节能纳米增强复合塑料的研究进展

其节能实质是充分利用高分子的聚集态结构的特点，填充纳米级粒子使其共混、改性，提高比强度、比刚度，节约纯树脂的消耗量，是极有节省能源和资源潜力的有效途径。１９90s年代北美推出TPO基纳米复合料，用5% n-MHT增强TPO，使其刚度提高到相当于加入25%~35%滑石粉填充PP的效果；丰田汽车用纳米滑石粉填充PP（60）/ EPP（30）复合塑料，使汽车保险杠的厚度从4mm减至3mm，重量减轻1/3；荷兰TNO公司，用纳米粘土与嵌段共聚物共混改性，使之完全混合，已成功地生产出PA、PE、PP、PS、PMMA、PU等粘土纳米复合料；美国Fordco利用超临界流体技术预热粘土，改善纳米粘土晶片的分散与扩散，在加工中利用超声波能量提高纳米粘土的分散，大大减少了溶剂用量；美国NanomatCO公司将纳米碳酸钙（n-CaCO3，最大平均粒径100nm）用于PC、ABS、PVC、TPE和热固性塑料SMC的改性，效果很好；新加坡Nano Mater公司，开发n-CaCO3（粒径15~40nm，商品名NPCC）加入2%~4%，可使UPVC管材的冲击强度提高6倍，减少增塑剂（CPE）用量50%，据悉，此项目已在我国山西投产，目前产量10t/a；美国俄亥俄州大学用压力使熔融树脂进入纳米微孔SiO2的微粒中，使分子间形成牢固的化学键，将基体材料的强度提高3~4倍，冲击韧性提高4~5倍，这种现象称为“协同增韧”或“跨粒子增韧”，当材料受外界冲击力时，可将其化为几百万次的小冲击，使穿过复合材料延伸的裂纹变得越来越细，一直到冲击能量消失为止；新型纳米增塑剂，是一种采用多面体低聚倍半氧硅烷（简称POSS）合成具有纳米结构化学改性的SiO2微粒，能溶于树脂中，使分子分散，保持低粘度，加大充填量，能与树脂融合为一体，而又不降低加工流动性能。当温度降低到POSS熔点以下时，能立即固化，形成纳米结构，起到增强作用。POSS的另一特点，是它的单体或齐聚物都与树脂发生接枝共聚，使玻璃化温度高于树脂本身的分解温度，而接枝的分解温度又比树脂提高40~400℃，从而在高温下能保持良好的加工流动性和节能效果，被称作是50年来研发产品的全新思路；碳纳米管是1991年问世的，是比强度、比刚度极强的复合材料，其技术本质是由石墨中的若干层碳原子卷曲而成的笼状纤维网，内部是空的，直径只有几十纳米，是人发的十万分之一；密度仅为钢的1/6，但机械强度却是它的100倍，导电率为铜的1万倍，有极高的表面活性，表面原子数约占50%，有很高的储氢能力和吸附能力，特别对微波的吸附；并且是迄今为止，唯一一种能从太阳至地球进行悬挂而不被自重所拉断的绳索材料，是理想的远距离输电材料。据悉，我国碳纳米管已居世界前列，日本三井物产公司宣布2002年9月投产运行量120t/a，而清华南风纳米粉体技术产业化工程中心，已批量投产15kg/h，达120t/a；国内安徽国通高新管业有限公司，利用纳米滑石粉，及纳米硅酸盐（脱土）复合母料，应用在生产大口径φ500mm以上HDPE双壁波纹管，既保持了高流动性，解决了加工中的能耗问题，使原加工设备的驱动功率能满足要求，又解决了因管子口径过大使刚度值降低的问题。
纳米设备的关键是填充母料的造粒问题，因为纳米粒子表面上的原子是处于高活化状态，易于团聚，如直接填加到树脂中难以分散均匀，需要研发新型双螺杆挤出机和高速、高效节能配混设备。