Усиленные углеродными нанотрубками полимеры и способы их получения
Группа изобретений включает: усиленный углеродными нанотрубками полимер, изделие, способ получения усиленного углеродными нанотрубками полимера, способ получения изделия из усиленного углеродными нанотрубками полимера и усиленное углеродными нанотрубками полимерное изделие. Усиленный углеродными нанотрубками полимер содержит термопластический полимер и множество листочков из углеродных нанотрубок, смешанных с указанным полимером. Все листочки из углеродных нанотрубок содержат сеть переплетенных углеродных нанотрубок. Длина множества листочков из углеродных нанотрубок составляет от 1 до 10000 мкм. Отношение длины к ширине множества листочков из углеродных нанотрубок составляет от 1:1 до 1000:1. Отношение длины к толщине множества листочков из углеродных нанотрубок составляет от 1:1 до 100:1. Термопластический полимер находится в форме полимерного порошка. Множество листочков из углеродных нанотрубок смешано с полимерным порошком. Способ получения усиленного углеродными нанотрубками полимера включает обеспечение множества листочков из углеродных нанотрубок и смешивание множества листочков из углеродных нанотрубок с термопластическим полимером. Способ получения изделия из усиленного углеродными нанотрубками полимера включает смешивание множества листочков из углеродных нанотрубок с термопластическим полимером с получением смеси и превращение указанной смеси в усиленное углеродными нанотрубками полимерное изделие. Технический результат – разработка полимерных соединений, обладающих хорошей проводимостью. 5 н. и 13 з.п. ф-лы, 10 ил., 1 пр.
ПРИОРИТЕТ
[0001] Настоящая заявка представляет собой обычную заявку и испрашивает приоритет на основании заявки США №62/550178, поданной 25 августа 2017 года.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0002] Настоящая заявка относится к полимерным соединениям, имеющим проводящие свойства и, более конкретно, к усиленным углеродными нанотрубками полимерам, подходящим для применения в воздушных транспортных средствах и космических летательных аппаратах.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0003] Статические заряды могут вызвать ряд эффектов, в том числе негативное воздействие на научные измерения или электронные компоненты.
[0004] Для применений, требующих рассеяния статических зарядов, полимерные соединения, имеющие проводящие свойства, обладают рядом преимуществ по сравнению с другими материалами, включая небольшую массу и способность к обработке с обеспечением сложной формы. Существует несколько технологий для придания полимерным материалам проводящих свойств.
[0005] Для обеспечения рассеивающего отвода статического заряда, что необходимо для воздушных транспортных средств и космических летательных аппаратов, полимерам с процентным массовым содержанием углеродных волокон до 30% можно придать максимальное сопротивление, составляющее 1Е9 (1×109) Ом. Такое высокое процентное массовое содержание углеродных волокон ухудшает общие механические характеристики базового полимерного материала, в частности, прочность базового полимерного материала.
[0006] Соответственно, специалисты в данной области техники продолжают научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки в области полимерных соединений, имеющих проводящие свойства.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0007] Согласно одному аспекту предложенный усиленный углеродными нанотрубками полимер может содержать полимер и множество листочков из углеродных нанотрубок, смешанных с указанным полимером. Каждый такой листочек из углеродных нанотрубок может содержать сеть переплетенных углеродных нанотрубок.
[0008] Согласно другому аспекту предложенный способ получения усиленного углеродными нанотрубками полимера включает: обеспечение множества листочков из углеродных нанотрубок, при этом все указанные листочки из углеродных нанотрубок содержат сеть переплетенных углеродных нанотрубок; и смешивание множества листочков из углеродных нанотрубок с полимером.
[0009] Согласно еще одному аспекту предложенный способ получения усиленного углеродными нанотрубками полимера включает: обеспечение множества листочков из углеродных нанотрубок, смешанных с полимером, при этом все указанные листочки из углеродных нанотрубок содержат сеть переплетенных углеродных нанотрубок; и превращение смеси, состоящей из листочков из углеродных нанотрубок и полимера, в изделие, имеющее окончательные или практически окончательные размеры.
[0010] Другие аспекты предложенного усиленного углеродными нанотрубками полимера, способа получения усиленного углеродными нанотрубками полимера и способа применения усиленного углеродными нанотрубками полимера станут очевидны из следующего подробного описания, прилагаемых чертежей и прилагаемой формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0011] Фиг. 1 представляет собой иллюстрацию первого аспекта усиленного углеродными нанотрубками полимера согласно настоящему описанию.
