碳强化的增强纤维在含水或非水介质内的分散的制作方法
【专利说明】碳强化的増强纤维在含水或非水介质内的分散
[0001] 本申请要求2012年9月4日提交的美国临时申请No. 61/696,500和2012年12 月5日提交的美国临时申请No. 61/733, 672的优先权，它们在本文中通过参考全文引入。
技术领域
[0002] 本发明的一般概念一般地涉及碳纳米结构（CNSs)和碳强化的增强（CER)纤维，和 更特别地，在含水或非水介质内CNSs或CER纤维的控制分散。本发明的一般概念特别地涉 及CNSs或CER纤维在含水或非水介质内的控制分散以供形成非织造的CNS或短切的CER 纤维垫。还提供CNSs或CER纤维在含水或非水介质内的分散方法。
【背景技术】
[0003] 碳纳米结构（CNSs)包括碳纳米材料，例如碳纳米管，它例如具有使得它们定位于 宽泛范围的可能应用的独特性能。CNSs是与石墨圆柱体的富勒烯有关的结构，它具有提 供高的机械性能，亦即拉伸强度和弹性模量，优良的导热率和导电率，和高的长径比的独 特原子结构。一组CNSs是碳纳米管（"CNTs")，它通常是未支化的且可包括单壁碳纳米管 (SWCNTs)，双壁碳纳米管（DWCNTs)，和多壁碳纳米管（MWCNTs)。
[0004] CNSs的独特结构和性能造成它们可用于各种应用，其中包括发现在机动车应用， 航空应用，电池应用，热管理应用，电磁干涉（EMI)屏蔽应用和许多其他应用中使用的导电 聚合物复合材料。
[0005] CNSs显示出强的范德华力，它吸引单独的CNSs到彼此上，从而引起CNSs聚集成纤 维束，聚集体或成组，使得CNSs难以分散。因此，本领域需要改进并控制在介质内分散CNSs 和CER纤维的方法。例如，期望控制CER纤维的分散，以提供具有最大的结构、热和电性能 的非织造的短切CER纤维垫。
【发明内容】
[0006] 本发明的一般概念包括在含水或非水介质内控制CNSs或碳强化的增强（"CER") 纤维分散的方法。该方法包括掺入CNSs或短切的CER纤维到白水溶液内，所述白水溶液包 括一种或多种粘度改性剂，分散介质，粘合剂，杀生物剂，和消泡剂。
[0007] 在一些例举的实施方案中，CER纤维由在纤维上就地生长的多个碳纳米结构组成。 CNSs显示出强的范德华力，它吸引单独的CNSs到彼此上，引起CNSs聚集成纤维束，聚集体 或成组，使得CNSs难以分散。碳强化的增强（"CER")纤维辅助改进CNSs的分散。CER纤 维包括在纤维基底上就地生长，或者在其他情况下固定，粘附，粘合或附着到纤维基底上的 CNSs0
[0008] 开发了在纤维基底上使CNSs生长，或者在其他情况下，固定，粘附，粘合或在其他 情况下附着CNSs到纤维基底上，形成碳强化的增强（CER)纤维的各种方法。CNSs从纤维 基底向外以随机和结构缠结的方式径向生长，形成渗透（percolated)的网络，当它们生长 时。渗透是形成导电介质很好地连接的路径。在整个加工当中，CNSs可保持直接粘结到单 独的纤维基底上，使得纤维充当支架，辅助CNSs在分散介质当中分散。通过接枝或者在其 他情况下粘结或粘合单独的CNSs到纤维上，在纤维基底的表面上预分散CNSs。若CNSs没 有粘附到基底上，则CNSs的吸引力倾向于引起CNSs聚集。认为在基底上使CNSs生长，或 者在其他情况下，将CNSs束缚，接枝，粘结到基底上将辅助CER在介质内分散，并进而总体 形成渗透的网络。认为，在纤维基底上直接包括CNS倾向于降低CNSs聚集和团簇在一起的 倾向。尽管如此，但期望进一步改进和控制CER纤维的分散性。
[0009] 在一些例举的实施方案中，该方法进一步包括搅拌白水溶液和CNSs或CER纤维， 形成彻底分散的CNS或CER浆液。
[0010] 在一些例举的实施方案中，白水溶液包括含水，矿物油和/或己烷的分散介质。在 一些例举的实施方案中，白水溶液包括表面活性剂包（package)，所述表面活性剂包可包括 一种或多种非离子或离子表面活性剂。
[0011] 在一些例举的实施方案中，该方法进一步包括给白水溶液充气。在其他的例举实 施方案中，官能化在CER纤维上的游离CNSs或CNSs。
[0012] 在一些例举的实施方案中，通过以上所述的例举方法，形成非织造的CNS或短切 的CER垫。
