納米母料是指尺寸大小為100納米的材料，在20世紀80年代中期研製成功。
基本介紹
- 中文名：納米母料
- 外文名：納米母料
- 尺寸小於：100納米的材料
- 時期：２０世紀８０年代中期
材料介紹,表面處理,套用,
材料介紹
至少在一維尺寸小於100納米的材料。從尺寸大小來說，通常產生物理化學性質顯著變化的細小微粒的尺寸在0.1微米以下（注1米=100厘米，1厘米=10000微米，1微米=1000納米，1納米=10埃），即100納米以下。因此，顆粒尺寸在1～100納米的微粒稱為超微粒材料，也是一種納米材料。
納米級結構材料簡稱為納米材料(nano material)，是指其結構單元的尺寸介於1納米～100納米範圍之間。由於它的尺寸已經接近電子的相干長度，它的性質因為強相干所帶來的自組織使得性質發生很大變化。並且，其尺度已接近光的波長，加上其具有大表面的特殊效應，因此其所表現的特性，例如熔點、磁性、光學、導熱、導電特性等等，往往不同於該物質在整體狀態時所表現的性質。
納米顆粒材料又稱為超微顆粒材料，由納米粒子(nano particle)組成。納米粒子也叫超微顆粒，一般是指尺寸在1～100nm間的粒子，是處在原子簇和巨觀物體交界的過渡區域，從通常的關於微觀和巨觀的觀點看，這樣的系統既非典型的微觀系統亦非典型的巨觀系統，是一種典型的介觀系統，它具有表面效應、小尺寸效應和巨觀量子隧道效應。當人們將巨觀物體細分成超微顆粒（納米級）後，它將顯示出許多奇異的特性，即它的光學、熱學、電學、磁學、力學以及化學方面的性質和大塊固體時相比將會有顯著的不同。
納米技術的廣義範圍可包括納米材料技術及納米加工技術、納米測量技術、納米套用技術等方面。其中納米材料技術著重於納米功能性材料的生產（超微粉、鍍膜、納米改性材料等），性能檢測技術（化學組成、微結構、表面形態、物、化、電、磁、熱及光學等性能）。納米加工技術包含精密加工技術（能量束加工等）及掃描探針技術。
納米材料具有一定的獨特性，當物質尺度小到一定程度時，則必須改用量子力學取代傳統力學的觀點來描述它的行為，當粉末粒子尺寸由10微米降至10納米時，其粒徑雖改變為1000倍，但換算成體積時則將有10的9次方倍之巨，所以二者行為上將產生明顯的差異。
納米粒子異於大塊物質的理由是在其表面積相對增大，也就是超微粒子的表面布滿了階梯狀結構，此結構代表具有高表面能的不安定原子。這類原子極易與外來原子吸附鍵結，同時因粒徑縮小而提供了大表面的活性原子。
就熔點來說，納米粉末中由於每一粒子組成原子少，表面原子處於不安定狀態，使其表面晶格震動的振幅較大，所以具有較高的表面能量，造成超微粒子特有的熱性質，也就是造成熔點下降，同時納米粉末將比傳統粉末容易在較低溫度燒結，而成為良好的燒結促進材料。
一般常見的磁性物質均屬多磁區之集合體，當粒子尺寸小至無法區分出其磁區時，即形成單磁區之磁性物質。因此磁性材料製作成超微粒子或薄膜時，將成為優異的磁性材料。
納米技術在世界各國尚處於萌芽階段，美、日、德等少數國家，雖然已經初具基礎，但是尚在研究之中，新理論和技術的出現仍然方興未艾。我國已努力趕上先進國家水平，研究隊伍也在日漸壯大。
表面處理
1．納米材料需要改性的原因：納米材料由於粒徑小、表面原子所占的比例高，所以具有極高的比表面積、表面活性和奇異的物理化學性質，但這些特性使納米材料不穩定，具有很高的表面能，易於相互作用，導致團聚，從而減小材料的比表面積和體系gibbs自由能，也降低了納米材料的活性，另一方面納米材料與表面能低的基體親和性差、二者在相互混合時不能相溶，導致界面出現空隙，存在相分離現象，而對納米材料進行改性處理能很好的解決這個問題。
