学 校 代 码 10459 学号或申请号 201212192200 密 级 硕 士 学 位 论 文 聚合物纳米材料的合成及其对有机染料吸
附性能的研究 作 者 姓 名：陈中辉 导 师 姓 名：付建伟副教授 学 科 门 类：工学 专 业 名 称：材料学 培 养 院 系：材料科学与工程学院 完 成 时 间：2015年4
月
A thesis submitted to
Zhengzhou University
for the degree of Master
Synthetization of polymer-based nanomaterials and their application in the adsorption treatment of organic dyes
By Zhonghui Chen
Supervisor: Associate Prof. Jianwei Fu
Major: Materials Science
School of Materials Science and Engineering
April 2015
学位论文原创性说明
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日期：年月日
摘要
摘要
本论文基于聚合物纳米材料的性能和优点，探索了其合成、结构及其在有机染料污染物吸附处理应用的可能性，并深入研究了吸附过程和相关机理等。聚合物纳米材料由于其独特的结构、性能和潜在应用，受到越来越广泛的关注和研究。它充分利用了纳米材料的小尺度、大比表面积以及聚合物表面基团的可设计性等性质，使其相关性能得到很大的提高，从而在复合材料、催化、传感、药物载体、电池、电容器、污染物净化等领域得到了广泛的应用。最近，由于与染料相关的工业的发展引起的环境污染日益严重，探索新型、高效的吸附剂除去工业废水中的染料成为了很多研究者的目标。因此，合成新型的聚合物纳米材料，探索其染料吸附能力具有十分重要的意义。本论文运用原位模板法和氧化聚合法成功合成了一系列不同形貌的聚合物纳米材料，包括实心和中空的聚膦腈微球、中空的聚膦腈纳米管、实心和中空的聚多巴胺微球，并对这些材料的结构、性能和染料吸附应用进行了详细的探索和研究。具体的研究内容和结果如下：
（1）利用原位模板法，在超声条件下，以六氯环三膦腈（HCCP）、4,4′- 二羟基二苯砜（BPS）作为共聚单体，三乙胺（TEA）作为缚酸剂，乙腈作为溶剂，合成了聚膦腈（PZS)微球，并研究了它对阳离子染料亚甲基蓝（MB）的吸附能力；为了提高吸附能力，我们通过改变反应条件（超声功率和溶剂），制备了PZS纳米管。通过一系列表征手段（SEM、TEM、FITR、XPS、BET、粒径分析和表面电荷测试等）对PZS微球和纳米管的结构和表面性质进行了表征。详细阐述了它们的合成机理。染料吸附研究结果表明PZS纳米管具有超强的吸附能力，其原因是PZS纳米管不但具有丰富的羟基、芳香环和富电子原子，而且具有比微球更大的比表面积，它们共同促进了对染料的高效吸附。
（2）为了提高聚膦腈微球的染料吸附能力，我们改变共聚单体（以间苯三酚代替BPS），成功合成了实心的聚膦腈（PCPP)微球,然后通过有机溶剂刻蚀制备了中空的聚膦腈（PCPP)微球。并对其结构和表面性质进行了表征，详细阐述了它的合成机理。
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摘要
（3）利用氧化聚合法，在氧气存在、避光的条件下，以盐酸多巴胺为单体，在三羟甲基氨基甲烷(Tris)溶液中聚合，合成了聚多巴胺（PDA）微球；然后以聚苯乙烯微球为模板，包覆一定厚度的聚多巴胺层，再用有机溶剂（四氢呋喃）刻蚀除去聚苯乙烯微球模板，得到中空的聚多巴胺（PDA）微球。并对它们的结构和表面性质进行了表征，详细阐述了它的合成机理。
（4）以所制备的PZS微球、PZS纳米管、中空PCPP微球和PDA微球作为吸附剂去吸附水溶液中的阳离子染料（亚甲基蓝，MB）。系统、深入地探索了影响MB吸附的相关因素（染料溶液pH,体系温度，吸附剂剂量，染料浓度，吸附时间等）；利用相关模型研究了吸附动力学，吸附等温线和吸附热力学。并且基于实验结果提出了高效吸附的机理。并探索了中空PCPP微球和PDA微球作为吸附剂对其他染料（甲基橙（MO）、酸性铬蓝K(ACBK)、署红Y(EY)、署红B(EB)、中性红（NR）、孔雀石绿（MG）、藏红T(ST)）的吸附效果，结果表明它对阳离子染料MG、ST和MB的吸附效果比较好；而且在二元混合体系中（例如MB和MO染料的混合溶液，MB和EY染料的混合溶液）,吸附剂表现出了优先对阳离子染料MB的吸附。表明中空PCPP微球可以作为一种良好的选择性吸附剂来除去混合染料溶液中的阳离子染料。
关键词：聚膦腈聚多巴胺微球纳米管染料吸附动力学吸附等温线选择性吸附
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Abstract
Abstract
Based on the excellent properties and advantages of polymer-based nanomaterials, we have explored their synthetization, structures, the possibilities of application in adsorption treatment of organic dyes, adsorption processes, relevant mechanisms and so on. Polymer-based nanomaterials gained more and more attention owing to their unique structures, properties and potential applications. They made full use of the properties of nano materials and polymer materials, such as small scale, large specific surface area and the designability of surface groups, to expand their applications in the fields of composites, catalysis, sensors, drug carriers, batteries, capacitors, water purification and so on. To date, exploring novel and efficient adsorbents to remove dyes from industrial effluents has been goals of many researchers due to increasingly serious environmental problems caused by dye industries. Therefore, synthesizing novel polymer-based nanomaterials and exploring their dye adsorbability were of great significance. In this study, we successfully synthesized a series of different morphologies of polymer-based nanomaterials including solid and hollow polyphosphazene (PZS) nanospheres, PZS nanotubes, solid and hollow PDA microspheres by in situ template method or oxidative polymerization. And we also thoroughly studied their properties, structures and adsorption behavior for organic dyes. Main results are as follows.
PZS nanospheres were facilely synthesized under the condition of ultrasound by precipitation polymerization between hexachlorocyclotriphosphazene (HCCP) and 4,4?-sulfonyldiphenol (BPS) using triethylamine (TEA) as acid-acceptor and acetonitrile as solvent. Then, we studied its adsorption ability towards cationic dye (methylene blue, MB). To improve the adsorption ability, we prepared PZS nanotubes by changing the reaction condition (ultrasonic power and solvent). PZS nanospheres and nanotubes were characterized by a series of characterization methods, such as SEM, TEM, FITR, XPS, BET, particle size analysis and zeta-potential. The synthetic
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Abstract
mechanism was also elaborated in detail. Results showed that PZS nanotubes had superior adsorption capacity due to its numerous hydroxyl groups, aromatic rings, electron-rich atoms and high specific surface area.
To improve the adsorption capacity of PZS nanospheres, we have successfully prepared hollow PCPP microspheres by precipitation polymerization between HCCP and phloroglucinol, and then organic solvent etching. Some characterization methods were used to characterize its structure and surface properties. The synthetic mechanism was elaborated.
PDA microspheres were successfully synthesized by oxidative polymerization using dopamine hydrochloride as monomer in Tris(hydroxymethyl) aminomethane (Tris) solution under an aerobic atmosphere and dark environment. Then, we also prepared hollow PDA microspheres by covering polystyrene microspheres with dopamine polymer and organic solvent (THF) etching. Numerous characterization methods were used to characterize their structure and surface properties. The synthetic mechanism was also elaborated in detail.
In this study, the as-synthesized PZS nanospheres, PZS nanotubes, hollow PCPP microspheres and PDA microspheres were employed as adsorbents to remove cationic dye (MB) from aqueous solution. We systematically studied various effects on MB adsorption including initial solution pH, temperature, initial concentration of MB solution and adsorbent dosage. And the adsorption isotherm, kinetics and thermodynamics of adsorption process were thoroughly studied. Based on experimental results, we proposed high-efficiency adsorption mechanism. In addition, we also studied the adsorption behavior of hollow PCPP microspheres and PDA microspheres for other seven dyes (anionic dyes: methyl orange (MO), acid chrome blue K (ACBK), eosin-Y (EY), eosin-B (EB), cationic dyes: safranine T (ST), malachite green (MG), and neutral dye: neutral red (NR)). The result of selective adsorption of mixture dyes (MB and MO (a), MB and EY (b)) by hollow PCPP microspheres and PDA microspheres showed that the cationic dye of MB was absorbed preferentially and thoroughly in the mixture solutions. It suggested that
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Abstract
hollow PCPP microspheres could be an excellent selective adsorbent to remove cationic dyes from mixture solutions.
