Способ изготовления полимерного композита на основе ориентированных углеродных нанотрубок


 


Владельцы патента RU 2560382:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем машиностроения Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к композиционным материалам на основе углеродных нанотрубок. Предложен способ изготовления полимерного композита, включающий направленную ориентацию углеродных нанотрубок, заполнение межтрубочного пространства полимером и термообработку при температуре не выше температуры деструкции полимерного состава. В способе используют массив углеродных нанотрубок, выращенный методом MOCVD. Композиция для заполнения межтрубочного пространства не содержит растворителя. Заполнение массива ориентированных углеродных нанотрубок полимером осуществляют под воздействием вакуума. Изобретение обеспечивает повышенную прочность композита и возможность последующего формирования в нём сквозных нанопор. 1 табл.

 

Изобретение относится к области функциональных полимерных нанокомпозитов. Способ изготовления полимерного композита на основе ориентированных углеродных нанотрубок (УНТ), состоящего из матрицы ориентированных многостенных углеродных нанотрубок, армированной полимерным составом, включает пропитку матрицы ориентированных многостенных углеродных нанотрубок в полимерной композиции под воздействием вакуума, промывку пропитанной матрицы в воде и ее термообработку при температуре не выше температуры деструкции полимерного состава. В качестве основы композита используют ориентированный массив углеродных нанотрубок, выращенный методом MOCVD [1]. Изобретение позволяет получить полимерный композит с ориентированными углеродными нанотрубками, внутренние каналы которых являются сквозными нанопорами, с достаточными механическими характеристиками и упростить технологический процесс его изготовления.

Предлагаемое изобретение относится к области функциональных полимерных нанокомпозитов для приложений микросистемной техники, фильтрации и разделения жидкостей и газов, а также авиационных и космических приложений.

Известен Способ изготовления газового сенсора (патент РФ 2336548 С2, МПК G03F 7/16, от 20.10.08), включающий формирование чувствительного элемента на основе композиционного материала, состоящего из полимерной матрицы, армированной частицами наполнителя, где в качестве материала полимерной матрицы используют фоточувствительные композиции. При этом формирование слоя материала нанокомпозита осуществляют на подложке методом центрифугирования из смеси раствора полимера в растворителе с частицами наполнителя, в качестве которого используют моно- или полидисперсные порошки углеродных нанотрубок (УНТ), фуллеренов, сажи, графита, наночастицы окиси олова. Термообработка слоя нанокомпозита осуществляется при температуре не выше температуры деструкции полимерной матрицы.

Общие операции с заявленным способом:

а) в качестве наполнителя полимерного композита используют УНТ;

б) в качестве связующего материала для формирования полимерной матрицы композита используется раствор полимера в растворителе;

в) термообработку нанокомпозита осуществляют термическим методом при температуре не выше температуры деструкции полимерной матрицы.

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является то, что введение отдельных УНТ в полимерную матрицу методом центрифугирования не позволяет получить направленной ориентации УНТ в объеме полимера, из-за чего требуемые функциональные характеристики нанокомпозита не обеспечиваются.

Известен Способ формирования композитов полимер/углеродные нанотрубки (патент US 7,754,055, B01J 19/01, B01J 19/00, C08J 3/28, C08J 2/42), состоящих из полимерной матрицы, армированной ориентированным массивом УНТ. Согласно предложенному способу растворяют полимер в растворителе, обрабатывают ультразвуком находящиеся в растворителе УНТ, после чего производится введение ориентированных УНТ в раствор полимера. Из полученной смеси предлагается сформировать на подложке слой нанокомпозита методом центрифугирования и обработать его ультразвуком в течение времени, достаточного для распределения УНТ по всей матрице полимера, после чего производится термообработка нанокомпозита термическим методом при температуре не выше температуры деструкции полимерной матрицы.

Общие операции с заявленным способом:

а) в качестве наполнителя полимерного композита используют УНТ;

б) в качестве связующего материала для формирования полимерной матрицы композита используется раствор полимера в растворителе;

в) ориентирование наполнителя в полимерной матрице;

г) термообработку нанокомпозита осуществляют термическим методом при температуре не выше температуры деструкции полимерной матрицы.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является то, что метод обработки ультразвуком не позволяет получить достаточной ориентированности УНТ в объеме полимерной матрицы, из-за чего характеристики нанокомпозита не обеспечиваются.

