JP2013506033A - ナノコンポジット組成物及びシステム - Google Patents

ナノコンポジット組成物及びシステム Download PDF

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Abstract

【課題】ナノコンポジット組成物及びシステム
【解決手段】
ナノコンポジット組成物（１０）はポリマー（１４）と、該ポリマー（１４）中に十分に分散され、その結果該ポリマー（１４）中に蛇行状の経路を定めるバリアコンポーネント（１６）を含む。該バリアコンポーネント（１６）は、複数の層（１８）を含むナノ成分（２４）と、複数の粒子（３０）を含むマクロ成分（２８）を含む。複数の層（１８）の各々は第一平均厚（１２）を有し、複数の粒子（３０）の各々は該第一平均厚（１２）を超える第二平均厚（３４）を有する。ナノコンポジットシステム（４２）は基板（４４）と、該基板（４４）上に配置され該ナノコンポジット組成物（１０）から形成されたコーティング（４６）を含む。
【選択図】図２

Description

本開示は一般にナノコンポジット組成物に関する。
ポリマーを通過するガス輸送は溶液拡散メカニズムに従ってモデル化され得、該ポリマーの透過性、即ちガスが該ポリマーを通り抜ける速度として表され得る。例えば、該ポリマーを通過するガス輸送中、ガス分子は比較的圧力が高い領域から該ポリマー中へ溶解し、該ポリマーの厚さ方向に拡散し、該ポリマー表面から比較的圧力が低い領域へと脱離し得る。このため、透過性は該ポリマー中でのガス分子の拡散性の影響を受け得る。
このような拡散性は拡散係数、即ち該ポリマー中での該ガス分子のモビリティの尺度として表され得る。拡散係数が減少するにつれて、該ポリマーを通過する該ガス分子の透過性もまた低下し、該ポリマーを通過するガス輸送は遅くなる。
ナノコンポジット組成物はポリマー、及び該ポリマー中に十分に分散し、その結果該ポリマー中に蛇行状の経路を定めるバリアコンポーネントを含む。該バリアコンポーネントは、複数の層を含むナノ成分及び複数の粒子を含むマクロ成分を含む。その複数の層のそれぞれは第一平均厚を有し、その複数の粒子のそれぞれは該第一平均厚を超える第二平均厚を有する。
ナノコンポジットシステムは、基板及び該基板上に配置されたコーティングを含む。該コーティングは、該ナノコンポジット組成物から形成される。
上記の特徴及び利点、並びに本開示の他の特徴及び利点は、以下の本開示を実施するための最良の実施態様についての添付の図に関する詳細な記述から容易に明らかとなる。
図１は、ポリマー中に分散したバリアコンポーネントを含む、ナノコンポジット組成物の拡大部分の略図である。 図２は、図１に示したナノコンポジット組成物の拡大部分の略図であり、該バリアコンポーネントは、該ナノコンポジット組成物を通過するガス透過を抑制するように形成された蛇行状の経路を定める。 図３は、基板上に配置され図１及び図２の該ナノコンポジット組成物から形成されたコーティングを含むナノコンポジットシステムの断面略図である。 図４は、実施例１及び比較例３〜５のそれぞれのナノコンポジット組成物に対応する４つのＸ線回折スペクトルのグラフ表示である。 図５は、標準試料６のゴム、並びに実施例１及び２、並びに比較例４及び５のそれぞれのナノコンポジット組成物のガス透過性のグラフ表示である。
図を参照すると、同様の要素のものが同様の番号で言及され、ナノコンポジット組成物１０の拡大部分の略図は一般に図１に示される。以下により詳細に説明するように、該ナノコンポジット組成物１０は、低下したガス透過性及び優れた破断伸び、引張強度及び弾性係数を有する材料を必要とする応用に有用であり得る。例えば、該ナノコンポジット組成
物１０は、これらに限定されるものではないが、アキュムレータブラダ（ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ ｂｌａｄｄｅｒｓ）、ダイアフラムブラダ（ｄｉａｐｈｒａｇｍ ｂｌａｄｄｅｒｓ）、圧力変動抑制ブラダ（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｐｕｌｓａｔｉｏｎ ｄａｍｐｅｎｅｒ ｂｌａｄｄｅｒｓ）、油圧ホース、燃料ホース及び燃料タンクなどの自動車用途に有用であり得る。しかしながら、該ナノコンポジット組成物１０はまた、これらに限定されるものではないが、パッケージング、食品ライナー、コンテナ、電子機器及びその他農業、建築、及び工業的応用を含む自動車用途以外への用途にも有用であり得る。
ここでは、「ナノコンポジット組成物」という用語は、少なくとも１つの成分がナノメートルスケールで測定可能な、即ちナノメートルサイズ域内である１つ以上の寸法、例えば長さ、幅、若しくは第一平均厚１２（図２）などを有する材料をいう。１ナノメートルは１×１０-9 ｍと等しい。
