纳米塑料──21世纪塑料的“超星”

所谓“纳米塑料”是指无机填充物以纳米尺寸分散在有机聚合物基体中形成的有析/无机纳米复合材料。在纳米复合材料中，分散相的尺寸至少在一维方向小于100nm.由于分散性的纳米尺寸效应、大比表面积和强界面结合，纳米复合材料具有一般工程塑料所不具备的优异性能，因此是一种全新的高技术新材料具有广阔的商业开发和应用前景11.中国科学院化学研究所工程塑料国家重点实验室用天然粘土矿物蒙脱土作为分散相，利用插层聚合复合、熔融插层复合等方法对纳米塑料进行了制备，成功地开发出了以聚酰胺（PA6和PA66）、聚酯（PET和PBT）聚乙烯（包括普通聚乙烯PE和超高分子量聚乙烯UHMWPE）、聚苯乙烯、环氧树脂、硅橡胶、聚苯胺、聚氨酯等为基材的一系列纳米塑料，并实现了部分纳米塑料的工业化生产。

　　1经济实用的制备工艺纳米塑料中用作纳米无机相材料的蒙脱土（MMT），是我国丰产的一类天然粘土矿物，是一种层状硅酸盐。其结构片层是纳米尺度的，包含有三个亚层，在两个硅氧四面体亚层中间夹含一个铝氧八面体亚层，亚层之间通过共用氧原子以共价键连接，结合极为牢固。整个结构片层厚约1nm长宽约100nm，由于铝氧八面体亚层中的部分铝原子被低价原子取代，片层带有负电荷。过剩的负电荷靠游离于层间的Na+、Ca2+和Mg2+等阳离子平衡，因此容易与烷基季铵盐或其他有机阳离子进行离子交换反应生成有机化蒙脱土，交换后的蒙脱土成亲油性，并且层间的距离大。有机蒙脱土能进一步与单体或聚合物熔体反应，在单体聚合或聚合物熔体混合的过程中剥离为纳米尺度的结构片层，均匀分散到聚合物基体中，从而形成纳米塑料。这种插层复合技术是基于在传统工艺基础上的技术革新，不需要新的高昂设备投资，工艺简单，操作方便，环境友好，特别适合于聚合物改性，容易实现工业化生产。可以根据要求提供多种规格的纳米土和设计、制造纳米塑料生产线。

　　2优异的物理力学性能2.1高强度和耐热性插层复合技术能够实现有机物基体与无机物分散相在纳米尺度上的复合，所得的纳米塑料能够将无机物的刚性、尺寸稳定性和热稳定性与聚合物的韧性、可加工性及介电性完美地结合起来。纳米塑料中含蒙脱土量较少，一般在10%（本文中都指质量分数）以下，通常仅3%~5%但其刚性、强度、耐热性等性能与常规玻纤或矿物填充强复合材料（填充量30%左右甚至更高）相当，因而纳米塑料的相对密度较低，比强度和比模量高而又不损失其抗冲击强度，能够有效地降低制品质量，方便运输。同时，由于纳米粒子尺寸小于可见光波长，纳米塑料具有高的光泽和良好的透明度。

　　2.2高阻隔及自熄灭性由于聚合物基体与蒙脱土片层的良好结合，通过控制纳米硅酸盐片层的平面取向，纳米塑料制品表现出良好的尺寸稳定性和很好的气体（包括水蒸气）阻隔性。如尼龙6纳米复合材料（含蒙脱土2%）的氧气透过率与纯的尼龙6相比降低了一半，水蒸气的透过率降低了1/3以上。一些纳米塑料还具有阻燃自熄灭性能。

　　2.3优良的加工性纳米塑料熔体强度高，结晶速度快，熔体粘度低，因此注塑、挤出和吹塑的加工性能优良。尤其是挤出级，注塑级纳米超高分子量聚乙烯，解决了超高分子量聚乙烯加工的世界性难题。

　　3纳米塑料的用途与一般微观复合材料相比，含有少量蒙脱土的纳米塑料表现出优异的综合性能，因此它们比常规填充复合材料要轻。良好的性能组合、简单的加工工艺和低廉的价格使得纳米塑料在各种高性能管材、汽车及机械零部件、电子和电气部件等领域中有广泛的应用前景。同时，具有优异阻隔性能的纳米复合材料在食品特别是啤酒罐装、肉类和奶酪制品的包装材料市场上潜力巨大。

　　4典型纳米塑料举例4.1尼龙6纳米塑料（NPA6）普通尼龙6具有良好的物理、机械性能，例如拉伸强度高，耐磨性优异，抗冲击韧性好，耐化学药品和耐油性突出，是五大工程塑料中应用最广的品种。但是，普通尼龙6的吸水率高，在较强外力和加热条件下，其刚性和耐热性不佳，制品的稳定性和电性能较差，在许多领域的应用受到限制。