[0012] Фиг. 2 представляет собой вид в разрезе второго аспекта усиленного углеродными нанотрубками полимера согласно настоящему описанию.
[0013] Фиг. 3 представляет собой пример второго аспекта усиленного углеродными нанотрубками полимера, показанного на фиг. 2.
[0014] Фиг. 4 представляет собой другой пример второго аспекта усиленного углеродными нанотрубками полимера, показанного на фиг. 2.
[0015] Фиг. 5 представляет собой вид в разрезе части листочка из углеродных нанотрубок, содержащего сеть разупорядоченных переплетенных углеродных нанотрубок.
[0016] Фиг. 6 представляет собой другой пример второго аспекта усиленного углеродными нанотрубками полимера, показанного на фиг. 2.
[0017] Фиг. 7 представляет собой другой пример второго аспекта усиленного углеродными нанотрубками полимера, показанного на фиг. 2.
[0018] Фиг. 8 представляет собой схему технологического процесса для типичного способа получения усиленного углеродными нанотрубками полимера.
[0019] Фиг. 9 представляет собой схему технологического процесса для типичного способа получения усиленного углеродными нанотрубками полимера.
[0020] Фиг. 10 представляет собой схему технологического процесса для типичного способа применения усиленного углеродными нанотрубками полимера.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0021] Предложен усиленный углеродными нанотрубками полимер 2, содержащий полимер 4 и множество листочков 6 из углеродных нанотрубок, смешанных с указанным полимером 4, при этом все указанные листочки 6 из углеродных нанотрубок содержат сеть переплетенных углеродных нанотрубок 8 (фиг. 5). Форма усиленного углеродными нанотрубками полимера 2 не ограничена. Усиленный углеродными нанотрубками полимер 2 может быть в форме предшественника для последующей обработки, такого как предшественник для последующей обработки с применением аддитивной технологии, такой как технология послойной печати, например, моделирование методом послойного наплавления или селективное лазерное спекание. Альтернативно, усиленный углеродными нанотрубками полимер 2 может быть в форме изделия, имеющего окончательные или практически окончательные размеры, такого как изделие, полученное с применением аддитивной технологии, такой как технология послойной печати, например, моделирование методом послойного наплавления или селективное лазерное спекание.
[0022] На фиг. 1 проиллюстрирован первый аспект усиленного углеродными нанотрубками полимера 2, согласно которому усиленный углеродными нанотрубками полимер 2 содержит полимер 4 в форме полимерного порошка 4А, при этом множество листочков 6 из углеродных нанотрубок смешивают с указанным полимерным порошком 4А. Затем смесь полимерного порошка 4А и листочков 6 из углеродных нанотрубок можно подвергнуть обработке посредством, например, спекания полимера 4, для встраивания множества листочков 6 из углеродных нанотрубок внутрь полимерной матрицы, полученной из полимерного порошка 4А. Другими словами, полимер 4 действует как полимерная матрица только после последующей обработки (например, спекания), при этом последующая обработка приводит полимер 4 в такое состояние, что он действует как связующее вещество, поддерживающее листочки 6 из углеродных нанотрубок. Последующая обработка смеси полимерного порошка 4А и листочков 6 из углеродных нанотрубок не ограничена и может включать последующую обработку с применением аддитивной технологии, например, селективного лазерного спекания, с получением изделия, имеющего окончательные или практически окончательные размеры.
[0023] На фиг. 2-5 проиллюстрирован второй аспект усиленного углеродными нанотрубками полимера 2. Как показано на фиг. 2, усиленный углеродными нанотрубками полимер 2 содержит полимерную матрицу 4В, полученную из полимера 4, при этом внутрь полимерной матрицы 4В встроено множество листочков 6 из углеродных нанотрубок. Усиленный углеродными нанотрубками полимер 2 может принимать любую форму, такую как предшественник для последующей обработки или изделие, имеющее окончательные или практически окончательные размеры.
[0024] Как показано на фиг. 3, усиленный углеродными нанотрубками полимер 2 может иметь форму множества твердых частиц 3, таких как пеллеты, содержащие листочки 6 из углеродных нанотрубок, встроенные внутрь полимерной матрицы 4 В полимера 4. Множество твердых частиц 3 можно получить, например, в результате последующей обработки описанной выше смеси полимерного порошка 4А (фиг. 1) и листочков 6 из углеродных нанотрубок. Затем множество твердых частиц 3 сами могут быть обработаны с применением, например, аддитивной технологии, например, селективного лазерного спекания, с получением изделия, имеющего окончательные или практически окончательные размеры.
