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影响聚合物/膨润土纳米复合材料产业化的关键问题
一、概况
80年代中期科学家关注有机和无机材料在纳米级上的复合，这促使高分子材料领域的重大变革，它已成为21世纪材料革命的重要科目，也是传统塑料橡胶，合成树脂工业获得改造升级的重要途径。所谓无机―有机纳米复合材料指的是纳米粒级的无机材料，以纳米级尺寸分散于高分子聚合物的连续相中，形成新颖的复合材料，呈现出性能明显改善的纳米效应，依靠两相之间很强的界面作用力而形成复合材料，它决非将无机相和有机相作简单的混合，而是通过纳米级的复合，使高分子聚合物与无机物的各自优势得到互补。
高分子材料具良好的韧性、耐腐蚀、耐水、高电热绝缘性，加之重量轻、易加工是今日生活中不可缺少的材料，但它的明显弱势是：强度刚性不够、耐热性差、尺寸稳定性不好、易老化、易燃等，这就限制了它的应用领域。
无机材料具有较好的强度、刚性、耐热、耐老化和尺寸稳定等优点，如何将这些优点性能结合到高分子材料中，是材料学界近二十年来研究开发的重点。
无机材料中天然的层状硅酸盐矿物受到了极大的重视，特别具膨胀性的2:1层结构的蒙皂石类天然粘土矿物，例如蒙脱石，贝德石，汉克托石，斯蒂文石皂石以及3:1层结构的混层矿物累脱石等层状粘土矿物，其中，尤以膨润土的主要组成矿物――蒙脱石为纳米分散相的聚合物/粘土复合材料，已成为当今纳米复合材料研究和应用的热点，涌现出一批在五大通用塑料，五大工程塑料以及弹性材料，涂层材料等方面的应用研究成果和新的复合材料。
1987年日本丰田公司首先研制出了尼龙6/层状硅酸盐纳米复米材料，其热变形温度、阻隔性能和力学性能均有明显提高，接着又成功地制备出聚酰亚胺/蒙脱石纳米复合材料，其气体阻隔性明显提高和线胀系数显著降低。并已研制出了尼龙6/层状硅酸盐纳米复合材料的汽车油箱。
目前丰田又与美国Amcol公司开始了纳米复合材料的联合开发。国际大企业间合作开发纳米复合材料已成为走向产业化的新趋势。例如：美国通用汽车（GE）与Montell，SCP公司1998年就开始联合开发主要用于汽车的TPO纳米复合材料，降低能耗，目的很明确。GE是全球最大的汽车制造商之一，他们需要提高汽车的产品性能，Montell公司是全球最大的聚烯烃生产商，他们需要自己的产品有更广阔的市场和更高的经济效益；SCP公司是全球最大的有机粘土制造商之一，生产有Cloisite系列纳米粘土商品（目前有7个牌号），这三者各有所长，是国际汽车业、塑料业、纳米粘土业的强强联合。又如Amcol, nanocor与Eastman, Basf也联合开发PET（PBT）PA等纳米复合材料。这三大公司均是全球最著名的合成树脂，聚合物生产跨国公司，又都各自进行了大量的聚合物/粘土纳米复合材料的研究，其中，包括纳米粘土的制备方法和复合材料的加工方法等。
聚合物/膨润土纳米复合体，在开发新颖工程塑料、轻量化材料及包装材料中具有宽广的潜力。
在我国此项新兴的材料产业，更需要精细膨润土加工企业与橡塑企业相互协作及时沟通、共同配合、联合攻关以促使其早日产业化。
二、研制聚合物/膨润土纳米复合材料的技术关键
将膨润土提纯，制备成纳米蒙脱石，并使这类一维的纳米材料――蒙脱石均匀地分散于高分子聚合物连续相中，是整个纳米复合材料制备的关键。要达到纳米级的分散，决定于两个因素：即纳米级蒙脱石自身的易分散性和与聚合物的相容性、反应性，这是制备纳米蒙脱石要解决的问题；另一重要因素是纳米蒙脱合与聚合物形成复合材料的制备方法和加工条件控制，这也是加工复合材料中要解决的问题，两者缺一不可。下面分别叙述需解决的关键技术：
（一）优质纳米级蒙脱石的制备
鉴于2:1型层状硅酸盐矿物中的蒙脱石有很高的面/厚比，极高的比表面积和层间的可反应性。作为纳米级无机分散相，均匀分布于高分子聚合物连续相中所形成具有纳米效应的有机―无机复合材料，它显示出独特的物理化学性能。如：显著提高聚合物膜的气体阻隔性能；明显改善材料的拉伸、弯曲强度和模量；提高材料的热变形温度和尺寸稳定性；改善聚合物的阻燃性能，更重要是使材料轻量化。欲达上述良好性能，首先要制备出优质的纳米级蒙脱石。
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2000年12月 |
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