包含官能化的碳纳米管的聚合物泡沫的制作方法

包含官能化的碳纳米管的聚合物泡沫
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2018年11月30日提交的欧洲专利申请第18209600.8号的优先权权益，其全部内容在此通过引用并入。
技术领域
3.本公开一般地涉及聚合物泡沫，但不限于涉及用于制备聚合物泡沫、例如由包含碳纳米管的聚合物复合材料形成的聚合物泡沫的方法和系统。


背景技术：

4.微孔泡沫比普通泡沫具有性能优势。例如，与普通泡沫相比，微孔发泡能够减轻重量(10
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30％)，同时机械强度的降低最小。由于孔尺寸减小，微孔泡沫干扰裂纹扩展，并且与大孔泡沫(例如孔尺寸大于100微米的泡沫)相比，冲击性能和韧性增加。此外，与微孔泡沫相比，孔尺寸为100nm或小于100nm的聚合物纳米孔泡沫具有独特的导热性、光学性能或机械性能。然而，聚合物泡沫的泡孔壁和泡孔支柱可在形成过程(例如发泡过程)中坍塌，并且限制泡沫泡孔(孔)密度和泡沫重量。这在纳米孔泡沫中尤其普遍。纳米孔泡沫的泡孔壁和泡孔支柱极其薄，在纳米发泡过程中的形成期间容易塌陷，这限制了泡沫泡孔密度和泡沫重量。因此，需要具有增强性能的聚合物泡沫以及制造泡沫的方法。


技术实现要素：

5.本公开描述了微米、亚微米和/或纳米孔聚合物泡沫，以及形成微米、亚微米和/或纳米孔聚合物泡沫的方法、装置和系统。本文所述的聚合物泡沫包括/涵盖微孔泡沫、亚微孔泡沫、纳米孔泡沫以及具有微米、亚微米和/或纳米尺寸泡孔的混合泡沫。如本文所用，微孔泡沫包括平均孔(泡孔)尺寸为1微米至100微米的泡沫，亚微孔泡沫包括平均孔(泡孔)尺寸为0.5微米至1微米的泡沫，纳米孔泡沫包括具有平均孔(泡孔)尺寸为10纳米至500纳米的泡沫。本文所述的聚合物泡沫包括一种或多于一种聚合物和官能化的碳纳米管并且具有从基本上10纳米至基本上100微米的平均孔尺寸。另外或替代地，与常规碳纳米管相比，官能化的碳纳米管增加对聚合物的键合和附着力。例如，官能化的碳纳米管的官能团(例如，基于氧的官能团)有助于增加官能化的碳纳米管与聚合物组合物的聚合物主体之间的附着力。官能化的碳纳米管对聚合物增加的键合/附着力和分散通过赋予聚合物泡沫强度，例如通过增强聚合物分子及其链来防止泡孔壁和泡孔支柱塌陷。
6.本文所述的聚合物泡沫提供增强的机械性能(例如，模量和抗冲击性)。例如，由于通过官能化的碳纳米管增强的泡孔壁和支柱减少了塌陷，孔/泡孔密度增加可改善聚合物泡沫的载荷和抗冲击性同时还减轻聚合物泡沫重量。另外或替代地，在聚合物的泡孔壁和支柱中分散/对齐的官能化的碳纳米管还可改善聚合物泡沫的载荷和抗冲击性。另外，取决于官能化的碳纳米管的载荷/量，可制备导电、抗静电、电磁干扰屏蔽的聚合物泡沫。因此，与不包括官能化的碳纳米管的聚合物泡沫相比，聚合物泡沫(及由其制成的部件)可以提供
更好的抗冲击性和改善的热绝缘。另外，与不包括官能化的碳纳米管的聚合物泡沫相比，本文所述的聚合物泡沫能够使产品更轻和更小并且仍然实现设计的冲击等级和/或热绝缘。
7.与微孔聚合物泡沫相比，纳米孔聚合物泡沫表现出显著更高的断裂应变率，导致韧性模量改善了350％。另外，纳米孔聚合物泡沫的冲击能比微孔聚合物泡沫高600％。
8.在一个特定的实施方案中，官能化的碳纳米管具有多个壁和一个或多于一个基于氧的官能团。官能化的碳纳米管通常具有3重量％至25重量％的氧化水平，其通过热重分析(tga)测定。与常规碳纳米管相比，官能化的碳纳米管增加对聚合物的键合和附着力。例如，官能化的碳纳米管的官能团(例如，基于氧的官能团)有助于增加官能化的碳纳米管与聚合物组合物的聚合物主体之间的附着力。另外，聚合物组合物可增加官能化的碳纳米管在聚合物组合物中的分散。官能化的碳纳米管对聚合物增加的键合/附着力和分散通过赋予聚合物泡沫强度、例如通过增强聚合物分子及其链来防止泡孔壁和泡孔支柱塌陷。
9.本文公开的聚合物泡沫可以是开孔或闭孔。如本文所公开，术语“泡孔”定义为构成泡沫的空腔。泡孔可包括“开孔结构”、“闭孔结构”或其组合。“开孔结构”定义为在一侧或多于一侧开放的空腔。开孔结构可以连接至其他开孔或闭孔结构。“闭孔结构”定义为不具有开口的空腔。闭孔结构可以或可以不存在于聚合物泡沫的表面上。如果存在，闭孔的表层可以形成泡沫表面的一部分。
10.本文所述的聚合物泡沫的平均孔(泡孔)尺寸可以通过冷冻断裂泡沫部分以产生样品来确定。举例说明，将泡沫部分用液氮或其他冷冻剂快速冷冻，并且用猛烈打击将其破碎以产生样品。样品横截面的代表性部分(例如，尺寸介于2微米
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2微米和10微米
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10微米之间的面积)通过电子显微镜(例如，sem)分析以确定样品的许多随机孔(例如，50个至200个)的最大横向尺寸和最小横向尺寸。举例说明，确定100个孔的最大孔宽度和最小孔宽度，这些孔是从样品的5微米
×
微米的切片中随机选择或伪随机选择的，以生成样品和泡沫部分的平均孔尺寸值。
11.如本文所用，“碳纳米管”是指具有圆柱形纳米结构的碳的同素异形体。碳纳米管可由单原子厚度的片材(例如，石墨片)的碳原子，即石墨烯形成。片材以特定和离散的(“手性”)角进行轧制，并且轧制角和半径的组合会影响纳米管的性能。尽管片材的大部分碳原子是暴露的，但是片材(即，其碳原子)是相对惰性的，并且不能良好地附着在主体材料(例如，聚合物基质)上。
12.如本文所用，“官能化的碳纳米管”是指碳纳米管，其表面进行均匀或非均匀地改性从而具有与其相关的官能化学部分。这些表面通过氧化反应或其他化学介质的化学反应或物理吸附而官能化。官能化的碳纳米管然后可以通过其他反应进一步改性，以在碳纳米管的表面上形成其他官能部分。通过改变碳纳米管表面上的化学部分，可以将官能化的碳纳米管物理或化学键合至包括聚合物在内的各种基材上。用于制备官能化的碳纳米管的碳纳米管(例如，双壁或多壁碳纳米管)可以通过常规方法例如化学气相沉积(cvd)和/或其他方法来生长或形成。
13.与常规碳纳米管相比，可通过极性或共价相互作用良好地分散在聚合物基质中的官能化的碳纳米管具有对主体聚合物基质更好的附着性并且增加由其产生的泡沫中的孔隙率。官能化的碳纳米管与聚合物基质之间改善的相互作用/附着性(与常规碳纳米管相比)改善聚合物泡沫形成过程中的泡孔壁和泡孔支柱的机械性能。官能化的碳纳米管可以
增强聚合物基质。因此，与常规聚合物泡沫(例如，不含官能化的碳纳米管的泡沫)相比，聚合物泡沫可形成较高的孔密度和较轻重量，因为较少的泡孔壁和支柱塌陷。另外或替代地，泡孔壁和支柱可做得较薄。此外，某些增容剂与官能化的碳纳米管的组合使用使得改善对主体聚合物基质(例如，聚合物树脂)的相容/附着性，并且进一步改善孔密度和减轻重量。
14.作为碳纳米管官能化的一个说明性实例，双壁和/或多壁碳纳米管通过湿化学法或等离子体处理而氧化，并且通过氧化进行改性以变得缩短和被氧化。氧化过程导致在氧化的多壁碳纳米管的侧壁上形成官能团(例如，基于氧的官能团或氧官能团)。官能团能够与聚合物的聚合物分子(例如，聚合物链)形成共价键或极性键，以与键合官能化的碳纳米管的未氧化或未改性的碳原子或者键合常规碳纳米管至聚合物分子相比，更好地将官能化的碳纳米管附着至聚合物分子。
15.在特定的实施方案中，官能化的碳纳米管的氧官能团具有增加的极性相互作用(例如库仑力、氢键)和/或增加的与主体材料(例如聚合物基质)的化学键合。相互作用及其键合强度的提高可导致增加的机械性能，例如剪切强度。因此，当聚合物复合材料经历发泡过程时，由聚合物复合材料形成的泡孔壁和支柱更依赖于发泡力和塌陷，并且由其制成的聚合物泡沫具有增加的孔密度和减轻的重量。另外，与碳纳米管相比，官能化的碳纳米管可提高在聚合物中的分散性(例如，产生较少的“结块”或聚集体)，这可进一步增加机械性能并且导致较高的孔密度和减轻的重量。
