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DE102015107834B3 - Verfahren zur Verwendung von Hochdruckkraft, um ein Kohlenstoffmaterial-enthaltendes Verbundmaterial herzustellen - Google Patents

Verfahren zur Verwendung von Hochdruckkraft, um ein Kohlenstoffmaterial-enthaltendes Verbundmaterial herzustellen Download PDF

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DE102015107834B3
DE102015107834B3 DE102015107834.1A DE102015107834A DE102015107834B3 DE 102015107834 B3 DE102015107834 B3 DE 102015107834B3 DE 102015107834 A DE102015107834 A DE 102015107834A DE 102015107834 B3 DE102015107834 B3 DE 102015107834B3
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Chun-Jung Tsai
Ching-Tung Hsu
Wen-Hui Liu
Chia-Hung Li
Jui-Yu Jao
Chun-Hsien Tsai
Ting-Chuan Lee
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Atomfusion Technology Inc Tw
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Taiwan Carbon Nanotube Co Ltd
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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Verwendung von Hochdruckkraft offenbart, um ein Verbundmaterial herzustellen, das Kohlenstoffmaterial enthält, umfassend die Schritte: Platzieren eines Substrats (30) in einer Kohlenstoffmaterial-haltige Dispersion (20), die Kohlenstoffmaterial (10) enthält; und Zulassen, dass eine Oberfläche des Substrats (30) die Kohlenstoffmaterial-haltige Dispersion (20) kontaktiert; und Aufbringen einer Hochdruckkraft im Bereich zwischen 300 G und 3000 G an der Kohlenstoffmaterial-haltigen Dispersion (20), um die Kohlenstoffmaterial-haltige Dispersion (20) anzuschieben und das Kohlenstoffmaterial (10) zu veranlassen, in das Substrat (30) einzudringen, um ein Verbundmaterial (40), das Kohlenstoffmaterial (10) enthält, zu bilden.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials, das Kohlenstoffmaterial enthält, insbesondere auf ein Verfahren der Verwendung einer hohen Druckkraft, um ein Kohlenstoffmaterial-enthaltendes Verbundmaterial herzustellen.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Kohlenstoff-Nanoröhren haben spezielle Strukturen und viele überlegene chemische und physikalische Eigenschaften, wie etwa hohe thermische Leitfähigkeit, hohe elektrische Leitfähigkeit, hohe Festigkeit und leichtes Gewicht. Daher entwickeln sich die Anwendung von Kohlenstoff-Nanoröhren erfolgreich fort, insbesondere das als Verbundmaterial, welches ein Substrat mit Kohlenstoff-Nanoröhren zusammenführt, um die überlegenen Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanoröhren dem Substrat hinzuzufügen. Zum Beispiel wurden Verbundmaterialien, die metallische Materialien, Kunststoffe, Halbleiterelemente oder Stofffasern mit Kohlenstoff-Nanoröhren integrieren, ausgiebig untersucht und umfangreich angewendet. Deshalb wachsen die Verbundwerkstoffe, welche Kohlenstoff-Nanoröhren enthalten, mehr und mehr in ihrer Bedeutung.
  • Ein Taiwanesisches Patent TW I 448 424 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstoff-Nanoröhren-Verbundmaterials, umfassend die Schritte: Auflösen von Polyvinyliden-Fluorid (PVDF) in einem ersten Lösungsmittel, um eine PVDF-Lösung zu bilden; Bereitstellen eines Pulvers aus Kohlenstoff-Nanoröhren und Dispergieren bzw. Auflösen des Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Pulvers in der PVDF-Lösung, um eine erste Suspension zu bilden; Bewegen der ersten Suspension zu einem zweiten Lösungsmittel, um PVDF aus dem ersten Lösungsmittel zu trennen und um einen Teil des PVDF mit der Oberfläche der Kohlenstoff-Nanoröhren kombinieren zu lassen, um eine zweite Suspension zu bilden; Filtern der zweiten Suspension, um ein Zwischenprodukt zu erhalten; Brennen bzw. Backen des Zwischenprodukts, um einen Kohlenstoff-Nanoröhren-Verbundstoff zu bilden. In diesem Zusammenhang ist auch die folgende zur Patentfamilie gehörende Patentliteratur zu nennen: US 2013/0171359 A1 und TW 2013/26033 A .
