聚合物基納米復(fù)合材料的制備方法及其性能

聚合物基納米復(fù)合材料的制備方法及其性能林永紅;潘利華【摘要】聚合物基納米復(fù)合材料PNC以其宏觀復(fù)合材料無法替代的優(yōu)勢日益獲得學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的青睞.材料在納米尺度上的復(fù)合,將產(chǎn)生高性能化和功能化.這里著重分析和討論了聚合物基納米復(fù)合材料的制備方法以及材料的優(yōu)異性能.期刊名稱】《東華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）》年(卷),期】2003(029)006【總頁數(shù)】4頁（P131-134）【關(guān)鍵詞】納米復(fù)合材料;納米分散相;納米效應(yīng)【作者】林永紅;潘利華【作者單位】東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海,200051;東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海,200051【正文語種】中文【中圖分類】基礎(chǔ)科學(xué)第29卷第6期2003年12月東華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）JOURNALOFOONGHUAUNIVERSITYVol.Z!J,No.6Dec.2003聚合物基納米復(fù)合材料的制備方法及其性能林永紅，潘利華〈東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海，200051）摘要聚合物基納米復(fù)合材料PNC以其宏觀復(fù)合材料無法替代的優(yōu)勢日益獲得學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的青睞．材料在納米尺度上的復(fù)合，將產(chǎn)生高，除能化和功能化．這里著重分析和討論了聚合物基納米復(fù)合材料的制備方法以及材料的優(yōu)異性能．關(guān)鍵詞：納米復(fù)合材料，納米分散相，納米效應(yīng)中圖法分類號(hào),TB324納米復(fù)合材料是指分散相尺寸至少有一維小于lOOnm的復(fù)合材料。納米分散相的比表面積非常大，約100m2/g，分散相與基體間具有強(qiáng)烈的界面相互作用，因此納米復(fù)合材料往往表現(xiàn)出不同于一般宏觀復(fù)合材料的力學(xué)性能、熱學(xué)性能、電磁學(xué)性能以及光學(xué)性能等，成為21世紀(jì)重點(diǎn)發(fā)展的新型材料。聚合物基納米復(fù)合材料(PolymericNanocom陽site)則是以高聚物為基體，與金屬粒子、無機(jī)非金屬粒子或片層以及有機(jī)物等進(jìn)行納米級(jí)復(fù)合而得到的一種性能優(yōu)異的材料[卜”。1聚合物基納米復(fù)合材料PNC的制備1.1聚合物基納米復(fù)合材料的種類聚合物基納米復(fù)合材料主要有3種：(1)有機(jī)／有機(jī)復(fù)合材料。聚合物分子復(fù)合材料是聚合物基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的引申和發(fā)展，即作為增強(qiáng)劑的剛性棒狀高分子以分子水平(直徑10nm左右〉分散在柔性高分子基體中。其突出代表是聚合物／熱致液晶高聚物TLCP，聚合物／溶致液晶高聚物L(fēng)LCP原位復(fù)合材料。美國阿克隆大學(xué)Harris和Cheng以及德國漢堡大學(xué)Kricheldorfl町等在分子復(fù)合材料的研究中非?；钴S并取得了突破性進(jìn)展。Hu等用反應(yīng)性增容與分子鏈的聚合擴(kuò)鏈同時(shí)進(jìn)行的方法，控制聚合誘導(dǎo)相分離過程，制備納米級(jí)分散的納米共混物；Inoue等發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)性共混中原位生成的接枝或嵌段大分子獨(dú)特的界面行為，即界面撥收稿日期：2002-07-05出(pullout)，從而在基體聚合物中產(chǎn)生的納米級(jí)(~40nm)分散相，成功地研制了耐高溫聚酷膠、超韌聚合物和熱塑性彈性體[l凹的。