2．納米材料改性的目的：（1）保護納米材料，改善其分散性。（2）改善納米材料表面的濕潤性，增強納米材料與其它物質的界面相容性，使納米材料容易在有機溶劑中或水介質中分散，提高納米粉粒的套用性能。（3）提高納米顆粒的表面活性。（4）在納米材料表面引入具有獨特功能的活性基團，通過這些基團可以實現與基體材料的複合，從而賦予材料特殊的光、電、磁等性能。（5）在納米材料表面的特定位置選擇性的連線某些具有特殊功能的分子在納米製備、自組裝、納米感測器、生物探針、塗料和光催化等方面有重要的作用。
3． 納米材料團聚的定義及原因：定義-指納米材料在製備、分離、處理及存放過程中相互連線形成由多個納米顆粒團聚的現象。原因-納米材料的表面效應、小尺寸效應、表面電子效應以及近距離效應使其具有很高的表面活性。比表面積大，納米顆粒處於熱力學不穩定狀態，極易發生團聚。
4．納米材料團聚的機理：毛細管理論、晶橋理論、氫鍵作用理論、化學鍵作用理論、表面原子擴散理論。
5．納米材料改性的原理：表面改性是對粉體的表面特性進行物理、化學、機械等深加工處理，控制其內應力，增加粉體顆粒間的斥力，降低粉體顆粒間的引力。使粉體表面的物理化學性質等特性發生變化賦予納米粉粒新的功能。
6．納米材料表面改性的方法：表面物理改性法和表面化學改性法。常用的化學改性法有：偶聯劑改性、酯化反應法、聚合物表面接枝。
表面物理改性是通過吸附、塗敷、包覆等物理手段對顆粒表面進行改性，改性劑與納米材料表面主要是物理作用方式。（1）表面吸附是通過范德華力或靜電引力將異質材料吸附在納米顆粒表面，防止納米材料團聚。（2）包覆改性是利用無機化合物或有機化合物包覆在納米顆粒表面，形成與納米顆粒表面無化學結合的異質包覆層，對納米顆粒團聚起到減弱和禁止作用。
7．表面化學改性：是納米顆粒表面原子與改性劑分子發生化學反應，改變其表面結構和化學狀態的方法。是納米顆粒分散、複合的重要手段。（1）偶聯劑改性是偶聯劑與納米顆粒表面發生化學歐聯反應。偶聯劑分子必須具有兩種基團：一種基團與無機物納米顆粒表面進行化學反應；另一種基團與有機物基體具有反應性或相容性。（2）酯化反應法是利用酸與醇的反應對納米顆粒表面進行改性。酯化試劑與納米顆粒表面原子反應後，疏水性基團取代納米顆粒表面羥基，使烷基等牢固地結合在納米顆粒表面，呈現出較強的疏水性。經處理後的納米顆粒分散行增強，不易團聚，同時疏水效果好。（3）聚合物表面接枝：有些無機納米顆粒表面具有可以發生自由基反應的活性點，適當條件下，高分子聚合物活性單體可在這些活性點上反應接枝於納米顆粒表面上，再引發聚合反應。
8．改性方法：溶膠-凝膠法、沉澱法、非均相成核法、微乳液法、氣相沉積法、異質絮凝法、化學鍍、表面包覆改性、電漿處理法。
（1）. 溶膠-凝膠法：用含高化學活性組分的化合物作前軀體，在液相下將這些原料均勻混合，並進行水解、縮合反應在溶液中形成穩定的透明溶膠體系，溶膠經過一定時間陳化或乾燥處理，膠粒間緩慢聚合，形成連續的三維空間網路結構，網路間充滿了失去流動性的溶劑，形成凝膠。
根據使用原料不同分為無機鹽溶膠-凝膠法、醇鹽水解法。
（2）.沉澱法：通過向溶液中加入沉澱劑（如氫氧化鈉溶液、氨水）或引發體系中沉澱劑的生成（如尿素的熱解反應），使改性離子發生沉澱反應，並在顆粒表面析出，從而對顆粒進行包覆。
依據沉澱方法不同分為：共沉澱法、均相沉澱法、水解法、水熱法。
