毕业论文纳米技术与高分子材料.doc

《毕业论文纳米技术与高分子材料.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业论文纳米技术与高分子材料.doc（15页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、 绵阳职业技术学院材料工程系高分子材料应用技术专业毕业论文 学院：绵阳职业技术学院系部：材料工程系班级：高分子11班姓名：何刈指导老师：唐云、王燕时间：2013年9月30日-2013年11月6日 纳米技术与高分子材料摘要： 纳米技术正全力推动着化学工业未来的发展。随着一些纳米技术的工业产品问世以及所显示出的诱人前景，现在“纳米技术”已经成为家喻户晓的名词。纳米技术能在小于100nm的水平上合成、处理和表征物质，这是一个涉及多门学科的广阔领域。在世界范围内, 高分子材料的制品属於最年轻的材料。它不仅遍及各个工业领域, 其产量已有超过金属材料的趋势, 是21世纪最活跃的材料支柱。纳米技术在高分子材

2、料中得到了充分的应用。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各种方式复合成型的一种新型复合材料。其制备方法有：插层复合法，原位复合法，直接分散法等。虽然高分子纳米复合材料发展的历史并不是很长，但是已经在不同领域获得广泛应用。关键词：纳米技术，高分子纳米复合材料，制备方法，应用 1 Abstract: Nanotechnology are trying their best to push chemical industrial future development. With some of nanometer technology industrial product appe

3、arance and shown tempting prospects, now "nanotechnology" has become a household nouns. Nanotechnology can be less than 100 nm level synthesis, processing and characterization of material, this is a broad field involving the multi-discipline. Worldwide, polymer products belong to the young

4、est material. It not only in many industrial fields, and its production has been more than metal materials trend is the 21st century the most active material pillar. Nanotechnology has been fully used in the polymer materials.Polymer nanocomposites are composed of nano unit with organic polymer comp

5、osite forming in the ways of a new type of composite materials.The preparation methods are as follows:Legal, intercalation complex legal, in situ directly disperse method, etc.Although the history of the development of macromolecule nano-compound material is not very long, but have found wide applic

6、ations in different fields.Key words: Nanotechnology, polymeric nanocomposites, The preparation methods, application 2 目录1 纳米技术的发展 . 22 纳米技术与高分子的概述 . 33 纳米粒子的特性及其对复合材料的性能影响 . 43.1纳米粒子的特性 . 43.2 纳米粒子的表面改性 . 53.3 纳米粒子对复合材料的性能影响 . 63.3.1 纳米粒子对复合材料力学性能的影响 . 63.3.2 不同种类纳米粒子对复合材料力学性能的影响 . 64 高分子基纳米复合材料的制备

7、方法及特性： . 74.1 高分子基纳米复合材料来的制备方法 . 74.1.1插层复合法 . 74.1.2原位复合法 . 84.1.3溶胶-凝胶法 . 94.1.4纳米粒子直接分散法 . 94.1.5 LB膜法 . 94.1.6微乳液聚合法 . 103 4.2 纳米材料的特性 . 105纳米技术如何对高分子材料改性 . 115.1 纳米技术对塑料的改性 . 115.2 纳米技术对橡胶的改性 . 125.3 纳米技术对化学纤维的改性 . 136 高分子纳米复合材料的应用 . 146.1 高分子基纳米复合材料的应用简介 . 146.1.1 高性能工程塑料 . 146.1.2电子产品材料 . 156

8、.1.3其他应用简介 . 157总结 . 17参考文献： . 18致谢 . 19 4 5 前言： 纳米材料科学是一门新兴的并正在迅速发展的材料科学。由于纳米材料体系具有许多独特的性质，应用前景广阔， 而且涉及到原子物理、凝聚态物理、胶体化学、配位化学 、化学 反应动力学和表面、界面科学等多种学科，在实际应用和理论上都具有极大的研究价值，所以成为近些年来材料科学领域研究的热点之一，被誉为“21世纪最有前途的材料”1-2。早在1959年，著名物理学家Richard Feynman3在美国物理学会年会的讲演中首次提出了“What would happen if we could arrange th

