爱谁是谁007
1 引 言 磁性纳米粒子是近年来发展起来的一种新型材料,因其具有独特的磁学特性,如超顺磁性和高矫顽力,在生物分离和检测领域展现了广阔的应用前景[1]。同时,因磁性氧化铁纳米粒子具有小尺寸效应、良好的磁导向性、生物相容性、生物降解性和活性功能基团等特点[2~4], 在核磁共振成像、靶向药物、酶的固定、免疫测定等生物医学领域表现出潜在的应用前景[5~7]。但由于其较高的比表面积,强烈的聚集倾向,所以通常对其表面进行修饰,降低粒子的表面,能得到分散性好、多功能的磁性纳米粒子。对磁性纳米粒子的表面进行特定修饰,如果在修饰后的粒子上引入靶向剂、药物分子、抗体、荧光素等多种生物分子,可以改善其分散稳定性和生物相容性, 以实现特定的生物医学应用。此外,适当的表面修饰或表面功能化还可以调节磁性纳米粒子表面的反应活性[8],从而使其应用在细胞分离、蛋白质纯化、核酸分离和生物检测等领域。本文介绍了磁性氧化铁纳米粒子的制备方法, 比较了各种制备方法的优缺点,并对其在生物分离及检测中应用的最新进展进行了评述。2 磁性氧化铁纳米粒子的合成方法 磁性纳米粒子的制备是其应用的基础。目前已发展了多种合成和制备方法,如共沉淀法、水热合成法、溶胶凝胶法和微乳液法等,上述方法均可制备高分散、粒度分布均匀的纳米粒子,并能方便地对其表面进行化学修饰,这些方法的优点和缺点见表1。 在这些合成方法当中,共沉淀法是水相合成氧化铁纳米粒子最常用的方法。该方法制备的磁性纳米颗粒具有粒径小,分散均匀,高度生物相容性等优点,但制得的颗粒存在形状不规则,结晶差等缺点。通过在反应体系中加入柠檬酸,可得到形状规则、分散性好的纳米粒子。利用这种方法合成的磁性纳米材料被广泛应用在生物化学及生物医学等领域[9]。微乳液法制备纳米粒子,产物均匀、单分散,可长期保持稳定,通过控制胶束、结构、极性等,可望从分子规模来控制粒子的大小、结构、特异性等。微乳液合成的磁性纳米粒子仅溶于有机溶剂,其应用受到限制。通常需要在磁性纳米粒子的表面修饰上亲水分子,使其溶于水,从而能应用于生物、医学等领域。 热分解法是有机相合成氧化铁纳米粒子最多也是最稳定的方法。利用热分解法制备的纳米Fe3O4颗粒产物具有好的单分散性,且呈疏水性,可以长期稳定地分散于非极性有机溶剂中。该方法合成的氧化铁纳米粒子虽然具有粒径均一的特点,但必须在其表面偶联亲水性及生物相容性好的生物分子或制备成核壳结构,才可用于生物医学领域。表1 磁性氧化铁纳米粒子的制备方法(略)此外,绿色化学和生物方法合成氧化铁纳米粒子也备受关注[28,29]。磁性氧化铁纳米粒子除具有的表面效应、小尺寸效应、量子效应、宏观量子隧道效应等纳米粒子基本特性外,它同时还具有超顺磁特性、类酶催化特性和生物相容性等特殊性质,因此在医学和生物技术领域中的应用引起了人们的广泛兴趣。 3 磁性氧化铁纳米材料在生物分离与生物检测的应用3.1 磁性氧化铁纳米材料在生物分离的应用 磁性氧化铁纳米粒子可以通过外界磁场来控制纳米粒子的磁性能,从而达到分离的目的,如细胞分离[30,31]、蛋白分离[32] 和核酸分离[33]等。此外磁性氧化铁纳米粒子由于兼有纳米、磁学和类酶催化活性等性能,不仅能够实现被检测物的分离和富集,而且能够使检测信号放大,在生物分析领域也都具有很好的应用前景[34,35]。磁性纳米粒子(MNP)能够应用于这些领域主要基于它的表面化学修饰,包括非聚合物有机固定、聚合物有机固定、无机分子固定及靶向配体修饰等[36](图1)。纳米粒子表面功能化修饰是目前研究的热点。3.1.1 磁性氧化铁纳米材料在细胞分离方面的应用 细胞分离技术的目的是快速获得所需目标细胞。传统细胞分离技术主要根据细胞的大小、形态以及密度的差异进行分离,如采用微滤、超滤以及超离心等方法。这些方法操作简单,但是特异性差,而且存在纯度不高、制备量偏小、影响细胞活性等缺点,因此未能被广泛地用于细胞的纯化研究[37]。近年来,随着对磁性纳米粒子研究的深入,人们开始利用磁性纳米粒子来分离细胞[38,39]。如磁性氧化铁纳米粒子在其表面接上具有生物活性的吸附剂或配体(如抗体、荧光物质、外源凝结素等),利用它们与目标细胞的特异性结合,在外加磁场的作用下将细胞分离、分类以及对其种类、数量分布进行研究。张春明等[40]运用化学连接方法将单克隆抗体CD133连接到SiO2/Fe3O4复合粒子的表面得到免疫磁性Fe3O4纳米粒子,利用它分离出单核细胞和CD133细胞。经培养后可以看出,分离出来的CD133细胞与单核细胞一样,具有很好的活性,能够正常增殖形成集落,并且在整个分离过程中对细胞的形态以及活性没有明显的毒副作用,这与Kuhara等[30]]报道的采用磁分离技术分离CD19+和CD20+细胞的结果一致。Chatterjee等[39]采用外源凝结素分别修饰聚苯乙烯包被的磁性Fe3O4微球和白蛋白磁性微球,利用凝结素与红细胞良好的结合能力,快速、高效的分离了红细胞。此外,磁性粒子在分离癌细胞和正常细胞方面的动物实验也已获得成功。3.1.2 磁性氧化铁纳米材料在蛋白质和核酸分离中的应用 利用传统的生物学技术(如溶剂萃取技术等)来分离蛋白质和核酸程序非常繁杂,而磁分离技术是分离蛋白、核酸及其他生物分子便捷而有效的方法。目前在外磁场作用下,超顺磁性氧化铁纳米粒子已广泛应用于蛋白质和核酸的分离。 Liu等[41]利用聚乙烯醇等表面活性剂存在下制备出共聚磁性高分子微球,表面用乙二胺修饰后用于分离鼠腹水抗体,得到很好的分离效果。Xu等[42]在磁性氧化铁纳米粒子表面偶联多巴胺分子,用于多种蛋白质的分离纯化。