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聚合物基纳米复合材料的研究进展及存在问题张立群佘庆彦〔北京化工大学北京

市新型高分子材料制备与成型加工重点实验室教育部纳米材料制备及应用科学重点

实验室〕摘要：综述了聚合物基纳米复合材料的研究现状，介绍了不同体系的聚

合物基纳米复合材料的研究进展。并对该领域研究存在问题及未来开展进行了展

望。关键词：聚合物；纳米复合材料；进展１前言随着生产和科学技术的开展，

人们对材料也提出了日益广泛而苛刻的要求。单一组分的材料已难以满足社会的需

要。将两种或两种以上性质不同的现有材料通过某种工艺方法进行复合，通过发挥

各组成材料优点而得到的复合材料，不仅扩大了材料的应用范围，而且提高了材料

的经?眯б妫牧峡蒲е匾姆⒄狗较蛑弧８莘稚⑾喑叽绲拇笮。春喜牧戏治

旯鄹春稀⑽⒚准陡春虾湍擅赘春喜牧稀?２０世纪８０年代，纳米科学的研究受到

科学家的广泛关注。Ｒｏｙ和Ｋｏｍａｒｎｅｎｉ〔１３于１９８４年最早提出了

纳米复合材料〔Ｎａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ〕概念，并把它定义为至少有一种

分散相的一维尺度在ｌＯＯｎｍ以内的复合材料。研究发现，当粒子到达纳米尺度

时，由于其小尺寸效应、量子尺寸效应、量子隧道效应和外表界面效应等，使得纳

米微粒和纳米固体呈现出许多奇异的物理、化学性质，为设计和制备多功能新材料

提供了新的机遇，因而纳米复合材料备受各国的科研工作者的关注，被称为２ｌ世

纪最有前途的材料的之一。当今，纳米复合材料的种类繁多，根据基体和分散相种

类的不同，可进行以下分类；ｒ金属／金属非聚合物基纳米复合材料２金属／陶

瓷纳米复合材料｛，二謇荔二案莩物。聚合物基纳米复合材料Ｉ聚合物／金属ｌ

聚合物／无机粒子本文重点评述聚合物基纳米复合材料的研究进展２聚合物基纳

米复合材料研究进展２．１１聚合物／聚合物纳米复合材料聚合物／聚合物纳米复

合材料是指由两种高分子聚合物构成的纳米复合材料。根据合成方法的不同，通常

将其分为三类：分子复合材料、原位复合材料、纳米微纤聚合物／聚合物复合材料

心Ｉ。２．１．１分子复合材料分子复合材料〔ＭｏｌｅｃｕｌａｒＣｏｍｐｏ

ｓｉｔｅｓ，简称ＭＣ〕是近年来开展较快的一种新型结构复合材料，指高模量高

强度的刚性棒状分子以分子状态或分子微束形式均匀分散在柔性或半刚性基体中得

到的复合材料。１９７５年美国空军材料实验室的Ｈｅｌｍｉｎｉａｋ等¨１首次将

宏观纤维增强树脂基体材料的原理应用于分子水平的微观复合，从而提出分子复合

这一概念。分子复合材料与传统的宏观纤维增强的树脂基复合材料〔如碳纤维增强

树脂复合材料〕相比虽然在制备原理上极为相似〔如图１〕，但其还存在许多显著

的优点¨１：〔１〕由于增强相和热塑性树脂基体形成分子复合材料后其界面是超微

观的，甚至可以到达分子水平，所以两者之间的界面面积非常大，从而能一７０—

有效地减少了应力集中，消除增强相和树脂基体间的热膨胀系数不匹配，刚棒状分

子增强相的内在优异力学性能、高环境稳定性和高耐热性能得到充分发挥；〔２〕

分子复合材料可以循环使用，即可再加工和屡次熔融制样，比传统宏观纤维增强热

固性树脂复合材料更经济，且具有更高的使用价值。图１宏观纤维复合材料〔左〕

与分子复合材料〔右〕结构示意图以聚苯并噻唑〔ＰＢＴ〕作为增强剂，以聚苯丙

咪唑〔ＡＢＰＢＩ〕为基体，采用共溶剂共沉淀的方法制得的分子复合材料〞１，

其性能如表１。该材料模量高达６２ＧＰａ，并耐５５０％的高温，其综合性能超

过铝合金，而密度仅为铝合金的一半，有希望成为航空航天材科。进一步研究了该

体系的微观结构。研究认为，ＰＢＴ刚性链在基体中的分散状态是影响ＭＣ力学性

能的重要因素，只有当共混溶液浓度〔ｃ〕低于溶液相别离的临界浓度〔Ｃｒ〕时，

ＰＢＴ的增强效果才明显。目前所研究的分子复合材料大局部是溶液共混法制备而

成的，如ＰＢＡ／Ｎｙｌｏｎ体系冲１、ＰＰ，Ｉ’Ａ〔聚对苯二甲酰对苯二胺〕／

Ｎｙｌｏｎ体系〞．１１〕、ＰＰＴＡ／ＡＢＳ体系¨】、ＰＰＴＡ／ＰＥＯ体系一’

１０’１２１等。为了克服分子复合材料制备过程中的自聚〔相别离〕趋势，一个行

之有效的方法就是在增强相与基体之间引入特殊反响，如：氢键、离子一离子作用、

离子一偶极作用等，从而提高两者之间的相容性，实现增强相的良好分散，如图２

的设计。表１ＰＢＴ／ＡＢＰＢＩＭＣ纤维和ＭＣ膜的力学性能〔ａ〕