由有机聚合物和无机纳米颗粒组成的纳米复合材料将在要求高可见透明度和机械柔性的应用中发挥重要作用。当聚合物的弹性特性与晶体纳米颗粒的固188金宝搏bet官网有硬度相结合时，就产生了一类独特的材料。透明聚合物通常比玻璃材料更灵活，并表现出中等范围的光学、电学和机械性能。188金宝搏bet官网无机纳米颗粒在聚合物体系中的掺入显著增加了物理参数范围，超出了宿主聚合物的物理参数范围，并允许针对特定应用设计材料性能。我们小组特别感兴趣的是聚合物基材上的薄膜纳米复合材料，其中应变域很好地匹配。
真正的纳米颗粒明显小于可见光波长，因此，当被纳入聚合物中时，通常不会引起明显的光学散射。仔细选择纳米颗粒可以影响折射率、电导率、紫外线吸收、磁性和许多其他特性。通过加入高硬度纳米颗粒，复合188金宝搏bet官网材料在保持结合聚合物弹性性能的同时提高了耐磨性。这为提高透明材料的清晰度和耐磨性提供了机会。188金宝搏bet官网图1显示了具有高透明度和柔性的多层纳米复合涂层。
厚度小于100纳米到几十微米的薄膜涂层在许多聚合物基材应用中是重要的，但这些系统的使用条件通常必须受到限制，以保持薄膜和基材的完整性。由于主流涂层通常是采用真空沉积的陶瓷，它们通常具有与聚合物基材显著不同的应变域。在大应变(通常为5%)下，这些涂层倾向于开裂，并诱导出可量化为雾霾的令人讨厌的光学散射。这些裂缝使其他类型的损伤也很容易从它们传播开来。用于应用这些涂层的加工温度也会留下很大的内在应力，由于涂层基材的极限强度的显著变化，进一步限制了它们的实用性。
纳米复合材料
纳米复合材料直接解决了这两个问题，因为粘合剂是聚合物，表现出与基材相同的应变行为和加工温度。(2)通过合理选择纳米颗粒和聚合物，复合材料的材料性能可以针对特定应用进行设计。纳米颗粒的最大包装密度限制了系统的范围，并具体到膜形成过程中遇到的力。因此，在设计薄膜纳米复合材料体系时，纳米颗粒的分散方法是非常重要的，其中沉积方法包括溶剂的蒸发。当适当优化时，这些材料可以在标准大气条件下加工，从而可以用简单188金宝搏bet官网而廉价的设备制造复杂的薄膜。通常，作为薄膜前体的液体分散体主要是由含有溶质的溶剂制成的，其中包括纳米颗粒、单体和引发剂。溶剂的特别选择，使每一种组成材料易于分散和稳定数月。188金宝搏bet官网存在问题的成分是纳米颗粒，它具有表面能，容易引起颗粒团聚。(3)团聚引起光学雾霾，限制了材料性能的工程设计。在液体分散中稳定纳米颗粒的方案也必须在溶剂蒸发时保持颗粒稳定。最终固化膜的材料特性也将受到纳米颗粒表面功能化的影响，因此纳米颗粒分散方法是该系统成功的关键。
首选的溶剂方法允许通过湿法合成路线制造纳米颗粒，该路线发生在最终用于形成薄膜的载体溶剂中。在感兴趣的浓度下，纳米颗粒通过范德华力相互吸引，稳定方案的目标是使粒子之间保持足够远的距离，这样它们就不会团聚。双层电是一种保持粒子分散的方法。将足够的电荷集中在粒子表面，就可以使它们相互排斥。这种方案限制了溶剂的高度极性，并要求在悬浮液中存在自由离子。
更有利的分散技术是空间稳定。这种方法覆盖了纳米颗粒的表面，从而增加了其接近距离。表面处理可以从其他无机材料到聚合物涂层，或未反应的单体单元。188金宝搏bet官网处理还可以使所得到的颗粒表面具有水缘或疏水性。这些方法增加了热力学力的影响，这样工程师就可以在蒸发过程中调整颗粒的边界。
纳米粒子表面处理是目前设计纳米复合薄膜时最重要的考虑因素。该处理负责保持纳米颗粒在液体化学中的稳定性，并操纵纳米颗粒在成品膜中的包装。此外，处理必须在浓度发生极端变化的情况下完成这些任务，在完全稀释状态下，浓度可以低至5%，在溶剂蒸发后增加到60%。
工程属性
