高分子纳米复合材料的制备
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纳米复合材料的制备纳米复合材料的制备,听起来就像是高深莫测的东西,仿佛是某个科学家在实验室里搞的神秘实验,搞得一脸严肃,黑框眼镜,白大褂。
但实际上,说白了,纳米复合材料其实就是通过把不同的材料融合在一起,得到一种更强、更好用的材料。
比如说,我们平常见到的塑料,可能就通过加入一些特别的物质,变得更耐用、轻便,甚至更抗高温,拿起来不再像纸一样容易破碎。
而这个“特别的物质”就是纳米级的材料,可能你想象不出来,但其实它们的尺寸极小,比我们常说的细胞还要小,甚至比病毒还要小——这真是微观世界的魔法,嘿!没错,正是这种超微小的物质,给了复合材料强大的力量。
纳米复合材料怎么制备呢?说起来吧,过程其实不复杂,但可得讲究点。
材料得选好,这个就像挑菜一样,挑到合适的才好做大餐。
比如说,有些复合材料需要高分子材料做基底,再通过加入一些纳米颗粒,比如纳米碳管、纳米硅、纳米氧化铝这些,慢慢调配,最终形成我们需要的样子。
就像做菜,你要选对主料和配料,再用对调料,才能做出一道色香味俱全的好菜。
嘿,别小看了这些“配料”,它们在材料里可发挥着巨大的作用,起到增强、加固的效果。
你想,原本有些材料就很脆,轻轻一碰就碎了,但加上这些纳米级的小颗粒后,硬度一下子提升,就像原本的纸壳子变成了铁板一样,硬朗又耐用。
再说了,制备的方式也是有很多种的。
最常见的就是物理法和化学法,听起来可能有点头大,但其实就是两种不同的“方式”,一个是靠物理手段,一个是靠化学反应,给纳米颗粒加进材料里。
有时候用物理法就像是在大锅里加热煮东西,纳米颗粒通过高温融入材料,合成一个更加结实的复合材料。
而化学法嘛,稍微复杂一点,就像是调味品一样,加点化学反应,帮助颗粒和基体形成更加紧密的结合。
这两种方法各有千秋,看你要做什么类型的复合材料。
你还得根据不同的材料,调整一下温度、压力,甚至时间,真是需要点技术含量的。
不过,别担心,这一切都可以通过控制条件来实现。
说到这里,你可能会想,这些纳米颗粒真的那么神奇吗?那得看你怎么用啦。
新型纳米复合材料的设计与制备随着科技的快速发展,新型材料的设计与制备受到了越来越多的关注。
其中,纳米复合材料由于其卓越的性能,在各个领域中得到了广泛的应用。
在纳米合成领域,开发出新型纳米复合材料成为了研究热点,其设计与制备对于材料的性能和应用具有重要的影响。
一、新型纳米复合材料的概念新型纳米复合材料是指由不同物质、不同尺寸和不同形态的材料组成的非常细小的材料,其粒径在1-100纳米之间。
材料的复合可以使材料的性能大幅度提高,如力学性能、电学性能、热学性能等。
而纳米复合材料的制备和设计是通过单一或多组分的纳米物质,经由化学方法或物理方法予以组合而得到的。
二、新型纳米复合材料的制备方法1. 化学合成法纳米复合材料的制备方法中,化学合成法是其中最常见的一种。
这种方法主要是使用化学反应的方法,原料之间进行反应,形成新的化合物。
这个化合物可以是纳米粒子或者是纳米纤维,通过这些纳米粒子和纳米纤维,最终形成纳米复合材料。
2. 物理法物理法也是纳米复合材料制备的一种常见方法,主要是通过物理手段来获得纳米材料及其复合物。
其中有很多方法,如气相反应法、热汽法、溶胶凝胶法等等。
三、新型纳米复合材料的应用由于纳米复合材料具有特殊的性质,如超导性、强烈的表面反应性、高畸变热、制备简单等优点,广泛运用于各个领域。
