聚合物/納米復(fù)合材料將是21世紀前幾十年塑料工業(yè)的超級明星。與傳統(tǒng)的復(fù)合材料相比，納米塑料表現(xiàn)出更優(yōu)異的綜合性能，且比傳統(tǒng)的復(fù)合材料輕。比如尼龍6納米塑料與純尼龍6相比，具有高強度、高模量、高耐熱性、低吸濕性、高尺寸穩(wěn)定性，阻隔性能好，性能全面超過尼龍6，并且具有良好的加工性能。與普通的玻璃纖維增強和礦物增強尼龍6相比，具有密度低、耐磨性好、綜合性能優(yōu)等優(yōu)點。同時，該納米復(fù)合材料還可進一步用于玻璃纖維增強和普通礦物增強等改性納米尼龍6，其性能更加優(yōu)越。
20世紀80年代末，日本首先研發(fā)了兩步法制備尼龍6/蒙脫土納米復(fù)合材料，此后，美國nanocor公司也進行了聚合物/粘土納米復(fù)合材料的工業(yè)化研究。我國中科院化學(xué)所工程塑料國家重點實驗室用天然粘土礦物蒙脫土作為分散相，利用插層聚合復(fù)合、熔融插層復(fù)合等方法制備了納米塑料，成功開發(fā)出以聚酰胺、聚酯、聚乙烯、聚苯乙烯、環(huán)氧樹脂、硅橡膠、聚苯胺、聚氨酯等為基料的一系列納米塑料。納米PET聚酯已在燕山石化公司聚酯廠完成了工業(yè)放大。
納米顆粒正在改進塑料性能中發(fā)揮作用。研究表明，在不損害塑料的剛性情況下，使用納米顆粒可低成本地提高聚氯乙烯（PVC）和聚丙烯（PP）的韌性（抗沖強度）。
碳酸鈣（CaCO3）納米顆粒己在中國工業(yè)化生產(chǎn)，它采用北京化工技術(shù)大學(xué)開發(fā)的工藝，并由新加坡納米材料技術(shù)（NMT）公司進行技術(shù)轉(zhuǎn)讓。NMT公司在中國山西省有一合資裝置，已于2001年11月投產(chǎn)，另外，四川和安徽省的1萬噸/年裝置于2002年投產(chǎn)，山東省的裝置將于2003年投產(chǎn)。其他的CaCO3納米顆粒供應(yīng)商有比利時索爾維公司和日本Shiraishi（白石）鈣Kaiska公司。15~40nm直徑CaCO3納米顆粒由氫氧化鈣和二氧化碳在旋轉(zhuǎn)式反應(yīng)器（旋轉(zhuǎn)填充床）中反應(yīng)生成，北京化工技術(shù)大學(xué)/NMT工藝的優(yōu)點是生產(chǎn)成本較低。
旋轉(zhuǎn)填充床（RPB）工藝的經(jīng)濟性使納米CaCO3可應(yīng)用于通用樹脂。納米CaCO3主體中的顆粒負載為70%~80%，它可用于改進如PVC窗框等材料的抗沖性能，它們可部分替代抗沖改性劑，如氯化聚乙烯（CPE）和聚甲基丙烯酸酯-丁二烯-苯乙烯（MBS）共聚體。其他的潛在PVC應(yīng)用包括管道和管件，其性能改進比使用CPE和MBS抗沖改性劑稍低一些，典型的低10%~15%。納米CaCO3主體可與PP管件、薄膜和注模產(chǎn)品組合使用，用于注模時，納米CaCO3可與樹脂進行預(yù)摻混。
NMT廣泛研究了納米CaCO3/PVC和納米CaCO3/PP組合物性能。研究表明，納米CaCO3顆�？筛倪MPVC和PP的韌性。摻混8PPh納米CaCO3到PVC/CPE組合物體系中，可使其單一切口抗沖強度從14.9KJ/m2提高到81.4 KJ/m2，摻混12PPh到PP中，可使其單一切口抗沖強度從20.4 KJ/m2提高到61.7 KJ/m2。
納米CaCO3對提高塑料的增韌性有獨特的效果。在常規(guī)用彈性體進行增韌時，聚合物的剛性通常會因抗沖能力增高而變差。摻混8PPh納米CaCO3到PVC/CPE體系中，可使抗撓模量從2180MPa提高到2210MPa，而抗張強度相對保持不變，其他機械性質(zhì)基本無改變。另外，將納米CaCO3以8：100比例摻混入ABS中，其抗沖強度可達35 KJ/m2，它比純ABS體系要高出1.5倍，組合物體系的硬度也有提高，例如，摻混1PPh，可提高硬度23%。
