專利名稱：復(fù)合組合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非金屬的無機礦物顆粒與一種聚合物的復(fù)合材料，該復(fù)合材料具有用于生產(chǎn)增強的產(chǎn)品的可修飾的特性。在該復(fù)合材料中通過這些組分的新的相互作用而產(chǎn)生這些新特性。這些無機礦物顆粒與聚合物的復(fù)合材料是無機的非金屬或礦物(典型地微粒組分)與一種聚合物材料的獨特組合，該組合通過將所組合的聚合物以及無機礦物顆粒材料進行共混來實現(xiàn)真正的復(fù)合材料特性而優(yōu)化了復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)以及特征。
背景技術(shù)：
已經(jīng)對于創(chuàng)造具有獨特特性的復(fù)合材料給予了實質(zhì)性的注意。這一類別的材料中包括具有改進的黏彈性特征、不同的密度、不同的表面特征以及其他特性的材料，這些材料可以用來構(gòu)造一種具有改進的特性的材料。作為舉例，在諸如磨料的應(yīng)用中常使用硅砂。砂紙是一個例子。然而，砂紙取決于其應(yīng)用在較短的時間段內(nèi)就喪失了研磨能力并且隨時間而喪失其用途。多年來已經(jīng)通過總體上組合兩種不同的材料而由二者獲得優(yōu)異特性來制造復(fù)合材料。一種真正的復(fù)合材料是獨特的，因為這些材料的相互作用提供了這兩種組分的最佳特性和特征。許多類型的復(fù)合材料是已知的。總體上，本領(lǐng)域認(rèn)可的是將形成一種合金的某些類型以及比例的金屬組合在金屬/金屬合金材料中提供了獨特的特性。金屬/陶瓷復(fù)合材料的制造典型地涉及將金屬粉末或纖維與可以燒結(jié)成金屬/陶瓷復(fù)合材料的粘土材料進行組合。典型地將一個熱塑性或熱固性聚合物相與一種增強粉末或纖維進行組合產(chǎn)生了一系列填充的材料并且在適當(dāng)?shù)臈l件下可以形成一種真正的聚合物復(fù)合材料。一種具有添加劑作為填料的填充的聚合物不能顯示復(fù)合材料的特性。一種填料材料典型地包括作為該聚合物體系的顏料或增充劑起作用的無機材料。填料通常是該組合物中一種更昂貴組分的替代物。已經(jīng)典型地制造了多種多樣的纖維增強的復(fù)合材料來獲得纖維增強特性從而改進一種具體復(fù)合材料中聚合物的機械特性。許多的這些含聚合物和微粒的材料是混合物而不是真正的復(fù)合材料。混合物是較容易地可分離為多個組成部分的并且一旦分離就顯示出這些組分的單獨特性。一種真正的復(fù)合材料抵抗了分離并且展示了這些輸入材料的增強的特性，而這些單獨的輸入材料通常不展示增強的特性。一種真正的復(fù)合材料并不展現(xiàn)這些單獨組分的特性而是展現(xiàn)復(fù)合材料的獨特特征。
雖然總體上關(guān)于復(fù)合材料已經(jīng)進行了大量工作，但尚未實現(xiàn)在一種聚合物復(fù)合材料中應(yīng)用無機的、非金屬的或礦物的顆粒。調(diào)整密度使這些材料形成為一種聚合物與無機礦物或非金屬的復(fù)合材料形成體對該復(fù)合材料提供了新的機械和物理特性并且在使用時獲得了在其他材料中不存在的特性。對如下材料存在需要，該材料具有可調(diào)整的密度、低毒性以及在增大的順應(yīng)性、彈性和柔軟性意義上的改進特性。發(fā)明簡要說明本發(fā)明涉及一種非金屬的無機礦物顆粒與一種聚合物的復(fù)合材料，該復(fù)合材料具有改進的以及新穎的特性。本發(fā)明的材料是通過選擇非金屬的無機礦物顆粒物種、粒度 (Ps)分布、聚合物類型、分子量、表面改性和加工條件而提供的。這些顆粒具有特別的并且新的顆粒形態(tài)學(xué)，這與本發(fā)明的這些組分協(xié)作而對該復(fù)合材料提供了所需要的特性。該材料通過無機礦物顆粒的選擇和聚合物的選擇獲得了可調(diào)整的化學(xué)/物理特性。得到的復(fù)合材料在密度、表面特征、減小的毒性、改進的可鍛性、改進的延展性、改進的黏彈性能(如拉伸模量、儲能模量、彈性-塑性變形以及其他)、電/磁特性、電力和振動或聲音條件的耐受性、以及機器模制特性的意義上超過了同期的復(fù)合材料。我們已發(fā)現(xiàn)密度以及作為伸長率測量的聚合物黏彈性是本技術(shù)中一種復(fù)合材料的有用特性以及有用的預(yù)測參數(shù)。在產(chǎn)生有用的增強的特性時，在某種程度上通過新穎的擠出過程的選擇，所選定的粒徑(ps、Ps1等) 的充填、顆粒群的分布(distribution population particles)、表面改性以及微?；蚧旌系姆墙饘?、無機、或礦物微粒的選擇將得到這些增強的特性。附圖簡要討論

