JP2019527641A - カーボンナノチューブフィルム構造体およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
ポリマーマトリックス中にランダム配向分布で均一に配置された、カーボンナノチューブ(CNT)/ポリマーフィルムまたはCNTを含有するCNT/ポリマー複合構造体。CNTシートは、超音波を使用して混合された高分散CNT−ポリマー−溶媒懸濁液を、コーティングプロセスを用いてキャリア上に塗布し、乾燥させて、CNT/ポリマーフィルムを形成することによって製造される。CNTフィルムは、、電熱加熱、除氷、ワイヤおよびケーブルの遮蔽、熱伝導パッド、エネルギー貯蔵、熱放散、導電性複合材料、アンテナ、反射材、および落雷保護、EMP保護、指向性エネルギー保護、およびシート、ロール紙、テープなどのさまざまなフォームファクタでのEMIシールドなどの電磁環境効果(E3)に有用性を有するCNT複合材料積層体および構造体を製造するのに有用である。
Description
本発明は、一般にカーボンナノチューブに関し、より詳細にはカーボンナノチューブから材料および構造体を形成する方法に関する。
カーボンナノチューブの優れた機械的性質は、ナノチューブベースの高性能構造材料およびデバイス並びに多機能ナノ構造材料およびデバイスの開発において使用することができる。直径がナノメートルで長さが数ミクロン、長さが最大で数ミリメートルのカーボンナノチューブが製造されている。ファンデルワールス力によりナノチューブ間で強い相互作用が生じ、カーボンナノチューブから形成される材料及び構造体に良好なチューブ分散、良好なチューブ接触、及び高いチューブ充填量を必要とすることができる。
カーボンナノチューブは、非導電性ポリマーを導電性材料に変換する最良のナノ充填剤材料の1つとして実証されている。導電性粒子で充填されたポリマーの導電率は、パーコレーション現象の観点から議論されている。パーコレーションしきい値よりも低い低濃度では、電子は依然として導電性充填剤粒子間の絶縁性マトリックスを通って移動しなければならないので、導電性は絶縁性ポリマーマトリックスの導電性に非常に近いままである。パーコレーションしきい値と呼ばれる充填剤の臨界体積分率に達すると、導電率は数桁劇的に増加する。これは、巨視的サンプルにわたる三次元ネットワークを形成する充填材料の導電経路の形成と同時に起こる。電子は、今や主に充填剤に沿って移動し、ある充填剤から別の充填剤へと直接移動することができる。充填剤材料の量をさらに増やすと、複合材料またはフィルムの導電率、最大導電率が安定する。
ポリマー/カーボンナノチューブ複合材料に関して報告されているパーコレーションしきい値は、分散、アスペクト比、純度およびCNTの配列などのいくつかの要因によって強く影響されるので、かなりのばらつきがある。ナノチューブ間の強いファンデルワールス相互作用がナノチューブを一緒に束ねるため、分散はおそらく最も基本的な問題である。これらの相互作用は、ポリマー−ポリマー相互作用よりも著しく大きく、〜0.5eV/nmであることが見出された。CNTフィルムは、ナノチューブを溶媒(DFM、トルエン、MEKなどの有機溶媒、または水性とすることができる)中に分散させる多段階プロセスによって製造することができる。CNTの分散は超音波処理または高剪断混合を使用して行うことができる。ポリマー組成物は、好ましくは、ポリエチレン、ポリプロピレン、PET、PC、およびPVDFなどの熱可塑性物質、又はポリイミド、ポルウレタン、及びエポキシなどの熱硬化性物質、又はポリウレタンゴム及びシリコンゴムなどのフェノール性エラストマーを有する。
一般に、複合材料において効果的な補強を提供するためのナノチューブに対する主な要件は、良好な分散、界面応力伝達、大きなアスペクト比、および配向である。これらの技術では、最初に、場合により選択された有機溶媒を用いて、十分に分散されたナノチューブ懸濁液が調製され、高剪断混合および/または超音波処理を用いて混合される。その後、所望の重量パーセント(重量%)比でポリマーが添加される。CNTフィルムは、テフロン被覆ガラス繊維またはテフロン被覆ケブラーのような無孔質シート材料上に形成される。CNT−ポリマー懸濁液は、溶媒キャストコーティング法、ディップ法、およびスプレーコーティング法からなる群から選択される方法を使用して、乾燥するまで加熱された可撓性キャリア材料上に塗布することができる。溶媒を蒸発させた後、製造されたナノチューブフィルムは、キャリア材料から剥がすことができる。
導電性、熱伝導性、及び高性能ナノ複合材料などの多くの用途は、制御されたナノ構造(密度、多孔度、分散、配向及び量)を有するナノチューブをネットワーク又は膜(厚さ5〜200μm)に予備成形することによって行われる。これらの膜はまた、ナノチューブ材料及びその特性を、取り扱いが容易なようにマクロスケール材料に変換することを可能にする。濾過によって形成されたこれらのナノチューブネットワークは、文献においてバッキーペーパー(buckypaper)又はCNT不織布と呼ばれている。バッキーペーパーは、ナノチューブを懸濁液中に分散させ、生成した懸濁液を濾過する多段階プロセスによって製造される。製造したCNT不織布は、従来の表面ベール、炭素繊維、又はガラス材料と同様に容易に取り扱うことができる。これらのCNT不織布は多孔質であり、炭素繊維強化ポリマー(CFRP)複合材料への統合などの含浸を必要とする用途に役立つ。しかしながら、これらのCNT不織布は引張強度が低く、ワイヤ及びケーブル用のシールドテープのようないくつかの用途を制限する。また、CNT不織布の電気特性は、狭い程度にしか調整できない。CNT/ポリマー複合材料は、CNT不織布をはるかに超える電気的及び機械的な調整可能性の両方を可能にし、設計者により多くの設計の余地を与える。場合によっては、非常に高いアスペクト比のCNT(>2500)を使用すると、あるCNT装填量についてCNT不織布よりも導電率の増加が観察されている。
現在の不連続技術またはバッチ技術は、ナノチューブ−ポリマー懸濁液で基板をコーティングするか、または型に流し込むことによってのみCNT/ポリマーフィルムを製造することができる。寸法は金型サイズの基板サイズによって制限される。これらの技術では、ナノチューブ−ポリマー懸濁液を最初に、場合により選択された界面活性剤を用いて調製し、高剪断混合および/または超音波処理を用いて混合する。次いで、懸濁液をキャストするか又は基板をディップコーティングし、乾燥させて、CNT/ポリマーフィルムを形成する。
