纳米复合材料精选(九篇)

第1篇：纳米复合材料范文

[关键词]碳纳米管；复合材料；结构；性能

自从 1991 年日本筑波 nec 实验室的物理学家饭岛澄男(sumio iijima)[1]首次报道了碳纳米管以来，其独特的原子结构与性能引起了科学工作者的极大兴趣。按石墨层数的不同碳纳米管可以 分 为单壁碳 纳 米管(swnts) 和多壁碳 纳 米管(mwnts)。碳纳米管具有极高的比表面积、力学性能(碳纳米管理论上的轴向弹性模量与抗张强度分别为 1~2 tpa 和 200gpa)、卓越的热性能与电性能(碳纳米管在真空下的耐热温度可达 2800 ℃，导热率是金刚石的 2 倍，电子载流容量是铜导线的 1000 倍)[2-7]。碳纳米管的这些特性使其在复合材料领域成为理想的填料。聚合物容易加工并可制造成结构复杂的构件，采用传统的加工方法即可将聚合物/碳纳米管复合材料加工及制造成结构复杂的构件，并且在加工过程中不会破坏碳纳米管的结构，从而降低生产成本。因此，聚合物/碳纳米管复合材料被广泛地研究。

根据不同的应用目的，聚合物/碳纳米管复合材料可相应地分为结构复合材料和功能复合材料两大类。近几年，人们已经制备了各种各样的聚合物/碳纳米管复合材料，并对所制备的复合材料的力学性能、电性能、热性能、光性能等其它各种性能进行了广泛地研究，对这些研究结果分析表明：聚合物/碳纳米管复合材料的性能取决于多种因素，如碳纳米管的类型(单壁碳纳米管或多壁碳纳米管)，形态和结构(直径、长度和手性)等。文章主要对聚合物/碳纳米管复合材料的研究现状进行综述，并对其所面临的挑战进行讨论。

1 聚合物/碳纳米管复合材料的制备

聚合物/碳纳米管复合材料的制备方法主要有三种：液相共混、固相共融和原位聚合方法，其中以共混法较为普遍。

1.1 溶液共混复合法

溶液法是利用机械搅拌、磁力搅拌或高能超声将团聚的碳纳米管剥离开来，均匀分散在聚合物溶液中，再将多余的溶剂除去后即可获得聚合物/碳纳米管复合材料。这种方法的优点是操作简单、方便快捷，主要用来制备膜材料。xu et al[8]和lau et al.[9]采用这种方法制备了cnt/环氧树脂复合材料，并报道了复合材料的性能。除了环氧树脂，其它聚合物(如聚苯乙烯、聚乙烯醇和聚氯乙烯等)也可采用这种方法制备复合材料。

1.2 熔融共混复合法

熔融共混法是通过转子施加的剪切力将碳纳米管分散在聚合物熔体中。这种方法尤其适用于制备热塑性聚合物/碳纳米管复合材料。该方法的优点主要是可以避免溶剂或表面活性剂对复合材料的污染，复合物没有发现断裂和破损，但仅适用于耐高温、不易分解的聚合物中。jin et al.[10]采用这种方法制备了 pmma/ mwnt 复合材料，并研究其性能。结果表明碳纳米管均匀分散在聚合物基体中，没有明显的损坏。复合材料的储能模量显著提高。

1.3 原位复合法

将碳纳米管分散在聚合物单体，加入引发剂，引发单体原位聚合生成高分子，得到聚合物/碳纳米管复合材料。这种方法被认为是提高碳纳米管分散及加强其与聚合物基体相互作用的最行之有效的方法。jia et al.[11]采用原位聚合法制备了pmma/swnt 复合材料。结果表明碳纳米管与聚合物基体间存在强烈的黏结作用。这主要是因为 aibn 在引发过程中打开碳纳米管的 π 键使之参与到 pmma 的聚合反应中。采用经表面修饰的碳纳米管制备 pmma/碳纳米管复合材料，不但可以提高碳纳米管在聚合物基体中的分散比例，复合材料的机械力学性能也可得到巨大的提高。

2 聚合物/碳纳米管复合材料的研究现状

2.1 聚合物/碳纳米管结构复合材料

碳纳米管因其超乎寻常的强度和刚度而被认为是制备新一代高性能结构复合材料的理想填料。近几年，科研人员针对聚合物/碳纳米管复合材料的机械力学性能展开了多方面的研究，其中，最令人印象深刻的是随着碳纳米管的加入，复合材料的弹性模量、抗张强度及断裂韧性的提高。

提高聚合物机械性能的主要问题是它们在聚合物基体内必须有良好的分散和分布，并增加它们与聚合物链的相互作用。通过优化加工条件和碳纳米管的表面化学性质，少许的添加量已经能够使性能获得显著的提升。预计在定向结构(如薄膜和纤维)中的效率最高，足以让其轴向性能发挥到极致。在连续纤维中的添加量，单壁碳纳米管已经达到 60 %以上，而且测定出的韧度相当突出。另外，只添加了少量多壁或单壁纳米管的工程纤维，其强度呈现出了较大的提升。普通纤维的直径仅有几微米，因此只能用纳米尺度的添加剂来对其进行增强。孙艳妮等[12]将碳纳米管羧化处理后再与高密度聚乙烯(hdpe)复合，采用熔融共混法制备了碳纳米管/高密度聚乙烯复合材料，并对其力学性能进行了研究。结果表明：碳纳米管的加入，提高了复合材料的屈服强度和拉伸模量，但同时却降低了材料的断裂强度和断裂伸长率。liu 等[13]采用熔融混合法制得了 mwnt/pa6(尼龙 6)复合材料，结果表明，cnts 在 pa6基体中得到了非常均匀的分散，且 cnts 和聚合物基体间有非常强的界面粘接作用，加入 2 wt%(质量分数)的 mwnts 时，pa6 的弹性模量和屈服强度分别提高了 214 %和 162 %。总之，碳纳米管对复合材料的机械性能的影响，在很大程度上取决于其质量分数、分散状况以及碳纳米管与基质之间的相互作用。其他因素，比如碳纳米管在复合材料中的取向，纤维在片层中的取向，以及官能团对碳纳米管表面改性的不均匀性，也可能有助于改善复合材料的最终机械性能。

2.2 聚合物/碳纳米管功能复合材料

2.2.1 导电复合材料

聚合物/碳纳米管导电复合材料是静电喷涂、静电消除、磁盘制造及洁净空间等领域的理想材料。ge 公司[14]用碳纳米管制备导电复合材料，碳纳米管质量分数为 10 %的各种工程塑料如聚碳酸酯、聚酰胺和聚苯醚等的导电率均比用炭黑和金属纤维作填料时高，这种导电复合材料既有抗冲击的韧性，又方便操作，在汽车车体上得到广泛应用。lnp 公司成功制备了静电消散材料，即在 peek 和 pei 中添加碳纳米管，用以生产晶片盒和磁盘驱动元件。它的离子污染比碳纤维材料要低65 %～90 %。日本三菱化学公司也成功地用直接分散法生产出了含少量碳纳米管的 pc 复合材料，其表面极光洁，物理性能优异，是理想的抗静电材料[15]。另外，聚合物/碳纳米管导电复合材料的电阻可以随外力的变化而实现通-断动作，可用于压力传感器以及触摸控制开关[16]；利用该材料的电阻对各种化学气体的性质和浓度的敏感性，可制成各种气敏探测器，对各种气体及其混合物进行分类，或定量化检测和监控[17]；利用该材料的正温度效应，即当温度升至结晶聚合物熔点附近时，电阻迅速增大几个数量级，而当温度降回室温后，电阻值又回复至初始值，可应用于电路中自动调节输出功率，实现温度自控开关[18]。

2.2.2 导热复合材料

许多研究工作证明，碳纳米管是迄今为止人们所知的最好的导热材料。科学工作者预测，单壁碳纳米管在室温下的导热系数可高达 6600 w/mk[19]，而经分离后的多壁碳纳米管在室温下的导热系数是 3000～6600 w/mk。由此可以想象，碳纳米管可显著提高复合材料的导热系数及在高温下的热稳定性[20]。wu 等[21]制 备 了 多 壁 碳 纳 米 管 / 高 密 度 聚 乙 烯(mwnts/hdpe)复合材料，并对其热性能进行了深入的研究，实验结果表明：导热系数随着 mwnts 含量的增加而升高。当mwnts 的质量分数达到 38 h，混合材料的导热系数比纯hdpe 的高三倍多。徐化明等[22]采用原位聚合法制备的阵列碳纳米管/聚甲基丙烯酸甲酯纳米复合材料，在氮气和空气气氛下，复合材料的热分解温度比基体材料分别提高了约 100 和60 ℃。在导热性能上，阵列碳纳米管的加人使得复合材料的导热系数达到 3.0 w/mk，比纯 pmma 提高了将近 13 倍。

2.2.3 其它功能复合材料

在碳纳米管/聚合物功能复合材料方面最近有南昌大学纳米技术工程研究中心[23]研制的一种多壁碳纳米管/环氧树脂吸波隐身复合材料。通过对多壁碳纳米管进行高温 naoh 处理，使碳管在其表面产生较多的孔洞，提高碳纳米管的表面活性；制备的吸波隐身复合材料具有良好的雷达吸波效果和可控吸收频段，这种吸波复合材料的体积电阻率在 106~107 ·cm 数量级，具有优良的抗静电能力，这对于调整雷达吸波材料的吸波频段和拓宽吸波频宽有着重要意义。美国克莱姆森大学rajoriat[24]用多壁碳纳米管对环氧树脂的阻尼性能进行了研究，发现碳纳米管树脂基复合材料比纯环氧树脂的阻尼比增加了大约 140 %。

3 制备碳纳米管聚合物复合材料中存在的问题

3.1 碳纳米管在基体中的分散问题

碳纳米管的长径比大，表面能高，容易发生团聚，使它在聚合物中难以均匀分散。如何让碳纳米管在聚合物基体中实现均匀分散是当前需要解决的首要难题。经表面改性的碳纳米管可均匀分散在聚合物基体中，可以利用化学试剂或高能量放电、紫外线照射等方法处理碳纳米管，引入某些特定的官能团。liu j 等[25]首先采用体积比为 3∶1 的浓硫酸和浓硝酸对単壁碳纳米管进行氧化处理，得到了端部含羧基的碳纳米管，提高其在多种溶剂中的分散性。chenqd[26]将碳纳米管用等离子射线处理后引入了多糖链。还可运用机械应力激活碳纳米管表面进行改性，通过粉碎、摩擦、超声等手段实现。

3.2 碳纳米管的取向问题

碳纳米管在聚合物中的取向应符合材料受力的要求，研究表明，通过一定的加工例如机械共混剪切可以改善碳纳米管在聚合物中的取向，从而进一步改善复合材料的性能。jin l[27]将多壁碳纳米管溶解于一种热塑性聚合物溶液中，蒸发干燥制备出碳纳米管呈无序分散状态的薄膜，然后在其软化温度之上加热并用恒定负荷进行机械拉伸，使其在负荷下冷却至室温，发现通过机械拉伸复合物可以实现碳纳米管在复合物中的定向排列。

