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1、-蒙脱土蒙脱土13. 纳米塑料纳米塑料PM 2.5大气中粒径小于或等于大气中粒径小于或等于2m（有（有时时用小于用小于2.5m，即，即PM2.5）的）的颗颗粒物。粒物。7 mPM 2.5 13.1 13.1 聚合物纳米复合材料简介聚合物纳米复合材料简介u聚合物基纳米复合材料聚合物基纳米复合材料 是以是以聚合物聚合物为基体，与为基体，与金属粒子、无机非金属金属粒子、无机非金属粒子粒子或或片层片层以及以及有机物有机物等进行等进行纳米级复合纳米级复合而得到的一种性能而得到的一种性能优异的材料。优异的材料。 13.1 13.1 聚合物纳米复合材料简介聚合物纳米复合材料简介u聚合物纳米复合材料的要素聚合
2、物纳米复合材料的要素 聚合物基体、纳米基元（分散相）、纳米基元在基体中的纳米尺寸分散。u纳米分散相纳米分散相 可以是各向同性的粒子、各向异性的纳米针、纤维状纳米管、纳米线、层状纳米增强基元等。u分散相尺寸至少有一维分散相尺寸至少有一维小于小于100纳米纳米的复合材料。的复合材料。聚合物基纳米复合材料分类聚合物基纳米复合材料分类聚合物聚合物/无机无机颗颗粒粒纳纳米复合材料米复合材料 （0维纳维纳米复合材料）米复合材料）聚合物聚合物/纳纳米米纤维纳纤维纳米复合材料米复合材料 （1维纳维纳米复合材料）米复合材料）聚合物聚合物/层层状化合物状化合物纳纳米复合材料米复合材料 （2维纳维纳米复合材料）米复
3、合材料）最早的纳米塑料应用最早的纳米塑料应用p1991年日本丰田中央研究院和日本宇部兴产公司年日本丰田中央研究院和日本宇部兴产公司（尼龙树脂厂）联合开发的纳米尼龙（尼龙树脂厂）联合开发的纳米尼龙6，作为汽车定，作为汽车定时器罩，从此拉开了纳米塑料快速发展的序幕。时器罩，从此拉开了纳米塑料快速发展的序幕。（1）这这种种纳纳米塑料的填料是什么？米塑料的填料是什么？（2）有什么特性？）有什么特性？（3）如何）如何实现实现聚合物的复合？聚合物的复合？问问 题题13.2 尼龙尼龙6/层状硅酸盐纳米复合材料层状硅酸盐纳米复合材料 Polymer/Layered Silicate Nanocomposite
4、s13.2.1 层层状硅酸状硅酸盐盐u 什么是层状硅酸盐？什么是层状硅酸盐？u 层状硅酸盐有哪些？层状硅酸盐有哪些？u 层状硅酸盐有什么样的特征？层状硅酸盐有什么样的特征？1. 层层状硅酸状硅酸盐盐黏土材料黏土材料u层状硅酸盐黏土层状硅酸盐黏土 天然的纳米结构：片层尺度为纳米级天然的纳米结构：片层尺度为纳米级 u自然界中，层状结构无机矿物有：自然界中，层状结构无机矿物有： 天然的铝硅酸盐，如高岭土、蒙脱土、伊利石、天然的铝硅酸盐，如高岭土、蒙脱土、伊利石、海泡石、凹凸棒石、绿泥石等；海泡石、凹凸棒石、绿泥石等；u利用人工合成的方法也可制得具有层状结构的硅酸利用人工合成的方法也可制得具有层状结构
5、的硅酸盐。盐。2. 层层状无机物的种状无机物的种类类石墨石墨天然天然层层状硅酸状硅酸盐盐，如：，如：滑石，云母，黏土（高岭土，滑石，云母，黏土（高岭土，蒙托土及泥蒙托土及泥质质石等）石等）和和纤纤蛇蛇纹纹石，石，蛏蛏石石等；等；人工合成硅酸人工合成硅酸盐盐、云母，如：、云母，如：层层状沸石，状沸石，锂锂蒙托石蒙托石和和氟氟锂锂蒙脱石蒙脱石等等层层状金属氧化物，如：状金属氧化物，如：V2O5，MoO3，WO3等等其它无机物，如：其它无机物，如：一些一些过过渡金属二硫化物，硫代渡金属二硫化物，硫代亚亚磷酸磷酸盐盐，磷酸，磷酸盐盐，金属，金属卤卤化物化物等。等。3. 什么是蒙脱土？什么是蒙脱土？蒙脱
