纳米孔绝热材料

第一篇：纳米孔绝热材料

纳米孔绝热材料简介

一、概述

目前超效绝热材料主要有两种：一种是真空绝热材料，另一种是 纳米孔绝热材料。超效绝热材料已发展成为绝热材料大家族中的重要成员，特别是近几年来，国外超效绝热材料发展明显加快，已成为有关绝热技术国际研讨会上关注的重点之一，“纳米孔绝热材料”的概念在我国的提出只是近两年的事情。

二、纳米孔绝热材料应同时具备以下几个特征：

1、材料内几乎所有的孔隙都应在100小于100nm以下，我国学者近几年来对组成纳米材料的单元尺寸曾有过热烈的讨论：基本认为大部分纳米材料的单元尺寸只有小于100nm才能够有性能方面的跨越式变化，因此目前一般认为只有组成材料的单元尺寸小于100nm时才能称其为纳米材料。

2、材料内80%以上的气孔尺寸都应小于50nm，由于空气中的主要成分氧气和氮气的自由程都在70 nm左右，因此只有在大部分气孔尺寸都小于50nm时材料内部才能基本消除对流，使对流热大幅度降低。

3、材料应具有很低的体积密度。

4、材料在常温和设定的使用温度下都应该有“无对流空气”更低的导热系数。

除上述特征之外，对于大多数绝热材料还要求具有较好的耐高温性能。

三、纳米孔硅质绝热材料的主要产品及其应用 为了满足各种应用需求，纳米孔硅质绝热产品形式的多样化、系列化也是近几年来纳米孔硅质绝热材料发展的一大特点。按照产品的性能特点，大致可分为5类：

1、标准型

典型的标准型纳米孔硅质绝热产品价格适中，最高使用温度一般为950℃。

2、高温型

在原料中加入一些能改善制品加热线收缩率的添加剂，就可得到由标准型改性而成的高温型纳米孔硅质绝热产品，其最高使用温度一般为1025℃。

3、防水型

由于硅质纳米孔结构具有亲水性，而且水的进入可直接导致纳米孔结构的塌陷，因此，在一些可能与水接触的使用场合就需选用具有防水功能的防水型纳米孔硅质绝热产品。

4、高温防水型

高温防水型是通过对高温型纳米孔硅质绝热材料进行防水改性而获得的。

5、优化型

优化型纳米孔硅质绝热产品的强度指标及使用温度均比标准型有所改进，其短时间使用温度可达1200℃，长期使用温度1000℃。此外，由粉尘引起的矽肺危害也比其它产品明显降低。按照产品的外形特点，纳米孔硅质绝热产品又可分为7类：

1、绝热块

纳米孔硅质绝热块的典型容量为每立方米330㎏，标准外形规格有：长×宽×厚（mm）=150×150×3;300×300×10;900×900×25;1500×900×50;1500×900×65.在应用中,绝热块可按需要切割成各种形状的制品。

2、模制哈夫管

模制哈夫管主要用于管道的绝热。哈夫管的组合接缝一般是企口型,以减少“热桥”效应。

3、异型模制件

异型模制件一般均是一些特殊性另用途的绝热制品。大部分是一些电工产品的隔热制品以及航天、航空用绝热制品（如、飞机“黑匣子”的绝热盒等）。

4、贴面的增强板

纳米孔硅质绝热产品采用 贴面主要是增加板材强度，降低产品成本。供选择的贴面材料有：玻纤布，铝箔及某些塑料薄膜。产品容重范围：每立方米200-275 ㎏；厚度范围：3-50mm。标准外形规格有：长×宽×厚（mm）=300×300×3；600×600×10；1500×1000×25；1500×1000×50。

5、玻纤贴面增强带

玻纤贴面增强带除了拥有贴面增强板的特点外，还具有更广的使用范围。它在宽度方向上具有良好的折卷性，因此它适用于一些柱面 3 体的绝热结构。产品容重范围：每立方米200-275 ㎏；厚度范围：3-19mm。

6、玻纤缝制半硬板

玻纤缝制半硬板是由低容重的纳米孔硅质绝热材料外覆玻纤缝制面成的制品，它在所有方向上都具有一定的卷曲性，因此具有更广泛的应用范围（英国的“美洲报”战斗机上就使用了该产品）。产品容重范围：每立方米175-225 ㎏；厚度范围：3-9mm。

7、玻纤复合绳

该产品外覆玻纤布套作为增强，具有容重轻，成本低的特点。可应用于直径小于70 mm的管道绝热。纳米孔硅质绝热产品可以用多种机械的方法进行加工，也可以用激光切割来获得更为精密的尺寸形状。在应用中，如果遇到只能用两块以上绝热产品才能覆盖绝热面的情况，应尽量采用两层或两层以上的绝热结构，并保证相临的层内结缝相互错开。尽量避免“热桥”的产生。对于应用温度超过纳米孔硅质绝热产品规定温度的场合。可采用粘贴、喷涂等施工方法与陶瓷纤维等制品配合使用。

四、纳米孔绝热材料的应用展望

具有优良综合性能的纳米孔绝热材料一旦问世，在军工和宇航领域有着迫切的市场。

在民用方面随着纳米孔绝热材料生产技术的不断成熟与生产规模的有不断扩大，其生产成本将有较大的下降。该材料将首先应用于家庭及单位的太阳能热水器。将纳米孔绝热材料应用于热水器储水箱、管道和集热器，将比现有太阳能热水器的集热效力提高一倍以上，而热损失下降到现有水平的30%以下。太阳能热水器性能的提高对我国阳光充足、气候寒冷的西北地区尤为重要，可以大幅度降低对植物型燃料的依赖，对生态环境的保护具有重要意义。

我国目前拥有家庭太阳能热水器2000万台以上，如每台热水器使用0.1立方米的纳米孔绝热材料,则全国将有200万立方米的潜在市场。

另外,纳米孔绝热材料也应用治金、建材、石化，电子、电力等部门。如电力行业应用于热力电、核电厂的管道及汽轮机保温等，如钢铁厂工人用的炼钢服。

我国第一部《公共建筑节能设计标准》已于今年7月1日起正式实施。建设部相关负责人认为：建筑使用过程中的能耗主要包括建筑采暖、空调、热水供应等方面，各部分能耗大体比例为：采暖空调占65％，热水供应占15％，电气占14％，炊事占6％。采暖空调节能降耗首当其冲。从今年起，中国将大力推广绿色建筑，将对新建住宅要求采取隔热保温措施

建筑隔热涂料产品能够降低冬季采暖能耗，兼顾降低夏季降温能耗，大幅度降低外墙传热系数，节能水平达到国际先进水平，并填补国内墙体保温材料的空白，使当前新旧建筑物均能达到政府的节能要求。根据建筑隔热涂料隔热机理和隔热方式的不同，可分为阻隔性隔热涂料、反射隔热涂料及辐射隔热涂料三类。

阻隔性隔热涂料——转型中

阻隔性隔热涂料是通过对热传递的显著阻抗性来实现隔热的涂料。热传递是通过对流、辐射及分子振动热传导3种途径来实现的。应用最广泛的阻隔性隔热涂料是硅酸盐类复合涂料，这类涂料是20世纪80年代末发展起来的一类新型隔热材料。我国有上百家研究单位和企业在进行保温涂料的研究工作，各生产厂对产品的称呼不尽相同，如“复合硅酸镁铝隔热涂料”、“稀土保温涂料”、“涂覆型复合硅酸盐隔热涂料”等，涂料配方、施工方法各异，性能如快干速硬、防水憎水等也各不相同，但均属硅酸盐系涂料。主要由海泡石、蛀石、珍珠岩粉等无机隔热骨料、无机及有机粘结剂及引气剂等助剂组成。经过机械打浆、发泡、搅拌等工艺制成膏状保温涂料。国家质量技术监督局于1998年5月发布了硅酸盐复合隔热涂料国家标准（CB／T17371—1998），为硅酸盐隔热涂料的生产和应用提供了一个可供参照的技术标准。受历史和社会经济条件等因素的影响，成本较低的阻隔性隔热涂料在我国的发展已达到世界先进水平，但主要用作工业隔热涂料，如发动机、铸造模具、贮油罐等的隔热涂层等。目前这类涂料正在经历一场由工业隔热保温向建筑隔热保温的转变，但由于存在自身材料结构带来的缺陷，如干燥周期长，施工受季节和气候影响大，抗冲击能力弱，干燥收缩大，吸湿率大，对墙体的粘结强度偏低以及装饰性有待进一步改善等，故这类隔热涂料较少用于外墙涂装。

