纳米结构高分子材料综述

纳米结构高分子材料的制备、表征、应用前景

花生

(湖南工程学院化学化工学院湖南湘潭 411104)

摘要:纳米结构高分子材料是由各种纳米单元与有机高分子材料以各种方式复合成型的一种新型复合材料。本文综述了纳米结构高分子材料的结构、性能和表征技术,并对其应用进行了讨论。

关键字：纳米结构高分子材料插层复合溶胶-凝胶纳米改性

Preparation ,Characterization, Application of Nano-structural Polymer Materials

huasheng

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Hunan

Institute of Engineering,Xiangtan Hunan 411104,China )

Abstract:Nano-structural polymer materials are a class of composite materials

which are Compound from polymer and nano-materials. This article introduces

nano-structured polymer materials as follow: structure , properties , characterization techniques and its applications .

Key word：Nano-structural polymer materials intercalation solution-gel modification of polymer

纳米结构聚合物材料由于具有独特的性能而在机械、光、电、磁、微处理器件、药物控释、环境保护、纳米反应器及生物化学等方面具有广阔的应用前景，近年来掀起了对纳米结构聚合物材料研究的热潮。各国学者分别在化学分子设计、结构分析、组装方法和应用等方面进行了广泛的研究。我国的科学工作者也对其开展了许多卓有成效的工作。关于纳米结构超薄膜的综述文献已有很多，本文主要就

纳米结构高分子材料的结构、性能、制备、表征分析、以期对这一新兴领域的发展有所启示。

1 纳米粒子的结构与性质

颗粒直径在1~100nm 之间的粒子称为纳米粒子，它是由一定数量的原子或分子组成的，其性质既不同于宏观大尺寸颗粒，也不同于单个原子和分子等微观粒子，而是处于原子簇和宏观物体交界的过渡区域，是一种典型的介观系统。它具有一系列新颖的物理、化学特性，体现在以下4 个方面。

1.1表面效应

粒子的表面效应指的是纳米粒子表面原子与总的原子数之比随粒子粒径的减小而急剧增大后所引起的性质的变化。纳米粒子的粒径与表面原子数的关系见表

表 1纳米粒子的粒径与表面原子数的关系

粒径/nm 20 10 5 2 1

原子数/个 250000 30000 4000 250 30 表面原子所占的比例 10 20 40 80 99 从表1 可以看出，处于粒子表面的原子数随着粒子粒径的减小而迅速增加，粒子的表面积、表面能及表面结合能也都迅速增大。表面原子具有很大的化学活性，如刚制备的金属纳米粒子在空气中会燃烧，耐热耐腐蚀的氮化物纳米粒子也变得不稳定等。纳米粒子的表面效应使它可以作为高效催化剂、气敏元件、超导材料等。

1.2体积效应

体积效应是指纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时，周期性的边界条件被破坏，磁性、热性能、化学活性、催化性及熔点等都较普通粒子发生了很大的变化。正因为纳米粒子的这一特性，当它分散于高分子材料中时，致使高分子材料具有特殊的性能或改善高分子材料的性能。

1.3量子尺寸效应

当粒子的尺寸小到一定值时，粒子内部原子数目减少，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级的现象称为量子尺寸效应。此时处于分立能级的电子将给纳米粒子带来一系列特殊性质，如高的光学非线性、超导电性和光催化特性等。

1.4宏观量子隧道效应

隧道效应是指微观粒子具有贯穿势垒的能力。但近年来，人们发现一些宏观量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的能垒而产生变化，故称为宏观的量子隧道效应。这一效应与量子尺寸效应一起，确定了微电子器件进一步微型化的极限，也限制了采用磁带、磁盘等进行信息存储的最短时间。

2 纳米结构高分子材料的制备

纳米结构高分子材料的涉及面较宽, 包括的范围较广, 可分为四大类: 纳米单元与高分子直接共混; 在高分子基体中原位生成纳米单元; 在纳米单元存在下单体分子原位聚合生成高分子及纳米单

元和高分子同时生成。

2.1 纳米单元与高分子直接共混

此法是将制备好的纳米单元与高分子直接共混, 可以是溶液形式、乳液形式, 也可以是熔融形式共混。

①溶液共混法，把基体树脂溶于溶剂中，加入纳米粒子后混合均匀，出去溶剂而得；②乳液共混法，将纳米粒子加入聚合物乳液中，并搅拌混合均匀实现共混；③熔融共混，首先将聚合物加热熔融，并将纳米粒子加入聚合物熔体内搅拌共混；④机械共混，将高分子物料和添加物料加入到研磨机中研磨共混。

2.1. 1 纳米单元的制备

可用于直接共混的纳米单元的制备方法、种类很多, 通常有两种形式的制备: 从小到大的构筑式,即由原子、分子等前体出发制备; 从大到小的粉碎式, 即由常规块材前体出发制备, 总体上又可分为物理方法、化学方法、物理化学方法三种。

2.1. 2 纳米单元的表面改性

纳米单元的表面改性方法根据表面改性剂和单元间有无化学反应可分为表面物理吸附方法和表面化学改性方法两类, 可以采用低分子化合物主要为各种偶联剂改性, 也可以在用微乳液法制备纳米粒子时, 采用聚磷酸盐或硫醇作为捕获剂, 通过终止微晶表面而使晶核停止生长, 同时避免粒子团聚, 也可以通过锚锢聚合在粒子表面形成聚合物改性。锚锢聚合改性法可分为吸附包裹聚合改性和表面接枝聚合改性两类。