聚合物-粘土纳米复合材料20091202.ppt

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1、聚合物－粘土纳米复合材料郭宝春2009年12月提　　　纲前言层状粘土的结构和性质层状粘土－聚合物相容剂聚合物－粘土纳米复合材料的制备聚合物－粘土纳米复合材料的表征聚合物－粘土纳米复合材料的性能前言什么是聚合物－粘土纳米复合材料聚合物－粘土纳米复合材料的优势聚合物－粘土纳米复合材料的发展历程聚合物－粘土纳米复合材料的定义纳米复合材料–由两种或以上材料组成，其中至少一种具有纳米纳米尺寸。与组成材料相比，表现出高的化学、光学、物理和力学性能。多种材料组合方式有机+有机有机+无机无机+无机纳米粒子或纳米线或纳米管+基体材料纳米是什么？1纳米=10-9米或十亿分之一尺度在1

2、00nm到0.1nm之间的材料金属，陶瓷，聚合物或复合材料1纳米跨3-5个原子的距离人类头发比纳米材料尺寸大5个数量级具有历史意义的聚合物－纳米复合材料文献US2,531,396(1950):NationalLead——有机蒙脱土纳米复合材料的首次报道US3,084,117(1963):UnionOilCompany——报道了许多制备纳米复合材料的技术，包括熔融插层、母料共混和用普通溶剂进行插层改性JP10,998(1976):Unitika——原位法制备聚酰胺纳米复合材料的首次报道。US4,739,007(1988):Toyota——强调了纳米复合材料在学术和工

3、业上的潜力。US5,747,560(1998):AlliedSignal——采用质子化伯胺和仲胺处理的MMT通过熔融共混制备纳米复合材料层状硅酸盐的结构－晶体结构片层的厚度约为1nm；片层具有很大的径厚比，一般为100-1500；片层具有比一般高聚物大得多的分子量，约为1.3×108，这一特征常被忽视。碳纳米管布基球(C60)层状硅酸盐的结构－晶体结构粘土的XRD图反映了晶体结构的两类信息。第一类是基础00l反射峰，取决于层间离子的种类和粘土的水合状态，没有固定的数值第二类是二维hk衍射带，是蒙脱土片层自身的结构特征，与基础间距无关层状硅酸盐的结构－结构层次层状硅

4、酸盐的结构－形态10microns粘土的分类粘土是一类层状硅酸盐，层片由硅氧四面体和铝氧八面体组成。按其结构分为以下四类：•高岭石族，1:1型。•蒙脱石族，2:1型。•伊利石族，2:1型。•绿泥石族，2:1:1型。粘土的分类层单胞电荷数：组成单胞的一层结构单位层的电荷数层单胞电荷数在0－4之间变动。虽然层单胞电荷数可以在很大范围内变化，但可以将其划分为几个区，每个区有一典型值。在典型值附近，电荷数变化很小在2：1型硅酸盐中，层单胞电荷数为0、2、4的不具备明显的离子交换性，水和极性溶剂都不能使其膨胀。电荷数为1.8的硅酸盐的离子交换率和膨胀性都很小。但是，电荷数为

5、0.7和1.3的硅酸盐，层表面和层间的阳离子均可交换，水很容易使其膨胀，极性溶剂可一定程度地使其膨胀聚合物－粘土复合材料的种类聚合物纳米复合材料性能基础的三个主要特征纳米尺度受限的基体聚合物：对只含几份体积份数无机颗粒的聚合物纳米复合材料，整个聚合物即可认为是纳米受限的界面聚合物。链构象的限制将改变分子的运动、松弛进而热转变如Tg转变。对更为复杂的结晶和液晶聚合物以及有序的嵌段聚合物，界面将改变有序程度从而影响结晶和区域增长、结构和组织。纳米尺度无机单元：当分散于聚合物中的颗粒尺寸达到决定引起物理性质的基本长度范围时，会出现新的力学、光学和电学性能。组成单元的纳米

6、尺度排列：纳米颗粒在聚合物中存在许多不同的排列可能，颗粒的缔合和成簇进一步增加了排列的可能，从而决定了各种各样的性能可能。阳离子交换阳离子交换步骤阳离子交换容量CEC（毫当量/100克，1毫当量/克等于96.5库仑/克)表面电荷密度（CEC/S）不是所有的层状硅酸盐都能发生阳离子交换反应粘土有机改性剂——氨基酸酸性条件下，(H3N+(CH2)n-1COOH)羧基质子转移到胺基上形成–NH3＋阳离子，进而与粘土层间阳离子发生交换形成有机粘土。例如：PA6－粘土纳米复合材料粘土有机改性剂——季铵盐烷基链的长度对纳米复合材料的结构有强烈的影响。Lan的工作表明，碳数8以

7、上的季铵盐易形成剥离的纳米复合材料，而更短链的季铵盐则形成插层型的纳米复合材料。根据粘土片层电荷密度的不同，烷基季铵盐在粘土层间形成不同的结构（单层、双层、假三分子层以及石蜡型单层）。粘土电荷密度高时季铵盐形成石蜡型的单分子层结构，此时层间距可增大10Å。烷基季铵盐降低了粘土的表面能，具有各种极性基团的有机物从而可以插层进入粘土层间。粘土有机改性剂——硅烷到目前为止，硅烷与粘土的结合是通过化学键还是氢键还不是非常确定聚合物－粘土纳米复合材料的制备——原位聚合原位聚合方法的关键在于控制层间聚合和层外聚合的平衡。原位聚合方法的驱动力与单体的极性相关。单体与固化剂反应使

8、得插层分子