一显熏、納米材料的特性
納米是一種長(zhǎng)度計(jì)量單位雄嚣，1納米為十億分之一米（10-9m）。納米材料是指粒徑范圍在1~100nm內(nèi)的添加劑喘蟆，此粒徑范圍處于原子簇和宏觀物體交界的過(guò)渡區(qū)域缓升，是一種典型的介觀系統(tǒng)。當(dāng)材料的粒子尺寸進(jìn)入納米范圍時(shí)蕴轨，就具有普通粒子尺寸所不具有的特殊性能港谊。這是因?yàn)榧{米粒子的尺寸與物質(zhì)的許多特征長(zhǎng)度相當(dāng)，如電子的德布洛意波長(zhǎng)橙弱、超導(dǎo)相干長(zhǎng)度歧寺、鐵磁性臨界尺寸等，從而導(dǎo)致納米材料的物理棘脐、化學(xué)特性既不同于微觀結(jié)構(gòu)的原子斜筐、分子，也不同于宏觀結(jié)構(gòu)的物體蛀缝，其性能介于兩者之間顷链。
（一）納米粒子的綜合效應(yīng)
納米粒子的結(jié)構(gòu)為數(shù)目較少的原子或分子組成的原子群或分子群。其表面原子是既無(wú)長(zhǎng)程有序又無(wú)短程有序的非結(jié)晶層屈梁；而在粒子的內(nèi)部嗤练，則存在著結(jié)晶完好榛了、周期性排布的原子。正是納米粒子的此種特殊結(jié)構(gòu)類型煞抬，導(dǎo)致其具有如下幾種特殊的性能霜大。
1、體積效應(yīng)
體積效應(yīng)又稱為小尺寸效應(yīng)革答。當(dāng)納米粒子的尺寸小到與光波波長(zhǎng)战坤、德布洛意波長(zhǎng)、超導(dǎo)的相干長(zhǎng)度或透射深度等特性尺寸相當(dāng)或更小時(shí)蝗碎，其晶體周期性的邊界條件將被破壞，表層非晶體附近的原子密度減少旗扑，導(dǎo)致材料的聲蹦骑、光、電臀防、磁眠菇、熱、催化等特性與普通材料相比袱衷，發(fā)生巨大變化捎废。
2、表面效應(yīng)
表面效應(yīng)又稱為界面效應(yīng)致燥，它是指納米粒子表面原子與總原子數(shù)之比隨粒徑的減小而急劇增大登疗，并且在同一納米晶粒內(nèi)還存在各種缺陷（如孿晶界、層錯(cuò)嫌蚤、位錯(cuò)等）辐益，甚至還有不同的亞穩(wěn)相共存，這種特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致性能上的變化脱吱，并由此派生出傳統(tǒng)固體不具有的許多特殊性能智政。
3、量子隧道效應(yīng)
微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力稱為量子隧道效應(yīng)箱蝠。納米粒子的磁化強(qiáng)度等也具有量子隧道效應(yīng)续捂，它們可以宏觀系統(tǒng)的勢(shì)壘而產(chǎn)生變化。這是由于粒子尺寸減小宦搬，粒子內(nèi)原子減少而造成的牙瓢。
（二）納米粒子的特性
納米粒子的特性可從兩方面進(jìn)行分析：表面特性和內(nèi)在特性。
納米粒子的許多良好性能都與表面特性有關(guān)间校，如低密度一罩、低流動(dòng)速率、高吸附性撇簿、高混合性及弱壓縮性能等聂渊。從物理性質(zhì)上來(lái)說(shuō)差购，是由于其比表面積大：納米粒子的許多特性都與其比表面積大有關(guān)，由于其表面結(jié)構(gòu)特殊汉嗽，在納米粒子的表面產(chǎn)生了原子表面層欲逃，而且粒子越小，原子表面層的厚度越大饼暑。原子表面層內(nèi)并非“氣體狀”自由結(jié)構(gòu)層稳析，而是與粒子粒徑、制備方法相聯(lián)系的高度對(duì)稱弓叛、低密度的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)層彰居。從物化性質(zhì)上來(lái)說(shuō)，其表面能高撰筷，吸附作用強(qiáng)陈惰，難以均勻分散。尤其是物理方法制備的納米粒子毕籽，機(jī)械能很容易轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻婺芴Т常沽Ｗ娱g產(chǎn)生集聚。
