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Kohlenstoffnanoröhrchen sind eine relativ neue
Klasse von Materialien, die in ihrer reinen Form von großem technologischem
Interesse als mechanisch verstärkende,
elektrisch und thermisch leitende Additive für den statischen Schutz sind.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung der
Kohlenstoffnanoröhrchen
mit Hilfe eines zerstörungsfreien
und wirksamen Verfahrens unter Verwendung einer neuen Art von Polymer,
um sie aus dem begleitenden Material zu extrahieren, ohne ihre Struktur
zu beschädigen.
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Wenn Reibung und Trennung zwischen
Materialien auftreten, findet eine Elektronenübertragung von den Atomen auf
der Oberfläche
statt. Dieser Vorgang wird als triboelektrische Erzeugung bezeichnet.
Das resultierende Elektronenungleichgewicht wird als elektrostatische
Ladung bezeichnet. Diese elektrostatische Oberflächenladung ist entweder positiv
oder negativ, abhängig
davon, ob ein Mangel oder ein Überschuss
an freien Elektronen vorliegt. Wir bezeichnen diesen Ladungszustand
als statische Elektrizität,
da er dazu neigt, im Ruhezustand oder statisch zu bleiben, wenn
keine äußere Kraft
darauf einwirkt. Die Menge an Ladung, die durch den Vorgang von
Reibung und Trennung erzeugt wird, wird durch das Ausmaß des Kontakts,
die beteiligten Materialien, die relative Feuchtigkeit und die Struktur
des Materials beeinflusst. Statische Ladungen von bis zu 30.000
Volt (V) sind nicht ungewöhnlich
und können
durch den einfachen Vorgang des Laufens auf einem Boden erzeugt
werden; jedoch kann eine Entladung von nur 10 V ein gegen elektrostatische
Entladung (ESD) empfindliches Gerät der Klasse 1 zerstören. Statische
Elektrizität
ist im Wesentlichen unsichtbar, obwohl wir häufig ihre Wirkung sehen und
ihr Vorhandensein oder ihr elektrostatisches Feld fühlen und
messen können.
Da dieser Zustand durch ein Elektronenungleichgewicht erzeugt wird,
ist er kein natürlicher
oder stabiler Zustand. Material mit einem Elektronenungleichgewicht
kehrt, wenn möglich,
in einen ausgeglichenen Zustand zurück. Wenn dies schnell erfolgt,
tritt ein Funkenüberschlag
oder Funken im Zusammenhang mit schneller ESD auf. Wir können den
Funkenüberschlag
fühlen,
wenn die auftretende Entladung über
3000 V liegt. Elektrostatische Entladungen unterhalb dieses Pegels
liegen unter dem Schwellenwert für
menschliche Wahrnehmung, können
jedoch elektronische Geräte
und zugehörte
Halbleitervorrichtungen immer noch zerstören.
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Eine verbreitete Fehlauffassung besteht
darin, dass leitende Materialien keine Ladungen erzeugen. Dies liegt
daran, dass die Dissipation von statischen Ladungen von geerdetem
leitendem Material dazu neigt, vollständig und schnell zu erfolgen.
Nicht geerdete Leiter können
statische Ladungen erzeugen und halten.
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Das Material, das die Erzeugung statischer
Ladungen durch triboelektrische Erzeugung verhindert, wird als antistatisch
bezeichnet. Ein antistatisches Material kann leitend, dissipativ
oder sogar isolierend sein. Es sollte nur leitendes oder dissipatives
antistatisches Material in ESD sicheren Bereichen verwendet werden. Es
ist im Allgemeinen verständlicher,
dass isolierende Materialien eine statische Ladung erzeugen und
halten. Da sie Isolatoren sind, ermöglichen sie der Ladung nicht,
sich in dem Objekt zu bewegen oder zu verteilen. Erdung ist kein
wirksames Verfahren zur Neutralisierung von Isolatoren. Statische
Felder bei Isolatoren sind ebenfalls nicht unbedingt dauerhaft;
sie werden durch stufenweise Rekombination mit freien Ionen schließlich neutralisiert.
Freie Ionen sind geladene Partikel, die in natürlicher Weise in der Luft auftreten.
Sie können
in Form von Atomen, Molekülen
oder Gruppen von Molekülen,
wie beispielsweise Wassertröpfchen,
vorliegen. Wenn freie Ionen dicht an einem geladenen Objekt der
entgegengesetzten Polarität
vorbeiwandern, werden sie durch das Feld angezogen und führen das
Material stufenweise in einen Zustand des Gleichgewichts zurück. Ein
geladenes Objekt ist von einem elektrostatischen Feld umgeben. Dieses
Feld kann ebenfalls in der Nähe
befindliche Objekte durch Ladungsinduktion beeinflussen. Durch Ladungsinduktion
kann ein elektrostatisch geladenes Objekt andere in der Nähe befindliche
Objekte, typischerweise bis zu einer Entfernung von einigen Fuß, aufladen,
ohne dass es diese tatsächlich
berührt.
