纳米高分子复合材料的研究与应用

　　1．纳米高分子复合材料的研究现状

　　纳米高分子复合材料是近年来高分子材料科学中发展十分迅速的新领域。一般来说，它是指分散相尺寸至少有一维小于100纳米的复合材料。这种新型复合材料可以将无机材料的刚性、尺寸稳定性和热稳定性与高分子材料的韧性、可加工性及介电性质完美地结合起来，开辟了复合材料的新时代，制备纳米复合材料已成为获得高性能复合材料的重要技术之一。

　　纳米粒子粒径小，表面能大，极容易发生团聚，影响它在聚合物中的均匀分散，使复合材料达不到理想的性能。为了提高纳米粒子在聚合物中的分散能力，增加纳米粒子与聚合物的界面结合力，需要对纳米粒子的表面进行改性。主要是降低粒子的表面能，消除粒子的表面电荷，提高粒子与有机相的亲和力，减弱粒子的表面极性等。

　　一般来说，纳米材料的表面改性可大致分为6种：（l）表面覆盖改性；（2）高能量表面改性；（3）外膜改性；（4）局部活性改性；（5）机械化学改性；（6）利用沉淀反应进行改性。

　　目前，制备有机／无机纳米复合材料的方法很多，主要有：

　　（1）溶胶凝胶法（SOL－GEL）该法是超细材料中应用已久的古老方法，也是日前应用最多，也比较完善的方法之一。

　　（2）原位聚合法（in－situ）。它是指首先在单体溶液中分散纳米粒子，然后进行聚会，形成纳米材料良好分散的复合材料的一种方法。

　　（3）插层法（intercalation-exfoliation）。也称层间插入法，根据插层形式的不同，该方法又可分为：a．插层聚合； b．溶液插层；c．熔体插层等方法。

　　（4）共混法。共混法是指首先制备纳米粒厂，然后内通过各种方法与有机聚合物陆合的方法。

　　（5）母料法。母料法也可以说是一种折中的方法。这种方法克服了溶液共混的缺点。可以方便的进行配比，从而大大降低了成本和工艺难度。

　　2．纳米粒子在聚合物改性中的应用

　　纳米粒子以其独特的性能与聚合物复合后，使聚合物的性能得到很大的提高，成为制备局性能、多功能的复合材料的重要手段之一

　　（1）改善力学性能：添加少量的纳米粒子，可以使基体树脂的力学性能得到显著的提高。克服了一般的无机填料使用量大，目不能兼顾刚性、耐热性和尺寸稳定性与韧性同时提高的缺点。

　　（2）提高热性能：某些纳米粒子与树脂基体复合后可使复合材料热膨胀系数降低，热导系数大大增加；此外，还可在保持材料机械性能的同时，大大提高材料的阻燃性能。

　　（3）增强耐磨性：通过制成纳米复合材料，形成理想的微观相结构，可以提高材料的耐磨性。

　　（4）提高聚合物的成型加工性：某些熔体粘度极高、加工困难的聚合物（如超高分子量聚乙烯），当采用适当的工艺制成纳米复合材料后，可以成功地解决加工困难的问题，大大拓展其应用领域。

　　（5）其它性能：由于纳米粒子具有许多光，电方面的奇异性质，所以它在改进聚合物的光电性能，以获得功能聚会物复合材料方面也大有可为。

　　3．存在问题

　　虽然目前聚会物基的纳米复合材料已得到了广泛的发展，但仍然存在几个问题：

　　（1）要达到精确的调节和控制粉末组成和化学计量比，以及粒子的粒度和形状都还有相当人的困难；要制追成分准确、粒度均匀的高质量超微粉亦非易事，其收集与存放也有些问题；

　　（2）在纳米粒子的表面改性时，要涉及到几个原子层界面与性质的控制，与有机相间的有效结合还需进一步探索；

　　（3）纳米粒于在聚合物中的分散方法还有待进一步的探索和研究。目前还在为数不多的聚合物体系中成功地制备出纳米复合材料。

　　4．我们的工作一聚烯烃纳米复合材料的研究

　　聚烯烃是一类综合性能优良、应用范围广泛的通用树脂。但由于其本身结构上的特点，与ABS、PC、POM等工程塑料相比，它的刚性不足，低温脆性也较差，因此很难作为结构材料使用。如果能使这一数量大、应用面广的材料在力学性能和热性能等方面达到或超过某些工程塑料，将讨促进高分子材料科学和塑料工业的发展产生巨大的影响。然而，由于聚烯烃树脂制备过程的特殊性，很难应用以往的一些制备纳米复合材料的方法，如溶胶一凝胶法和研究较多并较为成熟的插层法。

　　因此，本研究提出并采用"原位配位聚合法"来制备聚烯烃纳米复合材料。其思路为首先将Ziegler－Natta催化剂承载于纤维棒石族粘土的纳米级晶须上，然后在晶须表面引发聚合，在聚合过程中，纳米级纤维状晶须原位均匀分散于聚烯烃树脂基体中，形成聚烯烃有机／无机纳米复合材料。

　　在以原位配位聚合法制备的聚乙烯／凹凸棒石纳米复合材料中，无机粘土的纳米级晶须能够均匀地分散于聚烯烃基体中，纳米级无机晶须与聚合物的界面面积非常大，且存在有机聚合物与纳米无机晶须界面间的相互作用力，因此可以充分发挥无机材料的优异力学性能、高环境稳定性和高耐热性，将无机材料的刚性、尺寸稳定性和热稳定性与有机聚合物材料的韧性、可加工性从介电性质完美地结合起来。

　　对以原位配位聚合法制备的聚烯烃纳米复合材料的微观结构的研究表明（图1、图2）：在这种新颖的有机／无机纳米复合材料中，无机粘土的纳米级晶须均匀分散于聚乙烯树脂基体中，而且无机晶须与聚烯烃的树脂基体有良好的浸润、包覆和粘合。

　　进一步研究大明：在这种新颖的纳米复合材料中，聚乙烯树脂相与凹凸棒石的纳米级晶须相之间形成了一种独特的交联网状给构-"有机／无机凝胶"。这种结构使该新颖的纳米复合材料具有一系列独特性质。

　　以原位配位聚合法制备的聚乙烯／凹凸棒石纳米复合材料，由于纳米级无机晶须在树脂中能均匀地分散及其与树脂间有良好的界面粘合作用，所以表现出良好的力学性能。