Sistema para el tratamiento de la superficie y revestimiento de barrera de fibras para el crecimiento de CNT in situ.

Un sistema de síntesis de nanotubos de carbono (CNT) sobre un material de fibra que comprende:

un sistema de tratamiento de superficie adaptado para modificar la superficie del material de fibra, para recibir un revestimiento de barrera bajo la cual los nanotubos de carbono van a ser cultivados;

un sistema de aplicación del revestimiento de barrera aguas abajo del sistema de tratamiento de superficie adaptado para aplicar el revestimiento de barrera a la superficie del material de fibra tratado; y

un sistema de curado del revestimiento de barrera aguas abajo del sistema de aplicación del revestimiento de barrera para curar parcialmente el revestimiento de barrera aplicado para mejorar la recepción de las nanopartículas del catalizador del crecimiento de CNT.

Sistema para el tratamiento de la superficie y revestimiento de barrera de fibras para el crecimiento de CNT in situ Campo de la invención La presente invención se refiere al crecimiento de nanotubo de carbono (CNT) , más específicamente al crecimiento de CNT sobre los sustratos de fibra.

Antecedentes de la invención En un compuesto a base de fibras, las fibras actúan como un agente de refuerzo, mientras que un material de matriz localiza las fibras y, en algunos casos, controla su orientación. El material de matriz también sirve como un medio de transferencia de carga entre las fibras dentro del compuesto. Debido a sus propiedades mecánicas excepcionales, los nanotubos de carbono (CNTs) han sido utilizados para reforzar otros materiales del compuesto de fibra. Sin embargo, la incorporación y la alineación de CNTs en las fibras y/o en los compuestos han sido problemáticas. Los métodos actuales de crecimiento de nanotubos de carbono en las fibras resultan en nanotubos de carbono enredados y no-alineados con porcentaje de peso bajo/concentración de nanotubos de carbono. Además, algunos sustratos a base de fibras son sensibles a las temperaturas a las cuales se cultivan los CNTs. Esta sensibilidad a la temperatura puede manifestarse como una inestabilidad inherente del material de fibra a temperaturas de crecimiento de CNT. La sensibilidad a la temperatura en el proceso de crecimiento de CNT también puede ser el resultado de sinterización del catalizador de nanopartículas de CNT debido a la movilidad de las nanopartículas sobre la superficie de la fibra. Los métodos mejorados de crecimiento in situ de nanotubos de carbono sobre diferentes sustratos a base de fibra serían útiles en la producción de materiales compuestos de mayor resistencia, así como en otras aplicaciones mecánicas, térmicas, y eléctricas. La presente invención satisface esta necesidad y provee también las ventajas relacionadas.

WO-A-2008 85634 revela un sistema de síntesis de nanotubos de carbono sobre las fibras.

Resumen de la invención En algunos aspectos, las modalidades reveladas en este documento se refieren a un sistema de síntesis de nanotubos de carbono (CNT) , sobre un material de fibra que incluye un sistema de tratamiento de superficie adaptado para modificar la superficie del material de fibra para recibir un revestimiento de barrera bajo la cual los nanotubos de carbono van a ser cultivados, un sistema de aplicación de revestimiento de barrera aguas abajo del sistema de tratamiento de superficie adaptado para aplicar el revestimiento de barrera a la superficie del material de fibra tratado, y un sistema de curado aguas abajo del sistema de aplicación del revestimiento de barrera del revestimiento de barrera para curar parcialmente el revestimiento de barrera aplicado para mejorar la recepción de nanopartículas del catalizador del crecimiento de CNT.

Breve descripción de los dibujos Figura 1 muestra un diagrama esquemático de un sistema de preparación de un sustrato de crecimiento in situ de nanotubos de carbono, de acuerdo con una modalidad de la invención.

Figura 2 muestra un diagrama esquemático de un sistema de preparación de una estopa de fibras para el crecimiento in situ de nanotubos de carbono, de acuerdo con una modalidad de la invención.

Figura 3 muestra un flujo del proceso para el tratamiento de una superficie de la fibra para promover la adherencia con un revestimiento de barrera y para la aplicación de un revestimiento de barrera y partículas del catalizador, de acuerdo con un aspecto de la invención.

Figura 4 muestra un diagrama esquemático de una modalidad de un sistema de tratamiento con plasma frío.

Figura 5 muestra un diagrama esquemático de una modalidad de un sistema de tratamiento de superficie húmeda.

Figura 6 muestra un diagrama esquemático de una modalidad de un sistema de aplicación por pulverización del revestimiento de barrera.

Figura 7 muestra un diagrama esquemático de un sistema de preparación de una estopa de fibra de crecimiento in situ de nanotubos de carbono, de acuerdo con otra modalidad de la invención.

Figura 8 muestra un flujo del proceso para el tratamiento de una superficie de la fibra para promover la adhesión con un revestimiento de barrera y para la aplicación de partículas de catalizador y un revestimiento de barrera, de acuerdo con otro aspecto de la invención.

Figura 9 muestra una vista de una sección transversal de un sustrato tratado por el sistema de la Figura 7, de acuerdo con una modalidad de la invención.

Figura 10 muestra una vista de una sección transversal de un sustrato tratado por el sistema de la Figura 2, de acuerdo con otra modalidad de la invención.

Figura 11 muestra las nanopartículas incrustadas en un revestimiento de barrera dispuestas de conformación sobre un sustrato.

Figura 12 muestra las nanopartículas incrustadas en un revestimiento de barrera y en contacto superficial con un sustrato.

Figura 13 muestra ejemplos de crecimiento de nanotubos de carbono sobre las nanopartículas incrustadas mostradas en la Figura 11.

