聚合物纳米复合材料电介质

聚合物纳米复合电介质材料

摘要：综述了聚合物基纳米复合材料的概念、产生、分类、制备方法以及聚合物基纳米复合材料的性能及应用，对聚合物基纳米复合材料的应用前景作了简要地分析，并提出发展过程中需解决的问题

关键词：聚合物纳米复合材料类型制备方法

聚合物纳米复合材料可以定义为通过一定方式在聚合物基体中引入至少在一个维度上是纳米尺度的填充物所组成的材料[1]。由于该材料在力学、热学、光学、电磁学、生物学等方面具有特殊性能，被誉为“21世纪最有前途的材料”，正在成为材料科学研究的热点而日益受到关注。

1 聚合物基纳米复合材料的分类

1.1 聚合物/无机纳米粒子复合材料

将纳米粒子（如SiO2、CaCO3和TiO2等）均匀分散于聚合物基体中，可制得聚合物/无机纳米粒子复合材料。此类材料国内外研究较多，德国、美国、日本等对纳米CoSb3、SiO2、Al2O3、TiO2、Fe3O4以及纳米炭黑分别进行了接枝研究。日本松下电器公司已经研制成功树脂基纳米氧化物复合材料，其静电屏蔽性能优于常规树脂/炭黑复合材料。

1.2 聚合物/聚合物纳米复合材料

以聚合物为分散相，同时以另一聚合物为基体，使两者达到纳米级分散，得到纳米复合材料。它以聚合物代替了纳米级无机粒子，同时具有聚合物基纳米复合材料的性能。

1.3 聚合物/无机混杂物纳米复合材料

将无机混杂物，如蒙脱土(MMT)、高岭土等先研磨，使其粒子细化后，通过层间插入或其他方法使其均匀分散于聚合物基体中，最后，无机混杂物剥离成纳米级的碎片均匀分散于聚合物中，形成聚合物/无机混杂物纳米复合材料。此类材料也是聚合物基纳米复合材料的一大类别[2]。

2 聚合物纳米复合材料的制备方法

在聚合物纳米复合材料的制备中，如何解决聚合物纳米复合中纳米颗粒的分散问题一直备受关注，已成为纳米复合材料技术的重要内容。

2.1共混法

(1)直接分散法。该法同通常熔融共混类似,利用双辊混炼设备或单(双)螺杆挤出机等加工设备将纳米颗粒与聚合物进行熔融共混。

(2)溶液共混法。把聚合物基体或单体溶解于适当的溶剂中,然后加入纳米颗粒,利用搅拌或使用超声分散的方法使纳米粒子均匀分散于溶液中,最后浇铸成膜或在模具中浇铸,除去溶剂或使之聚合获得样品。

2.2插层复合法

插层复合法是目前制备聚合物纳米复合材料的主要方法。它以层状无机物作为主体，将作为客体的有机单体插入无机物夹层间，原位聚合或聚合物直接插进夹层间形成复合物，是当前材料科学领域研究的热点，主要用于有机聚合物和无机硅酸盐纳米复合材料的制备[9]。

2.3溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法为在聚合物存在的前提下，在共溶体系中使前聚合物水解，得溶胶，进而凝胶化，干燥制成纳米复合材料。

2.4原位生成法

它的基本原理是将基体与金属离子(M+)预先混合组成前驱体,金属离子在聚合物网络中均匀稳定地分散,然后暴露在对应组分(如S2-、Se2-)气体或溶液中,就地反应生成粒子。

2.5化学接枝法

这种方法就是利用无机纳米材料的表面基团,使之与聚合物相产生化学键接,形成接枝复合物[3]。

3 聚合物基纳米复合材料的性能及应用

3.1 力学性能

许多聚合物基纳米材料有优越的力学性能。纳米粒子的加入明显改善了许多材料的韧性和强度。

3.2 电学性能

许多聚合物基纳米材料有较好的电学性能，将绝缘高聚物、导电高聚物和高聚物电解质等与绝缘体、半导体、离子导体等不同电学特性的层状无机物复合，制得的高聚物/无机物层插型纳米复合材料具有多种新的电学性能，可以作电气、电子及光电产品的材料。

3.3 阻燃性能

以聚磷酸铵(APP) 对木粉-HDPE 复合材料(WF-HDPE)进行阻燃处理，实验结果表明，在35kW/m2热辐射流量下，APP 添加量达到15%时，WF-HDPE 燃烧热释放速率(RHR)峰值和总热释放量(THR)均降低约50%、成炭率提高150%，表现出显著的阻燃作用。

3.4 光学性能

许多聚合物基纳米材料有很好的光学性能和非线性光学性能，如聚合物复合ZnS:Cu 纳米微粒，由于铜的掺杂，其光致发光峰位相对于纯ZnS微粒左移，得到具有较窄带宽的紫色光致荧光，实现了聚合物基纳米复合材料的电致发光；金属、铁氧体等纳米粒子与高聚物形成复合材料，能够吸收和衰减电磁波和声波，减少反射和散射，在电磁隐身和声波隐身方面有重要应用。

4 展望

近年来，全球纳米复合材料市场发展迅速，在一些领域获得广泛应用。纳米材料的加入,既可以提高聚合物的力学、热学等性能,又能发挥纳米材料在电、磁等方面的优越性。纳米材料还可以改善聚合物的介电性能,提高聚合物的介电常数,增加以聚合物为储能单元的电容器的储能密度,还能够提高聚合物材料的使用寿命,保障电力电子设备的安全运行[4]。但在高速发展的同时，这种材料还面临三大挑战。一是技术产业化问题。纳米材料属于高科技产品，技术研发都是在大学或者研究所的实验室中进行的。从实验室的技术到实现规模生产还需要解决许多技术上的问题，如剥离、纯度和分散。二是资本投资问题。技术和创新是聚合物纳米复合材料市场的主要竞争优势，谨慎的投资策略才可能造就成功。三是技术挑战问题。不同的纳米复合材料面临不同的技术挑战。只有突破这些难点，才能扩大纳米复合材料的市场潜力[5]。

参考文献

[1] 黄兴溢江平开金天雄柯清泉, 聚合物纳米复合电介质, 2007 ,11-1776207

[2] 聚合物纳米复合材料的研究进展，武卫莉，李海平，2009 04-0071-05

黄明福，聚合物/MMT 纳米复合材料的结晶性能[J].材料科学与工艺, 2008,16(4):502-505. [3] 吴捷杨楠吴大青, 聚合物基纳米复合材料的制备方法及其性能评述, (1·黑龙江科技学院,哈尔滨; 2·中国计量学院,杭州，2009 ，06-040-03

[4] 聚合物纳米复合材料实现[J], TECHNOLOGY AND MARKET, 2009, V ol.16,No.3

[5] 王昕,聚合物纳米复合材料高速发展可期, 中国化工报,2008 ,国际化工