6、土（蒙脱土（montmorillonite）是由）是由膨润土膨润土提纯加工而得。提纯加工而得。膨润土：是以膨润土：是以蒙脱石蒙脱石为主要矿物成分的粘土矿，其蒙脱石为主要矿物成分的粘土矿，其蒙脱石含量为含量为40%90%，还含有少量高岭石、水铝英石、绿泥石、，还含有少量高岭石、水铝英石、绿泥石、蛋白石、云母等矿物质。膨润土的性能与蒙脱石含量有关，蛋白石、云母等矿物质。膨润土的性能与蒙脱石含量有关，含蒙脱石越多，其性能越优越。含蒙脱石越多，其性能越优越。 蒙脱石的药用价值蒙脱石的药用价值u蒙脱石（蒙脱石（montmorillonite）在美国药典、英国药典及欧）在美国药典、英国药典及欧洲药典等药典
7、中均有收载；洲药典等药典中均有收载；u无臭，有轻微的土味，无刺激性，对神经、呼吸及心血无臭，有轻微的土味，无刺激性，对神经、呼吸及心血管系统没有影响，具有良好的吸附能力、阳离子交换能管系统没有影响，具有良好的吸附能力、阳离子交换能力和吸水膨胀能力；力和吸水膨胀能力；u对大肠杆菌、霍乱弧菌、空肠弯曲菌、金黄色葡萄球菌对大肠杆菌、霍乱弧菌、空肠弯曲菌、金黄色葡萄球菌和轮状病毒以及胆盐都有较好的吸附作用，对细菌毒素和轮状病毒以及胆盐都有较好的吸附作用，对细菌毒素也有固定作用，止泻迅速，因此其制剂广泛应用于临床；也有固定作用，止泻迅速，因此其制剂广泛应用于临床；u蒙脱石原料药除用于制剂外还用于药物合成
8、以及作为辅蒙脱石原料药除用于制剂外还用于药物合成以及作为辅料用于缓释制剂。料用于缓释制剂。 聚合物聚合物/蒙脱石复合材料蒙脱石复合材料u蒙脱土也蒙脱土也简简称黏土，所以蒙脱石、蒙脱土、黏土都是称黏土，所以蒙脱石、蒙脱土、黏土都是指一个意思，都是可剥离的指一个意思，都是可剥离的层层状硅酸状硅酸盐盐。u聚合物聚合物/层层状硅酸状硅酸盐纳盐纳米复合材料（米复合材料（polymer/layered silicate nanocomposites )、聚合物、聚合物/蒙脱石蒙脱石纳纳米复合材米复合材料（料（polymer/monotmorillonnite nanocomposites)都都是指一个意思
9、，可以是指一个意思，可以计为计为PLSNs。蒙脱土的物理性质蒙脱土的物理性质u白色，有时为浅灰、粉红、浅绿色白色，有时为浅灰、粉红、浅绿色u鳞片状（鳞片状（001）解理完全，硬度）解理完全，硬度2.3u密度密度22.7g/cm3u很柔软，有滑感，加水膨胀，体积能增加几倍，并变很柔软，有滑感，加水膨胀，体积能增加几倍，并变成糊状物成糊状物u具有很强的吸附力及阳离子交换能力具有很强的吸附力及阳离子交换能力 （药物：腹泻药（药物：腹泻药-思密达）思密达）蒙脱土层状硅酸盐资源及其分布蒙脱土层状硅酸盐资源及其分布根据膨根据膨润润土土组组成成分及蒙脱土含量，分成成分及蒙脱土含量，分为为三三类类：u第一第一
10、类类MMT含量高于含量高于50%,刘房子、九台青等地刘房子、九台青等地样样品品（高档（高档产产品）品）u第二第二类类MMT含量含量50%以上，但含以上，但含颗颗粒物粒径大（冶粒物粒径大（冶金、金、钻钻井泥井泥浆浆、烟草）、烟草）u第三第三类类MMT含量低于含量低于50%，细细粒径粒径颗颗粒物含量小于粒物含量小于20%u分布：分布： 资资源丰富，分布广。世界源丰富，分布广。世界总储总储量量25亿亿吨，美、俄、吨，美、俄、中占世界的中占世界的3/4。钙钙基基MMT占占70%，钠钠基不足基不足5亿亿吨。吨。总总体来体来说说，用量最大的，用量最大的优质钠优质钠基基MMT十分短十分短缺。缺。 我我们们国
11、家国家90%钙钙基基MMT，集中在，集中在东东北三省、新疆、北三省、新疆、甘甘肃肃、广西。、广西。4. 蒙脱土的蒙脱土的结结构特点构特点化学化学组组成及成及结结构：构：Al2O34SiO23H2O理理论论上：上：Al2O3 25.3%、SiO2 66.7%、H2O 5%实际实际化学成分比化学成分比较较复复杂杂。两两层层硅氧四面体硅氧四面体与其与其间间的的铝铝氧八面体氧八面体、构成、构成2：1型型结结构。构。层层内内Si4+、Al3+易于易于Mg2+等交等交换换，负电负电荷；荷；层间层间吸附可交吸附可交换换的阳离子、的阳离子、层间层间具有水分子。具有水分子。水分子水分子层层数越多，数越多，层间层
