塑料改性用納米材料種類介紹

納米無(wú)機(jī)材料   

    1、納米粘土

　　粘土是一類硅酸鹽材料的總稱，具體包括蒙脫土、凹凸棒土、伊利石、海泡石等，其中以蒙脫土最為常用。

    （1）蒙脫土

　　蒙脫土是一種天然礦物質(zhì)材料，其主要成分為SiO2 (含量72%)、(Al2O3含量14%)，可以用于塑料的阻隔改性。

　　蒙脫土具有親水疏油性能，與大多數(shù)樹脂的相容性都比較差，要與樹脂形成良好的復(fù)合材料，首先要對(duì)其進(jìn)行疏水親油改性處理，以提高與樹脂的相容性。

　　利用蒙脫土的良好插層性能可以進(jìn)行長(zhǎng)鏈有機(jī)化合物的插層，大幅度提高與各類樹脂的相容性，制造多種納米塑料填充材料，同時(shí)改善復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彎曲彈性模量和沖擊強(qiáng)度。目前，已成功開發(fā)出如PA6/蒙脫土、PET/蒙脫土、PMMA/蒙脫土、PI/蒙脫土、EP/蒙脫土、PS/蒙脫土等復(fù)合材料。

    （2）凹凸棒土

　　凹凸棒土為納米粘土的一個(gè)品種，是一種水合鎂鋁硅酸鹽非金屬礦物。

　　凹凸棒土呈水晶鏈層狀結(jié)構(gòu)，但與蒙脫土的層狀結(jié)構(gòu)明顯不同，凹凸棒土為一種天然纖維狀晶體形態(tài)結(jié)構(gòu)的含水富鎂的鋁硅酸鹽礦，典型的分子式為Si8Mg5O20[Al](OH)2(OH2)4·4H2O。

　　由于納米級(jí)的晶棒很容易聚集，因此凹凸棒土與聚合物的混合只能是微米級(jí)的混合，起到增量填充的作用。凹凸棒土表面大量的硅羥基與非極性聚合物相容性差，填充前要進(jìn)行表面處理。目前凹凸棒土在塑料中應(yīng)用主要集中在PET和PA成核劑以及隔熱材料。

     （3）伊利石

　　伊利石是一種含鉀鋁硅酸鹽云母族粘土礦物，又稱為“水白云母”，其化學(xué)結(jié)構(gòu)式為KAl2[(Al,Si)Si3O10](OH)2·nH2O。伊利石的成份比較復(fù)雜，其具體組成在一定范圍內(nèi)變化，因而其應(yīng)用受到一定限制。

　　伊利石粉作為片狀增強(qiáng)填充料兼有增量和改性雙重效果。以在PVC中填充為例，加入量在3份左右時(shí)，拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度都達(dá)到最大值，而彎曲強(qiáng)度、彎曲模量和熱變形溫度在10份以前都緩慢增加。伊利石在增強(qiáng)增韌的同時(shí)，可改善塑料的尺寸穩(wěn)定性、耐蠕變性、氣體阻隔性、絕緣性和防止翹曲性。

    （4）海泡石

　　海泡石為含水鎂硅酸鹽，具有鏈狀和層狀纖維的過(guò)渡結(jié)構(gòu)，屬于2：1層鏈結(jié)構(gòu)粘土，由硅氧四面體和鎂氧八面體組成，其化學(xué)結(jié)構(gòu)式為(Si12)(Mg8)O30(OH)4(OH2)4·8H2O。海泡石作為針狀增強(qiáng)填充料兼有增量和改性雙重效果，這一點(diǎn)同伊利石相似。以在PVC中填充為例，加入量在3份左右時(shí)，拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度都達(dá)到最大值，彎曲強(qiáng)度下降，而彎曲模量和熱變形溫度在10份以前都緩慢增加，尤其是彎曲模量增加較快。

     2、納米氧化鋅

　　納米氧化鋅粒徑介于1-100nm之間，是一種高功能精細(xì)無(wú)機(jī)產(chǎn)品，表現(xiàn)出許多特殊的性質(zhì)如非遷移性、熒光性、壓電性、吸收和散射紫外線能力等，利用其在光、電、磁、敏感等方面的奇妙性能，可制造氣體傳感器、熒光體、變阻器、圖像記錄材料、壓電材料、壓敏電阻、高效催化劑、磁性材料和塑料薄膜等。

　　納米氧化鋅可以用作絕緣導(dǎo)熱材料，與高價(jià)格的金屬氮化物、碳化物復(fù)合使用。納米氧化鋅還是很好抗菌材料，抗菌效率可以達(dá)到98%以上。納米氧化鋅還是很好的紫外線遮蔽材料。

