纳米技术在高分子材料改性中的运用微探

胡锦督，胡建强

1.青岛科技大学高分子科学与工程学院，山东青岛，266042；2.北京赛昇传媒有限公司，北京，100040

0 引言

纳米材料及其技术是现代科技发展所产生的一种新型应用技术，在早期研究中主要针对金属粉末、陶瓷等工业领域，目前已经逐渐渗透到微电子、化工、国防、核技术、医学、生物工程、冶金等领域。为满足现代工业生产制造的要求，侧重将纳米材料分散于聚合物中，以此提升高分子材料的性能，有利于提高工业生产效率、改善人们的生活条件。由此，在当前新时代背景下，应将纳米技术合理运用在高分子材料改性中，以此研发纳米高分子材料，进而实现性能提升，通过在各个领域内的合理应用，满足社会生产生活需求。

1 纳米技术概述

1.1 纳米技术概念

纳米技术融合了物理力学、量子力学、生物工程等多种现代学科知识，并利用先进的电子计算机技术、微电子技术等，形成一种新型科技手段。通常情况下，纳米粒子位于原子簇以及宏观物体之间的过渡位置，存在数量不多的原子或者分子所构成的集团，颗粒半径约在0.5～5.0nm，属于微小粒子。纳米粒子的构成主要包括原子和电子，二者相互影响，具有相对较强的表面和界面效应。当纳米材料进行转换反应时，将会呈现出一定的可操作性，即纳米技术。现阶段对于纳米技术的研究主要集中在纳米材料、纳米动力学、纳米生物学以及纳米药物学、纳米电子学等方面，其中对纳米材料的研究最为广泛，对改造现实社会具有重要意义[1]。

1.2 纳米粒子特性

纳米粒子的分类较多，如按照成分划分可分为金属和非金属高分子，也可分为无机物和有机物高分子。如按照相结构划分，既存在单相，也存在多相。如依据原子排列的对称性和有序程度划分，则存在三种形态，即准晶态、晶态、非晶态等。因为纳米颗粒尺寸较小，因此其结构相比于常规材料而言，具有一定的特性，具体如下。

（1）具有较强的表面和界面效应。因为纳米微粒比表面积较大，位于表面的原子占有很大比重，促使其具有较高的表面性能。但表面原子缺少邻近配位的原子，导致表面原子存在一定的化学活性，促使纳米粒子的表面效应表现更为强烈。通过利用该特性能够与部分大分子发生键合作用，促使分子之间的键合力得到显著提升，有助于增加纳米复合材料的强度和韧性。

（2）具有小尺寸效应。当超细微粒尺寸与传导电子的德布罗意波长相近或更小时，晶体周期性的边界条件在很大程度上会遭到破坏，促使纳米粒子的磁性、光吸收、化学活性、催化性、熔点等发生较大改变。以银材料为例，熔点一般在900℃左右，而纳米银粉的熔点可降低到100℃，纳米材料的熔点通常是原材料熔点的30%～50%。在高分子材料改性中运用纳米材料，能够有效发挥其高流动性和小尺寸效应，促使纳米复合材料的延展性得到显著提升，进而减小摩擦系数，改善材料表面的光洁程度。

（3）具有量子尺寸效应。当纳米材料的颗粒尺寸小到定值的情况时，费米能级附近的电子能级则出现准连续能级转变为离散能级的情况，促使纳米材料呈现高度的光学非线性、特异性催化、光催化性质等[2]。

2 纳米技术在高分子材料改性中运用的原理分析

纳米技术在当前社会各个行业中具有广泛的应用，并得到了较好的效果。随着我国社会经济水平不断增长，为大力推进现代工业建设，促使高分子材料性能满足当前的研发和应用需求，逐渐侧重在高分子材料改性中运用纳米技术。最近几年，随着对纳米技术研究的持续深入，发现不同类型材料的纳米粒子与相应高分子材料的作用原理存在一定差异性，而且通过性能改善后的高分子材料使用效果也发生了变化，并受到纳米粒子表面效应、体积效应、宏观粒子隧道效应的影响。另外，高分子材料性能在改进和应用过程中，纳米粒子以及高分子材料均会发生相应的物理反应，比如纳米粒子能够转换掉高分子链的内部作用力，这一现象的出现是由于纳米粒子的标准与大分子链比较而言，属于同一量级，因此粒子与大分子链将会产生分子水平分散的情况。同时纳米粒子与高分子材料也会发生相应的化学反应，即纳米粒子尺寸在1～100nm，外表具有一定数量的原子，从而产生隧道效应，促使纳米粒子表层出现活性位置，有利于建立化学键，改进高分子材料的使用性能。不过在运用纳米粒子改进高分子材料时，应当注意把控粒子直径的大小，必须通过反复实验以获取性能良好的产品，推动高分子材料研发制造行业的健康发展。

