浅谈塑料功能改性用各类纳米材料

　　一、纳米材料的特性

　　纳米是一种长度计量单位，1纳米为十亿分之一米(10-9m)。纳米材料是指粒径范围在1~100nm内的添加剂，此粒径范围处于原子簇和宏观物体交界的过渡区域，是一种典型的介观系统。当材料的粒子尺寸进入纳米范围时，就具有普通粒子尺寸所不具有的特殊性能。这是因为纳米粒子的尺寸与物质的许多特征长度相当，如电子的德布洛意波长、超导相干长度、铁磁性临界尺寸等，从而导致纳米材料的物理、化学特性既不同于微观结构的原子、分子，也不同于宏观结构的物体，其性能介于两者之间。

　　(一)纳米粒子的综合效应

　　纳米粒子的结构为数目较少的原子或分子组成的原子群或分子群。其表面原子是既无长程有序又无短程有序的非结晶层;而在粒子的内部，则存在着结晶完好、周期性排布的原子。正是纳米粒子的此种特殊结构类型，导致其具有如下几种特殊的性能。

　　1、体积效应

　　体积效应又称为小尺寸效应。当纳米粒子的尺寸小到与光波波长、德布洛意波长、超导的相干长度或透射深度等特性尺寸相当或更小时，其晶体周期性的边界条件将被破坏，表层非晶体附近的原子密度减少，导致材料的声、光、电、磁、热、催化等特性与普通材料相比，发生巨大变化。

　　2、表面效应

　　表面效应又称为界面效应，它是指纳米粒子表面原子与总原子数之比随粒径的减小而急剧增大，并且在同一纳米晶粒内还存在各种缺陷(如孪晶界、层错、位错等)，甚至还有不同的亚稳相共存，这种特殊结构导致性能上的变化，并由此派生出传统固体不具有的许多特殊性能。

　　3、量子隧道效应

　　微观粒子具有贯穿势垒的能力称为量子隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也具有量子隧道效应，它们可以宏观系统的势垒而产生变化。这是由于粒子尺寸减小，粒子内原子减少而造成的。

　　(二)纳米粒子的特性

　　纳米粒子的特性可从两方面进行分析：表面特性和内在特性。

　　纳米粒子的许多良好性能都与表面特性有关，如低密度、低流动速率、高吸附性、高混合性及弱压缩性能等。从物理性质上来说，是由于其比表面积大：纳米粒子的许多特性都与其比表面积大有关，由于其表面结构特殊，在纳米粒子的表面产生了原子表面层，而且粒子越小，原子表面层的厚度越大。原子表面层内并非“气体状”自由结构层，而是与粒子粒径、制备方法相联系的高度对称、低密度的不稳定结构层。从物化性质上来说，其表面能高，吸附作用强，难以均匀分散。尤其是物理方法制备的纳米粒子，机械能很容易转变为表面能，使粒子间产生集聚。

　　纳米粒子的内在特性主要表现在如下几个方面：反应活性增大、高催化性能、熔点降低、电阻增大、磁性增强、光吸收性能强、光发射性能强、光电性能优良、硬度与可塑性并重、以及高比热、高热膨胀性及高扩散性等性能。

　　二、常用纳米材料

　　从理论上讲任何材料都可以成为纳米材料，产业化的纳米材料多有化学合成法为主，用物理法的目前只有石墨烯。

　　(一)纳米无机填充材料

　　1、纳米粘土

　　粘土是一类***盐材料的总称，具体包括蒙脱土(MMT)、凹凸棒粘土(TA)、伊利石、海泡石、水云母及蛋白石等，其中以蒙脱土***为常用。

　　(1)蒙脱土(MMT)

　　蒙脱土是一种天然矿物质材料，其主要成分为SiO2

　　(含量72%)、(Al2O3含量14%)，可以用于塑料的阻隔改性。蒙脱土具有亲水疏油性能，与大多数树脂的相容性都比较差，要与树脂形成良好的复合材料，首先要对其进行疏水亲油改性处理，以提高与树脂的相容性。利用蒙脱土的良好插层性能可以进行长链***化合物的层插，大幅度提高与各类树脂的相容性，制造多种纳米塑料填充材料，同时改善复合材料的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量和冲击强度，这正是目前纳米材料的研究重点。目前，已成功开发出如PA6/蒙脱土、PET/蒙脱土、PMMA/蒙脱土、PI/蒙脱土、EP/蒙脱土、PS/蒙脱土等复合材料。

　　(2)凹凸棒粘土(AT或ATP)

　　凹凸棒粘土为纳米粘土的一个品种，是一种水合镁铝***盐非金属矿物。凹凸棒石呈水晶链层状结构，但与蒙脱土的层状结构明显不同，凹凸棒石为一种天然纤维状晶体形态结构的含水富镁的铝***盐矿，典型的分子式为Si8Mg5O20[Al](OH)2(OH2)4.4H2O。由于纳米级的晶棒很容易聚集，因此凹凸棒石与聚合物的混合只能是微米级的混合，起到增量填充的作用。凹凸棒石表面大量的硅***与非极性聚合物相容性差，填充前要进行表面处理。目前凹凸棒石在塑料中应用主要集中在PET和PA成核剂和隔热材料。

　　(3)伊利石

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