新型无机粒子的分散性塑料趋势研讨

       化学分散法包括选用分散介质和分散剂调控。

　　根据纳米粒子的表面性质选择合适的分散介质可以获得分散性较好的悬浮液。选择分散介质的原则是：改性塑料粒子极性粒子易分散在极性液体中，非极性粉体易分散在非极性液体中，即所谓的相同极性原则。该原则需要与一系列已确定的物理化学条件相配合，才能确保其实现良好的分散。

　　粉体在液相中良好的分散效果所需要的物理化学条件，主要是通过添加适当的分散剂来实现的。

　　在悬浮体中加入分散剂，使其在颗粒表面吸附，改变颗粒表面的性质，从而改变颗粒与液相介质、颗粒与颗粒间的相互作用，使颗粒间有较强的排斥力，达到更好的分散效果。常用的分散剂有表面活性剂、无机电解质、聚合物和偶联剂四种。

　　2纳米塑料

　　2.1纳米塑料的制备方法

　　2.1.1共混法

　　共混法也叫直接生成法，它是制备聚合物无机粒子复合材料的方法中应用广泛且最简单的一种方法，适合于各种形态的粒子。该法首先合成各种形状的纳米粒子，然后通过各种方式将其与有机聚合物混合。在利用此法制备纳米复合材料时，首先要解决的是纳米粒子的团聚问题，使干态纳米粒子均匀分散在体系中。就共混方式而言，可分为溶液共混法、乳液共混法、熔融共混法和机械共混法。共混技术的优点是工艺简单，易于控制纳米粒子的形态和尺寸。

　　2.1.2插层复合法该法采用层状无机物（如黏土、云母等）作为无机相，将有机相单体插入到无机相层间进行原位聚合或者将聚合物直接插入层间形成复合材料。

　　根据插层方式的不同可以分为插层聚合法、溶液或乳液聚合法、熔体插层法三种方法。插层工艺简单，操作方便，原料来源丰富，价格低廉，环境友好，特别适用于聚合物的改性，易实现工业化生产。

　　2.1.3溶胶凝胶法

　　溶胶凝胶法是将前驱物（水溶性盐或者油溶性醇盐）溶于水或有机溶剂中形成均质溶液，溶质发生水解反应生成纳米级粒子并形成溶胶，再与聚合物形成凝胶，经干燥除去低分子物以制备纳米复合材料的方法。溶胶凝胶法的特点是工艺温度低，材料纯度高，可通过控制反应条件、有机与无机组分的比例，使得纳米复合材料从无机物改性的塑料转变到有机物改性的无机材料。该法的缺陷在于凝胶干燥过程中，由于溶剂等低分子物的挥发，常常导致材料收缩，影响力学性能，前驱物价格昂贵且有毒。

　　2.1.4原位聚合法原位聚合法是先使纳米粒子在单体中均匀分散，溶解于单体溶液中，然后在一定的条件下进行聚合反应形成纳米塑料的方法。该法同共混法一样要对纳米粒子进行表面处理，但其效果要强于共混法。

　　这一方法的特点是纳米粒子在聚合物中分散均匀，纳米粒子的纳米特性不受损害，同时一次聚合成型，不需要热加工，避免了热降解，保证了整个基体性能的稳定。

　　2.2纳米塑料的性能

　　2.2.1力学性能因单一均聚物的强度和韧性难以满足新型材料的高性能要求，所以对高聚物塑料的增韧、增强改性研究一直受到科研工作者的重视。纳米塑料的出现为塑料的增韧、增强改性提供了全新的理念和途径。

　　王旭，李帅，魏刚等人分别进行了用纳米CaCO3对PP、LDPE、PVC的增韧、增强研究，结果发现，纳米CaCO3/聚合物复合材料的拉伸强度和断裂伸长率比纯聚合物都有较大的提高，并在一定比例时达到最大值；张金柱等人进行了纳米TiO2对HIPS高性能化的研究，测试结果表明，在纳米TiO2质量分数为2时，复合材料的缺口冲击强度、拉伸强度及弹性模量上升至最大值，显示出纳米TiO2对HIPS具有同时增强和增韧的效果。

