试论高分子纳米复合材料

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环境和能源
环境科学领域将出现功能独特 的纳米膜。这种膜能够探测到由化 学和生物制剂造成的污染，并能够 对这些制剂进行过滤，从而消除污 染。 制备孔径lnm的纳孔材料作 为催化剂的载体，纳米孔材料和纳 米膜材料(孔径l0~l00nm)用来消除 水和空气中的污染；成倍的提高太 阳能电池的能量转换效率。
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传感器
传感器是纳米技术应用的一个重要领 域。随着纳米技术的进步，造价更低、功 能更强的微型传感器将广泛应用在社会生 活的各个方面。比如，包装箱内跟踪监督 ；智能轮胎；发动机汽缸内监视；酒瓶盖 判断酒的状况等。
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用纳米材料制成的 纳米材料多功能塑料， 具有抗菌、除味、防腐 、抗老化、抗紫外线等 作用，可用作电冰箱、 空调外壳里的抗菌除味 塑料。
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“自上而下”是指通过微加工或固态技 术，不断在尺寸上将人类创造的功能产品 微型化；而“自下而上，是指以原子、分 子为基本单元，根据人们的意愿进行设计 和组装，从而构筑成具有特定功能的产品 。这种技术路线将减少对原材料的需求， 降低环境污染。
科学家希望通过纳米生物学的研究， 进一步掌握在纳米尺度上应用生物学原理 制造生物分子器件，目前，在纳米化工、 生物传感器、生物分子计算机、纳米分子 马达等方面，科学家都做了重要的尝试。
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3．纳米结构的检测与表征
为在纳米尺度上研究材料和器件的结构及性 能，发现新现象，发展新方法，创造新技术，必 须建立纳米尺度的检测与表征手段。这包括在纳 米尺度上原位研究各种纳米结构的电、力、磁、 光学特性，纳米空间的化学反应过程，物理传输 过程，以及研究原子、分子的排列、组装与奇异 物性的关系。
能使其在这一领域的发展过程中顺应了高分子复
合材料对高性能填料的需求,对高分子材料科学突
破传统理念发挥重要的作用。纳米材料科学与高
分子材料科学的交融互助就产生了高分子纳米复
合材料。
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10.4.1 高分子纳米复合材料的性能
复合材料是将两种或两种以上的 材料复合在一起,进行优势互补,以谋求 最佳的综合性能。而纳米复合材料是 指分散相尺度至少有一维小于100nm 的复合材料,由于纳米分散相大的比表 面和强的界面作用,纳米复合材料表现 出不同于一般宏观复合材料的综合性 能。
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纳米材料科学是涉及到凝聚态物理,配位化学,
胶体化学,材料的表面和界面以及化学反应动力学
等多门学科的交叉科学。当材料进入纳米量级时,
会具有与传统材料截然不同的性质。高分子材料
科学的涉及非常广泛,其中一个重要方面就是改变
单一聚合物的凝聚态,或添加填料来实现高分子材
料使用性能的大幅提升。因此纳米粒子的特异性
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纳米颗粒由于其尺寸小,比表面积非常大 而表现出与常规微米级材料截然不同的性 质。在与聚合物复合时,纳米颗粒的表面效 应,小尺寸效应,量子效应以及协同效应,将 使复合材料的综合性能有极大的提高。这 种复合材料既有高分子材料本身的优点,又 兼备了纳米粒子的特异属性,因而使其具有 众多的功能特性,在力学,催化,功能材料(光, 电,磁,敏感)等领域内得到应用。例如,插层 法制得的聚丙烯/蒙脱土等纳米复合材料,在 力学性能上具有了高强度,高模量,韧性和高 热变形温度等优点。
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航天和航空
纳米器件在航空航天领域的应用， 不仅是增加有效载荷，更重要的是使耗 能指标成指数倍的降低。这方面的研究 内容还包括：研制低能耗、抗辐照、高 性能计算机；微型航天器用纳米集成的 测试、控制电子设备；抗热障、耐磨损 的纳米结构涂层材料。
采用纳米材料技术对机械关键零部 件进行金属表面纳米粉涂层处理，可以 提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿 命。
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10.4 高分子纳米复合材料
高分子纳米复合材料是近年来高分子材料科学的 一个发展十分迅速的新领域。一般来说，它是指分散 相尺寸至少有一维小于100纳米的复合材料。这种新型 复合材料可以将无机材料的刚性、尺寸稳定性和热稳 定性与高分子材料的韧性、可加工性及介电性质完美 地结合起来，开辟了复合材料的新时代，制备纳米复 合材料。已成为获得高性能复合材料的重要方法之一 。
