用多面体低聚倍半硅氧烷硅烷醇表面改性制造技术

由多面体低聚倍半硅氧烷（ＰＯＳＳ）试剂和树脂开发了具有改进的疏水性、热稳定性、硬度和耐久性的纳米增强的涂层。ＰＯＳＳ试剂的纳米级尺寸和混杂（有机／无机）组成尤其可用于涂布由矿物、金属、玻璃和聚合物材料衍生的填料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用多面体低聚倍半硅氧烷硅烷醇表面改性本申请要求2005年1月27日提交的美国临时申请序列号 60/648327的权益。
技术介绍
本专利技术一般地涉及具有改进的疏水性、热稳定性、硬度和耐久性 的纳米增强的涂层。增容不同材料之间界面的技术存在重要的机遇。聚合物尤其利用 宽泛的各种无机材料作为填料赋予最终组合物所需的电、热、机械和 其它物理性能。聚合物的烃组合物常常使得它们与大多数填料体系的 无机组合物不相容。(聚合物包括脂族、烯属、芳族和杂官能团体系(代 表性实例包括聚乙烯、聚丙烯、聚丁二烯、聚醚、聚酰亚胺、环氧化 物、丙烯酸类树脂、苯乙烯类树脂、聚硫醚、聚砜、聚碳酸酯、聚酯、 聚酰胺))。还包括所有组的聚合物，例如玻璃、半晶、晶体和弹性体。 (代表性填料包括诸如层状硅酸盐、粘土、碳酸钙、滑石、硅灰石、硅 藻土、高呤土、 ATH(三水合氧化铝)、蛭石、重晶石、玻璃、金属、金 属氧化物和木材)。常见的实践是用表面活性剂和硅烷偶联剂处理粒状 填料的表面，以促进这些不同的材料类型之间的表面相容性。这一实 践的延伸是在矿物和合成硅酸盐的坑道(ga 11 ery)层中已经利用硅烷 和表面活性剂作为分层剂。(矿物和合成硅酸盐包括膨润土、锂蒙脱石、 蒙脱石)。这种表面内部和外部的表面改性的目标是，膨胀在相邻的硅 酸盐片之间的间距，并增容其内部表面与聚合物，从而既改进其分散， 又改进增强特征。现有技术的说明尽管现有技术证明对于许多工业应用来说是满意的，但现有技术 局限于其增容表面与离散和界限分明(well-defined)的微观结构形貌 的能力。这种控制是理想的，因为它将提供表面设计和功能的合理控制。此外，它将提高表面对改进的粘结、可靠度和耐染色剂进攻和因 存在界限分明的纳米形貌破坏的适应力。在纳米级水平(十亿分之一米 的特征)下增容宏观表面(百万分之一米的特征)是理想的，这是因为它 提供增加的特征细节、耐久性和在多种长度规模下增强聚合物链。现 有技术提供这种优点的局限直接来自于一旦将表面改性剂置于填料或 表面上，则无法控制表面改性剂的表面组装和结构。此外，常规的表 面活性剂处理剂有限的热稳定性是降低粘土基纳米复合材料的热与机 械性能的关键因素。本专利技术公开了纳米结构的混杂的"有机-无机"化学品作为内部 和外部的表面处理剂和宏观填料的分层剂的用途。采用纳米结构的多面体低聚倍半硅氧烷(POSS和球状硅氧烷)的现有技术报道了它们作为防腐蚀材料的用途，但没有提及它们在复合材料、纳米复合材料或 填料技术内的应用和功效，在所述技术中将利用它们的纳米级尺寸、混杂组成和界面增容性能来改进物理性能。参见，美国专利No.5888544。专利技术概述由多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)试剂和树脂开发了具有改进的疏 水性、热稳定性、硬度和耐久性的纳米增强的涂层。带有硅烷醇的P0SS 试剂尤其可用于涂布由矿物、金属、玻璃和聚合物材料衍生的填料。 P0SS试剂的纳米级尺寸和混杂(有机/无机)组成在改进宏观和纳米级 粒状填料与宽泛范围的不同材料，其中包括聚合物、生物、烃和含水体系的相容性方面高度有效。优选的涂布剂利用P0SS-硅烷醇、P0SS-烷氧化物、P0SS-氯化 物和P0SS-盐。最理想的是，含官能化杂片段组成的POSS纳米结构， 满足化学式[(RSiO丄(RXSiOu)J i:#(m、 n、 #=偶数和奇数整数1-1000; R-烃，硅烷或曱硅烷氧基；X-0H、 Cl、 0R)。最优选的涂布方法 包括无溶剂的喷涂、火焰涂喷、熔体流动和汽相淀积。这些方法是有 利的，因为它们没有产生、没有利用挥发性有机化学品，因此没有排 放物。