      3、羥基磷灰石

　　羥基磷灰石組成為磷酸鈣的氫氧化合物，分子式Ca10(PO4)6(OH)2。羥基磷灰石是脊椎動(dòng)物骨骼和牙齒的主要組成，人的牙釉質(zhì)中羥基磷灰石的含量在96%以上。

羥基磷灰石具有優(yōu)良的生物相容性，是人體骨骼組織主要成分，多應(yīng)用于骨組織修復(fù)。在塑料用于生產(chǎn)仿骨材料時(shí)，加入適量的羥基磷灰石可以提高復(fù)合材料的力學(xué)性能，使之與人骨匹配；可以提高復(fù)合材料與人體的生理相容性，甚至與人體實(shí)現(xiàn)有機(jī)結(jié)合。

      4、氣凝膠

　　氣凝膠是一種固體物質(zhì)形態(tài)，是目前世界上已知密度最小的人造物質(zhì)，其固體相對(duì)密度可以低到0.003，素有“固體煙霧”的美稱。

　　氣凝膠是一種新型輕質(zhì)納米多空性固體材料，被認(rèn)為是目前最輕質(zhì)、隔熱性最好的固體新材料，為透明隔熱材料。除了具有優(yōu)秀的隔熱性能外，還具有隔音、減震的性能，具有其它隔熱材料不可比擬的性能，已用于光學(xué)器件、超級(jí)電容等領(lǐng)域。

　　氣凝膠的隔熱包含三種熱量傳遞機(jī)理，即熱輻射、熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)，是一種適應(yīng)面廣泛的隔熱材料。

     5、納米碳酸鈣

　　納米碳酸鈣屬于輕質(zhì)碳酸鈣的一種，是在生產(chǎn)輕質(zhì)碳酸鈣碳化的過(guò)程中通過(guò)控制碳化工藝條件和添加結(jié)晶導(dǎo)向劑控制而得到的。不同形狀納米碳酸鈣的用途不同，針狀和鏈狀納米碳酸鈣可以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)強(qiáng)目的，球形納米碳酸鈣可以實(shí)現(xiàn)增韌的目的，空芯球形納米碳酸鈣可以實(shí)現(xiàn)輕量化填充的目的，片狀納米碳酸鈣可以提高復(fù)合材料的阻隔性，還可以利用其高遮蓋力代替部分鈦白粉。

     6、納米二氧化硅

　　納米二氧化硅就是氣相二氧化硅，是極其重要的高科技超微細(xì)無(wú)機(jī)新材料之一，由于其粒徑很小，因此比表面積大、表面吸附力強(qiáng)、表面能大、化學(xué)純度高、分散性能好以及在熱阻和電阻等方面均具有優(yōu)異的性能，以其優(yōu)越的穩(wěn)定性、補(bǔ)強(qiáng)性、增稠性和觸變性，在眾多學(xué)科及領(lǐng)域內(nèi)獨(dú)具特性，有著不可取代的作用。

      7、蛋白石

　　蛋白石是一種含水非結(jié)晶或膠質(zhì)的活性二氧化硅，其化學(xué)組成為SiO2·nH2O。蛋白石的外觀為致密的玻璃狀塊狀體，顏色有白色、灰色和淡藍(lán)色多孔狀，相對(duì)密度2.07，屬于比較輕的無(wú)機(jī)填充材料。

　　蛋白石在聚乙烯中填充具有明顯的剛韌改性作用，例如鈦酸酯偶聯(lián)劑處理的3000目蛋白石在HDPE中的加入量為30%時(shí)，拉伸強(qiáng)度基本持平，而沖擊強(qiáng)度提高160%。加入至ABS中也可以明顯改善沖擊強(qiáng)度。

納米碳類材料

      1、石墨烯

　　石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料。是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。

　　傳統(tǒng)的機(jī)械剝離法和氧化還原法生產(chǎn)的石墨烯是由石墨分離而來(lái)的。目前人們已經(jīng)開發(fā)出很多種不用石墨為原料生產(chǎn)石墨烯的方法，主要有機(jī)械剝離法、氧化還原法、化學(xué)氣相沉積法、溶劑法、溶液法等，大都已開始進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)。

　　基于它的化學(xué)結(jié)構(gòu)，石墨烯具有許多獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，如高比表面積、高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性、高阻隔性、高熱穩(wěn)定性、高磁性、高機(jī)械強(qiáng)度、透光性優(yōu)良，且易于修飾及大規(guī)模生產(chǎn)等。

　　目前制約石墨烯應(yīng)用的最大瓶頸為分散性，為提高其在聚合物中的分散性，常采用如下方法：混合添加，片狀/球狀復(fù)合混合利于分散；表面處理(表面接枝處理、表面等離子體處理、表面活性劑處理、表面硅烷偶聯(lián)劑處理)；添加相容劑，添加馬來(lái)酸酐等功能官能團(tuán)介質(zhì)聚合物材料，可以有效提高與樹脂的相容性。

