1聚合物-層狀硅酸鹽納米復(fù)合材料

聚合物-層狀硅酸鹽納米復(fù)合材料趙曉敏2011.4.2主要內(nèi)容1.聚合物-無機(jī)納米復(fù)合材料概述2.層狀硅酸鹽粘土材料3.聚合物-層狀硅酸鹽（PLS）納米復(fù)合材料PLS納米復(fù)合材料應(yīng)用前景展望參考文獻(xiàn)第一節(jié)

聚合物-無機(jī)納米復(fù)合材料概述

1.1基本概念

聚合物-無機(jī)納米復(fù)合材料兼具有有機(jī)材料的可加工性，以及無機(jī)材料的功能性和結(jié)構(gòu)特性，成為現(xiàn)今世界的熱點(diǎn)。1.2分類可以將聚合物-無機(jī)納米復(fù)合材料按照分散相的形態(tài)分為：一維納米復(fù)合材料（如納米線）二維納米復(fù)合材料（如層狀硅酸鹽）三維納米復(fù)合材料（如各種粉體）

也可以按照分散后，有機(jī)聚合物-納米粒子復(fù)合材料的相形態(tài)來分類：完全均相體系，是H-H復(fù)合（Homogeneous）；兩相完全分離或多相分離體系，是S-S復(fù)合?？梢园凑諆r(jià)鍵類型分為：共價(jià)型聚合物-無機(jī)納米復(fù)合材料通常采用sol-gel法制備。有機(jī)-無機(jī)兩相可達(dá)到分子級分散水平，具有優(yōu)異性能。如環(huán)硅氧烷/SiO2（TiO2）具有很好的透光度和透明性，適于制造隱形眼鏡；又如聚苯胺/SiO2具有良好的導(dǎo)電性。配位型聚合物-無機(jī)納米復(fù)合材料通常采用溶劑聚合法制備。具有多功能性，且解決了無機(jī)物加工困難的問題?？杀憩F(xiàn)出納米材料的尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)和隧道效應(yīng)，以及一系列物理非線性特征。是功能復(fù)合材料領(lǐng)域中具有競爭力的新材料。離子型聚合物-無機(jī)納米復(fù)合材料這種復(fù)合材料通過對無機(jī)層狀物進(jìn)行插層的方法來制備。這種材料目前發(fā)展很快，其中無機(jī)層狀材料一般采用蒙脫土，其中尼龍/蒙脫土材料已經(jīng)達(dá)到實(shí)用化階段，用它制膜可以用作高檔包裝材料，比普通尼龍膜的性能有很大改善。其它無機(jī)層狀材料還有過渡金屬氧化物、過渡金屬二硫化物、磷酸鹽、層狀氫氧化物、石墨等。1.3聚合物-無機(jī)納米復(fù)合材料的

優(yōu)缺點(diǎn)表中將納米復(fù)合材料的性能分為機(jī)械、熱性能，功能性，成型性及其他性能等。從表中可以看出，通過納米復(fù)合化，機(jī)械與熱性能明顯提高，但沖擊強(qiáng)度也略有下降。在納米復(fù)合產(chǎn)生功能性的報(bào)道中，也有關(guān)于阻燃性和耐候性都提高的數(shù)據(jù)，但也有阻燃性幾乎不變甚至降低的報(bào)道。1.4聚合物-無機(jī)納米復(fù)合材料

存在的問題雖然目前聚合物-無機(jī)納米復(fù)合材料已經(jīng)得到了很大的發(fā)展，但是仍然曾在很多問題：（1）無機(jī)相分布不規(guī)則所得到的納米復(fù)合材料中，無機(jī)相幾乎全部是“無序分布”的，用納米粉體與聚合物混合，得不到真正意義的納米復(fù)合材料有序組裝；（2）無機(jī)相形態(tài)難控制難以達(dá)到精確地調(diào)控粉末組成與化學(xué)計(jì)量比，難以調(diào)控粒度與形態(tài)，難以制備成分準(zhǔn)確、粒度均勻的高質(zhì)量超微粉，特別是難以收集與存放納米粉體；（3）存在界面問題在納米粒子的表面改性時(shí)，要涉及到幾個(gè)原子層界面與性質(zhì)的控制，與有機(jī)相間的有效結(jié)合還需進(jìn)一步探索；（4）分散方法需改進(jìn)納米粒子在聚合物中的分散方法還有待進(jìn)一步的探索和研究，目前只在為數(shù)不多的聚合物體系中成功地制備出納米復(fù)合材料。第二節(jié)

