聚合物_无机纳米复合材料的研究进展

聚合物基复合材料的发展现状和最新进展聚合物基复合材料是由聚合物基质中加入颗粒、纤维或薄片状增强材料制成的材料。

它具有良好的力学性能、耐腐蚀性能和热稳定性能，被广泛应用于航空航天、汽车、建筑等领域。

下面将介绍聚合物基复合材料的发展现状和最新进展。

1.纳米材料的应用：近年来，纳米材料成为聚合物基复合材料的研究热点。

纳米粒子的添加能够提高复合材料的力学性能、导电性能和热稳定性能。

例如，纳米粒子的添加可以提高聚合物基复合材料的强度和硬度，使其具有更好的抗冲击性能和热阻性能。

2.高性能增强材料的研发：为了提高聚合物基复合材料的力学性能，研究人员不断提出新的增强材料。

例如，石墨烯是一种具有优异力学性能和导电性能的二维纳米材料，已被广泛应用于聚合物基复合材料中。

同时，碳纳米管、纳米纤维和陶瓷纤维等增强材料也在不断研发中，并取得了较好的效果。

3.新型复合材料的研制：除了传统的增强材料外，研究人员还在努力研制新型复合材料。

例如，聚合物基复合材料中加入具有形状记忆功能的材料，可以使复合材料具有形状可逆调变的功能。

此外，聚合物基复合材料中加入具有光敏性能的材料，可以使复合材料具有光刻功能，从而实现微纳米加工和器件制备。

1.可持续性发展：随着环境问题的日益突出，研究人员开始关注聚合物基复合材料的可持续性发展。

他们试图将可持续材料（如生物基材料）应用于聚合物基复合材料中，以减少对环境的影响。

同时，研究人员还探索了聚合物基复合材料的循环利用和回收利用技术，以实现资源的有效利用。

2.多功能复合材料的研究：为了满足不同领域的需求，研究人员开始研究多功能复合材料。

多功能复合材料可以同时具有力学性能、光学性能、导电性能、热学性能等多种功能。

例如，研究人员研制出了具有自修复功能的聚合物基复合材料，可以在受损后自动修复，延长使用寿命。

3.智能复合材料的研制：智能复合材料是指能够根据环境和外界刺激自主调整性能的复合材料。

例如，研究人员设计了具有温度响应性能的聚合物基复合材料，可以根据温度的变化改变其形状和力学性能，实现智能控制。

导电聚合物/无机纳米复合材料的研究进展李雪艳,王德松,安　静,罗青枝,殷　蓉,王彦红,王景慧(河北科技大学理学院,石家庄050018) 摘要 主要介绍了导电聚合物/无机纳米复合材料的制备方法,详细评述了各种制备方法的优缺点,总结了导电聚合物/无机纳米粒子复合材料性能的改善与应用领域,并展望了导电聚合物/无机纳米粒子复合材料的研究方向和应用前景。

关键词 导电聚合物　无机纳米粒子　纳米复合材料Development of Conducting Polymer/Inorganic N ano2compositesL I Xueyan,WAN G Desong,AN Jing,L UO Qingzhi,YIN G Rong,WAN G Yanhong,WAN G Jinghui (College of Sciences,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang050018)Abstract The preparation and characteristics of conducting polymer/inorganic nano2composites are intro2 duced.The virtue and shortcoming of every preparation method are reviewed.The improvement of properties and appli2cation field of conducting polymer/inorganic nano2composites are summarized.Future direction of research and applica2tion of nano2composites are discussed.K ey w ords conducting polymer,inorganic nano particle,nano2composites0　前言一直以来,有机聚合物被认为是绝缘体。

聚合物基纳米无机复合材料的应用与发展摘要：聚合物基纳米无机复合材料是一种性能优异的新型复合材料,已成为材料科学的新热点。

本文概述了聚合物基纳米无机复合材料的发展前景及发展过程中应注意的问题。

及相应的解决方法。

关键词：聚合物;纳米;无机物;复合材料1.纳米复合材料的概念、特性、背景1.1纳米复合材料的概念纳米复合材料是指一种或多种组分以纳米量级的微粒,即接近分子水平的微粒复合于基质中构成的一类新型复合材料。

因其分散相尺寸介于宏观与微观之间的过渡区域,从而给材料的物理和化学性质带来特殊的变化,纳米复合材料正日益受到关注,被誉为“21世纪最有前途的材料”,其研究的种类已涉及无机物、有机物及非晶态材料等。

聚合物基纳米无机复合材料因其综合了有机物和无机物的各自优点,且能在力学、热学、光学、电磁学与生物学等方面赋予材料许多优异的性能,正成为材料科学研究的热点之一[1]。

1.2纳米复合材料的特性当材料粒子尺寸进入纳米量级时,因其自身具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应,以及纳米固体粒子中大量缺陷的存在,使得聚合物基纳米无机复合材料具有与众不同的特点[2]。

纳米复合材料是继单组分材料、复合材料和梯度功能材料之后的第四代材料。

1.3纳米复合材料的背景纳米复合材料的出现先于概念的形成。

早在上世纪年代末, 实际上就已出现了聚合物心纳米复合材料, 只是人们还未认识到其特殊的性能与实际应用意义〕。

纳米复合材料是年代初〕提出的, 与单一相组成的纳米结晶材料和纳米相材料不同, 它是由两种或两种以上的吉布斯固相至少在一个方向以纳米级复合而成的复合材料, 这些固相可以是非晶质、半晶质、晶质或者兼而有之, 而且可以是无机、有机或二者都有。

纳米相与其它相间通过化学共价键、赘合键与物理氢键等作用在纳米水平上复合, 即相分离尺寸不得超过纳米数量级。

因而, 它与具有较大微相尺寸的传统的复合材料在结构和性能上有明显的区别, 近些年已成为聚合物化学和物理、物理化学和材料科学等多门学科交叉的前沿领域, 受到各国科学家和政府的重视。

