具有高孔隙度的纳米多孔聚合物泡沫制造技术

通过将包含成核添加剂和含有二氧化碳、氮气和氩气中的至少一种的发泡剂的可发泡聚合物组合物在发泡温度下快速膨胀，来制备聚合物泡沫制品，所述聚合物泡沫制品具有其中限定多个孔的热塑性聚合物基体，其中所述聚合物泡沫制品具有如下特征：(a)热塑性聚合物基体包含分散在其中的纳米尺寸成核添加剂粒子，所述粒子具有至少两个长度小于30纳米的正交维度；(b)具有如下两个特征中的至少一个：(i)具有每立方厘米预发泡材料至少3x1014个位点的有效成核位点密度；和(ii)具有300纳米或以下的平均孔尺寸；以及(c)具有超过50％的孔隙度百分数。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及纳米多孔聚合物泡沫制品以及用于制备聚合物泡沫制品的方法。相关技术聚合物泡沫制品(或简称“聚合物泡沫”)常用于隔热应用中。聚合物泡沫的许多特征通过泡沫影响导热性，从而影响泡沫作为隔热体的有效性。例如，已知通过聚合物泡沫隔离物的热传递可以通过传导、辐射和对流来进行(参见例如美国专利申请公开2009/0148665中所教导的内容)。在典型的聚合物泡沫隔离物中，热传递的主要方式是孔气体传导，其对总导热性的贡献约为75%。因此，降低孔气体的传导能够显著降低通过聚合物泡沫的热传递。影响孔气体的导热性贡献的一个特征是孔尺寸。当孔尺寸的大小在约I微米至I毫米之间时，孔尺寸对气体热传导几乎没有影响。超过I毫米，对流行为倾向于增加导热性。当泡沫的孔尺寸小于约I微米时，由于被称为克努森效应的现象，气体导热性降低(参见例如图I中所示的关系。曲线按照Lee等人,“Determination of a mesopore sizeof aerogels from thermal conductivity measurement，，， Journalof Non-CrystallineSolids7March 2002，Vol. 298，pages 287-292中的方法)。克努森效应是当每个孔内较少的孔气体分子可用于每个单一孔内的碰撞和热传递时引起导热性降低的现象。当孔尺寸和孔间的连通性变得与填充孔的气体的平均自由程处于相同数量级时，克努森效应变得显著。当孔尺寸从I微米减小到300纳米(nm)时，由孔气体引起的导热性降低几乎一半，并且当孔尺寸从I微米减小到低于IOOnm时，降低几乎2/3。有鉴于即使偶见的大孔也能降低小(300nm或以下，优选150nm或以下)孔的隔热效果这一事实，为了最大化克努森效应，在所述范围内均匀的孔尺寸是理想的。因此，在所有条件相同的情况下，将泡沫的平均孔尺寸减小至300nm或以下、特别是150nm或以下，对于获得通过泡沫、特别是具有均匀孔尺寸分布的泡沫的较低导热性，是理想的。然而，减小孔尺寸而不影响聚合物泡沫制品的其他性质是困难的。孔隙度、即空隙体积与泡沫体积的比率，也影响聚合物泡沫的导热性。一般来说，降低孔隙度导致导热性增加。这是由于通过构成限定泡沫孔的壁的聚合物网的导热性，通常大于通过孔内气体的导热性。平均孔尺寸为300nm或以下并且孔隙度大于0. 50的聚合物泡沫是非常理想的，但是使用迄今已知的发泡技术难以并且不太可能实现。值得注意的是，由于吹胀发泡技术与气溶胶技术不同，例如不需要大体积溶剂进行制造，因此吹胀发泡技术是理想的。在开发用于生产具有特定孔尺寸的泡沫的方法中，考虑有效成核位点数量是有用的。有效成核位点是当可发泡聚合物组合物膨胀成泡沫时，可发泡聚合物组合物中形成空隙或孔的位点数量(在例如Kumar和Suh的题为“A Process for Making MicrocellularThermoplastic Parts，，,Polymer Engineering and Science,October 1990, Vo. 30 No. 20,pages 1323-1329)的论文中也称为“孔密度”)。通过控制有效成核位点数量和孔隙度，人们可以控制泡沫的平均孔尺寸。为了获得理想的隔热泡沫，理想情况下制备具有每立方厘米可发泡聚合物组合物至少3xl014个有效成核位点的聚合泡沫并将其膨胀，以获得超过O. 50的孔隙度(孔隙度百分数大于50% )。 在隔热聚合物泡沫
