《高分子复合材料》课件-3.52蒙脱土

1.蒙脱土的结构什么是蒙脱石？蒙脱石(montmorillonite)是由膨润土提纯加工而得。膨润土又名斑脱岩（bentonite）,是以蒙脱石为主要矿物成分的粘土矿，其蒙脱石含量为40%-90%，还含有少量高岭石、水铝英石、绿泥石、蛋白石、云母等矿物质，膨润土的性能与蒙脱石含量有关，含蒙脱石越多，其性能越优越。蒙托土的简介蒙托土的基本成分为蒙脱石。蒙托土也简称黏土，所以蒙脱石、蒙托土、黏土都是指一个意思，都是可剥离的层状硅酸盐。聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料、聚合物/蒙脱石纳米复合材料都是指一个意思，可以计为PLSNs。纳米插层复合材料插层材料一般是指由层状无机物与嵌入物质构成的一类材料。层状无机物亦称为插主（host),嵌入物亦称为客体（guest)。层状无机物的种类石墨天然层状硅酸盐，如滑石,云母，黏土（高岭土，蒙托土及泥质石等）和纤蛇纹石，蛏石等；人工合成硅酸盐，云母，如层状沸石，锂蒙托石和氟锂蒙脱石等层状金属氧化物，如V2O5,MoO3,WO3等其它无机物，一些过渡金属二硫化物，硫代亚磷酸盐，磷酸盐，金属卤化物等。嵌入物质可以是无机小分子，离子，有机小分子和有机大分子。当嵌入物质为小分子物质时，该物质被称为“夹层化合物”“嵌入化合物”等。往往利用小分子与夹层的特殊作用，使插层材料附加上一些导电，导热，催化，发光等功能。当嵌入物质为有机大分子时，通常要利用大分子基体与层状插主材料之间的作用，使插层材料能综合插主与客体两者的功能。近年来，开发出的各种高分子插层材料，大多是在嵌入成分上附加上或改善其某些性能，如强度，耐热性，阻隔性等。蒙脱石的结构硅酸盐矿物可分为层状结构的硅酸盐和链状－层状结构的硅酸盐两种。用作聚合物/黏土纳米复合材料无机分散相的蒙托土（monotmorillonite,MMT),是我国丰产的一种黏土矿物，一种层状硅酸盐。整个片层厚约1nm，长宽各为100nm，每层包含三个亚层。在两个硅氧四面体亚层中的部分铝原子被低价原子取代，片层带有负电荷，过剩的负电荷靠游离于层间的Na+,Ca2+,Mg2+等阳离子平衡。蒙脱石的结构这些阳离子容易与烷基季铵盐或其他有机阳离子进行交换反应，生成亲油性的有机化蒙托土，层间距离增大。有机蒙托土片层可进一步使单体渗入并聚合，或使聚合物融体渗入而形成纳米复合材料。蒙脱石的结构这种黏土的硅酸盐片层之间存在碱金属离子，在水中溶胀，故亦称为膨润土，即可溶胀黏土。反之，像滑石，高岭土这类层状硅酸盐，片层之间无碱金属，在水中不溶胀，称之为非溶胀黏土。可溶胀黏土用于制备聚合物/黏土纳米复合材料，亦称之为蒙托土。蒙脱石的结构蒙脱石粉末由九十个基本颗粒聚集而成，每个颗粒尺寸为10-50微米。颗粒之间存在缺陷，受到一定外力场作用可分散成为0.1-10微米的微小颗粒，这些微小颗粒是由若干厚度约为1nm的硅酸盐片层紧密堆砌而成的。2.蒙脱土的结构聚合物/黏土复合材料的性能与应用聚合物/黏土纳米复合材料的应用大体分为两大类，即作为工程材料和气体阻隔材料。此种纳米复合材料的抗张强度、抗张模量与聚合物基体相比有大幅度提高，这是一般用填料填充的聚合物体系所无法比拟的。同时阻燃性、热变形温度、耐溶剂性能等都大幅度提高。黏土用量仅为1%-5%，透明性不受影响，但有时对气体的渗透性可下降一个数量级。聚合物/黏土纳米复合材料相态及性能在聚合物/黏土纳米复合材料中，存在四个相：硅酸盐片层相，改性表面相，未束缚聚合物相、纯聚合物相。这些相的体积分数及其性质决定了整个复合材料的性质，包括阻隔性能和其它性能。聚合物/黏土复合材料的阻燃性能聚合物/黏土纳米复合材料具有优异的自熄性；原理：燃烧过程中，纳米复合材料结构塌陷，形成了多层碳质/硅酸盐结构。该结构作为一种传质和传热的阻隔体，阻隔挥发物的产生和聚合物的分解。由于聚合物/黏土纳米复合材料表现出良好的综合性能，如热稳定性、高强度、模量高、气体阻隔性高、膨胀系数低等优点，且密度仅为一般复合材料的65-75%，广泛用于航空、汽车、家电、电子行业作为高性能工程塑料。应用于导电材料将导电聚合物嵌入层状无机物的夹层中形成纳米复合材料，因在层状坑道中分子的整齐排列，所得的导电聚合物的结构规整，具有各向异性，在电子、光学、和电化学等方面将显示出新的特性，可以用于制备导电与半导电材料、发光材料、变色材料和非线性光学材料。应用于耐磨材料聚合物无机物纳米复合材料具有优异的力学和热学性能，可以制备出耐热、高强度的耐磨材料，应用于汽车工业和航空工业等领域。如聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料，聚合物/碳纳米管纳米复合材料，及聚合物/二氧化硅/纳米复合材料等等。纳米复合涂料纳米粒子用于传统涂料中得到一类具有抗辐射、抗老化与剥离性能的新型纳米涂料。传统的涂料包括醇酸树脂涂料、丙烯酸树脂涂料及用于建筑、船舶、汽车、卷钢、家电等领域的涂料。它们均不同程度地存在‘颜料悬浮’，稳定性差，触变性差和抗老化性性等问题。纳米涂料使传统涂料产生质变。我们所熟知的二氧化钛纳米粒子粒径1-100nm，对入射光基本无散射作用，具有很强的屏蔽紫外线能力和优异的透明性。将这种纳米和云母珠光颜料并用时，作为效应颜料可以产生十分迷人的精美双色效应，这种效应颜料的神秘色彩和独特的光学性能，很受汽车涂料商的欢迎，已广泛应用于汽车涂料。阻隔材料

由于聚合物链受限于层状无机物的纳米片层之间，聚合物层状无机物纳米复合材料具有高长径比的无机物片层阻碍了气体的扩散，增加了材料的阻隔性。应用比较多的是各类包装行业，PP、PE、PET及PA6与层状硅酸盐的纳米复合材料广泛应用啤酒包装及机械包装等领域，简化了生成工艺，降低包装成本。生物功能复合材料

目前，层状无机物与聚合物的复合已从普通高分子拓展到生物高分子。将蛋白质分子比如血红蛋白和酶固定在α一ZrP的层间，以改善酶的催化活性，有利于制备生物复合材料和生物传感器。将抗癌药氨甲叶酸通过离子交换到ZnAl一LDH层间合成了生物功能性纳米复合材料，在改善药物的生物相容性的同时，改善药物的释放速率以增强药效。清洁阻燃材料聚合物/无机物纳米复合材料显示出优良的热性能和气体阻隔性能，因而具有一定的阻燃性能，纳米复合是新型阻燃技术的变革性技术。胡源、宋磊等对聚氨酯、P