纳米材料在塑料改性中的应用

整体框架,绪论纳米材料的特性纳米技术在塑料改性中的应用纳米材料改性塑料的常见制备方法结束语,1,1,绪论,纳米材料学是近年来刚刚兴起并受到普遍关注的一个新的科学领域，它涉及到物理、化学、材料、生物等许多领域的知识，为人们认识自然改造自然开辟了新的途径。一般来说，纳米材料是指材料两相显微结构中至少有一相的一维尺度达到纳米级的材料，其中纳米粒子相是数目很少的原子或分子组成的聚集体，粒子直径小于100nm。由于纳米粒子在磁、光、化学、催化等许多方面呈现出各种各样的优异特性，世界各国先后对这种材料给予了极大的关注，并迅速展开此方面的研究与开发。,2,纳米材料的特性,科学研究表明，当微粒尺寸小于100nm时，由于量子尺寸效应、小尺寸效应、表面和界面效应及宏观量子隧道效应，物质的很多性能将发生质变，从而呈现出既不同于宏观物体，又不同于单个独立原子的奇异现象，声、电、光、磁、热、力学等物理性能有很大变化。纳米材料由于其结构的特殊性，决定了纳米材料出现许多不同于传统材料的独特性能：低熔点、高比热容、高热膨胀系数；高反应活性、高扩散率；高强度、高韧性；奇特磁性；极强的吸波性。优化了材料的电学、磁学、热学及光学性能。,3,纳米技术在塑料改性中的应用,所谓“纳米塑料”是指无机填充物以纳米尺寸分散在有机聚合物基体中形成的有机/无机纳米复合材料。在纳米复合材料中，分散相的尺寸至少在一维方向小于100nm。由于分散性的纳米尺寸效应、大比表面积和强界面结合，纳米复合材料具有一般工程塑料所不具备的优异性能。纳米塑料具有高强度、高刚性、韧性好、密度低、抗老化的特点；由于纳米粒子尺寸小，纳米塑料显示出良好的透光性、阻隔性、耐热性、杀菌防霉性、导热、导电及吸波性、防紫外性等特性；此外部分材料还具有优异的耐磨性、阻燃自熄灭性能。,3,纳米技术在塑料改性中的应用,1、纳米技术改善了高分子材料的物理力学性能。普通填料加入到高分子材料中，一般使拉伸强度明显降低。而采用纳米粉末填充的复合材料，其拉伸强度却会有所增加，并在一定范围内出现极值。如纳米SiO2填充复合材料的拉伸强度在SiO2体积分数为4%时达到最大值；采用纳米CaCO3填充聚乙烯，复合材料的断裂伸长率提高。研究表明，采用不同种类的纳米粉末混合填充聚合物，将使复合材料的性能在某一点上出现极值，这是由于不同粒子的官能团种类、数目及表层厚度不同，在粒子与基体作用的同时，粒子之间也相互吸附，从而表现出协同效应。,3,纳米技术在塑料改性中的应用,2、纳米技术为塑料的增韧增强改性提供了一种全新的方法和途径。塑料的增韧增强改性方法较多，传统的方法有共混、共聚、使用增韧剂等。无机填料填充基体，通常可以降低制品成本、提高刚性、耐热性和尺寸稳定性，然而往往带来冲击强度和断裂伸长率的下降。纳米技术的出现为塑料的增韧增强改性提供了一种全新的方法和途径。纳米粒子表面活性原子多，可与基体紧密结合，相容性比较好。近年来开始用纳米级无机填料填充聚合物。国外开发成功的PP（聚丙烯）/EPR（乙丙橡胶）/滑石粉纳米复合材料，克服了以往聚丙烯（PP）改性材料韧性增加而断裂伸长率下降的缺点，它兼有高流动性、高刚性和耐冲击性。,3,纳米技术在塑料改性中的应用,2、纳米技术为塑料的增韧增强改性提供了一种全新的方法和途径。国内已研制成功的纳米聚丙烯复合材料，是在聚丙烯原料加入纳米粉末，使其聚集态及结晶形态发生改变，从而具有了新的性能，既保持了原有刚性，又大幅度提高韧性。用这种材料制成的箱包，既坚硬，又不易碎裂；用它制造汽车零部件，可代替高品质的塑料和钢材。目前国内汽车保险杠专用料多是高韧性、刚性低的聚丙烯（PP）改性材料，不能满足汽车零部件高刚性、高韧性兼具的要求，开发应用纳米粒子改性聚丙烯（PP）材料，能充分利用国内有丰富的聚丙烯（PP）资源，具有广阔的发展前景。,3,纳米技术在塑料改性中的应用,3、纳米技术提高了塑料的抗老化能力。太阳光的紫外线波长在200400nm之间，而280400nm波段的紫外线能使高分子材料分子链断裂，从而使材料老化，影响了塑料的推广应用。实验表明：纳米SiO2与TiO2适当混配，可吸收大量的紫外线，从而使塑料抗老化能力提高；在PP中加入0.3%的纳米iO2，经过700h热光照射后，其拉伸强度仅损失10%。,3,纳米技术在塑料改性中的应用,另外，在通用塑料中加入纳米粒子能使其达到工程塑料的性能；在塑料中添加具有抗菌性的纳米粒子，可使塑料具有持久抗菌性；将纳米ZnO或纳米金属粒子添加到塑料中，可以得到具有抗静电性的塑料；选用适当的纳米粒子添加到塑料中，还可以制成吸波材料，用于生产“隐身涂料”。,3,纳米材料改性塑料的常见制备方法,1、插层法插层法是采用层状无机物(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）插层聚合法；（2）溶液插层法；（3）熔体插层法试验结果表明,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、价格低廉、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。,4,纳米材料改性塑料的常见制备方法,2、溶胶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。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。,4,纳米材料改性塑料的常见制备方法,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,也是制备纳米复合材料最简单的方法,适合各种形态的纳米粒子。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。