高分子材料的纳米技术改性与应用

文章编号:100523360(2004)0520034205高分子材料的纳米技术改性与应用蒋美丽(湖南大学衡阳分校,湖南衡阳421101)摘要:介绍了纳米粒子改性高分子材料的原理及表征,以及纳米粒子在塑料、橡胶和化学纤维及涂料中的改性应用。关键词:纳米;高分子材料;改性中图分类号:TQ0501425文献标识码:B作者简介:蒋美丽:1986年毕业于太原机械学院塑料加工专业,现从事高分子材料与工程专业教学。收稿日期:2003211218纳米科学是研究千万分之一米到十亿分之一米内,原子、分子和其他类型物质的运动和变化的科学。在这一尺度内对原子、分子进行操作和加工称为纳米技术。将纳米技术用于高分子材料,可以得到一般高分子材料所不具备的优异性能。高分子Π纳米粒子复合材料可以把无机材料的强度、模量、尺寸稳定性及光电性能与高分子材料的韧性、可加工性和介电性能有机地结合起来,对高分子材料的发展必将产生重大而深远的影响,因而引起了科研人员对这一学科领域的广泛关注[1]。1纳米粒子的特性及其影响1.1纳米粒子的特性[2]纳米粒子按成分可分为金属和非金属,包括无机物和有机高分子;按相结构可分为单相和多相;根据原子排列的对称性和有序程度,可分为晶态、非晶态、准晶态。由于颗粒尺寸进入纳米量级后,其结构与常规材料相比发生了很大的变化,使材料的催化、光电、磁性、热、力学等性能有了很大的改善,具有重要的应用价值。(1)表面与界面效应。纳米微粒比表面积大,位于其表面的原子占相当大的比例(如表1所示),表面能高。表1纳米微粒尺寸与表面原子数的关系粒径,nm10421表面原子比例,%20408099从表1可以看出,处于粒子表面的原子数随粒径的减小而迅速增加。由于表面原子缺少邻近配位的原子和具有高的表面能,使得表面原子具有很大的化学活性,从而使纳米粒子表现出强烈的表面效应。利用纳米材料的这种特点,与某些大分子发生键合作用,提高分子间的键合力,从而使添加纳米粒子的复合材料的强度和韧性大幅度提高。(2)小尺寸效应。当超细微粒的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时,晶体周期性的边界条件将被破坏,导致其磁性、光吸收、热性能、化学活性、催化性能及熔点发生变化。如银的熔点为900℃,而纳米银粉的熔点仅为100℃(一般纳米材料的熔点为其原来块体材料的30%～50%)。应用于高分子材料改性,利用纳米材料的高流动性和小尺寸效应,可使纳米复合材料的延展性提高,摩擦系数减小,材料表面光洁度大大改善。(3)量子尺寸效应。即纳米材料颗粒尺寸小到一定值时,费米能级附近的电子能级由准连续能级变为离散能级的现象。其结果使纳米材料具有高度光学非线性、特异性催化和光催化等性能。总之,纳米材料能在低温下继续保持顺磁性,对光43塑料科技PLASTICSSCI1&TECHNOLOGY№5(Sum1163)October2004©1994-2008ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net有强烈的吸收能力,能大量的吸收紫外线,对红外线亦有强烈的吸收能力;高温下,其仍具有高强度、高韧性、优良的稳定性等,应用前景十分广阔,在高分子材料改性中的研究也将出现一个新的发展。1.2粒径对纳米复合材料力学性能的影响11211对拉伸强度的影响普通填料填充的复合材料,其拉伸强度都有明显下降,而采用纳米材料填充的复合材料,其拉伸强度会有所增加,并在一定范围内出现极值。如纳米SiO2填充复合材料的拉伸强度在SiO2的体积分数为4%左右时达到最大值。11212对断裂伸长率的影响研究表明,采用普通CaCO3和微米级、纳米级CaCO3填充PE,随着粒子粒径的减小,复合材料的断裂伸长率逐渐提高。11213对杨氏模量的影响对于相同的基体和填料,采用相同的处理方法,微米级填料使复合材料的杨氏模量增长平缓,而纳米级填料则可使复合材料的杨氏模量急剧上升。产生这种结果的原因是纳米材料比表面积大,表面原子所占比例大,易与聚合物充分地吸附、键合。1.3纳米材料对复合材料力学性能的影响采用不同种类的纳米材料填充聚合物,可使复合材料的性能在某一点上出现极值。这是由于不同粒子的官能团种类、数目及表层厚度不同,在粒子与基体作用的同时,粒子之间也相互吸附,从而表现出协同效应。如用超微CaCO3和超微滑石粉进行实验,当填充量增大,单纯采用CaCO3或滑石粉都会使冲击强度、断裂伸长率减小,而协同效应使得冲击强度、断裂伸长率不断增大。2高分子纳米复合材料的表征高分子纳米复合材料的表征可分为两个方面[2]:结构表征和性能表征。结构表征主要指对复合体系纳米相结构形态的表征,包括粒子初级结构和次级结构(纳米粒子自身的结构特征、粒子的形状、粒子的尺寸