聚合物基纳米复合材料的制备及其流变性质

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1、聚合物基纳米复合材料的制备及其流变性质钟明强摘要：简要介绍了纳米科学和纳米复合材料的基本知识，综述了聚合物基纳米复合材料的常用制备方法，同时讨论了影响聚合物基纳米复合材料流变性质的主要因素。关键词：纳米复合材料，聚合物基纳米复合材料，制备方法，流动性能。聚合物基纳米复合材料分为三大类：聚合物/聚合物分子复合材料；有机聚合物/无机物混]1[杂物；聚合物/无机纳米粒子复合体系。纳米粒子的加入使得聚合物的加工性能出现了特殊的变化，研究纳米粒子对聚合物体系加工性能的影响对于聚合物基纳米复合材料的加工成型及其使用具有重大的现实意义。本文对聚合物基纳米复合材料的常

2、用制备方法以及其加工流动性能的影响因素作了综述。1纳米粒子特性纳米粒子是指其粒径为纳米级的超微粒子。这种微粒既不属于微观体系，也不属于宏观体系，而是介于二者之间的一种新的物理态，有着许多奇异的物理、化学特性。一般来说，纳米粒子的声、光、热、磁、超导电性及化学特性较宏观物体会发生较大变化，例如：在常态下金的熔点为1064℃，但2nm的金的熔点只有327℃。纳米粒子所呈现的与宏观实体诸多不同的性质，除其物质自身固有性质外，在很大程度上可归结为纳米粒子的体积效应和表面效应，由于纳米粒子体积小，表征出纳米粒子的量子尺寸效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应；纳米粒

3、子的另一表征是纳米粒子具有大的比表面积，位于表面的原子数占相当大的比例，如表1。这种表面原子具有很高的活性，极不稳定，很容易与其它原子结合趋向稳定状态，这种表面原子比体内原子更易迁移，它可引起表面重排产生构型变化。同时还可引起表面自旋构像和电子能谱的变化。纳米粒子的这些特性使纳米粒子呈现出许多奇]2[异的物理、化学性质。纳米粒子改性聚合物基复合材料的理论体系至今尚未建立。认为不同物质的纳米粒子与不同的高分子之间作用机理不同；不同物质的纳米粒子与同一种高分子之间的作用机理也不相同。纳米粒子与高分子之间既有物理作用也有化学作用，物理作用是它们之间存在范德华

4、力，即存在于高分子链之间的纳米粒子可以改变链间的作用力；化学作用是纳米粒子由于小尺寸使其表面活性点和大分子之间可以形成化学键的结合。改性后聚合物基复合材料的特殊性能是由纳米粒子的表面效应、体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等综合作用的]3[结果。2聚合物基纳米复合材料常用制备方法2．1纳米粒子直接分散法该方法是制备聚合物/无机纳米复合材料最直接的方法，适用于各种形态的纳米粒子。但是由于纳米粒子存在很大的界面自由能，粒子极易自发团聚，利用常规的共混方法不能消除无机纳米粒子与聚合物基体之间的高界面能差。因此，要将无机纳米粒子直接分散于有机基1质中制备

5、聚合物纳米复合材料，必须通过必要的化学预分散和物理机械分散打开纳米粒子团]4[聚体，将其均匀分散到聚合物基体材料中并与基体材料有良好的亲和性。纳米粒子直接分散可通过以下途径完成：]5[(1)高分子溶液(或乳液)共混：首先将聚合物基体溶解于适当的溶剂中制成溶液(或乳液)，然后加入无机纳米粒子，利用超声波分散或其他方法将纳米粒子均匀分散在溶液(或乳]6[液)中。董元彩等将环氧树脂溶于丙酮后加入经偶联剂处理过的纳米TiO2，搅拌均匀，再加]7[入40wt%的聚酰胺后固化制得了环氧树脂/TiO2纳米复合材料。葛曷一等将纳米SiO2粒子用硅烷偶联剂处理后加改性不

6、饱和聚酯。(2)熔融共混：将纳米无机粒子与聚合物基体在密炼机、双螺杆等混炼机械上熔融共混。]8[郭卫红等在HaakeRheomiｘ600密炼机上将PMMA和纳米SiO2粒子熔融共混后，双螺杆造]9[粒制得纳米复合材料。黄锐等利用偶联剂超声作用下处理纳米CaCO3粒子，分散制得HDPA/nano-CaCO3复合材料。[10](3)机械共混：胡平、范守善等将偶联剂稀释后与碳纳米管混合，再与超高分子量聚乙烯(UHMWPE)混合放入三头研磨机中研磨2h以上。将研磨混合物放入模具，热压，制得功能纳米复合材料。[11](4)聚合法：Kaddami等利用纳米SiO2

7、粒子填充(Poly(HEMA))制备了纳米复合材料。2．2插层复合法插层复合法是将单体或聚合物插进层状无机物片层之间，进而将其厚为1nm左右，宽为100nm左右的片层结构基本单元剥离，并使其均匀分散于聚合物基体中，从而实现聚合物]4[与无机层状材料在纳米尺度上的复合。[12]Carrado等按照纳米插层复合的过程将插层复合法分为2种：(1)插层聚合法。将合适的单体插入层状无机材料片层之间，然后引发单体聚合形成链状或交联高分子基体(通常在单体插层之前，将无机层状材料用季胺盐等插层剂预先溶胀)。]4[利用这一原理原位聚合制得了尼龙、聚烯烃弹性体(POE)、

8、PS/无机层状纳米复合材料。[13](2)高聚物插层复合法。Jeon等研究了HDPE/硅酸盐插