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Bei der Verarbeitung von Filmmaterialien
oder Kunststoffen kann statisches Material verursachen, dass Materialien
aneinander anhaften, woduch Produktqualitätsprobleme oder eine Verlangsamung
der Herstellung verursacht werden. In Reinräumen können geladene Materialien statisch
aufgeladenen Staub halten, wodurch verhindert wird, dass diese Staubpartikel
zirkulieren und von dem Filtersystem erfasst werden. In der Mikroelektronik
besteht eine andere Art von Qualitätsproblem aufgrund von statischer Elektrizität. Elektronische
Komponenten setzen sich aus Mikrominiaturleiterzügen und Konstruktionen aus
abwechselnden Schichten zusammen, die isolierend, leitend oder halbleitend
sein können.
Schnelle ESD kann über-
die Leiterzüge der
Komponente Schäden
an diesen zugrunde liegenden Konstruktionen verursachen. Leider
ist eine ESD-Beschädigung
von elektronischen Komponenten nicht so leicht ersichtlich wie die
Wirkungen statischer Elektrizität
in anderen Industrien. Dies liegt daran, dass ESD-Schäden im Allgmeinen
nicht sichtbar sind, wenn sie auftreten, und latent vorhanden sein
können
oder bei einem Funktionstest von elektronischen Geräten unter
Umständen
nicht angezeigt werden. Eine ESD-Beschädigung kann zu einem vorzeitigen
oder unterbrochenen Ausfall führen.
Schätzungen
der Kosten von ESD-Schäden
an auf Elektronik basierenden Anlagen belaufen sich auf bis zu fünf Milliarden
Dollar pro Jahr. Die Kosten von ESD-Schäden sind nicht nur die Kosten
der Komponenten, sondern umfassen auch die Arbeitskosten und können sämtliche
Ausgaben umfassen, die im Zusammenhang mit Feldreparaturen anfallen.
Andere Kosten bestehen im Geschäftsverlust
aufgrund von Unzufriedenheit der Kunden.
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Gegenwärtige Verfahren, die zur Bekämpfung von
statischer Elektrizität
verwendet werden, umfassen die Verhinderung, Abschirmung und Neutralisierung
von Ladung. Eine Ladungsverhinderung wird erreicht, indem die Einwirkung
von ladungserzeugenden Materialien verringert wird. Eine Ladungserzeugung
kann durch die Beseitigung unnötiger
Aktivitäten,
die statische Ladungen erzeugen, die Entfernung unnötiger Materialien, die
bekannte Ladungserzeuger sind, und die Verwendung antistatischer
Materialien verhindert werden.
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Antistatische Materialien sind solche
Materialien, die erwiesenermaßen
minimale statische Ladungen von weniger als 200 V erzeugen, wenn
sie Reibung und Trennung ausgesetzt werden. Antistatische Materialien
können
von Natur aus geringe Ladungserzeugungseigenschaften aufweisen oder
können
mit einem antistatischen Mittel hergestellt oder behandelt worden
sein.
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Kohlenstoffnanoröhrchen sind Graphitfolien,
die aufgerollt und an beiden Enden verschlossen werden, wodurch
ein geschlossenes Röhrchen
von Kohlenstoffatomen erzeugt wird. Kohlenstoffnanoröhrchen weisen eine
elektronische Eigenschaft auf, die im Bereich von halbleitend bis
metallisch liegt. Diese einzigartigen elektronischen Eigenschaften
verleihen den Kohlenstoffnanoröhrchen
ihr Potenzial für
die Verwendung als antistatische Mittel.
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Die Herstellung von Kohlenstoffnanoröhrchen kann
unter Verwendung des Krätschmer-Generators durchgeführt werden,
wobei Sublimation und Rekombination auftreten, um Kohlenstoffnanoröhrchenruß aus Graphitstäben in einem
Plasma zu bilden. Bis dato bestehen Probleme bei der Reinigung der
Kohlenstoffnanoröhrchen
vom Ruß.
Bisher offenbarte Verfahren zur Reinigung von Kohlenstoffnanoröhrchen umfassen
die Reinigung durch Behandlung mit starken chemischen Oxidationsmitteln,
die Reinigung durch Brennen von nicht gereinigten Proben und die
Reinigung unter Verwendung von grenzflächenaktiven Stoffen. Ein derartiges Verfahren
ist in der Patentschrift Nr. US5560898 beschrieben. Sämtliche
der bisher offenbarten Verfahren weisen Nachteile auf. Chemische
Oxidationsmittel entfernen die Nanoröhrchen aus dem unreinen Ruß, neigen jedoch
dazu, chemische Bindungen in den Nanoröhrchen aufzubrechen, besonders
an den Spitzen. Verfahren, die Brennen umfassen, neigen dazu, Proben
mit besserer Reinheit zu erzeugen, jedoch ist die Ausbeute sehr
gering und liegt im Bereich eines Kohlenstoffnanoröhrchen-Ertrags
von 1% bis 2%. Die Reinigung unter Verwendung von grenzflächenaktiven
Stoffen ist effizienter, umfasst jedoch immer noch eine Behandlung
in einem Hochleistungsultraschallbad, die Bekannterweise ebenfalls
die Nanoröhrchen
an ihren Spitzen ausbricht.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, diese Probleme zu überwinden.
