高分子材料分子链的攻击，大大减少了活性自由基的产生，保护了高分子链不被紫外线所降解，从而可有效地保护人体免受紫外线的损伤。纳米微粒TiO2、ZnO、SiO2、A12O3和Fe203的复合粉体与高分子纤维结合，对中红外波段有很强的吸收性能。2.5.4光催化材料

纳米材料催化剂具有独特的晶体结构及表面特性，因而其催化活性和选择性都大大优于常规催化剂。例如Fe和Ni微颗粒可生成MrxCyHz组成的准金属有机粉末，其对氮氧化物、油脂、甲醛等物质具有明显的催化降解作用。在玻璃、陶瓷和瓷砖的表面涂上一层纳米TiO2薄层后具有的光催化氧化活性，在光的照射下任何玷污在表面上的物质，包括油污、细菌和病毒均可被其分解氧化变成气体或者很容易被擦掉的物质，达到除毒、脱色、矿化的目的，高层建筑的玻璃、厨房、外墙陶瓷、瓷砖的保洁都可以很容易地进行。2.5.5新型防护材料

我国传统建筑防水材料是在胶料中加入炭黑，这种工艺比较成熟，但制成品全都为黑色，耐腐性及耐候性差，易老化，不能满足人们对色彩的要求。如何选择一种既能提高强度、弹力、耐腐、耐候、抗老化性能，又不影响染色剂染色效果的浅色无机填料，成为合成高性能彩色防水卷材的关键。北京市建材科学研究院成功研制了高耐老化性能的彩色氯化聚乙烯防水卷材，其各项主要技术性能达到了黑色三元乙丙橡胶防水卷材的性能标准。同时还开发了纳米材料建筑色浆、纳米材料改性高耐候性建筑涂料等。纳米SiO2，改性的防水卷材具有色彩新颖、光稳定性、热稳定性及化学稳定性好，弹力、强度、韧性、抗老化性极佳等优点，是一种新型的高性能的彩色防水卷材，可广泛用于建筑顶面、地下室、卫生间、水池、水利堤坝、隧道等防水、防潜工程，发展前景极为广阔。2.6纳米材料在建筑材料应用中存在的问题

在以上利用纳米材料对建筑材料进行改性的应用过程中都存在的主要问题就是纳米微粒的分散性差，易团聚凝聚。目前纳米材料应用的关键技术问题是在大规模制备的质量控制中，如何做到均匀化、分散化、稳定化。为解决这一问题，应当对纳米粒子的表面进行处理而降低其表面能，对颗粒表面进行表面化学改性和表面吸附包覆改性处理。尽管目前纳米材料的应用研究已经取得了一定的成果，但由于纳米微粒本身的高活性而引起的团聚问题，以及纳米微粒的制备、保存、运输等环节之间的关系问题使其应用受到限制，如何均匀地把纳米微粒分散到目标物中仍然是目前纳米微粒应用研究的热点之一。【16】 3.总结

纳米功能材料及纳米技术已成为世界各国研究的热点，纳米技术已渗透到人类生活和生产的各个领域，使得许多传统产业得到改进。随着建筑业的飞速发展，越来越多的新型纳米材料必将对建筑材料产生深远的影响，开发具有新功能的纳米材料和拓宽现有纳米材料在建材中的应用领域，对改造现有传统的建材产品，提高其发展空间和市场竞争力，具有十分重要的意义。4.参考文献

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【3】周树学，武利民．纳米材料在涂料中的应用研究[J]．新产品新材料，2001，(3)【4】任晓菲，李静．纳米技术与新型建筑材料[J]．太原大学学报，2003，(2)【5】焦恒，周万城．雷达吸收剂研究进展[J]．材料导报，2000，(3)【6】阎鑫，胡小玲，等．雷达波吸收剂材料的研究进展[J]．材料导报，2001，(1)【7】叶青．纳米复合水泥结构材料的研究与开发I-J]．新型建筑材料，2OOl(11)【8】李颖，唐 明，聂元秋．纳米级SiOx与硅灰对水泥浆体需水量的影响I-J]．沈阳建筑工程学院学报(自然科学版)，2002，18(4)【9】阎 鑫，胡小玲．雷达波吸收剂材料的研究进展I-J]．材料导报，2001(1)【10】宋小杰 纳米材料在新型混凝土材料中的应用 安徽建筑工业学院学报(自然科学版)第l5卷第4期2007年8月

【11】张志强，王玉平(西南科技大学，四川绵阳621010)第34卷第3期2008年6月

【12】魏志强 王政军等 纳米技术在建筑材料中的发展与应用 中国粉体技术 第11卷第1期 2005年2月

【13】张化萍．划时代的建筑材料[J]．专家论坛，2001，(1)【14】魏志强 王政军等 纳米技术在建筑材料中的发展与应用 中国粉体技术 第11卷第1期 2005年2月 【15】何登良 董发勤等 纳米技术在建筑材料领域的应用 混凝土 2005年第8期(总第190期)【16】魏志强 王政军等 纳米技术在建筑材料中的发展与应用 中国粉体技术 第11卷第1期 2005年2月

