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追踪纳米复合物

2021年08月18日 台州机械设备网

追踪纳米复合物

目前在美国有三个会议大约200多篇论文就是针对纳米颗粒对塑料性能的影响,比如在提高塑料的热力学性能和阻隔性能,阻燃性能以及对电导率的影响等方面而展开的。

虽然说,纳米合成物的发展还处于它的“幼年阶段”,但是如果预料不错的话,在今后的十年间,它将会成为影响塑料工业的发展最大的因素,尽管它十分微小。只要用2%到5%的纳米颗粒通过熔融混合或原位聚合的方式加入到聚合物中,就可以极大改善该聚合物的热力学性能,阻隔性能,以及阻燃性能。并且它在提高材料的热阻,尺寸稳定性以及电导率方面要比标准填料和光纤性能优越。

虽然并不是很引人侧目,也没有预料中的那么快,使用纳米颗粒做添加剂的聚合物材料还是已经渗透到了汽车业以及包装业的市场。在三个技术性的会议上,大约有200多篇的论文是相关方面的。无论是研究人员还是商家都对此投入了极大的热情。因此我们可以预测,使用纳米颗粒做添加剂的聚合物材料的发展将会达到前所未有的速度。以上三个会议分别是2004年旧金山纳米复合物会议,芝加哥 Antec2004,以及2004年比利时布鲁塞尔纳米复合物会议。

BBC的市场调查报告表明,在2003年有关纳米粒子复合聚合物在世界范围内的销售量为2450万磅,总值9080万美元。在这份调查报告中还预测了该市场销售额将会以每年18.4%的速度增长,到2008年将会达到21110万美元。目前纳米科技的发展遇到了一些阻碍,但是BCC预测它在一些领域的应用还是将会以年增长率超过20%的速度发展。

无论是在实验室研究方面还是在市场商业化上纳米填料发展的主流仍旧是层状的页硅酸盐纳米土,纳米云母石,碳纳米管,以及纳米石墨板(graphite platelets)。除此以外,其它的一些材料,比如说合成粘土,含笼型硅氧烷(POSS),以及像亚麻与大麻之类的天然纤维等也正在被着重研究。

目前被讨论最多的两种纳米填料分别是纳米粘土和碳纳米管,并且都已经取得了商业化应用。使用时二者都必须先进行化学修饰的表面处理,以使其达到超细分散以及与树脂间非常好的粘结,从而达到最佳的使用效果。

事实也证明,这两种纳米填料在改善塑料的结构性能,热性能,阻隔性能以及阻燃性能方面都取得了非常好的效果。并且碳纳米管还可以达到提高材料的电导率的作用。

目前,由于纳米粘土的价格低廉-2.25美元/磅到3.25美元/磅-并且可以应用在一些最常见的热塑性塑料,比如PP、TPO、PET、PE、PS和尼龙等上,所以它的商业化前景是最被看好的。

最具有代表性的纳米粘土是高岭土,一种层状的铝硅酸盐,它每层的直径大约是1微米左右,长径比达到了1000:1。目前美国国内最大的两家高岭土生产商分别是Nanocor(主要商标为Nanomer)和Southern Clay Products(主要商标为Cloisite),并且两家公司都已经形成了各自的商业网络,它们都有各自的树脂供应商、表面活性剂供应商、配混料商以及汽车OEM厂商和包装企业。虽然它们大部分的工艺都属商业机密,但是目前已经有几个商业成就是可见的。

通用汽车是纳米复合物通向应用之路最具代表性的一家汽车公司。它于2002年推出的GMC Safari和雪弗莱 Astro是市场上最早在车身外部使用了纳米复合物材料的汽车,在2003年和2004年推出车型里也使用了这种部件。最近,它还在它们最大体量的车—雪弗莱Impala的车身部分使用了一种PP/纳米粘土的复合材料,该复合物材料是由通用汽车位于密歇根州Warren的研发中心、basell North America公司和Southern Clay Products公司合作开发出来的。

通用汽车使用了纳米材料的最新汽车产品是2005 GM Hummer H2 SUT,该型号车的车身使用了大约7磅模内着色的纳米复合材料部件,分别用在了中梁、蓬板、以及货舱周围的保护栏杆处。

纳米粘土添加到塑料里面可以提高塑料的抗压力,碳纳米管则还可以提高材料的电导率和热导率,但是由于纳米管的价钱昂贵(最近报价大约为$100/g)而限制了其在商业上的应用发展。从上个世纪90年代开始,美国出产的每辆汽车上基本上都使用了碳纳米管,最典型的例子就是在制造燃料系统的材料尼龙里添加它来提高材料的抗静电性能。通过添加纳米管提高材料的抗静电性能也被用在计算机的读/写保护头的制备上。

