第九章 聚合物纳米复合材料
聚合物纳米复合材料的制备及其力学性能研究
聚合物纳米复合材料的制备及其力学性能研究第一章绪论聚合物纳米复合材料是指将纳米颗粒与聚合物基体相结合的新型复合材料。
由于其独特的结构和优异的性能，如高强度、高硬度、尺寸稳定性及化学稳定性等，已经广泛应用于航空航天、汽车、电子、生物医学及能源等领域。
本文旨在介绍聚合物纳米复合材料的制备及其力学性能研究。
第二章聚合物纳米复合材料制备方法目前制备聚合物纳米复合材料的方法主要有两种，分别是直接混合法和原位聚合法。
2.1 直接混合法直接混合法是将纳米颗粒和聚合物分别混合后再混合在一起形成的复合材料。
这种方法简单易行，但存在颗粒分散不均匀、容易出现聚团等问题。
2.2 原位聚合法原位聚合法是将单体与纳米颗粒反应生成聚合物的方法，由于反应发生在颗粒表面，所以得到的复合材料颗粒分散均匀、性能稳定。
同时，该方法还可控制聚合物的长度和分子量。
第三章聚合物纳米复合材料力学性能研究聚合物纳米复合材料的力学性能是其应用的关键之一。
本章将从硬度、强度、韧性、断裂行为等方面介绍其力学性能研究。
3.1 硬度纳米材料的硬度多比宏观材料高出几倍，主要原因是其表面积大，原子之间的质子吸引力和电子排斥力增大，形成强的内聚力。
聚合物纳米复合材料的硬度受到纳米颗粒尺寸和分散度的影响，在制备过程中需要加强颗粒分散度。
3.2 强度纳米颗粒可以在聚合物基体中形成强有力的连接，因此可以增强聚合物材料的强度。
此外，原位聚合法制备的聚合物纳米复合材料还可以通过控制聚合物的长度和分子量来调节其强度。
3.3 韧性与金属、陶瓷等材料相比，聚合物纳米复合材料表现出较高的韧性。
这是由于纳米颗粒的作用，其可以吸收和分散外力，从而防止裂痕的扩展。
另外，本体聚合物基质的柔软性也对韧性产生一定影响。
3.4 断裂行为聚合物纳米复合材料的断裂行为受到纳米颗粒分散和聚合物基体分子链断裂行为的影响。
断裂行为的研究可通过扫描电镜、透射电镜、原子力显微镜等技术手段进行观察。
第四章结论聚合物纳米复合材料作为一种新型复合材料，具有优异的性能，并已经在许多领域得到应用。
聚合物基纳米复合材料的近代发展
聚合物基纳米无机复合材料的应用与发展摘要：聚合物基纳米无机复合材料是一种性能优异的新型复合材料,已成为材料科学的新热点。
本文概述了聚合物基纳米无机复合材料的发展前景及发展过程中应注意的问题。
及相应的解决方法。
关键词：聚合物;纳米;无机物;复合材料1.纳米复合材料的概念、特性、背景1.1纳米复合材料的概念纳米复合材料是指一种或多种组分以纳米量级的微粒,即接近分子水平的微粒复合于基质中构成的一类新型复合材料。
因其分散相尺寸介于宏观与微观之间的过渡区域,从而给材料的物理和化学性质带来特殊的变化,纳米复合材料正日益受到关注,被誉为“21世纪最有前途的材料”,其研究的种类已涉及无机物、有机物及非晶态材料等。
聚合物基纳米无机复合材料因其综合了有机物和无机物的各自优点,且能在力学、热学、光学、电磁学与生物学等方面赋予材料许多优异的性能,正成为材料科学研究的热点之一[1]。
1.2纳米复合材料的特性当材料粒子尺寸进入纳米量级时,因其自身具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应,以及纳米固体粒子中大量缺陷的存在,使得聚合物基纳米无机复合材料具有与众不同的特点[2]。
纳米复合材料是继单组分材料、复合材料和梯度功能材料之后的第四代材料。
1.3纳米复合材料的背景纳米复合材料的出现先于概念的形成。
早在上世纪年代末, 实际上就已出现了聚合物心纳米复合材料, 只是人们还未认识到其特殊的性能与实际应用意义〕。
纳米复合材料是年代初〕提出的, 与单一相组成的纳米结晶材料和纳米相材料不同, 它是由两种或两种以上的吉布斯固相至少在一个方向以纳米级复合而成的复合材料, 这些固相可以是非晶质、半晶质、晶质或者兼而有之, 而且可以是无机、有机或二者都有。