9、e atoms one by one theway we want them?”的思想，日本科学家Kubo4在1962年就对纳米粒子的量子 尺寸效应 进行了理论上的研究，而日本名古屋大学上田良二教授则定义纳米微粒是用透射电镜TEM能看到的微粒；但直至80年代中期，随着介观物理的发展完善和实验观测技术的进 步，纳米材料科学才得到迅速的发展。通常将纳米体系的范围定为1 nm100 nm，处于团簇（尺寸小于 1 nm的原子聚集体）和亚微米级体系之间，其中纳米微粒是该体系的典型代表。 由于纳米微粒尺寸小、比表面积大，表面原子数、表面能和表面张力随粒径的下降急剧增大，表现出小 尺寸效应、表面效应、量子尺

10、寸效应和宏观量子隧道效应等特点，从而使纳米粒子出现了许 多不同于常规固体的新奇特性，展示了广阔的应用前景；同时它也为常规的复合材料的研究 增添了新的内容，含有纳米单元相的纳米复合材料5通常以实际应用为直接目标 ，是纳米材料工程的重要组成部分，正成为当前纳米材料发展的新动向，其中高分子纳米复合材料由于高分子基体具有易加工、耐腐蚀等优异性能，且能抑止纳米单 元的氧化和团聚，使体系具有较高的长效稳定性，能充分发挥纳米单元的特异性能，而尤受 广大研究人员的重视。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成分分可以是金属，也可以是陶瓷、高分

11、子等；按几何条件分可以是球状、片状、柱状纳米粒子，甚至是纳米丝、纳米管、纳米膜等；按相结构分可以是单相，也可以是多相，涉及的范围很广，广义上说多相高分子复合材料，只要其某一组成相至少有一维的尺寸处在纳米尺度范围（1 nm100 nm）内，就可将其看为高分子纳米复合材料。 11 纳米技术的发展 当今时代的科学界普遍认为，纳米技术是21世纪经济增长的一台主要的发动机，其作用可使微电子学在21世纪后半叶对世界的影响相形见绌，纳米技术将给医学、材料、信息通行、和制造业等行业带来革命性的变革。因此，近几年来，纳米科技受到了世界各国尤其是发达国家的极大青睐，并引起了越来越疯狂的研究和越来越激烈的竞争。由于

12、纳米技术对一个国家未来经济、社会发展及国防安全具有重大意义，世界各国(地区)纷纷将纳米技术的研发作为21世纪技术创新的主要驱动器，相继制定了发展战略和计划，以指导和推进本国纳米科技的发展。目前，世界上已有50多个国家制定了国家级的纳米技术计划。部分国家虽然没有专项的纳米技术计划，但其他计划中也包含了与纳米技术相关的项目研发。众所周知，为了抢占纳米科技的先机，美国早在2000年就率先制定了国家级的纳米技术计划(NNI)，其宗旨是整合联邦各机构的力量，加强其在开展纳米尺度的科学、工程和技术开发工作方面的协调。2003年11月，美国国会又通过了21世纪纳米技术研究开发法案，这标志着纳米技术已成为联邦

13、的重大研发计划，从基础研究、应用研究到研究中心、基础设施的建立以及人才的培养等全面展开。“ 纳米技术”被日本政府视为“日本经济复兴”的关键5。第二期科学技术基本计划将生命科学、环境技术、信息通信和纳米技术作为4大重点研发领域，并制定了多项措施确保这些领域所需战略资源(人才、资金、设备)的落实。之后，日本科技界较为彻底地贯彻了这一方针，积极推进从基础性到实用性的研发，同时跨省厅重点推进能有效促进经济发展和加强国际竞争力的研发。欧盟在20022007年实施的第六个框架计划也对纳米技术给予了空前的重视。该计划将纳米技术作为一个最优先的领域，有13亿欧元专门用于纳米技术和纳米科学、以知识为基础的多功能

14、材料、新生产工艺和设备等方面的研究。欧盟委员会还力图制定欧洲的纳米技术战略，目前已确定了促进欧洲纳米技术发展的5个关键措施：增加研发投入，形成势头；加强研发基础设施；从质和量方面扩大人才资源；重视工业创新，将知识转化为产品和服务；考虑社会因素，趋利避险。另外，包括德国、法国、爱尔兰和英国在内的多数欧盟国家2 还制定了各自的纳米技术研发计划。韩国、中国台湾等新兴工业化经济体，意识到纳米技术将会给人类社会带来巨大的影响，为了保持竞争优势，也纷纷制定纳米科技发展战略。韩国政府2001年制定了促进纳米技术10年计划，2002年颁布了新的促进纳米技术开发法，随后的2003年又颁布了纳米技术开发实施规则。

