2024年4月12日发(作者：移动合约机划算吗)

编者按:纳米材料是当前材料科学研究的热点之一,涉及多种学科,具有极大的理论和应用价值,被誉为/21

世纪最有前途的材料0,国内众多科研单位在此领域也作了大量工作,形成各自特有的研究体系。本文(Ñ、

Ò)就其中的高分子纳米复合材料,提出了作者的一些见解,供同行们共同探讨,以促进研究水平的提高,不

断取得创新的成果。

高分子纳米复合材料研究进展

(I)

曾 戎 章明秋 曾汉民

*

高分子纳米复合材料的制备、表征和应用前景

( 中山大学材料科学研究所国家教委聚合物复合材料及功能材料开放研究实验室 广州 510275 )

文 摘 综述了高分子纳米复合材料的发展研究现状,将高分子纳米复合材料的制备方法分为四大类:

纳米单元与高分子直接共混(内含纳米单元的制备及其表面改性方法);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。介绍了高分子纳米复合材

料的表征技术及其应用前景。

关键词 高分子纳米复合材料,纳米单元,制备,表征,应用

ProgressofPolymer2Nanocomposites

(I)

Preparation,CharacterizationandApplicationofPolymer2Nanocomposites

ZengRong ZhangMingqiu ZengHanmin

( MaterialsScienceInstituteofZhongshanUniversity,LaboratoryofPolymericComposite&FunctionalMaterials,

TheStateEducationalCommissionofChina Guangzhou 510275 )

Abstract parationmethodsareclassifiedintofour

categories:directlyblendingnano2unitswithpolymer(includingpreparationandsurface2modificationofnano2units),in

situsynthesizingnano2unitsinpolymermatrix,insitupolymerizinginthepresenceofnano2unitsandsimultaneouslysyn2

racterizationandapplicationofpolymer2nanocompositesarealsointroduced.

Keywords Polymer2Nanocomposites,Nano2Unit,Preparation,Characterization,Application

3 高分子纳米复合材料的表征技术

高分子纳米复合材料的表征技术可分为两个方

面:结构表征和性能表征。结构表征主要指对复合

体系纳米相结构形态的表征,包括粒子初级结构和

次级结构(纳米粒子自身的结构特征、粒子的形状、

粒子的尺寸及其分布、粒间距分布等,对分形结构还

有分形维数的确定等),以及纳米粒子之间或粒子与

*续1999年第1期

高分子基体之间的界面结构和作用;而性能表征则

是对复合体系性能的描述,并不是仅限于纳米复合

体系。只有在准确地表征纳米材料的各种精细结构

的基础上,才能实现对复合体系结构的有效控制,从

而可按性能要求,设计、合成纳米复合材料。以下简

要介绍一些适于纳米体系的结构测试表征技术及其

应用。

)6)

宇航材料工艺 1999年第2期

透射电子显微镜(TEM),其分辨率满足观测

纳米尺度的要求,与图像处理技术结合可用于确定

纳米粒子的形状、尺寸及其分布和粒间距分布,以

及分形维数的确定(只是统计意义上的确定)。X

射线技术,包括广角X射线衍射(WAXS)和小角X

射线散射(SAXS)。WAXS可用于确定纳米单元的

结构参数,看是否存在结构畸变等,且可由衍射峰

的半高宽计算对应晶面方向上的平均粒径;对广角

X射线衍射谱进行径向分布函数处理,还能获得纳

米粒子或基体近邻原子排布的变化情况。SAXS

[70]

可用于测定粒子的粒径分布、体积分数和粒子/基体

界面面积,且粒子排布造成的干涉效应也能在曲线

上反映出来。纳米单元的结构特征(包括表面原子

层结构)还可以采用X射线光电子能谱(XPS)、俄

歇电子能谱(AES)、离子能量损失谱(ILS)等来表

征。

而界面结构及相互作用表征技术很多,X射线

光电子能谱、俄歇电子能谱、激光拉曼光谱

[71]

