DE112013005811T5

DE112013005811T5 - Verfahren zur Herstellung mit Kohlenstoff-Nanostrukturen beschichteter Fasern

Info

Publication number: DE112013005811T5
Application number: DE112013005811.1T
Authority: DE
Inventors: Tushar Shah; Han Liu; Jess Michael Goldfinger; John J. Morber
Original assignee: Applied Nanostructured Solutions LLC
Current assignee: Applied Nanostructured Solutions LLC
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2015-10-22
Also published as: US9107292B2; WO2014089081A1; KR102104841B1; CN104822622A; DK201570308A1; US20140151111A1; KR20150091482A; IN2015DN04295A

Abstract

Kohlenstoff-Nanostrukturen können verschiedenen Substraten erhöhte elektrische Leitfähigkeit verleihen, während ein großer Flächenbereich und eine niedrige Dichte pro Flächeneinheit aufrechterhalten werden. Solche Substrate können eine gute Abschirmung gegen elektromagnetische Strahlung über einen breiten Frequenzbereich vorsehen. Elektrisch leitfähige Strukturen können eine Trägerschicht, die eine Mehrzahl von Fasern mit zwischen den Fasern definierten Aperturen umfasst, und eine Mehrzahl von Kohlenstoff-Nanostrukturen umfassen, die wenigstens teilweise konform die Fasern beschichten und quer über zwischen angrenzenden Fasern definierten Aperturen Brücken bilden, um eine kontinuierliche Kohlenstoff-Nanostrukturschicht zu bilden. Jede Kohlenstoff-Nanostruktur kann eine Mehrzahl von Kohlenstoff-Nanoröhrchen umfassen, die verzweigt, vernetzt sind und gemeinsame Wände miteinander teilen.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht gemäß U.S.C. § 119 den Vorteil der Priorität der provisorischen US-Patentanmeldung 61/733,302, eingereicht am 4. Dezember 2012, die hier zur Gänze durch Bezugnahme eingeschlossen wird.
STELLUNGNAHME BETREFFEND ÖFFENTLICH GEFÖRDERTE FORSCHUNG ODER ENTWICKLUNG

Nicht anwendbar.

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Kohlenstoff-Nanostrukturen und insbesondere auf die Verwendung von Kohlenstoff-Nanostrukturen zur Abschirmung elektromagnetischer Strahlung.
HINTERGRUND
Leitfähige Materialien werden in verschiedensten Anwendungen verwendet, die beispielsweise umfassen: EMI-Abschirmung (einschließlich Kabel, Strukturen und Gehäuse), Antennen, leitfähige Drähte und andere leitfähige Flächen, Stromkollektoren, Schwarzer-Körper-Absorber, Wärmeleiter und dgl. Aufgrund ihrer hohen Leitfähigkeitswerte werden Metalle am häufigsten für diese Zwecke verwendet. Die signifikanten Dichten der meisten Metalle können jedoch manchmal Strukturen ergeben, die für eine effiziente Verwendung in bestimmten Situationen zu schwer sind, wie bei Luftraum- und Luftfahrtanwendungen.
Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs) wurden zur Verwendung bei einer Reihe von Anwendungen vorgeschlagen, die ihre einzigartige Kombination chemischer, mechanischer, elektrischer und thermischer Eigenschaften vorteilhaft nützen können. Verschiedene Schwierigkeiten wurden bei vielen Anwendungen verbreitet erkannt, wenn mit einzelnen Kohlenstoff-Nanoröhrchen gearbeitet wird. Diese Schwierigkeiten können die Neigung einzelner Nanoröhrchen umfassen, sich in Bündel oder Fäden zu gruppieren, wie bekannt ist. Obwohl verschiedene Techniken zur Entbündelung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen in gut getrennte, einzelne Teile verfügbar sind, können viele dieser Techniken die gewünschten Eigenschaftsverstärkungen nachteilig beeinflussen, die fehlerlose Kohlenstoff-Nanoröhrchen vorsehen können. Zusätzlich zum Vorhergehenden wurde weit verbreitete Besorgnis in Bezug auf die Umweltgesundheit und das Sicherheitsprofil einzelner Kohlenstoff-Nanoröhrchen aufgrund ihrer kleinen Größe geäußert. Ferner können in vielen Fällen die Kosten der Herstellung einzelner Kohlenstoff-Nanoröhrchen für das kommerzielle Überleben dieser Einheiten zu hoch sein.
Kohlenstoff-Nanoröhrchen wurden aufgrund ihrer signifikanten elektrischen Leitfähigkeit und ihres viel geringeren Gewichts in einigen Anwendungen als Ersatz für Metalle vorgeschlagen. Eine beispielhafte Verwendung für Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die in dieser Hinsicht vorgeschlagen wurde, involviert Anwendungen zur Abschirmung elektromagnetischer Strahlung, insbesondere zur Abschirmung gegen Mikrowellenenergie. Die Manipulation von Kohlenstoff-Nanoröhrchen in eine leitfähige Schicht, die für Abschirmungsanwendungen geeignet sein kann, hat sich jedoch als Herausforderung erwiesen. Vor allem kann die signifikante Neigung einzelner Kohlenstoff-Nanoröhrchen, miteinander zu Fäden oder Bündeln zu agglomerieren, es problematisch machen, Kohlenstoff-Nanoröhrchen reproduzierbar in ein Verbundmaterial einzuschließen oder ein Substrat mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen in einer leitfähigen Schicht zu beschichten, die eine ausreichende optische Abdeckung aufweist, um eine Abschirmung elektromagnetischer Strahlung zu beeinflussen. Der hier verwendete Ausdruck „optische Abdeckung” bezieht sich auf das Ausmaß, in dem ein Material das Lecken elektromagnetischer Strahlung durch dieses blockiert. Außerdem kann es bei Beschichtungsanwendungen die kleine Größe einzelner Kohlenstoff-Nanoröhrchen problematisch machen, die Kohlenstoff-Nanoröhrchen direkt auf porösen Substraten aufzubringen, wegen ihrer Neigung, durch die darin definierten Poren hindurchzugehen, anstatt auf der Substratfläche als Beschichtung zu liegen. Ähnliche Schwierigkeiten können mit anderen leitfähigen Nanomaterialien, wie beispielsweise Nanoteilchen und Graphen, angetroffen werden.
Angesichts des Obigen wäre die Herstellung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen in einer Form, die sie für Beschichtungsanwendungen zugänglicher macht, äußerst wünschenswert, insbesondere für Zwecke des Vorsehens einer elektromagnetischen Strahlungsabschirmung. Die vorliegende Offenbarung erfüllt die vorstehenden Anforderungen und sieht auch damit verbundene Vorteile vor.
In einigen Ausführungsformen sieht die vorliegende Offenbarung elektrisch leitfähige Strukturen vor, die aus Kohlenstoff-Nanostrukturen gebildet sind. In einigen Ausführungsformen enthalten die elektrisch leitfähigen Strukturen eine Trägerschicht, die eine Mehrzahl von Fasern mit zwischen den Fasern definierten Aperturen umfasst, und eine Mehrzahl von Kohlenstoff-Nanostrukturen, die wenigstens teilweise konform die Fasern beschichten und quer über den zwischen angrenzenden Fasern definierten Aperturen Brücken bilden, um eine kontinuierliche Kohlenstoff-Nanostrukturschicht zu bilden. Jede Kohlenstoff-Nanostruktur umfasst eine Mehrzahl von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die verzweigt, vernetzt sind und gemeinsame Wände miteinander teilen.
In einigen Ausführungsformen sieht die vorliegende Offenbarung Verfahren zur Bildung von Kohlenstoff-Nanostrukturschichten vor. In einigen Ausführungsformen umfassen die Verfahren: Vorsehen einer Mischung, die ein Lösungsmittel und eine Mehrzahl von Kohlenstoff-Nanostrukturen umfasst; Dispergieren der Kohlenstoff-Nanostrukturen im Lösungsmittel, bis die Kohlenstoff-Nanostrukturen im Wesentlichen nicht-agglomeriert sind; und Führen des Lösungsmittels durch eine Trägerschicht, die eine Mehrzahl von Fasern mit zwischen den Fasern definierten Aperturen umfasst, wodurch die Kohlenstoff-Nanostrukturen wenigstens teilweise konform rund um die Fasern beschichtet werden und quer über die zwischen angrenzenden Fasern definierten Aperturen Brücken bilden, um eine kontinuierliche Kohlenstoff-Nanostrukturschicht zu bilden. Jede Kohlenstoff-Nanostruktur enthält eine Mehrzahl von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die verzweigt, vernetzt sind und gemeinsame Wände miteinander teilen.
In einigen Ausführungsformen sieht die vorliegende Offenbarung Verfahren vor, die umfassen: Bilden einer Mischung, die eine Mehrzahl von Kohlenstoff-Nanostrukturen und eine Mehrzahl geschnittener Fasern in einem Lösungsmittel enthält; und Filtrieren der Mischung, um die geschnittenen Fasern und Kohlenstoff-Nanostrukturen als Schichtstruktur zu sammeln, in der die Kohlenstoff-Nanostrukturen wenigstens teilweise konform die Fasern beschichten und quer über zwischen angrenzenden Fasern definierte Aperturen Brücken bilden. Jede Kohlenstoff-Nanostruktur enthält eine Mehrzahl von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die verzweigt, vernetzt sind und gemeinsame Wände miteinander teilen.
Das Vorstehende hat grob die Merkmale der vorliegenden Offenbarung dargestellt, damit die detaillierte Beschreibung, die folgt, besser verständlich wird. Zusätzliche Merkmale und Vorteile der Offenbarung werden hier im Nachstehenden beschrieben, die den Gegenstand der Ansprüche bilden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Offenbarung und der Vorteile davon wird nun auf die folgenden Beschreibungen Bezug genommen, die in Verbindung mit den beigeschlossenen Zeichnungen zu lesen sind, welche spezifische Ausführungsformen der Offenbarung beschreiben, in denen:
1A–1C veranschaulichende Darstellungen von Kohlenstoff-Nanoröhrchen zeigen, die verzweigt, vernetzt sind bzw. gemeinsame Wände teilen;
2 eine veranschaulichende Darstellung eines Kohlenstoff-Nanostruktur-Flockenmaterials nach der Isolierung der Kohlenstoff-Nanostruktur von einem Wachstumssubstrat zeigt;
3 ein SEM-Bild einer veranschaulichenden Kohlenstoff-Nanostruktur zeigt, die als Flockenmaterial erhalten wird;
4A ein SEM-Bild eines veranschaulichenden Faserschleiers vor dem Aufbringen einer konformen Beschichtung von Kohlenstoff-Nanostrukturen auf den Fasern darin zeigt; die 4B und 4C SEM-Bilder eines veranschaulichenden Faserschleiers nach dem Aufbringen einer konformen Beschichtung von Kohlenstoff-Nanostrukturen darauf als konforme Beschichtung zeigen;
5 ein Flussidiagramm eines veranschaulichenden Kohlenstoff-Nanostruktur-Wachstumsprozesses zeigt, der ein beispielhaftes Glas- oder Keramik-Wachstumssubstrat verwendet;
6 eine veranschaulichende schematische Darstellung eines Übergangsmetall-Nanoteilchens zeigt, das mit einer Anti-Haftschicht beschichtet ist;
7 ein Flussdiagramm eines veranschaulichenden Prozesses zur Isolierung von Kohlenstoff-Nanostrukturen von einem Wachstumssubstrat zeigt;
8 eine veranschaulichende schematische Darstellung zeigt, die den in 7 gezeigten Prozess weiter ausarbeitet;
9 eine veranschaulichende schematische Darstellung zeigt, die zeigt, wie ein mechanisches Scheren verwendet werden kann, um Kohlenstoff-Nanostrukturen und einen Übergangsmetall-Nanoteilchenkatalysator von einem Wachstumssubstrat zu entfernen;
10 eine veranschaulichende schematische Darstellung zeigt, die einen Kohlenstoff-Nanostruktur-Entfernungsprozess zeigt, in dem Kohlenstoff-Nanostrukturen von einem Wachstumssubstrat ohne einen Übergangsmetall-Nanoteilchenkatalysator isoliert werden können;
11 eine veranschaulichende grafische Darstellung der Abschirmungseffizienz in dB als Funktion der elektromagnetischen Strahlungsfrequenz für einen Kohlenstoff-Nanostruktur-beschichteten Kohlenstoff-Faserschleier und einen vergleichbaren unbeschichteten Schleier zeigt;
die 12 und 13 veranschaulichende grafische Darstellungen der Abschirmungseffizienz in dB als Funktion der elektromagnetischen Strahlungsfrequenz für einen Kohlenstoff-Nanostruktur-beschichteten Kohlenstoff-Faserschleier zeigen;
14 eine veranschaulichende grafische Darstellung der Abschirmungseffizienz als Funktion der elektromagnetischen Strahlungsfrequenz für einen Kohlenstoff-Nanostruktur-beschichteten Kohlenstoff-Faserschleier vor und nach dem Aufbringen auf einer Polymer-Struktur zeigt;
15 eine veranschaulichende grafische Darstellung der Abschirmungseffizienz als Funktion der elektromagnetischen Strahlungsfrequenz für einen Kohlenstoff-Nanostruktur-beschichteten Kohlenstoff-Faserschleier vor und nach seiner Kombination mit einem Polymer-Substrat zeigt, das auch 10% Kohlenstoff-Nanostrukturen enthält; und
16 eine veranschaulichende grafische Darstellung der Abschirmungseffizienz für zwei Kohlenstoff-Nanostruktur-beschichtete Kohlenstoff-Faserschleier mit variierenden Überlappungsgraden zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung ist teilweise auf elektrisch leitfähige Strukturen gerichtet, die Kohlenstoff-Nanostrukturen enthalten. Die vorliegende Offenbarung ist auch teilweise auf Verfahren zur Herstellung elektrisch leitfähiger Strukturen gerichtet, die Kohlenstoff-Nanostrukturen enthalten. Die vorliegende Offenbarung ist auch teilweise auf Verfahren zur Abschirmung verschiedener Artikel gegen elektromagnetische Strahlung unter Verwendung von Kohlenstoff-Nanostrukturen gerichtet.
Obwohl Metalle üblicherweise hohe elektrische Leitfähigkeitswerte aufweisen, können das Gewicht und die Kosten von Metallen in einigen Anwendungen zu hoch sein. Insbesondere bei Anwendungen zur Abschirmung elektromagnetischer Strahlung können diese Einschränkungen in vielen Industrien signifikant sein. Außerdem kann es für Abschirmungsanwendungen manchmal schwierig sein, Metallbeschichtungen auf Artikeln mit bestimmten Geometrien und/oder Zusammensetzungen zu bilden, um diesen eine elektromagnetische Strahlungsabschirmung zu verleihen.
Als Alternative zu Metallmonolithen und Metallbeschichtungen können Fasermatten mit niedrigem Flächengewicht, die leitfähige Fasern enthalten, verwendet werden, um verschiedenen Strukturen eine elektromagnetische Strahlungsabschirmung zu verleihen. Solche Fasermatten werden hier auch synonym als „Schleier”, „Faserschleier” oder „Schleierstrukturen” bezeichnet. Faserschleier können ein leichtes Gewicht aufweisen und eine gute Flexibilität haben, wodurch es ermöglicht wird, sie als konforme Applikation auf verschiedenen Flächen als leitfähige Beschichtung aufzubringen. Nicht-Flächen-Auslegungen sind auch möglich. Obwohl Faserschleier leicht auf vielen Strukturen aufgebracht werden können, kann die elektrische Leitfähigkeit der Fasern etwas eingeschränkt werden, auch wenn die Fasern mit einer Metallisierungsschicht beschichtet werden. Außerdem repräsentieren zwischen den einzelnen Fasern definierte Aperturen Bereiche einer niedrigeren oder nicht-existenten elektromagnetischen Strahlungsabschirmung, was für einige Verwendungen inakzeptabel sein kann.

Tabelle 1 zeigt die elektromagnetische Strahlungsabschirmungseffizienz einiger beispielhafter Faserschleier verglichen mit jener, die von einem Kohlenstoff-Nanoröhrchenband erhalten wird. Tabelle 1

Material	Dicke (μm)	Flächengewicht (g/m²)	Abschirmungseffizienz bei 4 GHz (db)
Ripstop NiCu Polyestergewebe	80	90	80
Taffeta NiCu Nylon-gewebe	125	80	50
Exfolierte Graphitschicht	150	80	70
Material	Dicke (μm)	Flächengewicht (g/m²)	Abschirmungseffizienz bei 4 GHz (db)
Al/Mylarfolie	50	100	90
Gewebter NiCu Kohlenstoff-Faserschleier	290	175	65
Nicht-gewebter Kohlenstoff-Faserschleier (schwer)	350	75	80
Nicht-gewebter Kohlenstoff-Faserschleier (leicht)	125	20	50
CNT Band	20	20	45

Wie in Tabelle 1 gezeigt, können Kohlenstoff-Nanoröhrchen eine signifikante Abschirmung gegen elektromagnetische Strahlung vorsehen, auch bei einem Fehlen von Metallen, bei einer viel niedrigeren Dicke als herkömmliche Faserschleier. Trotz ihres leichten Gewichts und ihrer guten elektrischen Leitfähigkeitswerte können aus vorgeformten Kohlenstoff-Nanoröhrchen hergestellte Kohlenstoff-Nanoröhrchenbänder teuer und schwer herzustellen sein, wodurch ihre weit verbreitete Anwendung problematisch wird. Am häufigsten involvieren die Aspekte, die für höchst problematisch bei der Manipulation von Kohlenstoff-Nanoröhrchen gehalten werden, eine Entbündelung von Kohlenstoff-Nanoröhrchenfäden, um einzelne Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu bilden.
Obwohl überlegt werden könnte, die Metallisierungsschicht herkömmlicher Faserschleier durch Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu ersetzen oder zu ergänzen, um ihre elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen, hilft dieser Ansatz wenig bei der Verbesserung der begrenzten elektromagnetischen Strahlungsabschirmungseffizienz innerhalb der Aperturen der Schleierstrukturen. Einzelne Kohlenstoff-Nanoröhrchen und andere leitfähige Nanomaterialien sind nämlich üblicherweise so klein, dass sie einfach durch die Aperturen eines Schleiers während eines Beschichtungsprozesses hindurchgehen, wobei nur begrenzte Mengen an Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf den Fasern zurückgehalten werden und die Aperturen ungeschützt bleiben. Außerdem werden sogar Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die anfänglich auf den Fasern eines Schleiers in einem derartigen Beschichtungsprozess abgeschieden werden, danach nicht leicht zurückgehalten, da sie gewöhnlich auf den Fasern schwach gehalten werden und zu einer späteren Zeit durch die Schleieraperturen hindurchgehen können. So können Kohlenstoff-Nanoröhrchen gewöhnlich nicht quer über die relativ breiten Aperturen in einer Schleierstruktur Brücken bilden, um eine Fläche mit einer im Wesentlichen gleichmäßigen optischen Abdeckung zu bilden.
Um Kohlenstoff-Nanoröhrchen in einer Form vorzusehen, die viele ihrer Handhabungs- und Aufbringungsprobleme in verschiedenen Anwendungen löst, haben wenigstens einige der Erfinder der vorliegenden Erfindung früher Techniken zur Herstellung von Kohlenstoff-Nanostrukturen (CNSs) entwickelt, die in verschiedene Fasermaterialien durch direktes Aufwachsen der Kohlenstoff-Nanostrukturen darauf infundiert werden. Der hier verwendete Ausdruck „Kohlenstoff-Nanostruktur” bezieht sich auf eine Mehrzahl von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die als Polymerstruktur vorliegen kann, indem sie fingerartig ineinerandergreifen, verzweigt, vernetzt sind und/oder gemeinsame Wände miteinander teilen. Es kann davon ausgegangen werden, dass Kohlenstoff-Nanostrukturen ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Basismonomereinheit ihrer Polymerstruktur aufweisen. Durch das Aufwachsen von Kohlenstoff-Nanostrukturen auf einem Substrat (z. B. einem Fasermaterial) unter Kohlenstoff-Nanostruktur-Wachstumsbedingungen kann wenigstens ein Teil der Kohlenstoff-Nanoröhrchen in den Kohlenstoff-Nanostrukturen im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet werden, sehr ähnlich der parallelen Kohlenstoff-Nanoröhrchenausrichtung, die bei herkömmlichen Kohlenstoff-Nanoröhrchenwäldern sichtbar sind. Die im Wesentlichen parallele Ausrichtung kann aufrechterhalten werden, wenn die Kohlenstoff-Nanostrukturen vom Wachstumssubstrat entfernt werden, wie nachstehend diskutiert. Die Infusion von Kohlenstoff-Nanostrukturen in ein Fasermaterial durch direktes Aufwachsen kann ermöglichen, dass die vorteilhaften Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanoröhrchen (d. h. eine beliebige Kombination chemischer, mechanischer, elektrischer und thermischer Eigenschaften) dem Fasermaterial und/oder einem Matrixmaterial verliehen werden, in dem das mit den Kohlenstoff-Nanostrukturen infundierte Fasermaterial angeordnet ist. Außerdem können durch die Infusion von Kohlenstoff-Nanostrukturen in ein Fasermaterial viele der Handhabungsschwierigkeiten und potenzielle Bedenken hinsichtlich der Umweltgesundheit und Sicherheit einzelner Kohlenstoff-Nanoröhrchen vermieden werden, da das Risiko einer Ablösung der stark gebundenen Kohlenstoff-Nanoröhrchen minimal ist. Obwohl mit Kohlenstoff-Nanostrukturen infundierte Fasermaterialien verwendet werden können, um speziell angefertigte Faserschleier zu bilden, wird nicht angenommen, dass das Problem der eingeschränkten elektromagnetischen Strahlungsabschirmung in den Aperturen der Schleierstrukturen durch diesen Ansatz effektiv gelöst wird.
Herkömmliche Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Wachstumsprozesse waren am häufigsten auf die Herstellung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit hoher Reinheit konzentriert, die eine minale Anzahl von Defekten enthalten. Während derartige herkömmliche Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Wachstumsprozesse typischerweise einige Minuten oder länger dauern, um Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit Längen im Mikron-Maßstab zu erzeugen, verwenden die hier beschriebenen Kohlenstoff-Nanostruktur-Wachstumsprozesse eine nominelle Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Wachstumsrate in der Größenordnung von einigen Mikron pro Sekunde in einem kontinuierlichen, in situ Wachstumsprozess auf einem Wachstumssubstrat. Als Ergebnis sind die Kohlenstoff-Nanoröhrchen innerhalb der Kohlenstoff-Nanostrukturen defektiver verglichen mit jenen in einem herkömmlichen Kohlenstoff-Nanoröhrchenwald oder mit ungebundenen Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Das heißt, die erhaltenen Kohlenstoff-Nanostrukturen enthalten Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die höchst verwoben, verzweigt, vernetzt sind und gemeinsame Wände teilen, wodurch eine Makrostruktur gebildet wird, die von mehr als nur den strukturellen Merkmalen von Kohlenstoff-Nanoröhrchen selbst definiert wird. Als Ergebnis haben die Kohlenstoff-Nanostrukturen eine hochporöse Makrostruktur, die von den Kohlenstoff-Nanoröhrchen und ihren Verbindungen miteinander definiert wird. Im Gegensatz zu Kohlenstoff-Nanoröhrchenmatten, die aus fehlerlosen Kohlenstoff-Nanoröhrchen hergestellt sind, kann die poröse Makrostruktur in Kohlenstoff-Nanostrukturen durch die kovalenten Bindungen zwischen den Kohlenstoff-Nanoröhrchen robust aufrechterhalten werden. Im Wesentlichen enthalten Kohlenstoff-Nanostrukturen Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die in einem „prä-exfolierten” Zustand sind, wobei die Kohlenstoff-Nanoröhrchen voneinander gut getrennt sind, außer wo Verbindungen zwischen angrenzenden Kohlenstoff-Nanoröhrchen durch die Verzweigung, Vernetzung oder das Teilen gemeinsamer Wände bestehen.
In den meisten Fällen haben frühere Herstellungen von mit Kohlenstoff-Nanostrukturen infundierten Fasermaterialien zu einer sehr robusten Haftung der Kohlenstoff-Nanostrukturen am Fasermaterial geführt, so dass die Kohlenstoff-Nanostrukturen nicht leicht vom Fasermaterial entfernt werden, wenigstens ohne signifikante Beschädigung der Kohlenstoff-Nanoröhrchen selbst. Obwohl in vielen Anwendungen mit Kohlenstoff-Nanostrukturen infundierte Fasermaterialien als Ersatz für einzelne Kohlenstoff-Nanoröhrchen zufriedenstellend verwendet werden können, haben wenigstens einige der Erfinder der vorliegenden Erfindung gefunden, dass es in bestimmten Fällen zweckmäßiger sein könnte, Kohlenstoff-Nanostrukturen zu verwenden, die frei sind vom Fasermaterial, auf dem sie aufgewachsen werden, während die Attribute für die einfache Handhabung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen beibehalten werden, die dadurch entstehen, dass die Kohlenstoff-Nanostrukturen in das Fasermaterial infundiert werden. Techniken, die eine Entfernung von Kohlenstoff-Nanostrukturen von einem Wachstumssubstrat beeinflussen, werden hier im Nachstehenden ausgeführt und werden detaillierter in der gemeinsam besessenen US-Patentanmeldung 14/035,856 mit dem Titel „Carbon Nanostructures and Methods of Making the Same”, eingereicht am 24. September 2013, beschrieben, die hier durch Bezugnahme eingeschlossen wird.
In Bezug auf die Abschirmung elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Mikrowellenstrahlung, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung gefunden, dass die isolierten Kohlenstoff-Nanostrukturen signifikante Vorteile gegenüber Kohlenstoff-Nanoröhrchen bei der Bildung einer elektrisch leitfähigen Beschichtung liefern können. Kohlenstoff-Nanostrukturen können nämlich die elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften beibehalten, die gewöhnliche Kohlenstoff-Nanoröhrchen charakterisieren können, und diese elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften können den Fasern in Schleierstrukturen verliehen werden, wenn sie als Beschichtung darauf aufgebracht werden. Im Gegensatz zu Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die nicht leicht vereinzelt oder in einer Fluidphase dispergiert werden können, können Kohlenstoff-Nanostrukturen in einem im Wesentlichen nicht-agglomerierten Zustand dispergiert werden, da ihre Kohlenstoff-Nanoröhrchen bereits in einem „prä-exfolierten” Zustand sind, wodurch ermöglicht wird, dass die vorteilhaften Eigenschaften der Kohlenstoff-Nanoröhrchen besser zum Ausdruck kommen. Signifikanter können jedoch isolierte Kohlenstoff-Nanostrukturen eine viel robustere Interaktion mit den Fasern einer Schleierstruktur vorsehen als es einzelne Kohlenstoff-Nanoröhrchen können, was signifikante Vorteile bieten kann. Isolierte Kohlenstoff-Nanostrukturen sind nämlich in ihrer Größe makroskopisch relativ zu einzelnen Kohlenstoff-Nanoröhrchen, wodurch ermöglicht wird, dass die Kohlenstoff-Nanostrukturen konforme Beschichtungen auf den Fasern einer Schleierstruktur bilden, während sie auch quer über die zwischen den Fasern der Schleierstruktur definierte Aperturen Brücken bilden. So gehen die Kohlenstoff-Nanostrukturen nicht nur leicht durch die Aperturen eines Schleiers hindurch, sondern sie können auch elektromagnetische Strahlungsabschirmungseffekte in den Aperturregionen des Schleiers vorsehen, die ansonsten im Wesentlichen ungeschützt sind, wenn Beschichtungen anderer Typen von Nanomaterialien aufgebracht werden. Die makrostrukturierte Morphologie von Kohlenstoff-Nanostrukturen kann auch weitere Vorteile vorsehen, wie hier im Nachstehenden diskutiert.
Kohlenstoff-Nanostrukturen haben ein niedriges Flächengewicht, wodurch ermöglicht wird, dass die elektromagnetischen Strahlungsabschirmungseffekte einer Fläche, wie einem Faserschleier, mit geringer Gewichtszunahme verliehen werden. Außerdem bleiben mit Kohlenstoff-Nanostrukturen beschichtete Faserschleier hochflexibel, wodurch ermöglicht wird, dass sie konform an Flächen mit verschiedensten Formen und Zusammensetzungen angepasst werden. Auch wenn sie auf einer Fläche aufgebracht werden, die im Wesentlichen nicht leitfähig ist, können die elektromagnetischen Strahlungsabschirmungseffekte der mit Kohlenstoff-Nanostrukturen beschichteten Faserschleier in ihrer wesentlichen Gesamtheit beibehalten werden, um der anfänglich nicht leitfähigen Fläche Abschirmungseffekte zu verleihen.