3.3 复合材料成型问题

当前碳纳米管/聚合物复合材料的成型一般采取模压、溶液浇铸等手段，模压操作简单、易于工业化，但在降温过程中，样品由于内外温差较大会发生表面开裂等问题；溶液浇铸形成的样品不受外界应力等因素的影响，但除去溶剂过程较长，碳纳米管易发生团聚。

此外，聚合物进行增强改性所用的填料由原来微米级的玻璃纤维、有机纤维等发展到如今的碳纳米管，填料尺寸上的变化使复合物材料原有的加工技术和表征手段都面临着新的挑战，需要在今后大力发展原子水平的新型加工技术和表征手段，以适应碳纳米管聚合物复合材料发展的需要。

4 结语

碳纳米管以其独特的性能正在越来越多领域得到应用，随着科学技术的进步当前碳纳米管复合材料制备过程中存在的各种问题会逐渐得到解决，总有一天纳米技术会真正走到人们的现实生活当来，给人们的生活带来翻天覆地的改变。

参考文献

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第2篇：纳米复合材料范文

不饱和聚酯(up)复合材料是一种热固性材料,是增强材料领域中使用最为普遍的热固性树脂,该树脂加入引发剂发生自由基聚合反应,固化后成为不溶不熔的热固性材料。与一般微观复合材料相比，含有少量蒙脱土的纳米塑料表现出优异的综合性能，因此它们比常规填充复合材料要轻。良好的性能组合、简单的加工工艺和低廉的价格使得纳米塑料在各种高性能管材、汽车及机械零部件、电子和电气部件等领域中有广泛的应用前景。

用插层复合的方法制备有机-无机纳米复合材料是近年来材料科学领域发展的热点，具有理论意义及应用前景.熔体插层是插层复合的一种重要复合方式，它可用传统的熔体共混技术制备纳米复合材料，方法简单，不需溶剂，易于工业化生产。

本文简述了不饱和聚酯/蒙脱土纳米复合材料的特点，介绍了插层法制备不饱和聚酯/蒙脱土纳米复合材料的方法，展望了应用前景。

关键词：蒙脱土,　插层，纳米复合材料，不饱和聚酯

up/montmorillonite nanocomposites

abstract　the kinetics of isothermal crystallization of up/montmorillonite nanocomposites with different content of montmorillonite prepared by melt intercalation process has been investigated by intercalation.it is shown that the presence of nanometer montmorillonite particles displays a high propensity to nucleate up crystallization,enhance the crystallization rate of up,reduce the surface free energies of the developing crystals and improve the behavior of isothermal crystallization of up dealt with the avrami and hoffman theories.the crystallization process of up is composed of two stages:the spherulite growth stage and the spherulite nucleation stage.with the increment of the clay content in the up/montmorillonite nanoconposites,the crystallization rate parameter k decreases and the surface free energy of theup crystals increases;the spherulite growth stage would become the main stage of the crystallization process in place of the spherulite nucleation stage.key words　up, montmorillonite, intercalation, nanocomposites

目 录

摘 要

第一章 绪 论

第二章 纳 米 材 料

2.1 纳米材料的基本概念和性

2.1.1 纳米材料的主要研究内容

2.1.2 纳米材料的主要性质

2.2 纳米复合材料

2.2.1 纳米复合材料分类

2.2.2 纳米复合材料性能

2.2.3 纳米技术的突破点

2.2.4 高分子基纳米复合材料

第三章 不 饱 和 聚 酯

3.1 饱和聚酯复合物

3.2 不饱和聚酯的性能和应用

3.2.1 层压塑料与模压塑料

3.2.2 云母带黏合剂

3.2.3 油改性不饱和聚酯漆

3.2.4 无溶剂漆

第四章 蒙 脱 土

4.1 蒙脱土的结构及特性

4.2 插层法复合技术

4.3 插层法的优点

第五章 复 合 材 料 的 制 备

5.1 不饱和聚酯/蒙脱土纳米复合材料分析

5.2 部分实验

5.2.1 实验原料

5.2.2 实验步骤

5.2.3 复合机理

第六章 性 能 讨 论

6.1 插层法制复合材料优点

6.2 实验分析

6.3 数据及结果

结 论

参 考 文 献

第3篇：纳米复合材料范文

[摘要]在过去的15年中，纳米尺度控制技术得到持续不断地发展，促进了新的聚合物／层状硅酸盐纳米复合材料的迅速发展。文章综述了关于聚合物／层状硅酸盐纳米复合材料的基本理论和技术的最新进展。[关键词]聚合物；层状硅酸盐；纳米复合材料；研究进展[中图分类号]TQ323.6[文献识别码]A[文章编号]

