高分子纳米材料及其应用

高分子纳米材料（论文）题目：高分子纳米材料及其应用化工学院学院高分子材料与工程专业学号0502110202学生姓名指导教师二〇〇一四年十一月高分子纳米材料及其应用摘要：高分子纳米材料是一门新兴并且发展迅速的一门科学。其具有很多独特的性质，应用前景非常广阔。本文主要介绍了高分子材料的性质，同时介绍了高分子纳米复合材料常见的制备方法及其在各个领域的应用。关键词：性质；纳米复合材料；制备方法；应用Abstract:Polymernano-materialsisanemergingandrapidlydevelopingresearchdirection.Ithasmanyuniquepropertiesandbroadapplication.Thispaperdescribesthepropertiesofpolymermaterials,andalsointroducedpreparationmethodofthepolymernano-compositematerials.Thepaperalsointroducesitsapplicationinvariousfields.Keywords:Properties;Nano-compositematerials;Preparationmethod;Application1引言纳米材料科学是一门新兴的并正在迅速发展的材料科学。由于纳米材料体系具有许多独特的性质，应用前景广阔，而且涉及到原子物理、凝聚态物理、胶体化学、配位化学、化学反应动力学和表面、界面科学等多种学科，在实际应用和理论上都具有极大的研究价值，所以成为近些年来材料科学领域研究的热点之一，被誉为“21世纪最有前途的材料”。[1,2]纳米作为一个材料的衡量尺度，其大小为1nm(纳米)=10~9m(米)，即十亿分之一米，大约是10个原子的尺度。最初定义的纳米材料仅仅是指1~100nm尺度范围的纳米颗粒及由他们构成的纳米固体和薄膜。目前，在广义上定义的纳米材料是指三维空间尺度里至少有一维是纳米尺寸或者由它们作为结构基本单元的材料；根据定义按照空间维度可以将纳米材料分为三类：(1)维度为零的纳米材料，是指纳米颗粒、原子团簇等三维空间尺度均在纳米尺寸的材料；(2)维度为一的纳米材料，是指纳米线、纳米管等三维空间尺度中有两维是纳米尺度的材料；(3)维度为二的纳米材料，是指纳米膜、超晶格等三维空间尺度中仅有一维是纳米级的材料；[3]2纳米材料的性质[4,5]物质的尺寸一旦与原子尺寸在同一量级时，其表面电子结构和晶体结构就会发生变化，导致纳米材料会具备一些表面效应、小尺寸效应等优异特性。(1)量子尺寸效应。量子尺寸效应又称量子限域效应，当粒子尺寸下降到一定程度时，金属费米能级附近的电子能级由准连续能级变为离散能级，以及能隙变宽现象均为量子尺寸效应。材料或物质的物理性质在很多方面都是由材料的电子结构决定的，当材料尺寸小到一定程度时，电子结构由体材料的能带变成分立的能级，当能级的变化程度大于热能、光能、电磁能的变化时，就会导致纳米微粒的磁、光、声、热、电及超导特性与常规材料有着显著的不同。(2)小尺寸效应。小尺寸效应也称为体积效应，是指当粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或者更小时，晶体的周期性的边界条件将遭到破坏，纳米粒子颗粒的表面附近原子密度会减小，导致力、热、光、磁等性质发生变化。(3)表面效应。纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大导致比表面积将会显著地增加，另外表面原子由于配位不足导致大量的不饱和键产生，这使得表面原子具有很高的活性，使得材料表现出一些不一样的性质。(4)宏观量子隧道效应。微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。当体系的尺度进入到纳米级时，体系电荷是“量子化”的，即充电和放电过程是不连续的，这就导致了对一个小纳米粒子的充放电过程，电子不能集体传输，而是一个个单个电子的传输。