納米材料的制備與應用技術(李群)

本書首先介紹了納米材料科學產(chǎn)生的背景和發(fā)展歷程，繼而介紹了納米粒子、納米材料的制備原理和方法，納米粒子與材料的表面改性原理與方法，納米粒子與材料的特有表征方法，納米材料在橡塑材料、紡織材料、光學材料、磁性材料、陶瓷等無機材料、化工與催化、環(huán)境等諸多領域及相關產(chǎn)品中的應用原理與方法，最后介紹了納米粒子與納米材料的安全性問題與安全性研究方法。本書既可作為應用化學專業(yè)本科或研究生教材及教學參考書使用，同時也適合材料、化工、紡織、印染、制藥、精細化工、環(huán)保等專業(yè)的學生用作教材，亦可供相關專業(yè)工程技術、科研人員參考、使用。

眾所周知，包括納米材料在內(nèi)的先進材料是21世紀三大高新技術領域之一。而納米材料與技術又是我國與世界發(fā)達國家?guī)缀跬桨l(fā)展，最有可能趕超世界先進水平的技術領域之一。所以，了解或掌握納米材料的特性、制備原理和方法以及應用技術及其研究方法對高級人才的培養(yǎng)具有重要現(xiàn)實意義?！凹{米材料”的命名出現(xiàn)在20世紀80年代，它是指三維空間中至少有一維處于1～100nm或由它們作為基體單元構成的材料，納米材料是納米科技發(fā)展的重要基礎。1990年在美國舉辦了第一屆國際納米科學技術會議，決定出版“納米技術”、“納米結構材料”、“納米生物學”三種學術刊物，標志著納米技術研究走向正規(guī)和成熟。隨后，1991年美國將納米技術列入了“政府關鍵技術”，1993年德國提出今后10年重點發(fā)展的9個關鍵技術領域中有4個涉及納米技術；日本、歐盟等也都斥巨資用于納米材料與納米技術的開發(fā)；我國也將納米材料與納米技術列入了“863”、“973”計劃和“十五”、“十一五”規(guī)劃，并由科技部、國家計委、教育部、中國科學院和國家自然科學基金委員會等單位成立了全國納米科技指導協(xié)調(diào)委員會， 統(tǒng)籌規(guī)劃全國的納米科技研究方向。在2001年7月聯(lián)合下發(fā)的《國家納米科技發(fā)展綱要》中提出我國納米科技在今后5～10年的發(fā)展主要目標是：在納米科學前沿取得重大進展，奠定發(fā)展基礎;在納米技術開發(fā)及其應用方面取得重大突破;逐步形成精干的、具有交叉綜合和持續(xù)創(chuàng)新能力的納米科技骨干隊伍；建立全國性的納米科技研究發(fā)展中心和以企業(yè)為主體的產(chǎn)業(yè)化基地，以促進基礎研究、應用研究和產(chǎn)業(yè)化的協(xié)調(diào)發(fā)展。在2006年初國務院制定的《2006～2020年國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃》中將納米科學列入了這段時期內(nèi)基礎科學研究的四個主要方向之一，將納米材料和納米器件作為發(fā)展先進材料的重點目標。人們之所以特別矚目納米材料，是因為納米材料具有宏觀材料所不具備的特殊性質(zhì)，即所謂的表面效應、小尺寸效應、量子效應和宏觀量子隧道效應。納米材料的應用已滲透到軍事、生物、高分子材料、電子、醫(yī)療、環(huán)境、生活日用品等幾乎所有的生產(chǎn)和研究領域。1999年，納米技術逐步走向市場，全年納米產(chǎn)品的營業(yè)額達到500億美元，預計到2010年可高達14400億美元。納米材料的制備及其應用原理和方法不僅僅適合于指導納米材料的設計和生產(chǎn)，它對諸如軍事、生物、高分子材料、電子、醫(yī)療、環(huán)境、生活日用品等納米應用產(chǎn)品的設計和生產(chǎn)具有普遍的指導意義。