納米塑料發(fā)展及其應(yīng)用

1、論 文 題 目： 納 米 塑 料 發(fā) 展 及 其 應(yīng) 用作 者： 專 業(yè)： 高 分 子 材 料 加 工 技 術(shù)班 級(jí)： 高 分 子學(xué) 號(hào)： 2 0 1 3指 導(dǎo) 老 師： 吳 禮 麗2016年 4 月 20 日目錄1前言12納米塑料的分類22.1無(wú)機(jī)納米塑料22.2有機(jī)納米塑料22.3金屬納米塑料23納米塑料的制備33.1插層復(fù)合法33.1.1插層聚合法33.1.2聚合物插層法33.2原位復(fù)合法33.3分子束外延法43.4水熱法43.5化學(xué)沉淀法44納米塑料的性能54.1強(qiáng)度和高耐熱性54.2高阻透性54.3高阻燃窒息性54.4良好的熱穩(wěn)定性64.5良好的導(dǎo)電性65典型納米塑料舉例75.1尼龍

2、6納米塑料(NPA6)75.2 PET納米塑料(NPET)75.3 超高分子量聚乙烯/粘土納米復(fù)合材料(NUHMWPE)86納米塑料的應(yīng)用96.1納米塑料96.2納米薄膜96.3注塑制品106.4強(qiáng)力纖維106.5塑料母料106.6混煉復(fù)配材料107納米塑料的發(fā)展前景118結(jié)語(yǔ)12納米塑料發(fā)展及其應(yīng)用分子材料加工技術(shù)摘要：納米材料學(xué)是近年來(lái)剛剛興起的一個(gè)完全嶄新的科學(xué)領(lǐng)域，它涉及到聚集態(tài)物理、化學(xué)、材料、生物學(xué)等多領(lǐng)域的知識(shí)。本文主要研究綜述了納米材料的分類，介紹了納米塑料的制備方法分為插層復(fù)合法、原位復(fù)合法、分子束外延法、水熱法以及化學(xué)沉淀法，指出了納米制備的關(guān)鍵問(wèn)題是如何使納米級(jí)材料均勻分

3、散到塑料基體中，介紹了納米塑料具有高強(qiáng)度、耐熱性、高阻隔性、阻燃性和優(yōu)良的加工性等優(yōu)異性能。這種全新的高技術(shù)新材料，在管材、納米塑料、薄膜、注塑制品、強(qiáng)度纖維、母粒、互配材料等方面具有廣泛的用途，開發(fā)和利用前景廣闊。近年來(lái)的納米技術(shù)發(fā)展，其中包括納米粒子表面特性和表面改性的方法以及有機(jī)相界面改性的工藝路線。在對(duì)它進(jìn)行了大量的應(yīng)用研究與開發(fā)中發(fā)現(xiàn)，它還具有熱、電、光、磁等特異的功能。因此納米塑料是一種高新技術(shù)材料，具有廣闊的商業(yè)開發(fā)和應(yīng)用前景，備受世界各國(guó)的密切關(guān)注?？萍既藛T在納米復(fù)合塑料的制備技術(shù)研究、結(jié)構(gòu)與性能的表征、應(yīng)用研究開發(fā)及基礎(chǔ)理論研究等方面進(jìn)行了大量的工作，并取得了不少引人注目的成

4、果。關(guān)鍵詞：納米塑料、發(fā)展前景、應(yīng)用 1前言納米材料學(xué)是近年來(lái)剛剛興起的一個(gè)完全嶄新的科學(xué)領(lǐng)域，它涉及到聚集態(tài)物理、化學(xué)、材料、生物學(xué)等多領(lǐng)域的知識(shí)。“納米”是一個(gè)長(zhǎng)度的計(jì)量單位，它的尺度是10億分之1米（10-9m)。一般來(lái)說(shuō)，納米材料是指兩相顯微結(jié)構(gòu)中至少有一相的一維尺度達(dá)到納米級(jí)。納米粒子粒徑很小，表面能很大，極易團(tuán)聚，所以如何制取納米粒子本身就是一個(gè)非常復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題。目前能制作和利用的納米粒子多為無(wú)機(jī)納米粒子，能有效地對(duì)塑料進(jìn)行改性的納米粒子是SiO2、TiO2、CaCO3 ， 蒙拓土（MMT）等?！凹{米塑料”是指基體為高分子聚合物，通過(guò)納米粒子在塑料樹脂中的充分分散,有效地提高了塑

