纳米杂化材料的基本概念与应用

现代科学技术的飞速发展对材料的种类和性能提出了更高的要求，各种杂化材料应运而生，如有机/无机、有机/生物杂化材料等。杂化材料是一种均匀的多相材料，其中至少有一相的尺寸至少有一个维度在纳米数量级，纳米相与其他相间通过化学作用（共价键、螯合键）与物理作用（氢键等）在纳米水平上复合，即相分离尺寸不得超过纳米数量级。早在20 世纪70年代已出现了聚合物/SiO2 杂化材料，当时人们还未认识到其特殊性能与实际应用意义，近些年已成为高分子化学和物理、物理化学和材料科学等多门学科交叉的前沿领域，受到各国科学家的重视。

按照制备杂化材料时无机结构的引入方式，将杂化材料的制备方法分为三大类，即溶胶—凝胶法、插层法、共混法。溶胶—凝胶法（sol-gel）是制备有机—无机杂化材料常用的较为成熟的方法，该方法制备杂化材料的原理是以烷氧基金属或金属醇盐等前驱体在一定条件下水解缩合成溶胶，然后用溶剂挥发或加热等处理，使溶液或溶胶转化为空间网状结构的无机氧化物凝胶的过程。将与无机物具有共同溶剂的有机物或有机单体加入到无机溶胶中，通过缩合凝胶化形成有机—无机杂化材料。这种方法可在低温下制备纯度高、粒径分布均匀、化学活性高的杂化材料，并可制备传统方法不能或难以制备的产物。

插层法是利用层状无机物（如黏土、云母、V2O5、MnO2 等层状金属盐类）作为无机相，将聚合物作为另一相插入无机相的层间，制得高聚物/无机物层型杂化材料的方法。层状无机物是一维方向上的纳米材料，粒子不易团聚，又易分散，其层间距离及每层厚度处于纳米尺度范围内。制备聚酰亚胺杂化材料方面，插层法多用于制备聚酰亚胺—黏土杂化材料［1］，对于聚酰亚胺纤维则鲜有报道。(www.xing528.com)

共混法类似于聚合物的共混改性，是聚合物与无机纳米粒子的共混，该法是制备杂化材料的简单易行的方法，适合于各种形态的纳米粒子，如碳纳米管（CNT）、氧化石墨烯（GO）、SiO2、TiO2 等微米/纳米颗粒，通过物理搅拌或者超声等辅助分散于聚酰亚胺或者其前驱体中制备出聚酰亚胺—杂化材料。无机微粒特别是纳米颗粒属不稳定体系，在分散过程中的流体力学和表面物理化学作用可使团聚体重新分散并处于次稳定状态［2］。但是无机相的填充量不能太高，否则会发生二次团聚，对纳米粒子进行表面改性是为防止无机纳米粒子团聚的常用做法。

作为一类新型复合材料，纳米杂化材料的分散相尺寸处于原子簇与宏观物体交接区域内，材料的物理和化学性能会有一些特殊变化，在电子、化工和航空等许多领域具有广阔的应用前景。因此，纳米材料填充改性聚酰亚胺纤维是提升该材料综合性能的有效方法，填充物包括碳纳米管、氧化石墨烯和二氧化硅等，下面稍作详细概述。