第五章 三维纳米结构课件.ppt
,第五章 三维纳米结构,2022/12/22,2,三维纳米结构（3D nanostructure）是指由零维、一维、二维中的一种或多种基本结构单元组成的复合材料，其中包括：横向结构尺寸小于100 nm的物体；纳米微粒与常规材料的复合体；粗糙度小于100 nm的表面；纳米微粒与多孔介质的组装体系等。它包括：(1) 纳米玻璃(2) 纳米陶瓷(3) 纳米介孔材料(4) 纳米金属 (5) 纳米高分子,2022/12/22,3,5-1 纳米玻璃,一.定义： 纳米玻璃属于无机非晶质材料，它是指在透明玻璃连续相中周期排列着纳米尺寸的第二相(微粒子、分相、结晶或气孔)的玻璃材料。 玻璃的特点是透明、热或光化学稳定性好，并具有无定形结构能容纳不同晶格常数的纳米尺度量子点而产生较少界面缺陷，是比较理想的基体材料。纳米功能颗粒与玻璃相之间通过相的复合，可以获得具有一系列特殊性能的功能材料，根据玻璃中纳米粒子的粒度大小，纳米玻璃的研究内容分为3个研究层次。,2022/12/22,4,(1) 原子、分子级控制技术(1nm左右)：通过组成控制和引入结构缺陷等，控制局部配位场，发现新的光、电功能。(2) 超微粒子结构控制技术(1数10nm)：利用气相法、溶液法等加工技术和超短脉冲激光、超高压、附加高电压等外来能源，对微粒子、分相和结晶、气孔的周期排列进行控制，创造超高亮度发光体、环境激素分离元件、光集成元件等基础材料。,2022/12/22,5,(3) 高次结构控制技术(数10nm以上)：利用无机-有机复合析出各向异性的晶体和控制其界面状态等，进行高次异型结构、周期规则结构形成技术的研究，进一步研究可能用于太阳电池、运输机械、等的超轻质、高强度玻璃基板材料。,2022/12/22,6,二. 纳米玻璃的制备方法,1.熔融热处理法 熔融热处理法，也称共熔法，是将基础玻璃料与掺杂物混合（一般同时）引入还原剂，如Sb2O3、SnO2等，干燥后高温熔融，再冷却成型。 利用熔融热处理工艺可制备在硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐玻璃系统中掺杂纳米金属Au、Ag、Cu 或部分半导体材料的复合玻璃。 此法工艺简单，成本低廉，可制备大尺寸和各种形状的玻璃材料，但需要高温熔制，一般为1200-1500。熔融法制备时还必须注意热处理气氛。掺杂物的低溶解度和易挥发或氧化使得掺入质量分数（10-110-4）少，且不易控制，易出现杂相。,2022/12/22,7,2. 溶胶-凝胶法 溶胶-凝胶法（sol-gel）通常将半导体颗粒原料或金属盐直接引入溶胶制成干胶后进行热处理析出纳米颗粒。该工艺合成温度低，并能用气氛保护，能制备具有特殊组成的玻璃，适用于制备薄膜材料的样品。样品成分完全可以按照其原始配方和化学计量比较准确获得，并且具有高的纯度和良好的均匀型。优点：具有掺杂浓度高、粒径分布窄等优点缺点: 不易形成多组分玻璃，有时还会产生其他产物。,2022/12/22,8,3. 离子注入法 离子注入法是在玻璃表面进行离子注入，通过选择注入离子种类、剂量、能量、基质温度和后续热处理温度等参数来控制纳米颗粒在玻璃表面和近表面层析出。 离子注入法多用于金属离子注入，还可进行多种粒子连续注入或混合离子束注入，形成金属合金或核-壳体系混合团簇。 离子注入是一个非热平衡过程，可以将任何一种元素在各种温度下注入不同基础成分的玻璃中，能克服平衡态溶解,2022/12/22,9,度的限制，从而获得高的掺杂浓度，但离子注入易引起玻璃分相、新相生成等物理化学过程从而产生杂相。 离子注入法受温度影响较大，且额外的高辐射损伤会引起玻璃折射率的改变。