　　我们应用天然丰产的蒙脱土层状硅酸盐作为无机分散相，发明了一步法制备尼龙6纳米塑料（NPA6），现己获得中国国家发明专利。该复合材料与纯尼龙6相比具有高强度、高模量、高耐热性、低吸湿性、高尺寸稳定性、阻隔性能好，性能全面超过尼龙6，并且具有良好的加工性能；与普通的玻纤强和矿物强尼龙6相比，具有相对密度低、耐磨性好、相同无机物含量条件下综合性能明显优于前者等优点；同时，该纳米复合材料还可进一步用于玻纤强和普通矿物强等改性纳米尼龙6其性能更加优越。由于本实验室开发的尼龙6纳米塑料具有优异的性能及较高的性能价格比，其应用领域非常广泛。可用于制造汽车零部件，尤其是发动机内等有耐热性要求的零件，还可应用于办公用品、电子电器零部件、日用品等，此外还可用于制造管道等挤出制品。尼龙6纳米塑料是工程塑料行业的理想材料，该产品的开发为塑料工业注入了全新的概念。

　　在NPA6作为工程塑料的基础上我们还制备了高性能NPA6膜用切片，该切片适用于吹塑和挤出制备热收缩肠衣膜、双向拉伸膜、单向拉伸膜及复合膜。与普通PA薄膜相比，NPA6膜具有更佳的阻隔性、力学性能和透明性，因而是更好的食品包装材料。

　　聚对苯二甲酸乙二酯（PET）用于纤维、瓶和薄膜，工程塑料用只占其总量的1.6%.目前国内非纤维用PET树脂的年生产能力为64 9万t，因此开发工程塑料级PET成为关注的焦点。PET作为工程塑料应用存在三大制约因素：熔体强度差、结晶速度较慢、尺寸稳定性差，因而不能满足工业上快速注塑成型的需要。有鉴于此，世界上各大公司纷纷在快速结晶化助剂的开发上投入大量人力、物力、财力，开发出了各具特色的快速结晶助剂。并在此基础上推出了各自的商品化PET工程塑料产品，较为突出的有美国GE公司、德国BASF公司、日本三菱公司的系列玻纤/矿物强PET工程塑料。这些产品都具有较高的结晶速率，但在加工过程中加入的成核剂价格昂贵，成为制约其大规模应用的一个瓶颈。我们的研究表明，当无机组分以纳米水平分散在PET基材中时，可显著改善PET的加工性能及制品性能，开发出了PET/蒙脱土纳米复合材料NPET（中国专利申请号：97104055. 9）。结合NPET原料开发出的强型阻燃NPET工程塑料，经工程塑料国家工程研究中心测试，结果均表明该种新型PET工程塑料的各项性能指标均达到或超过了国内外PET工程塑料产品（见表1）。该种产品性能稳定、可靠，完全具备了批量生产的技术条件。

　　43超高分子量聚乙烯/粘土纳米复合材料超高分子量聚乙烯是指粘均分子量在150万以上的线性结构聚乙烯，其耐磨、耐冲击、耐腐蚀、自润滑、吸收冲击能为现有塑料中最高值，故被称项目牛位测试刀法拉伸强度拉伸模量断裂延伸率弯曲强度弯曲模量Izod缺口冲击强度（23〔-）熔点。〔：分解温度。〔：阻燃性主要用途航空：飞机上的开关、熔断器、调谐器、继电器、插接件、座椅支架、表板、集成电路盒、空调器牌等赵竹第李强欧玉春519陈艳，王新宇，高宗明，乔放，李强，漆宗能，等。143王胜杰李强漆宗能149刘立敏，乔放，朱哓光，王胜杰，李强，王新宇，为“令人惊异的塑料”但由于粘度极高，成型加工困难。我们研制成功的UHMWPE/粘土纳米复合材料解决了UHMWPE加工的难题。UHMWPE与均一分散层状硅酸盐充分混合，利用层状硅酸盐片层间摩擦系数小，减少UHMWPE分子链的缠结，起到了良好的自润滑作用，使得UHMWPE能用普通挤出成型方法连续生产管材和异型材。聚乙烯纳米合金系列，具有优良的耐磨、耐腐蚀、高强度、无毒性能。制品易于运输、安装、保养，并具有优良的抗震性，性能价格比优于铁管、铝管、铝塑管，是理想的大、中、小口径的给水管和煤气管道，工业液体输送管道，河湖疏浚排泥管道，粮食、粉煤灰、矿沙输送管道材料。