纳米相与其它相间通过化学共价键、赘合键与物理氢键等作用在纳米水平上复合, 即相分离尺寸不得超过纳米数量级。
因而, 它与具有较大微相尺寸的传统的复合材料在结构和性能上有明显的区别, 近些年已成为聚合物化学和物理、物理化学和材料科学等多门学科交叉的前沿领域, 受到各国科学家和政府的重视。
聚合物材料的纳米复合及其性能研究
聚合物材料的纳米复合及其性能研究随着科技的不断发展，聚合物材料的纳米复合已逐渐成为研究的热点。
这种新型材料以纳米级的颗粒为基础，通过与聚合物基体的复合，具有更优异的性能。
下面我们将从纳米复合材料的概念，制备工艺、结构特点、以及性能方面分别展开论述。
一、纳米复合材料的概念聚合物材料的纳米复合指的是将纳米颗粒与聚合物基体进行复合，使纳米颗粒与聚合物基体之间产生化学和物理性质的相互作用，使得材料在某些性能方面比纯聚合物基体更具优异性。
相比于传统的材料，纳米复合材料在硬度、韧性、导电性等方面表现得更为优异。
二、制备工艺目前的制备工艺主要有两种，即溶液复合法和反应复合法。
溶液复合法：该制备方法需要将纳米颗粒和聚合物分别分散到相同的溶液中，并通过机械搅拌、超声波处理等方式将两种材料均匀混合。
然后，通过高温、高压、真空或其他物理学过程将纳米颗粒与聚合物基体之间形成一定的相互作用力。
反应复合法：该制备方法是通过聚合反应中的双向交联反应，使纳米粒子与聚合物初始物质同时进行化学反应，将纳米颗粒与聚合物基体形成一个三维网络结构。
相比于溶液复合法，反应复合法可以实现更高的复合效率，因此被广泛应用。
三、结构特点纳米复合材料的结构特点主要表现在以下几个方面：1、纳米颗粒的尺寸：颗粒尺寸的减小可以增加纳米复合材料的比表面积，从而提高颗粒与聚合物基质的接触面积，进而增强纳米颗粒与聚合物基体之间的相互作用。
2、纳米颗粒的分散度：纳米材料的分散度可以影响到材料的复合效率和性能。
当纳米颗粒能够均匀分散在聚合物基体中时，材料的性能会更优。
3、界面特性：纳米颗粒与聚合物基质之间的相互作用力分为化学键和物理键。
物理键主要由范德华力、静电吸引力以及亲疏水性相互作用力等组成。
化学键主要由离子键、共价键和协同键等组成。
四、性能特点纳米复合材料具有以下性能特点：1、硬度和强度：纳米复合材料由于颗粒分散度高、具有纳米尺度的结构特点，因此其硬度和强度性能优异。
聚合物／层状硅酸盐纳米复合材料
复合材料新进展十多年来的研究显示纳米材料会显著地影响二十一世纪世界经济的各个方面。
这类材料现在已用于阻隔薄膜、阻燃产品和承重部件等领域。
其中特别引人注目的是最近发展起来的聚合物／层状硅酸盐纳米复合材料，因为与纯聚合物和传统的复合材料相比，这类材料力学性能和其它性能的改进非常明显。
本文综述了关于聚合物／层状硅酸盐纳米复合材料的基本理论和技术的最新进展。
1 历史回顾在半个世纪前的专利文献中可以发现，人们曾尝试过制备聚合物／层状硅酸盐复合材料。
人们将40-50wt%的粘土矿物加入到聚合物中，但结果不理想：在粘土含量达50wt%时，复合材料的最大模量只提高200%。
这是因为粘土颗粒在基体中并没有实现良好的分散，而是团聚成团。
分散不好的粘土颗粒能提高材料的刚性，但肯定会牺牲材料的拉伸强度、断裂伸长率和韧性。
由于亲水的硅酸盐和亲油的塑料相容性很差，硅酸盐片层很难在聚合物基体中均匀分散或剥离。
日本Unitika公司曾尝试过解决这个难题，在大约30年前他们通过分散有蒙脱土的已内酰胺原位聚合制得了尼龙６／层状硅酸盐复合材料，但结果并不理想。
1987年，这个问题才发生重大突破，丰田中心研究和发展公司的Fukushima和Inagaki仔细地研究了聚合物／层状硅酸盐复合材料后，用季铵盐取代粘土片层间的无机离子，成功地改善了粘土与聚合物基体的相容性。
