工程材料网络课程 5 高分子材料 5.3 纳米高分子材料

纳米科学技术是20世纪80年代后期发展起来的，以介观体系物理、量子力学、混沌物理为代表的现代科学技术和超细加工、计算机、扫描探针显微镜等为代表的先进工程技术相结合的多方位、多学科的技术，其目的是在纳米尺度上研究物质的结构、性质和相互作用，进而直接以原子、分子及物质在纳米尺度上所表现出来的非凡性质以实现生产方式的飞跃。纳米科学技术是20世纪末到21世纪高科学技术领域中的一场革命。目前纳米科学主要包括纳米材料学、纳米电子学、纳米生物学、纳米机械与微加工技术和扫描电子显微镜技术等。

纳米材料的研究是从金属粉末、陶瓷等领域开始的，现已经在微电子、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了广泛的应用。近些年来将纳米微粒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，但仅处于初步阶段。

5.3.1纳米粒子的特性

纳米微粒是指颗粒尺寸为纳米量级的超细微粒，它的尺度大于原子族(Cluster)，小于通常的微粒。通常，把仅包含几个到数百个原子或尺度小于lnm的粒子称为“簇”，它是介于单个原子与固态之间的原子集合体。其研究从70年代中期开始。纳米微粒一般在1～100nm之间，有人称它为超微粒子，也有人把超微粒范围划为1～1 000nm 。纳米微粒是肉眼和一般显微镜看不见的微小粒子。大家知道，血液中的红血球的大小为6 000～9 000nm，一般细菌(例如大肠杆菌)，长度为2 000～3 000nm，引起人体发病的病毒尺寸一般为几十纳米，因此，纳米微粒的尺寸比红血球小1 000多倍，比细菌小几十倍。和病毒大小相当或略小些，这样小的物体只能用高倍的电子显微镜进行观察。日本名古屋大学上田良二教授给纳米微粒下了一个定义：用电子显微镜(TEM)能看到的微粒称为纳米微粒。

当小粒子尺寸进入纳米量级(1～100nm)时，其本身具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，因而展现出许多特有的性质，在催化、滤光、光吸收、医药、磁介质及新材料等方面有广阔的应用前景，同时也将推动基础研究的发展。

5.3.2纳米高分子材料的性能及应用

由于纳米材料具有许多新的特性，如特殊的磁学特性、光学特性、电学特性和化学活性等，利用纳米粒子的这些特性对高分子材料进行改性，可以得到具有特殊功能的高分子材料。这不仅使高分子材料的性能更加优异，使其更加广泛地应用于微电子、化工、国防、医学等各个领域，同时还为高分子改性理论体系的奠定提供了基础，拓宽了高分子改性的理论。

与普通改性材料不同，纳米粒子具有特殊的表面效应、体积效应、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应等，这些效应的综合作用导致了改性后的高分子材料具有特殊性能。比如，纳米粒子巨大的比表面积产生的表面效应，可使经纳米粒子改性后的高分子材料的机械性能、热传导性、触媒性质、破坏韧性等均与一般材料不同，有的材料还具有了新的阻燃性和阻隔性。

纳米技术作为一项高新技术在高分子材料改性中有着非常广阔的应用前景，特别对开发具有特殊性能的高分子材料有着重要的实际意义。但由于对其微观结构认识的不足，纳米技术的发展还存在着较大的局限性，其理论和工程实践也都比较缺乏，但即使如此，其广阔的市场与诱人的应用前景已初见端倪，纳米材料将成为新兴材料的主流。

5.3.3 纳米改性塑料

与原来母体树脂相比，纳米塑料改进和提高的性能有以下几方面， 一是提高力学性能和热性能，弯曲模量（刚性）提高1.5～2倍,提高摩擦和耐磨损性，大幅提高耐热性， 热变形温度上升几十度，热膨胀系数下降为原来的一半。二是赋予塑料功能性，使材料具有阻隔性、 阻燃性，改进材料的透明性、颜料着色性、导电性和磁性能等，如使材料对二氧化碳、氧的透过率降为原来 1/