16.官能化的碳纳米管可以例如在熔融复合操作中与聚合物组合(例如，共混)，以制备聚合物组合物和/或由其制成的产品，其具有满足阈值(例如，大于或等于阈值)的电导率水平。由聚合物组合物制成的聚合物泡沫可表现出较高的机械性能。因此，在成形(例如，固态发泡工艺、挤出发泡工艺、珠粒发泡工艺或注塑发泡工艺)期间，由聚合物组合物制成的聚合物泡沫具有减轻的重量和增加的孔密度。可使用间歇形成法和连续形成法。另外，取决于官能化的碳纳米管的浓度，聚合物泡沫可以制成是导电的。
17.因此，本公开描述了具有改善的孔密度和减轻重量的聚合物泡沫和用于制备具有改善的孔密度和减轻重量的聚合物泡沫的方法和系统。如本文所述，具有改善的孔密度和减轻重量的聚合物泡沫可通过固态发泡工艺、挤出发泡工艺、珠粒发泡工艺或注塑发泡工艺形成。聚合物复合材料包括聚合物和官能化的碳纳米管，例如具有氧官能团(例如，官能度)的多壁碳纳米管。官能化的碳纳米管(例如，其氧官能团)有助于增强聚合物组合物的官能化的碳纳米管和聚合物主体之间的附着性。另外，聚合物组合物可增加官能化的碳纳米管在聚合物组合物中的分散。
18.聚合物泡沫(包括官能化的碳纳米管)可有利地具有增加的孔密度和减轻的泡沫重量。另外，聚合物泡沫可以设计成满足特定的导电性，即可以是导电、抗静电或电磁屏蔽的。可得益于此类聚合物泡沫的一种特定产品是热绝缘的。可得益于此类聚合物泡沫结构的其他特定产品是膜和过滤器。因此，本公开克服了聚合物泡沫中的泡孔壁和泡孔支柱塌陷的现有挑战。
19.本发明聚合物泡沫的一些实施方案包含：一种或多于一种聚合物；和官能化的碳纳米管，其中聚合物泡沫具有10纳米至100微米的平均孔尺寸。在一些实施方案中，聚合物泡沫具有小于或等于100纳米的平均孔尺寸。另外或替代地，聚合物泡沫具有大于或等于10e12个泡孔每立方厘米的泡孔密度。
20.在聚合物泡沫的一些前述实施方案中，聚合物泡沫具有包含聚合物泡沫的材料的1％至50％堆积密度的泡沫密度。另外或替代地，聚合物泡沫包含0.001瓦特每米
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开尔文至0.01瓦特每米
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开尔文的热导率。
21.在聚合物泡沫的一些前述实施方案中，官能化的碳纳米管分散在一种或多于一种聚合物、聚合物泡沫或两者中。另外或替代地，官能化的碳纳米管在一种或多于一种聚合物、聚合物泡沫或两者中彼此对齐。在聚合物泡沫的一些前述实施方案中，聚合物泡沫的泡孔包括开孔结构、闭孔结构或其组合。
22.在聚合物泡沫的一些前述实施方案中，一种或多于一种聚合物的至少一种聚合物选自：聚碳酸酯、聚碳酸酯
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硅氧烷共聚物、聚醚酰亚胺、聚醚酰亚胺
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硅氧烷共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚苯醚(ppe)
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硅氧烷共聚物及其组合。在聚合物泡沫的一些前述实施方案中，聚合物泡沫是透明或基本上透明的。
23.在聚合物泡沫的一些前述实施方案中，官能化的碳纳米管具有一个或多于一个选自以下的特征：0.4微米至15微米的长度，包括2个至15个壁，3重量％至25重量％的通过热重分析(tga)测定的氧化水平，或其组合。另外或替代地，聚合物泡沫还包含炭黑、碳纤维、石墨烯、非官能化的多壁碳纳米管、官能化或非官能化的单壁碳纳米管或其组合。
24.本发明方法的一些实施方案包含：接收包含一种或多于一种聚合物和官能化的碳纳米管的聚合物组合物；和基于聚合物组合物形成聚合物泡沫，其中聚合物泡沫具有10纳米至100微米的平均孔尺寸。在本发明方法的实施方案的一些实施方案中，基于聚合物组合物形成聚合物泡沫包括通过固态发泡工艺、挤出发泡工艺、珠粒发泡工艺或注塑发泡工艺来处理聚合物组合物。在本发明方法的实施方案的一些实施方案中，方法还包含在挤出装置处组合聚合物、官能化的碳纳米管和发泡剂以形成饱和的聚合物组合物；和从挤出装置向模头提供饱和的聚合物组合物，其中发泡剂在聚合物组合物中经历成核和膨胀以形成聚合物泡沫。在一些实施方案中，由本方法的一些前述实施方案形成的聚合物泡沫是导电、抗静电或静电耗散的。
25.本发明聚合物泡沫的一些实施方案包含：一种或多于一种聚合物；和非官能化的碳纳米管，其中非官能化的碳纳米管具有0.4微米至15微米的长度，并且其中聚合物泡沫具有10纳米至100微米的平均孔尺寸。
26.在本发明聚合物泡沫的实施方案的一些实施方案中，聚合物泡沫具有小于或等于100纳米的平均孔尺寸。另外或替代地，聚合物泡沫具有大于或等于10e12个泡孔每立方厘米的泡孔密度。
27.在本发明聚合物泡沫的实施方案的一些实施方案中，聚合物泡沫具有包含聚合物泡沫的材料的1％至50％堆积密度的泡沫密度。另外或替代地，聚合物泡沫包含0.001瓦特每米
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开尔文至0.01瓦特每米
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开尔文的热导率。
28.在聚合物泡沫的实施方案的一些实施方案中，非官能化的碳纳米管分散在一种或多于一种聚合物、聚合物泡沫或两者中。另外或替代地，非官能化的碳纳米管在一种或多于一种聚合物、聚合物泡沫或两者中彼此对齐。在本发明聚合物泡沫的实施方案的一些实施方案中，聚合物泡沫的泡孔包含开孔结构、闭孔结构或其组合，并且其中聚合物泡沫是透明或基本上透明的。
29.在本发明聚合物泡沫的实施方案的一些实施方案中，一种或多于一种聚合物的至
少一种聚合物选自：聚碳酸酯、聚碳酸酯
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硅氧烷共聚物、聚醚酰亚胺、聚醚酰亚胺
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硅氧烷共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚苯醚(ppe)
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硅氧烷共聚物及其组合。
30.在本发明聚合物泡沫的实施方案的一些实施方案中，非官能化的碳纳米管包含非官能化的多壁碳纳米管，并且还包含炭黑、碳纤维、石墨烯、官能化的多壁碳纳米管、官能化的单壁碳纳米管、官能化或非官能化的单壁碳纳米管或其组合。另外或替代地，非官能化的碳纳米管包含多壁碳纳米管并且包括2个至15个壁。
31.本发明方法的一些实施方案包含：接收包含一种或多于一种聚合物和非官能化的碳纳米管的聚合物组合物，其中非官能化的碳纳米管具有0.4微米至15微米的长度；和基于聚合物组合物形成聚合物泡沫，其中聚合物泡沫具有10微米纳米至100微米的平均孔尺寸。
32.在本发明方法的实施方案的一些实施方案中，基于聚合物组合物形成聚合物泡沫包括通过固态发泡工艺、挤出发泡工艺、珠粒发泡工艺或注塑发泡工艺来处理聚合物组合物。
