高分子材料改性中納米技術的應用

王磊

摘要：隨著信息化時代的發展以及社會對材料的要求不斷提高，納米技術的問世為材料科研行業的發展提供了新的研究方向，尤其是在高分子材料的改性研究上。納米技術是近年來伴隨著先進的科技發展起來的，在高分子材料的研究過程中，研究材料的改性對于提高高分子材料的性質和應用性能至關重要。基于此，本文從納米技術的發展背景著手，首先，簡要分析了納米粒子的特點以及納米技術的概念，隨后闡述了通過納米技術改性高分子材料的原理，最后探討了納米技術在高分子材料改性研究中的具體應用。

關鍵詞：納米技術;高分子材料;材料改性

引言：

縱觀近年來我國材料科研的研究和發展進程，材料行業尤其是高分子材料的科研工作，已經取得了很多驕人的成績。但是，隨著時代的發展，社會各行各業對材料的應用需求和性能要求越來越高，進行高分子材料的改性至關重要。納米技術是近年來科研界發展熱議的話題，在不斷的探索和實踐中，一直在不斷革新。納米技術的發展給高分子材料的改性手段提出了非常重要的參考方向。

1納米技術的概念以及納米粒子的特性

納米技術（nanotechnology），也稱毫微技術，是研究結構尺寸在1納米至100納米范圍內材料的性質和應用的一種技術。1981年掃描隧道顯微鏡發明后，誕生了一門以1到100納米長度為研究分子世界，它的最終目標是直接以原子或分子來構造具有特定功能的產品。因此，納米技術其實就是一種用單個原子、分子制造物質的技術。

納米粒子是指顆粒尺寸在1～100納米，具有普通宏觀粒子沒有的特殊性質的粒子。將納米粒子添加到高分子材料的生產制造過程中，可以賦予高分子材料相應的特殊功能。這一特性為高分子材料的改性研究提供了新的發展思路，納米技術的應用，推動著高分子材料改性研究的蓬勃發展。可以預見，納米粒子應具有一些新異的物理化學特性。納米粒子區別于宏觀物體結構的特點是，它表面積占很大比重，而表面原子既無長程序又無短程序的非晶層。可以認為納米粒子表面原子的狀態更接近氣態，而粒子內部的原子可能呈有序的排列。即使如此，由于粒徑小，表面曲率大，內部產生很高的Gilibs壓力，能導致內部結構的某種變形。納米粒子的這種結構特征使它具有下列三個方面的效應：

（1）表面與界面效應。納米微粒比表面積大，位于表面的原子占相當大的比例，表面能高。由于表面原子缺少鄰近配位的原子和具有高的表面能，使得表面原子具有很大的化學活性，從而使納米粒子表現出強烈的表面效應。利用納米材料的這種特點，能與某些大分子發生鍵合作用，提高分子間的鍵合力，從而使添加納米材料的復合材料的強度、韌性大幅度提高。

（2）小尺寸效應。當超細微粒的尺寸與傳導電子的德布羅意波長相當或更小時，晶體周期性的邊界條件將被破壞，導致其磁性、光吸收、熱、化學活性、催化性及熔點等發生變化。如銀的熔點為900 ℃，而納米銀粉的熔點僅為100℃（一般納米材料的熔點為其原來塊體材料的30% ～50%）。應用于高分子材料改性，利用納米材料的高流動性和小尺寸效應，可使納米復合材料的延展性提高，摩擦系數減小，材料表面光潔度大大改善。

（3）量子尺寸效應。即納米材料顆粒尺寸小到定值時，費米能級附近的電子能級由準連續能級變為離散能級的現象。其結果使納米材料具有高度光學非線性、特異性催化和光催化性質等。

總之，納米材料能在低溫下繼續保持順磁性，對光有強烈的吸收能力，能大量的吸收紫外線，對紅外線亦有強烈的吸收能力;在高溫下，仍具有高強、高韌性、優良的穩定性等，其應用前景十分廣闊，在高分子材料改性中的研究也將出現一個新的發展。

2通過納米技術改性高分子材料的原理

20世紀90年代，美國巴爾召開的Nanoscate Science and Technology會議中，納米技術第一次被世界認識，但是，將納米技術應用到高分子材料的改性研究過程，是近幾年才開始的，因此，研究的還不夠深入，研究成果還比較有限。現階段，對于應用納米技術改性高分子材料的認識，還停留在比較初級的水平：不同的納米粒子與高分子材料中分子的作用機理具有一定的差異性，納米粒子與高分子之間產生的有物理反應也有化學反應。改性研究中高分子材料的性能由所添加的納米粒子的量子尺寸效應、體積效應等共同影響。

3納米技術在高分子材料改性研究中的具體應用

高分子材料的研究對于社會各行各業尤其是生產加工制造行業具有非常重要的意義和價值。因此，由于生產制造行業對材料應用的性能要求越來越高，進行高分子材料的改性研究迫在眉睫。高分子材料中應用比較廣泛的主要有塑料、橡膠以及化學纖維材料等，在這些材料的改性研究中，納米技術能夠發揮非常重要的應用價值。

3.1塑料改性研究中納米技術的應用

納米技術是當前階段社會比較先進的科研技術，對于納米技術的科學應用，能夠促進高分子材料中塑料的改性研究。塑料是社會生產制造行業中應用非常廣泛的高分子材料，隨著各行各業對產品的性能要求越來越高，對于塑料的改性研究刻不容緩。納米技術的應用，在塑料高分子材料的改性研究中，能夠有效增強塑料的各項性能，與此同時，也能夠拓展塑料材料的新的應用性能。

