包含碳纳米纤维的碳网络结构的用途制造技术

本发明专利技术涉及将包含碳纳米纤维的多孔的、化学互连的碳网络结构用于增强热固性材料的用途以及涉及增强的材料。一方面，本发明专利技术涉及使用下述量的包含碳纳米纤维的多孔的、化学互连的碳网络结构增强热固性材料的用途：至少0.1重量％、更优选至少0.5重量％、甚至更优选至少1重量％、甚至更优选至少2重量％、最优选至少3重量％、优选2

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包含碳纳米纤维的碳网络结构的用途


[0001]本专利技术涉及热固性材料的增强，特别是增强热固性复合材料以及这种增强的热固性复合材料的用途，以得到具有改进的机械性能的复合材料，所述机械性能例如刚度、拉伸强度、剪切强度、抗压强度、耐久性、抗疲劳性、玻璃化转变温度、电导率、热导率和冲击强度。

技术介绍

[0002]热固性塑料(thermosetting plastic)，或简称为热固性材料(thermoset)，是一种刚性的、不可逆固化的树脂，对各种外部影响(例如高温、外力、磨损和腐蚀)具有很强的恢复能力。这种行为通常被认为是有益的，它使热固性材料成为许多应用的首选，所述应用包括汽车应用、家用电器、照明以及工业机械和石油和天然气应用。常见的热固性树脂包括聚酯树脂、乙烯基酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯、聚二环戊二烯、氰酸酯(CE)、双马来酰亚胺(BMI)、硅树脂、三聚氰胺甲醛、苯酚甲醛、脲甲醛、邻苯二甲酸二烯丙酯、苯并噁嗪、聚酰亚胺、呋喃树脂，或聚酰胺。
[0003]热固性固化过程从单体或低聚物开始。这些单体或低聚物通常形成低粘度液体。当这些单体或低聚物开始反应时，例如由于热量加入时，固化开始。随着固化，材料的粘度增加，最终形成永久交联的刚性网络结构。因此，材料不能恢复到液态。这不同于在聚合物之间形成物理键的热塑性塑料，所述物理键会断裂，例如在加热时。热塑性塑料在冷却时呈固体或固体状，但在加热时会变成流体。
[0004]热固性材料的一个好处是能够在固化前将添加剂(例如浸渍剂或增强剂)与树脂混合。固化后，这些添加剂被困在热固性基质中，从而形成具有特定性能的热固性材料。使用这种技术，可以制造纤维增强塑料，例如碳纤维增强塑料(CFRP)和玻璃纤维增强塑料(GFRP)。这些是树脂中通常在编织结构中包括长纤维的复合材料，导致从纤维方向观察时非常坚固的最终产品。然而，垂直于纤维几乎不会有任何增强。
[0005]代替使用长纤维，可以在固化前将短切纤维混入树脂混合物中。这些短切纤维的尺寸通常为一毫米或几毫米。使用这些短切纤维的好处是它们可以简单地混合到树脂中，而无需对齐，从而使它们易于加工。这将在材料内产生一个三维纤维结构，提供全方向的强度。使用例如压塑、注塑和传递模塑方法来成型热固性材料的一个常见问题是：纤维与流动方向对齐，从而导致性能的各向异性。除此之外，与平行于纤维长度的纤维增强塑料的强度相比，随机取向纤维的强度会更低。类似地，将切碎的预浸料——包含树脂和增强助剂的小毫米尺寸的粒子——添加到树脂中可能是有益的。
[0006]在增强的复合材料中，纤维(垫子、短切纤维、线束等)的主要问题是由机械应力、热、吸湿、老化及其组合引起的层离(delamination)。对于“层离”，可以理解为树脂和纤维在其界面处的分离。此外，热固性材料机械性能通常在高于玻璃化转变温度(定义为聚合物从橡胶状态变为脆性玻璃状状态的温度)时恶化。
[0007]因此，迫切需要改进热固性材料的增强并提高玻璃化转变温度，以扩大操作窗口。

