聚合物层状粘土纳米复合材料阻燃性能研究进展.pdf

第19卷第4期高分子材料科学与工程Vol.19,No.4
2003年7月POLYMERMATERIALSSCIENCEANDENGINEERINGJul.2003

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聚合物层状粘土纳米复合材料阻燃性能研究进展

胡源1,3,汪少锋1,2,宋磊1,2,陈祖耀2,范维澄1
(中国科学技术大学1.火灾科学国家重点实验室;2.化学系;3.结构开放实验室,安徽合肥230026)

摘要:聚合物层状粘土(PLC)纳米复合材料是近十年来研究的热点。由于PLC纳米复合材料具有常规
聚合物复合材料所没有的结构、形态以及较常规材料更加优越的力学性能、耐热性能、气液体的阻隔性
能等,所以具有广泛的工业应用前景。文中综述了PLC纳米复合材料的制备、性能、结构及其在阻燃方
面应用研究的现状。

关键词:纳米复合材料;层状粘土;阻燃
中图分类号:TB383文献标识码:A文章编号:100027555(2003)0420013205

传统工业上为了得到功能型有机聚合物材系中粘土片层中插入聚合物链,其层间距扩大
料,常在高分子聚合物中加入无机填料,这些填(层间距通常在2nm～10nm),粘土保留10～
料的加入又不可避免地以牺牲材料的某些性能20个片层的有序结构。层离结构体系中粘土的
为代价。例如,塑料工业中为了获得材料的阻燃片层以纳米尺度均匀分散于聚合物中(层间距
性能,常在其中加入40%～60%(质量)的无机>10nm),处于宏观无序状态,片层之间也可
[1]
阻燃剂(如Mg(OH)2等),由于无机材料与能存在局部有序。
有机材料相容性差,形成相分离,塑料的力学性
能大幅降低,严重地限制了其应用范围。为了既
得到功能型聚合物材料又不降低材料的其它性
能,甚至对其它性能还有所改善,人们将目光投
向了方兴未艾的纳米复合技术。
纳米复合材料是指在复合体系中至少有一
相在一维的方向上以纳米尺度(0.1nm～100
nm)分散于基体中。由于材料在纳米尺度这一
介观领域,其物理化学性能会产生从宏观到微
Fig.1SchemeofdifferenttypesofPLCcomposite
观的突变,如产生量子尺寸效应、表面效应、介a:phaseseparatedmicrocomposite;b:intercalat2
电限域效应、宏观量子隧道效应等,从而使纳米ednanocomposite;c:exfoliatednanocomposite.
复合材料有可能具备常规材料不具备的特殊性PLC纳米复合材料与常规聚合物复合材
能。聚合物层状粘土(PLC)纳米复合材料体系料相比具有以下优点:(1)质量更轻,因其无机
是目前国内外研究的主要领域之一。PLC复合物添加量低(有机土掺0.5%～5%就可使聚合
体系通常分为三类[2](如Fig.1):a.相分离体物性能明显改善);(2)力学性能得到改善,其纳
米分散的片层结构在二维方向对聚合物进行增
系,b.插层结构体系,c.层离结构体系。a为常
强作用()优良的气体阻隔效应和一定的阻燃
规复合材料,b,c为纳米复合材料。插层结构体;3

X收稿日期:2001209218;修订日期:2001212203
基金项目:国家自然科学基金(50003008)、中国科学技术大学结构开放实验室和科学院“知识创新工程”资助项目
作者简介:胡源(1965-),博士,副研究员.
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效应;(4)不影响材料的透明度,其分散的片层石等,其结构特征文献也多有报道[2]。所有这些
厚度约为1nm,与可见光光波波长相当,光波粘土矿物的特征有两个基本参量描述:(1)比表
可以直接通过。面积,通常蒙脱土为700m2g～800m2g;(2)
离子交换容量(CEC),通常蒙脱土的CEC为
1粘土原料的选择和改性
80mol100g～120mol100g。
粘土矿物属于层状和层2链状的硅酸盐,其为了改善无机粘土与有机聚合物之间的相
基本结构单元为硅氧四面体和铝氧八面体。除
容性,常需对粘土进行表面修饰,修饰后的土一
高岭石组粘土矿物外,粘土矿物中广泛存在类般称作有机土。有机土所用的改性剂一般为链
4+
质同相现象,即结构层的四面体晶格中Si被状铵盐、链状磷金翁盐等带有阳离子官能团的表
3+置换八面体晶格中3+被3+、2+、
Al,,AlFeFe面活性剂。利用离子交换作用,粘土层间的可交
2+3+2++
、、、等置换。由于不等价置++2+
MgCrZnLi换阳离子(Na、Li、Ca)被有机表面活性剂
换结构层电中性被破坏产生过量的负电荷[4]
,,,阳离子交换出来。ManiasE.等人用分子动