反射隔热涂料———节能高

反射隔热涂料（水性）是在铝基反光隔热涂料的基础上发展而来，通过选择合适的树脂、金属、或金属氧化物颜、填料及生产工艺，制得高反射率涂层，反射太阳光来达到隔热目的。

地球每时每刻受到太阳的照射。太阳每秒有1．765×1017（上标）J能量到达地球，巨大的能量给人类的生存和生活提供了必备条件，但太阳的强烈辐射，也给人们的生活带来一些不便，太阳的高热辐射会给人类赖以生存的空间带来许多危害。夏季阳光照在建筑物屋顶上，顶楼房间的室内温度要比楼下房间高出3－5℃。许多发达国家中，喷淋装置、空调、冷气机和电风扇等降温制冷设备所耗用的能量，占全年总能耗的20％以上。在我国，这些设备消耗的能量则更多。采用太阳热反射涂料则可克服或缓解这些问题，因此具有广阔的发展前景，是能为市场所接受的产品。这种产品现已用于建筑业的钢结构屋顶和玻璃幕墙；石油工业的海上钻井平台、油罐、石油管道；运输业的汽车、火车、飞机表面；造船工业的船壳、甲板；以及坦克、军舰、火箭、宇宙飞船等，起到阻止热传导，降低暴露在太阳热辐射下装备的表面温度和内部环境温度，改善工作环境，提高安全性等作用。

据美国一家公司测算，使用太阳热反射涂料可以节约15％－20％的空调费。它的性能特点决定了其目标市场在石油化工领域、粮储仓库部门、建筑业及车辆、船舶的制造业等方面，市场范围相当广泛。

反射隔热涂料采用进口固体丙烯酸树脂作为基料，利用特种材料，如“空心微珠”等组合形成高太阳热反射漆膜，不仅具有工业、建筑涂料的防腐装饰功能，同时起到了极佳的降温隔热作用。空心微珠填料对近红外光的反射比远远高于普通填料。玻璃微珠与陶瓷微珠的反射比相近，但陶瓷微珠的贮存稳定性差，空心玻璃微珠保温涂料较稳定。

辐射隔热涂料———降温快

辐射隔热涂料是通过辐射的形式把建筑物吸收的日照光线和热量以一定的波长发射到空气中，从而达到良好隔热降温效果的涂料。

其中的关键技术是制备具有高热发射率的涂料组分。研究表明，多种金属氧化物，如Fe2O3、Mn02、C0203、CuO等具有反型尖晶石结构的掺杂型物质具有热发射率高的特点，因而广泛用作隔热节能涂料的填料。人们详细研究了红外辐射的原理，并通过在硅酸盐结晶相中加入Al2O3，Vi02等金属氧化物细粉作为填料而研制出的红外辐射涂料在5－15μm波段内辐射红外线的能力在85％以上。

辐射隔热涂料不同于玻璃棉、泡沫塑料等多孔性低阻隔性隔热材料，因这些材料只能减慢但不能阻挡热能的传递。白天太阳能经过屋顶和墙壁不断传人室内空间及结构，一旦热能传入，就算室外温度减退，热能还是困陷其中。而辐射隔热涂料却能够以热发射的形式将吸收的热量辐射掉，从而促使室内与室外以同样的速率降温。另类新型隔热涂料

薄层隔热反射涂料———还防火

选择耐候性好、韧性好、耐温较高、成膜性好的基料，加入轻质、孔隙率高、热绝缘系数大的绝缘填料及反射率高、表面光洁的反射填料，并辅以合适的分散剂、阻燃剂、成膜助剂等，研制成的薄层隔热反射涂料的热反射率可达85％以上，可用于成品油罐及低温容器的隔热保温。

真空绝热保温涂料———超级薄

真空状态能使分子振动热传导和对流传导两种方式完全消失，为此采用真空的填料以制备性能优良的保温涂料成为当前研究的热点之一。美国推出利用太空科技的ASTEC陶瓷绝热涂料在建筑物内使用，施以薄层即可有效地增强隔热保温效果，秋天可使室温提高2.8－4.4℃，夏天可使室内降低同样的温度，该涂料也具有较长的使用寿命。如一种由极微小的真空陶瓷微珠和与其相适应的环保乳液组成的水性涂料，它与墙体、金属、木制品等基体有较强的附着力，直接在基体表面涂抹0．3mm左右即可达到隔热保温目的纳米孔超级绝热保温涂料———研发中

纳米孔超级绝热材料是建立在低密度和超级细孔（小于50nm）结构基础上，理论上其导热系数可趋近于零。采用纳米孔原料获得比静止空气导热系数（0．023W／m·K）更小的涂膜是完全可能的。降低生产成本，开发使用温度高于1050℃的纳米孔绝热材料是今后研发的主要方向。作为最具市场应用潜力的新兴纳米科学技术，其发展为隔热涂料的研究提供了前所未有的机遇和可能性。

未来发展方向

（1）现有产品及其技术的改进提高。降低成本、提高性能、扩大品种，以满足不同用户的需要。如复合硅酸盐保温涂料应向快速固化、憎水、提高粘接强度、降低密度、负温施工、降低成本和用于建筑节能等方向发展。（2）研制生产复合型多功能保温涂料。一种保温效果良好的涂料往往是两种或多种隔热机理协同作用的结果，各种保温涂料各有其优缺点，可充分发挥各自的特点，进行优势互补，研制出性能优良的复合型保温涂料。

（3）大力发展建筑保温涂料及相关技术。在我国能源消耗中，建筑能耗大约占全国能源消耗的1／4，而建筑用保温材料仅占总量的11％左右，可见建筑节能潜力很大。

（4）积极开发新型保温涂料及相关技术。如低辐射传热涂料、高效薄层隔热防腐一体化涂料等。含纳米或亚纳米微孔结构的涂膜及采用纳米材料制得的涂膜将是下一阶段保温涂料发展的热点之一。

（5）注重环保，利用“三废”开发保温涂料。环保越来越引起世界各国的重视，保温涂料的研制应遵循涂料发展的潮流，向水性、环保的方向发展，避免使用环保法规中禁用的有害物质。

此外，在国防和军事方面，面向未来生物化学战争的特殊军事服装也在研制和生产中。据来自北京安特普纳公司的研究人员黄志永先生介绍，纳米二氧化钛（TiO2）具有光催化性能，在阳光（紫外线）照射下，它能使大多数有机物（包括细菌在内）发生氧化还原反应，生成无污染的CO2和H2O，从而在很短的时间内杀死细菌和病毒，消除空气中的恶臭和纺织品上的油污等。根据纳米二氧化钛（TiO2）的这种性能，我国的军备研究机构已成功地完成了对有毒气体“全氟异丁烯”的彻底无毒降解。将这一成果应用于专用防化服装对我国应对未来高科技战争具有极为特殊的意义。

五、结论

纳米孔绝热材料是随着世界整体纳米技术的发展而形成的新概念、新技术、新产品。其技术的不断成熟和生产成本的不断下降将带来绝热材料与绝热工程领域的一场革命。开发具有我国自主知识产权的纳米孔绝热材料是我国绝热材料工作者的历史史命。我国绝热材料的生产企业只有不断创新，开发与掌握世界最先进的绝热材料生产技术与理论，才能在未来的全球化经济竞争中取得主动权。

吉林大学国家大学科技园

第二篇：xx同志在高效纳米绝热孔材料项目开工奠基仪式上的致辞

xx同志

在高效纳米绝热孔材料项目开工奠基

仪式上的致辞

同志们：

今天，我们在这里隆重举行高效纳米绝热孔项目开工奠基仪式。这是我县项目建设上的一件大事、喜事，在此我代表中共xx县委、县人大、县政府、县政协对项目的开工表示热烈的祝贺！

今年以来，我县坚持把项目建设作为第一要务，把创优环境作为第一竞争点，按照“突破工业、做优特色”的基本工作思路，全力以赴抓投资、上项目、增后劲、促崛起，争取项目建设再上新台阶。今天，高效纳米绝热孔项目的开工建设，必将进一步提振全县大上项目、攻坚突破的信心和决心。高效纳米绝热孔材料项目生产的NPFS高效纳米孔绝热保温板、保温毯、保温毡等产品，主要用于石油化工行业、航空航天行业、节能建筑行业、汽车行业、家用电器行业等领域。该产品科技含量高，市场前景广阔。项目建成投产将填补我县高新技术产业空白，为促进我县经济社会的快速发展做出贡献！

为了保证这一重点项目早日建成投产，分包领导要协调解决施工过程中出现的相关问题，做好坚实后盾，确保项目建设无后顾之忧。各相关单位要高度重视，全力支持项目的施工建设。特别是城建、国土、环保、电力、水利、税务、工商、金融、政法等部门要主动介入，各尽职责，密切配合，全力支持工程建设。

1以一流的服务为工程建设营造一流的环境，保证项目建设顺利进行。同时也希望项目业主要高标准、严要求，按照“建一流工程，创一流质量、树一流品牌”的要求，精心组织，科学施工，把握进度，争取工程早日竣工、早日投产、早见效益。

