[发明专利]用于生成纳米颗粒复合材料膜的方法以及利用该方法制造的膜

说明书

技术领域

本发明涉及用于生成纳米颗粒复合材料膜的方法和利用该方法制造的膜及其用途。

背景技术

复合材料已经由于可被引入到所得材料中的良好的性质而变得极具吸引力。简言之，复合材料是基体材料和填充材料的混合物。基体材料可以例如是聚合物、金属或玻璃。添加填充材料以增强或展现基体材料的某种性质。这样的性质包括发光、杨氏模量的增加、磁行为以及热稳定性。具体的聚合物复合材料正促进进一步的研究。在此情况下，聚合物是基体材料。高吸引力在一方面是由于聚合物的有利性质，例如延展性、重量以及易于制造。另一方面，大量的填料以及因此改变某些材料性质的可能性开辟出各种潜在应用。

聚合物复合材料可以分为两个子组：聚合物纳米复合材料以及聚合物宏观复合材料。前缀“纳米-”以及“宏观-”描绘了填料材料的尺寸范围特性。在纳米复合材料的情况下，填料材料是纳米颗粒的形式，而与之相反，添加宏观颗粒以实现宏观复合材料。理想的聚合物纳米复合材料具有比由相同组分构成的聚合物宏观复合材料优异的性质。这是由于较大的比表面积以及因此较大的可用颗粒-聚合物相互作用面积。随着小型化趋势的持续，必须确保所用材料在整个纳米尺度结构上也展现出均匀性质。在宏观复合材料的情况下，可以说合成材料是非均匀材料混合物。另一方面，包埋在聚合物基体中的纳米颗粒使得聚合物以及颗粒的两种性质集合也能够针对纳米尺度结构而理想地保持合并。

然而，在聚合物纳米复合材料的生产中仍然存在重大挑战。如所提及的，理想情况在整个材料上具有单一的均匀性质集合。因为纳米颗粒趋于聚集，所以合成复合材料展现出不希望的颗粒岛。这使得在整个材料上造成非均匀性质。已经研究不同方法以解决此问题。应用于溶剂熔融共混以及原位聚合中的一种方法是利用表面活性剂或通过将官能团添加至纳米颗粒的表面。由于颗粒表面上的“粘合”涂层，所以纳米颗粒和聚合物对彼此施加较小的排斥力。然而，这需要添加化学品和/或工艺步骤。可以通过应用逐层吸附（所谓的LbL沉积）而利用不同方法。通过将探针浸渍在相应溶液中而由静电力来吸附聚合物和纳米颗粒。因此，以多个工艺步骤和多次重复为代价将纳米颗粒均匀地分布在表面上以产生某一厚度的复合材料膜。

或者，可以以所谓旋涂辅助逐层沉积（SA LbL）在旋涂工艺中沉积具有分散纳米颗粒的聚合物溶液。

已经解决聚集问题的另一方法是气相共沉积技术。通过允许单体气体在金属原子集结在衬底表面的同时沉积在该衬底上，能够实现纳米颗粒的具有高填充率的精细分布。由于对彼此在颗粒尺寸和填充率方面具有强依赖性并且因为并非所有聚合物都适用，所以该方法具有缺点。

除气相共沉积之外，所有其他的方法需要分离且预先生成纳米颗粒。可以区分为湿法合成和干法合成。干法合成方法使得能够在合成之后直接利用具有高纯度的纳米颗粒而不需另外将纳米颗粒与溶液分离。特别地，火焰喷雾热解（FSP）生产法由于可以容易地调节颗粒性质以及具有良好可扩展性而非常有竞争力。能够从FSP利用的其他有利性质是直接沉积颗粒以产生具有高孔隙率的颗粒膜的可能性。

铁磁材料在处于纳米颗粒的形式时呈现出磁行为的特殊变化。这被称为超顺磁性。与展现出磁滞曲线不同，超顺磁性纳米颗粒仅在没有任何剩磁的情况下示出高饱和磁化强度。这意味着这些颗粒受到磁场的强激发，但是只要移除外部磁场，它们不再示出磁化强度。这是由于颗粒尺寸和温度而引起的现象。超过临界直径或跌至阻挡温度之下使得不再出现超顺磁行为。

因此，聚合物纳米材料是有利的，这是因为其将聚合物的期望性质与填料的功能相结合。已经利用若干方法来合成用于磁性制动器、二向色膜、发光聚合物等等的复杂聚合物纳米复合材料。在大多数方法中，不能容易地实现填料颗粒在聚合物基体内的分散。从而，通常执行另外的步骤以用于填料材料的表面改性。然而，即使那样，实现具有高（>5vol%）填料含量以及均匀的填料分布或分散的纳米复合材料也是有挑战性的。

发明内容