另外，有機(jī)納米微球的制備，有機(jī)一有機(jī)分子間的雜化以及核一殼結(jié)構(gòu)和互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等有機(jī)納米復(fù)合材料的研究均實(shí)現(xiàn)了材料性能優(yōu)化和可控性。(2)聚合物／層狀元機(jī)物復(fù)合材料。無機(jī)物以單層片狀或?qū)訝钚螒B(tài)分散于有機(jī)高分子聚合物中。無機(jī)物一般具有片層狀(鱗片狀)結(jié)構(gòu)，其片層間距一般在零點(diǎn)幾到幾個(gè)納米之間，層間往往還具有活性，以便有機(jī)高分子能插人其中進(jìn)行反應(yīng)或者聚合。層狀元機(jī)物有：①石墨或其他天然以及人工合成的層狀硅酸鹽化合物，如天然層狀硅酸鹽、滑石、云母、粘土和蛇紋石等以及人工合成的層狀沸石，鏗蒙脫石和氟惺蒙脫石等［17)；②層狀金屬氧化物，如：V2Os,Mn03,W03等，這些氧化物往往具有特殊的功能，如半導(dǎo)性、電致變色等；③層狀過渡金屬二硫化物或硫代亞磷酸鹽，孑L。馬CM二Ti,Zr,Hf,V等；X二S,Se),AM烏CM=Ti,V,Cr,Mn等；A二堿金屬〉和MP兀CM=1龜，V,Mn,Fe等〉；④層狀金屬鹽類化合物，雙氫氧化物等。(3)聚合物／：無機(jī)納米粒子復(fù)合材料間。聚合物／無機(jī)納米粒子復(fù)合材料是以納米級(jí)無機(jī)粒子填充到聚合物當(dāng)中去的。由于小尺寸等效應(yīng)使材料具有光、電、磁、熱和化學(xué)活性等功能，并賦予材料良好的第29卷第6期2003年12月東華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)VoLZJ,No.6Dec.2003聚合物基納米復(fù)合材料PNC以其宏觀復(fù)合材料無法替代的優(yōu)勢日益獲得學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的青睞．材料在納米尺度上的復(fù)合，將產(chǎn)生高，除能化和功能化．這里著重分析和討論了聚合物基納米復(fù)合材料的制備方法以及材料的優(yōu)異性能．關(guān)鍵詞：納米復(fù)合材料，納米分散相，納米效應(yīng)納米復(fù)合材料是指分散相尺寸至少有一維小于lOOnm的復(fù)合材料。納米分散相的比表面積非常大，約100m2/g，分散相與基體間具有強(qiáng)烈的界面相互作用，因此納米復(fù)合材料往往表現(xiàn)出不同于一般宏觀復(fù)合材料的力學(xué)性能、熱學(xué)性能、電磁學(xué)性能以及光學(xué)性能等，成為21世紀(jì)重點(diǎn)發(fā)展的新型材料。聚合物基納米復(fù)合材料(PolymericNanocom陽site)則是以高聚物為基體，與金屬粒子、無機(jī)非金屬粒子或片層以及有機(jī)物等進(jìn)行納米級(jí)復(fù)合而得到的一種性能優(yōu)異的材料［卜”。聚合物基納米復(fù)合材料的種類聚合物基納米復(fù)合材料主要有3種：(是聚合物基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的引申和發(fā)展，即作為增強(qiáng)劑的剛性棒狀高分子以分子水平(直徑10nm左右〉分散在柔性高分子基體中。其突出代表是聚合物/熱致液晶高聚物TLCP，聚合物/溶致液晶高聚物L(fēng)LCP原位復(fù)合材料。美國阿克隆大學(xué)Harris和Cheng以及德國漢堡大學(xué)Kricheldorfl町等在分子復(fù)合材料的研究中非?；钴S并取得了突破性進(jìn)展。Hu行的方法，控制聚合誘導(dǎo)相分離過程，制備納米級(jí)分散的納米共混物；Inoue等發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)性共混中原位生成的接枝或嵌段大分子獨(dú)特的界面行為，即界面撥出(pullout),從而在基體聚合物中產(chǎn)生的納米級(jí)(~40nm)分散相，成功地研制了耐高溫聚酷膠、超韌聚合物和熱塑性彈性體［I凹的。另外，有機(jī)納米微球的制備，有機(jī)一有機(jī)分子間的雜化以及核一殼結(jié)構(gòu)和互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等有機(jī)納米復(fù)合材料的研究均實(shí)現(xiàn)了材料性能優(yōu)化和可控性。(2)聚合物／層狀元機(jī)物復(fù)合材料。