層狀硅酸鹽粘土材料

2.1無機(jī)納米前軀體無機(jī)納米前軀體層狀化合物層狀硅酸鹽粘土金屬粉體無機(jī)氧化物2.2層狀硅酸鹽粘土層狀硅酸鹽粘土由于具有獨(dú)特的、天然的納米結(jié)構(gòu)——片層尺度為納米級，因此，在制備納米復(fù)合材料中，尤其是制備聚合物納米復(fù)合材料中，起到了非常重要的作用。層狀硅酸鹽粘土主要包括：天然的鋁硅酸鹽，如高嶺土、蒙脫石、伊利石、海泡石、凹凸棒石、綠泥石，以及人工合成的層狀硅酸鹽等。其共同點(diǎn)是具有層狀結(jié)構(gòu)。2.3蒙脫土（MMT）蒙脫土又稱膨潤土（Bentonite），簡稱MMT，是成分復(fù)雜的伴生礦物。根據(jù)其礦石的礦物組合及其結(jié)構(gòu)構(gòu)造，劃分成為黏土狀、粉砂狀、砂狀、角礫狀等類型。蒙脫土、蒙脫石蒙脫土的化學(xué)通式為蒙脫土的主要成分是一種含水的層狀鋁硅酸鹽。晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是兩層硅氧四面體晶片與其間的鋁氧八面體晶片相結(jié)合形成晶層，構(gòu)成2:1型結(jié)構(gòu)。層間具有水分子和可交換性陽離子。八面體空隙中的陽離子為Al3+，為二八面體型，其中Al3+常被低價(jià)的Mg2+、Fe2+置換；四面體空隙中的Si4+被Al3+置換，這些置換導(dǎo)致結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生多余的負(fù)電價(jià)。蒙脫土晶體結(jié)構(gòu)圖為保持電中性，在結(jié)構(gòu)層之間，除水分子外，存在較大半徑的陽離子Na+、Ca2+、Mg2+等。這些陽離子是可交換的，使蒙脫土礦物具有離子交換性、吸水性、膨脹性、觸變性、粘結(jié)性、吸附性等一系列很有價(jià)值的特性第三節(jié)

聚合物-層狀硅酸鹽（PLS）

納米復(fù)合材料3.1PLS納米復(fù)合材料研究現(xiàn)狀自從20世紀(jì)80年代末期Okada等人報(bào)道了PA6/層狀硅酸鹽納米復(fù)合材料以來，迄今這一領(lǐng)域已經(jīng)得到了長足的發(fā)展，成為了目前聚合物材料研究領(lǐng)域一個(gè)熱點(diǎn)。到目前為止，在這一領(lǐng)域的科學(xué)研究較集中的研究單位有豐田研究中心（TOYOTAResearchCenter）、美國康奈爾大學(xué)（CornellUniversity）以及中國科學(xué)院化學(xué)研究所等國內(nèi)外研究單位。PLS納米復(fù)合材料的商業(yè)化產(chǎn)品開發(fā)方面，有日本的豐田公司（TOYOTA），宇部公司（Unitsika）,美國的南方粘土公司（SouthernClay），Nanocor公司及中國北京的聯(lián)科（NewNano）納米材料公司等。PLS納米復(fù)合材料研究最多的是聚酰胺/MMT納米復(fù)合材料。Usuki等[1]首先報(bào)道了“兩步法”制備PA-6/MMT納米復(fù)合材料，即先用碳鏈長度為12~18的烷基氨基酸作插層劑對鈉蒙脫土進(jìn)行陽離子交換，然后將陽離子交換后的蒙脫土與ε-己內(nèi)酰胺混合，在常規(guī)條件下聚合得到產(chǎn)品。聚合過程中，蒙脫土的平均粒徑由原來的50μm剝離為40nm，均勻地分散于PA-6基體中。李強(qiáng)[5]報(bào)道了在此基礎(chǔ)上改進(jìn)后的“一步法”制備PA6/粘土納米復(fù)合材料。在這種技術(shù)中，陽離子交換、己內(nèi)酰胺單體插層到蒙脫土的片層之間及引發(fā)聚合并形成PA-6/粘土納米復(fù)合材料均在同一體系中完成。“一步法”縮短了工藝流程，降低了生產(chǎn)成本。Usuki等人[1~3]對有機(jī)插層劑對于插層復(fù)合的影響進(jìn)行了深入研究，結(jié)果表明，在大多數(shù)聚合物基體中，層狀硅酸鹽片層間距可以從1nm擴(kuò)大到3nm以上，材料熱穩(wěn)定性及尺寸穩(wěn)定性也均有顯著提高。Moet等人[22]以乙腈為液體介質(zhì)，制備了聚苯乙烯/層狀硅酸鹽納米復(fù)合材料，結(jié)果表明每克蒙脫土上以化學(xué)鍵的方式接枝了1.11g聚苯乙烯，層狀硅酸鹽片層間距擴(kuò)大到了2.45nm。該研究組還以胺基封端的丁二烯-丙烯腈共聚物制備橡膠/層狀硅酸鹽納米復(fù)合材料，層間距擴(kuò)大到1.52nm。陳光明等人利用乳液和本體聚合方法，制備了剝離型聚苯乙烯/粘土納米復(fù)合材料。美國Cornell大學(xué)的Vaia等[23~25]通過聚合物熔體插層制備了聚苯乙烯/層狀硅酸鹽等PLS納米復(fù)合材料，該法與原位聚合法比，有工藝簡單，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。3.2PLS納米復(fù)合材料插層劑選擇3.2.1插層劑