第十章 高分子纳米 复合材料
21世纪的科技新星
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10.1纳米的基本知识
1 .纳米的概念
“纳米”是英文nanometer的译名 ，是一种度量单位，1纳米为百万分之 一毫米，即1毫微米，也就是十亿分之 一米，约相当于45个原子串起来那么 长。纳米结构通常是指尺寸在100纳米 以下的微小结构。
纳米研究的范围是1到100纳米， 0.1纳米是单个氢原子的尺寸，因此所 谓0.1纳米层面的“纳米技术”是不存 在的。
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(1) 阻隔性能 在尼龙6和还氧树脂中纳米分散少量
层状蒙脱土,并暴露在氧等离子体中,可形 成均匀钝态和自恢复无机表面。这是由 于纳米复合物中表面高分子的氧化使层 状硅酸盐的含量相对增多,从而形成一层 无机表面层。此无机区域是湍层的,层状 硅酸盐之间的平均距离为1nm~4nm。这 类陶瓷硅酸盐提供了一种纳米复合物的 涂层,可以阻止氧气离子的渗入,从而提高 了高分子材料在氧环境中的生存寿命。
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纳米电子学的目标是将集成电路的几何结构 进一步减小，超越目前发展中遇到的极限，因而 使得功能密度和数据通过量达到新的水平。
在纳米尺度下，现有的电子器件把电子视为 粒子的前提不复存在，因而会出现种种新的现象 ，产生新的效应，如量子效应。利用量子效应而 工作的电子器件称为量子器件，像共振隧道二级 管、量子阱激光器和量子干涉部件等。与电子器 件相比，量子器件具有高速(速度可提高1000倍) 、低耗(能耗降低1000倍)、高效、高集成度、经 济可靠等优点。为制造具有特定功能的纳米产品 ，其技术路线可分为“自上而下”(top down)和 “自下而上”(bottom up)两种方式。
同时，与纳米材料和结构制备过程 相结合，以及与纳米器件性能检测相结 合的多种新型纳米检测技术的研究和开 发也受到广泛重视。如激光镊子技术可 用于操纵单个生物大分子。
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10.3 纳米科技前景的展望
纳米技术在现代科技和工业领 域有着广泛的应用前景。比如，在 信息技术领域，据估计，再有10年 左右的时间，现在普遍使用的数据 处理和存储技术将达到最终极限。 为获得更强大的信息处理能力，人 们正在开发DNA计算机和量子计算 机，而制造这两种计算机都需要有 控制单个分子和原子的技术能力。
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(2)生物功能 RichardM等用四步软印法在高分子正-烷基硫醇
表面上获得表面图形凹槽,并成功用于培养细菌细 胞。这种位于表面的功能单元属一种三维细菌栏, 体积可小至12立方微米。获得的细菌栏是憎水的, 甲基封端的正烷基硫醇为底部,可提高细菌的粘附, 而栏壁则由聚丙烯/聚己二醇层状纳米复合物构成, 可以降低粘附。细菌可在此种表面图形凹槽内成 活,大槽可以养18±5个细菌,小槽可养2±1个。
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(4)光学与光电导性能
ParasN.Prasad等人报导了聚N乙烯基咔唑(PVK)与表面钝态的CdS 形成的杂化复合物具有光电导性质 。其中PVK作为电荷转移高分子基 质,表面钝态的CdS用作电荷产生的 光敏剂。JeffreyG实验发现,此纳米 复合物的光电导性质好于聚N-乙烯 基咔唑(PVK)与C60所形成的复合物 。
研究方面：一是系统地研究纳米材料的性能、微结构和 谱学特征，通过和常规材料对比，找出纳米材料特殊的规律 ，建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论；二是发展新 型纳米材料。
目前纳米材料应用的关键技术问题是在大规模制备的质 量控制中，如何做到均匀化、分散化、稳定化 。
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2 .纳米器件
纳米科技的最终目的是以 原子、分子为起点，去制造具 有特殊功能的产品。因此，纳 米器件的研制和应用水平是进 入纳米时代的重要标志。如前 所述，纳米技术发展的一个主 要推动力来自于信息产业。
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光电信息
ຫໍສະໝຸດ Baidu
纳米技术的发展，使微电子和
光电子的结合更加紧密，在光电信息
传输、存贮、处理、运算和显示等方
面，使光电器件的性能大大提高，将
纳米技术用于现有雷达信息处理上，
可使其能力提高10倍至几百倍，甚至
可以将超高分辨率纳米孔径雷达放到
卫星上进行高精度的对地侦察。
最近，麻省理工学院的研究人员 把被激发的钡原子一个一个地送入激 光器中，每个原子发射一个有用的光 子，其效率之高，令人惊讶。
