聚酰胺纳米复合材料的研究进展

聚酰胺纳米复合材料的研究进展

吴叶阳

兰州交通大学  甘肃兰州  730070

摘要：聚酰胺（PA）纳米复合材料是通过聚合或者共混的方式在聚酰胺树脂中引入纳米粒子，使其表现出传统材料不具有的阻燃性、导电性、抑菌性，以及更优异的力学性能和阻隔性能等，使其可以满足包装领域、免喷涂领域、5G介电材料领域和电磁屏蔽与吸波领域等领域的要求。该文重点介绍了聚酰胺纳米复合材料在包装领域、免喷涂领域、5G介电材料领域和电磁屏蔽与吸波领域的应用，以及对其应用前景和发展趋势进行了分析。

关键词：聚酰胺；纳米；纳米材料；复合材料；聚酰胺纳米材料

1聚酰胺纳米复合材料的研究现状

1.1聚酰胺/层状硅酸盐复合材料

层状硅酸盐主要包括蒙脱土（MMT）、滑石粉、云母、高岭土等，其具有优良的耐热性和力学强度，同时其阻燃性好、阻隔性好和吸附性强，因此获得了广泛的关注。自从1987年，Okada等[首次制备出PA6/层状硅酸盐纳米复合材料以来，这一领域得到了长足的发展，成为目前聚合物合金材料的一个新的热点。1988年，丰田研究和发展中心的Fukushima等使用了具有阳离子交换能力的蒙脱土和ε-己内酰胺在酸性条件下合成纳米复合材料，其拉伸强度提高了50%，模量提高了一倍。1990年日本丰田公司开发了牌号为UBE1015C的PA6纳米复合材料，并成功应用于汽车上，而日本尤尼契卡公司在1995年开发了牌号为M1030D的PA6纳米复合材料。我国的聚酰胺纳米复合材料研究始于90年代，并列入国家“863计划”等一系列计划的重点研究课题，并取得了不少的成果。郝向阳等[35]将PA66和OMMT共混制备得到纳米复合材料，研究结果表明，OMMT的添加量为5%时，复合材料的冲击强度提高了50%。闫东广等以己内酰胺、MMT和氢化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯接枝马来酸酐通过双螺杆挤出机阴离子开环聚合制备得到PA6纳米复合材料，研究结果表明，MMT的加入可有效提高纳米复合材料的拉伸强度和冲击强度，大部分的MMT以纳米尺寸选择性插层于SEBS分散相中。

1.2聚酰胺/SiO2纳米复合材料

纳米材料的界面微结构是外加负荷传递的纽带，通过对纳米填料表面改性可有效增强其与聚合物基体的界面粘结强度，其中常规采用机械混合、纳米材料浸润和反应结合这三种方式。徐翔民等[39]通过双螺杆挤出机熔融共混制备得到PA66/SiO2纳米复合材料，研究结果表明，PA66和纳米SiO2的界面相互作用会改变聚酰胺的熔融和结晶行为，而且还会对复合材料的玻璃化转变温度和热稳定性产生影响。徐启杰等[40]通过原位聚合法以反应性纳米SiO2和己内酰胺为原料制备得到聚酰胺6/SiO2纳米复合材料，研究结果表明，纳米SiO2表面的反应性氨基可以与聚酰胺分子链作用，形成较强的界面效应，同时可以起到异相成核作用，提高了聚酰胺的结晶度和力学性能。

