纳米粘土材料课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,粉体材料的粒级划分,超细粉体材料：平均粒径在1-10微米,亚超细（或亚微米）粉体：平均粒径在1-0.1微米,纳米粉体材料：平均粒径在1-100纳米,第一页，共24页。,粉体材料的粒级划分超细粉体材料：平均粒径在1-10微米第一页,1,The Concept of Nanocomposite,纳米复合材料：分散相尺寸有一维在纳米量级（1-100纳米）的复合材料。,零维纳米材料：三维均在纳米量级，球状,一维纳米材料：有两维在纳米量级，管状,二维纳米材料：有一维在纳米量级，片状,第二页，共24页。,The Concept of Nanocomposite纳米,2,纳米材料的两个重要特性,尺寸效应：至少有一维在1-100纳米范围,突变效应：尺寸小到一定程度，其性能发生突变,第三页，共24页。,纳米材料的两个重要特性尺寸效应：至少有一维在1-100纳米范,3,随着纳米粒子的尺寸的变小，表面积急剧增大，表面原子百分数迅速增加，表现为很高的化学活动性,。,第四页，共24页。,随着纳米粒子的尺寸的变小，表面积急剧增大，表面原子百分数迅速,4,天然纳米矿物材料,蛋白石：纳米介孔材料，孔直径在5-20纳米，比表面积在277.3m,2,/g,纤蛇纹石石棉：纤维直径在16-56纳米之间，比表面积50-100 m,2,/g,石墨：经物理或化学分散后，可制成纳米石墨,蒙皂石粘土矿物、球粘土,沸石、海泡石、玻缕石为具纳米孔道的天然纳米结构材料,第五页，共24页。,天然纳米矿物材料蛋白石：纳米介孔材料，孔直径在5-20纳米，,5,Nanoclay Composite,粘土片层纳米级分散在有机基质(橡胶或塑料高分子聚合物中）制成的复合材料,第六页，共24页。,Nanoclay Composite粘土片层纳米级分散在有机,6,蒙脱石晶体显微结构透射电镜照片,第七页，共24页。,蒙脱石晶体显微结构透射电镜照片第七页，共24页。,7,粘土片层在基质中的几种分散情况,第八页，共24页。,粘土片层在基质中的几种分散情况第八页，共24页。,8,纳米粘土/聚合物复合材料的透射电镜照片,第九页，共24页。,纳米粘土/聚合物复合材料的透射电镜照片第九页，共24页。,9,聚合物/层状硅酸盐复合材料（Polymer Layered Silicate 简称PLS）：美国康乃尔大学的Giannelis和Pinnavaia等小组、Pennsylvaia大学、Dow Chemical Company、日本丰田发展中心和中国科学研究院化学研究所、北京化工大学。,粘土/塑料高分子聚合物纳米复合材料：,粘土/橡胶高分子聚合物纳米复合材料：,纳米粘土复合物材料研究现状,第十页，共24页。,聚合物/层状硅酸盐复合材料（Polymer Layered,10,聚合物/粘土纳米复合材料的优点,(1)重量轻，很少质量分数（3%5%）即可具有很高性能,(2)具有优良的热稳定性及尺寸稳定性；,(3)力学性能优于纤维增强聚合物体系，可以在二维方向上起到增强的作用。,(4)有优异的阻隔性能；,(5)纳米蒙脱石/热塑性聚烯烃复合物容易再生利用，其力学性能能够在再生中得到提高；,(6)具有抗静电性和阻燃性；,(7)填料颗粒小，塑料制品的表面更加光洁,9,。,第十一页，共24页。,聚合物/粘土纳米复合材料的优点(1)重量轻，很少质量分数（3,11,粘土纳米复合材料对气体的阻隔性能,第十二页，共24页。,粘土纳米复合材料对气体的阻隔性能第十二页，共24页。,12,纳米粘土在液晶材料上的应用,第十三页，共24页。,纳米粘土在液晶材料上的应用第十三页，共24页。,13,溶胶-凝胶法,插层法,共混法,填充法,。,纳米复合材料的制备方法,第十四页，共24页。,溶胶-凝胶法纳米复合材料的制备方法第十四页，共24页。,14,溶胶-凝胶法（Sol-Gel Process）,是由R-Si(OCH,3,),3,反应物开始，其中R是可聚合的单体。