Fabricación a gran escala de material nanoestructurado.

Un método continuo o semi-continuo de fabricación de un material nanoestructurado que comprende nanotubos de carbono,

comprendiendo dicho método:

proporcionar nanotubos de carbono que tienen al menos un grupo funcional unido a los mismos;

suspender dichos nanotubos de carbono en un fluido portador para formar una mezcla;

inducir dicha mezcla para que fluya a través de un sustrato poroso en movimiento que es permeable al fluido portador; y

depositar dichos nanotubos de carbono de dicha mezcla sobre dicho sustrato para formar un material nanoestructurado.

Fabricación a gran escala de material nanoestructurado La presente divulgación se refiere a un método eficaz para la fabricación de grandes cantidades de un material nanoestructurado que comprende nanotubos de carbono con o sin otros componentes, tales como fibras de vidrio. La presente divulgación se refiere, más particularmente, al método continuo, semi-continuo y por lotes de fabricación de material nanoestructurado que se basa en una técnica de filtración por presión diferencial.

La mayoría de los materiales bidimensionales, tales como bandas, láminas y artículos similares, tienen deficiencias inherentes a sus propiedades materiales. Si bien los metales y plásticos han sido durante mucho tiempo los favoritos debido a su amplia gama de versatilidad, para muchas aplicaciones materiales de mayor relación resistencia-peso, mayor conductividad, mayor superficie, mayor sostenibilidad y en general de mayor rendimiento son necesarios. Sin embargo, los materiales exóticos de peso ligero, de alta resistencia utilizados para limitarse a aplicaciones de alta tecnología, como la exploración espacial y la electrónica se están convirtiendo cada vez más importantes para las aplicaciones de masa en aplicaciones de mitigación balística (tales como chalecos antibalas) , disipadores de calor, filtración de fluidos, separación de fluidos, electrodos de alto rendimiento para condensadores de baterías y pilas de combustible, carcasas de ordenador, carrocerías, alas de aviones, piezas de maquinaria, y muchas otras aplicaciones.

La capacidad de un material nanoestructurado, tal como aquellos que comprenden nanotubos de carbono, para tener una densidad de gama amplia, por ejemplo de 1 picogramo/cm3 a 20 g/cm3, permite que el material se adapte para una amplia variedad de aplicaciones. Ejemplos no limitantes de artículos fabricados a partir de material nanoestructurado como se describe en la presente memoria incluyen tejidos, laminas, alambres, soportes estructurales o membranas para la purificación de fluidos. Las propiedades eléctricas, mecánicas y térmicas asociadas con el nanotubo de carbono permiten además que los materiales nanoestructurados se utilicen en actuadores mecánicos de mayor rendimiento, disipadores de calor, conductores térmicos o electrodos.

Teniendo en cuenta la gran necesidad de materiales con estas características de rendimiento mejorado en muchas aplicaciones, existe la necesidad de métodos que produzcan estos materiales en grandes cantidades. En consecuencia, la presente divulgación se refiere a un método de fabricación de un material nanoestructurado de nanotubos de carbono en grandes cantidades, de tal manera que el producto resultante se pueda dimensionar para una variedad de aplicaciones, desde medios de filtro hasta tejidos para usos eléctricos o mecánicos.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

La siguiente divulgación describe los métodos de producción a gran escala para la fabricación de grandes cantidades de material nanoestructurado, a escala macroscópica. Como se describe a continuación, el método puede ser un proceso continuo, o semi-continuo que se basa en la filtración por presión diferencial de un fluido portador que contiene nanotubos de carbono, con o sin otros componentes, incluyendo fibras, partículas, y similares.

La presente divulgación se refiere a un procedimiento continuo o semi-continuo de fabricación de un material nanoestructurado que comprende nanotubos de carbono, comprendiendo dicho método: proporcionar nanotubos de carbono que tienen al menos un grupo funcional unido a los mismos; suspender dichos nanotubos de carbono en un fluido portador para formar una mezcla; inducir dicha mezcla para que fluya a través de un sustrato poroso en movimiento que es permeable al fluido portador; y depositar dichos nanotubos de carbono de dicha mezcla sobre dicho sustrato para formar un material nanoestructurado. El método comprende típicamente suspender los nanotubos de carbono en un fluido portador para formar una mezcla, inducir la mezcla para que fluya a través de un sustrato que es permeable al fluido portador por filtración por presión diferencial, y depositar los nanotubos de carbono (y componentes opcionales, tales como fibras de vidrio) , procedentes de la mezcla sobre el sustrato. El material nanoestructurado a gran escala es uno que tiene al menos una dimensión mayor que 1 cm.

La presente divulgación se refiere a un procedimiento continuo o semi-continuo para fabricar un material nanoestructurado que comprende nanotubos de carbono. En una realización, los nanotubos de carbono se depositan procedentes de la mezcla sobre un sustrato en movimiento para formar un material nanoestructurado que tiene una longitud mayor que 1 metro. Esta realización permite que se pueda formar material nanoestructurado muy grande, tal como un material que tiene al menos una dimensión mayor que 1 metro, por ejemplo una longitud de cientos o miles de metros, y hasta diez mil metros.

