KR20150023497A - Cns-주입된 탄소 나노재료 및 이것을 위한 공정 - Google Patents
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Abstract
조성물은 탄소 나노튜브(CNT) 얀 또는 시트 및 상기 CNT 얀 또는 시트의 표면에 주입된 복수의 탄소 나노구조(CNS)를 포함하고, 상기 CNS는 상기 CNT 얀의 표면으로부터 실질적으로 반경방향으로, 또는 상기 시트로부터 외방향으로 배치된다. 이와 같은 조성물은 복합재 물품에서 다양한 조합으로 사용될 수 있다.
Description
관련 출원의 진술
본 출원은 2007년 1월 3일에 출원된 미국 특허출원 번호 11/619,327의 일부계속출원인, 2009년 11월 2일에 출원된 미국 특허출원 번호 12/611,101의 일부계속출원이다. 미국 특허출원 No. 12/611,101는 2009년 4월 10일에 출원된 미국 가출원 번호 61/168,516, 2009년 4월 14일에 출원된 미국 가출원 번호 61/169,055, 2009년 2월 27일에 출원된 미국 가출원 번호 61/155,935, 2009년 3월 3일에 출원된 미국 가출원 번호 61/157,096, 및 2009년 5월 29일에 출원된 미국 가출원 번호 61/182,153에 대해 우선권을 주장하였다. 이들 출원의 모두는 그 전체가 참조에 의해 본원에 포함된다.
발명의 분야
본 발명은 섬유 재료, 더 구체적으로 탄소 나노튜브에 의해 개질된 탄소 섬유 재료에 관한 것이다.
섬유 재료는 상업용 항공기제조, 오락, 산업적 및 수송 산업과 같은 광범위한 산업에서 많은 상이한 용도를 위해 사용된다. 이러한 용도 및 다른 용도를 위해 일반적으로 사용되는 섬유 재료는, 예를 들면, 탄소 섬유, 셀룰로오스 섬유, 유리 섬유, 금속 섬유, 세라믹 섬유 및 아라미드 섬유를 포함한다.
보통 탄소 섬유는 환경적 열화로부터 재료를 보호하기 위해 사이징제를 이용하여 제조된다. 또한, 압축력 및 자기 마모(self abrasion)와 같은 다른 물리적 응력은 탄소 섬유의 무결성을 손상시킬 수 있다. 이러한 취약성에 대해 탄소 섬유를 보호하기 위해 사용되는 많은 사이징 배합조성은 사실상 소유권에 의해 보호되고, 특정 수지 유형과 조화되도록 설계된다. 복합재 내에서 탄소 섬유 재료 특성의 이점을 실현하기 위해, 탄소 섬유와 모재 사이에 양호한 계면이 존재해야 한다. 탄소 섬유 상에 사용되는 사이징은 섬유와 수지 모재 사이에 물리-화학적 연결을 제공할 수 있고, 따라서 복합재의 기계적 및 화학적 특성에 영향을 준다.
그러나, 대부분의 종래의 사이징제는 이것이 가해지는 탄소 섬유 재료보다 낮은 계면 강도를 갖는다. 그 결과, 사이징의 강도 및 계면 응력에 저항하는 그것의 능력이 궁극적으로 전체적인 복합재의 강도를 결정한다. 따라서, 종래의 사이징을 이용하는 경우, 얻어지는 복합재는 일반적으로 탄소 섬유 재료의 강도보다 낮은 강도를 갖는다.
위에서 설명한 논점에 대처하기 위해 뿐만 아니라 탄소 섬유 재료에 바람직한 특징을 부여하기 위해 사이징제 및 탄소 섬유 재료 상에 이것을 코팅하는 공정을 개발하는 것이 유용할 것이다. 본 발명은 이러한 요구를 만족시키고, 또한 관련된 이점을 제공한다.
일부의 양태에서, 본 명세서에 개시된 실시형태는 탄소 나노튜브(CNT)-주입된 탄소 섬유 재료를 포함하는 조성물에 관한 것이다. CNT-주입된 탄소 섬유 재료는 권취 가능한 치수의 탄소 섬유 재료 및 탄소 섬유 재료에 주입되는 탄소 나노튜브(CNT)를 포함한다. 주입된 CNT는 균일한 길이 및 균일한 분포를 갖는다. CNT-주입된 탄소 섬유 재료는 또한 탄소 섬유 재료의 주위에 공형으로(conformally) 배치되는 차단 코팅을 포함하고, 한편 CNT는 실질적으로 차단 코팅을 갖지 않는다.
일부의 양태에서, 본 명세서에 개시된 실시형태는 연속적 CNT 주입 공정에 관한 것으로서, 이것은 (a) 탄소 섬유 재료를 관능화하는 단계; (b) 상기 관능화된 탄소 섬유 재료 상에 차단 코팅을 배치하는 단계; (c) 상기 관능화된 탄소 섬유 재료 상에 탄소 나노튜브(CNT)-형성 촉매를 배치하는 단계; 및 (d) 탄소 나노튜브를 합성하고, 이것에 의해 탄소 나노튜브-주입된 탄소 섬유 재료를 형성하는 단계를 포함한다.
일부의 양태에서, 본 명세서에 개시된 실시형태는 탄소 나노튜브(CNT) 얀 및 상기 탄소 나노튜브 얀의 표면에 주입된 복수의 탄소 나노구조(CNS)를 포함하는 조성물을 제공하고, 상기 CNS는 상기 CNT 얀의 표면으로부터 실질적으로 반경방향으로 배치된다.
일부의 양태에서, 본 명세서에 개시된 실시형태는 집속체로 복수의 CNT 얀을 포함하는 물품으로서, 상기 집속체의 복수의 CNT 얀의 각각은 상기 복수의 탄소 나노튜브 얀의 각각의 표면에 주입된 복수의 탄소 나노구조(CNS)를 포함하고, 상기 CNS는 상기 복수의 CNT 얀의 각각의 표면으로부터 실질적으로 반경방향으로 배치되는 물품을 제공한다.
일부의 양태에서, 본 명세서에 개시된 실시형태는 탄소 나노튜브 시트 및 상기 시트의 적어도 하나의 표면에 주입된 복수의 탄소 나노구조(CNS)를 포함하는 조성물을 제공하고, 상기 CNS는 상기 시트의 적어도 하나의 표면으로부터 실질적으로 외방향으로 배치된다.
일부의 양태에서, 본 명세서에 개시된 실시형태는 복수의 CNT 시트를 포함하는 다중층의 물품으로서, 복수의 CNT 시트의 각각의 CNT 시트는 상기 복수의 CNT 시트의 각각의 적어도 하나의 표면에 주입된 복수의 탄소 나노구조(CNS)를 포함하고, 상기 CNS는 상기 탄소 나노튜브 얀의 표면 상에 배치되는 물품을 제공한다.
일부의 양태에서, 본 명세서에 개시된 실시형태는 그 표면 상에 주입된 복수의 탄소 나노구조(CNS)를 구비하는 탄소 나노튜브(CNT) 시트 및 그 표면 상에 주입된 복수의 탄소 나노구조(CNS)를 구비하는 탄소 나노튜브(CNT) 얀 중에서 적어도 하나를 포함하는 복합재를 제공하고, 상기 복합재는 모재 재료를 더 포함한다.
도 1은 연속적 CVD 공정을 통해 AS4 탄소 섬유 상에서 성장된 다중벽의 CNT(MWNT)의 투과전자현미경(TEM) 이미지를 도시한다.
도 2는 연속적 CVD 공정을 통해 AS4 탄소 섬유 상에서 성장된 이중벽의 CNT(DWNT)의 TEM 이미지를 도시한다.
도 3은 CNT-형성 나노입자 촉매가 탄소 섬유 재료 표면에 기계적으로 주입된 차단 코팅 내에서 성장하는 CNT의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 도시한다.
도 4는 약 40 마이크론의 목표 길이의 20% 내에서 탄소 섬유 재료 상에서 성장되는 CNT의 길이 분포의 일관성을 입증하는 SEM 이미지를 도시한다.
도 5는 CNT 성장에 관한 차단 코팅의 효과를 입증하는 SEM 이미지를 도시한다. 차단 코팅이 피복된 곳에서는 고밀도의 양호하게 정렬된 CNT가 성장하였고, 차단 코팅이 존재하지 않는 곳에서는 CNT가 성장하지 않았다.
도 6은 약 10% 내에서 섬유의 전체에 걸쳐 CNT 밀도의 균일성을 입증하는 탄소 섬유 상의 CNT의 저배율 SEM을 도시한다.
도 7은 본 발명의 예시적 실시형태에 따른 CNT-주입된 탄소 섬유 재료를 생성하기 위한 공정을 도시한다.
도 8는 EMI 차폐를 포함한 열 및 전기 전도성 향상을 목적으로 연속 공정으로 탄소 섬유 재료 내에 CNT를 주입할 수 있는 방법을 도시한다.
도 9는 기계적 특성, 특히 전단 강도와 같은 계면 특성의 향상을 목적으로 "역전(reverse)" 차단 코팅 공정을 이용하는 연속 공정으로 탄소 섬유 재료 내에 CNT를 주입할 수 있는 방법을 보여준다.
도 10은 기계적 특성, 특히 전단 강도 및 층간 파괴 인성과 같은 계면 특성의 향상을 목적으로 "하이브리드" 차단 코팅을 이용하는 다른 연속 공정으로 CNT를 주입할 수 있는 방법을 보여준다.
도 11은 IM7 탄소 섬유 상에 주입된 CNT의 층간 파괴 인성에 관한 효과를 보여준다. 기본 재료는 사이징되지 않은 IM7 탄소 섬유이고, 한편 CNT-주입된 재료는 상기 섬유 표면 상에 주입된 15 마이크론 길이의 CNT를 구비하는 사이징되지 않은 탄소 섬유이다.
도 12는 CNT 얀의 표면 상에 배치된 방사상 배열의 CNS 배열을 구비하는 CNT 얀의 횡단면도를 도시한다.
도 13의 A는 CNT 시트의 하나의 표면 상에 배치된 CNS 배열을 구비하는 CNT 시트의 횡단면도를 도시한다.
도 13의 B는 시트의 상면 및 저면의 양자 모두 상에 배치된 CNS 배열을 구비하는 CNT 시트의 횡단면도를 도시한다.
도 14는 CNT 시트 또는 얀 의 짧은 세그먼트의 표면 상에 배치된 CNS 배열을 구비하는 횡단면도를 도시한다. CNS 배열은 분기된 CNT, 공유된 CNT 벽 및 개별의 CNT를 표시하는 복잡한 CNT 형태이다.
도 14의 B는 도 14의 A의 CNS 배열과 CNT 시트 또는 얀 표면이 만나는 2 개의 상 사이의 계면의 확대도를 도시한다. 계면은 혼합된 배향의 상을 보여준다.
도 15는 서로 중합하여 적층된 도 13의 B에서와 같은 2 개의 CNT 시트의 횡단면도를 도시한다.
도 2는 연속적 CVD 공정을 통해 AS4 탄소 섬유 상에서 성장된 이중벽의 CNT(DWNT)의 TEM 이미지를 도시한다.
도 3은 CNT-형성 나노입자 촉매가 탄소 섬유 재료 표면에 기계적으로 주입된 차단 코팅 내에서 성장하는 CNT의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 도시한다.
도 4는 약 40 마이크론의 목표 길이의 20% 내에서 탄소 섬유 재료 상에서 성장되는 CNT의 길이 분포의 일관성을 입증하는 SEM 이미지를 도시한다.
도 5는 CNT 성장에 관한 차단 코팅의 효과를 입증하는 SEM 이미지를 도시한다. 차단 코팅이 피복된 곳에서는 고밀도의 양호하게 정렬된 CNT가 성장하였고, 차단 코팅이 존재하지 않는 곳에서는 CNT가 성장하지 않았다.
도 6은 약 10% 내에서 섬유의 전체에 걸쳐 CNT 밀도의 균일성을 입증하는 탄소 섬유 상의 CNT의 저배율 SEM을 도시한다.
도 7은 본 발명의 예시적 실시형태에 따른 CNT-주입된 탄소 섬유 재료를 생성하기 위한 공정을 도시한다.
도 8는 EMI 차폐를 포함한 열 및 전기 전도성 향상을 목적으로 연속 공정으로 탄소 섬유 재료 내에 CNT를 주입할 수 있는 방법을 도시한다.
도 9는 기계적 특성, 특히 전단 강도와 같은 계면 특성의 향상을 목적으로 "역전(reverse)" 차단 코팅 공정을 이용하는 연속 공정으로 탄소 섬유 재료 내에 CNT를 주입할 수 있는 방법을 보여준다.
도 10은 기계적 특성, 특히 전단 강도 및 층간 파괴 인성과 같은 계면 특성의 향상을 목적으로 "하이브리드" 차단 코팅을 이용하는 다른 연속 공정으로 CNT를 주입할 수 있는 방법을 보여준다.
도 11은 IM7 탄소 섬유 상에 주입된 CNT의 층간 파괴 인성에 관한 효과를 보여준다. 기본 재료는 사이징되지 않은 IM7 탄소 섬유이고, 한편 CNT-주입된 재료는 상기 섬유 표면 상에 주입된 15 마이크론 길이의 CNT를 구비하는 사이징되지 않은 탄소 섬유이다.
도 12는 CNT 얀의 표면 상에 배치된 방사상 배열의 CNS 배열을 구비하는 CNT 얀의 횡단면도를 도시한다.
도 13의 A는 CNT 시트의 하나의 표면 상에 배치된 CNS 배열을 구비하는 CNT 시트의 횡단면도를 도시한다.
도 13의 B는 시트의 상면 및 저면의 양자 모두 상에 배치된 CNS 배열을 구비하는 CNT 시트의 횡단면도를 도시한다.
도 14는 CNT 시트 또는 얀 의 짧은 세그먼트의 표면 상에 배치된 CNS 배열을 구비하는 횡단면도를 도시한다. CNS 배열은 분기된 CNT, 공유된 CNT 벽 및 개별의 CNT를 표시하는 복잡한 CNT 형태이다.
도 14의 B는 도 14의 A의 CNS 배열과 CNT 시트 또는 얀 표면이 만나는 2 개의 상 사이의 계면의 확대도를 도시한다. 계면은 혼합된 배향의 상을 보여준다.
도 15는 서로 중합하여 적층된 도 13의 B에서와 같은 2 개의 CNT 시트의 횡단면도를 도시한다.
본 개시는 부분적으로 탄소 나노튜브-주입된("CNT-주입된") 탄소 섬유 재료에 관련된다. 탄소 섬유 재료에 CNT의 주입은 수분, 산화, 마모 및 압축에 의한 손상으로부터 보호하기 위한, 예를 들면, 사이징제로서의 기능을 포함하는 많은 기능을 제공할 수 있다. 또한 CNT에 기초한 사이징은 복합재 내에서 탄소 섬유 재료와 모재 재료 사이의 계면의 역할을 할 수 있다. 또한 CNT는 탄소 섬유 재료를 코팅하는 몇 가지 사이징제 중 하나로서의 역할을 할 수 있다.
게다가, 탄소 섬유 재료 상에 주입된 CNT는, 예를 들면, 열 및/또는 전기 전도성 및/또는 인장 강도와 같은 탄소 섬유 재료의 다양한 특성을 변화시킬 수 있다. CNT-주입된 탄소 섬유 재료를 제조하기 위해 사용되는 공정은 개질될 탄소 섬유 재료 상에 그 유용한 특성을 균질하게 부여하도록 실질적으로 균일한 길이 및 분포를 갖는 CNT를 제공한다. 더욱이, 본 명세서에 개시된 공정은 권취 가능한 치수의 CNT-주입된 탄소 섬유 재료의 생성을 위해 적합하다.
또한 본 개시는 부분적으로 CNT-주입된 탄소 섬유 재료를 제조하기 위한 공정에 관한 것이다. 본 명세서에 개시된 공정은 탄소 섬유 재료에 전형적인 사이징 용액의 적용 전에 또는 사이징 용액의 적용 대신에 최초에 생성된 신생의 탄소 섬유 재료에 적용될 수 있다. 대안적으로, 본 명세서에 개시된 공정은 상업용 탄소 섬유 재료, 예를 들면, 자체의 표면에 가해진 사이징을 이미 갖고 있는 탄소 토우를 사용할 수 있다. 이와 같은 실시형태에서, 차단 코팅 및/또는 천이 금속 입자가 이하에서 더욱 설명되는 바와 같이 간접적 주입을 제공하는 중간층의 역할을 할 수 있으나, 탄소 섬유 재료와 합성 CNT 사이의 직접적 계면을 제공하도록 사이징은 제거될 수 있다. CNT 합성 후, 필요에 따라 추가의 사이징제가 탄소 섬유 재료에 가해질 수 있다.
본 명세서에 설명된 공정은 권취 가능한 길이의 토우, 테이프, 직물 및 다른 3D 직물 구조를 따라 균일한 길이 및 분포의 탄소 나노튜브의 연속적 생성을 가능하게 한다. 다양한 매트, 직물 및 부직물 및 유사물이 본 발명의 공정에 의해 관능화될 수 있으나, 모재 토우, 얀 또는 유사물로부터 이들 모재 재료의 CNT 관능화 후에 이와 같은 더욱 고도의 규칙 구조를 생성하는 것이 또한 가능하다. 예를 들면, CNT-주입된 탄소 섬유 토우로부터 CNT-주입된 직물이 생성될 수 있다.
본 명세서에서 사용될 때, 용어 "탄소 섬유 재료"는 그것의 기본적 구조 부품으로서 탄소 섬유를 갖는 임의의 재료를 말한다. 이 용어는 섬유, 필라멘트, 얀, 토우, 토우, 테이프, 직물 및 부직물, 플라이, 매트 및 유사물을 포함한다.
본 명세서에서 사용될 때, 용어 "권취 가능한 치수"는 재료가 스풀 또는 맨드렐 상에 보관될 수 있도록 길이를 제한하지 않는 적어도 하나의 치수를 갖는 탄소 섬유 재료를 말한다 "권취 가능한 치수"의 탄소 섬유 재료는 본 명세서에 설명된 바와 같은 CNT 주입을 위한 배취 공정 또는 연속 공정의 사용을 시사하는 적어도 하나의 치수를 갖는다. 구입할 수 있는 권취 가능한 치수의 하나의 탄소 섬유 재료의 예는 800의 텍스값(1 텍스 = 1 g/1,000m) 또는 620 야드/파운드의 AS4 12k 탄소 섬유 토우(Grafil, Inc., Sacramento, CA)가 있다. 특히 상업적 탄소 섬유 토우는, 예를 들면, 5, 10, 20, 50, 및(100) 파운드(통상적으로 3k/12K 토우의 고중량을 갖는 경우) 스풀로서 입수될 수 있고, 그러나 더 큰 스풀은 특별 주문이 필요할 수 있다. 본 발명의 공정은 5 내지 20 파운드 스풀을 이용하여 쉽게 작동할 수 있으나, 더 큰 스풀도 사용할 수 있다. 더욱이, 예비-공정 작동은 극대형의 권취 가능한 길이를 2 개의 50 파운드 스풀과 같이 취급하기 쉽게 분할하는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용될 때, 용어 "탄소 나노튜브"(CNT, 복수의 CNT)는 단일벽의 탄소 나노튜브(SWNT), 이중벽의 탄소 나노튜브(DWNT), 및 다중벽의 탄소 나노튜브(MWNT)를 포함하는 플러렌계의 탄소의 다수의 원통형 동소체 중 임의의 것을 말한다. CNT는 플러렌형 구조에 의해 캐핑(capping)되거나 개방된 단부를 가질 수 있다. CNT는 다른 재료를 내포한 것을 포함한다. 본 명세서에 개시된 다양한 탄소 기재에 주입된 CNT는 불규칙 분포의 개별 CNT, 공통벽 CNT, 분기 CNT, 가교결합 CNT 등을 포함할 수 있는 복잡한 형태를 갖는 어레이로 나타난다. 종합하면, 본 명세서에서 복잡한 CNT 형태는 "탄소 나노구조" 또는 "CNS"(복수의 "CNS")를 말한다. CNS는 이러한 복잡한 형태로 인해 개별 CNT의 어레이와 다르다. 또한 주입된 CNS와 CNS가 주입된 CNT에 기초한 얀 및 시트는 구별된다. 즉, CNT에 기초한 얀 및 시트는 원형적인 개별의 탄소 나노튜브의 집속체 및/또는 어레이를 포함한다.
본 명세서에서 사용될 때, "균일한 길이"는 반응기 내에서 성장되는 CNT의 길이를 말한다. "균일한 길이"는 CNT가 약 1 마이크론 내지 약 500 마이크론 범위의 CNT 길이의 경우에 총 CNT 길이의 ± 약 20% 이하의 허용범위의 길이를 갖는다는 의미한다. 1 내지 4 마이크론과 같은 극히 짧은 길이에서, 이 오차는 총 CNT 길이의 약 ± 20% 내지 약 ± 1 마이크론, 즉 총 CNT 길이의 약 20%를 어느 정도 초과할 수 있는 범위일 수 있다.