[0025] Как показано на фиг. 4, усиленный углеродными нанотрубками полимер 2 может иметь форму нити 5, такой как волокна или нити, содержащие листочки из углеродных нанотрубок (не показано), встроенные внутрь полимерной матрицы (не показано), состоящей из множества твердых частиц. Нить 5 можно получить, например, в результате последующей обработки описанной выше смеси полимерного порошка и листочков из углеродных нанотрубок. Затем саму нить можно подвергнуть обработке с применением, например, аддитивной технологии, например, моделирования методом послойного наплавления, с получением изделия, имеющего окончательные или практически окончательные размеры.
[0026] На фиг. 6 и 7 показано, что усиленный углеродными нанотрубками полимер 2 может иметь форму изделия 7, имеющего окончательные или практически окончательные размеры и содержащего листочки из углеродных нанотрубок (не показано), встроенные внутрь полимерной матрицы (не показано) такого изделия. Размеры и характеристики изделия 7 не ограничены и могут зависеть от применения изделия. Согласно одному из аспектов изделие 7 может представлять собой компонент воздушного транспортного средства или космического летательного аппарата, например, компонент системы регенерации воздуха воздушного транспортного средства или космического летательного аппарата. На фиг. 6 показано типичное изделие 7, имеющее окончательные или практически окончательные размеры, в частности, канал системы регенерации воздуха воздушного транспортного средства или космического летательного аппарата. На фиг. 7 показано типичное изделие 7, имеющее окончательные или практически окончательные размеры, в частности, панель системы регенерации воздуха воздушного транспортного средства или космического летательного аппарата.
[0027] Как упоминалось ранее, каждый такой листочек из углеродных нанотрубок может содержать сеть переплетенных углеродных нанотрубок. Углеродные нанотрубки могут быть переплетены любым способом, включая упорядоченное переплетение углеродных нанотрубок или разупорядоченное переплетение углеродных нанотрубок. Изображение части листочка 6 из углеродных нанотрубок, содержащего сеть разупорядоченных переплетенных углеродных нанотрубок 8, показано на фиг. 5.
[0028] Ранее предпринимались попытки диспергировать отдельные углеродные нанотрубки внутрь полимерной матрицы для придания полимеру проводящих свойств. Однако отдельные углеродные нанотрубки проявляют склонность к агломерации, что, как правило, усложняет последующую обработку. Например, агломерация отдельных углеродных нанотрубок обычно приводит к засорению насадок, применяемых при моделировании методом послойного наплавления. Более конкретно, при моделировании методом послойного наплавления осуществляют укладку материала в слои из полимерной нити с получением формы изделия, имеющей окончательные или практически окончательные размеры. Однако поскольку отдельные углеродные нанотрубки проявляют склонность к агломерации, обработка усложняется вследствие закупорки насадки, применяемой для укладки слоев полимера, инкорпорированного отдельными углеродными нанотрубками. Кроме того, отдельные углеродные нанотрубки могут приобрести способность рассеиваться в воздухе, что создает проблемы при обращении с указанными углеродными нанотрубками. Описанный в настоящей заявке усиленный углеродными нанотрубками полимер позволяет решить указанные проблемы путем обеспечения листочков из углеродных нанотрубок, каждый из которых содержит сеть переплетенных углеродных нанотрубок, смешанных с полимерным порошком или встроенных внутрь полимерной матрицы, что, таким образом, облегчает обработку и уменьшает проблемы, связанные с обращением с углеродными нанотрубками.
[0029] Согласно одному из аспектов полимер 4 может содержать термопластический полимер. Тип термопластического полимера не ограничен. Термопластический полимер может включать, например, полиэфиркетонкетон (PEKK), сульфид полифенилена (PPS), полиамид 11 и их комбинации. В одном конкретном примере термопластический полимер включает полиэфиркетонкетон (PEKK). В другом конкретном примере термопластический полимер включает сульфид полифенилена (PPS). В еще другом конкретном примере термопластический полимер включает полиамид 11.
[0030] Углеродные нанотрубки 8 во множестве листочков 6 из углеродных нанотрубок можно выбрать из одностеночных углеродных нанотрубок, двухстеночных углеродных нанотрубок или любых других многостеночных углеродных нанотрубок или их смесей.
