纳米塑料是无机纳米粒子以纳米级尺寸（一般为1-100nm）均匀分散在塑料母体树脂中形成的复合材料，也被称为聚合物基纳米复合材料。由于纳米粒子尺寸小和彼此间距离非常近，具有独特的量子尺寸效应、表面效应、界面效应、体积效应、宏观显示隧道效应、小尺寸效应和超塑性，使纳米塑料具有独特的物理力学性能，已成为复合材料发展的最前端产品之一。

      何谓纳米？

      “纳米”是法定计量中的一种长度单位元名称，其单位符号为nm。1纳米等于10亿分之一米，相当于10个氢原子相挨排成直线的长度。一克普通的纳米材料，如果将外表铺展开来，可以达到640平方米。

      纳米技术是指在纳米尺寸范围内，通过直接操纵和安排原子、分子来创造物质。纳米结构通常是指尺寸在100nm以下的微小结构。

      当材料的粒径为0.1-100nm时，统称为纳米材料。纳米材料按颗粒尺寸的大小可划分为3个等级：粒径为10-100nm称为纳米级；粒径处于2-10nm范围的称为分子级；粒径小于2nm的称为原子级。

      科学家发现，当物质(材料)结构单元(如晶粒或孔隙)小到纳米量级时，物质(材料)的性能发生了重大变化，不仅大大改善了原有材料的性能，甚至具有新的性能或效应。由于纳米颗粒的小尺寸效应、表面效应、宏观量子遂道效应，使其具有常规材料所没有的特殊性能。

      纳米粒子/塑料复合材料

      常用的无机纳米粒子包括硅酸盐、碳酸钙、SiO2、TiO2、SiC、Al2O3、云母、绢英粉等，根据母体树脂不同，纳米复合材料可分类为：纳米尼龙、纳米聚烯烃、纳米聚酯、纳米聚甲醛等，世界最早的纳米塑料工业化应用，是1991年日本丰田中央研究所和尼龙树脂厂宇部兴产（UBE）公司共同开发的做汽车定时器罩用纳米尼龙6。它拉开了纳米塑料全球化快速发展的序幕，最近几年，各国都竞相投入资金和人力，加大了开发力度和产业化步伐。

      与原来母体树脂相比，纳米塑料提高了材料的力学性能和热性能，弯曲模量（刚性）可提高1.5-2倍，摩擦和耐磨损性及耐热性也得到提高，热变形温度可上升几十度，热膨胀系数则下降为原来的一半。其次，纳米塑料赋予材料更多、更高的功能性，使材料具有阻隔性、阻燃性，并可改进材料的透明性、颜料?色性、导电性和磁性能等，提高材料的阻燃等级，如使材料对二氧化碳、氧的透过率降为原来1/2-1/5。因此，人们往往称这种改性材料为功能性纳米塑料。另外，还能提高材料的尺寸稳定性。

      纳米塑料的无机纳米粒子加入量小，一般为2-5%，仅为通常无机填料改性时加入量的1/10左右，因而塑料密度几乎不变或增加很小，不会因密度增加过多而增加下游塑料加工厂的成本，也没有因填料过多导致其它性能下降的弊病。由于纳米粒子尺寸小，因此成型加工和回收时几乎不发生断裂破损，具有良好的可回收性，而材料能否回收再利用、是否有利于环境已成为许多工业选材时考虑的重要原则之一。纳米塑料的缺点是与通常无机填料一样，使塑料的焊接强度有所下降，有些纳米塑料如纳米尼龙的韧性（冲击强度）有所下降，但纳米聚烯烃的韧性却有所提高。

      由于纳米塑料对材料的改性不是通过制备新结构塑料完成的，因此，利用现有设备或稍加改造便可进行生产，设备投入资金少，这两点是推动和加快纳米塑料商业化的有利因素。

      纳米塑料制法

      纳米塑料制法主要归纳为四大类：插层复合法、原位复合法、分子复合法和超微粒子直接分散法。

      插层复合法是目前制备纳米塑料的主要方法。首先将单体或聚合物插入经插层剂处理后的层状硅酸盐（如蒙脱土，俗称粘土）之间，进而破坏片层硅酸盐紧密有序的堆积结构，使其剥离成厚度为1nm左右，长、宽为30-100nm的层状基本单元，并均匀分散于塑料基体树脂中，实现塑料高分子与层状硅酸盐片层在纳米尺度上的复合。插层复合法又可分为两大类：

      1-插层聚合法：先将聚合物单体分散、插层进入层状硅酸盐片层中，然后原位聚合，利用聚合时放出大量的热，克服硅酸盐片层间的作用力并使其剥离，从而使硅酸盐片层与塑料基体以纳米尺度复合。