多巴胺分子具有二齿烯二醇配体,它可以与氧化铁纳米粒子表面配位不饱和的Fe原子配位,形成纳米颗粒多巴胺复合物,此复合物可以进一步偶联次氨基三乙酸分子(NTA),NTA分子可特异螯合Ni+,对于具有6×His标签的蛋白质的分离纯化方面表现出很高的专一性。Liu等[43]用硅烷偶联剂(AEAPS)对核壳结构的SiO2/Fe2O3复合粒子的表面进行处理,研究复合磁性粒子对牛血清白蛋白(BSA)的吸附情况,结果表明BSA与磁性复合粒子之间是通过化学键作用被吸附的,复合粒子对BSA的最大吸附量达86 mg/g,显示出在白蛋白的分离和固定上有很大的应用潜力。Herdt等[44]利用羧基修饰的吸附/解离速度快的核壳型(Fe3O4/PAA)磁性纳米颗粒与Cu2+亚氨基二乙酸(IDA)共价交联,通过Cu2+与组氨酸较强的亲和能力实现了组氨酸标记蛋白的选择性分离,分离过程如图2所示。 磁性纳米粒子也是核酸分子分离的理想载体[45]。DNA/mRNA含有单一碱基错位,它们的富集和分离在人类疾病诊断学、基因表达研究方面有着至关重要的作用。Zhao等[46]合成了一种磁性纳米基因捕获器,用于富集、分离、检测痕量的DNA/mRNA分子。这种材料以磁性纳米粒子为核,包覆一层具有生物相容性的SiO2保护层,表面再偶联抗生素蛋白维生素H分子作为DNA分子的探针,可以将10-15 mol/L DNA/mRNA有效地富集,并能实时监控产物。Tayor等[47]用硅酸钠水解法、正硅酸乙酯水解法制备SiO2/Fe2O3磁性纳米粒子并对DNA进行了分离。结果表明,SiO2功能化的Fe2O3磁性纳米粒子对DNA的吸附分离效果明显好于单独Fe2O3磁性纳米粒子的分离效果,但是其吸附机理有待进一步研究。3.2 磁性氧化铁纳米材料在生物检测中的应用3.2.1 基于磁学性能的生物检测磁性氧化铁纳米粒子因其特有的磁导向性、小尺寸效应及其偶联基团的活性,兼有分离和富集地作用,使其在生物检测领域有广泛的应用。当检测目标为低含量的蛋白分子时,不能通过聚合酶链反应(PCR)对其信号进行放大,而磁微球与有机染料或量子点荧光微球结合可以对某些特异性蛋白、细胞因子、抗原和核酸等进行多元化检测,实现信号放大的作用。Yang等[48]采用一对分子探针分别连接荧光光学条码(彩色)和磁珠(棕色),对DNA(顶端镶板)和蛋白质(底截镶板)生物分子进行目标分析(图3)。如果目标DNA序列或蛋白存在,它将与两个磁珠结合一起,形成了一个三明治结构,经过磁选,光学条码可以在单磁珠识别目标水平下,通过分光光度计或是在流式细胞仪读出。通过此方法检测目标分子是基于数百万个荧光基团组成的微米尺寸光学条码信号的扩增而检测出来,其基因和蛋白的检出限可达到amol/L量级,甚至更低。 Nam等[49]利用多孔微粒法(每个微粒可填充大量条形码DNA)和金纳米微粒为基础的比色法生物条形码检测技术检测了人白细胞介素2(IL2),检出限可达到30 amol/L,比普通的酶联免疫分析技术的灵敏度高3个数量级。Oh等 [50]利用荧光为基础的生物条形码放大方法检测了前列腺特异性抗原(PSA)的水平,其检出限也低于300 amol/L,而且实现了快速检测。 在免疫检测中,磁性纳米粒子作为抗体的固相载体,粒子上的抗体与特性抗原结合,形成抗原抗体复合物,在磁力作用下,使特异性抗原与其它物质分离,克服了放免和酶联免疫测定方法的缺点。这种分离具有灵敏度高、检测速度快、特异性高、重复性好等优点。Yang等[51]通过反相微乳液法制备了粒径很小的SiO2包覆的Fe3O4磁性纳米粒子,生物分子通过诱导这些高单分散的磁性纳米粒子可用于酶的固定和免疫检测。Lange等[52]采用直接或三明治固相免疫法(生物素基化抗IgG抗体和共轭连接链霉素的磁性纳米粒子组成三明治结构)和超导量子干涉法(SQUID),研究它们在确定抗原、抗体相互作用免疫检测中的应用,结果表明特异性键合的磁性纳米颗粒的驰豫信号大小依赖于抗原(人免疫球蛋白G,IgG)的用量,这种磁弛豫(Magnetic relaxation)免疫检测方法得到的结果与广泛使用的ELISA方法的结果相当。 因磁性纳米粒子独特的性能,在生物传感器上也有潜在的应用前景。Fan等[53]在磁珠上偶联被检测物的一级抗体,在金纳米颗粒上连接二级抗体,两者反应后,利用HClNaClBr2将Au氧化为Au3+,催化发光胺(Luminol)化学发光,人免疫球蛋白G(IgG)的检出限可达2 × 10-10 mol/L ,实现了磁性纳米颗粒化学发光免疫结合的方法对IgG进行生物传感分析(图4)。3.2.2 类酶催化特性在生物检测中的应用 Cao等[54]发现Fe3O4磁性纳米粒子能够催化H2O2氧化3,3',5,5'四甲基联苯胺(TMB)、3,3'二氨基联苯胺四盐酸盐(DAB)和邻苯二胺(OPD),使其发生显色反应,具有类辣根过氧化物酶(HRP)活性(图5),而且其催化活性比相同浓度的辣根过氧化物酶高40倍。并且Fe3O4磁性纳米粒子可以运用磁分离手段进行重复性利用,显著降低了生物检测的实验成本,利用此特性可进行多种生物分子的检测。 利用葡萄糖氧化酶(GOx)与Fe3O4磁性纳米粒子催化葡萄糖的反应(见式(1)和(2)),通过比色法检测葡萄糖,其检测的灵敏度达到5×10-5 ~ 1×10-3 mol/L 。由于Fe3O4磁性纳米粒子制备简单、稳定性好、活性高,成本低,因而比普通酶更有竞争优势,这也为葡萄糖的检测提供了高灵敏度和选择性的分析方法,在生物传感领域的应用上展现了巨大的潜能,为糖尿病人疾病的诊断提供了快速、灵敏的检测方法。