高分子納米復(fù)合材料的研究進展

摘要：闡述了高分子納米復(fù)合材料的發(fā)展研究現(xiàn)狀及高分子納米復(fù)合材料的制備方法、結(jié)構(gòu)性質(zhì)和性能，同時介紹了高分子納米材料的表征技術(shù)及應(yīng)用前景。

  關(guān)鍵詞：高分子；納米材料；復(fù)合材料；制備；表征；應(yīng)用

1、引言

   納米材料科學(xué)是一門新興的并正在迅速發(fā)展的理、膠體化學(xué)、配位化學(xué)、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)和表面、界面科學(xué)等多種學(xué)科,在實際應(yīng)用和理論上都具有極大的研究價值,所以成為近些年來材料科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點之一, 被譽為“21世紀最有前途的材料”[ 1 ,2 ]。高分子納米復(fù)合材料是近年來高分子材料科學(xué)的一個發(fā)展十分迅速的新領(lǐng)域。一般來說，它是指分散相尺寸至少有一維小于 100 納米的復(fù)合材料。這種新型復(fù)合材料可以將無機材料的剛性、尺寸穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性與高分子材料的韌性、可加工性及介電性質(zhì)完美地結(jié)合起來，開辟了復(fù)合材料的新時代，制備納米復(fù)合材料。已成為獲得高性能復(fù)合材料的重要方法之一。 

高分子材料科學(xué)的涉及非常廣泛,其中一個重要方面就是改變單一聚合物的凝聚態(tài),或添加填料來實現(xiàn)高分子材料使用性能的大幅提升。因此納米粒子的特異性能使其在這一領(lǐng)域的發(fā)展過程中順應(yīng)了高分子復(fù)合材料對高性能填料的需求, 對高分子材料科學(xué)突破傳統(tǒng)理念發(fā)揮重要的作用。納米材料科學(xué)與高分子材料科學(xué)的交融互助就產(chǎn)生了高分子納米復(fù)合材料[3]。

2、高分子納米復(fù)合材料的制備

高分子納米復(fù)合材料的涉及面較寬,包括的范圍較廣,近年來發(fā)展建立起來的制備方法也多種多樣[4、6 ],可大致歸為四大類:納米單元與高分子直接共混,在高分子基體中原位生成納米單元;在納米單元存在下單體分子原位聚合生成高分子及納米單元和高分子同時生成。

2.1納米單元的制備

可用于直接共混的納米單元的制備方法種類繁多[7--10],通常有兩種形式的制備:從小到大的構(gòu)筑式,即由原子、分子等前體出發(fā)制備;從大到小的粉碎式,即由常規(guī)塊材前體出發(fā)制備(一般為了更好控制所制備的納米單元的微觀結(jié)構(gòu)性能,常采用構(gòu)筑式制備法) ?？傮w上又可分為物理方法、化學(xué)方法和物理化學(xué)方法三種?？偟膩碚f,這類納米單元與高分子直接共混的方法簡單易行,可供選擇的納米單元種類多,其自身幾何參數(shù)和體積分數(shù)等便于控制,但所得復(fù)合體系的納米單元空間分布參數(shù)一般難以確定,納米單元的分布很不均勻,且易于發(fā)生團聚,影響材料性能,改進方法是對制得的納米單元做表面改性,改善其分散性、耐久性,提高其表面活性,還能使表面產(chǎn)生新的物理、化學(xué)和機械性能等特性。

2.2納米單元的表面改性

納米單元表面改性方法根據(jù)表面改性劑和單元間有無化學(xué)反應(yīng)可分為表面物理吸附方法和表面化學(xué)改性方法兩類吸附包裹聚合改性一般是指兩組份之間除了范德華力、氫鍵或配位鍵相互作用外,沒有主離子鍵或共價鍵的結(jié)合,采用的方法主要有兩種:在溶液或熔體中聚合物沉積、吸附到粒子表面上包裹改性和單體吸附包裹后聚合,例如二氧化硅或硅酸鹽粒子表面的硅醇基能吸附很多中極性(如PS)和高極性的均聚物或共聚物。

2.3　在納米單元存在下單體分子原位聚合生成高分子

此法主要是指在含有金屬、硫化物或氫氧化物膠體粒子的溶液中單體分子原位聚合生成高分子,其關(guān)鍵是保持膠體粒子的穩(wěn)定性,使之不易發(fā)生團聚。對熱固性高聚物,如環(huán)氧樹脂,可以先將納米單元與環(huán)氧低聚物混合,然后再固化成型,形成納米復(fù)合材料[ 11 ]。納米粒子表面接枝聚合物后可直接壓制成高固含量的復(fù)合材料。

