《高分子复合材料》课件-7.10其他聚合物基纳米复合材料的应用

其他聚合物基纳米复合材料的应用其他聚合物基纳米复合材料的应用纳米吸波复合材料在分离中的应用化工分离矿物分离催化剂分离先进储氢材料在汽车中的应用1．先进储氢材料在汽车中的应用氢气是人类最理想的燃料，氢气燃烧提供动力的同时又还原成水，水既无污染，又是制氢的原料，如此循环往复，经久不竭。氢气作为汽车的新燃料有一个重要问题，就是氢气的储存问题。氢气的密度最小，为0.09g/L，只有空气质量的五分之一，很容易飞散。氢气与空气的混合比达到1:34.2时又容易点燃爆炸。所以在使用氢气时，既要使氢气的储存量达到所要求的行驶里程，又要注意安全。目前最先进的储氢材料是碳纳米管，随着各国科学家对碳纳米管结构、性质研究的不断深人，碳纳米管必将以其独特的空隙结构、大的长径比、高的比表面积和量子尺寸效应服务于人类。其他聚合物-纳米复合材料的应用

储氢碳纳米管复合材料在开发燃料电池上大有应用空间，未来的汽车必以氢能作为动力，传统的金属或合金储氢远不能满足这一要求，一辆能跑动500km的汽车，储氢量需为6%（质量分数），如今的金属储氢只能达到1％~2%，但碳纳米管却可能达到10％以上。氢燃料储存在碳纳米管中既方便又安全，而且这种储氢方式是可逆的，氢气用完了可以再“充气”，把常温下体积很大的氢气储存在体积不大的碳纳米管中，用之作为氢燃料驱动汽车，是未来汽车实现绿色燃料驱动的主要发展方向。氢的燃烧有两种方式：热化学方式和电化学方式。尽管产物都是水，但因前者是在高温下释放能量，有可能伴随少量氮氧化合物；后者是在常温下释放能量，产物只有水，因此是对环境没有任何污染的零排放（zeroemission）过程。氢能的电化学释放过程是在氢电池中完成的。以氢燃料电池驱动电动机的氢能汽车是真正的无污染的绿色汽车（ZEV）。1997年，美国国立可再生资源实验室的Dillon等人采用低温吸氢、室温放氢的方法研究了电弧法制备未经提纯处理的单壁碳纳米管（单壁碳纳米管的质量分数仅为0.1％~0.2%）的储氢性能，从相关结果推测出纯净单壁碳纳米管的质量储氢能力可达5％~10%，一台氢燃料电池驱动的电动汽车在500km的行程中需要消耗3.1kg氢气，根据普通小汽车油箱的容量推算，储氢材料的质量储氢能力必须达到6.5％以上才能满足要求。Dillon等人在研究各种储氢方法后指出，单壁碳纳米管是目前惟一可能达到这一指标的储氢材料，从而受到广泛的关注。2．纳米吸波复合材料的发展趋势目前吸波复合材料还存在频带窄、效率低、密度大等诸多缺点，因而应用范围受到一定限制。发展多波段兼容型吸波材料，即能兼容雷达波、红外和激光等波段的吸波复合材料，拓宽吸波波段，是今后研究的方向之一。涂敷型吸波复合材料在吸波复合材料的研究中一直占据重要地位，而且在不断研究之中。现代武器装备对吸波复合涂层提出了更苛刻的要求，促使人们不断探索吸波的新原理与新途径。在先进复合材料基础上发展起来的既能隐身又能承载的结构型吸波复合材料，具有涂敷型吸波复合材料无可比拟的优点，是当今吸波复合材料的主要发展方向。其研制的关键是复合材料层板的研制、其介电性能的设计匹配、有“吸、透、散”功能的夹心材料的研制与设计及诸因素的优化组合匹配等。原材料的筛选、材料力学性能、电磁特性的选择和协调、吸波结构的设计和制作工艺、结构型吸波材料的力学性能和吸波性能的优化也是结构型吸波复合材料研究的重要内容。应用计算机辅助优化设计在有限的条件约束下为结构型吸波复合材料的研究提供了方便，有力地促进了结构型吸波复合材料的发展。

