聚合物基納米復(fù)合材料的近代發(fā)展

1、聚合物基納米無機復(fù)合材料的應(yīng)用與發(fā)展摘要：聚合物基納米無機復(fù)合材料是一種性能優(yōu)異的新型復(fù)合材料,已成為材料科學(xué)的新熱點。本文概述了聚合物基納米無機復(fù)合材料的發(fā)展前景及發(fā)展過程中應(yīng)注意的問題。及相應(yīng)的解決方法。關(guān)鍵詞：聚合物;納米;無機物;復(fù)合材料1. 納米復(fù)合材料的概念、特性、背景1.1納米復(fù)合材料的概念納米復(fù)合材料是指一種或多種組分以納米量級的微粒 ,即接近分子水平的微粒復(fù)合于基質(zhì)中構(gòu)成的一類新型復(fù)合材料。因其分散相尺寸介于宏觀與微觀之間的過渡區(qū)域 ,從而給材料的物理和化學(xué)性質(zhì)帶來特殊的變化 ,納米復(fù)合材料正日益受到關(guān)注,被譽為 “21世紀最有前途的材料” ,其研究的種類已涉及無機物、有機物

2、及非晶態(tài)材料等。聚合物基納米無機復(fù)合材料因其綜合了有機物和無機物的各自優(yōu)點 ,且能在力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)與生物學(xué)等方面賦予材料許多優(yōu)異的性能 ,正成為材料科學(xué)研究的熱點之一 1。 1.2納米復(fù)合材料的特性當(dāng)材料粒子尺寸進入納米量級時 ,因其自身具有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng) ,以及納米固體粒子中大量缺陷的存在 ,使得聚合物基納米無機復(fù)合材料具有與眾不同的特點2。納米復(fù)合材料是繼單組分材料、復(fù)合材料和梯度功能材料之后的第四代材料。1.3納米復(fù)合材料的背景納米復(fù)合材料的出現(xiàn)先于概念的形成。早在上世紀年代末, 實際上就已出現(xiàn)了聚合物心納米復(fù)合材料, 只是人們還未認識到其特殊的性能與實際應(yīng)

3、用意義。納米復(fù)合材料是年代初提出的, 與單一相組成的納米結(jié)晶材料和納米相材料不同, 它是由兩種或兩種以上的吉布斯固相至少在一個方向以納米級復(fù)合而成的復(fù)合材料, 這些固相可以是非晶質(zhì)、半晶質(zhì)、晶質(zhì)或者兼而有之, 而且可以是無機、有機或二者都有。納米相與其它相間通過化學(xué)共價鍵、贅合鍵與物理氫鍵等作用在納米水平上復(fù)合, 即相分離尺寸不得超過納米數(shù)量級。因而, 它與具有較大微相尺寸的傳統(tǒng)的復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)和性能上有明顯的區(qū)別, 近些年已成為聚合物化學(xué)和物理、物理化學(xué)和材料科學(xué)等多門學(xué)科交叉的前沿領(lǐng)域, 受到各國科學(xué)家和政府的重視。2. 納米無機復(fù)合材料相關(guān)應(yīng)用與發(fā)展材料性能與組織結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。與其他材

4、料相比,納米復(fù)合材料的物相之間有更加明顯并呈規(guī)律變化的幾何排列與空間結(jié)構(gòu)屬性,因此聚合物基納米復(fù)合材料具有靈活的結(jié)構(gòu)可設(shè)計性及優(yōu)于一般傳統(tǒng)復(fù)合材料的特性,在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。2.1吸波材料根據(jù)目前吸波材料的發(fā)展現(xiàn)狀,一種類型的材料很難滿足日益提高的隱身技術(shù)提出的“薄、寬、輕、強”的綜合要求3 ,采用質(zhì)量輕的有機聚合物作基體,無機吸收劑作客體進行多元復(fù)合制備吸波材料就成了必然趨勢。另外,具有共軛電子體系結(jié)構(gòu),通過摻雜而成的導(dǎo)電聚合物(如聚乙炔、聚苯胺、聚苯硫醚、聚吡咯、聚噻吩) 本身就有較好的微波吸收性能,一些聚合物還具有紅外活性或紅外特征吸收帶4 ,5 ,利于紅外吸波。聚合物基納米無