然而要提高检测灵敏度,合成催化效率高的Fe3O4磁性纳米粒子及多功能磁性纳米粒子是关键。Peng等[56]用电化学方法比较了不同尺寸Fe3O4纳米粒子的催化活性发现,随着尺寸的变小,磁性纳米粒子的催化活性变高。Wang等[57]制备的单分散哑铃型PtFe3O4纳米粒子,由于本身尺寸和结构特点,可更大限度地提高催化活性。本研究组已经合成了分散性好和磁性高的氧化铁纳米粒子并对其进行了表征,利用其磁学和催化特性,已开展了葡萄糖等生物分子的检测,该方法的检出限达到1 μmol/L,具有灵敏度高、操作简便和成本低等优点[58]。总之,Fe3O4磁性氧化铁纳米粒子不但具有显著的超顺磁性,而且具有类辣根过氧化物酶催化特性,可通过使用过氧化物敏感染料,设计了一系列(如乙肝病毒表面抗原等)的免疫检测模型[59],因此超顺磁性纳米粒子在生物分离和免疫检测领域具有广阔的应用前景。4 结 语 随着纳米技术的迅速发展,磁性氧化铁纳米粒子的开发及其在生物医学、生物分析、生物检测等领域的潜在应用已经越来越受到重视,但同时也面临很多挑战和问题。(1)构建并制备尺寸小、粒径均一、分散性和生物相容性好及催化性能高的多功能磁性纳米粒子;(2)根据被检测生物分子的特点设计多功能磁性氧化铁纳米粒子,实现高灵敏度、特异性检测;(3)利用纳米氧化铁颗粒作为分子探针进行实时、在线、原位、活体和细胞内生物分子的检测。这些问题不仅是纳米材料在生物分子检测领域应用需要解决的难点,也是目前其进行生物分子检测研究的热点和重点。【参考文献】 1 Perez J M, Simeone F J, Saeki, Y, Josephson L, Weissleder R. 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妖精1208
材料学专业开题报告
写开题报告前应该做好资料收集,写好文献综述,为论文开题报告打好基础。以下是我分享的材料学专业开题报告,欢迎阅读借鉴。
1.论文题目:zno压电薄膜制造瓷砖的研究
2.选题意义:
2.1理论意义
根据当前的物理尖端技术,利用压电陶瓷的特性,利用真空制膜机,使用zno等材料制成可以将压力转化成电能的压电薄膜。
2.2实践意义
将压电薄膜添加在瓷砖中,铺设在火车站,飞机场等人流量大的地方,从而将人们走过的压力转化成电能以供给照明的用处从而达到节能减排的效果。
3.文献综述
3.1查阅的文献类型
主要有:书籍、期刊
3.2文献查阅的方法
主要有:图书馆、CNKI、维普、万方
3.3参考的着作
1.《ZnO压电薄膜的制备与性能表征》
作者:许恒星,王金良,唐宁,彭洪勇,范超 于2009年8月第38卷第4期《人工晶体学报》
摘要:采用射频磁控溅射法在硅(100)衬底上制备高质量的ZnO压电薄膜。利用x射线衍射仪(XRD)、原子力显微镜(AFM)、压电响应力显微镜(PFM)等仪器研究了薄膜成分,表面形貌和压电性质。结果表明:实验制备的ZnO薄膜具有很好的压电性质,C轴取向和表面粗糙度对薄膜压电特性有很大影响,高度c轴取向生长和表面粗糙度较小的ZnO薄膜表现出更好的压电性质
2.《陶瓷薄膜制备及应用》
作者:卢旭晨;李佑楚;韩铠;王风鸣; 于1999期06版《材料导报》
摘要:对各种薄膜制备方法的特点(即物理方法、化学方法)进行阐述,并且从氧化物和非氧化物的角度,综述了陶瓷薄膜作为硬质薄膜、气敏薄膜以及铁电、压电等微电子薄膜的应用。
3.《0-3型压电陶瓷/聚合物复合材料的制备工艺新进展》
作者:李小兵;田莳;张跃; 于2001年04期《功能材料》
摘要:03型压电陶瓷/聚合物复合材料具有单相压电陶瓷或聚合物所不具备的良好的综合性能,因此引起了人们广泛的兴趣和研究。本文综述了03型压电复合材料的制备工艺及相应复合材料的压电性能,重点介绍了水解聚合法、凝聚胶体法、溶液聚合法3种新型制备工艺,简要分析各种制备工艺的优缺点,为压电陶瓷/聚合物复合材料(甚至是纳米级压电复合材料)的进一步研究、开发和应用提供依据。
4.《用PLD法制备声表面波器件用ZnO薄膜》
作者:刘彦松;王连卫;李伟群;黄继颇;林成鲁; 于2001年01期《功能材料》
摘要:采用脉冲激光淀积(PLD)法在单晶Si(100)衬底上淀积了ZnO薄膜。XRD、TEM和AFM分析表明,淀积的ZnO薄膜具有良好的c轴取向性和表面平整度。通过改变淀积气氛或在纯氧中高温退火,ZnO薄膜的电阻率提高到107Ω·cm.这些结果表明,用PLD法淀积的ZnO薄膜能够满足声表面波(SAW)器件的需要。
5.《ZnO薄膜及其性能研究进展》
作者:黄焱球;刘梅冬;曾亦可;刘少波; 于2001年03期《无机材料学报》
摘要:ZnO薄膜是一种具有优良的压电、光电、气敏、压敏等性质的材料,在透明导体、发光元件、太阳能电池窗口材料、光波导器、单色场发射显示器材料、高频压电转换器、表面声波元件、微传感器以及低压压敏电阻器等方面具有广泛的用途。ZnO薄膜的制备方法多样,各具优缺点;而薄膜性质的.差异则取决于不同的掺杂组分,并与制备工艺紧密相关。本文综述了ZnO薄膜的制备及性质特征,并对其发展趋势及前景进行了探讨。
4.研究设计
4.1概念界定
zno压电薄膜:ZnO薄膜是一种具有优良的压电、光电、气敏、压敏等性质的材料,在透明导体、发光元件、太阳能电池窗口材料、光波导器、单色场发射显示器材料、高频压电转换器、表面声波元件、微传感器以及低压压敏电阻器等方面具有广泛的用途
瓷砖:是以耐火的金属氧化物及半金属氧化物,经由研磨、混合、压制、施釉、烧结之过程,而形成之一种耐酸碱的瓷质或石质等之建筑或装饰之材料,总称之为瓷砖。其原材料多由粘土、石英沙等等混合而成。
