有机/无机纳米复合材料的研究
储志博
集成1班 20135540
摘要： 有机／无机纳米复合材料是目前纳米复合材料发展的一个全新方向。结构和性能上差别较大的无机物和有机物以分子或原子尺度相复合，所得材料兼具有机物和无机物的特性，同时在力
1 学、光学、电学及电化学等方面呈现出新的特性，将成为2l世纪最有发展前途的复合材料⋯。本文是在搜集各种资料的基础上，对有机／无机纳米复合材料的发展的历程、制备方法、应用和发展前景进行了综述。
关键词： 有机/无机纳米复合材料；无机纳米粒子；聚合物；层装物
1， 纳米复合材料的概念及发展
1．1纳米材料的概念
纳米材料是指晶粒尺寸在1～lOOnm间的单晶体或多晶体，纳米复合材料一般是指在陶瓷或金属基体中含有纳米粒子第二相的复合材料。近年来，人们对纳米材料许多不同寻常的特性有了进一步研究与了解，逐渐认识到其优异的物理和化学性质及广阔的应用前景，及对科技进步和社会发展的突出作用，不断投入人力物力进行纳米材料的开发研究，许多实验方法和工艺被成功地用于纳米晶体材料的合成及性能研究中。 复合材料由于其优良的综合性能，特别是其性能的可设计性被广泛应用于航空航天、国防、交通、体育等领域，纳米复合材料则是其中最具吸引力的部分，近年来发展很快，世界发达国家新材料发展的战略都把纳米复合材料的发展放到重要的位置。该研究方向主要包括纳米聚合物基复合材料、纳米碳管功能复合材料、纳米钨铜复合材料。
由于纳米材料的晶粒细小，使其晶界上的原子数的比例增大，即产生高浓度晶界，因而使纳米材具有许多不同于粗晶材料的特异的性质，如体积效应、表面与界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、特殊的光吸收特性、电化学性质等 。从而使纳米材料在光、电、热力学和化学反应等许多方面表现出一系列优异性能，令目前科技手段无法解决的许多问题迎刃而解。因而在陶瓷、电子信息、生物工程、化学工业、金属加工和环境保护等行业具有非常广阔的应用前景。 1.2纳米复合材料的发展
在纳米聚合物基复合材料方面，主要采用同向双螺杆挤出方法分散纳米粉体，分散水平达到纳米级，得到了性能符合设计要求的纳米复合材料。我们制备的纳米蒙脱土/PA6复合材料中，纳米蒙脱土的层间距为1.96nm，处于国内同类材料的领先水平（中国科学院为1.5~1.7nm），蒙脱土复合到尼龙基体中后完全剥离成为厚度1~1.5nm的纳米微粒，其复合材料的耐温性能、阻隔性能、抗吸水性能均非常优秀，此材料已经实现了产业化；正在开发的纳米TiO2/聚丙烯复合材料具有优良的抗菌效果，纳米TiO2粉体在聚丙烯中分散达到60nm以下，此项技术正在申报发明专利。由于纳米聚合物复合材料的成型工艺不同于普通的聚合物，本方向还积极开展新的成型方法研究，以促进纳米复合材料产业化的进行。
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碳纳米管是上个世纪九十年代初发现的一种新型的碳团簇类纤维材料，具有许多特别优秀的性能。我们在碳纳米管取得的研究成果主要包括：
1）大规模生产多壁碳纳米管的技术，生产出的碳纳米管的质量处于世界先进水平，生产成本也很低，为碳纳米管的工业应用创造了条件。
2）开发了制造碳纳米管为电极材料的双电层大容量电容器的技术。
3）开发了制造具有软基底定向碳纳米管膜的技术。
钨铜复合材料具有良好的导电导热性、低的热膨胀系数而被广泛地用作电接触材料、电子封装和热沉材料。采用纳米粉末制备的纳米钨铜复合材料具有非常优越的物理力学性能，我们采用国际前沿的金属复合盐溶液雾化干燥还原技术成功制备了纳米钨铜复合粉体和纳米氮化钨－铜复合粉体，目前正在加紧其产业化应用研究。