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Es ist ebenfalls eine Aufgabe der
Erfindung, ein Verfahren zur Reinigung von Kohlenstoffnanoröhrchen zu
schaffen, das zerstörungsfrei
und effizient und einfach zu reproduzieren ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird eine Zusammensetzung geschaffen, die Nanoröhrchen und ein organisches
Material umfasst. Vorzugsweise weist das organische Material eine
Wicklungsstruktur auf. Der Begriff „Wicklungsstruktur", wie er in dieser
Beschreibung verwendet wird, bezeichnet eine Struktur, die das Wickeln
des organischen Materials um die Nanoröhrchen ermöglicht, das heißt, die
in der Lage ist, Strukturen zu bilden, die sich um die Nanoröhrchen herumwickeln,
-winden, -krümmen
oder -biegen. Das Material kann zu diesem Zweck Streifen oder Schnüre bilden.
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Der Begriff Nanoröhrchen, wie er in dieser Patentbeschreibung
verwendet wird, soll jede Nanostruktur und verwandte Materialien
bezeichnen. Das organische Material kann ein oder mehrere Polymere
(konjugiert und nicht konjugiert), Oligomere (konjugiert und nicht
konjugiert) und Monomere (konjugiert und nicht konjugiert) oder
Kombinationen daraus umfassen. Die Nanoröhrchen, die mit diesen gemischt
sind, können
in Form von Kohlenstoffnanoröhrchen,
Nanoröhrchen
aus anderen Materialien, wie beispielsweise Vanadiumpentoxid, Nanostrukturen
(regelmäßig und
undefiniert) sowie Derivaten derselben vorliegen, die beispielsweise
auf Silizium, Bor, Zinn, Stickstoff, Verbindungen von Vanadium und
Sauerstoff, wie beispielsweise Vanadiumpentoxid usw., basieren oder
diese enthalten können.
Die Maße
der Nanostrukturen können
sich im Bereich von Nanometern bis Millimetern in der Länge sowie
von Nanometern bis Mikrometern in der Breite bewegen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist das organische Material ein Polymer.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist das Polymer Poly(m-phenylen-co-2,5-dioctoxy-p-phenylenvinylen).
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Es können verschiedene andere Wicklungspolymere,
Oligomere und Aggregate, wie beispielsweise Poly(dioctylfluoren)
oder Poly(sulfonsäure)
verwendet werden. Andere Polymere, wie beispielsweise Polyacetylen,
die Streifen und/oder Schnüre
bilden können,
könnten
ebenfalls verwendet werden. Des Weiteren könnten DNS und alle verwandten
biologischen Wicklungssysteme verwendet werden.
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Gemäß einem anderen Gesichtspunkt
der Erfindung wird ein Verfahren zur Reinigung von Nanoröhrchenruß geschaffen,
das folgende Schritte umfasst:
Hinzufügen des Nanoröhrchenrußes zu einem
Lösungsmittel,
das ein organisches Nanoröhrchen-Extraktionsmaterial
mit einer Wicklungsstruktur umfasst, um eine Lösung zu bilden;
Mischen
der Lösung,
um eine Nanoröhrchen-Verbundstoffsuspension
und einen getrennten Feststoffzu bilden;
Ermöglichen
des Abscheidens des getrennten Feststoffs; und
Entfernen der
Nanoröhrchen-Verbundstoffsuspension.
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Das Nanoröhrchen-Extraktionsmaterial
hält die
Nanoröhrchen
in Suspension, während
es das Abscheiden der unerwünschten
Feststoffe, wie beispielsweise amorphen Kohlenstoffs, ermöglicht.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
besteht das Nanoröhrchen-Extraktionsmaterial
aus einem oder mehreren Polymeren, Oligomeren oder Monomeren oder
Kombinationen davon.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Nanoröhrchen-Extraktionsmaterial
Poly(m-phenylen-co-2,5-dioctoxy-p-phenylenvinylen).
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Vorzugsweise werden der Nanoröhrchenruß, das Nanoröhrchen-Extraktionsmaterial
und das Lösungsmittel
in einem optimierten Verhältnis,
abhängig
von den Ausgangsmaterialien, gemischt. Das Lösungsmittel könnte eine
Flüssigkeit
oder ein Gel sein. Jedes geeignete Lösungsmittel, das das Nanoröhrchen-Extraktionsmaterial
lösen kann,
kann verwendet werden.
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Bei einer anderen Ausführungsform
der Erfindung ist das verwendete Lösungsmittel ein organisches Lösungsmittel.
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Bei einer anderen Ausführungsform
der Erfindung ist das organische Lösungsmittel ein aromatischer Arenkohlenwasserstoff.
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Praxisgerechterweise wird die Lösung durch
Beschallung gemischt. Jedoch kann jedes andere geeignete Mischverfahren
verwendet werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird die Lösung
in einem Ultraschallbad mit niedriger Leistung mindestens 20 Minuten
lang gemischt.
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Gemäß einem anderen Gesichtspunkt
der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Nanoröhrchens
und einer organischen Polymersuspension geschaffen, das folgende
Schritte umfasst: Mischen eines Lösungsmittels mit einem organischen
Polymer, um eine Lösung
mit einer gewünschten
Viskosität
zu bilden, wobei die Viskosität
ausreichend ist, um nanoröhrchenhaltiges
Material in der Lösung
zu suspendieren, und Mischen des nanoröhrchenhaltigen Materials in
der Lösung,
um eine Nanoröhrchen-
und organische Polymersuspension zu bilden.