納米粒子的內(nèi)在特性主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：反應(yīng)活性增大关筒、高催化性能溶握、熔點(diǎn)降低、電阻增大蒸播、磁性增強(qiáng)睡榆、光吸收性能強(qiáng)、光發(fā)射性能強(qiáng)袍榆、光電性能優(yōu)良肉微、硬度與可塑性并重、以及高比熱蜡塌、高熱膨脹性及高擴(kuò)散性等性能碉纳。
二、常用納米材料
從理論上講任何材料都可以成為納米材料馏艾，產(chǎn)業(yè)化的納米材料多有化學(xué)合成法為主劳曹，用物理法的目前只有石墨烯。
（一）納米無(wú)機(jī)填充材料
1琅摩、納米粘土
粘土是一類硅酸鹽材料的總稱铁孵，具體包括蒙脫土（MMT）、凹凸棒粘土（TA）房资、伊利石蜕劝、海泡石、水云母及蛋白石等，其中以蒙脫土最為常用岖沛。
（1）蒙脫土（MMT）
蒙脫土是一種天然礦物質(zhì)材料暑始，其主要成分為SiO2 （含量72%）、（Al2O3含量14%）婴削，可以用于塑料的阻隔改性廊镜。蒙脫土具有親水疏油性能，與大多數(shù)樹(shù)脂的相容性都比較差唉俗，要與樹(shù)脂形成良好的復(fù)合材料嗤朴，首先要對(duì)其進(jìn)行疏水親油改性處理，以提高與樹(shù)脂的相容性虫溜。利用蒙脫土的良好插層性能可以進(jìn)行長(zhǎng)鏈有機(jī)化合物的層插雹姊，大幅度提高與各類樹(shù)脂的相容性，制造多種納米塑料填充材料衡楞，同時(shí)改善復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度吱雏、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量和沖擊強(qiáng)度寺酪，這正是目前納米材料的研究重點(diǎn)坎背。目前替劈，已成功開(kāi)發(fā)出如PA6/蒙脫土寄雀、PET/蒙脫土、PMMA/蒙脫土陨献、PI/蒙脫土盒犹、EP/蒙脫土、PS/蒙脫土等復(fù)合材料眨业。
（2）凹凸棒粘土（AT或ATP）
凹凸棒粘土為納米粘土的一個(gè)品種急膀，是一種水合鎂鋁硅酸鹽非金屬礦物。凹凸棒石呈水晶鏈層狀結(jié)構(gòu)龄捡，但與蒙脫土的層狀結(jié)構(gòu)明顯不同卓嫂，凹凸棒石為一種天然纖維狀晶體形態(tài)結(jié)構(gòu)的含水富鎂的鋁硅酸鹽礦，典型的分子式為Si8Mg5O20[Al](OH)2(OH2)4.4H2O聘殖。由于納米級(jí)的晶棒很容易聚集晨雳，因此凹凸棒石與聚合物的混合只能是微米級(jí)的混合，起到增量填充的作用奸腺。凹凸棒石表面大量的硅羥基與非極性聚合物相容性差餐禁，填充前要進(jìn)行表面處理。目前凹凸棒石在塑料中應(yīng)用主要集中在PET和PA成核劑和隔熱材料突照。
（3）伊利石
伊利石是一種含鉀鋁硅酸鹽云母族粘土礦物帮非，又稱為“水白云母”，其化學(xué)結(jié)構(gòu)式為KAl2[(Al,Si)Si3O10](OH)2.nH2O。伊利石的成份比較復(fù)雜末盔，其具體組成在一定范圍內(nèi)變化筑舅，因而其應(yīng)用受到一定限制。