5、機復(fù)合材料可以方便地調(diào)節(jié)復(fù)合物的電磁參數(shù),以達到阻抗匹配的要求,且價廉。美國F117 飛機蒙皮上的隱身材料就含有多種超微粒子,它們對不同頻段的電磁波有強烈的吸收能力6 。2.2增強增韌材料 通過共混、原位聚合、輻射聚合等方法得到的納米無機復(fù)合材料, 可以獲得較高的高分子強度、模量等性能。任杰7等用種不同粒徑的納米。粒子增韌合金體系時發(fā)現(xiàn)基材韌性適當(dāng)時粒徑為吸。一的納米的用量、的用量時, 共混體系的綜合力學(xué)性能最佳即在抗沖擊強度達到最大值的同時, 拉伸強度變化不大, 而且該配比體系的塑化性能得到顯著改善, 塑化時間明顯縮短。無機納米粒子對通用塑料的增強和增韌可以實現(xiàn)通用塑料的高性能化和低成本化。

6、2.3包裝材料聚合物層狀硅酸鹽納米復(fù)合材料的阻隔性能比純高聚物及一般共混物都有顯著提高, 可用于包裝領(lǐng)域或制作各種容器、油箱、啤酒瓶等。如中國科學(xué)院化學(xué)所的漆宗能和燕山聚酷廠合作, 己將納米復(fù)合材料制備成啤酒瓶是我國第一批產(chǎn)業(yè)化的聚合物粘土納米復(fù)合材料產(chǎn)品。2.4導(dǎo)電材料在層狀無機物中嵌入導(dǎo)電聚合物,可制得導(dǎo)電或半導(dǎo)電材料。聚苯胺、聚吡咯嵌入層狀粘土中,可形成金屬絕緣體納米復(fù)合材料,其導(dǎo)電性具有很高的各向異性。聚環(huán)氧乙烷/ 粘土納米復(fù)合材料中,片層物阻礙了聚合物三維結(jié)晶,提高了電解質(zhì)導(dǎo)電性,可做成電極材料。2.5儲能材料將納米氧化物粉體與導(dǎo)電高聚物復(fù)合制備復(fù)合材料,是控制并利用其電化學(xué)活性的有

7、效方法之一。多氧酸金屬鹽是分子無機化學(xué)的傳統(tǒng)研究對象,其規(guī)整的結(jié)構(gòu)、可逆的多電子電化學(xué)反應(yīng)性能以及光電化學(xué)性能,使其成為結(jié)構(gòu)型與功能型納米氧化物的典范8 。Gomez Romero 等將導(dǎo)電PAN 與納米級多氧酸金屬鹽 H3 ( PMo12O40 ) 復(fù)合得到的納米復(fù)合材料制成了具有優(yōu)異儲能性能的固態(tài)電化學(xué)電容器9 ,這種納米復(fù)合材料雜化膜所表現(xiàn)出來的優(yōu)異儲電性能已經(jīng)引起了人們的極大興趣。相信通過控制此復(fù)合雜化膜材料中納米級多氧酸金屬鹽的電化學(xué)活性及PAN 的氧化摻雜程度,來調(diào)節(jié)電容器的電化學(xué)性能,有望獲得具有實際應(yīng)用價值的新型優(yōu)異儲能材料。2.6阻燃材料20 世紀80 年代末及90 年代初興

