纳米粘土材料

纳米粘土复合物材料研究现状
聚合物/层状硅酸盐复合材料Polymer Layered Silicate 简称PLS：美国康乃尔大学的 Giannelis和Pinnavaia等小组 Pennsylvaia大学、 Dow Chemical Company、日本丰田发展中心 和中国科学研究院化学研究所、北京化工大 学
粘土/塑料高分子聚合物纳米复合材料：
粘土/橡胶高分子聚合物纳米复合材料：
聚合物/粘土纳米复合材料的优点
1重量轻;很少质量分数3%~5%即可具有很高性 能 (2)具有优良的热稳定性及尺寸稳定性； (3)力学性能优于纤维增强聚合物体系，可以在 二维方向上起到增强的作用 (4)有优异的阻隔性能； (5)纳米蒙脱石/热塑性聚烯烃复合物容易再生利 用，其力学性能能够在再生中得到提高； (6)具有抗静电性和阻燃性； (7)填料颗粒小，塑料制品的表面更加光洁9。
填充法
目前仍处于发展初期;其优点是纳 米材料和基体聚合物材料的选择 空间很大，纳米材料可以任意组 合，任意分散
用于制备聚合物无机纳米复合材料的无机物包括： 层状硅酸盐矿物;层状化合物，金属粉体以及各种 无机氧化物等 无机氧化物SiO2 TiO2、SiC等用于制 备粉体材料的技术在现阶段已相当成熟。在聚合物 -无机纳米复合材料中，以粘土为无机相的复合材 料仍然占据相当大的比例。粘土主要是由粘土矿物 组成。大多数粘土矿物均为层状含水的硅酸盐。作 为纳米前驱体的层状硅酸盐片层尺度一般均在 1~100nm之间，因此，层状硅酸盐本身就是天然的 纳米结构，这种层状结构是设计制备有机高分子无机粘土纳米复合材料的基础，由此得到的纳米复 合材料比基体高分子大大提高，因此形成了今天世 界范围内的研究开发热点。
插层法
是一种制备有机无机纳米复合材 料的重要方法 此法能够获得趋于 单一分散的纳米片层的复合材料; 容易工业化生产，但不足之处是 可供选择的纳米前驱体材料不多， 仅限于蒙脱石粘土等几种层状硅 酸盐。
有机大分子在晶层中的几种 排列情况
有机分子不同;蒙脱石晶层膨胀间距 大小也不同
共混法
是纳米粉体与聚合物粉体混合的最简单 方便的方法;但制得的复合材料远没有达 到纳米级分散水平，而只属于微观复合 材料 原因在于，当填料粒径减小到1~0 1μm时，粒子的表面能如此之大，粒子 间的自聚作用非常显著，现有的共混技 术难以获得纳米尺度的均匀共混；现有 的界面改性技术难以完全消除填料与聚 合物基体间的界面张力。
石墨：经物理或化学分散后，可制成纳米石墨
蒙皂石粘土矿物 球粘土
沸石、海泡石、玻缕石为具纳米孔道的天然纳 米结构材料
Nanoclay Composite
粘土片层纳米级分散在有机基质橡胶或 塑料高分子聚合物中制成的复合材料
蒙脱石晶体显微结构透射电镜 照片
粘土片层在基质中的几种分散情况
纳米粘的晶体构造分类
1:1型
高岭石族 高岭石 地开石、珍珠陶土等 埃洛石族 埃洛石等
2:1型 蒙皂石族 蒙脱石、皂石、拜来石等 水云母族 伊利石、海绿石等 绿泥石族 各种绿泥石等 玻缕石和海泡石族 玻缕石、海泡石
粉体材料的粒级划分
超细粉体材料：平均粒径在110微 米
亚超细或亚微米粉体：平均粒径 在1-0 1微米
纳米粉体材料：平均粒径在1-100 纳米
The Concept of Nanocomposite
纳米复合材料：分散相尺寸有一维在纳米 量级1100纳米的复合材料 零维纳米材料：三维均在纳米量级;球状 一维纳米材料：有两维在纳米量级，管状 二维纳米材料：有一维在纳米量级，片状
粘土纳米复合材料对气体的 阻隔性能
纳米粘土在液晶材料上的应用
纳米复合材料的制备方法
溶胶凝胶法 插层法 共混法 填充法
溶胶凝胶法Sol-Gel Process
是由R-SiOCH33反应物开始;其中R是可聚 合的单体 无机相是由-Si(OCH3)3基团的 水解和缩合生成的体型硅酸盐，而有机 相是由R-聚合而成的高分子，有机-无机 相之间以C-Si共价键相连29，具有纳米微 粒较小的粒度和较均匀的分散程度，但 合成步骤复杂，纳米材料与有机聚合物 材料的选择空间不大。
纳米材料的两个重要特性
尺寸效应：至少有一维在1100纳米范 围 突变效应：尺寸小到一定程度;其性 能发生突变
随着纳米粒子的尺寸的变小;表面积急剧 增大，表面原子百分数迅速增加，表现 为很高的化学活动性
天然纳米矿物材料
蛋白石：纳米介孔材料;孔直径在520纳米，比 表面积在277 3m2/g
纤蛇纹石石棉：纤维直径在16-56纳米之间， 比表面积50-100 m2/g
层状硅酸盐矿物蒙脱石结构特点
层状硅酸盐矿物是由表面带负电的片 层;靠层间可交换性阳离子的静电作 用而形成的层状结构，层间可交换阳 离子可与其它有机阳离子进行离子交 换反应而使层间距增大，然后使单体 或有机高分子插入其层间而形成纳米 复合材料
制备纳米复合材料的层状硅酸盐矿物 应具有如下特殊性质
层状结构：高径比达1000的完全分散的晶层;这种片层晶 体具有的畸变 缺陷和断键等形成更多的端面，导致较高 的物理、化学活性和显著的吸附性能；粘土的纯度 有效 的层状硅酸盐片晶含量要高；可以通过有机阳离子和无机 金属离子的离子交换反应来调节粘土的表面化学特性，使 其表面由亲水性改为亲油性，与有机聚合物客体之间存在 强亲和性，插层客体不易脱离；粘土的稳定性好。作为插 层用的粘土是一种不具有氧化还原性质的惰性主体，被插 入到层间的有机可聚合单体的聚合反应，以及插层复合材 料的加工等可以根据实际需要设计工作条件，而不必考虑