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納米塑料的性能


來(lái)源:

標(biāo)簽納米塑料
塑料本身有質(zhì)量輕、韌性強(qiáng),、耐磨性好,、耐酸堿等優(yōu)良特性,但隨著材料科學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的開拓,,塑料固有的性能已不能滿足應(yīng)用的需要,。例如耐高溫性能,盡管人們一直通過研究合成新的高分子材料單體和改變高分子結(jié)構(gòu)來(lái)提高塑料的耐高溫性能,,但無(wú)納納米粒子的加入對(duì)這一性能的提高比前一種方法效果好得多,,而且成低得多。有些塑料沒有的性能甚至可以通過加入納米材料而得到,,像一些功能塑料,。
一、強(qiáng)度和高耐熱性
用插層技術(shù)制備納米塑料可將無(wú)機(jī)物的剛性,、尺寸穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性與聚合物的韌性,、可加工性完美地結(jié)合起來(lái)。含有少量(不超過10%,,通常5%左右)粘土的納米塑料與常規(guī)玻纖或礦物(30%)增強(qiáng)復(fù)合材料的剛性,、強(qiáng)度、耐熱性相當(dāng),。但納米塑料質(zhì)量輕,,具有高比強(qiáng)度,、比模量而又不損失其沖擊強(qiáng)度,,能夠有效降低制品的質(zhì)量,方便運(yùn)輸,。同時(shí),,由于納米粒子小于可見光波長(zhǎng),納米塑料具有高的光澤和良好的透明度以及耐老化性,。這些優(yōu)點(diǎn)是其他材料無(wú)法相比的,,所以納米塑一出現(xiàn),立刻受到人們的青睞,。
二,、高阻透性
由于聚合物基體與粘土片層的平面取向作用,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,。納米塑料搞阻隔性使其廣泛用一坑級(jí)包裝材料上,,例如藥品、化妝品,、生物制品和精密儀器等等,。
納米塑料與未填兗的聚合物相比,,其氣液體的透過性顯著下降,并隨著蒙脫土含量的增加而迅速下降,,阻隔性能顯著上升,。在聚酰亞胺-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(dāng)蒙脫土質(zhì)量含量?jī)H為2%時(shí),,其滲透系數(shù)下降近一半,;當(dāng)用不同粘土來(lái)制備時(shí),隨著粘土片層長(zhǎng)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本中存在著分散的、大的尺寸比的硅酸鹽層,,這些層對(duì)于水分子和單體分子來(lái)說(shuō)是不能透過的,,迫使溶質(zhì)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(kuò)散的有機(jī)通道長(zhǎng)度,,達(dá)到阻隔性上升的目的,。
三、高阻燃窒息性
有些納米塑料還具有很高的自熄性,、很低的熱釋放速率(相對(duì)聚合物本體而言)和較高抑煙性,,是理想的阻燃材料,例如把聚已內(nèi)酯-硅酸鹽納米塑料和未填充的聚已內(nèi)酯放在火中3Os,,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(dāng)粘土含量為5%時(shí),,其熱釋放速率的峰值(評(píng)價(jià)材料為災(zāi)安全性的關(guān)鍵因素)可以下降到50%以上,。因此,國(guó)外有文獻(xiàn)稱這種納米塑料制造技術(shù)是塑料阻燃技術(shù)的革命,。
四,、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)-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400℃提高到500℃。由此可知,由于PDMS分解成易揮發(fā)的環(huán)狀低聚物,,但納米材料的透過性很低,,從而使揮發(fā)性分解物不易擴(kuò)散出去,提高了塑料的熱穩(wěn)定性,。在聚酰亞胺-蒙脫土體系中,,熱穩(wěn)定性也大大提高。隨著蒙脫土含量的增加,,納米塑料的熱膨脹系數(shù)顯著降低,、蒙脫土含量?jī)H4%時(shí)就下降近一半,熱穩(wěn)定性明顯增加,。
