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纳米塑料的性能和应用简介 |
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| 纳米塑料的性能和应用简介 |
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| 作者：佚名 文章来源：不详 点击数： |
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塑料本身有质量轻、韧性强、耐磨性好、耐酸碱等优良特性，但随着材料科学的发展和应用领域的开拓，塑料固有的性能已不能满足应用的需要。例如耐高温性能，尽管人们一直通过研究合成新的高分子材料单体和改变高分子结构来提高塑料的耐高温性能，但无纳纳米粒子的加入对这一性能的提高比前一种方法效果好得多，而且成低得多。有些塑料没有的性能甚至可以通过加入纳米材料而得到，像一些功能塑料。
一、强度和高耐热性
用插层技术制备纳米塑料可将无机物的刚性、尺寸稳定性和热稳定性与聚合物的韧性、可加工性完美地结合起来。含有少量（不超过10%，通常5%左右）粘土的纳米塑料与常规玻纤或矿物（30%）增强复合材料的刚性、强度、耐热性相当。但纳米塑料质量轻，具有高比强度、比模量而又不损失其冲击强度，能够有效降低制品的质量，方便运输。同时，由于纳米粒子小于可见光波长，纳米塑料具有高的光泽和良好的透明度以及耐老化性。这些优点是其他材料无法相比的，所以纳米塑一出现，立刻受到人们的青睐。
二、高阻透性
由于聚合物基体与粘土片层的平面取向作用，纳米塑料表现出良好的尺寸稳定性和良好的气体阻透性。纳米塑料搞阻隔性使其广泛用一坑级包装材料上，例如药品、化妆品、生物制品和精密仪器等等。
纳米塑料与未填兖的聚合物相比，其气液体的透过性显著下降，并随着蒙脱土含量的增加而迅速下降，阻隔性能显著上升。在聚酰亚胺-蒙脱土纳米塑料中，其气体渗透系数（包括水蒸气、氧气和氦气）显著下降，并随着蒙脱土含量的增加而下降。当蒙脱土质量含量仅为2%时，其渗透系数下降近一半；当用不同粘土来制备时，随着粘土片层长度的增加，材料的阻隔性能提高更显著。这是由于在纳米塑料中的聚合物基本中存在着分散的、大的尺寸比的硅酸盐层，这些层对于水分子和单体分子来说是不能透过的，迫使溶质要通过围绕硅酸盐粒子弯曲的路径才能通过薄膜，这样就提高了扩散的有机通道长度，达到阻隔性上升的目的。
三、高阻燃窒息性
有些纳米塑料还具有很高的自熄性、很低的热释放速率（相对聚合物本体而言）和较高抑烟性，是理想的阻燃材料，例如把聚已内酯-硅酸盐纳米塑料和未填充的聚已内酯放在火中3Os，取出后纳米塑料就停止燃烧，并保持它的完整性；与此相反，未填充的聚合物则继续燃烧直到样品被破坏为止。如纳米尼龙6，当粘土含量为5%时，其热释放速率的峰值（评价材料为灾安全性的关键因素）可以下降到50%以上。因此，国外有文献称这种纳米塑料制造技术是塑料阻燃技术的革命。
四、良好的热稳定性
硅酸盐的耐高温性用于纳米塑料使其耐热性和热稳定性明显提高。例如聚二甲基硅氧烷（PDMS）-粘土纳米塑料和未填充的聚合物相比，其分解温度大大提高，从400℃提高到500℃。由此可知，由于PDMS分解成易挥发的环状低聚物，但纳米材料的透过性很低，从而使挥发性分解物不易扩散出去，提高了塑料的热稳定性。在聚酰亚胺-蒙脱土体系中，热稳定性也大大提高。随着蒙脱土含量的增加，纳米塑料的热膨胀系数显著降低、蒙脱土含量仅4%时就下降近一半，热稳定性明显增加。
在纳米粘土尼龙（NCH）中，产物的热变形温度（HDT）提高了近1倍（NCH的为135~160℃，纯尼龙的为65℃）。此时粘土含量仅5%左右，随着粘土含量的增加，HDT也逐渐增加。用一步法合成NCH，产物的HDT进一步提高到160℃。
五、良好的导电性
硅酸盐纳米塑料也可用做聚合物电解质。对于聚环氧乙烷（PEO）电解质来说，在熔点温度以下，它的电导率下降很多（从10-5S·cm-1到10-8S·cm-1）。这种下降是由于PEO形成了晶体，从而阻止了离子的运动，而插层则可以阻止晶体的生长，因此可以提高电解质的电导率。此外，由于在纳米塑料中硅酸盐片层是不能移动的，因此纳米塑料的导电表现为单离子传导。从PEO/锂蒙脱土纳米塑料的平面离子电导率的Arrhenius曲线（聚合物质量占4%）可以看出，LiBF4/PEO电解质的电导率在熔化温度下降低了几个数量级。与此相反，在相同的温度范围内，温度对纳米塑料的电导率影响很小。电导率随温度降低只是稍有下降。
此外，在纳米塑料中的表面活化能（11.7N/m）和熔融聚合物电解质的类似。这表明，在纳米塑料中和在本体熔融的电解质中，Li+的活动性几乎相同；另外，熔融插层的纳米塑料的电导率比溶液插层的更高，而且各向异性明更明显。这可能是由于在熔融插层材料中，存在着过量的聚合物，从而提供了一条更容易的电导途径。