33.在本发明方法的实施方案的一些实施方案中，方法还包括：在挤出装置处组合聚合物、非官能化的碳纳米管和发泡剂以形成饱和聚合物组合物；和从挤出装置向模头提供饱和的聚合物组合物，其中发泡剂在聚合物组合物中经历成核和膨胀以形成聚合物泡沫。在一些实施方案中，由本方法的一些前述实施方案形成的聚合物泡沫是导电、抗静电或静电耗散的。
34.如本文所用，各种术语仅出于描述特定实施方案的目的，并不旨在限制实施方案。例如，如本文所用，用于修饰例如结构、部件、操作等要素的序数术语(例如，“第一”、“第二”、“第三”等)本身并不表示该要素相对于另一个要素的任何优先级或顺序，而仅仅是将该要素与具有相同名称的另一个要素区分开(但用于序数术语)。术语“耦合”定义为连接，尽管未必是直接连接，并且未必是机械连接。“耦合”的两个物品可以彼此一体化。除非本公开明确地另外要求，否则术语“一个”和“一种”定义为一个(种)或多个(种)。如本领域普通技术人员所理解的，术语“基本上”定义为在很大程度上但未必全部是所指定的(并且包括所指定的；例如，基本上90度包括90度并且基本上平行包括平行)。在任何公开的实施方案中，术语“基本上”可以替换为“在指定的[百分比]内”，其中百分比包括0.1％、1％或5％；并且术语“大约”可以替换为指定值的“10％以内”。短语“和/或”是指和或。为了说明，a、b和/或c包括：单独的a、单独的b、单独的c、a和b的组合、a和c的组合、b和c的组合、或a、b和c的组合。换句话说，“和/或”作为包括性的“或”。术语“包含”、“具有”和“包括”是包括性的或开放式的，并且不排除附加的、未列举的要素或方法步骤。因此，“包含”、“具有”或“包括”一个或多于一个要素的装置具有这些一个或多于一个要素，但不限于仅具有这些一个或多于一个要素。同样，“包含”、“具有”或“包括”一个或多于一个步骤的方法具有这些一个或多于一个步骤，但不限于仅具有这些一个或多于一个步骤。
[0035]
任何系统、方法和制造制品的任何实施方案可以由任何所述的步骤、要素和/或特征组成，或基本上由任何所述的步骤、元素和/或特征组成，而不是包含/具有/包括任何所述的步骤、要素和/或特征。因此，在任何权利要求中，术语“由
……
组成”或“基本上由
……
组成”可以替代上面列举的任何开放式连接动词，以改变另外会使用开放式连接动词的给定权利要求的范围。另外，术语“其中(wherein)”可以与“其中(where)”互换使用。此外，以某种方式配置的装置或系统至少以这种方式配置，但也可以不同于具体描述的方式的其他
方式配置。即使未描述或说明，但一个实施方案的一个或多于一个特征可以应用于其他实施方案，除非本公开或实施方案的性质明确禁止。上面描述与实施方案相关的一些细节，下面描述其他细节。在阅读整个申请(包括以下部分：附图说明、具体实施方案和权利要求)后，本公开的其他实施方案、优点和特征将变得明显。
附图说明
[0036]
以下附图通过实例而非限制性的方式进行说明。为了简洁和清晰起见，给定结构的每个特征并不总是在出现该结构的每个图中标记。相同的附图标记未必表示相同的结构。相反，可以使用相同的附图标记来指示相似的特征或具有相似功能的特征，不相同的附图标记也可以指示不相同的特征或具有不相同功能的特征。这些图是按比例绘制的(除非另有说明)，这意味着对于至少图中描绘的实施方案，所描绘的要素的尺寸相对于彼此是准确的。标识为示意图的视图未按比例绘制。
[0037]
图1是说明使用包含官能化的碳纳米管的聚合物组合物制造聚合物泡沫的系统的一个实例的图示。
[0038]
图2是说明图1的聚合物组合物的一个实例的透视图的图示。
[0039]
图3是制备聚合物泡沫的系统的一个实例的透视图。
[0040]
图4是说明制造官能化的碳纳米管的方法的一个实例的流程图。
[0041]
图5是说明制造包含官能化的碳纳米管的饱和的聚合物组合物的方法的一个实例的流程图。
[0042]
图6是说明使用包含官能化的碳纳米管的聚合物组合物制造聚合物泡沫的方法的一个实例的流程图。
具体实施方式
[0043]
参考图1，图1示出了用于制造聚合物泡沫152的系统100的框图。聚合物泡沫152包括包含官能化的碳纳米管132的聚合物复合材料142。与包含常规碳纳米管(例如，不包括官能化的碳纳米管)的聚合物泡沫相比，聚合物泡沫152具有增加的孔密度和减轻的重量。
[0044]
系统100包括cnt改性系统112、组合器114、成形系统116(例如，发泡系统)和电子装置118。cnt改性系统112配置为由碳纳米管122和氧化剂124生成官能化的碳纳米管132。cnt改性系统112可以包括或对应于湿法蚀刻或等离子体处理氧化系统，其配置为氧化碳纳米管122以在其上形成官能团，从而产生官能化的碳纳米管132。在一些实施方案中，碳纳米管122通过化学气相沉积(cvd)形成。还参考图2描述官能化的碳纳米管132。
[0045]
组合器114配置为由官能化的碳纳米管132和一种或多于一种聚合物134产生聚合物复合材料142(例如，共混组合物)。组合器114可以包括或对应于熔体复合系统或熔体共混组合器。还参考图2描述聚合物复合材料142和聚合物134。成形系统116配置为使用聚合物复合材料142生成聚合物泡沫152。成形系统116可以包括或对应于固态发泡系统、挤出发泡系统或珠粒发泡系统。尽管列举为单独的系统，但是组合器114和成形系统116可以并入单个系统中，如参考图3所述。
[0046]
电子装置118包括一个或多于一个接口160，一个或多于一个处理器(例如，一个或多于一个控制器)，如代表性处理器164、存储器168和一个或多于一个输入/输出(i/o)装置
170。接口160可以包括网络接口和/或配置为通信耦合至一个或多于一个其他装置如cnt改性系统112、组合器114或成形系统116的装置接口。例如，接口160可以包括发送器、接收器或其组合(例如，收发器)，并且可以实现有线通信、无线通信或其组合。尽管电子装置118描述为单个电子装置，但在其他实施方案中，系统100包括多个电子装置。在这样的实施方案中，例如分布式控制系统，多个电子装置各自控制系统100的子系统，例如cnt改性系统112、组合器114或成形系统116。
[0047]
处理器164包括氧化控制器172、共混控制器174和成形控制器176(例如，发泡控制器)。例如，氧化控制器172(例如，处理器164)可以配置为生成一个或多于一个氧化控制信号182和/或将一个或多于一个氧化控制信号182传送至cnt改性系统112。共混控制器174配置为控制(或调节)组合器114(例如腔室或其挤出机)内的环境，例如空气质量、温度和/或压力和/或将材料输送/注射至组合器114。例如，共混控制器174可以配置为生成一个或多于一个环境控制信号184、一个或多于一个原料输送控制信号186和/或将一个或多于一个环境控制信号184传送至组合器114、将一个或多于一个原料输送控制信号186传送至组合器114，或其组合。
[0048]
成形控制器176配置为控制(或调节)成形系统116(例如，其挤出机)内的环境，例如温度(例如，热)和/或压力，和/或将材料输送/注射至成形系统116(例如，其挤出机)中。例如，成形控制器176可以配置为生成一个或多于一个环境控制信号184、一个或多于一个原料输送控制信号186，和/或将一个或多于一个环境控制信号184传送至成形系统116、将一个或多于一个原料输送控制信号186传送至成形系统116，或其组合。
[0049]
尽管处理器164的一个或多于一个部件被描述为单独部件，但在一些实施方案中，处理器164的一个或多于一个部件可以组合为单个部件。例如，尽管氧化控制器172和共混控制器174被描述为独立的，但在其他实施方案中，氧化控制器172和共混控制器174可以合并至单个控制器中。另外或替代地，处理器164的一个或多于一个部件可以与处理器164分开(例如，不包括在其中)。举例说明，氧化控制器172可以与处理器164分开并且与处理器164不同。
[0050]