Key words: Polyphosphazene; polydopamine; microspheres; nanotubes; dyes; adsorption kinetics; adsorption isotherm; selective adsorption
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目录
目录
摘要..................................................... I Abstract................................................ III 目录.. (1)
第一章绪论 (1)
1.1 环境污染和染料 (1)
1.1.1染料污染 (1)
1.1.2 染料的分类和性质 (2)
1.1.3 染料污染净化技术 (3)
1.1.4 吸附法和吸附剂 (5)
1.2 聚合物纳米材料 (6)
1.2.1 聚合物纳米材料的简介 (6)
1.2.2 聚膦腈纳米材料 (8)
1.2.2.1 聚膦腈纳米材料的结构和性质 (8)
1.2.2.2 聚膦腈（中空）微球和纳米管 (10)
1.2.2.3 聚膦腈纳米材料的应用研究 (11)
1.2.3 聚多巴胺纳米材料 (11)
1.2.3.1 多巴胺的结构、性质和研究 (11)
1.2.3.2 实心和中空的聚多巴胺微球 (13)
1.2.3.3 聚多巴胺纳米材料的应用研究 (13)
1.3 本课题研究的内容和意义 (14)
第二章聚膦腈（PZS）纳米材料的制备及其染料吸附处理应用.. 16
2.1 引言 (16)
1
目录
2.2 试验部分 (17)
2.2.1 试剂及仪器 (17)
2.2.2 测试设备 (18)
2.2.3 PZS纳米材料的制备 (18)
2.2.3.1 PZS微球的制备 (18)
2.2.3.2 PZS纳米管的制备 (18)
2.2.4 吸附实验 (19)
2.3 结果与讨论 (20)
2.3.1 PZS微球的结果分析 (20)
2.3.2 PZS纳米管的结果分析 (22)
2.3.3 PZS纳米材料对染料的吸附性能的研究 (24)
2.3.3.1 PZS微球的吸附性能研究 (24)
2.3.3.2 PZS纳米管的吸附性能研究 (30)
2.4 本章小结 (36)
第三章中空聚膦腈（PCPP）微球的制备及其染料吸附处理应用.38
3.1 引言 (38)
3.2 试验部分 (38)
3.2.1 试剂及仪器 (38)
3.2.2 测试设备 (39)
3.2.3 中空PCPP微球的制备 (39)
3.2.4 吸附试验 (39)
3.3 结果与讨论 (40)
3.3.1 中空PCPP微球的结果分析 (40)
3.3.2 中空PCPP微球的吸附性能的研究 (44)
3.4 本章小结 (53)
第四章聚多巴胺（PDA）微球的制备及其染料吸附处理应用 (55)
4.1 引言 (55)
2
目录
4.2 实验部分 (55)
4.2.1 试剂及仪器 (56)
4.2.2 测试设备 (56)
4.2.3 PDA微球的制备 (56)
4.2.3.1 实心PDA微球的制备 (56)
4.2.3.2 中空PDA微球的制备 (56)
4.2.4 吸附实验 (57)
4.3 结果与讨论 (58)
4.3.1 实心和中空PDA微球的结果分析 (58)
4.3.2 PDA微球对染料的吸附性能的研究 (61)
4.4 本章小结 (71)
第五章全文总结 (73)
5.1 主要实验结果 (73)
5.2 研究展望 (74)
参考文献 (76)
致谢 (76)
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第一章 绪论
1
第一章 绪论
1.1 环境污染和染料
进入21世纪以来，随着科技的进步和工业的发展，人们对生活水平的要求不断提高，对自然界和环境的破坏也日益严重。近年来，与染料相关的工业发展十分迅速，而且所涉及的领域也十分广泛，包括纺织、皮革、食品、化妆、涂层、造纸、印染和染料工业生产等行业[1-5]。我国对染料的需求和消耗量十分庞大，年产量占世界总产量的45 %，位居世界第一[6]。目前，我国染料产量已经达到115万吨，而且这些染料在朝着高质量（抗光解，抗氧化，抗生化降解）方向发展，给环境造成了严重的危害。
我国的染料产品的种类非常多，目前已达到600多种，其产量构成如图1.1所示。据调查统计资料显示生产量比较大的染料包括分散染料、活性染料、硫化染料、还原染料和酸性染料，这些染料又可以细分成不同的类别。比如还原染料按化学结构又可以分为靛类和蒽醌类染料；分散染料品种类型有偶氮类、蒽醌类和杂环类等。染料的成分、结构和分类的复杂性和多样性使得对染料废水的处理的难度也大大增加，尤其是含多种染料的工业废水。
图1.1 我国不同染料产品所占比例。
Fig. 1.1 The proportions of dye products in China.
1.1.1染料污染
印染和纺织等工业产生的废水是我国染料废水的主要来源，它们需要的工序（印染加工包括预处理、染色、印花和整理工序）都需要排放废水，而一吨
第一章 绪论
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的废水就能污染20吨的水体[7,8]。由于受到资金和技术条件的制约，工业中废弃染料的处理往往没有执行严格的标准，这样就导致了工厂附近的河流、地下水和土壤等受到污染。
含染料的废水的危害性非常大，主要表现在以下三个方面：（1）染料废水的色度使水体外观严重恶化，废水中的染料能吸收光照，降低水体透明度，影响水生生物和微生物生长，破坏生态平衡[9,10]；（2）受染料污染的地下水被人体吸收之后，会严重威胁健康，导致过敏、皮炎，严重的甚至诱发癌变[11-13]；（3）废水中的有机染料具有结构复杂、成分混杂、色度高、难以生物降解和化学分解等特性，如果排放前不经过适当的处理，则会进一步扩大污染，从而使治理的难度和成本显著增加。染料工业废水的净化处理已经刻不容缓[14]。
图1.2 被染料污染的河流。
Fig. 1.2 Contaminated rivers by dyes.
1.1.2 染料的分类和性质
染料的种类非常多，主要可以按以下分类方法进行分类:来源、化学结构、应用性能和离子特性。染料按来源可以分为天然染料和合成染料；按化学结构划分可以分为蒽醌、偶氮、酞菁、菁类、靛族、芳甲烷、硝基和亚硝基等染料[15]；而按应用性能则可以分为直接染料、分散染料、活性染料、酸性染料、还原染料、阳离子染料、缩聚染料、冰染染料、氧化染料、缩聚染料等；按离子特性可以分为非离子型染料（中性红等）、阳离子型染料（比如亚甲基蓝、罗丹明B 、孔雀石绿、藏红T 等）、阴离子型染料（比如署红、甲基橙、酸性铬蓝K 等）
[16]。
染料是有机芳族化合物苯环上的氢被胺基、硝基、卤素取代以后生成的芳
第一章 绪论
3
族胺类化合物、芳族硝基化合物、芳族卤化物、联苯等多苯环取代化合物。它们通常具有复杂的芳香结构，很难被生物降解和化学分解，而且还拥有耐酸碱、抗光解、抗氧化的特性[17]。尤其是多种染料混合的印染废水（主要以以蒽、醌、苯、萘等芳香团为母体，携带特定的有色基团），所以很难找到一种有效的化学分解或者生物降解的方法来除去废水中的染料。化学分解通常是通过破坏染料的化学结构，但是往往也产生了具有毒性的小分子，引起二次污染,而且成本较高[18]。
大部分染料在水溶液中分散性非常好，而且在较低浓度时颜色非常明显，通常带有电荷，例如带正电的阳离子染料、带负电的阴离子染料等。图 1.3是列举的几种常见染料的结构式[19]：
图1.3 常见的离子型和非离子型染料的结构式。
Fig. 1.3 The structural formulas of common ionic and nonionic dyes.