如有机材料、材料加工、电信通讯、环境科学等,其中,下面简单列举一些应用:1. 碳纳米管和高分子复合材料,广泛应用于电磁屏蔽材料、导电材料等领域。
2. 纳米结构电极材料在太阳能电池、锂电池等领域中得到了广泛的应用。
3. 各种纳米材料和复合材料在医学领域中也被广泛应用,例如在药物输送和分子成像、生物传感等领域。
四、新型纳米复合材料的未来发展趋势未来,纳米复合材料将成为新一代复合材料的重要组成部分。
因此,按照其应用领域和性质需求,在纳米复合材料库中发掘、筛选和设计具有明确功能的新型纳米复合材料,例如芳香族聚合物基复合材料及其产生的结构关系规律等,是近年来安排的研究方向。
纳米复合材料的制备与性能调控方法详解纳米复合材料作为一类重要的材料,因其独特的性能和广泛的应用领域,受到了广泛的关注和研究。
它由一种或多种纳米颗粒或者纳米结构与基体材料组合而成,具有优异的力学、电学、热学和光学等性能。
本文将详细介绍纳米复合材料的制备方法与性能调控方法。
一、纳米复合材料的制备方法1. 溶液法制备:溶液法是一种常用的制备纳米复合材料的方法。
该方法将纳米粒子或者纳米结构溶于溶剂中,并将基体材料溶解或者悬浮在溶液中,然后经过混合、沉淀、干燥等工艺步骤,最终得到纳米复合材料。
溶液法制备的纳米复合材料一般具有较好的分散性和均匀性,但是工艺复杂、成本较高。
2. 气相沉积法制备:气相沉积法是一种将气体在高温、高压条件下分解产生纳米颗粒或者纳米结构,并将其与基体材料进行反应形成纳米复合材料的方法。
该方法具有制备高纯度纳米复合材料、控制纳米粒子尺寸和形貌的优势,但是设备复杂,工艺要求高。
3. 真空热蒸发法制备:真空热蒸发法是一种将纳米粒子或者纳米结构在真空条件下蒸发,并沉积在基体材料上形成纳米复合材料的方法。
该方法具有制备高密度纳米复合材料、控制纳米颗粒分布的优势,但是需要高真空设备和对材料的热稳定性要求高。
二、纳米复合材料的性能调控方法1. 界面调控:纳米复合材料中纳米颗粒与基体之间的界面对材料的性能具有重要影响。
通过控制界面的结合强度和结晶度,可以有效调控纳米复合材料的力学性能和导电性能等。
常用的界面调控方法包括防蚀处理、界面改性和化学结合等。
2. 纳米颗粒尺寸调控:纳米颗粒的尺寸对纳米复合材料的性能有很大影响。
通过调节纳米颗粒的尺寸和分布,可以改变材料的电学、光学、磁学等性能。
常见的尺寸调控方法包括溶剂控制成核、溶液浓度控制和反应条件调控等。
3. 组分调控:纳米复合材料由不同组分的纳米颗粒或者纳米结构与基体材料组成,通过调控组分的比例和配比,可以改变纳米复合材料的化学和物理性质。
常见的组分调控方法包括混合物质的选择、添加剂的引入和材料配比的调整等。
高分子材料纳米复合材料的制备及其性能研究高分子材料作为一种重要的材料,在各行各业中都有着广泛的应用。
但是,高分子材料本身具有的一些缺点,如强度、刚度、耐热性和耐化学腐蚀性等方面相对较差,因此需要寻求新的方法来弥补这些缺陷。
纳米复合材料作为一种新型的高分子材料,具有优异的力学性能、热学性能、电学性能等,因此已成为材料科学领域的一个热点研究方向。
本文将介绍高分子材料纳米复合材料的制备方法及其性能研究进展。
一、高分子材料纳米复合材料的制备方法1. 溶液混合法溶液混合法是一种较为简单的方法,其制备过程为:将高分子溶液和纳米填料分别溶解在简单溶剂中,然后混合两种溶液制备所需的纳米复合材料。
