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聚合物/无机复合材料结合了各组分材料的优点,而成为了材料科学的重点发展方向,是近年来研究的热点之一。但聚合物和无机填料之间界面相容性差,随着无机填充粒子的尺寸减小,这种现象特别显著,而且容易引起填料粒子在聚合物中的聚集。本文分别综述了无机纳米材料的分类和复合材料的制备方法及合成机理研究进展,用三种不同的制备方法制备了多种聚合物/无机纳米复合材料,利用X射线衍射(XRD)、傅立叶红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、偏光显微镜(POM)等仪器以及动态热机械分析(DMTA)、力学性能分析和热分析(DSC、TGA)等测试手段,对这些纳米复合材料的力学、热学等性质进行了一系列的表征和研究,从界面角度讨论了无机纳米粒子在材料中的分散和界面相容性问题,着重研究了无机纳米粒子的改性和添加量对复合材料热性能和力学性能以及结晶等性能的影响。结果表明通过有机改性改变无机粒子界面性质可以实现粒子的均匀分散和改善复合材料的界面相容性,从而提高了复合材料综合性能,对发展高性能复合材料有一定的理论和实践意义。主要开展的工作如下：
㈠零维无机纳米复合材料方面：⑴结合超声和对分散介质的选择,通过偶联剂修饰二氧化钛(TiO2)颗粒的活性界面实现了TiO2粒子的分散。采用溶液分散法分别制备了三元乙丙橡胶(EPDM)/TiO2复合材料,相对于无定型的EPDM基体材料,TiO2的填充量为7.5％时复合材料的拉伸强度达到6.2 Mpa,断裂伸长率2435％,DTGmax为493.6℃,综合性能大幅度提高。⑵采用溶液聚合的方法制备了聚乳酸(PLA)/SiO2纳米复合材料,XRD、DSC和SEM结果表明TiO2纳米粒子对PLA的聚集态产生了积极的影响,聚乳酸的结晶度在纳米二氧化硅添加量为1％时最高。DSC、TGA和拉伸性能的考察结果表明复合材料的性能也有一定的提高,PLA/SiO2-5的Tg由纯聚乳酸的57.9℃提高到62.0℃,拉伸强度和杨氏模量与纯聚乳酸相比分别提高了16.5％和38.9％。⑶采用原位聚合的方法制备了四种不同质量分数的TiO2/PIA纳米复合材料,复合材料的最大热分解温度、玻璃化转变温度和力学性能相对于聚乳酸有大幅度提高,其中TiO2-3/PLA复合材料的最大热分解温度、玻璃化转变温度分别比纯PLA提高了25.3℃和4.9℃,拉伸强度、断裂伸长率和杨氏模量分别比纯PLA提高了83.6％、6.73％和129.4％,同时其降解性能、亲水性能以及抗菌性能也优于聚乳酸。
㈡二维无机纳米复合材料方面：首先采用十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)对蒙脱土(MMT)进行改性得到有机蒙脱土(OMMT),使其内外表面由亲水变为疏水,并通过接枝率、引发剂和反应条件的优化,制备了马来酸酐(MAH)接枝聚丙烯(PP)作为界面相容剂(PP-g-MAH),使得非极性的PP分子链能够较好地分散在极性MMT片层中,用熔融插层法制备了PP/MMT纳米复合材料。随着OMMT含量的增加,PP晶体成核密度增大、尺寸减小、分布更均匀,虽然由于熔融复合过程中PP键部分断裂的影响,使聚合物的Tg和拉伸强度略有下降,当OMMT的含量增加到7％时,拉伸强度为纯PP的86.5％。但是聚合物的刚性和热分解温度得到大幅度提高,PP-1的储存模量比PP-0提高了65％,分解5％的温度从PP-0的393.1℃提高到PP-1的443.5℃,说明少量OMMT的填充就能使热稳定性得到很大提高。这要归功于MMT特殊的纳米层状结构所产生的纳米效应,从而大大拓展了聚丙烯的使用范围,提高了经济价值。
㈢一维无机纳米复合材料方面：结合超声水化法和分散剂的选择对凹凸棒土进行了提纯,通过偶联剂修饰实现了凹凸棒土粒子的表面改性,分别用熔融插层法和原位聚合法制备了两个系列的PLA/OAT-x和OAT/PLA-x纳米复合材料。通过对两种复合材料的红外表征以及SEM和TEM分析,凹凸棒土粒子在复合材料实行了均匀稳定分散,热性能分析和力学性能分析也表明PLA/OAT-x和OAT/PLA-x复合材料的拉伸强度、断裂伸长率和杨氏模量都有一定的提高,拉伸强度分别比纯PLA增加78.6％和98.6％,杨氏模量分别比纯PLA增加118.6％和130.0％。同时,聚乳酸复合材料的溶液降解性能也得到明显改善,与纯PLA相比,PLA/OAT-x和OAT/PLA-x复合材料的的溶液降解速度都有大幅度的提高,PLA/OAT-5溶液降解25天后质量只有纯PLA的88.59％,OAT/PLA-5溶液降解25天后质量只有纯PLA的87.25％。比较三种制备方法,溶液聚合法制备的纳米复合材料中无机相和有机相界面之间的结合力较弱,所以对材料的力学和热性能的改善作用最小。而熔融插层法制备的纳米复合材料中综合性能不如原位聚合制备的纳米复合材料,主要是因为熔融法难以使无机粒子达到纳米级分散,且在加工过程中聚合物的分子链会有部分断裂,但加工工艺简单,不产生环境污染,具有较好的工业化前景。而原位聚合的纳米复合材料加工工艺略为复杂,但在制备过程中无机粒子分散较好,并且可以使高分子链插入层状纳米粒子的层间,形成插层型复合材料,从而大大提高了复合材料的综合性能。