專利名稱：納米級有機無機復(fù)合材料的制備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過對納米級復(fù)合材料施加電場來改進該復(fù)合材料的性能如機械強度、耐熱性及阻燃性的方法，所述納米級復(fù)合材料由聚合物樹脂和分散于其中的層狀粘土(layered clay)組成。
背景技術(shù)：
近來已逐漸公開了通過分散具有幾納米層間距離的粘土復(fù)合材料至聚合物樹脂中(例如通過與有機鹽的粒子交換)并加工該混合物來制備的有機無機復(fù)合材料，其展示了高機械強度和耐熱性，適合用于制造汽車、航空器和建筑構(gòu)件。
然而，添加粘土復(fù)合材料至聚合物中不總是產(chǎn)生上述效果，并且具有改進性能的復(fù)合材料制品只在有限的案例下得到，例如1)一個案例是在聚合步驟中向樹脂的單體和/或低聚物中加入層狀粘土(見US 4889885及[A.Usuki et al.，J Mater.Res.，Vol.8(1993)，p1179])，以及2)一個案例是在擠出步驟中向聚丙烯和無水順丁烯二酸共聚物中加入層狀粘土(見[M.Kato et al.，J Appl.Polym.Sci.，Vol.66(1997)，P1781])。
然而，案例1)方法的缺點是很難均勻地分散粘土復(fù)合材料至聚合物基體中，導(dǎo)致差的產(chǎn)量。至于案例2的方法，其使用了昂貴的聚合物、即聚丙烯和無水順丁烯二酸共聚物，導(dǎo)致的問題是高制造成本。
迄今為止，還沒有報導(dǎo)過令人滿意的以低成本來制備高質(zhì)量納米級有機無機復(fù)合材料的方法。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種制備具有改進性能的聚合物樹脂和層狀粘土的納米級復(fù)合材料的簡單方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種制備包括聚合物樹脂和層狀粘土復(fù)合材料的納米級復(fù)合材料的方法，該層狀粘土復(fù)合材料具有在其層間空間摻雜的有機材料，其中所述方法包括向聚合物樹脂和粘土復(fù)合材料的混合物施加電場。


本發(fā)明的上述和其他目的及特征將結(jié)合以下附圖通過本發(fā)明的實施方式來闡明，其中圖1和2分別為在施加電場條件下得到的實施例1的復(fù)合材料的流變性能(儲能模量)和X射線衍射掃描結(jié)果。
圖3在未施加電場條件下得到的比較例1的復(fù)合材料的X射線衍射掃描結(jié)果。
圖4-7在施加電場條件下得到的實施例2-5的各復(fù)合材料的流變性能(儲能模量)。
圖8在施加電場條件下得到的比較例2的聚合物樹脂擠出物的流變性能(儲能模量)。
圖9在施加電場條件下得到的比較例3的復(fù)合材料的流變性能(儲能模量)。
具體實施例方式
本發(fā)明可采用的典型聚合物樹脂包括聚乙烯、聚苯乙烯、工程塑料及它們的混合物。
本發(fā)明中使用的層狀粘土復(fù)合材料可以是任何一種具有納米級晶格單元及摻入其層間空間的有機材料的那些粘土復(fù)合材料。本發(fā)明的粘土復(fù)合材料的典型實例包括鋰蒙托石、滑石粉、蒙托石及合成云母，每一種都具有摻合的有機材料，其中優(yōu)選用烷基銨取代的蒙托石。摻和的有機材料如烷基銨衍生物用于擴張該粘土復(fù)合材料的層間距離，由此使該粘土復(fù)合材料更容易吸收聚合物進入其層間空間并與基體聚合物形成強鍵。
在本發(fā)明中，以100重量份聚合物樹脂為基準，粘土復(fù)合材料的用量為0.01-10重量份，優(yōu)選1-5重量份。當該量低于0.01重量份時，所希望的增強效果變得微不足道，而當其超過10重量份時，所得產(chǎn)物變得不可模壓。
根據(jù)本發(fā)明，可對聚合物樹脂和粘土復(fù)合材料的混合物進行電場的施加，這增加了粘土復(fù)合材料的層間空間，導(dǎo)致所形成的有機無機復(fù)合材料的性能增強。例如，通過熔混聚合物樹脂和粘土復(fù)合材料，然后經(jīng)由擠出機中的模具擠出熔融混合物，對所得的產(chǎn)物可施加電場。
在高于聚合物樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的溫度下，可施加的電場的強度為10V/mm-1000kV/mm。由于長時間施加強電場容易產(chǎn)生樹脂的分解或碳化，因此應(yīng)實施足夠短時間以實現(xiàn)所希望的效果。
如上所述，本發(fā)明提供了制備聚合樹脂和層狀粘土復(fù)合材料的納米級復(fù)合材料的簡單且經(jīng)濟的方法，該納米級復(fù)合材料具有改進的機械強度、高耐熱性及高阻燃性。
以下的實施例和比較例用于說明目的，并不試圖限制本發(fā)明的范圍。
實施例1將0.03重量份用二甲基脫氫牛油季銨鹽取代的蒙托石(由Southern Clay Co.購得的Cloisite 20A)加入0.97重量份聚丙烯粉末中，該聚丙烯粉末是使用直徑為3/4英寸的雙軸擠出機在200℃及50rpm的螺桿轉(zhuǎn)速下經(jīng)由模具擠出的。將所得擠出物制粒并塑模，得到厚度為1mm及直徑為25mm的圓盤性樣品。
