纳米复合材料

高分子纳米复合材料

第一章功能高分子材料的概述

1.1 功能高分子材料的定义及简介

天然的、合成的和复合的高分子材料已经遍及人们的衣、食、住、行乃至信息、能源、航空航天以及国防等各个领域，其重要性是不言而喻的。那么到底什么是高分子呢？看看我们的周围世界，人们穿的是棉、毛、涤纶等制成的衣服，吃的是富含淀粉和蛋白质的米、面、肉、蛋等食物，家里用的是由各种聚乙烯、聚氯乙烯等塑料制成的器皿，出门坐的是装有橡胶轮胎的汽车，所有这些不都是高分子在生活中生动的体现吗！

高分子是由分子量很大的长链分子所组成，而每个分子链都是由共价键联合的成百上千的一种或多种小分子构造而成。

功能高分子材料一般指具有传递、转换或贮存物质、能量和信息作用的高分子及其复合材料，或具体地指在原有力学性能的基础上，还具有化学反应活性、光敏性、导电性、催化性、生物相容性、药理性、选择分离性、能量转换性、磁性等功能的高分子及其复合材料。

功能高分子材料是上世纪60年代发展起来的新兴领域，是高分子材料渗透到电子、生物、能源等领域后开发涌现出的新材料。近年来，功能高分子材料的年增长率一般都在10％以上，其中高分子分离膜和生物医用高分子的增长率高达50％。

1.2功能高分子材料的发展历史

最早的功能高分子可追述到1935年离子交换树脂的发明。20世纪50年代，美国人开发了感光高分子用于印刷工业，后来又发展到电子工业和微电子工业。1957年发现了聚乙烯基咔唑的光电导性，打破了多年来认为高分子材料只能是绝缘体的观念。1966年little提出了超导高分子模型，预计了高分子材料超导和高温超导的可能性，随后在1975年发现了聚氮化硫的超导性。1993年，俄罗斯科学家报道了在经过长期氧化的聚丙烯体系中发现了室温超导体，这是迄今为止唯一报道的超导性有机高分子。20世纪80年代，高分子传感器、人工脏器、高分子分离膜等技术得到快速发展。1991年发现了尼龙11的铁电性，1994年塑料柔性太阳能电池在美国阿尔贡实验室研制成功，1997年发现聚乙炔经过掺杂具有金属导电性，导致了聚苯胺、聚吡咯等一系列导电高分子的问世。这一切多反映了功能高分子日新月异的发展其中从20世纪50年代发展起来的光敏高分子化学，在光聚合、光交联、光降解、荧光以及光导机理的研究方面都取得了重大突破，特别在过去20多年中有了飞快发展，并在工业上得到广泛应用。比如光敏涂料、光致抗蚀剂、光稳定剂、光可降解材料、光刻胶、感光性树脂、以及光致发光和光致变色高分子材料都已经工业化。近年来高分子非线性光学材料也取得了突破性的进展。

1.3功能高分子材料发展的背景

（1）经济发展的需要

自从1920年施道丁格（H.Staudinger）建立大分子概念以来，高分子材料以惊人的速度得到发展。至20世纪60年代，高分子材料工业化已基本完善，解决了人们的衣着、日用品和工业材料等需求。通用高分子和工程用高分子的世界总产量已超过几千万吨/年，特种高分子则为几十万吨/年1973年和1978年两次世界性的石油大危机，使原油价格猛涨。以石油为主要原料的高分子材料成本呈直线上升，商品市场陷入极为困难的处境。在这样的经济背景下，迫使人们试图用同样的原材料，去制备价值更高的产品。功能高分子在这种外部条件促使下迅速地发展了起来。

（2）科学技术发展的需求

80～90年代，科学技术有了迅速发展。能源、信息、电子和生命科学等领域的发展，对高分子材料提出了新的要求。即要求高分子材料具有迄今还不曾有过的高性能和高功能，甚至要求既具有高功能亦具有高性能的高分子材料新能源的要求。太阳能和氢将成为今后的主要能源。光电转换材料就成为太阳能利用的关键。硅材料已进入了实用阶段。然而，按现在的能量转换效率，对单晶硅的需要量实在太大。以日本为例，若利用太阳能达到当前日本电力的1％，就需100 μ的单晶硅至少2.7万吨。这相当于日本目前单晶硅总产量的90倍。为此，人们把注意力转向可高效转换太阳能的功能高分子材料。如换能型高分子分离膜的利用。（3）交通和宇航技术的要求

