聚合物基納米復合材料研究進展

聚合物基納米復合材料研究進展

20世紀80年代初，羅伊等人提出的納米材料為建筑材料的研究和應用開辟了一個新領域。由于納米顆粒的獨特影響，它在物理和化學性能上表現(xiàn)出不同的性能。采用納米和材料相結(jié)合的納米材料，不僅具有納米和材料的優(yōu)點，而且引起了科學家的廣泛關注和深入研究。納米材料的不同基質(zhì)、不同類型的材料。例如，金屬基納米[38、39、40、41、42、43]、陶瓷基納米和聚合物基納米。特別是，由于其良好的加工優(yōu)勢，聚合物基納米材料在理論研究和應用上得到了迅速發(fā)展。在本文中，我們主要介紹了聚合物基納米材料的研究，并對未來的發(fā)展進行了預測。1聚合物納米復合材料聚合物基納米復合材料(PolymericNanocomposite)是指以高聚物為基體,與金屬、無機非金屬以及有機物納米粒子等進行級復合而得到的一種性能優(yōu)異的材料.這種復合材料既有高聚物本身的優(yōu)點,又兼?zhèn)淞思{米粒子的特異屬性,因而使其在力學、催化、功能材料(光、電、磁、敏感)等領域內(nèi)得到應用,甚至出現(xiàn)全新的性能和功能,例如高強度、高模量、高韌性、高耐熱性、高透明性、高導電性、對油類和氣體的高阻隔性等,因而有著廣闊的發(fā)展前景.聚合物納米復合材料可分為聚合物/無機物納米復合材料(簡稱OINC)和聚合物/聚合物納米復合材料,其中OINC占絕大多數(shù).1.1由聚吡咯納米材料制備的方法1.1.1無機納米復合材料的制備1).共混法.共混法一般應用于聚合物/無機納米粒子復合體系,也可應用于聚合物分子復合材料.2).溶膠——凝膠法(sol——gel).該方法使用烷氧金屬或金屬鹽等前驅(qū)物和有機聚合物,通過使前驅(qū)物水解和縮合形成納米復合材料.適于制備有機——無機納米復合材料.3).插層復合技術(shù)(interaction)可分為插層和剝離(exfoliate)兩種技術(shù),適于制備層狀無機化合物(粘土、石墨等)/聚合物復合材料.4).原位(in——situ)法包括原位分散聚合及原位生成法,適于制備有機——無機納米復合材料.反應條件溫和,分散均勻.5).母料法該技術(shù)納米粒子的用量少,配比方便,大大降低了成本和工藝上的難度.該法可用于聚合物/無機納米粒子復合體系的制備.6).模定向合成法(template——directed)包括化學方法和電化學方法,適于制備有機——無機納米復合材料以及納米管材、線材、層狀復合材料等.產(chǎn)物粒徑可控,分布窄,易摻雜,反應易控.1.1.2納米復合材料的制備方法聲化學合成(sonochemicalsynthesis)是制備具有獨特性能的新材料的有效方法.用于制備非晶態(tài)金屬、碳化物、氧化物、復合物以及納米晶體材料.此技術(shù)還可用于Fe3O4、Cu2O以及其它金屬氧化物的聚苯胺基納米晶體材料的制備.反向膠束微反應器(reversemicellemicroreactor)是通過油包水微乳液中反向膠束中的水池(waterpool)或稱液滴(droplet)的納米級空間,以此膠束所形成的納米空間內(nèi)為反應場,可合成1——100nm的納米微粒.自組裝法來源于生物礦化作用.在自然界中的納米材料多由此途徑形成,并通過模版作用控制膜間蛋白質(zhì).該技術(shù)與膠體化學方法聯(lián)用,能制造出納米級的高分子/無機材料相間多層異質(zhì)結(jié)構(gòu).輻射合成法是指聚合物單體與金屬鹽在分子級混合,先形成金屬鹽的單體溶液,再進行輻射,生成的初級產(chǎn)物同時引發(fā)聚合和還原.轉(zhuǎn)移分散聚合是用微乳液或反相膠乳法制備納米粒子,然后將其轉(zhuǎn)移分散于聚合物溶液或單體中引發(fā)聚合生成納米復合材料.為使轉(zhuǎn)移過程獲得顆粒的良好分散,大多數(shù)情況下需要添加相轉(zhuǎn)移劑.所使用的相轉(zhuǎn)移劑必須與微粒和聚合物溶液都要有良好的相容性.1.2聚合物/粘土納米復合材料聚合物/粘土納米復合材料豐田公司首次報道了尼龍——6(PA——6)粘土納米復合材料在工業(yè)上的應用.現(xiàn)研究體系已擴展到環(huán)氧樹脂、聚酯、聚酰胺、聚烯烴、硅橡膠等.聚合物/粘土納米復合材料具有導電性、磁性、隔熱性能、可降低可燃性,還可改善力學性能.研究發(fā)現(xiàn):插層劑的碳鏈長度與有機蒙脫土的層間距有關.除了采用單一樹脂外,還用共混和共聚樹脂與納米材料結(jié)合.1.2.1pp/蒙脫土納米復合材料為提高聚丙烯的力學性能,眾多研究者紛紛采用納米粉末對PP進行改性.