聚酰胺纳米复合材料的应用进展*

王忠强，卢健体，易庆锋，吴世祥，蓝承东，丁 佳

（广东圆融新材料有限公司，广东佛山 528300）

聚酰胺材料具有优异的力学性能、自润滑性、耐腐蚀性、耐油性和加工性能，被广泛应用在电子电器、汽车部件、电动工具等领域，同时由于聚酰胺材料具有极性较强的酰胺键，使其吸水性较大，对产品的尺寸稳定性和电性能影响较大，并且聚酰胺材料的低温冲击性能低的缺点也限制了聚酰胺材料的应用领域［1-4］。因此，必须对聚酰胺材料进行改性，提高其综合性能。

随着纳米科学技术的不断发展和成熟，通过聚合或者共混的方式在聚合物中引入纳米粒子，使纳米复合材料表现出传统材料不具有的阻燃性、导电性、抑菌性，以及更优异的力学性能和阻隔性能等，上述研究内容逐渐成为材料领域的研究热点［5-8］。由于聚酰胺材料在家电、汽车、电子产品中有广泛的应用而备受人们的青睐，通过添加功能性纳米粒子提高聚酰胺材料的综合性能成为了目前比较热门的研究方向，同时也拓宽了聚酰胺材料的应用领域［9-10］，特别是应用在包装领域、免喷涂领域、5G介电材料领域和电磁屏蔽与吸波领域［11-13］。因此，聚酰胺纳米复合材料将会成为应用前景最好的一种纳米复合材料。

1 聚酰胺纳米复合材料的应用

1.1 包装领域

聚酰胺纳米复合材料具有优异的对水蒸气和氧气的阻隔性能以及对紫外线的吸收折射性能，能极大地满足对食品包装防护的要求［14］。德国拜耳公司开发出PA6/纳米硅酸盐复合材料产品应用于包装薄膜，并且在厚度不变的情况下，其阻隔氧气的性能成倍的增加。美国霍尼韦尔公司开发出PA6/蒙脱土纳米材料，使PA6的氧气透光率降低100倍，可应用于饮料瓶和啤酒瓶材料的生产［15］。合肥杰事杰新材料股份有限公司［16］开发出一种以己内酰胺、聚酰胺66、无机纳米氧化物、催化剂和活化剂原位聚合制备得到聚酰胺纳米阻隔材料，其原理是利用己内酰胺和聚酰胺66在热力学上是相容的，同时不同聚酰胺分子之间的强烈的相互作用以及分子构象的不同，会破坏PA6和PA66分子原有的有序氢键排布，改变其晶型结构，从而有利于提高其综合性能，并且无机纳米氧化物的加入，可以对复合材料的力学性能和阻隔性能进一步的提升。株洲时代新材料科技股份有限公司［17］开发出一种以聚合物单体、水和纳米蒙脱土原位共聚得到的PA6/66包装薄膜，该材料具有优异的力学性能和阻隔性能，与普通的共聚PA6/66薄膜相比，其力学性能提升10%以上，阻隔性能提升1倍以上。苏州安特实业有限公司［18］开发一种高抗菌的聚酰胺复合包装材料的制备方法，其在纳米氧化钛体系中加入聚乙烯吡咯烷酮和苯乙烯单体，并以偶氮二异丁腈为引发剂制备得到聚苯乙烯-纳米氧化钛，然后将聚苯乙烯-纳米氧化钛、聚酰胺、偶联剂、增塑剂和抗氧剂经双螺杆挤出机制备得到高抗菌PA产品，该产品具有一定的抗菌性能和防水阻气性能，无毒环保，制备成本低。目前，聚酰胺纳米复合材料在包装领域应用较多的为纳米硅酸盐，而性能集中在阻隔性能上，可以看出，提升聚酰胺材料的导电性、抗紫外线性和阻燃性，以及赋予抗菌性，将有利于纳米复合包装材料应用于更多的场合，也是未来纳米包装材料的发展趋势。

1.2 免喷涂领域

免喷涂技术是近几年来改性塑料行业中开发的热点技术之一，其综合了材料开发、色彩设计和成型工艺技术于一体的全套系统方案，通过向聚合物树脂中添加特殊效果的颜料，例如珠光粉或铝粉等，从而达到具有美学效果的外观。与传统喷涂技术相比，免喷涂技术具有两大优势：（1）环保优势，塑料产品通常需要喷漆，而免喷涂技术可以避免油漆和喷漆过程中产生的挥发性有机物（VOC），同时免喷涂塑料可以100%回收，重新利用；（2）成本优势，从材料成本来说，免喷涂塑料比普通塑料成本贵10%左右，但是算上喷漆费用等，使用免喷涂塑料的成本反而下降了20%~30%左右［19-20］。