図１を再度参照すると、ナノコンポジット組成物１０はポリマー１４を含む。一般に、以下でより詳細に説明するように、ポリマー１４は該ナノコンポジット組成物１０へ構造を提供し得、該ナノコンポジット組成物１０の他の成分の担体となり得る。このため、該ポリマー１４は目的とする応用において要求される特性に従って選択してよい。例えば、良好な引張強度及び／又は破断伸び率を有するように該ポリマー１４を選択してよい。該ポリマー１４はゴムなどのエラストマーであってよいが、これに限定されるものではない。例えば、該ポリマー１４はエピクロロヒドリン、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、水素化アクリロニトリル−ブタジエンゴム、天然ゴム、フルオロカーボンゴム、エチレンプロピレンジエンモノマー（ＥＰＤＭ／ＥＰＲ）、ブチルゴム、クロロブチルゴム、塩素化ポリエチレン、及びそれらの組み合わせなどの群から選択され得る。
続いて図１を参照して述べると、以下でより詳細に述べるように、前記ナノコンポジット組成物１０はまた、前記ポリマー１４中に十分に分散され、その結果該ポリマー１４中に蛇行状の経路３６（図２）を定めるバリアコンポーネント１６も含む。ここでの「バリアコンポーネント」という用語は材料若しくは材料構造をいい、例えば層１８（図２）若しくは表面２０（図２）であり、ガス分子（一般に図２で２２と表される）の、材料若しくは材料構造を通過する若しくは越える浸透、透過、拡散、溶解、移動、輸送及び／又は脱離を遮る及び／又は妨げる。該バリアコンポーネント１６は、該ポリマー１４中にくまなく混合され得、その結果該ポリマー１４全域に均一に分散される。例えば、該ポリマー１４のどの２つの分離された領域も、実質的に均一な量の該バリアコンポーネント１６を含み得る。あるいは、該バリアコンポーネント１６は該ポリマー１４中にランダムに分散され得る。例えば、どの２つの分離された領域も異なる量の該バリアコンポーネント１６を含み得る。
図１を再度参照すると、該バリアコンポーネント１６は複数の層１８を含むナノ成分２４を含む。ここでは、「ナノ成分」という用語は、ナノメートルスケールで測定可能な、即ちナノメートルサイズ域内である１つ以上の寸法、例えば長さ、幅、若しくは第一平均厚１２（図２）を有するバリアコンポーネント１６の成分をいう。
図２に示すように、複数の層１８の各々は第一平均厚１２を有する。具体的には、該第一平均厚１２は約０．５ｎｍ乃至約２ｎｍ、例えば約１ｎｍであり得る。第一平均厚１２が約０．５ｎｍ未満である層１８は、該バリアコンポーネント１６の有効性を減少させ得、その結果該ポリマー１４を通過するガス透過は適切に妨げられない。同様に、約２ｎｍを超える第一平均厚１２を有する層１８は、該ナノコンポジット組成物１０中の該ナノ成分２４の効果的な分散を低下させ得る。複数の層１８の各々は非球形、例えばプレートレットのような形状を有してよく、該層１８の該第一平均厚１２を超える長さ２６（図２）を有してよい。つまり、複数の層１８の各々は約１００：１乃至約１０００：１のアスペク
ト比、例えば約２００：１を有してよい。ここでは「アスペクト比」という用語は、該層１８の長い寸法の短い寸法に対する比をいい、例えば層１８の該長さ２６の該第一平均厚１２に対する比をいう。
１つの変形において、以下により詳細に記載するように、該ナノ成分２４（図１）は、複数の整列していない層１８を有するケイ酸塩を含んでよい。このケイ酸塩は、モンモリロナイト、ベントナイト、ヘクトライト、サポナイト、バーミキュライト、及びそれらの組み合わせなどの群から選択され得る。図１と関連して述べられた１つの例では、該ナノ成分２４は、各々分離され該ポリマー１４全体にわたって分散されたケイ酸塩の個々の層１８を含み得る。つまり該ケイ酸塩は、該ナノコンポジット組成物１０の形成に備えて初めに層状クレイ若しくはナノクレイとしてもたらされ得、そして２：１フィロケイ酸塩として特徴付けられてよい。しかしながら、以下でより詳細に記述するように、その作製されたナノコンポジット組成物１０において、該ケイ酸塩の個々の層１８は分離され該ポリマー１４中に分散され得る。
別の変形において、該ナノ成分２４はカーボンベースのプレートレット型ナノ粒子を含んでよい。例えば、該ナノ成分２４はグラフェンを含んでよい。該ナノ成分２４は、約１ｎｍの第一平均厚１２（図２）及び約１ミクロン未満の長さ２６（図２）を有してよい。
前記ナノ成分２４は、該ポリマー１４の１００質量部に基づいて約０．１質量部乃至約１００質量部の量で存在してよい。１つの例として、該ナノ成分２４は該ポリマー１４の１００質量部に基づいて約２０質量部乃至約４０質量部の量で存在し得る。約０．１質量部未満の量では、該バリアコンポーネント１６は該ポリマー１４中でガス透過を効果的に妨げ得ず、約１００質量部を超える量では、該バリアコンポーネント１６はポリマー１４中に十分に分散され得ない。適切なナノ成分２４は、イリノイ州アーリントンハイツのＮａｎｏｃｏｒ Ｉｎｃ．からナノマー（Ｎａｎｏｍｅｒ）の商標名で市販されている。
