蒙脱土纳米复合材料

聚合物/蒙脱土纳米复合材料Polymer/ Montmorillonite Nanocomposites(姓名班级学号)摘要：介绍了蒙脱土的结构和特点，以及什么是聚合物/蒙脱土纳米复合材料及其制备方法和分类。

讨论了聚合物/蒙脱土纳米复合材料的性能特点和应用。

聚合物/蒙脱土纳米复合材料具有优异的性能，是目前材料学科的研究热点之。

关键词：蒙脱土；聚合物纳米复合材料；制备分类；性能应用一、综述纳米复合材料的概念最早是由Rustun Roy于1984年提出的，它是指分散相尺寸至少有1种小于100 nm 的复合材料[1]。

由于纳米粒子有独特的“表面效应”、“体积效应”和“量子效应”，使纳米复合材料表现出独特的化学和物理性质，因此引起了人们的广泛关注。

聚合物基纳米复合材料包括聚合物基有机纳米复合材料和聚合物基无机纳米复合材料。

聚合物基无机纳米复合材料是集有机组分和无机纳米组分于一体的新型功能高分子材料。

目前，聚合物基无机纳米复合材料的制备方法主要有3种：即溶液-凝胶法、嵌入法和纳米微粒填充法[2]。

聚合物/蒙脱土纳米复合材料是目前新兴的一种聚合物基无机纳米复合材料。

与常规复合材料相比，具有以下特点：只需很少的填料 <5% (质量分数)，即可使复合材料具有相当高的强度、弹性模量、韧性及阻隔性能；具有优良的热稳定性及尺寸稳定性；其力学性能有优于纤维增强聚合物系，因为层状硅酸盐可以在二维方向上起增强作用；由于硅酸盐呈片层平面取向，因此膜材有很高的阻隔性；层状硅酸盐蒙脱土天然存在有丰富的资源且价格低廉。

故聚合物/蒙脱土纳米复合材料成为近年来新材料和功能材料领域中研究的热点之一。

二、蒙脱土的结构和性能纳米蒙脱土系蒙皂石粘土（包括钙基、钠基、钠-钙基、镁基蒙粘土）经剥片分散、提纯改型、超细分级、特殊有机复合而成，平均晶片厚度小于25 nm，蒙脱石含量大于 95%。

具有良好的分散性能，可以广泛应用高分子材料行业作为纳米聚合物高分子材料的添加剂，提高抗冲击、抗疲劳、尺寸稳定性及气体阻隔性能等，从而起到增强聚合物综合物理性能的作用，同时改善物料加工性能。

在聚合物中的应用可以在聚合物时添加，也可以在熔融时共混添加（通常采用螺杆共混）。

蒙脱土的化学式为：M n+x/n[Al4.0-xMg x](Si8.0)O20(OH)4·yH2O，属于2:1型层状硅酸盐，即每个单位晶胞由2个硅氧四面体晶片间夹带一个铝氧八面体晶片构成三明治状结构[3]，二者之间靠共用氧原子连接，每层厚度约为1 nm。

由于硅氧四面体中的部分Si4+和铝氧八面体中的部分Al3+被Mg2+所同晶置换，因此在这些1 nm厚的片层表面产生了过剩的负电荷。

为了保持电中性这些过剩的负电荷通过层间吸附阳离子来补偿。

蒙脱土片层间通常吸附有Na+、K+、Ca2+、Mg2+等水合阳离子，它们很容易与有机或无机阳离子进行交换，使层间距发生变化。

研究表明：层间可交换的阳离子数即离子交换容量(CEC)并不是越高越好。

蒙脱土的片层中间的CEC通常在60~120 mEq/100 g的范围内，这是一个比较合适的离子交换容量。

交换有机阳离子可使硅酸盐表面从亲水性变为亲油性，降低硅酸盐的表面能，提高其和聚合物基体及单体的相容性，而且有机阳离子可以带有各种官能团，这些官能团和聚合物反应，从而提高了无机物和聚合物基体之间的粘接性[4]。

