[发明专利]间规聚苯乙烯纳米复合材料及其制法

说明书

本发明涉及一种新颖的纳米复合材料，且特别涉及一种间规聚苯乙烯(sPS)/粘土纳米复合材料及其制造方法。

纳米复合材料为分散相粒径介于1nm-100nm的复合材料，其能充分发挥分子层级的结构特性，如粒径小、高纵横比(aspect ratio)、层状增强结构、离子键结等性质，从而使纳米复合材料具有低增强材料含量，以达到轻量化目标，并具有高强度、高刚性、高耐热性、低吸水率、低透气率、可多次回收使用等高功能性质。纳米分散高分子/粘土复合材料的商业化产品目前仅有日本宇部兴产公司的纳米尼龙6复合材料(高纯度天然粘土)应用于汽车零件及高阻气性包装膜(1990年)和日本Unitika公司的纳米尼龙6复合材料(人工无机层材)应用于汽车零件及用作工程塑料掺混料(1996年)。国外处于商业化应用评估情形的有：日本丰田中央研究所的纳米聚丙烯酸酯涂料及纳米橡胶；美国Allied-signal公司的尼龙6纳米分散掺混制程的开发；日本昭和电工公司的纳米尼龙66工程塑料；美国Nanocor公司的纳米聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)复合材料应用于热充填瓶及工程塑料。在研究开发阶段则有：日本三菱化学公司的工程塑料纳米分散掺混制程开发；美国GEPlastics公司的工程塑料纳米分散掺混制程开发。

间规聚苯乙烯(Syndiotactic Polystyrene；sPS)是于1986年由日人Ishihara首先发表于Macromolecules杂志上的，其原材料为苯乙烯，利用茂金属(metallocene)类的催化剂合成，所得的sPS为熔点可达270℃的结晶性高分子，间规立体排列可达90％以上。为达到材料的实用性，虽然已有多种sPS复合材料被开发出来，但是目前在国内外文献资料尚未有纳米分散的sPS复合材料的技术报导。sPS材料耐热性佳、抗酸碱性佳、介电性低、流动性及加工性佳，因此成为相当受瞩目的工程塑料。

然而由于sPS材料的结晶速率不够快，以致于影响材料的成型速度及应用领域，虽然目前大多利用添加成核剂和结晶助剂以改善其结晶特性，但效果仍然有限。

本发明的主要目的就是提供一种新颖的sPS纳米复合材料及其制法。

为达到上述目的，本发明是在将无机层状粘土经特殊亲油化改性处理后，再将其分散在苯乙烯单体中，利用茂金属类的催化剂聚合成纳米间规聚苯乙烯组合物。由X—ray分析显示，其中粘土呈纳米级分层化分散。另外，将此经过亲油化改性的粘土利用捏合或溶液混合的方式与sPS掺混，也可得到纳米等级的复合材料。

根据本发明，无机层状粘土呈纳米等级分散于sPS复合材料中，其除了增强的功能外，也发现可改善sPS的结晶特性(以纳米层状结构粘土加入sPS是否可改善结晶速率，在以往的文献上并无相关资料)。

本发明的sPS/粘土纳米复合材料，其包括：(a)一高分子基质，该高分子基质包含sPS；以及(b)一层状粘土材料，该层状粘土材料均匀分散于上述高分子基质中，此层状粘土材料中插入有阳离子表面活性剂且其层距至少为20。此外，该层状粘土材料中除了插入有阳离子表面活性剂外，也可插入与sPS相容或部份相容的聚合物或低聚物。所述插入的聚合物或低聚物含量为0.5-50重量份/100重量份粘土。

根据本发明，所述层状粘土纳米材料分散于sPS复合材料中有助于促进sPS的结晶性质。随着粘土含量的增大，sPS的结晶温度显著提高，且结晶速率变快，显示加入纳米等级的粘土有促进结晶的效果。另外，纳米分散的粘土对于sPS的机械性质也明显有增强作用。上述用来增强sPS与改善结晶性质的层状粘土材料，其层厚约为7—12，优选的层距至少为30。层距越大，增强效果越好。

层状粘土材料的含量以100重量份的高分子基质为基准，优选约0.1-40重量份。如果层状粘土材料的含量小于0.1重量份，将无法显现出层状粘土的增强功效；如果层状粘土材料的含量大于40重量份，则会产生粉状的复合材料，难以加工成型。在本发明的复合材料中，sPS的重量平均分子量约为15,000—800,000。

本发明的一种sPS/粘土纳米复合材料的制造方法，其包括下列步聚：

(a)提供一种层状粘土材料，用阳离子表面活性剂对其进行改性处理；(b)将上述经改性处理的层状粘土材料与苯乙烯单体混合，在催化剂存在下，加热进行就地聚合反应，使该层状粘土材料均匀分散于sPS基质中。