纳米复合材料概述

2.The main methods of the preparation of Polymer-Organophilic nanocomposites 1．sol-gel
b) Covalent bonding between polymer and nano-phase inorganic phase is introduced in the side of the polymer or in the end of the backbone 。
inorganic materials：typical layered compounds（clay、phosphate,graphite, mica,MMT)
Ａ．Melt intercalation polymerization Ｂ．Solution intercalation polymerization
三、有机／无机纳米复合材料的性能特点
4.阻隔性能 （丙烯酸酯为例） Tab.2 Gas permeability of acrylic resin–clay hybrid film
Film samples MMT content (mass%) 0 0.7 2.2 3.4 5.6 O2 1 0.889 0.595 0.425 0.209 N2 1 0.875 0.581 0.416 0.203
3.原位聚合法（in-situ synthesise）
单体溶液↘ 超声波分散 中分散 ——〉 或（并） ——〉 单体聚合 纳米粒子↗ 机械共混
特点：反应条件温和，分散均匀。
2.The main methods of the preparation of Polymer-Organophilic nanocomposites 4．Intercalation
二、纳米复合材料的主要制备方法
5.分子的自组装及组装
2）聚合物在有序无机纳米 中的组装 3）模板法
聚苯胺在介孔MCM-41中的组装
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二、纳米复合材料的主要制备方法

6.辐射合成法
适合制备聚合物基金属纳米复合材料。电离辐射 产生的初级产物同时引发聚合及金属离子的还原。
H2O
电离辐射
H·, ·OH,eap-,H3O+, H2O·,等 M (n-1)+ M (n-2)+
三、有机／无机纳米复合材料的性能特点

6.其它性能
阻燃性能：在粘土含量仅为5(wt)%，NCH的 热 释放速率下降了63%。 各向异性：在注射成型时的流动方向的热膨胀 系数为垂直方向的一半，而纯PA为各项同性。
四、有机/无机纳米复合材料的应用现状

1.高分子材料的增强增韧
在PA6中加入4(wt)％的粘土，有机基体与无机相实现 纳米复合，其拉伸强度可提高50％，拉伸模量提高近l00％， 而冲击强度基本不降低。 纳米CaCO3粒子增韧PVC/CPE合金体系，在抗冲击强度、 达到最大值的同时，拉伸强度变化不大，而且该配比体系的塑 化性能得到显著改善。 改性的纳米MMT加入PVC体系中，抗冲强度提高了4 倍多时，拉伸强度仅降低10％左右。
粘土的表面化学修饰示意图
Structure and classification of PCH by intercalation
Conventional
Intercalated
Exfoliated
二、纳米复合材料的主要制备方法
5.分子的自组装及组装
1）聚合物—无机纳米自组装膜 LB技术 MD技术
2.The main methods of the preparation of Polymer-Organophilic nanocomposites
1．sol-gel
Features: the sol-gel process is one under mild conditions, and the products are obtained with good sizedistribution. 。 shortages： 1. the shrinking stress resulted from the evaporation of solvent, so that monomer and water can influence the mechanical property 2. cosolvent is often used, sol-gel process is subject to the solubility of polymer 3. preparation of the precursor is very complex, which is often expensive and toxic.
Acrylic resin acrylic resin –clay hybrid A B C D
三、有机／无机纳米复合材料的性能特点
5.光学性能
有机/无机纳米复合材料中聚合物和无机相达到 了分子水平的相容，相的尺寸小于可见光的波长。 聚合物/无机物纳米复合材料涂层，该涂层胶体离子 保持在较低的纳米范围，则有很好的透明性。 聚(ε -己内酯)/SiO2体系则随SiO2含量增加，膜 由不透明变为透明。
2.The main methods of the preparation of Polymer-Organophilic nanocomposites
2．blend
首先制备纳米粒子，然后与聚合物共混 a)溶液共混 b)乳液共混 c)熔融共混 缺点：纳米粒子易团聚，均匀分散困难
二、纳米复合材料的主要制备方法
2.The main methods of the preparation of Polymer-Organophilic nanocomposites