使用納米CaCO3提高塑料韌性的關(guān)鍵，是將納米CaCO3顆粒較好地分散到聚合物基質(zhì)中。納米顆粒有很高的表面活性，這些顆粒傾向于聚結(jié)。納米CaCO3顆粒特定表面的改進可采用常規(guī)技術(shù)通過制備納米CaCO3主體來實現(xiàn)，從而可有效地將納米CaCO3顆粒分散到聚合物基質(zhì)中。
通常，納米顆粒使塑料增韌的機理是納米顆粒有大的表面積，納米顆粒在聚合物基質(zhì)中形成大量細裂紋（微細的斷裂），這些微細的斷裂可分散沖擊能，同時，納米顆�？臻g中的基質(zhì)可經(jīng)受塑料受沖擊而產(chǎn)生的變形，這也分散了外部沖擊力，從而提高了韌性。
然而，無機納米顆粒使塑料增韌的效果，需聚合物基質(zhì)應(yīng)具有內(nèi)在的韌性。在易碎的塑料如PVC中，配方中需采用少量抗沖改性劑（如CPE）。在納米CaCO3/PVC/CPE組合體系中，納米CaCO3和CPE會顯示出協(xié)同的增韌效果。在工業(yè)應(yīng)用中，使用4PPh CPE和4PPh納米CaCO3的效果較優(yōu)。
納米CaCO3可從易得的原料制取，生產(chǎn)無污染，成本低，無可燃性，摻混應(yīng)用于塑料中可起到重要的增韌效果。
浙江巨化公司電化廠完成納米碳酸鈣原位聚合PVC樹脂工業(yè)性試驗，這種納米PVC塑料是利用原位聚合式混配技術(shù)，將納米尺寸的超細微無機粒子填充到PVC基體中進行改性而形成的聚合材料，具有高強、高模、高韌性、高穩(wěn)定性及阻隔性，并具有良好的加工性能。該廠已工業(yè)化試產(chǎn)出適用于化學(xué)建材的高性能原位聚合PVC樹脂。
超高分子量聚乙烯的耐磨、耐沖擊、耐腐蝕、自潤滑等性能均在現(xiàn)有型料中堪稱性能較優(yōu)者，但由于粘度極高，成型加工困難。我國中科院化學(xué)所利用層狀硅酸鹽片層間摩擦系數(shù)小，可減少分子鏈的纏結(jié)，能起到良好自潤滑作用的特性，研制成功超高分子量聚乙烯/粘土納米復(fù)合材料，使得超高分子量聚乙烯能用普通擠出成型方法連續(xù)生產(chǎn)管材和異型材，并具有優(yōu)良的耐磨、耐腐蝕、高強度、無毒性能。由于納米塑料具有出色的性能，加工工藝簡單和價格低廉的優(yōu)點，在各種高性能管材、汽車及機械零部件、電子和電器部件等領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用前景。同時，具有優(yōu)異阻隔性能的納米復(fù)合材料在食品包裝材料市場潛力也十分巨大。
長期以來，由瓶裝啤酒爆裂造成消費者人身安全事故問題一直困擾生產(chǎn)廠家和消費部門，而且玻璃瓶質(zhì)量重造成運輸中資源的浪費。但由于啤酒中所含的蛋白質(zhì)很容易發(fā)生氧化反應(yīng)，無法達到長期保鮮的效果，在一般的塑料瓶中很難保存，而納米塑料的問世解決了這一問題。現(xiàn)在新研制出的納米塑料瓶不僅具有優(yōu)良的氣體阻隔性和較高的光澤度，而且這種塑料強度高，耐熱性好。美國Nanocor公司研制出的納米瓶裝啤酒己經(jīng)上市，我國的研究也有了重要進展。
目前，聚合物系納米復(fù)合材料的應(yīng)用處于市場開發(fā)期。發(fā)展最早的PA（聚酰胺）系納米復(fù)合材料2001年市場規(guī)模為1850噸。美國2010年納米復(fù)合材料總需求和按塑料種類需求的預(yù)測表明，今后納米復(fù)合材料將有較大發(fā)展，到2010年聚合物系納米復(fù)合材料營業(yè)額將達40.07億美元，其中聚烯烴系（特別是聚丙烯系）約占總量的50%左右，各種聚合物納米復(fù)合材料未來市場和占有份額為：聚丙烯系達16.54億美元，占總量41.3%；其次是聚乙烯和其他聚烯烴系4.31億美元，占10.8%；熱固性樹脂系3.94億美元，占9.8%，居第三，以下依次為：聚苯乙烯系3.69億美元，占9.2%；聚酰胺系3.18億美元，占7.9%；其他工程塑料和特種聚合物系總銷售額為5.42億美元，占總市場13.5%。