본 명세서에서 사용될 때, "균일한 분포"는 탄소 섬유 재료 상의 CNT의 밀도의 일관성을 말한다. "균일한 분포"는 CNT가 이 CNT에 의해 점유되는 섬유의 표면적의 백분율로서 정의되는 ± 약 10%의 점유 허용범위의 탄소 섬유 재료 상의 밀도를 갖는 것을 의미한다. 이것은 5 개의 벽을 갖는 8 nm 직경의 CNT의 경우에 ±(1500) CNT/μm2와 등가이다. 이와 같은 형태는 CNT의 내부에 충전될 수 있는 공간을 가정한다.
본 명세서에서 사용될 때, 용어 "주입된"은 결합된 것을 의미하고, "주입"은 결합 공정을 의미한다. 이와 같은 결합은 직접 공유결합, 이온결합, π-π, 및/또는 반데르발스 힘-매개된 물리흡착을 포함한다. 예를 들면, 일부의 실시형태에서, CNT는 탄소 섬유 재료에 직접적으로 결합될 수 있다. 결합은 차단 코팅 및/또는 CNT와 탄소 섬유 재료 사이에 배치되는 개재성 천이 금속 나노입자를 통한 탄소 섬유 재료에의 CNT 주입과 같은 간접 결합일 수 있다. 본 명세서에 개시된 CNT-주입된 탄소 섬유 재료에서, 탄소 나노튜브는 전술한 바와 같이 직접적으로 또는 간접적으로 탄소 섬유 재료에 "주입될" 수 있다. CNT가 탄소 섬유 재료에 "주입되는" 특정 방법을 "결합 모티프(bonding motif)"라고 부른다.
본 명세서에서 사용될 때, 용어 "천이 금속"은 주기율표의 d-블록 내의 임의의 원소 또는 원소들의 합금을 말한다. 용어 "천이 금속"은 또한 산화물, 탄화물, 질화물 등과 같은 염기 천이 금속 원소의 염 형태를 포함한다.
본 명세서에서 사용될 때, 용어 "나노입자" 또는 NP(복수의 NP), 또는 이것의 문법상의 등가어는 약 0.1 내지 약 100 나노미터의 구의 직경에 대응하는 크기의 입자를 말하지만, NP는 구형일 필요 없다. 특히, 천이 금속 NP는 탄소 섬유 재료 상에서의 CNT 성장을 위한 촉매의 역할을 한다.
본 명세서에서 사용될 때, 용어 "사이징제", "섬유 사이징제" 또는 단순히 "사이징"은 일괄하여 탄소 섬유의 제조 시에 탄소 섬유의 무결성을 보호하기 위한 코팅으로서 사용되는 재료를 말하는 것으로서, 복합재 내의 탄소 섬유와 모재 재료 사이의 계면간 상호작용을 향상시키고, 및/또는 탄소 섬유의 특수한 물리적 특성을 변경 및/또는 강화한다. 일부의 실시형태에서, 탄소 섬유 재료에 주입된 CNT는 사이징제로서 거동한다.
본 명세서에서 사용될 때, 용어 "모재 재료"는 사이징된 CNT-주입된 탄소 섬유 재료를 불규칙 배향을 포함하는 특정 배향으로 조직하는 작용을 할 수 있는 벌크 재료를 말한다. 모재 재료는 이 모재 재료에 CNT-주입된 탄소 섬유 재료의 물리적 및/또는 화학적 특성의 일부의 양태를 부여함으로써 CNT-주입된 탄소 섬유 재료의 존재로부터 이익을 얻을 수 있다.
본 명세서에서 사용될 때, 용어 "재료 체류 시간"은 권취 가능한 치수의 섬유 재료를 따르는 이산점이 본 명세서에서 설명하는 CNS 주입 공정 중에 CNT 성장 조건에 노출되는 시간의 양을 말한다. 이 정의는 다중 CNT 성장 체임버를 사용할 때의 체류 시간을 포함한다.
본 명세서에서 사용될 때, 용어 "라인속도"는 권취 가능한 치수의 섬유 재료를 본 명세서에서 설명하는 CNS 주입 공정을 통해 공급할 수 있는 속도를 말하고, 여기서 라인속도는 CNT 체임버(들)의 길이를 재료 체류 시간으로 나눔으로써 결정되는 속도이다.
일부의 실시형태에서, 본 발명은 탄소 나노튜브(CNT)-주입된 탄소 섬유 재료를 포함하는 조성물을 제공한다. CNT-주입된 탄소 섬유 재료는 권취 가능한 치수의 탄소 섬유 재료, 탄소 섬유 재료의 주위에 공형으로 배치되는 차단 코팅, 및 탄소 섬유 재료에 주입된 탄소 나노튜브(CNT)를 포함한다. 탄소 섬유 재료에의 CNT의 주입은 탄소 섬유 재료에 대한 개별 CNT의 직접 결합 또는 천이 금속 NP, 차단 코팅 또는 양자 모두를 통한 간접 결합의 결합 모티프를 포함할 수 있다.
이론에 구애됨이 없이, CNT-형성 촉매로서 작용하는 천이 금속 NP는 CNT 성장 종자 구조를 형성함으로써 CNT 성장을 촉매한다. 하나의 실시형태에서, CNT-형성 촉매는 탄소 섬유 재료의 베이스에 잔존할 수 있고, 차단 코팅에 의해 로킹될 수 있고, 탄소 섬유 재료의 표면에 주입될 수 있다. 이와 같은 경우, 최초에 천이 금속 나노입자 촉매에 의해 형성되는 종자 구조는 본 기술분야에서 종종 관찰되는 바와 같이 촉매가 CNT 성장의 최선단을 따라 이동하는 것을 허용하지 않고 지속적인 무촉매 유핵 CNT 성장을 위해 충분하다. 이와 같은 경우, NP는 섬유 재료에의 CNT의 부착점의 역할을 한다. 차단 코팅의 존재는 또한 CNS 주입을 위한 추가의 간접적인 결합 모티프를 유발할 수 있다. 예를 들면, 촉매를 형성하는 CNT는, 위에서 설명한 바와 같이, 차단 코팅 내에 고정될 수 있지만 탄소 섬유 재료와 표면 접촉하지 않는다. 이러한 경우, CNT 형성 촉매와 탄소 섬유 재료 사이에 배치된 차단 코팅을 구비하는 적층 구조가 얻어진다. 어느 경우에서나, 형성된 CNT는 섬유 재료에 주입된다. 일부의 실시형태에서, 일부의 차단 코팅은 여전히 CNT 성장 촉매가 성장 중인 나노튜브의 최선단을 추종하도록 허용한다. 이와 같은 경우, 탄소 섬유 재료에, 또는 선택적으로 차단 코팅에 CNT의 직접 결합이 얻어질 수 있다. 탄소 나노튜브와 탄소 섬유 재료 사이에 형성되는 실제의 결합 모티프의 특질에 무관하게, 주입된 CNT는 견고하고, CNT-주입된 탄소 섬유 재료가 탄소 나노튜브 특성 및/또는 특징을 발현할 수 있도록 허용한다.
마찬가지로, 이론에 구애됨이 없이, 탄소 섬유 재료 상에서 CNT를 성장시킬 때, 상승된 온도 및/또는 반응 체임버 내에 존재할 수 있는 임의의 잔류 산소 및/또는 습기는 탄소 섬유 재료를 손상시킬 수 있다. 더욱이, 탄소 섬유 재료 자체는 CNT-형성 촉매 자체와의 반응에 의해 손상될 수 있다. 즉, 탄소 섬유 재료는 CNT 합성을 위해 이용되는 반응 온도에서 촉매의 탄소 원료로서 거동한다. 이와 같은 과잉 탄소는 탄소 원료 기체의 제어된 도입을 방해할 수 있고, 촉매에 탄소를 과잉 부가함으로써 촉매의 활성을 억제하는 역할을 할 수도 있다. 본 발명에서 사용되는 차단 코팅은 탄소 섬유 재료 상에서 CNT 합성을 촉진하도록 설계된다. 이론에 구애됨이 없이, 코팅은 열분해에 대한 열차단벽을 제공할 수 있고, 및/또는 상승된 온도에서 탄소 섬유 재료가 환경에 노출되는 것을 방지하는 물리적 차단벽일 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 이것은 CNT-형성 촉매와 탄소 섬유 재료 사이의 표면적 접촉을 최소화할 수 있고, 및/또는 이것은 CNT 성장 온도에서 CNT 형성 촉매에 탄소 섬유 재료의 노출을 완화시킬 수 있다.
CNT가 실질적으로 균일한 길이를 갖는 CNT-주입된 탄소 섬유 재료를 갖는 조성물이 제공된다. 본 명세서에 설명되는 연속 공정에서, CNS 성장 체임버 내의 섬유 재료의 체류 시간은 CNS 성장 및 궁극적으로 CNS 길이를 제어하도록 조절될 수 있다. 이것은 성장된 CNT의 구체적 특성을 제어하기 위한 수단을 제공한다. CNT 길이는 또한 탄소 원료 및 운반 기체 유속 및 반응 온도의 조절을 통해 제어될 수 있다. CNT 특성의 추가의 제어는, 예를 들면, CNT를 제조하기 위해 사용되는 촉매의 크기를 제어함으로써 달성될 수 있다. 예를 들면, 1 nm의 천이 금속 나노입자 촉매는 특히 SWNT를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 더 큰 촉매는 주로 MWNT를 제조하기 위해 사용될 수 있다.
또한, 사용되는 CNT 성장 공정은, 사전형성된 CNT가 용매 용액 중에 현탁되거나 분산되고, 손으로 탄소 섬유 재료에 도포되는 공정에서 발생할 수 있는 CNT의 결속 및/또는 응집을 방지함과 동시에, 탄소 섬유 재료 상에 CNT가 균일하게 분포된 CNT-주입된 탄소 섬유 재료를 제공하기 위해 유용하다. 이와 같은 응집된 CNT는 탄소 섬유 재료에 약하게 부착되는 경향이 있고, 특징적 CNS 특성은 있다고 하더라도 약하게 발현된다. 일부의 실시형태에서, 백분율 점유, 즉 피복되는 섬유의 표면적으로서 표현되는 최대 분포 밀도는 5 개의 벽을 갖는 약 8 nm 직경의 CNT를 가정하는 경우 약 55%의 높이를 가질 수 있다. 이러한 점유는 CNT 내부의 공간을 "충전 가능한" 공간으로서 간주함으로써 계산된다. 다양한 분포/밀도 값은 표면 상의 촉매 분산을 변화시킴으로써 뿐만 아니라 기체 조성 및 공정 속도를 제어함으로써 달성될 수 있다. 전형적으로, 주어진 일련의 파라미터에 대해, 섬유 표면의 전체에 걸쳐 약 10% 내의 백분율 점유가 달성될 수 있다. 더 높은 밀도 및 더 짧은 CNT는 기계적 특성을 개선하기 위해 유용하고, 한편 더 낮은 밀도를 갖는 더 긴 CNT는 열 및 전기적 특성을 향상시키기 위해 유용하지만, 더 높은 밀도가 여전히 유리하다. 더 긴 CNT가 성장되는 경우에 더 낮은 밀도가 얻어질 수 있다. 이것은 더 높은 온도, 및 더 낮은 촉매 입자 수율을 유발하는 더 신속한 성장의 결과일 수 있다.
CNT-주입된 ?호섬유 재료를 갖는 본 발명의 조성은 탄소 필라멘트, 탄소 섬유 얀, 탄소 섬유 토우, 탄소 테이프, 탄소 섬유-편조, 직조된 탄소 직물, 부직 탄소 섬유 매트, 탄소 섬유 플라이, 및 기타 3D 직조된 구조물에 기초한 탄소 섬유 재료를 포함할 수 있다. 탄소 필라멘트는 1 마이크론 내지 약 100 마이크론의 크기 범위의 직경을 갖는 높은 종횡비의 탄소 섬유를 포함한다. 탄소 섬유 토우는 대체로 콤팩트하게 결합된 필라멘트의 집속체이고, 통상적으로 함께 트위스팅되어 얀을 형성한다.
얀은 조밀하게 결합된 트위스팅된 필라멘트의 집속체를 포함한다. 얀 내의 각각의 필라멘트 직경은 비교적 균일하다. 얀은 1000 m의 중량(g)으로 표현되는 '텍스(tex)', 또는 10,000 야드의 중량(파운드)으로 표현되는 데니어에 의해 설명되는 다양한 중량을 갖고, 전형적인 텍스 범위는 통상적으로 약 200 텍스 내지 약 2000 텍스의 범위이다.
토우는 트위스팅되지 않은 필라멘트의 느슨하게 결합된 집속체를 포함한다. 얀에서와 마찬가지로, 토우 내에서의 필라멘트의 직경은 대체로 균일하다. 토우는 또한 다양한 중량을 갖고, 텍스 범위는 통상적으로 200 텍스 내지 2000 텍스이다. 이것은 종종, 예를 들면, 12K 토우, 24K 토우, 48K 토우 등과 같이 토우 내의 수천 개의 필라멘트의 수를 특징으로 한다.
탄소 테이프는 직물로서 결집될 수 있는, 또는 부직의 평활화된 토우에 상당할 수 있는 재료이다. 탄소 테이프는 폭이 변화될 수 있고, 리본과 유사한 일반적으로 양면의 구조물이다. 본 발명의 공정은 테이프의 일면 또는 양면 상의 CNT의 주입에 적합하다. CNT-주입된 테이프는 평평한 기재 표면 상의 "카펫" 또는 "포레스트"와 유사할 수 있다. 마찬가지로, 본 발명의 공정은 테이프의 스풀을 기능시키기 위해 연속 모드로 수행될 수 있다.
탄소 섬유-편조는 조밀하게 충전된 탄소 섬유의 로프형 구조물을 나타낸다. 이와 같은 구조물은, 예를 들면, 탄소 얀으로부터 결집될 수 있다. 편조된 구조물은 중공 부분을 포함할 수 있고, 또는 편조된 구조물은 다른 코어 재료의 주위에 결집될 수 있다.
일부의 실시형태에서, 다수의 일차적 탄소 섬유 재료 구조물은 직물 또는 시트형 구조물로 조직될 수 있다. 이들은 위에서 설명한 테이프 외에도, 예를 들면, 직조된 탄소 직물, 부직 탄소 섬유 매트 및 탄소 섬유 플라이를 포함한다. 이와 같은 더욱 고도의 규칙화 구조물은 모재 섬유 내에 사전에 주입된 CNT를 갖는 모재 토우, 얀, 필라멘트 등으로부터 결집될 수 있다. 대안적으로 이와 같은 구조물은 본 명세서에서 설명되는 CNT 주입 공정을 위한 기재의 역할을 할 수 있다.
섬유를 생성하기 위해 사용되는 전구체에 기초하여 분류되는 다음의 3 가지 유형의 탄소 섬유가 있고, 이들 중 임의의 것이 본 발명에서 사용될 수 있다: 레이온, 폴리아크릴로니트릴(PAN) 및 피치(Pitch). 셀룰로오스 재료인 레이온 전구체로부터의 탄소 섬유는 약 20%의 비교적 낮은 탄소 함량을 갖고, 이 섬유는 저강도 및 저강성을 갖는 경향이 있다. 폴리아크릴로니트릴(PAN) 전구체는 약 55%의 탄소 함량을 갖는 탄소 섬유를 제공한다. 일반적으로 PAN 전구체에 기초하는 탄소 섬유는 표면 결함의 최소화로 인해 다른 탄소 섬유 전구체에 기초하는 탄소 섬유보다 높은 인장 강도를 갖는다.
석유 아스팔트, 콜타르, 및 폴리비닐 클로라이드에 기초하는 피치 전구체도 또한 탄소 섬유를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 비록 피치가 비교적 저가이고, 높은 탄소 수율을 가지지만, 소정의 배취에서 비균일성의 문제가 있을 수 있다.
탄소 섬유 재료에 주입하기 위해 유용한 CNT는 단일벽의 CNT, 이중벽의 CNT, 다중벽의 CNT, 및 이들의 혼합물을 포함한다. 사용되는 정확한 CNT는 CNT-주입된 탄소 섬유의 용도에 의존한다. CNT는 열 및/또는 전기 전도성 용도, 또는 절연체로서 사용될 수 있다. 일부의 실시형태에서, 주입된 탄소 나노튜브는 단일 벽 나노튜브이다. 일부의 실시형태에서, 주입된 탄소 나노튜브는 다중 벽 나노튜브이다. 일부의 실시형태에서, 주입된 탄소 나노튜브는 단일 벽과 다중 벽 나노튜브의 조합이다. 섬유의 최종용도를 위해 하나의 유형 또는 다른 유형의 나노튜브의 합성을 필요로 하는 단일 벽과 다중 벽 나노튜브의 특징적 특성에 다소의 차이가 존재한다. 예를 들면, 단일벽의 나노튜브는 반도체성 또는 금속성일 수 있고, 한편 다중벽의 나노튜브는 금속성일 수 있다.
CNT는 CNT-주입된 탄소 섬유 재료에 기계적 강도, 낮은 전기 저항 내지 중간 전기 저항, 높은 열 전도성 등과 같은 특징적 특성을 부여한다. 예를 들면, 일부의 실시형태에서, 탄소 나노튜브-주입된 탄소 섬유 재료의 전기 저항성은 모재인 탄소 섬유 재료의 전기 저항성보다 낮을 수 있다. 더 일반적으로, 얻어진 CNS-주입된 섬유가 이러한 특성을 발현하는 정도는 탄소 나노튜브에 의한 탄소 섬유의 점유 정도 및 점유 밀도의 함수일 수 있다. 8 nm의 직경, 5 개의 벽의 MWNT을 가정하는 경우, 섬유의 0 내지 55%의 임의의 크기의 섬유 표면적이 피복될 수 있다(이 경우에도 계산은 CNT 내부 공간을 충전 가능한 것으로 간주한다). 이 숫자는 더 작은 직경의 CNT의 경우에 더 작고, 더 큰 직경의 CNT의 경우에 더 크다. 55%의 표면적 점유는 약 15,000 CNT/마이크론2과 동등하다. 위에서 설명된 바와 같이, 추가의 CNT 특성이 CNT 길이에 의존하는 방식으로 탄소 섬유 재료에 부여될 수 있다. 주입된 CNT의 길이는 1 마이크론, 2 마이크론, 3 마이크론, 4 마이크론, 5, 마이크론, 6, 마이크론, 7 마이크론, 8 마이크론, 9 마이크론, 10 마이크론, 15 마이크론, 20 마이크론, 25 마이크론, 30 마이크론, 35 마이크론, 40 마이크론, 45 마이크론, 50 마이크론, 60 마이크론, 70 마이크론, 80 마이크론, 90 마이크론, 100 마이크론, 150 마이크론, 200 마이크론, 250 마이크론, 300 마이크론, 350 마이크론, 400 마이크론, 450 마이크론, 500 마이크론, 및 이들 사이의 모든 값을 포함하는 약 1 마이크론 내지 약 500 마이크론의 범위로 변화될 수 있다. CNT는 또한, 예를 들면, 약 0.5 마이크론을 포함하는 약 1 마이크론 미만의 길이일 수 있다. CNT는 또한, 예를 들면, 510 마이크론, 520 마이크론, 550 마이크론, 600 마이크론, 700 마이크론 및 이들 사이의 모든 값을 포함하는, 500 마이크론을 초과할 수 있다.
본 발명의 조성물은 약 1 마이크론 내지 약 10 마이크론의 길이를 갖는 CNT를 포함할 수 있다. 이와 같은 CNT 길이는 전단 강도를 증가시키기 위한 용도에서 유용할 수 있다. CNT는 또한 약 5 내지 약 70 마이크론의 길이를 가질 수 있다. 이와 같은 CNT 길이는 이 CNT가 섬유 방향으로 정렬되는 경우에 증가된 인장 강도를 위한 용도에서 유용할 수 있다. CNT는 또한 약 10 마이크론 내지 약 100 마이크론의 길이를 가질 수 있다. 이와 같은 CNT 길이는 전기적/열적 특성 뿐만 아니라 기계적 특성을 증가시키기 위해 유용할 수 있다. 본 발명에서 사용되는 공정은 또한 약 100 마이크론 내지 약 500 마이크론의 길이를 갖는 CNT를 제공할 수 있고, 이것은 또한 레이더 흡수 및 EMI 차폐를 포함하는 전기적 및 열적 특성을 향상시키는데 유익할 수 있다. CNT 길이의 제어는 라인속도 및 성장 온도의 변화에 더하여 탄소 원료 및 불활성 기체 유속의 조절을 통해 쉽게 달성된다.
