(57)【要約】本発明は熱安定性と性能特性の向上した新しい高温使用軽量ポリマー／無機ナノ複合材料（３７，３９）を提供する。本発明はナノ複合材料の熱安定性をその現在の限界である１００−１５０℃から２５０℃以上にまで高められる二つの技術を提供する。二つのユニークなアプローチは、ユニークなナノ複合材（３７，３９）を創出するために（ｉ）より熱安定性の界面活性剤／適合剤、および（ｉｉ）より熱安定性の合成有機修飾層形成ケイ酸塩補強材（２３）、を使用する有機無機界面の革新的な化学的設計に基礎を置く。この新しい技術はこれまで達成されなかった熱安定性と性能特性を提供し、また自動車、航空宇宙、エレクトロニクスおよび食品飲料産業で数多くの用途を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中間有機ホスホニウム界面活性剤で交互する有機層と無機層を持つ無機有機ナノ複合材を含むことを特徴とする合成材料。
【請求項２】
請求項１記載の合成材料であって、ここで有機層がナイロンであることを特徴とする合成材料。
【請求項３】
請求項１記載の合成材料であって、無機層がケイ酸塩であり有機界面活性剤がテトラフェニルホスホニウムであることを特徴とする合成材料。
【請求項４】
合成材料であって、無機層としてホスホニウム適合剤親有機層ケイ酸塩のある中間有機界面活性剤で交互する有機層と無機層を持つ有機無機ナノ複合材を含むことを特徴とする合成材料。
【請求項５】
請求項４記載の合成材料であって、ここで有機層がナイロンであり有機界面活性剤がテトラフェニルホスホニウムであることを特徴とする合成材料。
【請求項６】
熱安定性ナノ複合材であって、交互する有機層と無機層および中間熱安定性ホスホニウム適合剤を含むことを特徴とするナノ複合材。
【請求項７】
請求項６記載のナノ複合材であって、ここで中間熱安定性適合剤がテトラフェニルホスホニウム界面活性剤を含むことを特徴とするナノ複合材。
【請求項８】
請求項６記載のナノ複合材であって、ここでナノ複合材がガス隔膜を含むことを特徴とするナノ複合材。
【請求項９】
請求項６記載のナノ複合材であって、ここでナノ複合材が難燃性構造を含むことを特徴とするナノ複合材。
【請求項１０】
請求項６記載のナノ複合材であって、ここでナノ複合材がフィルム、繊維、絶縁スリーブ、押出および成型材より成るグループから選択されることを特徴とするナノ複合材。
【請求項１１】
熱安定性ナノ複合材であって、交互する有機層と無機層と、熱安定性合成アルキル基有機修飾層形成ケイ酸補強材を無機層として含むことを特徴とするナノ複合材。
【請求項１２】
請求項１１記載のナノ複合材であって、ここで層形成ケイ酸塩が組込みアルキルトリエトキシシラン界面活性剤を持つことを特徴とするナノ複合材。
【請求項１３】
ナノ複合材であって、交互する有機層と無機層と、有機層と無機層を結合する有機ホスホニウム陽イオンを持つ適合剤とを含むことを特徴とするナノ複合材。
【請求項１４】
請求項１３記載のナノ複合材であって、ここで有機ホスホニウム陽イオンが脂肪族基およびまたは重合可能有機基を含むことを特徴とするナノ複合材。
【請求項１５】
請求項１３記載のナノ複合材であって、ここで有機ホスホニウム陽イオンがフェニルホスフィンベースのものであることを特徴とするナノ複合材。
【請求項１６】
請求項１３記載のナノ複合材であって、ここで有機ホスホニウム陽イオンがアリレンエーテル構造ポリマーであることを特徴とするナノ複合材。
【請求項１７】
ナノ複合材であって、交互する有機層と無機層とアルキル基適合剤を含み、ここで無機層と適合剤が結合されていることを特徴とするナノ複合材。
