第十章高分子纳米复合材料.ppt

1、第十章高分子纳米复合材料，21世纪科技新星，2，2，10.1纳米基本知识，1 .纳米概念“纳米”是英语nanometer的原名，1纳米为百万分之一毫米，即1纳米，即十亿分之一米，约45个原子排列长。 纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下的微细结构。 纳米研究的范围是1到100纳米，0.1纳米是单一氢原子的大小，因此不存在0.1纳米级的“纳米技术”。 3、2 .纳米技术概念的提出与发展，首先提出纳米尺度上的科学与技术问题的是着名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德费曼。 纳米技术的快速发展是在80年代末，90年代初。 80年代初发明了费曼希望纳米技术研究的关键仪器扫描隧道显微镜(STM )、原子力显微镜(AFM )等微观特点和操作技术，对纳米技术的发展起到了积极的促进作用。 与此同时，纳米尺度上的多学科交叉显示出巨大的生命力，迅速成为具有广泛学科内容和潜在应用前景的研究领域。 是现代最受欢迎的科学家之一。 他在科学上作出了巨大的贡献，不仅保留了历史，在“挑战者”号航天飞机事故调查中的决定性作用也广为人知。 他还是个撬开原子能工程保险箱的人，是个敲巴西邦戈鼓的“科学淘气鬼”。 4，4，10.2纳米技术的研究领域，1 .纳米材料纳米材料是指材料几何尺寸达到纳米尺寸，具有特殊性能的材料。 其主要类型为纳米粒子和粉体、碳纳米管和一维纳米材料、纳米薄膜、纳米块。 纳米材料结构的特殊性如大比表面和一系列新的效应(小尺寸效应、界面效应、量子效应和量子隧道效应) 决定纳米材料表现出许多不同于传统材料的独特性能，进一步优化了材料的电、热学和光学性能. 研究方面：一是系统研究纳米材料的性能、微观结构和光谱学特征，与常规材料进行比较，找出纳米材料的特殊规律，建立描述和表达纳米材料的新概念和理论，二是发展新的纳米材料。 目前纳米材料应用的关键技术问题是如何在大规模制造的质量控制中实现均匀化、分散化、稳定化。 5，2 .纳米器件纳米技术的最终目的是以原子、分子为起点，制造具有特殊功能的产品。 因此，纳米器件的开发和应用水平是进入纳米时代的重要标志。 如上所述，纳米技术发展的主要推动力在于信息产业。 6、纳米电子的目标是进一步缩小集成电路的几何结构，超越当前发展面临的局限性，使功能密度和数据通过量达到新的水平。 在纳米尺度下，当前电子装置不存在将电子视为粒子的前提，因此可能出现各种新现象，并可能产生如量子效应的新效果。 利用量子效应工作的电子装置称为量子装置，诸如谐振隧道二次管、量子阱激光器、量子干涉元件等。 与电子装置相比，量化装置具有高速(速度加倍)、低消耗(能量消耗加倍)、高效率、高集成度、经济可靠性等优点。 为了制造具有特定功能的纳米产品，技术路线分为“自上而下”和“自下而上”。 7“自上而下”是指通过微细加工和固体技术，将人类创造的功能产品不断微细化为尺寸，“自下而上”是指以原子、分子为基本单位，按照人们的意愿进行设计和组装，构筑具有特定功能的产品。 该技术路线减少原材料需求，降低环境污染。 科学家希望通过纳米生物学的研究，进一步把握将生物学原理应用于纳米尺度来制造生物分子器件，目前，科学家在纳米化工、生物传感器、生物分子计算机、纳米分子马达等方面作出了重要尝试。8，3 .纳米结构的检测和特点，为了在纳米尺度下研究材料和器件的结构和性能，必须发现新的现象，发展新的方法，建立新的技术，纳米尺度的检测和特征手段。 这包括在纳米尺度上的原位研究各种纳米结构的电、力、磁、光学特性、纳米空间的化学反应过程、物理传输过程、原子、分子的排列、组装与特异物性的关系。 扫描探针显微镜(SPM )的出现表明人类进入了微尺度的探索新领域。 作为纳米技术的重要研究手段的SPM，在形象上也被称为纳米技术的“眼睛”和“手”。 9、所谓“眼睛”可以通过SPM直接观察原子、分子、纳米粒子的相互作用和特性。 “手”是指SPM可用于移动原子、构建纳米结构，同时用纳米尺度研究新现象，为科学家提供提出新理论的微实验室。 同时，结合纳米材料和结构的制备过程，与纳米器件性能检测相结合的多种新型纳米检测技术的研究与开发也受到了广泛的重视。 举例来说，激光钳技术可用于操纵单一生物高分子。 10，10.3纳米技术的未来展望，纳米技术在现代科学技术和工业领域有着广泛的应用前景。 