纳米复合高分子材料及其制备方法

　　0　引言

　　纳米材料与常规材料相比，性能及应用效果更加显著，为材料科学的发展提供了新的方向。纳米复合高分子材料具备容易加工、不易腐蚀等性能，能够满足实际应用的需要，成为当前研究的热门材料，备受相关领域的关注。

　　1　纳米复合高分子材料概述

　　随着纳米技术的发展，纳米复合材料得到了材料领域的高度关注。纳米材料能够实现诸多方面的效应，主要包括表面效应、小尺寸效应以及量子尺寸效应等。与普通材料相比，纳米复合材料性质较为独特，具有优良的应用效果，是材料领域未来发展的方向。

　　纳米复合高分子材料由多个部分构成，分别为纳米材料结构单元和有机高分子材料，经过复合后可形成纳米复合高分子材料。其中的纳米结构单元种类较多，如金属外壳，陶瓷、高分子等。将几何条件作为依据，能够发现纳米粒子的形状多种多样，可以是正方体、长方体，亦可是圆柱体，甚至可以制成丝状和膜状；将相应结构作为依据，则可以分为单相纳米材料和多相纳米材料。

　　2　纳米复合高分子材料的制备方法

　　2.1　纳米结构单元与高分子直接共混

　　这种制备方法较为简单，将二者混合即可，混合形式多样，大部分情况下，可以选择乳液或溶液形式。可以细化为以下共混方式：①构筑式。以原子和分子等作为出发点，完成纳米结构单元和高分子的混合。②粉碎式。以常规块材为出发点，进行纳米复合高分子材料的制备。具体可以分为下述3种形式。

　　2.1.1　物理粉碎法

　　通过运用超细磨方法，完成纳米粒子的制备，同时基于介质和物料之间相互摩擦和冲击的特性，借助助磨剂，对纳米粒子进行微细化处理，以达成预期的目的，这就是物理粉碎法。而物理气相沉积法是指将需要蒸发的物质置于惰性气体中，然后进行加热处理，此时，物质会随着温度的增加而气化，停止加热后，惰性气体内的温度会不断下降，这些气体在冷凝后就会成型，最终完成纳米粒子的制备。在这一过程中，加热方式有许多种，包括高频感应、激光以及电阻等方法。从实际效果来看，加热方式会影响纳米粒子的存在状态。

　　2.1.2　化学方法

　　化学方法主要为化学气相沉积法，这个方法与物理气相沉积法较为相似，具体表现在通过相同热源的应用，促使各种氧化物以气相的形式存在，在此基础上进行化学反应，即可完成纳米粒子的制备。另外，纳米粒子制备过程中，在金属盐溶液中加入沉淀剂，沉淀完成后进行加热，通过共沉淀、均一沉淀以及直接沉淀，均可得到纳米复合材料。

　　2.1.3　物理化学法

　　在这种方法中，活性氢-熔融金属反应法较为常用，其制备原理为通过等离子体与金属之间产生电弧，将金属做熔融处理。在这一过程中，氢气和电离惰性气体会在熔融金属中混合，在蒸发和凝聚后，即可完成纳米粒子的制备。在进行高纯纳米粒子制备时，利用这一方法进可以取得良好的效果，有助于提高制备效率。

　　共混法属于较为简单可行的纳米材料制备方法，在制备纳米材料时，还可以对纳米材料的参数和体积进行控制。但值得注意的是，这种制备方法也存在一些不足，具体表现为无法确定空间分布参数、纳米结构单元无规则分布，如果出现团聚，其性能会受到影响。针对这些问题，研究人员做了大量的研究，通过表面改性的方式对纳米结构单元进行处理，可使其各项性能得到改善，达成预期的目的。

　　2.2　在高分子基体中原位生成纳米结构单元

　　这种制备纳米复合高分子材料的方法，充分利用了聚合物的特性。具体表现为聚合物可以对络合吸附及基体对反应物空间起限制作用，并在原位反应的基础上，促使纳米复合高分子材料的形成。在进行金属类纳米结构单元制备时，取得的效果十分显著。这种方法可以支持多种纳米材料结构单元前体，除金属离子之外，还包括有机金属化合物。此外，辐射、气体反应以及加热，均可以作为纳米材料结构单元的生成方式。

