作為一個(gè)長(zhǎng)度單位，納米的概念近些車(chē)似乎深入人心，備受商家的親踩。然而，納米到底是什么，它能給我們帶來(lái)什么好處，又似乎沒(méi)有多少人能說(shuō)得清。那么，當(dāng)納米遇到塑料時(shí)，又會(huì)發(fā)生什么呢？
  
　　什么是“納米”  
　　所謂“納米”，就是法定計(jì)量中一種長(zhǎng)度單位的名稱(chēng)，其單位符號(hào)為nm。1nm等于10億分之一米，即相當(dāng)于10個(gè)氫原子排成直線(xiàn)的長(zhǎng)度。當(dāng)材料的粒徑為0.1-100nm時(shí)，統(tǒng)稱(chēng)為納米材料。納米材料按顆粒尺寸的大小可劃分為3個(gè)等級(jí)：粒徑為10-100nm稱(chēng)為納米級(jí)；粒徑處于2-10nm范圍的稱(chēng)為分子級(jí)；粒徑小于2nm的稱(chēng)為原子級(jí)。
  
　　科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)物質(zhì)結(jié)構(gòu)單元(如晶�；蚩紫�)小到納米量級(jí)時(shí)，物質(zhì)的性能發(fā)生了重大變化，不僅大大改善了原有材料的性能，甚至具有了新的性能或效應(yīng)。由于納米顆粒的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、宏觀(guān)量子遂道效應(yīng)，使納米材料具有了常規(guī)材料所沒(méi)有的特殊性能。例如，1g普通的納米材料，如果將其鋪展開(kāi)來(lái)，可以達(dá)到640m2。如此大的比表面積將會(huì)賦予納米材料很多獨(dú)特的性能。
  
　　一般說(shuō)來(lái)，納米技術(shù)是指在納米尺寸范圍內(nèi)，通過(guò)直接操縱和安排原子、分子來(lái)創(chuàng)造物質(zhì)。因此，納米塑料是指無(wú)機(jī)納米粒子以納米級(jí)尺寸(一般為1-100nm)均勻分散在聚合物基體樹(shù)脂中形成的復(fù)合材料，也被稱(chēng)為聚合物基納米復(fù)合材料。由于納米粒子尺寸小，彼此間距離非常近，因此，具有獨(dú)特的量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、界面效應(yīng)、體積效應(yīng)、宏觀(guān)量子隧道效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和超塑性，從而使納米塑料具有獨(dú)特的物理力學(xué)性能，成為復(fù)合材料發(fā)展的最前端產(chǎn)品之一。
  
　　聚合物/納米復(fù)合材料  
　　常用的無(wú)機(jī)納米粒子包括硅酸鹽、碳酸鈣、SiO2、TiO2、SiC、Al2O3、云母等，根據(jù)基體樹(shù)脂不同，納米復(fù)合材料可分類(lèi)為：納米尼龍、納米聚烯烴、納米聚酯、納米聚甲醛等。世界上最早的納米塑料工業(yè)化應(yīng)用是1991年日本豐田中央研究所和尼龍樹(shù)脂廠(chǎng)宇部興產(chǎn)(UBE)公司共同開(kāi)發(fā)的、用做汽車(chē)定時(shí)器罩的納米尼龍6，從此拉開(kāi)了納米塑料快速發(fā)展的序幕。近幾年來(lái)，世界各國(guó)都競(jìng)相投入資金和人力，加大了納米塑料的開(kāi)發(fā)力度和產(chǎn)業(yè)化步伐，特別是工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，目前已經(jīng)形成了一個(gè)納米塑料產(chǎn)業(yè)。
  
　　與原來(lái)的基體樹(shù)脂相比，納米塑料提高了材料的力學(xué)性能和熱性能。復(fù)合材料的彎曲模量(剛性)可提高1.5-2倍，摩擦和耐磨損性及耐熱性也得到提高，熱變形溫度可上升幾十度，熱膨脹系數(shù)則下降為原來(lái)的一半。同時(shí)，納米復(fù)合材料具有更多、更高的功能性，如阻隔性、阻燃性等。復(fù)合材料的透明性、著色性、導(dǎo)電性和磁性能也得到了相應(yīng)的提高。納米粒子的加入也提高了復(fù)合材料的阻燃等級(jí)，使材料對(duì)二氧化碳、氧的透過(guò)率下降。另外，納米粒子填充聚合物還能提高復(fù)合材料的尺寸穩(wěn)定性。
  