碳纳米管有单层和多层两种结构,前者的外径一般为1到2nm,而后者的直径则在8到12nm之间,它的典型长度一般为10微米,最长可达100微米,长径比至少可达1000:1。碳纳米管的拉伸强度是普通不锈钢管的50倍(前者100 G pa后者2 G pa)、热导系数为铜的5倍。当把它加入到聚合物材料的母体中以后,只要一点点就可以比传统填料如碳黑或金属粉末更好的提高材料的电导率和热导率。

美国国内纳米管的生产商有Hyperion Catalysis (产品是多层纤维纳米管)和新登陆的Zyvex Corp(产品有单层和多层纳米管)。这两家厂商提供的母料中都含有15%到20%的纳米管。

据报道Pyrograf III 纳米光纤在提高材料的热导率、电导率,改善材料的热力学性能和阻燃性能方面可以与碳纳米管相媲美。更重要的是,纳米光纤要比纳米管便宜-大约$100/磅 到$150/磅。以上这些是在尼龙、PP和聚亚安脂等材料中添加后进行实验评估得出的结论。

纳米粘土复合物的来源

Nanocor与两家特殊品配混料企业之间的联盟,直接导致了纳米粘土复合物在建筑方面和防护方面的商业化规模的应用。

Noble Polymers的新产品Forte PP纳米复合物目前已经使用在了2004年本田Acura TL 型汽车的座椅靠背上。Forte PP所取代的玻璃填充PP材料,加工工艺复杂,并且有一定的直观缺陷和扭曲。Forte的密度小到0.928 g/cc,力学性能极佳,表面性能比以往的材料更佳,且可以回收使用。

Nobel还指出这种新的Forte纳米材料将被用来生产2006年新推出的轻型货车的中心控制台,另外还会应用在部分办公家具和电器零件方面,替代部分(大约20%)的玻璃填充PP材料,以降低这些家具的密度与成本。

PolyOne最近引进了PP均聚合物/纳米粘土复合物Maxxam LST生产线,它具有更大的粘度和更强的抗撞击力。在一份还未正式发表的专利中,PolyOne还宣称,这种新的材料可以改善以往的粘土不完全剥落和分散的问题,它的性能不输于甚至超过大多数的热塑性工程塑料,同时它具有更轻、更美观、处理工艺更简单以及花费更低的等优点。

PolyOne还提供其中纳米粘土的含量超过40%的新型均聚PP、改良PP、LLDPE、LDPE、HDPE以及一种新的乙烯共聚物,其中一些还根据提高阻隔能力的水平进行了分级。

PolyOne报道说,应用于货盘以及衬板上,是因为Maxxam LST 复合物的高效尺寸控制性而被指定用于工程树脂的,这对于机器人装配来说至关重要,这种设想目前正在向商业化方向发展。此外,其具有良好的抗冲击力以及较轻的质量。许多客户认为Maxxam LST是众多应用的不二选择,因为它能将增强材料的耐化学性、硬度和循环利用周期的提高结合在一起。

同时,纳米颗粒含量更高的纳米复合物还可以被用在汽车内部或外部的TPO零件,关键就是因为它具有高度的尺寸稳定性,较低的密度,以及更高的抗挤压的硬度。评价认为它还可以被用于薄膜制备来提高膜的阻隔能力、强度、HDT,以及还可以做生物杀灭剂或染料的控制释放与转移的添加剂。在吹模包装中,该纳米复合物可以提高包装层薄壁的阻隔能力和势压并且可以缩短材料的循环周期,降低壁厚。它在注模容器与方面也有很好的应用前景。一些工业部门还希望将它应用在提高材料的阻燃性能方面。

强度更大的TPOs

在通用汽车和Southern Clay Products发表的论文中,提到了许多通过添加纳米粘土来改善车用TPO性能的方法。这些成果都来之不易:由于粘土具有易团聚的特点最初的使用非常困难,后来通过优化粘土在挤压机中的进料方式、螺杆设计、螺杆转速、温度以及压力等而得到了解决。而一旦这个问题得到了解决,添加纳米复合物的TPO就比传统的云母做填料的TPO在许多方面表现出了其更优的性能,比如低温下保持良好的延展性,消除"老虎纹"、减少了涂料的分层,改善汇合线外观,提高着色性能、抗刮擦能力,而且还可以回收循环使用

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