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纳米材料在高分子材料中的应用
Nano-materials in the application of polymer materials
班级 1 学生姓名 学号 1 指导教师 职称 讲师 导师单位 工业职业技术学院
论文提交日期 20xx年 05月 25日
摘 要
20世纪90年代,关于纳米材料的研究在世界范围内展开。由于纳米材料的独特性质,使得它在生物科学、生命科学、医学、药学、电子、光学、军事、国防等诸多领域都发挥着比较大的作用, 目前,无机纳米材料的研究已初见成效,纳米技术在高分子材料中的应用主要包括:将纳米粉体添加到高分子材料基体中改性;单体在无机填料层间进行插层聚合和高分子树脂直接插入无机填料层间,制备纳米插层复合材料;通过嵌段共聚合成纳米结构材料;以及在高分子基料上进行的自组装纳米结构材料。本文扼要地介绍了纳米技术在高分子材料开发应用中的情况。
关键词：纳米技术； 高分子材料； 应用
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ABSTRACT 1990s, research on Nano-materials started in the world. As the unique
properties of Nano-materials, making it in the biological sciences, life sciences, medicine, pharmacy, electronics, optics, military, national defense and other areas have played a larger role, at present, inorganic Nano-materials research has been noticed, nanotechnology applications in polymer materials include: the Nano-powder added to the polymer matrix modification; monomer inserted between layers of inorganic filler and the polymer resin layer polymer directly into the inorganic filler layer, Nano-intercalation composite materials; by block copolymer synthesis of Nano-structural materials; and polymer-based material on self-assembled Nano-structured materials. This paper briefly describes the development of nanotechnology applications in the polymer case.
Keywords: nanotechnology; polymer materials; application
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目录
摘 要 ......................................................................................................................................... 1
1. 前言 ...................................................................................................................................... 4
1.1纳米材料的研究现状 .................................................................................................... 4
1.2 我国在纳米材料研究方面存在的问题 ...................................................................... 5
2. 纳米技术在高分子材料中的应用 ..................................................................................... 5
2.1：纳米技术在高分子材料中的应用 .................................................................................. 5
2.1.1 无机纳米技术的应用 ......................................................................................... 5
2.1.2 无机纳米技术的溶液法 ....................................................................................... 6
2.2 插层复合制备高分子一无机纳米复合材料 ........................................................... 6
3. 市场展望 ............................................................................................................................. 6
4. 结语 ..................................................................................................................................... 6
参考文献 ................................................................................................................................... 7
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1. 前言
纳米技术是研究物质粒度在0. lnm到100nm的物质世界的一门高新技术。纳米技术中，研究最多的是纳米材料，根据研究的内涵和特点，纳米材料的发展大致可划分为3个阶段，第一阶段(19xx年以前)主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体(包括薄膜)，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能。研究的对象一般局限在单一材料和单相材料(纳米晶或纳米相)上。第二阶段(19xx年以前)，人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料。采用纳米微粒与纳米微粒复合，纳米微粒与常规块体复合合成复合材料及其物性的探索一度成为纳米材料研究的主导方向。第三阶段(19xx年以后)是纳米组装体系，这类材料称为纳米组装材料体系或者称为纳米尺度的图案材料。它的基本内涵是以纳米颗粒以及它们组成的纳米丝和管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米尺度的体系，包括纳米阵列体系、介孔组装体系和薄膜嵌镶体系。