      2-聚合物插层法：将聚合物熔体或溶液与层状硅酸盐混合，利用化学和热力学作用使层状硅酸盐剥离成纳米尺度的片层，并均匀地分散于聚合物基体中。该法的优点是易于实现无机纳米材料以纳米尺寸均匀地分散到塑料基体树脂中。

      原位复合法包括原位聚合法和原位形成填料法。将纳米粒子溶解于单体溶液再进行聚合反应，叫原位聚合法，特点是纳米材料分散均匀。原位形成填料法也叫溶胶凝胶法，是近年研究比较活跃和前景看好的方法。该法一般分两步，首先将金属或硅的硅氧基化合物有控制地水解使其生成溶胶，水解后的化合物再与聚合物共缩聚，形成凝胶，然后对凝胶进行高温处理，除去溶剂等小分子即可得到纳米塑料。

      分子复合法代表性的产品是液晶聚合物（LCP）系纳米塑料，利用熔融共混或接枝共聚、嵌段共聚的方法，将LCP均匀地分散于柔性高分子基体中。原位生成纳米级的LCP微纤，其尺寸比一般纳米复合材料更小，分散程度接近分子水平，因此称为分子复合法。优点为可大幅提高柔性高分子基体树脂的拉伸强度、弯曲模量、耐热性、阻隔性，效果显著。

      超微粒子直接分散法包括乳溶共混法、溶液共混法、机械共混法、熔融共混法等，有实际意义的为熔融共混法，其它方法难于达到理想的分散效果，如机械共混法虽然简单，但很难使易团聚（或称自聚集）的无机纳米粒子在塑料基体中以纳米尺寸均匀分散。用捏合机、双螺杆挤出配混机将塑料与纳米粒子在塑料熔点以上熔融，混合的难点和关键是要防止纳米粒子团聚，故一般要对纳米粒子进行表面处理，表面处理剂有兼容剂、分散剂、偶联剂，并经常使用两种以上表面处理剂。另外，要优化熔融共混装置结构参数，达到最佳分散效果，该法工艺简单，纳米粒子与复合材料制备分步进行，易于控制纳米粒子形态、尺寸。

      纳米塑料产品和应用

      目前产量最大的纳米塑料是纳米尼龙，占绝对主导地位，其次是纳米聚烯烃。另外，还有纳米聚酯、纳米紫外固化丙烯酸酯树脂、纳米聚?亚胺、纳米聚甲醛等。其应用主要是包装、汽车和机电工业。利用其纳米塑料的阻隔性用于食品保鲜包装，延长食品保质期；利用其耐热性和良好的力学性能用作汽车零部件。由于加入量小，减轻制品重量，纳米塑料可替代以前的玻纤增强牌号，减少制品翘曲，例如做汽车发动机罩、定时脉冲器壳体、贮油罐、燃油管道系统、各种电子接插件、导管、电话机壳体、工具手柄、栏杆、调理器具手把、高润滑低流阻管道等。由于刚性高，纳米塑料还可以做薄壁复杂结构制品，降低重量和成本。另外值得一提的是纳米塑料的阻燃性，因目前塑料添加用阻燃剂大多含卤化物，在燃烧时生成的烟雾中含有腐蚀性的氢卤酸和致癌物，因此要求?用无卤阻燃材料的呼声日趋高涨，而用一般氢氧化铝、氢氧化镁等无机阻燃剂时添加量太多，使材料力学性能下降过大，故?用阻燃自熄性的纳米塑料是较适宜的选择方案。

      代表性产品和新动向

      纳米尼龙

      美国聚酯生产厂Eastman化工公司和纳米粘土供应厂Nanocor公司共同开发了用于与聚酯（PET）共挤多层吹塑用尼龙纳米复合材料Imperm，用作PET/尼龙/PET三层瓶的阻隔芯层材料，尼龙是用日本三菱瓦斯化学公司的阻隔性无定型尼龙MXD6为基础树脂，加纳米粘土后大幅降低材料气体透过率，比PET的氧透过率小100倍，已用于16盎斯、不消毒啤酒瓶。Imperm芯层厚度占瓶层总厚的10%，Imperm与PET间不需粘接层，也不影响瓶子要求的透明度，据称能保质28.5周。

      另一个引人注目的，是用于包装的纳米尼龙，由美国Honeywell公司开发的Aegis OX，据称内含未公开的吸氧剂，Aegis OX中的纳米粘土作为钝化阻隔层，适量吸氧剂作为吸氧活性剂，这种由“钝化―活性”组合的材料比尼龙6的氧透过率低100倍，氧的渗入量几乎为零。Aegis OX 作为三层聚酯（PET）瓶的阻隔层材料，使聚酯瓶达到啤酒4个月和果汁6个月的保质期要求，可以与玻璃瓶相比，这种组合技术的钝化阻隔层能防止吸氧剂过早耗尽，靠纳米粒子的均匀分散使吸氧剂指向“易出现氧”的地方，提高总的阻隔效率。Honeywell公司认为这种阻隔系统可与现有任何其它啤酒阻隔包装竞争，完全满足120天内氧的渗入量和二氧化碳泄漏量的要求，并相信通过进一步精心调节工艺可达完全到180天的保质要求，因此认为这将推动和加快啤酒包装从玻璃瓶转向聚酯瓶的进程。BRG Townsend咨询公司预计到2005年，用于这种技术的啤酒包装瓶数量将超过15亿个，果汁瓶数量将接近4.6亿个。

