节能与环境——有机高分子材料与纳米材料

节能与环境作业

浅谈有机高分子材料与纳米材料

摘要：

有机高分子材料包括天然有机高分子材料和塑料和有机聚合物合成材料。

它们质地轻、原料丰富、加工方便、性能良好、用途广泛，因而发展速度很快。塑料、橡胶和合成纤维是有机高分子材料的典型代表，此外，还有涂料和黏合剂等。随着合成、加工技术的发展，耐高温、高强度、高模量和具有特定性能和功能的高分子材料也应运而生。

高分子材料蓬勃发展的原因可以概括为资源丰富、种类繁多、性能良好、成形简便、成本低廉、用途广泛等方面。

关键字：

有机高分子材料纳米材料结构特性制备与合成应用

前言：

有机高分子材料和纳米材料都是应用十分广泛的两种材料，近年来，它们都在蓬勃发展。所以我选择了高分子材料和纳米材料，从材料四要素的角度进行简单的分析这两种前景广阔的材料。

正文：

有机高分子材料

有机高分子材料包括天然有机高分子材料和塑料和有机聚合物合成材料。

它们质地轻、原料丰富、加工方便、性能良好、用途广泛，因而发展速度很快。塑料、橡胶和合成纤维是有机高分子材料的典型代表，此外，还有涂料和黏合剂等。随着合成、加工技术的发展，耐高温、高强度、高模量和具有特定性能和功能的高分子材料也应运而生。

高分子材料蓬勃发展的原因可以概括为资源丰富、种类繁多、性能良好、成形简便、成本低廉、用途广泛等方面。

（高分子的合成：）

有机高分子可以通过聚合反应合成，而聚合反应按机理可分为链式聚合和逐步聚合。

逐步聚合过程中，高分子链逐步变大。这类聚合反应包括：缩（合）聚（合）反应和某些非缩聚反应。逐步聚合反应包括的反映类型很多，原料单体非常广泛。基本特点是反应发生在单体所携带的基团上。

链式聚合分为自由基聚合、离子聚合和配位阴离子聚合。

（高分子的结构和性能：）

高分子的结构决定它的性能。高分子研究的内容包括：高分子的链结构和凝聚态结构。高分子的链结构又分为近程结构和远程结构。其中，近程结构包含结构单元的化学组成、结构单元的链接方式、结构单元空间立构、支化与交联、结构单元键接序列；远程结构包含高分子链尺寸和高分子链的形态；高分子的凝聚态结构比较负暂，包括非晶态结构、晶态结构、液晶结构、取向结构等。

高分具有力学性能、电性能和热性能。高分子力学性能最大的特点是高弹性和黏弹性。绝大多数高分子材料为绝缘体，但也有一些高分子的电导率在半导体范围，如反式聚乙炔，有的甚至具有导体的电导率。高分子材料与金属材料相比强度不高，不耐高温，易于老化，从而限制了它的使用。但是，随着科学技术的发展，这些不足之处正在得到逐步的弥补。

（有机高分子的应用：）

有机高分子材料种类繁多。高分子材料是由可称为单体的原料小分子通过聚合反应而合成的。绝大部分原料单体为有机化合物。在有机化合物中，除碳原子外，其他主要元素为氢、氧氮等。在碳原子与碳原子之间、碳原子与其他元素的原子之间能形成稳定的共价键。由于碳原子是4价，所以可以形成为数众多、结构不同的有机化合物。

聚苯乙烯一种广泛应用于制造纺织工业、电子工业和化工业的有机高分子材料，它是一种典型的线性无定形高分子。由于含有苯环，位组高大，结晶度降低，聚苯乙烯具有较大的刚度。聚苯乙烯密度低，常温下较透明，几乎不吸水；具有优良的耐蚀性；电阻高，是很好的隔热、防震、防潮和高频绝缘材料。缺点是耐冲击性差，不耐沸水，耐油性有限。

环氧塑料（EP）是环氧树脂加入固化剂后形成的热固性塑料。一般以铸型的方式成形。环氧塑料强度较高，韧性较好；具有优良的绝缘性能，耐热，耐寒，化学稳定性很高。缺点是有些毒性。环氧塑料是很好的胶粘剂，对各种材料都有很好的胶粘能力。它主要应用于制作塑料模具、精密量具、电子仪表装置、电气绝缘、印刷线路和制备各种复合材料等。