【請求項１８】
請求項１７記載のナノ複合材であって、ここで無機層と適合剤が熱安定性であり、また親有機化合物が構造基質レジンを含む有機層と混合されていることを特徴とするナノ複合材。
【請求項１９】
請求項１８記載のナノ複合材であって、ここで構造基質レジンがポリアミド、ポリエーテルイミド、ポリイミドおよびポリアリレンエーテルより成るグループから選択されることを特徴とするナノ複合材。
【請求項２０】
請求項１９記載のナノ複合材であって、ここでナノ複合材が高温使用軽量ポリマー無機ナノ複合材であることを特徴とするナノ複合材。
【請求項２１】
請求項１８記載のナノ複合材であって、ここで構造基質レジンがポリスチレン、ナイロン、修飾ポリエーテルイミドおよびポリエチレンオキサイドの混合物であることを特徴とするナノ複合材。
【請求項２２】
請求項１７記載のナノ複合材を製造する方法であって、層形成ケイ酸塩とアルキル基有機適合材を化合物内で結合し、化合物を熱安定性にまた高度に親有機化し、この化合物を構造基質レジンと混合することを含むことを特徴とするナノ複合材。
【請求項２３】
請求項２２記載の方法であって、ここで構造基質レジンがポリアミド（ナイロンＴｍ１２０℃）、ポリエーテルイミド（アルテムＴｇ２１５℃）、ポリイミド（Ｔｇ＞２７５℃）およびポリアリレンエーテル（Ｔｇ＞２２５−３５０℃）より成るグループから選択されることを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項２３記載の方法であって、ここで生成ナノ複合材が溶液法により産物内に加工処理されることを特徴とする方法。
【請求項２５】
請求項２３記載の方法であって、ここで生成ナノ複合材が無溶媒直接溶融差し込み法により産物内に加工処理されることを特徴とする方法。
【請求項２６】
請求項２２記載の方法であって、ここで構造基質レジンが陽イオンを通して直接溶融差し込みを経由するモンモリロナイト含有有機ホスホニウム界面活性剤、モンモリロナイト含有有機ホスホニウム界面活性剤を持つポリエーテルイミド（ＰＥＩ）レジンの混合物より成るグループから選択されることを特徴とする方法。
【請求項２７】
請求項２２記載の方法であって、更に連続ポリマー基質内で個々の層間剥離分散ケイ酸塩層を分散させることにより層間剥離ハイブリッドを生成することを含むことを特徴とする方法。
【請求項２８】
層形成ケイ酸塩ナノ複合材であって、構造基質レジンに混合され、分散された単一化合物として層形成ケイ酸塩と有機適合剤を持つ高温使用軽量ポリマー無機ナノ複合材を含むことを特徴とするナノ複合材。
【請求項２９】
請求項２８記載のナノ複合材であって、ここで有機適合剤が高温有機ホスホニウム陽イオンを持つことを特徴とするナノ複合材。
【請求項３０】
請求項２９記載のナノ複合材であって、ここで有機ホスホニウムがテトラフェニルホスホニウムであることを特徴とするナノ複合材。
【請求項３１】
請求項２９記載のナノ複合材であって、ここで有機ホスホニウムがモンモリロナイト含有有機ホスホニウムであることを特徴とするナノ複合材。
【請求項３２】
請求項２８記載のナノ複合材であって、ここで構造基質レジンがポリアミド、ポリエーテルイミド、ポリイミドおよびポリアリレンエーテルより成るグループから選択されることを特徴とするナノ複合材。
【請求項３３】
請求項３２記載のナノ複合材であって、ナノ複合材選択基質レジンが適合剤としてのテトラフェニルホスホニウムと混合されることを特徴とするナノ複合材。
【請求項３４】