第三篇：纳米分析技术

纳米食品的分析检测进展

摘 要 介绍了纳米材料的安全性,重点对纳米食品的3种分析检测手段(成像、分离和表征

技术)进行了较为详细的综述,并对该领域的工作进行了展望。

关键词 纳米材料,纳米食品,分析手段

进入21世纪以来,纳米技术已经在材料、化工、生物、医药、食品、通信、能源等众多

领域展现出广阔的应用前景,并对各学科领域的发展产生了深远的影响。在食品工业中真正

运用了纳米技术的产品只占消费品的一小部分,主要包括纳米包装材料、纳米营养物和纳米

添加剂等[1]。目前,全球有200多家公司致力于纳米技术在食品工业中的应用。根据著名咨询

公司HelmutKaiser一项调查显示,仅在食品饮料包装行业, 2004年纳米产品的全球销售额就

高达8·6亿美元,而在2002年,纳米产品的全球销售额只有1·5亿美元[2]。

纳米食品,也称纳米尺度(10-9-10-7m)的食品,是以人类可食用的天然物、合成物和生物生

成物等原料采用纳米技术加工制成的,并根据人体健康进行不同配制的食品。由于纳米粒子

具有独特的表面效应和量子尺寸效应,研究发现,食品和营养素经过纳米化以后,亦表现出更

高生物活性,甚至显现出常态物质没有的活性。所以纳米食品除了包括普通食品的功能外还

有以下功能:预防疾病、调节机体、康复病体的功能;降低保健食品的毒副作用功能;提高人体

对矿质元素的吸收利用率和杀菌除味等。新兴纳米技术下生产的食品的安全性一直受到消费

者和研究人员的高度关注。本文就纳米食品的分析检测方法进行综述,以期为纳米食品的发

展提供技术支持。纳米材料的安全性

纳米材料是将材料的尺度在空间进行约束,并到一定的临界尺寸后,材料的结构和性质

也随之发生从宏观到微观的转变。粒径的减小也是引起纳米材料的安全性问题的主要原因。

Frampton通过对大气中尘埃粒子的研究发现,当大气中的尘埃粒子粒径<10μm时,尘埃粒子

对肺部有明显的毒性。材料对生物体的毒性强烈地依赖于材料的尺寸[3]。

在一般情况下,纳米材料不会表现出明显的毒性。但纳米材料的潜在毒性、在生物体内的富集及其对食物链的影响,人们却自知甚少,研究者称这种毒性为“生态毒性”。Brunner等

研究发现,不同类型的纳米粒子能够透过细胞膜,导致细胞内自由基含量的增加,最终造成生

物体的毒性[4-6];同时,纳米粒子还会在生物体的组织中富集。Chen研究发现, SiO2纳米颗粒会

导致核质蛋白的团聚,从而损害细胞核的功能[6]。富勒烯和TiO2纳米颗粒会对蚤、大口鲈鱼

和其他水生动物产生一定的毒性[7]。而纳米材料有时也会扮演降低污染物毒性的角色: Zhang

通过对鲤鱼的活体实验发现,TiO2纳米颗粒会大量富集游离的镉离子[8];纳米银也显示出较强的抗菌能力,研究者已将这种抗菌能力应用到人们健康保护和水生环境治理中[9]。

纳米食品中采用的纳米技术是一种全新的技术,如同转基因食品,其安全性和接受程度

受到消费者的质疑。纳米食品在活性、吸收利用率等增加的同时还应该考虑到有害物质的吸

收、渗透等问题。一方面粒径减小使得食品原料本身具有的毒素,农残和重金属成分更易被

吸收,加剧了纳米化后的安全隐患。另外,纳米食品中营养成分纳米粒子可以通过传统吸收途

径之外的其他途径进入人体,并穿过生物膜屏障,使人体的防御能力降低,引起机体功能紊乱,出现健康问题。

维蒙特大学的消费经济学家科洛丁斯基在佛罗达里达州奥兰多市的食品安全大会上说,〔〕纳米技术是一种新的基因工程10。美国消费联盟的资深科研人员汉森称,不要因为某种物质

在自然尺寸状态下是安全的,就以为处理成纳米尺寸后也一定是安全的,所有科学家都赞同,物质的大小也是安全重要因素之一。例如,大量接触含有纳米碳(如富勒烯)的食品或化妆品,会造成与石棉一样的危害[10]。美国消费者保护组织称,纳米食品已经悄悄打入市场,促请美国

当局强制厂商标明食品是由纳米技术制造的。因此,有必要借助于先进的分析仪器,深入了解纳米食品在复杂体系中的行为及其对人体和环境的潜在影响。纳米食品分析检测技术

纳米材料的理化性质包括尺寸大小、尺寸分布、表面特征、形状、溶解度、活性、团聚状态和化学组成等诸多信息。为了更多地获得这些信息,应用多种分析手段来检测和表征纳米材料成为一种必然。将分析手段分为成像、分离和表征3种技术。

2·1 样品前处理

样品处理是整个分析过程中最薄弱环节和时间决定步骤,也是误差的主要来源。而环境因素对纳米材料的结构和组成等性质的影响很大。因此,前处理或消化后“纳米食品”得到的结果常常不同于原位检测的结果[11]。避免或减少样品的前处理,可以有效地减少人为干扰因素。如果不得不对样品进行前处理,仔细地记录前处理的每一环节对“追踪”人为干扰因素至关重要。同时,一些新的样品前处理技术应用到纳米材料的分析检测技术,尤其是涉及到成像邻域: Paunov采用凝胶捕获技术结合扫描电镜(SEM)对乳液进行了成像[12];Bickmore采用固定技术结合原子力显微镜(AFM)对水溶液中的黏土矿物质进行了成像[13];Lonsdale应用高压冷冻和冷冻基质技术,借助于透射电镜(TEM)对稀有的糊粉原生质体进行了成像,这种技术保留了细胞结构的完好和蛋白质的抗原性,优于传统的化学固定和去水技术[14];Wang

采用低温透射电镜,对掺杂Fe的TiO2纳米颗粒进行了“原位成像”[15]。当然,这些新的样品前处理技术也有望在纳米食品的分析检测技术中得到广泛的应用。

2·2 成像技术

纳米材料的尺寸都在可见光的衍射极限以下,普通光学显微镜无法观测纳米材料。目前,电子显微和扫描探针显微技术是运用最多的成像技术。依赖于这些技术,可以得到亚纳米的分辨率。利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)3种常见的成像技术,人们可以得到纳米材料的许多性质,诸如团聚的状态、分散、吸附、尺寸、结构和形状。

Parris通过SEM观测到包埋香精油的蛋白纳米微球的形态,更深入了解这种香精油的抗氧化性。TEM可以对各种纳米粒子进行成像,可观测到不同形状的纳米管状牛乳蛋白,制备出嵌入活性酶的多肽自组装材料。利用TEM,研究者还可以控制最终合成的纳米β-环糊精的形态和尺寸分布。

对于TEM和SEM而言,必须在真空条件下操作,因此大大阻碍了这2种技术的推广。样品必须进行去水、低温固定或嵌入等前处理;而前处理的引入,不可避免地改变了样品的原有性质。如果在全液体状态下成像,就需要应用AFM技术。AFM属于扫描探针显微镜的一类,振荡的悬臂掠过样品的表面,在针尖和表面之间,可以检测到<10-12N的静电力。基于以上原理, AFM可以提供3D表面形态(大约0·5 nm的高度分辨率)。AFM的主要优势在于提供 湿的或潮湿状态下的样品的亚纳米结构。如果样品是液体状态,样品就很难固定在基质上,甚至到处流动,有时甚至吸附在振荡的悬臂上。以上会导致“涂污效应”的产生和振荡悬臂性质的改变。人们采用非接触式扫描,来减小“涂污效应”。AFM可以用于表征蛋白、多糖和脂质体的结构,AFM很早就用于成像纳米管状α-乳清蛋白的分子结构,还可以研究脂质体包埋体系的形态、尺寸、稳定性和动力学过程。