适宜的离子交换容量，优良的力学性能及低廉的价格，使得蒙脱土成为制备聚合物纳米复合材料的理想矿物。

三、聚合物/蒙脱土纳米复合材料的制备方法及其分类插层复合(Intercalation Compounding)是制备此类纳米复合材料的最重要的方法之一，它是将聚合物插层于层状结构的填料中从而获得纳米量级的复合材料。

它主要有原位插层聚合法和聚合物插层法2种方式。

聚合物插层法又可分为聚合物溶液插层、聚合物熔融插层、聚合物乳液插层3种。

此外有人用超声波法制备此类纳米复合材料，而且紫外光固化法也有可能成为制备此类复合材料的一种方法[5]。

原位插层聚合法是把适合的单体插层到已改性的粘土层中，然后进行聚合反应，其特点是可以将聚合物单体引入到粘土层中制备那些大分子链不易直接插入粘土层间的复合材料。

聚合物溶液插层法是先把离子交换过的粘土分散在合适的溶液中，然后把其和聚合物溶液混合并搅拌生成杂化物溶液，然后蒸发掉溶剂，在N2的保护下加热到一定的温度和一定的时间来制备聚合物/蒙脱土纳米复合材料，其特点是操作简单。

聚合物乳液插层法是粘土在强烈的搅拌下分散于水中，加入胶乳和少许的助剂，共混均匀，用稀盐酸絮凝，水洗，烘干，得蒙脱土/聚合物纳米复合材料。

聚合物熔融插层法是首先把聚合物和层状硅酸盐混合，然后再加热到聚合物软化点以上温度进行反应，此方法的特点是不用溶剂，对环境有利并更经济方便，而且提供了常规技术研究在二维空间受限制聚合物的理想体系。

根据聚合物纳米复合材料的微观结构，可以将聚合物/蒙脱土纳米复合材料分为插层型纳米复合材料和剥离型纳米复合材料[5]。

在插层型复合物中，聚合物不仅进入蒙脱土颗粒，而且插层进入硅酸盐晶片层间，使蒙脱土的片层间距明显增大，但还保留原来的方向，片层仍然具有一定的有序性；在剥离型复合物中，蒙脱土的硅酸盐片层完全被聚合物打乱，无规则的分散在聚合物基体中的是一片一片的硅酸盐片层，此时蒙脱土片层与聚合物可以混合均匀。

在插层型纳米复合材料中，高分子链在层间受限空间与层外自由空间的运动有很大差异，因此此类复合物材料可作各向异性的功能材料；而剥离型纳米复合材料具有很强的增强效应，是理想的韧性材料。

[6]四、聚合物/蒙脱土纳米复合材料的性能和应用聚合物/蒙脱土纳米复合材料的应用大体分为两大类，即作为工程材料和气体阻隔材料。

此种纳米复合材料的抗张强度、抗张模量与聚合物基体相比有大幅度提高，这是一般用填料填充的聚合物体系所无法比拟的。

同时阻燃性、热变形温度、耐溶剂性能等都大幅度提高。

黏土用量仅为1%-5%，透明性不受影响，但有时对气体的渗透性可下降一个数量级。

在聚合物/蒙脱土纳米复合材料中，存在四个相：硅酸盐片层相，改性表面相，未束缚聚合物相、纯聚合物相。

这些相的体积分数及其性质决定了整个复合材料的性质，包括阻隔性能和其它性能。

具体应用包括如下六个方面[7]：(1) 应用于阻燃材料聚合物/蒙脱土纳米复合材料具有优异的自熄性；其原理为：燃烧过程中，纳米复合材料结构塌陷，形成了多层碳质/硅酸盐结构。

该结构作为一种传质和传热的阻隔体，阻隔挥发物的产生和聚合物的分解。

由于聚合物/蒙脱土纳米复合材料表现出良好的综合性能，如热稳定性、高强度、模量高、气体阻隔性高、膨胀系数低等优点，且密度仅为一般复合材料的 65-75%，广泛用于航空、汽车、家电、电子行业作为高性能工程塑料。

(2) 应用于导电和光学器件将导电聚合物嵌入层状无机物的夹层中形成纳米复合材料，因在层状坑道中分子的整齐排列，所得的导电聚合物的结构规整，具有各向异性，在电子、光学、和电化学等方面将显示出新的特性，可以用于制备导电与半导电材料、发光材料、变色材料和非线性光学材料。

