所謂“納米塑料”是指無機(jī)填充物以納米尺寸分散在有機(jī)聚合物基體中形成的有機(jī)/無機(jī)納米復(fù)合材料。在納米復(fù)合材料中，分散相的尺寸至少在一維方向小于100nm。由于分散性的納米尺寸效應(yīng)、大比表面積和強(qiáng)界面結(jié)合，納米復(fù)合材料具有一般工程塑料所不具備的優(yōu)異性能，因此是一種全新的高技術(shù)新材料，具有廣闊的商業(yè)開發(fā)和應(yīng)用前景。 中國科學(xué)院化學(xué)研究所工程塑料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室用天然粘土礦物蒙脫土作為分散相，利用插層聚合復(fù)合、熔融插層復(fù)合等方法對(duì)納米塑料的制備進(jìn)行了制備，成功地開發(fā)出了以聚酰胺(PA6和PA66)、聚酯(PET和PBT)、聚乙烯(包括普通聚乙烯PE和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚苯乙烯、環(huán)氧樹脂、硅橡膠、聚苯胺、聚氨酯等為基材的一系列納米塑料，并實(shí)現(xiàn)了部分納米塑料的工業(yè)化生產(chǎn)。 1 經(jīng)濟(jì)實(shí)用的制備工藝 納米塑料中用作納米無機(jī)相材料的蒙脫土(MMT)，是我國豐產(chǎn)的一類天然粘土礦物，是一種層狀硅酸鹽，其結(jié)構(gòu)片層是納米尺度的，包含有三個(gè)亞層，在兩個(gè)硅氧四面體亞層中間夾含一個(gè)鋁氧八面體亞層，亞層之間通過共用氧原子以共價(jià)鍵連接，結(jié)合極為牢固。整個(gè)結(jié)構(gòu)片層厚約1nm，長寬約100nm，由于鋁氧八面體亞層中的部分鋁原子被低價(jià)原子取代，片層帶有負(fù)電荷。過剩的負(fù)電荷靠游離于層間的Na＋ 、Ca2＋和Mg2＋等陽離子平衡，因此容易與烷基季銨鹽或其它有機(jī)陽離子進(jìn)行離子交換反應(yīng)生成有機(jī)化蒙脫土，交換后的蒙脫土呈親油性，并且層間的距離增大。有機(jī)蒙脫土能進(jìn)一步與單體或聚合物熔體反應(yīng)，在單體聚合或聚合物熔體混合的過程中剝離為納米尺度的結(jié)構(gòu)片層，均勻分散到聚合物基體中，從而形成納米塑料。這種插層復(fù)合技術(shù)是基于在傳統(tǒng)工藝基礎(chǔ)上的技術(shù)革新，不需要新的高昂設(shè)備投資，工藝簡(jiǎn)單，操作方便，環(huán)境良好，特別適合于聚合物改性，容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)代化?？梢愿鶕?jù)要求提供多種規(guī)格的納米土和設(shè)計(jì)、制造納米塑料生產(chǎn)線。 2 優(yōu)異的性能 2.1 高強(qiáng)度和耐熱性 插層復(fù)合技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)有機(jī)物基體與無機(jī)物分散相在納米尺度上的復(fù)合，所得的納米塑料能夠?qū)?無機(jī)物的剛性、尺寸穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性與聚合物韌性、可加工性及介電性完美地結(jié)合起來。納米塑料中含蒙脫土量較少，一般在10wt％以下，通常僅3wt％－5wt％，但其剛性、強(qiáng)度、耐熱性等性能與常規(guī)玻纖或礦物填充增強(qiáng)復(fù)合材料(填充量30wt％左右甚至更高)相當(dāng)，因而納米塑料的密度較低，比強(qiáng)度和比模量高而又不損失其抗沖擊強(qiáng)度，能夠有效地降低制品重量，方便運(yùn)輸。同時(shí)，由于納米粒子尺寸可見光波長，納米塑料具有高的光澤和良好的透明度。 2.2 高阻隔及自熄滅性 由于聚合物基體與蒙脫土片層的良好結(jié)合，通過控制納米硅酸鹽片層的平面取向，納米塑料制品表現(xiàn)出良好的尺寸穩(wěn)定性和很好的氣體(包括水蒸氣)阻透性。如尼龍6納米復(fù)合材料(含蒙脫土2wt％)的氧氣透過率與純的尼龍6相比降低了一半，水蒸氣的透過率降低了三分之一以上。一些納米塑料還具有阻燃自熄滅性能。 2.3 優(yōu)良的加工性 納米塑料熔體強(qiáng)度高，結(jié)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(jí)，注塑級(jí)納米超高分子量聚乙烯，解決了超高分子量聚乙烯加工的世界性難題。 3 納米塑料的用途 與一般微觀復(fù)合材料相比，含有少量蒙脫土的納米塑料表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能，因此它們比常規(guī)填充復(fù)合材料要輕。良好的性能組合、簡(jiǎn)單的加工工藝和低廉的價(jià)格使得納米塑料在各種高性能管材、汽車及機(jī)械零部件、電子和電氣部件等領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用前景。同時(shí)，具有優(yōu)異阻透性能的納米復(fù)合材料在食品特別是啤酒罐裝、肉類和奶酪制品的包裝材料市場(chǎng)上潛力巨大。 