蒙脱石尼龙6纳米复合材料制备及性能研究.doc

蒙脱石/尼龙6纳米复合材料制备及性能研究余丽秀王秋霞田国锋张健斌吴彬摘要蒙脱石/尼龙6纳米复合材料是性能优异、用途广泛的矿物-聚合物复合材料，本文简要介绍了熔体挤出法蒙脱石/尼龙6纳米复合材料制备、性能、影响因素及应用前景。关键词蒙脱石尼龙6熔体挤出纳米复合材料制备性能1前言纳米复合材料是指分散相尺度至少有一维小于100nm的复合材料，由于其纳米分散相比表面积大并同基体有强的结合或偶联作用，因此，在力学、热学、电磁学、光学和气体阻隔性能等方面较常规无机填料／聚合物复合材料有明显的提高，并且具有一些特殊的性能，是近十年来迅速发展的新型功能材料，是当今材料学科的研究热点，其制备技术涉及非金属矿物加工、高分子材料形成的交叉学科领域，其用途广泛[1]。蒙脱石/尼龙6纳米复合材料用蒙脱石结构是以二个硅氧四面体夹一个铝氧八面体构成单位晶胞，并在二维方向上连接成片、在Z轴方向以一定厚度堆积而成的层状矿物，主要存在于膨润土、累托石等层状或混层状硅酸盐粘土矿物中，能直接或提纯后使用。由于蒙脱石四面体中的硅被铝、八面体中的铝被镁同晶置换，使片层表面具有过剩的负电荷，并通过层间吸附Na+、K+、Ca2+、Mg2+等阳离子达到晶胞电荷平衡。因而从晶层微观结构看，形成了平衡的双电层结构。由于层面的负电性，层间阳离子很容易被其它无机或有机阳离子置换。可用做阳离子交换的有机物种类很多，但不同结构、性能的有机阳离子应用对复合材料基体有不同的要求，其矿物改性和复合材料制备工艺均有较大差别，使得有机化改性蒙脱石成为品种众多、变化复杂、应用面广的矿物功能性材料。用于复合材料制备的改性蒙脱石由于其层间距增大，在同聚合物单体、聚合物溶液或聚合物熔体混合时，很容易剥离成纳米尺度的基本单元，并均匀分散于聚合物基体中。蒙脱石/尼龙6纳米复合材料是改性蒙脱石用于聚合物纳米复合材料系列效果显著的品种之一，其制备工艺分为熔体挤出法、熔体聚合法（又分两步法、一步法），其中熔体挤出法纳米复合材料具有性能适中、价格低廉、使用量大和便于推广等特点，为功能矿物材料首选大量、经济的用于矿物/聚合物纳米复合材料制备提供了可能[2]。本文主要讨论了熔体挤出（插层）法蒙脱石/尼龙6纳米复合材料制备、性能、影响因素及应用前景，内容如下。2改性蒙脱石制备2.1蒙脱石性能特征用于挤出法尼龙6纳米复合材料制备的改性蒙脱石对矿物性能要求较高，一般要求蒙脱石含量大于90%，其层间可交换阳离子总量（CEC）适中，一般选择0.7-1.3mmol/g为好。而自然界原生膨润土矿等矿种一般蒙脱石含量仅30-60%，因此，提高蒙脱石含量是改性应用的基础，可根据原矿性质采用干法或湿法提纯。我们以内蒙某膨润土矿为原料，提纯后化学成分及物化如表1、表2。表1提纯样品主要化学成分项目SiO2Al2O3CaOMgOFe2O3TiO2Na2OK2OH2O含量/（wt%）56.4716.972.324.783.340.310.0880.03415.15表2提纯样品重要物化性能项目吸兰量mmol/g蒙脱石含量wt%105℃挥发wt%CEC值mmol/gd001值nm层间距d001-0.96nm实测值1.3791.3315.151.101.520.562.2改性剂选择能用于熔体挤出法尼龙6纳米复合材料制备的改性蒙脱石用有机物品种很多，可归结为两类：反应型和非反应型。其中，反应型指交换后的有机阳离子仍保留酰胺键（-CONH2）或类似活性集团结构，在热、光、高压等作用下，能进一步自身或参加基体缩聚，反应过程的热作用使蒙脱石晶层均匀解离成片状纳米单元；无机硅酸盐纳米片层和高分子聚合物链段协同作用使复合材料力学、热学性能明显提高；反应型所用有机物多为长碳链氨基酸或醇酰胺，主要用于熔体聚合型纳米复合材料制备，但由于所用氨基酸等目前价格昂贵，并且应用需对现有聚合工艺和设备加以改造，当前大量推广应用较困难，也抑制了反应型有机改性蒙脱石技术发展。非反应改性蒙脱石选择在溶液中能电离出有机阳离子（如季胺盐）或通过质子化加H+能生成有机阳离子（如伯胺RNH2、仲胺R2NH、叔胺R3N）等作为有机化蒙脱石改性剂，所用有机物中的R基为饱和烷基或含苯环烷基，本身起离子交换、偶联和撑大层间距的作用，熔体挤出法尼龙6纳米复合材料所用改性蒙脱石多属此种类型。非反应型改性蒙脱石用于尼龙系列纳米复合材料性能略差于反应型，但由于成本、使用方便等优势，是当前尼龙6纳米复合材料的主要改性矿物应用类型。选用的有机改性剂须同时具备以下条件：①容易进入蒙脱石层间并显著增大