纳米材料讲义范文

纳米材料讲义范文纳米材料讲义范文 1聚合物纳米复合材料 1 一般认为颗粒直径在1 100nm之间的粒子称为纳米粒子 它是由一定数量的原子或分子组成的亚微观粒子 如下图为纳米SiO2的三维链状结构图 纳米粒子区别于本体结构的特点是粒子具有壳层结构 而其特殊类 结构导致了它具有了四方面效应表面效应 体积效应 量子尺寸效 应 宏观量子隧道效应 并由此派生出传统固体不具有的许多特殊 性能 表面效应指的是纳米粒子表面原子与总的原子数之比随粒径的减小 而急剧增大 粒子表面结合能随之增加 从而引起纳米微粒性质变 化的现象 体积效应当超细微粒的尺寸与光波波长 德布罗意波长以及超导的 相干长度或透视深度等特征尺寸相当或更小时 晶体周期性的条件 将会被破坏 非晶体纳米颗粒的颗粒层附近原子密度减小 导致声 光 热 电 磁等一些化学特性会发生变化 出现体积效应 量子尺寸效应当粒子的尺寸下降到一定值时 粒子内部原子数目减 少 费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级的现象称 为量子尺寸效应 宏观量子隧道效应近年来 人们发现一些宏观量例如微颗粒的磁化 强度 量子相干器件中的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应 它们 可以穿越宏观系统的能垒而产生变化 故称为宏观的量子隧道效应 由于纳米粒子比表面积大 粒子间距离小 表面能高 并在磁性 光学性 电磁波吸收 化学活性等方面呈现多种多样的优异特性 所以将纳米材料应用于材料领域 开发新型功能复合材料 已成为 目前的研究重点 DLVO理论表明 粒子间相互作用的总位能为排斥力位能和引力位能 之和 1 表面活性剂法利用表面活性剂的有机官能团与粒子表面进行化 学吸附或化学反应 从而使表面活性剂覆盖于粒子表面 起到减小 表面能 减少粒子间相互结合的机会 2 等离子体与辐射引发聚合法无机粒子表面往往含有少量结合羟 基 用化学方法一般难以使这些羟基产生引发活性 但如用高能辐 射 等离子体处理等方法 可使这些结合羟基产生具有引发活性的 活性种 自由基 阳离子或阴离子等 引发单体在其表面聚合 3 表面接枝聚合改性法通过化学反应将高分子链连接到无机纳米 粒子表面2的方法称为表面接枝法 2 表面吸附包裹改性对纳米粒子的包裹改性的一个好方法就是把单 体吸附在微粒表面 然后引发单体聚合 1 物理复合法是制备纳米复合材料的最简单的方法 它通过各种方 式将纳米 颗粒与聚合物混合达到复合目的 特点是纳米粒子与材料的合成分步进行 纳米粒子的尺寸和形态可 预先控制 但纳米粒子与聚合物之间只是简单的物理混合 2 溶胶 凝胶法基本原理是易于水解的金属化合物 无机盐或金属醇盐 在 某种溶剂中与水发生反应 经过水解与缩聚过程逐渐凝胶化 再经 干燥烧结等后处理得到所需材料 基本反应有水解反应和聚合反应 优点在于反应条件温和 可实现粒子在纳米尺度的分散 但所用的 前驱物价格昂贵而且有毒 并且在干燥过程中由于溶剂和小分子的 挥发 材料内部产生收缩应力 致使材料脆裂 很难获得大面积或 较厚的有机 无机纳米复合材料 3 原位聚合法纳米粒子易团聚 要获得高性能的复合材料 行之有 效的方法是在纳米粒子发生团聚之前 在纳米粒子表面形成聚合物 保护薄层 利用聚合物的长链阻隔作用 提高纳米粒子在基体相中 的分散性以及和基体的相容性 原位聚合过程中 单体聚合与表面接枝改性同步进行 SiO2粒子不 易发生再次团聚 因此较易保持其原有的纳米特性 举例纯丙烯酸酯细乳液聚合得到的粒子较透明 表面光滑 球形度 好 未经MPS处理纳米SiO2的细乳液聚合产物中 大部分SiO2粒子从 有机相逃逸出来 游离分散于连续水相 聚丙烯酸酯胶粒内部几乎 不含纳米SiO2粒子 而经MPS改性SiO2粒子制得的细乳液聚合产物中 SiO2粒子呈 石榴状 分散于聚丙烯酸酯胶粒内部 四 常用纳米复合材料表征技术1 扫描电镜SEM主要用于观察纳米粒 子的形貌 纳米粒子在基体中的分布情况 Hendri Widiyandari 11 等人采用悬浮聚合法用聚苯乙烯 丙烯酸丁酯 甲基丙烯酸对纳米颜料进行改性 制备纳米颜料聚合体 通过SEM图 观察 可以得到纳米颜料添加量对有机颜料微胶囊的形态没有影响 2 透射电镜TEM3用于研究纳米粒子的形貌 分散情况及测量和评估 纳米粒子的粒径 对TiO2粒子水分散液和通过原位乳液聚合制备得到的PBA SiO2复合 胶乳胶的形态进行TEM表征 12 对比左右两图可见 说明形成了一定量的PBA SiO2复合胶乳胶粒子 即形成了一定地包覆 3 扫描隧道显微技术STM不仅能够实时地观测到原子在物质表面的排 列状态和与表面电子行为有关的物理化学性质 而且在纳米尺度的 表面加工方面也有巨大优越性 4 热重分析法TGA纳米材料的存在对复合材料的TGA的形态有很大影 响 通过相应曲线的变化 可以判断纳米复合材料的稳定性提高或 降低的程度 五 纳米复合材料在纺织上的应用由于纳米复合材料兼具纳米粒子 的特性与聚合物的性能 使其应用领域十分广阔 几乎涉及人类生 产生活的各个方面 如医学 航空航天 纺织等 举例PBA TiO2纳米复合剂在棉织物抗紫外中的应用 12 从图中可以看出 PBA TiO2纳米复合剂在棉织物抗紫外中的应用未 经的棉织物表面光滑 经TiO2分散液的棉织物表面TiO2粒子分布很 不均匀 只有在局部区域 特别是纤维间 堆积着大量的TiO2粒子 而在PBA TiO2棉织物表面 TiO2粒子分散相对更为均匀 与织物结 合形式更为牢固 用纳米材料处理过的领带具有拒水的特点 还可将功能性纳米微胶 囊涂于纤维表面 使织物据有防蚊虫的功效 13 随着纳米复合材料和纳米技术基础研究的深入和实用化进程的发展 纳米复合材料在功能纺