無機(jī)物以單層片狀或?qū)訝钚螒B(tài)分散于有機(jī)高分子聚合物中。無機(jī)物一般具有片層狀(鱗片狀)結(jié)構(gòu)，其片層間距一般在零點(diǎn)幾到幾個(gè)納米之間，層間往往還具有活性，以便有機(jī)高分子能插人其中進(jìn)行反應(yīng)或者聚合。層狀元機(jī)物有：石墨或其他天然以及人工合成的層狀硅酸鹽化合物，如天然層狀硅酸鹽、滑石、云母、粘土和蛇紋石等以及人工合成的層狀沸石，鏗蒙脫石和氟惺蒙脫石等［17);②層狀金屬氧化物，如：V2Os,Mn03,W03等，這些氧化物往往具有特殊的功能，如半導(dǎo)性、電致變色等；③層狀過渡金屬二硫化物或硫代亞磷酸鹽，孔。馬CM二Ti,Zr,Hf,V等；X二S,Se),AM烏CM=Ti,V,Cr,Mn等；A二堿金屬〉和MP兀CM=1龜，V,Mn,Fe等〉；④層狀金屬鹽類化合物，雙氫氧化物等。(3)聚合物／：無機(jī)納米粒子復(fù)合材料間。聚合物／無機(jī)納米粒子復(fù)合材料是以納米級(jí)無機(jī)粒子填充到聚合物當(dāng)中去的。由于小尺寸等效應(yīng)使材料具有光、電、磁、熱和化學(xué)活性等功能，并賦予材料良好的132第29卷硬度、耐磨性等。無機(jī)納米微粒與有機(jī)分子的雜化可制備非線性光學(xué)材料，從而提高材料的熱穩(wěn)定性及非線性光學(xué)性能。1.2聚合物基納米復(fù)合材料的制備方法1.2.1共混法共1昆法是指制備出納米粒子，然后再通過各種方式與有機(jī)聚合物混合，其典型方法有3種：(1)溶液共混法。即在聚合物溶液中加入納米粒子，充分?jǐn)嚢枞芤?，使之分散均勻，然后再除去溶劑。此法的難點(diǎn)是如何防止納米粒子的團(tuán)聚問題。(2)乳液共混法。其方法與溶液共i昆法相似，主要是用于聚合物難于溶解的情況。(3)熔融共混法。先對納米粒子進(jìn)行表面處理，防止其團(tuán)聚，然后再加入到聚合物中去，在熔融狀態(tài)下進(jìn)行共混。共混法的優(yōu)點(diǎn)在于納米粒子與材料的合成分步進(jìn)行，可控制納米粒子的形態(tài)和尺寸，但是納米粒子容易團(tuán)聚，均勻分散困難。共混法一般應(yīng)用于聚合物／無機(jī)納米粒子復(fù)合體系，也可應(yīng)用于聚合物分子復(fù)合材料。1.2.2原位分散聚合法此方法應(yīng)用原位填充，使納米粒子在單體中均勻分散，然后進(jìn)行聚合反應(yīng)，既實(shí)現(xiàn)了填充粒子的均勻分散，同時(shí)又保證了粒子的納米特性。在原位填充過程中，基體只經(jīng)過一次聚合成型，不需要加工，避免了由此產(chǎn)生的熱降解，從而可以保證基體各種性能的穩(wěn)定。1.2.3層問插入法層間插人法是有機(jī)納米復(fù)合物制備的重要方法。許多無機(jī)化合物都具有典型的層狀結(jié)構(gòu)，可以嵌入有機(jī)物，通過合適的方法將聚合物插入其中，便可獲得有機(jī)納米復(fù)合物。根據(jù)插層形式的不同可分為三類：(1)插層聚合法。一般是將高聚物單體或插層劑和層狀元機(jī)物分別溶解到某一種溶劑中，充分分散溶解后再混合在一起，使單體進(jìn)入無機(jī)物層間，然后在合適的條件下使高聚物單體進(jìn)行聚合的方法。在此過程中，單體不斷插入聚合，使片層之間進(jìn)一步擴(kuò)大甚至解離，最終使層狀硅酸鹽填料在聚合物基體中達(dá)到納米尺寸的分散，從而獲得納米級(jí)復(fù)合材料。此方法的典型應(yīng)用是聚酷亞膠PI/蒙脫土體系和尼龍PA/蒙脫土體系。應(yīng)用此方法的PA/蒙脫土體系已經(jīng)工業(yè)化，用于生產(chǎn)汽車部件制品。(2)溶液插層法。即將聚合物大分子和層狀無機(jī)物一起加入某一溶液，攪拌使其分散在溶液中，并實(shí)現(xiàn)高聚物的層間插入。這一方法的最大好處是簡化了復(fù)合過程，制得的材料性能更加穩(wěn)定。此方法適用于聚氧乙烯PEO/蒙脫土體系。(3)熔體插層法。它是將層狀元機(jī)物與高聚物海合，再將混合物加熱到軟化點(diǎn)以上，實(shí)現(xiàn)高聚物插入層狀元機(jī)物的層間。該方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要其它介質(zhì)，不污染環(huán)境，操作簡單，適用面廣?，F(xiàn)已實(shí)現(xiàn)的有PEO/蒙脫土，聚苯乙烯PS/蒙脫土納米材料。