溶液混合法制备出来的纳米复合材料分散性好,但其结构和性能受溶剂选择限制。
2. 熔融混合法熔融混合法是将高分子和纳米填料加热到熔点以上,使纳米填料均匀分散到高分子中,再经过混合、挤出和拉伸等步骤,最终制备成纳米复合材料。
这种方法制备出来的纳米复合材料能够充分发挥纳米填料的性能,但是其高温下稳定性较差。
3. 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是利用化学反应制备高分子/纳米复合材料,在此方法中,先制备出纳米粒子的溶胶,再加入高分子溶液,并进行交联反应,最终制备成纳米复合材料。
这种方法制备出来的纳米复合材料稳定性较好,但是制备工艺较复杂。
4. 界面聚合法界面聚合法是将纳米粒子和高分子分别溶解在两种不相容的溶剂中,然后在两种溶剂的界面上进行界面聚合反应,最终制备成纳米复合材料。
该方法制备出来的纳米复合材料分散性好,但由于反应过程中的界面问题容易导致杂质的引入,因此制备过程较为复杂。
二、高分子材料纳米复合材料的性能研究1. 力学性能纳米材料的加入可以显著改善高分子材料的力学性能。
例如,我们可以将纳米粒子添加到聚丙烯中,使复合材料的拉伸强度和弹性模量显著提高,同时还可以提高其硬度和刚度。
2. 热学性能由于纳米复合材料的纳米颗粒具有较高的比表面积和表面活性,因此可以通过纳米颗粒与高分子材料之间的相互作用来改善纳米复合材料的热学性能。
聚合物纳米复合材料的制备及其性能研究随着科技的不断发展,纳米材料已成为重要的材料研究领域之一。
聚合物纳米复合材料作为一种新型的高性能材料,具有优异的力学性能、防腐性、耐高温性、导电性、光学性能等特点,在电子、航空、医疗、建筑等领域有着广泛的应用。
一、聚合物纳米复合材料的制备方法制备聚合物纳米复合材料的方法主要分为三种:物理法、化学法和物理化学法。
1. 物理法物理法制备聚合物纳米复合材料主要有两种:溶液混合法和熔融混合法。
其中溶液混合法是聚合物纳米复合材料制备的主要方法,其原理是通过高速搅拌或超声波等作用下,将纳米粒子均匀分散于聚合物分子中,并利用特殊的蒸发或沉淀方法进行制备。
2. 化学法化学法制备聚合物纳米复合材料主要有两种:原位聚合法和界面聚合法。
其中原位聚合法是将纳米颗粒吸附到聚合物表面,然后进行化学反应合成复合材料。
界面聚合法是将纳米颗粒和聚合物之间添加界面活性剂,再通过化学反应使它们结合在一起。
3. 物理化学法物理化学法是物理法和化学法的综合,主要有:胶体凝聚法、溶胶-凝胶法、模板法等。
其中溶胶-凝胶法是将纳米粒子均匀分散于溶液中,再将其一步步凝胶化合成。
二、聚合物纳米复合材料的性能研究1. 力学性能聚合物纳米复合材料的力学性能取决于纳米粒子与聚合物之间的界面作用能力,同时也受到纳米颗粒分散均匀性的影响。
研究表明,当纳米颗粒分散均匀时,能够有效改善材料的屈服强度、断裂韧性和弹性模量等力学性能指标。
例如,将1%的无定形二氧化硅粒子加入聚苯乙烯中,可以使材料的屈服强度提高25%,同时降低了断裂模量。
2. 热稳定性聚合物纳米复合材料的热稳定性主要依赖于纳米颗粒和聚合物之间的相互作用力量。
目前,研究发现,一些金属氧化物纳米颗粒,例如二氧化硅、碳酸钙,可以改善聚合物的热稳定性。
在高温下,这些纳米颗粒能够在材料中起到障碍剂的作用,有效地减缓聚合物的热分解速率。
此外,纳米粒子的尺寸和表面活性也会对材料的热稳定性产生一定的影响。
