原位聚合

纳米复合材料的合成方法

原位聚合法是从纳米复合材料中发展而来的，所谓纳米复合材料，即，纳米粒子与有机高分子材料共同构建而成的复合材料。纳米复合材料的合成方法有：熔融捏合，原位聚合，溶解法。原位聚合，顾名思义，就是把反应单体填充到纳米层状物的层间，让其在层间发生聚合反应。原位聚合法原理：原位聚合是一种把反应性单体(或其可溶性预聚体)与催化剂全部加入分散相(或连续相)中,芯材物质为分散相。由于单体(或预聚体)在单一相中是可溶的，而其聚合物在整个体系中是不可溶的，所以聚合反应在分散相芯材上发生。反应开始，单体预聚，预聚体聚合，当预聚体聚合尺寸逐步增大后，沉积在芯材物质的表面。

简介

纳米复合材料已俨然成为了未来柔性包装的发展重点，因此受到的关注也越来越多，由于用这种技术生产出来的材料的阻隔性、机械性能更强，重量更轻，所以全球纳米材料的市场正在不断扩张，预计到2008年全球纳米技术的市场有望增长到2.5亿美元，届时每年的增长速度预期会到18%~25%。

纳米材料的构成

聚合物纳米复合材料是将填充物分散到纳米粒子之间形成一种片晶而构建成的。然后，这些小片晶就分散到聚合体的矩阵中，形成的若干平行层迫使气体从聚合体中通过”曲折通道”逸出，针对气体和水气形成复杂的阻隔层。聚合体结构呈现地越曲折，阻隔性就越高。聚合薄膜的渗透系数（P）由两个因素决定：扩散（D）和溶解度（S）系数，也就是P = DxS。

当有更多的纳米粒子分散到聚合物中时，渗透性也会大大降低。根据美国陆军的纳提克士兵研究中心的研究表明，“聚合物中纳米粒子的分散程度跟纳米复合薄膜复合到那些纯的聚合薄膜上时出现的机械和阻隔特性的改善程度相关。”

为了使薄膜得到最佳的性能，和传统填充物的加入量相比纳米粒子的量要少许多。通常，纳米填充物的添加量不超过5%，这样就可以极大地减少纳米复合薄膜的重量。纳米粒子的分散过程会致使材料产生很高的材料纵横比和表面积，使填充了纳米粒子的塑料的性能大大优于填充传统材料的塑料。

填充物种类

有不同种类的填充物可供使用。最普通的一种是被称为高岭土的纳米黏土材料—单层的蒙脱石黏土。黏土在自然状态中就有亲水性，而聚合物也是亲水的。为了使这两者协调一致，必须对黏土的极性进行改良成为更加“有机”的物质。一种改良黏土的方法就是通过将有机铵阳离子（带正电的离子）和黏土表面的无机阳离子进行交换。

其他的纳米填充物包括碳纳米管，片状石墨和碳纳米纤维。另外还有一些填充物正在进行调研中，例如，合成黏土、天然纤维（大麻、亚麻）以及POSS（纳米复合光电薄膜）。碳纳米管—比纳米黏土填充物这种在自然界中易得到的材料的膨胀系数更高—能提供良好的导电性能和热传导性能。纳米黏土的两家主要供应商是Southern Clay Products

三种填充方式

通常有三种方法可以通过纳米填充物增强聚合物的性能来生产纳米复合材料：熔融捏合，原位聚合法和溶解法。将纳米填充物填入聚合物中的熔融捏合或称处理可以通过挤出机、注塑机或其他处理设备制造聚合物的时候同时进行。使用剪切力将聚合体颗粒和填充物（黏土）压制到一起以帮助剥落（将颗粒分解成正确的形状和层结构的加工方法）或分散。原位聚合法是在聚合状态下直接将填充物加到液态单体中。溶解法是将填充物加到使用诸如甲苯、氯仿、乙腈溶剂的聚合物溶液中，以使聚合物和填充物的分子结合到一起。

由于溶剂对环境有害，因此熔融捏合和原位聚合法是生产纳米复合材料使用最广泛的方法。

所以原位聚合法是在聚合状态下直接将填充物加到液态单体中。

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