不同含量纳米复合材料的性能与耐水性比较

1.结晶性能

Yu等的研究发现，加入MMT后，PVA/MMT复合材料的结晶温度及结晶度均随MMT含量的增加而降低。原因是MMT片层分散于PVA基体中，限制了PVA分子的自由体积，阻碍了其分子链的重排结晶；随MMT含量的增加，这种影响愈加明显，从而使得结晶度不断下降。同时，MMT又起到异相成核剂的作用，加速了PVA/MMT纳米复合材料的结晶。

王滨等关于MMT对PVA/MMT纳米复合材料结晶性能的影响研究发现，MMT的加入加快了PVA的结晶，使其结晶温度向高温方向偏移，但同样也限制了PVA分子链的运动，使其难以形成大尺寸晶体，晶体尺寸下降明显，如图7-12所示。

图7-12 PVA及其与MMT的复合材料结晶形态

a）PVA b）PVA/MMT

2.拉伸性能

Yu等对PVA/MMT纳米复合材料[其中MMT用量（质量分数）分别为0、2%、4%、6%和10%]的拉伸性能测试表明，所有试样都有屈服，而且在塑性变形过程中，所有试样都有弹性变形的初始期，之后是明显的应力单调增加，直到断裂。图7-13所示为弹性模量、断裂应力和断裂应变以及测量的断裂随着MMT用量的变化情况。模量基本上都随着MMT用量的增加而增加，在MMT用量为4%（质量分数）时，纳米复合材料的模量高于纯PVA约300%。超过这一用量，模量开始趋于不变。图7-13表明，σ_max对MMT用量的变化并不敏感。韧性的下降十分温和，这可能是断裂伸长率的相应下降所致。

3.气体阻透性

Strawhecker等对纯PVA及其低MMT用量纳米复合材料的水蒸气透过率进行了研究。结果表明，在MMT用量只有4%～6%（质量分数）时，纳米复合材料的水蒸气透过率下降到纯PVA的40%左右，表明阻隔性能大幅度提高。

4.热稳定性

图7-14所示为PVA基纳米复合材料典型的TGA曲线，氮气气氛。可以看出，PVA及相应的MMT纳米复合材料主要的失重发生在200～500℃的温度范围内。很明显，纳米复合材料的热分解温度稍微向高温方向偏移了，这证实了受限聚合物热稳定性提高。在600℃之后，所有曲线都变平了，主要是残存的有机物。

5.耐水性

张英杰等研究了使用溶液插层法制得的PVA/MMT纳米复合材料薄膜的耐水性能，结果见表7-9。可以看出，随MMT含量的增加，薄膜的耐水性呈现先上升后下降的趋势。原因有二：一是MMT片层的存在限制了PVA分子的振动空间，使之不容易发生吸水溶胀；二是大面积的片层阻止了水分子由表面向内部的扩散，使吸水速度降低。但由于MMT亲水，含量过高后，耐水性也会随之下降。(www.xing528.com)

图7-13 PVA/MMT复合材料的拉伸性能随着MMT用量的变化情况

注：从上至下分别为本体值（68.5MPa）天量纲化的弹性模量、最大断裂应力、韧性（■）和断裂应变（△）。后两者也是分别用本体值（45.8MPa和330%）无量纲化的值。

图7-14 不同材料的TGA曲线

1—w（MMT）=0 2—w（MMT）=0.15% 3—w（MMT）=0.3% 4—w（MMT）=1% 5—w（MMT）=1.5% 6—w（MMT）=3% 7—w（MMT）=5%

表7-9 不同MMT含量的PVA/MMT纳米复合材料的耐水性

6.剥离型与插层型PVA/MMT纳米复合材料性能比较

MMT的分散状态对PVA/MMT复合材料性能的影响见表7-10。从表7-10可以看出，由于插层型复合材料可以将更多的PVA分子链束缚在层片之间，可以更大程度地限制分子链的热运动，并且可以保护插入层中的PVA分子，因此热稳定性明显好于剥离型材料。插层型复合材料的MMT片层可以更多地限制PVA分子的吸水溶胀且延长水分子的渗透路径，但由于插层型材料的MMT含量高，且其具有较高的亲水性，因此两种类型复合材料的耐水性能相差不大，当MMT含量为7.5%（质量分数）时性能最佳。由于MMT片层易产生堆叠，插层型PVA/MMT复合材料的透光性能出现明显下降。由于MMT含量较高时MMT片层间距小，因此拉伸产生银纹时PVA/MMT复合材料基体无法像剥离型复合材料那样迅速产生塑性变形来吸收冲击能，银纹得以快速扩大，因此剥离型复合材料的拉伸强度更好。

表7-10 MMT的分散状态对PVA/MMT复合材料性能的影响

PVA/MMT纳米复合材料可通过原位聚合、溶液插层及熔融插层3种方法来制得。3种制备方法各有优势：原位聚合法可制得MMT分散状态最好的复合材料；溶液插层法技术成熟，是目前最常用的插层方法；熔融插层法操作简便，过程短，节省能源。3种方法制得的复合材料，具有相同或相似的结构，在性能上也基本相近。与其他两种插层方法相比，熔融插层法生产周期短，操作简便，不需有机溶剂，工艺相对简单，对环境友好，具有更广阔的应用前景。