納米技術在高分子材料改性中的運用微探

胡錦督，胡建強

1.青島科技大學高分子科學與工程學院，山東青島，266042；2.北京賽昇傳媒有限公司，北京，100040

0 引言

納米材料及其技術是現代科技發展所產生的一種新型應用技術，在早期研究中主要針對金屬粉末、陶瓷等工業領域，目前已經逐漸滲透到微電子、化工、國防、核技術、醫學、生物工程、冶金等領域。為滿足現代工業生產制造的要求，側重將納米材料分散于聚合物中，以此提升高分子材料的性能，有利于提高工業生產效率、改善人們的生活條件。由此，在當前新時代背景下，應將納米技術合理運用在高分子材料改性中，以此研發納米高分子材料，進而實現性能提升，通過在各個領域內的合理應用，滿足社會生產生活需求。

1 納米技術概述

1.1 納米技術概念

納米技術融合了物理力學、量子力學、生物工程等多種現代學科知識，并利用先進的電子計算機技術、微電子技術等，形成一種新型科技手段。通常情況下，納米粒子位于原子簇以及宏觀物體之間的過渡位置，存在數量不多的原子或者分子所構成的集團，顆粒半徑約在0.5～5.0nm，屬于微小粒子。納米粒子的構成主要包括原子和電子，二者相互影響，具有相對較強的表面和界面效應。當納米材料進行轉換反應時，將會呈現出一定的可操作性，即納米技術。現階段對于納米技術的研究主要集中在納米材料、納米動力學、納米生物學以及納米藥物學、納米電子學等方面，其中對納米材料的研究最為廣泛，對改造現實社會具有重要意義[1]。

1.2 納米粒子特性

納米粒子的分類較多，如按照成分劃分可分為金屬和非金屬高分子，也可分為無機物和有機物高分子。如按照相結構劃分，既存在單相，也存在多相。如依據原子排列的對稱性和有序程度劃分，則存在三種形態，即準晶態、晶態、非晶態等。因為納米顆粒尺寸較小，因此其結構相比于常規材料而言，具有一定的特性，具體如下。

（1）具有較強的表面和界面效應。因為納米微粒比表面積較大，位于表面的原子占有很大比重，促使其具有較高的表面性能。但表面原子缺少鄰近配位的原子，導致表面原子存在一定的化學活性，促使納米粒子的表面效應表現更為強烈。通過利用該特性能夠與部分大分子發生鍵合作用，促使分子之間的鍵合力得到顯著提升，有助于增加納米復合材料的強度和韌性。

（2）具有小尺寸效應。當超細微粒尺寸與傳導電子的德布羅意波長相近或更小時，晶體周期性的邊界條件在很大程度上會遭到破壞，促使納米粒子的磁性、光吸收、化學活性、催化性、熔點等發生較大改變。以銀材料為例，熔點一般在900℃左右，而納米銀粉的熔點可降低到100℃，納米材料的熔點通常是原材料熔點的30%～50%。在高分子材料改性中運用納米材料，能夠有效發揮其高流動性和小尺寸效應，促使納米復合材料的延展性得到顯著提升，進而減小摩擦系數，改善材料表面的光潔程度。

（3）具有量子尺寸效應。當納米材料的顆粒尺寸小到定值的情況時，費米能級附近的電子能級則出現準連續能級轉變為離散能級的情況，促使納米材料呈現高度的光學非線性、特異性催化、光催化性質等[2]。

2 納米技術在高分子材料改性中運用的原理分析

納米技術在當前社會各個行業中具有廣泛的應用，并得到了較好的效果。隨著我國社會經濟水平不斷增長，為大力推進現代工業建設，促使高分子材料性能滿足當前的研發和應用需求，逐漸側重在高分子材料改性中運用納米技術。最近幾年，隨著對納米技術研究的持續深入，發現不同類型材料的納米粒子與相應高分子材料的作用原理存在一定差異性，而且通過性能改善后的高分子材料使用效果也發生了變化，并受到納米粒子表面效應、體積效應、宏觀粒子隧道效應的影響。另外，高分子材料性能在改進和應用過程中，納米粒子以及高分子材料均會發生相應的物理反應，比如納米粒子能夠轉換掉高分子鏈的內部作用力，這一現象的出現是由于納米粒子的標準與大分子鏈比較而言，屬于同一量級，因此粒子與大分子鏈將會產生分子水平分散的情況。同時納米粒子與高分子材料也會發生相應的化學反應，即納米粒子尺寸在1～100nm，外表具有一定數量的原子，從而產生隧道效應，促使納米粒子表層出現活性位置，有利于建立化學鍵，改進高分子材料的使用性能。不過在運用納米粒子改進高分子材料時，應當注意把控粒子直徑的大小，必須通過反復實驗以獲取性能良好的產品，推動高分子材料研發制造行業的健康發展。

