[发明专利]一种纳米高分子复合材料及其制法

说明书

本发明涉及一种层状无机材料/聚电解质/高分子的纳米复合材料，以及此种纳米复合材料的制造方法。

纳米复合材料为分散相粒径介于1nm至100nm的复合材料，此种材料，特别是含有层状无机材料，如粘土的纳米复合材料，充分发挥分子层级的结构特性，如粒径小、长宽比、层状补强结构、离子键结等性质，及低含量即具有高强度、高刚性、高耐热性、低吸水率、低透气率、可多次回收使用等高功能性质。纳米分散高分子/粘土复合材料的商业化产品，目前仅有日本宇部兴业(Ube)公司添加高纯度天然粘土的纳米尼龙6复合材料，应用于汽车零件及工程塑料掺配料(1996年)。国外商业化应用评估情状为：日本丰田中央研究所的纳米聚丙烯酸酯类涂料及纳米橡胶；美国Allied-signal公司的尼龙6纳米分散掺混制程开发；日本昭和电工公司的纳米尼龙66工程塑料；美国Nanocor公司的纳米PET复合材料应用于热充填瓶及工程塑料。在研究开发阶段则有：日本三菱化学公司的纳米金烯触媒载体及工程塑料纳米分散掺混制程开发；美国GEPlastics公司的工程塑料纳米分散掺混制程开发；及高分子纳米复合材料的阻燃性质的开发应用，此领域的发展情况正引起全球各大塑料公司的注目。

一般纳米复合材料的制造方法大约可分成三类：(1)单体插层聚合法(In-Situ Polymerization)；(2)捏合分散法(Kneading)；及(3)共凝聚沉淀法。目前商业化成功的实例，尼龙6纳米复合材料即使用单体插层聚合法，但此法制程复杂，且并非所有的高分子皆适用；此外，第二类捏合分散法虽然简便，但须有复杂昂贵的捏合分散设备，且技术层次高，至今尚未有成功的实例。共凝聚沉淀法所需设备简单，且不必改变原来的制程，但大多数的研究，如Applied Clay Science第15卷(1999)，第1-9页，等，皆揭示共凝聚沉淀法很难避免层状无机物自身的再凝聚。此法若以苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR；Styrene-Butadiene Rubber)为例，依据中国大陆北京化工大学的研究人员张立群等发表于《特种橡胶制品，第19卷，第2期，第6-9页，1997》的资料，显示目前的制备方式有二种：

(1)乳液法：将粘土在强烈搅拌下分散于水中，加入橡胶乳液和抗氧化剂共同混合均匀，用稀盐酸凝结、水洗、烘干，得到粘土/SBR纳米复合材料。其粘土的层间距离从纯粘土的0.98nm扩展至1.46nm，显示高分子可能单层嵌入到粘土层间，形成插层分散(intercalated)的纳米复合材料；

(2)溶液法：将粘土经有机化改质成有机性粘土，在强烈搅拌下分散于甲苯中，加入橡胶甲苯溶液，强烈搅拌均匀、干燥或沉淀，得到粘土/SBR纳米复合材料。粘土的层间距离从纯粘土的0.98nm经有机化改质后扩展至1.90nm，而经溶解、干燥或沉淀的复合复材，粘土层间距离可从1.90nm再扩展至4.16nm，显示可能有多层高分子嵌入到粘土层间，形成插层分散的纳米复合材料。但此法使用大量甲苯溶剂，增加成本及易造成环保问题。

由前面所述，可看出共凝聚沉淀法最大的缺陷在于如何简单有效的防止层状无机物自身的再凝聚，本发明即针对此点，运用多电荷聚电解质来防止层状无机物自身的再凝聚，同时亦可作为层状无机物与高分子乳液间的共凝聚物。

本发明的首要目的在于提供一种含有聚电解质的纳米高分子复合材料；

本发明的另一目的在于提供一种“共凝聚”的简易制造方法，用以制造纳米高分子复合材料；

本发明的再一目的在于提供一种在水相中，或者加入少许有机溶剂，即可得到纳米高分子复合材料的制造方法；

本发明的再一目的在于提供一种层状无机材料/聚电解质/高分子的纳米复合材料及其制法，其中聚电解质具有与层状无机物及高分子乳液皆相反的电性。

为达上述目的，本发明是于层状无机材料，如粘土的水溶液，与高分子乳液凝聚过程中，引入与粘土相反电性的聚电解质(Polyelectrolyte)，借由粘土在水中完全分散状态下先与聚电解质结合，再利用粘土/聚电解质复合体的多余电性，与带相反电性的高分子乳液粒子结合，经由“共凝聚”方法，形成分散良好的层状无机材料/聚电解质/高分子的纳米复合材料。