따라서, 일부의 실시형태에서, 권취 가능한 길이의 CNT-주입된 섬유 재료를 포함하는 복합재는 상이한 길이의 CNT를 갖는 다양한 균일한 영역을 가질 수 있다. 예를 들면, 전단 강도 특성을 강화하기 위해 균일하게 더 짧은 CNT 길이를 갖는 CNT-주입된 탄소 섬유 재료의 제 1 부분 및 전기적 또는 열적 특성을 강화하기 위해 균일한 더 긴 CNT 길이를 갖는 동일한 권취 가능한 재료의 제 2 부분을 갖는 것이 바람직할 수 있다.
탄소 섬유 재료에의 CNT 주입을 위한 본 발명의 공정은 균일한 CNT 길이의 제어를 가능하게 하고, 연속 공정으로 권취 가능한 탄소 섬유 재료를 높은 속도로 CNT로 관능화되도록 할 수 있다. 5 내지 300 초의 재료 체류 시간의 경우, 3 피트 길이인 시스템을 위한 연속 공정에서의 라인속도는 약 0.5 피트/분 내지 약 36 피트/분 이상의 범위일 수 있다. 선택되는 속도는 이하에서 더 설명하는 바와 같은 다양한 파라미터에 의존한다.
일부의 실시형태에서, 약 5 내지 약 30 초의 재료 체류 시간에 의해 약 1 마이크론 내지 약 10 마이크론의 길이를 갖는 CNT가 제조될 수 있다. 일부의 실시형태에서, 약 30 내지 약 180 초의 재료 체류 시간에 의해 약 10 마이크론 내지 약 100 마이크론의 길이를 갖는 CNT가 제조될 수 있다. 더 추가의 실시형태에서, 약 180 내지 약 300 초의 재료 체류 시간은 약 100 마이크론 내지 약 500 마이크론의 길이를 갖는 CNT를 제조할 수 있다. 당업자는 이들 범위가 근사적인 것이고, CNT 길이는 반응 온도, 및 운반 및 탄소 원료 농도 및 유동 속도에 의해서도 조절될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
본 발명의 CNT-주입된 탄소 섬유 재료는 차단 코팅을 포함한다. 차단 코팅은, 예를 들면, 알콕시실레인, 메틸실록산, 알루목산, 알루미나 나노입자, 스핀 온 글래스 및 유리 나노입자를 포함할 수 있다. CNT-형성 촉매는 미경화 차단 코팅 재료에 첨가된 다음 함께 탄소 섬유 재료에 도포될 수 있다. 다른 실시형태에서, 차단 코팅 재료는 CNT-형성 촉매의 침착 전에 탄소 섬유 재료에 첨가될 수 있다. 차단 코팅 재료는 후속 CVD 성장을 위해 탄소 원료에 대한 CNT-형성 촉매의 노출을 허용할 수 있을 정도로 충분히 얇은 두께를 가질 수 있다. 일부의 실시형태에서, 두께는 CNT-형성 촉매의 유효 직경보다 작거나 대략 동등하다. 일부의 실시형태에서, 차단 코팅의 두께는 약 10 nm 내지 약 100 nm의 범위일 수 있다. 차단 코팅은 또한 10 nm 미만일 수 있고, 1 nm, 2 nm, 3 nm, 4 nm, 5 nm, 6 nm, 7 nm, 8 nm, 9 nm, 10 nm, 및 이들 사이의 임의의 값을 포함할 수 있다.
이론에 구애됨이 없이, 차단 코팅은 탄소 섬유 재료와 CNT 사이의 중간층의 역할을 할 수 있고, 탄소 섬유 재료에의 CNT의 기계적 주입을 제공할 수 있다. 이와 같은 기계적 주입은 여전히 견고한 시스템을 제공하고, 여기서 탄소 섬유 재료는 CNT를 조직하기 위한 플랫폼의 역할을 하고, 동시에 여전히 탄소 섬유 재료에 CNT의 특성을 부여한다. 더욱이, 차단 코팅을 포함하는 것의 이점은 이것이 습기에의 노출에 기인되는 화학적 손상으로부터 및/또는 CNT 성장을 촉진하기 위해 사용되는 온도에서의 탄소 섬유 재료의 가열에 기인되는 열적 손상으로부터 탄소 섬유 재료를 직접적으로 보호하는 것이다.
본 명세서에 개시된 주입된 CNT는 종래의 탄소 섬유 "사이징"의 대체물로서 효과적으로 기능할 수 있다. 주입된 CNT는 종래의 사이징 재료보다 더 견고하고, 복합재 재료 내의 섬유-모재 계면을 개선할 수 있고, 더 일반적으로는 섬유-섬유 계면을 개선할 수 있다. 실제로, CNT-주입된 탄소 섬유 재료의 특성이 탄소 섬유 재료의 특성 뿐만 아니라 주입된 CNT의 특성의 조합이라는 의미에서 본 명세서에 개시된 CNT-주입된 탄소 섬유 재료 자체는 복합재 재료이다. 결과적으로, 본 발명의 실시형태는 탄소 섬유 재료에 원하는 특성을 부여하는 수단을 제공하고, 이 수단이 없으면 이와 같은 특성이 부족하거나 불충분한 크기로 갖는다. 탄소 섬유 재료는 특정 용도의 요건에 부합하도록 조정되거나 엔지니어링될 수 있다. 사이징으로서 작용하는 CNT는 소수성 CNT 구조로 인해 탄소 섬유 재료가 수분을 흡수하지 않도록 보호할 수 있다. 게다가, 이하에서 추가로 예시된 바와 같이 소수성 모재 재료는 소수성 CNT와 양호하게 상호작용하여 향상된 섬유-모재 상호작용을 제공한다.
위에서 설명된 주입된 CNT를 갖는 탄소 섬유 재료에 부여되는 유익한 특성에도 불구하고, 본 발명의 조성물은 "종래의" 사이징제를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 사이징제는 유형 및 기능이 매우 다양하고, 예를 들면, 표면활성제, 정전기 방지제, 윤활제, 실록세인, 알콕시실레인, 아미노실레인, 실레인, 실라놀, 폴리비닐 알코올, 녹말 및 이들의 혼합물을 포함한다. 이와 같은 이차적 사이징제는 CNT 자체를 보호하기 위해, 또는 주입된 CNT의 존재에 의해 부여되지 않는 섬유의 추가적 특성을 제공하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 조성물은 CNT-주입된 섬유 재료를 갖는 복합재를 형성하기 위한 모재 재료를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 모재 재료는, 예를 들면, 에폭시, 폴리에스터, 비닐에스터, 폴리에테르이미드, 폴리에테르케톤케톤, 폴리프탈아미드, 폴리에테르케톤, 폴리에테르에테르케톤, 폴리이미드, 페놀-포름알데히드, 및 비스말레이미드를 포함할 수 있다. 본 발명에서 유용한 모재 재료는 공지된 모재 재료 중 임의의 것을 포함할 수 있다(Mel M. Schwartz, Composite Materials Handbook(제 2 판, 1992) 참조). 더 일반적으로 모재 재료는 열경화성 및 열가소성의 양자 모두의 수지(폴리머), 금속, 세라믹, 및 시멘트를 포함할 수 있다.
모재 재료로서 유용한 열경화성 수지는 프탈/사과산 유형의 폴리에스터, 비닐 에스테르, 에폭시, 페놀, 시안산염, 비스말레이미드, 및 나딕 단부 캐핑(nadic end-capped)된 폴리이미드(예를 들면, PMR-15)를 포함한다. 열가소성 수지는 폴리술폰, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리페닐렌 산화물, 폴리설파이드, 폴리에테르 에테르 케톤, 폴리에테르 술폰, 폴리아미드-이미드, 폴리에테르이미드, 폴리이미드, 폴리아릴레이트, 및 액정 폴리에스터를 포함한다.
모재 재료로서 유용한 금속은 알루미늄 6061, 2024, 및 713 알루미늄 브레이즈(braze)와 같은 알루미늄 합금을 포함한다. 모재 재료로서 유용한 세라믹은 리튬 알루미노실리케이트와 같은 탄소 세라믹, 알루미나 및 뮬라이트와 같은 산화물, 실리콘 질화물과 같은 질화물, 및 실리콘 탄화물과 같은 탄화물을 포함한다. 모재 재료로서 유용한 시멘트는 탄화물계 써메트(텅스텐 탄화물, 크로뮴 탄화물, 및 티타늄 탄화물), 내화성 시멘트(텅스텐-토리아 및 바륨-탄산염-니켈), 크로뮴-알루미나, 니켈-마그네시아 철-지르코늄 탄화물을 포함한다. 위에서 설명된 임의의 모재 재료는 단독으로 또는 조합으로 사용될 수 있다.
도 1 내지 도 6은 본 명세서에서 설명되는 공정에 의해 제조되는 탄소 섬유 재료의 TEM 이미지 및 SEM 이미지를 보여준다. 이들 재료를 제조하기 위한 프로시저는 이하에서 그리고 실시예 I 내지 실시예 III에서 더 상세히 설명된다. 도 1 및 도 2는 연속 공정으로 AS4 탄소 섬유 상에 제조된 다중벽 탄소 나노튜브 및 이중벽 탄소 나노튜브의 각각의 TEM 이미지를 도시한다. 도 3은 CNT-형성 나노입자 촉매가 탄소 섬유 재료의 표면에 기계적으로 주입된 후 차단 코팅 내로부터 성장 중인 CNT의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 도시한다. 도 4는 약 40 마이크론의 목표 길이의 20% 내에서 탄소 섬유 재료 상에서 성장되는 CNT의 길이 분포의 일관성을 입증하는 SEM 이미지를 도시한다. 도 5는 CNT 성장에 관한 차단 코팅의 효과를 입증하는 SEM 이미지를 도시한다. 차단 코팅이 피복된 곳에서는 고밀도의 양호하게 정렬된 CNT가 성장하였고, 차단 코팅이 존재하지 않는 곳에서는 CNT가 성장하지 않았다. 도 6은 약 10% 내에서 섬유의 전체에 걸쳐 CNT 밀도의 균일성을 입증하는 탄소 섬유 상의 CNT의 저배율 SEM을 도시한다.
CNT-주입된 탄소 섬유 재료는 무수한 용도에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 초핑된(chopped) CNT-주입된 탄소 섬유는 추진제 용도로 사용될 수 있다. 미국 특허 4,072,546은 추진제의 연소 속도를 증가시키기 위한 흑연 섬유의 사용을 설명한다. 초핑된 탄소 섬유 사에 주입된 CNT의 존재는 이와 같은 연소 속도를 더 향상시킬 수 있다. CNT-주입된 탄소 섬유 재료는 또한 난연제의 용도로서도 사용될 수 있다. 예를 들면, CNT는 CNT-주입된 탄소 섬유 재료의 층으로 코팅된 재료의 연소를 지연시키는 보호성 탄화물층을 형성할 수 있다.
CNT-주입된 도전성 탄소 섬유는 초전도체용 전극의 제조에 사용될 수 있다. 초전도 섬유의 제조 시에, 부분적으로 섬유 재료와 초전도층의 상이한 열팽창 계수로 인해 담체 섬유에 초전도층의 적절한 부착을 달성하는 것이 곤란할 수 있다. 본 기술분야에서 다른 어려움은 CVD 공정에 의한 섬유의 코팅 중에 발생한다. 예를 들면, 수소 기체 또는 암모니아와 같은 반응성 기체는 섬유 표면을 부식시킬 수 있고, 및/또는 섬유 표면 상에 원하지 않는 탄화수소 화합물을 형성할 수 있고, 그리고 초전도층의 양호한 부착을 더 곤란하게 만들 수 있다. 차단 코팅을 구비하는 CNT-주입된 탄소 섬유 재료는 전술한 종래기술에서의 어려움을 극복할 수 있다.
CNT 주입된 탄소 섬유 재료는 내마모성을 요구하는 용도에서 사용될 수 있다. 미국 특허 6,691,393은 탄소 섬유 마찰 재료의 내마모성을 설명한다. 이와 같은 탄소 섬유 마찰 재료는, 예를 들면, 자동차의 브레이크 디스크에서 사용된다. 다른 내마모성 용도는, 예를 들면, 고무 O링 및 개스킷 시일을 포함할 수 있다.
CNT의 넓은 유효 표면적은 이 CNT-주입된 탄소 섬유 재료가 물의 여과 용도 및 물로부터 유기질 오일의 분리와 같은 다른 추출 공정을 위해 효과를 갖도록 만들어준다. CNT-주입된 탄소 섬유 재료는 지하수면, 저수 설비, 또는 가정 및 사무실용 인라인 필터로부터 유기질 독소를 제거하기 위해 사용될 수 있다.
유전 기술에서, CNT-주입된 탄소 섬유는 파이프 베어링, 파이프 보강재, 및 고무 O링과 같은 시추 설비의 제조 시에 유용하다. 더욱이, 위에서 설명된 바와 같이, CNT-주입된 탄소 섬유는 추출 공정에서 사용될 수 있다. 구성물을 포함하는 유가의 석유광상에서 이와 같은 추출 특성을 적용하면, CNT-주입된 탄소 섬유 재료는 가공하기 어려운 구성물로부터 오일을 추출하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, CNT-주입 탄소 섬유 재료는 상당량의 물 및/또는 모래가 존재하는 구성물로부터 오일을 추출하기 위해 사용될 수 있다. CNT-주입된 탄소 섬유 재료는 또한 그것의 높은 끓는점으로 인해 추출하기가 곤란한 중유를 추출하는데 유용할 수 있다. 천공된 파이프 시스템과 함께, 예를 들면, 천공된 파이프 상에 코팅된 CNT-주입된 탄소 재료에 의한 이와 같은 중유의 위킹(wicking)은 중유 및 오일 셰일 조성물로부터 높은 끓는점의 유분을 연속적으로 제거하기 위해 진공 시스템 또는 유사물에 작동 가능하게 연결될 수 있다. 게다가, 이와 같은 공정은 본 기술분야에 공지된 종래의 열적 또는 촉매작용을 받는 분해증류법과 함께 또는 그 대신에 사용될 수 있다.
CNT-주입된 탄소 섬유 재료는 항공우주산업 및 유도탄 용도에서 구조적 요소를 강화시킬 수 있다. 예를 들면, 미사일의 노우즈 콘, 날개의 전연, 플랩 및 에어로포일과 같은 일차적 구조 부품, 프로펠러 및 에어 브레이크, 소형 비행기 동체, 헬리콥터 셸 및 로터 블레이드, 플로어, 도어, 좌석, 공기조화기, 및 이차적 탱크와 같은 항공기 이차적 구조 부품 및 비행기 모터 부품과 같은 구조물은 CNT-주입된 탄소 섬유에 의해 제공되는 구조적 강화로부터 이익을 얻을 수 있다. 많은 다른 용도에서의 구조적 강화는, 예를 들면, 소해정 선체, 헬멧, 레이돔(radome), 로켓 노즐, 구조용 스트레처, 및 엔진 부품을 포함할 수 있다. 건축 및 건설에서, 외부 기구의 구조적 강화는 컬럼, 페디먼트(pediment), 돔, 코니스(cornice), 및 폼워크를 포함한다. 마찬가지로, 내부 건축에서, 블라인드, 위생도기, 창틀, 및 유사물과 같은 구조물은 모두 CNT-주입된 탄소 섬유 재료의 사용으로부터 이익을 얻을 수 있다.
해운 산업에서, 구조적 강화는 보트의 선체, 스트링거(stringer), 및 갑판을 포함할 수 있다. CNT-주입된 탄소 섬유 재료는 또한 중량물 수송 산업에서, 예를 들면, 트레일러 벽을 위한 대형 패널, 궤도차용 플로어 패널, 트럭 캡, 외부 바디 몰딩, 버스 바디 차체, 및 화물 컨테이너로서 사용될 수 있다. 자동차 용도에서, CNT-주입된 탄소 섬유 재료는 트리밍, 좌석 및 계기판과 같은 내부 부품으로 사용될 수 있다. 바디 패널, 통로, 언더바디, 및 전방 및 후방 모듈과 같은 외부 구조는 모두 CNT-주입된 탄소 섬유 재료의 사용으로부터 이익을 얻을 수 있다. 심지어 자동차 엔진실 및 액슬 및 현가장치와 같은 연료 기계적 영역의 부품, 연료 및 배기 시스템, 및 전기 및 전자 컴포넌트는 모두 CNT-주입된 탄소 섬유 재료를 사용할 수 있다.
CNT-주입된 탄소 섬유 재료의 다른 용도는 교량 건설, 다월 바, 보강 바, 포스트-텐셔닝 및 프리-스트레싱 긴장재(tendon)와 같은 보강 콘크리트 제품, 스테이-인-플레이스(stay-in-place) 프레임워크, 전봇대, 송전탑 및 크로스 암과 같은 송전 및 배전 구조, 표시 지주, 가드레일, 포스트 및 지지체, 방음벽 및 도시 배관과 같은 고속도로 안전 및 도로변 기구, 및 저장 탱크를 포함한다.
CNT-주입된 탄소 섬유 재료는 또한 수상 스키 및 스노우 스키, 카약, 카누와 패들, 스노우보드, 골프 클럽 샤프트, 골프 트롤리, 낚싯대, 및 수영장과 같은 다양한 레저 설비에서 사용될 수 있다. 다른 소비재 및 사무기기는 기어, 팬, 하우징, 기체 압력병, 세탁기, 세탁기 드럼, 건조기, 쓰레기 폐기 유닛, 에어컨 및 가습기와 같은 가정용 전기기구를 위한 부품을 포함한다.
CNT-주입된 탄소 섬유의 전기적 특성은 또한 다양한 에너지 및 전기 용도에 영향을 줄 수 있다. 예를 들면, CNT-주입된 탄소 섬유 재료는 풍력 터빈 블레이드, 태양열 구조물, 랩탑, 휴대폰, 컴퓨터 캐비닛과 같은 전자 인클로저에서 사용될 수 있고, 여기서 이와 같은 CNT-주입된 재료는, 예를 들면, 전자간섭 차폐로서 사용될 수 있다. 다른 용도는 전력선, 냉각 장치, 조명용 전주, 회로기판, 배전반, 래더 레일(ladder rail), 광 섬유, 데이터 선, 컴퓨터 단자 하우징과 같은 전력 내장 구조, 복사기, 금전 등록기 및 우송 설비와 같은 사무기기를 포함한다.
일부의 실시형태에서, 본 발명은 (a) 권취 가능한 치수의 탄소 섬유 재료의 표면 상에 탄소 나노튜브-형성 촉매를 배치하는 단계; 및 (b) 탄소 섬유 재료 상에 직접적으로 탄소 나노튜브를 합성함으로써 탄소 나노튜브-주입된 탄소 섬유 재료를 형성하는 단계를 포함하는 CNT 주입을 위한 연속 공정을 제공한다. 9 피트 길이의 시스템의 경우, 공정의 라인속도는 약 1.5 피트/분 내지 약 108 피트/분의 범위일 수 있다. 본 명세서에서 설명되는 공정에 의해 달성되는 라인속도에 의해 짧은 제조 시간으로 상업적으로 관련되는 양의 CNT-주입된 탄소 섬유 재료를 형성하는 것이 가능하다. 예를 들면, 36 피트/분 라인속도에서, CNT-주입된 탄소 섬유의 양(섬유 상의 5 중량%를 초과하는 주입된 CNT)은 5 개의 별개의 토우(20 파운드/토우)를 동시에 처리하도록 설계되는 시스템에서 1일 생산되는 100 파운드 이상의 재료를 초과할 수 있다. 성장 구역을 반복함으로써 한꺼번에 또는 더 빠른 속도로 더 많은 토우를 생산하도록 제조될 수 있다 더욱이, CNT 제조의 일부의 단계는 본 기술분야에서 공지된 바와 같이 연속적 모드의 작업을 방해하는 극히 느린 속도를 갖는다. 예를 들면, 본 기술분야에 공지된 전형적인 공정에서, CNT-형성 촉매 환원 단계는 실행을 위해 1 내지 12 시간이 걸릴 수 있다. CNT 성장 자체도 또한 CNT 성장을 위해 수십 분을 필요로 함으로써 시간을 낭비할 수 있고, 본 발명에서 실현되는 신속한 라인속도를 방해할 수 있다. 본 명세서에서 설명하는 공정은 이와 같은 속도 제한 단계를 극복한다.
