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纳米复合材料在新能源领域的应用
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将SiO2引入聚合物中，制备而成的纳米复合材料在力学性能、热学、光学、电学等方面都表现出优异的性能。此外，SiO2与聚合物能够产生协同效应，赋予复合材料新的性能，因而在多功能材料的方向具有巨大的潜力。 1、涂料和涂层 聚合物成膜性能好，SiO2的加入赋予其优异的热稳定性和力学性能。此外，通过不同的工艺还可以制备高性能与多功能的涂层。 Park等将疏水SiO2喷涂在聚氨酯（PU）-丙烯酸酯（PUA）膜表面，制备出用于辊对辊或辊对板系统的超疏水涂层，接触角达到150°，透光率高，适用于连续性生产。此外，还可利用紫外光照射系统将PDMS基底图案转移至PU-PUA薄膜。 SiO2热稳定性高，可用于制备阻燃性复合材料。Jiang等将中空介孔SiO2（HM-SiO2），壳聚糖（CS）和磷酸化纤维素（PCL）为原料，通过层层自组装法引入环氧树脂（EP）中，制备出一种环保型阻燃剂。结果表明，HM-SiO2带有Si、P、S等阻燃元素，与CS、PCL协同赋予了EP优异的阻燃性能。阻燃物质在燃烧后会在EP表面形成致密的炭层，物理阻隔了氧气与易燃物的接触、复合材料在内部的流动，以及热量的传递。按此思路可制备如超疏水与阻燃相结合等多功能纳米复合材料。 同理，以负载缓蚀剂的SiO2为填料涂层附着在金属表面，能屏蔽外界环境造成的腐蚀因素影响。当涂层产生缺陷时，缓蚀剂释放到相应的位置进行交联完成修复。Shchukina等以介孔SiO2为纳米容器，负载缓蚀剂8-羟基喹啉，并将其加入聚环氧涂料中。结果表明，当物品发生腐蚀时，涂层周围的pH值发生变化，SiO2中缓释剂开始溶解并到相应的位置释放，仅需质量分数为2%的缓蚀剂就能发挥很好的效果。 2、生物医学 SiO2对细胞无毒性，具有良好的生物相容性，在生物医学领域常用于药物释控、靶向治疗、检测等。 较之其他多孔材料，SiO2孔径大小可调，操作简单，这为用于药物缓释的载体结构设计提供了更大的空间。POPOVA等将磺胺嘧啶以湿浸渍法方式分别负载到氨基功能化的球形MCM-41和纳米级SBA-15SiO2中，使用2种不同的聚丙烯酸树脂修饰后作为一种载药复合体系。结果表明，纳米复合物载药体系释药速率低于未修饰的SiO2，在pH值为1.2时不释放药物，而在pH值为6.8时，能够成功在靶位释放出负载的药物。这归因于对pH值非常敏感，包裹在外的2层聚合物，可与SiO2配合进一步减缓释放药的速度。 Timin等将磁化的SiO2与聚合物胍聚合，利用新型胆红素诱导荧光蛋白UnaG功能化修饰制备复合材料，当在溶液中监测到胆红素时，复合颗粒可发出荧光，用于肝功能的临床诊断。 一般医学成像基于磁共振成像，Li等在具有微孔结构的药物聚合物外，包裹一层掺杂氧化铁的SiO2无机壳。此载药体系具有很好的生物相容性，在pH值为7.4时，膜通道中显示出超低的释药速率，防止损伤正常的细胞，基本不产生副作用。随着酸性增强，载药体系在磁性靶向作用下到达癌细胞靶位，无机外壳上的氧化铁被溶解，外壳气孔打开并释放药物，直至无机壳破碎；这些结果表明，该载药体系实现了体内的靶向治疗，同时并表现出良好的体外磁共振成像能力，以便观察药物释放的区域。 3、环境 SiO2纳米复合材料对环境的贡献主要体现在重金属的吸附方面。SiO2具有高比表面积，吸附性能强的特点，但官能团单一，因此将SiO2功能化是扩大应用范围且可行的途径。 Plohl等以Cu2 水溶液为模型，制备一种具有核壳结构的磁性纳米SiO2粒子（MNPs）吸附剂，探讨该吸附剂对Cu2 的吸附机理。结果发现，吸附剂对Cu2 的最大吸附量达143mg/g，并且可循环使用。其中，NH/NH2在吸附行为中提供电子，使Cu2 价态降低。此类吸附剂非常适用于污泥这种环境条件，具有高效、环保的特点。灵活使用不同的聚合物对SiO2进行改性，能针对性提高SiO2复合材料对某类重金属的吸附性。 SiO2复合膜在油水分离领域也有着重要的地位，通过使用亲水疏油（或亲油疏水）的SiO2来提高膜对水（或油）分子的吸附和溶解，以阻碍油（或水）分子通过膜，实现油水分离。分离效率与膜材料的孔大小相关，Cao等将改性的聚氨酯与疏水性的SiO2喷涂于铜网上，简单制备一种耐高温（近100℃）的油水分离膜，用于分离油类物质。结果表明，该铜网对煤油具有很高的分离效率，最高可达99.3%，并且在循环使用几十次后依然保持良好的油水分离效果。 4、包装 SiO2/聚合物纳米复合材料或以涂层的形式增强传统包装的阻隔性能，或以本身作为包装材料，尤其在水蒸气阻隔方面具有突出的表现，该特性无疑有利于食品保鲜。Ibrahim等为了改善传统包装纸对气体、湿气和蒸汽敏感的缺点，将制备的聚苯乙烯（PS）/SiO2用以粗化包装纸表面纤维。结果表明，包装纸防水性能在SiO2质量分数为4%时最佳，且力学性能得到提高，含水率下降。超薄的疏水涂层沉积于纤维基质，一方面堵塞了气孔和孔隙，另一方面在表面作为屏障阻止了纤维对水分子的接触，从而使包装纸具有疏水特性。 Beatriz等开发了一种活性包装薄膜，以介孔SiO2（MCM-41）作为丁香酚的封装容器，并通过静电纺丝法引入聚（3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯）（PHBV）。结果表明，薄膜的耐热性、机械强度以及对柠檬烯和水蒸气的阻隔性都有提高，具有长期抑菌的性能。此时SiO2不仅仅是作为填料增强薄膜的性能，还能作为容器来降低薄膜中抑菌剂的释放，延长货架期，保护食品的安全。 SiO2本身无毒无味，能够弥补环境友好型包装在理化性质方面的不足，满足可持续发展的要求。Horst等通过溶胶凝胶法制备掺杂SiO2的可降解淀粉膜，结果表明，此类无机-有机杂化膜的力学性能、光学性能和势垒性能都得到了增强，虽然其所用方法仍需要改进，但同时也展现出SiO2在硬质可降解包装材料方面的发展潜力。 资料来源：《冯春妮,刘鎏,胡驰,等.二氧化硅/聚合物纳米复合材料的研究进展[J].包装工程,2021,42(03):78-86》，由【粉体技术网】编辑整理，转载请注明出处！
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