蒙脫土納米材料改性聚丙烯

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所屬分類:塑料文章

研究者利用無機層狀硅酸鹽礦物--蒙脫土具有天然的納米硅氧化四面體的片狀結構,進行插層聚合式與聚合物熔體作用,使之被剝離為納米尺度的片層并均勻分散到聚合物基體中,從而形成聚合物納米材料。

由于蒙脫土為層狀無機納米復合材料,從結構觀點來看,這種高聚物/層狀無機納米復合材料包括插層型和剝離型兩種復合類型,其結構示意圖見下圖。圖中粗體直線代表層狀硅酸鹽基本結構單元(晶片)的橫切面,彎曲的細線代表高分子鏈。由此可知,插層型納米塑料中層狀硅酸鹽在近程仍保留其層狀有序結構(一般10-20層),而遠程是無序的。剝離型納米塑料中層狀硅酸鹽有序結構皆被破壞,因此,二者在性能上有很大差異。

蒙脫土納米材料改性聚丙烯

聚合物層狀無機納米復合材料的結構示意圖

在插層型納米塑料中,聚合物插層進入硅酸鹽片層間,蒙脫土的片層間距雖有擴大,但片層仍然具有一定的有序性。在剝離型納米塑料中,蒙脫土的硅酸鹽片層完全被聚合物打亂,無規分散在聚合物基體中的是一片一片的硅酸鹽單元片層,此時,蒙脫土片層與聚合物實現了納米尺度上的均勻混合。由于高分子鏈運輸特性在層間受限,空間與層外自由空間有很大的差異,因此插層型納米塑料可作為各向異性的功能材料,而剝離型納米材料具有很強的增強效應,是理想的強韌型材料。

由于聚合物基體與粘土片層的良好結合和粘土片層的平面取向作用,納米塑料表現出良好的尺寸穩定性和很好的氣體阻隔性。其高阻隔性原理示意如下圖所示。

蒙脫土納米材料改性聚丙烯

高阻隔性原理示意圖

有研究者制備的蒙脫土尼龍6(nc-PA6)膜與通用尼龍6膜比較有很好的對氧氣和水蒸氣的阻隔性,對氧的透過率可降低2/3。膜的性能比較如下表所示。

nc-PA6薄膜性能指標

性能PA6膜nc-PA6腸衣膜
拉伸強度(縱/橫)/MPa33/5380/56
熱收縮率(縱/橫,190℃,10min)/%3.0/3.03.0/3.0
拉伸斷裂伸長率(縱/橫)/%332/368380/212
撕裂強度(縱/橫)/kN/m116.0/151.7150.8/165.7
水蒸氣透過系數(38℃,90%RH)/(g·cm/m2·s·Pa×105)2.11.7
氧氣透過系數(23℃,60%RH)/( cm3·mm/m2·24h·Pa×105)1.440.58

由上表中的數據可以看出,用層狀納米無機材料改性聚丙烯膜會改善膜的阻隔性,因此這對于聚丙烯包裝材料來說是一種很好的改性方法。

利用這種蒙脫土納米聚丙烯可用于生產各種聚丙烯制品,如聚丙烯管材、棒材等。將這種納米材料與無規共聚聚丙烯(PP-R)管材相比,具有更好的化學穩定性,抗沖擊性,衛生環保性,高溫穩定性,抗抽取性,加工性和經濟性。這種材料的收縮性小,抗蠕變性能優異,在60-70℃的溫度下,它的耐蠕變開裂壽命可達到50年以上。下表為這種聚丙烯管材的部分性能指標。

納米PP-R管材的性能指標

性能指標測試方法
密度/kg/m30.93ISO 1183
溶體流動速率/g/10min0.33
沖擊強度/Kj/m24623℃、缺口
擺錘沖擊強度/ Kj/m211-10℃、缺口
拉伸屈服強度/N/mm230ISO 527
拉伸斷裂強度/ N/mm233
彈性模量/ N/mm21070
彎曲模量/ N/mm21540ASTM D790
維卡軟化溫度(10N)/℃155ISO 306/A
熔點(DSC)/℃169ISO 3146
線性膨脹系數/K-11.5*104DIN 53752
熱導率/W/(m·K)0.24DIN 52615

 

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