以上3种成像技术均属于损伤性技术,因此同一样品不能多次分析。电子显微技术的另一个缺点是“充电效应”,这种效应源于组织成像时,由于电子辐射导致静态电场的累积。如果将样品的表面包裹导电性材料,可以消除充电效应,但是同时会导致部分信息的缺失。此外, 3种成像技术普遍存在成本高、耗时等缺点,因此很难成为最常用的分析手段。

2·3 分离技术

常见的分离技术如高效液相色谱(HPLC)、场流分级分离(FFF)、毛细管电泳(CE)、水动力色谱(HDC)、凝胶电泳(gel electrophoresis, GE),借助于传统的检测器,这些分离技术不仅能够快速、灵敏、无损伤地定性检测各种环境中的纳米粒子(包括纳米食品),而且能对其定量。其缺点在于,由于溶剂的引入和不同介质的相互作用,使样品原始环境发生改变,最终导致分析结果的偏差。将各种分离技术的灵敏度、简单程度、分析时间、成本消耗和应用程度进行对比(表1所示),不难看出HPLC和FFF是两类优势明显的分离技术。

表1 三种分析检测手段的对比1)

简称灵敏度简单程度分析时间成本消耗应用程度

分离技术HPLC○√○√√

FFF○√√√○

HDC○√√√×

CE×√○√○

GE○√×√○

成像技术TEM√√××√

SEM√√××○

AFM○√○×○

表征技术MALDI-MS√○××√

ESI-MS√√√○○

DESI-MS√○√××

IM-MS√○√×○

PCS○√○√√

AU○○××○

NMR×○○×○

XRD√×××○

SAXS○××××

注: 1)√,良好;○,中等;×,较差。

食品邻域内,用于分离纳米材料的HPLC主要有2种: SEC(尺寸排阻色谱)和IEC(离

子交换色谱)。众所周知,尺寸排阻色谱是尺寸分离常用的技术。这种技术已经应用到量子点、碳纳米管和聚苯乙烯纳米颗粒的尺寸表征。尽管有着良好的分离效率,但尺寸排阻色谱存在以下缺点:溶剂与流动相之间存在强烈的相互作用,测定的粒径分布较窄,不能同时分离纳 米粒子和其团聚物。借助于紫外-可见光检测器(UV-Vis)或独特的荧光检测器(FL), SEC和IEC均可监控纳米蛋白材料的洗脱情况。与光子相关光谱(PCS)相结合, SEC可以检测纳米脂质体包埋体系,并给出详细、准确的尺寸分布。SEC还可以与示差折光检测器(RI)或多角度光散射(MALS)联用表征多糖。高灵敏的检测器,如电喷雾质谱(ESI-MS)和基质辅助激光解吸附-飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)与SEC联用后,可以得到多糖的组成、尺寸和重复单元次序等重要信息。

20世纪60年代诞生的场流分级分离技术(FFF),现已在理论、仪器技术和实际应用方面都有了较大的发展,尤其在分离复杂的大分子物质方面,驱动技术的基本要素。与色谱一样,FFF是一种洗脱技术;与场驱动技术一样,需要一外加场或梯度。在场流分级分离中,分离是在外加场的诱导下与流体联合作用进行的。场流分级分离技术是一个分离技术的大家族,它包括多种分支技术。根据引入的外加场的不同,主要有沉淀场流分级分离、流动场流分级分 离、热力场、流分级分离、电力场流分级分离等。同高灵敏的检测技术(诸如ICP-MS和多

角度激光散射)结合,FFF已经成功应用到地球化学和天然胶体研究,同样也应用到功能化纳米粒子的行为研究。应用范围从新鲜水样和海水中的胶体物质,到土壤悬浮物的尺寸分离。Peng利用双电场FFF技术分离了不同尺寸的纳米管;此外,人们利用FFF技术分析了诸多纳米粒子,如SiO2、金属、金属氧化物和炭黑等。FFF的主要缺点:积聚壁的相互作用,通道内的连续再平衡,某些情况下的样品前处理,平衡过程中的样品补加和通道内样品团聚的可能性增大。

与SEC不同,毛细管电泳技术,不存在固定相间的相互作用。但由于分离不单单建立在尺寸的基础上,数据干扰更加复杂。水动力色谱(HDC)利用无孔刚性固体颗粒来填充其分离柱,让含有被测乳液的淋洗液在高压下通过床层,由于水动力效应,使粒径不同的粒子流出速度不同,从而实现了对聚合物乳液或胶体悬浮液中的粒子分级或分离。同SEC相比,测定的粒径分布很宽,涵盖了5-1 200 nm的范围。HDC的主要缺点就是峰的分辨率较差。HDC同最常用的UV-Vis检测相结合,已经应用到(荧光)纳米材料、胶体悬浮液和生物大分子的尺寸分离。此外,这种技术同DLS相结合,应用到脂质纳米胶囊的尺寸分离。

2·4 表征技术

光子相关光谱(PCS)、质谱(MS)、分析性超滤(AU)、核磁共振(NMR)、X射线衍射(XRD)和小角度X射线散射(SAXS)是几种常见的表征技术。在表1 中不难看出:MS结合PCS后,几乎可以满足所有的分析要求。

2·4 表征技术

光子相关光谱(PCS)、质谱(MS)、分析性超滤颗粒粒径分布的标准方法,可以提供快速的原位和实时检测[24]。PCS,是一种无损检测技术,可以快速、准确提供纳米脂质体或蛋白包埋体尺寸大小。PCS还可以提供纳米多糖包埋体系的尺寸大小及其分布和稳定性表等信息。借助于这项技术,通过研究纳米壳聚糖包埋体系,人们可以改善纳米保健或功能食品效和提高其安全性。用PCS测颗粒的大小时,随着悬浮液颗粒浓度的增大,除了发生重散射外,颗粒之间还会因为互相碰撞而聚集在一起,形成团聚颗粒,影响测试结果。所得颗粒大小只是一定条件状态下相对值,并非颗粒的真实值。只有辅以其他表征手段,才能确定颗粒的实际大小和分布状况。

