塑料的性能及應用前景

1、納米塑料的性能及應用前景科科l技I論I壇納米塑料的性能及應用前景肖亞航(寶雞文理學院機電研究所,陜西寶雞721007)摘要:研究綜述了納米塑料的分類,制備技術原理,性能及應用.指出納米塑料制備的關鍵問題是如何使納米材料真正以納米級均勻分散到塑料基體中,今后研究的重點是探索新的納米塑料和新的制備工藝,開發(fā)納米塑料的新用途.關鍵詞:納米塑料;制備工藝;性能;應用納米塑料是指金屬,非金屬和有機填充物以納米尺寸均勻分散于塑料母體中形成的塑料基復合材料,亦稱為聚合物基納米復合材料.在納米塑料復合材料中,加入的填充分散相,其尺寸至少在一維方向上小于10Ohm.由于分散相的納米尺寸效應,表面效應和強界面結合

2、,使納米塑料具有基體塑料以及微米級塑料復合材料所不具備的微觀組織結構及性能,如:高強度,抗靜電性,防輻射性,抗菌性等等,是一種全新的高技術新材料,被認為是21世紀塑料中的”超新星”11,所以具有廣闊的應用前景.近年來各國競相投入財力和人力,加大研究和開發(fā)力度,加快產業(yè)化步伐.本文主要研究綜述了納米塑料的制備技術原理,性能及應用,為納米塑料的進一步研究提供依據(jù).1納米塑料的分類納米塑料的分類如表1所示.按添加劑不同可分為三種:無機納米塑料,有機納米塑料和金屬納米塑料;按母體樹脂不同可分為:納米尼龍,納米聚烯烴,納米聚酯,納米聚甲醛等;按功用不同可將納米塑料分為:納米通用塑料,納米工程塑料,納米特

3、種工程塑料,納米功能塑料(納米導電塑料,納米抗菌塑料,納米吸波塑料)等.1.1無機納米塑料在塑料中加入無機材料形成無機納米塑料.常用的無機納米粒子包括碳酸鈣,層狀硅酸鹽(云母,綠土,蒙脫土,膨閏土等),sio2,TiO2,SiC,Al等.這種納米粒子加入到塑料中可以達到以下效果:a.改善塑料性能,如提高機械強度,透氣透水率,耐高,低溫性等.b.增加塑料的特殊性能,像防輻射性能,抗靜電性能,磁性能和抗菌性等.目前已研究的無機納米塑料有CaCO,-IDPE,CaCOJPVC,CaCOdPP,SiOJ聚酰亞胺,siC/HDPE,納米硅酸鹽伲龍,蒙脫土,聚苯乙烯,粘土礦物,聚環(huán)氧乙烷,硅酸鈉氧樹脂等.

4、無機納米塑料是目前研究最多的納米塑料,也是目前投入應用最多的納米塑料.1.2有機納米塑料有機納米塑料是由納米有機材料加入到塑料中形成的.這些有機物大多數(shù)是液晶,加入到塑料中可大幅度提高塑料的機械性能如:在聚酰亞胺中加入10%的熱致型液晶聚合物,能使彈性模量由1.7GPa提高到6.9GPa,拉伸強度由125MPa提高到470MPa.已研制的有機納米塑料有:5%的PP1lA與PA6溶液共混,得到Pm微纖(直徑為1530am,長60Ohm)在PA6基體中分散的分子復合材料;PPTA微纖作為增強劑與PVC,ABS,PAA聚合物等復合,借助溶劑,形成的分子復合材料.1.3金屬納米塑料把納米金屬粉體加入到

5、塑料中,形成的納米塑料.金屬納米粉體與塑料復合可賦予塑料金屬粉體所具有的金屬性能,如將銅加入到聚甲醛中改善塑料的耐磨性,或在PP中加入其它納米金屬表1納米塑料的分類粉末改善塑料的導電性和機械強度.納米金屬有很多種,但目前納米金屬的研究還很少.2納米塑料的制備納米塑料復合材料的涉及面較寬,包括的范圍較廣,近年來發(fā)展建立起來的制備方法也多種多樣,可大致歸為四大類日:納米單元與高分子直接共混;在高分子基體中原位生成納米單元;在納米單元存在下單體分子原位聚合生成高分子及納米單元和高分子同時生成.各種制備納米復合材料方法的核心思想都是要對復合體系中納米單元的自身幾何參數(shù),空間分布參數(shù)和體積分數(shù)等進行有效