본 발명의 CNT-주입된 탄소 섬유 재료 형성 공정은 섬유 재료(210)에 사전형성된 탄소 나노튜브의 현탁액을 가할 때 발생하는 CNT 엉킴을 방지할 수 있다. 즉, 사전형성된 CNT가 탄소 섬유 재료에 융합되지 않으므로 CNT는 집속되고 엉키는 경향이 있다. 그 결과 탄소 섬유 재료에 약하게 부착되는 빈약하게 균일한 분포의 CNT가 얻어진다. 그러나, 필요한 경우, 본 발명의 공정은 성장 밀도를 감소시킴으로써 탄소 섬유 재료의 표면 상에 고도로 균일하게 엉킨 CNT 매트를 제공할 수 있다. 저밀도로 성장된 CNT가 먼저 탄소 섬유 재료에 주입된다. 이와 같은 실시형태에서, 섬유는 수직 정렬을 유발하기에 충분한 정도로 조밀하게 성장하지 않고, 그 결과 탄소 섬유 재료의 표면 상에 엉킨 매트를 얻는다. 대조적으로, 사전형성된 CNT의 수작업 도포는 탄소 섬유 재료 상의 CNT 매트의 균일한 분포 및 밀도를 보장하지 않는다.
도 7은 본 발명의 예시적 실시형태에 따른 CNT-주입된 탄소 섬유 재료를 생성하기 위한 공정(700)의 흐름도를 도시한다.
공정(700)은 적어도 다름의 단계를 포함한다.
701: 탄소 섬유 재료를 관능화시키는 단계.
702: 관능화된 탄소 섬유 재료에 차단 코팅 및 CNT-형성 촉매를 가하는 단계.
704: 탄소 나노튜브 합성을 위해 충분한 온도까지 탄소 섬유 재료를 가열하는 단계.
706: 촉매-함유 탄소 섬유 상에서 CVD-매개된 CNT 성장을 촉진시키는 단계.
단계 701에서, 탄소 섬유 재료는 섬유의 표면 습윤화를 촉진하도록 그리고 차단 코팅의 부착을 향상시키도록 관능화된다.
탄소 섬유 재료 내에 탄소 나노튜브를 주입하기 위해, 차단 코팅으로 공형으로 코팅되는 탄소 섬유 재료 상에 탄소 나노튜브가 합성된다. 하나의 실시형태에서, 이것은 먼저 탄소 섬유 재료를 차단 코팅으로 공형으로 코팅하고, 다음에 단계 702에 따라 차단 코팅 상에 나노튜브-형성 촉매를 배치하는 단계에 의해 달성된다. 일부의 실시형태에서, 차단 코팅은 촉매 침착 전에 부분적으로 경화될 수 있다. 이것은 촉매를 수용하는, 그리고 CNT-형성 촉매와 탄소 섬유 재료 사이의 표면 접촉을 허용하는 것을 포함하여 차단 코팅 내에 촉매를 매립하는 것을 가능하게 하는 표면을 제공할 수 있다. 이와 같은 실시형태에서, 차단 코팅은 촉매의 매립 후에 완전히 경화될 수 있다. 일부의 실시형태에서, 차단 코팅은 CNT-형성 촉매의 침착과 동시에 탄소 섬유 재료 상에 공형으로 코팅된다. 일단 CNT-형성 촉매와 차단 코팅이 소정의 위치에 위치되면, 차단 코팅은 완전히 경화될 수 있다.
일부의 실시형태에서, 차단 코팅은 촉매 침착 전에 완전히 경화될 수 있다. 이와 같은 실시형태에서, 완전히 경화된 차단-코팅된 탄소 섬유 재료는 촉매를 수용하기 위한 표면을 제조하기 위해 플라즈마로 처리될 수 있다. 예를 들면, 경화된 차단 코팅을 갖는 플라즈마 처리된 탄소 섬유 재료는 CNT-형성 촉매가 침착될 수 있는 거칠기 가공된 표면을 제공할 수 있다. 따라서, 차단벽의 표면을 "거칠기 가공"하기 위한 플라즈마 공정은 촉매 침착을 촉진한다. 거칠기는 전형적으로 나노미터의 척도이다. 플라즈마 처리 공정에서, 나노미터 깊이 및 나노미터 직경의 크레이터(crater) 또는 함몰부가 형성된다. 이와 같은 표면 개질은 아르곤, 헬륨, 산소, 질소, 및 수소를 제한 없이 포함하는 임의의 하나 이상의 다양한 상이한 기체의 플라즈마를 이용하여 달성될 수 있다. 일부의 실시형태에서, 플라즈마 거칠기 가공은 또한 탄소 섬유 재료 자체 내에서 직접적으로 수행될 수 있다. 이것은 탄소 섬유 재료에의 차단 코팅의 부착을 촉진시킬 수 있다.
이하에서, 그리고 도 7과 관련하여 더욱 설명하는 바와 같이, 촉매는 천이 금속 나노입자를 포함하는 CNT-형성 촉매를 포함하는 액체 용액으로서 제조된다. 합성된 나노튜브의 직경은 위에서 설명한 바와 같이 금속 입자의 크기에 관련된다. 일부의 실시형태에서, CNT-형성 천이 금속 나노입자 촉매의 상업적 분산액이 구입되어 희석없이 사용될 수 있고, 다른 실시형태에서는 촉매의 상업적 분산액이 희석될 수 있다. 이와 같은 용액의 희석 여부는 위에서 설명한 바와 같이 성장될 CNT의 원하는 밀도 및 길이에 의존할 수 있다.
도 7의 예시적 실시형태를 참조하면, 탄소 나노튜브 합성은 화학적 증착(CVD) 공정에 기초하여 도시되어 있고, 상승된 온도에서 실행된다. 특정 온도는 촉매 선택의 함수이지만, 전형적으로 약 500 내지 1000 ℃의 범위이다. 따라서, 단계 704는 탄소 나노튜브 합성을 지원하기 위해 전술한 범위의 온도까지 차단-코팅된 탄소 섬유 재료를 가열하는 단계를 포함한다.
다음에, 단계 706에서, 촉매-함유 탄소 섬유 재료 상의 CVD-촉진된 나노튜브 성장이 수행된다. CVD 공정은, 예를 들면, 아세틸렌, 에틸렌, 및/또는 에탄올과 같은 탄소-함유 원료 기체에 의해 촉진될 수 있다. CNT 합성 공정은 일반적으로 일차적 운반 기체로서 불활성 기체(질소, 아르곤, 헬륨)을 사용한다. 탄소 원료는 총 혼합물의 약 0% 내지 약 15%의 범위로 제공된다. CVD 성장을 위한 실질적 불활성 환경은 성장 체임버로부터 습기 및 산소를 제거함으로써 준비된다.
CNT 합성 공정에서, CNT는 CNT-형성 천이 금속 나노입자 촉매의 거점(site)에서 성장한다. 강력한 플라즈마를 생성하는 전기장의 존재는 나노튜브 성장에 영향을 주기 위해 임의선택적으로 사용될 수 있다. 즉, 성장은 전기장의 방향을 따르는 경향을 갖는다. 플라즈마 분사 및 전기장의 형상을 적절하게 조절함으로써, 수직으로(즉, 탄소 섬유 재료에 수직으로) 정렬된 CNT가 합성될 수 있다. 특정 조건 하에서, 플라즈마가 존재하지 않는 경우에도, 밀집된 나노튜브가 수직 성장 방향을 유지하여, 카펫 또는 포레스트와 유사한 CNT의 조밀한 어레이를 생성한다. 차단 코팅의 존재는 또한 CNT 성장의 방향성에 영향을 줄 수 있다.
탄소 섬유 재료 상에 촉매를 배치하는 단계는 용액의 분사 또는 침지 코팅에 의해, 또는, 예를 들면, 플라즈마 공정을 통한 기체상 침착에 의해 달성될 수 있다. 기법의 선택은 차단 코팅이 적용되는 모드와 조화될 수 있다. 따라서, 일부의 실시형태에서, 용매로 촉매의 용액을 형성한 후, 촉매는 이 용액으로 차단 코팅된 탄소 섬유 재료를 분사 코팅 또는 침지 코팅함으로써 또는 분사 코팅과 침지 코팅의 조합에 의해 가해질 수 있다. 단독으로 사용되거나 조합으로 사용되는 양자의 기법은 충분하게 균일하게 코팅된 탄소 섬유 재료에 CNT-형성 촉매를 제공하기 위해 1 회, 2 회, 3 회, 4 회, 최대 임의의 회까지 사용될 수 있다. 침지 코팅이 이용되는 경우, 예를 들면, 탄소 섬유 재료는 제 1 침지욕 내에 제 1 체류 시간 동안 제 1 침지욕 내에 설치될 수 있다. 제 2 침지욕이 이용되는 경우, 탄소 섬유 재료는 제 2 체류 시간 동안 제 2 침지욕 내에 설치될 수 있다. 예를 들면, 탄소 섬유 재료는 침지 구성 및 라인속도에 따라 약 3 초 내지 약 90 초간 CNT-형성 촉매의 용액에 노출될 수 있다. 분사 코팅 또는 침지 코팅 공정을 사용하면, 약 5% 미만의 표면 점유의 촉매의 표면 밀도를 갖는 탄소 섬유 재료는 약 80%의 점유만큼 높은, 여기서 CNT-형성 촉매 나노입자는 거의 단일층이다. 일부의 실시형태에서, 탄소 섬유 재료 상에 CNT-형성 촉매를 코팅하는 공정은 최대한 단일층을 생성해야 한다. 예를 들면, CNT-형성 촉매의 스택 상에서 CNT 성장은 탄소 섬유 재료에의 CNT의 주입 정도를 저감시킬 수 있다. 다른 실시형태에서, 천이 금속 촉매는 증발 기법, 전해 침착 기법, 및 금속 유기물, 금속염 또는 기체상 수송을 촉진하는 기타 조성으로서 플라즈마 원료 기체에의 천이 금속 촉매의 첨가와 같은 당업자에게 공지된 다른 공정을 이용하여 탄소 섬유 재료 상에 침착될 수 있다.
본 발명의 공정은 연속 공정이 되도록 설계되므로, 권취 가능한 탄소 섬유 재료는 침지 코팅욕이 공간적으로 분리되어 있는 일련의 욕 내에서 침지 코팅될 수 있다. 신생의 탄소 섬유가 새로 발생되는 연속 공정에서, CNT-형성 촉매의 침지욕 또는 분사는 탄소 섬유 재료에 차단 코팅을 도포 및 경화 후 또는 부분 경화 후의 제 1 단계일 수 있다. 차단 코팅 및 CNT-형성 촉매의 도포는 새로이 형성된 탄소 섬유 재료를 위한 사이징의 도포 대신에 수행될 수 있다. 다른 실시형태에서, CNT-형성 촉매는 차단 코팅 후 다른 사이징제의 존재 하에서 새로이 형성된 탄소 섬유에 가해질 수 있다. 이와 같은 CNT-형성 촉매 및 다른 사이징제의 동시적 적용은 CNT 주입을 보장하기 위해 탄소 섬유 재료의 차단 코팅과 표면 접촉 상태를 CNT-형성 촉매에 제공한다.
사용되는 촉매 용액은 위에서 설명한 바와 같이 임의의 d-블록 천이 금속일 수 있는 천이 금속 나노입자일 수 있다. 또한, 나노입자는 원소 형태 또는 염 형태, 및 이들의 혼합물의 d-블록 금속의 합금 및 비합금 혼합물을 포함할 수 있다. 이와 같은 염 형태는 산화물, 탄화물, 및 질화물을 포함하지만, 이것에 한정되지 않는다. 비제한적인 예시적 천이 금속 NP는 Ni, Fe, Co, Mo, Cu, Pt, Au, 및 Ag 및 이들의 염 및 이들의 혼합물을 포함한다. 일부의 실시형태에서, 이와 같은 CNT-형성 촉매는 차단 코팅 침착과 동시에 탄소 섬유 재료에 직접적으로 CNT-형성 촉매를 가하거나 주입함으로써 탄소 섬유 상에 배치된다. 이들 천이 금속 촉매의 다수는 예를 들면, 페로텍 코포레이션(Ferrotec Corporation, 뉴햄프셔, 베드포드)를 포함하는 다양한 공급자로부터 쉽게 상업적으로 구입할 수 있다.
탄소 섬유 재료에 CNT-형성 촉매를 가하기 위해 사용되는 촉매 용액은 CNT-형성 촉매의 균일한 분산을 가능하게 하는 임의의 일반적 용매를 사용할 수 있다. 이와 같은 용매는 물, 아세톤, 헥세인, 이소프로필 알코올, 톨루엔, 에탄올, 메탄올, 테트라하이드로퓨란(THF), 시클로헥세인 또는 CNT-형성 촉매 나노입자의 적절한 분산액을 생성하기 위해 제어된 극성을 갖는 임의의 다른 용매를 포함할 수 있으나, 이것에 한정되지 않는다. CNT-형성 촉매의 농도로서 촉매:용매는 약 1:1 내지 1:10000의 범위일 수 있다. 이와 같은 농도는 마찬가지로 차단 코팅과 CNT-형성 촉매가 동시에 가해질 때 사용될 수 있다.
일부의 실시형태에서, CNT-형성 촉매의 침착 후 탄소 나노튜브를 합성하기 위해 탄소 섬유 재료는 약 500 ℃ 내지 1000 ℃의 온도에서 가열될 수 있다. 이러한 온도에서의 가열은 CNT 성장을 위한 탄소 원료의 도입 전이나 도입과 실질적으로 동시에 수행될 수 있다.
일부의 실시형태에서, 본 발명은 탄소 섬유 재료로부터 사이징제를 제거하는 단계, 탄소 섬유 재료 상에 공형으로 차단 코팅을 도포하는 단계, 탄소 섬유 재료에 CNT-형성 촉매를 가하는 단계, 적어도 500 ℃까지 탄소 섬유 재료를 가열하는 단계, 및 탄소 섬유 재료 상에 탄소 나노튜브를 합성하는 단계를 포함하는 공정을 제공한다. 일부의 실시형태에서, CNT-주입 공정의 단계는 탄소 섬유 재료로부터 사이징을 제거하는 단계, 탄소 섬유 재료에 차단 코팅을 가하는 단계, 탄소 섬유에 CNT-형성 촉매를 가하는 단계, CNT-합성 온도로 섬유를 가열하는 단계, 및 촉매-함유 탄소 섬유 재료를 CVD-촉진된 CNT 성장시키는 단계를 포함한다. 따라서, 상업적 탄소 섬유 재료가 사용되는 경우, CNT-주입된 탄소 섬유를 구축하는 공정은 탄소 섬유 재료 상에 차단 코팅 및 촉매를 배치하기 전에 탄소 섬유 재료로부터 사이징을 제거하는 개별적인 단계를 포함할 수 있다.
탄소 나노튜브를 합성하는 단계는 참조에 의해 본 명세서에 포함되는 동시 계류중인 미국 특허 출원번호 US 2004/0245088에 개시된 것을 포함하여 탄소 나노튜브를 형성하기 위한 다수의 기법을 포함할 수 있다. 본 발명의 섬유 상에 성장된 CNT는 마이크로캐비티, 열 또는 플라즈마-조장된 CVD 기법, 레이저 삭마, 아크 방전, 및 고압 일산화탄소(HiPCO)를 제한 없이 포함하는 본 기술분야에 공지된 기법에 의해 달성될 수 있다. 특히, CVD 중에, CNT-형성 촉매가 배치되는 차단 코팅된 탄소 섬유 재료가 직접적으로 사용될 수 있다. 일부의 실시형태에서, 임의의 종래의 사이징제가 CNT 합성 전에 제거될 수 있다. 일부의 실시형태에서, 아세틸렌 기체는 CNT 합성을 위한 냉탄소 플라즈마(cold carbon plasma)의 제트를 생성하기 위해 이온화된다. 이 플라즈마는 촉매 함유 탄소 섬유 재료를 향해 안내된다. 따라서, 일부의 실시형태에서, 탄소 섬유 재료 상의 CNT의 합성은 (a) 탄소 플라즈마를 형성하는 단계; 및 (b) 탄소 섬유 재료 상에 배치되는 촉매 상으로 탄소 플라즈마를 안내하는 단계를 포함한다. 성장되는 CNT의 직경은 전술한 바와 같이 CNT-형성 촉매의 크기에 의해 결정된다. 일부의 실시형태에서, 사이징된 섬유 기재는 CNT 합성을 촉진하기 위해 약 550 내지 약 800 ℃로 가열된다. CNT의 성장을 개시하기 위해, 아르곤, 헬륨, 또는 질소와 같은 공정 기체, 및 아세틸렌, 에틸렌, 에탄올 또는 메탄과 같은 탄소-함유 기체의 2 종의 기체가 반응기 내로 유입된다 CNT는 CNT-형성 촉매의 거점에서 성장한다.
일부의 실시형태에서, CVD 성장은 플라즈마 조장(plasma-enhanced)된다. 플라즈마는 성장 공정 중에 전기장을 제공함으로써 발생될 수 있다. 이들 조건 하에서 성장된 CNT는 전기장의 방향을 따를 수 있다. 따라서, 반응기의 형태를 조절함으로써 수직으로 정렬되는 탄소 나노튜브가 원통형 섬유의 주위에 반경방향으로 성장될 수 있다. 일부의 실시형태에서, 플라즈마는 섬유의 주위의 반경방향의 성장을 위해 요구되지 않는다. 테이프, 매트, 직물, 플라이 등과 같은 구별되는 면을 갖는 탄소 섬유 재료의 경우, 촉매는 일면 또는 양면 상에 배치될 수 있고, 따라서 CNT는 마찬가지로 일면 또는 양면 상에 성장될 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이, CNT-합성은 권취 가능한 탄소 섬유 재료의 관능화를 위한 연속 공정을 제공하기에 충분한 속도로 수행된다. 다수의 장치 구성은 이하에 예시된 바와 같은 연속적 합성을 촉진시킨다.
일부의 실시형태에서, CNT-주입된 탄소 섬유 재료는 "올 플라즈마(all plasma)" 공정으로 구축될 수 있다. 올 플라즈마 공정은, 위에서 설명한 바와 같이, 섬유 표면 습윤화 특성을 개선하기 위해, 그리고 더욱 공형의 차단 코팅을 제공하기 위해, 뿐만 아니라 산소, 질소, 아르곤 내의 수소 또는 헬륨계 플라즈마와 같은 특정의 반응성 기체종을 사용함으로써 탄소 섬유 재료의 관능화의 이용을 통해 기계적 상호결합 및 화학적 부착을 개선하기 위해 플라즈마에 의한 탄소 섬유 재료의 거칠기 가공과 함께 실시될 수 있다.
차단 코팅된 탄소 섬유 재료는 최종 CNT-주입된 생성물을 형성하기 위해 많은 추가의 플라즈마-매개된 단계를 통과한다. 일부의 실시형태에서, 올 플라즈마 공정은 차단 코팅이 경화된 후의 제 2 표면 개질을 포함할 수 있다. 이것은 촉매 침착을 촉진하기 위해 탄소 섬유 재료 상의 차단 코팅의 표면을 "거칠기 가공"하기 위한 플라즈마 공정이다. 위에서 설명한 바와 같이, 표면 개질은 아르곤, 헬륨, 산소, 암모니아, 수소 및 질소를 제한 없이 포함하는 임의의 하나 이상의 다양한 상이한 기체의 플라즈마를 이용하여 달성될 수 있다.
표면 개질 후, 차단 코팅된 탄소 섬유 재료는 촉매 도포로 진행된다. 이것은 섬유 상에 CNT-형성 촉매를 침착시키기 위한 플라즈마 공정이다. CNT-형성 촉매는 위에서 설명된 바와 같이 전형적으로 천이 금속이다. 천이 금속 촉매는 강자성유체, 금속 유기물, 금속염 또는 기체상 수송을 촉진하기 위한 기타 조성의 형태의 전구체로서 플라즈마 원료 기체에 첨가될 수 있다. 촉매는 진공이나 불활성 분위기를 필요로 하지 않고 주위 환경에서 실온에서 가해질 수 있다. 일부의 실시형태에서, 탄소 섬유 재료는 촉매의 적용 전에 냉각될 수 있다.
올 플라즈마 공정을 지속하면, CNT-성장 반응기 내에서 탄소 나노튜브 합성이 실행된다. 이것은 플라즈마 조장된 화학적 증착의 사용을 통해 달성될 수 있고, 여기서 탄소 플라즈마는 촉매를 함유한 섬유 상에 분사된다. 탄소 나노튜브 성장이 상승된 온도(촉매에 따라 전형적으로 약 500 내지 1000 ℃)에서 발생하므로, 촉매를 함유한 섬유는 탄소 플라즈마에의 노출 전에 가열될 수 있다. 주입 공정을 위해, 탄소 섬유 재료는 이것이 연화될 때까지 임의선택적으로 가열될 수 있다. 가열 후, 탄소 섬유 재료는 탄소 플라즈마를 수용하도록 준비된 상태이다. 탄소 플라즈마는, 예를 들면, 아세틸렌, 에틸렌, 에탄올 등과 같은 탄소 함유 기체를 기체를 이온화시킬 수 있는 전기장을 통과시킴으로써 발생된다. 이 냉탄소 플라즈마는 분사 노즐을 통해 탄소 섬유 재료로 안내된다. 탄소 섬유 재료는 플라즈마를 받기 위해, 예를 들면, 분사 노즐의 약 1 cm 내와 같이 분사 노즐에 근접할 수 있다. 일부의 실시형태에서, 탄소 섬유 재료의 상승된 온도를 유지하기 위해 플래니터리 분쇄기에서 탄소 섬유 재료의 상측에 가열기가 배치된다.
