纳米材料制备与纳米材料制备及应用现状(1)

1、2006年第3期中国非金属矿工业导刊总第55期信息纳米技术与纳米材料制备及应用现状孙成林 1,2 ，连钦明 2（1.龙岩市亿丰粉碎机械有限公司北京办事处，北京 100081； 2.龙岩市亿丰粉碎机械有限公司，福建 龙岩 364001）进入 21 世纪以来，纳米技术以其快速发展走近人们的生活，过去的 2005 年，各粉体技术相关媒体 都以一定的容量介绍我国纳米技术的发展，材料制 备与应用是粉体生产及科研人员更为关注的领域， 因此，笔者着重对 2005 年纳米技术的制备与应用加以介绍。白春礼1 首先分析了美国纳米科技政策指出；2004 年美国总统布什签署了21 世纪纳米研究法案 是以法律的形式保证

2、 2005 年以后的 4 年，政府对纳米技术有一个稳定投入。美国能源部确定了未来 20 年科学发展战略规划“重中之重”的项目：第三项 就是发展纳米科学，开发新材料、新方法。此外欧盟、英国、日本、韩国都有各自的纳米计划：各自 建立了研究机构。在世界纳米总投资中， 美国占 35% ，欧洲各国占 36% ，亚洲占 29%，亚洲投资主要 由韩国和日本构成。我国发展纳米科技要根据发展现状和国际发展 态势，着眼于国家长远发展，以提高我国科技持续 创新能力、发展高科技、实现产业化为指导方针，坚 持“有所为、有所不为，总体跟进，重点突破”，采用新机制，充分调动科研人员积极性。作者介绍了 美国纳米应用研究方面有

3、四大热点：癌症诊断、半 导体芯片、光学新材料、生物分子追踪，其中在芯 片和癌症诊断领域的应用可望在今后 10 年内出现划时代的突破。我国目前已形成 3 000 人的高水平研究队伍，据 不完全统计，十五期间，国家对纳米科技的投入达8.3 亿人民币。在纳米材料研究方面我国同国际差距不是很大，尤其是基础研究方面；在建材、纺织 品领域的应用方面已初步具备产业化的基础；在纳 米生物技术研究方面，我国与国际上都处于起步阶 段。现在的不足是：由于受到资源和微电子产业水平的限制，我国纳米器件研究工作与发达国家相 比有明显差距。有自立知识产权的专利数量较少， 内容大部分集中在纳米材料的制备上。企业很多， 但大部

4、分（90%）是没有研发能力的小企业，且多从事纳米粉体材料的制备，企业运行机制也需要进一 步规范；产、学、研价值链尚未形成。白春礼院士2指出 2004 年 18 月我国 SCI 纳米 科技研究论文总数占世界第一位，但是中国科学家，愿意写论文，不愿申请专利，中国的纳米专利在世 界排名没进入前 20 名。在最近刚刚通过的国家科技 技术中长期发展纲要中，纳米技术被列为优先发展 领域。国内已有锂电池、乙肝试纸、建筑涂料等 10 余项可以产业化的成果。目前我国在纳米产品研究 方面主要集中于纳米材料领域，今后将进一步拓展 电子、生物等领域的纳米技术研究。贺志荣3 简述了纳米材料的种类、特性及应用研究的进展情

5、况。材料方面介绍了纳米金属、纳米 陶瓷、纳米聚合物、纳米复合材料、纳米多孔材料、 纳米磁性材料、纳米半导体材料、纳米生物材料。对 纳米材料的应用，介绍了机械：零件表面涂层保护、微型机械；电子：电器、微型机器人；化 工：催化、过滤、颜料和油墨、汽油微乳 化剂；生物：医药；纺织；军事；航空与航天各方 面。对未来发展发表了三点看法：研究易于精确控制的纳米材料制备、纯化方法和表面修饰、包覆 方法。研制特殊功能纳米材料，包括纳米功能涂 料和纳米添加剂等；研制高性能纳米结构材料， 包括高性能纳米金属、陶瓷材料、纳米相增强复合材料等。 于辉等4 概略总结了纳米材料和纳米技术的发收稿日期：2006-03-10