　　納米塑料的無(wú)機(jī)納米粒子加入量較小，一般為2%-5%，僅為通常無(wú)機(jī)填料改性時(shí)加入量的1/10左右，因而復(fù)合材料的密度與原來(lái)樹(shù)脂相比幾乎不變或增加很小。因此，不會(huì)因密度增加過(guò)多而增加下游塑料加工廠(chǎng)的成本，也沒(méi)有因填料過(guò)多導(dǎo)致其他性能下降的弊病。由于納米粒子尺寸小，因此成型加工和回收時(shí)幾乎不發(fā)生斷裂破損，具有良好的可回收性。納米塑料的缺點(diǎn)與通常無(wú)機(jī)填料一樣，納米粒子的加入會(huì)使塑料的焊接強(qiáng)度有所下降，有些納米塑料如納米尼龍的韌性(沖擊強(qiáng)度)有所下降，但納米聚烯烴的韌性卻有所提高。
  
　　由于納米塑料對(duì)材料的改性不是通過(guò)制備新結(jié)構(gòu)塑料完成的，因此，利用現(xiàn)有設(shè)備或稍加改造便可進(jìn)行生產(chǎn)，設(shè)備投入資金少，這兩點(diǎn)也是推動(dòng)和加快納米塑料商業(yè)化的有利因素。
  
　　納米塑料生產(chǎn)方法  
　　納米塑料的生產(chǎn)方法主要有四種：插層復(fù)合法、原位復(fù)合法、分子復(fù)合法和超微粒子直接分散法。
  
　　插層復(fù)合法是目前制備納米塑料的主要方法。首先將單體或聚合物插入經(jīng)插層劑處理后的層狀硅酸鹽(如蒙脫土)之間，破壞片層硅酸鹽緊密有序的堆積結(jié)構(gòu)，使其剝離成厚度為1nm左右，長(zhǎng)、寬為30-100nm的層狀基本單元，均勻分散于聚合物基體中，實(shí)現(xiàn)聚合物高分子與層狀硅酸鹽片層在納米尺度上的復(fù)合。插層復(fù)合法又可分為插層聚合法和聚合物插層法。插層聚合法是先將聚合物單體分散、插層進(jìn)入層狀硅酸鹽片層中，然后原位聚合，利用聚合時(shí)放出大量的熱克服硅酸鹽片層間的作用力，并使其剝離，從而使硅酸鹽片層與塑料基體以納米尺度復(fù)合。聚合物插層法是將聚合物熔體或溶液與層狀硅酸鹽混合，利用化學(xué)和熱力學(xué)作用使層狀硅酸鹽剝離成納米尺度的片層并均勻地分散于聚合物基體中。該法的優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)納米材料以納米尺寸均勻地分散到塑料基體樹(shù)脂中。
  
　　原位復(fù)合法包括原位聚合法和原位形成填料法。將納米粒子溶解于單體溶液再進(jìn)行聚合反應(yīng)，叫原位聚合法。其特點(diǎn)是納米材料分散均勻。原位形成填料法也叫溶膠凝膠法，是近年研究比較活躍和前景看好的方法。該法一般分兩步，首先將金屬或硅的硅氧基化合物有控制地水解使其生成溶膠，水解后的化合物再與聚合物共縮聚，形成凝膠，然后對(duì)凝膠進(jìn)行高溫處理，除去溶劑等小分子即可得到納米塑料。
  
　　分子復(fù)合法代表性的產(chǎn)品是液晶聚合物(LCP)系納米塑料。利用熔融共混或接枝共聚、嵌段共聚的方法，將LCP均勻地分散于柔性高分子基體中。原位生成納米級(jí)的LCP微纖，其尺寸比一般納米復(fù)合材料更小，分散程度接近分子水平，因此稱(chēng)為分子復(fù)合法。其優(yōu)點(diǎn)是可大幅度提高柔性高分子基體樹(shù)脂的拉伸強(qiáng)度、彎曲模量、耐熱性、阻隔性。
  
