1、聚合物聚合物/ /无机纳米复合材料无机纳米复合材料班级：材研班级：材研11091109姓名：姓名：PIRLOPIRLO学号：学号：2011200XXX2011200XXX目录一. 概述 二. 制备 三. 应用 四. 结语 前言 自上世纪80年代以来 ,聚合物/无机纳米复合材料开始引起人们的极大关注，由于纳米粒子具有相当大的比表面 ,纳米材料加入高聚物中 ,使得纳米粒子和聚合物之间产生非常强的界面相互作用 ,可使聚合物的性能得到很大的提高 ,且表现出许多不同于一般宏观复合材料的力学、 热学、 电磁和光学性能 ,为聚合物的改性开辟了一个新的领域 ,也为设计和制备高性能多功能的聚合物/无机纳米复合材
2、料提供了新的机遇。 聚合物/无机纳米复合材料可以把无机材料的强度、模量、尺寸稳定性以及光电性能与高分子材料的韧性、可加工性和介电性质更巧妙地结合起来，它对聚合物产业的发展必将产生重大而深远的影响。纳米复合材料非聚合物纳米复合材料金属/金属金属/陶瓷陶瓷/陶瓷聚合物纳米复合材料聚合物/无机纳米复合材料聚合物/聚合物纳米复合材料聚合物基聚合物基无机物基分子复合原位复合微纤/基体Classification of nanocomposite 纳米复合材料的分类纳米复合材料的分类Polymer/inorganic nanocomposites Polymer nanocomposites are ge
3、nerally defined as the combination of a polymer matrix resin and inorganic particles (particles, layers or fibres) which have at least one dimension (i.e. length, width, or thickness) in the nanometer size range. 聚合物聚合物/无机纳米复合材料定义无机纳米复合材料定义聚合物/无机纳米复合材料分类聚合物/无机物纳米复合材料以无机物在聚合物中的分散相形态和尺寸为依据可分为三种：一 分散性尺
4、寸在三维尺度上都是纳米级的纳米粒子，无机纳纳米粒子米粒子(CaCO(CaCO3 3、SiOSiO2 2、TiOTiO2 2、ZnOZnO、AlAl2 2OO3 3、 CrCr2 2OO3 3 ) ) 二 分散相尺寸在二维尺度上是纳米级，无机纳米纤维无机纳米纤维 ( (碳纳碳纳米管、纤维素晶须、凹凸棒土米管、纤维素晶须、凹凸棒土) )三 分散相尺寸只在一维尺度上是纳米级，如超薄膜，层状无如超薄膜，层状无机物机物。 纳米纤维 (碳纳米管、纤维素晶须、凹凸棒土 ) 层状无机物层状无机物 ( layered silicates)纳米粒子(CaCO3 、SiO2 、 TiO2、ZnO、Al2O3、Cr2
5、O3 )Schematic of nanoscale fillers制备聚合物制备聚合物/无机纳米复合材料的无机物的种类无机纳米复合材料的无机物的种类碳纳米管碳纳米管多壁碳纳米管多壁碳纳米管单壁碳纳米管单壁碳纳米管 碳纳米管是由多个碳原子六方点阵的同轴圆柱面套构而成的空心小管，其中石墨层碳纳米管是由多个碳原子六方点阵的同轴圆柱面套构而成的空心小管，其中石墨层可以因卷曲方式不同而具有手性。碳纳米管的直径一般为几纳米至几十纳米，长度为几可以因卷曲方式不同而具有手性。碳纳米管的直径一般为几纳米至几十纳米，长度为几至几十微米。至几十微米。 碳纳米管可以因直径或手性的不同而呈现很好的金属导电性或半导体性
6、。碳纳米管可以因直径或手性的不同而呈现很好的金属导电性或半导体性。 目录一. 概述 二. 制备 三. 应用 四. 结语 制备方法 溶胶-凝胶法插层法共混法原位聚合法一.溶胶-凝胶法（Sol-Gel） 溶胶-凝胶法是制备高分子纳米复合材料的重要方法之一，也用于纳米粒子的制备，属于低温湿化学合成法。溶胶-凝胶复合法主要用于制备无机-有机型纳米材料的制备方法。 基本原理：烷氧金属或金属盐等前驱物和有机聚合物的共溶剂 ,在聚合物存在的前提下 ,在共溶剂体系中使前驱物水解和缩合。如果条件控制得当 ,在凝胶形成与干燥过程中聚合物不发生相分离 ,即可制得。溶胶凝胶法在橡胶增强中的应用 溶胶凝胶法增强橡胶的主
