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1、高分子纳米复合材料摘要：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。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。关键词：高分子纳米复合材料 新领域 无机材料 制备 高性能纳米材料科学是涉及到凝聚态物理，配位化学，胶体化学，材料的表面和界面 以及化学反应动力学等多门学科的交叉科学。当材料进入纳米量级时，会具有与 传统材料截然不同的性质。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
2、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。美国自1991年开始讲纳米技术列为“政府关键技术及2005年战略技术”； 日本的“材料纳米技术计划”，西欧的“尤里卡”计划，我国的“863规划” “十 五计划”等都将纳米材料与纳米技术列入重点研究开发方向。随着人们对纳米材 料与纳米技术领域的深入了解，纳米技术理论的日益成熟，纳米材料的研究领域 正在不断地扩大，已经从对纳米晶体、纳米非晶体、纳米相颗粒材料的
3、研究扩展 到了对各种纳米复合材料、纳米结构材料和其他纳米实用技术研究领域。高分子纳米复合材料是由各种纳米单元与有机高分子材料以及各种方式复 合成型的一种新型复合材料，所采用的纳米单元按照化学成分划分有金属、陶瓷、 有机高分子、其他无机非金属材料等；按其外部形状划分有零维的球状、片状、 柱状纳米颗粒，一维的纳米丝、纳米管，二维的纳米膜等。对广义上的高分子复 合材料，只要其中某一组成相至少有一维的尺寸处在纳米尺度范围，就可称为高 分子纳米复合材料。一、高分子纳米复合材料的结构与性能复合材料是将两种或两种以上的材料复合在一起，进行优势互补，以谋求最佳 的综合性能。而纳米复合材料是指分散相尺度至少有一
4、维小于100nm的复合材 料，由于纳米分散相大的比表面和强的界面作用，纳米复合材料表现出不同于一般 宏观复合材料的综合性能。纳米颗粒由于其尺寸小,比表面积非常大而表现出与常规微米级材料截然不 同的性质。在与聚合物复合时,纳米颗粒的表面效应，小尺寸效应，量子效应以及协 同效应，将使复合材料的综合性能有极大的提高。这种复合材料既有高分子材料 本身的优点，又兼备了纳米粒子的特异属性，因而使其具有众多的功能特性，在力 学，催化，功能材料（光，电，磁,敏感）等领域内得到应用。例如，插层法制得的聚丙烯/ 蒙脱土等纳米复合材料，在力学性能上具有了高强度，高模量，韧性和高热变形温 度等优点。由于复合材料有着单
5、一材料所不具备的可变结构参数（复合度、联结型、对 称性、标度、周期性等），改变这些参数可以在很宽的范围内大幅度地改变复合 材料的物性；且复合材料的各组元间存在协同作用而产生多种复合效应，所以高 分子基纳米复合材料的性能不仅与纳米粒子的结构性能有关，还与纳米粒子的聚 集结构和其协同性能、高聚物基体的结构性能、粒子与基体的界面结构性能及加 工复合工艺方式等有关。通过调控高分子基纳米复合材料的可变结构参数，利用其复合效应可以使材 料在物理功能、化学和机械性能等方面获得最佳的整体性能。在化学性能方面， 主要表现出优良的催化性能：纳米粒子负载在高分子衬底上，既发挥了纳米粒子 的特异催化性，又保证了其催化
6、稳定性（高分子基体阻止纳米粒子团聚）。在机 械性能方面，纳米粒子的加入能极大地改善材料的力学性能；在物理功能方面， 一方面由于纳米粒子自身的量子尺寸效应和界面效应，另一方面由于纳米粒子之 间的相互作用及粒子与高分子基体的相互作用，造成高分子纳米复合材料在声、 光、电、磁、介电等功能领域与常规复合材料有所不同。纳米金属粒子与高聚物 复合材料的导电渗滤阈值比常规复合材料的要小，纳米TiO2、Fe2O3、ZnO等 半导体纳米粒子加入树脂中可获得良好的静电屏蔽性，而且可以改变材料的颜 色；纳米粒子加入高分子基体中能较自由地控制复合体系的折射率，并提高三阶 非线性系数；纳米氧化物粒子与高聚物复合具有良好
7、的微波吸收性能；纳米 A12O3粒子与橡胶复合可以提高橡胶的介电性和耐磨性；当高分子基体本身具有 功能效应时，纳米粒子与之耦合又能产生新的性能，如纳米粒子TiO2、WO3等 与聚苯胺的复合材料具有光致变色性，在半导体高分子MEH-PPV中复合入TiO2 纳米粒子，TiO2纳米粒子体系能通过散射放大发射光，成为窄光谱的固体高分 子激光二极管等等。高分子纳米复合材料通常能够表现出更好的力学性能、独特的光学性能、优 异的磁学和电学性能、高效的催化性能和一定的生物性能，因此在各个相关领域 都得到广泛应用。二、高分子纳米复合材料的制备技术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
