PLS纳米复合材料的性能

由于具有独特的结构, PLS纳米复合材料具有许多有别于普通复合材料的特点。当作为结构材料使用时, PLS纳米复合材料的力学性能与常规的聚合物基复合材料相比, 具有以下几个方面的优点。

(1) 比传统的聚合填充体系质量轻, 只需很少质量分数的无机硅酸盐, 即可同时具有高强度、强韧性以及良好的气液阻隔性能。而常规纤维、矿物填充的复合材料则需要高得多的填充量, 且各项性能指标往往不能兼顾; (2) PLS纳米复合材料具有优良的热稳定性及尺寸稳定性; (3) 力学性能有望优于纤维增强聚合物体系, 因为层状硅酸盐可以在二维方向上起到增强作用, 无需特殊的层压处理; (4) PLS纳米复合材料膜由于硅酸盐片层平面取向, 因此有优异的阻隔性能, 有可能部分取代聚合物金属箔多层复合, 并且容易回收, 属于环境友好材料。

(1) 力学性能

日本Toyta研究中心于80年代首次使用插层聚合法制备了Nylon/粘土纳米复合材料, XRD与TEM的测试结果表明粘土片层在Nylon6/粘土 (5%, 质量分数) 的复合材料基体中解离并均匀分散。Nylon6基体与粘土之间大的比表面积和强的界面相互作用力, 使Nylon6/粘土纳米复合材料力学性能有明显改善, 具体可见表1.1所示[3, 4]。通过对比Nylon6/粘土纳米复合材料、尼龙6/粘土共混物和尼龙6之间力学性能可见Nylon6/粘土纳米复合材料拉伸模量、拉伸强度和热变形温度确有大幅度提高, 而冲击强度却没有下降, 这样该材料有可能用于制造高强度机械零部件。

王胜杰等[5]报道的含8.1% (体积) 蒙脱土的硅橡胶/蒙脱土纳米复合材料的拉伸强度和断裂伸长率分别为硅橡胶的4倍和2倍, 力学性能超过了目前使用的价格昂贵的白炭黑填充硅橡胶。另外, 它的耐热性能和热稳定性得到了较大的提高, 热分解温度为433℃, 亦高于硅橡胶 (381℃) 。Y.Kurokawa等学者制备了PP/蒙脱土 (MMT) 的纳米复合材料, PP/MMT (3%, 质量分数) 材料的力学性能同样也有提高, PP/MMT的拉伸强度比PP高25%, 冲击强度提高70%, 弯曲强度与弯曲模量也有明显提高。Pinnavaia等人的研究也表明环氧树脂与粘土复合后力学性能也有明显提高, 聚合物/粘土纳米复合材料力学性能提高可能是由于应变导致粘土片层取向和粘土/聚合物之间强界面作用力。含有层状硅酸盐质量分数为4%的尼龙纳米复合材料的性能如表1.2所示。

由表1.2中可以看出:加入尼龙6后试样的拉伸弹性模量和拉伸强度明显提高, 但冲击强度并未降低, 这是传统的复合材料很难做到的;同时热变形温度提高了80℃, 而且吸水率和热膨胀系数均下降。正是上述优异的性能, 美国RTP公司正在开发该材料在汽车罩盖等配件上的应用。有文献详细报道了使用马来酸酐改性聚丙烯熔融插层制备的纳米复合材料的力学性能。用马来酸酐改性聚丙烯是为了增强基体极性, 提高插层量。而且提高马来酸酐改性聚丙烯的量的同时也提高了杨氏模量。一般认为, 纳米复合材料的增韧作用基于以下机理: (1) 层状硅酸盐以纳米尺度均匀地分散在基体中, 当基体受到冲击时, 粒子与基体之间产生银纹, 同时基体也产生塑性变形, 吸收冲击能; (2) 纳米尺度的层状硅酸盐粒子具有大的比表面积, 粒子与基体的界面增大, 材料受到冲击时, 会产生更多的银纹和塑性变形, 从而吸收更多的冲击能, 增韧效果提高; (3) 当填料加入量达到其临界值时, 粒子之间过于接近, 材料受冲击时产生银纹和塑性变形太大, 几乎发展成应力开裂, 从而使冲击性能下降。利用其优异的力学性能, 纳米复合材料已用于汽车防护罩及飞机部件等方面。

(2) 耐热性

纳米复合材料也表现出明显热稳定性。例如Burnside和Giannelis研究了有机土含量为10% (质量) 的聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 纳米复合材料的耐热性。同普通交联PDMS相比, 纳米复合材料的TGA曲线明显向高温方向移动, 148℃时失重50%, 表现了良好的耐热性。有研究者认为这是因为纳米复合材料具有低穿透性, 可以阻挡挥发性降解产物向外扩散。而Blumstein[6]认为还可能是大分子在硅酸盐片层间的热运动受到限制所致。由表1.2中可以看出, 尼龙6/粘土纳米复合材料比尼龙6热变形温度提高了80℃, 是纯尼龙6的2倍多, 如用普通的矿物填料, 要达到同样的热变形温度, 则需质量分数为20%～30%的填充量, 因而材料质量轻。

(3) 气液阻隔性

聚合物/无机物纳米复合材料还具有优异的阻隔性能[7]。这是因为均匀分散在聚合物基体中的硅酸盐片层具有大的比表面而又不透水汽, 水汽分子必须绕过硅酸盐片层, 沿着曲折的路线穿过纳米复合材料才能扩散出去, 增长了扩散的有效路径和难度。美国Eastman化学公司开发了商品名为Imperm尼龙纳米复合材料, 其对O2和CO2的阻隔性是普通尼龙的3～6倍。目前正在将其应用于食品包装领域 (如啤酒、果汁和碳酸软饮料的包装材料) , 使用该材料可以明显降低用于阻隔层材料的厚度。而且美国Nanocor公司正与Eastman化学公司合作开展此方面的研究和推广应用工作[8]。日本丰田中央研究所生产的尼龙6/蒙脱土纳米复合材料制成30·m厚的薄膜后, 其水气透过率为106g/·.24h[9], 而纯尼龙6的水气透过率为203g/m2.24h, 可用作食品的包装膜及保鲜膜。

(4) 其它性能

由于复合材料中的纳米粒子使材料的散射降低到最小程度, 纳米复合材料通常是透明的, 可以用于浅色制品。特别是在橡胶领域, 多数制品用炭黑补强而显黑色。而纳米复合材料则可以改善这种情况[10]。超高分子量聚乙烯 (UHMWPE) /粘土纳米复合材料可利用普通挤出成型方法连续生产管材和异型材[11], 解决了UHMWPE的难加工问题。

因为蒙脱土和高分子链取向, 使聚合物/蒙脱土纳米复合材料具有各向异性的特点, 在尼龙/蒙脱土纳米复合材料中, 线膨胀系数就是各向异性的。在注射成型时, 流动方向的线膨胀系数 (6.3×10-5K-1) 为垂直方向的一半 (13.1×10-5K-1) , 而尼龙为各向同性, 其线膨胀系数为11.8×10-5K-1。聚苯胺/蒙脱土体系经氯化氢蒸汽处理后材料的电导率大大提高, 且为各向异性, 流动方向的电导率为0.05S/·, 垂直方向的电导率为1×10-7S/cm。

可以预计, 随着研究的深入开展, PLS纳米复合材料的种类将会越来越多, 性能将会越来越优异, 会有越来越多的PLS纳米复合材料应用于食品包装、罐装容器、电子器件封装、汽车塑料、航空航天材料等方面, 为人类的生活提供更多的性能优异的新材料。