納米技術(shù)的發(fā)展日新月異，納米高分子材料作為其中的重要分支，研發(fā)呈現(xiàn)出新的趨勢。由于納米材料具有許多新的特性，如特殊的磁學(xué)特性、光學(xué)特性、電學(xué)特性和化學(xué)活性等，利用納米粒子的這些特性對高分子材料進(jìn)行改性，可以得到具有特殊功能的高分子材料。這不僅使高分子材料的性能更加優(yōu)異，使其更加廣泛地應(yīng)用于微電子、化工、國防、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。
1 納米高分子材料的優(yōu)勢
通常是將納米微粒與聚合物基材進(jìn)行復(fù)合，利用其特殊性質(zhì)來開發(fā)新產(chǎn)品，這比研究全新的聚合物材料投資少，周期短，生產(chǎn)成本低。與普通改性材料不同，納米粒子具有特殊的表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)以及宏觀量子隧道效應(yīng)等，這些效應(yīng)的綜合作用導(dǎo)致了改性后的高分子材料具有特殊性能。比如，納米粒子巨大的比表面積產(chǎn)生的表面效應(yīng)，可使經(jīng)納米粒子改性后的高分子材料的機(jī)械性能、熱傳導(dǎo)性、觸媒性質(zhì)、破壞韌性等均與一般材料不
同，有的材料還具有了新的阻燃性和阻隔性。
2 納米微粒的改良方法
納米高分子材料被科學(xué)家稱為強(qiáng)大的混血兒。納米微粒徑小、表面積大、易于團(tuán)聚，。為了增加納米添加物與聚合物的界面結(jié)合力，提高納米微粒的均勻分散能力，需對納米粉末進(jìn)行表面改性。主要是降低粒子的表面能態(tài)、消除粒子的表面電荷、提高納米粒子與有機(jī)相的親和力、減弱納米粒子的表面極性等。一般可采用6種方法對納米粒子進(jìn)行表面改性:
⑴表面覆蓋改性。利用表面活性劑覆蓋于納米粒子表面，賦予粒子表面新的性質(zhì)。常用的表面改性劑有硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯類偶聯(lián)劑、硬脂酸、有機(jī)硅等;
⑵機(jī)械化學(xué)改性。運(yùn)用粉碎、摩擦等方法，利用機(jī)械應(yīng)力作用對納米粒子表面進(jìn)行激活，以改變表面晶體結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)結(jié)構(gòu)，這種方法使分子晶格發(fā)生位移、內(nèi)能增大，在外力的作用下活性的粉末表面與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)、附著，達(dá)到表面改性目的;
⑶外膜層改性，在納米粒子表面均勻地包覆一層其他物質(zhì)的膜，使粒子表面性質(zhì)發(fā)生變化;
⑷局部活性改性，利用化學(xué)反應(yīng)在納米粒子表面接枝帶有不同官能基團(tuán)的聚合物，使具有新功能;
⑸高能量表面改性，利用高能電暈放電、紫外線、等離子射線等對納米粒子進(jìn)行表面改性;
⑹利用沉淀反應(yīng)進(jìn)行表面改性，利用有機(jī)或無機(jī)物在納米粒子表面沉淀一層包覆物，以改變其表面性質(zhì)。
以上方法中最簡單和最常用的方法是添加界面改性劑，即分散劑、偶聯(lián)劑等，分散劑能降低納米粒子的表面能、改善填料的分散狀況，但不能改善填料納米粒子與基體的界面結(jié)合，偶聯(lián)劑即可與基材有強(qiáng)的相互作用。
3 納米技術(shù)在高分子材料中的應(yīng)用廣泛
3.1汽車、艦船的表面涂覆的油漆主要是由氯丁橡膠、雙酚樹脂或者環(huán)氧樹脂為主要原料，在陽光的紫外線照射下很容易老化變脆，致使油漆脫落，如果在面漆中加入能強(qiáng)列吸收紫外線的納米微粒就可起到保護(hù)底漆的作用。