纳米材料是纳米科学的一个重要的发展方向，是当今科学研究中最为活跃的领域之一，纳米材料以其优越的性能、广泛的应用前景在许多领域引起了广泛的重视，已成为当今新材料科学研究的重点以及最富活力、对未来经济社会和发展有着十分重要影响的研究对象。纳米材料的小尺寸效应、表而界而效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应，以及它所表现出的独特的光、电性能、高磁阻现象、非线性电阻现象、化学特性和在高温下的高强、高韧、优良的稳定性等，被誉为21世纪最有发展前景的新材料。制备出清洁、成分可控、高度的粒度区均匀的纳米材料技术将成为21世纪的主导技术，并由此带动纳米产业的蓬勃发展。
1.1纳米材料的研究现状
中国在纳米科技领域的研究起步较早，基本上与国际发展同步。中国已经初步具备开展纳米科技的研究条件，国家重点研究机构及相关高科技技术企业对纳米材料的研究步伐不断加快；在纳米科技领域，我国“十五”、“十一五”期间取得了一批重要的研究成果，在部分领域已达到国际先进水平。这些都为实现跨越式
发展提供了可能。
中国在经济高
速发展、在节省能源
和资源方面，纳米材
料和纳米技术将发
挥重要作用。结合国
家战略需求，纳米材
料和纳米技术在能
源、环境、资源和水
处理产业应用近年
来出现了良好的开
端。纳米净化剂、纳
米助燃剂、纳米固硫
剂、用于水处理的纳
米絮凝剂等新型产
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品相继开发成功，在这些产品基础上，发展了一些新型纳米产业，前景看好。 市场成长迅速、国家对高科技新材料产业的重视、中国的纳米材料技术水平的进一步突破、纳米材料与日常起居结合紧密、纳米材料应用领域不断开拓等等这些因素必将使中国的纳米产业未来更加光明[1]。
1.2 我国在纳米材料研究方面存在的问题
纳米产业化的道路还十分漫长。纳米材料的产业化，必须遵循高科技成果产业化的共同规律，即必须经过科学发现、小试、中试、工程施工、应用研究、市场开拓、工业化生产等七个过程。在科学发现和小试过程上，我国与美、日、德等先进国家差距并不大，个别方面还处于领先地位，但从中试到工业化生产五个过程中，我国尚处于落后地位。因此我们必须大力做好纳米科技成果转化为生产力的工作。
2. 纳米技术在高分子材料中的应用
2.1：纳米技术在高分子材料中的应用
2.1.1 无机纳米技术的应用
将无机纳米颗粒经过分散处理，直接熔融添加人高分子材料基材中共混，以改进高分子材料的力学性能、热性能、尺寸稳定性、光洁度、耐摩擦等性能，是纳米材料在高分子材料中应用的最简单方式。由于纳米颗粒易团聚，因此采用合适的分散工艺是熔融共混法成败的关键。纳米颗粒在高分子基材中良好分散，才可能制得增强增韧的高分子纳米共混材料。添加粒度为5一15nm的SiO2到下列高分子材料中，可提高环氧树脂的强度、韧性、耐磨性、抗老化性和改善表面的光洁度;增加聚苯乙烯膜的透明度，提高膜的强度、韧性、防水性和抗老化性能;增加聚氯乙烯塑钢门窗的硬度、光洁度和抗老化性能;使聚丙烯材料的吸水率、绝缘电阻、压缩残余变形、挠曲强度等达到或超过尼龙6，成本下降[2]。在HDPE中填充纳米CaCO3，复合材料的冲击强度和韧性增加，同时HDPE复合材料仍具有良好的加工性能，在纳米CaCC3填充的聚丙烯中也观察到了类似的现象。用粒径为1Onm的TiO2填充聚苯乙烯/二乙烯基苯共聚物，可以显著提高该复合材料的耐热温度，使其玻璃化温度达到250℃以上，且介电常数随加人Tiq含量的增大而增加，介质损耗因素有所增加。在LDPE中填充少量的SiC/Si3N4纳米颗粒，使LDPE的冲击强度、拉伸强度均成倍提高，断裂伸长率增加。在超高分
子量聚乙烯中添
加具有良好导电
性的纤维状碳纳
米管，可在高分子
材料基材中形成
导电通道，制备永
久性抗静电材料，
仅需加人0.3%的
碳纳米管，该复合
材料就达到了抗
静电的要求[3]。
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2.1.2 无机纳米技术的溶液法
溶液共混法是将无机纳米颗粒添加到高分子树脂的溶液中，经搅拌均匀后浇铸成膜或浇铸到模具中，除去溶剂即制得高分子纳米共混材料。该法需要处理溶剂，易造成对环境的污染，仅适用于实验室小规模的科研用途如以水代替溶剂，则可以乳液的方式进行共混，但该法对大部分热塑性高分子材料不适用。
将高分子基材与液晶熔融共混，通过加工原位复合，使液晶以纳米纤维的形式分散在高分子基材中，用以提高高分子材料的强度和模量。还可将纳米金属颗粒添加到高分子基材中，改进高分子材料的性能。如用纳米铜粉填充聚甲醛[2]。使其摩擦系数减小，磨损性能得到改善。
将溶液共混和熔融共混方法组合，是增进纳米颗粒在高分子基材中分散的又一方法，类似于制备母料的方法。在制备PS , SAN , PC , PP与纳米Al2O3( 35nm)
[4]的复合材料时，先采用溶液共混法，制备纳米颗粒为30%体积分数的母料，再
与高分子基材共混，由此制得纳米颗粒分散性好、性能提高的高分子纳米复合材料。
2.2 插层复合制备高分子一无机纳米复合材料
插层复合材料的制备原理为，首先将单体插人到经过插层剂处理的具有层状结构的硅酸盐粘土中，然后单体在粘土层间原位聚合生成高分子一无
机纳米复合材料。若单体聚合后，粘土保持其原晶体结构，则生成插层型的纳米复合材料;若单体聚合后，形成的高分子链促使粘土层解理，在高分子基材中形成分散的纳米单元，则得到剥离型的高分子一无机纳米复合材料。具有层状结构的粘土矿物有四类:高岭土、滑石、膨润土和云母，其中膨润土的主要成分为含蒙脱土的层状硅酸盐，而蒙脱土正是插层原位复合广泛采用的片状粘土。
3. 市场展望
目前纳米科学技术已经处于重大突破的前夜，一系列成果使世界为之震动。预期到20xx年，世界纳米材料市场销售额可达到400亿元，纳米粉体材料在橡胶、塑料、颜料等的改性方而由于会给传统产业和产品注入新的高科技含量，因此开发纳米材料对新材料的开发具有非常重要的意义。
4. 结语
插层纳米复合高分子材料已接近工业化生产阶段，但添加型纳米高分子复合材料，由于受纳米颗粒分散的困难和价格高的困扰，工业化生产存在难度，产品的成本过高影响推广应用。通过嵌段共聚和纳米材料的自组装制备纳米复合高分子材料，仍处于实验室研制阶段，离实用还有较长距离。
纳米技术作为一项高新技术在高分子材料改性中有着非常广阔的应用前景，对开发具有特殊性能的高分子材料有着重要的实际意义。尤其是纳米材料填充 塑料体系表现出同时增强、增韧的特性，开拓了高分子材料的应用领域。开发纳米高分子复合材料并使之工业化，是改造传统高分子材料的最佳途径，具有巨大的市场潜力。我国纳米材料的研究已取得许多成果，但纳米技术在高分子材料改性中的应用研究才刚刚起步，相信在不久的将来，纳米材料会进一步工业化，并得到广泛的应用。
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参考文献
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