高分子纳米复合材料的制备与性能研究近年来,高分子纳米复合材料在材料科学和工程领域引起了广泛的关注。
高分子纳米复合材料是由高分子基体和纳米粒子组成的复合材料,具有独特的材料性质和应用潜力。
本文将探讨高分子纳米复合材料的制备方法以及其性能研究。
高分子纳米复合材料的制备方法主要分为两种:一种是填充法,即将纳米粒子填充到高分子基体中;另一种是原位合成法,即在高分子基体中原位合成纳米粒子。
填充法制备高分子纳米复合材料的步骤包括纳米粒子的分散、混合和成型。
首先,纳米粒子需要通过适当的分散剂进行分散,以保证纳米粒子在高分子基体中的均匀分布。
然后,将分散的纳米粒子与高分子基体混合,通过加热、压力或其他力学手段将其成型。
原位合成法制备高分子纳米复合材料时,可以通过在高分子基体中引入相应的化学反应物,使纳米粒子在高分子基体中原位合成。
高分子纳米复合材料具有许多优越的性能,这主要归因于纳米粒子的特殊性质和高分子基体的柔性。
首先,纳米粒子具有高比表面积和量子效应,能够增加复合材料的力学强度、导热性和电导率等性能。
其次,纳米粒子的尺寸效应和界面效应可以改变高分子基体的玻璃化转变温度、热稳定性和电学性能。
此外,纳米粒子还可以通过改变高分子基体的形貌和结构来调控复合材料的光学、磁性和表面性质。
高分子纳米复合材料的性能研究主要包括力学性能、热性能、电学性能和光学性能等方面。
力学性能的研究可以通过拉伸、压缩和弯曲等方式来获得材料的强度、韧性和刚度等参数。
热性能的研究可以通过热重分析仪和差示扫描量热仪等仪器来测定材料的热失重、热稳定性和热传导性等性质。
电学性能的研究可以通过测量材料的电导率、介电常数和介电强度等来评估材料的电子传输性能和绝缘性能。
光学性能的研究可以通过紫外可见分光光度计和显微镜等仪器来测定材料的透明度、折射率和发光性能等。
高分子纳米复合材料的应用潜力非常广泛。
在能源领域,高分子纳米复合材料可以用于制备高效的太阳能电池、锂离子电池和超级电容器等能源存储装置。
纳米复合材料的制备及应用I. 简介纳米复合材料是将不同材料的纳米颗粒加入到基体材料中制备而成的新材料,具有优异的性能及广泛的应用前景。
在不同领域如材料、能源、生物、医疗等方面都有着广泛的应用。
II. 制备方法纳米复合材料的制备方法有多种,其中包括机械合成法、溶液化学法、气相沉积法等。
其基本原理是通过不同的手段将纳米颗粒与基体材料相结合,使其成为一种新型的复合材料。
1. 机械合成法机械合成法是将纳米颗粒与基体材料进行机械混合和反复研磨,使其颗粒大小和分布均匀,从而制备出具有均匀分散的纳米颗粒的复合材料。
2. 溶液化学法溶液化学法是将溶解了纳米颗粒的溶液与基体材料混合反应,从而使纳米颗粒与基体材料结合,形成纳米复合材料。
3. 气相沉积法气相沉积法主要是在高温高压的条件下,将纳米颗粒与基体材料分别蒸发或气化,并通过反应使其结合,形成纳米复合材料。
III. 应用领域纳米复合材料具有广泛的应用领域,包括以下几个方面:1. 材料领域纳米复合材料在材料领域有着广泛的应用,可以用于制备高强度、高硬度、高温度等方面的新材料,例如纳米硬质材料、纳米粘土复合材料、纳米碳复合材料等。
2. 能源领域纳米复合材料在能源领域也有着广泛的应用前景,可以应用于太阳能电池、燃料电池、超级电容器等方面,以提高其性能表现。
3. 生物领域纳米复合材料在生物领域能够制备出高效的药物、生物传感器、生物医学材料等,其应用范围包括医疗、食品、生物工程等方面。
