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畢業(yè)論文納米技術(shù)與高分子材料(完整版)

2024-12-21 10:06上一頁面

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【正文】 有機溶劑中形成均質(zhì)溶液,溶質(zhì)發(fā)生水解反應(yīng)形成納米級粒子并形成溶膠,溶膠經(jīng)蒸發(fā)干燥轉(zhuǎn)變?yōu)槟z。原位聚合是可使剛性分子鏈均 勻分散的一種復(fù)合新途徑。實驗表明,溶體插層法、溶液插層法和插層聚合法所得到的復(fù)合材料具有相同的結(jié)構(gòu)。中國科學(xué)院化學(xué)研究所對尼龍 6/蒙脫土體系進行了研究,并首創(chuàng)了 “一步法 ”復(fù)合方法,即將蒙脫土層間陽離子交換、單體插入層間以及單體聚合在同一步中完成。這是 由于不同粒子的官能團種類、數(shù)目及表層厚度不同 , 在粒子與基體作用的同時 , 粒子之間也相互吸附 , 從而表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)。 普通填料填充后的復(fù)合材料一般拉伸強度都有明顯下降 , 而采用納米材料填充的復(fù)合材料 , 其拉伸強度會有所增加 , 并在一定范圍出現(xiàn)極值。 在納米粒子表面均勻地包覆一層其它物質(zhì)的膜 , 使粒子表面性質(zhì)發(fā)生變化; ( 4)局部活性改性。 納米粒子的表面改性 納米粒子粒徑小 , 表面能大 , 易于團聚 , 在制備納米粒子 / 聚合物復(fù)合材料時 , 用通常的共混法難以得到納米結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。 (2)小尺寸效應(yīng)。這也是世界各國發(fā)展研究的必要趨勢。 納米技術(shù)是一門交叉性很強的綜合學(xué)科,研究的內(nèi)容涉及現(xiàn)代科技的廣闊領(lǐng)域。鑒于未來最有 可能的技術(shù)浪潮是納米技術(shù),南非科技部正在制定一項國家納米技術(shù)戰(zhàn)略,在 2020 年度執(zhí)行。 韓國、中國臺灣等新興工業(yè)化經(jīng)濟體,意識到納米技術(shù)將會給人類社會帶來巨大的影響,為了保持競爭優(yōu)勢,也紛紛 制定納米科技發(fā)展戰(zhàn)略。 2020年 11 月,美國國會又通過了《 21世紀(jì)納米技術(shù)研究開發(fā)法案》,這標(biāo)志著納米技術(shù)已成為聯(lián)邦的重大研發(fā)計劃,從基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究到研究中心、基礎(chǔ)設(shè)施的建立以 及人才的培養(yǎng)等全面展開。 由于納米微粒尺寸小、比表面積大,表面原子數(shù)、表面能和表面張力隨粒徑的下降急劇增大,表現(xiàn)出小 尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等特點,從而使納米粒子出現(xiàn)了許 多不同于常規(guī)固體的新奇特性,展示了廣闊的應(yīng)用前景;同時它也為常規(guī)的復(fù)合材料的研究 增添了新的內(nèi)容,含有納米單元相的納米復(fù)合材料 [5]通常以實際應(yīng)用為直接目標(biāo) ,是納米材料工程的重要組成部分,正成為當(dāng)前納米材料發(fā)展的新動向,其中高分子納米復(fù)合材料由于高分子基體具有易加工、耐腐蝕等優(yōu)異性能,且能抑止納米單 元的氧 化和團聚,使體系具有較高的長效穩(wěn)定性,能充分發(fā)揮納米單元的特異性能,而尤受 廣大研究人員的重視。納米技術(shù)在高分子材料中得到了充分的應(yīng)用。納米技術(shù)能在小于 100nm 的水平上合成、處理和表征物質(zhì),這是一個涉及多門學(xué)科的廣闊領(lǐng)域。