摘要：随着材料学的不断发展, 对高分子材料越来越重视, 将高分子材料中加入一些纳米粒子, 获得新型改性高分子材料已经成为目前研究的重点。采用这种方法可以使高分子材料的性能变得更加优异, 使其应用范围更加广泛。
关键词：纳米技术; 应用; 高分子材料;
Abstract：The polymer materials with special functions can be obtained by using the properties of nanoparticles to modify the polymer materials. This not only makes the properties of polymer material better, but also makes it more widely used in various fields, such as microelectronics, chemical industry, national defense, medicine and so on.
Keyword：nanotechnology; application; polymer materials;
在过去的几十年中, 纳米科学 (nano science) 和纳米技术 (nano technology) 的研究出现了爆炸性的增长, 极大刺激了科技领域的大发展。目前随着纳米技术的不断进步, 高分子材料的改性研发也逐渐日新月异。利用纳米分子材料的特殊性质, 如特殊的电学 (electrical) 、光学 (optics) 、磁性和化学活性 (magnetic and chemical activity) , 我们可以将这些纳米材料添加到高分子材料中并加以修饰, 从而得到特殊的功能高分子材料[1]。这将极大改变高分子材料的性能, 也将其应用拓展到更加宽阔的领域中。
1 纳米高分子材料的优势
纳米粒子通常与聚合物结合, 利用纳米材料的特殊性能开发新产品, 用这种方法制得的聚合物材料成本低, 周期短。新材料也与普通的改性材料不同。新材料具有特殊的体积效应 (volume effect) 、表面效应 (surface effect) 、量子效应 (quantum effect) 等[2]。结合这些效应, 改性高分子材料具有特殊的性能。纳米材料具有较大的比表面积 (specific surface area) 、小尺寸 (small size) 等特点, 与普通材料相比具有特殊的特点[3], 具有一些新颖的特性和不可思议的特性, 使其成为一种具有广阔应用前景的新型材料。
2 纳米微粒的改良方法
科学家将纳米高分子材料称为强大的“混血儿”。纳米粒子粒径小, 比表面积大, 易于团聚。为了提高纳米添加剂和聚合物的界面结合力, 提高纳米颗粒的均匀分散能力, 需要对纳米粉体进行表面改性[4]。主要是降低粒子表面能态, 消除粒子表面电荷, 提高有机相与纳米粒子的亲和力等。其主要代表性的方法有以下几种:
(1) 表面覆盖改性。该方法将表面活性剂, 例如硬脂酸 (stearic acid) 、有机硅 (silicone) 、钛酸酯 (titanate) 等物质, 覆盖在颗粒表面, 使性质发生改变[5]。
(2) 机械化学改性。即采用利用摩擦粉碎的方法, 使分子晶格位移, 活化颗粒表面, 使内能增加, 从而改变晶体结构和物理化学粒子表面结构[6]。
(3) 层间插入法。该方法是将纳米粒子直接填充分散, 把纳米粒子聚合, 直接插到无机物质, 例如金属氧化物 (metallic oxide) , 二硫化物 (disulfide) , 石墨 (graphite) 等的层状结构中, 使得在纳米粒子的表面上, 均匀地形成了夹层[7]。
目前还有一些别的方法, 例如给纳米粒子掺杂大量的有机物, 使得两相均匀, 得到高纯度的材料。这些物质的加入使得纳米粒子的表面能大大降低、填料状况得到了极大的改善, 同时也使得纳米粒子与基体的界面结合能力得到了加强。
3 纳米技术在高分子材料中的应用广泛
在涂料行业领域中, 科学家们也考虑使用纳米材料, 如纳米银 (nano silver) 、纳米氧化锌 (nano-zinc oxide) 、纳米二氧化钛 (nano-titanium dioxide) 、纳米二氧化硅 (nano-silicon dioxide) 等作为保护涂料的添加剂, 这些添加剂吸附太阳光中的紫外光, 能够产生羟基自由基, 不仅能抑制微生物的生长, 还可以有效保护涂料的微生物降解和化学物理退化, 让油漆不会轻易脱落[8]。
世界上产生的大量塑料废物是由诸如聚乙烯 (HDPE或LDPE) 、聚丙烯 (PP) 和聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 等塑料废料的聚合物组成。多年来, 环境保护主义者一直在寻找各种方法来克服如此大量的塑料废物被弃置到垃圾填埋场的问题[9]。科学家通过发现添加一些纳米颗粒, 可以从塑料废物中生产石油吸附剂。该领域的研究是一项是很有前途的研究。塑料抗老化性能差影响了其推广应用, 可以在塑料中加入多种纳米添加剂, 以提高其性能并增强其通用性。例如在聚丙烯、聚乙烯等塑料材料中添加了纳米二氧化钛, 然后经过长时间光照后, 其拉伸强度几乎没有变化。将抗菌性的纳米粒子添加到塑料中, 可以得到具有持久抗菌性的塑料。如果将此项技术实现工业化生产, 将取得很好的经济效益。
太阳能电池的制备中采用纳米二氧化钛颗粒, 其中用于敏感的纯二氧化钛纳米颗粒的溶胶-凝胶法合成。该电池具有良好的太阳能光能, 其光电转换效率分别为0.49%和1.05%[10]。
沙门氏菌和弯曲杆菌是最常见的食源性疾病。商业鸡肉被认为是沙门氏菌和弯曲杆菌感染最重要的食品工具之一。在家禽业中采用纳米技术, 包括纳米高分子的消毒剂、表面杀菌剂、防护服、空气和水的过滤等, 可以大大提高微生物安全和产品质量。
纳米材料对吸水和疏油的特性, 使其在日常生活服装上也有着很重要的应用前景。利用纳米复合材料, 例如树枝状大分子的疏水蛋白溶胶-凝胶系统, 碳纳米管等, 制作的防水和疏油的纺织材料, 已经成为新型服装的必备[11]。此类服装具有高效环保的屏障系统保证了衣服穿着舒适, 同时还具有多阻隔性能 (防高温和火焰, 热中风的保护, 灰尘释放) 和相关生理参数 (透气、调温/绝缘性能) 的要求。
高分子纳米材料 (PNMS) 作为高分子材料在纳米级或聚合物复合材料含有纳米材料的生物医学应用, 已经变得越来越有用。在特定的, 在聚合物相关的纳米科学和纳米技术的进步带来了革命性的变化, 产生与量身定制的性能和功能进行有针对性的生物医学应用的新材料。这些材料, 包括聚合物 (polymer) 、纳米粒子 (nanoparticles) 、纳米胶束 (nano micelle) 、纳米凝胶 (nano gel) , 纳米纤维 (nanofibers) , 树枝状聚合物 (dendritic polymer) 和纳米复合材料 (nanocomposite) , 已广泛应用于药物、基因治疗、组织工程和再生医学图像。
4 结语
纳米材料作为一种很好的技术, 在高分子材料中有着重要的应用, 其未来前景十分广阔, 对于未来材料科学的发展有着特殊的重要现实意义。研发应用纳米复合材料可以利用我国优势的资源, 同时也对传统的工艺进行改造, 对环境保护具有积极意义, 具有巨大的市场潜力。
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