4. 化学领域纳米复合材料在化学领域也有着广泛的应用前景,例如用于化学催化、分离等方面,以提高效率、减少能量消耗等。
IV. 总结纳米复合材料是一种新型的材料,其制备方法简单、效率高,能够应用于多个领域。
未来,随着技术的不断进步,纳米复合材料的性能和应用领域将会越来越广,成为各个领域的重要组成部分。
纳米复合材料的制备与表征方法纳米复合材料是由纳米颗粒与基质组成的材料,具有独特的结构和性质,因此在许多领域具有广泛的应用前景。
为了合成和研究这些材料,科学家们开发了各种制备和表征方法。
本文将介绍纳米复合材料的制备与表征方法。
一、纳米复合材料的制备方法1. 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是制备纳米复合材料的常用方法之一。
这种方法是通过化学反应将溶胶转变为凝胶,然后利用热处理或其他方法将凝胶转变为纳米复合材料。
溶胶是由固体纳米粒子和溶剂组成的液体,凝胶是一种独立的固体结构。
这种方法制备的纳米复合材料具有较大的比表面积和良好的分散性。
2. 化学气相沉积法化学气相沉积法是一种能够在高温环境下制备纳米复合材料的方法。
在这个过程中,气体中的前体分子在高温条件下分解并沉积在基材表面形成纳米复合材料。
这种方法制备的纳米复合材料具有高度晶化度和纳米级尺寸。
3. 真空蒸发法真空蒸发法是一种制备薄膜纳米复合材料的方法。
在这个过程中,材料通常以固体形式被加热,然后通过蒸发将其转化为气态或薄膜形式,在基材表面沉积形成纳米复合材料。
这种方法制备的纳米复合材料具有良好的薄膜质量和控制性。
二、纳米复合材料的表征方法1. 扫描电子显微镜(SEM)扫描电子显微镜是一种常用的纳米复合材料表征方法,可以提供材料表面的形貌和微观结构信息。
通过扫描电子束的显微镜可以得到高分辨率的图像,从而观察材料的粒子形状、尺寸和分布情况。
2. 透射电子显微镜(TEM)透射电子显微镜是一种能够观察材料的内部结构和晶体结构的表征方法。
透射电子显微镜通过透射的电子束来观察材料的薄片,可以得到纳米复合材料的晶格图样和晶体缺陷等信息。
3. X射线衍射(XRD)X射线衍射是一种分析材料的晶体结构和晶体学性质的方法。
通过照射材料样品,可以测量到材料对于入射X射线的衍射图样,从而推断出材料的晶格结构和晶体尺寸。
4. 红外光谱(IR)红外光谱是一种用于分析材料中化学键、功能团和结构信息的表征方法。
高分子纳米复合材料制备方法《高分子纳米复合材料的奇妙制备之旅》嘿,你知道吗?高分子纳米复合材料可神奇啦!今天我就来给你讲讲它的制备方法,就像讲一个超级有趣的冒险故事一样。
我先来说说什么是高分子纳米复合材料吧。
高分子呢,就像是一个超级长的链条,由好多好多小单元连起来的。
纳米材料呢,那可是超级小的东西,小到你都想象不出来。
把这两个家伙组合在一起,就变成了高分子纳米复合材料。
这就好比把小蚂蚁和长长的绳子组合起来,能做出一个超级特别的东西一样。
那怎么制备这个高分子纳米复合材料呢?一种方法是共混法。
这就像是做水果沙拉一样。
我们有高分子这个“大水果”,还有纳米材料这个“小水果”。
我们把它们放在一起搅拌搅拌。
可是呢,这可不是像做水果沙拉那么简单哦。
我们要让纳米材料均匀地分布在高分子里面,就像要让那些小水果在大水果里面分布得很均匀一样难。
有时候,纳米材料会聚在一起,就像小水果们抱成一团,这样可不好。
那怎么办呢?我们就得想办法,比如说加点东西,就像在水果沙拉里加点沙拉酱,让它们更好地混合。