El método descrito en la presente memoria se puede utilizar para hacer una amplia variedad de nuevos productos, tales como material nanoestructurado, a escala macroscópica para el filtrado de fluidos. Este método se puede utilizar para depositar directamente un material nanoestructurado transparente sobre un sustrato que se convertirá en una parte integral del producto final. En una realización, este método se puede utilizar para depositar material nanoestructurado, a escala macroscópica en un medio de filtro, tal como un bloque de carbono poroso.

Aparte de la materia objeto descrita anteriormente, la presente divulgación incluye un número de otras características ejemplares tales como las explicadas en lo sucesivo. Se debe entender que tanto la descripción anterior como la siguiente descripción son solamente ejemplares.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Las figuras adjuntas se incorporan en, y constituyen una parte de la presente memoria descriptiva.

La Figura 1 es un esquema de un sistema para la producción continua de un material nanoestructurado de acuerdo con la presente divulgación. La Figura 2 es un esquema de un sistema continuo de deposición por rotoformadores para la fabricación de un material nanoestructurado de acuerdo con la presente divulgación. La Figura 3, proporcionada para fines de referencia, es un esquema de un sistema para la deposición directa de material nanoestructurado sobre un sustrato rígido para formar un producto transparente.

La Figura 4 es un esquema de un sistema de tipo de alambre continuo para fabricar un material nanoestructurado de acuerdo con una realización de la presente divulgación.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

A. Definiciones Los siguientes términos o frases utilizados en la presente divulgación tienen los significados que se indican a continuación:

El término "fibra" o cualquier versión del mismo, se define como un material de alta relación de aspecto. Las fibras utilizadas en la presente divulgación pueden incluir materiales que consisten en uno o muchas composiciones diferentes.

El término "nanotubos" se refiere a una estructura molecular de forma tubular que tiene generalmente un diámetro 30 medio en el intervalo inclusivo de 1-60 nm y una longitud media en el intervalo inclusivo de 0, 1 μm a 250mm.

La frase "nanotubo de carbono" o cualquier versión de la misma se refiere a una estructura de forma tubular molecular compuesta principalmente de átomos de carbono dispuestos en una retícula hexagonal (una lámina de grafeno) que se cierra sobre sí misma para formar las paredes de un tubo cilíndrico transparente. Estas láminas tubulares pueden ocurrir ya sea solas (de pared única) o como muchas capas anidadas (de paredes múltiples) para formar la estructura cilíndrica.

La frase "nanotubos de carbono defectuosos" se refiere a nanotubos que contienen una distorsión de celosía en al menos un anillo de carbono en al menos una de las capas de la estructura tubular.

La frase "distorsión de celosía" significa cualquier distorsión de la celosía cristalina de átomos de nanotubos de carbono que forman la estructura de lámina tubular. Ejemplos no limitantes incluyen cualquier desplazamiento de los átomos debido a la deformación inelástica, o presencia de 5 o 7 miembros de anillos de carbono, o interacción química seguida por el cambio en la hibridación sp2 de enlaces de átomos de carbono. Tales defectos o distorsiones 45 pueden dar lugar a una curva natural en el nanotubo de carbono.

El término "cubierta", "revestimiento", o cualquier versión de los mismos, pretende significar una capa de revestimiento formada de partículas discretas, una capa contigua de material, o ambas. En otras palabras, mientras que es posible,... [Seguir leyendo]

1. Un método continuo o semi-continuo de fabricación de un material nanoestructurado que comprende nanotubos de carbono, comprendiendo dicho método:

proporcionar nanotubos de carbono que tienen al menos un grupo funcional unido a los mismos; suspender dichos nanotubos de carbono en un fluido portador para formar una mezcla; inducir dicha mezcla para que fluya a través de un sustrato poroso en movimiento que es permeable al fluido portador; y depositar dichos nanotubos de carbono de dicha mezcla sobre dicho sustrato para formar un material nanoestructurado.

2. El método de la reivindicación 1, en el que el método comprende calentar dicho sustrato para eliminar el fluido portador.

3. El método de la reivindicación 1 o 2, en el que dicho sustrato, forma una parte de dicho material nanoestructurado.

4. El método de la reivindicación 1 o 2, que comprende además la eliminación de dicho material nanoestructurado de dicho sustrato.

5. El método de cualquier reivindicación anterior, en el que dicho sustrato está compuesto de materiales fibrosos o no fibrosos que comprenden metales, polímeros, materiales cerámicos, fibras naturales, y combinaciones de los mismos, en el que dichos materiales se tratan opcionalmente con calor y/o presión antes de depositar los nanotubos de carbono.

