納米塑料（英文：Nanoplastics）是指金屬、無機(jī)非金屬或聚合物材料以納米尺寸分散于樹脂基體中形成的樹脂基納米復(fù)合材料。層狀硅酸鹽主要來源于天然霧脫土，故又稱聚合物/粘土納米復(fù)合材料。
納米塑料按照加入納米材料的不同，納米塑料可分為：無機(jī)納米塑料（包括：填充型納米塑料、層狀納米塑料）有機(jī)納米塑料和金屬納米塑料，可用通過插層復(fù)合法、原位聚合物法、膠一凝膠法、共混法等方法制備。
因?yàn)榫哂懈邚?qiáng)度和耐熱性、高阻隔及自熄滅性、優(yōu)良的加工性以及低廉的價(jià)格等特點(diǎn)，使得納米塑料在各種高性能工農(nóng)民用管材、汽車及機(jī)械零部件、電子和電氣部件等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。同時(shí)，具有優(yōu)異阻隔性能的納米復(fù)合材料在食品特別是啤酒耀裝、肉類和奶酪制品的包裝材料市場上有較大的潛力。研究表明，納米塑料可能會導(dǎo)致生長畸形、帕金森病病變，存在入侵人體細(xì)胞和主要器官組織的風(fēng)險(xiǎn)、對人體健康帶來損害。
分類和化學(xué)組成
納米塑料按照加入納米材料的不同，納米塑料可分為：
無機(jī)納米塑料
無機(jī)納米塑料是指無機(jī)填料以納米尺寸分散在聚合物基體。
填充型納米塑料
填充型納米塑料是指將無機(jī)納米粉體填充到聚合物基體中。這類納米塑料的研究是從納米CaCO3塑料開始的，目前已經(jīng)開發(fā)的加入納米CaCO3塑料有：
納米CaCO3加入到高密度聚乙烯（HDPE）材料中。試驗(yàn)結(jié)果表明：CaCO3含量為25%時(shí)，其增韌效果最佳。用鈦酸偶聯(lián)劑處理后，塑料增韌效果更明顯，其最大沖強(qiáng)度比純HDPE高出70%。經(jīng)過處理的納米CaCO3體系，即使填充劑含量較高，納米無機(jī)粒子HDPE塑料仍具有良好的加工性能。
納米CaCO3（粒徑為30nm）加入到聚氯乙稀（PVC）中。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著納米CaCO3用量的增加，材料的拉伸強(qiáng)度增大，在含量為10%時(shí)達(dá)到最大值（58Mpa），為純PVC（47Mpa）的123%，而微米級CaCO3則無明顯增強(qiáng)效果，當(dāng)含量為10%時(shí)納米塑料的沖擊強(qiáng)度可達(dá)到純PVC的313%。
納米CaCO3加入到聚丙烯（PP）中，研究發(fā)現(xiàn)：拉伸強(qiáng)度隨納米級CaCO3含量增加呈現(xiàn)先升后降的趨勢。在其含量為4%時(shí)，拉伸強(qiáng)度出現(xiàn)最大值。而微米級CaCO3對材料的拉伸強(qiáng)度無明顯增強(qiáng)作用。且納米PP對材料缺口沖擊強(qiáng)度和無缺口沖擊強(qiáng)度的增韌作用十分明顯，在納米級CaCO3含量為4%時(shí)達(dá)到最大值。
層狀納米塑料
層狀納米塑料是指無機(jī)納米材料為片層，聚合物插入納米片層之間或片層分散在聚合物基體中。這類材料主要是指硅酸鹽類，例如：蒙脫土、高嶺土、硅藻土。目前應(yīng)用最多的是蒙脫土，蒙脫土是由片狀晶體構(gòu)成的，其晶體厚度約為1nm，片層間的距離也約為1nm，長約100nm。這類納米塑料已研究的有：尼龍6納米塑料。研究中發(fā)現(xiàn)：使蒙脫土加入量在10%以下，該材料的強(qiáng)度仍然顯著增加，并大大超過傳統(tǒng)共混復(fù)合材料的增加幅度。其熱變形溫度則由尼龍6的65℃提高到152℃。用廣角X散射（WAXD）、小角激光散射（SALS）等研究表明，蒙脫土的加入還起到了異相成核作用，使尼龍6（PA6）的結(jié)晶溫度提高，過冷結(jié)晶度降低。而且有機(jī)粘土完全破壞了尼龍6的球晶結(jié)構(gòu)，但尼龍6的結(jié)晶度基本不變。當(dāng)控制球晶尺寸小于可見光波長時(shí)，可使插層材料具有良好的透氣性，可用于汽車發(fā)動機(jī)配件。用做結(jié)構(gòu)材料時(shí)，這種尼龍6/蒙脫土納米塑料具有比強(qiáng)度高的特點(diǎn)，質(zhì)量減輕達(dá)到25%。
由于層狀納米塑料（即硅酸鹽納米塑料）的制備方法簡單材料來源廣泛，適用的聚合物種類多，使得這類納米塑料備受關(guān)注，研究異常活躍。
有機(jī)納米塑料
