碳強(qiáng)化的增強(qiáng)纖維在含水或非水介質(zhì)內(nèi)的分散的制作方法
【專利說明】碳強(qiáng)化的増強(qiáng)纖維在含水或非水介質(zhì)內(nèi)的分散
[0001] 本申請要求2012年9月4日提交的美國臨時申請No. 61/696,500和2012年12 月5日提交的美國臨時申請No. 61/733, 672的優(yōu)先權(quán)，它們在本文中通過參考全文引入。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明的一般概念一般地涉及碳納米結(jié)構(gòu)（CNSs)和碳強(qiáng)化的增強(qiáng)（CER)纖維，和 更特別地，在含水或非水介質(zhì)內(nèi)CNSs或CER纖維的控制分散。本發(fā)明的一般概念特別地涉 及CNSs或CER纖維在含水或非水介質(zhì)內(nèi)的控制分散以供形成非織造的CNS或短切的CER 纖維墊。還提供CNSs或CER纖維在含水或非水介質(zhì)內(nèi)的分散方法。
【背景技術(shù)】
[0003] 碳納米結(jié)構(gòu)（CNSs)包括碳納米材料，例如碳納米管，它例如具有使得它們定位于 寬泛范圍的可能應(yīng)用的獨(dú)特性能。CNSs是與石墨圓柱體的富勒烯有關(guān)的結(jié)構(gòu)，它具有提 供高的機(jī)械性能，亦即拉伸強(qiáng)度和彈性模量，優(yōu)良的導(dǎo)熱率和導(dǎo)電率，和高的長徑比的獨(dú) 特原子結(jié)構(gòu)。一組CNSs是碳納米管（"CNTs")，它通常是未支化的且可包括單壁碳納米管 (SWCNTs)，雙壁碳納米管（DWCNTs)，和多壁碳納米管（MWCNTs)。
[0004] CNSs的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和性能造成它們可用于各種應(yīng)用，其中包括發(fā)現(xiàn)在機(jī)動車應(yīng)用， 航空應(yīng)用，電池應(yīng)用，熱管理應(yīng)用，電磁干涉（EMI)屏蔽應(yīng)用和許多其他應(yīng)用中使用的導(dǎo)電 聚合物復(fù)合材料。
[0005] CNSs顯示出強(qiáng)的范德華力，它吸引單獨(dú)的CNSs到彼此上，從而引起CNSs聚集成纖 維束，聚集體或成組，使得CNSs難以分散。因此，本領(lǐng)域需要改進(jìn)并控制在介質(zhì)內(nèi)分散CNSs 和CER纖維的方法。例如，期望控制CER纖維的分散，以提供具有最大的結(jié)構(gòu)、熱和電性能 的非織造的短切CER纖維墊。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的一般概念包括在含水或非水介質(zhì)內(nèi)控制CNSs或碳強(qiáng)化的增強(qiáng)（"CER") 纖維分散的方法。該方法包括摻入CNSs或短切的CER纖維到白水溶液內(nèi)，所述白水溶液包 括一種或多種粘度改性劑，分散介質(zhì)，粘合劑，殺生物劑，和消泡劑。
[0007] 在一些例舉的實(shí)施方案中，CER纖維由在纖維上就地生長的多個碳納米結(jié)構(gòu)組成。 CNSs顯示出強(qiáng)的范德華力，它吸引單獨(dú)的CNSs到彼此上，引起CNSs聚集成纖維束，聚集體 或成組，使得CNSs難以分散。碳強(qiáng)化的增強(qiáng)（"CER")纖維輔助改進(jìn)CNSs的分散。CER纖 維包括在纖維基底上就地生長，或者在其他情況下固定，粘附，粘合或附著到纖維基底上的 CNSs0
