1、1纳米材料及其在工程塑料改性中的应用探讨摘 要：近些年来，纳米材料的应用与研究持续升温，并越来越广泛的被应用到各个领域之中，包括纳米技术、纳米结构相态等在内的纳米研究正日益得到人们的普遍关注。由于纳米材料粒径极小，因此其具有一系列其他材质所不具备的特性，并可以改变材料的尺寸及自身性质。纳米的这一特性被应用于对工程塑料性质的改进之中，得到业内认可并推广。本文即对纳米材料的结构、性质等作出简要阐述，并对其在工程塑料改性中的应用进行初步探讨。 关键词：纳米材料 工程塑料 改性 一、概述 纳米材料是“纳米级结构材料”的简称，指的是结构单元的粒径介于 1nm100nm 之间的材料类型。纳米材料尺寸极小，
2、与电子的相干长度相当，易发生强相干并引发自组织，因此材料性质通常发生变化。此外，由于纳米材料的尺度与光的波长大致相当，且比表面积较大可引发特殊效应，因此纳米材料会表现出多种特性，包括熔点特性、光学特性、导热导电特性等，这些特性的存在改变了物质以整体状态存在时所表现出的各种性质。 二、纳米材料的特性 1.小尺寸效应 非晶态的纳米材料其颗粒粒径小，其尺寸与德布罗意波长及超导态2的相干长度大致相当，有些颗粒粒径甚至小于光波波长，此时，晶体原有的周期性的边界条件便会被打破而发生变化，因此，纳米材料会发生显著的小尺寸效应，其光性、电磁性质、热学性质及力学性质等随即发生不同程度的变化。发生了小尺寸效应的纳
3、米材料所具备的特殊物理化学性质在材料改进中可得到广泛应用，如在聚合物的性质改良中，讲纳米材料添加入其中，则聚合物原有的力学特性可以得到相应的改善，同时，由于纳米材料自身所具备的特殊性质可与聚合物之间发生一定反应，因此还可以激发聚合物产生多种新型的性质，材料性能得到全面提高。 2.表面效应 众所周知，粒径越小的颗粒其比表面积越大，纳米材料粒子直径极小，仅 1-100nm，故其比表面积因此而达到较大尺寸。随着纳米材料表面积增大，其表面原子所占比重明天提高，当材料粒径小至 1nm 时，其将几乎成为单层物质，即仅由表面原子组成。此时，表面原子活性会达到一定高度，原子稳定性大大降低，极易与其他原子相互结
4、合并发生化学反应，改变材料原有性质。将表面原子活性高的纳米粒子加入至聚合物之中，则聚合物中原有分子链的稳定性将被打破，并与纳米粒子表面原子发生多种物理反应及化学反应。通过范德华力作用，纳米粒子及聚合物中的分子链便结合起来，引发新性质的产生。 三、纳米材料在工程塑料改性中的应用 在意识到纳米材料的实用价值并不断加强对材料的改进及研发后，纳米材料如今已得到了十分广泛的应用，在包括智能材料、光功能材料、生物医学功能材料、纳米药载物体、超导材料等多个类型材料的应用之3中，纳米粒子的应用均发挥了十分重要的改进作用，纳米塑料的应用亦是其中之一。将金属、非金属或有机填充物以纳米粒级的形式进行树脂基体填充，随
5、后形成的树脂纳米复合材料即为纳米塑料。相比于其他类型的塑料材质，纳米塑料强度高、耐热性好、阻隔性能优越、遇热稳定性强，因此而得到各行各业的广泛应用。在传统的塑料树脂基体中加入纳米分子以实现其性能的改善，此即为纳米材料在工程塑料中改性的应用，如今，这一课题正得到业内的广泛研发。 由于纳米材料的类型是多种多样的，故将不同类型的纳米颗粒加入塑料中所形成的塑料类型亦不尽相同，目前常见的分类包括无机纳米塑料和有机纳米塑料两种。无机纳米塑料是通过向塑料中加入无机纳米材料后形成的，如加入纳米级 CaCO3、Cu、SiO2 等，此类纳米材料的加入使得原有塑料的性能得到了显著的改善，并且所制成的塑料克服了原有的