最后，预祝项目早日建成投产、生意兴隆！

谢谢大家！

第三篇：绝热硝化简介

硝基苯装置

绝热硝化反应的简史

苯的绝热硝化的概念是杜邦在大约 50 年前所申请的美国专利文献中提出来的。当时所述的工艺是一间歇式硝化反应, 即在一个反应罐中, 通过搅拌和使用非常过量的硫酸进行硝化反应, 然后通过一个真空闪蒸浓缩器把剩余未反应的硫酸浓缩。该工艺的特点是其较低的能耗, 因为硝化反应的反应热被用来浓缩反应后的硫酸溶液, 以及过程本身的安全性。硫酸既是催化剂, 传热的载体。随后苯的连续的绝热硝化工艺被提出和开发应用。

NORAM 公司独立完成的工作导致了亲电反应器的开发和应用, 并成功地使得5个世界级规模的生产装置成功地达到了满负荷的运行, 包括在英国 Wilton 的 ICI 聚胺酯装置(现名为 Huntsman 聚胺酯装置), 然后是最近的德国 Uerdingen 的 Bayer 公司。而前者则是目前世界上最大的 MNB 生产装置。该装置的反应器系统证明是硝化反应系列最可靠性能的简化。并大大增加了该工艺本身的安全特征。与传统的系统相比, 亲电子反应器的硝化系统提供一个显著的和增加的 反应速率, 不仅通过在所选择的工艺条件下进行协调操作, 可以遏制副产品的生产, 而且该系统中没有转动部件, 这样就极大地减少了装置在日后运行中的维修工作量和开支。

通过强大的试验装置和工业规模装置的工作, NORAM 还掌握了一些关键的, 能够控制异相系统中硝化速率的工艺参数。这导致了对硝化反应的化学和所涉及的反应动力学过程都有了一个崭新的和先进的理解。关于亲电子反应器系统和在新的工艺条件下的使用, 在美国和欧洲都申请了专利保护。MNB 工艺说明 概述

该装置包括了 NORAM 的专利设备亲电子反应器和工艺系统,以及硫酸闪蒸器(SAFE)和产品净化系统的专有设计。

亲电子反应器的具体设计又加强了工艺过程的内在安全特性。此反应器和其柱塞流特征, 与传统搅拌式反应器相比, 提供了一个非常快的反应速率。

新近的对反应器设计的改进和该善, 特别是对喷射冲击部件的安放, 更是进一步增加了反应的动力。相关的收益是大大的增加了原材料的转化产率。

装置还包括了先进的能量回收, 挥发和废液的控制等步骤工段。这些改进的结果是导致了蒸汽消耗的降低。在界面控制和它们对处在反应器的出口处的 MNB/酸分离器的物相分离方面的新的开发和改进, 是作了整体外形的设计。这样使得粗 MNB 中硫酸的夹带比例进一步降低(即, 降低了硫酸的损失)。该分离器的操作是在常压下进行的, 这样整个系统的安全性非常好。

工艺装置总体上包含了三个功能区域: 反应区域、酸浓缩区域和产品净化区域。而产品净化区域还包括了对工厂废液和工厂放空气体的工艺处理和步骤。

最引人注目的是装置本身的安全性能和其节能性。这将在下面作进一步的讨论。反应器系统

在反应合成工段，苯和硝酸被依次与一个体积非常大的循环的硫酸混合，而硫酸同时作为催化剂和传热介质，以封闭的形式循环，并吸收硝化过程和稀释过程中的热能。在接近与大气的压力下，通过重力分离出粗笨，而大量经过反应的硫酸重新通过SAFE回路中打循环。过程中的热平衡通过原料苯和粗的 MNB 之间的热交换被快速实现。该系统的操作采用了使苯过量的工艺，这样保证使得全部的硝酸转化成产品。现场生产数据表明反应后硝酸的浓度非常地低，在合成工段的末端几乎监测不出硝酸的存在（即：反应器出口）。

亲电子反应系统由两个并列的单元系列组成，每个系列的正常生产能力是 100.000 吨/小时。

在此生产能力下的亲电子反应器系统的设计，是基于一个非常安全的理论基础之上和结合已经承建的数套满负荷生产装置的数据和经验，而建立一个被证明了的新的反应系统。

另外，工程设计还包括了几乎可以达到百分之百原材料转化率和最小的副产品生成产率的专利工艺条件。后者的专利化学条件，已经由 NORAM 的试验生产装置，在经过数年的研究后，被彻底优化。总的来说，反应器的设计非常紧凑，大大降低了反应装置的在线贮料数量。而没有转动部件，使得系统的维修费用和成本大大降低。正如一些NORAM客户的前项目经理在回头审查工作时所证实的，NORAM 反应工艺是世界市场上所有的绝热法硝基苯硝化工艺中，副产品产量最低的生产装置。产品的净化

粗的MNB从分离器中出来后, 进入一个预洗涤系统, 以除去溶解的和夹带的硫酸。在SAFE中产生的有机冷凝液（即，从循环酸中汽提出的 MNB）和从废液汽提塔中回收的 MNB，一起进入预洗涤系统。此三项物流一起形成总的MNB物流。而SAFE的液体冷凝液（即，反应中生成的水和从硝酸中带入的水）和废液汽提塔的尾气在冷凝后被用于预洗涤系统。

在进入废液洗涤塔之前，从预洗涤系统出来的含水液体流体被送到一个贮槽，减弱了反应和净化系统的污水处理区域的功能。

然后从预洗涤系统用泵把 MNB 打入到 NORAM 专利设计的碱洗系统。在此使用了水和最佳数量的碱用于洗涤有机酸副产品，主要是把 MNB 中的硝基酚洗涤除去。

碱洗涤器系统根本不需要任何额外的新鲜水补充。在工艺过程中产生的废水全部备用于该洗涤系统，其目的就是进可能地减少整个装置的废液。在装置开车和进行其它辅助工作时，必须严格控制所加入的洗涤水的量。从碱洗系统出来的废水包含了几乎全部的有机酸副产品，即硝基酚。该富含硝基酚的废液物流构成了 NORAM 另外的主要特征。这样使得下游处理装置对高浓度的硝基酚污水的处理，不仅设备投资少，而且操作成本低。而后者的优劣又主要取决于所选择的含硝基酚废水的处理工艺技术，如：热裂解、焚烧等技术。但是对于此项目此废水的处理，由用户指定选择了最易于操作的硝基酚热裂解装置（即：在下游建设一个设备投资成本最低，而且运行成本最低的硝基酚热裂解装置 或 TDZ 装置）。

NORAM洗涤系统可以按照需要来开发和选定技术路线，以消除影响传统搅拌式洗涤技术的典型问题（如操作和维修问题）。MNB 的生产商从很早就非常地清楚，产品的洗涤净化是多么的敏感，当洗涤系统发生问题时，有多少的产品会被影响和需要处理。无论采用那种洗涤技术，影响MNB洗涤的最普遍的问题是乳化现象。如果洗涤的设计有问题，就会很容易发生乳化现象，从而导致操作困难。NORAM 的设计特别可以很好地解决该问题。

首先NORAM 洗涤器的设计不再使用搅拌器。如果设计了搅拌器，物料在某些区域的切向混合不充分（如在靠近搅拌器轴的叶片区域），而在其它区域的切向混合又太充分（如叶片端部区域）。洗涤所需的平均混合强度是综合通过叶片的混合后获得的（即从轴的连接处到叶片末端）。操作不稳定时，如果在搅拌器叶片末端的切向混合太高，就很容易加重当时的乳化程度。NORAM 的设计则采用了专有的静态混合器。此种混合器，在经过了数个工业装置的使用和证明后，已被 NORAM 最优化定型，可以向流经洗涤器的液相物流提供一个均匀的能量输入（即，混合强度），从而避免出现物料的不均匀混合区域（或高、或低的混合度）。另外，静态混合器也没有转动部件，因此也不需要维修。

第二个重要特征是 NORAM 洗涤器的尺寸就是分离器的尺寸。洗涤器之分离室的设计必须小心。如果分离室设计太大，自然是按照成本高；反之如果分离室设计得太小，就会使得缓冲量偏小，对未知的工艺过程波动无法克服。当分离室偏小时，如果发生即使很小的生成波动，也会导致操作上的困难和可能的装置停车。NORAM 分离器尺寸的设计，在经过了工业装置试用、试验装置试验和对操作经验的总结和研究后，已被最优化定型。

NORAM 碱洗系统被用户证明是最科学的洗涤技术。事实上在每种场合，从NORAM 洗涤系统出来的产品质量都超过了用户的期盼值。这种“纯净的”的 MNB 产品，根据用户的观察，使得下游的苯胺工厂所使用的催化剂寿命大大延长和远远超过了其预期的寿命。废液的汽提处理