6、 作者简介： 孙成林，男，6 8 岁，教授级高级工程师。162006年第3期中国非金属矿工业导刊总第55期展战略，并介绍了国内纳米材料研究现状，阐述了纳米技术的发展和纳米材料的应用前景，指出如果 解决好以下 7 个方面，纳米材料的应用前景将更加光明：纳米颗粒尺寸、分布和形貌控制；纳米颗粒表面的形态、缺陷、粗糙度、纯度的控制； 化学组成和微结构的均匀控制；团聚体的控制与分散性控制；工艺稳定性的控制；纳米材料的 稳定性、存储和运输技术；环境污染控制。刘海鹏等5 对纳米物质的制备方法介绍了对气 相法中的气体中蒸发法、化学气相反应法、化学气相凝聚法、溅射法。液相法包括沉淀法、水解法、喷 雾法溶剂热法(

7、高温高压)、蒸发溶剂热法、氧化还原 法、辐射法、化学合成法。固相法包含热分解法、固 相反应法、物理粉碎法、球磨法。纳米粒子在精细化工中的应用：首先是催化领域中的应用，即在加 氢催化反应中的应用和在其他催化反应中的应用， 其次是在涂料领域、化工污水处理及化妆品中的应 用。 王泽红等6 指出晶须是复合材料中重要的增强 组元，因此近年对晶须的研究倍受关注。王泽红等 对 CaSO 4 晶须制备技术及其应用的研究论述了晶须的特性及硫酸钙晶须特性；以生石膏为原料，采用 水热法合成了硫酸钙晶须的制备机理、工艺流程、 产品特性，并在适宜条件下制备出直径为 0.2 4. 0 m 、长度为 35 15 0 m 的

8、硫酸钙晶须、分析结果产品中无水硫酸钙相的含量为 97% ，利用本方法制 备的硫酸钙尺寸稳定，性能优异、成本低廉。戴静等7 介绍了晶须增强陶瓷基复合材料、晶 须增强金属基复合材料、晶须增强聚合物基复合材料等各领域的现状并提出看法。指出晶须是在人工 控制条件下以单晶结构形式生长的尺寸细小的高纯 度针状纤维材料。晶须的直径细小、原子排列高度 有序，内含缺陷较少，其强度接近材料原子间键力的理论值，是一种高性能的增强材料、硼酸盐晶须 自 1959 年发现以来到上世纪 90 年代中日合作开发 出以海盐化工产品为主要原料的硼酸镁晶须，它的 价格是碳化硅晶须 1/20-1/30 ，是当今材料领域中最有希望广泛

9、应用的晶须之一。 印万忠等8 指出纳米氧化锌作为一种新型功能材料，在磁电、光、敏感、抗菌消毒、紫外线屏蔽 等方面具有普通氧化锌产品所不具有的特殊性能和用途；所以它成为近几年纳米材料研究的热点之一，17近几年国外纳米氧化锌的制备技术研究领域主要集中在喷雾热解法、晶体生产方法和纳米复合材料的 制备等方面。国内对纳米氧化锌的研究始于 20 世纪90 年代，目前在形貌、粒度、工艺流程等方面逐渐赶上了国外的制备技术水平。 梁勇9 指出纳米医药学的内涵，实际上是人体是由软、硬组织构成，其中包括很多纳米组装结构。 纳米医学是 1991 年提出来的。纳米微粒在医药学中 的应用研究：包括纳米靶向药物研究目前主要

10、有： 主动靶向药物；被动靶向药物；磁控靶向药物；智能靶向药物，第二种是现有药物从微米到纳米 超微细化、大大提高药效和改变给药方法，这包括： 中药的微纳超细化；活性钙的纳米化；纳米抗菌 药物；环境友好光催化抗菌剂；纳米硒( 生命活化微量元素，抗氧化保健药) 。新型纳米药物。分子组组 装纳米机器人。作者指出了诊断和治疗用纳米靶向 药物载体(纳米粒子)的 7 项要求；对未来进行展望， 并提出自己的看法。崔礼生等10 介绍了微波及其特性，微波即波长 在 100cm 1mm 范围的电磁波，它位于电磁波谱的 红外辐射(光波)和天线电波之间。对微波加热制备纳米材料，介绍了：气相微波加热制备纳米碳管； 液相微