  • Bei der Herstellung eines Kohlenstoff-Nanoröhren-Verbundstoffes ist es wichtig für die Eigenschaften und die Qualität des Kohlenstoff-Nanoröhren-Verbundmaterials, die Kohlenstoff-Nanoröhren in dem Substrat gleichförmig zu verteilen. Bei den herkömmlichen Technologien zur Herstellung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Verbundmaterialien können die Mischverfahren in einen Nasstyp kategorisiert werden (z. B. die, welche vom oben beschriebenen Stand der Technik verwendet werden) und in einen Trockentyp. Das Nasstyp-Mischverfahren verwendet eine Flüssigkeit als Medium und verwendet mechanische Kraft, um Kohlenstoff-Nanoröhren mit einem Substrat oder einem anderen Material zu mischen. Das Trockentyp-Mischverfahren mischt direkt Kohlenstoff-Nanoröhren mit einem Substrat oder mit einem anderen Material in einem trockenen Zustand. Es besteht jedoch immer die Möglichkeit, der ungleichmäßigen Vermischung, egal welche Art von Mischverfahren verwendet wird.
  • Weiterer zu nennender Stand der Technik wird in den folgenden Druckschriften offenbart:
    Artikel ”CNT reinforced light metal composites produced by melt stirring and by high pressure die casting”, von Qianqian Li, Christian A. Rottmair, Robert F. Singer, erschienen in ”Composites Science and Technology” Ausgabe 70, Jahrgang 2010, auf Seiten 2242–2247;
    Artikel ”Effects of mechanical alloying on an A16061-CNT composite fabricated by semi-solid powder processing”, von Yufeng Wu, Gap-Yong Kim, Alan M. Russell, erschienen in ”Materials Science and Engineering”, Ausgabe A 538, Jahrgang 2012, auf Seiten 164–172;
    Artikel ”Combination of hot extrusion and spark plasma sintering for producing carbon nanotube reinforced aluminum matrix composites”, von Hausang Kwon et al., erschienen in ”Carbon”, Ausgabe 47, Jahrgang 2009, auf Seiten 570–577;
    Artikel ”Distribution and integrity of carbon nanotubes in carbon nanotube/magnesium composites”, von C. D. Li et al., erschienen in „Journal of Alloys and Compounds”, Ausgabe 612, Jahrgang 2014, auf Seiten 330–336;
    Artikel ”Dispersion and alignment of carbon nanotubes in polymer matrix: A review”, von Xiao-Lin Xie, Yiu-Wing Mai, Xing-Ping Zhou, erschienen in ”Materials Science and Engineering”, Ausgabe R 49, Jahrgang 2005, auf Seiten 89–112;
    sowie die folgende Patentliteratur: US 2012/0164468 A1 ; US 2005/0186104 A1 und US 2014/0010749 A1 .
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, das Problem zu lösen, dass die herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Verbundmaterial, welches Kohlenstoffmaterial enthält, nicht einheitlich Kohlenstoff-Nanoröhren in ein Verbundmaterial dispergieren kann.
  • Um das genannte Ziel zu erreichen, schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren unter Verwendung von Hochdruckkraft vor, um ein Verbundmaterial herzustellen, das Kohlenstoffmaterial enthält, mit den Schritten: Aufbereiten einer Kohlenstoffmaterial-haltigen Dispersion enthaltend ein Kohlenstoffmaterial; Platzieren eines Substrats in der Kohlenstoffmaterial-haltigen Dispersion, und Zulassen bzw. Ermöglichen, dass eine Oberfläche des Substrats die Kohlenstoffmaterial-haltige Dispersion kontaktiert; und Aufbringen einer Hochdruckkraft im Bereich zwischen 300 G und 3000 G an der Kohlenstoffmaterial-haltigen Dispersion, um die Kohlenstoffmaterial-haltige Dispersion, um Kohlenstoffmaterial dazu anzutreiben, in das Substrat einzudringen, um das Kohlenstoffmaterial-enthaltende Verbundmaterial zu bilden.
  • Über die Hochdruckkraft wird das der in der Kohlenstoffmaterial-haltigen Dispersion enthaltene Kohlenstoffmaterial in das Substrat hinein getrieben, um einen Verbundwerkstoff zu bilden, der Kohlenstoffmaterial enthält, wobei das Kohlenstoffmaterial gleichförmig in dem Substrat verteilt ist.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1A ist eine Darstellung, die schematisch einen Schritt des Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 1B ist eine Darstellung, die schematisch einen weiteren Schritt des Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 1C ist eine Darstellung, die schematisch einen weiteren Schritt des Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 2A ist eine erste Darstellung, die schematisch ein Verfahren zur Herstellung einer Kohlenstoffmaterial-haltigen Dispersion nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 2B ist eine zweite Darstellung, die schematisch ein Verfahren zur Herstellung einer Kohlenstoffmaterial-haltigen Dispersion nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 3A ist eine erste Darstellung, die schematisch ein Verfahren zur Herstellung einer Kohlenstoffmaterial-haltige Dispersion gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 3B ist eine zweite Darstellung, die schematisch ein Verfahren zur Herstellung einer Kohlenstoffmaterial-haltige Dispersion gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die technischen Inhalte der vorliegenden Erfindung werden unten im Detail im Zusammenhang mit nachfolgenden Zeichnungen beschrieben.
  • Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren unter Verwendung von Hochdruckkraft, um ein Verbundmaterial, das Kohlenstoffmaterial enthält, herzustellen. Bezug wird auf die Darstellungen nach 1A, 1B und 1C genommen, die schematisch die Schritte des Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen. Wie in 1A gezeigt, wird ein eine Kohlenstoffmaterial-enthaltende Dispersion 20 mit einem Kohlenstoffmaterial 10 hergestellt. Das Kohlenstoffmaterial 10 ist aus einer Gruppe bestehend aus Kohlenstoff-Nanoröhren, Graphenen, Fullerenen und Nanobändern ausgewählt worden. Wie in 1B gezeigt, wird ein Substrat 30 in der Kohlenstoffmaterial-haltigen Dispersion 20 platziert und es wird zugelassen, dass eine Oberfläche des Substrats 30 in Kontakt mit der Kohlenstoffmaterial-haltigen Dispersion 20 tritt. Das Substrat 30 ist aus einem metallischen Material, einem polymeren Material oder einem keramischen Material hergestellt. Das metallische Material ist aus einer Gruppe bestehend aus Aluminium, Kupfer, Titan, Zinn, Zink und Blei ausgewählt worden. Das polymere Material ist aus einer Gruppe bestehend aus Polyethylen (PE), Polystyrol (PS), Polypropylen (PP), Polycarbonat (PC), Polyamid, Epoxid, Silikon und lösungsmittelfreien Kunststoffmaterialien ausgewählt worden. Dann, wie in 1C gezeigt, wird eine hohe Druckkraft auf die Kohlenstoffmaterial-haltige Dispersion 20 ausgeübt, um das Kohlenstoffmaterial-haltige Dispersion 20 zu drücken bzw. pressen, und um das Kohlenstoffmaterial 10 in das Substrat 30 eintreten zu lassen, um ein Verbundmaterial 40 zu bilden, welches das Kohlen Material 10 enthält.
  • In einer Ausführungsform liegt das Kohlenstoffmaterial 10 in Form einer Dispersion vor. In einigen Ausführungsformen liegt das Substrat 30 in Form eines Pulvers, von Körnern, einem Kolloid oder von Schüttgut vor. Nachdem das Verbundmaterial 40 erlangt worden ist, kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung weiterhin einen Herstellungsschritt anwenden, um das Verbundmaterial 40 in einen Formkörper nach Bedarf herzustellen. Abhängig von der Art und Kombination der Materialien kann der Herstellungsschritt einen Schritt zum Sintern, heißen isostatischen Pressen, Wärmehärten, Spritzgießen, Schmelzen, Gießen, Sprühen oder Siebdruck aufweisen. Der Formkörper kann ein Schüttkörper, eine dünne Folie oder eine dicke Folie sein, muss aber nicht darauf beschränkt sein. Zum Beispiel ist die Kohlenstoffmaterial-haltige Dispersion 20 eine Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Dispersion; das Substrat 30 ist ein Schüttgut, das aus einem der oben genannten metallischen Materialien gefertigt ist; wobei der Verbundwerkstoff 40 geschmolzen wird, um den geformten Körper zu erhalten. In einem weiteren Beispiel ist die Kohlenstoffmaterial-haltige Dispersion 20 eine Graphen-Dispersion; das Substrat 30 sind Körner, die aus einem der oben genannten polymeren Materialien gemacht sind; wobei das Verbundmaterial 40 spritzgegossen ist, um den geformten Körper zu erhalten.
  • In der vorliegenden Erfindung liegt die Hochdruckkraft im Bereich zwischen 300 und 3000 G, wobei G die Gravitationskonstante ist (auch als universelle Gravitationskonstante oder Newtonsche Konstante bezeichnet). Und die Hochdruckkraft wird durch eine Reaktion erzeugt oder wird durch eine Maschine zur Verfügung gestellt. Die Reaktion kann eine chemische Reaktion oder eine explosive Reaktion sein. Zum Beispiel ist die Reaktion eine explosive Reaktion, die durch Zünden eines brennbaren Materials erzeugt wird, um eine chemische Reaktion zu erzeugen; wobei die chemische Reaktion hohe Energie erzeugt; wobei die hohe Energie eine hohe Schub- bzw. Druckkraft erzeugt, die die Kohlenstoffmaterial-haltige Dispersion 20 nach Außen vom Zentrum der chemischen Reaktion expandiert und das Kohlenstoffmaterial 10 drückt, um in das Substrat 30 einzutreten.
