[发明专利]新物理形态的粘土连接的聚合物凝胶、其形成的方法及其用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种新物理形态的粘土连接的凝胶，和它们的形成方法及 其用途。

背景技术

吸收性制品技术的发展激励人们探索具有理想性质例如高吸收性、高 凝胶强度和低穿着健康风险的吸收性(经常是超吸收性)材料。包含粘土纳米 颗粒和聚合物的凝胶已经被确定是一种新型的适于这种用途的吸收性材 料。粘土纳米颗粒连接聚合物结构，提供牢固且弹性的材料，这种材料因 而可包含更少(乃至没有)的会使凝胶易碎的有机本体交联剂。

使粘土纳米颗粒结合到聚合物凝胶之内的一种方法是通过将粘土纳米 颗粒加入到包含引发剂、高浓度的本体交联剂和单体的常规聚合反应中。 在这种材料中，所述纳米颗粒并非特意通过化学键键合到聚合物上，而是 物理上被俘获到其三维网络结构中。这种材料并不包含在本发明所指的“粘 土连接”的范围之内。

WO 00/72958中公开了这类材料的示例，其中描述了包含单体、粘土 颗粒、交联剂和混合流体的“MCX”混合物。所述MCX混合物通过暴露 于聚合引发剂而聚合，并形成网络状的聚合物/粘土的合金。在这种材料中， 所述粘土颗粒并非牢固地键合到聚合物链上，而是嵌入到聚合物基质中。 也就是说，它们并不起交联剂的作用。因此，如果出现的有机交联不够多， 所述粘土可能会与聚合物分离，这就会引起材料的完整性和性能的问题， 以及不希望的粘土纳米颗粒的脱离。

类似地，CA 2 381 910描述了具有间隙化合物的吸水聚合物。粘土(沸 石)并非作为交联剂而成为结构的一部分。沸石用于吸收气味。

将粘土纳米颗粒结合到聚合物凝胶之内的另一种方法是通过形成包含 纳米颗粒的交联材料，所述纳米颗粒通过聚合物交联，即所谓的“粘土连 接的凝胶”。将适当的单体加入到剥离的粘土纳米颗粒的分散体，然后用适 当的引发剂系统聚合，在纳米颗粒之间形成连接。形成粘土纳米颗粒和聚 合物的三维网络，其中，任何特定的粘土纳米颗粒通过聚合物连接到至少 一个其它的粘土纳米颗粒。这种材料比那些粘土纳米颗粒只是简单地嵌入 聚合物网络的材料牢固，因为粘土纳米颗粒是化学键连到聚合物的。因此， 这种材料的粘土纳米颗粒的渗出也将会被减少到最小。

例如，EP 1 160 286公开了一种基于聚丙烯酰胺的有机/无机混合水凝 胶。

Zhu等人在Macromol.Rapid Communications，2006，27，1023-1028中公 开了另一个示例，其中描述了一种基于粘土连接的聚丙酰胺的纳米复合(NC) 凝胶。其能够达到高的拉伸强度。

迄今为止，中性的(不带电荷的)聚合物例如聚丙烯酰胺已经被用于粘土 连接凝胶的形成中(参见EP 1 160 286及前文引用的其它文献)。这么做的理 由在于：将带电物质引入到粘土纳米颗粒的剥离分散体中时会遇到困难， 以下将对此进行解释。

在纳米级别下，纳米颗粒之间的作用力例如静电力或范德华力变得很 重要，这意味着纳米颗粒的性能与大微粒的性能有很大的不同。纳米颗粒 的粘土往往在小的距离范围内就具有显著差异的表面电荷分布。例如，剥 离的合成锂皂石是一种合成的扁圆形硅酸盐，具有约1nm的厚度和25nm 的直径。在水分散体中，合成锂皂石在其表面具有强的负电荷，而在其边 缘具有微弱的定域正电荷。这种纳米颗粒上的表面电荷会导致双电层的形 成，例如水溶液中的Na+离子。在每个粘土纳米颗粒周围(或者在各纳米颗 粒的某些区域中)形成的双电层导致所述纳米颗粒在水溶液中彼此排斥，从 而提供无相互作用的颗粒的分散体，这种分散体通常是透明或半透明的， 且具有低粘度。

将带电荷的水溶性化合物添加到粘土纳米颗粒分散体中会减少维持 Na+离子远离该纳米颗粒表面的渗透压，以致该双电层变得更薄。因此，纳 米颗粒会彼此接近，这导致它们的聚集。聚集可通过肉眼清楚地观测，因 为粘土纳米颗粒的低浓度分散体最初是透明的，但加入带电化合物后就会 变混浊且形成沉淀物。当加入带电荷的水溶性化合物时，高浓度的粘土纳 米颗粒分散体形成凝胶状的聚集物。

Weian等人在Materials Letters，2005，59，2876-2880描述了使用反应性 插入剂、随后加入丙烯酸及其聚合物，从而使蒙脱土稳定的方法。