[0031] Размеры листочков 6 из углеродных нанотрубок не ограничены и могут зависеть от применения усиленного углеродными нанотрубками полимера 2. Если размеры листочков 6 из углеродных нанотрубок слишком маленькие, могут возникнуть проблемы, связанные с обращением с углеродными нанотрубками 8. Соответственно, согласно одному из аспектов листочки 6 из углеродных нанотрубок могут иметь длину, которую, тем самым, определяют как наибольший размер листочков, составляющий по меньшей мере 0,1 мкм, предпочтительно по меньшей мере 1 мкм, более предпочтительно по меньшей мере 10 мкм. Если размеры листочков 6 из углеродных нанотрубок являются слишком большими, это может привести к ухудшению общих механических характеристик усиленного углеродными нанотрубками полимера 2. Соответственно, согласно одному из аспектов листочки 6 из углеродных нанотрубок могут иметь длину, которую, тем самым, определяют как наибольший размер листочков 6, составляющий не более 10000 мкм, предпочтительно не более 1000 мкм. В конкретном примере листочки 6 из углеродных нанотрубок имеют длину, составляющую от 50 до 200 мкм.
[0032] Ширина листочков 6 из углеродных нанотрубок не ограничена и может зависеть от применения усиленного углеродными нанотрубками полимера 2. Согласно одному из аспектов отношение длины к ширине множества листочков 6 из углеродных нанотрубок может составлять от 1:1 до 1000:1, предпочтительно от 1:1 до 100:1, более предпочтительно от 1:1 до 10:1. В конкретном примере отношение длины к ширине множества листочков 6 из углеродных нанотрубок составляет от 1:1 до 2:1.
[0033] Толщина листочков 6 из углеродных нанотрубок не ограничена и может зависеть от применения усиленного углеродными нанотрубками полимера 2. Согласно одному из аспектов отношение длины к толщине множества листочков 6 из углеродных нанотрубок может предпочтительно составлять от 1:1 до 100:1, более предпочтительно от 1:1 до 10:1.
[0034] Количество листочков 6 из углеродных нанотрубок не ограничено и может зависеть от применения усиленного углеродными нанотрубками полимера 2 и требуемой придаваемой проводимости. Например, в случае усиленного углеродными нанотрубками полимера 2, который, как считается, обладает антистатическими свойствами, усиленный углеродными нанотрубками полимер 2 можно объединить с определенным количеством листочков 6 из углеродных нанотрубок, достаточным для обеспечения сопротивления, составляющего менее 1Е12 (1×1012) Ом, предпочтительно менее 1Е11 (1×1011) Ом, более предпочтительно менее 1Е10 (1×1010) Ом. Например, в случае усиленного углеродными нанотрубками полимера 2, который, как считается, обладает антистатическими свойствами, усиленный углеродными нанотрубками полимер 2 можно объединить с определенным количеством листочков 6 из углеродных нанотрубок, достаточным для обеспечения сопротивления, составляющего менее 1Е9 (1×109) Ом, предпочтительно менее 1Е8 (1×108) Ом, более предпочтительно менее 1Е7 (1×107) Ом. Для обеспечения рассеивающего отвода статического заряда, что необходимо для воздушных транспортных средств и космических летательных аппаратов, усиленным углеродными нанотрубками полимерам 2 можно придать максимальное сопротивление, составляющее 1Е9 (1×109) Ом, путем встраивания достаточного количества листочков 6 из углеродных нанотрубок.
[0035] Количество листочков 6 из углеродных нанотрубок может определяться содержанием в процентах по массе углеродных нанотрубок 8. Если содержание в процентах по массе углеродных нанотрубок 8 слишком низкое, проводимость, придаваемая усиленному углеродными нанотрубками полимеру 2, ограничена. Соответственно, согласно одному из аспектов содержание в процентах по массе углеродных нанотрубок 8 в указанной полимерной матрице составляет по меньшей мере 0,0001% масс., предпочтительно по меньшей мере 0,001% масс, более предпочтительно по меньшей мере 0,01% масс. Если содержание в процентах по массе углеродных нанотрубок 8 является слишком высоким, может иметь место ухудшение механических свойств усиленного углеродными нанотрубками полимера 2. Соответственно, согласно одному из аспектов содержание в процентах по массе углеродных нанотрубок 8 в полимерной матрице 4 В составляет не более 25% масс., предпочтительно не более 5% масс., более предпочтительно не более 1% масс. В одном из примеров содержание в процентах по массе углеродных нанотрубок 8 в указанной полимерной матрице 4В составляет от 0,05% масс. до 0.5% масс. В другом примере листочки 6 из углеродных нанотрубок представляют собой квадратные листы размером 100 мкм × 100 мкм, при этом массовое содержание углеродных нанотрубок 8 в указанной полимерной матрице 4В составляет от 0,05% масс. до 0.5% масс.