文章编号!"##"$%&’%()##)*#)$##)&$#%无机纳米粒子+聚合物复合材料研究进展朱连超,彭红瑞,张志(青岛化工学院纳米材料研究所,山东青岛,)’’#%)*摘要!综述了无机纳米粒子+聚合物复合材料的制备方法,纳米粒子的表面改性处理-着重介绍了纳米粒子在改进聚合物力学.热学.电性能.光学性能等方面的应用/关键词!无机纳米粒子-复合材料-改性中图分类号!01232文献标识码!4567869::;<=<768><;?@><7A5>6B;?C9+57C D E96F7E G7:;B9H I JK L M N A O P M Q-R S T UI Q N V A W X L-H I Y T UH P L A Z X N([\]^_^‘^a b c d e\b]^f‘g^‘f a hie^a f_e j],k_\l h e b[\]^_^‘^a b c m n a o_g e j0a g n\b j b l p,q n e\h b\lk_\l h e b)’’#%)*r s:B6>?B!0n at f a t e f e^_b\t f b g a]]a]b c_\b f l e\_g\e\b u t e f^_g j a+t b j p o a f g b o t b]_^ae\h ^n a]‘f c e g a^f a e^o a\^o a^n b h]c b f\e\b u t e f^_g j a]v a f a w f_a c j p f a x_a v a h_\^n_]t e t a f y0n ae t t j_g e^_b\]b c\e\b u t e f^_g j a]c b f^n a o b h_c_g e^_b\b c t b j p o af t f b t a f^_a]v a f a_\^f b h‘g a h_\h a^e_j yz9D{76|:!_\b f l e\_g\e\b u t e f^_g j a-g b o t b]_^a-o b h_c_g e^_b\用填料对高分子材料进行改性已有很长的历史,从最初的增量.降低成本,发展到后来的增强.增韧基体树脂以替代某些工程塑料,从注重力学性能的提高进而开发功能性高分子材料,如生物医用高分子}"~.粘结性塑料磁体及压电体})~.填充型导电塑料}2~.压敏塑料}%~,!0m材料}"~.智能高分子材料}’~等/纳米材料是指由极细晶粒组成.特征维度尺寸在纳米数量级("#"##\o*的固体材料,与常规材料相比,纳米材料具有一些特有的效应,如量子尺寸效应.小尺寸效应.表面效应.宏观量子隧道效应等,从而纳米材料表现出与常规材料不同的性能,这些性能为其在催化.滤光.磁介质及新材料领域中的应用提供了广阔的天地/将纳米粒子填充聚合物的研究工作对聚合物的填充改性还是对新型.多功能复合材料的开发都有重要的实际意义/目前,聚合物+纳米复合材料已经成为材料学的一个研究热点/"纳米粒子改性高分子材料的理论基础纳米粒子改性高分子材料的理论体系至今尚未建立/认为不同物质的纳米粒子与不同的高分子之间作用机理不同-不同物质的纳米粒子与同一种高分子之间的作用机理也不相同/纳米粒子与高分子之间既有物理作用也有化学作用,物理作用是它们之间存在范德华力,即存在于高分子链之间的纳米粒子可以改变链间的作用力-化学作用是纳米粒子由于小尺寸使其表面活性点和大分子之间可以形成化学键的结合/改性后高分子材料的特殊性能是由纳米粒子的表面效应.体积效应.量子尺寸效应.宏观量子隧道效应等综合作用的结果/)复合材料的制备方法为进一步提高聚合物基复合材料的性能,增收稿日期!)##"$#&$#’作者简介!朱连超("$&’#*,男,硕士研究生-指导教师!彭红瑞("$’)#*,男,高级工程师强各组分间的相互作用!把其中的一个或多个组分以纳米尺寸或分子水平均匀地分散在聚合物基体中便得到聚合物基纳米复合材料"与微观相分离型高分子复合材料的分散相尺寸#$%&%’(相比!是非常微细的分散"聚合物基纳米复合材料制备方法主要有以下五种")$*共混法共混法是一种传统的方法!也是最常用+最简单的制备纳米复合材料的方法"它是指在机械力作用下将纳米粒子直接加入到聚合物基体中进行混合!具体可分为,普通机械共混!溶液共混!乳液共混!熔融共混等"共混法将纳米粒子与材料的合成分步进行!其优点在于合成过程中可以控制粒子的形态+尺寸!其难点是粒子的分散问题"因此!控制粒子微区相尺寸及尺寸分布是其成败的关键"在共混时!除采用分散剂+偶联剂+表面功能改性剂等综合处理外!还可采用超声波等措施进行辅助分散")$)原位聚合-在位分散聚合.这是制备纳米复合材料的一种较为新颖的方法"该方法应用在位填充!先使纳米粒子在单体中均匀分散!然后进行聚合反应!既实现了填充粒子的均匀分散!同时又保持了粒子的纳米特性"此外!在填充过程中基体经一次聚合成型!不需热加工!避免了由此产生的降解!从而保证了各种性能的稳定")$/层状嵌入法-插层法.先把聚合物基单体嵌入层状无机物夹层中!再用适当的方法!如热+光+自由基或阴离子等引发!在无机物夹层间聚合!形成聚合物0层状无机物嵌入式纳米复合材料"根据插层形式不同又可分为单体原位反应插层!溶液或乳液插层!熔体插层等")$1溶胶凝胶法溶胶凝胶技术是制备纳米结构材料的特殊工艺!它从纳米单元开始!在纳米尺度上进行反应!最终制备出具有纳米结构特征的材料234"溶胶凝胶能够制备气孔相互连接的多孔纳米材料!可以利用液体浸透+化学沉积+热解+氧化还原等反应填充气孔来制备纳米复合材料"该方法又可细分为以下四种,前驱物溶于聚合物溶液中再溶胶凝胶5生成溶胶后与聚合物共混!再凝胶5前驱物存在下先使单体聚合!再凝胶化5前驱物和单体溶解于溶剂中!让水解和聚合同时进行!它可使一些不溶的聚合物靠原位生成而嵌入无机网络中"用溶胶凝胶法合成纳米复合材料的特点是,无机+有机分子混合均匀!