　　超微粒子直接分散法包括乳溶共混法、溶液共混法、機(jī)械共混法、熔融共混法等，有實(shí)際意義的為熔融共混法，其他方法難于達(dá)到理想的分散效果。例如，機(jī)械共混法雖然簡(jiǎn)單，但很難使易團(tuán)聚的無(wú)機(jī)納米粒子在塑料基體中以納米尺寸均勻分散。用捏合機(jī)、雙螺桿擠出配混機(jī)將塑料與納米粒子在塑料熔點(diǎn)以上熔融，混合的難點(diǎn)和關(guān)鍵是要防止納米粒子團(tuán)聚，故一般要對(duì)納米粒子進(jìn)行表面處理。表面處理劑有兼容劑、分散劑、偶聯(lián)劑，并經(jīng)常使用兩種以上表面處理劑。另外，要優(yōu)化熔融共混裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)以達(dá)到最佳分散效果。該法工藝簡(jiǎn)單，納米粒子與復(fù)合材料制備分步進(jìn)行，易于控制納米粒子的形態(tài)和尺寸。
  
　　納米塑料的應(yīng)用  
　　目前產(chǎn)量最大的納米塑料是納米尼龍，其次是納米聚烯烴。另外，還有納米聚酯、納米紫外固化聚丙烯酸酯樹(shù)脂、納米聚酰亞胺、納米聚甲醛等。其應(yīng)用主要是包裝、汽車(chē)和機(jī)電工業(yè)領(lǐng)域。利用納米塑料的阻隔性，可用于食品保鮮包裝，延長(zhǎng)食品保質(zhì)期；利用納米塑料耐熱性和良好的力學(xué)性能，可用作汽車(chē)零部件。例如汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)罩、定時(shí)脈沖器殼體、貯油罐、燃油管道系統(tǒng)、各種電子接插件、導(dǎo)管、電話(huà)機(jī)殼體、工具手柄、欄桿、調(diào)理器具手把、高潤(rùn)滑低流阻管道等。由于剛性高，納米塑料還可以用作薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)制品，降低重量和成本。另外，由于納米塑料具有阻燃性，是目前替代含鹵阻燃劑的理想產(chǎn)品。
  
　　代表性產(chǎn)品  
　　1、納米尼龍  
　　美國(guó)聚酯生產(chǎn)廠(chǎng)Eastman化工公司和納米粘土供應(yīng)廠(chǎng)Nanocor公司共同開(kāi)發(fā)了用于與聚酯(PET)共擠多層吹塑用尼龍納米復(fù)合材料Imperm，用作PET/PA/PET三層瓶的阻隔芯層材料。該芯層的尼龍是用日本三菱瓦斯化學(xué)公司的阻隔型無(wú)定形尼龍MXD6為基礎(chǔ)樹(shù)脂，加納米粘土后大幅降低材料氣體透過(guò)率，比PET的氧透過(guò)率小100倍。目前，該材料已用于不消毒啤酒瓶。Imperm芯層厚度占瓶層總厚的10%，Imperm與PET間不需粘接層，也不影響瓶子的透明度。
  