[0036] Листочки 6 из углеродных нанотрубок можно получить любым подходящим способом. Например, листочки 6 из углеродных нанотрубок можно получить из листа из углеродных нанотрубок, при этом указанный лист из углеродных нанотрубок содержит сеть переплетенных углеродных нанотрубок 8, причем указанный лист из углеродных нанотрубок подвергают разрезанию или раздроблению на множество листочков 6 из углеродных нанотрубок.
[0037] Второй вариант реализации настоящего изобретения относится к способам получения усиленного углеродными нанотрубками полимера 2. Усиленный углеродными нанотрубками полимер 2 не ограничен следующими способами получения.
[0038] Следующие способы получения усиленного углеродными нанотрубками полимера включали способы получения усиленного углеродными нанотрубками полимера в форме предшественника для последующей обработки, такого как предшественник для последующей обработки с применением аддитивной технологии, и в форме изделия, имеющего окончательные или практически окончательные размеры, такого как изделие, полученное с применением аддитивной технологии.
[0039] На фиг. 8 проиллюстрирован первый аспект способа получения усиленного углеродными нанотрубками полимера. Первый аспект способа получения усиленного углеродными нанотрубками полимера включает, в блоке 22, обеспечение множества листочков из углеродных нанотрубок, при этом все указанные листочки из углеродных нанотрубок содержат сеть переплетенных углеродных нанотрубок. Способ получения усиленного углеродными нанотрубками полимера дополнительно включает, в блоке 24, смешивание множества листочков из углеродных нанотрубок с полимером.
[0040] Стадия согласно блоку 22, обеспечение множества листочков из углеродных нанотрубок, может включать обеспечение листа из углеродных нанотрубок, при этом указанный лист из углеродных нанотрубок содержит сеть переплетенных углеродных нанотрубок, и разрезание или раздробление листа из углеродных нанотрубок на множество листочков из углеродных нанотрубок. Лист из углеродных нанотрубок можно изготовить любым известным способом, например, посредством химического осаждения из паровой среды углеродных нанотрубок с получением формы листа. Стадия обеспечения множества листочков из углеродных нанотрубок не ограничена получением множества листочков из углеродных нанотрубок таким способом.
[0041] В одном из примеров, стадия согласно блоку 24, смешивание множества листочков из углеродных нанотрубок с полимером, может включать смешивание множества листочков из углеродных нанотрубок с полимерным порошком. Однако смешивание множества листочков из углеродных нанотрубок с полимером не ограничено таким способом.
[0042] В случае смешивания множества листочков из углеродных нанотрубок с полимером, настоящие способы уменьшают проблемы, возникающие при обращении с углеродными нанотрубками, связанные с предыдущими попытками включения отдельных углеродных нанотрубок в полимеры. В частности, предыдущие попытки вызвали проблемы с обращением, обусловленные маленьким размером отдельных углеродных нанотрубок и потенциальной способностью углеродных нанотрубок рассеиваться в воздухе. Описанные в настоящей заявке способы получения усиленного углеродными нанотрубками полимера позволяет решить указанные проблемы путем обеспечения листочков из углеродных нанотрубок, каждый из которых содержит сеть переплетенных углеродных нанотрубок, что, таким образом, уменьшает возникающие при обращении проблемы, связанные с отдельными углеродными нанотрубками.
[0043] В другом примере, стадия согласно блоку 24, смешивание множества листочков из углеродных нанотрубок с полимером, может включать встраивание множества листочков из углеродных нанотрубок внутрь полимерной матрицы, полученной из указанного полимера.
[0044] В случае включения встраивания множества листочков из углеродных нанотрубок внутрь полимерной матрицы, стадия встраивания множества листочков из углеродных нанотрубок внутрь полимерной матрицы может включать смешивание множества листочков из углеродных нанотрубок с полимерным порошком и спекание полимерного порошка для встраивания множества листочков из углеродных нанотрубок внутрь полимерной матрицы, полученной из полимерного порошка.
[0045] Для цели настоящей заявки спекание может включать нагревание до температуры, выше или ниже температуры плавления полимерного порошка, до тех пор, пока полимерный порошок не нагреется в достаточной степени для объединения с частицами полимерного порошка и листочками из углеродных нанотрубок. В одном из примеров смесь листочков из углеродных нанотрубок и полимерного порошка можно подвергнуть лазерному спеканию. В другом примере смесь листочков из углеродных нанотрубок и полимерного порошка можно обеспечить послойным способом с получением слоя порошка и повергнуть селективному лазерному спеканию для создания требуемой формы изделия.