7、要方法是:首先将二氧化硅的某些反应前体 ,如四乙氧基硅烷(TEOS)等引入到橡胶基质中 ,然后通过水解和缩合直接生成均匀分散的纳米尺度的二氧化硅粒子 ,从而对橡胶产生优异的增强作用。 通过溶胶凝胶法制备的橡胶/无机纳米复合材料的分散相分散非常均匀 ,分散相的化学成分及结构、 尺寸及其分布、表面特性等均可以控制 ,不但为橡胶增强的分子设计提供了可能性 ,也为橡胶增强理论的研究提供了对象和素材。用该方法制备的橡胶/无机纳米复合材料具有很高的拉伸强度和撕裂强度,在最优化条件下的综合性能明显超过炭黑和白炭黑增强的橡胶。该技术还可省去部分混炼加工工艺。溶胶-凝胶法的优、缺点优点1.该方法反应条件温和 ；
8、2.分散均匀 ,甚至可以达到“分子复合” 的水平。缺点1.前驱物大都是正硅酸烷基酯 ,价格昂贵，而且有毒;2.干燥过程中由于溶剂、 小分子的挥发 ,使材料内部产生收缩应力 ,致使材料脆裂 ,很难获得大面积或较厚的ONIC等。制备方法 溶胶-凝胶法插层法共混法原位聚合法Preparation Methods原位插层(In-situ intercalation polymerization ) 溶液插层(Polymer intercalation from solution) 熔体插层(Polymer melt intercalation ) Polymer/Layered silicate na
9、npcomposites插层法（聚合物插层法（聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的制备方法）层状硅酸盐纳米复合材料的制备方法）1.原位插层法In situ Polymerization 孔庆红等以甲基丙烯酸甲酯（MMA）为单体，过硫酸钾(K2S2O8)为引发剂，成功制备了PMMA/粘土纳米复合材料，该材料的热稳定性教纯的聚合物得到了提高。2.溶液插层（Polymer intercalation from solution） 杜隆超等以环己酮作溶剂，制备了聚碳酸丙二脂（PPC/Mg Al-LDH。测试结果表明加入1%的Mg Al-LDH使得PPC的讲解温度提高了10，同时力学性能能也有所提高。3.熔
10、融插层（melt intercalation）熔融插层法是最简单易行，最易实现工业化的方法，而且制备过程中没有有机溶剂和单体等有机挥发物的存在，不用附加额外的加工设备和工艺，符合节能、绿色环保的要求。无机粘土插层剂有机粘土PA6树脂螺杆挤出PLS纳米复合材料使用聚合物熔融插层法制备PA6/粘土纳米复合材料的流程图熔融插层制备PA6/层状硅酸盐纳米复合材料制备方法 溶胶-凝胶法插层法共混法原位聚合法溶胶-凝胶法插层法共混法原位聚合法共混法 共混法是最简单、最常见的高分子复合材料制备方法，是指将纳米粉料与高分子基体材料进行熔融共混或溶液共混，得到纳米粉料在基体中均匀分布的高分子复合材料，采用这种方
11、法既可以制备三维结构（0-3型）的复合材料，也可以制备二维（0-2型）的膜型复合材料。 共混法1.溶液共混：主要步骤：将基体树脂溶于溶于溶剂中，加入纳米粒子，充分搅拌使之均匀分散，成膜或浇铸到模具中，除去溶剂制得样品。2.乳液共混：主要步骤：将纳米粒子均匀分散在聚合物乳液中，然后除去溶剂，成型。3.熔融共混：将纳米粒子与聚合物基体在密炼机、双螺杆挤出机等混炼机械上熔融共混。4.机械共混： 将高分子物料和填加物料（纳米粉料前体）加入到研磨机中。共混法的特点A、由于纳米粉料的制备与复合过程分开进行制备与复合过程分开进行，有利于选择工艺条件，控制纳米粒子形态、尺寸等参数。（机械共混允许加入非纳米非纳
12、米填加物料，通过共研磨使粒度细化；而其他共混法都是先制备纳米粉料，然后将纳米粒子与高分子基体材料进行共混复合。）B、在机械共混时，可选择的填加材料也不受共混方法的限制。C、共混法的技术难点是纳米粒子的分散问题。为了使纳米粒子均匀分散， 通常在共混前需要对纳米粒子表面进行处理。而且在共混过程中，除采用分散剂、偶联剂、表面功能改性剂等处理手段外，还可采用超声波进行辅助分散。制备方法 溶胶-凝胶法插层法共混法原位聚合法原位聚合法 基本原理：原位聚合法是将纳米粒子均匀分散于单体中，在一定条件下聚合，形成分散良好的聚合物纳米复合材料，或将刚性聚合物溶解于柔性聚合物 单体中，然后引发聚合，形成刚性聚合物在
