納米高分子材料改性研發(fā)呈趨勢

行業(yè)磚家

進(jìn)入21世紀(jì)，納米技術(shù)的發(fā)展日新月異，納米高分子材料作為其中的重要分支，研發(fā)呈現(xiàn)出新的趨勢。過去5年來納米技術(shù)已在全球呈現(xiàn)在爆炸式的發(fā)展，幾乎所有的工業(yè)化國家都制訂了納米技術(shù)研究計劃，政府為此投入了大量的資金。納米技術(shù)的潛在利益驅(qū)使著許多國家的科學(xué)家們不斷地探索和研究，并且引發(fā)了一場全球性的國際競爭。我國界如何適應(yīng)形勢貼近新趨勢，是一個十分重要的趨勢。

    納米高分子材料被科學(xué)家稱為強(qiáng)大的“混血兒”。納米粉末粒徑小、表面積大、易于團(tuán)聚，因此在制備納米粉末改性的聚合物復(fù)合材料時，用通常的共混法難以得到納米結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。為了增加納米添加物與聚合物的界面結(jié)合力，提高納米微粒的均勻分散能力，需對納米粉末進(jìn)行表面改性。主要是降低粒子的表面能態(tài)、消除粒子的表面電荷、提高納米粒子與有機(jī)相的親和力、減弱納米粒子的表面極性等。一般可采用6種方法對納米粒子進(jìn)行表面改性：一是表面覆蓋改性。利用表面活性劑覆蓋于納米粒子表面，賦予粒子表面新的性質(zhì)。常用的表面改性劑有硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯類偶聯(lián)劑、硬脂酸、有機(jī)硅等；二是機(jī)械化學(xué)改性。運用粉碎、摩擦等方法，利用機(jī)械應(yīng)力作用對納米粒子表面進(jìn)行激活，以改變表面晶體結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)結(jié)構(gòu)，這種方法使分子晶格發(fā)生位移、內(nèi)能增大，在外力的作用下活性的粉末表面與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)、附著，達(dá)到表面改性目的；三是外膜層改性，在納米粒子表面均勻地包覆一層其他物質(zhì)的膜，使粒子表面性質(zhì)發(fā)生變化；四是局部活性改性，利用化學(xué)反應(yīng)在納米粒子表面接枝帶有不同官能基團(tuán)的聚合物，使之具有新的功能；五是高能量表面改性，利用高能電暈放電、紫外線、等離子射線等對納米粒子進(jìn)行表面改性；六是利用沉淀反應(yīng)進(jìn)行表面改性，利用有機(jī)或無機(jī)物在納米粒子表面沉淀一層包覆物，以改變其表面性質(zhì)。以上方法中最簡單和最常用的方法是添加界面改性劑，即分散劑、偶聯(lián)劑等，分散劑能降低納米粒子的表面能、改善填料的分散狀況，但不能改善填料納米粒子與基體的界面結(jié)合，偶聯(lián)劑即可與基材有強(qiáng)的相互作用。

    普通填料加入到高分子材料中一般使拉伸強(qiáng)度明顯降低，而采用納米粉末填充的復(fù)合材料，其拉伸強(qiáng)度卻會有所增加，并在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)極值。如納米sio2填充復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度在sio2體積分?jǐn)?shù)為4%時達(dá)到最大值。研究表明，采用納米caco3填充聚乙烯，復(fù)合材料的斷裂延伸率提高。對于復(fù)合材料楊氏模量的影響也是如此，即微米級填料使楊氏模量增長平緩，而納米級填料則可使楊氏模量急劇上升，這是因為納米粒子表面原子比例高，易于與聚合物充分地吸附、鍵合。研究還發(fā)現(xiàn)，采用不同種類的納米粉末混合填充聚合物，將使復(fù)合材料的性能在某一點上出現(xiàn)極值。這是由于不同粒子的官能團(tuán)種類、數(shù)目及表層厚度不同，在粒子與基體作用的同時，粒子之間也相互吸附，從而表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)。例如，采用超微細(xì)caco3或滑石粉都會使沖擊強(qiáng)度、斷裂延伸率減小，但是兩種粉末同時加入所產(chǎn)生的協(xié)同作用使得沖擊強(qiáng)度和斷裂延伸率均增大。