1993 年，丰田中心研究和发展公司的Usuki、Fukushima[1]和他们的同事第一次报告通过已内酰胺的原位聚合制备了剥离型的尼龙６／蒙脱土纳米复合材料（季铵盐改性的蒙脱土事先被均匀地分散于已内酰胺中）。
2 层状硅酸盐及其改性剂的结构用于制备聚合物／层状硅酸盐复合材料的常用的粘土属于同一个硅酸盐大家族。
它们的晶体结构包含由两个硅氧四面体和一个铝氧或镁氧八面体构成的片层。
片层厚约1nm，长宽30nm 到数微米不等，有些特殊的层状硅酸盐甚至更大。
这些片层规则地层叠在一起。
制备和表征聚合物纳米复合材料的微结构及性能研究
制备和表征聚合物纳米复合材料的微结构及性能研究聚合物纳米复合材料被广泛应用于许多领域，如生物医学、电子和光学等。
然而，制备和表征这些复材料的微结构以及对其性能的研究仍然是一项具有挑战性的任务。
本文将探讨这方面的最新研究成果。
一、制备方法制备聚合物纳米复合材料的常见方法包括溶液共混、自组装、热成型、浸涂、原位聚合和纳米压延等。
其中最常用的方法是溶液共混和自组装。
溶液共混通过将聚合物和纳米颗粒溶解在同一溶剂中，然后混合均匀，蒸发溶剂后得到复合材料。
自组装法则是通过离子吸附、静电相互作用、范德华力、氢键等相互作用力来组装纳米颗粒和聚合物。
二、表征方法了解聚合物纳米复合材料的微结构以及纳米颗粒和聚合物之间相互作用的特性对于解释其性能是非常重要的。
常用的表征方法包括透射电镜、扫描电子显微镜、X射线衍射、红外光谱、热重分析和动态机械分析。
其中，透射电镜和扫描电子显微镜可以在纳米尺度下观察材料的微观结构和形貌，X射线衍射可以提供晶体结构和晶格参数等信息，红外光谱可以确定材料的化学成分和官能团，热重分析可以分析材料的热稳定性和分解动力学，动态机械分析可以测定材料的力学性能。
三、性能研究聚合物纳米复合材料的性能研究包括力学性能、电学性能、热学性能等方面。
力学性能很大程度上受到纳米颗粒的尺寸、形状和聚合物基体的性质的影响。
近年来，许多研究表明，纳米颗粒的添加可以显著提高复合材料的刚度和强度。
电学性能的研究重点是探索聚合物纳米复合材料作为电极、传感器和储能材料等领域的应用潜力。
同时，热学性能的研究也逐渐受到了越来越多的关注，尤其是在制备高性能导热材料方面。
四、应用前景聚合物纳米复合材料具有广泛的应用前景，在诸如催化、药物传递、水处理、环境保护、能源储存和转化等方面都有潜在的应用。
近年来，许多研究工作已经展示出了这些复合材料在这些领域的应用潜力。
例如，聚合物基复合材料的可持续性和低毒性使其成为有前途的代替传统材料的候选材料。
第九章 耐高温聚合物及其复合材料
硅树脂的结构与性能
甲基硅树脂 甲基苯基硅树脂 全苯基梯形聚合物 改性有机硅树脂 倍半硅氧烷及其复合材料
结构式: (RSiO1.5) 三维尺寸 1.5nm 是一种新型的有机－无机杂化材料
耐温高性能化环氧
国外生产商：Shell、Dow、Ciba
改性途径： 含芳杂环结构的环氧树脂 液晶环氧化合物 纳米粒子环氧树脂复合材料 有机硅共聚改性
● 耐高温聚合物及其复合材料的应用
航空航天－－以固体火箭开始、为主 常规武器 汽车工业
前言
● 我国在高性能树脂及其复合材料方面存在的问题
应用范围窄、用量小 性能普遍偏低，高性能材料研究少
● 高性能树脂及其复合材料的研究焦点：
解决纤维在树脂基体中的分布和界面问题 固化过程的控制：控制诱导结晶、降低内应力 提高损伤容限 协调耐热性与加工成型之间的矛盾
● 纯的硅树脂：甲基硅树脂、苯基、MQ、乙烯基 改性硅树脂：有机硅聚酯、有机硅环氧
O Si O Si O Si
O
R R
O
Si O Si O Si
O
O
R
Si
● 硅树脂的制备：甲基硅树脂
甲基氯硅烷（硅氧烷）－－水解－－交联（调整R/Si）