“环保高于美观”的价值观使得免喷涂材料在国外家电产品应用较早，普及率也高，欧美国家更甚。典型的应用案例有：戴森的无叶风扇和吸尘器、LG电子的吸尘器、伊莱克斯的吸尘器和酷晨的电饭煲等。我国的免喷涂技术发展相对较晚，但是最近几年，由于环保之风日益盛行，国内家电产品也逐步普及免喷涂材料，如海信和长虹的平板电视面框、美的和格力等的空调面板，海尔和美菱的冰箱拉手，以及小熊电器的电水壶和电吹风等小家电［21］。免喷涂材料最初由沙伯基础公司（SABIC）于2000年以VISUALFX商品名提出，主要是通过在聚合物基材中添加特殊颜料达到特殊外观效果的聚合物合金［22］。目前，尤尼吉可公司推出了基于层状硅酸盐和PA6得到的纳米复合材料，商品名为NANOCON，其具有95MPa的拉伸强度，可以有效解决免喷涂成型过程中出现的流痕和熔接痕缺陷的现象，而国内的会通新材公司近期推出了会特丽系列免喷涂产品，其通过PA6和层状硅酸盐制备得到纳米复合材料，可以应用于鼠标外壳、新能源电动车外饰件、箱包外壳和汽车引擎盖、把手等部件。

1.3 5G介电材料领域

在通信领域，随着无线网络从4G频率走向5G频率，对各种电子零部件的性能以及稳定性提出了更高的要求，具体体现在5G材料需要具有更优的介电性能，特别是具有低介电低损耗，其主要原因是5G技术采用了亚6GHz（sub-6 GHz）和毫米波（频段在30~300 GHz、波长为1~10 mm的电磁波）进行信号传输，在该频段内当电场通过介质的时候，5G材料在受到交变电磁场的作用下，介质分子交替极化以及晶格来回碰撞产生的共振而导致严重的热损耗和随着频率升高增加的介质损耗，以及产生的导体损耗和辐射损耗，这些都会导致信号传输的延迟，无法满足5G通讯技术对灵敏度和传播速率的苛刻要求［23］。

目前，关于无机纳米粒子填充聚酰胺应用于介电领域的研究较少，例如采用高岭土、云母、滑石粉和二氧化硅等具有较低介电常数的填料，既可以提高聚酰胺的力学强度，也可以改善聚酰胺的介电性能。其中，高岭土的结构致密且无缝隙，晶格排列整齐，本身具有较低的介电常数(Dk为2.6)，经过高温煅烧脱去结晶水后，其介电常数可进一步降低为1.3，具有较佳的应用前景［24］。聚酰胺介电材料目前可应用于：(1)5G断路器，满足低压电器外壳的要求，适应极端天气以及恶劣环境，保证5G通讯柜的安全稳定运行；(2)USB连接器，满足制件的耐高温和不变形的要求，以及生产安装工艺的需要；(3)手机天线，聚酰胺介电材料具有优异的力学性能和尺寸稳定性，以及耐高温，在无铅焊接后不起泡和低翘曲，其无线信号损耗低。

1.4 电磁屏蔽与吸波领域

电磁屏蔽材料和吸波材料主要用于衰减或吸收电磁波，消除电磁波对电子元器件、环境和人体等产生的干扰或伤害。传统的电磁屏蔽和吸波材料的填料，如石墨、铁氧体和陶瓷类材料等，由于其密度大、吸收频带窄等，不能满足目前电磁屏蔽和吸波材料的“轻、薄、强、宽”的要求。碳材料填充聚合物复合材料是被认为目前最有发展前景的电磁屏蔽和吸波材料之一，碳材料包括炭黑、碳纳米管、石墨烯、碳纤维等具有低密度、高柔性、高电导率、易加工成型等优点，弥补了金属材料密度高、易腐蚀和填充量大等缺陷，可以应用于电磁屏蔽领域与吸波领域［25］。目前，聚酰胺纳米复合材料有望应用于汽车电子电器、5G通讯部件、集成电路等需要电磁屏蔽或者吸波的部件，具体应用有：（1）通信基站的悬挂结构件，由于密度小，作为通信基站发射塔的悬挂结构具有一定的应用优势；（2）电源盖板，目前通讯设备上的电源系统的电源盖板以铝压铸件为主，存在质量重、成本高、加工性差、屏蔽效能不可调等缺陷，采用聚酰胺纳米复合材料进行替代，有望解决上述问题，满足市场更高的需求；（3）屏蔽腔，目前通讯设备上的屏蔽腔大多采用铝合金压铸件，存在质量重、加工性差、易腐蚀等缺陷，采用聚酰胺纳米复合材料进行替代，其屏蔽效能可以满足要求，成本也会降低。

2 结论

目前，用于聚酰胺的纳米材料主要包括层状硅酸盐、二氧化硅、碳材料、多面体低聚倍硅氧烷等，带来的性能上的提升也是多样化的，满足了包装领域、免喷涂领域、5G介电材料领域和电磁屏蔽与吸波领域等的要求，但是目前在上述领域的应用，国内目前还处于探索和研究阶段，大规模应用还有一定的距离，而上述领域对材料的需求强大，应用前景较好，亟待科研工作者开展深入系统的研究。