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Bei einem anderen Gesichtspunkt schafft
die Erfindung ein Nanoröhrchen-Extraktionspolymer
Poly(m-phenylen-co-2,5-dioctoxy-p-phenylenvinylen) mit der folgenden
Formel:
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Die Seitengruppen können verändert werden,
wenn gewünscht
wird, die spiralförmige
Struktur zu verändern.
In einigen Fällen
kann nur eine Seitengruppe bereitgestellt werden.
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Bei noch einem anderen Gesichtspunkt
schafft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Poly(m-phenylen-co-2,5-dioctoxy-p-phenylenvinylen)polymer,
das Folgendes umfasst:
Hinzufügen eines Phosphonatsalzes
und eines Aldehyds zu einem ionisierenden Lösungsmittel;
Erwärmen der
Mischung;
Hinzufügen
eines Kaliumsalzes zu der Mischung;
Ermöglichen des Reagierens der
Mischung für
eine voreingestellte Zeitspanne, um ein Polym er zu bilden;
Gießen der
Mischung in ein Lösungsmittel,
um die Abscheidung des Polymers zu ermöglichen;
Trennen des Polymers
von der Flüssigkeit;
Trocknen
des Polymers; und
Reinigen des Polymers.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung werden
das Phosphonatsalz, das Aldehyd und das ionisierende Lösungsmittel
in einem optimierten Konzentrationsverhältnis gemischt.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist
das verwendete Phosphonatsalz 1,4-bis(2,5-dioctoxy)benzyldiethylphosphonat.
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Bei einer anderen Ausführungsform
der Erfindung ist das verwendete Aldehyd Terphthalaldehyd.
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Bei einer anderen Ausführungsform
der Erfindung ist das ionisierende Lösungsmittel ein Formamid.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird
das Polymer in einer reaktionslosen Atmosphäre hergestellt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die reaktionslose Atmosphäre eine Argonathmosphäre.
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Bei einer anderen Ausführungsform
der Erfindung wird die Mischung auf 70 bis 90°C erwärmt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird die Mischung auf etwa 80°C erwärmt.
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Bei einer anderen Ausführungsform
der Erfindung ist das Kaliumsalz Kalium-tert-butoxid.
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Bei einer anderen Ausführungsform
der Erfindung wird das Reagieren der Mischung für mindestens 3 Stunden ermöglicht.
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Bei einer anderen Ausführungsform
der Erfindung ist das verwendete Lösungsmittel Wasser.
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Bei einer anderen Ausführungsform
der Erfindung wird das Polymer durch Zentrifugieren von der Flüssigkeit
getrennt.
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Bei einer anderen Ausführungsform
der Erfindung wird das Polymer unter Vakuum getrocknet.
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Bei einer anderen Ausführungsform
der Erfindung wird das Polymer durch fortwährendes Extrahieren unter Verwendung
eines Alkohols gereinigt.
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Bei einer anderen Ausführungsform
der Erfindung wird das Polymer durch fortwährendes Extrahieren unter Verwendung
eines primären
Alkohols gereinigt.
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Bei einer anderen Ausführungsform
der Erfindung wird der Alkohol aus der Gruppe ausgewählt, die Methanol,
Ethanol, Propan-1-ol und Phenylmethanol umfasst.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird aus der folgenden
Beschreibung einiger Ausführungsformen
derselben, die nur als Beispiel dienen, unter Bezugnahme auf die
beigefügten
Beispiele und Zeichnungen besser verständlich, wobei:
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1 ein
Transmissionselektronenmikroskopiebild (TEM-Bild) mit hoher Auflösung eines
Nanoröhrchens
mit einem Polymer, das um das Nanoröhrchen herumgewickelt gezeigt
ist, gemäß dem Verfahren
der Erfindung ist;
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2a ein
TEM-Bild ist, das die Wicklung des Polymers um das Nanoröhrchen weiter
veranschaulicht;
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2b eine
schematische Veranschaulichung des um das Nanoröhrchen gewickelten Polymers
in Übereinstimmung
mit dem in 2a gezeigten
Bild ist;
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3 ein
TEM-Bild ist, das eine Zwischenphase der Wechselwirkung zwischen
dem Polymer und dem Nanoröhrchen
mit einer Verzweigung des Polymers zeigt;
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4 ein
anderes TEM-Bild ist, das die Verzweigung des Polymers nach außerhalb
des Nanoröhrchens
weiter veranschaulicht;
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5 ein
TEM-Bild eines Nanoröhrchenpolymerverbundstoffsist,
der durch das Verfahren der Erfindung gebildet ist;
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6 eine
grafische Darstellung der Abhängigkeit
elektrischer Leitfähigkeit
von Nanoröhrchenmassenfraktion
ist;
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7 ein
Raman-Spektrum von unbehandeltem Nanoröhrchenruß ist;
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8 ein
Raman-Spektrum des Nanoröhrchenpolymerverbundstoffsist,
der durch das Verfahren der Erfindung gebildet ist;
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9 ein
Diagramm ist, das die verringerte Degradation von Kunststoffmaterial
zeigt, das Nanoröhrchen
umfasst;
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10 schematisch
eine Leuchtdiode gemäß der Erfindung
zeigt; und
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11 eine
grafische Darstellung des Spektrums des Lichts zeigt, das von der
Leuchtdiode aus 10 abgegeben
wird.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Herstellung der Nanoröhrchen
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Kohlenstoffnanoröhrchen werden gemäß dem Krätschmer-Verfahren
in einem Stahlgenerator hergestellt, wobei eine Sublimation und
Rekombination stattfindet, um in einem Plasma Nanoröhrchen aus
Graphitstäben
zu bilden. Ein 8-mm-Graphitstab wird als positive Elektrode und
ein Bolzen aus Graphit wird als negative Elektrode verwendet. Der
Generator wird dreimal mit Helium durchgeblasen, bevor eine Evakuierung
auf 450 Torr durchgeführt
wird. Ein Gleichstrompotenzial von 27 V wird zwischen den beiden
Graphitstäben
mit einer Reinheit von 99,99% angelegt. Nachdem die positive Elektrode
verbraucht ist, bildet sich an der negativen Elektrode ein grauschwarzer
Zylinder. Dieser Zylinder besteht aus einer grauen metallischen äußeren Schicht
und einem schwarzen inneren Kern. Eine Analyse des äußeren Bereichs
hat gezeigt, dass er reich an Polyedern ist und geringe Mengen an
Nanoröhrchen
und amorphem Kohlenstoff aufweist. Der innere schwarze Bereich ist
sehr reich an Nanoröhrchen
aller Größen und
Stärken
und weist einige Abscheidungen von amorphem Kohlenstoff und Polyedern
auf. Die oben genannten Bedingungen können sich von Generator zu Generator ändern, wobei
die Erträge
an Nanoröhrchen
ebenfalls beträchtlich
variieren.