層形成ケイ酸塩ナノ複合材を提供する方法であって、単一化合物として層形成ケイ酸塩と有機適合剤を提供し、構造基質レジンに単一化合物として層形成ケイ酸塩と有機適合剤を混合しまた分散し、更にレジンを硬化することを含むことを特徴とする方法。
【請求項３５】
請求項３２記載の方法であって、ここで有機適合剤が高温有機ホスホニウム陽イオンを持つことを特徴とする方法。
【請求項３６】
請求項３３記載の方法であって、ここで有機ホスホニウムがテトラフェニルホスホニウムであることを特徴とする方法。
【請求項３７】
請求項３２記載の方法であって、ここで有機ホスホニウムがモンモリロナイト含有有機ホスホニウムであることを特徴とする方法。
【請求項３８】
請求項３４記載のナノ複合材であって、ここで構造基質レジンがポリアミド、ポリエーテル、ポリイミドおよびポリアリレンエーテルにより成るグループから選択されることを特徴とするナノ複合材。
【請求項３９】
請求項３８記載のナノ複合材であって、ここでナノ複合材選択基質レジンが適合剤としてのテトラフェニルホスホニウムと混合されることを特徴とするナノ複合材。
【請求項４０】
請求項１５記載のナノ複合材であって、ここで有機ホスホニウム陽イオンが脂肪族基および重合可能有機基を含むことを特徴とするナノ複合材。
【請求項４１】
請求項１５記載のナノ複合材であって、ここで有機ホスホニウム陽イオンが脂肪族基を含むことを特徴とするナノ複合材。
【請求項４２】
請求項１５記載のナノ複合材であって、ここで有機ホスホニウム陽イオンが重合可能有機基を含むことを特徴とするナノ複合材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
本出願は１９９７年６月６日受理された合衆国暫定特許出願番号第６０／０４８，９２１号の利益を主張する。
【０００２】
ナノ複合材は二相の相互作用混合物として定義され、その一つは少なくとも一次元でナノメートル規模の範囲にある。補強相のナノスケール次元の故で、ナノ複合材はミクロまたはマクロ複合材のものに比較してユニークで改良された物性を示す。これらの材料により豊かでユニークな物性と技術的機会が提供される。従って、最近数年間に、ナノ複合材料は機械的、光学的、磁気および誘電などの用途を含む多様な用途での新材料の合成に不可欠のものとなった。
【０００３】
ポリマー／無機ナノ複合材は、ポリマーの性質をより従来的な粒子充填複合材またはミクロ複合材から達成されるものより更に高めるために、より大きな注目を集めた。特に層形成マイカ型ケイ酸塩は、ポリマー基質内で無機相のナノスケール分散を持つポリマーナノ複合材を創り出すためのポリマー基質の無機補強材として広く用いられてきた。（ｉ）ケイ酸塩層の間に差し込まれたポリマー鎖、または（ｉｉ）連続ポリマー基質に層間剥離され分散された個別ケイ酸塩層、を持つ層形成ケイ酸塩ポリマーナノ複合材が製造された。
【０００４】
現存するナノ複合材での表面加工はアルキルアンモニウムなどの有機界面活性剤を使用することでしばしば達成される。酸化物面での有機陽イオン交換は有機と無機の官能性の間の相互作用への好適な部位を提供する。このアプローチが利用され、各種の商品ポリマーに著しい性能上の有利性を提供することが示された。しかし使用される界面活性剤の熱的な不安定性がその完全な可能性を認識することからの技術を妨げてきている。
【０００５】
自動車、航空機、エレクトロニクスおよび食品搬送産業などでの重要な新用途が、より優れた界面での設計とより高められた熱安定性を持つナノ複合材を製造することで認識されるであろう。
【０００６】
【発明の概要】
