納米技術(shù)在高分子材料改性中的運(yùn)用微探

胡錦督，胡建強(qiáng)

1.青島科技大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)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(shù)是現(xiàn)代科技發(fā)展所產(chǎn)生的一種新型應(yīng)用技術(shù)，在早期研究中主要針對(duì)金屬粉末、陶瓷等工業(yè)領(lǐng)域，目前已經(jīng)逐漸滲透到微電子、化工、國(guó)防、核技術(shù)、醫(yī)學(xué)、生物工程、冶金等領(lǐng)域。為滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)制造的要求，側(cè)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(yè)生產(chǎn)效率、改善人們的生活條件。由此，在當(dāng)前新時(shí)代背景下，應(yīng)將納米技術(shù)合理運(yùn)用在高分子材料改性中，以此研發(fā)納米高分子材料，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)性能提升，通過(guò)在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的合理應(yīng)用，滿足社會(huì)生產(chǎn)生活需求。

1 納米技術(shù)概述

1.1 納米技術(shù)概念

納米技術(shù)融合了物理力學(xué)、量子力學(xué)、生物工程等多種現(xiàn)代學(xué)科知識(shí)，并利用先進(jìn)的電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)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(guò)渡位置，存在數(shù)量不多的原子或者分子所構(gòu)成的集團(tuán)，顆粒半徑約在0.5～5.0nm，屬于微小粒子。納米粒子的構(gòu)成主要包括原子和電子，二者相互影響，具有相對(duì)較強(qiáng)的表面和界面效應(yīng)。當(dāng)納米材料進(jìn)行轉(zhuǎn)換反應(yīng)時(shí)，將會(huì)呈現(xiàn)出一定的可操作性，即納米技術(shù)?，F(xiàn)階段對(duì)于納米技術(shù)的研究主要集中在納米材料、納米動(dòng)力學(xué)、納米生物學(xué)以及納米藥物學(xué)、納米電子學(xué)等方面，其中對(duì)納米材料的研究最為廣泛，對(duì)改造現(xiàn)實(shí)社會(huì)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(wú)機(jī)物和有機(jī)物高分子。如按照相結(jié)構(gòu)劃分，既存在單相，也存在多相。如依據(jù)原子排列的對(duì)稱性和有序程度劃分，則存在三種形態(tài)，即準(zhǔn)晶態(tài)、晶態(tài)、非晶態(tài)等。因?yàn)榧{米顆粒尺寸較小，因此其結(jié)構(gòu)相比于常規(guī)材料而言，具有一定的特性，具體如下。

（1）具有較強(qiáng)的表面和界面效應(yīng)。因?yàn)榧{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(dǎo)致表面原子存在一定的化學(xué)活性，促使納米粒子的表面效應(yīng)表現(xiàn)更為強(qiáng)烈。通過(guò)利用該特性能夠與部分大分子發(fā)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(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性。

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

（3）具有量子尺寸效應(yīng)。當(dāng)納米材料的顆粒尺寸小到定值的情況時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)則出現(xiàn)準(zhǔn)連續(xù)能級(jí)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散能級(jí)的情況，促使納米材料呈現(xiàn)高度的光學(xué)非線性、特異性催化、光催化性質(zhì)等[2]。