20世紀80年代末，日本首先研發(fā)了兩步法制備尼龍6/蒙脫土納米復(fù)合材料，此后，美國nanocor公司也進行了聚合物/粘土納米復(fù)合材料的工業(yè)化研究。我國中科院化學(xué)所工程塑料國家重點實驗室用天然粘土礦物蒙脫土作為分散相，利用插層聚合復(fù)合、熔融插層復(fù)合等方法制備了納米塑料，成功開發(fā)出以聚酰胺、聚酯、聚乙烯、聚苯乙烯、環(huán)氧樹脂、硅橡膠、聚苯胺、聚氨酯等為基料的一系列納米塑料。納米PET聚酯已在燕山石化公司聚酯廠完成了工業(yè)放大。
納米顆粒正在改進塑料性能中發(fā)揮作用。研究表明，在不損害塑料的剛性情況下，使用納米顆粒可低成本地提高聚氯乙烯（PVC）和聚丙烯（PP）的韌性（抗沖強度）。
碳酸鈣（CaCO3）納米顆粒己在中國工業(yè)化生產(chǎn)，它采用北京化工技術(shù)大學(xué)開發(fā)的工藝，并由新加坡納米材料技術(shù)（NMT）公司進行技術(shù)轉(zhuǎn)讓。NMT公司在中國山西省有一合資裝置，已于2001年11月投產(chǎn)，另外，四川和安徽省的1萬噸/年裝置于2002年投產(chǎn)，山東省的裝置將于2003年投產(chǎn)。其他的CaCO3納米顆粒供應(yīng)商有比利時索爾維公司和日本Shiraishi（白石）鈣Kaiska公司。15~40nm直徑CaCO3納米顆粒由氫氧化鈣和二氧化碳在旋轉(zhuǎn)式反應(yīng)器（旋轉(zhuǎn)填充床）中反應(yīng)生成，北京化工技術(shù)大學(xué)/NMT工藝的優(yōu)點是生產(chǎn)成本較低。
旋轉(zhuǎn)填充床（RPB）工藝的經(jīng)濟性使納米CaCO3可應(yīng)用于通用樹脂。納米CaCO3主體中的顆粒負載為70%~80%，它可用于改進如PVC窗框等材料的抗沖性能，它們可部分替代抗沖改性劑，如氯化聚乙烯（CPE）和聚甲基丙烯酸酯-丁二烯-苯乙烯（MBS）共聚體。其他的潛在PVC應(yīng)用包括管道和管件，其性能改進比使用CPE和MBS抗沖改性劑稍低一些，典型的低10%~15%。納米CaCO3主體可與PP管件、薄膜和注模產(chǎn)品組合使用，用于注模時，納米CaCO3可與樹脂進行預(yù)摻混。
NMT廣泛研究了納米CaCO3/PVC和納米CaCO3/PP組合物性能。研究表明，納米CaCO3顆�？筛倪MPVC和PP的韌性。摻混8PPh納米CaCO3到PVC/CPE組合物體系中，可使其單一切口抗沖強度從14.9KJ/m2提高到81.4 KJ/m2，摻混12PPh到PP中，可使其單一切口抗沖強度從20.4 KJ/m2提高到61.7 KJ/m2。
納米CaCO3對提高塑料的增韌性有獨特的效果。在常規(guī)用彈性體進行增韌時，聚合物的剛性通常會因抗沖能力增高而變差。摻混8PPh納米CaCO3到PVC/CPE體系中，可使抗撓模量從2180MPa提高到2210MPa，而抗張強度相對保持不變，其他機械性質(zhì)基本無改變。另外，將納米CaCO3以8：100比例摻混入ABS中，其抗沖強度可達35 KJ/m2，它比純ABS體系要高出1.5倍，組合物體系的硬度也有提高，例如，摻混1PPh，可提高硬度23%。
使用納米CaCO3提高塑料韌性的關(guān)鍵，是將納米CaCO3顆粒較好地分散到聚合物基質(zhì)中。納米顆粒有很高的表面活性，這些顆粒傾向于聚結(jié)。納米CaCO3顆粒特定表面的改進可采用常規(guī)技術(shù)通過制備納米CaCO3主體來實現(xiàn)，從而可有效地將納米CaCO3顆粒分散到聚合物基質(zhì)中。
