聚合物-粘土纳米复合材料的研究进展.doc

聚合物_粘土纳米复合材料的研究进展（完整版）实用资料
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第20卷第3期胶体与聚合物Vol.20No.3
聚合物/粘土纳米复合材料的研究进展∗
赵伟安李东祥侯万国
(山东大学胶体与界面化学教育部重点实验室,济南250100
摘要综述了聚合物/粘土纳米复合材料的制备、表征和性能。粘土经相容剂修饰成为有机土,层间
距增大,层间微环境由亲水变为亲油,从而利于聚合物的插层。聚合物插层导致粘土片层剥离并分散于聚
合物基体中,得到的聚合物/粘土纳米复合材料的机械和物理性能比原来的聚合物材料有了显著的提高。
关键词聚合物;粘土;纳米复合材料
“纳米复合材料”一词是1984年由Roy等[1]提出来的,是指一种相态的物质以纳米尺度分散于另
一相中形成的复合材料,其中分散相尺寸至少有一维小于100nm[2]。
聚合物和粘土的相互作用早在20世纪60年代就被深入地研究过,但是直到90年代初,日本丰田研究所的研究人员[3]才首次将聚合物和有机土应用于合成纳米复合材料。他们制备的尼龙6/粘土纳米复合材料,当粘土含量只有4%时,其机械性能、阻
隔性能(BarrierProperties和阻燃性能与原聚合物
材料相比都有了显著的提高。此后,聚合物/粘土

纳米复合材料因为其优良的性能而被广泛深入地
研究,在电子学、光学、化工、能源以及生物医学
等领域展现出广阔的应用前景。
粘土与聚合物复合后,根据粘土分散相尺度
和分散状态的不同,可得到四种类型复合材料[4]:
常规型纳米复合材料、插层型纳米复合材料、无序
剥离型纳米复合材料和有序剥离型纳米复合材料,
如图1所示。在剥离型纳米复合材料中,粘土片层
无规而均匀地分散于聚合物基体中,在微观上形成
一种整体结构,它使聚合物和粘土间的作用最大
化,粘土片层的整个表面被聚合物充分利用,导致
了材料机械和物理性能的突变。
1聚合物/粘土纳米复合材料的制备
1.1粘土的有机化天然或合成的粘土如硅酸、云母、合成锂皂石以及氟锂蒙脱石等均可以用来合成聚合物/粘土纳米复合材料。研究最多的是蒙脱土,因为它有适宜的层电荷密度并且矿藏丰富易得。蒙脱土晶体结构中的晶胞由两层硅氧四面体中间夹一层共用边棱的铝氧八面体构成,属2:1型层状硅酸盐。晶层厚度与层间厚度之和称之为d距离(d-spacing或层间距。粘土的每个片层都可看作是直径100-200nm,厚度为1nm的高纵横比的薄板。5-10∗
收稿日期2002—03—01,第一作者简介:赵伟安(1980年生,男,2000级硕士研究生
联系人简介:侯万国(

第3期赵伟安等:聚合物/粘土纳米复合材料的研究进展33一步形成更大的不规则的聚集体,最终给出粘土的湍层结构(TurbostraticStructure。
由于四面体点阵中Si4+易被Al3+等同晶取代,而八面体中的Al3+又可被Mg2+等同晶取代[5],所以晶层带负电,允许水合阳离子(如Na+、Ca2+等进入层间平衡电荷。在一定条件下层间阳离子可被其它阳离子交换出来,这个过程称为粘土的阳离子交换。粘土内含可交换的最大阳离子的量叫做阳离子交换容量(CEC,单位是毫克当量/100克(meq/100g。蒙脱土的阳离子交换容量为80-150meq/100g。
由于粘土层间距仅为1nm左右,且层间化学微环境为亲水憎油性,因此如果不预先对粘土进行修饰,并不能得到纳米复合材料,只能得到传统的填充聚合物。因此,我们常采用相容剂(CompatibilizingAgents[6]对粘土进行修饰,使层间距增大,并且将粘土的内表面由亲水变为疏水以利于单体或聚合物插层。常用的相容剂有氨基酸、烷基铵阳离子和硅烷偶联剂等。
氨基酸[3]是最早使用的相容剂,它的分子中含有-NH2和-COOH,酸性介质中-COOH上的质子转移到-NH2形成-NH3+,-NH3+再与粘土层间的Na+、K+等交换从而使粘土有机化。不同链长的氨基酸的通式为(H3N+(CH2n-1COOH,它已成功的用于合成尼龙6/粘土纳米复合材料。
烷基铵阳离子是目前常用的相容剂。Jordan[7]首先发现长链的烷基铵阳离子可以容易地插入到粘土层间,使粘土有机化而制备聚合物基的纳米复合材料。最常用的是伯烷基铵,首先在酸性介质中使胺基质子化,得到的烷基铵阳离子基本分子式是CH3-(CH2n-NH3+,n从1-18。
Lan等[8]研究发现粘土经修饰后的层间距与烷基铵阳离子的链长有关,而与有机土的原层间距无关。随着烷基铵阳离子烷基链长的增大,有机土及其经聚合物插层后的层间距均增大。他们还发现粘土的剥离与有机阳离子的官能团有关。
CH3(CH217NH3+和CH3(CH217N(CH33+修饰过的两
种蒙脱土,尽管其阳离子链长相等,被环氧树脂插层后

的层间距也相等,