聚合物基复合材料-5章课件.ppt

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1、聚合物基复合材料第五章第五章聚合物基纳米复合材料5.1概述1.纳米与纳米科技1nm=10-9m纳米体系尺寸:1-100nm，处于团簇和亚微米体系之间。纳米微粒使其典型代表。表现出不同与宏观粒子的特性。具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。纳米科技：研究尺寸在1-100nm之间的物质组成体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。1990年，正式提出纳米科技概念，目前是国际科技的一大研究热点。2.纳米复合材料（nanocomposites）纳米粒子具有大的比表面积、表面原子数、表面能和表面张力随粒径下降急剧上升，使其与基体有强烈的界面作用，性能显著

2、优于相同组分常规复合材料的物理机械性能，并赋予材料一些特殊的功能。金属/金属非聚合物纳米复合材料金属/陶瓷纳米复合材料陶瓷/陶瓷有机/无机聚合物纳米复合材料聚合物/聚合物这种复合不是简单的复合，而是两相在纳米尺寸范围内的复合。分散相无机纳米粒子聚合物基无机纳米复合材料（广泛存在于自然界生物体中）连续相聚合物分散相刚性棒状分子等聚合物/聚合物纳米复合材料连续相热固性、热塑性聚合物复合材料的构成形式：0-0复合：不同成分、不同相、或不同种类的纳米微粒复合而成的纳米固体或液体。（在一维方向排列称纳米线、在二维方向排列称纳米薄膜、在三维方向排列称纳米块体材料。）0-1复合：纳米微粒分散到一维的纳

3、米线或纳米棒中。0-2复合：纳米微粒分散到二维的纳米薄膜中。（均匀弥散或非均匀弥散）。0-3复合：纳米微粒分散到常规的固体粉体中。填充型就主要采用该0-3复合。1-3复合：纳米碳管、纳米晶须与常规聚合物粉体复合。2-3复合：无机纳米片体与聚合物粉体或聚合物前躯体复合。5.2聚合物基纳米复合材料定义：分散相的大小为纳米级（1-100nm）的超微细分散体系与聚合物基体复合所得到的材料。由于纳米粒子的复合，可改善聚合物基体的物理机械性能、热稳定性、气体阻隔性、阻燃性、导电性和光学性能等，并造成其在声、光、电、热、磁、介电等功能领域与常规复合材料不同。如聚合物基体本身具有功能效应时，纳米粒子与之

4、耦合有可能产生新的性能，具有广阔的应用前景。优势：使用原有的材料，通过调节复合物中的分散状态，就可有新的性能。5.3纳米颗粒的制备方法①液相法溶胶-凝胶法、乳液法和化学气相沉积法（CVD法）②固相干法研磨法、烧结法、气流撞击法③气相法激光气相沉积④其他特殊方法重力分选法1.溶胶-凝胶法（Sol-Gel法）制备无机材料的新工艺金属醇盐或无机盐溶胶凝胶无机材料即：溶胶的制备，溶胶-凝胶转变，凝胶干燥水解凝胶化干燥、烧结优点：条件温和，可以在早期控制材料的表面和界面。分散相飞化学成分、结构。尺寸、分布、表面特性等均可控制。缺点：凝胶干燥过程中，材料收缩，前躯体价格贵。2.复合醇盐法基本原理也是

5、溶胶-凝胶原理。但为了得到纯粹的纳米颗粒，需对两种前躯体的加入比率及水解速度预先进行比较。如制备BaTiO3纳米颗粒第一步制备Ba的醇盐，第二步制备Ti的醇盐，第三步两种醇盐复合使Ba：Ti（摩尔比）=1:1，加水分解，得微晶BaTiO3沉淀。3.微乳液法溶胶-凝胶方法的一种延伸，纳米溶胶体系中，加入了表面活性剂，表面活性剂将纳米颗粒表面包覆，形成核-壳胶束。优点:纳米粒子粒径小、分布窄及比表面积大。要求有匹配的微乳液体系：包括纳米前躯体、表面活性剂和助表面活性剂。通过控制水/表面活性剂的相对比例，体系的pH值等，达到控制颗粒粒径大小的目的。经过洗涤、干燥、后处理之后，得到“假团聚”的微

6、米级粒子，实际结构却是纳米级的。4.沉积法与等离子体法沉积法：化学气相沉积（CVD）物理气相沉积（PVD）在惰性气氛中，将金属纳米粉如Fe、Co、Ni等直接沉积在载体（聚合物或无机物）上，制备高效催化剂。纳米金属微粒金属-有机聚合物复合膜(金属气化沉积在聚合物衬底上)蒸发沉积、溅射沉积激光沉积5.分子及离子插层方法膨润土、凹凸棒土、海泡石等其结构本身具有纳米尺度的层状结构。利用分子插层或离子插层等方法，可以将这些片层结构加以剥离，得到纳米结构材料前躯体。插层复合法：层状无机物作主体，有机物做客体，插入主体层间。按有机聚合物插入无机物层间的方式可分为插层聚合单体插层后聚合不易找到合适的溶液

7、插层溶液插层使分子有序排列单体和溶液熔融插层工艺简单，易于功能化该法较Sol-gel法简单，材料热稳定性及尺寸稳定性好，原料来源丰富、价格便宜。5.4聚合物基纳米复合材料的制备方法1.溶胶-凝胶法（分步IPN）根据聚合物及其与无机物组分的相互作用分类：①直接将可溶性聚合物嵌入无机网络前躯体前驱物水解缩合半互穿网络（线性聚合物贯穿在无机物网络中，可溶聚合物有PVA、PVAc、PMMA等）溶解在预形成的聚合物溶液中H+orOH-or盐②