聚酰胺納米復(fù)合材料的應(yīng)用進(jìn)展*

王忠強(qiáng)，盧健體，易慶鋒，吳世祥，藍(lán)承東，丁 佳

（廣東圓融新材料有限公司，廣東佛山 528300）

聚酰胺材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能、自潤滑性、耐腐蝕性、耐油性和加工性能，被廣泛應(yīng)用在電子電器、汽車部件、電動工具等領(lǐng)域，同時由于聚酰胺材料具有極性較強(qiáng)的酰胺鍵，使其吸水性較大，對產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性和電性能影響較大，并且聚酰胺材料的低溫沖擊性能低的缺點(diǎn)也限制了聚酰胺材料的應(yīng)用領(lǐng)域［1-4］。因此，必須對聚酰胺材料進(jìn)行改性，提高其綜合性能。

隨著納米科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，通過聚合或者共混的方式在聚合物中引入納米粒子，使納米復(fù)合材料表現(xiàn)出傳統(tǒng)材料不具有的阻燃性、導(dǎo)電性、抑菌性，以及更優(yōu)異的力學(xué)性能和阻隔性能等，上述研究內(nèi)容逐漸成為材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［5-8］。由于聚酰胺材料在家電、汽車、電子產(chǎn)品中有廣泛的應(yīng)用而備受人們的青睞，通過添加功能性納米粒子提高聚酰胺材料的綜合性能成為了目前比較熱門的研究方向，同時也拓寬了聚酰胺材料的應(yīng)用領(lǐng)域［9-10］，特別是應(yīng)用在包裝領(lǐng)域、免噴涂領(lǐng)域、5G介電材料領(lǐng)域和電磁屏蔽與吸波領(lǐng)域［11-13］。因此，聚酰胺納米復(fù)合材料將會成為應(yīng)用前景最好的一種納米復(fù)合材料。

1 聚酰胺納米復(fù)合材料的應(yīng)用

1.1 包裝領(lǐng)域

聚酰胺納米復(fù)合材料具有優(yōu)異的對水蒸氣和氧氣的阻隔性能以及對紫外線的吸收折射性能，能極大地滿足對食品包裝防護(hù)的要求［14］。德國拜耳公司開發(fā)出PA6/納米硅酸鹽復(fù)合材料產(chǎn)品應(yīng)用于包裝薄膜，并且在厚度不變的情況下，其阻隔氧氣的性能成倍的增加。美國霍尼韋爾公司開發(fā)出PA6/蒙脫土納米材料，使PA6的氧氣透光率降低100倍，可應(yīng)用于飲料瓶和啤酒瓶材料的生產(chǎn)［15］。合肥杰事杰新材料股份有限公司［16］開發(fā)出一種以己內(nèi)酰胺、聚酰胺66、無機(jī)納米氧化物、催化劑和活化劑原位聚合制備得到聚酰胺納米阻隔材料，其原理是利用己內(nèi)酰胺和聚酰胺66在熱力學(xué)上是相容的，同時不同聚酰胺分子之間的強(qiáng)烈的相互作用以及分子構(gòu)象的不同，會破壞PA6和PA66分子原有的有序氫鍵排布，改變其晶型結(jié)構(gòu)，從而有利于提高其綜合性能，并且無機(jī)納米氧化物的加入，可以對復(fù)合材料的力學(xué)性能和阻隔性能進(jìn)一步的提升。株洲時代新材料科技股份有限公司［17］開發(fā)出一種以聚合物單體、水和納米蒙脫土原位共聚得到的PA6/66包裝薄膜，該材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能和阻隔性能，與普通的共聚PA6/66薄膜相比，其力學(xué)性能提升10%以上，阻隔性能提升1倍以上。蘇州安特實業(yè)有限公司［18］開發(fā)一種高抗菌的聚酰胺復(fù)合包裝材料的制備方法，其在納米氧化鈦體系中加入聚乙烯吡咯烷酮和苯乙烯單體，并以偶氮二異丁腈為引發(fā)劑制備得到聚苯乙烯-納米氧化鈦，然后將聚苯乙烯-納米氧化鈦、聚酰胺、偶聯(lián)劑、增塑劑和抗氧劑經(jīng)雙螺桿擠出機(jī)制備得到高抗菌PA產(chǎn)品，該產(chǎn)品具有一定的抗菌性能和防水阻氣性能，無毒環(huán)保，制備成本低。目前，聚酰胺納米復(fù)合材料在包裝領(lǐng)域應(yīng)用較多的為納米硅酸鹽，而性能集中在阻隔性能上，可以看出，提升聚酰胺材料的導(dǎo)電性、抗紫外線性和阻燃性，以及賦予抗菌性，將有利于納米復(fù)合包裝材料應(yīng)用于更多的場合，也是未來納米包裝材料的發(fā)展趨勢。