本発明は高められた熱安定性と性能特性を持つ新しい高温使用軽量ポリマー／無機ナノ複合材料を提供する。本発明は現在の温度範囲の１００−１５０℃を２５０℃以上にナノ複合材システムの熱安定性を高める２個の技術を提供する。
この２個のユニークなアプローチは、ユニークなナノ複合材を創り出すために（ｉ）より熱安定性のある界面活性剤／適合剤、および（ｉｉ）より熱安定性のある合成有機修飾層形成ケイ酸塩補強材を用いる有機無機界面の革新的な化学設計に基礎を置く。これらのアプローチは溶融法、同じく無溶媒直接溶融差し込み法の両方を経由する処理加工性を提供される。
【０００７】
合成有機修飾層形成ケイ酸塩（組込み界面活性剤を持つもの）の使用は食品包装材料としてのナノ複合材の用途を制限する有毒なアルキルアンモニウム界面活性剤を排除する。リサイクル可能でよりコストの安い食品包装材料がリサイクル不可能な多層プラスチック包装に代替して提供する。
【０００８】
これらのナノ複合材の物性は、フィルム、繊維、および成型部品などの商業利用形態でこれらの材料を製造するために最適化される。新技術はこれまで獲得できなかった熱安定性性能特性を提供し、自動車、航空機、エレクトロニクスおよび食品飲料業界で数多く使用されている。
【０００９】
本発明のこれらの、更に他の目的と特徴はここでの開示で明らかであり、それは前記および以下の明細書、請求項および図面に含まれている。
【００１０】
【望ましい実施例の詳細な説明】
図１Ａでは現在の最新技術が図形で示される。ナノ複合材は、表面にアルキルアンモニウム界面活性剤５のあるケイ酸塩層３を持つ。図１Ｂで図形で示される本発明の第１部分は標準の適合剤、すなわちアルキルアンモニウム陽イオンを高温有機ホスホニウム陽イオン１５で代替することにより、新しい有機／無機ナノ複合材構造１１を提供する。新しい発明において、イオン交換はより熱安定性のある有機ホスホニウム陽イオン、例えばテトラフェニルホスホニウム１５の存在下で起こる（図２）。この修飾は生成するナノ複合材の他の物理的または機械的物性に影響を与えることなくナノ複合材の熱安定性を現在の水準の約１００−１５０℃から約１７５−２００℃またはそれ以上にまで高める。
【００１１】
発明者は優れた機械的特性および熱酸化性を提供する新規なクラスのフェニルホスフィンを基にするアリレンエーテル構造ポリマーを合成した。これらのポリマーは事実上フェニルホスホニウムにいくらか類似しており、米国航空宇宙局の宇宙飛行ミッションへの適格性を与えられており、商業用として生成されている。
【００１２】
図１Ｃで図形で示されるように、本発明は更に層形成されたケイ酸塩と有機適合剤２５を単一化合物２１に結合し、材料を熱的に安定させまた高親有機性にする有機修飾層形成アルミノケイ酸塩２３（ＯＲＭＬＡＳ）の革新的な使用を提供する。この２機能化合物は次いでポリアミド（ナイロンＴｍ１２０℃）、ポリエーテルイミド（Ｕｌｔｅｍ（Ｒ）、Ｔｇ２１５℃）、ポリイミド（Ｔｇ＞２７５℃）およびポリアリレンエーテル（Ｔｇ＞２２５−３５０℃）などの構造基質レジンの受容体と混合される。これらのアプローチはいずれも溶融法、同じく無溶媒直接溶融差し込み法の両方を経由する処理加工を提供する。更に有機基の無機Ｓｉ原子への結合がＳｉ−Ｃ結合を経るものであるため、ＯＲＭＬＡＳは優れた熱安定性を示す。高温構造ポリマーのＯＲＭＬＡＳ層形成ケイ酸塩の製造は、高熱ひずみ温度、優れた衝撃抵抗およびすぐれた機械特性などの物性の魅力的な組み合わせを提供する。
【００１３】
