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2023-06-26
塑料纳米增强配方的设计方法
【摘要】：纳米材料是指尺寸在100nm以下的材料，用于塑料增强增韧的纳米材料有蒙脱土、二氧化硅、石墨烯、碳纳米管、碳酸钙、氧化钛、氧化锌等，详见塑料填充配方设计相关章节。例如，如用纳米级SiC/Si3N4对LDPE进行增强改性，最佳添加量为5%，此时拉伸强度提高112%。再如，用纳米黏土填充PA6，最佳添加量为4.2%，此时的拉伸强度增加55%。
纳米材料是指尺寸在100nm以下的材料，用于塑料增强增韧的纳米材料有蒙脱土、二氧化硅、石墨烯、碳纳米管、碳酸钙、氧化钛、氧化锌等，详见塑料填充配方设计相关章节。
由于纳米材料尺寸太小，很容易产生颗粒间聚集，因此需要进行表面处理，常见的有：偶联剂处理和有机层插处理。
各类纳米材料具体增强实例如下：
石墨烯为最新开发的增强材料，由于石墨烯本身具有很高的强度，对塑料具有明显的增强功能，具体增强实例如下：
①将0.7%的水溶性石墨烯加入PVA中，拉伸强度提高76%。
②将石墨烯加入TPU中1%时，拉伸强度提高75%、模量提高120%。
③将苯乙烯接枝石墨烯加入PS中0.9%，拉伸强度和杨氏模量各自提高70%和57%。
聚乳酸/蒙脱土复合强韧材料配方如下：
PLA（2002D）：97%；有机改性蒙脱土：3%。
生产工艺：双螺杆挤出机造粒后，压制成测试样条。
相关性能：拉伸强度由53MPa增加到63MPa，冲击强度由18kJ/m2增加到23kJ/m2，结晶度由25%增加到43%。
PA6/层插改性纳米蒙脱土复合材料，不仅具有好的力学性能，而且具有金属光泽、可以消除翘曲。具体配方如下：
PA6（中粘）：100；表面处理剂己内酰胺：适量；有机层插改性蒙脱土（25nm）：2。
注：有基层插剂为：长链有机烷基铵盐。
此配方的相关性能：拉伸强度88MPa，弯曲强度143MPa，断裂伸长率188%，弯曲模量1590MPa，缺口冲击强度17kJ/m2。
表面处理后的MWCNTs在EP中添加0.75%，复合材料的拉伸强度提高70%，冲击强度提高61%。
在EP中加入3%的气相二氧化硅，EP复合材料的拉伸强度提高44%、冲击强度提高878%，拉伸模量提高370%。
在PVC中加入5%铝酸酯处理的纳米碳酸钙，拉伸强度提高123%、缺口冲击强度提高313%。
总体而言，纳米填料因其粒径十分小，加入树脂中的拉伸强度呈抛物线变化，即开始随加入量增加拉伸强度增大，达到最高值后，随后加入量增加拉伸强度变小。习惯上，将与拉伸强度最大值对应的加入量称为最佳添加量，纳米材料的最佳添加量比较小一般不超过10%，一般在3%左右。例如，如用纳米级SiC/Si3N4对LDPE进行增强改性，最佳添加量为5%，此时拉伸强度提高112%。再如，用纳米黏土填充PA6，最佳添加量为4.2%，此时的拉伸强度增加55%。
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