層間插入法主要適用于有機(jī)聚合物/元機(jī)物混雜物這一類?，F(xiàn)在已有很多的高分子聚合物應(yīng)用這種方法而制得聚合物納米材料。1.2.4溶肢一凝肢法即使用燒氧金屬或金屬鹽等前驅(qū)物和有機(jī)聚合物的共溶劑在有聚合物存在時(shí)在共溶劑體系中使前驅(qū)物水解和縮合。該方法的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)條件溫和，分散均勻，甚至可以達(dá)到“分子復(fù)合”的水平；其缺點(diǎn)為前驅(qū)物大都是正硅酸燒基醋，價(jià)格昂貴而且有毒，干燥過程中由于溶劑、小分子的揮發(fā)、材料內(nèi)部產(chǎn)生收縮應(yīng)力，導(dǎo)致材料脆裂。溶膠一凝膠法是一種古老的方法，主要用于有機(jī)納米復(fù)合物的制備。1.2.5母料法即用溶液共混法制得復(fù)合體，然后再將此復(fù)合體與基體混合，配成相應(yīng)體積含量的復(fù)合材料。由于一般改進(jìn)力學(xué)性能時(shí)，納米粒子的用量都很少，所以此法可以方便地進(jìn)行配比，而且大大降低了成本和工藝上的難度。該法可用于聚合物／無機(jī)納米粒子復(fù)合體系的制備。2聚合物基納米復(fù)合材料PNC的優(yōu)異性能及應(yīng)用2.1納米粒子的特性(1)表面與界面效應(yīng)［印刷］。由于納米微粒尺寸小，表面能高，比表面積大，位于表面的原子占相當(dāng)大的比例，這樣，粒子上的表面原子因缺少近鄰配位的原子以及高的表面能，使這些表面原子具有很強(qiáng)的活性，極不穩(wěn)定，容易與其他原子結(jié)合。并且表面原子的活性也會(huì)引起表面電子自然構(gòu)象和電子能譜的變卷硬度、耐磨性等。無機(jī)納米微粒與有機(jī)分子的雜化可制備非線性光學(xué)材料，從而提高材料的熱穩(wěn)定性及非線性光學(xué)性能。共1昆法是指制備出納米粒子，然后再通過各種方式與有機(jī)聚合物混合，其典型方法有3種：(1)溶液共混法。即在聚合物溶液中加入納米粒子，充分?jǐn)嚢枞芤?，使之分散均勻，然后再除去溶劑。此法的難點(diǎn)是如何防止納米粒子的團(tuán)聚問題。(2)乳液共混法。其方法與溶液共i昆法相似，主要是用于聚合物難于溶解的情況。(3)熔融共混法。先對納米粒子進(jìn)行表面處理，防止其團(tuán)聚，然后再加入到聚合物中去，在熔融狀態(tài)下進(jìn)行共混。共混法的優(yōu)點(diǎn)在于納米粒子與材料的合成分步進(jìn)行，可控制納米粒子的形態(tài)和尺寸，但是納米粒子容易團(tuán)聚，均勻分散困難。共混法一般應(yīng)用于聚合物／無機(jī)納米粒子復(fù)合體系，也可應(yīng)用于聚合物分子復(fù)合材料。此方法應(yīng)用原位填充，使納米粒子在單體中均勻分散，然后進(jìn)行聚合反應(yīng)，既實(shí)現(xiàn)了填充粒子的均勻分散，同時(shí)又保證了粒子的納米特性。在原位填充過程中，基體只經(jīng)過一次聚合成型，不需要加工，避免了由此產(chǎn)生的熱降解，從而可以保證基體各種性能的穩(wěn)定。層間插人法是有機(jī)納米復(fù)合物制備的重要方法。許多無機(jī)化合物都具有典型的層狀結(jié)構(gòu)，可以嵌入有機(jī)物，通過合適的方法將聚合物插入其中，便可獲得有機(jī)納米復(fù)合物。根據(jù)插層形式的不同可分為三類：(1)插層聚合法。一般是將高聚物單體或插層劑和層狀元機(jī)物分別溶解到某一種溶劑中，充分分散溶解后再混合在一起，使單體進(jìn)入無機(jī)物層間，然后在合適的條件下使高聚物單體進(jìn)行聚合的方法。在此過程中，單體不斷插入聚合，使片層之間進(jìn)一步擴(kuò)大甚至解離，最終使層狀硅酸鹽填料在聚合物基體中達(dá)到納米尺寸的分散，從而獲得納米級(jí)復(fù)合材料。此方法的典型應(yīng)用是聚酷亞膠PI/蒙脫土體系和尼龍PA/蒙脫土體系。應(yīng)用此方法的PA/蒙脫土體系已經(jīng)工業(yè)化，用于生產(chǎn)汽車部件制品。物一起加入某一溶液，攪拌使其分散在溶液中，并實(shí)現(xiàn)高聚物的層間插入。這一方法的最大好處是簡化了復(fù)合過程，制得的材料性能更加穩(wěn)定。此方法適用于聚氧乙烯PEO/蒙脫土體系。(3)熔體插層法。它是將層狀元機(jī)物與高聚物海合，再將混合物加熱到軟化點(diǎn)以上，實(shí)現(xiàn)高聚物插入層狀元機(jī)物的層間。