高分子纳米复合材料的研究进展

高分子纳米复合材料的研究进展

摘要：阐述了高分子纳米复合材料的发展研究现状及高分子纳米复合材料的制备方法、结构性质和性能，同时介绍了高分子纳米材料的表征技术及应用前景。

  关键词：高分子；纳米材料；复合材料；制备；表征；应用

1、引言

   纳米材料科学是一门新兴的并正在迅速发展的理、胶体化学、配位化学、化学反应动力学和表面、界面科学等多种学科,在实际应用和理论上都具有极大的研究价值,所以成为近些年来材料科学领域研究的热点之一, 被誉为“21世纪最有前途的材料”[ 1 ,2 ]。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。 

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[3]。

2、高分子纳米复合材料的制备

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[4、6 ],可大致归为四大类:纳米单元与高分子直接共混,在高分子基体中原位生成纳米单元;在纳米单元存在下单体分子原位聚合生成高分子及纳米单元和高分子同时生成。

2.1纳米单元的制备

可用于直接共混的纳米单元的制备方法种类繁多[7--10],通常有两种形式的制备:从小到大的构筑式,即由原子、分子等前体出发制备;从大到小的粉碎式,即由常规块材前体出发制备(一般为了更好控制所制备的纳米单元的微观结构性能,常采用构筑式制备法) 。总体上又可分为物理方法、化学方法和物理化学方法三种。总的来说,这类纳米单元与高分子直接共混的方法简单易行,可供选择的纳米单元种类多,其自身几何参数和体积分数等便于控制,但所得复合体系的纳米单元空间分布参数一般难以确定,纳米单元的分布很不均匀,且易于发生团聚,影响材料性能,改进方法是对制得的纳米单元做表面改性,改善其分散性、耐久性,提高其表面活性,还能使表面产生新的物理、化学和机械性能等特性。

2.2纳米单元的表面改性

纳米单元表面改性方法根据表面改性剂和单元间有无化学反应可分为表面物理吸附方法和表面化学改性方法两类吸附包裹聚合改性一般是指两组份之间除了范德华力、氢键或配位键相互作用外,没有主离子键或共价键的结合,采用的方法主要有两种:在溶液或熔体中聚合物沉积、吸附到粒子表面上包裹改性和单体吸附包裹后聚合,例如二氧化硅或硅酸盐粒子表面的硅醇基能吸附很多中极性(如PS)和高极性的均聚物或共聚物。

2.3　在纳米单元存在下单体分子原位聚合生成高分子

此法主要是指在含有金属、硫化物或氢氧化物胶体粒子的溶液中单体分子原位聚合生成高分子,其关键是保持胶体粒子的稳定性,使之不易发生团聚。对热固性高聚物,如环氧树脂,可以先将纳米单元与环氧低聚物混合,然后再固化成型,形成纳米复合材料[ 11 ]。纳米粒子表面接枝聚合物后可直接压制成高固含量的复合材料。

2.4　纳米单元和高分子同时生成

此法包括插层原位聚合制备聚合物基有机—无机纳米复合材料,蒸发(或溅射、激光)沉积法制备纳米金属—有机聚合物复合膜及溶胶—凝胶法等。需要注意的是有的方法在不同条件下应用,可被归入不同的种类,例如溶胶—凝胶法,此法利用溶胶—凝胶前体Si(OR)4 等的水解反应,并加入有机聚合物组分可制备无机/ 有机混杂纳米材料,通过控制有机、无机组分的结构、相形态及相间作用力可极大地改变材料性能。

3 高分子纳米复合材料的表征[12]

1982年Binnig 和Raurer 发明了扫描隧道显微镜是纳米表征手段在高分子材料领域应用研究的开和基础。在高分子膜制品方面, 原子力显微镜(AFM) 不仅可以在空气中, 还可以在湿润环境, 甚至液体中对膜表面的形貌进行原子级别的扫描,从而得到数字化的图像, 还可以用来定量研究膜表面的孔径分布, 表面电性能和污染状况。通过原子力显微镜(AFM),还可以对膜表面的粗糙度进行分析, 为揭示表面形貌和膜性能之间的关系提供便利聚合物表面的纳米力学研究,也是在聚合物薄膜的表面上, 利用原子力显微镜, 施加纳米牛顿量级的力, 记录纳米量级的形变,在纳米尺度上对聚合物进行力学研究。它能更好地揭示聚合物分子链在力场下的响应, 从分子水平上进行聚合物力学研究, 为高分子凝聚态物理的研究引入新的方法和内容。

4．高分子纳米复合材料的应用

金属氧化物的纳米颗粒具有光催化性, 可以负载在聚合物膜上, 从而得到光催化材料。在功能材料领域方面, 高分子纳米复合材料的应用有以下几方面。 

(1)磁性材料  磁性纳米粒子尺寸小, 具有单磁畴结构, 矫顽力很高, 用它制作磁记录材料可以提高记录密度, 提高信噪比。要求采用单磁畴针状微粒, 且不能小于超顺磁性临界尺寸(10nm) 。 

(2)介电材料  利用纳米颗粒的电学性质, 可以制成导电涂料, 导电胶, 绝缘糊,介电糊等。 

(3)静电屏蔽材料  例如在化纤制品中加入金属纳米粒子可以解决其静电问题, 提高安全性 

(4)光学材料  如光吸收材料, 隐身材料,光通讯材料, 非线性光学材料和光电材料等。 

(5)敏感材料  纳米粒子具有表面积大, 表面活性高, 对周围环境敏感的特点。许多条件的变化, 如温度, 湿度, 气氛, 光照, 都会引起粒子的电学, 光学行为的变化, 因此可利用纳米粒子敏感度高的特点,

制备小型化, 低能耗, 多功能的传感器, 如气体传感器, 红外线传感器, 压电传感器, 温度传感器和光传感器等。此外,高分子纳米复合材料还用于涂料, 医用材料等广泛领域。

6 结 语

纳米概念为高分子材料科学的发展注入了新的活力, 涉及到高分子材料科学的各个方面, 使其在原有领域里取得了许多新成果, 同时创了新的研究领域, 为高分子科学的发展提供了崭新的思路和研究方法。高分子纳米复合材料作为新兴的功能材料, 因其特殊的效应和性能而具有广阔的应用前景。今后在制备新型高分子纳米材料、智能高分子纳米材料等方面将是人们研究的热点。随着这方面研究的不断深入, 高分子纳米复合材料的研究及应用必将有突破性的进展, 必将取得更大的成果。

参考文献

[1] 武金有. 金属成形工艺, 1992 ;10(6) :265～268

[2] 陈烈民. 宇航材料工艺, 1994 ;6 :10

[3] 黄  丽, 郭江江, 姜志国等，纳米科学技术在高分子材料领域的状   化工进展 2003 年第22卷第6 期

[4] 王铀,沈静姝.新型化工材料,1998 ;1 :8

[5] 伊藤征司郎.表面(日) ,1987 ;25(9) :562

[8] 张启超,吕荣忠,杨隽.化学通报,1989 ;(4) :31

[9] 杜仕国.功能材料,1997 ;28(3) :237

[10] 侯万国,王果庭.化工进展,1992 ;5 :21

[11] 刘宏.中山大学硕士论文,1997

[12] 曾戎,章明秋,曾汉民.高分子纳米复合材料研究进展(Ⅰ)──高分子纳米复合材料的制备、表征和应用前景宇航材料工艺 1999, (02)