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Es steht eine Anzahl anderer Verfahren
zur Herstellung von Kohlenstoffnanoröhrchen zur Verfügung, wie
beispielsweise: Lichtbogenentladung, Laser-Ablation, Sonnenenergie,
katalytische Zersetzung von Kohlenwasserstoffen, Herstellung von
ausgerichteten Nanoröhrchenbündeln, Kohlenstoffnanoröhrchen,
die an Ort und Stelle mit Hilfe eines katalytischen Verfahrens wachsen
und Herstellung von Nanoröhrchen
mit Hilfe von Plasmabrennerdissoziation. Die Herstellungsverfahren
fallen im Allgemeinen in zwei Kategorien: jene, die auf Sublimation
von Kohlenstoffdampf basieren, und jene, die ausschließlich chemische
Verfahren verwenden. Die Sublimationsverfahren werden aufgrund der
größeren Mengen,
die hergestellt werden, häufiger
angewendet.
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BEISPIEL 1
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Herstellung eines nanoröhrchenextrahierenden
Polymers Poly(m-phenylen-co-2,5-dioctoxy-p-phenlenvinylen)
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21,2 g (30 mmol) 1,4-bis(2,5-dioctoxy)benzyldiethylphosphonat
und 4,4 g (30 mmol) Terphthalaldehyd wurden 250 cm3 trockenem
Dimethylformamidlösungsmittel
in einer inerten Argonatmosphäre
hinzugefügt.
Die Mischung wurde auf 80°C
erwärmt,
und 11,3 g Kalium-tert-butoxid wurden in einer Portion hinzugefügt. Die Mischung
wurde zur Reaktion 5 Stunden lang stehen gelassen. Nach der Reaktion
wurde die Mischung in Wasser gegossen und das feste gelbe Polymer
abgeschieden. Das Polymer wurde von der Flüssigkeit durch Zentrifugieren
getrennt (6 Minuten lang bei 4000 U/min, Reagenzglas mit einem Volumen
von 50 cm3) und unter Vakuum getrocknet.
Daraufhin wurde das Polymer mit Hilfe von Methanol durch kontinuierliche
Extraktion gereinigt. Die Reinheit wurde durch Standardverfahren
einschließlich 1H- und 13C NMR-
und IR-Spektroskopie überprüft. Der
endgültige
Ertrag betrug 10,2 g (72%).
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BEISPIEL 2
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Reinigung
von Nanoröhrchenruß
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Zur Reinigung des Nanoröhrchenrußes gemäß der Erfindung
wurden 5 mg Nanoröhrchenruß, der in einem
Krätschmer-Generator
erzeugt wurde, 5 cm3 einer 20 g/dm–3 Toluenlösung des
nanoröhrchenextrahierenden
Polymers hinzugefügt.
Die Suspension wurde 30 Minuten lang in einem Ultraschallbad mit
geringer Leistung mit 60 W beschallt und daraufhin zum Abscheiden
stehen gelassen. Feststoffe, wie beispielsweise Polyedren und amorpher
Kohlenstoff, scheiden am Boden des Behälters ab. Die Suspension wurde
von dem abgeschiedenen Feststoff abgegossen und das erhaltene Material
mit Hilfe von Transmissionselektronenmikroskopie analysiert. Wiederholte
Versuche haben ergeben, dass der Massenertrag aus diesem Verfahren
typischerweise 20% beträgt.
Bis zu etwa 100 mg Nanoröhrchenruß kann 5
cm3 einer 20 g/dm–3 Toluenlösung des Polymers
hinzugefügt
werden.
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5 ist
ein Foto des extrahierten Nanoröhrchenpolymerverbundstoffs 7,
wobei die Kohlenstoffnanoröhrchen 3 und
das Polymer 5 ebenfalls gekennzeichnet sind.
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1 bis 5 zeigen die Wechselwirkung
des Polymers mit den Nanoröhrchen.