1.1.3 染料污染净化技术
与染料相关的工业的发展，必然会导致环境的污染，特别是对水体的污染。经过研究者和环境工作者的不懈努力，染料污染的净化技术也取得了巨大的发
第一章绪论
展。处理含染料废水的方法主要有两大类：物化法[20,21]和生化法[22,23]。它们的原理是通过对染料的富集、分离除去，或者破坏有机染料的结构，或者生物降解除去废水中的染料。
物化法包括吸附法、凝固絮凝法、氧化法、电化学技术、膜分离技术、离子交换法[24-29]。
（1）吸附是一类重要的染料废水处理技术，它是用廉价的吸附剂，根据吸附剂和所要除去的染料的结构和性质特点，构筑的染料污染处理体系。这种方法具有高效彻底、操作简单、成本低、无二次污染等优点[30]。
（2）凝固絮凝法是通过加入絮凝沉淀剂以吸附架桥和电中和方式与底物分子之间发生分之间作用，使其沉降，除去溶液中的粗粒子以达到提纯的目的。常用的絮凝剂类型有：无机凝集剂（无机高分子、无机低分子絮凝剂）、有机絮凝剂、微生物絮凝剂、简单的无机聚合物絮凝剂、改性的单阳离子聚合絮凝剂、多阳离子无机聚合絮凝剂等[31]。但是絮凝法有明显的缺点：泥渣量大，脱水困难，操作成本比较高，容易引起二次污染等。
（3）氧化法可以分为化学氧化法和光催化氧化法。化学氧化法可以用来净化色度高、浓度高、成分复杂的印染工业废水。根据所使用的氧化剂和体系的氧化条件的差异，可以把化学氧化法分成3类：高温深度氧化、臭氧氧化和芬顿试剂氧化。高温深度氧化法是在一定的高温或者高压条件下，破坏废水中有机污染物的结构来实现有机污染物的处理的。臭氧氧化法是采用臭氧作为脱色氧化剂来氧化废水中的有机染料，但是它只是对部分染料（阳离子染料、活性染料、酸性染料等）的氧化效果好，而对于含硫染料和还原染料的效果较差[32]。二价铁离子和H2O2作用会生成羟基游离基，它能够使染料分子键断裂破坏染料的结构，从而达到脱色的目的。这就是芬顿试剂氧化氧化法的原理，芬顿试剂就是铁离子和H2O2的合称[33]。
光催化氧化法是一种新颖、高效的方法，它采用半导体光催化氧化技术，在较温和的条件（常温、常压）下来彻底分解有机染料[34]。虽然这种方法有很多优点（不产生二次污染、低能耗、可完全矿化有机物等），但是它的成本高、催化剂不易回收、中间产物和活性组不容易分离、反应时间长等缺点使得这种技术还要进一步开发研究。
（4）电化学技术的原理是在阳极，铁失去电子产生的二价铁进入染料溶液，
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第一章绪论
成为高效的絮凝剂，它对染料微粒和胶体有较高的清除效率。高析氧电位电极（Ti/RuO2, Sb/SnO2等），圆桶型铁板电极等都可以应用在电化学技术来处理废水中的染料[35,36]。但是这种方法有成本高、电极材料消耗量大、设备要求高和有沉淀生成等缺点。
（5）膜分离技术是采用半透性膜来分离水溶液的杂质和分子的技术[37]。这种技术和凝固絮凝法、氧化法、电化学技术相比，优点更加明显，它易于操作、不需要高能耗、不产生副作用、水体可以循环使用，而且应用面广。但是膜组件的价格高、膜容易污损等问题在制约着膜分离技术在实际生产中的广泛应用[38]。
（6）离子交换法：离子交换法是利用离子交换树脂去过滤水溶液，体系中的正负离子会与固定在树脂上的离子实现交换。某些离子交换树脂可以通过氢离子交换阳离子，用氢氧根离子去交换阴离子；从阳离子交换树脂释出的氢离子与从阴离子交换树脂释出的氢氧根离子相结合后生成纯水。据报道，改性的纤维素离子交换树脂、硝基肌改性的大孔型氯球、磺化煤等对染料废水中的水溶性离子型染料（例如活性艳蓝KN-R）的去除效果非常好[39,40]。但是大量树脂的要求、分离困难时制约离子交换法发展的主要因素。
生化法包括生物固定化、生物絮凝、活性淤泥法、真菌技术、厌氧-好氧法等[41-45]。生化法的特点是利用微生物的生长来溶解、分散和降解废水中的有机染料。但是由于微生物的生存需要特定环境，过酸、过碱、温度过高、温度过低、营养缺乏等都会造成微生物的死亡和减少，生化法对技术和管理的要求都很高，限制了它的应用。
1.1.4 吸附法和吸附剂
吸附法是采用多孔性的固体（具有较大的比表面积和表面能）作为吸附剂将水溶液中的有机染料或其他杂质分子吸附在其表面，从而达到富集、分离和净化的目的。吸附法是一种较常用的水污染处理方法，它有诸多优点，例如吸附量大、吸附效率高、吸附时间短、简单易操作、成本低、无二次污染、可循环使用等。吸附剂大多是固体颗粒，不溶于水，所以比较容易分离，而且在净化污染物过程中不会破坏吸附质的结构，引入副产物。当然，吸附剂的吸附效率也会受到污染体系的环境的影响，强酸强碱、高温、引入无机盐等都会影响
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第一章绪论
吸附剂的吸附量和吸附率。
常用的吸附剂种类很多，常用的传统吸附剂有活性炭、炭分子筛、炭质纳米材料、固体废弃物、磺化酶、沸石、粘土、活性氧化铝、硅胶、人工合成高分子材料、天然高分子材料等[46-50]。木料、树枝、果皮果壳、秸秆等经过高温碳化，可以制备出活性炭，这种材料制备方法简单工艺成熟、主要由碳元素组成含有少量的杂原子，而且含有丰富的孔结构、比表面积非常高甚至能达到1000 m2/g。它对大部分有机染料、有毒气体等的吸附效果非常好，是一种理想的吸附材料[51]。Machado等[52]用商业活性碳粉来吸附溶液中的活性红M-2BE，吸附效果非常好，在常温、中性溶液体系中吸附量可以达到243.9 mg/g,吸附率在90 %以上。李秀玲等[53]采用ZnCl2活化、KIO3进行改性处理核桃壳得到活性炭，并用这种活性炭恶臭气体硫化氢，结果表明穿透时间为400 min，硫容量高达380 mg/g，说明这种活性炭的吸附性能非常好。
粘土、改性粘土和活性氧化铝等都属于矿物类吸附剂。蒙脱土和高岭土是常用的矿物类吸附剂。这类材料的共同的特点是在水溶液中分散性好、丰富的孔结构、比表面积高、自然界含量大、廉价等优点。
天然高分子材料吸附剂常见的有壳聚糖、甲壳素等[54-56]。它们是通过与吸附质分子形成化学键或者分子间力（氢键、静电引力、范德华力和疏水作用等）来紧密结合达到吸附的目的。有些吸附剂由于其结构和性质的特点，使其能够选择性地吸附特定的吸附质，选择性吸附也是研究吸附的热点[57-60]。
影响吸附的因素非常多，这与吸附剂和吸附质的结构和性质有关系。吸附是一个从开始趋向于动态平衡的过程，当吸附达到平衡后，吸附量就不再随时间而增加或者增加非常缓慢。在吸附的初始阶段，吸附剂浸没在一个较高浓度的环境中，随着吸附的进行吸附质的浓度会越来越小，这样就导致吸附速率越来越小，最后接近于0，那么这个时间我们就认为是平衡时间。
1.2 聚合物纳米材料
1.2.1 聚合物纳米材料的简介
20世纪60年代，纳米的概念首次被提出，在短短的半个世纪就得到了巨大的发展[61]。一纳米代表的长度是一米的十亿分之一，即1 nm=10-9 m。纳米材料
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第一章 绪论
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的特点是在三维尺度上至少有一维是在一到一百纳米范围内，其尺寸比原子和分子的大，但是比宏观物体的小[62]。这就赋予了其不同于宏观材料的性质，例如小尺寸、超高的比表面积、超导性能、出色的力学性能、介电性、光学等[63,64]。纳米材料的种类繁多，按照几何结构可以分为三维纳米材料（纳米陶瓷、纳米介孔材料等）、二维纳米材料(纳米片、纳米薄膜等)、一维纳米材料（比如纳米线、纳米纤维、纳米管、纳米棒等）和零维纳米材料（比如富勒烯、碳纳米微球等)；按照用途又可以分为结构纳米材料和功能纳米材料。图1.4是具有不同几何结构的纳米材料示意图和电镜图。
图1.4 具有不同几何结构的纳米材料示意图和电镜图。
Fig. 1.4 Schematic diagrams and electronic microscope pictures of nano materials which own
different geometric structures.
聚合物的分子间由单体（或者结构单元）通过共价键连接，具有非常高的分子量，一般在10000以上。聚合物材料由于其密度小、比强度高、韧性好、电绝缘性好、耐酸碱等优点，得到了广泛的应用。除此之外，聚合物材料的另一大优点是通过改变共聚单体的种类、聚合方法和聚合条件等，我们能有效地调控聚合物的内部微观结构、表面基团、形貌等，以满足我们对其性能的要求。
如果把纳米材料和聚合物材料的优点有效地结合起来，那么我们就能得到一种具有更完美性能的材料-聚合物纳米材料。其原理与复合材料的原理类似，
第一章 绪论
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即利用化学或物理方法，使两种或两种以上的材料的优良性能充分结合起来，产生协同效应使其表现出优于原组成材料的性能。大量的研究和报道也证实了这一点。据报道，有人通过静电纺丝法合成了含氟的聚膦腈纳米纤维，并研究了其结构和相关性能[65]；Postma 等用二氧化硅微球作为模板，多巴胺在微球表面氧化聚合，然后通过刻蚀法去除模板得到纳米级别的中空的聚多巴胺胶囊，研究表明其生物相容性非常好，可以作为一种良好的药物载体[66]；Virji 等用聚苯胺纳米纤维作为气体传感器，其性能极大地优于传统的薄膜传感器[67]；聚苯胺纳米管/二氧化硅复合物可以作为优良的吸附剂去出去水溶液中的阳离子染料亚甲基蓝[68]。聚合物纳米材料优良的性能正吸引越来越多的研究者的关注。
1.2.2 聚膦腈纳米材料
1.2.2.1 聚膦腈纳米材料的结构和性质
聚膦腈是一类有机-无机杂化的的聚合物，它的主链具有很大的柔性，由磷原子和氮原子交替排列，侧链的取代基由所选择的共聚单体决定，这使得其在很大程度上具有可设计性[69-71]。主链有较好的柔性，原因是π键的形成并没有对N-P 键的旋转造成障碍，每一个π键都是一个孤立的体系，彼此之间没有相互作用，因此，整个主链也就没有形成长程共轭。聚膦腈，π键构型，和聚二氯膦腈的空间构型如图1.5所示：
图1.5 聚膦腈（a),π键构型（b ）和聚二氯膦腈 (c) 的空间构型。
Fig. 1.5 Formation of π bond (b) in polyphosphazenes (a) and the configuration of
polydichlorophosphazene (c).
