高分子纳米复合材料详解
聚合物纳米复合材料
此外，聚合物纳米复合材料还具有优异的阻燃性能和耐腐蚀性能。这使得其在航空航天、建筑材料、电子器件等领域有着重要的应用前景。
总的来说，聚合物纳米复合材料是一种具有广泛应用前景的新型材料，其在力学性能、导电性能、热传导性能、阻燃性能和耐腐蚀性能等方面都具有优异的特性。随着材料科学领域的不断发展和进步，相信聚合物纳米复合材料将会在各个领域发挥重要作用，为人类社会的发展和进步做出重要贡献。
聚合物纳米复合材料
聚合物纳米复合材料是一种新型的材料，它将聚合物基体与纳米材料进行复合，从而获得了优异的性能和应用特性。这种材料在材料科学领域引起了广泛的关注和研究，其在各领域都有着重要的应用前景。
首先，聚合物纳米复合材料具有优异的力学性能。由于纳米材料的加入，使得复合材料的强度、硬度和韧性得到了显著提高。这使得聚合物纳米复合材料在航空航天、汽车制造、建筑材料等领域有着广泛的应用前景。
探讨纳米复合材料发展趋势
探讨纳米复合材料发展趋势进入21世纪，各领域对高性能材料的依赖程度越来越高，纳米材料是一种应用性能很高的工程材料，其应用范围非常广泛。
2008年，美国举办了材料科学学会，会议指出：“纳米材料工程将成为21世纪工程材料的重要组成部分。
”纳米复合材料是纳米工程材料的重要分支，目前，很多企业已纷纷将技术研发目标转向纳米复合材料，并逐渐加大研究力度，扩大技术应用范围。
1 纳米复合材料理论概述通过对纳米复合材料进行系统分析可知，可以按照材料性质将其划分为三种类型。
1.1 单体复合材料单体符合材料是不同种类、成分的纳米粒子经过工业处理复合而成的，这种纳米固体的物理结构非常稳定，且化学性质也很可靠。
因为组成成分少，所以单体复合材料纳米粒子的复合最完全，其分子结构之间的基团链不会随温度、压力的变化而变化。
1.2 双体复合材料双体复合材料可以通过工业处理将纳米粒子均匀的分散到二维薄膜材料中，粒子在弥散过程中会产生均匀或不均匀两种分布状态，这两种分布状态的复合结构都具有一定的稳定性。
均匀和非均匀弥散状态的薄膜基体表现出的层状结构具有明显的差异性，纳米粒子分散混乱的材料的构成层级种类很多，分散有序、均匀的材料层级种类较少。
1.3 多体复合材料多体复合材料可以通过工业处理将纳米粒子均匀的分散到三维固体中，纳米粒子会通过外力作用，深入固体组织结构，改变其分子集团的分布情况，进而影响三维固体的物理性能和化学性能。
多体复合材料的应用前景非常好，是当今纳米材料科研工作者研究的重点问题。
2 纳米复合材料发展趋势分析2.1 纳米复合涂层材料纳米复合涂层材料的化学性质稳定，并且柔韧性好、硬度高、耐腐蚀性强，在工程材料表面涂抹这种防护材料不仅可以防止工程材料的破损，还能增加工程材料的防护功能。
随着现代工业技术的发展，复合涂层材料得到了显著发展，单一纳米结构逐渐转变为多层纳米结构。
美国著名纳米工程材料研究专家普修斯于2012年成功研制出了复合涂层纳米材料，这类纳米材料的抗氧化性能非常好，可以在高温条件下保持不褪色、不热化。
聚合物纳米复合材料制备及其特性
聚合物纳米复合材料制备及其特性简介：随着科技的不断发展，纳米材料作为一种新型的材料受到了广泛的关注。