4.2研究假设
通过采用射频磁控溅射法在硅(100)衬底上制备高质量的ZnO压电薄膜可以做到将压力转换为电能的效果。
4.3研究内容
4.3.1查阅论文期刊,从理论上分析出可以利用zno制作出压电薄膜;
4.3.2通过借助我们的指导教师任岳导师实验室中的射频磁控溅射法在硅(100)衬底上制备高质量的ZnO压电薄膜
4.3.3检测制作的zno压电薄膜导电能力并结合到瓷砖中从而利用到实践中。
4.4研究方法
文献法、实验法、观察法等,通过理论加实验分析相结合的方法,利用到学校的一些地方加以检验。
4.5研究步骤
查阅资料→理论分析→射频磁控溅射制作薄膜→验证转化效率→结合瓷砖→实际检测→得出结论
5.结论
通过研究发现可以实现将压力转化为电能,但效率比较低,可以进一步研究通过zno和其他材料相结合的或者通过合理布局瓷砖设计从而提高转化以及利用效率。
6.参考文献
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[10]林鸿溢,张焱,丁世昌,等。纳米ZnO薄膜制备技术及其特性的研究[J].北京理工大学学报,1995,15(2):132-137.
蜡笔1982
开题报告填写事项一、填写必须实事求是,字迹要端正、清楚。二、本报告的第一至第六部分由研究生本人填写(字数不少于2000字)。其余部分由指导教师、开题报告评议小组、教研室(研究室)主任、院长、研究生处填写。三、硕士研究生开题报告日期规定为进校后第三学期完成。四、开题报告评议小组由学院统一集中组织,对开题报告通不过者要在1至2个月内补做,重新审核合格后,才允许正式进入课题,否则取消进入论文阶段资格。五、此表留存研究生处学位办一份。 本课题所涉及的内容(包括实验数据、计算机程序、导师未公开发表的研究成果及心得等),除在毕业论文中所发表的以外,本人保证:未经导师正式同意,五年内不以任何形式向第三方公开。研究生(签字) 导 师(签字) 年 月 日 一、课题的来源及意义本课题主要来源于导师的研究课题。现代科学技术发展使得复合化成为材料发展的必然规律。近年来,纳米复合材料的研究发展迅速,无论是从学术研究角度考虑,还是从工业生产实际出发,人们都已开展了大量的实验研究工作。所谓纳米复合材料(Nanocomposites)是80年代初由Roy等人提出的,是指复合材料中分散相尺度至少有一维小于100nm的复合材料。由于纳米粒子具有小尺寸效应、大的比表面产生的界面效应、量子效应等特殊性能,故能赋予纳米复合材料许多特殊的性能,为设计和制备高性能、多功能新材料提供了新的机遇。纳米复合材料被誉为“21世纪最有前途的材料”,成为材料科学研究的热点之一。聚合物/层状硅酸盐(Polymer/Layered Silicate,PLS)纳米复合材料是纳米复合材料领域重要研究方向之一。PLS纳米复合材料既具有高分子材料的质轻、耐腐蚀、绝缘性好、易加工等特点,又具有无机材料的高强度、高模量、高耐热性等优点,有着广阔的发展前景。PLS纳米复合材料除具有一般纳米复合材料的性能外,还因其特有的纳米尺度上的片层结构使得复合材料的耐热性、尺寸稳定性、气体阻隔性及阻燃性等得到明显提高。PLS纳米复合材料的研制与开发为提高传统聚合物材料性能、拓宽聚合材料的应用范围起到了极大的促进作用。根据复合物的微观结构,可以把复合物分成四类:相容性差的粒子填充复合物;普通的微粒填充复合物;插层型纳米复合材料;剥离型纳米复合材料。只有第三、第四类复合物实现了纳米尺度上的插层复合,且第四类复合物即剥离型纳米复合材料由于无机物在聚合物基体中实现了充分均匀的分散,其纳米尺度效应显著、界面结合强度更高。此类复合材料具有优异的力学性能和耐热性,并且材料的阻隔性均有所提高,是当前研究的主方向。PLS纳米复合材料以其优良的性能越来越受到广泛地重视。目前,PLS纳米复合材料已从基础研究阶段向工业化生产阶段发展,日本的丰田公司(TOYOTA)、宇部公司(Unitsika)、美国的南方粘土(Southernay)等已经研制开发出PLS纳米复合材料的商业化产品。本课题利用省内层状硅酸盐矿物(膨润土)和高分子原料,对聚合物原料进行改性,对膨润土原料进行深加工处理。研究聚合物、层状硅酸盐二者之间的复合机理、结晶过程、界面特征以及结构性能之间的关系,研究加工制备工艺过程对PLS纳米复合材料性能的影响以及最佳制备工艺参数的确定。用合理的加工技术方法,制备出性能优良的剥离型纳米复合材料。这既是本课题的特色和创新之处也是纳米复合材料的研究发展趋势所在。二、简述该领域目前的国内外研究水平和发展趋势聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料是当今众多无机纳米粒子改性复合材料中最有潜力的一类纳米复合材料,也是目前研究最多、最有希望工业化生产的聚合物纳米复合材料。自从1987年日本丰田公司的研究开发中心首次报道用插层聚合的方法制备了尼龙6/粘土纳米复合材料以来,由于聚合物/粘土纳米复合材料实现了纳米相分散、强界面作用和自组装并具有较常规聚合物/无机填料复合材料无法比拟的优点(如优异的力学、热学性能和气体阻隔性能等),因此倍受关注。据报导,预计今后PLS纳米复合材料的产值每年会增长约100%。到2009年,产值会达到15亿欧元/年,产量会达到50万吨/年。PLS纳米复合材料将会遍及人们生活的各个方面,飞机、汽车、包装、电子电器、建材、家俱等产业将广泛受益于这种新型材料。