用于聚合物复合改性的纳米粒子其特性及表面改性

纳米微粒通常是指粒度介于20-150nm之间的超微粒子。纳米粒子按其成分可分为金属粒子、无机非金属粒子和有机高分子粒子，按相结构可以是单相、多相，也可为晶相、非晶相和准晶相等。

当物质粒径尺寸进入纳米数量级后，其结构与常规材料相比发生了很大的变化，使其在催化、光、电、磁性、热力学等方面表现出许多奇异的物理和化学性能，具有许多重要的应用价值，主要表现为如下几方面。

1.面与界面反应。纳米微粒比表面积大，位于表面的原子占相当大的比例。由于微粒表面原子缺少临近配位的原子和具有高的表面能，使得表面原子具有很大的化学活性，从而使纳米粒子表现出强烈的表面效应。利用纳米材料的这种特点，能与某些大分子发生键合作用，提高分子间的键合力，从而使添加纳米材料的复合材料的强度、韧性大幅度提高。

2.小尺寸效应。当超细微粒的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，导致其磁性、光吸收、热、化学活性、催化性及熔点等发生变化。如银的熔点为900℃，而纳米银粉的熔点仅为100℃。利用纳米材料的高流动性和小尺寸效应，可使纳米复合材料的延展性提高，摩擦系数减小，材料表面光洁度大大改善。

3.量子尺寸效应。即纳米材料颗粒尺寸小到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为离散能级的现象。其结果使纳米材料具有高度光学非线性、特异性催化和光催化性质等。

由于纳米材料粒径小，大部分原子暴露在微粒表面，因此表面能极大，非常容易团聚在一起，这就为制造纳米微粒材料带来很大困难。因此制造纳米材料的关键技术之一是如何减小微粒表面自由能，降低凝聚力。另外在制备高分子复合材料时，为提高纳米微粒的分散能力，需对纳米材料的表面进行改性。改性的目的主要是降低粒子的表面能态，消除粒子的表面电荷，提高纳米粒子有机相的亲和力，减弱纳米粒子的表面极性等。

对纳米材料进行表面改性的主要方法有：

1.表面覆盖改性，利用表面活性剂覆盖于纳米粒子表面，赋予粒子表面新的性质，常用的表面改性剂有硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、硬脂酸、有机硅等。

2.机械化学改性，应用粉碎、摩擦等方法通过机械应力作用对纳米粒子表面进行激活，以改变表面晶体结构和物理化学结构。这种方法使分子晶格发生位移，内能加大，在外力作用下活性的粉末表面与其他物质发生反应、附着，达到表面改性的目的。

3.外膜层改性，在纳米粒子表面均匀的包覆一层其他物质的膜，使粒子表面性质发生变化。

4.局部活性改性，利用化学反应在纳米粒子表面接枝带有不同功能基团的聚合物，使之具有新的功能。

5.高能量表面改性，利用高能电晕放电、紫外线、等离子射线等对纳米粒子表面改性。

6.利用沉淀反应进行表面改性，在纳米粒子表面沉淀一层有机或无机包覆物以改变其性质。

由于纳米微粒凝聚力强，在制备后甚至在制备过程中就需要对其表面进行改性，以上述几种方法来看，最简单和最常用的方法是添加界面改性剂，即分散剂、偶联剂等，它可以在制备过程中完成。分散剂能降低填料粒子的表面能，改善填料的分散状况，但不能改善填料粒子和基体的界面结合。偶联剂则可和基体有强的相互作用。因此如用纳米微粒制备高分子基复合材料，最好还是使用偶联剂。