（1）納米技術能夠對塑料進行增強增韌。在塑料的增韌改性研究中，改性的手段是多種多樣的。比較傳統的塑料增韌改性方式有共混、共聚以及添加增韌劑等，這是過去很長一段時間內提高塑料材料應用性能的有效方式。納米技術的發展，為塑料的增強增韌改性提供了新的發展思路。在塑料增韌改性中使用納米技術，是將納米粒子添加到塑料材料中，從而增加塑料的韌性。納米粒子尺寸較小、透光性非常強，這些特征對于增強塑料的致密感以及透明度等具有重要意義。納米技術的研究過程中，該技術不容易受到其他因素的影響，能夠分散沖擊力，因而能夠提高塑料的韌性。例如，黃銳等人曾經對LDPE塑料的改性進行了研究，將經過鈦酸酯處理過后的Si C/Si3N4納米粒子添加到材料中進行填充，從而提高產品的性能。

（2）納米技術能夠促進塑料的功能化。塑料在社會各行各業中具有非常廣泛的應用意義，同時，在人們的生產生活中也有非常大的用途，例如，家用電器以及日用品的生產制造等。因此，隨著人們生活需求的提高，對塑料的性能和功能提出了更高的要求。通過在塑料中加入有較強抗菌性能的納米粒子后，可以增強塑料的抗菌性能。現階段，利用納米技術已經能夠制造出具有更高抗菌性能的冰箱，其原理就是在冰箱的塑件原料中加入了具有抗菌性能的納米粒子，從而使冰箱具有抗菌殺菌的功能。除此之外，國內還有將納米技術應用于開發制造無菌的塑料餐具等，在市場中具有非常大的應用空間。將納米金屬粒子Zn O加入塑料的制造過程，可以促進塑料抗靜電性能的發展。在未來的塑料改性研究中，利用納米粒子還能夠進行“隱形材料”的研究。

（3）納米技術能夠促進通用塑料工程化。通用塑料的產量非常大，應用廣泛，并且價格低廉，但是，在性能上與工程塑料相比還有較大的差距。工程塑料雖然具有比較優越的性能和特色，但是，生產應用的成本較高，不適宜大批量生產過程的應用。因此，通過納米技術的應用，可以在通用塑料中加入納米粒子，使得通用塑料具有工程塑料的性能，而仍然保持較低的生產成本。例如，浙江某公司通過納米技術的應用，將通用聚丙烯的性能提升到能與尼龍6性能相媲美的程度，而成本降低了1/3，具有非常大的應用價值，獲得非常可觀的經濟效益。

3.2化學纖維材料改性研究中納米技術的應用

近年來，在市場生產過程中，各種新型的化學纖維材料層出不窮，并且功能性也多種多樣，能夠滿足不同生產加工制造過程對材料的需求。這些化學纖維材料的生產大多應用了納米技術。在化學纖維材料的制造過程中，如果適當添加納米級的二氧化鈦，能夠大大促進化學纖維抗紫外線能力的提高，從而大幅度提高化學纖維的壽命，例如，現階段市場上常見的太陽傘就運用了此技術。當前階段，化學纖維材料的生產制造技術一直在突飛猛進地發展，為滿足市場應用需求，各種新型的纖維材料不斷現世，很多化學纖維材料的改性研究都應用了納米技術。例如，通過在化學纖維材料中加入納米級的Zn O、Si O2等，可以使化學纖維材料擁有凈化、除臭的功能和特點，這種改性方式在醫療用品如繃帶、紗布等中廣泛應用。除此之外，將納米級的Zn O添加在聚酯纖維中，可以增強材料的抗紫外線能力、抗細菌能力;將納米級的金屬粒子添加在化學纖維材料中，可以增強材料的抗靜電能力;將納米級的銀離子添加在化學纖維材料中，還能夠增強材料自身的殺菌能力。隨著人們生活質量的持續提高，人們對產品的優良性能有了更高要求，將納米粒子添加在化學纖維材料中，可以增強化學纖維衣物抵抗電磁波的能力。

3.3橡膠改性研究中納米技術的應用

橡膠材料是高分子材料家族中非常具有應用價值的材料類型，是高分子材料的重要組成類型。通過納米技術的應用，在橡膠材料中添加碳黑納米粒子，可以大大提高橡膠材料的強度、抗磨性能，從而提高橡膠材料的使用壽命。在此改性研究的具體過程中，要保證研究成果，必須從細節處著手，對納米級碳黑粒子的尺寸控制要符合科學規律。一般來說，碳黑納米粒子的尺寸越小，橡膠材料的抗磨損性能就越好，即二者之間存在反比關系。與此同時，由于納米碳黑粒子的添加，橡膠材料的色澤也會受到影響，呈現黑色。通過納米技術的應用，加入其他顏色的補強材料如白色納米粒子，并且加入相應的著色材料，能夠使得橡膠呈現多種顏色。

4結語

綜上所述，納米技術是當前階段社會比較先進并且科研價值和應用價值非常大的技術，對于目前急需進行的高分子材料的改性工作，能夠發揮非常重要的應用價值。納米技術的科學應用，能夠幫助高分子材料的改性工作提供更多的技術支持，支持高分子材料改性的快速發展。但是，當前階段納米材料在我國的材料科研工作中應用的時間不長，應用經驗還比較有限，相關科研工作人員對于納米技術的理論知識和應用技能的掌握還存在很多不足。因此，目前高分子材料改性研究的相關工作人員，在科研工作過程中要積極加強自身對納米技術的理解和應用，推動高分子材料改性研究的進一步發展。

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