通过在聚膦腈主链的磷原子上引入不同类型的侧基，我们能够得到具有不
第一章 绪论
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同功能和性质的聚膦腈高分子：(1) 非水溶性的、(2) 水溶性的、(3) 易被水降解的、(4) 对水稳定的、(5) 高分子电解质、(6) 绝缘体橡胶、(7) 塑料、(8) 玻璃等功能化的聚膦腈高分子。图1.6是各种不同类型的功能化的聚膦腈材料。
图1.6 不同类型的功能化聚膦腈高分子。
Fig. 1.6 Different types of functionalized polyphosphazenes.
除了线性聚二氯膦腈外，还有环线型和环交联型聚膦腈材料。环线型聚膦腈材料是已四取代的六氯环三膦腈与另一种含有双官能团的单体（比如常用的二羟基化合物有：2,2?-二羟基联苯，2,2?-二羟基联苯等）缩合聚合生成，它具有明显的优点是可生物降解、耐高温、阻燃等；环交联型聚膦腈材料是从六氯环三膦腈出发合成的聚膦腈材料，这类材料可以作为热固性树脂、助燃剂、聚合物基材的填充材料、胶黏剂等[72-74]。图1.7是环线型和环交联型聚膦腈材料的化学结构。 zkq 20150910
纳米材料的研究属于一种微观上的研究，纳米是一个十分小的尺度，而一些物质在纳米级别这个尺度，往往会表现出不同的特性。纳米技术就是对此类特性进行研究、控制。那么，关于纳米材料的特性及相关应用有哪些呢？下面就来为大家例举介绍一下。 一、纳米材料的特性 当粒子的尺寸减小到纳米量级，将导致声、光、电、磁、热性能呈现新的特性。比方说：被广泛研究的II-VI族半导体硫化镉，其吸收带边界和发光光谱的峰的位置会随着晶粒尺寸减小而显著蓝移。按照这一原理，可以通过控制晶粒尺寸来获得不同能隙的硫化镉，这将大大丰富材料的研究内容和可望获得新的用途。我们知道物质的种类是有限的，微米和纳米的硫化镉都是由硫和镉元素组成的，但通过控制制备条件，可以获得带隙和发光性质不同的材料。也就是说，通过纳米技术获得了全新的材料。纳米颗粒往往具有很大的比表面积，每克这种固体的比表面积能达到几百甚至上千㎡，这使得它们可作为高活性的吸附剂和催化剂，在氢气贮存、有机合成和环境保护等领域有着重要的应用前景。对纳米体材料，我们可以用“更轻、更高、更强”这六个字来概括。“更轻”是指借助于纳米材料和技术，我们可以制备体积更小性能不变甚至更好的器件，减小器件的体
积，使其更轻盈。如现在小型化了的计算机。“更高”是指纳米材料可望有着更高的光、电、磁、热性能。“更强”是指纳米材料有着更强的力学性能(如强度和韧性等)，对纳米陶瓷来说，纳米化可望解决陶瓷的脆性问题，并可能表现出与金属等材料类似的塑性。 二、纳米材料的相关应用 1、纳米磁性材料 在实际中应用的纳米材料大多数都是人工制造的。纳米磁性材料具有十分特别的磁学性质，纳米粒子尺寸小，具有单磁畴结构和矫顽力很高的特性，用它制成的磁记录材料不仅音质、图像和信噪比好，而且记录密度比γ-Fe2O3高几十倍。超顺磁的强磁性纳米颗粒还可制成磁性液体，用于电声器件、阻尼器件、旋转密封及润滑和选矿等领域。 2、纳米陶瓷材料 传统的陶瓷材料中晶粒不易滑动，材料质脆，烧结温度高。纳米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上运动，因此，纳米陶瓷材料具有极高的强度和高韧性以及良好的延展性，这些特性使纳米陶瓷材料可在常温或次高温下进行冷加工。如果在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成形，然后做表面退火处理，就可以使
超细微粒、超细粉末，这些其实都是纳米材料的别称。它具有自己的一些性能特点，同时应用范围较广，例如生物医药、能源环保、化工等等行业。本文就给大家详细介绍一下。 一、应用 由于纳米颗粒粉体具有电、磁、热、光、敏感特性和表面稳定性等性能，显著不同于通常颗粒，故其具有广泛的应用前景。经过多年探索研究，已经在物理、化学、材料、生物、医学、环境、塑料、造纸、建材、纺织等许多领域获得广泛应用。下面为大家例举几个纳米材料的应用实例。 （1）纳米材料的用途十分的广泛，比如目前在许多医药领域使用了纳米技术，这样能使药品生产非常的精细，它直接利用原子或者分子的排布制造一些有特殊功能的药品。由于纳米材料所使用的颗粒比较小，所以这种药品在人体内的传输是相当方便的，有些药品会采用多层纳米粒子包裹，这种智能药物到人体后可直接并攻击癌细胞或者对有损伤的组织进行修复。纳米技术也可以用来监测诊少量血液，通过对人体中的蛋白质的分析诊断出许多种疾病。 （2）在家电方面，选用那么材料制成的产品有许多的特性，如具有抗菌性、防腐抗紫外线防老化等的作用。在电子工业方面应用那么材料技术可以从扩大其
产品的存储容量，目前是普通材料上千倍级的储器芯片已经投入生产并广泛应用。在计算机方面的应用是可以把电脑缩小成为“掌上电脑”，使电脑使用起来更为方便。在环境保护领域未来将出现多功能纳米膜。这种纳米膜能够对化学或生物制剂造成的污染进行过滤，从而改善环境污染。在纺织工业方面通过在原始材料中添加纳米ZnO等复配粉体材料，再通过经抽丝、织布，然后能够制成除臭或抗紫外线辐射等特殊功能的服装，这些产品可以满足国防工业要求。 （3）纳米材料技术现在已广泛应用于遗传育种中，该技术能够结合转基因技术并且已经在培育新品种方面取得了很大的进展。这种技术是通过纳米手段将染色体分解为单个的基因，然后对它们进行组装，这种技术整合成的基因产品的成功率几乎可以达到100%。经过实践证明，科研人员能够让单个的基因分子链展现精细的结构，并可以通过具体的操纵其实现分子结构改变其性能，从而形成纳米图形，这样就能使人们可以在更小的世界范围内、更加深的一种层次上进行探索生命的秘密。 （4）纳米材料技术在发动机尾气处理方面的应用，目前有一种新型的纳米级净水剂有非常强的吸附能力，它是一般净水剂的20倍左右。纳米材料的过滤装置，还能有效的去除水中的一些细菌，使矿物质以及一些微量元素有效的保留下来，经过处理后的污水可以直接饮用。纳米材料技术的为解决大气污染方面的问题提供了新的途径。这种技术对空气中的污染物的净化的能力是其它技术所不可替代的。 二、特点 当粒子的尺寸减小到纳米量级，将导致声、光、电、磁、热性能呈现新的特性。比方说：被广泛研究的II-VI族半导体硫化镉，其吸收带边界和发光光谱的
纳米知识介绍 1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。 纳米 纳米是一种长度单位，1纳米=1×10-9米，即1米的十亿分之一，单位符号为 nm。 纳米技术 纳米技术是在单个原子、分子层次上对物质的种类、数量和结构形态进行精确的观测、识别和控制的技术，是在纳米尺度范围内研究物质的特性和相互作用，并利用这些特性制造具有特定功能产品的多学科交叉的高新技术。其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出具有特定功能的产品。 纳米技术的发展大致可以划分为3个阶段： 第一阶段(1990年即在召开“Nano 1”以前)主要是在实验室探索各种纳米粉体的制备手段，合成纳米块体(包括薄膜)，研究评估表征的方法，探索纳米材料的特殊性能。研究对象一般局限于纳米晶或纳米相材料。 第二阶段 (1990年～1994年)人们关注的热点是设计纳米复合材料： ?纳米微粒与纳米微粒复合(0-0复合)， ?纳米微粒与常规块体复合(0-3复合)， ?纳米复合薄膜(0-2复合)。 第三阶段(从1994年至今)纳米组装体系研究。它的基本内涵是以纳米颗粒以及纳米丝、管等为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系的研究。 纳米材料 材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米或者由他们形成的材料就称为纳米材料。纳米材料和宏观材料迥然不同，它具有奇特的光学、电学、磁学、热学和力学等方面的性质。 图1 纳米颗粒材料SEM图 一、纳米材料的基本特性
