在包装印刷行业中，纳米复合材料占据了相当一部分市场。今天，中国纸业网的编辑从复合包装材料开始，详细介绍一下相关技术内容。

一、前言

众所周知，纳米技术是国际上最近10年以来开发的一项高新技术，它在很多科学技术领域是都得到了极大的关注，其应用前景十分看好。尤其是纳米技术应用于材料工程领域，更是方兴未艾，成绩斐然。所谓纳米材料，就是用晶粒尺寸为1——100纳米（1纳米=10的负9平方米）的晶体构成的材料，由于晶粒尺寸比常规材料的晶粒细微得多，因而在其晶界上原子数多于晶粒内部的原子数，这样就赋于纳米材料以许多特殊的优异性能。与常规材料相比，除了具有极佳的机械力学性能以外，纳米材料还呈现出更好的物化性能，包括光电性能，电磁性能和热学性能等。因此，工业界对此给予广泛的关注和重视。

同样，在包装界，对纳米包装材料的研究也受到了极大的注意，欧美日等国家都投入了大量人力物力进行研究和开发，并已取得了令人瞩目的成果。大家知道，无论是硬包装还是软包装，包装材料的阴隔性一直是一项重要性能，因为包装品的货架寿命（保质期）与此性能直接有关。为了提高包装材料（主要指聚合物）的阴隔性，多年以来已经对聚合物这种高分子结构的材料实施了很多改性研究、复合研究及加工过程的研究，取得了显著的在果。正是在大量研究基础上，现已在世界上开发出多达好几百种的塑料包装阻隔性并取得了相当广泛的应用。但是，要使这种材料的阻隔性达到玻璃容器或金属薄膜那样的水平，仍然还有着相当大的距离。当前，纳米技术的理论及应用研究的成果为进一步提高包装的阴隔性开辟了一条新途径。本文将介绍正在开发中的一类聚合物基纳米复合材料，其研究目标在于通过纳米技术使得包装材料在全面提高性能的同时使其阻隔性达到一个新水平。

二、基本原理

根据纳米技术基础理论可知，把纳米级尺度的微粒融入到聚合物晶格阵内部，就能提高材料的强度、刚度和阻隔性等。同时，与常规的其他充填型聚合物相比，纳米材料的微粒充填量又是很少的。纳米量级的微粒子，例如，像胶岭土（montmorillonite clay）一类充填物，就能显著地降低基础材料的渗透性。其主要原因是基于这样的事实，即材料中充填了板状硅酸脂层阻碍了在材料扩散通道中散布分子的流动能力，由此提高材料的阻隔性。这种聚合物一粘土型纳米复合材料而言，粘土具有良好的机械性能和热稳定性，而有机化合物则具有良好的工艺加工性。

属于自然状态的硅酸脂层基团近晶状粘土，其俗称是“膨胀土”（swelling clay）”，因为，其结构具有吸水离子和其他极性离子的能力。胶岭土材料是由两个四面体形硅片层融合到一个边缘相联的八面体形成了层融合到一个边缘相联的八面体形铝片层的重迭层所组成。此重迭层被弱偶极性和塑氏力所分离，形成了中间层或长通道。在胶岭土中，八面体形侧面主要充填有铝离子，但是有些侧面则充填着镁离子或其他

素。由于八面体形侧面存在镁离子，所以整个负电荷需要由钠离子或钙离子等到少量中间层阳离子来平衡，由这些中间层阳离子充满着整个中间层的空间。这就是胶岭粘土材料所形成纳米微粒的结构状态。

亲水硅酸脂和通常不亲水聚合物之间缺乏亲合力，这就难于得到均匀的混合。天然胶岭土是一种亲水材料，与大多数有机高分子材料不相容。通过利用有机阳离子替代中间层分子的胶岭上。这种离子与磷离子的交叉反应可以形成亲有机物的表面。乙醇铵还能提供可与聚合物发生反应的功能基材，并改善了聚合物与粘土材料之间界面的结合。

纳米复合聚合材料的结构可能分为两类：夹层型和片层型。在前者，通过把单一伸展的高分子链插入硅酸脂各基层中间即可获得排列整齐的多层相夹结构的复合材料。在片层型或分层型复合材料中，各层之间迭合是可分开的，并且单一硅酸脂料中，各层之间迭合是可分开的，并且单一硅酸脂层在聚合物基体内的合成方法有两个。一个方法就是经过现场聚合反应，其中包括聚合反应时紧接着单聚合物的添加；加一种方法则是通过溶液添加聚合物。聚合物添加也可以使用下述办法达到，即通过在高于聚合物添加也可以使用下述办法达到，即通过在高于聚合物玻璃态温度条件下缓慢冷却聚合物和纳米微粒的混合体，形成聚合物分子链后在其材料熔融状态中扩散并融入到硅酸脂层面之间通道中。聚合物一硅酸盐纳米复合材料可以由多种聚合物材料来制造，例如，聚苯乙烯、聚丙烯、聚酰胺（尼龙），环氧树脂和有机玻璃等。