Zusätzlich zu den vorhergehenden Vorteilen können isolierte Kohlenstoff-Nanostrukturen eine überraschende Synergie zeigen, wenn sie als Beschichtung auf einem Substrat, wie einem Faserschleier, aufgebracht werden. Das heißt, der Effekt des Aufbringens isolierter Kohlenstoff-Nanostrukturen auf einem Faserschleier kann einen Effekt liefern, der mehr als additiv für den Faserschleier und die Kohlenstoff-Nanostruktur allein ist, wie in der nachstehenden Tabelle 2 veranschaulicht. Wie in Tabelle 2 gezeigt, war der theoretische Widerstand eines mit Kohlenstoff-Nanostrukturen beschichteten Faserschleiers (Eintrag 4) 3,7-fach höher als der tatsächlich gemessene (Eintrag 3). Der theoretische Widerstand von Eintrag 4 wurde unter Verwendung eines Modells paralleler Widerstände bestimmt, wobei der reziproke Widerstand des mit Kohlenstoff-Nanostrukturen beschichteten Faserschleiers gleich ist der Summe der reziproken Widerstände seiner Bestandteile (d. h. der isolierten Kohlenstoff-Nanostrukturen (Eintrag 1) und des unmodifizierten Faserschleiers (Eintrag 2)). Der Vergleich des theoretischen Widerstands (Eintrag 4) gegenüber dem tatsächlichen gemessenen (Eintrag 3) zeigt, dass eine 2,7-fache Verstärkung gegenüber jener erhalten wurde, die für ein einfaches additives Modell antizipiert wurde. Obwohl eine gewisse Varianz in den Daten aufgrund der Nicht-Gleichmäßigkeit der gemessenen Dicken vorliegt, wird nicht angenommen, dass diese Varianz signifikant genug ist, um für das beobachtete Ausmaß der Widerstandsverstärkung verantwortlich zu sein. Tabelle 2

Eintrag	Beschreibung	Dicke (μm)	Flächengewicht (g/m²)	Widerstand (mΩ)
1	Isolierte Kohlenstoff-Nanostrukturen	21	8,3	5650
2	Unmodifizierter Ni/Faserschleier	57	8,8	3717
3	Ni/Faserschleier, beschichtet mit Kohlenstoff-Nanostrukturen	70	6,6	610
4	Theoretische Werte für Ni/Faserschleier, beschichtet mit Kohlenstoff-Nanostrukturen	78	17,0	2242