Известен способ изготовления нанокомпозита: одностенные углеродные нанотрубки (ОУНТ) / полимер (патент US 7,931,838 В29С 47/00, В29С 47/76, B01D 39/00), включающий операции перемешивания углеродных нанотрубок (УНТ) в растворителе, ориентацию УНТ на фильтре методом фильтрации, изготовление полимерной матрицы, состоящей из полимера и растворителя, введение ориентированных углеродных нанотрубок в полимерную матрицу, удаление растворителя из композита и температурный нагрев композита в вакууме до температуры, большей температуры стеклования полимера. В данном способе возможно использование предварительно модифицированных УНТ химическими веществами, содержащими такие функциональные группы, как: амины, алканы, алкены, эфиры, серная, фосфорная, борная, карбоксильная кислота. Материалом полимерной матрицы может быть полиимид, полисульфон, целлюлозный ацетат, поликарбонат, полиметакрилат, другие термопластичные и стеклянные полимеры.

Общие операции с заявленным способом:

а) в качестве наполнителя полимерного композита используют УНТ;

б) в качестве связующего материала для формирования полимерной матрицы композита используется раствор полимера в растворителе;

в) ориентирование наполнителя в полимерной матрице;

г) термообработку нанокомпозита осуществляют термическим методом при температуре не выше температуры деструкции полимерной матрицы.

Недостатком этого способа является то, что метод фильтрации не дает достаточной плотности заполнения объема полимера и ориентированности УНТ в объеме полимерной матрицы, из-за чего характеристики нанокомпозита ухудшаются, а наличие растворителя приводит к возникновению неконтролируемых пор при последующей механической обработке композита.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ изготовления полимерного композита с ориентированным массивом углеродных нанотрубок (патент РФ №2417891 В29С 70/04, В29С 70/28, В82В 1/00, В82В 3/00), включающий растворение полимера в растворителе, формирование на подложке слоя нанокомпозита центрифугированием из раствора полимера и его термообработку термическим методом при температуре не выше температуры деструкции полимерной матрицы. В качестве наполнителя используют вертикально ориентированный массив углеродных нанотрубок, выращенный на подложке, и при формировании на подложке слоя нанокомпозита центрифугированием подложку располагают перпендикулярно плоскости вращения центрифуги.

Общие операции с заявленным способом:

а) в качестве наполнителя полимерного композита используют УНТ;

б) в качестве связующего материала для формирования полимерной матрицы композита используется раствор полимера в растворителе;

в) ориентирование наполнителя в полимерной матрице обеспечено условиями получения нанотрубок;

г) термообработку нанокомпозита осуществляют термическим методом при температуре не выше температуры деструкции полимерной матрицы.

Недостатком этого способа является то, что наличие растворителя приводит к возникновению неконтролируемых пор при последующей механической обработке композита, а использование центрифугирования для формирования слоя композита ограничивает возможности способа изготовлением изделий преимущественно плоской формы из-за необходимости их особой ориентации в центрифуге.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является получение полимерного композита с ориентированными и равномерно распределенными углеродными нанотрубками УНТ по объему полимера, обладающего такими функциональными характеристиками, как механическая прочность композита и возможность последующего формирования сквозных нанопор, образованных внутренними каналами ориентированных нанотрубок для приложений микросистемной техники, фильтрации жидкостей и газов, а также авиационных и космических приложений.

Для достижения технического результата при изготовлении полимерного композита на основе ориентированных углеродных нанотрубок, состоящего из матрицы ориентированных многостенных углеродных нанотрубок, выращенной методом MOCVD и армированной полимерным составом, производят последовательно операции: пропитку матрицы ориентированных многостенных углеродных нанотрубок в полимерной композиции, не содержащей растворителя, под воздействием вакуума, промывку пропитанной матрицы в воде и ее термообработку при температуре не выше температуры деструкции полимерного состава.

