聚丙烯纳米复合材料的研究及应用

聚丙烯纳米复合材料的研究及应用

李跃文陈枝晴

（湖南科技职业学院高分子工程与技术系，长沙,410118）

摘要：综述了聚丙烯基层状填料纳米复合材料、纤维状填料纳米复合材料、粉状填料纳米复合材料、POSS纳米复合材料制备方法、结构与性能方面的最新研究进展，介绍了聚丙烯／粘土纳米复合材料的一些实际应用，对今后的研究和开发方向也提出了自己的看法。

关键词：聚丙烯，纳米复合材料，纳米填料，研究进展，应用

聚丙烯(PP)是目前产量最大、发展最快的合成树脂之一，它具有良好的综合力学性能、耐热性、耐腐蚀性能和成型加工性能，应用范围十分广泛。但PP低温脆性大，耐老化性能不好，容易燃烧，绝对强度和金属材料相比尚有一定差距，这些使其应用受到一定程度的制约。共聚、共混、加助剂等传统的改性方法均有一定的局限性，近年发展起来的纳米技术给PP提供了一种新的改性途径，大量的研究表明，将PP与纳米组份复合，具有广泛而显著的改性效果。与传统方法相比，通过形成纳

米复合材料对PP进行改性具有如下优点：（１）纳米组份含量很少时即有显著的改性效果；（２）在改善某些性能的同时，几乎不损害其它性能，特别是成型加工性能；（３）改性范围广泛。

１、PP／层状填料纳米复合材料

1.1 PP/层状粘土纳米复合材料

自然界有些粘土矿物具有层状结构，如蒙脱土、累托土、斑脱土等。在适当的条件下，聚合物分子链能插入到粘土片层之间，使片层层间距扩大，甚至剥离，从而形成纳米复合材料。由于粘土片层的纳米效应和层状结构，PP／层状粘土纳米复合材料的力学强度、热稳定性、阻隔性、阻燃性均有明显改善。

PP/蒙脱土纳米复合材料是研究和开发较早的PP纳米复合材料。目前的研究主要集中在熔融共混法制备纳米复合材料及其结构与性能上。王平华［１］等用钠基蒙脱土(Na-MMT)和经十六烷基三甲基溴化铵处理过的有机蒙脱土(Org-MMT)分别与PP制成了纳米复合材料，实验结果表明，Na-MMT和Org-MMT对PP均有良好的增强增韧效果，但两者填充形态不一样，Na-MMT 以纳米粒子形态填充，Org-MMT以插层形态填充；另外，Na-MMT还能诱导聚丙烯结晶晶型发生转变，产生有利于提高聚丙烯冲击强度的β晶型。丁超［２］等采用聚丙烯与甲基丙烯酸甲酯、马来酸酐、丙烯酸丁酯三单体的固相接枝共聚物（TMPP）作为增容剂，通过熔融共混法制备了PP/蒙脱土纳米复合材料，实验结果表明，TMPP可以在添加量较少时达到明显的增容效果，从而大幅度提高复合材料的力学强度，同时材料的热性能和阻燃性能也得到改善；蒙脱土在PP基体中主要以插层形式存在，同时存在少量的剥离结构。王传洋［３］等对PP/蒙脱土纳米复合材料的流变性能进行了研究，结果表明，复合材料的熔体主要表现为剪切变稀性流体，但熔体温度较高、剪切速率较低时，呈现出类牛顿性流体行为。M. Modesti［４］等研究了成型条件和增容剂马来酸酐接枝聚丙烯(MA-PP)对经双螺杆挤出机熔融共混制得的ＰＰ纳米复合材料结构和性能的影

响，结果显示，较低的成型温度和增容剂的加入有利于蒙脱土的剥离和复合材料的增强。F. Perrin-Sarazin［５］等也研究了MA-PP对复合材料结构的影响，结果也表明MA-PP有助于蒙脱土的分散，但不同分子量的MA-PP对蒙脱土的分散有不同的影响，较低分子量的MA-PP导致产生均一的插层结构，但没有进一步的剥离，而较高分子量的MA-PP导致产生不同种类的插层结构，但有部分剥离。

插层聚合法制备PP/蒙脱土纳米复合材料也有报导。马继盛［６］、赵海超［７］等先后通过插层聚合法制成了PP/蒙脱土纳米复合材料，他们首先制备MMT/MgCl2/TiCl4插层催化剂，再通过原位插层聚合制得复合材料，研究结果显示，蒙脱土在PP基体中被剥离并成纳米级分散，复合材料的储能模量和玻璃化温度均高于纯PP。Aihua He［８］等也通过类似的方法制得了PP/烷基三苯基膦改性蒙脱土纳米复合材料。

累托土也是一类具有层状结构的粘土矿物。马晓燕［９］等采用熔融共混法制备了有机改性累托土/聚丙烯纳米复合材料, 与纯PP相比, 复合材料的拉伸强度、冲击强度、断裂伸长率及热分解温度均有明显提高。斑脱土是另一类层状粘土，Florêncio G. Ramos Filho［１０］等将有机改性斑脱土与PP经熔融共混制成了纳米复合材料。

1.2 PP/石墨纳米复合材料

石墨具有高的电导率、磁化率、导热系数、优良的化学稳定性和自润滑性能，聚合物/石墨复合材料作为电或热导体、电磁干扰屏蔽材料、自润滑材料等有着许多重要的用途。全成子［１１］等用聚合物溶液插层法制得了MA-PP/膨胀石墨（EG）纳米复合材料，后又用溶液插层及其与熔体混合相结合的母料熔体混合方法制得了PP/ MA-PP/ EG导电纳米复合材料，这些材料都具有远比聚合物/ EG直接熔体混合制得的复合材料低的导电逾渗阀值。

２、PP／纤维状填料纳米复合材料

纤维状填料对聚合物一般有很好的增强作用, 如常用的玻璃纤维、碳纤维等，可以预期，若能将纳米尺度的纤维状填料均匀分散于聚合物中，将得到具有优异力学性能的复合材料。

凹凸棒土（AT）是一种具有独特纤维状或棒状晶体形态的含水富镁铝的硅酸盐矿物，AT单根棒晶的直径在20nm左右，长达１μm，是一种天然的一维纳米材料。AT如以棒晶形态分散在聚合物内，可得到1-3型聚合物基纳米复合材料。王平华［１２］等利用超声波分散方法使AT以棒晶形式分散，接着用硅烷偶联剂对棒晶进行表面处理，然后将经偶联剂处理的AT与PP熔融复合，制成了纳米复合材料。研究结果表明，通过超声波分散，可以破坏AT棒晶间较微弱的物理吸附力，从而将AT棒晶以纳米尺度均匀分散；AT的加入提高了PP的拉伸强度和冲击强度，并在一定程度上改善了复合材料的加工性能。王丽华［１３］等对熔融共混法制备的PP/AT纳米复合材料的结晶行为进行了研究，发现AT的加入起到了成核剂的作用, 使复合材料的结晶温度提高, 结晶速率增大, 结晶度增加，晶粒尺寸减小。

多水高岭土是一类具有纳米管状结构的天然矿物，Mingliang Du［１４］等通过熔融共混法制备了PP/多水高岭土纳米管（HNTs）复合材料，由于HNTs对传质和传热的屏蔽作用，复合材料的热稳定性和阻燃性能均有明显改善。

碳纳米管是一类已经产业化的具有导电性的优良增强填料，Takashi Kashiwang［１５］等研究了PP/多壁碳纳米管纳米复合材料的热稳定性和阻燃性，发现在热分解过程中，复合材料表面形成