5、料的耐熱、耐候、耐磨等性能。“納米塑料”能使普通塑料具有象陶瓷材料一樣的剛性和耐熱性，同時(shí)又保留了塑料本身所具備的韌性、耐沖擊性和易加工性。目前，能實(shí)行產(chǎn)業(yè)化的有通過(guò)納米粒子改性的NPE、NPET和NPA6(即納米聚乙烯、納米PET聚脂、納米尼龍6）利用納米粒子，將銀（Ag+）設(shè)計(jì)到粒子表面的微孔中并穩(wěn)定，就能制成納米栽銀抗菌材料，將這種材料加入到塑料中去就能使塑料具有抗菌防霉，自潔等優(yōu)良性能，使其成為綠色環(huán)保產(chǎn)品。目前，已在ABS、SPVC、HIPS、PP塑料中得到應(yīng)用?！凹{米塑料”是一種高科技的新材料，具有很好的發(fā)展前景，由于國(guó)內(nèi)對(duì)這種新材料還缺乏認(rèn)識(shí)，沒(méi)有完整的質(zhì)量保證體系和嚴(yán)密的生產(chǎn)管

6、理，正處于一種“一哄而上”的形勢(shì)，魚目混珠，真假難辯，使“納米塑料”一開始便面臨“夭折”的危險(xiǎn)，所以筆者迫切希望國(guó)家有關(guān)部門能通過(guò)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)來(lái)保護(hù)這一新材料，促進(jìn)它的健康成長(zhǎng)。2納米塑料的分類納米塑料的分類如表1所示。按添加劑不同可分為三類：無(wú)機(jī)納米塑料、有機(jī)納米塑料和金屬納米塑料；按母體樹脂不同可分為：納米尼龍、納米聚烯烴、納米聚酯、納米聚甲醛等；按功能不同可將納米塑料分為：納米特種工程塑料、納米功能塑料（納米導(dǎo)電塑料、納米抗菌塑料、納米吸波塑料)等。表1 納米塑料的分類分類方法按添加劑分 無(wú)機(jī)納米塑料、有機(jī)納米塑料、金屬納米塑料按母體樹脂分 納米尼龍、納米聚烯烴、納米聚酯、納米聚甲醛

7、等按功能分 納米通用塑料、納米工程塑料、納米特種工程塑料、納米功 能塑料2.1無(wú)機(jī)納米塑料在塑料中加入無(wú)機(jī)材料形成無(wú)機(jī)納米塑料。常用的無(wú)機(jī)的納米粒子包括碳酸鈣、層狀硅酸鹽（云母、綠土、蒙脫土、膨潤(rùn)土等）、SiO2、TiO2、SiC、Al2O3等。這種納米粒子加入到塑料中可以達(dá)到以下效果：A.改善塑料性能、如提高機(jī)械強(qiáng)度、透氣透水率、耐高、低溫性等。B.增加塑料的特殊性能，像防輻射性能、抗靜電性能、磁性能和抗菌性能等。目前已研究的無(wú)機(jī)納米塑料有CaCO3/HDPE、CaCO3/PVC、CaCO3/PP、SIO2/聚酰亞胺等。無(wú)機(jī)納米材料是目前研究最多的納米塑料，也是目前投入應(yīng)用最多的納米塑料。2

8、.2有機(jī)納米塑料有機(jī)納米塑料是由納米有機(jī)材料加入到塑料中形成的。這些有機(jī)物大多數(shù)是液晶，加入到塑料中可大幅度提高塑料的機(jī)械性能如：在聚酰亞胺中加入10%的熱致型液晶聚合物，能使彈性模量由1.7GPa提高到6.9GPa，拉伸強(qiáng)度由125MPa提高到470MPa。以研制的有機(jī)納米塑料有：5%的PPTA與PA6溶液共混，得到PPAT微纖（直徑為15-30nm，長(zhǎng)600nm）在PA6基體中分散的分子復(fù)合材料；PPTA微纖作為增強(qiáng)劑與PVC、ABS、PAA聚合物等復(fù)合，借助溶劑，形成的分子復(fù)合材料。2.3金屬納米塑料把納米金屬粉體加入到塑料中，形成的納米塑料。金屬納米粉體與塑料復(fù)合可賦予塑料金屬粉體所具

9、有的金屬性能，如將銅加入到聚甲醛中改善塑料的耐磨性，或在PP中加入其它納米金屬粉末改善塑料的導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度。納米金屬有很多種，但目前納米金屬的研究還很少。 3納米塑料的制備納米塑料復(fù)合材料的涉及面較寬，包括的范圍較廣，近年來(lái)發(fā)展建立起來(lái)的制備方法也多種多樣，可大致歸為四大類1納米單元與高分子直接共混；在高分子基體中原味生成納米單元；在納米單元存在下單元分子原位聚合生成高分子及納米單元和高分子同時(shí)生成。各種制備納米復(fù)合物材料方法的核心思想都是要對(duì)復(fù)合體系中納米單元的自身幾何參數(shù)、空間分布參數(shù)和體積分?jǐn)?shù)等進(jìn)行有效的控制，尤其是要通過(guò)對(duì)制備條件（空間限制條件，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)因素、熱力學(xué)因素等）的控制，

