热固性无机粘土纳米分散体及其用途制造技术

一种热固性无机粘土纳米分散体，其包括含有无机阳离子的、并分散在插层剂和非水的、化学活性的有机插层促进剂中的无机粘土，其中插层促进剂的用量足够用于促进插层反应和分散所述无机粘土。热固性无机粘土纳米分散体包括分散在插层剂和插层促进剂中的无机粘土。热固性无机粘土纳米分散体用于制备热固性纳米复合材料制品。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及热固性无机粘土纳米分散体，其包含用插层剂和非水的、化学活性的有机插层促进剂原位处理的无机粘土，其中插层促进剂的用量足够用于促进插层反应和分散所述无机粘土。该热固性无机粘土纳米分散体由分散在插层剂和插层促进剂中的无机粘土组成。热固性无机粘土纳米分散体可用于制备热固性纳米复合材料制品。
技术介绍
复合材料是一种固体材料，是由两种或多种带有它们自己独特特性的不同材料结合在一起形成的新材料，其结合特性在预期的用途上要优于单独的起始材料的特性。典型地，复合材料是通过将纤维材料如玻璃纤维包埋在聚合物基体中制成的。纤维束的机械性能低，但是作为胶粘剂的聚合物基体把纤维粘合在一起，从而增强了单个纤维的强度。粘合的纤维为复合材料提供刚性，并且给予结构强度，同时当复合材料承受环境压力时，聚合基体也防止了纤维的分裂。复合材料的聚合基体由热塑性或热固性树脂形成，其中混入纤维用来制成复合材料。热塑性聚合物加热时“软化”，冷却时又恢复它们的塑料特性。这种可逆的过程经常能重复多次。聚合物是热塑性的，因为它们不能够化学交联。热塑性树脂的实例包括线性聚乙烯、聚苯乙烯、丙烯酸树脂和尼龙。热固性聚合物通过固化反应不可逆地“固化”，并且在加热时不会软化或熔化。热固性聚合物加热时不软化或熔化的原因是它们固化时发生了化学交联。热固性树脂的实例包括酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、聚氨酯形成树脂和环氧树脂。纳米复合材料是聚合基体中通过粘合具有纳米尺寸范围材料所形成的复合材料。典型地，用于形成纳米复合材料的材料为改性的无机粘土。与不能用于某些应用、如升高温度使用的传统热塑性模制复合材料制品相比，热塑性模制纳米复合材料制品是特别有用的，因为它们改进了机械特性，例如抗拉强度(psi)、模量(ksi)、伸长率(％)、及热变形温度(℃)。另一方面，由于传统的热固性模制复合材料制品具有强机械特性，因此使用热固性模制纳米复合材料制品以获得改进的机械特性通常是不必要的。用于制备纳米复合材料的典型的无机粘土包括诸如蒙脱石、绿脱石、贝得石、铬岭石、水辉石、皂石、锌蒙脱石、麦羟硅钠石(magadiite)及kenyaite的层状硅酸盐；蛭石以及类似的矿物。无机粘土典型地具有多层结构，多层结构中的层在无机粘土的层和层之间近似闭合并含有碱金属或碱土金属如钠、钾或者钙的阳离子。粘土层之间的距离就是所谓的“d间距”。通常为了从无机粘土制备纳米复合材料，用水处理亲水的无机粘土使之“溶胀”，因此无机粘土层与层之间的d间距扩大。溶胀的粘土随后用插层剂如季铵盐处理，使得无机粘土有机化(也就是使无机粘土与热塑性或热固性单体和/或树脂相容)，并且通过插层剂阳离子与无机粘土阳离子的交换进一步增加d间距。经插层的无机粘土然后回收并干燥。该处理过程麻烦并且相当大地增加了生产插层无机粘土的成本。干燥的插层无机粘土然后与热塑性或热固性单体或树脂混合，以剥落(分离)部分或所有无机粘土的层。在为热固性树脂的情况下，混合物将通过与固化剂和/或固化催化剂接触而固化。为了由剥落的无机粘土形成制品，填料典型地与剥落的无机粘土混合。填料的实例为硅石、滑石、碳酸钙和矾土。混合物然后注入模具中进行成形。热塑性混合物在高温下以熔融状态注入到模具中，然后冷却形成纳米复合材料制品。热固性混合物以液体或流动的状态注入模具，然后用固化剂和/或固化催化剂固化(交联)制备成形纳米复合材料制品。正如先前提到的，典型地不用热固性聚合物制作纳米复合材料制品，因为由热固性聚合物制备的复合材料已经有好的机械性能。此外，用于热固性系统中的经预处理的插层无机粘土是昂贵的。然而，如果热固性纳米复合材料制品的费用大幅度降低，那么这些制品由于其优良的性能就能够代替传统的热固性复合材料制品，如片状模制复合物(SMC)。在本申请“