还有一种方法叫原位聚合法。
这个可就更酷了。
这就像是在一个小城堡里建造东西一样。
我们先把纳米材料放在一个地方,就像把建造材料放在城堡里。
然后呢,我们让高分子在这个地方慢慢生长起来。
就好像小种子在城堡里慢慢长成大树一样。
纳米材料就被包裹在高分子里面啦。
我就想啊,这纳米材料在高分子里面是不是像小虫子躲在树洞里一样呢?这个方法的好处就是纳米材料和高分子结合得特别紧密,就像好朋友紧紧抱在一起。
再说说溶胶- 凝胶法吧。
这就有点像变魔术了。
我们有一些特殊的溶液,就像魔法药水一样。
我们把高分子和纳米材料的原料放在这个魔法药水里面。
然后呢,慢慢地,溶液就会变成一种凝胶的样子,就像魔法药水凝固了一样。
在这个过程中,高分子和纳米材料就结合在一起了。
我就好奇,那些科学家们在做这个的时候,是不是感觉自己像魔法师呢?我有个同学叫小明,他也对这个特别感兴趣。
高分子纳米复合材料的制备摘要: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]。
关键词:高分子纳米复合材料,纳米单元,制备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[6~10]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 nm~100 nm)内,就可将其看为高分子纳米复合材料。
对通常的纳米粒子/高分子复合材料按其复合的类型大致可分为三种:0-0复合,0-2 复合和0-3复合,纳米粒子在高分子基体中可以均匀分散,也可以非均匀分散;可能有序排布,也可能无序排布,甚至粒子聚集体形成分形结构;复合体系的主要几何参数包括纳米单元的自身几何参数,空间分布参数和体积分数,本文主要涉及后两种类型的高分子纳米复合材料。
此外,还有1-3复合型,2-3复合型高分子纳米复合材料,高分子纳米多层膜复合材料,有机高分子介孔固体与异质纳米粒子组装的复合材料等等[1]。
纳米单元与高分子直接共混此法是将制备好的纳米单元与高分子直接共混,可以是溶液形式、乳液形式,也可以是熔融形式共混。
可用于直接共混的纳米单元的制备方法种类繁多[15~18],通常有两种形式的制备:从小到大的构筑式,即由原子、分子等前体出发制备;从大到小的粉碎式,即由常规块材前体出发制备(一般为了更好控制所制备的纳米单元的微观结构性能,常采用构筑式制备法)。
总体上又可分为物理方法、化学方法和物理化学方法三种。
物理方法有物理粉碎法,采用超细磨制备纳米粒子,利用介质和物料间相互研磨和冲击,并附以助磨剂或大功率超声波粉碎,达到微粒的微细化;物理气相沉积法(PVD):在低压的惰性气体中加热欲蒸发的物质,使之气化,再在惰性气体中冷凝成纳米粒子,加热源可以是电阻加热、高频感应、电子束或激光等,不同的加热方法制备的纳米粒子的量、大小及分布等有差异;还有流动液面真空蒸发法,放电爆炸法,真空溅射法等等。
化学方法有化学气相沉积法(CVD),采用与PVD法相同的加热源,将原料(金属氧化物、氢氧化物,金属醇盐等)转化为气相,再通过化学反应,成核生长得到纳米粒子;水热合成法:高温高压下在水溶液或蒸气等流体中合成;化学沉淀法[19,20]:将沉淀剂加入金属盐溶液中,得到沉淀后进行热处理,包括直接沉淀、共沉淀、均一沉淀等;溶胶-凝胶(Sol-Gel)法[21,22]:将金属有机醇盐或无机盐溶液经水解,使溶质聚合成溶胶再凝胶固化,再在低温干燥,磨细后再煅烧得到纳米粒子;另外还有喷雾法[30 ]、固液氧化还原法[31,32]等等。