15、韩国政府的政策目标是：融合信息技术、生物技术和纳米技术3个主要技术领域，以提升前沿技术和基础技术的水平。到2010年10年计划结束时，韩国纳米技术研发要达到与美国和日本等领先国家的水平，进入世界前5位的行列。中国台湾自1999年开始，相继制定了纳米材料尖端研究计划、纳米科技研究计划，这些计划以人才和核心设施建设为基础，以追求“学术卓越”和“纳米科技产业化”为目标，意在引领台湾知识经济的发展，建立产业竞争优势。综合国力和科技实力较强的发展中国家为了赶上发达国家纳米科技发展的势头，也制定了自己的纳米科技发展战略。中国政府在2001年7月就发布了国家纳米科技发展纲要，并先后建立了国家纳米科技指导协调

16、委员会、国家纳米科学中心和纳米技术专门委员会。目前正在制定中的国家长期科技发展纲要将明确中国纳米科技发展的路线图，确定中国在目前和中长期的研发任务，以便在国家层面上进行指导与协调，集中力量、发挥优势，争取在几个方面取得重要突破。鉴于未来最有可能的技术浪潮是纳米技术，南非科技部正在制定一项国家纳米技术战略，在2005年度执行。印对箕府也通过加大对从事材料科学研究的科研机构和项目的支持力度，加强材料科学中具有广泛应用前景的纳米技术的研究和开发。2 纳米技术与高分子的概述高分子材料：以高分子化合物为基础的材料。高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，包括橡胶、纤维、涂料、塑料、胶粘剂和高分

17、子基复合材料等。高分子是生命存在的形式，所有的生命体都可以看作是高分子的集合。 纳米科学与技术，有时简称为纳米技术，是研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。1981年扫描隧道显微镜发明后，诞生了一门以0.1到100纳米长度为研究分子世界，它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的3 产品6。因此，纳米技术其实就是一种采用单个原子、分子物质射程的技术。 纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。纳米科学与技术主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米生物学、纳米材料学、纳米加工学、纳米电子学、纳米力学等 。这七个相对独立又相互渗透的学科和纳米材

18、料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征这三个研究领域。纳米材料的制备和研究是整个纳米科技的基础。其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。 高分子基纳米复合材料，是指用具有纳米尺寸的其他材料与高分子材料以各种方式复合成型的一种新型复合材料。从广义上来说，高分子基纳米复合材料，只要其组分中的某一相，至少有维一的尺寸处在纳米尺度范围，就可以将其视为高分子基纳米复合材料。综上所述纳米技术与高分子材料的有机结合则为高分子纳米复合材料。这也是世界各国发展研究的必要趋势。3 纳米粒子的特性及其对复合材料的性能影响3.1纳米粒子的特性纳米粒子按成分分可以是金属, 也可以

19、是非金属, 包括无机物和有机高分子等； 按相结构分可以是单相, 也可以是多相；根据原子排列的对称性和有序程度, 有晶态、非晶态、准晶态。由于颗粒尺寸进入纳米量级后, 其结构与常规材料相比发生了很大的变化, 使其在催化、光电、磁性、热、力学等方面表现出许多奇异的物理和化学性能, 具有许多重要的应用价值。（1）表面与界面效应。 纳米微粒比表面积大, 位于表面的原子占相当大的比例( 如表1-1 所示) , 表面能高7。表1-1纳米微粒尺寸与表面原子数的关系 从表1-1可以看出, 处于表面的原子数随粒径的减小而迅速增加。由于表面原子缺少邻近配位的原子和具有高的表面能, 使得表面原子具有很大的化学活性,

20、 从而使纳米粒子表现出强烈的表面效应。利用纳米材料的这种特点, 能与某些大4 分子发生键合作用, 提高分子间的键合力, 从而使添加纳米材料的复合材料的强度、韧性大幅度提高。(2）小尺寸效应。 当超细微粒的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时, 晶体周期性的边界条件将被破坏, 导致其磁性、光吸收、热、化学活性、催化性及熔点等发生变化。如银的熔点为900 e , 而纳米银粉的熔点仅为100 e ( 一般纳米材料的熔点为其原来块体材料的30% 50%) 。应用于高分子材料改性, 利用纳米材料的高流动性和小尺寸效应, 可使纳米复合材料的延展性提高, 摩擦系数减小, 材料表面光洁度大大改善。(3)