● 应用： 耐高温绝缘漆：线圈浸渍、云母粘接、玻璃布粘接 有机硅涂料：耐高温（200～300℃、540℃、900℃，耐候、耐磨 胶粘剂：耐高低温，压敏胶
● 配方：基胶：
R2
R2
填料：SiO2, CaCO3, TiO2, 石英粉，硅藻理
● 应用： 建筑工业：公路接缝、水库、房屋墙面、玻璃、浴缸 电子：电子元件灌封 汽车：灯的密封 医疗：整形、牙模
硅树脂
O
以-Si-O-Si-为主链，Si上连接有机基、 具有高度交联结构的半无机聚合物
聚合物纳米复合材料-课件1
进化的复合材料-贝壳
17
复合材料的基本结构模式
复合材料由基体和增强剂两个组分构成： 基体：构成复合材料的连续相； 增强剂（增强相、增强体）：复合材料中独立的形态分 布在整个基体中的分散相，这种分散相的性能优越，会使 材料的性能显著改善和增强。 增强剂（相）一般较基体硬，强度、模量较基体大， 或具有其它特性。可以是纤维状、颗粒状或弥散状。
- Melt Processing –(常规做法)
hp
New method(加入层状无机材料的悬浮液)
a novel compounding process using Na–montmorillonite water slurry for preparing novel nylon 6/Na–montmorillonite nanocomposites
用此技术已制备了丁苯橡胶/ 粘土、丁腈橡 胶/ 粘土、氯丁橡胶/ 粘土等纳米复合材料。
③聚合物插层法的有机溶液插层法
该法可分两步骤： 溶剂分子插层
通过有机溶剂降低蒙脱土片层间的表面极性，从而 增加与聚合物的相容性。 聚合物对插层溶剂分子的置换
有机改性的蒙脱土与聚合物溶液共混，聚合物大分 子在溶液中借助于溶剂而插层进入蒙脱土的片层间， 然后再挥发掉溶剂。
R（脂肪烃基）：
粘土改性剂
①C12H25 →十二烷基三甲基氯化铵 ②C16H33 →十六烷基三甲基氯化铵 ③C18H37 →十八烷基三甲基氯化铵 此外，十二烷基二甲基苄基氯化铵、
十八烷基二甲基苄基氯化铵等。
其它的阳离子 还能与该离子 进行交换吗？
有机铵盐改性后的粘土在酸性介质中水解， 水中的质子很难将铵盐基团置换下来，这说明 由离子键所形成的复合物是比较稳定的。
《纳米复合材料》PPT课件
（1）热压烧结 热等静压(HIP)也属于热压烧结的一种。它是用金属箔代 替橡胶模具，用气体代替液体，使金属箔内的陶瓷基体 和纳米增强体混合粉末均匀受压。通常所用气体为氦气、 氩气等惰性气体，金属箔为低碳钢、镍、钼等。一热等静压烧结。 与一般热压烧结法相比，HIP法使混合物料受到各向同 性的压力，使显微结构均匀；另外HIP法施加压力高，在 较低温度下即可烧结。
（1）高强度、高韧性
陶瓷基纳米复合材料，特别是氧化物系陶瓷基纳米复合材料力学 性能的明显改善大致可归结如下： (1)纳米级弥散相抑制了氧化物基体晶粒生长和减轻了晶粒的异常长大， 起到细晶强化作用。 (2)在弥散相内或弥散相周围存在高的局部应力，这种应力是基体和弥 散相之间热膨胀失配而产生的，使冷却期间产生位错。纳米级粒子钉 扎或进入位错区使基体晶粒内形成亚晶界，使基体晶粒再细化而起增 强作用。 (3)纳米级粒子周围的局部拉伸应力引起穿晶断裂，并由于硬粒子对裂 纹尖端的反射作用而产生韧化。破坏模式从穿晶和晶间到单纯晶间断 裂，晶界相(通常约10％体积的无定形相)的改变和对高温力学性能影 响的减小，使高温力学性能获得明显改善。 (4)纳米级粒子在高温牵制位错运动，从而也能使高温力学性能获得明 显改善。
基体中的显微缺陷及晶须密集处同样存在较大内应力和孔 穴的积累而形成的疲劳裂纹。 疲劳裂纹的扩展是由于裂纹前沿所形成的微孔的连接而引 起的。当裂纹的扩展遇到SiC微粒或晶须时，裂纹扩展会停 止，而等待附近其他微孔的积累、连接，再引发裂纹形成 及扩展。 含有复合基体的SiCw增强纳米复合材料，其裂纹的形成及 扩展受基体韧化的影响，因而提高了其疲劳性能。
