原位聚合法制备聚合物蒙脱土纳米复合材料研究与进展.pdf

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原位聚合法制备聚合物/蒙脱土纳米复合材料研究与

进展

罗小伟
上海市梅陇路130号华东理工大学，450信箱,（200237）
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摘要：本文综述了原位聚合法制备聚合物/蒙脱土纳米复合材料的最新进展。不同单体与
改性或未改性的蒙脱土原位聚合得到复合材料的耐热性、机械性能、气体阻隔性以及材料的
结构形态和蒙脱土的插层和解离机理都得到详细的研究。聚合物/蒙脱土复合材料各方面的
突出性能预示了其具有极大的应用潜力。
关键词：纳米复合材料原位聚合蒙脱土聚合物/层状硅酸盐复合材料

1.引言
纳米复合材料(Nanocomposites)是分散相至少有一维尺寸小于100nm的复合材料，即分
散相在连续相中达到纳米尺度的分散。这个概念最早于20世纪80年代初由RustunRoy[1]提
出。分散相和连续相可以是无机或有机材料，分散相可以是粉末、纤维或晶须等。由于纳米
粒子具有纳米尺度效应、宏观量子效应、隧道效应、大的比表面积以及强的界面相互作用，
使得纳米复合材料具对材料性能有许多难以预料的改善，同时还表现出了许多特殊的性能,
如气体阻隔性能、阻燃性能等。因此开发纳米复合材料是近年来开发高性能多功能新型聚合
物材料的热点之一[2,3,4,5]。
由聚合物利对高岭土、蒙脱土、绿脱石、云母等具有层状结构的硅酸盐矿物进行插层得
到聚合物/层状硅酸盐复合材料（PolymerLayeredSilicate，简称PLS），也常被称作聚合
物/粘土纳米复合材料(PolymerClayNanocomposite,简称PCN)。PLS或PCN是目前新兴的一
种聚合物基无机纳米复合材料。由于有机改性的层状硅酸盐与聚合物基体有较好的结合界
面；且层状硅酸盐在聚合物基体中平面取向，可以在二维方向都起到增强的作用。所以与常
规复合材料相比，很少的用量（质量分数<5%）即可使复合材料的各方面性能如：拉伸强度、
弹性模量、柔韧性能等有极大的提高，同时大大改善复合材料的热稳定性能、气体阻隔性能
[2,3,4]；因此聚合物/层状硅酸盐复合材料的开发倍受关注。

2.蒙托土的结构特性
蒙托土（montmorillonite，简称MMT）是一种天然的是一类2∶1型的层状硅酸盐粘土，
+[4]
分子式为：Mnx/n[Al4.0-xMgx](Si8.0)O20(OH)4·yH2O其结构如图1所示。它的基本结构单元是
由铝氧八面体晶片夹在两个硅氧四面体晶片之间靠共用氧原子形成的三明治结构，每个片层
厚1nm，长宽各为100nm左右。由于MMT中硅氧八面体中的部分Si4+和铝氧八面体上部分Al3+容

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易被Mg2+同晶置换，使片层表面产生过剩的负电荷，过剩的负电荷可以通过层间吸附的阳离
子来补偿而达到平衡。这种特殊的晶格结构，使MMT具有良好的膨胀性、吸附性和阳离子交
换性能，使许多有机或无机阳离子的层间复合嵌入得以实现。由于MMT层间阳离子可与有机
阳离子表面活性剂进行阳离子交换，使蒙脱土内外表面由亲水性转变成为亲油性，同时扩大
片层间距。降低MMT的表面能，提高其和聚合物基体及单体的相容性，而且有机阳离子可以
带有各种活性官能团，这些官能团可以与聚合物基体发生反应，使聚合物更容易插入到片层
间，从而进一步提高了MMT和聚合物基体之间的粘接性。另一方面，由于聚合物插入到片层
之间而可能导致MMT片层的节解离而更好的实现纳米尺度的复合，进而得到更为优异的纳米
复合材料。

图1.蒙脱土晶体的结构
Figure.1Structureofmontmorillonitecrystal

3.聚合物/蒙托土纳米复合材料的制备
聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的制备方法有：溶液插层法、原位(situ)聚合法、熔
融插层法、溶胶-凝胶法[2]。所得到的复合材料根据其微观形态可以分为：普通型
（conventional）、插层型（intercalated）、解离型（exfoliated）[3],其结构见图2。解
离型一般主要通过原位聚合法得到；由于部分解离型的纳米复合材料具有更好分散效果和更
好的材料性能，因此原位聚合法是近年来研究较多的一种方法。本文按聚合物的种类对原位
聚合制备蒙脱土纳米复合材料近年来的发展作一综述。

图2.聚合物/蒙脱土复合材料三种可能的类型结构示意图
Figure.2Schematicillustrationsofthethreepossibletypesofpolymer/clayhybrids
(a)Conventional(b)Intercalated(c)Exfoliated

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