在废水废液汽提塔，所溶解的 MNB 和苯，通过动力蒸汽汽提的方法被回收。废液在经过中和后被送出界区。顶部的尾气被冷凝后被打到预洗涤系统用于回收 MNB 和作为洗涤用水的补水。

汽提塔的设计也已经被最优化，通过使用 NORAM 已设计的数个装置废液汽提塔现场数据，可以在满足保证值要求的情况下，明显地减少蒸汽的消耗。放空气体处理

工厂尾气放空被小心地隔离，以尽可能减小或消除放空气中有机蒸汽与空气和氧气的混合。放空管线和设备每段管线的设计和布置都将遵守严格和系统的安全释放和放空规范要求。

放空气还将通过一个专利技术的NOx回收系统作进一步的处理。在此回收系统中，工厂放空气中 NOx 的浓度将被降低到规定的数值以下，和得到一个较稀浓度的硝酸，然后循环返回到系统中去。这最后的一个专利步骤，按照原料的消耗指标，使得 NORAM 工艺成为世界上最高效的绝热法硝化工艺。再加上 NORAM 的专利反应器，生产的MNB中是所有绝热法苯硝化工艺中副产品含量最低的反应器，这已经有过去客户的前项目经理在回头审查工作时所证实。同时 NORAM 工艺与市场上任何相同或相当工艺相比，是生产产品收率最高的技术。产品的汽提

在产品 MNB 净化工段的最后一步，MNB 被用泵从碱洗系统打入到产品汽提塔中。在此塔中，由于在反应器中加入的过量的苯被汽提出去，与产品 MNB 分离。而苯被循环返回到前面工段继续硝化。NORAM 通过对现场生产数据的收集和研究，能够作出最优化的设计，使得所建的工业装置，在使用最少量的汽提蒸汽条件下，产品中的苯的含量远低于 10ppm。

产品 MNB 在被送到界区的合格产品仓库之前，还将通过一个在汽提塔下游的专利设计的脱水装置作进一步的处理。本征安全特性

有关 NORAM 绝热法苯硝化工艺的部分安全特点说明如下：

由于参加反应的原料是分散到一个体积巨大的硫酸循环体系中，而硫酸的作用又是硝化反应的传热介质，因此工艺本身是非常安全的。硫酸的循环比率是通过手动调节建立的。此处不设自动控制阀，因任何一个到自控阀的信号的故障，都将导致较大的安全事故。而本和硝酸的喂料被控制为一个固定的比例。所设定的最大流量将以循环硫酸的热容量为基础。两个流量都将通过使用特殊的流量元件进行监测，监测信号还将与适当的切断阀和连锁相连接。

通过提供一个加速的反应速率，亲电子反应器系统允许一个相对的较低的工艺存料量，以加强安全方面的保证。

位于反应器的出口的 MNB －酸分离器的工艺操作压力是接近于大气压力的。这将尽力降低发生达到所给出的二级危险放热反应温度范围的潜在可能性。（即，在大气压力下，分离器内的易挥发性物质在一个低于放热反应开始温度的温度下沸腾挥发掉）。

对化学动力学的理解的提高和加上亲电子反应器系统的可以预知的性能，使得工厂的操作在最少的取样处理和分析支持的状态下完成。前者可以使操作工减少接触工艺中 的化学品的机会。事实上 NORAM 工艺的可预测性和可靠性是如此的有用，很多 NORAM 的客户在操作时，只需将最少量废水和 MNB 产品样品取样，就可以满足后续工段员工的操作要求。

在正常操作情况下，所有盛装 MNB 和/或苯的容器，都有蒸汽空间, 并有氮气充填保护。放空气体被安全隔离，以防止富含有机蒸汽的放空气与富含氧气和空气的气体接触和混合而发生危险。从每个设备的每个放空点的工程设计都将遵守严格和系统的安全释放和放空标准规定。

NORAM 绝热法苯硝化工艺的特点总结

对用户来说，NORAM 硝化工艺最大的优点总结如下：

专利的反应器设计和化学条件，可以获得非常快的反应速度，结果是在非常紧凑的反应器中，几乎可以达到百分百的反应物料转化率。

NORAM 承建的工业装置已经证明，所投入苯原料的转化率超过 99.99%。

当采用了 NORAM 的 NOx 专利回收技术（也是本报价书的一个部分）后，该工艺是任何绝热法苯硝化工艺中 MNB 产率最高的技术。

反应器的设计不含有任何的转动部件，使得维修作业和维修成本大大降低。

是国际市场上任何绝热法苯硝化工艺中副产品产率最低的，这已经由我们客户的原项目经理在工作总结中证明。副产品产率的降低不仅可以提高产品的收率，更为重要的是可以大大减少下游含有硝基酚废水处理的设备投资和操作成本。

可以把含硝基酚废水浓缩成一个较高浓度的副产品物流的技术，结果可以降低下游处理设备的投资和操作成本。后者几乎就是所选择的一个独立的工艺技术，用来处理硝基酚类物质（即热裂解、焚烧等技术）。对于该相目，将根据用户的指定要求将采用热裂解技术对该废液中的硝基酚类进行热裂解处理（所提出的使用硝基酚类热裂解装置对废液进行处理将是投资最低和操作费用最低的方案）。

预洗涤系统和碱洗系统的设计，对在没有使用搅拌器的操作中所发生的工艺波动时的处理非常有利。

整个生产装置的设计非常紧凑，使得系统中化学物料的存贮量很少。

经证明 NORAM 工艺的开车率超过 98％。

NORAM 工艺还包括了很多特殊的安全特点，部分已经在 3.2.3 中提及。通过对大批量的安全知识和用户意见的研究，所开发出的安全特性，都是适用于专业的 MNB 生产。NORAM 已将其作为文件，贯穿罗列在多年来的工程设计、研究和开发、和项目工作中。一些安全措施是由 NORAM 的科学家和工程师们第一次增加和专门用于MNB工艺的，从而使得 NORAM 的工艺更具安全特性。

最小的项目风险

－ NORAM 硝化技术已被用于七个不同的现场

－ NORAM 硝化技术已达到了全部项目的的所有保证值 用户满意

所有 NORAM 的用户对于此绝热法硝化技术的工艺和设计都非常地满意。结果所有这些用户又重复采用了 NORAM 技术，并成为 NORAM 的二次客户。

第四篇：纳米论文

聚合物基-纳米二氧化硅复合材料的应用研究进展

班级12材料2班学号1232230042姓名王晓婷

摘要本文介绍了近年来国内外纳米SiO2聚合物复合材料的制备方法，讨论了制备方法的特点，阐述了聚合物纳米SiO2复合材料的研究进展, 并展望了聚合物纳米SiO2 的应用前景。

关键词纳米SiO2复合材料;聚合物;制备;应用 前言

纳米SiO2是目前应用最广泛的纳米材料之一,它特有的表面效应、量子尺寸效应和体积效应等,使其与有机聚合物复合而成的纳米二氧化硅复合材料, 既能发挥纳米SiO2自身的小尺寸效应、表面效应以及粒子的协同效应, 又兼有有机材料本身的优点, 使复合材料具有良好的机械、光、电和磁等功能特性, 引起了国内外研究者的广泛关注[

1，2]

。本文就纳米Si02一聚合物复合材料的制备方法、制备方法的特点和应用进行一次全面的综述。

2聚合物/ 纳米Si O2 复合材料的制备

2．1 共混法

共混法是制备聚合物／无机纳米复合材料最直接的方法，适用于各种形态的纳米粒子，但是由于纳米粒子存在很大的界面自由能，粒子极易自发团聚。要将无机纳米粒子直接分散于有机基质中制备聚合物纳米复合材料，必须通过化学预分散和物理机械分散打开纳米粒子团聚体，消除界面能差，才能实现均匀分散并与基体保持良好的亲和性。具体途径如下。

2．1．1 高分子溶液(或乳液)共混

首先将聚合物基体溶解于适当的溶剂中制成溶液(或乳液)，然后加入无机纳米粒子，利用超声波分散或其他方法将纳米粒子均匀分散在溶液(或乳液)中。

姜云鹏等利用PVA与纳米Si02表面的羟基形成的氢键实现了纳米si02对PVA的改性；张志华等用溶胶一凝胶反应制备纳米Si02颗粒，然后通过超声分散机将颗粒分散到聚氨酯树脂中制备出了聚氨酯／Si02纳米复合材料；以上各种方法都使不同材料的各方面性能得到了改善。