3 納米技術在高分子材料改性中的具體運用

3.1 塑料改性

在當前納米技術不斷發展的形勢下，納米技術在高分子材料改性中的運用，主要是在高聚物中加入納米材料，提升高分子材料性能，實現功能復合。比如，對應用領域廣泛、現代工業需求量較大的塑料材料，通過納米技術實施改進，能夠大幅增強使用效果，并可體現基體材料的新性能，比如納米粒子的尺寸較小、透光率良好，加入塑料材料中，有利于提升致密性。對半透明塑料薄膜等添加納米材料，可提升透明度，增加韌性和防水性。在具體應用過程中，對塑料改性運用納米技術，則能夠增強塑料韌性。在傳統方法中，可通過共混、共聚、添加增韌劑等方式實現塑料材料增強增韌，能夠降低制品的成本，提高剛性、耐熱性和尺寸穩定性。傳統方法也會對塑料材料產生較強的體系沖擊，降低斷裂延深度。例如，在硬性塑料中加入橡膠彈性粒子，雖然可提升沖擊強度，但會導致其拉伸強度下降等。為改善這一狀況，可利用納米技術進行改性處理，納米粒子表面的活性中心較多，能夠與基體形成緊密結合，從而產生較好的相容性。當受到外力作用時，粒子不會輕易與基體發生脫離。并且在應力場相互作用下，很容易在基體內產生微變形區，吸收大量能量，有助于傳遞外應力，促使基體屈服，能夠消耗相對較多的沖擊能，以此增加材料強度和韌性[3]。

同時，納米技術可改善塑料材料的抗老化性和功能化，根據塑料材料的特性，它很容易發生老化現象，比如在太陽光直射下，受紫外線影響，高聚物分子鏈斷裂，導致材料老化。而應用納米技術，可實現SiO2與TiO2混配，通過吸收紫外線以提升抗老化能力。比如在PP材料中加入0.3%的納米TiO2，在熱光照射700h后，損失抗張強度僅為10%左右。同時在塑料材料中加入抗菌性納米粒子，塑料可具有長效的抗菌性，比如將納米金屬粒子添加到塑料中，可研發出帶有抗靜電性能的塑料。選擇適當的納米粒子對塑料實施改性，還可制取吸波材料，便于生產隱性材料。例如采用納米技術將無機銀或聚合物復合材料等，制成洗衣機外桶，能夠大幅增強材料韌性，并發揮良好的耐摩擦、耐沖擊等性能，同時具備較好的光潔度和防垢能力，促使洗衣機產品自身保持清潔度。此外，在塑料材料改性中運用納米技術能夠實現通用塑料的工程化，在現代工業建設過程中，通用塑料的產量較大、應用范圍廣泛、價格低廉，通過加入納米粒子后，可有效改善工程塑料的性能。例如對通用聚丙烯進行納米技術改性，能夠大幅提升其性能指標，并降低約1/3的成本投入，進而提高工業化生產的經濟效益。

3.2 橡膠改性

現階段，納米技術在橡膠工業中得到有效應用，針對橡膠材料進行改性，通過添加炭黑納米粒子，有助于增強橡膠材料的實際強度，進一步提升耐磨性能和抗老化功能。在應用納米技術時，應當注意對炭黑粒子尺寸的合理把控，避免對橡膠性能產生不良影響。通常情況下，炭黑粒子尺寸越小，橡膠材料的耐磨性能越強，隨著尺寸的增大，耐磨性能降低，如果尺寸超出納米范圍，將會導致橡膠性能極差。除此之外，在利用納米技術制造橡膠材料時，還可對橡膠材料顏色進行調整，以往多數利用黑色的納米級炭黑粒子進行制作，隨著納米技術的不斷發展，可實現對彩色橡膠材料的生產，主要是利用白色納米粒子作為補強劑，并添加相應的著色劑[4]。

另外，由于納米氧化硅結構屬于三維鏈接狀態，通過與橡膠高分子材料進行結合，能夠形成立體的網狀結構，進而提升橡膠材料的自身強度、彈性性能等。納米氧化硅材料具備良好的紫外線反射性能，將其運用在橡膠材料改性制造中，起到屏蔽紫外線、提高抗老化能力的作用，例如對比傳統防水卷材，經過納米技術改性的彩色橡膠防水卷材具有較為優越的拉伸強度、斷裂伸長率以及抗撕裂強度等，并且在紫外線照射下，彩色橡膠卷材發生細小裂紋的概率較低，有助于提升橡膠材料的性能。