在納米粘土尼龍(NCH)中,,產(chǎn)物的熱變形溫度(HDT)提高了近1倍(NCH的為135~160℃,純尼龍的為65℃),。此時(shí)粘土含量?jī)H5%左右,,隨著粘土含量的增加,HDT也逐漸增加,。用一步法合成NCH,,產(chǎn)物的HDT進(jìn)一步提高到160℃。
五,、良好的導(dǎo)電性
硅酸鹽納米塑料也可用做聚合物電解質(zhì),。對(duì)于聚環(huán)氧乙烷(PEO)電解質(zhì)來(lái)說(shuō),在熔點(diǎn)溫度以下,,它的電導(dǎo)率下降很多(從10-5S·cm-1到10-8S·cm-1),。這種下降是由于PEO形成了晶體,從而阻止了離子的運(yùn)動(dòng),,而插層則可以阻止晶體的生長(zhǎng),,因此可以提高電解質(zhì)的電導(dǎo)率。此外,,由于在納米塑料中硅酸鹽片層是不能移動(dòng)的,,因此納米塑料的導(dǎo)電表現(xiàn)為單離子傳導(dǎo),。從PEO/鋰蒙脫土納米塑料的平面離子電導(dǎo)率的Arrhenius曲線(聚合物質(zhì)量占4%)可以看出,,LiBF4/PEO電解質(zhì)的電導(dǎo)率在熔化溫度下降低了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。與此相反,,在相同的溫度范圍內(nèi),,溫度對(duì)納米塑料的電導(dǎo)率影響很小。電導(dǎo)率隨溫度降低只是稍有下降,。
此外,,在納米塑料中的表面活化能(11.7N/m)和熔融聚合物電解質(zhì)的類似。這表明,,在納米塑料中和在本體熔融的電解質(zhì)中,,Li+的活動(dòng)性幾乎相同,;另外,熔融插層的納米塑料的電導(dǎo)率比溶液插層的更高,,而且各向異性明更明顯,。這可能是由于在熔融插層材料中,存在著過量的聚合物,,從而提供了一條更容易的電導(dǎo)途徑,。
在PEO/Na蒙脫土體系,隨著溫度的升高,,電導(dǎo)率上升,,直至580K時(shí)達(dá)到最大值隨后電導(dǎo)率又下降。這是由于在600K左右插層的聚合物分解的緣故,,這和其熱穩(wěn)定性是一致的,。在聚吡咯-熒光石體系中也有類似情況。
六,、納米塑料的各向異性
納米塑料還具有各向異性的特點(diǎn),。例如在尼龍-層狀硅酸鹽納米塑料中,熱脹系數(shù)就是各向異性的:在注射成型時(shí)的流動(dòng)方向的熱脹系數(shù)為垂直方向的一半,,而純尼龍為各向同性,。從透射電鏡照片可以看出,1nm厚的蒙脫土片層分散在尼龍基體中,,蒙脫土片層的方向與流動(dòng)方向相一致,,聚合物分子鏈也和流動(dòng)方向相平行。因此,,各向異性可能是蒙脫土向高分子鏈相向的結(jié)果,。
在聚苯胺-蒙脫土體系中,經(jīng)氯化氫蒸氣和目不暇接后,,材料的電導(dǎo)率大大上升,,且為各向異性。σ平行=0.05S·cm-1,,σ垂直=10-7S·cm-1(σ平行/σ垂直=105),。其原因?yàn)槊擅撏翞榻^緣體,分散在聚合物基體中并和平行方向一致,。在垂直方向上由于蒙脫土的存在加長(zhǎng)了導(dǎo)電離子的路徑,。在聚氧乙烯-蒙脫土體系中,其電導(dǎo)率也為各向異性,,σ平行/σ垂直=103,。在其他導(dǎo)電體系如聚吡咯-熒光石體系中也有類似情況發(fā)生。
七、納米塑料的熱力學(xué)原理及性能
  目前對(duì)納米塑料的研究還主要集中在合成與性能方面,,關(guān)于熱力學(xué)方面的研究極少有報(bào)道,。Giannelis初步提出一個(gè)基于平均場(chǎng)的晶格熱力學(xué)模型。首先,,他提出了幾點(diǎn)假設(shè):1,、各種組分的構(gòu)象和相互作用是獨(dú)立的;2,、熵是聚合物和硅酸鹽(包括層間的烷基銨離子)構(gòu)象變化的總和,;4、硅酸鹽構(gòu)象的變化可用修正的Flory-Huggins晶格模型來(lái)測(cè)定,,在這個(gè)模型中,,占據(jù)的晶格模擬烷基銨陽(yáng)離子在不能穿透的硅酸鹽片層之間的取向;5,、插層聚合物鏈的約束,,與用自治場(chǎng)法處理的、在兩表面之間具有排斥體積的無(wú)規(guī)飛行聚合物相似,;6,、對(duì)于焓,應(yīng)用一個(gè)修正的平均場(chǎng),。在這個(gè)方法中,,每個(gè)晶格位置相互接觸的數(shù)目被每個(gè)晶格位置相互作用面積所代替,允許相互作用參數(shù)用單位面積的能量來(lái)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,,熵的損失(這通常阻止插層)必須由層的分離而獲得補(bǔ)償,。如果熵的損失大于或等于熵的獲得,則焓就決定插層是否發(fā)生,。如果焓不能補(bǔ)償熵的損失,,就沒有插層的發(fā)生,導(dǎo)致非分散或不相容雜化物,。理想的聚合物應(yīng)當(dāng)具有極性或含有能和硅酸鹽表面相互作用的官能團(tuán),。聚合物和硅酸鹽的作用越強(qiáng),就會(huì)形成插層雜化物直至剝離型雜化物,。