2, 有机／无机纳米复合材料的研究进展
2.1有机／无机纳米复合材料的发展历程
早在1959年，著名的物理学家Richard Feynaman E 在美国物理学年会中的讲演中首次提出了“What WOU1d happen if we could arrange theatoms one by one the way we want them?”的思想，日本科学家Kubo在1962年就对纳米离子的量子尺寸效应进行了理论研究，而后日本名古屋大学上田良二教授则定义纳米离子是用透射电镜TEM能看到的微粒。但寓至80年代初由Roy和Komarnanil】 提出“纳米复合材料”的概念以来，纳米复合材料的研究才得到迅速发展。近年来，制备有机／无机纳米复合材料是材料科学领域研究的一个热点，已引起人们的广 泛关注。如日本已将这种新材料应用于汽车工业食品包装业等，其它潜在的应用还包括飞机内部材料、电工和电子元件、防护罩结构部件、制动器和轮胎等有机／无机纳米复合材料已经成为日本、美国、法国等发达国家近年来在新材料和功能材料领域中研究的热点之一。材料的制备是性能研究的基础，因此，纳米复合材料的制备方法一直是该研究领域的一个重要课题。
2.2有机／无机纳米复合材料的应用
与传统的有机／无机复合材料相比，有机／无机纳米复合材料兼具无机物与有机聚合物的优点El4]。无机纳米粒子与聚合物间界面是微观的，而不是宏观的，甚至是分子级水平的，由于无机纳米粒子与聚合物的界面面积很大，这就大大降1氐了界面应力集中，消除无机物与有机物基体之间热膨胀系数不匹配问题，充分发挥无机物分子的优异力学性能，高耐热性，聚合物的可加热性，电学性能，光学性能等。有机／无机米复合材料物理性能明显优于相同组分的常规复合材料_I 。 2.2.1高性能增强高聚物复合材料[16]
纳米复合使材料比普通复合具有更优越的力学性能，它可作为聚合物一无机超韧高强结构材料，高温粘结剂和耐刮涂料等，如尼龙一6／蒙脱石已实现工业化，1990年日本丰田研究所已将此材料应用于汽车零部件，包装材料，1995年尤尼卡公司则将该材料应用于汽车引擎盖。
3 2.2.2半导电和导电材料
导电聚合物嵌入无机层状物的有机／无机纳米复合材料可成为电子导电或粒子导电材料，这类材料有明显的各向异性。环氧乙烷聚合物硅酸盐系有机／无机纳米复合材料可用作固体电池的电解质。V205和Sn02的有机／无机纳米复合材料是优良的半导体，己加工成型为透明电极。 2.2.3电致发光或变色材料
V205，Mo03，W03等无机层状物和PPy(聚吡咯)形成的嵌入型有机／无机纳米复合材料可制得电致发光材料和电致变色材料。 2.2.4仿生材料
仿生材料是当前材料科学中的前沿领域 。自纳米材料问世以来，仿生材料研究的热点已经开始向纳米复合材料转移。目前已有少量仿生材料应用于医疗领域，如A1 203于生物相容性好、耐磨损、强度高，韧性比常规材料高等特性，而用来制作人工关节、人工骨、人工齿根等，纳米Zr02也可以制作人工关节、人工齿根等。 2.3有机／无机纳米复合材料的研究展望
目前，对有机／无机纳米复合材料的研究在国内外都属于起步发展阶段，尤其在国内，是近几年才开始对其研究的，无论是技术上还是理论研究方面，待研究的问题还很多，具有广阔的发展空间。研究结构一性能关系及性能变化的机理对设计、制备性能卓越的材料具有重要的指导意义，如何在分子基础上研究复合材料的特异性能是当今面』临的一大课题。综上所述，我们可以欣喜地看到，已有的方法在不断改进，新的方法在不断被发现和利用。有机／无机纳米复合材料以优异的性能越来越受到人们的关注，相信随着研究的不断深入和对复合机理了解的不断深化，必将有突破性进展，人们将根据实际需要设计并合成出更多性能优异的有机／无机纳米复合材料，从而更好的服务于人类。