圖1至14示出了本發(fā)明的復(fù)合材料的性質(zhì)。發(fā)明詳細討論本發(fā)明涉及新穎的復(fù)合材料，這些復(fù)合材料是通過將一種無機的非金屬或礦物微粒與一種聚合物合并來實現(xiàn)新穎的物理電表面和黏彈性能而制造的。在本發(fā)明中可以使用能形成為具有范圍從約10微米至約1，500微米的粒徑的微粒的任何無機的非金屬或礦物組合物方式。最大尺寸是使得該顆粒的粒徑(Ps)小于一個最終用途的物品中處于應(yīng)力下時最小維度或最薄部分的20%。此類顆?？梢允腔旧锨驙畹?，但優(yōu)選的礦物是粗糙的并且具有實質(zhì)性的顆粒形態(tài)學(xué)、是基本上無定形的并且?guī)缀蹩梢詫崿F(xiàn)小粒徑材料可形成的任何三維形狀。熱塑性和熱固性樹脂均可以用在本發(fā)明中。下面將更詳細地討論此類樹脂。在熱塑性樹脂的情況下，這些復(fù)合材料具體地是通過將該微粒和界面改性劑與熱塑性塑料共混并然后將該材料成形為最終的復(fù)合材料而形成。熱固性復(fù)合材料是通過將微粒與界面改性劑與一種未固化的材料組合而且接著將該材料固化成一種最終的復(fù)合材料而制成。在這兩種情況下，該微粒材料典型地涂覆有一種界面改性劑、一種表面化學(xué)處理物，該處理物支持或增強了該復(fù)合材料的最終特性。一種復(fù)合材料不僅僅是一種簡單的混合物。復(fù)合材料被定義為以不同的組成百分比摻入的兩種或更多種物質(zhì)的一個組合，其中每種組分產(chǎn)生了多種單獨材料的一個組合， 從而產(chǎn)生了除其成分的特性之外的或優(yōu)于它們的特性。在一種簡單的混合物中，所混合的材料具有極小的相互作用以及極小的特性增強作用。這些材料之一被選擇為增大剛度、強度或密度。原子和分子可以使用多種機理而與其他原子或分子形成鍵。此種鍵合可以發(fā)生在原子或分子表面的電子云之間，包括分子-分子相互作用、原子-分子相互作用以及原子-原子相互作用。每種鍵合機理都涉及原子中心之間的特征力和尺寸，甚至在分子的相互作用中。此鍵合力的重要方面是強度，鍵合強度在距離和方向上的變化。此種鍵合中的主要的力包括離子鍵合、共價鍵合以及范德華(VDW)類型的結(jié)合。離子的半徑和鍵合發(fā)生在離子物種中，如Na+Cl_、Li+F_。此類離子物種在原子中心之間形成了離子鍵。此種鍵合是實質(zhì)性的、通常實質(zhì)上大于lOOkJ-mol—1、常大于ZSOkJ-mor1。此外，對于離子半徑而言的原子間距離趨向于是小的并且在1-3 A的等級上。共價鍵合產(chǎn)生自原子周圍電子云的重疊，從而在原子中心之間形成一個直接的共價鍵。共價鍵的強度是實質(zhì)性的、大致等于離子鍵合并且趨向于具有略更小的原子間距離。不同類型的范德華力與共價鍵合以及離子鍵合不同。這些范德華力趨向于是分子之間而非原子中心之間的力。范德華力典型地被分為三種類型的力，包括偶極子-偶極子的力、色散力以及氫鍵。偶極子-偶極子的力是產(chǎn)生自分子上電荷的量或分布的暫時或永久性變化的一種范德華力。表1-化學(xué)力和相互作用的概述
權(quán)利要求
1.一種無機復(fù)合材料與聚合物復(fù)合材料包括(a)約30Vol-%至87Vol-%的一種無機礦物顆粒，該顆粒具有大于約5微米的粒徑Ps、 具有約0. 005wt-%至5wt-%的一種界面改性劑的涂層，該百分比是基于該復(fù)合材料；以及(b)一個聚合物相。
2.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其中該復(fù)合材料具有的拉伸強度是該基礎(chǔ)聚合物的約0. 1至15倍。
3.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其中該復(fù)合材料具有的拉伸延伸率是該基礎(chǔ)聚合物的約 0. 10%和 100%。
4.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其中該復(fù)合材料具有的拉伸強度是該基礎(chǔ)聚合物的約0. 10至20倍，拉伸延伸率是基礎(chǔ)聚合物的約15%和100%。
