納米科技概論課件第八章1

納米科技概論課件第八章1第一頁，共31頁。所謂“納米塑料”是指無機填充物以納米尺寸分散在有機聚合物基體中形成的有機/無機納米復合材料。在復合材料中，分散相的尺寸至少在一維方向上小于100nm。由于分散相的納米尺寸效應、大的比表面面積和強界面結(jié)合，使納米塑料具有一般工程塑料所不具備的優(yōu)異性能。第二頁，共31頁。錄像：在納米上奔跑——納米塑料因此，納米塑料是一種全新的高技術新材料，具有極為廣闊的應用前景和商業(yè)開發(fā)價值，“納米塑料”已成為納米技術最早實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的技術之一。第三頁，共31頁。一、納米塑料的制備方法層狀無機物（如粘土、云母、五氧化二釩、三氧化二錳層狀金屬鹽類等）在一定驅(qū)動力作用下能碎裂成納米尺寸的結(jié)構(gòu)微區(qū)，其片層間距一般為納米級，可容納單體和聚合物分子。

插層復合法就是采用層狀無機物作為主體，有機單體作為客體插入無機物夾層間進行原位聚合或聚合物直接插進夾層間形成復合物。1、插層復合法第四頁，共31頁。一、納米塑料的制備方法1、插層復合法

第五頁，共31頁。

溶膠-凝膠技術是在聚合物存在的前提下，在共溶體系中使前驅(qū)物水解得溶膠；進而凝膠化，干燥制成納米材料。一、納米塑料的制備方法2、溶膠-凝膠法第六頁，共31頁。

2、溶膠-凝膠法溶膠-凝膠過程制備的納米塑料的結(jié)構(gòu)較為復雜，主要有如下幾種結(jié)構(gòu)形式：一、納米塑料的制備方法第七頁，共31頁。3、直接分散法該技術是制備納米復合材料最簡單的技術，適合各種形態(tài)的納米粒子。一、納米塑料的制備方法表面處理：為防止粒子團聚，共混前要對納米粒子表面進行處理。目前采用的表面處理方法有表面覆蓋改性、局部活性改性、外膜層改性、機械化學改性等。第八頁，共31頁。

3、直接分散法該技術是制備納米復合材料最簡單的技術，適合各種形態(tài)的納米粒子。一、納米塑料的制備方法共混方式：就共混方式而言，又有溶液共混法、乳液共混法、熔融共混、機械共混等。共混技術將納米粒子與材料的合成分步進行，可控制粒子形態(tài)、尺寸。第九頁，共31頁。

3、直接分散法該技術是制備納米復合材料最簡單的技術，適合各種形態(tài)的納米粒子。一、納米塑料的制備方法粒子的分散:其難點是粒子的分散問題，控制粒子微區(qū)相尺寸及尺寸分布是其成敗的關鍵。在共混時，除采用分散劑、偶聯(lián)劑、表面功能改性劑等綜合處理外，還應采用超聲波輔助分散，方可達到均勻分散之目的。第十頁，共31頁。4、原位分散聚合技術先使納米粒子在單體中均勻分散，然后進行聚合反應。一、納米塑料的制備方法該法同共混法一樣，要對納米粒子進行表面處理，但其效果要強于共混法。該方法既可實現(xiàn)粒子均勻分散，同時又可保持納米粒子特性，可一次聚合成型，避免加熱產(chǎn)生的降解，從而保持各性能的穩(wěn)定。第十一頁，共31頁。

