JP2023145603A - 含浸されたセル型炭素ナノ構造体で強化された多機能性ナノコンポジット - Google Patents
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Abstract
【課題】向上した機械的特性および導電特性を有するポリマー系ナノコンポジットを提供する。【解決手段】液体マトリックス相と、前記液体マトリックス相中に分散されたナノ構造化炭素とを含む分散体であって、前記液体マトリックス相は、モノマー、樹脂、プレポリマー、ポリマー、硬化剤および触媒のうちの1種類以上を含み;前記ナノ構造化炭素は:テンプレートによって形成された構造部を有する1つ以上の壁;1つ以上のキャビティを備えたセル型構造体を有しており、各キャビティは:前記1つ以上の壁で実質的に囲まれており;前記マトリックス相の一部で含浸されている分散体である。【選択図】図1B
Description
関連出願の相互参照
本出願は、2017年1月19日に出願された米国特許仮出願第62/448,129
号の優先権を主張するものであり、この仮出願は引用によりその全体があらゆる目的のた
めに本明細書に組み込まれる。
本出願は、2017年1月19日に出願された米国特許仮出願第62/448,129
号の優先権を主張するものであり、この仮出願は引用によりその全体があらゆる目的のた
めに本明細書に組み込まれる。
本開示は、液体マトリックスまたは固体マトリックス中に内包的に含浸されたセル型炭
素ナノ構造体で構成された新規な分類の液状分散体および固形ナノコンポジットに関する
。
素ナノ構造体で構成された新規な分類の液状分散体および固形ナノコンポジットに関する
。
近年、sp2-混成炭素が充填されたポリマー系ナノコンポジットが広く研究されてい
る。sp2炭素は、その次元と幾何構造に基づいて分類され得る。いわゆるゼロ次元炭素
ナノ構造体としては、バックミンスターフラーレンおよびカーボン量子ドットが挙げられ
る。1次元炭素ナノ構造体としては、カーボンナノチューブおよびナノファイバーが挙げ
られ、これらはすべて、線状のナノ構造化形態構造を共通して有するものであり得る。2
次元炭素としては、単層グラフェンおよび多層グラファイト状ナノプレートレットが挙げ
られる。これらは多くの場合、バルクグラファイト前駆体からハマー法などの液相剥離法
を用いて作製される。バルクグラファイト状構造体、例えば炭素繊維または炭素粉末はs
p2炭素の3次元ファミリーを構成する。
る。sp2炭素は、その次元と幾何構造に基づいて分類され得る。いわゆるゼロ次元炭素
ナノ構造体としては、バックミンスターフラーレンおよびカーボン量子ドットが挙げられ
る。1次元炭素ナノ構造体としては、カーボンナノチューブおよびナノファイバーが挙げ
られ、これらはすべて、線状のナノ構造化形態構造を共通して有するものであり得る。2
次元炭素としては、単層グラフェンおよび多層グラファイト状ナノプレートレットが挙げ
られる。これらは多くの場合、バルクグラファイト前駆体からハマー法などの液相剥離法
を用いて作製される。バルクグラファイト状構造体、例えば炭素繊維または炭素粉末はs
p2炭素の3次元ファミリーを構成する。
低次元炭素、例えばナノチューブおよびグラフェンナノプレートレットは素晴らしい機
械的特性、熱的特性および電気的特性を有するが、その低次元性により、複合材用途にお
ける使用が困難にもなる。液体マトリックス(「マトリックス」は本明細書において、炭
素ナノ粒子の周囲の液体または固体の連続相と定義する)中にブレンドした場合、表面間
のファン・デル・ワールス相互作用によって炭素ナノ粒子が互いに付着することが引き起
こされ、不規則なクラスターに自己組織化する。炭素クラスターまたは「塊状体」は、マ
トリックス中にブレンドした場合に低次元炭素が表面エネルギー最小の3次元形態に戻る
傾向を反映している。この効果によってマトリックスとフィラーが相分離し得、複合材の
性能が劣化し得る。この相分離に対処するため、研究者らはグラフェン粒子間に「スペー
サー」粒子を導入した[1~3]。スペーサーは、塊状化自体を抑制するものではないが
、効率的な粒子間付着を許容しないことによって塊状体の密度および炭素の表面積の隠蔽
を制限する。スペーサーがないと、ナノプレートレットは、図1Aに示すように、その幾
何構造のため密に塊状化し得る。図1Aは、ナノプレートレットの断面図、および空間的
に密な低表面積クラスターを形成するためにナノプレートレットの両面がどのようにして
他のナノプレートレットに付着するために近接可能であるかを示す。
械的特性、熱的特性および電気的特性を有するが、その低次元性により、複合材用途にお
ける使用が困難にもなる。液体マトリックス(「マトリックス」は本明細書において、炭
素ナノ粒子の周囲の液体または固体の連続相と定義する)中にブレンドした場合、表面間
のファン・デル・ワールス相互作用によって炭素ナノ粒子が互いに付着することが引き起
こされ、不規則なクラスターに自己組織化する。炭素クラスターまたは「塊状体」は、マ
トリックス中にブレンドした場合に低次元炭素が表面エネルギー最小の3次元形態に戻る
傾向を反映している。この効果によってマトリックスとフィラーが相分離し得、複合材の
性能が劣化し得る。この相分離に対処するため、研究者らはグラフェン粒子間に「スペー
サー」粒子を導入した[1~3]。スペーサーは、塊状化自体を抑制するものではないが
、効率的な粒子間付着を許容しないことによって塊状体の密度および炭素の表面積の隠蔽
を制限する。スペーサーがないと、ナノプレートレットは、図1Aに示すように、その幾
何構造のため密に塊状化し得る。図1Aは、ナノプレートレットの断面図、および空間的
に密な低表面積クラスターを形成するためにナノプレートレットの両面がどのようにして
他のナノプレートレットに付着するために近接可能であるかを示す。
ポーラス炭素ナノ構造体は、2次元の特性と3次元の特性の両方を有する将来有望な代
替品をもたらす。文献でのかかる材料の例としては、規則性メソポーラスカーボン(OM
C)および「3Dグラフェン」が挙げられる。OMC粒子の場合、研究者らは、テンプレ
ート指示型(-directed)合成により得られ得る高度に規則性のナノアーキテク
ト形態構造を高く評価する[4]。OMCの特長の1つは、その内包的空孔構造(「内包
的」は本明細書において、テンプレートによって作出された炭素内の内部キャビティまた
は内部表面をいい、一方、「外在的(exohedral)」は、炭素構造体の表側の表
面をいう)とナノ構造化壁の組合せによって高い比表面積が可能になることであり、この
表面積は、該内包的表面が内包的空孔の崩壊によって隠蔽されない限り保持される。内包
的空孔によってもたらされる間隔が、液体中におけるナノチューブおよびナノプレートレ
ットの問題の解決策を提供し得る。残念ながら、空孔は多くのOMC変形体で10nmよ
り小さく、空孔対壁の直径方向の比が小さくなる。大きな内包的キャビティを有する炭素
と比べると、OMCは空間的に密であり、内部に含浸させて湿潤させることが困難であり
得る。現在の研究のOMCへの応用は、ほとんどが吸着とエネルギー貯蔵に重点が置かれ
ている。
替品をもたらす。文献でのかかる材料の例としては、規則性メソポーラスカーボン(OM
C)および「3Dグラフェン」が挙げられる。OMC粒子の場合、研究者らは、テンプレ
ート指示型(-directed)合成により得られ得る高度に規則性のナノアーキテク
ト形態構造を高く評価する[4]。OMCの特長の1つは、その内包的空孔構造(「内包
的」は本明細書において、テンプレートによって作出された炭素内の内部キャビティまた
は内部表面をいい、一方、「外在的(exohedral)」は、炭素構造体の表側の表
面をいう)とナノ構造化壁の組合せによって高い比表面積が可能になることであり、この
表面積は、該内包的表面が内包的空孔の崩壊によって隠蔽されない限り保持される。内包
的空孔によってもたらされる間隔が、液体中におけるナノチューブおよびナノプレートレ
ットの問題の解決策を提供し得る。残念ながら、空孔は多くのOMC変形体で10nmよ
り小さく、空孔対壁の直径方向の比が小さくなる。大きな内包的キャビティを有する炭素
と比べると、OMCは空間的に密であり、内部に含浸させて湿潤させることが困難であり
得る。現在の研究のOMCへの応用は、ほとんどが吸着とエネルギー貯蔵に重点が置かれ
ている。
一部の3Dナノ炭素は大きな内包的キャビティを含むものであり、これは、理論的には
、卓越したナノコンポジット構成を創製するために使用することができる。顕著な一例が
、ナノ構造化壁を有する相互連結チューブラーカーボン網目であるエアログラファイトで
得られている。Garlof,et al.によって報告されているように、エアログラ
ファイトは、「ポリマー系ナノコンポジットの改善された電気伝導率および機械的強化の
ための大きな可能性を示す。3Dナノ炭素をポリマーマトリックス中に組み込むことによ
って、分散型炭素ナノ粒子の使用とは対照的に、塊状化および制御された網目トポロジー
の欠如などのいくつかの欠点が回避され得、したがって、「理想的な」複合材が創製され
得る」[5]。具体的には、Garlofに、液状エポキシ樹脂が真空含浸によって内包
的および外在的に注入され得るモノリシックプリフォームとしてのエアログラファイトが
記載されている。網目の相互連結性は、Mecklenburgによれば、自身を支持す
る能力および導電性ポリマー系ナノコンポジットでは、高度に広がった浸透性骨格として
の機能を果たす能力のため、「エアログラファイトファミリーの共通の構造的動機」であ
る[6]。
、卓越したナノコンポジット構成を創製するために使用することができる。顕著な一例が
、ナノ構造化壁を有する相互連結チューブラーカーボン網目であるエアログラファイトで
得られている。Garlof,et al.によって報告されているように、エアログラ
ファイトは、「ポリマー系ナノコンポジットの改善された電気伝導率および機械的強化の
ための大きな可能性を示す。3Dナノ炭素をポリマーマトリックス中に組み込むことによ
って、分散型炭素ナノ粒子の使用とは対照的に、塊状化および制御された網目トポロジー
の欠如などのいくつかの欠点が回避され得、したがって、「理想的な」複合材が創製され
得る」[5]。具体的には、Garlofに、液状エポキシ樹脂が真空含浸によって内包
的および外在的に注入され得るモノリシックプリフォームとしてのエアログラファイトが
記載されている。網目の相互連結性は、Mecklenburgによれば、自身を支持す
る能力および導電性ポリマー系ナノコンポジットでは、高度に広がった浸透性骨格として
の機能を果たす能力のため、「エアログラファイトファミリーの共通の構造的動機」であ
る[6]。
OMCと同様、非崩壊エアログラファイト試験片は、ナノ構造化形体間に間隔をもたら
す。しかしながら、相互連結された連続炭素構造体は欠点を有し得る。高度に多孔質の連
続的相互連結炭素モノリスの有効な注入および濡れには低粘度の熱硬化性樹脂および真空
注入プロセスが必要とされ得、これにより、ナノコンポジットの製作、特に、厚いナノコ
ンポジット部材の製作において複雑性が導入され得る。さらに、流動分散体は繊維強化と
一体化でき、慣用的な工作機械器具設備および製造プロセスを用いて製作され得るが、連
続的相互連結炭素は、厚い成型部材または薄く塗布される接着剤および被覆材の製作にす
ぐに実用化される可能性は低い。多くのナノコンポジット用途では不連続炭素ナノ粒子の
流動性液状分散体が望ましい。
す。しかしながら、相互連結された連続炭素構造体は欠点を有し得る。高度に多孔質の連
続的相互連結炭素モノリスの有効な注入および濡れには低粘度の熱硬化性樹脂および真空
注入プロセスが必要とされ得、これにより、ナノコンポジットの製作、特に、厚いナノコ
ンポジット部材の製作において複雑性が導入され得る。さらに、流動分散体は繊維強化と
一体化でき、慣用的な工作機械器具設備および製造プロセスを用いて製作され得るが、連
続的相互連結炭素は、厚い成型部材または薄く塗布される接着剤および被覆材の製作にす
ぐに実用化される可能性は低い。多くのナノコンポジット用途では不連続炭素ナノ粒子の
流動性液状分散体が望ましい。
本発明は、とりわけ、セル型形態構造を有する不連続フィラー相の実用的な利点をもた
らす類型のポーラス3D炭素ナノ構造体が充填された連続相で構成された多相材料に関す
る。このようなセル構造体は、ほとんどのCMK-型OMCより大きな内包的キャビティ
を有する。そのテンプレート指示型キャビティおよび壁の形態構造により、高度に一定し
たサイズおよび形状分布を有するセル粒子が作製されることが可能となり得る。セル壁内
の裂けは、ポリマーマトリックス材料の浸潤を許容し得る。これにより、他の同様のサブ
ユニットとファン・デル・ワールス相互作用によって自己組織化し得る内包的に含浸され
たセル型サブユニットが空間的に広がった多セル型多相網目内に入り、形態学的相混合が
もたらされ得る。
らす類型のポーラス3D炭素ナノ構造体が充填された連続相で構成された多相材料に関す
る。このようなセル構造体は、ほとんどのCMK-型OMCより大きな内包的キャビティ
を有する。そのテンプレート指示型キャビティおよび壁の形態構造により、高度に一定し
たサイズおよび形状分布を有するセル粒子が作製されることが可能となり得る。セル壁内
の裂けは、ポリマーマトリックス材料の浸潤を許容し得る。これにより、他の同様のサブ
ユニットとファン・デル・ワールス相互作用によって自己組織化し得る内包的に含浸され
たセル型サブユニットが空間的に広がった多セル型多相網目内に入り、形態学的相混合が
もたらされ得る。
例示の目的のために、図1Bに仮想球状セルの2次元の図を示す。セルは不連続粒子で
ある。図1Cは、このような仮想セル粒子の自己組織化クラスターによって創製された空
間的に広がった網目の2次元の図である。フィラーは不連続的であるため、この類型の炭
素(本明細書では、集合的に「セル型炭素」または「セル型炭素構造体」と称し、個々に
は「セル」または「セル構造体」と称する)が充填されたナノコンポジットは、液状樹脂
中に分散させることができ、流動性前駆体が必要とされる部材の製作が容易になり得る。
他の炭素と比べて、セル型炭素およびその誘導体では、より大きくてあまり細長くないキ
ャビティ、ナノ構造化壁、テンプレート指示型幾何構造およびトポグラフィならびに不連
続形状因子が得られ得る。
ある。図1Cは、このような仮想セル粒子の自己組織化クラスターによって創製された空
間的に広がった網目の2次元の図である。フィラーは不連続的であるため、この類型の炭
素(本明細書では、集合的に「セル型炭素」または「セル型炭素構造体」と称し、個々に
は「セル」または「セル構造体」と称する)が充填されたナノコンポジットは、液状樹脂
中に分散させることができ、流動性前駆体が必要とされる部材の製作が容易になり得る。
他の炭素と比べて、セル型炭素およびその誘導体では、より大きくてあまり細長くないキ
ャビティ、ナノ構造化壁、テンプレート指示型幾何構造およびトポグラフィならびに不連
続形状因子が得られ得る。
本明細書において、マトリックス連続相および内包的に含浸されたセル型炭素ナノ構造
体の不連続相で構成された新規な分類の多相分散体およびナノコンポジットを記載する。
マトリックスは、1種類以上の熱硬化性もしくは熱可塑性のポリマー、プレポリマー、樹
脂、モノマー、溶媒またはその混合物からなるものであり得る。セル型炭素は、マトリッ
クス全体に個々の粒子または粒子のクラスターとして分散されていてもよく、共有結合ま
たは非共有結合により化学的に官能性付与されていてもよい。セル型炭素は、液体または
固体のフィラーが内包的に含浸されていてもよく、内包的空隙が実質的にないものであっ
てもよい。セル型炭素に加えて、他のフィラーまたは強化材、例えば繊維強化材をマトリ
ックス中に共分散させてもよい。ポリマー系ナノコンポジットの実施形態は、種々の硬化
状態、例えば、未硬化、部分硬化または「Bステージ」硬化および完全硬化を示すもので
あり得る。マトリックスは室温で固体、液体またはゲルであり得、本発明の利用可能性を
制限しないものである。
体の不連続相で構成された新規な分類の多相分散体およびナノコンポジットを記載する。
マトリックスは、1種類以上の熱硬化性もしくは熱可塑性のポリマー、プレポリマー、樹
脂、モノマー、溶媒またはその混合物からなるものであり得る。セル型炭素は、マトリッ
クス全体に個々の粒子または粒子のクラスターとして分散されていてもよく、共有結合ま
たは非共有結合により化学的に官能性付与されていてもよい。セル型炭素は、液体または
固体のフィラーが内包的に含浸されていてもよく、内包的空隙が実質的にないものであっ
てもよい。セル型炭素に加えて、他のフィラーまたは強化材、例えば繊維強化材をマトリ
ックス中に共分散させてもよい。ポリマー系ナノコンポジットの実施形態は、種々の硬化
状態、例えば、未硬化、部分硬化または「Bステージ」硬化および完全硬化を示すもので
あり得る。マトリックスは室温で固体、液体またはゲルであり得、本発明の利用可能性を
制限しないものである。
本発明の目的の1つは、新規なセル型炭素相の効果のため向上した機械的特性および導
電特性を有するポリマー系ナノコンポジットを作製することである。本発明の別の目的は
、多種多様な配合物状態のインク、被覆材、塗料、シーラント、接着剤、成型プラスチッ
ク、発泡体、繊維強化複合材および他のポリマー用途に使用され得るナノコンポジットを
作製することである。
電特性を有するポリマー系ナノコンポジットを作製することである。本発明の別の目的は
、多種多様な配合物状態のインク、被覆材、塗料、シーラント、接着剤、成型プラスチッ
ク、発泡体、繊維強化複合材および他のポリマー用途に使用され得るナノコンポジットを
作製することである。
本明細書に記載のナノコンポジットは、先行技術と比べて利点をもたらす。セル型炭素
は、低次元炭素に伴う問題である液体中での空間的に密な塊状体の形成に耐えることがで
き得る。これは、マトリックス液による濡れに利用可能な内包的表面を有するものであり
得るが、隣接する粒子に付着することは幾何学的に不可能になっている。また、セル型炭
素誘導体、例えば湾曲寸断体も、粒子間付着の効率を低減させる非平面状の凸形または凹
形の表面を有するものであり得る。他のポーラスナノ構造化炭素網目、例えばエアログラ
ファイトを用いて作製されたナノコンポジットとは異なり、分散型セル型炭素が充填され
たナノコンポジットは、プリフォームが必要とされ得ず、種々の部材を製作するのがより
容易であり得る。
は、低次元炭素に伴う問題である液体中での空間的に密な塊状体の形成に耐えることがで
き得る。これは、マトリックス液による濡れに利用可能な内包的表面を有するものであり
得るが、隣接する粒子に付着することは幾何学的に不可能になっている。また、セル型炭
素誘導体、例えば湾曲寸断体も、粒子間付着の効率を低減させる非平面状の凸形または凹
形の表面を有するものであり得る。他のポーラスナノ構造化炭素網目、例えばエアログラ
ファイトを用いて作製されたナノコンポジットとは異なり、分散型セル型炭素が充填され
たナノコンポジットは、プリフォームが必要とされ得ず、種々の部材を製作するのがより
容易であり得る。
さらなる利点および用途は、以下の詳細説明から当業者に容易に明白であろう。本明細
書における実施例および説明は、本質的に例示的であって限定的ではないとみなされたい
。
書における実施例および説明は、本質的に例示的であって限定的ではないとみなされたい
。
例示的な実施形態を、添付の図面を参照しながら説明する。
セル型炭素は、ポーラスのsp2-混成炭素構造体の広い分類のサブセットを構成する
。その形態学的多様性、ならびに非セル型のポーラス炭素の多様性のため、本発明者らは
、まず、1つ以上特定の様式では同様であり得るが全体論的にみた場合には異なる他の炭
素からセル型炭素を分類学的に差別化する一貫性があり、かつ意味のある一組の特性を列
挙する。ポーラスのsp2-混成炭素構造体のより広い分類としては、限定されないが、
シングルウォールナノチューブ、マルチウォールナノチューブ、カーボンマイクロチュー
ブ、フラーレン、石油コークス、チャー、規則性メソポーラスカーボン、カーボンセノス
フェア、グラフェンエアロゲル、フォールデッド(folded)型もしくはクランプル
ド(crumpled)型グラフェンナノプレートレット、カップ積層型ナノチューブま
たは中空カーボンナノファイバー、ポーラス炭素繊維などが挙げられる。
。その形態学的多様性、ならびに非セル型のポーラス炭素の多様性のため、本発明者らは
、まず、1つ以上特定の様式では同様であり得るが全体論的にみた場合には異なる他の炭
素からセル型炭素を分類学的に差別化する一貫性があり、かつ意味のある一組の特性を列
挙する。ポーラスのsp2-混成炭素構造体のより広い分類としては、限定されないが、
シングルウォールナノチューブ、マルチウォールナノチューブ、カーボンマイクロチュー
ブ、フラーレン、石油コークス、チャー、規則性メソポーラスカーボン、カーボンセノス
フェア、グラフェンエアロゲル、フォールデッド(folded)型もしくはクランプル
ド(crumpled)型グラフェンナノプレートレット、カップ積層型ナノチューブま
たは中空カーボンナノファイバー、ポーラス炭素繊維などが挙げられる。
セル型炭素は、キャビティのサイズと形状、バルク状態の形体の厚さ、および粒子の幾
何構造に基づいて、また、このような粒子で構成された集団の分布特性に基づいて互いに
異なる。このような特長により、種々の用途への好適性が決定される。本発明者らは、セ
ル型炭素を、以下の基準のうちの少なくともいくつかを示すものであると定義する:
1.セル型炭素のバルク相は典型的にはナノ構造化されている、すなわち、少なくとも