スロットダイコーティング、ナイフまたはブレードコーティング、グラビアコーティング、ロールコーティング、スライドコーティングなどの溶媒キャストフィルムを製造するために存在する既存の技術があり、ポリマーフィルムを製造するカーテンコーティング、押出し、ディップコーティング、及びスプレーコーティングなどの他の方法がある。例えば、NMP/PVDFフィルムを用いて電池電極が製造される。活性炭は、これらのポリマーフィルムに用いられて、ベース金属箔への導電体として作用する。活性炭は、剪断ミキサー、遊星ミキサー、および/または他の機械的ミキサーを用いてPVDF−溶媒スラリーに混合される。高アスペクト比のカーボンナノチューブ(>2500)および超高アスペクト比のCNT(100,000以上に近い)は、そのような方法を用いて適切に分散させることはできない。超音波処理は、ある液体中で高分散品質を達成するためにCNT束へ十分なエネルギーを導入するのに必要である。
それにもかかわらず、そのような構造に対する新たな技術的ニーズおよび市場のニーズを満たすために、工業的および商業的規模でCNTフィルムを製造する方法が依然として必要とされている。
カーボンナノチューブ−ポリマーフィルムおよび他のCNT複合構造体の連続製造のための方法および装置が本明細書において提供される。
本発明は、CNT−ポリマーフィルム構造体を形成する方法を含み、この方法は、キャリア材料上に、CNTとポリマーと溶媒との分散体を含むある体積の溶液をコーティングして、CNTの均一分散を有するCNT−ポリマー溶液の層を提供し、該コーティングしたCNT−ポリマー溶液を乾燥させて溶媒を除去し、CNTフィルムとする工程を含む。CNTは、単層CNT(SWCNT)または多層CNT(MWCNT)を含むことができる。SWCNTは少なくとも5ミクロンの中央長および少なくとも2,500:1のアスペクト比を有することができ、MWCNTは少なくとも50ミクロンの中央長および少なくとも2,500:1のアスペクト比を有することができる。
本発明は、カーボンナノチューブ−ポリマーフィルムを製造する方法を含み、該方法は、i)高出力超音波処理を用いてカーボンナノチューブ(CNT)およびポリマーを溶媒中に分散させる工程;ii)カーボンナノチューブ(CNT)の懸濁液を連続し、移動するキャリア材料(剥離ライナーとして機能することができる)上に塗布する工程;iii)塗布したCNT懸濁液から溶媒を蒸発させて、キャリア材料上にCNT/ポリマーフィルムを形成する工程;及びiv)場合により、得られたCNTシートをキャリア材料から除去する工程;を有する。
本発明は、連続複合CNT構造体を製造する連続方法をさらに含み、該方法は、i)カーボンナノチューブ(CNT)およびポリマーを溶媒中に高出力超音波処理を用いて分散させる工程;ii)カーボンナノチューブ(CNT)の懸濁液を連続し、移動する多孔質基板材料上に塗布する工程;iii)塗布したCNT懸濁液から溶媒を蒸発させて、キャリア材料上にCNT/ポリマー−基板複合体を形成する工程;及びiv)場合により、キャリア材料からCNTシートを除去する工程;を有する。
本発明はさらに、連続CNTシートを製造する連続方法を含み、該方法は、i)カーボンナノチューブ(CNT)およびポリマーを溶媒中に分散させる工程;ii)カーボンナノチューブ(CNT)の懸濁液を連続し、移動する多孔質基板材料上に塗布する工程;iii)塗布したCNT懸濁液から溶媒を蒸発させて、絡み合ったCNT−基板構造体を形成する工程;を有し、多孔質基板は、乾燥時に、CNT/ポリマー懸濁液によって完全にカプセル化されるのがよい。
本発明はまた、充填剤材料を含むカーボンナノチューブ(CNT)−ポリマーフィルムを製造する方法であって、i)充填剤材料の添加と共に、カーボンナノチューブ(CNT)およびポリマーを高出力超音波処理を用いて溶媒中に分散させ、CNT懸濁液を形成する工程;ii)CNT懸濁液を連続し、移動するキャリア材料(剥離ライナーとして機能することができる)上に塗布する工程;iii)塗布したCNT懸濁液から液体を蒸発させて、キャリア材料上に充填したCNT/ポリマーフィルム構造体を形成する工程;及びiv)場合により、充填したCNT/ポリマーフィルム構造体シートをキャリア材料から除去して、充填剤材料を有するCNT−ポリマーフィルムを形成する工程;を有する方法を含む。
公開日2016年2月4日の、参照により本明細書に組み入れられるPCT公報WO2016/019143(General Nano LLC)は、フィルタ材料上にCNT懸濁液を塗布し、フィルタ材料を通して分散液を引き出すことによってCNTシート構造体を提供するCNT構造体の製造を記載する。CNTシートは、多孔質基板および/またはキャリアシート上に形成することができ、積層体または複合層としてCNTシートと共に残ることができるか、又はCNT構造体の形成後にCNTシートから分離することができる。
本発明のある面において、連続するキャリア材料は、CNT懸濁液に対して本質的に非多孔質である連続するフィルム、シート、または布材料である。連続するキャリア材料は、CNTポリマーフィルムの製造および乾燥の間中およびそれに沿ってコーティングされたCNTポリマー懸濁液を引っ張るための安定かつ弾力性のある構造を提供する。連続するキャリア材料は、コーティング済み又は未コーティングの不織布、織布、またはポリマーフィルムを含むことができる。これには、テフロン(登録商標)としても知られるポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を含むがこれらに限定されない疎水性ポリマー、およびナイロンまたはPETとしても知られる脂肪族ポリアミドを含むがこれらに限定されない親水性ポリマーが含むことができる。他のキャリアには、銅、アルミニウム、およびステンレス鋼などの金属箔が含まれる。シリコン処理PETなどの表面処理を施したキャリアは、CNT−ポリマーフィルムの剥離を援助するのに選択することができる。
本発明のある面において、連続する多孔質基板材料は、連続する多孔質フィルム、シート、または布材料である。金属被覆織布または金属メッシュまたはエキスパンド箔またはスクリーン材料も多孔質基板材料として使用することができる。他の例示的なキャリアとしては、炭素繊維不織布、ポリエステル不織布、ポリエステル織布、ガラス繊維不織布、およびPEEK不織布が挙げられる。
CNT−ポリマー分散液を多孔質基板材料上にコーティングして、CNT−基板複合材料を形成することができる。
本発明の別の面において、複数のスプールまたはロービング(roving)からの金属ワイヤまたは繊維の連続ロールを、縦方向にキャリア材料の幅を横切って引っ張ることができる。次に、配向するか又は一方向の金属ワイヤ上にCNT−ポリマー分散液を被覆して、CNT−金属ワイヤ複合ロールストック材料を形成することができる。このプロセスは引き抜き成形プロセスに似ているが、樹脂の代わりにCNT分散液を使用して繊維をカプセル化する。引抜成形法の非限定的な例は、US特許出願公開US2011/0306718号およびUS特許第5,084,222号に開示され、それらの開示はその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本発明のさらなる面において、二次CNT−ポリマーフィルム層を、キャリア上の得られた乾燥CNTフィルムまたは構造体の上面に塗布することができる。二次層を用いて、一次コーターの限界を超えてCNTフィルムまたは構造体の厚さを増大させることができるか、又は機能的にそのような絶縁を第1のCNTフィルムまたは構造層に加えることができる。第3、第4、またはそれ以上のコーティングを所望の膜厚または機能的に設計された積層構造に施すことができる。例えば、積み重ねられたときに非常に高い電磁遮蔽特性を有する薄い構造体を提供する、導電性および非導電性フィルム層の交互の層。別の例は、交互にnドープされた半導体層とpドープされた半導体層とを有するフィルム構造体を構築する。