  • Bezug wird auf die Darstellungen nach 2A und 2B genommen, die schematisch ein Verfahren zur Herstellung einer Kohlenstoffmaterial-haltige Dispersion nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. In dieser Ausführungsform wird die Kohlenstoffmaterial-haltige Dispersion 20 über das Mischen des Kohlenstoffmaterials 10, eines Tensids 50 und eines wässrigen Lösungsmittels 60 hergestellt. Das Tensid 50 ermöglicht es dem Kohlenstoffmaterial 10 sich in dem wässrigen Lösungsmittel 60 leichter zu lösen. Das Tensid 50 ist Ammonium-Carboxymethylcellulose oder Natrium-Carboxymethylcellulose. Der Gewichtsprozentanteil des Kohlenstoffmaterials 10 in der Kohlenstoffmaterial-haltigen Dispersion 20 beträgt vorzugsweise 0,1 Gew%–10 Gew%. Der Gewichtsprozentanteil des Tensids 50 in der Kohlenstoffmaterial-haltigen Dispersion 20 beträgt bevorzugt 0,01 Gew%–10 Gew%.
  • Bezug wird auf die Darstellungen nach 3A und 3B genommen, die schematisch ein Verfahren zur Herstellung einer Kohlenstoffmaterial-haltigen Dispersion gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen. In dieser Ausführungsform wird die Kohlenstoffmaterial-haltige Dispersion 20 in einem anderen Verfahren hergestellt. Das Kohlenstoffmaterial 10 wird angesäuert, um ein angesäuertes Kohlenstoffmaterial 70 in einem Säuerungsverfahren zu bilden. Das angesäuerte Kohlenstoffmaterial 70 ist mit dem wässrigen Lösungsmittel 60 gemischt, um die Kohlenstoffmaterial-haltige Dispersion 20 zu bilden. Im Gegensatz zu dem oben genannten Ausführungsbeispiel kann das Kohlenstoffmaterial 10 in dem wässrigen Lösungsmittel 60 ohne Tensid 50 gelöst werden, weil das Kohlenstoffmaterial 10 in dem Säuerungsverfahren zu angesäuertem Kohlenstoffmaterial 70 angesäuert worden ist. Der Gewichtsprozentanteil des Kohlenstoffmaterials 10 in der Kohlenstoffmaterial-haltigen Dispersion 20 beträgt vorzugsweise 0,1 Gew%–10 Gew%.
  • Zusammenfassend wird ein Verfahren unter Verwendung bzw. Einsatz von Hochdruckkraft offenbart, um Verbundmaterial herzustellen, das Kohlenstoffmaterial enthält, umfassend die Schritte: Platzieren eines Substrats 30 in einer Kohlenstoffmaterial-haltigen Dispersion 20, die ein Kohlenstoffmaterial 10 enthält, und Ermöglichen, dass eine Oberfläche des Substrats 30 in Kontakt mit der Kohlenstoffmaterial-haltigen Dispersion 20 tritt; und Bereitstellen einer Hochdruckkraft im Bereich zwischen 300 G und 3000 G für die Kohlenstoffmaterial-haltige Dispersion 20, um die Kohlenstoffmaterial-haltige Dispersion 20 anzuschieben und das Kohlenstoffmaterial 10 zu veranlassen, in das Substrat 30 einzudringen, um ein Verbundmaterial 40 zu bilden, das Kohlenstoffmaterial 10 enthält.
  • Zusammenfassend ist die vorliegende Erfindung gekennzeichnet durch die Verwendung von Hochdruckkraft, um auf die Kohlenstoffmaterial-haltige Dispersion anzuschieben und in Kontakt mit der Oberfläche des Substrats zu treten, um somit das Kohlenstoffmaterial der Kohlenstoffmaterial-haltigen Dispersion anzutreiben, in das Substrat einzudringen und das Kohlenstoffmaterial gleichmäßig in dem Substrat zu verteilen.
