制造有机-无机复合材料的方法和有机-无机复合材料技术

一种由有机聚合物和金属醇盐制造有机－无机复合材料的方法，该方法包括通过水解使金属醇盐缩聚，直到未反应金属醇盐减少到３％体积或更少；将经缩聚的金属醇盐与有机聚合物混合，形成有机－无机复合材料的步骤。层叠这样的有机－无机复合材料制得的层叠材料，具有金属醇盐的金属元素从层叠材料一面至另一面增加或降低的浓度梯度。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及制造由有机聚合物和金属醇盐形成的有机-无机复合材料的方法，采用这种方法制造的有机-无机复合材料，及其层叠材料。
技术介绍
无机材料如金属和陶瓷具有优良的耐热性、机械强度、电性能、光学性能、化学稳定性等等，利用这些性能在工业上获得了广泛使用。然而，这些材料一般脆性高，刚性也高，由于在加工成要求的形状时需要在高温下进行加工或机械处理，而使其应用受到限制。另一方面，有机聚合物具有优良的加工性能和柔性，因此易于加工成要求的形状。然而，有机聚合物的耐热性和化学稳定性方面不如无机材料。因此，近年来，包含无机材料和有机材料以具备这两种材料性能的有机-无机复合材料引起人们的注意。在各种领域已经使用有机聚合物和无机材料的复合材料，它们是无机材料以纤维或粉末形式分散在有机聚合物材料中的无机材料的复合材料。近年来，人们在广泛研究有机和无机区域以纳米级或分子水平混合的有机-无机纳米复合材料(也称作有机无机杂化材料)。由于有机和无机区域可以纳米级或分子水平的分散，有机-无机纳米复合材料可用作电子器件用的材料或机械部件用的材料。而且，这种材料的有机或无机区域可设计为小于光的波长，由此使光吸收和散射很低。因此，一直在研究将有机-无机纳米复合材料对其提供光透明性，用作光波导、光纤等用的材料。Motoyuki Toki等人，在“聚(乙烯基吡咯烷酮)-二氧化硅杂化物”PolymerBulletin29，653-660(1990)和Jen Ming Yang等人，“有机无机杂化物溶胶材料，1”，Die Angewandte Makromolekulare Chemi 251(1997)49-60(Nr.4356)等文献中揭示了制备有机-无机复合材料的方法。然而，这些文献描述的制备方法存在的一个问题，是不能获得光透明性优良的有机-无机复合材料。当有机-无机纳米复合材料用作光波导时，一般在基材上形成其光透射层。这种情况下，基材与光透射层的粘合很重要。为提高粘合性，一直在努力通过连续改变材料组成来提供具有梯度分布的材料。例如，在日本专利公报平-34413(2000)中提出了一种二氧化硅/聚碳酸酯基的复合材料，其中，通过在基材上相继施加许多层有机和无机组分的组成不同的涂布溶液，来连续改变二氧化硅的浓度。而且，在日本专利公报平-336281(2000)中，提出了在有机基材上施加由有机聚合物和能水解形成金属氧化物的金属化合物的涂布溶液，然后加热干燥来形成梯度分布，这种梯度分布在基材一面是有机组分含量较高，而在表面附近无机组分的含量较高。但是，上述两个公报中提出的方法存在的问题是不能充分提高光透射层与基材的粘合性。专利技术概述本专利技术第一个目的是提供能制造光透明性优良的有机-无机复合材料的制造方法，以及用这种方法获得的有机-无机复合材料。本专利技术第二个目的是提供具有改善了与基材粘合性的光透射层的光透射结构。本专利技术的这种方法是一种制造由有机聚合物和金属醇盐形成的有机-无机复合材料的方法，该方法包括下列步骤通过水解来缩聚金属醇盐，直到未反应的金属醇盐减少到3％(体积)或更少，将缩聚的金属醇盐与有机聚合物混合，形成有机-无机复合材料。本专利技术中，金属醇盐通过水解缩聚，直到未反应金属醇盐减少到3％(体积)或更少，将缩聚的金属醇盐与有机聚合物混合，形成有机-无机复合材料。所获得的有机-无机复合材料的光透明性优良。因此，按照本专利技术，可以制造适合作为光学器件如光波导或光纤用的材料。本专利技术中使用的金属醇盐包括诸如Si、Ti、Zr、Al、Sn和Zn金属的醇盐。尤其优选使用Si、Ti或Zr的醇盐。因此，较好使用烷氧基硅烷、醇钛和醇锆，特别是使用烷氧基硅烷。