3，纳米复合材料的未来展望
纳米复合材料在许多方面显示出特异的性质，因此，世界各地对其开发研究日益活跃。总体看来，纳米复合材料在许多方面显示出特异的性质，因此，世界各国对其开发研究日益活跃。总体看来，目前我国聚合物/纳米材料的应用仍处在科研开发和小批量生产阶段，离产业化和大批量进入市场还有相当一段距离。主要存在以下几个问题：一是加大纳米材料的科研开发及工业化生产；二是纳米粒子之间的自聚现象严重，直接使用纳米粒子及现有的共混复合方法难以达到在基体中的均匀分散，这可能成为影响复合材料性能的关键因素。三是纳米粒子与聚合物的界面结合性[7]，深入研究纳米粒子与聚合物的界面结合理论，加强纳米粒子与聚合物的界面结合。这些问题希望能得到行业有关人员的重视、研究及解决。随着纳米科学技术的不断发展，可以预言，纳米材料在聚合物中必将得到广泛的应用。
参考文献
[1]党琴琴 陆守东 孙平川 袁直 丝素蛋白-粘土纳米复合材料的热力学及动力学行为
4 [A]南开大学学报：自然科学版.2010(3).-13-17 [2] 蒋蓓蓓 杨建军 吴庆云 张建安 吴明元 水性聚氨酯纳米复合材料的研究进展[A]化工新型材料.2010(6).-22-24,42 [3] 朱永康（编译）碳纳米管纳米复合材料研究的最新进展[A] 橡胶参考资料.2010(3).-6-11 [4] 马莺 陈玉萍 徐林 翟正 杨晓燕 侯文华 一些层状纳米复合材料的制备和应用[A] 无机化学学报.2010(4).-551-559 [5] 陈亚芳 王保国 陈晋芳 纳米复合材料的制备技术及应用进展[A] 山西化工.2010,30(2).-27-30,61 [5] 郭睿 贾建民 季振清 聚氨酯/无机纳米复合材料的研究[A] 皮革与化工.2010(1).-14-17,23 [6] 马志云 郭百凯 赵建社 有机／无机纳米复合材料的研究进展[A] 中国科技博览.2010(3).-119-120 [7] 艾照全 李吉莉 孙桂林 胡瑛 有机核-无机壳型纳米复合材料研究进展[A] 粘接.2010(1).-53-57 [8] 王孝虹 王峥 聚合物-无机纳米复合材料的制备方法[A] 广州化工.2010(1).-48-50 湖北大学化学化工学院,湖北武汉
[10] 贾建民 郭睿 聚氨酯/无机纳米复合材料应用研究进展精细[A] 石油化工进展.2009(12).-30-33 陕西科技大学教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室
[11] 何冶 支文 纳米复合材料的性质及制备的研究[A] 长春大学学报.2009,19(10).-27-28 [1]长春大学机械工程学院,吉林长春130022 [2]长春大学理学院,吉林长春 [12] 刘学清 刘继延 周芳 稻壳SiO2／聚氨酯纳米复合材料的制备及性能研究[A] 广东化工.2010(2).-9-10,18 江汉大学化学与环境工程学院,湖北武汉
[13] 赵西坡 彭少贤 舒满星 黄颖婷 李敏立 汪燕 一步法原位插层聚合PA6／MMT纳米复合材料的工艺研究[A] 塑料工业.2010(4).-14-17 湖北工业大学化学与环境工程学院,湖北武汉
[14] 丁爱武 黄茂芳 高天明 曾宗强 聚合物／TiO2抗菌纳米复合材料的研究进展[A] 热带农业科学.2010,30(2).-28-33 [15] 高芳一 纳米复合材料提高锂离子电池性能[A] 技术与市场.2010(6).-109-109
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