[0013] 本发明的一般概念包括形成非织造的短切CER垫的方法。在一些例举的实施方案 中，该方法包括添加短切的CER纤维到在混合罐中包含的白水溶液内。然后在白水溶液中 搅拌该CER纤维，生成彻底分散的CER纤维浆液。可使该浆液流入到第二混合罐内，在此再 次搅拌该浆液。然后使该浆液流动到多孔传送带体系上，形成CER纤维网。施加粘合剂到 纤维网上，并干燥该纤维网，形成非织造的短切CER垫。
[0014] 在一些例举的实施方案中，白水溶液包括含水，矿物油和/或己烷的分散介质。在 一些实施方案中，白水溶液进一步包括表面活性剂包，所述表面活性剂包可包括一种或多 种非离子或离子表面活性剂。
[0015] 在一些例举的实施方案中，通过给白水溶液充气，实现CER纤维的分散。在一些例 举的实施方案中，通过官能化在CER纤维上的游离CNSs或CNSs，实现CER纤维的分散。
[0016] 本发明的一般概念进一步包括形成CNS非织造垫的方法，该方法包括形成在纤维 基底上排列的含多个CNSs的一根或多根CER纤维，使一根或多根CER纤维穿过在混合罐内 包含的白水溶液，用所述白水溶液涂布CER纤维，和使白水溶液涂布的CER纤维穿过窄的小 孔，在白水溶液内剪断（shear off) -个或多个CNSs。然后通过除去白水溶液，形成CNS纤 维网并固化所述CNS纤维网，形成非织造 CNS垫，在筛网上沉积CNSs。
[0017] 本发明的一般概念进一步包括形成CNS非织造垫的方法，该方法包括形成在纤维 基底上排列的含多个CNSs的一个或多个CER纤维，使CER纤维穿过窄的小孔，在混合罐内 包含的白水溶液中剪断一个或多个CNSs。然后从CNS浆液中除去该白水溶液，形成CNS网 状物，然后固化该CNS网状物，形成非织造的CNS垫。
[0018] 根据随后的详细说明的考虑，本发明的一般概念的前述和其他目的，特征和优点 将更加容易地显现。
【附图说明】
[0019] 图I (a)-(b)阐述了在玻璃纤维表面上生长的例举的碳纳米结构（CNSs)。
[0020] 图2 (a)-(b)阐述了在纤维表面基底上CNSs的直接生长。
[0021] 图3阐述了形成非织造 CER垫的例举方法。
[0022] 图4阐述了形成非织造 CNS垫的例举方法。
[0023] 图5阐述了形成非织造 CNS垫的第二例举方法。
[0024] 图6 (a)阐述了含CER纤维浆液的例举烧杯。
[0025] 图6 (b)阐述了在纸抹布（paper wipe)上倾倒的图6 (a)的CER纤维衆液。
[0026] 图7(a)阐述了在纸抹布上倾倒的含CER纤维，水，和Surfynol? 465的CER纤 维浆液。
[0027] 图7(b)阐述了在纸抹布上倾倒的含CER纤维，水，和Triton? X-100的CER纤 维浆液。
[0028] 图7 (c)阐述了在纸抹布上倾倒的含CER纤维，水，和己烷的CER纤维浆液。
[0029] 图7 (d)阐述了在纸抹布上倾倒的含CER纤维，水，和矿物油的CER纤维浆液。
[0030] 图8(a)阐述了根据实施例2的方法，由含5.6gCER，水和TetΓOnic?90R4A的 浆液形成的CER纤维网。
[0031] 图8(b)阐述了根据实施例2的方法，由含3. 5g CER，水和Tetronic? 90R4A的 浆液形成的CER纤维网。
[0032] 图8(c)阐述了根据实施例2的方法，由含3g CER，水和Surfynol? 465的浆 液形成的CER纤维网。
[0033] 图8(d)阐述了根据实施例2的方法，由含0· 6g CER，水和Surfynol? 465的 浆液形成的CER纤维网。
[0034] 图8(e)阐述了根据实施例2的方法，由含lgCER，水和PlurOilic? 10R5的浆 液形成的CER纤维网。
[0035] 图8(f)阐述了根据实施例2的方法，由含3. 5g CER，水和Tri ton? X-100的浆 液形成的CER纤维网。
[0036] 图9阐述了例举的非织造 CNS垫；
[0037] 图10阐述了在图9中阐述的例举的非织造 CNS垫的EMI导电率和电阻率。
【具体实施方式】
[0038] 尽管本文描述了各种例举的方法和材料，但通过本发明的一般概念，涵盖与本文 描述的那些类似或相当的其他方法与材料。
[0039] 除非另外说明，在本文中所使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领 域的普通技术人员通常理解的相同含义。关于这一点，除非另有说明，在这一文献中给出的 成分浓度是指与常规的实践一致地，在母料或浓缩物内这些成分的浓度。
[0040] 本文中所使用的术语"施胶