2．1．2熔融共混

将纳米无机粒子与聚合物基体在密炼机、双螺杆等混炼机上熔融共混。

郭卫红等[5]在密炼机上将PMMA和纳米Si02粒子熔融共混后，用双螺杆造粒制得纳米复[4][3]合材料。石璞[6]通过熔融共混法将纳米si02粒子均匀地分散于PP基体中制得复合材料，由于复合偶联剂的一端易与离子表面上大量的羟基发生化学反应形成稳定的氢键，另一端与聚丙烯相容性较好，使纳米粒子基本没有团聚，实现了增强、增韧的目的。张彦奇等[7]将纳米Si02经超声分散并经偶联剂处理后与LLDPE等组分预混、挤出、造粒，制备了线性低密度聚乙烯(LU)PE)／纳米Si02复合材料，所得薄膜雾度显著提高。

2.2在位分散聚合法

首先采用超声波分散、机械共混等方法在单体溶液中分散纳米粒子，或采用偶联剂对纳米粒子表面进行处理，然后单体在纳米粒子表面进行聚合，形成纳米粒子良好分散的纳米复合材料(in situ polymerization)。通过这种方法，无机粒子能够比较均一地分散于聚合物基体中。

欧玉春等[8]利用带有羟基的丙烯酸酯表面处理剂对Si02进行表面处理，应用本体法聚合制备si02／PMMA纳米复合材料，结果显示纳米Si02的加入可以提高聚甲基丙烯酸甲酯材料的机械性能、玻璃化温度及材料的耐水性。Jose-Luiz Luna—Xavier等[9]采用原位聚合法以阳离子偶氮化合物AIBA为引发剂，液相纳米Si02为核，聚甲基丙烯酸甲酯为壳合成了纳米Si02一聚甲基丙烯酸甲酯乳液聚合物。由于阳离子偶氮化合物AIBA为引发剂的使用增强了与纳米si02的相互作用，使效率大大提高。

2.3溶胶-凝胶法

溶胶一凝胶法(Sol-gel)是制备聚合物／无机纳米复合材料的一种重要方法。通过烷氧基金属有机化合物的水解、缩合，将细微的金属氧化物颗粒复合到有机聚合物中并得到良好分散，从而在温和条件下制备出具有特殊性能的聚合物／无机纳米复合材料。

2.4硅酸钠溶胶一凝胶法

溶胶一凝胶法在制备聚合物／纳米si02复合材料时显示出很多优势。但是，所用的无机组分的前驱物正硅酸烷基酯价格昂贵、有毒，因此为了降低制备成本，改善生产条件和减少环境污染，张启卫等[10]用硅酸钠为无机si02组分的前驱物，与PVAC或PMMA的THF溶胶混合，经溶胶一凝胶过程制备出聚合物／Si02杂化材料。结果表明，si02含量在一定范围时，由于发生了纳米级微区效应，有机一无机两相间相容性好，不产生相分离，材料透光率提高，热稳定性增强。

3聚合物/ 纳米Si O2 复合材料的研究进展

3.1 纳米SiO2/环氧树脂复合材料

Mascia等通过红外光谱和定性黏度分析得知,纳米SiO2 和环氧树脂随着环氧树脂的分子量增加、加入偶联剂、增加溶剂的极性以及提高反应温度都会使二者的相容性提高[11]。宁荣昌等用分散混合法研究了纳米SiO2有无表面处理及其含量对复合材料性能的影响, 采用透射电镜和正电子湮没技术(PALS)对纳米SiO2 的分布和自由体积的尺寸及浓度进行了表征[12]。结果表明, SiO2表面处理后, 复合材料性能得到提高, 使环氧树脂增强和增韧;且纳米SiO2含量为3 % 时,自由体积浓度最小, 纳米复合材料的性能最佳。刘竞超等通过原位分散聚合法制得了纳米SiO2/环氧树脂复合材料[13]。结果表明, 对复合材料力学性能的影响较大的是偶联剂, 在最优工艺条件下制得的复合材料冲击强度、拉伸强度比基体分别提高了124% 和30%;复合材料的Tg和耐热性也有所提高。

3.2 纳米SiO2/丙烯酸酯类复合材料

欧玉春等用原位聚合方法制备了分散相粒径介于130 nm 左右的PMMA/SiO2(聚甲基丙烯酸甲酯/二氧化硅)复合材料[14]。结果表明, 经表面处理的SiO2在复合材料基体中分散均匀, 界面粘结好;SiO2粒子的填充使基体的Tg和损耗峰上升, 随着SiO2含量的增加, 对应试样的Tg和损耗峰值增大;随着SiO2含量的增加, 基体的拉伸强度、弹性模量表现为先下降后升高, 而基体的断裂伸长率表现为先升高后下降。武利民等通过原位聚合、高速剪切法分散共混和球磨法分散共混等3 种方法制备丙烯酸酯/纳米SiO2复合乳液, 以相同的方法制备丙烯酸酯/微米SiO2复合乳液[15]。结果表明, 共混法制得的纳米复合物的拉伸强度、断裂伸长率和玻璃化转变温度随纳米SiO2含量的增加先上升然后逐渐下降。涂层对紫外光的吸收和透过随纳米SiO2 含量的增加分别呈上升和下降趋势, 而微米SiO2复合丙烯酸酯乳液, 其涂层对紫外光的吸收和透过基本不受微米SiO2 的影响。

3.3 纳米SiO2/硅橡胶复合材料

王世敏等对纳米SiO2/二甲基硅氧烷复合材料的光学、力学性能进行了研究[16]。结果表明, 复合材料对波长λ＞390 nm 的可见光基本能透过, 透过率达80%, 硬度随纳米SiO2的增加呈上升趋势。Mackenzie 等制备的纳米SiO2/硅氧烷复合材料在非氧化气氛中加热到1 000 ℃以上, 分子发生重排, 形成块状微孔体;继续加热到1 400 ℃时,有机碳仍不分解, 且热膨胀系数很小[17]。由于聚硅氧烷的高柔顺性, 在溶胶－凝胶过程中不会因干燥而破裂, 该材料可以作为涂层改善基体(如聚合物、金属)表面的物理化学性质。潘伟等研究SiO2纳米粉对硅橡胶复合材料的导电机理、压阻及阻温效应的影响[18]。结果表明,随着SiO2纳米粉的增加, 压阻效应越来越显著,在一定压力范围内, 材料电阻随压力呈线性增加;同时, SiO2纳米粉的加入使复合材料的电阻随温度增加而增加。

3.4 纳米SiO2/聚碳酸酯材料

聚碳酸酯具有较好的透明性, 较高的硬度, 以及较强的蠕变性。为了进一步提高其应用价值, 王金平等以聚碳酸酯为基体, 采用溶胶－凝胶法技术在聚碳酸酯表面覆盖一层纳米SiO2无机涂层, 涂层与聚碳酸酯较好的结合, 使材料的耐磨性得到明显提高[19]。

3.5 纳米SiO2/聚酰亚胺复合材料 聚酰亚胺(PI)是一种广泛应用于航空、航天及微电子领域的功能材料, 它的优点是介电性良好,力学性能优良, 但其吸水性强和热膨胀性高的缺点限制了他的应用。而采用纳米SiO2改性后的PI 在这方面得到了很大改善。杨勇等的研究表明, 采用纳米SiO2改性后的PI 其热稳定性得到加强, 热膨胀系数得到降低[20]。曹峰等研究PI/SiO2复合材料的力学性能时发现, 随着SiO2含量的增加, 其杨氏模量、拉伸强度、断裂强度增加, 加入适量的插层剂, 有利于增加有机分子与无机物分子之间的相容性, 从而可制备强度和韧性更加优异的复合材料[21]。

3.6 纳米SiO2/聚烯烃类复合材料

张彦奇等采用熔融共混法制备了线性低密度聚乙烯(LLDPE)/纳米SiO2复合材料[22]。结果表明, 纳米SiO2使LLDPE 的拉伸弹性模量、冲击强度、拉伸强度提高, 且均在纳米SiO2用量为3 份左右时达到最大值;加入少量的纳米SiO2后, LLDPE 薄膜对长波红外线(7～11 μm)的吸收能力较纯LLDPE 膜有显著提高, 透光率略有下降, 但雾度提高。曲宁等利用纳米SiO2、马来酸酐接枝PE(PE-g-MAH)和PP 通过熔融共混制备了PP/纳米SiO2复合材料[23]。结果表明, 经表面处理、用量为4 %的纳米SiO2 与4 % 的PE-g-MAH 发生协同作用, 可以使PP/纳米SiO2复合材料的冲击强度提高40 %,拉伸强度提高10%, 耐热温度提高22℃。

3.7 纳米SiO2/尼龙复合材料

E.Reynaud 等研究了不同粒径和含量的纳米SiO2 与尼龙6 通过原位聚合得到的纳米复合材料的特性[24]。形貌分析出粒子的存在不影响复合材料的结晶相;粒子的加入明显增强了基体的弹性模量,且复合材料的性能受粒子尺寸和分散状况的影响。

