高分子材料改性中納米技術(shù)的應(yīng)用

王磊

摘要：隨著信息化時代的發(fā)展以及社會對材料的要求不斷提高，納米技術(shù)的問世為材料科研行業(yè)的發(fā)展提供了新的研究方向，尤其是在高分子材料的改性研究上。納米技術(shù)是近年來伴隨著先進(jìn)的科技發(fā)展起來的，在高分子材料的研究過程中，研究材料的改性對于提高高分子材料的性質(zhì)和應(yīng)用性能至關(guān)重要?；诖耍疚膹募{米技術(shù)的發(fā)展背景著手，首先，簡要分析了納米粒子的特點以及納米技術(shù)的概念，隨后闡述了通過納米技術(shù)改性高分子材料的原理，最后探討了納米技術(shù)在高分子材料改性研究中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：納米技術(shù);高分子材料;材料改性

引言：

縱觀近年來我國材料科研的研究和發(fā)展進(jìn)程，材料行業(yè)尤其是高分子材料的科研工作，已經(jīng)取得了很多驕人的成績。但是，隨著時代的發(fā)展，社會各行各業(yè)對材料的應(yīng)用需求和性能要求越來越高，進(jìn)行高分子材料的改性至關(guān)重要。納米技術(shù)是近年來科研界發(fā)展熱議的話題，在不斷的探索和實踐中，一直在不斷革新。納米技術(shù)的發(fā)展給高分子材料的改性手段提出了非常重要的參考方向。

1納米技術(shù)的概念以及納米粒子的特性

納米技術(shù)（nanotechnology），也稱毫微技術(shù)，是研究結(jié)構(gòu)尺寸在1納米至100納米范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應(yīng)用的一種技術(shù)。1981年掃描隧道顯微鏡發(fā)明后，誕生了一門以1到100納米長度為研究分子世界，它的最終目標(biāo)是直接以原子或分子來構(gòu)造具有特定功能的產(chǎn)品。因此，納米技術(shù)其實就是一種用單個原子、分子制造物質(zhì)的技術(shù)。

納米粒子是指顆粒尺寸在1～100納米，具有普通宏觀粒子沒有的特殊性質(zhì)的粒子。將納米粒子添加到高分子材料的生產(chǎn)制造過程中，可以賦予高分子材料相應(yīng)的特殊功能。這一特性為高分子材料的改性研究提供了新的發(fā)展思路，納米技術(shù)的應(yīng)用，推動著高分子材料改性研究的蓬勃發(fā)展?？梢灶A(yù)見，納米粒子應(yīng)具有一些新異的物理化學(xué)特性。納米粒子區(qū)別于宏觀物體結(jié)構(gòu)的特點是，它表面積占很大比重，而表面原子既無長程序又無短程序的非晶層。可以認(rèn)為納米粒子表面原子的狀態(tài)更接近氣態(tài)，而粒子內(nèi)部的原子可能呈有序的排列。即使如此，由于粒徑小，表面曲率大，內(nèi)部產(chǎn)生很高的Gilibs壓力，能導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)的某種變形。納米粒子的這種結(jié)構(gòu)特征使它具有下列三個方面的效應(yīng)：

（1）表面與界面效應(yīng)。納米微粒比表面積大，位于表面的原子占相當(dāng)大的比例，表面能高。由于表面原子缺少鄰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學(xué)活性，從而使納米粒子表現(xiàn)出強(qiáng)烈的表面效應(yīng)。利用納米材料的這種特點，能與某些大分子發(fā)生鍵合作用，提高分子間的鍵合力，從而使添加納米材料的復(fù)合材料的強(qiáng)度、韌性大幅度提高。

（2）小尺寸效應(yīng)。當(dāng)超細(xì)微粒的尺寸與傳導(dǎo)電子的德布羅意波長相當(dāng)或更小時，晶體周期性的邊界條件將被破壞，導(dǎo)致其磁性、光吸收、熱、化學(xué)活性、催化性及熔點等發(fā)生變化。如銀的熔點為900 ℃，而納米銀粉的熔點僅為100℃（一般納米材料的熔點為其原來塊體材料的30% ～50%）。應(yīng)用于高分子材料改性，利用納米材料的高流動性和小尺寸效應(yīng)，可使納米復(fù)合材料的延展性提高，摩擦系數(shù)減小，材料表面光潔度大大改善。

（3）量子尺寸效應(yīng)。即納米材料顆粒尺寸小到定值時，費(fèi)米能級附近的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)能級變?yōu)殡x散能級的現(xiàn)象。其結(jié)果使納米材料具有高度光學(xué)非線性、特異性催化和光催化性質(zhì)等。