1．sol-gel
a) Direct insertion of soluable polymer into inorganic network
the precursor dissolved in the polymer solution is hydrolyzed and forms the halfinterpenetrating network
三、有机／无机纳米复合材料的性能特点
1.力学性能——增强作用，以NCH为例
Tab.1 Properties of NCH,PA6/MMT blend and PA6
Properties Tensile strength (MPa) Tensile modulus (GPa) Charpy impact strength(kJ/m2) NCH* 107 2.1 6.1 blend ** 61 1.0 5.9 PA6 69 1.1 6.2
*content of MMT：4.2%; * * content of MMT：5.0%
三、有机／无机纳米复合材料的性能特点
1.力学性能——增强作用（NCH为例）
从表1中可以看出，在粘土含量很少的情况下＜5(wt)％， NCH的强度和模量均显著提高，材料的冲击强度并没有象传统 填充聚合物那样下降。 这是由于1nm厚的粘土片层均一分散在PA6基体中，大大 提高了两相间的接触而且两相间有很强的相互作用。
Millions of years ago, the natural nanocomposites, such as born and shell. Recently 10 years, scientists began to know how to prepare nanocomposites and how to use them in everyday life. Nanocomposites are the fourth generation of materials after single-phase materials,composites and gradient materials
2.The main methods of the preparation of Polymer-Organophilic nanocomposites
1.sol-gel 2.blend 3.in-situ polymerization 4.intercalation 5.self-assembly and assembly of molecules 6.synthesis of irradiation
三、有机／无机纳米复合材料的性能特点

2.热性能
尼龙6/粘土，热变形温度比纯尼龙提高了70-90℃。 PS/粘土复合材料的热分解温度为449℃，较纯HIPS提 高了近30℃。
硅橡胶/蒙脱石复合材料热分解温度为433℃，明显高 于硅橡胶(381℃)。
三、有机／无机纳米复合材料的性能特点

3.电性能
The definition and histoty of nanocomposites
1984, Roy and Komarneni, Nanocomposites should be compounded in nanometric size (1-100nm) in more than one orientation
2.The main methods of the preparation of Polymer-Organophilic nanocomposites

1. sol-gel
c) Organic-inorganic interpenetrating network The added monomers are polymerized when the precursor is hydrolyzed– condensed, then the organicinorganic interpenetrating network can be obtained
二、纳米复合材料的主要制备方法
4．层间插入法
(2)蒙脱石的表面化学修饰——有机蒙脱石的制备 蒙脱石铝氧八面体上部分三价铝容易被二价镁离子置换， 使层内表面剩有负电荷，因此具有良好的膨胀性、吸附性和 阳离子交换性能。 插层剂通过交换进入片层之间，使蒙脱石层间由亲水 性转变成为亲油性。为许多插层物质进行层间复合或插入 反应提供了较有利的条件。
The Research and Application of Polymer ／Organophilic-MMT
nanocomposites
Prof. Ren Jie
Insitute of Nano and Bio-Polymeric Materials
TongJi University
1.Introduction
Ｃ．Polymer melt intercalation D. Polymer solution intercalation[
二、纳米复合材料的主要制备方法
4．层间插入法
（1）蒙脱石的结构、性能特点
(2：1型的层状硅酸盐粘土矿物，其基本结构单元是由一片铝氧八 面体夹在两片硅氧四面体之间，靠共用氧原子而形成的层状结构)
聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料是一种新型离 子导电材料，如： (1) 导电高分子：聚苯胺、聚吡咯/层状粘土。 具有很强各向异性导电性的金属绝缘体纳米复合材料， 其薄膜导电性具有很高的各向异性特点，其膜平面内 导电行为是垂直于膜方向的103-105倍。 （2）固体电解质：蒙脱石含量为40%的PEO-锂基蒙脱 石纳米复合材料在30℃时得导电性为1.6*10-6s/cm，其活 化能为11.7kj/mol。
以eap-为例：Mn+ +eapM(n-1)+ + eap-
M(n-2)+ + eap-
M
三、有机／无机纳米复合材料的性能特
点
性能
催化 力学性能 磁性 电学性能 光学性能 热学性能 敏感特性 其它
用途
催化剂 增强、增韧的高分子材料 磁记录、磁存储、吸波材料等
导电浆料、绝缘浆料、非线性电阻、 静电屏蔽材料、电磁屏蔽材料 光吸收材料、隐身材料、光通信材料、 非线性光学材料、光记录、光显示、 光电材料 低温烧结材料 敏感材料（压敏、湿敏、温敏等 仿生材料、医用材料、环保材料、耐 摩擦、耐磨损材料、高介电材料等