物理化学法有活性氢-熔融金属反应法:含有氢气的惰性气体等离子体与金属间产生电弧,熔融金属,同时电离的惰性气体和氢气溶入熔融金属,然后使熔融金属强制蒸发-凝聚,得到纳米粒子,此法能制备各种金属的高纯纳米粒子及陶瓷纳米粒子,如氮化钛、氮化铝等,生产效率高。
总的来说,纳米单元与高分子直接共混的方法简单易行,可供选择的纳米单元种类多,其自身几何参数和体积分数等便于控制,但所得复合体系的纳米单元空间分布参数一般难以确定,纳米单元的分布很不均匀,且易于发生团聚,影响材料性能,改进方法是对制得的纳米单元做表面改性,改善其分散性、耐久性,提高其表面活性,还能使表面产生新的物理、化学和机械性能等特性[18,33]。
纳米单元表面改性方法根据表面改性剂和单元间有无化学反应可分为表面物理吸附方法和表面化学改性方法两类,既可以采用低分子化合物主要为各种偶联剂改性,而表面接枝聚合改性主要分为在含有可聚合物基团的粒子表面接枝聚合物作为无机粒子的界面改性剂,从粒子表面引发接枝聚合物,再引发接枝聚合物,具有广阔的应用前景。
在高分子基体中原位生成纳米单元:此法是利用聚合物特有的官能团对金属离子的络合吸附及基体对反应物运动的空间位阻 ,或是基体提供了纳米级的空间限制,从而原位反应生成纳米复合材料,常用于制备金属、硫化物和氧化物等纳米单元复合高分子的功能复合材料。
生成纳米单元的前体可以是有机金属化合物,也可以是高分子官能团上吸附(如螯合等)的金属离子等;纳米单元生成的反应方式有辐射、加热、光照、气体反应和溶液反应等多种形式[39~52]。
如果有机高分子树脂本身就是介孔状结构作为“模板”,在其中反应生成纳米单元,例如先将金属离子引入,再在氧气氛中加热或通入硫化氢,可制得氧化物及硫化物纳米粒子,而且通过控制介孔的尺寸及形状可以控制纳米粒子的尺寸和形状[49,50]。
另外,有机高分子纳米粒子复合薄膜可以用纳米粒子胶体悬浮体系直接沉积扩散在高分子膜上制成[51];也可以用分子沉积(MD)技术[52]制备。
在纳米单元存在下单体分子原位聚合生成高分子:此法主要是指在含有金属、硫化物或氢氧化物胶体粒子的溶液中单体分子原位聚合生成高分子,其关键是保持胶体粒子的稳定性,使之不易发生团聚。
纳米粒子表面接枝聚合物后可直接压制成高固含量的复合材料。
纳米单元和高分子同时生成:此法包括插层原位聚合[55~59]制备聚合物基有机-无机纳米复合材料,蒸发(或溅射、激光)沉积法制备纳米金属-有机聚合物复合膜[60]及溶胶-凝胶法[61~63]等。
对纳米级金属微粒均匀分布于有机聚合物中的金属-有机聚合物复合膜,制备方法[64,65]有蒸发沉积、溅射沉积和激光沉积,都是使有机单体在衬底表面聚合,同时金属气化沉积在衬底上,得到金属-有机聚合物复合膜。
需要注意的是有的方法在不同条件下应用,可被归入不同的种类,例如溶胶-凝胶法,此法利用溶胶-凝胶前体Si(OR)4等的水解反应,并加入有机聚合物组分可制备无机/ 有机混杂纳米材料,通过控制有机、无机组分的结构、相形态及相间作用力可极大地改变材料性能。
当在高分子溶液中进行溶胶-凝胶反应,可归入第二类,但在溶胶-凝胶体系中能溶解的,且在凝胶后保持稳定而不沉积的高分子较少,像PVC、PMMA等都不行,而聚2-乙烯基吡啶和聚4-乙烯基吡啶可用于TEOS/H2O体系[66];当在凝胶网络中聚合高分子,则属于第三类,如MMA在SiO2网络中聚合。