연속적 탄소 나노튜브 합성을 위한 다른 구성은 탄소 섬유 재료 상에서 직접적으로 탄소 나노튜브(120)의 합성 및 성장시키기 위한 특정의 사각형 반응기를 포함한다. 이 반응기는 탄소-나노튜브를 함유하는 섬유를 생성하기 위한 연속적 인라인 공정에서의 사용을 위해 설계될 수 있다. 일부의 실시형태에서, CNT는 다중 구역 반응기 내에서 대기압 및 약 550 ℃ 내지 약800 ℃의 범위의 상승된 온도에서 화학적 증착("CVD") 공정을 통해 성장된다. 합성이 대기압에서 발생한다는 사실은 섬유 상의 CNT 합성을 위한 연속 공정 라인으로 반응기의 합체를 촉진시키는 하나의 요인이다. 이와 같은 구역 반응기를 사용하는 인라인 연속 공정에 따른 다른 장점은 본 기술분야의 전형적인 다른 프로시저 및 장치 구성의 수분(또는 더 긴 시간)과 대조적으로 1초 내에 발생하는 것이다.
다양한 실시형태에 따른 CNT 합성 반응기는 다음의 기구를 포함한다.
사각형으로 구성된 합성 반응기: 본 기술분야에 공지된 전형적인 CNT 합성 반응기의 단면은 원형이다. 여기에는, 예를 들면, 역사적 이유(원통형 반응기는 종종 실험실에서 사용된다) 및 편리성(유체 역학은 원통형 반응기에서 모델링하는 것이 용이하고, 가열기 시스템은 원형관(석영 등)을 용이하게 수용하고, 제작의 용이성)을 포함하는 많은 이유가 있다. 원통형의 관례로부터 벗어나서 본 발명은 사각형 단면을 갖는 CNT 합성 반응기를 제공한다. 관례를 벗어나기 위한 이유는 다음과 같다. 1. 반응기에 의해 가공될 수 있는 많은 탄소 섬유 재료는 평평한 테이프나 시트 형태와 같은 비교적 평면이므로 원형 단면은 반응기 체적의 사용을 비효율화 한다. 이 비효율은 원통형 CNT 합성 반응기의 여러 가지 결점을 초래한다. 예를 들면, a) 충분한 시스템 퍼지의 유지; 증가된 반응기 체적은 동일 수준의 기체 퍼지를 유지하기 위해 증가된 기체 유속을 필요로 한다. 그 결과 개방된 환경 내에서 높은 체적의 CNT 제조를 위한 비효율적인 시스템이 얻어진다; b) 증가된 탄소 원료 기체 유동; 불활성 기체 유동의 상대적 증가는 위의 a)에 따라 증가된 탄소 원료 기체 유동을 필요로 한다. 12K 탄소 섬유 토우의 체적이 사각형 단면을 갖는 합성 반응기의 총 체적보다 2000 배 작다는 것을 생각해 보자. 등가의 성장 원통형 반응기(즉, 사각형 단면 반응기와 동일한 평면화된 탄소 섬유 재료를 수용하는 폭을 갖는 원통형 반응기)에서, 탄소 섬유 재료의 체적은 체임버의 체적보다 17,500 배 작다 CVD와 같은 기체 침착 공정은 전형적으로 압력 및 온도에 의해서만 제어되지만, 체적은 침착의 효율에 상당한 영향을 준다. 사각형 반응기의 경우, 여전히 과잉의 체적이 존재한다. 이 과잉 체적은 원하지 않는 반응을 촉진하는데, 원통형 반응기는 이 체적이 약 8 배이다. 이 경합 반응이 발생할 기회가 더 크므로, 원통형 반응기 체임버 내에서는 효과적으로 원하는 반응이 더욱 서서히 발생한다. 이와 같은 CNT 성장의 지연은 연속 공정의 개발에 문제가 된다. 사각형 반응기 구성의 하나의 이익은 사각형 체임버의 낮은 높이를 사용함으로써 반응기의 체적이 감소될 수 있으므로 체적 비율이 더 우수해지고, 반응이 더 효율화될 수 있다는 것이다. 본 발명의 일부의 실시형태에서, 사각형 합성 반응기의 총 체적은 합성 반응기를 통과하는 탄소 섬유 재료의 총 체적의 약 3000 배 이하이다. 일부의 추가의 실시형태에서, 사각형 합성 반응기의 총 체적은 합성 반응기를 통과하는 탄소 섬유 재료의 총 체적의 약 4000 배 이하이다. 일부의 더 추가의 실시형태에서, 사각형 합성 반응기의 총 체적은 합성 반응기를 통과하는 탄소 섬유 재료의 총 체적의 약 10,000 배 미만이다. 게다가, 원통형 반응기를 사용하는 경우, 사각형 단면을 갖는 반응기에 비해 동일 유량 백분율을 제공하기 위해 더 많은 탄소 원료 기체를 필요로 한다는 것은 주목할 만하다. 일부의 다른 실시형태에서, 합성 반응기는 사각형이 아니지만 비교적 그것과 유사한 다각형으로 설명되는 단면을 갖고, 원형 단면을 갖는 반응기에 대해 반응기 체적의 유사한 감소를 제공한다는 것을 이해해야 한다. c) 문제가 되는 온도 분포; 비교적 작은 직경의 반응기가 사용되는 경우, 체임버의 중심으로부터 그 벽까지의 온도 기울기는 최소이다. 그러나 상업적 규모의 제조용으로 사용되는 것과 같이 크기가 증가하는 경우,온도 기울기는 증가한다. 이와 같은 온도 기울기는 탄소 섬유 재료 기재의 전체에 걸쳐 생성물 품질의 변동을 초래한다(즉, 생성물의 품질은 반경 방향의 위치의 함수로 변화된다). 이러한 문제는 사각형 단면을 갖는 반응기를 사용하는 경우에 실질적으로 방지된다. 특히, 평면 기재가 사용되는 경우, 반응기 높이는 기재의 크기가 증가해도 일정하게 유지될 수 있다. 반응기의 상면과 저면 사이의 온도 기울기는 본질적으로 무시될 수 있고, 그 결과 열 문제 및 생성물 품질 변동이 방지될 수 있다. 2. 기체 도입: 본 기술분야에서 통상적으로 튜브형 노가 사용되므로, 전형적인 CNT 합성 반응기는 일단부에서 기체를 도입하고, 이것을 타단부에서 반응기로부터 배출시킨다. 본 명세서에 개시되는 일부의 실시형태에서, 기체는 반응기의 측면 플레이트 또는 상면 플레이트와 하면 플레이트를 통해 반응기의 중심에 또는 목표 성장 구역 내에 대칭으로 도입될 수 있다. 이것은 CNT 성장이 가장 활발한 시스템의 최고온 부분에서 유입 원료 기체가 연속적으로 보급되므로 전체 CNT 성장 속도를 향상시킨다. 이러한 일정한 기체 보급은 사각형 CNT 반응기에 의해 보여지는 증가된 성장 속도의 중요한 양태이다.
구역화(Zoning). 비교적 서늘한 퍼지 구역을 제공하는 체임버는 사각형 합성 반응기의 양 단부로부터 종속된다. 출원인은 고온 기체가 외부 환경(즉, 반응기의 외부)과 혼합되면, 탄소 섬유 재료의 분해가 증가할 것으로 확정하였다. 이 서늘한 퍼지 구역은 내부 시스템과 외부 환경 사이에 완충부(buffer)를 제공한다. 본 기술분야에 공지된 전형적인 CNT 합성 반응기 구성은 전형적으로 기재가 주의 깊게(그리고 서서히) 냉각될 것을 요구한다. 본 사각형 CNT 성장 반응기의 출구의 서늘한 퍼지 구역은 연속적 인라인 공정에서 요구되는 바와 같은 짧은 시간의 기간 내에 냉각을 달성한다.
비접촉, 고온 벽의 금속 반응기. 일부의 실시형태에서, 금속제, 특히 스테인리스 강제의 고온 벽의 반응기가 사용된다. 금속, 및 특히 스테인리스 강은 탄소 침착(즉, 수트 및 부산물의 형성)에 더욱 영향을 받기 쉬우므로 이것은 직관에 반하는 것으로 보일 수 있다. 따라서, 대부분의 CNT 반응기 구성은 탄소 침착이 적은 석영 반응기를 사용한다. 석영은 세척이 더 용이하고, 석영은 샘플의 관찰을 용이하게 한다. 그러나, 출원인은 스테인리스 강 상의 증가된 수트 및 탄소의 침착은 더욱 일관성이 있는, 더 신속한, 더 효율적인, 그리고 더 안정한 CNT 성장을 유발한다는 것을 관찰하였다. 이론에 구애됨이 없이, 대기 중의 작업(atmospheric operation)에 관련하여 반응기에서 발생하는 CVD 공정은 확산 제한 공정이라는 것이 지적되었다. 즉, 촉매가 "과잉공급"되고; (반응기가 부분 진공 하에서 작동되는 경우에 비해) 그것의 비교적 더 높은 분압에 기인되어 지나치게 많은 탄소가 반응기 시스템 내에서 얻어진다 결과로서, 개방 시스템에서, 특히 청정한 것에서, 지나치게 많은 탄소가 촉매 입자에 부착됨으로써 CNT를 합성하는 촉매 입자의 능력을 약화시킨다. 일부의 실시형태에서, 금속 반응기의 벽 상에 침착된 수트에 의해 반응기가 "오염"된 경우, 사각형 반응기는 의도적으로 가동된다. 일단 반응기의 벽 상의 단일층에 탄소가 침착되면, 그것의 상면에 탄소가 쉽게 침착된다. 이러한 메커니즘에 기인되어 가용 탄소의 일부가 취출될 수 있으므로, 나머지 탄소 원료는 라디칼의 형태로 촉매의 활성을 억제하지 않는 속도로 촉매와 반응한다. 기존의 시스템은 "청결하게" 가동되고, 연속 공정을 위한 개방형인 경우에 감소된 성장 속도로 훨씬 더 낮은 CNT 수율을 생성한다.
위에서 설명한 바와 같이 CNT 합성을 "오염된" 상태에서 수행하는 것일 일반적으로 유익하지만, 기체 매니폴드 및 유입구와 같은 장치의 특정 부분은 그럼에도 불구하고 수트가 봉쇄를 형성하는 경우에 CNT 성장 공정에 부정적인 영향을 준다. 이 문제에 대처하기 위해, CNT 성장 반응 체임버의 이와 같은 영역은 실리카, 알루미나, 또는 MgO와 같은 수트 억제 코팅으로 보호될 수 있다. 실제로, 장치의 이들 부분은 이러한 수트 억제 코팅으로 침지 코팅될 수 있다. INVAR는 더 고온에서 코팅의 적절한 부착을 보장하는 유사한 CTE(열팽창계수)를 가지므로 INVAR®와 같은 금속은 이러한 코팅과 함께 사용될 수 있고, 주요 구역에 수트가 상당히 축적되는 것을 방지해 준다.
촉매 환원과 CNT 합성의 결합. 본 명세서에 개시된 CNT 합성 반응기에서, 촉매 환원 및 CNT 성장의 양자 모두가 반응기 내에서 발생한다. 이것은 환원 단계가 불연속 작업으로서 수행되는 경우에 연속 공정에서의 사용을 위해 충분히 적시에 달성될 수 없기 때문에 중요하다. 본 기술분야에 공지된 전형적인 공정에서, 환원 단계는 실행을 위해 전형적으로 1 내지 12 시간이 걸린다. 원통형 반응기를 사용하는 본 기술분야에서 전형적인 반응기의 단부가 아니라 반응기의 중심에서 탄소 원료 기체가 도입된다는 사실에 적어도 부분적으로 기인되어, 양자 모두의 작업은 본 발명에 따라 반응기 내에서 발생한다. 환원 공정은 섬유가 가열된 구역 내에 진입할 때 발생되고; 이 시점에서 기체는 벽과 반응할 시간을 갖고, 냉각된 후에 촉매와 반응하고, (수소 라디칼 상호작용을 통해) 산화 환원을 유발한다. 환원은 이 천이 영역에서 발생한다. 시스템 내의 최고온의 등온 구역에서, CNT 성장이 실행되고, 최고 성장 속도는 반응기의 중심 근처의 기체 유입구에 인접하여 발생한다.
일부의 실시형태에서, 탄소 토우와 같은 느슨하게 결합된 섬유 재료가 사용되는 경우, 연속 공정은 토우의 스트랜드 및/또는 필라멘트를 분산시키는 단계를 포함할 수 있다. 따라서, 토우가 권출(unspooling)될 때, 이것은, 예를 들면, 진공에 기초한 섬유 분산 시스템을 사용하여 분산될 수 있다. 비교적 강성일 수 있는 사이징된 탄소 섬유가 사용되는 경우, 섬유의 분산을 촉진시키기 위해 토우를 "연화"시키도록 추가의 가열이 이용될 수 있다. 개별 필라멘트를 포함하는 분산된 섬유는 필라멘트의 전체 표면적을 노출시키도록 충분히 이격되도록 분산될 수 있고, 따라서 토우는 후속 공정 단계에서 더 효율적으로 반응할 수 있다. 이와 같은 분산은 3k 토우의 경우 약 4 인치 내지 약 6 인치 범위에 접근할 수 있다. 분산된 탄소 토우는 위에서 설명한 바와 같은 플라즈마 시스템으로 구성되는 표면 처리 단계를 통과할 수 있다. 차단 코팅이 도포되고, 거칠기 가공된 후, 분산된 섬유는 CNT-형성 촉매 침지욕을 통과할 수 있다. 그 결과 표면 상에 반경방향으로 분포된 촉매 입자를 갖는 탄소 토우의 섬유가 얻어진다. 다음에 토우의 촉매 함유 섬유는 위에서 설명된 사각형 체임버와 같은 적절한 CNT 성장 체임버 내에 진입하고, 여기서 초당 수 마이크론과 같은 빠른 속도로 CNT를 합성하기 위해 대기압 CVD 또는 PE-CVD 공정을 통한 유동이 사용된다. 이제 반경방향으로 정렬된 CNT를 갖는 토우의 섬유는 CNT-성장 반응기로부터 배출된다.
일부의 실시형태에서, CNT-주입된 탄소 섬유 재료 또 다른 처리 공정을 통과할 수 있고, 일부의 실시형태에서, 이것은 CNT를 관능화하기 위해 사용되는 플라즈마 공정이다. 특정한 수지에의 부착을 촉진하기 위해 CNT의 추가의 관능화가 이용될 수 있다. 따라서, 일부의 실시형태에서, 본 발명은 관능화된 CNT를 갖는 CNT-주입된 탄소 섬유 재료를 제공한다.
권취 가능한 탄소 섬유 재료의 연속 공정의 일부로서, CNT-주입된 탄소 섬유 재료는 최종 생성물에 유익할 수 있는 임의의 추가의 사이징제를 가하기 위해 사이징 침지욕을 더 통과할 수 있다. 최종적으로 습식 권취가 요구되는 경우, CNT-주입된 탄소 섬유 재료는 수지욕을 통과할 수 있고, 맨드렐 또는 스풀 상에 권취될 수 있다. 얻어지는 탄소 섬유 재료/수지 조합체는 탄소 섬유 재료 상에 CNT를 고착하므로 더 용이한 취급 및 복합재 제조가 가능해진다. 일부의 실시형태에서, 개선된 필라멘트 권취를 제공하기 위해 CNT 주입이 사용된다. 따라서, 탄소 토우와 같은 탄소 섬유 상에 형성되는 CNT는 수지 함침된 CNT-주입된 탄소 토우를 생성하기 위해 수지욕을 통과할 수 있다. 수지 함침 후, 탄소 토우는 운반 헤드에 의해 회전하는 맨드렐의 표면 상에 위치될 수 있다. 다음에 토우는 공지된 형상으로 정밀한 기하학적 패턴으로 맨드렐 상에 권취될 수 있다.
위에서 설명된 권취 공정은 파이프, 튜브, 또는 수형(male) 주형에 의해 특징적으로 제조될 수 있는 기타 형태를 제공한다. 그러나 본 명세서에 개시된 권취 공정으로 제조되는 형태는 종래의 필라멘트 권취 공정에 의해 생성되는 것과 다르다. 구체적으로, 본 명세서에 개시된 공정에서, 형태는 CNT-주입된 토우를 포함하는 복합재 재료로 제조된다. 그러므로 이와 같은 형태는 CNT-주입된 토우에 의해 제공되는 바와 같은 강화된 강도로부터 이익을 얻는다.
일부의 실시형태에서, 권취 가능한 탄소 섬유 재료 상의 CNT의 주입을 위한 연속 공정은 약 0.5 피트/분 내지 약 36 피트/분의 라인 속도를 달성할 수 있다. CNT 성장 체임버가 3 피트 길이이고, 750 ℃의 성장 온도에서 가동되는 본 실시형태에서, 공정은, 예를 들면, 약 1 마이크론 내지 약 10 마이크론의 길이를 갖는 CNT를 제조하기 위해 약 6 피트/분 내지 약 36 피트/분의 라인속도로 가동될 수 있다. 공정은 또한, 예를 들면, 약 10 마이크론 내지 약 100 마이크론의 길이를 갖는 CNT를 제조하기 위해 약 1 피트/분 내지 약 6 피트/분의 라인속도로 가동될 수 있다. 공정은, 예를 들면, 약 100 마이크론 내지 약 200 마이크론의 길이를 갖는 CNT를 제조하기 위해 약 0.5 피트/분 내지 약 1 피트/분의 라인속도로 가동될 수 있다. 그러나, CNT 길이는 라인속도 및 성장 온도에만 관련되지 않고, 탄소 원료 및 불활성 운반 기체의 양자 모두의 유동 속도도 또한 CNT 길이에 영향을 줄 수 있다. 예를 들면, 높은 라인속도(6 피트/분 내지 36 피트/분)에서 불활성 기체 내의 1% 미만의 탄소 원료로 이루어지는 유동 속도에 의해, 1 마이크론 내지 약 5 마이크론의 길이를 갖는 CNT가 얻어진다. 높은 라인속도(6 피트/분 내지 36 피트/분)에서 불활성 기체 내의 1%를 초과하는 탄소 원료로 이루어지는 유동 속도에 의해, 5 마이크론 내지 약 10 마이크론의 길이를 갖는 CNT가 얻어진다.
일부의 실시형태에서, 하나 이상의 탄소 재료가 동시에 공정을 통과할 수 있다. 예를 들면, 다중 테이프 토우, 필라멘트, 스트랜드 등이 공정을 병렬로 통과할 수 있다. 따라서, 임의의 수의 사전제작된 탄소 섬유 재료의 스풀이 공정을 병렬로 통과한 다음 공정의 말기에 재권취될 수 있다. 병렬로 가동될 수 있는 권취된 탄소 섬유 재료의 수는 1 개, 2 개, 3 개, 4 개, 5 개, 6 개, CNT 성장 반응 체임버의 폭이 수용할 수 있는 임의의 최대의 수를 포함할 수 있다. 더욱이, 다중 탄소 섬유 재료가 공정을 통과하는 경우, 수집 스풀의 수는 공정의 개시 시의 스풀의 수보다 작을 수 있다. 이와 같은 실시형태에서, 탄소 스트랜드, 토우 등은 이와 같은 탄소 섬유 재료를 직조된 직물 등과 같은 더 고도로 규칙화된 탄소 섬유 재료로 결합하는 추가의 공정으로 이송될 수 있다. 연속 공정은, 예를 들면, CNT-주입된 초핑된 섬유 매트의 형성을 촉진하는 후공정 세단기(chopper)를 포함할 수도 있다.
일부의 실시형태에서, 본 발명의 공정은 탄소 섬유 재료 상의 제 1 양의 제 1 유형의 탄소 나노튜브를 합성하는 것을 가능하게 하고, 여기서 제 1 유형의 탄소 나노튜브는 탄소 섬유 재료의 적어도 하나의 제 1 특성을 변경하도록 선택된다. 다음에, 본 발명의 공정은 탄소 섬유 재료 상의 제 2 양의 제 2 유형의 탄소 나노튜브를 합성하는 것을 가능하게 하고, 여기서 제 2 유형의 탄소 나노튜브는 탄소 섬유 재료의 적어도 하나의 제 2 특성을 변경하도록 선택된다.