本発明の別の面において、乾燥したCNT−ポリマーフィルムまたはCNT−基板複合材料を金属化して、導電性をさらに向上させることができる。金属適用プロセスは、スパッタリング、物理蒸着、パルスレーザー蒸着、電子ビーム、化学蒸着、電気化学(電気メッキ)、および無電解コーティングからなる群から選択されるバッチ処理プロセスまたは連続プロセスとすることができる。
製造されたCNTフィルムは、約1.5以下の相対密度(水に対する)を有する。
製造されたCNT−ポリマー構造体の相対密度は、約1.0以下とすることができ、約0.8以下、約0.7以下、約0.6以下、約0.5以下、約0.4以下、および0.25以下などの約0.3以下とすることができる。
本発明のさらなる面において、CNT、またはCNTフィルムまたはそれから製造される構造体の物理的または機能的特性を改変するために、分散前にCNTを化学的に処理することができる。
本発明の別の面において、CNTを、有機酸または無機酸を含み、溶液pHが1.0未満である酸性溶液に浸漬することによって前処理することができる。酸の非限定的な例は硝酸である。あるいは、またはさらに、CNTフィルムを酸溶液で後処理して、フィルム表面を官能化または粗面化することができる。
本発明の別の面において、充填剤をCNT懸濁液に添加して、得られるCNTフィルムまたは構造体に機能性を付加することができる。これには、カーボンナノファイバー、グラフェン、ガラス繊維、炭素繊維、熱可塑性繊維、熱硬化性繊維、ガラスマイクロバブル、ガラス粉末、熱可塑性粉末、熱硬化性粉末、ニッケルナノワイヤ、ニッケルナノストランド、細断ニッケル被覆炭素繊維、セラミック粉末、セラミック繊維、またはそれらの混合物などの導電性および/または非導電性充填剤の添加が含まれる。例えば、ニッケルナノストランドを形成されたCNT構造体に添加して導電性および透過性を高めることができる。これらの特性はEMI遮蔽特性を増大させる可能性がある。他の例として、多葉型ポリイミド繊維をCNT不織布へ添加して炭素繊維複合材料系の機械特性を向上させ、該複合材料系に多機能性を加えることが挙げられる。
本発明の別の面において、CNT不織布構造体は、互いに積み重ねられているかまたは一緒に積層されている、明確に形成されたCNTシートを複数含むことができる。積み重ねられた層は充填剤または添加剤材料も含むことができる。充填剤材料の例として、カーボンナノファイバー、グラフェン、ガラス繊維、炭素繊維、熱可塑性繊維、熱硬化性繊維、ガラスマイクロバブル、ガラス粉末、熱可塑性粉末、熱硬化性粉末、ニッケルナノワイヤ、ニッケルナノストランド、またはそれらの混合物が挙げられる。例えば、グラフェンを含む溶液を、本明細書に記載の連続製造方法を使用して、予め形成されたCNT不織布層上に配置しそして結合することができる。
本明細書で使用されるとき、用語「有する(comprise)」、「有する(comprising)」、および「含む(including)」は、そうでないことが明示的に示されていない限り、開かれた非限定的な用語であることを意図する。
本明細書で使用されるとき、CNTの「自立型」シートまたは構造体は、バラバラになることなく、形成、またはキャリア材料からの分離、および取り扱いまたは操作が可能なものである。
材料の「連続する」シートは、材料の幅よりも桁違いに大きい長さを有する細長い材料、および材料のロールである。
本発明のCNT構造体を形成する方法は、導電性ポリマーフィルムの従来の方法および連続的で拡張可能な方法に対する改良である。CNT構造体を形成する方法は、溶媒中に高度に分散されたCNTの懸濁液を形成する工程または段階、ある体積のCNT懸濁液をコーティングしてキャリア材料上にCNT懸濁液の均一な湿潤層を設ける工程または段階、およびCNTから溶媒を乾燥する工程または段階を含み、CNTフィルムまたは構造体を形成する。
懸濁液の製造
連続長のCNTフィルム構造体を製造する際の第1の工程は、水および/または有機溶媒を含むことができる液体中にCNTの懸濁液を製造することを含む。場合により、ポリマー材料を懸濁液に添加することができる。液体はまた、前記液体中のCNTの分散および懸濁を改善および安定化するための1つまたは複数の化合物、およびこの方法によって製造されたCNT構造体の機能特性を改善する1つまたは複数の化合物を含むことができる。
連続長のCNTフィルム構造体を製造する際の第1の工程は、水および/または有機溶媒を含むことができる液体中にCNTの懸濁液を製造することを含む。場合により、ポリマー材料を懸濁液に添加することができる。液体はまた、前記液体中のCNTの分散および懸濁を改善および安定化するための1つまたは複数の化合物、およびこの方法によって製造されたCNT構造体の機能特性を改善する1つまたは複数の化合物を含むことができる。
水が規模において好ましい分散液であるが、他の非溶媒和液を使用してCNTを分散および処理することができる。本明細書で使用されるとき、用語「非溶媒和(non-solvating)」は、本質的にCNTと非反応性であり、CNTが本質的に不溶性である液体形態の化合物を指す。他の適切な非溶媒和液体の例には、アセトン、エタノール、メタノール、イソプロパノール、n-ヘキサン、エーテル、アセトニトリル、クロロホルム、DMF、THF(テトラヒドロフラン)、NMP(N-メチル-2-ピロリドン)、MEK(メチルエチルケトン)、DMAC、およびそれらの混合物からなる群から選択される揮発性有機液体が含まれる。溶媒を容易かつ迅速に除去することができ、結果として生じるCNT構造体の乾燥を容易にすることができるように、低沸点溶媒が典型的には好ましい。
分散液は、CNTおよび湿式(wet-laid)CNT構造体の形成、分散、湿式形成、または脱水を補助するために、1種または複数の界面活性剤(例えば、分散剤、凝集防止剤)を任意に含むことができる。例えば、BYK−9076(BYK Chem USA製)、トリトン(Triton)X−100、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム塩(NaDDBS)、およびSDSを使用することができる。