10、來(lái)保證體系的某一組成相至少一維尺寸在納米尺度范圍內(nèi)（即控制納米單元的初級(jí)結(jié)構(gòu)），其次是考慮控制納米單元聚集體的初級(jí)結(jié)構(gòu)。以下介紹幾種納米塑料常用制備方法原理2。3.1插層復(fù)合法插層復(fù)合法是目前制備納米塑料的主要方法。首先將單體或聚合物插入經(jīng)插層劑處理后的層狀硅酸鹽（如蒙脫土，俗稱粘土）之間，進(jìn)而破壞片層硅酸鹽緊密有序的堆積結(jié)構(gòu)，使其剝離成厚度為1nm左右，長(zhǎng)、寬為30-100nm的層狀基本單元，并均勻分散于塑料基體樹脂中，實(shí)現(xiàn)塑料高分子與層狀硅酸鹽片層在納米尺度上的復(fù)合。插層復(fù)合法又可分為插層聚合法和聚合物插層法。3.1.1插層聚合法先將聚合物單體分散、插層進(jìn)入層狀硅酸鹽片層中，然后原位聚合，

11、利用聚合時(shí)放出大量的熱，克服硅酸鹽片層間的作用力并使其剝離，從而使硅酸鹽片層與塑料基體以納米尺寸復(fù)合。3.1.2聚合物插層法將聚合物熔體或溶液與層狀硅酸鹽混合，利用化學(xué)和熱力學(xué)作用使層狀硅酸鹽剝離成納米尺度的片層，并均勻地分散于聚合物基體中，該法的優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)納米材料能以納米尺度均勻分散在塑料基體樹脂中。3.2原位復(fù)合法原位復(fù)合法包括原位聚合法和原位形成填料法。將納米粒子溶解于單體溶液再進(jìn)行聚合反應(yīng)，叫原位聚合法，特點(diǎn)是納米材料分散均勻。原位形成填料法也叫溶膠凝膠法，是近年研究比較活躍和前景看好的方法。該法一般分為兩步，首先將金屬或硅的硅氧基化合物有控制地水解使其生成溶膠，水解后的化合物

12、再與聚合物共縮聚，形成凝膠，然后對(duì)凝膠進(jìn)行高溫處理，除去溶劑等小分子即得納米塑料，如圖1。 水解 蒸發(fā) 溶質(zhì)溶劑 溶膠 濕凝膠 干 燥 熱處理 成品 干凝膠 圖1 3.3分子束外延法分子束外延法3是一種在晶體基片上生長(zhǎng)高質(zhì)量的晶體薄膜的新技術(shù)。在超高真空條件下，由裝有各種所需組分的爐子加熱而產(chǎn)生的蒸汽，經(jīng)小孔準(zhǔn)直后形成的分子束或原子束，直接噴射到適當(dāng)溫度的單晶基片上，同時(shí)控制分子束對(duì)襯底掃描，就可使分子或原子按晶體排列一層層地生長(zhǎng)在基片上形成薄膜。隨著超高真空技術(shù)的發(fā)展、源控制技術(shù)的進(jìn)步、襯底表面處理技術(shù)以及生長(zhǎng)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)的改進(jìn)，這種方法已經(jīng)成為比較先進(jìn)的薄膜生長(zhǎng)技術(shù)。典型的MBE設(shè)備由

13、束源爐、樣品臺(tái)、加熱器、控制系統(tǒng)、超高真空系統(tǒng)和檢測(cè)分析系統(tǒng)。近年來(lái)，激光分子束外延法取得了顯著的成果。激光分子束外延法是集脈沖激光沉淀和傳統(tǒng)的分子束外延于一身，特別適合于多元素、高熔點(diǎn)、復(fù)雜層狀結(jié)構(gòu)的薄膜或超晶格的制備，它可以利用原位實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備對(duì)生長(zhǎng)條件進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，以實(shí)現(xiàn)原子尺度地控制薄膜的外延生長(zhǎng)。分子束外延法的優(yōu)點(diǎn)是：生長(zhǎng)溫度低，能把諸如擴(kuò)散這類不希望出現(xiàn)的熱激活過(guò)程減少到最低；生長(zhǎng)速率慢，外延層厚度可以精確控制，生長(zhǎng)表面或界面可以達(dá)到原子級(jí)光滑度，因而可以制備極薄的薄膜；超高真空下生長(zhǎng)，與濺射方法相比更容易進(jìn)行單晶薄膜4生長(zhǎng)，并為在確定條件下進(jìn)行表面研究和外延生長(zhǎng)機(jī)理的研究創(chuàng)造了條