3 抗蠕变、抗疲劳性好
颗粒增强的纳米复合材料的最小蠕变速率要比基体合金低 2个数量级；在相同蠕变速率下，颗粒增强时可比未增强 基体的蠕变应力增加1倍左右，即纳米复合材料所承受的 应力提高了1倍。 晶须增强时又要比颗粒增强时抗蠕变性能更好。 一般纳米复合材料的应力指数n明显高于基体。基体的n约 为4—5，而纳米复合材料的n约为9—20。这反映了纳米 复合材料的蠕变速率对应力的敏感性大。 颗粒和晶须增强金属基纳米复合材料的疲劳强度和疲劳寿 命一般比基体金属高。纳米复合材料疲劳性能的提高可能 与其强度和刚度的提高有关。
聚合物-凹凸棒纳米复合材料
Questions
1.纳米材料被越来越多用在聚合物级材料中， 可改善聚合物得很多性质，但团聚问题一直 是纳米材料的难点，你认为如何解决？ 2.凹凸棒微观结构上是一种纤维束状的聚集 体，如何将凹凸棒这种纤维素束状解离开？ 3.通过凹凸棒这种结构分析，你认为凹凸棒 能给聚合物带来什么优异性能？
凹凸棒结构组成
凹凸棒土在矿物学上属于海泡石族，是一种具有纤 维状结构的水合镁铝硅酸盐，化学式为： Mg5Si8O20(OH2)4(OH)2·4H2O，是3层结构（如 图1），上下两层是Si-O四面体， 中间一层是(Al、 Mg、Fe)-O-(OH)八面体。这些结构单元按方格形式 交错排列，构成沿C轴方向的双链状，沿a、b轴方 向的层状结构。由于其结构中存在晶格置换，故晶 体中含有不定量的Na+、Ca+、Fe3+、Al3+等。凹 凸棒土的显微结构包括3个层次：1）凹凸棒土的基 本结构单元——棒晶，棒晶呈棒状，长约1µm，直 径约20nm，2）由棒晶紧密平行聚集而形成的棒晶 束；3）由棒晶束（也包括棒晶）间相互聚集而形 成的各种聚集体。
凹凸棒土的改性处理
④表面活性剂处理 粒子在不同pH值下Zeta电位不同，在溶液pH值大于等电点时， 粉体表面带负电荷，可吸附阳离子表面活性剂，pH值小于等电 点时，粉体表面带正电荷，可吸附阴离子表面活性剂，且溶液 pH值偏离等电点越多，粒子表面电荷越多，吸附量也越大，凹 凸棒土等电点pH值仅为3，故通常情况下带负电，极易吸附阳 离子改性剂。因此，选用有机阳离子表面活性剂与凹凸棒土层 间的Na+、Ca2+等进行离子交换，使其表面吸附有机化基团， 加强与高聚物的亲和性。沈钟等人用自制的一种新型带反应性 基团的阳离子对凹凸棒土的表面进行了处理。他们发现，该有 机物改性后，凹凸棒土表面获得憎水性而能漂浮于油/水界面上。 接触角和黏度测试进一步证实了其具有一定的亲油性。并用改 性凹凸棒土填充天然橡胶，试验表明，用改性凹凸棒土填充天 然橡胶可明显提高其力学性能。（注：Zeta电位又叫电动电位 或电动电势（ζ-电位或ζ-电势），是指剪切面(Shear Plane)的 电位，是表征胶体分散系稳定性的重要指标。）
聚合物纳米复合材料的类型、结构与应用
聚合物纳米复合材料的类型、结构与应用申圣敏;米然;江盛玲;员荣平;吕亚非【摘要】聚合物纳米复合材料是分散相尺寸100 nm 的无机、金属、金属氧化物、C60、碳纳米管、石墨烯等填料均匀分散到连续相聚合物基体中，可分类为填充型、层状硅酸盐型和有机-无机杂化型。
聚合物纳米复合材料的应用将向2个方向发展，一是利用碳纳米管、石墨烯、半导体等成本较高的纳米粒子制备的聚合物纳米复合材料，主要应用在高新技术领域；二是利用粘土、二氧化硅等成本较低的纳米粒子制备的聚合物纳米复合材料，主要应用在取代传统填充型聚合物复合材料，提高附加值。
本文综述这三类聚合物纳米复合材料的制备、结构、应用和研究进展。
