[发明专利]在流体介质中分散纳米颗粒的方法

说明书

本发明涉及一种在中等粘度流体介质中分散纳米颗粒尤其是碳纳米管的方法。

近年来，纳米颗粒由于其特殊性能而体现出巨大的科学和经济重要性。纳米颗粒按其尺寸定义，即它们在至少一个维度上具有小于1微米和大于或等于1纳米的尺寸。

纳米颗粒经常以流体介质中分散体的形式出现。一个已知的例子是在水分散体中位于作为载体材料的二氧化锡上的胶态束缚金，其由Andreas Cassius在1685年作为有色颜料被开发，并以金锡紫的名字为人所知。

按照流体力学通常已知的定义，流体介质（也简称为流体）为不能抵抗任何小的剪切应力的物质。流体和其中分散的纳米颗粒形成复合材料。

对于复合材料来说，在其生产过程中可以作为流体存在，在其使用过程中作为固体存在。例如，纳米颗粒可被分散在流体熔体中，然后在低于熔点凝固形成固体。复合材料和流体在这种情况下还被称为“嵌入”分散纳米颗粒的基质。

纳米颗粒的已知代表物为例如碳纳米管。碳纳米管在下文中也简称为CNT(carbon nanotubes)，为主要由碳构成的微观小管状结构（分子纳米管）。管的直径通常在1-200nm的范围。取决于结构的具体情况，管内的导电性为金属或半导体型的。

CNT可被添加到材料中以改善材料的电和/或机械和/或热性能。这种包括CNT的复合材料在现有技术中是已知的。

WO-A 2003/079375公开了由于CNT的添加而表现出改善的机械和/或电性能的聚合物材料。WO-A 2005/015574公开了包含有机聚合物和CNT的组合物，其中CNT形成绳状附聚物。这种组合物的特点为降低的电阻以及最小的缺口冲击韧性。CNT在聚合物中的分散优选在聚合物熔体中进行。

在合成时，通常得到缠结附聚物形式的CNT。在这种形式下，CNT不能充分表现出它们积极的性能；出于这个原因，附聚物首先必须被破碎，并且CNT必须尽可能被分离（“剥离”）。例如，为了增加聚合物元件的导电性，需要将CNT附聚物分散在聚合物熔体中以便CNT能在固体聚合物基质中形成导电CNT的三维网络。

本领域那些技术人员已知的纳米颗粒分散体的重要性能在于与流体基质相比粘度增加。纳米颗粒以分离形式存在越多，这种增加就越显著，并且得到的分散体质量越好。

为了在粘度与水的粘度（< 0.1 Pa s）堪相比较的低粘度介质中分散纳米颗粒附聚物，超声处理的方法是已知的。这描述在例如“Preparation of colloidal carbon nanotube dispersions and their characterisation using a disc centrifuge”, Carbon 46 (2008) 1384–1392中。如其所示，这种方法利用气穴现象即小蒸气泡的形成和塌缩来发挥作用。在经常用作热固性塑料、弹性体或热塑性塑料用前体(Vorprudukt)的具有较高粘度的液体中，气穴现象效应因为液体的低蒸气压和高粘度不再发生。本领域那些技术人员还知悉，超声在液体中只有很小的作用范围，因而这种方法主要被考虑用于实验室规模。同样，借助超声不能获得较高的纳米颗粒浓度，因为增加分散造成的粘度增加导致气穴现象减少并因此降低了超声的作用。此外，增加的粘度减少了超声浴中的循环，从而不再能确保均匀分散。

本领域技术人员已知的另一种方法是借助具有高的压降的喷嘴系统例如高压雾化器或微流体器分散纳米颗粒。在每种情况下都需要借助泵施加喷嘴所用的压力。这种系统在可处理的粘度方面同样存在限制。当原料的粘度太高时，分散体不再能自由流过泵。这种方法因此局限于在低至中等粘度基质液体中分散纳米颗粒和较低的纳米颗粒浓度。

本领域技术人员已知的另一种方法是在要分散纳米颗粒的介质中研磨纳米颗粒附聚物，例如在球磨或珠磨机中。此时，高粘度导致非常高的能量输入，其使分散体的温度升高到会损害产品质量的水平。在CNT情况下，尤其存在CNT被卡在研磨介质之间、被过度挤压并因此缩短的风险。这导致最终复合材料性能的损害。

本领域技术人员已知的另一种方法是在转子-定子系统中分散纳米颗粒。这些系统是自吸式的，因此不能处理高粘度液体。可以借助泵改善通过转子-定子的流动。但是，如高压喷嘴系统一样，在重力下到这些泵的进料受高粘度所限。这种方法因此局限于在低至中等粘度基质液体中分散纳米颗粒和较低的纳米颗粒浓度。