具有改善的均匀性的纳米复合材料制造技术

本发明专利技术涉及包含纳米颗粒和热塑性聚合物组合物的纳米复合材料，所述纳米复合材料特征在于改善的均匀性和因此改善的性质。进一步地，本发明专利技术涉及通过如下制造这样的纳米复合材料的方法：首先将纳米颗粒分散在分散剂中，随后与热塑性聚合物组合物共混。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及包含纳米颗粒和热塑性聚合物组合物的纳米复合材料(nanocomposite),所述纳米复合材料特征在于改善的均勻性和因此改善的性质。进一步地，本专利技术涉及通过首先将纳米颗粒分散在分散剂中并且随后与热塑性聚合物组合物共混而制造这样的纳米复合材料的方法。
技术介绍
纳米颗粒可通常特征在于具有lnm-500nm的尺寸。在例如纳米管的情形下，该尺寸定义可限于仅两维，即第三维可在这些限制之外。小的纳米颗粒尺寸导致高的表面积/体积比(也称为纵横比(aspect ratio))。因此，存在于表面上的原子的百分比相对于本体(bulk)中原子的百分比在重要性方面增加。因此，纳米颗粒提供令人感兴趣的并且通常预料不到的性质，因为它们的性质是颗粒表面的结果而不是本体体积的结果。例如，即使在低 浓度下纳米颗粒也显示出令人惊讶的机械、光学和电性质。纳米颗粒令人惊讶的性质也已在聚合物科学中吸引了兴趣。特别的关注集中于碳纳米管(CNT)。长期已知的是，将纤维加入聚合物中可以显著改善聚合物的机械性质。为此，已经使用由例如金属、玻璃或石棉的材料制成的长纤维(参见例如GB 1179569A)。为此目的，还已经开发了硼、碳化硅和甚至碳纤维。最初开发的碳纤维具有几十微米的直径和毫米量级的长度。它们十分轻并且尽管如此，它们具有给人深刻印象的机械性质，显示出在230-725GPa范围内的杨氏模量和在I. 5_4. 8GPa范围内的强度。还已经制备了这样的具有更高纵横比的碳纳米纤维其具有约IOOnm的甚至更小的直径和最高达100微米的长度、在IOO-IOOOGPa范围内的杨氏模量和在2. 5-3. 5GPa范围内的强度。碳纳米管在结构上与巴克明斯特(Buckminster)富勒烯(C6tl)相关。碳纳米管具有在Inm-IOOnm范围内的直径和最高达几毫米的长度，由此赋予它们潜在地非常高的长径t匕。碳纳米管可为单壁或多壁的。单壁碳纳米管(SWNT)是卷起成为无缝的中空圆柱体的一个原子厚的石墨片(称为石墨烯)，其可具有Inm量级的直径和最高达几毫米的长度。因此，纵横比可潜在地达到几百万的值。还已经开发了多壁碳纳米管(MWNT)。它们是单壁碳纳米管的同心阵列(也称为俄罗斯玩偶(doll，套娃)模型)。具有最高达5TPa的杨氏模量和甚至大于70GPa的机械强度，碳纳米管具有极大的代替常规碳纤维作为聚合物增强物的潜能。碳纳米管还极轻并且具有独特的热和电性质。取决于如何卷起石墨烯片，即在轴向与描述六边形格子的单位矢量之间的关系，并且取决于直径、取决于壁的数目和取决于螺旋性，可以将纳米管设计成导电或半导电的。碳纳米管的性质还受到它们的纯度的影响。已经发现，高纯度碳纳米管极其导电。理论上，纯洁的(pristine)碳纳米管应能够具有金属例如银和铜的超过1，000倍大的电流密度。因此，可将纳米管加入至电绝缘聚合物，以得到具有非常低的逾渗阈值的导电塑料，如例如在WO 97/15934中所述。对于热性质，碳纳米管对于声子也是非常有传导性的。计算预测，在室温下，用纯的纳米管可实现最高达6000W/mK的导热率，其大致为纯金刚石的两倍那么大。聚合物基质中的纳米管因此可提供导热树脂组合物。已经提到碳纳米管具有阻燃(flame retardant)性质。聚合物基质中的纳米管因此可提供具有耐火(fire proof)性质的材料。近年来已经进行了大量努力以利用纳米颗粒特别是碳纳米管的性质改善聚合物的机械性质(聚合物增强)。