无机/有机纳米复合聚酯材料技术开发和应用
北京崇高纳米科技有限公司 李毕忠
纳米复合聚酯是应用纳米技术，将纳米级的无机物和有机高分子聚酯形成的特定复合材料。纳米复合聚酯的新
结构和组成，将克服聚酯固有的不足，在热稳定性、水解性、强度、韧性等方面提高聚酯的性能，并赋予聚酯新的
特殊性能，增加其商品价值。纳米复合聚酯的研制开发历史并不长，应用领域还在不断拓展中，但已呈现出巨大的
发展前景。
聚 酯纳米复合技术
粘土是天然存在的层状硅酸盐，其片层结构基本单元的厚为1nm左右，宽为100nm左右。它的晶体结构是两层
硅氧四面体片层之间夹着一层铝氧八面体片构成晶层，两者之间靠共用氧原子连接。晶层内四面体片和八面体片可
以有广泛的类质同晶替代，如四面体中Si4+被Al3+、Ti4+、P5+替代，八面体中Al3+被Mg2+、Fe2+、Na+、Fe3+、
Zn2+、Mn2+替代，所以，晶层带净负电荷。水合阳离子（Na+、K+、Ca2+）可以占据层间域，以补偿这种负电荷。
在层状硅酸盐聚合物纳米复合材料的微观结构中，聚合物分子链嵌入到片层中间，处于插层状态。当插入层间
的分子链足够多后，分子链可把片层彻底分离开，使片层以单片存在的形态分散，即处于解理状态。
只有在特定条件具备时，层状硅酸盐和聚酯才能形成稳定的纳米复合聚酯结构。实践中采用的方法是，首先，
用有机阳离子（插层剂）交换硅酸盐层间原有的水合阳离子，使原亲水的硅酸盐疏水化，降低表面能，改善其与聚
合物单体或高分子间的润湿作用。然后，这些能够同单体、齐聚物或聚合物发生较强作用的有机阳离子，与聚酯大
分子协同作用，将片层撑开。具体地讲，制备纳米复合聚酯采用聚合插层法和熔体插层法两条技术途径：聚合插层
法是从单体开始，在单体聚合过程中同时也完成了插层复合，最终形成纳米复合结构；熔体插层法则是从聚酯高分
子出发，将熔体状态的聚酯分子插入到硅酸盐层间后，形成纳米复合结构。
纳米PET是用聚合插层法和熔体插层法做过大量研究的聚酯体系。具有代表性的是美国伊士曼化学与美国
Nanocor公司合作、燕山石化与中科院化学所开展的合作。他们均尝试用聚合插层法制备纳米PET，已进行过小试
和中试，但尚未获得可供工业化生产的纳米复合聚酯技术。美国Nanocor公司还通过对PET进行熔融共混改性，开
发出纳米复合塑料啤酒包装瓶的专用料。他们正利用这种纳米专用料试制3层（PET/NYLON/PET）共吹塑啤酒瓶。
北京崇高纳米公司用自主开发的熔融插层专利技术，生产纳米PET树脂及母粒系列产品，已用于抗菌塑料、工程塑
料、啤酒瓶、功能纤维的开发和生产。
纳 米聚酯的应用项目
纳米聚酯材料品种多样，性能各异，在塑料、包装、纤维、农业等方面各显神通，应用前景十分广阔。根据目
前纳米聚酯专利技术的开发现状和发展潜力，仅列举以下几个方面进行分析。
◆ 纳米PET塑料啤酒瓶
塑料啤酒瓶包装物是瓶装啤酒未来发展的方向，市场潜力巨大，目前德、美、法、俄等国均已开始使用塑料啤
酒瓶。现阶段PET啤酒瓶技术有阻隔型新型树脂和脱氧剂、表面涂层、多层瓶坯等成型技术。全世界约62%的PET
阻隔瓶是多层的，而25%为单层，另13%使用的是涂层。普通单层PET瓶的保质期仅为9～28d，无法满足正常生产
消费周转期3～6个月的要求。多层PET结构、使用涂层、阻隔增强的PET瓶，在阻隔CO2泄出和O2渗入方面比单
层PET有了较大提高，可以提供更长的保质期。
目前多层技术比涂层技术有优势，因为它更成熟、产量更高。但与人们惯用的玻璃瓶相比，成本高很多。多层
瓶不能再生利用，环保问题严重。即使采用特殊的回收方法，回收成本也很高。所以，高昂的价格使其在国内的推
广一直处于止步不前的状态。
纳米复合PET单层瓶是阻隔型瓶的一个新选择。以聚合物/纳米粘土复合材料作为啤酒瓶的阻隔材料，综合性
能好，成本低约为多层瓶的50%以下，耐热耐压，阻气性能良好，符合食品安全要求，并可应用于巴氏杀菌罐装。
目前我国年产啤酒2500万t，每年需要近320.7亿只啤酒瓶，如果用塑料啤酒瓶则需要120万t纳米PET树脂。