1、 国外PLS纳米复合材料研究现状自从20世纪80年代末期,Okada等人报道了PA6/层状硅酸盐纳米复合材料以来,迄今这一领域已得到长足的发展,成为目前聚合物材料的一个新热点。到目前为止,日本丰田研究中心、美国康耐尔大学、密歇根大学以及中国科学院化学研究所国内外众多研究单位都在这一领域进行深入的科学研究。1987年,丰田中心研究和发展公司的Fukushima和Inagaki仔细地研究了聚合物/层状硅酸盐复合材料后,用季铵盐取代粘土片层间的无机离子,成功地改善了粘土与聚合物基体的相容性,研制出PLS型尼龙6/硅酸盐纳米复合材料,材料的热变形温度较纯尼龙6有大幅度提高,同时力学性能与阻隔性能均有不同程度的提高。丰田中心研究和发展公司的Usuki、Fukushima用已内酰胺的原位聚合法制备了剥离型的尼龙6/蒙脱土纳米复合材料(季铵盐改性的蒙脱土事先被均匀地分散于已内酰胺中),并制备出聚酰亚胺/蒙脱土纳米复合材料,发现只需添加2%(质量分数)的粘土,材料的气体阻隔性及线胀系数显著降低,适合PI在微电子领域的应用,这极大地引起了材料科学家的关注。美国Comell大学的R A Vaia和E P Giannelis等对聚合物熔体插层进行了热力学分析,认为该过程是焓驱动的,因而必须加强聚合物与粘土间的相互作用以补偿整个体系熵值的减少。在此理论的指导下,他们通过聚合物熔体插层制备出PS/粘土,聚氧乙烯/粘土纳米复合材料,并对层间聚合物的受限运动行为进行了研究。Usuki等人深入研究了有机插层剂对插层复合的影响,并制备出一系列PLS纳米复合材料,并首先报道了“两步法”制备聚酰胺6/蒙脱土纳米复合材料,即先用12~18烷基氨基酸作插层剂对钠基蒙脱土进行阳离子交换处理,然后将阳离子交换后的蒙脱土与ε-己内酰胺复合,在常规条件下聚合,得到聚酰胺6/粘土纳米复合材料。西欧一些国家也先后制定了发展纳米复合材料研究的计划。一些国外的大公司特别是生产聚合物的厂家纷纷加入聚合物纳米材料的开发应用。目前,丰田汽车公司已成功地将Nylon 6/clay纳米复合材料应用于汽车上。由于层状硅酸盐是纳米尺度分散于聚合物基体中,可以成膜、吹瓶和纺丝。在成膜和吹瓶过程中,硅酸盐片层平面取向形成阻挡层,因此可用于高性能包装和保鲜膜。2、国内PLS纳米复合材料研究现状我国的PLS纳米复合材料研究开始于90年代,现已取得了许多成果,并已列入国家“863规划”和“九五计划”的重点研究开发课题。中科院化学所对聚合物基粘土纳米复合材料的研究,发明了“一步法”制备Nylon 6/粘土纳米复合材料(nc-PA6),即将蒙脱土阳离子交换、己内酰胺单体插层以及单体聚合在同一个分散体系中完成,在不降低产品性能的前提下缩短了工艺流程,降低了成本。黄锐等利用刚性粒子对聚合物改性的研究在学术界极有影响;另外,四川大学高分子科学与工程国家重点实验室发明的磨盘法、超声波法制备聚合物基纳米复合材料也是一种很有前景的制备手段。中科院化学所工程塑料国家重点实验室取得的成就有:单体插层缩聚制备了尼龙6/粘土纳米复合材料,可大幅度提高其热变形温度,扩大了材料的应用范围,并对插层剂的碳链长度与有机蒙脱土的层间距的关系进行了研究,在此基础上开发了PET/粘土、PBT/粘土纳米复合材料,提高了材料的热性能和阻隔性,其中PET/粘土纳米复合材料的结晶速度较PET提高了约5倍。此外还通过聚合物溶液插层及熔体插层分别制备出硅橡胶/蒙脱土及PS/粘土纳米复合材料,其中硅橡胶/蒙脱土纳米复合材料具有良好的耐磨性,各项物理、力学性能指标得到很大提高,可代替气相白炭黑填充硅橡胶,具有实用前景。相信在不久的将来,PLS纳米复合材料将会广泛应用于高分子材料及其它领域。3、存在的问题及研究发展趋势PLS纳米复合材料的不断涌现以及大量研究结果的报道,让我们看到了这类复合材料具有的优异特性,使得层状无机物插层改性聚合物制备高性能纳米复合材料成为国际上最新技术热点之一,但也存在以下几个问题。① PLS纳米复合材料的研究尽管十分热门,但由于其插层复合机理复杂、结构与界面特征复杂,微区尺寸小,再加上量子效应、表面效应等,对它的研究还不够深入,特别是运用热力学、动力学和结晶学知识研究不够。对其结构、形态特征与材料性能的关系研究较少,合成方法大多基于合成宏观材料上的改进,存在着一定局限性;② 剥离型PLS纳米复合材料比其它类型的复合材料具有更优异的性能,但对原材料加工处理、制备方法要求严格,对其制备工艺及过程研究不够;③ 高聚物与纳米材料的混合、分散缺乏专业设备,用传统的设备往往使纳米粒子得不到良好的分散,要研究出新的混合分散技术方法及设备。三、课题所要研究的内容及实施方案(主要研究内容及预期成果,拟采用的研究方法、技术路线、实验方案的可行性分析。)1、研究内容(1)了解相应聚合物的物理化学性质,合成方法,用途及研究现状;了解PLS纳米复合材料所具备的优良性能,熟悉国内外PLS纳米复合材料的应用现状、研究进展、存在的问题及解决的措施; (2)研究层状硅酸盐(膨润土)矿物学特征和纳米结构特征(层间距、层面特征和边缘特征),熟悉测试表征方法;并掌握对测试结果分析的技术方法;(3)深入研究膨润土提纯、钠化、有机化的各种方法、反应机理;了解钠基土及有机土的应用价值和研究现状;制定合理的实验方案,对膨润土进行提纯,通过实验选择合适的反应条件和合适的钠化剂和表面修饰剂进行钠化、有机化,制备出亲油或亲水亲油的纳米膨润土;(4)了解剥离型PLS纳米复合材料制备方法及性能特点,从动力学、热力学、结晶学、流变学等方面探讨纳米材料复合过程和机理;(5)选择聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚氨酯(PU)两种聚合物,对其进行改性(接枝方法和离子化方法)制定合理的加工制备方案、确定最佳实验流程及实验参数,制备出剥离型PLS纳米复合材料;(6)从制备方法、表面改性剂的选择、加入第三组分等方面研究有机膨润土在聚合物中的分散形态;并探讨多相体系中物相界面结构特征,制备出剥离型纳米复合材料。 (7) 研究PLS纳米复合材料结构和性能之间的关系。进行产品结构分析、力学性能和阻燃性能对比测试分析。2、预期成果(1)制备出优良的有机膨润土,制备出改性性能良好的聚合物;(2)制备出剥离型PLS纳米复合材料;(3)预期在核心期刊发表2篇论文或申报1项发明专利;(4)完成毕业论文的编写,顺利通过答辩。3、研究方法及技术路线(1)实验研究流程图(2)实验研究过程(方案)① 层状硅酸盐的选择及改性处理目前为止,能够在PLS纳米复合材料中得到应用的有膨润土、高岭土、海泡石等少数几种属于层状硅酸盐的矿物质。这其中最根本的原因是绝大多数的层状无机矿物质无法利用插层处理的方式扩张其片层之间的重复间距。因此,虽然他们具有层状的结构,各相邻的片层之间也具有一定的空间,但却不足以容纳旋转半径为上百埃的聚合物分子链插入到各片层之间,形成所谓的插层复合材料;而仅仅允许离子、小分子等小的介质进入其中。对于膨润土、高岭土等粘土矿物, 由于他们具有较大的初始间距以及可交换的层间阳离子,使得我们可以利用离子交换的方式将他们的层间距扩大到允许聚合物分子链插入的程度,从而可以利用它们制备出性能优异的插层纳米复合材料。本课题利用省内矿产资源优势膨润土,其主要成分为蒙脱石。蒙脱石的基本结构单元是有一片铝氧八面体夹在两片硅氧四面体之间靠共用氧原子而形成的层状结构,属于2:1型层状硅酸盐。每个结构单元的尺度为1nm厚、长宽均为100nm的片层,层间有可交换性阳离子,如Na+、Ca2+、Mg2+等金属离子,因此容易与烷基季铵盐或其他有机阳离子进行交换反应生成有机膨润土。由于膨润土本身的亲油性较差,聚合物的单体或分子链又多为亲油性物质。因此,膨润土使用前必须经过有机化改性处理。膨润土改性处理方案。A、膨润土的提纯实验方案:将膨润土与水(固液比为1:10)配成悬浮液,再经高速旋转的离心机沉降分离,并且加入适量的分散剂(六偏磷酸钠),进一步分离粒度较细的碎屑矿物(长石、碳酸盐等),得到粒度小于5µm的膨润土浆料或悬浮液,再将该悬浮液抽滤、洗涤、干燥、打散解聚,即可得到高纯度的膨润土产品。测其吸蓝量,CEC,膨胀倍,胶质价等性能指标。B、钙基膨润土的钠化钠化原理:当膨润土-水系统中存在两种离子时,就存在一个动态的吸附-解吸平衡,即离子吸附与交换过程。如当膨润土-水系统中同时含有Ca2+、Na+时就会发生如下离子交换平衡: Ca-膨润土+2Na+ 2Na-膨润土+Ca2+钠化剂的选择、用量、钠化温度及钠化时间对钠化效果都有一定的影响,通过实验,确定最佳反应条件。C、膨润土的有机化在制备PLS纳米复合材料时,常采用有机阳离子(插层剂)进行离子交换而使层间距增大,并改善层间微环境,使粘土内外表面由亲水转变为疏水,降低硅酸盐表面能,以利于单体或聚合物插入粘土层间形成PLS纳米复合材料。因此插层剂的选择是制备PLS纳米复合材料的关键步骤之一。它必须符合以下几个条件:(1)容易进入层状硅酸盐晶片(001面)间的纳米空间,并能显著增大粘土晶片间层间距;(2)插层剂分子应与聚合物单体或高分子链具有较强的物理或化学作用;(3)价廉易得,最好是现有的工业品。在不同用量、酸碱性、反应温度等条件下,选择阳离子(十六烷基三甲基溴化铵)、阴离子(十二烷基硫酸钠)及阴阳双离子为插层剂,制备有机土,通过测试确定最佳反应条件。② 聚合物改性③ PLS纳米复合材料的制备A、复合材料的类型从微观结构上看,复合材料可分为四类,如下图。在第一类复合物中(a),蒙脱土颗粒分散在聚合物基体中,但聚合物与蒙脱土的接触仅限于蒙脱土的颗粒表面,聚合物没有进入蒙脱土颗粒中。第二类复合物(b)中,聚合物进入蒙脱土颗粒,但没有插层进入硅酸盐片层中。在插层型复合物(c)中,聚合物不仅进入蒙脱土颗粒,而且插层进入硅酸盐片层间,使蒙脱土的片层间距明显扩大,但还保留原来的方向,片层仍然具有一定的有序性。在剥离型复合物(d)中,蒙脱土的硅酸盐片层完全聚合物打乱,无规则地分散在聚合物基体中,此时蒙脱土片层与聚合物实现了纳米尺度上的均匀混合。四类复合材料中只有后两种才算是纳米复合材料,而且第四类剥离型复合材料比第三类插层型复合材料具有更理想的性能,是众多材料科学家追求的目标,也是本课题研究的重点。 B、制备方法插层复合法(Intercalation Compounding)是制备PLS纳米复合材料的方法。按照复合的过程,插层复合法可分为两大类。(1)插层聚合法(Intercalation Polymerization),即先将聚合物单体分散、插层进入层状硅酸盐片层中,然后原位聚合,利用聚合时放出的大量热量,克服硅酸盐片层间的库仑力,使其剥离(exfoliate),从而使硅酸盐片层与聚合物基体以纳米尺度相复合;(2)聚合物插层(Polymer Intercalation),即将聚合物熔体或溶液与层状硅酸盐混合,利用力化学或热力学作用使层状硅酸盐剥离成纳米尺度的片层并均匀分散在聚合物基体中。从制备方法来看,PLS纳米复合材料的制备可分为单体插层原位聚合与大分子直接插层;从实施途径来说有溶液法和熔体法。它们互相组合成四种具体制备过程:大分子熔体直接插层;大分子溶液直接插层;单体熔体插层原位本体聚合;以及单体溶液插层原位溶液聚合。