八,、納米塑料的加工性能
由于納米塑料插層復(fù)合工藝是在傳統(tǒng)工藝基礎(chǔ)上的技術(shù)革新,,不需要新的設(shè)備投資,,工藝簡(jiǎn)單、操作方便、環(huán)境友好,,特別適合聚合物的改性,,容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。納米塑料可以制得以下各種材料,。
1,、納米薄膜   納米塑料薄膜主要用做功能性薄膜,如氣體分離,、信息-光學(xué)材料以及傳感器等方面,。這主要是因?yàn)榧{米塑料薄膜有致密的微觀結(jié)構(gòu),可抑制
分子的溶解擴(kuò)散而增進(jìn)薄膜的阻透性,。中科院化學(xué)所開發(fā)的納米尼龍6膜用切片,,適用于吹塑和擠出制備熱收縮腸衣、雙向拉伸膜,、單向拉伸膜及其復(fù)合膜,。與普通尼龍薄膜相比,納米尼龍6膜具有更良好的阻透性,、力學(xué)性能和透明情,,因而是更好的食品包裝材料。
2,、注塑制品    納米塑所具有的高強(qiáng)度,、高模量、高耐熱性和低吸水率等特性,,使其可用于電子通訊-,、運(yùn)輸、機(jī)械以及生活用品等產(chǎn)業(yè),,滿足這些產(chǎn)業(yè)對(duì)高功能性工程塑料的需求,。例如,尼龍6具有良好的物理,、力學(xué)性能,,拉伸強(qiáng)度高、耐磨性優(yōu)異,、自潤(rùn)骨性良好,、抗沖擊韌性好,是五大工程塑料中應(yīng)用最廣的品種,。但在較強(qiáng)外力和加熱條件下使用,,剛性和耐熱性不佳,吸水率大,,使制品的穩(wěn)定性和電性能變差,,在許多領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制,。中科院化所所工程塑料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用天然豐產(chǎn)的蒙脫土層狀硅酸鹽作為無(wú)機(jī)分散相,發(fā)明了一步法制備納米尼龍6的專利,。該法制備的納米尼龍6與純尼龍6相比具有更高的強(qiáng)度,、模量,耐熱性,、阻透性能更好,,并具有良好的加工性能。與普通的玻纖維增加和礦物增強(qiáng)尼龍6相比,,具有相對(duì)密度耐磨性好,,相同無(wú)機(jī)物含量條件下綜合性能比前者高等優(yōu)點(diǎn);同時(shí),,納米塑料還可進(jìn)一步用于玻纖增加和普通礦物增加等改性尼龍,。納米尼龍具有優(yōu)異的力學(xué)性能和高強(qiáng)耐熱性能,應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,,可用于汽車的各個(gè)部件,,如發(fā)動(dòng)機(jī)、電器和車體等部位,,還可用于辦公用品,、電子電器零部件、運(yùn)動(dòng)休閑用品等,。納米尼龍6是塑料行業(yè)理想的高附加值升級(jí)換代產(chǎn)品,。
3、強(qiáng)力纖維    納米塑料還可以用于做高強(qiáng)度,、高韌性,、高耐熱性材料,例如,,納米尼龍6的紡絲器可取代通用尼龍絲,,用做界胎簾子布、漁網(wǎng)漁繩纖維,、汽車用纖維,、帆布用纖維及球拍用纖維等,可以極大地提高產(chǎn)品的使用性能,。
4,、塑料母粒    將納米塑料制成濃縮母粒推廣作用,不僅能降低聚合物加工的摻配混煉成本,,改善工作環(huán)境及原料倉(cāng)儲(chǔ)成本,,并能帶動(dòng)新型聚合物添加劑濃縮母粒產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
5,、混煉復(fù)配材料    多種納米塑料混合,,例如,,納米尼龍6與其他大品種塑料如PP、PE,、PS,、PPO,、ABS或橡膠等復(fù)配混煉改性,,可以有效提高復(fù)配塑料的強(qiáng)度、模量,、熱變形溫度和沖擊強(qiáng)度小,,可以根據(jù)應(yīng)用要求,通過改變配方和材料配伍得到不同的納米塑料,。
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