尼龙纳米复合材料及其在包装上应用.pdf
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1、2 0 0 8年第 l 8卷第 2期 塑料包装 4 7 尼龙纳米复合材料及其在包装上应用 唐伟 家 吴汾李茂彦(南京聚隆工程塑料有限公司)摘要综述 了尼龙纳米复合材料的开发、市场、制备工艺、特性和提 高材料 阻隔性 的机理,重点介绍 了尼龙 6 纳米复合材料和 MX D6 尼龙纳米复合材料在 阻隔性包装 上应用,并提 出了我国发展建议。关键词 聚合物纳米复合材料 尼龙 6 MXD6尼龙包装阻隔性 述评 聚合物纳米复合材料是以聚合物为基体(连续相)、填料(分散相)以纳米尺寸(一般 1 1 0 0 n m)超微细分散于基体 中的新型材 料,填料尺寸 比一般填料小 1 0 0 0 倍左右,填 充量小
2、,却能明显改进基础树脂性能,因而引 起世界工业界 和科 学界极大兴趣和普遍关 注。尼龙(P A)纳米复合材料是第一个工业化 聚合物纳米复合材料,也是 目前实际用量最 大和前景看好的纳米复合材料。人们关于纳米复合材料 的研究 已有 5 O 多年历史,1 9 5 0年美 国专利(U S P a t e n t 2 5 3 1 3 9 6)首次报道了纳米复合材料”。最早的工业 化纳米复合材料(N C H)是 1 9 9 0年 日本 丰 田 中央研究所与宇部兴产公 司开发成功 的,用于生产丰 田汽车的定时器套,后来又做发 动机装饰外壳,分别取代钢材和无机填充聚 丙烯(P P)。N C H是指尼龙粘土复
3、合物(N y l o n C l a y H y b r i d,缩写 N C H o 1尼龙纳米复合材料材料开发和 市场 1 1开发工作十分活跃 尼龙纳米复合材料开发成功表明,这种 复合材料有其他复合材料无法 比拟 的优点,在许多领域有巨大应用潜力,因而许多 国家 加大投入,加速开发和工业化推广进程。美 国纳米 复合 材料技术 居世界领 先地 位),有 4 0 0 多家研究中心和公司涉足该领 域,投入经费超过 3 4 亿美元,欧洲至少有 1 7 5 家公司从事纳米复合材料研究开发,日 本有 1 0 0多家公司参与纳米复合材料科学研究和 开发应用工作。自上世纪 9 O 年代初开发成功 N C
4、H后,纳米复合材料已从基础研究向工业 化快速迈进,发表论文和有关学术会议急剧 增加,美 国化学会于 2 0 0 1 年创刊纳米技术相 关新期刊 N a n o L e t t e r s)(纳米通讯)。维普资讯 http:/ 4 8 塑料包装 2 0 0 8年第 1 8卷第 2 期 1 2市场增长前景看好 2 0 0 8 年前世界纳米复合材料市场 以年 均 1 8 2 5 速率 递增,2 0 0 8年市 场量 达 2 5 亿美元,预计 2 0 0 9年食品和饮料工业用 纳米 复合材料软包 装和硬包装量将 达 2 2 6 K t,2 0 1 1 年进一步增大为 4 5 3 6 K t,2 0 0
5、 6年啤 酒包装是最大最终包装应用,而 2 0 1 1 年碳酸 软饮料(C S D)包装用纳米复合材料消费将超 过啤酒,年消费量达 2 2 6 K t。也有报道预计 z)2 0 0 5 2 0 1 0 年间世界聚 合物纳米复合材料需求增长率为 2 0 左右,世界纳米复合材料消费将从 2 0 0 4 年的 1 4 K t 增大为 2 0 1 0 年的 5 0 0 K t。应用市场包括包装 工业(阻隔性材料)、汽车和航空工业(高性能 部件)、织物、阻燃材料和耐磨材料。2尼龙纳米复合材料制备和特性 2 1插层聚合法和熔融配混法是主要制 备方法 聚合物纳米复合材料制备方法有插层聚 合法、原位复合法、熔
6、融共混法、分子复合形 成法和超微粒子直接分散法 )。其中最重要 的工业化方法是插层聚合法和熔融配混 5)。也有人称后者为聚合物插层法,把插层聚合 法和聚合物插层法合称为插层复合法。插层复合法基本原理是:先将聚合物的 单体或聚合物分子链插入具有层状结构 的刚 性粘土(硅酸盐)的片层之间,然后通过聚合 或熔融插层使粘土片层之间的间距扩大或完 全解离成单独的片层并均匀分散在聚合物基 体中。按照插层复合过程,插层复合法可以分 成两大类 6):插层聚合法和聚合物插层法,即 分别是将单体和高分子插入到粘土片层之间 制备聚合物纳米复合材料。通过聚合过程或插层剂 的作用,层状硅 酸盐剥离成厚度 1 n m左右
