ES3039310T3

ES3039310T3 - Method for making carbon nanostructures

Info

Publication number: ES3039310T3
Application number: ES13840416T
Authority: ES
Inventors: Tushar Shah; Harry Malecki; Rajineeta Basantkumar; Han Liu; Corey Fleischer; Joseph Sedlak; Jigar Patel; William Burgess; Jess Goldfinger
Original assignee: Applied Nanostructured Solutions LLC
Current assignee: Applied Nanostructured Solutions LLC
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2013-09-26
Publication date: 2025-10-20
Anticipated expiration: 2033-09-26
Also published as: IN2015DN02798A; EP2900595A1; EP2900595B1; WO2014052664A1; JP2015532255A; KR20150063083A; CA2885579C; CA2885579A1; KR102164951B1; US20140093728A1; EP2900595A4; AU2013323421A1

Abstract

Una nanoestructura de carbono libre de sustrato de crecimiento puede incluir una pluralidad de nanotubos de carbono ramificados, reticulados y con paredes comunes. La nanoestructura de carbono puede liberarse del sustrato de crecimiento en forma de escamas. Opcionalmente, los nanotubos de carbono de la nanoestructura pueden recubrirse, por ejemplo, con un polímero, o puede haber un material de relleno dentro de la porosidad de la nanoestructura. Los métodos para formar una nanoestructura de carbono libre de sustrato de crecimiento incluyen la adhesión de la nanoestructura a dicho sustrato y su posterior retirada del sustrato para formar una nanoestructura libre de dicho sustrato. Se pueden utilizar diversas técnicas para eliminar la nanoestructura de carbono del sustrato. El aislamiento de la nanoestructura de carbono puede emplear diversas técnicas de separación en seco o húmedo. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Método de fabricación de nanoestructuras de carbono

Campo

La presente divulgación se refiere en general a un método para producir nanoestructuras de carbono y, más particularmente, a un método para producir nanoestructuras de carbono que están separadas de los sustratos sobre los que crecen.

Antecedente

Los nanotubos de carbono (CNT) se han propuesto para su utilización en una serie de aplicaciones que pueden aprovechar su combinación única de propiedades químicas, mecánicas, eléctricas y térmicas. En muchos casos, estas propiedades pueden adaptarse a los requisitos de una aplicación concreta ajustando cualquier combinación de longitud, diámetro, quiralidad, funcionalidad, y parámetros estructurales similares de los nanotubos de carbono. En muchas aplicaciones se han reconocido diversas dificultades a la hora de trabajar con nanotubos de carbono individuales. Estas dificultades pueden incluir, entre otras, una solubilidad deficiente en disolventes, una dispersabilidad limitada en matrices compuestas, una pureza inadecuada, y similares. Sin estar vinculados por ninguna teoría o mecanismo, se cree que muchos de estos problemas pueden surgir debido a las fuertes fuerzas de van der Waals que se producen entre los nanotubos de carbono individuales, lo que provoca que se aglomeren en haces o cuerdas, como se conoce en la técnica. Los problemas anteriores y otros pueden dar lugar a menudo a mejoras de las propiedades inferiores a las previstas y/o a un rendimiento incoherente cuando se emplean nanotubos de carbono individuales en una aplicación elegida. Aunque existen varias técnicas para separar los nanotubos de carbono en elementos individuales y bien separados, muchas de estas técnicas pueden afectar negativamente a las mejoras deseables de las propiedades que los nanotubos de carbono prístinos son capaces de proporcionar. Como dificultad añadida, se ha extendido la preocupación por el perfil de salud y seguridad medioambiental de los nanotubos de carbono individuales debido a su pequeño tamaño. Por último, el coste de producción de nanotubos de carbono individuales puede resultar prohibitivo para la viabilidad comercial de estas entidades en muchos casos.

En vista de lo anterior, la producción de nanotubos de carbono en una forma fácilmente utilizable que aborde ciertas dificultades asociadas con su uso sería altamente deseable. La presente divulgación satisface las necesidades anteriores y también proporciona ventajas relacionadas. SUI Y C ET AL: "Synthesis of multi branched carbon nanotubes in porous anodic aluminum oxide template", CARBON, ELSEVIER, OXFORD, GB, vol. 39, no. 11, 1 Septiembre 2001 (2001 -09-01), páginas 1709-1715 divulga plantillas porosas de óxido de aluminio anódico (AAO), obtenidas por anodización de placas de aluminio a voltajes relativamente altos, que se utilizaron para cultivar nanotubos de carbono multiramificados que copian la estructura de ramificación tridimensional de los nanocanales de la plantilla. US 2004/247808 A1 divulga un material nanoestructurado que comprende nanotubos de carbono fusionados para formar una estructura tridimensional. También se describen métodos para fabricar el material nanoestructurado. Tales métodos incluyen un proceso de tipo discontinuo, así como métodos de reciclado de múltiples pasos o métodos continuos de un solo paso. También se divulga un amplio intervalo de artículos fabricados con el material nanoestructurado, incluidos tejidos, materiales de mitigación balística, soportes estructurales, actuadores mecánicos, disipadores de calor, conductores térmicos, y membranas para la purificación de fluidos. LUO ET AL: "Growth mechanism of Y-junctions and related carbon nanotube junctions synthesized by Au-catalyzed chemical vapor deposition", CARBON, ELSEVIER OXFORD, GB, vol. 46, no. 3, 14 de diciembre de 2007 (2007-12-14), páginas 440 444 divulga las uniones en Y y las uniones de nanotubos de carbono (CNT) relacionadas, que se sintetizaron mediante deposición química de vapor catalizada por Au. El catalizador se preparó evaporando una película de Al2O3 de 10 nm de espesor y una película de Au de 1 nm de espesor sobre un sustrato de Si. A partir de minuciosas investigaciones realizadas con un microscopio electrónico de transmisión de alta resolución, se demostró que las uniones de CNT se formaban mediante un mecanismo unificado de fusión de catalizadores. Los distintos procesos de fusión dieron lugar a diferentes morfologías, como uniones de CNT en forma de Y, en forma de T, multinivel, multiterminal y en forma de L.

Sumario

La presente divulgación proporciona un método para producir una nanoestructura de carbono que está libre de un sustrato de crecimiento de acuerdo con la reivindicación 1. Las realizaciones preferentes se exponen en las subcláusulas.

La invención proporciona un método que comprende: proporcionar una nanoestructura de carbono adherida a un sustrato de crecimiento, comprendiendo la nanoestructura de carbono una pluralidad de nanotubos de carbono en su conjunto que poseen una o más características estructurales seleccionadas entre ramificación, entrecruzamiento, y compartir paredes comunes entre sí; y retirar la nanoestructura de carbono del sustrato de crecimiento para formar una nanoestructura de carbono que esté libre del sustrato de crecimiento, y formar la nanoestructura de carbono en el sustrato de crecimiento utilizando partículas catalizadoras de nanopartículas de metales de transición que estén dispuestas en el sustrato de crecimiento para iniciar el crecimiento de nanotubos de carbono, en el que el sustrato de crecimiento comprende un material de fibra de dimensiones enrollables.

El término "dimensiones bobinables " significa que el material de fibra tiene al menos una dimensión que no está limitada en longitud, permitiendo que el material se almacene en un carrete o mandril.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para una comprensión más completa de la presente divulgación, y las ventajas de la misma, se hace referencia ahora a las siguientes descripciones que deben tomarse junto con los dibujos adjuntos que describen realizaciones específicas de la divulgación, en las que:

Las FIGURAS 1A-1C muestran representaciones ilustrativas de nanotubos de carbono ramificados, reticulados, y que comparten paredes, respectivamente;

La FIGURA 2 muestra una representación ilustrativa de un material de escamas de nanoestructura de carbono tras el aislamiento de la nanoestructura de carbono de un sustrato de crecimiento;

La FIGURA 3 muestra una imagen SEM de una nanoestructura de carbono ilustrativa obtenida como material en escamas;

La FIGURA 4 muestra un gráfico comparativo de resistividad volumétrica para un material compuesto de nanoestructura de carbono y un material compuesto de nanotubos de carbono multipared;

La FIGURA 5 muestra un diagrama de flujo de un proceso ilustrativo de crecimiento de nanoestructuras de carbono que emplea un sustrato de crecimiento ejemplar de vidrio o cerámica;

La FIGURA 6 muestra un esquema ilustrativo de una nanopartícula de metal de transición recubierta con una capa antiadhesiva;

La FIGURA 7 muestra un diagrama de flujo de un proceso ilustrativo para aislar una nanoestructura de carbono de un sustrato de crecimiento;

La FIGURA 8 muestra un esquema ilustrativo que profundiza en el proceso demostrado en la FIGURA 7; La FIGURA 9 muestra un esquema ilustrativo que demuestra cómo puede utilizarse el cizallamiento mecánico para eliminar una nanoestructura de carbono y un catalizador de nanopartículas de metales de transición de un sustrato de crecimiento; y

La FIGURA 10 muestra un esquema ilustrativo que demuestra un proceso de eliminación de nanoestructuras de carbono en el que se puede aislar una nanoestructura de carbono de un sustrato de crecimiento ausente de un catalizador de nanopartículas de metales de transición.

Descripción detallada

La presente divulgación está dirigida, en parte, a métodos para producir nanoestructuras de carbono que están libres de un sustrato de crecimiento adherido a las nanoestructuras de carbono.

Como se ha comentado anteriormente, a veces pueden encontrarse diversas dificultades en la producción y la utilización de nanotubos de carbono individuales en muchas aplicaciones. Con el fin de abordar las deficiencias de los nanotubos de carbono individuales, al menos algunos de los presentes inventores desarrollaron previamente técnicas para preparar nanoestructuras de carbono infundidas a diversos materiales de fibra mediante el crecimiento directo de la nanoestructura de carbono sobre los mismos. Tal como se utiliza en el presente documento, el término "nanoestructura de carbono" se refiere a una pluralidad de nanotubos de carbono que pueden existir como estructura polimérica al estar interdigitados, ramificados, reticulados y/o compartir paredes comunes entre sí. Puede considerarse que la nanoestructura de carbono tiene un nanotubo de carbono como unidad monomérica base de su estructura polimérica. Al tener una nanoestructura de carbono infundida a un material de fibra, las propiedades beneficiosas de sus nanotubos de carbono(es decir,cualquier combinación de propiedades químicas, mecánicas, eléctricas, y térmicas) pueden transmitirse al material de fibra y/o a un material matriz en el que se dispone el material de fibra infundido con nanoestructura de carbono. En la mayoría de los casos, las preparaciones anteriores de materiales de fibra infundidos con nanoestructuras de carbono han dado como resultado una adherencia muy robusta de la nanoestructura de carbono al material de fibra, de forma que la nanoestructura de carbono no se desprende fácilmente del material de fibra, al menos sin provocar daños significativos a los propios nanotubos de carbono.

Los procesos convencionales de crecimiento de nanotubos de carbono se han centrado la mayoría de las veces en la producción de nanotubos de carbono de alta pureza que contienen un número mínimo de defectos. Mientras que tales procesos convencionales de crecimiento de nanotubos de carbono tardan típicamente varios minutos o más en producir nanotubos de carbono que tienen longitudes de escala micrométrica, los procesos de crecimiento de nanoestructuras de carbono descritos en el presente documento emplean una velocidad nominal de crecimiento de nanotubos de carbono del orden de varias micras por segundo en un proceso de crecimiento continuo,in situsobre un sustrato de crecimiento. Como resultado, los nanotubos de carbono dentro de la nanoestructura de carbono son más defectuosos en comparación con un bosque de nanotubos de carbono convencional o nanotubos de carbono no unidos. Es decir, la nanoestructura de carbono resultante contiene nanotubos de carbono muy enredados, ramificados, reticulados, y que comparten paredes comunes. Además, la capacidad de hacer crecer una nanoestructura de carbono de forma continua sobre un sustrato de crecimiento en condiciones de crecimiento tan rápidas puede proporcionar acceso a cantidades mucho mayores de nanoestructuras de carbono que los procesos de crecimiento de nanotubos de carbono relacionados.

Ventajosamente, la reticulación y otras características estructurales de la nanoestructura de carbono pueden impartirse durante la síntesis de la nanoestructura de carbono sobre su sustrato de crecimiento (por ejemplo, un material de fibra) sin la necesidad general de introducir tales características durante modificaciones posteriores a la síntesis. En cambio, la reticulación posterior a la síntesis y otras modificaciones de los nanotubos de carbono prístinos pueden afectar negativamente a las propiedades beneficiosas de los nanotubos de carbono. Las modificaciones posteriores a la síntesis pueden incluir reacciones químicas, grabado químico, exposición a la radiación (por ejemplo, radiación de microondas para afectar a la reticulación), y similares.

Aunque las fibras infundidas con nanoestructuras de carbono se pueden utilizar satisfactoriamente como sustituto de nanotubos de carbono individuales en muchas aplicaciones, los presentes inventores reconocieron que en algunos casos podría ser más deseable utilizar nanoestructuras de carbono que estén libres del material de fibra sobre el que se cultivan, conservando al mismo tiempo el manejo de nanotubos de carbono listo que permite tener la nanoestructura de carbono infundida en el material de fibra. Una de las principales razones para eliminar una nanoestructura de carbono de su material de fibra es eliminar la contribución de peso y volumen del material de fibra. En este sentido, incluso cuando se utilizan fibras infundidas con nanoestructuras de carbono en una aplicación(por ejemplo,en un material compuesto), el material de la fibra puede seguir siendo la característica estructural y funcional dominante, ya que la relación de masa del material de la fibra con respecto a la nanoestructura de carbono infundida suele ser grande. Por ejemplo, cuando se mejora la resistencia mecánica de un material compuesto utilizando una fibra infundida con nanoestructura de carbono, la mejora principal puede provenir del material de la fibra, más que de la nanoestructura de carbono infundida en ella, aunque la nanoestructura de carbono puede proporcionar un efecto de mejora significativo. En cambio, para mejorar la conductividad eléctrica, la presencia de un material de fibra no conductor puede dar lugar a una conductividad eléctrica menor que si se utilizaran nanotubos de carbono prístinos o una nanoestructura de carbono libre.