1.3聚酰胺/碳材料纳米复合材料

碳纳米材料是指分散相的尺度至少有一维在1~100nm之间的碳材料，其主要包括炭黑、碳纳米管和石墨烯等，该材料由于独特的纳米结构使其在光、声、热、电和磁等方面有着优异的性能和潜在的应用价值。炭黑（CB）是有机烃类物质经过不完全热解生成的产物，粒径一般在10～300nm范围之间，其粒径越小，比表面积越大，补强效果越好，但是粒径过小会容易团聚而致分散困难，需要表面处理来提高其活性。胡娟等通过熔融共混法制备PA6/CB纳米复合材料，研究表明，CB的添加量小于15%时，其纳米复合材料的拉伸强度随CB含量的增加而增大，但是当CB的添加量大于15%时，纳米复合材料由韧性断裂转变为脆性断裂，其拉伸强度和断裂伸长率都大幅降低。宋云华等[45]采用N,N-二甲基甲酰胺处理CB，然后与PA6共混得到PC6/CB纳米色母料，接着该色母料与PA6共混制备得PA6纳米复合材料，研究发现，当色母料的添加量为5%时，PA6纳米复合材料的拉伸强度达到105MPa，比纯PA6树脂提高了38.72%。碳纳米管（CNTs）可分为单壁纳米管（SWCNT）和多壁纳米管（MWCNT），其是由六边形排列的碳原子构成的几层至几十层的中空同轴圆管，其长径比可达105，拉伸强度可达钢材的100倍，对聚酰胺有较强的增强作用。赵芸等[48]通过原位聚合在PA66表面接枝酸化的碳纳米管得到PA66功能化碳纳米管材料（NFCNTs），然后采用溶液共混法将PA66和NF-CNTs混合制备得到PA66/NF-CNTs复合材料，研究结果表明，NF-CNTs在纳米复合材料中的分散性更好，当其添加量为2%时，PA66/NF-CNTs复合材料的初始失重温度达到最大值为390℃。阳范文等[49]采用熔融共混的方法，以YY-702为增容偶联改性剂分别制备得到PA6/CNTs-10和PA6/CNTs-5复合材料，研究发现，当YY-702质量分数分别为3%和4%时，PA6/CNTs-10和PA6/CNTs-5复合材料的拉伸强度达到最大值，分别为72.2MPa和75.8MPa，上述质量分数也为最佳用量。石墨烯是由sp2杂化的碳原子紧密堆砌而成的二维蜂窝状纳米材料，其片层厚度约为0.3nm，单电子层的结构使其具有较大的比表面积，为2600m2/g，拉伸强度可达130GPa，因此将其引入到聚酰胺基材中，可极大改善聚酰胺的力学性能。Ngun等采用原位聚合的方法以6-氨基己酸和氧化石墨烯（GO）制备聚酰胺6/GO复合材料，研究发现，与纯还原GO相比，PA6的聚合物分子链成功地接枝在改性的GO上，当其添加量为质量分数0.015%，聚酰胺6/GO复合材料的模量比纯PA6树脂提高了139%，但是其断裂伸长率略微下降。Dixon等通过溶解在单层氧化石墨烯（GO）水基分散体中的己内酰胺原位聚合制备了PA6/GO纳米复合材料，研究发现，与纯PA6相比，PA6/GO纳米复合材料表现出更高的降解温度，同时GO的加入降低了PA6的平均分子量，对α晶型起到成核作用，同时抑制了γ晶型的形成，当GO的添加量为质量分数0.65%时，其载荷可增加至64.9MPa。

1.4聚酰胺/POSS纳米复合材料

多面体低聚倍硅氧烷（POSS）属于倍半硅氧烷家族的一个成员，具有独特优异的有机-无机纳米级别的六面体结构，刚性的Si-O-Si的结构提供了其独特的耐热性能和优异的力学性能，同时与Si顶点相连的有机基团则可以提高POSS与聚合物的相容性和加工性能。将POSS纳米材料引入到聚酰胺中，可显著提高聚酰胺复合材料的力学性能、表面硬度、耐老化性和耐热性。

2聚酰胺纳米复合材料的应用

2.1包装领域

聚酰胺纳米复合材料具有优异的对水蒸气和氧气的阻隔性能以及对紫外线的吸收折射性能，能极大地满足对食品包装防护的要求。德国拜耳公司开发出PA6/纳米硅酸盐复合材料产品应用于包装薄膜，并且在厚度不变的情况下，其阻隔氧气的性能成倍的增加。美国霍尼韦尔公司开发出PA6/蒙脱土纳米材料，使PA6的氧气透光率降低100倍，可应用于饮料瓶和啤酒瓶材料的生产。

1.2免喷涂领域

我国的免喷涂技术发展相对较晚，但是最近几年，由于环保之风日益盛行，国内家电产品也逐步普及免喷涂材料，如海信和长虹的平板电视面框、美的和格力等的空调面板，海尔和美菱的冰箱拉手，以及小熊电器的电水壶和电吹风等小家电。免喷涂材料最初由沙伯基础公司（SABIC）于2000年以VISUALFX商品名提出，主要是通过在聚合物基材中添加特殊颜料达到特殊外观效果的聚合物合金。目前，尤尼吉可公司推出了基于层状硅酸盐和PA6得到的纳米复合材料，商品名为NANOCON，其具有95MPa的拉伸强度，可以有效解决免喷涂成型过程中出现的流痕和熔接痕缺陷的现象，而国内的会通新材公司近期推出了会特丽系列免喷涂产品，其通过PA6和层状硅酸盐制备得到纳米复合材料，可以应用于鼠标外壳、新能源电动车外饰件、箱包外壳和汽车引擎盖、把手等部件。

2结论

目前，用于聚酰胺的纳米材料主要包括层状硅酸盐、二氧化硅、碳材料、多面体低聚倍硅氧烷等，带来的性能上的提升也是多样化的，满足了包装领域、免喷涂领域、5G介电材料领域和电磁屏蔽与吸波领域等的要求，但是目前在上述领域的应用，国内目前还处于探索和研究阶段，大规模应用还有一定的距离，而上述领域对材料的需求强大，应用前景较好，亟待科研工作者开展深入系统的研究。

参考文献

[1]李世杰,王文志,刘跃军,等.MMT/超支化PA6纳米复合材料的制备及性能[J].塑料工业,2019,47(1):

[2]朱维平,王兴仁,戴干策.纳米塑料研究进展[J].现代塑料加工应用,2002,14(4):50-52.

[3]王成云,杨左军,张伟亚,等.聚酰胺纳米塑料研究进展[J].广东化工,2003,30(1):50-53.