存储器168，如非暂时性计算机可读存储介质，可包括易失性存储器装置(例如，随机存取存储器(ram)装置)、非易失性存储器装置(例如，只读存储器(rom)装置、可编程只读存储器和闪存)，或两者。存储器168可以配置为存储指令192、一个或多于一个阈值194以及一个或多于一个数据集196。指令192(例如，控制逻辑)可以配置为当由一个或多于一个处理器164执行时，使处理器164执行本文进一步描述的操作。例如，一个或多于一个处理器164可以执行参考图3至图6所描述的操作。一个或多于一个阈值194和一个或多于一个数据集196可以配置为使处理器164生成控制信号。例如，处理器164可以响应于从组合器114接收到传感器数据例如传感器数据188，生成控制信号并且发送控制信号。可以基于将传感器数据与一个或多于一个阈值194、一个或多个数据集196或其组合进行比较来调整温度或原料流速。
[0051]
在一些实施方案中，处理器164可以包括或对应于微控制器/微处理器、中央处理单元(cpu)、现场可编程门阵列(fpga)装置、专用集成电路(asic)、其他硬件装置、固件装置或其任何组合。处理器164可以配置为执行指令192以启动或执行参考图3描述的一个或多于一个操作和/或图4至图6的方法中的一个或多于一个操作。
[0052]
一个或多个i/o装置170可以包括鼠标、键盘、显示装置、相机、其他i/o装置或其组合。在一些实施方案中，一个或多于一个处理器164响应于经由一个或多于一个i/o装置170接收一个或多于一个用户输入而生成控制信号并且发送控制信号。
[0053]
电子装置118可以包括或对应于通信装置、移动电话、手机、卫星电话、计算机、平板电脑、便携式计算机、显示装置、媒体播放器或台式计算机。另外或替代地，电子装置118可以包括机顶盒、娱乐单元、个人数字助理(pda)、监视器、计算机监视器、电视、调谐器、视频播放器、包括处理器或者存储或检索数据或计算机指令的任何其他装置或组合。
[0054]
在系统100的操作过程中，由碳纳米管122(如接收或生长的双壁或多壁碳纳米管)形成官能化的碳纳米管132。例如，cnt改性系统112如下改性(即，官能化)碳纳米管122：经由湿法蚀刻或等离子处理施用氧化剂124以氧化碳纳米管122，从而形成官能化的碳纳米管132。举例说明，氧化控制器172可将一个或多于一个氧化控制信号182发送至cnt改性系统112。氧化控制信号182可以包括信号，所述信号配置为使cnt改性系统112对碳纳米管122施用使用氧化剂124的液体化学蚀刻或使用氧化剂124的等离子体处理以氧化碳纳米管122，例如其侧壁碳原子。另外，cnt改性系统112可以进行臭氧化(即施用o3)氧化碳纳米管122。通过氧化碳原子和/或连接/形成与碳原子键合的官能氧基团，将碳纳米管122氧化形成官能化的碳纳米管132，如参考图2进一步所述。另外，官能团可以与纳米管末端的碳原子键合。
[0055]
在特定的实施方案中，氧化剂124包括硝酸或硝酸和硫酸混合物。硝酸和硫酸混合物可以是水溶液混合物。另外，氧化剂124可进一步处理碳纳米管122以制备碳纳米管122从而与聚合物134键合。例如，硝酸或硝酸和硫酸混合物从用于形成碳纳米管的催化剂、特别是在用于生长/形成碳纳米管122的cvd工艺过程中使用的催化剂中除去金属残留物(例如，遗留的残留物)。
[0056]
另外，氧化控制信号182可以配置为使cnt改性系统112冲洗被氧化的碳纳米管122(例如，官能化的碳纳米管132)以除去污染物的信号。在一些实施方案中，经氧化的碳纳米管122用调节剂126通过cnt改性系统112进一步处理。举例说明，cnt改性系统112施用调节剂126通过对氧化的碳纳米管122附着的官能团进行改性，进一步对氧化的碳纳米管122进行改性。举例说明，调节剂126与经氧化的碳纳米管122的一个或多于一个官能团发生反应，以对用于增加与聚合物134的附着力的官能团进行化学改性，并且生成官能化的碳纳米管132。在其他实施方案中，将碳纳米管122通过酰胺化(例如酰亚胺化)和/或环氧化而不是氧化，加工以形成官能化的碳纳米管132。
[0057]
生成官能化的碳纳米管132(并且任选地，对其进行调节/进一步改性)后，将官能化的碳纳米管132提供至组合器114。通过组合器114生成聚合物复合材料142(例如，聚合物组合物)。例如，组合器114响应于来自共混控制器174的控制信号184、186而组合(例如，混合或共混)官能化的碳纳米管132和聚合物134(和任选的添加剂136)。举例说明，共混控制器174可将一个或多于一个环境控制信号184发送至组合器114，以调整组合器114的条件(例如，温度、压力、空气质量)或聚合物复合材料142的条件(黏度、温度等)。另外或替代地，共混控制器174可将一个或多于一个原料输送控制信号186发送至组合器114以调整官能化的碳纳米管132、聚合物134、一种或多于一种添加剂136或其任何组合的速度或量。用于增加导电性的示例性添加剂包括炭黑、碳纤维、石墨烯、非官能化的多壁碳纳米管、官能化或
非官能化的单壁碳纳米管或其组合。
[0058]
形成聚合物复合材料142后，将聚合物复合材料142提供至成形系统116，成形系统116形成或生成聚合物泡沫152。例如，成形系统116可以通过固态发泡工艺、挤出发泡工艺、珠粒发泡工艺或注塑发泡工艺形成聚合物泡沫152，如本文进一步所述。举例说明，成形控制器176可发送一个或多于一个控制信号以控制聚合物复合材料142至成形系统116的挤出机的递送(例如，注射)。
[0059]
另外或替代地，成形控制器176可以发送一个或多于一个控制信号以控制聚合物复合材料142的发泡，例如控制对挤出机施用温度和压力，以控制发泡速率和/或尺寸。成形控制器176可以进一步发送一个或多于一个控制信号以控制饱和的聚合物复合材料142(在其聚合物134颗粒之间具有溶解的发泡剂的聚合物复合材料)的冷却和饱和的聚合物复合材料142从挤出机中的挤出。
[0060]
聚合物泡沫152(或并入聚合物泡沫152的部分)包含能够实现所需的导电性并且减轻重量的聚合物复合材料142(并且由其形成)。聚合物复合材料142和/或聚合物泡沫152可包括增强的机械性能。因此，本公开通过将如本文所述的官能化的碳纳米管并入聚合物复合材料克服了形成具有孔密度增加并且重量减轻的聚合物泡沫的现有挑战。聚合物泡沫能够实现独特的机械性能、热性能、电性能和光学性能。
[0061]
聚合物泡沫152可包含或对应于微孔泡沫、亚微孔泡沫、纳米孔泡沫或具有微米、亚微米、和/或纳米尺寸泡孔的混合泡沫。例如，聚合物泡沫152可以是微孔的并且具有1微米至100微米的平均泡孔尺寸，可以是亚微孔的并且具有0.5微米至1微米的平均泡孔尺寸，或可以是纳米孔的并且具有10纳米至500纳米的平均泡孔尺寸。在一些实施方案中，纳米孔聚合物泡沫152具有10纳米至500纳米的平均孔尺寸。在其他实施方案中，聚合物泡沫152具有基本上介于如下值的任何两个之间的平均孔尺寸：5纳米、6纳米、7纳米、8纳米、9纳米、10纳米、20纳米、30纳米、40纳米、50纳米、60纳米、80纳米、100纳米、150纳米、180纳米、19纳米、200纳米、202纳米、205纳米或210纳米。另外或替代地，纳米多孔聚合物泡沫152具有小于或等于100纳米的平均孔尺寸。
[0062]
在一些实施方案中，聚合物泡沫152具有大于基本上10e12个泡孔每立方厘米的泡孔密度。在特定的实施方案中，聚合物泡沫152具有大于基本上10e15个泡孔每立方厘米的泡孔密度。在其他实施方案中，聚合物泡沫152具有大于或等于基本上如下值中一个的平均孔尺寸：10e10个泡孔每立方厘米、10e12个泡孔每立方厘米、10e13个泡孔每立方厘米、10e14个泡孔每立方厘米、10e16个泡孔每立方厘米、10e18个泡孔每立方厘米、10e20个泡孔每立方厘米或10e22个泡孔每立方厘米。
