[发明专利]纳米复合材料及其制造方法

说明书

交叉参考的相关申请

本申请要求2012年7月2日提交的美国申请13/539,964的权益，其在此以其全部引入作为参考。

发明背景

为了改进聚合物的性能，有时候将大体积材料添加到聚合物基质中。但是，这些大体积材料中的一些也降低了性能特性或者引入了不利的性能，例如聚合物过早的降解。平衡对更结实的聚合物组合物的需要与可利用的大体积材料之间的关系已经被证实是挑战性的。因此，用于改进聚合物材料的新材料和方法将是本领域普遍接受的。

发明内容

现有技术的上述和其他缺陷是如下来克服的：在一个实施方案中，纳米复合材料包含：聚合物；和位于该聚合物中的纳米填料，该纳米填料包含结合到第二纳米颗粒的第一纳米颗粒。

在另一实施方案中，制造纳米复合材料的方法包括：将硅倍半氧烷与纳米颗粒合并；使该纳米颗粒结合到硅倍半氧烷以制造纳米填料；和使该纳米填料分散在该聚合物中以制造该纳米复合材料。

具体实施方式

在此作为举例而非限制性地提出了一个或多个实施方案的详细说明。

已经发现，某种纳米填料和聚合物的纳米复合材料表现出相比于原生聚合物增加的降解温度。该纳米填料与聚合物相容和相互作用，因此该纳米填料易于分散在该聚合物中。另外，该纳米填料和聚合物的协同效应增强了该纳米复合材料的特性和性能，例如阻燃性，相对于原生聚合物增加的点燃时间，或者改进的自熄时间。

在一个实施方案中，纳米复合材料包含聚合物和位于该聚合物中的纳米填料。该纳米填料具有结合到第二纳米颗粒的第一纳米颗粒。

用来形成纳米填料的纳米颗粒通常是这样的颗粒，其在至少一个维度上的平均粒度小于1微米(μm)。作为此处使用的，“平均粒度”指的是数均粒度，基于该颗粒的最大线性尺寸(有时候称作“直径”)。粒度，包括平均、最大和最小粒度，可以通过适当的分级颗粒的方法来测定，例如使用激光光源的静态或动态光散射(SLS或DLS)。纳米颗粒可以包括平均粒度为250nm或更低的颗粒和平均粒度大于250nm-小于1μm的颗粒(有时候在本领域中称作“亚微米尺寸”颗粒)。在一个实施方案中，纳米颗粒的平均粒度可以是约0.1纳米(nm)-约500nm，特别是0.5nm-250nm，更特别是约1nm-约150nm，更特别是约5nm-约125nm和仍然更特别是约5nm-约75nm。该纳米颗粒可以是单分散的，其中全部颗粒是相同尺寸的，具有很小的偏差，或者多分散的，其中颗粒具有一定范围的尺寸，并且是平均的。通常使用多分散纳米颗粒。可以使用不同的平均粒度的纳米颗粒，并且以此方式，该纳米颗粒的粒度分布可以是单峰的(表现出单一尺寸分布)，双峰的(表现出两种尺寸分布)或多峰的(表现出多于一种的粒度分布)。

最小的5％纳米颗粒的最小粒度可以小于2nm，特别是小于或等于1nm，和更特别是小于或等于0.5nm。类似地，95％纳米颗粒的最大粒度可以大于或等于900nm，特别是大于或等于750nm，和更特别是大于或等于500nm。该纳米颗粒可以具有大于300m²/g的高表面积，和在具体的实施方案中300m²/g-1800m²/g，特别是500m²/g-1500m²/g。

根据一个实施方案，该第一纳米颗粒是硅倍半氧烷。硅倍半氧烷，也称作聚硅倍半氧烷，聚有机硅倍半氧烷或多面体低聚硅倍半氧烷(POSS)衍生物，其是通式RSiO_1.5(其中R是氢、无机基团或有机基团例如甲基)的聚有机硅氧化物化合物，其具有明确的封闭或开放笼结构(笼式或巢式结构，其分别被称作完全压缩结构或不完全压缩结构)。硅倍半氧烷可以通过官能化的含硅单体例如四烷氧基硅烷(包括四甲氧基硅烷和四乙氧基硅烷，烷基三烷氧基硅烷例如甲基三甲氧基硅烷和甲基三甲氧基硅烷)的酸和/或碱催化的缩合来制备。

在一个实施方案中，该第一纳米颗粒是硅倍半氧烷，其具有封闭笼结构、开放笼结构或者包括前述中至少一种的组合。该硅倍半氧烷可以具有任何形状的笼结构，例如立方体、六棱柱、八棱柱、十棱柱、十二棱柱等。此外，该硅倍半氧烷的笼结构包含4-30个硅原子，特别是4-20个硅原子，和更特别是4-16个硅原子，并且笼结构中每个硅原子结合到氧。应当注意的是，术语“笼结构”表示包括硅倍半氧烷通式RSiO_1.5的SiO_1.5部分，并且不包括R基团。