      除了啤酒瓶这个巨大场外，德国Bayer公司正在把尼龙6纳米复合材料做多层流延包装膜的芯层材料。两个产品在1998年德国杜塞尔多夫的世界塑料工业展览会就有展出，引起了许多用户关注，汽车生产厂则利用纳米尼龙的高刚性、耐热性和质轻等特点开发汽车机罩等制品的应用。

      UBE美国公司用尼龙6/尼龙66共混物制备的纳米尼龙，对汽油、甲醇和有机溶剂的透过率比填充尼龙6低3倍，现已用于汽车燃油系统用共挤出多层燃油输送管线，纳米尼龙商品名为Ecobesta，也是作为多层管的芯层材料。

      纳米聚烯烃

      美国通用汽车（GM）公司最近宣布了第一个汽车纳米聚烯烃部件，是该公司与树脂生产厂Basell公司、粘土生产厂Southern粘土产品公司三家经过4年合作开发，开发的聚丙烯纳米复合材料已用于2002年新车型的上车踏板，利用纳米聚丙烯的高刚性、质轻和低温下力学强度基本不降低的特性。纳米粘土含量2-3%，可取代20-30%滑石填充聚丙烯，而且轻20%，收缩率更小，低温韧性更佳，虽然这种应用不十分重要，但被认为是开发在汽车外饰件应用的重大进展。专家们认为到2004年30%的纳米聚丙烯将用于汽车工业，取代现有聚丙烯改性材料，然后转向取代金属和工程塑料。纳米聚丙烯刚性高，可减薄制品厚度而缩短成型时间，从两个方面降低制品成本。

      利用纳米聚丙烯的阻隔性做食品包装材料已由Clariant公司率先推出工业化产品。比利时Kabelwerk Eupen公司以EVA（乙烯/醋酸乙烯酯共聚物）为基础树脂，熔融共混法加入3-5%纳米硅酸盐，能显著降低材料放热量和防止燃烧时塑料滴落，并具有良好力学性能、耐化学性和热稳定性，在电线、电缆工业上有良好的应用前景。

      纳米硅酸粒子还可与紫外固化丙烯酸树脂混合制成高强度、透明、耐磨涂料。另外，无机纳米抗菌剂粒子可与塑料制成抗菌塑料，由于电冰箱门把手、门衬、空调器、电话、热水器、微波炉、电饭锅等制品具有持久抗菌性，抗菌母粒可用于涤纶长丝。纳米硅酸盐加入聚乙烯农膜，可改进其保温性。总之纳米塑料是一种新型低成本、升级换代改性塑料，应用前景十分看好。

      纳米塑料渐趋普及

      纳米塑料，其实是聚合物共混或聚合物合金的成果，将两种塑料混合，如PC/ABS在市面上的使用已经十分普遍。

      广平纳米科技集团有限公司市场推广董事姜寿添指出，纳米技术在十多年前已开始使用，但到了近两年才开始流行起来。该公司利用沉淀法制成酸钙纳米材料，该种无机材料可以强化人造橡胶的聚合体结构，大大改善合成材料的质量及耐用程度，降低产品成本。他说，以沉淀碳酸钙纳米材料作为填充物料或补强剂已十分普遍，主要用于PVC电线电缆、橡胶制品、高聚化合物合成材料、高级轿车漆、高档油墨及涂料等。另外，该公司亦正与香港科技大学合作，利用该大学的专利科技来生产纳米聚丙烯(PP)来改善机械性能。

      姜寿添又指出，纳米材料的收缩率低，所以有助注塑周期更快，而且纳米还可以作为其它加强物料性能的载体，如防菌、防紫外线、阻燃、吸收红外线来保暖，以及传导性等。应用的范围很广，加上原子细小，加入塑料后可以减轻成品重量，令整体成本减小。加上一般来说，纳米技术适用于各种塑料，所以姜寿添相信，纳米技术在未来将有广阔的发展空间，甚至纳米化复合材料可以替代工程塑料。现时，纳米塑料普遍用于家庭用品、玩具、电子电器及汽车等。

      对于中国市场，姜寿添认为，中国在发展纳米技术上，基本上与欧、美等地是同步的，但是应用的范围及商业化程度却远远不及。中国已经成为生产及加工中心，但是其产品质素、管理文化、习惯及对纳米技术普遍的认识程度不够。因此，广平集团有意与海外企业合作，引进更多外国的技术。