2.4　納米單元和高分子同時生成

此法包括插層原位聚合制備聚合物基有機—無機納米復(fù)合材料,蒸發(fā)(或濺射、激光)沉積法制備納米金屬—有機聚合物復(fù)合膜及溶膠—凝膠法等。需要注意的是有的方法在不同條件下應(yīng)用,可被歸入不同的種類,例如溶膠—凝膠法,此法利用溶膠—凝膠前體Si(OR)4 等的水解反應(yīng),并加入有機聚合物組分可制備無機/ 有機混雜納米材料,通過控制有機、無機組分的結(jié)構(gòu)、相形態(tài)及相間作用力可極大地改變材料性能。

3 高分子納米復(fù)合材料的表征[12]

1982年Binnig 和Raurer 發(fā)明了掃描隧道顯微鏡是納米表征手段在高分子材料領(lǐng)域應(yīng)用研究的開和基礎(chǔ)。在高分子膜制品方面, 原子力顯微鏡(AFM) 不僅可以在空氣中, 還可以在濕潤環(huán)境, 甚至液體中對膜表面的形貌進行原子級別的掃描,從而得到數(shù)字化的圖像, 還可以用來定量研究膜表面的孔徑分布, 表面電性能和污染狀況。通過原子力顯微鏡(AFM),還可以對膜表面的粗糙度進行分析, 為揭示表面形貌和膜性能之間的關(guān)系提供便利聚合物表面的納米力學(xué)研究,也是在聚合物薄膜的表面上, 利用原子力顯微鏡, 施加納米牛頓量級的力, 記錄納米量級的形變,在納米尺度上對聚合物進行力學(xué)研究。它能更好地揭示聚合物分子鏈在力場下的響應(yīng), 從分子水平上進行聚合物力學(xué)研究, 為高分子凝聚態(tài)物理的研究引入新的方法和內(nèi)容。

4．高分子納米復(fù)合材料的應(yīng)用

金屬氧化物的納米顆粒具有光催化性, 可以負載在聚合物膜上, 從而得到光催化材料。在功能材料領(lǐng)域方面, 高分子納米復(fù)合材料的應(yīng)用有以下幾方面。 

(1)磁性材料  磁性納米粒子尺寸小, 具有單磁疇結(jié)構(gòu), 矯頑力很高, 用它制作磁記錄材料可以提高記錄密度, 提高信噪比。要求采用單磁疇針狀微粒, 且不能小于超順磁性臨界尺寸(10nm) 。 

(2)介電材料  利用納米顆粒的電學(xué)性質(zhì), 可以制成導(dǎo)電涂料, 導(dǎo)電膠, 絕緣糊,介電糊等。 

(3)靜電屏蔽材料  例如在化纖制品中加入金屬納米粒子可以解決其靜電問題, 提高安全性 

(4)光學(xué)材料  如光吸收材料, 隱身材料,光通訊材料, 非線性光學(xué)材料和光電材料等。 

(5)敏感材料  納米粒子具有表面積大, 表面活性高, 對周圍環(huán)境敏感的特點。許多條件的變化, 如溫度, 濕度, 氣氛, 光照, 都會引起粒子的電學(xué), 光學(xué)行為的變化, 因此可利用納米粒子敏感度高的特點,

制備小型化, 低能耗, 多功能的傳感器, 如氣體傳感器, 紅外線傳感器, 壓電傳感器, 溫度傳感器和光傳感器等。此外,高分子納米復(fù)合材料還用于涂料, 醫(yī)用材料等廣泛領(lǐng)域。

6 結(jié) 語

納米概念為高分子材料科學(xué)的發(fā)展注入了新的活力, 涉及到高分子材料科學(xué)的各個方面, 使其在原有領(lǐng)域里取得了許多新成果, 同時創(chuàng)了新的研究領(lǐng)域, 為高分子科學(xué)的發(fā)展提供了嶄新的思路和研究方法。高分子納米復(fù)合材料作為新興的功能材料, 因其特殊的效應(yīng)和性能而具有廣闊的應(yīng)用前景。今后在制備新型高分子納米材料、智能高分子納米材料等方面將是人們研究的熱點。隨著這方面研究的不斷深入, 高分子納米復(fù)合材料的研究及應(yīng)用必將有突破性的進展, 必將取得更大的成果。

參考文獻

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