此外，由于加速离子到基质的渗透不一致，会使玻璃表面或近表层析出的纳米金属颗粒有较宽的尺寸分布。,2022/12/22,10,4. 离子交换法 离子交换法（Ion Exchange Law）主要是通过低共熔盐的不同离子如Ag+ Cu+ 等替换玻璃基质表面层的一价碱金属离子（Li+ K+ Cs+ Na+等），再在还原气氛下退火使金属离子还原，通过热处理使金属原子聚集长大，纳米金属颗粒在玻璃与低共熔盐的界面及近表面层析出。 此法成本低，可大规模生产，能使颗粒分布均匀，并可提高掺入量，达几个百分比，被广泛用于硅酸盐玻璃掺杂Ag和Cu。,2022/12/22,11,5. 气相沉积法 气相沉积法（VaporDeposition）是通过热、激光、电子束照射含金属或半导体掺杂物的玻璃原料做成的靶材，是之在基板上沉积成掺杂金属或半导体纳米颗粒的玻璃薄膜。6. 辅助电场法 传统的热处理法可以制备各种形状、尺寸的微晶玻璃材料，应用相当广泛。但在含纳米晶玻璃制备过程中，由于热处理过程中的温度场波动，升降温过程中的热惯性等因素无法精确控制玻璃中纳米晶体的生长，使得含纳米晶玻璃材料的制备较为困难。,2022/12/22,12,静电场对玻璃的核化、相变同样具有相当的影响，同时由于对静电场强度，加载时间和加载范围的控制比对温度场的控制更为容易而精确，因而利用温度场和辅助电场相结合的手段，控制玻璃体中的成核，生长及相变，从而有效控制析出晶粒的尺寸。7. 光诱导热处理晶化法 该方法是先熔制出掺杂了功能金属离子的玻璃，通过光的作用（紫外光照射，X射线或超短脉冲激光辐射）使金属粒子还原，提供电子的源可为共掺的离子（Ce3+）或玻璃基体中活性侧位，然后再一定的温度下进行热处理，金属原子迁移聚集成纳米金属颗粒，并在激光聚焦照射的位置析出。,2022/12/22,13,三. 纳米玻璃的应用,纳米微粒具有独特的小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应、介电限域效应等,使纳米玻璃具有独特的性能，从而为其带来广泛的应用。1. 光学功能材料 近年来理论和实验的研究发现，纳米功能颗粒(金属和半导体)掺杂玻璃在吸收限附近的强光作用下有很大的光学非线性，且具有快的光响应速度等特性，在光计算、光通讯、光信息处理和电光效应的器件方面具有很重要的应用前景，是当前国际光学功能材料研究的热点之一。,2022/12/22,14,2. 不受温度影响的玻璃 通过调整玻璃组成并利用激光照射、附加超高压等技术，使玻璃中析出一种不破坏透明性的纳迷微晶体，从而获得一种性能与温度无关的原材料(即使当温度发生变化时,其尺寸和折射率也完全不发生变化的玻璃) 。3. 超高亮度发光玻璃 把发光超微粒子发光超微粒子以高浓度稳定地保持在玻璃中，就能得到用于显示装置和夜间照明的发光玻璃。如用反微胶囊法制备的直径为几十纳米的玻璃微粒中平均添加1 个半导体超微粒子，然后使该微微粒(微胶囊) 均匀地分散在玻璃连续相中并规则排列，可大幅度提高其发光效率。,2022/12/22,15,4. 高性能过滤器用玻璃 在通过激发而分相、晶化的玻璃中，如能形成周期性的、控制在几纳米以下的气孔，就能高效地除去环境激素等有害物质，制成纳米过滤器元件。5. 光开关用非线性玻璃 含有超微粒子的材料有显著的量子效应。例如，粒子在微米尺寸时几乎不表现的量子闭合效应，当进入纳米尺度时，即发生以红色着色的表面等离子体激元效应和在邻近场发生相互作用的界面效应。如果从周围附加光电场，其吸光度将变大，从而具有了光学非线性特性，可能作为超高速开关应用。,2022/12/22,16,6. 