聚合物纳米复合材料是由聚合物基体和纳米填料相互作用形成的一种材料。
本文将介绍聚合物纳米复合材料的制备方法以及其特性。
一、制备方法：1. 溶液混合法：溶液混合法是制备聚合物纳米复合材料最常用的方法之一。
通常，将聚合物溶解于溶剂中，然后将纳米填料悬浮于溶液中，通过搅拌、超声波处理等方法使溶液中的纳米填料均匀分散。
最后，将混合溶液通过挥发溶剂或冷却固化等方法使聚合物凝胶化，形成聚合物纳米复合材料。
2. 堆积层析法：堆积层析法是一种将纳米填料层与聚合物基体交替堆积形成的方法。
首先，将纳米填料和聚合物溶液交替涂覆在基体上，然后通过热处理或固化来形成聚合物纳米复合材料的层积结构。
3. 原位聚合法：原位聚合法是在纳米填料表面进行聚合反应，将聚合物直接合成于纳米填料上。
通过原位聚合法可以实现纳米填料与聚合物基体的良好粘接，提高复合材料的结合强度和界面性能。
二、特性：1. 机械性能：聚合物纳米复合材料具有优异的机械性能。
纳米填料的加入可以有效阻止聚合物的微观流动，增加聚合物的刚度和强度。
同时，纳米填料的界面效应还可以增强聚合物与填料之间的相互作用，提高复合材料的界面粘结强度。
2. 热稳定性：聚合物纳米复合材料具有较好的热稳定性。
纳米填料的高比表面积和特殊的晶体结构可以吸附和分散聚合物分子，形成热稳定的屏障，增强材料的耐高温性能。
3. 导电性能：聚合物纳米复合材料还具有良好的导电性能。
添加导电性的纳米填料，如碳纳米管、金属纳米颗粒等，可以使聚合物纳米复合材料具有导电功能。
这种导电性能广泛应用于柔性电子器件、传感器等领域。
4. 光学性能：纳米填料的尺寸效应和光学效应使聚合物纳米复合材料具有特殊的光学性能。
例如，在可见光波长范围内，利用纳米填料的光学散射和吸收特性，可以实现材料的抗紫外光、抗反射和光波长度调制等功能。
5. 阻燃性能：聚合物纳米复合材料还具有较好的阻燃性能。
聚酰胺纳米复合材料简介
航空航天膜 汽车配件
油箱
电子零件
建材
其它
退出
3.3
项目的产业化前景
1.聚酰胺/粘土纳米复合材料推动了食品包装薄膜领域的发展 聚酰胺/粘土纳米复合材料薄膜除了保持了尼龙薄膜耐 油、耐高温、耐蒸煮，抗刺穿性能强等优点外，在薄膜的气 体阻隔性（包括氧气、二氧化碳以及水蒸气等）、比纯尼龙 薄膜的氧穿透率低50〜60％，能使食品有更长的保存期限； 并有较低的吸湿性，刚挺性比纯尼龙薄膜高30％，平整性好， 便于高速印刷； 纳米尼龙薄膜雾度值低，有较高的透明度， 耐热性高，经蒸煮后再冷却，不易产生褶皱。 同时。由于 纳米尼龙具有低晶点的特性，更易于加工和提升下游产品的 性能，保护客户对薄膜美观性的投资，为薄膜配方设计者， 薄膜加工商和最终用户设计新一代薄膜带来更多的设计灵感， 包括杰出的热封操作和包装完整性，高拉伸比下更优的薄膜 抗撕裂性能以及更好的防刮花和划痕的表面保护。 也具有 更高的热封性能和粘合特性，内在的弹性和良好的韧性，并 能与众多聚烯烃相容，这些将为各种软包装
退出
