结构性复合材料——蒙脱石纳米复合材料的制备、结构与性能.doc

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1、结构性复合材料一一蒙脱石纳米复合材料的制备、结构与性能聚合物一一蒙脱石纳米复合材料的制备、结构与性能摘耍从结构的观点出发，将聚合物一蒙脱石纳米复合材料划分为插层型、层离型和混合型（插层型+层离型），探讨了影响蒙脱石纳米化的因素,提出了蒙脱石纳米化中值得注意的儿个问题。关键词蒙脱石聚合物纳米复合材料结构1蒙脱石纳米化的结构原理蒙脱石是具有2：1型结构的层状硅酸盐矿物，其基本结构单元层是由两层硅氧四面体层中间夹一层铝（镁）氧（氧氢）八面体层构成的，结构单元层厚约Inmo由于四面体层及八面体层中存在广泛的类质同象

2、代替，使得结构层带有永久性负电荷。为平衡电荷，层间充填有阳离子和水分子（阳离子为水化阳离子）。层间阳离子具冇可交换性，可与多种无机、冇机阳离子进行交换。结构层间存在弱的静电作用力，将结构层凝聚于一体，但结构单元层沿垂直层面的方向堆垛层数平均仅在1。〜20层（即晶层厚约10〜20nm）,结构层沿a及b方向延展通常不超过lOOnm[1]实际的蒙脱石结构存在很多缺陷，如晶格畸变、晶层堆垛的不规则性，会导致蒙脱石有序度、结晶度的变化；结构层端面的断键又可形成可变电荷；晶层内的类质同象会产生层电荷及层电荷分布的不均匀

3、性。这些缺陷对蒙脱石的表面物化性能会产生明显的影响，继而影响其纳米化。蒙脱石较坚固的结构单元层、层间较弱的作用力以及层间具有可交换性阳离于是其能够通过插层作用进行纳米化的结构基础。2聚合物一蒙脱石纳米复合材料的制备方法——插层复合法对具有层状结构的蒙脱石等粘土矿物，用一定的物理或化学方法，将单体或聚合物分子插进蒙脱石结构单元层间，以部分或全部破坏层间的作用力。部分破坏层间作用力形成插层型纳米蒙脱石，其是指高分子链插入层间后仅使层间距扩大，未达到使结构单元层完全脱离联系的地步，结构层在聚合物中仍保持近程有序，

4、远程无序，蒙脱石分布不很均匀，具有一定的方向性，纳米粒度大，属于低层次的纳米化。这种复合材料中高分子链分布在层间，空间运动受限制，在一定加工条件下可制成各向异性材料。全部破坏层间作用力形成层离型纳米蒙脱石，其是指高分子链进入层间后,使蒙脱石结构单元层完全层离，彼此失去联系，层离为厚约Inm,长宽各约lOOnm的基木结构单元，均匀分散于基体中，实现基体与蒙脱石最大程度的复合，是高层次的纳米化。插层复合法分为如下3种类型：⑴插层聚合法先将聚合物屮体和蒙脱石分别溶解在某一种溶剂中•充分溶解（分散）后再混合在一起，

5、搅拌一定时间。单体通过置换反应将层间原有的小分子置换出来，或由于单体与层内分子、离子具有强相互作用被吸附（物理吸附或化学吸附）到层间。单体面入到蒙脱石结构层中后。在外加条件下（氧化剂、光、热、电子束或丫射线等），发生原位聚合，利用聚合时放出的大量热量，克服蒙脱石结构层间的静电力，使英层间距扩大甚至层离，使蒙脱石在聚合物基体中达到不同纳米尺度的分散，形成复合材料。如中科院化学所研究丁尼龙6蒙脱石体系，首创了“一步法”复合方法，即将蒙脱石层间阳离子交换，单体(己内酰胺)插层及单体原位聚合在同一稳定胶体分散体系中

6、一步完成。当蒙脱石含量为15时，层间距扩大为6・2nm,以纳米粒级分散于尼龙基体中。插层聚合法冇不能连续生产、选择溶剂困难、反应条件苛刻等缺点。(2)聚合物溶液直接插入法聚合物单分子链在溶液中借助于溶剂而插入蒙脱石结构单元层间，然后将溶剂蒸发掉，使蒙脱石层间距扩大或层离。此方法耍求有合适的溶剂能同时溶解聚合物和分散蒙脱石，且：k量回收溶剂怵

7、难，易造成环境污染。如FuruichlS等用季胺盐改性的有机蒙脱石与聚丙烯的甲苯溶液共混，经加热获得聚丙烯一蒙脱石纳米复合材料。(3)聚合物熔融插层法将聚合物与有机蒙脱

8、石的混合物在高于聚合物的软化温度下加热，或在剪切力作用下直接进入蒙脱石层间。如VaiaE6］等用熔融插层法将聚苯乙烯插入到蒙脱石层间制得聚苯乙烯/蒙脱石纳米复合材料。熔融插层法具有以下优点：①适用面广，不同极性或结晶度的聚合物，如聚苯乙烯、聚乙烯、聚硅氧烷等均可用此法制得相应的插层复合物；②工艺简单，与聚合物成型加工技术(挤出、注射)兼容性好；③插入过程中不使用溶剂,环境效益好。熔融插层法是目前插层法研究的热点。3影响聚合物与蒙脱石插层复合的因素3.1热力学因素有机物或聚合物分子插入到蒙脱石等粘土矿物结构层

9、间，分子活动性受到限制，分子排列趋向于更加冇序，在热力学上是个炳减过程，目pAs<O根据热力学定律厶G-AH—TZs可知，插层复合在热力学上不是自发过程。要实现插层复合，插层过程须是放热的（△H（0）或冇其他因素使整个体系的构象懦是增加的（厶S>O）o3.2蒙脱石的结构因素蒙脱石有序度和层电荷密度高时，层间结合力强，英层膨胀性和解离性远不及层电荷密度和有序度低的蒙脱石的。前者需要高能量作功才能使层解