6. El método de cualquier reivindicación anterior, en el que dicho fluido portador comprende:

un líquido acuoso que tiene un pH comprendido entre 1 y 8, 9, un disolvente no acuoso que comprende disolventes orgánicos o inorgánicos, en el que dichos disolventes orgánicos se eligen a partir de metanol, iso-propanol, etanol, tolueno, xileno, dimetilformamida, tetracloruro de carbono, 1, 2-diclorobenceno,

o combinaciones de los disolventes acuosos y no acuosos anteriores.

7. El método de cualquier reivindicación anterior, en el que dicho fluido portador comprende componentes distintos de los nanotubos de carbono elegidos entre fibras, agrupaciones, y/o partículas compuestas de metales, polímeros, materiales cerámicos, materiales naturales, y combinaciones de los mismos.

8. El método de la reivindicación 7, en el que dichos componentes distintos de los nanotubos de carbono se premontan y unen a los nanotubos de carbono, a otros componentes, o a cualquier combinación de los mismos antes de dicha deposición, y se componen de moléculas que contienen átomos elegidos entre antimonio, aluminio, bario, boro, bromo, calcio, carbono, cerio, cloro, cromo, cobalto, cobre, flúor, galio, germanio, oro, hafnio, hidrógeno, indio, yodo, iridio, hierro, lantano, plomo, magnesio, manganeso, molibdeno, níquel, niobio, nitrógeno, osmio, oxígeno, paladio, fósforo, platino, renio, rodio, rutenio, escandio, selenio, silicio, plata, azufre, tantalio, estaño, titanio, tungsteno, vanadio, itrio, cinc, circonio, o combinaciones de los mismos.

9. El método de cualquier reivindicación anterior, en el que dicho fluido portador comprende además agentes aglutinantes químicos, agentes tensioactivos, agentes de tamponamiento, polielectrolitos, y combinaciones de los mismos, en el que dichos agentes aglutinantes químicos comprenden alcohol polivinílico; y/o en el que dicho fluido portador comprende además materiales biológicos elegidos a partir de proteínas, ADN, ARN, y combinaciones de los mismos.

10. El método de cualquier reivindicación anterior, que comprende además la formación de una estructura de capas múltiples mediante la deposición secuencial de al menos un material nanoestructurado que comprende nanotubos de carbono, y al menos una capa adicional que puede o no estar nanoestructurada.

11. El método de cualquier reivindicación anterior, en el que dicho fluido portador es un gas formado por aire, nitrógeno, oxígeno, argón, dióxido de carbono, vapor de agua, helio, neón, o cualquier combinación de los mismos.

12. El método de cualquier reivindicación anterior, que comprende además aplicar dicho fluido portador antes de dicha deposición:

(a) un campo acústico que tiene una frecuencia que va de 10 kHz a 50 kHz;

(b) un campo de flujo de alta cizalla; o una combinación de (a) y (b) , en el que cuando se aplica dicha combinación, se realiza secuencialmente o en combinación, para obtener o mantener una dispersión de los nanotubos de carbono en el fluido portador.

13. El método de cualquier reivindicación anterior, que comprende además tratar el material nanoestructurado con al menos un tratamiento posterior a la deposición elegido de tratamiento químico, irradiación, o combinaciones de los mismos, opcionalmente en el que dicho tratamiento químico comprende (a) la adición de un grupo funcional, (b)

revestimiento con un material polimérico o metálico, o una combinación de (a) y (b) ; y/o en el que dicha irradiación comprende exponer el material nanoestructurado a la radiación elegida de radiación infrarroja, haces de electrones, haces de iones, rayos X, fotones, o cualquier combinación de los mismos.

14. El método de cualquier reivindicación anterior, que comprende además acabar dicho material nanoestructurado con al menos un método seleccionado entre corte, laminación, sellado, prensado, envoltura, o combinaciones de los mismos; y/o que comprende además la recopilación de material nanoestructurado en un carrete de recogida.

15. El método de cualquier reivindicación anterior, que comprende además la aplicación de un vacío al lado opuesto del sustrato sobre el que se deposita el material nanoestructurado. 15

16. El método de la cualquier reivindicación anterior, en el que dichos nanotubos de carbono se suspenden con fibras de vidrio en un fluido portador para formar dicha mezcla, opcionalmente en el que dichas fibras de vidrio están revestidas con compuestos de metal-oxígeno elegidos de hidróxido de metal Mx (OH) y, oxihidróxidos MxOy (OH) z, óxido MxOy, oxi-, hidroxi-, oxihidroxi sales MxOy (OH) zAn,

en el que M es al menos un catión elegido entre magnesio, aluminio, calcio, titanio, manganeso, hierro, cobalto, níquel, cobre, cinc o combinaciones de los mismos; y A es al menos un anión seleccionado entre hidruro, fluoruro, cloruro, bromuro, yoduro, óxido, sulfuro, nitruro, sulfato, tiosulfato, sulfito, perclorato, clorato, clorito, hipoclorito, carbonato, fosfato, nitrato, nitrito, yodato, bromato,

hipobromito, boro, o combinaciones de los mismos.