纳米复合材料课件.ppt

* 2021/3/26 应用前景展望 目前,纳米复合材料的研究与开发还处于起步阶段,有待进一步的理论研究。包括: 形成各种聚合物基有机/无机纳米复合材料的杂化机理; 形成的热力学与动力学问题; 聚合物与无机物的界面键合型式、界面的稳定性、界面在剪切力作用下的行为; 材料的结构与性能、各种功能性的开发,以及原料种类、含量、杂化条件等对成品材料性能的影响等等,都是很重要的研究课题。 * 2021/3/26 纳米微粒的表面修饰 由于纳米材料粒径小,大部分原子暴露在微粒表面,因此表面能极大,非常容易团聚在一起,这就为制造纳米微粒材料带来很大困难。 在制备纳米高分子复合材料时,需对纳米材料的表面进行改性,目的是降低粒子的表面能态,消除粒子的表面电荷,提高纳米粒子与有机相的亲合力,减弱纳米粒子的表面特性。 * 2021/3/26 1）表面物理修饰法 一种利用表面活性剂覆盖于纳米粒子表面,赋于粒子表面新的性质,常用的表面改性剂有硅烷偶联剂,钛酸酯、硬脂酸、有机硅等。 另一种在纳米粒子表面沉淀一层有机或无机包覆物以改变其性质。 * 2021/3/26 2）表面化学修饰法 偶联法:由两个有机化学单位（molecules）进行某种化学反应而得到一个有机分子的过程。 酯化反应法: * 2021/3/26 表面接枝改性法: 通过各种手段在膜表面产生自由基,然后膜表面产生的自由基进一步与改性单体或功能基团反应,从而达到改性的目的。 * 2021/3/26 自由基 自由基也称为“游离基”,是指化合物的分子在光热等外界条件下,共价键发生断裂而形成的具有不成对电子的原子或基团。 在原子符号或者原子团符号旁边加上一个“·”表示没有成对的电子。如氢自由基（H·,即氢原子）、氯自由基（Cl·,即氯原子）、甲基自由基（CH3·）。 * 2021/3/26 自由基反应在燃烧、气体化学、聚合反应、等离子体化学、生物化学和其他各种化学学科中扮演很重要的角色。 中科大、兰州大学的有机化学家刘有成院士在自由基化学领域做出了杰出贡献。 刘有成院士研究组在自由基化学与生命科学的交叉领域做过不少开拓性的研究工作 。 * 2021/3/26 聚合物/无机纳米复合材料的制备 1）共混法 溶液共混法、乳液共混法、熔融共混法、机械共混法。除机械共混法允许采用非纳米微粒外,其他共混法都需先制备纳米材料。 共混法的主要难点是纳米粒子的分散问题。 * 2021/3/26 2）溶胶-凝胶法 溶胶-凝胶(Sol-Gel)过程是一种用金属烷氧化物或金属无机盐等前驱物[ Si(OC2H5)4] 在一定的条件下水解成溶胶(Sol),再缩聚成凝胶(Gel),然后经溶剂挥发或加热等方法处理而制成固体样品的方法。 1）前驱物的水解 2）缩聚 * 2021/3/26 溶胶-凝胶法 3）凝胶化 经过水解、缩聚后得到的是低粘度的溶胶,随着时间的延长,溶胶中颗粒逐渐交联而形成三维网络结构。在该过程中,溶胶的粘度明显增大,最后形成坚硬的玻璃状固体。溶胶的颗粒大小及交联程度可通过pH值以及水的加入量来控制。 4）陈化 凝胶形成后,由于凝胶颗粒之间的连接还较弱,因而在干燥时很容易开裂为了克服开裂,需要将凝胶在溶剂的存在下陈化一段时间,以使凝胶颗粒与颗粒之间形成较厚的界面 5）干燥 在干燥过程中,溶剂以及生成的水和醇从体系中挥发,产生应力,而且分布不均,这种分布不均的应力很容易使凝胶收缩甚而开裂。因此应注意控制溶剂、水和醇的挥发速度来降低凝胶的收缩和开裂程度。 * 2021/3/26 溶胶-凝胶法 Sol-Gel过程一般可采取两种方式来实现: 一是无机相原位生成; 二是无机相和有机相协同生长。 无机粒子是在聚合物提供的受控环境下通过Sol-Gel反应原位生成,相当于在一个纳米模板或纳米微反应器中生成。 将预先形成的聚合物膜浸入前驱体溶液中,通过前驱体的离子交换或渗透完成掺合,然后经过水解、老化和干燥等步骤形成无机相。 无机相原位生成: * 2021/3/26 溶胶-凝胶法 无机相和有机相协同生长: 将高分子先溶解于合适的溶剂中,再加入前驱物、水和催化剂,在适当的条件下前驱物水解成溶胶,经缩聚反应后形成无机相,再干燥制得有机-无机纳米复合膜。 * 2021/3/26 溶胶-凝胶法 在以上两种不同的Sol-Gel方式得到的纳米复合体系中,一个明显的区别在于最终微观结构的不同。无机相原位生成可以有效控制无机相的尺寸,粒子的最大粒径不会超过离子簇的尺寸。 有机相和无机粒子的生长同时进行时,两相之间的相互作用以及相对含量就会影响到复合膜最终的微观结构。 * 2021/3/26 聚合物基有机/无机纳米