作為工程材料，納米塑料與常規(guī)增強塑料（樹脂基復合材料）相比具有下述優(yōu)異的物理力學性能。

二、納米塑料的性能第十二頁，共31頁。二、納米塑料的性能1、高強度和高耐熱性利用插層復合技術能夠?qū)崿F(xiàn)有機物基體與無機物分散相在納米尺度上的復合，所得的納米塑料能夠?qū)o機物的剛性、尺寸穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性與聚合物的韌性、可加工性及介電性完美地結(jié)合起來。第十三頁，共31頁。二、納米塑料的性能2、高阻透性和阻燃窒息性由于聚合物基體與粘土片層的良好結(jié)合和粘土片層的平面取向作用，納米塑料表現(xiàn)出良好的尺寸穩(wěn)定性和很好的氣體阻透性。此外，有些納米塑料還具有很高的自熄性、很低的熱釋放速率（相對聚合物本體而言）和較高抑煙性，是理想的阻燃材料。第十四頁，共31頁。二、納米塑料的性能2、高阻透性和阻燃窒息性納米尼龍6，當粘土含量為5%時，其熱釋放速率的峰值（評價材料火災安全性的關鍵因素）可以下降50%以上。在一些實驗中，發(fā)現(xiàn)某些納米塑料還表現(xiàn)出很好的自熄性。把聚己內(nèi)酯—硅酸鹽納米塑料和未填充的聚己內(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)燃燒直至樣品被破壞。第十五頁，共31頁。二、納米塑料的性能3、納米塑料的阻隔性能研究中已發(fā)現(xiàn)，納米塑料的阻隔性能也大大提高。例如：在聚己內(nèi)脂-蒙脫土體系中，納米材料的相對透過性和傳統(tǒng)的填充聚合物及未填充的聚合物相比，透過性顯著下降，并隨著蒙脫土含量的增加而迅速下降，即阻隔性能顯著上升。第十六頁，共31頁。二、納米塑料的性能4、納米塑料的熱穩(wěn)定性例如：聚二甲基硅氧烷（PDMS）-粘土納米塑料和未填充的聚合物相比，其分解溫度顯著提高，從400℃提高到了500℃。硅酸鹽納米塑料在耐熱性和熱穩(wěn)定性方面也有顯著提高。第十七頁，共31頁。二、納米塑料的性能4、納米塑料的熱穩(wěn)定性再如：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135～160℃，純尼龍的為65℃），而且此時的粘土含量僅為5%左右，隨著粘土含量的增加，HDT還會逐漸增加。硅酸鹽納米塑料在耐熱性和熱穩(wěn)定性方面也有顯著提高。第十八頁，共31頁。二、納米塑料的性能5、納米塑料的電性能硅酸鹽納米塑料也可用作聚合物電解質(zhì)。對于聚環(huán)氧乙烷（PEO）電解質(zhì)來說，在熔點溫度以下，它的電導率從10－5S·cm－l下降到10－8S·cm－1。這種明顯的下降是由于PEO形成了晶體，從而阻止了離子的運動，而插層則可以阻止晶體的生長，因此可以提高電解質(zhì)的電導率。第十九頁，共31頁。二、納米塑料的性能6、納米塑料的抗菌性能抗菌性納米塑料是通過在塑料中添加抗菌劑的方法實現(xiàn)的。利用納米技術在塑料中添加少量的納米無機抗菌劑即可制得高效的抗菌塑料。由于顆粒的減小，單位質(zhì)量的無機抗菌劑顆粒數(shù)增多，比表面積加大，而無機抗菌劑是接觸式殺菌，因而增加了與細菌的接觸面積，從而提高了抗菌效果。第二十頁，共31頁。二、納米塑料的性能6、納米塑料的抗菌性能抗菌性納米塑料是通過在塑料中添加抗菌劑的方法實現(xiàn)的。利用納米技術在塑料中添加少量的納米無機抗菌劑即可制得高效的抗菌塑料。同時，由于抗菌劑的粒徑超細，依靠庫侖引力可穿透細菌的細胞壁（大腸桿菌大約為600nm）進入細胞體內(nèi)，破壞細胞合成酶的活性，細胞喪失分裂增殖能力而死亡。第二十一頁，共31頁。二、納米塑料的性能6、納米塑料的抗菌性能抗菌性納米塑料是通過在塑料中添加抗菌劑的方法實現(xiàn)的。利用納米技術在塑料中添加少量的納米無機抗菌劑即可制得高效的抗菌塑料。高效的納米抗菌塑料主要用于家用電器如電冰箱的門把手、門襯、內(nèi)襯等部件，洗衣機的抗菌不銹鋼筒、抗菌洗滌水泵、抗菌波輪等部件，醫(yī)用電器設備的外用的塑料制件等。第二十二頁，共31頁。二、納米塑料的性能7、納米塑料的各向異性特點在尼龍-層狀硅酸鹽納米塑料中，熱脹系數(shù)就是各向異性的。在注射成型時的流動方向的熱脹系數(shù)為垂直方向的一半，而純尼龍為各向同性的。第二十三頁，共31頁。聚酰胺（俗稱尼龍，英文縮寫PA）是工程塑料的一大品種，特別是其中的尼龍6（PA6），由于具有良好的物理、機械性能，例如拉伸強度高，耐磨性優(yōu)異，抗沖擊韌性好，耐化學藥品和耐油性突出，在五大工程塑料中應用最廣。但是，普通PA6的吸水率高，在較強外力和加熱條件下，其剛性和耐熱性不佳，制品的穩(wěn)定性和電性能較差，使其在許多應用領域受到限制。三、典型納米塑料1、尼龍6納米塑料第二十四頁，共31頁。自從20世紀80年代中期日本學者臼杵有光首次報道采用插層原位聚合法制備高強耐熱的納米粘土/尼龍6以來，國內(nèi)外相關科研人員對其進行了大量的研究工作。中國科學院化學研究所的研究人員在納米蒙脫土/尼龍6的制備、結(jié)構(gòu)與性能方面取得了重大的研究進展。三、典型納米塑料1、尼龍6納米塑料第二十五頁，共31頁。中國科學院化學研究所工程塑料國家重點實驗室用天然豐產(chǎn)的蒙脫土層狀硅酸鹽作為無機分散相制備PA6納米塑料（NPA6），該復合材料與純PA6相比具有高強度、高模量、高耐熱性、低吸濕性、高尺寸穩(wěn)定性、阻隔性能好等優(yōu)點，性能全面超過PA6，并且具有良好的加工性能；三、典型納米塑料1、尼龍6納米塑料第二十六頁，共31頁。由于該實驗室開發(fā)的PA6納米塑料具有優(yōu)異的性能及較高的性能價格比，其應用領域非常廣泛?？捎糜谥圃炱嚵悴考绕涫前l(fā)動機內(nèi)等有耐熱性要求的零件，還可應用于辦公用品、電子電器零部件、日用品等，此外還可用于制造管道等擠出制品。三、典型納米塑料1、尼龍6納米塑料第二十七頁，共31頁。聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）因其優(yōu)良的綜合性能而被廣泛地應用于合成纖維、瓶和薄膜，但工程塑料用只占其總量的1.6%，因此開發(fā)工程塑料級PET成為關注的焦點。PET作為工程塑料應用存在三大制約因素：熔體強度差、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。三、典型納米塑料2、PET納米塑料第二十八頁，共31頁。中國科學院化學研究所的研究表明，當無機組分以納米水平分散在PET基材中時，可顯著改善PET的加工性能及制品性能，開發(fā)出了PET/蒙脫土納米復合材料NPET。三、典型納米塑料2、PET納米塑料第二十九頁，共