本発明はアルキルアンモニウムを界面活性剤として使用するこれまでの層形状ケイ酸塩ナノ複合材と比べて傑出した特性を持つ高温使用軽量ポリマー／無機ナノ複合材を提出する。対照標本の物性のデータベースは（陽イオン交換を経て）アルキルアンモニウム界面活性剤を含むモンモリロナイトを持つ数多くの商品ポリマー（例えばポリスチレン、ナイロン、修飾ポリエーテルイミド、ポリエチレンオキサイド）の混合物から作られるナノ複合材で確立されている。
【００１４】
優れたポリマー／層形成ケイ酸塩ナノ複合材は、有機ホスホニウム界面活性剤、例えば直接ポリマー溶融差し込み法を経て（陽イオン交換を通じる）テトラフェニルホスホニウム（ＴＰＰ）を含むモンモリロナイトを持つポリエーテルイミド（ＰＥＩ）レジンの混合物を用いて製造される。
【００１５】
優れたナノ複合材はポリエーテルイミドおよび熱可塑性ポリイミド（ＰＩ）有機修飾層形成アルミノケイ酸塩（ＯＲＭＬＡＳ）により製造される。Ｓｉ−Ｃ結合を経る有機界面活性基の構造Ｓｉ原子へ直接結合は高められた熱安定性を持つ「組込み」界面活性剤を提供し、また有機基を通じて無機有機界面の容易な仕立てを可能にさせる。
【００１６】
製造されたナノ複合材の界面、熱的、機械的および物理的特性がもっとも有望なナノ複合材を最適化するために評価される。
【００１７】
これらのナノ複合材はポリマー層形成ケイ酸塩界面での望ましい相互作用を創出することで設計される。これは無機補強相の化学反応を有機ポリマー基質にもっと適合させることで、すなわち層形成ケイ酸塩面を親有機性にすることにより達成される。通常親水性ケイ酸塩面は有機陽イオンを持つケイ酸塩構造の中間層空間でゆるく保持された陽イオンのイオン交換反応後に親有機性にされる。ポリマー層形成ケイ酸塩ナノ複合材は各種の商品ポリマーシステムのために合成された。非充填および従来型充填ポリマーに対応するものよりもずっと優れた物性のナノ複合材がこうして得られる。改良された物性、たやすい製造可能性と低コストのユニークな組合せはこれらの材料の商業的用途への途方もなく大きい可能性を提供する。
【００１８】
図３で図形で示されるポリマー／無機ナノ複合材３１の合成創出は層２３の間でポリマー３３、鎖３５を適応させ差し込みハイブリッド３７を創出する層形成無機ケイ酸塩２３の能力を利用する。層間剥離ハイブリッド３９は個別層２３を連続ポリマー基質４１に分散させて創出される。図３は層形成ケイ酸塩２３を用いて得られるポリマー／無機ナノ複合材を構造３７，３９の図形表示３１を示す。ナノ複合材３７はケイ酸塩層２３の間に差し込まれた単一ポリマー鎖を持つ。ナノ複合材３９では、受容者ケイ酸塩２３は層間剥離され、連続ポリマー基質４１に分散される。
【００１９】
この合成設計はこれらの層形成ケイ酸塩２３のイオン交換能力を利用し、これは望ましい有機無機界面を創出するように、その表面化学的性質を微調整できるようにする。
【００２０】
これらのナノ複合材の合成での層形成ケイ酸塩の利点は、そのユニークな結晶構造から生じる。これら層形成ケイ酸塩材料３１は微粒子状にされ、「板状」晶癖のある結晶構造を持つ。この構造は２：１層形成または無機ケイ酸塩の科に共通であり、そのよく知られた例はマイカおよびタルクである。この構造は水酸化アルミニウムまたは水酸化マグネシウムの縁部共有八面体に融合されたＳｉＯ４四面体より成る。層の重畳は各層、すなわち中間層またはギャラリーの間の通常のファンデルワールスギャップに導く。陽イオンの同形置換は共通である（例えば四面体網状組織でＳｉチャンネルのＡｌ３＋またはＦｅ３＋）。これは構造に対して正味の負電荷に導き、これは一般に中間層空間に存在する陽イオンにより平衡にされる。これらの陽イオンは多かれ少なかれ容易に交換され、材料の陽イオン交換能力として生じる。
