高分子纳米复合材料

高分子纳米复合材料

摘要：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。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。

关键词：高分子纳米复合材料新领域无机材料制备高性能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。

美国自1991年开始讲纳米技术列为“政府关键技术及2005年战略技术”；日本的“材料纳米技术计划”，西欧的“尤里卡”计划，我国的“863规划”“十五计划”等都将纳米材料与纳米技术列入重点研究开发方向。随着人们对纳米材料与纳米技术领域的深入了解，纳米技术理论的日益成熟，纳米材料的研究领域正在不断地扩大，已经从对纳米晶体、纳米非晶体、纳米相颗粒材料的研究扩展到了对各种纳米复合材料、纳米结构材料和其他纳米实用技术研究领域。

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及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照化学成分划分有金属、陶瓷、有机高分子、其他无机非金属材料等；按其外部形状划分有零维的球状、片状、柱状纳米颗粒，一维的纳米丝、纳米管，二维的纳米膜等。对广义上的高分子复合材料，只要其中某一组成相至少有一维的尺寸处在纳米尺度范围，就可称为高分子纳米复合材料。

一、高分子纳米复合材料的结构与性能

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。

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。

由于复合材料有着单一材料所不具备的可变结构参数（复合度、联结型、对称性、标度、周期性等），改变这些参数可以在很宽的范围内大幅度地改变复合材料的物性；且复合材料的各组元间存在协同作用而产生多种复合效应，所以高分子基纳米复合材料的性能不仅与纳米粒子的结构性能有关，还与纳米粒子的聚集结构和其协同性能、高聚物基体的结构性能、粒子与基体的界面结构性能及加工复合工艺方式等有关。

通过调控高分子基纳米复合材料的可变结构参数，利用其复合效应可以使材料在物理功能、化学和机械性能等方面获得最佳的整体性能。在化学性能方面，主要表现出优良的催化性能：纳米粒子负载在高分子衬底上，既发挥了纳米粒子的特异催化性，又保证了其催化稳定性（高分子基体阻止纳米粒子团聚）。在机械性能方面，纳米粒子的加入能极大地改善材料的力学性能；在物理功能方面，一方面由于纳米粒子自身的量子尺寸效应和界面效应，另一方面由于纳米粒子之间的相互作用及粒子与高分子基体的相互作用，造成高分子纳米复合材料在声、光、电、磁、介电等功能领域与常规复合材料有所不同。纳米金属粒子与高聚物复合材料的导电渗滤阈值比常规复合材料的要小，纳米TiO2、Fe2O3、ZnO等半导体纳米粒子加入树脂中可获得良好的静电屏蔽性，而且可以改变材料的颜色；纳米粒子加入高分子基体中能较自由地控制复合体系的折射率，并提高三阶非线性系数；纳米氧化物粒子与高聚物复合具有良好的微波吸收性能；纳米Al2O3粒子与橡胶复合可以提高橡胶的介电性和耐磨性；当高分子基体本身具有功能效应时，纳米粒子与之耦合又能产生新的性能，如纳米粒子TiO2、WO3等

与聚苯胺的复合材料具有光致变色性，在半导体高分子MEH-PPV中复合入TiO2纳米粒子，TiO2纳米粒子体系能通过散射放大发射光，成为窄光谱的固体高分子激光二极管等等。

高分子纳米复合材料通常能够表现出更好的力学性能、独特的光学性能、优异的磁学和电学性能、高效的催化性能和一定的生物性能，因此在各个相关领域都得到广泛应用。

二、高分子纳米复合材料的制备技术

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:①纳米单元与高分子直接共混；②在高分子基体中原位生成纳米单元;③在纳米单元存在下单体分子原位聚合生成高分子复合材料；④纳米单元和高分子同时生成。各种制备纳米复合材料方法的核心思想都是要对复合体系中纳米单元的自身几何参数、空间分布参数和体积分数等进行有效的控制,尤其是要通过对制备条件(空间限制条件,反应动力学因素、热力学因素等)的控制,来保证体系的某一组成相至少一维尺寸在纳米尺度范围内(即控制纳米单元的初级结构),其次是考虑控制纳米单元聚集体的次级结构。

三、高分子纳米复合材料的分析与表征方法

高分子纳米复合材料的分析与表征技术可分为两个方面，即材料的结构表征和材料的性能表征。纳米复合材料需要分析表征的主要微观特征包括：①晶粒尺寸、分布和形貌；②晶界和相界面的本质和形貌；③晶体的完整性和晶间缺陷的性质；④跨晶粒和跨晶界的成分剖面（即成分分布）；⑤来自制作过程的杂质的识别等。

高分子纳米复合材料的结构分析表征方法主要有透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射分析（XRD)、小角度X射线散射（SAZS)、扫描电镜（SEM)和原子力显微镜（AFM)、激光拉曼光谱（Raman)等。

四、高分子纳米科技前景的展望及应用

纳米技术在现代科技和工业领域有着广泛的应用前景。

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。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。

光电信息纳米技术的发展，使微电子和光电子的结合更加紧密，在光电信