有機(jī)納米塑料是由納米有機(jī)材料加入到聚合物基體中形成的，且這些有機(jī)物大多數(shù)是液晶。例如：在聚酰亞胺（PI）中加入10%的熱致型液晶聚合物，能使彈性模量由1.7Gpa提高到6.9Gpa，拉伸強(qiáng)度由125Mpa提高到470Mpa。以5%的聚對苯二甲酰對苯胺（PPTA）與尼龍6（PA6）液共混，得到PPTA微纖（直徑為15~30nm、長約600nm）在PA6基體中分散的分子復(fù)合材料。還用少量PPTA微纖作為增強(qiáng)劑，與熱固性聚亞胺（PI）、PVC、ABS、離子聚合物等復(fù)合，借助溶劑，形成分子復(fù)合材料。
金屬納米塑料
金屬納米塑料指把納米金屬粉體加入到聚合物中。例如：把納米Cu加入到聚甲醛（POM）中改善塑料的耐性，或在聚丙烯（PP）中加入其他納米金屬粉末改善塑料的導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度。
性能特點(diǎn)
高強(qiáng)度和耐熱性
插層復(fù)合技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)有機(jī)物基體與無機(jī)物分散相在納米尺度上的復(fù)合，所得的納米塑料能夠?qū)o機(jī)物的剛性、尺寸穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性與聚合物的韌性、可加工性及介電性完美地結(jié)合起來。納米塑料中含蒙脫土量較少，一般在10wt.%以下，通常僅為3-5wt.%，但其剛性、強(qiáng)度、耐熱性等性能與常規(guī)玻纖或礦物填充增強(qiáng)復(fù)合材料(填充量30wt.%左右甚至更高)相當(dāng)，因而納米塑料的比重較低，比強(qiáng)度和比模量高而又不損失其抗沖擊強(qiáng)度，能夠有效地降低制品重量，方便運(yùn)輸。同時(shí)，由于納米粒子尺寸小于可見光波長，納米塑料具有高的光澤和良好的透明度。
高阻隔及自熄滅性
由于聚合物基體與蒙脫石片層的良好結(jié)合，通過控制納米硅酸鹽片層的平面取向，納米塑料制品表現(xiàn)出良好的氣體(包括水蒸氣)阻隔性。例如，尼龍6納米復(fù)合材料(含蒙脫士2wt.%)的氧氣透過率與純的尼龍6相比降低了一半，水蒸氣的透過率降低了三分之一以上。一些納米塑料還具有阻燃自熄滅性能。此外，由于納米尺寸無機(jī)粒子的加入以及填料與基體間的緊密結(jié)合，納米塑料的尺可穩(wěn)定性比普通塑料要好得多。
優(yōu)良的加工性
納米塑料熔體強(qiáng)度高，結(jié)晶速度快，熔體粘度低，因此注塑、擠出和吹塑的加工性能優(yōu)良。尤其是擠出級、注塑級納米超高分子量聚乙烯，解決了超高分子量聚乙烯加工的難題。加工性能的改善對納米塑料的實(shí)用化具有重要意義。
制備方法
有關(guān)納米塑料的制備方法，文獻(xiàn)報(bào)道最多的歸納起來有插層復(fù)合法、原位聚合物法、膠一凝膠法、共混法等。
插層復(fù)合法
插層復(fù)合法是目前制備納米塑料的主要方法。插層復(fù)合法就是將高分子單體或聚合物插層于層狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽（如蒙脫土、云母、蛭石等）片層中，進(jìn)而破壞硅酸鹽的片層結(jié)構(gòu)，剝離成厚為1nm，長、寬為100~1000nm的基本單元，并使其均勻分散在聚合物基體中，實(shí)現(xiàn)高分子與層狀硅酸鹽在納米尺度上的復(fù)合。插層復(fù)合法一般有兩種方式：①插層聚合法（Intercalative Polymerization），即先將聚合物單體分散，插層進(jìn)層狀硅酸鹽片層中，然后原位聚合，利用聚合時(shí)放出的大量熱量，克服硅酸鹽片層間的庫倫力，使其剝離，從而使納米尺寸的硅酸鹽片層與聚合物基體以化學(xué)鍵的方式相復(fù)合。②聚合物插層法（Polyme Intercalation），即將聚合物熔體或溶液與層狀硅酸鹽混合，利用力化學(xué)及熱力學(xué)作用使層狀硅酸鹽剝離成納米尺寸的片層并均勻地分散在聚合物基體中。
原位聚合法（in situ polymerization）
原位聚合法是應(yīng)用原位填充，使納米粒子在單體中均勻地分散，然后進(jìn)行聚合反應(yīng)，既實(shí)現(xiàn)了填充粒子的均勻分散，又保證了粒子的納米特性。此外，在原位填充過程中，聚合物基體只經(jīng)一次聚合成型，不需要熱加工，避免了由此產(chǎn)生的降解，從而可以保證基體各種性能的穩(wěn)定。
涪膠-凝膠法（Sol-Gel 法）