Darüber hinaus können die Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanostrukturen in einem gewissen Ausmaß abgestimmt werden, um eine gewisse Flexibilität in den Frequenzen elektromagnetischer Strahlung vorzusehen, gegen die sie Schutz bieten. Beispielsweise können Kohlenstoff-Nanostrukturen durch Reaktionen ähnlich jenen funktionalisiert werden, die zur Funktionalisierung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen verwendet werden, wodurch ermöglicht wird, dass die Kohlenstoff-Nanostrukturen kovalent modifiziert werden, um eine gewünschte Gruppe von Eigenschaften zu liefern. Verschiedene Reaktionen zur Funktionalisierung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind gewöhnlichen Fachleuten bekannt und können auf die Funktionalisierung von Kohlenstoff-Nanostrukturen in ähnlicher Weise anwendbar sein. Die Funktionalisierung kann auch den Grad der Haftung an einem Faserschleier erhöhen, einschließlich der Möglichkeit der Bildung kovalenter Bindungen zwischen den Kohlenstoff-Nanostrukturen und den Schleierfasern zwischen den Kohlenstoff-Nanoröhrchen der Kohlenstoff-Nanostrukturen, oder einer beliebigen Kombination davon. Außerdem kann durch die Erhöhung oder Verringerung der Menge der Kohlenstoff-Nanostrukturen, mit denen ein Faserschleier beschichtet wird, der Grad der Abschirmung gegen elektromagnetische Strahlung entsprechend geändert werden.
Ein weiterer Vorteil von Kohlenstoff-Nanostrukturen gegenüber einzelnen Kohlenstoff-Nanoröhrchen ist, dass angenommen wird, dass die Kohlenstoff-Nanostrukturen eine bessere Umweltgesundheit und ein besseres Sicherheitsprofil liefern, verglichen mit einzelnen Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Da eine Kohlenstoff-Nanostruktur in der Größe relativ zu einem einzelnen Kohlenstoff-Nanoröhrchen makroskopisch ist, wird davon ausgegangen, dass die freistehenden Kohlenstoff-Nanostrukturen zu geringeren Toxizitätsbedenken führen können und mit der Umweltgesundheit und dem Sicherheitsprofil von Kohlenstoff-Nanoröhrchen konkurrieren, die in ein Fasermaterial infundiert werden. Ohne an irgendeine Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass die verbesserte Umweltgesundheit und das verbesserte Sicherheitsprofil von Kohlenstoff-Nanostrukturen wenigstens teilweise aus der Größe und strukturellen Integrität der Kohlenstoff-Nanostrukturen selbst resultieren können. Das heißt, die Bindungsinteraktionen zwischen Kohlenstoff-Nanoröhrchen in Kohlenstoff-Nanostrukturen können ein robustes Material ergeben, das sich nicht leicht in schädliche Submikronpartikel trennt, wie jene, die mit einer Respirationstoxizität assoziiert sind.
Als weiterer Vorteil von Kohlenstoff-Nanostrukturen relativ zu einzelnen Kohlenstoff-Nanoröhrchen wird angenommen, dass Kohlenstoff-Nanostrukturen viel schneller und billiger und mit einem höheren Kohlenstoff-Ausgangsmaterial-Umwandlungsprozentsatz erzeugt werden können als bei verwandten Nanoröhrchen-Herstellungstechniken. Dieses Merkmal kann bessere Prozesskostenvorteile ergeben, insbesondere für Operationen im großen Maßstab. Einige der bisher die besten Leistungen erbringenden Prozesse für ein Kohlenstoff-Nanoröhrchenwachstum haben eine Kohlenstoff-Umwandlungseffizienz von höchstens etwa 60% gezeigt. Im Gegensatz dazu können Kohlenstoff-Nanostrukturen auf einem Fasermaterial mit Kohlenstoff-Umwandlungseffizienzen von mehr als etwa 85% erzeugt werden. So ergeben Kohlenstoff-Nanostrukturen eine effizientere Verwendung von Kohlenstoff-Ausgangsmaterial und assoziierte niedrige Herstellungskosten.
In verschiedenen Ausführungsformen werden hier elektrisch leitfähige Strukturen beschrieben, die Kohlenstoff-Nanostrukturen enthalten. In verschiedenen Ausführungsformen können die elektrisch leitfähigen Strukturen auf Anordnungen, wie beispielsweise Kabeln, Gebäuden und anderen Umhüllungen und dgl., ausgelegt oder aufgebracht werden. In einigen Ausführungsformen können die elektrisch leitfähigen Strukturen freistehend sein. In anderen Ausführungsformen können die elektrisch leitfähigen Strukturen auf einer Fläche wie einer Applikation aufgebracht werden, wodurch elektromagnetische Strahlungsabschirmungseffekte einer Fläche verliehen werden, die ansonsten ungeschützt sein kann. In noch anderen Ausführungsformen können die elektrisch leitfähigen Strukturen innerhalb eines Materials, wie als Füllstoff innerhalb eines Verbundstoffs, eingeschlossen werden.
In einigen Ausführungsformen können die hier beschriebenen elektrisch leitfähigen Strukturen umfassen: eine Trägerschicht, die eine Mehrzahl von Fasern mit zwischen den Fasern definierten Aperturen enthält, und eine Mehrzahl von Kohlenstoff-Nanostrukturen, die wenigstens teilweise konform die Fasern beschichten und quer über den zwischen angrenzenden Fasern definierten Aperturen Brücken bilden, um eine kontinuierliche Kohlenstoff-Nanostrukturschicht zu bilden. Der hier verwendete Ausdruck „kontinuierliche Kohlenstoff-Nanostrukturschicht” bezieht sich auf eine Schichtstruktur, in der die Dicke der Schicht durch das Vorliegen von Kohlenstoff-Nanostrukturen an jedem Punkt einer gegebenen Schichtdicke definiert wird, welche die Fläche der Schichtstruktur sein kann. Jede Kohlenstoff-Nanostruktur umfasst eine Mehrzahl von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die verzweigt, vernetzt sind und gemeinsame Wände miteinander teilen. Es ist zu beachten, dass jedes Kohlenstoff-Nanoröhrchen in der Mehrzahl von Kohlenstoff-Nanoröhrchen nicht unbedingt die obigen strukturellen Merkmale der Verzweigung, Vernetzung und des Teilens gemeinsamer Wände aufweisen muss. Stattdessen kann die Mehrzahl von Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Ganzes eines oder mehrere dieser strukturellen Merkmale besitzen. Das heißt, in einigen Ausführungsformen ist wenigstens ein Teil der Kohlenstoff-Nanoröhrchen verzweigt, wenigstens ein Teil der Kohlenstoff-Nanoröhrchen ist vernetzt, und wenigstens ein Teil der Kohlenstoff-Nanoröhrchen teilt gemeinsame Wände. 1A–1C zeigen veranschaulichende Darstellungen von Kohlenstoff-Nanoröhrchen 1–3, die verzweigt, vernetzt sind bzw. gemeinsame Wände teilen. Die Kohlenstoff-Nanoröhrchen in den Kohlenstoff-Nanostrukturen können mit Verzweigungen, Vernetzungen und dem Teilen gemeinsamer Wände miteinander während der Bildung der Kohlenstoff-Nanostrukturen auf einem Wachstumssubstrat gebildet werden. Außerdem können während der Bildung der Kohlenstoff-Nanostrukturen auf einem Wachstumssubstrat die Kohlenstoff-Nanoröhrchen so gebildet werden, dass sie im Wesentlichen parallel zueinander in den Kohlenstoff-Nanostrukturen sind. Es kann davon ausgegangen werden, dass die Kohlenstoff-Nanostrukturen ein Polymer mit einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Basismonomereinheit sind, das in paralleler Ausrichtung mit wenigstens einigen anderen Kohlenstoff-Nanoröhrchen vorliegt. Demgemäß ist in einigen Ausführungsformen wenigstens ein Teil der Kohlenstoff-Nanoröhrchen in jeder Kohlenstoff-Nanostruktur im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet. In einigen Ausführungsformen kann dieser Typ einer lokalen Ausrichtung aufrechterhalten werden, sobald eine Trägerschicht mit den Kohlenstoff-Nanostrukturen beschichtet wurde. In anderen Ausführungsformen sind die Kohlenstoff-Nanoröhrchen der Kohlenstoff-Nanostrukturen wenigstens teilweise nicht ausgerichtet, sobald sie als Beschichtung angeordnet sind.
In einigen Ausführungsformen können die Kohlenstoff-Nanostrukturen eine netzartige Morphologie aufweisen, die dazu führt, dass die Kohlenstoff-Nanostrukturen eine niedrige anfängliche Schüttdichte aufweisen. Die niedrige Schüttdichte von Kohlenstoff-Nanostrukturen kann sie für das Aufbringen auf Faserschleiern und anderen Trägerschichten geeignet machen, ohne das Flächengewicht der Trägerschicht bei der Beschichtung stark zu ändern. Kohlenstoff-Nanostrukturen, wie produziert, können eine Schüttdichte im Bereich von etwa 0,003 g/cm³ und etwa 0,015 g/cm³ aufweisen. Eine weitere Manipulation kann die anfängliche Schüttdichte auf zwischen etwa 0,1 g/cm³ bis etwa 0,15 g/cm³ erhöhen. In einigen Ausführungsformen kann die Schüttdichte der Kohlenstoff-Nanostrukturen ferner geändert werden, indem eine Beschichtung auf den Kohlenstoff-Nanoröhrchen der Kohlenstoff-Nanostrukturen gebildet wird und/oder das Innere der Kohlenstoff-Nanostrukturen mit verschiedenen Materialien infiltriert wird. Das Beschichten der Kohlenstoff-Nanoröhrchen und/oder Infiltrieren des Inneren der Kohlenstoff-Nanostrukturen kann auch verwendet werden, um die Eigenschaften der Kohlenstoff-Nanostrukturen zur Verwendung in verschiedenen Anwendungen weiter abzustimmen. Beispielsweise kann in einigen hier beschriebenen Ausführungsformen wenigstens ein Teil der Kohlenstoff-Nanoröhrchen in den Kohlenstoff-Nanostrukturen mit einem Metall beschichtet werden, um den Grad der Interaktion mit bestimmten Frequenzen elektromagnetischer Strahlung zu ändern. Die Infiltration der Kohlenstoff-Nanostrukturporen mit einem Metall oder anderen leitfähigen Additiv kann auf ähnliche Weise funktionieren. Das heißt, in einigen Ausführungsformen kann wenigstens ein Teil der Kohlenstoff-Nanostrukturen ein leitfähiges Additiv enthalten, das innerhalb eines Porenraums der Kohlenstoff-Nanostrukturen angeordnet ist.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Mehrzahl von Fasern in der Trägerschicht eine Mehrzahl von Fasern mit endlicher Länge umfassen. Das heißt, in einigen Ausführungsformen kann die Mehrzahl von Fasern in der Trägerschicht eine Mehrzahl geschnittener Fasern umfassen. In einigen Ausführungsformen können die Fasern Kohlenstofffasern, Glasfasern oder eine beliebige Kombination davon umfassen. Andere Fasern wie Metallfasern, Keramikfasern und organische Fasern können in einigen Ausführungsformen auch verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann die Mehrzahl von Fasern in der Trägerschicht zufällig in Bezug aufeinander ausgerichtet sein. In anderen Ausführungsformen kann wenigstens ein Teil der Fasern in der Trägerschicht in Bezug aufeinander ausgerichtet sein. In Abhängigkeit davon, wie die Fasern in Bezug aufeinander ausgerichtet sind, können Aperturen mit variierenden Größen zwischen den Fasern definiert werden. In verschiedenen Ausführungsformen können die Aperturen in der Größe im Bereich von etwa 10 Mikron bis etwa 1 cm liegen, obwohl diese Größe durch die Gesamtheit des Faserschleiers nicht konsistent sein kann. Beispielsweise kann sich in einem mehrschichtigen Faserschleier die Aperturgröße verringern, fortschreitend von einer Außenschicht des Faserschleiers zu einer Innenschicht, und dann weiter abnehmen oder wieder zunehmen, fortschreitend tiefer in den Faserschleier.
In einigen Ausführungsformen können die Fasern in der Trägerschicht mit einer Metallisierungsschicht beschichtet werden, die zweckmäßig die elektrische Leitfähigkeit der Fasern erhöhen kann. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Metallisierungsschicht zwischen den Fasern und den konform darauf überzogenen Kohlenstoff-Nanostrukturen angeordnet sein. Es wird nicht angenommen, dass die Identität des die Metallisierungsschicht bildenden Metalls besonders eingeschränkt ist. In mehr besonderen Ausführungsformen kann die Metallisierungsschicht ein Metall umfassen wie Nickel, Kupfer oder eine beliebige Kombination davon. Die Dicke der Metallisierungsschicht kann stark variieren und liegt allgemein im Bereich zwischen etwa 1 nm bis etwa 50 Mikron. In mehr besonderen Ausführungsformen kann die Metallisierungsschicht im Bereich zwischen etwa 10 nm und etwa 1 Mikron in der Dicke oder zwischen etwa 100 nm und etwa 1 Mikron in der Dicke liegen.
In einigen Ausführungsformen kann die Mehrzahl von Fasern mit Kohlenstoff-Nanostrukturen infundierte Fasern umfassen, die Kohlenstoff-Nanostrukturen aufweisen, welche aus einer Fläche des Fasermaterials aufgewachsen werden. Mit Kohlenstoff-Nanostrukturen infundierte Fasern können elektrisch leitfähig sein, sehr ähnlich wie Fasern, die mit einer Metallisierungsschicht beschichtet sind. Das heißt, in einigen Ausführungsformen kann eine Mehrzahl von Kohlenstoff-Nanostrukturen konform auf mit Kohlenstoff-Nanostrukturen infundierten Fasern überzogen werden, die existierende Kohlenstoff-Nanostrukturen darauf aufweisen, welche die Trägerstruktur des Faserschleiers bilden. Die mit Kohlenstoff-Nanostrukturen infundierten Fasern, die wenigstens einen Teil der Trägerschicht bilden, repräsentieren die gleiche Quelle von Kohlenstoff-Nanostrukturen, die zur Bildung einer konformen Beschichtung auf den Fasern verwendet wird, oder die mit Kohlenstoff-Nanostrukturen infundierten Fasern und die Kohlenstoff-Nanostrukturen der konformen Beschichtung können von unterschiedlichen Quellen erhalten werden. Demgemäß können die Eigenschaften der Kohlenstoff-Nanostrukturen in Abhängigkeit davon gleich oder verschieden sein, ob die mit Kohlenstoff-Nanostrukturen infundierten Fasern und Kohlenstoff-Nanostrukturen der konformen Beschichtung von der gleichen Quelle oder einer unterschiedlichen Quelle erhalten werden. Unterschiede in den Eigenschaften der Kohlenstoff-Nanostrukturen können verwendet werden, um die elektromagnetischen Abschirmungseigenschaften der beschichteten Fasern weiter abzustimmen.
In einigen Ausführungsformen können die Kohlenstoff-Nanostrukturen frei sein von einem Wachstumssubstrat, das auf den Kohlenstoff-Nanostrukturen haftend aufgebracht ist. Das heißt, in einigen Ausführungsformen können die auf der Mehrzahl von Fasern überzogenen Kohlenstoff-Nanostrukturen Kohlenstoff-Nanostrukturen umfassen, die von ihrem Wachstumssubstrat entfernt wurden. In einigen Ausführungsformen können die Kohlenstoff-Nanostrukturen in der Form eines Flockenmaterials sein, nachdem sie vom Wachstumssubstrat entfernt wurden, auf dem die Kohlenstoff-Nanostrukturen anfänglich gebildet werden. Der hier verwendete Ausdruck „Flockenmaterial” bezieht sich auf ein diskretes Teilchen mit endlichen Abmessungen. 2 zeigt eine veranschaulichende Beschreibung eines Kohlenstoff-Nanostruktur-Flockenmaterials nach der Isolation der Kohlenstoff-Nanostruktur von einem Wachstumssubstrat. Die Flockenstruktur 100 kann eine erste Abmessung 110 aufweisen, die im Bereich von etwa 1 nm bis etwa 35 Mikron dick liegt, insbesondere etwa 1 nm bis etwa 500 nm dick, einschließlich eines beliebigen Werts dazwischen und einer beliebigen Fraktion davon. Die Flockenstruktur 100 kann eine zweite Abmessung 120 aufweisen, die in einem Bereich von etwa 1 Mikron bis etwa 750 Mikron hoch liegt, einschließlich eines beliebigen Werts dazwischen und einer beliebigen Fraktion davon. Die Flockenstruktur 100 kann eine dritte Abmessung 130 aufweisen, die in der Größe nur auf der Basis der Länge des Wachstumssubstrats eingeschränkt wird, auf dem die Kohlenstoff-Nanostrukturen anfänglich gebildet werden. Beispielsweise kann in einigen Ausführungsformen der Prozess zum Aufwachsen der Kohlenstoff-Nanostrukturen auf einem Wachstumssubstrat auf einem Kabel oder Strang eines faserbasierten Materials mit aufspulbaren Abmessungen stattfinden. Der Kohlenstoff-Nanostruktur-Wachstumsprozess kann kontinuierlich sein, und die Kohlenstoff-Nanostrukturen können sich über die gesamte Länge einer Faserspule erstrecken. So kann in einigen Ausführungsformen die dritte Abmessung 130 im Bereich von etwa 1 m bis etwa 10.000 m breit liegen. Wiederum kann die dritte Abmessung 130 sehr lang sein, da sie die Abmessung repräsentiert, die entlang der Achse des Wachstumssubstrats verläuft, auf dem die Kohlenstoff-Nanostrukturen gebildet werden. Die dritte Abmessung 130 kann auch auf eine beliebige gewünschte Länge von weniger als 1 m verringert werden. Beispielsweise kann in einigen Ausführungsformen die dritte Abmessung 130 in der Größenordnung von etwa 1 Mikron bis etwa 10 Mikron liegen, oder etwa 10 Mikron bis etwa 100 Mikron, oder etwa 100 Mikron bis etwa 500 Mikron, oder etwa 500 Mikron bis etwa 1 cm, oder etwa 1 cm bis etwa 100 cm, oder etwa 100 cm bis etwa 500 cm, bis zu einer beliebigen gewünschten Länge, einschließlich eines beliebigen Betrags zwischen den angegebenen Bereichen und beliebiger Fraktionen davon. Da das Wachstumssubstrat, auf dem die Kohlenstoff-Nanostrukturen gebildet werden, ziemlich groß sein kann, können Kohlenstoff-Nanostrukturen mit außergewöhnlich hohem Molekulargewicht erzeugt werden, indem die polymerartige Morphologie der Kohlenstoff-Nanostrukturen als kontinuierliche Schicht auf einem geeigneten Wachstumssubstrat gebildet wird.
Mit weitergehender Bezugnahme auf 2 kann die Flockenstruktur 100 ein gewebtes Netz von Kohlenstoff-Nanoröhrchen 140 in der Form eines Kohlenstoff-Nanoröhrchenpolymers (d. h. eines Kohlenstoff-Nanopolymers) mit einem Molekulargewicht in einem Bereich von etwa 15.000 g/mol bis etwa 150.000 g/mol umfassen, einschließlich aller Werte dazwischen und einer beliebigen Fraktion davon. In einigen Ausführungsformen kann das obere Ende des Molekulargewichtsbereichs sogar höher sein, einschließlich etwa 200.000 g/mol, etwa 500.000 g/mol oder etwa 1.000.000 g/mol. Die höheren Molekulargewichte können mit Kohlenstoff-Nanostrukturen assoziiert sein, die lange Abmessungen haben. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Molekulargewicht auch eine Funktion des vorherrschenden Kohlenstoff-Nanoröhrchendurchmessers und der Anzahl von Kohlenstoff-Nanoröhrchenwänden sein, die innerhalb der Kohlenstoff-Nanostrukturen vorliegen. In einigen Ausführungsformen können die Kohlenstoff-Nanostrukturen eine Vernetzungsdichte im Bereich zwischen etwa 2 mol/cm² bis etwa 80 mol/cm³ aufweisen. Die Vernetzungsdichte kann eine Funktion der Kohlenstoff-Nanostruktur-Wachstumsdichte auf der Fläche des Wachstumssubstrats sowie der Kohlenstoff-Nanostruktur-Wachstumsbedingungen sein.
3 zeigt ein SEM-Bild einer beispielhaften Kohlenstoff-Nanostruktur, die als Flockenmaterial erhalten wird. Die in 3 gezeigte Kohlenstoff-Nanostruktur existiert als dreidimensionale Mikrostruktur aufgrund der Verflechtung und Vernetzung ihrer hochausgerichteten Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Die ausgerichtete Morphologie reflektiert die Bildung der Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf einem Wachstumssubstrat unter raschen Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Wachstumsbedingungen (z. B. einige Mikron pro Sekunde, wie etwa 2 Mikron pro Sekunde bis etwa 10 Mikron pro Sekunde), wodurch ein im Wesentlichen rechtwinkliges Kohlenstoff-Nanoröhrchenwachstum vom Wachstumssubstrat induziert wird. Ohne an irgendeine Theorie oder irgendeinen Mechanismus gebunden zu sein, wird angenommen, dass die rasche Rate des Kohlenstoff-Nanoröhrchenwachstums auf dem Wachstumssubstrat wenigstens teilweise zur komplexen strukturellen Morphologie der Kohlenstoff-Nanostrukturen beitragen kann. Zusätzlich kann die Schüttdichte der Kohlenstoff-Nanostrukturen, wie erzeugt, in einem gewissen Grad moduliert werden, indem die Kohlenstoff-Nanostruktur-Wachstumsbedingungen eingestellt werden, einschließlich beispielsweise durch die Änderung der Konzentration der Übergangsmetall-Nanoteilchen-Katalysatorpartikel, die auf dem Wachstumssubstrat angeordnet sind, um das Kohlenstoff-Nanoröhrchenwachstum zu induzieren. Geeignete Übergangsmetall-Nanoteilchen-Katalysatoren und Kohlenstoff-Nanostruktur-Wachstumsbedingungen werden nachstehend detaillierter angeführt.
In einigen Ausführungsformen kann wenigstens ein Teil der Kohlenstoff-Nanostrukturen, welche die Mehrzahl von Fasern in der Trägerschicht konform beschichten, funktionalisiert werden. Die verwendeten Reaktionen zur Funktionalisierung der Kohlenstoff-Nanostrukturen können die gleichen Typen von Reaktionen involvieren, die zur Funktionalisierung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen verwendet werden. Eine Reihe von Reaktionen, die zur Funktionalisierung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen geeignet sind, ist gewöhnlichen Fachleuten bekannt und kann an die Funktionalisierung von Kohlenstoff-Nanostrukturen durch eine angepasst werden, die den Vorteil der vorliegenden Offenbarung aufweist. Beispielsweise kann in einigen Ausführungsformen wenigstens ein Teil der Kohlenstoff-Nanostrukturen hydroxyliert oder carboxyliert werden, um ihre Dispersion in einer Fluidphase zu erleichtern, wobei Techniken analog zu jenen verwendet werden, die zur Funktionalisierung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen eingesetzt werden.
In einigen Ausführungsformen kann wenigstens ein Teil der Kohlenstoff-Nanostrukturen kovalent aneinander gebunden werden. Das heißt, wenn mehrere Kohlenstoff-Nanostrukturen vorliegen (z. B. als Kohlenstoff-Nanostruktur-Flockenmaterial), kann wenigstens ein Teil der ansonsten getrennten Kohlenstoff-Nanostrukturen kovalent aneinander gebunden werden. Eine kovalente Bindung zwischen den Kohlenstoff-Nanostrukturen kann über funktionelle Gruppen stattfinden, die wie oben beschrieben eingebracht werden. Beispielsweise können in einigen Ausführungsformen Carbonsäure-Gruppen oder Hydroxyl-Gruppen, die in die Kohlenstoff-Nanostrukturen eingebracht werden, verwendet werden, um kovalente Bindungen zwischen den Kohlenstoff-Nanostrukturen herzustellen.
Auch verschiedene Additive sind in oder auf den Kohlenstoff-Nanostrukturen zu finden. Additive, die vorliegen können, umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf eine Beschichtung auf den Kohlenstoff-Nanoröhrchen, ein Füllmaterial im Interstitialraum der Kohlenstoff-Nanostrukturen, Übergangsmetall-Nanoteilchen, verbleibendes Wachstumssubstrat, das auf den Kohlenstoff-Nanostrukturen nicht haftend aufgebracht ist, und eine beliebige Kombination davon. In einigen Ausführungsformen können bestimmte Additive kovalent an wenigstens einen Teil der Kohlenstoff-Nanoröhrchen in wenigstens einigen der Kohlenstoff-Nanostrukturen gebunden werden. Es wird in den hier beschriebenen Ausführungsformen nicht erwartet, dass verbleibendes Wachstumssubstrat kovalent an die Kohlenstoff-Nanostrukturen gebunden wird, da die Kohlenstoff-Nanostrukturen vom Wachstumssubstrat geerntet wurden, wie hier im Nachstehenden beschrieben. In einigen Ausführungsformen kann eine Beschichtung oder ein Füllmaterial, das mit den Kohlenstoff-Nanostrukturen assoziiert ist, leitfähig sein, wie Metall.
Beschichtungen können auf den Kohlenstoff-Nanoröhrchen der Kohlenstoff-Nanostrukturen vor oder nach der Entfernung der Kohlenstoff-Nanostrukturen von ihren Wachstumssubstraten aufgebracht werden. Das Aufbringen einer Beschichtung vor der Entfernung der Kohlenstoff-Nanostrukturen von ihren Wachstumssubstraten kann beispielsweise die Kohlenstoff-Nanoröhrchen während des Entfernungsprozesses schützen oder den Entfernungsprozess erleichtern. In anderen Ausführungsformen kann eine Beschichtung auf den Kohlenstoff-Nanoröhrchen der Kohlenstoff-Nanostrukturen nach der Entfernung der Kohlenstoff-Nanostrukturen von ihren Wachstumssubstraten aufgebracht werden. Das Aufbringen einer Beschichtung auf den Kohlenstoff-Nanoröhrchen der Kohlenstoff-Nanostrukturen nach der Entfernung von ihren Wachstumssubstraten kann zweckmäßig die Handhabung und Lagerung der Kohlenstoff-Nanostrukturen erleichtern, ihre Schüttdichte erhöhen und ihre Verarbeitbarkeit verbessern. Außerdem kann in einigen Ausführungsformen eine Metallbeschichtung auf den Kohlenstoff-Nanoröhrchen zweckmäßig die Leitfähigkeit der Kohlenstoff-Nanostrukturen erhöhen, wodurch die Abschirmung elektromagnetischer Strahlung gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen weiter verstärkt wird.
In einigen oder anderen Ausführungsformen können die Kohlenstoff-Nanostrukturen eine Mehrzahl von Übergangsmetall-Nanoteilchen enthalten, wobei die Übergangsmetall-Nanoteilchen einen Katalysator repräsentieren können, der bei der Synthetisierung der Kohlenstoff-Nanostrukturen verwendet wurde. In einigen Ausführungsformen können die Übergangsmetall-Nanoteilchen mit einer Anti-Haftbeschichtung beschichtet werden, die ihre Haftung an einem Wachstumssubstrat oder jene der Kohlenstoff-Nanostruktur an einem Wachstumssubstrat begrenzt, wie in 6 gezeigt. Geeignete Anti-Haftbeschichtungen werden nachstehend detaillierter diskutiert. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Anti-Haftbeschichtung zusammen mit den Übergangsmetall-Nanoteilchen getragen werden, wenn die Kohlenstoff-Nanostrukturen und die Übergangsmetall-Nanoteilchen von den Wachstumssubstraten entfernt werden. In anderen Ausführungsformen kann die Anti-Haftbeschichtung von den Übergangsmetall-Nanoteilchen entfernt werden, bevor oder nachdem sie in die Kohlenstoff-Nanostrukturen eingeschlossen werden. In noch anderen Ausführungsformen können die Übergangsmetall-Nanoteilchen anfänglich in die Kohlenstoff-Nanostrukturen eingeschlossen und dann anschließend entfernt werden. Beispielsweise kann in einigen Ausführungsformen wenigstens ein Teil der Übergangsmetall-Nanoteilchen von den Kohlenstoff-Nanostrukturen durch die Behandlung der Kohlenstoff-Nanostrukturen mit einer Mineralsäure entfernt werden.
In einigen oder anderen Ausführungsformen können die hier beschriebenen Kohlenstoff-Nanostrukturen ein Wachstumssubstrat enthalten, das nicht haftend auf den Kohlenstoff-Nanostrukturen aufgebracht ist. Wie hier im Nachstehenden weiter beschrieben, können die Kohlenstoff-Nanostrukturen, die anfänglich gebildet werden, manchmal fragmentiertes Wachstumssubstrat enthalten, das während des Kohlenstoff-Nanostruktur-Entfernungsprozesses erzeugt wird. In einigen Ausführungsformen kann das fragmentierte Wachstumssubstrat mit den Kohlenstoff-Nanostrukturen zurückbleiben. In anderen Ausführungsformen kann das Wachstumssubstrat anschließend von den Kohlenstoff-Nanostrukturen entfernt werden, wie nachstehend detaillierter beschrieben wird.
In einigen Ausführungsformen können die Kohlenstoff-Nanostrukturen, die auf der Trägerschicht aufgebracht werden, durch einen Prozess hergestellt werden, der umfasst: Bilden der Kohlenstoff-Nanostrukturen auf einem Wachstumssubstrat, und Entfernen der Kohlenstoff-Nanostrukturen vom Wachstumssubstrat. Weitere Details der Wachstums- und Entfernungsprozesse werden hier im Nachstehenden angegeben. Während der Bildung auf dem Wachstumssubstrat können die Kohlenstoff-Nanoröhrchen in jeder Kohlenstoff-Nanostruktur mit Verzweigungen, Vernetzungen und dem Teilen gemeinsamer Wände miteinander gebildet werden. Nach der Entfernung vom Wachstumssubstrat kann die Mehrzahl der Kohlenstoff-Nanostrukturen (z. B. in der Form eines Kohlenstoff-Nanostruktur-Flockenmaterials) in einer Fluidphase dispergiert und auf der Mehrzahl von Fasern aufgebracht werden, um eine elektrisch leitfähige Struktur zu bilden, wie hier im Nachstehenden detaillierter beschrieben.
Aufgrund ihrer Flexibilität und ihres leichten Gewichts können die hier beschriebenen elektrisch leitfähigen Strukturen auf verschiedensten Fläche aufgebracht werden. Als Ergebnis können die elektrisch leitfähigen Strukturen eine Reihe von Formen annehmen. Beispielhafte Flächen, auf denen die elektrisch leitfähigen Strukturen aufgebracht werden können, umfassen beispielsweise Container, Gebäude, Kabel und dgl. In einigen Ausführungsformen können die elektrisch leitfähigen Strukturen im Wesentlichen planar sein, wie es auftritt, wenn die elektrisch leitfähige Struktur auf einer im Wesentlichen flachen Fläche, wie einer Seite eines Gebäudes, aufgebracht wird. In anderen Ausführungsformen können die elektrisch leitfähigen Strukturen im Wesentlichen zylindrisch sein, wie wenn die elektrisch leitfähige Struktur auf einer im Wesentlichen zylindrischen Fläche, wie der Außenseite eines Kabels oder eines Drahts, aufgebracht wird. Andere dreidimensionale Formen sind möglich, wenn die elektrisch leitfähige Struktur auf anderen nicht-planaren Flächen aufgebracht wird, die auch im Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung umfasst sind.
In einigen Ausführungsformen können die elektrisch leitfähigen Strukturen ferner eine Fläche umfassen, auf der die elektrisch leitfähige Struktur aufgebracht wird. In einigen Ausführungsformen können die elektrisch leitfähigen auf einer Fläche aufgebracht werden, von der angenommen wird, dass sie nicht selbst elektrisch leitfähig ist. Das heißt, die elektrisch leitfähigen Strukturen können auf einer Fläche aufgebracht werden, die keinen inhärenten Abschirmungsschutz gegen elektromagnetische Strahlung aufweist, um eine „Haut” vorzusehen, die der Fläche einen elektromagnetischen Strahlungsschutz verlieht. Beispielsweise können in einigen Ausführungsformen die elektrisch leitfähigen Strukturen auf einem Polymer aufgebracht werden, um eine polymerhaltige elektromagnetische Strahlungsabschirmung zu bilden. Andere nicht-leitfähige Substanzen, die darauf ähnlich aufgebrachte elektrisch leitfähige Strukturen der vorliegenden Offenbarung aufweisen können, sind für gewöhnliche Fachleute klar.