La producción de materiales de fibra infundidos con nanoestructuras de carbono se ha centrado anteriormente en aumentar el grado de infusión(es decir,adherencia) de la nanoestructura de carbono al material de fibra. Por el contrario, los presentes inventores reconocieron que, si una nanoestructura de carbono pudiera retirarse fácilmente en un estado relativamente intacto de su sustrato de crecimiento, tal como un material de fibra, aún podrían obtenerse ciertos beneficios discutidos anteriormente(por ejemplo,peso reducido), conservando al mismo tiempo los beneficios de las nanoestructuras de carbono sobre los nanotubos de carbono individuales. A este respecto, la morfología estructural de una nanoestructura de carbono coloca a los nanotubos de carbono que contiene en un estado fijo, preexfoliado(es decir, al menos parcialmente separado), mitigando así la necesidad de procesar ulteriormente los nanotubos de carbono desagrupándolos en una forma adecuada para su dispersión en un material matriz. Es decir, la combinación de ramificación, entrecruzamiento, y compartición de paredes entre los nanotubos de carbono puede minimizar sustancialmente las fuerzas de van der Waals que suelen ser problemáticas cuando se utilizan nanotubos de carbono individuales de forma similar. La morfología de la nanoestructura de carbono puede crear porosidad a nanoescala en el interior de la nanoestructura de carbono, y la carga del interior de la nanoestructura de carbono con diversos materiales puede influir aún más en sus propiedades de una manera deseable. No se cree que sea posible una carga comparable con nanotubos de carbono individuales, ya que no contienen una estructura de poros definida que se mantenga a medida que se exfolian unos de otros. El exterior de la nanoestructura de carbono también puede modificarse aún más con diversos materiales, como se expone en el presente documento.

Debido a que una nanoestructura de carbono tiene un tamaño macroscópico en relación con un nanotubo de carbono individual, se cree que una nanoestructura de carbono independiente puede presentar un perfil de salud y seguridad medioambiental mucho mejor que el de los nanotubos de carbono individuales, rivalizando con el de una nanoestructura de carbono o nanotubos de carbono infundidos a un material de fibra. Sin estar sujeto a ninguna teoría, se cree que la mejora del perfil de salud y seguridad puede deberse, al menos en parte, al tamaño y la integridad estructural de la propia nanoestructura de carbono. Es decir, las interacciones de unión entre los nanotubos de carbono de la nanoestructura de carbono pueden proporcionar un material robusto que no se separa fácilmente en partículas submicrónicas nocivas, como las asociadas a la toxicidad respiratoria. Por ejemplo, las nanoestructuras de carbono divulgadas en el presente documento pueden soportar procesos tan graves como la molienda de bolas sin que se liberen tales partículas.

Como ventaja adicional de las nanoestructuras de carbono en relación con los nanotubos de carbono individuales, se cree que las nanoestructuras de carbono pueden producirse de forma más rápida y económica y con un porcentaje de conversión de materia prima de carbono más alto que el que pueden producir las técnicas de producción de nanotubos de carbono relacionadas. Algunos de los procesos de crecimiento de nanotubos de carbono con mejores resultados hasta la fecha han mostrado una eficiencia de conversión del carbono de, como máximo, como máximo aproximadamente 60%. Por el contrario, las nanoestructuras de carbono pueden producirse en un material de fibra con eficiencias de conversión de carbono superiores al 85% aproximadamente. Así pues, las nanoestructuras de carbono permiten un uso más eficiente de la materia prima de carbono y reducen los costes de producción asociados.

Además, debido a sus propiedades diferentes y a veces superiores en comparación con los nanotubos de carbono, en algunas aplicaciones se pueden utilizar cantidades inferiores de nanoestructuras de carbono aisladas para conseguir un efecto comparable que sólo se observa con cantidades superiores de nanotubos de carbono individuales. Al emplear una nanoestructura de carbono aislada, por ejemplo, se pueden reducir tanto los costes de material como el peso total en relación con los nanotubos de carbono en la producción de materiales compuestos con propiedades similares. Por ejemplo, como se muestra en la FIGURA 4 del presente documento, se pueden conseguir mejores propiedades eléctricas en un material compuesto con una nanoestructura de carbono utilizando solo una cuarta parte de la masa de nanotubos de carbono que se necesita para producir un efecto de mejora comparable. Sin estar sujetos a ninguna teoría o mecanismo, se cree que una mejor dispersión de la nanoestructura de carbono y la expresión de propiedades resultante en diversas matrices pueden permitir un rendimiento superior de las nanoestructuras de carbono con respecto a los nanotubos de carbono. Al no estar vinculados a ninguna teoría o mecanismo, se cree que la mayor dispersión de las nanoestructuras de carbono se debe a su baja densidad en relación con los nanotubos de carbono individuales.

En algunas realizaciones, se describen en el presente documento composiciones que contienen una nanoestructura de carbono que está libre de un sustrato de crecimiento adherido a la nanoestructura de carbono. En diversas realizaciones, la nanoestructura de carbono puede incluir una pluralidad de nanotubos de carbono en los que los nanotubos de carbono están ramificados, reticulados, y comparten paredes comunes entre sí. Hay que reconocer que cada nanotubo de carbono de la pluralidad de nanotubos de carbono no tiene necesariamente las características estructurales anteriores de ramificación, entrecruzamiento, y paredes comunes compartidas. Más bien, la pluralidad de nanotubos de carbono en su conjunto puede poseer una o más de estas características estructurales. Es decir, en algunas realizaciones, al menos una parte de los nanotubos de carbono están ramificados, al menos una parte de los nanotubos de carbono están reticulados, y al menos una parte de los nanotubos de carbono comparten paredes comunes. Las FIGURAS 1A-1C muestran representaciones ilustrativas de nanotubos de carbono 1-3 ramificados, reticulados, y con paredes comunes, respectivamente. Los nanotubos de carbono pueden formarse con ramificación, reticulación y compartiendo paredes comunes entre sí durante la formación de la nanoestructura de carbono sobre un sustrato de crecimiento. La nanoestructura de carbono puede considerarse un polímero que tiene un nanotubo de carbono como unidad monomérica base.

Debe entenderse además que cada nanotubo de carbono en la nanoestructura de carbono no tiene que estar necesariamente ramificado, reticulado o compartir paredes comunes con otros nanotubos de carbono. Por ejemplo, en algunas realizaciones, al menos una parte de los nanotubos de carbono de la nanoestructura de carbono pueden estar interdigitados entre sí y/o con nanotubos de carbono ramificados, reticulados, o de pared común en el resto de la nanoestructura de carbono.

La nanoestructura de carbono puede tener una morfología en forma de red que da lugar a que la nanoestructura de carbono tenga una baja densidad aparente. Las nanoestructuras de carbono producidas con As pueden tener una densidad aparente inicial comprendida entre aproximadamente 0,003 g/cm3 a aproximadamente 0,015 g/cm3. Una mayor consolidación y/o recubrimiento para producir un material de escamas de nanoestructura de carbono o morfología similar puede elevar la densidad aparente a un intervalo entre aproximadamente 0,1 g/cm3 a aproximadamente 0,15 g/cm3. En algunas realizaciones, puede llevarse a cabo una modificación adicional opcional de la nanoestructura de carbono para alterar aún más la densidad aparente y/u otra propiedad de la nanoestructura de carbono. En algunas realizaciones, la densidad aparente de la nanoestructura de carbono puede alterarse aún más formando un revestimiento sobre los nanotubos de carbono de la nanoestructura de carbono y/o infiltrando el interior de la nanoestructura de carbono con diversos materiales. El recubrimiento de los nanotubos de carbono y/o la infiltración en el interior de la nanoestructura de carbono pueden adaptar aún más las propiedades de la nanoestructura de carbono para su uso en diversas aplicaciones. Además, en algunas realizaciones, la formación de un revestimiento sobre los nanotubos de carbono puede facilitar deseablemente la manipulación de la nanoestructura de carbono. Una mayor compactación puede elevar la densidad aparente hasta un límite superior de aproximadamente 1 g/cm3, con modificaciones químicas de la nanoestructura de carbono que elevan la densidad aparente hasta un límite superior de aproximadamente 1,2 g/cm3.

En algunas realizaciones, al menos una parte de los nanotubos de carbono pueden estar alineados sustancialmente paralelos entre sí en la nanoestructura de carbono. Sin estar limitado por ninguna teoría o mecanismo, se cree que la formación de nanotubos de carbono en un sustrato de crecimiento bajo las condiciones de crecimiento de nanoestructuras de carbono descritas en el presente documento da como resultado un crecimiento sustancialmente vertical de al menos una mayoría de los nanotubos de carbono desde la superficie del sustrato. Las características estructurales de ramificación, entrecruzamiento, y paredes compartidas de los nanotubos de carbono pueden ser más frecuentes en lugares de los nanotubos de carbono más alejados del sustrato de crecimiento. Después de retirar la nanoestructura de carbono del sustrato de crecimiento, puede mantenerse la alineación sustancialmente paralela de los nanotubos de carbono, como se expone más adelante. Dado que la nanoestructura de carbono puede obtenerse con los nanotubos de carbono alineados de forma sustancialmente paralela entre sí, la nanoestructura de carbono puede manipularse más fácilmente con respecto a la alineación que los nanotubos de carbono individuales, que pueden tener que someterse a un procesamiento adicional para que los nanotubos de carbono se alineen de forma paralela entre sí. Como reconocerá un experto en la materia, la alineación paralela de nanotubos de carbono puede presentar ventajas particulares en determinadas aplicaciones. Las ventajas particulares de los nanotubos de carbono alineados en paralelo pueden incluir, por ejemplo, una mejor conductividad eléctrica y térmica y una mayor resistencia mecánica en la dirección de alineación de los nanotubos de carbono.

En algunas realizaciones, la nanoestructura de carbono puede estar en forma de un material en escamas después de ser retirado del sustrato de crecimiento sobre el que se forma inicialmente la nanoestructura de carbono. En el presente documento, el término "material en escamas" se refiere a una partícula discreta de dimensiones finitas. La FIGURA 2 muestra una representación ilustrativa de un material de escamas de nanoestructura de carbono tras el aislamiento de la nanoestructura de carbono de un sustrato de crecimiento. La estructura en escamas 100 puede tener una primera dimensión 110 que está en un intervalo de aproximadamente 1 nm a aproximadamente 35 pm de espesor, particularmente de aproximadamente 1 nm a aproximadamente 500 nm de espesor, incluyendo cualquier valor intermedio y cualquier fracción del mismo. La estructura de escamas 100 puede tener una segunda dimensión 120 que está en un intervalo de aproximadamente 1 micra a aproximadamente 750 micras de altura, incluyendo cualquier valor intermedio y cualquier fracción del mismo. La estructura en escamas 100 puede tener una tercera dimensión 130 cuyo tamaño sólo está limitado en función de la longitud del sustrato de crecimiento sobre el que se forma inicialmente la nanoestructura de carbono. Por ejemplo, en algunas realizaciones, el proceso de crecimiento de una nanoestructura de carbono en un sustrato de crecimiento puede tener lugar en un cable o mecha de un material a base de fibra de dimensiones bobinables. El proceso de crecimiento de la nanoestructura de carbono puede ser continuo, y la nanoestructura de carbono puede extenderse por toda la longitud de una bobina de fibra. Así, en algunas realizaciones, la tercera dimensión 130 puede tener una anchura comprendida entre aproximadamente 1 m a aproximadamente 10.000 m. De nuevo, la tercera dimensión 130 puede ser muy larga porque representa la dimensión que discurre a lo largo del eje del sustrato de crecimiento sobre el que se forma la nanoestructura de carbono. La tercera dimensión 130 también puede reducirse a cualquier longitud deseada inferior a 1 m. Por ejemplo, en algunas realizaciones, la tercera dimensión 130 puede ser del orden de aproximadamente 1 micra a aproximadamente 10 micras, o de aproximadamente 10 micras a aproximadamente 100 micras, o de aproximadamente 100 micras a aproximadamente 500 micras, o de aproximadamente 500 micras a aproximadamente 1 cm, o de aproximadamente 1 cm a aproximadamente 100 cm, o de aproximadamente 100 cm a aproximadamente 500 cm, hasta cualquier longitud deseada, incluyendo cualquier cantidad entre los intervalos recitados y cualquier fracción de los mismos. Dado que el sustrato de crecimiento sobre el que se forma la nanoestructura de carbono puede ser bastante grande, se pueden producir nanoestructuras de carbono de peso molecular excepcionalmente alto formando la morfología polimérica de la nanoestructura de carbono como una capa continua sobre un sustrato de crecimiento adecuado.

Haciendo referencia todavía a la FIGURA 2, la estructura de escamas 100 puede incluir una red palmeada de nanotubos de carbono 140 en forma de un polímero de nanotubos de carbono(es decir,un "nanopolímero de carbono") que tiene un peso molecular en un intervalo de aproximadamente 15.000 g/mol a aproximadamente 150.000 g/mol, incluyendo todos los valores intermedios y cualquier fracción de los mismos. En algunas realizaciones, el extremo superior del intervalo de peso molecular puede ser incluso superior, incluyendo aproximadamente 200.000 g/mol, aproximadamente 500.000 g/mol, o aproximadamente 1.000.000 g/mol. Los pesos moleculares más elevados pueden asociarse a nanoestructuras de carbono dimensionalmente largas. En diversas realizaciones, el peso molecular también puede estar en función del diámetro predominante de los nanotubos de carbono y del número de paredes de nanotubos de carbono presentes dentro de la nanoestructura de carbono. En algunas realizaciones, la nanoestructura de carbono puede tener una densidad de reticulación comprendida entre aproximadamente 2 mol/cm3 a aproximadamente 80 mol/cm3. La densidad de reticulación puede ser función de la densidad de crecimiento de la nanoestructura de carbono en la superficie del sustrato de crecimiento, así como de las condiciones de crecimiento de la nanoestructura de carbono.

La FIGURA 3 muestra una imagen SEM de una nanoestructura de carbono ilustrativa obtenida como material en escamas. La nanoestructura de carbono mostrada en la FIGURA 3 existe como una microestructura tridimensional debido al entrelazamiento y la reticulación de sus nanotubos de carbono altamente alineados. La morfología alineada refleja la formación de los nanotubos de carbono en un sustrato de crecimiento en condiciones de crecimiento rápido de nanotubos de carbono(por ejemplo,varias micras por segundo, como de aproximadamente 2 micras por segundo a aproximadamente 10 micras por segundo), induciendo así el crecimiento sustancialmente perpendicular de nanotubos de carbono a partir del sustrato de crecimiento. Sin estar sujetos a ninguna teoría o mecanismo, se cree que la rápida velocidad de crecimiento de los nanotubos de carbono en el sustrato de crecimiento puede contribuir, al menos en parte, a la compleja morfología estructural de la nanoestructura de carbono. Además, la densidad aparente de la nanoestructura de carbono puede modularse hasta cierto punto ajustando las condiciones de crecimiento de la nanoestructura de carbono, incluyendo, por ejemplo, cambiando la concentración de partículas catalizadoras de nanopartículas de metales de transición que se disponen sobre el sustrato de crecimiento para iniciar el crecimiento de nanotubos de carbono. A continuación, se describen con más detalle los catalizadores adecuados de nanopartículas de metales de transición y las condiciones de crecimiento de las nanoestructuras de carbono.