　　例如，假定有机高分子材料为模板，将其作为基体进行纳米结构单元的构筑，首先可以加入金属粒子，促使其与硫化氢相结合，可实现硫化物和氧化物纳米粒子的制备。如果对纳米粒子尺寸和形状上有要求，则需要对介孔尺寸进行控制。

　　除上述方法之外，微乳液和反相胶束法同样是有效的制备方法。其制备原理是利用两种溶剂，分别为水溶液和有机溶剂，同时选择合适的表面活性剂，促使水相液的尺寸为纳米级，不同微乳液滴相互接触后，完成物质交换过程，并在水核中发生化学反应，此时，每个水相微区相当于微反应器，从而实现对粒子大小的有效控制，最终完成纳米粒子的制备。并且表面活性剂的使用，还能起到保护和稳定纳米粒子的作用，即表面活性剂的存在，可以限制纳米粒子的生长，并使其表面化学性质得到改善。部分表面活性剂的应用，甚至可以对水相微区形状进行调整。

　　2.3　同时生成纳米结构单元和高分子

　　这种制备方法种类较多，常用的包括蒸发沉积法、插层原位聚合、溶胶-胶凝法。金属-有机聚合物复合膜属于纳米结构单元和高分子同时生成的基体，将此类材料作为基体，可以为有机单体聚合创造有利的条件，在聚合完成后，衬垫还可以成为金属气体沉积的基体，最终完成复合纳米高分子材料的制备。

　　值得注意的是，在不同条件下使用这种方法，所获得的纳米复合材料存在很大差别，比如：使用溶胶-凝胶法制备纳米材料的原理为水解反应，故此类方法制备的纳米材料为混杂纳米材料，通过对相形态、作用力和组分结构加以控制，可以进一步调控材料的使用性能。

　　3　纳米复合高分子材料的应用前景

　　通过上述分析可知，纳米复合高分子材料属于新型材料，兼具纳米粒子和高分子材料的优点于一身，其综合性能远远超出传统材料，因此得到广泛关注，具有很好的应用前景。例如，将具有催化特性纳米粒子与高聚物复合，可以使纳米粒子催化特性得到发挥，同时保证其稳定性。金属粒子是目前主要应用的纳米催化剂，在聚合物膜上附着，可以制备复合材料催化剂。

　　聚合物与纳米粒子复合后，材料的力学性能得到显著提升，比如通过原位插层聚合方法制备的一种纳米复合高分子材料，其结构十分稳定，且强度和模量较高，已经在工业制造领域中得到应用。除此之外，有报道一种纳米环氧树脂复合材料，其粒径不超过30nm，在用量小于6%时，可以促进基体高分子玻璃化转变温度的上升，并且复合材料的模量增大。

　　除此之外，还可以制备具有特殊光学性质、电学性质、磁性等纳米复合高分子材料。以磁性纳米粒子为例，尺寸相对较小，其结构为单磁畴，具有非常强的矫顽力，将其应用于磁记录制备，有助于记录密度的提升，信噪比也会随之得到优化。另外，导电纳米粒子与高分子材料的复合，可以在导电胶和导电涂料中得到应用，实现对银制导电胶的替代，且使用效果不会受到影响。

　　4　结论

　　综上所述，纳米复合高分子材料的性能十分突出，其未来应用和发展前景十分广阔，得到研究领域和相关行业的高度关注。业内对这种复合材料的发展予以高度关注，积极推动其制备工艺的优化，将促进纳米复合高分子材料在工业领域的应用。

　　作者简介：郝崧辰（1998-），男，吉林通化人，本科在读，研究方向：功能高分子。谢婵（1982-），通讯作者，女，江西赣州人，博士，南昌航空大学材料科学与工程学院讲师，研究方向：功能高分子材料。

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