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纳米材料在环氧树脂中的应用

文章作者:51abj.com 人气: 发表时间:2018-12-17

纳米材料是指粒子平均粒径在l00nm以下的材料。其中平均粒径为20~100nm的称为超细粉,平均粒径小于20nm的称为超微粉。纳米材料具有相当大的相界面面积,它具有许多宏观物体所不具备的新异的物理、化学特性,既是一种多组分物质的分散体系,又是一种新型的材料。纳米材料的研究是从金属粉末、陶瓷等领域开始的,现已在微电子、冶金、化工、电子、国防、核技术、航天、医学和生物工程等领域得到了广泛的应用。近年来将纳米材料分散于聚合物中以提高高分子材料性能的研究也日益活跃,并取得了许多可观的成果。

纳米技术

1、纳米材料的特性

由于纳米材料晶粒极小,表面积特大,在晶粒表面无序排列的原子分数远远大于晶态材料表面原子所占的百分数,导致了纳米材料具有传统固体所不具备的许多特殊基本性质,如体积效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应和介电限域效应等,从而使纳米材料具有微波吸收性能、高表面活性、强氧化性、超顺磁性及吸收光谱表现明显的蓝移或红移现象等。除上述的基本特性,纳米材料还具有特殊的光学性质、催化性质、光催化性质、光电化学性质、化学反应性质、化学反应动力学性质和特殊的物理机械性质。

2、纳米材料的种类

(1)纳米二氧化硅

纳米二氧化硅的团聚体是无定型白色粉末,表面分子状态呈三维网状结构。这种结构赋予涂料优良的触变性能和分散稳定性。纳米二氧化硅具有极强的紫外线吸收、红外线反射特性,能提高涂料的抗老化性能。对纳米二氧化硅表面进行处理,可使二氧化硅纳米粒子表面同时具有亲水基团和亲油基团,纳米材料的这种两亲性大大扩大了其应用领域。针对不同类型的涂料,纳米二氧化硅的添加量一般为0.1%-1.0%,最多不超过5%。

(2)纳米二氧化钛

纳米二氧化钛是20世纪80年代末发展起来的主要纳米材料之一。纳米二氧化钛的光学效应随粒径而变,尤其是纳米金红石二氧化钛具有随角度变色效应。纳米二氧化钛的粒度一般为10~50 nm,添加量控制在1.0%以下。

(3)纳米氧化锌

纳米氧化锌具有一般氧化锌无法比拟的新性能和新用途,具有屏蔽紫外线、吸收红外线及杀菌防霉作用。纳米氧化锌还具有增稠作用,有助于颜料分散的稳定性。

(4)其他纳米材料

常用的其他纳米材料还有超细炭黑、气相二氧化硅、纳米级碳酸钙等,均属于纳米材料范畴。但炭黑的分散问题、气相二氧化硅的添加问题及碳酸钙合理使用仍需进一步研究。

3、纳米材料在环氧树脂中的应用

纳米材料在环氧树脂中的应用主要是在复合材料和涂料方面。

在现有的复合材料中,通常以纤维作增强材料,由于纤维与基体的相容性问题,限制复合材料性能的发挥。为了解决相容性问题,充分发挥复合材料的优异性能,人们从分子水平设计复合材料。通过控制纳米材料在高聚物中的分散与复合,能够在树脂较弱的微区内起补强、填充、增加界面作用力,减少自由体积的作用,可能仅以很少的无机粒子体积含量,就能在一个相当大的范围内有效地改变复合材料的综合性能,且不影响材料的加工性能。

Zhang L D等人的研究表明,a-Al2O3与环氧树脂复合,使其模量增加,当粒径为27nm,a-Al2O3添加量为1%~5%(质量比)时,提高了环氧树脂的Tg,模量达极大值;添加量超过10%(质量比)时,模量下降。

王立新等采用己二胺对粘土通过离子交换反应进行改性,然后将改性后的粘土与E-51在二甲基甲酰胺(DMF)中搅拌混合,制备出环氧树脂/粘土纳米复合材料。当纳米粘土添加量为3wt%时,马丁耐热为61.5℃,冲击韧性为8.95kj/m2,分别比不加粘土的固化树脂提高了仅20℃和190%。

Muks Wang等人采用粉末法使低分子环氧树脂在粘土层间聚合成醚。这一研究是用E-51与处理过的黏土在混合情况下,高温自聚生成聚醚粉末,聚合时伴随粘土的层离反应,二者为一协同反应。

Usuki-A等人述及的粘土改性环氧树脂采用了溶剂法,在溶剂N,N’-二甲基甲酰胺中,E-51在其作用下穿插于黏土晶层之间,然后加入固化剂固化,使两者复合良好,性能有很大提高。除此以外,有人采用插层原位复合法,将单体嵌入到粘土夹层中再固化的方法制备环氧/黏土纳米复合材料。

4、我国纳米材料研究及生产概况

据专家分析,我国纳米材料的综合研究水平处于先进行列之中,但就纳米材料的应用而言,我国目前仍处于起步阶段。

自20世纪80年代中期以来,纳米科学和纳米技术越来越受到中国政府的重视。1991年11月召开的纳米科技发展战略学术研讨会上,一致认为纳米科技是正在兴起的跨世纪的战略性科技领域,纳米科技正处于重大突破时期。会上制定了纳米科技发展战略对策,对发展中国纳米科技进行部署,其中,把纳米材料的制备科学与性能研究列为“八五”重点项目。为期10年的“纳米科学攀登计划(1990~1999年)”和一系列先进材料研究计划是核心活动。

据《生活时报》报道,目前中国已经建成了9个纳米技术研究基地,中国科学院固体物理研究所、南京大学、上海硅酸盐研究所、清华大学、北京大学等单位已经形成了一支从事纳米技术研究的队伍,并在国际上取得了一系列令人鼓舞的成果,个别方面甚至走在了世界最前沿。中国有实力的研究领域是纳米碳针和运用纳米管的生产工艺开发。中国物理学会和中国粒子学会致力于纳米技术传播。中国的纳米科技已取得突破性进展。目前中国已经有多家企业在从事纳米材料的生产和研制,并有一批产品投放市场,取得了良好的经济效益和社会效益。纳米材料已经在北京的一些体育场馆使用,效果十分显著,为中国争取2008年的“奥运”申办权做出民贡献。

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