[发明专利]核起始的纳米颗粒形成方法、纳米颗粒和组合物

说明书

技术领域

在包括催化、组合化学、蛋白质载体、磁体和光子晶体的各种领域中，聚合物纳米颗粒在过去几年中已吸引了日益增加的注意。类似地，已制备乙烯基芳族(例如聚苯乙烯)微粒，在医学研究中和医疗诊断测试中用作校准各种仪器的参比标准。此类聚苯乙烯微粒通过阴离子分散聚合和乳液聚合制备。

背景技术

使用纳米颗粒作为其它材料的添加剂的一个益处是它们能够为利于均匀分散于整个主体(host)组合物的不连续的颗粒。用于特定用途的纳米颗粒优选尺寸单分散的且形状均匀。然而，控制在聚合期间纳米颗粒的尺寸和该纳米颗粒的表面特性，或二者会是困难的。因此，实现对此类聚合物纳米颗粒的表面组成的更好控制也是期望的。

期望开发具有表面层或壳的纳米颗粒，所述纳米颗粒能够包括能够与宽泛种类的基质材料相容的各种官能团或杂原子单体。然而，能够利用各种官能团或杂原子单体可靠地生产可接受的纳米颗粒的方法的开发一直是具有挑战性的尝试。例如，在传统的链烷烃溶剂中各种单体的溶解度使得溶液聚合为困难的工艺，而通过该工艺可获得具有限定种类壳层的纳米颗粒。乳液合成需要利用水性溶液合成纳米颗粒，许多官能化单体和引发剂不适于用于水性溶液。此外，乳液合成还要求大量的表面活性剂，出于几点原因这是不期望的。此外，即使并非不可能，具有特定官能团的官能化纳米颗粒可能是困难的，这是因为官能团必须是足够稳定的，以在纳米颗粒形成步骤中得以存在。另外，后纳米颗粒形成官能化(post-nanoparticle formation functionalization)可以引起纳米颗粒接合在一起，导致它们的离散性的损失。

发明内容

此处，提供用于合成核-壳纳米颗粒的方法，所述方法包括以下步骤：提供聚合物种子(在溶剂中)以形成纳米颗粒的核，所述聚合物种子包括用交联剂交联的单乙烯基单体，所述核具有约5纳米-约10,000纳米的平均直径，以及所述核具有含活性端的聚合物链；添加稳定剂以使种子稳定化和防止种子沉积出溶液中；使壳物质接枝和/或聚合在核的活性端上，从而形成纳米颗粒的壳。

另外，提供制造橡胶组合物的方法。所述方法包括以下步骤：如在上述段落中描述的制造核-壳纳米颗粒，并将所述核-壳纳米颗粒添加至可硫化橡胶基质以形成橡胶组合物。

还提供制造轮胎的方法。所述方法包括以下步骤：如上所述制造核-壳纳米颗粒；将所述核-壳纳米颗粒添加至橡胶组合物中；将所述橡胶组合物成型为轮胎胎面；和使用所述轮胎胎面构建轮胎。

此外，还提供核-壳纳米颗粒。所述核-壳纳米颗粒包括由聚合物种子形成的核，所述聚合物种子包括用交联剂交联的单乙烯基单体，所述核具有约5纳米-约10,000纳米的平均直径。将包括壳物质的壳接枝和/或聚合至所述核，所述壳基本上未交联。

在上下文中，除非另有具体说明，否则：“乙烯基取代的芳族烃”和“链烯基苯”可互换地使用；以及“橡胶”是指包括天然橡胶的橡胶配混物，以及包括丁苯橡胶和乙丙橡胶的合成弹性体，这些在现有技术中是已知的。此外，在此使用单数形式的术语意指“一种或多种”。

附图说明

图1为描述利用核起始方法形成的纳米颗粒在100nm标尺下的SEM照片。

图2为描述利用核起始方法形成的纳米颗粒在500nm标尺下的SEM照片。

图3为描述利用核起始方法形成的纳米颗粒在2微米标尺下的第三张SEM照片。

具体实施方式

此处描述形成各种壳物质的核-壳纳米颗粒的高度通用的方法。该方法在形成壳之前通过合成相对大的交联种子并使用活性分散聚合以使所述种子稳定化以使其保持在溶液中来形成纳米颗粒。然后可以将壳接枝和/或聚合至所述种子，允许可以潜在使用许多不同种类的壳物质例如杂原子聚合物、烃类聚合物、低聚物、大环分子和单体。在实施方案中，该方法可以在单个批料(single batch)中进行，在接枝和/或聚合所述壳之前对分离和干燥核没有要求。该实例方法能够生产具有不同尺寸、良好限定的内部和表面结构以及仔细定制的界面的官能化纳米颗粒。通过该方法合成的纳米颗粒证明可用作橡胶配混物中的补强剂和性能提高添加剂。当引入至橡胶组合物中时，具有未交联壳的纳米颗粒展现了令人吃惊的配混粘度性质和改进的湿滑路面和雪地抓地性。

在实施方案中，将聚合物种子提供于溶剂中。所述种子包括用交联剂交联的聚合的单乙烯基单体。聚合的单乙烯基聚合物链通过交联剂在相对致密的、稳定的核中保持在一起，从而提高所得纳米颗粒的形状和尺寸的均匀性和永久性。