近年來,采用蒙脫土改性的研究吸引了眾多學者的注意.中國科學院化學研究所與成都正光科技股份有限公司合作研制成功納米PP管材專用料.劉家輝等人用十六烷基三甲基溴化胺改性蒙脫土制得PP/蒙脫土納米插層材料.漆宗能等人將有機改性蒙脫土用MgCl2和TiCl4處理,進行丙烯的原位聚合,制備了納米復合材料.Liu等人采用活性單體環(huán)氧丙烷甲基丙烯酸酯處理蒙脫土,形成一種新型的共插層有機蒙脫土.雖然PP/蒙脫土納米復合材料研究已經(jīng)取得了一定的成功,但是納米復合材料的幾種制備方法仍然要采用烷基胺改性蒙脫土.這種改性方法復雜而且高成本,從而給PP納米復合材料的推廣帶來一定的困難.研究蒙脫土直接使用或其它改性方法,來降低成本,應該是下一步研究的重點.1.2.2pvc/orec納米復合材料PVC/粘土納米復合材料的主要品種有PVC/OMMT(有機蒙脫土),PVC/AT(凹凸棒土),PVC/OREC(有機累托石).PVC/粘土納米復合材料比傳統(tǒng)的復合材料具有更優(yōu)異的綜合性能.質(zhì)輕,加工性好、耐磨性高、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,性能全面超過PVC樹脂.1.2.3蒙脫土納米復合材料橡膠/蒙脫土納米復合材料具有優(yōu)異的補強性、阻隔性、透明性特性.但橡膠/蒙脫土納米復合材料的研究還較少.制備方法包括單體插層原位聚合法、大分子直接插層法和小分子與大分子的結(jié)合插層法.Okada等利用端氨基液體NBR橡膠與將蒙脫土結(jié)合,得到了NBR/蒙脫土納米復合材料.王勝杰等采用橡膠溶液插層法成功地制備了蒙脫土/硅橡膠納米復合材料.Ganter等將χ,ω-二氨基液體聚丁二烯改性的蒙脫土和丁苯橡膠混合,獲得嵌入結(jié)構(gòu)和剝離結(jié)構(gòu)共存的SBR/蒙脫土納米復合材料,當蒙脫土的用量為10份時,材料的拉伸強度可達16MPa.廖明義等報道了采用陽離子聚合機理通過溶液法單體插層原位聚合制備BR/蒙脫土納米復合材料.敖寧建等報道了采用超聲技術(shù)制備了NR/有機蒙脫土、鈉基蒙脫土納米復合材料,并對力學性能和熱氧老化性能進行了研究.1.3納米ti2/ep復合材料的制備環(huán)氧樹脂由于自身粘度較大,與無機納米粒子均勻分散較為困難,通常將納米粒子表面經(jīng)適當?shù)谋砻婊钚詣┗蚺悸?lián)劑預處理后再進行復合.董元彩等人采用溶液共混法制備了納米TiO2/EP復合材料,研究了納米TiO2對復合材料性能的影響.林安等利用高沸點的醇對納米Ti02表面進行酯化處理后添加到環(huán)氧樹脂涂料中,使涂料的綜合性能有了很大的提高.陳立新采用有機蒙脫石改性環(huán)氧樹脂,利用插層復合技術(shù)制備出了納米級的環(huán)氧樹脂/蒙脫石復合材料.湯戈等人采用超聲波分散法將平均粒徑為200nm的α——Al2O3和粒徑為30——60nm的γ——Al2O3,分別按不同比例加入到EP中,制得一系列EP納米復合材料,并比較了它們的耐磨性和與基體的結(jié)合力.1.4pet納米塑料復合材料的制備飽和聚酯是一類常用的工程塑料,其中又以PET最為常用.李畢忠等進行了抗菌纖維的研究,開發(fā)了具有優(yōu)良的化學物理性能、可紡性好的抗菌PET纖維,經(jīng)測試,它具有優(yōu)良的抗菌性能.朱笑初等通過插層聚合法制備了PBT/粘土納米復合材料,研究了其結(jié)構(gòu)與結(jié)晶行為、力學性能、耐水性能等性能,發(fā)現(xiàn)通過PBT在粘土片層之間的插層聚合,使PBT樹脂的力學性能、熱變形溫度、耐沸水性能得到明顯的改善,粘土的加入使PBT樹脂的球晶細化,結(jié)晶速率提高.漆宗能等對插層劑的碳鏈長度與有機蒙脫土的層間距的關系進行了研究,在此基礎上開發(fā)了PET/粘土納米塑料、PBT/粘土納米塑料、增強型阻燃PET納米塑料.徐群華等用經(jīng)2%的NDZ——101偶聯(lián)劑處理過的納米TiO2填充不飽和聚酯樹脂,大大提高了材料的強度、韌性和耐酸堿性.1.5材料電極材料的研究碳納米管是理想的功能和增強材料,其超強的力學性能可以極大地改善聚合物復合材料的強度和韌性,獨特的光電性能可以賦予聚合物基復合材料新的光電性能.ggenmuller等用熔融紡絲和溶液鑄膜的方法制備了單壁碳納米管/PMMA復合材料纖維和膜,研究表明模量隨牽伸比的增加變化不大,而拉伸強度增長卻很大,熔融紡絲工藝可以促進碳納米管在PMMA中分散.萬梅香等通過在碳納米管上進行原位聚合反應,制備了碳納米管/聚吡咯(PPy)復合材料,并對其電、磁、熱學性能進行了研究