일부의 실시형태에서, 제 1 양 및 제 2 양의 CNT는 상이하다. 이것은 CNT 유형의 변화를 동반하거나 동반하지 않을 수 있다. 따라서, 심지어 CNT 유형이 변화되지 않는 경우에도, 최초의 탄소 섬유 재료의 특성을 변경하기 위해 CNT의 밀도를 변화시키는 것이 사용될 수 있다. CNT 유형은, 예를 들면, CNT 길이 및 벽의 수를 포함할 수 있다. 일부의 실시형태에서, 제 1 양 및 제 2 양은 동일하다. 이 경우 2 개의 상이한 스트레치의 권취 가능한 재료를 따라 상이한 상이한 특성이 요망되는 경우에는 CNT 길이와 같은 CNT 유형이 변화될 수 있다. 예를 들면, 더 긴 CNT는 전기적/열적 용도에서 유용할 수 있고, 한편 더 짧은 CNT는 기계적 강화 용도에서 유용할 수 있다.
탄소 섬유 재료의 특성을 변경하는 것에 관한 전술한 설명에 비추어, 일부의 실시형태에서 제 1 유형의 탄소 나노튜브와 제 2 유형의 탄소 나노튜브는 동일한 것일 수 있고, 한편 다른 실시형태에서 제 1 유형의 탄소 나노튜브와 제 2 유형의 탄소 나노튜브는 상이한 것일 수 있다. 마찬가지로, 일부의 실시형태에서 제 1 특성 및 제 2 특성은 동일한 것일 수 있다. 예를 들면, EMI 차폐 특성은 제 1 양 및 제 1 유형의 CNT와 제 2 양 및 제 2 유형의 CNT에 의해 대처되는 대상의 특성일 수 있으나, 이러한 특성의 변화의 정도는 사용되는 CNT의 양 및/또는 유형을 변화시키는 것에 의해 반영되는 바와 같이 달라질 수 있다. 마지막으로, 일부의 실시형태에서, 제 1 특성 및 제 2 특성은 상이할 수 있다. 마찬가지로 이것은 CNT 유형의 변화를 반영하는 것일 수 있다. 예를 들면, 제 1 특성은 더 짧은 CNT를 갖는 기계적 강도일 수 있고, 한편 제 2 특성은 더 긴 CNT를 갖는 전기적/열적 특성일 수 있다. 본 기술분야의 당업자는 상이한 CNT 밀도, CNT 길이, 및 예를 들면 단일벽, 이중벽 및 다중벽과 같은 CNT 내의 벽의 수의 사용을 통해 탄소 섬유 재료의 특성을 조정하는 능력을 인식할 것이다.
일부의 실시형태에서, 본 발명의 공정은 탄소 섬유 재료 상에서 제 1 양의 탄소 나노튜브를 합성하는 단계를 제공하고, 이러한 제 1 양에 의해 탄소 나노튜브-주입된 탄소 섬유 재료는 탄소 섬유 재료 자체에 의해 표출되는 제 1 군의 특성과 다른 제 2 군의 특성을 표출할 수 있다. 즉, 양을 선택함으로써 인장 강도와 같은 탄소 섬유 재료의 하나 이상의 특성을 변경할 수 있다. 제 1 군의 특성 및 제 2 군의 특성은 적어도 하나의 동일한 특성을 포함할 수 있고, 따라서 탄소 섬유 재료의 이미 존재하는 특성을 강화하는 것을 나타낸다. 일부의 실시형태에서, CNT 주입은 탄소 섬유 재료 자체에 의해 표출되는 제 1 군의 특성 중에 포함되지 않은 탄소 나노튜브-주입된 탄소 섬유 재료에 제 2 군의 특성을 부여할 수 있다.
일부의 실시형태에서, 탄소 나노튜브의 제 1 양은 탄소 나노튜브-주입된 탄소 섬유 재료의 인장 강도, 영률, 전단 강도, 전단 탄성계수, 인성, 압축 강도, 압축 탄성계수, 밀도, EM 파 흡수율/반사율, 음향 투과율, 전기 전도성, 및 열 전도성으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 특성의 값이 탄소 섬유 재료 자체의 동일 특성의 값과 다르도록 선택된다.
인장 강도는 다음의 3 가지 상이한 측정법을 포함할 수 있다. 1) 재료의 변형률이 탄성 변형으로부터 소성 변형으로 변화하여 재료의 영구 변형을 유발하는 응력을 평가하는 항복 강도; 2) 장력, 압축 또는 전단을 받을 때 저항할 수 있는 재료의 최대 응력을 평가하는 극한 강도; 및 3) 응력-변형률 곡선 상의 파단점에서의 응력 좌표를 평가하는 파괴 강도. 복합재 전단 강도는 하중이 섬유 방향에 대해 수직으로 가해지는 경우에 재료가 파괴되는 응력을 평가한다. 압축 강도는 압축 하중이 가해질 때 재료가 파괴되는 응력을 평가한다.
특히 다중벽의 탄소 나노튜브는 지금까지 측정된 모든 재료 중 최고 인장 강도를 갖고, 63 GPa의 인장 강도가 얻어졌다. 게다가, 이론적 계산은 약 300 GPa의 CNT의 가능한 인장 강도를 나타내었다. 따라서, CNT-주입된 탄소 섬유 재료는 모재 탄소 섬유 재료에 비해 실질적으로 더 높은 극한 강도를 가지는 것으로 기대된다. 위에서 설명된 바와 같이, 인장 강도의 증가는 사용된 CNT의 정확한 특질 뿐만 아니라 탄소 섬유 재료 상의 밀도 및 분포에 의존한다. CNT-주입된 탄소 섬유 재료는, 예를 들면, 인장 특성의 3 배의 증대를 보일 수 있다. 예시적인 CNT-주입된 탄소 섬유 재료는 관능화되지 않은 모재 탄소 섬유 재료의 3 배의 전단 강도 및 2.5 배의 압축 강도를 가질 수 있다.
영률은 등방성 탄성 재료의 강성의 크기이다. 이것은 후크의 법칙이 유지되는 응력의 범위 내에서 단축 변형률에 대한 단축 응력의 비율로서 정의된다. 이것은 재료의 샘플에 대해 실시되는 인장 시험 중에 생성되는 응력-변형률 곡선의 기울기로부터 실험적으로 결정될 수 있다.
전기 전도성 또는 비전도도는 전류를 전도하는 재료의 능력의 크기이다. CNT 손대칭성과 관련되는 비틀림의 정도와 같은 특정의 구조적 파라미터를 갖는 CNT는 고도의 전도성을 가질 수 있고, 따라서 금속적 특성을 보일 수 있다. CNT 손대칭성에 관하여 공인된 명명 방법(M. S. Dresselhaus, et al. Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes, Academic Press, San Diego, CA pp. 756-760, (1996))이 본 기술분야의 당업자에 의해 형식화되고 공인되었다. 따라서, 예를 들면, CNT는 이중 지수(n,m)에 의해 서로 구별되고, 여기서 n 및 m은 정수이고, 이것은 원통체의 표면 상에 래핑되어 가장자리가 함께 실링되는 경우에 튜브를 형성하는 육각형 흑연의 절단 및 래핑(wrapping)을 설명한다. 2 개의 지수가 동일(m=n)한 경우, 얻어지는 튜브는 "암체어(암체어)" 유형이라 부르는데, 이것은 튜브가 CNT의 축선에 대해 수직으로 절단되는 경우, 육각형의 변만이 노출되고, 튜브 가장자리의 주변의 패턴은 n회 반복되는 암체어의 암 및 시트와 유사하기 때문이다. 암체어 CNT, 특히 SWNT는 금속성이고, 극히 높은 전기 및 열 전도성을 갖는다. 또한, 이와 같은 SWNT는 극히 높은 인장 강도를 갖는다.
비틀림 정도 외에 CNT 직경도 전기 전도성에 영향을 줄 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, CNT 직경은 제어된 크기의 CNT-형성 촉매 나노입자의 사용에 의해 제어될 수 있다. CNT는 또한 반도체성 재료로서 형성될 수 있다. 다중벽의 CNT(MWNT)의 전도성은 더 복잡할 수 있다. MWNT 내에서의 벽간(interwall) 반응은 개별 튜브 상에 불균일하게 전류를 재분배할 수 있다. 이에 반해, 금속성 단일벽의 나노튜브(SWNT)의 상이한 부분들은 전체에 걸쳐 전류의 변화가 존재하지 않는다. 탄소 나노튜브는 또한 다이아몬드 결정 및 면내(in-plane) 흑연 시트에 비해 매우 높은 열 전도성을 갖는다.
CNT-주입된 탄소 섬유 재료는 위에서 설명된 특성에서 의 존재로부터 이익을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 공정 에 더 경량의 재료를 제공할 수 있다. 따라서, 이와 같은 더 낮은 밀도 및 더 높은 강도의 재료는 더 큰 강도 대 중량 비로 전환된다.
일부의 실시형태에서, 탄소 나노튜브(CNT) 얀 및 상기 탄소 나노튜브 얀의 표면에 주입된 복수의 탄소 나노구조(CNS)를 포함하는 조성물을 제공하고, 상기 CNS는 상기 CNT 얀의 표면으로부터 실질적으로 반경방향으로 배치된다. CNT 얀에 관련하여, 얀의 "표면"은 얀의 내부 필라멘트로의 액세스(access)를 포함한다. 이와 같은 내부 필라멘트로의 액세스는 CNT 촉매 침착 전, CNT 성장 중, 또는 양자 모두의 조합에서 얀 필라멘트의 분산에 의해 더 강화될 수 있다.
이제 도 12를 참조하면, CNT 얀의 표면에 주입된 복수의 CNS(125)를 갖는 CNT 얀으로서의 집속체로 복수의 CNT(122)를 포함하는, 본 발명의 실시형태에 따른 조성물(120)의 횡단면도가 도시되어 있다. 복수의 CNS(125)는 CNT 얀의 표면으로부터 반경방향 외측으로 연장한다. 복수의 CNS(125)의 복잡한 형태는 본 거시적 도면에서는 도시되어 있지 않음에 주의해야 한다. CNT 얀 내의 복수의 CNT(122)는 대체로 원형 단면을 구비하는 것으로 도시되어 있으나, CNT 얀은 이러한 기하학적 단면에 제한될 필요없다. 예를 들면, 정사각형, 사각형, 삼각형, 및 사다리꼴 단면을 갖는 평평한 가장자리를 구비하는 CNT 얀이 그렇듯이 난형 단면의 CNT 얀도 또한 가능성이 있는 것으로 생각된다.
일부의 실시형태에서, CNT 얀은 개별 CNT 섬유 또는 필라멘트의 토우를 포함한다. 일부의 실시형태에서, CNT 얀은 CNT 섬유 또는 필라멘트의 트위스팅된 토우를 포함한다. CNT 얀은 본 기술분야에서 설명되었고, 미국 특허 번호 6,683,783, 6,749,827, 6,957,993, 6,979,709, 7,045,108, 7,704,480, 및 7,988,893에서 예시되었고, 그 관련 부분은 참조에 의해 본원에 포함된다. 전형적 실시예에서, CNT 얀은 실질적으로 정렬된 탄소 나노튜브의 배열을 포함하는 실리콘 웨이퍼와 같은 기재로부터 연속적 섬유를 인발함으로써 제조될 수 있다. 얀의 인발은, 예를 들면, 한 쌍의 핀셋으로 기재로부터 CNT를 당겨주는 것과 같이 단순할 수 있다. 벽과 CNT 사이의 반데르발스 인력은 CNT를 집속시키고, CNT가 기재로부터 제거될 때 추가의 CNT가 표면으로부터 박리되는 충분한 강도를 갖는다. 얻어지는 CNT 얀은 단일의 연속적 필라멘트, 필라멘트의 집속체, 토우, 필라멘트의 트위스팅된 집속체, 및 유사물로서 구성될 수 있다. 일부의 실시형태에서, CNT 얀은 단일벽의 탄소 나노튜브, 이중벽의 탄소 나노튜브, 다중벽의 탄소 나노튜브, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 일부의 실시형태에서, CNT 얀은 단일벽의 탄소 나노튜브를 포함한다. 일부의 실시형태에서, CNT 얀은 이중벽의 탄소 나노튜브를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, CNT 얀은 다중벽의 탄소 나노튜브를 포함한다.
CNT 얀 중의 CNT는 기계 및 전기의 양자 모두 및 열 전도성 용도를 위해 본 명세서에 개시된 실시형태와 일치하는 다양한 길이로 공급될 수 있다. 따라서, CNT 얀 중의 CNT는 1 마이크론, 2 마이크론, 3 마이크론, 4 마이크론, 5, 마이크론, 6, 마이크론, 7 마이크론, 8 마이크론, 9 마이크론, 10 마이크론, 15 마이크론, 20 마이크론, 25 마이크론, 30 마이크론, 35 마이크론, 40 마이크론, 45 마이크론, 50 마이크론, 60 마이크론, 70 마이크론, 80 마이크론, 90 마이크론, 100 마이크론, 150 마이크론, 200 마이크론, 250 마이크론, 300 마이크론, 350 마이크론, 400 마이크론, 450 마이크론, 500 마이크론, 및 이들 사이의 모든 값을 포함하는, 약 1 마이크론 내지 약 500 마이크론의 범위의 길이로 변화될 수 있다. CNT는 또한, 예를 들면, 약 0.5 마이크론을 포함하는 약 1 마이크론 미만의 길이일 수 있다. CNT는 또한 500 마이크론을 초과할 수 있고, 예를 들면, 510 마이크론, 520 마이크론, 550 마이크론, 600 마이크론, 700 마이크론 및 이들 사이의 모든 값 및 그 분수 값을 포함한다.
위에서 설명된 바와 같이, CNT 얀에 주입된 CNS는 개별적 CNT, 분기된 CNT, 공유된-벽의 CNT, 및 가교 CNT인 복잡한 형태의 CNT를 포함한다. 게다가, 일부의 실시형태에서, 복수의 CNS는 단일벽의 탄소 나노튜브, 이중벽의 탄소 나노튜브, 다중벽의 탄소 나노튜브, 또는 이들의 혼합물의 요소를 포함한다. 비록 CNS 구조가 다양한 형태의 CNT의 요소를 포함하지만, 개별의 CNT의 어레이로부터 구별된다. CNS의 길이는 CNT 얀 중의 CNT에 유사하게 변화될 수 있고, 임의의 CNS 길이는 CNT 얀의 임의의 CNT 길이와 조화될 수 있다. 일부의 실시형태에서, CNS 길이는 CNT 얀의 CNT 길이와 유사하다. 일부의 실시형태에서, CNS 길이는 CNT 얀의 CNT 길이보다 더 길다. 일부의 실시형태에서, CNS 길이는 CNT 얀의 CNT 길이보다 더 짧다. 일부의 실시형태에서, CNS 길이는 짧은 길이 및 긴 길이의 바이모달 분포를 가질 수 있고, 이와 같은 분포는 CNT 얀 상의 위치의 함수로서 변화할 수 있다. 일부의 실시형태에서, CNS 길이는 증가하는 길이, 감소하는 길이, 또는 증가하고 감소하는 파형상의 연속선의 매끄러운 기울기로서 제공될 수 있다.
일부의 실시형태에서, CNT 얀의 CNS 및/또는 CNT는 위에서 설명된 바와 같이 관능화될 수 있다. 예를 들면, CNS-주입된 CNT 얀(120)의 추가의 화학적 개질을 위해 카복실산 관능기와 같은 추가의 유기 관능기 핸들을 제공하기 위해 합성 후에 CNS, CNT 또는 양자 모두는 산화될 수 있다. 관능기 핸들은, 무제한으로, 펩타이드, 단백질, 탄수화물, DNA, RNA 또는 유사물과 같은, 생체분자와 같은 다른 유기 잔류물을 부착하기 위한 추가의 개질에 대한 출발점을 제공할 수 있다. 부착될 수 있는 다른 유기 잔류물은, 무제한으로, 소수성 폴리머, 친수성 폴리머, 유기 소분자, 및 유사물을 포함한다. 합성 후 개질에 의해 제공되는 관능기 핸들은 금속 나노입자 및 금속 이온을 포함하는 금속 입자의 부착을 포함할 수 있다.
CNS-주입된 CNT 얀(120)은 임의의 다른 탄소 섬유 재료를 위해 본 명세서에서 개시된 CNS 성장 공정에 의해 제조될 수 있다. CNT 얀 상의 CNS 층의 제조는 주입 공정에서의 보조를 위해 본 명세서에서 설명된 바와 같은 차단 코팅을 포함할 수 있다. 일부의 실시형태에서, CNS-주입된 CNT 얀(120)을 제조하는 방법은 CNT 얀의 표면 상에 CNT 촉매를 배치하는 단계 및 CNT(CNS) 성장 조건에 촉매-함유 얀을 노출시키는 단계를 포함한다. 일부의 실시형태에서, CNS 성장을 위해 사용되는 촉매는 얻어지는 생성물로부터 제거될 수 있다. 다른 실시형태에서, CNS 성장을 위해 사용되는 촉매는 얻어지는 생성물에 잔류된다. 일부의 실시형태에서, 다음에 발생기의 CNS-주입된 CNT 얀(120)은 CNS-주입된 CNT 얀(120)의 주위에 사이징제를 배치함으로써 보호될 수 있고, 이와 같은 사이징제는 후에 추가의 공정을 위해 선택적으로 제거될 수 있다.
일부의 실시형태에서, CNS-주입된 CNT 얀(120)을 포함하는 조성물은 복합재를 제공하기 위해 모재 재료를 더 포함할 수 있다. 일부의 이와 같은 실시형태에서, 모재 재료는 열가소성 수지, 열경화성 수지, 추가의 탄소 상(phase), 세라믹 및 금속으로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나를 포함한다. 이와 같은 모재 재료는 본 명세서에서 위에서 설명되었다. 일부의 실시형태에서, 모재 재료는 열가소성 수지이다. 일부의 실시형태에서, 모재 재료는 열가소성 수지이다. 일부의 실시형태에서, 모재 재료는 추가의 탄소 상이다. 탄소 상은 결정질 상, 비정질 상, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 더욱이, 탄소 상 플러렌, 나노스크롤, 탄소 나노섬유, 나노-어니언, 및 유사물과 같은 추가의 탄소 나노구조의 재료를 포함할 수 있다. 일부의 실시형태에서, 모재 재료는 세라믹이다. 일부의 실시형태에서, 모재 재료는 금속이다.
일부의 실시형태에서, 얻어지는 복합재는 하류의 목표의 제조 물품으로의 추가의 제조를 위한 프리-프레그로서 제공된다. 일부의 실시형태에서, CNS-주입된 CNT 얀(120)은 기계적 강화를 위해 CNS-주입된 CNT 얀(120)이 사용되는 벌크 복합재 형태의 일부이다. 일부의 실시형태에서, CNS-주입된 CNT 얀(120)은 열적 또는 전기 전도성을 향상시키기 위해 CNS-주입된 CNT 얀(120)이 사용되는 벌크 복합재 형태의 일부이다. 일부의 실시형태에서, CNS-주입된 CNT 얀(120)은 기계적 및 전기적 강화의 양자 모두 및/또는 열 전도성의 강화를 위한 벌크 복합재의 일부이다.
일부의 실시형태에서, 물품은 집속체로 복수의 CNT 얀을 포함하고, 상기 집속체의 복수의 CNT 얀의 각각은 상기 복수의 탄소 나노튜브 얀의 각각의 표면에 주입된 복수의 탄소 나노구조(CNS)를 포함하고, 상기 CNS는 상기 복수의 CNT 얀의 각각의 표면으로부터 실질적으로 반경방향으로 배치된다. 따라서, 복수의 CNS-주입된 CNT 얀(120)은 함께 집속될 수 있고, 이와 같은 집속체는 집속된 얀의 프리-프레그 또는 벌크 복합재 물품 내에 결합된 집속된 얀의 형태로 수지로 함침될 수 있다. 이론에 구애됨이 없이, 일부의 실시형태에서, 복수의 CNS-주입된 CNT 얀(120)은 벨크로(Velcro)와 유사한 방식으로 표면에 주입된 CNS의 깍지낌을 통해 상호에 대해 강력한 부착을 발휘할 수 있다. CNS-주입된 CNT 얀의 다차원적 구조는 그것의 고도의 소수성 표면으로 인해 자연히 매우 부족할 수 있는 CNT 얀의 습윤 특성을 향상시키는 수단을 제공할 수 있다.
일부의 실시형태에서, CNS-주입된 CNT 얀(120)은 복합재 물품에 결합되었을 때 방향성 전기 및 열 전도 경로를 제공할 수 있다. 일부의 실시형태에서, CNS-주입된 CNT 얀(120)은 향상된 전단 강도를 포함하는 향상된 기계적 강도를 제공할 수 있다.