8、的 制备方法也多种多样，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 子复合材料；纳米单元和高分子同时生成。各种制备纳米复合材料方法的核心 思想都是要对复合体系中纳米单元的自身几何参数、空间分布参数和体积分数等 进行有效的控制，尤其是要通过对制备条件（空间限制条件，反应动力学因素、热力 学因素等）的控制，来保证体系的某一组成相至少一维尺寸在纳米尺度范围内（即 控制纳米单元的初级结构），其次是考虑控制纳米单元聚集体的次级结构。三、高分子纳米复合材料的分析与表征方法高分子纳米复合材料的分析与表征技术可分为两个方面，即材料的结
9、构表征 和材料的性能表征。纳米复合材料需要分析表征的主要微观特征包括：晶粒尺 寸、分布和形貌；晶界和相界面的本质和形貌；晶体的完整性和晶间缺陷的 性质；跨晶粒和跨晶界的成分剖面（即成分分布）；来自制作过程的杂质的 识别等。高分子纳米复合材料的结构分析表征方法主要有透射电子显微镜（TEM）、 X射线衍射分析（XRD）、小角度X射线散射（SAZS）、扫描电镜（SEM）和原子 力显微镜（AFM）、激光拉曼光谱（Raman ）等。四、高分子纳米科技前景的展望及应用纳米技术在现代科技和工业领域有着广泛的应用前景。传感器 传感器是纳米技术应用的一个重要领域。随着纳米技术的进步，造 价更低、功能更强的微型传
10、感器将广泛应用在社会生活的各个方面。比如，包装 箱内跟踪监督；智能轮胎；发动机汽缸内监视；酒瓶盖判断酒的状况等。用纳米 材料制成的纳米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外线等 作用，可用作电冰箱、空调外壳里的抗菌除味塑料。光电信息纳米技术的发展，使微电子和光电子的结合更加紧密，在光电信 息传输、存贮、处理、运算和显示等方面，使光电器件的性能大大提高，将纳米 技术用于现有雷达信息处理上，可使其能力提高10倍至几百倍，甚至可以将超 高分辨率纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度的对地侦察。环境和能源环境科学领域将出现功能独特的纳米膜。这种膜能够探测到由 化学和生物制剂造成的污染，并能够对
11、这些制剂进行过滤，从而消除污染。制备 孔径1nm的纳孔材料作为催化剂的载体，纳米孔材料和纳米膜材料(孔10l00nm) 用来消除水和空气中的污染；成倍的提高太阳能电池的能量转换效率。医学与健康纳米技术将给医学带来变革:纳米级粒子将使药物在人体内的 传输更为方便，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后，可主动搜索并攻击 癌细胞或修补损伤组织，科研人员已经成功利用纳米微粒进行了细胞分离，用金 的纳米粒子进行定位病变治疗，以减少副作用等。；在人工器官外面涂上纳米粒 子可预防移植后的排斥反应；研究耐用的与人体友好的人工组织、器官复明和复 聪器件；疾病早期诊断的纳米传感器系统。研究纳米技术在生命医学上的
12、应用， 可以在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的关系，获取生命信 息。航天和航空 纳米器件在航空航天领域的应用，不仅是增加有效载荷，更重 要的是使耗能指标成指数倍的降低。这方面的研究内容还包括：研制低能耗、抗 辐照、高性能计算机；微型航天器用纳米集成的测试、控制电子设备；抗热障、 耐磨损的纳米结构涂层材料。采用纳米材料技术对机械关键零部件进行金属表面 纳米粉涂层处理，可以提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命。国家安全通过先进的纳米电子器件在信息控制方面的应用，将使军队在预 警、导弹拦截等领域快速反应；通过纳米机械学，微小机器人的应用，将提高部 队的灵活性和增加战斗的有效性；用纳米和
13、微米机械设备控制，国家核防卫系统 的性能将大幅度提高；通过纳米材料技术的应用，可使武器装备的耐腐蚀、吸波 性和隐蔽性大大提高，可用于舰船、潜艇和战斗机等。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
14、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，而 且，纳米粒子在基体中的聚集结构也会发生改变,引起粒子的协同性能的变化，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。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
15、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,同时开创了新的研究领域，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 赵亦元，王亦军功能高分子材料北京：化学工业出版社，2013.82 曾戎，章明秋，曾汉民高分子纳米复合材料研究进展(1)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)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现状化工 进展2003年第22卷第6期