3.8 纳米SiO2/聚醚酮类树脂复合材料

邵鑫等研究了纳米SiO2对聚醚砜酮(PPESUK)复合材料摩擦学性能的影响[25]。结果表明, 纳米SiO2不但可以提高PPESUK 的耐磨性, 而且还有较好的减摩作用, 其最佳用量为25%。靳奇峰等采用悬浮液共混法制备了纳米SiO2填充新型杂萘联苯聚醚酮(PPEK)复合材料[26]。当纳米SiO2用量为1 % 时, 复合材料的综合力学性能最佳。纳米SiO2的加入使得复合材料的摩擦性能比纯PPEK 有了明显提高, 当纳米SiO2用量为7 % 时,材料的摩擦磨损性能最好, 并且在大载荷下纳米SiO2 更能有效改善复合材料的摩擦磨损性能。

3.9纳米SiO2/聚苯硫醚(PPS)复合材料

张文栓等首先将纳米SiO2粒子与硅烷偶联剂KH-550 的乙醇溶液混合, 在40 ℃以下用超声波振荡60 min 后脱去溶剂, 烘干后与PPS 在高速搅拌机中混合均匀, 然后用双螺杆挤出机造粒制得PPS/纳米SiO2复合材料[27]。纳米SiO2粒子呈颗粒状均匀分布在PPS 基体中, 尺寸在10～40 nm 范围内。当纳米SiO2用量为3 % 时, PPS/纳米SiO2 复合材料的力学性能最佳, 拉伸强度、弯曲弹性模量和缺口冲击强度分别提高13.4%、7.4% 和27.3%。张而耕等用转化剂、分散剂和稳定剂制备了PPS/纳米SiO2水基涂料[28]。PPS/纳米SiO2复合涂层的耐冲蚀磨损性比普通涂层提高了约50 倍, 能够用于零部件的防冲蚀磨损。

3.10纳米SiO2/PMMA 复合材料

张启卫等利用溶胶-凝胶法制备了PMMA/纳米SiO2复合材料[29]。发现PMMA 与纳米SiO2两相间的相容性好, 材料透光率可达80 %, 并且热稳定性和Tg都比纯PMMA 有较大的提高。郭卫红等将经过表面处理的纳米SiO2分散于PMMA 单体中形成胶体, 原位聚合制备了PMMA/纳米SiO2复合材料[30]。结果表明, 复合材料的耐紫外线辐射能力提高1 倍以上, 冲击强度提高80 %。同时由于纳米粒子尺寸小于可见光波长, 复合材料具有高的光泽度和良好的透明度。

4总结与展望

聚合物/纳米SiO2复合材料具有优良的综合性能, 展现出诱人的应用前景。尽管近年来对其研究较多, 并取得了较大进展, 但是对它的研究还不够深入, 还有许多问题亟待研究和解决, 如纳米SiO2在聚合物基体中的均匀分散问题, 纳米复合材料的相界面结构, 纳米SiO2 对聚合物性能影响的机理等。相信随着制备技术的进一步完善及对材料的结构与性能关系的进一步了解, 人们将能按照需要来设计和生产高性能和多功能的聚合物/纳米SiO2复合材料。纳米Si02可以改性多种高分子材料，通常对聚合物的机械性能如拉伸强度、弹性模量、断裂伸长率，以及热稳定性、动态力学行为、光学行为等都有较大影响。因此人们都在力求解决很多问题，诸如纳米Si02在聚合物基体中的均匀分散；纳米Si02复合材料中有机相和无机相的相界面结构；Si02粒径大小、几何形状等形态参数及添加量对复合材料性能的影响；纳米Si02对聚合物基体材料性能影响的机理等。随着研究的不断深入，纳米Si02一聚合物体系将在越来越多的领域发挥出它的重要作用。

参考文献

[1]Gabrielson L, Edirisinghe M J.On the dispersion offine ceramic powders in polymers.Journal of MaterialsScience Letters, 1996, 15(13): 1 105～1 107 [2]徐国财, 张立德.纳米复合材料.北京: 化学工业出版社, 2002.32～43

[3]姜云鹏,SiO2 改性聚苯硫醚力学性能的研究.高分子材料科学与工程，2002，18(5)：177 [4]张志华，吴广明，等．材料科学与工程学报，2003，21(4)：498

[5]郭卫红，李盾，等．纳米SiO2 增强增韧聚氯乙烯复合材料的研究.塑料工业，1998，26(5)：10 [6]石璞，晋刚，聚甲基丙烯酸甲酯/二氧化硅杂化材料制备与性能.国塑料，2002，16(1)：3 [7]张彦奇，华幼卿．纳米SiO2 填充杂萘联苯聚醚酮复合材料的性能研究.应用化学，2003，20(2)：638 [8] 欧玉春，杨锋，聚甲基丙烯酸甲酯/二氧化硅杂化材料制备与性能.分子学报，1997，2：199 [9]Jose-Luiz L X，Alain G，Elodie B L J Colloid and InterfacaSci，2002，250(1)：82 [10] 张启卫，章永化，聚甲基丙烯酸甲酯/二氧化硅杂化材料制备与性能.料科学与工程，2002，20(3)：381 [11]Mascia Leno, Tang Tao.Curing and morphology ofepoxy resin-silica hybrids.Journal of MaterialsChemistry, 1998, 8(11): 2 417～2 421 [12]郑亚萍, 宁荣昌.纳米SiO2 环氧树脂复合材料性能研究.玻璃钢/复合材料, 2001(2): 34～36

[13]郑亚萍, 宁荣昌.纳米SiO2/环氧树脂复合材料性能研究.高分子材料科学与工程, 2002, 18(5): 148～154 [14]欧玉春, 杨锋, 庄严, 等.原位分散聚合聚甲基丙烯酸甲酯/二氧化硅纳米复合材料研究.高分子学报, 1997(2): 199～205 [15]熊明娜, 武利民, 周树学, 等.丙烯酸酯/纳米SiO2 复合乳液的制备和表征.涂料工业, 2002(11): 1～3 [16]王世敏, 吴崇浩, 赵雷, 等.聚二甲基硅氧烷/SiO2杂化材料的制备与性能的研究.材料科学与工程学报,2003, 21(2): 205～207 [17]Mackenzie John D, Chung Y J, Hu Y.RubberyOrmosils and their Applications.Journal ofNon-Crystalline Solids, 1992, 147-148: 271～278 [18]潘伟, 翟普, 刘立志.SiO2 纳米粉对炭黑/硅橡胶复合材料的压阻、阻温特性的影响.材料研究学报,1997, 11(4): 397～401 [19]王金平, 俞志欣, 何捷, 等.用sol-gel 法在pc 上制备有机－无机复合耐磨涂层.功能材料, 1999, 30(3): 323～325 [20]杨勇, 朱子康, 漆宗能.溶胶－凝胶法制备可溶性聚酰亚胺/二氧化硅纳米复合材料的研究.功能材料,1999, 30(1): 78～81 [21]曹峰, 朱子康, 印杰, 等.新型光敏PI/SiO2 杂化材料的制备与性能研究.功能高分子学报, 2000, 13(3): 25～29 [22]张彦奇, 华幼卿.LLDPE/纳米SiO2 复合材料的力学性能和光学性能研究.高分子学报, 2003(5): 683～84 [23]Reynaud E, Jouen T, Gauthier C, et al.Nanofillersin polymeric matrix: a study on silica reinforcedPA6.Polymer, 2001, 42(21): 8 759～8 768 [24]邵鑫, 田军, 刘维民, 等.纳米SiO2 对聚醚砜酮复合材料摩擦学性能的影响.材料工程, 2002(2):38～39 [25]靳奇峰, 廖功雄, 蹇锡高, 等.纳米SiO2 填充杂萘联苯聚醚酮复合材料的性能研究.宇航材料工艺, 2005(2): 18～19 [26]张而耕, 王志文.PPS/SiO2 纳米复合涂层的制备和性能测试.机械工程材料, 2003, 27(5): 36～37 [27]张启卫, 章永化, 陈守明, 等.聚甲基丙烯酸甲酯/二氧化硅杂化材料制备与性能.应用化学, 2002, 19(9): 874～875 [28]郭卫红, 唐颂超, 周达飞, 等.纳米SiO2 在MMA 单体中在原位分散聚合的研究.材料导报, 2000(10):71～72 [29]张毅, 马秀清, 李永超, 等.纳米SiO2 增强增韧不饱和聚酯树脂的研究.中国塑料, 2004, 18(2): 35～36 [30]周文英, 李海东, 牛国良, 等.纳米SiO2 改性不饱和聚酯树脂.纤维复合材料, 2003(14): 14～15