制备PLS纳米复合材料流程图如下:C、有机土加入量的选取有机土加入量的多少直接影响着制品的质量和性能,有机土的加入量过高时,体系的粘度增大,很难脱泡及浇注;有机土加入量过低时,有机土在体系中的分散不好,起不到增强和增韧的效果。对于有机土加入量的多少,在研究领域内众口不一。我们采用不同含量(2-5%)的有机土进行插层复合,寻找最佳加入量。D、实验方案以PBT、PU聚合物为例,选用合适的插层方法,在不同的配料比下插层复合,测其力学性能、阻燃性能、热稳定性能等,从热力学、动力学等方面研究复合机理及影响复合过程的因素,得到性能优良的剥离型PLS纳米复合材料。(3)PLS纳米复合材料主要性能测试与表征① 甲醛容量法测膨润土阳离子交换容量(CEC),测吸蓝量计算膨润土中蒙脱土的含量,带塞量筒测其膨胀倍、胶质价;② 扫描电镜(SEM)测聚合物及PLS纳米复合材料的微观形貌;③ 傅立叶转换红外光谱(FTIR)分析,根据谱图的吸收峰判断有机化改性效果及插层效果;④ X射线衍射分析仪(XRD)测试膨润土的层间距和复合材料的剥离程度;根据谱图用Jade软件确定蒙脱土的化学成分及含量;⑤ 差热-热失重分析仪(TG-DTA)测定膨润土的转化温度及复合材料的热稳定性;⑥ 电子万能实验机测拉伸强度和断裂伸长率,判断聚合物及PLS纳米复合材料的力学性能。4、实验研究方案的可行性分析(1)实验室有一系列的实验仪器:如真空泵、磁力搅拌器、恒温水浴锅、高温炉、干燥箱、开练机、双螺杆机和造粒机等;学校测试中心有扫描电镜、X-射线衍射仪、傅立叶转换红外光谱仪、差热-热失重分析仪、原子力显微镜等测试用仪器;(2)导师长期从事这一领域的研究工作,有扎实的理论基础和丰富的实践经验,有师生组成的研究团队;(3)学校图书馆可以查到大量的中外文文献资料和学术专著,可供参考;(4)与企业合作,有丰富的实践基地和广阔的应用前景;(5)已做了一些实验前期工作,制得的复合材料力学性能显著提高,且热稳定性很好;(6)实验方案叙述合理,技术路线可行,理论基础清楚明了,实验研究条件基本具备,加上前期研究工作的进展,故本实验研究方案是可行的。四、课题研究的创新之处(研究内容、拟采用的研究方法、技术路线等方面有哪些创新之处。)(1)PLS纳米复合材料作为一个崭新的研究领域,对其研究尤其剥离型复合材料的研究可以说仍处于初级阶段,理论上不够成熟,制备技术不够完善,对材料的复合机理,材料的结构及结构与性能间的关系等方面还有待于进一步探索。本课题从热力学、动力学等方面研究聚合物与层状硅酸盐(膨润土)复合的界面特征、内部结合机理,并探讨复合过程、材料结构对其力学性能、阻隔性能、流变性能、结晶性能等的影响。(2)剥离型PLS纳米复合材料的发展水平仍处在实验研究或专利阶段,工业化项目极少,在高性能工程塑料、高性能树脂基体中的研究报道还较少。本课题从表面改性剂的选择、加入第三组分、高性能纳米膨润土的制备、聚合物的改性、合理制备方法的选择等方面进行系统实验研究,制备出性能优异的剥离型纳米复合材料。五、工作量及工作进度安排(包括文献查阅、方案设计与实现、计算与实验、论文书写等)起止日期 课题阶段工作进程2007.2~2007.92007.10~2007.122008.1~2008.22008.3~2008.42008.5~2008.62008.7~2008.82008.9~2008.102008.11~2008.122009.1~2009.3查阅文献资料、学术专著、参考书等,同时做了大量实验前期工作及一定的实验研究工作;写开题报告并进行答辩,准备实验所需试剂和仪器;研究钠基土、有机土的结构及结构与性能的关系,设计实验方案;通过实验和性能表征确定钠化、有机化过程最佳反应条件;在最佳反应条件下制备大量有机土,用XRD、FTIR、TG-DTA等表征,做好实验记录;以PBT、PU聚合物为例,了解其物理化学性能、合成机理、合成方法及应用现状;选择合适的反应装置、合成方法,用单体合成所需要的聚合物;查阅大量当前最新的中外文文献,了解纳米复合材料的研究现状及先进的制备方法;选择不同的有机土加入量(2-5%),用聚合物熔融插层法,聚合物熔液插层法,单体插入原位聚合法等不同的方法,控制反应条件,制备PLS纳米复合材料;对制品进行力学性能、热学性能、阻隔性能等方面的测试,确定有机土的最佳加入量,找出即使制品性能优异、成本低又环保的制备方法;用SEM测试产品的形貌,证实其剥离程度;用XRD测试有机土的层间距,分析其改性效果;复合材料中界面层的性质可以用示差扫描量热法(DSC)来表征;热失重分析(TGA)可以研究有机物对蒙脱土的改性程度及纳米复合材料的耐热性;选择最好的制备方法,将聚合物与有机土进行复合,研制出纳米复合材料制品并详细表征其各种性能;撰写论文,准备答辩。六、国内外主要参考文献(列出作者、论文名称、期刊名称、出版年月) 序号 参考文献名称 梁宏斌,倪靖滨.聚合物/纳米复合材料研究进展[J].化学工程师,2006,3:26-28.陈光明,李强,漆宗能.聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料研究进展[J].高分子通报,1999,4:1-9.韩建竹,夏英.聚合物/蒙脱土纳米复合材料的研究进展[J].高分子通报,2006,12:66-70.李春生,周春晖,李庆伟.聚合物/蒙脱土纳米复合材料的研究进展[J].化工生产技术,2002,9(4):22-26. 陈国华,李明春.聚合物/粘土纳米体系[J].