塑料的性能及应用前景

1、纳米塑料的性能及应用前景科科l技I论I坛纳米塑料的性能及应用前景肖亚航(宝鸡文理学院机电研究所,陕西宝鸡721007)摘要:研究综述了纳米塑料的分类,制备技术原理,性能及应用.指出纳米塑料制备的关键问题是如何使纳米材料真正以纳米级均匀分散到塑料基体中,今后研究的重点是探索新的纳米塑料和新的制备工艺,开发纳米塑料的新用途.关键词:纳米塑料;制备工艺;性能;应用纳米塑料是指金属,非金属和有机填充物以纳米尺寸均匀分散于塑料母体中形成的塑料基复合材料,亦称为聚合物基纳米复合材料.在纳米塑料复合材料中,加入的填充分散相,其尺寸至少在一维方向上小于10Ohm.由于分散相的纳米尺寸效应,表面效应和强界面结合

2、,使纳米塑料具有基体塑料以及微米级塑料复合材料所不具备的微观组织结构及性能,如:高强度,抗静电性,防辐射性,抗菌性等等,是一种全新的高技术新材料,被认为是21世纪塑料中的”超新星”11,所以具有广阔的应用前景.近年来各国竞相投入财力和人力,加大研究和开发力度,加快产业化步伐.本文主要研究综述了纳米塑料的制备技术原理,性能及应用,为纳米塑料的进一步研究提供依据.1纳米塑料的分类纳米塑料的分类如表1所示.按添加剂不同可分为三种:无机纳米塑料,有机纳米塑料和金属纳米塑料;按母体树脂不同可分为:纳米尼龙,纳米聚烯烃,纳米聚酯,纳米聚甲醛等;按功用不同可将纳米塑料分为:纳米通用塑料,纳米工程塑料,纳米特

3、种工程塑料,纳米功能塑料(纳米导电塑料,纳米抗菌塑料,纳米吸波塑料)等.1.1无机纳米塑料在塑料中加入无机材料形成无机纳米塑料.常用的无机纳米粒子包括碳酸钙,层状硅酸盐(云母,绿土,蒙脱土,膨闰土等),sio2,TiO2,SiC,Al等.这种纳米粒子加入到塑料中可以达到以下效果:a.改善塑料性能,如提高机械强度,透气透水率,耐高,低温性等.b.增加塑料的特殊性能,像防辐射性能,抗静电性能,磁性能和抗菌性等.目前已研究的无机纳米塑料有CaCO,-IDPE,CaCOJPVC,CaCOdPP,SiOJ聚酰亚胺,siC/HDPE,纳米硅酸盐伲龙,蒙脱土,聚苯乙烯,粘土矿物,聚环氧乙烷,硅酸钠氧树脂等.

4、无机纳米塑料是目前研究最多的纳米塑料,也是目前投入应用最多的纳米塑料.1.2有机纳米塑料有机纳米塑料是由纳米有机材料加入到塑料中形成的.这些有机物大多数是液晶,加入到塑料中可大幅度提高塑料的机械性能如:在聚酰亚胺中加入10%的热致型液晶聚合物,能使弹性模量由1.7GPa提高到6.9GPa,拉伸强度由125MPa提高到470MPa.已研制的有机纳米塑料有:5%的PP1lA与PA6溶液共混,得到Pm微纤(直径为1530am,长60Ohm)在PA6基体中分散的分子复合材料;PPTA微纤作为增强剂与PVC,ABS,PAA聚合物等复合,借助溶剂,形成的分子复合材料.1.3金属纳米塑料把纳米金属粉体加入到

5、塑料中,形成的纳米塑料.金属纳米粉体与塑料复合可赋予塑料金属粉体所具有的金属性能,如将铜加入到聚甲醛中改善塑料的耐磨性,或在PP中加入其它纳米金属表1纳米塑料的分类粉末改善塑料的导电性和机械强度.纳米金属有很多种,但目前纳米金属的研究还很少.2纳米塑料的制备纳米塑料复合材料的涉及面较宽,包括的范围较广,近年来发展建立起来的制备方法也多种多样,可大致归为四大类日:纳米单元与高分子直接共混;在高分子基体中原位生成纳米单元;在纳米单元存在下单体分子原位聚合生成高分子及纳米单元和高分子同时生成.各种制备纳米复合材料方法的核心思想都是要对复合体系中纳米单元的自身几何参数,空间分布参数和体积分数等进行有效

6、的控制,尤其是要通过对制备条件(空间限制条件,反应动力学因素,热力学因素等)的控制,来保证体系的某一组成相至少一维尺寸在纳米尺度范围内(即控制纳米单元的初级结构),其次是考虑控制纳米单元聚集体的次级结构.以下介绍几种纳米塑料常用制备方法原理41.2.1插层复合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lnm左右,长,宽为3010Ohm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插层聚合法和聚合物插层

