[发明专利]用于在聚合物中分散纳米纤维和纳米管的超声辅助连续方法

说明书

相关申请资料

【001】本申请要求先前于2006年6月5日提交的标题为“ContinuousUltrasonic Process for Dispersion of Nanofibers and Nanotubes in PolymerMelts and Manufacture of Products from Prepared Nanocomposities”的美国临时专利申请第60/810,900号、以及于2007年4月26日提交的标题为“Ultrasound Assisted Process for Dispersion of Carbon Nanofibers inPolymers Using Single Screw Extrusion and Continuous Dispersion UsingTwin Screw Extrusion”的美国临时专利申请第60/926,313号的优先权。上述两个专利申请都整体并入本文作为参考。

技术领域

【002】本发明涉及生产高性能聚合物复合材料的方法。这种聚合物复合材料由聚合物和纳米纤维和/或纳米管的组合制成，其中标准的混合方法限定可得的分散水平。本发明的超声处理方法允许形成高度分散的聚合物复合材料混合物，所述混合物提供改善的热、机械和电性质。

背景技术

【003】高性能聚合物纳米复合材料受到纳米纤维和纳米管的分散度的极大影响。在纳米复合材料中，化学上不同的组分以纳米级组合，原因是它们太小以至于不能作为应力集中器(stress concentrator)。因此，聚合物和纳米纤维或纳米管之间的较强相互作用产生具有明显增强性质的复合材料，所述性质如强度、模量、电导率、渗透性、耐热性和热变形温度。与传统的复合材料相比，这些效果在填料荷载非常低时发生(1至5个重量百分比)，与目前应用的金属合金和高性能纤维增强复合材料相比，这引起纳米复合材料制成的产品的重量明显下降。然而，所有这些所需效果仅在所需纳米组分充分分散于一种或多种聚合物基质中时可以实现。目前，时间延长的超声照射用于实现这一目标。鉴于此，目前的方法费时并且仅在低粘度基质中有效。因此，本领域需要能够以更经济和时间有效的方式生产纳米复合材料的改进方法。

【004】包含CNF的聚合物纳米复合材料常常表现出优于传统纤维增强复合材料的性质。其中，CNF/聚酰亚胺纳米复合材料被研究。CNF通过在500-1500℃下在汽相中催化分解烃类而产生。CNF容易聚集和捆在一起或缠绕。单个纤维的分散是它们在许多用途中应用的主要障碍。分散CNF的常用方法是机械的熔融方法和等离子体处理。在这些方法中，使用在溶液中对CNF进行长时间超声处理(数分钟和数小时)。这是间歇方法并且延长的超声处理带来产生较短CNF的缺陷，其造成它们许多引人注意的性质。高粘度聚合物/CNF混合物的熔融处理通过在挤出机和密闭式混合机中高剪切混合而应用。这些方法具有环境优势，因为它们是无溶剂方法。等离子体涂覆被用于增强CNF在聚合物基质中的分散。也应用原位聚合以保持聚合物基质中分散的CNF束。已经尝试其它方法来增强分散，如原位产生CNF，但是发现成功有限。

【005】近来，建议在挤出方法中应用高功率超声，用于以仅数秒的超声处理停留时间在聚合物中分散纳米尺寸的二氧化硅填料和嵌入及脱落纳米粘土。

【006】本发明描述了在新颖的超声混合挤出机中通过挤出方法获得的CNF/PEI纳米复合材料的制备。得到的纳米复合材料的机械学、流变学、电学和热学性质被注意到。也注意到工艺参数对CNF在PEI中的分散的影响。