[发明专利]在变频变幅超声波条件下利用聚合物和纳米粒子制备纳米复合材料的连续工艺

说明书

发明领域

本发明描述一个在变频变幅超声波条件下，通过向聚合物基材中分散纳米粒子，从而制备纳米复合材料的连续的混合/挤出工艺。此外，还描述了这些纳米复合材料在生物医学、光学、电子、电磁学、半导体、以及抗机械和热降解材料等领域的应用。

现有技术说明

纳米技术包括，以一种纳米级(1纳米＝10^～9米)可控方法，对物质、材料、以及装置进行研究和/或操控的各个领域的科学和技术。尤其是在聚合物基材中混入纳米粒子技术的广泛应用，使其在当前材料工程领域倍受关注。这些应用领域包括，诸如汽车、生物医学、光学、电子、以及半导体材料等行业。实际上，用于生产纳米复合材料的新方法及其表征和操控工具，已经在纳米技术领域有了爆炸性的增长。

理论而言，纳米粒子是至少在一个维度上能达到纳米级尺寸的纳米物体。因为表面原子比位于内部的原子更具活性，而纳米粒子含有更多表面原子，所以纳米粒子的性质与其处于团聚状态明显不同。它们在生物医学、光学、电子、电磁、以及耐热和抗机械降解性等方面所拥有的广泛性能，使其对于制备含有分散均匀的纳米粒子的增强型聚合物极具吸引力，这种聚合物纳米复合材料具有更佳的性能和功能特性。

只有通过均匀分散纳米粒子并且使之与聚合物基体之间形成适当的相互作用，这些性能才能得到提高。目前已有多种物理、化学和物化方法能够实现提高上述性能的目的。这些方法包括，在溶液中或通过等离子体处理对纳米粒子进行化学改性，并随后与聚合物溶液混合，在挤出过程中与聚合物熔融物混合；在聚合反应和在挤出过程中与改性聚合物混合等等。采用溶液工艺可以实现纳米粒子的高度分散，但是，在这个过程中需要使用和处理化学溶剂，因此会带来环保问题。另一方面，在制备纳米复合材料过程中采用熔体混合方式，这就需要使用剪切力将纳米粒子团聚体进行破碎，从而在技术上提出了一个问题：剪切力会造成纳米粒子不必要的改性，并改变其结构，从而对所希望得到的性能造成损失。如果剪切力过低，在破碎团聚体时，又无法做到纳米粒子的均匀分散。那么，在目前全球石油短缺、气候变暖的情况下，就需要一个在技术、经济和环保等方面切实可行的新方法，正如本发明所开发出来的方法。

近来，超声波技术在无溶剂工艺，如熔体混合/挤出工艺中的应用，已能够生产出含有分散均匀的纳米粒子的纳米复合材料，纳米粒子占混合物重量比达到30％，明显降低了前文所述的高剪切力对纳米粒子分散造成的影响。专利US2006/0148959和WO2007/145918中描述了一个在超声波条件下制备聚合物纳米复合材料的连续工艺。在此工艺中，材料在被单螺杆或双螺杆沿着挤出膛推进过程中处于熔融状态。随后，熔融材料进入一个加压区，对此加压区所使用的超声波具有恒定、静态、或固定的频率和振幅，从而向中间物传输一个固定功率。因此，这是一个静态超声系统，经过超声处理的材料从设备的末端出来，随后经过冷却并造粒。但是，静态超声系统的使用限制了分散效率，会导致中间物的物理性能，如高分子链长度和纳米粒子及团聚体的粒度分布不均匀，并且在超声波条件下会发生进一步变化。这限制了静态超声系统对中间物的处理效果和足够的能量传输，因此在前面的剪切力问题的基础上，又产生了一个新的技术问题。因此，就专利WO2007/145918和US2006/0148959所讨论的方法，其所生产的纳米复合材料中，纳米粒子含量只能分别为混合物总重的20％和30％。也就是说，这些方法部分解决了前文所述的现有技术问题，实际上，所需要加工的源自纳米复合材料的材料，其纳米粒子重量比要高达60％。

从前面的信息，我们了解了现有技术上的不足，以及本发明的背后动机：超声波对聚合物基材作用，改变了其部分性能，如粘度、分子排序等，从而促进纳米粒子的分散。但是，由于中间物的性能在随时变化，所以同样的频率，同样的能量传输，不能再有效地分散纳米粒子，因此有必要使用更高的频率，以增加能量传输并实现更有效的纳米粒子分散。因此，如果无论在任何时候，都能实现最佳的分散效果，那么就需要对频率和功率能够做出随时调整。

作为前文所述的静态超声系统的改进，本发明描述了动态超声系统的使用，即在一个固定频程中使用变频变幅超声波，也就是频率扫描技术。其目的是使用不同频率的超声波对不均匀的中间物进行处理，有助于对各种尺寸的团聚体进行破碎，从而实现纳米粒子的有效分散。