作者简介：陈兴华，湖南科技职业学院高分子工程与技术系教师基金项目：湖南科技职业学院院级课题（KJ0604）十多年来的研究显示纳米材料会显著地影响二十一世纪世界经济的各个方面。这类材料现在已用于阻隔薄膜、阻燃产品和承重部件等领域。其别引人注目的是最近发展起来的聚合物／层状硅酸盐纳米复合材料，因为与纯聚合物和传统的复合材料相比，这类材料力学性能和其它性能的改进非常明显。本文综述了关于聚合物／层状硅酸盐纳米复合材料的基本理论和技术的最新进展。1历史回顾在半个世纪前的专利文献中可以发现，人们曾尝试过制备聚合物／层状硅酸盐复合材料。人们将40-50wt的粘土矿物加入到聚合物中，但结果不理想：在粘土含量达50wt时，复合材料的最大模量只提高200。这是因为粘土颗粒在基体中并没有实现良好的分散，而是团聚成团。分散不好的粘土颗粒能提高材料的刚性，但肯定会牺牲材料的拉伸强度、断裂伸长率和韧性。由于亲水的硅酸盐和亲油的塑料相容性很差，硅酸盐片层很难在聚合物基体中均匀分散或剥离。日本Unitika公司曾尝试过解决这个难题，在大约30年前他们通过分散有蒙脱土的已内酰胺原位聚合制得了尼龙6／层状硅酸盐复合材料，但结果并不理想。1987年，这个问题才发生重大突破，丰田中心研究和发展公司的Fukushima和Inagaki仔细地研究了聚合物／层状硅酸盐复合材料后，用季铵盐取代粘土片层间的无机离子，成功地改善了粘土与聚合物基体的相容性。1993年，丰田中心研究和发展公司的Usuki、Fukushima[1]和他们的同事第一次报告通过已内酰胺的原位聚合制备了剥离型的尼龙6／蒙脱土纳米复合材料（季铵盐改性的蒙脱土事先被均匀地分散于已内酰胺中）。2层状硅酸盐及其改性剂的结构用于制备聚合物／层状硅酸盐复合材料的常用的粘土属于同一个硅酸盐大家族。它们的晶体结构包含由两个硅氧四面体和一个铝氧或镁氧八面体构成的片层。片层厚约1nm，长宽30nm到数微米不等，有些特殊的层状硅酸盐甚至更大。这些片层规则地层叠在一起。片层中存在部分同位置换（如Al 3被Mg 2或Fe 2置换，Mg 2被Li 1置换），导致片层带负电，片层所带负电荷由片层间隙中的金属阳子来平衡[2-5]。最常用的层状硅酸盐是具有不同化学组成的蒙脱土。这类粘土具有适中的离子交换容量（80-120mequiv/10g）和层状结构。这些粘土只和聚环氧乙烷、聚乙烯醇之类的亲水聚合物相容。为了改进与其它聚合物的相容性，人们必须改变蒙脱土的表面性质，使其由亲水变为亲油。通常，可通过与阳离子型表面活性剂发生离子交换反应来实现这一目标，这些阳离子型表面活性剂包括伯、仲、叔、季铵盐和烷基膦盐。烷基铵和烷基膦离子在有机化硅酸盐中的作用就是降低硅酸盐片层的表面能、增加其与聚合物的亲和性、增加片层间距。人们可以计算出，Na 密度为0.7Na /nm2的钠蒙脱土发生离子交换后，相当于每个片层吸附了约7000个烷基铵离子（片层面积约100*100nm2），活性表面积约700-900m2.g-1。这个结果表明有机粘土片层表面是凹凸不平的。片层表面羟基浓度可以通过三乙基铝滴定来确定。假设羟基随机地分布在片层侧面，可以计算出Si-OH密度为5Si-OH/nm2，也就是说每个片层侧面（侧面积约1*100nm2）有500个羟基[6]。亲油－亲水平衡是有机粘土片层能否均匀地分散于聚合物基体中的关键。另外，烷基铵或烷基膦离子能提供一些能与聚合物反应或引发单体聚合的官能团，这种反应能提高硅酸盐片层与聚合物间的界面强度。由于许多有机化粘土在温度高于200℃时会发生热降解，人们期待出现具有更好热稳定性的有机化粘土。最新的方法是制备低聚物改性的粘土。聚（二烯丙基铵）盐和苯乙烯低聚物基铵盐已经被制备出来并已被用于制备聚合物／层状硅酸盐纳米复合材料。Fisher提出了一个更有趣的想法，即引入相互排斥的粘土片层。粘土片层间的阳离子与带有两个官能团的有机物其中的一个官能团（如铵离子）发生离子交换，而另一个官能团则附着在粘土片层表面，这个官能团可以带负电荷，也可以带正电荷。4-氨基-1-萘磺酸就是其中之一。3新的复合工艺Hasegawa和Usuki报告了一种利用钠蒙脱土悬浮液制备尼龙6纳米复合材料的新的复合工艺，利用这种工艺制备的复合材料中，粘土片层部分发生剥离，并以纳米尺度均匀地分散于基体中。这种复合工艺最大的优点是由尼龙6和钠蒙脱土构成的纳米复合材料在制备时不加任何表面活性剂或其它添加剂。然而，通过这种方法制备完全剥离的复合材料非常困难。由于侧边羟基间强的相互作用，粘土片层也许原本就很难完全剥离，就象vanOlphen所报告的，几乎在所有的聚合物基体中，粘土片层总存在部分团聚。最近，一种用超临界CO2做为辅助手段的原位聚合方法实现了在高含量下粘土在纳米复合材料中的均匀分散。Zhao等人提供了明确的证据，表明以超临界CO2为媒介，聚环氧乙烷分子插入了钠蒙脱土片层之间。与熵驱动的溶液插层不同，这种插层是焓驱动的。4结构与性能研究新进展4.1过程与形态Maiti等人报告了聚丙烯／层状硅酸盐纳米复合材料在高结晶温度（≥110℃）下在结晶期间会发生熔融插层。在高结晶温度下聚丙烯结晶速率很慢，几乎观察不出来。插层的驱动力来源于聚丙烯接枝的马来酸酐基团与极性粘土表面亲水性的相互作用。随着结晶温度的提高，X-射线衍射峰移向小角区域，表明复合材料的插层程度增加了。根据Khare的预测，聚合物分子链在粘土片层间所受的限制会增加体系的粘度和力学性能。有证据表明，随结晶温度的提高，聚丙烯／层状硅酸盐纳米复合材料的插层程度增加，其动态储能模量也增加。透射电镜照片显示单个粘土片层在复合材料中存在明显的弯曲，这种弯曲主要是由硅氧四面体中Si-O-Si键角变化引起的，而不是由键长变化引起的，这与原子力显微镜观测结果吻合。4.2结晶行为在尼龙6／层状硅酸盐纳米复合材料中，由于粘土的存在，尼龙6会形成γ晶型，这一点是广为人知的。γ晶型与α晶型的本质区别是分子堆砌方式的不同，在α晶型中，亚甲基链段和酰胺基团处于同一平面内，分子链之间由氢键联结，成为平面片层。γ晶型通常是不太稳定的晶型，分子链间的氢键方向是接近垂直碳骨架平面的，联接成打褶的片层。Okamoto和Maiti观测了在170℃和210℃结晶的尼龙6纳米复合材料中片晶形态和粘土微粒的分布。在粘土片层两边生成了片晶，粘土片层被夹在中间，形成夹心结构。在高温结晶的复合材料中，从夹心的片晶两侧又生成了向外延伸的γ型的片晶，从而形成了羊肉串型的结构。这种结构增强了复合材料的力学性能，粘土片层在其中相当于骨架材料。这种夹心结构非常刚硬，从而提高了复合材料的热变形温度，而周围的无定形区又维持了其它的力学性能（如冲击强度），最终在复合材料中形成了一种完美的体系。Kim和Kressler[6]在尼龙12纳米复合材料中也观测到尼龙12垂直于聚合物／粘土片层界面生成了片晶，也就是垂直于注塑方向生成了片晶。复合材料中存在一种纳米尺度的网络结构，这种网络均匀地分布于基体中，由均匀取向的粘土片 层和与之垂直的聚合物片晶构成，两者强有力地键合在一起，从而实现了高刚性。4.3团聚大多数的纳米复合材料研究者固执地相信制备完全剥离的复合材料是获得更好的全面性能的终极目标。然而在几乎所有的纳米复合材料中，粘土接近完全剥离时，性能并没有出现显著的变化。尽管增加剥离程度有利于提高复合材料的阻隔性。在聚丁二酸丁二酯／层状硅酸盐纳米复合材料中，由于侧面羟基相互作用引起的粘土片层的团聚大幅度地增加了粘土片层的径厚比，因此与聚丙烯／层状硅酸盐、尼龙6／层状硅酸盐、聚乳酸／层状硅酸盐等纳米复合材料相比，其模量反而增加得更加明显。5新材料Okamoto和他的同事利用超临界CO2做为物理发泡剂开创性地将纳米复合材料制成了泡沫塑料。另外，有些文献报导了纳米复合材料的反应挤出发泡工艺。HaoFong[7]等人通过电纺丝将尼龙6／蒙脱土纳米复合材料制成了纳米纤维（直径在100－500纳米之间），这些纳米纤维可用于制作无纺布和复合纤维；他们还发现尼龙6／蒙脱土纳米复合材料不仅可制成圆柱形的纤维，也可制成带状纤维（宽约10微米，厚100－200纳米）。Brown等人报告了一种利用热固性环氧树脂/粘土纳米复合材料制备多孔陶瓷材料的新路线。Ray和他的合作者通过燃烧含3wt无机粘土的聚乳酸/层状硅酸盐纳米复合材料制备了新的多孔陶瓷材料。扫描电镜照片显示，在多孔陶瓷材料中，硅酸盐形成了蜂窝状结构，孔壁长宽约1000nm，厚30-60nm，表明硅酸盐片层在燃烧期间发生了聚合，这种聚合是由于硅酸盐片层羟基间缩水造成的。多孔陶瓷材料是开孔的，具有良好的应变回复和能量消散能力，具有良好的弹性、绝缘性、阻燃性和很轻的重量。6新性能6.1生物降解能力纳米复合技术的另一个令人兴奋的方面是生物降解聚合物与有机粘土制备成纳米复合材料后其生物降解能力会显著提高。脂肪族聚酯是环境友好的生物降解塑料中最有前途的一种材料。脂肪族聚酯的生物降解性是广为人知的，细菌产生的一些酶能分解脂肪族聚酯，从而使其降解。Tetto和他的同事首先报告了有关聚已内酯纳米复合材料的生物降解性，结果显示聚已内酯纳米复合材料的生物降解能力比纯聚合物明显提高。生物降解能力的提高可能是由于有机粘土的催化作用。然后，有机粘土到底是怎样提高聚合物的生物降解速率尚不清楚。Yamada和Okamoto[8]等人报告了聚乳酸及其纳米复合材料（加三甲基十八烷基季铵盐改性蒙脱土）。所用的堆肥用食物垃圾制成，测试在58±2℃的的温度下进行。聚乳酸制成纳米复合材料后生物降解能力显著增强了。聚乳酸在堆肥中的降解主要包括四个步骤：吸水，水解形成低聚物，低聚物溶解，溶解的低聚物由细菌分解。因此，增加水解速率的因素最终都会加快聚乳酸的降解。硅酸盐片层侧边羟基的存在可能会加降聚乳酸的水解。6.2光降解能力Hiroi和Oamoto等人报告了纯聚乳酸及其纳米复合材料的光降解性，这种复合材料是以有机改性层状钛酸盐做为新的纳米填料。这种材料的作用之一就是象锐钛石型TiO2一样具有光催化活性。锐钛石型TiO2的光催化反应（如从水中分解出氢气、有机化合物的氧化降解等）已经引起人们极大的研究热情，因为它有可能用于将太阳能转化为化学能。实验显示，纳米复合材料对紫外线的吸收率明显高于纯聚乳酸，相应地，在光照下，复合材料的降解速率也明显快于纯聚乳酸。7展望聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的出现是聚合物技术领域革命性现象之一，它为拓宽传统聚合材料的应用范围提供了一种富有吸引力的途径。有些聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料已在市场上出现，并已用于制造工业产品。可生物降解的纳米复合材料具有广阔的应用前景。这是一类基于植物和天然矿物材料的新型材料。当在垃圾堆中处理时，在微生物的作用下，它们会降解为安全的CO2、水和腐殖质。CO2、水会通过光合作用重新转化为粮食。毫无疑问，这种源于纳米复合材料的独特的性能为塑料和复合材料开辟了更广阔的应用范围。据报导，预计今后聚合物纳米复合材料的产值每年会增长约100，到20__年，产值会达到15亿欧元/年，产量会达到50万吨/年。聚合物基纳米复合材料在中长期将会遍及人们生活的各个方面，飞机、汽车、包装、电子电器、家俱等产业将广泛受益于这种新型材料。参考文献：[1]Y.Kojima,Usuki,M.Kawasum,etal.Mechanicalpropertiesofnylon6-clayhybrid[J].JMaterRes,1993,8(5):1185-1189.[2]陈光明,李强,漆宗能,等.聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料研究进展[J].高分子通报,1999,(4):1-10.[3]王新宇,漆宗能,王佛松.聚合物-层状硅酸盐纳米复合材料制备及应用[J].工程塑科应用,1999,(2):1-5.[4]黄锐,王旭,李忠明.纳米塑料-聚合物/纳米无机物复合材料研制、应用与进展[J].北京:中国轻工出版社,20__.10-12.[5]乔放,李强,漆宗能,等.聚酰胺/粘土纳米复合材料的制备、结构表征及性能研究[J].高分子通报,1997,(3):135-143.[6]G.-M.Kim,D.-H.Lee,B.Hoffmann,etal.Influenceofnanofillersonthedeformationprocessinlayeredsilicate/polyamide-12nanocomposites[J].Polymer,20__,42(3):095-1100.[7]HaoFong,WeidongLiu,Chyi-ShanWang,etal.Generationofelectrospunfibersofnylon6-montmorillonitenanocomposite[J].Polymer,20__,43(3):775-780.[8]S.S.Ray,K.Yamada,,M.Okamoto,etal.Newpolylactide-layeredsilicatenanocomposites.2.Concurrentimprovementsofmaterialproperties,biodegradabilityandmeltrheology[J].Polymer,20__,44(3):857-866.

第4篇：纳米复合材料范文

随着塑料工业的快速发展，塑料产品已经广泛应用到人们的生活当中，给人类带来了许多的便利，与此同时，由于人们对其大量需求致使废弃物中的塑料越来越多，这对生态环境造成了严重的污染。因而，现在许多科学家都在寻找新的环境友好型材料。其中生物可降解高分子材料就属于环境友好型材料，这其中最受人们关注的就是聚乳酸（PLA），具有良好的生物降解性，在微生物作用下分解为二氧化碳和水，对环境不会造成危害。人们之所以选择聚乳酸作为环境友好型材料来研究，是因为聚乳酸具有强度高，透明性好，生物相容性好等优点，可以应用于很多领域，包括医用、包装、纺织等。但是由于其结晶性能差，脆性大等缺点，使其在某些性能方面存在严重的不足，这就严重限制了聚乳酸的应用[1]。为了使聚乳酸能够更好的应用到各个领域，研究者们对其进行表面改性，使其性能得到改善，能够得到更好的应用。

1.生物可降解高分子材料

生物可降解高分子材料是环境友好型材料中最重要的一类。它是指在一定条件下，一定的时间内，能被细菌、真菌、霉菌、藻类等微生物或其分泌物在酶或化学分解作用下发生降解的一类高分子材料。由于其具有无毒、生物降解及良好的生物相容性等优点，生物降解高分子被广泛应用于医药、一次性用品、农业、包装卫生等领域。按照来源的不同，可将其分为天然可降解高分子和人工合成可降解高分子两大类。

天然可降解高分子：有淀粉、纤维素、蛋白质等，这类高分子可以自然生长，并且降解后的产物没有毒性，但是这类高分子大多不具备热塑性，加工起来困难，因此不常单独使用，只能与其它高分子材料掺混使用。

人工合成可降解高分子：有聚乳酸、聚己内酯、聚乙烯醇、聚己二酸乙二酯等。这类聚酯的主链大多为脂肪族结构单元，通过酯键相连接，主链比较柔软，容易被自然界中微生物分解。与天然可降解高分子材料相比较，人工合成可降解高分子材料可以在合成时通过控制温度等条件得到不同结构的产物，从而对材料物理性能进行调控，并且还可以通过化学或物理的方法进行改性[2]。

在以上众多的天然可降解高分子材料和人工合成可降解高分子材料中，天然可降解高分子材料加工困难，成本高，不被人们选中，因此，人们把目光集中在了人工合成可降解高分子材料中，这其中聚乳酸具有其良好的生物相容性、生物可降解性、优异的力学强度和刚性等性能，在诸多人工合成可降解高分子材料中脱颖而出，被人们所选中。

2. 聚乳酸材料

在人工合成可降解高分子材料中，聚乳酸是近年来最受研究者们关注的一种。它是一种生物可降解的热塑性脂肪族聚酯，是一种无毒、无刺激性，具有良好生物相容性、强度高、可塑性加工成型的生物降解高分子材料。合成聚乳酸的原料可以通过发酵玉米等粮食作物获得，因此它的合成是一个低能耗的过程。废弃的聚乳酸可以自行降解成二氧化碳和水，而且降解产物经光合作用后可再形成淀粉等物质，可以再次成为合成聚乳酸的原料，从而实现碳循环[3]。因此，聚乳酸是一种完全具备可持续发展特性的高分子材料，在生物可降解高分子材料中占有重要地位。迄今为止，学者们对聚乳酸的合成、性质、改性等方面进行了深入的研究。

