納米材料的特性及其在化工生產(chǎn)中的應用

納米材料的特性及其在化工生產(chǎn)中的應用

論文導讀：納米材料（又稱超細微粒、超細粉未）由表面（界面）結構組元構成，是處在原子簇和宏觀物體交界過渡區(qū)域的一種典型系統(tǒng)，粒徑介于原子團簇與常規(guī)粉體之間，一般不超過100nm，而且界面組元中含有相當量的不飽和配位鍵、端鍵及懸鍵。其特殊的結構層次使它在眾多領域特別是在光、電、磁、催化等方面具有非常重大的應用價值。近年來，納米材料在化工生產(chǎn)領域也得到了一定的應用，并顯示出它的獨特魅力。

關鍵詞：納米材料,化工,應用

1前言

納米材料（又稱超細微粒、超細粉未）由表面（界面）結構組元構成，是處在原子簇和宏觀物體交界過渡區(qū)域的一種典型系統(tǒng)，粒徑介于原子團簇與常規(guī)粉體之間，一般不超過100nm，而且界面組元中含有相當量的不飽和配位鍵、端鍵及懸鍵。其結構既不同于體塊材料，也不同于單個的原子。其特殊的結構層次使它在眾多領域特別是在光、電、磁、催化等方面具有非常重大的應用價值。近年來，納米材料在化工生產(chǎn)領域也得到了一定的應用，并顯示出它的獨特魅力。

2納米材料特性

2.1具有很強的表面活性

納米超微顆粒很高的“比表面積”決定了其表面具有很高的活性。免費論文參考網(wǎng)。在空氣中，納米金屬顆粒會迅速氧化而燃燒。利用表面活性，金屬超微顆?？赏蔀樾乱淮母咝Т呋瘎?、貯氣材料和低熔點材料。將納米微粒用做催化劑，將使納米材料大顯身手。如超細硼粉、高鉻酸銨粉可以作為炸藥的有效催化劑；超細銀粉可以成為乙烯氧化的催化劑；超細的鎳粉、銀粉的輕燒結效率，超細微顆粒的輕燒結體可以生成微孔過濾器，作為吸咐氫氣等氣體的儲藏材料，還可作為陶瓷的著色劑，用于工藝品的美術圖案中。免費論文參考網(wǎng)。

2.2具有特殊的光學性質(zhì)

所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)時都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色越黑，銀白色的鉑（白金）變成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑。由此可見，金屬超微顆粒對光的反射率很低，通?？傻陀趌％，大約幾微米厚度的膜就能起到完全消光的作用。利用這個特性可以制造高效率的光熱、光電轉(zhuǎn)換材料，以很高的效率將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋㈦娔?。另外還有可能應用于紅外敏感元件、紅外隱身材料等。

2.3具有特殊的熱學性質(zhì)

大尺寸的固態(tài)物質(zhì)其熔點往往是固定的，超細微化的固態(tài)物質(zhì)其熔點卻顯著降低，當顆粒小于10納米量級時尤為突出。例如，金的常規(guī)熔點為1064℃，當其顆粒的尺寸減小到10納米時，熔點會降低27℃，而減小到2納米尺寸時的熔點僅為327℃左右；銀的常規(guī)熔點為670℃，而超微銀顆粒的熔點可低于100℃。因此，超細銀粉制成的導電漿料可以進行低溫燒結，此時元件的基片不必采用耐高溫的陶瓷材料，完全可采用塑料。采用超細銀粉漿料，可使片基上的膜厚均勻，覆蓋面積大，既省材料又提高質(zhì)量。

2.4具有特殊的磁學性質(zhì)

小尺寸磁性超微顆粒與大塊磁性材料有顯著不同，大塊純鐵的磁矯頑力約為80安／米，而當顆粒尺寸減小到2×10-2微米以下時，其矯頑力可增加1000倍。若進一步減小其尺寸，大約小于6×10-3微米時，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已制成高儲存密度的磁記錄磁粉，大量應用于磁帶、磁盤、磁卡以及磁性鑰匙等;利用超順磁性，人們已將磁性超微顆粒制成了用途廣泛的磁流體。

2.5具有特殊的力學性質(zhì)

因為納米材料具有較大的界面，界面的原子排列是相當混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性和一定的延展性，這樣就使納米陶瓷材料具有了新奇的力學性質(zhì)。研究表明，人的牙齒之所以具有很高的強度，就是因為它是由磷酸鈣等納米材料構成的，這也足以說明大自然是納米材料的成功制造者。納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬3～5倍。金屬——陶瓷復合納米材料則可在更大的范圍內(nèi)改變材料的力學性質(zhì)，其應用前景十分寬廣。

2.6宏觀量子隧道效應

由于電子既具有粒子性又具有波動性，因此它存在隧道效應。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀物理量，如微顆粒的磁化強度、量子相干器件中的磁通量等亦顯示出隧道效應，稱之為宏觀的量子隧道效應。宏觀量子隧道效應將會是未來微電子、光電子器件的基礎，或者說它確立了現(xiàn)存微電子器件進一步微型化的極限，當微電子器件進一步微型化時必須要考慮上述的量子效應。目前研制的量子共振隧道晶體管就是利用量子效應制成的新一代電子器件。