例如，信息技术领域估计，在大约十年后，当前正在使用的数据处理和存储技术将达到极限。 为了得到更强的信息处理能力，人们正在开发DNA计算机和量子计算机。 制造这两种计算机需要单一的分子和控制原子的技术能力。 11、传感器是纳米技术应用的重要领域。 随着纳米技术的进步，成本更低、功能更强的微传感器广泛应用于社会生活的各个方面。 例如，包装箱内的追踪监督智能轮胎发动机缸内监视酒盖判断酒的状况等。 用传感器、12、纳米材料制成的纳米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、防老、防紫外线等作用，可用作冰箱、空调箱的抗菌除味塑料。 13、纳米技术的发展使微电子与光电子的耦合更加紧密，在光电信息的传输、存储、处理、运算和显示等方面大大提高了光电设备的性能，将纳米技术应用于现有雷达信息处理，可以将其能力从10倍提高到几百倍，将超高分辨率纳米孔径雷达搭载在卫星上以实现高精度对抗最近，麻省理工学院的研究人员将激发的钡原子一个接一个地输送到激光器中，对每个原子发射有用的光子，其效率高，令人吃惊。 在光电信息、14、环境和能源、环境科学领域出现了功能独特的纳米膜。 该膜可以检测化学和生物制剂造成的污染，过滤这些制剂去除污染。 制备孔径lnm的纳米孔材料作为催化剂的载体，为了除去水和空气中的污染，使用纳米孔材料和纳米膜材料(孔径l0l00nm )使太阳能电池的能量转换效率倍增。 15、医学与健康、纳米技术给医学带来了变革：纳米级粒子使药物在人体内的运输更加方便，多层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后，可以积极搜索并攻击癌细胞，修复损伤组织，科学研究人员利用纳米粒子进行细胞分离，用金纳米粒子纳米传感器系统，在人工器官外涂布纳米粒子能够预防移植后的排斥反应，是一种耐久的人体和友好的人工组织，能够尽早诊断研究器官恢复和康复装置的疾病。 16、研究纳米技术在生命医学中的应用，可以通过纳米尺度了解生物高分子的微结构与功能的关系，从而获得生命信息。 科学家们设想利用纳米技术制造分子机器人，在血液中循环，检查身体的各部分。 诊断，实施特殊治疗。17、生物技术、分子计算机目前处于理想阶段，科学家已经考虑应用一些生物分子制造计算机部件，其中细菌最有希望得到紫红质。 该生物材料具有特异的热、光、化学物理特性和稳定性，而且其特异的光循环特性可用于信息的存储，取代了当今的计算机信息处理和信息存储，使单位物质的存储和信息处理能力提高了百万倍。 18、宇宙和航空、纳米设备在航空航天领域的应用，不仅要增加有效载荷，还要把能量指标降低指数倍。 这方面的研究内容包括微型航天器用纳米集成测试，包括低功耗、耐辐射性、高性能计算机的开发，电子设备的控制耐热障碍、耐磨性的纳米结构涂层材料。 采用纳米材料技术对机械主要部件进行金属表面纳米粉涂层处理，可以提高机械设备的耐磨性、硬度和寿命。 19、通过国家安全、先进的纳米电子器件在信息控制中的应用，使军队在报警、导弹拦截等领域迅速反应纳米机械学、微机器人的应用，以纳米和微米机械设备进行控制，以提高部队的灵活性和战斗有效性。 国家核防御系统性能大幅提高的纳米材料技术的应用，大幅提高了武器装备的耐腐蚀、电波吸收性和隐蔽性，可用于舰船、潜艇和战斗机等。 20，10.4高分子纳米复合材料、高分子纳米复合材料是近年来高分子材料科学发展迅猛的新领域。 一般指分散相尺寸至少一维小于100nm的复合材料。 这种新型复合材料将无机材料的刚性、尺寸稳定性和热稳定性与高分子材料的韧性、加工性和介电特性完美结合起来，开创了复合材料的新时代，制备了纳米复合材料。 已成为获得高性能复合材料的重要方法之一。 纳米材料科学是涉及凝聚态物理、配位化学、胶体化学、材料表面与界面、化学反应动力学等多个领域的交叉科学。 当材料进入纳米级时，其性质完全不同于传统材料。 高分子材料科学的关系非常广泛，其重要方面之一是改变单一聚合物的凝聚状态，或者添加填料实现高分子材料使用性能的大幅提高。 因此，纳米粒子的特异性在这一领域的发展过程中应对高分子复合材料对高性能填料的需求，在高分子材料科学突破传统理念中发挥着重要作用。 纳米材料科学与高分子材料科学的交流合作产生了高分子纳米复合材料。 22，10.4.1高分子纳米复合材料的性能，复合材料将两种以上的材料复合，补充优势，寻求最佳综合性能。 