En algunas realizaciones, las nanoestructuras de carbono aisladas pueden exhibir un rendimiento superior en comparación con un peso comparable de nanotubos de carbono. Por ejemplo, en algunas realizaciones, una nanoestructura de carbono puede demostrar una dispersión superior en un material matriz y proporcionar una mejor percolación eléctrica y/o respuesta térmica en comparación con los nanotubos de carbono a granel. Por ejemplo, la FIGURA 4 muestra un gráfico comparativo de resistividad volumétrica para un material compuesto de nanoestructura de carbono y un material compuesto de nanotubos de carbono multipared. Como se muestra en la FIGURA 4, se pueden obtener resistividades de volumen comparables en los materiales compuestos con tan solo 1/4toa 1/5to el porcentaje en peso de nanoestructuras de carbono en relación con los nanotubos de carbono multipared. No se cree que los diferentes materiales de matriz en las muestras de material compuesto ensayadas tengan un impacto apreciable en su resistividad volumétrica medida.

También pueden encontrarse diversos componentes adicionales en las composiciones de nanoestructura de carbono descritas en el presente documento. Los componentes adicionales que pueden estar presentes incluyen, pero no se limitan a, un recubrimiento sobre los nanotubos de carbono, un material de relleno en el espacio intersticial de la nanoestructura de carbono, nanopartículas de metales de transición, sustrato de crecimiento residual que no está adherido a la nanoestructura de carbono, y cualquier combinación de los mismos.

Se pueden aplicar recubrimientos a los nanotubos de carbono de la nanoestructura de carbono antes o después de retirar la nanoestructura de carbono del sustrato de crecimiento. La aplicación de un recubrimiento antes de retirar la nanoestructura de carbono del sustrato de crecimiento puede, por ejemplo, proteger los nanotubos de carbono durante el proceso de retirada o facilitar dicho proceso. En otras realizaciones, se puede aplicar un recubrimiento a los nanotubos de carbono de la nanoestructura de carbono después de retirar la nanoestructura de carbono del sustrato de crecimiento. La aplicación de un recubrimiento a los nanotubos de carbono de la nanoestructura de carbono tras su extracción del sustrato de crecimiento puede facilitar deseablemente la manipulación y el almacenamiento de la nanoestructura de carbono. En particular, el recubrimiento de la nanoestructura de carbono puede promover deseablemente la consolidación o densificación de la nanoestructura de carbono. Las densidades más elevadas pueden facilitar deseablemente la procesabilidad de la nanoestructura de carbono.

En algunas realizaciones, el recubrimiento puede estar unido covalentemente a los nanotubos de carbono de la nanoestructura de carbono. En algunas realizaciones, los nanotubos de carbono pueden funcionalizarse antes o después de retirar la nanoestructura de carbono del sustrato de crecimiento con el fin de proporcionar grupos funcionales reactivos adecuados para formar dicho recubrimiento. Los procesos adecuados para funcionalizar los nanotubos de carbono de una nanoestructura de carbono suelen ser similares a los que pueden utilizarse para funcionalizar nanotubos de carbono individuales y serán conocidos por una persona con conocimientos ordinarios en la materia. En otras realizaciones, el revestimiento puede estar unido de forma no covalente a los nanotubos de carbono de la nanoestructura de carbono. Es decir, en tales realizaciones, el revestimiento puede disponerse físicamente sobre los nanotubos de carbono.

En algunas realizaciones, el recubrimiento sobre los nanotubos de carbono de la nanoestructura de carbono puede ser un recubrimiento polimérico. Los revestimientos poliméricos adecuados no se consideran particularmente limitados y pueden incluir polímeros tales como, por ejemplo, un epoxi, un poliéster, un polímero viniléster, una polieterimida, una polietercetona, una poliftalamida, una polietercetona, una polieteretercetona, una poliimida, un polímero de fenolformaldehído, un polímero de bismaleimida, un polímero de acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS), un policarbonato, una polietilenimina, un poliuretano, un cloruro de polivinilo, un poliestireno, una poliolefina, un polipropileno, un polietileno, un politetrafluoroetileno, y cualquier combinación de los mismos. En algunas realizaciones también pueden utilizarse elastómeros como, por ejemplo, poliisopreno, polibutadieno, caucho butílico, caucho nitrílico, polímeros de etilvinilacetato, polímeros de silicona y polímeros de fluorosilicona. Cualquier experto en la materia puede imaginar otros revestimientos poliméricos. En algunas realizaciones, el recubrimiento polimérico puede unirse covalentemente a los nanotubos de carbono de la nanoestructura de carbono, como se ha comentado anteriormente. En tales realizaciones, la composición resultante puede incluir un copolímero en bloque de la nanoestructura de carbono y el recubrimiento polimérico. En otras realizaciones, el recubrimiento polimérico puede estar unido de forma no covalente a los nanotubos de carbono de la nanoestructura de carbono. A continuación, se describe con más detalle la formación de un revestimiento polimérico.

Además de los recubrimientos poliméricos, también pueden estar presentes otros tipos de recubrimientos. Otros tipos de revestimientos pueden incluir, por ejemplo, revestimientos metálicos y revestimientos cerámicos. En algunas realizaciones también pueden utilizarse recubrimientos tensioactivos.

En algunas u otras realizaciones, puede haber un material de relleno u otro material aditivo presente en al menos el espacio intersticial entre los nanotubos de carbono de la nanoestructura de carbono(es decir,en el interior de la nanoestructura de carbono). El material aditivo puede utilizarse solo o en combinación con un recubrimiento de los nanotubos de carbono de la nanoestructura de carbono. Cuando se utiliza en combinación con un recubrimiento, el material aditivo también puede estar situado en el exterior de la nanoestructura de carbono dentro del recubrimiento, además de estar situado dentro del espacio intersticial de la nanoestructura de carbono. La introducción de un material aditivo en el espacio intersticial de la nanoestructura de carbono o en cualquier otro lugar dentro de la nanoestructura de carbono puede dar lugar a una modificación adicional de las propiedades de la nanoestructura de carbono. Sin limitación, la inclusión de un material aditivo dentro de la nanoestructura de carbono puede dar lugar a la modificación de la densidad de la nanoestructura de carbono, propiedades térmicas, propiedades espectroscópicas, resistencia mecánica, y similares. No se cree que los nanotubos de carbono individuales o agrupados sean capaces de transportar un material aditivo de forma similar, ya que carecen de un espacio intersticial permanente en el exterior del nanotubo para contener el material aditivo. Aunque hay espacio vacío en el interior del nanotubo de carbono, se cree que es muy difícil o imposible colocar un material aditivo en ese lugar

En algunas u otras realizaciones, las composiciones pueden contener una pluralidad de nanopartículas de metal de transición, donde las nanopartículas de metal de transición pueden representar un catalizador que se utilizó en la síntesis de la nanoestructura de carbono. En algunas realizaciones, las nanopartículas de metales de transición pueden recubrirse con un revestimiento antiadhesivo que limita su adherencia a un sustrato de crecimiento o la nanoestructura de carbono a un sustrato de crecimiento, como se muestra en la FIGURA 6. Los revestimientos antiadherentes adecuados se tratan con más detalle a continuación. En diversas realizaciones, el revestimiento antiadherente puede arrastrarse junto con las nanopartículas de metal de transición a medida que la nanoestructura de carbono y las nanopartículas de metal de transición se retiran del sustrato de crecimiento. En otras realizaciones, el revestimiento antiadherente puede eliminarse de las nanopartículas de metal de transición antes o después de que se incorporen a la nanoestructura de carbono. En otras realizaciones, las nanopartículas de metales de transición pueden incorporarse inicialmente a la nanoestructura de carbono y eliminarse posteriormente. Por ejemplo, en algunas realizaciones, al menos una parte de las nanopartículas de metales de transición puede eliminarse de la nanoestructura de carbono tratando la nanoestructura de carbono con un ácido mineral.

En algunas u otras realizaciones, las composiciones descritas en el presente documento pueden contener un sustrato de crecimiento que no está adherido a la nanoestructura de carbono. Como se describe más adelante, la nanoestructura de carbono que se forma inicialmente puede contener a veces sustrato de crecimiento fragmentado que se produce durante el proceso de eliminación de la nanoestructura de carbono. En algunas realizaciones, el sustrato de crecimiento fragmentado puede permanecer con la nanoestructura de carbono. En otras realizaciones, el sustrato de crecimiento puede retirarse posteriormente de la nanoestructura de carbono, como se describe con más detalle a continuación.

En algunas realizaciones, se describen en el presente documento métodos para sintetizar una nanoestructura de carbono sobre un sustrato de crecimiento y después retirar la nanoestructura de carbono del sustrato de crecimiento. En diversas realizaciones, los métodos pueden incluir proporcionar una nanoestructura de carbono adherida a un sustrato de crecimiento, y retirar la nanoestructura de carbono del sustrato de crecimiento para formar una nanoestructura de carbono que esté libre del sustrato de crecimiento. Como se ha comentado anteriormente, la nanoestructura de carbono puede incluir una pluralidad de nanotubos de carbono ramificados, reticulados, y que comparten paredes comunes entre sí. En diversas realizaciones, los métodos pueden incluir la formación de la nanoestructura de carbono sobre el sustrato de crecimiento (por ejemplo, en condiciones de crecimiento de la nanoestructura de carbono que se tratan con más detalle a continuación).

La producción de una nanoestructura de carbono sobre un sustrato de crecimiento y la posterior eliminación de la nanoestructura de carbono del sustrato de crecimiento mediante diversas técnicas se describen ahora con más detalle en lo sucesivo.

En algunas realizaciones, los procesos descritos en el presente documento pueden incluir la preparación de una nanoestructura de carbono en un sustrato de crecimiento con una o más disposiciones para la eliminación de la nanoestructura de carbono una vez que se ha completado la síntesis de la nanoestructura de carbono. La disposición o disposiciones para eliminar la nanoestructura de carbono del sustrato de crecimiento pueden incluir una o más técnicas seleccionadas del grupo que consiste en: (i) proporcionar un revestimiento antiadherente sobre el sustrato de crecimiento, (ii) proporcionar un revestimiento antiadherente sobre un catalizador de nanopartículas de metal de transición empleado en la síntesis de la nanoestructura de carbono, (iii) proporcionar un catalizador de nanopartículas de metal de transición con un contraión que grabe el sustrato de crecimiento, debilitando así la adherencia de la nanoestructura de carbono al sustrato de crecimiento, y (iv) realizar una operación de grabado una vez finalizada la síntesis de la nanoestructura de carbono para debilitar la adherencia de la nanoestructura de carbono al sustrato de crecimiento. También pueden utilizarse combinaciones de estas técnicas. En combinación con estas técnicas, pueden llevarse a cabo diversas operaciones de cizallamiento con fluidos o cizallamiento mecánico para afectar a la eliminación de la nanoestructura de carbono del sustrato de crecimiento.

En algunas realizaciones, los procesos divulgados en el presente documento pueden incluir retirar una nanoestructura de carbono de un sustrato de crecimiento. En algunas realizaciones, la eliminación de una nanoestructura de carbono de un sustrato de crecimiento puede incluir el uso de un líquido o gas a alta presión para separar la nanoestructura de carbono del sustrato de crecimiento, separar los contaminantes derivados del sustrato de crecimiento(por ejemplo,sustrato de crecimiento fragmentado) de la nanoestructura de carbono, recoger la nanoestructura de carbono con aire o de un medio líquido con la ayuda de un medio filtrante, y aislar la nanoestructura de carbono del medio filtrante. En diversas realizaciones, la separación de los contaminantes derivados del sustrato de crecimiento de la nanoestructura de carbono puede tener lugar mediante una técnica seleccionada del grupo que consiste en el filtrado por ciclón, la separación por densidad, la separación basada en el tamaño, y cualquier combinación de las mismas. Los procesos anteriores se describen con más detalle a continuación.

La FIGURA 5 muestra un diagrama de flujo de un proceso ilustrativo 400 de crecimiento de nanoestructuras de carbono, que emplea un sustrato de crecimiento 410 de vidrio o cerámica ejemplar. Debe entenderse que la elección de un sustrato de crecimiento de vidrio o cerámica es meramente ejemplar, y el sustrato también puede ser de metal, un polímero orgánico(por ejemplo,aramida), fibra de basalto o carbono, por ejemplo. En algunas realizaciones, el sustrato de crecimiento puede ser un material de fibra de dimensiones bobinables, permitiendo así que la formación de la nanoestructura de carbono tenga lugar de forma continua en el sustrato de crecimiento a medida que el sustrato de crecimiento se transporta desde una primera ubicación a una segunda ubicación. El proceso 400 de crecimiento de nanoestructuras de carbono puede emplear sustratos de crecimiento de diversas formas, como fibras, cabos, hilos, telas tejidas y no tejidas, láminas, cintas, correas, y similares. Para mayor comodidad en las síntesis continuas, las trenzas y los hilos son materiales fibrosos especialmente convenientes.

Refiriéndose aún a la FIGURA 5, dicho material de fibra puede ser dosificado desde una fileta de desembolso en la operación 420 y entregado a una estación de desencolado opcional en la operación 430. El desencolado se realiza normalmente cuando se preparan materiales de fibra infundidos con nanoestructuras de carbono para aumentar el grado de infusión de la nanoestructura de carbono en el material de fibra. Sin embargo, cuando se prepara una nanoestructura de carbono aislada, la operación de desencolado 430 puede omitirse, por ejemplo, si el encolado promueve un menor grado de adhesión del catalizador de nanopartículas de metales de transición y/o la nanoestructura de carbono al sustrato de crecimiento, facilitando así la eliminación de la nanoestructura de carbono. Numerosas composiciones de encolado asociadas a sustratos de fibra pueden contener aglutinantes y agentes de acoplamiento que proporcionan principalmente efectos antiabrasivos, pero que normalmente no muestran una adhesión excepcional a la superficie de la fibra. Por lo tanto, la formación de una nanoestructura de carbono en un sustrato de crecimiento en presencia de un apresto puede promover el aislamiento posterior de la nanoestructura de carbono en algunas realizaciones. Por esta razón, puede ser beneficioso omitir la operación de desencolado 430, en algunas realizaciones.

