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。
2.纳米无机复合材料相关应用与发展
材料性能与组织结构有密切关系。
与其他材料相比,纳米复合材料的物相之间有更加明显并呈规律变化的几何排列与空间结构属性,因此聚合物基纳米复合材料具有灵活的结构可设计性及优于一般传统复合材料的特性,在许多领域有着广泛的应用前景。
2.1吸波材料
根据目前吸波材料的发展现状,一种类型的材料很难满足日益提高的隐身技术提出的“薄、宽、轻、强”的综合要求[3 ] ,采用质量轻的有机聚合物作基体,无机吸收剂作客体进行多元复合制备吸波材料就成了必然趋势。
另外,具有共轭电子体系结构,通过掺杂而成的导电聚合物(如聚乙炔、聚苯胺、聚苯硫醚、聚吡咯、聚噻吩) 本身就有较好的微波吸收性能,一些聚合物还具有红外活性或红外特征吸收带[4 ,5 ] ,利于红外吸波。
聚合物基纳米无机复合材料可以方便地调节复合物的电磁参数,以达到阻抗匹配的要求,且价廉。
美国F117 飞机蒙皮上的隐身材料就含有多种超微粒子,它们对不同频段的电磁波有强烈的吸收能力[6] 。
2.2增强增韧材料
通过共混、原位聚合、辐射聚合等方法得到的纳米无机复合材料, 可以获得较高的高分子强度、模量等性能。
任杰[7]等用种不同粒径的纳米。
粒子增韧合金体系时发现基材韧性适当时粒径为吸。
一的纳米的用量、的用量时, 共混体系的综合力学性能最佳即在抗冲击强度达到最大值的同时, 拉伸强度变化不大, 而且该配比体系的塑化性能得到显著改善, 塑化时间明显缩短。
无机纳米粒子对通用塑料的增强和增韧可以实现通用塑料的高性能化和低成本化。
2.3包装材料
聚合物层状硅酸盐纳米复合材料的阻隔性能比纯高聚物及一般共混物都有显著提高, 可用于包装领域或制作各种容器、油箱、啤酒瓶等。
如中国科学院化学所的漆宗能和燕山聚酷厂合作, 己将纳米复合材料制备成啤酒瓶是我国第一批产业化的聚合物粘土纳米复合材料产品。
2.4导电材料
在层状无机物中嵌入导电聚合物,可制得导电或半导电材料。
聚苯胺、聚吡咯嵌入层状粘土中,可形成金属绝缘体纳米复合材料,其导电性具有很高的各向异性。
聚环氧乙烷/ 粘土纳米复合材料中,片层物阻碍了聚合物三维结晶,提高了电解质导电性,可做
成电极材料。
2.5储能材料
将纳米氧化物粉体与导电高聚物复合制备复合材料,是控制并利用其电化学活性的
有效方法之一。
多氧酸金属盐是分子无机化学的传统研究对象,其规整的结构、可逆的多电子电化学反应性能以及光电化学性能,使其成为结构型与功能型纳米氧化物的典
范[8] 。
Gomez Romero 等将导电PAN 与纳米级多氧酸金属盐[ H3 ( PMo12O40 ) ]复合得到的纳米复合材料制成了具有优异储能性能的固态电化学电容器[9] ,这种纳米
复合材料杂化膜所表现出来的优异储电性能已经引起了人们的极大兴趣。
相信通过控制此复合杂化膜材料中纳米级多氧酸金属盐的电化学活性及PAN 的氧化掺杂程度,来
调节电容器的电化学性能,有望获得具有实际应用价值的新型优异储能材料。
2.6 阻燃材料
20 世纪80 年代末及90 年代初兴起的聚合物/无机物纳米复合材料开辟了阻燃高
分子材料的新途径,被一些国外文献誉为塑料阻燃技术的革命[8] 。
当其中无机物组
分质量分数为5 %～10 %时,由于纳米材料极大的比表面积而产生的一系列效应,使这
类材料的耐热性和阻燃性大为提高[10 ] 。
因此,以聚合物/ 无机物纳米复合材料作
为阻燃材料,不仅有可能达到很多使用场所要求的阻燃等级,且能保持甚至改善聚合
物基材的原有优异性能。
目前研究最多且最有希望工业化生产的这类纳米复合材料是聚合物/ 层状硅酸盐(LS) 复合材料[11 ] 。
欧育湘介绍了顺丁烯二酸酐接枝聚丙烯( PPgMA) / LS 纳米复合材料及PS/ LS 纳米复合材料的阻燃性能,并简述了其制备方法及结构特征[12 ] 。
3.应用前景展望
聚合物基有机一无机纳米复合材料中无机物含量可控, 重量轻能开发出高性能
的工程塑料、复合纤维, 便于加工, 适于作耐磨及结构材料, 如交通工具、飞机部件、建筑材料、织物热稳定性好, 加上它特殊的形态结构和优异的力学性能, 可用来制作一些隔热部件阻隔性能比纯聚合物及一般共混物都有显著提高, 以及其各向异性的
特点, 可用于包装领域, 制备具有良好的选择透气性阻隔性的材料, 还可用于制造
各种容器、油箱及薄膜等。
某些生物类物质, 如蛋白质,可封存到孔状的卜玻璃中, 形成生物凝胶体, 以控制生物反应, 在生物技术、酶工程中大有用处将粘土分散于环氧
中制成涂料, 在韧性、对水的阻隔性上都会有所改善, 粘土的片状结构还有可能使涂层的光学性能发生变化, 从而得到新型涂料其特殊的阻燃性可以满足建筑行业包括内装修、石油化工、天然气贮存等领域对高性能阻嫩材料的迫切需要优异的光学性能, 使得聚合物基有机一无机纳米复合材料在光学尤其是非线性光学领域大有用武之地。
结语
目前, 纳米复合材料的研究与开发还处于起步阶段, 有待进一步的理论研究。
但我们坚信，聚合物基纳米无机复合材料未来将会在更多的领域中发挥更多的作用。
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化学工业与工程技术2004年第
25卷第
6期。