【００２１】
これらの中間層陽イオンは、例えば初期の層形成ケイ酸塩のＮａ＋またはＫ＋である。ポリマー／無機ナノ複合材の合成にとって、親有機性表面化学反応は有機ポリマー基質との望ましい相互作用を創出するためには望ましいことである。従って、これらの無機陽イオンは各種の有機陽イオン、例えばアルキルアンモニウム陽イオンと交換される。親水性ケイ酸塩面はかくして親有機性を与えられる。これらの界面活性剤は典型的にはアルキルアンモニウム化合物、例えばジメチルジタロー臭化アンモニウムである。一つの実施例は、層形成ケイ酸塩であるＮａ＋−モンモリロナイトでの陽イオン交換のためにジメチルジタロー臭化アンモニウムを使用することである。このようなイオン交換「有機」ケイ酸塩クレーは商業利用可能である。ここに有機官能基の創出を経由してこれらのポリマー／無機ナノ複合材の界面化学反応を仕立てる機会が存在する。ナノ複合材の物性は界面化学設計を通して最適化することができる。
【００２２】
層形成ケイ酸塩ナノ複合材の合成は適切なモノマーの差し込み次いで原位置での重合を伴う。選択肢として、ポリマー差し込みは溶液から行われる。これらの技術は大抵の技術上重要なポリマーの場合で用途を制限する。何故なら、適切なモノマーと適応可能ポリマー−ケイ酸塩溶媒システムがいつも利用できるとは限らないからである。合成できるナノ複合材システムは直接ポリマー溶融差し込みと名付けられたより変化に富み、環境にやさしい合成法の導入によりかなり拡大される。このアプローチでは、ポリマーとケイ酸塩が混合され、混合物はポリマーの軟化点以上に加熱される。この技術はより広い範囲のポリマー／無機ナノ複合材の合成を可能にする。極性と結晶度の度合の変化するポリマーが直接有機修飾層形成ケイ酸塩に差し込まれる。直接ポリマー溶融差し込みを使用するポリマーの例は、ポリスチレン、ポリ（ジメチルシロキサン）、ポリ（フッ化ビニリデン）、ポリ（ε−カプロラクトン）、および（ポリエチレンオキサイド）を含む。
【００２３】
ケイ酸塩層の層間剥離はまた「ポリマー溶融差し込み」を通じてナノ複合材合成の間に達成することができる。その１例はＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）内で室温でジタローアンモニウム交換モンモリロナイトを懸濁して２分超音波処理により達成された個別ケイ酸塩層の層間剥離である。
【００２４】
これらナノ複合材の利点およびもっとも興味深い物性は図４でのデータで見ることができる。ナイロン６の物性での著しい向上はナイロン６基質で重量で４％の層形成ケイ酸塩を含むナノ複合材を形成する結果として得られる。
【００２５】
図４で示されるデータは、引張り強度と引張り係数が衝撃エネルギーを何ら弱めることなく高められることを示している。衝撃エネルギーの損失は従来の充填ポリマーの場合にそのような増強に際して通常は立証される。加熱いずみ温度の著しい増加（すなわち６５℃から１４５℃への上昇）は自動車のボンネット下部構造部品へのナイロンの使用温度を延長される。水吸着の減少は機械的特性の改良につながる。
【００２６】
耐熱性と熱安定化の著しい増加がこれらのナノ複合材で得られる。ポリジメチルシロキサン層形成ケイ酸塩ナノ複合材は、揮発性環式オリゴマーに分解する純粋なポリマーのそれと比べて熱分解を遅らせる。これらナノ複合材料の改良された障壁性能がナノ複合材を通じる液および気体の相対的透過性の測定を通じて示される。透過性の劇的な減少がより高い充填容量を持つ従来型充填ポリマーと比べて低無機質容量で得られる。ケイ酸塩層の大型縦横比はケイ酸塩層の周りのポリマー基質で溶質をよりねじられた経路を通行するようにさせる。これはより大きな効果を持つ分散距離となってあらわれ、従って、低い透過性を産む。ナノ複合材の熱安定性の向上は更に揮発性分解産物の分散の遅滞となって現れる。これらの材料の自己消化性特性はケイ酸塩層により与えられる障壁性能に関連する。