為維持層狀硅酸鹽礦物的電中性，在片層表面往往吸附著金屬陽離子（Na+，K+，Ca2+，Mg2+等），這些金屬陽離子被很弱的電場作用力吸附在片層表面，因此很容易被無機(jī)金屬離子[7~9]、有機(jī)陽離子型表面活性劑[9~11]和陽離子染料[9,12,13]交換出來，這些離子交換劑統(tǒng)稱為插層劑。3.2.2插層劑作用利用離子交換的原理進(jìn)入蒙脫土片層之間，擴(kuò)張其片層間距、改善層間的微環(huán)境，使蒙脫土的內(nèi)外表面由親水性轉(zhuǎn)化為疏水性、增強(qiáng)蒙脫土片層與聚合物分子鏈之間的親和性、并且還能降低硅酸鹽材料的表面能，使得聚合物的單體或分子鏈更容易插入蒙脫土的片層之間形成PLS納米復(fù)合材料。3.2.3插層劑的選擇（1）容易進(jìn)入層狀硅酸鹽晶片（001面）間的納米空間，并能顯著增大粘土晶片間片層間距。（2）插層劑分子應(yīng)與聚合物單體或高分子鏈具有較強(qiáng)的物理或化學(xué)作用，以利于單體或聚合物插層反應(yīng)的進(jìn)行，并且可以增強(qiáng)粘土片層與聚合物兩相間的界面粘結(jié)，有助于提高復(fù)合材料的性能。從分子設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)來看，插層劑有機(jī)陽離子的分子結(jié)構(gòu)應(yīng)與單體及其聚合物相容或具有可參與聚合的基團(tuán)，這樣聚合物基體能夠通過離子鍵同硅酸鹽片層相連接，大大提高聚合物與層狀硅酸鹽間的界面相互作用。（3）價(jià)廉易得，最好是現(xiàn)有的工業(yè)品。目前常用的插層劑有烷基銨鹽、季銨鹽、吡啶類衍生物和其他陽離子型表面活性劑。3.3PLS納米復(fù)合材料制備3.3.1插層機(jī)理