可精密控制产物材料的成分!工艺过程温度低!材料纯度高!透明度高!有机相与无机相以分子间作用力+共价键结合!甚至因聚合物交联而形成互穿网络"缺点在于,因溶剂挥发!常使材料收缩而易脆裂5前驱物价格昂贵且有毒5因找不到合适的共溶剂!制备聚苯乙烯-67.+聚丙烯-66.+68-聚乙烯.等常见品种的纳米复合材料比较困难")$9其它方法除此之外!如离子交换法2:4等在聚合物0纳米复合材料的制备过程中也得到了一定的应用";纳米材料的表面改性在制备聚合物0纳米复合材料时!纳米粒子由于比表面积大!表面能高!粒子间极易团聚!而且一旦团聚!通常的机械搅拌手段很难再将其打开!分散!这样不但纳米材料本身的性能得不到正常发挥!还会影响复合材料的综合性能"要解决这一问题就必须对纳米材料进行表面处理!以改善粒子的分散性+耐久性"纳米材料的表面改性根据表面改性剂与粒子表面之间有无化学反应!可分为表面物理吸附+包覆改性和表面化学改性"依表面剂的不同!大体可分为两种!即偶联剂改性和锚固聚合改性"/$*表面物理吸附+包覆改性2<&*/4表面物理吸附+包覆改性是指两组份之间除范德华力+氢键相互作用外!不存在离子键或共价键作用"按工艺不同!主要有以下几种,-%.聚合物在溶液或熔体中沉积+吸附到粒子表面进行包覆改性"-=.首先把单体吸附到纳米粒子表面!然后引发单体聚合"此外!利用低分子表面活性剂具有在粒子表面形成双层胶束的作用!也可以把单体包溶在胶束中引发聚合!达到粒子的表面改性"-;.粉体>粉体包覆改性"此法是依据不同粒子的熔点差异!通过加热使熔点较低的粒子先软化!或者使小粒子先软化包覆到大粒子表面!或者使小粒子嵌入到软化的大粒子表面而达到改性目的"除此以外!在物理包覆改性方面!还有表面活性剂覆盖改性+外层膜改性!高能量表面改性等多种方法"=青岛化工学院学报第=;卷!"#表面化学改性表面化学改性是表面改性剂与粒子表面的一些基团发生化学反应$达到改性的目的%如许多无机非金属粒子都容易吸收水分$而使表面带有&’(基等活性基团$这些活性基团就可以同一些表面改性剂发生反应%根据表面改性剂与粒子表面化学反应的不同$可分为以下几种)*+,偶联剂表面覆盖改性-+.$+/$+01%利用偶联剂分子与纳米填料表面进行某种化学反应的特性$将偶联剂均匀的覆盖在纳米粒子表面$从而赋予粒子表面新性质%常用的偶联剂有硅烷偶联剂2钛酸酯类偶联剂2铝酸酯类偶联剂等%*/,纳米粒子表面直接接枝改性-++1%利用纳米粒子表面的活性基团$将其与单体进行共聚%*0,纳米粒子表面引发接枝聚合改性-+31%通过各种途径在粒子表面引入具有引发能力的活性种子*自由基2阳离子或阴离子,$引发单体在粒子表面聚合%在以上这些改性方法中$有关吸附2接枝聚合物均属于锚固聚合改性$锚固聚合改性即可改善纳米粒子的表面极性$增加纳米粒子与聚合物之间的反应性能$增强两者之间的界面粘接$制造出高强度2性能优异的纳米复合材料$又可提高粒子的耐热2光2化学药品的性能$此外还可以通过引入功能高分子而产生新的性能$因此具有广泛的应用前景%3纳米材料在聚合物中的应用4"5增强2增韧材料一般来讲$采用橡胶类弹性体增韧塑料材料$会使塑料的刚度2强度下降6采用无机粗颗粒填料增强$塑料的韧性又会下降6而采用经过适当处理的纳米无机粒子既增强又增韧%国内外对此类研究较多$如熊传溪等-+71制备的89:;</’0复合材料$拉伸强度和冲击强度分别比纯89提高3倍和0倍%其它纳米材料$如层状硅酸盐-+=1$>?>’0$ 9@’/等都表现出良好的增强2增韧效果%4"#耐磨擦材料王洪涛等-+A1研究发现纳米级铜粉填充聚甲醛的磨擦性能要明显优于/..目铜粉$填加+.B 的纳米级铜粉填料与基体结合较好$磨损量有较大的下降$其改进作用很明显%4"!耐热材料插层法制备的纳米复合材料$聚合物分子被束缚于无机物夹层$其玻璃化温度2热变形温度等热学性能会大大提高%如日本丰田公司合成的尼龙纳米复合材料$热变形温度为尼龙的/倍-+C16中科院化学所-+D1采用层插法制备了硅酸盐与聚酰胺2聚酯2聚苯乙烯的复合材料$得到的聚合物基材具有高耐热性$高弹性模量$高强度和较高的阻隔性$明显优于普通的复合材料6E@F G H I FJ 等-/.1制备了丙烯酸:硅酸盐复合材料$发现填充+.份硅酸盐后$体系的玻璃化温度提高C K$热变形温度提高/=K%4"4电学材料把具有导电性的纳米粒子加入到高聚物中$可以改善高聚物的导电性%如将聚苯胺2聚吡咯嵌入粘土中$其导电性具有很强的各向异性特点-/+16聚环氧乙烷:粘土纳米复合材料中的粘土片层能阻碍聚合物的三维结晶$提高电解质的导电性$该材料可用作电极材料-//16潘伟等-/01研究纳米9@’/填充硅橡胶后指出$随9@’/的增加$压阻效应越来越明显$在一定压力范围内$材料电阻随压力呈线性增加$同时$复合材料电阻随温度增加而增加6宁英沛等-/31用纳米乙炔导电纤维填充硅橡胶$其混炼胶的导电性接近导电乙炔炭黑混炼胶$且混炼胶加工性好%4"L光学材料当电导率较高的纳米金属粉末处于高频电磁场中时$会出现电磁波的电场和磁场集中于表面附近的集肤效应$其对应的表层深度叫做集肤深度%当粒子的尺寸远小于其集肤深度时$通过自由电子运动的热损耗$使入射波能量得到有效衰减%应用此机理$选用适当的纳米粒子填加到塑料中可以得到吸波材料$应用于M隐形材料M的生产%周岐发-/71研究了纳米8N O@’填充球氧树脂体系$发现复合材料的紫外吸收边向高波方向移动$复合材料的光散射2光透过率也随固化电场的增加而变化%国外一些公司将纳米材料的M颜色效应M 应用于塑料中制成变色母料产品$称为彩虹颜料*跳动颜料,$在光照下将产生不同凡响的颜色变化效果%4"P亲水2疏水材料张丽叶-/=1在改进88的亲水性研究中$使用十二烷基苯磺酸钠处理的纳米>?>’制成母料后与88共混$熔融纺丝的纤维亲水性提高%纯88的吸湿率几乎为.