光波控制用玻璃 用超短脉冲激光聚光照射玻璃内部或表面，使玻璃的被照射区域在激光的诱导下发生折射率提高、结晶或分相。在玻璃表面或内部，形成大小为光波长的1/2 至1/4 左右、折射率与基质玻璃不同的周期结构，可制造能将光信号进行导波、分波的微小设备。7. 超高强度玻璃 玻璃的强度由其表面的裂纹数量及其大小等决定，因此，如果研究一种使裂纹难以生成的表面处理技术，玻璃的强度和可靠性会大幅度提高。,2022/12/22,17,通过改变组成提高玻璃整体的强度，在此基础上再加上在玻璃表面附近透明的分相与结晶化，以及在表面利用有机-无机复合的表面涂层技术，防止裂纹的产生和发展，可能开发出更薄、更高强度的玻璃材料。若通过在玻璃基板的表层形成纳米尺度的异质层，可实现基板的高强度化和超平坦化的话，就可能获得高速运转、高速读取的大容量光盘。,2022/12/22,18,此外，纳米玻璃已广泛应用于MP3 作镜面、高楼大厦的装饰玻璃、汽车的挡风镜等等。利用纳米玻璃的自洁和杀菌作用，还可开辟玻璃在医疗卫生、餐饮等领域的新用途。由于纳米玻璃具有高的非线性系数和超快非线性响应等特点，在全光调制的光波导、光开关、光存储、光双稳、平面微透镜、光限幅器和激光微腔等许多新型器件方面也将具有诱人的应用前景。,2022/12/22,19,5-2 纳米陶瓷,定义： 指陶瓷材料的显微结构中晶粒、晶界以及它们之间的结合都处于纳米量级水平，包括晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔与缺陷尺寸等都是纳米级。,一. 纳米陶瓷的制备,纳米陶瓷的制备过程与传统陶瓷基本相同，主要包括：纳米粉体制备、素坯的成型和纳米陶瓷烧结三个阶段。,2022/12/22,20,随着陶瓷粉体的超细化，其表面电子结构和晶体结构发生变化，产生了微米级以上尺度材料所不具有的重要作用：（1）纳米粉体具有极小的粒径、大的比表面积和高的化学活性，可以降低材料的烧结致密化程度，节约能源（2）使材料的组成结构致密化、均匀化，改善陶瓷材料的性能，提高其使用可靠性（3）可以从纳米材料的结构层次（1-100 nm）上控制材料的成分和结构，有利于充分发挥陶瓷材料的潜在性能，而使定向设计纳米材料的组织结构和性能成为可能。,2022/12/22,21,1. 粉体制备 纳米陶瓷粉体是指介于固体与分子之间的具有纳米尺寸（1-100 nm）的亚稳态中间物质。纳米陶瓷粉体难以用传统的机械方法制得，其制备方法主要有沉淀法、溶胶-凝胶法、高能球磨法、微波、等离子体法等。2.素坯成型 是将粉末转变成具有一定形状、体积和强度的坯体的过程,素坯的相对密度和显微结构的均匀性对陶瓷在烧结过 程中的致密化有极大的影响。,2022/12/22,22,3. 烧结 是指素坯在高温下的致密化过程。随着温度的上升和时间的延长，固体颗粒相互键联，晶体长大，孔隙和晶界减趋减小，通过物质的传递，其总体积收缩，密度增加，最后成为坚硬的具有某种显微结构的多晶烧结体。,2022/12/22,23,二. 纳米陶瓷的性能,1、高强度 陶瓷的性能取决于其微观组织结构，其中晶粒尺寸和气孔率是两个主要的因素，陶瓷强度随气孔率的增加成指数级下降，同时，强度与晶粒尺寸的平方根成反比，纳米陶瓷中晶粒尺寸与气孔尺寸都是纳米级，因而具有较高的强度和韧性，一般比普通陶瓷搞出3-5倍。如在 100度下，纳米TiO2陶瓷的显微硬度为13000 KN/mm2，而普通TiO2陶瓷的显微硬度低于2000 KN/mm2。,2022/12/22,24,2. 增韧性 传统的陶瓷通常表现出很强的脆性，纳米陶瓷由于其晶粒尺寸小、晶面大，晶面原子排列混乱，纳米晶粒易在其它晶粒上运动，使纳米陶瓷在受力时易于变形而表现出一定的韧性。