　　2.2.2加工性能纳米复合材料的熔体强度高、黏度低、结晶速度快、耐热性高、吸水率低、透气率低和阻燃抑烟性高，具有优良的加工性能。如超高分子量聚乙烯（UHMWPE）虽然具有优良的综合使用性能，但其黏度极高，导致成型加工困难，限制了其应用。利用层状硅酸盐片层间摩擦系数小的特点，将UHMWPE与层状硅酸盐充分混合制成纳米稀土/UHMWPE复合材料，可有效地减少UHMWPE分子链的缠结，降低黏度，起到良好的自润滑作用，从而大大改善其加工性能。

　　2.2.3阻燃性能

　　使用无机阻燃剂虽然能显著提高聚合物的阻燃性，但存在大量烟雾和毒气的释放、添加量大影响材料性能和环境污染等问题，因此开发新型、清洁、高效的阻燃剂成为目前面临的重要的课题。纳米氢氧化镁是近年来开发的一种新型无机阻燃剂，它具有热稳定性好、不挥发、不析出、不产生有毒气体、不腐蚀加工设备、消烟作用明显和价格便宜等优点，特别适用于加工温度较高的PP、PA等聚合物。姚佳良等对PP/纳米Mg（OH）2复合材料阻燃性能的研究发现，相同填充量时纳米级Mg（OH）2的阻燃性能比微米级Mg（OH）2好得多，当纳米级Mg（OH）2填充量为60时达到UL94标准的V20级。

　　2.2.4其他性能众所周知，高聚物的电性能很差。纳米材料的开发应用，使高分子材料的导电性得到了很大的改善。如将高介电性能的纳米陶瓷材料（SiO2）分散到PS、PVC中，可以得到具有较低的介电损耗角正切和在高频下仍能保持较高介电常数的复合材料。

　　有些纳米塑料还具有很高的自熄性、很低的热释放速率和较高的抑烟性，是理想的阻燃材料。例如，尼龙6/黏土纳米复合材料，当黏土质量分数为5时，其热量峰值（评价材料火灾安全性的关键因素）与纯尼龙6相比可以下降50以上。

　　有时，塑料表面要求耐磨耗或者具有较低的摩擦系数。在塑料中加入低摩擦系数的填料，如石墨、二氧化钼等，可以减小动态转动时的摩擦力，甚至可以做到无油润滑。清华大学贺鹏等分别采用机械共混法、超声波分散法和振动磨分散法在HDPE中加入纳米SiO2后，发现纳米粒子的含量对纳米材料的性能有较大的影响，当纳米粒子质量分数达2时，复合体系的性能最好，特别是干摩擦性能提高明显，达3倍多。

　　2.3纳米塑料的结构表征纳米塑料的性能与纳米粒子在聚合物基体中的分散水平有密切的关系，因此，只有在准确详细地表述纳米粒子的各种结构的基础上，才能实现纳米塑料性能的有效描述。

　　一般采用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和超细粒度分析仪（TSM）观察分析纳米粒子的分散情况以及表面形貌；采用广角X射线衍射（WAXD）、差示扫描量热法（DSC）、小角激光散射（SALS）等分析方法研究纳米复合材料的结晶行为；采用浸湿角来表征填充材料表面改性前后或者基体树脂改性后对浸润性的影响；采用红外光谱法（IR）、X光电子能谱法（XPS）来表征材料中官能团或者化学键的存在及其相对含量。性能表征的内容包括力学性能和热性能等。其中，力学性能包括动态力学试验和微观力学试验等。

　　动态力学试验有动态热机分析（DMA）和动态疲劳试验；微观力学性能试验有单丝拔出试验、拉伸样条试验和顶出试验等。热性能表征采用差示扫描量热法（DSC）和差热分析法（DTA），以测得纳米塑料的玻璃化温度、熔点、热氧化行为、结晶行为以及热降解行为等。

　　3结束语

　　纳米塑料作为一种全新且发展迅速的新材料，有着极其广阔的市场前景，它拓宽了高分子材料的应用领域。目前，虽然人们对纳米塑料领域的研究已经取得了一定的成就，但仍处于初级阶段，还有许多问题需要进一步解决，比如，纳米无机粒子在聚合物基体的均匀分散问题、纳米复合材料的界面黏结问题以及纳米塑料的制备方法和结构性能表征尚不完善等。我国纳米塑料的研究同样也面临着巨大的挑战，因此开发新型纳米塑料并使之工业化，充分利用我国现有资源，改造传统塑料工业，将是我们今后努力的方向。