Указанный способ реализуется следующим образом. На первом этапе изготовления полимерного композита на основе ориентированных УНТ предлагается пропитать матрицу ориентированных многостенных углеродных нанотрубок, выращенную методом MOCVD, в полимерной композиции, не содержащей растворителя, под воздействием вакуума [2] с целью улучшения проникающей способности полимерной композиции и заполнения всего объема межтрубочного пространства. На втором этапе предлагается провести промывку пропитанной матрицы в воде для удаления с поверхности остатков полимерной композиции, не вошедшей в межтрубочное пространство. На третьем этапе предлагается произвести термообработку при температуре не выше температуры деструкции полимерной матрицы для отверждения полимерной составляющей полученного нанокомпозита.

При использовании в качестве основы ориентированного массива многостенных УНТ, выращенных методом MOCVD, мы имеем нанотрубки, находящиеся на определенном расстоянии друг от друга, что обеспечивает их равномерное распределение и направленную ориентацию по объему полимера. Композит приобретает необходимые прочностные свойства для последующей механической обработки. При этом исключается операция обработки ультразвуком и центрифугирования на различных этапах изготовления нанокомпозита.

Технический результат может быть достигнут при использовании в качестве составов для формирования полимерной составляющей нанокомпозита жидких композиций на основе метакриловых, эпоксидных и иных низкомолекулярных смол. Материалом полимерной матрицы может быть полиимид, полисульфон, целлюлозный ацетат, поликарбонат, полиметакрилат, другие термопластичные и стеклянные полимеры.

Нижеследующие примеры, приведенные в таблице 1, иллюстрируют настоящее изобретение.

Таким образом применение заявленного способа позволяет обеспечить равномерность распределения УНТ и их одинаковую направленную ориентацию при формировании композита, обладающего достаточной механической прочностью и позволяющего сформировать сквозные нанопоры, образованные внутренними каналами УНТ, а также упрощение технологического процесса изготовления нанокомпозита за счет исключения операции обработки ультразвуком и центрифугирования. Также исключается образование неконтролируемых пор при механической обработке поверхности композита.

Источники информации

1. Объедков A.M., Каверин Б.С., Москвичев А.А., и др. Макроцилиндры на основе радиально ориентированных многостенных углеродных нанотрубок // Письма о материалах 2012, т.2, вып.3, с.152-156.

2. Москвичев А.Н. Герметизация пор в литых заготовках и изделиях порошковой металлургии. ч.1. Клеи. Герметики. Технологии. 2005, №1, с.11-15, ч.2. Клеи. Герметики. Технологии. 2005, №2, с.24-33.

Таблица 1
Пример № Условия формирования композита Равномерность распределения УНТ Наличие воздушных пор внутри материала Ориентация УНТ Возможность формирования сквозных нанопор по внутренним каналам УНТ
1 Пропитка массива ориентированных многостенных УНТ, выращенных методом MOCVD, по методу сухого вакуума обеспечена отсутствуют Направленная ориентация перпендикулярно поверхности материала обеспечена
2 Пропитка массива ориентированных многостенных УНТ, выращенных методом MOCVD, по методу влажного вакуума обеспечена отсутствуют Направленная ориентация перпендикулярно поверхности материала обеспечена
3 Пропитка массива ориентированных многостенных УНТ, выращенных методом MOCVD, без вакуума обеспечена имеются Направленная ориентация перпендикулярно поверхности материала обеспечена
4 Центрифугирование на подложке из раствора полимера, наполненного УНТ в виде порошка (патент РФ 2336548) обеспечена отсутствуют отсутствует отсутствует
5 Центрифугирование на подложке из обработанного ультразвуком раствора полимера, наполненного УНТ в виде порошка (патент US 7,754,055) обеспечена отсутствуют отсутствует отсутствует
6 Формирование на фильтре из раствора полимера, наполненного УНТ в виде порошка (патент US 7,931,838) обеспечена имеются отсутствует отсутствует
7 Центрифугирование на подложке из раствора полимера. Ориентированные УНТ выращены на подложке (патент РФ 2417891) обеспечена имеются Направленная ориентация перпендикулярно поверхности материала обеспечена