2.1聚乳酸的合成

聚乳酸以微生物发酵产物-乳酸为单体进行化学合成的，由于乳酸是手性分子，所以有两种立体结构。

聚乳酸的合成方法有两种；一种是通过乳酸直接缩合；另一种是先将乳酸单体脱水环化合成丙交酯，然后丙交酯开环聚合得到聚乳酸[4]。

2.1.1直接缩合[4]

直接合成法采用高效脱水剂和催化剂使乳酸低聚物分子间脱水缩合成聚乳酸，是直接合成过程，但是缩聚反应是可逆反应，很难保证反应正向进行，因此不易得到高分子量的聚乳酸。但是工艺简单，与开环聚合物相比具有成本优势。因此目前仍然有大量围绕直接合成法生产工艺的研究工作，而研究重点集中在高效催化剂的开发和催化工艺的优化上。目前通过直接聚合法已经可以制备具有较高分子量的聚乳酸，但与开环聚合相比，得到的聚乳酸分子量仍然偏低，而且分子量和分子量分布控制较难。

2.1.2丙交酯开环缩合[4]

丙交酯的开环聚合是迄今为止研究较多的一种聚乳酸合成方法。这种聚合方法很容易实现，并且制得的聚乳酸分子量很大。根据其所用的催化剂不同，有阳离子开环聚合、阴离子开环聚合和配位聚合三种形式。（1）阳离子开环聚合只有在少数极强或是碳鎓离子供体时才能够引发，并且阳离子开环聚合多为本体聚合体系，反应温度高，引发剂用量大，因此这种聚合方法吸引力不高；（2）阴离子开环聚合的引发剂主要为碱金属化合物。反应速度快，活性高，可以进行溶液和本体聚合。但是这种聚合很难制备高分子量的聚乳酸；（3）配位开环聚合是目前研究最深的，也是应用最广的。反应所用的催化剂主要为过渡金属的氧化物和有机物，其特点为单体转化率高，副反应少，易于制备高分子量的聚乳酸。但是开环聚合有一个缺点，所使用的催化剂有一定的毒性，所以目前寻找生物安全性高的催化剂成为配位开环聚合研究的重要方向。

2.2聚乳酸的性质

由于乳酸单体具有旋光性，因此合成的聚乳酸具有三种立体构型：左旋聚乳酸（PLLA）、右旋聚乳酸（PDLA）和消旋聚乳酸（PDLLA）。其中PLLA和PDLLA是目前最常用，也是最容易制备的。PLLA是半结晶型聚合物，具有良好的强度和刚性，但是其缺点是抗冲击性能差，易脆性断裂。而PDLLA是无定形的透明材料，力学性能较差[5]。

虽然聚乳酸具有良好的生物相容性和生物可降解性、优异的力学强度和阻隔性，但是聚乳酸作为材料使用时有明显的不足之处；韧性较差并且极易弯曲变形，结晶度高，降解周期难以控制，热稳定性差，受热易分解，价格昂贵等。这些缺点严重限制了聚乳酸的应用与发展[6]。因此，针对聚乳酸树脂原料进行改性成为聚乳酸材料在加工和应用之前必不可少的一道工序。

2.3聚乳酸的改性

针对聚乳酸的以上缺点，研究者们对其进行了增韧改性、增强改性和耐热改性，用以改善聚乳酸的韧性和抗弯曲变形能力，提高热稳定性，进一步增强聚乳酸材料。

2.3.1增韧改性

在常温下聚乳酸是一种硬而脆的材料，在用于对材料要求高的领域，需要对其进行增韧改性。增韧改性主要分为共混和共聚两种方法。但是由于共聚法在聚乳酸的聚合过程中工艺比较复杂，并且生产成本高，因此在实际工业生产中，主要用共混法来改善聚乳酸的韧性。共混法是将两种或两种以上的聚合物进行混合，通过聚合物各组分性能的复合达到改性目的[7]。为了拓展聚乳酸材料在工程领域的用途，研究者们常采用将聚乳酸与其它高聚物共混，这样一方面能够改善聚乳酸的力学性能和成型加工性能，另一方面也为获得新型的高性能高分子共混材料提供了有效途径。

增韧改性所用的共混法工艺比较简便，成本相应低一些，在实际工业生产中更加实用。不过受到聚乳酸本身的硬质和高模量限制，共混法改性目前主要方向为增韧、调控亲水性和降解能力。

2.3.2增强改性

聚乳酸本身为线型聚合物，分子链中长支链比较少，这就使聚乳酸材料的强度在一些场合满足不了使用的要求。因此要对其进行增强改性，使其强度达到要求。目前主要采用了玻璃纤维增强、天然纤维增强、纳米复合和填充增强等技术来对聚乳酸进行改性，用以提高聚乳酸材料的力学性能[7]。

目前，植物纤维和玻璃纤维对增强聚乳酸的力学性能效果相差不大，但是植物纤维价格低廉，并且对环境友好，因而成为对聚乳酸进行增强改性的常见材料。而填充增强引入了与聚合物基体性质完全不同的无机组分并且综合性能提升明显，因此受到广泛的关注。这其中，以纳米填充最有成效，填充后可以全面提升聚乳酸的热稳定性、力学强度、气体阻隔性、阻燃性等多种性能。此外，聚乳酸具有生物相容性和可降解的特性，因此用做人体骨骼移植、骨骼连接销钉等医学材料。

2.3.3耐热改性

耐热性差是生物降解高分子材料共有的缺点。聚乳酸的熔点比较低，因此它在高温高剪切作用下易发生热降解，导致分子链断裂，分子量降低，成型制品性能下降。因此需要对聚乳酸进行耐热改性，用以提高其加工性能，通常采用严格干燥、纯化和封端基等方式提高其热稳定性[8]。目前，添加抗氧剂是提高聚合物耐热性的常用方法，除了采用添加改性或与其它树脂共混改性来提高聚乳酸耐热性，还可以通过拉伸并热定型的方法提高聚乳酸的耐热性，与此同时，还可以改善其聚乳酸复合材料韧性和强度。在纺织、包装业等领域有很好的应用。

从上述几种改性结果来看，与聚乳酸相比，改性后的聚乳酸复合材料综合性能等方面都得到了全面的提升，在医学、纺织、包装业等领域都得到了很好的应用。因此，聚乳酸复合材料得到了人们的喜爱与关注，并逐渐将人们的生活与之紧紧联系在了一起。成为国内外研究者所要研究的重点对象。

3.聚乳酸复合材料及研究进展

3.1聚乳酸复合材料

经过改性剂改性过的聚乳酸复合材料是一种新型复合材料，它是以聚乳酸为基体，在其中加入改性剂混合用各种方式复合而成的。同时它具备与聚乳酸相同的无毒、无刺激性、良好的生物相容性等性质，但是在性能方面要都优于聚乳酸。聚乳酸复合材料在柔顺性、伸长率、力学、电、热稳定性等方面都表现出了优异的性能，目前已经将其应用与医学、农业、纺织、包装业和组织工程等[9]领域，应用非常广泛。

聚乳酸复合材料可以在微生物的作用下分解为二氧化碳和水，对环境不会造成任何的危害，加上其在各个方面都具有优异的性能，可以用于各个领域。因此成为了新一代的环境友好型材料被国内外的研究者们广泛关注。目前，就聚乳酸复合材料的研究，国内外研究者们都取得了一定的成果和进展。

3.2聚乳酸复合材料研究进展

由于聚乳酸作为生物相容，可降解环境友好材料，存在着结晶速度慢、结晶度低、脆性大等缺陷，将需要与具有优异导电、导热、力学性能，生物相容性等优点的填料复合进行填充改性[10]。这个方法成为目前国内外研究的重点。对于聚乳酸复合材料的研究以下是国内外研究者的研究进展。

盛春英[1]通过溶液共混法制备了聚乳酸/碳纳米管复合物，用红外光谱和DSC研究了复合材料的等温结晶和非等温结晶性能，重点研究了CNTs的种类、管径、管长、质量分数以及聚乳酸分子量对复合物结晶性能的影响，以及等温结晶对复合材料拉伸性能的影响。

范丽园[2]将左旋聚乳酸和纳米羟基磷灰石用含有亲水基团的JMXRJ改性剂，通过溶液共混法，加强两者亲水性能和结合能力。以碳纤维为增强体，制备出碳纤维增强改性PLLA基复合材料。并分析其化学结构、结晶行为、热性能以及等温结晶时晶球变化。

张东飞等[3]人介绍了碳纳米管制备的三种方法，即石墨电弧法、化学气相沉积法和激光蒸发法，并阐述了碳纳米管导热基本机理，对碳纳米管应用于复合材料热传导性能进行了研究与展望。

赵媛媛[4]采用溶液超声法，选用多壁碳纳米管作为填充物，制备聚乳酸/碳纳米管复合材料，并对其进行改性研究。以碳纳米管化学修饰及百分含量的变化对其在PLLA基体中的分散性、形态、结晶行为、力学性能和水解行为的影响为主要研究对象。

张凯[5]通过对有效的碳纳米管分布对复合材料的导电性能进行研究。并重点从形态调控角度，调节碳纳米管在高分子基体中的有效分布，构建了高效的导电网络。并从晶体排斥、相态演变、隔离的角度，设计三种不同形态的导电聚乳酸/复合材料，降低了材料的导电逾渗值。

冯江涛[6]通过采用混酸处理、表面活性剂修饰和表面接枝三种方法对对碳纳米管表面进行修饰，利用溶剂蒸发法制备聚乳酸/碳纳米管复合材料，采用红外吸收光谱、拉曼光谱、偏光显微镜、透射电镜、扫描电镜、差示扫描量热分析仪对复合材料的表面形貌和结构进行了分析和总结。

李艳丽[7]通过混合强酸酸化与马来酸酐接枝相结合，对碳纳米管表面修饰，增强了碳纳米管与聚乳酸之间的界面相互作用，获得了碳纳米管分散均匀的聚乳酸/碳纳米管纳米复合材料。并且研究不同条件下碳纳米管对聚乳酸结晶行为的影响，发现碳纳米管对聚乳酸的结晶有明显的异相成核作用。

许孔力等[8]人通过溶液复合的方法制备聚乳酸/碳纳米管复合材料，并对其力学性能和电学性能进行了详细的研究，而且对复合材料的应用前景进行了展望。

李玉[9]通过将聚乳酸与具有优异导电、导热、力学性能、生物相容性的碳基纳米填料进行填充改性。考察了静电纺丝参数对聚乳酸纤维的形貌影响，并且考察了不同含量的碳纳米管对复合纤维形貌和结构的影响。此外，还对静电纺丝和溶液涂膜制备工艺对复合材料性能影响。

赵学文[10]通过将碳纳米粒子引入聚合物共混体系实现了复合材料的功能化与高性能化。并且他们提出一种基于反应性碳纳米粒子的热力学相容策略，有效的提高了不相容共混物的界面粘附力，增强了材料的力学性能，同时赋予了导电等功能。

Mosab Kaseem等[11]人通过热、机械、电气和流变性质对聚乳酸基质中碳纳米管的类型、纵横比、负载、分散状态和排列的依赖性。对不同性能的研究表明，碳纳米管添加剂可以提高聚乳酸复合材料的性能。