Die hier beschriebenen elektrisch leitfähigen Strukturen können einen guten Schutz gegen elektromagnetische Strahlung über einen breiten Bereich von Frequenzen liefern. In verschiedenen Ausführungsformen können die elektrisch leitfähigen Strukturen eine Abschirmung gegen elektromagnetische Strahlung über einen Frequenzbereich zwischen etwa 30 MHz bis etwa 8 GHz zeigen. In besonders zweckmäßigen Ausführungsformen können die elektrisch leitfähigen Strukturen eine Abschirmung gegen elektromagnetische Strahlung bei einer Frequenz von weniger als 1 GHz zeigen. Eine Abschirmung gegen derartige Frequenzen ist von besonderem Interesse für die Luftfahrt- und Luftraumindustrie und sie werden durch herkömmliche Faserschleier oft nicht gut abgeschirmt.
Verfahren zum konformen Beschichtung einer Mehrzahl von Fasern mit Kohlenstoff-Nanostrukturen werden nun detaillierter beschrieben. In einigen Ausführungsformen können die elektrisch leitfähigen Strukturen aus existierenden Faserschleiern erzeugt werden, die in einigen Ausführungsformen im Handel erhältliche Faserschleier sein können. In alternativen Ausführungsformen kann ein Faserschleier aus einem spezifisch hergestellten Fasertyp erzeugt werden (d. h. in einigen Ausführungsformen aus mit Kohlenstoff-Nanostrukturen infundierten Fasern), und dann können Kohlenstoff-Nanostrukturen darauf abgeschieden werden. In noch anderen Ausführungsformen kann eine Mehrzahl von geschnittenen Fasern und Kohlenstoff-Nanostrukturen miteinander co-abgeschieden werden, um eine Mehrzahl von Fasern mit einer Mehrzahl von darauf konform überzogenen Kohlenstoff-Nanostrukturen zu bilden.
In einigen Ausführungsformen können die elektrisch leitfähigen Strukturen aus einem existierenden Faserschleier erzeugt werden, indem Kohlenstoff-Nanostrukturen konform darauf überzogen werden. In einigen Ausführungsformen können Verfahren zur Bildung einer elektrisch leitfähigen Struktur in einer solchen Weise umfassen: Vorsehen einer Mischung, die ein Lösungsmittel und eine Mehrzahl von Kohlenstoff-Nanostrukturen enthält, Dispergieren der Kohlenstoff-Nanostrukturen im Lösungsmittel, bis die Kohlenstoff-Nanostrukturen im Wesentlichen nicht-agglomeriert sind, und Führen des Lösungsmittels durch eine Trägerschicht, die eine Mehrzahl von Fasern mit zwischen den Fasern definierten Aperturen enthält, wodurch die Kohlenstoff-Nanostrukturen wenigstens teilweise rund um die Fasern überzogen werden und quer über die zwischen angrenzenden Fasern definierten Aperturen Brücken bilden, um eine kontinuierliche Kohlenstoff-Nanostrukturschicht zu bilden. Jede Kohlenstoff-Nanostruktur enthält eine Mehrzahl von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die verzweigt, vernetzt sind und gemeinsame Wände miteinander teilen.
In einigen Ausführungsformen kann die Trägerschicht ein im Handel erhältlicher Faserschleier sein. In anderen Ausführungsformen kann die Trägerschicht spezifisch aus einer Mehrzahl geschnittener Fasern gebildet werden, bevor die Kohlenstoff-Nanostrukturen diesem ausgesetzt wird. In einigen Ausführungsformen kann ein spezifisch hergestellter Faserschleier gebildet werden, indem eine Mehrzahl von Fasern aus einer Fluiddispersion geschnittener Fasern gesammelt wird, so dass Aperturen zwischen den gesammelten Fasern gebildet werden. Beispielsweise kann in einigen Ausführungsformen ein spezifisch hergestellter Faserschleier gebildet werden, indem eine Fluiddispersion geschnittener Fasern mit Vakuumunterstützung filtriert wird. Wenn ein existierender Faserschleier darauf aufgebrachte Kohlenstoff-Nanostrukturen aufweist, kann in einigen Ausführungsformen ein Führen des Lösungsmittels durch die Trägerschicht des Faserschleiers mit Vakuumunterstützung stattfinden. Vor dem Überziehen der Kohlenstoff-Nanostrukturen darauf kann eine Metallisierungsschicht auf den Fasern vorliegen. Solche Metallisierungsschichten, die oben detaillierter diskutiert wurden, können auf den Fasern entweder vor ihrer Bildung in den Faserschleier oder danach aufgebracht werden. So werden in solchen Ausführungsformen die Kohlenstoff-Nanostrukturen auf der Metallisierungsschicht des Faserschleiers aufgebracht.
Ähnlich kann in einigen Ausführungsformen eine elektrisch leitfähige Struktur gebildet werden, wobei ein Faserschleier durch das Co-Abscheiden einer Mehrzahl geschnittener Fasern und einer Mehrzahl von Kohlenstoff-Nanostrukturen aus einer Fluiddispersion gebildet wird. Das Co-Abscheiden der Mehrzahl geschnittener Fasern und der Mehrzahl von Kohlenstoff-Nanostrukturen, um die Mehrzahl geschnittenen Fasern zu beschichten, kann ähnlich in einigen Ausführungsformen mit Vakuumunterstützung stattfinden. Für Faserschleier, die durch das Co-Abschieden von geschnittenen Fasern und Kohlenstoff-Nanostrukturen gebildet werden, kann eine Metallisierungsschicht auf den Fasern vor ihrer Bildung im Faserschleier aufgebracht werden. So können in solchen Ausführungsformen die Kohlenstoff-Nanostrukturen wiederum auf der Metallisierungsschicht des Faserschleiers aufgebracht werden.
In einigen Ausführungsformen können die hier beschriebenen Verfahren umfassen: Bilden einer Mischung, die eine Mehrzahl von Kohlenstoff-Nanostrukturen und eine Mehrzahl geschnittener Fasern in einem Lösungsmittel enthält, und Filtrieren der Mischung, um die geschnittenen Fasern und Kohlenstoff-Nanostrukturen als Schichtstruktur zu sammeln, in der die Kohlenstoff-Nanostrukturen wenigstens teilweise die Fasern konform beschichten und quer über zwischen angrenzenden Fasern definierte Aperturen Brücken bilden. In einigen Ausführungsformen kann das Filtrieren der Mischung durch Vakuumfiltration stattfinden.
In einigen Ausführungsformen können die Kohlenstoff-Nanostrukturen, die in einem Lösungsmittel gemischt oder vorgesehen werden, ein Kohlenstoff-Nanostruktur-Flockenmaterial umfassen. Andere Formen von Kohlenstoff-Nanostrukturen, die von einem Wachstumssubstrat befreit wurden, werden auch durch die verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen vorgesehen.
In einigen Ausführungsformen kann das Dispergieren der Kohlenstoff-Nanostrukturen in einem Lösungsmittel das Beschallen der die Kohlenstoff-Nanostrukturen enthaltenden Mischung umfassen. Eine Beschallung kann nicht nur die Dispersion der Kohlenstoff-Nanostrukturen im Lösungsmittel fördern, so dass angrenzende Kohlenstoff-Nanostrukturen miteinander nicht agglomeriert werden, sondern es wird auch angenommen, dass die Beschallungsenergie die ursprüngliche Morphologie der Kohlenstoff-Nanostrukturen ändert, so dass sie besser in der Lage sind, eine konforme Beschichtung auf den Fasern der Trägerschicht zu bilden und Brücken quer über die darin definierten Aperturen zu bilden. Ohne durch irgendeine Theorie oder irgendeinen Mechanismus gebunden zu sein, wird angenommen, dass das Anwenden von Beschallungsenergie auf eine Lösungsmittelmischung, die Kohlenstoff-Nanostrukturen enthält, die ursprüngliche Kohlenstoff-Nanostrukturmorphologie verformen kann, so dass die Kohlenstoff-Nanoröhrchen der Kohlenstoff-Nanostruktur noch mehr voneinander getrennt werden. Beispielsweise kann in einigen Ausführungsformen eine gelartige Struktur aus einer Lösungsmitteldispersion eines Kohlenstoff-Nanostruktur-Flockenmaterials gebildet werden. Als Ergebnis der Beschalltung können die Kohlenstoff-Nanostrukturen konformer werden und verstärkte Fähigkeiten zur Bildung einer konformen Beschichtung auf den Fasern der Trägerschicht aufweisen.
4A zeigt ein SEM-Bild eines beispielhaften Faserschleiers vor dem Aufbringen einer konformen Beschichtung von Kohlenstoff-Nanostrukturen auf den Fasern darin. 4B und 4C zeigen SEM-Bilder eines beispielhaften Faserschleiers nach dem Aufbringen von Kohlenstoff-Nanostrukturen darauf als konforme Beschichtung. Wie in 4B gezeigt, überziehen die Kohlenstoff-Nanostrukturen die Fasern des Schleiers konform und bilden Brücken quer über die zwischen angrenzenden Fasern definierten Aperturen. Im Bild von 4C mit erhöhter Vergrößerung ist die verzweigte, vernetzte und Wandteilungsmorphologie der Kohlenstoff-Nanostrukturen ersichtlich. Ferner werden Testdaten der mit Kohlenstoff-Nanostrukturen beschichteten Faserschleier in den nachstehenden Beispielen geliefert.
Nun wird ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung eines mit Kohlenstoff-Nanostrukturen beschichteten Faserschleiers beschrieben. Es ist anzumerken, dass verschiedene Modifikationen in diesem Prozess vorgenommen werden können, und die Beschreibung, die folgt, ist nicht als Einschränkung der vorliegenden Offenbarung auszulegen. Nach dem Vorsehen der geernteten Kohlenstoff-Nanostrukturen können die Kohlenstoff-Nanostrukturen mit einem Lösungsmittel, wie beispielsweise einer Wasser:Alkohol-Lösung (z. B. 1:1), gemischt werden. Die Mischung kann dann einige Minuten lang beschallt werden, um eine Agglomeration zu reduzieren und die Kohlenstoff-Nanostrukturen zu dispergieren. Dabei kann ein Kohlenstoff-Faserschleier oder ein ähnliches poröses Substrat, mit oder ohne Metallisierungsschicht, in einen Vakuumfiltrationstrichter gegeben werden. Die Kohlenstoff-Nanostrukturmischung kann dann über den Kohlenstoff-Faserschleier gegossen werden, während ein Vakuum auf den Trichter ausgeübt wird, so dass die Flüssigkeit durch den Kohlenstoff-Faserschleier hindurchgeht und die Kohlenstoff-Nanostrukturen darauf abgeschieden werden. Als Nächstes kann der beschichtete Kohlenstoff-Faserschleier aus dem Trichter entfernt und auf ein Stück Teflon gegeben werden. Der beschichtete Kohlenstoff-Faserschleier kann dann in einem Ofen (z. B. bei 148,9°C (300°F)) einige Minuten lang getrocknet und dann aus dem Ofen entfernt werden.
Nun werden hier im Nachstehenden die Herstellung von Kohlenstoff-Nanostrukturen auf einem Wachstumssubstrat und die anschließende Entfernung der Kohlenstoff-Nanostrukturen vom Wachstumssubstrat durch verschiedene Techniken weiter beschrieben.
In einigen Ausführungsformen können hier beschriebene Prozesse die Herstellung von Kohlenstoff-Nanostrukturen auf einem Wachstumssubstrat mit einer oder mehreren Vorkehrungen zur Entfernung der Kohlenstoff-Nanostrukturen umfassen, sobald die Synthese der Kohlenstoff-Nanostrukturen vollendet ist. Die Vorkehrung(en) zur Entfernung der Kohlenstoff-Nanostrukturen vom Wachstumssubstrat kann (können) eine oder mehrere Techniken umfassen, die ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus: (1) Vorsehen einer Anti-Haftbeschichtung auf dem Wachstumssubstrat, (ii) Vorsehen einer Anti-Haftbeschichtung auf einem Übergangsmetall-Nanoteilchenkatalysator, der bei der Synthese der Kohlenstoff-Nanostrukturen verwendet wird, (iii) Vorsehen eines Übergangsmetall-Nanoteilchenkatalysators mit einem Gegenion, welches das Wachstumssubstrat ätzt, wodurch die Haftung der Kohlenstoff-Nanostrukturen am Wachstumssubstrat abgeschwächt wird, und (iv) Durchführen eines Ätzvorgangs, nachdem die Kohlenstoff-Nanostruktur vollendet ist, um die Haftung der Kohlenstoff-Nanostrukturen am Wachstumssubstrat abzuschwächen. Kombinationen dieser Techniken können auch verwendet werden. In Kombination mit diesen Techniken können verschiedene Fluidscher- oder mechanische Schervorgänge durchgeführt werden, um die Entfernung der Kohlenstoff-Nanostrukturen vom Wachstumssubstrat zu bewirken.
In einigen Ausführungsformen können hier geoffenbarte Prozesse die Entfernung von Kohlenstoff-Nanostrukturen von einem Wachstumssubstrat umfassen. In einigen Ausführungsformen kann die Entfernung von Kohlenstoff-Nanostrukturen von einem Wachstumssubstrat umfassen: Verwenden einer Hochdruckflüssigkeit oder eines Gases, um die Kohlenstoff-Nanostruktur vom Wachstumssubstrat zu trennen, Trennen von Verunreinigungen, die vom Wachstumssubstrat stammen (z. B. fragmentiertes Wachstumssubstrat), von den Kohlenstoff-Nanostrukturen, Sammeln der Kohlenstoff-Nanostrukturen mit Luft oder aus einem flüssigen Medium mit Hilfe eines Filtermediums, und Isolieren der Kohlenstoff-Nanostrukturen vom Filtermedium. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Trennung von Verunreinigungen, die vom Wachstumssubstrat stammen, von den Kohlenstoff-Nanostrukturen durch eine Technik stattfinden, die ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Zyklon-Filtration, Dichtetrennung, größenbasierte Trennung und einer beliebigen Kombination davon. Die obigen Prozesse werden hier im Nachstehenden detaillierter beschrieben.
5 zeigt ein Flussdiagramm eines beispielhaften Kohlenstoff-Nanostruktur-Wachstumsprozesses 400, der ein beispielhaftes Glas- oder Keramik-Wachstumssubstrat 410 einsetzt. Es ist klar, dass die Wahl eines Glas- oder Keramik-Wachstumssubstrats nur als Beispiel dient, und das Substrat beispielsweise auch Metall, ein organisches Polymer (z. B. Aramid), eine Basaltfaser oder Kohlenstoff sein kann. In einigen Ausführungsformen kann das Wachstumssubstrat ein Fasermaterial mit aufspulbaren Abessungen sein, wodurch ermöglicht wird, dass die Bildung der Kohlenstoff-Nanostrukturen kontinuierlich auf dem Wachstumssubstrat stattfindet, während das Wachstumssubstrat von einem ersten Ort zu einem zweiten Ort befördert wird. Der Kohlenstoff-Nanostruktur-Wachstumsprozess 400 kann Wachstumssubstrate in verschiedensten Formen einsetzen, wie Fasern, Kabel, Garne, gewebte und nicht-gewebte Stoffe, Schichten, Bänder, Riemen und dgl. Der Zweckmäßigkeit halber sind in kontinuierlichen Synthesen Kabel und Garne besonders praktische Fasermaterialien.
Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 5 kann ein solches Fasermaterial von einer Abgabespindel im Vorgang 420 abgegeben werden und an eine optionale Entschlichtungsstation im Vorgang 430 geliefert werden. Die Entschlichtung wird gewöhnlich durchgeführt, wenn mit Kohlenstoff-Nanostrukturen infundierte Fasermaterialen hergestellt werden, um den Infusionsgrad der Kohlenstoff-Nanostruktur im Fasermaterial zu erhöhen. Wenn jedoch isolierte Kohlenstoff-Nanostrukturen hergestellt werden, kann der Entschlichtungsvorgang 430 übersprungen werden, beispielsweise falls die Schlichtung einen erhöhten Haftungsgrad des Übergangsmetall-Nanoteilchenkatalysators und/oder der Kohlenstoff-Nanostrukturen am Wachstumssubstrat fördert, wodurch die Entfernung der Kohlenstoff-Nanostrukturen erleichtert wird. Zahlreiche Schlichtungszusammensetzungen, die mit Fasersubstraten assoziiert sind, können Bindemittel und Kopplungsmittel enthalten, die primär Anti-Abriebeffekte vorsehen, jedoch typischerweise keine außergewöhnliche Haftung an der Faserfläche zeigen. So kann die Bildung von Kohlenstoff-Nanostrukturen auf einem Wachstumssubstrat bei Vorliegen einer Schlichtung tatsächlich die anschließende Isolierung der Kohlenstoff-Nanostrukturen in einigen Ausführungsformen fördern. Aus diesem Grund kann es in einigen Ausführungsformen vorteilhaft sein, den Entschlichtungsvorgang 430 zu überspringen.
In einigen Ausführungsformen kann eine zusätzliche Beschichtungsanwendung in der Operation 440 stattfinden. Zusätzliche Beschichtungen, die in der Operation 440 aufgebracht werden können, umfassen beispielsweise kolloidale Keramik, Glas, Silane oder Siloxane, welche die Katalysator- und/oder Kohlenstoff-Nanostrukturhaftung am Wachstumssubstrat verringern können. In einigen Ausführungsformen kann die Kombination einer Schlichtung und der zusätzlichen Beschichtung eine Anti-Haftbeschichtung vorsehen, welche die Entfernung der Kohlenstoff-Nanostrukturen vom Wachstumssubstrat fördern kann. In einigen Ausführungsformen kann das Schlichten allein ausreichende Anti-Hafteigenschaften vorsehen, um die Kohlenstoff-Nanostrukturentfernung vom Wachstumssubstrat zu erleichtern, wie oben diskutiert. In einigen Ausführungsformen kann die in der Operation 440 vorgesehene zusätzliche Beschichtung allein ausreichende Anti-Hafteigenschaften vorsehen, um die Kohlenstoff-Nanostrukturentfernung vom Wachstumssubstrat zu erleichtern. In noch weiteren Ausführungsformen liefert weder die Schlichtung noch die zusätzliche Beschichtung, weder allein oder in Kombination, ausreichende Anti-Hafteigenschaften, um die Kohlenstoff-Nanostrukturentfernung zu erleichtern. In solchen Ausführungsformen kann eine verringerte Haftung der Kohlenstoff-Nanostrukturen am Wachstumssubstrat durch die sorgfältige Wahl der Übergangsmetall-Nanoteilchen erzielt werden, die zur Förderung des Wachstums der Kohlenstoff-Nanostrukturen am Wachstumssubstrat verwendet werden. Spezifisch kann in einigen derartigen Ausführungsformen die Operation 450 einen Katalysator verwenden, der wegen seiner schlechten Haftcharakteristiken spezifisch gewählt wird.
Mit weiterer Bezugnahme auf 5 wird nach der optionalen Entschlichtungsoperation 430 und optionalen Beschichtungsoperation 440 ein Katalysator auf dem Wachstumssubstrat in der Operation 450 aufgebracht, und das Kohlenstoff-Nanostrukturwachstum wird durch einen CVD-Prozess für kleine Hohlräume in der Operation 460 bewirkt. Das erhaltene mit Kohlenstoff-Nanostrukturen infundierte Wachstumssubstrat (d. h. mit Kohlenstoff-Nanostrukturen infundierte Fasermaterial) kann zur Lagerung und anschließenden Kohlenstoff-Nanostrukturentfernung aufgewickelt werden oder sofort in einen Kohlenstoff-Nanostruktur-Isolierungsprozess übernommen werden, der eine Erntevorrichtung einsetzt, wie in der Operation 470 angezeigt.
In einigen Ausführungsformen kann das Wachstumssubstrat modifiziert werden, um die Entfernung von Kohlenstoff-Nanostrukturen davon zu fördern. In einigen Ausführungsformen kann das zur Erzeugung der Kohlenstoff-Nanostrukturen verwendete Wachstumssubstrat modifiziert werden, um eine Anti-Haftbeschichtung zu umfassen, welche die Haftung der Kohlenstoff-Nanostrukturen am Wachstumssubstrat einschränkt. Die Anti-Haftbeschichtung kann eine Schlichtung umfassen, die kommerziell auf das Wachstumssubstrat angewendet wird, oder eine Anti-Haftbeschichtung kann nach dem Erhalten des Wachstumssubstrats aufgebracht werden. In einigen Ausführungsformen kann eine Schlichtung vom Wachstumssubstrat vor dem Aufbringen einer Anti-Haftbeschichtung entfernt werden. In anderen Ausführungsformen kann eine Schlichtung auf das Wachstumssubstrat angewendet werden, in dem eine Schlichtung vorliegt.
In einigen Ausführungsformen können die Kohlenstoff-Nanostrukturen auf dem Wachstumssubstrat von einem Katalysator aufgewachsen werden, der eine Mehrzahl von Übergangsmetall-Nanoteilchen umfasst, wie hier im Nachstehenden allgemein beschrieben. In einigen Ausführungsformen kann eine Art für das Aufbringen des Katalysators auf dem Wachstumssubstrat durch Teilchenabsorption sein, wie durch eine direkte Katalysatoranwendung unter Verwendung einer flüssigen oder kolloidalen vorläuferbasierten Abscheidung. Geeignete Übergangsmetall-Nanoteilchenkatalysatoren können ein beliebiges d-Block-Übergangsmetall oder ein d-Block-Übergangsmetallsalz umfassen. In einigen Ausführungsformen kann ein Übergangsmetallsalz auf dem Wachstumssubstrat ohne Wärmebehandlungen aufgebracht werden. In anderen Ausführungsformen kann ein Übergangsmetallsalz in ein nullwertiges Übergangsmetall auf dem Wachstumssubstrat durch eine thermische Behandlung übergeführt werden.
In einigen Ausführungsformen können die Übergangsmetall-Nanoteilchen mit einer Anti-Haftbeschichtung beschichtet werden, die ihre Haftung am Wachstumssubstrat einschränkt. Wie oben diskutiert, kann die Beschichtung der Übergangsmetall-Nanoteilchen mit einer Anti-Haftbeschichtung auch die Entfernung der Kohlenstoff-Nanostrukturen vom Wachstumssubstrat nach der Synthese der Kohlenstoff-Nanostruktur fördern. Anti-Haftbeschichtungen, die zur Verwendung im Zusammenhang mit der Beschichtung der Übergangsmetall-Nanoteilchen geeignet sind, können die gleichen Anti-Haftbeschichtungen umfassen, die zur Beschichtung des Wachstumssubstrats verwendet werden. 6 zeigt eine veranschaulichende schematische Darstellung eines mit einer Anti-Haftschicht beschichteten Übergangsmetall-Nanoteilchens. Wie in 6 gezeigt, kann der beschichtete Katalysator 500 Kernkatalysatorteilchen 510 umfassen, die mit einer Anti-Haftschicht 520 überzogen sind. In einigen Ausführungsformen können kolloidale Nanoteilchenlösungen verwendet werden, wobei eine Außenschicht um das Nanoteilchen das Wachstumssubstrat zu einer Nanoteilchenhaftung bringt, jedoch die Kohlenstoff-Nanostruktur von einer Nanoteilchenhaftung abhält, wodurch die Haftung der Kohlenstoff-Nanostrukturen am Wachstumssubstrat eingeschränkt wird.
7 zeigt ein Flussdiagramm eines veranschaulichenden Prozesses zur Isolierung von Kohlenstoff-Nanostrukturen von einem Wachstumssubstrat. Wie in 7 gezeigt, beginnt der Prozess 600 damit, dass eine mit Kohlenstoff-Nanostrukturen infundierte Faser in der Operation 610 vorgesehen wird. Nicht-faserartige Wachstumssubstrate, auf denen eine Kohlenstoff-Nanostruktur aufgewachsen wurde, können auf ähnliche Weise verwendet werden. Ein Fluidscheren kann in der Operatoin 620 unter Verwendung eines Gases oder einer Flüssigkeit durchgeführt werden, um die Entfernung der Kohlenstoff-Nanostrukturen vom Fasermaterial zu erzielen. In einigen Fällen kann das Fluidscheren dazu führen, dass wenigstens ein Teil des Fasermaterials von der Volumsfaser befreit und mit den freien Kohlenstoff-Nanostrukturen eingeschlossen wird, während es nicht daran haftet. Erforderlichenfalls können in der Operation 630 die freigesetzten Kohlenstoff-Nanostrukturen einer Zyklon/Medienfiltration unterworfen werden, um die nicht-haftenden Fasermaterialfragmente zu entfernen. Dichtebasierte oder größenbasierte Trenntechniken können auch verwendet werden, um die Trennung der Kohlenstoff-Nanostrukturen vom nicht-haftenden Fasermaterial zu bewirken. Im Fall eines Gasscherens können die Kohlenstoff-Nanostrukturen in trockener Form auf einem Filtermedium in der Operation 645 gesammelt werden. Das erhaltene trockene Flockenmaterial, das in der Operation 645 gesammelt wird, kann einer beliebigen optionalen weiteren chemischen oder thermischen Reinigung unterworfen werden, wie in 8 weiter ausgeführt. Im Fall eines Flüssigkeitesscherens kann die Flüssigkeit in der Operation 640 gesammelt werden, und die Trennung der Kohlenstoff-Nanostrukturen von der Füssigkeit kann in der Operation 650 stattfinden, wobei letztlich ein trockenes Flockenmaterial in der Operation 660 erzeugt wird. Das in der Operation 660 isolierte Kohlenstoff-Nanostruktur-Flockenmaterial kann jenem ähnlich sein, das in der Operation 645 erzeugt wird. Nach der Isolierung des Kohlenstoff-Nanostruktur-Flockenmaterials in der Operation 660 kann es fertig sein zur Verpackung und/oder Lagerung in der Operation 695. In Prozessen, die ein Gasscheren zur Entfernung der Kohlenstoff-Nanostrukturen einsetzen, können die Kohlenstoff-Nanostrukturen in einem Filter in der Operation 645 trocken gesammelt werden. Vor der Verpackung und/oder Lagerung in der Operation 695 kann das durch eine der Schertechniken gebildete Produkt eine optionale chemische und/oder thermische Reinigung in der Operation 670 eingehen. Diese Reinigungsprozesse können jenen ähnlich sein, die durchgeführt werden, wenn herkömmliche Kohlenstoff-Nanoröhrchen gereinigt werden. Als Beispiel kann die in der Operation 670 durchgeführte Reinigung die Entfernung eines Katalysators involvieren, der verwendet wird, um das Kohlenstoff-Nanostrukturwachstum zu bewirken, wie beispielsweise durch eine Behandlung mit flüssigem Brom. Andere Reinigungstechniken sind für gewöhnliche Fachleute ersichtlich.
Mit weiterer Bezugnahme auf 7 können die durch eine beliebige Schertechnik erzeugten Kohlenstoff-Nanostrukturen durch Schneiden oder Aufbauschen in der Operation 680 einer Weiterverarbeitung unterzogen werden. Ein solches Schneiden oder Aufbauschen kann mechanisches Kugelmahlen, Schleifen, Mischen, chemische Prozesse oder eine beliebige Kombination davon umfassen. Ferner können in der Operation 690 die Kohlenstoff-Nanostrukturen optional unter Verwendung einer beliebigen Technik weiter funktionalisiert werden, mit der Kohlenstoff-Nanoröhrchen normalerweise modifiziert oder funktionalisiert werden. Geeignete Funktionalisierungstechniken in der Operation 690 können beispielsweise eine Plasmaverarbeitung, chemisches Ätzen und dgl. umfassen. Die Funktionalisierung der Kohlenstoff-Nanostrukturen auf diese Weise kann chemische funktionelle Gruppenbrücken erzeugen, die für weitere Modifikationen verwendet werden können. Beispielsweise kann in einigen Ausführungsformen ein chemisches Ätzen verwendet werden, um Carbonsäure-Gruppen auf den Kohlenstoff-Nanostrukturen zu bilden, die verwendet werden können, um eine kovalente Bindung an eine beliebige Anzahl weiterer Einheiten hervorbringen können, einschließlich beispielsweise des Matrixmaterials eines Verbundmaterials. In dieser Hinsicht können funktionalisierte Kohlenstoff-Nanostrukturen ein überlegenes Verstärkungsmaterial in einer Verbundmatrix vorsehen, da mehrere Stellen für eine kovalente Bindung an die Matrix des Verbundstoffs in allen Dimensionen vorgesehen werden können.
Zusätzlich zur Erleichterung der kovalenten Bindung der Kohlenstoff-Nanostrukturen an die Matrix eines Verbundmaterials kann die Funktionalisierung von Kohlenstoff-Nanostrukturen auch ermöglichen, dass andere Gruppen kovalent an die Kohlenstoff-Nanostrukturen gebunden werden. In einigen Ausführungsformen kann ein Zugang zu anderen kovalent gebundenen Einheiten, wie synthetischen oder Biopolymeren, über funktionelle Gruppenbrücken realisiert werden, die bei der Nachverarbeitung der Kohlenstoff-Nanostrukturfunktionalisierung erzeugt werden. Beispielsweise können Kohlenstoff-Nanostrukturen mit Polyethylenglykol verknüpft werden (z. B. durch Ester-Bindungen, die aus Carbonsäure-Gruppen auf der Kohlenstoff-Nanostruktur gebildet werden), um PEGylierte Kohlenstoff-Nanostrukturen vorzusehen, die den Kohlenstoff-Nanostrukturen eine bessere Wasserlöslichkeit verleihen können. In einigen Ausführungsformen können die Kohlenstoff-Nanostrukturen eine Plattform für eine kovalente Bindung an Biomoleküle vorsehen, um eine Biosensorherstellung zu erleichtern. In dieser Hinsicht können die Kohlenstoff-Nanostrukturen verbesserte elektrische Perkolationswege für eine verstärkte Detektionsempfindlichkeit relativ zu anderen Biosensoren auf der Basis von Kohlenstoff-Nanoröhrchen vorsehen, die vereinzelte Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder sogar Kohlenstoff-Nanoröhrchenwälder einsetzen. Biomoleküle von Interesse zur Sensorentwicklung können beispielsweise Peptide, Proteine, Enzyme, Kohlenhydrate, Glykoproteine, DNS, RNS und dgl. umfassen.
8 zeigt eine veranschaulichende schematische Darstellung, die den in 7 gezeigten Prozess weiter ausarbeitet. Wie im Prozess 700 in 8 veranschaulicht, wird eine einzelne Spule oder werden mehrere Spulen eines mit Kohlenstoff-Nanostrukturen beladenen faserartigen Substrats in der Operation 710 einer Entfernungskammer 712 unter Verwendung eines Abgabe- und Aufnahmesystems zugeführt. Die Entfernung der Kohlenstoff-Nanostrukturen vom faserartigen Substrat kann mit einem einzelnen oder einigen Druckluftquellen-Werkzeugen 714, wie einem Luftmesser oder einer Luftdüse, in der Operation 720 bewirkt werden. Solche Luftquellenwerkzeuge können allgemein rechtwinklig zu der oder den Spulen platziert werden, und die Luft kann dann auf das faserartige Substrat gerichtet werden, das die Kohlenstoff-Nanostrukturen trägt. In einigen Ausführungsformen kann das Luftquellenwerkzeug stationär sein, während in anderen Ausführungsformen das Luftquellenwerkzeug bewegbar sein kann. In Ausführungsformen, wo das Luftquellenwerkzeug bewegbar ist, kann es ausgelegt sein, in Bezug auf die Fläche des faserartigen Substrats zu oszillieren, um die Entfernungseffizienz zu verbessern. Beim Auftreffen von Luft können Faserkabel und andere gebündelte faserartige Substrate ausgebreitet werden, wodurch ein zusätzlicher Flächenbereich auf dem Substrat freigelegt wird und die Entfernung der Kohlenstoff-Nanostrukturen verbessert wird, während ein mechanischer Kontakt vorteilhaft vermieden wird. In einigen Ausführungsformen kann die Integrität des Substrats ausreichend sein, um das Substrat in einem kontinuierlichen Zyklus einer Kohlenstoff-Nanostruktursynthese und -entfernung zu rezyklieren. So kann in einigen Ausführungsformen das Substrat in Form eines Riemens oder einer Schleife vorliegen, worin Kohlenstoff-Nanostrukturen auf dem Substrat synthetisiert, anschließend stromabwärts entfernt und dann für ein zusätzliches Wachstum neuer Kohlenstoff-Nanostrukturen an dem Ort rezykliert werden, wo die ursprünglichen Kohlenstoff-Nanostrukturen entfernt wurden. In einigen Ausführungsformen kann die Entfernung der ursprünglichen Kohlenstoff-Nanostrukturen zur Entfernung der Oberflächenbehandlung führen, welche die Kohlenstoff-Nanostrukturentfernung erleichtert hat. So kann in einigen Ausführungsformen das Substrat nach der Entfernung der ursprünglichen Kohlenstoff-Nanostrukturen erneut modifiziert werden, um die Entfernung der neuen Kohlenstoff-Nanostrukturen zu fördern, wie es gemäß den hier beschriebenen Oberflächenmodifikationstechniken allgemein durchgeführt wird. Die am Substrat vorgenommene Oberflächenbehandlung, nachdem die ursprünglichen Kohlenstoff-Nanostrukturen entfernt wurden, kann die gleiche oder eine andere sein als die ursprüngliche Oberflächenbehandlung.