3高分子纳米复合材料及其制备方法[5-8]3.1高分子纳米复合材料材料[9]正是由于以上优异的性质，纳米材料成为当今世界研究的热点。其中高分子纳米复合材料由于高分子基体具有易加工、耐腐蚀等优异性能，且能抑止纳米单元的氧化和团聚，使体系具有较高的长效稳定性，能充分发挥纳米单元的特异性能，而尤受广大研究人员的重视。高分子纳米复合材料是由各种纳米单元与有机高分子材料以各种方式复合成型的一种新型复合材料，所采用的纳米单元按成分分可以是金属，也可以是陶瓷、高分子等。3.2高分子纳米复合材料的制备方法高分子纳米复合材料的涉及面较宽，包括的范围较广，近年来发展建立起来的制备方法也多种多样，可大致归为四大类:纳米单元与高分子直接共混，在高分子基体中原位生成纳米单元；在纳米单元存在下单体分子原位聚合生成高分子及纳米单元和高分子同时生成。3.2.1纳米单元与高分子直接共混此法是将制备好的纳米单元与高分子直接共混，可以是溶液形式、乳液形式，也可以是熔融形式共混。例如在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中与聚酰亚胺溶液共混，制备出纳米TiO2/PI复合材料。3.2.1.1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)。总体上又可分为物理方法、化学方法和物理化学方法三种。3.2.1.2纳米单元表面改性方法根据表面改性剂和单元间有无化学反应可分为表面物理吸附方法和表面化学改性方法两类，既可以采用低分子化合物主要为各种偶联剂改性，也可以通过锚固聚合在粒子表面形成聚合物改性。3.2.2在高分子基体中原位生成纳米单元此法是利用聚合物特有的官能团对金属离子的络合吸附及基体对反应物运动的空间位阻，或是基体提供了纳米级的空间限制，从而原位反应生成纳米复合材料，常用于制备金属、硫化物和氧化物等纳米单元复合高分子的功能复合材料。如果有机高分子树脂本身就是介孔(mesoporous)固体(介于微孔和宏孔之间)，则可以直接利用基体固有的纳米级孔道、笼状结构作为“模板”，在其中反应生成纳米单元。另外，有机高分子纳米粒子复合薄膜可以用纳米粒子胶体悬浮体系直接沉积扩散在高分子膜上制成；也可以用分子沉积(MD)技术制备。3.2.3在纳米单元存在下单体分子原位聚合生成高分子此法主要是指在含有金属、硫化物或氢氧化物胶体粒子的溶液中单体分子原位聚合生成高分子，其关键是保持胶体粒子的稳定性，使之不易发生团聚。对热固性高聚物，如环氧树脂，可以先将纳米单元与环氧低聚物混合，然后再固化成型，形成纳米复合材料。3.2.4纳米单元和高分子同时生成此法包括插层原位聚合制备聚合物基有机—无机纳米复合材料，蒸发(或溅射、激光)沉积法制备纳米金属—有机聚合物复合膜及溶胶—凝胶法等。4高分子纳米材料的应用由于纳米材料有着特殊的微观性质，在宏观上，通常也能呈现出特殊的物理性能，比如高强度和韧性、高比热容低熔点、异常的介电性能、高吸波性等。随着纳米技术的广泛研究，科学家们在各个研究领域都取得了突破。新型纳米材料也逐渐投入到实际应用中。4.1高分子纳米材料在环境保护上的应用磁性高分子纳米吸附剂具有稳定性好、比表面积大，易于分离等特点，是一类具有良好性能的吸附材料。用悬浮聚合和化学改性的方法制备杂化磁性吸附材料Fe3O4@PGMA-TETA(FPT),该材料中含有大量具有配位作用的N元素，对Hg(II)表现出良好的吸附性能。并研究了FPT对水体中Hg(II)的吸附去除性能。釆用批量实验的方法，研究了介质、接触时间、初始浓度等因素对吸附的影响。结果表明，所合成的材料能够对Hg(II)进行快速高效的分离，吸附过程可在15min内达到吸附平衡，最大吸附量可以达到416mg/g。吸附了得材料可在的硫脲溶液中再生,具有较稳定的重复使用性，可大大降低其成本，是一种性能优异的吸附材料。可应用在处理污水方面[10]4.2高分子纳米材料在生物医学上的应用[11,12]用于骨组织工程的高分子材料包括天然和人工合成高分子材料两类。