일부의 실시형태에서, 조성물은 탄소 나노튜브 시트 및 이 시트의 적어도 하나의 표면에 주입된 복수의 탄소 나노구조(CNS)를 포함하고, 이 CNS는 시트의 적어도 하나의 표면으로부터 실질적으로 외방향으로 배치된다. 본 명세서에서 사용될 때, "탄소 나노튜브 시트" 또는 "CNT 시트"는 CNT 플라이, 정렬된 또는 불규칙적으로 배향된 CNT의 매트, 직조된 CNT 직물, 부직의 CNT 직물 및 유사물과 같은 임의의 대체적으로 2차원인 기재를 포함한다. 일부의 실시형태에서, CNT 시트는 CNT 얀 또는 심지어 CNS-주입된 CNT 얀으로 제작될 수 있다.
이제 도 13의 A를 참조하면, CNT 시트(132)의 하나의 표면에 주입된 복수의 CNS(135)를 구비하는 CNT 시트(132)를 포함하는 CNS-주입된 CNT 시트(130A)의 예시적 실시형태가 도시되어 있다. 일부의 실시형태에서, 복수의 CNS(135)는 CNT 시트(132)의 표면으로부터 외방향으로 연장한다. 일부의 실시형태에서, CNT 시트(132)의 표면으로부터의 이와 같은 연장은 표면에 대해 명목적으로 수직일 수 있다. 다른 실시형태에서, CNT 시트(132)의 표면으로부터의 이와 같은 연장은 표면에 대해 임의의 각도를 이룰 수 있다. 일부의 실시형태에서, 복수의 CNS(135)는 관능화될 수 있다. 일부의 이와 같은 실시형태에서, 이와 같은 관능화는 국부화될 수 있고, 어드레싱 가능한 특정 위치에서의 2 차원 배열 상에 매핑될 수 있다. 일부의 실시형태에서, 관능화는 국부화되어 있든(어드레싱 가능하든) 아니든, CNS-주입된 CNT 얀에 관련하여 위에서 설명된 바와 같은 추가의 관능화 수단을 제공할 수 있다. 따라서, 일부의 실시형태에서, 관능화는 생체분자, 폴리머, 유기 소분자, 금속 입자, 금속 이온 등을 부착하기 위해 사용될 수 있다. 일부의 실시형태에서, 복수의 CNS(135)의 관능화는, 이하에서 설명되는 바와 같이, 다른 CNS-주입된 CNT 시트일 수 있는 제 2 기재의 표면에 결합하도록 구성될 수 있다. 일부의 실시형태에서, 복수의 CNS(135)는, 예를 들면, 2액형 에폭시의 화학적 성분으로서 관능화될 수 있다.
이제 도 13의 B를 참조하면, CNT 시트(132)의 하나의 표면에 주입된 복수의 CNS(135) 및 CNT 시트(132)의 반대면에 주입된 제 2 복수의 CNS(137)를 구비하는 CNT 시트(132)를 포함하는 CNS-주입된 CNT 시트(130B)의 다른 예시적 실시형태가 도시되어 있다. 주입된 CNS(135) 및 주입된 CNS(137)는 CNT 시트(132)의 평면에 대해 대체로 동일하지만 반대의 방향으로 배향될 수 있다. 제조 시, 시트(132)의 양면 상의 2 개의 복수의 CNS는 동시에 또는 개별적으로 제조될 수 있다. 개별적으로 실행되는 경우, 이것은 제 2 면 상에 주입되는 CNS를 형성하기 전에 하나의 면 상에 화학적 관능화를 개입시키는 것을 허용할 수 있다. 이와 같은 방식으로, 2 개의 복수의 CNS는 상이한 반응도 프로파일 및 특성을 구비할 수 있다. 일부의 실시형태에서, 복수의 CNS(135)는 실질적으로 소수성 특성을 표출하도록 관능화될 수 있고, 한편 복수의 CNS(137)는 실질적으로 친수성 특성을 표출하도록 관능화될 수 있다. 일부의 실시형태에서, 2 개의 면은 적층되었을 때 공유 결합과 같은 화학적 결합이 적층된 층들 사이에 형성될 수 있도록 추가의 하류의 적층 단계를 위해 관능화될 수 있다. 비제한적 실시예를 통해, 일부의 실시형태에서, 복수의 CNS(135)는 카복실산 관능기로 관능화될 수 있고, 한편 복수의 CNS(137)는 아민기로 관능화될 수 있다. 2 개의 이러한 관능화된 시트를 적층시키면, 복수의 CNS(135, 137) 사이에 아미드 결합이 형성될 수 있다(예를 들면, 도 15 참조).
CNT 시트 중의 CNT는 기계 및 전기의 양자 모두 및 열 전도성 용도를 위해 본 명세서에 개시된 실시형태와 일치하는 다양한 길이로 공급될 수 있다. 따라서, CNT 시트 중의 CNT는 1 마이크론, 2 마이크론, 3 마이크론, 4 마이크론, 5, 마이크론, 6, 마이크론, 7 마이크론, 8 마이크론, 9 마이크론, 10 마이크론, 15 마이크론, 20 마이크론, 25 마이크론, 30 마이크론, 35 마이크론, 40 마이크론, 45 마이크론, 50 마이크론, 60 마이크론, 70 마이크론, 80 마이크론, 90 마이크론, 100 마이크론, 150 마이크론, 200 마이크론, 250 마이크론, 300 마이크론, 350 마이크론, 400 마이크론, 450 마이크론, 500 마이크론, 및 이들 사이의 모든 값을 포함하는, 약 1 마이크론 내지 약 500 마이크론의 범위의 길이로 변화될 수 있다. CNT는 또한, 예를 들면, 약 0.5 마이크론을 포함하는 약 1 마이크론 미만의 길이일 수 있다. CNT는 또한 500 마이크론을 초과할 수 있고, 예를 들면, 510 마이크론, 520 마이크론, 550 마이크론, 600 마이크론, 700 마이크론 및 이들 사이의 모든 값 및 그 분수 값을 포함한다.
일부의 실시형태에서, CNT 시트는 단일벽의 탄소 나노튜브, 이중벽의 탄소 나노튜브, 다중벽의 탄소 나노튜브, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 일부의 실시형태에서, CNT 시트는 단일벽의 탄소 나노튜브를 포함한다. 일부의 실시형태에서, CNT 얀은 이중벽의 탄소 나노튜브를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, CNT 얀은 다중벽의 탄소 나노튜브를 포함한다. 마찬가지로, 일부의 실시형태에서, 복수의 CNS는 단일벽의 탄소 나노튜브, 이중벽의 탄소 나노튜브, 다중벽의 탄소 나노튜브, 또는 이들의 혼합물의 요소를 포함한다.
이제 도 14를 참조하면, 본 명세서에 개시된 실시형태에 따라 CNS-주입된 얀 또는 CNS-주입된 시트의 표면(140)의 부분 횡단면도가 도시되어 있다. 도 14의 A에서, 표면(140)은 복수의 시트 또는 얀 CNT(142)을 포함하고, 그 상면에 복수의 CNS(145).가 배치되어 있다. 이 도면에서 표면(140)은 기재 얀 또는 시트 및 복수의 CNS(145)를 구비하는 2 상의 계층구조의 나노재료로서 나타나 있다. 도 14의 A는 복잡한 형태의 복수의 CNS(145)를 나타낸다. 계면을 확대하여, "2"로 표시된 박스 부분을 확대하면, 표면(140)이 표면(140)에 복수의 CNS(145)와 CNT(145)가 공존하는 제 3 혼합상을 포함하는 것을 도시하는 도 14의 B가 제공된다. 이론에 구애됨이 없이, 계면에서의 이 혼합상은 CNS-주입된 얀 및 시트가 복합재 물품 내에 결합되었을 때 추가의 기계적 강도를 제공하는 것으로 가정되었다.
일부의 실시형태에서, CNT 얀 시트를 포함하는 조성물은 복합재를 제공하기 위해 모재 재료를 더 포함한다. 일부의 이와 같은 실시형태에서, CNT 얀 복합재에 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 모재 재료는 열가소성 수지, 열경화성 수지, 추가의 탄소 상(phase), 세라믹 및 금속으로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나를 포함한다. 일부의 실시형태에서, 모재 재료는 열가소성 수지를 포함한다. 일부의 실시형태에서, 모재 재료는 열경화성 수지를 포함한다. 일부의 실시형태에서, 모재 재료는 추가의 탄소 상을 포함한다. 일부의 실시형태에서, 모재 재료는 세라믹을 포함한다. 일부의 실시형태에서, 모재 재료는 금속을 포함한다.
일부의 실시형태에서, 복수의 CNT 시트를 포함하는 다중층의 물품이 제공되고, 복수의 CNT 시트의 각각의 CNT 시트는 상기 복수의 CNT 시트의 각각의 적어도 하나의 표면에 주입된 복수의 탄소 나노구조(CNS)를 포함하고, 상기 CNS는 상기 탄소 나노튜브 얀의 표면 상에 배치된다.
이제 도 15를 참조하면, 본 명세서에 개시된 실시형태에 따른 다중층의 물품(150)이 도시되어 있다. 다중층의 물품(150)은 2 개의 CNT 시트(152, 153)를 포함하고, 각각은 양자 모두 상층(155), 중간층(156, 158), 및 하층(157)으로서 도시된 그 표면 관능화된 복수의 CNS를 갖는다. 위에서 설명된 바와 같이, 중간층(156, 158)은 하류의 관능기 화학 조성물을 통해 함께 결합될 수 있다. 도 15는 CNT의 2 개의 중간층을 갖는 다중층의 물품(150)을 도시하고 있으나, 본 기술분야의 당업자는 CNT 시트(152, 153) 사이에 단지 단일의 중간층이 개재될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 더욱이, 도 15는 다중층의 물품 내에 단지 2 개의 CNT 시트(152, 153)를 도시하고 있으나, 유사한 다중층의 물품에서, 예를 들면, 3, 4, 5, 6, 7 또는 그 이상의 CNT 시트를 포함하는 임의의 수의 CNT 시트가 사용될 수 있고, 이들 모두는 일면 또는 양면 상에 주입된 복수의 CNS를 가질 수 있다.
일부의 실시형태에서, 그 상면에 주입된 복수의 탄소 나노구조(CNS)를 구비하는 탄소 나노튜브(CNT) 시트 및 그 상면에 주입된 복수의 탄소 나노구조(CNS)를 구비하는 탄소 나노튜브(CNT) 얀 중 적어도 하나를 포함하는 복합재가 제공되고, 이 복합재는 모재 재료를 더 포함한다. 일부의 이와 같은 실시형태에서, 이러한 복합재를 포함하는 물품은 CNS-주입된 CNT 얀으로 강화된 제 1 부분 및 CNS-주입된 CNT 시트를 포함하는 제 2 부분을 포함할 수 있다. 일부의 실시형태에서, 더 높은 순위의 구조는 CNS-주입된 CNT 시트로 CNS-주입된 CNT 얀을 래핑함으로써 제공될 수 있다. 일부의 실시형태에서, CNS-주입된 CNT 얀은 CNS-주입된 CNT 시트를 제작하기 위해 사용된다. 일부의 실시형태에서, CNS-주입된 CNT 시트는 물품의 외면 상의 복합재 물품의 제 1 부분 내에 사용될 수 있고, CNS-주입된 CNT 얀은 물품의 내부의 물품의 제 2 부분 내에 사용될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시형태의 활동성에 실질적으로 영향을 미치지 않는 개질은 본 명세서에 제공된 본 발명의 정의 내에 또한 포함된다는 것이 이해된다. 따라서, 다음의 실시예는 설명을 위한 것이고 본 발명을 제한하지 않는다.
실시예 I
본 실시예는 EMI 차폐를 포함한 열 및 전기 전도성 향상을 목적으로 연속 공정으로 탄소 섬유 재료 내에 CNT를 주입할 수 있는 방법을 도시한다.
본 실시예에서, 섬유 상에 CNT의 최대 부가가 목표이다. 800의 텍스값을 갖는 34-700 12k 탄소 섬유 토우(Grafil Inc., 캘리포니아 새크라멘토)가 탄소 섬유 기재로서 제공된다. 이 탄소 섬유 토우 내의 개별 필라멘트는 대략 7 μm의 직경을 갖는다.
도 8은 본 발명의 예시적 실시형태에 따른 CNT-주입된 섬유를 생성하기 위한 시스템(800)을 도시한다. 시스템(800)은 도시된 바와 같이 상호 관련되는 탄소 섬유 재료 송출 및 장력조정장치 스테이션(805), 사이징제거 및 섬유 분산기 스테이션(810), 플라즈마 처리 스테이션(815), 차단 코팅 도포 스테이션(820), 공기 건조 스테이션(825), 촉매 도포 스테이션(830), 용매 플래시오프 스테이션(835), CNT-주입 스테이션(840), 섬유 집속장치 스테이션(845), 및 탄소 섬유 재료 포집 보빈(850)을 포함한다.
송출 및 장력 스테이션(805)은 송출 보빈(806) 및 장력조정장치(807)를 포함한다. 송출 보빈은 공정에 탄소 섬유 재료(860)를 공급하고; 섬유는 장력조정장치(807)에 의해 장력이 부여된다. 본 실시예의 경우, 탄소 섬유는 2 피트/분의 라인속도로 가공된다.
섬유 재료(860)는 사이징제거 가열기(865) 및 섬유 분산기(870)를 포함하는 사이징제거 및 섬유 분산기 스테이션(810)에 공급된다. 본 스테이션에서, 섬유(860) 상에 존재하는 임의의 "사이징"이 제거된다. 전형적으로, 제거는 섬유의 사이징을 연소시킴으로써 달성된다. 이 목적을 위해 예를 들면, 적외선 가열기, 머플 노(muffle furnace), 및 기타 비접촉 가열 공정을 포함하는 임의의 다양한 가열 수단이 사용될 수 있다. 사이징 제거는 또한 화학적으로 달성될 수도 있다. 섬유 분산기는 섬유의 개별 요소들을 분리시킨다. 섬유를 분산시키기 위해, 평평한 균질한 직경의 바의 상하측에서, 또는 가변 직경의 바의 상하측에서, 또는 반경방향으로 확장하는 그루브 및 혼련 롤러를 구비하는 바의 상측에서 , 진동 바의 상측에서 섬유를 견인하는 단계 등과 같은 다양한 기법 및 장치가 사용될 수 있다. 섬유를 분산시키는 것은 더 큰 섬유 표면적을 노출시킴으로써 플라즈마 도포, 차단 코팅 도포, 및 촉매 도포와 같은 하류의 작업의 효율을 향상시킨다.
다중 사이징제거 가열기(865)는 점진적이고 동시적인 디사이징(desizing) 및 섬유의 분산을 가능하게 하는 섬유 분산기(870)을 통해 설치될 수 있다. 송출 및 장력 스테이션(805) 및 사이징제거 및 섬유 분산기 스테이션(810)은 섬유 산업에서 일상적으로 사용되고; 당업자들은 그 설계 및 용도를 숙지하고 있을 것이다.
사이징의 연소에 필요한 온도 및 시간은 (1) 사이징 재료 및 (2) 탄소 섬유 재료(860)의 상업적 공급원/동일성의 함수로서 변화된다. 탄소 섬유 재료 상의 종래의 사이징은 약 650 ℃에서 제거될 수 있다. 이 온도에서, 사이징의 완전한 연소를 보장하기 위해 15분의 시간이 소요될 수 있다. 이 연소 온도를 초과하여 온도를 상승시키면 연소 시간을 줄일 수 있다. 특정의 상업적 생성물용 사이징에 대한 최소 연소 온도를 결정하기 위해 열중량 분석이 이용된다.
사이징 제거를 위해 요구되는 시간에 따라, 사이징제거 가열기가 CNT 주입 공정 자체에 반드시 포함되지 않을 수도 있고; 오히려 제거는 별도로(예를 들면, 병행식 등으로) 수행될 수 있다. 이러한 방식으로, 사이징이 없는 탄소 섬유 재료의 재고량이 섬유 제거 가열기를 포함하지 않는 CNT-주입된 섬유 제조 라인에서의 사용을 위해 축적되고 권취될 수 있다. 다음에 이 사이징이 없는 섬유는 송출 및 장력 스테이션(805)에서 권취된다. 이 제조 라인은 사이징 제거를 포함하는 것보다 더 빠른 속도로 가동될 수 있다.
사이징되지 않은 섬유(880)는 플라즈마 처리 스테이션(815)에 공급된다. 본 실시예의 경우, 분산된 탄소 섬유 재료로부터 1 mm 이격된 "하류" 방식으로 대기 플라즈마 처리가 사용된다. 이 기체상 원료는 100 % 헬륨으로 구성된다.
플라즈마 조장된 섬유(885)는 차단 코팅 스테이션(820)에 공급된다. 이러한 도시된 실시예에서, 실록세인계 차단 코팅 용액이 침지 코팅 구성에서 사용된다. 이 용액은 40:1의 체적비 희석율로 이소프로필 알코올로 희석된 '아큐글래스 T-11 스핀-온 글래스'(Honeywell International Inc., 뉴저지, 모리스타운)이다. 탄소 섬유 재료 상의 얻어지는 차단 코팅 두께는 대략 40 nm이다. 차단 코팅은 주위 환경에서 실온으로 도포될 수 있다.
차단 코팅된 탄소 섬유(890)는 나노스케일의 차단 코팅의 부분 경화를 위해 공기 건조 스테이션(825)에 공급된다. 공기 건조 스테이션은 전체 탄소 섬유 분산체의 전체에 걸쳐 가열된 공기의 흐름을 송풍한다. 사용되는 온도는 100 ℃ 내지 약 500 ℃의 범위 내일 수 있다.
공기 건조 후, 차단 코팅된 탄소 섬유(890)는 촉매 도포 스테이션(830)에 공급된다. 본 실시예에서, 철 산화물계 CNT 형성 촉매 용액이 침지 코팅 구성에서 사용된다. 이 용액은 200:1의 체적 희석비로 헥세인으로 희석된 'EFH-1'(Ferrotec Corporation, 뉴햄프셔, 베드포드)이다. 단일층의 촉매 코팅이 탄소 섬유 재료 상에 달성된다. 희석 전의 'EFH-1'은 3 내지 15 체적% 범위의 나노입자 농도를 갖는다. 철 산화물 나노입자는 조성 Fe2O3 및 Fe3O4의 조성을 갖고, 대략 8 nm의 직경을 갖는다.
촉매-함유 탄소 섬유 재료(895)는 용매 플래시오프 스테이션(835)에 공급된다. 용매 플래시오프 스테이션은 전체 탄소 섬유 분산체의 전체에 걸쳐 공기의 흐름을 송풍한다. 본 실시예에서, 촉매-함유 탄소 섬유 재료 상에 잔류된 모든 헥세인을 플래시오프 제거하기 위해 실온의 공기가 사용될 수 있다.
용매 플래시오프 후, 촉매-함유 섬유(895)는 최종적으로 CNT-주입 스테이션(840)으로 진행된다. 본 실시예에서, 대기압에서 CVD 성장을 활용하기 위해 12 인치 성장 구역을 갖는 사각형 반응기가 사용된다. 총 기체 유동의 98.0%는 불활성 기체(질소)이고, 다른 2.0%는 탄소 원료(아세틸렌)이다. 성장 구역 750 ℃에 유지된다. 위에서 언급된 사각형 반응기의 경우, 750 ℃는 비교적 높은 성장 온도이고, 이것은 가능한 최고의 성장 속도를 가능하게 한다.
CNT-주입 후, CNT-주입된 섬유(897)는 섬유 집속장치 스테이션(845)에서 재집속된다. 이러한 작업은 섬유의 개별 스트랜드를 재결합시킴으로써 스테이션(810)에서 수행된 분산 작업을 효과적으로 역전시킨다.
집속된 CNT-주입된 섬유(897)는 보관을 위해 포집 섬유 보빈(850)의 주위에 권취된다. CNT-주입된 섬유(897)에는 약 50 μm의 길이의 CNT가 부가되고, 다음에 향상된 열 및 전기 전도성을 갖는 복합재 재료에서의 사용을 위해 준비된다.
위에서 설명된 작업 중 일부는 환경적 격리를 위해 불활성 분위기 또는 진공 하에서 실시될 수 있다는 것에 주목할 가치가 있다. 예를 들면, 사이징이 탄소 섬유 재료로부터 연소되는 경우, 섬유는 오프-개싱(off-gassing)을 함유하도록, 그리고 습기로부터의 손상을 방지하도록 환경적으로 고립될 수 있다. 편리를 위해, 시스템(800) 내에서, 환경적 격리는 제조 라인의 초기의 탄소 섬유 재료 송출 및 장력부여, 및 제조 라인의 말기의 섬유 포집을 제외한 모든 작업에 대해 제공된다.
실시예 II
도 9는 기계적 특성, 특히 전단 강도와 같은 계면 특성의 향상을 목적으로 연속 공정으로 탄소 섬유 재료 내에 CNT를 주입할 수 있는 방법을 보여준다. 이 경우, 섬유 상에 더 짧은 CNT의 부가가 목표이다. 본 실시예에서, 793의 텍스값을 갖는 34-700 12k의 사이징되지 않은 탄소 섬유 토우(Grafil Inc., 캘리포니아 새크라멘토)가 탄소 섬유 기재로서 제공된다. 이 탄소 섬유 토우 내의 개별 필라멘트는 대략 7 μm의 직경을 갖는다.
