纳米材料在高分子材料领域的应用

纳米材料在高分子材料领域的应用 纳米技术的发展日新月异，纳米高分子材料作为其中的重要分支，研发呈现出新的趋势。由于纳米材料具有许多新的特性，如特殊的磁学特性、光学特性、电学特性和化学活性等，利用纳米粒子的这些特性对高分子材料进行改性，可以得到具有特殊功能的高分子材料。这不仅使高分子材料的性能更加优异，使其更加广泛地应用于微电子、化工、国防、医学等各个领域。

据估算，全球纳米技术的年产值已达到500亿美元。目前，发达国家政府和大的企业纷纷启动了发展纳米技术和纳米计划的研究计划。美国将纳米技术视为下一次工业革命的核心，2001年年初把纳米技术列为国家战略目标，在纳米科技基础研究方面的投资，从1997年的1亿多美元增加到2001年近5亿美元，准备像微电子技术那样在这一领域独占领先地位。日本也设立了纳米材料中心，把纳米技术列入新五年科技基本计划的研究开发重点，将以纳米技术为代表的新材料技术与生命科学、信息通信、环境保护等并列为四大重点发展领域。德国也把纳米材料列入21世纪科研的战略领域，全国有19家机构专门建立了纳米技术研究网。在人类进入21世纪之际，纳米科学技术的发展，对社会的发展和生存环境改善及人体健康的保障都将做出更大的贡献。从某种意义上说，21世纪将是一个纳米世纪。 由于表面纳米技术运用面广、产业化周期短、附加值高，所形成的高新技术和高技术产品、以及对传统产业和产品的改造升级，产业化市场前景极好。

1 纳米高分子材料的优势

通常是将纳米微粒与聚合物基材进行复合，利用其特殊性质来开发新产品，这比研究全新的聚合物材料投资少，周期短，生产成本低。与普通改性材料不同，纳米粒子具有特殊的表面效应、体积效应、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应等，这些效应的综合作用导致了改性后的高分子材料具有特殊性能。比如，纳米粒子巨大的比表面积产生的表面效应，可使经纳米粒子改性后的高分子材料的机械性能、热传导性、触媒性质、破坏韧性等均与一般材料不同，有的材料还具有了新的阻燃性和阻隔性。

2 纳米微粒的改良方法

纳米高分子材料被科学家称为强大的"混血儿"。纳米微粒径小、表面积大、易于聚。为增加纳米添加物与聚合物的界面结合力，提高纳米微粒的均匀分散能力，需对纳米粉末进行表面改性。主要是降低粒子的表面能态、消除粒子的表面电荷、提高纳米粒子与有机相的亲和力、减弱纳米粒子的表面极性等。一般可采用6种方法对纳米粒子进行表面改性: ⑴表面覆盖改性。利用表面活性剂覆盖于纳米粒子表面，赋予粒子表面新的性质。常用的表面改性剂有硅烷偶联剂、钛酸酯类偶联剂、硬脂酸、有机硅等;

⑵机械化学改性。运用粉碎、摩擦等方法，利用机械应力作用对纳米粒子表面进行激活，以改变表面晶体结构和物理化学结构，这种方法使分子晶格发生位移、内能增大，在外力的作用下活性的粉末表面与其他物质发生反应、附着，达到表面改性目的;

⑶外膜层改性，在纳米粒子表面均匀地包覆一层其他物质的膜，使粒子表面性质发生变化; ⑷局部活性改性，利用化学反应在纳米粒子表面接枝带有不同官能基团的聚合物，使具有新功能;

⑸高能量表面改性，利用高能电晕放电、紫外线、等离子射线等对纳米粒子进行表面改性; ⑹利用沉淀反应进行表面改性，利用有机或无机物在纳米粒子表面沉淀一层包覆物，以改变其表面性质。

以上方法中最简单和最常用的方法是添加界面改性剂，即分散剂、偶联剂等，分散剂能

降低纳米粒子的表面能、改善填料的分散状况，但不能改善填料纳米粒子与基体的界面结合，偶联剂即可与基材有强的相互作用。

3 纳米技术在高分子材料中的应用广泛

3.1纳米粉末填充复合材料的应用

普通填料加入到高分子材料中一般使拉伸强度明显降低，而采用纳米粉末填充的复合材料，其拉伸强度却会有所增加，并在一定范围内出现极值。如纳米SiO2填充复合材料的拉伸强度在SiO2体积分数为4%时达到最大值。研究表明，采用纳米CaCO3填充聚乙烯，复合材料的断裂延伸率提高。对于复合材料杨氏模量的影响也是如此，即微米级填料使杨氏模量增长平缓，而纳米级填料则可使杨氏模量急剧上升，这是因为纳米粒子表面原子比例高，易于与聚合物充分地吸附、键合。研究还发现，采用不同种类的纳米粉末混合填充聚合物，将使复合材料的性能在某一点上出现极值。这是由于不同粒子的官能团种类、数目及表层厚度不同，在粒子与基体作用的同时，粒子之间也相互吸附，从而表现出协同效应。例如，采用超微细CaCO3或滑石粉都会使冲击强度、断裂延伸率减小，但是两种粉末同时加入所产生的协同作用使得冲击强度和断裂延伸率均增大。