14、件；生長(zhǎng)的薄膜能保持原來(lái)靶材的化學(xué)計(jì)量比；可以把分析測(cè)試設(shè)備，如反射式高能電子衍射儀、四極質(zhì)譜儀等與生長(zhǎng)系統(tǒng)相結(jié)合以實(shí)現(xiàn)薄膜生長(zhǎng)的原位監(jiān)測(cè)。缺點(diǎn)是：有襯底選擇、摻雜技術(shù)以及其他輔助技術(shù)要求較高，激光器效率低，電能消耗較大，投資較大；由于分子束外延設(shè)備昂貴而且真空度要求很高，所以要獲得超高真空以及避免蒸發(fā)器中雜質(zhì)污染需要大量的液氮，因而提高了日常維持的費(fèi)用。目前，用這種技術(shù)已能制備薄到幾十個(gè)原子層的單晶薄膜，以及交替生長(zhǎng)不同組分、不同摻雜的薄膜而形成的超薄層量子阱微結(jié)構(gòu)材料?？傊肿邮庋蛹夹g(shù)在制備納米材料方面將會(huì)更成熟。3.4水熱法水熱法是指在特制的密閉的反應(yīng)容器中，采用水溶液作為反應(yīng)體系，

15、通過(guò)對(duì)反應(yīng)體系加熱而產(chǎn)生高壓，從而經(jīng)行無(wú)機(jī)材料的合成與制備，在經(jīng)分離和熱處理得到納米微粒。在水熱法中，液態(tài)或氣態(tài)是傳遞壓力的媒介。水熱條件下離子反應(yīng)和水解反應(yīng)可以得到加速和促進(jìn)，使一些在常溫下反應(yīng)物能部分溶解于水，促使反應(yīng)在液相或氣相中進(jìn)行。水熱法通過(guò)高壓釜中適合水熱條件下的化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)從原子、分子級(jí)的微粒構(gòu)筑和晶體生長(zhǎng)。在水熱處理過(guò)程中，溫度、壓力、處理、時(shí)間、溶媒的成分、PH值、所用前驅(qū)物的種類以及有無(wú)礦化劑和礦化劑的種類對(duì)粉末的粒徑和形貌有很大的影響，同時(shí)還影響反應(yīng)速度、晶型等。水熱合成反應(yīng)溫度在25-200之間的，通常稱為低溫水熱合成反應(yīng)；反應(yīng)溫度在200以上的稱為高溫合成反應(yīng)。3.

16、5化學(xué)沉淀法沉淀法是液相化學(xué)合成高純度納米微粒采用最廣泛的方法之一。是將沉淀物加入到金屬鹽溶液中進(jìn)行沉淀處理，再將沉淀物加熱分解，包括：共沉淀法、水解法、均勻沉淀法、氧化水解法、還原法等然后獲得超微粒子。其特點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，但所得產(chǎn)品純度低，粒徑較大，適合制備氧化物。4納米塑料的性能塑料本身有質(zhì)量輕、韌性強(qiáng)、耐磨性好、耐酸堿等優(yōu)良特性5，但隨著材料科學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的開拓，塑料固有的性能已不能滿足應(yīng)用的需要。例如耐高溫性能，盡管人們一直通過(guò)研究合成新的高分子材料單體和改變高分子結(jié)構(gòu)來(lái)提高塑料的耐高溫性能，但是納米粒子的加入對(duì)這一性能的提高比前一種方法效果好的多，而且成本低得多。有些塑料沒(méi)有得性

17、能甚至可以加入納米材料而得到，像一些功能塑料。4.1強(qiáng)度和高耐熱性有插層技術(shù)制備納米塑料可將無(wú)機(jī)物的剛性、尺寸穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性與聚合物的韌性、可加工性完美地結(jié)合起來(lái)。含有少量（不超過(guò)10%，通常5%左右）粘土的納米塑料與常規(guī)玻纖或礦物（30%）增強(qiáng)復(fù)合材料的剛性、強(qiáng)度、耐熱性相當(dāng)。但納米塑料質(zhì)量輕，具有高比強(qiáng)度、比模量而又不損失其沖擊強(qiáng)度，能夠有效降低制品的質(zhì)量，方便運(yùn)輸。同時(shí)，由于納米粒子小于可見(jiàn)光波長(zhǎng)，納米塑料具有高的光澤和良好的透明度以及耐老化性。這些優(yōu)點(diǎn)是其他材料無(wú)法相比的，所以納米塑料一出現(xiàn)，立刻受到人們的青睞。4.2高阻透性由于聚合物基體與粘土片層的平面取向作用6，納米塑料表現(xiàn)出良