而全世界年需啤酒瓶3000亿只。
◆ PET工程塑料
纳米PET工程塑料在国际上只有美国杜邦公司的Rynite系列工程塑料一支独秀，占有主要市场份额。国产的
PET工程塑料性能偏低，市场份额小。目前全球PET工程塑料的市场需求量为10万t，我国为2万t，主要用于电
子电器、汽车、机械等领域。
以纳米PET为基体树脂的阻燃增强工程塑料的耐热性以及机械强度均得到较大提高。纳米PET阻燃增强（玻纤
含量30%）塑料的热变形温度可达220℃以上，弯曲强度达190MPa，拉伸强度达140MPa，简支梁缺口冲击强度可达
10.0kJ/m2，技术指标达到同类产品的先进水平。
◆ 纳米聚乳酸塑料
近几年北美生物降解聚合物市场需求强劲，2005年增长率为7%，达到160万t，其中聚乳酸（PLA）需求量近
100万t。目前国内有一定规模PLA生产企业为数不超过10家，基本上在千吨级产量规模，但市场好的话，均有扩
大至万吨规模的设想。
PLA的分子量只有在大于25000时才能得到较好的物理机械性能，而直接聚合所得PLA分子量一般较低，没有
应用价值。所以，PLA产业化的主要问题是要解决材料性能低下问题，并要以制品的需求来引导材料的针对性开发。
针对PLA的力学性质、热稳定性、加工工艺性等方面较差，强度、外观色泽、制品质量稳定性等难以满足使用
要求，阻碍了PLA材料的实用化等实际问题，纳米改性技术有可能改善和提高PLA材料性能，从而为PLA材料进入
实用阶段和产业化打通技术路线，并为生产制造PLA下游产品提供应用技术。
应用改性PLA的目标产品有环保包装材料、纺织材料、生物医学材料、农用地膜等。
◆ 抗菌聚酯纤维
抗菌聚酯纤维是国际功能纤维的主导纤维品种，其价格是普通纤维的10倍，有较高的附加值。开发纳米PET
在多功能抗菌涤纶中的应用，对于发展抗菌纤维出口、替代进口具有积极意义。
纳米PET树脂在改善抗菌PET纤维的可加工性的同时，其无机纳米组分赋予了纤维良好的阻挡紫外线辐射、发
射远红外线性能，层状硅酸盐无机组分还具有较好的阻燃效果。所以，经纳米改性的抗菌纤维除了具有抗菌防臭作
用外，还集防紫外性、远红外保暖功能、阻燃性于一身，是多功能新型合成纤维。其纺织品在内衣、外衣、运动服
装、户外休闲及户外遮阳等方面极有发展前景。
◆ 回收PET再生料
一般的PET回收料来自于碳酸饮料瓶、矿泉水瓶，回收瓶片料在熔融挤出中会出现流淌的现象，无法重新造粒。
加入适量的纳米PET改性剂，能显著提高PET回收料的熔体强度，使得在熔融加工中工艺稳定（不出现流淌现象），
经改性后的料粒可以达到瓶级的要求。
◆ 抗菌不饱和聚酯制品
不饱和聚酯在厨房人造石台面、体育场馆座椅等产品中大量应用，提高厨房用品和公共设施的卫生性能对大众
健康是非常有益的。
金属离子抗菌是目前制造抗菌塑料的主体技术。层状硅酸盐可以利用层间电荷作用稳定抗菌性金属离子，形成
稳定长效的无机抗菌剂。无机抗菌剂添加和分散在普通塑料中就得到抗菌塑料。抗菌塑料及其制品可以抑制和杀死
接触在塑料表面的细菌、防止霉菌生长。
◆ 纳米PC复合材料
与纯PC原料相比，虽然纳米PC（含5%锂皂石）的粘均分子量从2.40g/mol降至1.85g/mol，表观分子量变小，
但是，拉伸强度和模量均有提高，即从91MPa、2.15GPa提高到116MPa、4.15GPa。热性能也得到较好的保留（玻
璃化温度Tg从 149℃降至136℃，热变形温度HDT从129℃降至116℃）。纳米PC的氧气透过率比纯PC低44%，可
用于包装瓶。此外，纳米PC表面耐划痕性能良好。
聚酯材料品种多、产量大、用途广、价格低、性能好，其制品与广大消费者息息相关，是塑料工业的重要支柱
材料。近年来的技术突破已经表明，纳米技术在改性聚酯材料的研究和开发基础已经初步奠定，随着研究开发的深
入和更多投资的进入，越来越多具有实用价值的纳米聚酯材料及其应用产品将得到蓬勃发展，并带来一系列材料和
制品的革新。