纳米颗粒弱吸引环境中高分子链的统计行为研究(2)

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随着对高分子材料研究的深入，人们发现可以通过改变颗粒物的大小、数量和种类来改变高分子的各项性能以达到人们的需求。纳米颗粒填充物对高分子材料性能的影响有两方面：一方面是纳米颗粒的基本特性；另一方面是纳米颗粒在体系中与高分子单体的界面结合程度。纳米颗粒的基本特性包括纳米颗粒的相对密度，表面结构，粒径，形状等。在高分子复合材料中，由于纳米颗粒的几何形状、化学组成、表面形态、粒径大小分布等性质的不同以及纳米颗粒的界面结构、分散情况的不同，使其在填充改性中的作用千差万别，如赋予高分子材料新的功能，使高分子材料的某种特性增强等。具体来说，如硅胶虽然具有弹性，但其强度非常差，为了显示出其超强的弹性必须通过补强。纳米颗粒级别大小的二氧化硅粉末的加入就可使其黏性大大增加，实现其实用价值。红泥，是在炼铝过程中被抛弃的一种废渣，化学组成主要为铝、铁、钙、硅的氧化物。它可以作为聚氯乙烯的填充物，提高了PVC材料的耐光老化时间和热稳定性。使PVC材料的用途也更加广泛，如制作屋顶波纹板、沼气袋等。除此之外，还有将工业废弃物变废为宝的经济效益。白炭黑，又被称为气相二氧化硅、胶体二氧化硅和水合二氧化硅。是一种无定型白色细粉，其性质和组成成分随制备方法的不同而不同。可以增加薄膜表面的粗糙程度；可以提高聚丙烯或聚乙烯的透明性；可以改善塑料的其他物理性能及加工性能；可以改善聚氯乙烯的耐热性，提高其拉伸强度和硬度。二氧化硅粒子具有吸附高分子链的作用，一个纳米级别的二氧化硅粒子就可以吸附几条高分子链，从而形成物理交联点。这个粒子可以借助吸附的几条高分子链分散应力。这样一来，当其中某一条高分子链受到应力的时候，就会通过物理交联点粒子分散开来，不至于迅速危及到整体使其破坏。从而起到了增强橡胶黏性的作用。此外，若想要显著增强机械、流体等高分子材料的电学性质、光学性质以及其他的性质，也可以通过改变在高分子链中加入的纳米尺寸的粒子来实现。

不同大小和数量的纳米颗粒填充物可以使高分子材料的物理、化学性质发生不同的改变，所以它广泛应用于生产和生活中。同时，由于纳米颗粒具有极大的比表面积效应和很大的相互作用面积，因此少量的纳米填充物就可以显著的改变高分子材料的性质。研究发现纳米颗粒的添加可以改变高分子材料的粘性[1-4]，从而进一步改变材料的可加工性。Nusser等人将多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）纳米颗粒加入到聚二甲基硅氧烷（PDMS）中，发现材料的粘性显著下降[3]，而Anderson发现硅纳米颗粒能使聚氧化乙烯（PEO）材料的粘性提高[4]。其次，纳米颗粒的添加可以改变高分子材料的玻璃化温度 [5-8]。日常生活中大量使用的含聚氯乙烯塑料制品，在50 0C能释放出氯化氢、100 0C能释放出甲醛，如果在塑料制品中适当地添加纳米颗粒，将这些含毒高分子链吸引在纳米颗粒周围，提高其玻璃化温度，就可以在日常使用中大幅度降低塑料制品的毒性。另外，纳米颗粒的添加还可以改变高分子材料的机械强度 [9]，提高胶体的稳定性 [10]，甚至改变材料的光学特性、磁学特性和电导率等 [11-15]。

大量的实验、计算机模拟和理论研究表明，添加有纳米颗粒的高分子复合材料性能的改变本质上是因为添加的纳米颗粒影响了高分子链的动力学行为。因此，研究高分子在纳米颗粒环境中的动力学，理解和掌握纳米颗粒对高分子链动力学的作用机制，不仅有助于理解高分子-纳米颗粒复合材料的宏观性能的变化，而且能为研发新型高分子复合材料提供理论和技术指导。