6、的控制,尤其是要通過對制備條件(空間限制條件,反應動力學因素,熱力學因素等)的控制,來保證體系的某一組成相至少一維尺寸在納米尺度范圍內(即控制納米單元的初級結構),其次是考慮控制納米單元聚集體的次級結構.以下介紹幾種納米塑料常用制備方法原理41.2.1插層復合法插層復合法是目前制備納米塑料的主要方法.首先將單體或聚合物插入經插層劑處理后的層狀硅酸鹽(如蒙脫土,俗稱粘土)之間,進而破壞片層硅酸鹽緊密有序的堆積結構,使其剝離成厚度為lnm左右,長,寬為3010Ohm的層狀基本單元,并均勻分散于塑料基體樹脂中,實現(xiàn)塑料高分子與層狀硅酸鹽片層在納米尺度上的復合.插層復合法又可分為插層聚合法和聚合物插層

7、法.2.1.1插層聚合法先將聚合物單體分散,插層進入層狀硅酸鹽片層中,然后原位聚合,利用聚合時放出大量的熱,克服硅酸鹽片層間的作用力并使其剝離,從而使硅酸鹽片層與塑料基體以納米尺度復合.2.1.2聚合物插層法將聚合物熔體或溶液與層狀硅酸鹽混合,利用化學和熱力學作用使層狀硅酸鹽剝離成納米尺度的片層,并均勻地分散于聚合物基體中,該法的優(yōu)點是易于實現(xiàn)無機納米材料能以納米尺度均勻分散在塑料基體樹脂中.2.2原位復合法原位復合法包括原位聚合法和原位形成填料法.將納米粒子溶解于單體溶液再進行聚合反應,叫原位聚合法,特點是納米材料分散均勻.原位形成填料法也叫溶膠凝膠法,是近年研究比較活躍和前景看好的方法.該

8、法一般分兩步,首先將金屬或硅的硅氧基化合物有控制地水解使其生成溶膠,水解后的化合物再與聚合物共縮聚,形成凝膠,然后對凝膠進行高溫處理,除去溶劑等小分子即得納米塑料.2-3分子復合法分子復合法代表性的產品是液晶聚合物(LCP)系納米塑料,利用熔融共混或接指共聚,嵌段共聚的方法,將LCP均勻地分散于柔性高分子基體中,原位生成納米級的LCP微纖,其尺寸比一般納米復合材料更小.分散程度接近分子水平,因而稱為分子復合法.優(yōu)點可大幅提高柔性高分子基體樹脂的拉伸強度,彎曲模量,耐熱性,阻隔性,效果顯著.2.4超微粒子直接分散法超微粒子直接分散法包括乳溶共混法,溶液共混法,機械共混法,熔融共混法等.有實際意義

9、的為熔融共混法,其他方法難于達到理想的分散效果,如機械共混法雖然簡單,t臣很難使易團聚(或稱自聚集)的無機納米粒子在塑科基體中以納米尺寸均勻分散.用捏合機,雙螺桿擠出配混機將塑料與納米粒子在塑料熔點以上熔融,混合的難點和關鍵是要防止納米粒子團聚,故一般要對納米粒子進行表面處理,表面處理劑有相容劑,分散劑,偶聯(lián)劑,實際常并用兩種以上表面處理劑.另外,要優(yōu)化熔融共混裝置結構參數(shù),達到最佳分散效果,該法工藝簡單,納米粒子與復合材料制備分步進行,易于控制納米粒子形態(tài),尺寸.3納米塑料的性能及應用3.1納米塑料的性能3.1.1高強度和高耐熱性用插層技術制備納米塑料可將無機物的剛性,尺寸穩(wěn)定性和耐熱穩(wěn)定性

10、與聚合物的韌性,可加工性及介電性完美結合起來.納米塑料中含蒙脫土量較少,一般在lOwt%以下,通常僅3-5wt%,但其剛性,強度,耐熱性等性能與常規(guī)玻璃纖維或礦物填充增強復合材料(填充量30wt%左右甚至更高)相當,因而納米塑料的比重較低,比強度和比模量高而又不損失其抗沖擊強度,能夠有效地降低制品重量,方便運輸.同時,由于納米粒子尺寸小于可見光波長,納米塑料具有高的光澤和良好的透明度以及耐老化性.3.1.2高阻透性由于聚合物基體與粘土的平面取向作用,納米塑料表現(xiàn)出良好的尺寸穩(wěn)定性和良好的氣體阻透性.納米塑料與未填充的聚合物相比,其氣,液體的透過性顯著下降,并隨著蒙脫士含量的增加而I30科l技J

