摘要：纳米颗粒在塑料中的应用潜力很大，因为只要添加很少量纳米填料就可起到添加大量的其它助剂更好的作用。最近的数百篇有关纳米材料的论文表明，在改善塑料的机械性能、阻隔性能、阻燃性能和导电性能方面，纳米材料的研究和应用取得了令人兴奋的进展。

关键词：纳米复合材料；纳米粘土；碳纳米管；纳米石墨片；阻隔性；阻燃性

[中图分类号] tq323.6  [文献识别码] a  [文章编号]

纳米复合材料的发展还处于成长期，据预测，在未来几十年内，它们将被证明是改变塑料工业面貌的最强有力的事物。只要通过熔融共混或原位聚合在聚合物中添加２％～５％的纳米颗粒，复合材料的热－机械性能、阻隔性能和阻燃性能将会得到戏剧性的提高。在提高耐热性、尺寸稳定性、导电性方面，它们也能超越普通填料和纤维填料。

纳米尺度的增强塑料在汽车和包装业已经市场化，尽管利润不是太高，发展速度也比预期的慢。但是就像热心的研究人员和商业界人土在最近发表的多篇论文所指出的，纳米复合材料的发展步伐将大大加快[1-3]。

美国商业通讯有限公司（ＢＣＣ）的市场调查报告指出，在２００３年，世界市场上的聚合物纳米复合材料的总产量为二千四百五十万镑，价值九千余万美元。ＢＣＣ还指出，纳米复合材料的市场年增长率将会达到１８.４％，到２００８年产值将会达到两亿多美元。

在研究开发和实际应用中处于领先地位的纳米填料是纳米粘土、纳米滑石、碳纳米管和石墨片。但是其它如合成粘土、多面体低聚硅倍半氧烷(poss)、以及像亚麻和苎麻之类的天然纤维也在被积极地开发。

１．最常用的纳米填料

目前最受人们关注并率先投入商业应用的两类纳米填料是纳米粘土和碳纳米管。这两种纳米填料必须进行化学处理来改变其表面性质，以促进填料在树脂中的均匀分散，改善填料和树脂的相容性，这样才有可能达到最佳的改性效果。这两种纳米填料能显著地改善塑料的结构、热性能、阻隔性和阻燃性。碳纳米管还能提高塑料的导电性。

到目前为止，由于价格低，纳米粘土显示出了最强的商业竞争能力，它的价格为2.25-3.25美元/镑，可以被广泛地用于热塑性聚烯烃、绦纶、聚苯乙烯和尼龙等。

研发和应用最多的是蒙脱土（一种层状硅铝酸盐），它的单个片层直径约１微米，厚度约１纳米。美国国内两家主要的生产商是nanomer公司和南方粘土产品公司。这两家公司和树脂与改性剂供应商、复合材料生产商、汽车零部件生产商和包装公司联合进行研究开发，相关研究成果都申请了专利, 不少研究成果在商业上取得了成功。

通用汽车公司已经率先将纳米复合材料用于汽车上。通用汽车公司宣布在２００２款gmc旅行车和chevrolet astro客货两用车车体外的脚踏板上使用了纳米复合材料。在２００３和２００４款车型上也使用了纳米复合材料部件。稍后，通用汽车公司在它的体积最大的车型，２００４款的chevrolet impala汽车的车体两侧使用了聚丙烯／粘土纳米复合材料。这种复合物是由密执根州warren市的通用汽车公司研发中心与 ll北美公司、南方粘土产品公司联合开发的。

最新的应用是在2005款的gm hummer h2汽车上。这种车车箱底的中心大梁、方向盘和车尾的保险杠上用了大约7镑重模塑成型的彩色纳米复合材料部件。这种材料是 ll公司研发的热塑性聚烯烃/纳米粘土复合材料。

纳米粘土能提高塑料的力学强度，而碳纳米管则能赋予塑料以导电性和导热性。碳纳米管的商业潜力受到它的高价格的制约，其价格高达100美元/克，它的聚合物母料在市场上可以５０美元／镑左右的价格购得。但从上世纪九十年代未以来，美国生产的几乎每一辆汽车中都使用了碳纳米管，典型的应用是将碳纳米管与尼龙混合以改进燃料系统的抗静电性能。含碳纳米管的防静电复合材料也能用于保护计算机的读写头。

碳纳米管包括单层和多层结构两种类型。前者的外径通常是1-2纳米，后者的外径通常是8-12纳米。他们的长度在10-100微米之间，至少有1000：1的长径比。碳纳米管的拉伸强度是不锈钢的50倍，导热性是铜的5倍。与炭黑、金属粉之类的传统填料相比，碳纳米管在增加塑料的导热性与导电性方面的能力强很多倍。

美国国内的碳纳米管供应商主要有hyperion catalysis公司和后来的zyvex公司。这两个供应商提供的碳纳米管聚合物母料通常含15%-20%的碳纳米管。

一种不同但有关联的产品是pyrograf product公司提供的气相生长的碳纳米纤维。据称它的pyrograf Ⅲ纳米纤维在改善导热性和导电性方面能与碳纳米管媲美，能大幅度地提高复合材料的机械性能和阻燃性（炭化）。更重要的是，碳纳米纤维的价格低得多，大约100-150美元/镑。碳纳米纤维可用于尼龙、聚丙烯和聚氨酯。

２．主要的纳米粘土复合物品种

nanocor公司和另两家专业复合材料生产商联合开发的纳米复合材料和母料在结构材料和阻隔材料方面的应用达到了商业规模。

noble polymers公司新的forte牌聚丙烯纳米复合材料已用于本田acura tl 2004汽车。forte取代了玻璃纤维增强聚丙烯，玻璃纤维增强聚丙烯成型困难、不透明、易于弯曲。forte的密度只有０.928g/cc,机械性能优异,外观得到了改善,且可多次回收使用。

noble公司报告说forte纳米复合材料将被用于生产２００６款轻型卡车的中央控制台。其它方面的应用包括办公家具（取代２０％的玻璃纤维增强聚丙烯）和设备零部件，forte能降低重量和成本。

polyone公司最近推出了maxxam lst系列的聚丙烯均聚物／纳米粘土复合物，声称这种材料具有高硬度和高冲击强度。polyone公司还报告说通过其专利工艺, 这种材料已克服了纳米粘土剥离和分散不完全的问题，它的性能达到甚至超越许多热塑性工程塑料。并称这种材料质轻、美观、易于成型、成本低。

polyone公司也提供纳米粘土含量达４０％的纳米粘土母料（商品名为nanoblend），nanoblend的基体可以是均聚聚丙烯、改性聚丙烯、线型低密度聚乙烯、低密度聚乙烯、高密度聚乙烯和乙烯共聚物。一些品种专门被用于提高阻隔性能。polyone公司报告说最近的商业应用包括了货盘和日常用品，并详细说明了maxxam lst可以做为工程塑料的替代品，因为它们具有良好的尺寸稳定性（这对于机器零部件是至关重要的）。而且，他们还称这种材料具有好的冲击强度和更轻的重量。maxxam lst也可以考虑用于消费者可随意使用的用具，这是因为它具有很好的耐化学腐蚀性和硬度，其可循环使用的次数也得到了大幅度的提高。

nanoblend也正在被考虑用于汽车内外的热塑性聚烯烃部件。其主要优点是