Ein Nanoröhrchen 3 ist mit
einer im Allgemeinen zylindrischen Wand 6 und einem inneren
Hohlraum 7 gezeigt. Das Polymer 5 wickelt oder
windet sich anfänglich
um das Nanoröhrchen 3 (siehe 1 und 2). Daraufhin erstrecken sich Abzweigungen 8 des
Polymers auswärts
von dem Nanoröhrchen 3 (siehe 3 und 4). Die Abzweigungen 8 des Polymers
greifen an benachbarten Nanoröhrchen 3 ineinander,
um ein Gewebe zu bilden, das die Nanoröhrchen fest miteinander verbindet.
Dieses Gewebe ist in 5 mit
der Nummer 5 gekennzeichnet.
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BEISPIEL 3
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Verbesserung
der elektrischen Leitfähigkeit
und der Leuchtdiode
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Toluenlösungen des Polymers (10–3 Mol/Liter–1)
wurden mit verschiedenen Gewichtsprozentwerten von Nanoröhrchenproben
gemischt, und Filme wurden zur Standardzweipunktsondenmessung der
elektrischen Leitfähigkeit
auf Platinkontakte getropft. 6 zeigt
die Abhängigkeit
der Leitfähigkeit
von der Massenfraktion der Nanoröhrchen.
Das Vorhandsein der Nanoröhrchen
verbessert die elektrische Leitfähigkeit
bei Materialien, die inhärent
schlechte Leiter sind, deutlich. Die Nanoröhrchen sind daher nützliche
Additive bei der Bildung von antistatischen Folien und Filmen sowie
bei der Herstellung organischer Halbleitervorrichtungen mit verbesserter
Ladungsträgermobilität.
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Wir haben diesen nützlichen
Effekt genutzt, indem wir eine Leuchtdiode 10 (10) hergestellt haben, bei
der die aktive Schicht eine Massenfraktion von 0,1 des Nanoröhrchenverbundstoffs 20 enthält. Die
Diode 10 besteht aus einer 1 μm dicken Schicht aus Nanoröhrchenpolymerverbundstoff 20 auf
einem Indiumzinnoxidkontakt 30, der auf einem Glassubstrat 40 angeordnet
ist. Der obere Kontakt 15 ist eine aufgedampfte Aluminiumschicht,
die eine Aluminiumelektrode bildet. Die Diode 10 weist
einen Strom von 0,1 A für
einen Schalter mit einer Vorspannung von 14 V auf. Das Spektrum
des emittierten Lichts ist in 11 gezeigt.
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Die Diode stellt eine Prototyp-Halbleitervorrichtung
dar, bei der die Ladungsträgermobilität und die elektrische
Leitfähigkeit
durch das Vorhandensein von Nanoröhrchen verbessert wurden. Für dieselbe
Vorrichtungsleistung bei Verwendung des reinen Polymers ist eine
Filmdicke von weniger als 0,1 μm
erforderlich, was zu ernsthaften Herstellungsproblemen und einer
wesentlichen schlechteren Effizienz der Vorrichtung führt.
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7 und 8 zeigen ein Raman-Spektrum
von ungereinigtem Nanoröhrchenruß (7) und gereinigtem Nanoröhrchenpolymerverbundstoff
(8). In 7 liegen eine Nanoröhrchenspitze 50 und
eine Spitze 51 von amorphem Material vor. Wie aus 8 ersichtlich ist, ist die
Spitze des amorphen Materials in dem Spektrum des gereinigten Verbundstoffs
nicht mehr vorhanden.
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9 ist
ein Diagramm, dass die verringerte Kunststoffdegradation durch die
Integration des Nanoröhrchenpolymerverbundstoffs
zeigt. Es sind mehrere Kurven gezeigt, die eine Massenfraktion des
Nanoröhrchengehalts
im Polymer von 0%, 10%, 20% und 25% veranschaulichen.
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Es ist ersichtlich, dass das Vorhandensein
der Nanoröhrchen
im Zusammenhang mit dem Polymer viele Vorteile hat. Wir haben beobachtet,
dass sich das Polymer und die Nanoröhrchen gut miteinander verbinden. Dies
ergibt eine mechanische Verstärkung
des Polymers. Die Integration der thermisch leitfähigen Nanoröhrchen müsste die
Empfindlichkeit des Polymers gegenüber thermischer Degradation
drastisch verringern. Die thermische Degradation ist einer der Hauptgründe für die beschränkte Lebensdauer
von lumineszierenden Polymeren. Andere erwähnenswerte Vorteile sind der
enorme Anstieg der Leitfähigkeit
in der Größenordnung
von 106 aufgrund der Integration von Nanoröhrchen.
Die Integration von Nanoröhrchen
verringert ebenfalls Aggregationseffekte und unterstützt die
Unterdrückung
der nichtstrahlenden Degradation von Zwischenketten.