既高速又节约能源是交通运输和宇航事业迫切需要解决的课题。采用功能高分子材料，在一定程度上解决了该难题。就目前的成就来看，波音757，767飞机采用Kavlar增强材料（一种由高分子液晶纺丝而成的高强纤维增强的材料），可省油50％。汽车工业采用高分子材料而实现轻型化，从而达到省油和高速的目的微电子技术的要求。高度集成化是微电子工业发展的趋势。存储容量将从目前的16K发展到256K。此时相应的电路细度仅为1.5μm。因此，高功能的光致抗蚀材料（感光高分子）已成为微电子工业的关键材料之一。

（4）生命科学的要求

人类对生命奥秘的探索，对建立一个洁净、安全的世界的渴望，对征服癌症等疾病的努力，均对高分子材料提出了功能的要求。例如，生物分离介质的研制成功，使生命组成的各种组分能得以精细地分级，对生命科学的贡献将是十分重大的。可降解性高分子材料的问世，将大大减缓白色公害对人类的危害。

1.4 功能高分子材料分类

（1）功能高分子材料按照功能来分类

①化学功能

离子交换树脂、螯合树脂、感光性树脂、氧化还原树脂、高分子试剂、高分子催化剂、高分子增感剂、分解性高分子等.。

②物理功能

导电性高分子（包括电子型导电高分子、高分子固态离子导体、高分子半导体）、高介电性高分子（包括高分子驻极体、高分子压电体）、高分子光电导体、高分子光生伏打材料、高分子显示材料、高分子光致变色材料等。

③复合功能

高分子吸附剂、高分子絮凝剂、高分子表面活性剂、高分子染料、高

分子稳定剂、高分子相溶剂、高分子功能膜和高分子功能电极等.

④生物、医用功能

抗血栓、控制药物释放和生物活性等。

（2）功能高分子材料按照功能特性分类

①分离材料和化学功能材料

②电磁功能高分子材料

③光功能高分子材料

④生物医用高分子材料

第二章功能高分子材料的应用及发展趋势

2.1 功能高分子材料的应用

（1）高分子在工业上的应用

①作为结构材料广泛地应用于工业中的塑料，称为“工程塑料”。工程塑料质轻，仅为钢的 1／8，但强度却可以与钢材相媲美，它可代替金属制造各种齿轮、轴承等机械零件，如用酚醛塑料代替黄铜制成轧钢机的轴承，使用寿命大大提高,用玻璃钢作矿井支柱比金属和木材质轻且耐腐蚀。

②电气工业是最先使用高分子材料的,至今电气电子工业中大量采用高分子作绝缘材科、壳体零部件等,如电源开关、插头等电器零件是由酚醛模塑粉制成的，电线的覆盖层是用橡胶或聚氯乙烯制造的，用硅树脂作电机中的绝缘材料则可大大提高其工作温度(180℃)和使用功率，并且能延长使用寿命。

③化学工业中采用高分子作稳定材料和防腐蚀材料，可涂于管道、反应器的表面，也可直接制成储槽、管道、罐、反应器等化工设备。

④在轻工业方面，塑料引起了包装革命。塑料除直接用于包装外，还可与纸、纸板、玻璃纸、铝箔等材料复合使用，应用很广。合成纤维(涤纶、尼龙、腈纶等)和人造纤维等的出现为纺织工业提供了大量原料，使纺织品的花色品种大大增加，产品更加美观耐用。此外，塑料鞋、塑料雨衣、薄膜、人造革以及各种塑料日用品，都以其美观、耐用、轻便而深受人们的欢迎。

（2）高分子在农业上的应用

采用塑料薄膜育苗，塑料大棚种菜，能大大提高农田利用率和产量；用黑色薄膜覆盖田垄，可以抑制杂草生长并且保温，有利农作物生长；化肥用塑料袋包装利于运输和储存；农业机械的轮胎要使用橡胶，水利排灌管道、农用机械零部件等都大量使用塑料，可见高分子合成材料的发展对实现农业现代化起着重要作