    塑料的增韌增強(qiáng)改性方法較多，傳統(tǒng)的方法有共混、共聚、使用增韌劑等。無機(jī)填料填充基體，通常可以降低制品成本、提高剛性、耐熱性和尺寸穩(wěn)定性，然而往往帶來沖擊強(qiáng)度和斷裂延伸率的下降。往硬性塑料中加入橡膠彈性粒子，可以提高沖擊強(qiáng)度，但拉伸強(qiáng)度卻下降。往高分子材料中加入增強(qiáng)纖維，可以大幅度提高其拉伸強(qiáng)度，但沖擊強(qiáng)度特別是斷裂延伸率往往有所下降。近年來采用液晶聚合物對高分子材料的原位復(fù)合增強(qiáng)等，可使復(fù)合材料的拉伸及沖擊強(qiáng)度均有所改善，但斷裂伸長率仍有所下降。納米技術(shù)的出現(xiàn)為塑料的增韌增強(qiáng)改性提供了一種全新的方法和途徑。納米粒子表面活性原子多，可與基體緊密結(jié)合，相容性比較好。當(dāng)受外力時，粒子不易與基體脫離，而且因為應(yīng)力場的相互作用，在基體內(nèi)產(chǎn)生很多的微變形區(qū)，吸收大量的能量。這就使得復(fù)合材料能較好地傳遞所承受的外應(yīng)力，又能引發(fā)基體屈服，消耗大量的沖擊能，從而達(dá)到同時增韌和增強(qiáng)的效果。例如，聚丙烯(pp)增韌增強(qiáng)改性以往多采用橡膠類彈性體共混合纖維、填料的填充共混方式，近年來開始用納米級無機(jī)填料填充聚合物。1991年日本豐田汽車公司與三菱化學(xué)公司共同開發(fā)成功pp/epr(乙丙橡膠)/滑石粉納米復(fù)合材料，克服了以往pp改性材料韌性增加而斷裂延伸率下降的缺點，它兼具高流動性、高剛性和耐沖擊性，用于制造汽車的前、后保險杠，并于1991年實現(xiàn)商品化生產(chǎn)，該材料被稱為“豐田超級烯烴聚合物”。面對今后汽車的設(shè)計、制造向全球化發(fā)展的趨勢，豐田公司計劃使這種pp納米復(fù)合材料成為汽車上統(tǒng)一使用的標(biāo)準(zhǔn)材料。豐田公司還計劃將目前汽車上用的7種外裝飾樹脂材料和13種內(nèi)裝飾樹脂材料研究開發(fā)成納米復(fù)合材料。目前日本已將納米聚合物復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、食品包裝等，其他潛在的應(yīng)用還包括飛機(jī)內(nèi)部材料、電工和電子元件、防護(hù)罩結(jié)構(gòu)部件、制動器和輪胎等。目前國際上幾乎所有的塑料行業(yè)都涉足本項目的研究發(fā)，研究內(nèi)容也擴(kuò)展到各種聚合物體系。

    目前國內(nèi)揚(yáng)子石化研究院研制成功納米聚丙烯復(fù)合材料，是在聚丙烯基料加入納米粉末，使其聚集態(tài)及結(jié)晶形態(tài)發(fā)生改變，從而具有了新的性能，即保持了原有剛性，而韌性大幅度提高，是國內(nèi)首創(chuàng)。用這種材料制成箱包，既堅硬，又不易碎裂。用它制造汽車零部件，可代替高品質(zhì)的塑料和鋼材。國內(nèi)其他科研單位和產(chǎn)業(yè)部門也有相關(guān)研究的報道，但多局限于個別體系，且尚無規(guī)模化產(chǎn)品問世。隨著中國加入wto的臨近，汽車制造商提出汽車零部件要求兼具高剛性和高韌性，而目前國內(nèi)汽車保險杠專用料等多是高韌性，但剛性降低的pp改性料。國內(nèi)有豐富的pp資源，為了適應(yīng)新的形勢要求我們應(yīng)盡快開發(fā)納米粒子改性pp材料

牛比的波波

了解了一些 謝謝LZ