21、量子尺寸效应。 即纳米粒子颗粒尺寸小到定值时, 费米能级附近的电子能级由准连续能级变为离散能级的现象。其结果使纳米材料具有高度光学非线性、特异性催化和光催化性质等。总之, 纳米粒子能在低温下继续保持顺磁性, 对光有强烈的吸收能力, 能大量的吸收紫外线, 对红外线亦有强烈的吸收能力； 在高温下, 仍具有高强、高韧性、优良的稳定性等, 其应用前景十分广阔, 在高分子材料改性中的研究也将出现一个新的发展。3.2 纳米粒子的表面改性纳米粒子粒径小, 表面能大, 易于团聚, 在制备纳米粒子/ 聚合物复合材料时, 用通常的共混法难以得到纳米结构的复合材料。为了增加纳米粒子与聚合物的界面结合力, 提高纳米微

22、粒的分散能力, 需对纳米粒子的表面进行改性。主要是降低粒子的表面能态， 消除粒子的表面电荷, 提高纳米粒子有机相的亲和力, 减弱纳米粒子的表面极性等。一般来说, 纳米粒子的表面改性可大致分为以下几点:（1） 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；（2）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它物质发生反应、附着, 达到表面改性的目的；5 （3）外膜

23、层改性。 在纳米粒子表面均匀地包覆一层其它物质的膜, 使粒子表面性质发生变化；（4）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功能基团的聚合物, 使之具有新的功能；（5） 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表面改性；（6）利用沉淀反应进行表面改性。 利用有机物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。在以上方法中, 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。分散剂能降低填料粒子的表面能, 改善填料的分散状况, 但不能改善填料粒子和基体的界面结合。偶联剂则可和基体有强的相互作用。3.3 纳米粒子对复合材料的性能影响3.3.

24、1 纳米粒子对复合材料力学性能的影响（1） 对复合材料拉伸强度的影响。 普通填料填充后的复合材料一般拉伸强度都有明显下降, 而采用纳米材料填充的复合材料, 其拉伸强度会有所增加, 并在一定范围出现极值。如纳米SiO2 填充复合材料的拉伸强度在SiO2 的体积数为4% 左右时达到最大值13。（2） 对复合材料断裂伸长率的影响。 研究表明,采用普通CaCO3 和微米级、纳米级CaCO3 填充PE,随着粒子粒径的减小, 复合材料的断裂伸长率逐渐提高。（3） 对纳米聚合物复合材料杨氏模量的影响。 对于相同的基体和填料, 采用相同的处理方法, 微米级填料使复合材料的杨氏模量增长平缓, 而纳米级填料则可使

25、复合材料的杨氏模量急剧上升。产生这种结果的原因是纳米材料, 比表面积大, 表面原子所占比例大, 易于与聚合物充分地吸附、键合所致。3.3.2 不同种类纳米粒子对复合材料力学性能的影响采用不同种类的纳米粒子填充聚合物, 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。如用超微CaCO3 和超6 微滑石粉进行试验,当填充量增大, 单纯采用CaCO3 或滑石粉都会使冲击强度、断裂伸长率减小, 而协同效应使得冲击强度、断裂伸长率不断增大。 4 高分子基纳米复合材料的制备方法及特性：4.1 高分子

26、基纳米复合材料来的制备方法高分子基纳米复合材料的制备方法一般有：插层复合法、原位复合法、溶胶-凝胶法、纳米粒子直接分散法 、LB膜法、微乳液聚合法等。4.1.1插层复合法插层复合法是制备高分子基纳米复合材料的一种重要方法。许多无机化合物，如磷酸盐类、硅酸盐类粘土、石墨、二硫化物、金属氧化物等具有典型的层状结构作为主体，将有机高聚物作为客体插入主体的层间，从而可以制备高分子基纳米复合材料。插层复合法可分为三类：41.1.1插层聚合法插层聚合法是先将高分子物单体分散、插入到层状无机物（硅酸盐等）片层中（一般是将单体和层状无机物分别溶解到某一溶剂中），然后单体在外加条件（如氧化剂、光、热等）下发生原