En algunas realizaciones, puede tener lugar una aplicación de recubrimiento adicional en la operación 440. Los recubrimientos adicionales que pueden aplicarse en la operación 440 incluyen, por ejemplo, cerámicas coloidales, vidrio, silanos, o siloxanos que pueden disminuir la adhesión del catalizador y/o la nanoestructura de carbono al sustrato de crecimiento. En algunas realizaciones, la combinación de un apresto y el recubrimiento adicional puede proporcionar un recubrimiento antiadherente que puede promover la eliminación de la nanoestructura de carbono del sustrato de crecimiento. En algunas realizaciones, el apresto por sí solo puede proporcionar suficientes propiedades antiadhesivas para facilitar la eliminación de la nanoestructura de carbono del sustrato de crecimiento, como se ha comentado anteriormente. En algunas realizaciones, el recubrimiento adicional proporcionado en la operación 440 por sí solo puede proporcionar suficientes propiedades antiadhesivas para facilitar la eliminación de la nanoestructura de carbono del sustrato de crecimiento. En otras realizaciones, ni el apresto ni el recubrimiento adicional, solos o combinados, proporcionan suficientes propiedades antiadhesivas para facilitar la eliminación de la nanoestructura de carbono. En tales realizaciones, puede lograrse una menor adhesión de la nanoestructura de carbono al sustrato de crecimiento mediante una elección juiciosa de las nanopartículas de metales de transición utilizadas para promover el crecimiento de la nanoestructura de carbono sobre el sustrato de crecimiento. Específicamente, en algunas de tales realizaciones, la operación 450 puede emplear un catalizador que se elige específicamente por sus pobres características adhesivas.

Haciendo referencia todavía a la FIGURA 5, después de la operación opcional de desencolado 430 y la operación opcional de recubrimiento 440, se aplica catalizador al sustrato de crecimiento en la operación 450, y el crecimiento de la nanoestructura de carbono se ve afectado mediante un proceso de CVD de cavidad pequeña en la operación 460. El sustrato de crecimiento resultante infundido con nanoestructuras de carbono(es decir,un material de fibra infundido con nanoestructuras de carbono) puede enrollarse para su almacenamiento y posterior eliminación de nanoestructuras de carbono o llevarse inmediatamente a un proceso de aislamiento de nanoestructuras de carbono que emplee una cosechadora, como se indica en la operación 470.

En algunas realizaciones, el sustrato de crecimiento puede modificarse para promover la eliminación de una nanoestructura de carbono del mismo. En algunas realizaciones, el sustrato de crecimiento utilizado para producir una nanoestructura de carbono puede modificarse para incluir un revestimiento antiadhesivo que limite la adherencia de la nanoestructura de carbono al sustrato de crecimiento. El revestimiento antiadherente puede incluir un apresto que se aplica comercialmente al sustrato de crecimiento, o el revestimiento antiadherente puede aplicarse después de recibir el sustrato de crecimiento. En algunas realizaciones, se puede eliminar un apresto del sustrato de crecimiento antes de aplicar un revestimiento antiadherente. En otras realizaciones, un apresto puede aplicarse a un sustrato de crecimiento en el que está presente un apresto.

En algunas realizaciones, la nanoestructura de carbono se puede hacer crecer en el sustrato de crecimiento a partir de un catalizador que incluye una pluralidad de nanopartículas de metales de transición, como se describe en general a continuación. En algunas realizaciones, un modo de aplicación del catalizador sobre el sustrato de crecimiento puede ser a través de la adsorción de partículas, como por ejemplo a través de la aplicación directa del catalizador utilizando una deposición basada en precursores líquidos o coloidales. Los catalizadores de nanopartículas de metales de transición adecuados pueden incluir cualquier metal de transición d-bloque o sal de metal de transición d-bloque. En algunas realizaciones, una sal de metal de transición puede aplicarse al sustrato de crecimiento sin tratamientos térmicos. En otras realizaciones, una sal de metal de transición puede convertirse en un metal de transición de valor cero en el sustrato de crecimiento mediante un tratamiento térmico.

En algunas realizaciones, las nanopartículas de metal de transición pueden recubrirse con un recubrimiento antiadhesivo que limita su adherencia al sustrato de crecimiento. Como se ha comentado anteriormente, el recubrimiento de las nanopartículas de metales de transición con un recubrimiento antiadherente también puede favorecer la eliminación de la nanoestructura de carbono del sustrato de crecimiento tras la síntesis de la nanoestructura de carbono. Los recubrimientos antiadherentes adecuados para su utilización junto con el recubrimiento de las nanopartículas de metales de transición pueden incluir los mismos recubrimientos antiadherentes utilizados para recubrir el sustrato de crecimiento. La FIGURA 6 muestra un esquema ilustrativo de una nanopartícula de metal de transición recubierta con una capa antiadhesiva. Como se muestra en la FIGURA 6, el catalizador recubierto 500 puede incluir la partícula catalizadora central 510 recubierta con la capa antiadhesiva 520. En algunas realizaciones, pueden utilizarse soluciones de nanopartículas coloidales en las que una capa exterior sobre la nanopartícula promueve la adhesión del sustrato de crecimiento a la nanopartícula, pero desalienta la adhesión de la nanoestructura de carbono a la nanopartícula, limitando así la adhesión de la nanoestructura de carbono al sustrato de crecimiento.

La FIGURA 7 muestra un diagrama de flujo de un proceso ilustrativo para aislar una nanoestructura de carbono de un sustrato de crecimiento. Como se muestra en la FIGURA 7, el proceso 600 comienza con una fibra infundida con nanoestructura de carbono que se proporciona en la operación 610. Los sustratos de crecimiento no fibrosos en los que se ha cultivado una nanoestructura de carbono pueden utilizarse de forma similar. El cizallamiento por fluido puede llevarse a cabo en la operación 620 utilizando un gas o un líquido con el fin de lograr la eliminación de la nanoestructura de carbono del material de fibra. En algunos casos, el cizallamiento del fluido puede dar lugar a que al menos una parte del material de la fibra se libere de la fibra a granel y se incorpore a la nanoestructura de carbono libre, sin adherirse a ella. Si es necesario, en la operación 630, la nanoestructura de carbono liberada puede someterse a filtración ciclónica/media para eliminar los fragmentos de material de fibra no adheridos. También pueden utilizarse técnicas de separación basadas en la densidad o el tamaño para separar la nanoestructura de carbono del material de fibra no adherida. En el caso del cizallamiento de gas, la nanoestructura de carbono puede recogerse en forma seca sobre un medio filtrante en la operación 645. El material de escamas seco resultante recogido en la operación 645 puede someterse a cualquier purificación química o térmica adicional opcional, como se describe más adelante en la FIGURA 7. En el caso de cizallamiento de líquido, el líquido puede ser recogido en la operación 640, y la separación de la nanoestructura de carbono del líquido puede tener lugar en la operación 650, produciendo finalmente un material en escamas secas en la operación 660. El material de escamas de nanoestructura de carbono aislado en la operación 660 puede ser similar al producido en la operación 645. Después de aislar el material en escamas de nanoestructura de carbono en la operación 660, puede estar listo para su envasado y/o almacenamiento en la operación 695. En los procesos que emplean cizallamiento de gas para eliminar la nanoestructura de carbono, la nanoestructura de carbono puede recogerse en seco en un filtro en la operación 645. Antes del envasado y/o almacenamiento en la operación 695, el producto crudo formado por cualquiera de las técnicas de cizallamiento puede someterse a una purificación química y/o térmica opcional en la operación 670. Estos procesos de purificación pueden ser similares a los que se llevan a cabo cuando se purifican los nanotubos de carbono tradicionales. A modo de ejemplo, la purificación realizada en la operación 670 puede implicar la eliminación de un catalizador utilizado para afectar al crecimiento de la nanoestructura de carbono, como, por ejemplo, mediante tratamiento con bromo líquido. Cualquier experto en la materia puede imaginar otras técnicas de purificación.

Refiriéndose todavía a la FIGURA 7, la nanoestructura de carbono producida por cualquiera de las técnicas de cizallamiento puede someterse a un procesamiento posterior mediante corte o esponjamiento en la operación 680. Dicho corte y esponjamiento puede implicar molienda mecánica de bolas, trituración, mezcla, procesos químicos o cualquier combinación de los mismos. Además, opcionalmente, en la operación 690, la nanoestructura de carbono puede funcionalizarse aún más utilizando cualquier técnica en la que los nanotubos de carbono se modifiquen o funcionalicen normalmente. Las técnicas de funcionalización adecuadas en la operación 690 pueden incluir, por ejemplo, procesamiento por plasma, grabado químico, y similares. La funcionalización de la nanoestructura de carbono de esta manera puede producir asas de grupos funcionales químicos que pueden utilizarse para modificaciones posteriores. Por ejemplo, en algunas realizaciones, se puede emplear un grabado químico para formar grupos de ácido carboxílico en la nanoestructura de carbono que se pueden utilizar para provocar la unión covalente a cualquier número de entidades adicionales, incluyendo, por ejemplo, el material matriz de un material compuesto. En este sentido, una nanoestructura de carbono funcionalizada puede proporcionar un material de refuerzo superior en una matriz de material compuesto, ya que puede proporcionar múltiples sitios para la unión covalente al material de la matriz del material compuesto en todas las dimensiones.

Además de facilitar la unión covalente de una nanoestructura de carbono a la matriz de un material compuesto, la funcionalización de una nanoestructura de carbono también puede permitir que otros grupos se unan covalentemente a la nanoestructura de carbono. En algunas realizaciones, el acceso a otras entidades enlazadas covalentemente, como biopolímeros sintéticos o biopolímeros, puede realizarse a través de asas de grupos funcionales producidas en la funcionalización de nanoestructuras de carbono posterior al procesamiento. Por ejemplo, una nanoestructura de carbono puede unirse a polietilenglicol(por ejemplo,a través de enlaces éster formados a partir de grupos de ácido carboxílico en la nanoestructura de carbono) para proporcionar una nanoestructura de carbono PEGilada, que puede conferir una solubilidad en agua mejorada a la nanoestructura de carbono. En algunas realizaciones, la nanoestructura de carbono puede proporcionar una plataforma para la unión covalente a biomoléculas para facilitar la fabricación de biosensores. En este sentido, la nanoestructura de carbono puede proporcionar vías de percolación eléctrica mejoradas para una mayor sensibilidad de detección en relación con otros biosensores basados en nanotubos de carbono que emplean nanotubos de carbono individualizados o incluso bosques de nanotubos de carbono convencionales. Las biomoléculas de interés para el desarrollo de sensores pueden incluir, por ejemplo, péptidos, proteínas, enzimas, carbohidratos, glicoproteínas, ADN, ARN, y similares.

La FIGURA 8 muestra un esquema ilustrativo que elabora adicionalmente el proceso demostrado en la FIGURA 7. Como se ilustra en el proceso 700 de la FIGURA 8, en la operación 710 se alimenta una bobina única o varias bobinas de un sustrato de tipo fibra cargado con nanoestructuras de carbono a la cámara de extracción 712 mediante un sistema de pago y recogida. La eliminación de la nanoestructura de carbono del sustrato tipo fibra puede verse afectada con una o varias herramientas de fuente de aire a presión 714, como una cuchilla de aire o una boquilla de aire en la operación 720. Dichas herramientas de fuente de aire pueden colocarse generalmente perpendiculares a la(s) bobina(s), y el aire puede entonces dirigirse sobre el sustrato de tipo fibra portador de la nanoestructura de carbono. En algunas realizaciones, la herramienta de fuente de aire puede ser estacionaria, mientras que, en otras realizaciones, la herramienta de fuente de aire puede ser móvil. En las realizaciones en las que la herramienta de fuente de aire es móvil, puede configurarse para oscilar con respecto a la superficie del sustrato de tipo fibra para mejorar la eficacia de la eliminación. Al impactar con el aire, los haces de fibras y otros sustratos de fibras agrupadas pueden esparcirse, exponiendo así una superficie adicional en el sustrato y mejorando la eliminación de la nanoestructura de carbono, al tiempo que se evita ventajosamente el contacto mecánico. En algunas realizaciones, la integridad del sustrato puede ser suficiente para reciclar el sustrato en un ciclo continuo de síntesis y eliminación de nanoestructuras de carbono. Así, en algunas realizaciones, el sustrato puede tener la forma de un cinturón o un bucle en el que una nanoestructura de carbono se sintetiza en el sustrato, posteriormente se retira aguas abajo, y luego se recicla para el crecimiento adicional de una nueva nanoestructura de carbono en el lugar donde se retiró la nanoestructura de carbono original. En algunas realizaciones, la eliminación de la nanoestructura de carbono original puede dar lugar a la eliminación del tratamiento superficial que facilitó la eliminación de la nanoestructura de carbono. Así, en algunas realizaciones, el sustrato puede modificarse de nuevo tras la eliminación de la nanoestructura de carbono original para promover la eliminación de la nueva nanoestructura de carbono, como generalmente se realiza según las técnicas de modificación de superficies descritas en el presente documento. El tratamiento superficial realizado en el sustrato después de eliminar la nanoestructura de carbono original puede ser el mismo o diferente que el tratamiento superficial original.