伊利石粉作為片狀增強(qiáng)填充料兼有增量和改性雙重效果庄岖。以在PVC中填充為例豁翎，加入量在3份左右時(shí)，拉伸強(qiáng)度隅忿、沖擊強(qiáng)度都達(dá)到最大值心剥，而彎曲強(qiáng)度、彎曲模量和熱變形溫度在10份以前都緩慢增加背桐。伊利石在增強(qiáng)增韌的同時(shí)优烧，可改善塑料的尺寸穩(wěn)定性、耐蠕變性链峭、氣體阻隔性畦娄、絕緣性和防止翹曲性。
（4）海泡石
海泡石為含水的鎂硅酸鹽弊仪，具有鏈狀和層狀纖維的過(guò)渡結(jié)構(gòu)熙卡，屬于2：1層鏈結(jié)構(gòu)粘土。結(jié)構(gòu)式為(Si12)(Mg8)O30(OH)4(OH2)4.8H2O励饵，由硅氧四面體和鎂氧八面體組成驳癌。海泡石作為針狀增強(qiáng)填充料兼有增量和改性雙重效果，這一點(diǎn)同伊利石相似役听。以在PVC中填充為例颓鲜，加入量在3份左右時(shí)，拉伸強(qiáng)度典予、沖擊強(qiáng)度都達(dá)到最大值甜滨，彎曲強(qiáng)度下降，而彎曲模量和熱變形溫度在10份以前都緩慢增加瘤袖，尤其是彎曲模量增加較快衣摩。
（5）蛋白石
蛋白石又稱為蛋白土，是一種含水非結(jié)晶或膠質(zhì)的活性二氧化硅捂敌，其化學(xué)組成為SiO2nH2O艾扮。蛋白石的外觀為致密的玻璃狀塊狀體，顏色有白色黍匾、灰色和淡藍(lán)色多孔狀栏渺，相對(duì)密度2.07，屬于比較輕的無(wú)機(jī)填充材料锐涯。
蛋白石在聚乙烯中填充具有明顯的剛韌改性作用磕诊，例如鈦酸酯偶聯(lián)劑處理的3000目蛋白石在HDPE中加入30%，拉伸強(qiáng)度基本持平，而沖擊強(qiáng)度提高160%霎终。加入ABS中也可以明顯改善沖擊強(qiáng)度滞磺。
2、納米氧化鋅
納米氧化鋅(ZnO)粒徑介于1-100nm之間莱褒，是一種面向21世紀(jì)的新型高功能精細(xì)無(wú)機(jī)產(chǎn)品击困，表現(xiàn)出許多特殊的性質(zhì)如非遷移性、熒光性广凸、壓電性阅茶、吸收和散射紫外線能力等，利用其在光谅海、電脸哀、磁、敏感等方面的奇妙性能扭吁，可制造氣體傳感器撞蜂、熒光體、變阻器侥袜、圖像記錄材料蝌诡、壓電材料、壓敏電阻枫吧、高效催化劑浦旱、磁性材料和塑料薄膜等。納米氧化鋅可以用做絕緣導(dǎo)熱材料由蘑，與高價(jià)格的金屬氮化物闽寡、碳化物復(fù)合使用代兵。納米氧化鋅還是很好抗菌材料尼酿，抗菌效率可以達(dá)到98%以上。納米氧化鋅還是很好的紫外線遮蔽材料植影。
3裳擎、羥基磷灰石
羥基磷灰石（HA）組成為磷酸鈣的氫氧化合物，分子式Ca10(PO4)6(OH)2思币。羥基磷灰石是脊椎動(dòng)物骨骼和牙齒的主要組成鹿响，人的牙釉質(zhì)中羥基磷灰石的含量在96%以上。羥基磷灰石具有優(yōu)良的生物相容性谷饿，是人體骨骼組織主要成分惶我，多應(yīng)用于骨組織修復(fù)。在塑料用于生產(chǎn)仿骨材料時(shí)加入適量的羥基磷灰石：可以提高復(fù)合材料的力學(xué)性能博投，使之與人骨匹配绸贡；可以提高復(fù)合材料與人體的生理相容性，甚至與人體實(shí)現(xiàn)有機(jī)結(jié)合。
4听怕、氣凝膠