2 納米技術(shù)在高分子材料改性中運(yùn)用的原理分析

納米技術(shù)在當(dāng)前社會(huì)各個(gè)行業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用，并得到了較好的效果。隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平不斷增長(zhǎng)，為大力推進(jìn)現(xiàn)代工業(yè)建設(shè)，促使高分子材料性能滿足當(dāng)前的研發(fā)和應(yīng)用需求，逐漸側(cè)重在高分子材料改性中運(yùn)用納米技術(shù)。最近幾年，隨著對(duì)納米技術(shù)研究的持續(xù)深入，發(fā)現(xiàn)不同類型材料的納米粒子與相應(yīng)高分子材料的作用原理存在一定差異性，而且通過(guò)性能改善后的高分子材料使用效果也發(fā)生了變化，并受到納米粒子表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、宏觀粒子隧道效應(yīng)的影響。另外，高分子材料性能在改進(jìn)和應(yīng)用過(guò)程中，納米粒子以及高分子材料均會(huì)發(fā)生相應(yīng)的物理反應(yīng)，比如納米粒子能夠轉(zhuǎn)換掉高分子鏈的內(nèi)部作用力，這一現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于納米粒子的標(biāo)準(zhǔn)與大分子鏈比較而言，屬于同一量級(jí)，因此粒子與大分子鏈將會(huì)產(chǎn)生分子水平分散的情況。同時(shí)納米粒子與高分子材料也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)，即納米粒子尺寸在1～100nm，外表具有一定數(shù)量的原子，從而產(chǎn)生隧道效應(yīng)，促使納米粒子表層出現(xiàn)活性位置，有利于建立化學(xué)鍵，改進(jìn)高分子材料的使用性能。不過(guò)在運(yùn)用納米粒子改進(jìn)高分子材料時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意把控粒子直徑的大小，必須通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)以獲取性能良好的產(chǎn)品，推動(dòng)高分子材料研發(fā)制造行業(yè)的健康發(fā)展。

3 納米技術(shù)在高分子材料改性中的具體運(yùn)用

3.1 塑料改性

在當(dāng)前納米技術(shù)不斷發(fā)展的形勢(shì)下，納米技術(shù)在高分子材料改性中的運(yùn)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(shí)現(xiàn)功能復(fù)合。比如，對(duì)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛、現(xiàn)代工業(yè)需求量較大的塑料材料，通過(guò)納米技術(shù)實(shí)施改進(jìn)，能夠大幅增強(qiáng)使用效果，并可體現(xiàn)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(duì)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(yīng)用過(guò)程中，對(duì)塑料改性運(yùn)用納米技術(shù)，則能夠增強(qiáng)塑料韌性。在傳統(tǒng)方法中，可通過(guò)共混、共聚、添加增韌劑等方式實(shí)現(xiàn)塑料材料增強(qiáng)增韌，能夠降低制品的成本，提高剛性、耐熱性和尺寸穩(wěn)定性。傳統(tǒng)方法也會(huì)對(duì)塑料材料產(chǎn)生較強(qiáng)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(qiáng)度，但會(huì)導(dǎo)致其拉伸強(qiáng)度下降等。為改善這一狀況，可利用納米技術(shù)進(jìn)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(jié)合，從而產(chǎn)生較好的相容性。當(dāng)受到外力作用時(shí)，粒子不會(huì)輕易與基體發(fā)生脫離。并且在應(yīng)力場(chǎng)相互作用下，很容易在基體內(nèi)產(chǎn)生微變形區(qū)，吸收大量能量，有助于傳遞外應(yīng)力，促使基體屈服，能夠消耗相對(duì)較多的沖擊能，以此增加材料強(qiáng)度和韌性[3]。

同時(shí)，納米技術(shù)可改善塑料材料的抗老化性和功能化，根據(jù)塑料材料的特性，它很容易發(fā)生老化現(xiàn)象，比如在太陽(yáng)光直射下，受紫外線影響，高聚物分子鏈斷裂，導(dǎo)致材料老化。而應(yīng)用納米技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)SiO2與TiO2混配，通過(guò)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(qiáng)度僅為10%左右。同時(shí)在塑料材料中加入抗菌性納米粒子，塑料可具有長(zhǎng)效的抗菌性，比如將納米金屬粒子添加到塑料中，可研發(fā)出帶有抗靜電性能的塑料。選擇適當(dāng)?shù)募{米粒子對(duì)塑料實(shí)施改性，還可制取吸波材料，便于生產(chǎn)隱性材料。例如采用納米技術(shù)將無(wú)機(jī)銀或聚合物復(fù)合材料等，制成洗衣機(jī)外桶，能夠大幅增強(qiáng)材料韌性，并發(fā)揮良好的耐摩擦、耐沖擊等性能，同時(shí)具備較好的光潔度和防垢能力，促使洗衣機(jī)產(chǎn)品自身保持清潔度。此外，在塑料材料改性中運(yùn)用納米技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)通用塑料的工程化，在現(xiàn)代工業(yè)建設(shè)過(guò)程中，通用塑料的產(chǎn)量較大、應(yīng)用范圍廣泛、價(jià)格低廉，通過(guò)加入納米粒子后，可有效改善工程塑料的性能。例如對(duì)通用聚丙烯進(jìn)行納米技術(shù)改性，能夠大幅提升其性能指標(biāo)，并降低約1/3的成本投入，進(jìn)而提高工業(yè)化生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 橡膠改性

