纳米材料的制备与应用技术(李群)

本书首先介绍了纳米材料科学产生的背景和发展历程，继而介绍了纳米粒子、纳米材料的制备原理和方法，纳米粒子与材料的表面改性原理与方法，纳米粒子与材料的特有表征方法，纳米材料在橡塑材料、纺织材料、光学材料、磁性材料、陶瓷等无机材料、化工与催化、环境等诸多领域及相关产品中的应用原理与方法，最后介绍了纳米粒子与纳米材料的安全性问题与安全性研究方法。本书既可作为应用化学专业本科或研究生教材及教学参考书使用，同时也适合材料、化工、纺织、印染、制药、精细化工、环保等专业的学生用作教材，亦可供相关专业工程技术、科研人员参考、使用。

众所周知，包括纳米材料在内的先进材料是21世纪三大高新技术领域之一。而纳米材料与技术又是我国与世界发达国家几乎同步发展，最有可能赶超世界先进水平的技术领域之一。所以，了解或掌握纳米材料的特性、制备原理和方法以及应用技术及其研究方法对高级人才的培养具有重要现实意义。“纳米材料”的命名出现在20世纪80年代，它是指三维空间中至少有一维处于1～100nm或由它们作为基体单元构成的材料，纳米材料是纳米科技发展的重要基础。1990年在美国举办了第一届国际纳米科学技术会议，决定出版“纳米技术”、“纳米结构材料”、“纳米生物学”三种学术刊物，标志着纳米技术研究走向正规和成熟。随后，1991年美国将纳米技术列入了“政府关键技术”，1993年德国提出今后10年重点发展的9个关键技术领域中有4个涉及纳米技术；日本、欧盟等也都斥巨资用于纳米材料与纳米技术的开发；我国也将纳米材料与纳米技术列入了“863”、“973”计划和“十五”、“十一五”规划，并由科技部、国家计委、教育部、中国科学院和国家自然科学基金委员会等单位成立了全国纳米科技指导协调委员会， 统筹规划全国的纳米科技研究方向。在2001年7月联合下发的《国家纳米科技发展纲要》中提出我国纳米科技在今后5～10年的发展主要目标是：在纳米科学前沿取得重大进展，奠定发展基础;在纳米技术开发及其应用方面取得重大突破;逐步形成精干的、具有交叉综合和持续创新能力的纳米科技骨干队伍；建立全国性的纳米科技研究发展中心和以企业为主体的产业化基地，以促进基础研究、应用研究和产业化的协调发展。在2006年初国务院制定的《2006～2020年国家中长期科学和技术发展规划》中将纳米科学列入了这段时期内基础科学研究的四个主要方向之一，将纳米材料和纳米器件作为发展先进材料的重点目标。人们之所以特别瞩目纳米材料，是因为纳米材料具有宏观材料所不具备的特殊性质，即所谓的表面效应、小尺寸效应、量子效应和宏观量子隧道效应。纳米材料的应用已渗透到军事、生物、高分子材料、电子、医疗、环境、生活日用品等几乎所有的生产和研究领域。1999年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营业额达到500亿美元，预计到2010年可高达14400亿美元。纳米材料的制备及其应用原理和方法不仅仅适合于指导纳米材料的设计和生产，它对诸如军事、生物、高分子材料、电子、医疗、环境、生活日用品等纳米应用产品的设计和生产具有普遍的指导意义。尽管目前相关的科技书已有多种版本，但适合作为教科书的版本仍然较少。所以，作者按照教育部高教司函【2005】195号中关于“十一五”国家级教材规划原则，根据教育部教学指导委员会建设“具有不同风格和特色的专业教材”的精神，依据《普通高等学校本科理工科专业规范》，组织国内部分高校编写了本部教材，旨在编写一本能满足化学、化工、应用化学及其相关专业教学要求的教科书。本教材编写组始终本着“面向未来、质量第一”的原则进行工作，广泛听取了有关专家教授的宝贵意见，参阅了大量国内外有关教材和资料。本书的主要思路和基本要求如下：1首先把纳米材料学作为一门新兴的交叉性边缘学科，介绍其诞生的背景和过程，同时重点介绍纳米学原理、纳米技术与应用，内容要能体现本科教育重理论基础教育的传统，同时体现本书学以致用、理论与实践相结合的特色。2纳米产品的范围很广泛，同时考虑到各高校的优势学科和地域经济的不同，所以本书尽可能多地编入了多个领域纳米产品制备、性能与应用方法。一方面体现满足本科教育对知识的宽口径需求，另一方面也体现满足不同高校的特色方向的侧重性需求。3章末编入思考题和参考资料，便于学生对重点内容的把握和练习，同时也为学生拓展知识面提供了便捷的途径。同时也体现尊重别人的知识产权。4编写时注意到本书的主要适用对象是应用化学、化学、化工、材料、轻化工、环保等本科专业学生，目的是提供给他们作为专业选修课教材。所以，注重了理论知识的铺垫和应用实例与示范，便于教师易悟易教、学生易学易懂。5体现创新性。作为一本教材，在内容上不一定能创新，但做到充分反映到目前为止本领域的理论基础和最新成果与研究现状。本教材在编写思路和知识组合技巧上是一种全新的尝试。目前全国设有应用化学、化学、化工及相关专业的高等院校超过300所。纳米技术是21世纪的关键高新技术之一，在上述专业的本科生中开设《纳米材料的制备与应用技术》课，对培养具有21世纪知识结构的人才很有必要。本教材编写组由青岛大学（李群、赵昔慧）、东北大学（张霞、王毅）、新疆石河子大学（但建明、刘志勇）、广西师范大学（彭桂花、李庆余、王红强）、海南大学（陈永、吴进怡）、南京工业大学（韩国志）、河北师范大学（刘辉）等七所院校组成。编写分工如下：第1章由韩国志执笔；第2章由吴进怡、但建明执笔，其中，22由吴进怡编写，陈永对内容进行了部分修订，21，23由但建明编写；第3、4章由张霞执笔，其中，第4章417由刘辉执笔；第5章由陈永执笔；第6章由李群执笔；第7、8章由王毅执笔；第9章由赵昔慧执笔；第10章由彭桂花执笔；第11章由李庆余、王红强执笔；第12章由刘志勇执笔，全书由李群修改统稿。在本教材的编写过程中，参编单位的各位教授、博士付出了辛勤的劳动。在此教材即将出版之计，感谢各位编写人员的积极参与，感谢2006～2010年教育部化学类教学指导分委员会以及应用化学专业协作组有关专家的关心，感谢化学工业出版社的支持，也感谢参与该教材编写的有关高校的领导和专家的大力支持和帮助。由于本教材体系在国内尚属首次建立，笔者学识有限，疏漏和不足之处在所难免，敬请各位读者批评指正，不胜感激。《纳米材料的制备与应用技术》编写组
2008年6月

