第十章 高分子纳米复合材料

◆医药上的应用
纳米磁性材料(Fe3O4)作载体，将医药负 载到载体上，注射到人身体内，随血液循 环，定向移动到病变部位，达到定向治疗 的目的，局部治疗效果好。
◆催化方面的应用
光催化：由水制氢气、污水处理等。制备出纳米光 催化自洁净玻璃，抗菌军服、病服、纳米洗衣机、 家具、洁具、厨具、小孩玩具，有很强的自洁净 功能 Fe2O3 、 CdS 、 ZnS 、 PbS 、 PbSe 、 ZnO 、 ZnFe2O4` TiO2 及 TiO2-ZnO ， TiO2-SnO2,TiO2CeO2,TiO2-Fe2O3 半导体及半导体复合光催化材 料
表面效应
纳米粒子由于粒径小，比表面积大，表面 原子占有率高，表面活性高 一般规律： • 10nm，表面原子占有率20% • 1nm，表面原子占有率99%
宏观量子的隧道效应
• 微观粒子具有贯穿势垒的能力，称隧道效 应 •是未来微电子器件的基础，考虑微电子器 件进一步微型化的极限，微电子器件进一步 细微化，必须要考虑上述量子效应。
基本原理：易于水解的硅（或金属）烷氧基 化合物（如Si(OC2H5)4，Ti(OC4H9)4 ）溶于 溶剂中形成均匀的溶液，然后在催化剂（酸 或碱）的作用下和水进行水解和缩聚反应， 水解后的羟基化合物继续发生缩聚反应，通 过控制水解条件使之逐渐形成无机网络，转 变成凝胶；对凝胶进行干燥处理，得到所需 材料。基本反应有水解反应和聚合反应。
◆其他
纳米镊子：美国哈佛大学前不久研制出 纳米镊子，臂宽50nm，长度4m，可以 抓住单个分子(在电压8.5V下完全可以合 拢)(纳米管一臂带正电，一臂带负电)。
日本研制的纳米镊子仅能夹起糖分子。
纳米鼻：美国斯坦福大学纳米碳管 制成的纳米鼻。 在室温条件下，造价低廉，长仅有 3m，可检测空气中NH3、NO2，可 用实验室家庭中有毒气体的报警。
10.2 高分子基纳米复合材料的制备

共混法 溶胶-凝胶法
插层复合法
1. 共混法
基本原理：方法最简单，将预先生成的纳米 微粒，在一定的条件下，通过适当的方法直 接与高聚物混合。
缺点：
复合体系的纳米单元的 空间分布参数难以 控制

纳米微粒表面活性高易于团聚，影响性能
2. 溶胶-凝胶法
●磁记录材料
21世纪信息记录材料，1cm2面积需记录 1000万条以上的信息 粒子不能小于变超磁性的临界尺寸(约 10nm)，而且对形貌有要求，针状磁性粒 子，一般选用Fe2O3包Co或CrO2Fe及Ba 铁氧体。
●纳米微晶软磁材料
Fe-Si-B是非晶态的软磁材料，加入 Cu、Nb有利于铁微晶的成核及细化， 广泛应用于各种变压器(脉冲、高频)、 传感器、磁开关。
59000

化学活性高
高催化活性的催化剂，与普通催化剂 相比，催化活性提高到几十倍到上百倍 经固相反应可得到新的物种。
4、纳米复合材料，

纳米复合涂层材料
高强、高韧、高硬度，在材料 表面防护和改性上有广阔的应 用前景
纳米粒子可以是金属和陶瓷， 其强度、硬度和塑韧性大大提 高，而不损害其他性能。
◆磁性材料
●磁流体（磁性液体材料）
强磁性纳米微粒外包覆一层长链的表 面活性剂，并稳定地分散在基液中形 成胶体，具有强磁性，又具有液体的 流动性。
例如纳米Fe3O4（10nm）分散到含有油酸的水 中，再经脱水分散在基液中。磁性流体目前 主要应用在旋转轴防尘动态密封，例如计算 机硬盘轴处防尘密封。北京钢铁研究院开发 的FeN磁流体产品。
溶胶-凝胶法制备无机/聚合物纳米复合 材料的方法：
原位溶胶化法：前驱体+高聚物溶液 溶胶-原位聚合法：无机溶胶网络+
单体
有机-无机同步聚合法
优点： 反应条件温和 两相分散均匀 可通过控制反应条件调节性能 缺点： 在凝胶干燥过程中，由于小分子、溶 剂的挥发可能导致材料的收缩脆裂 不易制备厚的制件
第十章 高分子纳米复合材料