Mainak Majumder等[12]人通过对聚乳酸/碳纳米管复合材料制备和表征方面的研究，

综述有关碳纳米管在聚乳酸基质中分散的有效参数。并且将聚乳酸与不同材料结合用来改变其性能。

Wenjing Zhang等[13]人通过溶液共混制备了一系列PLLA/碳纳米管复合材料。测试了形态，机械性能和电性能。通过研究发现随着碳纳米管含量达到其渗透阈值，PLLA/碳纳米管复合材料的体积电阻降低了十个数量级。通过光学显微镜图像显示了纳米复合材料的球晶形态，用差示扫描量热法（DSC）测量，其结果显示，随着碳纳米管含量的增加，冷结晶温度升高。

Eric D等[14]人通过研究在半结晶聚合物碳纳米管复合材料中，碳纳米管被视为可以影响聚合物结晶的成核剂。但是，由于碳纳米管的复杂性。不同的手性，直径，表面官能团，使用的表面活性剂和样品制备过程可能会影响复合材料结晶。研究了半晶复合材料的结构，形态和相关应用。简要介绍聚合物中的结晶和线性成核。使用溶液结晶方法揭示了界面结构和形态。

Kandadai等[15]人通过拉曼光谱分析表明PLLA和碳纳米管之间的相互作用主要通过疏水的C-CH3官能团发生。复合材料的直流电导率随碳纳米管负载的增加而增加。导电的碳纳米管增强的生物相容性聚合物复合材料可以潜在地用作新一代植入物材料，从而刺激细胞生长和通过促进物理电信号传递来使组织再生。

从以上国内外研究者的研究进展中，可以看到，大部分的研究者都是通过溶液共混的方法制备聚乳酸复合材料，这种方法对于国内外的研究者们来说比较简便可靠。并且他们将制备好后的聚乳酸复合材料通过红外光谱、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、差示扫描量热、拉曼光谱和偏光显微镜等手段进行其结构和性能的观察和分析，发现聚乳酸复合材料的性能在各个方面都有显著的提高，并且可以应用与各个领域，应用前景非常广阔。聚乳酸复合材料作为新一代性能全面的环境友好型材料，国内外的研究者们对聚乳酸复合材料的研究还在进行着，并且对于它的发展都有很高的期待。

4.本课题的研究思路及研究内容

4.1 研究思路

聚乳酸作为可降解生物材料，同时又具有生物相容性，力学性能好等优点。碳纳米管则具有良好的生物相容性，功能性等优点。将两种材料复合可以进一步改善聚乳酸结晶性能、力学性能、赋予其导电性。

对于聚乳酸/碳纳米管复合材料的制备可以通过共混法、原位聚合及静电纺丝法来制备，目前通常采用溶剂挥发法制备聚乳酸/碳纳米管复合材料。通过拉曼光谱、电子能谱、扫描电子显微镜、示差扫描量热来测定其结合能、材料表面形貌以及结晶、熔融温度等方面进行观察分析。

第5篇：纳米复合材料范文

环氧树脂（EP）具有良好的热稳定性、电绝缘性、粘结性、力学性能，成型工艺多样化，性价比较高，被广泛应用于航空/航天、电气/电子等领域[1-4].由于环氧树脂具有三维网状交联结构，此结构带来众多优点的同时，也赋予其固有的缺点，固化后质脆、耐冲击性较差和容易开裂等.利用环氧树脂制备的复合材料存在层间韧性不足，受到低速冲击后层间容易发生分层等问题，严重影响其使用寿命和范围，这就要求对环氧树脂进行增韧[5].当前，广泛采用的改性方法是向树脂中加入橡胶[6-7]或热塑性树脂[8]，通过反应诱导相分离形成分相结构[9-10]，实现对树脂基体的增韧.但是这些增韧成分的引入，增加了树脂体系的化学复杂性，带来了一系列问题.例如增韧剂要与原有树脂相匹配，改性剂的存在会导致树脂的工艺条件发生改变，对树脂的刚度、模量、湿/热等性能可能产生影响等[11].

近年来很多研究者采用无机刚性纳米粒子[11-16]对环氧树脂进行增强、增韧改性.这是因为纳米粒子的表面非配对原子多、活性高，很容易与环氧树脂中的某些官能团发生物理或化学作用，提高粒子与环氧树脂基体的界面结合能力，有助于降低聚合物键的能动性，因而可承担一定的载荷，具有增强、增韧的可能.而且，这种无机纳米颗粒的加入，对体系的物理化学性质没有明显影响，有利于保持现有树脂体系及其工艺条件不变.同时这种利用物理手段实现的强度韧性提升，由于不涉及化学计量，可以方便地选择增韧剂的使用量.

本研究以商用的聚氨酯-环氧树脂复合材料为基体，系统研究了几种无机微米/纳米粒子的添加对复合材料力学和热稳定性的影响，并对改性后复合材料的强韧化机理进行了初步讨论.

1实验部分

1.1原料

纳米SiO2，粒径：30 nm （杭州万景新材料有限公司，简写为NSI）.纳米SiC，50 nm；纳米MgO，30 nm；纳米Al2O3，30 nm （上海水田材料科技有限公司，分别简写为NSC，NMG和NAL）.微米Al2O3，1～3

SymbolmA@ m （郑州市海旭磨料有限公司，简写为LAL）.微米MgO，0.5～1

SymbolmA@ m （深圳晶材化工有限公司，简写为LSC）.聚氨酯改性环氧树脂粘结剂（商业原料，缩写为PUEP），其主剂和固化剂分别标示为PUEPM和PUEPS.

2结果与讨论

2.1颗粒组成和含量对复合材料拉伸剪切强度的

影响

图1为无机颗粒组成和含量与复合材料拉伸剪切强度的关系曲线.从图1可以看出，向PUEP体系加入无机颗粒后，其拉伸剪切强度均先增加后降低，最佳添加量均为2%.在该加入量时，2%LMG改性PUEP复合材料的拉伸剪切强度相比未添加的PUEP复合体系增加了14.7%，2%LAL增加了8.0%，2%NMG增加了68.9%，2%NSI增加了61.3%，2%NSC增加了87.8%，添加2%NAL增加了54.2%.这是因为无机颗粒经硅烷偶联剂处理后其表面带有活性基团，颗粒可以充分接枝在基体上.此外，纳米粒子较小的粒径和较大的比表面积，提高了纳米粒子和基体的相容性.因此纳米粒子和基体之间可以有更好的应力传递，增强材料的强度和韧性.当无机颗粒的添加量逐渐增多时，其在基体中的分散性变差，易团聚，从而降低了复合材料的力学性能[18].

同时可以看出，纳米颗粒对PUEP复合体系力学性能的提高显著高于微米颗粒，其增加量均在50%以上.这可能是由于纳米粒子尺寸小、比表面积大以及表面的物理和化学缺陷多， 与高分子链产生了物理或化学交联点，能有效提高两者之间的结合力，使高分子链刚性增加，从而导致PUEP体系的拉伸剪切强度显著增加[18-19].

图2为无机颗粒质量分数为2%时所得无机颗粒改性PUEP复合材料的应力应变曲线.从图中可以看出，PUEP复合体系的应力应变曲线呈现典型的韧性断裂，曲线上分别出现了弹性变形区、弹塑性变形区、塑性变形区和屈服点等特征区域，其层间剪切模量

的数值约为574 GPa（应力应变曲线的直线部分的斜率）.

从图中还可以看出，微米颗粒的添加并不改变PUEP复合体系的断裂方式，但使该体系各变形阶段的模量显著下降（2%LMG对应的层间剪切模量的数值约为380 GPa，2%LAL为270 GPa，应力应变曲线直线部分的斜率），同时弹性变形区域逐渐缩短（应力应变曲线的直线部分）.而纳米颗粒的添加不仅能改变PUEP复合体系的断裂方式，使其由韧性断裂改为类似于陶瓷材料的脆性断裂（应力应变曲线的主要部分），同时弹性变形区大幅增加，但弹性模量大幅降低（不同组成纳米颗粒添加所得无机颗粒改性PUEP复合材料弹性模量在50～60 GPa之间变化）.

从上述数据可知，对于无机颗粒而言，其在添加量为2%时，可以获得最佳的增韧效果，故而，下一步研究中，无机颗粒的添加量固定为2%，研究材料粒径和组成对复合材料拉伸强度的影响.

2.2颗粒组成对复合材料拉伸强度的影响

表1为无机颗粒添加对复合材料拉伸强度的影响.从表中可以看出，无机颗粒的加入能提高PUEP体系的拉伸强度.对比微米颗粒和纳米颗粒对PUEP体系拉伸强度的影响可知，纳米颗粒可以显著提高复合材料的拉伸强度，其中纳米SiC的增强效果最为显著，提高率可达73.7%.

2.3纳米颗粒组成对复合材料热稳定性的影响

图3为不同纳米颗粒在添加量为2%时所得复合材料在Ar气氛下的热重（TG）曲线和微分热重（DTG）曲线.从图3（a）可以看出，不同组成的复合材料在Ar气氛中的热失重过程相似，失重残余量均约为6%左右.但不同失重率对应的温度均随无机颗粒种类的变化而变化，这表明添加无机颗粒对PUEP体系的热稳定性具有一定的影响.

表2给出了不同复合材料在5%，50%和80%失重，以及在失重速率最大时对应的温度（DTG曲线的峰值）.从表中可以看出，相比基体PUEP，添加不同组成的纳米颗粒对复合材料的热稳定性有不同影响.其中添加2%纳米SiC时所得复合材料不同失重率下对应的温度较基体提高了4～8 oC，但在失重速率最大时对应的温度与基体接近.其它组成纳米无机颗粒的添加基体的热稳定性能的影响不确定.

从图3（b）可以看出，PUEP试样有两个峰值，这表明基体中官能团的分解可以大致分为2个步骤.添加纳米颗粒后，SiO2和Al2O3导致第一个失重峰强度增加，而SiC和MgO导致第一个峰强度稍微降低.而第二个峰的变化随纳米颗粒的添加发生明显位移.结合表2可以看出，SiO2和Al2O3的添加导致复合材料在最大失重速率对应的温度升高了16～30 oC.这也表明在相同的实验条件下，由于纳米颗粒表面的性质不同，偶联剂与颗粒表面的结合性存在一定差异，导致偶联剂在纳米颗粒表面化学结合的数量不同.众所周知，偶联剂的官能团可与基体树脂的官能团发生化学反应，从而提高树脂基体的“牢固度”[19-20].而偶联剂数量不同和结合的紧密程度不同，导致复合材料的热稳定性存在一定差异.

由于添加2%纳米SiC时所得复合材料不同失重率下对应的温度较基体提高了4～8 oC，因而下一步主要讨论纳米SiC添加所得复合材料的微观形貌.