由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题，可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。 1、力学性质 高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。 使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下使用。 2、热学性质 纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，从而有效地将太阳光能转换为热能。 3、电学性质 由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研制出由碳纳米管组成的逻辑电路。 4、磁学性质 当代计算机硬盘系统的磁记录密度超过1.55Gb/cm2，在这情况下，感应法读出磁头和普通坡莫合金磁电阻磁头的磁致电阻效应为3%，已不能满足需要，而纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%，可以用于信息存储的磁电阻读出磁头，具有相当高的灵敏度和低噪音。目前巨磁电阻效应的读出磁头可将磁盘的记录密度提高到1.71Gb/cm2。同时纳米巨磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似线性的关系，所以也可以用作新型的磁传感材料。高分子复合纳米材料对可见光具有良好的透射率，对可见光的吸收系数比传统粗晶材料低得多，而且对红外波段的吸收系数至少比传统粗晶材料低3个数量级，磁性比FeBO3和FeF3透明体至少高1个数量级，从而在光磁系统、光磁材料中有着广泛的应用。
纳米技术的应用与前景 纳米技术作为一种高新科技，我认为其本质不亚于当年的电子与半导体科技，有着我们未所发掘到潜能与实用价值，在这个世代，各种技术的发展迅速，随着纳米技术的进一步发展，可以作为一种催化剂，促使各行各业的迅猛发展。 纳米技术是近年来出现的一门高新技术。“纳米”主要是指在纳米（一种长度计量单位，等于1/1000,000,000米）尺度附近的物质，其表现出来的特殊性能用于不同领域而称之为“纳米技术”，其具体定义见词条“纳米科技”。 纳米技术目前已成功用于许多领域，包括医学、药学、化学及生物检测、制造业、光学以及国防等等。本词条为纳米技术应用的总纲，包括如下领域： 1、纳米技术在新材料中的应用 2、纳米技术在微电子、电力等领域中的应用 3、纳米技术在制造业中的应用 4、纳米技术在生物、医药学中的应用 5、纳米技术在化学、环境监测中的应用 6、纳米技术在能源、交通等领域的应用 尽管从理论到实践是一个相当困难的过程，但纳米技术已经证明，可以利用扫描隧道电子显微镜等工具移动原子个体，使它们形成在自然界中永远不可能存在的排列方式，如IBM 公司的标志图案、比例为百亿分之一的世界地图、或一把琴弦只有50纳米粗的亚显微吉他。纳米材料的应用有着诱人的技术潜力，它的应用范围包括从制造工业、航天工业到医学领域等。美国全国科学基金会曾发表声明说：“当我们进入21世纪时，纳米技术将对世界人民的健康、财富和安全产生重大的影响，至少如同20世纪的抗生素、集成电路和人造聚合物那样。”科学家们预计，纳米技术在新世纪中的应用前景广阔，已经涵盖了材料、测量、机械、电子、光学、化学、生物等众多领域，信息技术与纳米技术的关系已密不可分。 从纳米科技发展的历史来看，人们早在1861年建立所谓肢体化学时即开始了对纳米肢体的研究。但真正对纳米进行独立的研究，则是1959年，这一年，著名美国物理学家、诺贝尔奖金获得者德·费曼在美国物理学年会上作了一次报告。他在报告中认为，能够用宏观的机器来制造比其体积小的机器，而这较小的机器又可制作更小的机器，这样一步步达到分子程度。费曼还幻想在原子和分子水平上操纵和控制物质。 在70年代末，美国MIT（麻省理工大学）的W.R.Cannon等人发明了激光气相法合成数十纳米尺寸的硅基陶瓷粉末。80年代初，德国物理学家H.Gleiter等人用气体冷凝发制备了具有清洁表面的纳米颗粒，并在超真空条件下原位压制了多晶纳米固体。现在看来，这些研究都属于纳米材料的初步探索。 科学家预言，尺寸为分子般大小、厚度只有一根头发丝的几百万分之一的纳米机械装置将在今后数年内投入使用。学术实验室和工业实验室的研究人员在开发分子马达、自组装材料等纳米机械部件方面取得了飞速进展。纳米机器具有可以操纵分子的微型“手指”和指挥这些手指如何工作、如何寻找所需原材料的微型电脑。这种手指完全可以由碳纳米管制成，碳纳米管是1991年发现的一种类似头发的碳分子，其强度是钢的100倍，直径只有头发的五万分之一。美国康奈尔大学的研究人员利用有机物和无机物组件开发出一个分子大小的马达，一些人称之为纳米技术领域的“T型发动机”。 纳米科技中具有主导或牵头作用的是纳米电子学，因为它是微电子学发展的下一代。纳米电子学是来自电子工业，是纳米技术发展的一个主要动力。纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的理念来构造电子系统，并开发物质潜在的储存和处理
《纳米材料导论》作业 1、什么是纳米材料？怎样对纳米材料进行分类？ 答：任何至少有一个维度的尺寸小于100nm或由小于100nm的基本单元组成的材料称作纳米材料。它包括体积分数近似相等的两部分：一是直径为几或几十纳米的粒子，二是粒子间的界面。纳米材料通常按照维度进行分类。原子团簇、纳米微粒等为0维纳米材料。纳米线为1维纳米材料，纳米薄膜为2维纳米材料，纳米块体为3维纳米材料，及由他们组成的纳米复合材料。 按照形态还可以分为粉体材料、晶体材料、薄膜材料。 2、纳米材料有哪些基本的效应？试举例说明。 答：纳米材料的基本效应有：一、尺寸效应，纳米微粒的尺寸相当或小于光波波长、传导电子的德布罗意波长、超导态的相干长度或投射深度等特征尺寸时，周期性的边界条件将被破坏，声、光、电、磁、热力学等特征性即呈现新的小尺寸效应。出现光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移； 磁有序态转为无序态；超导相转变为正常相；声子谱发生改变等。例如，纳米微粒的熔点远低于块状金属；纳米强磁性颗粒尺寸为单畴临界尺寸时，具有很高的矫顽力；库仑阻塞效应等。二、量子效应，当能级间距δ大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，必须考虑量子效应，随着金属微粒尺寸的减小，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据分子轨道，能隙变宽的现象均称为量子效应。例如，颗粒的磁化率、比热容和所含电子的奇、偶有关，相应会产生光谱线的频移，介电常数变化等。 三、界面效应，纳米材料由于表面原子数增多，晶界上的原子占有相当高的 比例，而表面原子配位数不足和高的表面自由能，使这些原子易和其它原子相结合而稳定下来，从而具有很高的化学活性。引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化；纳米微粒表面原子运输和构型的变化。四、体积效应，由于纳米粒子体积很小，包含原子数很少，许多现象不能用有无限个原子的块状物质的性质加以说明，即称体积效应。久保理论对此做了些解释。 3、纳米材料的晶界有哪些不同于粗晶晶界的特点？ 答：纳米晶的晶界具有以下不同于粗晶晶界结构的特点：1）晶界具有大量未被原子占据的空间或过剩体积，2）低的配位数和密度，3）大的原子均方间距，4）存在三叉晶界。此外，纳米晶材料晶间原子的热振动要大于粗晶的晶间原子的热振动，晶界还存在有空位团、微孔等缺陷，它们和旋错、晶粒内的位错、孪晶、层错以及晶面等共同形成纳米材料的缺陷。 4、纳米材料有哪些缺陷？总结纳米材料中位错的特点。 答：纳米材料的缺陷有：一、点缺陷，如空位，溶质原子和杂质原子等，这是一种零维缺陷。二、线缺陷，如位错，一种一维缺陷，位错的线长度及位错运动的平均自由程均小于晶粒的尺寸。三、面缺陷，如孪晶、层错等，这是一种二维缺陷。纳米晶粒内的位错具有尺寸效应，当晶粒小于某一临界尺寸时，位错不稳定，趋向于离开晶粒，而当粒径大于该临界尺寸时，位错便稳定地存在于晶粒 T 内。位错和晶粒大小之间的关系为：1）当晶粒尺寸在50～100nm之间，温度<0.5 m
纳米材料应用的新进展 来源：全球电源网 世界上已经研制成功四种贮氢合金材料：即稀土镧镍系、铁一钛系、镁系以及钒、铌、锆等多元素系合金材料。但它们全都是非纳米材料。最近几年世界各国在大力开发纳米贮氢电极材料，一系列纳米贮氢材料不断问世。它们的进展为更好利用氢能带来了福音。目前开发的主要材料系列有镁镍合金、碳纳米管和纳米铁钛合金。三种纳米材料的开发已经形成热潮。美洲和欧洲国家开发工作最集中的是镍金属氢化物电池用的镁镍合金和碳纳米管，其次是燃料电池用的铁钛合金及碳纳米管。包括中国在内的亚洲国家开发纳米镁镍合金主要是针对镍金属氢化物电池的应用，开发纳米铁钛合金及碳纳米管主要是针对燃料电池的应用。在开发金属氢化物储氢方面，过去的主要问题是贮氢量低，成本高及释氢温度高。现在在开发纳米储氢材料过程中这些问题仍是值得注意的问题。本文介绍目前科研人员针对上述问题开发纳米储氢材料方面的进展。1 镁镍合金开发继续升温镁系贮氢合金是最具开发前途的贮氢材料之一，所以目前开发最热的是镁镍合金。镁镍合金成本低，其贮氢质量高，若以CD ( H )代表合金贮氢的质量分数， 理论上纯镁的质量分数为7.6% ，而稀土LaNi5 的只有1.4% ，钛系TiFe 只为1.9%。这就是形成镁系合金开发热潮的原因。以前主要使用熔铸法和快速凝固法生产镁合金。能够体现出高技术的发展水平是现在的机械研磨技术。也就是先在600 C以上使镁与镍形成合金，经过检测确定是Mg2Ni合金以后，然后进行机械研磨。目前普遍用机械研磨法生产多元纳米贮氢合金、纳米复合贮氢合金。新型纳米镁镍合金同稀土系、钛系和锆系贮氢材料相比具有许多优点。镁系合金中最典型的是Mg2Ni 合金。其氢化物Mg2NiH4 合金贮氢量为3.6%。1.1 代换镁的金属呈增加趋势国内外制备传统镁系合金采取的措施是添加铝、铁、钴、铬、钒、锰、铜、钛及镧等元素来替换镁，使其形成多元镁镍合金。第二种是将 纯镁粉与低稳定性的贮氢合金复合。第三种是把镁系合金与别的合金混合制成复 合贮氢材料。最后就是将负极浸入铜、镍-硼或镍-磷等镀液里，使镀上一层金属膜，镀
