[发明专利]用于制造凝胶基复合材料的方法

说明书

本发明涉及用于制造凝胶基复合材料的方法、通过此方法所获得的材料以及其在若干应用中的用途。

复合材料基本上为各自保持其自身不同性质的两种或更多种材料之组合。所得材料具有并非组份之单独特性的特性。最普遍地，复合材料具有体相，其为连续的，被称作基质；且具有分散的、非连续的相，被称作增强体。基本复合物的一些其他实例包括混凝土（与砂及骨料混合的水泥）、增强的混凝土（混凝土中有钢筋）及玻璃纤维（树脂基质中有玻璃丝束）。

以下各原因是某些应用选择复合物的原因中的一些原因：

-高强度/重量比（低密度高拉伸强度）

-高抗蠕变力

-高温下的高拉伸强度

-高韧度

典型地，增强材料为坚固的，而基质通常为延性或韧性之材料。若复合物被正确地设计并制造，则其会将增强体的强度与基质之韧度组合以达成在任何单一常规材料中不可得到之合乎需要之性质的组合。举例而言：聚合物/陶瓷复合物具有大于聚合物组份之模数，但并不如陶瓷般易碎。

由于增强材料在复合物之强化机制中起到主要作用，因此根据增强体之特性对复合物进行分类为便利的。以下三个类别为常用的：

a）“纤维增强”，其中纤维为主要承受载荷组份。

b）“颗粒增强”，其中载荷由基质及颗粒分摊。

c）“分散体强化”，其中基质为主要承受载荷组份。

d）“结构复合物”，其中性质取决于成分及几何设计。

一般而言，复合物的强度主要取决于树脂中的纤维（或颗粒）增强体的量、配置及类型。另外，复合物常常用改变加工或性能参数之填料及添加剂来调配。

先进复合物利用树脂与纤维通常为碳/石墨、凯夫拉尔之组合，或纤维玻璃与环氧树脂之组合。纤维提供高劲度，而周围聚合树脂基质将结构固持于一起。复合物之基本设计概念为体相接受大表面积上之载荷，且将其转移至增强材料，增强材料可承载更大之载荷。这些材料起初是为了用在航天工业中而开发的，因为对于某一应用而言，其具有比金属高之劲度/重量比或强度/重量比。这意味着金属零件可被由先进复合物所制造的重量更轻之零件替换。

因此，在先前技术中，在复合物中使用聚合物及其类似者为所熟知的，然而，此相对昂贵且不环保。此外，如所提及之填料之添加一般需要表面处理，此暗示着高的加工成本。

因此，仍需要提供有成本效益且环保之复合材料。

为了寻找此目标之解决方案，研究了若干材料，尤其是纤维素及碳酸钙。

纤维素为绿色植物之主细胞壁的结构组份且为地球上最常见的有机化合物。其在许多应用及工业中具有高的重要性。

作为原材料的纤维素浆由木材或植物（诸如，大麻、亚麻及马尼拉麻）之茎加工而成。浆纤维主要由纤维素及其他有机组份（半纤维素及木质素）构成。纤维素巨分子（由1-4糖苷连接的β-D-葡萄糖分子构成）通过氢键联接在一起以形成所谓之初级原纤维（微胞），其具有晶型和无定形域。若干初级原纤维（约55个）形成所谓之微原纤维。约250个这些微原纤维形成一个原纤维。

所述原纤维以不同层排列（其可含有木质素和/或半纤维素）以形成纤维。个别纤维亦通过木质素结合在一起。

当纤维在所施加能量下被细化时，随着细胞壁破裂且被撕成经附着条带，其被原纤化，亦即，撕成原纤维。若此破裂继续以将原纤维与纤维本体分离，则其释放原纤维。纤维破裂成微原纤维被称作“微原纤化”。此过程可继续，直至不留下纤维且仅保留纳米尺寸（厚度）之原纤维为止。

若过程继续进行且将这些原纤维分裂成愈来愈小之原纤维，则所述原纤维最终变成纤维素片段或纳米原纤维凝胶。取决于此最后步骤进行的程度，一些纳米原纤维可能保留在纳米原纤维凝胶当中。分裂成初级原纤维可被称作“纳米原纤化”，其中可存在该两个状态之间的平滑过渡。初级原纤维在水相环境中形成凝胶（初级原纤维之亚稳网络），该凝胶可被称作“纳米原纤维凝胶”。可认为由纳米原纤维所形成的凝胶含有纳米纤维素。

纳米原纤维凝胶为合乎需要的，这是因为其通常含有极细之原纤维，被认为部分由纳米纤维素构成，向其自身或所存在之任何其他材料展示出比并不如此细或不展现纳米纤维素结构之原纤维更强的结合势。

自未出版之欧洲专利申请案第09 156 703.2号，得知纳米原纤纤维素凝胶。然而，不存在关于复合材料之形成的教示。

现已发现，这些纤维素凝胶可形成为复合材料，所述复合材料可通过向这些凝胶添加填料和/或颜料而更容易/更快地制造，且产生改良之性能（runnability），且其与许多其他复合材料相比为更环保。