（3）.異質絮凝法：在溶液中，異質納米顆粒表面帶有相反電荷時，通過靜電作用相互吸引而凝聚製備包覆型複合納米材料。在凝集過程中，如果一種顆粒的粒徑遠小於另一種帶異種電荷顆粒的粒徑，小顆粒就會吸附在大顆粒上形成包覆。這種方法的關鍵在於找到一個合適的PH值，使兩種粉體帶相異電荷。
（4）.非均相成核法：利用殼層物質的顆粒在被包覆顆粒基體上非均勻形核，並長大行成包覆層的方法。同過控制溶液的PH值、被覆離子濃度、殼層前軀體濃度、溫度與時間等影響因素，可在顆粒表面均勻的包覆一層前軀體。再經過煅燒，得到表面包覆有氧化物的納米顆粒。
（5）.微乳液法：微乳液（定義）是由油、水、乳化劑和助表面能活性劑在適當配比下自發行成粘度低、各相同性的熱力學性能穩定的透明或半透明膠體分散體系。
（6）.化學鍍：是指不外加電流，用化學進行金屬沉澱並包覆在納米顆粒表面的過程，具體有置換法、接觸鍍和還原法三種。
（7）.氣相沉積法：氣相化學沉積法是通過氣相中的化學反應對納米顆粒表面包覆改性。可以直接利用氣體或通過各種手段將殼層物質轉變成氣體，使之在氣態下發生物理變化或化學變化，並在顆粒表面沉積或與顆粒表面分子化學鍵合，從而形成均勻緻密的薄膜包覆層。
（8）.聚合物表面包覆改性：表面包覆主要是針對納米合成中防止顆粒長大、解決團聚問題並且增加無機納米顆粒在有機基體中的相溶而進行的。
聚合物表面包覆的作用：抗腐蝕的屏障作用，改善在有機介質中的潤濕性和穩定性，複合材料的表面調控作用，通過錨定活性分子或生物分子而具有生物功能。
常用的聚合物表面改性的方法：表面活性法、有機單體聚合法、粒子表面接枝聚合改性。
（9）.納米材料表面包碳：碳包覆納米金屬顆粒的主要製備方法有電弧放電法、化學氣相沉積法、熱解法、液相浸漬法。
電弧放電法是在惰性氣氛下，用直流電弧放電蒸發石墨電極便可在沉積於陰極或反應室壁上的產物中獲得碳包覆的納米金屬顆粒。陽極是由石墨粉末和需要包覆的金屬單質或其氧化物的混合物組成的電極。
化學氣相沉積法是把要包覆的納米金屬或其化合物顆粒均勻分散於基板上，在一定溫度下通入碳源前軀體，在金屬顆粒的催化作用下發生熱解反應並於金屬顆粒表面沉積，行成碳包覆層。
液相浸漬法是用擬包覆的金屬鹽溶液浸漬有機物，進行過濾乾燥，再在惰性氣氛中高溫熱處理，得到表面包覆碳的納米金屬顆粒。
套用
納米材料在塑膠中的套用
納米材料具有許多優良的物理化學性能，今年來大家逐漸在塑膠改性中套用納米材料。由於納米材料粒徑非常小，所以極難分散。納米廠家採取了表面改性等技術，在塗料生產套用方便了許多，但在塑膠加工中還是比較難以套用，較為經濟實用的方法是採取母料加工的方式，因為塑膠加工原料多為顆粒狀。
母料法——把納米材料與載體樹脂和加工助劑在雙螺桿中加工造粒而成。雙螺桿擠出機的選擇除了要考慮產能更要關注其對納米粉體的分散性。在配比的調配中也要考慮到納米粉體的難分散性，現在多數納米粉體都做過表面處理，分散劑的加入量要做適當調整。
加工工藝對材料性能的影響
加工工藝 | 熔體流動速率g/10min | 衝擊強度 KJ/㎡ | 拉伸強度Mpa | 伸長率% | 彎曲彈性模量Mpa | 彎曲強度 MPa |
納米碳酸鈣直接加入 | 6.44 | 31.83 | 23.13 | 450 | 988 | 22.26 |
母粒化 | 7.87 | 57.56 | 22.92 | 670 | 1007 | 26.74 |
從上表中可以看出，採用母粒化方法，可以提高複合材料的衝擊強度。這是因為用母粒化的方法，納米碳酸鈣經雙螺桿兩次強烈剪下作用，更有利於其在聚丙烯中的均勻分散。促進粒子的細化，從面提高增韌效果。