[0063]
在一些实施方案中，聚合物泡沫152具有包含聚合物泡沫152的材料(即，聚合物复合材料142)的基本上1％至基本上50％的堆积密度的泡沫密度。在特定的实施方案中，聚合物泡沫152具有包含聚合物泡沫152的材料的基本上5％至基本上20％堆积密度的泡沫密度。在其他实施方案中，聚合物泡沫152具有基本上包含聚合物泡沫152的材料的如下堆积密度的任何两个之间的泡沫密度：0.5％、1％、2％、5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％。
[0064]
在一些实施方案中，聚合物泡沫152包含基本上0.001瓦特每米
‑
开尔文至基本上0.01瓦特每米
‑
开尔文的热导率。在特定的实施方案中，聚合物泡沫152包含在环境温度(例
如，23℃)至基本上350℃的温度下为基本上0.001瓦特每米
‑
开尔文至基本上0.01瓦特每米
‑
开尔文的热导率。在其他实施方案中，聚合物泡沫152包含基本上0.001瓦特每米
‑
开尔文至基本上0.05瓦特每米
‑
开尔文的热导率。在一些这样的实施方案中，聚合物泡沫152包含在基本上环境温度至基本上350℃的温度下的热导率。
[0065]
在一些实施方案中，官能化的碳纳米管132在聚合物泡沫152中分散和/或彼此对齐。官能化的碳纳米管132的分散和对齐增加机械性能(例如，载荷和抗冲击性)并且增加电性能(例如，导电)。
[0066]
在一些实施方案中，聚合物泡沫的泡孔152包含开孔结构、闭孔结构或其组合。在特定的实施方案中，聚合物泡沫152基本上由开孔结构组成。在其他特定的实施方案中，聚合物泡沫152基本上由闭孔结构组成。
[0067]
在一些实施方案中，聚合物泡沫152是透明的，例如具有1至2的折射率。在其他实施方案中，聚合物泡沫152是基本上透明的，例如具有2至3的折射率。例如，聚合物泡沫152对电磁辐射的特定部分、例如可见光或红外光是透明的或完全透明的。泡孔尺寸、泡沫密度和聚合物材料影响聚合物泡沫152的透明度。例如，降低泡沫密度增加透明度，并且泡孔尺寸通常对应于电磁辐射的特定部分。
[0068]
另外，在一些实施方案中，聚合物泡沫152具有特定的导电性能和/或屏蔽性能。例如，聚合物泡沫152可以是静电耗散(esd)、抗静电或抗emi的。举例说明，聚合物泡沫152具有e 05ohm/
□
至e 11ohm/
□
的表面电阻率以提供esd保护或具有小于e 05ohm/
□
的表面电阻率以屏蔽emi(即，是抗emi的)。
[0069]
参考图2，示出了图1的聚合物复合材料142的实例的透视图200。聚合物复合材料142是聚合物组合物(例如，共混组合物)并且包含一种或多于一种聚合物134和官能化的碳纳米管132。图2表示聚合物复合材料142的简化图，说明具有连接到其上的单个官能团242的单壁、多壁碳纳米管232，并且说明连接至官能团242的聚合物134的单个聚合物链244。尽管聚合物复合材料142示为包括多壁碳纳米管232(即，双壁碳纳米管)，但在其他实施方案中，聚合物复合材料142包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管或组合。多壁碳纳米管可具有如图2所示的同心管状，或可具有卷状。
[0070]
如图2所示，多壁碳纳米管232具有两个壁或管，第一管212和第二管214。每个管212、214具有第一端220(例如，近端)和第二端222(例如，远端)。每个管212、214具有从第一端220延伸至第二端222的侧壁224。侧壁224具有内表面226和外表面228。
[0071]
在图2中，为清楚起见，多壁碳纳米管232示为具有两个壁。在其他实施方案中，多壁碳纳米管232具有多于两个的壁。例如，在一些实施方案中，多壁碳纳米管232包括5个至15个壁。举例说明，一片石墨烯可以被卷起5次以制备具有5个壁的多壁碳纳米管，即5层碳原子彼此间隔开。作为其他实例，5组碳纳米管(例如，单壁纳米管)同心排列(例如，嵌套)以形成具有5个壁的多壁碳纳米管，类似于多壁碳纳米管232。在其他实施方案中，多壁碳纳米管232包括等于如下个数的壁：3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个、11个、12个、13个、14个、15个、16个、17个、18个、19个或20个或多于20个。官能化的碳纳米管132可包括或对应于直纳米管、扭结纳米管、包含stone
‑
wales缺陷的纳米管或其组合。
[0072]
官能化的碳纳米管132具有大于90％的纯度，在一些实施方案中，即大于90％的碳含量。在其他实施方案中，官能化的碳纳米管132具有大于或等于基本上如下的任一个的纯
度：80％、85％、90％或95％。在特定的实施方案中，官能化的碳纳米管132不包括无定形碳。另外或替代地，官能化的碳纳米管132具有小于10％的残留金属杂质和/或金属氧化物杂质。示例性杂质包括金属fe、mg、co、al、mo和mn，和/或其氧化物。在其他实施方案中，官能化的碳纳米管132具有小于或等于基本上如下的任一个的残留金属杂质和/或金属氧化物杂质：20％、15％、10％或5％。
[0073]
在一些实施方案中，官能化的碳纳米管132的长度为小于或等于1.5微米。在特定的实施方案中，官能化的碳纳米管132的长度为小于或等于1.2微米。在其他实施方案中，官能化的碳纳米管132的长度介于基本上如下值的任何两个值之间：0.4微米、0.6微米、0.8微米、1微米、1.2微米、1.4微米、1.5微米、1.6微米、1.8微米、2微米、3微米、4微米、5微米、6微米、8微米、10微米、12微米、14微米或15微米。官能化的碳纳米管132的长度可表示所有官能化的碳纳米管132的长度的平均值，或者每个官能化的碳纳米管132均满足的阈值。氧化碳纳米管122可减少碳纳米管122的长度，即官能化的碳纳米管132比碳纳米管122的长度短。
[0074]
在一些实施方案中，官能化的碳纳米管132的宽度小于或等于20nm。在特定的实施方案中，官能化的碳纳米管132的宽度小于或等于13nm。在一些实施方案中，长度与直径(即，l/d)之比为20至100。在特定的实施方案中，官能化的碳纳米管132的l/d之比为40至80。
[0075]
在一些实施方案中，官能化的碳纳米管132具有基本上25至基本上500的纵横比。在特定的实施方案中，官能化的碳纳米管132具有基本上60至基本上200的纵横比。另外或替代地，在一些实施方案中，官能化的碳纳米管132具有200平方米/克至300平方米/克(m2/g)的表面积(即，比表面积(ssa)：每单位质量的面积)。在其他实施方案中，官能化的碳纳米管132具有大于600m2/g的表面积。
[0076]
如图2所示，为清楚起见，多壁碳纳米管232具有耦合至第二管214的外表面226的官能团242。实际上，多壁碳纳米管232具有多个连接在其侧壁224上的官能团242，由此形成官能化的碳纳米管132或为官能化的碳纳米管132。官能团242耦合至聚合物134(例如，特定的聚合物链244或聚合物分子)。官能化的碳纳米管132的一个或多于一个官能团242可以与聚合物134形成共价键或极性键，具有与官能化的碳纳米管132的碳原子(例如，未氧化的碳原子)相比增加的与聚合物134的键合/亲和性。另外，聚合物134的聚合物链244可直接键合至官能化的碳纳米管132的碳原子(例如，氧化的碳原子)和其他聚合物链244。
[0077]
在一些实施方案中，官能团242包括或对应于基于氧的官能团或含氧官能团(例如，氧官能团)，例如包含c
‑
o键的化合物。基于氧或含氧的官能团的实例包括：醇(例如，羟基)、酮(例如，羰基)、醛、酰卤、碳酸酯、羧酸盐、羧酸、酯、甲氧基、氢过氧化物、过氧化物、醚、半缩醛、半缩酮、缩醛、原酸酯、异环(hereocycles)和原碳酸酯。在特定的实施方案中，官能化的碳纳米管132的官能团242包括或对应于羟基、羧酸基或其组合。