如室温下的纳米TiO2陶瓷表现出很高的韧性，压缩至原长度的 1/4仍不破碎。,2022/12/22,25,3、超塑性 超塑性是指在拉伸试验中，在一定的应变速率下，材料产生较大的拉伸形变。陶瓷的超塑性是由扩散蠕变引起的晶格滑移所致，普通陶瓷只有在很高的温度下才表现出明显的扩散蠕变，而纳米陶瓷的扩散系数提高了3个数量级，晶粒尺寸下降了3个数量级，因而其扩散蠕变速率较高。,2022/12/22,26,4. 烧结特性 纳米材料具有大量的界面，这些界面为原子提供了短程扩散途径及较高的扩散速率，并使得材料的烧结驱动力也随之剧增，这大大加速了整个烧结过程，使得烧结温度大幅度降低，烧结速率大幅度提高。 纳米陶瓷材料的烧结温度比传统陶瓷材料约低600，烧结过程也大大缩短。12 nm的TiO2粉体，不加任何烧结助剂，可以在低于常规烧结温度 400-600下进行烧结，同时陶瓷的致密化速率也迅速提高。,2022/12/22,27,三. 纳米陶瓷的应用,纳米陶瓷在建筑行业、电子陶瓷领域、抗菌（杀菌）方面、生物领域、军事领域、精密设备领域、环境领域都有广泛的应用。 纳米陶瓷可作为电子陶瓷应用于基板、感测器、电容器和热敏电阻等。如 纳米Y2O3和ZrO2在较低温度烧结的陶瓷具有很高的韧性和强度，可用于轴承和刀具等耐磨器件；用纳米Nd2O3 和Sm2O3等制作的多层电容和微波器件，性能都得到了很大提高。,2022/12/22,28,由于具有超高纯度、好的热导性和长久的耐干扰性能，纳米陶瓷可使微处理器集成文化程度更高、运行速度更快，可作为下一代电脑芯片。,生物功能陶瓷是具有某些特殊生理行为的陶瓷，具有生物降解性和生物相容型，如人造牙齿、人造骨等。 纳米陶瓷材料硅酸铝钇（YAS）就可以用于癌症治疗，初步临床表面，这种材料治疗可以大大延长病人寿命。采用纳米颗粒进行复合制备的磷酸钙骨水泥，与机体亲和性好，无异物反应，并且材料具有可降解性，能被新生骨逐步吸收。,2022/12/22,29,纳米功能防弹陶瓷以其优异的防弹性能、较轻的质量及相对便宜的价格已成为使用最为广泛的防弹材料。纳米陶瓷的红外发射率可达0.3-0.95范围，根据需要可广范围调节，且对高频电磁波的吸波率和透波特性也可广范围调节，已广泛应用于军工攻防武器装置和重要军事设施,2022/12/22,30,纳米复合功能建筑卫生陶瓷的开发，将使功能性建筑卫生陶瓷得到发展，例如荧光墙地砖、氧敏变色和具有保洁、抗菌功能特性的墙地砖。研究表明：纳米抗菌粉体的抗菌效果更强，抗菌率可达99.9因此它在保持陶瓷制品原有使用功能和装饰效果的同时能增加消毒杀菌及化学降解的功能。,2022/12/22,31,5-3 纳米介孔材料,1992年美国Mobile公司的科学家们首次运用表面活性剂作为模板合成出介孔二氧化硅，命名为MCM41。这是继微孔沸石分子筛之后的又一类分子筛材料。,2022/12/22,32,一. 分类及结构特征1. 分类 介孔材料按照化学组成分类，可分为硅基和非硅基组成介孔材料两大类，后者主要包括过渡金属氧化物、磷酸盐和硫化物等，由于它们一般存在可变价态，有可能为介孔材料开辟新的应用领域，展示出硅基介孔材料所不能及的应用前景。但非硅组成的介孔材料热稳定性较差，经过煅烧，孔结构容易坍塌，且比表面积、孔容均较小，合成机制还欠完善，不及硅基介孔材料研究活跃。,2022/12/22,33,介孔材料按照介孔是否有序分类，可分为无序介孔材料和有序介孔材料。 其中有序介孔材料是20世纪90年代初迅速兴起的一类新型纳米结构材料，它利用有机分子表面活性剂作为模板剂，与无机源进行界面反应，以某种协同或自组装方式形成由无机离子聚集体包裹的规则有序的胶束组装体，通过煅烧或萃取方式去除有机物质后，保留无机骨架，从而形成多孔的纳米结构材料。