納米材料的特性及其在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用

納米材料的特性及其在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用

論文導(dǎo)讀：納米材料（又稱(chēng)超細(xì)微粒、超細(xì)粉未）由表面（界面）結(jié)構(gòu)組元構(gòu)成，是處在原子簇和宏觀物體交界過(guò)渡區(qū)域的一種典型系統(tǒng)，粒徑介于原子團(tuán)簇與常規(guī)粉體之間，一般不超過(guò)100nm，而且界面組元中含有相當(dāng)量的不飽和配位鍵、端鍵及懸鍵。其特殊的結(jié)構(gòu)層次使它在眾多領(lǐng)域特別是在光、電、磁、催化等方面具有非常重大的應(yīng)用價(jià)值。近年來(lái)，納米材料在化工生產(chǎn)領(lǐng)域也得到了一定的應(yīng)用，并顯示出它的獨(dú)特魅力。

關(guān)鍵詞：納米材料,化工,應(yīng)用

1前言

納米材料（又稱(chēng)超細(xì)微粒、超細(xì)粉未）由表面（界面）結(jié)構(gòu)組元構(gòu)成，是處在原子簇和宏觀物體交界過(guò)渡區(qū)域的一種典型系統(tǒng)，粒徑介于原子團(tuán)簇與常規(guī)粉體之間，一般不超過(guò)100nm，而且界面組元中含有相當(dāng)量的不飽和配位鍵、端鍵及懸鍵。其結(jié)構(gòu)既不同于體塊材料，也不同于單個(gè)的原子。其特殊的結(jié)構(gòu)層次使它在眾多領(lǐng)域特別是在光、電、磁、催化等方面具有非常重大的應(yīng)用價(jià)值。近年來(lái)，納米材料在化工生產(chǎn)領(lǐng)域也得到了一定的應(yīng)用，并顯示出它的獨(dú)特魅力。

2納米材料特性

2.1具有很強(qiáng)的表面活性

納米超微顆粒很高的“比表面積”決定了其表面具有很高的活性。免費(fèi)論文參考網(wǎng)。在空氣中，納米金屬顆粒會(huì)迅速氧化而燃燒。利用表面活性，金屬超微顆?？赏蔀樾乱淮母咝Т呋瘎?、貯氣材料和低熔點(diǎn)材料。將納米微粒用做催化劑，將使納米材料大顯身手。如超細(xì)硼粉、高鉻酸銨粉可以作為炸藥的有效催化劑；超細(xì)銀粉可以成為乙烯氧化的催化劑；超細(xì)的鎳粉、銀粉的輕燒結(jié)效率，超細(xì)微顆粒的輕燒結(jié)體可以生成微孔過(guò)濾器，作為吸咐氫氣等氣體的儲(chǔ)藏材料，還可作為陶瓷的著色劑，用于工藝品的美術(shù)圖案中。免費(fèi)論文參考網(wǎng)。

2.2具有特殊的光學(xué)性質(zhì)

所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)時(shí)都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色越黑，銀白色的鉑（白金）變成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑。由此可見(jiàn)，金屬超微顆粒對(duì)光的反射率很低，通?？傻陀趌％，大約幾微米厚度的膜就能起到完全消光的作用。利用這個(gè)特性可以制造高效率的光熱、光電轉(zhuǎn)換材料，以很高的效率將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能。另外還有可能應(yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身材料等。

2.3具有特殊的熱學(xué)性質(zhì)

大尺寸的固態(tài)物質(zhì)其熔點(diǎn)往往是固定的，超細(xì)微化的固態(tài)物質(zhì)其熔點(diǎn)卻顯著降低，當(dāng)顆粒小于10納米量級(jí)時(shí)尤為突出。例如，金的常規(guī)熔點(diǎn)為1064℃，當(dāng)其顆粒的尺寸減小到10納米時(shí)，熔點(diǎn)會(huì)降低27℃，而減小到2納米尺寸時(shí)的熔點(diǎn)僅為327℃左右；銀的常規(guī)熔點(diǎn)為670℃，而超微銀顆粒的熔點(diǎn)可低于100℃。因此，超細(xì)銀粉制成的導(dǎo)電漿料可以進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)，此時(shí)元件的基片不必采用耐高溫的陶瓷材料，完全可采用塑料。采用超細(xì)銀粉漿料，可使片基上的膜厚均勻，覆蓋面積大，既省材料又提高質(zhì)量。