該方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要其它介質(zhì)，不污染環(huán)境，操作簡單，適用面廣?，F(xiàn)已實(shí)現(xiàn)的有PEO/蒙脫土，聚苯乙烯PS/蒙脫土納米材料。層間插入法主要適用于有機(jī)聚合物/元機(jī)物混雜物這一類。現(xiàn)在已有很多的高分子聚合物應(yīng)用這種方法而制得聚合物納米材料。即使用燒氧金屬或金屬鹽等前驅(qū)物和有機(jī)聚合物的共溶劑在有聚合物存在時(shí)在共溶劑體系中使前驅(qū)物水解和縮合。該方法的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)條件溫和，分散均勻，甚至可以達(dá)到“分子復(fù)合”的水平；其缺點(diǎn)為前驅(qū)物大都是正硅酸燒基醋，價(jià)格昂貴而且有毒，干燥過程中由于溶劑、小分子的揮發(fā)、材料內(nèi)部產(chǎn)生收縮應(yīng)力，導(dǎo)致材料脆裂。即用溶液共混法制得復(fù)合體，然后再將此復(fù)合體與基體混合，配成相應(yīng)體積含量的復(fù)合材料。由于一般改進(jìn)力學(xué)性能時(shí)，納米粒子的用量都很少，所以此法可以方便地進(jìn)行配比，而且大大降低了成本和工藝上的難度。該法可用于聚合物／無機(jī)納米粒子復(fù)合體系的制備。(1)表面與界面效應(yīng)［印刷］。由于納米微粒尺寸小，表面能高，比表面積大，位于表面的原子占相當(dāng)大的比例，這樣，粒子上的表面原子因缺少近鄰配位的原子以及高的表面能，使這些表面原子具有很強(qiáng)的活性，極不穩(wěn)定，容易與其他原子結(jié)合。并且表面原子的活性也會(huì)引起表面電子自然構(gòu)象和電子能譜的變6期林永紅等：聚合物基納米復(fù)合材料的制備方法及其性能133化，從而給予納米粒子低密度、低流動(dòng)速率、高吸氣性以及高混合等特性。(2)小尺寸效應(yīng)。光吸收顯著增加；產(chǎn)生吸收峰的等離子共振頻移；磁有序態(tài)向磁無序態(tài)轉(zhuǎn)變；超導(dǎo)相向正常相轉(zhuǎn)變；聲子譜發(fā)生改變等等。這些小尺寸效應(yīng)可應(yīng)用于一些新興領(lǐng)域，如：納米尺寸的強(qiáng)磁性顆粒，當(dāng)顆粒尺寸為單磁臨界尺寸時(shí)，具有很高的矯頑力，可制成磁性信用卡、磁性鑰匙、磁性車票等等；通過改變顆粒尺寸，控制吸收邊的位移，還可以制得具有一定頻寬的微波納米吸收材料，可用于電磁波屏蔽、隱形飛機(jī)等。(3)量子尺寸效應(yīng)。當(dāng)粒子尺寸下降到最低值時(shí)，納米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)能級(jí)變?yōu)殡x散能級(jí)。當(dāng)能級(jí)間距a大于熱能、磁能、靜磁能、光子能量或者聚集態(tài)能時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致納米級(jí)顆粒的磁、光、聲、熱、電以及超導(dǎo)性與宏觀特性有顯著的不同。2.2熱性能聚酷亞膠是一類具有很好耐熱性質(zhì)的聚合物材料。由聚酌亞膠制得的氮化鋁ALN/PI納米級(jí)復(fù)合材料大大地提高了凹的熱性能，而且由于ALN的粒徑小CvIOnm)，使生成的ALN/PI復(fù)合材料性能更加穩(wěn)定和均一。一般的阻燃填料加人PA6后都會(huì)在增強(qiáng)阻燃能力的同時(shí)，使力學(xué)性能下降。但是，粘土含量為5%的粘土/PA6復(fù)合材料卻比純PA6的熱釋放速率HRR小很多，而且其co和煙塵的產(chǎn)生量也和純PA6相同。即在機(jī)械性能提高的情況下，阻燃性能也獲得了很大的提高。這是由于粘土/PA6是復(fù)合層狀結(jié)構(gòu)，粘土層起到了傳熱作用，而且阻止了PA6分解產(chǎn)物的放出，從而提高了PA6基體的阻燃性。2.3力學(xué)性能聚合物基納米復(fù)合材料普通具有高強(qiáng)度，高模量等力學(xué)性能。無機(jī)填料作為添加劑填充基體，可以降低制品成本，提高剛性，超導(dǎo)性和尺寸的穩(wěn)定性。但是，這些性能的提高往往使體系的沖擊強(qiáng)度，斷裂伸長率下降。