1つの測定軸において平均して100nmより小さい形体で構成されている。個々のセル
のバルク相はそのセル壁であり、その厚さは、図2に示すように、測定点の壁に対して実
質的に垂直に引いた弦において測定され得る。多セル粒子では、隣接したセル壁が、同じ
くナノ構造化された一体化型のバルク相を形成する。セル型炭素はナノ構造化されている
が、連続した多セル型のマイクロ構造を有するが100nmより厚いバルク相は有してい
ない図3のセル型マイクロファイバーに例示しているように、マイクロ構造化されている
場合もあり得る。
何構造に基づいて、また、このような粒子で構成された集団の分布特性に基づいて互いに
異なる。このような特長により、種々の用途への好適性が決定される。本発明者らは、セ
ル型炭素を、以下の基準のうちの少なくともいくつかを示すものであると定義する:
1.セル型炭素のバルク相は典型的にはナノ構造化されている、すなわち、少なくとも
1つの測定軸において平均して100nmより小さい形体で構成されている。個々のセル
のバルク相はそのセル壁であり、その厚さは、図2に示すように、測定点の壁に対して実
質的に垂直に引いた弦において測定され得る。多セル粒子では、隣接したセル壁が、同じ
くナノ構造化された一体化型のバルク相を形成する。セル型炭素はナノ構造化されている
が、連続した多セル型のマイクロ構造を有するが100nmより厚いバルク相は有してい
ない図3のセル型マイクロファイバーに例示しているように、マイクロ構造化されている
場合もあり得る。
2.セル型炭素のキャビティは10nm以上であり得る。幾何学的に、これを、10n
m直径の円をキャビティの2D画像内部に嵌め込むことによって図4に示す。キャビティ
は、同じく図4に示すように、10nm直径の円が該キャビティ内に嵌め込まれていなく
ても該キャビティが任意の2つの垂直な弦において10nmを超えている場合、この基準
を満たし得る。多数のキャビティを有する構造体では、その大部分が10nmより大きい
。したがって、図5に図示した構造体は、10nmより小さいキャビティを有するにもか
かわらず、この基準を満たしている。図6~8に示すように外在的な孔が導入されている
場合、セルは小葉状または樹状となり得る。かかる構造体では、キャビティは一般的に局
所的に10nm以上のキャビティ直径を有する。したがって、図6および図7に図示した
構造体は該当するが、図8の構造体は該当しない。
m直径の円をキャビティの2D画像内部に嵌め込むことによって図4に示す。キャビティ
は、同じく図4に示すように、10nm直径の円が該キャビティ内に嵌め込まれていなく
ても該キャビティが任意の2つの垂直な弦において10nmを超えている場合、この基準
を満たし得る。多数のキャビティを有する構造体では、その大部分が10nmより大きい
。したがって、図5に図示した構造体は、10nmより小さいキャビティを有するにもか
かわらず、この基準を満たしている。図6~8に示すように外在的な孔が導入されている
場合、セルは小葉状または樹状となり得る。かかる構造体では、キャビティは一般的に局
所的に10nm以上のキャビティ直径を有する。したがって、図6および図7に図示した
構造体は該当するが、図8の構造体は該当しない。
3.セル型炭素のキャビティは、非常に細長いのと線状の両方でない。本明細書におい
て定義する場合、「非常に細長い線状のキャビティ」は10:1より大きいアスペクト比
を有するものであり、ここで、アスペクト比は該線状構造の最大直径に対する長さの比で
ある。本明細書において定義する場合、「線状の」とは、5:1より大きいアスペクト比
を有する分岐のない連続構造体を示す。明瞭性重視のため、図9に4つの例を含める。図
の左側の最初の3つの構造体は、この定義に従う線状構造である。しかしながら、図9の
一番右側の構造体は、カーボンナノチューブと同様、線状と非常に細長いの両方である。
したがって、この構造体は基準#3を示すものでない。
て定義する場合、「非常に細長い線状のキャビティ」は10:1より大きいアスペクト比
を有するものであり、ここで、アスペクト比は該線状構造の最大直径に対する長さの比で
ある。本明細書において定義する場合、「線状の」とは、5:1より大きいアスペクト比
を有する分岐のない連続構造体を示す。明瞭性重視のため、図9に4つの例を含める。図
の左側の最初の3つの構造体は、この定義に従う線状構造である。しかしながら、図9の
一番右側の構造体は、カーボンナノチューブと同様、線状と非常に細長いの両方である。
したがって、この構造体は基準#3を示すものでない。
4.セル型炭素構造体は、1,000μmより長い長さスケールにおいて不連続である
。したがって、セル型炭素集団の凝集体形状因子は、典型的には、液体中に分散させるこ
とができる粉末または微細な顆粒状粉末である。
。したがって、セル型炭素集団の凝集体形状因子は、典型的には、液体中に分散させるこ
とができる粉末または微細な顆粒状粉末である。
5.セル型炭素は、そのキャビティ形態構造および内包的表面形体を、気体、液体また
は固体のテンプレーツザテンプレーツ(templatesthe template’
s)から引き継いでいる。これは、2つの相違する内部相と外部相の界面でのセル壁のコ
ンフォーマル(conformal)合成によりもたらされる(図10に示すとおり)。
穿孔されたテンプレート状に形成されるセル型構造体は外在的な孔を引き継ぎ得る。外在
的な孔は内包的セルキャビティの一部ではない。一例は、2つの外在的な孔が双筒型中空
類円柱体テンプレートから引き継がれた図11に示すセル型炭素である。別の例は、全体
にセル間に数多くの外在的な孔が観察され得るセル型シートである図12に示すセル型炭
素である。
は固体のテンプレーツザテンプレーツ(templatesthe template’
s)から引き継いでいる。これは、2つの相違する内部相と外部相の界面でのセル壁のコ
ンフォーマル(conformal)合成によりもたらされる(図10に示すとおり)。
穿孔されたテンプレート状に形成されるセル型構造体は外在的な孔を引き継ぎ得る。外在
的な孔は内包的セルキャビティの一部ではない。一例は、2つの外在的な孔が双筒型中空
類円柱体テンプレートから引き継がれた図11に示すセル型炭素である。別の例は、全体
にセル間に数多くの外在的な孔が観察され得るセル型シートである図12に示すセル型炭
素である。
6.「セル型炭素誘導体」は、合成後に機械的、熱的、電気的または化学的プロセスに
よって形態学的に改変されたセル型炭素である。このようなプロセスの結果、該誘導体は
寸断、変形、崩壊または他の構造変化に供され得る。それでもなお、このような誘導体は
、そのセル型前駆体と共通するいくつかの形態学的特性を有する。図13は、回転楕円体
セル型炭素前駆体の寸断体を示す。この寸断体は、依然としてその前駆体の基本形状を示
しているが、より開放状態の構成であり、内側および外側のセル壁表面ではなく凹形およ
び凸形の曲線を有する。
よって形態学的に改変されたセル型炭素である。このようなプロセスの結果、該誘導体は
寸断、変形、崩壊または他の構造変化に供され得る。それでもなお、このような誘導体は
、そのセル型前駆体と共通するいくつかの形態学的特性を有する。図13は、回転楕円体
セル型炭素前駆体の寸断体を示す。この寸断体は、依然としてその前駆体の基本形状を示
しているが、より開放状態の構成であり、内側および外側のセル壁表面ではなく凹形およ
び凸形の曲線を有する。
本明細書における分類のセル型炭素は、最初の5つの基準を示すべき、または第6の基
準に整合する誘導体構造を有するべきものである。第6の基準に記載のような誘導体構造
は一般的に、セル型炭素として分類可能な前駆体構造から誘導される。基準1~5を評価
するための測定は、電子顕微鏡検査または他の適当な高分解能画像処理法を用いて行なわ
れ得る。2次元の顕微鏡写真を用いて行なわれる測定、例えばSEMまたはTEMでは各
セル型炭素の構造体の完全な3次元マッピングは得られ得ないが、それでもなお、かかる
測定は、セル型構造体の集団に関する一般形体を測定するために使用され得る。本明細書
において行なった、または図示した測定はすべて、2次元の顕微鏡写真の解析に基づいた
ものである。
準に整合する誘導体構造を有するべきものである。第6の基準に記載のような誘導体構造
は一般的に、セル型炭素として分類可能な前駆体構造から誘導される。基準1~5を評価
するための測定は、電子顕微鏡検査または他の適当な高分解能画像処理法を用いて行なわ
れ得る。2次元の顕微鏡写真を用いて行なわれる測定、例えばSEMまたはTEMでは各
セル型炭素の構造体の完全な3次元マッピングは得られ得ないが、それでもなお、かかる
測定は、セル型構造体の集団に関する一般形体を測定するために使用され得る。本明細書
において行なった、または図示した測定はすべて、2次元の顕微鏡写真の解析に基づいた
ものである。
基準#1により、セル型炭素を、ナノ構造化壁がないポーラス炭素と区別する。壁が厚
いほど炭素の比表面積が小さくなり、粒子密度(すなわち、炭素の質量を、囲まれた空孔
を含む全容積で割り算したもの)が増大する。セル型炭素に関する薄壁により、厚壁中空
炭素の低粒子密度に適合し得るがずっと小さい内包的キャビティを有する中空構成が可能
になる。より薄くてより多くの2次元の壁によってもまた、ナノコンポジットにおけるフ
ィラーの重要な特性であるより大きな界面表面積、ならびにバルク炭素材料に対して2次
元の炭素材料によって示される他の特性(例えば、卓越した導電性および機械的特性など
)がもたらされる。
いほど炭素の比表面積が小さくなり、粒子密度(すなわち、炭素の質量を、囲まれた空孔
を含む全容積で割り算したもの)が増大する。セル型炭素に関する薄壁により、厚壁中空
炭素の低粒子密度に適合し得るがずっと小さい内包的キャビティを有する中空構成が可能
になる。より薄くてより多くの2次元の壁によってもまた、ナノコンポジットにおけるフ
ィラーの重要な特性であるより大きな界面表面積、ならびにバルク炭素材料に対して2次
元の炭素材料によって示される他の特性(例えば、卓越した導電性および機械的特性など
)がもたらされる。
基準#2は、セル型炭素のキャビティのサイズに関する。セル型炭素を、中くらいのサ
イズであるそのキャビティにより他のポーラス炭素の形態構造と区別する。より小さい方
のものはポーラスナノ構造化炭素(ナノチューブ、フラーレン、規則性メソポーラスカー
ボンなど)であり、より大きいサイズのものは、もっと大きな中空炭素構造体(セノスフ
ェア、中空炭素小球体など)である。小型と大型の間のポーラス形態構造は、より一般的
には10nmより小さいかまたは1,000nmより大きい平均空孔直径を有するポーラ
ス炭素ではめったにみられない範囲のキャビティサイズである。容積測定の観点ではこの
範囲は空孔直径の3乗の関数であり、例えば、それぞれ10nmおよび1,000nmの
直径を有する2つの仮想球状空孔間には容積測定において106の差がある。ほとんどの
ナノ構造化炭素の空孔が小さいと、その粒子密度および比多孔度に対する制限が小さくな
る。例えば、1nm未満の直径を有するフラーレンは中空であるが、そのキャビティは、
2つのグラファイト平面間の空間の2倍より少し大きいにすぎない。同様に、ほとんどの
カーボンナノチューブは非常に長い中央空孔が横行しているが、典型的な空孔直径は数ナ
ノメートルにすぎない。一部のセル型炭素は一桁を大幅に超え、あまり密でない。
イズであるそのキャビティにより他のポーラス炭素の形態構造と区別する。より小さい方
のものはポーラスナノ構造化炭素(ナノチューブ、フラーレン、規則性メソポーラスカー
ボンなど)であり、より大きいサイズのものは、もっと大きな中空炭素構造体(セノスフ
ェア、中空炭素小球体など)である。小型と大型の間のポーラス形態構造は、より一般的
には10nmより小さいかまたは1,000nmより大きい平均空孔直径を有するポーラ
ス炭素ではめったにみられない範囲のキャビティサイズである。容積測定の観点ではこの
範囲は空孔直径の3乗の関数であり、例えば、それぞれ10nmおよび1,000nmの
直径を有する2つの仮想球状空孔間には容積測定において106の差がある。ほとんどの
ナノ構造化炭素の空孔が小さいと、その粒子密度および比多孔度に対する制限が小さくな
る。例えば、1nm未満の直径を有するフラーレンは中空であるが、そのキャビティは、
2つのグラファイト平面間の空間の2倍より少し大きいにすぎない。同様に、ほとんどの
カーボンナノチューブは非常に長い中央空孔が横行しているが、典型的な空孔直径は数ナ
ノメートルにすぎない。一部のセル型炭素は一桁を大幅に超え、あまり密でない。
基準#2はいくつかの理由で重要である。密度低下は、シンタクチックフォームなどの
、浮力または軽量化のために使用される材料において望ましい特長である。小キャビティ
を有するほとんどの炭素は、特に浮揚性のあるものではない。セル型炭素中に含まれた空
孔に気体ではなく液体または固体のマトリックス材料が含浸されている場合であっても、
その低い空間密度は好都合である。例えば、セル型炭素は、マトリックス中において浸出
を達成するための優れた構造体である。薄壁セルは、低浸出閾値をもたらす3次元の軽量
網目に密にかつ連続的に充填されたものであり得、これは、コストの大部分が導電性を得
るのに必要とされる炭素の量によるものであるナノコンポジット製品、例えば導電性イン
クにとっては魅力的な特長であり得る。また、大きな内包的キャビティによっても、セル
型炭素が複合材全体において低い重量パーセンテージで高いナノコンポジット容積分率を
占めることが可能になる。最後に、より大きな内包的範囲を有するセル型構造体ほど、潜
在的に、機械的ストレスに応答してより大きな弾性変形または塑性変形を行ない得る。
、浮力または軽量化のために使用される材料において望ましい特長である。小キャビティ
を有するほとんどの炭素は、特に浮揚性のあるものではない。セル型炭素中に含まれた空
孔に気体ではなく液体または固体のマトリックス材料が含浸されている場合であっても、
その低い空間密度は好都合である。例えば、セル型炭素は、マトリックス中において浸出
を達成するための優れた構造体である。薄壁セルは、低浸出閾値をもたらす3次元の軽量
網目に密にかつ連続的に充填されたものであり得、これは、コストの大部分が導電性を得
るのに必要とされる炭素の量によるものであるナノコンポジット製品、例えば導電性イン
クにとっては魅力的な特長であり得る。また、大きな内包的キャビティによっても、セル
型炭素が複合材全体において低い重量パーセンテージで高いナノコンポジット容積分率を
占めることが可能になる。最後に、より大きな内包的範囲を有するセル型構造体ほど、潜
在的に、機械的ストレスに応答してより大きな弾性変形または塑性変形を行ない得る。
基準#3により、線状のキャビティ形態構造を有するセル型炭素を、細長さに基づいて
ナノチューブおよびマイクロチューブと区別する。一般に、カーボンナノチューブなどの
非常に細長い線状粒子は、不充分な充填密度、束状化効率によりもつれる傾向[7]、お
よびコロイド状分散体における粘度上昇という欠点を有する。この理由のため、中空ナノ
ファイバーは多くの場合、ミリングされるが、高エネルギーミリングプロセスであっても
実用的には限界を有する。一例として、ミリングによってどれだけ多くの粒子不足が生じ
得るかという限界があり、劇的な不足は長時間のプロセス時間が必要とされ得る。第2に
、ミリングプロセスは、破片が生じることによって粒径分布および形態学的一定性にマイ
ナスの影響を及ぼし得る。対照的に、線状構造および大きく切断型の形状因子を有するセ
ル粒子は初めから創製され得る。切断型の構造体は、もつれにくいものであり得、卓越し
た充填密度をもたらすものであり得、非常に細長い構造体ほど深刻に粘度が上昇しないも
のであり得る。また、大きく切断型のキャビティ形状は、含浸が必要とされる場合に望ま
しいものであり得、それは、これによって拡散性流体流への非常に細長いナノ構造体の到
達不可能性が緩和されるためである[8~9]。あるいはまた、細長い構造体がナノコン
ポジットにおける浸出のために所望される場合、分岐した(すなわち、非線状の)セル形
態構造が使用され得る。かかる形態構造により、クラスター化粒子が互いに相互貫入でき
ないため潜在的にもつれにくいまま空間的に広がった網目が可能になる。
ナノチューブおよびマイクロチューブと区別する。一般に、カーボンナノチューブなどの
非常に細長い線状粒子は、不充分な充填密度、束状化効率によりもつれる傾向[7]、お
よびコロイド状分散体における粘度上昇という欠点を有する。この理由のため、中空ナノ
ファイバーは多くの場合、ミリングされるが、高エネルギーミリングプロセスであっても
実用的には限界を有する。一例として、ミリングによってどれだけ多くの粒子不足が生じ
得るかという限界があり、劇的な不足は長時間のプロセス時間が必要とされ得る。第2に
、ミリングプロセスは、破片が生じることによって粒径分布および形態学的一定性にマイ
ナスの影響を及ぼし得る。対照的に、線状構造および大きく切断型の形状因子を有するセ
ル粒子は初めから創製され得る。切断型の構造体は、もつれにくいものであり得、卓越し
た充填密度をもたらすものであり得、非常に細長い構造体ほど深刻に粘度が上昇しないも
のであり得る。また、大きく切断型のキャビティ形状は、含浸が必要とされる場合に望ま
しいものであり得、それは、これによって拡散性流体流への非常に細長いナノ構造体の到
達不可能性が緩和されるためである[8~9]。あるいはまた、細長い構造体がナノコン
ポジットにおける浸出のために所望される場合、分岐した(すなわち、非線状の)セル形
態構造が使用され得る。かかる形態構造により、クラスター化粒子が互いに相互貫入でき
ないため潜在的にもつれにくいまま空間的に広がった網目が可能になる。
基準#4により、セル型炭素を、1,000μmスケール以上においてモノリシックま
たは相互連結型のポーラス炭素プリフォーム、例えばエアログラファイトと区別する。こ
れは、セル型炭素が、その構造的不連続性のため流動性ナノコンポジット分散体中に容易
に分散可能である限り、実用上重要であり得る。分散性は、多くの製品実現、例えば定量
吐出インク、スプレッド塗装、不融性樹脂などに好都合である。また、これにより、真空
含浸があまり重要でなくなるため、キャビティの濡れおよび含浸がより容易になる。
たは相互連結型のポーラス炭素プリフォーム、例えばエアログラファイトと区別する。こ
れは、セル型炭素が、その構造的不連続性のため流動性ナノコンポジット分散体中に容易
に分散可能である限り、実用上重要であり得る。分散性は、多くの製品実現、例えば定量
吐出インク、スプレッド塗装、不融性樹脂などに好都合である。また、これにより、真空
含浸があまり重要でなくなるため、キャビティの濡れおよび含浸がより容易になる。
基準#5により、セル型炭素を、そのテンプレート式キャビティおよび内部トポグラフ
ィに基づいて他のポーラス炭素と区別する。本明細書で用いる場合、用語「テンプレート
」は、ネスト化(nested)テンプレート-殻-マトリックス(1-2-3)系など
のように周囲にセル型炭素(またはその炭素系前駆体)の殻がコンフォーマル合成または
組織化された固体、液体または気体の内部領域をいう。この三元系では、炭素または炭素
系前駆体の殻(2)が内部テンプレート(1)と外部マトリックス(3)の界面に存在す
る。殻の幾何構造、サイズおよび内包的トポグラフィはすべて、殻の形成中にテンプレー
トから引き継がれる。テンプレート-殻-マトリックス系の例としては:気体の外部マト
リックス(3)中に浮遊させた炭素系液滴(2)内部に閉じ込められた気体のブローワン
ト(blowant)テンプレート(1);水性マトリックス(3)中の酸化グラフェン
ナノプレートレット(2)によって被覆された油滴(1);および炭素系の気体マトリッ
クス(3)内部に存在する炭素殻(2)内部の金属酸化物テンプレート(1)が挙げられ
る。
ィに基づいて他のポーラス炭素と区別する。本明細書で用いる場合、用語「テンプレート
」は、ネスト化(nested)テンプレート-殻-マトリックス(1-2-3)系など
のように周囲にセル型炭素(またはその炭素系前駆体)の殻がコンフォーマル合成または
組織化された固体、液体または気体の内部領域をいう。この三元系では、炭素または炭素
系前駆体の殻(2)が内部テンプレート(1)と外部マトリックス(3)の界面に存在す
る。殻の幾何構造、サイズおよび内包的トポグラフィはすべて、殻の形成中にテンプレー
トから引き継がれる。テンプレート-殻-マトリックス系の例としては:気体の外部マト
リックス(3)中に浮遊させた炭素系液滴(2)内部に閉じ込められた気体のブローワン
ト(blowant)テンプレート(1);水性マトリックス(3)中の酸化グラフェン
ナノプレートレット(2)によって被覆された油滴(1);および炭素系の気体マトリッ
クス(3)内部に存在する炭素殻(2)内部の金属酸化物テンプレート(1)が挙げられ
る。
テンプレート式キャビティは、セル型炭素を他のポーラス炭素と差別化する重要な構成
的特性である。セルキャビティ形態構造が粒子集団においてランダムでないため、および
粒子のセル壁がコンフォーマルで2次元であるため、高度に一様な粒子集団が可能である
(が、必要ではない;実際、一様な粒子集団の有益性の1つは、これをブレンドすると、
個別調整される複合材特性のための制御された多分散系粒子分布を創製できることである
)。対照的に、ほとんどのキャビティ含有炭素は、明確なテンプレート相がない炭素-マ
トリックスの二元系で合成されるため、ランダムで不規則なキャビティ形態構造を有する
。例えば、液相剥離によって作製された数層のグラフェンナノプレートレット(GNP)