技术实现思路

[0008]现已发现，特定等级的包含碳纳米纤维的碳网络结构可有利地单独用于增强热固性材料或改进增强剂与热固性基质之间的相互作用。在增强的复合材料中，纤维(垫子、短切纤维、线束等)的主要问题是由机械应力、热、吸湿、老化及其组合引起的层离。术语“层离”是指树脂和纤维在其界面处的分离。不希望受任何理论限制，现认为包含碳纤维的碳网络结构用作热固性材料和增强纤维之间的界面增容剂。因此，碳网络结构可用于防止或减少热固性材料和增强剂之间的层离问题。该特定等级是包含碳纳米纤维的多孔的、化学互连的碳网络结构，如下文进一步详述。
[0009]碳网络结构的好处是双重的：一方面，发现大量的这些网络结构有助于增强热固性材料，特别是在其他机械性能方面，例如(a)热固性材料的刚度，(b)热固性材料的拉伸强度，(c)热固性材料的剪切强度，(d)热固性材料的抗压强度，(e)热固性材料的耐久性，(f)热固性材料的抗疲劳性，(g)热固性材料的玻璃化转变温度，(h)热固性材料的电导率，(i)热固性材料的热导率，和/或(j)热固性材料的冲击强度。在(a)
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(j)的每一个中，通过增强实现的改进与没有碳网络结构的参考热固性材料进行比较。方便的是，当使用这些网络结构作为唯一的增强剂时，不会出现层离问题。此外，包含碳纳米纤维的碳网络结构可以为增强材料增加额外的特性，例如导电性和导热性、UV防护和玻璃化转变温度上移。此外，还发现碳网络结构也可以添加用于增容或改进热固性材料与常规热固性增强剂之间的粘合相互作用，所述常规热固性增强剂例如碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺、天然纤维、碳纳米管、碳纳米纤维、硅纳米管以及纳米粘土。
[0010]无论哪种方式，优选地，添加碳网络结构的量为至少0.1重量％、更优选至少0.5重量％、甚至更优选至少1重量％、甚至更优选至少2重量％、最优选至少3重量％，优选2
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60重量％，更优选3
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50重量％，更优选5
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45重量％，基于增强材料的总重量计。当碳网络结构与增强剂一起添加时，优选碳网络结构和增强剂的总量为1至75重量％，更优选10至45重量％，基于增强的热固性材料的总重量计。在这种情况下，碳网络结构不包括在术语“增强剂”中。
[0011]如下文所详述的，优选地，本专利技术的碳网络结构的特征在于它们形成粒内多孔网络结构，其中碳纳米纤维通过化学键经由连接处与网络结构中的其他碳纳米纤维互连，其中网络结构中的孔具有根据ASTM D4404
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10使用压汞孔隙率测定法的粒内孔径尺寸5
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150nm，其中碳网络结构中至少20重量％的碳是结晶形式，并且碳纳米纤维的纤维长度与厚度的平均长径比为至少2。
[0012]根据本专利技术的增强的热固性材料可用于传统上使用热固性材料的所有领域。这包括例如可用于半导体行业的各种模制部件。本专利技术的增强的热固性材料允许使部件更轻、静电耗散或高导电性，具有更宽的温度加工窗口并且更容易加工，而且不会损害它们的强度或其他机械性能并且不会显著影响粘度。这使得本专利技术的增强的热固性材料特别适用于航空航天工业、汽车工业等。它允许制造更轻的飞机、火车、船只、汽车、自行车，从而提高性能，例如更快的加速或提高燃油经济性。此外，对粘度的有限影响实现了最大的设计自由度，允许产品设计师创造更详细和更复杂的形状。这些材料优选替代用于汽车、航空航天、太空、海洋或石油和天然气工业的传统的增强的热固性材料，或特别是替代用于为风力涡轮机除冰的轻型散热器。
附图说明
[0013]图1A是根据本专利技术的连续炉法碳黑制备方法的示意图，其沿着反应器3的轴线含有燃烧区3a、反应区3b及终止区3c，通过以下操作来获得根据本专利技术的结晶碳网络结构e：在燃烧区中通过在含氧气体b中燃烧燃料a而生成热废气a1的料流，并将废气al从燃烧区3a传送至反应区3b中；在含有热废气的反应区3b中喷雾(雾化)单相乳液c；在升高的温度下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.下述量的包含碳纳米纤维的多孔的、化学互连的碳网络结构用于增强热固性材料的用途：至少0.1重量％、更优选至少0.5重量％、甚至更优选至少1重量％、甚至更优选至少2重量％、最优选至少3重量％、优选2
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60重量％、更优选3
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50重量％、更优选5
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45重量％，所述重量基于增强的热固性材料的总重量计。2.根据权利要求1所述的用途，其中所述增强的热固性材料包含额外的增强剂，其中碳网络结构和额外的增强剂的总量占增强的热固性材料总重量的1
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75重量％，更优选10
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45重量％。3.根据权利要求1或2所述的用途，其中额外的增强剂的量为1至45重量％，优选5至40重量％，更优选10至35重量％，最优选15至30重量％，基于增强的热固性材料的总重量计。4.根据前述权利要求中任一项所述的用途，其中所述碳网络结构的量为5
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60重量％，优选低于45重量％，甚至更优选低于35％。5.根据权利要求2
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4中任一项所述的用途，其中所述额外的增强剂包括碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺、天然纤维、碳纳米管、碳纳米纤维、硅纳米管、纳米粘土。6.根据前述权利要求中任一项所述的用途，用于改进所述热固性材料的以下一种或多种性质：(a)热固性材料的电导率；(b)热固性材料的玻璃化转变温度；(c)热固性材料的刚度；(d)热固性材料的拉伸强度；(e)热固性材料的剪切强度；(f)热固性材料的抗压强度；(g)热固性材料的冲击强度；(h)热固性材料的耐久性；(i)热固性材料的抗疲劳性；和/或(j)热固性材料的热导率。7.一种增强的热固性材料，其包含下述量的包含碳纳米纤维的多孔的、化学互连的碳网络结构：至少0.1重量％，更优选至少0.5重量％，甚至更优选至少1重量％，甚至更优选至少2重量％，最优选至少3重量％，优选2
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60重量％，更优选3
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50重量％，更优选5
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45重量％。8.根据权利要求7所述的增强的热固性材料，包含额外的增强剂，其中碳网络结构与除所述碳网络结构之外的增强剂的总量占增强的热固性材料总重量的1至75重量％，更优选10至45重量％。9.根据权利要求7或8所述的增强的热固性材料，其中额外的增强剂的量为1至45重量％，优选5至40重量％，更优选10至35重量％，最优选15至30重量％，基于增强的热固性材料的总重量计。10.根据权利要求1
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6中任一项所述的用途或根据权利要求7
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9中...

【专利技术属性】
技术研发人员：R，
申请(专利权)人：卡波恩科斯IP六私人有限公司，
类型：发明
国别省市：