[发明专利]纳米颗粒在复合材料纤维中的结合

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2009年8月3日提交的美国临时申请系列号61/230,993的优先权权益，通过该引用其全部内容并入本文。

关于联邦政府资助的研究或开发的声明

不适用。

发明背景和技术领域

本发明一般涉及纤维，更具体地涉及改性的玻璃纤维，其使用于结合入复合材料的加工步骤简化(streamline)。

许多复合材料包括作为粘合基体中增强元件的微尺度(micro-scale)纤维。已经制备了在这些传统复合材料中结合碳纳米管(CNT)的多尺度复合材料。用于CNT结合入复合材料的一种方法包括用CNT掺杂基体。但是，由于粘度增加，可添加到基体的CNT的数量具有限制。而且，这种方法通常不控制CNT排列，其进一步阻止多尺度复合材料实现CNT结合的总潜力。

用于CNT结合入多尺度复合材料的另一种方法包括通过直接或间接合成施加CNT到纤维表面上，然后将纤维引入基体。这可通过在纤维表面上放置催化剂材料并从沉积的催化剂生长CNT实现，或通过使用浮动催化剂合成CNT并将CNT沉积到纤维表面上实现。两种方法产生改进的CNT排列，同时增加在最终复合材料中CNT的总数量。但是，使用额外的处理步骤改进CNT和催化剂颗粒与纤维表面之间的界面性质。没有这些步骤，这些界面之间差的粘附可导致比预期差的性能。

降低生长过程总体复杂性以及改进CNT-催化剂-表面的界面性质的方法将是有益的。本发明满足这种需要并且也提供了相关的优点。

发明简述

本发明提供了提供了组合物，其在纤维制造水平下在纤维中结合CNT生长催化剂颗粒，导致当CNT生长和将官能化的纤维结合入复合材料基体时的处理步骤减少。在一些实施方式中，催化剂遍及整个纤维布置，包括在纤维表面处暴露的部分。在一些实施方式中，催化剂在纤维表面处暴露，并围绕纤维的芯部分以一定的深度存在。在这种实施方式中，芯本身基本上没有催化剂颗粒。本发明还提供了用于制造结合CNT生长催化剂颗粒的纤维的方法。

在一些方面中，本文公开的实施方式涉及如此方法，其包括提供熔融的玻璃纤维芯，并在或高于玻璃纤维芯的软化温度下布置包括过渡金属氧化物的多个纳米颗粒在熔融的玻璃纤维芯上。该方法提供了负载纳米颗粒的玻璃纤维，其中多个纳米颗粒嵌入在玻璃纤维芯的表面。

在一些方面中，本文公开的实施方式涉及如此方法，其包括提供熔融的玻璃和多个纳米颗粒的混合物。纳米颗粒包括过渡金属。所述方法进一步包括形成负载纳米颗粒的玻璃纤维，其中多个纳米颗粒遍及整个玻璃纤维嵌入。

本发明的方法可用于制造各种制品，包括并入CNT的纤维、可用于下游CNT合成的结合纳米颗粒的短切原丝毡(chopped strand mat)，和高度有序的复合材料，所述复合材料包括纳米颗粒和/或从这些纳米颗粒生长的CNT。

附图简述

在下面描述中，对构成其一部分的附图进行参考，且其中通过图解示出可实施本发明的具体实施方式。应当理解，在不背离本发明范围的情况下可使用其他实施方式或进行改变。

图1显示用于拉制玻璃纤维的设备。

图2A显示催化剂颗粒放置在熔融玻璃芯表面上的熔融玻璃。催化剂颗粒在纤维表面处暴露。

图2B显示催化剂颗粒遍布玻璃纤维的整个结构的熔融玻璃，包括一部分催化剂在纤维表面处暴露。

发明详述

本发明部分地涉及在纤维制造过程期间通过嵌入CNT生长催化剂纳米颗粒(CNT NP)促进碳纳米管(CNT)在玻璃纤维基底上生长的方法。所得CNT通过机械和/或化学锁定(locked)的CNT NP充分地锚定于玻璃纤维，这提高了CNT和它们所附着的纤维的界面性质。按照本领域已知的当前制造方法，两种方法典型地用于改进CNT与玻璃纤维基底的总的界面性质。一种方法包括蚀刻纤维表面，以促进催化剂颗粒和表面的机械连锁。通过湿化学或基于等离子体(离子)的工艺可实现蚀刻。尽管蚀刻的结果和本发明相似，但是机械连锁的程度可不如本发明的嵌入催化剂有效，由于在纤维制造期间被结合，所述嵌入催化剂和纤维更好地连续共形(conformal)接触。此外，蚀刻工艺固有地添加表面粗糙，其在纤维表面提供了破裂起点。所以，蚀刻可使纤维材料劣化。