塑料的增韧增强改性方法较多，传统的方法有共混、共聚、使用增韧剂等。无机填料填充基体，通常可以降低制品成本、提高刚性、耐热性和尺寸稳定性，然而往往带来冲击强度和断裂延伸率的下降。往硬性塑料中加入橡胶弹性粒子，可以提高冲击强度，但拉伸强度却下降。往高分子材料中加入增强纤维，可以大幅度提高其拉伸强度，但冲击强度特别是断裂延伸率往往有所下降。近年来采用液晶聚合物对高分子材料的原位复合增强等，可使复合材料的拉伸及冲击强度均有所改善，但断裂伸长率仍有所下降。纳米技术的出现为塑料的增韧增强改性提供了一种全新的方法和途径。纳米粒子表面活性原子多，可与基体紧密结合，相容性比较好。当受外力时，粒子不易与基体脱离，而且因为应力场的相互作用，在基体内产生很多的微变形区，吸收大量的能量。这就使得复合材料能较好地传递所承受的外应力，又能引发基体屈服，消耗大量的冲击能，从而达到同时增韧和增强的效果。例如，聚丙烯(PP)增韧增强改性以往多采用橡胶类弹性体共混合纤维、填料的填充共混方式，近年来开始用纳米级无机填料填充聚合物。1991年日本丰田汽车公司与三菱化学公司共同开发成功PP/EPR(乙丙橡胶)/滑石粉纳米复合材料，克服了以往PP改性材料韧性增加而断裂延伸率下降的缺点，它兼具高流动性、高刚性和耐冲击性，用于制造汽车的前、后保险杠，并于1991年实现商品化生产，该材料被称为“丰田超级烯烃聚合物”。面对今后汽车的设计、制造向全球化发展的趋势，丰田公司计划使这种PP纳米复合材料成为汽车上统一使用的标准材料。丰田公司还计划将目前汽车上用的7种外装饰树脂材料和13种内装饰树脂材料研究开发成纳米复合材料。目前日本已将纳米聚合物复合材料广泛应用于汽车工业、食品包装等，其他潜在的应用还包括飞机内部材料、电工和电子元件、防护罩结构部件、制动器和轮胎等。目前国际上几乎所有的塑料行业都涉足本项目的研究发，研究内容也扩展到各种聚合物体系。

3.2 汽车、舰船的表面涂覆的油漆主要是由氯丁橡胶、双酚树脂或者环氧树脂为主要原料，在阳光的紫外线照射下很容易老化变脆，致使油漆脱落，如果在面漆中加入能强列吸收紫外线的纳米微粒就可起到保护底漆的作用。

3.3 以往橡胶改性多加入炭黑来提高强度、耐磨和抗老化等性能，但这样处理后制品变成黑色，色彩单调。为了制成彩色橡胶，可将白色纳米粒子如纳米SiO2作补强剂或使用纳米粒子着色剂。由于纳米SiO2是三维链状结构，将其均匀分散在橡胶大分子中并与之结合成为立体网状结构，从而提高制品强度、弹性和耐磨性。

3.4 将纳米微粒分散到树脂中制成膜，可用作半导体器件的紫外线过滤器。

3.5 由轻元素组成的纳米材料在航空隐身材料方面应用十分广泛。一些纳米复合粉体与高分子纤维结合，对中红外波段有很强的吸收性能，对红外探测器有很好的屏蔽作用。

3.6 纳米材料对光吸收和对静电屏蔽的特性，使其在日常生活和国防上也有着很重要的应用前景。利用纳米复合粉添加的纤维制成军服，这种纤维不仅对人体释放的红外线有很好的屏蔽作用，而且对人体红外线有强吸收作用，可以增加保暖作用，减轻农服的重量。

3.7 在医用高分子材料领域，日本东京大学日前通过结合纳米级的微小分子环和高分子材料开发出了凝胶状的新型医疗材料。这种新材料的可见光的通过率高达98 2%，而且即使拉长8倍，材料也能恢复原状，并不会受到任何破坏。这种性能优异的材料可望用来生产隐形眼镜以及其他医疗产品。而在医用化纤制品和纺织品中添加纳米微粒可以起到除味、杀菌、消毒的作用。

4 结语

纳米材料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。尤其是纳米粉末填充塑料体系表现出同时增强增韧的特性，为开拓聚合物复合材料的应用领域开辟了广阔的前景。我国塑料进口量占国内总需求量的50%，但同时又存在国产塑料产品过剩的问题，这是因为国产塑料产品大多属于大品种用聚合物，具有产品型号少、品位低的缺点。开发纳米聚合物复合材料并使之工业化应用，可以充分利用我国资源优势，也是改造传统聚合物工业技术的最佳途径，具有巨大的市场潜力。我国在纳米改性高分子材料的应用研究方面才刚刚起步，相信在不远的将来，纳米材料会进一步扩大工业化，并广泛应用于高分子材料领域。

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