所謂“納米塑料”是指無機填充物以納米尺寸分散在有機聚合物基體中形成的有機/無機納米復合材料。在納米復合材料中，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、大比表面積和強界面結(jié)合，納米復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)和應用前景。 中國科學院化學研究所工程塑料國家重點實驗室用天然粘土礦物蒙脫土作為分散相，利用插層聚合復合、熔融插層復合等方法對納米塑料的制備進行了制備，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，并實現(xiàn)了部分納米塑料的工業(yè)化生產(chǎn)。 1 經(jīng)濟實用的制備工藝 納米塑料中用作納米無機相材料的蒙脫土(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，包含有三個亞層，在兩個硅氧四面體亞層中間夾含一個鋁氧八面體亞層，亞層之間通過共用氧原子以共價鍵連接，結(jié)合極為牢固。整個結(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原子取代，片層帶有負電荷。過剩的負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陽離子進行離子交換反應生成有機化蒙脫土，交換后的蒙脫土呈親油性，并且層間的距離增大。有機蒙脫土能進一步與單體或聚合物熔體反應，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。這種插層復合技術(shù)是基于在傳統(tǒng)工藝基礎上的技術(shù)革新，不需要新的高昂設備投資，工藝簡單，操作方便，環(huán)境良好，特別適合于聚合物改性，容易實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)代化。可以根據(jù)要求提供多種規(guī)格的納米土和設計、制造納米塑料生產(chǎn)線。 2 優(yōu)異的性能 2.1 高強度和耐熱性 插層復合技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)有機物基體與無機物分散相在納米尺度上的復合，所得的納米塑料能夠?qū)?無機物的剛性、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、強度、耐熱性等性能與常規(guī)玻纖或礦物填充增強復合材料(填充量30wt％左右甚至更高)相當，因而納米塑料的密度較低，比強度和比模量高而又不損失其抗沖擊強度，能夠有效地降低制品重量，方便運輸。同時，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，注塑級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)填充復合材料要輕。良好的性能組合、簡單的加工工藝和低廉的價格使得納米塑料在各種高性能管材、汽車及機械零部件、電子和電氣部件等領(lǐng)域中有廣泛的應用前景。同時，具有優(yōu)異阻透性能的納米復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、機械性能，例如拉伸強度高，耐磨性優(yōu)異，抗沖擊韌性好，耐化學藥品和耐油性突出，是五大工程塑料中應用最廣的品種。但是，普通尼龍6的吸水率高，在較強外力和熱條件下，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)域的應用受到限制。 我們應用天然豐產(chǎn)的蒙脫土層狀硅酸鹽作為無機分散相，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。該復合材料與純尼龍6相比具有高強度、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；與普通的玻纖增強和礦物增強尼龍6相比，具有密度低、耐磨性好、相同無機物含量條件下綜合性能明顯優(yōu)于前者特優(yōu)點；同時，該納米復合材料還可進一步用于玻纖增強和普通礦物增強等改性納米尼龍6，其性能更加優(yōu)越。由于本實驗室開發(fā)的汽車零部件，尤其是發(fā)動機內(nèi)等有耐熱性要求的零件，還可應用于辦公用品、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、單向拉伸膜及復合膜。與普通PA薄膜相比，NPA6膜具有更佳的阻隔性、力學性能和透明性，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PET成為關(guān)注的焦點。PET作為工程塑料應用存在三大制約因素：熔體強度差、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、財力，開發(fā)出了各具特色的快速結(jié)晶助劑。并在此基礎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格昂貴，成為制約其大規(guī)模應用的一個瓶頸。我們的研究表明，當無機組分以納米水平分散在PET基材中時，可顯著改善PET的加工性能及制品性能，開發(fā)出了PET/蒙脫土納米復合材料NPET(中國專利申請?zhí)枺?7104055.9)。結(jié)合NPET原料，開發(fā)出增強型阻燃NPET工程塑料，經(jīng)工程塑料國家工程研究中心測試，結(jié)果均表明該種新型PET工程塑料的各項性能指標均達到或超過了國內(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、高強度、無毒性能。制品易于運輸、安裝、保養(yǎng)，并具有優(yōu)良的抗震性，性能價格比優(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。