盡管目前相關的科技書已有多種版本，但適合作為教科書的版本仍然較少。所以，作者按照教育部高教司函【2005】195號中關于“十一五”國家級教材規(guī)劃原則，根據(jù)教育部教學指導委員會建設“具有不同風格和特色的專業(yè)教材”的精神，依據(jù)《普通高等學校本科理工科專業(yè)規(guī)范》，組織國內(nèi)部分高校編寫了本部教材，旨在編寫一本能滿足化學、化工、應用化學及其相關專業(yè)教學要求的教科書。本教材編寫組始終本著“面向未來、質(zhì)量第一”的原則進行工作，廣泛聽取了有關專家教授的寶貴意見，參閱了大量國內(nèi)外有關教材和資料。本書的主要思路和基本要求如下：1首先把納米材料學作為一門新興的交叉性邊緣學科，介紹其誕生的背景和過程，同時重點介紹納米學原理、納米技術與應用，內(nèi)容要能體現(xiàn)本科教育重理論基礎教育的傳統(tǒng)，同時體現(xiàn)本書學以致用、理論與實踐相結合的特色。2納米產(chǎn)品的范圍很廣泛，同時考慮到各高校的優(yōu)勢學科和地域經(jīng)濟的不同，所以本書盡可能多地編入了多個領域納米產(chǎn)品制備、性能與應用方法。一方面體現(xiàn)滿足本科教育對知識的寬口徑需求，另一方面也體現(xiàn)滿足不同高校的特色方向的側重性需求。3章末編入思考題和參考資料，便于學生對重點內(nèi)容的把握和練習，同時也為學生拓展知識面提供了便捷的途徑。同時也體現(xiàn)尊重別人的知識產(chǎn)權。4編寫時注意到本書的主要適用對象是應用化學、化學、化工、材料、輕化工、環(huán)保等本科專業(yè)學生，目的是提供給他們作為專業(yè)選修課教材。所以，注重了理論知識的鋪墊和應用實例與示范，便于教師易悟易教、學生易學易懂。5體現(xiàn)創(chuàng)新性。作為一本教材，在內(nèi)容上不一定能創(chuàng)新，但做到充分反映到目前為止本領域的理論基礎和最新成果與研究現(xiàn)狀。本教材在編寫思路和知識組合技巧上是一種全新的嘗試。目前全國設有應用化學、化學、化工及相關專業(yè)的高等院校超過300所。納米技術是21世紀的關鍵高新技術之一，在上述專業(yè)的本科生中開設《納米材料的制備與應用技術》課，對培養(yǎng)具有21世紀知識結構的人才很有必要。本教材編寫組由青島大學（李群、趙昔慧）、東北大學（張霞、王毅）、新疆石河子大學（但建明、劉志勇）、廣西師范大學（彭桂花、李慶余、王紅強）、海南大學（陳永、吳進怡）、南京工業(yè)大學（韓國志）、河北師范大學（劉輝）等七所院校組成。編寫分工如下：第1章由韓國志執(zhí)筆；第2章由吳進怡、但建明執(zhí)筆，其中，22由吳進怡編寫，陳永對內(nèi)容進行了部分修訂，21，23由但建明編寫；第3、4章由張霞執(zhí)筆，其中，第4章417由劉輝執(zhí)筆；第5章由陳永執(zhí)筆；第6章由李群執(zhí)筆；第7、8章由王毅執(zhí)筆；第9章由趙昔慧執(zhí)筆；第10章由彭桂花執(zhí)筆；第11章由李慶余、王紅強執(zhí)筆；第12章由劉志勇執(zhí)筆，全書由李群修改統(tǒng)稿。在本教材的編寫過程中，參編單位的各位教授、博士付出了辛勤的勞動。在此教材即將出版之計，感謝各位編寫人員的積極參與，感謝2006～2010年教育部化學類教學指導分委員會以及應用化學專業(yè)協(xié)作組有關專家的關心，感謝化學工業(yè)出版社的支持，也感謝參與該教材編寫的有關高校的領導和專家的大力支持和幫助。由于本教材體系在國內(nèi)尚屬首次建立，筆者學識有限，疏漏和不足之處在所難免，敬請各位讀者批評指正，不勝感激。《納米材料的制備與應用技術》編寫組
2008年6月