總之，納米材料能在低溫下繼續(xù)保持順磁性，對光有強(qiáng)烈的吸收能力，能大量的吸收紫外線，對紅外線亦有強(qiáng)烈的吸收能力;在高溫下，仍具有高強(qiáng)、高韌性、優(yōu)良的穩(wěn)定性等，其應(yīng)用前景十分廣闊，在高分子材料改性中的研究也將出現(xiàn)一個新的發(fā)展。

2通過納米技術(shù)改性高分子材料的原理

20世紀(jì)90年代，美國巴爾召開的Nanoscate Science and Technology會議中，納米技術(shù)第一次被世界認(rèn)識，但是，將納米技術(shù)應(yīng)用到高分子材料的改性研究過程，是近幾年才開始的，因此，研究的還不夠深入，研究成果還比較有限?，F(xiàn)階段，對于應(yīng)用納米技術(shù)改性高分子材料的認(rèn)識，還停留在比較初級的水平：不同的納米粒子與高分子材料中分子的作用機(jī)理具有一定的差異性，納米粒子與高分子之間產(chǎn)生的有物理反應(yīng)也有化學(xué)反應(yīng)。改性研究中高分子材料的性能由所添加的納米粒子的量子尺寸效應(yīng)、體積效應(yīng)等共同影響。

3納米技術(shù)在高分子材料改性研究中的具體應(yīng)用

高分子材料的研究對于社會各行各業(yè)尤其是生產(chǎn)加工制造行業(yè)具有非常重要的意義和價值。因此，由于生產(chǎn)制造行業(yè)對材料應(yīng)用的性能要求越來越高，進(jìn)行高分子材料的改性研究迫在眉睫。高分子材料中應(yīng)用比較廣泛的主要有塑料、橡膠以及化學(xué)纖維材料等，在這些材料的改性研究中，納米技術(shù)能夠發(fā)揮非常重要的應(yīng)用價值。

3.1塑料改性研究中納米技術(shù)的應(yīng)用

納米技術(shù)是當(dāng)前階段社會比較先進(jìn)的科研技術(shù)，對于納米技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用，能夠促進(jìn)高分子材料中塑料的改性研究。塑料是社會生產(chǎn)制造行業(yè)中應(yīng)用非常廣泛的高分子材料，隨著各行各業(yè)對產(chǎn)品的性能要求越來越高，對于塑料的改性研究刻不容緩。納米技術(shù)的應(yīng)用，在塑料高分子材料的改性研究中，能夠有效增強(qiáng)塑料的各項性能，與此同時，也能夠拓展塑料材料的新的應(yīng)用性能。

（1）納米技術(shù)能夠?qū)λ芰线M(jìn)行增強(qiáng)增韌。在塑料的增韌改性研究中，改性的手段是多種多樣的。比較傳統(tǒng)的塑料增韌改性方式有共混、共聚以及添加增韌劑等，這是過去很長一段時間內(nèi)提高塑料材料應(yīng)用性能的有效方式。納米技術(shù)的發(fā)展，為塑料的增強(qiáng)增韌改性提供了新的發(fā)展思路。在塑料增韌改性中使用納米技術(shù)，是將納米粒子添加到塑料材料中，從而增加塑料的韌性。納米粒子尺寸較小、透光性非常強(qiáng)，這些特征對于增強(qiáng)塑料的致密感以及透明度等具有重要意義。納米技術(shù)的研究過程中，該技術(shù)不容易受到其他因素的影響，能夠分散沖擊力，因而能夠提高塑料的韌性。例如，黃銳等人曾經(jīng)對LDPE塑料的改性進(jìn)行了研究，將經(jīng)過鈦酸酯處理過后的Si C/Si3N4納米粒子添加到材料中進(jìn)行填充，從而提高產(chǎn)品的性能。

（2）納米技術(shù)能夠促進(jìn)塑料的功能化。塑料在社會各行各業(yè)中具有非常廣泛的應(yīng)用意義，同時，在人們的生產(chǎn)生活中也有非常大的用途，例如，家用電器以及日用品的生產(chǎn)制造等。因此，隨著人們生活需求的提高，對塑料的性能和功能提出了更高的要求。通過在塑料中加入有較強(qiáng)抗菌性能的納米粒子后，可以增強(qiáng)塑料的抗菌性能?，F(xiàn)階段，利用納米技術(shù)已經(jīng)能夠制造出具有更高抗菌性能的冰箱，其原理就是在冰箱的塑件原料中加入了具有抗菌性能的納米粒子，從而使冰箱具有抗菌殺菌的功能。除此之外，國內(nèi)還有將納米技術(shù)應(yīng)用于開發(fā)制造無菌的塑料餐具等，在市場中具有非常大的應(yīng)用空間。將納米金屬粒子Zn O加入塑料的制造過程，可以促進(jìn)塑料抗靜電性能的發(fā)展。在未來的塑料改性研究中，利用納米粒子還能夠進(jìn)行“隱形材料”的研究。