18、好的尺寸穩(wěn)定性和良好的氣體阻透性。納米塑料高阻隔性使其廣泛用一抗級(jí)包裝材料上，例如：藥品、化妝品、生物制品和精密儀器等等。納米塑料與未填充的聚合物相比，其氣液體的透過(guò)性顯著下降，并隨著蒙脫土含量的增加而迅速下降，阻隔性能顯著上升。在聚酰亞胺-蒙脫土納米塑料中，其氣體滲透系數(shù)（包括水蒸氣、氧氣和氦氣）顯著下降，并隨著蒙脫土含量的增加而下降。當(dāng)蒙脫土質(zhì)量含量?jī)H為2%時(shí)，其滲透系數(shù)下降近一半；當(dāng)用不同粘土來(lái)制備時(shí)，隨著粘土片層長(zhǎng)度的增加，材料的阻隔性能提高更顯著。這是由于在納米塑料中的聚合物基體中存在著分散的、打尺寸比的硅酸鹽層，這些層對(duì)于水分子和單體分子來(lái)說(shuō)是不能透過(guò)的，迫使溶質(zhì)要通過(guò)圍繞硅酸鹽粒

19、子彎曲的路徑才能通過(guò)薄膜，這樣就提高了擴(kuò)散的有機(jī)通道長(zhǎng)度，達(dá)到阻隔性上升的目的。4.3高阻燃窒息性有些納米塑料還具有很高的自熄性、很低的熱釋放速率（相對(duì)聚合物本體而言）和較高抑煙性，是理想的阻燃材料，例如把聚已內(nèi)酯-硅酸鹽納米塑料和未填充的聚已內(nèi)酯放在火中30s，取出后納米塑料就停止燃燒，并保持它的完整性；與此相反，未填充的聚合物則繼續(xù)燃燒直到樣品被破壞為止。如納米尼龍6，當(dāng)粘土含量為5%時(shí)，其熱釋放速率的峰值（評(píng)價(jià)材料為災(zāi)安全性的關(guān)鍵因素）可以下降到50%以上。因此，國(guó)外有文獻(xiàn)稱這種納米塑料制造技術(shù)是塑料阻燃技術(shù)的革命。4.4良好的熱穩(wěn)定性硅酸鹽的耐高溫性用于納米塑料使其耐熱性和熱穩(wěn)定性明顯

20、提高。例如：聚二甲基硅氧烷(PDMS）-粘土納米塑料和未填充的聚合物相比，其分解溫度大大提高，從400提高到500.因此可知，由于PDMS分解成易揮發(fā)的環(huán)狀低聚物，單納米材料的透過(guò)性很低，從而使揮發(fā)性分解物不易擴(kuò)散出去，提高了塑料的熱穩(wěn)定性。在聚酰亞胺-蒙脫土體系中，熱穩(wěn)定性也大大提高。隨著蒙脫土含量的增加，納米塑料的熱膨脹系數(shù)顯著降低、蒙脫土含量?jī)H4%時(shí)就下降近一半，熱穩(wěn)定性明顯增加。在納米粘土尼龍（NCH）中，產(chǎn)物的熱變形溫度（HDT）提高了近一倍（NCH的為135160，純尼龍的為65）。此時(shí)粘土含量?jī)H5%左右，隨著粘土含量的增加，HDT也逐漸增加。用一步法合成NCH，產(chǎn)物的HDT進(jìn)一步

21、提高到160。4.5良好的導(dǎo)電性硅酸鹽納米塑料也可用做聚合物電解質(zhì)7。對(duì)于聚環(huán)氧乙烷（PEO）電解質(zhì)來(lái)說(shuō)，在熔點(diǎn)溫度以下，它的電導(dǎo)率下降很多（從10-5S·cm-1到10-8S·cm-1)。這種下降是由于PED形成了晶體，從而阻止了離子的運(yùn)動(dòng)，而插層則可以阻止晶體的生長(zhǎng)，因此可以提高電解質(zhì)的電導(dǎo)率。此外，由于在納米塑料中硅酸鹽層是不能移動(dòng)的，因此納米塑料的導(dǎo)電表現(xiàn)為單離子傳導(dǎo)。從PEO/鋰蒙脫土納米塑料的平面離子電導(dǎo)率的Arrhenius曲線（聚合物質(zhì)量占4%）可以看出，LiBF4/PEO電解質(zhì)的電導(dǎo)率在熔化溫度下降低了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。與此相反，在相同的溫度范圍內(nèi)，溫度對(duì)納米塑

22、料的電導(dǎo)率影響很小。電導(dǎo)率隨溫度降低只是稍有下降。此外，在納米塑料中的表面活化能（11.7N/m）和熔融聚合物電解質(zhì)的類似。這表明，在納米塑料中和本體熔融的電解質(zhì)中，Li+的活動(dòng)性幾乎相同；另外，熔融插層的納米塑料的電導(dǎo)率比溶液插層的更高，而且各向異性更明顯。這可能是由于在熔融插層材料中，存在著過(guò)量的聚合物，從而提供了一條更容易的電導(dǎo)途徑。5典型納米塑料舉例5.1尼龍6納米塑料(NPA6)8普通尼龍6具有良好的物理、機(jī)械性能，例如拉伸強(qiáng)度高，耐磨性優(yōu)異，抗沖擊韌性好，耐化學(xué)藥品和耐油性突出，是五大工程塑料中應(yīng)用最廣的品種。但是，普通尼龍6的吸水率高，在較強(qiáng)外力和熱條件下，其剛性和耐熱性不佳，制

