材料研究学报
主办单位:中国科学院
国际刊号:1005-3093
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纳米材料的特性及其在化工生产中的应用

  论文导读:纳米材料(又称超细微粒、超细粉未)由表面(界面)结构组元构成,是处在原子簇和宏观物体交界过渡区域的一种典型系统,粒径介于原子团簇与常规粉体之间,一般不超过100nm,而且界面组元中含有相当量的不饱和配位键、端键及悬键。其特殊的结构层次使它在众多领域特别是在光、电、磁、催化等方面具有非常重大的应用价值。近年来,纳米材料在化工生产领域也得到了一定的应用,并显示出它的独特魅力。

  关键词:纳米材料,化工,应用

  1前言

  纳米材料(又称超细微粒、超细粉未)由表面(界面)结构组元构成,是处在原子簇和宏观物体交界过渡区域的一种典型系统,粒径介于原子团簇与常规粉体之间,一般不超过100nm,而且界面组元中含有相当量的不饱和配位键、端键及悬键。其结构既不同于体块材料,也不同于单个的原子。其特殊的结构层次使它在众多领域特别是在光、电、磁、催化等方面具有非常重大的应用价值。近年来,纳米材料在化工生产领域也得到了一定的应用,并显示出它的独特魅力。

  2纳米材料特性

  2.1具有很强的表面活性

  纳米超微颗粒很高的“比表面积”决定了其表面具有很高的活性。免费论文参考网。在空气中,纳米金属颗粒会迅速氧化而燃烧。利用表面活性,金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂、贮气材料和低熔点材料。将纳米微粒用做催化剂,将使纳米材料大显身手。如超细硼粉、高铬酸铵粉可以作为炸药的有效催化剂;超细银粉可以成为乙烯氧化的催化剂;超细的镍粉、银粉的轻烧结效率,超细微颗粒的轻烧结体可以生成微孔过滤器,作为吸咐氢气等气体的储藏材料,还可作为陶瓷的着色剂,用于工艺品的美术图案中。免费论文参考网。

  2.2具有特殊的光学性质

  所有的金属在超微颗粒状态时都呈现为黑色。尺寸越小,颜色越黑,银白色的铂(白金)变成铂黑,金属铬变成铬黑。由此可见,金属超微颗粒对光的反射率很低,通常可低于l%,大约几微米厚度的膜就能起到完全消光的作用。利用这个特性可以制造高效率的光热、光电转换材料,以很高的效率将太阳能转变为热能、电能。另外还有可能应用于红外敏感元件、红外隐身材料等。

  2.3具有特殊的热学性质

  大尺寸的固态物质其熔点往往是固定的,超细微化的固态物质其熔点却显著降低,当颗粒小于10纳米量级时尤为突出。例如,金的常规熔点为1064℃,当其颗粒的尺寸减小到10纳米时,熔点会降低27℃,而减小到2纳米尺寸时的熔点仅为327℃左右;银的常规熔点为670℃,而超微银颗粒的熔点可低于100℃。因此,超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结,此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料,完全可采用塑料。采用超细银粉浆料,可使片基上的膜厚均匀,覆盖面积大,既省材料又提高质量。

  2.4具有特殊的磁学性质

  小尺寸磁性超微颗粒与大块磁性材料有显著不同,大块纯铁的磁矫顽力约为80安/米,而当颗粒尺寸减小到2×10-2微米以下时,其矫顽力可增加1000倍。若进一步减小其尺寸,大约小于6×10-3微米时,其矫顽力反而降低到零,呈现出超顺磁性。利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性,已制成高储存密度的磁记录磁粉,大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等;利用超顺磁性,人们已将磁性超微颗粒制成了用途广泛的磁流体。

  2.5具有特殊的力学性质

  因为纳米材料具有较大的界面,界面的原子排列是相当混乱的,原子在外力变形的条件下很容易迁移,因此表现出甚佳的韧性和一定的延展性,这样就使纳米陶瓷材料具有了新奇的力学性质。研究表明,人的牙齿之所以具有很高的强度,就是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的,这也足以说明大自然是纳米材料的成功制造者。纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3~5倍。金属——陶瓷复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质,其应用前景十分宽广。

  2.6宏观量子隧道效应

  由于电子既具有粒子性又具有波动性,因此它存在隧道效应。近年来,人们发现一些宏观物理量,如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应,称之为宏观的量子隧道效应。宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础,或者说它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限,当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。目前研制的量子共振隧道晶体管就是利用量子效应制成的新一代电子器件。

  3纳米材料在化工生中应用

  由于纳米材料的特殊结构和特殊性能,使纳米材料在化工生产中得到了广泛的应用,主要应用在以下几方面。

  3.1橡胶改性

  炭黑纳米粒子加入到橡胶中后可显著提高橡胶的强度、耐磨性、抗老化性,这一技术早已在橡胶工业中运用。

  纳米技术在制造彩色橡胶中也发挥了独特的作用,过去的橡胶制品一般为黑色(纳米级的炭黑较易得到)。若要制造彩色橡胶可选用白色纳米级的粒子(如白炭黑)作补强剂,使用纳米粒子级着色剂,此时橡胶制品的性能优异。

