创新思维实践 材料化学专业创新思维实践总结报告题目： 纳米氧化锌改性硅橡胶复合材料的制备及性能研究 学生姓名： 李周富 学生学号： 10023123 指导教师： 周 丹 2013年1月 - 14 -目 录1 引言.21.1 前言.21.2纳米氧化锌.41.2.1纳米氧化锌的形态和性质4 1.2.2 纳米氧化锌的制备. 51.2.3 纳米氧化锌的改性51.3 纳米复合材料61.3.1 纳米复合材料的种类.61.3.2纳米复合材料的应用.71.4 纳米氧化锌改性硅橡胶复合材料的发展前景92实验部分92.1 实验主要试剂与仪器92.1.1 实验主要试剂.92.1.2 实验主要仪器.92.2实验合成路线.9参考文献10致谢.111 引言1.1 前言纳米级结构材料简称为纳米材料，广义上是指三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围超精细颗粒材料的总称。根据2011年10月18日欧盟委员会通过的定义，纳米材料是一种由基本颗粒组成的粉状或团块状天然或人工材料，这一基本颗粒的一个或多个三维尺寸在1纳米至100纳米之间，并且这一基本颗粒的总数量在整个材料的所有颗粒总数中占50以上。指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。表现为直径减少，表面原子数量增多。超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。如要防止自燃，可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率，使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层，确保表面稳定化。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。 当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出“新奇”的现象。随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下性质： 1、特殊的光学性质所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，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，大约几微米的厚度就能完全消光。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、红外隐身技术等。2、特殊的热学性质固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。超微颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引力。 3、特殊的磁学性质在研究纳米材料过程中科学家发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。小尺寸的磁性超微颗粒与大块材料显著不同。大块的纯铁矫顽力约为 80安米，而当颗粒尺寸减小到 210-2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 610-3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，已作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用途广泛的磁性液体。4、特殊的力学性质美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬35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。 超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性性能、声学特性以及化学性能等方面。纳米技术基础理论研究和新材料开发等应用研究都得到了快速的发展，并且在传统材料、医疗器材、电子设备、涂料等行业得到了广泛的应用。在产业化发展方面，除了纳米粉体材料在美国、日本、中国等少数几个国家初步实现规模生产外，纳米生物材料、纳米电子器件材料、纳米医疗诊断材料等产品仍处于开发研制阶段。北京塑料加工厂预计，2010年全球纳米新材料市场规模达22.3亿美元，年增长率为14.8。今后几年，随着各国对纳米技术应用研究投入的加大，纳米新材料产业化进程将大大加快，市场规模将有放量增长。纳米粉体材料中的纳米碳酸钙、纳米氧化锌、纳米氧化硅等几个产品已形成一定的市场规模；纳米粉体应用广泛的纳米陶瓷材料、纳米纺织材料、纳米改性涂料等材料也已开发成功，并初步实现了产业化生产，纳米粉体颗粒在医疗诊断制剂、微电子领域的应用正加紧由实验研究成果向产品产业化生产方向转移。