[0008] 開發(fā)了在纖維基底上使CNSs生長，或者在其他情況下，固定，粘附，粘合或在其他 情況下附著CNSs到纖維基底上，形成碳強(qiáng)化的增強(qiáng)（CER)纖維的各種方法。CNSs從纖維 基底向外以隨機(jī)和結(jié)構(gòu)纏結(jié)的方式徑向生長，形成滲透（percolated)的網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)它們生長 時。滲透是形成導(dǎo)電介質(zhì)很好地連接的路徑。在整個加工當(dāng)中，CNSs可保持直接粘結(jié)到單 獨(dú)的纖維基底上，使得纖維充當(dāng)支架，輔助CNSs在分散介質(zhì)當(dāng)中分散。通過接枝或者在其 他情況下粘結(jié)或粘合單獨(dú)的CNSs到纖維上，在纖維基底的表面上預(yù)分散CNSs。若CNSs沒 有粘附到基底上，則CNSs的吸引力傾向于引起CNSs聚集。認(rèn)為在基底上使CNSs生長，或 者在其他情況下，將CNSs束縛，接枝，粘結(jié)到基底上將輔助CER在介質(zhì)內(nèi)分散，并進(jìn)而總體 形成滲透的網(wǎng)絡(luò)。認(rèn)為，在纖維基底上直接包括CNS傾向于降低CNSs聚集和團(tuán)簇在一起的 傾向。盡管如此，但期望進(jìn)一步改進(jìn)和控制CER纖維的分散性。
[0009] 在一些例舉的實(shí)施方案中，該方法進(jìn)一步包括攪拌白水溶液和CNSs或CER纖維， 形成徹底分散的CNS或CER漿液。
[0010] 在一些例舉的實(shí)施方案中，白水溶液包括含水，礦物油和/或己烷的分散介質(zhì)。在 一些例舉的實(shí)施方案中，白水溶液包括表面活性劑包（package)，所述表面活性劑包可包括 一種或多種非離子或離子表面活性劑。
[0011] 在一些例舉的實(shí)施方案中，該方法進(jìn)一步包括給白水溶液充氣。在其他的例舉實(shí) 施方案中，官能化在CER纖維上的游離CNSs或CNSs。
[0012] 在一些例舉的實(shí)施方案中，通過以上所述的例舉方法，形成非織造的CNS或短切 的CER墊。
[0013] 本發(fā)明的一般概念包括形成非織造的短切CER墊的方法。在一些例舉的實(shí)施方案 中，該方法包括添加短切的CER纖維到在混合罐中包含的白水溶液內(nèi)。然后在白水溶液中 攪拌該CER纖維，生成徹底分散的CER纖維漿液?？墒乖摑{液流入到第二混合罐內(nèi)，在此再 次攪拌該漿液。然后使該漿液流動到多孔傳送帶體系上，形成CER纖維網(wǎng)。施加粘合劑到 纖維網(wǎng)上，并干燥該纖維網(wǎng)，形成非織造的短切CER墊。
[0014] 在一些例舉的實(shí)施方案中，白水溶液包括含水，礦物油和/或己烷的分散介質(zhì)。在 一些實(shí)施方案中，白水溶液進(jìn)一步包括表面活性劑包，所述表面活性劑包可包括一種或多 種非離子或離子表面活性劑。
[0015] 在一些例舉的實(shí)施方案中，通過給白水溶液充氣，實(shí)現(xiàn)CER纖維的分散。在一些例 舉的實(shí)施方案中，通過官能化在CER纖維上的游離CNSs或CNSs，實(shí)現(xiàn)CER纖維的分散。
[0016] 本發(fā)明的一般概念進(jìn)一步包括形成CNS非織造墊的方法，該方法包括形成在纖維 基底上排列的含多個CNSs的一根或多根CER纖維，使一根或多根CER纖維穿過在混合罐內(nèi) 包含的白水溶液，用所述白水溶液涂布CER纖維，和使白水溶液涂布的CER纖維穿過窄的小 孔，在白水溶液內(nèi)剪斷（shear off) -個或多個CNSs。然后通過除去白水溶液，形成CNS纖 維網(wǎng)并固化所述CNS纖維網(wǎng)，形成非織造 CNS墊，在篩網(wǎng)上沉積CNSs。