纳米材料

纳米材料是一种新材料，它是指块体中的颗粒、粉体粒度在10~100nm之间，使其某些性质发生突变的材料。微粒可以是晶体，也可以是非晶体。纳米材料中

微粒的界面及微粒表面体积分数几乎占到一半，这种独特的结构，使之体现出一系列优异的物理、化学和力学性能，也因此得到了广泛的应用。

（纳米材料的结构：）

纳米材料属于原子簇和宏观物体范畴的过度区域，既非典型的微观系统，亦非典型的宏观系统，具有独特的结构特征。纳米材料的重要特点之一是界面占有可与微粒整体相比的体积分数。界面材料决定了纳米材料的性能。纳米尺寸的晶粒结构和完整晶格也有差异。尺寸超小的纳米晶粒在一定程度上表现出点畸变效应。纳米材料界面体积分数大，具有较大的总界面能，使其熔点大大下降。纳米晶体存储着大量自由能，形成了晶粒长大的驱动力，纳米材料在比严重冷变形元素的再结晶温度低得多的温度下开始长大。

（纳米材料的特性：）

在力学性能上，大量的实验测试和计算模拟机理论分析证明，金属纳米材料具有非常独特的力学性能及结构性能关系。绝大多数纳米材料的塑性都很低，而且塑性随晶粒的减小而减小。纳米材料的弹性模样随样品中的微孔隙增多而线性下降。

在热学性能上，纳米材料的热熔和热膨胀与普通多晶或非晶材料差别较大。

在磁学性能上，由于纳米颗粒尺寸超细，一般为单磁畴颗粒，其技术磁化过程由晶粒的磁各向异性和晶粒间的磁相互作用所决定。纳米晶粒的磁各向异性与晶粒形状、晶体结构、内应力以及晶粒表面的原子状态有关，与粗晶粒有明显区别，表现出明显的小尺寸效应。

（纳米材料的制备和合成：）

根据制备环境，纳米材料的制备和合成可分为气相法、液相法和固相法。

气相冷凝法是制备纳米材料最早采用的方法，主要由纳米微粒簇的制备、压制和烧结3个环节组成，其中纳米微粒簇的制备是技术关键。

球磨法可以使几乎不互溶的元素形成固溶体。球磨的主要目的是粉粒尺寸的降低、固态合金化、混合或融合，以及改变粉粒的形状。材料在球磨的过程中断裂、形变和冷焊。

非晶体化法目前大量用于制备纳米铁基、钴基、镍基的多组元合金材料，也可制备一些单质。使用该方法的前提是将原料用极冷技术制成非晶薄带或薄膜，控制晶化退火时间和温度，使非晶全部或部分晶化，生成尺寸为纳米级的粉粒。

溶胶凝胶法是制备材料的一种湿化方法。将易于水解的金属化合物在水溶剂中与水发生水解与聚缩反应而逐渐凝胶化，在经过干燥、烧结等处理后，即可只得所需的纳米材料。

（纳米材料的应用：）

作为一种新材料，纳米材料有着广阔的应用。

催化是纳米材料应用的重要领域之一。利用纳米微粒比表面积高与活性高的特点可以显著增进催化效率。

在电子工业产品中，纳米材料被广泛应用于纳米磁材料介质、纳米敏感材料、纳米电磁波、光波吸收材料。

另外，在环保健康、医疗卫生领域内，纳米材料也有广阔的应用前景。

参考文献：

许并社主编材料科学概论北京：北京工业大学出版社，2002 刘天模，张喜燕，黄维刚主编材料学基础（非机类）北京：机械工业出版社，2004

李俊寿主编新材料概论北京：国防工业出版社，2004

吴锵主编材料科学基础南京：东南大学出版社，2000

周达飞主编材料概论北京：化学工业出版社，2001

严群，冯庆芬主编北京：国防工业出版社，2009

周冀主编高分子材料基础北京：国防工业出版社，2007

张留成，瞿雄伟，丁会利主编高分子材料基础北京：化学工业出版社，2007