一つの変形において、該ナノ成分２４は化学修飾されてよい。該ナノ成分２４の化学修飾は、該ナノ成分２４の該ポリマー１４中での分散及び／又は密着性を向上させ得る。つまり、該ナノ成分２４の化学修飾は該ポリマー１４（図２）との親和性を向上させ得る。具体的には、該ナノ成分２４の該層１８の化学修飾は、該ポリマー１４を該ナノ成分２４の隣接した層１８（図２）の間の空間へ引き込み得、それによって該ナノ成分２４の個々の層１８の間の層間隔を満たし得る。
１つの例において、該ナノ成分２４は、該ナノ成分２４の該層１８表面上の水和したカチオンを置き換えるために、イオン交換反応によって化学的に修飾されてよい。例えば、該ナノ成分２４の層１８は、界面活性剤、モノマー群、及び／又はそれらの組み合わせによって修飾され得る。適切な界面活性剤としてはアルキルアンモニウムが挙げられる。適切なモノマー群としては、アンモニウム塩、オクタデシルアミン、水素化牛脂−ビス（２−ヒドロキシエチル）メチルアンモニウム塩、メチル−牛脂−ビス（２−ヒドロキシエチル）４級アンモニウム塩、オクタデシルトリメチルアンモニウム塩、ジメチル水素化牛脂２−エチルヘキシル４級アンモニウム塩、及びそれらの組み合わせが挙げられる。
図１を再度参照すると、該バリアコンポーネント１６は複数の粒子３０を含むマクロ成分２８を同様に含んでいる。ここでは、「マクロ成分」という用語は、ナノメートルスケールを超えるスケール、即ちミクロンスケールで測定可能な１つ以上の寸法、例えば長さ３２（図２）、幅、又は第二平均厚３４（図２）を有する該バリアコンポーネント１６の成分をいう。つまり、該バリアコンポーネント１６の１つ以上の寸法はミクロンサイズ域内であり得る。１ミクロンは１×１０-6ｍと等しい。従って、該マクロ成分２８は該ナノ成分２４よりも厚い。
図２に示すように、複数の粒子３０は各々、第二平均厚３４を有する。具体的には、該第二平均厚３４は、約０．１ミクロン乃至約１００ミクロン、例えば、約１．７ミクロン乃至約５０ミクロンであり得る。約０．１ミクロン未満の第二平均厚３４を有する粒子３０は、該ポリマー１４を通ったガス透過が適切に妨げられないように、該バリアコンポーネント１６の有効性を減少させ得る。同様に、約１００ミクロンを超える第二平均厚３４を有する粒子３０は、該ナノコンポジット組成物１０中の該マクロ成分２８の効果的な分散を低下させ得る。複数の粒子３０は各々、非球形、例えば板状の形状を有してよく、該粒子３０の第二平均厚３４より長い長さ３２（図２）を有し得る。つまり、複数の粒子３０は各々、約１０：１乃至約３０：１、例えば約２０：１のアスペクト比を有し得る。
図１及び２を参照すると、該マクロ成分２８は、タルク、マイカ、即ちアルミニウム又はカリウムのフィロケイ酸塩、グラファイト、及びそれらの組み合わせを含む群から選択され得る。１つの変形において、該マクロ成分２８は、タルク、即ちＭｇ2Ｓｉ4Ｏ10（ＯＨ）2で表し得る含水ケイ酸マグネシウムを含んでよい。該マクロ成分２８は、約１ミクロンの第二平均厚３４（図２）及び約２０ミクロンの長さ３２（図２）を有し得る。該マクロ成分２８は、該ポリマー１４の１００質量部に基づいて約０．１質量部乃至約６０質量部の量で存在し得る。１つの例では、該マクロ成分２８は該ポリマー１４の１００質量部に基づいて約１０質量部乃至約２０質量部の量で存在し得る。約０．１質量部未満の量では、該バリアコンポーネント１６は該ポリマー１４中のガス透過を効果的に妨げ得ず、約６０質量部を超える量では、該バリアコンポーネント１６は十分に該ポリマー１４中に分散され得ない。適切なマクロ成分２８は、コロラド州グリーンウッドビレッジのルゼナック社（Ｌｕｚｅｎａｃ Ｉｎｃ．）からミストロンベイパーＲタルク（Ｍｉｓｔｒｏｎ Ｖａｐｏｒ Ｒ ｔａｌｃ）という商標名で市販されている。
一つの変形において、該マクロ成分２８は化学修飾され得る。該マクロ成分２８の化学修飾は、該ナノ成分２４及び／又は該ポリマー１４との親和性を向上させ得る。該マクロ成分２８は、シラン、例えば、これに限定されるものではないが、オルガノシランなどによって化学修飾され得る。適切なシランは、メチルトリメトキシシラン、アミノプロピルトリエトキシシラン、ジアミノシラン、トリアミノシラン、及びそれらの組み合わせを含む。しかしながら、該ナノ成分２４及び該ポリマー１４の親和性を妨げないように、該マクロ成分２８はアルキルアンモニウム塩によって実質的に化学修飾され得ない。