には、折り重なり、皺、粒子間付着または周囲マトリックスとのランダムな相互作用の結
果としての偶発的なキャビティが生じ得る。しかしながら、明確なテンプレート相がない
ため、このようなキャビティは不規則であり得る。同様に、水熱合成されたグラフェンエ
アロゲル中における不規則なキャビティは、水性マトリックス中での酸化グラフェンナノ
プレートレットのランダムな自己組織化の結果であり得る。この系は、明確なテンプレー
ト相がないものであり得、炭素とマトリックスのみで構成されている。あるいはまた、炭
素は、この3つの相のいずれもが本明細書において定義する「テンプレート」に該当しな
い三元系に形成され得る。例えば、石油コークスまたはチャーは、内部揮発種(相1)が
外部ガス雰囲気(相3)中の炭素系構造体(相2)内を移動するにつれて生成されるラン
ダムに生じた空孔構造を示す。しかしながら、このような揮発種は、その周囲にコンフォ
ーマルに炭素構造体が合成または組織化されるのではなく、内部から外に出た揮発種によ
って炭素構造体がランダムにエッチングされるため、テンプレートの基準を満たさない場
合があり得る。
的特性である。セルキャビティ形態構造が粒子集団においてランダムでないため、および
粒子のセル壁がコンフォーマルで2次元であるため、高度に一様な粒子集団が可能である
(が、必要ではない;実際、一様な粒子集団の有益性の1つは、これをブレンドすると、
個別調整される複合材特性のための制御された多分散系粒子分布を創製できることである
)。対照的に、ほとんどのキャビティ含有炭素は、明確なテンプレート相がない炭素-マ
トリックスの二元系で合成されるため、ランダムで不規則なキャビティ形態構造を有する
。例えば、液相剥離によって作製された数層のグラフェンナノプレートレット(GNP)
には、折り重なり、皺、粒子間付着または周囲マトリックスとのランダムな相互作用の結
果としての偶発的なキャビティが生じ得る。しかしながら、明確なテンプレート相がない
ため、このようなキャビティは不規則であり得る。同様に、水熱合成されたグラフェンエ
アロゲル中における不規則なキャビティは、水性マトリックス中での酸化グラフェンナノ
プレートレットのランダムな自己組織化の結果であり得る。この系は、明確なテンプレー
ト相がないものであり得、炭素とマトリックスのみで構成されている。あるいはまた、炭
素は、この3つの相のいずれもが本明細書において定義する「テンプレート」に該当しな
い三元系に形成され得る。例えば、石油コークスまたはチャーは、内部揮発種(相1)が
外部ガス雰囲気(相3)中の炭素系構造体(相2)内を移動するにつれて生成されるラン
ダムに生じた空孔構造を示す。しかしながら、このような揮発種は、その周囲にコンフォ
ーマルに炭素構造体が合成または組織化されるのではなく、内部から外に出た揮発種によ
って炭素構造体がランダムにエッチングされるため、テンプレートの基準を満たさない場
合があり得る。
基準#6は、主としてセル型炭素前駆体から誘導されたものであるが合成後の加工処理
によって、もはやセル型炭素の基準のすべてを満たさないか、またはセル型炭素と非セル
型炭素の両方に関する形体を示すかのいずれかとなるように形態学的に改変されている炭
素構造体に関する。例えば、金属酸化物テンプレートで作製されたセル型炭素は、該金属
酸化物テンプレートを溶解させる酸抽出プロセスに供され得るが、該プロセスではセル型
構造体のランダムな破損および変質が引き起こされる場合があり得る。かかるサンプルの
一例を、変質セルのSEM顕微鏡写真である図13に示す。作製時、このような粒子は形
態構造が回転楕円体であったが、テンプレート抽出によって生じる合成後の機械的ストレ
スのため、該粒子は破損して湾曲寸断体になった。寸断体の凹形湾曲部は凸形テンプレー
トでの粒子の形成を反映している。この寸断体は互いに付着するが、この画像はまた、粒
子に引き継がれた湾曲部によってもたらされた大きな粒子間空間が保持されていることも
示す。別の一般的な誘導体は、セル壁が、インタクトなまま、崩壊するのに充分薄く、そ
のキャビティの平坦化のため、収縮したようにみえる誘導体が得られるセル型炭素ナノ粒
子である。かかる誘導体に液体または固体のフィラーを含浸させるとそのキャビティの3
次元性が回復し得る。
によって、もはやセル型炭素の基準のすべてを満たさないか、またはセル型炭素と非セル
型炭素の両方に関する形体を示すかのいずれかとなるように形態学的に改変されている炭
素構造体に関する。例えば、金属酸化物テンプレートで作製されたセル型炭素は、該金属
酸化物テンプレートを溶解させる酸抽出プロセスに供され得るが、該プロセスではセル型
構造体のランダムな破損および変質が引き起こされる場合があり得る。かかるサンプルの
一例を、変質セルのSEM顕微鏡写真である図13に示す。作製時、このような粒子は形
態構造が回転楕円体であったが、テンプレート抽出によって生じる合成後の機械的ストレ
スのため、該粒子は破損して湾曲寸断体になった。寸断体の凹形湾曲部は凸形テンプレー
トでの粒子の形成を反映している。この寸断体は互いに付着するが、この画像はまた、粒
子に引き継がれた湾曲部によってもたらされた大きな粒子間空間が保持されていることも
示す。別の一般的な誘導体は、セル壁が、インタクトなまま、崩壊するのに充分薄く、そ
のキャビティの平坦化のため、収縮したようにみえる誘導体が得られるセル型炭素ナノ粒
子である。かかる誘導体に液体または固体のフィラーを含浸させるとそのキャビティの3
次元性が回復し得る。
誘導体構造は、そのセル型炭素前駆体の特性の多くを有するため重要である。セル寸断
体は、例えば、もはや内部空孔を有しないものであり得るが、密な塊状化および表面積隠
蔽を幾何学的に不可能にする高い湾曲度を保持しているものであり得る。[その非平面性
により、ナノコンポジット内において粒子間間隔および表面積の保持がもたらされ得る]
。一部の特定の場合では、該誘導体は、そのセル型前駆体に対して好ましい場合さえあり
得る。ポットライフが短い二成分樹脂系の場合のように、セルキャビティへの液体マトリ
ックス材料の急速な含浸が所望される場合、開放陥凹部を有する寸断体表面の方が、より
容易にかつより速く、次いで、よりインタクトな独立セル型構成の内包的表面が湿潤し、
含浸される。逐次工程でブレンドされた多種類の液体成分を有するナノコンポジットマト
リックスでは、よりインタクトなセル型構造体の内部と外部で成分組成を平衡状態にする
ことは、該多成分組成物の反応性が高い場合は特に、困難であり得る。
体は、例えば、もはや内部空孔を有しないものであり得るが、密な塊状化および表面積隠
蔽を幾何学的に不可能にする高い湾曲度を保持しているものであり得る。[その非平面性
により、ナノコンポジット内において粒子間間隔および表面積の保持がもたらされ得る]
。一部の特定の場合では、該誘導体は、そのセル型前駆体に対して好ましい場合さえあり
得る。ポットライフが短い二成分樹脂系の場合のように、セルキャビティへの液体マトリ
ックス材料の急速な含浸が所望される場合、開放陥凹部を有する寸断体表面の方が、より
容易にかつより速く、次いで、よりインタクトな独立セル型構成の内包的表面が湿潤し、
含浸される。逐次工程でブレンドされた多種類の液体成分を有するナノコンポジットマト
リックスでは、よりインタクトなセル型構造体の内部と外部で成分組成を平衡状態にする
ことは、該多成分組成物の反応性が高い場合は特に、困難であり得る。
セル型誘導体が重要である別の理由は、該誘導体が、そのセル型前駆体と比べて、多く
の場合、複数の炭素粒子をナノコンポジット分散体中に含んでいることである。これに関
連して、セル型炭素に関する本開示の基準では、多くの場合、厳密な構造の定義がナノコ
ンポジット中に実際に見出される誘導体構造の前駆体に適用され得る。
の場合、複数の炭素粒子をナノコンポジット分散体中に含んでいることである。これに関
連して、セル型炭素に関する本開示の基準では、多くの場合、厳密な構造の定義がナノコ
ンポジット中に実際に見出される誘導体構造の前駆体に適用され得る。
セル型炭素構成
セル型炭素の型の多様性の理由の1つは、格子レベルおよびセルレベルでの組成の多様
性である。セル壁は、重なり合うパッチワーク構成で互いに付着している単一原子厚の炭
素格子で構成されたラメラ構造体である。該格子は、セル壁の構成単位であり、サイズ、
形状、方位、分子タイリングおよび表面化学によって異なる。格子レベルおよびセルレベ
ルでの構成を調整することにより、同じ粒径、同じ幾何構造およびさらには同じ壁厚を共
通して有する2つの仮想セルは劇的に異なる特性を有することになり得よう。
セル型炭素の型の多様性の理由の1つは、格子レベルおよびセルレベルでの組成の多様
性である。セル壁は、重なり合うパッチワーク構成で互いに付着している単一原子厚の炭
素格子で構成されたラメラ構造体である。該格子は、セル壁の構成単位であり、サイズ、
形状、方位、分子タイリングおよび表面化学によって異なる。格子レベルおよびセルレベ
ルでの構成を調整することにより、同じ粒径、同じ幾何構造およびさらには同じ壁厚を共
通して有する2つの仮想セルは劇的に異なる特性を有することになり得よう。
格子のバリエーションの起点の1つはその分子タイリングである。これは、無定形にタ
イリングして短距離秩序または長距離秩序を有していない場合もあり、結晶性が高い場合
もあり得る。結晶性の場合では、六方晶にタイリングされ得る(例えば、グラフェン格子
)か、またはなんらかの他のタイリング(例えば、ヘッケライト(haeckelite
)タイリング)を有し得る。格子レベルでのいろいろな構成により、いろいろな挙動が生
じ得る。例えば、5-、6-および7-員環で構成された無定形にタイリングされた格子
は電気絶縁性であり得るが、無欠陥グラフェン格子は導電性が高い[10]。8%~10
%の欠陥性環で構成されたグラフェン格子は、張力下で延性破壊およびクレージングが起
こり得るが、比較的無欠陥の格子では脆性破壊が起こり、卓越した強度と弾性率を有する
[11~12]。また、完全に結晶性のグラフェンシートは平面状であり、したがって、
湾曲表面に完全に適合することがトポロジー的にできないものであり得る。この理由のた
め、湾曲テンプレートで形成されたグラフェン格子で構成されたセル型炭素は、皺および
折り重なりを示すことがあり得る。セル壁がより欠陥性の結晶構造体で構成されている(
すなわち、5員環、6員環、7員環などを含む)場合、格子が湾曲テンプレートに適合す
るのに皺または折り重なりは必要でない。最後に、多層セル壁には潜在的に、重なり合う
sp2格子を相互連結するsp3-混成結合が含まれていることがあり得る。
イリングして短距離秩序または長距離秩序を有していない場合もあり、結晶性が高い場合
もあり得る。結晶性の場合では、六方晶にタイリングされ得る(例えば、グラフェン格子
)か、またはなんらかの他のタイリング(例えば、ヘッケライト(haeckelite
)タイリング)を有し得る。格子レベルでのいろいろな構成により、いろいろな挙動が生
じ得る。例えば、5-、6-および7-員環で構成された無定形にタイリングされた格子
は電気絶縁性であり得るが、無欠陥グラフェン格子は導電性が高い[10]。8%~10
%の欠陥性環で構成されたグラフェン格子は、張力下で延性破壊およびクレージングが起
こり得るが、比較的無欠陥の格子では脆性破壊が起こり、卓越した強度と弾性率を有する
[11~12]。また、完全に結晶性のグラフェンシートは平面状であり、したがって、
湾曲表面に完全に適合することがトポロジー的にできないものであり得る。この理由のた
め、湾曲テンプレートで形成されたグラフェン格子で構成されたセル型炭素は、皺および
折り重なりを示すことがあり得る。セル壁がより欠陥性の結晶構造体で構成されている(
すなわち、5員環、6員環、7員環などを含む)場合、格子が湾曲テンプレートに適合す
るのに皺または折り重なりは必要でない。最後に、多層セル壁には潜在的に、重なり合う
sp2格子を相互連結するsp3-混成結合が含まれていることがあり得る。
このようなトポロジーによる違いの視覚的証拠は図14および図15において観察され
得る。図14に示したSEM画像では、セル壁が、その平滑表面およびインタクトなセル
構造体がベースのsp3-混成結合によって相互連結されたものであり得る欠陥性の炭素
格子で構成されている。図15に示したSEM画像では、セル壁が、剪断および層間剥離
をより受け易く、テンプレート抽出後、皺表面または折り重なった表面が生じ(線状表面
形体の形になる)てセル構造体があまりインタクトでなくなり得る結晶性炭素格子で構成
されている。
得る。図14に示したSEM画像では、セル壁が、その平滑表面およびインタクトなセル
構造体がベースのsp3-混成結合によって相互連結されたものであり得る欠陥性の炭素
格子で構成されている。図15に示したSEM画像では、セル壁が、剪断および層間剥離
をより受け易く、テンプレート抽出後、皺表面または折り重なった表面が生じ(線状表面
形体の形になる)てセル構造体があまりインタクトでなくなり得る結晶性炭素格子で構成
されている。
また、この壁は表面化学によっても異なり得る。「初期状態(pristine)」(
すなわち、比較的無欠陥)のグラフェン格子は、実質的に底面官能性付与を有していない
が、還元型酸化グラフェンまたは酸化グラフェン格子は酸素部分を有する。種々の官能性
付与法が、オリゴマーおよびポリマーをセル壁にグラフトさせるために使用され得る。該
壁を構成する重なり合う格子は、その格子化学ならびに互いに対するその方位の両方に基
づいて、いろいろな層間間隔を有し得る(例えば、ABバーナル積層または乱層積層)。
すなわち、比較的無欠陥)のグラフェン格子は、実質的に底面官能性付与を有していない
が、還元型酸化グラフェンまたは酸化グラフェン格子は酸素部分を有する。種々の官能性
付与法が、オリゴマーおよびポリマーをセル壁にグラフトさせるために使用され得る。該
壁を構成する重なり合う格子は、その格子化学ならびに互いに対するその方位の両方に基
づいて、いろいろな層間間隔を有し得る(例えば、ABバーナル積層または乱層積層)。
いろいろな分子タイリング、官能性、積層パターンおよび層間間隔を有することに加え
、該格子は、横寸法、すなわちその形状および面積によって異なり得る。これもまた、格
子およびセル壁の機械的、電気的、熱的および化学的特性の重要な決定因子であり得る。
例えば、大きな格子ほど、小さい格子より少ないトンネリングで電子伝達が可能となり得
、潜在的に炭素構造体の電気抵抗が小さくなる。
、該格子は、横寸法、すなわちその形状および面積によって異なり得る。これもまた、格
子およびセル壁の機械的、電気的、熱的および化学的特性の重要な決定因子であり得る。
例えば、大きな格子ほど、小さい格子より少ないトンネリングで電子伝達が可能となり得
、潜在的に炭素構造体の電気抵抗が小さくなる。
また、ナノコンポジットの特性を変更するためにセルレベルでの構成が調整されること
もあり得る。壁が厚いほど、炭素の密度、比表面積および比多孔度が大きくなり得る。ま
た、セル壁の構造は、該壁に対する格子方位のため、内部で異なる場合があり得る。格子
がセル壁表面と平行な方位である場合、そのエッジのケミストリーは他の格子によって隠
蔽され得る。しかしながら、格子が、エッジが露出するような方位である場合では、その
エッジのケミストリーはセル壁表面の特性に大きな影響を及ぼし得る。この原理は、他の
非セル型炭素でも実例が示されている。例えば、カップ積層型ナノチューブは、グラフェ
ンのほとんどのエッジが露出している管壁構成を有する。この方位により壁表面の全体的
な反応性が、格子底面が支配的な壁表面と比べて高まり、カップ積層型ナノチューブを多
くの系により容易に分散できるようになる[13]。図2は、2つの異なる格子方位のセ
ル壁を示す。
もあり得る。壁が厚いほど、炭素の密度、比表面積および比多孔度が大きくなり得る。ま
た、セル壁の構造は、該壁に対する格子方位のため、内部で異なる場合があり得る。格子
がセル壁表面と平行な方位である場合、そのエッジのケミストリーは他の格子によって隠
蔽され得る。しかしながら、格子が、エッジが露出するような方位である場合では、その
エッジのケミストリーはセル壁表面の特性に大きな影響を及ぼし得る。この原理は、他の
非セル型炭素でも実例が示されている。例えば、カップ積層型ナノチューブは、グラフェ
ンのほとんどのエッジが露出している管壁構成を有する。この方位により壁表面の全体的
な反応性が、格子底面が支配的な壁表面と比べて高まり、カップ積層型ナノチューブを多
くの系により容易に分散できるようになる[13]。図2は、2つの異なる格子方位のセ
ル壁を示す。
セル壁が異なり得る別の様式はその多孔度である。多層セル壁は、グラファイトに特徴
的であるように、おそらくサブナノメートルの層間空孔を有している。しかしながら、壁
を貫通する横空孔は、より可変的であり得、非常に重要であり得る。この横空孔は、合成
時の不完全な壁形成またはテンプレート抽出中に形成された裂けの結果によるものかもし
れない。横空孔の数およびサイズはセルキャビティの内外への拡散流の速度に影響を及ぼ
し得る。セル壁が有する空孔が少ないほど、小さいほど、マトリックス液が含浸するのに
長く時間がかかり得る。
的であるように、おそらくサブナノメートルの層間空孔を有している。しかしながら、壁
を貫通する横空孔は、より可変的であり得、非常に重要であり得る。この横空孔は、合成
時の不完全な壁形成またはテンプレート抽出中に形成された裂けの結果によるものかもし
れない。横空孔の数およびサイズはセルキャビティの内外への拡散流の速度に影響を及ぼ
し得る。セル壁が有する空孔が少ないほど、小さいほど、マトリックス液が含浸するのに
長く時間がかかり得る。
手順の概論
本明細書に記載の炭素セルおよびセル型誘導体はすべて、粉末テンプレートでの化学気
相成長(CVD)を用いて合成した。しかしながら、これらは一例にすぎず、本明細書に
記載の合成手順もまたそうであることは理解されよう。セル型炭素を成長させるためのこ
のプロセスは、米国特許仮出願第62/294,751号に、より詳細に記載している。
いくつかの炭素生成プロトコルを使用し、ポリマー系ナノコンポジットに物理的、機械的
および電気的特性を付与するためのセル型炭素の有用性を実証する目的で、いろいろなサ
イズ、形状および壁組成のセル型炭素および誘導体を合成した。
本明細書に記載の炭素セルおよびセル型誘導体はすべて、粉末テンプレートでの化学気
相成長(CVD)を用いて合成した。しかしながら、これらは一例にすぎず、本明細書に
記載の合成手順もまたそうであることは理解されよう。セル型炭素を成長させるためのこ
のプロセスは、米国特許仮出願第62/294,751号に、より詳細に記載している。
いくつかの炭素生成プロトコルを使用し、ポリマー系ナノコンポジットに物理的、機械的
および電気的特性を付与するためのセル型炭素の有用性を実証する目的で、いろいろなサ
イズ、形状および壁組成のセル型炭素および誘導体を合成した。
使用したテンプレートはすべて、酸化マグネシウム(MgO)粉末の等級品であった。
MgOは、炭素系前駆体ガスの熱触媒分解においてよく知られた触媒である。CVD成長
は種々の温度にてチューブ炉内で、いくつかの炭化水素前駆体を用いて行なった。
MgOは、炭素系前駆体ガスの熱触媒分解においてよく知られた触媒である。CVD成長
は種々の温度にてチューブ炉内で、いくつかの炭化水素前駆体を用いて行なった。
CVDが終了した後、得られたMgO/Cコア-シェルヘテロ構造体を希塩酸(HC1
)と反応させてMgOテンプレート粒子を溶解させ、炭素殻をインタクトなまま残した。
次いで、この炭素をMgCl2水溶液で濾過し、水性の炭素ペーストを作製した。このペ
ーストを脱イオン水で充分にすすぎ洗浄し、次いで再度濾過した。一部の場合では、溶媒
交換法を使用して水をアセトンに置き換え、アセトンペーストを得た。次いで、このペー
ストをナノコンポジット配合物中に直接ブレンドするか、またはエバポレーションによっ
て乾燥させて乾燥粉末を形成し、これがナノコンポジット中にブレンドされ得るか、もし
くはさらなるCVD成長に供され得る。
)と反応させてMgOテンプレート粒子を溶解させ、炭素殻をインタクトなまま残した。
次いで、この炭素をMgCl2水溶液で濾過し、水性の炭素ペーストを作製した。このペ
ーストを脱イオン水で充分にすすぎ洗浄し、次いで再度濾過した。一部の場合では、溶媒
交換法を使用して水をアセトンに置き換え、アセトンペーストを得た。次いで、このペー
ストをナノコンポジット配合物中に直接ブレンドするか、またはエバポレーションによっ
て乾燥させて乾燥粉末を形成し、これがナノコンポジット中にブレンドされ得るか、もし
くはさらなるCVD成長に供され得る。
試験用のナノコンポジットを作出するため、セル型炭素および誘導体を、比較用の市販
の他の非セル型炭素とともにマトリックス中に分散させた。熱硬化性ナノコンポジットを
注出し、注型し、硬化させ、機械加工して熱硬化性試験片を形成した。熱可塑性ナノコン
ポジットは、ホットプレスシステムを用いて成型し、熱可塑性試験片を形成した。被覆材
サンプルは、ポリエチレン(PET)膜上にナノコンポジット分散体をコーティングする
ことによって作製した。
の他の非セル型炭素とともにマトリックス中に分散させた。熱硬化性ナノコンポジットを
注出し、注型し、硬化させ、機械加工して熱硬化性試験片を形成した。熱可塑性ナノコン
ポジットは、ホットプレスシステムを用いて成型し、熱可塑性試験片を形成した。被覆材
サンプルは、ポリエチレン(PET)膜上にナノコンポジット分散体をコーティングする
ことによって作製した。
セル型炭素の合成
セル型炭素の3つのサンプル(S1~S3)をCVDによって、100mm ODの石
英管、ステンレス鋼フランジ、ガス供給口およびシングルバス排出口(single b
