金属氧化物纳米颗粒的制备及使用方法技术

公开了一种由金属烷氧化物和有机硅烷烷制备溶胶，再由该溶胶制备处理过的金属氧化物纳米颗粒的方法。所述处理过的纳米颗粒是光学制品制造中有效的高折射率添加物。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属氧化物纳米颗粒，更具体地，涉及可作为添加物应用于光学聚合材料的以增加该材料总的折射率的。
技术介绍
已知金属氧化物纳米颗粒可作为添加物应用于聚合材料，此方法可以增加该材料总的折射率。这样的添加物用于制备能传递或反射光线的光学制品。受益于高折射率添加物加入的制品包括光学透镜、光控制膜、Fresnel透镜、防反射涂层、光盘、扩散膜、全息基底等。虽然金属氧化物纳米颗粒能提高聚合化合物材料的折射率，但优选的是金属氧化物纳米颗粒不会减弱该材料其它所希望的光学或物理特性，如透明度、低霾度和低色度。含有金属氧化物纳米颗粒的聚合化合物复合材料其透明度取决于分散在聚合材料中的金属氧化物纳米颗粒的大小和折射率。如果金属氧化物具有大的平均直径，聚合材料的透明度可能由于射向材料的光被反射回光源或折向旁边而减少，减小了表观透明度。通过添加非常小的金属氧化物颗粒，由于颗粒在聚合物中容易凝聚成团成为更大的颗粒，可能会使光线发生散射或反射，从而减小材料的透明度。对于透明复合材料，优选地，小的金属氧化物颗粒能高度分散(非凝聚成团)在聚合化合物中以避免光散射。金属氧化物纳米颗粒可以使用有机化合物进行处理，这有利于防止颗粒在聚合化合物材料中凝聚成团。可以相信，有机化合物能使金属氧化物颗粒的分散保持稳定，并防止凝聚成团。虽然已知一些方法可用于有机化合物对金属氧化物纳米颗粒的处理，但是在本领域仍然需要一些更简单的方法以制备这样的纳米颗粒。而且也持续地需要制备可用于聚合化合物材料添加物的纳米颗粒，以增加聚合化合物材料的折射率而不会导致色度的增加或其它光学特性的损失。
技术实现思路
在一种实施方案中，制备金属氧化物纳米颗粒的方法包括金属烷氧化物在酸性醇溶液中的水解，其中酸性醇溶液含有烷基醇、水和酸，以形成含有金属氧化物纳米颗粒的第一溶胶；用有机硅烷处理第一溶胶，以形成合有处理过的金属氧化物纳米颗粒的第二溶胶；接着用有机碱处理第二溶胶，其中有机碱与酸的摩尔比大约为0.1∶1～0.9∶1，以形成含有处理过的金属氧化物纳米颗粒的第三溶胶。在另一个实施方案中，制备氧化钛纳米颗粒的方法包括四烷氧基钛在酸性醇溶液中水解，以形成含有氧化钛纳米颗粒的第一溶胶，其中酸性醇溶液包括烷基醇、水和酸，水与四烷氧基钛的摩尔比约为0.1∶1～5∶1，酸与四烷氧基钛的摩尔比约为0.1∶1～2∶1；用有机硅烷处理第一溶胶，以形成含有处理过的氧化钛纳米颗粒的第二溶胶；接着用有机碱处理第二溶胶，其中有机碱与酸的摩尔比大约为0.1∶1～0.9∶1，以形成含有处理过的氧化钛纳米颗粒的第三溶胶。在另外一个实施方案中，组合物包括可聚合(polymerizable)化合物和处理过的氧化钛纳米颗粒，其中处理过的氧化钛纳米颗粒的制备是通过以下过程进行的四烷氧基钛在酸性醇溶液中水解得到第一溶胶，其中酸性醇溶液包括烷基醇、水和酸，水与四烷氧基钛的摩尔比约为0.1∶1～5∶1，酸与四烷氧基钛的摩尔比约为0.1∶1～2∶1；用有机硅烷处理第一溶胶以形成第二溶胶；接着用有机碱处理第二溶胶，其中有机碱与酸的摩尔比大约为0.1∶1～0.9∶1，以形成含有处理过的氧化钛纳米颗粒的第三溶胶。在这里，“溶胶”指一种胶体，其中小颗粒悬浮于连续液相之中。在这里，除(甲基)丙烯酸硫酯官能度外，“(甲基)丙烯酸酯”还包括丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯官能度。这里公开的所有范围是包含和联合的。在这里描述了一种简单有效的制备经有机硅烷处理的金属氧化物纳米颗粒溶胶，特别是氧化钛纳米颗粒溶胶的方法，以及使用可聚合化合物制备溶胶混合物以形成能增加折射率的可聚合组合物的方法。该可聚合组合物和从固化的组合物制得的制品较之不使用溶胶制得的材料表现出更好的光学特性，包括折射率的提高、较好的透光度和低霾度。