理論によって限定する意図がなくても、該マクロ成分２８は、該バリアコンポーネント１６の該ナノ成分２４を剥離し得る。ここでは、「剥離する」若しくは「剥離した」という用語は、担体材料、例えば該ポリマー１４の全域に分散した該ナノ成分２４の個々の層１８をいう。
一般に、「剥離した」とは、該ナノ成分２４の層１８の最高度の分離を意味し、以下に定義されるように、インターカレートされた層１８と対比される。同様に、「剥離」という用語は、ナノ成分２４の層１８の分離が、インターカレートした状態であるもの若しくは他のより分散していない状態であるものから、剥離したナノ成分２４を形づくる工程をいう。一方、「インターカレート」若しくは「インターカレートされた」という用語は、単に隣接する層１８の増大した層間隔、即ち剥離したナノ成分２４の層間隔よりも小さい層間隔を有する層状成分をいう。言い換えると、剥離したナノ成分２４は、該ポリマー１４中のナノ成分２４の個々の層１８の分散が、最も高いレベルであることを表す。
図１及び２を再度参照すると、該ナノ成分２４は、剥離されそして該ポリマー１４中に分散され得る。さらに具体的に言うと、図１の１０に最もよく示されるように、該ポリマー１４は複数の整列していない層１８の間に内配置（ｉｎｔｅｒｄｉｓｐｏｓｅｄ）され得る。つまり、図２を参照すると、該ナノ成分の層１８は該ポリマー１４によって分離され
得、剥離していない、例えばインターカレートされた成分と比べて、大きな層間隔を一般に有し得る。例えば、該ナノ成分２４の一つ一つの層１８の間の層間隔は、約４ｎｍ乃至約６ｎｍであり得る。
さらに、前記ナノ成分２４は該ポリマー１４中に均一に分散され得る。つまり、図２に示すように、該ナノコンポジット組成物１０の２つの分離された領域において、該ナノ成分２４の個々の層１８の配向が異なっていても、この２つの分離された領域は等しい量の該ナノ成分２４を含み得る。
同様に、前記マクロ成分２８は該ポリマー１４中に均一に分散され得る。つまり、該ナノコンポジット組成物１０の２つの分離された領域は、等しい量の該マクロ成分２８を含んでよい。あるいは、該マクロ成分２８は該ポリマー１４中にランダムに分散され得る。つまり、該ナノコンポジット組成物１０の２つの分離された領域は、異なる量若しくは濃度の該マクロ成分２８を含んでよい。
図１及び２に最もよく示されるように、該ナノ成分２４（図１）及び該マクロ成分２８（図１）は一緒になって、該ナノコンポジット組成物１０を通過するガス透過を抑制するために構成された蛇行状の経路（図２における矢印３６で一般に表される）又は流路を該ポリマー１４中に定め得る。つまり、該マクロ成分２８は該ナノ成分２４を剥離し得、ナノ成分２４の隣接する個々の層１８の間の増加した層間隔を提供し得る。さらに、該マクロ成分２８は、層間隔の一部を間詰めするように該ナノ成分２４のそのような個々の層１８の間に配置され得る。従って、該ナノ成分２４及び該マクロ成分２８は一緒になって、該ナノコンポジット組成物１０を通過するガス透過を抑制し得る。
さらに具体的に言うと、図２を参照して述べると、ガス分子２２は該ポリマー１４の比較的高い圧力の供給サイド３８からポリマー１４へ進入し、該ナノコンポジット組成物１０の中を通って拡散しようとするので、該ナノ成分２４（図１）の複数の層１８及び該マクロ成分２８（図１）の複数の粒子３０のそれぞれは、該ガス分子２２が該ポリマー１４の比較的低圧の浸透サイド４０の方へ進むことを妨げる。つまり、該ガス分子２２は、該ポリマー１４中の該ナノ成分２４及び該マクロ成分２８によって遮断され得る。
加えて、該マクロ成分２８（図１）は該ポリマー１４の個々のポリマーチェーンを潤滑化し該ポリマー１４の化合物粘度を低下させ得、それによって該ポリマー１４の加工特性を向上させ得る。さらに、該マクロ成分２８は該ポリマー１４中の該ナノ成分２４（図１）をせん断し得る。加えて、該ポリマー１４中の該ナノ成分２４と該マクロ成分２８の組み合わせは、該ナノ成分２４及び該マクロ成分２８の各々が該ポリマー１４中に均一に分散することを促す相乗効果を引き起こし得る。理論によって制限されるものではないが、そのような該ポリマー１４中での均一な分散はまた、該ポリマー１４を通過するガス透過を効果的に減少させ得る。
該ナノコンポジット組成物１０（図１）は、１つ以上の添加剤及び／又は硬化剤をさらに含んでよい。適切な添加剤としては、これらに限定されるものではないが、フィラー、色素、可塑剤、酸化防止剤、活性剤及びそれらの組み合わせが挙げられる。適切な硬化剤は、加硫剤、架橋剤、有機過酸化物及びこれらの組み合わせを含む。
ここで図３を参照すると、ナノコンポジットシステム４２は、基板４４及び該基板４４上に配置されたコーティング４６を含む。該コーティング４６は、上に記載したように該ナノコンポジット組成物１０（図１）から形成される。つまり、該ナノコンポジット組成物１０は該コーティング４６の形で、該基板４４上で自由に使用（ｄｉｓｐｏｓａｂｌｅ）され得る。