11、波加热制备纳米材料，这当中包括制备催化 剂；制备纳米金属粒子；制备金属氧化物其中包括 氧化铜、二氧化锡、三氧化钛、氧化锌及其他金属氧化物如 CeO 2 、ZnO 2、-Fe 2 O 3、Al 2O 3 等。此外制 备金属硫化物；微波制备纳米有机膨润土。路炜11 指出无机纳米微球在催化、吸附和新型 光电材料中有着广泛的应用，其制备方法和应用受到全世界的关注。介绍了国外微乳液法制备无机纳 米微球的进展。如美国、日本、印度、韩国、奥地 利。此外对国内如中科院感光所、山东枣庄师专、湖 南大学、中科院大连物化所、华东师大、包头明天科技公司、化学生物传感与计量国家重点实验室等 有关专家的研究课题作了介绍。

12、周文英等12 指出纳米粒子改性不饱合聚酯不但 能实现同时增强增韧，提高树脂综合力学性能，而且能改善树脂的热学、耐水和耐化学腐蚀等性能。 作者较详尽的介绍了以下几个问题，纳米粒子表 面处理研究； UPR/ 纳米复合材料研究情况。这 当中包括 UPR 与改性蒙脱土复合制备插层纳米复合材料。另一类是 SiO 2、TiO 2 等纳米粒子对 UPR 填充孙成林等：纳米技术与纳米材料制备及应用改性。陈为亮等13 以 BSG 为有机还原剂，在碱性条件 下研究了表面活性剂的种类和用量、银离子浓度和 反应温度对银粉粒径的影响，以 PVA 为表面活性剂，在反应温度为 2550、Ag+为 0.10.5mol/L 和

13、 高速搅拌的条件下，制备出平均粒径小于 100nm 的 银粉。冷光荣等14 使用两种强酸为复合酸、PEC 等为复合分散剂，以硅灰石为原料、用溶胶 - 凝胶法制 备纳米二氧化硅粉体，文章介绍了复合酸的作用， 溶胶 - 凝胶法除杂反应及复合分散剂的作用。通过 透射电镜(TEM) ，荧光光谱，X 射线衍射(XRD) 和孔隙率测定仪等手段检测了产品性能，结果产品颗粒 为球形，平均粒径为 25nm ，SiO 2 含量大于 99% ，主备纳米粘土 /EP 复合材料。并对其复合材料进行了性能研究。 马正先等19 对一步法合成纳米氧化锌结晶动力学进行分析。从相变驱动力、成核功、成核速率和晶体生长速率等四个方面

14、探讨了一步合成纳米氧化 锌的结晶动力学问题，理论分析与试验结果的比较 表明，影响纳米氧化锌晶粒形成与生长的因素主要 是反应温度、反应物起始浓度饱和过和比。纳米氧化锌合成过程中，既有均匀成核，也有非均匀成核。 加快成核速率的途径有升高成核时的温度、增大成 核时反应物浓度和增大过饱和比。而晶体的生长也 受合成条件的影响，温度升高及过饱和比增大均会遏制晶体生长，从而获得粒度细小且分布窄的纳米 氧化锌粉体。峰孔径为 18nm，用该方法生产工业用 SiO2 粉体有明根据厦门清大研究所的有关资料 ， 该所于 2显优点。 咸才军等15 将纳米 SiO应用在水性超薄型钢结2005 年 12 月公布了最新研究成

15、果。一种银纯度为99.999% 的颗粒为 11 32nm 的无色透明、高纯度、构防火涂料中，发现适量添加可以明显提高涂料燃烧后碳质层的强度，从而延长其耐火极限；同时由 于纳米 SiO2 具有特殊的光学性能、加入可以屏蔽大 部分外来的紫外光，有效延缓钢结构防火涂料的老化进程，避免防火性能的下降。 林海彬等16 通过无水乙醇和十二烷基苯磺酸纳对纳米 TiO2 表面进行修饰，利用纳米 TiO2 具有半导 体性质，以丙酮为分散介质，通过超声波震荡技术 使其均匀分散在清漆中，使掺合后的清漆不但具有 抗静电的性能，而且其耐热性大幅度提高，同时对掺合纳米 TiO2 后的清漆的耐酸碱及其他方面的性能 进行研究