提下，其重量、体积、外观以及加工性等方面，均比普通 尼龙和玻纤尼龙有大副提高。另外，聚酰胺/粘土纳米复合 材料的吸水率、尺寸稳定性、耐老化等方面也有出色表现。 此外，车用空气滤清器、外壳、风扇、车轮罩、导流 板、车内装饰、储水器材盖、线卡、各种车内电气接插件 等，也可采用聚酰胺聚合或共聚/粘土纳米复合材料，他能 够在减轻重量、缩小体积的条件，达到相同的强度。另外， 在铁路方面，铁轨绝缘垫板、轨撑、弧形板座、挡板座等 许多非金属部件都可以用聚酰胺聚合或共聚/粘土纳米复合 材料制作。由于大幅度地减轻了汽车配件的重量，缩小了 体积，因而达到了节能减排的效果。
油氣逸散量 （g/m2/24hr） 原有HDPE油箱 2008年美國新法規 多層共擠出 10以上 1.5 0.9
高分子_无机纳米复合材料的研究进展
收稿日期:2002-03-03。
作者简介:严满清,女,25岁,在读研究生,主要从事塑料改性及应用开发方面的研究工作。
高分子/无机纳米复合材料的研究进展严满清 王平华(合肥工业大学化工学院高分子科学与工程系,230009) 摘要:详细概述了采用纳米粒子直接填充分散法制备高分子基无机纳米复合材料,对纳米粒子表面处理方法及纳米复合材料的性能及应用进行了介绍。
关键词: 无机纳米粒子 表面处理 纳米复合材料 纳米粒子直接填充分散法 纳米科学与技术是一个跨学科的研究与开发领域,涉及纳米电子学、纳米材料学、纳米物理学、纳米化学、纳米生物学、纳米机械学、纳米加工及表征等[1]。
由于纳米科学与技术而制得的纳米材料表现出许多与众不同的特殊性质如光吸收性、高混合性、压缩性等,有着广阔的应用前景[2]。
因此,纳米材料被称为最有前途的材料。
1 纳米材料纳米结构为至少一维尺寸在1～100nm 区域的结构,它包括纳米粒子、纳米纤维、纳米薄膜、纳米块状和纳米晶等。
纳米粒子,又称超微粒子(ultrafine powders ,简称U FP ),统指1～100nm 的细微颗粒(结晶的或非结晶的)。
纳米粒子既不同于微观原子、分子团簇,又不同于宏观体相材料,是一种介于宏观固体和分子间的亚稳中间态物质。
当粒子尺寸进入纳米数量级(1～100nm )时,由于纳米粒子的表面原子与体相总原子数之比随粒径尺寸的减少而急剧增大,使其显示出强烈的体积效应、量子效应、表面效应和宏观量子隧道效应。
纳米材料指的是纳米结构按一定方式堆积或一定基体中分散形成的宏观材料,包括纳米块状材料和纳米复合材料。
制备纳米材料的方法有:化学气相沉积法、物理气相沉积法、机械合金法、液相化学合成法、超声波辐射法。
从物质的类别来分,可分为金属纳米材料、无机氧化物纳米材料、无机半导体纳米材料和有机小分子和聚合物纳米材料。
纳米材料是一种具有广泛应用潜力的新型材料,纳米材料能全面改善聚合物的综合性能,而且能赋予其奇特的性能,为聚合物的增韧增强改性提供了新的途径[3]。
纳米复合材料：第4章 杂化复合材料
胶体吸收光的规律
呈色
规律
20nm 50nm
70nm
红色 紫色
蓝色
溶胶的颜色与胶体质点大小的关系：
胶粒越小，溶胶的颜色偏向长波长的光 色；胶粒越大，溶胶的颜色偏向短波长的 光色。
4.1 分散体系与溶胶
银溶胶的颜色
银粒径/nm 10～20 25～35 35～45 50～60 70～80
透射光 黄 红 红紫 蓝紫 蓝
4.1 分散体系与溶胶
2）凝聚法：
通过体系中各组分间的化学变化，形成具有一定粒子大小 的分散质的溶胶体系。在制备纳米复合材料时，更多的是通
过分子间的化学变化而形成溶胶.