該コーティング４６は、あらゆる適切な工程及び／またデバイスによって該基板４４に適用され得る。例えば、該コーティング４６は該基板４４上へスプレー、若しくはロールコートされ得る。加えて、該コーティング４６は、約５ミクロン乃至約１０００ミクロンの厚４８を有してよい。さらに該基板４４は、該コーティング４６を支持するために構成された、あらゆる適切な材料であり得る。該基板４４は、エラストマー、例えばゴム、繊維、例えばパラアラミド合成繊維織物素材、及びそれらの組み合わせなどの群から選択され得る。
図１を再度参照すると、前記ナノコンポジット組成物１０を形成する方法は、前記ポリマー１４と前記バリアコンポーネント１６を組み合わせブレンドを形成する工程と、ブレンドを混合して該ポリマー１４中で前記ナノ成分２４を十分に剥離し分散させ、その結果蛇行状の経路３６（図２）を該ポリマー１４中に定める工程を含み、これによって該ナノコンポジット組成物１０を形づくる。該ポリマー１４及び該バリアコンポーネント１６は、順序を問わず組み合わせられ得る。例えば該ポリマー１４は該バリアコンポーネント１６に加えられてよく、若しくは該バリアコンポーネント１６は該ポリマー１４に加えられてもよい。さらに具体的には、該ナノ成分２４、マクロ成分２８及びポリマー１４は同時に組み合わせられてよく、若しくは互いに順序を問わずブレンドを形成するように他者へ加えられてよい。さらに、該ポリマー１４及び該バリアコンポーネント１６は固体状態で組み合わせられてよい。つまり、結果として生じるブレンドは非水性であってよい。
前記ポリマー１４及び前記バリアコンポーネント１６は、あらゆる適切なプロセス及び／又は装置によって混合され得る。限定しない例として、混合は溶融混合、押出加工、せん断混合、微粉砕、溶液流延法、配合、及びそれらの組み合わせなどの群から選択されるプロセスを含み得る。つまり混合は，該マクロ成分２８が該ナノ成分２４をせん断及び／又は剥離し得、それによって該ナノコンポジット組成物１０を通過するガス透過を抑制するように構成された蛇行状の経路３６（図２）を該ポリマー１４中に定めるように、該ポリマー１４中に該ナノ成分２４及び該マクロ成分２８を十分に相互分散（ｉｎｔｅｒｄｉｓｐｅｒｓｅ）させ得る。さらに、該ポリマー１４及び該バリアコンポーネント１６は、フルスケール生産の設備で組み合わせられ、混合されてよい。つまり、本方法はナノコンポジット組成物１０のフルスケールの生産を提供し、ベンチ、若しくはラボスケールの装置、又はバッチサイズに限定されるものではない。
本方法は、複数の層１８の各々を化学修飾することもまた含んでよい。例えば、個々の層１８は、該ポリマー１４中で分散性、密着性及び／又はナノ成分２４（図１）の親和性を向上させるように化学修飾されてよい。具体的には、該ナノ成分２４の化学修飾は該ポリマー１４を該ナノ成分２４の隣接する層１８の層間隔へ引き込み得、これによって該ナノ成分２４の、個々の層１８の層間隔を満たし得る。
１つの例において、該ナノ成分２４（図１）は、該ナノ成分２４の水和したカチオンを置き換えるためにイオン交換反応によって化学修飾されてよい。例えば、該ナノ成分２４は、上に記載したように、界面活性剤、モノマー群、及び／又はそれらの組み合わせによって修飾されてよい。
本方法はさらに、複数の粒子３０（図１）の各々を化学修飾することを含んでよい。該マクロ成分２４（図１）の化学修飾は、該マクロ成分２８（図１）の、該ナノ成分２４及び／又は該ポリマー１４との親和性を向上させ得る。１つの例において、上に記載したように該マクロ成分２８は、シラン、例えば、これに限定されるものではないがオルガノシランで化学修飾され得る。しかしながら、該ナノ成分２４及び該ポリマー１４の親和性を弱めないように、該マクロ成分２８はアルキルアンモニウム塩によって化学修飾され得ない
。
本方法はまた、ブレンドと１つ以上の添加剤及び／又は硬化剤を組み合わせることも含んでよい。適切な添加剤は、これに限定されるものではないが、フィラー、色素、可塑剤、酸化防止剤、活性剤、及びそれらの組み合わせを含む。適切な硬化剤は加硫剤、架橋剤、有機過酸化物、及びそれらの組み合わせを含む。
前記ナノコンポジット組成物１０及びシステム４２は、低下したガス透過性を示す。具体的には、該ナノ成分２４及び該マクロ成分２８は、該ポリマー１４を通過するガス輸送を妨げるように相互作用する。そのため、該ナノコンポジット組成物１０及びシステム４２は、低下したガス透過性並びに優れた破断伸び、引張強度及び弾性係数を有する材料が必要とされる応用に有用である。
以下の実施例は本開示を解説するものであり、本開示の範囲を制限するようなあらゆる見方をされるべきものではない。