表1 高分子纳米复合材料应用领域

性能

催化

力学性能

磁性

电学性能

用途

催化剂

增强、增韧的高分子材料

磁记录、磁存储、吸波材料等

导电浆料、绝缘浆料、非线性电阻

静电屏蔽材料、电磁屏蔽材料等

光学性能光吸收材料、隐身材料、光通信材料、非线

性光学材料、光记录、光显示、光电材料等

热学性能

敏感特性

其它

低温烧结材料

敏感材料(压敏、湿敏、温敏等)

仿生材料、医用材料、环保材料

耐摩擦、耐磨损材料、高介电材料等

利用纳米粒子的催化特性,并用高聚物作为载

体,既能发挥纳米粒子的高催化性和选择催化性,又

能通过高聚物的稳定作用使之具有长效稳定

性

[76~78]

。常用的纳米粒子催化剂主要是金属粒

子,有贵金属(Pt、Rh、Ag、Pd等)、非贵金属(Ni、Fe、

Co等)。另外一些金属氧化物,如TiO

2

等具有光催

化性能,这些粒子可以负载在多孔树脂上或沉积在

聚合物膜上,从而得到纳米粒子/聚合物复合材料催

化剂,如Ni/PEO用作烯烃催化氢化等。

纳米粒子加入聚合物基体后,能够改善材料的

力学性能。如纳米A-Al

2

O

3

/环氧树脂体系,粒径27

nm,用量1%~5%(质量分数)时,玻璃化转变温度

提高,模量达极大值,用量超过10%(质量分数)后,

模量下降

[79]

。又如插层原位聚合制备的聚合物基

有机)无机纳米级复合材料(聚酰胺/粘土纳米复合

材料等)具有高强度、高模量、高热变形温度等优点,

目前已有产品出现,用作自行车、汽车零部件等

[55]

。

尤其引人注目的是高分子纳米复合材料在功能

材料领域方面的应用,包括磁性、电学性质、光学性

质、光电性质及敏感性质等方面。

磁性纳米粒子由于尺寸小,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;一般要求与聚合物复合的纳米粒子,采

用单磁畴针状微粒,且不能小于超顺磁性临界尺寸

(10nm)。

利用纳米粒子的电学性质,可以制成导电涂料、

导电胶等,例如用纳米银代替微米银制成导电胶,可

)7)

、红外

光谱等,可用于研究和表征纳米粒子/高聚物的相互

作用等;而高聚物界面层的性质可以用DSC、动态粘

弹谱、介电谱等表征。

另外还有一些有用的测试手段,例如:扫描探针

显微技术(包括STM、AFM等),其中原子力显微镜

(AFM)

[72,73]

是采用一个对微弱力极敏感的微悬臂,

上面固定一微小针尖,通过针尖在样品表面的扫描

获得体系表面微观形貌及近原子级分辨率水平上的

微细结构信息,而且利用AFM测量中对力的极端敏

感性,它还可以测量体系纳米级力学性质,包括弹

性、塑性、硬度和摩擦力等,还能测定纳米粒子与高

聚物基体的接触角

[74]

。还有正电子湮没技术

(PAT)

[75]

,被认为是一种高分子体系纳米级微孔和

自由体积的探针;另外还可用Rutherford背散射法

(RBS)

测量纳米粒子的深度分布,范围是几十纳

米,而XPS深度测量的范围小于5nm。

4 高分子纳米复合材料的应用及前景

由于高分子纳米复合材料既能发挥纳米粒子自

身的小尺寸效应、表面效应和量子效应,以及粒子的

协同效应,而且兼有高分子材料本身的优点,使得它

们在催化、力学、物理功能(光、电、磁、敏感)等方面

呈现出常规材料不具备的特性,故而有广阔的应用

前景

[1]

(见表1)。

宇航材料工艺 1999年第2期

[74]