纳米复合材料的探索及应用Word格式文档下载.docx

纳米复合材料的探索及应用Word格式文档下载.docx

《纳米复合材料的探索及应用Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《纳米复合材料的探索及应用Word格式文档下载.docx（8页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

导电性方面，它们也能超越普通填料和纤维填料。

纳米尺度的增强塑料在汽车和包装业已经市场化，尽管利润不是太高，发展速度也比预期的慢。

但是就像热心的研究人员和商业界人土在最近发表的多篇论文所指出的，纳米复合材料的发展步伐将大大加快［1-3］。

美国商业通讯有限公司的市场调查报告指出，在2003年，世界市场上的聚合物纳米复合材料的总产量为二千四

百五十万镑，价值九千余万美元°

BCC还指出，纳米复合材料的市场年增长率将会达到18.4%,到2008年产

值将会达到两亿多美元。

在研究开发和实际应用中处于领先地位的纳米填料是

纳米粘土、纳米滑石、碳纳米管和石墨片。

但是其它如合成粘土、多面体低聚硅倍半氧烷（POSS）、以及像亚麻和苎麻之类的天然纤维也在被积极地开发。

1.最常用的纳米填料

目前最受人们关注并率先投入商业应用的两类纳米填

料是纳米粘土和碳纳米管。

这两种纳米填料必须进行化学处理来改变其表面性质，以促进填料在树脂中的均匀分散，改善填料和树脂的相容性，这样才有可能达到最佳的改性效果。

这两种纳米填料能显著地改善塑料的结构、热性能、阻隔性和阻燃性。

碳纳米管还能提高塑料的导电性。

到目前为止，由于价格低，纳米粘土显示出了最强的商

业竞争能力，它的价格为2.25-3.25美元/镑，可以被广泛

地用于热塑性聚烯烃、绦纶、聚苯乙烯和尼龙等。

研发和应用最多的是蒙脱土，它的单个片层直径约1微

米，厚度约1纳米。

美国国内两家主要的生产商是Nanomer

公司和南方粘土产品公司。

这两家公司和树脂与改性剂供应商、复合材料生产商、汽车零部件生产商和包装公司联合进行研究开发，相关研究成果都申请了专利，不少研究成果在

商业上取得了成功

通用汽车公司已经率先将纳米复合材料用于汽车上。

通

用汽车公司宣布在2002款GMC旅行车和Chevrolet

Astro客货两用车车体外的脚踏板上使用了纳米复合材料。

在2003和2004款车型上也使用了纳米复合材料部件。

稍后，通用汽车公司在它的体积最大的车型,2004款的ChevroletImpala汽车的车体两侧使用了聚丙烯/粘

土纳米复合材料。

这种复合物是由密执根州Warren市的通

用汽车公司研发中心与Basell北美公司、南方粘土产品公司联合开发的。

最新的应用是在XX款的GMHummerH2气车上。

这种车车箱底的中心大梁、方向盘和车尾的保险杠上用了大约7镑

重模塑成型的彩色纳米复合材料部件。

这种材料是Basell

公司研发的热塑性聚烯烃/纳米粘土复合材料。

纳米粘土能提高塑料的力学强度，而碳纳米管则能赋予塑料以导电性和导热性。

碳纳米管的商业潜力受到它的高价格的制约，其价格高达100美元/克，它的聚合物母料在市

场上可以50美元/镑左右的价格购得。

但从上世纪九十年代未以来，美国生产的几乎每一辆汽车中都使用了碳纳米管，典型的应用是将碳纳米管与尼龙混合以改进燃料系统的抗静电性能。

含碳纳米管的防静电复合材料也能用于保护计算机的读写头。

碳纳米管包括单层和多层结构两种类型。

前者的外径通常是1-2纳米，后者的外径通常是8-12纳米。

他们的长度

在10-100微米之间，至少有1000:

