纳米复合材料

纳米复合材料的制备及其应用

分析化学饶海英20114209033

摘要：聚合物基复合材料目前已经成为复合材料发展的一个重要方向，它涉及了材料物理、材料化学、有机材料、高分子化学与物理等众多学科的知识。本文主要针对纳米复合材料的制备方法、性能及应用等方面的研究进展情况进行了综述。

复合材料由于其优良的综合性能，特别是其性能的可设计性被广泛应用于航空航天、国航、交通、体育等领域，纳米复合材料则是其中最具吸引力的部分。80年代初Roy等提出的纳米复合材料[1-3]，为复合材料研究应用开辟了崭新的领域。纳米复合材料是以树脂、橡胶、陶瓷和金属等基体为连续相，以纳米尺寸的金属、半导体、刚性粒子和其他无机粒子、纤维、纳米碳管等改性为分散相，通过适当的制备方法将改性剂均匀性地分散于基体材料中，形成一相含有纳米尺寸材料的复合体系，这一体系材料称之为纳米复合材料。由于纳米微粒独特的效应，使其物理和化学性能方面呈现出不同的性能。将纳米材料与复合材料结合起来，所构成的纳米复合材料兼有纳米材料和复合材料的优点，因而引起科学家的广泛关注和深入的研究[4-5,44,45]。纳米复合材料的基体不同，所构成的复合材料类型也不同，如：金属基纳米材料[9-11,43]。陶瓷基纳米材料[12]、聚合物基纳米材料。

近年来发展很快，世界发达国家新材料发展的战略都把纳米复合材料的发展放到重要的位置。该研究方向主要包括纳米聚合物基复合材料、纳米碳管功能复合材料、纳米钨铜复合材料。

1纳米聚合物基复合材料

1.1 纳米聚合物基复合材料的合成进展

在纳米聚合物基复合材料方面，主要采用同向双螺杆挤出方法分散纳米粉体，分散水平达到纳米级，得到了性能符合设计要求的纳米复合材料。较早发展起来的几种聚合物纳米复合材料的制备方法[13-14]有共混法、溶胶-凝胶法(sol-ge1)、插层复合技术(interaction)，可分为插层和剥离(exfoliate)两种技术、原位(in-situ)法、母料法、模定向合成法(template directed)包括化学方法和电化学方法。

声化学合成(sonochemical synthesis)是制备具有独特性能的新材料的有效方法。

用于制备非晶态金属、碳化物、氧化物、复合物以及纳米晶体材料。此技术还可用于Fe O、Cu O以及其它金属氧化物的聚苯胺基纳米晶体材料的制备。反向胶束微反应器(reverse micelle microreactor)是通过油包水微乳液中反向胶束中的水池(water poo1)或称液滴(droplet)的纳米级空间，以此胶束所形成的纳米空间内为反应场，可合成1-100nm的纳米微粒。自组装法来源于生物矿化作用．在自然界中的纳米材料多由此途径形成，并通过模版作用控制膜间蛋白质。该技术与胶体化学方法联用，能制造出纳米级的高分子/无机材料相间多层异质结构。辐射合成法是指聚合物单体与金属盐在分子级混合，先形成金属盐的单体溶液，再进行辐射，生成的初级产物同时引发聚合和还原。转移分散聚合是用微乳液或反相胶乳法制备纳米粒子，然后将其转移分散于聚合物溶液或单体中引发聚合生成纳米复合材料。为使转移过程获得颗粒的良好分散，大多数情况下需要添加相转移剂。所使用的相转移剂必须与微粒和聚合物溶液都要有良好的相容性。

1.2高导热聚合物基纳米复合材料的研究进展

随着信息技术的高速发展，电子元器件和电子设备已向薄、轻、小方向发展，电路密度和负载量迅速增加，由此产生的热量若不能及时扩散将严重影响仪器设备的性能稳定性。据统计，电子产品失效原因中55％是散热不良所致，因此，高性能、高功率设备的散热问题有待解决。不同器件界面处使用聚合物基高导热材料(如导热胶、导热膏和导热橡胶等)，是解决电子产品散热的有效方法之一。