Способ изготовления полимерного композита на основе углеродных нанотрубок, включающий направленную ориентацию углеродных нанотрубок, заполнение межтрубочного пространства полимером и термообработку при температуре не выше температуры деструкции полимерного состава, отличающийся тем, что для обеспечения направленной ориентации нанотрубок используют массив углеродных нанотрубок, выращенный методом MOCVD, полимерная композиция для заполнения межтрубочного пространства не содержит растворителя, а заполнение массива ориентированных углеродных нанотрубок в полимерной композиции осуществляют под воздействием вакуума.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к средствам индивидуальной защиты работников от электромагнитного излучения. Технический результат предлагаемого изобретения - повышение степени защиты операторов от электромагнитного излучения.

Изобретение относится к резиновым смесям на основе фтористых каучуков. Резиновая смесь содержит сополимер винилиденфторида и хлортрифторэтилена и тройной сополимер винилиденфторида, гексафторпропилена и тетрафторэтилена с 0,3 мас.% функциональной группы брома, оксид магния и гидрооксид кальция в качестве активатора вулканизации и технический углерод Т-900.

Изобретения могут быть использованы при бактерицидной обработке флюидов, таких как вода и промышленные жидкости. Продукт для очистки флюидов содержит, с одной стороны, пористое тело, имеющее наружную и внутреннюю удельную поверхность, и, с другой стороны, металлизированный слой нанометровой толщины, покрывающий, по меньшей мере, часть наружной и внутренней поверхности пористого тела.

Изобретение относится к области нанотехнологий и может быть использовано для получения углеродных наноструктур. Устройство для синтеза углеродных нанотрубок включает камеру 1, заполненную инертным газом, в которой расположены цилиндрические углеродосодержащие катод 2 и анод 3, расположенные соосно, выполненные с возможностью их перемещения относительно друг друга в продольном направлении.

Изобретение относится к композиционному полимерному антифрикционному материалу на основе полиамида для изготовления изделий трибологического назначения, например подшипников скольжения, а также для изготовления изделий тормозной системы рельсового пассажирского или грузового транспорта, эксплуатирующихся без использования смазки.

Изобретение относится к области химии и нанотехнологии. Сначала при температуре 25÷50°C готовят раствор, содержащий, мас.%: полиакрилонитрил - 4,58; CoCl2·6H2O - 1,86; NiCl2·6H2O - 1,86; диметилформамид - 91,7, и выдерживают до полного растворения всех компонентов.

Изобретение относится к области наноструктурированных биосовместимых материалов. Способ получения биосовместимых нанопористых сферических частиц оксида кремния включает синтез в реакционной смеси тетраэтоксисилана (ТЭОС) с NH3, водой (H2O), спиртом (С2Н5ОН) и цетилтриметиламмоний бромидом (C16H33N(СН3)3Br - ЦТАБ) в мольном соотношении ТЭОС:NH3:H2O:С2Н5ОН:ЦТАБ, равном 1:19:370:230:0,2, при интенсивном перемешивании со скоростью 125-250 мин-1 при температуре 5-80°C в течение 2-3 ч с образованием в процессе гидролиза ТЭОС в спирто-водно-аммиачной среде мономеров ортокремниевой кислоты Si(OH)4, конденсацию мономеров с формированием первичных частиц размером 3-5 нм, их коагуляцию, после чего полученные частицы отжигают на воздухе при температуре 550°C в течение 15 часов для удаления органических веществ.

Изобретение может быть использовано в медицине и биологии. На первой стадии получают низкогидроксилированные нерастворимые фуллеренолы путем взаимодействия концентрированного раствора фуллерена в о-ксилоле с водным раствором аммиака в присутствии катализатора межфазового переноса тетрабутиламмониевого гидроксида при температуре 35-40°C.

Изобретение относится в области нанотехнологии, в частности к способу получения нанокапсул аспирина в оболочке из каррагинана. Согласно способу по изобретению получают суспензию аспирина в бензоле.

Изобретение относится к области инкапсуляции, в частности способу получения нанокапсул албендазола в оболочке из альгината натрия. Согласно способу по изобретению албендазол добавляют в суспензию альгината натрия в гексане в присутствии препарата Е472с при перемешивании 1000 об/сек.