磁性纳米材料的应用 磁性纳米颗粒是一类智能型的纳米材料，既具有纳米材料所特有的性质如表面效应、小尺寸效应、量子效应、宏观量子隧道效应、偶连容量高，又具有良好的磁导向性、超顺磁性类酶催化特性和生物相容性等特殊性质，可以在恒定磁场下聚集和定位、在交变磁场下吸收电磁波产热。基于这些特性，磁性纳米颗粒广泛应用于分离和检测等方面。 （一）生物分离 生物分离是指利用功能化磁性纳米颗粒的表面配体与受体之间的特异性相互作用（如抗原-抗体和亲和素 -生物素等）来实现对靶向性生物目标的快速分离。 传统的分离技术主要包括沉淀、离心等过程，这些纯化方法的步骤繁杂、费时长、收率低，接触有毒试剂，很难实现自动化操作。磁分离技术基于磁性纳米材料的超顺磁性，在外加磁场下纳米颗粒被磁化，一旦去掉磁场，它们将立即重新分散于溶液中。因此，可以通过外界磁场来控制磁性纳米材料的磁性能，从而达到分离的目的，如细胞分离、蛋白质分离、核酸分离、酶分离等，具有快速、简便的特点，能够高效、可靠地捕获特定的蛋白质或其它生物大分子。此外，由于磁性纳米材料兼有纳米、磁学和类酶催化活性等特性，不仅能实现被检测物的分离与富集，而且能够使检测信号放大，具有重要的应用前景。 通常磁分离技术主要包括以下两个步骤：（ 1）将要研究的生物实体标记于磁性颗粒上；（2）利用磁性液体分离设备将被标记的生物实体分离出来。 ①细胞分离：细胞分离技术的目的是快速获得所需的目标细胞。传统的细胞分离技术主要是根据细胞的大小、形态以及密度差异进行分离，如采用微滤、超滤和超滤离心等方法。这些方法虽然操作简单，但是特异性差，而且纯度不高，制备量偏小，影响细胞活性。但是利用磁性纳米材料可以避免一定的局限性，如在磁性纳米材料表面接上具有生物活性的吸附剂或配体（如抗体、荧光物质和外源凝结素等），利用它们与目标细胞特异性结合，在外加磁场的作用下将细胞分离、分类以及对数量和种类的研究。 磁性纳米材料作为不溶性载体，在其表面上接有生物活性的吸附剂或其它配体等活性物，利用它们与目标细胞的特性结合，在外加磁场作用下将细胞分离。 温惠云等的地衣芽孢杆菌实验结果表明，磁性材料 Fe3O4 的引入对地衣芽孢杆菌的生长没有影响；Kuhara等制备了人单克隆抗体anti-hPCLP1,利用 anti-hPCLP1 修饰的磁纳米颗粒从人脐带血中成功分离了成血管细胞，PCLP1 阳性细胞分离纯度达到了 95%。 ②蛋白质分离：利用传统的生物学技术（如溶剂萃取技术）来分离蛋白质程序非常复杂，而磁分离技术是分离蛋白分子便捷而快速的方法。 基于在磁性粒子表面上修饰离子交换基团或亲和配基等可与目标蛋白质产生特异性吸附作用的功能基团 , 使经过表面修饰的磁性粒子在外加磁场的作用下从生物样品中快速选择性地分离目标蛋白质。 王军等采用络合剂乙二胺四乙酸二钠和硅烷偶联剂KH-550寸磁性Fe3O4粒 子进行表面修饰改性 , 并用其对天然胶乳中的蛋白质进行吸附分离。结果表明 , 乙二胺四乙酸通过化学键合牢固地结合在磁性粒子表面 , 并通过羰基与蛋白质反应, 达到降低胶乳氮含量的目的。 ③核酸分离 经典的DNA/RN分离方法有柱分离法和一些包括沉积、离心步骤的方法，这些方法的缺点是耗时多，难以自动化，不能用于分析小体积样品，分离不完全。
纳米材料及其应用前景 摘要:21世纪，纳米技术、纳米材料在科技领域将扮演重要角色。纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术之一。本文简要地概述了纳米材料的基本特性以及其在力学、磁学、电学、热学等方面的主要应用，并简单展望了纳米材料的应用前景。 关键词：纳米材料；功能；应用； 一、纳米材料的基本特性 所谓纳米材料是指材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米或者由他们形成的材料。由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题，可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。 1、力学性质 高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增 殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和 增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50 多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直 难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、 强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。 使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油 钻探等恶劣环境下使用。 2、热学性质 纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用 变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面 有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作 用，从而有效地将太阳光能转换为热能。 3、电学性质 由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的 隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体 器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管 放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室 温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研 制出由碳纳米管组成的逻辑电路。
纳米材料的制备技术及其特点 一纳米材料的性能 广义地说,纳米材料是指其中任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料。当小粒子尺寸加入纳米量级时,其本身具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。从而使其具有奇异的力学、电学、光学、热学、化学活性、催化和超导特性,使纳米材料在各种领域具有重要的应用价值。通常材料的性能与其颗粒尺寸的关系极为密切。当晶粒尺寸减小时, 晶界相的相对体积将增加,其占整个晶体的体积比例增大,这时,晶界相对晶体整体性能的影响作用就非常显著。此外,由于界面原子排列的无序状态,界面原子键合的不饱和性能都将引起材料物理性能上的变化。研究证实,当材料晶粒尺寸小到纳米级时,表现出许多与一般材料截然不同的性能,如高硬度、高强度和陶瓷超塑性以及特殊的比热、扩散、光学、电学、磁学、力学、烧结等性能。而这些特性主要是由其表面效应、体积效应、久保效应等引起的。由于纳米粒子有极高的表面能和扩散率,粒子间能充分接近,从而范德华力得以充分发挥,使得纳米粒子之间、纳米粒子与其他粒子之间的相互作用异常激烈,这种作用提供了一系列特殊的吸附、催化、螯合、烧结等性能。 二纳米材料的制备方法
纳米材料从制备手段来分,一般可归纳为物理方法和化学方法。 1 物理制备方法 物理制备纳米材料的方法有: 粉碎法、高能球磨法[4]、惰性气体蒸发法、溅射法、等离子体法等。 粉碎法是通过机械粉碎或电火花爆炸而得到纳米级颗粒。 高能球磨法是利用球磨机的转动或振动,使硬球对原料进行强烈的撞击,研磨和搅拌,将金属或合金粉碎为纳米级颗粒。高能球磨法可以将相图上几乎不互溶的几种元素制成纳米固溶体,为发展新材料开辟了新途径。 惰性气体凝聚- 蒸发法是在一充满惰性气体的超高真空室中,将蒸发源加热蒸发,产生原子雾,原子雾再与惰性气体原子碰撞失去能量,骤冷后形成纳米颗粒。由于颗粒的形成是在很高的温度下完成的,因此可以得到的颗粒很细(可以小于10nm) ,而且颗粒的团、凝聚等形态特征可以得到良好的控制。 溅射技术是采用高能粒子撞击靶材料表面的原子或分子交换能量或动量,使得靶材表面的原子或分子从靶材表面飞出后沉积到基片上形成纳米材料。常用的有阴极溅射、直流磁控溅射、射频磁控溅射、离子束溅射以及电子回旋共振辅助反应磁控溅射等技术。 等离子体法的基本原理是利用在惰性气氛或反应性气氛中