,2022/12/22,34,2. 结构特点 按照国际纯粹与应用化学协会（IUPAC）的定义，孔径大于50nm的孔称为大孔，小于2nm的孔称为微孔，孔径为250nm的多孔材料称为介孔（中孔）材料。介孔材料具有以下特点：(1) 长程结构有序(2) 孔径分布窄并可在1.510nm之间系统调变(3) 比表面积大，可高达1000m2/g(4) 孔隙率高(5) 表面富含不饱和基团,2022/12/22,35,介孔材料具有蜂窝状的孔道，其孔道是有序排列的，包括层状、六方对称排列和立方对称排列等，可以让一些有机大分子、生物高分子通过，可以“筛选”沸石分子筛不能筛的大分子。,二. 介孔材料的合成,1. 软模板法 软模板法主要是指以表面活性剂或两亲高分子为模板剂，在溶液中利用有机相和无机物种之间的界面组装作用力，通过纳米自组装技术来合成有序的介孔材料。其合成机理主要是液晶模板机理和协同机理，适用于硅基和非硅基介孔材料。,2022/12/22,36,液晶模板机理模型示意图,在此模型中,具有双亲水基团的表面活性剂,在水中达到一定浓度时形成棒状胶束并规则排列成所谓“液晶”结构,其憎水基向里,带电的亲水基头部伸向水中。当硅源物质加入时,通过静电作用,硅酸根离子可以和表面活性剂离子结合,并附着在有机表面活性剂胶束的表面,在有机圆柱体的表面形成无机墙,两者在溶液中同时沉淀下来,产物经水洗、干燥、煅烧,除去有机物质,只留下骨架状规则排列的硅酸盐网络,从而形成MCM - 41 (六方晶相) 介孔材料。,2022/12/22,37,软模板合成路线的核心过程是溶胶-凝胶，根据合成条件的不同，软模板合成路线又分为水热合成、室温合成和微波合成。,微波辐射加热不同于传统的加热方式，它是在电磁场作用下，通过偶极子极化使体系中的极性分子急剧扭转、摩擦产生热量来实现，具有内外加热、升温速度快、高效节能、环保卫生等优点。利用全微波辐射法合成MCM-41介孔分子筛，整个过程用时不到5 h。和水热法相比，合成时间大大缩短，同时利用微波技术，高效节能，操作便利，环境污染少。,2022/12/22,38,2.纳米晶粒组装法 纳米晶粒组装法其合成机理同经典的软模板法合成介孔材料非常类似，不同之处在于软模板法一般是由无机前驱体离子在模板剂上的自组装，而纳米晶粒组装法是由经表面修饰后的成型纳米晶粒在模板剂上的自组装。 这种方法适用于介孔金属、金属氧化物和金属硫化物的合成。首先合成金属氧化物的纳米晶粒，再用修饰剂对其表面进行修饰，然后在表面活性剂的协同作用下组装成具有介孔结构的复合材料，最后通过煅烧除去模板剂，得到介孔材料或介孔复合体系。,2022/12/22,39,3. 硬模板法 软模板法对非硅基体系的合成存在一定的局限性，特别是对过渡金属氧化物，由于其水解速率难以达到控制以及变价离子的存在，使得用软模板合成有序介孔金属氧化物及其复合物有很大难度。 针对上述情况，出现了另一种合成介孔材料的可取方法，就是利用有序的介孔材料作为硬模板，通过纳米复制技术得到其反介孔结构。硬模板法的主要过程是利用预成型的有序介孔固体的空穴，内浸渍所要求的无机盐前驱物，随即在一定的温度下矿化前驱物使其转变为目标成分，最后除去原固体模板得到了所要求组分的反介孔结构材料。,2022/12/22,40,三. 介孔材料的应用,1. 在化工领域的应用催化剂。 有序介孔材料具有较大的比表面积,相对大的孔径以及规整的孔道结构以处理较大的分子或基团,是很好的择形催化剂。特别是在催化有大体积分子参加的反应中,有序介孔材料显示优于沸石分子筛的催化活性。(2) 良好的载体。 