도 9는 본 발명의 예시적 실시형태에 따라 CNT-주입된 섬유를 제조하기 위한 시스템(900)을 도시하고, 시스템(800)에서 설명된 것과 동일한 많은 스테이션 및 공정을 포함한다. 시스템(900)은 도시된 바와 같이 상호 관련되는 탄소 섬유 재료 송출 및 텐셔너 스테이션(902), 섬유 분산기 스테이션(908), 플라즈마 처리 스테이션(910), 촉매 도포 스테이션(912), 용매 플래쉬 오프 스테이션(914), 제 2 촉매 도포 스테이션(916), 제 2 용매 플래쉬 오프 스테이션(918), 차단 코팅 도포 스테이션(920), 공기 건조 스테이션(922), 제 2 차단 코팅 도포 스테이션(924), 제 2 공기 건조 스테이션(926), CNT-주입 스테이션(928), 섬유 집속기 스테이션(930), 및 탄소 섬유 재료 포집 보빈(932)을 포함한다.
송출 및 장력 스테이션(902)은 송출 보빈(904) 및 장력조정장치(906)를 포함한다. 송출 보빈은 공정에 탄소 섬유 재료(901)를 공급하고; 섬유는 장력조정장치(906)에 의해 장력이 부여된다. 본 실시예의 경우, 탄소 섬유는 2 피트/분의 라인속도로 가공된다.
섬유 재료(901)는 섬유 분산기 스테이션(908)에 공급된다. 이 섬유는 사이징 없이 제조되므로 사이징 제거 공정은 섬유 분산기 스테이션(908)의 일부로서 포함되지 않는다. 섬유 분산기 섬유 분산기(870)에서 설명된 것과 유사한 방식으로 섬유의 개별의 요소를 분리시킨다.
섬유 재료(901)는 플라즈마 처리 스테이션(910)에 공급된다. 본 실시예의 경우, 분산된 탄소 섬유 재료로부터 12mm 이격된 "하류" 방식으로 대기 플라즈마 처리가 사용된다. 기체상 원료는 총 불활성 기체 유동(헬륨)의 1.1%의 양의 산소로 구성된다. 탄소 섬유 재료의 표면 상의 산소 함량을 조절하는 것은 후속 코팅의 접착성을 향상시키는 효과적인 방법이므로, 탄소 섬유 복합재의 기계적 특성을 강화하기 위해 바람직하다.
플라즈마 조장된 섬유(911)는 촉매 도포 스테이션(912)에 공급된다. 본 실시예에서, 철 산화물계 CNT 형성 촉매 용액이 침지 코팅 구성이 사용된다. 이 용액은 200:1의 체적 희석비로 헥세인으로 희석된 'EFH-1'(Ferrotec Corporation, 뉴햄프셔, 베드포드)이다. 단일층의 촉매 코팅이 탄소 섬유 재료 상에 달성된다. 희석 전의 'EFH-1'은 3 내지 15 체적% 범위의 나노입자 농도를 갖는다. 철 산화물 나노입자는 조성 Fe2O3 및 Fe3O4의 조성을 갖고, 대략 8 nm의 직경을 갖는다.
촉매-함유 탄소 섬유 재료(913)는 용매 플래시오프 스테이션(914)에 공급된다. 용매 플래시오프 스테이션은 전체 탄소 섬유 분산체의 전체에 걸쳐 공기의 흐름을 송풍한다. 본 실시예에서, 촉매-함유 탄소 섬유 재료 상에 잔류된 모든 헥세인을 플래시오프 제거하기 위해 실온의 공기가 사용될 수 있다.
용매 플래쉬 오프 후, 촉매 도포 스테이션(912)과 동일한 촉매 도포 스테이션(916)에 촉매 함유 섬유(913)가 공급된다. 이 용액은 800:1의 체적 희석율로 헥세인으로 희석된 'EFH-1'이다. 이 실시예를 위해, 플라즈마 조장된 섬유(911) 상의 촉매의 점유를 최적화하기 위해 다중 촉매 도포 스테이션을 포함하는 구성이 사용된다.
촉매-함유 탄소 섬유 재료(917)는 용매 플래쉬 오프 스테이션(914)과 동일한 용매 플래쉬 오프 스테이션(918)에 공급된다.
용매 플래쉬 오프 후, 촉매-함유 탄소 섬유 재료(917)는 차단 코팅 도포 스테이션(920)에 공급된다. 본 실시예에서, 실록세인계 차단 코팅 용액이 침지 코팅 구성에서 사용된다. 이 용액은 40:1의 체적비 희석율로 이소프로필 알코올로 희석된 '아큐글래스 T-11 스핀-온 글래스'(Honeywell International Inc., 뉴저지, 모리스타운)이다. 탄소 섬유 재료 상의 얻어지는 차단 코팅 두께는 대략 40 nm이다. 차단 코팅은 주위 환경에서 실온으로 도포될 수 있다.
차단 코팅된 탄소 섬유(921)는 차단 코팅의 부분 경화를 위해 공기 건조 스테이션(922)에 공급된다. 공기 건조 스테이션은 전체 탄소 섬유 분산체의 전체에 걸쳐 가열된 공기의 흐름을 송풍한다. 사용되는 온도는 100 ℃ 내지 약 500 ℃의 범위 내일 수 있다.
공기 건조 후, 차단 코팅된 탄소 섬유(921)는 차단 코팅 도포 스테이션(820)과 동일한 차단 코팅 도포 스테이션(924)에 공급된다. 이 용액은 120:1의 체적비 희석율로 이소프로필 알코올로 희석된 '아큐글래스 T-11 스핀-온 글래스(Accuglass T-11 Spin-On Glass)'이다. 이 실시예를 위해, 촉매-함유 섬유(917) 상의 차단 코팅의 점유를 최적화하기 위해 다중 차단 코팅 도포 스테이션을 포함하는 구성이 사용된다.
차단 코팅된 탄소 섬유(921)는 차단 코팅의 부분 경화를 위해 공기 건조 스테이션(922)에 공급되고, 공기 건조 스테이션(922)과 동일하다.
공기 건조 후, 차단 코팅된 탄소 섬유(925)는 최종적으로 CNT-주입 스테이션(928)으로 진행된다. 본 실시예에서, 대기압에서 CVD 성장을 활용하기 위해 12 인치 성장 구역을 갖는 사각형 반응기가 사용된다. 총 기체 유동의 97.75%는 불활성 기체(질소)이고, 다른 2.25%는 탄소 원료(아세틸렌)이다. 성장 구역은 650 ℃에 유지된다. 위에서 언급된 사각형 반응기의 경우, 650 ℃는 비교적 낮은 성장 온도이고, 이것은 더 짧은 CNT 성장의 제어를 가능하게 한다.
CNT-주입 후, CNT-주입된 섬유(929)는 섬유 집속장치(930)에서 재집속된다. 이러한 작업은 섬유의 개별 스트랜드를 재결합시킴으로써 스테이션(908)에서 수행된 분산 작업을 효과적으로 역전시킨다.
집속된 CNT-주입된 섬유(931)는 보관을 위해 포집 섬유 보빈(932)의 주위에 권취된다. CNT-주입된 섬유(929)에는 약 5 μm의 길이의 CNT가 부가되고, 다음에 향상된 기계적 특성을 갖는 복합재 재료에서의 사용을 위해 준비된다.
본 실시예에서, 탄소 섬유 재료는 차단 코팅 도포 스테이션(920, 924) 전에 촉매 도포 스테이션(912, 916)을 통과한다. 이 코팅의 순서는 실시예 I에서 설명된 바와 같이 '역전' 순서이고, 이것은 탄소 섬유 기재에의 CNT의 고정을 향상시킬 수 있다. CNT 성장 공정 중에, 차단 코팅층은 CNT에 의해 기재로부터 박리되고, 이것은 (촉매 NP 계면을 통해) 탄소 섬유 재료와의 더 많은 직접적 접촉을 가능하게 한다. 열적/전기적 특성이 아닌 기계적 특성의 증가 목표이므로 '역전' 순서의 코팅 구성이 바람직하다.
위에서 설명된 작업 중 일부는 환경적 격리를 위해 불활성 분위기 또는 진공 하에서 실시될 수 있다는 것에 주목할 가치가 있다. 편리를 위해, 시스템(900) 내에서, 환경적 격리는 제조 라인의 초기의 탄소 섬유 재료 송출 및 장력부여, 및 제조 라인의 말기의 섬유 포집을 제외한 모든 작업에 대해 제공된다.
실시예 III
도 9는 기계적 특성, 특히 층간 전단과 같은 계면 특성의 향상을 목적으로 연속 공정으로 탄소 섬유 재료 내에 CNT를 주입할 수 있는 방법을 보여준다.
본 실시예에서, 섬유 상에 더 짧은 CNT의 부가가 목표이다. 본 실시예에서, 793의 텍스값을 갖는 34-700 12k의 사이징되지 않은 탄소 섬유 토우(Grafil Inc., 캘리포니아 새크라멘토)가 탄소 섬유 기재로서 제공된다. 이 탄소 섬유 토우 내의 개별 필라멘트는 대략 7 μm의 직경을 갖는다.
도 10은 본 발명의 예시적 실시형태에 따라 CNT-주입된 섬유를 제조하기 위한 시스템(1000)을 도시하고, 시스템(800)에서 설명된 것과 동일한 많은 스테이션 및 공정을 포함한다. 시스템(800)은 도시된 바와 같이 상호 관련되는 탄소 섬유 재료 송출 및 장력조정장치 스테이션(805), 섬유 분산기 스테이션(810), 플라즈마 처리 스테이션(815), 차단 코팅 도포 스테이션(820), 공기 건조 스테이션(825), 제 2 코팅 도포 스테이션(830), 제 2 공기 건조 스테이션(835), CNT-주입 스테이션(840), 섬유 집속장치 스테이션(845), 및 탄소 섬유 재료 포집 보빈(850)을 포함한다.
송출 및 장력 스테이션(1002)은 송출 보빈(1004) 및 장력조정장치(1006)를 포함한다. 송출 보빈은 공정에 탄소 섬유 재료(1001)를 공급하고; 섬유는 장력조정장치(1006)에 의해 장력이 부여된다. 본 실시예의 경우, 탄소 섬유는 5 피트/분의 라인속도로 가공된다.
섬유 재료(1001)는 섬유 분산기 스테이션(1008)에 공급된다. 이 섬유는 사이징 없이 제조되므로 사이징 제거 공정은 섬유 분산기 스테이션(1008)의 일부로서 포함되지 않는다. 섬유 분산기 섬유 분산기(870)에서 설명된 것과 유사한 방식으로 섬유의 개별의 요소를 분리시킨다.
섬유 재료(1001)는 플라즈마 처리 스테이션(1010)에 공급된다. 본 실시예의 경우, 분산된 탄소 섬유 재료로부터 12mm 이격된 "하류" 방식으로 대기 플라즈마 처리가 사용된다. 기체상 원료는 총 불활성 기체 유동(헬륨)의 1.1%의 양의 산소로 구성된다. 탄소 섬유 재료의 표면 상의 산소 함량을 조절하는 것은 후속 코팅의 접착성을 향상시키는 효과적인 방법이므로, 탄소 섬유 복합재의 기계적 특성을 강화하기 위해 바람직하다.
플라즈마 조장된 섬유(1011)는 코팅 도포 스테이션(1012)에 공급된다. 본 실시예에서, 철 산화물계 촉매 및 차단 코팅 재료는 단일의 '하이브리드' 용액 내에 화합되고, 침지 코팅 구성에서 사용된다. '하이브리드' 용액은 1 체적부의 'EFH-1', 5 체적부의 '아큐글라스 T-11 스핀-온 글라스', 24 체적부의 헥세인, 24 체적부의 이소프로필 알코올, 및 146 체적부의 테크라히드로퓨란(tetrahydrofuran)이다. 이와 같은 '하이브리드' 코팅을 사용하는 것의 이점은 고온에서 섬유 열화의 효과를 과소평가하는 것이다. 이론에 구애됨이 없이, 탄소 섬유 재료의 열화는 고온(CNT의 성장에 필요한 것과 동일한 온도)에서 촉매 NP의 소결에 의해 심해진다. 그 자신의 차단 코팅으로 각각의 촉매 NP를 캡슐화함으로써 이 효과를 제어하는 것이 가능하다. 열적/전기적 특성이 아닌 기계적 특성의 증가가 목표이므로, 탄소 섬유 기초 재료의 무결성을 유지하는 것이 바람직하고, 그러므로 '하이브리드' 코팅이 사용될 수 있다.
촉매-함유 및 차단 코팅된 탄소 섬유 재료(1013)는 차단 코팅의 부분 경화를 위해 공기 건조 스테이션(1014)에 공급된다. 공기 건조 스테이션은 전체 탄소 섬유 분산체의 전체에 걸쳐 가열된 공기의 흐름을 송풍한다. 사용되는 온도는 100 ℃ 내지 약 500 ℃의 범위 내일 수 있다.
공기 건조 후, 촉매 및 차단 코팅-함유 탄소 섬유(1013)는 코팅 도포 스테이션(1012)와 동일한 코팅 도포 스테이션(1016)에 공급된다. 동일한 '하이브리드' 용액(1 체적부의 'EFH-1', 5 체적부의 '아큐글라스 T-11 스핀-온 글라스', 24 체적부의 헥세인, 24 체적부의 이소프로필 알코올, 및 146 체적부의 테크라히드로퓨란)이 사용된다. 이 실시예를 위해, 플라즈마 조장된 섬유(911) 상의 '하이브리드' 코팅의 점유를 최적화하기 위해 다중 코팅 도포 스테이션을 포함하는 구성이 사용된다.
촉매 및 차단 코팅-함유 탄소 섬유(1017)는 차단 코팅의 부분 경화를 위해 공기 건조 스테이션(1018)에 공급되고, 공기 건조 스테이션(1014)과 동일하다.
공기 건조 후, 최종적으로 촉매 및 차단 코팅-함유 탄소 섬유(1017)는 CNT-주입 스테이션(1020)으로 진행된다. 본 실시예에서, 대기압에서 CVD 성장을 활용하기 위해 12 인치 성장 구역을 갖는 사각형 반응기가 사용된다. 총 기체 유동의 98.7%는 불활성 기체(질소)이고, 다른 1.3%는 탄소 원료(아세틸렌)이다. 성장 구역은 675 ℃에 유지된다. 위에서 언급된 사각형 반응기의 경우, 675 ℃는 비교적 낮은 성장 온도이고, 이것은 더 짧은 CNT 성장의 제어를 가능하게 한다.
CNT-주입 후, CNT-주입된 섬유(1021)는 섬유 집속장치(1022)에서 재집속된다. 이러한 작업은 섬유의 개별 스트랜드를 재결합시킴으로써 스테이션(1008)에서 수행된 분산 작업을 효과적으로 역전시킨다.
집속된 CNT-주입된 섬유(1021)는 보관을 위해 포집 섬유 보빈(1024)의 주위에 권취된다. CNT-주입된 섬유(1021)에는 약 2 μm의 길이의 CNT가 부가되고, 다음에 향상된 기계적 특성을 갖는 복합재 재료에서의 사용을 위해 준비된다.
위에서 설명된 작업 중 일부는 환경적 격리를 위해 불활성 분위기 또는 진공 하에서 실시될 수 있다는 것에 주목할 가치가 있다. 편리를 위해, 시스템(1000) 내에서, 환경적 격리는 제조 라인의 초기의 탄소 섬유 재료 송출 및 장력부여, 및 제조 라인의 말기의 섬유 포집을 제외한 모든 작업에 대해 제공된다.
위에서 설명된 실시형태는 본 발명의 단순한 예시라는 것과 위에서 설명된 실시형태의 많은 변경이 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 안출될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들면, 본 발명의 예시적인 실시형태의 완전한 설명 및 이해를 위해 본 명세서에는 다수의 구체적인 세부내용이 제공된다. 그러나, 당업자들은 본 발명이 이들 세부내용 중 하나 이상을 배제한 상태로 또는 다른 공정, 재료, 부품 등을 포함한 상태로 실시될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
더욱이, 예시적인 실시형태의 양태를 모호하게 하는 것을 방지하기 위해, 일부의 경우, 주지된 구조물, 재료, 또는 작업은 도시되지 않거나 상세히 설명되지 않았다. 도면에 도시된 다양한 실시형태는 예시적인 것이고, 반드시 축척에 따라 작도되지 않았음을 이해해야 한다. 본 명세서의 전체를 통해 "하나의 실시형태" 또는 "실시형태" 또는 "일부의 실시형태"라는 용어는 그 실시형태(들)과 관련하여 설명되는 특정의 기구, 구조, 재료, 또는 특징이 본 발명의 적어도 하나의 실시형태에는 포함되지만 모든 실시형태에 반드시 포함되어야 하는 것은 아님을 의미한다. 결과적으로, 본 명세서의 전체를 통해 다양한 부분에서 출현하는 "하나의 실시형태에서", "실시형태에서" 또는 "일부의 실시형태에서"라는 어구는 반드시 모두 동일한 실시형태를 언급하는 것이 아니다. 더욱이, 특정의 기구, 구조물, 재료, 또는 특성은 임의의 적절한 방식으로 하나 이상의 실시형태로 결합될 수 있다. 그러므로 이와 같은 변경은 이하의 청구항 및 그 등가의 범위 내에 포함되어야 한다.
Claims (14)
- 조성물로서,
탄소 나노튜브(CNT) 얀; 및
상기 탄소 나노튜브 얀의 표면에 주입된 복수의 탄소 나노구조(CNS)를 포함하고;
상기 CNS는 상기 CNT 얀의 표면으로부터 실질적으로 반경방향으로 배치되는, 조성물. - 제 1 항에 있어서,
상기 CNT 얀은 단일벽의 탄소 나노튜브, 이중벽의 탄소 나노튜브, 다중벽의 탄소 나노튜브, 또는 이들의 혼합물을 포함하는, 조성물. - 제 2 항에 있어서,
상기 CNT 얀은 단일벽의 탄소 나노튜브를 포함하는, 조성물. - 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 CNS는 단일벽의 탄소 나노튜브, 이중벽의 탄소 나노튜브, 다중벽의 탄소 나노튜브, 또는 이들의 혼합물의 요소를 포함하는, 조성물. - 제 1 항에 있어서,
복합재를 제공하기 위한 모재 재료를 더 포함하는, 조성물. - 제 5 항에 있어서,
상기 모재 재료는 열가소성 수지, 열경화성 수지, 추가의 탄소 상, 세라믹 및 금속으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나를 포함하는, 조성물. - 집속체로 복수의 CNT 얀을 포함하는 물품으로서, 상기 집속체의 복수의 CNT 얀의 각각은 상기 복수의 탄소 나노튜브 얀의 각각의 표면에 주입된 복수의 탄소 나노구조(CNS)를 포함하고, 상기 CNS는 상기 복수의 CNT 얀의 각각의 표면으로부터 실질적으로 반경방향으로 배치되는, 물품.
- 조성물로서,
탄소 나노튜브 시트; 및
상기 시트의 적어도 하나의 표면에 주입된, 그리고 상기 시트의 적어도 하나의 표면으로부터 실질적으로 외방향으로 배치된 복수의 탄소 나노구조(CNS)를 포함하는, 조성물. - 제 8 항에 있어서,
상기 CNT 시트는 단일벽의 탄소 나노튜브, 이중벽의 탄소 나노튜브, 다중벽의 탄소 나노튜브, 또는 이들의 혼합물을 포함하는, 조성물. - 제 9 항에 있어서,
상기 CNT 시트는 단일벽의 탄소 나노튜브를 포함하는, 조성물. - 제 8 항에 있어서,
상기 복수의 CNS는 단일벽의 탄소 나노튜브, 이중벽의 탄소 나노튜브, 다중벽의 탄소 나노튜브, 또는 이들의 혼합물의 요소를 포함하는, 조성물. - 제 8 항에 있어서,
복합재를 제공하기 위한 모재 재료를 더 포함하는, 조성물. - 제 12 항에 있어서,
상기 모재 재료는 열가소성 수지, 열경화성 수지, 추가의 탄소 상, 세라믹 및 금속으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나를 포함하는, 조성물. - 복수의 CNT 시트를 포함하는 다중층의 물품으로서, 복수의 CNT 시트의 각각의 CNT 시트는 상기 복수의 CNT 시트의 각각의 적어도 하나의 표면에 주입된 복수의 탄소 나노구조(CNS)를 포함하고, 상기 CNS는 상기 탄소 나노튜브 얀의 표면 상에 배치되는, 복수의 CNT 시트를 포함하는 다중층의 물품.
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