將該樣品固定在流變性能測試裝置(由Rheometric Co.購得的RMS800)中，并在180℃使用60Hz交流電向其施加1kV/mm的電場。在動態(tài)粘度及彈性模式下，在10％的預(yù)定應(yīng)變值及樣品移動速率為頻率1rad/s的情況下測量所處理樣品的流變性能。使用XRD裝置(由Rigaku Co.購得的Rint2000)測試樣品的X射線衍射圖。由此得到的流變性能(儲能模量)及X射線衍射掃描結(jié)果分別顯示在圖1及2中。
如圖1所示，在暴露于電場后，儲能模量值由120Pa變?yōu)?00Pa。圖2顯示了在電場處理前觀察到的蒙托石的特征峰(見圖3)于處理后消失。
比較例1除了電場處理外，重復(fù)實施例1的程序，得到圓盤型樣品。
由此得到的樣品的流變性能(儲能模量)如圖3所示，顯示儲能模量(G′)值為80Pa。其X射線衍射掃描結(jié)果清楚地顯示了蒙托石的特征峰。
實施例2重復(fù)實施例1的程序，只是使用0.05重量份用二甲基脫氫牛油季銨鹽取代的蒙托石和0.95重量份聚丙烯，得到圓盤性樣品，對其進行如實施例1的電場處理。
由此得到的樣品的流變性能(儲能模量)如圖4所示，顯示電場處理后的流變性能(G′)值由400Pa變?yōu)?00Pa。其X射線衍射掃描結(jié)果顯示蒙托石的特征峰于電場處理后消失。
實施例3重復(fù)實施例1的程序，只是使用60Hz的交流電施加2kV/mm的電場，得到圓盤性樣品。
由此得到的樣品的流變性能(儲能模量)如圖5所示，顯示電場處理后的儲能模量(G′)值由100Pa變?yōu)?00Pa。其X射線衍射掃描結(jié)果顯示蒙托石的特征峰于電場處理后消失。
實施例4重復(fù)實施例1的程序，只是使用1Hz的交流電施加1kV/mm的電場，得到圓盤性樣品。
由此得到的樣品的流變性能(儲能模量)如圖6所示，顯示電場處理后的儲能模量(G′)值由120Pa變?yōu)?00Pa。其X射線衍射掃描結(jié)果顯示蒙托石的特征峰于電場處理后消失。
實施例5重復(fù)實施例1的程序，只是使用1000Hz的交流電施加1kV/mm的電場，得到圓盤性樣品。
由此得到的樣品的流變性能(儲能模量)如圖7所示，顯示電場處理后的儲能模量(G′)值由110Pa變?yōu)?00Pa。其X射線衍射掃描結(jié)果顯示蒙托石的特征峰于電場處理后消失。
比較例2重復(fù)實施例1的程序，只是不將蒙托石加到聚丙烯中，得到圓盤性樣品。
由此得到的樣品的流變性能(儲能模量)如圖8所示，顯示電場處理后的儲能模量(G′)值沒有改變。
比較例3重復(fù)實施例1的程序，只是使用沒有有機取代基的蒙托石，得到圓盤性樣品。
由此得到的樣品的流變性能(儲能模量)如圖9所示，顯示電場處理后的儲能模量(G′)值沒有改變。其X射線衍射掃描結(jié)果清楚地顯示蒙托石的特征峰于電場處理后消失。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的方法，可容易且經(jīng)濟地制備具有改進機械性能、高耐熱性及高阻燃性的聚合物樹脂和層狀粘土的納米級復(fù)合材料。
當就以上實施方案描述本發(fā)明時，應(yīng)認識到本領(lǐng)域技術(shù)人員可進行的各種改進及變化也落入所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種制備包括聚合物樹脂和層狀粘土復(fù)合材料的納米級復(fù)合材料的方法，所述層狀粘土具有摻雜在其層間空間的有機材料，其中該方法包括向聚合物樹脂和粘土復(fù)合材料的混合物施加電場。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中所述聚合物樹脂選自聚乙烯、聚苯乙烯、工程塑料及它們的混合物。
3.如權(quán)利要求1的方法，其中所述粘土復(fù)合材料選自鋰蒙托石、滑石粉、蒙托石及合成云母。
4.如權(quán)利要求3的方法，其中所述粘土復(fù)合材料為蒙托石，并且所述有機材料為烷基銨衍生物。
5.如權(quán)利要求1的方法，其中以100重量份聚合物樹脂為基準，所述粘土復(fù)合材料的用量為0.01-10重量份。
6.如權(quán)利要求1的方法，其中所述電場在高于聚合物樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的溫度下施加。
7.如權(quán)利要求1的方法，其中所施加電場是在10V/mm-1000kV/mm的范圍內(nèi)。
全文摘要
一種具有改進性能的聚合物樹脂和層狀粘土的納米級復(fù)合材料，其可通過包括向其施加電場的簡單且經(jīng)濟的方法來制備。
文檔編號C08K9/04GK1543433SQ02816123
公開日2004年11月3日 申請日期2002年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月18日
發(fā)明者安景鉉, 李升鐘 申請人:安景鉉, 李升鐘