実施例１及び２、並びに比較例３〜５のナノコンポジット組成物を作製するため、コンポーネントＡ〜Ｇを、表１に記載した量で組み合わせた。具体的には、実施例１及び２、並びに比較例４及び５の各々のナノコンポジット組成物を、コンポーネントＢ及び／又はコンポーネントＣをコンポーネントＡ中で添加剤Ｄ及びＥと共にバンバリーミキサーＢＲ１６００中で１分あたり５５回転の回転速度で５分間、それぞれの均質なブレンドを調製するよう混ぜ合わせることで作製した。添加剤Ｆ及び硬化剤Ｇを均質なブレンドの各々と組み合わせ、実施例１及び２、並びに比較例４及び５のそれぞれのナノコンポジット組成物を形成するために、さらに２分間混合した。得られたナノコンポジット組成物の各々を、シートを形成するようにロールミルで混合し、以下に記述した試験方法に従って評価するために、プラーク（ｐｌａｑｕｅ）を形成するように硬化させた。表１に記載したコンポーネントＢ〜Ｇの量は、コンポーネントＡの１００質量部に基づいた質量部としている。
Figure 2013506033
コンポーネントＡは、水素化アクリロニトリル−ブタジエンゴムであり、ケンタッキー州ルーイビルのゼオンケミカルズＬ．Ｐ．（Ｚｅｏｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ Ｌ．Ｐ．）からゼットポール（Ｚｅｔｐｏｌ）の商標名で市販されている。
コンポーネントＢは、２：１層状フィロケイ酸塩であり、各々が１ｎｍの第一平均厚を有する複数の層を含む。コンポーネントＢは、イリノイ州アーリントンハイツのナノコア社（Ｎａｎｏｃｏｒ Ｉｎｃ．）からナノマー（Ｎａｎｏｍｅｒ）の商標名で市販されてい
る。
コンポーネントＣは、含水ケイ酸マグネシウム、即ちタルクであり、各々が５０ミクロンの第二平均厚を有する複数の粒子を含む。コンポーネントＣは、コロラド州グリーンウッドビレッジのルゼナック社（Ｌｕｚｅｎａｃ Ｉｎｃ．）からミストロンベイパーＲタルク（Ｍｉｓｔｒｏｎ Ｖａｐｏｒ Ｒ ｔａｌｃ）の商標名で市販されている。
添加剤Ｄはカーボンブラックである。コンポーネントＤは、ジョージア州のマリエッタのコロンビアンケミカルズカンパニー（Ｃｏｌｕｍｂｉａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ Ｃｏｍｐａｎｙ）から市販されている。
添加剤Ｅは、４，４'−ビスジメチルベンジルジフェニルアミンである。コンポーネントＥは、コネティカット州のミドルベリのケムチュラコーポレーション（Ｃｈｅｍｔｕｒａ
Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）から市販されている。
添加剤Ｆは、カドックス９１１（Ｋａｄｏｘ９１１）の商標名で、ペンシルバニア州モナカのホースヘッドコーポレーション（Ｈｏｒｓｅｈｅａｄ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）から市販されている酸化亜鉛、及びインダストレンＲ（ＩＮＤＵＳＴＲＥＮＥ Ｒ）の商標名で，オハイオ州のアクロンのアクロケムコーポレーション（Ａｋｒｏｃｈｅｍ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）から市販されているステアリン酸との組み合わせである。
硬化剤Ｇは、１，１'−ビス（ｔ−ブチルペルオキシ）−ジイソプロピルベンゼンである。硬化剤Ｇは、ニュージャージー州ギブスタウンのＧＥＯスペシャリティケミカルズ（ＧＥＯ Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ）からバル−カップ４０ＫＥ（Ｖｕｌ−Ｃｕｐ ４０ＫＥ）の商標名で市販されている。
混ぜ合わせた後、生じた実施例１、比較例４、及び比較例５のナノコンポジット組成物は、５００ミクロンの厚さを有していた。
一方、実施例２のナノコンポジット組成物を天然ゴム基板の上へロールコートし、該基板上に配置されたコーティングを含むナノコンポジットシステムを形成した。実施例２のナノコンポジット組成物から形成されたその生じたコーティングは７５０ミクロンの厚さを有し、該天然ゴム基板は２ｃｍの厚さを有していた。
実施例１及び２、並びに比較例３〜５のナノコンポジット組成物の各々を、以下に記載した試験手順に従って評価した。
Ｘ線回折
実施例１及び２、並びに比較例３〜５のナノコンポジット組成物の各々を、コンポーネントＢの複数の層の層間隔を決定するため、Ｓｃｉｎｔａｇ ＸＤＳ２０００回折計によりＢｒａｇｇ−Ｂｒｅｎｔａｎｏジオメトリーで評価した。各々のナノコンポジット組成物を、０．０２°のステップサイズ、０．５°／分の走査速度で、連続的な対称走査により走査した。２θでの走査範囲は１°乃至１０°であった。管及びディレクター固定スリット（ｄｉｒｅｃｔｏｒ ｆｉｘｅｄ ｓｌｉｔｓ）は、それぞれ、０．３°、０．５°並びに１°、０．２°であった。Ｘ線放射は、ＣｕＫα1、λ＝１．５４１８Åであった。パターン及びデータは、ＭＤＩ ＪＡＤＥ９＋ソフトウェアで処理した。
