[发明专利]制备聚合物纳米复合材料的方法

说明书

背景技术

本公开在各种示例性实施方式中涉及聚合物纳米复合材料，该聚合物纳米复合材料通过在挤出机中在聚合物熔体中原位形成金属纳米粒子而制备。也披露了制备该纳米粒子的方法，以及由其形成的制品。

纳米复合材料是粒子填充的聚合物，其中分散的粒子的至少一个尺寸在纳米(10^-9米)或纳米级范围(通常为约1至约200纳米)。纳米复合材料常常相对于它们的微米级复合材料的对应物具有优异的物理和机械性性质，例如改善的模量，降低的透气性，阻燃性，和改善的耐刮擦性。此外，在该聚合物中该粒子的纳米分散体常常不产生脆性和不透明性，而这是在微米级复合材料或更大尺寸粒子中常常观察到的。

纳米复合材料可由非原位(ex-situ)熔融共混方法制备。但是，在常规的熔融共混方法中，难以获得纳米粒子在聚合物例如聚碳酸酯基质中的较均匀的分散体。通常，该纳米粒子大部分在聚合物基质中保持为局部聚集体的形式。

此外，一些纳米粒子产生方法需要中间温度或时间条件从而产生优化尺寸的粒子。但是，可能熔融共混与这种方法是不相容的。

也可从金属盐溶液产生纳米粒子。遗憾的是，常规的熔融共混方法会限制能够添加的溶剂的体积，因此限制了纳米粒子的形成。商业级的溶剂使用和处理也会存在严重危险，并且在共混方法的过程中脱去溶剂会增加粒子聚集或者氧化成不期望的状态的可能性。

当通过熔体或溶液共混将金属或金属氧化物粒子作为外添加剂添加至聚合物时，不能够控制他们的粒度和形状。该粒子也倾向于聚集在一起。

有时候，可将较高水平的纳米粒子添加到该聚合物基质从而增加期望的性质。但是，这种高水平的使用也可能增加期望的性质至使其他性质损害。例如，较高的水平会导致具有较差光学性质的纳米复合材料，例如降低的透明度和增加的雾度。

仍然需要纳米复合材料和生产它的方法，其克服由常规的熔体共混方法产生的分散问题。

发明内容

在各种实施方式中本申请披露了聚合物纳米复合材料和制备和使用它们的方法。在熔融挤出的过程中在纳米复合材料中原位形成纳米粒子。认为在熔融挤出方法过程中产生的热能和剪切导致金属和/或金属氧化物纳米粒子的优异分散。这克服了从常规的熔融共混方法产生的分散问题。此外，这些方法容许控制纳米粒子的尺寸和形状，并且产生具有特殊性质即红外(IR)反射、抗微生物性等的纳米复合材料。提高的透明性的保持可以在根据本公开的方法制备的聚合物纳米复合材料中获得。

实施方式中公开了生产含有聚合物和纳米粒子的分散体的方法。提供包含金属前体和溶剂的溶液。该金属前体不是纳米粒子的形式。将该溶液与聚合物结合形成混合物。将该混合物挤出形成该分散体。该挤出步骤在熔融温度进行，该熔融温度高于该金属前体的分解温度，并且该混合物的停留时间足以在挤出机中形成该分散体。在具体的实施方式中，该停留时间为至少35秒。该溶液占该聚合物和溶液的组合的总重量的约1至约30wt%。该分散体含有金属纳米粒子，金属氧化物纳米粒子，或其组合。该纳米粒子在分散体中的粒子间距离为0.1nm至约1500nm。该分散体中的纳米粒子占该纳米粒子和聚合物的总重量的约0.125至约5wt%。

该分散体还可包括稳定剂。可将该稳定剂在挤出之前、挤出过程中或挤出之后添加到该混合物中。

在实施方式中，该金属前体是金属盐。在某些实施方式中，该金属前体含有锌或银。在其它实施方式中，该金属前体含有第11族元素，第12族元素，或过渡金属。

溶剂可为水。

该方法可进一步包括向该分散体提供添加剂。可在挤出该分散体之前、过程中或之后添加该添加剂。该添加剂可为稳定剂。

分散体中的纳米粒子可占纳米粒子和聚合物的总重量的约0.125至约2wt%。在更具体的实施方式中，该纳米粒子占纳米粒子和聚合物总重量的约0.125wt%，约0.25wt%，约0.5wt%，约1wt%，或约2wt%。

在一些具体的实施方式中，该金属前体含有锌或银，该挤出步骤在至少150°C的熔融温度进行，和该分散体中的纳米粒子占纳米粒子和聚合物总重量的约0.125至约2wt%。

该挤出步骤可使用双螺杆挤出机。

本申请也披露了一种模塑制品，其包括通过以上所述的方法制备的分散体。该分散体可含有银和/或锌。

本申请也披露了包括通过如上所述的方法生产的分散体的制造制品。