In einigen Ausführungsformen kann die Integrität des Substrats während der Kohlenstoff-Nanostrukturentfernung beeinträchtigt werden, und wenigstens ein Teil des Substrats kann mit den Kohlenstoff-Nanostrukturen gemischt werden, weil es daran nicht länger haftet. Mit weiterer Bezugnahme auf 8 kann fragmentiertes Substrat, das mit den isolierten Kohlenstoff-Nanostrukturen gemischt wurde, in der Operation 730 entfernt werden. In 8 ist die Operation 730 gezeigt, dass sie durch Zyklonfiltration stattfindet, es kann jedoch eine beliebige geeignete Feststofftrenntechnik verwendet werden. Beispielsweise können in einigen Ausführungsformen Sieben, Differentialabsetzung oder andere größenbasierte Trennungen vorgenommen werden. In anderen Ausführungsformen können dichtebasierte Trennungen vorgenommen werden. In noch anderen Ausführungsformen kann eine chemische Reaktion verwendet werden, um wenigstens teilweise die Trennung der Kohlenstoff-Nanostrukturen vom Wachstumssubstrat zu bewirken, das nicht an den Kohlenstoff-Nanostrukturen haftet. Obwohl 8 eine einzelne Zyklonfiltration zeigt, können mehrere Vakuum- und Zyklonfiltrationstechniken in Serie, parallel oder einer beliebigen Kombination davon verwendet werden, um verbleibendes fragmentiertes Wachstumssubstrat von den Kohlenstoff-Nanostrukturen zu entfernen. Solche Techniken können mehrere Stufen von Filtermedien und/oder Filtrationsraten einsetzen, um das fragmentierte Wachstumssubstrat selektiv abzufangen, während den Kohlenstoff-Nanostrukturen gestattet wird, in ein Sammelgefäß zu gehen. Die erhaltenen Kohlenstoff-Nanostrukturen können entweder trocken in der Operation 740 gesammelt werden oder als nasse Aufschlämmung in der Operation 750 gesammelt werden. In einigen Ausführungsformen können die Kohlenstoff-Nanostrukturen direkt nach der Entfernung von fragmentiertem Wachstumssubstrat in der Operation 730 verarbeitet werden und in ein Lagerungsgefäß oder einen versendbaren Behälter in der Verpackungsopration 760 verpackt werden. Ansonsten kann die Verpackung einer trockenen Sammeloperation 740 oder einer nassen Sammeloperation 750 folgen.
In Ausführungsformen, wo eine nasse Verarbeitung eingesetzt wird, können die Kohlenstoff-Nanostrukturen mit etwa 1% bis etwa 40% Lösungsmittel in Wasser gemischt und durch ein Filter oder einen ähnlichen Trennmechanismus geführt werden, um die Kohlenstoff-Nanostrukturen vom Lösungsmittel zu trennen. Die erhaltenen getrennten Kohlenstoff-Nanostrukturen können getrocknet und verpackt oder „nass” als Dispersion in einer Fluidphase gelagert werden. Es wurde festgestellt, dass, im Gegensatz zu vereinzelten Kohlenstoff-Nanoröhrchenlösungen oder -dispersionen, Kohlenstoff-Nanostrukturen vorteilhaft stabile Dispersionen bilden können. In einigen Ausführungsformen können stabile Dispersionen in Abwesenheit von stabilisierenden oberflächenaktiven Mitteln erzielt werden können, sogar mit Wasser als Lösungsmittel. In einigen oder anderen Ausführungsformen kann ein Lösungsmittel in Kombination mit Wasser während der nassen Verarbeitung verwendet werden. Geeignete Lösungsmittel zur Verwendung im Zusammenhang mit einer nassen Verarbeitung können umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Isopropanol (IPA), Ethanol, Methanol und Wasser.
Als Alternative zum Fluidscheren kann in einigen Ausführungsformen ein mechanisches Scheren verwendet werden, um die Kohlenstoff-Nanostrukturen vom Wachstumssubstrat zu entfernen. 9 zeigt eine veranschaulichende schematische Darstellung, die zeigt, wie ein mechanisches Scheren verwendet werden kann, um Kohlenstoff-Nanostrukturen und einen Übergangsmetall-Nanoteilchenkatalysator von einem Wachstumssubstrat zu entfernen. Wie in 9 gezeigt, kann der Kohlenstoff-Nanostruktur-Entfernungsprozess 800 eine mechanische Scherkraft 810 einsetzen, um sowohl die Kohlenstoff-Nanostrukturen als auch den Übergangsmetall-Nanoteilchenkatalysator vom Wachstumssubstrat 830 als monolithische Einheit 820 zu entfernen. In einigen derartigen Ausführungsformen können Schlichtungs- und/oder zusätzliche Anti-Haftbeschichtungen verwendet werden, um die Kohlenstoff-Nanostruktur- und/oder Nanoteilchenhaftung am Wachstumssubstrat einzuschränken, wodurch ermöglicht wird, dass ein mechanisches Scheren oder ein anderer Typ einer Scherkraft die Entfernung der Kohlenstoff-Nanostrukturen vom Wachstumssubstrat erleichtert. In einigen Ausführungsformen kann ein mechanisches Scheren durch Mahlen der mit Kohlenstoff-Nanostrukturen infundierten Faser mit Trockeneis vorgesehen werden.
Als weitere Alternative zum Fluidscheren kann in einigen Ausführungsformen eine Beschallung verwendet werden, um die Kohlenstoff-Nanostrukturen vom Wachstumssubstrat zu entfernen.
In einigen Ausführungsformen können die Kohlenstoff-Nanostrukturen vom Wachstumssubstrat entfernt werden, ohne den Übergangsmetall-Nanoteilchenkatalysator wesentlich zu entfernen. 10 zeigt eine veranschaulichende schematische Darstellung, die einen Kohlenstoff-Nanostruktur-Entfernungsprozess 900 zeigt, in dem Kohlenstoff-Nanostrukturen von einem Wachstumssubstrat ohne einen Übergangsmetall-Nanoteilchenkatalysator isoliert werden können. Wie in 10 gezeigt, können die Kohlenstoff-Nanostrukturen 940 auf dem Wachstumssubstrat 920 unter Verwendung eines implantierten Übergangsmetall-Nanoteilchenkatalysators 910 aufgewachsen werden. Danach hinterläßt die Scherentfernung 930 der Kohlenstoff-Nanostrukturen 940 den Übergangsmetall-Nanoteilchenkatalysator 910 auf dem Wachstumssubstrat 920 zurück. In einigen derartigen Ausführungsformen kann ein geschichteter Katalysator die Haftung an der Substratfläche fördern, während die Haftung der Kohlenstoff-Nanostrukturen an Nanoteilchen verringert wird.
Obwohl 9 und 10 zeigen, dass das Kohlenstoff-Nanostrukturwachstum mit einem basalen Wachstum aus dem Katalysator stattfindet, werden Fachleute erkennen, dass andere mechanistische Formen eines Kohlenstoff-Nanostrukturwachstums möglich sind. Beispielsweise kann das Kohlenstoff-Nanostrukturwachstum auch so stattfinden, dass der Katalysator distal zum Wachstumssubstrat auf der Fläche der Kohlenstoff-Nanostruktur residiert (d. h. Spitzenwachstum), oder irgendwo zwischen einem Spitzenwachstum und basalen Wachstum. In einigen Ausführungsformen kann ein vorwiegend basales Wachstum ausgewählt werden, um die Kohlenstoff-Nanostrukturentfernung vom Wachstumssubstrat zu unterstützen.
In alternativen Ausführungsformen kann die Entfernung der Kohlenstoff-Nanostrukturen vom Wachstumssubstrat durch einen anderen Prozess stattfinden als Fluidscheren oder mechanisches Scheren. In einigen Ausführungsformen kann ein chemisches Ätzen verwendet werden, um die Kohlenstoff-Nanostrukturen vom Wachstumssubstrat zu entfernen. In einigen Ausführungsformen kann der Übergangsmetall-Nanoteilchenkatalysator, der zur Förderung des Kohlenstoff-Nanostrukturwachstums verwendet wird, ein Übergangsmetallsalz sein, welches ein Anion enthält, das ausgewählt wird, um das Wachstumssubstrat zu ätzen, wodurch die Entfernung der Kohlenstoff-Nanostrukturen erleichtert wird. Geeignete Ätzanionen können beispielsweise Chloride, Sulfate, Nitrate, Nitrite und Fluoride umfassen. In einigen oder anderen Ausführungsformen kann ein chemisches Ätzen unabhängig von der Katalysatorwahl eingesetzt werden. Wenn beispielsweise ein Glassubstrat eingesetzt wird, kann ein Fluorwasserstoff-Ätzen verwendet werden, um die Haftung der Kohlenstoff-Nanostrukturen und/oder des Übergangsmetall-Nanoteilchenkatalysators am Substrat abzuschwächen.
Die hier geoffenbarten Kohlenstoff-Nanostrukturen umfassen Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs) in einem Netz mit einer komplexen strukturellen Morphologie, das hier im Vorstehenden detaillierter beschrieben wurde. Ohne an irgendeine Theorie oder irgendeinen Mechanismus gebunden zu sein, wird angenommen, dass diese komplexe strukturelle Morphologie aus der Herstellung der Kohlenstoff-Nanostrukturen auf einem Substrat unter CNT-Wachstumsbedingungen resultiert, die eine rasche Wachstumsrate in der Größenordnung von einigen Mikron pro Sekunde bewirken. Die rasche CNT-Wachstumsrate, gekoppelt mit der engen Nähe der CNTs zueinander, kann den CNTs die festgestellte Verzweigung, Vernetzung und geteilten Wandmotive verleihen. In der Diskussion, die folgt, werden Techniken zur Erzeugung von Kohlenstoff-Nanostrukturen beschrieben, die an ein Fasersubstrat gebunden sind. Der Einfachheit halber kann die Diskussion die Kohlenstoff-Nanostrukturen, die auf dem Substrat angeordnet sind, austauschbar als CNTs bezeichnen, da CNTs die Hauptstrukturkomponente von Kohlenstoff-Nanostrukturen repräsentieren.
In einigen Ausführungsformen können die hier geoffenbarten Prozesse auf naszierende Fasermaterialen angewendet werden, die de novo vor oder anstelle des Aufbringens einer typischen Schlichtungslösung auf dem Fasermaterial generiert werden. Alternativ dazu können die hier beschriebenen Prozesse ein handelsübliches Fasermaterial verwenden, beispielsweise ein Kabel, das bereits eine Schlichtung auf seiner Oberfläche aufgebracht aufweist. In solchen Ausführungsformen kann die Schlichtung entfernt werden, um eine direkte Grenzfläche zwischen dem Fasermaterial und der synthetisierten Kohlenstoff-Nanostruktur vorzusehen, obwohl ein Übergangsmetall-Nanoteilchenkatalysator als Zwischen-Linker zwischen den beiden dienen kann. Nach der Kohlenstoff-Nanostruktursynthese können weitere Schlichtungsmittel auf dem Fasermaterial wie gewünscht aufgebracht werden. Zum Zweck der Kohlenstoff-Nanostrukturisolierung kann eine beliebige der oben angegebenen Schlichtungen oder Beschichtungen eingesetzt werden, um den Isolierungsprozess zu erleichtern. Ebenso geeignete Substrate zur Bildung von Kohlenstoff-Nanostrukturen umfassen Bänder, Schichten und sogar dreidimensionale Formen, die verwendet werden können, um ein geformtes Kohlenstoff-Nanostrukturprodukt zu liefern. Die hier beschriebenen Prozesse ermöglichen die kontinuierliche Produktion von CNTs, die das Kohlenstoff-Nanostrukturnetz bilden, mit gleichmäßiger Länge und Verteilung entlang aufspulbarer Längen von Kabeln, Bändern, Stoffen und anderen gewebten 3D-Strukturen.
Der hier verwendete Ausdruck „Fasermaterial” bezieht sich auf ein beliebiges Material, das eine Faser als seine elementare strukturelle Komponente aufweist. Der Ausdruck umfasst Fasern, Filamente, Garne, Kabel, Bänder, gewebte und nicht gewebte Stoffe, Strähnen, Matten und dgl.
Der hier verwendete Ausdruck „aufspulbare Abmessungen” bezieht auf Fasermaterialien mit wenigstens einer Abmessung, die nicht in der Länge begrenzt ist, was ermöglicht, dass das Material auf einer Spule oder Spindel gelagert wird. Hier beschriebene Prozesse können leicht mit 5 bis 20 lb Spulen arbeiten, obwohl größere Spulen verwendbar sind. Außerdem kann eine Vorprozessoperation eingeschlossen werden, die sehr große aufspulbare Längen, beispielsweise 100 lb oder mehr, in leicht handzuhabende Abmessungen teilt, wie zwei 50 lb Spulen.
Der hier verwendete Ausdruck „Kohlenstoff-Nanoröhrchen” (CNT, Plural CNTs) bezieht sich auf eine beliebige einer Reihe zylindrisch geformter Erscheiungsformen von Kohlenstoff der Fulleren-Familie, einschließlich einwandiger Kohlenstoff-Nanoröhrchen (SWNTs), doppelwandiger Kohlenstoff-Nanoröhrchen (DWNTs), mehrwandiger Kohlenstoff-Nanoröhrchen (MWNTs). CNTs können mit einer Fulleren-artigen Strukturkappe versehen oder offenendig sein. CNTs umfassen jene, die andere Materialien einkapseln. CNTs können in verzweigten Netzen, verwickelten Netzen und Kombinationen davon auftreten. Die CNTs, die auf dem Substrat hergestellt werden und Kohlenstoff-Nanostrukturen bilden, können einzelne CNT-Motive aus exklusiven MWNTs, SWNTs oder DWNTs umfassen, oder die Kohlenstoff-Nanostrukturen können Mischungen dieser CNT-Motive umfassen.
Der hier verwendete Ausdruck „gleichmäßig in der Länge” bezieht sich auf eine mittlere Länge von CNTs, die in einem Reaktor zur Herstellung von Kohlenstoff-Nanostrukturen aufgewachsen werden. „Gleichmäßige Länge” bedeutet, dass die CNTs Längen mit Toleranzen von plus oder minus etwa 20% der gesamten CNT-Länge oder weniger aufweisen, für CNT-Längen, die zwischen etwa 1 Mikro bis etwa 500 Mikron variieren. Bei sehr kurzen Längen, wie 1–4 Mikron, kann dieser Fehler im Bereich von zwischen etwa plus oder minus 20 der gesamten CNT-Länge bis etwa plus oder minus 1 Mikron liegen, das heißt, irgendwo zwischen mehr als etwa 20 der gesamten CNT-Länge. Im Kontext von Kohlenstoff-Nanostrukturen kann wenigstens eine Abmessung der Kohlenstoff-Nanostrukturen durch die Länge der aufgewachsenen CNTs gesteuert werden.
Der hier verwendete Ausdruck „gleichmäßig in der Verteilung” bezieht sich auf die Konsistenz der Dichte von CNTs auf einem Wachstumssubstrat, wie einem Fasermaterial. „Gleichmäßige Verteilung” bedeutet, dass die CNTs eine Dichte auf dem Fasermaterial mit Toleranzen von plus oder minus etwa 10% Abdeckung aufweisen, definiert als Prozentsatz des Flächenbereichs der mit CNTs bedeckten Faser. Dies ist äquivalent zu ±1500 CNTs/μm² für ein CNT mit einem Durchmesser von 8 nm mit 5 Wänden. Eine solche Zahl geht davon aus, dass der Raum innerhalb der CNTs füllbar ist.
Der hier verwendete Ausdruck „Übergangsmetall” bezieht sich auf ein beliebiges Element oder eine Legierung von Elementen im d-Block des Periodensystems. Der Ausdruck „Übergangsmetall” umfasst auch Salzformen des Basen-Übergangsmetallelements, wie Oxide, Carbide, Nitride und dgl.
Der hier verwendete Ausdruck „Nanoteilchen” oder (NP, Plural NPs), oder grammatikalische Äquivalente davon, umfasst Teilchen mit einer Größe zwischen etwa 0,1 bis etwa 100 Nanometer im äquivalenten sphärischen Durchmesser, obwohl die NPs nicht in sphärischer Form sein müssen. Übergangsmetall-NPs können insbesondere als Katalysator für ein CNT-Wachstum auf den Fasermaterialien dienen.
Der hier verwendete Ausdruck „Schlichtungsmittel”, „Faserschlichtungsmittel” oder nur „Schlichtung” bezieht sich kollektiv auf Materialien, die bei der Herstellung von Fasern als Beschichtung verwendet werden, um die Integrität von Fasern zu schützen, verstärkte Grenzflächeninteraktionen zwischen einer Faser und einem Matrixmaterial in einem Verbundstoff vorzusehen und/oder bestimmte physikalische Eigenschaften einer Faser zu verstärken.
Der hier verwendete Ausdruck „Materialverweilzeit” bezieht auf die Zeitdauer, während der ein diskreter Punkt entlang eines Fasermaterials mit aufspulbaren Abmessungen CNT-Wachstumsbedingungen während der hier beschriebenen CNT-Prozesse ausgesetzt ist. Diese Definition umfasst die Verweilzeit, wenn eine multiple CNT-Wachstumskammer eingesetzt wird.
Der hier verwendete Ausdruck „Streckengeschwindigkeit” bezieht sich auf die Geschwindigkeit, mit der ein Fasermaterial mit aufspulbaren Abmessungen durch die hier beschriebenen CNT-Syntheseprozesse geführt wird, wobei die Streckengeschwindigkeit eine Geschwindigkeit ist, die durch das Teilen der CNT-Kammerlänge durch die Materialverweilzeit bestimmt wird.
In einigen Ausführungsformen umfasst das CNT-beladene Fasermaterial ein Fasermaterial mit aufspulbaren Abmessungen und Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs) in der Form von auf dem Fasermaterial aufgewachsenen Kohlenstoff-Nanostrukturen.
Ohne an irgendeine Theorie oder irgendeinen Mechanismus gebunden zu sein, können Übergangsmetall-NPs, die als CNT-bildender Katalysator dienen, ein CNT-Wachstum durch die Bildung einer CNT-Wachstumskeimstruktur katalysieren. In einer Ausführungsform kann der CNT-bildende Katalysator an der Basis des Fasermaterials zurückbleiben (d. h. basales Wachstum). In einem derartigen Fall ist die Keimstruktur, die anfänglich durch den Übergangsmetall-Nanoteilchenkatalysator gebildet wird, für ein fortgesetztes nicht-katalysiertes Keim-CNT-Wachstum ausreichend, ohne dass gestattet wird, dass sich der Katalysator entlang der Vorderkante des CNT-Wachstums bewegt (d. h. Spitzenwachstum). In einem solchen Fall dient das NP als Bindungspunkt für die CNS am Fasermaterial.
Zusammensetzungen mit CNS-beladenen Fasermaterialien werden vorgesehen, worin die CNTs im Wesentlichen in der Länge gleichmäßig sind. Im hier beschriebenen kontinuierlichen Prozess kann die Verweilzeit des Fasermaterials in einer CNT-Wachstumskammer moduliert werden, um das CNT-Wachstum und letztlich die CNT- und CNS-Länge zu steuern. Diese Merkmale sehen ein Mittel vor, um spezifische Eigenschaften der aufgewachsenen CNTs und daher die Eigenschaften der CNS zu steuern. Die CNT-Länge kann auch durch eine Modulation des Kohlenstoff-Ausgangsmaterials und der Trägergas-Durchflussraten und Reaktionstemperatur gesteuert werden. Eine zusätzliche Steuerung der CNT-Eigenschaften kann beispielsweise durch die Modulation der Größe des Katalysators erhalten werden, der zur Herstellung der CNTs verwendet wird. Beispielsweise können 1 nm Übergangsmetall-Nanoteilchenkatalysatoren insbesondere zur Herstellung von SWNTs verwendet werden. Größere Katalysatoren können zur Herstellung von vorwiegend MWNTs verwendet werden.
Zusätzlich sind die eingesetzten CNT-Wachstumsprozesse nützlich, um ein CNS-beladenes Fasermaterial mit gleichmäßig verteilten CNTs vorzusehen, während eine Bündelung oder Aggregation der CNTs vermieden wird, die in Prozessen auftreten kann, in denen vorgeformte CNTs in einem Lösungsmittel suspendiert oder dispergiert und händisch auf dem Fasermaterial aufgebracht werden. In einigen Ausführungsformen kann die maximale Verteilungsdichte, ausgedrückt als prozentuelle Abdeckung, das heißt, der Flächenbereich des Fasermaterials, der bedeckt ist, so hoch wie etwa 55% sein unter der Annahme von CNTs mit etwa 8 nm Durchmesser mit 5 Wänden. Diese Abdeckung wird berechnet, indem der Raum innerhalb der CNTs als „füllbarer” Raum angesehen wird. Verschiedene Verteilungs/Dichtewerte können erzielt werden, indem die Katalysatordispersion auf der Fläche variiert wird sowie die Gaszusammensetzung und die Prozessgeschwindigkeit gesteuert werden. Typischerweise kann für einen gegebenen Satz von Parametern eine prozentuelle Abdeckung innerhalb etwa 10% quer über eine Faserfläche erzielt werden. CNTs mit höherer Dichte und kürzerer Länge (z. B. Länge von weniger als etwa 100 Mikron) können zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften nützlich sein, wohingegen längere CNTs (z. B. Länge von mehr als etwa 100 Mikron) mit niedrigerer Dichte zur Verbesserung der thermischen und elektrischen Eigenschaften nützlich sein können, obwohl eine erhöhte Dichte weiterhin vorteilhaft sein kann. Eine niedrigere Dichte kann sich ergeben, wenn längere CNTs aufgewachsen werden. Dies kann das Ergebnis der höheren Temperaturen und des rascheren Wachstums sein, was geringere Katalysatorteilchenausbeuten verursacht.
Mit CNS beladene Fasermaterialen können ein Fasermaterial umfassen, wie Filamente, ein Fasergarn, ein Faserkabel, ein Fasergeflecht, einen gewebten Stoff, eine nicht-gewebte Fasermatte, eine Fasersträhne und andere gewebte 3D-Strukturen. Filamente umfassen Fasern mit hohem Seitenverhältnis mit Durchmessern in der Größenordnung von zwischen etwa 1 Mikron bis etwa 100 Mikron. Faserkabel sind allgemein kompakt assoziierte Bündel von Filamenten und üblicherweise miteinander verdrillt, um Garne zu ergeben.
Garne umfassen eng assoziierte Bündel verdrillter Filamente. Jeder Filamentdurchmesser in einem Garn ist relativ gleichmäßig. Garne haben variierende Gewichte, die durch ihre ,tex'-Zahl beschrieben werden, ausgedrückt als Gramm von 1000 linearen Metern, oder denier, ausgedrückt als Gewicht in Pfund von 10.000 Yard, wobei ein typischer tex-Bereich üblicherweise zwischen etwa 200 tex bis etwa 2000 tex liegt.
Kabel umfassen lose assoziierte Bündel verdrillter Filamente. Wie bei Garnen ist jeder Filamentdurchmesser in einem Kabel allgemein gleichmäßig. Kabel haben auch variierende Gewichte und der tex-Bereich liebt üblicherweise zwischen 200 text und 2000 tex. Sie sind häufig durch die Anzahl von Tausenden von Filamenten im Kabel gekennzeichnet, beispielsweise 12K Kabel, 24K Kabel, 48K Kabel und dgl.
Bänder sind Materialien, die als Gewebe assembliert werden können, oder können nicht-gewebte abgeflachte Kabel repräsentieren. Bändern können in der Breite variieren und sind allgemein zweiseitige Strukturen ähnlich einem Streifen. Die CNT-Infusion kann auf einer oder beiden Seiten eines Bands stattfinden. CNS-beladene Bänder können einem „Teppich” oder „Wald” auf einer flachen Substratfläche ähnlich sein. Die CNS können jedoch von herkömmlichen ausgerichteten CNT-Wäldern aufgrund ihres signifikant höheren Grads einer Verzweigung und Vernetzung leicht unterschieden werden, der in der CNS-Strukturmorphologie auftritt. Wiederum können hier beschriebene Prozesse in einer kontinuierlichen Weise vorgenommen werden, um Bandspulen zu funktionalisieren.
Fasergeflechte repräsentieren seilartige Strukturen dicht gepackter Fasern. Solche Strukturen können beispielsweise aus Garnen assembliert werden. Geflochtene Strukturen können einen hohen Teil umfassen oder eine geflochtene Struktur kann um ein weiteres Kernmaterial assembliert werden.
CNTs verleihen ihre charakteristischen Eigenschaften, wie mechanische Festigkeit, niedriger bis mäßiger spezifischer elektrischer Widerstand, hohe Wärmeleitfähigkeit und dgl., den CNS-beladenem Fasermaterial. Beispielsweise ist in einigen Ausführungsformen der spezifische elektrische Widerstand eines mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen beladenen Fasermaterials niedriger als der spezifische elektrische Widerstand eines Ausgangsfasermaterials. Ähnlich können solche Eigenschaften auf die isolierte CNS übertragen werden. Allgemeiner kann das Ausmaß, in dem die erhaltene CNS-beladene Faser diese Charakteristiken ausdrückt, eine Funktion des Ausmaßes und der Dichte der Abdeckung der Faser durch die Kohlenstoff-Nanoröhrchen sein. Ein beliebiger Betrag des Faserflächenbereichs, von 0–55 der Faser, kann abgedeckt werden, unter der Annahme eines MWNT mit 8 nm Durchmesser und 5 Wänden (diese Berechnung zählt wiederum den Raum innerhalb der CNTs als füllbar). Diese Zahl ist für CNTs mit kleinerem Durchmesser niedriger und für CNTs mit größerem Durchmesser höher. Eine 55% Flächenbereichsabdeckung ist äquivalent zu etwa 15.000 CNTs/Mikron². Weitere CNT-Eigenschaften können dem Fasermaterial in einer Weise abhängig von der CNT-Länge verliehen werden, wie oben beschrieben. CNTs innerhalb der Kohlenstoff-Nanostrukturen können in der Länge zwischen etwa 1 Mikron bis etwa 500 Mikron variieren, einschließlich etwa 1 Mikron, etwa 2 Mikron, etwa 3 Mikron, etwa 4 Mikron, etwa 5 Mikron, etwa 6 Mikron, etwa 7 Mikron, etwa 8 Mikron, etwa 9 Mikron, etwa 10 Mikron, etwa 15 Mikron, etwa 20 Mikron, etwa 25 Mikron, etwa 30 Mikron, etwa 35 Mikron, etwa 40 Mikron, etwa 45 Mikron, etwa 50 Mikron, etwa 60 Mikron, etwa 70 Mikron, etwa 80 Mikron, etwa 90 Mikron, etwa 100 Mikron, etwa 150 Mikron, etwa 200 Mikron, etwa 250 Mikron, etwa 300 Mikron, etwa 350 Mikron, etwa 400 Mikron, etwa 450 Mikron, etwa 500 Mikron und aller Werte und Unterbereiche dazwischen. CNTs können auch kleiner als etwa 1 Mikron in der Länge sein, einschließlich beispielsweise etwa 0,5 Mikron. CNTs können auch größer sein als 500 Mikron, einschließlich beispielsweise etwa 510 Mikron, etwa 520 Mikron, etwa 550 Mikron, etwa 600 Mikron, etwa 700 Mikron und aller Werte und Unterbereiche dazwischen. Es ist klar, dass solche Längen das Vorliegen einer Vernetzung und Verzweigung aufnehmen und daher kann die Länge die zusammengesetzte Länge sein, gemessen von der Basis des Wachstumssubstrats bis zu den Rändern der CNS.
Hier beschriebene CNS können auch CNTs mit einer Länge von etwa 1 Mikron bis etwa 10 Mikron umfassen. Solche CNT-Längen können bei der Anwendung nützlich sein, um die Scherfestigkeit zu erhöhen. CNTs können auch eine Länge von etwa 5 bis etwa 70 Mikron aufweisen. Solche CNT-Längen können bei Anwendungen für eine erhöhte Zugfestigkeit nützlich sein, falls die CNTs in der Faserrichtung ausgerichtet sind. CNTs können auch eine Länge von etwa 10 Mikron bis etwa 100 Mikron aufweisen. Solche CNT-Längen können nützlich sein, um die elektrischen/thermischen Eigenschaften sowie die mechanischen Eigenschaften zu erhöhen. CNTs mit einer Länge von etwa 100 Mikron bis etwa 500 Mikron können auch vorteilhaft sein, um die elektrischen und thermischen Eigenschaften zu erhöhen. Eine derartige Steuerung der CNT-Länge wird durch die Modulation des Kohlenstoff-Ausgangsmaterials und der Inertgas-Durchflussraten, gekoppelt mit variierenden Streckengeschwindigkeiten und Wachstumstemperaturen, leicht erzielt.
In einigen Ausführungsformen können Zusammensetzungen, die aufspulbare Längen von CNS-beladenen Fasermaterialien umfassen, verschiedene gleichmäßige Regionen mit unterschiedlichen Längen von CNTs aufweisen. Beispielsweise kann es zweckmäßig sein, einen ersten Teil eines CNS-beladenen Fasermaterials mit gleichmäßig kürzeren CNT-Längen zu haben, um die Scherfestigkeitseigenschaften zu verstärken, und einen zweiten Teil desselben aufspulbaren Materials mit einer gleichmäßigen längeren CNT-Länge, um elektrische oder thermische Eigenschaften zu verstärken.
Prozesse für ein rasches CNS-Wachstum auf Fasermaterialien ermöglichen eine Steuerung der CNT-Längen mit Gleichmäßigkeit in kontinuierlichen Prozessen bei aufspulbaren Fasermaterialien. Mit Materialverweilzeiten zwischen 5 bis 300 Sekunden können Streckengeschwindigkeiten in einem kontinuierlichen Prozess für ein System, das 3 Fuß lang ist, in einem Bereich irgendwo zwischen etwa 0,5 ft/min bis etwa 36 ft/min und größer liegen. Die ausgewählte Geschwindigkeit ist von verschiedenen Parametern abhängig, wie im Nachstehenden weiter erläutert.
In einigen Ausführungsformen kann eine Materialverweilzeit von etwa 5 Sekunden bis etwa 30 Sekunden CNTs mit einer Länge zwischen etwa 1 Mikron bis etwa 10 Mikron erzeugen. In einigen Ausführungsformen kann eine Materialverweilzeit von etwa 30 Sekunden bis etwa 180 Sekunden CNTs mit einer Länge zwischen etwa 10 Mikron bis etwa 100 Mikron erzeugen. In noch weiteren Ausführungsformen kann eine Materialverweilzeit von etwa 180 Sekunden bis etwa 300 Sekunden CNTs mit einer Länge zwischen etwa 100 Mikron bis etwa 500 Mikron erzeugen. Fachleute werden erkennen, dass diese Bereiche angenähert sind und dass die CNT-Länge auch durch Reaktionstemperaturen sowie Träger- und Kohlenstoff-Ausgangsmaterialkonzentrationsraten und Durchflussraten moduliert werden kann.
In einigen Ausführungsformen können kontinuierliche Prozesse für ein CNS-Wachstum umfassen: (a) Abscheiden eines Kohlenstoff-Nanoröhrchen bildenden Katalysators auf einer Fläche eines Fasermaterials mit aufspulbaren Abmessungen; und (b) Synthetisieren der Kohlenstoff-Nanoröhrchen direkt auf dem Fasermaterial, wodurch ein CNS-beladenes Fasermaterial gebildet wird. Für ein 9 Fuß langes System kann die Streckengeschwindigkeit des Prozesses im Bereich von zwischen etwa 1,5 ft/min bis etwa 108 ft/min liegen. Die Streckengeschwindigkeiten, die vom hier beschriebenen Prozess erzielt werden, ermöglichen die Bildung kommerziell relevanter Mengen an CNS-beladenen Fasermaterialien mit kurzen Produktionszeiten. Beispielsweise können bei einer Streckengeschwindigkeit von 36 ft/min die Mengen an CNS-beladenen Fasern (über 5 CNTs auf der Faser bezogen auf das Gewicht) über 100 Pfund oder mehr an Material übersteigen, das pro Tag in einem System produziert wird, das ausgebildet ist, gleichzeitig 5 getrennte Kabel (20 lb/Kabel) zu verarbeiten. Systeme können dazu gebracht werden, mehrere Kabel auf einmal zu produzieren oder bei rascheren Geschwindigkeiten, indem Wachstumszonen wiederholt werden.
Wie weiter im Nachstehenden beschrieben, kann der Katalysator als flüssige Lösung hergestellt werden, die einen CNT-bildenden Katalysator enthält, der Übergangsmetall-Nanoteilchen enthält. Die Durchmesser der synthetisierten Nanoröhrchen sind auf die Größe der Übergangsmetall-Nanoteilchen bezogen, wie oben beschrieben. In einigen Ausführungsformen sind im Handel Dispersionen von CNT-bildenden Übergangsmetall-Nanoteilchenkatalysatoren erhältlich und können ohne Verdünnung verwendet werden, und in anderen Ausführungsformen können kommerzielle Katalysator-Dispersionen verdünnt werden. Ob solche Lösungen zu verdünnen sind, kann von der gewünschten Dichte und Länge der aufzuwachsenden CNTs abhängig sein, wie oben beschrieben.
Die Kohlenstoff-Nanoröhrchensynthese kann auf einem chemischen Dampfabscheidungs-(CVD-)prozess basieren und tritt bei erhöhten Temperaturen auf. Die spezifische Temperatur ist eine Funktion der Katalysatorwahl, liegt jedoch typischerweise im Bereich von etwa 500°C bis etwa 1000°C. Diese Operation involviert das Erhitzen des Fasermaterials auf eine Temperatur im oben angegebenen Bereich, um die Kohlenstoff-Nanoröhrchensynthese zu unterstützen.