1.2 免噴涂領(lǐng)域

免噴涂技術(shù)是近幾年來改性塑料行業(yè)中開發(fā)的熱點(diǎn)技術(shù)之一，其綜合了材料開發(fā)、色彩設(shè)計和成型工藝技術(shù)于一體的全套系統(tǒng)方案，通過向聚合物樹脂中添加特殊效果的顏料，例如珠光粉或鋁粉等，從而達(dá)到具有美學(xué)效果的外觀。與傳統(tǒng)噴涂技術(shù)相比，免噴涂技術(shù)具有兩大優(yōu)勢：（1）環(huán)保優(yōu)勢，塑料產(chǎn)品通常需要噴漆，而免噴涂技術(shù)可以避免油漆和噴漆過程中產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)物（VOC），同時免噴涂塑料可以100%回收，重新利用；（2）成本優(yōu)勢，從材料成本來說，免噴涂塑料比普通塑料成本貴10%左右，但是算上噴漆費(fèi)用等，使用免噴涂塑料的成本反而下降了20%~30%左右［19-20］。

“環(huán)保高于美觀”的價值觀使得免噴涂材料在國外家電產(chǎn)品應(yīng)用較早，普及率也高，歐美國家更甚。典型的應(yīng)用案例有：戴森的無葉風(fēng)扇和吸塵器、LG電子的吸塵器、伊萊克斯的吸塵器和酷晨的電飯煲等。我國的免噴涂技術(shù)發(fā)展相對較晚，但是最近幾年，由于環(huán)保之風(fēng)日益盛行，國內(nèi)家電產(chǎn)品也逐步普及免噴涂材料，如海信和長虹的平板電視面框、美的和格力等的空調(diào)面板，海爾和美菱的冰箱拉手，以及小熊電器的電水壺和電吹風(fēng)等小家電［21］。免噴涂材料最初由沙伯基礎(chǔ)公司（SABIC）于2000年以VISUALFX商品名提出，主要是通過在聚合物基材中添加特殊顏料達(dá)到特殊外觀效果的聚合物合金［22］。目前，尤尼吉可公司推出了基于層狀硅酸鹽和PA6得到的納米復(fù)合材料，商品名為NANOCON，其具有95MPa的拉伸強(qiáng)度，可以有效解決免噴涂成型過程中出現(xiàn)的流痕和熔接痕缺陷的現(xiàn)象，而國內(nèi)的會通新材公司近期推出了會特麗系列免噴涂產(chǎn)品，其通過PA6和層狀硅酸鹽制備得到納米復(fù)合材料，可以應(yīng)用于鼠標(biāo)外殼、新能源電動車外飾件、箱包外殼和汽車引擎蓋、把手等部件。

1.3 5G介電材料領(lǐng)域

在通信領(lǐng)域，隨著無線網(wǎng)絡(luò)從4G頻率走向5G頻率，對各種電子零部件的性能以及穩(wěn)定性提出了更高的要求，具體體現(xiàn)在5G材料需要具有更優(yōu)的介電性能，特別是具有低介電低損耗，其主要原因是5G技術(shù)采用了亞6GHz（sub-6 GHz）和毫米波（頻段在30~300 GHz、波長為1~10 mm的電磁波）進(jìn)行信號傳輸，在該頻段內(nèi)當(dāng)電場通過介質(zhì)的時候，5G材料在受到交變電磁場的作用下，介質(zhì)分子交替極化以及晶格來回碰撞產(chǎn)生的共振而導(dǎo)致嚴(yán)重的熱損耗和隨著頻率升高增加的介質(zhì)損耗，以及產(chǎn)生的導(dǎo)體損耗和輻射損耗，這些都會導(dǎo)致信號傳輸?shù)难舆t，無法滿足5G通訊技術(shù)對靈敏度和傳播速率的苛刻要求［23］。