4种质谱技术-电喷雾质谱(ESI-MS)、基质辅助激光解吸附质谱(MALDI-MS)、解吸电喷雾质谱(DE-SI-MS)和离子迁移质谱(IMS-MS)均已应用到纳米材料的表征中。分析检测固体和液体纳米材料,常用2种软电离方式-电喷雾(ESI)和基质辅助激光解吸附(MALDI)。ICP电离源可以用于纳米食品的金属元素分析,与MS技术结合后,样品可以直接注入离子源中,再与HPLC等技术联用后,可用于元素的价态分析。FFF-ICP-MS作为一种交叉技术,已经应用到样品的尺寸分离及定量分析,这种分析检测最大限度地保留了样品的原始状态。核磁振(NMR)技术,能够提供固体或悬浮状纳米样品的动态和三维结构信息。Carter利用NMR

技术表征了空气和水中的硅纳米颗粒。扩散NMR技术可以有效地表征胶体物质的尺寸和相互作用。Lead利用脉冲梯度场NMR技术测定了腐殖酸的扩散系数。X射线光谱分为X射线光电子光谱(XPS)、X射线荧光光谱(XRF)、X射线吸收光谱(XAS)、X射线散射光谱(XRD)。小角度X射线散射(SAXS)技术,可用于固体或液体纳米材料的结构表征。对单一分散体系而言, SAXS可以提供材料的尺寸、形状和结构信息;而对多分散体系而言, SAXS只能提供尺寸 的可能性分布信息。

2·5 离心和过滤等其他技术

离心和过滤技术可以用于纳米材料的制备和分离,其优点在于低成本和高效。超离心

技术能够提供最大可达1×106g的相对离心力,从而可以对胶体粒子进行沉降分离和分析,现已广泛地用于蛋白质分子的分离与分析。传统的膜过滤可以分离尺寸范围在0·2-1μm的颗粒,滤又称微孔过滤,膜的平均孔径为0·05-14μm,能阻挡住悬浮物、细菌、部分病毒及胶体的透过。超滤也是一种加压膜分离技术,膜的平均孔径为1-10 nm,用于分离大分子溶质。纳滤作为一项新型的膜分离技术,介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程,纳滤膜的孔径围在几个纳米左右纳滤技术主要应用于水的软化、净化以及分子质量在102的物质分离、分级和浓缩、脱色和去异味等。新兴的错流过滤和传统过滤技术的差别在于:传统方式是一种静态过滤,悬浮液和垂直滤层直接接触,这通常被认为是“死亡”过滤,在这个过程中无法移动越积越厚的滤层,导致滤层逐渐堵塞。而在错流过滤中,悬浮液在滤柱的孔道中做高速的循环运动,悬浮液以从过滤膜片表面切过的方式,通过膜片和多孔的基体作为滤液排出,由孔道中的高速流动引起的湍流不断的冲洗膜片表面,从而防止了堵塞。错流过滤已经成为分离胶体和颗粒的标准方法,其效果已经通过AFM技术得到了验证。利用错流过滤技术荧光分析检测湖水、河水和海水中胶体,已有相关报道。Sung利用电场辅助的错流过滤技术,成功分离了多 种纳米粒子。先进的离心和过滤技术也有望在纳米食品的分析检测技术中得到广泛的应用。3 展望

由于纳米材料拥有众多优良性能,越来越多的纳米食品将走入百姓的生活。纳米材料的潜在毒性及其对食物链的影响使人们有必要认识纳米材料在复杂体系中的行为。为了获得这些信息,人们采用了多种技术分析和表征纳米食品。将3种分析手段———成像、分离和表征技术进行对比,不难发现对纳米食品特殊地前处理,利用HPLC或FFF技术将纳米材料分离开,再利用MS结合PCS的表征技术,就可以得到纳米食品中纳米材料的理化性质的基本全貌了。一种理想的、可用于分析和表征“纳米食品”的分析仪器必须满足以下条件:能同时检测纳米材料的物理和化学特性;能实时、快速检测纳米食品。但目前还没有一种仪器能够满足理想仪器所具有的所有条件,现有的分析仪器都存在以下或多或少的不足:(1)需要对样品进行前处理,增添了人为因素;(2)有损检测,样品只能分析一次;(3)只能提供材料的某些特征信息;(4)不能分析非均一相的样品。因此,这些关键性技术都有待于研究人员去突破和解决。参考文献

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第四篇：纳米加工技术

纳米加工技术及其应用

江苏科技大学机械学院

学号：139020021

姓名：原旭全

纳米尺度的研究作为一门技术,是80年代刚刚兴起的.它所研究的对象是一般研究机构很难涉猎的即非宏观又非微观的中间领域,有人称之为介观领域.所谓纳米技术通常指纳米级(0.1nm~l00nm)的材料、设计、制造、测量、控制和产品的技术.纳米技术主要包括纳米级精度和表面形貌的测量;纳米级表层物理、化学、机械性能的检测;纳米级精度的加工和纳米级表层的加工一一原子和分子的去除、搬迁和重组;纳米材料;纳米级微传感器和控制技术;微型和超微型机械;微型和超微型机电系统;纳米生物学等;纳米加工技术是纳米技术的一个组成部分.纳米加工的含义是达到纳米级精度(包括纳米级尺寸精度,纳米级形位精度和纳米级表面质量)的加工技术.其原理使用极尖的探针对被测表面扫描(探针和被侧表面不接触),借助纳米级的三维位移控制系统测量该表面的三维微观立体形貌.材料制造技术.著名的诺贝尔奖获得者Feyneman在20世纪60年代曾预言:如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话,我们就能使物体得到大量的异乎寻常的特性,就会看到材料的性能产生丰富的变化.他说的材料即现在的纳米材料.纳米材料是由纳米级的超微粒子经压实和烧结而成的.它的微粒尺寸大于原子簇,小于通常的微粒,一般为l一100nm.它包括体积份数近似相等的两部分:一是直径为几个或几十个纳米的粒子;二是粒子间的界面.纳米材料的两个重要特征是纳米晶粒和由此产生的高浓度晶界.这导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的改变.如:纳米陶瓷由脆性变为100%的延展性,甚至出现超塑性.纳米金属居然有导体变成绝缘体.金属纳米粒子掺杂到化纤制品或纸张中,可大大降低静电作用.纳米Tiq按一定比例加入到化妆品中,可有效遮蔽紫外线.当前纳米材料制造方法主要有:气相法、液相法、放电爆炸法、机械法等.l)气相法:¹热分解法:金属拨基化合物在惰性介质(N2或洁净油)中热分解,或在H冲激光分解.此方法粒度易控制,适于大规模生产.现在用于Ni、Fe、W、M。等金属,最细颗粒可达3一10nm.º真空

