2002—0l,34(1) 车亚兰 无机纳米与聚合物基功能材料 21 无机纳米与聚合物基功能材料 李亚兰 ,于元文 ,吴博 (1.四川大学化学学院降解与阻燃高分子材料研究中心,成都610064;2.青岛燃气集团焦化制气公司) 摘要:无机纳米一聚合物基复合材料主要由溶胶凝胶法原位合成法、直接共混法、化学接枝法、插层原位聚 合法、电化学合成法等制备而成:根据无机纳米粒子、基底物的不同眭质,以及不同的材料制备方法,复合物可被 赋予光、电、磁、催化、表面特性、阻燃特性等独特的功能性质。并就上述内容进行了较详细阐述 关键词:无机纳米;聚合物;功能材料 中图分类号 ̄TQ0"3 文献标识码:A 文章编号:1006—4990{2002)01—00'23一∞ 纳米一聚合物复合材料是指由各种纳米单元与 酸酯,通过静电吸引、配位络合等作用,将Au(Ⅲ),Pf 高分子材料以各种方式在分子水平上复合形成的一 (Ⅳ),Cu(1I)渗人聚合物网中,再经化学还原制得 种新型复合材料。一般来说,纳米一聚合物复合材 具催化功能的Au、Pc、cu纳米一聚合物复合材料 料中,聚合物为体系提供柔韧性,大幅度改善了加工 1 3直接共混法 性;纳米粒子为系统提供某些加工性(如凝胶稳定性 此法是将制备好的纳米材料与聚合物直接共 或机械强度)以及其独特功能,如光、电、磁、催化性 混,既可以溶液、乳液形式也可以熔融形式共混。如 质、表面化学反应性及阻燃性等。这些,几乎都是普 Yoshida M 等人将纳米 02粉体在N一甲基吡咯烷 通聚合物基复合材料无法相比的。纳米一聚合物复 酮和聚酰亚胺的混合溶液中共混,制得聚酰亚胺一 合材料的出现亦拓展了复合材料的功能和应用,定 T_o-纳米复合材料。此法操作简便,但纳米粒子的 将广泛渗透于电子、信息、石油、化工、生物、医药、环 二次团聚影响无机相的均匀分散。 保等诸多领域 1.4化学接枝法 1 纳米一聚合物复合材料的制备方法 该法利用无机纳米材料的表面基团,使之与聚 纳米一聚合物复合材料合成方法多种多样,归 合物相产生化学键接,形成接枝复合物。可利用聚 结起来,可分为以下几类: 合末端基团与无机粒子表面基团反应,也可通过无 1.1溶胶一凝胶法(Sol—Gel法) 机纳米粒子表面活性点引发单体聚合,形成复合材 溶胶凝胶法是纳米粒子制备中应用最早的一种 料 。此法较常用于制备具表面化学反应性的纳米 方法,8o年代末开始用于合成无机纳米一聚合物复 一聚合物复合材料。 合材料。该法是在聚合物或单体溶液中水解金属盐 1.5插层原住聚合法 (水溶性盐或油溶性醇盐),水解或水解一聚合反应、 这种方法是将聚合物单体插入到具有层状结构 溶胶化后,生成的纳米粒子即与聚合物形成半互穿 的硅酸盐粘土矿中(如云母、水辉石、滑石粉、蒙脱土 或全互穿阿络,再经干燥得到凝胶 Schmid H K 等),在粘土层间原位聚合,聚合形成大分子链又促 利用硅烷、羧酸或8一二酮的立体溶胶稳定化作用 使粘土层间解离,使粘土在聚合物基体中形成均匀 取代静电溶胶稳定化作用制得高固含量硅溶胶,将 分散的纳米单元。采用该法制得的纳米一聚合物复 该纳米溶胶引人聚苯胺中,获得了具有良好光学性 合材料各相问以分子水平分散,产品性能优异,被认 能的复合材料,且不存在纳米粒子的团聚问题。 为是目前有效的纳米复合材料的制备方法之 1.2“原住”合成法 一 。具体方法:首先用离子交换剂交换粘土中 此法利用聚合物特有的官能团对金属离子的络 的Na 、Cd 等,然后将改性后的粘土浸入单体或单 合吸附及基体对反应物运动的空间位阻或是基体提 体溶液进行聚合,PP/蒙脱土,PS/蒙脱土,PET,粘土, 供了纳米级空间限制,通过原位反应生成纳米材料。 PA一6/蒙脱土纳米复合材料均以此法制得。 如Frm ̄ziska 等人采用支化聚2一羟乙基甲基丙烯 1.6电化学夸成法 作者简介:李亚兰,女.1968年生,讲师,现在四川大学化学学院攻读硕士学位,主要从事阻燃及纳米材料研究,已发表学术论文10多篇 维普资讯 http://www.cqvip.com