[0017] 本發(fā)明的一般概念進(jìn)一步包括形成CNS非織造墊的方法，該方法包括形成在纖維 基底上排列的含多個CNSs的一個或多個CER纖維，使CER纖維穿過窄的小孔，在混合罐內(nèi) 包含的白水溶液中剪斷一個或多個CNSs。然后從CNS漿液中除去該白水溶液，形成CNS網(wǎng) 狀物，然后固化該CNS網(wǎng)狀物，形成非織造的CNS墊。
[0018] 根據(jù)隨后的詳細(xì)說明的考慮，本發(fā)明的一般概念的前述和其他目的，特征和優(yōu)點(diǎn) 將更加容易地顯現(xiàn)。
【附圖說明】
[0019] 圖I (a)-(b)闡述了在玻璃纖維表面上生長的例舉的碳納米結(jié)構(gòu)（CNSs)。
[0020] 圖2 (a)-(b)闡述了在纖維表面基底上CNSs的直接生長。
[0021] 圖3闡述了形成非織造 CER墊的例舉方法。
[0022] 圖4闡述了形成非織造 CNS墊的例舉方法。
[0023] 圖5闡述了形成非織造 CNS墊的第二例舉方法。
[0024] 圖6 (a)闡述了含CER纖維漿液的例舉燒杯。
[0025] 圖6 (b)闡述了在紙抹布（paper wipe)上傾倒的圖6 (a)的CER纖維衆(zhòng)液。
[0026] 圖7(a)闡述了在紙抹布上傾倒的含CER纖維，水，和Surfynol? 465的CER纖 維漿液。
[0027] 圖7(b)闡述了在紙抹布上傾倒的含CER纖維，水，和Triton? X-100的CER纖 維漿液。
[0028] 圖7 (c)闡述了在紙抹布上傾倒的含CER纖維，水，和己烷的CER纖維漿液。
[0029] 圖7 (d)闡述了在紙抹布上傾倒的含CER纖維，水，和礦物油的CER纖維漿液。
[0030] 圖8(a)闡述了根據(jù)實(shí)施例2的方法，由含5.6gCER，水和TetΓOnic?90R4A的 漿液形成的CER纖維網(wǎng)。
[0031] 圖8(b)闡述了根據(jù)實(shí)施例2的方法，由含3. 5g CER，水和Tetronic? 90R4A的 漿液形成的CER纖維網(wǎng)。
[0032] 圖8(c)闡述了根據(jù)實(shí)施例2的方法，由含3g CER，水和Surfynol? 465的漿 液形成的CER纖維網(wǎng)。
[0033] 圖8(d)闡述了根據(jù)實(shí)施例2的方法，由含0· 6g CER，水和Surfynol? 465的 漿液形成的CER纖維網(wǎng)。
[0034] 圖8(e)闡述了根據(jù)實(shí)施例2的方法，由含lgCER，水和PlurOilic? 10R5的漿 液形成的CER纖維網(wǎng)。
[0035] 圖8(f)闡述了根據(jù)實(shí)施例2的方法，由含3. 5g CER，水和Tri ton? X-100的漿 液形成的CER纖維網(wǎng)。
[0036] 圖9闡述了例舉的非織造 CNS墊；
[0037] 圖10闡述了在圖9中闡述的例舉的非織造 CNS墊的EMI導(dǎo)電率和電阻率。
【具體實(shí)施方式】
[0038] 盡管本文描述了各種例舉的方法和材料，但通過本發(fā)明的一般概念，涵蓋與本文 描述的那些類似或相當(dāng)?shù)钠渌椒ㄅc材料。
[0039] 除非另外說明，在本文中所使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng) 域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。關(guān)于這一點(diǎn)，除非另有說明，在這一文獻(xiàn)中給出的 成分濃度是指與常規(guī)的實(shí)踐一致地，在母料或濃縮物內(nèi)這些成分的濃度。
[0040] 本文中所使用的術(shù)語"施膠