而使用納米粒子填充，由于粒子的尺寸下降，粒子的表面積擴(kuò)大，則填料與基體接觸面積增大，而且由于納米粒子表面活性中心多，可以和基體緊密結(jié)合，相容性也比較好。所以當(dāng)受外力時(shí)，粒子不易與基體脫離，同時(shí)由于應(yīng)力場的相互作用，在基體內(nèi)產(chǎn)生很多的微變形區(qū)，吸收了大量的能量。所以納米粒子既能較好地傳遞所承受的外應(yīng)力，又能引發(fā)基體的屈服，消耗大量沖擊能，從而達(dá)到同時(shí)增韌和增強(qiáng)的效果。2.4耐磨性能由于納米粒子尺寸小，尺寸穩(wěn)定，在材料表面均勻分布，因而聚合物基納米復(fù)合材料的耐磨性能也得到了增強(qiáng)。利用液晶聚合物與聚四氟乙烯制成的“高耐磨聚囚氟乙烯合金”的耐磨性能比純聚四氟乙烯的耐磨性高多倍。這是由于液晶聚合物的液晶微區(qū)在受熱的情況下產(chǎn)生熱遷移，形成微纖結(jié)構(gòu)，冷卻固化時(shí)這種微纖結(jié)構(gòu)被原位固定下來，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)將聚四氟乙烯基體包絡(luò)起來，極大地破壞和限制了聚四氟乙烯典型的“帶狀”磨損，因而極大地提高了耐磨性。2.5阻隔性能對于聚合物／層狀硅酸鹽PLS納米復(fù)合材料，其氣體阻隔性能比純聚合物得到了較大的加強(qiáng)。聚合物基體與蒙脫土片層的良好結(jié)合，并通過控制納米硅酸鹽片層的平面取向，聚合物／層狀硅酸鹽PLS納米復(fù)合材料有良好的尺寸穩(wěn)定性和很好的氣體（包括水蒸氣）阻隔性能，如尼龍6納米復(fù)合材料（含蒙脫土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%）的氧氣透過率與純的尼龍6相比降低了一半，水蒸氣的透過率降低了二分之一以上。正因?yàn)槿绱?，具有?yōu)異阻隔性能的聚合物／層狀硅酸鹽納米復(fù)合材料在食品，特別是啤酒罐裝、軟飲料類、肉類和奶酶制品的包裝材料市場上將有著非常巨大的潛力。2.6光電性能由于納米粒子具有許多光、電方面的奇異性能，因此可以用它來改進(jìn)聚合物的光電性能。當(dāng)納米級(jí)微粒摻和進(jìn)母嗣才料并且達(dá)到納米級(jí)分散，則這種母體就是透明的，可以散射紫外光（波長340nm）而不反射可見光（波長340~760nm），并且其吸收帶偏移至這紫外區(qū)域（波長200nm左右)。因此，有納米級(jí)分散的納米粒子涂料可用作優(yōu)良的罩光漆。它是透明的并且可以屏蔽紫外光，這就可以大大增加其保光、保色及抗衰老性能。將Ti02添加在轎車用金屬閃光漆中，不但能使涂層產(chǎn)生良好的色彩效果，而且可明顯提高轎車漆的耐候性。在聚氯乙烯PVC中加人硅氧基納米微粉，由于納米粒子的小尺寸效應(yīng)，使納米粒子的微孔可以吸收紫外光，同時(shí)由于硅氧基化合物的特性，對紫外光可以全反射，因此避免了PVC吸收紫外光而產(chǎn)生降解，從而提高了它的耐老化性能。2.7加工性能由于有了納米微粒的加人，聚合物基納米復(fù)合材料結(jié)晶速度明顯加快，熔體的強(qiáng)度增大而粘度降低，6期林永紅等：聚合物基納米復(fù)合材料的制備方法及其性能(2)小尺寸效應(yīng)。光吸收顯著增加；產(chǎn)生吸收峰的等離子共振頻移；磁有序態(tài)向磁無序態(tài)轉(zhuǎn)變；超導(dǎo)相向正常相轉(zhuǎn)變；聲子譜發(fā)生改變等等。這些小尺寸效應(yīng)可應(yīng)用于一些新興領(lǐng)域，如：納米尺寸的強(qiáng)磁性顆粒，當(dāng)顆粒尺寸為單磁臨界尺寸時(shí)，具有很高的矯頑力，可制成磁性信用卡、磁性鑰匙、磁性車票等等；通過改變顆粒尺寸，控制吸收邊的位移，還可以制得具有一定頻寬的微波納米吸收材料，可用于電磁波屏蔽、隱形飛機(jī)等。(3)量子尺寸效應(yīng)。當(dāng)粒子尺寸下降到最低值時(shí)，納米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)能級(jí)變?yōu)殡x散能級(jí)。當(dāng)能級(jí)間距O大于熱能、磁能、靜磁能、光子能量或者聚集態(tài)能時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致納米級(jí)顆粒的磁、光、聲、熱、電以及超導(dǎo)性與宏觀特性有顯著的不同。2.2聚酷亞膠是一類具有很好耐熱性質(zhì)的聚合物材料。