第1章纳米技术与纳米材料的由来及研究进展1
11纳米材料的涵义与特性1
111纳米材料的涵义1
112纳米材料的分类2
113纳米材料的特性2
114纳米材料的基本物理化学特性4
12纳米技术的由来与研究进展6
121纳米技术的由来6
122纳米技术的研究进展8
13几种典型的纳米材料13
131纳米纤维13
132碳纳米管15
133纳米二氧化钛16
思考题18
参考文献18

第2章纳米材料的表征方法20
21纳米材料的常规表征法20
211纳米材料的化学表征法20
212纳米材料的仪器表征法22
22纳米材料的特有表征法36
221透射电镜法（TEM）36
222扫描电镜法41
223隧道扫描电镜法47
224原子力显微镜法52
23纳米材料的其他表征法58
231粒度分析法59
232比表面积法64
思考题64
参考文献65

第3章纳米粒子的制备方法67
31物理方法67
311气体冷凝法（气体中蒸发法）67
312球磨法73
313溅射法76
32化学方法77
321化学沉淀法77
322溶胶凝胶法82
323微乳液法86
324高温高压溶剂热法88
325燃烧合成法89
326模板合成法90
327电解法90
思考题90
参考文献90

第4章典型纳米材料的制备92
41无机纳米材料的制备92
411纳米二氧化钛的制备92
412纳米氧化锌的制备97
413纳米氢氧化镁与氧化镁的制备99
414纳米碳酸钙的制备105
415纳米氧化铝和纳米氢氧化铝的制备111
416介孔SiO2与纳米SiO2微粉的制备116
417铁氧化物的制备123
42碳纳米管的制备132
421碳纳米管的应用133
422碳纳米管的制备133
423定向多壁碳纳米管的制备143
43生物纳米材料的制备145
431仿生纳米材料的设计与制备145
432智能纳米凝胶的合成146
433纳米药物载体材料的制备149
44纳米金属的制备150
441纳米金属制备概述150
442纳米金属的制备实例152
45金属和半导体自组装有序纳米结构薄膜165
451自然蒸发组装法165
452水气界面自组装167
453层层自组装（LBL）水溶性纳米粒子171
454热处理自组装无机纳米粒子膜172
455气相沉积自组装（CVD）173
思考题174
参考文献174