（实例：将有机硅烷溶解在强极性有机化合物中，可以很 快形成稳定的溶液，如果有矿物酸的作用，有机硅烷催化水 解形成稳定的有机硅溶胶，目前已知的纳米复合材料前驱溶 胶还有有机钛溶胶、有机镉溶胶。）
因硅胶粒电离而荷负电。） 2、胶粒的吸附。胶粒可吸附水性介质中的H+、OH-或其它
离子，从而使胶粒带电。 3、胶粒晶格中某原子被取代而带电。（如：蒙脱土晶格中
的Al3+可部分被Mg2+或Ca2+取代而荷负电。）
4.1 分散体系与溶胶
4.1.2.3 溶胶的稳定性
由于界面原子的Gibbs自由能比内部原子高，憎 溶胶是热力学不稳定体系。若无其它条件限制，溶 胶倾向于自发凝聚，形成低表面能状态。
4.1 分散体系与溶胶
（2）缔合溶胶：表面活性剂分子在溶液中形成胶束， 进而构成所谓的微乳液或液晶，也是热力学稳定 体系。（如肥皂水、有机硅乳液、家用柔软剂、 牛奶等）
4.1 分散体系与溶胶
（3）憎溶胶：分散质与分散介质之间存在明显界面
的体系，是由微小的固体颗粒 悬浮分散在液相中 构成，分散颗粒不停地进行布郎运动，属于多相
纳米材料在高分子材料中的应用
纳米材料在高分子材料中的应用班级:Z090162 学号:Z09016206 姓名:张欢纳米材料及其技术是随着科技发展而形成的新型应用技术。
纳米材料的研究是从金属粉末、陶瓷等领域开始的,现已在微电子、冶金、化工、电子、国防、核技术、航天、医学和生物工程等领域得到广泛的应用。
近年来将纳米材料分散于聚合物中以提高高分子材料性能的研究也日益活跃,并取得了许多可观的成果。
一、纳米粒子的特性及其对纳米复合材料的性能影响1·1纳米粒子的特性纳米粒子按成分分可以是金属,也可以是非金属,包括无机物和有机高分子等;按相结构分可以是单相,也可以是多相;根据原子排列的对称性和有序程度,有晶态、非晶态、准晶态。
由于颗粒尺寸进入纳米量级后,其结构与常规材料相比发生了很大的变化,使其在催化、光电、磁性、热、力学等方面表现出许多奇异的物理和化学性能,具有许多重要的应用价值。
(1)表面与界面效应。
纳米微粒比表面积大,位于表面的原子占相当大的比例,表面能高。
由于表面原子缺少邻近配位的原子和具有高的表面能,使得表面原子具有很大的化学活性,从而使纳米粒子表现出强烈的表面效应。
利用纳米材料的这种特点,能与某些大分子发生键合作用,提高分子间的键合力,从而使添加纳米材料的复合材料的强度、韧性大幅度提高。
(2)小尺寸效应。
当超细微粒的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时,晶体周期性的边界条件将被破坏,导致其磁性、光吸收、热、化学活性、催化性及熔点等发生变化。
如银的熔点为900℃,而纳米银粉的熔点仅为100℃(一般纳米材料的熔点为其原来块体材料的30%~50%)。
应用于高分子材料改性,利用纳米材料的高流动性和小尺寸效应,可使纳米复合材料的延展性提高,摩擦系数减小,材料表面光洁度大大改善。
(3)量子尺寸效应。
即纳米材料颗粒尺寸小到定值时,费米能级附近的电子能级由准连续能级变为离散能级的现象。
其结果使纳米材料具有高度光学非线性、特异性催化和光催化性质等。
纳米复合材料
Eg. SiO2纳米微粒
2、0-3复合型：
纳米粒子分散在常规三维固体中，另外通过物理或化学方法 将纳米粒子填充在介孔中，形成介孔复合的纳米复合材料。 Eg. 塑钙材料
3、0-2复合型：
把纳米粒子分散到一维的薄膜材料中，可分为均匀弥散和非 均匀弥散，称为纳米复合薄膜材料。 Eg. 碳纳米薄膜
2、阻隔性能
这是插层型聚合物基纳米复合材料最突出的性能之一，由于聚 合物分子链进入到无机纳米材料片层之间，分子链段的运动受到限 制，提高了复合材料的耐热性及尺寸稳定性。