[0046] На фиг. 9 продемонстрирован второй аспект способа получения усиленного углеродными нанотрубками полимера. Второй аспект способа получения усиленного углеродными нанотрубками полимера включает, в блоке 32, обеспечение множества листочков из углеродных нанотрубок, смешанных с полимером, при этом все указанные листочки из углеродных нанотрубок содержат сеть переплетенных углеродных нанотрубок. Способ получения усиленного углеродными нанотрубками полимера дополнительно включает, в блоке 34, превращение смеси, состоящей из листочков из углеродных нанотрубок и полимера, в изделие, имеющее окончательные или практически окончательные размеры.
[0047] На стадии согласно блоку 32, обеспечение множества листочков из углеродных нанотрубок, смешанных с полимером, указанный полимер можно обеспечить в виде полимерного порошка, смешанного с множеством листочков из углеродных нанотрубок. Однако стадия обеспечения множества листочков из углеродных нанотрубок, смешанных с указанным полимером, не ограничена полимером, полученным в виде полимерного порошка.
[0048] В случае полимера, обеспеченного в виде полимерного порошка, изделие можно получить способом, включающим аддитивную технологию, такую как селективное лазерное спекание, которая позволяет создавать из порошка изделие. Однако, даже когда полимер обеспечивают в виде полимерного порошка, указанное изделие можно получить с применением неаддитивной технологии или аддитивной технологии, отличной от селективного лазерного спекания.
[0049] На стадии согласно блоку 32, обеспечение множества листочков из углеродных нанотрубок, смешанных с полимером, полимер можно получить в виде полимерной матрицы, содержащей множество листочков из углеродных нанотрубок, встроенных в указанную матрицу. Однако стадия обеспечения множества листочков из углеродных нанотрубок, смешанных с указанным полимером, не ограничена полимером, полученным в виде полимерной матрицы, содержащей множество листочков из углеродных нанотрубок, встроенных в указанную матрицу.
[0050] В случае полимера, обеспеченного в виде полимерной матрицы, содержащей множество листочков из углеродных нанотрубок, встроенных в указанную матрицу, изделие можно получить способом, включающим аддитивную технологию, такую как селективное лазерное спекание или моделирование методом послойного наплавления. Однако, даже когда полимер получают в виде полимерной матрицы, содержащей множество листочков из углеродных нанотрубок, встроенных в указанную матрицу, изделие можно получить с применением неаддитивной технологии или аддитивной технологии, отличной от селективного лазерного спекания.
[0051] В случае изделия, полученного путем селективного лазерного спекания, множество листочков из углеродных нанотрубок, смешанных с полимерной матрицей, можно обеспечить в форме множества твердых частиц, таких как пеллеты, содержащие множество листочков из углеродных нанотрубок, встроенных в указанные пеллеты, при этом изделие может быть изготовлено из множества твердых частиц послойным способом.
[0052] В случае изделия, полученного путем моделирования методом послойного наплавления, множество листочков из углеродных нанотрубок, смешанных с полимерной матрицей, можно обеспечить в форме нити, такой как нить или волокно, при этом указанное изделие может быть изготовлено из нити послойным способом. В случае моделирования методом послойного наплавления предыдущие попытки включения отдельных углеродных нанотрубок привели к возникновению проблем с обработкой. В частности, поскольку отдельные углеродные нанотрубки проявляют склонность к агломерации, обработка усложняется вследствие закупорки насадки, применяемой для укладки слоев полимера, инкорпорированного отдельными углеродными нанотрубками. Описанный в настоящей заявке усиленный углеродными нанотрубками полимер позволяет решить указанные проблемы путем обеспечения листочков из углеродных нанотрубок, каждый из которых содержит сеть переплетенных углеродных нанотрубок, смешанных с полимерным порошком или встроенных внутрь полимерной матрицы, что, таким образом, облегчает обработку благодаря избежанию агломерации отдельных углеродных нанотрубок. Описанный в настоящей заявке усиленный углеродными нанотрубками полимер позволяет решить указанные проблемы путем обеспечения листочков из углеродных нанотрубок, каждый из которых содержит сеть переплетенных углеродных нанотрубок, смешанных с полимерным порошком или встроенных внутрь полимерной матрицы, что, таким образом, облегчает обработку и уменьшает проблемы, связанные с обращением с углеродными нанотрубками.