在PEO/Na蒙脱土体系，随着温度的升高，电导率上升，直至580K时达到最大值随后电导率又下降。这是由于在600K左右插层的聚合物分解的缘故，这和其热稳定性是一致的。在聚吡咯-荧光石体系中也有类似情况。
六、纳米塑料的各向异性
纳米塑料还具有各向异性的特点。例如在尼龙-层状硅酸盐纳米塑料中，热胀系数就是各向异性的：在注射成型时的流动方向的热胀系数为垂直方向的一半，而纯尼龙为各向同性。从透射电镜照片可以看出，1nm厚的蒙脱土片层分散在尼龙基体中，蒙脱土片层的方向与流动方向相一致，聚合物分子链也和流动方向相平行。因此，各向异性可能是蒙脱土向高分子链相向的结果。
在聚苯胺-蒙脱土体系中，经氯化氢蒸气和目不暇接后，材料的电导率大大上升，且为各向异性。σ平行=0.05S·cm-1，σ垂直=10-7S·cm-1（σ平行/σ垂直=105）。其原因为蒙脱土为绝缘体，分散在聚合物基体中并和平行方向一致。在垂直方向上由于蒙脱土的存在加长了导电离子的路径。在聚氧乙烯-蒙脱土体系中，其电导率也为各向异性，σ平行/σ垂直=103。在其他导电体系如聚吡咯-荧光石体系中也有类似情况发生。
七、纳米塑料的热力学原理及性能
目前对纳米塑料的研究还主要集中在合成与性能方面，关于热力学方面的研究极少有报道。Giannelis初步提出一个基于平均场的晶格热力学模型。首先，他提出了几点假设：1、各种组分的构象和相互作用是独立的；2、熵是聚合物和硅酸盐（包括层间的烷基铵离子）构象变化的总和；4、硅酸盐构象的变化可用修正的Flory-Huggins晶格模型来测定，在这个模型中，占据的晶格模拟烷基铵阳离子在不能穿透的硅酸盐片层之间的取向；5、插层聚合物链的约束，与用自治场法处理的、在两表面之间具有排斥体积的无规飞行聚合物相似；6、对于焓，应用一个修正的平均场。在这个方法中，每个晶格位置相互接触的数目被每个晶格位置相互作用面积所代替，允许相互作用参数用单位面积的能量来表示，并且可用界面或表面能近似表示。
Giannelis的研究表明；由于聚合物的限制，熵的损失（这通常阻止插层）必须由层的分离而获得补偿。如果熵的损失大于或等于熵的获得，则焓就决定插层是否发生。如果焓不能补偿熵的损失，就没有插层的发生，导致非分散或不相容杂化物。理想的聚合物应当具有极性或含有能和硅酸盐表面相互作用的官能团。聚合物和硅酸盐的作用越强，就会形成插层杂化物直至剥离型杂化物。
八、纳米塑料的加工性能
由于纳米塑料插层复合工艺是在传统工艺基础上的技术革新，不需要新的设备投资，工艺简单、操作方便、环境友好，特别适合聚合物的改性，容易实现工业化生产。纳米塑料可以制得以下各种材料。
1、纳米薄膜 纳米塑料薄膜主要用做功能性薄膜，如气体分离、信息-光学材料以及传感器等方面。这主要是因为纳米塑料薄膜有致密的微观结构，可抑制
分子的溶解扩散而增进薄膜的阻透性。中科院化学所开发的纳米尼龙6膜用切片，适用于吹塑和挤出制备热收缩肠衣、双向拉伸膜、单向拉伸膜及其复合膜。与普通尼龙薄膜相比，纳米尼龙6膜具有更良好的阻透性、力学性能和透明情，因而是更好的食品包装材料。
2、注塑制品 纳米塑所具有的高强度、高模量、高耐热性和低吸水率等特性，使其可用于电子通讯-、运输、机械以及生活用品等产业，满足这些产业对高功能性工程塑料的需求。例如，尼龙6具有良好的物理、力学性能，拉伸强度高、耐磨性优异、自润骨性良好、抗冲击韧性好，是五大工程塑料中应用最广的品种。但在较强外力和加热条件下使用，刚性和耐热性不佳，吸水率大，使制品的稳定性和电性能变差，在许多领域的应用受到限制。中科院化所所工程塑料国家重点实验室应用天然丰产的蒙脱土层状硅酸盐作为无机分散相，发明了一步法制备纳米尼龙6的专利。该法制备的纳米尼龙6与纯尼龙6相比具有更高的强度、模量，耐热性、阻透性能更好，并具有良好的加工性能。与普通的玻纤维增加和矿物增强尼龙6相比，具有相对密度耐磨性好，相同无机物含量条件下综合性能比前者高等优点；同时，纳米塑料还可进一步用于玻纤增加和普通矿物增加等改性尼龙。纳米尼龙具有优异的力学性能和高强耐热性能，应用领域广泛，可用于汽车的各个部件，如发动机、电器和车体等部位，还可用于办公用品、电子电器零部件、运动休闲用品等。纳米尼龙6是塑料行业理想的高附加值升级换代产品。
3、强力纤维 纳米塑料还可以用于做高强度、高韧性、高耐热性材料，例如，纳米尼龙6的纺丝器可取代通用尼龙丝，用做界胎帘子布、渔网渔绳纤维、汽车用纤维、帆布用纤维及球拍用纤维等，可以极大地提高产品的使用性能。
4、塑料母粒 将纳米塑料制成浓缩母粒推广作用，不仅能降低聚合物加工的掺配混炼成本，改善工作环境及原料仓储成本，并能带动新型聚合物添加剂浓缩母粒产业的发展。
5、混炼复配材料 多种纳米塑料混合，例如，纳米尼龙6与其他大品种塑料如PP、PE、PS、PPO、ABS或橡胶等复配混炼改性，可以有效提高复配塑料的强度、模量、热变形温度和冲击强度小，可以根据应用要求，通过改变配方和材料配伍得到不同的纳米塑料。
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