納米科技概論課件第八章一

納米科技概論課件第八章一所謂“納米塑料”是指無機(jī)填充物以納米尺寸分散在有機(jī)聚合物基體中形成的有機(jī)/無機(jī)納米復(fù)合材料。在復(fù)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(yīng)、大的比表面面積和強(qiáng)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。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(shù)新材料，具有極為廣闊的應(yīng)用前景和商業(yè)開發(fā)價(jià)值，“納米塑料”已成為納米技術(shù)最早實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)之一。一、納米塑料的制備方法層狀無機(jī)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(dòng)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(jí)，可容納單體和聚合物分子。

插層復(fù)合法就是采用層狀無機(jī)物作為主體，有機(jī)單體作為客體插入無機(jī)物夾層間進(jìn)行原位聚合或聚合物直接插進(jìn)夾層間形成復(fù)合物。1、插層復(fù)合法一、納米塑料的制備方法1、插層復(fù)合法

溶膠-凝膠技術(shù)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(jìn)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

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(fù)雜，主要有如下幾種結(jié)構(gòu)形式：一、納米塑料的制備方法3、直接分散法該技術(shù)是制備納米復(fù)合材料最簡單的技術(shù)，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(tuán)聚，共混前要對(duì)納米粒子表面進(jìn)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(jī)械化學(xué)改性等。

3、直接分散法該技術(shù)是制備納米復(fù)合材料最簡單的技術(shù)，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(jī)械共混等。共混技術(shù)將納米粒子與材料的合成分步進(jìn)行，可控制粒子形態(tài)、尺寸。

3、直接分散法該技術(shù)是制備納米復(fù)合材料最簡單的技術(shù)，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(diǎn)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(guān)鍵。在共混時(shí)，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(yīng)采用超聲波輔助分散，方可達(dá)到均勻分散之目的。4、原位分散聚合技術(shù)先使納米粒子在單體中均勻分散，然后進(jìn)行聚合反應(yīng)。一、納米塑料的制備方法該法同共混法一樣，要對(duì)納米粒子進(jìn)行表面處理，但其效果要強(qiáng)于共混法。該方法既可實(shí)現(xiàn)粒子均勻分散，同時(shí)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。

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

二、納米塑料的性能二、納米塑料的性能1、高強(qiáng)度和高耐熱性利用插層復(fù)合技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)有機(jī)物基體與無機(jī)物分散相在納米尺度上的復(fù)合，所得的納米塑料能夠?qū)o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、可加工性及介電性完美地結(jié)合起來。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(duì)聚合物本體而言）和較高抑煙性，是理想的阻燃材料。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(dāng)粘土含量為5%時(shí)，其熱釋放速率的峰值（評(píng)價(jià)材料火災(zāi)安全性的關(guān)鍵因素）可以下降50%以上。在一些實(shí)驗(yàn)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。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(duì)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。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。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(shí)的粘土含量僅為5%左右，隨著粘土含量的增加，HDT還會(huì)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。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(duì)于聚環(huán)氧乙烷（PEO）電解質(zhì)來說，在熔點(diǎn)溫度以下，它的電導(dǎo)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(yùn)動(dòng)，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(dǎo)率。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(shí)現(xiàn)的。利用納米技術(shù)在塑料中添加少量的納米無機(jī)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(jī)抗菌劑顆粒數(shù)增多，比表面積加大，而無機(jī)抗菌劑是接觸式殺菌，因而增加了與細(xì)菌的接觸面積，從而提高了抗菌效果。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(shí)現(xiàn)的。利用納米技術(shù)在塑料中添加少量的納米無機(jī)抗菌劑即可制得高效的抗菌塑料。同時(shí)，由于抗菌劑的粒徑超細(xì)，依靠庫侖引力可穿透細(xì)菌的細(xì)胞壁（大腸桿菌大約為600nm）進(jìn)入細(xì)胞體內(nèi)，破壞細(xì)胞合成酶的活性，細(xì)胞喪失分裂增殖能力而死亡。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(shí)現(xiàn)的。利用納米技術(shù)在塑料中添加少量的納米無機(jī)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(jī)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(shè)備的外用的塑料制件等。二、納米塑料的性能7、納米塑料的各向異性特點(diǎn)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(shí)的流動(dòng)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。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(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，在五大工程塑料中應(yīng)用最廣。但是，普通PA6的吸水率高，在較強(qiáng)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(yīng)用領(lǐng)域受到限制。三、典型納米塑料1、尼龍6納米塑料自從20世紀(jì)80年代中期日本學(xué)者臼杵有光首次報(bào)道采用插層原位聚合法制備高強(qiáng)耐熱的納米粘土/尼龍6以來，國內(nèi)外相關(guān)科研人員對(duì)其進(jìn)行了大量的研究工作。中國科學(xué)院化學(xué)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(jìn)展。三、典型納米塑料1、尼龍6納米塑料中國科學(xué)院化學(xué)研究所工程塑料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室用天然豐產(chǎn)的蒙脫土層狀硅酸鹽作為無機(jī)分散相制備PA6納米塑料（NPA6），該復(fù)合材料與純PA6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、阻隔性能好等優(yōu)點(diǎn)，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納米塑料由于該實(shí)驗(yàn)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(jià)格比，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛?？捎糜谥圃炱嚵悴考?，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納米塑料聚對(duì)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(yīng)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(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。三、典型納米塑料2、PET納米塑料中國科學(xué)院化學(xué)研究所的研究表明，當(dāng)無機(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)合材料NPET。三、典型納米塑料2、PET納米塑料這種材料將無機(jī)材料的剛性、耐熱性與PET的韌性、易加工性圓滿地結(jié)合起來，使得材料的力學(xué)性能、熱性能得到了提高，對(duì)氣體、水蒸氣的阻隔性也有很大的改善。納米PET的結(jié)晶速率有很大程度的提高，因而成型