11、論l壇迅速下降,阻透性能顯著上升.在聚酰亞胺一蒙脫土納米塑料中,其氣體滲透系數(shù)(包括水蒸氣,氧氣和氦氣)顯著下降,并隨著蒙脫土含量的增加而下降.當蒙脫土質量含量僅為2%時,其滲透系數(shù)下降近一半;當用不同粘土來制備時,隨著粘土片層長度的增加,材料的阻隔性能提高更顯著.這是由于在納米塑料中的聚合物基體中存在著分散的,大的尺寸比的硅酸鹽層.這些層對于水分子和單體分子來說是不能透過的,迫使溶質要通過圍繞硅酸鹽粒子彎曲的路徑才能通過薄膜,這樣就提高了擴散的有機通道長度,達到阻隔性上升的目的.3.1-3高阻燃及自熄滅性有些納米塑料還具有很高的自熄性,很低的熱釋放速率和較高的抑煙性,是理想的阻燃材料,如把聚

12、已內酯一硅酸鹽納米塑料和未填充的聚已內酯放在火中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)燃燒直到樣品被破壞為止.如納米尼龍6,當粘土含量為5%時,其熱釋放速率的峰值(評價材料火災安全性的關鍵因素)可以下降到50%以上.因此.國外有文獻稱這種納米塑料制造技術是塑料阻燃技術的革命.3.1.4良好的熱穩(wěn)定性硅酸鹽的耐高溫性用于納米塑料使其耐熱性和熱穩(wěn)定性明顯提高.例如聚二甲基硅氧烷(PDMs)一粘土納米塑料和未填充的聚合物相比,其分解溫度大大提高,從400C提高到500C.在粘土尼龍(NCH)中,產物的熱變形溫度(HTD)提高了近一倍(NClt的為13516

13、0C,純尼龍的為65C).3.1.5持久的抗菌性無機納米抗菌粒子可與塑料制成抗菌塑料.抗菌塑料制品在使用過程中,納米抗菌劑在紫外光的照射下,抗菌劑在水中或空氣中生成活性氧0:和OH-,具有很強的氧化還原作用,能與各種有機物發(fā)生反應,破壞了細菌的細胞膜或細胞原生質活性酶的活性,把大多數(shù)的病菌和病毒殺死.由于納米粉體顆粒尺寸的特殊效應,大大提高了整體抗菌效果,使耐溫,粉體粒度,分散性和效應都得到了充分發(fā)揮,產生持久的抗菌效果.3.1.6優(yōu)良的加工性納米塑料熔體強度高,結晶速度快,熔體粘度低,因此注塑擠出和吹塑的加工性能優(yōu)良,尤其是擠出級,注塑級納米超分子量聚乙烯,解決了超高分子量聚乙烯加工的世界性

14、難題.3.2納米塑料的主要應用由于納米塑料具有優(yōu)異的特性,所以被廣泛應用于航空,通訊,食品包裝等領域.3.2.1納米聚乙烯塑料的應用納米聚乙烯塑料具有優(yōu)良的耐磨性,耐蝕性和高強度等性能,其制品易于運輸,安裝和保養(yǎng),具有優(yōu)良的抗菌性,性能價格比優(yōu)于鐵管,鋁管,鋁塑管,是理想的各種口徑給水管,煤氣管道,工業(yè)液體輸送管道,河湖疏通排泥管道,糧食及粉煤灰和礦砂輸送管道的制備材料.聚乙烯納米塑料在航空領域可作飛機開關,熔斷器,調諧器,接插件,座椅支架,儀表板,集成電路盒,空調器等零件.在通訊領域可作電話交換設備的接線板,配電盤,接插件,電容器殼體以及各種電話的天線護套等.在食品領域,作啤酒瓶,肉類和奶酪