三、主要特性

聚合物一硅酸盐纳米复合材料具有优良的强废、刚度和阻隔性等，此外，与常用的充填型加强聚合物相比，前者所包含的填料量要少得多。在加强型常规聚合物中，需要的无机物填料大约占有20——30%（重量成分），至于纳米复合材料中粘土填料，至多只需要总重量的十分之一就足以改善材料特性。这主要是因为粘土和聚合物结构之间有着很大接触面积的缘故。

根据国外研究报道，把4.7%（重量成分）的胶岭土材料复合到尼龙—6型聚合物中后，形成纳米复合材料的抗拉强度从68.6Mpa提高到97.2Mpa,抗弯强度从89.4提高到143.0Mpa,热变温度从65提高到152,而热变形温度的提高则意味羊这种材料的应用范围大大扩展。有些学者的研究结果表明，纳米复合材料的变形阻力增大，是由于聚合物基体与粘土填料之间存在很强相互作用力的原状因，而硅酸脂微粒具有大的表面积形成了这种物理状态。

由于聚合物基体内部队长分子链尺寸，纳米复合材料通常也是透明的。有学者通过试验说明，添加2%（重量成分）胶岭土的聚酰亚胺与原生聚酰亚胺一样的透明度。此外，通过进一步研究结果表明，如果上述填量进一步增加的话，则透明度随之下降而逐渐变黄。

同原生聚合物比较，纳米复合材料的渗透性明显降低。其原因就是散布在聚合物晶格结构中片状硅酸脂层阻隔了被扩散的分子的流动能力，硅酸脂层存在于聚合物结构中使扩散分子的扩散路径大为增加，而且在硅酸脂周围的网络物也降低民渗透性。有些研究者介绍，聚酰胺一胶岭土纳米复合材料对水汽具有很高的阻隔性。根据某些者的研究结果表明，使用2%（重量成分）胶岭土形成的聚酰亚胺一胶岭土纳米复合材料对于氧气、氦气和水汽的渗透性不足纯酰亚胺的一半，可是纳米微粒的功能是明显的。

四、应用前景

由于纳米材料比一般同类材料具有更好的各种性能，因此拓宽了材料的应用范围。据资料介绍，多种纳米聚合物复合材料开发取得成功，已经用于汽车、船舶和机电产品的零部件。毫无疑问，本文介绍的纳米包装复合材料所具有的高阻隔性，将会在包装行业得到青睐和重视，因为这类材料首先非常适用于所谓阻隔包装。这种阻隔包装应用领域十分广阔，将使用于食品和药品，精密机械零件、电子和电气

件等的包装，还可用作密封盖内衬零件等等。据报道，聚合物纳米复合材料的其他潜在应用很多，有研究者正在开发用于飞机内舱和燃油箱的纳米复合材料，用以提高飞行的安全性和可靠性。

世界上每年消耗的金属饮料罐用去大量的矿产资源。在提高金属包装性能的同时，努力寻求降低材料消耗和减少加工成本始终是包装制造行业追求的目标。饮料罐所需板材，目前已发展到所谓第三代纳米级板材，镀锡微粒直径只是大约100纳米，镀锡体积和用量大为减少，而且这种新板容易加工成型，操作参数范围放宽，特别是焊接密封性提高，使其成为高级金属罐板材。另据报道，瑞典国家包装研究所正在研究聚酰胺脂一胶岭土纳米复合材料薄膜，准备用于需要长货架寿命的食品包装。他们所用的聚合物基材是一种生物降解的半晶体热塑性聚合物。生物可降解聚合物材料一直引起人们的关注，认为这种材料是解决环境保护问题的一种有效的方法。为使这类材料得以在市场上有销售前景，那么聚合物还得必须提高阻隔性。于是，研究者们就想到了应用纳米技术，可以通过把纳米微粒（可选择金属的，无机的或有机的）融合到聚合物晶格结构中的方法来达到这一目的。这样，就使生物可降解包装材料的应用场合得以扩大并取得良好的市场竞争力。