由于納米材料體系具有許多獨特的性質(zhì),應(yīng)用前景廣闊, 而且涉及到原子物理、凝聚態(tài)物理、膠體化學(xué)、配位化學(xué) 、化學(xué) 反應(yīng)動力學(xué)和表面、界面科學(xué)等多種學(xué)科,在實際應(yīng)用和理論上都具有極大的研究價值,所以成為近些年來材料科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點之一,被譽為 “21世紀(jì)最有前途的材料 ”[12]。目前,世界上已有50 多個國家制定了國家級的納米技術(shù)計劃。該計劃將納米技術(shù)作為一個最優(yōu)先的領(lǐng)域,有 13 億歐元專門用于納 米技術(shù)和納米科學(xué)、以知識為基礎(chǔ)的多功能材料、新生產(chǎn)工藝和設(shè)備等方面的研究。綜合國力和科技實力較強的發(fā)展中國家為了趕上發(fā)達國家納米科技發(fā)展的勢頭,也制定了自己的納米科技發(fā)展戰(zhàn)略。 納米科學(xué)與技術(shù),有時簡稱為納米技術(shù),是研究結(jié)構(gòu)尺寸在 100納米范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應(yīng)用。 高分子基納米復(fù)合材料,是指用具有納米尺寸的其他材料與高分子材料以各種方式復(fù)合成型的一種新型復(fù)合材料。 表 11納米微粒尺寸與表面原子數(shù)的關(guān)系 從表 11 可以看出 , 處于表面的原子數(shù)隨粒徑的減小而迅速增加。 即納米粒子顆粒尺寸小到定值時 , 費米能級附近的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)能級變?yōu)殡x散能級的現(xiàn)象。常用的表面改性劑有硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯類偶聯(lián)劑、硬脂酸、有機硅等; ( 2)機械化學(xué)改性。分散劑能降低填料粒子的表面能 , 改善填料的分散狀況 , 但不能改善填料粒子和基體的界面結(jié)合。 對于相同的基體和填料 , 采用相同的處理方法 , 微米級填料使復(fù)合材料的楊氏模量增長平緩 , 而納米級填料則可使復(fù)合材料的楊氏模量急劇上升。插層復(fù)合法可分為三類: 插層聚合法是先將高分子物單體分散、插入到層狀無機物(硅酸鹽等)片層中(一般是將單體和層狀無機物分別溶解到某一溶劑中),然后單體在外加條件(如氧化劑、光、熱等)下發(fā)生原位聚合 [8]。 RuizHitzky[10]等將聚環(huán)氧乙烷( PEO)與不同交換性陽離子的蒙脫上混合攪拌,合成了新的具有二維結(jié)構(gòu)的高分子基納米復(fù)合材料。只有當(dāng)材料的微區(qū)尺寸在 100nm 以下時才能歸屬于納米復(fù)合材料的范疇。這種納米符合薄膜有望在某些工況條件下作為新型特種潤滑材料而獲得應(yīng)用。 該方法反應(yīng)條件溫和,分散均勻。 LB膜法 LB膜法是利用具有疏水端和親水端的兩親性分子在氣 液界面的定向性質(zhì),來制備高分子基納米復(fù)合材料。成國祥等確定了水/Span85Tween60/環(huán)已烷反映微乳液體系的適宜條件,如表面活性劑含量、 HLB值和溶水量值:進而在其中進行丙稀酰胺聚合反應(yīng)和 AgCl、 ZnS 沉淀反應(yīng),制備了大小比較均一、形狀規(guī)則而平均粒徑約為 20nm的 AgCl/PAM、 ZnS/PAM無機 /有機納米復(fù)合微粒。 (3)體積效應(yīng) 當(dāng)納米粒子的尺寸變小時,周期邊界條件將被破壞,使得物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化,甚至是發(fā)生突變。如由于粒 子尺寸較小 , 透光率好 , 將其加入塑料中可以使塑料變得很致密。當(dāng)受外力時,粒子不易與基體脫離 ,而且因為應(yīng)力場的相互作用,在基體內(nèi)產(chǎn)生很多的微變形區(qū) ,吸收大量的能量這也就決定了其能較好地傳遞所承受的外應(yīng)力 ,又能引發(fā)基體屈服 ,消耗大量的沖擊能,從而達到同時 增韌和增強的作用。