2.4纳米SiC添加对复合材料微观形貌的影响

图4为纳米SiC不同含量所得复合材料的断面形貌.从图中可以看出，PUEP体系的断裂有明显的起伏和撕裂现象，其裂纹形状以规则的平行状为主，属于韧性断裂.随着纳米SiC添加量的增加，试样的断面先逐渐变平整，并且出现了微裂纹和微孔，这表明此时复合材料呈现某种程度的脆性断裂.但当纳米SiC的添加量等于4%时，断面又出现了明显的起伏和撕裂现象，这表明该复合材料的断裂方式又呈现某种程度的韧性断裂.

从图中还可以看出，纳米SiC颗粒的形状是以圆球形为主，其在图4（b）和图4（c）中的分散性比较均匀，但是随其含量的增加，纳米SiC颗粒开始发生团聚，在添加量为4 %的时候可以明显地看到团聚的情况，使得在发生断裂的时候团聚的颗粒是以直接拔出的方式发生断裂，并不能有效起到传递载荷和消耗能量的作用，将导致复合材料的韧性开始下降，这与图1和表1的结果一致.

3纳米无机颗粒的强韧化机理探讨

无机颗粒对基体的增韧机理可视为弥散强化增韧.在基体中加入刚性的第二相颗粒时，在基体材料受拉伸时，颗粒会阻止其横向截面收缩，同时当裂纹扩展过程遇到颗粒时，刚性颗粒会阻止其进一步扩展，这两种作用均促使材料断裂需要消耗更多的能量，因此起到增强增韧的作用[20].从图4（a）中观察到的纳米颗粒阻止裂纹扩展的现象支持了这一说法.

如果以拉伸过程为例来考察纳米复合材料强度提高的机理，可以发现，当复合材料受到的拉伸应力达到或超过应力集中处所能承受的最大主应力时，就开始形成孔隙，成为材料的缺陷.由于材料的强度与材料缺陷尺寸成反比[20].而经过表面改性的无机颗粒表面存在一层硅烷偶联剂，当无机颗粒加入PUEP复合体系中后，无机颗粒与PUEP基体之间会形成一个过渡层[20].拉伸过程中有效缺陷尺寸近似地取决于分散后“过渡层”结构的尺寸，并且随着拉伸的继续，孔隙呈椭圆形长大.粒子越细且分散越好，有效缺陷尺寸也就越小，复合材料的强度也就越高.因此，当添加的颗粒由微米改为纳米时，复合材料的层间剪切强度和拉伸强度大幅增加（见表1）.

同时由于纳米颗粒与基体间“过渡层”结构的存在，导致两者结合性良好，这种良好的结合性会引发周围基体发生更多的屈服变形，钝化了基体材料拉伸过程中的银纹扩展效应，增大银纹扩展阻力，阻止裂缝形成，保持了材料完整性，也从而达到了增强增韧目的.从图4可以看出，图4（a）和（b）中存在少量银纹，而在图4（c）和（d）中则没有观察到银纹，这也表明，复合材料中纳米颗粒可以钝化银纹的扩展效应，从而起到强化的目的.

4结论

本文通过机械搅拌混合法制备了微/纳米粒子改性的聚氨酯-环氧树脂基复合材料，研究了无机颗粒组成和含量对基体力学性能和热稳定性的影响，探讨了复合材料的强韧化机理.得出的主要结论如下：

1） 相比微米颗粒，纳米粒子的加入能显著提高基体的层间剪切强度和拉伸强度，降低基体的层间剪切弹性模量，同时改变基体的断裂方式.当SiC纳米颗粒的添加量为2%时，所得复合材料的层间剪切强度和拉伸强度分别达到44.7 MPa和56.56 MPa，相比基体提高约88%和74%.

第6篇：纳米复合材料范文

关键词：细菌纤维素 纳米银 抗菌 创伤敷料

一、引言

细菌纤维素是一种由微生物合成的高纯度纤维素，其微纤维直径只有40-60nm，是自然界中天然存在的精细纳米材料。超细纤维网络结构使其具有高比表面积、高持水能力以及良好的生物相容性和生物可降解性，被称作“大自然赋予人类的天然生物医用材料”[1]。大量研究和临床试验表明，细菌纤维素基创伤敷料对于烧伤烫伤以及慢性溃疡疾病具有良好的治愈效果，是一种极具潜力的“理想”创伤敷料材料[2]。

然而，细菌纤维素本身不具有抗菌性能，难以应对细菌感染的伤口。金属银及其化合物是目前最常用的无机抗菌剂，尤其适用于治疗烧伤烫伤以及慢性溃疡创伤[3]。因此，以细菌纤维素为载体负载纳米银粒子将有望获得具有高效保湿抗菌功能的“理想”医用创伤敷料。孙东平等以细菌纤维素为载体，甲醛为还原剂采用液相化学还原法合成载银细菌纤维素复合材料，所得银纳米粒子平均粒径在45nm左右，对大肠杆菌、酵母菌和白色念珠菌等都有理想的抗菌效果[4]。Marques等分别以细菌纤维素和普通植物纤维为基体，采用NaBH4原位还原AgNO3的方法在纤维素膜上合成纳米银单质，结果表明细菌纤维素纤维的银负载量可达到植物纤维的50倍以上，并且对Ag+具有更持久的控释作用，是一种良好的纳米银合成基质[5]。上述研究大多采用NaBH4、甲醛等化学试剂为还原剂，这些试剂通常具有较高的人体毒性，反应结束后很难解决试剂在纤维膜内的残留问题，尤其不适合应用于生物医用材料产品的制备。据此，我们提出，以细菌纤维素为模板，摒弃有毒化学还原试剂，采用环境友好的抗坏血酸为还原剂，原位制备细菌纤维素/纳米银复合材料。

二、材料与方法

（一）实验材料

木醋杆菌（Acetobacter xylinum）：本实验室保藏。AgNO3、抗坏血酸购买于国药集团化学试剂有限公司。其它试剂若无特殊说明，均为市场可售。

（二）细菌纤维素膜的制备和纯化

以木醋杆菌为菌种，将活化后的菌种接种至种子培养液中，在30℃和160rpm的摇床中培养24h。按6%的接种量接种于发酵培养基中，30℃恒温培养箱中静置培养8 d，得细菌纤维素膜。培养基组成为麦芽糖25g/L，蛋白胨3g/L，酵母浸膏5g/L，pH值为5.0，121℃灭菌20 min。

将BC膜取出用去离子水反复冲洗，再浸泡于0.1%的NaOH溶液中以去除细菌纤维素膜中的菌体及残留培养基，80℃处理6h至膜呈乳白色半透明。最后用去离子水充分洗涤，直至洗液成中性。

（三）细菌纤维素/纳米银复合材料的制备

将上述BC膜浸泡于一定浓度的硝酸银溶液中，在30℃恒温水浴锅中100rpm震荡12h。然后将膜取出放入10mM的抗坏血酸溶液中，在磁力搅拌下冰浴还原6h。然后取出用去离子充分洗涤，得细菌纤维素/纳米银复合材料。

（四）含银量的测定

将制备的复合物样品干燥后剪碎，准确称取一定质量溶解于HNO3溶液中。采用原子吸收法测定其银含量。

（五）抗菌性能的测定

（1）抑菌圈法

以金黄色葡萄球菌为模型菌。具体方法为：将金黄色葡萄球菌从斜面接种到种子培养基中，37℃恒温培养12h得种子液。吸取0.1ml种子液至固体平板培养基上，涂布均匀。将载银细菌纤维素膜平铺在平板中央，37℃恒温倒置培养24h。然后测量其抑菌圈大小，并以不载银的纯细菌纤维素膜为对照组。抑菌带宽度定义为：抑菌带半径平均值与样品膜半径平均值之差。

（2）最小抑菌浓度法（MIC）

以金黄色葡萄球菌为模型菌，采用MIC法定量评价复合物的抗菌效果。具体方法为：将10个灭菌的含一定量培养基的三角瓶分别编号1-9号，在培养基中放入1-9片载银细菌纤维素膜制成不同含银量培养基。然后，取107cfu/mL的金黄色葡萄球菌菌悬液0.1mL接种于上述1-9号三角瓶中，于37℃恒温培养24h。

培养结束后，分别从上述三角瓶中取出0.1mL培养液，将其涂布到琼脂平板上，每个样品做三个平行，于37℃恒温培养箱中倒置培养24h，观察菌落的生长情况。以不长菌的最低浓度为最小抑制浓度（MIC）。

三、结果与讨论

（一）细菌纤维素/纳米银复合材料的制备

目前化学法还原制备纳米银粒子大多采用NaBH4、甲醛等化学试剂为还原剂，这些试剂通常具有较高的人体毒性，反应结束后需解决试剂在纤维膜内的残留问题，不适合应用于生物医用材料产品的制备。抗坏血酸是一种常用的医药原料，具有一定的还原能力。因此本文尝试以抗坏血酸为还原剂，细菌纤维素为模板，原位还原制备纳米银。实验过程中发现，随着反应时间的延长，细菌纤维素膜由初始的透明色逐渐变为亮黄色，表明纳米银粒子在细菌纤维素膜上形成（图1）。

（二）含银量的测定

分别选用1.0、2.5及5.0mM的硝酸银溶液制备细菌纤维素/纳米银复合材料，采用原子吸收法测定不同硝酸银溶液浓度条件下复合物的载银量情况，结果如图2所示。结果显示，随着硝酸银浓度的升高，复合膜的含银量增加。但当硝酸银浓度大于2.5mM时，继续增加硝酸银浓度，复合物的载银量几乎不变，这说明此时可能达到了细菌纤维素膜的最大银负载量。

（三）抗菌活力的评价

首先采用抑菌圈法对细菌纤维素/纳米银复合材料的抗菌活力进行定性评价。分别考察了上述三种硝酸银溶液所制备的复合物的抗菌效果（图3）。如图所示，复合物产生的抑菌圈的变化趋势与其载银量相似，这说明复合物载银量的高低与抑菌圈宽度有一定相关性，即载银量越高，抑菌圈越大。

采用最小抑菌浓度法定量评价细菌纤维素/纳米银复合材料的抗菌活力，如图4所示。由结果可知，当硝酸银浓度为1.0mM时，MIC值最低，说明该制备条件下，复合膜的抗菌效果最好。在较高的硝酸银浓度条件下，由于较高量的银粒子负载到细菌纤维素膜上，可能会产生银粒子团聚，进而影响其抗菌效果。

四、结论

本文以细菌纤维素为模板，抗坏血酸为还原剂，原位制备细菌纤维素/纳米银复合材料，并对其抗菌活性进行研究。结果表明，在较低的硝酸银浓度条件下，所得复合膜的载银量较低，抑菌圈较小，但其最小抑菌浓度值较低。这可能是由于较低的银负载量减弱了银粒子的团聚现象，导致其抗菌效果较好。

基金项目：国家自然基金项目（No.21004008）；上海市教育委员会和上海市教育发展基金会“晨光计划”项目（No.11CG35）。

[参考文献]

[1]Czaja W,Krystynowicz A,Bielecki S,Brown R M.Microbial cellulose―the natural power to heal wounds.Biomaterials,2006,27:145-151.

[2]Alvarez O M,Patel M,Booker J,Markowitz L.Effectiveness of a biocellulose wound dressing for the treatment of chronic venous leg ulcers:results of a single center randomized study involving 24 patients.Wounds,2004,16:224-233.