カーボンナノチューブは、乾燥したバルク形態で提供することができる。CNTは、典型的には、少なくとも約0.1mm(100ミクロン)、少なくとも約0.2mm、少なくとも約0.3mm、少なくとも約0.4mm、少なくとも約0.5mm、少なくとも約1mm、少なくとも約2mm、および少なくとも約5mmなどの少なくとも約0.05mm(50ミクロン)からなる群から選択される中央長を有する絡み合い可能なCNTを含むことができる。CNTは、絡み合い可能な単層ナノチューブ(SWNT)、および絡み合い可能な多層ナノチューブ(MWNT)と言うことができる。典型的なSWCNTは、約1〜2ナノメートルのチューブ直径を有する。典型的なMWCNTは、約5〜10ナノメートルのチューブ直径を有する。本発明において有用なMWCNTの例は、米国特許第8,753,602号(その開示はその全体が参考として援用される)に開示されるか又は記載されている方法によって製造されたものである。そのようなカーボンナノチューブは、長く垂直配向したCNTを含むことができ、General Nano LLC(Cincinnati、OH、USA)から市販されている。米国特許第8,137,653号(参照によりその全体が本明細書に組み込まれる)は、反応チャンバ内で、電気アーク放電によって部分溶融触媒電極を蒸発させ、蒸発した触媒蒸気を凝縮して触媒を含むナノ粒子を形成し、そしてナノ粒子の存在下でガス状炭化水素を分解して、触媒ナノ粒子の表面上にカーボンナノチューブを形成する工程を有する、カーボンナノチューブ、および実質的に単層CNTの製造方法を開示している。
図1は、CNTを含む溶液を製造する非限定的な方法を例示する。CNTの供給物(1)を適切な容器(4)中の溶液(5)に混合する。溶液は溶媒(2)およびポリマー材料(3)を含むことができる。CNTを適切なミキサー(6)を用いて溶液(5)中に分散させる。
水性液体中のCNT濃度は、少なくとも1mg/Lの懸濁液から最大約10g/Lであり、これは分散および懸濁を促進し、分散液中のCNTの凝集または凝結を最小限に抑える。本発明の様々な態様において、CNT濃度は少なくとも約500mg/L、少なくとも約700mg/L、最大約5g/L、最大約1g/L、最大約500mg/Lである。さらに、水性懸濁液は、約1重量%以下のCNT、約0.5重量%以下のCNT、約0.1重量%以下のCNT、約0.07重量%のCNT、約0.05重量%以下のCNT、および少なくとも約0.05重量%のCNTなどの少なくとも約0.01重量%のCNTからなる群から選択されるCNTレベルを有することができる。
一般に、CNTは、当技術分野で公知の1つまたは複数の撹拌または分散装置を使用して、混合条件下で、ある量の分散液に添加される。CNT懸濁液はバッチ法または連続法で製造することができる。ある態様において、水性液体中のCNTの混合物は、従来の超音波処理装置を使用して超音波処理を受ける。CNTの水懸濁液はまた、米国特許第8,283,403号(その開示はその全体が参考として組み込まれる)に記載されている、高剪断混合およびマイクロ流体混合技術を使用して形成することができる。CNTを液体中に分散させるための高剪断混合装置の非限定的な例は、Charles Ross&Sons CompanyからSLIMテクノロジーとして入手可能である、粉末を高剪断ローター/ステーターミキサーに注入することにより、CNT粉末及び液体のインライン(連続)混合のいずれかのバッチ用の、パワーインジェクションシステムである。液体中にCNTを分散させる超音波処理装置の非限定的な例は、Hielscherから超音波プロセッサ技術として入手可能である、粉末を高出力超音波処理プローブに注入することによるCNT粉末と液体のインライン(連続)混合のいずれかのバッチ用のソノトロード(sonitrode)またはソノトロード(sonitrode)アレイである。
電力数Npは、混合のための無次元数として一般的に使用される。それは次のように定義される。
Np=P/(ω3D5ρ)。
ここで、P=ミキサーの電力入力、
ω=ミキサーの回転速度、
D=ミキシングブレードの直径、及び
ρ=液体の分散密度。
Np=P/(ω3D5ρ)。
ここで、P=ミキサーの電力入力、
ω=ミキサーの回転速度、
D=ミキシングブレードの直径、及び
ρ=液体の分散密度。
混合スケールを比較するために、コルモゴロフ(Kolmogorov)混合スケールλをCNTの平均長さLに類推することができる。
λ=(ν3/ε)1/4。
ν=分散液の動粘度、及び
ε=単位質量当たりの乱流運動エネルギーの散逸率。
λ=(ν3/ε)1/4。
ν=分散液の動粘度、及び
ε=単位質量当たりの乱流運動エネルギーの散逸率。
絡み合い可能なCNTの場合、νははるかに高い(より粘性が高い)。したがって、λは大きくなるが、線形よりもわずかに小さくなる。しかし、同じポストミキシングの長さに到達するには、(4乗までの力(4th Power))多くのエネルギーが必要である。また、εはP(ミキサーの電力入力)とほぼ線形になるはずである。
特定の理論に縛られることなく、液体中の絡み合い可能なCNTを混合および分散させることの結果として、個々のCNTはそれらのそれぞれの束から脱凝集し始めることができると考えられる。典型的には、混合および分散工程に供されるCNTの長さは、得られる分散CNTの長さよりも長く、例えば、中央長は少なくとも約0.005mmからなる群から選択され、および少なくとも2,500:1のアスペクト比からなる群から選択される。中央長は少なくとも0.1mm、少なくとも約0.2mm、少なくとも約0.3mm、少なくとも約0.4mm、少なくとも約0.5mm、少なくとも約1mm、少なくとも約2mm、および少なくとも約5mmとすることができる。CNTの中央長は、1mmから2mmの間、1mmから3mmの間、及び2mmから3mmの間からなる群から選択される範囲を有することができる。アスペクト比は、少なくとも5,000:1、少なくとも10,000:1、少なくとも50,000:1、および少なくとも100,000:1とすることができる。
液体中のCNTの得られた懸濁液は、少なくとも数日間以上安定である。CNT分散液の均一性を確実にするために、フィルムコーティングプロセスで使用する前に、CNTの懸濁液を混合して攪拌することができる。
分散液はまた、1つ以上の充填剤または機能性充填剤材料を任意に含むことができる。機能性充填材料は、本明細書に記載の方法によって製造されるCNTシートまたは構造体の特性を調整することができる特性を有するものであり得る。そのような機能充填剤(または特性)は、非磁性誘電体材料、磁性誘電体材料、非導電材料、導電材料を含むことができる。材料は、粒子、集塊、繊維及びその他を含むことができる。非磁性誘電材料の例には、エポキシ、ポリアミド、およびポリイミドが含まれる。磁性誘電体材料の例には、フェライト、フェライト充填エポキシ、フェライト充填ポリイミド、およびフェライト充填ポリアミドが含まれる。非導電性材料の例には、ポリアミド、ポリイミド、円形または多葉の熱可塑性繊維、ならびにポリアミドおよびポリイミド熱硬化性粉末を含むがこれらに限定されない熱可塑性材料または熱硬化性材料が含まれる。非導電性材料の他の例には、例えばアルミナ、窒化ホウ素を含むセラミック繊維、例えばアルミナ窒化ホウ素を含むセラミック粉末、Fe2O3及びFe3O4を含むフェライト、MnZn、NiZn、及びグラフェンと金ナノ粒子を含むナノ粒子が含まれる。導電性材料の例には、例えばニッケルナノストランドおよび銀ナノワイヤを含む金属ナノファイバーまたはワイヤ、例えばチョップドニッケル被覆炭素繊維を含む金属化繊維(metalized fiber)、ならびに例えばグラフェンおよび金ナノ粒子を含むナノ粒子が含まれる。
