纳米复合材料的进展及发展前景.doc

纳米复合材料的进展及发展前景 纳米材料的特性??????当材料的尺寸进入纳米级，材料本身便会出现以下奇异的崭新的物理性能：??1、尺寸效应??????当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或投射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏；非晶态纳米微粒的颗粒表面附近原子密度减小，导致声、光电、磁学、热学、力学等特性呈现出新的小尺寸效应。纳米微粒的小尺寸效应使其具有独特的物理化学性能，从而拓宽了材料的应用范围。如当颗粒的粒径降到纳米级时，材料的磁性就会发生很大变化，如一般铁的矫顽力约为80A/m，而直径小于20nm的铁，其矫顽力却增加了1000倍，可用于制造磁卡；利用等离子共振频率随颗粒尺寸变化的性质，可以改变颗粒尺寸，控制吸收边的位移，制造具有一定频宽的微波吸收纳米材料，可用于电磁波屏蔽、隐形飞机等。若将纳米粒子添加到聚合物中，不但可以全面改善聚合物的力学性能，甚至还可以赋予材料新性能。???2、表面效应??????一般而言，随着微粒尺寸的减小，微粒中表面原子与原子总数之比将会增加，表面积也将会增大，从而引起材料性能的变化，这就是纳米粒子的表面效应。表1列出了纳米微粒尺寸与表面原子数的关系。???????表1　纳米微粒尺寸与表面原子数的关系??? 纳米微粒尺寸d（nm） 包含总原子 表面原子所占比例（%）? ?10?? ??3×104???? 20 4 ?4×103 40 2 2.5×102 80 1 ?30? 99 ????从表1中可以看出，随着纳米粒子粒径的减小，表面原子所占比例急剧增加。当粒径为1nm时，纳米材料几乎全部由单层表面原子组成。由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其它原子结合。若将纳米粒子添加到高聚物中，这些具有不饱和性质的表面原子就很容易同高聚物分子链段发生物理化学作用。这样两者之间不但可以通过范德华作用力结合在一起，而且那些具有较高化学反应活性的纳米粒子还可以同聚合物分子链段上的活性点发生化学反应而结合在一起。??3、量子隧道效应??????微观粒子贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，这称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。它的研究对基础研究及实际应用，如导电、导磁高聚物、微波吸收高聚物等，都具有重要意义。???高聚物/纳米复合材料的技术进展??????对于高聚物/纳米复合材料的研究十分广泛，按纳米粒子种类的不同可把高聚物/纳米复合材料分为以下几类：??????1、高聚物/粘土纳米复合材料??????由于层状无机物如粘土、云母、V2O5、MoO3、层状金属盐等在一定驱动力作用下能碎裂成纳米尺寸的结构微区，其片层间距一般为纳米级，可容纳单体和聚合物分子；它不仅可让聚合物嵌入夹层，形成“嵌入纳米复合材料”，而且可使片层均匀分散于聚合物中形成“层离纳米复合材料”。其中粘土易与有机阳离子发生离子交换反应，具有亲油性甚至可引入与聚合物发生反应的官能团来提高两相粘结，因而研究较多，应用也较广。其制备的技术方式有插层法和剥离法，插层法是预先对粘土片层间进行插层处理后，制成“嵌入纳米复合材料”，而剥离法则是采用一些手段对粘土片层直接进行剥离，形成“层离纳米复合材料”。由于插层法研究工作比较成熟，应用也较多，因而本文主要对该方法进行介绍。??????根据插层形式的不同又可以分为以下几种：??????（1）插层聚合????????插层聚合即将单体先嵌入片层中，再在热光引发剂等作用下聚合。此法可分为“一步法”和“二步法”。“二步法”为将粘土的插层膨胀处理与处理后粘土与聚合物单体的聚合分为两步进行。这种方法的缺点是，粘土的膨胀化处理过程需增加设备，耗费大量的时间和能量用于干燥和破碎，导致生产成本上升，生产效率下降；另一个缺点是处理后的粘土与聚合物熔体的混合物缺少流动性，使得粘土不易均匀分散在聚合物单体中。这就导致了熔体缩聚工序的困难和材料性能的下降。因此，只有无机填料与聚合物基体有强相互作用，并达到纳米尺度的分散，才可能获得性能优异的有机/无机纳米复合材料。为解决此问题，人们发明了“一步法”制备聚合物/粘土纳米复合材料，即将粘土阳离子交换反应、聚合物单体插层后的粘土与聚合物单体共聚合在反应器内一次完成。使粘土通过库仑力与聚合物基体结合并以纳米尺度均匀分散在聚合物基体中，制备成高性能的聚合物/粘土纳米复合材料。???????（2）溶液或乳液插层????????溶液或乳液插层即通过溶液或乳液，将聚合物嵌入片层中。该方法的关键是寻找合适的单体和相容的聚合物粘土矿溶剂体系。对于一些高性能聚合物如聚苯硫醚，则很难找到溶剂，因此该法对这些聚合