或者，可利用常规的溶剂基施涂方法且包括旋涂、浸涂、上漆和喷涂。POSS试剂和树脂体系也理想地用于层状硅酸盐的分层和用于填 料(其中包括粘土、碳酸钩、滑石、硅灰石、硅藻土、高岭土、 ATH(三 水合氧化铝)、蛭石、重晶石、玻璃、金属、金属氧化物和木材)的增 容。所得POSS改性的填料显示出改进的疏水性、改进的分散性和流变 学性、阻燃性和折射指数。这种微观和纳米级填料的POSS改性提供具 有多等级增强(宏观到纳米级)能力的这种填料，并进而能改进热塑性 或热固性树脂体系的热、机械、透气性和其它物理性能，所述体系在 电子、医疗器件、运动物品和航空中作为涂层和结构组件具有重要的 功效。本专利技术叙述了纳米结构的POSS化学品作为表面处理剂的用途，用 于在宏观和纳米级的填料和表面上引入纳米级的表面特征。通过POSS试剂提供的纳米级表面特征进一步起到增容这些填料与在聚合物体系 内存在的纳米级长度等级的作用，在聚合物涂层、复合材料和纳米复 合材料内提供多等级的增强水平。可使用所有常规的涂布技术，其中包括淤浆、旋涂、上漆、喷涂、流涂和汽相淀积，施涂POSS表面改性 剂。POSS表面改性剂容易获自于商业的硅烷原料。优选的结构和组成 满足化学式S#(m、 n、并-偶数和奇数整数1-1000; R-烃，硅烷或甲硅烷氧基；X-0H、 Cl、 0R)的官能化组成。附图简述附图说明图1示出了 POSS纳米结构的化学品的解剖图。图2示出了作为单层(左)施涂到表面上的常规硅烷和作为单层施 涂的纳米结构的偶联剂的物理尺寸的关系。图3示出了通过P0SS表面改性宏观表面提供的多长度等级的增强 (纳米-宏观)。图4示出了结构示意图对于POSS硅烷醇偶联剂来说，R可以是 适合于偶联到聚合物上的官能化基团。图5示出了纳米结构的表面改性剂的实例，其中包括POSS-单、 二-和三-硅烷醇；P0SS-硅氧化物；卣化物；和P0SS-树脂。图6示出了通过POSS代表性插层/分层两片硅酸盐片。 图7示出了钾蒙脱石(腿T)和用POSS硅烷醇分层的MMT的选择X -射线衍射最大值。纳米结构的代表化学式的定义为了理解本专利技术的纳米结构的化学组合物的目的，以下定义了多 面体低聚倍半硅氧烷(POSS)和多面体低聚硅酸盐(POS)纳米结构的代 表化学式对于杂片段组合物，[(RSiOuhOl'XSiOJJ ^(其中R承R') 对于官能化杂片段组合物，[(RSiOu)n(RXSiOu)Ju(其中R可以 相同或不同)。在所有上述化学式中，R-有机取代基(H;甲硅烷氧基；可另外含 有反应性官能度，例如醇、酯、胺、酮、烯烃、醚、卤化物的环状或 直链脂族、芳族或硅氧化物基)。X包括，但不限于，0H、 Cl、 Br、 I、 烷氧化物(OR)、乙酸酯(OOCR)、过氧化物(OOR)、胺(NR2)、异氰酸酯 (NCO)和R。符号m和n是指组合物的化学计量量。符号S表示形成纳 米结构的组合物，和符号#是指在纳米结构内包含的硅原子数。#的 数值通常是m+n之和。应当注意，2#不应当被混淆为测定化学计量量 的倍率，因为它仅仅描述了体系总的纳米结构特征(aka笼的尺寸)。通过下述特征来定义纳米结构的化学品。它们是单分子且组成上 不是分子的不变组装。它们拥有多面体几何形状和明确的三维形状。 簇是良好的实例，而平面烃、枝状体和粒状物不是。它们具有范围为 约0. 7nm-5. Onm的纳米级尺寸。因此，它们比小分子大，但比大分子 小。它们具有系统化学，能控制立体化学、反应性及其物理性能。优选实施方案的详细说明图1示出了基于被本文档来自技高网...

【技术保护点】
在一种选自沸石、合成和天然硅酸盐、二氧化硅、氧化铝、矿物、天然和人造纤维、玻璃和金属纤维的基底上引入纳米级表面特征的方法，该方法包括用纳米结构的化学品涂布基底。

【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：JD利希特汉，JJ施瓦博，安以中，W雷纳斯，
申请(专利权)人：杂混复合塑料公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]