目前，關(guān)于無機(jī)納米粒子填充聚酰胺應(yīng)用于介電領(lǐng)域的研究較少，例如采用高嶺土、云母、滑石粉和二氧化硅等具有較低介電常數(shù)的填料，既可以提高聚酰胺的力學(xué)強(qiáng)度，也可以改善聚酰胺的介電性能。其中，高嶺土的結(jié)構(gòu)致密且無縫隙，晶格排列整齊，本身具有較低的介電常數(shù)(Dk為2.6)，經(jīng)過高溫煅燒脫去結(jié)晶水后，其介電常數(shù)可進(jìn)一步降低為1.3，具有較佳的應(yīng)用前景［24］。聚酰胺介電材料目前可應(yīng)用于：(1)5G斷路器，滿足低壓電器外殼的要求，適應(yīng)極端天氣以及惡劣環(huán)境，保證5G通訊柜的安全穩(wěn)定運(yùn)行；(2)USB連接器，滿足制件的耐高溫和不變形的要求，以及生產(chǎn)安裝工藝的需要；(3)手機(jī)天線，聚酰胺介電材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性，以及耐高溫，在無鉛焊接后不起泡和低翹曲，其無線信號損耗低。

1.4 電磁屏蔽與吸波領(lǐng)域

電磁屏蔽材料和吸波材料主要用于衰減或吸收電磁波，消除電磁波對電子元器件、環(huán)境和人體等產(chǎn)生的干擾或傷害。傳統(tǒng)的電磁屏蔽和吸波材料的填料，如石墨、鐵氧體和陶瓷類材料等，由于其密度大、吸收頻帶窄等，不能滿足目前電磁屏蔽和吸波材料的“輕、薄、強(qiáng)、寬”的要求。碳材料填充聚合物復(fù)合材料是被認(rèn)為目前最有發(fā)展前景的電磁屏蔽和吸波材料之一，碳材料包括炭黑、碳納米管、石墨烯、碳纖維等具有低密度、高柔性、高電導(dǎo)率、易加工成型等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了金屬材料密度高、易腐蝕和填充量大等缺陷，可以應(yīng)用于電磁屏蔽領(lǐng)域與吸波領(lǐng)域［25］。目前，聚酰胺納米復(fù)合材料有望應(yīng)用于汽車電子電器、5G通訊部件、集成電路等需要電磁屏蔽或者吸波的部件，具體應(yīng)用有：（1）通信基站的懸掛結(jié)構(gòu)件，由于密度小，作為通信基站發(fā)射塔的懸掛結(jié)構(gòu)具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢；（2）電源蓋板，目前通訊設(shè)備上的電源系統(tǒng)的電源蓋板以鋁壓鑄件為主，存在質(zhì)量重、成本高、加工性差、屏蔽效能不可調(diào)等缺陷，采用聚酰胺納米復(fù)合材料進(jìn)行替代，有望解決上述問題，滿足市場更高的需求；（3）屏蔽腔，目前通訊設(shè)備上的屏蔽腔大多采用鋁合金壓鑄件，存在質(zhì)量重、加工性差、易腐蝕等缺陷，采用聚酰胺納米復(fù)合材料進(jìn)行替代，其屏蔽效能可以滿足要求，成本也會降低。

2 結(jié)論

目前，用于聚酰胺的納米材料主要包括層狀硅酸鹽、二氧化硅、碳材料、多面體低聚倍硅氧烷等，帶來的性能上的提升也是多樣化的，滿足了包裝領(lǐng)域、免噴涂領(lǐng)域、5G介電材料領(lǐng)域和電磁屏蔽與吸波領(lǐng)域等的要求，但是目前在上述領(lǐng)域的應(yīng)用，國內(nèi)目前還處于探索和研究階段，大規(guī)模應(yīng)用還有一定的距離，而上述領(lǐng)域?qū)Σ牧系男枨髲?qiáng)大，應(yīng)用前景較好，亟待科研工作者開展深入系統(tǒng)的研究。