  3.2塑料改性

  3.2.1对塑料增韧作用

  纳米粒子添加到塑料中,对增加塑料韧性有较大的作用。用纳米级SiC/Si3N4粒子经钛酸酯处理后填充LDPE,当添加量为5%时冲击强度最大,缺口冲击强度为55.7kj/m2,是纯LDPE的2倍多;断裂伸长率到625 %时仍未断裂,为纯LDPE的5倍。用纳米级CaCO3,改性HDPE,当纳米级CaCO3含量为25%时,冲击强度达到最大值,最大冲击强度为纯HDPE的1.7倍,断裂伸长率在CaCO3含量为16%时最大,约为660%超过纯HDPE的值。

  3.2.2塑料功能化

  塑料在家用电器及日用品中的应用非常广泛,在塑料中添加具有抗菌性的纳米粒子,可使塑料具有抗菌性,且其抗菌性保持持久。现已应用此技术生产了抗菌冰箱,实际上就是在制造冰箱塑件时,使用的塑料原料中添加了某种纳米粒子,利用该纳米粒子的抗菌特性,使塑料具有抗菌杀菌的功能,国内某公司采用该项技术率先开发出无菌塑料餐具、无菌塑料扑克等产品,受到市场的欢迎。

  3.2.3通用塑料的工程化

  通用塑料具有产量大、应用广、价格低等特点,但其性能不如工程塑料,而工程塑料虽性能优越,但价格较高。在通用塑料中加入纳米粒子能使其达到工程塑料的性能,用纳米技术对通用聚丙烯进行改性,其性能达到了尼龙6的性能指标,而成本却降低1/3。

  3.3化学纤维改性

  近年来出现了各种新型的功能性化学纤维,其中不少是应用了纳米技术,如日本帝人公司将纳米ZnO和纳米SiO2混入化学纤维, 得到具有除臭及静化空气功能的化学纤维,这种化学纤维被广泛用于制造长期卧床病人和医院的消臭敷料、绷带、睡衣等;日本仓螺公司将纳米ZnO加入到聚酯纤维中,制得了防紫外线纤维, 该纤维除了具有防紫外线功能外,还具有抗菌、消毒、除臭的功能。

  3.4涂料改性

  在各类涂料中添加纳米材料,如纳米TiO2,可以制造出杀菌、防污、除臭、自洁的抗菌防污涂料,广泛应用于医院和家庭内墙涂饰。可制造出防紫外线涂料,应用于需要紫外线屏蔽的场所,例如涂在阳伞的布料上,制成防紫外线阳伞。还可以制造出吸波隐身涂料,用于隐形飞机、隐形军舰等国防工业领域及其他需要电磁波屏蔽场所的涂敷。在涂料中添加纳米SiO2,可使涂料的抗老化性能、光洁度及强度成倍提高,涂料的质量和档次大大升级,据称,纳米改性外墙涂料的耐洗刷性可由原来的1000多次提高到1万多次,老化时间延长2倍多。纳米ZnO 添加到汽车金属闪光面漆中,可制造出汽车专用变色漆。

  3.5在催化方面的应用

  催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用,它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低,而且其制备是凭经验进行,不仅造成生产原料的巨大浪费,使经济效益难以提高,而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多,为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒子作催化剂,可大大提高反应效率,控制反应速度,甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10~15倍。

  3.6在其它精细化工方面的应用

  纳米材料的优越性无疑也会给精细化工带来福音,并显示它的独特畦力。如在橡胶中加入纳米SiO 2 ,可以提高橡胶的抗紫外辐射和红外反射能力。免费论文参考网。国外已将纳米SiO 2 ,作为添加剂加入到密封胶和粘合剂中,使其密封性和粘合性都大为提高。在有机玻璃中加入Al 2 O 3 ,不仅不影响玻璃的透明度,而且还会提高玻璃的高温冲击韧性。一定粒度的锐钛矿型TiO 2 具有优良的紫外线屏蔽性能,而且质地细腻,无毒无臭,添加在化妆品中,可使化妆品的性能得到提高。纳米SiO 2 能够强烈吸收太阳光中的紫外线,产生很强的光化学活性,可以用光催化降解工业废水中的有机污染物,具有除净度高,无二次污染,适用性广泛等优点,在环保水处理中有着很好的应用前景。在环境科学领域还将出现功能独特的纳米膜。这种膜能探测到由化学和生物制剂造成的污染,并能对这些制剂进行过滤,从而消除污染。

  4结束语

  纳米科学是一门将基础科学和应用科学集于一体的新兴科学,主要包括纳米电子学、纳米材料学和纳米生物学等。21世纪将是纳米技术的时代,主要是依据纳米材料各种新颖的物理和化学特性,设计出各种新型的材料和器件。纳米材料将在新材料、能源、信息、精细化工等各个领域得到更加广泛的应用

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