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1、新型聚合物-粘土纳米复合材料热感应器陈碧琼刘硕EvansJRGDepartmentofMaterials,QueenMary,UniversityofLondon,MileEndRoad,LondonE14NS,U.K.过去的十几年中,聚合物-粘土纳米复合材料受到许多学科研究人员的关注并逐渐发展起来。其主要原因是经过适当改性后,少量(约5wt.%)的层状粘土(smectiteclays)可以大大地提高聚合物的机械性能及对外界环境的抵抗性能[1]。如果这类粘土加到透明的高分子材料中,材料的透明度不会受到明
2、显的影响[1],而热膨胀系数却可以得到减少[2]。该工作就是利用此特性，将具有高低不同热膨胀系数的两种材料，即聚合物及其粘土纳米复合材料,的薄片压制成双层复合片，以作为潜在的热感应器例如热感应窗户和开关。以开关为例，其工作原理是：假设环境温度低时用双层复合片制成的开关是闭合的，当温度升高时，该复合片就会慢慢地往热膨胀系数低的材料（即纳米复合材料）方向弯曲，因此达到打开开关的效果。同样，温度降低时该开关会慢慢地弯回原来的位置而闭合。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，MWt=35,000）从FISHER公司购得，
3、用氨基改性后的蒙脱土（Bentone107）由美国ElementisSpecialties提供。PMMA-粘土纳米复合材料(含4wt.%无机成份)的制备过程如下：先把PMMA放在预热到170oC的双辊混料机上加热，再将粘土加进去混合。混合物从辊上反复刮下来五次以确保混料的均匀。混合时间约为15min。PMMA及其复合材料的薄片各自用硫化机(hydraulicpress)压制而成，温度为170oC，时间为1min。它们的双层复合片由具有相同厚度的两薄片在同样条件下辗压而成。混合前后的PMMA的热膨胀系数用
4、膨胀计测量并用两个具有不同高度但已知其热膨胀系数的铝参考样品来校正。升温速率为3oCmin-1，测量温度为24oC和90OC。样品从压片中热切割而得，尺寸为5mmx5mmx20mm。双层复合片的悬臂弯曲实验在带有观察窗口的真空炉子中进行。样品的一端水平固定在铁架台上，下面平行固定着一金属条作为测量参照物(如图1所示)。样品在加热过程中的偏移距离用带有观察镜头的微米测量器测量。热膨胀系数a用公式：计算而得。其中DL表示样品长度的变量；L0代表样品的起始长度；DT代表温度的变量。经计算，PMMA及其纳米复合
5、材料的热膨胀系数分别为65x10-6oC-1和53x10-6oC-1。该结果证实了加入适量的改性后的粘土可以降低聚合物的热膨胀系数。这与YANO等人[2]的研究结果相一致，他们发现了粘土的存在有效地降低了聚酰亚胺的热膨胀系数。如图1所示，双层复合片随着温度的升高，从弯曲变成直的。由于压制的条件，在室温时该复合片的起始形状是弯曲的，即弯向PMMA。在悬臂弯曲测试中，随着温度的升高它慢慢地恢复水平，说明升温过程中PMMA膨胀得比纳米复合材料多。这与之前测得的热膨胀系数相一致。根据几何图形，由实验测得的样品偏
6、移距离可以计算出不同温度下该复合片的弯曲半径；另外根据复合片的弯曲理论[3]并代入相应的数据，可以计算出弯曲半径的理论值。从图2可以看出，实验值与理论值比较吻合。因此如果已知两材料的热膨胀系数及其杨氏摸量，它们的复合片在温度变化时的弯曲行为就可以预测得出。50mm图1.PMMA及其粘土复合材料的双层片随图2.PMMA及其粘土复合材料的双层着温度升高的弯曲行为。片在不同温度下的弯曲半径的实验与理论值本实验表明加入适量的粘土，高分子材料的热膨胀系数得到降低。由于热膨胀系数的不同，由该材料及其粘土的纳米复合材
7、料制成的双层复合片在温度变化时会往某个方向弯曲。因此这种复合片很有潜能被开发为热感应器。致谢：本工作由英国工程与物理科学研究基金委员会(EngineeringandPhysicalSciencesResearchCouncil)资助，基金号为:GR/T24166。参考文献：[1]BChen.Polymer-claynanocomposites:anoverviewwithemphasisoninteractionmechanisms.BritishCeramicTransactions，2004，103
8、(6):241.[2]KYano,AUsuki,AOkada.Synthesisandpropertiesofpolyimide-clayhydridfilms.JournalofPolymerSciencePartA,1997,35(11):2289.[3]SPTimoshenko.Strengthofmaterials(3rdedn),VanNostrand,1956.105.NovelPolymericThermalActuators