as outlet)を備えたMTI回転式チューブ炉内で合成した。プロセスガスはす
べて、Praxair製のものであった。
セル型炭素の3つのサンプル(S1~S3)をCVDによって、100mm ODの石
英管、ステンレス鋼フランジ、ガス供給口およびシングルバス排出口(single b
as outlet)を備えたMTI回転式チューブ炉内で合成した。プロセスガスはす
べて、Praxair製のものであった。
S1では、メタン/アルゴン混合物を供給ガスとして使用した。このサンプルでは、5
00グラムサンプルのElastomag 170 MgO(「EL170」)を、炉の
加熱ゾーン内部の石英管(OD 100mm)内に装填した。回転は使用しなかった。反
応器を室温から1050℃の設定温度まで50分間かけて直線的漸増的に昇温させ、50
0sccmのAr流下にて、その温度で30分間維持した。次に、Ar流を変えずに保持
したまま、500sccmのCH4流を開始した。これを30分間継続した。次いでCH
4流を中止し、反応器を継続Ar流下で室温まで冷却した。次いでMgOをHC1での酸
エッチングによって抽出し、水性MgCl2ブライン中に炭素を含むスラリーを得た。次
いで、この炭素をブラインから濾過し、脱イオン水で3回すすぎ洗浄し、水性ペーストと
して収集した。次いで、溶媒交換法を使用して水をアセトンに置き換え、S1のアセトン
/セル型炭素ペーストを得た。
00グラムサンプルのElastomag 170 MgO(「EL170」)を、炉の
加熱ゾーン内部の石英管(OD 100mm)内に装填した。回転は使用しなかった。反
応器を室温から1050℃の設定温度まで50分間かけて直線的漸増的に昇温させ、50
0sccmのAr流下にて、その温度で30分間維持した。次に、Ar流を変えずに保持
したまま、500sccmのCH4流を開始した。これを30分間継続した。次いでCH
4流を中止し、反応器を継続Ar流下で室温まで冷却した。次いでMgOをHC1での酸
エッチングによって抽出し、水性MgCl2ブライン中に炭素を含むスラリーを得た。次
いで、この炭素をブラインから濾過し、脱イオン水で3回すすぎ洗浄し、水性ペーストと
して収集した。次いで、溶媒交換法を使用して水をアセトンに置き換え、S1のアセトン
/セル型炭素ペーストを得た。
S2では、プロピレン/アルゴン混合物を供給ガスとして使用した。このサンプルでは
、500グラムサンプルのEL170を、炉の加熱ゾーン内部の石英管内に装填した。回
転は使用しなかった。500sccmのAr流下の間に、反応器を室温から1050℃の
設定温度まで50分間かけて直線的漸増的に昇温させ、次いで750℃まで30分間かけ
て直線的漸減的に降温させ、次いで、その温度で30分間維持した。次に、Ar流を変え
ずに保持したまま、250sccmのC3H6流を開始した。これを60分間継続した。
次いでC3H6流を中止し、反応器を継続Ar流下で室温まで冷却した。次いでMgOを
HClでの酸エッチングによって抽出し、水性MgCl2ブライン中に炭素を含むスラリ
ーを得た。次いで、この炭素をブラインから濾過し、脱イオン水で3回すすぎ洗浄し、水
性ペーストとして収集した。次いで、溶媒交換法を使用して水をアセトンに置き換え、S
2のアセトン/セル型炭素ペーストを得た。
、500グラムサンプルのEL170を、炉の加熱ゾーン内部の石英管内に装填した。回
転は使用しなかった。500sccmのAr流下の間に、反応器を室温から1050℃の
設定温度まで50分間かけて直線的漸増的に昇温させ、次いで750℃まで30分間かけ
て直線的漸減的に降温させ、次いで、その温度で30分間維持した。次に、Ar流を変え
ずに保持したまま、250sccmのC3H6流を開始した。これを60分間継続した。
次いでC3H6流を中止し、反応器を継続Ar流下で室温まで冷却した。次いでMgOを
HClでの酸エッチングによって抽出し、水性MgCl2ブライン中に炭素を含むスラリ
ーを得た。次いで、この炭素をブラインから濾過し、脱イオン水で3回すすぎ洗浄し、水
性ペーストとして収集した。次いで、溶媒交換法を使用して水をアセトンに置き換え、S
2のアセトン/セル型炭素ペーストを得た。
S3では、メタン/アルゴン混合物を供給ガスとして使用した。このサンプルでは、3
00グラムサンプルの酸化マグネシウム煙(金属マグネシウムを燃焼させることによって
作製)を、炉の加熱ゾーン内部の石英管内に装填した。回転は使用しなかった。500s
ccmのAr流下、反応器を室温から1050℃の設定温度まで50分間かけて直線的漸
増的に昇温させ、その温度で30分間維持した。次に、Ar流を変えずに保持したまま、
800sccmのCH4流を開始した。これを30分間継続した。次いでCH4流を中止
し、反応器を継続Ar流下で室温まで冷却した。MgOをHClでの酸エッチングによっ
て抽出し、水性MgCl2ブライン中に炭素を含むスラリーを得た。次いで、この炭素を
ブラインから濾過し、脱イオン水で3回すすぎ洗浄し、水性ペーストとして収集した。次
いで、溶媒交換法を使用して水をアセトンに置き換え、S3のアセトン/セル型炭素ペー
ストを得た。
00グラムサンプルの酸化マグネシウム煙(金属マグネシウムを燃焼させることによって
作製)を、炉の加熱ゾーン内部の石英管内に装填した。回転は使用しなかった。500s
ccmのAr流下、反応器を室温から1050℃の設定温度まで50分間かけて直線的漸
増的に昇温させ、その温度で30分間維持した。次に、Ar流を変えずに保持したまま、
800sccmのCH4流を開始した。これを30分間継続した。次いでCH4流を中止
し、反応器を継続Ar流下で室温まで冷却した。MgOをHClでの酸エッチングによっ
て抽出し、水性MgCl2ブライン中に炭素を含むスラリーを得た。次いで、この炭素を
ブラインから濾過し、脱イオン水で3回すすぎ洗浄し、水性ペーストとして収集した。次
いで、溶媒交換法を使用して水をアセトンに置き換え、S3のアセトン/セル型炭素ペー
ストを得た。
S4では、メタン/アルゴン混合物を供給ガスとして使用した。このサンプルでは、5
00グラムサンプルのEL170を、炉の加熱ゾーン内部の石英管(OD 100mm)
内に装填した。反応中、チューブの回転を使用した。反応器を室温から1050℃の設定
温度まで50分間かけて直線的漸増的に昇温させ、500sccmのAr流下にて、その
温度で30分間維持した。次に、Ar流を変えずに保持したまま、1000sccmのC
H4流を開始した。これを45分間継続した。次いでCH4流を中止し、反応器を継続A
r流下で室温まで冷却した。次いでMgOをHClでの酸エッチングによって抽出し、水
性MgCl2ブライン中に炭素を含むスラリーを得た。次いで、この炭素をブラインから
濾過し、脱イオン水で3回すすぎ洗浄し、水性ペーストとして収集した。このペーストを
、有効塩素が10~15%の次亜塩素酸ナトリウム溶液(NaOCl)に添加した。Na
OCl溶液に対する炭素の比は1:40であった。この混合物を室温で24時間撹拌した
。次いで、炭素をこの漂白剤から濾過し、脱イオン水で3回すすぎ洗浄し、水性ペースト
として収集した。次いで、溶媒交換法を使用して水をアセトンに置き換え、S4のアセト
ン/セル型炭素ペーストを得た。
00グラムサンプルのEL170を、炉の加熱ゾーン内部の石英管(OD 100mm)
内に装填した。反応中、チューブの回転を使用した。反応器を室温から1050℃の設定
温度まで50分間かけて直線的漸増的に昇温させ、500sccmのAr流下にて、その
温度で30分間維持した。次に、Ar流を変えずに保持したまま、1000sccmのC
H4流を開始した。これを45分間継続した。次いでCH4流を中止し、反応器を継続A
r流下で室温まで冷却した。次いでMgOをHClでの酸エッチングによって抽出し、水
性MgCl2ブライン中に炭素を含むスラリーを得た。次いで、この炭素をブラインから
濾過し、脱イオン水で3回すすぎ洗浄し、水性ペーストとして収集した。このペーストを
、有効塩素が10~15%の次亜塩素酸ナトリウム溶液(NaOCl)に添加した。Na
OCl溶液に対する炭素の比は1:40であった。この混合物を室温で24時間撹拌した
。次いで、炭素をこの漂白剤から濾過し、脱イオン水で3回すすぎ洗浄し、水性ペースト
として収集した。次いで、溶媒交換法を使用して水をアセトンに置き換え、S4のアセト
ン/セル型炭素ペーストを得た。
S5では、プロピレン/アルゴン混合物を供給ガスとして使用した。このサンプルでは
、900℃で一晩焼成させた500グラムサンプルのEL170を、炉の加熱ゾーン内部
の石英管内に装填した。回転は使用しなかった。500sccmのAr流下の間に、反応
器を室温から750℃の設定温度30分間かけて直線的漸増的に昇温させ、次いで、その
温度で30分間維持した。次に、Ar流を変えずに保持したまま、1000sccmのC
3H6流を開始した。これを30分間継続した。次いでC3H6流を中止し、反応器を継
続Ar流下で室温まで冷却した。次いでMgOをHC1での酸エッチングによって抽出し
、水性MgCl2ブライン中に炭素を含むスラリーを得た。次いで、この炭素をブライン
から濾過し、脱イオン水で3回すすぎ洗浄し、水性ペーストとして収集した。次いで、溶
媒交換法を使用して水をアセトンに置き換えた。得られたアセトン/セル型炭素ペースト
を乾燥させて炭素粉末を生成させた。次いで、この粉末を、1,3双極子付加環化プロト
コルを用いて官能性付与した。このため、当量部のN-メチルグリシンと4-ホルミル安
息香酸をDMF中に溶解させた。この溶液にセル型炭素粉末を添加し、N2雰囲気下で9
6時間還流した。還流後の官能性付与された炭素をアセトンで3回、充分に洗浄し、S5
のアセトン/官能性付与セル型炭素ペーストを得た。
、900℃で一晩焼成させた500グラムサンプルのEL170を、炉の加熱ゾーン内部
の石英管内に装填した。回転は使用しなかった。500sccmのAr流下の間に、反応
器を室温から750℃の設定温度30分間かけて直線的漸増的に昇温させ、次いで、その
温度で30分間維持した。次に、Ar流を変えずに保持したまま、1000sccmのC
3H6流を開始した。これを30分間継続した。次いでC3H6流を中止し、反応器を継
続Ar流下で室温まで冷却した。次いでMgOをHC1での酸エッチングによって抽出し
、水性MgCl2ブライン中に炭素を含むスラリーを得た。次いで、この炭素をブライン
から濾過し、脱イオン水で3回すすぎ洗浄し、水性ペーストとして収集した。次いで、溶
媒交換法を使用して水をアセトンに置き換えた。得られたアセトン/セル型炭素ペースト
を乾燥させて炭素粉末を生成させた。次いで、この粉末を、1,3双極子付加環化プロト
コルを用いて官能性付与した。このため、当量部のN-メチルグリシンと4-ホルミル安
息香酸をDMF中に溶解させた。この溶液にセル型炭素粉末を添加し、N2雰囲気下で9
6時間還流した。還流後の官能性付与された炭素をアセトンで3回、充分に洗浄し、S5
のアセトン/官能性付与セル型炭素ペーストを得た。
参考のため、図16の図表は、CVD時間対各セル型炭素サンプルを合成するために使
用した設定温度を示す。
用した設定温度を示す。
炭素の特性評価
各セル型炭素サンプルを、抽出後に、ラマンスペクトル解析、TGA、SEMおよびT
EMの画像処理ならびに灰分試験を用いて特性評価した。
各セル型炭素サンプルを、抽出後に、ラマンスペクトル解析、TGA、SEMおよびT
EMの画像処理ならびに灰分試験を用いて特性評価した。
ラマンスペクトル解析は、テンプレート材料の抽出後の炭素セル(S1、S2およびS
3)に対して実施し、図17に示す。3つの主なスペクトル特徴は、典型的にはsp2結
合炭素と関連している:Gバンド、2Dバンド(あるいはまた、Gバンドと称する)およ
びDバンドである。Gバンドはすべてのsp2炭素で存在し、したがってsp2炭素結晶
のラマン署名を示すものであり得る。このバンド内のピークは1585cm-1に観察さ
れる。2DまたはG’バンドは、2500cm-1~2800cm-1の間に存在し、2
次元方向における連続sp2炭素構造化と関連している。Dバンドは、1200cm-1
~1400cm-1の間に存在し、格子の欠陥と関連している。欠陥が増大すると、Dピ
ークの強度は最大に達し得、その後、欠陥の増大によってピークはブロード化し、高さが
低くなる。このブロード化が起こった場合、DピークとGピークの間の底が浅くなる(す
なわち、その強度が増大する)。したがって、底強度を測定するとDピークのブロード化
が示され得る。したがって、本開示では、DピークとGピークの間の底である「Tバンド
」を第4の特徴として規定する。Tバンドの強度は、Dピークと関連している波数とGピ
ークと関連している波数の間に存在する極小強度値と定義する。G、2D、DおよびTバ
ンドの強度を本明細書では、それぞれIG、I2D(またはIG’)、IDおよびITと
表示する。
3)に対して実施し、図17に示す。3つの主なスペクトル特徴は、典型的にはsp2結
合炭素と関連している:Gバンド、2Dバンド(あるいはまた、Gバンドと称する)およ
びDバンドである。Gバンドはすべてのsp2炭素で存在し、したがってsp2炭素結晶
のラマン署名を示すものであり得る。このバンド内のピークは1585cm-1に観察さ
れる。2DまたはG’バンドは、2500cm-1~2800cm-1の間に存在し、2
次元方向における連続sp2炭素構造化と関連している。Dバンドは、1200cm-1
~1400cm-1の間に存在し、格子の欠陥と関連している。欠陥が増大すると、Dピ
ークの強度は最大に達し得、その後、欠陥の増大によってピークはブロード化し、高さが
低くなる。このブロード化が起こった場合、DピークとGピークの間の底が浅くなる(す
なわち、その強度が増大する)。したがって、底強度を測定するとDピークのブロード化
が示され得る。したがって、本開示では、DピークとGピークの間の底である「Tバンド
」を第4の特徴として規定する。Tバンドの強度は、Dピークと関連している波数とGピ
ークと関連している波数の間に存在する極小強度値と定義する。G、2D、DおよびTバ
ンドの強度を本明細書では、それぞれIG、I2D(またはIG’)、IDおよびITと
表示する。
ラマンスペクトルは、さまざまな理由(そのいくつかは対象の構造形体と直接関係ない
)で、サンプル内の位置ごとに異なり得る。したがって、本明細書に記載の実験で作製さ
れるテンプレート式炭素の代表的な特徴を保証するため、以下の手順を使用した。第1に
、各炭素サンプルについて60個の相違する点スペクトルを測定した。測定は、点同士の
間隔が50μmの6×10個の点の長方形格子において行なう。次いで、この60個の相
違する点スペクトルを平均し、複合スペクトルを得た。本明細書において報告したピーク
強度比はすべて、この60個の点スペクトルの測定から得た複合スペクトルに関するもの
である。
)で、サンプル内の位置ごとに異なり得る。したがって、本明細書に記載の実験で作製さ
れるテンプレート式炭素の代表的な特徴を保証するため、以下の手順を使用した。第1に
、各炭素サンプルについて60個の相違する点スペクトルを測定した。測定は、点同士の
間隔が50μmの6×10個の点の長方形格子において行なう。次いで、この60個の相
違する点スペクトルを平均し、複合スペクトルを得た。本明細書において報告したピーク
強度比はすべて、この60個の点スペクトルの測定から得た複合スペクトルに関するもの
である。
図17のサンプルS1およびS3のスペクトルは、中程度から高度の2次元の規則化(
ordering)を示す。これは、その顕著な2Dピークに示される(0.46より大
きいI2D/IG比)。対照的に、サンプルS2は、実質的に2Dピークを示しておらず
(0.10より小さいI2D/IG比)、非常に幅広のDピークを示しており、より欠陥
性の結晶構造体であることを示す。
ordering)を示す。これは、その顕著な2Dピークに示される(0.46より大
きいI2D/IG比)。対照的に、サンプルS2は、実質的に2Dピークを示しておらず
(0.10より小さいI2D/IG比)、非常に幅広のDピークを示しており、より欠陥
性の結晶構造体であることを示す。
TGA解析は、テンプレート材料の抽出後および共有結合的官能性付与後(S4)の炭
素セルに対して実施した。TGA曲線(図18)は、質量保持を初期サンプル質量に対す
るパーセンテージとして示し、不活性アルゴン雰囲気中で100mL/分のアルゴン流速
および10℃/分の加熱速度を用いて作成した。
素セルに対して実施した。TGA曲線(図18)は、質量保持を初期サンプル質量に対す
るパーセンテージとして示し、不活性アルゴン雰囲気中で100mL/分のアルゴン流速
および10℃/分の加熱速度を用いて作成した。
SEM解析は、S1、S2およびS3手順を用いて成長させ、テンプレート抽出した炭
素セルに対して実施した。S1手順を用いて成長させた炭素での結果を図15に示す。S
2手順を用いて成長させた炭素での結果を図14に示す。S3手順を用いて成長させた炭
素での結果を図19に示す。S4手順を用いて成長させた炭素での結果を図20に示す。
S5手順を用いて成長させた炭素での結果を図21に示す。
素セルに対して実施した。S1手順を用いて成長させた炭素での結果を図15に示す。S
2手順を用いて成長させた炭素での結果を図14に示す。S3手順を用いて成長させた炭
素での結果を図19に示す。S4手順を用いて成長させた炭素での結果を図20に示す。
S5手順を用いて成長させた炭素での結果を図21に示す。
実験A
ポリマー中における炭素ナノ構造体の最も将来有望な使用の1つは、脆性の熱硬化性ポ
リマーに対する強化剤である。低次元炭素は、その高いアスペクト比、高い表面積および
強度により、さまざまな熱可塑性樹脂のための良い候補となっている。多くの他の強化材
とは異なり、炭素はポリマーのガラス転移温度を低下させないことが示されており、航空
宇宙産業などの業界における高温用途には重要なことである。
セル形態構造は、いくつかの理由で、強化用として好都合であり得る。第1に、その構
成により、2次元の壁によって囲まれた3次元のキャビティのため、セル型炭素に占有さ
せることが可能となるはずであり、実際、単位炭素重量あたりの容積分率は他の低次元カ
ーボンフィラーよりずっと大きい。本開示において記載するセル型構造体にはマトリック
ス材料が内包的に含浸されており、そのため、この含浸セルは、ナノコンポジット内にお
いて一種のネスト化ナノコンポジットフィラーを構成する。第2に、セル型炭素およびそ
の誘導体は、多セル型構造体にクラスターする傾向にあり、マイクロスケールの形体とナ
ノスケールの形体の両方を有する空間的に広がった強化フレームワークがもたらされる。
これにより、ナノフィラーに特徴的な強化様式に加えてマイクロフィラーに特徴的な特定
の強化様式が容易になる。例えば、ミクロンスケールのシリカ強化材の理論的モデルでは
、亀裂ピニング、粒子の架橋、微小亀裂の発生およびクラックディフレクションが主な強
化機構であることが示唆されており、一方、ナノスケール強化材のモデルは、強化効果が
粒子のデボンディング(その後、空隙が成長する)および付随するシアバンディングによ
るものであるとしている[14]。特に、高表面積ナノ構造体のマトリックスからのデボ
ンディングにより、強化ナノコンポジットにおいて破壊エネルギーが放散される。したが
って、ミクロンスケールの側面とナノスケールの側面の両方を提供するフィラーは強化用
途に魅力的なはずである。
ポリマー中における炭素ナノ構造体の最も将来有望な使用の1つは、脆性の熱硬化性ポ
リマーに対する強化剤である。低次元炭素は、その高いアスペクト比、高い表面積および
強度により、さまざまな熱可塑性樹脂のための良い候補となっている。多くの他の強化材
とは異なり、炭素はポリマーのガラス転移温度を低下させないことが示されており、航空
宇宙産業などの業界における高温用途には重要なことである。
セル形態構造は、いくつかの理由で、強化用として好都合であり得る。第1に、その構
成により、2次元の壁によって囲まれた3次元のキャビティのため、セル型炭素に占有さ
せることが可能となるはずであり、実際、単位炭素重量あたりの容積分率は他の低次元カ
ーボンフィラーよりずっと大きい。本開示において記載するセル型構造体にはマトリック
ス材料が内包的に含浸されており、そのため、この含浸セルは、ナノコンポジット内にお
いて一種のネスト化ナノコンポジットフィラーを構成する。第2に、セル型炭素およびそ
の誘導体は、多セル型構造体にクラスターする傾向にあり、マイクロスケールの形体とナ
ノスケールの形体の両方を有する空間的に広がった強化フレームワークがもたらされる。
これにより、ナノフィラーに特徴的な強化様式に加えてマイクロフィラーに特徴的な特定
の強化様式が容易になる。例えば、ミクロンスケールのシリカ強化材の理論的モデルでは
、亀裂ピニング、粒子の架橋、微小亀裂の発生およびクラックディフレクションが主な強
化機構であることが示唆されており、一方、ナノスケール強化材のモデルは、強化効果が
粒子のデボンディング(その後、空隙が成長する)および付随するシアバンディングによ
るものであるとしている[14]。特に、高表面積ナノ構造体のマトリックスからのデボ
ンディングにより、強化ナノコンポジットにおいて破壊エネルギーが放散される。したが
って、ミクロンスケールの側面とナノスケールの側面の両方を提供するフィラーは強化用
途に魅力的なはずである。
セル型形態構造で強化した熱硬化性ナノコンポジットと、非セル型形態構造で強化した
熱硬化性ナノコンポジット(対比)を比較するため、二成分エポキシ配合物を用いてモデ
ル系を作出した。純粋に形態に基づいた炭素間の最も公正な比較を行なうため、化学的官
能性付与は導入しなかった。全部で5つのナノコンポジットサンプルを作製し、試験した