中，能够制备具有每立方厘米可发泡聚合物组合物至少3xl014个有效成核位点并在膨胀后具有超过50%的孔隙度百分数的聚合物泡沫，将是理想的进步。甚至更理地，这种聚合泡沫具有300nm或以下、优选250nm或以下、更优选200nm或以下、甚至更优选150nm或以下的平均孔尺寸。专利技术简述本专利技术提供了制备具有每立方厘米可发泡聚合物组合物至少3xl014个有效成核位点并在膨胀后具有超过50%的孔隙度百分数的聚合物泡沫的技术问题的一种解决方案。甚至，本专利技术能够提供具有300nm或以下、甚至250nm或以下、甚至150nm或以下的平均孔尺寸的聚合物泡沫。还甚至，泡沫可以具有均匀的孔尺寸分布。更甚至，本专利技术的方法提供了这种聚合物泡沫的生产方法。令人吃惊的是，本技术问题解决方案中的必需组分是具有至少二个、优选三个小于30纳米的正交维度的纳米尺寸成核添加剂，其分散在可发泡聚合物组合物中，并产生了聚合物泡沫。第一方面，本专利技术是一种聚合物泡沫制品，其包含在其中限定多个孔的热塑性聚合物基体，其中所述聚合物泡沫制品具有如下特征(a)热塑性聚合物基体包含分散在其中的纳米尺寸成核添加剂粒子，所述粒子具有至少两个长度小于30纳米的正交维度；(b)具有如下两个特征中的至少一个(i)具有每立方厘米预发泡材料至少3xl014个位点的有效成核位点密度；和( )具有300纳米或以下的平均孔尺寸；以及(c)具有超过50%的孔隙度百分数。第二方面，本专利技术的是用于制备第一方面的聚合物泡沫制品的方法，所述方法包括(a)在发泡温度和初始压力下提供包含热塑性聚合物基体、纳米尺寸成核添加剂和发泡剂的可发泡聚合物组合物，所述发泡剂包含选自二氧化碳、氮气和氩气的至少一种发泡齐U，其中在发泡温度下可发泡聚合物组合物处于软化状态，并且初始压力足够高以阻止发泡；以及(b)将可发泡聚合物组合物快速暴露于低于初始压力的压力，同时允许可发泡聚合物组合物膨胀成聚合物泡沫制品；其中纳米尺寸成核添加剂具有至少两个小于30纳米的正交维度，并且分散在热塑性聚合物基体内。本专利技术的方法可用于制备本专利技术的泡沫制品。本专利技术的泡沫制品可用于隔热应用例如隔离建筑物结构和冷却装置，以及用于过滤材料、多孔膜、能量吸收材料和受控释放基质。附图简述图I显示了当空气作为孔气体时，对聚合物泡沫导热性作贡献的孔气体导热性作为聚合物泡沫的平均孔尺寸的函数的理论关系。图2显示了成核位点密度与聚合物泡沫制品的平均孔尺寸和孔隙度的关系图。图3是本专利技术的泡沫制品的扫描电子显微照片。专利技术详述除非与测试方法号一起标出日期，否则测试方法是指对本文件的优先权日期来说最近的测试方法。对测试方法的引用包含了对测试学会和测试方法号两者的引用。测试组织用如下缩写之一指称=ASTM是指美国测试和材料学会；EN是指欧洲标准；DIN是指德国标准化学会；IS0是指国际标准化组织。泡沫制品具有三个相互垂直的维度长度、宽度和厚度。长度是沿着泡沫制品的最长维度，并且通常为沿着被挤出泡沫制品的挤出方向。厚度是具有最小量值的维度，并且在例如立方体中可以等于长度。宽度与长度和厚度相互垂直，并可以具有等于或小于长度以及等于或大于厚度的量值。 “和/或”意味着“和，或者可选地”。除非另有指明，否则所有范围包括终点。 “共聚物”是指通过共聚合或接枝以形成单一分子的两种或以上单体和/或聚合物组分的分子。本专利技术的聚合物泡沫制品包含在其中限定多个孔的连续热塑性聚合物基体。连续热塑性聚合物基体包含连续热塑性聚合物相，并通常为超过以重量计50% (wt% )、理想情况下75wt%或以上、优选80wt%或以上、并可以为90被％或以上、95被％或以上并甚至为IOOwt%的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·科斯特，朱陵波，C·韦卡特，T·卡兰塔，
申请(专利权)人：陶氏环球技术有限责任公司，
类型：发明
国别省市：