已经发现，在聚合物增强中可能最重要的因素是纳米颗粒在聚合物中的分布(J. N. Coleman等，Carbon 44(2006) 1624-1652)。据信纳米颗粒，并且特别是碳纳米管必须均匀分布在聚合物中并且各个纳米颗粒单独地被聚合物涂覆，使得可实现向纳米颗粒的有效的负荷转移(load transfer) 0纳米颗粒缺少均勻性，即不均勻分布将产生弱的点(疵点，weak spot)和应力的不均匀分布，因此最多导致机械性质的仅少量(marginal)增加。相同的推理过程(line of reasoning,推理方法)适用于导电性。 由于分散困难，因此通过引入纳米颗粒而强有力地改善聚合物的机械性质的希望尚未实现。因此，仍然需要改善纳米颗粒在聚合物中的分布。因此本专利技术的一个目的是提供具有改善的均匀性，即改善的纳米颗粒分布的纳米复合材料。本专利技术的另一目的是提供在转化过程中例如在模塑或挤出过程中具有改善的加工性能的纳米复合材料。此外，本专利技术的一个目的是提供具有改善的性质例如机械性质或电性质的纳米复合材料。本专利技术的又一目的是提供制造实现以上目的的这样的纳米复合材料的方法。另外，本专利技术的一个目的是提供更稳定的纳米颗粒分散体。
技术实现思路
我们现已发现，通过本纳米复合材料和其制造方法，这些目的可单独地或者以任何组合实现。因此，本专利技术提供纳米复合材料，其包含热塑性聚合物组合物和相对于纳米复合材料的总重量的至少0. 001重量％的纳米颗粒，所述纳米复合材料特征在于存在孤立的(isolated)纳米颗粒。进一步地，本专利技术提供包含以上组合物的制品。因此，本专利技术还提供制造具有改善的均匀性的所述纳米复合材料的方法，所述方法包括以下步骤(a)将纳米颗粒分散在分散剂中以产生纳米颗粒分散体，(b)将步骤(a)中得到的纳米颗粒分散体与热塑性聚合物组合物组合，和(c)随后除去所述分散剂以得到所述纳米复合材料，其中所述分散剂是极性的。替代地，本专利技术提供制造具有改善的均匀性的所述纳米复合材料的方法，所述方法包括以下步骤(a)将纳米颗粒分散在分散剂中以产生纳米颗粒分散体，(b’)通过冻干(Iyophilization)从步骤(a)中得到的纳米颗粒分散体部分地或者完全地除去所述分散剂，以得到冻干的纳米颗粒，和(c’ )将步骤(b’ )中得到的冻干的纳米颗粒与热塑性聚合物组合物组合，其中所述分散剂是极性的。此外，本专利技术提供包含纳米颗粒和分散剂的分散体，其中所述分散剂选自液体二氧化碳、水、液体极性有机化合物、或者这些的共混物，其中所述液体极性有机化合物是在标准条件下，即在25°C的温度和Iatm的压力为液体的极性有机化合物。具体实施方在本专利技术的上下文中，术语“烯烃聚合物”和“聚烯烃”是可互换使用的。同样，术语“丙烯聚合物”和“聚丙烯”以及术语“乙烯聚合物”和“聚乙烯”是可互换使用的。 在本专利技术的上下文中，术语“纳米复合材料”用于表示纳米颗粒和一种或多种热塑性聚合物的共混物。在将纳米颗粒分散在合适的分散剂中时，申请人注意到，所得的分散体特征在于与从文献中已知的常规分散体相比长得多的沉降(sedimentation)时间。还观察到，将纳米颗粒分散体与热塑性聚合物组合物共混以得到纳米复合材料导致纳米颗粒更均匀的分布，所述纳米复合材料在机械性质方面和在加工性能方面显示出令人惊讶的益处。本专利技术的纳米复合材料包含热塑性聚合物组合物和相对于所述纳米复合材料的总重量的至少O. 001重量％的纳米颗粒，所述纳米复合材料特征在于存在孤立的纳米颗粒。优选地，本专利技术的纳米复合材料由热塑性聚合物组合物和相对于所述纳米复合材料的总重量的至少O. 001重量％的纳米颗粒组成。应理解，所述纳米复合材料的所有组分的重量百分比本文档来自技高网...

【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高彻特，J米歇尔，O罗斯特，P纳威兹，J伊韦里尔特，R鲁伊克斯，M杜皮尔，
申请(专利权)人：道达尔研究技术弗吕公司，
类型：
国别省市：