。対照エポキシサンプルは炭素なしで作製した(“A0”)。格子の結晶性による効果を
コントロールするため、異なる結晶化度を有する2つのセル型炭素サンプル(S1および
S2)を選択した。S1炭素サンプルはより結晶性炭素格子構造体で構成されたものであ
り、一方、S2炭素サンプルはより欠陥性の炭素格子構造体で構成されたものであった。
次いで、これらの炭素を2つのナノコンポジットサンプル(それぞれ“A1”および“A
2”)中に組み込んだ。
熱硬化性ナノコンポジット(対比)を比較するため、二成分エポキシ配合物を用いてモデ
ル系を作出した。純粋に形態に基づいた炭素間の最も公正な比較を行なうため、化学的官
能性付与は導入しなかった。全部で5つのナノコンポジットサンプルを作製し、試験した
。対照エポキシサンプルは炭素なしで作製した(“A0”)。格子の結晶性による効果を
コントロールするため、異なる結晶化度を有する2つのセル型炭素サンプル(S1および
S2)を選択した。S1炭素サンプルはより結晶性炭素格子構造体で構成されたものであ
り、一方、S2炭素サンプルはより欠陥性の炭素格子構造体で構成されたものであった。
次いで、これらの炭素を2つのナノコンポジットサンプル(それぞれ“A1”および“A
2”)中に組み込んだ。
その他の炭素サンプルは、いくつかの潜在因子のバランスをとるために選択した。第1
に、平面状の形態構造と非平面状の形態構造の両方を有する炭素を試験することが所望さ
れた。第2に、ミクロンスケールの粒子を含む炭素ならびにサブミクロン粒子を含む炭素
を試験することが所望された。第3に、酸素部分を含有している炭素、また、酸素部分を
含有していない炭素を試験することが所望された。第4に、結晶性である炭素、また、欠
陥性である炭素を試験することが所望された。最後に、使用するセル型炭素と比べて同等
のまたはより大きな表面積を含む炭素を試験することが所望された。これらの考慮事項を
できるだけシンプルに容易にするため、市販のカーボンブラック(Cabot Vulc
an XC72R)サンプルおよび市販のグラフェンナノプレートレット(XG Sci
ence X-GNP-C-750)サンプルを選択した。以下の表1は、これらのサン
プルの特性の概要を示す:
に、平面状の形態構造と非平面状の形態構造の両方を有する炭素を試験することが所望さ
れた。第2に、ミクロンスケールの粒子を含む炭素ならびにサブミクロン粒子を含む炭素
を試験することが所望された。第3に、酸素部分を含有している炭素、また、酸素部分を
含有していない炭素を試験することが所望された。第4に、結晶性である炭素、また、欠
陥性である炭素を試験することが所望された。最後に、使用するセル型炭素と比べて同等
のまたはより大きな表面積を含む炭素を試験することが所望された。これらの考慮事項を
できるだけシンプルに容易にするため、市販のカーボンブラック(Cabot Vulc
an XC72R)サンプルおよび市販のグラフェンナノプレートレット(XG Sci
ence X-GNP-C-750)サンプルを選択した。以下の表1は、これらのサン
プルの特性の概要を示す:
A1およびA2のエポキシ分散体を作製した(後述する手順に従って)後、ナノコンポ
ジット中のセル型炭素サンプルの粒子の形状を、アセトンでのすすぎ洗浄によってS1お
よびS2炭素を抽出することにより調べた後、SEM解析を行なった。S1炭素のSEM
解析では、図13にみられるもののような湾曲寸断体が示された。欠陥性または変質した
セル構造体の方がインタクトなセル構造体より優位を占めていた。他方、S2炭素のSE
M解析では、一部の場合では寸断を伴う概ねインタクトなセル集団が示された。図22は
、アセトンでのすすぎ洗浄後のS2炭素の顕微鏡写真であり、優位を占めていたインタク
トなセル構造体が右側に観察され得、一方、少数派の変質したセル構造体の一例が左側に
観察され得る。S1炭素の寸断型の性質およびS2炭素の概ねインタクトな性質は、無定
形炭素の格子が結晶性炭素の格子より延性であるという理論的予測と整合する。XC72
RおよびX-GNP-C-750の粒子の形状は分散によって変わらないと推測し、それ
ぞれ文献および製造業者のデータシートから導いた。
ジット中のセル型炭素サンプルの粒子の形状を、アセトンでのすすぎ洗浄によってS1お
よびS2炭素を抽出することにより調べた後、SEM解析を行なった。S1炭素のSEM
解析では、図13にみられるもののような湾曲寸断体が示された。欠陥性または変質した
セル構造体の方がインタクトなセル構造体より優位を占めていた。他方、S2炭素のSE
M解析では、一部の場合では寸断を伴う概ねインタクトなセル集団が示された。図22は
、アセトンでのすすぎ洗浄後のS2炭素の顕微鏡写真であり、優位を占めていたインタク
トなセル構造体が右側に観察され得、一方、少数派の変質したセル構造体の一例が左側に
観察され得る。S1炭素の寸断型の性質およびS2炭素の概ねインタクトな性質は、無定
形炭素の格子が結晶性炭素の格子より延性であるという理論的予測と整合する。XC72
RおよびX-GNP-C-750の粒子の形状は分散によって変わらないと推測し、それ
ぞれ文献および製造業者のデータシートから導いた。
サンプルの表面酸化を、TGAを用いて測定される元の質量から600℃において保持
されていた質量を引き算することにより推定した。図18に示すようなXC72Rおよび
X-GNP-C-750での質量損失は、文献に報告されたXC72Rの酸素データ(0
.3%)および製造業者のデータシートに報告されたX-GNP-C-750の酸素デー
タ(6%より大きい)と合理的に一致する。
されていた質量を引き算することにより推定した。図18に示すようなXC72Rおよび
X-GNP-C-750での質量損失は、文献に報告されたXC72Rの酸素データ(0
.3%)および製造業者のデータシートに報告されたX-GNP-C-750の酸素デー
タ(6%より大きい)と合理的に一致する。
S1およびS2炭素サンプルの結晶性構造体を、図17に示すようにラマンスペクトル
を用いて特性評価した。格子核の沈み込みおよび消滅(quenching)を伴うCV
D炭素成長の構造上の効果のため、S1などのセル型炭素のラマンスペクトルは、セル壁
のより結晶性の外側層に関するスペクトルシグナルとより欠陥性の(格子がより小さいた
め)内側層に関するスペクトルシグナルの複合材を反映する。この無定形の背景はともか
く、S1のスペクトルは外側層内の結晶性炭素の存在を示し、したがって結晶性と表示す
る。S2では、外側層内に大きな格子の出現にもかかわらず、この大きな格子が面内欠陥
を含むため、結晶性のシグナルは観察されない。XC-72Rのラマンスペクトルは示し
ていないが、予測どおり無定形炭素を反映していた。また、X-GNP-C-750のラ
マンスペクトルも示していないが、データシートでみることができ、比較的結晶性の格子
構造が確認される。しかしながら、分光計の製造業者によって提供された特性評価のガイ
ドには、結晶性構造体は、大きなナノプレートレットと小さなナノプレートレットの両方
が存在するためラマンによって確認することは困難であると示されている[18]。
を用いて特性評価した。格子核の沈み込みおよび消滅(quenching)を伴うCV
D炭素成長の構造上の効果のため、S1などのセル型炭素のラマンスペクトルは、セル壁
のより結晶性の外側層に関するスペクトルシグナルとより欠陥性の(格子がより小さいた
め)内側層に関するスペクトルシグナルの複合材を反映する。この無定形の背景はともか
く、S1のスペクトルは外側層内の結晶性炭素の存在を示し、したがって結晶性と表示す
る。S2では、外側層内に大きな格子の出現にもかかわらず、この大きな格子が面内欠陥
を含むため、結晶性のシグナルは観察されない。XC-72Rのラマンスペクトルは示し
ていないが、予測どおり無定形炭素を反映していた。また、X-GNP-C-750のラ
マンスペクトルも示していないが、データシートでみることができ、比較的結晶性の格子
構造が確認される。しかしながら、分光計の製造業者によって提供された特性評価のガイ
ドには、結晶性構造体は、大きなナノプレートレットと小さなナノプレートレットの両方
が存在するためラマンによって確認することは困難であると示されている[18]。
サンプルの比表面積をBET解析を用いて調べた。X-GNP-C-750について製
造業者によって示された表面積は750m2/gであるが、特性評価のガイドは、これが
、小さくて(<100nm)高表面積のナノプレートレットと大きくて(1~2μm)低
表面積のナノプレートレットの混合物で得られた平均値であると説明されている。したが
って、ナノコンポジットでは、実際には、有意に異なる表面積を有する2つのナノプレー
トレットフィラー相が存在している。
造業者によって示された表面積は750m2/gであるが、特性評価のガイドは、これが
、小さくて(<100nm)高表面積のナノプレートレットと大きくて(1~2μm)低
表面積のナノプレートレットの混合物で得られた平均値であると説明されている。したが
って、ナノコンポジットでは、実際には、有意に異なる表面積を有する2つのナノプレー
トレットフィラー相が存在している。
このような炭素サンプルを使用し、各ナノコンポジットサンプルA1~A4についてマ
スターバッチを、Momentive Epon 828(“828”)とHuntsm
an Araldite LY1556(“1556”)の二官能性エポキシ樹脂の1:
1の容量比のプリブレンド中1.33重量%の炭素で調製した。炭素を、高剪断ローター
ステーター混合器を15,000rpmで用いて90分間分散させ、4つのマスターバッ
チサンプルを得た。
スターバッチを、Momentive Epon 828(“828”)とHuntsm
an Araldite LY1556(“1556”)の二官能性エポキシ樹脂の1:
1の容量比のプリブレンド中1.33重量%の炭素で調製した。炭素を、高剪断ローター
ステーター混合器を15,000rpmで用いて90分間分散させ、4つのマスターバッ
チサンプルを得た。
次いで、成分Aの樹脂の分散体を作製するため、各マスターバッチサンプルを828/
1556プリブレンドと混合して希釈した。炭素を成分A分散体中に、硬化剤の添加後の
ナノコンポジットの最終炭素重量分率が0.3%となるように負荷した(表1参照)。混
合中のマスターバッチおよび828/1556プリブレンドの温度は60℃であった。混
合は、シンキー製ダブルプラネタリーミキサー内で3分間、2,000rpmおよび封入
空気を除去するための25kPaの真空にて行なった。
1556プリブレンドと混合して希釈した。炭素を成分A分散体中に、硬化剤の添加後の
ナノコンポジットの最終炭素重量分率が0.3%となるように負荷した(表1参照)。混
合中のマスターバッチおよび828/1556プリブレンドの温度は60℃であった。混
合は、シンキー製ダブルプラネタリーミキサー内で3分間、2,000rpmおよび封入
空気を除去するための25kPaの真空にて行なった。
次いで、得られた各成分Aサンプルを成分B(Aradur 34055エポキシ硬化
剤または“34055”)と、二工程混合プロセスでブレンドした。ブレンド中、A成分
およびB成分はどちらも35℃であった。第1工程では、成分Bを成分Aに、1,100
rpmでのCowlesブレード混合下で1.5分間添加した。この後、ダブルプラネタ
リーミキサーを用いた第2混合工程を3分間、2,000rpmおよび封入空気を除去す
るための25kPaの真空にて行なった。
剤または“34055”)と、二工程混合プロセスでブレンドした。ブレンド中、A成分
およびB成分はどちらも35℃であった。第1工程では、成分Bを成分Aに、1,100
rpmでのCowlesブレード混合下で1.5分間添加した。この後、ダブルプラネタ
リーミキサーを用いた第2混合工程を3分間、2,000rpmおよび封入空気を除去す
るための25kPaの真空にて行なった。
次いで、得られた各A+B混合物(40℃+/-5℃の)を、離型剤で前処理しておい
た長方形の彫込み金型内に注出した。これらを室温で20分間ゲル化させ、次いで60℃
の硬化炉内に移した。次いでサンプルを60℃で2時間硬化させた後、速やかに金型から
離型し、60℃でさらに2時間硬化させた。次いで硬化炉を80℃まで15分間かけて直
線的漸増的に昇温させた。サンプルを80℃でさらに6時間硬化させ、次いで室温まで冷
却させた。
た長方形の彫込み金型内に注出した。これらを室温で20分間ゲル化させ、次いで60℃
の硬化炉内に移した。次いでサンプルを60℃で2時間硬化させた後、速やかに金型から
離型し、60℃でさらに2時間硬化させた。次いで硬化炉を80℃まで15分間かけて直
線的漸増的に昇温させた。サンプルを80℃でさらに6時間硬化させ、次いで室温まで冷
却させた。
炭素なしのエポキシサンプルA0では、828/1556プリブレンドを35℃まで加
熱した。次いで、34055硬化剤を1,100rpmでのCowlesブレード混合下
で1.5分間添加した。次いで、この混合物をダブルプラネタリーミキサー内で3分間、
2,000rpmおよび封入空気を除去するための25kPaの真空にてブレンドした。
次いで、得られた混合物を、前処理済みの同じ金型内に注出し、ナノコンポジットサンプ
ルA1~A4と同じゲル化/硬化サイクルに供した。以下の表2は、サンプルA0-A5
に対して使用した重量比を示す:
熱した。次いで、34055硬化剤を1,100rpmでのCowlesブレード混合下
で1.5分間添加した。次いで、この混合物をダブルプラネタリーミキサー内で3分間、
2,000rpmおよび封入空気を除去するための25kPaの真空にてブレンドした。
次いで、得られた混合物を、前処理済みの同じ金型内に注出し、ナノコンポジットサンプ
ルA1~A4と同じゲル化/硬化サイクルに供した。以下の表2は、サンプルA0-A5
に対して使用した重量比を示す:
サンプルA0~A4の各々を、ASTM D 5045による破壊靱性(KIc)につ
いて、3点曲げ(SENB)試験片を用いて試験した。試験片と作成するため、鉛直横ス
リットをエポキシブロックの中心に機械加工した。次いで、カミソリの刃をこのスリット
内に挿入し、機械加工したスリットの底面に亀裂が発生するまでハンマーでコツコツ叩い
た。試験片の寸法はW=19.05mm、L=83.82mm、B=7.5mm~8.5
mmであった。横スリットは4mmの深さを有しており、発生した亀裂は3.6mm~7
.4mmの長さであり、“a”値は7.6~11.4mmおよび“a/W”値は0.4~
0.6となった。試験片は、Wyoming Test Fixtures製のSENB
3点曲げ試験冶具および1001b(445N)のロードセルを有する油圧万能試験シ
ステムで機械的に試験した。万能試験システムは10mm/分の一定のクロスヘッド速度
で操作した。データを、Windows PCに接続したNational Instr
uments USB-6341データ収集システムを用いて記録した。試験片の寸法は
ミツトヨ製のデジタルキャリパーを用いて測定した。
いて、3点曲げ(SENB)試験片を用いて試験した。試験片と作成するため、鉛直横ス
リットをエポキシブロックの中心に機械加工した。次いで、カミソリの刃をこのスリット
内に挿入し、機械加工したスリットの底面に亀裂が発生するまでハンマーでコツコツ叩い
た。試験片の寸法はW=19.05mm、L=83.82mm、B=7.5mm~8.5
mmであった。横スリットは4mmの深さを有しており、発生した亀裂は3.6mm~7
.4mmの長さであり、“a”値は7.6~11.4mmおよび“a/W”値は0.4~
0.6となった。試験片は、Wyoming Test Fixtures製のSENB
3点曲げ試験冶具および1001b(445N)のロードセルを有する油圧万能試験シ
ステムで機械的に試験した。万能試験システムは10mm/分の一定のクロスヘッド速度
で操作した。データを、Windows PCに接続したNational Instr
uments USB-6341データ収集システムを用いて記録した。試験片の寸法は
ミツトヨ製のデジタルキャリパーを用いて測定した。
この結果は、同じ荷重負荷、さらなる分散剤は全くなし、および全く同じ混合プロトコ
ルを用いたブレンドにおいて、S1およびS2のセル型形態構造ではグラフェンナノプレ
ートレットおよびカーボンブラックよりエポキシの靱性が有意に大きく改善されたことを
示す。この結果は、本明細書に記載のモデル配合物の元素的性質にもかかわらず得られ、
低負荷量および表面加工が全くなしであっても、セル型炭素およびその誘導体は脆性の熱
硬化性樹脂、例えばエポキシに対して有意な強化効果をもたらし得ることが示唆される。
これは、その特有の形態構造によるものであり得る
A1とA2の両方の破面のフラクトグラフィー解析は、図23に示したものなどの多セ
ル型組織の存在を示す。個々のサブユニットはサブミクロンであるが、組織はサイズが3
μm~20μmの範囲である。密な塊状体とは反対に、セル型炭素の組織は、セルの含浸
のため、容積のほとんどがマトリックス材料である。
ルを用いたブレンドにおいて、S1およびS2のセル型形態構造ではグラフェンナノプレ
ートレットおよびカーボンブラックよりエポキシの靱性が有意に大きく改善されたことを
示す。この結果は、本明細書に記載のモデル配合物の元素的性質にもかかわらず得られ、
低負荷量および表面加工が全くなしであっても、セル型炭素およびその誘導体は脆性の熱
硬化性樹脂、例えばエポキシに対して有意な強化効果をもたらし得ることが示唆される。
これは、その特有の形態構造によるものであり得る
A1とA2の両方の破面のフラクトグラフィー解析は、図23に示したものなどの多セ
ル型組織の存在を示す。個々のサブユニットはサブミクロンであるが、組織はサイズが3
μm~20μmの範囲である。密な塊状体とは反対に、セル型炭素の組織は、セルの含浸
のため、容積のほとんどがマトリックス材料である。
含浸は、ナノコンポジットの平面状断面を作成し、空隙を探すことにより示され得る。
図24は、A2型サンプルをクライオイオンレーザーを用いてミリングすることによって
得た代表的な断面のSEM顕微鏡写真である。ミリングされた表面は平滑であり、フレー
ムの中心に図8の形状のセルの存在が推断され得る。実験Aに記載のナノコンポジットの
ミリングされた表面の解析から、未含浸のキャビティはないことが明白であり、その断面
は、ミリングされた表面内の穴として観察可能であり得よう。変質セル構造体の開放性な
らびに最終のナノコンポジットを調製する連続工程で液状樹脂ナノコンポジットが広範に
力強くブレンドされることを仮定すると、充分な含浸が期待される。
図24は、A2型サンプルをクライオイオンレーザーを用いてミリングすることによって
得た代表的な断面のSEM顕微鏡写真である。ミリングされた表面は平滑であり、フレー
ムの中心に図8の形状のセルの存在が推断され得る。実験Aに記載のナノコンポジットの
ミリングされた表面の解析から、未含浸のキャビティはないことが明白であり、その断面
は、ミリングされた表面内の穴として観察可能であり得よう。変質セル構造体の開放性な
らびに最終のナノコンポジットを調製する連続工程で液状樹脂ナノコンポジットが広範に
力強くブレンドされることを仮定すると、充分な含浸が期待される。
だが、興味深いことに、大部分がインタクトであるセル型構造体が組み込まれたナノコ
ンポジット、例えばA2のクライオイオンミリングされた表面のSEM解析は、図24に
観察され得るような、セルの内部と外部間の相の違いの存在を示す。実際、セル型の断面
の輪郭は、周囲のエポキシマトリックスとは異なって熱的に不安定であり、かつクライオ
イオンレーザーに曝露された場合に明白に液状化される架橋または可塑化が不充分なエポ
キシの識別可能な内部相の斑点の出現のため、図24においてのみ、識別することができ
る。
ンポジット、例えばA2のクライオイオンミリングされた表面のSEM解析は、図24に
観察され得るような、セルの内部と外部間の相の違いの存在を示す。実際、セル型の断面
の輪郭は、周囲のエポキシマトリックスとは異なって熱的に不安定であり、かつクライオ
イオンレーザーに曝露された場合に明白に液状化される架橋または可塑化が不充分なエポ
キシの識別可能な内部相の斑点の出現のため、図24においてのみ、識別することができ
る。
かかる相の存在は、おそらく、概ねインタクトなS2セルの封入度合ならびに実験Aに
記載の二成分エポキシ系の比較的短いポットライフに関連している。2つの反応性成分を
一緒に混合する前に、炭素は、おそらく、樹脂マトリックスによって浸透されて湿潤する
時間を有する。しかしながら、2つの反応性成分のブレンド時間は、硬化反応の急速な開
始によって制約を受ける。ポットライフが短いポリマー系によってもたらされるブレンド
の制約を考慮すると、浸透流と滲出流にとってセルの内部と外部で完全な平衡を得るため
に必要とされる時間が不充分なのかもしれない。換言すると、セルの膜が、セル内部の物
質がセル外部の混合物と速やかに平衡化することを妨げる障壁を強くしている。さらに、
剪断の混合効果および周囲の流体における乱流からの隔離により、セルの膜において局所
的で非同時的な架橋が生じることがあり得よう。例えば、外側のマトリックスとの流体交
換が起こるセル壁開口の単なる内部だけの架橋は、キャビティのより深い内部の領域と比
べて、より急速に開始され得よう。このような壁開口における早期の硬化開始は、物質移
動が必要とされる箇所にボトルネックが精密に生じることによって平衡をさらに抑制し得
る。また、非同時的硬化は、セルキャビティ内のいろいろな領域でのポリマーの明白な相
分離に寄与することがあり得る。図24などの画像のすべてにみられ得るかかる明確な相