$而加入/B的纳米级>?>’0吸湿率为."/.B%在吸湿率较高的8;=第/期朱连超等)无机纳米粒子:聚合物复合材料研究进展改性中!纳米级粘土的加入使其吸湿率降低!纯"#$的吸湿率为%&’()!粘土含量为*&+)的"#$吸湿率为%&,-)./&0抗菌1消毒材料在家用电器及日用品的塑料中添加具有抗菌性的纳米粒子可使塑料具有抗菌性且其抗菌性保持持久.青岛化工学院应用此类技术现已生产出抗菌冰箱!抗菌毛巾等.近年来出现了各种新型的功能化学纤维!日本帝人公司2+(3将纳米456和纳米786+混入化学纤维!得到的化纤具有除臭及净化空气的功能!广泛用于消臭敷料1绷带1睡衣等.日本仓螺公司2+-3将纳米456加入到聚酯纤维中!制得的防紫外线纤维!还具有抗菌1消毒1除臭的功能.,结束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!对开发功能性高分子材料有着重要的实际意义.随着廉价纳米材料的不断开发应用!高分子材料改性的理论和应用将会有更新的发展.参考文献2-3邓先模!李孝红&生物医用高分子在癌症药物治疗中的应用293&高分子通报!-:::!;<=>:*2+3覃伟中&聚偏氟乙烯压电膜在医疗电器中的应用293&压电与声光!-::,!(;$=>+*2<3黄锐!刘劲松!张雄伟&导电塑料的进展293&中国塑料!-::+!$;*=><2*3马建华!李雪荣!何复&非线性导电复合材料的应用293&塑料!-::,!+*;+=>-(2,3汪济奎!王庚超!方斌&有机"?@材料及其应用293&高分子材料!-::$!<;*=><(2$3王华!赵玉玲!王锡臣&智能高分子材料293&塑料加工!+%%-!<%;-=>+,2(3A B85C D B@9!E F B G#9!7H I F5C"JD K L M&J D N8D O P Q R P M S T D M K I85Q8M U Q P B U L K8P5293&9V P5H B W R K7P M8G R!-::+!-*(X-*’> *+$2’3E F L5T9Y!Z L5TZ!Z L5TAD K L M&7W5K I D R8RP Q K I D@G75L5P S[L B K8H M D R5D K O P B C R293&"P M W U D B A F M M D K85!-::$!;<$=><<(2:3郭卫红!李盾等&纳米材料及其在聚合物改性中的应用293&工程塑料!-::’!+$;*=>--2-%3徐伟平!黄锐!蔡碧华等&大分子偶联剂对E\"]^纳米@L@6<复合材料性能的影响293&中国塑料!-:::!-<;:=>+,2--3贾巧英!马晓燕&纳米材料及其在聚合物中的应用293&塑料科技!+%%-!;+=>$2-+3罗忠富!黄锐!卢艾等&表面处理对E\"]^V L5P S@L@6<复合材料性能的影响293&中国塑料!-:::!-<;--=>*(2-<3祝桂香!瞿雄伟!吴培熙&高分子偶联剂在@L@6<填充"_@体系中的应用研究293&中国塑料!-::(!--;$=>*<2-*3杨柏!黄金满!郝恩才等&半导体纳米微粒在聚合物中的复合与组装293&高等学校化学学报!-::(!-’;-(=>-+-:2-,3熊传溪!闻荻江!皮正杰&超微细#M+6<增韧增强聚苯乙烯的研究293&高分子材料科学与工程!-::*!-%;*=>$:2-$37I8L\!E F8@Z!A F B5R8G D7\&D K L M&#5‘5K D B Q L H D U P G D M Q P B K I D[B D G8H K8P5P Q Z P5T a RYP G F M F RP Q M L W D B D GR8M8H L K D SD M L R K P U D B5L5P S H P U[P R8K D R293&"P M W U D B@P U[P R8K D R!-::’!-:;,=>$%’2-(3王洪涛!刘维民!杨生荣等&@F粉及纳米@F粉填充聚甲醛的磨擦学性能研究293&高分子材料科与工程!-::(!-<;-=>(:2-’3严海标!陈名华!郦华兴&聚合物^无机纳米复合材料的制备及应用293&工程塑料应用!-:::!+(;’=><’2-:3王佛松&插层聚合制备聚合物层状硅酸盐纳米复合材料& :(全国高分子学术论文报告会论文集2@3!-::(2+%3\8D K R G D b!YF M I L F[K J&?I D B U L M[B P[D B K8D R L5G Q M L U U L c8M8K WP QL H BW M8H5L5P S H P U[P R8K D Rc L R D G F[P5P B T L5P[I8M8HM L W D B D G R8M8H L K D R293&"P M W U D BA F M M D K85!-::’!*<;*d,=><:,2+-3YD R R D B R U8K IA&@I D U YL K D B!-::<!;,=>-%:*2++3J F8e S E8K e C W]D K L M&#G N L5H D GYL K D B8L M R!-::,!(;+=>-’% 2+<3潘伟!翟普!刘立志等&786+纳米粉对硅橡胶复合材料的压阻1阻温特性的影响293&材料研究学报!-::(!--;*=><:( 2+*3宁英沛!卢祥来!张志琨等&纳米导电纤维填充硅橡胶的性能293&合成橡胶工业!-::,!-’;$=><<+2+,3周岐发!邹秦!张良莹等&"c?86<微粉与球氧树脂精细复合材料的制备与特性293&材料科学进展!-::+!$;+=>-$:2+$3张丽叶&纳米材料在聚合物加工中的应用293&塑料通讯!-::’!-+;*=>:2+(3杨中文!刘西文&纳米技术在高分子材料改性中的应用293&塑料开发!-:::!+,;*=>-+,$*青岛化工学院学报第+<卷。