22 INORGANIC CHEMICALS INDUSTR' ̄ '无机盐工业 2002—01,34(1) 该法过去常用于制备导电性复合材料,现也多 用于合成具电催化活性、磁特性材料及电色谱材料 等。此外,该法也是将不溶性金属或金属氧化物粒 子以分子水平掺人聚合物膜、棒的十分有效的方 法 。具体方法是:将金属或金属氧化物粒子分散 于聚合物单体的水溶液中,调整溶液酸度(或通过电 解质改性)以保证粒子表面带负电荷,然后进行电化 学聚合,即得纳米一聚合物复合膜或胶体。 2无机纳米一聚合物复合材料的功能特性 在无机纳米聚合物复合功能材料中,无机组份 多采用纳米级redO 、 、Si02、Ti02、V2O5、Cu、Cr、 Au、Pf、Pd、si等粉体或胶体,聚合物多为聚苯胺 (PAn)、聚吡咯(PPY)、聚乙烯基咔唑、聚对乙烯基苯 (PPv),以及聚丙烯(PP),聚苯乙烯(Ps)等 2 1纳米一聚合物复合材料的光、电功能特性 料。由于TiO,的掺人,该材料具氧敏特性,可通过 控制材料的吸氧量可逆调节PPY—T 复合体的光 致发光强度 Komaba等人 通过化学和电化学聚 合方法制得PPY—siO 纳米复合溶胶,并在400℃ 真空脱水得到PP_Y s 全互穿网络体,此复合材 料具有电致发光特性。PPY一 q纳米复合体系, 表现出光电响应行为,具优良的光电转换功能 聚乙烯基吡咯烷酮/ZnO纳米复合材料,有光吸收产 生的兰位移现象,表现出陷阱发光特性 。Ps一十 二硫醇/Au纳米复合材料具有三级非线性光学 (x”‘)敏感性。 2.2无机纳米一聚合物复合材料的磁特性 这类复合物一般是将具磁特性的纳米粒子(如 q、V2O,等)掺人聚合物基体中制得。使材料兼 具磁特性和导电性能是该类材料的研究热点 Wan 等 将FeSO4水溶液加到聚苯胺(胁1)溶液中,以 目前报道有两种聚吡咯(PPY)纳米复合材 料 ,均以Fb嘎为氧化剂,通过简单的化学聚合分 别将 (20~30 r.rn)和 O (25~50 r.rn)胶体的 纳米粒子掺人PPY基体中。从宏观上该复合物无 可视无机相,但在透射电镜下,可判定无机相的存 在 两种复合体系中,PPY自身的片状结构被改变, N一甲基吡咯酮催化并实施氮气保护,当调整介质 DH为7或14时,制得的复合体具弱电强磁特性。 在中强碱性条件下,由于Fe O 以redO 纳米晶体形 式存在于基体中,故复合体呈超顺磁性。而以 FeC1.・41-I2O+FeCh・6 O的KOH溶液制得的PAn 纳米复合材料,则同时具优良的磁特性和导电性能。 形成了明显的粒子形状,改善了聚合体系的致密性。 尽管有绝缘粒子掺人,与纯PPY相比,PPY—z 纳 米复合体电导率仍从1增加到l7 s/cm,PPY— O 纳米复合体电导率从20提高到90 s]em。这是由于 绝缘粒子被完全包覆在导体基体中,系统中未形成 阻抗点,故材料导电性增加是掺人无机纳米粒子使 聚合物致密性改善的直接结果。即组分粒子间偶 联,界面结合增强,可导致阻抗降低 关于无机纳米一聚合物复合材料电子传输机 理,尚未见多少报道。研究PPY一炭黑、PPY一 q 纳米复合物的dc电导率( )和ac电导率( ) 及热电强度(TEP)数据发现 : 数据符合VRH模 型,但TEP则呈现出复杂变化,在低温区( ̄<225 K), TEP随温度线性变化,表现类金属性,但在高温段, 则偏离线性。d 也显示了非通常行为,呈跳跃性增 长,至达到频率转变点。这一结果不能被现有的任 一另外,TangI171等以阴离子表面活性剂改性 一F岛 (10 nm),然后与PAn复合,制得的PAn/十二烷基苯 磺酸一卜. O 复合膜,具优异磁敏性,300 K时, 其饱和磁强为25 emu/g 一FezO ,5 K时,为 4o emu/g 一re- ̄O 。 2.3无机纳米一聚合物复合材料的催化特性 将n、cu、v等离子与PPY或PAn复合,所得材 料具较优的催化活性,但因金属离子掺杂量限制,该 类材料一直未达到期望的性能。 和Pichup等 人 将PAn和PPY分别与si0,在持续搅拌下分别 加到HAuCI ̄和PdC1 的盐酸稀溶液中,聚合物被转 变为氧化态形式,而Au(Ⅲ)、Pd(Ⅱ)则被还原转化 为元素态。