高分子材料改性中纳米技术的应用

王磊

摘要：随着信息化时代的发展以及社会对材料的要求不断提高，纳米技术的问世为材料科研行业的发展提供了新的研究方向，尤其是在高分子材料的改性研究上。纳米技术是近年来伴随着先进的科技发展起来的，在高分子材料的研究过程中，研究材料的改性对于提高高分子材料的性质和应用性能至关重要。基于此，本文从纳米技术的发展背景着手，首先，简要分析了纳米粒子的特点以及纳米技术的概念，随后阐述了通过纳米技术改性高分子材料的原理，最后探讨了纳米技术在高分子材料改性研究中的具体应用。

关键词：纳米技术;高分子材料;材料改性

引言：

纵观近年来我国材料科研的研究和发展进程，材料行业尤其是高分子材料的科研工作，已经取得了很多骄人的成绩。但是，随着时代的发展，社会各行各业对材料的应用需求和性能要求越来越高，进行高分子材料的改性至关重要。纳米技术是近年来科研界发展热议的话题，在不断的探索和实践中，一直在不断革新。纳米技术的发展给高分子材料的改性手段提出了非常重要的参考方向。

1纳米技术的概念以及纳米粒子的特性

纳米技术（nanotechnology），也称毫微技术，是研究结构尺寸在1纳米至100纳米范围内材料的性质和应用的一种技术。1981年扫描隧道显微镜发明后，诞生了一门以1到100纳米长度为研究分子世界，它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。因此，纳米技术其实就是一种用单个原子、分子制造物质的技术。

纳米粒子是指颗粒尺寸在1～100纳米，具有普通宏观粒子没有的特殊性质的粒子。将纳米粒子添加到高分子材料的生产制造过程中，可以赋予高分子材料相应的特殊功能。这一特性为高分子材料的改性研究提供了新的发展思路，纳米技术的应用，推动着高分子材料改性研究的蓬勃发展。可以预见，纳米粒子应具有一些新异的物理化学特性。纳米粒子区别于宏观物体结构的特点是，它表面积占很大比重，而表面原子既无长程序又无短程序的非晶层。可以认为纳米粒子表面原子的状态更接近气态，而粒子内部的原子可能呈有序的排列。即使如此，由于粒径小，表面曲率大，内部产生很高的Gilibs压力，能导致内部结构的某种变形。纳米粒子的这种结构特征使它具有下列三个方面的效应：

（1）表面与界面效应。纳米微粒比表面积大，位于表面的原子占相当大的比例，表面能高。由于表面原子缺少邻近配位的原子和具有高的表面能，使得表面原子具有很大的化学活性，从而使纳米粒子表现出强烈的表面效应。利用纳米材料的这种特点，能与某些大分子发生键合作用，提高分子间的键合力，从而使添加纳米材料的复合材料的强度、韧性大幅度提高。

（2）小尺寸效应。当超细微粒的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，导致其磁性、光吸收、热、化学活性、催化性及熔点等发生变化。如银的熔点为900℃，而纳米银粉的熔点仅为100℃（一般纳米材料的熔点为其原来块体材料的30%～50%）。应用于高分子材料改性，利用纳米材料的高流动性和小尺寸效应，可使纳米复合材料的延展性提高，摩擦系数减小，材料表面光洁度大大改善。

（3）量子尺寸效应。即纳米材料颗粒尺寸小到定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为离散能级的现象。其结果使纳米材料具有高度光学非线性、特异性催化和光催化性质等。

总之，纳米材料能在低温下继续保持顺磁性，对光有强烈的吸收能力，能大量的吸收紫外线，对红外线亦有强烈的吸收能力;在高温下，仍具有高强、高韧性、优良的稳定性等，其应用前景十分广阔，在高分子材料改性中的研究也将出现一个新的发展。

2通过纳米技术改性高分子材料的原理

20世纪90年代，美国巴尔召开的NanoscateScienceandTechnology会议中，纳米技术第一次被世界认识，但是，将纳米技术应用到高分子材料的改性研究过程，是近几年才开始的，因此，研究的还不够深入，研究成果还比较有限。现阶段，对于应用纳米技术改性高分子材料的认识，还停留在比较初级的水平：不同的纳米粒子与高分子材料中分子的作用机理具有一定的差异性，纳米粒子与高分子之间产生的有物理反应也有化学反应。改性研究中高分子材料的性能由所添加的纳米粒子的量子尺寸效应、体积效应等共同影响。

3纳米技术在高分子材料改性研究中的具体应用

高分子材料的研究对于社会各行各业尤其是生产加工制造行业具有非常重要的意义和价值。因此，由于生产制造行业对材料应用的性能要求越来越高，进行高分子材料的改性研究迫在眉睫。高分子材料中应用比较广泛的主要有塑料、橡胶以及化学纤维材料等，在这些材料的改性研究中，纳米技术能够发挥非常重要的应用价值。

3.1塑料改性研究中纳米技术的应用

纳米技術是当前阶段社会比较先进的科研技术，对于纳米技术的科学应用，能够促进高分子材料中塑料的改性研究。塑料是社会生产制造行业中应用非常广泛的高分子材料，随着各行各业对产品的性能要求越来越高，对于塑料的改性研究刻不容缓。纳米技术的应用，在塑料高分子材料的改性研究中，能够有效增强塑料的各项性能，与此同时，也能够拓展塑料材料的新的应用性能。