23、品的穩(wěn)定性和電性能較差，在許多領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制。我們應(yīng)用天然豐產(chǎn)的蒙脫土層狀硅酸鹽作為無(wú)機(jī)分散相，發(fā)明了一步法制備尼龍6納米塑料(NPA6)，現(xiàn)已獲得中國(guó)國(guó)家發(fā)明專利。該復(fù)合材料與純尼龍6相比具有高強(qiáng)度、高模量、高耐熱性、低吸濕性、高尺寸穩(wěn)定性、阻隔性能好，性能全面超過(guò)尼龍6，并且具有良好的加工性能；與普通的玻纖增強(qiáng)和礦物增強(qiáng)尼龍6相比，具有密度低、耐磨性好、相同無(wú)機(jī)物含量條件下綜合性能明顯優(yōu)于前者特優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，該納米復(fù)合材料還可進(jìn)一步用于玻纖增強(qiáng)和普通礦物增強(qiáng)等改性納米尼龍6，其性能更加優(yōu)越。由于本實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的汽車零部件，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)等有耐熱性要求的零件，還可應(yīng)用于辦公用品、電子電器零部

24、件、日用品等，此外還可用于制造管道等擠出新制品。尼龍6納米塑料是工程塑料行業(yè)的理想材料，該產(chǎn)品的開發(fā)為塑料工業(yè)注入了全新的概念。在NPA6作為工程塑料的基礎(chǔ)上我們還制備了高性能NPA6膜用切片，該切片適用于吹塑和擠出制備熱收縮腸衣膜、雙向拉伸膜、單向拉伸膜及復(fù)合膜。與普通PA薄膜相比，NPA6膜具有更佳的阻隔性、力學(xué)性能和透明性，因而是更好的食品包裝材料。5.2 PET納米塑料(NPET)聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)用于纖維、瓶和薄膜，工程塑料用只占其總量的1.6。目前國(guó)內(nèi)非纖維用PET樹脂的年生產(chǎn)能力為64.9萬(wàn)噸，因此開發(fā)工程塑料級(jí)PET成為關(guān)注的焦點(diǎn)。PET作為工程塑料應(yīng)用存在三大制約

25、因素：熔體強(qiáng)度差、結(jié)晶速度較慢、尺寸穩(wěn)定性差，因而不能滿足工業(yè)上快速注塑成型的需要。有鑒于此，世界上各大公司紛紛在快速結(jié)晶化助劑的開發(fā)上投入大量人力、物力、財(cái)力，開發(fā)出了各具特色的快速結(jié)晶助劑。并在此基礎(chǔ)上推出了各自的商品化PET工程塑料產(chǎn)品，較為突出的有美國(guó)GE公司、德國(guó)BASF公司、日本三菱公司的系列玻璃纖維/礦物增強(qiáng)PET工程塑料。這些產(chǎn)品都具有較高的結(jié)晶速率，但在加工過(guò)程中加入的成核劑價(jià)格昂貴，成為制約其大規(guī)模應(yīng)用的一個(gè)瓶頸。我們的研究表明，當(dāng)無(wú)機(jī)組分以納米水平分散在PET基材中時(shí)，可顯著改善PET的加工性能及制品性能，開發(fā)出了PET/蒙脫土納米復(fù)合材NPET(中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枺?710

26、4055.9)。結(jié)合NPET原料，開發(fā)出增強(qiáng)型阻燃NPET工程塑料，經(jīng)工程塑料國(guó)家工程研究中心測(cè)試，結(jié)果均表明該種新型PET工程塑料的各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到或超過(guò)了國(guó)內(nèi)外PET工程塑料產(chǎn)品。該種產(chǎn)品性能穩(wěn)定、可靠，完全具備了批量生產(chǎn)的技術(shù)條件。5.3 超高分子量聚乙烯/粘土納米復(fù)合材料(NUHMWPE)超高分子量聚乙烯是指粘均分子量在150萬(wàn)以上的線性結(jié)構(gòu)聚乙烯，其耐磨、耐沖擊、耐腐蝕、自潤(rùn)滑、吸收沖擊能為現(xiàn)有塑料中最高值，故被稱為“令人驚異的塑料”，但由于粘度極高，成型加工困難。我們研制成功的UHMWPE/粘土納米復(fù)合材料解決了UHMWPE加工的難題。UHMWPE與均一分散層狀硅酸鹽充分混合，利