　　目前制約石墨烯發(fā)展的兩個(gè)痛點(diǎn)：一個(gè)是分散問(wèn)題，目前石墨烯只是在液體中的分散問(wèn)題得到基本解決，而在固體中進(jìn)展緩慢；另一個(gè)是價(jià)格問(wèn)題，目前石墨烯的價(jià)格很高，應(yīng)用在普通塑料改性中難以承受。

     2、碳納米管

　　碳納米管的英文名稱為Carbon nantube，簡(jiǎn)稱為CNTs，它是在一定條件下大量碳原子聚集在一起形成的同軸空心管狀結(jié)構(gòu)材料，徑向尺寸為納米級(jí)，軸向尺寸為微米級(jí)。雖然碳納米管也屬于碳材料家族中的同素異構(gòu)體成員，但由于其作為一種由六邊形結(jié)構(gòu)完美連接的一維量子材料，具有十分優(yōu)異力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能。按結(jié)構(gòu)不同，可以將碳納米管以分成單壁和多壁兩大類。

　　碳納米管為黑色無(wú)味粉末，相對(duì)密度2.1，熔點(diǎn)3652-3687℃，其主要特性如下：

    （1）高強(qiáng)度

　　碳納米管是一種理想的一維模型材料，巨大的長(zhǎng)徑比使其具有類似碳纖維的性能，即高強(qiáng)度、高模量。其重量為鋼的1/6，強(qiáng)度為鋼的100倍，比強(qiáng)度為鋼的600倍。

    （2）高導(dǎo)電性能

　　碳納米管上碳原子的P電子形成大范圍的離域π鍵，由于共軛效應(yīng)顯著，碳納米管具有很好的電學(xué)性能，其體積電阻率為0.09Ω·cm。理論預(yù)測(cè)其導(dǎo)電性能取決于其管徑和管壁的螺旋角。當(dāng)CNTs的管徑大于6nm時(shí)，導(dǎo)電性能下降；當(dāng)管徑小于6nm時(shí)，CNTs可以被看成具有良好導(dǎo)電性能的一維量子導(dǎo)線。

    （3）高導(dǎo)熱

　　碳納米管具有良好的傳熱性能，CNTs具有非常大的長(zhǎng)徑比，因而其沿著長(zhǎng)度方向的熱交換性能很高，相對(duì)的其垂直方向的熱交換性能較低，通過(guò)合適的取向，碳納米管可以成為高各向異性的熱傳導(dǎo)材料。另外，碳納米管有著較高的熱導(dǎo)率，只要在復(fù)合材料中摻雜微量的碳納米管，該復(fù)合材料的熱導(dǎo)率將會(huì)可能得到很大的改善。

    （4）其他性能

　　碳納米管還具有光學(xué)和儲(chǔ)氫等其他良好的性能，正是這些優(yōu)良的性質(zhì)使得碳納米管被認(rèn)為是理想的聚合物復(fù)合材料的增強(qiáng)材料，尤其是在氫燃料電池汽車中應(yīng)用潛能巨大。

納米金屬材料

     1、納米銀線

　　納米銀線是一種直徑在納米范圍(一般在20~100納米之間)、長(zhǎng)度沒(méi)有限制的金屬銀一維纖維。

　　納米銀線具有體積小、比表面積大以及良好的化學(xué)性能和催性能、導(dǎo)電性能、抗菌性能和生理相容性。

　　納米銀線的生產(chǎn)方法有：模板輔助、多元醇、光波輻射、軟化學(xué)溶劑熱等，多元醇法由于操作簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、成本低廉成為當(dāng)前主流生產(chǎn)方法，缺點(diǎn)是產(chǎn)品濃度低。

　　納米銀線可以生產(chǎn)透明柔軟塑料導(dǎo)電膜，具體結(jié)構(gòu)如下：基材為PET薄膜，涂覆層為納米銀線分散液，表層為丙烯酸保護(hù)涂層?；臑橹螌?，中間涂層為透明導(dǎo)電層，保護(hù)層可保護(hù)銀不被氧化降低導(dǎo)電性能，主要替代ITO和金屬網(wǎng)透明導(dǎo)電薄膜。

      2、納米銅線

　　納米銅線直徑為150±50nm，長(zhǎng)度為10μm，具有高導(dǎo)電性、低摩擦、透明、耐磨損等性能，可用于透明觸摸屏薄膜、導(dǎo)電和抗靜電涂料、粘合劑和油墨、自潤(rùn)滑聚合物增強(qiáng)復(fù)合材料。