（3）納米技術(shù)能夠促進(jìn)通用塑料工程化。通用塑料的產(chǎn)量非常大，應(yīng)用廣泛，并且價格低廉，但是，在性能上與工程塑料相比還有較大的差距。工程塑料雖然具有比較優(yōu)越的性能和特色，但是，生產(chǎn)應(yīng)用的成本較高，不適宜大批量生產(chǎn)過程的應(yīng)用。因此，通過納米技術(shù)的應(yīng)用，可以在通用塑料中加入納米粒子，使得通用塑料具有工程塑料的性能，而仍然保持較低的生產(chǎn)成本。例如，浙江某公司通過納米技術(shù)的應(yīng)用，將通用聚丙烯的性能提升到能與尼龍6性能相媲美的程度，而成本降低了1/3，具有非常大的應(yīng)用價值，獲得非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2化學(xué)纖維材料改性研究中納米技術(shù)的應(yīng)用

近年來，在市場生產(chǎn)過程中，各種新型的化學(xué)纖維材料層出不窮，并且功能性也多種多樣，能夠滿足不同生產(chǎn)加工制造過程對材料的需求。這些化學(xué)纖維材料的生產(chǎn)大多應(yīng)用了納米技術(shù)。在化學(xué)纖維材料的制造過程中，如果適當(dāng)添加納米級的二氧化鈦，能夠大大促進(jìn)化學(xué)纖維抗紫外線能力的提高，從而大幅度提高化學(xué)纖維的壽命，例如，現(xiàn)階段市場上常見的太陽傘就運(yùn)用了此技術(shù)。當(dāng)前階段，化學(xué)纖維材料的生產(chǎn)制造技術(shù)一直在突飛猛進(jìn)地發(fā)展，為滿足市場應(yīng)用需求，各種新型的纖維材料不斷現(xiàn)世，很多化學(xué)纖維材料的改性研究都應(yīng)用了納米技術(shù)。例如，通過在化學(xué)纖維材料中加入納米級的Zn O、Si O2等，可以使化學(xué)纖維材料擁有凈化、除臭的功能和特點，這種改性方式在醫(yī)療用品如繃帶、紗布等中廣泛應(yīng)用。除此之外，將納米級的Zn O添加在聚酯纖維中，可以增強(qiáng)材料的抗紫外線能力、抗細(xì)菌能力;將納米級的金屬粒子添加在化學(xué)纖維材料中，可以增強(qiáng)材料的抗靜電能力;將納米級的銀離子添加在化學(xué)纖維材料中，還能夠增強(qiáng)材料自身的殺菌能力。隨著人們生活質(zhì)量的持續(xù)提高，人們對產(chǎn)品的優(yōu)良性能有了更高要求，將納米粒子添加在化學(xué)纖維材料中，可以增強(qiáng)化學(xué)纖維衣物抵抗電磁波的能力。

3.3橡膠改性研究中納米技術(shù)的應(yīng)用

橡膠材料是高分子材料家族中非常具有應(yīng)用價值的材料類型，是高分子材料的重要組成類型。通過納米技術(shù)的應(yīng)用，在橡膠材料中添加碳黑納米粒子，可以大大提高橡膠材料的強(qiáng)度、抗磨性能，從而提高橡膠材料的使用壽命。在此改性研究的具體過程中，要保證研究成果，必須從細(xì)節(jié)處著手，對納米級碳黑粒子的尺寸控制要符合科學(xué)規(guī)律。一般來說，碳黑納米粒子的尺寸越小，橡膠材料的抗磨損性能就越好，即二者之間存在反比關(guān)系。與此同時，由于納米碳黑粒子的添加，橡膠材料的色澤也會受到影響，呈現(xiàn)黑色。通過納米技術(shù)的應(yīng)用，加入其他顏色的補(bǔ)強(qiáng)材料如白色納米粒子，并且加入相應(yīng)的著色材料，能夠使得橡膠呈現(xiàn)多種顏色。

4結(jié)語

綜上所述，納米技術(shù)是當(dāng)前階段社會比較先進(jìn)并且科研價值和應(yīng)用價值非常大的技術(shù)，對于目前急需進(jìn)行的高分子材料的改性工作，能夠發(fā)揮非常重要的應(yīng)用價值。納米技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用，能夠幫助高分子材料的改性工作提供更多的技術(shù)支持，支持高分子材料改性的快速發(fā)展。但是，當(dāng)前階段納米材料在我國的材料科研工作中應(yīng)用的時間不長，應(yīng)用經(jīng)驗還比較有限，相關(guān)科研工作人員對于納米技術(shù)的理論知識和應(yīng)用技能的掌握還存在很多不足。因此，目前高分子材料改性研究的相關(guān)工作人員，在科研工作過程中要積極加強(qiáng)自身對納米技術(shù)的理解和應(yīng)用，推動高分子材料改性研究的進(jìn)一步發(fā)展。

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