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聚合物无机纳米复合材料热点述评一

时间:2021-07-23 来源网站:西安化工机械网

聚合物/无机纳米复合材料热点述评(一)

1 纳米及纳米科技概述

纳米是一种尺寸的计量单位,1nm为一米的十亿分之一,相当于10个氢原子一个挨一个排起来的长度。这种超微粒子具有如下三个基本特征。(一) 表面、界面特性,其粒径为10nm至1nm时,表面原子数所占比例为20%至99%,大量的孤键和悬键的存在使得纳米粒子具有很高的表面能和很大的化学活性。(二)小尺寸效应,进入纳米尺寸,物质周期性边界条件被破坏,导致了磁性、光吸收、热、化学活性及熔点等发生了变化。如铁的抗断裂能力是普通铁的13倍;气体通过纳米材料速度为一般材料的数千倍;纳米陶瓷具有超塑性;纳米材料电阻随尺寸下降而增大;纳米对红外、微波有良好的吸收特性;纳米金属的熔点为普通金属熔点的30%~50%。(三)量子尺寸效应。这一特性使纳米材料具有高度的光学非线性、特异性催化和光催化现象。如纳米Ni可进行一些有机加氢反应,如环二烯加氢反应、甲醛氢化制甲醇反应和脱氢反应,其反应速度提高15倍;纳米光催化涂料中的纳米TiO 2在紫外线照射下产生的自由电子可使空气中的氧活化,产生活性氧和自由基,它们与空气中的污染物发生氧化还原反应,达到净化环境和污染的目的。

20世纪80年代随着扫描隧道显微镜和原子力显微镜等微观表征和操纵技术的问世,直接利用原子、分子制造具有特定功能产品的纳米科技才获得了迅速的发展,超快氙原子开关的诞生使专家们预测,美国国会图书馆的全部藏书可存储在一个直径0.3cm的硅片上;纳米光刻机、碳纳米管的问世将促进量子器件的发展,用这种量子器件制造的计算机不仅可以成为真正的掌中宝,而且计算机的运算和存贮能力将比目前的计算机性能呈指数倍提高,这将给信息产业和其它相关产业带来一场深刻的革命。随着纳米医学和纳米生物工程技术的发展,纳米医疗快速诊断新技术、癌症智能手术刀和癌症定向疗法、纳米药物等的问世,纳米机器人将使人类的生活质量和生存寿命大大提高;纳米元器件、零部件具有高效、节能、降耗省材等多种特点,因而不能忽视纳米对改造和提升传统产业功能的作用。如做为“工业味精”的无机纳米材料对有机及高分子的改性作用,诞生了一种全新的“纳米复合材料”。有效地提高了材料的物理机械性能,抗老化性能,还能赋予材料一些新的功能,如:阻隔功能、导电、导热功能、杀菌防霉及净化功能、催化反应功能、吸波功能等。有报导,数码相机的信息储存装置改用纳米元器件后,信息储存量可提高206倍,可从每次24张照片提升至5000张。据美国有关部门预测,美国的汽车车身及发动机气缸采用纳材料制造后,由于车身自重降低而导致的节油等,全行业年创效益可达1000万美元。

因此自20世纪90年代以来,迅速发展的纳米技术将对未来信息、能源、交通、机械制造、轻工、医药、食品、纺织、环保等诸多领域带来巨大的变化和无限的商机。纳米技术的社会效益和经济价值已被世界所公认,一些纳米已进入工业阶段。据报导,全世界纳米技术年营业额已达500亿美元。有关专家预测到2003年将增长到1000亿美元,到2010年市场容量可达到14400亿美元,它将决定一个国家在21世纪的实力和地位。中国科技界在纳米科学的基础研究领域也处于世界先进行列,据报导,我国从事纳米技术的企业已从1995年的几家发展到目前的100多家,2000年国家对纳米技术总投资为8500万元,民间企业的注册资金已达10亿元。但由于中国基础工业整体水平较低,在纳米尖端中的发展会受到制约,但在纳米粉体制造和纳米复合材料领域却都迅速形成了热潮。本文将就这领域最有价值的研究成果做一简单的评述,仅供参考。

2 聚合物/无机纳米复合材料热点评述

纳米复合材料(Nanocomposites)概念起源于80年代初。它是指两相(或多相)材料微观结构中至少有一相的一维尺寸达到1nm~100nm尺度的材料。纳米复合材料的简单分类如图1所示。

纳米材料在金属和陶瓷领域的开发较早,聚合物纳米复合材料开发较晚,由于纳米粒子具有的表面、界面效应、小尺寸效应和量子尺寸效应与聚合物的密度小、强度高、耐腐蚀、易加工等诸多优良特性的完美结合,使得聚合物基无机纳米复合材料呈现了不同于常规聚合物复合材料的特性。纳米粒子的加入不仅明显地改善了聚合物的强度、刚性、韧性、而且由于尺寸小,透光性好,还可提高塑料的密度、透光性、阻隔性、耐热性、杀菌防霉性、导热、导电及吸波性、防紫外性等功能特性,受到了材料界和产业界的普遍关注,迅速形成了“纳米热”。在众多聚合物/无机纳米复合材料的研究报必需品中,聚合物/粘土纳米复合材料,聚合物/石墨纳米复合材料,阴离子型层状结构纳米材料LDHs(水滑石)和二元协同纳米界面材料的研究成果有着广泛的应用前景,应该引起产业界的关注。

2.1 聚合物/纳米粘土复合材料

粘土是高岭土、蒙脱土和泥灰石的统称。本文提到的粘土系指蒙脱土(MMT), 其主要成份是SiO 2 72.5%; Al 2O 3 13.72%,蒙脱土每个单位晶胞由两个硅氧四面体晶片间夹带一个铝氧八面体晶片构成的三明治状结构,每层的厚度约1nm,层间富有可交换的Na+、 K+、 Ca+、 Mg 2+等水合阳离子,可与其它有机阳离子进行交换,使层间距发生变化。此过程被誉为插层化,所用的有机离子物质称为插层剂。通过插层剂会使亲水的粘土物质表面发生疏水化、增加了粘土与聚合物基质的浸润作用,而且伴随硅酸盐层间距的扩大,为聚合插层或熔体共混过程中,聚合物单体或分子链段进入硅酸盐片层间,形成纳米微区结构创造了条件。聚合物粘土纳米复合材料的研究报导很多,1987年日本丰田中央研究院首次用原位插层聚合法成功地合成出了PA6/n-MMT复合材料。这种以纳米级分散的有机/无机纳米复合材料超常的理化性能引起了材料学界的广泛关注,美国Conel大学、Wichigan州立大学,大油墨公司、中国科学院化学研究所等在聚合物/粘土纳米聚合插层、熔体插层复合材料方面均有出色的研究工作报导。涉及的聚合物有PA6、PI、PET、PMMA、PP、硅橡胶等。纳米粘土产品及其应用已进入产业化,现将部分出色的研究结果列示如下。

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