En algunas realizaciones, la integridad del sustrato puede verse comprometida durante la eliminación de la nanoestructura de carbono, y al menos una porción del sustrato puede mezclarse con la nanoestructura de carbono mientras ya no está adherida a la misma. Refiriéndose aún a la FIGURA 8, el sustrato fragmentado que se ha mezclado con la nanoestructura de carbono aislada puede ser eliminado en la operación 730. En la FIGURA 8, la operación 730 se representa como realizada por filtración ciclónica, pero puede utilizarse cualquier técnica adecuada de separación de sólidos. Por ejemplo, en algunas realizaciones, pueden llevarse a cabo el tamizado, la decantación diferencial u otras separaciones basadas en el tamaño. En otras realizaciones, se pueden llevar a cabo separaciones basadas en la densidad. En otras realizaciones, puede utilizarse una reacción química, al menos en parte, para afectar a la separación de la nanoestructura de carbono del sustrato de crecimiento que no está adherido a la nanoestructura de carbono. Aunque en la FIGURA 8 se ha representado una única filtración ciclónica, pueden utilizarse múltiples técnicas de filtración al vacío y ciclónica en serie, en paralelo, o cualquier combinación de las mismas para eliminar el sustrato de crecimiento fragmentado residual de la nanoestructura de carbono. Tales técnicas pueden emplear múltiples etapas de medios filtrantes y/o velocidades de filtración para capturar selectivamente el sustrato de crecimiento fragmentado, permitiendo al mismo tiempo que la nanoestructura de carbono pase a un recipiente de recogida. La nanoestructura de carbono resultante puede recogerse en seco en la operación 740 o recogerse como lodo húmedo en la operación 750. En algunas realizaciones, la nanoestructura de carbono puede procesarse directamente tras la eliminación del sustrato de crecimiento fragmentado en la operación 730 y envasarse en un recipiente de almacenamiento o contenedor enviable en la operación de envasado 760. De lo contrario, el envasado puede seguir a la operación de recogida en seco 740 o a la operación de recogida en húmedo 750.

En realizaciones en las que se emplea el procesamiento en húmedo, la nanoestructura de carbono se puede mezclar con aproximadamente 1% a aproximadamente 40% de disolvente en agua y pasar a través de un filtro o mecanismo de separación similar para separar la nanoestructura de carbono del disolvente. La nanoestructura de carbono separada resultante puede secarse y envasarse o almacenarse "húmeda" como dispersión en una fase fluida. Se ha observado que, a diferencia de las soluciones o dispersiones individualizadas de nanotubos de carbono, las nanoestructuras de carbono pueden formar ventajosamente dispersiones estables. En algunas realizaciones, se pueden conseguir dispersiones estables en ausencia de tensioactivos estabilizadores, incluso con agua como disolvente. En algunas o en otras realizaciones, puede utilizarse un disolvente en combinación con agua durante el proceso húmedo. Los disolventes adecuados para su utilización en conjunción con el proceso húmedo pueden incluir, entre otros, isopropanol (IPA), etanol, metanol y agua.

Como alternativa al cizallamiento con fluido, en algunas realizaciones se puede utilizar el cizallamiento mecánico para eliminar la nanoestructura de carbono del sustrato de crecimiento. La FIGURA 9 muestra un esquema ilustrativo que demuestra cómo puede utilizarse el cizallamiento mecánico para eliminar una nanoestructura de carbono y un catalizador de nanopartículas de metales de transición de un sustrato de crecimiento. Como se muestra en la FIGURA 9, el proceso de eliminación de la nanoestructura de carbono 800 puede emplear la fuerza de cizallamiento mecánico 810 para eliminar tanto la nanoestructura de carbono como el catalizador de nanopartículas de metal de transición del sustrato de crecimiento 830 como entidad monolítica 820. En algunas de estas realizaciones, se pueden emplear recubrimientos antiadhesivos adicionales y/o de dimensionamiento para limitar la adhesión de la nanoestructura de carbono y/o de las nanopartículas al sustrato de crecimiento, permitiendo así que el cizallamiento mecánico u otro tipo de fuerza de cizallamiento facilite la eliminación de la nanoestructura de carbono del sustrato de crecimiento. En algunas realizaciones, el cizallamiento mecánico puede proporcionarse moliendo la fibra infundida con nanoestructuras de carbono con hielo seco.

Como otra alternativa al cizallamiento con fluido, en algunas realizaciones, se puede utilizar la sonicación para eliminar la nanoestructura de carbono del sustrato de crecimiento.

En algunas realizaciones, la nanoestructura de carbono puede retirarse del sustrato de crecimiento sin retirar sustancialmente el catalizador de nanopartículas de metal de transición. La FIGURA 10 muestra un esquema ilustrativo que demuestra el proceso 900 de eliminación de nanoestructuras de carbono en el que se puede aislar una nanoestructura de carbono de un sustrato de crecimiento ausente de un catalizador de nanopartículas de metales de transición. Como se muestra en la FIGURA 10, la nanoestructura de carbono 940 puede crecer sobre el sustrato de crecimiento 920 utilizando el catalizador de nanopartículas de metal de transición 910 implantado. A continuación, la eliminación por cizallamiento 930 de la nanoestructura de carbono 940 deja el catalizador de nanopartículas de metal de transición 910 sobre el sustrato de crecimiento 920. En algunas de estas realizaciones, un catalizador estratificado puede promover la adhesión a la superficie del sustrato, al tiempo que disminuye la adhesión de la nanoestructura de carbono a la nanopartícula.

Aunque las FIGURAS 9 y 10 han representado el crecimiento de nanoestructuras de carbono como teniendo lugar con crecimiento basal desde el catalizador, el experto en la materia reconocerá que son posibles otras formas mecanísticas de crecimiento de nanoestructuras de carbono. Por ejemplo, el crecimiento de la nanoestructura de carbono también puede tener lugar de tal manera que el catalizador resida distal al sustrato de crecimiento en la superficie de la nanoestructura de carbono(es decir,crecimiento de la punta) o en algún lugar entre el crecimiento de la punta y el crecimiento basal. En algunas realizaciones, el crecimiento predominantemente basal puede seleccionarse para ayudar a la eliminación de la nanoestructura de carbono del sustrato de crecimiento.

En realizaciones alternativas, la eliminación de la nanoestructura de carbono del sustrato de crecimiento puede tener lugar mediante un proceso distinto del cizallamiento fluido o el cizallamiento mecánico. En algunas realizaciones, se puede utilizar el grabado químico para eliminar la nanoestructura de carbono del sustrato de crecimiento. En algunas realizaciones, el catalizador de nanopartículas de metales de transición utilizado para promover el crecimiento de la nanoestructura de carbono puede ser una sal de metal de transición que contiene un anión que se selecciona para grabar el sustrato de crecimiento, facilitando así la eliminación de la nanoestructura de carbono. Los aniones grabadores adecuados pueden incluir, por ejemplo, cloruros, sulfatos, nitratos, nitritos, y fluoruros. En algunas o en otras realizaciones, puede emplearse un grabado químico independientemente de la elección del catalizador. Por ejemplo, cuando se emplea un sustrato de vidrio, puede utilizarse un grabado con fluoruro de hidrógeno para debilitar la adherencia de la nanoestructura de carbono y/o el catalizador de nanopartículas de metales de transición al sustrato.

Las nanoestructuras de carbono divulgadas en el presente documento comprenden nanotubos de carbono (CNT) en una red que tiene una morfología estructural compleja, que se ha descrito con más detalle en el presente documento. Sin estar sujetos a ninguna teoría o mecanismo, se cree que esta compleja morfología estructural es el resultado de la preparación de la nanoestructura de carbono sobre un sustrato en condiciones de crecimiento de CNT que producen una rápida velocidad de crecimiento del orden de varias micras por segundo. La rápida velocidad de crecimiento de los CNT, unida a la proximidad de unos CNT a otros, puede conferir a los CNT la ramificación, el entrecruzamiento y los motivos de pared compartidos que se han observado. A continuación, se describen las técnicas para producir una nanoestructura de carbono unida a un sustrato de fibra. En aras de la simplicidad, en el debate se puede hacer referencia a la nanoestructura de carbono dispuesta sobre el sustrato indistintamente como CNT, ya que los CNT representan el principal componente estructural de las nanoestructuras de carbono.

En algunas realizaciones, los procesos divulgados en el presente documento pueden aplicarse a materiales de fibra nacientes generados de novo antes de, o en lugar de, la aplicación de una solución de encolado típica al material de fibra. Alternativamente, los procesos aquí divulgados pueden utilizar un material de fibra comercial, por ejemplo, un cabo, que ya tiene un apresto aplicado a su superficie. En tales realizaciones, el apresto puede eliminarse para proporcionar una interfaz directa entre el material de fibra y la nanoestructura de carbono sintetizada, aunque un catalizador de nanopartículas de metales de transición puede servir de enlace intermedio entre ambos. Tras la síntesis de la nanoestructura de carbono, pueden aplicarse otros agentes de encolado al material de fibra, según se desee. A efectos del aislamiento de nanoestructuras de carbono, puede emplearse cualquiera de los aprestos o recubrimientos mencionados para facilitar el proceso de aislamiento. Los sustratos igualmente adecuados para formar una nanoestructura de carbono incluyen cintas, láminas e incluso formas tridimensionales que pueden utilizarse para proporcionar un producto de nanoestructura de carbono con forma. Los procesos descritos en el presente documento permiten la producción continua de CNT que conforman la red de nanoestructuras de carbono que tienen una longitud y distribución uniformes a lo largo de longitudes enrollables de cabo, cintas, tejidos y otras estructuras tejidas en 3D.

Tal como se utiliza en el presente documento, el término "material de fibra" se refiere a cualquier material que tenga fibra como componente estructural elemental. El término abarca fibras, filamentos, hilos, cabos, cintas, telas tejidas y no tejidas, capas, esteras, y similares.

Tal como se utiliza en el presente documento, el término "dimensiones bobinables" se refiere a materiales de fibra que tienen al menos una dimensión que no está limitada en longitud, permitiendo que el material se almacene en una bobina o mandril. Los procesos descritos en el presente documento pueden funcionar fácilmente con bobinas de 5 a 20 libras, aunque se pueden utilizar bobinas más grandes. Además, puede incorporarse una operación de preprocesado que divida longitudes de bobina muy grandes, por ejemplo, de 100 libras o más, en dimensiones fáciles de manejar, como dos bobinas de 50 libras.

Tal como se utiliza en el presente documento, el término "nanotubo de carbono" (CNT, plural CNTs) se refiere a cualquiera de una serie de alótropos de carbono de forma cilíndrica de la familia de los fullerenos incluyendo nanotubos de carbono de pared simple (SWNTs), nanotubos de carbono de pared doble (DWNTs), nanotubos de carbono de pared múltiple (MWNTs). Los CNT pueden estar recubiertos por una estructura similar al fullereno o ser de extremo abierto. Los CNT incluyen los que encapsulan otros materiales. Los CNT pueden aparecer en redes ramificadas, redes enredadas y combinaciones de las mismas. Los CNT preparados en el sustrato dentro de la nanoestructura de carbono pueden incluir motivos CNT individuales de MWNTs, SWNTs o DWNTs exclusivos, o la nanoestructura de carbono puede incluir mezclas de CNT de estos motivos.

Tal como se utiliza en el presente documento "uniforme en longitud" se refiere a una longitud media de los CNTs cultivados en un reactor para producir una nanoestructura de carbono. "Longitud uniforme" significa que los CNTs tienen longitudes con tolerancias de más o menos aproximadamente el 20% de la longitud total del CNT o menos, para longitudes de CNT que varían entre aproximadamente 1 micra y aproximadamente 500 micras. En longitudes muy cortas, como de 1-4 micras, este error puede estar comprendido entre aproximadamente más o menos el 20% de la longitud total del CNT hasta aproximadamente más o menos 1 micra, es decir, algo más de aproximadamente el 20% de la longitud total del CNT En el contexto de la nanoestructura de carbono, al menos una dimensión de la nanoestructura de carbono puede controlarse mediante la longitud de los CNTs cultivados.

Tal como se utiliza en el presente documento "uniforme en la distribución" se refiere a la consistencia de la densidad de los CNTs en un sustrato de crecimiento, tal como un material de fibra. "Distribución uniforme" significa que los CNTs tienen una densidad en el material de la fibra con tolerancias de más o menos un 10% de cobertura, definida como el porcentaje de la superficie de la fibra cubierta por CNTs. Esto equivale a ±1.500 CNTs/pm2 para un CNT de 8 nm de diámetro con 5 paredes. Esta cifra supone que el espacio interior de los CNT es rellenable.

Tal como se utiliza en el presente documento, el término "metal de transición" se refiere a cualquier elemento o aleación de elementos del bloque d de la tabla periódica. El término "metal de transición" también incluye formas salinas del elemento metálico de transición base, como óxidos, carburos, nitruros y similares.

Tal como se utiliza en el presente documento, el término "nanopartícula" o NP (plural NPs), o equivalentes gramaticales de los mismos se refiere a partículas de tamaño entre aproximadamente 0,1 y aproximadamente 100 nanómetros de diámetro esférico equivalente, aunque las NPs no necesitan tener forma esférica. Las NPs de metales de transición, en particular, pueden servir como catalizadores para el crecimiento de CNT en los materiales de fibra.

Tal como se utiliza en el presente documento, el término "agente de encolado", "agente de encolado de fibras", o simplemente "encolado", se refiere colectivamente a materiales utilizados en la fabricación de fibras como recubrimiento para proteger la integridad de las fibras, proporcionar interacciones interfaciales mejoradas entre una fibra y un material matriz en un compuesto, y/o alterar y/o mejorar propiedades físicas particulares de una fibra.

Tal como se utiliza en el presente documento, el término "tiempo de residencia del material" se refiere a la cantidad de tiempo que un punto discreto a lo largo de un material de fibra de dimensiones enrollables está expuesto a las condiciones de crecimiento de CNT durante los procesos de CNS descritos en el presente documento. Esta definición incluye el tiempo de residencia cuando se emplean múltiples cámaras de crecimiento de CNT.

Tal como se utiliza en el presente documento, el término "velocidad de línea" se refiere a la velocidad a la que un material de fibra de dimensiones enrollables se alimenta a través de los procesos de síntesis de CNT descritos en el presente documento, donde la velocidad de línea es una velocidad determinada dividiendo la longitud de la(s) cámara(s) de CNT por el tiempo de residencia del material.

En algunas realizaciones, el material de fibra cargado con CNT incluye un material de fibra de dimensiones enrollables y nanotubos de carbono (CNTs) en forma de una nanoestructura de carbono cultivada en el material de fibra.

Sin estar obligado por ninguna teoría o mecanismo, las NPs de metales de transición, que sirven como catalizador de formación de CNT, pueden catalizar el crecimiento de CNT formando una estructura semilla de crecimiento de CNT. En una realización, el catalizador formador de CNT puede permanecer en la base del material de la fibra(es decir,crecimiento basal). En tal caso, la estructura semilla formada inicialmente por el catalizador de nanopartículas de metales de transición es suficiente para el crecimiento continuado no catalizado de CNT sembrados sin permitir que el catalizador se desplace a lo largo del borde de ataque del crecimiento de CNT(es decir,crecimiento de la punta). En tal caso, el NP sirve de punto de unión del CNS al material fibroso.