扫描探针显微镜(SPM)的出现，标志着人类 在对微观尺度的探索方面进入到一个全新的领域 。作为纳米科技重要研究手段的SPM也被形象地 称为纳米科技的“眼”和“手”。
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所谓“眼睛”，即可利用SPM直接观 察原子、分子以及纳米粒子的相互作用 与特性。
所谓“手”，是指SPM可用于移动原 子、构造纳米结构，同时为科学家提供 在纳米尺度下研究新现象、提出新理论 的微小实验室。
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国家安全
通过先进的纳米电子器件在信息控制方面 的应用，将使军队在预警、导弹拦截等领域 快速反应；通过纳米机械学，微小机器人的 应用，将提高部队的灵活性和增加战斗的有 效性；用纳米和微米机械设备控制，国家核 防卫系统的性能将大幅度提高；通过纳米材 料技术的应用，可使武器装备的耐腐蚀、吸 波性和隐蔽性大大提高，可用于舰船、潜艇 和战斗机等。
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研究纳米技术在生命医 学上的应用，可以在纳米尺 度上了解生物大分子的精细 结构及其与功能的关系，获 取生命信息。科学家们设想 利用纳米技术制造出分子机 器人，在血液中循环，对身 体各部位进行检测。诊断， 并实施特殊治疗。
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生物技 术
虽然分子计算机目前只是处于理想 阶段，但科学家已经考虑应用几种生 物分子制造计算机的组件，其中细菌 视紫红质最具前景。该生物材料具有 特异的热、光、化学物理特性和很好 的稳定性，并且，其奇特的光学循环 特性可用于储存信息，从而起到代替 当今计算机信息处理和信息存储的作 用，它将使单位物质的储存和信息处 理能力提高上百万倍。
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2．纳米科技概念的提出与发展
当代最受爱戴的科 学家之一。他不但 以其科学上的巨大 贡献而名留青史， 而且因在“挑战者” 号航天飞机事故调 查中的决定性作用 而名闻遐迩。他还 是一个撬开原子能 工程保险柜的人， 一个会敲巴西邦戈 鼓的“科学顽童”。
最早提出纳米尺度上科学和技术问题 的是著名物理学家、诺贝尔奖获得者理 查德·费恩曼。纳米科技的迅速发展是 在80年代末、90年代初。80年代初发明 了费恩曼所期望的纳米科技研究的重要 仪器——扫描隧道显微镜(STM)、原子 力显微镜(AFM)等微观表征和操纵技术 ，它们对纳米科技的发展起到了积极的 促进作用。与此同时，纳米尺度上的多 学科交叉展现了巨大的生命力，迅速形 成为一个有广泛学科内容和潜在应用前 景的研究领域。
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(3)电学磁学性能 B.Scrosati等人通过将纳米尺寸
的陶土粉末分散到聚乙二醇-锂盐中 获得一种新型的含锂聚电解质。此 复合物在30℃~80℃范围内有很好 的机械稳定性能和高的离子导电性, 所以此纳米复合聚电解质在可充锂 电池的应用上有很好的前景。
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G.Hadziioannou等研究了高分子含量 与壳形貌对电导性能的影响。他们用导电 的聚吡咯涂覆到不导电的胶乳表面,可以获 得很低的渝渗域值。发现聚吡咯的含量小 于2%时,聚吡咯壳表面是平滑的,且导电性 随聚吡咯的浓度的增加而提高,渝渗域值为 0.25%,表明此时聚吡咯壳的厚度为0.6nm 。在聚吡咯的含量大于2%时,吡咯壳呈现 出不同的表面形貌,甚至会形成独立的聚吡 咯粒子,而且此时的导电性与聚吡咯的含量 无关。
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医学与健康
纳米技术将给医学带来变革：纳米级粒 子将使药物在人体内的传输更为方便，用数 层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后，可 主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织，科 研人员已经成功利用纳米微粒进行了细胞分 离，用金的纳米粒子进行定位病变治疗，以 减少副作用等。；在人工器官外面涂上纳米 粒子可预防移植后的排斥反应；研究耐用的 与人体友好的人工组织、器官复明和复聪器 件；疾病早期诊断的纳米传感器系统。
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10.2纳米科技的研究领域
1．纳米材料
纳米材料是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度，并且具 有特殊性能的材料。其主要类型为：纳米颗粒与粉体、纳米 碳管和一维纳米材料、纳米薄膜、纳米块材。
纳米材料结构的特殊性[如大的比表面以及一系列新的效 应(小尺寸效应、界面效应、量子效应和量子隧道效应)]决定 了纳米材料出现许多不同于传统材料的独特性能，进一步优 化了材料的电学、热学及光学性能。