Dann wird ein CVD-promotiertes Nanoröhrchenwachstum auf dem mit Katalysator beladenen Fasermaterial vorgenommen. Der CVD-Prozess kann beispielsweise durch ein kohlenstoffhaltiges Ausgangsmaterialgas, wie Acetylen, Ethylen, Methan und/oder Propan, promotiert werden. Die CNT-Syntheseprozesse verwenden allgemein ein Inertgas (Stickstoff, Argon, Helium) als primäres Trägergas. Das Kohlenstoff-Ausgangsmaterial wird allgemein in einem Bereich von zwischen etwa 0% bis etwa 50% der Gesamtmischung geliefert. Eine im Wesentlichen inerte Umgebung für das CVD-Wachstum wird durch die Entfernung von Feuchtigkeit und Sauerstoff aus der Wachstumskammer hergestellt.
Die Operation der Abscheidung eines Katalysators auf dem Fasermaterial kann durch Sprühen oder Tauchbeschichten einer Lösung oder durch Gasphasenabscheidung beispielsweise über einen Plasmaprozess erzielt werden. So kann in einigen Ausführungsformen, nach der Bildung einer Lösung eines Katalysators in einem Lösungsmittel, ein Katalysator durch Besprühen oder Tauchbeschichten des Fasermaterials mit der Lösung oder Kombinationen von Besprühen und Tauchbeschichten aufgebracht werden. Jede der beiden Techniken, allein verwendet oder in Kombination, kann einmal, zweimal, dreimal, viermal, bis zu einer beliebigen Anzahl von Malen, eingesetzt werden, um ein Fasermaterial zu liefern, das ausreichend gleichmäßig mit dem CNT-bildenden Katalysator beschichtet ist. Wenn eine Tauchbeschichtung eingesetzt wird, kann beispielsweise ein Fasermaterial für eine erste Verweilzeit in dem ersten Tauchbad in ein erstes Tauchbad gegeben werden. Wenn ein zweites Tauchbad eingesetzt wird, kann das Fasermaterial in das zweite Tauchbad für eine zweite Verweilszeit gegeben werden. Beispielsweise können Fasermaterialien einer Lösung eines CNT-bildenden Katalysators zwischen etwa 3 Sekunden bis etwa 90 Sekunden ausgesetzt werden, in Abhängigkeit von der Tauchauslegung und Streckengeschwindigkeit. Unter Verwendung von Sprüh- oder Tauchbeschichtungsprozessen wird ein Fasermaterial mit einer Flächendichte des Katalysators von weniger als etwa 5% Flächenabdeckung sogar bis zu etwa 80% Abdeckung erhalten, wobei die CNT-bildenden Katalysator-Nanoteilchen nahezu eine Monoschicht sind. In einigen Ausführungsformen sollte der Prozess zur Beschichtung des CNT-bildenden Katalysators auf dem Fasermaterial nicht mehr als eine Monoschicht bilden. Beispielsweise kann ein CNT-Wachstum auf einem Stapel eines CNT-bildenden Katalysators den Grad der CNT-Infusion in das Fasermaterial erodieren. In anderen Ausführungsformen kann der Übergangsmetallkatalysator auf dem Fasermaterial abgeschieden werden, wobei Verdampfungstechniken, Elektrolytenabscheidungstechniken und andere Abscheidungsprozesse verwendet werden, wie die Addition des Übergangsmetallkatalysators zu einem Plasma-Ausgangsmaterialgas als metallorganische Verbindung, Metallsalz oder andere Zusammensetzung, die den Gasphasentransport fördert.
Da Prozesse zum Aufwachsen von Kohlenstoff-Nanostrukturen ausgebildet sind, kontinuierlich zu sein, kann ein aufspulbares Fasermaterial in einer Serie von Bädern tauchbeschichtet werden, wobei die Tauchbeschichtungsbäder räumlich getrennt sind. In kontinuierlichen Prozessen, bei denen naszente Fasern de novo generiert werden, kann ein Tauchbad oder das Aufsprühen eines CNT-bildenden Katalysators der erste Schritt sein. In anderen Ausführungsformen kann der CNT-bildende Katalysator auf neu gebildete Fasern in Anwesenheit anderer Schlichtungsmittel aufgebracht werden. Ein derartiges gleichzeitiges Aufbringen von CNT-bildendem Katalysator und anderen Schlichtungsmitteln kann den CNT-bildenden Katalysator in der Oberfläche der Schlichtung auf dem Fasermaterial vorsehen, um eine schlecht haftende CNT-Beschichtung zu bilden.
Die eingesetzte Katalysatorlösung kann ein Übergangsmetall-Nanoteilchen sein, das ein beliebiges d-Block-Übergangsmetall sein kann, wie oben beschrieben. Zusätzlich können die Nanoteilchen Legierungen und Nicht-Legierungs-Mischungen von d-Block-Metallen in elementarer Form oder in Salzform und Mischungen davon umfassen. Solche Salzformen umfassen, ohne Einschränkung, Oxide, Carbide, Acetate und Nitride. Nicht-einschränkende beispielhafte Übergangsmetall-NPs umfassen Ni, Fe, Co, Mo, Cu, Pt, Au und Ag und Salze davon und Mischungen davon. In einigen Ausführungsformen werden solche CNT-bildenden Katalysatoren auf der Faser angeordnet, indem ein CNT-bildender Katalysator direkt auf dem Fasermaterial gleichzeitig mit einer Sperrbeschichtungsabscheidung aufgebracht oder infundiert wird. Viele dieser Übergangsmetallkatalysatoren sind im Handel leicht von verschiedensten Lieferanten erhältlich, einschließlich beispielsweise Sigma Aldrich (St. Louis, MO) oder Ferrotec Corporation (Bedford, NH).
Katalysatorlösungen, die zum Aufbringen des CNT-bildenden Katalysators auf dem Fasermaterial verwendet werden, können in einem beliebigen gemeinsamen Lösungsmittel vorliegen, das es dem CNT-bildenden Katalysator ermöglicht, gänzlich gleichmäßig dispergiert zu werden. Solche Lösungsmittel können ohne Einschränkung umfassen: Wasser, Aceton, Hexan, Isopropylalkohol, Toluol, Ethanol, Methanol, Tetrahydrofuran (THF), Cyclohexan oder ein beliebiges anderes Lösungsmittel mit gesteuerter Polarität, um eine geeignete Dispersion der CNT-bildenden Katalysator-Nanoteilchen zu erzeugen. Konzentrationen von CNT-bildendem Katalysator können im Bereich von etwa 1:1 bis 1:10000 Katalysator zu Lösungsmittel liegen. Solche Konzentrationen können verwendet werden, wenn die Sperrbeschichtung und der CNT-bildende Katalysator auch gleichzeitig aufgebracht werden.
In einigen Ausführungsformen kann das Erhitzen des Fasermaterials auf eine Temperatur erfolgen, die zwischen etwa 500°C und etwa 1000°C liegt, um Kohlenstoff-Nanoröhrchen nach der Abscheidung des CNT-bildenden Katalysators zu synthetisieren. Ein Erhitzen auf diese Temperaturen kann vor oder im Wesentlichen gleichzeitig mit dem Einbringen eines Kohlenstoff-Ausgangsmaterials für das CNT-Wachstum vorgenommen werden.
In einigen Ausführungsformen umfassen die Prozesse zur Erzeugung einer Kohlenstoff-Nanostruktur: Entfernen eines Schlichtungsmittels von einem Fasermaterial, Aufbringen einer haftungsinhibierenden Beschichtung (d. h. einer Anti-Haftbeschichtung) konform über dem Fasermaterial, Aufbringen eines CNT-bildenden Katalysators auf dem Fasermaterial, Erhitzen des Fasermaterials auf wenigstens 500°C, und Synthetisieren der Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf dem Fasermaterial. In einigen Ausführungsformen können Operationen des CNS-Wachstumsprozesses umfassen: Entfernen einer Schlichtung von einem Fasermaterial, Aufbringen einer haftungsinhibierenden Beschichtung auf dem Fasermaterial, Aufbringen eines CNT-bildenden Katalysators auf der Faser, Erhitzen der Faser auf die CNT-Synthesetemperatur und Vornehmen eines CVD-promotierten CNS-Wachstums auf dem mit Katalysator beladenen Fasermaterial. Wenn kommerzielle Fasermaterialen eingesetzt werden, können so Prozesse zur Herstellung CNS-beladener Fasern einen diskreten Schritt der Entfernung einer Schlichtung vom Fasermaterial umfassen, bevor eine haftungsinhibierende Beschichtung und der Katalysator auf dem Fasermaterial angeordnet werden.
Das Synthetisieren von Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf dem Fasermaterial kann zahlreiche Techniken zur Bildung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen umfassen, einschließlich jener, die in der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung Veröffentlichtungsnr. 2004/0245088 geoffenbart werden, die hier durch Bezugnahme eingeschlossen wird. Die auf den Fasern aufgewachsenen CNS können durch Techniken gebildet werden wie beispielsweise Mikrohohlraum-, thermische oder plasmaverstärke CVD-Techniken, Laserablation, Bogenentladung und Hochdruck-Kohlenmonoxid (HiPCO). In einigen Ausführungsformen können herkömmliche Schlichtungsmittel vor der CNT-Synthese entfernt werden. In einigen Ausführungsformen kann Acetylengas ionisiert werden, um einen Strahl von kaltem Kohlenstoff-Plasma für die CNT-Synthese zu erzeugen. Das Plasma wird auf das den Katalysator tragende Fasermaterial gerichtet. So umfassen einige Ausführungsformen zur Synthetisierung von CNS auf einem Fasermaterial: (a) Bilden eines Kohlenstoff-Plasmas; und (b) Richten des Kohlenstoff-Plasmas auf den Katalysator, der auf dem Fasermaterial angeordnet ist. Die Durchmesser der CNTs, die aufgewachsen werden, werden von der Größe des CNT-bildenden Katalysators vorgegeben, wie oben beschrieben. In einigen Ausführungsformen wird das geschlichtete Fasermaterial auf zwischen etwa 550°C bis etwa 800°C erhitzt, um die CNS-Synthese zu erleichtern. Um das Wachstums von CNTs zu initiieren, werden zwei Gase in den Reaktor abgelassen: ein Prozessgas, wie Argon, Helium oder Stickstoff, und ein kohlenstoffhaltiges Gas, wie Acetylen, Ethylen, Ethanol oder Methan. CNTs wachsen an den Stellen des CNT-bildenden Katalysators.
In einigen Ausführungsformen ist das CVD-Wachstum plasmaverstärkt. Ein Plasma kann generiert werden, indem ein elektrisches Feld während des Wachstumsprozesses vorgesehen wird. Unter diesen Bedingungen aufgewachsene CNTs können der Richtung des elektrischen Felds folgen. So können durch das Anpassen der Geometrie des Reaktors vertikal ausgerichtete Kohlenstoff-Nanoröhrchen radial rund um eine zylindrische Faser aufgewachsen werden. In einigen Ausführungsformen ist kein Plasma für ein radiales Wachstum rund um die Faser erforderlich. Für Fasermaterialien, die deutliche Seiten aufweisen, wie Bänder, Matten, Stoffe, Schichten und dgl., kann Katalysator auf einer oder beiden Seiten angeordnet werden, und demgemäß können CNTs auch auf einer oder beiden Seiten aufgewachsen werden.
Wie oben beschrieben, kann die CNS-Synthese bei einer Rate vorgenommen werden, die ausreicht, um einen kontinuierlichen Prozess zur Funktionalisierung aufspulbarer Fasermaterialien vorzusehen. Zahlreiche Vorrichtungsauslegungen erleichtern eine derartige kontinuierliche Synthese und führen zur komplexen CNS-Morphologie, wie nachstehend als Beispiel angeführt wird.
Eine Auslegung für eine kontinuierliche CNS-Synthese involviert einen optimal geformten Reaktor (geformt, um mit der Größe und Form des Substrats übereinzustimmen) für die Synthese und das Wachstum von Kohlenstoff-Nanoröhrchen direkt auf Fasermaterialien. Der Reaktor kann zur Verwendung in einem kontinuierlichen In-Line-Prozess zur Herstellung CNS-tragender Fasern ausgebildet sein. In einigen Ausführungsformen können CNS über einen chemischen Dampfabscheidungs-(„CVD”-)prozess bei Atmosphärendruck und bei einer erhöhten Temperatur im Bereich von etwa 550°C bis etwa 800°C in einem Multizonenrekator aufgewachsen werden. Die Tatsache, dass die Synthese bei Atmosphärendruck stattfindet, ist ein Faktor, der den Einschluss des Reaktors in eine kontinuierliche Verarbeitungsstrecke für eine CNS-auf-Faser-Synthese erleichtert. Ein weiterer Vorteil, der mit einer kontinuierlichen In-Line-Verarbeitung unter Verwendung eines solchen Reaktors mit Zonen konsistent ist, ist, dass das CNT-Wachstum in Sekunden auftritt, im Gegensatz zu Minuten (oder länger) wie in anderen typisch bekannten Vorgängen und Vorrichtungsauslegungen.
CNS-Synthesereaktoren gemäß den verschiedenen Ausführungsformen umfassen die folgenden Merkmale:
Optimal geformte Synthesereaktoren: Ein Einstellen der Größe der Wachstumskammer, um mit der Größe des Substrats effektiver übereinzustimmen, das durch diese wandet, verbessert Reaktionsraten sowie die Prozesseffizienz durch die Verringerung des Gesamtvolumens des Reaktorgefäßes. Der Querschnitt der optimal geformten Wachstumskammer kann unter einem Volumsverhältnis der Kammer zum Substrat von 10.000 gehalten werden. In einigen Ausführungsformen wird der Querschnitt der Kammer bei einem Volumsverhältnis von unter 1.000 gehalten. In anderen Ausführungsformen wird der Querschnitt der Kammer bei einem Volumsverhältnis von unter 500 gehalten.
Obwohl Gasabscheidungsprozesse, wie eine CVD, typischerweise von Druck und Temperatur allein geleitet werden, hat das Volumen einen signifikanten Einfluss auf die Effizienz der Abscheidung. Durch die Übereinstimmung der Form des Substrats mit der Wachstumskammer besteht eine höhere Möglichkeit, dass produktive CNS-bildende Reaktionen auftreten. Es ist klar, dass in einigen Ausführungsformen der Synthesereaktor einen Querschnitt aufweist, der durch Polygonformen gemäß der Form des Substrats beschrieben wird, auf dem die CNS aufgewachsen werden, um eine Verringerung des Reaktorvolumens vorzusehen. In einigen Ausführungsformen kann Gas im Zentrum des Reaktors oder innerhalb einer Zielwachstumszone eingebracht werden, symmetrisch, entweder durch die Seiten oder durch die obere und untere Platte des Reaktors. Dies verbessert die gesamte CNT-Wachstumsrate, da das ankommende Ausgangsmaterialgas kontinuierlich am heißesten Teil des Systems wiederaufgefüllt wird, wo das CNT-Wachstum am aktivsten ist. Diese konstante Gaswiederauffüllung ist ein wichtiger Aspekt für die erhöhte Wachstumsrate, die von den geformten CNT-Reaktoren gezeigt wird.
Zonenbildung: Kammern, die eine relativ kühle Abfuhrzone vorsehen, sind von beiden Enden des Synthesereaktors abhängig. Die Anmelder haben festgestellt, dass, falls sich heißes Gas mit der äußeren Umgebung mischte (d. h. außerhalb des Reaktors), es zu einer Erhöhung der Verschlechterung der meisten Fasermaterialien kommen würde. Die kühlen Abfuhrzonen bieten einen Puffer zwischen dem internen System und externen Umgebungen. Typische bekannte CNT-Synthesereaktorauslegungen erfordern typischerweise, dass das Substrat vorsichtig (und langsam) abgekühlt wird. Die kühle Abfuhrzone am Ausgang des vorliegenden CNS-Wachstumsreaktors erzielt die Abkühlung in einer kurzen Zeitperiode, wie es für die kontinuierliche In-Line-Verarbeitung notwendig ist.
Kontaktloser Heißwand-Metallreaktor: In einigen Ausführungsformen kann ein Heißwandreaktor aus Metall, insbesondere rostfreiem Stahl, eingesetzt werden. Dies kann gegenintuitiv erscheinen, da Metall, und insbesondere rostfreier Stahl, für eine Kohlenstoff-Abscheidung empfindlicher ist (d. h. Ruß- und Nebenproduktbildung). So verwenden die meisten CNT-Reaktorauslegungen Quarzreaktoren, da weniger Kohlenstoff abgeschieden wird, Quarz leichter zu reinigen ist und Quarz die Probenbeobachtung erleichtert.
Es wurde jedoch festgestellt, dass die erhöhte Ruß- und Kohlenstoff-Abscheidung auf rostfreiem Stahl zu einem konsistenteren, schnelleren, effizienteren und stabileren CNT-Wachstum führt. Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, wurde angezeigt, dass, in Verbindung mit einer Atmosphärenoperation, der im Reaktor auftretende CVD-Prozess diffusionsbegrenzt ist. Das heißt, der Katalysator wird „überfüttert”, zu viel Kohlenstoff ist im Reaktorsystem aufgrund seines relativ höheren Partialdrucks verfügbar (als wenn der Reaktor unter einem Teilvakuum arbeiten würde). Folglich kann in einem offenen System – insbesondere einem reinen – zu viel Kohlenstoff an den Katalysatorteilchen haften, wodurch ihre Fähigkeit zur Synthetisierung von CNTs beeinträchtigt wird. In einigen Ausführungsformen wird der rechteckige Reaktor absichtlich laufen gelassen, wenn der Reaktor „schmutzig” ist, das heißt mit auf den Metallreaktorwänden abgeschiedenem Ruß. Sobald Kohlenstoff auf einer Monoschicht an den Wänden des Reaktors abgeschieden wird, scheidet sich der Kohlenstoff leicht über sich selbst ab. Da einiges vom verfügbaren Kohlenstoff aufgrund dieses Mechanismus „abgezogen” wird, reagiert das verbleibende Kohlenstoff-Ausgangsmaterial, in der Form von Radikalen, mit dem Katalysator bei einer Rate, die den Katalysator nicht vergiftet. Bestehende Systeme laufen „rein”, was, falls sie für eine kontinuierliche Verarbeitung offen wären, eine viel niedrigere Ausbeute an CNTs mit reduzierten Wachstumsraten erzeugen würde.
Obwohl es allgemein vorteilhaft ist, eine CNT-Synthese „schmutzig” vorzunehmen, wie oben beschrieben, können bestimmte Teile der Vorrichtung, wie Gasverteiler und -einlässe, dennoch den CNT-Wachstumsprozess negativ beeinflussen, wenn Ruß Blockierungen erzeugt hat. Um dieses Problem zu bekämpfen, können solche Bereiche der CNT-Wachstumsreaktionskammer mit rußinhibierenden Beschichtungen, wie Kieselerde, Tonerde oder MgO, geschützt werden. In der Praxis können diese Teile der Vorrichtung mit diesen rußinhibierenden Beschichtungen tauchbeschichtet werden. Metalle, wie INVAR^®, können mit diesen Beschichtungen verwendet werden, da INVAR einen ähnlichen CTE (Wärmeexpansionskoeffizienten) aufweist, der eine geeignete Haftung der Beschichtung bei höheren Temperaturen sicherstellt, wodurch verhindert wird, dass sich Ruß in kritischen Zonen signifikant aufbaut.
In einigen Ausführungsformen kann die Reaktionskammer SiC, Tonerde oder Quarz als primäre Kammermaterialien umfassen, da sie mit den reaktiven Gasen der CNS-Synthese nicht reagieren. Dieses Merkmal ermöglicht eine erhöhte Effizienz und verbessert die Betreibbarkeit über eine lange Betriebsdauer.
Kombinierte Katalysatorreduktion und CNS-Synthese: Im CNT-Synthesereaktor können sowohl eine Katalysatorreduktion als auch ein CNS-Wachstum innerhalb des Reaktors auftreten. Dieses Merkmal ist signifikant, da die Reduktionsoperation nicht zeitgerecht genug für eine Verwendung in einem kontinuierlichen Prozess erzielt werden kann, falls sie als diskrete Operation vorgenommen wird. In typischen Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Syntheseprozessen benötigt die Katalysatorreduktion typischerweise 1–12 Stunden, um vorgenommen zu werden. Bei der Synthetisierung einer Kohlenstoff-Nanostruktur gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen treten sowohl die Katalysatorreduktion als auch die CNS-Synthese wenigstens teilweise innerhalb des Reaktors aufgrund der Tatsache auf, dass das Kohlenstoff-Ausgangsmaterialgas im Zentrum des Reaktors eingebracht wird, nicht am Ende, was typischerweise unter Verwendung zylindrischer Reaktoren vorgenommen werden würde. Der Reduktionsprozess tritt auf, wenn die Fasern in die erhitze Zone eintreten; bis zu diesem Punkt hatte das Gas Zeit, mit den Wänden zu reagieren und abzukühlen, bevor es mit dem Katalysator reagiert und die Oxidationsreduktion (über Wasserstoff-Radikal-Interaktionen) verursacht. In dieser Übergangsregion findet die Reduktion statt. In der heißesten isothermen Zone im System tritt das CNS-Wachstum auf, wobei die höchste Wachstumsrate proximal zu den Gaseinlässen nahe beim Zentrum des Reaktors auftritt.
Wenn lose verbundene Fasermaterialien, wie ein Kabel, eingesetzt werden, kann in einigen Ausführungsformen der kontinuierliche Prozess Operationen umfassen, welche die Stränge und/oder Filamente des Kabels ausbreiten. So kann ein Kabel, während es abgespult wird, beispielsweise unter Verwendung eines vakuumbasierten Faserausbreitungssystems ausgebreitet werden. Wenn geschlichtete Fasern eingesetzt werden, die relativ steif sein können, kann ein zusätzliches Erhitzen eingesetzt werden, um das Kabel „weicher” zu machen, um eine Faserausbreitung zu erleichtern. Die ausgebreiteten Fasern, die einzelne Filamente umfassen, können ausreichend ausgebreitet werden, um einen gesamten Flächenbereich der Filamente freizulegen, wodurch ermöglicht wird, dass das Kabel in nachfolgenden Prozessschritten effizienter reagiert. Eine derartige Ausbreitung kann sich quer zwischen etwa 4 Zoll bis etwa 6 Zoll für ein 3K Kabel annähern. Das ausgebreite Kabel kann durch einen Oberflächenbehandlungsschritt gehen, der aus einem Plasmasystem besteht, wie oben beschrieben. Nachdem eine Sperrbeschichtung aufgebracht und aufgeraut wird, können dann ausgebreitete Fasern durch ein CNT-bildendes Katalysatortauchbad gehen. Das Ergebnis sind Fasern des Kabels, die Katalysatorteilchen radial auf ihrer Fläche verteilt aufweisen. Die mit Katalysator beladenen Fasern des Kabels treten dann in eine geeignete CNT-Wachstumskammer ein, wie die oben beschriebene optimal geformte Kammer, wo ein Fluss durch einen Atmosphärendruck-CVD- oder PE-CVD-Prozess verwendet wird, um die CNS mit Raten von sogar einigen Mikron pro Sekunde zu synthetisieren. Die Fasern des Kabels, nun mit radial ausgerichteten CNTs in der Form der CNS-Morphologie, treten aus dem CNT-Wachstumsreaktor aus.
In einigen Ausführungsformen können die CNS-beladenen Fasermaterialien durch noch einen weiteren Behandlungsprozess vor der Isolierung gehen, der in einigen Ausführungsformen ein Plasmaprozess ist, welcher zur Funktionalisierung der CNS verwendet wird. Eine zusätzliche Funktionalisierung der CNS kann verwendet werden, um ihre Haftung an bestimmten Harzen zu fördern. So können in einigen Ausführungsformen die Prozesse CNS-beladene Fasermaterialien mit funktionellen CNS vorsehen. Die Vollendung dieses Funktionalisierungsprozesses, während die CNS noch an der Faser sind, kann die Behandlungsgleichmäßigkeit verbessern.
In einigen Ausführungsformen kann ein kontinuierlicher Prozess zum Aufwachsen von CNS auf aufspulbaren Fasermaterialien eine Streckengeschwindigkeit zwischen etwa 0,5 ft/min bis etwa 36 ft/min erreichen. In dieser Ausführungsform, wo die CNT-Wachstumskammer 3 Fuß lang ist und bei einer Wachstumstemperatur von 750°C arbeitet, kann der Prozess mit einer Streckengeschwindigkeit von etwa 6 ft/min bis etwa 36 ft/min laufen gelassen werden, um beispielsweise CNTs mit einer Länge zwischen etwa 1 Mikron bis etwa 10 Mikron zu erzeugen. Der Prozess kann auch mit einer Streckengeschwindigkeit von etwa 1 ft/min bis etwa 6 ft/min laufen gelassen werden, um beispielsweise CNTs mit einer Länge zwischen etwa 10 Mikron bis etwa 100 Mikron zu erzeugen. Der Prozess kann mit einer Streckengeschwindigkeit von etwa 0,5 ft/min bis etwa 1 ft/min laufen gelassen werden, um beispielsweise CNTs mit einer Länge zwischen etwa 100 Mikron bis etwa 200 Mikron zu erzeugen. Die CNT-Länge ist nicht an die Streckengeschwindigkeit und Wachstumstemperatur gebunden, die Durchflussrate sowohl des Kohlenstoff-Ausgangsmaterials als auch der inerten Trägergase kann jedoch auch die CNT-Länge beeinflussen. Beispielsweise führt eine Durchflussrate, die aus weniger als 1% Kohlenstoff-Ausgangsmaterial in einem Inertgas bei hohen Streckengeschwindigkeiten (6 ft/min bis 36 ft/min) besteht, zu CNTs mit einer Länge zwischen 1 Mikron bis etwa 5 Mikron. Eine Durchflussrate, die aus mehr als 1% Kohlenstoff-Ausgangsmaterial in einem Inertgas bei hohen Streckengeschwindigkeiten (6 ft/min bis 36 ft/min) besteht, führt zu CNTs mit einer Länge zwischen 5 Mikron bis etwa 10 Mikron.
In einigen Ausführungsformen kann mehr als ein Material gleichzeitig durch den Prozess laufen gelassen werden. Beispielsweise können mehrere Bänder, Kabel, Filamente, Stränge und dgl. parallel durch den Prozess laufen gelassen werden. So kann eine beliebige Anzahl vorgefertigter Spulen von Fasermaterial parallel durch den Prozess laufen gelassen werden und am Ende des Prozesses wieder aufgespult werden. Die Anzahl aufgespulter Fasermaterialien, die parallel laufen gelassen werden können, kann eins, zwei, drei, vier, fünf, sechs umfassen, bis zu einer beliebigen Anzahl, die von der Breite der CNT-Wachstumsreaktionskammer aufgenommen werden kann. Wenn mehrere Fasermaterialien durch den Prozess laufen gelassen werden, kann außerdem die Anzahl von Sammelspulen geringer sein als die Anzahl von Spulen am Start des Prozesses. In solchen Ausführungsformen können Stränge, Kabel oder dgl. durch einen weiteren Prozess der Kombination solcher Fasermaterialien zu höher geordneten Fasermaterialien, wie gewebten Stoffen oder dgl., geschickt werden. Der kontinuierliche Prozess kann auch einen Nachbearbeitungs-Schneidvorrichtung umfassen, der beispielsweise die Bildung von CNS-beladenen geschnittenen Fasermatten erleichtert.
Die kontinuierliche Verarbeitung kann gegebenenfalls weitere CNS-Chemie umfassen. Da die CNS ein Polymernetz von CNTs sind, können alle chemischen Reaktionen, die mit vereinzelten CNTs assoziiert sind, an den CNS-Materialien durchgeführt werden. Solche chemischen Reaktionen können gemeinsam mit der CNS-Herstellung oder getrennt vorgenommen werden. In einigen Ausführungsformen kann die CNS modifiziert werden, während sie noch an das Substrat gebunden ist. Dies kann die Reinigung des CNS-Materials unterstützen. In anderen Ausführungsformen kann die CNS-Chemie vorgenommen werden, nachdem sie vom Substrat entfernt wird, worauf sie synthetisiert wird. Beispielhafte chemische Reaktionen umfassen die hier oben beschriebenen zusätzlich zur Fluorierung, Oxidation, Reduktion und dgl. In einigen Ausführungsformen kann das CNS-Material verwendet werden, um Wasserstoff zu speichern. In einigen Ausführungsformen kann die CNS-Struktur durch eine Bindung an eine weitere Polymerstruktur modifiziert werden, um ein Diblockpolymer zu bilden. In einigen Ausführungsformen kann die CNS-Struktur als Plattform zur Bindung eines Biomoleküls verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann die CNS-Struktur ausgelegt werden, als Sensor verwendet zu werden. In einigen Ausführungsformen kann die CNS-Struktur in ein Matrixmaterial eingeschlossen werden, um ein Verbundmaterial zu bilden. In einigen Ausführungsformen kann die CNS-Struktur mit Reagenzien modifiziert werden, von denen bekannt ist, dass sie CNTs entpacken und Graphen-Nanobänder bilden. Zahlreiche andere chemische Reaktionen und stromabwärtige Anwendungen sind für Fachleute ersichtlich.
In einigen Ausführungsformen ermöglichen die Prozesse die Synthetisierung einer ersten Menge eines ersten Typs von CNS auf dem Fasermaterial, wobei der erste Typ von CNS CNTs umfasst, die ausgewählt sind, um wenigstens eine erste Eigenschaft des Fasermaterials zu verändern. Anschließend ermöglichen die Prozesse die Synthetisierung einer zweiten Menge eines zweiten Typs von CNS auf dem Fasermaterial, wobei der zweite Typ von CNS Kohlenstoff-Nanoröhrchen enthält, die ausgewählt sind, um wenigstens eine zweite Eigenschaft des Fasermaterials zu verändern.
In einigen Ausführungsformen sind die erste Menge und die zweite Menge von CNTs verschieden. Dies kann von einer Änderung im CNT-Typ begleitet werden oder nicht. So kann das Variieren der Dichte von CNS verwendet werden, um die Eigenschaften des ursprünglichen Fasermaterials zu verändern, auch wenn der CNT-Typ unverändert bleibt. Der CNT-Typ kann beispielsweise die CNT-Länge und die Anzahl von Wänden umfassen. In einigen Ausführungsformen sind die erste Menge und die zweite Menge gleich. Falls unterschiedliche Eigenschaften entlang von zwei verschiedenen Ausdehnungen des Fasermaterials erwünscht sind, kann der CNT-Typ dann geändert werden, wie die CNT-Länge. Beispielsweise können längere CNTs in elektrischen/thermischen Anwendungen nützlich sein, wohingegen kürzere CNTs in mechanischen Festigkeitsanwendungen nützlich sein können.
Die elektrische Leitfähigkeit oder spezifische Konduktanz ist ein Maß der Fähigkeit eines Materials, einen elektrischen Strom zu leiten. CNTs mit besonderen strukturellen Parametern, wie dem Verdrillungsgrad, der sich auf die CNT-Chiralität bezieht, können hochleitfähig sein, wodurch sie metallische Eigenschaften zeigen. Ein anerkanntes Nomenklatursystem für die CNT-Chiralität wurde formalisiert und ist für Fachleute klar. So werden beispielsweise CNTs durch einen doppelten Index (n, m) voneinander unterschieden, wobei n und m ganze Zahlen sind, die den Schnitt und die Windung von hexagonalem Graphit beschreiben, so dass er eine Röhre bildet, wenn er auf die Fläche eines Zylinders gewunden wird und die Ränder miteinander versiegelt werden. Wenn die beiden Indizes gleich sind, m = n, wird angegeben, dass die erhaltene Röhre der „Lehnstuhl”-(oder n,n-)Typ ist, da, wenn die Röhre rechtwinklig zur CNT-Achse geschnitten wird, nur die Seiten des Hexagons freiliegen und ihr Muster rund um die Periphereie des Röhrenrands der Armlehne und der Sitzfläche eines Lehnstuhls, n Male wiederholt, ähnlich ist. Lehnstuhl-CNTs, insbesondere SWNTs, sind metallisch und haben eine extrem hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit. Zusätzlich haben solche SWNTs eine extrem hohe Zugfestigkeit.
Zusätzlich zum Verdrillungsgrad beeinflusst auch der CNT-Durchmesser die elektrische Leitfähigkeit. Wie oben beschrieben, kann der CNT-Durchmesser durch die Verwendung von CNT-bildenden Katalysator-Nanoteilchen mit gesteuerter Größe gesteuert werden. CNTs können auch als halbleitfähige Materialien gebildet werden. Die Leitfähigkeit in mehrwandigen CNTs (MWNTs) kann komplexer sein. Reaktionen zwischen den Wänden innerhalb von MWNTs können Strom über einzelne Röhrchen nicht gleichmäßig umverteilen. Im Gegensatz dazu kommt es zu keiner Änderung im Strom quer über verschiedene Teile metallischer einwandiger Nanoröhrchen (SWNTs). Kohlenstoff-Nanoröhrchen haben auch eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit, verglichbar mit Diamantkristall und Graphitschichten auf gleicher Ebene. Beliebige dieser charakteristischen Eigenschaften von CNTs können in einer CNS gezeigt werden. In einigen Ausführungsformen kann die CNS die Realisierung von Eigenschaftsverstärkungen in Materialien, in denen die CNS eingeschlossen wird, in einem Grad erleichtern, der größer ist als jener von vereinzelten CNTs.
BEISPIELE