高分子材料科学与工程,1999,15(3):9-12.Jitendra K Pandey,et a1.Polymer Degradation and Stability,2005,88:234舒中俊,陈光明,漆宗能.聚合物/粘土纳米复合材料及其特殊阻燃性[J].2000,28(3):24-26.张秀英,李国昌,王萍等.利用山东膨润土生产有机膨润土研究[J].2007,27(1):35-36.潘兆橹,万朴应用矿物学[M].武汉:武汉工业大学出版社,1993.杨雅秀.中国粘土矿物[M].北京:地质出版社,1994.周建工,鲁安怀.利用低品位天然钙基膨润土制备低成本有机粘土实验研究[J].北京大学学报(自然科学版),2006,42(4)457-467.陈兴华.聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的最新研究进展[J].广西轻工业,2007,(1):35-37.黄锐,王旭,李忠明.纳米塑料-聚合物/纳米无机物复合材料研制、应用与进展[J].中国轻工出版社,2002,(4):10-12.祝启砷,黄志良,王西文等.膨润土提纯增白与钠化改型联合处理工艺[J].中国矿业,2002,11(5):44-46.漆宗能,尚文字.聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料理论与实践[M].化学工业出版杜,2002.ChenTian Y.Synthesis and Characterization of Novel Segmented Polyurethane/Clay Nan composites.Polymer,2000,41(4):1345-1349.Cho,K.Lee, JKwon, K.J.Appl.Polymer Sci.2001,(79):1025-1028.G-M.Kim D-H,Lee,B.Hofmann,et a1.Influence of nanoflllers on the deformation process in layered silicate/polyamide-12 nanoeomposites.Polymer,2001,42(3):95-110.Hao Fong,Weidong Liu,Chi-Shan Wang,et a1.Generation of electro spun fibers of nylon 6-montmorillonite nanocomposite.Polymer,2002.43(3):775-780.Cheon II Park,Park et a1.Polymer.2001,42:7465-7475. Fornes T D,Yoo P J,et a1.Polymer.2001,42:9929-9940.Cho J W,Paul D R.Polymer,2001,42:1083-1094.Kaempfer D.Thomann R.el a1.Polymer.2002.43:2909-2916.Dennis H R,Hunter D L,a1.Polymer.2001,42:9513-9522.Marosi G,Keszei S Matko S,Bertalan G.Fire and Polymer,2006,4:117.Sorathia U,Lynon R,Gann R G.Fire Technology,1997,33(3):351.S.S.R.ay,K.YamadaM,Okamoto,et a1.New polylactide-layered silicate nanocomposites.Concurrent improvements of material properties,biodegradability and melt theology [J].Polymer,2003.44(3):857-866.宋军,倪卓,王宝辉,等.聚丙烯/蒙脱土纳米复合材料的制备和性能[J].现代塑料加工应用,2005,17(2):14-16.苏海霞,曾幸荣.聚吡咯/有机蒙脱土纳米复合材料的制备及其导电性[J].化学与黏合,2005,27(3):127-130.郑华,张勇,彭宗林,等.三元乙丙橡胶/蒙脱土纳米复合材料的制备与性能研究[J].世界橡胶工业,2005,32(6):l1-13.吴德峰,周持兴.聚对苯二甲酸丁二醇酯/蒙脱土纳米复合材料的结晶结构及流变行为[J].高分子材料与工程,2005,21(5):132-136.1、 至少列举国内外参考文献20篇;2、 教科书、工具书不能作为参考文献;3、 专著等参考书的数量小于总数量的三分之一;4、 近五年出版的参考书数量不小于总数量的三分之一;5、 外文参考文献的数量不小于总数量的三分之一。
丛林穿梭
中科院化学所工程塑料国家重点实验室取得的成就有:单体插层缩聚制备了尼龙6/粘土纳米复合材料,可大幅度提高其热变形温度,扩大了材料的应用范围,并对插层剂的碳链长度与有机蒙脱土的层间距的关系进行了研究,在此基础上开发了PET/粘土、PBT/粘土纳米复合材料,提高了材料的热性能和阻隔性,其中PET/粘土纳米复合材料的结晶速度较PET提高了约5倍。此外还通过聚合物溶液插层及熔体插层分别制备出硅橡胶/蒙脱土及PS/粘土纳米复合材料,其中硅橡胶/蒙脱土纳米复合材料具有良好的耐磨性,各项物理、力学性能指标得到很大提高,可代替气相白炭黑填充硅橡胶,具有实用前景。相信在不久的将来,PLS纳米复合材料将会广泛应用于高分子材料及其它领域。
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