2.4具有特殊的磁學(xué)性質(zhì)

小尺寸磁性超微顆粒與大塊磁性材料有顯著不同，大塊純鐵的磁矯頑力約為80安／米，而當(dāng)顆粒尺寸減小到2×10-2微米以下時(shí)，其矯頑力可增加1000倍。若進(jìn)一步減小其尺寸，大約小于6×10-3微米時(shí)，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已制成高儲(chǔ)存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤(pán)、磁卡以及磁性鑰匙等;利用超順磁性，人們已將磁性超微顆粒制成了用途廣泛的磁流體。

2.5具有特殊的力學(xué)性質(zhì)

因?yàn)榧{米材料具有較大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性和一定的延展性，這樣就使納米陶瓷材料具有了新奇的力學(xué)性質(zhì)。研究表明，人的牙齒之所以具有很高的強(qiáng)度，就是因?yàn)樗怯闪姿徕}等納米材料構(gòu)成的，這也足以說(shuō)明大自然是納米材料的成功制造者。納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬3～5倍。金屬——陶瓷復(fù)合納米材料則可在更大的范圍內(nèi)改變材料的力學(xué)性質(zhì)，其應(yīng)用前景十分寬廣。

2.6宏觀量子隧道效應(yīng)

由于電子既具有粒子性又具有波動(dòng)性，因此它存在隧道效應(yīng)。近年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀物理量，如微顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量等亦顯示出隧道效應(yīng)，稱(chēng)之為宏觀的量子隧道效應(yīng)。宏觀量子隧道效應(yīng)將會(huì)是未來(lái)微電子、光電子器件的基礎(chǔ)，或者說(shuō)它確立了現(xiàn)存微電子器件進(jìn)一步微型化的極限，當(dāng)微電子器件進(jìn)一步微型化時(shí)必須要考慮上述的量子效應(yīng)。目前研制的量子共振隧道晶體管就是利用量子效應(yīng)制成的新一代電子器件。

3納米材料在化工生中應(yīng)用

由于納米材料的特殊結(jié)構(gòu)和特殊性能，使納米材料在化工生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，主要應(yīng)用在以下幾方面。

3.1橡膠改性

炭黑納米粒子加入到橡膠中后可顯著提高橡膠的強(qiáng)度、耐磨性、抗老化性，這一技術(shù)早已在橡膠工業(yè)中運(yùn)用。

納米技術(shù)在制造彩色橡膠中也發(fā)揮了獨(dú)特的作用，過(guò)去的橡膠制品一般為黑色（納米級(jí)的炭黑較易得到）。若要制造彩色橡膠可選用白色納米級(jí)的粒子（如白炭黑）作補(bǔ)強(qiáng)劑，使用納米粒子級(jí)著色劑，此時(shí)橡膠制品的性能優(yōu)異。

3.2塑料改性

3.2.1對(duì)塑料增韌作用

納米粒子添加到塑料中，對(duì)增加塑料韌性有較大的作用。用納米級(jí)SiC/Si3N4粒子經(jīng)鈦酸酯處理后填充LDPE，當(dāng)添加量為5％時(shí)沖擊強(qiáng)度最大，缺口沖擊強(qiáng)度為55.7kj/m2，是純LDPE的2倍多；斷裂伸長(zhǎng)率到625％時(shí)仍未斷裂，為純LDPE的5倍。用納米級(jí)CaCO3，改性HDPE，當(dāng)納米級(jí)CaCO3含量為25％時(shí)，沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值，最大沖擊強(qiáng)度為純HDPE的1.7倍，斷裂伸長(zhǎng)率在CaCO3含量為16％時(shí)最大，約為660％超過(guò)純HDPE的值。

3.2.2塑料功能化

塑料在家用電器及日用品中的應(yīng)用非常廣泛，在塑料中添加具有抗菌性的納米粒子，可使塑料具有抗菌性，且其抗菌性保持持久?，F(xiàn)已應(yīng)用此技術(shù)生產(chǎn)了抗菌冰箱，實(shí)際上就是在制造冰箱塑件時(shí)，使用的塑料原料中添加了某種納米粒子，利用該納米粒子的抗菌特性，使塑料具有抗菌殺菌的功能，國(guó)內(nèi)某公司采用該項(xiàng)技術(shù)率先開(kāi)發(fā)出無(wú)菌塑料餐具、無(wú)菌塑料撲克等產(chǎn)品，受到市場(chǎng)的歡迎。