烷氧基硅烷包括四乙氧基硅烷、四甲氧化基硅烷、四正丙氧基硅烷、四异丙氧基硅烷、四正丁氧基硅烷、四异丁氧基硅烷、苯基三乙氧基硅烷、3-甲酰氧基丙基三乙氧基硅烷和3-甲酰氧基丙基三甲氧基硅烷。对本专利技术中的有机聚合物没有什么限制，只要能与金属醇盐形成有机-无机复合材料。有机聚合物包括例如，聚乙烯基吡咯烷酮、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、环氧树脂、酚树脂、丙烯酸(类)树脂、尿素树脂、密胺树脂等。从能形成光透明性优良的有机-无机复合材料考虑，宜使用聚乙烯吡咯烷酮、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯或它们的混合物作为有机聚合物。金属醇盐的水解，宜在用于水解的水和作为水解用的催化剂的酸存在条件下进行。水解用的水与金属醇盐的摩尔比(水/金属醇盐)比较好为1.0-3.0，更好为1.5-2.5。用作水解催化剂的酸包括无机酸如盐酸、硝酸和硫酸以及有机酸，最好使用盐酸。盐酸与金属醇盐的摩尔比(盐酸/金属醇盐)比较好为0.001-0.5，更好为0.001-0.01，最好是0.002。未反应金属醇盐的量即残余金属醇盐的量可用气相色谱等方法进行测定。事先通过在预定温度、浓度等条件下水解金属醇盐来决定残余金属醇盐量下降到小于等于3％(体积)的反应时间；以此确定的反应时间，将金属醇盐水解并缩聚，然后与有机聚合物混合，形成有机-无机复合材料。或者，在每次形成复合材料时，测定未反应的金属醇盐量。本专利技术的有机-无机复合材料的特点是能够通过本专利技术的上述方法来制备。本专利技术的有机-无机复合材料，例如可以是制备已水解并缩聚的金属醇盐与有机聚合物的混合溶液，然后施加该混合溶液来形成。将这样的涂布溶液施加在基材上，在基材上形成有机-无机复合材料。可以使用有机或金属材料构成的基材作为这种基材。当本专利技术的有机-无机复合材料用作光学材料时，可以在透明基材上形成有机-无机复合材料。本专利技术的有机-无机复合材料厚度为10微米时，这种材料对波长为600-1000nm的光显示90％透射。本专利技术有机-无机复合材料中的金属含量较好为0.1-46％(重量)，更好为5-37％(重量)。本专利技术的层叠材料具有层叠了本专利技术上述方法制备的有机-无机复合材料的分布。例如，将金属醇盐含量不同的多种混合物一层层施加，就能形成在各层金属醇盐含量不同的层叠材料。本专利技术第一方面的层叠材料具有一从层叠材料的一面到另一面金属醇盐的金属元素含量增加或下降的浓度梯度。一般，可以通过改变有机-无机复合材料中金属元素浓度来改变有机-无机复合材料的折射率。因此，本专利技术第一方面的层叠材料提供一梯度分布，是使金属元素浓度形成梯度，从而使折射率从层叠材料的一面至另一面增加或下降。具有这种梯度分布的层叠材料可以用作光学元件如光波导和光纤用的材料。本专利技术第二方面的层叠材料具有从层叠材料的一面至另一面金属醇盐的金属元素首先增加，然后下降的浓度梯度。因此，本专利技术第二方面的层叠材料提供一种从层叠材料一面至另一面折射率首先下降然后增加的梯度分布。本专利技术第三方面的层叠材料从层叠材料的一面至另一面金属醇盐的金属元素首先下降，然后增加的浓度梯度。因此，本专利技术第三方面的层叠材料提供一种从层叠材料一面至另一面折射率首先增加然后下降的梯度分布。和第一方面的层叠材料一样，第二方面和第三方面的层叠材料可以用作光学元件如光波导或光纤用的材料，只要这些材料具有上述呈梯度的折射率分布。本专利技术的光透射结构包括一金属基材、在该基材上的金属氧化物层和由提供在金属氧化物层上的有机-无机复合材料构成的光透射层。本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种由有机聚合物和金属醇盐制造有机－无机复合材料的方法，该方法包括下列步骤：通过水解使金属醇盐缩聚，直到未反应金属醇盐减少到３％体积或更少，将经缩聚的金属醇盐与有机聚合物混合，形成有机－无机复合材料。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：蔵本庆一，伊豆博昭，山野耕治，平野均，
申请(专利权)人：三洋电机株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]