3 纳米技术在高分子材料改性中的具体运用

3.1 塑料改性

在当前纳米技术不断发展的形势下，纳米技术在高分子材料改性中的运用，主要是在高聚物中加入纳米材料，提升高分子材料性能，实现功能复合。比如，对应用领域广泛、现代工业需求量较大的塑料材料，通过纳米技术实施改进，能够大幅增强使用效果，并可体现基体材料的新性能，比如纳米粒子的尺寸较小、透光率良好，加入塑料材料中，有利于提升致密性。对半透明塑料薄膜等添加纳米材料，可提升透明度，增加韧性和防水性。在具体应用过程中，对塑料改性运用纳米技术，则能够增强塑料韧性。在传统方法中，可通过共混、共聚、添加增韧剂等方式实现塑料材料增强增韧，能够降低制品的成本，提高刚性、耐热性和尺寸稳定性。传统方法也会对塑料材料产生较强的体系冲击，降低断裂延深度。例如，在硬性塑料中加入橡胶弹性粒子，虽然可提升冲击强度，但会导致其拉伸强度下降等。为改善这一状况，可利用纳米技术进行改性处理，纳米粒子表面的活性中心较多，能够与基体形成紧密结合，从而产生较好的相容性。当受到外力作用时，粒子不会轻易与基体发生脱离。并且在应力场相互作用下，很容易在基体内产生微变形区，吸收大量能量，有助于传递外应力，促使基体屈服，能够消耗相对较多的冲击能，以此增加材料强度和韧性[3]。

同时，纳米技术可改善塑料材料的抗老化性和功能化，根据塑料材料的特性，它很容易发生老化现象，比如在太阳光直射下，受紫外线影响，高聚物分子链断裂，导致材料老化。而应用纳米技术，可实现SiO2与TiO2混配，通过吸收紫外线以提升抗老化能力。比如在PP材料中加入0.3%的纳米TiO2，在热光照射700h后，损失抗张强度仅为10%左右。同时在塑料材料中加入抗菌性纳米粒子，塑料可具有长效的抗菌性，比如将纳米金属粒子添加到塑料中，可研发出带有抗静电性能的塑料。选择适当的纳米粒子对塑料实施改性，还可制取吸波材料，便于生产隐性材料。例如采用纳米技术将无机银或聚合物复合材料等，制成洗衣机外桶，能够大幅增强材料韧性，并发挥良好的耐摩擦、耐冲击等性能，同时具备较好的光洁度和防垢能力，促使洗衣机产品自身保持清洁度。此外，在塑料材料改性中运用纳米技术能够实现通用塑料的工程化，在现代工业建设过程中，通用塑料的产量较大、应用范围广泛、价格低廉，通过加入纳米粒子后，可有效改善工程塑料的性能。例如对通用聚丙烯进行纳米技术改性，能够大幅提升其性能指标，并降低约1/3的成本投入，进而提高工业化生产的经济效益。

3.2 橡胶改性

现阶段，纳米技术在橡胶工业中得到有效应用，针对橡胶材料进行改性，通过添加炭黑纳米粒子，有助于增强橡胶材料的实际强度，进一步提升耐磨性能和抗老化功能。在应用纳米技术时，应当注意对炭黑粒子尺寸的合理把控，避免对橡胶性能产生不良影响。通常情况下，炭黑粒子尺寸越小，橡胶材料的耐磨性能越强，随着尺寸的增大，耐磨性能降低，如果尺寸超出纳米范围，将会导致橡胶性能极差。除此之外，在利用纳米技术制造橡胶材料时，还可对橡胶材料颜色进行调整，以往多数利用黑色的纳米级炭黑粒子进行制作，随着纳米技术的不断发展，可实现对彩色橡胶材料的生产，主要是利用白色纳米粒子作为补强剂，并添加相应的着色剂[4]。

另外，由于纳米氧化硅结构属于三维链接状态，通过与橡胶高分子材料进行结合，能够形成立体的网状结构，进而提升橡胶材料的自身强度、弹性性能等。纳米氧化硅材料具备良好的紫外线反射性能，将其运用在橡胶材料改性制造中，起到屏蔽紫外线、提高抗老化能力的作用，例如对比传统防水卷材，经过纳米技术改性的彩色橡胶防水卷材具有较为优越的拉伸强度、断裂伸长率以及抗撕裂强度等，并且在紫外线照射下，彩色橡胶卷材发生细小裂纹的概率较低，有助于提升橡胶材料的性能。