Beispiel 1: Vergleich verschiedener mit Kohlenstoff-Nanostrukturen beschichteter Kohlenstoff-Faserschleier mit unbeschichteten Schleiern. Ein unbeschichteter Faserschleier mit einem Flächengewicht von 8 g/m², ein Ni-beschichteter Kohlenstoff-Faserschleier mit einem Flächengewicht von 8 g/m² und ein Cu/Ni-beschichteter Kohlenstoff-Faserschleier mit einem Flächengewicht von 11 g/m² wurden beschafft, und dann wurden verschiedene Eigenschaften gemessen. Kohlenstoff-Nanostrukturen wurden dann auf den Faserschleiern gemäß den hier im Vorstehenden beschriebenen Vorgangsweisen überzogen. Tabelle 3 fasst Testdaten für verschiedene Eigenschaften der Faserschleier vor und nach ihrer Beschichtung mit Kohlenstoff-Nanostrukturen zusammen. Tabelle 3

Kohlenstoff-Faserschleier ohne CNS				Mit CNS beschichteter Kohlenstoff-Faserschleier
Eigenschaft	8 g/m²	Ni-beschichtet 8 g/m²	Cu/Ni-beschichtet 11 g/m²	8 g/m²	Ni-beschichtet 8 g/m²	Cu/Ni-beschichtet 11 g/m²
Dicke (μm)	76	65	65	77	60	60
Masse (15 mm Durchmesser)	1,5	1,6	1,7	2,1	2,4	2,5
Flächengewicht (g/m²)	8,5	9,1	9,6	11,9	13,6	14,1
Widerstand in gleicher Ebene (Ω/sq) (1”x1” )	17	3,1	0,86	5,2	2,4	0,33
Widerstand durch Ebene (mΩ) (1”x1” bei 10 psi)	400	43	45	16	15	7,5
Dichte (mg/cm³)	112	139	148	154	226	236
Spezifischer Widerstand in Ebene (mΩ·cm)	129,2	20,15	6	40	14,4	2
Spezifischer Widerstand durch Ebene bei 10 psi (Ω·cm)	340	43	45	13	16	8
Spezifische Resistivität in gleicher Ebene (mΩ·cm·g/cm³)	14,4	2,8	0,8	6,2	3,3	0,5
Spezifische Resistivität durch Ebene (Ω·cm·g/cm³)	37,9	5,9	6,6	2,1	3,7	1,9
11 mm Durchmesser Rolle linearer Widerstand (Ω/m)	----	----	----	189	90,6	11,8
Berechnete CNS-Beladung (mg/cm²)	----	----	----	0,34	0,45	0,45