蒸发法:金属在真空中加热蒸发后沉积于一转动圆的流动油面上;可用真空蒸馏使颗粒浓缩.此法平均颗粒度小于10nm.2)液相法:¹沉积法:采用各种可溶性的化合物经混合,反应生成不溶解的氢氧化物、碳酸盐、硫酸盐或有机盐等沉淀.把过滤后的沉淀物热分解获得高强超纯细粉.采用此工艺制备出均质的玻璃和陶瓷.由于该法可制备超细(10nm一100nm)、化学组成及形貌均匀的多种单一或复合氧化物粉料.已成为一种重要的超细粉的制备方法.3)放电爆炸法:金属细丝在充满惰性气体的圆筒内瞬间通人大电流而爆炸.此法可制造Mo.W等难熔金属的超细颗粒(25一350nm),但不能连续操作.4)机械法:利用单质粉末在搅拌球磨(AttritorMill)过程中颗粒与颗粒间和颗粒与球之间的强烈、频繁的碰撞粉碎.近几年大量采用搅拌磨,即利用被搅拌棍搅拌的研磨介质之间的研磨,将粉料粉碎粉碎效率比球磨机或振动磨都高.(3)三束加工技术:可用于刻蚀、打孔、切割、焊接、表面处理等.l)电子束加工技术:电子束加工时,被加速的电子将其能量转化成热能,以便除去穿透层表面的原子,因此不易得到高精度.但电子束可以聚焦成很小的束斑(巾0.1林m)照射敏感材料.用电子刻蚀,可加工出0.1林m线条宽度.而在制造集成电路中实际应用.2)离子束加工技术:因离子直径为0.Inm数量级.故可直接将工件表面的原子碰撞出去达到加工的目的.用聚焦的离子束进行刻蚀,可得到精确的形状和纳米级的线条宽度.3)激光束加工技术:激光束中的粒子是光子,光子虽没有静止质量,但有较高的能量密度.激光束加工常用YAG激光器认封.06林m)和Cq激光器位一10.63林m).激光束加工不是用光能直接撞击去掉表面原子,而是光能使材料熔化、汽化后去掉原子.(4)LIGA(Lithographie,Galvanoforming,Abforming)技术.这是最新发展的光刻、电铸和模铸的复合微细加工技术.它采用深度同步辐射X射线光刻,可以制造最大高度为1000林m、高宽比为200的立体结构,加工精度可达0.1林m.刻出的图形侧壁陡峭,表面

光滑.加工微型器件可批量复制,加工成本低.目前,在LIGA工艺中再加入牺牲层的方法,使加工出的微器件一部分可脱离母体而能转动或移动.这在制造微型电动机或其他驱动器时极为有用.LIGA技术对微型机械是非常有用的工艺方法.1与常规精加工的比较

纳米级加工中.工件表面的原子和分子是直接加工的对象.即需切断原子间的结合.纳米加工实际已到了加工的极限.而常规的精加工欲控制切断原子间的结合是无能为力的,其局限性在于: l)高精度加工工件时,切削量应尽量小而常规的切削和磨削加工,要达到纳米级切除量,切削刀具的刀刃钝圆半径必须是纳米级,研磨磨料也必须是超细微粉.目前对纳米级刃口半径还无法直接测量.2)工艺系统的误差复映到工件,工艺系统的受力/热变形、振动、工件装夹等都将影响工件精度.3)即使检测手段和补偿原理正确,加工误差的补偿也是有限的.4)加工过程中存在不稳定因素.如切削热,环境变化及振动等.由此可见.传统的切削/磨削方法,一方面由于加工方法的局限或由于加工机床精度所限,显示出在纳米加工领域应用裕度不足.另一方面,由于科技产业迅猛发展,加工技术的极限不断受到挑战.有研究表明,磨削可获得o.35nm的表面粗糙度,但对如何实现稳定、可靠的纳米机加工以及观察研究材料微加工过程力学性能则始终受到实验手段的限制.因此纳米机加工必须寻求新的途径即直接用光子、电子、离子等基本粒子进行加工.例如,用电子束光刻加工超大规模集成电路.2.微纳米加工技术的分类

自人类发明工具以来,加工是人类生产活动的主要内容之一.所谓加工是运用各种工具将原材料改造成为具有某种用途的形状.一提到加工,人们自然会联想到机械加工.机械加工是将某种原材料经过切削或模压形成最基本的部件,然后将多个基本部件装配成一个复杂的系统.某些机械加工也可以称为微纳米加工.因为就其加工精度而言,某些现代磨削或抛光加工的精度可以达到微米或纳米量级.但本文所讨论的微纳米加工技术是指加工形成的部件或结构本身的尺寸在微米或纳米量级.微纳米加工技术是一项涵盖门类广泛并且不断发展中的技术.在2004年国际微纳米工程年会上,曾有人总结出多达60种微纳米加工方法.可见实现微纳米结构与器件的方法是多样的.本文不可能将所有微纳米加工技术一一介绍.对这些加工技术的详细介绍目前已有专著出版.笔者在此仅将已开发出的微纳米加工技术归纳为三种类型作概括性的介绍

（1）平面工艺

以平面工艺为基础的微纳米加工是与传统机械加工概念完全不同的加工技术.图1描绘了平面工艺的基本步骤.平面工艺依赖于光刻(lithography)技术.首先将一层光敏物质感光,通过显影使感光层受到辐射的部分或未受到辐射的部分留在基底材料表面,它代表了设计的图案.然后通过材料沉积或腐蚀将感光层的图案转移到基底材料表面.通过多层曝光,腐蚀或沉积,复杂的微纳米结构可以从基底材料上构筑起来.这些图案的曝光可以通过光学掩投影实现,也可以通过直接扫描激光束,电子束或离子束实现.腐蚀技术包括化学液体湿法腐蚀和各种等离子体干法刻蚀.材料沉积技术包括热蒸发沉积,化学气相沉积或电铸沉积.图1平面工艺的基本过程:在硅片上涂光刻胶、曝光、显影,然后把胶 的图形通过刻蚀或沉积转移到其他材料