[0053] В другом примере, стадия согласно блоку 34, превращение смеси, состоящей из листочков из углеродных нанотрубок и полимера, в изделие, имеющее окончательные или практически окончательные размеры, может включать одну или более различные технологии пластического формования, такие как литьевое формование, прессование в пресс-форме и экструзионное формование.
[0054] Как показано на фиг. 10, настоящее описание дополнительно относится к способу 40 применения усиленного углеродными нанотрубками полимера, превращенного в компонент воздушного транспортного средства или космического летательного аппарата. Предложенный способ включает, в блоке 42, размещение компонента усиленного углеродными нанотрубками полимерного компонента в транспортном средстве, при этом усиленный углеродными нанотрубками полимерный компонент содержит полимерную матрицу, при этом множество листочков из углеродных нанотрубок встроено внутрь указанной полимерной матрицы, при этом все указанные листочки из углеродных нанотрубок содержат сеть переплетенных углеродных нанотрубок, как описано ранее. Способ дополнительно включает, в блоке 34, электрическое заземление компонента в указанном транспортном средстве. Такой компонент может иметь, например, максимальное сопротивление, составляющее 1Е9 (1×109) Ом, для обеспечения рассеивающего отвода статического заряда, что необходимо для воздушных транспортных средств и космических летательных аппаратов.
[0055] В экспериментальных испытаниях порошок полиэфиркетонкетона (PEKK) смешивали с листочками из углеродных нанотрубок и сплавляли в виде диска, используя обычные способы. Указанное испытание показало, что поверхностное сопротивление усиленного углеродными нанотрубками PEKK полимера с массовым содержанием углеродных нанотрубок (CNT) 0,5% составляет 10Е4 Ом, что в 10000 раз больше проводящих свойств обычных усиленных углеродным волокном PEKK полимеров с массовым содержанием углеродного волокна 15%, удельное поверхностное сопротивление которых составляет в среднем 10Е8 Ом. Массовое содержание углеродных нанотрубок, составляющее 0,5%, на 1/30 меньше, чем обычное 15% массовое содержание углеродных волокон в полимерной матрице. Как предполагают, такое пониженное содержание позволяет улучшить общие механические свойства, в частности, прочность.
[0056] Предложенные усиленные углеродными нанотрубками полимеры и способы описаны в контексте воздушного судна и космического летательного аппарата. Однако специалист в данной области техники легко поймет, что предложенные усиленные углеродными нанотрубками полимеры и способы можно использовать для различных применений. Например, предложенные усиленные углеродными нанотрубками полимеры и способы могут быть реализованы в различных типах транспортных средств, включая, например, пассажирские суда, автомобили, морские продукты (лодки, моторы и т.п.) и т.п. Кроме того, предполагается возможность применения в различных нетранспортных средствах.
[0057] Хотя были показаны и описаны различные аспекты предложенных усиленных углеродными нанотрубками полимеров, промышленных изделий и способов, специалисты в данной области техники после прочтения описания настоящего изобретения могут придумать разные модификации. Настоящая заявка включает такие модификации и ограничена только объемом формулы изобретения.
1. Усиленный углеродными нанотрубками полимер (2), содержащий:
термопластический полимер (4) и
множество листочков из углеродных нанотрубок (6), смешанных с указанным полимером (4), при этом все листочки из углеродных нанотрубок (6) содержат сеть переплетенных углеродных нанотрубок (8),
где длина множества листочков из углеродных нанотрубок (6) составляет от 1 до 10000 мкм, отношение длины к ширине множества листочков из углеродных нанотрубок (6) составляет от 1:1 до 1000:1 и отношение длины к толщине множества листочков из углеродных нанотрубок (6) составляет от 1:1 до 100:1,
где указанный полимер (4) находится в форме полимерного порошка (4А), при этом множество листочков из углеродных нанотрубок (6) смешано с указанным полимерным порошком (4А).
2. Усиленный углеродными нанотрубками полимер (2) по п. 1, отличающийся тем, что указанный полимер (4) выбран из группы, состоящей из: полиэфиркетонкетона (РЕKK), сульфида полифенилена (PPS), полиамида (11) и их комбинаций.
3. Усиленный углеродными нанотрубками полимер (2) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в указанный усиленный углеродными нанотрубками полимер (2) встроено определенное количество листочков из углеродных нанотрубок (6), достаточное для обеспечения сопротивления усиленного углеродными нанотрубками полимера (2), составляющего менее 1Е12 (1×1012) Ом.