7、,长和宽为 3 O 1 0 0 n m的基本单元,并均匀分散于聚合物基 体树脂中。插层聚合法优点为粘土用量少,聚 合结束便直接得到纳米复合材料,插层复合 法需先用有机离子处理粘土(硅酸盐)表面,使其成为疏水性材料,改进与聚合物的相容 性。由 日 本宇部兴产公司和丰田中央研究所 开发制备 的第一个尼龙纳米复合材料是采用 聚合物插层法。工业上最常用的粘土是蒙脱 土(MMT)。美 国纳米粘土生产厂 S o u t h e r n 粘土产品 公 司与 A k r o n 大学首次 比较详细报道 了通 过熔融配混(m e l t c o m p o u n d i n g)法制备纳米复 合材料试验,实验
8、表明决定性的两个因素是 合适的纳米复合材料的表面化学处理和最佳 化配混工艺,比较 了 4 种不同挤出配混机:配 有高强力混合头 的单螺杆挤 出机,积木组合 式 自洁型同向双螺杆挤 出机,积木组合式啮 合型异向双螺杆挤 出机和积木组合式非啮合 型异 向双螺杆挤出机,结果发现,中等剪切强 度下纳米粒子在聚合物母体树脂中粘土(蒙 脱土)分散和分层效果最好,即超过一定剪切 强度时粘土分散和分层效果反而下降,另一 个与预想不 同的结果是非啮合型异 向双螺杆 挤出机分散、分层粘土粒子作用优于啮合型双 螺杆挤出机。美国著名大型塑料配混厂 R T P 公司是世界最早能工业化供应尼龙纳米复合 材料厂家,采用的就
9、是熔融配混法。该 s)比 插层聚合法需添加更多的纳米粘土(达到同 维普资讯 http:/ 2 0 0 8年第 1 8卷第 2期 塑料包装 4 9 样改性效果),优点是可能与其他增强材料 并用,与其他树脂形成合金,拓 宽材料性 能 和应 用。为适用纳米粒子高 比表面积,大型塑料 配混机 厂德 国 C o p e r i o n We r n e r&P fl e i d e r e r 公 司(s 开发出制备聚合物专用纳米复合材料 的 Z S K ME G A型双螺杆挤出配混。2 2“原位”聚合法新工艺纳米粒子用量少 最近美 国塑料配混厂 P o l y O n e(普立万)公 司(9 报道 采
10、用己内酰胺和纳米粘 土的“原 位”聚合反应(或叫原位配混法)。制备尼龙纳 米复合材料,商 品名 N a n o b l e n d,该公 司称 N a n o b l e n d 为塑料“合金”,因为在聚合前和聚 合后,己内酰胺与纳米粘土间形成化学键合,从而能防止在后续加工中纳米粘土粒子重新 团聚的可能性,纳米粒子 团聚对复合材料性 能优点有负面影响。具体工艺过程为:用表面 活性剂官能化纳米粘土,然后加入己内酰胺 单体,己内酰胺聚合成尼龙 6时纳米粘土分 散在其中,不需熔融配混过程及其消耗的能 量。而且产品性能也优于熔融配混法,由于不 发生纳米粒子团聚,粘土用量减少一半。并称 由于许 多人购买
11、 纳米粘土 自己制备复合材 料,由于纳米粒子 团聚作用导致结果不理想 而 影 响复合 材料 名 声,因此 产 品 取 名 为 N a n o b l e n d,与以前的纳米复合材料区别。含 2 5 纳米粘土 的 N a n o b l e n d的机械性能优于 含 5 O 纳米粘土 的熔融配混法尼龙纳米复 合材料,详见表 l(。表 1 尼龙和不 同尼龙 纳米复合材料性 能对 比 2 3尼龙纳米复合材料特性 2 3 1 超微细分散纳米粒子改性效果显著 纳米粘土粒子为片状结构,厚度为 l n m 左右,而长、宽 均为几 十 n m,这就是纳米 粒 子表面积高达 1 0 01 0 0 0 m 2
12、g的原 因,即 使加入量很小,改性效 果显著优于滑石 和 玻纤等增强材料。纳米级尺寸填料在聚合 物 中超微细分散,聚合 物与填料 间相互作 用增大,长度 厚 度 比甚至能大 于 1 0 0。因 此少量纳米粘土粒 子便 能达到提高材料 阻 隔性、刚性和降低吸水性 的效果。对聚合物 母体树脂 的改性包括:提高 弯曲模量(约为 原来 的 1 5 2倍),提高摩擦 和耐磨耗性,提高热变形温度,降低热膨胀 系数,降低水 蒸汽、氧等 的透过 率,提高 阻燃 性,改进离 子导 电性(i o n i c c o n d u c t i v i t y),提高耐化学性 和 透 明性(。由于纳米粒子添加量一般为百
