納米技術(shù)在高分子材料中的應(yīng)用淺談

馬鵬飛，韓生華

(山西大同大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，山西 大同 037009)

在過(guò)去的幾十年中，納米科學(xué)(nano science)和納米技術(shù)(nano technology)的研究出現(xiàn)了爆炸性的增長(zhǎng)，極大刺激了科技領(lǐng)域的大發(fā)展。目前隨著納米技術(shù)的不斷進(jìn)步，高分子材料的改性研發(fā)也逐漸日新月異。利用納米分子材料的特殊性質(zhì)，如特殊的電學(xué)(electrical)、光學(xué)(optics)、磁性和化學(xué)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(yīng)用拓展到更加寬闊的領(lǐng)域中。

1 納米高分子材料的優(yōu)勢(shì)

納米粒子通常與聚合物結(jié)合，利用納米材料的特殊性能開發(fā)新產(chǎn)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(yīng)(volume effect)、表面效應(yīng)(surface effect)、量子效應(yīng)(quantum effect)等[2]。結(jié)合這些效應(yīng)，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(diǎn)，與普通材料相比具有特殊的特點(diǎn)[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(yīng)用前景的新型材料。

2 納米微粒的改良方法

科學(xué)家將納米高分子材料稱為強(qiáng)大的“混血兒”。 納米粒子粒徑小，比表面積大，易于團(tuán)聚。為了提高納米添加劑和聚合物的界面結(jié)合力，提高納米顆粒的均勻分散能力，需要對(duì)納米粉體進(jìn)行表面改性[4]。主要是降低粒子表面能態(tài)，消除粒子表面電荷，提高有機(jī)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(jī)硅(silicone)、鈦酸酯(titanate)等物質(zhì)，覆蓋在顆粒表面，使性質(zhì)發(fā)生改變[5]。

(2)機(jī)械化學(xué)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(nèi)能增加，從而改變晶體結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)粒子表面結(jié)構(gòu)[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(wú)機(jī)物質(zhì)，例如金屬氧化物(metallic oxide)，二硫化物(disulfide)，石墨(graphite)等的層狀結(jié)構(gòu)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(jī)物，使得兩相均勻，得到高純度的材料。這些物質(zhì)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(shí)也使得納米粒子與基體的界面結(jié)合能力得到了加強(qiáng)。

3 納米技術(shù)在高分子材料中的應(yīng)用廣泛

在涂料行業(yè)領(lǐng)域中，科學(xué)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(hù)涂料的添加劑，這些添加劑吸附太陽(yáng)光中的紫外光，能夠產(chǎn)生羥基自由基，不僅能抑制微生物的生長(zhǎng)，還可以有效保護(hù)涂料的微生物降解和化學(xué)物理退化，讓油漆不會(huì)輕易脫落[8]。

世界上產(chǎn)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(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)等塑料廢料的聚合物組成。多年來(lái)，環(huán)境保護(hù)主義者一直在尋找各種方法來(lái)克服如此大量的塑料廢物被棄置到垃圾填埋場(chǎng)的問(wèn)題[9]?？茖W(xué)家通過(guò)發(fā)現(xiàn)添加一些納米顆粒，可以從塑料廢物中生產(chǎn)石油吸附劑。該領(lǐng)域的研究是一項(xiàng)是很有前途的研究。塑料抗老化性能差影響了其推廣應(yīng)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(qiáng)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(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間光照后，其拉伸強(qiáng)度幾乎沒(méi)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(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn),將取得很好的經(jīng)濟(jì)效益。

太陽(yáng)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(yáng)能光能，其光電轉(zhuǎn)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(yè)雞肉被認(rèn)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(yè)中采用納米技術(shù)，包括納米高分子的消毒劑、表面殺菌劑、防護(hù)服、空氣和水的過(guò)濾等，可以大大提高微生物安全和產(chǎn)品質(zhì)量。

納米材料對(duì)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(yīng)用前景。利用納米復(fù)合材料，例如樹枝狀大分子的疏水蛋白溶膠-凝膠系統(tǒng)，碳納米管等，制作的防水和疏油的紡織材料，已經(jīng)成為新型服裝的必備[11]。此類服裝具有高效環(huán)保的屏障系統(tǒng)保證了衣服穿著舒適，同時(shí)還具有多阻隔性能(防高溫和火焰，熱中風(fēng)的保護(hù)，灰塵釋放)和相關(guān)生理參數(shù)(透氣、調(diào)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(jí)或聚合物復(fù)合材料含有納米材料的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，已經(jīng)變得越來(lái)越有用。在特定的，在聚合物相關(guān)的納米科學(xué)和納米技術(shù)的進(jìn)步帶來(lái)了革命性的變化，產(chǎn)生與量身定制的性能和功能進(jìn)行有針對(duì)性的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)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(fù)合材料(nanocomposite)，已廣泛應(yīng)用于藥物、基因治療、組織工程和再生醫(yī)學(xué)圖像。

4 結(jié)語(yǔ)

納米材料作為一種很好的技術(shù)，在高分子材料中有著重要的應(yīng)用，其未來(lái)前景十分廣闊，對(duì)于未來(lái)材料科學(xué)的發(fā)展有著特殊的重要現(xiàn)實(shí)意義。研發(fā)應(yīng)用納米復(fù)合材料可以利用我國(guó)優(yōu)勢(shì)的資源，同時(shí)也對(duì)傳統(tǒng)的工藝進(jìn)行改造，對(duì)環(huán)境保護(hù)具有積極意義，具有巨大的市場(chǎng)潛力。