の一例は、セル壁の内壁をハグする斑点領域である。これは、キャビティのバルク内部で
架橋および固化が起こる際の未架橋の液状樹脂の周縁化(peripheralizat
ion)のために起こり得る。あるいはまた、セル型炭素粉末の調製にアセトンなどの溶
媒が使用される場合、これは、不充分な乾燥プロセスではセル内部から完全に除去され得
ない。おそらく非常に複雑であるこのような内部相の形成の背後にある真の機構に関係な
く、理論に拘束されることは本開示の目的ではない。
記載の二成分エポキシ系の比較的短いポットライフに関連している。2つの反応性成分を
一緒に混合する前に、炭素は、おそらく、樹脂マトリックスによって浸透されて湿潤する
時間を有する。しかしながら、2つの反応性成分のブレンド時間は、硬化反応の急速な開
始によって制約を受ける。ポットライフが短いポリマー系によってもたらされるブレンド
の制約を考慮すると、浸透流と滲出流にとってセルの内部と外部で完全な平衡を得るため
に必要とされる時間が不充分なのかもしれない。換言すると、セルの膜が、セル内部の物
質がセル外部の混合物と速やかに平衡化することを妨げる障壁を強くしている。さらに、
剪断の混合効果および周囲の流体における乱流からの隔離により、セルの膜において局所
的で非同時的な架橋が生じることがあり得よう。例えば、外側のマトリックスとの流体交
換が起こるセル壁開口の単なる内部だけの架橋は、キャビティのより深い内部の領域と比
べて、より急速に開始され得よう。このような壁開口における早期の硬化開始は、物質移
動が必要とされる箇所にボトルネックが精密に生じることによって平衡をさらに抑制し得
る。また、非同時的硬化は、セルキャビティ内のいろいろな領域でのポリマーの明白な相
分離に寄与することがあり得る。図24などの画像のすべてにみられ得るかかる明確な相
の一例は、セル壁の内壁をハグする斑点領域である。これは、キャビティのバルク内部で
架橋および固化が起こる際の未架橋の液状樹脂の周縁化(peripheralizat
ion)のために起こり得る。あるいはまた、セル型炭素粉末の調製にアセトンなどの溶
媒が使用される場合、これは、不充分な乾燥プロセスではセル内部から完全に除去され得
ない。おそらく非常に複雑であるこのような内部相の形成の背後にある真の機構に関係な
く、理論に拘束されることは本開示の目的ではない。
炭素セル内に含まれた低架橋密度の二次的な封入ポリマー相の存在は特有であり、文献
には充分に報告されていない。かかる複雑な構造は、内部ポリマー相の可塑性と壁内の炭
素格子の潤滑性を併せ持つため、熱硬化性ポリマーの機械的特性、特にその靱性および伸
長能を改善するために潜在的に有益であり得る。例えば、シリコンコアが封入されたセル
型炭素殻は、リチウム化および脱リチウム化の際、引張応力に応答した炭素格子の互いに
対する摺動能のため、内部のシリコンの200%を超える容積測定的拡張および収縮に対
応し得る[19]。機械的に同様の「伸縮自在の(telescopic)」プルアウト
効果が、ナノチューブ/マトリックス界面が機械的ストレスを最外チューブラー格子に移
行させるのに充分強い場合、多壁カーボンナノチューブにおいて起こることが知られてい
る[20~21]。セルの最外格子と外部ポリマー相間の充分なストレス移行を、セルの
最内格子と可塑化内部ポリマー相間の充分なストレス移行とともに考慮すると、複雑な局
所ストレスに応答して等方的に伸長または収縮し得る複合材フィラーが形成され得よう。
最良の効果を得るため、セル型炭素は、外部マトリックスおよび内部ポリマーとのより良
好な結合のために化学的に官能性付与されることが必要な場合があり得る。
には充分に報告されていない。かかる複雑な構造は、内部ポリマー相の可塑性と壁内の炭
素格子の潤滑性を併せ持つため、熱硬化性ポリマーの機械的特性、特にその靱性および伸
長能を改善するために潜在的に有益であり得る。例えば、シリコンコアが封入されたセル
型炭素殻は、リチウム化および脱リチウム化の際、引張応力に応答した炭素格子の互いに
対する摺動能のため、内部のシリコンの200%を超える容積測定的拡張および収縮に対
応し得る[19]。機械的に同様の「伸縮自在の(telescopic)」プルアウト
効果が、ナノチューブ/マトリックス界面が機械的ストレスを最外チューブラー格子に移
行させるのに充分強い場合、多壁カーボンナノチューブにおいて起こることが知られてい
る[20~21]。セルの最外格子と外部ポリマー相間の充分なストレス移行を、セルの
最内格子と可塑化内部ポリマー相間の充分なストレス移行とともに考慮すると、複雑な局
所ストレスに応答して等方的に伸長または収縮し得る複合材フィラーが形成され得よう。
最良の効果を得るため、セル型炭素は、外部マトリックスおよび内部ポリマーとのより良
好な結合のために化学的に官能性付与されることが必要な場合があり得る。
実験B
エポキシの強化に加えて、低次元炭素ナノ構造体は、引張特性、例えば最大引張強度お
よび引張弾性率を改善し得る。セル型炭素ナノ構造体は特に、外在的炭素表面とポリマー
マトリックス間の界面がマトリックスから炭素へのストレス移行を可能にするのに充分強
ければ、ポリマーに対して引張強化をもたらすはずである。しかしながら、界面が不充分
である場合、セル型炭素ナノ構造体はナノプレートレットおよびナノチューブよりも悪い
性能を示し、実にポリマー単独より悪い性能を示すことが予測され得る。これはセルの3
次元性のためである。例えば、ナノプレートレットのマトリックスとの結合が不充分であ
り、そのため界面が引張応力下で破壊する場合、ポリマーが炭素から剥離して2D亀裂が
形成され得る。他方、10μmの多セル型組織のマトリックスとの結合が不充分であり、
そのため界面が引張応力下で破壊し、ポリマーがクラスターから剥離する場合、クラスタ
ーのサイズおよび形状に跡を残す(track)不連続部がポリマー内に形成される。こ
の効果は、換言すると、10μmの3次元的不連続部、本質的には、炭素クラスターは存
在しているが強化または連結性をもたらさない空隙をマトリックス内に導入する。サンプ
ルに炭素組織がより多く装填されるほど、より多くの不連続部が導入され、引張特性が進
行的に劣化することになる。
エポキシの強化に加えて、低次元炭素ナノ構造体は、引張特性、例えば最大引張強度お
よび引張弾性率を改善し得る。セル型炭素ナノ構造体は特に、外在的炭素表面とポリマー
マトリックス間の界面がマトリックスから炭素へのストレス移行を可能にするのに充分強
ければ、ポリマーに対して引張強化をもたらすはずである。しかしながら、界面が不充分
である場合、セル型炭素ナノ構造体はナノプレートレットおよびナノチューブよりも悪い
性能を示し、実にポリマー単独より悪い性能を示すことが予測され得る。これはセルの3
次元性のためである。例えば、ナノプレートレットのマトリックスとの結合が不充分であ
り、そのため界面が引張応力下で破壊する場合、ポリマーが炭素から剥離して2D亀裂が
形成され得る。他方、10μmの多セル型組織のマトリックスとの結合が不充分であり、
そのため界面が引張応力下で破壊し、ポリマーがクラスターから剥離する場合、クラスタ
ーのサイズおよび形状に跡を残す(track)不連続部がポリマー内に形成される。こ
の効果は、換言すると、10μmの3次元的不連続部、本質的には、炭素クラスターは存
在しているが強化または連結性をもたらさない空隙をマトリックス内に導入する。サンプ
ルに炭素組織がより多く装填されるほど、より多くの不連続部が導入され、引張特性が進
行的に劣化することになる。
この懸念を緩和するため、セル型炭素が化学的に官能性付与されたナノコンポジットを
試験することが所望された。ナノコンポジットサンプルを作製するためにS4およびS5
セル型炭素を選択した。多官能性(>2)エポキシ系を選択し、セル型炭素が改善され得
るかを、自動車、航空宇宙産業ならびにポリマーの耐用年数を通してより大きな寸法安定
性およびガラス転移温度が必要とされる他の厳しい用途において一般的に使用される高架
橋密度を有する系において調べた。
試験することが所望された。ナノコンポジットサンプルを作製するためにS4およびS5
セル型炭素を選択した。多官能性(>2)エポキシ系を選択し、セル型炭素が改善され得
るかを、自動車、航空宇宙産業ならびにポリマーの耐用年数を通してより大きな寸法安定
性およびガラス転移温度が必要とされる他の厳しい用途において一般的に使用される高架
橋密度を有する系において調べた。
S4およびS5炭素サンプルを使用し、2つのマスターバッチを、エポキシ樹脂プリブ
レンド中1.33重量%の炭素で調製した。プリブレンドは35重量%濃度の二官能性M
omentive Epon 828(“828”)樹脂、35重量%濃度の二官能性M
omentive Epon 862(“862”)、および30重量%濃度の四官能性
Huntsman Araldite LY9721(“9721”)で構成されたもの
であった。炭素を、高剪断ローターステーター混合器を15,000rpmで用いて90
分間分散させ、2つのマスターバッチサンプルを得た。
レンド中1.33重量%の炭素で調製した。プリブレンドは35重量%濃度の二官能性M
omentive Epon 828(“828”)樹脂、35重量%濃度の二官能性M
omentive Epon 862(“862”)、および30重量%濃度の四官能性
Huntsman Araldite LY9721(“9721”)で構成されたもの
であった。炭素を、高剪断ローターステーター混合器を15,000rpmで用いて90
分間分散させ、2つのマスターバッチサンプルを得た。
次いで、成分Aの樹脂の分散体を作製するため、各マスターバッチサンプルを828/
862/1556プリブレンドと混合して希釈した。炭素を成分A分散体中に、硬化剤の
添加後のナノコンポジットの最終炭素重量分率が、B1およびB2で、それぞれ0.5%
および0.3%となるように負荷した(表4参照)。混合中のマスターバッチおよび82
8/862/9721プリブレンドの温度は70℃であった。混合は、シンキー製ダブル
プラネタリーミキサー内で3分間、2,000rpmおよび封入空気を除去するための2
5kPaの真空にて行なった。
862/1556プリブレンドと混合して希釈した。炭素を成分A分散体中に、硬化剤の
添加後のナノコンポジットの最終炭素重量分率が、B1およびB2で、それぞれ0.5%
および0.3%となるように負荷した(表4参照)。混合中のマスターバッチおよび82
8/862/9721プリブレンドの温度は70℃であった。混合は、シンキー製ダブル
プラネタリーミキサー内で3分間、2,000rpmおよび封入空気を除去するための2
5kPaの真空にて行なった。
次いで、得られた各成分Aサンプルを成分B(Aradur 3473エポキシ硬化剤
または“3473”)と、二工程混合プロセスでブレンドした。第1工程では、室温(2
5℃)成分Bを成分A(およそ60℃)に、1,100rpmでのCowlesブレード
混合下で1.5分間添加した。この後、ダブルプラネタリーミキサーを用いた第2混合工
程を3分間、2,000rpmおよび封入空気を除去するための25kPaの真空にて行
なった。次いで、得られた各A+B混合物(45℃+/-5℃の)を、離型剤で前処理し
て60℃に予熱しておいた長方形の金型内に注出した。次いでサンプルを120℃で2時
間、160℃で2時間、200℃で2時間、最後に220℃で4時間硬化させた。次いで
サンプルを室温まで冷却させた。冷却されたら、サンプルを金型から離型し、CNCミル
を用いて引張試験片にカットした。
または“3473”)と、二工程混合プロセスでブレンドした。第1工程では、室温(2
5℃)成分Bを成分A(およそ60℃)に、1,100rpmでのCowlesブレード
混合下で1.5分間添加した。この後、ダブルプラネタリーミキサーを用いた第2混合工
程を3分間、2,000rpmおよび封入空気を除去するための25kPaの真空にて行
なった。次いで、得られた各A+B混合物(45℃+/-5℃の)を、離型剤で前処理し
て60℃に予熱しておいた長方形の金型内に注出した。次いでサンプルを120℃で2時
間、160℃で2時間、200℃で2時間、最後に220℃で4時間硬化させた。次いで
サンプルを室温まで冷却させた。冷却されたら、サンプルを金型から離型し、CNCミル
を用いて引張試験片にカットした。
炭素なしの対照サンプルB0では、828/862/9721プリブレンドを60℃ま
で加熱した。次いで、3473硬化剤(25℃)を1,100rpmでのCowlesブ
レード混合下で1.5分間添加した。次いで、この混合物をダブルプラネタリーミキサー
内で3分間、2,000rpmおよび封入空気を除去するための25kPaの真空にてブ
レンドした。次いで、得られた混合物を、前処理して予熱された同じ金型内に注出し、ナ
ノコンポジットサンプルB1およびB2と同じ硬化サイクルに供した。
で加熱した。次いで、3473硬化剤(25℃)を1,100rpmでのCowlesブ
レード混合下で1.5分間添加した。次いで、この混合物をダブルプラネタリーミキサー
内で3分間、2,000rpmおよび封入空気を除去するための25kPaの真空にてブ
レンドした。次いで、得られた混合物を、前処理して予熱された同じ金型内に注出し、ナ
ノコンポジットサンプルB1およびB2と同じ硬化サイクルに供した。
引張試験を、ASTM D638に従い、Type IVの試験片寸法を用いて行なっ
た。引張試験片は、Epsilon 3542伸び計および5001b(2224N)の
ロードセルを有する油圧万能試験システムで機械的に試験した。万能試験システムは5m
m/分の一定のクロスヘッド速度で操作した。データを、Windows PCに接続し
たNational Instruments USB-6341データ収集システムを
用いて記録した。試験片の寸法はミツトヨ製のデジタルキャリパーを用いて測定した。
た。引張試験片は、Epsilon 3542伸び計および5001b(2224N)の
ロードセルを有する油圧万能試験システムで機械的に試験した。万能試験システムは5m
m/分の一定のクロスヘッド速度で操作した。データを、Windows PCに接続し
たNational Instruments USB-6341データ収集システムを
用いて記録した。試験片の寸法はミツトヨ製のデジタルキャリパーを用いて測定した。
官能性付与されたセル型炭素サンプルの各々について、3つの引張特性はすべて、多官
能性エポキシベースラインと比べて改善された。これは、低次元炭素で強化されたポリマ
ー系ナノコンポジットは一般的に破断伸びの有意な低下を示すため、特に注目に値する。
表面化学、ブレンド手順、負荷レベルおよび他の要素の最適化によって本明細書に開示し
たモデルナノコンポジット系における引張データがさらに改善されるであろうことが期待
される。
能性エポキシベースラインと比べて改善された。これは、低次元炭素で強化されたポリマ
ー系ナノコンポジットは一般的に破断伸びの有意な低下を示すため、特に注目に値する。
表面化学、ブレンド手順、負荷レベルおよび他の要素の最適化によって本明細書に開示し
たモデルナノコンポジット系における引張データがさらに改善されるであろうことが期待
される。
実験C
セル型炭素構成は、ポリマーの機械的特性の改善のために好都合であり得、また、多セ
ル型の浸透性網目が生じるため、低重量分率で電気伝導率も向上させ得る。二成分エポキ
シ配合物を用いてモデル系を作製した。全部で9つのナノコンポジットサンプル(C1~
C9)を、S1セル型炭素、Cabot Vulcan XC72RおよびXG Sci
ence X-GNP-C-750を用いていろいろな炭素負荷レベルで作製し、シート
抵抗について試験した。
セル型炭素構成は、ポリマーの機械的特性の改善のために好都合であり得、また、多セ
ル型の浸透性網目が生じるため、低重量分率で電気伝導率も向上させ得る。二成分エポキ
シ配合物を用いてモデル系を作製した。全部で9つのナノコンポジットサンプル(C1~
C9)を、S1セル型炭素、Cabot Vulcan XC72RおよびXG Sci
ence X-GNP-C-750を用いていろいろな炭素負荷レベルで作製し、シート
抵抗について試験した。
第1に、3つのマスターバッチサンプル(各炭素型について1つずつ)を、Epon
828(“828”)およびAraldite LY1556(“1556”)二官能性
エポキシ樹脂の1:1の容量比のプリブレンド中1.33重量%の炭素で調製した。炭素
を、IKA高剪断ローターステーター混合器を15,000rpmで用いて90分間分散
させた。
828(“828”)およびAraldite LY1556(“1556”)二官能性
エポキシ樹脂の1:1の容量比のプリブレンド中1.33重量%の炭素で調製した。炭素
を、IKA高剪断ローターステーター混合器を15,000rpmで用いて90分間分散
させた。
次いで、成分Aの樹脂の3つの分散体を作製するため、各マスターバッチを828/1
556プリブレンドと混合して希釈した。炭素を成分A分散体中に、硬化剤の添加後のナ
ノコンポジットの最終炭素重量分率が、0.3%、0.6%および0.9%重量となるよ
うに負荷した(表1参照)。混合中のマスターバッチおよび828/1556プリブレン
ドの温度は60℃であった。混合は、シンキー製ダブルプラネタリーミキサー内で3分間
、2,000rpmおよび封入空気を除去するための25kPaの真空にて行なった。
556プリブレンドと混合して希釈した。炭素を成分A分散体中に、硬化剤の添加後のナ
ノコンポジットの最終炭素重量分率が、0.3%、0.6%および0.9%重量となるよ
うに負荷した(表1参照)。混合中のマスターバッチおよび828/1556プリブレン
ドの温度は60℃であった。混合は、シンキー製ダブルプラネタリーミキサー内で3分間
、2,000rpmおよび封入空気を除去するための25kPaの真空にて行なった。
次いで、得られた各成分Aサンプルを成分B(Aradur 34055エポキシ硬化
剤または“34055”)と、二工程混合プロセスでブレンドした。ブレンド中、A成分
およびB成分はどちらも35℃であった。第1工程では、成分Bを成分Aに、1,100
rpmでのCowlesブレード混合下で1.5分間添加した。この後、ダブルプラネタ
リーミキサーを用いた第2混合工程を3分間、2,000rpmおよび封入空気を除去す
るための25kPaの真空にて行なった。
剤または“34055”)と、二工程混合プロセスでブレンドした。ブレンド中、A成分
およびB成分はどちらも35℃であった。第1工程では、成分Bを成分Aに、1,100
rpmでのCowlesブレード混合下で1.5分間添加した。この後、ダブルプラネタ
リーミキサーを用いた第2混合工程を3分間、2,000rpmおよび封入空気を除去す
るための25kPaの真空にて行なった。
次いで、得られた各A+B混合物(40℃+/-5℃の)を、離型剤で前処理しておい
た長方形の彫込み金型内に注出した。これらを室温で20分間ゲル化させ、次いで60℃
の硬化炉内に移した。次いでサンプルを60℃で4時間硬化させた。次いで硬化炉を80
℃まで15分間かけて直線的漸増的に昇温させた。サンプルを80℃でさらに6時間硬化
させ、次いで室温まで冷却させ、金型から離型した。
た長方形の彫込み金型内に注出した。これらを室温で20分間ゲル化させ、次いで60℃
の硬化炉内に移した。次いでサンプルを60℃で4時間硬化させた。次いで硬化炉を80
℃まで15分間かけて直線的漸増的に昇温させた。サンプルを80℃でさらに6時間硬化
させ、次いで室温まで冷却させ、金型から離型した。
次いでサンプルの底面(金型と接触している表面)を600グリットのサンドペーパー
で磨き、表面汚れの全くないナノコンポジットを露出させた。次いで導電性銀塗料を、2
つの平行な1cmの長さの線状に互いに1cm空けて塗布し、オーム/平方メートルの測
定のためのブスバーを作製した。銀泥が完全に乾燥したら、試験片を、電気抵抗測定(オ
ーム)用の2端子型ワイヤ式マルチメータ用プローブセットを用いて試験した。試験片は
、各銀ブスバーに1つのプローブを取り付けて試験した。
で磨き、表面汚れの全くないナノコンポジットを露出させた。次いで導電性銀塗料を、2
つの平行な1cmの長さの線状に互いに1cm空けて塗布し、オーム/平方メートルの測
定のためのブスバーを作製した。銀泥が完全に乾燥したら、試験片を、電気抵抗測定(オ
ーム)用の2端子型ワイヤ式マルチメータ用プローブセットを用いて試験した。試験片は
、各銀ブスバーに1つのプローブを取り付けて試験した。
電気伝導率に関して、C1およびC6は静電散逸性材料(すなわち、106~1012
Ω/sq)と分類され得、一方、C2およびC3は導電性材料(すなわち、101~10
6Ω/sq)と分類され得る。Rsを“N.R.”と記載している試験片はすべて、2端
子型ワイヤ式マルチメータ用プローブを用いて導電性の測定値が得られるのに充分導電性
ではなかった。
Ω/sq)と分類され得、一方、C2およびC3は導電性材料(すなわち、101~10
6Ω/sq)と分類され得る。Rsを“N.R.”と記載している試験片はすべて、2端
子型ワイヤ式マルチメータ用プローブを用いて導電性の測定値が得られるのに充分導電性
ではなかった。
全体的な結果は、セル型炭素が、モデル配合物におけるこの単純なブレンドプロセスの
使用でXC72RカーボンブラックおよびXGnP-C-750グラフェンナノプレート
レットの両方より非常に優れた性能を示すことを示す。この性能は、MgOテンプレート
の再利用と併せて、本明細書に開示したものなどの方法を用いてセル型炭素を生産するコ
ストが、理論的にはナノプレートレットまたはナノチューブの製造コストよりずっと低く
なるため、有望である。さらに、S3サンプルは離散型ナノセル粒子で構成されており、
一方、一部のセル型炭素はずっと大きく、ずっと大きいアスペクト比の粒子構造体を有す
