纳米材料改性塑料的研究进展

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1、纳米材料改性塑料的研究进展纳米材料是颗粒尺寸小于10nm的超细材料。它具有小尺寸效应、大比表面积效应、体积效应和量子隧道效应。这些效应使其某些性质会发生质的变化,呈现与物质宏观状态下差异很大的特性,用纳米粒子改性的复合材料如金属/金属、陶瓷/陶瓷、金属/陶瓷、有机聚合物/无机纳米粒子、聚合物/有机纳米粒子、有机陶瓷等在光学、热学、电学、磁学、力学及化学等方面发生巨大的变化「’j。纳米材料的应用为聚合物材料的改性开辟了一条新的途径,也为设计、制备高性能、多功能塑料奠定了基础。纳米材料改性塑料常见的制备方法：1插层法插层法是采用

2、层状无机物(如粘土、云母、石墨、层状金属氧化物等)作为无机相,将有机相单体插人到无机相的层间进行原位聚合或将聚合物直接插人层间形成复合材料的方法。根据插层形式不同又可分为以下几种方法:①插层法。聚合法即先将有机单体嵌人到无机相片层中,再在热、光、引发剂等作用下进行聚合获得纳米复合材料。该方法的本质是插层和原位聚合的结合。聚合反应可使片层间距扩大甚至解离,使层状填料在聚合物基体中达到纳米尺寸的分散,这样不仅大大增加了两者之间的界面面积,而且同时无机相与聚合物之间形成强的化学键,从而使材料的性能得到明显提高。美国康奈尔大学、密歇

3、根大学、中国科学院化学研究所等!4〕在这方面做了大量的研究工作,成功研制了以聚、聚苯乙烯(Ps)、聚氨醋(PUR)等为基材的一系列纳米复合材料,并实现了部分纳米复合材料的工业化生产。②溶液插层法即在溶液或乳液中借助溶剂将聚合物嵌人到无机片层间,然后再除去溶剂制得纳米复合材料。该方法的关键是寻找合适的单体和相容的聚合物一粘土一溶剂体系,由于用该方法制备纳米复合材料要除去大量的溶剂,且不易回收,所以对环境保护不利。③熔体插层法即将聚合物加热至高于其软化温度,在静止条件或剪切力作用下直接插层进人无机片层间形成纳米复合材料。该法不需

4、要溶剂,适合大多数聚合物。试验结果表明,插层聚合法、溶液插层法、熔体插层法所得到的纳米复合材料具有相同或相似的结构和性能。近年来具有不需要溶剂、制备工艺简单、材料来源丰富、价格廉、对环境无污染等优点的熔体插层法已引起人们的极大兴趣1.2溶胶一凝胶法溶胶一凝胶法是将烷氧金属化合物或金属盐等前驱物(水溶性盐或油溶性醇盐)溶于水或有机溶剂中形成均质溶液,溶质发生水解反应生成纳米级粒子并形成溶胶,再与聚合物缩聚形成三维网状结构的凝胶,经干燥除去低分子物以制备纳米复合材料的方法阳」。该方法根据制备方法的不同又可细分为以下几种方式:①将

5、前驱物溶于聚合物溶液中,在催化作用下前驱物水解成半互穿网络,再形成溶胶、凝胶。②将前驱物和单体溶解在溶剂中,使前驱物水解和单体聚合同时进行,聚合物靠原位生成而嵌入无机物网络中。③在聚合物或单体中引人能与无机组分形成化学键的基团,增加有机与无机组分之间的相互作用。目前,前驱化合物主要为硅酸醋类化合物,其它还有1A、iT、rZ、V和M。等的烷氧化合物。溶胶一凝胶法制备纳米复合材料的特点[’」是:无机、有机分子有选择地掺杂,两相分散均匀;可通过控制反应条件、有机与无机组分的比例,使制备的纳米复合材料从无机物改性的塑料转变到有机物改

6、性的无机材料;工艺过程温度低,材料纯度高,有机相与无机相可以分子间作用力、共价键结合,甚至因聚合物交联而形成互穿网络。但该法也存在许多缺陷,主要问题在于:凝胶于燥过程中,由于溶剂等低分子物的挥发,常常导致材料收缩影响力学性能;前驱物价格昂贵且有毒;无机组分局限于510:和ITO:;因找不到合适的溶剂,制备PS、PE、PP等常见品种的纳米材料改性塑料困难。尽管如此,该法仍是目前应用较广,且是制备纳米复合材料较完善的方法之一。1.3共混法共混法也叫直接生成法,它是制备聚合物/无机粒子纳米复合材料的方法中应用较广的一种,也是制备纳

7、米复合材料最简单的方法,适合各种形态的纳米粒子。它首先合成出各种形状的纳米粒子,然后通过各种方式将其与有机聚合物混合此法按共混方式可分为溶液共混法、乳液共混法、熔融共混法和机械共混法。因为此法是直接将纳米粒子与聚合物材料共混,所以在利用此法制备纳米复合材料时,首先要解决纳米粒子的团聚问题,使干态纳米粒子均匀分散在体系中。由于无机纳米粒子具有亲水的强极性表面,而且表面能极大,很容易聚成儿百纳米甚至微米尺寸,从而丧失纳米粒子特有的功能和作用。虽然通过一定的物理方法如超声波分散法、机械搅拌分散法可将纳米粒子大的团聚体打开形成较小的

8、团聚体或纳米粒子,但不能完全使之稳定或避免团聚因此在加人聚合物材料前必须对纳米粒子进行表面处理以降低表面能。日前常采川表面覆盖改性、局部活性改性、外膜层改性、机械化学改性等几种处理方法。常用的改性齐U有柠檬酸钠、卜二硫醇等。共混法的特点”是工艺简单、合成分步进行、粒子的形态及尺寸大小可以控