コーティングとCNTフィルム構造体の形成
CNTフィルム構造体を製造する第2の工程は、溶媒キャストコーティング法、ディップコーティング法、およびスプレーコーティング法からなる群から選択される方法を用いて、ある体積のCNT懸濁液をキャリア材料上に通過させ、CNT−ポリマー懸濁液を可撓性キャリア材料上に塗布することを有する。CNT懸濁液を加熱して溶媒を追い出し、キャリア層上にCNT−ポリマーフィルムを形成することができる。
CNTフィルム構造体を製造する第2の工程は、溶媒キャストコーティング法、ディップコーティング法、およびスプレーコーティング法からなる群から選択される方法を用いて、ある体積のCNT懸濁液をキャリア材料上に通過させ、CNT−ポリマー懸濁液を可撓性キャリア材料上に塗布することを有する。CNT懸濁液を加熱して溶媒を追い出し、キャリア層上にCNT−ポリマーフィルムを形成することができる。
コーティングの際、CNT懸濁液はキャリア上に均一に分散され、CNT懸濁液はキャリア材料の全幅に渡って均一な黒色の湿潤層として現れる。典型的には、乾燥CNTフィルム構造体は10%以下の変動係数(COV)の均一性を有し、COVは周知の従来の方法によって測定される。
キャリア材料は、金属箔(例えば、銅、アルミニウム、ステンレス鋼)、ポリマーフィルム(例えば、PET、剥離表面を有するPET)、不織布(例えば、セルロース、PET)または被覆織布(例えば、テフロン被覆ガラス繊維)の群から選択される、CNT懸濁液に対して本質的に無孔である可撓性の弾性シート材料である。
得られるCNT構造体の所望の坪量は、プロセス条件、装置、および使用される材料を含むいくつかのパラメータによって影響を受ける。一般に、必要とされる坪量が大きくなるほど、必要とされるCNT濃度が高くなり、および/または分散液量が大きくなり、および/または真空ゾーン面積が大きくなり、および/または適用される真空度が高くなり、および/または真空ゾーン上のフィルター材料の線速度が遅くなる。これらのパラメータの全てを操作して、その厚さ、密度、および多孔度を含む、CNT不織布シートの特定の所望の特性を達成することができる。
図1はまた、CNTを含む溶液を多孔質基板上に塗布することを例示する。連続ロール(18)上に示される多孔質基板(8)の供給は、CNT溶液(9)の下または中を通過し、そこでCNTは多孔質基板(8)上に堆積され、CNT溶液の液体から分離される。CNT溶液の液体部分を通過する多孔質基板(8)の下に多孔質担体(7)を使用することができる。熱源として、Qを用いて、得られたCNT/ポリマーフィルム構造体(10)から残留液体を除去することができる。CNT/ポリマーフィルム構造体(10)は連続ロール20として集めることができる。追加量のCNT溶液(19)を提供して第2又は追加のCNT構造層を形成することができる。
図2に示す代替法では、多孔質基板(8)をCNT溶液(9)の中に又はCNT溶液(9)に通過させ、そこでCNTを多孔質基板(8)上に堆積させ、CNT溶液(9)の液体から分離し、結果として、連続ロール22として集めることができるポリマーフィルム構造体(12)を得る。
図3に例示する他の方法では、CNT懸濁液(15)は、CNT(1)を溶媒(2)中に混合することによって形成される。ある量(29)のCNT懸濁液(15)が多孔質基板(8)の上または中を通過する。CNT懸濁液の液体部分が分離された後、残留液体の除去を除去するために必要な加熱が行われる。得られた多孔性CNT−基板複合材料(13)は、可撓性多孔質基板(8)と実質的に同じ空隙率を有し、ロール(23)上に集めることができる。
CNTフィルムとCNT複合構造体
本発明により製造されたCNTフィルムまたはCNT複合材料は、単独でまたは複合構造体もしくは積層体の一部として使用されると、電気的特性を含む多数の機械的および機能的な利点および特性を提供することができる。CNTフィルムおよび複合ラミネートならびにそれらの構造体は、大きな構造体または装置においてCNTを用いて長く連続的な熱経路および電気経路を構成するために使用することができる。CNTフィルムおよびその複合材料およびその構造体は、航空宇宙、通信、ならびに電力線およびケーブル、風力エネルギー装置、スポーツ用品などを含む非常に多種多様な製品および技術において使用することができる。CNTフィルムおよびその複合材料およびその構造体は、高強度及び導電性を有する軽量の多機能複合材料構造体として有用である。CNTフィルムシートおよびその複合材料およびその構造体は、所望且つ商業利用可能な幅のロールストックで提供することができ、従来の商品製造システムに組み込むことができる。
本発明により製造されたCNTフィルムまたはCNT複合材料は、単独でまたは複合構造体もしくは積層体の一部として使用されると、電気的特性を含む多数の機械的および機能的な利点および特性を提供することができる。CNTフィルムおよび複合ラミネートならびにそれらの構造体は、大きな構造体または装置においてCNTを用いて長く連続的な熱経路および電気経路を構成するために使用することができる。CNTフィルムおよびその複合材料およびその構造体は、航空宇宙、通信、ならびに電力線およびケーブル、風力エネルギー装置、スポーツ用品などを含む非常に多種多様な製品および技術において使用することができる。CNTフィルムおよびその複合材料およびその構造体は、高強度及び導電性を有する軽量の多機能複合材料構造体として有用である。CNTフィルムシートおよびその複合材料およびその構造体は、所望且つ商業利用可能な幅のロールストックで提供することができ、従来の商品製造システムに組み込むことができる。
CNTフィルム及びその複合材料および構造体によって提供できる機能特性およびその調整の非限定的な例は、シート、ロールストック、テープなどのさまざまな形態での、電熱加熱、除氷、ワイヤおよびケーブル用の遮蔽、熱伝導パッド(thermal interface pad)、エネルギー貯蔵、放熱、導電性複合材料、アンテナ、反射板、および落雷保護、EMP保護、指向性エネルギー保護、EMIシールドなどの電磁環境効果(E3)である。
CNTの機能化
CNT不織布シートの機能特性は、それらの分散および懸濁前の、CNTの処理によって影響を受ける可能性がある。CNTの処理は化学的処理または機械的処理を含むことができる。
CNT不織布シートの機能特性は、それらの分散および懸濁前の、CNTの処理によって影響を受ける可能性がある。CNTの処理は化学的処理または機械的処理を含むことができる。