る場合があり得る。一例として、繊維状またはシート様の形態構造を有するナノアーキテ
クトカーボンフォームは、そのアスペクト比に基づいて導電性が高くなり得る。
使用でXC72RカーボンブラックおよびXGnP-C-750グラフェンナノプレート
レットの両方より非常に優れた性能を示すことを示す。この性能は、MgOテンプレート
の再利用と併せて、本明細書に開示したものなどの方法を用いてセル型炭素を生産するコ
ストが、理論的にはナノプレートレットまたはナノチューブの製造コストよりずっと低く
なるため、有望である。さらに、S3サンプルは離散型ナノセル粒子で構成されており、
一方、一部のセル型炭素はずっと大きく、ずっと大きいアスペクト比の粒子構造体を有す
る場合があり得る。一例として、繊維状またはシート様の形態構造を有するナノアーキテ
クトカーボンフォームは、そのアスペクト比に基づいて導電性が高くなり得る。
セル型炭素充填型熱硬化性ナノコンポジットの用途は数多くあり得、プリンテッド・エ
レクトロニクス、多機能性塗料、センサー、導電性複合材など、もっとあり得る。向上し
た機械的特性と電気伝導率の多機能的組合せは、一部の用途、例えばピエゾ抵抗式検知能
を有する複合材において有益であり得る。
レクトロニクス、多機能性塗料、センサー、導電性複合材など、もっとあり得る。向上し
た機械的特性と電気伝導率の多機能的組合せは、一部の用途、例えばピエゾ抵抗式検知能
を有する複合材において有益であり得る。
実験D
熱硬化性ポリマーに加えて、熱可塑性樹脂もいくつかの用途、特に導電性被覆材では電
気伝導率の恩恵を被り得る。セル型炭素ナノ構造体が熱可塑性樹脂に導電性を付与する能
力を実証するため、塩素化ポリオレフィン(“CPO”)を用いてモデル系を作製した。
CPOは、自動車用プラスチック、例えばポリカーボネート、ポリエステル、ポリプロピ
レン、ポリウレタン、ポリアミドまたはブレンド用の導電性プライマーとして一般的に使
用されている。このような導電性被覆材は、製造業者が塗料および被覆材を静電的方法に
よってプラスチックパーツに塗布することを可能にし、したがって移行効率が高まる。全
部で3つのナノコンポジットサンプル(D1~D4)を作製し、被覆材として塗布し、シ
ート抵抗について試験した。
熱硬化性ポリマーに加えて、熱可塑性樹脂もいくつかの用途、特に導電性被覆材では電
気伝導率の恩恵を被り得る。セル型炭素ナノ構造体が熱可塑性樹脂に導電性を付与する能
力を実証するため、塩素化ポリオレフィン(“CPO”)を用いてモデル系を作製した。
CPOは、自動車用プラスチック、例えばポリカーボネート、ポリエステル、ポリプロピ
レン、ポリウレタン、ポリアミドまたはブレンド用の導電性プライマーとして一般的に使
用されている。このような導電性被覆材は、製造業者が塗料および被覆材を静電的方法に
よってプラスチックパーツに塗布することを可能にし、したがって移行効率が高まる。全
部で3つのナノコンポジットサンプル(D1~D4)を作製し、被覆材として塗布し、シ
ート抵抗について試験した。
マスターバッチ炭素分散体をまず、0.75グラムのS3炭素を0.75グラムの分散
剤(Byk Chemie,BYK-145)と98.5グラムのトルエンのプリブレン
ドと合わせることにより調製した。トルエンとBYK-145は、マグネチックスターラ
ーバーとマグネチックスターラーを有する120ml容の広口ガラス瓶内で、およそ20
0rpmで10分間、事前にブレンドした。S3粉末をプリブレンドに添加し、30分間
撹拌した。次いで瓶に蓋をしてBranson 3510 Sonication浴内に
1時間入れた後、蓋をあけ、400rpmのマグネチックスターラーに戻した。次いで、
1/2インチの先端を有する超音波プローブを液面から1インチ下に沈めた。プローブは
Sonics Vibra-Cell制御装置に取り付けられ、このプローブで60%の
振幅にて、合計エネルギーの読み値が75キロジュールに達するまで分析した。
剤(Byk Chemie,BYK-145)と98.5グラムのトルエンのプリブレン
ドと合わせることにより調製した。トルエンとBYK-145は、マグネチックスターラ
ーバーとマグネチックスターラーを有する120ml容の広口ガラス瓶内で、およそ20
0rpmで10分間、事前にブレンドした。S3粉末をプリブレンドに添加し、30分間
撹拌した。次いで瓶に蓋をしてBranson 3510 Sonication浴内に
1時間入れた後、蓋をあけ、400rpmのマグネチックスターラーに戻した。次いで、
1/2インチの先端を有する超音波プローブを液面から1インチ下に沈めた。プローブは
Sonics Vibra-Cell制御装置に取り付けられ、このプローブで60%の
振幅にて、合計エネルギーの読み値が75キロジュールに達するまで分析した。
次いでマスターバッチ分散体をCPO溶液と混合し、1%、2%、5%および10%重
量のS3:CPO固体の4つのサンプル(D1~D4)を得た(表3参照)。CPOは、
キシレン中20%のCPOのEastman 730-1である。分散体およびCPO溶
液を、マグネチックスターラーを用いて400rpmで30分間混合し、次いで浴中で1
時間、超音波処理し、次いで、400rpmでさらに15分間、再度磁気撹拌した。
量のS3:CPO固体の4つのサンプル(D1~D4)を得た(表3参照)。CPOは、
キシレン中20%のCPOのEastman 730-1である。分散体およびCPO溶
液を、マグネチックスターラーを用いて400rpmで30分間混合し、次いで浴中で1
時間、超音波処理し、次いで、400rpmでさらに15分間、再度磁気撹拌した。
各被覆材をPET膜(.007”DuPont Melinex 453)にピペット
によって塗布し、種々の厚さの円筒形被覆を形成した。次いで被覆材を60℃で2時間オ
ーブン乾燥させ、室温で一晩放置した後、試験した。サンプルの厚さは、Thwing-
Albert Instrument Company製のModel 89-100の
Thickness Testerを用いて測定した。シート電気抵抗の比較試験では、
各サンプルについて40umの乾燥膜厚(dft)を使用した(結果については表2参照
)。シート抵抗はKeithly 2400 SourceMeter 4端子プローブ
を用いて測定した。
によって塗布し、種々の厚さの円筒形被覆を形成した。次いで被覆材を60℃で2時間オ
ーブン乾燥させ、室温で一晩放置した後、試験した。サンプルの厚さは、Thwing-
Albert Instrument Company製のModel 89-100の
Thickness Testerを用いて測定した。シート電気抵抗の比較試験では、
各サンプルについて40umの乾燥膜厚(dft)を使用した(結果については表2参照
)。シート抵抗はKeithly 2400 SourceMeter 4端子プローブ
を用いて測定した。
実験E
低次元炭素ナノ構造体が研究されている一般的な用途は、電子ディスプレイ用の電気的
に導電性薄膜、自動車のウィンドウ用の防曇膜、およびさまざまな用途でのセンサーであ
る。以下の実施例は、インク中に配合されたこのような新規な炭素構造体が導電性薄膜を
生成する可能性を示す。
低次元炭素ナノ構造体が研究されている一般的な用途は、電子ディスプレイ用の電気的
に導電性薄膜、自動車のウィンドウ用の防曇膜、およびさまざまな用途でのセンサーであ
る。以下の実施例は、インク中に配合されたこのような新規な炭素構造体が導電性薄膜を
生成する可能性を示す。
炭素を分散させるための溶液を、20ml容のガラス製シンチレーションバイアル内で
11グラムのDI水と5.5グラムのエタノール(工業用グレード)を混合することによ
って調製した。次いで、変性ウレア(BYK Chemie GmbH BYK-420
)を添加し、混合物を浴中で1時間、超音波処理した。次いで、0.47グラムのEvo
nik TEGO Dispers 760W、分散用添加剤を添加し、15分間、磁気
撹拌した。
11グラムのDI水と5.5グラムのエタノール(工業用グレード)を混合することによ
って調製した。次いで、変性ウレア(BYK Chemie GmbH BYK-420
)を添加し、混合物を浴中で1時間、超音波処理した。次いで、0.47グラムのEvo
nik TEGO Dispers 760W、分散用添加剤を添加し、15分間、磁気
撹拌した。
次に、0.3グラムのS3炭素をこの混合物に添加した。次いで混合物を30分間、磁
気撹拌した後、浴中で1時間、超音波処理した。バイアルを水/氷浴中に入れた。次いで
、8G混合発生器を有する高剪断IKA浸漬型ミキサー(Ultra-Turrax T
25)を混合物中の1インチの箇所に浸漬させた。次いでサンプルを、20k min.
-1で1時間混合し、混合物が過熱(およそ<60℃)しないようにするために水浴中に
氷を補充した。
気撹拌した後、浴中で1時間、超音波処理した。バイアルを水/氷浴中に入れた。次いで
、8G混合発生器を有する高剪断IKA浸漬型ミキサー(Ultra-Turrax T
25)を混合物中の1インチの箇所に浸漬させた。次いでサンプルを、20k min.
-1で1時間混合し、混合物が過熱(およそ<60℃)しないようにするために水浴中に
氷を補充した。
次に、サンプルを200rpmで磁気撹拌しながら、1/2インチの先端を有する超音
波プローブを表面から1インチ下に浸漬させた。プローブはSonics Vibra-
Cell制御装置に取り付けられ、このプローブで20%の振幅にて、合計エネルギーの
読み値が4.5キロジュールに達するまで分析した。起泡を制御するため、DuPont
Capstone FS-63含フッ素界面活性剤をDI水とエタノールの1:1の溶
液中に含む.05グラムの5%溶液を添加した。超音波処理は、サンプルをおよそ60℃
より下に維持するために水浴に氷を再度添加しながら、合計13.5キロジュールに達す
るまで継続した。
波プローブを表面から1インチ下に浸漬させた。プローブはSonics Vibra-
Cell制御装置に取り付けられ、このプローブで20%の振幅にて、合計エネルギーの
読み値が4.5キロジュールに達するまで分析した。起泡を制御するため、DuPont
Capstone FS-63含フッ素界面活性剤をDI水とエタノールの1:1の溶
液中に含む.05グラムの5%溶液を添加した。超音波処理は、サンプルをおよそ60℃
より下に維持するために水浴に氷を再度添加しながら、合計13.5キロジュールに達す
るまで継続した。
得られたインクをPET膜(.007”DuPont Teijin Melinex
453)にピペットによって塗布し、次いで、Meyer Rod RDS8を用いて
非常に薄い湿潤膜に広げ、この湿潤膜を120℃の炉内に1時間入れて膜を充分に乾燥さ
せた。
453)にピペットによって塗布し、次いで、Meyer Rod RDS8を用いて
非常に薄い湿潤膜に広げ、この湿潤膜を120℃の炉内に1時間入れて膜を充分に乾燥さ
せた。
乾燥膜を翌日試験した。全透過率は、Thermo Scientific Evol
ution 60S UV- Visible Spectrophotometerを
用いて、550nm波長において64.5%であると測定された。裸の基材の透過率の読
み値は88%であり、炭素被覆材の透過率は550nmにおいて73%であることが示さ
れた。シート抵抗は、4端子プローブ(Guardian Industriesモデル
SRM232-1000)を用いて測定した。平均シート抵抗は698オーム/sqであ
ると測定された。
ution 60S UV- Visible Spectrophotometerを
用いて、550nm波長において64.5%であると測定された。裸の基材の透過率の読
み値は88%であり、炭素被覆材の透過率は550nmにおいて73%であることが示さ
れた。シート抵抗は、4端子プローブ(Guardian Industriesモデル
SRM232-1000)を用いて測定した。平均シート抵抗は698オーム/sqであ
ると測定された。
諸実施形態
本明細書に示した方法および材料は多くの潜在的実施形態を有する。任意の適当なサイ
ズ、形態構造および表面化学のテンプレート(例えば、酸化物テンプレート)を用いて形
成されるセル型炭素ナノ構造体が使用され得る。炭素に変換され得る任意の炭素系前駆体
が炭素源として使用され得る。化学気相成長を伴う実施形態では、種々のキャリアガスが
前駆体ガスと組み合わせて使用され得る。種々のガス圧力、温度、流速、反応時間および
反応器型が使用され得る。テンプレート式炭素は、多重CVD反応、例えば抽出後自己触
媒反応を用いて成長させてもよい。セル型炭素ナノ構造体は、共有結合または非共有結合
によって化学的に官能性付与され得、例えば、種々の酸化剤への曝露により生じる酸素基
で官能性付与され得る。本明細書に示していないものも含む、このようなプロセスパラメ
ータの数多くの組合せが、本発明の種々の実施形態において使用され得る。
本明細書に示した方法および材料は多くの潜在的実施形態を有する。任意の適当なサイ
ズ、形態構造および表面化学のテンプレート(例えば、酸化物テンプレート)を用いて形
成されるセル型炭素ナノ構造体が使用され得る。炭素に変換され得る任意の炭素系前駆体
が炭素源として使用され得る。化学気相成長を伴う実施形態では、種々のキャリアガスが
前駆体ガスと組み合わせて使用され得る。種々のガス圧力、温度、流速、反応時間および
反応器型が使用され得る。テンプレート式炭素は、多重CVD反応、例えば抽出後自己触
媒反応を用いて成長させてもよい。セル型炭素ナノ構造体は、共有結合または非共有結合
によって化学的に官能性付与され得、例えば、種々の酸化剤への曝露により生じる酸素基
で官能性付与され得る。本明細書に示していないものも含む、このようなプロセスパラメ
ータの数多くの組合せが、本発明の種々の実施形態において使用され得る。
一実施形態は、液体マトリックス相中の炭素ナノ構造体の分散体を含む。マトリックス
相は、モノマー、樹脂、プレポリマー、ポリマー、硬化剤、触媒および溶媒のうちの1種
類以上を含むものである。炭素ナノ構造体は、セル型構造体、例えばキャビティを有し、
各キャビティは、セル型構造体の1つ以上の壁で実質的に囲まれている。キャビティの大
部分は10nm以上の直径を有する。キャビティの大部分には液体または固体のいずれか
が内包的に含浸されており、その化学組成は外在的マトリックスと同様であっても異なっ
ていてもよい。
相は、モノマー、樹脂、プレポリマー、ポリマー、硬化剤、触媒および溶媒のうちの1種
類以上を含むものである。炭素ナノ構造体は、セル型構造体、例えばキャビティを有し、
各キャビティは、セル型構造体の1つ以上の壁で実質的に囲まれている。キャビティの大
部分は10nm以上の直径を有する。キャビティの大部分には液体または固体のいずれか
が内包的に含浸されており、その化学組成は外在的マトリックスと同様であっても異なっ
ていてもよい。
別の実施形態は、液体マトリックス相中の炭素ナノ構造体のナノコンポジットを含む。
マトリックス相は、モノマー、樹脂、プレポリマー、ポリマー、硬化剤および触媒のうち
の1種類以上を含むものである。炭素ナノ構造体は、セル型構造体、例えばキャビティを
有し、各キャビティは、セル型構造体の1つ以上の壁で実質的に囲まれている。キャビテ
ィの大部分は10nm以上の直径を有する。キャビティの大部分には液体または固体のい
ずれかが内包的に含浸されており、その化学組成は外在的マトリックスと同様であっても
異なっていてもよい。
マトリックス相は、モノマー、樹脂、プレポリマー、ポリマー、硬化剤および触媒のうち
の1種類以上を含むものである。炭素ナノ構造体は、セル型構造体、例えばキャビティを
有し、各キャビティは、セル型構造体の1つ以上の壁で実質的に囲まれている。キャビテ
ィの大部分は10nm以上の直径を有する。キャビティの大部分には液体または固体のい
ずれかが内包的に含浸されており、その化学組成は外在的マトリックスと同様であっても
異なっていてもよい。
1から47まで連続番号を付した以下の実施形態は、本明細書に記載の種々の実施形態
の非網羅的な一覧を示す。
の非網羅的な一覧を示す。
実施形態1:液体マトリックス相と該液体マトリックス相中に分散されたナノ構造化炭
素とを含む分散体であって、該液体マトリックス相は、モノマー、樹脂、プレポリマー、
ポリマー、硬化剤および触媒のうちの1種類以上を含むものであり;該ナノ構造化炭素は
:テンプレートによって形成された構造部を有する1つ以上の壁;1つ以上のキャビティ
を備えたセル型構造体を有しており、各キャビティは:該1つ以上の壁で実質的に囲まれ
ており;該マトリックス相の一部が含浸している分散体。
素とを含む分散体であって、該液体マトリックス相は、モノマー、樹脂、プレポリマー、
ポリマー、硬化剤および触媒のうちの1種類以上を含むものであり;該ナノ構造化炭素は
:テンプレートによって形成された構造部を有する1つ以上の壁;1つ以上のキャビティ
を備えたセル型構造体を有しており、各キャビティは:該1つ以上の壁で実質的に囲まれ
ており;該マトリックス相の一部が含浸している分散体。
実施形態2:該1つ以上の壁の大部分が100nm以下の厚さを有し;該1つ以上のキ
ャビティの大部分が:10nm以上の直径と;線状構造および10:1より小さいアスペ
クト比;非線状構造および10:1より大きいアスペクト比;または非線状構造および1
0:1より小さいアスペクト比のうちの1つとを有し;該セル型構造体の大部分が1mm
以下の直径を有する、実施形態1の分散体。
ャビティの大部分が:10nm以上の直径と;線状構造および10:1より小さいアスペ
クト比;非線状構造および10:1より大きいアスペクト比;または非線状構造および1
0:1より小さいアスペクト比のうちの1つとを有し;該セル型構造体の大部分が1mm
以下の直径を有する、実施形態1の分散体。
実施形態3:該1つ以上の壁の該構造部が、該テンプレートによって形成された該構造
部と異なるように物理的または化学的に改変されている、実施形態1および2のいずれか
1つの分散体。
部と異なるように物理的または化学的に改変されている、実施形態1および2のいずれか
1つの分散体。
実施形態4:該物理的改変が、該1つ以上の壁の該構造部を寸断または変形させるもの
である、実施形態3の分散体。
である、実施形態3の分散体。
実施形態5:該構造部の変形によって該1つ以上のキャビティが実質的に崩壊される、
実施形態4の分散体。
実施形態4の分散体。
実施形態6:該ナノ構造化炭素の一部が単セル粒子を含む、実施形態1~5のいずれか
1つの分散体。
1つの分散体。
実施形態7:該ナノ構造化炭素の一部が多セル粒子を含む、実施形態1~6のいずれか
1つの分散体。
1つの分散体。
実施形態8:該マトリックス相が溶媒をさらに含む、実施形態1~7のいずれか1つの
分散体。
分散体。
実施形態9:該マトリックス相が熱可塑性ポリマーを含む、実施形態1~8のいずれか
1つの分散体。
1つの分散体。
実施形態10:該マトリックス相がエポキシ官能性樹脂を含む、実施形態1~9のいず
れか1つの分散体。
れか1つの分散体。
実施形態11:該マトリックス相が、以下のリスト:アミン、フェノール、チオール、
ルイス酸または酸無水物から選択される1種類以上の硬化剤を含む、実施形態1~10の
いずれか1つの分散体。
ルイス酸または酸無水物から選択される1種類以上の硬化剤を含む、実施形態1~10の
いずれか1つの分散体。
実施形態12:該マトリックス相がポリオレフィンまたは変性ポリオレフィンを含む、
実施形態1~11のいずれか1つの分散体。
実施形態1~11のいずれか1つの分散体。
実施形態13:該マトリックス相がウレアまたは変性ウレアを含む、実施形態1~12
のいずれか1つの分散体。
のいずれか1つの分散体。
実施形態14:該ナノ構造化炭素の一部が0.40以下のラマン2-D/Gピーク強度
比を示す、実施形態1~13のいずれか1つの分散体。
比を示す、実施形態1~13のいずれか1つの分散体。
実施形態15:該ナノ構造化炭素の一部が0.20以下のラマン2-D/Gピーク強度
比を示す、実施形態1~14のいずれか1つの分散体。
比を示す、実施形態1~14のいずれか1つの分散体。
実施形態16:該ナノ構造化炭素の一部がテンプレート指示型化学気相成長によって合
成される、実施形態1~15のいずれか1つの分散体。
成される、実施形態1~15のいずれか1つの分散体。
実施形態17:該テンプレート指示型化学気相成長法が800℃未満の温度で行なわれ
る、実施形態1~16のいずれか1つの分散体。
る、実施形態1~16のいずれか1つの分散体。
実施形態18:該ナノ構造化炭素の一部が化学官能基で官能性付与されている、実施形
態1~17のいずれか1つの分散体。
態1~17のいずれか1つの分散体。
実施形態19:該化学官能基が該ナノ構造化炭素に共有結合している、実施形態18の
分散体。
分散体。
実施形態20:該化学官能基が酸素官能基である、実施形態19の分散体。
実施形態21:該キャビティに、該マトリックスと化学的に相違する成分が少なくとも
部分的に充填されている、実施形態1~20のいずれか1つの分散体。
部分的に充填されている、実施形態1~20のいずれか1つの分散体。
実施形態22:液体マトリックス相と該液体マトリックス相中に分散されたナノ構造化
炭素とを含むインクであって、該液体マトリックス相は、モノマー、樹脂、プレポリマー
、ポリマー、硬化剤、触媒および溶媒のうちの2種類以上を含むものであり;該ナノ構造
化炭素は:テンプレートによって形成された構造部を有する1つ以上の壁;1つ以上のキ
ャビティを備えたセル型構造体を有しており、各キャビティは:該1つ以上の壁で実質的
に囲まれており;該マトリックス相の一部が含浸しているインク。