（2）探针工艺

探针工艺可以说是传统机械加工的延伸,这里各种微纳米尺寸的探针取代了传统的机械切削工具.微纳米探针不仅包括诸如扫描隧道显微探针,原子力显微探针等固态形式的探针,还包括聚焦离子束,激光束,原子束和火花放电微探针等非固态形式的探针.原子力探针或扫描隧道电子探针一方面可以直接操纵原子的排列,同时也可以直接在基底材料表面形成纳米量级的氧化层结构或产生电子曝光作用.这些固体微探针还可以通过液体输运方法将高分子材料传递到固体表面,形成纳米量级的单分子层点阵或图形.非固态微探针如聚焦离子束,可以通过聚焦得到小于10nm的束直径,由聚焦离子束溅射刻蚀或化学气体辅助沉积可以直接在各种材料表面形成微纳米结构.聚焦激光束已经广泛应用于传统加工工业,作为切割或焊接工具.高度聚焦的激光束也可以直接剥蚀形成微纳米结构,例如近年来出现的飞秒激光加工技术.利用激光对某些有机化合物的光固化作用也可以直接形成三维立体微纳米结构.只要加工的工具足够小,即使传统机械加工技术也有可能制作微米量级的结构.例如,利用聚焦离子束的微加工能力可以制造尖端小于10Lm的高速钢铣刀.这种微型铣刀可以加工小于100Lm的沟槽或台阶结构.探针工艺与平面工艺的最大区别是,探针工艺只能以顺序方式加工微纳米结构.而平面工艺是以平行方式加工,即大量微结构同时形成.因此平面工艺是一种适合于大生产的工艺.但探针工艺是直接加工材料,而不是像平面工艺那样通过曝光光刻胶间接加工.3纳米级加工的关键技术

(l)测量技术

纳米级测量技术包括纳米级精度的尺寸和位移的测量、纳米级表面形貌的测量.纳米级测量技术主要有两个发展方向:1)光干涉测量技术:可用于长度、位移、表面显微形貌的精确测量.用此原理测量的方法有双频激光干涉测量、光外差干涉测量、X射线干涉测量等.2)扫描探针显微测量技术:主要用于测量表面微观形貌.用此原理的测量方法有扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)等.(5)扫描隧道显微加工技术(sTM).扫描隧道显微加工技术是纳米加工技术中的最新发展,可实现原子、分子的搬迁、去除、增添和排列重组,可实现极限的精加工或原子级的精加工.近年来这方面发展迅速,取得多项重要成果.1990年美国Eigler等人,在低温和超真空环境中,用STM将镍表面吸附的xe(氛)原子逐一搬迁,最终以35个Xe原子排成IBM3个字母,每个字母高snm.Xe原子间最短距离约为Inm,以后他们又实现了原子的搬迁排列.在铂单晶的表面上,将吸附的一氧化碳分子用sTM搬迁排列起来,构成一个身高snm的世界上最小人的图样.此“一氧化碳小人”的分子间距仅为0.snm.将STM用于纳米级光刻加工时,它具有极细的光斑直径,可以达原子级,可得到10nm宽的线条图案.4微型机械和微型机电系统

(l)微型机械.现在微型机械的研究已达到较高水平,已能制造多种微型零件和微型机构.已研制成功的三维微型机械构件有微齿轮、微弹簧、微连杆、微轴承等.微执行器是比较复杂、难度大的微型器件,研制成功的有微阀、微泵、微开关、微电动机等.(2)微型机电系统.MEMS是在微电子工艺基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域.是纳米加工技术走向实用化,能产生经济效益的主要领域.比如:l)微型机器人是一个非常复杂的机电系统.美国正在研制的无人驾驶飞机仅有蜻蜓大小,并计划进一步缩小成蚊子机器人,用于收集情报和窃听.医用超微型机器人是最有发展前途的应用领域.它可进入人的血管,从主动脉管壁上刮去堆积的脂肪,疏通患脑血栓病人阻塞的血管.日本制定了采用机器人外科医生的计划,并正在开发能在人体血管中穿行、用于发现并杀死癌细胞的超微型机器人.2)微型惯性仪表:惯性仪表是航空、航天、航海中指示方向的导航仪器,由于要求体积小、重量轻、精度高、工作可靠.因此是微型机电系统应用的理想领域.现在国外已有微型加速度几何微型陀螺仪的商品生产,体积和重量都很小,但尚需提高精度.由于MEMs的发展已初具基础,微型器件的发展也已达到一定水平,同时有微电子工业制造集成电路的经验可借鉴,各产业部门又有使用MEMS的要求,因此现在MEMS的发展条件已具备.4.微纳米加工技术发展趋势

微纳米加工技术是一项不断发展中的技术.新技术取代老技术,先进技术取代落后技术是客观发展规律.加工技术本身从来都只是手段,其目的是服务于科学研究或工业产品开发与生产.因此新的科研课题或新的工业产品开发会不断对加工技术提出新的要求.新的加工技术将会不断出现.5.参考文献

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第五篇：城市轨道交通新型防水材料应用技术

城市轨道交通新型防水材料施工中的应用

摘要：随着城市轨道交通建设的普及，地下结构防水质量越来越受到重视。地下结构防水问题直接影响到轨道交通的运营，并且修补困难较大，费用较高。现有的设计规范提出结构使用年限为100年。相应的防水材料的性能也自始至终贯穿整个生命周期。本文旨在对地铁车站和盾构区间地下结构防水施工进行分析，并将防水材料的性能及优缺点予以总结，以便更好的指导未来施工。关键词: 地铁施工、防水材料施工、材料性能、防水机理

现有的城市轨道交通地下工程一般为整体地下 1～4 层，地下最大开挖深度达到30 m以上，围护结构采用地下连续墙、钻孔桩、喷射混凝土等，地下工程防水采用结构全包防水层和主体结构自防水相结合的模式。1 防水设计 1.1 防水设计原则

