高分子纳米材料及其应用

高分子纳米材料（论文）题目：高分子纳米材料及其应用

化工学院学院高分子材料与工程专业

学号**********

学生姓名

指导教师

二〇〇一四年十一月

高分子纳米材料及其应用

摘要：高分子纳米材料是一门新兴并且发展迅速的一门科学。其具有很多独特

的性质，应用前景非常广阔。本文主要介绍了高分子材料的性质，同时介绍了高分子纳米复合材料常见的制备方法及其在各个领域的应用。

关键词：性质；纳米复合材料；制备方法；应用

Abstract: Polymer nano-materials is an emerging and rapidly developing research direction. It has many unique properties and broad application. This paper describes the properties of polymer materials, and also introduced preparation method of the polymer nano-composite materials .The paper also introduces its application in various fields.

Key words:Properties; Nano-composite materials; Preparation method; Application

1 引言

纳米材料科学是一门新兴的并正在迅速发展的材料科学。由于纳米材料体系具有许多独特的性质，应用前景广阔，而且涉及到原子物理、凝聚态物理、胶体化学、配位化学、化学反应动力学和表面、界面科学等多种学科，在实际应用和理论上都具有极大的研究价值，所以成为近些年来材料科学领域研究的热点之一，被誉为“21世纪最有前途的材料”。[1, 2]纳米作为一个材料的衡量尺度，其大小为1 nm (纳米) =10~9 m (米)，即十亿分之一米，大约是10个原子的尺度。最初定义的纳米材料仅仅是指1~100 nm 尺度范围的纳米颗粒及由他们构成的纳米固体和薄膜。目前，在广义上定义的纳米材料是指三维空间尺度里至少有一维是纳米尺寸或者由它们作为结构基本单元的材料；根据定义按照空间维度可以将纳米材料分为三类：(1) 维度为零的纳米材料，是指纳米颗粒、原子团簇等三维空间尺度均在纳米尺寸的材料；(2) 维度为一的纳米材料，是指纳米线、纳米管等三维空间尺度中有两维是纳米尺度的材料；(3) 维度为二的纳米材料，是指纳米膜、超晶格等三维空间尺度中仅有一维是纳米级的材料；[3]

2 纳米材料的性质[4, 5]

物质的尺寸一旦与原子尺寸在同一量级时，其表面电子结构和晶体结构就会发生变化，导致纳米材料会具备一些表面效应、小尺寸效应等优异特性。

(1)量子尺寸效应。量子尺寸效应又称量子限域效应，当粒子尺寸下降到一定程度时，金属

费米能级附近的电子能级由准连续能级变为离散能级，以及能隙变宽现象均为量子尺寸效应。材料或物质的物理性质在很多方面都是由材料的电子结构决定的，当材料尺寸小

到一定程度时，电子结构由体材料的能带变成分立的能级，当能级的变化程度大于热能、光能、电磁能的变化时，就会导致纳米微粒的磁、光、声、热、电及超导特性与常规材料有着显著的不同。

(2)小尺寸效应。小尺寸效应也称为体积效应，是指当粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波

长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或者更小时，晶体的周期性的边界条件将遭到破坏，纳米粒子颗粒的表面附近原子密度会减小，导致力、热、光、磁等性质发生变化。

(3)表面效应。纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大导致比表面积将

会显著地增加，另外表面原子由于配位不足导致大量的不饱和键产生，这使得表面原子具有很高的活性，使得材料表现出一些不一样的性质。

(4)宏观量子隧道效应。微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。当体系的尺度进入到

纳米级时，体系电荷是“量子化”的，即充电和放电过程是不连续的，这就导致了对一个小纳米粒子的充放电过程，电子不能集体传输，而是一个个单个电子的传输。

3 高分子纳米复合材料及其制备方法[5-8]

3.1 高分子纳米复合材料材料[9]

正是由于以上优异的性质，纳米材料成为当今世界研究的热点。其中高分子纳米复合材料由于高分子基体具有易加工、耐腐蚀等优异性能，且能抑止纳米单元的氧化和团聚，使体系具有较高的长效稳定性，能充分发挥纳米单元的特异性能，而尤受广大研究人员的重视。

高分子纳米复合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，所采用的纳米单元按成分分可以是金属，也可以是陶瓷、高分子等。

3.2 高分子纳米复合材料的制备方法

高分子纳米复合材料的涉及面较宽，包括的范围较广，近年来发展建立起来的制备方法也多种多样，可大致归为四大类: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。3.2.1 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。例如在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中与聚酰亚胺溶液共混，制备出纳米TiO2/PI 复合材料。

3.2.1.1 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(一般为了更好控制所制备的纳米单元的微观结构性能，常采用构筑式制备法)。总体上又可分为物理方法、化学方法和物理化学方法三种。

3.2.1.2 纳米单元表面改性方法

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，既可以采用低分子化合物主要为各种偶联剂改性，也可以通过锚固聚合在粒子表面形成聚合物改性。