当溶胶-凝胶过程和单体分子聚合同时进行时,就属于第四类,ROMP(开环聚合型)高分子聚合与Si(OR)4水解同时进行形成SIPN [67]高分子纳米复合材料的应用及前景由于高分子纳米复合材料既能发挥纳米粒子自身的小尺寸效应、表面效应和量子效应,以及粒子的协同效应,而且兼有高分子材料本身的优点,使得它们在催化、力学、物理功能(光、电、磁、敏感)等方面呈现出常规材料不具备的特性,故而有广阔的应用前景[1]。
利用纳米粒子的催化特性,并用高聚物作为载体,既能发挥纳米粒子的高催化性和选择催化性,又能通过高聚物的稳定作用使之具有长效稳定性[76~78]。
常用的纳米粒子催化剂主要是金属粒子,有贵金属(Pt、Rh、Ag、Pd等)、非贵金属(Ni、Fe、Co等)。
另外一些金属氧化物,如TiO2等具有光催化性能,这些粒子可以负载在多孔树脂上或沉积在聚合物膜上,从而得到纳米粒子/聚合物复合材料催化剂,如Ni/PEO用作烯烃催化氢化等。
纳米粒子加入聚合物基体后,能够改善材料的力学性能。
如纳米α-Al2O 3 /环氧树脂体系,粒径27 nm,用量1%~5%(质量分数)时,玻璃化转变温度提高,模量达极大值,用量超过10%(质量分数)后,模量下降[79]。
又如插层原位聚合制备的聚合物基有机—无机纳米级复合材料(聚酰胺/粘土纳米复合材料等)具有高强度、高模量、高热变形温度等优点,目前已有产品出现,用作自行车、汽车零部件等[55]。
尤其引人注目的是高分子纳米复合材料在功能材料领域方面的应用,包括磁性、电学性质、光学性质、光电性质及敏感性质等方面。
磁性纳米粒子由于尺寸小,具有单磁畴结构,矫顽力很高,用它制作磁记录材料可以提高记录密度,提高信噪比;一般要求与聚合物复合的纳米粒子,采用单磁畴针状微粒,且不能小于超顺磁性临界尺寸(10 nm)。
利用纳米粒子的电学性质,可以制成导电涂料、导电胶等,例如用纳米银代替微米银制成导电胶,可以节省银的用量;还可以用纳米微粒制成绝缘糊、介电糊等。
另外可用于静电屏蔽材料,日本松下公司应用纳米微粒Fe2O3、TiO2、Cr2O3、ZnO等具有半导体特性的氧化物粒子制成具有良好静电屏蔽的涂料,而且可以调节其颜色;在化纤制品中加入金属纳米粒子可以解决其静电问题,提高安全性。
利用纳米粒子的低熔点性质,如纳米银粒子熔点可以降低到100℃,制成的导电浆料可以在低温进行烧结。
利用高分子纳米复合材料的敏感特性用作敏感材料,这是它最有前途的应用领域之一。
不仅由于纳米粒子具有表面积大,表面活性高,对周围环境敏感,温度、气氛、光、湿度等的变化会引起粒子电学、光学等行为的变化,而且纳米粒子在基体中的聚集结构也会发生变化,引起粒子协同性能的变化,因此可望利用纳米粒子制成敏感度高的小型化、低能耗、多功能传感器。
例如气体传感器,红外线传感器,压电传感器,温度传感器和光传感器等。
高分子纳米复合材料用于仿生材料也有大量研究,实际上自然界生物的某些器官就是天然的高分子纳米复合材料[85]。
美国Arizona材料实验室和Princeton 大学选用聚二甲基丙烯酸甲酯和聚偏氟乙烯共混物作为基体,通过钛的醇盐水解粒子,通过沉淀过程中拉伸来控制堆垛取向,在基体中原位生成长型的纳米TiO2来制备人造骨头。
又如采用无机纳米粒子与高沸点多官能低聚物(UDMA、Bis-GMA、Bis-PMEPP等)混和成型,所得材料的硬度高、耐磨性好、吸水性低、透明性高,可用于制备人工齿[86]。