聚合物基纳米复合材料研究进展摘要: 针对聚合物基纳米复合材料的某些热点和重点问题进行了总结和评述，并讨论了碳纳米管、石墨烯及纳米增强界面等以增强为主的纳米复合材料的研究状况和存在的问题；系统地评述了纳米纸复合材料、光电纳米功能复合材料以及纳米智能复合材料等以改善功能的纳米功能复合材料的研究动态。

关键词 : 复合材料；纳米材料；聚合物；功能材料引言复合材料作为材料大家族中的重要一员，已经深入到人类社会的各个领域，为社会经济与现代科技的发展作出了重要贡献。

复合材料科学与技术的发展经历了从天然复合材料到人工复合材料的历程，而人工复合材料的诞生更是材料科学与技术发展中具有里程碑意义的成就。

20 世纪 50 年代以玻璃纤维增强树脂的复合材料(玻璃钢)和 20 世纪 70 年代以碳纤维增强树脂的复合材料(先进复合材料)是两代具有代表性的复合材料。

这两代材料首先在航空航天和国防领域得到青睐和应用，后来逐渐扩大到体育休闲、土木建筑、基础设施、现代交通、海洋工程和能源等诸多领域，使得复合材料的需求越来越强烈，作用越来越显著，应用领域越来越广泛，用量也越来越多，而相应的复合材料科学与技术也在不断地丰富和发展。

随着纳米技术的出现和不断发展，纳米复合材料已经凸显了很多优异的性能，从一定意义上有力地推进了新一代高性能复合材料的发展。

纳米化与复合化已经成为新材料研发和推动新材料进步的重要手段和发展方向。

纳米复合材料是指以树脂、橡胶、陶瓷和金属等基体为连续相，以纳米尺寸的颗粒、纤维、纳米管等为分散相，通过合适和特殊的制备工艺将纳米相均匀地分散在基体材料中，具有特殊性能的新型复合材料。