由聚酌亞膠制得的氮化鋁ALN/PI納米級(jí)復(fù)合材料大大地提高了凹的熱性能，而且由于ALN的粒徑小CvIOnm)，使生成的ALN/PI復(fù)合材料性能更加穩(wěn)定和均一。一般的阻燃填料加人PA6后都會(huì)在增強(qiáng)阻燃能力的同時(shí)，使力學(xué)性能下降。但是，粘土含量為5%的粘土/PA6復(fù)合材料卻比純PA6的熱釋放速率HRR小很多，而且其co和煙塵的產(chǎn)生量也和純PA6相同。即在機(jī)械性能提高的情況下，阻燃性能也獲得了很大的提高。這是由于粘土/PA6是復(fù)合層狀結(jié)構(gòu)，粘土層起到了傳熱作用，而且阻止了PA6分解產(chǎn)物的放出，從而提高了PA6基體的阻燃性。2.3力學(xué)性能聚合物基納米復(fù)合材料普通具有高強(qiáng)度，高模量等力學(xué)性能。無機(jī)填料作為添加劑填充基體，可以降低制品成本，提高剛性，超導(dǎo)性和尺寸的穩(wěn)定性。但是，這些性能的提高往往使體系的沖擊強(qiáng)度，斷裂伸長率下降。而使用納米粒子填充，由于粒子的尺寸下降，粒子的表面積擴(kuò)大，則填料與基體接觸面積增大，而且由于納米粒子表面活性中心多，可以和基體緊密結(jié)合，相容性也比較好。所以當(dāng)受外力時(shí)，粒子不易與基體脫離，同時(shí)由于應(yīng)力場的相互作用，在基體內(nèi)產(chǎn)生很多的微變形區(qū)，吸收了大量的能量。所以納米粒子既能較好地傳遞所承受的外應(yīng)力，又能引發(fā)基體的屈服，消耗大量沖擊能，從而達(dá)到同時(shí)增韌和增強(qiáng)的效果。2.4耐磨性能由于納米粒子尺寸小，尺寸穩(wěn)定，在材料表面均利用液晶聚合物與聚四氟乙烯制成的“高耐磨聚囚氟乙烯合金”的耐磨性能比純聚四氟乙烯的耐磨性高多倍。這是由于液晶聚合物的液晶微區(qū)在受熱的情況下產(chǎn)生熱遷移，形成微纖結(jié)構(gòu)，冷卻固化時(shí)這種微纖結(jié)構(gòu)被原位固定下來，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)將聚四氟乙烯基體包絡(luò)起來，極大地破壞和限制了聚四氟乙烯典型的“帶狀”磨損，因而極大地提高了耐磨性。2.5對于聚合物／層狀硅酸鹽PLS納米復(fù)合材料，其氣體阻隔性能比純聚合物得到了較大的加強(qiáng)。聚合物基體與蒙脫土片層的良好結(jié)合，并通過控制納米硅酸鹽片層的平面取向，聚合物／層狀硅酸鹽PLS納米復(fù)合材料有良好的尺寸穩(wěn)定性和很好的氣體（包括水蒸氣）阻隔性能，如尼龍6納米復(fù)合材料（含蒙脫土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%）的氧氣透過率與純的尼龍6相比降低了一半，水蒸氣的透過率降低了二分之一以上。正因?yàn)槿绱?，具有?yōu)異阻隔性能的聚合物／層狀硅酸鹽納米復(fù)合材料在食品，特別是啤酒罐裝、軟飲料類、肉類和奶酶制品的包裝材料市場上將有著非常巨大的潛力。2.6光電性能由于納米粒子具有許多光、電方面的奇異性能，因此可以用它來改進(jìn)聚合物的光電性能。當(dāng)納米級(jí)微粒摻和進(jìn)母嗣才料并且達(dá)到納米級(jí)分散，則這種母體就是透明的，可以散射紫外光（波長340nm）而不反射可見光（波長340~760nm），并且其吸收帶偏移至這紫外區(qū)域(波長200nm左右)。因此，有納米級(jí)分散的納米粒子涂料可用作優(yōu)良的罩光漆。它是透明的并且可以屏蔽紫外光，這就可以大大增加其保光、保色及抗衰老性能。將Ti02添加在轎車用金屬閃光漆中，不但能使在聚氯乙烯PVC中加人硅氧基納米微粉，由于納米粒子的小尺寸效應(yīng)，使納米粒子的微孔可以吸收紫外光，同時(shí)由于硅氧基化合物的特性，對紫外光可以全反射，因此避免了PVC吸收紫外光而產(chǎn)生降解，從而提高了它的耐老化性能。2.7加工性能由于有了納米微粒的加人，聚合物基納米復(fù)合材134有的甚至還會(huì)出現(xiàn)液晶，因而其注塑擠出和吹塑的加工性能更加優(yōu)良。尤其是對擠出級(jí)、注塑級(jí)納米超高相對分子質(zhì)量聚乙烯，解決了超高相對分子質(zhì)量聚乙烯加工方面的難題。2.8其他性能不僅如此，聚合物基納米復(fù)合材料還有其他優(yōu)異的性能，對于加工和工業(yè)應(yīng)用同樣有著很大意義。