在传统导热填料(如金属、金属氧化物、氮化物、碳及碳化物等)的基础上开发新型导热填料(如高取向填料、立体网状结构型填料、纳米填料和碳纳米管(CNT)等)是该领域的研究方向之一，其中纳米材料作为导热填料具有独特的效应，并且其开发潜力巨大[19]。

1.3纳米蒙脱土/PA6复合材料

现有制备的纳米蒙脱土/PA6复合材料中，纳米蒙脱土的层间距为1.96nm，处于国内同类材料的领先水平（中国科学院为1.5~1.7nm），蒙脱土复合到尼龙基体中后完全剥离成为厚度1~1.5nm的纳米微粒，其复合材料的耐温性能、阻隔性能、抗吸水性能均非常优秀，此材料已经实现了产业化。许多无机材料, 如玻璃纤维、滑石、碳酸钙、粘土等都可以作为填料或增强剂来提高高分子材料的性能。性能提高的程度通常取决于填充量、填料/基体中的分散度和取向度!填料/基体界面情况等[15-18]。

何伟等人[20]采用原位聚合法制备PA6/MMT纳米复合材料，利用超薄切片法制

备原子力显微镜观测样品实现了对复合材料中纳米蒙脱土分散情况的原位观测对复合材料进行了扫描电镜、差示扫描量热、热重、X射线衍射单轴拉伸、缺口冲击等实验，结果表明，超薄切片法制备的纳米复合材料原子力实验样品较好地实现了对纳米蒙脱土分散情况的原位观测。

周坤豪等人[21] 采用两种不同类型的季磷盐对Na基黏土进行有机化插层改性制备出有机黏土；然后用熔融共混法制备了(MMT)蒙脱土(6) 尼龙(PA6) 纳米复合材料样条，其中蒙脱土的加入量均为5%。实验数据表明，季磷盐改性蒙脱土的填充能有效提高PA6 的冲击性能。应用分形理论进行定量分析，结果表明十八烷基三丁基季磷盐处PA6理的黏土对的改性效果优于另外一种季磷盐处理的黏土的改性效果。

李丹[23]等人对PA6/蒙脱土纳米复合材料的力学性质进行了研究，结果证实季胺盐分子插人蒙脱土片层之间，使片层间的间距增大，PA6/蒙脱土纳米复合材料具有比PA6更为优良的力学性能，纳米蒙脱土的加人可以使队6的热稳定性得到显著提高，从而能够扩大队6的应用范围。

马志远等人[22] 从热稳定性能、燃烧和发烟行为成炭行为、氧指数和UL94阻燃级别等方面对聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料(PLSN)阻燃性能的研究进展进行了综述，分析和探讨了PLSN 的阻燃机理展望了其发展趋势和应用前景。

1.4纳米TiO2/聚丙烯复合材料

聚丙烯( PP) 由于综合物性好、材料成本低，在各个行业中都获得了广泛的应用。但PP韧性差、模塑收缩率大、耐低温性差，极大地限制了其发展和应用。由于纳米粒子具有比表面积大、表层原子数大、表面活性高、与聚合物的界面粘接强度高等优点, 将纳米粒子填充到聚合物中，可以得到综合性能优良的复合材料。金红石型纳米TiO2无毒、无味，具有优良的稳定性和持久性，因此PP/ 纳米TiO2复合材料的制备目前受到广大研究者的关注。

纳米TiO2/聚丙烯复合材料具有优良的抗菌效果，纳米TiO2粉体在聚丙烯中分散达到60nm以下。由于纳米聚合物复合材料的成型工艺不同于普通的聚合物，本方向还积极开展新的成型方法研究，以促进纳米复合材料产业化的进行。

杨青[24]采用自制超分散剂对金红石型纳米二氧化钛进行表面处理，然后采用熔融共混的方法与聚丙烯( PP) 进行共混制备纳米复合材料，研究了超分散剂用量及纳米二氧化钛用量对复合材料性能的影响。刘俊莉[25] 通过无皂-原位乳液聚合法，以甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯为原料，采用反应性乳化剂1-烯丙氧基-3-(4-壬基苯酚)-2-丙醇聚氧