概述
主 要 内 容
纳米复合材料的制备 无机/聚合物纳米复
合材料的表征与分析
无机/聚合物纳米复
合材料的性能及应用
10.1 概述
1、纳米及纳米材料
纳米(Nanometer)：长度单位，1nm=10-9m 氢原子的直径：0.08 nm 非金属原子直径一般为0.1~0.2 nm 金属原子的直径为0.3~0.4 nm
紫外光吸收：纳米TiO2、Al2O3、SiO2、ZnO 纳米方面对250nm以下的波长有较强的吸收。 185nm的短波紫外线对人体健康有损害，而 且对日光灯的寿命有影响，若将Al2O3粉末掺 入稀土荧光粉中，吸收掉这些有害的紫外光。 同理可作防晒剂和化妆品中。 加入高分子材料可作抗老剂，防止高分子材 料老化。
3. 纳米粒子在化学和物理上的奇异 特性
熔点降低
Au 2nmAu Cu 20nmCu Ag 纳米Ag
1064℃ 327℃ 327℃ 39℃ 900℃ 100℃
表面积增大，表面能增大
例如Cu
粒径 表面积(m2/g)
100nm 10nm 6.6 66
表面能(J/mol)
590 5900
1nm
660
例如纳米SiC陶瓷断裂韧性比普通SiC提高100 倍。
制备出纳米复合陶瓷：德国将 20% 纳米 SiC 掺 入到粗晶α-SiC粉末中，断裂韧性提高了25%。
◆光学上的应用：
●纳米 SiO2 光导纤维，光传播快， 不失真
●红外吸收和紫外吸收材料，隐
身材料
在日常生活和国际上都有主要的应用，纳 米Al2O3、TiO2、SiO2、Fe2O3及其复合材 料对人体红外有强烈吸收，可以起到保暖 作用，减轻衣服重量，对登山运动员、军 人战士防寒，以及在军事上，防止敌人的 红外探测器发现。
纳米润滑油
纳米 Cu 加入润滑油中，可使润滑油性 能提高10倍，并有自修复作用。 纳米金刚石加入润滑油中磨损程度减 9.40~50%，金刚石起到“微轴承“作 用，对表面有抛光和强化作用。
隐身就是隐蔽，把自己外表伪装起来，红外探 测器可以发射红外线，搜索红外发射物体，人 身就是红外线的发射体，现代化战争隐身材料 占极其重要的地位。1991年海湾战争中，美国 战斗机表面包覆了纳米材料（纳米材料，Al2O3、 TiO2、SiO2、Fe2O3纳米的硼化物、氮化硼， 碳化硼及其复合材料都是隐身材料），吸收宽 频带的微波，可以逃避雷达的监视，而伊拉克 的军事目标没有这种设施，失效惨重。美国又 研制了纳米磁性材料，在一定条件下产生光发 散效应，改变光传播方向，达到扰乱敌人探测 的目标。
3. 插层复合法
聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料
方法：
插层聚合：单体+片层 溶液或乳液插层：高聚物溶液+片层 熔融插层：高聚物熔体+片层
优点：
百度文库

工艺简单
原料来源广泛


价格便宜
易于分散，不易团聚

结构性能可调
10.4 性能及应用
◆陶瓷材料的增韧性：陶瓷材料耐高温、耐磨、 耐腐蚀、抗氧化高温材料的广泛的应用：例 如气缸内衬、汽车点火器等。但也有缺点， 可塑性差、韧性差、不易加工。

纳米粒子和纳米材料：粒径在1~100nm
的粒子称作纳米粒子，微粒的集合材料称 为纳米材料 血液中的红血球大小为200~300nm。 病毒 几十个nm 纳米粒子小于红血球，与病毒大小相当。
2、纳米粒子的特性
小尺寸效应
粒子的粒径小于光波的波长，则粒子是透明 的。因此光学、磁学、声学和力学性质发生 变化。
金属基纳米复合材料


陶瓷基纳米复合材料
高分子基纳米复合材料 功能纳米复合材料
无机纳米材料：硬度大，熔点高，难加工， 由于表面能大，易发生团聚，使粒径长大。 有机或高分子材料：弹性好，易加工，耐 冲击，耐摩擦。
将两者性质完全不相同的材料复合在一 起，制备一种新物，具备上述两种物质 优点，具有较好的稳定性。