7、法.2.1.1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.2.1.2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能以纳米尺度均匀分散在塑料基体树脂中.2.2原位复合法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

8、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得纳米塑料.2-3分子复合法分子复合法代表性的产品是液晶聚合物(LCP)系纳米塑料,利用熔融共混或接指共聚,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,因而称为分子复合法.优点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,效果显着.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,机械共混法,熔融共混法等.有实际意义

9、的为熔融共混法,其他方法难于达到理想的分散效果,如机械共混法虽然简单,t臣很难使易团聚(或称自聚集)的无机纳米粒子在塑科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,表面处理剂有相容剂,分散剂,偶联剂,实际常并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.3纳米塑料的性能及应用3.1纳米塑料的性能3.1.1高强度和高耐热性用插层技术制备纳米塑料可将无机物的刚性,尺寸稳定性和耐热稳定性

10、与聚合物的韧性,可加工性及介电性完美结合起来.纳米塑料中含蒙脱土量较少,一般在lOwt%以下,通常仅3-5wt%,但其刚性,强度,耐热性等性能与常规玻璃纤维或矿物填充增强复合材料(填充量30wt%左右甚至更高)相当,因而纳米塑料的比重较低,比强度和比模量高而又不损失其抗冲击强度,能够有效地降低制品重量,方便运输.同时,由于纳米粒子尺寸小于可见光波长,纳米塑料具有高的光泽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体与粘土的平面取向作用,纳米塑料表现出良好的尺寸稳定性和良好的气体阻透性.纳米塑料与未填充的聚合物相比,其气,液体的透过性显着下降,并随着蒙脱士含量的增加而I30科l技J

11、论l坛迅速下降,阻透性能显着上升.在聚酰亚胺一蒙脱土纳米塑料中,其气体渗透系数(包括水蒸气,氧气和氦气)显着下降,并随着蒙脱土含量的增加而下降.当蒙脱土质量含量仅为2%时,其渗透系数下降近一半;当用不同粘土来制备时,随着粘土片层长度的增加,材料的阻隔性能提高更显着.这是由于在纳米塑料中的聚合物基体中存在着分散的,大的尺寸比的硅酸盐层.这些层对于水分子和单体分子来说是不能透过的,迫使溶质要通过围绕硅酸盐粒子弯曲的路径才能通过薄膜,这样就提高了扩散的有机通道长度,达到阻隔性上升的目的.3.1-3高阻燃及自熄灭性有些纳米塑料还具有很高的自熄性,很低的热释放速率和较高的抑烟性,是理想的阻燃材料,如把聚

12、已内酯一硅酸盐纳米塑料和未填充的聚已内酯放在火中30s,取出后纳米塑料就停止燃烧,并保持它的完整性;与此相反,未填充的聚合物则继续燃烧直到样品被破坏为止.如纳米尼龙6,当粘土含量为5%时,其热释放速率的峰值(评价材料火灾安全性的关键因素)可以下降到50%以上.因此.国外有文献称这种纳米塑料制造技术是塑料阻燃技术的革命.3.1.4良好的热稳定性硅酸盐的耐高温性用于纳米塑料使其耐热性和热稳定性明显提高.例如聚二甲基硅氧烷(PDMs)一粘土纳米塑料和未填充的聚合物相比,其分解温度大大提高,从400C提高到500C.在粘土尼龙(NCH)中,产物的热变形温度(HTD)提高了近一倍(NClt的为13516

13、0C,纯尼龙的为65C).3.1.5持久的抗菌性无机纳米抗菌粒子可与塑料制成抗菌塑料.抗菌塑料制品在使用过程中,纳米抗菌剂在紫外光的照射下,抗菌剂在水中或空气中生成活性氧0:和OH-,具有很强的氧化还原作用,能与各种有机物发生反应,破坏了细菌的细胞膜或细胞原生质活性酶的活性,把大多数的病菌和病毒杀死.由于纳米粉体颗粒尺寸的特殊效应,大大提高了整体抗菌效果,使耐温,粉体粒度,分散性和效应都得到了充分发挥,产生持久的抗菌效果.3.1.6优良的加工性纳米塑料熔体强度高,结晶速度快,熔体粘度低,因此注塑挤出和吹塑的加工性能优良,尤其是挤出级,注塑级纳米超分子量聚乙烯,解决了超高分子量聚乙烯加工的世界性