本発明のある態様において、CNTの機能特性は、それらの分散および懸濁前の、CNTの酸処理によって影響を受ける可能性がある。酸処理は、CNT中のアモルファスカーボンおよび他の欠陥のレベルを減少させることによって、CNTの純度および品質を改善すると考えられている。バルク状CNT粉末を強酸(硝酸)で処理すると、エンドキャップ切断、およびCNT側壁へのカルボキシル基の導入を引き起こす可能性がある。CNT側壁へのカルボキシル基の付加はまた、CNTの親水性を増大させることによって、水または他の極性溶媒中へのCNTの分散を高めることができる。個々のナノチューブ上のアモルファスカーボンコーティングの除去は、架橋接合部の濃度およびより高い曲げ弾性率を増加させ、それはより多くの導電性トンネルおよび接続を作り出すことができる。CNTエンドキャップ切断は、カーボンナノチューブの端部から隣接するカーボンナノチューブへの電子移動度を改善する(トンネリング)ことによって導電性を改善することができる。同様に、形成後の酸処理は導電率を改善し、構造体の密度を増加させることができる。
CNTの酸処理は、CNT相互作用ならびに電荷保持能力および輸送能力を向上させる。CNTの酸処理もポリマー複合材料との架橋を増強することができる。特定の理論に縛られることなく、酸酸化中に、グラファイト層の炭素−炭素結合ネットワークが破壊され、カルボキシル、フェノールおよびラクトン基の形で酸素単位を導入することが可能になり、さらなる化学官能化に広く利用されると考えられている。
CNTの前処理は、CNTを酸性溶液に浸漬することを含むことができる。酸性溶液は濃縮溶液または発煙溶液であり得る。酸は有機酸または無機酸から選択することができ、1.0未満の溶液pHを提供する酸を含むことができる。酸の例は、硝酸、硫酸、およびそれらの混合物または組み合わせである。本発明のある態様において、酸は硝酸と硫酸との3:1(質量)の比である。
酸後処理の代わりにまたはそれに加えて、CNT粉末または形成されたCNTシートまたは構造体は、Nanotube Superfiber Materials、Chapter 13、Malik et al(2014)(この開示はその全体が参考として組み込まれる)に記載されているように、低圧/大気圧プラズマで官能化することができる。活性ガスおよびキャリアガスとしてそれぞれ酸素およびヘリウムを使用するSurfx Atomflo 400-D反応器は、CNTおよびCNTシートまたは構造体をプラズマ官能化するための適切なベンチスケール装置を提供する。代替のプラズマ装置は、ロールストックを含むCNTシートまたは構造体の連続機能化のための線形プラズマヘッドを含むことができる。大気圧プラズマ装置は低温で酸素プラズマ流を発生させ、それはCNTおよびCNT構造体への損傷を最小にするかまたは防止する。一例では、Heを一定流量30L/分で供給することによりプラズマが形成され、O2の流量(0.2〜0.65L/分)を所望のプラズマ出力にしたがって調整する。CNTに対するプラズマ処理によって誘発された構造的および化学的修飾は、接着を促進するか又は他の機械的もしくは電気的性質を修飾するために調整することができる。さらに、プラズマ官能化を使用して、CNTフィルムまたは構造体の表面を清浄にするか、表面分子を架橋するか、又は追加の官能基を付着させることができる表面上に他の極性基を生成することさえできる。CNTフィルムまたは構造体がプラズマ官能化によって影響を受ける程度は、ラマン分光法、XPS、FTIR分光法および接触角試験によるCNT材料の疎水性の変化を用いて、特性確認することができる。
Claims (78)
- カーボンナノチューブ(CNT)/ポリマーフィルム構造体の製造方法であって、
i)超音波処理を使用してカーボンナノチューブ(CNT)、ポリマー、および溶媒を混合してCNT−ポリマー懸濁液を形成する工程;
ii)溶媒キャストコーティング法、ディップコーティング法、およびスプレーコーティング法からなる群から選択される方法を用いて、CNT−ポリマー懸濁液を可撓性キャリア上に塗布する工程;
iii)前記塗布したCNTポリマー懸濁液および可撓性キャリアに熱を加え、溶媒を除去し、可撓性キャリア上にCNTポリマーフィルムを残し、CNT/ポリマーフィルム構造体を形成する工程;及び
iv)可撓性キャリアからCNT−ポリマーフィルム構造体を任意に除去する工程;
を有する、上記方法。 - 前記可撓性キャリアが無孔性であり、広げられる(unrolled)かまたは連続的に押し出される請求項1に記載の方法。
- 前記可撓性キャリアが、
i)金属箔、典型的には銅、アルミニウム、ステンレス鋼箔;
ii)ポリマーフィルム、典型的にはPET、剥離表面を有するPET、不織布、例えばセルロースまたはPET、および被覆織布、例えばテフロン被覆ガラス繊維;
からなる群から選択される請求項2に記載の方法。 - CNT懸濁液を塗布する工程中に、キャリア材料上に配置された可撓性基板をさらに含む請求項3に記載の方法。
- 前記可撓性基板が広げられるかまたは連続的に押し出される請求項4に記載の方法。
- CNT−ポリマーフィルム構造体が連続する細長い構造体である請求項5に記載の方法。
- フィルム構造体が90重量%までのCNT濃度を有する請求項6に記載の方法。
- ポリマーが、溶媒中の溶解度の限界までの濃度で溶媒中に溶解されている請求項1に記載の方法。
- 前記混合工程が、高剪断ミキサーでの混合、超音波処理、またはそれらの組み合わせからなる群から選択されて、CNTを溶媒中に分散させる請求項8に記載の方法。
- CNTを最初に溶媒に混合して分散させ、その後ポリマーをCNT−溶媒分散液に混合する請求項9に記載の方法。
- CNTが、単層CNT(SWCNT)、多層CNT(MWCNT)、およびそれらの混合物からなる群から選択される請求項7に記載の方法。
- CNTが官能化されている請求項11に記載の方法。
- 前記ポリマーが、粉末、樹脂、および繊維からなる群から選択され、前記ポリマー材料が、
i)ポリアミド、PVDF、PEI、PEEK、FEP、およびPTFE、ならびにそれらの組み合わせからなる群から選択される熱可塑性材料;
ii)ポリイミド、エポキシ、およびBMI、ならびにそれらの組み合わせからなる群から選択される熱硬化性材料;
iii)シリコーン、ニトリルゴム、フルオロシリコーン、およびスチレン−ブタジエン、ならびにそれらの組み合わせからなる群から選択されるエラストマー材料;及び
iv)それらの組み合わせ;
からなる群から選択される請求項11に記載の方法。 - CNTが、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルアセトアミド(DMAC)、アセトン、イソプロパノール、テトラヒドロフラン(THF)、およびメチルエチルケトン(MEK)、ならびにそれらの混合物からなる群から選択される有機溶媒中に分散される請求項13に記載の方法。
- 溶媒が水を含み、CNT懸濁液が場合により界面活性剤を含む混合助剤材料を含む請求項14に記載の方法。
- 前記CNTが酸性溶液中に分散されており、前記酸が硫酸、硝酸、およびクロロスルホン酸からなる群から選択される請求項15に記載の方法。