Se proporcionan composiciones que tienen materiales de fibra cargados con CNS en los que los CNT son sustancialmente uniformes en longitud. En el proceso continuo descrito en el presente documento, el tiempo de residencia del material de fibra en una cámara de crecimiento de CNT puede modularse para controlar el crecimiento de CNT y, en última instancia, la longitud de CNT y CNS. Estas características permiten controlar las propiedades específicas de los CNT cultivados y, por tanto, las propiedades del CNS. La longitud de los CNT también puede controlarse modulando los caudales de la materia prima de carbono y del gas portador, así como la temperatura de reacción. Se puede obtener un control adicional de las propiedades de los CNT modulando, por ejemplo, el tamaño del catalizador utilizado para preparar los CNT. Por ejemplo, pueden utilizarse catalizadores de nanopartículas de metales de transición de 1 nm para obtener SWNTs en particular. Se pueden utilizar catalizadores más grandes para preparar principalmente MWNT

Además, los procesos de crecimiento de CNT empleados son útiles para proporcionar un material de fibra cargado de CNS con CNT uniformemente distribuidos, evitando al mismo tiempo la agrupación y/o agregación de los CNT que puede producirse en procesos en los que los CNT preformados se suspenden o dispersan en un medio disolvente y se aplican a mano al material de fibra. En algunas realizaciones, la densidad de distribución máxima, expresada como porcentaje de cobertura, es decir, el área de superficie de material de fibra que está cubierta puede ser tan alta como aproximadamente 55% suponiendo CNTs de aproximadamente 8 nm de diámetro con 5 paredes. Esta cobertura se calcula considerando el espacio interior de los CNT como espacio "rellenable". Se pueden conseguir distintos valores de distribución/densidad variando la dispersión del catalizador en la superficie, así como controlando la composición del gas y la velocidad del proceso. Normalmente, para un conjunto determinado de parámetros, se puede conseguir un porcentaje de cobertura de alrededor del 10% en toda la superficie de una fibra. Los CNT de mayor densidad y más cortos(por ejemplo,de menos de aproximadamente 100 micras de longitud) pueden ser útiles para mejorar las propiedades mecánicas, mientras que los CNT más largos(por ejemplo,de más de aproximadamente 100 micras de longitud) con menor densidad pueden ser útiles para mejorar las propiedades térmicas y eléctricas, aunque el aumento de la densidad aún puede ser favorable. Cuando se cultivan CNTs más largos, la densidad puede ser menor. Esto puede deberse a que las temperaturas más elevadas y el crecimiento más rápido provocan un menor rendimiento de las partículas de catalizador.

Los materiales de fibra cargados con CNS pueden incluir un material de fibra tal como filamentos, un hilo de fibra, un cabo de fibra, una trenza de fibra, una tela tejida, una estera de fibra no tejida, una capa de fibra, y otras estructuras tejidas en 3D. Los filamentos incluyen fibras de alta relación de aspecto cuyos diámetros oscilan entre aproximadamente 1 micra a aproximadamente 100 micras. Las trenzas de fibras son generalmente haces de filamentos asociados de forma compacta y suelen retorcerse entre sí para dar lugar a los hilos.

Los hilos incluyen haces de filamentos retorcidos estrechamente asociados. El diámetro de cada filamento de un hilo es relativamente uniforme. Los hilos tienen pesos variables descritos por su "tex", expresado como peso en gramos de 1.000 metros lineales, o denier, expresado como peso en libras de 10.000 yardas, con un intervalo típico de tex que suele estar entre aproximadamente 200 tex a aproximadamente 2.000 tex.

Los cabos incluyen haces de filamentos no retorcidos asociados de forma laxa. Al igual que en los hilos, el diámetro de los filamentos de un cabo suele ser uniforme. Los pesos también varían y los tejidos suelen oscilar entre 200 y 2.000 tex. Con frecuencia se caracterizan por el número de miles de filamentos en el cabo, por ejemplo, 12K cabo, 24K cabo, 48K cabo, y similares.

Las cintas son materiales que pueden ensamblarse como tejidos o pueden representar cabos aplanados no tejidos. Las cintas pueden variar en anchura y suelen ser estructuras de dos caras similares a la cinta. La infusión de CNT puede tener lugar en una o ambas caras de la cinta. Las cintas cargadas de CNS pueden parecer una "alfombra" o un "bosque" sobre una superficie de sustrato plana. Sin embargo, el CNS puede distinguirse fácilmente de los bosques de CNT alineados convencionales debido al grado significativamente mayor de ramificación y reticulación que se produce en la morfología estructural del CNS. Una vez más, los procesos descritos en el presente documento pueden realizarse en modo continuo para funcionalizar carretes de cinta.

Los trenzados de fibras representan estructuras similares a cuerdas de fibras densamente empaquetadas. Tales estructuras pueden ensamblarse a partir de hilos, por ejemplo. Las estructuras trenzadas pueden incluir una porción hueca o una estructura trenzada puede ensamblarse sobre otro material de núcleo.

Los CNT prestan sus propiedades características tales como resistencia mecánica, resistividad eléctrica de baja a moderada, alta conductividad térmica y similares al material de fibra cargado con CNS. Por ejemplo, en algunas realizaciones, la resistividad eléctrica de un material de fibra cargado con nanotubos de carbono es inferior a la resistividad eléctrica de un material de fibra original. Del mismo modo, tales propiedades pueden trasladarse al CNS aislado. En términos más generales, el grado en que la fibra cargada de CNS resultante expresa estas características puede ser una función del grado y la densidad de cobertura de la fibra por los nanotubos de carbono. Cualquier cantidad de la superficie de la fibra, desde 0-55% de la fibra puede ser cubierta asumiendo un MWNT de 8 nm de diámetro y 5 paredes (de nuevo este cálculo cuenta el espacio dentro de los CNTs como rellenable). Este número es menor para los CNT de menor diámetro y mayor para los de mayor diámetro. Una cobertura del 55% de la superficie equivale a aproximadamente 15.000 CNTs/micrón2. Se pueden conferir otras propiedades de los CNT al material de fibra en función de la longitud de los CNT, como se ha descrito anteriormente. Los CNT dentro de la nanoestructura de carbono pueden variar en longitud entre aproximadamente 1 micra a aproximadamente 500 micras, incluyendo aproximadamente 1 micra, aproximadamente 2 micras, aproximadamente 3 micras, aproximadamente 4 micras, aproximadamente 5, micras, aproximadamente 6, micras, aproximadamente 7 micras, aproximadamente 8 micras, aproximadamente 9 micras, aproximadamente 10 micras, aproximadamente 15 micras, aproximadamente 20 micras, aproximadamente 25 mieras, aproximadamente 30 mieras, aproximadamente 35 mieras, aproximadamente 40 mieras, aproximadamente 45 mieras, aproximadamente 50 mieras, aproximadamente 60 mieras, aproximadamente 70 mieras, aproximadamente 80 mieras, aproximadamente 90 mieras, aproximadamente 100 mieras, aproximadamente 150 mieras, aproximadamente 200 mieras, aproximadamente 250 mieras, aproximadamente 300 mieras, aproximadamente 350 mieras, aproximadamente 400 mieras, aproximadamente 450 mieras, aproximadamente 500 mieras, y todos los valores y subintervalos intermedios. Los CNT también pueden tener menos de aproximadamente 1 miera de longitud, ineluyendo aproximadamente 0,5 mieras, por ejemplo. Los CNT también pueden tener más de 500 mieras, ineluyendo, por ejemplo, aproximadamente 510 mieras, aproximadamente 520 mieras, aproximadamente 550 mieras, aproximadamente 600 mieras, aproximadamente 700 mieras y todos los valores y subintervalos intermedios. Se entenderá que tales longitudes tienen en euenta la preseneia de retieulaeión y ramifieaeión y, por lo tanto, la longitud puede ser la longitud eompuesta medida desde la base del sustrato de ereeimiento hasta los bordes del CNS.

Los CNS deseritos en el presente doeumento también pueden ineorporar CNT tienen una longitud de aproximadamente 1 miera a aproximadamente 10 mieras. Estas longitudes de CNT pueden ser útiles en aplieaeiones para aumentar la resisteneia al eizallamiento. Los CNT también pueden tener una longitud de aproximadamente 5 a aproximadamente 70 mieras. Estas longitudes de CNT pueden ser útiles en aplieaeiones para aumentar la resisteneia a la traeeión si los CNT están alineados en la direeeión de la fibra. Los CNT también pueden tener una longitud de aproximadamente 10 mieras a aproximadamente 100 mieras. Estas longitudes de CNT pueden ser útiles para aumentar las propiedades eléetrieas/térmieas, así eomo las meeánieas. Los CNT eon una longitud de aproximadamente 100 mieras a aproximadamente 500 mieras también pueden ser benefieiosos para aumentar las propiedades eléetrieas y térmieas. Este eontrol de la longitud de los CNT se eonsigue fáeilmente mediante la modulaeión de la materia prima de earbono y los eaudales de gas inerte, junto eon la variaeión de la veloeidad de las líneas y las temperaturas de ereeimiento.

En algunas realizaeiones, las eomposieiones que ineluyen longitudes enrollables de materiales de fibra eargados eon CNS pueden tener varias regiones uniformes eon diferentes longitudes de CNTs. Por ejemplo, puede ser deseable tener una primera porción de material de fibra eargado de CNS eon longitudes de CNT uniformemente más eortas para mejorar las propiedades de resisteneia al eizallamiento, y una segunda porción del mismo material enrollable eon una longitud de CNT uniformemente más larga para mejorar las propiedades eléetrieas o térmieas.

Los proeesos para el ereeimiento rápido de CNT sobre materiales de fibra permiten el eontrol de las longitudes de CNT eon uniformidad en proeesos eontinuos eon materiales de fibra enrollables. Con tiempos de permaneneia del material entre 5 s 300 segundos, la veloeidad de las líneas en un proeeso eontinuo para un sistema de 3 pies de largo puede estar en un intervalo aproximadamente 0,5 pies/min a aproximadamente 36 pies/min y mayor. La veloeidad seleeeionada depende de varios parámetros que se expliean más adelante.

En algunas realizaeiones, un tiempo de resideneia del material de aproximadamente 5 segundos a aproximadamente 30 segundos puede produeir CNT que tienen una longitud entre aproximadamente 1 miera a aproximadamente 10 mieras. En algunas realizaeiones, un tiempo de resideneia del material de unos 30 segundos a unos 180 segundos puede produeir CNT que tengan una longitud de entre aproximadamente 10 mieras a aproximadamente 100 mieras. En otras realizaeiones, un tiempo de resideneia del material de aproximadamente 180 segundos a aproximadamente 300 segundos puede produeir CNT eon una longitud de aproximadamente 100 mieras a aproximadamente 500 mieras. Un experto en la materia reeonoeerá que estos intervalos son aproximados y que la longitud de los CNT también puede modularse mediante las temperaturas de reaeeión, y las eoneentraeiones y eaudales del portador y de la materia prima de earbono.

En algunas realizaeiones, los proeesos eontinuos para el ereeimiento de CNS pueden ineluir (a) disponer un eatalizador formador de nanotubos de earbono sobre una superfieie de un material de fibra de dimensiones enrollables; y (b) sintetizar nanotubos de earbono direetamente sobre el material de fibra, formando así un material de fibra eargado eon CNS. Para un sistema de 9 pies de largo, la veloeidad de línea del proeeso puede oseilar entre aproximadamente1,5 pies/min a aproximadamente 108 pies/min. Las veloeidades de línea aleanzadas por el proeeso aquí deserito permiten la formaeión de eantidades eomereialmente relevantes de materiales de fibra eargados de CNS eon tiempos de produeeión eortos. Por ejemplo, a una veloeidad de línea de 36 pies/min, las eantidades de fibras eargadas de CNS (más del 5% de CNT en fibra por peso) pueden superar las 100 libras o más de material produeido al día en un sistema diseñado para proeesar simultáneamente 5 hileras separadas (20 libras/eabo). Los sistemas pueden fabriearse para produeir más eabos a la vez o a mayor veloeidad repitiendo las zonas de ereeimiento.

Como se deseribe más adelante, el eatalizador puede prepararse eomo una solueión líquida que eontiene eatalizador formador de CNT que eontiene nanopartíeulas de metales de transieión. Los diámetros de los nanotubos sintetizados están relaeionados eon el tamaño de las nanopartíeulas de metales de transieión, eomo se ha deserito anteriormente. En algunas realizaeiones, las dispersiones eomereiales de eatalizadores de nanopartíeulas de metales de transieión formadores de CNT están disponibles y pueden utilizarse sin dilución, y en otras realizaciones las dispersiones comerciales de catalizador pueden diluirse. La dilución de dichas soluciones puede depender de la densidad y longitud deseadas de los CNT que se vayan a cultivar, tal como se ha descrito anteriormente.

La síntesis de nanotubos de carbono puede basarse en un proceso de deposición química en fase vapor (CVD) y se produce a temperaturas elevadas. La temperatura específica depende de la elección del catalizador, pero normalmente oscila aproximadamente 500 °C a aproximadamente 1.000 °C. Esta operación consiste en calentar el material de fibra a una temperatura comprendida en el intervalo mencionado para favorecer la síntesis de nanotubos de carbono.

A continuación, se lleva a cabo el crecimiento de nanotubos promovido por CVD sobre el material de fibra cargado con catalizador. El proceso CVD puede ser promovido, por ejemplo, por un gas de alimentación que contenga carbono, como acetileno, etileno, metano y/o propano. Los procesos de síntesis de CNT utilizan generalmente un gas inerte (nitrógeno, argón, helio) como gas portador primario. La materia prima de carbono se proporciona generalmente en un intervalo de entre aproximadamente 0% a aproximadamente 50% de la mezcla total. Se prepara un entorno sustancialmente inerte para el crecimiento CVD eliminando la humedad y el oxígeno de la cámara de crecimiento.

