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1、第4期高分子通报·9·聚合物基无机纳米复合材料的制备方法Ⅰ1原位生成法1,221生瑜,朱德钦,陈建定(11华东理工大学材料工程学院,教育部超细材料制备与应用重点实验室,上海20023721福建师范大学高分子研究所,福州350007)摘要:无机纳米颗粒因其巨大的表面能有很强的团聚趋势,用常规复合方法难以制得聚合物基无机纳米复合材料。本文对聚合物基无机纳米复合材料的复合形式和制备方法进行了探讨,分为两篇对原位生成法、直接分散法、同时形成法的原理和方法进行综论。本篇主要讨论原位生成法的基本原理、关键技术和制备过程。关键词:纳米复合材料;有机2无机复合;
2、原位生成法20世纪80年代末,纳米体系(1～100nm)成为科学家十分关注的研究对象。纳米材料刚刚诞生几年,纳米材料体系所具有的独特性质和新的规律,已使这一领域成为跨世纪材料学研究的热点。纳米合成为发展新型材料提供了新的途径和新的思路,纳米微粒的诞生也为常规的复合材料[1]的研究增添了许多内容。Roy于1984年最早提出了纳米复合材料的概念,其定义为:至少有一种分散相的一维尺度在100nm以内的复合材料,称为纳米复合材料(nanocomposite)。由于纳米粒子的小尺寸效应、量子尺寸效应、量子隧道效应和表面界面效应等,使得纳米微粒和纳米固体呈现
3、出许多奇异的物理、化学性质,因而纳米复合材料备受各国的科研工作者的关注,被称为21世纪最有前途的材料之一,它的研究和应用已在国内外广泛展开,并取得了一定的成果。本文将讨论以有机聚合物为基体的无机纳米复合材料,即作为分散相的无机化合物、金属粒子至少有一维尺度在1～100nm范围的聚合物基复合材料。1聚合物基无机纳米复合材料的复合形式根据定义至少有一维尺度在1～100nm范围的物质称为纳米材料,作者将三维尺度均在100nm以内的颗粒称为纳米粒子(以0表示),二维尺度在100nm以内的称为纳米纤维(以1表示),只有一维尺度在100纳米以内的称为纳米薄膜
4、(以2表示),三维尺度均超过100nm的称为常规材料(以3表示)。那么纳米复合材料的复合方式可能有0～0,0～1,0～2,0～3,1～1,1～2,1～3,2～2,2～3的形式的复合。0～0复合即不同成分、不同相或者不同种类的纳米粒子复合而成的纳米固体,这种复合体的纳米粒子可以是金属与金属、金属与陶瓷、金属与高分子、陶瓷与陶瓷、陶瓷与高分子等构成的纳米复合体,它们沿一维方向排列成纳米丝,在二维方向排列成纳米薄膜,在三维空间堆积成纳米块体作者简介:生瑜(1966—),男,江苏泰兴人,福建师范大学高分子研究所副研究员,现在华东理工大学材料工程学院攻读博
5、士学位。主要研究方向:烷氧金属有机高分子、阻燃高分子材料、纳米复合材料。·10·高分子通报2001年8月材料。0～0复合材料的制备方法、性质研究是当今纳米材料中的主要内容和研究热点。对于聚合物基无机纳米复合材料而言,主要的复合形式为0～2,0～3,1～3,2～3复合。0～2[2]复合即把无机纳米粒子分散到二维的聚合物纳米薄膜材料,如Liu等人将TiO2分散到聚合物纳米薄膜中。这种0～2复合材料又可以分为均匀弥散和非均匀弥散两大类。均匀弥散是指无机纳米粒子在薄膜中均匀分布,人们可根据需要控制纳米粒子的粒径及粒间距。非均匀弥散是指纳米粒子随机地混乱地
6、分散在薄膜基体中。在制备0～2复合材料中最重要的几个参数是纳米粒子的粒径大小、掺入的粒子体积分数和纳米微粒在基体膜中的分布。0～3复合即无机纳米颗粒分散到常规的三维聚合物基体中,这是聚合物基无机纳米复合材料的主体。1～3复合主要是纳米晶须和纳米碳管(Buckytube),以及利用纳米碳管制成的纳米丝和纳米棒与高分子基体的复合,纳米晶须、纳米碳管、纳米丝、纳米棒的直径一般为几个纳米,长度为几百纳米。2～3复合主要是一些层状无机化合物(厚度为几个纳米,长度、宽度大于一百纳米)与聚合物形成的复合材料。2聚合物基无机纳米复合材料的制备方法聚合物基无机填料
7、复合材料制备的常规加工方法如双辊开炼、螺杆挤出、熔融混合、溶液混合等在一般情况下不能用来制备聚合物基无机纳米复合材料,因为这些常规方法从本质上分散和混合的尺度是在几百纳米以上。无机纳米颗粒由于具有极高的表面能,有很强的团聚趋势,在与聚合物混合的加工过程中遇热、力等作用,破坏其原为分散的平衡状态,往往得到的是纳米颗粒团聚成几百纳米甚至微米尺度的复合材料,从而丧失纳米颗粒的特有功能和作用。因此制备过程如何获得纳米级分散是聚合物基无机纳米复合材料的研究热点,研究者们曾作不懈的努力,探索出卓有成效的方法。既然纳米尺度是处于宏观与微观之间的一种介观状态,因
8、此纳米粒子可以从原子或分子成长而得,即“由小到大”;也可以从宏观块体材料通过适当的方法破碎而成,这是一个“由大到小”过程。目前文献报道的