纳米材料的特殊结构引起的量子尺寸效应和隧道效应等，导致它产生许多不同于常规材料的特殊性能。一方面，纳米微粒尺寸为1nm~100nm，远小于雷达发射的电磁波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少了波的反射率，使得雷达接受到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用；另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规微粒大3~4个数量级，对电磁波和红外光波的吸收率也比常规材料大得多，被探测物发射的红外光和雷达发射的电磁波被纳米粒子吸收，使得红外探测器和雷达很难探测到被探测目标。此外，随着颗粒的细化，颗粒的表面效应和量子尺寸效应变得突出，颗粒的界面极化和多重散射可成为重要的吸波机制，量子尺寸效应使纳米颗粒的电子能级发生分裂，其间隔正处于微波能量范围（10-2eV~10-5eV)，从而形成新的吸波通道。纳米技术的迅速发展和纳米微粉优良的电磁吸波性能，使得纳米吸波复合材料成为国内外吸波复合材料研究的热点，纳米吸波复合材料已成为吸波复合材料研究发展中的一个重要新领域。

此外，智能吸波复合材料因具有感知功能、信号处理功能、自己指令并对信号做出最佳响应的功能而成为吸波复合材料研究的一个热点，最理想的吸波涂层是其化学成分能使电磁波在其内的波长不因人射波的频率变化而变化，但目前国内外研究尚不成熟。3．在分离中的应用（1）化工分离磁性离子交换树脂具有许多一般的离子交换树脂所不具备的优点，具有可以用于大面积动态交换与吸附的优点，因而大量用于化工分离过程。只要在流体出口处设置适当的磁场，树脂即可被收集，以便再生并循环使用，因此可以用来处理各种含有固态物质的液体，使矿场废水中微量贵金属的富集，生活和工业污水的无分离净化等应用得以实现。如果使磁性树脂带永磁，则它会在湍流的剪切力下分散，在平流的状态下凝聚，精确设计管道的形状和尺寸，便可达到回收和循环使用磁性树脂的目的。华南理工大学的吴雪辉等人在这方面做了大量的研究，制备了磁性阳离子交换树脂和磁胜阴离子交换树脂。张梅等人利用化学转化法制得了磁性毫米级和微米级粒径的强酸性、弱酸性阳离子交换树脂，并研究了强酸性和弱酸性阳离子交换树脂的磁转化条件对相应所得树脂的磁性的影响。所制得的磁性树脂的磁性强，磁性物质分布均匀而且稳定，并保持树脂的原有特性。（2）催化剂分离将纳米级催化剂固载于磁性微球上，可以利用磁分离方便地解决纳米催化剂难以分离和回收的问题。而且如果在反应器外加旋转磁场，可以使磁性催化剂在磁场的作用下进行旋转，避免了具有高比表面能的纳米粒子间的团聚。同时，每个具有磁性的催化剂颗粒在磁场的作用下可在反应体系中进行旋转，起到搅拌作用，这样可以增大反应中催化剂间的接触面积，提高催化效率。如以戊二醛交联法将转化醇素固定于磁性聚乙烯醇微球上，可用于蔗糖的水解；以磁性微球和煤胞制备的某种新型玻璃态催化剂，可用于甲烷的氧化。另外，磁微球还可作为基质与氧化锆、镁铝水滑石等进行自组装，制备如磁性固体酸等固体催化剂。（3）矿物分离应用密度的不同进行矿物分离。磁性液体被磁化后相当于增加磁压力，在磁性液体中的物体将会浮起，好像磁性液体的表现密度随着磁场增加而增大。利用此原理可以设计出磁性液体比重计。磁性液体对不同密度的物体进行分离，控制合适的磁场强度可以使低于某密度值的物体上浮，高于此密度的物体下沉，