一、前言
            

    纳米复合材料是指粉体分散相至少一维尺寸介于1 nm～100
            nm之复合材料。除了球状粒径小之粉体外，高长径比(Aspect
            ratio)之层状补强结构更受到全世界高分子工业瞩目，层状材料经剥离分散后可充份发挥分子层级之结构特性。1987年日本丰田中央研究所首次公开纳米级分散之尼龙6/黏土复合材料，基材只需添加低于5%的黏土，即可大幅提升尼龙6之机械性质、热变形温度、阻气性质等物性，是目前商业化生产之主要纳米复合塑料材料。此外，经过多年努力之后，纳米黏土复合材料已经扩展至其它材料，包括聚烯烃纳米黏土复合材料与纳米黏土复合丁基橡胶材料(高阻气性)等，均有商品出现，至于纳米黏土热塑性弹性体等应是未来值得开发之重点产品，本报告即在于探讨纳米黏土与热塑性材料结合之机会。
            

    二、热塑性复合材料之开发
            

    1985 年间日本丰田中央研究所岗田茜(Dr. A.
            Okada)博士等人发现Nylon6 /Clay (montmorillonite)具有较传统尼龙6
            高分子大幅提升的机械特性﹐并获发明专利日本公开特许1987-74,957 及美国专利US Pat. 4,739,007 。1990
            年丰田中央研究所与日本宇部兴产(UBE)公司落实商业化生产﹐率先发表纳米尼龙6 商品，其产品用途以汽车零组件及阻气包装膜为主。1996
            年日本Unitika 公司以人工合成氟化云母／尼龙6 成为第二个纳米复合材料商业化实例﹐1999
            年后陆续有Eastman与Nanocor公司发展nm-Clay/PET复合材料商品，2000年GM、Montell与Nanocor等公司陆续发展nm-Clay/PP复合材料商品，加工分散之主要方法为利用捏合技术(Kneading
            Process)将黏土与高分子聚合物直接透过融熔加工方式﹐达到纳米分散层级于基材之加工制程技术。此外纳米黏土分散技术也逐渐扩展至涂料树脂等应用热固性高分子应用领域。
            

    黏土复合材料中作为补强关键之黏土粒子，基本上是由厚度约1纳米之片状物构成，然后均匀分散在高分子尼龙6基材中，因此具有非常高的界面作用表面积与高活性。传统使用玻璃粉或滑石粉(Talc)等粉体需要30%用量才有补强效果，尼龙6/蒙脱土(montmorillonite)复合材料则只需要5%或更低量，即可达到相同效果，因此除了机械物性大幅提升外，更可以发挥汽车零组件减重之效果。此外黏土填充材料之层状结构可以降低气体扩散速度，所以填充高分子材料可以提升阻气性效果，如表1所示，日本宇部兴产公司之尼龙/黏土复合材料商品(NCH
            Nylon6与NCH Nylon6/66)其氧气扩散系数均分别降为基材之一半，达到减少氧气扩散效果。因此可以使用在包装材料上。
            


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注1:
            Oxygen gas barrier property of UBE NYLON (T-die cast film of 25µm in
            thickness)

注2: Oxygen permeability at 23°C,ml/m2/day
            

注3: NCH表示Nylon/Clay Hybrid
            

    日本Unitika之纳米尼龙产品以M1030D
            (Nano-composite Nylon 6)为代表，其特性如表2所示。


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    表3为纳米Nylon
            6 ／粘土复合材料性质与一般Nylon 6 性质比较，可知利用纳米分散Nylon 6 /nm-Clay 复合材料其耐热性质优于Nylon
            6,6，耐高温性质可比美工程塑料，如聚缩醛(POM)与聚碳酸酯(PC)。而这些特性如能与弹性体结合，将是另一利基。


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    三、热塑性弹性体复合材料之开发
            

    聚烯烃热塑性弹性体（TPO）具有优良的弹性体特性及方便的加工性能，使它作为传统需硫化橡胶之竞争换代品，目前已经有多种规格商品广泛应用于汽车、电线电缆、建筑、家电、医疗器材等领域。热塑性聚烯烃弹性体（TPO）是由橡胶(rubber)和聚烯烃(Polyolefin)构成，其橡胶成分常为乙烯丙烯橡胶（EPDM）或丁腈橡胶（NBR）或丁基橡胶（IIR）；聚烯烃成分主要为聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）塑料。目前用得最多的是EPDM与PP之复合材料。
            

   如前所述，GM、Montell与Nanocor等公司陆续发展出nm-Clay/PP复合材料商品，因此将此种热塑性复合材料(如nm-Clay/PP)与弹性体混合分散后，可以得到热塑性弹性体复合材料，因此许多公司均继续衍生发展橡塑共混产品，取代部分传统热塑性弹性体材料。例如Baselle公司也发展出TPO纳米复合材料，专供GM汽车公司使用于外装配件、保险杆与仪表板，其加工性如涂装性、模内涂色性、涂料接着性与涂装耐久性等，均与未填充矿物者性能相近似。这种TPO纳米复合材料具有高模数与轻量化(减轻约7~21%外观配件之重量)，也因为填充矿物量低于5%，所以兼具低温韧性，故适合于汽车应用上取代目前所用之较昂贵的工程塑料，在加工方面因为有较宽广的加工温度区间，所以可以缩短成型时间且成型压力较低，外观缺陷较少。
            

    四、纳米粉体与浓缩母料商品之应用
            

    目前已经有各种纳米粉体与浓缩母料商品，因此直接利用已经改质而容易分散之商品，将可加速纳米热塑性弹性体之开发。例如可用用美国AMCOL
            International Corporation
            的全资子公司―Nanocor公司所生产之高纯纳米蒙脱土，纳米有机蒙脱土(surface modified montmorillonite
            clays
            )，纳米蒙脱土-聚合物母胶(masterbatches)等产品，与橡胶或弹性体复合后成为纳米黏土复合热塑性弹性体。目前Nanocor公司也已经与PolyOne
            Corporation缔结策略联盟，由PolyOne Corporation供应浓缩母料商品给厂商自行研发Polyolefins
            或TPO、TPU 或SEBS或EVA 等产品添加使用。事实上还有其它各种热塑性弹性体可待开发。
            

    另外国内也已经有百康纳米材料公司生产四种改质高纯度黏土(PK-801,
            PK-802 , PK-805,
            PK-809)，目前也正积极与下游行成共同研发之策略联盟，虽目前合作对象以纺织、涂料树脂产业为主，相信未来也很有机会与橡胶业者结合，开发高性能纳米橡胶与弹性体产品。
            

    五、结论
            

    依据IEK-ITIS计画调查(陈亭秀ITIS评析；2002/12/06)；2000年世界热塑性弹性体的年产量达到110万吨，其中居第二大宗产品之聚烯烃类热塑性弹性体（TPO），占29%年产量。2001年全球TPE的需求量为158万吨，预计到2006年，TPE的需求量将达到215万吨，市场规模100多亿美元，平均年成长率将达到6.4%。因此热塑性弹性体之市场已经存在，如能应用新兴纳米材料加以改进，将拥有广大市场机会。
            

目前无论就纳米黏土或含纳米黏土之聚合物母胶(Master
            batch)或纳米黏土塑料等产品，均已经有许多成功商品化产品，因此可利用这些新兴产品，结合橡胶或弹性体材料特性，来发展种纳米热塑性弹性体，这对于国内橡胶产业来说，也是快速切入纳米科技应用的重要机会之一。