納米技術在高分子材料中的應用淺談

馬鵬飛，韓生華

(山西大同大學 化學與環境工程學院，山西 大同 037009)

在過去的幾十年中，納米科學(nano science)和納米技術(nano technology)的研究出現了爆炸性的增長，極大刺激了科技領域的大發展。目前隨著納米技術的不斷進步，高分子材料的改性研發也逐漸日新月異。利用納米分子材料的特殊性質，如特殊的電學(electrical)、光學(optics)、磁性和化學活性(magnetic and chemical activity)，我們可以將這些納米材料添加到高分子材料中并加以修飾，從而得到特殊的功能高分子材料[1]。這將極大改變高分子材料的性能，也將其應用拓展到更加寬闊的領域中。

1 納米高分子材料的優勢

納米粒子通常與聚合物結合，利用納米材料的特殊性能開發新產品，用這種方法制得的聚合物材料成本低，周期短。新材料也與普通的改性材料不同。新材料具有特殊的體積效應(volume effect)、表面效應(surface effect)、量子效應(quantum effect)等[2]。結合這些效應，改性高分子材料具有特殊的性能。納米材料具有較大的比表面積(specific surface area)、小尺寸(small size)等特點，與普通材料相比具有特殊的特點[3]，具有一些新穎的特性和不可思議的特性，使其成為一種具有廣闊應用前景的新型材料。

2 納米微粒的改良方法

科學家將納米高分子材料稱為強大的“混血兒”。 納米粒子粒徑小，比表面積大，易于團聚。為了提高納米添加劑和聚合物的界面結合力，提高納米顆粒的均勻分散能力，需要對納米粉體進行表面改性[4]。主要是降低粒子表面能態，消除粒子表面電荷，提高有機相與納米粒子的親和力等。其主要代表性的方法有以下幾種：

(1)表面覆蓋改性。該方法將表面活性劑，例如硬脂酸(stearic acid)、有機硅(silicone)、鈦酸酯(titanate)等物質，覆蓋在顆粒表面，使性質發生改變[5]。

(2)機械化學改性。即采用利用摩擦粉碎的方法，使分子晶格位移，活化顆粒表面，使內能增加，從而改變晶體結構和物理化學粒子表面結構[6]。

(3)層間插入法。 該方法是將納米粒子直接填充分散，把納米粒子聚合，直接插到無機物質，例如金屬氧化物(metallic oxide)，二硫化物(disulfide)，石墨(graphite)等的層狀結構中，使得在納米粒子的表面上，均勻地形成了夾層[7]。

目前還有一些別的方法，例如給納米粒子摻雜大量的有機物，使得兩相均勻，得到高純度的材料。這些物質的加入使得納米粒子的表面能大大降低、填料狀況得到了極大的改善，同時也使得納米粒子與基體的界面結合能力得到了加強。

3 納米技術在高分子材料中的應用廣泛

在涂料行業領域中，科學家們也考慮使用納米材料，如納米銀(nano silver)、納米氧化鋅(nano-zinc oxide)、納米二氧化鈦(nano-titanium dioxide)、納米二氧化硅(nano-silicon dioxide)等作為保護涂料的添加劑，這些添加劑吸附太陽光中的紫外光，能夠產生羥基自由基，不僅能抑制微生物的生長，還可以有效保護涂料的微生物降解和化學物理退化，讓油漆不會輕易脫落[8]。

世界上產生的大量塑料廢物是由諸如聚乙烯(HDPE或LDPE)、聚丙烯(PP)和聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)等塑料廢料的聚合物組成。多年來，環境保護主義者一直在尋找各種方法來克服如此大量的塑料廢物被棄置到垃圾填埋場的問題[9]。科學家通過發現添加一些納米顆粒，可以從塑料廢物中生產石油吸附劑。該領域的研究是一項是很有前途的研究。塑料抗老化性能差影響了其推廣應用，可以在塑料中加入多種納米添加劑，以提高其性能并增強其通用性。例如在聚丙烯、聚乙烯等塑料材料中添加了納米二氧化鈦，然后經過長時間光照后，其拉伸強度幾乎沒有變化。將抗菌性的納米粒子添加到塑料中，可以得到具有持久抗菌性的塑料。如果將此項技術實現工業化生產,將取得很好的經濟效益。

太陽能電池的制備中采用納米二氧化鈦顆粒，其中用于敏感的純二氧化鈦納米顆粒的溶膠-凝膠法合成。該電池具有良好的太陽能光能，其光電轉換效率分別為0.49%和1.05%[10]。

沙門氏菌和彎曲桿菌是最常見的食源性疾病。商業雞肉被認為是沙門氏菌和彎曲桿菌感染最重要的食品工具之一。在家禽業中采用納米技術，包括納米高分子的消毒劑、表面殺菌劑、防護服、空氣和水的過濾等，可以大大提高微生物安全和產品質量。

納米材料對吸水和疏油的特性，使其在日常生活服裝上也有著很重要的應用前景。利用納米復合材料，例如樹枝狀大分子的疏水蛋白溶膠-凝膠系統，碳納米管等，制作的防水和疏油的紡織材料，已經成為新型服裝的必備[11]。此類服裝具有高效環保的屏障系統保證了衣服穿著舒適，同時還具有多阻隔性能(防高溫和火焰，熱中風的保護，灰塵釋放)和相關生理參數(透氣、調溫/絕緣性能)的要求。

高分子納米材料(PNMS)作為高分子材料在納米級或聚合物復合材料含有納米材料的生物醫學應用，已經變得越來越有用。在特定的，在聚合物相關的納米科學和納米技術的進步帶來了革命性的變化，產生與量身定制的性能和功能進行有針對性的生物醫學應用的新材料。這些材料，包括聚合物(polymer)、納米粒子(nanoparticles)、納米膠束(nano micelle)、納米凝膠(nano gel)，納米纖維(nanofibers)，樹枝狀聚合物(dendritic polymer)和納米復合材料(nanocomposite)，已廣泛應用于藥物、基因治療、組織工程和再生醫學圖像。

4 結語

納米材料作為一種很好的技術，在高分子材料中有著重要的應用，其未來前景十分廣闊，對于未來材料科學的發展有著特殊的重要現實意義。研發應用納米復合材料可以利用我國優勢的資源，同時也對傳統的工藝進行改造，對環境保護具有積極意義，具有巨大的市場潛力。