结果证明,与纯PPY和PAn相比,PPY— si()I、PAn—siO 是更有效的金属吸收剂,因而 SiO,一P (或PAn)一Pd具更优异的催化活性,这是 由于PPY—s 、PAn—siI)2纳米复合材料具有比纯 PPY、PAn大得多的表面积所直接导致的结果 另 外,si—PAn—Pd复合物具有从水溶液中驱除结合 理论解释,故有人提出在一复杂精细结构中,高导 聚对乙烯基苯(PPV)具优异的光致发光性能。 电岛与低导电池相连的非均相模型理论。 Baraton【141等人将PPV溶于c C1,剧烈搅拌下加入 0,粒子(21 nm,比表面5o ,g),且超音速分散, 以达到分子水平分散,制得PP、 一TiO 纳米复合材 氧的能力,因此,还可用作回收贵金属的材料。 本文2.2中已介绍的聚2一羟乙基甲基丙烯酸 甲酯,cu纳米复合材料,在水溶液中具优良稳定性 维普资讯 http://www.cqvip.com
2002—01,34(1) 李亚兰 (无氧条件),因而可用于水敏性催化剂无法实现的 催化过程。。 采用电化学合成法 将聚苯(PB)沉积在P【基 上,再覆盖一层PPY膜.此聚合物纳米复合膜可用 于c0,还原催化剂 此外,电化学法合成的P【、sn、 Pd、Cu、Pd/Cu与PAn、PPY复合.亦具有优良的催化 性能。 2.4无机纳米一聚合物复合材料表面化学反应性 Permchot等人 以氨基丙基三甲氧基硅烷和 1一(2一羧酸)吡咯对纳米SiO 表面改性后与PPY 复合。这种改性不仅使s 胶体与PPY结合力增 强,而且使复合材料表面功能化,体系粒子表面 一NH或一cooH裸露,具有良好的化学反应性,可 用作激素、抗原、抗体可视免疫诊断、检测的标识粒 子 采用带特殊配键物质(即任意抗原或抗体)包覆 粒子制备的抗原(或抗体)一PPY一硅胶纳米复合物 可用作免疫试剂。如果这种复合通过空间分子插人 而不是简单吸附,试剂效果会得到显著改善。 2.5无机纳米一聚合物复合材料的阻燃特性 。 此类复合物,无机相为层状硅酸盐类粘土,蒙脱 土最为常用。通过离子交换以氨基酸(如正十二烷 氨基酸)或丙酰胺分子的一N 替换粘土分子中的 Na 、ca2 ,然后与聚合物单体插层原位聚合或与聚 合物共混,制得聚合物一粘土纳米复合材料。据报 道,PS、PP、PA—6与蒙脱土插层,复合材料具有优良 的自熄性、致密焦化层及材料质量损失小等优点,垂 直燃烧达到Fv一0级,表现出优异的阻燃特性,同 时,材料也具有优异的机械及加工性能。 2 6无机纳米一聚合物复合材料其他功能 除上述提到的以外,无机纳米一聚合物复合材 料依据组份、合成条件、合成方法的不同,还具有许 多其他功能特性:PPY/Li—MnO2纳米复合体具较大 的充一放电容量,用于制作可充电电池的电极材料。 PPY/: ̄;黑纳米复合材料具电荷储存功能。PPY— BaTiO 纳米复合体具双电性,可用于制作电器元件 开关。PAn—w0 纳米复合体是有效的电色谱材 料。采用电化学法在CuC12和PdC1,溶液中将纳米 级cu、Pd沉积在PPY基体和被聚(3一甲基)硫酚改 性后的P【电极上制得的材料具有气敏性。 3结束语 无机纳米一聚合物复合材料,诞生仅十几年时 间,但发展极为迅速,已取得了许多重大成果。不足 的是有些极具应用价值的研究仍处于小试成果阶段 无机纳米与聚合物基功能材料 23 未形成工业化规模.尚待进一步开发。 参考文献: [I:夏和生 王琪聚合物纳米材料研究进展l纳米聚合物[J:化 学研究与应用.2OO1.12l6):7 [2]唐建国等聚合物基金属复台材料研究进展.J]高丹子通报. 1999.[12).40. 。3]贺鹏等聚合物改性中纳米复台新技术:J J高分于通报.21301. 12):74 4]王旭等聚合物基纳米材料的研究进展:Jj塑料,213110 4(29) 。5]HK Sdanldt .Oegaaic/inoeganic hybiid n ̄lerm]s【】].J of s0l— Gel SCI and Tedt,1997.1(3):706 6]Fr,mzlska hn al N∞uu de formation wilNn dendrimer…-  ̄ning pd M networks:rout ̄Io HPW ctrganie—i ̄mrganic bvbrld rtmte 口 【】 M mm 钟 晦 2001,34 12179 [7]M Yoshida,81 Lal Ti02 mn0p