阳离子染料染色特性 主要包括配伍性、染色饱和浓度、饱和系数以及染料的移染性 1. 配伍性 由于腈纶上吸附上染的的染座（酸性基团）有限，染料拼色和单色染色时性能差异较大。 不同结构的染料对纤维的亲和力不同，同时扩散性能也不一样 亲和力高的，在染色初始阶段在纤维表面吸附速率快，但在纤维内扩散速率慢，同时容易取代已上染的亲和力低的染料，产生“竞染”现象。 “竞染”导致产品色泽不一，难以达到理想拼色效果 阳离子染料的配伍性通常用配伍指数或配伍值表示 配伍指数是反映染料亲和力和扩散速率高低的综合指标，是拼色时选择染料的依据 配伍指数确定： （1）选择上染性能不同而具代表性的染料作为参比标准，通常采用黄、蓝两色标准染料各一套，每套由5只染料组成，每只标准染料都有相应的配伍指数（K），上染最快的为1，最慢的设为5 （2）测试时选择色泽差异大的一套标准色染料与其进行拼色，从拼色结果来判定其配伍性 （3）若试验染料与其只参比染料配伍性一致或相近，则参比的标准染料的配伍指数就为试验染料的配伍指数 配伍指数越趋近于1，染料对纤维的亲和力就越高，上染速率越快； 配伍指数越趋近于5，染料对纤维的亲和力就越低，上染速率越慢； 配伍指数不仅可作为拼色时选择染料的依据，同时根据K值大小，可用于指导和控制工艺条件，调节染色速率的快慢，有助于提高产品的匀染性 传统型的配伍指数通常划分为5类 配伍指数相近的染料，在上染过程中，染料色泽始终保持一致；差异大的，难以保证前后色泽一致 配伍指数较小的染料，对纤维亲和力高，不易匀染，但竭染率高，适合染深浓色 配伍指数较大的染料，匀染性好，竭染率相对较低，适合染浅淡色 一般配伍指数在3左右的阳离子染料适应性较广 对移染性好的第三代迁移型染料一般不再进行配伍性分类 2.染色饱和浓度及饱和系数 上染发生在纤维上有限的酸性基染座上，因而要使染浴中拼混的获得预期的色光和染色浓度，就需要知道所用染料对该种纤维的染色饱和浓度 借助于染料的染色饱和浓度，有助于正确控制染浴中各染料使用的最高量，以节约染化料，提高产品质量 染料饱和系数表征该染料在对纤维染色时的饱和特性 3.移染性 带正电荷的阳离子染料一旦与纤维上的酸性基团结合后，移染性较差，尤其是分子结构复杂、阳离子性和疏水性强的国产普通型阳离子染料 很难通过延长保温时间来达到匀染效果，需严格控制染色温度、pH值、助剂、染料浓度，实际生产往往使用缓染剂达到匀染新型染料对纤维亲和力降低或自身具有缓染性，匀染性优良 配伍指数越大，亲和力越低，移染性好
纳米材料的热学特性 【摘要】：纳米材料的应用及其广泛，涉及到各个领域。本文将从纳米材料的热容，晶格参数，结合能，内聚能，熔点，溶解焓，溶解熵及纳米材料参与反应时反应体系的化学平衡等方面对纳米材料的热学性质的研究进行阐述，并对纳米材料热学的研究和应用前景进行了展望。 【关键词】：纳米材料热学特性发展前景 【正文】： （一）纳米材料 纳米材料是一种既不同于晶态，又不同于非晶态的第三类固体材料，通常指三维空间尺寸至少有一维处于纳米量级( 1 n m～1 0 0 n m)的固体材料。由于纳米材料粒径小，比表面积大，处于粒子表面无序排列的原子百分比高达l 5 ～5 0 ％。纳米粒子的这种特殊结构导致其具有不同于传统材料的物理化学特性。 纳米材料的高浓度界面及原子能级的特殊结构使其具有不同于常规块体材料和单个分子的性质，纳米材料具有表面效应，体积效应，量子尺寸效应宏观量子隧道效应等，从而使得纳米材料热力学性质具有特殊性，纳米材料的各种热力学性质如晶格参数，结合能，熔点，熔解焓，熔解熵，热容等均显示出尺寸效应和形状效应。可见，纳米材料热力学性质在各方面均显现出与块体材料的差异性，研究纳米材料的热力学性质具有极其重要的科学意义和应用价值。 （二）热学特性 一热容 1996年，在低温下测定了纳米铁随粒度变化的比热，发现与正常的多晶铁相比，纳米铁出现了反常的比热行为，低温下的电子比热系数减50 %。1998年，通过研究了粒度和温度对纳米粒子热容的影响，建立了一个预测热容的理论模型，结果表明:过剩的热容并不正比于纳米粒子的比表面，当比表面远小于其物质的特征表面积时，过剩的热容可以认为与粒度无关。2002年，又把多相纳米体系的热容定义为体相和表面相的热容之和，因为表面热容为负值，所以随着粒径的减小和界面面积的扩大，将导致多相纳米体系总的热容的减小，二.晶格参数，结合能，内聚能 纳米微粒的晶格畸变具有尺寸效应，利用惰性气体蒸发的方法在高分子基体上制备了1. 45nm 的pd纳米微粒，通过电子微衍射方法测试了其晶格参数，发现Pd 纳米微粒的晶格参数随着微粒尺寸的减小而降低。结合能的确比相应块体材料的结合能要低。通过分子动力学方法，模拟Pd 纳米微粒在热力学平衡时的稳定结构，并计算微粒尺寸和形状对 晶格参数和结合能的影响，定量给出形状对晶格参数和结合能变化量的贡献研究表明:在一定的形状下，纳米微粒的晶格参数和结合能随着微粒尺寸的减小而降低，在一定尺寸时，球形纳米微粒的晶格参数和结合能要高于立方体形纳米微粒的相应量。 三纳米粒子的熔解热力学 熔解温度是材料最基本的性能，几乎所有材料的性能如力学性能，物理性能以及化学性能都是工作温度比熔解温度( T /Tm )的函数，除了熔解温度外，熔解焓和熔解熵也是描述材料熔解热力学的重要参量；熔解焓表示体系在熔解的过程中，吸收热量的多少，而熔解熵则是体系熔解过程中熵值的变化。几乎整个熔解热力学理论就是围绕着熔解温度，熔解熵和
纳米材料的特性和应用 摘要本文简要介绍了纳米材料的分类及特性，并对纳米材料在化工、生物医学、环境、食品等领域的应用进行了综述，最后对纳米材料的发展趋势进行了展望。关键词纳米材料；分类；特性；应用；发展 1 引言 有科学家预言, 在21 世纪纳米材料将是“最有前途的材料”, 纳米技术甚至会超过计算机和基因学, 成为“决定性技术”。国际纳米结构材料会议于1992 年开始召开(两年一届) , 并且目前已有数种与纳米材料密切相关的国际期刊。德国科学技术部预测到2010 年纳米技术市场为14 400 亿美元, 美国政府自2000 年 克林顿总统启动国家纳米计划以来, 已经为纳米技术投资了大约20 亿美元。同时, 欧盟在2002～2006 年期间将向纳米技术投资10 多亿美元。日本2002 年的纳米技术开支已经从1997 年的1. 20 亿美元提高到7. 50 亿美元。 2 纳米材料及其分类 纳米材料（nano- material）又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。粒子尺寸范围在1-100 nm 之间，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。根据三维空间中未被纳米尺度约束的自由度计，将纳米材料大致可分成四种类型，即零维的纳米粉末（颗粒和原子团簇）、一维的纳米纤维（管）、二维的纳米膜、三维的纳米块体。 3 纳米材料的特性1 3.1 小尺寸效应 当纳米晶粒的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时, 周期性的边界条件将被破坏, 使其磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等与普通粒子相比都有很大变化。如银的熔点约为900℃, 而纳米银粉熔点仅为100℃, 一般纳米材料的熔点为其原来块体材料的30%～50%。 3.2 表面效应 纳米晶粒表面原子数和总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质变化。纳米晶粒的减小, 导致其表面热、表面能及表面结合能都迅速增大, 致使它表现出很高的活性,如日本帝国化工公司生产的T iO2平均粒径为15 nm , 比
离子交换树脂对染料的吸附 学学校校：：安安徽徽工工程程大大学学 学学院院：：生生物物与与化化学学工工程程学学院院 班班级级：：化化学学工工程程与与工工艺艺110011 参参赛赛人人员员：：孙孙书书政政、、刘刘仪仪 林林鹏鹏雄雄、、胡胡伟伟、、沈沈杜杜君君
一、前言------------------------------------------------3 二、团队简介------------------------------------------4-5 三、拟采取的研究方法和进度安排-------------------------6 四、基础阶段 1、离子交换树脂的结构及基本交换原理--------------7-13 2、染料的基本知识-------------------------------14-19 五、试验阶段----------------------------------------20-26 1、仪器与试剂 2、树脂合成 3、静态吸附实验 4、树脂对阳离子艳红的吸附动力学性能 5、染料含量的测定 6、染料浓度对树脂吸附量的影响 7、温度对树脂吸附效果的影响 8、酸度对树脂吸附效果的影响 9、原始浓度对树脂吸附效果的影响 六、结论---------------------------------------------27 七、总结------------------------------------------28-29