技术介绍
”和“具体实施方式”中提到的所有文件特别并入作为参考。
技术实现思路
本专利技术涉及热固性无机粘土纳米分散体，包括用插层剂和非水的、化学活性的有机插层促进剂原位处理的无机粘土，其中所述插层促进剂的用量足够用于促进插层反应和分散所述无机粘土。热固性无机粘土纳米分散体由分散在插层剂和插层促进剂中的包含无机阳离子的无机粘土组成。在加入插层促进剂之前，无机粘土不需要用水进行预处理使粘土溶胀。正如X射线衍射所显示的，纳米分散体的无机粘土层具有增加的d间距。纳米分散体的无机粘土是部分或全部插层的无机粘土，即无机粘土的无机阳离子部分或全部用季铵盐的阳离子置换，但是仍然保持在无机粘土纳米分散体中。插层促进剂旨在分离无机粘土的层，使得插层能够进行。它也作为分散剂用于在纳米分散体中分散插层的无机粘土。部分或全部插层的热固性无机粘土纳米分散体是原位制备的，即用于制备纳米分散体的所有组分混和在一起，并且不需要除去水或者其他组分就能够达到所要求的状态。因此，纳米复合材料分散体的制备成本较低。由于不用水来制备插层的无机粘土，因此也不需要通过干燥除水。用于促进插层反应的具有化学活性的单体和/或树脂不需要从体系中去除，而是在适当的固化剂和/或固化催化剂存在下反应成为固化的纳米复合材料制品的一部分。这些纳米复合材料分散体的使用降低了热固性纳米复合材料制品的生产成本。优选首先将插层促进剂与季铵盐混合来制备热固性无机粘土纳米分散体。然后将此混合物加入到无机粘土中，混合成插层的无机粘土。热固性无机粘土纳米分散体用于制备热固性纳米复合材料制品。与使用水作为插层反应溶胀剂预处理的无机粘土制备的热固性纳米复合材料制品相比，用本专利技术的热固性无机粘土纳米分散体制备的热固性纳米复合材料制品具有相当或改进的性能，尤其提高了抗拉强度和伸长率。具体实施例方式以下详细描述和实施例将说明本专利技术的具体实施方案，以便本领域的技术人员能够实践本专利技术，包括最优方式。除这些具体公开的实施方案以外，本专利技术的许多等价的实施方案仍可以操作。用于实践本专利技术的无机层状粘土包括如蒙脱石、绿脱石、贝得石、铬岭石、水辉石、皂石、锌蒙脱石、麦羟硅钠石和kenyaite的层状硅酸盐；蛭石以及类似的矿物。其他代表性实例包括伊利石矿物如ledikite；双层氢氧化物或混合的金属氢氧化物；氯化物。其他在层的表面具有很少电荷或没有电荷的层状材料或多层聚集体，倘若它们能够被插层而使得层间距扩大，也可用于本专利技术。也可使用一种或多种这样材料的混合物。优选的层状材料是那些具有层上电荷及可交换离子如钠、钾和钙阳离子的材料，所述可交换离子可优选通过离子交换与引起多层或层状粒子分层或溶胀的离子(优选阳离子如铵阳离子)或反应性有机硅烷化合物交换。典型地，在层状材料表面上的负电荷至少每100克多层材料为约20毫当量，优选为至少约50毫当量，更优选为约50～约120毫当量。作为无机粘土特别优选蒙脱石粘土矿物，如蒙脱石、绿脱石、贝得石、铬岭石、水辉石、皂石、锌蒙脱石、麦羟硅钠石和kenyaite，更优选为每100克材料中带有约20毫当量～约150毫当量的水辉石和蒙脱石。最优选的无机粘土为蒙脱石。虽然可以使用本领域已知的其他插层剂，但是优选的插层剂是季铵盐。典型地，季铵盐(阳离子表面活性剂)的烷基基团带有6～30碳原子，例如烷基如十八烷基、十六烷基、十四烷基、十二烷基或类似基团；优选的季铵盐包括十八烷基三甲基铵盐、二(十八烷基)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热固性无机粘土纳米分散体，其包括：含有无机阳离子且分散在插层剂和非水的、化学反应性有机插层促进剂中的无机粘土，其中插层促进剂的用量足够用于促进插层反应和分散所述无机粘土。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：海伦娜特瓦尔多夫斯卡，劳伦斯G达曼，
申请(专利权)人：亚什兰许可和知识产权有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]