【００２７】
低無機質負荷でより優れた性能を得る鍵は、ポリマーでの無機質相の均質なナノスケール分散であり、また有機無機界面での望ましい相互作用の創出である。望ましい界面化学反応はナノメートル水準で分散される有機相および無機層に導く。新しい複合材の優れた物性は低無機質負荷で得られる。低無機質容量の使用は著しい利点に導く。高い度合の剛性、強度および障壁性能は比較できるガラス補強または鉱物補強ポリマーよりもはるかに少ない無機質容量で得られる。従って、重量のかなり節約も図れる。
【００２８】
これらの材料のいくつかの商業的利用は、例えばナイロン層形成自動タイミングベルトカバーである。他の用途は航空機内装品、燃料タンク、電気電子部品の成分、自動車ボンネット下部構造部品、ブレーキおよびタイヤを含む。ナノ複合材障壁フィルムの用途は食品包装用であり、他の用途でも利用できる。
【００２９】
ナノ複合材が低無機質負荷で物性の著しい向上を産み出すという事実は更に製造がし易くコストの利益を図れることを提供する。それは通常純粋なポリマーに使用される単一の製造技術（すなわち押出し成型、射出成型および鋳型）の使用を可能とする。従ってナノ複合材はより費用のかかる製造方法を必要とするより在来型の繊維および鉱物補強複合材にくらべて安価に製造することができる。これは更にその商業的魅力の理由を提供する。
【００３０】
商品用ポリマーは１２５℃以下の使用温度を提供する。ロケットおよび航空用の基礎構造用途はより高い約１７５℃および２６０℃の長期試用温度を必要とする。
【００３１】
従来型のナノ複合材システムの熱安定性は界面で望ましい相互作用を創出するために使用される界面活性剤の熱不安定性の故で限定される。これらの界面活性剤は典型的にはアルキルアンモニウム化合物である。一つの側はＮａ＋−モンモリロナイト、層形成クレーとのイオン変換へのジメチルジタロー臭化アンモニウムの使用である。ナノ複合材システムの熱安定性は、従ってアルキルアンモニウム化合物の熱安定性により制限される。これらの界面活性剤分子の分解、および従って有機無機界面の分解は約１００−１１０℃の温度で開始する。
【００３２】
本発明はより熱安定性である界面活性剤を提供し、それは無機質相の分散を最適化しまた望ましい相互作用の創出を通じて有機無機界面での適応性を高める。本発明は従ってナノ複合材の使用温度を高める。一部は現在使用されているアルキルアンモニウム化合物よりもより熱安定性界面活性剤を使用することによりナノ複合体システムの使用温度を高める。
【００３３】
本発明の第１部は層形成ケイ酸塩補強材を用いて陽イオン交換を実行するために（１９０℃―２００℃の範囲の熱安定性で）テトラフェニルホスホニウム化合物を提供する。テトラフェニルホスホニウムは、図２で示されるように正味陽電荷を持つ反応性塩である。この塩はそれ自身を酸化表面から付着し、かくして表面を親有機性にする無機層の表面でそれ自身直接溶融差し込みに委ねられる。テトラフェニルホスホニウムが２００℃以上でも熱安定性を持つ高温有機成分であるため、本発明の第１部は１７５℃−２００℃の長期使用温度の要求を満足するナノ複合材を提供する。
【００３４】