%Polymer nanocomposites are generally defined as the combinationof polymer matrix and nano-fillers (particulates, platelets, whiskers or fibers), in which one or more constituents have at least one dimension in the nanometer-size scale (100 nm). Polymer nanocomposites can be divided into three major types, including filled-type, layered silicates and organic-inorganic hybrids. The development tendency of polymer nanocomposites will mainly focus on two aspects: polymer nanocomposites for high-tech application can be prepared by addinghigh-cost nano-particles (carbon nanotubes, graphene, semiconductor, etc.), and polymer nanocomposites that is used to replace traditional filled polymer composites can be prepared with low-cost nano-clay or nano-silica. In this paper, preparation, morphology, application and research progress of polymer nanocomposites were introduced.【期刊名称】《当代化工》【年(卷),期】2013(000)010【总页数】4页(P1441-1444)【关键词】聚合物纳米复合材料;纳米填料;粘土;有机-无机杂化材料【作者】申圣敏;米然;江盛玲;员荣平;吕亚非【作者单位】咸兴化学工业大学高分子工程系，朝鲜;北京化工大学碳纤维与功能高分子教育部重点实验室，北京 100029;北京化工大学碳纤维与功能高分子教育部重点实验室，北京 100029;北京化工大学高新技术研究院，北京 100029;北京化工大学碳纤维与功能高分子教育部重点实验室，北京 100029【正文语种】中文【中图分类】TQ3221959年诺贝尔物理奖得主Feynman在“底部还有很大空间”的演讲中提出“为什么我们不能从原子或分子的组装以满足我们的需求”，被认为是纳米技术思想的起源[1]。
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2.Polymer intercalation from solution
聚合物共混改性原理
3.melt intercalation
聚合物共混改性原理
Nanocomposite Formation Technique - Melt Processing –(常规做法)
Mechanically blend polymer–organoclay mixtures above the polymer’s Tm (i.e., high shear twin screw extrusion)
聚合物共混改性原理
Sodium Montmorillonite Platelet Structure
• Derived from expandable 2:1 layered smectite family of clays • Isomorphous substitution of atoms creates a charge imbalance
