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182橡胶工业2004年第51卷

纳米材料的特性和制备方法及应用

陈月辉，赵光贤
(1．上海工程技术大学化学化工学院，上海200065；2．上海市胶鞋研究所，上海200051)

摘要：概述纳米材料的特性、制备方法及其应用。纳米材料具有表面与界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道
效应。纳米材料的制备方法有气相法(包括气体中蒸发法、化学气相反应法、化学气相凝聚法和溅射法)、液相法和固
相法；纳米复合材料的制备方法有溶胶一凝胶法、就地合成法、层间插入法和共混法。纳米材料用于橡胶工业中可起到

补强、活化、交联、灭菌、耐老化、增白、抗静电、防震等作用。
关键词：纳米材料；纳米复合材料；纳米效应；功能橡胶
中图分类号：TB383}TQ330．38文献标识码：B文章编号：1000—890X(2004)03—0182—07

早在纳米科学诞生之前，在橡胶工业中就已机一无机纳米复合材料，目前正成为一个新兴的、
经使用炭黑和白炭黑这两种纳米材料了。但当时极富生命力的研究领域]。它是由无机相和有机
只知其然(补强效果与其粒径和比表面积有关)，相在纳米至亚微米范围内结合形成的，两相界面
而不知其所以然(未能从原子、分子和量子的角度之间存在着较强或较弱的化学键(范德华力、氢
加以解释)。本文概述了纳米材料的特性、制备方键)。其中有机相可以是橡胶、锦纶、有机玻璃、塑
法及其应用。料等；无机相可以是金属、氧化物、陶瓷、半导体
等。纳米复合材料集无机、有机、纳米粒子的诸多
1基本概念特性于一身。
1．1纳米材料
I992年国际纳米材料会议对纳米材料定义2纳米材料的特性
如下：一相任一维的尺寸达到100nm以下的材2．1表面与界面效应
料为纳米材料_1I。由此可知，纳米材料的几何形固体颗粒的比表面积与其粒径的关系可由下
状既可以是粒径小于100nm的零维纳米粉末，式表示：
也可以是径向尺寸小于100nm的一维纳米纤维S=K／pD
或二维纳米膜、三维纳米块体等。纳米材料的材式中S粒子的比表面积；
质可以是金属或非金属；相结构可以是单相或多K⋯形状因子(球形和立方体粒子的K
相；原子排列可以是晶态或非晶态。当物质进入为6)；
纳米级后，其在催化、光、电、热力学等方面都出现lD一一粒子的理论密度；
特异化，这种现象被称为“纳米效应”。D一一粒子的平均直径。
橡胶工业常用的纳米材料以非金属类为主，由上式可知，粒子的比表面积随着其粒径的
可分为金属氧化物(如氧化锌、三氧化二铝、二氧减小而增大，从而导致处于表面的原子个数越来
化钛、三氧化二铁等)和无机盐类(如轻质碳酸钙越多。当粒子粒径分别为10，4，2和1nm时，表
和陶瓷)。面原子所占比例分别为20％，40，80％和99％。
1．2纳米复合材料此时表面效应所带来的作用不可忽略。纳米粒子
纳米复合材料在橡胶工业中应用较多的是有所具有的大比表面积使键态严重失配，出现许多

作者简介：陈月辉(1951一)，男，浙江绍兴人，上海[程技术大活性中心，表面台阶和粗糙度增加，出现非化学平
学副教授，硕士，从事高分子材料的科研与教学工作。衡、非整数配位的化学键，从而导致纳米体系的化

第3期陈月辉等．纳米材料的特性和制备方法及应用183

学性质与化学平衡的体系有很大差异。若用高倍效地将太阳能转变为热能和电能。此外，还可用
电子显微镜对金属超微粒进行观察，会发现这些于红外敏感元件、红外隐身技术等。又如颗粒的
颗粒没有固定的形态，且随着时间的变化而自动磁化率和比热容随着所含电子的奇偶性会产生光
变成各种形状，它既不同于一般固体，又不同于液谱线的频移、介电常数的变化等现象。近年来，人
体，可视为一种准固体。在电子显微镜的电子束们还发现纳米微粒在含有奇数或偶数电子时显示
照射下．表面原子仿佛进人了“沸腾”状态】。因出不同的催化性质_6j。
此纳米粒子具有极高的活性，很容易与其它原子2．3宏观量子隧道效应
相结合而出现一些非常规现象，如金属的纳米粒微观粒子如电子具有波粒二象性，因而存在
子在空气中会燃烧，无机纳米粒子暴露在空气中隧道效应】。近年来，人们发现一些宏观物理量，
会吸附气体，并与气体发生反应等。如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量
2．2量子尺寸效应等也显示出隧道效应，通常称之为宏观量子隧道
随着颗粒尺寸的减小，在一定条件下会引起效应。量子尺寸效应和宏观量子隧道效应将是未
颗粒性质的变化。一般而言，如果某种结构的某来微电子器件的基础，或者说它确立了现存微电

一方向的线度小于费米面上的德布罗意波的波子器件进一步微型化的极限。如在制造半导体集
长，则在该方向上的量子尺寸效应非常明显。由成电路时，当电路的尺寸接近波长时，电子借助隧
于纳米材料的尺寸小到与物理特征量相差不多，道效应而溢出器件，器件便无法工作