[发明专利]具有改善的均匀性的纳米复合材料

说明书

技术领域

本发明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匀性和因此改善的性质。进一步地，本发明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。

背景技术

纳米颗粒可通常特征在于具有1nm-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1.5-4.8GPa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100nm的甚至更小的直径和最高达100微米的长度、在100-1000GPa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(C₆₀)相关。碳纳米管具有在1nm-100nm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比。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1nm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)。纳米颗粒缺少均匀性，即不均匀分布将产生弱的点(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。

因此本发明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。

本发明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。