目前在美國有三個會議,大約200多篇論文主題是納米顆粒對塑料性能的影響,添加2%-5%的納米顆粒,通過熔融混合或原位聚合的方式加入到聚合物中,就可以極大地改善該聚合物的熱力學性能、阻隔性能,以及阻燃性能,并且它在提高材料的熱阻、尺寸穩定性以及電導率方面要比標準填料和光纖性能更好。
納米技術已經成為世界主要經濟體最優先發展的領域之一,皆因納米技術被認為具有廣泛應用潛力。該領域的研究不僅進一步揭示物質新的原理與現象,而且將導致一場新的工業革命。
BBC的市場調查報告表明,在2003年,納米粒子復合聚合物在世界范圍內的銷售量為2450萬磅,總值9080萬美元。他們預測市場銷售額將以每年18.4%的速度增長,到2008年將會達到21110萬美元。
市場商業化上,納米填料發展的主流仍舊是層狀頁硅酸鹽納米土、納米云母石、碳納米管,以及納米石墨板(graphite platelets)。除此以外,合成粘土,含籠型硅氧烷(POSS),以及像亞麻與大麻之類的天然纖維等也正在被著重研究。
納米粘土和碳納米管都已經取得了商業化應用。使用時二者都必須先進行化學修飾的表面處理,以使其達到超細分散以及與樹脂間非常好的粘結。事實證明,這兩種納米填料在改善塑料的結構性能、熱性能、阻隔性能以及阻燃性能方面都取得了非常好的效果。并且碳納米管還可以提高材料的電導率。
1 廉價而有效的納米粘土
納米粘土的價格低廉,大約在2.25-3.25美元/磅之間,并且可以應用在一些最常見的熱塑性塑料,比如PP、TPO、PET、PE、PS和尼龍等上,所以它的商業化前景是最被看好的。
最具有代表性的納米粘土是高嶺土,一種層狀的鋁硅酸鹽,它每層的直徑大約是1微米左右,長徑比達到了1000:1。目前美國國內最大的兩家高嶺土生產商分別是Nanocor(主要商標為Nanomer)和南方粘土制品公司-Southern Clay Products(主要商標為Cloisite)。它們都有各自的樹脂供應商、表面活性劑供應商、配混料商以及汽車OEM廠商和包裝企業。
通用汽車是納米復合物通向應用之路最具代表性的一家汽車公司。它于2002年、2003年和2004年在車身外部使用了納米復合物材料。其最新汽車產品是2005 GM Hummer H2 SUT,該型號車的車身使用了大約7磅模內著色的納米復合材料部件,分別用在了中梁、篷板,以及貨艙周圍的保護欄桿處。
Noble Polymers的新產品Forte PP納米復合物目前已經使用在2004年本田Acura TL型汽車的座椅靠背上。取代的是玻璃填充PP材料,密度小到0.928g/cc,力學性能和表面睦能比以往的材料更好,且可以回收使用。
這種材料還被用來生產2006年新推出的輕型貨車的中心控制臺及部分辦公家具和電器零件方面,替代部分(大約20%)的玻璃填充PP材料,以降低這些家具的密度與成本。
普立萬公司(PolyOne)最近引進了PP均聚合物/納米粘土復合物Maxxam LST生產線,這種新的材料可以改善以往的粘土不完全剝離和分散的問題,它的性能不亞于甚至超過大多數的熱塑性工程塑料,同時它具有更輕、更美觀、處理工藝更簡單以及花費更低等優點。
普立萬可提供納米粘土含量超過40%的新型均聚PP、改良PP、LLDPE、LDPE、HDPE以及一種新的乙烯共聚物,其中一些還根據阻隔能力的提高水平進行了分級。
這種材料應用于貨盤以及襯板上,它能增強材料的耐化學性、硬度,使其有利于循環再利用。
用于薄膜制備可提高膜的阻隔能力、強度、HDT,還可以做生物殺滅劑或染料的釋放與轉移控制劑,在吹膜包裝中,可以提高包裝層薄壁的阻隔能力、耐壓、縮短材料的循環周期,降低壁厚等。并且在注塑容器方面有很好的應用前景,還可以提高材料的阻燃性能。
德國母粒供應商Nordmann Rassmann GmbH公司向歐洲市場推出美國Nanocor公司生產的納米粘土聚烯烴基母粒。這些名為nanoMax的新材料有聚丙烯基的牌號nanoMax-PP和聚乙烯基的牌號nanoMax-PE以及熱塑性烯烴材料基的牌號nanoMax-TPO,還有以EVA共聚物為基礎的牌號nanoMax-EVA。所使用的納米粘土是由Nanocor專利技術生產的Nanomer。nanoMax材料,加工容易,可以在使用擠出和注射成型工藝的標準設備上進行加工。
在通用汽車和南方粘土制品公司共同發表的論文中,提到了許多通過添加納米粘土采改善車用TPO性能的方法,使其可以用于汽車外部、內部以及發動機罩內等眾多部件中。納米復合物適合用在汽車儀表盤、搖桿蓋、側壁裝飾、格柵、發動機罩通氣槽、儀表板、座位/IP泡沫、車內門板、柱罩、發動機擋板、風扇罩、進氣管,燃油箱及燃油管等部件上。
三菱燃氣化學公司(MGC)和霍尼韋爾特種聚合物兩家公司都采用Nanocar的納米粘土做添加劑的尼龍加工多層PET瓶的防護層以及食品包裝膜的防護層。MGC的MXD6尼龍納米復合物,又叫Imperm N,在歐洲被商業化應用在啤酒以及其它酒精飲料的包裝瓶-多層PET瓶上。另外它也被用在碳酸飲料的包裝瓶上。在未來的半年內,Imperm系列其它的產品也將會推出用于包裝熟肉和奶酪的熱成型容器,以及包裝薯片與調味醬的多層柔性薄膜上。
霍尼韋爾的Aegis尼龍6納米復合物最初是針對PET啤酒瓶的。在2003年下半年,韓國的Hite酒業公司的1.6升Hite Pitcher啤酒瓶使用了這種含除氧劑的產品。Aegis是它三層結構中的防護層,據說可以使貨架期達26個星期。
霍尼韋爾還開發了一些不含有除氧劑的薄膜和袋子,替代原來使用的EVOH。據報道,這個級別的納米復合物比EVOH更廉價、防護效果更佳,更輕質更透明,耐穿刺性更好。
美國軍方及航空航天局(NASA)還致力于研究將納米粘土作為提高EVOH的防護能力的填料,用來實現食品的長期保鮮。將混入3%的南方粘土公司的EVOH像做三明治一樣夾在兩層PP中間做成熱成型餐盤。據報道稱不放冰箱,也能達到3~5年的貨架期,且更透明,工藝更簡單,可以回收利用。
美國鋁公司在申請可以用在啤酒瓶、果汁瓶或是碳酸飲料的塑料瓶蓋上的共擠防護襯套的專利。它包括一層尼龍6/納米粘土復合物以及一或兩層含有除氧劑的EVA層。據說,與別的防護材料相比,在非常高的濕度條件下(相對濕度95%-96%)性能更佳。
韓國LG化學股份公司新近開發出了一種用含有3%-5%納米粘土的高密度聚乙烯材料制得的高阻隔性的單層吹塑型容器,用來做甲苯以及一些輕質烴等流體的處理容器。
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