應(yīng)用此項技術(shù)現(xiàn)已產(chǎn)出了 抗菌冰箱等制品。由于納米 SiO2 是三維 12 鏈狀結(jié)構(gòu) , 將其均勻分散在橡膠大分子中并與之結(jié)合成為立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) , 從而提高制品強度、彈性、耐磨性 , 同時納米 SiO2 對波長 499nm 以納米改性防水卷材的性能 納米技術(shù)對化學(xué)纖維的改性 納米材料的出現(xiàn) , 為制備功能纖維開辟了新的有效途徑 , 如前所述 , 將少量的UVTiTANP580 納米 TiO2 加入合成纖維中 , 就能制得抗老化的合成纖維 ,用它做成的服裝和用品具有防止紫外線的功效 , 如防紫外線的遮陽傘等。 13 6 高分子納米復(fù)合材料的應(yīng)用 由于高分子納米復(fù)合材料既能發(fā)揮納米粒 子自身的小尺寸納米效應(yīng),又能通過與高分子基體材料的相互協(xié)同作用,創(chuàng)造新的功能;既有高分子材料本身易加工、穩(wěn)定性好的特點,又可以使納米粒子所特有的催化、光、電、磁、生物等特殊性質(zhì)得以充分發(fā)揮。日本豐田公司已將它用于制造汽車部 件,如皮帶罩等。 解決微機械領(lǐng)域里的潤滑問題 計算機微型化和微機械的發(fā)展,對薄膜材料提出了越來越高的要求。因此可以采用常用的加工設(shè)備進行擠出、注射成型。美國康耐爾大學(xué)等重點關(guān)心此方面特性,用作包裝材料。 16 7總結(jié) 高分子材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜和多樣,可以在分子結(jié)構(gòu) (包括支鏈結(jié)構(gòu) )、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、共混、復(fù)合、界面和表面甚至外觀結(jié)構(gòu)等諸多方面,進行單一或多種結(jié)構(gòu)的綜 合利用,因此最大程度地滿足了其他高技術(shù)要求材料技術(shù)為他們提供的更多、更好的功能。 19。隨著納米技術(shù)研究的深入,在分子、甚至原子水平上實現(xiàn)材料的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計、復(fù)合與加工生產(chǎn)成為可能,材料的功能進一步得到擴展,呈現(xiàn)前所未有的創(chuàng)新。 電致發(fā)光材料 Colvin等對電致發(fā)光材料進行了研究,他們用納米 CdSe與聚苯撐乙烯( PPV)制得一種有機 無機復(fù)合發(fā)光裝置,隨著納米顆粒大小的改變,發(fā)光的顏色可以在紅色到黃色間變化(量子尺寸效應(yīng)) [17]。例如:金屬等納米粒子與高分子物形成的復(fù)合材料,能吸收和衰減電磁波、減少反射和散射,在電磁隱身方面有著重要的應(yīng)用。利用 LB膜法制備高分子基納米超薄復(fù)合膜 ,是解決超薄潤滑問題一條可行的途徑。 PEO/Na4蒙脫土或 PEO/Li4蒙脫土的導(dǎo)電率與 PEO 鹽電解質(zhì)接近,但熱穩(wěn)定性更好,在更寬的溫度范圍保持良好的離子導(dǎo)電,而且還克服了PEO 鹽電解質(zhì)存在的形成離子對問題,可用于固體電池中作高聚物電解質(zhì)。見下表: 高分子納米復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域 納米復(fù)合材料性能 納 米 材 料 用 途 催化性能 高性能高分子催化劑 力學(xué)性 能 增強、增韌高分子材料 磁學(xué)性能 高密度磁記錄、磁儲存、吸波隱形材料 電學(xué)性能 導(dǎo)電漿料、絕緣漿料、非線性電阻、 靜電屏蔽、電磁屏蔽材料 光學(xué)性能 光吸收材料、光通訊材料、非線性光學(xué)材料、光
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