[发明专利]有高度缠结纳米原纤的各向同性化“即用型”塑性粒料及制备方法

说明书

本文公开了一种用于制备各向同性化“即用型”聚合物粒料或颗粒的方法，聚合物粒料或颗粒包含完全或基本上松弛的基质分子和具有长纵横比的缠结的有机纳米原纤，其将对产品提供优异的特性但不具有高成本。这些粒料使用工业规模的纤维纺丝或熔喷/纺粘设备之后使用各向同性化造粒机来成本有效地制备。这些粒料能够大量生产具有优异的机械特性的微原纤或纳米原纤复合材料，因为它们易用于(“即用”)工业规模的大量生产系统，其具有超过1000kg/hr的非常高的生产量。有机纳米原纤在聚合物基质中良好地分散并缠结并且具有数百至数千，至数万的长纵横比。纳米原纤彼此缠结以具有用于膜或泡沫加工的适当流变学特性，并且具有良好的最终产品的机械特性。

技术领域

本发明涉及用于使用工业规模的熔融纺丝或熔喷/纺粘设备，快速且成本有效地制备原位纳米原纤全聚合物复合粒料的方法，所述复合粒料具有松弛的基质和高度缠结的纳米原纤。具体地讲，本方法涉及：i)使用工业规模的熔融纺丝或熔喷/纺粘设备制备原位纳米原纤复合材料，之后连续制备具有松弛的基质和高度缠结的纳米原纤的纳米原纤复合粒料，和(ii)由本发明方法制备的产品，包括原位纳米原纤粒料在内，其具有松弛的基质和高度缠结的纳米原纤，由完全不可生物降解的、部分可生物降解的、或完全可生物降解的聚合物构成。此外，本公开涉及制备具有优异的机械特性的原位纳米原纤复合材料和/或复合泡沫。

背景技术

本发明涉及使用工业规模的纤维纺丝或熔喷/纺粘设备快速且成本有效的制备原位微原纤或纳米原纤复合粒料。此外，本发明还涉及制备具有优异的机械特性的原位纳米原纤复合材料或复合泡沫。

传统上通过将颗粒状或纤维填料掺入热塑性塑料中制得的热塑性复合材料是最常用的一种材料类型。在过去几十年期间，在各种应用包括汽车、航空航天、包装和建筑行业中，这些复合材料已经取代了传统材料，诸如金属、玻璃和木材。这些材料的主要优点中的一些包括它们容易加工、轻的重量、低成本和相对高的强度比重量的比率[1]。

然而，尽管它们具有许多优点，但传统的聚合物复合材料遭受多种缺点，这些缺点限制它们的进一步市场渗透。这些缺点主要由填料在聚合物基质中的较差分散程度导致。填料在复合材料中的较差分散导致填料附聚、应力集中、和从聚合物基质到填料的差应力转移。这继而导致复合材料的机械特性、流变学特性、和物理特性的严重损失[2,3]。此类损失在复合材料具有非常小的填料诸如纳米颗粒和纳米纤维的情况下尤其常见。纳米颗粒和纳米纤维的较差分散通常由聚合物和纤维之间的高界面张力以及原样购买的纳米填料由于其非常高的比表面积已经以附聚形式存在的事实所导致。

一个经典的示例是纤维素纳米纤维(CNF)的情况。作为植物细胞壁的主要构成单元的CNF通过木质纤维和天然纤维的化学和机械处理的组合来获得。极高纵横比(高度比直径的比率)与极高刚度(几乎13GPa)的组合使得这些生纳米纤维成为聚合物复合材料生产的具有高度吸引力的选择[4-6]。然而，尽管数十年的研究，但已经报道用于制备基于CNF的复合材料的经济上可行的技术的开发是极具挑战性的。这是由于CNF由于其表面上存在大量极性羟基基团而高度亲水的事实[7]。因此，CNF的良好分散仅可在少数亲水性和水溶性聚合物中实现。

在过去十年期间，原位原纤化复合材料的新概念已经被认为是生产具有几乎完美的纤维填料分散的复合材料的具有高度吸引力的技术。在该技术中，首先使用常规熔融共混设备在T_加工>T_mA&T_mB下制备基质(A)和分散相(B)聚合物的均质共混物(B的熔点(T_m)必须高于A的熔点至少40℃，并且优选60℃)。所述共混物随后以熔融(热拉伸)或冷冻(冷拉伸)状态进行拉伸，其将B从球形域转变成具有高纵横比的高度取向的原纤。然后，进一步在T_mA<T_加工<T_mB下进一步加工所得的原纤化共混物以制备具有期望的形状的各向同性产品。在这个步骤期间，基质熔融(并且其分子松弛)并且其重新成形然而分散的B原纤保持其原纤形状。已经示出高度拉伸和良好分散的B原纤的存在显著改善基质的机械、流变学和物理特性[8,9]。