Изобретение относится к изготовлению пластикового анкерного болта, применяемого для крепления горных выработок. .
Изобретение относится к области полимерных нанокомпозитов. .
Изобретение относится к производству теплоизоляционных изделий, конкретнее изделий, предназначенных для снижения тепловых потерь при работе промышленного оборудования различного назначения, а также трубопроводов и воздуховодов в зданиях, сооружениях и наружных установках.

Изобретение относится к области неорганической химии. Предложен продукт в виде агломератов оксигидроксидов металлов, выбранных из группы, состоящей из Al, Fe, Mg, Ti или их смеси. Агломераты образованы множеством элементов, имеющих размеры от 200 до 500 нм и представляющих собой низкоразмерные складчатые структуры, имеющие складки и грани неправильной формы. Структуры обладают локально высоким уровнем напряженности электрического поля на упомянутых складках, гранях и ребрах граней, составляющим 106-107 В/м. Изобретение обеспечивает получение агломератов оксигидратов, которые могут быть использованы в качестве сорбентов или в качестве средства, обладающего ранозаживляющей и антибактериальной активностью, а также для угнетения пролиферативной активности опухолевых клеток. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 12 ил., 5 табл., 11 пр.

Изобретение относится к области изготовления оптического элемента путем соединения нескольких кристаллов гранатов. Такие композитные оптические элементы широко применяются в лазерах и других оптических устройствах. Способ включает полировку соединяемых поверхностей деталей, их совмещение и нагрев, при этом соединяемые поверхности деталей обрабатывают раствором ортофосфорной кислоты в спирте и сажают на оптический контакт, после чего соединенные детали при атмосферном давлении нагревают до температуры ниже температуры плавления соединяемых деталей, причем нагрев осуществляют, по крайней мере, в два этапа с выдержкой на первом этапе не менее трех часов при температуре порядка 300°С и с выдержкой на втором этапе не менее двадцати часов при температуре порядка 1200°С. Разработанный способ позволяет исключить дорогостоящую операцию напыления промежуточного слоя между соединяемыми кристаллами гранатов и исключить в готовом изделии сам этот промежуточный слой. Кроме того, изобретение позволяет изготавливать композитный оптический элемент с очень однородным контактом, минимальными потерями и с прочностью, сравнимой с прочностью самого материала. Простота изготовления композитных оптических элементов данным способом позволяет создавать сборки с большой апертурой. 4 з.п. ф-лы, 4 ил., 4 пр.

Настоящее изобретение относится к способу синтеза наночастиц типа ядро-оболочка. Описан способ синтеза наночастиц типа ядро-оболочка, включающий следующие стадии: синтез полимерной затравки в растворителе путем «живой» анионной дисперсионной полимеризации, при этом затравка включает моновиниловый мономер, поперечно-сшитый при помощи сшивающего агента для формирования ядра наночастицы, при этом ядро имеет средний диаметр от 5 нанометров до 10000 нанометров и содержит полимерные цепи с «живыми» концевыми группами; добавление стабилизатора для стабилизации затравки и предотвращения осаждения затравки из раствора; и прививка и/или полимеризация частиц оболочки на «живые» концы ядра для формирования оболочки наночастицы; при этом затравка образована полимеризацией моновинилового мономера с использованием инициатора и поперечного сшивания полученного полимера со сшивающим мультивиниловым мономер агентом. Описаны также наночастицы типа ядро-оболочка, включающие: ядро, сформированное из полимерной затравки, которая включает частицы ядра моновинилового мономера, поперечно-сшитые при помощи сшивающего агента, при этом ядро имеет средний диаметр от 5 нанометров до 10 000 нанометров; оболочку, содержащую частицы оболочки, присоединенные к ядру, при этом оболочка является главным образом несшитой; при этом затравка синтезирована «живой» анионной дисперсионной полимеризацией, причем затравка образована полимеризацией моновинилового мономера с использованием инициатора и поперечного сшивания полученного полимера со сшивающим мультивиниловым мономер агентом. Описан способ изготовления каучуковой композиции, включающий добавление наночастиц типа ядро-оболочка, полученных указанным выше способом, в вулканизируемую каучуковую матрицу. Также описан способ изготовления шин, включающий изготовление наночастиц типа ядро-оболочка указанным выше способом; добавление наночастиц типа ядро-оболочка в каучуковую смесь; формование каучуковой смеси в протектор шин; и сборка шины с использованием протектора шины. Технический результат - получение наночастиц, обладающих низкой вязкостью, улучшенной смачиваемостью и улучшенной силой сцепления со снегом при включении в каучуковую матрицу. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил., 8 табл., 24 пр.

