聚合物基纳米无机复合材料的最新研究进展.pdf

第25卷第6期化学工业与工程技术Vol125No.6
2004年12月JournalofChemicalIndustry&EngineeringDec.,2004

聚合物基纳米无机复合材料的最新研究进展

张艳辉1,2,田彦文1,邵忠财3
(1.华北工学院化工系,山西太原030051;
2.东北大学材料与冶金学院,辽宁沈阳110004;3.沈阳工业学院化工分院,辽宁沈阳110026)

摘要:聚合物基纳米无机复合材料是一种性能优异的新型复合材料,已成为材料科学的新热点。本
文综述了此种材料的特性、制备方法及应用,并概述了聚合物基纳米无机复合材料的发展前景及发展过
程中应注意的问题。
关键词:聚合物;纳米;无机物;复合材料
中图分类号:TB383文献标识码:A文章编号:1006-7906(2004)06-0010-05

纳米复合材料是指一种或多种组分以纳米量级系。
的微粒,即接近分子水平的微粒复合于基质中构成表1纳米微粒尺寸与表面原子数的关系
的一类新型复合材料。因其分散相尺寸介于宏观与纳米微粒尺寸/nm包含总原子数表面原子所占比例,%
微观之间的过渡区域从而给材料的物理和化学性
,103×10420
质带来特殊的变化,纳米复合材料正日益受到关注,
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被誉为“21世纪最有前途的材料”,其研究的种类已
2×280
涉及无机物、有机物及非晶态材料等。聚合物基纳2.510
米无机复合材料因其综合了有机物和无机物的各自13099
优点,且能在力学、热学、光学、电磁学与生物学等方
面赋予材料许多优异的性能,正成为材料科学研究由表1可见,随着纳米粒子粒径的减小,表面原
的热点之一[1]。子所占比例急剧增加。当粒径为1nm时,纳米材
1纳米复合材料的特性料几乎全部由单层表面原子组成。由于表面原子数
当材料粒子尺寸进入纳米量级时,因其自身具增多,原子配位不足及表面能高,使这些表面原子具
有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应,以及纳米有较高的活性,极不稳定,易与其它原子结合。若将
固体粒子中大量缺陷的存在,使得聚合物基纳米无纳米粒子添加到高聚物中,这些具有不饱和性质的
机复合材料具有与众不同的特点[2～4]。表面原子很容易与高聚物分子链段发生物理化学作
1.1小尺寸效应用。这样两者之间不但可以通过范德华作用力结合
当微粒尺寸与光波波长、德布罗意波波长、超在一起,而且那些具有较高化学反应活性的纳米粒
导态的相干长度或磁场穿透深度相等或较小时,晶子还可以同聚合物分子链段上的活性点发生化学反
体周期性边界条件将被破坏。非晶态纳米微粒的颗应而结合在一起。
粒表面层附近的原子密度减小,导致材料的声、1.3量子尺寸效应
光、电、磁、热力学等特性出现异常,如光吸收增由无数的原子构成固体时,单独原子的能级就
加、磁性能增强等。若将纳米粒子添加到聚合物并合成能带,由于电子数目很多,能带中能级的间距
中,不但能全面改善聚合物的力学性能,还可赋予很小,因此可以看作是连续的。对介于原子、分子与
材料新性能。大块固体之间的超微颗粒而言,大块材料中连续的
1.2表面与界面效应能带将分裂为分立的能级,能级间的间距随颗粒尺
一般而言,随着微粒尺寸的减小,微粒中表面
原子与原子总数之比将会增加,表面积也将增大,收稿日期:2004-06-08修回日期:2004-09-20
从而引起材料性能的变化,这就是纳米粒子的表面作者简介:张艳辉(1971-),女,黑龙江北安人,现为东北大学
博士生,华北工学院讲师。
效应。表1列出了纳米微粒尺寸与表面原子数的关
张艳辉等聚合物基纳米无机复合材料的最新研究进展·11·

寸减小而增大。当纳米颗粒的尺寸下降到某一值的聚合物具有交联结构,可减少凝胶收缩;具有较高
时,其费米能级附近的电子能级由准连续转变为分的均匀性和较小的微区尺寸;一些完全不溶的聚合
立的状态,若热能、电场能或磁场能比平均的能级间物可以原位生成从而均匀地嵌入到无机网络中。
距还小时,就会呈现一系列与宏观物体截然不同的此外还有两相间具有共价键的有机-无机互穿
反常特性,称之为量子尺寸效应。因此,对纳米颗粒网络及正在发展中的无收缩Sol-Gel复合材料。
在低温条件下必须考虑量子效应,原有宏观规律已采用溶胶—凝胶法合成纳米复合材料的优点是
不再成立。反应条件温和,无机相与有机相混合接近分子水平,
1.4宏观量子隧道效应可严格控制产品的成分,材料纯度高且高度透明,两
纳米颗粒中的一些宏观量,如磁化强度和量子相间可从没有化学结合到以氢键、共价键结合,甚至
相干器件中的磁通量等具有与微观粒子相同的具有因聚合物交联而形成互穿网络。其缺点是因溶剂挥
贯穿势垒的能力。另外,磁性纳米粒子具有较高的发,使材料收缩而易脆裂,前驱物价昂且有毒,另外,
矫顽力,可引起大的磁滞损耗。在电磁