天然高分子材料包括胶原、纤维蛋白、壳聚糖和海藻酸钠等。天然高分子生物相容性好，具有细胞识别信号利于细胞粘附、增殖和分化，但是大规模制备困难，机械强度、降解速度难以控制。人工合成中PGA、PLA及其共聚物是应用最为广泛的骨组织工程用可降解生物材料，但也存在不少缺点如机械强度不足、降解太快、无菌性炎症、亲水性差以及残余有机溶剂的细胞毒作用等。因此，用于骨组织工程的高分子材料迄今没有哪一种是完全满意的。[8]李坚等人以赖氨酸盐为原料制备成赖氨酸二异氰酸酯一甘油聚合物,通过超声分散和超临界抗溶剂结晶技术等方法获得纳米级高分子材料赖氨酸二异氛酸醋甘油聚合物（LDIG）。高分子纳米材料尺寸为100~350nm。具备作为组织工程支架材料所需要的结构特征，降解特性优良，不会改变周围环境的值,降解产物是完全无毒的小分子物质，同时具有很好的生物相容性。4.3高分子纳米材料在电子工业上的应用[13,14]导电高分子纳米复合材料结合了导电高分子的电磁学性质、纳米材料高比表面积带来的特殊性能以及其他功能性基团材料的修正作用，使导电高分子纳米复合材料的导电性、稳定性、吸附能力、光电性质和生物传感等各方面性能均得到优化，对其未来的实际应用提供有利的基础。许倩倩等人合成高度可溶的PEDOT-PSS/Au纳米复合材料，头通过研究发现，该纳米材料对酶的高活性固载，为制备导电高分子生物化学传感器提供有力依据；同时，该研究团队合成了N3-EDOT单体，制备了N3-PEDOT，通过链接化学将具有良好化学活性物质——炔基化二茂铁固载到N3-PEDOT中，实现PEDOT膜功能化，发现该膜具有较高的电子传递速率，较好的光电性以及电致变色的效果，且稳定性特别好，克服了其他材料的一些缺点，实现了材料的多功能化效应。4.4高分子纳米材料在催化业上的应用[15]使用功能高分子纳米催化剂处理污水、修复污染环境是一种新的环境处理技术，将会受到越来越多的关注。余世雄等人以原料易得的对苯二胺和乙二醛合成出聚席弗碱共扼高聚物FSB-0,并经一定条件热活化处理后将其成功地用作为系列纳米催化材料PSB-1~4.。其热稳定性非常好；同时，将其对染料MB进行催化降解，发现具有较高的催化活性。由于具有丰富的能带结构，宽的光谱响应范围等优良特性，使之与无机半导体相比实用性更强，同时由于其性能稳定、无能耗、不会造成二次污染而使该类材料具有良好的应用前景。5结语纳米材料独特的性能，在建筑、交通、电子电气设备、能源、环境、健康等领域强大需求的驱动下，未来纳米材料市场规模将呈现较快增长。同时，随着技术的逐渐成熟，将有更多的纳米材料实现产业化。高分子纳米材料与无机材料及有机材料等其他材料可以形成互补的优势，将极大丰富材料了产业，同时由于高分子材料具有可控性及绿色、环保以及多功能化，充分发挥纳米材料的性质，必将成为以后研究的热点。参考文献[1].王彦红等,导电高分子纳米复合材料研究进展.化工时刊,2007.21(1):第73-77页.[2].平朝霞,北京纳米材料产业发展分析.新材料产业,2014(1):第18-22页.[3].王岩岩,多功能纳米复合材料的制备、表征及其光、磁、传感等性能的研究,2014,中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所).第124页.[4].徐铭泽,功能纳米复合材料的制备及其在核废水处理中的应用研究,2014,吉林大学.第119页.[5].曾琦斐,谭荣喜与王贵华,纳米材料及其研究进展.湖南环境生物职业技术学院学报,2010(01):第1-4页.[6].王彦红等,导电高分子纳米复合材料研究进展.化工时刊,2007.21(1):第73-77页.[7].李永锐等,化学法制备导电高分子纳米复合材料研究进展.材料导报,2003.17(F09):第98-101页.[8].李祎,生物降解高分子纳米复合材料的制备与性能研究,2013,吉林大学.第126页.[9].孟岩,有序的有机高分子介孔材料的合成与