纳米技术在高分子材料改性中的应用

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1、纳米技术在高分子材料改性中的应用纳米材料及其技术是随着科技发展而形成的新型应用技术。纳米材料的研究是从金属粉末、陶瓷等领域开始的,现已在微电子、冶金、化工、电子、国防、核技术、航天、医学和生物工程等领域得到广泛的应用。近年来将纳米材料分散于聚合物中以提高高分子材料性能的研究也日益活跃,并取得了许多可观的成果。一、纳米粒子的特性及其对纳米复合材料的性能影响1·1纳米粒子的特性纳米粒子按成分分可以是金属,也可以是非金属,包括无机物和有机高分子等;按相结构分可以是单相,也可以是多相;根据原子排列的对称

2、性和有序程度,有晶态、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,使其在催化、光电、磁性、热、力学等方面表现出许多奇异的物理和化学性能,具有许多重要的应用价值。(1)表面与界面效应。纳米微粒比表面积大,位于表面的原子占相当大的比例,表面能高。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,能与某些大分子发生键合作用,提高分子间的键合力,从而使添加纳米材料的复合材料的强

3、度、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、化学活性、催化性及熔点等发生变化。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定值时,费米能级附近的电子能级由准连续能级变为

4、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性质等。总之,纳米材料能在低温下继续保持顺磁性,对光有强烈的吸收能力,能大量的吸收紫外线,对红外线亦有强烈的吸收能力;在高温下,仍具有高强、高韧性、优良的稳定性等,其应用前景十分广阔,在高分子材料改性中的研究也将出现一个新的发展。1·2纳米材料的表面改性纳米材料粒径小,表面能大,易于团聚,在制备纳米材料/聚合物复合材料时,用通常的共混法难以得到纳米结构的复合材料。为了增加纳米材料与聚合物的界面结合力,提高纳米微粒的分散能力,需

5、对纳米材料的表面进行改性。主要是降低粒子的表面能态,消除粒子的表面电荷,提高纳米粒子有机相的亲和力,减弱纳米粒子的表面极性等。一般来说,纳米材料的表面改性可大致分为以下几点:(1)表面覆盖改性。利用表面活性剂覆盖于纳米粒子表面,赋予粒子表面新的性质。常用的表面改性剂有硅烷偶联剂、钛酸酯类偶联剂、硬脂酸、有机硅等;(2)机械化学改性。运用粉碎、摩擦等方法,利用机械应力作用对纳米粒子表面进行激活,以改变表面晶体结构和物理化学结构。这种方法使分子晶格发生位移,内能增大,在外力的作用下活性的粉末表面与其

6、它物质发生反应、附着,达到表面改性的目的;(3)外膜层改性。在纳米粒子表面均匀地包覆一层其它物质的膜,使粒子表面性质发生变化;(4)局部活性改性。利用化学反应在纳米粒子表面接枝带有不同功能基团的聚合物,使之具有新的功能;(5)高能量表面改性。利用高能电晕放电、紫外线、等离子射线等对纳米粒子表面改性;(6)利用沉淀反应进行表面改性。利用有机物或无机物在纳米粒子表面沉淀一层包覆物以改变其表面性质。在以上方法中,最简单和最常用的方法是添加界面改性剂,即分散剂、偶联剂等。分散剂能降低填料粒子的表面能,改

7、善填料的分散状况,但不能改善填料粒子和基体的界面结合。偶联剂则可和基体有强的相互作用。1·3纳米粒子对复合材料的性能影响1·3·1粒径对纳米复合材料力学性能的影响(1)对复合材料拉伸强度的影响。普通填料填充后的复合材料一般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,并在一定范围出现极值。如纳米SiO2填充复合材料的拉伸强度在SiO2的体积数为4%左右时达到最大值。(2)对复合材料断裂伸长率的影响。研究表明,采用普通CaCO3和微米级、纳米级CaCO3填充PE,随着粒

8、子粒径的减小,复合材料的断裂伸长率逐渐提高。(3)对纳米聚合物复合材料杨氏模量的影响。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,易于与聚合物充分地吸附、键合所致。1·3·2不同种类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,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