炭素とを含むインクであって、該液体マトリックス相は、モノマー、樹脂、プレポリマー
、ポリマー、硬化剤、触媒および溶媒のうちの2種類以上を含むものであり;該ナノ構造
化炭素は:テンプレートによって形成された構造部を有する1つ以上の壁;1つ以上のキ
ャビティを備えたセル型構造体を有しており、各キャビティは:該1つ以上の壁で実質的
に囲まれており;該マトリックス相の一部が含浸しているインク。
実施形態23:材料の特性を改良するための添加剤であって:液体マトリックス相と該
液体マトリックス相中に分散されたナノ構造化炭素とを含んでおり、該液体マトリックス
相は、モノマー、樹脂、プレポリマー、ポリマー、硬化剤および触媒のうちの1種類以上
を含むものであり;該ナノ構造化炭素は:テンプレートによって形成された構造部を有す
る1つ以上の壁;1つ以上のキャビティを備えたセル型構造体を有しており、各キャビテ
ィは:該1つ以上の壁で実質的に囲まれており;該マトリックス相の一部が含浸している
添加剤。
液体マトリックス相中に分散されたナノ構造化炭素とを含んでおり、該液体マトリックス
相は、モノマー、樹脂、プレポリマー、ポリマー、硬化剤および触媒のうちの1種類以上
を含むものであり;該ナノ構造化炭素は:テンプレートによって形成された構造部を有す
る1つ以上の壁;1つ以上のキャビティを備えたセル型構造体を有しており、各キャビテ
ィは:該1つ以上の壁で実質的に囲まれており;該マトリックス相の一部が含浸している
添加剤。
実施形態24:該特性が機械的特性または電気的特性である、実施形態23の添加剤。
実施形態25:固体マトリックス相と該固体マトリックス相中に包埋されたナノ構造化
炭素とを含むナノコンポジットであって、該固体マトリックス相は、モノマー、樹脂、プ
レポリマー、ポリマー、硬化剤および触媒のうちの1種類以上を含むものであり;該ナノ
構造化炭素は:テンプレートによって形成された構造部を有する1つ以上の壁;1つ以上
のキャビティを備えたセル型構造体を有しており、各キャビティは:該1つ以上の壁で実
質的に囲まれており;該マトリックス相の一部が含浸しているナノコンポジット。
炭素とを含むナノコンポジットであって、該固体マトリックス相は、モノマー、樹脂、プ
レポリマー、ポリマー、硬化剤および触媒のうちの1種類以上を含むものであり;該ナノ
構造化炭素は:テンプレートによって形成された構造部を有する1つ以上の壁;1つ以上
のキャビティを備えたセル型構造体を有しており、各キャビティは:該1つ以上の壁で実
質的に囲まれており;該マトリックス相の一部が含浸しているナノコンポジット。
実施形態26:該1つ以上の壁の大部分が100nm以下の厚さを有し;該1つ以上の
キャビティの大部分が:10nm以上の直径と;線状構造および10:1より小さいアス
ペクト比;非線状構造および10:1より大きいアスペクト比;または非線状構造および
10:1より小さいアスペクト比のうちの1つとを有し;該セル型構造体の大部分が1m
m以下の直径を有する、実施形態25のナノコンポジット。
キャビティの大部分が:10nm以上の直径と;線状構造および10:1より小さいアス
ペクト比;非線状構造および10:1より大きいアスペクト比;または非線状構造および
10:1より小さいアスペクト比のうちの1つとを有し;該セル型構造体の大部分が1m
m以下の直径を有する、実施形態25のナノコンポジット。
実施形態27:該1つ以上の壁の該構造部が、該テンプレートによって形成された該構
造部と異なるように物理的または化学的に改変されている、実施形態25~26のいずれ
か1つのナノコンポジット。
造部と異なるように物理的または化学的に改変されている、実施形態25~26のいずれ
か1つのナノコンポジット。
実施形態28:該物理的改変が、該1つ以上の壁の該構造部を寸断または変形させるも
のである、実施形態27のナノコンポジット。
のである、実施形態27のナノコンポジット。
実施形態29:該構造部の変形によって該1つ以上のキャビティが実質的に崩壊される
、実施形態28のナノコンポジット。
、実施形態28のナノコンポジット。
実施形態30:該ナノ構造化炭素の一部が単セル粒子を含む、実施形態25~29のい
ずれか1つのナノコンポジット。
ずれか1つのナノコンポジット。
実施形態31:該ナノ構造化炭素の一部が多セル粒子を含む、実施形態25~30のい
ずれか1つのナノコンポジット。
ずれか1つのナノコンポジット。
実施形態32:該ポリマーが熱可塑性ポリマーを含む、実施形態25~31のいずれか
1つのナノコンポジット。
1つのナノコンポジット。
実施形態33:該ポリマーが熱硬化性ポリマーを含む、実施形態25~32のいずれか
1つのナノコンポジット。
1つのナノコンポジット。
実施形態34:該熱硬化性ポリマーが部分硬化型である、実施形態33のナノコンポジ
ット。
ット。
実施形態35:該熱硬化性ポリマーがエポキシを含む、実施形態33~34のいずれか
1つのナノコンポジット。
1つのナノコンポジット。
実施形態36:該エポキシがビスフェノールAのジグリシジルエーテルを含む、実施形
態35のナノコンポジット。
態35のナノコンポジット。
実施形態37:該マトリックス相を含む材料のものより高い最大引張強度、高い引張弾
性率、高い破断伸び、高いGIC臨界歪みエネルギー解放率、高い最大曲げ強度、高い曲
げ弾性率、高い最大圧縮強度、高い圧縮弾性率、高い硬度または高い衝撃強度のうちの少
なくとも1つを示す、実施形態25~36のいずれか1つのナノコンポジット。
性率、高い破断伸び、高いGIC臨界歪みエネルギー解放率、高い最大曲げ強度、高い曲
げ弾性率、高い最大圧縮強度、高い圧縮弾性率、高い硬度または高い衝撃強度のうちの少
なくとも1つを示す、実施形態25~36のいずれか1つのナノコンポジット。
実施形態38:該マトリックス相を含む材料のものより高いKIC破壊靱性を示す、実
施形態25~37のいずれか1つのナノコンポジット。
施形態25~37のいずれか1つのナノコンポジット。
実施形態39:該マトリックス相を含む材料のものより高い電気伝導率を示す、実施形
態25~38のいずれか1つのナノコンポジット。
態25~38のいずれか1つのナノコンポジット。
実施形態40:該ナノ構造化炭素の一部が化学官能基で官能性付与されている、実施形
態25~39のいずれか1つのナノコンポジット。
態25~39のいずれか1つのナノコンポジット。
実施形態41:該化学官能基が該ナノ構造化炭素に共有結合している、実施形態40の
ナノコンポジット。
ナノコンポジット。
実施形態42:該化学官能基が酸素官能基である、実施形態40~41のいずれか1つ
のナノコンポジット。
のナノコンポジット。
実施形態43:該キャビティに、該マトリックスと化学的に相違する成分が少なくとも
部分的に充填されている、実施形態25~42のいずれか1つのナノコンポジット。
部分的に充填されている、実施形態25~42のいずれか1つのナノコンポジット。
実施形態44:繊維強化相をさらに含む、実施形態25~43のいずれか1つのナノコ
ンポジット。
ンポジット。
実施形態45:該繊維強化相がチョップドファイバーを含む、実施形態25~44のい
ずれか1つのナノコンポジット。
ずれか1つのナノコンポジット。
実施形態46:固体マトリックス相と該固体マトリックス相中に分散されたナノ構造化
炭素とを含む膜または被覆材であって、該固体マトリックス相は、モノマー、樹脂、プレ
ポリマー、ポリマー、硬化剤および触媒のうちの1種類以上を含むものであり;該ナノ構
造化炭素は:テンプレートによって形成された構造部を有する1つ以上の壁;1つ以上の
キャビティを備えたセル型構造体を有しており、各キャビティは:該1つ以上の壁で実質
的に囲まれており;該マトリックス相の一部が含浸している膜または被覆材。
炭素とを含む膜または被覆材であって、該固体マトリックス相は、モノマー、樹脂、プレ
ポリマー、ポリマー、硬化剤および触媒のうちの1種類以上を含むものであり;該ナノ構
造化炭素は:テンプレートによって形成された構造部を有する1つ以上の壁;1つ以上の
キャビティを備えたセル型構造体を有しており、各キャビティは:該1つ以上の壁で実質
的に囲まれており;該マトリックス相の一部が含浸している膜または被覆材。
実施形態47:固体マトリックス相と該固体マトリックス相中に分散されたナノ構造化
炭素を含む成型鋳造物であって、該固体マトリックス相は、モノマー、樹脂、プレポリマ
ー、ポリマー、硬化剤および触媒のうちの1種類以上を含むものであり;該ナノ構造化炭
素は:テンプレートによって形成された構造部を有する1つ以上の壁;1つ以上のキャビ
ティを備えたセル型構造体を有しており、各キャビティは:該1つ以上の壁で実質的に囲
まれており;該マトリックス相の一部が含浸している成型鋳造物。
炭素を含む成型鋳造物であって、該固体マトリックス相は、モノマー、樹脂、プレポリマ
ー、ポリマー、硬化剤および触媒のうちの1種類以上を含むものであり;該ナノ構造化炭
素は:テンプレートによって形成された構造部を有する1つ以上の壁;1つ以上のキャビ
ティを備えたセル型構造体を有しており、各キャビティは:該1つ以上の壁で実質的に囲
まれており;該マトリックス相の一部が含浸している成型鋳造物。
後に一連の値またはパラメータを伴う語句「未満」、「~より大きい」、「最大」、「
少なくとも」、「以下」、「以上」または他の同様の語句に対する言及は、その語句が該
一連の値またはパラメータの各値またはパラメータに適用されることを意図する。例えば
、酸素の重量パーセントが1%,0.5%または0.1%未満であり得るという記載は、
酸素の重量パーセントが1%未満、0.5%未満または0.1%未満であり得るというこ
とを意味していることを意図する。
少なくとも」、「以下」、「以上」または他の同様の語句に対する言及は、その語句が該
一連の値またはパラメータの各値またはパラメータに適用されることを意図する。例えば
、酸素の重量パーセントが1%,0.5%または0.1%未満であり得るという記載は、
酸素の重量パーセントが1%未満、0.5%未満または0.1%未満であり得るというこ
とを意味していることを意図する。
本出願では、本文および図においていくつかの数値範囲を開示している。たとえ本明細
書において厳密な範囲限定が逐語的に記載されていなくても、本開示は、開示された数値
範囲全体において実施することができるため、開示された数値範囲は、開示された数値範
囲内の範囲または値をサポートしている。
書において厳密な範囲限定が逐語的に記載されていなくても、本開示は、開示された数値
範囲全体において実施することができるため、開示された数値範囲は、開示された数値範
囲内の範囲または値をサポートしている。
上記の説明は、当業者が本開示物を作製し、使用することを可能にするために提示して
いる。本実施形態に対する種々の修正が当業者に容易に明白であり、本明細書に規定した
一般原理は、本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく他の実施形態および用途に適
用され得る。したがって、本開示は、図示した実施形態に限定されることを意図するもの
ではなく、本明細書に開示した原理および特長に整合する最も広い範囲を許容するものと
する。最後に、本出願において言及した特許および刊行物の全開示内容は引用により本明
細書に組み込まれる。
いる。本実施形態に対する種々の修正が当業者に容易に明白であり、本明細書に規定した
一般原理は、本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく他の実施形態および用途に適
用され得る。したがって、本開示は、図示した実施形態に限定されることを意図するもの
ではなく、本明細書に開示した原理および特長に整合する最も広い範囲を許容するものと
する。最後に、本出願において言及した特許および刊行物の全開示内容は引用により本明
細書に組み込まれる。
Claims (47)
- 液体マトリックス相と、
前記液体マトリックス相中に分散されたナノ構造化炭素と
を含む分散体であって、
前記液体マトリックス相は、モノマー、樹脂、プレポリマー、ポリマー、硬化剤および
触媒のうちの1種類以上を含み;
前記ナノ構造化炭素は:
テンプレートによって形成された構造部を有する1つ以上の壁;
1つ以上のキャビティ
を備えたセル型構造体を有しており、各キャビティは:
前記1つ以上の壁で実質的に囲まれており;
前記マトリックス相の一部で含浸されている
分散体。 - 前記1つ以上の壁の大部分が100nm以下の厚さを有し;前記1つ以上のキャビティ
の大部分が:
10nm以上の直径と;
線状構造および10:1より小さいアスペクト比;
非線状構造および10:1より大きいアスペクト比;または
非線状構造および10:1より小さいアスペクト比
のうちの1つと
を有し;
前記セル型構造体の大部分が1mm以下の直径を有する、
請求項1に記載の分散体。 - 前記1つ以上の壁の前記構造部が、前記テンプレートによって形成された前記構造部と
異なるように物理的または化学的に改変されている、請求項1に記載の分散体。 - 前記物理的改変が、前記1つ以上の壁の前記構造部を寸断または変形させるものである
、請求項3に記載の分散体。 - 前記構造部の変形によって前記1つ以上のキャビティが実質的に崩壊される、請求項4
に記載の分散体。 - 前記ナノ構造化炭素の一部が単セル粒子を含む、請求項1に記載の分散体。
- 前記ナノ構造化炭素の一部が多セル粒子を含む、請求項1に記載の分散体。
- 前記マトリックス相が溶媒をさらに含む、請求項1に記載の分散体。
- 前記マトリックス相が熱可塑性ポリマーを含む、請求項1に記載の分散体。
- 前記マトリックス相がエポキシ官能性樹脂を含む、請求項1に記載の分散体。
- 前記マトリックス相が、以下のリスト:アミン、フェノール、チオール、ルイス酸また
は酸無水物から選択される1種類以上の硬化剤を含む、請求項1に記載の分散体。 - 前記マトリックス相がポリオレフィンまたは変性ポリオレフィンを含む、請求項1に記
載の分散体。 - 前記マトリックス相がウレアまたは変性ウレアを含む、請求項1に記載の分散体。
- 前記ナノ構造化炭素の一部が0.40以下のラマン2-D/Gピーク強度比を示す、請
求項1に記載の分散体。 - 前記ナノ構造化炭素の一部が0.20以下のラマン2-D/Gピーク強度比を示す、請
求項1に記載の分散体。 - 前記ナノ構造化炭素の一部がテンプレート指示型化学気相成長によって合成される、請
求項1に記載の分散体。 - 前記テンプレート指示型化学気相成長法が800℃未満の温度で行なわれる、請求項1
6に記載の分散体。 - 前記ナノ構造化炭素の一部が化学官能基で官能性付与されている、請求項1に記載の分
散体。 - 前記化学官能基が前記ナノ構造化炭素に共有結合している、請求項18に記載の分散体
。 - 前記化学官能基が酸素官能基である、請求項19に記載の分散体。
- 前記キャビティが、前記マトリックスと化学的に相違する成分で少なくとも部分的に充
填されている、請求項1に記載の分散体。 - 液体マトリックス相と、
前記液体マトリックス相中に分散されたナノ構造化炭素と
を含むインクであって、
前記液体マトリックス相は、モノマー、樹脂、プレポリマー、ポリマー、硬化剤、触媒
および溶媒のうちの2種類以上を含み;
前記ナノ構造化炭素は:
テンプレートによって形成された構造部を有する1つ以上の壁;
1つ以上のキャビティ
を備えたセル型構造体を有しており、各キャビティは:
前記1つ以上の壁で実質的に囲まれており;
前記マトリックス相の一部で含浸されている
インク。 - 材料の特性を改良するための添加剤であって:
液体マトリックス相と、
前記液体マトリックス相中に分散されたナノ構造化炭素と
を含んでおり、
前記液体マトリックス相は、モノマー、樹脂、プレポリマー、ポリマー、硬化剤および
触媒のうちの1種類以上を含み;
前記ナノ構造化炭素は:
テンプレートによって形成された構造部を有する1つ以上の壁;
1つ以上のキャビティ
を備えたセル型構造体を有しており、各キャビティは:
前記1つ以上の壁で実質的に囲まれており;
前記マトリックス相の一部で含浸されている
添加剤。 - 前記特性が機械的特性または電気的特性である、請求項23に記載の添加剤。
- 固体マトリックス相と、
前記固体マトリックス相中に包埋されたナノ構造化炭素と
を含むナノコンポジットであって、
前記固体マトリックス相は、モノマー、樹脂、プレポリマー、ポリマー、硬化剤および
触媒のうちの1種類以上を含み;
前記ナノ構造化炭素は:
テンプレートによって形成された構造部を有する1つ以上の壁;
1つ以上のキャビティ
を備えたセル型構造体を有しており、各キャビティは:
前記1つ以上の壁で実質的に囲まれており;
前記マトリックス相の一部で含浸されている
ナノコンポジット。 - 前記1つ以上の壁の大部分が100nm以下の厚さを有し;前記1つ以上のキャビティ
の大部分が:
10nm以上の直径と;
線状構造および10:1より小さいアスペクト比;
非線状構造および10:1より大きいアスペクト比;または
非線状構造および10:1より小さいアスペクト比
のうちの1つと
を有し;
前記セル型構造体の大部分が1mm以下の直径を有する、
請求項25に記載のナノコンポジット。 - 前記1つ以上の壁の前記構造部が、前記テンプレートによって形成された前記構造部と
異なるように物理的または化学的に改変されている、請求項25に記載のナノコンポジッ
ト。 - 前記物理的改変が、前記1つ以上の壁の前記構造部を寸断または変形させるものである
、請求項27に記載のナノコンポジット。 - 前記構造部の変形によって前記1つ以上のキャビティが実質的に崩壊される、請求項2
8に記載のナノコンポジット。 - 前記ナノ構造化炭素の一部が単セル粒子を含む、請求項25に記載のナノコンポジット
。 - 前記ナノ構造化炭素の一部が多セル粒子を含む、請求項25に記載のナノコンポジット
。 - 前記ポリマーが熱可塑性ポリマーを含む、請求項25に記載のナノコンポジット。
- 前記ポリマーが熱硬化性ポリマーを含む、請求項25に記載のナノコンポジット。
- 前記熱硬化性ポリマーが部分硬化型である、請求項33に記載のナノコンポジット。
- 前記熱硬化性ポリマーがエポキシを含む、請求項34に記載のナノコンポジット。
- 前記エポキシがビスフェノールAのジグリシジルエーテルを含む、請求項35に記載の
ナノコンポジット。 - 前記マトリックス相を含む材料のものより高い最大引張強度、高い引張弾性率、高い破
断伸び、高いGIC臨界歪みエネルギー解放率、高い最大曲げ強度、高い曲げ弾性率、高
い最大圧縮強度、高い圧縮弾性率、高い硬度または高い衝撃強度のうちの少なくとも1つ
を示す、請求項25に記載のナノコンポジット。 - 前記マトリックス相を含む材料のものより高いKIC破壊靱性を示す、請求項25に記
載のナノコンポジット。 - 前記マトリックス相を含む材料のものより高い電気伝導率を示す、請求項25に記載の
ナノコンポジット。 - 前記ナノ構造化炭素の一部が化学官能基で官能性付与されている、請求項25に記載の
ナノコンポジット。 - 前記化学官能基が前記ナノ構造化炭素に共有結合している、請求項40に記載のナノコ
ンポジット。 - 前記化学官能基が酸素官能基である、請求項41に記載のナノコンポジット。
- 前記キャビティが、前記マトリックスと化学的に相違する成分で少なくとも部分的に充
填されている、請求項25に記載のナノコンポジット。 - 繊維強化相をさらに含む、請求項25に記載のナノコンポジット。
- 前記繊維強化相がチョップドファイバーを含む、請求項44に記載のナノコンポジット
。 - 固体マトリックス相と、
前記固体マトリックス相中に分散されたナノ構造化炭素と
を含む膜または被覆材であって、
前記固体マトリックス相は、モノマー、樹脂、プレポリマー、ポリマー、硬化剤および
触媒のうちの1種類以上を含み;
前記ナノ構造化炭素は:
テンプレートによって形成された構造部を有する1つ以上の壁;
1つ以上のキャビティ
を備えたセル型構造体を有しており、各キャビティは:
前記1つ以上の壁で実質的に囲まれており;
前記マトリックス相の一部で含浸されている
膜または被覆材。 - 固体マトリックス相と、
前記固体マトリックス相中に分散されたナノ構造化炭素と
を含む成型鋳造物であって、
前記固体マトリックス相は、1種類以上のモノマー、樹脂、プレポリマー、ポリマー、
硬化剤および触媒を含み;
前記ナノ構造化炭素は:
テンプレートによって形成された構造部を有する1つ以上の壁;
1つ以上のキャビティ
を備えたセル型構造体を有しており、各キャビティは:
前記1つ以上の壁で実質的に囲まれており;
前記マトリックス相の一部で含浸されている
成型鋳造物。
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US20130214875A1 (en) | 2012-02-16 | 2013-08-22 | Elwha Llc | Graphene sheet and nanomechanical resonator |
WO2014026194A1 (en) | 2012-08-10 | 2014-02-13 | High Temperature Physics, Llc | System and process for functionalizing graphene |
US20140141224A1 (en) * | 2012-11-08 | 2014-05-22 | William Marsh Rice University | Fabrication of carbon foams through solution processing in superacids |
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