[0078]
在一些实施方案中，官能化的碳纳米管132的氧化水平是3重量％至25重量％。本文所用的氧化定义为共价键合至官能化的碳纳米管132上的含氧官能团按重量计的量(重量百分比)。热重法可用于测定(例如，共价键合至)官能化的碳纳米管132上的含氧官能团的重量百分比。例如，特定的热重分析(tga)方法包括将基本上5mg干燥的官能化的碳纳米管132在干燥的氮气氛中从室温以每分钟5℃的速度加热至1000℃。200℃至600℃的重量损失百分比被看作含氧官能团的重量损失百分比。含氧官能团也可以使用傅立叶变换红外光
谱(ftir)进行量化，特别是在1730cm
‑1至1680cm
‑1的波长范围内进行量化。在其他实施方案中，如通过上述tga方法测定的官能化的碳纳米管132的氧水平介于基本上如下值的任何两个值之间：1重量％、2重量％、3重量％、4重量％、5重量％、10重量％、15重量％、20重量％、25重量％和30重量％。
[0079]
在一些这样的实施方案中，如通过滴定法测定的耦合至官能化的碳纳米管132的羧酸基团的量为0.02毫摩尔/g官能化的碳纳米管至0.18毫摩尔/g官能化的碳纳米管。在其他实施方案中，如通过滴定法测定的耦合至官能化的碳纳米管132的羧酸基团的量介于基本上如下值的任何两个之间：0.005毫摩尔/g官能化的碳纳米管、0.001毫摩尔/g官能化的碳纳米管、0.02毫摩尔/g官能化的碳纳米管、0.04毫摩尔/g官能化的碳纳米管、0.06毫摩尔/g官能化的碳纳米管、0.08毫摩尔/g官能化的碳纳米管、0.10毫摩尔/g官能化的碳纳米管、0.12毫摩尔/g官能化的碳纳米管、0.14毫摩尔/g官能化的碳纳米管、0.16毫摩尔/g官能化的碳纳米管、0.18毫摩尔/g官能化的碳纳米管、0.20毫摩尔/g官能化的碳纳米管。另外或替代地，如通过滴定法测定的耦合至官能化的碳纳米管132的羟基的量为0.04毫摩尔/g官能化的碳纳米管至0.34毫摩尔/g官能化的碳纳米管。在其他实施方案中，如通过滴定法测定的耦合至官能化的碳纳米管132的羟基的量介于基本上如下值的任何两个之间：0.005毫摩尔/g官能化的碳纳米管、0.01毫摩尔/g官能化的碳纳米管、0.02毫摩尔/g官能化的碳纳米管、0.03毫摩尔/g官能化的碳纳米管、0.04毫摩尔/g官能化的碳纳米管、0.06毫摩尔/g官能化的碳纳米管、0.08毫摩尔/g官能化的碳纳米管、0.12毫摩尔/g官能化的碳纳米管、0.16毫摩尔/g官能化的碳纳米管、0.20毫摩尔/g官能化的碳纳米管、0.24毫摩尔/g官能化的碳纳米管、0.28毫摩尔/g官能化的碳纳米管、0.32毫摩尔/g官能化的碳纳米管、0.34毫摩尔/g官能化的碳纳米管、0.35毫摩尔/g官能化的碳纳米管、0.36毫摩尔/g官能化的碳纳米管、0.37毫摩尔/g官能化的碳纳米管、0.38毫摩尔/g官能化的碳纳米管、0.39毫摩尔/g官能化的碳纳米管、0.4毫摩尔/g官能化的碳纳米管。作为说明性的非限制性实例，勃姆(boehm)滴定法用于测定官能化的碳纳米管132的氧化和/或特定的基于氧的官能团242的存在。
[0080]
在一些实施方案中，官能化的碳纳米管132的侧壁224的外表面226上的总氧化为5重量百分比至25重量百分比(重量％)的基于氧的官能团242。对于多壁碳纳米管，其他侧壁224(例如，内侧壁224)的外表面226可以具有与最外侧壁224的外表面相似的总氧化重量％或不同的(例如，较小的)总氧化重量％。在特定的实施方案中，官能化的碳纳米管132的侧壁224的外表面226上的总氧化为15重量％至22重量％的基于氧的官能团242。在其他实施方案中，官能化的碳纳米管132的侧壁224的外表面226上的总氧化是基本上介于如下值的任何两个之间：2重量％、3重量％、4重量％、5重量％、6重量％、7重量％、8重量％、9重量％、10重量％、12重量％、14重量％、15重量％、16重量％、18重量％、20重量％、22重量％、24重量％、25重量％、26重量％、27重量％、28重量％、29重量％或30重量％的基于氧的官能团242。总氧化重量百分比可表示所有官能化的碳纳米管132的基于氧的官能团242的重量％的平均值或中间值或者每个官能化的碳纳米管132满足的基于氧的官能团242的总氧化重量％范围。
[0081]
在特定的实施方案中，聚合物复合材料142包括为聚合物复合材料142的从基本上0.1重量％至基本上3重量％的官能化发碳纳米管132。在其他实施方案中，聚合物复合材料142包括为聚合物复合材料142的基本上如下值的任何两个之间的官能化的碳纳米管132：
0.01重量％、0.1重量％、0.5重量％、1重量％、2重量％、3重量％、4重量％或5重量％。
[0082]
在一些实施方案中，官能化的碳纳米管132可进行改性以改善在聚合物复合材料142中的分散性和/或与聚合物134的附着性。碳纳米管122被进一步改性或官能化的碳纳米管132(例如，未反应的碳原子、连接的官能团或其两者)被化学改性。例如，将图1的调节剂126施用于官能化的碳纳米管132。作为说明性的非限制性实例，官能化的碳纳米管132与胺(如脂肪族长链胺)反应，以对连接的官能团242进行改性或调节，从而增加与聚合物134、特别是烯烃的相互作用。增加调节的官能团242和聚合物134之间的相互作用(例如，键合)改善官能化的碳纳米管132在聚合物复合材料142中的分散。
[0083]
聚合物134可包括聚碳酸酯(pc)、聚碳酸酯共聚物(pc copo)、聚碳酸酯
‑
硅氧烷共聚物、聚醚酰亚胺、聚醚酰亚胺
‑
硅氧烷共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚苯醚(ppe)
‑
硅氧烷共聚物或其组合。在特定的实施方案中，聚合物134包括或对应于具有亲co2的构建嵌段，如co2混合或可溶性聚合物嵌段的聚合物。
[0084]
另外或替代地，聚合物134可包括热塑性聚合物、共聚物及其共混物。聚合物134可包括聚酯，如半结晶聚合物、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、乙二醇改性的聚对苯二甲酸乙二醇酯(petg)、乙二醇改性的聚对苯二甲酸环己烷二甲酯(pctg)、聚对苯二甲酸环己烷二甲酯(pct)、间苯二甲酸改性的聚对苯二甲酸环己烷二甲酯(pcta)，以及tritan
tm
(对苯二甲酸二甲酯、1,4
‑
环己烷二甲醇和2,2,4,4
‑
四甲基
‑
1,3
‑
环丁二醇的组合，来自eastman chemical)。另外或替代地，材料可包括树脂，例如xylex
tm
(pc和无定形聚酯的组合)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(pbt)(例如，来自pbt的valox
tm
系列的树脂)和/或可得自sabic
tm
的pet树脂。另外或替代地，聚合物134可包括液晶聚合物(lcp)、聚醚醚酮(peek)、氟化的乙烯丙烯(fep)、聚砜(psu)、聚乙烯亚胺、聚酰亚胺(pi)、聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)、环烯烃共聚物(coc)、环烯烃聚合物(cop)、聚酰胺(pa)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(abs)或其组合。如本文所用，术语“聚碳酸酯包括共聚碳酸酯、均聚碳酸酯和(共)聚酯碳酸酯。
[0085]
在另一个特定的实施方案中，聚合物134包括聚硅氧烷嵌段共聚物。聚硅氧烷嵌段共聚物通常包含含有聚硅氧烷的第一嵌段和与第一嵌段共聚的第二嵌段聚合物。示例性嵌段共聚物是聚碳酸酯