3納米材料在化工生中應用

由于納米材料的特殊結構和特殊性能，使納米材料在化工生產(chǎn)中得到了廣泛的應用，主要應用在以下幾方面。

3.1橡膠改性

炭黑納米粒子加入到橡膠中后可顯著提高橡膠的強度、耐磨性、抗老化性，這一技術早已在橡膠工業(yè)中運用。

納米技術在制造彩色橡膠中也發(fā)揮了獨特的作用，過去的橡膠制品一般為黑色（納米級的炭黑較易得到）。若要制造彩色橡膠可選用白色納米級的粒子（如白炭黑）作補強劑，使用納米粒子級著色劑，此時橡膠制品的性能優(yōu)異。

3.2塑料改性

3.2.1對塑料增韌作用

納米粒子添加到塑料中，對增加塑料韌性有較大的作用。用納米級SiC/Si3N4粒子經(jīng)鈦酸酯處理后填充LDPE，當添加量為5％時沖擊強度最大，缺口沖擊強度為55.7kj/m2，是純LDPE的2倍多；斷裂伸長率到625％時仍未斷裂，為純LDPE的5倍。用納米級CaCO3，改性HDPE，當納米級CaCO3含量為25％時，沖擊強度達到最大值，最大沖擊強度為純HDPE的1.7倍，斷裂伸長率在CaCO3含量為16％時最大，約為660％超過純HDPE的值。

3.2.2塑料功能化

塑料在家用電器及日用品中的應用非常廣泛，在塑料中添加具有抗菌性的納米粒子，可使塑料具有抗菌性，且其抗菌性保持持久?，F(xiàn)已應用此技術生產(chǎn)了抗菌冰箱，實際上就是在制造冰箱塑件時，使用的塑料原料中添加了某種納米粒子，利用該納米粒子的抗菌特性，使塑料具有抗菌殺菌的功能，國內(nèi)某公司采用該項技術率先開發(fā)出無菌塑料餐具、無菌塑料撲克等產(chǎn)品，受到市場的歡迎。

3.2.3通用塑料的工程化

通用塑料具有產(chǎn)量大、應用廣、價格低等特點，但其性能不如工程塑料，而工程塑料雖性能優(yōu)越，但價格較高。在通用塑料中加入納米粒子能使其達到工程塑料的性能，用納米技術對通用聚丙烯進行改性，其性能達到了尼龍6的性能指標，而成本卻降低1／3。

3.3化學纖維改性

近年來出現(xiàn)了各種新型的功能性化學纖維，其中不少是應用了納米技術，如日本帝人公司將納米ZnO和納米SiO2混入化學纖維，得到具有除臭及靜化空氣功能的化學纖維，這種化學纖維被廣泛用于制造長期臥床病人和醫(yī)院的消臭敷料、繃帶、睡衣等；日本倉螺公司將納米ZnO加入到聚酯纖維中，制得了防紫外線纖維，該纖維除了具有防紫外線功能外，還具有抗菌、消毒、除臭的功能。

3.4涂料改性

在各類涂料中添加納米材料，如納米TiO2，可以制造出殺菌、防污、除臭、自潔的抗菌防污涂料，廣泛應用于醫(yī)院和家庭內(nèi)墻涂飾?？芍圃斐龇雷贤饩€涂料，應用于需要紫外線屏蔽的場所，例如涂在陽傘的布料上，制成防紫外線陽傘。還可以制造出吸波隱身涂料，用于隱形飛機、隱形軍艦等國防工業(yè)領域及其他需要電磁波屏蔽場所的涂敷。在涂料中添加納米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光潔度及強度成倍提高，涂料的質(zhì)量和檔次大大升級，據(jù)稱，納米改性外墻涂料的耐洗刷性可由原來的1000多次提高到1萬多次，老化時間延長2倍多。納米ZnO添加到汽車金屬閃光面漆中，可制造出汽車專用變色漆。

3.5在催化方面的應用

催化劑在許多化學化工領域中起著舉足輕重的作用，它可以控制反應時間、提高反應效率和反應速度。大多數(shù)傳統(tǒng)的催化劑不僅催化效率低，而且其制備是憑經(jīng)驗進行，不僅造成生產(chǎn)原料的巨大浪費，使經(jīng)濟效益難以提高，而且對環(huán)境也造成污染。納米粒子表面活性中心多，為它作催化劑提供了必要條件。納米粒子作催化劑，可大大提高反應效率，控制反應速度，甚至使原來不能進行的反應也能進行。納米微粒作催化劑比一般催化劑的反應速度提高10～15倍。

3.6在其它精細化工方面的應用

納米材料的優(yōu)越性無疑也會給精細化工帶來福音，并顯示它的獨特畦力。如在橡膠中加入納米SiO2，可以提高橡膠的抗紫外輻射和紅外反射能力。免費論文參考網(wǎng)。國外已將納米SiO2，作為添加劑加入到密封膠和粘合劑中，使其密封性和粘合性都大為提高。在有機玻璃中加入Al2O3，不僅不影響玻璃的透明度，而且還會提高玻璃的高溫沖擊韌性。一定粒度的銳鈦礦型TiO2具有優(yōu)良的紫外線屏蔽性能，而且質(zhì)地細膩，無毒無臭，添加在化妝品中，可使化妝品的性能得到提高。納米SiO2能夠強烈吸收太陽光中的紫外線，產(chǎn)生很強的光化學活性，可以用光催化降解工業(yè)廢水中的有機污染物，具有除凈度高，無二次污染，適用性廣泛等優(yōu)點，在環(huán)保水處理中有著很好的應用前景。在環(huán)境科學領域還將出現(xiàn)功能獨特的納米膜