氣凝膠是一種固體物質(zhì)形態(tài)捧挺，目前是世界上已知密度最小的人造物質(zhì)，其固體相對(duì)密度可以低到0.003尿瞭，素有“固體煙霧”的美稱闽烙。氣凝膠是一種新型輕質(zhì)納米多空性固體材料，被認(rèn)為是目前最輕質(zhì)声搁、隔熱性最好的固體新材料黑竞，為透明隔熱材料。除了具有優(yōu)秀的隔熱性能外疏旨，還具有隔音摊溶、減震的性能，具有其它隔熱材料不可比擬的性能充石，以用于光學(xué)器件莫换、超級(jí)電容等領(lǐng)域。氣凝膠的隔熱包含三種熱量傳遞機(jī)理骤铃，即熱輻射拉岁、熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)，是一種適應(yīng)面廣泛的隔熱材料惰爬。
5喊暖、納米碳酸鈣
納米碳酸鈣屬于輕質(zhì)碳酸鈣的一種，是在生產(chǎn)輕質(zhì)碳酸鈣碳化的過(guò)程中通過(guò)控制碳化工藝條件和添加結(jié)晶導(dǎo)向劑控制而得到的撕瞧。不同形狀納米碳酸鈣的用途不同陵叽，針狀和鏈狀納米碳酸鈣可以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)強(qiáng)目的，球形納米碳酸鈣可以實(shí)現(xiàn)增韌的目的丛版，空芯球形納米碳酸鈣可以實(shí)現(xiàn)輕量化填充的目的巩掺，片狀納米碳酸鈣可以提高復(fù)合材料的阻隔性，還可以利用其高遮蓋力代替部分鈦白粉页畦。
6胖替、納米二氧化硅
納米二氧化硅就是氣相二氧化硅，是極其重要的高科技超微細(xì)無(wú)機(jī)新材料之一豫缨，由于其粒徑很小独令，因此比表面積大、表面吸附力強(qiáng)好芭、表面能大燃箭、化學(xué)純度高、分散性能好以及在熱阻和電阻等方面均具有優(yōu)異的性能舍败，以其優(yōu)越的穩(wěn)定性招狸、補(bǔ)強(qiáng)性碗硬、增稠性和觸變性，在眾多學(xué)科及領(lǐng)域內(nèi)獨(dú)具特性瓢颅，有著不可取代的作用恩尾。在塑料中，白炭黑是一種補(bǔ)強(qiáng)作用僅次于炭黑的填料挽懦，常用于和塑料形成復(fù)合塑料翰意，加入量為3%~5%，并能提高復(fù)合塑料的性能信柿。尤其是用白炭黑填充硅膠冀偶，是典型的增強(qiáng)復(fù)合材料。在PP/二氧化硅復(fù)合體系中渔嚷，沖擊強(qiáng)度可以達(dá)到3.7kJ/m2进鸠。用PP/二氧化硅復(fù)合材料進(jìn)行微發(fā)泡，沖擊強(qiáng)度可以達(dá)45.7kJ/m2形病。
（二）納米碳類材料
1客年、石墨烯
石墨烯為碳的一種新的同素異構(gòu)體，截止到目前已開(kāi)發(fā)的各類碳材料的不同同素異構(gòu)體如表1所示漠吻。
表1 不同碳類材料結(jié)構(gòu)介紹
石墨烯（Graphene）是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料量瓜。是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料途乃。傳統(tǒng)的機(jī)械剝離法和氧化還原法生產(chǎn)的石墨烯是由石墨分離而來(lái)的绍傲。目前人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出很多種不用石墨為原料生產(chǎn)石墨烯的方法，主要有機(jī)械剝離法耍共、氧化還原法烫饼、化學(xué)氣相沉積法、溶劑法试读、溶液法等杠纵，大都已開(kāi)始進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)。