27、用層狀硅酸鹽片層間摩擦因數(shù)小，減少UHMWPE分子鏈的纏結(jié)，起到了良好的自潤(rùn)滑作用，使得UHWMPE能用普通擠出成型方法連續(xù)產(chǎn)生管材和異型材。聚乙烯納米合金系列，具有優(yōu)良的耐磨、耐腐蝕、高強(qiáng)度、無(wú)毒性能。制品易于運(yùn)輸、安裝、保養(yǎng)，并具有優(yōu)良的抗震性，性能價(jià)格比優(yōu)于鐵管、鋁管、鋁塑管，是理想的大、中、小口徑的給水管，工業(yè)液體輸送管道，河湖疏浚排泥管道，糧食、粉煤灰、礦沙輸送管道材料。6納米塑料的應(yīng)用納米塑料插層復(fù)合工藝是在傳統(tǒng)工藝基礎(chǔ)上的技術(shù)革新，不需要新的設(shè)備投資，工藝簡(jiǎn)單、操作方便、環(huán)境友好，特別適合聚合物的改性，容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。與一般微觀復(fù)合材料相比，含有少量蒙脫土的納米塑料表現(xiàn)出優(yōu)異

28、的綜合性能。良好的性能組合、簡(jiǎn)單的加工工藝和低廉的價(jià)格使得納米塑料在各種高性能管材、汽車及機(jī)械零部件、電子和電氣部件等領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用前景。同時(shí)，具有優(yōu)異阻透性能的納米復(fù)合材料在食品特別是啤酒罐裝、肉類和奶酪制品的包裝材料市場(chǎng)上潛力巨大。6.1納米塑料通用塑料指聚乙烯（PE)、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC)、聚苯乙烯（PS)和丙烯酸類塑料等大塑料品種。對(duì)于這類塑料的改性9，過(guò)去多是采用加入填充料的方式，首先是為了降低成本，后來(lái)是為了增加和增韌以得到工程塑料，并進(jìn)一步向塑料功能化發(fā)展，通過(guò)添加料的方法得到具有導(dǎo)電、抗靜電、熱塑磁性和壓敏等功能的塑料。納米材料的出現(xiàn)，為添加型提供了廣闊的空間

29、。通過(guò)塑料首當(dāng)其沖，納米技術(shù)最早就是用于通用塑料的改性。例如：納米碳酸鈣對(duì)高密度聚乙烯的改性，在加入碳酸鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%以下時(shí)，其耐沖擊強(qiáng)度隨加入碳酸鈣的增加而增加，拉伸和彎曲強(qiáng)度也有所提高。在此，填料有一個(gè)最大加入百分比，即有一個(gè)加入最大值，而且，該值和碳酸鈣的表修飾類型有關(guān)。未經(jīng)表面修飾處理的納米碳酸鈣填充體系的沖擊輕度隨碳酸鈣用量呈逐漸增加趨勢(shì)，碳酸鈣用量越多，材料沖擊強(qiáng)度加大。經(jīng)表面處理后，材料的沖擊強(qiáng)度隨碳酸鈣用量變化規(guī)律已完全改變。材料在低納米碳酸鈣含量（約4%-6%）時(shí)即實(shí)現(xiàn)增韌目的，沖擊強(qiáng)度提高接近一倍，增韌效果顯著；當(dāng)碳酸鈣用量進(jìn)一步增加時(shí)，材料的沖擊強(qiáng)度呈緩慢下降。幾種

30、表面處理劑對(duì)拉伸彎曲性能的影響基本相同；與處理體系相比，表面處理后材料的拉伸、彎曲性能并無(wú)明顯改善。由處理和未經(jīng)處理的兩種試樣沖擊斷面和斷抽圖SEM照片可知，經(jīng)過(guò)處理體系的沖擊斷面上有較多牽伸結(jié)構(gòu)，拉絲較多；基體上無(wú)明顯可見(jiàn)裂紋，基體發(fā)生明顯的塑性變形，吸收了大量能量。脆斷面的電鏡表明納米粒子分布均勻，附聚團(tuán)粒小。未經(jīng)處理體系的沖擊斷面上出現(xiàn)有許多斷裂裂紋，是導(dǎo)致沖擊強(qiáng)度較低的原因；且未經(jīng)處理的試樣，粒子分布不均，附聚顆粒較大。6.2納米薄膜 納米塑料薄膜主要用做功能性薄膜，如氣體分離、信息-光學(xué)材料以及傳感器等方面。這主要是因?yàn)榧{米塑料薄膜有致密的微觀結(jié)構(gòu)，可抑制分子的溶解擴(kuò)散而增進(jìn)薄膜的阻