現(xiàn)階段，納米技術(shù)在橡膠工業(yè)中得到有效應(yīng)用，針對(duì)橡膠材料進(jìn)行改性，通過(guò)添加炭黑納米粒子，有助于增強(qiáng)橡膠材料的實(shí)際強(qiáng)度，進(jìn)一步提升耐磨性能和抗老化功能。在應(yīng)用納米技術(shù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意對(duì)炭黑粒子尺寸的合理把控，避免對(duì)橡膠性能產(chǎn)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(qiáng)，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(huì)導(dǎo)致橡膠性能極差。除此之外，在利用納米技術(shù)制造橡膠材料時(shí)，還可對(duì)橡膠材料顏色進(jìn)行調(diào)整，以往多數(shù)利用黑色的納米級(jí)炭黑粒子進(jìn)行制作，隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展，可實(shí)現(xiàn)對(duì)彩色橡膠材料的生產(chǎn)，主要是利用白色納米粒子作為補(bǔ)強(qiáng)劑，并添加相應(yīng)的著色劑[4]。

另外，由于納米氧化硅結(jié)構(gòu)屬于三維鏈接狀態(tài)，通過(guò)與橡膠高分子材料進(jìn)行結(jié)合，能夠形成立體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提升橡膠材料的自身強(qiáng)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(yùn)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(duì)比傳統(tǒng)防水卷材，經(jīng)過(guò)納米技術(shù)改性的彩色橡膠防水卷材具有較為優(yōu)越的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率以及抗撕裂強(qiáng)度等，并且在紫外線照射下，彩色橡膠卷材發(fā)生細(xì)小裂紋的概率較低，有助于提升橡膠材料的性能。

3.3 化學(xué)纖維改性

目前，我國(guó)化學(xué)纖維制作技術(shù)持續(xù)進(jìn)步，為提升材料功能性，可利用納米技術(shù)對(duì)高分子材料實(shí)施性能提高，使化學(xué)纖維的抗老化功能得到增強(qiáng)。比如在實(shí)踐過(guò)程中可添加納米二氧化鈦，能夠起到良好的紫外線預(yù)防效果，可應(yīng)用在遮陽(yáng)傘等產(chǎn)品的生產(chǎn)環(huán)境。在新時(shí)代下，多種新型纖維類型出現(xiàn)，其中大部分材料均應(yīng)用納米技術(shù)進(jìn)行改性，比如融合納米技術(shù)能夠生產(chǎn)具有除臭和凈化功能的化學(xué)纖維，將納米氧化鋅、納米二氧化硅等與化學(xué)纖維相結(jié)合，可廣泛應(yīng)用在醫(yī)院醫(yī)藥用品、病患服飾等方面。另外，通過(guò)在聚酯纖維中增加納米氧化鋅，所制備的相關(guān)化學(xué)纖維能夠有效預(yù)防紫外線，并抵御細(xì)菌。將金屬類的納米粒子加入化學(xué)纖維中，能夠最大限度地避免出現(xiàn)靜電，如利用金屬銀粒子，還能夠發(fā)揮除臭味、殺滅細(xì)菌等功能。此外，將納米技術(shù)應(yīng)用在化學(xué)纖維改性中，可制備電磁波防護(hù)材料，在服裝生產(chǎn)領(lǐng)域具有較好的使用效果。

4 高分子納米材料的應(yīng)用領(lǐng)域

4.1 環(huán)境保護(hù)