　　另一個(gè)引人注目的應(yīng)用是用于包裝的納米尼龍，該產(chǎn)品由美國(guó)Honeywell公司開(kāi)發(fā)的，商品名是Aegis  OX。據(jù)稱(chēng)該材料內(nèi)含未公開(kāi)的吸氧劑。Aegis OX中的納米粘土作為鈍化阻隔層，適量吸氧劑作為吸氧活性劑。這種材料比尼龍6的氧透過(guò)率低100倍，氧的滲入量幾乎為零。Aegis OX作為三層聚酯(PET)瓶的阻隔層材料，使聚酯瓶達(dá)到啤酒4個(gè)月和果汁6個(gè)月的保質(zhì)期要求，可以與玻璃瓶相比。這種組合技術(shù)的鈍化阻隔層能防止吸氧劑過(guò)早耗盡，靠納米粒子的均勻分散使吸氧劑指向“易出現(xiàn)氧”的地方，提高總的阻隔效率。Honey well公司認(rèn)為這種阻隔系統(tǒng)可與現(xiàn)有任何其他啤酒阻隔包裝競(jìng)爭(zhēng)，完全滿(mǎn)足120天內(nèi)氧的滲入量和二氧化碳泄漏量的要求，并相信通過(guò)進(jìn)一步精心調(diào)節(jié)工藝可達(dá)完全到180天的保質(zhì)要求。這將推動(dòng)和加快啤酒包裝從玻璃瓶轉(zhuǎn)向聚酯瓶的進(jìn)程，2005年，用于這種技術(shù)的啤酒包裝瓶數(shù)量超過(guò)了15億個(gè)，果汁瓶數(shù)量接近4.6億個(gè)。
  
　　除了啤酒瓶這個(gè)巨大市場(chǎng)外，德國(guó)Bayer公司正在把尼龍6納米復(fù)合材料用于多層流延包裝膜的芯層材料。早在1998年，Bayer公司就在德國(guó)杜塞爾多夫的世界塑料工業(yè)展覽會(huì)上展出了其中兩種產(chǎn)品，引起了許多用戶(hù)的關(guān)注。汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)利用這種納米尼龍的高剛性、耐熱性和質(zhì)輕等特點(diǎn)開(kāi)發(fā)出了汽車(chē)機(jī)罩等制品。
  
　　UBE美國(guó)公司用尼龍6/尼龍66共混物制備的納米尼龍，對(duì)汽油、甲醇和有機(jī)溶劑的透過(guò)率比填充尼龍6低3倍，現(xiàn)已用于汽車(chē)燃油系統(tǒng)共擠出多層燃油輸送管線(xiàn)。
  
　　2、納米聚烯烴  
　　美國(guó)通用汽車(chē)(GM)公司宣布了第一個(gè)汽車(chē)納米聚烯烴部件??上車(chē)踏板。該部件是用GM公司、樹(shù)脂生產(chǎn)廠(chǎng)Basell公司、粘土生產(chǎn)廠(chǎng)Southern粘土產(chǎn)品公司三家經(jīng)過(guò)4年合作開(kāi)發(fā)的聚丙烯納米復(fù)合材料制成的。該材料充分利用了納米聚丙烯高剛性、質(zhì)輕和低溫下力學(xué)強(qiáng)度基本不降低的特性，納米粘土含量為2%-3%，可取代20%-30%的滑石粉填充聚丙烯，而且重量輕20%，收縮率更小，低溫韌性更佳。雖然這種踏板并不是十分重要，但該應(yīng)用被認(rèn)為是開(kāi)發(fā)汽車(chē)外飾件納米復(fù)合材料部件的重大進(jìn)展。
  
　　利用納米聚丙烯的阻隔性來(lái)作為食品包裝材料已由Clariant公司率先推出工業(yè)化產(chǎn)品。比利時(shí)Kabelwerk Eupen公司以EVA(乙烯/醋酸乙烯酯共聚物)為基礎(chǔ)樹(shù)脂，通過(guò)熔融共混法加入3%-5%納米硅酸鹽，能顯著降低復(fù)合材料放熱量，同時(shí)能夠防止材料燃燒時(shí)塑料滴落現(xiàn)象的發(fā)生，并具有良好的力學(xué)性能、耐化學(xué)品性和熱穩(wěn)定性，在電線(xiàn)、電纜工業(yè)上有良好的應(yīng)用前景。
  
　　納米硅酸粒子還可與紫外固化丙烯酸樹(shù)脂混合制成高強(qiáng)度、透明，耐磨涂料。另外，無(wú)機(jī)納米抗菌劑粒子可與塑料制成抗菌塑料，用于電冰箱門(mén)把手、門(mén)襯、空調(diào)器、電話(huà)、熱水器、微波爐、電飯鍋等制品時(shí)具有持久抗菌性。納米硅酸鹽加入聚乙烯農(nóng)膜，可改進(jìn)其保溫性。