図４は、実施例１及び比較例３〜５の各々のナノコンポジット組成物の４つのＸ線回折スペクトルのグラフ表示であって、θはＸ線ビームの散乱角である。Ｘ線回折スペクトルの各々のピークは、該ナノコンポジット組成物の原子間距離及び層間隔に対応する。
図４を参照すると、比較例３のナノコンポジット組成物のＸ線スペクトルは、１．８４ｎｍに１つのピークを示している。つまり、コンポーネントＢの複数の層の層間隔は１．８４ｎｍであった。一方、コンポーネントＡ中に配合されたコンポーネントＢを含む比較例４及び５のナノコンポジット組成物のＸ線スペクトルは２つのピークを示し、第一のピークは１．８４ｎｍに、第二のピークは３．７８ｎｍにある。従って、比較例４及び５のナノコンポジット組成物の複数の層の層間隔のいくらかは、１．８４ｎｍを超えていた。その２つのピークは拡大された層間構造を示し、即ち比較例４及び５のナノコンポジット組成物はインターカレートされていることを示している。
比較として、続いて図４を参照して述べると、フィロケイ酸塩（コンポーネントＢ）とタルク（コンポーネントＣ）の両方を含んだ実施例１のナノコンポジット組成物のＸ線スペクトルには、１．８４ｎｍ及び３．７８ｎｍにおけるシャープなピークのどちらもなかった。むしろ、実施例１のナノコンポジット組成物のＸ線スペクトルは、４．４８ｎｍにおけるブロードなピーク及び２未満の２θにおける目立った散乱を示した。つまり、実施例１のナノコンポジット組成物は、フィロケイ酸塩（コンポーネントＢ）の複数の層の不規則なパッキングと間隔を含んでいた。従って、実施例１のナノコンポジット組成物は、インターカレートされたというよりは剥離されていた。理論によって制限することを意図せず、実施例１はフィロケイ酸塩（コンポーネントＢ）とタルク（コンポーネントＣ）の両方を含んでいるため、該タルクは、該フィロケイ酸塩（コンポーネントＢ）を剥離し得、該フィロケイ酸塩（コンポーネントＢ）の隣接した個々の層の増加した層間隔を提供し得る。
ガス透過性
実施例１及び２、並びに比較例４及び５の各々のナノコンポジット組成物の２３℃、及び８０℃におけるガス透過性を、試験方法ＡＳＴＭ Ｄ １４３４−８２に従って評価した。標準試料６は水素化アクリロニトリル−ブタジエンゴムであり、上記の試験方法に従ってガス透過性を評価し、実施例１及び２、並びに比較例４及び５の各々のナノコンポジット組成物と比較した。ガス透過性試験の結果を図５に示す。
フィロケイ酸塩（コンポーネントＢ）とタルク（コンポーネントＣ）の両方を含んだ、実施例１及び２のナノコンポジット組成物は、標準試料６のゴムよりも低いガス透過性を有していた。それに対し、比較例４及び５の各々のナノコンポジット組成物は、フィロケイ酸塩（コンポーネントＢ）の配合量が同じである実施例１及び２のナノコンポジット組成物よりも高いガス透過性を有していた。このように、実施例１及び２のナノコンポジット組成物は、比較例４及び５のナノコンポジット組成物と比較して、改善されたガス透過性を示した。
引張強度
実施例１及び２、並びに比較例４及び５の各々のナノコンポジット組成物の引張強度を、試験方法ＡＳＴＭ Ｄ ４１２に従って評価した。水素化アクリロニトリル−ブタジエンゴムである標準試料６もまた上記の試験方法に従って引張強度を評価し、実施例１及び２、並びに比較例４及び５の各々のナノコンポジット組成物と比較した。引張強度試験の結果を表２に記載する。
Figure 2013506033
フィロケイ酸塩（コンポーネントＢ）とタルク（コンポーネントＣ）の両方を含んだ実施例１及び２のナノコンポジット組成物は、標準試料６のゴムと同程度の引張強度を有していた。コンポーネントＢ及びコンポーネントＣの添加は、標準試料６のゴムと比較して、実施例１及び２のナノコンポジット組成物の引張強度を著しく低下させなかった。
破断伸び
実施例１及び２、並びに比較例４及び５の各々のナノコンポジット組成物の破断伸びを、試験方法ＡＳＴＭ Ｄ ４１２に従って評価した。水素化アクリロニトリル−ブタジエンゴムである標準試料６もまた、上記試験方法に従って破断伸びを評価し、実施例１及び２、並びに比較例４及び５の各々のナノコンポジット組成物と比較した。破断伸び試験の結果を表３に記載する。
Figure 2013506033
フィロケイ酸塩（コンポーネントＢ）とタルク（コンポーネントＣ）の両方を含んだ実施例１及び２のナノコンポジット組成物、並びに比較例４及び５は、標準試料６のゴムと比較したときに許容できる破断伸びを有していた。即ち、実施例１のナノコンポジット組成物中のフィロケイ酸塩（コンポーネントＢ）とタルク（コンポーネントＣ）の両方の含有は、破断伸びを許容できないほどには低下させなかった。
弾性係数