- 前記CNTが塩基性溶液中に分散されており、前記塩基が水酸化ナトリウムを有する請求項15に記載の方法。
- 前記ポリマーが熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂であり、前記溶媒が前記CNTを分散させるのに十分に前記ポリマーを希釈する請求項1に記載の方法。
- 前記処理が、ランダム配向の、均一分布のCNT構造体を提供する請求項1に記載の方法。
- 前記CNT懸濁液を塗布する工程が、ある程度のCNTの配列を付与する請求項1に記載の方法。
- 前記可撓性基板が、
i.)非磁性誘電材料、例えばエポキシ、ポリアミド、またはポリイミド;及び
ii.)磁性誘電体材料、例えば、フェライト、フェライト充填エポキシ、フェライト充填ポリイミド、またはフェライト充填ポリアミド;
からなる群から選択される非導電性材料である請求項4に記載の方法。 - CNT懸濁液が充填剤または添加剤をさらに含む請求項1に記載の方法。
- 前記充填剤の材料が導電性であり、かつ
i.)ニッケルナノストランドおよび銀ナノワイヤからなる群から選択される金属ナノファイバまたはワイヤ;
ii.)細断ニッケル被覆炭素繊維からなる群から選択される金属化繊維;及び
iii.)グラフェンおよび金ナノ粒子からなる群から選択されるナノ粒子;
からなる群から選択される請求項22に記載の方法。 - 前記充填剤の材料が非導電性であり、かつ
i.)ポリアミドおよびポリイミドからなる群から選択される熱可塑性または熱硬化性繊維(丸型または多葉型);
ii.)ポリアミドおよびポリイミドからなる群から選択される熱可塑性または熱硬化性粉末;
iii.)アルミナおよび窒化ホウ素からなる群から選択されるセラミック繊維;
iv.)アルミナ、窒化ホウ素、フェライト、Fe2O3、Fe3O4、MnZn、およびNiZnからなる群から選択されるセラミック粒子または粉末;
v.)ナノ粒子;及び
vi.)それらの組み合わせ;
からなる群から選択される請求項22に記載の方法。 - 得られるCNT構造体が、複数の明確に形成され積層されたCNT構造層を含み、さらに充填剤の材料を含むことができる請求項22に記載の方法。
- 前記積層CNT構造層が、導電層と非導電層とを交互に含むことができる請求項25に記載の方法。
- 得られたフィルム構造体の表面に金属化合物の層を適用し、それによってその導電性を高める工程をさらに含む請求項1に記載の方法。
- CNT懸濁液を塗布する工程がバッチ処理工程または連続工程であり、スパッタリング、物理蒸着、パルスレーザー蒸着、電子ビーム、化学蒸着、電気化学(電気メッキ)、および無電解コーティングからなる群から選択される請求項27に記載の方法。
- カーボンナノチューブ(CNT)複合構造体を製造する方法であって、
i)超音波処理を使用してカーボンナノチューブ(CNT)、ポリマー、および溶媒を混合してCNT−ポリマー懸濁液を形成する工程;
ii)溶媒キャストコーティング法、ディップコーティング法、およびスプレーコーティング法からなる群から選択される方法を使用して、CNT−ポリマー懸濁液を可撓性多孔質基板上に塗布する工程;
iii)前記塗布されたCNT−ポリマー懸濁液および可撓性多孔質基板に熱を加えて、溶媒を除去し、CNT−ポリマー材料および可撓性多孔質基板を含むCNT複合構造体を残す工程;
を有する、上記方法。 - 前記可撓性多孔質基板が広げられるかまたは連続的に押し出される請求項29に記載の方法。
- CNT複合構造体が連続する細長い構造体である請求項30に記載の方法。
- 前記CNT複合構造体が、最大約90重量%までのCNT濃度を含む請求項30に記載の方法。
- 前記可撓性多孔質基板が、前記CNT−ポリマー材料によって完全に包まれている請求項30に記載の方法。
- ポリマーが、溶媒中の溶解度の限界までの濃度で溶媒中に溶解されている請求項33に記載の方法。
- 混合工程が、高剪断ミキサーでの混合、超音波処理、またはそれらの組み合わせからなる群から選択されて、CNTを溶媒中に分散させる請求項34に記載の方法。
- CNTを最初に溶媒に混合して分散させ、その後ポリマーをCNT−溶媒分散液に混合する請求項35に記載の方法。
- CNTが、単層CNT(SWCNT)、多層CNT(MWCNT)、およびそれらの混合物からなる群から選択される請求項36に記載の方法。
- CNTが官能化されている請求項37に記載の方法。
- 前記ポリマーが、粉末、樹脂、および繊維からなる群から選択され、前記ポリマー材料が、
i)ポリアミド、PVDF、PEI、PEEK、FEP、およびPTFE、ならびにそれらの組み合わせからなる群から選択される熱可塑性材料;
ii)ポリイミド、エポキシ、およびBMI、ならびにそれらの組み合わせからなる群から選択される熱硬化性材料;
iii)シリコーン、ニトリルゴム、フルオロシリコーン、およびスチレン−ブタジエン、ならびにそれらの組み合わせからなる群から選択されるエラストマー材料;及び
iv)それらの組み合わせ;
からなる群から選択される請求項37に記載の方法。 - 前記CNTが、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルアセトアミド(DMAC)、アセトン、イソプロパノール、テトラヒドロフラン(THF)、およびメチルエチルケトン(MEK)、ならびにそれらの混合物からなる群から選択される有機溶媒中に分散される請求項39に記載の方法。
- 前記溶媒が水を含み、前記CNT懸濁液が界面活性剤を含む混合助剤材料をさらに含む請求項40に記載の方法。
- CNTが酸性溶液中に分散されており、該酸が硫酸、硝酸、およびクロロスルホン酸からなる群から選択される請求項41に記載の方法。
- 前記CNTが塩基性溶液中に分散されており、前記塩基が水酸化ナトリウムを有する請求項41に記載の方法。
- 前記ポリマーが熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂であり、前記溶媒が前記CNTを分散させるのに十分に前記ポリマーを希釈する請求項29に記載の方法。
- 前記処理が、ランダム配向の、均一分布のCNT構造体を提供する請求項29に記載の方法。
- CNT懸濁液を塗布する工程が、CNTのある程度の配列を付与する請求項29に記載の方法。
- 前記連続する可撓性多孔質基板が、
i.)カーボンファイバー;
ii.)金属材料、典型的にはワイヤ、箔、エキスパンド箔、およびメッシュまたは織布材料のうちの1つまたは複数を含む;
iii.)金属化織物材料、例えば金属化PET材料;及び
iv.)金属化不織布材料、例えば金属化炭素繊維;
からなる群から選択される導電性材料である請求項30に記載の方法。 - 前記可撓性基板が、前記CNT懸濁液を塗布する工程の間にキャリア材料の上に配置される請求項47に記載の方法。