（1）纳米技术能够对塑料进行增强增韧。在塑料的增韧改性研究中，改性的手段是多种多样的。比较传统的塑料增韧改性方式有共混、共聚以及添加增韧剂等，这是过去很长一段时间内提高塑料材料应用性能的有效方式。纳米技术的发展，为塑料的增强增韧改性提供了新的发展思路。在塑料增韧改性中使用纳米技术，是将纳米粒子添加到塑料材料中，从而增加塑料的韧性。纳米粒子尺寸较小、透光性非常强，这些特征对于增强塑料的致密感以及透明度等具有重要意义。纳米技术的研究过程中，该技术不容易受到其他因素的影响，能够分散冲击力，因而能够提高塑料的韧性。例如，黄锐等人曾经对LDPE塑料的改性进行了研究，将经过钛酸酯处理过后的SiC/Si3N4纳米粒子添加到材料中进行填充，从而提高产品的性能。

（2）纳米技术能够促进塑料的功能化。塑料在社会各行各业中具有非常广泛的应用意义，同时，在人们的生产生活中也有非常大的用途，例如，家用电器以及日用品的生产制造等。因此，随着人们生活需求的提高，对塑料的性能和功能提出了更高的要求。通过在塑料中加入有较强抗菌性能的纳米粒子后，可以增强塑料的抗菌性能。现阶段，利用纳米技术已经能够制造出具有更高抗菌性能的冰箱，其原理就是在冰箱的塑件原料中加入

了具有抗菌性能的纳米粒子，从而使冰箱具有抗菌杀菌的功能。除此之外，国内还有将纳米技术应用于开发制造无菌的塑料餐具等，在市场中具有非常大的应用空间。将纳米金属粒子ZnO加入塑料的制造过程，可以促进塑料抗静电性能的发展。在未来的塑料改性研究中，利用纳米粒子还能够进行“隐形材料”的研究。

（3）纳米技术能够促进通用塑料工程化。通用塑料的产量非常大，应用广泛，并且价格低廉，但是，在性能上与工程塑料相比还有较大的差距。工程塑料虽然具有比较优越的性能和特色，但是，生产应用的成本较高，不适宜大批量生产过程的应用。因此，通过纳米技术的应用，可以在通用塑料中加入纳米粒子，使得通用塑料具有工程塑料的性能，而仍然保持较低的生产成本。例如，浙江某公司通过纳米技术的应用，将通用聚丙烯的性能提升到能与尼龙6性能相媲美的程度，而成本降低了1/3，具有非常大的应用价值，获得非常可观的经济效益。

3.2化学纤维材料改性研究中纳米技术的应用

近年来，在市场生产过程中，各种新型的化学纤维材料层出不穷，并且功能性也多种多样，能够满足不同生产加工制造过程对材料的需求。这些化学纤维材料的生产大多应用了纳米技术。在化学纤维材料的制造过程中，如果适当添加纳米级的二氧化钛，能够大大促进化学纤维抗紫外线能力的提高，从而大幅度提高化学纤维的寿命，例如，现阶段市场上常见的太阳伞就运用了此技术。当前阶段，化学纤维材料的生产制造技术一直在突飞猛进地发展，为满足市场应用需求，各种新型的纤维材料不断现世，很多化学纤维材料的改性研究都應用了纳米技术。例如，通过在化学纤维材料中加入纳米级的ZnO、SiO2等，可以使化学纤维材料拥有净化、除臭的功能和特点，这种改性方式在医疗用品如绷带、纱布等中广泛应用。除此之外，将纳米级的ZnO添加在聚酯纤维中，可以增强材料的抗紫外线能力、抗细菌能力;将纳米级的金属粒子添加在化学纤维材料中，可以增强材料的抗静电能力;将纳米级的银离子添加在化学纤维材料中，还能够增强材料自身的杀菌能力。随着人们生活质量的持续提高，人们对产品的优良性能有了更高要求，将纳米粒子添加在化学纤维材料中，可以增强化学 纤维衣物抵抗电磁波的能力。

3.3橡胶改性研究中纳米技术的应用

橡胶材料是高分子材料家族中非常具有应用价值的材料类型，是高分子材料的重要组成类型。通过纳米技术的应用，在橡胶材料中添加碳黑纳米粒子，可以大大提高橡胶材料的强度、抗磨性能，从而提高橡胶材料的使用寿命。在此改性研究的具体过程中，要保证研究成果，必须从细节处着手，对纳米级碳黑粒子的尺寸控制要符合科学规律。一般来说，碳黑纳米粒子的尺寸越小，橡胶材料的抗磨损性能就越好，即二者之间存在反比关系。与此同时，由于纳米碳黑粒子的添加，橡胶材料的色泽也会受到影响，呈现黑色。通过纳米技术的应用，加入其他颜色的补强材料如白色纳米粒子，并且加入相应的着色材料，能够使得橡胶呈现多种颜色。

4结语

综上所述，纳米技术是当前阶段社会比较先进并且科研价值和应用价值非常大的技术，对于目前急需进行的高分子材料的改性工作，能够发挥非常重要的应用价值。纳米技术的科学应用，能够帮助高分子材料的改性工作提供更多的技术支持，支持高分子材料改性的快速发展。但是，当前阶段纳米材料在我国的材料科研工作中应用的时间不长，应用经验还比较有限，相关科研工作人员对于纳米技术的理论知识和应用技能的掌握还存在很多不足。因此，目前高分子材料改性研究的相关工作人员，在科研工作过程中要积极加强自身对纳米技术的理解和应用，推动高分子材料改性研究的进一步发展。

参考文献：

[1]位浩，刘飞，王锦文.纤维素纳米纸的疏水改性及应用研究[J].材料科学与工艺，2019（4）：30-41.

[2]陈贺，潘明珠.纳米材料改性聚磷酸铵在聚合物阻燃中的应用研究进展[J].化工新型材料，2019（2）：42-46.

[3]陈佳，夏忠林，洪波.芳纶纤维的表面改性及增强高分子复合材料的研究进展[J].广州化工，2017，45（24）：3-5.