12、间距越大。距越大。八面体空隙中的八面体空隙中的Al3+常被低价常被低价态态的的Fe2+、Mg 2+置置换换，而四面，而四面体中的体中的Si4+常被常被Al3+置置换换。这这一特点一特点导导致致结结构构层产层产生多余的生多余的负电负电。因此。因此结结构构层间层间除含除含水外，水外，还还存在半径大的阳离子；存在半径大的阳离子；同同时这时这些阳离子是可交些阳离子是可交换换的，使蒙脱土具有离子交的，使蒙脱土具有离子交换换性、性、吸水性、膨吸水性、膨胀胀性、触性、触变变性、黏性、黏结结性、吸附性等一系列很有价性、吸附性等一系列很有价值值的特性。的特性。层间状态：层间状态：层间有水、阳离子层间有水、阳离子
13、Na+，Ca2+等等常见层状硅酸盐常见层状硅酸盐u高岭土高岭土u滑石粉滑石粉u云母云母u1987年日本丰田中央研究院报道了用插层聚合方法制年日本丰田中央研究院报道了用插层聚合方法制得尼龙得尼龙6/蒙脱土纳米复合材料。蒙脱土纳米复合材料。u1991年日本丰田中央研究院和日本宇部兴产公司（尼年日本丰田中央研究院和日本宇部兴产公司（尼龙树脂厂）联合开发纳米尼龙龙树脂厂）联合开发纳米尼龙6，作为汽车定时器罩。，作为汽车定时器罩。u由于材料所表现出得优异力学、物理性能，此后研制由于材料所表现出得优异力学、物理性能，此后研制出环氧树脂、不饱和聚酯、聚酰亚胺、聚丙烯、聚氨出环氧树脂、不饱和聚酯、聚酰亚胺、聚
14、丙烯、聚氨酯等一系列热固性和热塑性树脂为基的黏土纳米复合酯等一系列热固性和热塑性树脂为基的黏土纳米复合材料。材料。u由于蒙脱石的特殊结构，使得它在合成插层材料上具由于蒙脱石的特殊结构，使得它在合成插层材料上具有很多优势。有很多优势。5. 层状硅酸盐改性层状硅酸盐改性如何制备插层复合材料？如何制备插层复合材料？p如何更好更经济的使黏土类矿物如蒙脱石剥离成如何更好更经济的使黏土类矿物如蒙脱石剥离成纳米级片层状颗粒；纳米级片层状颗粒；p如何使聚合物基体与纳米片层颗粒之间有更好的如何使聚合物基体与纳米片层颗粒之间有更好的亲和力。亲和力。p蒙脱土硅酸盐片层及片层之间的坑道都是亲水而疏蒙脱土硅酸盐片层及片
15、层之间的坑道都是亲水而疏油的，与多数聚合物及其单体相容性很小。油的，与多数聚合物及其单体相容性很小。5. 层层状硅酸状硅酸盐盐改性改性u黏土要与聚合物具有相容性就必须要进行化学处理。黏土要与聚合物具有相容性就必须要进行化学处理。这些阳离子容易与烷基季铵这些阳离子容易与烷基季铵盐或其他有机阳离子进行交盐或其他有机阳离子进行交换反应，生成亲油性的有机换反应，生成亲油性的有机化蒙脱土，层间距离增大。化蒙脱土，层间距离增大。有机蒙脱土片层可进一步使有机蒙脱土片层可进一步使单体渗入并聚合，或使聚合单体渗入并聚合，或使聚合物融体渗入而形成纳米复合物融体渗入而形成纳米复合材料。材料。5. 层层状硅酸状硅酸盐
16、盐改性改性u与传统材料相比，特别之处在于其独特的与传统材料相比，特别之处在于其独特的插层复合插层复合制备制备科学科学 。u其关键是利用了层状硅酸盐的片层结构特性。其关键是利用了层状硅酸盐的片层结构特性。5. 层层状硅酸状硅酸盐盐改性改性u所谓插层复合，就是将单体或聚合物分子插入到层状所谓插层复合，就是将单体或聚合物分子插入到层状硅酸盐（黏土）层间的纳米空间中，利用聚合热或剪硅酸盐（黏土）层间的纳米空间中，利用聚合热或剪切力将层状硅酸盐剥离成纳米基本结构单元或微区而切力将层状硅酸盐剥离成纳米基本结构单元或微区而均匀地分散到聚合物基体中。均匀地分散到聚合物基体中。有机黏土有机黏土u利用阳离子交换技术处理天然黏土，利用阳离子交换技术处理天然黏土，获得与聚合获得与聚合物基体相容的有机黏土物基体相容的有机黏土，是制备聚合物，是制备聚合物/ /层状硅酸盐层状硅酸盐纳米复合材料的纳米复合材料的关键一步关键一步。u如何制备有机粘土呢？如何制备有机粘土呢？ -利用离子交换特性利用离子交换特性制备有机黏土一般使用制备有机黏土一般使用可进行阳离子交换可进行阳离子交换的的钠土钠土。(1) 黏土的胶体化学黏土的