Schematic figures depicting dispersion of the Na–montmorillonite silicate layers of the slurry into nylon 6 during compounding
Naoki Hasegawa, et al, Polymer 44 (2003) 2933–2937
常用的插层剂有烷基铵盐、季铵盐、 常用的插层剂有烷基铵盐、季铵盐、吡啶类衍生物和 其他阳离子型表面活性剂
聚合物共混改性原理
第三节.聚合物纳米复合材料主要制备方法 第三节 聚合物纳米复合材料主要制备方法
溶胶-凝胶法 烷氧基金属或金属盐等前驱物（ 溶胶 凝胶法(Sol-Gel):烷氧基金属或金属盐等前驱物（水溶 凝胶法 烷氧基金属或金属盐等前驱物 性盐或油溶性醇盐）溶于水或有机溶剂中形成均质溶液， 性盐或油溶性醇盐）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， 质发生水解反应生成纳米级粒子并形成溶胶，溶胶经蒸发干 燥转变为凝胶。 燥转变为凝胶。 原位聚合法(in-situ polymerization):分散有纳米粒子的单 原位聚合法 分散有纳米粒子的单 体聚合后形成复合体系 共混法:聚合物与纳米粒子共混 共混法 聚合物与纳米粒子共混 插层法:将单体或聚合物插入层状无机物层间形成纳米复合结 插层法 将单体或聚合物插入层状无机物层间形成纳米复合结 构
hp
聚合物共混改性原理
New method(加入层状无机材料的悬浮液)
a novel compounding process using Na–montmorillonite water slurry for preparing novel nylon 6/Na–montmorillonite nanocomposites
聚合物共混改性原理
第二节.制备聚合物纳米复合材料的无机物的种类 第二节 制备聚合物纳米复合材料的无机物的种类
纳米纤维 (碳纳米管、纤维素晶须、凹凸棒土 ) 层状无机物 ( layered silicates) 纳米粒子(CaCO3 、SiO2 、 TiO2、ZnO、Al2O3、 Cr2O3 )
Schematic of nanoscale fillers
2.聚合物 无机纳米复合材料定义 聚合物/无机纳米复合材料定义 聚合物
Polymer/inorganic nanocomposites
Polymer nanocomposites are generally defined as the combination of a polymer matrix resin and inorganic particles (particles, layers or fibres) which have at least one dimension (i.e. length, width, or thickness) in the nanometer size range.
聚合物共混改性原理
Thermodynamic analysis
△F = F(h) - F(h0) = △E - T△S
△F ＜ 0 indicate layer separation is favorable △F ＞ 0 implies the initial unintercalated state is favorable
聚合物共混改性原理
1.纳米复合材料(nanocomposite)定义:
What nanocomposites are
A nanocomposite is defined as a composite material where at least one of the dimensions of one of its constituents is on the nanometre size scale.
