聚合物/层状无机物复合材料的研究与制备

摘 要：本文综述了聚合物/层状无机物纳米复合材料的研究现状，实验制备了聚合物/层状无机物纳米复合材料，通过电导率、力学性能、X-射线衍射等测试，制备样品达到了预期的产品性能。

关键词：插层复合 复合材料 层状无机物 电导率

一、聚合物/层状无机物复合材料的研究状况

聚合物复合材料是以聚合物为基体，无机物以纳米尺度 （小于100nm）分散于基体中的新型高分子复合材料。与传统的复合材料相比，由于纳米粒子带来的纳米效应和纳米粒子与基体间强的界面相互作用，聚合物复合材料具有优于常规聚合物复合材料的力学、热学性能。目前， 聚合物复合材料的研究成为当前材料科学研究的热点和前沿课题， 具有重大的科学意义和广阔的应用前景.聚合物 /层状硅酸盐复合材料是目前研究最多、最有希望工业化生产的聚合物纳米复合材料。

1.聚合物 /层状无机物复合材料的特点

1.1填料用量远远少于普通复合材料；

1.2具有优良的热稳定性及尺寸稳定性；

1.3优良的力学性能、高的阻隔性；

2.聚合物 /层状无机物复合材料的制备方法

用于制备聚合物/层状无机物纳米复合材料的方法主要有三种：

2.1单体嵌入到无机物夹层中，在外力作用如氧化剂、光、热、引发剂或电子作用下发生聚合；

2.2主体材料强有力的氧化还原特性使嵌入与聚合原位同时发生， 也自动聚合；

2.3溶胶-凝胶法，在聚合物溶液中形成层状无机物，共沉淀干燥后得到嵌入纳米复合材料。

3.聚合物/层状无机物复合材料的应用前景

3.1高性能有机改性陶瓷

层状硅酸盐嵌入聚合物，可降低陶瓷的固化烧结温度，且韧性大大提高。如在层状硅酸盐中嵌入丙烯腈，在其夹层间聚合得聚丙烯腈，在高温下，聚丙烯腈经烧蚀可转化为碳纤维，从而得到分子水平分散的碳纤维增韧陶瓷。

3.2导电材料

在层状无机物的夹层中嵌入导电聚合物， 可制得导电复合材料。

3.3发光或变色材料

聚合物PPV和MoO3分别是有机电致发光和无机电致发光变色材料， 二者形成的复合材料，不但兼有各自的优点，而且改善了加工性能。

聚合物/层状无机物复合材料还可用于分子增强剂、光学材料等，总之聚合物/层状无机物复合材料结合了有机高分子材料的易于加工、韧性好和无机物的刚性、尺寸稳定性强等优点，应用十分广泛，有着广阔的应用前景。

二、聚合物/层状无机物复合材料的制备

本实验选用聚乙烯醇和无机物高岭土作为试验用聚合物和层状无机物。采用聚合物水溶液插层， 聚乙烯醇可以从水溶液中直接插层到高岭土的层间，并形成强的氢键， 因此而减弱了高岭土层间结合力，层间小分子迅速分解产生巨大的推力使其层间剥离，得到纳米复合材料。此法的特点是：水溶剂对高岭土具有一定的溶胀作用，有利于聚合物插层并剥离高岭土片层，插层条件比其他方法温和，水基插层既经济又方便。

1.实验药品

聚乙烯醇 （PVA） 工业品 市售

高岭土 工业品 市售

焦磷酸钠 分析纯 上海试剂二厂

工业酒精 工业品 市售

2.实验仪器

DDS-11A型电导率仪 上海雷磁新泾仪器有限公司

电子恒温水浴锅 上海金桥科析仪器厂

KD-50万能电子拉力实验机 深圳凯强利电子股份有限公司

电子显微镜

3.样品的制备

将配方量的聚乙烯醇和蒸馏水加入反应器， 在100℃下搅拌溶解，将配方量的高岭土、焦磷酸钠（分散剂）和蒸馏水在研钵中搅拌研磨配制成乳液。待反应器中的聚乙烯醇完全溶解后，将配制成的高岭土乳液在100℃、高速搅拌下加入反应器中，并持续搅拌1h，使高岭土完全分散在聚乙烯醇中。将产物倒入烧杯中，测定其电导率并在玻璃或瓷片上流延成膜。将此膜在常温下干燥24h，得到半透明状薄膜。

4.测试与表征

4.1电导率的测定：先用DDS-11A型电导率仪测出标准样（纯的聚乙烯醇溶胶）的电导率，再比较各组样品（溶胶状态下）电导率与标准样之间的偏差， 计算得出电导率。

4.2拉伸强度的测定：将制得的样品薄膜裁制成一定尺寸，在75℃下干燥1 h使其失水干燥， 在拉伸实验机上测定其拉伸强度。

4.3X-射线衍射测试。

4.4光学显微镜测试。

三、实验结果与讨论

1.高岭土含量对样品电导率的影响

对于聚乙烯醇/高岭土复合材料，人们最关心的是高岭土是否以纳米尺寸分散于聚乙烯醇基体中；分散是否均匀；它具有那些特性；它的应用前景如何；下面就上述问题研究的结果进行讨论。

表1 高岭土含量对电导率的影响

从表1可以看出溶胶状态下样品电导率随高岭土含量的增加而增大，这是因为在溶液中高岭土自身表面带有电荷， 增大其含量电荷数也会增多， 电导率必然会有所提高，但提高幅度不是很大。而且可以看出蒸馏水含量对电导率影响很小。

2.高岭土含量对样品抗拉强度的影响

表2高岭土含量对抗拉强度的影响

从表2可以看出在高龄土含量小于10%时，， 样品的抗拉强度与屈服强度都比空白样有明显提高。这是因为在高龄土含量小于10%时出现纳米效应是其强度提高，力学性能有很大改善。从表中还可以看出在75℃下加热后， 其抗拉强度有很大提高，这是因为加热时样品失水，结晶度提高，样品抗拉强度提高。但断裂伸长率几乎不变。

3.X-射线衍射分析

由衍射图可知，高岭土的峰出现在2θ～11.716°（d～7.5472A），2θ～35.278°（d～2.5420A），分别对应于001， 002晶面。聚乙烯醇的最强峰出现在2θ～19.489°（d～4.5509A），对应于101晶。可以看出高岭土的加入使得聚乙烯醇结晶度有很大提高。

四、结论

1.样品电导率随高岭土含量的增加有所提高。

2.高岭土含量在10%以内， 能产生纳米效应， 使得样品抗拉强度、屈服强度等力学性能有很大提高。

3.聚乙烯醇的结晶度有很大提高。

4.由分散剂处理过后， 高岭土以球状颗粒分布， 尺寸可达到85nm。

从以上分析可以看出，聚乙烯醇/高岭土薄膜强韧性好，拉伸强度高，气体透过率小。但加入高岭土后使得薄膜透明性变差，由于实验操作过程中薄膜厚度不均， 所以薄膜的测试性能有所偏差，有待于进一步改进。

图2 聚乙烯醇/高岭土X-射线衍射图

参考文献

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