3.3 化学纤维改性

目前，我国化学纤维制作技术持续进步，为提升材料功能性，可利用纳米技术对高分子材料实施性能提高，使化学纤维的抗老化功能得到增强。比如在实践过程中可添加纳米二氧化钛，能够起到良好的紫外线预防效果，可应用在遮阳伞等产品的生产环境。在新时代下，多种新型纤维类型出现，其中大部分材料均应用纳米技术进行改性，比如融合纳米技术能够生产具有除臭和净化功能的化学纤维，将纳米氧化锌、纳米二氧化硅等与化学纤维相结合，可广泛应用在医院医药用品、病患服饰等方面。另外，通过在聚酯纤维中增加纳米氧化锌，所制备的相关化学纤维能够有效预防紫外线，并抵御细菌。将金属类的纳米粒子加入化学纤维中，能够最大限度地避免出现静电，如利用金属银粒子，还能够发挥除臭味、杀灭细菌等功能。此外，将纳米技术应用在化学纤维改性中，可制备电磁波防护材料，在服装生产领域具有较好的使用效果。

4 高分子纳米材料的应用领域

4.1 环境保护

由于纳米材料具有特殊的微观性质，且在宏观上也能够呈现较为特殊的物理性能，如相对较高的强度和韧性、高比热容低熔点、介电性能、高吸波性，基于纳米技术在高分子材料改性中的合理应用，在环境保护方面具有较好的效果，比如制备磁性高分子纳米吸附剂，具有稳定性良好、比表面积大、易于分离等优势，可作为一类性能良好的吸附材料。该材料的具体制备方式则是采用悬浮聚合以及化学改性方法。在实际运用过程中，经过改性的磁性高分子材料可对水体中的Hg起到高效的吸附去除作用，实现快速分离，在15min内可达到吸附平衡的效果，最大吸附量可达到416mg/g[5]。同时吸附材料可在硫脲溶液中实现再生，有利于循环使用，大幅降低环境保护成本，在未来污水处理方面对纳米技术改性高分子材料的应用将越来越广泛。

4.2 生物医学

根据纳米技术对高分子材料改性的优势和特点，可将其应用在生物医学领域，常见用于骨组织工程，制备天然和人工合成高分子材料等。其中天然高分子材料主要包括胶原、壳聚糖、纤维蛋白、海藻酸钠等，具有良好的相容性，并具备一定的细胞识别信号，有利于实现细胞黏附、增殖以及分化等。而人工合成高分子纳米材料应用在骨组织工程中，能够实现降解生物材料，不过在实践运用中存在机械强度不足、易发生无菌性炎症、亲水性差等缺陷，在未来仍需进一步深入研究，不断提升人工合成高分子纳米材料的性能。在制备环节，通常是以赖氨酸盐作为原料，制备赖氨酸二异氰酸酯-甘油聚合物，再利用超声分散以及超临界抗溶剂结晶技术等，制备纳米级高分子材料赖氨酸二异氨酸醋甘油聚合物。同时由于高分子纳米材料尺寸一般在100～350nm，符合骨组织工程支架材料的结果特征，依托其优良的降解特性，避免对周围环境值产生变化影响。并且高分子纳米材料所降解的产物无毒无害，具有较好的生物相容性。

4.3 电子工业

在电子工业领域对纳米技术的应用，主要是生产导电高分子纳米复合材料，通过对导电高分子进行改性，使其电磁学性质得到增强，提升材料导电性、稳定性、吸附能力、光电性质以及生物传感性能等，为实际应用提供良好基础。例如在实践过程中，可借助纳米技术合成高度可溶的复合材料，对酶等物质具有高活性固载，能够为生产导电高分子生物化学传感器等提供支持。并且利用纳米技术与导电高分子材料的复合，能够通过链接化学形成良好的化学活性物质，能够实现材料优良的光电性、电致变色效果等，相比于其他材料具有一定多功能化效应，在未来电子工业中具有广阔的发展空间。

5 结语

综上所述，纳米技术在现代社会发展中属于一项高新技术手段，在对高分子材料改性中具有较广的应用空间，对开发特殊性能的高分子材料具有积极价值。在当前阶段的实际运用中，纳米技术主要运用在塑料、橡胶、化学纤维等材料的改性处理，进而提升使用性能。经过纳米粒子改性后，高分子纳米复合材料在未来的环境保护、生物医学以及电子工业中，具有巨大的市场潜力，有利于改造传统聚合物工业技术，推动现代生产技术进一步发展创新。