这里也公开了一种通过将有机碱加入到处理过的金属氧化物溶胶中，以制备金属氧化物溶胶的方法。该含有机碱的溶胶在与可聚合化合物结合时能得到低色度的可聚合组合物和固化产物。最后，公开了一种方法用以制备处理过的金属氧化物溶胶，该溶胶在与可聚合材料结合时提供了固化产物，其表现出了能减小收缩和脆性的性能。特别地，使用不含有能与可聚合化合物反应的基团的有机硅烷来处理金属氧化物纳米颗粒，以制备处理过的金属氧化物溶胶。金属氧化物溶胶可以从具有以下通常结构M(OR)v的金属烷氧化物制得，其中M可以为硅、钛、锆、铈、锡等；v是金属的氧化价态。优选的M为钛、锆、铈或者锡，其中以钛更为优选。典型地，金属氧化物溶胶是在含有水解所需足够的水的酸性醇溶液中，通过金属烷氧化物例如Ti(OR)4的水解制得的。适宜的烷氧化合物包括直链的或者支链的C1-C12烷氧化合物，例如乙氧基化合物、1-丙氧基化合物、异丙氧基化合物、1-丁氧基化合物、2-丁氧基化合物、叔丁氧基化合物、1-己氧基化合物、2-乙基己氧基化合物、2-甲氧基-1-乙氧基化合物等等。优选的烷氧化物包括异丙氧基化合物、乙氧基化合物和2-乙基己氧基化合物。烷氧基钛的烷氧基可以是相同的或者不同的。适宜的商品化烷氧基钛包括四异丙氧基钛。金属烷氧化物的水解在酸性醇溶液中进行，优选地为含有水和烷基醇的酸性醇溶液。适宜的醇包括直链的或者支链的C1-C12的烷基醇，例如，甲醇、乙醇、异丙醇、2-丙醇、1-丁醇、2-丁醇、2-乙基己醇等等。酸性醇溶液中烷基醇的量是本领域技术人员所容易确定的，但优选的量为醇的质量百分含量大约40％～99％，更优选为质量百分含量大约为50％～97％，甚至更优选为质量百分含量大约为60％～95％，所述质量百分含量基于酸性醇溶液的总质量。优选地，酸性醇溶液可由无机酸制成酸性，例如，盐酸、氢溴酸、磷酸等等。并不打算被理论所限制的，已经有理论提出溶剂中的酸能够使产生的溶胶稳定，并且能够通过在颗粒表面产生净的正电荷并形成静电学稳定的颗粒，从而阻止金属氧化物纳米颗粒发生凝聚成团。酸性醇溶液中所用酸的量是本领域技术人员所容易确定的，并且优选为大约与金属烷氧化物等摩尔量。酸的量可以是使酸与金属烷氧化物的摩尔比大约为0.1∶1～2∶1，优选摩尔比大约为0.3∶1～1.5∶1，更优选摩尔比大约为0.5∶1～1∶1，甚至更优选酸与金属烷氧化物的摩尔比大约为0.6∶1～0.8∶1。用于制备金属氧化物溶胶的水优选为不含矿物质的水，例如去离子水。使金属烷氧化物水解，所需水的量是本领域中技术人员所容易确定的，并且优选为大约与金属烷氧化物等摩尔量。水的量可以是使水与金属烷氧化物的摩尔比大约为0.1∶1～5∶1，优选摩尔比大约为0.5∶1～3∶1，更优选摩尔比大约为0.7∶1～2∶1，甚至更优选水与金属烷氧化物的摩尔比大约为0.9∶1～1.1∶1。金属烷氧化物的水解和溶胶的形成可以通过在酸性醇溶液和水中加入金属烷氧化物并搅拌制得。水解可以在温度大约为-20℃～60℃下进行，优选的温度为0℃～40℃，甚至更优选为大约10℃～25℃。优选地，反应在环境温度下进行。典型地，溶液要进行足够长时间的搅拌以形成溶胶，大约为1小时～2周，优选为6小时～4天，更优选为12小时～24小时，尽管要获得稳定的溶胶，可能还需要其它反应时间。典型地，溶胶中金属氧化物纳米颗粒大小为大约1nm～100nm，优选为2nm～40nm，更优选为3nm～20本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备金属氧化物纳米颗粒的方法，包括：用酸性醇溶液水解金属烷氧化物，其中该酸性醇溶液含有烷基醇、水和酸，以形成含有金属氧化物纳米颗粒的第一溶胶；用有机硅烷处理第一溶胶以形成含有处理过的金属氧化物纳米颗粒的第二溶胶；和用有机碱处理第二溶胶，其中有机碱与酸的摩尔比为大约０．１∶１～０．９∶１，以形成含有处理过的金属氧化物纳米颗粒的第三溶胶。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：BJ奇肖尔姆，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]