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纳米膨润土复合材料的研究进展

时间:2011-04-11 11:45:41 来源: 作者:聪聪编辑点击:次

摘要：纳米膨润土的加入能显著提高涂料的各项性能指标，因而在涂料中的应用变得越来越广泛。综述了纳米膨润土复合材料的制备、性能及其在涂料中的应用。

关键词：纳米膨润土；复合材料；涂料

膨润土是一种以蒙脱石为主要成分的硅酸盐粘土矿物。其特殊的层状结构赋予其优良的亲水性、可塑性、膨胀性、粘结性、流变性和增稠性，使其在涂料中具有广泛的应用。传统的方法是将其改性为钠基、锂基、有机膨润土来提高它的各项性能。近年来，随着纳米材料的开发与应用日益成为研究热点，纳米膨润土复合材料方面的研究也越来越多，将其应用于涂料中集纳米效应和膨润土的优良特性于一身，能更好的提高涂料的各项性能指标。本文综述了纳米膨润土复合材料的制备、性能及其在涂料中的应用。

1·制备纳米膨润土复合材料的原理

先将有机阳离子(季铵盐等)与膨润土层间的可交换阳离子发生离子交换，使有机基团覆盖于膨润土表面，改变其表面性能，从而使膨润土由亲水疏油改变为亲油疏水的有机膨润土，并与大多数有机溶剂和高分子具有良好的亲和性，这一过程称为膨润土的有机化，其反应式如下：

经过有机化以后，膨润土的层间距d001由1nm左右增至2.0nm或更大。

膨润土有机化后，利用物理和化学作用，先将聚合物单体或聚合物插入经插层剂处理过的层状硅酸盐片层间，并依靠膨润土和聚合物的相互作用，使硅酸盐片层逐步解离成厚度小于50nm、长×宽为100mm×100nm的基本纳米单元，并均匀分散到基体中，最终实现膨润土与聚合物在纳米尺度上的复合。

按其插层复合过程，可分为聚合物插层型和插层聚合型两类。而根据纳米材料的最终复合形式，又可分为插层型纳米复合材料和剥离型纳米复合材料2种，二者在性能上有较大的差别。在插层型纳米复合材料中，层状硅酸盐层间距虽然有所扩大，片层有所解离，但仍保持一定量片层的相对有序性；在剥离型纳米复合材料中，硅酸盐片层完全被单体或聚合物解离，无序分散在聚合物基体中的是硅酸盐单元片层，此时，硅酸盐粘土与聚合物实现了纳米单元片层的均匀混合，剥离型是插层型分散的最终形式。

2·各种应用于涂料中的纳米膨润土复合材料的制备及应用

2.1环氧树脂/纳米膨润土复合材料

首先用有机胺对蒙脱石(Na-基膨润土)通过离子交换反应进行改性，然后改性后的蒙脱石与双酚A型环氧树脂在搅拌下充分混合，热模浇铸，制备环氧树脂-蒙脱石纳米复合材料。

制备高性能环氧树脂/膨润土纳米复合材料的关键是使膨润土剥离成独立的片并均匀分散于环氧树脂基体中。KornmannX等研究了纳米复合材料的合成中蒙脱土的阳离子交换容量(CEC)的影响。在环氧分子浸润插层阶段，CEC值较小的改性蒙脱土已经剥离，而较大CEC值的蒙脱土的剥离与插层时间有较大关系，在凝胶点前完成剥离，他的解释是CEC值较小的蒙脱土层间有较多的酸性烷基胺离子，对环氧分子的自聚合反应有催化作用。LanT等分别用CEC值不同的粘土，制备出了环氧树脂/粘土纳米复合材料，他得出的结论是CEC较小的粘土比较容易剥离，这是因为CEC较小时，有机阳离子在粘土层间由平行排列、倾斜排列转变成垂直于硅酸盐晶片的排列，环氧树脂、固化剂进人粘土层间的量增多，固化反应在层间的放热量增大，更利于硅酸盐晶片的剥离。

BrownJM等研究了在纳米复合材料中不同种类的季铵盐的作用。根据蒙脱土与季铵盐的三种结合方式--氢键力、偶极力和范德华力选择相应的改性剂，研究表明蒙脱土与羟基取代的季铵盐以氢键结合，环氧分子与之有较好相容性，并且能催化固化反应，提高层间聚合速率。

张永祥等研究了有机膨润土的用量对涂料流变性能的影响，结果显示10%添加量的环氧树脂对漆膜具有很好的流平性，且基本无流挂现象。徐燕莉等将此复合材料用于环氧树脂涂料体系中，具有较好的流变性，对颜料粒子具有较好的防沉性能，涂膜的性能也得到明显提高。

2.2聚氨酯/纳米膨润土复合材料

制备聚氨酯/蒙脱土纳米复合材料一般采用单体插入聚合法和聚合物溶液直接插入法。(1)单体插入聚合法。先将聚醚或聚酯多元醇插层进入有机蒙脱土层间，使晶片层间距进一步增加，形成多元醇/蒙脱土杂化物，再与异氰酸酯、扩链剂、交联剂聚合，制得纳米复合材料；另外也可将小分子扩链剂、交联剂预先插层进入有机蒙脱土层间域，然后与端NCO预聚物反应，得到聚氨酯/蒙脱土纳米复合材料。(2)聚合物溶液直接插入法。采用该方法制备聚氨酯/蒙脱土纳米复合材料必须在聚氨酯的良溶剂(如THF、DMF、DMA、甲苯等)中进行。可先将有机蒙脱土分散在溶剂中，然后在室温或加热条件下搅拌混合，最后除去溶剂。

关键词： 纳米膨润土复合材料

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