第五篇：纳米论文

纳米技术在医学上的应用

[摘要]纳米医学是纳米技术与医药技术结合的产物,纳米医学研究在疾病诊断和治疗方面显示出了巨大的应用潜力。近几年,纳米技术突飞猛进,作为纳米技术的重要领域的纳米生物工程也取得了辉煌的成就。本文从纳米医学、纳米生物技术和纳米生物材料三个方面,讲述了纳米生物工程的重大进展。本文就纳米诊断技术、组织修复和再生医学中的纳米材料、纳米药物载体、纳米药物等方面的研究现状与进展进行综述,并探讨纳米医学的发展前景。

[引言] 纳米技术的基本概念是用单个原子、分子制造和操作物质的技术,是现代高科技前沿技术.纳米技术应用前景广阔,几乎涉及现有科学技术的所有领域,世界各国都把纳米技术列为重点发展项目,投入巨资抢占纳米技术战略高地.[关键词]纳米医学;纳米生物材料;诊断;治疗

1、跨世纪的新学科——纳米科技

所谓/纳米科技,就是在0.1~100纳米的尺度上,研究和利用原子和分子的结构、特征及相互作用的高新科学技术,它是现代科学和先进工程技术结合的产物。1990年7月,第一届国际纳米科技会议的召开,标志着纳米科技的正式诞生。时至今日,纳米科技涉及到几乎现有的所有科学技术领域。它的诞生,使人类改造自然的能力直接延伸到分子和原子。它的最终目标,是人类按照自己的意志操纵单个原子,在纳米尺度上制造具有特定功能的产品,实现生产方式的飞 跃。目前,纳米科技已经取得一系列成果,正处于重大突破的前夜。研究者认为,这一兴起于本世纪90年代的纳米科技,必将雄踞于21世纪,对人类社会产生重大而深远的影响。

2、纳米医学的提出

纳米医学的形成除了纳米技术之外，其医学本身也应具有可应用纳米技术的客观基础和必要条件。客观基础是指，像其他物质一样，医学研究的主体———人体本身是由分子和原子构成的。实现纳米医学的必要条件是，要在分子水平上对人体有更为全面而详尽的了解。随着现代生物学和现代医学的不断发展,人类在生物学和医学等领域的研究内容已开始从细胞、染色体等微米尺度的结构深入到更小的层次,进入到单个分子甚至分子内部的结构。这些极其微细的分子结构的特征:尺度空间在0.1-100 nm,属于纳米技术的尺度范围。研究这些纳米尺度的分子结构和生命现象的学科,就是纳米生物学和纳米医学。纳米医学是一门涉及物理学、化学、量子学、材料学、电子学、计算机学、生物学以及医学等众多领域的综合 性交叉学科。Freitas曾给纳米医学下过一个较详细的定义:他认为,纳米医学是利用人体分子工具和分子知识,预防、诊断、治疗疾病和创伤,劫除疼痛,保护和改善人体健康的科学和技术。目前的纳米医学研究水平还处于初级阶段,当然,由于各国科学工者的不懈努力,纳米医学研究领域已初露曙光,有部分研究成果已开始接近临床应用。

从定义来看,纳米医学可以分为两大类,一是在分子水平上的医学研究,基因药物和基因疗法等就是典型体现;二是把其他领域的纳米研究成果引入医学领域,如某种纳米装置在医疗和诊断上的应用。纳米医学的奥秘在于,可以从纳米量级的尺度来进行原来不可能达到的医疗操作和疾病防治。当生命物质的结构单元小到纳米量级的时候,其性质会有意想不到的变化。这种变化既包括物质的原有性能变得更好,还可能有我们所意想不到的性能和效益,从而用来治病防病。

3、纳米技术的医学应用 3.1 诊断疾病

在诊断方面，将应用纳米医学技术手段，在诊室内进行全面的基因检查和特殊细菌涂层标记物的实时全身扫描；检测肿瘤细胞抗原、矿质沉积物、可疑的毒素、源于遗传或生活方式的激素失衡，以及其它以亚毫米空间分辨率制成所定目标三维图谱的特定分子。在纳米医学时代，这些强有力的手段将使医务人员能够检查患者的任何部位，且可详尽到分子水平，并能以合理的费用，在数分钟或数秒钟内获得所需的结果。许多以往诊断比较困难或无法诊断的疾病,随着纳米技术的介入,将很容易被确诊。为判断胎儿是否具有遗传缺陷,以往常采用价格昂贵并对人体有损害的羊水诊断技术。如今应用纳米技术,可简便安全地达到目的。孕8周左右血液中开始出现非常少量的胎儿细胞,用纳米粒很容易将这些胎儿细胞分离出来进行诊断。目前美国已将此项技术应用于临床诊断。肝癌患者由于早期没有明显症状,一旦发现常已到晚期,难以治愈,因而早期诊断极为重要。中国医科大学第二临床学院把纳米粒应用于医学研究,经过4年的努力,完成了超顺磁性氧化铁超微颗粒脂质体的研究。动物实验证明,运用这项研究成果,可以发现直径3mm以下的肝肿瘤。这对肝癌的早期诊断、早期治疗有着十分重要的意义。3.2 纳米药物和纳米药物载体

这是纳米医学中的一个非常活跃的领域,适时准确地释放药物是它的基本功能之一。科学家正在为糖尿病人研制超小型的,模仿健康人体内的葡萄糖检测系统。它能够被植入皮下,监测血糖水平,在必要的时候释放出胰岛素,使病人体内的血糖和胰岛素含量总是处于正常状态。美国密西根大学的博士正在设计一种纳米/智能炸弹,它可以识别出癌细胞的化学特征。这种智能炸弹很小,仅有20nm左右,能够进入并摧毁单个的癌细胞。

德国医生尝试借助磁性纳米微粒治疗癌症,并在动物实验中取得了较好疗效。将一些极其细小的氧化铁纳米微粒注入患者的肿瘤里,然后将患者置于可变的磁场中,氧化铁纳米微粒升温到45~ 47度,这一温度可慢慢热死癌细胞。由于肿瘤附近的机体组织中不存在磁性微粒,因此这些健康组织的温度不会升高,也不会受到伤害。科学家指出,将磁性纳米颗粒与药物结合,注入到人体内,在外磁场作用下,药物向病变部位集中,从而达到定向治疗的目的,将大大提高肿瘤的药物治疗效果。

纳米药物与传统的分子药物的根本区别在于它是颗粒药物。广义的纳米药物可分为两类:一类是纳米药物载体,即指溶解或分散有分子药物的各种纳米颗粒,如纳米球、纳米囊、纳米脂质体等。二是纳米药物,即指直接将原料药物加工成的纳米颗粒,或利用崭新的纳米结构或纳米特性,发现基于新型纳米颗粒的高效低毒的治疗或诊断药物。前者是对传统药物的改良,而后者强调的是把纳米材料本身作为药物。

3.2.1 纳米药物

直接以纳米颗粒作为药物的应用之一是抗菌药物。纳米抗菌药物具有广谱、亲水、环保、遇水后杀菌力更强、不会诱导细菌耐药性等多种性能。以这种抗菌颗粒为原料,成功地开发出了创伤贴、溃疡贴等纳米医药类产品。例如,纳米二氧化钛树脂基托材料具有一定的抗变形链球菌和抗白色念珠菌的效果,当树脂基托中抗菌剂的浓度达到3%时,即可达到满意的抗菌效果。

无机纳米颗粒作为新型的抗癌药物为肿瘤治疗提供了新的思路。研究人员用Gd@C82(OH)22处理得肝癌的小鼠,在10.7mol/kg的注射剂量下能有效地抑制肿瘤生长,同时对机体不产生任何毒性。其抑瘤效应不是通过纳米颗粒对肿瘤的直接杀伤起作用,而是可能通过激活机体免疫来实现对肿瘤的抑制作用。纳米羟基磷灰石在体外对恶性肿瘤细胞产生明显的抑制作用,而对正常细胞作用甚微,可望通过进一步的研究获得一种区别于传统的化疗药物的纳米无机抗癌药物。此外,有的物质纳米化后出现新的治疗作用,如二氧化钛纳米粒子可抑制癌细胞增殖;二氧化铈纳米颗粒可以清除眼中的电抗性分子并防治一些由于视网膜老化而带来的疾病。

3.2.2 纳米药物载体

实现细胞和亚细胞层次上药物的靶向传递和智能控制释放,是降低药物毒副作用、提高治疗效果的共性问题。纳米粒子介导的药物输送是纳米医学领域的一个关键技术,在药物输送方面具有许多优越性。目前,用作药物载体的材料有金属纳米颗粒、生物降解性高分子纳米颗粒及生物活性纳米颗粒等。理想的纳米药物载体应具备以下性质:毒性较低或没有毒性;具有适宜的制备及提纯方法;具有合适的粒径与形状;具有较高的载药量;具有较高的包封率;对药物具有良好的释放特性;具有良好的生物相容性,可生物降解或可被机体排出;具有较长的体内循环时间,并能在疗效相 关部位持久存。3.3 纳米生物技术

