[发明专利]纳米管与细磨的碳纤维聚合物复合材料的组合物及其制造方法

说明书

相关申请

本申请要求于2011年6月21日提交的申请号为61/510,352的美国临时专利申请的权益，其全部的公开内容以引证的方式并入本文。

技术领域

本发明大体上涉及一种组合物，包括一种或多种聚合物，碳纳米管和细研磨的碳纤维。特别在某些方面，本发明涉及的组合物，具有聚合物和一定量的碳纳米管以及分散在聚合物中的一定量的细磨碳纤维，细磨碳纤维的纵横比大于1且小于5。另外，本发明涉及该组合物的制造方法。此外，本发明涉及由该组合物制成的制品，例如容器或功能性制品。

背景技术

技术的发展对最终制品在材料性能方面要求越来越高，以达到预期的目的。对于采用改良材料的相应制品和产品来说，改良材料的性能提供改进的表观性能。据发现复合材料是通过组合不同组分的预期性能以获得受益于多种组分的性能的材料。

由于产品对损坏和降解的敏感性，优良产品需要特殊的处理方法。特别地，一些产品，例如半导体器件、硅片等，会在运输和/或加工处理期间例如因产品互相接触而受损。因此，为了运输这些产品，已经研制了特定的容器。例如，这些特定的容器可由模制的热塑材料制成，该容器的结构适合于将多个产品以期望的方向保持在容器中。这些容器的内部结构通常阻止产品相互接触，从而有助于减少产品运输过程中可能发生的产品损坏。优良产品对静电放电也是敏感的，特别是电子设备，它们变得更小更快，拥有越来越高的敏感性并且需要越来越高的静电释放（ESD）速度。

一些制品具有高的电导率，以在它们的应用中适当地起作用。具体地，一系列的元件在相应设备内传递高的电导率，例如，许多发电单元包括导电元件。特别地，燃料电池可以具有双极板，在串联连接的相邻电池之间导电，同时用于燃料和氧化剂的流动并阻止相邻电池之间的材料流动。同样地，许多电池结构包括导电元件以促进电池杆与电池电极电连接。

由聚合物和导电填料如碳纳米管、碳黑、碳纤维或碳纳米纤维制成的制品通常用于解决不同制品中的这些问题，所述制品包括例如材料处理设备、电子设备、流体处理设备、电化学电池用导电元件、容器、载体、双极板等。

纳米复合材料是这样的组合物，其中连续相中分散或分布有至少一种添加的组分，如颗粒、棒或者管，其中该添加的组分的一个或多个尺寸，例如长度、宽度或厚度在纳米或分子大小范围。为了有效地改进复合材料的物理或机械性能，将这些添加的组分分散在整个聚合物中以增加更多界面并提高添加的组分与聚合物之间的亲和性至关重要。如果添加的组分均匀分散在聚合物中，可向纳米复合材料组合物中添加较少的材料而不破坏纳米复合材料的物理性能。

纳米管是纳米或分子大小的材料的实例，它可作为添加的组分用在纳米复合材料中。这些纳米管可掺入导电原子；在某些情况下，掺杂剂可以在管内部。纳米管的实例有单壁碳纳米管（SWNTs），多壁碳纳米管（MWNTs）和二硫化钨纳米管。单个的单壁碳纳米管和单壁碳纳米管的管束具有高强度、高金属导电性和高热导性。纳米管和纳米管的管束可用在需要导电体的应用中，例如用作导电聚合物材料、涂料或涂层中的添加剂。由于纳米管之间的范德华引力，单壁碳纳米管倾向于作为聚集体或管束而非管存在。在加工形成与其他材料的复合材料过程中，单壁碳纳米管也倾向于形成聚集体，这可以在复合材料内抑制导电纳米管网络或流变网络的形成。在聚合物中，单壁碳纳米管具有巨大的潜力来提高聚合物的强度、韧性、导电性和导热性。然而，分散纳米管的困难阻碍了在聚合物中实现纳米管性能的全部潜力，且与其他类型的导电填料组分相比，纳米管会增加最终产品的成本。

促进纳米管和聚合物在界面处更加亲和以及在聚合物中获得均匀分散的纳米管的方法，包括使用分散剂或修饰纳米管的表面化学性质。分散剂如表面活性剂，或者羧基、酰胺基或表面结合聚合物修饰的纳米管表面，已经被用来促进纳米管结合到聚合物中。这些处理为该过程增加了杂质和额外的步骤，增加了纳米复合材料的成本。其他方法包括将纳米管分散在溶剂中并将该分散液与同样分散在溶剂中的聚合物混合。去除溶剂后，该溶液可以铸成膜。为了提高界面处纳米管和聚合物之间的亲和性而进行的额外分散、浇铸和溶剂去除的步骤，增加了时间，产生了废物，并且增加了这种纳米复合材料的成本。Barraza等（NANO Letters,vol.2，pp.797-802）阐明，该文献公开了溶液浇铸法对于生产高导电膜具有有限的适用性，因为SWNT的复合材料在1-2%的纳米管含量时作为过量的纳米管聚集体而趋于饱和，这限制了通过此方法来形成组合物。