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1、有机无机纳米复合材料的研究进展发信站:哈工大紫丁香(2001年04月17日19:51:27星期二),站内信件有机无机纳米复合材料的研究进展杨勇,朱子康(上海交通大学化学化工学院)漆宗能(中国科学院化学研究所)复合材料是指由超过一种以上的材料或材料相复合而成,用于获取具有某种特殊性能或良好综合性能的材料.高聚物基复合材料PMCs最先得到发展,已有半个多世纪的历史,在工业、民用、航天航空、生态、智能等领域取得了广泛的应用[1].纳米复合材料是一类新型复合材料,它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
2、粒复合于基质中构成一种复合材料.纳米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,将给材料的物理和化学性质带来特殊的变化,正日益受到关注.纳米材料被誉为"21世纪最有前途的材料",该类材料研究的种类已经涉及到无机物、有机物和非晶态材料等.有机无机纳米复合材料因其综合了有机物和无机物各自的优点,并且可以在力学、热学、光学、电磁学和生物学等方面赋予材料许多优异的性能,正在成为材料科学研究的热点之一.目前,国内外这方面的研究成果正不断见诸报道[2,3].本文拟对这些研究进展作一综述.1有机无机纳米复合技术最先制
3、得的纳米复合材料是无机纳米复合材料,如金属、非金属,陶瓷和石英玻璃等.目前,纳米复合材料研究的种类已涉及到有机物和非晶态材料等.各国首先着重于纳米复合材料制备方法的研究,特别是薄膜制备法的研究.纳米复合方法常用的有三种:溶胶凝胶法、嵌入法和纳米微粒填充法.其中溶胶凝胶法较早用于制备有机无机分子杂化材料或纳米复合材料;嵌入法在分子材料领域表现出很好的前景,特别是将不同的性能综合到单一的材料中去.1.1溶胶凝胶法(SolGelProcess)在18世纪中期,Ebelman和Grahman[4]在对二氧化硅凝胶
4、的研究中,产生了用溶胶凝胶工艺制备无机陶瓷和玻璃的兴趣.溶胶凝胶产品最早出现在50年代,除了粉末材料外,多孔固体、纤维、涂层和薄膜也相继被制备.溶胶凝胶工艺的基本过程是液体金属烷氧化物M(OR)4(M为Si、Ti等元素,R为CH3、C2H5等烷基)与醇和水混合,在催化剂作用下发生如下水解缩合反应:水解反应TEOS+4H2O→Si(OH)4+4EtOH缩合反应Si(OH)4+Si(OH)4→(HO)3Si-O-Si(OH)3+H2O当另外的≡Si-OH四配位体互相链接,则发生如下缩聚反应,并最终形成三维的Si
5、O2凝胶网络.(OH)3Si-O-Si(OH)3+6Si(OH)4→((HO)3Si-O)3Si-O-Si(O-Si(OH)3)3+6H2O凝胶的结构取决于水解反应速率kh和缩合反应速率kc.影响速率的因素包括:温度、溶剂的性质、烷氧化物先驱体的性质、电解质(酸、碱)的性质和浓度、R比值([H2O]/[TEOS])和压力等.近年来,利用金属烷氧化物的溶胶凝胶反应与聚合反应巧妙的组合,制备有机无机纳米复合材料已成为材料科学新的热点.通过选择不同的原料和控制合成反应,可以制备出具有不同性能和满足广泛需要的有机无机
6、纳米复合材料[4].溶胶凝胶法已被越来越广泛地应用到电子陶瓷、光学、热学、化学、生物学以及复合材料等领域.1.2嵌入法(IntercalationProcess)嵌入法是将客体嵌入到层状结构的主体中去的复合方法,它包括:(1)将有机单体分散到无机介质中,然后引发单体进行原位聚合反应,有机高分子嵌入无机片层结构中,如尼龙6/粘土纳米复合材料[5];(2)将高聚物直接嵌入到片层结构的无机主体中去.如果主体结构可以制备成胶体溶液,如层状主体剥离后产生单片胶体,则剥离/吸收工艺被证明可以在室温下成功地制备含有大量层状固体
7、与可溶性高聚物的纳米复合材料[6].在制备多性能材料领域,嵌入法提供了一种可替代SolGel的方法,尤其在某些特殊场合可以获得更好的结晶性,在要求协同作用时,这是一个至关重要的因素.1.3纳米微粒填充法(NanoparticleFilling)该方法可分两种:一种是将纳米量级的颗粒如SiO2等制成胶体溶液,然后与高聚物溶液混合均匀,蒸发掉溶剂即成纳米复合材料,如无机颗粒嵌入到高聚物基体中,或有机组分嵌入到无机基体中.另一种是无机小粒子分散到有机单体中,然后引发单体聚合,无机颗粒包裹在有机基体中.2有机无机纳米
8、复合材料的制备2.1高聚物/SiO2纳米复合材料溶胶凝胶工艺是合成高聚物/SiO2纳米复合材料的主要方法.其基本思想是:有机物和金属烷氧化物(如TEOS)先驱体溶解在相同的溶剂里,由于烷氧化物的水解和缩聚反应形成氧化物凝胶网络.而有机物仍然留在网络之中,甚至可以使有机物以化学键形式结合在氧化物网络上,构成有机无机杂化纳米复合材料,即有机、无机相间可以纯粹
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