3.2.3通用塑料的工程化

通用塑料具有產(chǎn)量大、應(yīng)用廣、價(jià)格低等特點(diǎn)，但其性能不如工程塑料，而工程塑料雖性能優(yōu)越，但價(jià)格較高。在通用塑料中加入納米粒子能使其達(dá)到工程塑料的性能，用納米技術(shù)對(duì)通用聚丙烯進(jìn)行改性，其性能達(dá)到了尼龍6的性能指標(biāo)，而成本卻降低1／3。

3.3化學(xué)纖維改性

近年來(lái)出現(xiàn)了各種新型的功能性化學(xué)纖維，其中不少是應(yīng)用了納米技術(shù)，如日本帝人公司將納米ZnO和納米SiO2混入化學(xué)纖維，得到具有除臭及靜化空氣功能的化學(xué)纖維，這種化學(xué)纖維被廣泛用于制造長(zhǎng)期臥床病人和醫(yī)院的消臭敷料、繃帶、睡衣等；日本倉(cāng)螺公司將納米ZnO加入到聚酯纖維中，制得了防紫外線纖維，該纖維除了具有防紫外線功能外，還具有抗菌、消毒、除臭的功能。

3.4涂料改性

在各類(lèi)涂料中添加納米材料，如納米TiO2，可以制造出殺菌、防污、除臭、自潔的抗菌防污涂料，廣泛應(yīng)用于醫(yī)院和家庭內(nèi)墻涂飾。可制造出防紫外線涂料，應(yīng)用于需要紫外線屏蔽的場(chǎng)所，例如涂在陽(yáng)傘的布料上，制成防紫外線陽(yáng)傘。還可以制造出吸波隱身涂料，用于隱形飛機(jī)、隱形軍艦等國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域及其他需要電磁波屏蔽場(chǎng)所的涂敷。在涂料中添加納米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光潔度及強(qiáng)度成倍提高，涂料的質(zhì)量和檔次大大升級(jí)，據(jù)稱(chēng)，納米改性外墻涂料的耐洗刷性可由原來(lái)的1000多次提高到1萬(wàn)多次，老化時(shí)間延長(zhǎng)2倍多。納米ZnO添加到汽車(chē)金屬閃光面漆中，可制造出汽車(chē)專(zhuān)用變色漆。

3.5在催化方面的應(yīng)用

催化劑在許多化學(xué)化工領(lǐng)域中起著舉足輕重的作用，它可以控制反應(yīng)時(shí)間、提高反應(yīng)效率和反應(yīng)速度。大多數(shù)傳統(tǒng)的催化劑不僅催化效率低，而且其制備是憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，不僅造成生產(chǎn)原料的巨大浪費(fèi)，使經(jīng)濟(jì)效益難以提高，而且對(duì)環(huán)境也造成污染。納米粒子表面活性中心多，為它作催化劑提供了必要條件。納米粒子作催化劑，可大大提高反應(yīng)效率，控制反應(yīng)速度，甚至使原來(lái)不能進(jìn)行的反應(yīng)也能進(jìn)行。納米微粒作催化劑比一般催化劑的反應(yīng)速度提高10～15倍。

3.6在其它精細(xì)化工方面的應(yīng)用

納米材料的優(yōu)越性無(wú)疑也會(huì)給精細(xì)化工帶來(lái)福音，并顯示它的獨(dú)特畦力。如在橡膠中加入納米SiO2，可以提高橡膠的抗紫外輻射和紅外反射能力。免費(fèi)論文參考網(wǎng)。國(guó)外已將納米SiO2，作為添加劑加入到密封膠和粘合劑中，使其密封性和粘合性都大為提高。在有機(jī)玻璃中加入Al2O3，不僅不影響玻璃的透明度，而且還會(huì)提高玻璃的高溫沖擊韌性。一定粒度的銳鈦礦型TiO2具有優(yōu)良的紫外線屏蔽性能，而且質(zhì)地細(xì)膩，無(wú)毒無(wú)臭，添加在化妝品中，可使化妝品的性能得到提高。納米SiO2能夠強(qiáng)烈吸收太陽(yáng)光中的紫外線，產(chǎn)生很強(qiáng)的光化學(xué)活性，可以用光催化降解工業(yè)廢水中的有機(jī)污染物，具有除凈度高，無(wú)二次污染，適用性廣泛等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)保水處理中有著很好的應(yīng)用前景。在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域還將出現(xiàn)功能獨(dú)特的納米膜