1的长径比。

碳纳米管的拉伸强度是不锈钢的50倍，导热性是铜的5倍。

与炭黑、

金属粉之类的传统填料相比，碳纳米管在增加塑料的导热性与导电性方面的能力强很多倍。

美国国内的碳纳米管供应商主要有HyperionCatalysis

公司和后来的Zyvex公司。

这两个供应商提供的碳纳米管聚合物母料通常含15%-20%勺碳纳米管。

一种不同但有关联的产品是PyrografProduct公司提供的气相生长的碳纳米纤维。

据称它的Pyrograf川纳米纤维在改善导热性和导电性方面能与碳纳米管媲美，能大幅度地提高复合材料的机械性能和阻燃性。

更重要的是，碳纳米纤维的价格低得多，大约100-150美元/镑。

碳纳米纤维可

用于尼龙、聚丙烯和聚氨酯。

2.主要的纳米粘土复合物品种

Nanocor公司和另两家专业复合材料生产商联合开发的纳米复合材料和母料在结构材料和阻隔材料方面的应用达到了商业规模。

NoblePolymers公司新的Forte牌聚丙烯纳米复合材料已用于本田AcuraTLXX汽车。

Forte取代了玻璃纤维增强聚丙烯，玻璃纤维增强聚丙烯成型困难、不透明、易于弯曲。

Forte的密度只有0.928g/cc,机械性能优异，外观得到了改善,且可多次回收使用。

Noble公司报告说Forte纳米复合材料将被用于生产2006款轻型卡车的中央控制台。

其它方面的应用包括办公家具和设备零部件，Forte能降低重量和成本。

PolyOne公司最近推出了MaxxamLST系列的聚丙烯均聚物/纳米粘土复合物，声称这种材料具有高硬度和高冲击强度。

PolyOne公司还报告说通过其专利工艺，这种材料已克服了纳米粘土剥离和分散不完全的问题，它的性能达到甚至超越许多热塑性工程塑料。

并称这种材料质轻、美观、易于成型、成本低。

PolyOne公司也提供纳米粘土含量达40%的纳米粘土母料，Nanoblend的基体可以是均聚聚丙烯、改性聚丙烯、线型低密度聚乙烯、低密度聚乙烯、高密度聚乙烯和乙烯共聚物。

一些品种专门被用于提高阻隔性能。

PolyOne公司报

告说最近的商业应用包括了货盘和日常用品，并详细说明了MaxxamLST可以做为工程塑料的替代品，因为它们具有良好的尺寸稳定性。

而且，他们还称这种材料具有好的冲击强度和更轻的重量。

MaxxamLST也可以考虑用于消费者可随意使用的用具，这是因为它具有很好的耐化学腐蚀性和硬度，其可循环使用的次数也得到了大幅度的提高。

Nanoblend也正在被考虑用于汽车内外的热塑性聚烯烃部件。

其主要优点是尺寸稳定、质轻、硬度高而冲击强度不降低。

Nanoblend用于膜片，可提高其阻隔性、硬度和热变形温度，控制抗菌剂、染料等其它添加剂的迁移和挥发。

用于吹塑料成型包装材料，可提高其阻隔性能，降低厚度，缩短成型周期。

薄壁化和更快的成型速度对注塑成型也是有吸引力的［4,5］。

3.增强效果更好的TPOs

由通用汽车公司和南方粘土产品公司发表的论文提及了汽车上的热塑性聚烯烃部件，其性能通过纳米粘土得到了大幅度的改进。

这些改进来之不易：

早先由于粘土凝聚导致的成型问题最终通过优化粘土在挤出机上的进料位置、螺杆设计、螺杆转速、成型温度和成型压力得到了解决。

成型问题解决以后，TPOs纳米复合材料与传统的滑石粉填充TPOs

相比，性能得到了全面的改善，性能更稳定、低温韧性更好、

消除了水纹、减小了涂层的剥离和熔合痕、改进了着色能力、

抗抓挠能力、抗磨损能力和再生能力。

而且，更低的填料含量意味着更低的密度，更轻的重量粘合时需要的粘合剂更少，这有利于降低成本［6］。

在汽车上，纳米复合材料适用的部件包括仪器仪表板、摇杆套、装饰件、格栅、车盖气窗、仪器控制台、座位上的泡沫材料、车门的芯层结构材料、轴套、垂直和水平支柱、档板、引擎盖、风扇罩、进气口、燃料箱和输油管线。

