[发明专利]纳米复合材料和通过纳米沉淀制备该纳米复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及通过纳米颗粒增强的材料。本发明也涉及亚微颗粒(submicronic particle)，其利用纳米沉淀(nanoprecipitation)将碳纳米管分散到聚合物母体中来制备。

技术背景

纳米颗粒通常至少二维大于或等于1纳米并且小于100纳米。例如，碳纳米管呈管状以及具有石墨烯(graphene)结构。已经有了详尽地关于碳纳米管性质的记载(R.Saito，G.Dresselhaus，M.S.Dresselhaus；PhysicalProperties of Carbon Nanotubes，Imperial College Press，London U.K.1998；J.-B.Donnet，T.K.Wang，J.C.M.Peng，S.Rebouillat[ed.]，Carbon Fibers，Marcel Dekker N.Y；USA 1998)。现有技术主要有以下两种碳纳米管：单壁碳纳米管(SWNTs)和多壁碳纳米管(MWNTs)。针对SWNTs，纳米管的直径在从约0.4～大于3nm之间变化，以及针对MWNTs，纳米管的直径在从约1.4～大于100nm之间变化(Z.K.Tang等人，Science 292，2462(2001)；R.G.Ding，G.Q.Lu，Z.F.Yan，M.A.Wilson，J.Nanosci.Nanotechnol.1，7(2001))。一些研究表明将碳纳米管结合到塑性材料中可以改进它们的机械性质和电性质(M.J.Biercuk等人，Appl.Phys.Lett.80，2767(2002)；D.Qian，E.C.Dickey，R.Andrews，T.Randell，Appl.Phys.Lett.76，2868(2000))。

纳米颗粒的一个应用是将它们作为添加剂或增强剂加入到聚合物母体中。然而，机械性质和电性质从纳米颗粒转移至聚合物母体需要纳米颗粒良好的分散。纳米颗粒分散越均匀，所得的纳米复合材料的机械性质越好。

一种已被详尽记载的制备纳米复合材料的方法是“胶乳”技术。该技术包括首先使用表面活性剂制备纳米颗粒的水相分散体。然后，通过使用表面活性剂稳定也处于水相中的聚合物乳液以制备胶乳聚合物。通过使用不同的技术除去溶剂后从这两个水相中获得纳米复合材料。

多壁碳纳米管和聚苯乙烯的纳米复合物的制备基于SDS稳定化的聚苯乙烯胶乳和碳纳米管的水性分散体，如Yu等人所述(J.Yu，K.Lu，E.Sourty，N.Grossiord，C.E.Koning，J.Loos；Characterization of Conductive MultiwallCarbon Nanotube/Polystyrene  Composites Prepared by Latex Technology，Carbon，45，2897-2903(2007))。在液氮中冷却混合物和通过冻干法除去水后，该作者获得了具有导电性的纳米复合材料。

通过类似方法获得多壁碳纳米管在(苯乙烯-丙烯酸丁酯)共聚物中的纳米复合材料，如Dufresne等人所述(A.Dufresne，M.Paillet，J.L.Putaux，R.Canet，F.Carmona，P.Delhaes，S.Cui；Processing and Characterization ofCarbon Nanotube/Poly(styrene-cobutyl acrylate)Nanocomposites，Journal ofMaterial Science，37，3915-3923(2002))。与原料共聚物相比，得到的纳米复合材料显示出得到改进的机械性质。

Zhang等人描述了使用较类似的方法制备纳米复合物材料(W.Zhang，M.J.Yang；Dispersion of Carbon Nanotubes in Polymer Matrix by in-situ EmulsionPolymerization，Journal of MaterialScience，39，4921-4922(2004))中。相比较Yu等人所述的方法，该方法的主要区别是他们将分散了的碳纳米管和通过表面活性剂稳定的单体分散体进行结合且进行原位乳液聚合以获得胶乳，从而取代混合分散了的碳纳米管和胶乳聚合物。