纳米复合材料是指分散相尺度至少一维小于100nm的复合材料，由于纳米分散相大的比表面和强界面作用，纳米复合材料显示出与普通宏观复合材料不同的综合性能。 纳米粒子尺寸小，比表面积非常大，表现出与普通微米级材料完全不同的性质。 与聚合物复合时，纳米粒子的表面效应、小尺寸效应、量子效应和协同效应大大提高了复合材料的综合性能。 由于该复合材料兼具高分子材料本身的优点和纳米粒子的特异特性，因此具有很多功能特性，被应用于力学、催化剂、功能材料(光、电、磁、敏感)等领域。 例如，通过插层法得到的聚丙烯/蒙脱土等纳米复合材料在力学性能方面具有高强度、高弹性模量、韧性和高热变形温度等优点。 24、(1)阻挡性能是将尼龙6和还原性树脂中纳米分散的少量层状蒙脱石暴露在氧等离子体中，形成均匀的钝化和自我恢复无机表面。 这是因为，通过纳米复合材料中的表面高分子的氧化，层状硅酸盐的含量相对变多，形成了无机表面层。该无机区域为乱层，层状硅酸盐间平均距离为1nm4nm。 这种陶瓷硅酸盐提供了纳米复合材料的涂层，阻止了氧离子的侵入，提高了高分子材料在氧环境中的生存寿命。 25、(2)生物功能RichardM等采用四步软印刷法在高分子正烷基硫醇表面获得表面图案沟槽，成功培养细菌细胞。 这种表面的功能单元是三维细菌的栅栏，体积小到12立方微米。 得到的细菌栅栏是疏水，甲基末端的正烷基硫醇在底部可以提高细菌的附着，栅栏壁由聚丙烯/聚己二醇层状纳米复合材料构成，可以减少附着。 细菌能够在这种表面样式的沟内生存，大沟能够滋养185个细菌，小沟能够滋养21个细菌。26、(3)电磁特性B.Scrosati等人通过将纳米尺寸陶土粉末分散在聚乙二醇锂盐中，得到了新的含锂聚电解质。 该复合体在3080的范围内具有优异的机械稳定性能和高离子传导性，因此该纳米复合聚合物电解质有望应用于锂电池的可充电应用。 27、G.Hadziioannou等研究了高分子含量和壳形态对导电性能的影响。 他们用导电性聚吡咯涂布在非导电性胶乳的表面，可以得到低渝渗透区域的值。 聚吡咯含量不足2%时，聚吡咯壳表面平滑，导电性随聚吡咯浓度的增加而提高，渝渗透区值为0.25%，此时聚吡咯壳厚度为0.6nm。 聚吡咯的含量超过2%时，吡咯的壳体呈现不同的表面形态，甚至形成独立的聚吡咯粒子，此时的导电性与聚吡咯的含量无关。 28、(4)光学和光导性ParasN.Prasad等报告了由聚n -乙烯基咔唑(PVK )和表面钝化的CdS构成的混合复合体具有光导性。 其中，PVK作为电荷转移高分子基质，表面钝化的CdS作为电荷产生的光敏剂使用。 JeffreyG实验表明，该纳米复合材料的光导电性优于由聚N-乙烯基咔唑(PVK )和C60组成的复合材料。 29、(5)催化活性Nafion树脂、一种perfollfluoronated离子交换高分子常用作多相强酸催化剂，但由于高分子微珠的表面积过小，通常小于0.02m2/g，催化活性受到很大限制。 MarkA.Harmer等人将粒径为20nm60nm的Nafion树脂添加到多孔硅胶中形成纳米复合材料，复合材料的表面积增加到150m2/g500m2/g，因此复合材料的催化活性比原来的高分子提高了100倍。 30、10.4.2高分子纳米复合材料的制备、制备方法多种多样，四大类：纳米单元和高分子直接混合，在高分子基质中原生成纳米单元的纳米单元的存在下，单体分子在原位聚合，高分子、纳米单元和高分子同时生成。 制造各种纳米复合材料的方法的核心思想是通过有效地控制复合系统中的纳米单元度量、空间分布参数、体积得分等，特别是通过控制制造条件(空间限制条件、反应动力学因素、热力学因素等)， 考虑通过确保系统的一个配置相位的至少一维尺寸在纳米尺度范围内(即，控制纳米单元度量的初级结构)来接下来控制纳米单元组的次级结构。 以第一种方法为例进行说明。 31、(1)能够直接配合到纳米单元的制造中的纳米单元的制造方法多种多样，通常，两种制造：从小时到大的构筑式，即从由原子、分子等前体制造的大的粉碎式到小的粉碎式，从通常的嵌段前体制备(一般制备的纳米单元的微观结构) 制造方法的物理方法、化学方法、物理化学方法3种。32、物理粉碎法、使用超微细磨制造纳米粒子，利用介质与材料之间的相互研磨和冲击，利用研磨助剂或功率超声波进行粉碎，直至微粒子微细化的物理气相生长法(PVD):将想要在低压的惰性气体中蒸发的物质加热使其气化，在惰性气体中冷凝而形成纳米粒子， 加热源可以是电阻加热、高频感应、电子束或激光等