4 典型納米塑料舉例 4.1 尼龍6納米塑料(NPA6) 普通尼龍6具有良好的物理、機(jī)械性能，例如拉伸強(qiáng)度高，耐磨性優(yōu)異，抗沖擊韌性好，耐化學(xué)藥品和耐油性突出，是五大工程塑料中應(yīng)用最廣的品種。但是，普通尼龍6的吸水率高，在較強(qiáng)外力和熱條件下，其剛性和耐熱性不佳，制品的穩(wěn)定性和電性能較差，在許多領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制。 我們應(yīng)用天然豐產(chǎn)的蒙脫土層狀硅酸鹽作為無機(jī)分散相，發(fā)明了一步法制備尼龍6納米塑料(NPA6)，現(xiàn)已獲得中國國家發(fā)明專利。該復(fù)合材料與純尼龍6相比具有高強(qiáng)度、高模量、高耐熱性、低吸濕性、高尺寸穩(wěn)定性、阻隔性能好，性能全面超過尼龍6，并且具有良好的加工性能；與普通的玻纖增強(qiáng)和礦物增強(qiáng)尼龍6相比，具有密度低、耐磨性好、相同無機(jī)物含量條件下綜合性能明顯優(yōu)于前者特優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，該納米復(fù)合材料還可進(jìn)一步用于玻纖增強(qiáng)和普通礦物增強(qiáng)等改性納米尼龍6，其性能更加優(yōu)越。由于本實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的汽車零部件，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)等有耐熱性要求的零件，還可應(yīng)用于辦公用品、電子電器零部件、日用品等，此外還可用于制造管道等擠出新制品。尼龍6納米塑料是工程塑料行業(yè)的理想材料，該產(chǎn)品的開發(fā)為塑料工業(yè)注入了全新的概念。在NPA6作為工程塑料的基礎(chǔ)上我們還制備了高性能NPA6膜用切片，該切片適用于吹塑和擠出制備熱收縮腸衣膜、雙向拉伸膜、單向拉伸膜及復(fù)合膜。與普通PA薄膜相比，NPA6膜具有更佳的阻隔性、力學(xué)性能和透明性，因而是更好的食品包裝材料。 4.2 PET納米塑料(NPET) 聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)用于纖維、瓶和薄膜，工程塑料用只占其總量的1.6％。目前國內(nèi)非纖維用PET樹脂的年生產(chǎn)能力為64.9萬噸，因此開發(fā)工程塑料級(jí)PET成為關(guān)注的焦點(diǎn)。PET作為工程塑料應(yīng)用存在三大制約因素：熔體強(qiáng)度差、結(jié)晶速度較慢、尺寸穩(wěn)定性差，因而不能滿足工業(yè)上快速注塑成型的需要。有鑒于此，世界上各大公司紛紛在快速結(jié)晶化助劑的開發(fā)上投入大量人力、物力、財(cái)力，開發(fā)出了各具特色的快速結(jié)晶助劑。并在此基礎(chǔ)上推出了各自的商品化PET工程塑料產(chǎn)品，較為突出的有美國GE公司、德國BASF公司、日本三菱公司的系列玻璃纖維/礦物增強(qiáng)PET工程塑料。這些產(chǎn)品都具有較高的結(jié)晶速率，但在加工過程中加入的成核劑價(jià)格昂貴，成為制約其大規(guī)模應(yīng)用的一個(gè)瓶頸。我們的研究表明，當(dāng)無機(jī)組分以納米水平分散在PET基材中時(shí)，可顯著改善PET的加工性能及制品性能，開發(fā)出了PET/蒙脫土納米復(fù)合材料NPET(中國專利申請(qǐng)?zhí)枺?7104055.9)。結(jié)合NPET原料，開發(fā)出增強(qiáng)型阻燃NPET工程塑料，經(jīng)工程塑料國家工程研究中心測(cè)試，結(jié)果均表明該種新型PET工程塑料的各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到或超過了國內(nèi)外PET工程塑料產(chǎn)品。該種產(chǎn)品性能穩(wěn)定、可靠，完全具備了批量生產(chǎn)的技術(shù)條件。 4.3 超高分子量聚乙烯/粘土納米復(fù)合材料(NUHMWPE) 超高分子量聚乙烯是指粘均分子量在150萬以上的線性結(jié)構(gòu)聚乙烯，其耐磨、耐沖擊、耐腐蝕、自潤滑、吸收沖擊能為現(xiàn)有塑料中最高值，故被稱為“令人驚異的塑料”，但由于粘度極高，成型加工困難。我們研制成功的UHMWPE/粘土納米復(fù)合材料解決了UHMWPE加工的難題。UHMWPE與均一分散層狀硅酸鹽充分混合，利用層狀硅酸鹽片層間摩擦因數(shù)小，減少UHMWPE分子鏈的纏結(jié)，起到了良好的自潤滑作用，使得UHWMPE能用普通擠出成型方法連續(xù)產(chǎn)生管材和異型材。聚乙烯納米合金系列，具有優(yōu)良的耐磨、耐腐蝕、高強(qiáng)度、無毒性能。制品易于運(yùn)輸、安裝、保養(yǎng)，并具有優(yōu)良的抗震性，性能價(jià)格比優(yōu)于鐵管、鋁管、鋁塑管，是理想的大、中、小口徑的給水管，工業(yè)液體輸送管道，河湖疏浚排泥管道，糧食、粉煤灰、礦沙輸送管道材料。
