纳米粘土材料

天世界范围内的研究开发热点。
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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。
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蒙脱石晶体显微结构透射电镜 照片
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粘土片层在基质中的几种分散情况
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纳米粘土/聚合物复合材料的透射电镜照片
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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。
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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
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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
是由R-Si(OCH3)3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。
与聚合物基体间的界面张力。
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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。
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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
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纳米材料的两个重要特性
尺寸效应：至少有一维在1-100纳米 范围 突变效应：尺寸小到一定程度，其性 能发生突变

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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。
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天然纳米矿物材料
蛋白石：纳米介孔材料，孔直径在5-20纳米， 比表面积在277.3m2/g
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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。
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有机大分子在晶层中的几种 排列情况
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有机分子不同，蒙脱石晶层膨胀间 距大小也不同
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
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
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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
(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]。
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粘土纳米复合材料对气体的 阻隔性能
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纳米粘土在液晶材料上的应用
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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。
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溶胶-凝胶法（Sol-Gel Process）
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
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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
粘土的可变性。
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层状硅酸盐矿物的晶体构造分类
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
粉体材料的粒级划分
超细粉体材料：平均粒径在1-10 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
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The Concept of Nanocomposite
纳米复合材料：分散相尺寸有一维在纳米 量级（1-100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/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：
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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；