北京科瑞玛辛科技发展有限公司 专业生产销售各种型号注塑机螺杆机筒（双合金螺杆 高速螺杆 无卤螺杆 全硬螺杆 橡胶螺杆）高品质，低价位。比同类产品使用寿命提高15%20%所以在今后几年纳米材料的一定会飞速发展起来的。 纳米ZnO是一种多功能材料，用途广泛1。与普通大颗粒的ZnO比较，纳米ZnO微粒（0.1nm100nm）因其具有表面效应、小尺寸效应和量子效应，几年来发现其在催化、光学、磁性、力学等方面展现出许多特异功能，使其在陶瓷、化工、电子、光学、生物、医学药等许多领域有重要的应用价值2,3。现在国内外对纳米ZnO的研究已经成为了一大热点。而且现在有很多种不同的方法来制得纳米氧化锌。而且都取得了一定的研究成果，纳米氧化锌的研究前景也很广泛。12 纳米氧化锌 1.2.1 纳米氧化锌的形态及性质 1形态 纳米氧化锌是一种多功能性的新型无机材料大小约在1100纳米。由于晶粒的细微化，其表面电子结构和晶体结构发生变化，产生了宏观物体所不具有的表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观隧道效应以及高透明度、高分散性等特点。近年来发现它在催化、光学、磁学、力学等方面展现出许多特殊功能，使其在陶瓷、化工、电子、光学、生物、医药等许多领域有重要的应用价值，具有普通氧化锌所无法比较的特殊性和用途。纳米氧化锌在纺织领域可用于紫外光遮蔽材料、抗菌剂、荧光材料、光催化材料等。由于纳米氧化锌一系列的优异性和十分诱人的应用前景，因此研发纳米氧化锌已成为许多科技人员关注的焦点。纳米氧化锌金属氧化物粉末如氧化锌、二氧化钛、二氧化硅、三氧化二铝及氧化镁等，将这些粉末制成纳米级时，由于微粒之尺寸与光波相当或更小时，由于尺寸效应导致使导带及价带的间隔增加，故光吸收显著增强。各种粉末对光线的遮蔽及反射效率有不同的差异。以氧化锌及二氧化钛比较时，波长小于350纳米（UVB）时，两者遮蔽效率相近，但是在350400nm（UVA）时，氧化锌的遮蔽效率明显高于二氧化钛。同时氧化锌（n=1.9）的折射率小于二氧化钛（n=2.6），对光的漫反射率较低，使得纤维透明度较高且利于纺织品染整。纳米氧化锌还可用来制造远红外线反射纤维的材料，俗称远红外陶瓷粉。而这种远红外线反射功能纤维是通过吸收人体发射出的热量，并且再向人体辐射一定波长范围的远红外线，除了可使人体皮下组织中血液流量增加，促进血液循环外，还可遮蔽红外线，减少热量损失，故此纤维较一般纤维蓄热保温。 2性质 氧化锌是一种半导体催化剂的电子结构，在光照射下，当一个具有一定能量的光子或者具有超过这个半导体带隙能量Eg的光子射入半导体时，一个电子从价带NB激发到导带CB，而留下了一个空穴。激发态的导带电子和价带空穴能够重新结合消除输入的能量和热，电子在材料的表面态被捕捉，价态电子跃迁到导带，价带的空穴把周围环境中的羟基电子抢夺过来使羟基变成自由基，作为强氧化剂而完成对有机物（或含氯）的降解，将病菌和病毒杀死。 1.2.2 纳米氧化锌的制备纳米ZnO的制备的方法有很多，归结起来有三大类：固相法、液相法、气相法1。目前有以下几种方法做的比较好：沉淀法4，喷雾热解法5，超声辐射沉淀法6，水热法7，氧化热爆分解法8，微乳液法9。而本实验采用的是溶胶凝胶法制备纳米氧化锌。溶胶凝胶法制备纳米ZnO由于反应温度低，反应过程易于控制，制品的均匀度、纯度高，化学计量准确，易于改性，参杂的范围宽，有利于工业化大生产等诸多有点，从而得到广泛的应用。1.2.3纳米氧化锌的改性 表面改性是指用物理和化学的方法对粒子表面进行处理，有目的的改变粒子表面的物理化学性质。对无机粒子而言，通常采用加强无机和有机两相间的物理、化学作用，如范德华力、氢键、化学键、离子键等10。进而改善两相物质界面的亲和性。一般来说，纳米粒子改性的方法有表面物理改性修饰法、表面化学修饰法以及其他一些表面改性技术如高能表面改性、机械化学法等。 由于纳米氧化锌具有比表面积大和比表面能大等特点，自身易团聚；另一方面，纳米氧化锌表面极性较强，在有机介质中不易均匀分散，这就极大地限制了其纳米效应的发挥。因此对纳米氧化锌粉体进行分散和表面改性成为纳米材料在基体中应用前必要的处理手段。纳米氧化锌比表面积研究和相关数据报告中，只有采用BET方法检测出来的结果才是真实可靠的，因为国内外制定出来的比表面积测定标准都是以BET测试方法为基础的,请参考(GB.T 19587-2004)-气体吸附BET原理测定固态物质比表面积的方法。比表面积测试有专用的比表面积测试仪，国内比较成熟的是动态氮吸附法。所谓纳米分散是指采用各种原理、方法和手段在特定的液体介质（如水）中，将干燥纳米粒子构成的各种形态的团聚体还原成一次粒子并使其稳定、均匀分布于介质中的技术。纳米粉体的表面改性则是在纳米分散技