基于它的化學(xué)結(jié)構(gòu)鹏往，石墨烯具有許多獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)淡诗，如高比表面積骇塘、高導(dǎo)電性伊履、高導(dǎo)熱性、高阻隔性款违、高熱穩(wěn)定性唐瀑、高磁性、高機(jī)械強(qiáng)度插爹、透光性優(yōu)良哄辣，且易于修飾及大規(guī)模生產(chǎn)等请梢。目前制約石墨烯應(yīng)用的最大瓶頸為分散性，為例提高其在聚合物中的分散性力穗，常采用如下方法：混合添加毅弧，片狀/球狀復(fù)合混合利于分散；表面處理（表面接枝處理当窗、表面等離子體處理够坐、表面活性劑處理、表面硅烷偶聯(lián)劑處理）崖面；添加相容劑元咙，添加馬來(lái)酸酐等功能官能團(tuán)介質(zhì)聚合物材料，可以有效提高與樹(shù)脂的相容性巫员。
目前制約石墨烯發(fā)展的兩個(gè)痛點(diǎn)：一個(gè)是分散問(wèn)題庶香，目前只是在液體中分散問(wèn)題基本解決，而在固體中進(jìn)展緩慢简识，只是見(jiàn)到如前述的實(shí)驗(yàn)室報(bào)道赶掖；另一個(gè)是價(jià)格問(wèn)題，目前石墨烯的價(jià)格很高七扰，應(yīng)用在普通塑料改性中難以承受倘零。
2、碳納米管
碳納米管的英文名稱為Carbon nantube戳寸，簡(jiǎn)稱為CNTs呈驶，它是在一定條件下大量碳原子聚集在一起形成的同軸空心管狀結(jié)構(gòu)材料，徑向尺寸為納米級(jí)疫鹊，軸向尺寸為微米級(jí)袖瞻。雖然碳納米管也屬于碳材料家族中的同素異構(gòu)體成員，但由于其作為一種由六邊形結(jié)構(gòu)完美連接的一維量子材料拆吆，具有十分優(yōu)異力學(xué)聋迎、電學(xué)和化學(xué)性能。按結(jié)構(gòu)不同枣耀，可以將碳納米管以分成單壁和多壁兩大類霉晕，目前應(yīng)用的以單壁碳納米管為主。
表2 不同高強(qiáng)度材料性能比較
碳納米管為黑色無(wú)味粉末捞奕，相對(duì)密度2.1牺堰，熔點(diǎn)3652-3687℃，其主要特性如下：
（1）高強(qiáng)度
碳納米管是一種理想的一維模型材料颅围，巨大的長(zhǎng)徑比使其具有類似碳纖維的性能伟葫，即高強(qiáng)度、高模量院促。其重量為鋼的1/6筏养，強(qiáng)度為鋼的100倍斧抱，比強(qiáng)度為鋼的600倍，具體見(jiàn)表2所示渐溶。
（2）高導(dǎo)電性能
碳納米管上碳原子的P電子形成大范圍的離域π鍵辉浦，由于共軛效應(yīng)顯著，碳納米管具有很好的電學(xué)性能茎辐，其體積電阻率為0.09Ω.cm盏浙。理論預(yù)測(cè)其導(dǎo)電性能取決于其管徑和管壁的螺旋角。當(dāng)CNTs的管徑大于6nm時(shí)荔茬，導(dǎo)電性能下降废膘；當(dāng)管徑小于6nm時(shí)，CNTs可以被看成具有良好導(dǎo)電性能的一維量子導(dǎo)線慕蔚。有報(bào)道說(shuō)Huang通過(guò)計(jì)算認(rèn)為直徑為0.7nm的碳納米管具有超導(dǎo)性丐黄，盡管其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度只有1.5×10-4K，但是預(yù)示著碳納米管在超導(dǎo)領(lǐng)域的應(yīng)用前景孔飒。
（3）高導(dǎo)熱