本次试验的研究主要目的就是关于染料吸附，由于染料废水具有成分复杂"毒性强"色度深"有机物和无机盐的浓度高" 难以生化降解等特点!一直是废水处理的难点!所以染料废水的治理是化工环保行业关注的焦点。目前比较成熟的处理方法中以生化法最为常见! 也有一些方法采取物化处理"化学处理或多种处理方法的组合工艺，这里就不多做介绍了。我们这次主要研究的就是吸附法，吸附法以其能够选择性地富集某些化合物的特性在废水处理领域有着特殊的地位，我们常用的吸附剂有活性炭、树脂和其他一些吸附材料。其实这次科研的课题是“离子交换树脂对染料的吸附”，这个课题是老师当时想出来给我们的，他对我们说树脂对染料的吸附这个课题不知道有没有人做，就算有人做也只有少数人做。其实他的原理还是比较简单的，这里做个简单的介绍，木质素磺酸盐主要源于亚硫酸盐制浆的蒸煮废液, 部分保留原本木质素的大分子骨架和基本的功能基团。结构中的磺酸基具有很强的离子交换能力, 酚羟基、醇羟基、羧基、磺酸基等则为弱酸性离子交换基团, 羰基等均有一定的螯合能力, 因而木质素磺酸盐具有一定的离子交换与吸附能力,通过交联反应可得到既有高分子结构, 又有可电离的磺酸基、羟基和羧基等多种交换基团的离子交换树脂。而且该树脂合成工艺简单, 成本较低, 对阳离子染料的吸附性能优良, 因而具有很好的应用前景。我们团队在老师的指导开始我们课题的专项研究，希望能对大家带来影响。
纳米材料综述 一、基本定义 1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着 纳米科学技术的正式诞生。 1、纳米 纳米是一种长度单位，1纳米=1×10-9米，即1米的十亿分之一，单位符 号为 nm。 2、纳米技术 纳米技术是在单个原子、分子层次上对物质的种类、数量和结构形态进行 精确的观测、识别和控制的技术，是在纳米尺度范围内研究物质的特性和 相互作用，并利用这些特性制造具有特定功能产品的多学科交叉的高新技 术。其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出 具有特定功能的产品。 纳米技术的发展大致可以划分为3个阶段： 第一阶段(1990年即在召开“Nano 1”以前主要是在实验室探索各种纳米粉体的制备手段，合成纳米块体(包括薄膜，研究评估表征的方法，探索纳米材料的特殊性能。研究对象一般局限于纳米晶或纳米相材料。 第二阶段 (1990年～1994年人们关注的热点是设计纳米复合材料： ?纳米微粒与纳米微粒复合(0-0复合， ?纳米微粒与常规块体复合(0-3复合， ?纳米复合薄膜(0-2复合。 第三阶段(从1994年至今纳米组装体系研究。它的基本内涵是以纳米颗粒 以及纳米丝、管等为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系的研究。 3、纳米材料 材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米或者由他们形成的材料就称为纳米 材料。纳米材料和宏观材料迥然不同，它具有奇特的光学、电学、磁学、热学和力学等方面的性质。
图1 纳米颗粒材料SEM图 二、纳米材料的基本性质 由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题，可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。 1、力学性质 高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下使用。 2、热学性质 纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，从而有效地将太阳光能转换为热能。 3、电学性质 由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成
纳米材料的应用及发展前景 摘要 纳米技术的诞生将对人类社会产生深远的影响，可能许多问题的发展都与纳米材料的发展息息相关。本文概要的论述了纳米材料的发现发展过程，并简述了纳米材料在各方面的应用及其在涂料和力学性能材料方面的发展前景。 关键词：纳米材料、纳米技术、应用、发展前景 一、前言 从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在0.1微米以下（注1米=100厘米，1厘米=10000微米，1微米=1000纳米，1纳米=10埃），即100纳米以下。因此，颗粒尺寸在1～100纳米的微粒称为超微粒材料，也是一种纳米材料。纳米金属材料是20世纪80年代中期研制成功的，后来相继问世的有纳米半导体薄膜、纳米陶瓷、纳米瓷性材料和纳米生物医学材料等。 纳米级结构材料简称为纳米材料(nanometer material)，是指其结构单元的尺寸介于1 纳米～100纳米范围之间。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。 纳米技术的广义范围可包括纳米材料技术及纳米加工技术、纳米测量技术、纳米应用技术等方面。其中纳米材料技术着重于纳米功能性材料的生产（超微粉、镀膜、纳米改性材料等），性能检测技术（化学组成、微结构、表面形态、物、化、电、磁、热及光学等性能）。纳米加工技术包含精密加工技术（能量束加工等）及扫描探针技术。 纳米粒子异于大块物质的理由是在其表面积相对增大，也就是超微粒子的表面布满了阶梯状结构，此结构代表具有高表能的不安定原子。这类原子极易与外来原子吸附键结，同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子。 纳米技术在世界各国尚处于萌芽阶段，美、日、德等少数国家，虽然已经初具基础，但是尚在研究之中，新理论和技术的出现仍然方兴未艾。我国已努力赶上先进国家水平，研究队伍也在日渐壮大。 二、纳米材料的发现和发展
纳米材料的特性与应用 摘要：纳米材料在结构、光电和化学性质等方面的诱人特征，引起物理学家、材料学家和化学家的浓厚爱好。80年代初期纳米材料这一概念形成以后，世界各国对这种材料给予极大关注。它所具有的独特的物理和化学特性，使人们意识到它的发展可能给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带来新的机遇。纳米材料的应用前景十分广阔。近年来，它在化工、催化、涂料等领域也得到了一定的应用，并显示出它的独特魅力。 关键词：纳米材料特性应用 1. 纳米发展简史 1959年，着名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德。费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后实现根据人类意愿逐个排列原子、制造产品，这是关于纳米科技最早的梦想。 1991年，美国科学家成功地合成了碳纳米管，并发现其质量仅为同体积钢的1/6，强度却是钢的10倍，因此称之为超级纤维.这一纳米材料的发现标志人类对材料性能的发掘达到了新的高度。1999年，纳米产品的年营业额达到500亿美元。 2．什么是纳米材料 纳米（nm）是长度单位，1纳米是10-9米（十亿分之一米），对宏观物质来说，纳米是一个很小的单位，不如，人的头发丝的直径一般为7000-8000nm，人体红细胞的直径一般为3000-5000nm，一般病毒的直径也在几十至几百纳米大小，金属的晶粒尺寸一般在微米量级；对于微观物质如原子、分子等以前用埃来表示，1埃相当于1个氢原子的直径，1纳米是10埃。 一般认为纳米材料应该包括两个基本条件：一是材料的特征尺寸在1-100nm之间，二是材料此时具有区别常规尺寸材料的一些特殊物理化学特性。 3. 纳米材料的特性 广义地说，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围（1-100nm）或由他们作为基本单元构成的材料。 3.1表面与界面效应 这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多。再例如，粒子直径为10纳米和5纳米时，比表面积分别为90米2/克和180米2/克。如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如金属纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸附气体等等。 3.2小尺寸效应