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Die vorliegende Erfindung stellt
einen Nanoröhrchenpolymerverbundstoff
mit technologischen Anwendungen bereit, die antistatische Beschichtungen
und Verpackungen sowie Halbleitervorrichtungen, einschließlich Leuchtdioden,
umfassen. Der Nanoröhrchenpolymerverbundstoffweist
eine elektrische Leitfähigkeit
von bis zu 10–3 Sm–1 auf
und kann für
statischen Schutz verwendet werden. Der Nanoröhrchenpolymerverbundstoffkann
ebenfalls im Zusammenhang mit Superleitfähigkeit und mechanischer Verstärkung auf
folgenden Gebieten eingesetzt werden: Haushalt, Automobilbau, Luft-
und Raumfahrt, optoelektronische Technologien, Fernmeldewesen und
Signalverarbeitung (große
nichtlineare optische Effekte). Gemäß der vorliegenden Erfindung
können
die Kohlenstoffnanoröhrchen
mit Hilfe eines nichtzerstörenden
Verfahrens gereinigt werden. Im Vergleich zu anderen Verfahren werden
gute Materialerträge
(in der Größenordnung
von 20%) erzielt. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist von
Charge zu Charge hoch reproduzierbar. Die vorliegende Erfindung
vermeidet die Verwendung gefährlicher
explosiver oder korrodierender Materialien. Das Verfahren stellt ein
nützliches
Polymernanoröhrchenverbundstoffmaterial
mit einer relativ hohen elektrischen Leitfähigkeit bereit, das mit anderen
Kunststoffen gemischt oder ohne Verarbeitung verwendet werden kann.
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Nanoröhrchen können zum statischen Schutz
in einer Matrix mit Polymeren und Oligomeren verwendet werden, die
konjugiert oder nicht konjugiert sind, und ebenfalls auf folgenden
Gebieten verwendet werden:
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Faserbürsten oder Ableiter für statische
Energie, Laser- und Matrixdruckerverpackung, Papier, Folien, Glas,
Kunststoffe, Umformung, Druck, Teppiche, Flugzeugmotoren, Geräte, Rundfunk,
Industrie (Beleuchtungsprodukte, elektrische Steuerungs- und Verteilerprodukte),
Materialien für
Elektromotoren (Hochleistungskunststoffe, Harze, Silikon und Laminate),
Stromversorgungssysteme, technische Produkte und Dienstleistungen
(medizinische Systeme und Datenübertragungssysteme),
Lüfterblattvergasungsverbrenner,
Düsenmaterialien,
Sicherheitsbehälter
für den
Hochgeschwindigkeitsziviltransport, Druckkessel, Druckform- und
Harzübertragungsformausrüstungen,
Brennöfen
und heiße
isostatische Pressen in der Automobilindustrie, industrielle Verstärkungen
aus gehäckselten
Fasern für
den Spritzguss und gemischte und legierte Polymere zur Verwendung
als Matrizen in faserverstärkten
Verbundstoffen. Flugzeuge werden mit kohlenstoffverstärkten Kunststoffflügeln und
Rümpfen
entwickelt und sehr bald wird ein rostbeständiges verstärktes Kunststoffauto
eine wirtschaftliche Realität;
und die Nanoröhrchen
können
zum Schutz verschiedener Ausrüstungen
verwendet werden, die sich bei ihrem Prozess im Allgemeinen unter
Verwendung von nicht leitenden Materialien bewegen, wodurch Fehlfunktionen
der Ausrüstung
oder sogar schwere Schäden
an den zahlreichen mechanischen und elektronischen Geräten verursacht
werden können.
Die Nanoröhrchen
können
eine Zunahme der Leitfähigkeit
bewirken, um diesen Schutz bereitzustellen. Sie können in
hitzebeständige
und flammenhemmende Harze gemischt werden, um Kunststoffteile herzustellen
und mit Blei in Lot legiert werden. Sie sind für elektrische Verdrahtungen,
Motorwicklungen, Kühler,
Laufbuchsen, Instrumente und elektronische Bauteile geeignet. Für Messinggießanwendungen
können
sie zu einem elektrischen Draht gezogen und mit Zinn und Zink legiert
werden. Sie sind für
Glas, Armaturentafeln und Karosserieplatten geeignet. Sie können mit
anderen Mineralien, Harzen und Pigmenten verbunden werden, um Verbundstoffkarosserieplatten
herzustellen, und Glasschmelzen für die Herstellung von Fenstern
hinzugefügt
werden. Sie sind für
Lacke, Verbundstoffkarosserieplatten, Zündkerzen, Sensoren, Radios,
Computer und Fenster geeignet. Sie können mit anderen Mineralien, Harzen
und Pigmenten verbunden werden, um Karosserieplatten und Lacke herzustellen.
Sie können
mit anderen Mineralien, einschließlich Ton vermischt werden,
um Keramikteile sowie eine Komponente für die Herstellung von Glas,
elektronische Komponenten und spezielle Verdrahtungsanschlüsse für "Airbags" herzustellen. Sie
können
in Reinform verwendet werden und auf die Oberfläche anderer Metalle, Lacke,
Reifen, Kunststoffe und Keramikmaterialien geschichtet werden. Verbunden
mit anderen Mineralien, Harzen und Pigmenten sind sie für die Herstellung
von Innenraumtürplatten,
Polsterung, Armaturentafeln und Verbundstofflcarosserieplatten geeignet.