La operación de disponer un catalizador sobre el material de fibra puede realizarse mediante pulverización o recubrimiento por inmersión de una solución o mediante deposición en fase gaseosa a través de, por ejemplo, un proceso de plasma. Así, en algunas realizaciones, después de formar una solución de un catalizador en un disolvente, el catalizador puede aplicarse mediante pulverización o recubrimiento por inmersión del material de fibra con la solución, o combinaciones de pulverización y recubrimiento por inmersión. Cualquiera de las dos técnicas, utilizadas solas o combinadas, pueden emplearse una, dos, tres, cuatro veces, hasta cualquier número de veces para obtener un material de fibra que esté recubierto de manera suficientemente uniforme con catalizador formador de CNT. Cuando se emplea el recubrimiento por inmersión, por ejemplo, un material de fibra puede colocarse en un primer baño de inmersión durante un primer tiempo de permanencia en el primer baño de inmersión. Cuando se emplea un segundo baño de inmersión, el material de fibra puede colocarse en el segundo baño de inmersión durante un segundo tiempo de permanencia. Por ejemplo, los materiales de fibra pueden someterse a una solución de catalizador formador de CNT durante un tiempo comprendido entre aproximadamente 3 segundos a aproximadamente 90 segundos, dependiendo de la configuración de inmersión y la velocidad de las líneas. Empleando procesos de recubrimiento por pulverización o inmersión, un material de fibra con una densidad superficial de catalizador de menos de aproximadamente el 5% de cobertura superficial hasta tan alta como aproximadamente el 80% de cobertura, en la que las nanopartículas de catalizador formadoras de CNT son casi monocapa. En algunas realizaciones, el proceso de recubrimiento del catalizador formador de CNT sobre el material de fibra no debe producir más que una monocapa. Por ejemplo, el crecimiento de CNT en una pila de catalizador formador de CNT puede erosionar el grado de infusión del CNT al material de la fibra. En otras realizaciones, el catalizador de metal de transición puede depositarse sobre el material de fibra mediante técnicas de evaporación, técnicas de deposición electrolítica, y otros procesos de deposición, como la adición del catalizador de metal de transición a un gas de alimentación de plasma como un metal orgánico, sal metálica u otra composición que promueva el transporte en fase gaseosa.

Debido a que los procesos para el crecimiento de nanoestructuras de carbono están diseñados para ser continuos, un material de fibra bobinable puede ser recubierto por inmersión en una serie de baños donde los baños de recubrimiento por inmersión están separados espacialmente. En los procesos continuos en los que las fibras nacientes se generan de novo, el baño de inmersión o la pulverización del catalizador formador de CNT puede ser el primer paso. En otras realizaciones, el catalizador de formación de CNT puede aplicarse a fibras recién formadas en presencia de otros agentes de encolado. Dicha aplicación simultánea de catalizador formador de CNT y otros agentes de apresto puede proporcionar el catalizador formador de CNT en la superficie del apresto sobre el material de fibra para crear un revestimiento de CNT mal adherido.

La solución catalizadora empleada puede ser una nanopartícula de metal de transición que puede ser cualquier metal de transición de bloque d, como se ha descrito anteriormente. Además, las nanopartículas pueden incluir aleaciones y mezclas no aleadas de metales de bloque d en forma elemental o en forma de sal, y mezclas de los mismos. Tales formas de sal incluyen, sin limitación, óxidos, carburos, acetatos, y nitruros. Entre las nanopartículas de metales de transición no limitantes se incluyen Ni, Fe, Co, Mo, Cu, Pt, Au y Ag, así como sus sales y mezclas. En algunas realizaciones, dichos catalizadores de formación de CNT se disponen sobre la fibra aplicando o infundiendo un catalizador de formación de CNT directamente sobre el material de la fibra simultáneamente con la deposición del revestimiento de barrera. Muchos de estos catalizadores de metales de transición están disponibles en el mercado a través de diversos proveedores, como Sigma Aldrich (St. Louis, MO) o Ferrotec Corporation (Bedford, NH).

Las soluciones catalizadoras utilizadas para aplicar el catalizador formador de CNT al material de fibra pueden estar en cualquier disolvente común que permita que el catalizador formador de CNT se disperse uniformemente en todo el material. Tales disolventes pueden incluir, sin limitación, agua, acetona, hexano, alcohol isopropílico, tolueno, etanol, metanol, tetrahidrofurano (THF), ciclohexano o cualquier otro disolvente con polaridad controlada para crear una dispersión adecuada de las nanopartículas catalizadores formadoras de CNT Las concentraciones de catalizador formador de CNT pueden oscilar entre 1:1 y 1:10.000 de catalizador por disolvente. Dichas concentraciones pueden utilizarse también cuando el revestimiento de barrera y el catalizador formador de CNT se aplican simultáneamente.

En algunas realizaciones el calentamiento del material de fibra puede ser a una temperatura que está entre aproximadamente 500°C y aproximadamente 1.000°C para sintetizar nanotubos de carbono después de la deposición del catalizador formador de CNT. El calentamiento a estas temperaturas puede realizarse antes o sustancialmente de forma simultánea a la introducción de una materia prima de carbono para el crecimiento de CNT.

En algunas realizaciones, los procesos para producir una nanoestructura de carbono incluyen eliminar un agente de encolado de un material de fibra, aplicar un revestimiento inhibidor de la adherencia(es decir,un revestimiento antiadherente) conformemente sobre el material de fibra, aplicar un catalizador formador de CNT al material de fibra, calentar el material de fibra a al menos 500°C, y sintetizar nanotubos de carbono sobre el material de fibra. En algunas realizaciones, las operaciones del proceso de crecimiento de CNS pueden incluir la eliminación del apresto de un material de fibra, la aplicación de un revestimiento inhibidor de la adherencia al material de fibra, la aplicación de un catalizador de formación de CNT a la fibra, el calentamiento de la fibra a la temperatura de síntesis de CNT y la realización del crecimiento de CNS promovido por CVD en el material de fibra cargado de catalizador. Así, cuando se emplean materiales de fibra comerciales, los procesos para construir fibras cargadas de CNS pueden incluir un paso discreto de eliminación del apresto del material de fibra antes de disponer el revestimiento inhibidor de la adherencia y el catalizador sobre el material de fibra.

La síntesis de nanotubos de carbono en el material de fibra puede incluir numerosas técnicas para formar nanotubos de carbono, incluyendo las divulgadas en la publicación de solicitud de patente de Estados Unidos en trámite simultáneo N° 2004/0245088, que se incorpora al presente documento por referencia. El CNS cultivado en las fibras puede formarse mediante técnicas como, por ejemplo, microcavidades, técnicas de CVD térmicas o mejoradas por plasma, ablación por láser, descarga de arco y monóxido de carbono a alta presión (HiPCO). En algunas realizaciones, cualquier agente de encolado convencional puede eliminarse antes de la síntesis de CNT. En algunas realizaciones, el gas acetileno puede ionizarse para crear un chorro de plasma de carbono frío para la síntesis de CNT. El plasma se dirige hacia el material de fibra con catalizador. Así, en algunas realizaciones para sintetizar CNS en un material de fibra incluyen (a) formar un plasma de carbono; y (b) dirigir el plasma de carbono sobre el catalizador dispuesto en el material de fibra. Los diámetros de los CNT que crecen vienen dictados por el tamaño del catalizador formador de CNT, tal y como se ha descrito anteriormente. En algunas realizaciones, el material de fibra dimensionada se calienta aproximadamente 550°C a aproximadamente 800°C para facilitar la síntesis de CNS. Para iniciar el crecimiento de los CNT, se introducen dos gases en el reactor: un gas de proceso, como argón, helio, o nitrógeno, y un gas que contiene carbono, como acetileno, etileno, etanol o metano. Los CNT crecen en los sitios del catalizador formador de CNT.

En algunas realizaciones, el crecimiento CVD es potenciado por plasma. Se puede generar un plasma proporcionando un campo eléctrico durante el proceso de crecimiento. Los CNTs cultivados en estas condiciones pueden seguir la dirección del campo eléctrico. Así, ajustando la geometría del reactor, se pueden cultivar nanotubos de carbono alineados verticalmente de forma radial alrededor de una fibra cilíndrica. En algunas realizaciones, no se requiere un plasma para el crecimiento radial sobre la fibra. Para los materiales de fibra que tienen lados distintos, como cintas, esteras, tejidos, capas, y similares, el catalizador puede disponerse en uno o ambos lados y, en consecuencia, los CNT también pueden crecer en uno o ambos lados.

Como se ha descrito anteriormente, la síntesis de CNS puede realizarse a una velocidad suficiente para proporcionar un proceso continuo para funcionalizar materiales de fibra enrollables. Numerosas configuraciones de aparatos facilitan dicha síntesis continua y dan lugar a la compleja morfología del CNS , como se ejemplifica a continuación.

Una configuración para la síntesis continua de CNS implica un reactor de forma óptima (conformado para que coincida con el tamaño y la forma del sustrato) para la síntesis y el crecimiento de nanotubos de carbono directamente sobre materiales de fibra. El reactor puede diseñarse para su uso en un proceso continuo en línea para producir fibras con CNS. En algunas realizaciones, los CNS se pueden cultivar mediante un proceso de deposición química en fase vapor ("CVD") a presión atmosférica y a temperatura elevada en el intervalo de aproximadamente 550°C a aproximadamente 800°C en un reactor multizona. El hecho de que la síntesis se produzca a presión atmosférica es un factor que facilita la incorporación del reactor a una línea de procesamiento continuo para la síntesis de CNS en fibra. Otra ventaja consistente con el procesamiento continuo en línea utilizando un reactor zonificado de este tipo es que el crecimiento de CNT se produce en cuestión de segundos, en lugar de minutos (o más) como en otros procedimientos y configuraciones de aparatos típicos de la técnica.

Los reactores de síntesis de CNS de acuerdo con las diversas realizaciones incluyen las siguientes características:

Reactores de síntesis de forma óptima: Ajustar el tamaño de la cámara de crecimiento para que se adapte mejor al tamaño del sustrato que la atraviesa mejora la velocidad de reacción y la eficacia del proceso al reducir el volumen total del recipiente de reacción. La sección transversal de la cámara de crecimiento de forma óptima puede mantenerse por debajo de una relación de volumen de cámara a sustrato de 10.000. En algunas realizaciones, la sección transversal de la cámara se mantiene a una relación de volumen inferior a 1.000. En otras realizaciones, la sección transversal de la cámara se mantiene a una relación de volumen inferior a 500.

Aunque los procesos de deposición gaseosa, como el CVD, se rigen típicamente sólo por la presión y la temperatura, el volumen tiene un impacto significativo en la eficiencia de la deposición. Al adaptar la forma del sustrato a la cámara de crecimiento, hay más posibilidades de que se produzcan reacciones productivas de formación de CNS. Debe apreciarse que, en algunas realizaciones, el reactor de síntesis tiene una sección transversal que se describe mediante formas poligonales de acuerdo con la forma del sustrato sobre el que se cultiva el CNS para proporcionar una reducción del volumen del reactor. En algunas realizaciones, el gas puede ser introducido en el centro del reactor o dentro de una zona de crecimiento objetivo, simétricamente, ya sea a través de los lados o a través de las placas superior e inferior del reactor. Esto mejora la tasa global de crecimiento de CNT porque el gas de alimentación entrante se repone continuamente en la parte más caliente del sistema, que es donde el crecimiento de CNT es más activo. Esta reposición constante de gas es un aspecto importante para el aumento de la velocidad de crecimiento que muestran los reactores de CNT conformados.

Zonificación: Las cámaras que proporcionan una zona de purga relativamente fría dependen de ambos extremos del reactor de síntesis. Los solicitantes han determinado que si el gas caliente se mezclara con el ambiente externo(es decir,fuera del reactor), se produciría un aumento de la degradación de la mayoría de los materiales de fibra. Las zonas frías de purga proporcionan un tampón entre el sistema interno y los entornos externos. Las configuraciones típicas de los reactores de síntesis de CNT conocidos en la técnica suelen requerir que el sustrato se enfríe cuidadosa (y lentamente). La zona de purga fría a la salida del presente reactor de crecimiento CNS consigue el enfriamiento en un corto periodo de tiempo, tal y como se requiere para el procesado continuo en línea.

Reactor metálico de pared caliente, sin contacto: En algunas realizaciones, puede emplearse un reactor de paredes calientes de metal, en particular de acero inoxidable. Esto puede parecer contraintuitivo porque el metal, y el acero inoxidable en particular, es más susceptible a la deposición de carbono(es decir,formación de hollín y subproductos). Así, la mayoría de las configuraciones de reactores de CNT utilizan reactores de cuarzo porque hay menos carbono depositado, el cuarzo es más fácil de limpiar y el cuarzo facilita la observación de las muestras.

Sin embargo, se ha observado que el aumento de la deposición de hollín y carbono sobre el acero inoxidable da lugar a un crecimiento de CNT más consistente, rápido, eficiente y estable. Sin estar limitado por la teoría, se ha indicado que, junto con el funcionamiento atmosférico, el proceso de CVD que tiene lugar en el reactor está limitado por la difusión. Es decir, el catalizador está "sobrealimentado"; hay demasiado carbono disponible en el sistema del reactor debido a su presión parcial relativamente más alta (que si el reactor funcionara con vacío parcial). Como consecuencia, en un sistema abierto -especialmente en uno limpio- puede adherirse demasiado carbono a las partículas del catalizador, comprometiendo su capacidad para sintetizar CNTs. En algunas realizaciones, el reactor rectangular se hace funcionar intencionadamente cuando el reactor está "sucio", es decir, con hollín depositado en las paredes metálicas del reactor. Una vez que el carbono se deposita hasta formar una monocapa en las paredes del reactor, el carbono se depositará fácilmente sobre sí mismo. Como parte del carbono disponible se "retira" debido a este mecanismo, el carbono restante de la materia prima, en forma de radicales, reacciona con el catalizador a un ritmo que no envenena el catalizador. Los sistemas existentes funcionan de forma "limpia", lo que, si se abrieran al procesamiento continuo, produciría un rendimiento mucho menor de CNTs con tasas de crecimiento reducidas.

Aunque generalmente es beneficioso realizar la síntesis de CNT "sucia" como se ha descrito anteriormente, ciertas porciones del aparato, tales como colectores y entradas de gas, pueden no obstante impactar negativamente en el proceso de crecimiento de CNT cuando el hollín crea obstrucciones. Para combatir este problema, estas zonas de la cámara de reacción de crecimiento de CNT pueden protegerse con recubrimientos inhibidores del hollín, como sílice, alúmina, o MgO. En la práctica, estas partes del aparato pueden recubrirse por inmersión con estos recubrimientos inhibidores del hollín. Metales como el INVAR® pueden utilizarse con estos revestimientos, ya que el INVAR tiene un CET (coeficiente de expansión térmica) similar que garantiza la correcta adherencia del revestimiento a temperaturas más elevadas, evitando que el hollín se acumule de forma significativa en las zonas críticas.