27、位聚合8。利用聚合时放出的大量热量，克服硅酸盐片层间的库仑力而使其剥离，从而使纳米尺度硅酸盐片层与高分子物基体以化学键的方式结合。1987年，日本首先利用插层复合法制备尼龙6/粘土纳米复合材料(NCH)9。中国科学院化学研究所对尼龙6/蒙脱土体系进行了研究，并首创了“一步法”复合方法，即将蒙脱土层间阳离子交换、单体插入层间以及单体聚合在同一步中完成。4.1.1.2溶液插层法溶液插层法是高分子链在溶液中借助于溶剂而插层进入无机物层间，然后挥发除去溶剂。该方法需要合适的溶剂来同时溶解高分子和分散粘土，而且大量的溶剂不易回收，对环境不利。如在溶液中聚环氧乙烷、聚四氢呋喃、聚己内酯等很容易嵌入到层状硅

28、酸盐和V2O5凝胶中。Furuichi10等用疏水性绿土（SAN）（季胺盐交换处理）与聚丙稀（PP）的甲苯溶液共混，经加热可以获得PP/SAN纳米复合材料。Ruiz-Hitzky10等将聚环氧乙烷（PEO）与不同交换性阳离子的蒙脱上混合搅拌，合成了新的具有二维结构的高分子基纳米复合材料。7 4.1.1.3溶体插层法溶体插层法是将高分子物加热到熔融状态下，在静止或剪切力的作用下直接插入片层间，制得高分子基纳米复合材料。对大多数很重要的高分子来说，因找不到合适的单体来插层或找不到合适的溶剂来同时溶解高分子和分散料，因此上述两种方式都有其局限性，采用熔体插层法即能很方便的实现。实验表明，溶体插层法、

29、溶液插层法和插层聚合法所得到的复合材料具有相同的结构。由于熔体插层法是美国Cornell大学的Vaia和Giannelis等首先采用的一种创新方法。他们通过熔体插层法制备了PS/粘土、 PEO/粘土高分子基纳米复合材料11。4.1.2原位复合法原位复合法是将热致液晶高分子物与热塑性树脂进行熔融共混，用挤塑或注塑方法进行加工。由于液晶分子有易于自发取向的特点，液晶微区沿外力方向取向形成微纤结构，在熔体冷却时这种微纤结构被原位固定下来，故称原位复合。只有当材料的微区尺寸在100nm以下时才能归属于纳米复合材料的范畴。中科院广州化学所黎学东等详细概述了原位成纤复合材料的成纤原理、流变性能、力学性能、

30、形态分布、结晶行为以及影响形态性能的因素。原位复合材料的研究开发进展很快，ICE公司的LCP/PA合金、Hoechst Celanese公司的LCP/PAl2和40%玻纤增强的LCP/PPS合金等均已商品化。原位聚合是可使刚性分子链均匀分散的一种复合新途径。在柔性聚合物（或其单体）中溶解刚直棒聚合物均匀地分散在高分子机体中而形成原位分子复合材料，这种方法称为原位聚合法。钱人元等将吡咯单体溶胀、扩散到柔性链聚合物基体中，以一定的引发剂使吡咯单体在机体中原位就地聚合，制得了既具有一定的导电性，又提高了基体材料力学性能的原位复合材料。Lindsey12等以微量交联的聚乙稀醇（PVA）作基体，用电化学

31、方法就地使吡咯单体聚合，形成增强微纤，得到PPY/PVA原位分子复合材料。张晟卯等人采用原位聚合法合成了TiO2/聚丙稀酸丁酯纳米复合薄膜材料。这种纳米符合薄膜有望在某些工况条件下作为新型特种润滑材料而获得应用。贾志杰等将纯化的碳纳米管与已酰胺，氨基乙酸一起放入反应器混合，在一定条件下进行聚合反应，制得尼龙6/碳纳米管复合材料与纯商品尼龙6以一定比例共混。结果表明制得的纳米复合材料性能优越。8 4.1.3溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是使用烷氧金属或金属盐等前驱物（水溶性盐或油溶性醇盐）溶于水或有机溶剂中形成均质溶液，溶质发生水解反应形成纳米级粒子并形成溶胶，溶胶经蒸发干燥转变为凝胶。如果条件控制得

