[发明专利]一种微纳复合粒子及其机械载荷嵌入制备工艺

说明书

本发明公开了一种复合粒子及其制备工艺，所述复合粒子是在多孔微纳粒子内插入小于多孔微纳粒子微孔直径的纳米及纳米以下尺度粒子，以形成三维多孔和/或刺状微纳复合粒子；三维多孔和/或刺状微纳复合粒子的单孔嵌入量为孔体积的1～100％。本发明的机械载荷嵌入制备工艺易操作，制得的复合粒子分散性好，不易团聚，可应用于聚合物及其制品中。在橡胶及其制品中具有较好的补强作用，且表现出优良的力学性能，在轮胎橡胶中表现出补强、低生热、抗湿滑性能的协同提升作用。

技术领域

本发明涉及新型材料技术领域，具体涉及一种新型复合粒子及其制备工艺和装置。

背景技术

目前，微纳尺度(10-1000nm)粒子早已在现代工业、医学、生物工程等领域中发挥出重要作用。粒子之间及其与聚合物基体之间存在明显的表面相互作用，因此，选择合适的粒子与高分子树脂基体，使用一定的材料复合工艺，可在一定程度上改善材料的性能。

粒子的形态直接影响材料的粘结性、力学强度、透明性等性质，而与之直接相关的是复合材料中填料与基体的相容性以及纳米及纳米以下尺度粒子的有效分散性问题。因此，大多数研究都集中于如何获得均相混合物，比如，对粒子表面进行化学或物理改性而改变其与基体的相互作用。

单分散粒子的良好分散就必须要求将无机细粉解聚集为最为原始，最为初级的最小尺度粒子形态，否则将呈现出多分散的粒子分布形态，达不到单分散粒子的材料性质。其实，单分散微纳米及纳米以下尺度粒子在合成后就常常因为干燥工艺等原因产生非常稳定的聚集体形态。粒子间的连接点又常常扮演无规粉料的“成核剂”而形成极为稳定的大尺度结构。这种粒子间的相互作用在一定的外力，比如搅拌、研磨、超声等作用下，会部分重新分散。但是，研磨或外力的作用在粒子尺度为500nm以下时，需要更长的研磨时间以及更高的研磨强度，这样很容易引入外界杂质以及不可预料的相转变(材料不稳定性聚集)。对于纳米及纳米以下尺度粒子，因其表面能低，小尺度粒子的稳定性不如大尺度粒子高，它们很容易又重新聚集在一起。不过，一般来说，若调控分散液的化学组成，比如加入表面活性剂，改变基体PH值，离子强度以及加入某些助溶剂，最终改变纳米及纳米以下尺度粒子间相互作用力包括范德华力，静电双电层以及刚性相互作用，外力的作用仍然可以使得粒子良好分散。但这也使得微纳粒子的应用受到很多限制。

高分散微纳粒子的功能与其浓度呈现一定的关联。使用较低含量的填料，可以减少其导致的粘结力的下降；同时，填料在基体中分散的更加均匀。一般来说，填料的重量分数应小于10％。但填料的用量太少，常常无法发挥其作用。因此，很多研究人员研究了无机填料的聚集或多维组装结构，比如粒子微晶、玻璃态聚集体，与高分子材料混合。研究发现，这些结构对材料的性质提升有更卓越的价值。比如，表面改性的微纳米及纳米以下尺度粒子二氧化硅，其玻璃态聚集体因玻璃化转变温度T。在室温范围，在特定温度下使得材料具有极强的粘结性能；这一性质已被使用开发出很多优秀的产品并投放市场。另一种研究较多的材料是珠链结构纤维材料；或纳米及纳米以下尺度粒子增强纤维材料，这类材料可以通过自组装法，微观相反转法，海岛模板法以及电纺丝等方法制备。相对于单分散粒子，这类物质即使在用量更低的情况下，对材料力学性能来说也会有更大幅度的提升。研究人员发现，若将含纳米及纳米以下尺度粒子的纤维材料编制成网络，可以制各高强、轻质、具有不同性质的材料，在过滤膜、传感器、微电子以及光学元件、生物医学、安全防护等领域中有重要的应用价值。