En algunas realizaciones, la cámara de reacción puede comprender SiC, alúmina, o cuarzo como materiales primarios de la cámara porque no reaccionan con los gases reactivos de la síntesis de CNS. Esta característica permite aumentar la eficacia y mejora la operatividad durante largos periodos de funcionamiento.

Reducción Catalítica Combinada y síntesis de CNS. En el reactor de síntesis de CNT, tanto la reducción del catalizador como el crecimiento de CNS pueden producirse dentro del reactor. Esta característica es significativa porque la operación de reducción no puede realizarse con la suficiente rapidez para su uso en un proceso continuo si se realiza como una operación discreta. En los procesos típicos de síntesis de nanotubos de carbono, la reducción del catalizador suele tardar entre 1-12 horas. En la síntesis de una nanoestructura de carbono según las realizaciones aquí descritas, tanto la reducción del catalizador como la síntesis de CNS se producen en el reactor, al menos en parte, debido al hecho de que el gas de alimentación de carbono se introduce en el centro del reactor, y no en el extremo como se haría típicamente utilizando reactores cilíndricos. El proceso de reducción se produce cuando las fibras entran en la zona calentada; en este punto, el gas ha tenido tiempo de reaccionar con las paredes y enfriarse antes de reaccionar con el catalizador y provocar la oxidación-reducción (mediante interacciones de radicales de hidrógeno). Es en esta región de transición donde se produce la reducción. En la zona isotérmica más caliente del sistema se produce el crecimiento del CNS, y la mayor tasa de crecimiento se produce en las proximidades de las entradas de gas, cerca del centro del reactor.

En algunas realizaciones, cuando se emplean materiales de fibra débilmente afiliados, tales como cabo, el proceso continuo puede incluir operaciones que extienden las hebras y/o filamentos del cabo. Así, a medida que se desenrolla un cabo, puede extenderse utilizando un sistema de extensión de fibras basado en vacío, por ejemplo. Cuando se emplean fibras de tamaño, que pueden ser relativamente rígidas, se puede emplear un calentamiento adicional para "ablandar" el cabo y facilitar la extensión de la fibra. Las fibras extendidas que comprenden filamentos individuales pueden separarse lo suficiente como para exponer una superficie completa de los filamentos, permitiendo así que el cabo reaccione más eficientemente en los pasos posteriores del proceso. Tal esparcimiento puede aproximarse entre aproximadamente 4 pulgadas a aproximadamente 6 pulgadas de ancho para un cabo de 3k. El cabo extendida puede pasar por una etapa de tratamiento de superficie que se compone de un sistema de plasma como el descrito anteriormente. Una vez aplicada y desbastada una capa de barrera, las fibras extendidas pueden pasar por un baño de inmersión en catalizador formador de CNT. El resultado son fibras de cabo que tienen partículas de catalizador distribuidas radialmente en su superficie. A continuación, los cabos cargados de catalizador entran en una cámara de crecimiento de CNT adecuada, como la cámara de forma óptima descrita anteriormente, donde se utiliza un proceso de CVD o PE-CVD a presión atmosférica para sintetizar los CNS a velocidades de hasta varias micras por segundo. Las fibras del cabo, ahora con CNT alineados radialmente en la forma de la morfología CNS, salen del reactor de crecimiento de CNT.

En algunas realizaciones, los materiales de fibra cargados con CNS pueden pasar por otro proceso de tratamiento más antes del aislamiento que, en algunas realizaciones es un proceso de plasma utilizado para funcionalizar el CNS. Se puede utilizar una funcionalización adicional de los CNS para favorecer su adhesión a determinadas resinas. Así, en algunas realizaciones, los procesos pueden proporcionar materiales de fibra cargados con CNS que tengan CNS funcionalizado. Completar este proceso de funcionalización mientras los CNS aún están en la fibra puede mejorar la uniformidad del tratamiento.

En algunas realizaciones, un proceso continuo para el cultivo de CNS en materiales de fibra enrollable puede alcanzar una velocidad de línea entre aproximadamente 0,5 pies/min a aproximadamente 36 pies/min. En esta realización, en la que la cámara de crecimiento de CNT tiene 3 pies de largo y funciona a una temperatura de crecimiento de 750 °C, el proceso puede ejecutarse con una velocidad de línea de aproximadamente 6 pies/min a aproximadamente 36 pies/min para producir, por ejemplo, CNT con una longitud de entre aproximadamente 1 micra a aproximadamente 10 micras. El proceso también puede ejecutarse con una velocidad de línea de aproximadamente 1 pie/min a aproximadamente 6 pies/min para producir, por ejemplo, CNT con una longitud de entre aproximadamente 10 micras a aproximadamente 100 micras. El proceso puede realizarse con una velocidad de línea de entre 0,5 pies/min a 1 pie/min para producir, por ejemplo, CNT con una longitud de entre aproximadamente 100 micras a aproximadamente 200 micras. La longitud de los CNT no depende únicamente de la velocidad de las líneas y de la temperatura de crecimiento, sino que la velocidad de flujo tanto de la materia prima de carbono como de los gases portadores inertes también puede influir en la longitud de los CNT Por ejemplo, un flujo consistente en menos del 1% de materia prima de carbono en gas inerte a velocidades de línea elevadas (de 6 pies/min a 36 pies/min) dará como resultado CNT con una longitud de entre 1 micra a aproximadamente 5 micras. Un flujo de más del 1% de materia prima de carbono en gas inerte a velocidades de línea elevadas (de 6 pies/min a 36 pies/min) dará como resultado CNT con una longitud de entre 5 micras y aproximadamente 10 micras.

En algunas realizaciones, más de un material se puede ejecutar simultáneamente a través del proceso. Por ejemplo, varios cabos de cintas, filamentos, hebras y similares pueden pasar por el proceso en paralelo. De este modo, cualquier número de bobinas prefabricadas de material de fibra puede funcionar en paralelo a través del proceso y volver a enrollarse al final del mismo. El número de materiales de fibra en bobina que pueden correr en paralelo puede incluir uno, dos, tres, cuatro, cinco, seis, hasta cualquier número que pueda ser acomodado por el ancho de la cámara de reacción de crecimiento de CNT. Además, cuando múltiples materiales de fibra se ejecutan a través del proceso, el número de bobinas de recogida puede ser menor que el número de bobinas al inicio del proceso. En tales realizaciones, las hebras, cabos o similares pueden enviarse a través de un proceso posterior de combinación de dichos materiales de fibra en materiales de fibra de orden superior, como telas tejidas o similares. El proceso continuo también puede incorporar un picador de postprocesado que facilite la formación de esteras de fibra picada cargadas de CNS, por ejemplo.

El procesamiento continuo puede incluir opcionalmente más química del CNS. Dado que el CNS es una red polimérica de CNTs, todas las químicas asociadas a los CNTs individualizados pueden llevarse a cabo en los materiales del CNS. Estos análisis químicos pueden realizarse en línea con la preparación del CNS o por separado. En algunas realizaciones, el CNS puede modificarse mientras aún está unido al sustrato. Esto puede ayudar a purificar el material del CNS. En otras realizaciones, la química CNS puede llevarse a cabo después de que se retire del sustrato sobre el que se sintetizó. Algunos ejemplos químicos incluyen los descritos en el presente documento anteriormente, además de la fluoración, oxidación, reducción, y similares. En algunas realizaciones, el material CNS puede utilizarse para almacenar hidrógeno. En algunas realizaciones, la estructura CNS puede modificarse uniéndola a otra estructura polimérica para formar un polímero dibloque. En algunas realizaciones, la estructura CNS puede utilizarse como plataforma para la fijación de una biomolécula. En algunas realizaciones, la estructura CNS puede configurarse para ser utilizada como sensor. En algunas realizaciones, la estructura CNS puede incorporarse en un material matriz para formar un material compuesto. En algunas realizaciones, una estructura de CNS puede modificarse con reactivos conocidos para descomprimir los CNT y formar nanoribones de grafeno. Los expertos en la materia pueden reconocer muchas otras químicas y aplicaciones posteriores.

En algunas realizaciones, los procesos permiten sintetizar una primera cantidad de un primer tipo de CNS sobre el material de fibra, en el que el primer tipo de CNS comprende CNTs seleccionados para alterar al menos una primera propiedad del material de fibra. Posteriormente, los procesos permiten sintetizar una segunda cantidad de un segundo tipo de CNS sobre el material de fibra, en el que el segundo tipo de CNS contiene nanotubos de carbono seleccionados para alterar al menos una segunda propiedad del material de fibra.

En algunas realizaciones, la primera cantidad y la segunda cantidad de CNT son diferentes. Esto puede ir acompañado o no de un cambio en el tipo de CNT Así, la variación de la densidad de CNS puede utilizarse para alterar las propiedades del material de la fibra original, aunque el tipo de CNT permanezca inalterado. El tipo de CNT puede incluir la longitud del CNT y el número de paredes, por ejemplo. En algunas realizaciones, la primera y la segunda cantidad son iguales. Si se desean propiedades diferentes a lo largo de dos tramos diferentes del material de fibra, entonces se puede cambiar el tipo de CNT, como la longitud del CNT. Por ejemplo, los CNT más largos pueden ser útiles en aplicaciones eléctricas/térmicas, mientras que los CNTs más cortos pueden ser útiles en aplicaciones de refuerzo mecánico.

La conductividad eléctrica o conductancia específica es una medida de la capacidad de un material para conducir una corriente eléctrica. Los CNT con determinados parámetros estructurales, como el grado de torsión, que se relaciona con la quiralidad del CNT, pueden ser altamente conductores y presentar propiedades metálicas. Se ha formalizado un sistema reconocido de nomenclatura para la quiralidad de los CNT y es reconocido por los expertos en la materia. Así, por ejemplo, los CNTs se distinguen entre sí por un índice doble (n,m), donde n y m son números enteros que describen el corte y la envoltura del grafito hexagonal, de modo que forma un tubo cuando se envuelve sobre la superficie de un cilindro y se sellan los bordes. Cuando los dos índices son iguales, m=n, se dice que el tubo resultante es del tipo "sillón" (o n,n), ya que cuando el tubo se corta perpendicularmente al eje del CNT sólo quedan expuestos los lados de los hexágonos y su patrón alrededor de la periferia del borde del tubo se asemeja al brazo y al asiento de un sillón repetido n veces. Los CNT de brazo, en particular los SWNTs, son metálicos y tienen una conductividad eléctrica y térmica extremadamente alta. Además, estos SWNTs tienen una resistencia a la tracción extremadamente alta.

Además del grado de torsión, el diámetro de los CNT también afecta a la conductividad eléctrica. Como se ha descrito anteriormente, el diámetro de los CNT puede controlarse mediante la utilización de nanopartículas catalizadoras formadoras de CNT de tamaño controlado. Los CNT también se pueden formar como materiales semiconductores. La conductividad en los CNTs multipared (MWNTs) puede ser más compleja. Las reacciones entre las paredes de los MWNTs pueden redistribuir la corriente sobre los tubos individuales de forma no uniforme. Por el contrario, no hay cambios en la corriente a través de las diferentes partes de los nanotubos metálicos de pared simple (SWNT). Los nanotubos de carbono también tienen una conductividad térmica muy elevada, comparable a la del cristal de diamante y las láminas de grafito en el plano. Cualquiera de estas propiedades características de los CNT puede exhibirse en un CNS. En algunas realizaciones, el CNS puede facilitar la obtención de mejoras de propiedades en materiales en los que el CNS está incorporado en un grado mayor que el de los CNTs individualizados.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método para formar una nanoestructura de carbono que está libre de un sustrato de crecimiento, el método comprende:

proporcionar una nanoestructura de carbono adherida a un sustrato de crecimiento, comprendiendo la nanoestructura de carbono una pluralidad de nanotubos de carbono en su conjunto que poseen una o más características estructurales seleccionadas entre ramificación, entrecruzamiento y paredes comunes compartidas entre sí; y

retirar la nanoestructura de carbono del sustrato de crecimiento para formar una nanoestructura de carbono que esté libre del sustrato de crecimiento, y

formación de la nanoestructura de carbono en el sustrato de crecimiento mediante la utilización de partículas catalizadoras de nanopartículas de metales de transición dispuestas en el sustrato de crecimiento para iniciar el crecimiento de nanotubos de carbono,

caracterizado porqueel sustrato de crecimiento comprende un material de fibra de dimensiones bobinables, lo que significa que el material de fibra tiene al menos una dimensión cuya longitud no está limitada, lo que permite almacenar el material en una bobina o mandril.

2. El método de la reivindicación 1, en el que la formación de la nanoestructura de carbono en el sustrato de crecimiento y la eliminación de la nanoestructura de carbono del sustrato de crecimiento tienen lugar de forma continua.

3. El método de la reivindicación 1, que comprende, además:

separar el sustrato de crecimiento mezclado que no está adherido a la nanoestructura de carbono de la nanoestructura de carbono que está libre del sustrato de crecimiento.

4. El método de la reivindicación 1, en el que el sustrato de crecimiento se modifica para promover la eliminación de la nanoestructura de carbono de la misma.

5. El método de la reivindicación 4, en el que el sustrato de crecimiento comprende además un revestimiento antiadherente que es un apresto.

6. El método de la reivindicación 1, que comprende, además:

formar un recubrimiento los nanotubos de carbono de la nanoestructura de carbono, después de retirar la nanoestructura de carbono del sustrato de crecimiento.

7. El método de la reivindicación 1, en el que el sustrato de crecimiento comprende una fibra de vidrio o una fibra cerámica.

8. El método de la reivindicación 1, en el que el sustrato de crecimiento comprende además un recubrimiento antiadhesivo que limita la adherencia de la nanoestructura de carbono al sustrato de crecimiento.

9. El método de la reivindicación 1, en el que las nanopartículas de metales de transición están recubiertas con un revestimiento antiadhesivo que limita su adherencia al sustrato de crecimiento.

10. El método de la reivindicación 1, en el que la eliminación de la nanoestructura de carbono del sustrato de crecimiento tiene lugar mediante una técnica seleccionada del grupo que consiste en cizallamiento fluido, cizallamiento mecánico, grabado químico, sonicación y cualquier combinación de los mismos.

11. El método de la reivindicación 6, en el que el revestimiento comprende un revestimiento polimérico.