14、难题.3.2纳米塑料的主要应用由于纳米塑料具有优异的特性,所以被广泛应用于航空,通讯,食品包装等领域.3.2.1纳米聚乙烯塑料的应用纳米聚乙烯塑料具有优良的耐磨性,耐蚀性和高强度等性能,其制品易于运输,安装和保养,具有优良的抗菌性,性能价格比优于铁管,铝管,铝塑管,是理想的各种口径给水管,煤气管道,工业液体输送管道,河湖疏通排泥管道,粮食及粉煤灰和矿砂输送管道的制备材料.聚乙烯纳米塑料在航空领域可作飞机开关,熔断器,调谐器,接插件,座椅支架,仪表板,集成电路盒,空调器等零件.在通讯领域可作电话交换设备的接线板,配电盘,接插件,电容器壳体以及各种电话的天线护套等.在食品领域,作啤酒瓶,肉类和奶酪

15、制品的包装材料等;在其它领域,可作变压器骨架,线圈骨架,高性能管材,温控开关部件,温控保护器,电熨斗手柄,电烤炉部件,散热器部件,节能灯座等.3.2.2纳米聚酯的应用纳米聚酯与普通聚酯相比,具有强度高,阻隔性好,耐热,耐磨,比重轻等特点,物理机械性能优异,可取代金属和陶瓷制作齿轮,电器插件等,市场前景广阔.聚酯,蒙脱土纳米复合材料可广泛应用于汽车,电子,电器,商用机器,通讯,照明家电及其它领域产品的零部件.3.2.3纳米尼龙的应用尼龙6/蒙脱土纳米复合材料的拉伸强度和弯曲模量是纯尼龙的1.5倍,热变形温度比纯尼龙6提高97,吸水率低,对氧气的阻隔性好,耐蠕变性好,尺寸稳定性好,具有良好的成形加

16、工性.所以应用领域非常广泛.可用于制造汽车零件,还可用于办公用品,电子电器,日用品领域以及制造管道挤出制品等.用纳米尼龙还可制备高性能的膜用切片,适用于吹塑和挤出制备热收缩肠衣膜,双向拉伸膜,单项拉伸膜及复合膜,与普通尼龙6薄膜相比,纳米尼龙6薄膜具有更佳的阻隔性,力学性能和透明性,因而是更好的食品包装材料.由美国Honeywell公司开发的纳米尼龙AegisOX作为三层聚酯瓶的阻隔层材料,使聚酯瓶达到啤酒瓶4个月和果汁6个月的保质期要求.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

17、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.3.2.4纳米抗菌塑料的应用利用纳米技术可制得抗菌纳米塑料,采用沸石作为载体附载Ag,Cu,zn等金属离子制备银沸石抗菌剂,再把抗菌剂添加到塑料中就形成抗菌纳米塑料.主要应用在食品包装,家用电器,卫生设施,El用物品,建材,通讯器材等塑料制品领域.如电话,电梯按钮,电脑键盘,电器开关,冰箱,门把手,门衬,空调器,热水器,微波炉,电饭锅,洗衣机等方向.利用抗菌材料具有持久抗菌性,其产品将会被用户更青睐.以冰箱为例,海尔集团1998年在全国批量推出健康型抗菌冰箱以来,市场销售势头看好,海尔抗菌冰箱El销售量已占到海尔冰

18、箱日销售量的90%以上.欧美等国与海尔基团的订单中,抗菌冰箱占到80%以上.其它各冰箱生产企业也纷纷加大抗菌冰箱的生产.在农田水利建设方面,采用抗菌塑料制造灌溉用管道,可防止土壤中因细菌作用引起的堵塞喷孑L现象,大大提高灌溉效率.在食品,饮料,医药,化妆品等包装用塑料方面,采用纳米抗菌塑料,会大大提高产品的附加值,具有很大的发展空间;在玩具行业,利用抗菌塑料生产抗菌玩具,抗茵壁纸,也是抗菌塑料生产的一个发展趋势.抗菌塑料也可以用在PVC发泡板材领域,可制造客,货轮船舶的内装饰板,展台,展板,饭店壁板,游泳池的内壁,鱼箱冷库,化学品槽壁等产品.其生产技术含量高,是一种新型的建材,国外发展很快.目前国内需求量也很大.4纳米塑料的发展前景纳米塑料具有一般工程塑料所不具备的优科异性能.属于高科技新型材料.由于纳米粒子尺寸小于可见光波长,纳米塑料显示出良好的透明度和较高的光泽度.部分材料的耐磨性是黄铜的27倍,钢铁的7倍.纳米塑料具有优异的综合性能和广阔的应用前景,可以广泛应用于航空,通讯,食品包装等领域.通用汽车公司的有关人士预言,在未来的20年.纳米级复合材料的使用将对汽车生产产生重要影响,这种技术所带来的性能提高将导致许多汽车部件的更新换代.据国外咨询公司预测,到2008年,全球对纳