纳米科技与橡胶工业的发展

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    一、纳米科技的发展与橡胶工业
    纳米技术是在0.1-100nm尺度范围内研究电子、 原子和分子的运动规律的一门新兴学科，其研究目标是人类按照自己的意志直接操纵电子、原子和分子，研制人们所希望的、具有特定功能的材料与制品。纳米技术涵盖纳米材料、纳米电子和纳米机械等技术。目前可以实现的是纳米材料技术。
) O! }) l' {0 |: V- F    1992年9 月在墨西哥举行的首届国际纳米材料会议上正式定义了纳米材料：“ 一相任一维尺寸达到100nm以下的材料称为纳米材料”纳米材料科学是凝聚态物理、胶体化学、配位化学、化学反应动力学、表面和界面等学科的交叉学科，是现代材料的重要组成部分。由于纳米材料具有独特的而又有重要价值的四大效应(即小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应)，对新材料的设计与发展十分有用，故纳米材料被誉为“21世纪最有前途的材料”，因而各国均投巨资研发。
) d$ b" K! D9 F) x5 j, U1 t    现在回过头来看，对橡胶工业界而言，说纳米材料可谓“故事新编”，因为炭黑和白炭黑这样的纳米粉体早在橡胶工业中应用了。然而，从材料科学的角度，人们自觉地把“纳米相”作为研究的对象是始于20世纪50年代。到了20世纪60年代，才首次提出人工合成纳米粒子的设想。20世纪70-80年代，人们对纳米微粒的结构、形态和特征进行了比较系统的研究。到了20世纪末，人们才逐步接受用纳米材料和其它基本材料(如：树脂、橡胶、陶瓷和金属)制成的纳米复合材料。
    按现代的观点，作为第一种聚合物基纳米复合材料是1987年日本丰田中央研究所通过己内酰胺的“插层聚合法”成功地把蒙脱石粘土的晶层结构剥离，使之以单层约lnm的厚度的纳米微片均匀分散于工程塑料尼龙基体所制成的尼龙—6／粘土纳米复合插层材料。在该纳米复合体系中，粘土的含量仅为4.2％(重量份)就可大幅度地提高尼龙—6的各种力学性能，这就引起了各工业发达国家的广泛关注。我国在这方面工作虽然起步较晚，但也取得了很多成果，有些甚至处于领先水平。
    聚合物纳米复合材料主要分两类：一类是如上述聚合物／无机纳米粒子复合材料；另一类是聚合物／聚合物纳米复合材料。但前一类占主要地位，其制备方法除上述插层法(插层法包括插层聚合、溶液插层、融体插层等)之外，还有共混法(包括溶液共混、乳液共混、熔融共混、机械研磨共混法等)和溶胶—凝胶法(即Sol -Gel法)以及LB膜法、MD膜法等。
    纳米材料的研究开发，在陶瓷和金属领域开展得比较充分与深入，相比之下，聚合物基纳米复合材料研发起步较晚，而其中橡胶界比塑料界又迟了一些。不过有些方面已迎头赶上，在实验室或工业规模上研发了多种纳米粉体，例如：纳米碳酸钙、纳米氧化锌、纳米二氧化钛、纳米氢氧化镁、纳米炭管以及其它一些金属氧化物纳米粉体等可供使用。近年来在橡胶工业中报道较多的除了纳米碳酸钙之外，较成功的有纳米氧化锌，它可用镀锌废材为原料，按直接沉淀法制得，由于成本低、活性大，作为二烯类通用胶的硫化活性剂，其用量可从传统的5份减至2-3份，作为氯丁胶的硫化剂，可从5份减至4份，这样可降低胶料成本。此外，在蒙脱土等的插层法方面也取得了可喜的进展。但是，在此应强调指出，除了商业炒作之外，在橡胶等聚合物基纳米复合材料的研发中，确实仍存在许多科技问题，有些还是很关键的，如不解决，则影响其在橡胶工业中的发展及其巨大的推动作用。下面提出一些不大成熟的见解，供有关方面参考。
3 d, y% B; e, V% K* H- _# g    二、设法解决纳米粉体在橡胶基体中的分散问题
) J" j" Z0 w9 t9 u) G5 [    2001年9月在长春市举行的有4000人参加的中国科协2001年学术年会上，中国科学院副院长、国家纳米科技指导协调委员会首席科学家、中科院纳米中心理事会和学术委员会主任白春礼院士在大会特邀报告“纳米科技全面理解内涵促进健康发展”中就强调指出要解决“分散问题”。尤其是作为功能材料更要求分散均匀、排列好。有些纳米粉体加到橡胶等聚合物中，性能提高的幅度不大，效果不理想，“ 性能／价格比”无优势，难以推广，其重要原因之一是分散不好。必须知道，由于纳米粉体的固有特性，要在聚合物中达到纳米级分散是很困难的，要不就是难分散，要不分散后又再次聚集，这种现象对粘度一般比塑料高的橡胶尤其普遍。可是，我们看到有些文章或别的媒体，为了想说明纳米粉体的功效而说如何如何达到“纳米级分散”。我倒是很欣赏最近一位研究生的实事求是的态度。该生在研究天然橡胶／蒙脱土插层纳米复合材料之时，分析了传统的蒙脱土“有机改性工艺”非常繁琐的缺点之后，另辟新径，指出一个全新的方法，省去了价高、费时的“有机改性工艺”，制出微观结构较均匀、综合力学性能较好的蒙脱土／橡胶复合材料。该生通过透射电镜分析，实事求是地指出，蒙脱土在橡胶基体中存在的状态并不是单一的，而是凝聚状态。

龙行天下

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