- 連続する基板材料は、CNT懸濁液を塗布する工程の際、キャリア材料の幅を横切って引っ張られ、縦方向に配向するか又は一方向に配向される複数のスプールまたはロービングを含む導電性ワイヤまたは繊維のロールであり、CNT懸濁液は、配向又は一方向のワイヤまたは繊維を被覆し、CNT/ポリマー−ワイヤ(または繊維)複合ロールストック材料を形成する請求項48に記載の方法。
- CNT懸濁液が充填剤または添加剤をさらに含む請求項29に記載の方法。
- 前記充填剤の材料が導電性であり、かつ
i.)ニッケルナノストランドおよび銀ナノワイヤからなる群から選択される金属ナノファイバまたはワイヤ;
ii.)細断ニッケル被覆炭素繊維からなる群から選択される金属化繊維;及び
iii.)グラフェンおよび金ナノ粒子からなる群から選択されるナノ粒子;
からなる群から選択される請求項50に記載の方法。 - 前記充填剤の材料が非導電性であり、かつ
i.)ポリアミドおよびポリイミドからなる群から選択される熱可塑性または熱硬化性繊維(丸型または多葉型);
ii.)ポリアミドまたはポリイミドからなる群から選択される熱可塑性または熱硬化性粉末;
iii.)セラミック繊維、例えばアルミナ、窒化ホウ素;
iv)アルミナ、窒化ホウ素、フェライト、Fe2O3、Fe3O4、MnZn、およびNiZnからなる群から選択されるセラミック粒子または粉末;
v.)ナノ粒子;及び
vi.)それらの組み合わせ;
からなる群から選択される請求項50に記載の方法。 - 結果として得られるCNT構造体が、複数の明確に形成され積層されたCNT構造層を含み、さらに充填剤の材料を含むことができる請求項50に記載の方法。
- 前記積層CNT構造層が、導電層と非導電層とを交互に含むことができる請求項53に記載の方法。
- 得られたフィルム構造体、CNT複合構造体、または多孔質CNT−基板複合体の表面に金属化合物の層を塗布し、それによってその導電性を高める工程をさらに含む請求項29に記載の方法。
- 前記CNT懸濁液を塗布する工程が、バッチ処理工程または連続工程であり、スパッタリング、物理蒸着、パルスレーザー蒸着、電子ビーム、化学蒸着、電気化学(電気メッキ)、および無電解コーティングからなる群から選択される請求項54に記載の方法。
- カーボンナノチューブ(CNT)−基板複合体の製造方法であって、
i)超音波処理を用いてカーボンナノチューブ(CNT)と溶媒とを混合してCNT懸濁液を形成する工程;
ii)ディップコーティング法およびスプレーコーティング法からなる群から選択される方法を使用して、CNT懸濁液を可撓性多孔質基板上に塗布する工程;
iii)前記塗布されたCNT懸濁液および可撓性多孔質基板に熱を加えて、溶媒を除去し、多孔性CNT−基板複合材の多孔度が可撓性多孔質基板と実質的に同じである多孔性CNT−基板複合材を残す工程;
を有する、上記方法。 - 前記可撓性基板が広げられるかまたは連続的に押し出される請求項57に記載の方法。
- 多孔性CNT−基板複合体が連続する細長い構造体である請求項57に記載の方法。
- 多孔性CNT−基板複合体が最大約90重量%のCNT濃度を含む請求項57に記載の方法。
- 混合する工程が、高剪断ミキサーでの混合、超音波処理、またはそれらの組み合わせからなる群から選択されて、CNTを溶媒中に分散させる請求項57に記載の方法。
- 前記CNTが、単層CNT(SWCNT)、多層CNT(MWCNT)、およびそれらの混合物からなる群から選択される請求項61に記載の方法。
- CNTが官能化されている請求項61に記載の方法。
- CNTが、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルアセトアミド(DMAC)、アセトン、イソプロパノール、テトラヒドロフラン(THF)、およびメチルエチルケトン(MEK)、ならびにそれらの混合物からなる群から選択される有機溶媒中に分散されている請求項57に記載の方法。。
- 前記溶媒が水を含み、前記CNT懸濁液が界面活性剤を含む混合助剤材料をさらに含む請求項64に記載の方法。
- 前記CNTが酸性溶液中に分散されており、前記酸が、硫酸、硝酸、およびクロロスルホン酸からなる群から選択される請求項65に記載の方法。
- 前記CNTが塩基性溶液中に分散されており、前記塩基が水酸化ナトリウムを有する請求項65に記載の方法。
- 前記処理が、ランダム配向の、均一分布のCNT構造体を提供する請求項57に記載の方法。
- CNT懸濁液を塗布する工程がCNTのある程度の配列を付与する請求項57に記載の方法。
- 前記連続する可撓性多孔質基板が、
i.カーボンファイバー;
ii.ワイヤ、箔、エキスパンド箔、およびメッシュまたは織布材料のうちの1つまたは複数を含む金属材料;
iii.金属化PET材料を含む金属化織物材料;及び
iv.金属化炭素繊維を含む金属化不織材料;
からなる群から選択される導電性材料である請求項58に記載の方法。 - 前記可撓性基板が、
i.エポキシ、ポリアミド、およびポリイミドからなる群から選択される非磁性誘電材料;及び
ii.フェライト、フェライト充填エポキシ、フェライト充填ポリイミド、およびフェライト充填ポリアミドからなる群から選択される磁性誘電材料;
からなる群から選択される非導電性材料である請求項58に記載の方法。 - CNT懸濁液が充填剤または添加剤をさらに含む請求項57に記載の方法。
- 前記充填剤の材料が導電性であり、かつ
i.ニッケルナノストランドおよび銀ナノワイヤーからなる群から選択される金属ナノファイバーまたはワイヤー;
ii.細断ニッケル被覆炭素繊維からなる群から選択される金属化繊維;及び
iii.グラフェンまたは金ナノ粒子からなる群から選択されるナノ粒子;
からなる群から選択される請求項72に記載の方法。 - 前記充填剤の材料が非導電性であり、かつ
i.ポリアミドまたはポリイミドからなる群から選択される熱可塑性または熱硬化性繊維(円形または多葉);
ii.ポリアミドまたはポリイミドからなる群から選択される熱可塑性または熱硬化性粉末;
iii.アルミナまたは窒化ホウ素からなる群から選択されるセラミック繊維;
iv.アルミナ、窒化ホウ素、フェライト、Fe2O3、Fe3O4、MnZn、またはNiZnからなる群から選択されるセラミック粒子または粉末;及び
v.ナノ粒子;
からなる群から選択される請求項72に記載の方法。 - 結果として生じるCNT構造体が、複数の明確に形成され積層されたCNT構造層を含み、さらに充填剤の材料を含むことができる請求項62に記載の方法。
- 前記積層CNT構造層が、導電層と非導電層とを交互に含むことができる請求項75に記載の方法。
- 得られたフィルム構造体、CNT複合構造体、または多孔質CNT−基板複合体の表面に金属化合物の層を適用し、それによってその導電性を高める工程をさらに含む請求項57に記載の方法。
- CNT懸濁液を塗布する工程がバッチ処理工程または連続工程であり、スパッタリング、物理蒸着、パルスレーザー蒸着、電子ビーム、化学蒸着、電気化学(電気メッキ)、および無電解コーティングからなる群から選択される請求項77に記載の方法。
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