4. Усиленный углеродными нанотрубками полимер (2) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что содержание в процентах по массе углеродных нанотрубок (8) в указанном полимере (4) составляет от 0,0001 мас.% до 25 мас.%.
5. Усиленный углеродными нанотрубками полимер (2) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что указанный полимер (4) находится в форме полимерной матрицы (4В), при этом множество листочков из углеродных нанотрубок (6) встроено внутрь указанной полимерной матрицы (4В).
6. Усиленный углеродными нанотрубками полимер (2) по п. 5, отличающийся тем, что усиленный углеродными нанотрубками полимер (2) находится в форме множества твердых частиц (3), при этом множество листочков из углеродных нанотрубок (6) встроено внутрь полимерной матрицы (4В), состоящей из указанного множества твердых частиц (3).
7. Усиленный углеродными нанотрубками полимер (2) по п. 5, отличающийся тем, что указанный усиленный углеродными нанотрубками полимер (2) находится в форме нити (5), при этом множество листочков из углеродных нанотрубок (6) встроено внутрь полимерной матрицы (4В) указанной нити (5).
8. Изделие (7), полученное из усиленного углеродными нанотрубками полимера (2) по п. 5.
9. Изделие (7) по п. 8, представляющее собой компонент воздушного транспортного средства или космического летательного аппарата.
10. Способ получения усиленного углеродными нанотрубками полимера (2), включающий:
обеспечение (22) множества листочков из углеродных нанотрубок (6), при этом все указанные листочки из углеродных нанотрубок (6) содержат сеть переплетенных углеродных нанотрубок (8); и
смешивание (24) множества листочков из углеродных нанотрубок с термопластическим полимером (4),
где длина множества листочков из углеродных нанотрубок (6) составляет от 1 до 10000 мкм, соотношение длины и ширины множества листочков из углеродных нанотрубок (6) составляет от 1:1 до 1000:1 и соотношение длины и толщины множества листочков из углеродных нанотрубок (6) составляет от 1:1 до 100:1,
где указанный полимер (4) находится в форме полимерного порошка (4А), при этом множество листочков из углеродных нанотрубок (6) смешано с указанным полимерным порошком (4А).
11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что обеспечение множества листочков из углеродных нанотрубок (6) включает:
обеспечение листа из углеродных нанотрубок, при этом указанный лист из углеродных нанотрубок содержит сеть переплетенных углеродных нанотрубок (8); и
разрезание или раздробление листа из углеродных нанотрубок на множество листочков из углеродных нанотрубок (6).
12. Способ по п. 10 или 11, отличающийся тем, что смешивание множества листочков из углеродных нанотрубок (6) с полимером (4) включает встраивание множества листочков из углеродных нанотрубок (6) внутрь полимерной матрицы (4В).
13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что встраивание множества листочков из углеродных нанотрубок (6) внутрь полимерной матрицы (4В) включает:
смешивание множества листочков из углеродных нанотрубок (6) с полимерным порошком (4А) и
спекание полимерного порошка (4А) для встраивания множества листочков из углеродных нанотрубок (6) внутрь полимерной матрицы (4В), полученной из полимерного порошка (4А).
14. Способ получения изделия из усиленного углеродными нанотрубками полимера, включающий:
смешивание (32) множества листочков из углеродных нанотрубок (6) с термопластическим полимером (4) с получением смеси, при этом каждый листочек из углеродных нанотрубок (6) из множества листочков из углеродных нанотрубок (6) содержит сеть переплетенных углеродных нанотрубок (8); и
превращение (34) указанной смеси в усиленное углеродными нанотрубками полимерное изделие (7),
где длина множества листочков из углеродных нанотрубок (6) составляет от 1 до 10000 мкм, соотношение длины и ширины множества листочков из углеродных нанотрубок (6) составляет от 1:1 до 1000:1 и соотношение длины и толщины множества листочков из углеродных нанотрубок (6) составляет от 1:1 до 100:1,
где указанный полимер (4) находится в форме полимерного порошка (4А), при этом множество листочков из углеродных нанотрубок (6) смешано с указанным полимерным порошком (4А).
15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что получение (34) смеси включает селективное лазерное спекание.
16. Способ по п. 14, отличающийся тем, что множество листочков из углеродных нанотрубок (6) встроены в полимер (4).
17. Способ по п. 16, отличающийся тем, что превращение (34) смеси включает по меньшей мере один из способов, выбранных из селективного лазерного спекания и моделирования методом послойного наплавления.
18. Усиленное углеродными нанотрубками полимерное изделие (7), полученное способом по п. 14.