[3]Rai M,Yadav A,Gade A.Silver nanoparticles as a new generation of antimicrobials.Biotechnol.Adv.,2009,27:76-83.

[4]孙东平,杨加志,李骏,周伶俐,于俊伟.载银细菌纤维素抗菌敷料的制备及其抗菌性能的研究.生物医学工程学杂志,2009,26：1034-1038.

第7篇：纳米复合材料范文

关键词：Bi2O3-TiO2纳米复合材料；Nd掺杂；模拟太阳光；光催化活性；甲基橙

引言

据国家环保部统计，我国每年排放的污水总量至今仍有2500余万吨，如何经济、高效地处理这些污水也成了科研工作者们亟待解决的问题[1]。目前，常用的污水处理方法包括过滤法、吸附法、浮上法、超临界水氧化法、光催化降解法、混凝法、电化学法、活性污泥法、生物膜法等[2-5]。其中，高效、节能且不产生二次污染的光催化降解技术尤受重视。

TiO2是公认的理想催化剂，但也存在光能利用率低和自由基产率小的致命弱点[6-7]。为了克服上述不足，国内外学者们提出了Bi2O3复合改性TiO2的思路。Yang等采用溶胶与水热相结合的方法合成了不同铋钛质量比的Bi2O3-TiO2纳米复合颗粒[8]。其中，铋钛质量比为0.020的样品活性最高，在可见光照射下，7h降解约69%的4-氯酚溶液（13mg/L）。刘元德等则以CATB为增溶剂，采用溶胶-凝胶法制备了不同铋钛原子比的Bi2O3/TiO2纳米复合材料[9]。研究发现，铋钛原子比为0.0175的样品活性最好，在可见光照射下，5h降解约71%的甲基橙溶液（25mg/L）。可见，Bi2O3复合改性TiO2虽然拓展了光谱响应范围，但是其光催化活性仍需进一步提高。Zou等通过固相法合成了系列的TiO2/CeO2/Bi2O3复合光催化剂[10]。在可见光照射下，活性最高的n（TiO2）：n（CeO2）：n（Bi2O3）=2：5：3样品在2h内能降解约55%的罗丹明B溶液（8mg/L），6倍于TiO2/Bi2O3复合光催化剂。Pei等也采用溶胶-凝胶法制备了TiO2/ZnO/Bi2O3复合纳米纤维，在模拟太阳光下，10min内可降解100%的邻二甲苯气体，19倍于德固赛P25型TiO2[11]。可见，对Bi2O3-TiO2纳米复合材料进行适当改性能显著提高其光催化活性。文中合成了Nd掺杂Bi2O3-TiO2纳米复合材料，并用XRD、Raman、TEM、HRTEM表征了其微观结构，用UV-visDRS测试了其吸光性能，最后以甲基橙溶液为目标降解物，考察了其光催化活性。

1 实验

1.1 Nd掺杂Bi2O3-TiO2纳米复合材料的制备

首先，量取11mL钛酸丁酯，加入32mL无水乙醇和10滴浓硝酸，搅拌10min，得到A溶液。其次，称取0.2743g五水硝酸铋，按n（Nd）：n（Bi）=X（X=0.000，0.125，0.250，0.500，1.000）称取氧化钕，分别溶于9mL稀硝酸，再加入6mL无水乙醇，搅拌10min，得到系列的B溶液。然后，在强力搅拌下，将B溶液以1滴/s的速度加入A溶液中，搅拌成溶胶，再静置陈化24h，得到凝胶。最后，将凝胶于60℃下干燥48h，得到黄色晶体，碾碎后放入电阻炉中，250℃保温1h，然后升温至450℃保温3h后，自然冷却即得到一系列的Nd掺杂Bi2O3-TiO2的纳米复合材料，记为S-X。

1.2 Nd掺杂Bi2O3-TiO2纳米复合材料的表征

采用荷兰帕纳科公司X’Pert PRO型X射线衍射仪、英国雷尼绍公司InVia型激光拉曼光谱仪、德国蔡司仪器公司Libra 200FE型透射电子显微镜测定样品的微观结构。采用日本岛津公司UV-3150型紫外-可见近红外光谱仪测量样品的吸光性能。

1.3 光催化性能评价

光催化性能评价在自制光催化反应器中进行，实验时称取0.2 g催化剂投加到25mg/L的甲基橙溶液中，在模拟太阳光下照射5h，取6mL左右溶液离心分离，再取上层清液用723N型可见光分光光度计测出其在464nm处的吸光度值，最后根据样品吸光度的变化计算甲基橙的降解率。

2 结果与讨论

2.1 S-X样品的微观结构表征

图1为不同Nd掺杂量的S-X样品的XRD图谱。由图可知，所有S-X样品的图谱中均只侦测到锐钛矿型TiO2的特征峰，与PDF-21-1272标准谱图卡片基本一致。2θ=25.281，37.800，48.049，53.890，55.060，62.688，68.760和74.029分别对应锐钛矿型TiO2的（101），（004），（200），（105），（211），（204），（116）和（107）晶面。Nd改性Bi2O3-TiO2前后的峰位置未发生明显的偏移，证明Nd未进入Bi2O3或TiO2的晶格。另外，图谱中未侦测到Bi2O3和Nd2O3的特征峰，归因于其含量低，且分散均匀[6，9]。利用（101）晶面半峰宽以及谢乐公式计算得到的不同Nd掺杂量的S-X样品的平均晶粒尺寸如表1所示。由表1可知，适量Nd掺杂可起到细化晶粒的作用。

图2为不同Nd掺杂量的S-X样品的Raman图谱。图中145cm-1（Eg），396cm-1（B1g），515cm-1（B1g）和642cm-1（Eg）为锐钛矿型TiO2的拉曼特征峰，表明所有S-X样品均含有锐钛矿型TiO2，这与XRD图谱分析结果相同[6，12-14]。另外，S-0.125， S-0.250， S-0.500和S-1.000样品在1000-2250cm-1范围内出现了相似的馒头峰，归因于Bi2O3-TiO2复合材料表面沉积的Nd氧化物，这与后面的HRTEM分析结果相同[15-16]。

图3（a）和图3（b）分别为S-0.125样品的TEM图片和HRTEM照片。由图3（a）可知，S-0.125样品的形貌主要呈球形，粒径约为8 nm。而由图3（b）可知，S-0.125样品中含有较多清晰的晶格条纹，表明样品结晶度较好。其中，晶格间距为0.331nm区域对应α-Bi2O3的（111）晶面，0.325nm区域对应于α-Bi2O3的（121）晶面，0.352nm区域对应于TiO2的（101）晶面，而0.290 nm区域则与Nd2O3的（011）晶面相符[6，9，17]。由此可知，Nd2O3并未进入Bi2O3或TiO2的晶格，而是以氧化物的形式附着在Bi2O3-TiO2复合材料表面[18]。

2.2 S-X样品的吸光性能表征

图4为不同Nd掺杂量的S-X样品的UV-vis DRS图谱。由图可知，S-0.125，S-0.250，S-0.500和S-1.000样品在530nm，585nm，685nm和750nm左右出现了四个强度较弱的吸收峰，对应于Nd在该范围内的四个吸收光谱带，说明Nd掺杂具有敏化Bi2O3-TiO2纳米复合材料的作用[19-21]。

2.3 S-X样品的光催化活性评价

图5是不同Nd掺杂量的S-X样品的的光催化活性图谱。由图可知，S-X样品的光催化活性顺序为：S-0.250>S-0.500>S-0.125>

S-0.000>S-1.000。归因于适量掺杂Nd可细化样品晶粒尺寸，降低光生电子-空穴对在Bi2O3-TiO2纳米复合材料体内的复合几率，进而提高样品光催化活性[9，22]。而过量掺杂Nd则会降低样品的光催化活性，这是因为过多的Nd氧化物沉积在Bi2O3-TiO2纳米复合材料表面，会阻碍电子和空穴向催化剂表面传递，使得Bi2O3-TiO2纳米复合材料表面的Nd氧化物成为电荷载流子的复合中心[6，23-24]。

3 结束语

以溶胶-凝胶法合成了Nd掺杂Bi2O3-TiO2纳米复合材料，通过XRD、Raman、TEM、HRTEM、UV-vis DRS证实：Nd掺杂Bi2O3-TiO2的样品均呈锐钛矿结构；Nd2O3并未进入Bi2O3或TiO2的晶格，而是以氧化物的形式附着在Bi2O3-TiO2复合材料表面；Nd具有敏化Bi2O3-TiO2纳米复合材料的作用。以光催化活性为评价标准，又考察了Nd掺杂量对Bi2O3-TiO2纳米复合材料对甲基橙脱色率的影响，研究表明：当n（Nd）：n（Bi）=0.250（S-0.250）时，样品的光催化活性最好，而当n（Nd）：n（Bi）>0.250时，样品的光催化活性开始下降；在S-0.250样品投入量为2.5g/L，甲基橙浓度为25mg/L，于模拟太阳光下照射5h后，甲基橙的脱色率可达到99.3%。

参考文献

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第8篇：纳米复合材料范文

1 引 言

可待因（Codeine）又名甲基吗啡，具有止咳和镇痛的作用。其温和的效果和较低的成瘾性使它成为世界卫生组织对癌症病人止痛治疗方案中的最主要的药品之一[1]，测定药物中可待因的含量具有重要意义。目前，有关磷酸可待因的测定方法主要有化学发光法[2]、高效液相色谱法[3，4]、毛细管电泳法[5，6]、电化学法[7]，滴定法[8]。这些方法中，或操作繁琐，或使用昂贵的仪器，很多方法的灵敏度不高，并不能完全满足临床痕量分析的要求。本研究利用可待因结构中的叔胺基，通过固定联吡啶钌（Ru（bpy）2+3），建立了固相电化学发光（ECL）法测定其含量。

电化学发光具有灵敏度高、适用范围广的特点，可用于多种物质的高灵敏检测，近年来备受关注。通过将发光试剂固定在电极表面，制备固相电化学发光传感器，可以大大节约昂贵的发光试剂，提高灵敏度，因此拓宽了电化学发光法在分析化学中的应用。溶胶凝胶（Solgel）和Nafion膜法是其中研究和应用最多的固定化技术，但也有各自的不足之处。Nafion膜法的成膜结构致密，传质速率较慢； 溶胶凝胶法制备的电化学发光传感器稳定性较差。近年来，已开发了多种新方法以克服这些不足，如通过向Nafion膜中掺杂多壁碳纳米管（MWNTs）提高Nafion膜传质速率[9]，以及利用SiO2溶胶凝胶法固定联吡啶钌及二氧化硅微球包埋联吡啶钌来改善修饰电极的稳定性[10，11]等。本研究在溶胶凝胶法的基础上加入导电胶（CA），制备纳米二氧化钛氧化锌/硅溶胶/导电胶（Nano TiO2ZnO/Silica sol/CA）复合材料，基于此复合材料将发光材料联吡啶钌Ru（bpy）2+3固定到金电极的表面，构建磷酸可待因电化学发光传感器。采用该方法固定Ru（bpy）2+3，改善了硅溶胶易开裂的缺陷，从而提高了传感器的稳定性。与已报道的电化学发光法检测磷酸可待因的方法[12，13]相比，本方法具有较宽的线性范围、高的灵敏度； 同时由于实现了Ru（bpy）2+3的固定，从而解决了发光试剂不断消耗所带来的分析成本高、环境污染等问题。