第5章纳米材料的改性179
51纳米材料团聚及原因180
52纳米材料改性的原理182
521表面物理改性182
522表面化学改性184
53改性方法188
531溶胶凝胶法188
532沉淀法192
533异质絮凝法194
534非均相成核法195
535微乳液法195
536化学镀197
537气相沉积法200
538聚合物表面包覆改性201
539纳米材料表面包碳205
5310等离子体处理法208
思考题209
参考文献209

第6章纳米材料在纺织印染工业中的应用211
61纳米材料在防辐射（防紫外）功能纺织品中的应用211
611应用原理212
612应用方法与实例215
62纳米材料在抗菌功能纺织品中的应用220
621应用原理221
622应用方法与实例225
63纳米材料在远红外保健功能纺织品中的应用227
631应用原理227
632应用方法与实例230
64纳米材料在负离子保健功能纺织品中的应用231
641负离子及其保健作用231
642负离子发生材料的制备233
643应用方法与实例234
65纳米材料在芳香保健功能纺织品中的应用235
651芳香的来源和医疗保健作用235
652芳香微胶囊的制备237
653应用方法与实例239
66纳米材料在阻燃功能纺织品中的应用240
661纳米阻燃材料在阻燃功能纺织品中应用原理241
662纳米材料在阻燃功能纺织品中应用实例242
67纳米材料在印染中的应用243
671纳米颜料在喷墨印花中的应用243
672纳米材料在染色工艺中的应用（染色/固色等）246
68纳米材料在疏水亲水纺织品制备中的应用248
681超疏水表面与荷叶效应248
682超疏水性织物表面的制备原理248
683超双疏三防纺织品的生产实例249
思考题249
参考文献250

第7章纳米材料在环保中的应用252
71纳米材料在废水治理方面的应用252
711水污染状况253
712纳米过滤材料在废水处理中的应用256
713纳米光催化材料在废水处理中的应用256
714纳米吸附材料在废水处理中的应用262
72纳米材料在气体净化方面的应用263
73处理固体垃圾267
思考题267
参考文献267

第8章纳米材料在光学方面的应用269
81红外反射材料269
82光吸收材料271
83隐身材料272
831隐身技术及其发展272
832隐身材料及其发展273
833纳米隐身涂料的制备276
834纳米隐身涂料的发展趋势276
思考题277
参考文献277

第9章纳米技术在磁性材料方面的应用278
91概述278
92几种纳米磁性材料278
921磁记录材料278
922巨磁电阻材料280
923磁性液体材料282
924软磁铁材料286
思考题288
参考文献288

第10章纳米材料在催化方面的应用290
101金属纳米粒子的催化作用290
1011超细贵金属催化剂的催化应用291
1012超细过渡金属催化剂的催化作用294
102半导体纳米粒子的光催化作用298
1021半导体纳米粒子的光催化原理298
1022半导体纳米粒子的应用方法与实例298
思考题302
参考文献302

第11章纳米材料在精细化工方面的应用304
111陶瓷增韧304
1111陶瓷概述304
1112纳米陶瓷的性能305
1113纳米陶瓷的主要增韧机理306
1114纳米陶瓷的应用307
112纳米复合涂料309
1121纳米涂料在环境领域的应用310
1122纳米涂料在功能涂层材料领域的应用313
1123其他领域应用方法与实例315
113纳米材料在胶黏剂工业中的应用316
1131纳米技术改性胶黏剂的原理316
1132纳米材料改性胶黏剂的应用实例319
114纳米技术在化妆品方面的应用322
1141纳米复合材料的光学性质322
1142应用方法与实例323
115纳米材料在化工助剂中的应用328
1151纳米材料在塑料制品中的应用328
1152纳米塑料的其他性能333
1153纳米材料在橡胶制品中的应用333
思考题334
参考文献334

第12章纳米材料的安全性与安全性研究337
121纳米材料安全性及研究意义338
122纳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纳米毒性的修饰化学与纳米生物效应的应用350
1232建立纳米技术的安全性评估350
1233职业安全与卫生标准体系建设及意义351
思考题352
参考文献353