  • Die vorliegende Erfindung wurde vollständig mit den Ausführungsbeispielen erläutert. Jedoch sind die Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die vorliegende Erfindung und dienen nicht zur Begrenzung des Umfangs der vorliegenden Erfindung. Jede äquivalente Änderung oder Abwandlung entsprechend dem Geist der vorliegenden Erfindung soll ebenfalls in den Umfang der vorliegenden Erfindung eingeschlossen sein.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Verwendung von Hochdruckkraft, um ein Kohlenstoffmaterial-enthaltendes Verbundmaterial herzustellen, umfassend die Schritte: Herstellen einer Kohlenstoffmaterial-haltigen Dispersion (20) mit einem Kohlenstoffmaterial (10); Platzieren eines Substrats (30) in der Kohlenstoffmaterial-haltigen Dispersion (20), und Zulassen, dass eine Oberfläche des Substrats (30) die Kohlenstoffmaterial-haltige Dispersion (20) kontaktiert; wobei eine Hochdruckkraft im Bereich zwischen 300 G und 3000 G an der Kohlenstoffmaterial-haltigen Dispersion (20) aufgebracht wird, um die Kohlenstoffmaterial-haltige Dispersion (20) zu pressen und das Kohlenstoffmaterial (10) zu veranlassen, in das Substrat (30) einzudringen, um das Kohlenstoffmaterial-enthaltende Verbundmaterial (40) zu bilden.
  2. Verfahren zur Verwendung von Hochdruckkraft, um das Kohlenstoffmaterial-enthaltende Verbundmaterial herzustellen, nach Anspruch 1, wobei die Kohlenstoffmaterial-haltige Dispersion (20) durch Mischen des Kohlenstoffmaterials (10), eines Tensids (50) und eines wässrigen Lösungsmittels (60) hergestellt wird, um die Kohlenstoffmaterial-haltige Dispersion (20) zu bilden.
  3. Verfahren zur Verwendung von Hochdruckkraft, um das Kohlenstoffmaterial-enthaltende Verbundmaterial herzustellen, nach Anspruch 1, wobei die Kohlenstoffmaterial-haltige Dispersion (20) durch Ansäuern des Kohlenstoffmaterials (10) hergestellt wird, um ein angesäuertes Kohlenstoffmaterial (70) in einem Säuerungsverfahren zu bilden und durch Mischen des angesäuerten Kohlenstoffmaterials (70) mit einem wässrigen Lösungsmittel (60), um die Kohlenstoffmaterial-haltige Dispersion (20) zu bilden.
  4. Verfahren zur Verwendung von Hochdruckkraft, um das Kohlenstoffmaterial-enthaltende Verbundmaterial herzustellen, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kohlenstoffmaterial (10) ausgewählt wird aus einer Gruppe bestehend aus Kohlenstoff-Nanoröhren, Graphenen, Fullerene und Nanobändern.
  5. Verfahren zur Verwendung von Hochdruckkraft, um das Kohlenstoffmaterial-enthaltende Verbundmaterial herzustellen, nach Anspruch 2, wobei das Tensid (50) Ammonium-Carboxymethylcellulose oder Natrium-Carboxymethylcellulose ist.
  6. Verfahren zur Verwendung von Hochdruckkraft, um das Kohlenstoffmaterial-enthaltende Verbundmaterial herzustellen, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (30) aus einem metallischen Material gefertigt ist, das aus einer Gruppe bestehend aus Aluminium, Kupfer, Titan, Zinn, Zink und Blei ausgewählt wird.
  7. Verfahren zur Verwendung von Hochdruckkraft, um das Kohlenstoffmaterial-enthaltende Verbundmaterial herzustellen, nach einem der Ansprüche 1–5, wobei das Substrat (30) aus Polymermaterial gefertigt ist, das aus einer Gruppe bestehend aus Polyethylen (PE), Polystyrol (PS), Polypropylen (PP), Polycarbonat (PC), Polyamid, Epoxid, Silikon und lösungsmittelfreie Kunststoffmaterialien gefertigt ist.
  8. Verfahren zur Verwendung von Hochdruckkraft, um das Kohlenstoffmaterial-enthaltende Verbundmaterial herzustellen, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Gewichtsanteil des Kohlenstoffmaterials (10) in der Kohlenstoffmaterial-haltige Dispersion (20) 0,1 Gew%–10 Gew% beträgt.
  9. Verfahren zur Verwendung von Hochdruckkraft, um das Kohlenstoffmaterial-enthaltende Verbundmaterial herzustellen, nach Anspruch 3, wobei ein Gewichtsanteil des angesäuerten Kohlenstoffmaterials (70) in der Kohlenstoffmaterial-haltigen Dispersion (20) 0,1 Gew%–10 Gew% beträgt.
  10. Verfahren zur Verwendung von Hochdruckkraft, um das Kohlenstoffmaterial-enthaltende Verbundmaterial herzustellen, nach Anspruch 2, wobei ein Gewichtsanteil des Tensids (50) in der Kohlenstoffmaterial-haltigen Dispersion (20) 0,01 Gew%–10 Gew% beträgt.
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