8、起的聚合物/無機物納米復(fù)合材料開辟了阻燃高分子材料的新途徑,被一些國外文獻譽為塑料阻燃技術(shù)的革命8 。當(dāng)其中無機物組分質(zhì)量分數(shù)為5 %10 %時,由于納米材料極大的比表面積而產(chǎn)生的一系列效應(yīng),使這類材料的耐熱性和阻燃性大為提高10 。因此,以聚合物/ 無機物納米復(fù)合材料作為阻燃材料,不僅有可能達到很多使用場所要求的阻燃等級,且能保持甚至改善聚合物基材的原有優(yōu)異性能。目前研究最多且最有希望工業(yè)化生產(chǎn)的這類納米復(fù)合材料是聚合物/ 層狀硅酸鹽(LS) 復(fù)合材料11 。歐育湘介紹了順丁烯二酸酐接枝聚丙烯( PPgMA) / LS 納米復(fù)合材料及PS/ LS 納米復(fù)合材料的阻燃性能,并簡述了其制備方法及

9、結(jié)構(gòu)特征12 。3.應(yīng)用前景展望聚合物基有機一無機納米復(fù)合材料中無機物含量可控, 重量輕能開發(fā)出高性能的工程塑料、復(fù)合纖維, 便于加工, 適于作耐磨及結(jié)構(gòu)材料, 如交通工具、飛機部件、建筑材料、織物熱穩(wěn)定性好, 加上它特殊的形態(tài)結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力學(xué)性能, 可用來制作一些隔熱部件阻隔性能比純聚合物及一般共混物都有顯著提高, 以及其各向異性的特點, 可用于包裝領(lǐng)域, 制備具有良好的選擇透氣性阻隔性的材料, 還可用于制造各種容器、油箱及薄膜等。某些生物類物質(zhì), 如蛋白質(zhì),可封存到孔狀的卜玻璃中, 形成生物凝膠體, 以控制生物反應(yīng), 在生物技術(shù)、酶工程中大有用處將粘土分散于環(huán)氧中制成涂料, 在韌性、對水的

10、阻隔性上都會有所改善, 粘土的片狀結(jié)構(gòu)還有可能使涂層的光學(xué)性能發(fā)生變化, 從而得到新型涂料其特殊的阻燃性可以滿足建筑行業(yè)包括內(nèi)裝修、石油化工、天然氣貯存等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅茏枘鄄牧系钠惹行枰獌?yōu)異的光學(xué)性能, 使得聚合物基有機一無機納米復(fù)合材料在光學(xué)尤其是非線性光學(xué)領(lǐng)域大有用武之地。 結(jié)語 目前, 納米復(fù)合材料的研究與開發(fā)還處于起步階段, 有待進一步的理論研究。但我們堅信，聚合物基納米無機復(fù)合材料未來將會在更多的領(lǐng)域中發(fā)揮更多的作用。 1 楊勇 ,朱子康 ,漆宗能 .有機-無機納米復(fù)合材料的研究進展 J .上海交通大學(xué)學(xué)報 ,1998 , (9) :130133. 2 錢海霞 . PEO -V2O5

11、-MoO3納米復(fù)合材料的合成、結(jié)構(gòu)及性能研究 D.武漢理工大學(xué) . 2003 :12. 3 周克省,黃可龍,孔德明等. 納米無機物/ 聚合物復(fù)合吸波功能材料J . 高分子材料科學(xué)與工程,2002 ,18(3) :16. 4 孫鑫. 高聚物中的孤子和極化子M . 成都:四川教育出版社,1987. 1 ,199. 5 安智珠. 聚合物分子設(shè)計原理M . 長沙:湖南科學(xué)技術(shù)出版社,1985. 89 ,118220. 6 張立德,牟季美. 納米材料和納米結(jié)構(gòu)M . 北京:科學(xué)出版社,2001. 345. 7 任杰, 等化學(xué)建材,1998,14(1);13 8 Hooks J . Innovative bridge research and construction program J . Composite Industry Monthly ,2002 :6. 9 黃美榮,李新貴,曾劍峰. 聚苯胺納米復(fù)合材料的特異性能及應(yīng)用前景J . 玻璃鋼/ 復(fù)合材料,2004 , (1) :89. 10 Gilman J W, Kashiwagi T , Lichtenhan J D. Nanocom posites: A revolutionary new flame retardant approachJ . SAMPE Journal ,1