5.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其中該復(fù)合材料具有至少bee—1的熱塑剪切力。
6.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其中該復(fù)合材料具有至少0.的拉伸強度以及至少^沈―1的熱塑剪切力。
7.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其中該復(fù)合材料包括大于30Vol-%的該無機材料。
8.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其中該無機礦物具有約10至200微米的粒徑Ps并且該復(fù)合材料另外包括一種第二微粒，該第二微粒具有的粒徑Ps1與該無機復(fù)合材料相差至少5微米。
9.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其中該聚合物包括一種氟聚合物。
10.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其中該聚合物包括一種高密度聚烯烴。
11.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其中該第二顆粒包括具有不同組成的多種顆粒的一個混合物。
12.—種微粒聚合物復(fù)合材料，包括在一個聚合物相中的一種非金屬的、無機的或礦物的顆粒，該復(fù)合材料包括(a)約90vol.至40vol. 的一種無機礦物顆粒，該顆粒具有大于約0. lOgm-cm—3并且小于5gm-cm_3的密度、大于10微米的粒徑Ps、大于14的圓度以及小于3的長徑比；以及(b)約10vol.至70vol. 的一個聚合物相；其中該微粒具有一個含有約0. 005wt. 至3wt. 的界面改性劑的層；并且該復(fù)合材料的密度是約0. 9至15gm-cm_3。
13.—種包括如權(quán)利要求12所述的復(fù)合材料的成型物品，其中該聚合物復(fù)合材料包括約87Vol-%至48Vol-%的一種微粒，該微粒具有大于10微米的粒徑Ps，并且具有一種粒度Ps分布，該粒度分布具有至少IOwt. 的一種微粒位于約10至100微米之內(nèi)、至少 IOwt.的該聚合物微粒位于約100至500微米之內(nèi)，大于12. 5的圓度以及小于1 3的長徑比；約13vol. 至51vol. 的一個聚合物相。
14.一種用于形成無機物與聚合物的復(fù)合材料的方法，該方法包括形成一種可擠出的塊體，該可擠出的塊體包括一個聚合物相以及一個顆粒相，該顆粒相包括基于該復(fù)合材料時界面改性劑量值為0. 005Wt-%至5. Owt-%的一個界面改性劑涂層，這些顆粒包括一種第一顆粒微粒，具有大于約15的圓度；以及一種第二基本上圓形的微粒，具有小于約25的圓度；該第二微粒占該復(fù)合材料的大于5vol.-%，其中在擠出時，該可擠出的塊體上的剪切力、擠出機的磨損以及擠出壓力被減小。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中該第二基本上圓形的顆粒是以一個微粒相的約 5vol.至80vol.被使用的，占該復(fù)合材料的30vol. %至82vol. %。
16.如權(quán)利要求14所述的成型的物品，其中該物品是牙齒的物品、運輸工具保險杠、商用或住宅用風(fēng)雨膠條、磨料層、耐蒸汽軟管、運輸工具內(nèi)部板、用于開窗式裝置或設(shè)施的密封件、用于音箱的結(jié)構(gòu)性構(gòu)件、運輸工具剎車片、LED熱消散夾具、制冷裝置熱密封件、以及用作質(zhì)量傳遞的熱或阻擋的開窗式組合物。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種非金屬的無機或礦物微粒與聚合物的復(fù)合材料，該復(fù)合材料具有增強的粘彈性和流變學(xué)特性。
文檔編號C08K9/04GK102421839SQ201080018729
公開日2012年4月18日 申請日期2010年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月29日
發(fā)明者J·S·克羅爾, K·E·海基拉, R·K·威廉姆斯 申請人:騰德拉合成有限公司