JP4767949B2 - ナノコンポジットおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
水を有機溶媒と交換して、さらに前記膨潤したクレイを溶媒で膨潤状態に維持することによって、前記膨潤したクレイに有機溶媒を介在させて、有機溶媒介在膨潤クレイを形成する工程と、
前記有機溶媒介在膨潤クレイを改質剤で処理する工程と、
その改質された有機溶媒介在膨潤クレイを、モノマー、オリゴマーおよびポリマーおよびそれらの任意の組み合わせを含むマトリックス材料と混合してナノコンポジット混合物を形成する工程と、必要に応じて、前記マトリックス材料を重合させる工程とを有する、方法が提供される。
したがって、好ましい有機溶媒としては、限定はされないが、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、およびシクロヘキサノンなどのケトン類、メタノール、エタノール、プロパノール、n−ブタノール、i−ブタノール、sec−ブタノール、およびtert−ブタノールなどのアルコール類、エチレングリコール、プロピレングリコールおよびブチレンブリコールなどのグリコール類、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、シュウ酸ジエチルおよびマロン酸ジエチルなどのエステル類、ジエチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテルおよびテトラヒドロフランなどのエーテル類、ジクロロメタン、1,2−ジクロロエタン、1,4−ジクロロブタン、トリクロロエタン、クロロベンゼンおよびo−ジクロロベンゼンなどのハロゲン化炭化水素類、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ベンゼン、トルエンおよびキシレンなど炭化水素類が挙げられる。その他のものとして、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、テトラメチル尿素、ヘキサメチルリン酸トリアミド、およびガンマブチロラクトンなどが挙げられる。上記溶媒は、単独で用いてもよいし、任意に組み合わせて用いてもよい。一般的には、沸点が100℃より低い溶媒または組み合わせが、取扱の容易さおよび低コストの観点から好ましい。
ナノコンポジットの形成に用いるクレイは、従来技術において一般的に用いられるものである。したがって、スメクタイトおよびカオリンクレイのうちから選択可能である。本発明において使用するスメクタイトクレイは、モンモリロナイト、ヘクトライト、サポナイト、ソーコナイト、バイデライト、ノントロナイト(nontronote)、およびそれらの2つ以上の組み合わせのうちから選択することができる。より好ましくは、クレイは、ヘクトライト、モンモリロナイト、バイデライト、ステベンサイト、およびサポナイトのうちから選択される。典型的には、本発明において用いるクレイは、約7〜300meq/100gのカチオン交換容量を有する。
質剤は、アルキルアンモニウム塩、オルガノシラン、アルキル酸(またはそれらの機能誘導体、たとえば、酸塩化物または無水物など)、グラフト化コポリマー(grafted
copolymer)、およびブロックコポリマーから選択することができる。いずれの場合においても、改質剤は、クレイ層に結合可能な官能基と、ポリマーに結合可能な別の官能基とを有するように選択される。本発明の特徴は、使用する改質剤の量を従来の方法において提案されるよりもはるかに少なくできることである。したがって、改質剤の量は、0.15〜15重量パーセントの範囲内の量に低減することができる。
2グラムのCloisite(登録商標)93A(40重量%のアルキルアンモニウム
を含む市販のオルガノクレイ)を、60.8gのDowエポキシ樹脂DER332と、ホモジナイザーを用いて10000rpmの速度で2時間にわたって混合した。次にこの混合物を、16グラムの硬化剤(ETHACURE100LC)と攪拌により混合し、100℃で2時間および180℃で5時間にわたって硬化させた。最終産物は板状であり、これをいくつかの試験に供した。
光学顕微鏡写真を図1に示す。TEM顕微鏡写真を図3に示す。
145meq/100gのカチオン交換容量を有する精製ナトリウムモンモリロナイトを2gと、100mLの水とを攪拌しながら室温で24時間混合し懸濁液を形成した。懸濁液を攪拌しながら室温で1000mLのアセトン中で沈殿させ、室温にてアセトンで3回洗浄した。0.1gの量の3−アミノプロピルトリメトキシシランをカップリング剤として加えた。この混合物を室温で12時間攪拌した。次に、60.8gのDowエポキシ樹脂DER332を、ホモジナイザーを用いて、10000rpmの速度で2時間にわたって、前記改質クレイとよく混合した。混合物を50℃の真空乾燥機中で48時間乾燥させた後、16gの硬化剤(ETHACURE 100LC)と攪拌により混合し、100℃で2時間および180℃で5時間にわたって硬化させた。最終産物は板状であり、これをいくつかの試験に供した。
光学顕微鏡(OM)による観察により、本発明の技術によって調製したナノコンポジットにおいて、クレイ粒子がマトリックス中に均一に分散していることが確認された。既存の技術によって調製したエポキシ/オルガノクレイコンポジットにおいて、凝集体の大きさは10〜20ミクロン(図1)である。上述のエポキシ/クレイナノコンポジットにおいては、クレイ粒子はマトリックス中に均一に分散しており、凝集体の大きさは1ミクロン未満(図2)である。
145meq/100gのカチオン交換容量を有する精製ナトリウムモンモリロナイトを2gと、100mLの水とを攪拌しながら室温で24時間混合し懸濁液を形成した。懸濁液を攪拌しながら室温で1000mLのアセトン中で沈殿させ、室温にてアセトンで3回洗浄した。0.1gの量の3−グリシドプロピルトリメトキシシランをカップリング剤として加えた。この混合物を室温で12時間攪拌した。次に、50gのCibaエポキシ樹脂LY5210を、ホモジナイザーを用いて、10000rpmの速度で2時間、前記改質クレイとよく混合した。混合物を50℃の真空乾燥機中で48時間乾燥させた後、25gの硬化剤(CibaHY2954)と攪拌により混合し、160℃で2時間および220℃で2時間硬化させた。最終産物は板状であり、これをいくつかの試験に供した。