這種方法是從20世紀(jì)80年代末開始應(yīng)用的。它是將硅烷金屬氧化物等前驅(qū)物溶于水或有機(jī)溶劑中，溶質(zhì)經(jīng)水解生成納米級粒子并形成溶膠，再經(jīng)蒸發(fā)干燥而成凝膠。該法的特點(diǎn)在于其可在溫和的反應(yīng)條件下進(jìn)行，兩相分散均勻，甚至可以達(dá)到“分子復(fù)合”的水平。存在的最大問題在于凝膠干燥過程中，由于溶劑、小分子和水分的揮發(fā)，材料內(nèi)部會產(chǎn)生收縮應(yīng)力，可能導(dǎo)致材料脆裂。盡管如此，溶膠凝膠法仍是目前應(yīng)用較多，也是較完善的方法之一。
共混法
共混法是將各種無機(jī)納米粒子（包括纖維管）與聚合物直接進(jìn)行分散混合。這類方法的特點(diǎn)是過程較簡單，容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，其缺點(diǎn)是要納米粒子呈原生態(tài)納米級的均勻分散較困難，因而給產(chǎn)品的穩(wěn)定性帶來了新問題。為此也發(fā)展了以下一些不同的工藝，如溶液共混法、乳液共混法和熔融共混法等。
應(yīng)用領(lǐng)域
在納米塑料復(fù)合材料中，加人的填充分散相，其尺寸至少在1維方向上小于100nm。由于分散相的納米尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和強(qiáng)界面結(jié)合，納米塑料具有基體塑料及微米級塑料復(fù)合材料所不具備的微觀組織結(jié)構(gòu)及性能，如高強(qiáng)度、抗靜電性、防輻射性和抗菌性等，是一種全新的高性能材料，具有廣闊的應(yīng)用前景。
比如，與一般微觀復(fù)合材料相比，含有少量蒙脫石的納米塑料表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能，因此它們比常規(guī)填充復(fù)合材料要輕。良好的性能組合、簡單的加工工藝和低廉的價(jià)格使得納米塑料在各種高性能工農(nóng)民用管材、汽車及機(jī)械零部件、電子和電氣部件等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。同時(shí)，具有優(yōu)異阻隔性能的納米復(fù)合材料在食品特別是啤酒耀裝、肉類和奶酪制品的包裝材料市場上有較大的潛力。
負(fù)面作用
或致生長畸形
荷蘭萊頓生物研究所研究人員使用雞胚作為模型，研究了聚苯乙烯納米粒子可能產(chǎn)生的極端影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)納米塑料會導(dǎo)致畸形。研究人員使用了高濃度的聚苯乙烯顆粒，這種顆粒通常不會存在于生物體中。但它顯示了納米塑料在極端情況下對非常年輕的胚胎的作用。研究人員觀察到神經(jīng)系統(tǒng)、心臟、眼睛和面部其他部位的畸形。
或?qū)е屡两鹕〔∽?/h3>
杜克大學(xué)研究人員在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上稱，納米塑料與大腦中天然存在的一種特定蛋白質(zhì)相互作用，會產(chǎn)生與帕金森病和某些類型癡呆癥相關(guān)的變化。
入侵人體
2014年1月8發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》的新研究指出，哥倫比亞大學(xué)的研究人員采用了一種新技術(shù)，可以確定、計(jì)算和分析瓶裝水中納米顆粒的化學(xué)結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，瓶裝水中所含的塑料顆粒物比原先預(yù)想的多出10到100倍。這項(xiàng)研究采用了一項(xiàng)新技術(shù)，可以檢測出瓶裝水中含有的納米塑料。研究發(fā)現(xiàn)，每升瓶裝水平均含有24萬個(gè)塑料顆粒物，其中90%都是納米塑料。納米塑料可以入侵人體細(xì)胞和主要器官組織，對人體健康十分有害。
參考資料 >
南通大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院唐娟團(tuán)隊(duì)：聚苯乙烯納米塑料的生物學(xué)效應(yīng)及其毒性機(jī)制研究進(jìn)展. 環(huán)境與職業(yè)醫(yī)學(xué).2024-01-21
納米塑料或致生長畸形.今日頭條.2024-01-21
納米塑料或?qū)е屡两鹕〔∽?/a>.今日頭條.2024-01-21
研究:每升瓶裝水含有數(shù)十萬個(gè)納米塑料 可入侵人體細(xì)胞.中國日報(bào)網(wǎng).2024-01-30