碳納米管具有良好的傳熱性能灌闺，CNTs具有非常大的長(zhǎng)徑比，因而其沿著長(zhǎng)度方向的熱交換性能很高坏瞄，相對(duì)的其垂直方向的熱交換性能較低桂对，通過(guò)合適的取向，碳納米管可以合成高各向異性的熱傳導(dǎo)材料鸠匀。另外蕉斜，碳納米管有著較高的熱導(dǎo)率，只要在復(fù)合材料中摻雜微量的碳納米管 ,該復(fù)合材料的熱導(dǎo)率將會(huì)可能得到很大的改善碳納米管的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能具體見(jiàn)表3所示缀棍。
表3 碳納米管的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能
（4）其他性能
碳納米管還具有光學(xué)和儲(chǔ)氫等其他良好的性能,正是這些優(yōu)良的性質(zhì)使得碳納米管被認(rèn)為是理想的聚合物復(fù)合材料的增強(qiáng)材料宅此，尤其是在氫燃料電池汽車中應(yīng)用潛能巨大。
碳納米開(kāi)發(fā)多年來(lái)爬范，因與聚合物的分散性沒(méi)有解決父腕，應(yīng)用一直不廣泛。近年來(lái)青瀑，碳納米管的分散性問(wèn)題得到解決璧亮，加之加工大幅度下降到每公斤百元級(jí)別，使得其應(yīng)用如井噴式突破斥难。例如枝嘶，采用溶液共混超聲波分散法在PMMA中加入4%的碳納米管（用PVDF表面改性），電導(dǎo)率為0.01S/cm蘸炸，拉伸強(qiáng)度為80MPa躬络，沖擊強(qiáng)度為24.2kJ/m2。
三搭儒、納米金屬材料
近年來(lái)穷当，開(kāi)發(fā)出先進(jìn)的納米銀、納米銅纖維淹禾，廣泛用于柔性透明導(dǎo)電高分子薄膜的制造馁菜，成為OLED中不可缺少的正極材料。
1铃岔、納米銀線
納米銀線是一種直徑在納米范圍（一般在20-100納米之間）汪疮、長(zhǎng)度沒(méi)有限制的金屬銀一維纖維。納米銀線具有體積小毁习、比表面積大智嚷、良好化學(xué)性能和催性能、導(dǎo)電性能纺且、抗菌性能和生理相容性盏道，具體如表4所示。納米銀線的生產(chǎn)方法有：模板輔助载碌、多元醇猜嘱、光波輻射、軟化學(xué)溶劑熱等嫁艇，多元醇法由于操作簡(jiǎn)單朗伶、生產(chǎn)效率高、成本低廉成為當(dāng)前主流生產(chǎn)方法步咪，缺點(diǎn)是產(chǎn)品濃度低论皆。例如納米銀線可以生產(chǎn)透明柔軟塑料導(dǎo)電膜，具體結(jié)構(gòu)為基材為PET薄膜猾漫，涂覆層為納米銀線分散液纯丸，表層為丙烯酸保護(hù)涂層【残洌基材為支撐層觉鼻，中間涂層為透明導(dǎo)電層，保護(hù)層為保護(hù)銀不被氧化降低導(dǎo)電性能队橙，主要替代ITO和金屬網(wǎng)透明導(dǎo)電薄膜坠陈。
表4 三種透明導(dǎo)電薄膜性能比較
2、納米銅線
尺寸為直徑150±50nm捐康，長(zhǎng)度10μm仇矾。具有高導(dǎo)電性能、降低摩擦解总、透明添加贮匕、耐磨損等性能，用于透明觸摸屏薄膜花枫、導(dǎo)電和抗靜電涂料刻盐、粘合劑和油墨掏膏、自潤(rùn)滑聚合物增強(qiáng)復(fù)合材料。
結(jié)語(yǔ)
隨著材料及物理等學(xué)科的快速發(fā)展敦锌，納米粒子添加已成為一種塑料改性的優(yōu)良方法馒疹，但塑料發(fā)展之路任重道遠(yuǎn)，還需業(yè)界同仁繼續(xù)努力乙墙，以期利用納米粒子加強(qiáng)改性塑料性能颖变，為塑料開(kāi)發(fā)更多新型應(yīng)用領(lǐng)域。（文章來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）
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