前一節(jié)中，我們已經(jīng)介紹了插層劑是利用離子交換反應(yīng)進(jìn)入蒙脫土的片層之間的。該過程可以用下式來表示：這是一個(gè)簡單的可逆過程，當(dāng)使用陽離子Y+來交換蒙脫土片層之間的陽離子X+時(shí)，整個(gè)體系將很快達(dá)到平衡。實(shí)際處理時(shí)，為了充分地將片層間的陽離子交換出來，往往要使用過量的插層劑（Y+）以驅(qū)使反應(yīng)盡量的向右邊移動。離子交換的速度主要由粘土顆粒在溶劑中的擴(kuò)散速度和插層劑向蒙脫土片層表面擴(kuò)散并取代原有金屬離子的速度決定。H.VanOlphen[6]等人觀察了利用插層劑對蛭石重復(fù)片層結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理的過程，發(fā)現(xiàn)離子交換總是從片層的邊緣開始然后均勻地向中心擴(kuò)散，交換速率與浸潤時(shí)間的平方根呈線性關(guān)系，說明對層狀硅酸鹽的離子交換速率是由擴(kuò)散速率決定的。前面一節(jié)中已經(jīng)介紹了插層劑應(yīng)該具有的特點(diǎn)：不僅要容易進(jìn)入蒙脫土片層間的納米空間，還要能夠顯著地增加各片層之間的重復(fù)間距。因此插層劑往往帶有一個(gè)較長的烷基鏈，如烷基銨鹽等。利用烷基銨鹽插層劑處理蒙脫土原理示意圖插層劑擴(kuò)大層間距的原理：以烷基銨鹽為例，當(dāng)其頭部的銨離子通過離子交換作用進(jìn)入蒙脫土片層之間時(shí)，后面的烷基鏈隨之進(jìn)入同一納米空間。若蒙脫土片層之間的插層劑濃度較低，烷基鏈往往采用與蒙脫土片層表面平行的方向分布。隨著插層劑濃度的增加，蒙脫土片層之間的烷基鏈將由單層向雙層過渡，并逐漸采取與蒙脫土片層有一定角度的方向分布。由于插層劑烷基鏈這種空間形態(tài)和分布的變化，將迫使蒙脫土片層的重復(fù)間距從1nm左右擴(kuò)張到一個(gè)較大的距離。插層劑中烷基鏈的長度會對插層效果產(chǎn)生顯著的影響，烷基鏈越長，經(jīng)過處理后蒙脫土的片層間距也就越大。3.3.2PLS納米復(fù)合材料的制備插層復(fù)合法制備PLS納米復(fù)合材料的總流程示意圖

有機(jī)粘土的制備：以十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）為例，簡單介紹制備有機(jī)粘土的典型過程：在劇烈攪拌的狀態(tài)下，于80℃向5%的鈉-蒙脫土懸浮液中滴加相當(dāng)于1.5倍鈉-蒙脫土CEC的CATB的鹽酸混合液（CTAB與氯化氫的摩爾比是1:1）。1.5h后過濾取出蒙脫土，用溫水反復(fù)洗滌至無Br-離子，真空干燥至恒重，然后研磨至粒徑小于70μm的粉末。所得粉末就是利用CTAB處理所得的有機(jī)蒙脫土。CEC對于某一種給定的粘土，它們所能提供的陽離子交換能力是固定的，這種交換能力被稱為陽離子交換容量（CEC），定義為每100g粘土所能交換的陽離子數(shù)（等效為Na+）的總和。根據(jù)產(chǎn)地、純度以及生產(chǎn)工藝的不同，各種粘土的CEC數(shù)值有所差別，一般位于50~150meq/100g之間。對于制備PLS納米復(fù)合材料而言，一般可選用CEC數(shù)值在80~100meq/100g之間的粘土礦物。

插層復(fù)合法制備PLS納米復(fù)合材料得到有機(jī)粘土之后，接下來就可以制備PLS納米復(fù)合材料。制備PLS納米復(fù)合材料的方法統(tǒng)稱為插層復(fù)合法（Intercalationcompounding）。它是將單體或聚合物以液體、熔體或溶液的方式插入經(jīng)插層劑處理后的層狀硅酸鹽片層之間，進(jìn)而破壞硅酸鹽的片層結(jié)構(gòu)，使其剝離成厚度為1nm的基本單元，并均勻分散在聚合物基體中，以實(shí)現(xiàn)高分子與粘土在納米尺度上的復(fù)合。插層復(fù)合法可分為兩類：插層復(fù)合法分類示意圖（1）插層聚合法（IntercalativePolymerization）即先將聚合物單體分散、插層進(jìn)入層狀硅酸鹽片層中，然后引發(fā)原位聚合，利用聚合時(shí)放出的大量熱量，克服硅酸鹽片層之間的庫倫力，從而使硅酸鹽片層以納米尺度與聚合物基體復(fù)合。（2）聚合物插層（PolymerIntercalation）即將聚合物熔體或溶液與層狀硅酸鹽混合，利用化學(xué)或熱力學(xué)作用使層狀硅酸鹽剝離成納米尺度的片層并均勻分散在聚合物基體中。聚合物溶液插層聚合物大分子鏈在溶液中借助于溶劑而插層進(jìn)入硅酸鹽片層間，然后再揮發(fā)除去溶劑。這種方法需要合適的溶劑來同時(shí)溶解聚合物和分散粘土。聚合物熔融插層是聚合物在高于其軟化溫度下加熱，在靜態(tài)條件或剪切力的作用下直接插層進(jìn)入蒙脫土的硅酸鹽片層間，具有工藝簡單、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，但是對插層劑的選擇和處理工藝有較高的要求。插層聚合制備PLS納米復(fù)合材料示意圖溶液插層制備PLS納米復(fù)合材料示意圖熔融插層制備PLS納米復(fù)合材料示意圖3.3.3PLS納米復(fù)合材料種類平板：硅酸鹽晶片