地下结构防水遵循“以防为主、刚柔结合、多道防水、因地制宜、综合治理”的原则。

（1）“以防为主”：主要以混凝土自防水为主，首先，应保证混凝土、钢筋混凝土结构自防水能力，采取有效的技术措施，保证防水混凝土结构规定的密实性、抗渗性、抗裂性、防腐蚀性和耐久性；其次，应加强结构变形缝、施工缝、穿墙管、预埋件、预留通道、接头、桩头等细部构造的防水措施。

（2）“刚柔结合”：从材料性能出发，要求在地下工程中刚性防水材料和柔性防水材料结合使用。

（3）“多道防水”：除以混凝土自防水为主，提高其抗裂、抗渗性能外，应辅以柔性附加防水层，并在围护结构的设计与施工过程中积极创造条件，满足防水要求，达到互补作用，最终实现整体工程防水的不渗、不漏。

（4）“因地制宜”：由于工程所在不同地质条件和水文条件以及气候变化不一致等因素。地下水等对混凝土结构和钢筋混凝土结构具有不同程度的腐蚀作用，一般采用全包防水的措施。在城市修建地下工程，根据环保、水资源保护的要求，防排水设计应采用“防”而不是“排”的原则，严禁将地下水引入地下建筑结构内。

（5）“综合治理”：地下工程防水是一项技术性强、涉及面广的综合性工程，要求结构与防水相结合，并做好其它辅助措施。1.2 防水设计要求

（1）地下工程防水设计应着重于加强工程地质、水文地质和环境条件等资料的完整性、可靠性，使结构防水建立在可靠的技术数据基础上。

（2）由于地下水对混凝土、钢筋、钢结构具有不同程度腐蚀性的地段，应采用相应的防水和防腐措施，保证混凝土、钢筋和钢结构的耐久性。

（3）在城市修建地铁和地下工程，根据环保和水资源保护的要求，永久性的防水设防应采用“防”，而不是采用“排”，严禁将地层中的地下水引入地下工程中，在施工期间，应做到无水作业，可以采用“防、排、截、堵”相结合。（4）施工中严格控制围护结构的变形，确保围护结构基面的平整、不开裂，在施工期间围护结构做到无明水。

（5）加强细部构造的防水，做到不渗不漏。

（6）结构自防水混凝土在设计和施工过程中，要求采取切实有效的防裂、抗渗措施，并保证混凝土良好的密实性、整体性，减少结构裂缝的产生，提高结构自防水能力。1.3 一般规定

（1）地下工程的防水设计应定级准确、技术先进、方案可靠、经济合理、使用安全，确保质量要求。

（2）地下工程防水是一项系统工程，要求建筑结构与防水密切配合，防水与耐久性相结合，理顺建设单位、勘测设计单位、施工单位、监理单位、材料供应单位等各方面的关系，依法对建设质量负责。

（3）工程防水设计：主体结构及其附属结构采用以钢筋混凝土自防水为主，附加柔性防水层为辅的防水方式。

（4）地下工程变形缝、施工缝、穿墙管、预埋件、预留通道、接头、桩头等细部构造必须加强防水措施。

（5）地下工程防水设计应根据工程特点、结构形式等搜集有关资料：地下水位、地下水类型、补给来源、水质、流量、流向、压力、腐蚀性等；工程地质构造、含水层的特性、分布情况、渗透系数；地下建筑物、地下构筑物、管线资料等。2 防水材料选择原则（1）在工程中选用的防水材料，应经过国家指定的材料质检部门检测和国家有关部门鉴定，并符合国家标准和行业标准，且在实践中检验行之有效的材料。

（2）适合工程所在地地下工程的建筑特点。要求防水材料应有防水可靠性、可操作性和耐久性。

（3）具有良好的防渗效果、耐酸、耐碱、抗腐蚀性能，对环境无污染，保证施工人员的安全。

（4）防水材料对外力和结构变形的适应性：即材料具有良好的拉伸强度、断裂伸长率，能承受温度的变化以及各种外力与结构伸缩、开裂所引起的变形。（5）在一个工点内，防水材料种类要少，确保防水质量的控制。

（6）防水材料接缝要可靠、牢固。保证防水材料与结构的密贴，与结构形成稳定可靠的不透水整体。

防水材料的选择及其要求

本文介绍的防水材料主要是外包柔性防水卷材、施工缝和变形缝采用的材料及特殊部位的防水材料。

3.1 外包柔性防水层的选择类别及其要求

原则上采用卷材，不采用涂料。柔性防水卷材选用目前国内外最新的新型防水卷材：湿铺法（水泥浆作为基面粘接材料）改性沥青橡胶防水卷材和反应性（水泥浆反应）丁基橡胶卷材，这 2 种材料克服了卷材与基面串水的通病，可保证粘贴牢固，防水可靠，施工方便。

3.1.1 湿铺法改性沥青橡胶防水卷材（聚酯胎）（1）设计厚度 4 mm；

（2）粘结剂，不得采用有机材料粘结，应采用聚合物砂浆混凝土中的水泥浆粘结；

（3）胎体应采用聚酯胎，不得采用玻纤胎，聚酯胎的厚度不得小于 0.6 mm，SBS 改性沥青中的 SBS 高分子树脂的成分不得少于 12%；

（4）选择该材料的原因：

①改进了自粘橡胶卷材的胶料配方，使其中特有的高分子胶料可在水中与混凝土及砂浆粘接，又能与后浇的混凝土粘结牢固，可有效防止粘接面窜水；

②该自粘卷材自粘层选用丁基橡胶改性优质沥青生产，其内聚力小，能够长期保证粘接密封效果，自粘卷材与混凝土粘接牢固，能够适应混凝土结构收缩、温度及沉降变形，有效防止卷材脱落；

③自粘卷材冷施工、操作简便，并能保证工程施工质量受人为影响较小，施工现场无溶剂、无明火、无噪声、安全，符合环保要求；

④SKT湿铺法施工技术自粘卷材，只须在基面无明水的情况下使用水泥砂浆或防水砂浆来粘结 SKT自粘卷材。该施工方法完全解决了过去自粘卷材无法在潮湿基面上施工的问题。由于自粘卷材采用水泥砂浆或防水砂浆作为粘结剂，该材料与基面为同类材质，并且采用满铺的施工工艺，所以更有效地使防水系统与主体结构形成整体性，彻底避免“串水”渗漏的问题，被人形象地称为“植肤式”防水施工法；

