[发明专利]粘土‑异氰酸酯纳米分散体和由其制备的聚氨酯纳米复合材料

说明书

本申请是申请日为2009年5月6日、申请号为200980115845.2、发明名称为“粘土-异氰酸酯纳米分散体和由其制备的聚氨酯纳米复合材料”的发明专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求2008年5月6日提交的美国临时申请61/050,844的权益。

技术领域

本公开一般地涉及无机粘土的纳米分散体，更具体地涉及无机粘土在异氰酸酯中的纳米分散体和由其制备的聚氨酯纳米复合材料。

背景技术

众多的制品由聚氨酯生产，例如鞋底、汽车座椅、耐磨涂料、定向刨花板和门板，这只是举几个例子。如果不是其全部的话，在这些应用的大多数中，使异氰酸酯与一种或多种异氰酸酯反应性材料如多元醇、多元胺和木质纤维素反应。可以向该反应混合物中添加其它材料，例如作为几个例子有催化剂、阻燃剂、发泡剂、水、表面活性剂以及填料。

为了满足特定应用的需要，可以在显著的精确性下调整异氰酸酯、异氰酸酯反应性材料以及使用的话其它添加剂。例如，可以调整聚氨酯体系以制备闭孔硬质泡沫，例如在建筑物和器具中用作隔离材料的那些；开孔软质泡沫，例如在汽车、家具和寝具中用作减震和吸声材料的那些；弹性体，例如在鞋类、运动设备和工业应用中使用的那些；可以用于汽车、航空航天和家庭应用的纤维增强复合材料；涂料，例如在汽车、地板和桥梁中使用的那些；可以用于复合木制品和柔软包装的粘合剂；以及可以用于建筑和汽车的密封剂和包封材料。

聚氨酯通用性也归因于产品制造容易。例如，可以在最终制品形成期间发生聚合，这使得加工者能够改变和控制成品的属性和特性。该调整能力和容易制造给予聚氨酯基制品巨大的性能价格比优势，而且是其最近四十多年显著的工业成功背后的关键原因。

尽管许多不同类型的、各自具有其独特性能的聚氨酯制品是值得注意的，但是通过向聚氨酯体系中添加诸如粘土纳米粒子之类的纳米粒子以形成聚合物纳米复合材料可以改善性能价格比。用纳米粒子制成的聚氨酯可以显示出超过可能具有传统的微米或更大尺寸添加剂的那些聚氨酯的性能增强。

为了制备在相对较低的纳米粘土含量下具有性能改进的聚合物纳米复合材料，应当使纳米粘土均匀分散在聚合物基质中。制造这类纳米复合材料的一项挑战在于，全部在相对较低的成本下，使最小的不可分的粘土纳米粒子如片晶(platelet)分离或分层并且使片晶均匀分散在聚合物中。

可以使粘土有机改性以有助于分层和/或分散。例如，在下述各篇文献中，将粘土有机改性以使粘土片晶分层：美国专利6,518,324、美国专利申请2007/0072991、美国专利申请2007/197709、美国专利申请2007/0227748以及G.Harikishnan,T.Umasankar Patro和D.V.Khakhar,Polyurethane Foam–Clay Nanocomposites:Nanoclays as Cell Openers,Ind.Eng.Chem.Res.,2006,45,7126-7134。一般而言，可以通过使包含亲脂性基团的离子与粘土表面上的离子电荷缔合而将粘土有机改性。然而，使用有机改性的粘土显著提高成品的成本并且潜在地降低或消除某些聚合物性能例如阻燃性。尽管上述专利和出版物针对聚氨酯，但是Polymer Nanocomposites,Processing,Characterization and Applications；Thermoset Nanocomposites for Engineering Applications以及Okada等人的论文“Twenty Years of Polymer-Clay Nanocomposites”，Macromolecular Materials and Engineering,2006,291,1449-1476指出粘土的有机改性还用于与其它聚合物一起形成纳米复合材料。

除了有机改性粘土之外，还可以将溶剂用于帮助纳米分散。然而，使用溶剂的适用性有限，而且并非总可得到相容的聚合物-硅酸盐溶剂体系。此外，溶剂脱除会非常昂贵且破坏环境。

引起注意的另一种技术为直接聚合物熔融插层。在直接聚合物插层的情况下，通常采用挤出机，将聚合物与硅酸盐混合，并且将混合物在聚合物软化点以上进行加热。然而，这种技术对聚氨酯制品的适用性有限，因为大多数聚氨酯制品为热固性材料。

因此继续需要在减少或者消除通过粘土的亲脂性抗衡离子有机改性、使用溶剂、或者二者都减少或消除的情况下制造聚氨酯纳米复合材料。

发明内容