过渡金属的配合物对一些特定的有机反应具有很好的催化氧化的作用,为了将其固载化,人们曾试图将其负载于沸石分子筛上,然而受后者孔道直径的限制,这些固载化的配合物并没有很好的发挥其应有的催化活性。但是，有序介孔材料的出现为人们寻求更加适宜的载体带来了希望。,2022/12/22,41,(3) 化学分离 介孔材料MCM-41 被应用于毛细管气相色谱柱,可以很好的分离碳氢化合物苯、甲苯、乙苯、正丙苯,而所用的柱长(1 m) 比常规的柱子(25 - 30 m) 短的多。(4) 良好的基质。 有序介孔材料由于孔径尺寸大，还可应用于高分子合成领域，特别是聚合反应的纳米反应器。,2022/12/22,42,2 在生物医药领域的应用,(1) 酶、蛋白质等的固定和分离 生物医药领域一般生物大分子如蛋白质、酶、核酸等,当它的分子量在1100 万之间时尺寸小于10 nm ,而相对分子质量在1000 万左右的病毒其尺寸在30 nm 左右。有序介孔材料的孔径可在250 nm范围内连续可调节和无生理毒性的特点使其非常适用于酶、蛋白质等的固定和分离,2022/12/22,43,(2) 细胞/ DNA 的分离。(3) 缓释药物,3 在环境保护领域的应用 (1) 气体吸附剂 (2) 水质净化 目前生活用水广泛应用的氯消毒工艺,虽然杀死了各种病菌,但又产生了三氯甲烷、四氯化碳、氯乙酸等一系列有毒有机物,其严重的“三致”效应(致癌、致畸形、致突变) 已引起了国际科学界和医学界的普遍关注。通过在有序介孔材料的孔道内壁上接枝氯丙基三乙氧硅烷,得到功能化的介孔材料CPS - HMS ,该功能性介孔分子筛去除水中微量的三氯甲烷等效果显著, 去除率高达97 %。,2022/12/22,44,5-4 纳米金属,纳米金属是利用纳米技术制造的金属材料，具有纳米级尺寸的组织结构，在其组织中也包含着纳米颗粒杂质。在金属材料生产中利用纳米技术，有可能将材料成分和组织控制得极其精密和细小，从而使金属的力学性能和功能特性得到飞跃的提高。,一. 纳米晶化技术,1. GP和团簇化,这是利用过饱和固溶体（Solid Solution）析出现象的一种控制纳米组织的方法，对于没有晶格形态变化的铁一类金属，人们很早就用这种方法提高材料的强度，还利用,2022/12/22,45,这种方法制造飞机用的铝合金材料硬铝。,2. 晶粒微细化 在组织结构中，晶粒的大小对强度影响最大，利用相变使晶粒微细化的现象，可以把晶粒大小控制到微米量级。通过晶粒微细化，不仅能够提高材料的强度，而且还能够增加材料的延展性。例如，500MPa号得钢材，当晶粒被微细化到1m左右时，其0.2%屈服强度即提高到700MPa，而且有延展性变为脆性的转变温度也下降至液氮温度以下。,2022/12/22,46,3. 冷加工技术 使晶粒微细化的一种最简便的方法，就是进行冷加工。,4. 吸氢技术 利用吸收氢的技术是把材料置放在氢气气氛中于高温下保持一段时间，然后再经热处理出去材料中所含的氢，由于化合物在与氢发生反应的过程中，其内部组织得到微细化，最后制成的就是性能非常好的粘结在一起的磁粉。,5. 利用非晶相的技术,2022/12/22,47,二. 纳米金属材料的应用,1. 非晶态轻合金 1990年，人们成功制成一种高强度的铝合金，其屈服强度达到1600 MPa. 该合金的非晶相中均匀分布着10-20直径为5-10nm 的Al微粒，正是这些纳米粒子使合金具有非常高的强度。2. 纳米结晶软磁合金 非晶软磁合金的主要成分是Fe-Si-B合金，其中添加少量的Nb和Cu。把原材料加热，使之产生结晶，结果便得到由无数纳米大小的Fe微粒结合在一起的凝聚组织，其饱和磁化强度达到1.2-1.4T，而磁导率达到数十万。这样，由纳米结晶化而产生软磁性。