6、各向异性的缺陷，性能更为稳定。以 EP 塑料为例，传统的 EP 塑料物质脆性大，易断裂破损，故人们尝试向 EP 塑料中加入纳米级 SiO2 材料，借助于对偶联剂的应用，从而制得了 EP/纳米 SiO2 复合型塑料材质，新型塑料的强度较传统类型有了明显的改善，同时其韧性也有显著增强。 四、纳米塑料的制备方法 纳米塑料类型多样，不同塑料的制备工艺之间也存在着一定的差异，目前业内常用的纳米塑料制备方法包括共混法、原位聚合法、离子交换法以及插层法等等。 1.共混法制备纳米塑料 在众多纳米塑料制备方法之中，共混法是使用最为广泛且操作相对4便捷的制备方式之一，其适用范围较广，对各种类型的纳米粒子均可适用。
7、无机纳米粒子具有比表面积大的特点，相同尺度的纳米粒子，无极纳米材料表面积会明显高于有机纳米粒子，如一粒径约为 70nm 的无机粒子，其比表面积甚至可以达到 200m2/g，因此表面原子比例亦相对较高。由于表面原子的原子键之间处于不饱和状态，故其原子活性极高，在通常情况下十分容易发生吸附并导致聚团现象，且聚团后不易分散，只有将粒子的微区相尺寸以及粒子尺寸的分布控制在合理的范围之内，方可保障分散成功。 常见的共混法包括溶液共混法、熔融共混法、机械共混法等。在纳米粒子与塑料材料合成的过程中，共混法将其分成了多个步骤依次进行，粒子的尺寸大小、形态样式便可以以此得到控制。共混操作进行前，首先对无机纳米粒
8、子进行简单处理，而后采用双螺杆挤出机将纳米粒子与材料进行熔融混炼，混炼结束后，微粒在复合材料中可达到纳米级分散。由此形成的纳米塑料性能理想，且应用广泛。在无机纳米分散法中，胶体基质以无机纳米微粒为主，并会在其表面沉淀形成一层聚合物，聚合物将微粒包裹起来，从而形成粒径较大的粒子，尺寸通常为 100nm-300nm。可见，以此种方法形成的纳米粒子具有明显的成层结构。 共混法进行纳米塑料制备操作简单易行，成功率高，但其对于塑料的改性效果并不十分理想，时常会出现改性效果较超细填料更差的现象。分散效果不好的原因多种多样，但主要因素是聚合物熔体粘度较高所致。研究人员为改善粒子分散效果，采用了相对分子质量较
9、低的聚合物进行制备，但此种方式制得的纳米塑料力学性能往往不甚理想，故成为纳米5塑料共混法制备过程中的瓶颈问题。 2.插层法制备纳米塑料 相对于其他费用较高，制备难度较大的纳米塑料制备方法而言，插层法制备纳米塑料时费用相对低廉，且其制备原材料易于获取，适用于片状无机物的制备。由于片状无机物与其他类无机纳米粒子不同，其只要求在一维方向中保证粒子达到纳米级别，故粒子在制备过程中不易吸附聚集，分散过程效果相对较好。 插层法制备纳米塑料的关键在于制备前对材料进行适当的预处理，将层状无机物作为材料制备过程中的主体，有机单体作为制备是的客体，客体直接插入主体夹层之间从而形成所制备的复合塑料。 插层法进行纳米
10、塑料的制备克服了共混法改性效果差的缺陷，然而由于将单体插入无机物层间的过程耗时较长，加之将液态聚合物插入无机物层间所需要的时间更久，因此该方法制备纳米塑料的过程效率较低，对工业生产形成了不利的影响，经济效益不甚理想。 总之，对于纳米材料的研究及其在对工程塑料改性中的应用目前已成为行业内颇为热门的课题之一，加大纳米材料研发过程中的人力、物力投入，促进纳米材料及塑料改性技术的不断发展，将促进纳米改性的工程塑料早日实现工业化、产业化，从而带动相关行业的不断进步。 参考文献 1高善民，孙树声.前景广阔的纳米材料J.化工新型材料.1999（06）. 2郭卫红，李盾，唐颂超，苏诚伟，徐种德.纳米材料及其在聚合6物改性中的应用J.工程塑料应用. 1998（04）.