曲線：高分子鏈在插層型PLS納米復(fù)合材料中，聚合物插層進(jìn)入硅酸鹽片層間，蒙脫土的片層間距雖有所擴(kuò)大，但片層仍保留近程層狀有序結(jié)構(gòu)。剝離型納米復(fù)合材料中，無機(jī)片層被聚合物打亂，有序結(jié)構(gòu)被破壞，無歸分散在聚合物基體中。兩者在性能上有很大差異。由于高分子鏈輸運(yùn)特性在層間受限空間與層外自由空間有很大的差異，因此插層型PLS納米復(fù)合材料可作為各向異性的功能材料，而剝離型PLS納米復(fù)合材料具有很強(qiáng)的增強(qiáng)效應(yīng)，是理想的強(qiáng)韌型材料。3.4PLS納米復(fù)合材料的表征3.4.1廣角X射線衍射（WAXD）通過廣角X射線衍射可以初步推測PLS納米復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)類型。對文獻(xiàn)中各種PLS納米復(fù)合材料的WAXD譜圖進(jìn)行總結(jié)后得到的具有不同微觀結(jié)構(gòu)的PLS納米復(fù)合材料的譜圖特點(diǎn)如下圖所示：各種PLS納米復(fù)合材料的WAXD譜圖的特點(diǎn)[14]在不相容的微米級聚合物/蒙脫土復(fù)合材料中，由于蒙脫土未被聚合物插層，仍以大團(tuán)聚體的形式存在于聚合物基體中，因此其WAXD譜圖仍然存在明顯的蒙脫土（001）面的特征衍射峰，且衍射峰出現(xiàn)的位置與無機(jī)蒙脫土的WAXD譜圖完全一致。在插層型的PLS納米復(fù)合材料中，假如體系為有序插層型結(jié)構(gòu)，會出現(xiàn)多個(gè)對應(yīng)于蒙脫土（001）晶面的特征衍射峰，不同的衍射峰分別對應(yīng)于聚合物分子進(jìn)入蒙脫土層間后導(dǎo)致的層間距不同程度的擴(kuò)大；無序插層型結(jié)構(gòu)體系的WAXD譜圖上一般只出現(xiàn)一個(gè)特征衍射峰，峰值出現(xiàn)的位置由于蒙脫土層間距的擴(kuò)大會向小角方向偏移，且由于復(fù)合體系內(nèi)蒙脫土層間距的不均勻性而導(dǎo)致此衍射峰強(qiáng)度減弱，表現(xiàn)為較寬的衍射峰。剝離型PLS納米復(fù)合材料在WAXD譜圖上不表現(xiàn)出蒙脫土的特征衍射峰，在相應(yīng)的衍射角度范圍內(nèi)復(fù)合材料的衍射曲線為一條平坦的曲線。3.4.2透射電鏡觀察透射電鏡（TEM）是觀察PLS納米復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)的重要手段。因?yàn)樵嚇釉诩庸み^程中受到雙螺桿的強(qiáng)烈剪切作用，蒙脫土片層發(fā)生了明顯的取向，大部分沿著外加剪切應(yīng)力的方向有規(guī)則排列。完全剝離的環(huán)氧/蒙脫土PLS納米復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)蒙脫土被充分地剝離，并無序的分散在環(huán)氧基體中。3.5PLS納米復(fù)合材料