3、新型功能材料
纳米粒子均匀分散在复合材料之中，可以直接或间接地达到具 体功能的目的。
二、纳米复合材料的示例
（一）、碳纳米管／聚苯胺复合材料 （二）、磷灰石-硅灰石/壳聚糖复合材料
王旭峰、熊峰、韩林奇 夏郑华、邵良志
一、纳米复合材料的简述
（一）、定义
纳米复合材料通常定义为，它是指组成 相中至少有一相在一个维度上为纳米量级， 通常在微米和亚微米的基体中添加纳米第二 相或在纳米基体中添加纳米第二相的复合材 料体系。
（二）、分类
0-3复合型
类别
0-0复合型 0-2复合型
1、0-0复合型：
2、性质研究
磷灰石-硅灰石(AW)生物活性玻璃陶瓷具有良 好的生物活性和生物相容性，壳聚糖(CS)是一种 可以降解的有机高分子天然生物材料，它具有良 好的物理性质、生物相容性并可有效地抑制细菌 的生长。 复合支架材料具有大孔/微孔结构、孔隙分布 均匀和相互贯通的优点，大孔孔径100-500μm， 孔隙率为80%-90%，复合支架材料适宜骨髓基质干 细胞(MSC)黏附、增殖和分化，无细胞毒性。
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? 具有闭壳层电子结构的金属，如 II主族的Ca、Mg等，其纳米 粒子内部的原子间距比常规块材的要大，相应地结合力性质 从金属键向范德华力转变；
? 常规的Si、Ge等材料是典型的共价键型材料，而其纳米粒子 表现出金属键的性质；
4 Growth
激 光 合 成 法
可制备 SiC、 Si 3N4， 产量大
二、纳米颗粒填充聚合物复合材料
? 聚合物基纳米复合材料是一种重要的有机-无机杂化材 料，通常由各种无机纳米单元与有机聚合物以各种方 式复合得到。
? 复合材料有着单一材料所不具备的可变结构参数（复 合度、联结型、对称性、标度、周期性等），且复合 材料的各组元间存在协同作用而产生多种复合效应。
nm (10-9 m)ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3D 纳米粒子 (例如二氧化硅等) 2D 纳米管 (例如碳纳米管、晶须等) 1D 纳米片 (如层状硅酸盐等)
石块撞击引起应力发白
普通高分子材料
纳米复合材料
喷漆抗刮擦能力
普通高分子材料
纳米复合材料
阻燃性
? 成炭 ? 不蔓延 ? 不滴落
纳米复合材料
? 不成炭 ? 蔓延 ? 滴落
高分子纳米复合材料
ZHONGSHAN UNIVERSITY
提纲
? 引言 ? 纳米粒子的结构、性能及制备 ? 纳米颗粒填充聚合物复合材料 ? 纳米复合材料的表征技术
颗粒填充复合材料—从微米到纳米
纳米填料
宏观 Macro 微米 Micro 纳米 Nano
> mm (10 -3 m) ? m (10-6 m)
? 小尺寸效应（材料周期性边界条件的破坏）； ? 表面或界面效应（表面能和活性的增大）； ? 量子尺寸效应（电子能级或能带结构的尺寸依
赖性）等。
? 化学性质方面 ? 金属纳米粒子在空气中易氧化，甚至燃烧；
? 纳米粒子具有常规材料所没有的催化性能，且可以 有特征反应，在提高催化反应效率、优化反应路径、 提高反应速度和定向等方面，提供了新的途径。
? 物理性能方面 ? 热性能：由于纳米粒子尺寸小，表面能高，其熔点、 开始烧结温度和晶化温度比常规粉体低；例如纳米 银的熔点可低于373K；常规氧化铝烧结温度在 1973 ~ 2073K之间，而纳米氧化铝可在1423 ~ 1673K之间烧结，致密度可达99.0％以上。
? 电性能：粒子尺寸小于某一临界尺寸后，材料的电 阻会发生突变，例如金属会变为非导体。