Wie gezeigt, verringerte die Beschichtung von Kohlenstoff-Nanostrukturen auf den Kohlenstoff-Faserschleiern den Widerstand signifikant und erhöhte das Flächengewicht.

Beispiel 2: Vergleichende Abschirmungseffizienz bei 4 GHz. Die elektromagnetische Strahlungsabschirmungseffizienz bei 4 GHz für einen beispielhaften mit Kohlenstoff-Nanostrukturen beschichteten Kohlenstoff-Faserschleier wurde unter vergleichbaren Messbedingungen mit einer Reihe kommerzieller oder nicht-kommerzieller elektromagnetischer Strahlungsabschirmungsstrukturen verglichen. Die Abschirmungseffizienzdaten werden in Tabelle 4 zusammengefasst. Tabelle 4

Probe	Flächengewicht (g/m²)	Abschirmungseffizienz bei 4 GHz (db)	Normalisierte Leistung (Abschirmungseffizienz/Flächengewicht –db·m²/g)
Sprühbeschichtete CNTs	0,8	27	33,75
CNS-beschichteter Kohlenstoff-Faserschleier	15	40	2,67
Nanocomp Kohlenstoff-Nanoröhrchenschicht (1 Schicht)	19	44	2,32
Buckypaper	35	58	1,66
Nanocomp Kohlenstoff-Nanoröhrchenschicht (2 Schichten)	40	52	1,30
Cu/Ni-Polyesterschleier (MTC)	68	68	1,00
Ni/Ag Nylon Tafetta (STM)	78	60	0,77
Ag Nylon Loop (STM)	125,5	60	0,48
GRAF-X	538,2	70	0,13
AMBERSTRAND	585	40	0,07
Metallische Überflechtung	3500	50	0,01

Wie in Tabelle 4 gezeigt, war die normalisierte Leistung des mit Kohlenstoff-Nanostrukturen beschichteten Faserschleiers größer als jene für alle getesteten Materialien, ausgenommen sprühbeschichtete Kohlenstoff-Nanoröhrchen.
Beispiel 3: Abschirmungseffizienz von mit Kohlenstoff-Nanostrukturen beschichteten Kohlenstoff-Faserschleiern als Funktion der elektromagnetischen Strahlungsfrequenz. 11 zeigt eine veranschaulichende grafische Darstellung der Abschirmungseffizienz in db als Funktion der elektromagnetischen Strahlungsfrequenz für einen mit Kohlenstoff-Nanostrukturen beschichteten Kohlenstoff-Faserschleier und einen vergleichbaren unbeschichteten Schleier. Wie in 11 gezeigt, wurde ungefähr eine 15 dB Erhöhung der Abschirmungseffizienz durch das Beschichten des Faserschleiers realisiert. Für die in 11 gezeigten Daten war der Faserschleier ein Ni,Cu/Kohlenstoff-Faserschleier mit einem Flächengewicht von 10 g/m², und der beschichtete Faserschleier hatte 5 g/m² Kohlenstoff-Nanostrukturen darauf aufgebracht. Die Tests wurden gemäß ASTM 4935 durchgeführt.
Beispiel 4: Abschirmungseffizienz von mit Kohlenstoff-Nanostrukturen beschichteten Kohlenstoff-Faserschleiern als Funktion der elektromagnetischen Strahlungsfrequenz bei verschiedenen Kohlenstoff-Nanostrukturbeladungen. Kohlenstoff-Faserschleier wurden mit einer 1:2 und einer 2:1 Beladung von Kohlenstoff-Nanostrukturen relativ zum Kohlenstoff-Faserschleier hergestellt. 12 und 13 zeigen veranschaulichende grafische Darstellungen der Abschirmungseffizienz in db als Funktion der elektromagnetischen Strahlungsfrequenz für einen mit Kohlenstoff-Nanostrukturen beschichteten Kohlenstoff-Faserschleier. 12 zeigt die Daten für den Kohlenstoff-Faserschleier, der ein 1:2 Verhältnis von Kohlenstoff-Nanostrukturen zu Kohlenstoff-Fasern enthält, und 13 zeigt die Daten für den Kohlenstoff-Faserschleier, der ein 2:1 Verhältnis von Kohlenstoff-Nanostrukturen zu Kohlenstoff-Fasern enthält. In beiden Fällen wurde eine sehr hohe gesamte Abschirmungseffizienz beobachtet.
Beispiel 5: Abschirmungseffizienz eines mit Kohlenstoff-Nanostrukturen beschichteten Kohlenstoff-Faserschleiers auf einem Polymersubstrat als Funktion der elektromagnetischen Strahlungsfrequenz. Ein beispielhafter mit Kohlenstoff-Nanostrukturen beschichteter Kohlenstoff-Faserschleier wurde hergestellt und auf einem Polymersubstrat aufgebracht. Die Abschirmungseffizienz wurde als Funktion der elektromagnetischen Strahlungsfrequenz sowohl vor als auch nach dem Aufbringen auf dem Polyestersubstrat evaluiert und auch mit der Abschirmungseffizienz für das Polymersubstrat allein verglichen. 14 zeigt eine veranschaulichende grafische Darstellung der Abschirmungseffizienz als Funktion der elektromagnetischen Strahlungsfrequenz für einen mit Kohlenstoff-Nanostrukturen beschichteten Kohlenstoff-Faserschleier vor und nach dem Aufbringen auf einem Polyestersubstrat. Vergleichsdaten für das Polymersubstrat allein sind auch angegeben. Wie in 14 gezeigt, hat das mit Kohlenstoff-Nanostrukturen beschichtete Substrat ungefähr die gleiche Abschirmungseffizienz sowohl vor als auch nach dem Aufbringen auf dem Polymersubstrat. Das Polymersubstrat hatte im Gegensatz dazu eine sehr niedrige Abschirmungseffizienz. So können durch das Aufbringen eines mit Kohlenstoff-Nanostrukturen beschichteten Faserschleiers auf einem Substrat die elektromagnetischen Strahlungsschutzcharakteristiken diesem effektiv verliehen werden.
Die mit Kohlenstoff-Nanostrukturen beschichteten Faserschleier können auch mit Polymermatrizen kombiniert werden, die dispergierte Kohlenstoff-Nanostrukturen enthalten, um ähnliche Effekte zu erzielen. 15 zeigt eine veranschaulichende grafische Darstellung der Abschirmungseffizienz als Funktion der elektromagnetischen Strahlungsfrequenz für einen mit Kohlenstoff-Nanostrukturen beschichteten Kohlenstoff-Faserschleier vor und nach seiner Kombination mit einem Polymersubstrat, das auch 10 Kohlenstoff-Nanostrukturen enthält. Wie in 15 gezeigt, lieferten sowohl der mit Kohlenstoff-Nanostrukturen beschichtete Faserschleier als auch die Polymermatrix in diesem Fall einzeln eine Abschirmungseffizienz. Als die beiden kombiniert wurden, wurde eine noch größere Abschirmungseffizienz beobachtet.
Beispiel 6: Lecken rund um den Saum überlappender, mit Kohlenstoff-Nanostrukturen beschichteter Kohlenstoff-Faserschleier. Um das Verhalten des Materials zu bestimmen, wo ein Saum vorliegt (z. B. wenn ein Kabel aufgewickelt wird oder an der Ecke einer Umhüllung), wurden zwei mit Kohlenstoff-Nanostrukturen beschichtete Kohlenstoff-Faserschleier vollständig überlappt und dann allmählich zurückgeschnitten. 16 zeigt eine veranschaulichende grafische Darstellung der Abschirmungseffizienz für zwei mit Kohlenstoff-Nanostrukturen beschichtete Faserschleier mit variierenden Überlappungsgraden. Wie in 16 gezeigt, war bei einer Überlappung von nur 2% die Abschirmungseffizienz nicht signifikant verschieden von jener einer einzelnen Kohlenstoff-Nanostrukturschicht. Bei größeren Graden einer Überlappung war die Abschirmungseffizienz erhöht.
Obwohl die Erfindung mit Bezugnahme auf die geoffenbarten Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es für Fachleute leicht ersichtlich, dass diese die Erfindung nur veranschaulichen. Es ist klar, dass verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen. Die Erfindung kann modifiziert werden, um eine beliebige Anzahl von Variationen, Änderungen, Substitutionen oder äquivalenten Anordnungen einzuschließen, die vorstehend beschrieben wurden, die jedoch mit dem Grundgedanken und Umfang der Erfindung übereinstimmen. Obwohl verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, ist es zusätzlich klar, dass Aspekte der Erfindung nur einige der beschriebenen Ausführungsformen umfassen können. Demgemäß ist die Erfindung nicht als durch die vorhergehende Beschreibung eingeschränkt anzusehen.

Claims

Elektrisch leitfähige Struktur, umfassend: eine Trägerschicht, die eine Mehrzahl von Fasern mit zwischen den Fasern definierten Aperturen umfasst; und eine Mehrzahl von Kohlenstoff-Nanostrukturen, die wenigstens teilweise konform die Fasern beschichten und quer über den zwischen angrenzenden Fasern definierten Aperturen Brücken bilden, um eine kontinuierliche Kohlenstoff-Nanostrukturschicht zu bilden; wobei jede Kohlenstoff-Nanostruktur eine Mehrzahl von Kohlenstoff-Nanoröhrchen umfasst, die verzweigt, vernetzt sind und gemeinsame Wände miteinander teilen.
Elektrisch leitfähige Struktur nach Anspruch 1, bei welcher die Fasern Kohlenstofffasern, Glasfasern oder eine beliebige Kombination davon umfassen.
Elektrisch leitfähige Struktur nach Anspruch 1, bei welcher die Fasern mit einer Metallisierungsschicht beschichtet sind.
Elektrisch leitfähige Struktur nach Anspruch 3, bei welcher die Metallisierungsschicht ein Metall umfasst, das aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Kupfer und einer beliebigen Kombination davon ausgewählt ist.
Elektrisch leitfähige Struktur nach Anspruch 1, bei welcher die Mehrzahl von Fasern in der Trägerschicht zufällig in Bezug aufeinander ausgerichtet ist.
Elektrisch leitfähige Struktur nach Anspruch 1, bei welcher die Kohlenstoff-Nanostrukturen frei von einem Wachstumssubstrat sind, das auf den Kohlenstoff-Nanostrukturen haftend aufgebracht ist.
Elektrisch leitfähige Struktur nach Anspruch 6, bei welcher die Kohlenstoff-Nanostrukturen in der Form eines Kohlenstoff-Nanostruktur-Flockenmaterials sind.
Elektrisch leitfähige Struktur nach Anspruch 1, bei welcher die Kohlenstoff-Nanoröhrchen in jeder Kohlenstoff-Nanostruktur mit Verzweigungen, Vernetzungen und dem Teilen gemeinsamer Wände miteinander während der Bildung der Kohlenstoff-Nanostrukturen auf einem Wachstumssubstrat gebildet werden.
Elektrisch leitfähige Struktur nach Anspruch 1, wobei die elektrisch leitfähige Struktur im Wesentlichen planar ist.
Elektrisch leitfähige Struktur nach Anspruch 1, wobei die elektrisch leitfähige Struktur im Wesentlichen zylindrisch ist.
Elektrisch leitfähige Struktur nach Anspruch 1, bei welcher die Mehrzahl von Fasern eine Mehrzahl von Kohlenstoff-Nanostruktur-infundierten Fasern mit Kohlenstoff-Nanostrukturen umfasst, die aus einer Fläche eines Fasermaterials gewachsen sind.
Elektrisch leitfähige Struktur nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Fläche, auf der die elektrisch leitfähige Struktur aufgebracht wird.
Elektrisch leitfähige Struktur nach Anspruch 1, wobei die elektrisch leitfähige Struktur eine Abschirmung gegen elektromagnetische Strahlung über einen Frequenzbereich zwischen wenigstens etwa 30 MHz bis etwa 8 GHz zeigt.
Verfahren, umfassend: Vorsehen einer Mischung, die ein Lösungsmittel und eine Mehrzahl von Kohlenstoff-Nanostrukturen umfasst; wobei jede Kohlenstoff-Nanostruktur eine Mehrzahl von Kohlenstoff-Nanoröhrchen umfasst, die verzweigt, vernetzt sind und gemeinsame Wände miteinander teilen; Dispergieren der Kohlenstoff-Nanostrukturen im Lösungsmittel, bis die Kohlenstoff-Nanostrukturen im Wesentlichen nicht-agglomeriert sind; und Führen des Lösungsmittels durch eine Trägerschicht, die eine Mehrzahl von Fasern mit zwischen den Fasern definierten Aperturen umfasst, wodurch die Kohlenstoff-Nanostrukturen wenigstens teilweise konform rund um die Fasern beschichtet werden und quer über den zwischen angrenzenden Fasern definierten Aperturen Brücken bilden, um eine kontinuierliche Kohlenstoff-Nanostrukturschicht zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem das Führen des Lösungsmittels durch die Trägerschicht mit Vakuumunterstützung stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem das Dispergieren der Kohlenstoff-Nanostrukturen im Lösungsmittel das Beschallen der die Kohlenstoff-Nanostrukturen umfassenden Mischung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem die Fasern Kohlenstofffasern, Glasfasern oder eine beliebige Kombination davon umfassen.
Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem die Fasern mit einer Metallisierungsschicht beschichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 18, bei welchem die Metallisierungsschicht ein Metall umfasst, das aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Kupfer und einer beliebigen Kombination davon ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem die Kohlenstoff-Nanostrukturen frei sind von einem Wachstumssubstrat, das auf den Kohlenstoff-Nanostrukturen haftend aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 20, bei welchem die Kohlenstoff-Nanostrukturen in der Form eines Kohlenstoff-Nanostruktur-Flockenmaterials sind.
Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem die Mehrzahl von Fasern in der Trägerschicht zufällig in Bezug aufeinander ausgerichtet ist.
Verfahren, umfassend: Bilden einer Mischung, die eine Mehrzahl von Kohlenstoff-Nanostrukturen und eine Mehrzahl geschnittener Fasern in einem Lösungsmittel umfasst; wobei jede Kohlenstoff-Nanostruktur eine Mehrzahl von Kohlenstoff-Nanoröhrchen umfasst, die verzweigt, vernetzt sind und gemeinsame Wände miteinander teilen; und Filtrieren der Mischung, um die geschnittenen Fasern und Kohlenstoff-Nanostrukturen als Schichtstruktur zu sammeln, in der die Kohlenstoff-Nanostrukturen wenigstens teilweise konform die Fasern beschichten und quer über zwischen angrenzenden Fasern definierten Aperturen Brücken bilden.
Verfahren nach Anspruch 23, bei welchem die geschnittenen Fasern ein Kohlenstoff-Nanostruktur-infundiertes Fasermaterial mit Kohlenstoff-Nanostrukturen umfassen, die aus einer Fläche eines Fasermaterials gewachsen sind.
Verfahren nach Anspruch 23, bei welchem die geschnittenen Fasern Kohlenstofffasern, Glasfasern oder eine beliebige Kombination davon umfassen.
Verfahren nach Anspruch 23, bei welchem das Filtrieren der Mischung durch Vakuumfiltration stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 23, ferner umfassend: Dispergieren der Kohlenstoff-Nanostrukturen im Lösungsmittel mit Beschallung, bis die Kohlenstoff-Nanostrukturen im Wesentlichen nicht-agglomeriert sind.
Verfahren nach Anspruch 23, bei welchem die Fasern mit einer Metallisierungsschicht beschichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 28, bei welchem die Metallisierungsschicht ein Metall umfasst, das aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Kupfer und einer beliebigen Kombination davon ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 23, bei welchem die Kohlenstoff-Nanostrukturen frei sind von einem Wachstumssubstrat, das auf den Kohlenstoff-Nanostrukturen haftend aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 30, bei welchem die Kohlenstoff-Nanostrukturen in der Form eines Kohlenstoff-Nanostruktur-Flockenmaterials sind.