[发明专利]包含聚合物基体和核壳纳米颗粒的复合材料系统、其制备方法及其应用

说明书

聚合物基体/纳米颗粒复合材料（PMNC），包括核壳纳米颗粒，其中所述核是由不同于所述聚合物基体的材料制成，所述壳的至少一部分由用于所述聚合物基体的相同的单体或聚合物制成，或者由与所述基体相容的单体或聚合物制成。所述纳米颗粒的核的折射率与所述基体的聚合物的折射率不同，至少所述基体是由不吸收光的透明材料制成。

发明背景

本发明涉及包含聚合物基体和纳米颗粒的复合材料系统、用于制备所述系统的方法以及所述系统的应用。具体来说，本发明的复合材料系统包括：包含聚合物和/或无机纳米颗粒的均匀和随机分散的聚合物基体，纳米颗粒为核壳型纳米颗粒，并具有聚合物和/或无机的核，至少一个壳优选为聚合物。

现有技术的描述

纳米颗粒或胶体粒子(为简单起见，所有这些在此都称为纳米颗粒)可以被用作聚合物基体当中的填充剂、一般功能性填料，以产生具有特定性能的聚合物基体/纳米颗粒复合材料(PMNCs)。

PMNCs的应用实例例如为：

WO 2009/156348和WO 2009/156347公开了由包括无机纳米颗粒的分散体的透明聚合物基体而得到的光漫射器；对于聚合物基体和分散的纳米颗粒有着非常严格的要求。

美国专利US7033524涉及由退火的核壳纳米颗粒而获得的复合材料，核壳纳米颗粒可为空的以加入其它的材料；特别地，聚吡咯颗粒设置有壳并退火以提供导电膜。

所述PMNCs在各个领域都具有应用潜力，例如光学、光电子学、磁光学、机械强化等。对于大多数这些应用，主要的和关键的要求是所述纳米颗粒必须在聚合物基体内均匀和随机地分布。文献中已经表明，无论是在大规模商业生产还是在实验室规模的实验中，这都是非常难以实现的，因为纳米颗粒在融入聚合物基体的过程中总是容易产生聚集。

发明内容

本发明的一个目的是解决上述问题，并提供用于制备纳米复合材料系统的方法，其中聚合物基体当中具有均匀分布的纳米颗粒。

这里的措辞“均匀分布”是指纳米颗粒在聚合物基体内均匀地分散，也就是说，平均密度在整个系统当中几乎是恒定的，其中所述平均密度在大于0.1mm³的体积中进行测量，即1mm³的体积。

本发明的另一个目的是获得纳米颗粒的随机分布；这里的措辞“随机分布”是指不存在纳米颗粒的聚集，或者说纳米颗粒的最小聚集，其中，聚集是指所形成的堆叠的(packed)纳米颗粒簇远小于上述0.1mm³，例如数百、数十或者甚至仅几个纳米颗粒的簇的情况。

聚集是一个重要的问题，特别是对于PMNCs中的纳米颗粒的光学应用。事实上，由于几个纳米颗粒的接触而产生的光学干涉效应会显著地改变最终复合材料的散射特性，这与观察者视觉辨析簇的尺寸的能力无关，簇表现为一个新的粒子，其尺寸比初始的纳米颗粒尺寸大很多。尤其是，即便在仅有极少数簇的情况下，所述改变也会是很显著地相关，这是因为散射的效力会随着簇尺寸的增加而极速增强(例如，它在瑞利区域中以该尺寸的6次方增加)。

因此本发明的目的之一是避免簇(其中多个纳米颗粒彼此接触)的形成。更准确的来说，该范围是要保证任何两个相邻纳米颗粒的表面之间存在最小距离，该距离至少为纳米颗粒大小的0.2倍，优选为0.5倍，最优选为0.7倍。在纳米颗粒具有核和壳结构的情况下，纳米颗粒的大小测量为核的大小(即尺寸)。根据本发明，在所要求保护的系统中的纳米颗粒之间的间隔距离至少为10nm，优选为30nm，更优选为50nm。这一结果无法通过现有技术的方法和系统的手段来实现。