[发明专利]高使用温度的纳米复合树脂

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求2004年9月10日提交的美国临时申请序列号No.60/608582的优先权。

发明领域

本发明一般地涉及高温热固性聚合物的组合物和纤维增强的复合材料及其制造方法。更特别地，本发明涉及掺入并使用纳米结构的化学品以控制聚合物固化化学的方法，所述聚合物固化化学反过来将影响热固性聚合物的热、机械和相关物理性能。

本发明还涉及纳米级控制的热固性聚合物加工成复合材料、涂料、粘合剂、密封剂和模塑制品的方法和应用。该树脂和复合材料的应用包括改进的复合树脂、泡沫体、纤维、油漆、涂料、粘合剂和表面性能，这些将导致阻燃性、可印刷性、生物相容性和渗透性控制、光学性能和建筑涂料。

发明背景

长期以来公认可通过诸如聚合物序列、结构、添加剂和填料的掺入、组成、流变学、热动力学和动力学加工控制之类的变量，在高的程度上微调聚合物的性能。类似地，已知各种尺寸和形状的填料(例如，Teflon^、碳酸钙、二氧化硅、碳黑等)可掺入到预成形的聚合物(预聚物)或单体混合物内，以提高所得配方的物理和材料性能。在热固性聚合物方面的现有技术也集中在通过在链当中或者部分或者全部出现的形成互穿网络和交联导致的性能改性。

在现有技术中，所需的效果会降低聚合物链和片断相对于彼此的运动。降低的链运动结合更加硬质和热稳定的组分的结合最终提高物理性能，例如尺寸稳定性、强度和热稳定性。遗憾的是，所有现有技术的缺点是，工艺复杂且无法在1-50nm水平的所有三维尺寸上控制长度规模。1-50nm的长度规模对于聚合物材料来说是重要的，这是因为典型的聚合物链或交联具有8nm的表面蠕动直径和50nm的回转半径。本发明利用纳米结构化学品实现工艺简化，对固化化学和速度的控制，以及在1nm的水平下纳米级增强聚合物链。

此外，经计算，当增强尺寸降低到低于50nm时，它们将更加抗沉降和更有效地提供聚合物体系增强性。然而，因缺少粒状增强或增强剂的实际来源，妨碍了这一理论指示的充分应用，所述粒状增强或增强剂的几何形状轮廓分明和单分散且直径低于10纳米范围，特别是在1纳米-5纳米范围内。

与热固性聚合物、互穿网络、聚合物流变学和填料技术有关的现有技术未能在1纳米-10纳米的水平下充分地控制聚合物链、卷曲和片断移动和结构。此外，在聚合物和无机基填料和化学品之间的化学势(例如，溶解度、混溶性等)的错配常规地导致在配混的聚合物内高水平的不均匀度，这种不均匀度类似于与水混合的油。因此，需要具有控制的直径(纳米尺寸)、分布和可微调的化学官能度的合适筛分的化学品增强剂，以进一步提升聚合物的性能。

最近在纳米科学上的开发使得能成本有效地制造最好地描述为纳米结构化学品的商业质量的材料，这是因为它具有精确的化学式、混杂(无机-有机)的化学组成、相对于常规的化学分子(0.3-0.5nm)大的物理尺寸，和相对于较大尺寸的常规填料(＞50nm)小的物理尺寸。

发明概述

本发明公开了通过在纳米级长度规模上控制其固化化学、结构和性能，制备改进的高温聚合物热固性树脂和复合组合物的方法。所得纳米聚合物本身或者结合其它聚合物或者结合宏观增强剂，例如泡沫体、筛网、网格、纤维、粘土、玻璃材料和其它填料以及包括催化剂在内的其它化学品是完全有用的纳米合金化聚合物，尤其可用于生产具有所需物理性能，例如对纤维增强剂和金属表面的粘合性、防水性、降低的熔体粘度、阻燃和抗氧化性的聚合物组合物。

此处列出的优选组合物含有两种基本材料组合：(1)在POSS笼上的乙烯基或其它烯属R基，和(2)带有硅烷醇基的笼或者部分笼(图1)。这些材料的组合可呈现纳米结构的低聚物或者纳米结构的聚合物、多面的低聚倍半硅氧烷、聚倍半硅氧烷、多面的低聚硅酸盐、聚硅酸盐、聚氧金属化物(polyoxometallate)、碳硼烷、硼烷和多晶型碳的形式；或者用作具有纳米级尺寸的化学交联剂或者固化促进剂。该交联剂又可与烃烯类或者硅烷和硅氧烷或者膦，或者硫醇或硫和共聚物、酚醛塑料、酚醛清漆树脂、甲阶酚醛树脂、环氧树脂、氰酸酯、聚氨酯、聚酰亚胺、双马来酰亚胺等及其结合物一起使用。