Sie können
mit natürlichem
und synthetischem Gummi kombiniert werden, um Reifen und Kühlmittel-,
Vakuum- und Kraftstoffschläuche, "Metalliklacke", Innenraumdekorationen,
Armaturentafeln, Lenkräder,
Reifen, Schalldämmungen,
Abdichtungen und andere Kunststoffe und Gummiteile herzustellen. Sie
können
mit anderen Mineralien, Harzen und Pigmenten verbunden werden, um
Lacke, Innenraumtürplatten,
Dekorationsteile, Armaturentafeln und Verbundstoffkarosserieplatten
herzustellen. Sie können
mit natürlichem
und synthetischem Gummi kombiniert werden, um Reifen und Kühlmittel-,
Vakuum- und Kraftstoffschläuche
herzustellen. Sie können
in allen Nichtmetallteilen integriert sein und sind als Beschichtungen
und Lacke auf Metallteilen geeignet. Verbunden mit anderen Mineralien,
Harzen und Pigmenten sind sie für
die Herstellung von Innenraumlacken, Beschichtungen, Türplatten,
Polsterung, Armaturentafeln und Verbundstofflcarosserieplatten geeignet.
Kunststoffteile, Gummiteile, wie beispielsweise Sitze, Kissen, Armaturentafeln,
Teppichfasern, Vakuum-, Kraftstoff , Hydraulik- und Luftschläuche, Reifen,
Karosserieplatten und Linsen für
Anzeigeleuchten. Sie sind für
Innenraumdekorationen, Armaturentafeln, Lenkräder, Reifen, Schalldämmungen,
Abdichtungen und andere Kunststoffe und Gummiteile geeignet. Sie
sind für
Ansaugkrümmer,
Getriebegehäuse und
andere Gussaluminiumteile und Kunststoffteile geeignet. Sie sind
als Flussmittel für
das Recycling von Aluminium und die Vermeidung von Oxidation während des
Gießens
von Aluminiumteilen, als Ausgangsmaterialien für Chlor, das für die Herstellung
von Harzen zur Produktion von Lacken, Innenraumtürplatten, Dekorationsteilen,
Armaturentafeln und Verbundstoffkarosserieplatten hergestellt wird,
geeignet. Sie sind für
Glas, elektronische Teile, Lacke, Kunststoffe, Verbundstoffe, Motoren,
Krümmer,
Gummiteile, Glühbirnen
und Anderes geeignet. Sie können
in Formen für
Gussteile verwendet werden. Sie können für die Herstellung von Natriumsilikat-"Wasserglas" für Klebstoffe
und Dichtmittel verwendet werden. Sie sind für Zündkerzen, Hochtemperaturkeramiklacke,
Kunststoffe, Verbundstoffe, Gummiteile, Reifen, Glühbirnenfassungen
und Anderes geeignet. Sie können
mit Ton, Feldspat, Siliciumdioxid und Fluorspat zur Herstellung
von Keramikteilen kombiniert werden. Sie können mit natürlichem
und synthetischem Gummi verbunden werden, um Reifen und Vakuum-
und Kraftstoffschläuche
herzustellen. Sie können
mit Ton, Feldspat, Siliciumdioxid und Fluorspat zur Herstellung
von Zündkerzen
und anderen Keramikkomponenten kombiniert werden.
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Die Nanoröhrchen können eine Zunahme der Leitfähigkeit
bewirken, um diesen Schutz bereitzustellen. Sie können ebenfalls
als Anwendungen in faserverstärkten
Verbundstoffen, elastisch-plastischen faserverstärkten Verbundstoffmaterialien
und faserverstärkten
Verbundstoffmaterialien verwendet werden, die eine Festigkeit bereitstellen,
die einen Defekt vermeiden kann, der bei anderen Matrixverbundstoffen
auftritt, da die Entstehung des Kunststoffertrags während des
Ladevorgangs, verglichen mit der letztendlichen Festigkeit des Verbundstoffs,
sehr früh
beginnt. Das elastisch-plastische
Verhalten von Nanoröhrchenkunststoffverbundstoffen,
die aus ausgerichteten und nicht ausgerichteten kontinuierlichen
elastischen Filamenten bestehen, können als Komponenteneigenschaften,
Volumenbruchteile und gegenseitige Beschränkungen zwischen Phasen, die
durch die Geometrie der Mikrostruktur angezeigt werden, beschrieben
werden.
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Der Nanoröhrchenverbundstoff verhindert
die Degradation von Kunststoffen unter Licht-, Hitze- und Lufteinwirkung
und verstärkt
den Kunststoff im Hinblick auf Festigkeit und Haltbarkeit.
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Der Nanoröhrchenverbundstoff kann teilweise
für die
Herstellung von Raumanzügen
und für
die Herstellung einer EMF-Abschirmung für den Anzug verwendet werden.
Er kann auch zur Bildung einer "Funkwellenabschirmung" für Anwendungen,
wie beispielsweise schwer ausmachbare Flugzeuge, Militärfahrzeuge
und -schiffe, Raketen und Raumfahrzeuge aller Art, verwendet werden.
Der Verbundstoff kann zur Bereitstellung einer teilweisen oder vollständigen Schutzschicht
für Fahrzeuge,
einschließlich
Raumfahrzeuge, Flugzeuge, Schiffe, Panzer usw. verwendet werden.
Das Nanoröhrchen-Extraktionspolymer
weist eine natürliche
Fluoreszenz auf, die durch die Kombination mit Nanoröhrchen erheblich
verbessert wird. Dies findet eine breite Anwendung in der Bildschirmtechnologie.
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Die Erfindung ist nicht auf die hierin
beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt,
die sowohl hinsichtlich der Konstruktion als auch hinsichtlich der
Einzelheiten verändert
werden können.
