[发明专利]基于硅酸钙的多孔颗粒、组合物、其制备方法和用途

说明书

描述了用于合成基于硅酸钙的多孔颗粒(CSPP)的方法。通过精制的基于溶液的合成实现了对CSPP形态和孔径的控制，能够加载各种密封剂。在外部刺激下，这些颗粒将所负载的密封剂释放到周围材料中。描述了用负载密封剂负载CSPP的方法。CSPP可以以纯形式使用或与其他材料混合使用，从而为物理结构提供自修复、密封和多功能特性。描述了CSPP的组合物，以及CSPP的使用方法。

本申请要求2015年9月29日提交的美国临时专利申请序列号62/234,230的优先权。上述申请的全部内容通过引用并入本文。本发明在能源部授予的合同编号为FE0026511的政府支持下完成。政府对本发明享有一定的权利。

技术领域

本申请一般涉及基于硅酸钙的多孔颗粒(calcium-silicate-based porousparticle,CSPP)，其可以负载功能性试剂(例如密封剂)并用于多种应用，包括但不限于自修复(self-healing)和密封材料应用、填充水力压裂中的裂缝、以及在暴露于刺激时材料的控制释放和预期释放。更具体地，本申请涉及合成CSPP的方法、CSPP的组合物及其使用方法。

背景技术和发明内容

在科学界和工业界，生产具有密封或自修复能力的无生命材料的想法是一个高度关注的话题。自修复材料可以提供许多优点，包括降低维护、提高耐久性、降低长期成本并且强度持久。在自然界中，有许多情况证明了自修复的实用性，包括植物证明协调的细胞生长能更新受损部位，海星能够使受损或缺失的手臂再生。尝试并将这些有益的自修复特性应用于无生命材料，特别是结构材料，这是很正常的。

试图合成具有自修复能力的结构的最常用方法之一是将自修复成分并入到基质材料中。这一方法以多种方式进行了尝试并取得了中等成功，包括使用嵌入聚合物基质中的流体填充纤维，其响应于热机械应力，或者使用填充有自修复流体的球体，其在裂缝产生时释放。

有多种自修复模板已经进行了实验，包括使用聚合物和催化剂填充的微胶囊，当暴露于裂缝时其会破裂，复合材料填充的管(通常为玻璃)，当暴露于外部应力时其可能破裂，等等。尽管已经对多孔材料和特定的二氧化硅颗粒进行了重大研究，但这些材料集中于药物递送和类似应用。最近关于硅酸钙颗粒已经有了一些进展，但是这项研究主要集中在药物递送和生物修复上，并且还不能够证明对材料性能有良好控制，这对于自修复和/或密封应用至关重要。鉴于在材料结构中提供自修复和/或有效密封性能的成功有限，在这种情况下需要有效的新方法。

基于硅酸钙的多孔颗粒的合成和密封剂的成功负载和卸载/释放为密封剂提供了作为新型载体的精制多孔颗粒。由于所负载的密封剂和CSPP的固有粘结性质，这些杂化颗粒能够用作自修复剂用于一系列应用，例如粘结材料。CSPP将推动多个领域的进步，包括但不限于建设基础设施、道路、高速公路、固油气井、支撑剂、水力压裂后填充裂缝、以及需要耐用和多功能材料的许多其他应用。

本申请的一个方面涉及具有可控尺寸的多孔的基于硅酸钙的颗粒的精制合成，其中可控尺寸的平均直径在50nm-2微米之间，并且颗粒组合物包含钙与硅原子比为0.05至2.0的硅酸钙，并且颗粒组合物包含平均直径为1-50nm的孔，并且颗粒为球形，并且进一步地，其中颗粒的平均直径的尺寸在约6％的标准偏差内是均一的。在某些实施方式中，可控尺寸的平均直径在100-1000nm之间。在某些实施方案中，颗粒的平均直径为200-500nm，并且孔的平均直径为5-30nm。在某些实施方案中，可以在同一颗粒上制造多种不同的孔径。