除了TPO/粘土纳米复合材料外，通用汽车公司还尝试了用碳纳米管复合材料取代现在的热固性结构复合材料。

通用汽车公司对用碳纳米管或短纳米纤维取代连续的碳纤维后填料含量可以降低感兴趣。

碳纳米管有潜力增加塑料的导热性。

4.更好的阻隔材料

聚合物阻隔技术也通过纳米粘土得到了很大发展。

三菱气体化学品公司（MGC）和Honeywell专业聚合物公司正在将Nanocor公司的纳米粘土用于尼龙以作为多层聚酯瓶和食品包装膜中的阻隔层。

MGC勺一种叫ImpermN的尼龙纳米复合

材料在欧州已用于生产装啤酒和其它酒精类饮料的多层聚酯瓶。

也正在被考虑用于生产装碳酸类软饮料的瓶子。

接下来将被考虑用于生产多层热成型的装熟肉制品和干酪的包装容器，以及用于生产包装土豆片和番茄酱的软质薄膜。

Honeywell公司起初将它的Aegis牌尼龙6纳米复合材料定位于生产聚酯啤酒瓶。

在2003年底，韩国的Hite

Brewery公司生产了一种叫HitePitcher牌的啤酒瓶，在这种啤酒瓶中使用了含抗氧剂的Aegis，但在商业上并不成功。

Aegis是三层结构中的阻隔层，据说可以提供26周的保质期。

Honeywell公司现在正将其它的不含抗氧剂的Aegis纳

米复合材料代替乙烯-乙烯醇共聚物用于制作薄膜和包装

袋。

据报导，这些材料成本比EVOH低，质轻，阻隔性能更

好，而且有更好的抗穿刺能力和更好的透明度。

美国军方和美国航空和宇宙航行局联合马萨诸塞州

Chelmsford市的TritonSystems公司正在寻求用纳米粘土

提高EVOH的阻隔性能，以制备长效包装材料。

它们在EVOH中加入3%的南方粘土产品公司的Cloisite纳米粘土并制

成薄片，夹在两层PP片之间，通过热成型试验性地制成了食品包装盒。

据报导，它不用冷藏就有3-5年的保质期，而且具有良好的透明度、成型加工性和可循环使用性能。

AlcoaCSICrawfordsville公司正在寻求一项有关共挤

出阻隔材料的专利，这种材料用于生产啤酒、果汁和碳酸软饮料的塑料瓶盖。

这种材料包括一层尼龙6/纳米粘土复合材料，再加上一到二层含抗氧剂的EVA这种材料据说在高

湿度环境中胜过其它阻隔材料[7]。

韩国的LG化学品有限公司已经开发了一种高阻隔性的单层吹塑模塑容器，这种容器是用含3%-5%的纳米粘土的HDPE制成的，用于装甲苯和轻质的液态烃。

LG报导说，

与纯HDPE相比，烃溶剂在这种材料中的渗透性降低了40-200倍。

5.多用途的纳米碳

从上世纪九十年代初以来，象快速连接器、过滤器之类

的汽车供油管路中的零部件中就使用了由尼龙12和纳米

碳组成的内部阻隔层。

HyperionCatalysis公司现在致力于

将碳纳米管引入到用在汽车燃料系统中的改性尼龙和氟塑料之类的其它树脂中。

一种新的氟塑料/碳纳米管复合材料正被用于制造汽车燃料管路连接器的O型圈。

在电子领域，计算机硬驱中的聚碳酸酯和聚醚酰亚胺部件用碳纳米管进行了增强，加碳纳米管后其传导性更好，也更平滑。

在过去的三年以来，欧州一家主要的汽车零部件供应商一直在将碳纳米管用于通用电气公司的NorylGTX牌尼龙/

聚苯醚合金中以制造外部的档泥板。

这种导电性的纳米复合材料可以进行静电涂覆。

位于东兰辛市的密执根州立大学的复合物材料与结构

中心研发了一种新的表面处理的石墨纳米片。

石墨有粘土几倍的模量，有优异的导电与导热性。

当加入环氧树脂后，与普通的的碳纤维和纳米尺度的炭黑相比，它导致了更好的机械性能和优异的导电性。

密执根州立大学看到