クレイをエポキシ中に組み込むことによって、破壊靱性が向上する(図16)。クレイの充填量が2.5重量%であるとき、破壊靱性が最大値を示す。
145meq/100gのカチオン交換容量を有する精製ナトリウムモンモリロナイトを2gと、100mLの水とを攪拌しながら室温で24時間混合し懸濁液を作成した。懸濁液を攪拌しながら室温で1000mLのエタノール中で沈殿させ、室温にてエタノールで3回洗浄した。0.1gの量の3−アミノプロピルトリメトキシシランをカップリング剤として加えた。この混合物を室温で12時間攪拌した。次に、60.8gのDowエポキシ樹脂DER332を、ホモジナイザーを用いて、10000rpmの速度で2時間、前記改質クレイとよく混合した。混合物を60℃の真空乾燥機中で48時間乾燥させた後、16gの硬化剤(ETHACURE 100LC)と攪拌により混合し、100℃で2時間および180℃で5時間硬化させた。最終産物は板状であり、これをいくつかの試験に供した。
145meq/100gのカチオン交換容量を有する精製ナトリウムモンモリロナイトを2gと、100mLの水とを攪拌しながら室温で24時間混合し懸濁液を作成した。懸濁液を攪拌しながら室温で1000mLのアセトン中で沈殿させ、室温にてアセトンで3回洗浄した。0.1gの量の3−グリシドプロピルトリメトキシシランをカップリング剤として加えた。この混合物を室温で12時間攪拌した。次に、60.8gのDowエポキシ樹脂DER332を、ホモジナイザーを用いて、10000rpmの速度で2時間、前記改質クレイとよく混合した。混合物を50℃の真空乾燥機中で48時間乾燥させた後、16gの硬化剤(ETHACURE 100LC)と攪拌により混合し、100℃で2時間および180℃で5時間硬化させた。最終産物は板状であり、これをいくつかの試験に供した。
本発明のナノコンポジットは、高弾性率および高硬度、高い加熱たわみ温度および高い熱安定性が要求される飛行機、自動車などの部品として、プリント回路基板、電子部品実装、電気部品などとして、高いバリア性と高い透明性が要求される飲料および食品用の容器、フィルムおよびコーティングとして、およびタイヤやチューブなどとして用いることができる。
Claims (15)
- ナノコンポジットを形成するための方法であって、
(a)プリスティンクレイを水で処理して膨潤したクレイを形成する工程と、
(b) 工程(a)で形成された前記膨潤したクレイにおいて、水を水との混和性を有する有機溶媒と交換して、さらに前記膨潤したクレイを溶媒で膨潤状態に維持することによって、前記膨潤したクレイに有機溶媒を介在させて、有機溶媒介在膨潤クレイを形成する工程と、
(c) 工程(b)で形成された前記有機溶媒介在膨潤クレイを改質剤で処理する工程と、
(d) 工程(c)で改質された有機溶媒介在膨潤クレイを、モノマー、オリゴマーおよびポリマーおよびそれらの任意の組み合わせを含むマトリックス材料と混合してナノコンポジット混合物を形成する工程と、必要に応じて、前記マトリックス材料を重合させる工程とを有する、方法。 - 前記有機溶媒は、前記ナノコンポジット混合物から抽出されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記有機溶媒は、前記マトリックス材料の必要な重合の前、最中、または後に、前記ナノコンポジット混合物から抽出されることを特徴とする請求項2に記載の方法。
- 前記マトリックス材料は、熱可塑性ポリマー、熱硬化性ポリマーおよびそれらの組み合わせのうちから選択されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- クレイは、スメクタイトおよびカオリンクレイのうちから選択されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- クレイは、モンモリロナイト、ヘクトライト、サポナイト、ソーコナイト、バイデライト、ステベンサイト、ノントロナイト、およびそれらの2つ以上の組み合わせのうちから選択されるスメクタイトであることを特徴とする請求項5に記載の方法。
- クレイは、ヘクトライト、モンモリロナイト、バイデライト、ステベンサイト、およびサポナイトクレイのうちから選択されることを特徴とする請求項6に記載の方法。
- 前記クレイは、7〜300meq/100gのカチオン交換容量を有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記クレイは、ナノコンポジットの全重量に対して0.1重量%〜40重量%の範囲の量で存在することを特徴とする請求項1に記載の方法。
- クレイ/水の比は、1:1〜1:1000の範囲にあることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記有機溶媒は、極性有機化学物質および非極性有機化学物質のうちから選択されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 水を有機溶媒で交換する間、水および有機溶媒は、1:1〜1:50の比率で存在することを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記改質剤は、界面活性剤、カップリング剤、および相溶化剤のうちから選択されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記改質剤は、アルキルアンモニウム塩、オルガノシラン、アルキル酸およびその機能的誘導体、グラフト化コポリマーおよびブロックコポリマーのうちから選択されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- カップリング剤は、クレイの重量に対して0.05重量%〜15重量%の範囲の量で存在することを特徴とする請求項13に記載の方法。
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