? 纳米粒子的光学性能由于受量子尺寸效应和表面效 应的影响，其变化尤为显著。如贵金属所呈现的三 阶非线性光学性能等。
? 磁性能：铁磁性材料粒子的尺寸减小至单畴态时， 通常呈现高的矫顽力，进一步减小尺寸，则受热扰 动影响，表现为超顺磁性。
纳米单元的制备方法
? 通常有两种形式的制备： ? 从小到大的构筑式，即由原子、分子等前体出发制 备； ? 从大到小的粉碎式，即由常规块材前体出发制备 （一般为了更好控制所制备的纳米单元的微观结构 性能，常采用构筑式制备法）。
普通高分子材料
1980 – 2002年纳米复合材料国际专利统计
一、纳米粒子的结构、性能及制备
? 纳米粒子的尺寸范围一般是1~100nm 。当材料尺寸减 小到纳米级的某一尺寸，材料的物性会发生突变，与 同组份的常规材料的性能完全不同，所以纳米级材料 表现出强烈的尺寸依赖性。
? 而粒子的尺寸小于1nm 时，称为团簇，其总原子数从 几个至几十个，几乎所有的原子都排列在粒子的表面 上。
? 水热合成法：高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合 成；
? 化学沉淀法：将沉淀剂加入金属盐溶液中，得到沉淀 后进行热处理，包括直接沉淀，共沉淀、均一沉淀等；
? 溶胶－凝胶（Sol-Gel ）法：将金属有机醇盐或无机盐 溶液经水解，使溶质聚合成溶胶再凝胶固化，再经低 温干燥，磨细后再煅烧得到纳米粒子
? 微乳液和反相胶束法：微乳液和反相胶束是利用两种 互不相容的溶剂（有机溶剂和水溶液），通过选择表 面活性剂及控制相对含量，可将其水相液滴尺寸限制 在纳米级，不同微乳液滴相互碰撞发生物质交换，在 水核中发生化学反应，得到纳米粒子。
? 表面活性剂可吸附在纳米粒子的表面，对生成的粒子 起稳定和保护作用，防止粒子的进一步生长。
? 另外通过选择表面活性剂及助剂还可以控制水相微区 的形状，从而得到不同形状的纳米粒子包括球形、棒 状、碟状，还可以制备纳米级核－壳双金属粒子、合 金粒子、核－壳双半导体粒子等。
A
B
A
B
C
1 Mixing 2 Interchange 3 Nucleation
? 常规的离子键材料，如金属卤化物等，其纳米粒子带有共价 键的性质，且主要是由于表面原子的贡献。
半导体 陶瓷
ionic
原子间相互作用变化示图
v.d.Waals
高分子
cluster
metallic bulk covalent
纳米粒子的性能
? 由于纳米粒子的结构和原子间相互作用发生了 上述变化，导致在化学、物理（热、光、电磁 等）性质方面表现出特异性 ;
? 总体上又可分为物理方法、化学方法和物理化学方法
三种。
物理方法
? 物理粉碎法：采用超细磨制备纳米粒子，利用介质和 物料间相互研磨和冲击，并附以助磨剂或大功率超声 波粉碎，达到微粒的微细化。
? 物理气相沉积法（PVD）：在低压的惰性气体中加热 欲蒸发的物质，使之气化，再在惰性气体中冷凝成纳 米粒子，加热源可以是电阻加热、高频感应、电子束 或激光等，不同的加热方法制备的纳米粒子的量、大 小及分布等有差异；还有流动液面真空蒸发法，放电 爆炸法，真空溅射法等。
物 理 气 相 沉 积 法
电 子 束 加 热
等
离
子
和
激 蒸发容器的结
光
构简单，除金 属外，对SiC
加 同样有效
热
适合实验室规模 量产
流 动 液 面 真 空 蒸 发 法
通
制备碳化物，
电
Cr 、Ti 、V、Zr
加
发烟量大，高
热
熔点金属给出 非晶物质，Nb、
蒸
Ta、Mo
发
法
化学方法
? 化学气相沉积法（CVD）：采用与PVD法相同的加热 源，将原料（金属氧化物、氢氧化物，金属醇盐等） 转化为气相，再通过化学反应，成核生长得到纳米粒 子；