13、分之几,远低于一般无机填料和玻纤 的 2 0 3 0 ,因此最终材料密度变化很小,增强最终制品 竞争力。表 为 P A 6与不同制备方法 P A 6 粘土纳米复合材料性能 比较。维普资讯 http:/ 5 O 塑料包装 2 0 0 8年第 1 8卷第 2 期 密度 拉伸强度 断裂伸长率 弯曲强度 弯曲模量 悬臂梁冲击强度 热变形温度(1 8 MP a)(0 4 5 MP a)热膨胀系数(MD)(T D)成型收缩率(MD)(T D)(a):日本东日 日 公司开发的 P A 6 土纳米复合材料(b):日本尤尼奇卡公司的P A 6 土纳米复合材料标准牌号(c):日本东丽公司标准 P A 6牌号 2
14、3-2改进材料阻隔性机理和效果 尼龙纳米复合材料对 0:、C O:和烃类化 合物气体高阻隔性的原因是 由于均匀分散在 聚合物基体树脂 中的纳米粘土粒子的尺寸特 性,纳米粒子长度和宽度是其厚度的几十倍,因此延长气体分子通过路线,类似“迷宫”作 用,被称为是被动(P a s s i v e)阻隔作用,如图 1 图 1 纳米粒子提高阻隔性机理 所示,根据 图 1 所示提出如下气体透过率计 算公式。P J ,一 J:J:一 n l+(L 2 t)式中:P :纳米复合材料气体透过率 P n:聚合物气体透过率:聚合物体积分数:粘土体积分数:单层粘土平均长度 t:单层粘土平均厚度 由上式可见,随复合材料中粘
15、土含量增大 和长厚比()增大,气体透过率下降,并随单层 粘土的长度(按锂蒙脱石、皂石、蒙脱土和合成 石英的次序)增大而下降,一般粘土用量为 5 以下时,气体透过率降为原来聚合物的 1 2 耻 、5 4 5 姗 胁帆帆 【I 维普资讯 http:/ 2 0 0 8年第 1 8 卷第 2期 塑料包装 51 1 1 0,最长的合成石英降至仅为原来的 1 1 0 左 右,而常用的蒙脱土为原来的4 5 左右。合材料用于工业化包装及其他有关应用的关 键。表 3 是尼龙薄膜与 N C H薄膜包括气体透 降低气体透过率(提高阻隔性)是纳米复 过率的性能对 比”。表 3 尼龙膜与 N C H膜性能对比 薄膜厚度
16、 6 0 m 透明性(雾度)是包装工业对材料的重要 性能要求,使顾客能看到包装 内物品,增强购 买兴趣。而一般填料会 降低薄膜透 明度,而 N C H中不仅填料添加量小,而且由于粒子是 纳米级尺寸,几乎不影响薄膜的透明性:。值得一提 的另一个优点是尼龙纳米复合 材料的可 回收性,玻纤增强尼龙在成型和粉 碎时破损,长径 比减小。所以回收再利用的材 料性能下降,而片状硅酸盐为超细微增强材 料,成型和回收粉碎时无破损,故回收再利用 材料性能几乎不变。因而尼龙纳米复合材料 能减少废包装料,有助于解决全球面对的材 料回收和环境问题。3尼龙纳米复合材料开发和包装 应用进展 尼龙 6 纳米复合材料 主要应用
17、是包装,而 M X D 6尼龙纳米复合材料是有成本竞争力 的高阻隔性系统的关键组分。根据薄膜、织物 和工程塑料部件等潜在和实际应用要求,尼 龙 6纳米复合材料最受人们关注,因其兼有 其两个组分的特 陛,显示优良的综合性能。3 1尼龙 6 纳米复合材料 美国 R T P公司熔融配混法制备的尼龙 6 纳米复合材料含有机粘土 2 8(重量分 数),其性能优于或等于加 2 0 3 0(重量 分数)无机填料的尼龙 6 配混料,而氧透过率 低 4 倍,并且成型薄膜和片材透明性高。德国 B a y e r 公 司和美 国 H o n e y w e l l 公 司制 备 的含 2(重量分数)纳米粘土尼龙 6
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- 尼龙 纳米 复合材料 及其 包装 应用
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