13、聚合物基体中以纳米级分散的复合材料。 目录一. 概述 二. 制备 三. 应用 四. 结语 上世纪80年代，日本丰田中央研究院在最早用于丰田车内部件的尼龙6纳米复合材料，但是由于价格的原因很快被放弃了。 通用汽车公司在其2002年的两款新车GMC Safari和Chevrolet Astro 上采用了一种全新的材料聚丙烯/膨润土纳米复合材料制备的脚踏板（step-assist），这项技术创新获得了国际塑料工程师协会的大奖，对整个高分子纳米复合材料的发展有里程碑的意义。 2001年在加拿大举行的Polymer Nanocomposites会议预测，到2020年Polymer Nanocomposi
14、tes的规模将达到年产量3000万吨、价值650亿美元，而高分子/层状硅酸盐纳米复合材料将占据主要的市场份额。 汽车上的应用聚丙烯/膨润土纳米复合材料HUMMER H2 SUT: Most Recent Nanocomposite ApplicationToyoto Nylon 6-Clay Hybrid (NCH) 1986In situ polymerization processInjection molded timing belt cover see M. Kawasumi, J. Polym. Sci. Part A: Polym. Chem., 42, 819 (2004)Ins
15、ert that fits into the shoeNanocomposite Pouch filled with HeliumConverse Basketball ShoePouch by Triton Systems Inc.Wilson Double Core Tennis BallCoating Air Defense by InMatTMButyl Rubber Nanocomposite Core（丁基橡胶纳米复合材料的核心）包装材料包装材料 oHoneywell公司：公司：以纳米膨润土作为透过层，以特定尼龙作为氧气捕捉活性层的纳米复合材料。纳米膨润土的作用是保护氧气捕捉层以免
16、其过早耗尽。用于三层结构的PET瓶。oNanocor公司与三菱瓦斯：公司与三菱瓦斯：纳米膨润土加入到无定形的MDX6尼龙中，纳米复合材料的的氧气阻隔性为PET的100倍，作为三层PET瓶中的中间层，据称作为啤酒瓶的货架期可达到200天。oBayer公司：公司：Nanocor的纳米膨润土用于尼龙6的浇注膜，用于多层包装、保护膜和药品的包装等。 oUbe公司：公司：纳米膨润土加入到尼龙6/66的共混物中，作为汽车的燃油系统，2%纳米膨润土含量的尼龙6与未改性的尼龙6相比，对甲醇的阻隔性提高了5倍 。 PET layered silicate PET layered silicate nanocom
17、positesnanocomposites for beer for beer packagingpackagingPET层状硅酸盐纳米复合材料做成的啤酒瓶 ATH basedcompoundNanocompositeAdditionAdditionof of organoorgano-clay-clay ImprovementsImprovementson fire performanceon fire performanceand smoke densityand smoke densityChar formation of a cable with nanocompositeBeyer, G., 2002Nanocomposite Power Cable Kabelwerk Eupen目录一. 概述 二. 制备 三. 应用 四. 结语 小结 聚合物/无机纳米复合材料当前要解决的问题是：1.无机纳米材料在聚合物基体中的均匀分散；2.纳米复合材料的相界面结构；3.无机粒子的形态参数对纳米复合材料性能的影响，纳米材料对聚合物基体材料性能影响的机理等。通过对这些问题研究从而逐步实现根据材料的性能要求, 计、合成更多更具实用价值聚合物/无机纳米复合材料。 The end, 谢谢大家！