College of Polymer Science & Engineering
聚合物纳米复合材料
聚合物共混改性原理
第一节 概述
聚合物复合体系的分类
分散相的尺度大小 复合体系 组合
（1）聚合物 /低分子物 （2）聚合物 /聚合物 （3）聚合物 /填充物 宏观相分离型 聚合物掺混物 聚合物/填充 物复合体系 >1000nm (>1µm) 100~1000nm 1~100nm(0.00 1~0.1 µm, (0.1~1 µm) 10~1000Å) 低分子作增容 剂 微观相分离型 聚合物合金 聚合物/填充 物复合体系 低分子流变改 性剂
聚合物共混改性原理
Cationic Exchange of Sodium Montmorillonite
R2
ClCH3
+
R1*
N+ R3
+
NaCl
Sodium MMT*= NhomakorabeaaCationic Surfactant (e.g., alkyl-ammonium chloride)烷基氯化铵
Swollen “Organoclay”
（1）分子复合物； （2）完全相容型 聚合物合金
0.5~10nm (5~100 Å) 外部热塑性 聚合物
聚合物/超细粒子 填充复合体系
聚合物纳米 复合体系
聚合物共混改性原理
纳米概念的形成
早期，石墨、炭黑中的颗粒 1959年，美国物理学家Richard Feynman提出“what would happen if we could arrange the atoms one by one the way we want them?” 20世纪70年代康乃尔大学C.G.Granqvist & R.A.Buhrman 小组气相沉 积制备纳米 20世纪80年代，原西德Gleiter首次制备金属纳米，提出纳米材料及其 应用 1981年，发明AFM和STM，推动纳米技术发展 20世纪80年代末期，日本丰田研究中心制得PA6/粘土纳米复合材料
Schematic figure depicting the compounding process for preparing the NCH-CS using the clay slurry
Naoki Hasegawa, et al, Polymer 44 (2003) 2933–2937
聚合物共混改性原理
聚合物共混改性原理
碳纳米管
(Iijima 1991)
单壁碳纳米管 多壁碳纳米管
碳纳米管是由多个碳原子六方点阵的同轴圆柱面套构而成的空心小管， 碳纳米管是由多个碳原子六方点阵的同轴圆柱面套构而成的空心小管，其中石墨层可以 因卷曲方式不同而具有手性。碳纳米管的直径一般为几纳米至几十纳米，长度为几至几十微 因卷曲方式不同而具有手性。碳纳米管的直径一般为几纳米至几十纳米， 碳纳米管可以因直径或手性的不同而呈现很好的金属导电性或半导体性。 米。 碳纳米管可以因直径或手性的不同而呈现很好的金属导电性或半导体性。
聚合物共混改性原理
Classification of nanocomposite
非聚合物 纳米复合材料 金属/金属 金属/陶瓷 陶瓷/陶瓷 聚合物基 无机物基 聚合物 纳米复合材料 聚合物/聚合物 纳米复合材料 分子复合 原位复合 微纤/基体
纳米复合材料
有机/无机 纳米复合材料
聚合物共混改性原理
聚合物共混改性原理
聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料制备方法 插层法 聚合物 层状硅酸盐纳米复合材料制备方法(插层法 层状硅酸盐纳米复合材料制备方法 插层法)
Polymer/Layered silicate nanpcomposites
Preparation Methods
原位插层(In-situ intercalation polymerization ) (In-situ
聚合物共混改性原理
Kinetics of polymer melt intercalation Two steps for nanocomposite formation: Polymer transported from the agglomerate-polymer melt interface to the primary particles Polymer melt penetrate to the edges of the crystallites The first step is limiting step for polymer nanocomposites formation
= Alkylammonium
蒙脱土族矿物具有离子交换性、吸水性、膨胀性、触变 性、黏结性、吸附性等特性。
聚合物共混改性原理
插层剂的作用
利用离子交换的原理进入蒙脱土片层之间； 扩张片层间距； 改善层间的微环境； 使蒙脱土的内外表面由亲水性转化为疏水性； 增强蒙脱土片层与聚合物分子链之间的亲和性； 降低硅酸盐材料的表面能。