第1章納米技術與納米材料的由來及研究進展1
11納米材料的涵義與特性1
111納米材料的涵義1
112納米材料的分類2
113納米材料的特性2
114納米材料的基本物理化學特性4
12納米技術的由來與研究進展6
121納米技術的由來6
122納米技術的研究進展8
13幾種典型的納米材料13
131納米纖維13
132碳納米管15
133納米二氧化鈦16
思考題18
參考文獻18

第2章納米材料的表征方法20
21納米材料的常規(guī)表征法20
211納米材料的化學表征法20
212納米材料的儀器表征法22
22納米材料的特有表征法36
221透射電鏡法（TEM）36
222掃描電鏡法41
223隧道掃描電鏡法47
224原子力顯微鏡法52
23納米材料的其他表征法58
231粒度分析法59
232比表面積法64
思考題64
參考文獻65

第3章納米粒子的制備方法67
31物理方法67
311氣體冷凝法（氣體中蒸發(fā)法）67
312球磨法73
313濺射法76
32化學方法77
321化學沉淀法77
322溶膠凝膠法82
323微乳液法86
324高溫高壓溶劑熱法88
325燃燒合成法89
326模板合成法90
327電解法90
思考題90
參考文獻90

第4章典型納米材料的制備92
41無機納米材料的制備92
411納米二氧化鈦的制備92
412納米氧化鋅的制備97
413納米氫氧化鎂與氧化鎂的制備99
414納米碳酸鈣的制備105
415納米氧化鋁和納米氫氧化鋁的制備111
416介孔SiO2與納米SiO2微粉的制備116
417鐵氧化物的制備123
42碳納米管的制備132
421碳納米管的應用133
422碳納米管的制備133
423定向多壁碳納米管的制備143
43生物納米材料的制備145
431仿生納米材料的設計與制備145
432智能納米凝膠的合成146
433納米藥物載體材料的制備149
44納米金屬的制備150
441納米金屬制備概述150
442納米金屬的制備實例152
45金屬和半導體自組裝有序納米結構薄膜165
451自然蒸發(fā)組裝法165
452水氣界面自組裝167
453層層自組裝（LBL）水溶性納米粒子171
454熱處理自組裝無機納米粒子膜172
455氣相沉積自組裝（CVD）173
思考題174
參考文獻174

第5章納米材料的改性179
51納米材料團聚及原因180
52納米材料改性的原理182
521表面物理改性182
522表面化學改性184
53改性方法188
531溶膠凝膠法188
532沉淀法192
533異質(zhì)絮凝法194
534非均相成核法195
535微乳液法195
536化學鍍197
537氣相沉積法200
538聚合物表面包覆改性201
539納米材料表面包碳205
5310等離子體處理法208
思考題209
參考文獻209

第6章納米材料在紡織印染工業(yè)中的應用211
61納米材料在防輻射（防紫外）功能紡織品中的應用211
611應用原理212
612應用方法與實例215
62納米材料在抗菌功能紡織品中的應用220
621應用原理221
622應用方法與實例225
63納米材料在遠紅外保健功能紡織品中的應用227
631應用原理227
632應用方法與實例230
64納米材料在負離子保健功能紡織品中的應用231
641負離子及其保健作用231
642負離子發(fā)生材料的制備233
643應用方法與實例234
65納米材料在芳香保健功能紡織品中的應用235
651芳香的來源和醫(yī)療保健作用235
652芳香微膠囊的制備237
653應用方法與實例239
66納米材料在阻燃功能紡織品中的應用240
661納米阻燃材料在阻燃功能紡織品中應用原理241
662納米材料在阻燃功能紡織品中應用實例242
67納米材料在印染中的應用243
671納米顏料在噴墨印花中的應用243
672納米材料在染色工藝中的應用（染色/固色等）246
68納米材料在疏水親水紡織品制備中的應用248
681超疏水表面與荷葉效應248
682超疏水性織物表面的制備原理248
683超雙疏三防紡織品的生產(chǎn)實例249
思考題249
參考文獻250

第7章納米材料在環(huán)保中的應用252
71納米材料在廢水治理方面的應用252
711水污染狀況253
712納米過濾材料在廢水處理中的應用256
713納米光催化材料在廢水處理中的應用256
714納米吸附材料在廢水處理中的應用262
72納米材料在氣體凈化方面的應用263
73處理固體垃圾267
思考題267
參考文獻267

第8章納米材料在光學方面的應用269
81紅外反射材料269
82光吸收材料271
83隱身材料272
831隱身技術及其發(fā)展272
832隱身材料及其發(fā)展273
833納米隱身涂料的制備276
834納米隱身涂料的發(fā)展趨勢276
思考題277
參考文獻277

第9章納米技術在磁性材料方面的應用278
91概述278
92幾種納米磁性材料278
921磁記錄材料278
922巨磁電阻材料280
923磁性液體材料282
924軟磁鐵材料286
思考題288
參考文獻288

第10章納米材料在催化方面的應用290
101金屬納米粒子的催化作用290
1011超細貴金屬催化劑的催化應用291
1012超細過渡金屬催化劑的催化作用294
102半導體納米粒子的光催化作用298
1021半導體納米粒子的光催化原理298
1022半導體納米粒子的應用方法與實例298
思考題302
參考文獻302

第11章納米材料在精細化工方面的應用304
111陶瓷增韌304
1111陶瓷概述304
1112納米陶瓷的性能305
1113納米陶瓷的主要增韌機理306
1114納米陶瓷的應用307
112納米復合涂料309
1121納米涂料在環(huán)境領域的應用310
1122納米涂料在功能涂層材料領域的應用313
1123其他領域應用方法與實例315
113納米材料在膠黏劑工業(yè)中的應用316
1131納米技術改性膠黏劑的原理316
1132納米材料改性膠黏劑的應用實例319
114納米技術在化妝品方面的應用322
1141納米復合材料的光學性質(zhì)322
1142應用方法與實例323
115納米材料在化工助劑中的應用328
1151納米材料在塑料制品中的應用328
1152納米塑料的其他性能333
1153納米材料在橡膠制品中的應用333
思考題334
參考文獻334

第12章納米材料的安全性與安全性研究337
121納米材料安全性及研究意義338
122納米材料安全性的研究方法341
1221毒理性研究343
1222病理性研究347
123其他安全性研究350
1231納米毒性的修飾化學與納米生物效應的應用350
1232建立納米技術的安全性評估350
1233職業(yè)安全與衛(wèi)生標準體系建設及意義351
思考題352
參考文獻353