‑
聚硅氧烷嵌段共聚物、共聚酯
‑
碳酸酯
‑
聚硅氧烷嵌段共聚物、聚酯
‑
聚硅氧烷嵌段共聚物、聚芳酯
‑
聚硅氧烷嵌段共聚物等，或包含前述聚合物中至少一种的组合。
[0086]
聚酯
‑
聚硅氧烷嵌段共聚物或共聚酯
‑
碳酸酯
‑
聚硅氧烷嵌段共聚物中使用的聚酯可以是脂族聚酯或芳族聚酯。可用于聚酯
‑
聚硅氧烷嵌段共聚物中的聚酯实例是聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(pbt)、聚(1,4
‑
环己烷二甲酸
‑
1,4
‑
环己烷
‑
二甲醇酯)(pccd)、聚(对苯二甲酸丙二醇酯)(ptt)、聚(环己烷二甲醇
‑
共聚
‑
对苯二甲酸乙二醇酯)(petg)、聚(萘二甲酸乙二醇酯)(pen)、聚(萘二甲酸丁二醇酯)(pbn)、聚芳酯等，或包含前述聚酯中至少一种的组合。
[0087]
聚合物复合材料142还可包括旨在赋予聚合物泡沫152某些特性的一种或多于一种添加剂(例如，添加剂136)。各种添加剂可以并入聚合物复合材料142，条件是选择添加剂从而不显著地不利影响聚合物复合材料142的所需性能(例如，添加剂具有良好的与聚合物134和官能化的碳纳米管132的相容性)。例如，选择的添加剂不显著地不利影响聚合物134与官能化的碳纳米管132之间的键合、发泡或导电性。
[0088]
作为说明性的非限制性实例，聚合物复合材料142可包括一种或多于一种添加剂(例如，136)，例如抗冲改性剂、流动改性剂、抗氧化剂、热(例如热稳定剂)、光稳定剂、紫外(uv)光稳定剂、uv吸收添加剂、增塑剂、润滑剂、抗静电剂、抗微生物剂、着色剂(例如，染料或颜料)、表面效应添加剂、辐射稳定剂或其组合。添加剂可以包括抗冲改性剂，例如苯乙烯
‑
丁二烯热塑性弹性体、阻燃剂添加剂、着色剂、热稳定剂、抗氧化剂、抗静电剂和流动促进剂。这些添加剂可以在成分混合期间的合适时间混合以形成聚合物复合材料142。
[0089]
作为说明性的非限制性实例，添加一种或多于一种能够与基于氧的官能团242反应的增容剂将改善与聚合物134的附着性。在特定的实施方案中，能够与官能化的碳纳米管132的羧酸官能团242反应的增容剂将改善与聚合物134的附着性。在特定的实施方案中，添加基于甲基丙烯酸缩水甘油酯(gma)的增容剂如lotader ax8900、聚烯烃或pbt组合物以与官能化的碳纳米管132的基于氧的官能团242反应。
[0090]
在一些实施方案中，聚合物复合材料142包括聚合物复合材料142的从基本上0.1重量％至基本上10重量％的官能化的碳纳米管132。在特定的实施方案中，聚合物复合材料142包括小于或等于5重量％的量的官能化的碳纳米管132。在另一个实施方案中，聚合物复合材料142包括小于或等于3重量％的量的官能化的碳纳米管132。
[0091]
因此，聚合物复合材料142通过将本文所述的官能化的碳纳米管132并入聚合物复合材料142具有增加的在聚合物134与其官能化的碳纳米管132之间的键合和附着性。增加的键合和附着性增加了使用聚合物复合材料142制成的泡沫的孔隙率和机械性能。例如，由聚合物复合材料142制成的泡沫和部件可具有与由常规聚合物组合物制成的部件相比低的重量和密度。
[0092]
参考图3，示出了用于制备聚合物泡沫的系统300的实例。系统300配置为使用挤出工艺以形成聚合物组合物(例如，聚合物复合材料142)和使用挤出发泡工艺以由聚合物复合材料142形成聚合物泡沫152，如本文所述。系统300包括挤出机310、流体室312、注射器314和模头318(例如，模具)。挤出机310经由一个或多于一个管道322、例如一根或多于一根管耦合至注射器314。注射器314经由一个或多于一个管道326、例如一根或多于一根管耦合至模头318。流体室312通过一根或多于一根管道328、例如一根或多于一根管耦合至挤出机310。
[0093]
挤出机310包括一个或多于一个料斗，例如第一料斗330和第二料斗332，耦合至一个或多于一个料斗的筒体334。例如，筒体334可经由进料喉338耦合至料斗。每个料斗330、332配置为用于接收从料斗经由相应进料喉338向筒体334提供的材料(例如，球团、颗粒、薄片、粉末和/或液体)。如所示的，第一料斗330接收第一材料340和第二料斗332接收第二材料342。第一材料340包括聚合物例如聚合物134和第二材料342包括官能化的碳纳米管132。尽管描述为提供给单独料斗，但在其他实施方案中，第一材料340和第二材料342可由相同料斗提供。
[0094]
在一些实施方案中，其他材料可与第一材料340和第二材料342在挤出机310中组合。例如，其他材料可以通过挤出机310经由一个或多于一个料斗来接收。其他材料可包括一种或多于一种添加剂136，例如抗冲改性剂、流动改性剂、抗氧化剂、热稳定剂、光稳定剂、紫外(uv)光稳定剂、uv吸收添加剂、增塑剂、润滑剂、抗静电剂、抗微生物剂、着色剂(例如染料或颜料)、表面效应添加剂、辐射稳定剂或其组合，作为说明性的非限制性实例。
[0095]
每个料斗330、332将其相应材料340、342提供至筒体334中，在筒体334中材料组合以形成聚合物复合材料350。例如，材料在筒体334中通过旋转螺杆、沿着筒体334布置的加热器或两者生成的机械能(例如，压力)逐渐熔化。熔融的材料混合在一起(例如共混)以形成聚合物复合材料350。聚合物复合材料350可包括或对应于聚合物复合材料142。
[0096]
流体室312配置成在压力下储存流体并且向筒体334提供流体。在一些实施方案中，在第一材料340和第二材料342在筒体334中组合之后，流体室312通过管道328向筒体334提供可溶性流体344(例如，可溶于第一材料340的聚合物的流体)。可溶性流体344溶解在第一材料340和第二材料342的至少一种中以使第一材料340和第二材料342的至少一种饱和并且形成饱和聚合物复合材料350。在其他实施方案中，在引入第二材料342之前，向第一材料340提供可溶性流体344。在这样的实施方案中，第一材料340溶解可溶性流体344并且饱和第一材料340与第二材料342组合/混合以形成饱和聚合物复合材料350。可溶性流体344可包括或对应于发泡剂。
[0097]
如本文所用，术语“发泡剂”定义为用于使聚合物发泡的化学或物理试剂，通常称为发泡剂。发泡剂可以是气体、固体、液体或超临界发泡剂。发泡剂用于形成聚合物泡沫。可使用的发泡剂包括无机试剂、有机试剂和其他化学试剂。合适的无机发泡剂包括二氧化碳、氮气、氩气、水、空气、氮气和惰性气体例如氦气和氩气。有机试剂包括具有1个至9个碳原子的脂族烃、具有1个至3个碳原子的脂族醇和具有1个至4个碳原子的完全和部分卤化的脂族烃。
[0098]
在一个实施方案中，发泡剂可选自二氧化碳、空气、氮气、氩气、气态烃及其组合。发泡剂可选自固态二氧化碳、液态二氧化碳、气态二氧化碳或超临界二氧化碳。可使用任何惰性气体，例如氦气、氙气和氩气。气态烃的非限制性实例包括甲烷、乙烷、丙烷和丁烷。在另一个实施方案中，可以使用在环境温度和压力下会预期为气态形式的卤代烃。这种卤代烃的实例包括氟代烃(fluorohydrocarbons)、氟代烃(fluorocarbons)、氯代烃和氯氟烃。
[0099]
将饱和聚合物复合材料350从筒体334经由管道322提供给注射器314。注射器314将饱和聚合物复合材料350经由管道326注入模头318。饱和聚合物复合材料350流动进入模头318直至聚合物复合材料350基本上填充模头318，例如一个或多于一个腔体或其特征。饱和聚合物复合材料350冷却以形成聚合物泡沫152。
[0100]
在一些实施方案中，孔尺寸可以通过在膨胀过程中骤冷纳米多孔泡沫来调节/控制。例如，当在注塑机中进行熔融复合时，模头318的温度可设定为小于或等于聚合物134的玻璃化转变温度。
