[发明专利]聚合纳米泡沫

说明书

本发明在能源部（Department of Energy）签订的合同DE-EE0003916下由美国政府支持完成。美国政府在本发明中具有一定权利。

技术领域

本发明涉及包含聚合物共混物的聚合纳米泡沫以及制备这种泡沫的方法。

背景技术

提高能量效率是永远存在的目标。能量的一个大用途是通过加热和/或冷却产生和保持特别适宜温度的环境。控制区域温度的同时有效利用能量需要最小化温控区域与围绕所述区域的环境之间的热能输送。因此，绝热材料通常用于将温控区域与在不同温度下的其它区域隔绝。绝热材料是建筑结构和电器例如冰箱和冷冻机中常用的。

聚合泡沫已经长久用作绝热材料。历史上，典型的绝热聚合泡沫包含许多尺寸为100微米或更大的孔并且在所述泡沫孔中需要存在低热导率的气体。在这些聚合泡沫很好地充当绝热材料时，有机会在不依靠低热导率气体的情况下改善聚合泡沫的绝热性质。聚合泡沫控制通过泡沫的热导率的一个特征是孔尺寸。如果气体分子在孔内自由移动并且与孔壁碰撞的话，所述气体分子在泡沫孔中的行为可以有助于通过聚合物泡沫的热导率。当泡沫的孔尺寸降低到低于一微米时，孔气体对通过聚合泡沫的热导率的贡献显著降低。例如，在泡沫孔尺寸从一微米降至300纳米（nm）后，孔气体引起的热导率几乎降低一半，并且在孔尺寸从一微米降至低于100nm后，降低几乎2/3。因此，具有纳米孔隙结构（亦即，平均孔尺寸低于一微米；“纳米泡沫”）的聚合泡沫，尤其是平均孔尺寸为300nm或更小、并且最优选100nm或更小的聚合泡沫，是绝热所需要的。

让绝热聚合泡沫具有高孔隙体积也是所期望的。通常，通过聚合泡沫结构的聚合物网络的热导率比通过孔气体的热导率高。因此，最大化泡沫中孔所产生的孔隙空间的量通常将导致通过所述泡沫的热导率降低。这对于具有纳米孔隙结构的聚合泡沫尤其是个挑战。表征孔隙体积的一种方式是通过“孔隙度”，它是孔隙体积与泡沫体积的比率。孔隙度值为0.50或更高对于绝热泡沫是所期望的。

成本也是绝热的一种顾虑。与较高成本聚合物例如(甲基)丙烯酸类聚合物相比，使用成本较低的聚合物例如苯乙烯类聚合物制备聚合泡沫是所期望的。此外，通过避免包含纳米填料作为成核剂来降低成本和复杂性是所期望的。

发明内容

本发明通过提供对前述要求和挑战同时提供解决方案的聚合泡沫，赋予了聚合纳米泡沫技术的进步。本发明提供了在含有苯乙烯类聚合物并且不需要纳米填料的聚合物泡沫中具有0.50或更高孔隙度的纳米泡沫。意外地，发现与(甲基)丙烯酸类聚合物一起包含一定量的含共聚丙烯腈的聚合物允许形成高度多孔的聚合纳米泡沫，由此产生了本发明。更加意外地，所述共聚丙烯腈的存在允许形成高度多孔的含有较少量（小于50重量%）(甲基)丙烯酸类共聚物的聚合纳米泡沫。还意外的是，孔尺寸分布窄（体积平均直径与数均直径的比率低于2.5）和孔密度大于10¹⁴个孔/立方厘米的聚合纳米泡沫可以由包含丙烯腈共聚物和(甲基)丙烯酸类聚合物的可混溶混合物的单一聚合物相制造。

在第一个方面，本发明是包含连续聚合物相的聚合纳米泡沫，所述连续聚合物相限定多个孔，其中所述聚合泡沫特征为：（a）所述连续聚合物相包含至少一种无(甲基)丙烯酸类的含丙烯腈共聚物；（b）所述连续聚合物相包含至少一种(甲基)丙烯酸类聚合物，其中所述(甲基)丙烯酸类聚合物的浓度在连续聚合物相总重量的5-90重量%范围内，而甲基丙烯酸类共聚物的量是连续聚合物相总量的50wt%或更低；（c）孔隙度为总泡沫体积的至少50%；（d）不存在纳米尺寸的成核添加剂；和（e）下列至少一种：（i）所述孔具有500纳米或更小的数均孔尺寸；和（ii）有效成核位点密度为至少1x10¹⁴位点/立方厘米预发泡材料；其中共聚丙烯腈的总重量基于连续聚合物相总重量在3至28重量%的范围内，并且至少一种无(甲基)丙烯酸类的含丙烯腈共聚物具有比所有(甲基)丙烯酸类聚合物更高的玻璃化转变温度。