31、透性。中科院化學(xué)所開發(fā)的納米尼龍6膜用切片，適用于吹塑和擠出制備熱收縮腸衣、雙向拉伸膜、單向拉伸膜及其復(fù)合膜。與普通尼龍薄膜相比，納米尼龍6膜具有更良好的阻透性、力學(xué)性能和透明性，因而是更好的食品包裝材料。6.3注塑制品納米塑料所具有高強(qiáng)度、高模量、高耐熱性和低吸水率等特性，使其可用于電子通訊、運(yùn)輸、機(jī)械以及生活用品等產(chǎn)業(yè)，滿足這些產(chǎn)業(yè)對(duì)高功能性工程塑料10的需求。例如：尼龍6具有良好的物理、力學(xué)性能，拉伸強(qiáng)度高、耐磨性優(yōu)異、自潤(rùn)滑性良好、抗沖擊韌性好，是五大工程塑料中應(yīng)用最廣的品種。但在較強(qiáng)外力和加熱條件下使用，剛性和耐水性不佳，吸水率大，使制品的熱穩(wěn)定和電性能變差，在許多領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制

32、。中科院化所工程塑料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用天然豐產(chǎn)的蒙脫土層狀硅酸鹽作為無(wú)機(jī)分散相，發(fā)明了一步法制備納米尼龍6的專利。該法制備的納米尼龍6 與純尼龍6相比具有更高的強(qiáng)度、模量，耐熱性，阻透性能更好，并具有良好的加工性能。與普通的玻纖維增加和礦物增強(qiáng)尼龍6相比，具有相對(duì)密度耐磨性好，相同無(wú)機(jī)物含量條件下綜合性能比前者高等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，納米塑料還可以進(jìn)一步用于玻纖增強(qiáng)和普通礦物增加等改性尼龍。納米尼龍具有優(yōu)異的力學(xué)性能和高強(qiáng)耐熱性能，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，可用于汽車的各個(gè)部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)、電器和車體等部位，還可用于辦公用品、電子電器零部件、運(yùn)動(dòng)休閑用品等。納米尼龍6是塑料行業(yè)理想的高附加值升級(jí)換代產(chǎn)品。6.4強(qiáng)力

33、纖維納米塑料還可以用于做高強(qiáng)度、高韌性、高耐熱性材料，例如：納米尼龍6的紡絲器可取代尼龍絲，用做界胎簾子布、漁網(wǎng)魚繩纖維、汽車用纖維、帆布用纖維及球拍用纖維等，可以極大地提高產(chǎn)品的使用性能。6.5塑料母料將納米塑料制成濃縮母粒推廣，不僅能夠降低聚合物加工的摻配混煉成本，改善工作環(huán)境及原料倉(cāng)儲(chǔ)成本，并能帶動(dòng)新型聚合物添加劑濃縮母粒產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。6.6混煉復(fù)配材料多種納米塑料混合，例如，納米尼龍6與其他大品種塑料如PP、PE、PS、PPO、ABS或橡膠等復(fù)配混煉改性，可以有效提高復(fù)配塑料的強(qiáng)度、模量、熱變形溫度和沖擊強(qiáng)度小，可以根據(jù)應(yīng)用要求，通過(guò)改變配方和材料配伍得到不同的納米塑料。7納米塑料的發(fā)展

34、前景納米塑料具有一般工程塑料所不具備的優(yōu)異性能，屬于高科技新型材料11，已經(jīng)展示出了良好的應(yīng)用前景，引起了人們的高度重視，由于納米粒子尺寸小于可見(jiàn)光波長(zhǎng)，納米塑料顯示出良好的透明度和較高的光澤度。部分材料的耐磨性是黃銅的27倍、鋼鐵的7倍。納米塑料具有優(yōu)異的綜合性能和廣闊的應(yīng)用前景，可以廣泛應(yīng)用于航空、通訊、食品包裝等領(lǐng)域。通用汽車公司的有關(guān)人士預(yù)言，在未來(lái)的20年，納米級(jí)復(fù)合材料的使用將對(duì)汽車生產(chǎn)產(chǎn)生重要影響，這種技術(shù)所帶來(lái)的性能提高將導(dǎo)致許多汽車部件的更新?lián)Q代。納米材料對(duì)石油和化工等領(lǐng)域的影響和滲透引人矚目，其中巨大的應(yīng)用價(jià)值將為石油和化工這個(gè)傳統(tǒng)的行業(yè)帶來(lái)千載難逢的機(jī)遇，成為我們產(chǎn)品創(chuàng)新的最佳思路。8結(jié)語(yǔ)隨著對(duì)納米塑料研究的日趨深入，必將對(duì)科學(xué)技術(shù)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。但納米塑料還是一個(gè)比較新的研究領(lǐng)域，研究涉及到物理、化學(xué)、材料