3.2普通填料加入到高分子材料中一般使拉伸強(qiáng)度明顯降低，而采用納米粉末填充的復(fù)合材料，其拉伸強(qiáng)度卻會(huì)有所增加，并在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)極值。
3.3塑料抗老化性能差影響了其推廣應(yīng)用。例如在PP中加入0.3%的納米TiO2，經(jīng)過700h熱光照射后，其拉伸強(qiáng)度僅損失10%。在塑料中添加具有抗菌性的納米粒子，可使塑料具有持久抗菌性。將納米ZnO或納米金屬粒子添加到塑料中，可以得到具有抗靜電性的塑料。在通用塑料中加人納米粒子能使其達(dá)到工程塑料的性能。如采用納米技術(shù)對聚丙烯進(jìn)行改性，其性能可達(dá)到尼龍6的性能指標(biāo)，而成本卻降低1/3，這樣的產(chǎn)品如果實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，將取得很好的經(jīng)濟(jì)效益。
3.4以往橡膠改性多加入炭黑來提高強(qiáng)度、耐磨和抗老化等性能，但這樣處理后制品變成黑色，色彩單調(diào)。為了制成彩色橡膠，可將白色納米粒子如納米SiO2作補(bǔ)強(qiáng)劑或使用納米粒子著色劑。由于納米SiO2是三維鏈狀結(jié)構(gòu)，將其均勻分散在橡膠大分子中并與之結(jié)合成為立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而提高制品強(qiáng)度、彈性和耐磨性。w
3.5將納米微粒分散到樹脂中制成膜，可用作半導(dǎo)體器件的紫外線過濾器。
3.6由輕元素組成的納米材料在航空隱身材料方面應(yīng)用十分廣泛。一些納米復(fù)合粉體與高分子纖維結(jié)合，對中紅外波段有很強(qiáng)的吸收性能，對紅外探測器有很好的屏蔽作用。
3.7納米材料對光吸收和對靜電屏蔽的特性，使其在日常生活和國防上也有著很重要的應(yīng)用前景。利用納米復(fù)合粉添加的纖維制成軍服，這種纖維不僅對人體釋放的紅外線有很好的屏蔽作用，而且對人體紅外線有強(qiáng)吸收作用，可以增加保暖作用，減輕農(nóng)服的重量。
3.8在醫(yī)用高分子材料領(lǐng)域，日本東京大學(xué)日前通過結(jié)合納米級的微小分子環(huán)和高分子材料開發(fā)出了凝膠狀的新型醫(yī)療材料。這種新材料的可見光的通過率高達(dá)98 2%，而且即使拉長8倍，材料也能恢復(fù)原狀，并不會(huì)受到任何破壞。這種性能優(yōu)異的材料可望用來生產(chǎn)隱形眼鏡以及其他醫(yī)療產(chǎn)品。而在醫(yī)用化纖制品和紡織品中添加納米微粒可以起到除味、殺菌、消毒的作用。
4 結(jié)語
納米材料作為一項(xiàng)高新技術(shù)在高分子材料改性中有著非常廣闊的應(yīng)用前景，對開發(fā)具有特殊性能的高分子材料有著重要的實(shí)際意義。尤其是納米粉末填充塑料體系表現(xiàn)出同時(shí)增強(qiáng)增韌的特性，為開拓聚合物復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域開辟了廣闊的前景。我國塑料進(jìn)口量占國內(nèi)總需求量的50%，但同時(shí)又存在國產(chǎn)塑料產(chǎn)品過剩的問題，這是因?yàn)閲a(chǎn)塑料產(chǎn)品大多屬于大品種用聚合物，具有產(chǎn)品型號少、品位低的缺點(diǎn)。開發(fā)納米聚合物復(fù)合材料并使之工業(yè)化應(yīng)用，可以充分利用我國資源優(yōu)勢，也是改造傳統(tǒng)聚合物工業(yè)技術(shù)的最佳途徑，具有巨大的市場潛力。我國在納米改性高分子材料的應(yīng)用研究方面才剛剛起步，相信在不遠(yuǎn)的將來，納米材料會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大工業(yè)化，并廣泛應(yīng)用于高分子材料領(lǐng)域。

標(biāo)簽：高分子納米素材