de—dispe ̄ed pdyimide mng ̄ite: guide materials the,Oh ㈣mieelle_Jl_J of Mates SCI..1997,32【15):4O47. [8]Rainer Jontan ‰oc∞ ) l by ̄rfaee—iniitated living ca[- ionic D ? ̄rizalitm of 2一— f ̄timt gold nw,olrn ̄cles :J]M ̄romolecades,20OI,34:1606 [9:Jezfreyw Gilman el o/HanmmbiliB.prcge ̄ies 0fpol; ̄.r — silicate rlBr10clⅢTp0sl lJ]Chem Mater.200O.12:1866 [10] Yang Chuan Ke Ⅱ Cryaalli ̄.alimt,p peI’】%and e ̄.stal and nan ̄e nraphdog ̄of PET Clay m0∞ p螬l【【 】 j ^p plied po1) ̄er sc .1999.71:1139 [11]Akane Okada a/.The ehe ̄stry of po】 —eta).h ̄fid[J:Ma— ter/a/s Science and Engineering 1995.G:109 [12] It Gm ̄,opMyay、.t ̄itabha De ConduclJn ̄gol'm ̄'r aar,oeomp, ̄ l】].Chem Mater,2[H】.12:608 [13]It ngDPadllyay “.Polyprrole—ferric o:dde conduclJng一_1I- posiel I s ̄thesis and eharacterizati ̄[Jj .Pd—j.,1999.35 (II):1985 [14]81I Baratan a/Nanotechnolo ̄,' 1 .(9):356 f I5’S Kuraa ̄ Preparation and el ̄trochemlcal ehameterizatim ̄of nanoemnt ̄iels[】]Eleclr ̄em See 1998,145(6):1126 [16]8|ei ̄ong Wan et a1.Synthesis a上ld eIe c —m 印 l Prq e 13o1)'aniline c。m 1% Pcd vmer SCI:Pan A Polym[J].Olem Ma- let"、1998.36(15):2799 17]Tang Ben.rkmg et a/.Processible nmmatnletured materials dec— nical∞ c W【y and Bgndle susceplibiliB..:O, ̄pamt,m and p 。 - ites of盯嵋曲 —golyaniline nmmeompe ̄te ITIIs J {:hem Ma- elr 1999.1I(6):158I :18] Qi Zhigang,Peter G Pick up. performance c加duc【iIIg p r 棚lpP0rt。d ox3.+g ̄n reducti ̄ealolysts[J J Chem Comun ,1998、 (21):2299, 。l9]K嘞l阳 a/Mediated electr ̄le with conductiJI皋pol ̄.mer andinor- mc c0T)d 【 films J]El Ⅱ∞h∞s0c,1998、145(12):3801. 。201 C Perrackot a/s In【目hoe Ana1..I .26:689 :21] D PortPr a/Nanceonrogsite ifre reI吕 an [J n Mater,2O呻. (24):45~52 22]L hi e.t a/serLs 8cIL B[J Chem.,l螂,48:362 (收稿日期:24101—嘴.08)
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