3.3 化學纖維改性

目前，我國化學纖維制作技術持續進步，為提升材料功能性，可利用納米技術對高分子材料實施性能提高，使化學纖維的抗老化功能得到增強。比如在實踐過程中可添加納米二氧化鈦，能夠起到良好的紫外線預防效果，可應用在遮陽傘等產品的生產環境。在新時代下，多種新型纖維類型出現，其中大部分材料均應用納米技術進行改性，比如融合納米技術能夠生產具有除臭和凈化功能的化學纖維，將納米氧化鋅、納米二氧化硅等與化學纖維相結合，可廣泛應用在醫院醫藥用品、病患服飾等方面。另外，通過在聚酯纖維中增加納米氧化鋅，所制備的相關化學纖維能夠有效預防紫外線，并抵御細菌。將金屬類的納米粒子加入化學纖維中，能夠最大限度地避免出現靜電，如利用金屬銀粒子，還能夠發揮除臭味、殺滅細菌等功能。此外，將納米技術應用在化學纖維改性中，可制備電磁波防護材料，在服裝生產領域具有較好的使用效果。

4 高分子納米材料的應用領域

4.1 環境保護

由于納米材料具有特殊的微觀性質，且在宏觀上也能夠呈現較為特殊的物理性能，如相對較高的強度和韌性、高比熱容低熔點、介電性能、高吸波性，基于納米技術在高分子材料改性中的合理應用，在環境保護方面具有較好的效果，比如制備磁性高分子納米吸附劑，具有穩定性良好、比表面積大、易于分離等優勢，可作為一類性能良好的吸附材料。該材料的具體制備方式則是采用懸浮聚合以及化學改性方法。在實際運用過程中，經過改性的磁性高分子材料可對水體中的Hg起到高效的吸附去除作用，實現快速分離，在15min內可達到吸附平衡的效果，最大吸附量可達到416mg/g[5]。同時吸附材料可在硫脲溶液中實現再生，有利于循環使用，大幅降低環境保護成本，在未來污水處理方面對納米技術改性高分子材料的應用將越來越廣泛。

4.2 生物醫學

根據納米技術對高分子材料改性的優勢和特點，可將其應用在生物醫學領域，常見用于骨組織工程，制備天然和人工合成高分子材料等。其中天然高分子材料主要包括膠原、殼聚糖、纖維蛋白、海藻酸鈉等，具有良好的相容性，并具備一定的細胞識別信號，有利于實現細胞黏附、增殖以及分化等。而人工合成高分子納米材料應用在骨組織工程中，能夠實現降解生物材料，不過在實踐運用中存在機械強度不足、易發生無菌性炎癥、親水性差等缺陷，在未來仍需進一步深入研究，不斷提升人工合成高分子納米材料的性能。在制備環節，通常是以賴氨酸鹽作為原料，制備賴氨酸二異氰酸酯-甘油聚合物，再利用超聲分散以及超臨界抗溶劑結晶技術等，制備納米級高分子材料賴氨酸二異氨酸醋甘油聚合物。同時由于高分子納米材料尺寸一般在100～350nm，符合骨組織工程支架材料的結果特征，依托其優良的降解特性，避免對周圍環境值產生變化影響。并且高分子納米材料所降解的產物無毒無害，具有較好的生物相容性。

4.3 電子工業

在電子工業領域對納米技術的應用，主要是生產導電高分子納米復合材料，通過對導電高分子進行改性，使其電磁學性質得到增強，提升材料導電性、穩定性、吸附能力、光電性質以及生物傳感性能等，為實際應用提供良好基礎。例如在實踐過程中，可借助納米技術合成高度可溶的復合材料，對酶等物質具有高活性固載，能夠為生產導電高分子生物化學傳感器等提供支持。并且利用納米技術與導電高分子材料的復合，能夠通過鏈接化學形成良好的化學活性物質，能夠實現材料優良的光電性、電致變色效果等，相比于其他材料具有一定多功能化效應，在未來電子工業中具有廣闊的發展空間。

5 結語

綜上所述，納米技術在現代社會發展中屬于一項高新技術手段，在對高分子材料改性中具有較廣的應用空間，對開發特殊性能的高分子材料具有積極價值。在當前階段的實際運用中，納米技術主要運用在塑料、橡膠、化學纖維等材料的改性處理，進而提升使用性能。經過納米粒子改性后，高分子納米復合材料在未來的環境保護、生物醫學以及電子工業中，具有巨大的市場潛力，有利于改造傳統聚合物工業技術，推動現代生產技術進一步發展創新。