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制,通过控制条件可获得窄分布、高分散、小微粒的纳米复合材料。其关键技术是控制纳米粒子以纳米尺寸均匀分散在聚合物基体中。,4,结束语,我国每年塑料进口量占国内总需求量50%，而国产塑料产品却过剩，就是因为国产塑料产品多属于大品种通用聚合物，具有产品型号少、品位低的缺点。纳米材料作为一项高新技术，在高分子材料改性中有着非常广阔的应用前景，对开发具有特殊性能的高分子材料有着重要的实际意义。纳米粉末在填充塑料体系时表现出同时增强、增韧的特性，为开拓聚合物复合材料的应用领域开辟了广阔的前景。开发纳米聚合物复合材料并使之工业化应用，充分利用我国资源优势的同时，也是改造传统聚合物工业技术的最佳途径，具有巨大的市场潜力。目前我国在纳米改性高分子材料的应用研究方面才刚刚起步，相信在不远的将来，纳米材料会进一步扩大工业化，并广泛应用于高分子材料领域。,4,参考文献,1许海燕，等材料研究学报，2003，17(2)：1272成国祥，等中国医学科学院学报，2002，24(2)：1103王庆昭，等工程塑料应用，2003，31(10)：464周宛棣，等高分子材料科学与工程，2004，20(3)：1335龚国芳，等摩擦学学报，2001，21(4)：2666胡平，等工程塑料应用，1998，26(1)：17姚洪，杨寅威，黄嘉兴.尼龙6/蒙脱土纳米复合材料的摩擦学特性及磨损机理J.机械工程材料，2006，30(9):64-66.8XiaoheChen,KennethE.Gonsalves,Synthesisandpropertiesofanaluminumnitride/polyimidenanocompositepreparedbyananoqueoussuspensionprocessJ.JMaterRes,1997,(12):1274-12869UlrichSckibet,NicolaHioshang,AnneLoreRL.HybridInorganic-MaterialsbySol-GelProcessingofOrganofunctionalMetalAlkoxidesJ.Chem.Mater.1995，7:2010-202710A.I.Sviridyonok,V.A.Bely,V.G.Savkin,AstudyoftransferinfrictionalinteractionofpolymersJ.Wear,1973,25:301-30811V.K.Jain,S.Bahadur.WearofMaterials1977,AmericanSocietyofMechanicalEngineersNewYork,1977:487-49312D.L.Gong,Bing,Zhang.InvestigationofadhesionwearoffilledpolytetrafluoroethylenebyESCA,AESandXRDJ.wear,1990,57:25-3913S.Bahadur,DeliGong.TheroleofcoppercompoundsasfillersinthetransferandwearbehaviorofpolyetheretherketoneJ.wear1992,154:151-165,参考文献,14LaiguiYu,S.Bahadu.AninvestigationofthefrictionandwearbehaviorsofceramicparticlesfilledPTFEsulfidecompositesJ.Wear,1998214:54-6315S.Bahadur,D.Tabor.Roleoffillersinthefrictionandwearbehaviorofhighdensitypolyethylene,inL-H.LEE(ed.)PolymerWearanditsControl,ACSSymp.Ser.287,ACS,Washington,DC,1985:253-26816D.Gong,Q.Xue,H.Wang.StudyofthewearoffilledpolytetrafluoroethyleneJ.wear,1989,134:283-29517D.Gong,B.Zhang,Q.XueandHwang.InvestigationofAdhesiveswearofWearoffilledpolytetrafluoroethylenebyESCA,AESandXRDJ,wear,1990,137:25-3918D.Gong,B.Zhang,Q.XueandHwang.EffectoftribochemicalreactionofpolytetrafluoroethylenetransferredfilmwithsubstratesonitswearbehaviorJ.wear,1990,137:267-27319K.Tanaka,S.Kawakami.Effectofvariousfillersonthefrictionandwearofpolytetrafluoroethylene-basedcompositesJ.Wear,1982,79:221-23420K.Tanaka.EffectofvariousfillersonthefrictionandwearofPTFE-basedcompositesJ.Frictionandwearofpolymereomposites,Elsevier,Newyork,1986:137-17421A.Kapoor,S.Bahadur.TransferfilmbongingandwearstudiesonPbS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