橡胶埃洛石纳米管纳米复合材料研究进展.pdf

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1、橡胶/埃洛石纳米管纳米复合材料研究进展贾德民，郭宝春，贾志欣，罗远芳华南理工大学材料学院纳米材料和纳米技术是当前高新技术的发展前沿。纳米材料是指至少有一维尺寸在-9100纳米（10m）以下的材料。迄今为止，绝大多数纳米材料是采用人工方法制备的，直接以纳米尺寸存在的天然纳米材料很少。埃洛石纳米管（HalloysiteNanotubes，简称HNTs）是一种罕见的以独特的纳米管状形态存在于自然界的天然纳米材料。埃洛石是一种粘土矿物，属高岭石的变种，是由高岭石片层在天然条件下卷曲形成的纳米管状材料。HNTs具有与高岭石相同的SiO2/Al2O3比，其

2、外表层具有与SiO2相似的表面性质，而内表层性质与Al2O3相似。HNTs外径约为50nm，内径约为15-20nm，长度约为100-1500nm，是一种天然的多壁纳米管。HNTs在自然界储量丰富，价格远远低于碳纳米管，是一种具有重要应用前景的纳米材料。HNTs通常用做精细陶瓷原料，也可用做催化剂载体、药物缓释载体、化妆品、农药、抗菌涂料、纳米级反应器、吸附剂等。2006年,我们在国际上首次报道了关于聚合物/埃洛石纳米管纳米复合材料的研究（DuML，GuoBC，JiaDM.EurPolymerJ,2006,42:1362），发现将HNTs应用于高

3、分子材料中，可产生显著的增强和改性作用。随后，中国的香港科技大学，兰州大学、四川大学、上海交大等大学，美国、英国、日本、德国、法国、澳大利亚、韩国、马来西亚、比利时、波兰、意大利等国的学者相继跟进，正在形成一个新研究热点。国内外的研究涉及聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、尼龙、PBT、环氧树脂、天然橡胶及各种合成橡胶等大多数聚合物体系。由于HNTs具有纳米管状结构形态，比表面积较大，表面含有大量Si-O键和一定量的羟基，且价格低廉，使其在聚合物增强和改性方面具有独特的优势，是一种制备低成本高性能聚合物基纳米复合材料的新型无机纳米材料。本报告简要介绍我们

4、在橡胶/HNTs纳米复合材料方面的一些研究进展。1.埃洛石纳米管的基本性质从表1可以看出，埃洛石纳米管的主要成分为Al2O3和SiO2，还含有少量的铁、磷、硫、钠、钛等的氧化物，不含欧盟RoHs指令限制使用的铅、汞、镉、铬等重金属，不会对下游产品及环境造成污染，是一种环保型硅酸盐纳米材料。-103-表1HNTs的化学组成成分Al2O3SiO2P2O5SO3ClNa2OFe2O3TiO2含量，wt%40.17158.7250.1830.0610.0440.0440.2870.096埃洛石纳米管具有典型的结晶结构（图1），其片层是由外层的硅氧四面体

5、和内层的铝氧八面体规则排布而成，片层中间是游离的水分子。这些水分子容易脱去，而且这种脱水是不可逆的。图1HNTs的结晶结构-1图2是埃洛石纳米管表面的红外光谱图。图中1100～1020cm附近的吸收峰为Si－O-1-1键的伸缩振动所致，462cm和534cm处的吸收峰属于Si-O弯曲振动的特征吸收峰，3622-1cm是位于硅氧四面体和铝氧八面体构成的层状结构的共享面内部的羟基吸收峰，而-13694cm则是位于硅氧四面体和铝氧八面体构成的层状结构非共享面上外羟基的吸收峰。-1910cm附近的特征吸收则为Al－OH的弯曲振动所致。HNTS1.00.

6、80.60.40.2362253436949100.0109146210294000350030002500200015001000500-1Wavenumber,cm图2HNTs表面的红外光谱图3和4是埃洛石纳米管的扫描电镜和透射电镜照片，表明埃洛石纳米管具有典型的纳米管状形态，其外径约为30-50nm，内径约为15-20nm，长度约为100-1500nm，管与管之间有一定的团聚。-104-图3HNTs的扫描电镜照片图4HNTs的透射电镜照片图5的粒径分析曲线表明，埃洛石纳米管在水相中的粒径呈单峰分散，其峰值在125nm附近。也就是说，若将埃

7、洛石纳米管视为球形粒子，则其粒子尺寸大部分在125nm2左右。此外，HNTs的比表面积较大，经BET比表面积仪测定为50.77m/g。0100200300400500600700800900351001003025959520HNTsVolume,%15Mass/%90901050858501002003004005000100200300400500600700800900Particlesize,nmTemperature℃图5HNTs的粒径分布图6HNTs的热失重图从图6的热重分析曲线可以看出，HNTs含有一定量的游离水和结晶水，最大热分

8、解温度在400℃～500℃之间，共失重12.56%，并且有较快的失重速度，从而可对聚合物的阻燃消烟产生一定的作用。2.丁苯橡胶/埃洛石纳米管纳米复合材