纳米材料

纳米材料在塑料改性中的应用

纳米材料自从20世纪80年代初问世以来，由于其结构上、性能上的特殊性及其潜在的应用前景，受到各国材料工作者的密切关注。进入90年代后，大量有关的理论研究、实验研究和工程应用研究公布于众，一个新的热门学科——纳米材料已逐步形成。

纳米材料是微粒尺寸在100nm以内的无机颗粒，它的只存远小于一般微粒，它是一种多组分分散体。由于纳米粒子比表面面积大，粒子间距离小，表面能高，并在磁性、光学性、电磁性、吸波性、化学活性、内压方面呈现多种多样的优异特性，在金属陶瓷粉末、微电子、冶金、化工、国防、核技术、航天、医学、生物工程中得到广泛应用。纳米材料在聚合物改性中的应用研究日益活跃，并取得了很多重要的成果。纳米材料的开发与应用，为工程塑料功能化、高性能化提供了新的途径，明显提高其材料的力学性能、稳定性能，并赋予一些特殊的性能。

无机填充物以纳米尺寸分散在通用塑料基体中形成的有机/无机纳米复合材料叫纳米塑料。在纳米复合材料中，由于分散相的纳米尺寸效应、大比表面积和强界面结合，使纳米塑料具有高强度、耐热性、高阻隔性、阻燃性和优良加工性等优异性能，是一种全新的高技术新材料。

改性塑料是指在通用塑料和工程塑料的基础上，经过填充、共混、增强等方法加工改性，提高其阻燃性、强度、抗冲击性、韧性、抗老化性和抗菌性等方面的性能的塑料制品。

1. 增强塑料的抗老化性能（纳米氧化钛VK-T03/纳米氧化硅VK-SR01）

高分子材料的老化，特别是光氧老化，首先是从材料或制品的表面开始，表现为变色、粉化、龟裂、光泽度下降等，然后逐渐往内部深入。高聚物的抗老化性能直接影响到它的使用寿命和使用环境，尤其是对于农用塑料和塑料建材，这是一个需要高度关注的指标，也是高分子化学中的一个重要课题。太阳光中的紫外线波长为200~400nm，而280~400nm波段的紫外线能使高聚物分子链断裂，从而使材料老化。纳米氧化物，如纳米氧化铝、纳米氧化钛VK-T03、纳米氧化硅VK-SR01等对红外、微波有良好的吸收特性。将纳米SiO2和TiO2适当混配，可大量吸收紫外线，以防塑料受日光照射损坏，有助于防塑料制品破裂、褪色和其它光照降解，从而使材料抗老化。

2. 改善塑料的抗菌防霉性能（纳米银抗菌剂VK-T07/纳米氧化锌VK-J30）

抗菌塑料一般采用向树脂中添加抗菌剂或抗菌母料的方法制备。因为塑料成型要经过高温，可适应高温的有无机抗菌剂。传统的抗菌金属硫酸铜,硝酸锌等粉末直接加入到热塑性塑料中不好结合，无机纳米抗菌剂粉末经过特殊处理而得到抗菌塑料母粒，便于用在塑料制品上，与塑料有良好的相容性，有利于抗菌剂的分散。无机银离子可以被载体到纳米二氧化钛VK-T07、纳米氧化硅铝VK-S07等无机纳米材料中，形成的粉体抗菌性能良好，与塑料混合，挤塑成型，通过紫外线照射形成抗菌塑料，其抗菌作用通过抗菌剂缓释而形成，从而达到抗菌的效果。

3. 提高塑料的韧性和强度（纳米氧化铝VK-L30/纳米氧化硅VK-SR01）

在聚合基体中加入第二种物质，则形成“复合材料”，通过复合得到综合性更优的材料，用来提高材料力学强度、抗冲击强度等。纳米材料的出现为塑料的增强、增韧改性提供了一种全新的方法和途径。小粒径分散相表面缺陷相对较少，非配对原子多。纳米粒子的表面原子数与总原子数之比，随其粒子的变小而急剧增大，表面原子的晶体场环境和结合能与内部原子不同，具有很大的化学活性。晶体场的微粒化、活性表面原子的增多，使其表面能大大增加，因而可以和高聚物基材紧密结合，相容性比较好。当受外力时，离子不易与基材脱离，能较好地传递所承受的外应力。同时在应力场的相互作用下，材料内部会产生更多的微裂纹和塑料变形，能引发基材屈服，消耗大量冲击能，从而达到同时增强增韧的目的。常用的纳米材料有纳米氧化铝VK-L30，纳米氧化硅VK-SR01，纳米碳酸钙VK-Ca01等。

4. 提高塑料的导热性能（纳米氧化铝VK-L04R/纳米氧化镁VK-Mg30D）

导热类塑料是指具有较高热导率的一类塑料制品，一般其热导率大于1w/(m . k)。导热塑料由于其质量轻，导热快，注塑成型简单，加工成本低等，越来越得到广泛的应用。纳米氧化铝因其具有良好的绝缘导热性能，被广泛应用于导热塑料、导热橡胶、导热建年纪、导热涂料等领域。纳米氧化铝VK-L04R/纳米氧化镁VK-Mg30D用作塑料导热填料，与金属填料相比，不紧可以提高导热系数，而且绝缘效果好，同时塑料的机械性能也能得到提高。

5. 改善塑料的加工性能

某些高聚物如黏均分子质量在150分以上的超高分子量聚乙烯，虽然具有优良的综合使用性能，但由于其粘度极高，导致成型加工困难，从而限制了推广使用。利用层状硅酸盐片层间摩擦系数小的特点，将超高分子量聚乙烯与层状硅酸盐充分混合，制成纳米稀土/超高分子量聚乙烯复合材料，可有效减少超高分子量聚乙烯分子链的缠结，降低粘度，起到良好的润滑作用，从而大大改善了其加工性能。

6. 纳米材料的加入使塑料功能化

 金属纳米粒子具有异相成核作用，能诱发形成某些赋予材料韧性的晶型。用低熔点金属纳米粒子填充聚丙烯，发现它在聚丙烯中可起到导电通道和增强、增韧的作用，同时其低熔点亦改善了复合材料的加工性能。