Figura 14 muestra un sistema para producir un compuesto de fibra de cerámica de alta temperatura con mejoradas características del control de la firma.

Figura 15 muestra un sistema para producir los CNTs en fibra de carbono.

Descripción detallada La presente invención se dirige, en parte, a los métodos para el crecimiento de nanotubos de carbono en materiales de fibra, incluyendo materiales de fibra que de otro modo pueden ser incompatibles con las duras condiciones asociadas con el crecimiento de CNT, tales como temperaturas elevadas. Los métodos de la invención utilizan un revestimiento de barrera para reducir o evitar la sinterización de las nanopartículas y/o para proteger los materiales de fibra sensibles a la temperatura a partir de las temperaturas elevadas asociadas con el crecimiento de CNT. Los métodos de la presente invención producen un material de fibra infundida con CNT, que se puede incorporar en la fabricación del compuesto para proveer productos compuestos con nanotubos de carbono en porcentajes en peso que exceden a los logrados utilizando CNTs sueltos, CNTs en andamios, incluyendo otras fibras infundidas con CNT que muestran densidades más bajas de CNT y/o carecen de control sobre la orientación de CNT. Por lo tanto, los métodos de la presente invención proveen condiciones para el crecimiento de nanotubos de carbono alineados de forma sustancial perpendicularmente al eje de la fibra.

Los métodos de la presente invención también evitan el envenenamiento de los catalizadores de nanopartículas de CNT. Las nanopartículas del catalizador pueden reaccionar a temperaturas altas de crecimiento, con las superficies de ciertas composiciones de material de fibra. Por ejemplo, un material de fibra fabricado de carbono o una composición orgánica puede envenenar las nanopartículas del catalizador reduciendo el crecimiento de CNT. Sin estar ligado por la teoría, se ha indicado que tal interacción del sustrato-nanopartícula resulta en la sobrealimentación de la nanopartícula del catalizador con radicales de carbono. Además, la difusión del carbono de la superficie a partir de un carbono o una fibra orgánica en las nanopartículas del catalizador antes de que la nucleación del nanotubo de carbono pueda inhibir el crecimiento de CNT. En algunas modalidades, los métodos empleados en este documento evitan o reducen la interacción de las nanopartículas del catalizador con la superficie del material de fibra, permitiendo así el crecimiento de nanotubo de carbono sobre el material de fibra con mayor rendimiento, así como una alineación mejorada de los nanotubos de carbono sobre la fibra.

Los métodos de la presente invención también reducen la sinterización de las nanopartículas sobre la superficie del material de fibra. Cuando se calienta un material de fibra cargado con catalizador de nanopartícula de CNT, las nanopartículas del catalizador pueden difundirse en la superficie del material de fibra. Dependiendo de la composición exacta de la fibra, la movilidad de la superficie de la nanopartícula puede conducir a cantidades indeseables de sinterización de las nanopartículas que conducen al reducido crecimiento de CNT. Esta interacción de la nanopartícula con la nanopartícula, se reduce mediante el empleo de los revestimientos de barrera de la presente invención.

En algunas modalidades, el revestimiento de barrera empleado en los métodos de la presente invención se aplica a las fibras en una forma líquida y se curan posteriormente. Los catalizadores de nanopartículas de CNT pueden estar dispuestos sobre la fibra de forma sustancial simultáneamente con el revestimiento... [Seguir leyendo]

1. Un sistema de síntesis de nanotubos de carbono (CNT) sobre un material de fibra que comprende:

un sistema de tratamiento de superficie adaptado para modificar la superficie del material de fibra, para recibir un revestimiento de barrera bajo la cual los nanotubos de carbono van a ser cultivados;

un sistema de aplicación del revestimiento de barrera aguas abajo del sistema de tratamiento de superficie adaptado para aplicar el revestimiento de barrera a la superficie del material de fibra tratado; y

un sistema de curado del revestimiento de barrera aguas abajo del sistema de aplicación del revestimiento de barrera para curar parcialmente el revestimiento de barrera aplicado para mejorar la recepción de las nanopartículas del catalizador del crecimiento de CNT.

2. El sistema de la reivindicación 1, que además comprende un sistema de aplicación del catalizador para depositar las nanopartículas del catalizador del crecimiento de CNT.

3. El sistema de la reivindicación 2, en donde dichas nanopartículas del catalizador del crecimiento de CNT comprenden hierro.

4. El sistema de la reivindicación 2, en donde el sistema de aplicación del catalizador y el sistema de aplicación del

revestimiento de barrera se configuran para el depósito simultáneo de nanopartículas del catalizador y el revestimiento de barrera.

5. El sistema de la reivindicación 2, en donde el sistema de aplicación del catalizador está aguas arriba del sistema de revestimiento de barrera.

6. El sistema de la reivindicación 2, en donde el sistema de aplicación del catalizador está aguas abajo del sistema 20 de revestimiento de barrera.

7. El sistema de la reivindicación 2, que además comprende un sistema de crecimiento de CNT que comprende una cámara de crecimiento de CNT equipada con un suministro de materia prima de carbono para el crecimiento de nanotubos de carbono de deposición química de vapor (CVD) o CVD mejorado con plasma.

8. El sistema de la reivindicación 7, configurado para la síntesis continua de nanotubos de carbono sobre el material

de fibra, en donde el material de fibra se provee en longitudes enrollables sobre un carrete o mandril a partir de un sistema de distribución aguas arriba del sistema de tratamiento de superficie y en donde el material de fibra se vuelve a enrollar aguas abajo del sistema de crecimiento de CNT.