如前所述，之所以使用聚合物/无机纳米颗粒复合材料，是因为它允许材料性能包膜延伸到宿主聚合物之外。最常见的工程特性是薄膜的耐磨性。大量商业化的例子存在于汽车、地板和眼镜镜片的抗划伤透明涂料中。在保持聚合物的灵活性和高透明度的同时，可以修改的其他重要性质包括电、磁和光学性质。在大多数情况下，纳米颗粒会影响一种以上的性能，这对工程师来说可能是一种理想的反应，也可能是不受欢迎的反应。图2所示的薄膜的弹性模量证明，在本文所述薄膜采用的自旋涂层方法中，最大填充密度达到约60%。(4)在这种情况下，离心和粘性体力作用在纳米颗粒上，以及由纳米颗粒表面功能化控制的热力学力。通过TEM检查，纳米颗粒在成膜过程中不团聚。此外，我们看到薄膜呈现一个连续的相，包括有机和无机材料。188金宝搏bet官网
随着纳米颗粒负载的增加，这些复合材料固有的力学指标得到了改善。一般来说，当无机纳米颗粒与聚合物比较时，晶体纳米颗粒具有更高的硬度。通过增加硬度，复合材料的耐磨性通常得到提高。纳米颗粒负载也可以限制聚合物的运动，从而增加弹性模量。这些影响要求工程师特别注意单体的选择，以确保薄膜中的灵活性不会丧失。
许多不同的纳米颗粒具有独特的性能，可以增强工程复合材料。金属氧化物的介电特性使其成为折射率控制的理想材料。特别是，ZnO和TiO2还具有很高的紫外线吸收能力，这使它们成为保护遭受极端紫外线照射的有机材料的理想材料。188金宝搏bet官网导电聚合物如聚analine可以通过使用金属颗粒和ITO来改进。纳米颗粒还具有光致变色、电致变色、磁性和其他在透明系统中特别感兴趣的特性。
当在薄膜中使用纳米颗粒时，通常会改变不止一种材料性质。这可能对工程师的目的有益，也可能无益。例如，我们知道ITO具有非常好的导电性，同时也具有相对较高的折射率。这些特性使它非常适合用于眼镜镜片的防反射涂层。工程师可以根据需要调整折射率，也可以降低透镜表面的静态电位，减少其灰尘的积累。在另一个例子中，使用TiO2作为透明涂层的添加剂可以保护聚合物不受紫外线降解，但也可以赋予更高的表面反射率。在某些情况下，可以使用两种以上的颗粒，例如用于防紫外线的ZnO和用于导电性能的金属。
薄膜加工
薄膜工艺在大气条件下将溶剂从分散体中蒸发。应用技术包括旋涂、浸涂和喷墨喷涂。可以利用高速气流来提高蒸发速度。如前所述，在薄膜形成过程中，用于创建稳定分散的方法变得非常重要。在蒸发阶段，溶剂量显著减少。如果蒸发发生得不够快，稳定方法，如电双层，可能不能防止颗粒团聚。这将导致成品膜具有高雾霾。在蒸发阶段，纳米颗粒将保持移动，并将根据作用在它们上的力而移动。粘性剪切力、离心力和重力都可能影响粒子的运动。热力学力在维持粒子之间的距离方面是极其重要的，也可以使粒子运动到一个理想的边界。在溶剂蒸发后，通过使用外部产生的磁场或电场或偏振光，可以在薄膜中赋予定向成分。
溶剂蒸发通常是薄膜沉积中最耗时的部分，它取决于环境条件和溶剂的蒸汽压。然而，萃取系统的缺陷在于溶剂蒸发过快，因为较大的扩散梯度会导致薄膜中的缺陷。一旦溶剂完全从薄膜中除去，单体就用辐射源固化。多层叠置欠固化通常有利。这使得后续层固化到之前应用的层，从而提高层间附着力和最终产品的耐久性。在胶片固化过程中，可以使用偏振光或激光添加图案。
结论
本文讨论了用无机纳米颗粒悬浮在与单体溶剂中制备纳米复合材料的液相应用过程。纳米颗粒通常以低浓度存在于液体分散体中，并且必须在几个月内保持稳定。在薄膜形成的快速蒸发阶段(其中纳米颗粒浓度可能发生数量级的变化)，作用在颗粒上的力必须使它们保持离散，以最大限度地减少雾霾。最终的薄膜保持了聚合物粘合剂的灵活性，同时显示出与薄膜中纳米颗粒比例成正比的工程性能。最大堆积密度受理论球的紧密堆积、纳米粒子的功能化和加工方法的限制。欲了解更多信息，请访问www.opticaldynamics.com或联系502/671.2020,tdruffel@opticaldynamics.com。