纳米生物技术是纳米技术和生物技术相结合的产物,它即可以用于生物医学,也可以服务于其它社会需求。所包含的内容非常丰富,并以极快的速度增加和发展,难以概述。

3.3.1生物芯片技术

生物芯片是在很小几何尺度的表面积上,装配一种或集成多种生物活性,仅用微量生理或生物采样,即可以同时检测和研究不同的生物细胞、生物分子和DNA的特性,以及它们之间的相互作用,获得生命微观活动的规律。生物芯片可以粗略地分为细胞芯片、蛋白质芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等几类,都有集成、并行和快速检测的优点,已成为21世纪生物医学工程的前沿科技。

近2年,已经通过微制作(MEMS)技术,制成了微米量级的机械手,能够在细胞溶液中捕捉到单个细胞,进行细胞结构、功能和通讯等特性研究。美国哈佛大学的教授领导的研究人员,发展了微电子工业普遍使用的光刻技术在生物学领域的应用,并研制出效果更好的软光刻方法。以此,制出了可以捕捉和固定单个细胞的生物芯片,通过调节细胞间距等,研究细胞分泌和胞间通讯。此类细胞芯片还可以作细胞分类和纯化等。它的功能原理非常简单,仅利用芯片表面微单元的几何尺寸和表面特性,即可达到选择和固定细胞及细胞面密度控制。

美国圣地亚国家实验室的发现实现了纳米爱好者的预言。正像所预想的那样,纳米技术可以在血流中进行巡航探测,即时发现诸如病毒和细菌类型的外来入侵者,并予以歼灭,从而消除传染性疾病。

研究人员做了一个雏形装置,发挥芯片实验室的功能,它可以沿血流流动并跟踪像镰状细胞血症和感染了爱滋病的细胞。血液细胞被导入一个发射激光的腔体表面,从而改变激光的形成。癌细胞会产生一种明亮的闪光;而健康细胞只发射一种标准波长的光,以此鉴别癌变。3.3.2纳米探针

一种探测单个活细胞的纳米传感器,探头尺寸仅为纳米量级,当它插入活细胞时,可探知会导致肿瘤的早期DNA损伤。

3.4组织修复和再生医学中的纳米材料

将纳米技术与组织工程技术相结合,构建具有纳米拓扑结构的细胞生长支架正在形成一个崭新的研究方向。相对于微米尺度,纳米尺度的拓扑结构与机体内细胞生长的自然环境更为相似。纳米拓扑结构的构建有可能从分子和细胞水平上控制生物材料与细胞间的相互作用,引发特异性细胞反应,对于组织再生与修复具有潜在的应用前景和重要意义。将纳米纤维水凝胶作为神经组织的支架,在其中生长的鼠神经前体细胞的生长速度明显快于对照材料。向高分子材料中加入碳纳米管可以显著改善原有聚合物的传导性、强度、弹性、韧性和耐久性,同时还可以改进基体材料的生物相容性。研究发现,随着复合物中碳纳米管含量的增加,神经元细胞和成骨细胞在复合材料上的黏附与生长也越来越活跃,而星形细胞和成纤维细胞的活性则呈现同等程度的下降。研究人员设计的人造红细胞输送氧的能力是同等体积天然红细胞的236倍,可应用于贫血症的局部治疗、人工呼吸、肺功能丧失和体育运动需要的额外耗氧等。研究人员成功合成了模拟骨骼亚结构的纳米物质,该物质可取代目前骨科常用的合金材料,其物理特性符合理想的骨骼替代物的模数匹配,不易骨折,且与正常骨组织连接紧密,显示出明显的正畸应用优势。

纳米自组装短肽材料RADA16-I与细胞外基质具有很高相似性,RADA16-I纳米支架可以作为一种临时性的细胞培养人工支架,它能很好地支持功能型细胞在受损位置附近生长、迁移和分化,因而有利于细胞抵达伤口缝隙,使组织得以再生。有研究人员利用RADA16-I纳米支架修复了仓鼠脑部的急性创伤,并且恢复了仓鼠的视觉功能。RADA16-I形成的水凝胶可用作新型的简易止血剂,用于多种组织和多种不同类型伤口的止血。

4、我国发展纳米生物学和纳米医学的现状和发展策略

目前,我国在纳米生物和医学领域内的研究基础还比较薄弱,通过采取各种激励措施和各种研究计划的实施,特别是国家自然科学基金委的纳米技术重大研究计划对纳米生物和纳米医学项目的支持,我国在纳米生物和纳米医学方面的研究状况有了很大的改善,生物、医学界的许多院、所相继建立了有关纳米技术的研究室,如中国医学科学院基础医学研究所、军事医学科学院毒物药物研究所和生物物理研究所等都设立了纳米研究室,初步形成了一只较强的研究队伍。近年来,来自化学、物理、信息、药物、生物和医学等领域的科学家通过几次研讨会进一步明确了纳米生物和纳米医学领域的研究方向和内容,并建立了较密切的合作。我国在纳米生物和纳米医学的研究领域也涌现了一批极具特色的研究成果,如在生物传感器、生物芯片、新型药物载体和靶向药物、新型纳米药物剂型、新造影剂、重大疾病的机制、纳米材料的应用和生物安全性及重大疾病预防和早期诊断与治疗技术等方面。但是,这些研究的水准与国际先进水平还有相当的差距,离国家、社会的需求也有相当远的距离。

纳米医学工程的建立不仅是因为有其迫切的需要,而且也因为有了实现的可能。如今,纳米科技在国际上已崭露头角,世界各发达国家纷纷开展纳米科技的研究。在我国,科技界对纳米科技的重要性有了共识,纳米科技研究已取得引人注目的成果。学科发展和社会需要是推动社会发展的巨大动力,学科发展可以创造新的需求,社会需求可以促进学科向深度和广度发展。纳米生物医学工程正在出现,我们无力将它阻挡。虽然它的广泛应用尚有待时日,并潜在危险,但若没有它,我们现在面临的许多生物医学工程问题就不可能得到满意的解决。

人类正在被历史及自身推向一个崭新的陌生世界,倘若人类能直接利用原子、分子进行生产活动,这将是一个质的飞跃,将改变人类的生产方式,并空前地提高生产能力,有可能从根本上解决人类面临的诸多困难和危机。我们有必要把纳米科技和生物医学工程概念进行拓展,把纳米科技的理论与方法引入生物医学工程的相关研究领域,创立新的边缘学科——纳米生物医学工程。可以相信,纳米医学工程将会成为纳米科技的重要分支,并开创生物医学工程新纪元。科学家认为,纳米科技在生物医学方面,甚至有可能超过信息技术和基因工程,成为决胜未来的关键性技术。[参 考 文 献] [1]刘吉平,郝向阳.纳米科学与技术[M].北京:科学出版社,2002:2,227-229,234-238,239-242,230-234.[2]李道萍.21世纪崭新的学科——纳米医学[J]1世界新医学信息文摘,2003,1(3):208-210.[3]李会东.纳米技术在生物学与医学领域中的应用[J].湘潭师范学院学报(自然科学版),2005,27(2):49-51.[4]皮洪琼,吴俊,袁直等.注射用生物可降解胰岛素纳米微球的制备[J]1应用化学,2001,18(5):365-369.[5]常津.阿毒素免疫磁性毫微粒的体内磁靶向定位研究[J].中国生物医学工程学报,1996,15(4):216-221.[6]张共清,梁屹.纳米技术在生物医学的应用[J]1中国医学科学院学报,2002,24(2):197-201.〔7〕中国社会科学院语言研究所词典编辑室编.现代汉语词典.北京:商务印书馆2002年版:1711〔8〕奇云.21世纪的纳米医学.健康报,2001(4):12〔9〕纪小龙.纳米医学怎样诊治疾病.健康报,2001,7,19[9]奇 云.纳米医学——21世纪的科技新领域[N].中国医药报,1995年6月8日~1995年7月18日,第1160期-1178期,第7版.[10]奇 云.纳米材料——21世纪的新材料[J].科技导报,1992(10):28-31.[11]奇 云.纳米电子学研究进展[J].现代物理知识,1994,6(5):24-25.[12]奇 云.纳米生物学的诱人前景[N].光明日报,1993年5月7日,第15864号第3版.[13]奇 云.纳米化学研究进展[J].自然杂志,1993,16（9、10):2-5.[14]奇 云.纳米化学研究进展[J].现代化工,1993,13(8):38-39.[15] 华中一.纳米科学与技术[J].科学,2000,52(5):6-10..