実施例１及び２、並びに比較例４及び５の各々のナノコンポジット組成物の５０％緊張での弾性係数を、試験方法ＡＳＴＭ Ｄ ４１２に従って評価した。水素化アクリロニトリル−ブタジエンゴムである標準試料６もまた、上記試験方法に従って５０％緊張での弾性係数を評価し、実施例１並びに比較例４及び５の各々のナノコンポジット組成物と比較した。弾性係数試験の結果を表４に記載する。
Figure 2013506033
フィロケイ酸塩（コンポーネントＢ）とタルク（コンポーネントＣ）の両方を含んだ実施例１及び２のナノコンポジット組成物は、標準試料６のゴムよりも高い弾性係数を有していた。同様に、実施例１及び２のナノコンポジット組成物は、コンポーネントＢの装填量が同じである比較例４及び５のナノコンポジット組成物より高い弾性係数を示した。
本開示を実施するための最良の実施態様は詳細に記述されているが、本開示が関係する技術に関する当業者は、添付された請求項の範囲内で本開示を実施するための様々な代替設計及び実施態様を認めるであろう。

Claims (15)

  1. ナノコンポジット組成物（１０）であって、
    ポリマー（１４）と、
    前記ポリマー（１４）中に十分に分散され、その結果前記ポリマー（１４）中に蛇行状の経路（３６）を定めるバリアコンポーネント（１６）を含み、
    前記バリアコンポーネント（１６）は、
    複数の層（１８）を含むナノ成分（２４）（前記複数の層（１８）の各々は第一平均厚（１２）を有する）と、
    複数の粒子（３０）を含むマクロ成分（２８）（前記複数の粒子（３０）の各々は前記第一平均厚（１２）を超える第二平均厚（３４）を有する）を含む、
    ナノコンポジット組成物。
  2. 前記ナノ成分（２４）は剥離され、そして前記ポリマー（１４）中に分散されている、請求項１に記載のナノコンポジット組成物（１０）。
  3. 前記ナノ成分（２４）は前記ポリマー（１４）中に均一に分散されている、請求項２に記載のナノコンポジット組成物（１０）。
  4. 前記ナノ成分（２４）は複数の整列していない層（１８）を有するケイ酸塩を含む、請求項１に記載のナノコンポジット組成物（１０）。
  5. 前記ポリマー（１４）は前記複数の整列していない層（１８）の間に内配置（ｉｎｔｅｒｄｉｓｐｏｓｅｄ）されている、請求項４に記載のナノコンポジット組成物（１０）。
  6. 前記ナノ成分（２４）と前記マクロ成分（２８）は一緒になって、前記ナノコンポジット組成物（１０）を通過するガス透過を抑制するように形成される前記の蛇行状の経路（３６）を前記ポリマー（１４）中に定める、請求項１に記載のナノコンポジット組成物（１０）。
  7. 前記第一平均厚（１２）は約０．５ｎｍ乃至約２ｎｍである、請求項１に記載のナノコンポジット組成物（１０）。
  8. 前記複数の層（１８）の各々は約１００：１乃至約１，０００：１のアスペクト比を有する、請求項７に記載のナノコンポジット組成物（１０）。
  9. 前記第二平均厚（３４）は約０．１ミクロン乃至約１００ミクロンである、請求項７に記載のナノコンポジット組成物（１０）。
  10. 前記マクロ成分（２８）は前記ポリマー（１４）中に均一に分散されている、請求項１に記載のナノコンポジット組成物（１０）。
  11. 前記マクロ成分（２８）は前記ポリマー（１４）中にランダムに分散されている、請求項１に記載のナノコンポジット組成物（１０）。
  12. 前記ナノ成分（２４）は、前記ポリマー（１４）の１００質量部に基づいて、約０．１質量部乃至約１００質量部の量で存在する、請求項１に記載のナノコンポジット組成物（１０）。
  13. 前記マクロ成分（２８）はタルクを含む、請求項１に記載のナノコンポジット組成物（１
    ０）。
  14. ナノコンポジットシステム（４２）であって、
    基板（４４）と、前記基板（４４）上に配置され、ナノコンポジット組成物（１０）から形成されるコーティング（４６）を含み、
    前記ナノコンポジット組成物（１０）は、
    ポリマー（１４）と、
    前記ポリマー（１４）中に十分に分散され、その結果前記ポリマー（１４）中に蛇行状の経路（３６）を定めるバリアコンポーネント（１６）を含み、
    前記バリアコンポーネント（１６）は、
    複数の層（１８）を含むナノ成分（２４）（前記複数の層（１８）の各々は第一平均厚（１２）を有する）と、
    複数の粒子（３０）を含んだマクロ成分（２８）（前記複数の粒子（３０）の各々は前記第一平均厚（１２）を超える第二平均厚（３４）を有する）を含むナノコンポジットシステム。
  15. 前記コーティング（４６）は約５ミクロン乃至約１，０００ミクロンの厚さ（４８）を有する、請求項１４に記載のナノコンポジットシステム（４２）。
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