纳米(nanometer)是一个长度计量单位,1nm等于十亿分之一米(10-9m)。打个比方,1nm的物体放在乒乓球上,就像一个乒乓球放在地球上一般。从材料的结构单元来看,纳米尺度的粒子介于宏观物质与微观原子、分子的中间领域。其量子效应、物质的局域性及巨大的表面及界面效应使物质的很多性能发生质变,呈现出许多既不同于宏观物体,也不同于单个孤立原子的奇异现象。
纳米材料学是纳米科技的重要分支。聚合物基纳米复合材料在整个纳米材料学中占有重要的地位,它以高分子基体为连续相,其分散相中至少有一维小于100nm。和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的界面相互作用,使纳米聚合物复合材料比常规聚合物复合材料具有更特殊的优异性能。
目前国内外研究的聚合物基纳米复合材料按纳米分散相分主要有两大类:一类是直接添加纳米级填料(刚性纳米粒子)的改性聚合物;另一类是层状分散相改性聚合物,用微米级层状颗粒,在基体的聚合或加工过程中使微米颗粒中的层状单元剥离成纳米级分散相,从而形成纳米复合材料。
由此,产生纳米材料在不饱和聚酯树脂的应用主要也有两种方式:一是不饱和聚酯树脂一刚性纳米粒子复合材料;二是不饱和聚酯树脂-层状硅酸盐纳米复合材料。
不饱和聚酯树脂-刚性纳米粒子复合材料一般是将经过处理的纳米粉状材料直接分散在溶/熔态的不饱和聚酯树脂中。如何使刚性纳米粒子以团聚体的形态均匀分散到不饱和聚酯树脂中去,是制备纳米复合材料的关键。通常采用偶联剂等表面处理,再经超声波加工等使之充分分散,再制成纳米复合材料。
如以纳米SiO2改性不饱和聚酯树脂,当纳米SiO2(比表面积为643m2/g)加入量达到质量分数为3%时,复合材料的弹性模量可由3.76GPa提高到5.26GPa。
如果用0.2%~0.3%有机硅烷偶联剂处理纳米SiO2,使之较易分散在树脂中,再经超声波震荡分散,则得到不饱和聚酯树脂刚性纳米粒子复合材料。当纳米SiO2添加量达到质量分数为3%~5%时.材料的耐磨性提高l~2倍,莫氏硬度为2.8~2.9,接近于天然大理石,其拉伸强度提高了1倍以上,同时热稳定性和抗冲击性能良好。
如果用2%的NDZ-101偶联剂处理纳米TiO2,再使其分散在不饱和聚酯树脂中,则得到的不饱和聚酯树脂-刚性纳米粒子复合材料,其强度、韧性和耐酸碱性都得以提高。当纳米TiO2的加入量为质量分数4%时,材料的综合性能佳,拉伸强度提高102%、弯曲强度提高184%、断裂伸长率提高125%、冲击强度提高120%。
由于纳米微粒表面缺陷大、非配对原子多,表面括性高,产生巨大的表面及界面效应,故不饱和聚酯树脂-刚性纳米粒子复合材料对冲击能量的分散是由相界面共同承担的。一方面当粒子的粒径变小时,比表面积、表面活性增大,发生物理结合和化学结合的可能性大,界面承担了一定的载荷,吸收大量冲击能;另一方面,刚性粒子的粒径小,应力集中,可产生大量细纹或小裂纹,这些细纹或小裂纹的发展需消耗大量能量,因而在宏观上表现出很强的增韧效果。但刚性纳米粒子含量过高时,不饱和聚酯的基体层厚度L与不饱和聚酯树脂-刚性纳米粒子的界面厚度Li将对复合材料的韧性产生影响。当2Li
7 纳米技术在不饱和聚酯树脂中的应用