,2022/12/22,48,3. 超塑性加工材料 纳米金属材料与微晶金属材料相比，其形变速度提高了2-3个数量级，因而有望实现高速塑性加工。,5-5 纳米高分子,纳米高分子（Nano-polymer），全称纳米结构的自组装高分子，包括小分子间通过非共价键形成的高分子以及高分子间通过非共价键形成的高分子聚集体。 纳米高分子不仅有链状聚合物，还有梳状聚合物，星状聚合物，树枝状聚合物。,2022/12/22,49,1.螺旋结构高分子 在主链没有不对称碳的聚合物中引入有光学活性侧链的聚异氰酸盐或者聚异氰化物等手征型高分子，它们虽然没有氢键那样的支持键，却能够在溶液中保持稳定的螺旋结构。不仅如此，还可以把这种螺旋结构进一步凝聚，构建出超螺旋的或者棒状的纳米结构。2. 嵌段共聚物 在嵌段共聚物中，大部分自组装利用的是不同嵌段的亲疏水效应，将两条不相容的分子链通过共价键连接起来，这样既阻止了链段完全分离，同时又实现了相分离，可以获得分子链段周期性有序的片状、圆柱状和球状等相。,2022/12/22,50,3. 树枝状高分子树枝状高分子是单分散性的大分子，这种分子有规则地高度支化成三维分子构架，是从一点出发伸展开的结构。,二. 纳米高分子的应用,将高分散性纳米粉体或者纳米纤维与有机物充分分散、混合，就能够达到纳米分体对有机物的改性作用。常用的纳米粉体材料有：氧化硅、氧化锌、碳酸钙、氧化钛等可被填充的材料有：橡胶、纤维、塑料,2022/12/22,51,1. 纳米橡胶 纳米颗粒与橡胶的复合能增强橡胶的力学性能，提高橡胶的拉伸强度，加强橡胶的硬度。微观上，纳米微粒在橡胶基体中起着交联点的作用，增强橡胶链段的拉伸性，及时将外界应力传递到整个交联网络，削弱甚至消除外界应力。 选用纳米级SiOx基功能粉末代替炭黑作为橡胶的补强剂和抗老化剂，制成纳米材料，虽然价格低廉但在使用性能上优于高档的三元乙丙橡胶。,2022/12/22,52,2. 纳米塑料 大部分的纳米塑料是在塑料中加入无机纳米粒子形成复合材料。常用的纳米无机填料主要有纳米SiO2和纳米CaCO3，其硬度分别为7和9. 纳米SiO2对塑料不仅能起补强作用，而且还有一些新的特性。利用它粒度小的特性，可使塑料变得更加致密，是塑料薄膜的透明度、强度和韧性等大大提高。 聚氯乙烯塑料中添加少量纳米SiO2，生产出来的塑钢门窗其硬度，抗老化性能均大幅度提高，表面粗糙度下降。,2022/12/22,53,纳米抗菌塑料是近年来应用最多的纳米塑料，特别是家电产品上。纳米抗菌塑料主要是在塑料中或表面加入纳米抗菌剂，例如，二氧化钛、氧化锌和沸石等制得纳米抗菌塑料。例如，用于冰箱，洗衣机，卫生洁具等。,3.纳米涂料 将纳米粉体用于涂料中得到一类具有抗辐射、耐老化或具有某些特殊功能的涂料。,2022/12/22,54,(1) 抗菌防污涂料 纳米TiO2具有很高的光催化性能，是一种光催化半导体抗菌杀菌剂。纳米ZnO也是一种高效杀菌剂。将一定量的纳米ZnO/AgNO3等加入到25磷酸盐溶液中，经混合、干燥、粉碎等处理后，制成涂料用于电话机等公共用具上，有很好的抗菌性能。医院的场所涂刷抗菌防污涂料，在光的照射下，就可以在较短的时间内将病菌杀灭。,2022/12/22,55,(2) 抗静电涂料 家用电器或其他电器都会产生静电，需要静电屏蔽，否则电器的部分功能会受到外部静电干扰。一般的电器外壳都是用树脂加炭黑的涂料喷涂而形成的光滑表面，炭黑有导电作用，因而表面涂层就有静电屏蔽作用，但这种涂料颜色单调。 为了改善静电屏蔽涂料的性能，将Fe2O3、TiO2、Cr2O3、ZnO等纳米微粒用于上述涂料代替炭黑，就有良好的静电屏蔽特性，同时可以改变涂料的颜色。,
