纳米科技与橡胶工业的发展

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1、纳米科技与橡胶工业的发展http://www.ehongyuan.com 2002-12-0414:47:58    一、纳米科技的发展与橡胶工业    纳米技术是在0.1-100nm尺度范围内研究电子、原子和分子的运动规律的一门 新兴学科，其研究目标是人类按照自己的意志直接操纵电子、原子和分子，研制人 们所希望的、具有特定功能的材料与制品。纳米技术涵盖纳米材料、纳米电子和纳 米机械等技术。目前可以实现的是纳米材料技术。    1992年9月在墨西哥举行的首届国际纳米材料会议上正式定义了纳米材料：“ 一相任一维尺寸达到10

2、0nm以下的材料称为纳米材料”纳米材料科学是凝聚态物理、 胶体化学、配位化学、化学反应动力学、表面和界面等学科的交叉学科，是现代材 料的重要组成部分。由于纳米材料具有独特的而又有重要价值的四大效应(即小尺 寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应)，对新材料的设计与发展 十分有用，故纳米材料被誉为“21世纪最有前途的材料”，因而各国均投巨资研发。    现在回过头来看，对橡胶工业界而言，说纳米材料可谓“故事新编”，因为炭 黑和白炭黑这样的纳米粉体早在橡胶工业中应用了。然而，从材料科学的角度，人 们自觉地把“纳米相”

3、作为研究的对象是始于20世纪50年代。到了20世纪60年代， 才首次提出人工合成纳米粒子的设想。20世纪70-80年代，人们对纳米微粒的结构、 形态和特征进行了比较系统的研究。到了20世纪末，人们才逐步接受用纳米材料和 其它基本材料(如：树脂、橡胶、陶瓷和金属)制成的纳米复合材料。    按现代的观点，作为第一种聚合物基纳米复合材料是1987年日本丰田中央研究 所通过己内酰胺的“插层聚合法”成功地把蒙脱石粘土的晶层结构剥离，使之以单 层约lnm的厚度的纳米微片均匀分散于工程塑料尼龙基体所制成的尼龙?6／粘土纳 米复合插层材

4、料。在该纳米复合体系中，粘土的含量仅为4.2％(重量份)就可大幅 度地提高尼龙?6的各种力学性能，这就引起了各工业发达国家的广泛关注。我国 在这方面工作虽然起步较晚，但也取得了很多成果，有些甚至处于领先水平。    聚合物纳米复合材料主要分两类：一类是如上述聚合物／无机纳米粒子复合材 料；另一类是聚合物／聚合物纳米复合材料。但前一类占主要地位，其制备方法除 上述插层法(插层法包括插层聚合、溶液插层、融体插层等)之外，还有共混法(包 括溶液共混、乳液共混、熔融共混、机械研磨共混法等)和溶胶?凝胶法(即Sol -Gel法)以及

5、LB膜法、MD膜法等。    纳米材料的研究开发，在陶瓷和金属领域开展得比较充分与深入，相比之下， 聚合物基纳米复合材料研发起步较晚，而其中橡胶界比塑料界又迟了一些。不过有 些方面已迎头赶上，在实验室或工业规模上研发了多种纳米粉体，例如：纳米碳酸 钙、纳米氧化锌、纳米二氧化钛、纳米氢氧化镁、纳米炭管以及其它一些金属氧化 物纳米粉体等可供使用。近年来在橡胶工业中报道较多的除了纳米碳酸钙之外，较 成功的有纳米氧化锌，它可用镀锌废材为原料，按直接沉淀法制得，由于成本低、 活性大，作为二烯类通用胶的硫化活性剂，其用量可从传统的5份

6、减至2-3份，作为 氯丁胶的硫化剂，可从5份减至4份，这样可降低胶料成本。此外，在蒙脱土等的插 层法方面也取得了可喜的进展。但是，在此应强调指出，除了商业炒作之外，在橡 胶等聚合物基纳米复合材料的研发中，确实仍存在许多科技问题，有些还是很关键 的，如不解决，则影响其在橡胶工业中的发展及其巨大的推动作用。下面提出一些 不大成熟的见解，供有关方面参考。    二、设法解决纳米粉体在橡胶基体中的分散问题    2001年9月在长春市举行的有4000人参加的中国科协2001年学术年会上，中国 科学院副院长、国家纳米科技指导协调委员

7、会首席科学家、中科院纳米中心理事会 和学术委员会主任白春礼院士在大会特邀报告“纳米科技全面理解内涵促进健康发 展”中就强调指出要解决“分散问题”。尤其是作为功能材料更要求分散均匀、排 列好。有些纳米粉体加到橡胶等聚合物中，性能提高的幅度不大，效果不理想，“ 性能／价格比”无优势，难以推广，其重要原因之一是分散不好。必须知道，由于 纳米粉体的固有特性，要在聚合物中达到纳米级分散是很困难的，要不就是难分散， 要不分散后又再次聚集，这种现象对粘度一般比塑料高的橡胶尤其普遍。可是，我 们看到有些文章或别的媒体，为了想说明纳米粉体的

8、功效而说如何如何达到“纳米 级分散”。我倒是很欣赏最近一位研究生的实事求是的态度。该生在研究天然橡胶 ／蒙脱土插层纳米复合材料之时，分析了传统的蒙脱土“有机改性工艺”非常繁琐 的缺点之后，另辟新径，指出一个全新的方法，省去了价高、费时的“有机改性工 艺”，制出微观结构较均匀、综合力学性能较好的蒙脱土／橡