聚合物基纳米复合材料的制备与研究

综述合成树脂及塑料,2005,22(6):62CHINASYNTHETICRESINANDPLASTICS聚合物基纳米复合材料的制备与研究路学成1,2周庆丰2王鹏1(1.军事交通学院装运机械系,天津,300161;2.河北工业大学材料学院,天津,300130)摘要:综述了聚合物基纳米复合材料的分类及制备方法,分别从无机纳米粒子改性、蒙脱土插层改性以及碳纳米管改性等方面阐述了近年来聚合物基纳米复合材料的研究状况。纳米粒子团聚是聚合物基纳米复合材料制备过程中存在的主要问题之一。实现工业化是聚合物基纳米复合材料的发展方向。关键词:聚合物纳米复合材料纳米技术中图分类号:TQ322.3文献标识码:B文章编号:1002-1396(2005)06-0062-05近年来,随着纳米技术的成熟与改善,国内外对于聚合物基纳米复合材料的研究渐成热点。纳米粒子具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应、介电限域效应及表面缺陷效应等特点[1,2]。两相界面间的强相互作用赋予了聚合物基纳米复合材料优越的力学、光学、电学和热学等性能。此外,聚合物基纳米复合材料有着高热稳定性、高强度、高模量、高气体阻隔性及低线胀系数和低密度,可以广泛应用于航天领域、电子电器领域和食品包装行业等。1聚合物基纳米复合材料的分类1.1聚合物/无机纳米粒子复合材料将纳米粒子(如SiO2、CaCO3和TiO2等)均匀分散于聚合物基体中,便可制得聚合物/无机纳米粒子复合材料。此类材料国内外研究较多,德国、美国、日本等对纳米SiO2、Al2O3、TiO2、Fe3O4以及纳米炭黑分别进行了接枝研究。美国马里兰大学成功研制出纳米Al2O3与橡胶复合材料。与普通橡胶相比,该复合材料的耐磨性大为提高,介电常数提高近1倍。日本松下电器公司已经研制成功树脂基纳米氧化物复合材料。其静电屏蔽性能优于常规树脂/炭黑复合材料[3]。1.2聚合物/聚合物纳米复合材料以聚合物为分散相,同时以另一聚合物为基体,使两者达到纳米级分散,得到纳米复合材料。它以聚合物代替了纳米级无机粒子,同时具有聚合物基纳米复合材料的性能。马访中等[4]用原位聚合/原位增容的方法成功制备了聚苯乙烯(PS)/聚酰胺(PA)6纳米复合物。直接将PS和己内酰胺共混时,很难得到分散均匀的纳米级共混物;但先将两者制成均匀的溶液后再进行共混聚合,则可以得到分散相粒径分布均匀的PS/PA6纳米复合材料。1.3聚合物/无机混杂物纳米复合材料将无机混杂物[如蒙脱土(MMT)、高岭土等]先研磨,使其粒子细化后,通过层间插入或其他方法使其均匀分散于聚合物基体中,最后无机混杂物剥离成纳米级的碎片均匀分散于聚合物中,形成聚合物/无机混杂物纳米复合材料。此类材料也是聚合物基纳米复合材料的一大类别,以MMT为分散相的纳米复合材料尤为典型。MMT的特殊物理结构使它很容易进行聚合物插入与剥离。制备聚合物/MMT纳米复合材料常用的插层剂有烷基铵盐、季铵盐、吡啶类衍生物和其他阳离子型表面活性剂[5]。2聚合物基纳米复合材料的制备方法2.1机械共混法机械共混法是将聚合物与纳米粒子先经过高收稿日期:2005-05-26;修回日期:2005-08-10。作者简介:路学成,1978年生,2000年毕业于郑州工业大学材料科学与工程专业,现从事材料科学方面的教学和研究。联系电话:(022)84659187,84657747;E-mail:luxuecheng168@yahoo.com.cn。速混合机或其他分散机械均匀混合,然后在开炼机或挤出机中使聚合物熔融与纳米粒子得到较好结合,制得聚合物基纳米复合材料。细分又可分为直接填充法、母料法、超声波分散法等。严海彪等[6]研究了加工工艺对聚丙烯(PP)/纳米CaCO3复合材料性能的影响。结果表明,超声波分散法与母料法制备的复合材料中的纳米CaCO3呈点阵状分布,2种方法均可将纳米CaCO3粒子均匀分散;超声波分散方法制备的PP/纳米CaCO3复合材料的力学性能最好,母料法次之。与机械法相似的还有原位复合法[7],是指将热塑性液晶聚合物与热塑性树脂熔融共混,采用挤出或注射方法加工,液晶聚合物易于自发取向,液晶微区沿外力方向取向形成微纤结构。在熔体冷却时,微纤结构被固定下来,当材料的完微区尺寸在100nm之内时,制得纳米复合材料。2.2层间插入法层间插入法多用于制备聚合物基纳米MMT等无机混合物的复合材料。该法首先对MMT等无机物有机化,在层间插入一定的插层剂;然后将单体或聚合物插层,其中单体插层后再通过层间聚合形成聚合物;最后MMT在聚合物中剥离,分散成纳米级的片层或粒状物质,形成纳米复合材料。通常,插层复合可以分为溶液插层、熔融插层和插层聚合[5]。2.3原位聚合法原位聚合指将纳米粒子、纳米级棒状聚合物等均匀分散于单体溶液中,并加