15、制品的包裝材料等;在其它領域,可作變壓器骨架,線圈骨架,高性能管材,溫控開關部件,溫控保護器,電熨斗手柄,電烤爐部件,散熱器部件,節(jié)能燈座等.3.2.2納米聚酯的應用納米聚酯與普通聚酯相比,具有強度高,阻隔性好,耐熱,耐磨,比重輕等特點,物理機械性能優(yōu)異,可取代金屬和陶瓷制作齒輪,電器插件等,市場前景廣闊.聚酯,蒙脫土納米復合材料可廣泛應用于汽車,電子,電器,商用機器,通訊,照明家電及其它領域產品的零部件.3.2.3納米尼龍的應用尼龍6/蒙脫土納米復合材料的拉伸強度和彎曲模量是純尼龍的1.5倍,熱變形溫度比純尼龍6提高97,吸水率低,對氧氣的阻隔性好,耐蠕變性好,尺寸穩(wěn)定性好,具有良好的成形加

16、工性.所以應用領域非常廣泛.可用于制造汽車零件,還可用于辦公用品,電子電器,日用品領域以及制造管道擠出制品等.用納米尼龍還可制備高性能的膜用切片,適用于吹塑和擠出制備熱收縮腸衣膜,雙向拉伸膜,單項拉伸膜及復合膜,與普通尼龍6薄膜相比,納米尼龍6薄膜具有更佳的阻隔性,力學性能和透明性,因而是更好的食品包裝材料.由美國Honeywell公司開發(fā)的納米尼龍AegisOX作為三層聚酯瓶的阻隔層材料,使聚酯瓶達到啤酒瓶4個月和果汁6個月的保質期要求.Honeywell公司認為這種阻隔系統(tǒng)可與現(xiàn)有任何其它啤酒阻隔包裝競爭,完全滿足120天內氧的滲入量和二氧化碳泄漏量的要求,并相信通過進一步精心調節(jié)工藝可達

17、到180天的保質要求.因此,認為這將推動和加快啤酒包裝從玻璃瓶轉向聚酯瓶的進程.3.2.4納米抗菌塑料的應用利用納米技術可制得抗菌納米塑料,采用沸石作為載體附載Ag,Cu,zn等金屬離子制備銀沸石抗菌劑,再把抗菌劑添加到塑料中就形成抗菌納米塑料.主要應用在食品包裝,家用電器,衛(wèi)生設施,El用物品,建材,通訊器材等塑料制品領域.如電話,電梯按鈕,電腦鍵盤,電器開關,冰箱,門把手,門襯,空調器,熱水器,微波爐,電飯鍋,洗衣機等方向.利用抗菌材料具有持久抗菌性,其產品將會被用戶更青睞.以冰箱為例,海爾集團1998年在全國批量推出健康型抗菌冰箱以來,市場銷售勢頭看好,海爾抗菌冰箱El銷售量已占到海爾冰

18、箱日銷售量的90%以上.歐美等國與海爾基團的訂單中,抗菌冰箱占到80%以上.其它各冰箱生產企業(yè)也紛紛加大抗菌冰箱的生產.在農田水利建設方面,采用抗菌塑料制造灌溉用管道,可防止土壤中因細菌作用引起的堵塞噴孑L現(xiàn)象,大大提高灌溉效率.在食品,飲料,醫(yī)藥,化妝品等包裝用塑料方面,采用納米抗菌塑料,會大大提高產品的附加值,具有很大的發(fā)展空間;在玩具行業(yè),利用抗菌塑料生產抗菌玩具,抗茵壁紙,也是抗菌塑料生產的一個發(fā)展趨勢.抗菌塑料也可以用在PVC發(fā)泡板材領域,可制造客,貨輪船舶的內裝飾板,展臺,展板,飯店壁板,游泳池的內壁,魚箱冷庫,化學品槽壁等產品.其生產技術含量高,是一種新型的建材,國外發(fā)展很快.目前國內需求量也很大.4納米塑料的發(fā)展前景納米塑料具有一般工程塑料所不具備的優(yōu)科異性能.屬于高科技新型材料.由于納米粒子尺寸小于可見光波長,納米塑料顯示出良好的透明度和較高的光澤度.部分材料的耐磨性是黃銅的27倍,鋼鐵的7倍.納米塑料具有優(yōu)異的綜合性能和廣闊的應用前景,可以廣泛應用于航空,通訊,食品包裝等領域.通用汽車公司的有關人士預言,在未來的20年.納米級復合材料的使用將對汽車生產產生重要影響,這種技術所帶來的性能提高將導致許多汽車部件的更新?lián)Q代.據(jù)國外咨詢公司預測,到2008年,全球對納