物理力學(xué)性能

作為結(jié)構(gòu)材料使用時(shí)，PLS納米復(fù)合材料的力學(xué)性能與常規(guī)聚合物基復(fù)合材料相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）比傳統(tǒng)的聚合填充體系質(zhì)量輕，只需很少質(zhì)量分?jǐn)?shù)的無機(jī)硅酸鹽，即可同時(shí)具有高強(qiáng)度、強(qiáng)韌性以及良好的氣液阻隔性能。而常規(guī)纖維、礦物填充的復(fù)合材料則需要高得多的填充量，且各項(xiàng)性能指標(biāo)往往不能兼顧；（2）PLS納米復(fù)合材料具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性及尺寸穩(wěn)定性；(3)力學(xué)性能有望優(yōu)于纖維增強(qiáng)聚合物體系，因?yàn)閷訝罟杷猁}可以在二維方向上起到增強(qiáng)作用，無需特殊的層壓處理;(4)PLS納米復(fù)合材料膜由于硅酸鹽片層平面取向，因此有優(yōu)異的阻隔性能，有可能部分取代聚合物金屬箔多層復(fù)合，并且容易回收，屬于環(huán)境友好材料。表中列出的為中科院化學(xué)所制備的蒙脫土含量僅為5%的尼龍6/蒙脫土納米復(fù)合材料（nc-PA6）與普通PA6的力學(xué)性能比較[5,15,16]。拉伸強(qiáng)度及模量都有較大的提高，熱變形溫度改善極為明顯，幾乎提高了一倍以上，達(dá)到了150℃。3.5.1力學(xué)性能3.5.2氣液阻隔性能PLS納米復(fù)合材料在提高力學(xué)性能和耐熱性能的同時(shí)，還使材料的氣體和液體阻隔性能得到了明顯的改善[4]：僅加入2%（質(zhì)量）的蒙脫土就使聚酰亞胺/蒙脫土納米復(fù)合材料的水蒸氣滲透系數(shù)低于聚酰亞胺的一半；僅含4.8%（體積）硅酸鹽的聚（ε–己內(nèi)酯）/層狀硅酸鹽納米復(fù)合材料的滲透能力比純聚（ε–己內(nèi)酯）降低了一個(gè)數(shù)量級。PLS納米復(fù)合材料之所以具備優(yōu)良的氣液阻隔性能，主要是因?yàn)榫哂休^大徑厚比的硅酸鹽片層均勻地分散在聚合物基體中，使得氣體或液體小分子在聚合物基體中的擴(kuò)散運(yùn)動必須繞過這些片層，因此增加了氣體、液體分子在聚合物基體中擴(kuò)散的有效路徑，提高了聚合物材料對氣體和液體的阻隔性能。A：未填充層狀硅酸鹽的普通薄膜B：添加層狀硅酸鹽后的PLS納米復(fù)合材料薄膜---：氣體或液體滲透路線在A材料中，整個(gè)材料體內(nèi)是由聚合物分子鏈所形成的均相體系，氣體或液體的小分子很容易經(jīng)由聚合物分子鏈之間的自由空間穿越整個(gè)材料，從一側(cè)滲透到另一側(cè)，因此純的聚合物薄膜對氣體和液體的阻隔性能往往不佳。B材料中，由于添加了具有較大徑厚比的層狀硅酸鹽填料，層狀硅酸鹽的片層以納米尺度均勻的分散在聚合物基體之中，所以當(dāng)氣體或液體小分子穿越同樣厚度的薄膜時(shí)，必須繞過這些片狀無機(jī)相，路徑被加長了。PLS薄膜中氣液小分子穿越薄膜的路徑長度估算公式：d：薄膜厚度L：層狀硅酸鹽片層寬度W：層狀硅酸鹽片層厚度Vf：PLS納米復(fù)合材料薄膜中層狀硅酸鹽的體積分?jǐn)?shù)3.5.3耐溶劑性能由于聚合物在溶劑中的溶脹、溶解也是通過溶劑小分子逐漸滲透到分子鏈之間，增加其自由體積并最終破壞分子鏈之間的聯(lián)系來實(shí)現(xiàn)的。因此，PLS納米復(fù)合材料同樣可以提高聚合物基復(fù)合材料的耐溶劑性能。