本発明の第２部はナノ複合材の使用温度を２５０℃以上にまで延ばす。これは層形成ケイ酸塩と有機界面活性剤／適合剤とを第一化合物内で組合せる有機修飾層形成アルミノケイ酸塩（ＯＲＭＬＡＳ）の革新的な使用に基づいている。有機界面活性基は熱安定性Ｓｉ−Ｃ結合を通じて構造Ｓｉ原子に結合される。全システムの熱安定性は従って大きく向上する。従ってこれらの材料は、化学構造に「組込まれた」著しくより熱安定性の界面活性剤を持つユニークな無機層形成ケイ酸塩補強材を提供する。これらの材料は構造基質レジン、例えばポリアミド（ナイロンＴｍ１２０℃）とポリエーテルイミド（Ｕｌｔｅｍ　Ｔｇ　２１５℃）、ポリイミド（Ｔｇ＞２７５℃）およびポリアリレンエーテル（ＰＡＥ、Ｔｍ３２５＞３５０℃）などの構造基質レジンの受容体に混和できる。
【００３５】
これらのＯＲＭＬＡＳ材料はゾル−ゲル法を用いて合成され、ここで有機基は有機修飾シリコンアルコキシド、すなわちＳｉ−ＣｘＨｘ結合を含む前駆体の使用を通じて分子構造に取り込まれる。有機官能性は従ってＳｉ−Ｃ結合により構造Ｓｉ原子に直接結合される。有機修飾アルミノケイ酸塩は有機修飾シリコンアルコキシドと塩化アルミニウムの溶液との混合物を使用して合成されるであろう。標準的アプローチは、塩化アルミニウムのアルコール溶液を有機官能基化アルコキシシランのアルコール溶液とを混合する。有機官能基化トリアルコキシシラン、例えばアルキルトリエトキシシランはＳｉ−Ｃ結合を通じて直接結合されたアルキル有機基を提供する。混合物は次いで苛性ソーダの添加によりより適切なｐＨ条件下でゲルを形成するために濃縮（架橋結合）される。このゲルは熟成され、濾過され、蒸留水で洗浄され、次いで真空乾燥される。この手順は安定した層形成親有機性化合物を産出する。生成物質は粉体として溶解され、乾燥されまた適当な粒子径に破砕されるか、あるいは各種形状および形態に成型される。この場合ＯＲＭＬＡＳは粉体として溶解されるか破砕され、直接溶融差し込みのためのポリマー基質へ取り込むように適切な大きさの粒子に分類される。これらＯＲＭＬＡＳ化合物のユニークな特徴は、それが各種ポリマーレジンの存在下で層間剥離するよう特に操作され、かくして無機質層のポリマー基質への分散を促進する。この変化に富み革新的な新しい特性が２５０℃以上での温度での長期使用に拡大する使用温度範囲の必要性を満足させるであろう。
【００３６】
熱安定性の向上に加えて、組込み界面活性剤を持つ合成有機修飾層形成ケイ酸塩（ＯＲＭＬＡＳ）の使用は、食品包装材料としてのナノ複合材の適用を制限する有毒なアルキルアンモニウム界面活性剤を排除する。イオン変換の排除もまた処理加工費を低下させる。従ってこの技術はリサイクルできない多層プラスチック食品包装材料に代替する優れたガス障壁性能を持つリサイクル可能でコストのより低減された食品包装材料を産出する。
【００３７】
本発明は特異的な実施例を引用してこれまで記載されてきた一方、本発明の修飾および変化は本発明の範囲から逸脱することなく構築されることができ、その範囲は前記の請求項に定義されたものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】高温、高性能有機／無機ナノ複合材を示す図
【図２】望ましいテトラフェニルホスホニウム界面活性剤の化学構造を示す図
【図３】ポリマー層形成ケイ酸塩ナノ複合材構造の図形を示す図
【図４】ナイロン６と層形成ケイ酸塩ナイロンナノ複合材の物性の表を提示する図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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