本研究的重点是讨论聚合物基纳米复合材料的研究概况，系统介绍利用碳纳米管、石墨烯、碳纳米纸、纳米界面改性等提升和改善复合材料力学性能及物理性能的机理与作用。

1 纳米增强复合材料纳米复合材料的性能依据其基体材料和纳米增强相种类的不同而差异巨大，因此提高力学性能是纳米复合材料研究领域中最具代表性的研究工作之一。

第16卷　第4期2008年8月材　料　科　学　与　工　艺MATER I A LS SC I ENCE &TECHNOLOGYVol 116No 14Aug .,2008聚合物基纳米复合材料的研究进展高延敏,汪　萍,王绍明,陈立庄,缪文桦(江苏科技大学先进焊接材料省级重点实验室,江苏镇江212003)摘　要:对聚合物基纳米复合材料的研究进展进行了介绍,报道了有关聚合物基纳米复合材料制备方法的研究进展情况,并分别对聚合物/粘土纳米复合材料、环氧树脂基纳米复合材料、聚酯纳米复合材料、聚合物/碳纳米管纳米复合材料的研究发展情况给予了评述,同时对每种体系特点和存在的问题进行了论述,最后着重指出纳米复合材料制备方法、应用以及开发新的聚合物基纳米复合体系是今后的主要研究方向.关键词:复合材料;纳米;制备方法中图分类号:T B44文献标识码:A 文章编号:1005-0299(2008)04-0551-04Research progress of poly m er i c nanoco m posite ma ter i a lsG AO Yan 2m in,WANG Ping,WANG Shao 2m ingCHEN L i 2zhuang,M I A O W en 2hua(Advanced W elding Key Pr ovincial I aborat ory,J iangsu University of Science and Technol ogy,Zhenjiang 212003,China )Abstract:Research p r ogress of poly meric nanocomposite materials is revie wed in this paper .The p reparati on method of nanocomposites is discussed .And the status and latest p r ogress on nanocomposite materials of poly 2mer/clay,epoxy,polyester,poly mer/carbon nano tubes are als o intr oduced .The features and p r oble m s of each syste m are discussed as well .The paper points out that the p reparati on method and the app licati on as well as the expoiture of a ne w poly meric nanocomposite syste m will e the main research trends in the future .Key words:co mposite;nano;p reparati on method收稿日期:2005-03-31.作者简介:高延敏(1964-),男,博士,教授. 80年代初Roy 等提出的纳米复合材料[1-3],为复合材料研究应用开辟了崭新的领域.由于纳米微粒独特的效应,使其物理和化学性能方面呈现出不同的性能.将纳米材料与复合材料结合起来,所构成的纳米复合材料兼有纳米材料和复合材料的优点,因而引起科学家的广泛关注和深入的研究[4-5].纳米复合材料的基体不同,所构成的复合材料类型也不同,如:金属基纳米材料[38,39,40,41,42,43]、陶瓷基纳米材料[44]、聚合物基纳米材料.特别是聚合物基纳米材料,由于其加工的优势,使得在理论研究和应用方面都得到了迅速的发展.本文主要叙述了聚合物基纳米复合材料研究情况,对今后发展情况进行了展望.1　聚合物基纳米复合材料聚合物基纳米复合材料(Poly meric Nanocom 2posite )是指以高聚物为基体,与金属、无机非金属以及有机物纳米粒子等进行级复合而得到的一种性能优异的材料.这种复合材料既有高聚物本身的优点,又兼备了纳米粒子的特异属性,因而使其在力学、催化、功能材料(光、电、磁、敏感)等领域内得到应用,甚至出现全新的性能和功能,例如高强度、高模量、高韧性、高耐热性、高透明性、高导电性、对油类和气体的高阻隔性等,因而有着广阔的发展前景[3,6,7].聚合物纳米复合材料可分为聚合物/无机物纳米复合材料(简称O I N C )和聚合物/聚合物纳米复合材料,其中O I N C 占绝大多数[8].111　聚合物基纳米复合材料的制备方法111.1　较早发展起来的几种聚合物纳米复合材料的制备方法[9-10]1).共混法.共混法一般应用于聚合物/无机纳米粒子复合体系,也可应用于聚合物分子复合材料.2).溶胶———凝胶法(s ol———gel).该方法使用烷氧金属或金属盐等前驱物和有机聚合物,通过使前驱物水解和缩合形成纳米复合材料.适于制备有机———无机纳米复合材料.3).插层复合技术(interacti on)可分为插层和剥离(exf oliate)两种技术,适于制备层状无机化合物(粘土、石墨等)/聚合物复合材料.4).原位(in———situ)法包括原位分散聚合及原位生成法,适于制备有机———无机纳米复合材料.反应条件温和,分散均匀.5).母料法该技术纳米粒子的用量少,配比方便,大大降低了成本和工艺上的难度.该法可用于聚合物/无机纳米粒子复合体系的制备.6).模定向合成法(te mp late———directed)包括化学方法和电化学方法,适于制备有机———无机纳米复合材料以及纳米管材、线材、层状复合材料等.产物粒径可控,分布窄,易掺杂,反应易控.11112　制备技术新进展[11]声化学合成(s onoche m ical synthesis)是制备具有独特性能的新材料的有效方法.用于制备非晶态金属、碳化物、氧化物、复合物以及纳米晶体材料.此技术还可用于Fe3O4、Cu2O以及其它金属氧化物的聚苯胺基纳米晶体材料的制备.反向胶束微反应器(reverse m icelle m icr oreact or)是通过油包水微乳液中反向胶束中的水池(water pool)或称液滴(dr op let)的纳米级空间,以此胶束所形成的纳米空间内为反应场,可合成1———100nm的纳米微粒.自组装法来源于生物矿化作用.在自然界中的纳米材料多由此途径形成,并通过模版作用控制膜间蛋白质.该技术与胶体化学方法联用,能制造出纳米级的高分子/无机材料相间多层异质结构.辐射合成法是指聚合物单体与金属盐在分子级混合,先形成金属盐的单体溶液,再进行辐射,生成的初级产物同时引发聚合和还原.转移分散聚合是用微乳液或反相胶乳法制备纳米粒子,然后将其转移分散于聚合物溶液或单体中引发聚合生成纳米复合材料.