[发明专利]可拉伸纳米复合表层材料和相关的结构体

说明书

提供了一种可拉伸多层纳米复合材料，该可拉伸多层纳米复合材料至少包括纳米复合材料层；和与该纳米复合材料层层压的至少一个附加层，该纳米复合材料层包括用弹性体聚合物改性的纳米管网络。纳米复合材料层和附加层的数量、其性质和组成可以在表面方向和/或厚度方向上不同，从而为所形成的表层提供经调整的机械和物理化学性能，该形成的表层可以用于制备变形或可展开结构体。

技术领域

技术领域通常涉及纳米复合材料，更具体地涉及一种可拉伸纳米复合表层材料及其相关的结构体。

背景技术

纳米复合材料是用作可变形材料的良好候选材料，同时提供了令人向往的机械抵抗力性能。通常，将纳米管分散在聚合物中或随后将纳米管片材注入聚合物树脂以制备可变形纳米复合材料，例如可弯曲或可拉伸纳米复合材料。

关于纳米复合材料领域的进展，公开号为2015/147573的美国专利申请提供了一些实施例(参见实施例32和90)，这些实施例示出了用于制造可弹性变形的碳纳米管片材的方法，包括将纳米纤维片材沉积在细长的弹性体片材上(多孔弹性体织物或多孔硅橡胶片材)，使得所得的可变形片材能够弹性松弛并重复再拉伸至初始伸长，而不会发生实质性的抵抗力变化。该方法可以进一步包括外敷第二弹性体片材。该方法的原理还可以延伸到生产包括层压在弹性体片材之间的一个或多个纳米管电极片材的可弹性变形的堆叠体。

可变形纳米复合材料的另一个例子由Martinez-Rubi Y等人，Nanotube-Buckypaper/Polyurethane Composites with Enhanced Mechanical Properties，第20届国际复合材料会议，哥本哈根，2015年7月19-24日(以下称为Martinez-Rubi)提供。Martinez-Rubi公开了一种碳纳米管/热塑性聚氨酯复合材料(CNT/TPU)的非织造片材。该CNT/TPU复合材料片材可用作超高分子量聚乙烯(UHMWPE)片材之间的中间层。

可变形纳米复合材料的另一个例子由Koerner H等人，Deformation–morphologycorrelations in electrically conductive carbon nanotube-thermoplasticpolyurethane nanocomposites.Polymer，46(2005)4405-4420提供。Koerner公开了一种可拉伸的单层CNT/TPU复合材料片材或膜。

变形和可展开结构体需要可变形表层以使形状改变的同时在支撑结构上保持连续的外表面。在现有的实施方式中，表层能够以最小的面积变化而重新整形(诸如弯曲)，但是需要一种能够通过引入面积变化而拉伸的表层。现有的可拉伸材料包括弹性体聚合物，例如聚硅氧烷(silicone)、橡胶、热塑性聚合物、形状记忆聚合物和非织造物。这些可用材料中的每一种都可以用作表层材料的候选材料，但是具有缺点，包括对于气动载荷的刚度不足、渗透性、过渡时间尺度等。

构想在需要时能够拉伸至足够的程度、能够可逆拉伸，且还能够提供所需刚度以支撑载荷的这样一种材料对于改进的变形和可展开结构体技术的发展是一种挑战。

发明内容

在第一方面，提供了一种可拉伸多层纳米复合材料，其至少包括纳米复合材料层；和与纳米复合材料层层压的至少一个附加层，该纳米复合材料层包括用弹性体聚合物改性的纳米管网络。

在一些实施方式中，纳米管网络由纳米管的非织造片材提供。纳米管在纳米复合材料层限定的平面内可以无规或受控对齐取向。

在一些实施方式中，纳米管包括碳纳米管、氮化硼纳米管、硼-碳-氮纳米管、碳化硅纳米管、其它纳米颗粒、其杂合物或其组合。纳米管包括单壁纳米管和多壁纳米管。纳米复合材料层可以具有在5重量％和90重量％之间，任选地在10重量％和40重量％之间的纳米管含量。

在一些实施方式中，弹性体聚合物包括热塑性弹性体、热塑性聚氨酯、橡胶、硅橡胶或其组合。