4 结 论

在纳米TiO2ZnO/Silica sol/CA复合材料上固定联吡啶钌，制备了固体电化学发光传感器。Nano TiO2ZnO和导电胶的加入，明显提高了灵敏度和稳定性。通过对联吡啶钌的固定，实现了联吡啶钌的循环使用，降低分析成本的同时提高了灵敏度。此传感器用于电化学发光法测定复方磷酸可待因口服具有方法灵敏度高、线性范围宽和检出限低等特点。

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第9篇：纳米复合材料范文

关键词：纳米材料；纳米尺度；阻燃材料

中图分类号：TB383.1 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）02-0179-02

当前，塑料、橡胶和纤维等聚合物应用十分广泛，但其易燃性给其使用和推广造成了一定的影响。阻燃材料尽管在一定程度上起到了阻滞燃烧、延缓火灾蔓延、争取逃生和救援时间等积极的作用，但也在力学性能、性价比、环境污染等方面存在不足。随着纳米材料在力学、电磁学、热学、光学等多个领域的应用，纳米技术和纳米材料显现出广阔的发展前景。纳米阻燃材料的研制和发展有利于克服和改进传统材料的缺点，蕴含着巨大的社会效应和经济效益。

1 纳米材料简介

纳米材料是指在结构上具有纳米尺度及其相应功能特征的材料，1纳米为十亿分之一米，纳米尺度一般是指1～100 nm。材料的结构和粒径进入纳米尺度范围时，就表现出表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等多种特殊效应，从而使材料表现出多种奇特的功能。纳米材料按照材质分类，可以分为纳米金属材料、纳米非金属材料、纳米高分子材料和纳米材料。纳米技术和多种材料的结合，大大改变了材料的综合特性，为进一步优化材料的功能提供了有力的技术支持。

2 阻燃材料的分类和要求

阻燃材料可分为无机和有机、含卤和无卤等多种类型。无机主要指氢氧化铝、氢氧化镁、硅系、三氧化二锑等阻燃材料体系，有机主要以卤系、氮系和磷系为主，它们通过复配或者反应得到形成添加型或者反应型复合材料，进而起到阻燃作用。相比较而言，无机阻燃材料具有低成本，热学性能好，燃烧时有毒气体少等优点，但是它们也具有机械性能差、填充量大且与基材相容性差等缺陷。有机型阻燃材料具有阻燃性能好，与基材相容性好，填充量小等优点，但是具有燃烧时发烟量大且产生有毒气体等缺陷。因此发展低烟、低毒、无卤、物理机械性能优越等环保型阻燃材料成为一直以来重要的研究课题，纳米技术的出现和发展为解决上述阻燃材料的现有缺陷提供了可能。研究表明，纳米阻燃材料应满足下列要求：第一，材料应符合环保要求，燃烧时产生的毒性气体少。第二，材料应具有功能性强、阻燃效率高等特点，同时应克服传统阻燃材料机械物理性能方面的现有缺陷，拓展材料应用范围。第三，降低综合成本，增强材料的性价比。

3 纳米阻燃材料的类型

将传统的阻燃剂颗粒细化到纳米级应用到相关材料中即可获得纳米阻燃材料。纳米技术的应用、纳米级颗粒的获得以及纳米尺度所表现出来的特有的多种效应大大增强了阻燃剂和材料间的相容性，一定程度上减少了阻燃剂的应用量，同时也提高了阻燃性能，提升了阻燃材料的性价比。目前，已研制的常用纳米阻燃复合材料大致有以下几种。

3.1 聚合物粘土纳米材料

粘土纳米阻燃材料涉及阳离子粘土矿物蒙脱石、阴离子粘土矿物层状双金属氢氧化物、非离子型粘土矿物高岭石等原料，借助插层方法修饰，获得对聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚丙烯（PP）等有效的复合阻燃材料。粘土类阻燃剂的层状硅酸盐中含有炭化层，在高温下能够俘获一些自由基，在改变了材料力学性能的同时，也提高了材料的阻燃性能，还避免了添加卤系阻燃剂后燃烧时发烟量大、产生腐蚀性和毒性气体等缺陷。火灾时，硅酸盐碳化层减缓了材料燃烧时挥发物逸出的速度从而使得粘土类纳米材料在凝聚相分解过程中挥发物的溢出率低。

3.2 纳米氢氧化镁阻燃材料

纳米级氢氧化镁阻燃材料的阻燃性、发烟量与基材的相容性等性能要优于微米级的氢氧化镁阻燃材料的相应性能。在一定剂量下，纳米级氢氧化镁阻燃体可以达到UL94标准的V-0级。金属氢氧化物本身优势明显，关键是添加量要比较大，通常在60%以上，而高填充量对阻燃材料的物理机械性能影响较大，而纳米技术正好能很好地解决阻燃剂和基体间的分散性和相容性的问题，两种技术的结合大大提升了氢氧化镁阻燃剂的应用和阻燃后材料的阻燃性能。纳米氢氧化镁阻燃材料具有无卤、低烟、无毒、无滴落、耐酸、稳定性好、分解温度高、不腐蚀设备等多种优异性能，具有广阔的应用前景。

3.3 纳米碳酸钙类复合材料

用锡酸锌包覆纳米碳酸钙粉体并应用到聚氯乙烯（PVC）中，得到40～60 nm的产品粒径，减少了增塑剂在PVC中的用量，提高了产品的加工性能，再加上硬质PVC本身的高含氯量和高阻燃性，极限氧指数（LOI）可以达到45%，获得了优良的阻燃复合材料。经过甲基丙烯酸处理的纳米碳酸钙/聚苯乙烯（PS）原位复合材料粒径也在

100 nm以内，也具有较好的阻燃性能。此外也可以应用脂肪酸、钛酸酯偶联剂以及纳米碳酸钙经过表面处理得到聚丙烯/纳米碳酸钙复合材料，经过实验和应用，都在保持较好阻燃性能的基础上，材料的力学性能方面得到了很大的改善，材料的抗冲击强度也有所提高。

3.4 纳米级氧化锑阻燃材料

纳米级氧化锑阻燃PVC材料的阻燃性能高，发烟量低，其性能优于传统的PVC材料的相应性能，而且适合用于纺织品中。纳米级氧化锑颗用量少， 而且不会阻塞机器的喷丝孔， 使得纺织品能够阻燃。另外，纳米级的氧化锑材料的比表面积很大，对一些纺织品的渗透性能好，具有很强的粘附力，由此形成的纺织材料还具有很好的耐洗牢度，不易褪色。纳米氧化锑具有成本低，平均粒度小，在聚酯材料中分散均匀，相容性好等优点。

3.5 EVA/二氧化硅纳米复合材料

纳米二氧化硅改性的聚合物已经获得了广泛的应用，原因是经过纳米化和改性，所获得的纳米复合材料具有质轻、高强度、高韧性等多种优点。EVA类纳米复合材料中纳米填充层在内层聚合物外面形成一层隔离层，从而强化了炭化过程，材料降解过程延长，用锥形量热计测量出的热释放速率峰值极低，阻燃性能较传统阻燃材料有大幅提高。在力学性能方面，研究表明，EVA/二氧化硅复合材料中的体积填充分数为4%时，复合材料的拉伸强度最高，约为基体的两倍，这也充分显现出了纳米技术在提升复合材料的物理机械性能方面的重要作用。

4 纳米阻燃材料制备工艺进展

纳米材料的制备方法主要有以下几种。

①溶胶―凝胶法。溶胶―凝胶法是制备纳米材料比较普遍的制备方法。其流程是：将金属氧化物或金属盐溶于水中，通过水解反应后，形成溶胶状纳米级微粒，再将溶剂蒸发，之后形成凝胶物体。这样就形成了有机聚合物与无机分子相互渗透，具有多层有序结构的阻燃材料。该方法化学反应温和，无机成分和有机成分相互掺混，结构紧密，但也存在凝胶干燥时易出现材料收缩脆裂等缺点。

②共沉淀法。共沉淀法是指先期形成的无机纳米粒子与有机聚合物混合沉淀形成阻燃材料的方法。这种方法中，纳米粒子与材料合成分开制作，纳米粒子的尺寸与结构可以很好的控制，同时纳米粒子在聚合物中均匀分布，综合性能好。但该方法中纳米粒子易团聚，均匀分散纳米微粒是最大难题。共沉淀法可分为溶液共沉淀法、乳液共沉淀法与熔融共沉淀法等多种方式。

③插层法。插层法的流程是将纳米微粒制成层状，再将其插入有机聚合物层之间，导致二者达到纳米级复合。这类方法有聚合插层法、熔融插层法及溶液插层法等类型。

④原位共聚法。原位共聚法是指将纳米粒子均匀分散在溶液中，再借助加热、辐射等手段，使聚合物与纳米粒子之间发生聚合等一系列反应，最后得到纳米级分散的阻燃材料。该方法得到的阻燃材料具有粒子纳米特性好，层间焓熵势垒低等优点。

⑤原位自组装法。原位自组装法是指利用聚合物分子与纳米粒子间的分子间力、层间静电力等作用，在原位进行自组装，生成无机主晶核，最后聚合物再将生成的晶体包围在内。这种方法合成双羟基纳米复合物比较有利，纳米相能有序分布。

5 纳米阻燃材料的展望

在阻燃剂领域中，无机添加型阻燃剂应用最早，用量最大。如锑系、铝系、磷系、硼系阻燃剂等等。但目前主要存在阻燃剂和基材相容性差和对物理机械性能影响较大等问题。研究表明纳米技术的利用可以提高塑料制品的阻燃性以及机械性能，加强纤维制品的阻燃性以及抗静电能力，加强橡胶制品的阻燃性以及减少其燃烧时的有毒气体的释放和发烟量。纳米阻燃材料可以在发挥无机类阻燃材料低卤或无卤、低烟、低腐蚀等优势的基础上，借助纳米技术大大提高无机类阻燃材料的综合性能。

此外纳米阻燃材料也将在提高材料的热稳定性、减少材料在使用中的团聚、增强阻燃剂和材料间的用量、粒径、层状结构的优化和复配、优化材料的储运和添加过程、提升材料的阻燃效果、促进材料的多功能化等方面得到进一步发展。在纳米阻燃复合材料的微结构及形成机理、材料的阻燃机理细节等基础理论方面加强研究，不断加速发展朝阳的纳米阻燃材料事业，有利于相关产品产业化的顺利实现和拓展。

综上所述，纳米阻燃材料具有阻燃性能好，环保效果好，并且燃烧时放出的有毒气体少，填充用量少，产品趋于多功能化发展的特点，可广泛应用于汽车、航空、电子家电等多个行业，具有很大的发展空间。但是纳米阻燃材料的发展，仍有很多亟待解决的实际问题，如纳米粒子形态的控制、纳米粒子分布工艺以及多功能化的统一等。相信随着高分子材料科学与工程技术的不断进步，随着纳米技术的出现、应用和快速发展，纳米阻燃材料研究必将会取得长足的进步，为更好地保护人民生命财产安全提供坚实的物质技术保障。

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