如它的膨脹系數(shù)比較低，密度一般為復(fù)合材料的65%~75%，具有較好的耐熱性，可以廣泛應(yīng)用于航空、汽車、家電、電子等行業(yè)作為新型高性能的工程塑料。3結(jié)束語優(yōu)越的性能使聚合物基納米復(fù)合材料的應(yīng)用前景誘人。現(xiàn)在已有不少的PNC出現(xiàn)在人們的生活當(dāng)中。可以預(yù)見，隨著納米材料應(yīng)用研究的深入開展，會(huì)有更多的聚合物基納米復(fù)合材料應(yīng)用于食品包裝、燃料罐、電子元器件、汽車和航空等領(lǐng)域，為人類的生活提供更多、性能更加優(yōu)異的功能化材料，使人類的生活質(zhì)量進(jìn)一步得到提高。參考文獻(xiàn)[1]唐建國，胡克鱉，劉海燕，等．聚合物基金屬復(fù)合材料研究進(jìn)展．離分子通報(bào)，1999,4(12):40-45[2〕嚴(yán)海標(biāo)，陳名華，鄙華興，等．聚合物／無機(jī)納米復(fù)合材料的制備及應(yīng)用．工程塑料應(yīng)用，1999,27(8):38,39[3]李強(qiáng)，趙竹第，歐玉春，等．尼龍6／蒙脫土納米復(fù)合材料的結(jié)晶行為．高分子學(xué)報(bào)，1997,5(2):188-193[4]AlexanderBMJefffeyWG,CatherynLl.Characteri肖。onofthedispersionofclayinapolyetherimidenanocom陽site.Macromolecur白，2001,34:2735[5]OkamotoM,MoridaS,KotakaT.Dispersedstructureandionicconductivityofsmecticclay/polymernanocomposites.Polymer,2001,42:2685[6]OkamotoM,MoridaS,而mYH,etal.Dispersedstruchurechangeofsmecticclay/poly(methylmethacrylate)nanocomposit四byc薩陽lymerisationwith陽larcon舊nom優(yōu)s.Polymer,2001,42,1201[7]HuG,CartierH.Reactiveextrusiontowardnanoblends.Macromolecules,1999,32:4713[8]ZhangB,Zl四哥Z乙HuC,etal.Controlledlivi鳴radicalpol歸田ization。fst歸田ninwaterdispersionsyst皿Chin四JofPolymer旬，2002[9]舒文藝?分子復(fù)合材料的研究開發(fā)現(xiàn)狀?塑料，1995,4(2):25口。JIlukiJ,CharoeusirisombconP,Ougiza?相T,etal.R田.ctiveblendi鳴ofpolyswtonewithpolyamide:apotentialfor田,Jv,田，t-freeP叫:iarationofblockcopol歸ner.Pol嚴(yán)n缸，1999,40:647口1]CharoensirisomboonP,InoueT,WeberMInterfacialbehaviorofblockcopolymersinsitu-formedinreactiveblendingofdissimilar歸lymers.Polymer,2001,41,4483口2]Ch缸o(hù)ensirisomboonP,InoueT,W陽T.Pull唱昌utofcopolymerinsitu-formedduringreactiveblending:effectofthecopolymerarchitecture.Polymer,2001,41:6907口3]PanL,ChibaT,InoueT.Reactiveblendingofpolymeramidewithpolyethylene:pull口自utofinsitu-fo口nedgraftcopol嚴(yán)ner.Polymer,2001,42:8825[14]PanL,InoueT,HayamiH,etal.Reactiveblendingofpol嚴(yán)nermidewith|陽lyethylene:pull-outofinsitu-formedgraftcopolymerandu'sapplicationforhigh-temperaturematerials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