[发明专利]石墨烯增强的聚对苯二甲酸乙二醇酯

说明书

优先权

本申请要求2016年3月17日提交的美国专利申请号15/073,477和2015年3月17日提交的名称为“注射模塑聚(对苯二甲酸乙二醇酯)-石墨烯纳米复合材料”的申请序列号为62/134,482的美国临时申请以及2015年7月8日提交的名称为“石墨烯增强的聚对苯二甲酸乙二醇酯”的申请序列号为62/190,193的美国临时申请的利益和优先权。

领域

本公开的领域通常涉及聚合物复合材料。更具体地说，本发明的领域涉及石墨烯增强的聚对苯二甲酸乙二醇酯的组合物和方法。

背景

复合材料被定义为多相材料，它们在自然界中被发现或可以是人造的。人造复合材料通常使用一种或多种材料配制，以达到不能单独获得的性质。复合材料可以基于连续基质和分散相(例如增强物)的类型进行分类。其中组成相中的一个(主要是分散相)具有1-100纳米级的至少一个维度的复合材料被称为“纳米复合材料”。“纳米复合材料”可以根据纳米尺度增强物的类别(例如有机或无机)以及几何形状进一步分类。天然存在的纳米复合材料的几个众所周知的例子包括人骨、贝壳、蜘蛛丝和甲胄鱼(armored fish)。应理解，这些材料中的每一种都包括结构层级(多重长度尺度的结构)，使其与类似化学物质的其它材料相比表现得出乎意料地好。

已知复合材料的材料性质取决于基质和分散的增强物之间的相互作用。纳米尺度每单位体积的大表面积通常导致纳米材料与其整体对应物相比功能不同。伴随着基质和分散相之间的相互作用增加，纳米复合材料被认为相对优于常规复合材料，提供了有利的新性质，而不损害现有的有益性质，例如强度或耐久性。

聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)是芳族半结晶热塑性聚酯，在20世纪40年代初合成。PET由于其强度和韧性，高玻璃化转变点和熔点，耐化学性和光学性质而众所周知。也由于成本相对较低，PET普遍用于商品和工程应用。PET的特征在于微观结构，其中纵向拉伸形成具有高分子链取向的强韧的纤维，以及双轴拉伸形成强韧的膜。线性PET是天然半结晶的。热和力学历史(分别例如冷却和拉伸速率)可以促使PET为无定形或更有结晶性，从而影响其力学性质。虽然PET用于诸如纤维、包装、过滤和热成型工业的工业中，但是由于与其它聚酯(例如PBT、PTN等)相比，结晶速率慢并且阻隔性能有限，所以PET的使用受到限制。

应理解的是，长期以来，需要开发用于各种工业(例如包装、汽车和航空)的轻质材料，从而促使了试图通过更好地控制材料加工和添加增强物来改善材料性质。例如，增加PET的结晶度提高其力学和阻隔性质。然而，该材料的限制，例如结晶速率和最大化结晶度的工业过程，例如冷却速率、循环时间和拉伸过程，都限制了改进PET的材料性质的尝试。然而，在纳米材料领域的进展导致了PET纳米复合材料的发展，其改善了PET的物理性质，从而使PET对于汽车、航空和保护性服装工业中的应用更有效。已经发现不同类型的纳米增强物(粘土、CNF、CNT、石墨烯、SiO₂等)改善了PET的材料性质，例如PET的力学、热、阻隔、电、阻燃、光学、表面性质、结晶动力学等。

将纳米增强物剥离成单个实体并将其均匀分散到聚合物基质中对于聚合物纳米复合材料的成功至关重要。纳米增强物在聚合物中的均匀分散可以通过各种方法实现，包括但不限于熔融混合、原位聚合、纳米增强物的表面处理等。例如碳纳米纤维、碳纳米管(CNT)和石墨烯等碳纳米材料由于其优异的材料性质和简单的化学性质，通常是有利的。通过将碳纳米材料分散到聚合物中可以实现多重性质的改善。

石墨烯是相对较新的纳米材料，其包含与拆解的(unzipped)单壁碳纳米管相似的单层碳原子。单层石墨烯增强聚合物的效果通常是CNT的两倍，因为石墨烯具有用于聚合物相互作用的两个表面，而CNT仅包含一个用于聚合物相互作用的外表面。将理解，石墨烯合成方法的开发与引入新的基于石墨烯的纳米材料(例如石墨烯氧化物、膨胀石墨和石墨烯纳米片)相结合，已经使石墨烯在商业上可行。然而，关于基于石墨烯的纳米材料的有效性的有限信息限制了其在制备聚合物纳米复合材料中的应用。因此，需要研究石墨烯纳米材料在增强聚合物中的影响。