由于納米材料具有特殊的微觀性質(zhì)，且在宏觀上也能夠呈現(xiàn)較為特殊的物理性能，如相對(duì)較高的強(qiáng)度和韌性、高比熱容低熔點(diǎn)、介電性能、高吸波性，基于納米技術(shù)在高分子材料改性中的合理應(yīng)用，在環(huán)境保護(hù)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(wěn)定性良好、比表面積大、易于分離等優(yōu)勢(shì)，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(xué)改性方法。在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，經(jīng)過(guò)改性的磁性高分子材料可對(duì)水體中的Hg起到高效的吸附去除作用，實(shí)現(xiàn)快速分離，在15min內(nèi)可達(dá)到吸附平衡的效果，最大吸附量可達(dá)到416mg/g[5]。同時(shí)吸附材料可在硫脲溶液中實(shí)現(xiàn)再生，有利于循環(huán)使用，大幅降低環(huán)境保護(hù)成本，在未來(lái)污水處理方面對(duì)納米技術(shù)改性高分子材料的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。

4.2 生物醫(yī)學(xué)

根據(jù)納米技術(shù)對(duì)高分子材料改性的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，可將其應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，常見(jiàn)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(xì)胞識(shí)別信號(hào)，有利于實(shí)現(xiàn)細(xì)胞黏附、增殖以及分化等。而人工合成高分子納米材料應(yīng)用在骨組織工程中，能夠?qū)崿F(xiàn)降解生物材料，不過(guò)在實(shí)踐運(yùn)用中存在機(jī)械強(qiáng)度不足、易發(fā)生無(wú)菌性炎癥、親水性差等缺陷，在未來(lái)仍需進(jìn)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(huán)節(jié)，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(jié)晶技術(shù)等，制備納米級(jí)高分子材料賴氨酸二異氨酸醋甘油聚合物。同時(shí)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(jié)果特征，依托其優(yōu)良的降解特性，避免對(duì)周圍環(huán)境值產(chǎn)生變化影響。并且高分子納米材料所降解的產(chǎn)物無(wú)毒無(wú)害，具有較好的生物相容性。

4.3 電子工業(yè)

在電子工業(yè)領(lǐng)域?qū){米技術(shù)的應(yīng)用，主要是生產(chǎn)導(dǎo)電高分子納米復(fù)合材料，通過(guò)對(duì)導(dǎo)電高分子進(jìn)行改性，使其電磁學(xué)性質(zhì)得到增強(qiáng)，提升材料導(dǎo)電性、穩(wěn)定性、吸附能力、光電性質(zhì)以及生物傳感性能等，為實(shí)際應(yīng)用提供良好基礎(chǔ)。例如在實(shí)踐過(guò)程中，可借助納米技術(shù)合成高度可溶的復(fù)合材料，對(duì)酶等物質(zhì)具有高活性固載，能夠?yàn)樯a(chǎn)導(dǎo)電高分子生物化學(xué)傳感器等提供支持。并且利用納米技術(shù)與導(dǎo)電高分子材料的復(fù)合，能夠通過(guò)鏈接化學(xué)形成良好的化學(xué)活性物質(zhì)，能夠?qū)崿F(xiàn)材料優(yōu)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(yīng)，在未來(lái)電子工業(yè)中具有廣闊的發(fā)展空間。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，納米技術(shù)在現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展中屬于一項(xiàng)高新技術(shù)手段，在對(duì)高分子材料改性中具有較廣的應(yīng)用空間，對(duì)開(kāi)發(fā)特殊性能的高分子材料具有積極價(jià)值。在當(dāng)前階段的實(shí)際運(yùn)用中，納米技術(shù)主要運(yùn)用在塑料、橡膠、化學(xué)纖維等材料的改性處理，進(jìn)而提升使用性能。經(jīng)過(guò)納米粒子改性后，高分子納米復(fù)合材料在未來(lái)的環(huán)境保護(hù)、生物醫(yī)學(xué)以及電子工業(yè)中，具有巨大的市場(chǎng)潛力，有利于改造傳統(tǒng)聚合物工業(yè)技術(shù)，推動(dòng)現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展創(chuàng)新。