纳米复合材料及其制备技术综述

第23卷第4期2002年7月 江苏大学学报(自然科学版)

Journal of Jiangsu U niversity(Natur al Science)

V ol.23No.4

July2002

纳米复合材料及其制备技术综述

赵晓兵,陈志刚

(江苏大学材料科学与工程学院,江苏镇江212013)

[摘 要]纳米材料是一种新型高性能的材料,已在工业生产中得到了广泛的应用 由于它具有特殊的用途和性能,更多地应用于一些特定的场合 纳米材料的制备方法一直是人们关注的热点问题,本文综述了纳米复合材料的制备方法,着重介绍了制备纳米复合材料的关键 纳米粉体的分散技术,重点介绍了几种常用的分散方法及其原理,并较全面地分析了纳米复合材料的应用前景

[关键词]纳米复合材料;制备方法;分散

[中图分类号]TB383 [文献标识码]A [文章编号]1671-7775(2002)04-0052-05

纳米材料是指三维空间中至少有一维处于纳米尺度的范围或由它们作为基本单元构成的材料 在纳米量级的范围内,材料的各种限域效应能够引起各种特性发生相当大的改变[1,2] 这些变化可以提高材料的综合性能,为发展新型高性能材料创造了条件 然而,单一的纳米晶材料在制备技术上存在困难,往往不能满足实际应用的需要,许多研究将纳米粒子和其他材料复合成纳米复合材料,这种复合材料有可能同时兼顾纳米粒子和其他材料的优点,具有特殊的性能 纳米复合材料的概念最早是由Rey和Kom arneni在20世纪80年代提出的[3] 纳米复合材料是由两种或两种以上的不同相材料组成,其复合结构中至少有一个相在一个维度上呈纳米级大小 纳米复合材料的组成可以是金属/金属、金属/陶瓷、陶瓷/陶瓷、无机(金属、陶瓷)/聚合物、聚合物/无机及聚合物/聚合物等不同的组合方式

1 纳米粉体的分散

由于纳米组分粒径小、比表面积大,极易形成尺寸较大的团聚体[4],从而使纳米复合材料中不存在或存在很少的纳米相,难以发挥纳米相的独特作用 因此,纳米组分在基体中的分散是制备纳米复合材料的关键,受到广泛的重视,目前主要采用以下几种方法实现纳米级分散

1 1 超声波分散

利用超声空化时产生的局部高温、高压或强冲击波和微射流等,弱化纳米粒子间的纳米作用能,可有效地防止纳米粒子的团聚 Lu将平均粒径为10nm的CrSi2加到丙烯晴-苯乙烯共聚物的四氢呋喃溶液中,经超声分散得到包裹高分子材料的纳米晶体[5]

采用超声波分散时,若停止超声波振荡,仍有可能使纳米粒子再度团聚 另外,超声波对极细小的纳米颗粒,其分散效果并不理想,因为超声波分散时,颗粒共振加速运动,使颗粒碰撞能量增加,可能导致团聚

1 2 机械搅拌分散

借助外力的剪切作用使纳米粒子分散在介质中 在机械搅拌下纳米粒子的特殊结构容易产生化学反应,形成有机化合物枝链或保护层,使纳米粒子更易分散 但搅拌会造成溶液飞溅,反应物损失 1 3 分散剂分散

1 3 1 加入反絮凝剂形成双电层

选择适当的电解质作分散剂,使纳米粒子表面吸引异电离子形成双电层,通过双电层之间的库仑排斥作用使纳米粒子分散 例如,用盐酸处理纳米Al2O3后,在纳米Al2O3粒子表面生成三氯化铝(AlCl3),三氯化铝水解生成AlCl2+和AlCl2+,犹如纳米Al2O3粒子表面吸附了一层AlCl2+和AlCl2+,使纳米Al2O3成为一个带正电荷的胶粒,然后胶粒吸附OH-而形成一个庞大的胶团 如图1所示 由此可得分散较好的悬浮液

[收稿日期]2002-03-04

[基金项目]江苏省教育厅自然科学基金资助项目(99KJD430004) [作者简介]赵晓兵(1975-),男,河北石家庄人,江苏大学硕士生

图1 Al 2O 3纳米粒子双电层结构示意图

Fig.1 T he schematic structure of the double electronic shell

of A l 2O 3nanoparticle

1 3

2 加表(界)面活性剂包裹微粒

加入适当的表面活性剂,使其吸附在粒子表面,形成微胞,由于活性剂的存在而产生粒子间的排斥力,使得粒子间不能接触,从而防止团聚体的产生 Papell 在制备Fe 3O 4磁性液体时就采用油酸作表面活性剂,达到分散的目的 其具体的方法是将直径约30 m 的Fe 3O 4团聚体放入油酸和n 庚烷中进行长时间的球磨,得到直径约10nm 的Fe 3O 4微粒,并稳定地分散在n 庚烷中的磁流体,每个Fe 3O 4微粒均包裹了一层油酸 图2是包裹油酸的强磁性微粒之间的关系图 图3给出了范德瓦尔斯力V A ,磁引力V N 及油酸层的立体障碍效应产生的排斥力V R 与h 的关系曲线,h =R /r -2 由图3可以看出,粒子之间存在位垒,粒子间若要发生团聚,就必须有足够大的引力才能使粒子越过势垒,由于V A 和V N 很小,很难使粒子越过势垒,因此磁性纳米粒子不会团聚

图2 磁性液体中吸附厚度为 的油酸强磁性微粒示意图

Fig.2 Ferromagnetic par ticles w ith absorption thickness of

oleic acid among magnetic

liquid

图3 粒径10nm 的磁性微粒电位图

F ig.3 T he electric potential o f 10nm magnetic part icles

然而,分散剂添加时间的不同使保护效果不同 在反应前先将分散剂分散在溶液中的效果最好,随着分散剂添加量的增加,粒子的粒径变小,由于纳米颗粒度很小,比表面积很大,在浓度大时易发生 聚集长大!,从而降低了分散效果 此外分散剂粘度较大时,其保护作用明显,而且由于粘度大而使颗粒不易聚沉[6] 1 4 化学改性分散

利用表面化学方法,如利用有机物分子中的官能团与纳米粒子表面基团进行化学反应,将聚合物接枝到纳米粒子表面,或利用可聚合的有机小分子在纳米粒子表面的活性点上的聚合反应,在纳米粒子表面构成聚合物层,从而达到表面改性 表面化学改性一般在高速加热混合机或捏合机、流态化床、研磨机等设备中进行 影响化学改性的主要因素有:∀颗粒的表面性质,如表面官能团的类型、表面酸碱性、水分含量、比表面积等;#表面改性剂的种类、用量及方法;∃工艺设备及操作条件,如设备性能、物料的运动状态或机械对物料的作用方式、反应温度和反应时间等

2 纳米复合材料的制备方法

纳米复合材料的制备是研究纳米复合材料性能及其应用的基础,其制备方法一直是该领域的研究热点 进行复合制备工艺之前,一般应对粉体表面进行改性处理 改性的方法有包覆处理改性、沉淀反应改性、表面化学改性、高能处理改性及胶囊化改性等

2 1 溶胶-悬浮液混合法

通过添加分散剂、调整pH 值,先分别制备各组元充分分散的单相稳定悬浮液,然后找出各相颗

53

第4期 赵晓兵等:纳米复合材料及其制备技术综述