32、当，在凝胶形成与干燥过程中聚合物不发生相分离，即可获得高分子基纳米复合材料。近年来，利用金属烷氧化物的溶胶-凝胶反应与聚合反应巧妙的组合，制备高分子基纳米复合材料已成为材料科学新的热点。溶胶-凝胶法可以分为以下几种情况：(1)前驱物溶解在预形成的高分子物溶液中，在酸、碱或某些盐催化作用下，让前驱物水解，形成半互穿网络；(2)前驱物和高分子物单体溶解在溶剂中，让水解和单体聚合同时进行，这一方法可使一些完全不溶的高分子物靠原位生成而均匀地插入无机网络中。如果单体未交联则形成半互穿网络，单机交联则形成完全互穿网络；(3)在以上的高分子物或单体中可以引入能与无机组分形成化学键的基团，增加有机与无机组分

33、之间的相互作用。该方法反应条件温和，分散均匀。孙蓉等任采用溶胶-凝胶法合成了粒径为4060nm油酸修饰二氧化钛纳米微粒8。牛新书9等人以钛酸四丁酯和硝酸钇为原料，采用溶胶-凝胶法制备了掺杂不同量Y的TiO2纳米材料。杜宏伟等人用钛酸丁酯作前驱物，N-甲基。4.1.4纳米粒子直接分散法该方法是将纳米粒子直接分散于高分子基质来制备高分子基纳米复合材料，其中高分子基质多选用具有优异性能的功能材料。该方法的优点是通过控制条件获得高分散、小微粒的纳米复合材料。缺点是粒子易发生团聚，难于均匀分散。通常在纳米粒子的表面覆盖一层单分子层活性剂，从而可防止纳米粒子本身的凝聚。4.1.5 LB膜法LB膜法是利用具

34、有疏水端和亲水端的两亲性分子在气-液界面的定向性质，来制备高分子基纳米复合材料。目前利用LB膜法制备的高分子基纳米复合材料，主要有两种方法：一种是利用含金属离子的LB膜，通过与H2S等进行化学反应获得；另一种是已制备的纳米粒子直接进行LB膜组装。用LB膜法制备的纳米9 复合材料，除具有纳米粒子特有的量子尺寸效应，还具有LB膜分子层次有序、膜厚可控、易于组装等优点。如果改变纳米粒子的种类及制备条件，那么可以改变所得到材料的光电性能。从而使得该类材料在微电子学、光电子学、非线性光学和传感器等领域得到了广泛的应用。4.1.6微乳液聚合法在FeCl3水溶液/甲苯/甲基丙稀酸的微乳体系中，搅拌、回流2h

35、，得到包覆有甲基丙稀酸，粒径为1.92.7nm的Fe2O3，然后加入适量交联剂二乙稀基苯和引发剂偶氮二异丁腈。将微乳液加热到70C并维持7h，然后用甲醇将聚合物/Fe2O3凝胶沉淀出来，制备成有机-无机复合膜材料。成国祥等确定了水/Span85-Tween60/环已烷反映微乳液体系的适宜条件，如表面活性剂含量、HLB值和溶水量值：进而在其中进行丙稀酰胺聚合反应和AgCl、ZnS沉淀反应，制备了大小比较均一、形状规则而平均粒径约为20nm的AgCl/PAM、ZnS/PAM无机/有机纳米复合微粒。4.2 纳米材料的特性所有的纳米材料都具有三个共同的结构特点：（1）纳米尺度的结构单元或特征维度尺寸在

36、纳米数量级（1-100nm）；（2）有大量的界面或自由表面；（3）各纳米单元之间存在着或强或弱的相互作用。由于这种结构上的特殊性，使纳米材料具有一些独特的效应，也使纳米材料受到各国科学家的追捧。物质尺度到了纳米量级后，由于表面电子能级的变化（Kubo效应）导致了纳米材料具有许多奇特的性能，从而使其具备奇异性和反常性，能使多种多样的材料改性，用途极为广泛。表面效应、量子尺寸效应、体积效应、宏观量子隧道效应、界面相关效应，这五种效应是纳米材料的基本特性，它们使纳米粒子和纳米固体呈现出许多奇异的物理性质、化学性质和力学性质，它们是纳米技术应用的理论基础。(1)表面效应粒子直径减少到纳米量级，表面原子