Изобретение относится к вакуумно-плазменной обработке нанокомпозитов. Установка для обработки нанокомпозитов в водородной плазме содержит СВЧ-печь, установленный внутри СВЧ-печи кварцевый реактор для размещения в нем нанокомпозитов, состоящий из корпуса в виде полого цилиндра из кварцевого стекла и установленных на его торцах фланцев с хвостовиками для соединения с вакуумными шлангами, один из которых предназначен для подачи водорода в кварцевый реактор и снабжен натекателем, а другой - для вакуумирования СВЧ-печи и реактора. Один из фланцев выполнен с возможностью его снятия, при этом каждый из фланцев выполнен составным и состоит из наружной оболочки, крышки, уплотнения и профилированной прокладки из кварцевого стекла. Наружная оболочка выполнена в виде полого двухступенчатого цилиндра с хвостовиком для вакуумного шланга и имеет наружную резьбу для установки на нее крышки и внутреннюю конусную поверхность для установки уплотнения в конический зазор между корпусом реактора и наружной оболочкой, профилированная прокладка выполнена с хвостовиком, входящим ответно в хвостовик наружной оболочки и взаимодействующим с ним своей наружной поверхностью, при этом внутренняя полость СВЧ-печи соединена с устройством для создания разрежения в указанной полости. Обеспечивается непрерывная обработка нанокомпозитов в водородной плазме. 2 ил.
Изобретение относится к области материаловедения, в частности к способам определения критической концентрации одной из фаз в многофазной системе. Способ определения типа матрицы композитов металл-диэлектрик основан на том, что для определения типа матрицы предварительно измеряют электрическое сопротивление образца композита металл-диэлектрик при комнатной температуре, после чего указанный образец подвергают вакуумному изотермическому отжигу при температурах 300-400°C в течение 30 минут, после чего определяют электрическое сопротивление отожженного материала и сравнивают его с исходным значением. По увеличению значения электрического сопротивления образца устанавливают, что концентрация металлической фазы композита ниже значения, соответствующего порогу перколяции, и матрицей является диэлектрическая фаза со всеми соответствующими характеристиками, а при уменьшении значения электрического сопротивления композитного материала после термообработки определяют, что сплошной средой испытуемого композита является металлическая фаза.

Изобретение относится к эластомерному нанокомпозиту на основе C4-C7-изоолефина, обладающего улучшенными рабочими характеристиками и характеристиками смешивания. Нанокомпозит содержит сополимер, образованный из по меньшей мере одного C4-C7-изоолефинового мономера и мультиолефинового мономера, и нанонаполнитель, содержащий смектитовую глину с поверхностно-активным веществом. При этом поверхностно-активное вещество обладает структурой (R1R2R3R4)N+, в которой R1 обозначает звено, образованное из бензила, которое может быть или не быть замещенным, в которой R2 выбран из группы, включающей C1-C26-алкилы, C2-C26-алкены и C3-C26-арилы, и в которой R3 и R4 являются одинаковыми или разными и независимо выбраны из группы, включающей C9-C26-алкилы, C9-C26-алкены и C9-C26-арилы. Полученные нанокомпозиты обладают улучшенными механическими и барьерными характеристиками при использовании в изделиях, для которых необходима непроницаемость, таких как герметизирующие слои покрышек, камеры, диафрагмы вулканизатора шин, шланги, медицинские пробки, непроницаемые листы и другие аналогичные изделия. 12 з.п. ф-лы, 2 табл., 10 пр.
Наверх