为使转移过程获得颗粒的良好分散,大多数情况下需要添加相转移剂.所使用的相转移剂必须与微粒和聚合物溶液都要有良好的相容性.112　聚合物/粘土纳米复合材料聚合物/粘土纳米复合材料丰田公司首次报道了尼龙———6(P A———6)粘土纳米复合材料在工业上的应用.现研究体系已扩展到环氧树脂、聚酯、聚酰胺、聚烯烃、硅橡胶等.聚合物/粘土纳米复合材料具有导电性、磁性、隔热性能、可降低可燃性[12-13],还可改善力学性能[14-18].研究发现:插层剂的碳链长度与有机蒙脱土的层间距有关.除了采用单一树脂外,还用共混和共聚树脂与纳米材料结合[16].11211　聚丙烯/粘土纳米复合材料为提高聚丙烯的力学性能,众多研究者纷纷采用纳米粉末对PP进行改性.近年来,采用蒙脱土改性的研究吸引了众多学者的注意[19].中国科学院化学研究所与成都正光科技股份有限公司合作研制成功纳米PP管材专用料[17].刘家辉等[20]人用十六烷基三甲基溴化胺改性蒙脱土制得PP/蒙脱土纳米插层材料.漆宗能等[21]人将有机改性蒙脱土用Mg Cl2和Ti Cl4处理,进行丙烯的原位聚合,制备了纳米复合材料.L iu等[20]人采用活性单体环氧丙烷甲基丙烯酸酯处理蒙脱土,形成一种新型的共插层有机蒙脱土.虽然PP/蒙脱土纳米复合材料研究已经取得了一定的成功,但是纳米复合材料的几种制备方法仍然要采用烷基胺改性蒙脱土.这种改性方法复杂而且高成本,从而给PP纳米复合材料的推广带来一定的困难.研究蒙脱土直接使用或其它改性方法,来降低成本,应该是下一步研究的重点.11212　P VC/粘土纳米复合材料P VC/粘土纳米复合材料的主要品种有P VC/ OMMT(有机蒙脱土),P VC/AT(凹凸棒土), P VC/OREC(有机累托石)[22].P VC/粘土纳米复合材料比传统的复合材料具有更优异的综合性能.质轻,加工性好、耐磨性高、高强度、高模量、高耐热性、低吸湿性、高尺寸稳定性,阻隔性能好,性能全面超过P VC树脂.11213　橡胶/蒙脱土纳米复合材料橡胶/蒙脱土纳米复合材料具有优异的补强性、阻隔性、透明性特性.但橡胶/蒙脱土纳米复合材料的研究还较少.制备方法包括单体插层原位聚合法、大分子直接插层法和小分子与大分子的结合插层法[23].Okada等[24]利用端氨基液体NBR橡胶与将蒙脱土结合,得到了NBR/蒙脱土纳米复合材料.王胜杰等[25]采用橡胶溶液插层法成功地制备了蒙脱土/硅橡胶纳米复合材料.Gan2 ter等[26]将χ,ω-二氨基液体聚丁二烯改性的蒙脱土和丁苯橡胶混合,获得嵌入结构和剥离结构共存的S BR/蒙脱土纳米复合材料,当蒙脱土的用量为10份时,材料的拉伸强度可达16MPa.廖明・255・材　料　科　学　与　工　艺 第16卷　义等[27]报道了采用阳离子聚合机理通过溶液法单体插层原位聚合制备BR/蒙脱土纳米复合材料.敖宁建等[27]报道了采用超声技术制备了NR/有机蒙脱土、钠基蒙脱土纳米复合材料,并对力学性能和热氧老化性能进行了研究.113　环氧树脂基纳米复合材料环氧树脂由于自身粘度较大,与无机纳米粒子均匀分散较为困难,通常将纳米粒子表面经适当的表面活性剂或偶联剂预处理后再进行复合.董元彩等[28]人采用溶液共混法制备了纳米Ti O2/EP复合材料,研究了纳米Ti O2对复合材料性能的影响.林安等[29]利用高沸点的醇对纳米Ti02表面进行酯化处理后添加到环氧树脂涂料中,使涂料的综合性能有了很大的提高.陈立新[30]采用有机蒙脱石改性环氧树脂,利用插层复合技术制备出了纳米级的环氧树脂/蒙脱石复合材料.汤戈等[28]人采用超声波分散法将平均粒径为200n m的α———A l2O3和粒径为30———60nm的γ———A l2O3,分别按不同比例加入到EP中,制得一系列EP纳米复合材料,并比较了它们的耐磨性和与基体的结合力.114　聚酯纳米复合材料饱和聚酯是一类常用的工程塑料,其中又以PET最为常用.李毕忠等[31]进行了抗菌纤维的研究,开发了具有优良的化学物理性能、可纺性好的抗菌PET纤维,经测试,它具有优良的抗菌性能.朱笑初等[32]通过插层聚合法制备了P BT/粘土纳米复合材料,研究了其结构与结晶行为、力学性能、耐水性能等性能,发现通过P BT在粘土片层之间的插层聚合,使P BT树脂的力学性能、热变形温度、耐沸水性能得到明显的改善,粘土的加入使P BT树脂的球晶细化,结晶速率提高.漆宗能等[33,34]对插层剂的碳链长度与有机蒙脱土的层间距的关系进行了研究,在此基础上开发了PET/粘土纳米塑料、P BT/粘土纳米塑料、增强型阻燃PET纳米塑料.徐群华等[35]用经2%的NDZ———101偶联剂处理过的纳米Ti O2填充不饱和聚酯树脂,大大提高了材料的强度、韧性和耐酸碱性. 115　聚合物/碳纳米管纳米复合材料碳纳米管是理想的功能和增强材料,其超强的力学性能可以极大地改善聚合物复合材料的强度和韧性,独特的光电性能可以赋予聚合物基复合材料新的光电性能.ggen muller等[36]用熔融纺丝和溶液铸膜的方法制备了单壁碳纳米管/P M2 MA复合材料纤维和膜,研究表明模量随牵伸比的增加变化不大,而拉伸强度增长却很大,熔融纺丝工艺可以促进碳纳米管在P MMA中分散.万梅香等[37]通过在碳纳米管上进行原位聚合反应,制备了碳纳米管/聚吡咯(PPy)复合材料,并对其电、磁、热学性能进行了研究,这种复合材料可以作为电池和电容器的电极材料.2　结　语聚合物基纳米复合材料作为新型的结构、功能材料已被广泛研究,在光、电、磁方面的奇异性能和应用引起了各国研究者的高度重视.但总体而言,聚合物基纳米复合材料的研究尚处在起步阶段,优化聚合物基纳米复合材料制备工艺、探索纳米粉体均匀分散与复合方法以及应用,研制性能优异的新材料,是今后纳米材料发展的方向.参考文献:[1]王孝军,杨　其,杨　杰.高聚物/纳米复合材料技术进展及发展前景[J].中国科技成果2003,(6):23-26.[2]严东生,冯端主.材料新星纳米材料科学.湖南科学技术出版社[M]长沙:1997.[3]黄　丽,郭江江,姜志国,等.纳米科学技术在高分子材料领域的现状.化工进展[J].2003,22(6):564-567.[4]钟　厉,韩　西.纳米复合材料的研究应用.重庆交通学院学报[J].2003,22(3):104-107.[5]钱家盛,何平笙.功能性聚合物基纳米复合材料.功能材料[J].2003,34(4):371-374.[6]姜其斌,贾德民,杨　军,等聚合物-层状硅酸盐纳米复合材料应用研究进展.弹性体[J].2003,13(4):44 -49.[7]OK AMOT OT M,MOR I D A S,K OT AK A T.D is persedstructure and i onic conductivity of s mectic clay/poly mer nanocomposites.Poly mer,2001,42:2685.[8]李笃信,贾德民.聚合物/无机物纳米复合材料研究进展及应用前景.