⑤可以采用湿铺法施工，混凝土有强度就可以施工，缩短工期，节约资金，施工简便、快捷、更安全、更环保。

3.1.2 湿铺法及反应性丁基橡胶自粘型防水卷材（1）产品介绍

反应性自粘型防水卷材是以丁基橡胶为原料合成，由于卷材和现浇混凝土发生化学反应，使卷材与混凝土紧密结合成为一个整体，形成永久的防水层，能有效地解决地下工程外包防水的窜水问题，该产品已经通过新技术、新产品的推广使用认定，其性能指标符合要求。（2）防水机理

卷材中的活性离子与混凝土中的离子发生化学反应使卷材与混凝土自行粘接成一个整体，形成永久性防水层。

（3）材料的特点

①“皮肤式”防水：卷材与混凝土发生化学反应，形成永久性防水层，即使发生局部穿孔破损，也不会出现“窜水”的现象。

②粘结力强：卷材与混凝土的粘结强度可达 0.9 MPa 以上，相当于 98 m高的水头压力，远远超过地下水压力；抗撕裂性能好：常温下可达 35 N以上；抗拉强度高：断裂延伸强度在8 MPa 以上。

③对混凝土裂缝追随性好：当混凝土出现裂缝时，卷材随裂缝延展，外包防水功能不会受到破坏。④特别适用于地铁工程：由于卷材与混凝土结合成一体，当沉降引起的地下箱体位移时，外包防水层随箱体同时移动，绝不会出现外包防水层渗漏。⑤耐腐蚀性：抗酸、碱腐蚀性能好；材料着火点高，阻燃；耐菌防霉：与传统的材料相比有良好的耐菌防霉效果。

⑥抗穿刺能力强：施工中不用过多保护。

⑦耐久性好：经测试和理论推算，在屋面使用年限可达80 年以上，在地下工程中使用年限可达 100 年以上。

⑧环保无害：材料在生产和施工过程中不会影响自然环境。（4）设计厚度 1.5 mm。

（5）技术标准：根据工程特点和耐久性的要求，某些指标与 硫化橡胶类有所提高

（6）注意事项

在运输与贮存时，应注意勿使包装损坏，放置于通风、干燥处，并应避免阳光直射，禁止与酸、碱、油类及有机溶剂等接触，且隔离热源；应保存于室内，并不得重压。本产品保质期 1年。3.2.3 注浆管

注浆管管身以硫化硬质橡胶管为骨架，底面设置注浆孔，出孔外侧覆盖硫化海绵橡胶阀，橡胶阀与骨架间采用粘胶固定。施工时，事先将注浆管预埋在施工缝表面，一旦出现渗漏时可立即注浆，使注浆液填满和密封空隙或裂缝来进行防水。随渗漏随注浆，可以反复多次使用，达到混凝土施工缝在全寿命期间不渗不漏的目的。

注浆管上部的圆形结构使其能有效抵抗混凝土浇筑时外界的冲击力，底部的平面造型使其很容易和施工缝、变形缝等基面贴紧，管、阀之间的斜面加工防止注浆材倒流，橡胶阀外侧的两道凹槽可减小注浆液流出时阻力。硫化硬质橡胶管具有弹性，在后浇混凝土重力作用下，不会沿壁产生缝隙。单根管长与管内径匹配，确保管端有足够的压力以使注浆液顺利注入。两端的导管采用一定柔性的加筋塑料管，与注浆管连接、起到导浆和排气的作用。3.3 变形缝防水材料的选择

（1）变形缝采用“三防一注浆”的施工方法；（2）“三防”采用的材料

一防：变形缝位于结构的迎水面，增加 1 道防水加强层，宽度 60 cm，采用与外包防水材料相同的材料；

二防：变形缝中要设不锈钢边橡胶止水带，宽 350 mm，钢片厚度 1 mm；

三防：变形缝内侧口部设置 30 mm（宽）×30 mm（深）双组分聚硫密封胶；

一注浆：应预埋后注浆管。

3.4 特殊部位防水层的处理—高渗透改性环氧防水涂料的应用

特殊部位防水层是指底板下的工程桩与下翻梁、围护结构与主体结构的底板和顶板相交处有钢筋连接，不能铺设柔性防水卷材，形不成外包延续防水层，在该位置采用喷涂高渗透改性环氧防水涂料。3.4.1 高渗透改性环氧防水涂料简介

混凝土构筑物长期在偏碱性的水或海水的作用下会受到腐蚀破坏，其它酸性或碱性介质也会造成混凝土的腐蚀破坏，而环氧树脂是高分子材料中抗腐蚀性能的佼佼者。可高渗透改性环氧防水涂料。该产品为高渗透改性环氧防水涂料，能渗入混凝土中，使其表面形成一定厚度（2-5 mm）的不透水固结层，能长期抵御各种腐蚀介质的渗入和腐蚀，是钢筋混凝土、污水处理池、地铁盾构管片、桥面防腐蚀防水的专用理想材料。3.4.2 材料的特点

①喷、涂、刷后能自行渗入被处理混凝土构件表面内形成2-5 mm的固结层，该固结层力学强度比原混凝土的强度提高30%以上，因而起到增强作用。防水涂层用量为0.5 kg/m2，在使用过程中严禁加溶剂。

②具有优异的耐腐蚀和耐老化性能。

③该材料固结前有一定的亲水性，施工方便，对潮湿的混凝土也具有渗透固结的特性。

④粘合剂固结体无毒，不产生污染。4结 语

城市轨道交通工程是百年工程，其大型地下车站、盾构区间、附属结构等地下工程的防水施工是重中之重。防水质量的好坏直接影响到地铁的运营，地下结构的使用寿命。由于地下空间狭小，防水施工困难大、施工条件差。没有成熟的施工工艺和经过验证的防水材料很难做到万无一失。特别是地下承压水较大、含水具有腐蚀性的沿海地区，对防水标准提出了更高的要求。现有的防水设计普遍采用了 3 道防水防线（围护结构防水、外包柔性防水卷材防水、混凝土结构防水）和特殊部位防水，并采用国内外先进的防水材料，给正在施工和运行的地下车站提供了防水保障，但地铁的百年大计还刚刚开始，更好的施工工艺和更先进的防水材料还等待着我们去探索发掘。