通常，納米顆粒使塑料增韌的機理是納米顆粒有大的表面積，納米顆粒在聚合物基質(zhì)中形成大量細裂紋（微細的斷裂），這些微細的斷裂可分散沖擊能，同時，納米顆�？臻g中的基質(zhì)可經(jīng)受塑料受沖擊而產(chǎn)生的變形，這也分散了外部沖擊力，從而提高了韌性。
然而，無機納米顆粒使塑料增韌的效果，需聚合物基質(zhì)應(yīng)具有內(nèi)在的韌性。在易碎的塑料如PVC中，配方中需采用少量抗沖改性劑（如CPE）。在納米CaCO3/PVC/CPE組合體系中，納米CaCO3和CPE會顯示出協(xié)同的增韌效果。在工業(yè)應(yīng)用中，使用4PPh CPE和4PPh納米CaCO3的效果較優(yōu)。
納米CaCO3可從易得的原料制取，生產(chǎn)無污染，成本低，無可燃性，摻混應(yīng)用于塑料中可起到重要的增韌效果。
浙江巨化公司電化廠完成納米碳酸鈣原位聚合PVC樹脂工業(yè)性試驗，這種納米PVC塑料是利用原位聚合式混配技術(shù)，將納米尺寸的超細微無機粒子填充到PVC基體中進行改性而形成的聚合材料，具有高強、高模、高韌性、高穩(wěn)定性及阻隔性，并具有良好的加工性能。該廠已工業(yè)化試產(chǎn)出適用于化學(xué)建材的高性能原位聚合PVC樹脂。
超高分子量聚乙烯的耐磨、耐沖擊、耐腐蝕、自潤滑等性能均在現(xiàn)有型料中堪稱性能較優(yōu)者，但由于粘度極高，成型加工困難。我國中科院化學(xué)所利用層狀硅酸鹽片層間摩擦系數(shù)小，可減少分子鏈的纏結(jié)，能起到良好自潤滑作用的特性，研制成功超高分子量聚乙烯/粘土納米復(fù)合材料，使得超高分子量聚乙烯能用普通擠出成型方法連續(xù)生產(chǎn)管材和異型材，并具有優(yōu)良的耐磨、耐腐蝕、高強度、無毒性能。由于納米塑料具有出色的性能，加工工藝簡單和價格低廉的優(yōu)點，在各種高性能管材、汽車及機械零部件、電子和電器部件等領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用前景。同時，具有優(yōu)異阻隔性能的納米復(fù)合材料在食品包裝材料市場潛力也十分巨大。
長期以來，由瓶裝啤酒爆裂造成消費者人身安全事故問題一直困擾生產(chǎn)廠家和消費部門，而且玻璃瓶質(zhì)量重造成運輸中資源的浪費。但由于啤酒中所含的蛋白質(zhì)很容易發(fā)生氧化反應(yīng)，無法達到長期保鮮的效果，在一般的塑料瓶中很難保存，而納米塑料的問世解決了這一問題。現(xiàn)在新研制出的納米塑料瓶不僅具有優(yōu)良的氣體阻隔性和較高的光澤度，而且這種塑料強度高，耐熱性好。美國Nanocor公司研制出的納米瓶裝啤酒己經(jīng)上市，我國的研究也有了重要進展。
目前，聚合物系納米復(fù)合材料的應(yīng)用處于市場開發(fā)期。發(fā)展最早的PA（聚酰胺）系納米復(fù)合材料2001年市場規(guī)模為1850噸。美國2010年納米復(fù)合材料總需求和按塑料種類需求的預(yù)測表明，今后納米復(fù)合材料將有較大發(fā)展，到2010年聚合物系納米復(fù)合材料營業(yè)額將達40.07億美元，其中聚烯烴系（特別是聚丙烯系）約占總量的50%左右，各種聚合物納米復(fù)合材料未來市場和占有份額為：聚丙烯系達16.54億美元，占總量41.3%；其次是聚乙烯和其他聚烯烴系4.31億美元，占10.8%；熱固性樹脂系3.94億美元，占9.8%，居第三，以下依次為：聚苯乙烯系3.69億美元，占9.2%；聚酰胺系3.18億美元，占7.9%；其他工程塑料和特種聚合物系總銷售額為5.42億美元，占總市場13.5%。
