高性能新材料－纳米塑料

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1、高性能新材料－纳米塑料南京聚隆工程塑料有限公司唐伟家 高性能新材料－纳米塑料南京聚隆工程塑料有限公司唐伟家 纳米塑料是无机纳米粒子以纳米级尺寸（一般为1-100nm）均匀分散在塑料母体树脂中形成的复合材料，也被称为聚合物基纳米复合材料。由于纳米粒子尺寸小和彼此间距离非常近，具有独特的量子尺寸效应、表面效应、界面效应、体积效应、宏观显示隧道效应、小尺寸效应和超塑性，使纳米塑料具有独特的物理力学性能，已成为复合材料发展的最前端产品之一。何谓纳米？“纳米”是法定计量中的一种长度单位元名称，其单位符号为nm。1纳米等于10亿分之一米，相当于10个氢原子相挨排成直线的长度。一克普通的纳米材

2、料，如果将外表铺展开来，可以达到640平方米。纳米技术是指在纳米尺寸范围内，通过直接操纵和安排原子、分子来创造物质。纳米结构通常是指尺寸在100nm以下的微小结构。当材料的粒径为0.1-100nm时，统称为纳米材料。纳米材料按颗粒尺寸的大小可划分为3个等级：粒径为10-100nm称为纳米级；粒径处于2-10nm范围的称为分子级；粒径小于2nm的称为原子级。科学家发现，当物质(材料)结构单元(如晶粒或孔隙)小到纳米量级时，物质(材料)的性能发生了重大变化，不仅大大改善了原有材料的性能，甚至具有新的性能或效应。由于纳米颗粒的小尺寸效应、表面效应、宏观量子遂道效应，使其具有常规材料所没

3、有的特殊性能。纳米粒子/塑料复合材料常用的无机纳米粒子包括硅酸盐、碳酸钙、SiO2、TiO2、SiC、Al2O3、云母、绢英粉等，根据母体树脂不同，纳米复合材料可分类为：纳米尼龙、纳米聚烯烃、纳米聚酯、纳米聚甲醛等，世界最早的纳米塑料工业化应用，是1991年日本丰田中央研究所和尼龙树脂厂宇部兴产（UBE）公司共同开发的做汽车定时器罩用纳米尼龙6。它拉开了纳米塑料全球化快速发展的序幕，最近几年，各国都竞相投入资金和人力，加大了开发力度和产业化步伐。与原来母体树脂相比，纳米塑料提高了材料的力学性能和热性能，弯曲模量（刚性）可提高1.5-2倍，摩擦和耐磨损性及耐热性也得到提高，热变形温

4、度可上升几十度，热膨胀系数则下降为原来的一半。其次，纳米塑料赋予材料更多、更高的功能性，使材料具有阻隔性、阻燃性，并可改进材料的透明性、颜料?色性、导电性和磁性能等，提高材料的阻燃等级，如使材料对二氧化碳、氧的透过率降为原来1/2-1/5。因此，人们往往称这种改性材料为功能性纳米塑料。另外，还能提高材料的尺寸稳定性。纳米塑料的无机纳米粒子加入量小，一般为2-5%，仅为通常无机填料改性时加入量的1/10左右，因而塑料密度几乎不变或增加很小，不会因密度增加过多而增加下游塑料加工厂的成本，也没有因填料过多导致其它性能下降的弊病。由于纳米粒子尺寸小，因此成型加工和回收时几乎不发生断裂破损

5、，具有良好的可回收性，而材料能否回收再利用、是否有利于环境已成为许多工业选材时考虑的重要原则之一。纳米塑料的缺点是与通常无机填料一样，使塑料的焊接强度有所下降，有些纳米塑料如纳米尼龙的韧性（冲击强度）有所下降，但纳米聚烯烃的韧性却有所提高。由于纳米塑料对材料的改性不是通过制备新结构塑料完成的，因此，利用现有设备或稍加改造便可进行生产，设备投入资金少，这两点是推动和加快纳米塑料商业化的有利因素。纳米塑料制法纳米塑料制法主要归纳为四大类：插层复合法、原位复合法、分子复合法和超微粒子直接分散法。插层复合法是目前制备纳米塑料的主要方法。首先将单体或聚合物插入经插层剂处理后的层状硅酸盐（如

6、蒙脱土，俗称粘土）之间，进而破坏片层硅酸盐紧密有序的堆积结构，使其剥离成厚度为1nm左右，长、宽为30-100nm的层状基本单元，并均匀分散于塑料基体树脂中，实现塑料高分子与层状硅酸盐片层在纳米尺度上的复合。插层复合法又可分为两大类：1-插层聚合法：先将聚合物单体分散、插层进入层状硅酸盐片层中，然后原位聚合，利用聚合时放出大量的热，克服硅酸盐片层间的作用力并使其剥离，从而使硅酸盐片层与塑料基体以纳米尺度复合。2-聚合物插层法：将聚合物熔体或溶液与层状硅酸盐混合，利用化学和热力学作用使层状硅酸盐剥离成纳米尺度的片层，并均匀地分散于聚合物基体中。该法的优点是易于实现无机纳米材料以纳米

7、尺寸均匀地分散到塑料基体树脂中。原位复合法包括原位聚合法和原位形成填料法。将纳米粒子溶解于单体溶液再进行聚合反应，叫原位聚合法，特点是纳米材料分散均匀。原位形成填料法也叫溶胶凝胶法，是近年研究比较活跃和前景看好的方法。该法一般分两步，首先将金属或硅的硅氧基化合物有控制地水解使其生成溶胶，水解后的化合物再与聚合物共缩聚，形成凝胶，然后对凝胶进行高温处理，除去溶剂等小分子即可得到纳米塑料。分子复合法代表性的产品是液晶聚合物（LCP）系纳米塑料，利用熔融共混或接枝共聚、嵌段共聚的方法，