其原因同樣是因?yàn)橛袑訝罟杷猁}片層的存在，可以有效地阻止溶劑分子向材料內(nèi)部滲透。3.5.4阻燃性能J.W.Gilman等人[17]發(fā)現(xiàn)：PA6/層狀硅酸鹽納米復(fù)合材料在燃燒時(shí)的最大放熱速率與普通PA6相比下降了63%。J.Massam等人[18]進(jìn)行的研究表明，將環(huán)氧/層狀硅酸鹽納米復(fù)合材料放置在1000℃的環(huán)境中燃燒2h后，仍然能夠清楚地辨認(rèn)出試樣的初始形狀，而不是像其他聚合物材料一樣完全被燃燒殆盡而無從辨認(rèn)。PLS納米復(fù)合材料具備阻燃性能的主要原因：首先層狀硅酸鹽片層可以在聚合物內(nèi)部起到阻隔作用，減緩和阻礙在燃燒過程中聚合物分子鏈降解所產(chǎn)生的可燃性小分子向燃燒界面遷移，同時(shí)也減緩?fù)饨缪鯕庀虿牧蟽?nèi)部滲透，使得在燃燒界面上的氧化反應(yīng)難以充分進(jìn)行，從而起到阻止燃燒的作用。這一作用的結(jié)果使材料的燃燒無法充分完成，最大放熱速率也隨之降低。其次是因?yàn)閷訝罟杷猁}填充材料是以納米尺度分散在聚合物基體之中，因此在極少的填充量下就可以及其均勻地分散在整個(gè)聚合物基體之中。層狀硅酸鹽各片層之間的納米空間對插入其中的聚合物分子鏈有強(qiáng)烈的限制作用，假如兩條或多條分子鏈同時(shí)穿過某一個(gè)層狀硅酸鹽的層間空間，那么它對聚合物基體還有明顯的物理交聯(lián)作用。這些作用使得PLS納米復(fù)合材料在燃燒中可以有效地保持其初始形狀，提高整個(gè)材料的阻燃性能。綜上所述，由于是層狀硅酸鹽對聚合物分子鏈的限制作用和物理交聯(lián)作用使PLS納米復(fù)合材料在燃燒過程中具備了良好的形狀保持功能。因此在PLS納米復(fù)合材料的兩大類型中，理論上插層型PLS納米復(fù)合材料比剝離型PLS納米復(fù)合材料具備更好的形狀保持功能和阻燃性能。J.Less等人[19]的研究工作證實(shí)了這一點(diǎn)。3.5.5光學(xué)性能傳統(tǒng)的聚合物基復(fù)合材料大都是不透明的，這是因?yàn)樵谄渲兴砑拥奶畛漕w粒或纖維尺寸較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于可見光波的波長?？梢姽鉄o法經(jīng)過聚合物-填充材料的界面而繼續(xù)沿直線傳播[20]。PLS納米復(fù)合材料中，由于層狀硅酸鹽是以納米尺度分散在聚合物基體之中，其長度和寬度方向的尺寸與可見光波長相近，而厚度方向則遠(yuǎn)小于可見光的波長，因而可見光波在傳輸過程中很容易繞過這些有層狀硅酸鹽片層所組成的無機(jī)相。對于透明的聚合物基體來說，引入層狀硅酸鹽所制備的PLS納米復(fù)合材料往往不會影響其透明度，有時(shí)反而會在一定程度上增加其透明度，例如PA6/層狀硅酸鹽納米薄膜，其透明度就優(yōu)于純PA6薄膜。Z.Wang[21]等人制備的聚亞胺酯/層狀硅酸鹽納米復(fù)合材料也具有很高的透明度，其透明度與純聚合物相比也有所提高。但是在PLS納米復(fù)合材料中，有的也會出現(xiàn)材料透明度下降的現(xiàn)象。第四節(jié)

PLS納米復(fù)合材料應(yīng)用前景展望由于PLS納米復(fù)合材料具備優(yōu)良的性能、比常規(guī)填充復(fù)合物輕得多的質(zhì)量和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，使得這種新型的納米復(fù)合材料具有嶄新的應(yīng)用前景。PLS具有高耐熱性、高強(qiáng)度、