无机相是由-Si(OCH,3,),3,基团的水解和缩合生成的体型硅酸盐，而有机相是由R-聚合而成的高分子，有机-无机相之间以C-Si共价键相连,29,，具有纳米微粒较小的粒度和较均匀的分散程度，但合成步骤复杂，纳米材料与有机聚合物材料的选择空间不大。,第十五页，共24页。,溶胶-凝胶法（Sol-Gel Process）第十五页，共2,15,插层法,是一种制备有机-无机纳米复合材料的重要方法。此法能够获得趋于单一分散的纳米片层的复合材料，容易工业化生产，但不足之处是可供选择的纳米前驱体材料不多，仅限于蒙脱石粘土等几种层状硅酸盐。,第十六页，共24页。,插层法第十六页，共24页。,16,有机大分子在晶层中的几种排列情况,第十七页，共24页。,有机大分子在晶层中的几种排列情况第十七页，共24页。,17,有机分子不同，蒙脱石晶层膨胀间距大小也不同,第十八页，共24页。,有机分子不同，蒙脱石晶层膨胀间距大小也不同第十八页，共24页,18,共混法,是纳米粉体与聚合物粉体混合的最简单、方便的方法，但制得的复合材料远没有达到纳米级分散水平，而只属于微观复合材料。原因在于，当填料粒径减小到10.1,m,时，粒子的表面能如此之大，粒子间的自聚作用非常显著，现有的共混技术难以获得纳米尺度的均匀共混；现有的界面改性技术难以完全消除填料与聚合物基体间的界面张力。,第十九页，共24页。,共混法第十九页，共24页。,19,填充法,目前仍处于发展初期，其优点是纳米材料和基体聚合物材料的选择空间很大，纳米材料可以任意组合，任意分散。,第二十页，共24页。,填充法第二十页，共24页。,20,用于制备聚合物-无机纳米复合材料的无机物包括：层状硅酸盐矿物，层状化合物，金属粉体以及各种无机氧化物等。无机氧化物SiO,2,、TiO,2,、SiC等用于制备粉体材料的技术在现阶段已相当成熟。在聚合物-无机纳米复合材料中，以粘土为无机相的复合材料仍然占据相当大的比例。粘土主要是由粘土矿物组成。大多数粘土矿物均为层状含水的硅酸盐。作为纳米前驱体的层状硅酸盐片层尺度一般均在1100nm之间，因此，层状硅酸盐本身就是“天然的纳米”结构，这种层状结构是设计制备有机高分子-无机粘土纳米复合材料的基础，由此得到的纳米复合材料比基体高分子大大提高，因此形成了今天世界范围内的研究开发热点。,第二十一页，共24页。,用于制备聚合物-无机纳米复合材料的无机物包括：层状硅酸盐矿物,21,层状硅酸盐矿物是由表面带负电的片层，靠层间可交换性阳离子的静电作用而形成的层状结构，层间可交换阳离子可与其它有机阳离子进行离子交换反应而使层间距增大，然后使单体或有机高分子插入其层间而形成纳米复合材料。,层状硅酸盐矿物（蒙脱石）结构特点,第二十二页，共24页。,层状硅酸盐矿物是由表面带负电的片层，靠层间可交换性阳离子的静,22,制备纳米复合材料的层状硅酸盐矿物应具有如下特殊性质,层状结构：高径比达1000的完全分散的晶层，这种片层晶体具有的畸变、缺陷和断键等形成更多的端面，导致较高的物理、化学活性和显著的吸附性能；粘土的纯度。有效的层状硅酸盐片晶含量要高；可以通过有机阳离子和无机金属离子的离子交换反应来调节粘土的表面化学特性，使其表面由亲水性改为亲油性，与有机聚合物客体之间存在强亲和性，插层客体不易脱离；粘土的稳定性好。作为插层用的粘土是一种不具有氧化还原性质的惰性主体，被插入到层间的有机可聚合单体的聚合反应，以及插层复合材料的加工等可以根据实际需要设计工作条件，而不必考虑粘土的可变性。,第二十三页，共24页。,制备纳米复合材料的层状硅酸盐矿物应具有如下特殊性质第二十三页,23,层状硅酸盐矿物的晶体构造分类,1:1型,高岭石族高岭石、地开石、珍珠陶土等,埃洛石族埃洛石等,2:1型,蒙皂石族蒙脱石、皂石、拜来石等,水云母族伊利石、海绿石等,绿泥石族各种绿泥石等,玻缕石和海泡石族 玻缕石、海泡石,第二十四页，共24页。,层状硅酸盐矿物的晶体构造分类 第二十四页，共24页。,24,