高分子材料科学与工程[J].2003,19(4):22-26.[9]林永红,潘利华.聚合物基纳米复合材料的制备方法及其性能.东华大学学报(自然科学版),2003,29(6): 131-134..[10]杨　晓,王玉荣.聚合物纳米复合材料研究进展.国内外石油化工快报[J].2003,33(3):1-4.[11]杨　晓,王玉荣.聚合物纳米复合材料研究进展(续).国内外石油化工快报[J].2003,33(5):1-4. [12]马永梅,范家起.浅谈高分子/粘土纳米复合材料市场应用及发展.纳米科技与产业[J].2003,(8):67-71.[13]包丽萍,杨延钊,邵华等.高聚物/粘土纳米复合材料阻燃性能的研究进展.化工进展[J].2003,22(6):・355・第4期高延敏,等:聚合物基纳米复合材料的研究进展597-601.[14]魏风艳,巩　强,严　生.聚合物———粘土纳米复合材料.材料导报[J].2003,17:110-113.[15]李同年,周振兴,卢文奎.聚苯乙烯-蒙脱土插层复合材料的制备与性能.塑料工业[J].2000,28(2):33-35.[16]MAN I A S E,T OUNY A,WU L,et a l.Polyp r opylene/mont m orill onite nanocomposites.Revie w of the synthetic r outes and materials p r operties.Che m Mater,2001,13:3516-3523.[17]李οο.浅谈聚合物/纳米复合材料研究进展.橡塑技术与装备[J].2003,29(12):33-38.[18]王笛阳,何素芹,等.尼龙66/蒙脱土纳米复合材料的制备与表征.中国塑料[J].2001,15(10):23.[19]韩克清,陈业,余木火.聚合物/蒙脱土纳米复合材料的研究进展.合成技术及应[J].2003,18(3):24-27.[20]丁　超,郭宝春,贾德民,等.聚丙烯/粘土纳米复合材料最新进展.合成树脂及塑料[J].2003,20(2):74.[21]MA J S,Q I Z N,HU Y L.J App l Poly m Sci,2001,82(14):3611-3617.[22]王光辉,张玲.P VC/粘土纳米复合材料的研究进展.聚氯乙烯[J].2003,(5):1-10.[23]孙翠华,宋国君,王俊霞等.蒙脱土/橡胶纳米复合材料的研究进展.橡胶工业[J].2003,50(4):249-252.[24]AK ANE OK ADA,AR I M I T U US UKI.The che m istry ofpoly merclay hybrids.Master Sci&Engin,1995,3(2):109-115.[25]王胜杰,李　强,漆宗能.硅橡胶/蒙脱土复合材料的制备、结构与性能.高分子学报[J].1998,2(2):149-153.[26]G ANTER M,GRONSKIW,SE M KE H,et a l.Surface-compatibilized layered silicate-Anovel class nanofillers for rubber with i m p r oved mechanical p r operties.Kaut2 schuk Gu mm i Kunstst offe,2001,54(4):166-171. [27]杨　军,王　进,唐先贺等橡胶/蒙脱土纳米复合材料的制备技术进展.特种橡胶制品[J].2003,24(4):46-51.[28]惠雪梅,张　炜,王晓洁.环氧树脂纳米复合材料研究进展.合成树脂及塑料[J].2003,20(6):62-65. [29]林　安,程学群,张三平.纳米二氧化钛表面化学改性及在涂料中的应用.材料保护,2002,35(11):6-7.[30]陈立新,齐鲁华,王汝敏.纳米/环氧树脂基复合材料研究进展.河南化工[J].2002,(11):4-6.[31]王成云,龚丽雯,张伟压等.聚酯纳米复合材料研究的进展.聚酯工业[J].2003,16(1):10-12.[32]朱笑初,景　肃,孟娟等.P BT/粘土纳米复合材料的制备和性能表征.塑料工业[J].2000,28(2):45-47.[33]漆宗能,柯扬船,丁幼康,等.一种聚对苯二甲酸丁二酯/层状硅酸盐纳米复合材料及其制备方法.C N1187506A,1998-07-15.[34]KE YC,LONG C F,Q I Z N.Crystallizati on,Pr operties,Crystal and Nanoscale Mor phol ogy of PET-clay Nano2 composites.J App l Poly m.Sci,1999,71:1139-1145.[35]徐群华,孟　卫,杨绪杰,等.纳米二氧化钛增强增韧不饱和聚酯数脂的研究.高分子材料科学与工程[J].2001,(2):13-18.[36]Haggen muller R,Gommans H,R inzler A,Fisher J,W in2ey K.Che m phys Lett,2000,330:219.[37]王　彪,王贤保,胡平安,等.碳纳米管/聚合物纳米复合材料研究进展[J]高分子通报[J].2002,(6):8-14.[38]李顺林,卢　翔,朱正吼,等.金属基纳米复合材料的制备技术研究.南京航空航天大学学报[J]2003,35(5):572-578.[39]E L-EskandaranyM S,SherifM.Mechanical s olid statem ixing f or synthesizing of Si C p/A l nanocomposites.Journal of A ll oys and Compound,1998,279(2):263-271.[40]李建林,江东亮,谭寿洪.原位生成Ti C/Ti5Si3纳米复合材料的显微结构研究.无机材料学报[J].2000, 15(2):336-340.[41]H WANG S,N I SI M URA C,MC CROM I CK P G,et a l.Comp ressive mechanical p r operties ofMg-Ti-C nano2 composite synthesized by mechanical m illing.Scri p ta M aterialia,2001,44(10):2457-2462.[42]王耐艳,涂江平,杨友志.原位反应纳米Ti B2/Cu复合材料的制备和微结构.中国有色金属学报[J].2002,12(1):151-154.[43]陈学刚,宋怀河,陈晓红,等.纳米Fe/C复合材料的原位合成.材料研究学报[J].2002,16(2):146-150.[44]龚宏宇,尹衍升,王　昕,等.氧化铝纳米复合材料的研究进展.山东大学学报(工学版)[J]2002,32(4):327-332.(编辑　张积宾)・455・材　料　科　学　与　工　艺 第16卷　。