将PPV的半导体荧光性质和粘土的气体阻隔性结合起来，可用于制作发光二极管等光学器件。

将PEO/锂蒙脱土纳米复合材料的高导电性和优异的力学性能可用于制造锂电池。

(3) 应用于耐磨材料聚合物无机物纳米复合材料具有优异的力学和热学性能，可以制备出耐热、高强度的耐磨材料，应用于汽车工业和航空工业等领域。

如聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料，聚合物/碳纳米管纳米复合材料，及聚合物/二氧化硅/纳米复合材料等等。

(4) 应用于纳米复合材料纳米粒子用于传统涂料中得到一类具有抗辐射、抗老化与剥离性能的新型纳米涂料。

传统的涂料包括醇酸树脂涂料、丙烯酸树脂涂料及用于建筑、船舶、汽车、卷钢、家电等领域的涂料。

它们均不同程度地存在“颜料悬浮”，稳定性差，触变性差和抗老化性性等问题。

纳米涂料使传统涂料产生质变。

我们所熟知的二氧化钛纳米粒子粒径1-100 nm，对入射光基本无散射作用，具有很强的屏蔽紫外线能力和优异的透明性。

将这种纳米和云母珠光颜料并用时，作为效应颜料可以产生十分迷人的精美双色效应，这种效应颜料的神秘色彩和独特的光学性能，很受汽车涂料商的欢迎，已广泛应用于汽车涂料。

(5) 应用于阻隔材料由于聚合物链受限于层状无机物的纳米片层之间，聚合物层状无机物纳米复合材料具有高长径比的无机物片层阻碍了气体的扩散，增加了材料的阻隔性。

应用比较多的是各类包装行业，PP、PE、PET及PA-6与层状硅酸盐的纳米复合材料广泛应用啤酒包装及机械包装等领域，简化了生成工艺，降低包装成本。

(6) 应用于生物功能复合材料目前，层状无机物与聚合物的复合已从普通高分子拓展到生物高分子。

将蛋白质分子比如血红蛋白和酶固定在α-ZrP 的层间，以改善酶的催化活性，有利于制备生物复合材料和生物传感器。

将抗癌药氨甲叶酸通过离子交换到ZnAl-LDH 层间合成了生物功能性纳米复合材料，在改善药物的生物相容性的同时，改善药物的释放速率以增强药效。

五、结束语聚合物/蒙脱土纳米复合材料因其特殊的结构和优异的性能展现出诱人的应用前景。

但该技术刚刚兴起，尚处在探索阶段，很多项目还局限在实验室的研究，离工业化还有很大距离。

目前需解决的问题主要有：(1)纳米材料精细结构的表征和纳米复合材料中纳米相的表征；(2)纳米复合聚合物的力学性能、热性和阻燃性改善机理的研究；(3)纳米粒子在聚合物基体中的聚集问题。

随着技术进步及新工艺、新方法的不断研究开发，必将实现对纳米复合材料微观结构的优化设计和对纳米粒子形态、尺寸和分布的有效控制，最终开发出性能更好、功能更强的聚合物/蒙脱土纳米复合材料。

[8]参考文献：[1] Roy R. Ceramics by the Solution-Sol-Gel Route.[J] Science,1987,238(4834):1644～1669.[2] 马家举,徐国财.聚合物纳米复合材料的制备方法[J].现代化工,2001,21:15～17.[3] Pinnavaia TJ. Intercalated clay catalysts.[J] Science,1983,220(4995):365～371.[4] 王新宇，漆宗能，王佛松,等.聚合物-层状硅酸盐纳米复合材料制备及应用[J]. 工程塑料应用, 1999,27:1～5.[5] 李春生,周春晖,李庆伟,等.聚合物/蒙脱土纳米复合材料的研究进展[J].现代塑料加工应用, 2010(11):22～26.[6] 武卫莉,李海平.聚合物纳米复合材料的研究进展[J].纳米科技, 2009,6(4):71-73.[7] 张玉龙.纳米复合材料手册[M].北京:中国石化出版社,2005:169-286.[8] 廖才智.聚合物/蒙脱土纳米复合材料的研究进展[J].广东化工, 2010，37(8):16-18.。