16、。方东17 简述了纳米碳酸钙研究现状、纳米碳酸 钙的生产原理，其生产方法有间歇鼓泡碳化法、连续喷雾多段碳化法、超重力法。目前纳米碳酸钙的 应用主要在橡胶工业、密封胶粘材料、涂料工业、塑 料改性、油墨与印刷、造纸工业。2005 年我国纳米 碳酸钙需求将增至 8 万 t 以上，且新应用领域不断出现。市场更广阔。目前我国有近 200 家碳酸钙生产 厂，但大都规模小、生产工艺落后、技术水平低，很 少生产超细产品。余志伟等18 以十六烷基三甲基溴化胺为插层剂对提纯钠化蒙脱石进行有机插层处理、制备纳米粘 土，最优条件为，反应温度 90 、矿浆浓度 5% 、反 应时间 2h，优化的粘土按不同比例的与 EP

17、混合，制小颗粒的以水为介质的高分散的纳米银悬浮液通过厦门市技术监定，据参与技术监定的国内权威防病、 消毒、抗菌、颗粒制备等方面的专家称，这种纳米银水悬浮液与现在世界上已有的同类产品比有如下 几大特点：纳米颗粒较细小、均匀、颗粒形状好、 银纯度高；无色、透明、无异味的悬浮液( 已知数十种产品绝大多数是带颜色的)；是广谱的抗菌 剂，应用范围广、未来市场开发前景极大；成本 价格低，容易被消费者接受。受国内纳米技术发展的影响，2005 年图书传媒也有相关的专著出版，如：李凤生教授继 2004 年出 版微纳米粉体制备与改性设备后，于 2005 年又 出版了微纳米粉体后处理技术及应用；施利毅等 著纳米科技

18、基础；曹明礼等著非金属纳米矿物材料；任俊等著颗粒分散科学与技术；沈上越 教授等所著矿物岩石材料工艺学；倪星云等著纳米材料的理化特性与应用等等。 纳米技术是一门新兴的前沿科学，世界各国都投入了大量资金和人力来研究。我们需要的纳米技 术研究的实际应用成果，目前国内纳米研究存在的 问题是：目前许多研究还只是启蒙阶段，许多研 究又是重复工作，经费也显不足；纳米应用研究不足，导致纳米产业化能力降低，只有 5% 的实验室 成果转化为生产实践。纳米银水悬浮液制备技术, 厦门湖里清大研究所,2005. 182006年第3期中国非金属矿工业导刊总第55期纳米技术的发展还要经过几步：缺乏带来经济效益的规模生产；如

19、何将纳米量级与宏观量级 建立有效的桥梁；人们害怕纳米技术进入应用时 会被带入歧途，因为目前有纳米技术对人体是否有害的报道，在技术上目前还存在下述问题：a 对合成 纳米颗粒的过程缺乏深入研究，对控制微粒的形状、 分布、粒度、性能等技术的研究还很不够；b 对纳米 颗粒合成装置缺乏工业研究。c 现有纳米材料制备技术不成熟；d 纳米颗粒的收集、存放也是急需解 决的问题；e 纳米材料实用化技术研究不够系统和 深入，测试手段，表现技术急需改进；因此中国的 纳米研究应注意避免炒作，专家预测要实现规模应用约在今后 1520 年。总之，2005 年我国纳米科技 是大发展的一年。参考文献 1 白春礼. 纳米科技发

20、展趋势分析J. 纳米科技,2005,(5):3-7. 2 白春礼. 中国纳米研究应向电子生物领域拓展J. 中国粉体工业,2005,(4):4. 3 贺志荣. 纳米材料及其应用研究进展J.纳米科技,2005,(5):8-12. 4 于辉, 等. 纳米材料近年来的研发与应用进展J. 湿法冶金,2005,(2):57-60.5 刘海鹏, 等. 纳米技术及其在精细化工中的应用J. 纳米科 技,2005,(4):18-20、36.6 王泽红, 等.CASO 晶须制备技术及应用研究J. 矿冶,2005, (2):38-41.7 戴静, 等. 硼酸盐晶须在复合材料中的应用J. 化工矿物与加 工,2005,(

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