37、数和比表面积、表面能都会迅速增加；处于表面的原子数增多，使大部分原子的周围（晶场）环境和结合能与块材内部原子有很大的不同；表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性质，易与其它原子相结合，故具有很大的化学活性。10 (2)量子尺寸效应纳米粒子尺寸下降到某一定值时，费米能级附近的电子能级将由连续能级变为分立能级。这一效应可使纳米粒子具有高的光学非线性、特异催化性和光催化性质等。(3)体积效应当纳米粒子的尺寸变小时，周期边界条件将被破坏，使得物理化学性质发生变化，甚至是发生突变。如果颗粒尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时，金属微粒均失去原有的光泽而呈黑色（光的吸收特性变化）；磁性

38、超微颗粒在尺寸小到一定范围时，会失去铁磁性，而表现出顺磁性或超顺磁；非铁磁性也可转化为铁磁性；铁电态变为顺电态、超导相向正常相转变等。(4)宏观量子隧道效应微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近来年，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化。库仑堵塞效应只能单电子传输，电荷宇称效应电荷数奇偶性。(5)界面相关效应由于纳米结构材料中有大量的界面，与块材相比，纳米结构材料具有反常高的扩散率，它对蠕变、超塑性等力学性能有显著影响；可以在较低的温度对材料进行有效的掺杂，并可使不混溶金属形成新的合金相；出现超强度、

39、超硬度、超塑性等。5纳米技术如何对高分子材料改性纳米粒子加入高聚物中, 可使高分子材料的性能很大提高, 是制备高性能、高功能复合材料的重要手段之一。5.1 纳米技术对塑料的改性纳米粒子具有许多新奇的特性, 它在塑料中的应用不仅仅是增强作用, 而且还能赋予基体材料其它新的性能。如由于粒子尺寸较小, 透光率好, 将其加入塑料中可以使塑料变得很致密。特别是半透明的塑料薄膜, 添加纳米粒子后不但透明度得到提高,韧性、强度也有所改善, 且防水性能大大增强。11 （1） 对塑料的增韧增强作用。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

40、性、耐热性和尺寸稳定性, 而随之往往会带来体系冲击强度、断裂伸长率的下降, 即韧性下降。往硬性塑料中加入橡胶弹性粒子,可以提高其冲击强度,但同时拉伸强度则有所下降；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, 但同时冲击强度、特别是断裂伸长率常常有所下降；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。而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。纳米粒子表面活性中心多,可以和基体紧密结合，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

41、量这也就决定了其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作用。（2) 改善塑料的抗老化性。 塑料抗老化性能差,影响了其推广应用。太阳光中的紫外线波长在200 400nm 之间, 而280 400nm 波段的紫外线能使高聚物分子链断裂, 从而使材料老化。纳米SiO2 与TiO2 适当混配, 即可大量的吸收紫外线。例如在PP中加入0.13% 的UV-TAN-P580 纳米TiO2, 经过700h热光照射后, 其抗张强度损失仅10%11。（3） 塑料功能化。 在塑料中添加具有抗菌性的纳米粒子, 可使塑料具有持久抗菌性。应用此项技术现已产出了抗菌冰箱等制

42、品。将纳米ZnO 或纳米金属粒子添加到塑料中可以得到具有抗静电性的塑料； 选用适当的纳米粒子添加到塑料中还可以制得吸波材料, 用于隐性材料的生产13。（4） 通用塑料的工程化。 通用塑料具有产量大、应用广、价格低等特点。在通用塑料中加入纳米粒子能使其达到工程塑料的性能。如采用纳米技术对通用聚丙烯进行改性, 其性能可达到尼龙6 的性能指标, 而成本却降低1/ 3, 这样的产品如工业化生产可取得较好的经济效益。5.2 纳米技术对橡胶的改性以往橡胶改性多通过加入炭黑来提高强度、耐磨、抗老化等性能, 但这样处理后制品将变成黑色。为了制成彩色橡胶, 将白色纳米级粒子( 如纳米SiO2) 作补强剂或使用纳米粒子级着色剂, 可制成彩色橡胶制品。由于纳米SiO2 是三维12 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、耐磨性,