[0101]
如所示的，将聚合物复合材料350从挤出机310经由注射器314提供给模头318。在其他实施方案中，系统300可不包括注射器并且挤出机310可将聚合物复合材料350经由一个或多于一个管道提供给模头318。尽管聚合物复合材料350已在使用挤压工艺的系统300中描述，但在其他实施方案中，聚合物复合材料350可通过其他工艺形成并且提供给注射器314以注入模头318。
[0102]
如参考图3所述，系统300配置为形成聚合物泡沫。聚合物泡沫包括聚合物复合材料(包括聚合物和官能化的碳纳米管)，其可有利地增加孔隙密度和减轻重量。例如，与由具有常规碳纳米管的聚合物组合物制成的聚合物泡沫相比，聚合物泡沫具有增加的抗冲击性。另外，聚合物泡沫可具有设计的导电性并且可以是导电、抗静电或emi屏蔽的。
[0103]
当通过挤出技术制备聚合物泡沫152时，可期望用于形成饱和聚合物复合材料142(例如，“均质相”材料)、例如从可溶性流体344浸渍聚合物颗粒到通过挤出机310喷射的总时间，小于可溶性流体344分子从聚合物颗粒中扩散出所耗用的时间。
[0104]
在其他实施方案中，挤出机310形成挤出物(例如，聚合物复合材料142股线)，然后将其在水浴中冷却，或者通过当挤出物从挤出机310经由管道322移动至造粒机时，将挤出物喷涂在管道322(例如，传送带)中。造粒机将挤出物(例如，其股线)破碎成碎片，例如球团。聚合物复合材料142的球团包括截留的可溶性流体344并且对应于珠粒(例如，膨胀珠粒或珠粒泡沫)并且可用于珠粒发泡过程。
[0105]
在又一个实施方案中，第一材料340或聚合物复合材料350以固态在压力容器中用可溶性流体344饱和以形成饱和第一材料340或饱和聚合物复合材料350。饱和聚合物
‑
复合材料350然后通过加热装置加热以通过可溶性流体344来诱导聚合物复合材料350发泡并且形成聚合物泡沫152。例如，可溶性流体344在聚合物中经历成核和生长以形成聚合物泡沫152。
[0106]
上述图3的操作可以以间歇、半间歇或连续方式实施。连续方法通常是更期望的，因为它们可允许更好的过程控制和聚合物泡沫的制备。
[0107]
参考图4，示出了制造官能化的碳纳米管的方法的实例。方法400可由制造装置或系统，例如系统100(例如，cnt改性系统112和/或电子装置118)执行。官能化的碳纳米管可包括或对应于官能化的碳纳米管132，如本文所述。
[0108]
方法400包括在410处接收碳纳米管。碳纳米管可包括或对应于碳纳米管122并且可以是双壁碳纳米管或多壁碳纳米管或其组合。在一些实施方案中，方法400任选地包括生长或形成碳纳米管。例如，通过cvd工艺生长碳纳米管122。方法400还包括在412处氧化碳纳米管以生成官能化的碳纳米管。例如，氧化剂124以液体或浆体形式施用于碳纳米管122，并且碳纳米管122通过氧化剂124氧化以在碳纳米管122上形成基于氧的官能团242从而生成官能化碳的纳米管132。
[0109]
在一些实施方案中，氧化碳纳米管包括在422处将湿法化学蚀刻剂施用于碳纳米管。例如，氧化剂124例如硝酸或硝酸和硫酸，施用液态蚀刻剂至碳纳米管122。在其他实施方案中，氧化碳纳米管包括在424处对碳纳米管进行等离子体处理。例如，将硝酸等离子体施用于碳纳米管122。
[0110]
在一些实施方案中，方法400还可包括在414处冲洗官能化的碳纳米管。例如，将官能化的碳纳米管132在超声波浴中用超纯水冲洗。冲洗官能化的碳纳米管132可除去污染物。在一些实施方案中，方法400还包括通过在416处施用调节剂来改性官能化的碳纳米管。例如，官能化的碳纳米管132与调节剂126例如胺进行化学反应，以改性官能化的碳纳米管132的官能团242进行增加与聚合物134的附着性。在一些实施方案中，方法400还包括在418处冲洗改性的碳纳米管。例如，官能化的碳纳米管132在用调节剂126处理后在第二超声波浴中用超纯水冲洗。可由方法400形成的一种产品或制造制品包括聚合物复合材料142。冲洗官能化的碳纳米管13可除去污染物。
[0111]
因此，方法400描述了制造官能化的碳纳米管132。方法400有利地能够改善官能化的碳纳米管132与聚合物(例如，聚合物134)的键合以形成具有改善的附着性和分散的改善的聚合物组合物(聚合物复合材料142)用于减少或防止泡孔壁和/或支柱塌陷。
[0112]
参考图5，示出了制造饱和聚合物组合物的方法的实例。方法500可通过制造装置或系统，例如系统100(例如，组合器114和/或电子装置118)和/或系统300(例如，挤出机310)来执行。聚合物组合物可包括或对应于用发泡剂(例如，可溶性流体344)饱和的聚合物复合材料142或聚合物复合材料350，如本文所述。
[0113]
方法500包括在510处接收官能化的碳纳米管。方法500还包括在512处组合官能化的碳纳米管、一种或多于一种聚合物和发泡剂以形成饱和聚合物组合物。可由方法500形成的一种产品或制造制品包括聚合物泡沫152。
[0114]
因此，方法500描述了制造饱和聚合物组合物，例如聚合物复合材料142。方法500有利地能够产生饱和聚合物组合物，其增加聚合物与纳米管的键合，使得可以形成孔隙率和机械性能增加的泡沫(包括官能化的碳纳米管)，例如聚合物泡沫152。
[0115]
参考图6，示出了制造聚合物泡沫的方法的实例。方法600可通过制造装置或系统，例如系统100(例如，成形系统116和/或电子装置118)和/或系统300来执行。聚合物泡沫可包括或对应于聚合物泡沫152，如本文所述。
[0116]
方法600包括在610处接收包括官能化的碳纳米管的聚合物组合物。例如，聚合物组合物可包括或对应于聚合物复合材料142或聚合物复合材料350，并且聚合物组合物可用发泡剂饱和，例如包括可溶性流体344的饱和聚合物复合材料350。在其中聚合物组合物不饱和的这种实施方案中，将发泡剂例如可溶性流体344溶解在聚合物组合物中，如参考图3和图4所述。官能化的碳纳米管可包括或对应于官能化的碳纳米管132。
[0117]
方法600还包括在612处基于聚合物组合物形成聚合物泡沫。例如，饱和聚合物复合材料142在施用于模具144或模头318时处于熔融状态中，并且其可溶性流体344在饱和聚合物复合材料350的聚合物134中经历成核和生长以形成聚合物泡沫152。在成核和生长期间，键合至聚合物134的官能化的碳纳米管132在泡孔形成期间减少和/或防止泡孔壁和/或泡孔支柱塌陷以形成孔隙率增加的聚合物泡沫152。
[0118]
聚合物泡沫152可以连续法或间歇法制造。在示例性的连续法中，聚合物134进给至可向聚合物134施加剪切力、拉伸力、压缩力、超声能、电磁能和/或热能的装置(例如，挤出机310)中。在将这些力和能量形式施加至聚合物134期间，聚合物134达到高于其流动点的温度并且熔化。将可溶性流体344在压力下引入装置并且溶解在聚合物134中以形成流体饱和聚合物134，例如co2饱和聚合物134。从装置中喷射出后，流体经历在聚合物134中的成核和生长，以制备纳米多孔泡沫。
[0119]
聚合物134的熔融共混涉及使用剪切力、拉伸力、压缩力、超声能、电磁能、热能或包括上述力或能量形式中至少一种的组合并且在加工设备中进行，在加工设备中前述力或能量形式通过如下施加：单螺杆、多螺杆、啮合同向或反向旋转螺杆、非啮合同向旋转或反向旋转螺杆、往复式螺杆、带销螺钉、带滤网螺钉、带销筒体、辊、柱塞、螺旋转子，或包括前述至少两种的组合。
[0120]
涉及上述力的熔融共混可以在机器中进行，所述机器例如单螺杆或多螺杆挤出机、布斯捏合机、亨舍尔混合机、螺旋机(helicones)、罗斯混合机、班伯里混炼机(banbury)、辊轧机，成型机器例如注塑机、真空成型机、吹塑成型机等，或包括前述机器中至少一种的组合。在一个实施方案中，熔融共混在挤出机中进行。在另一个实施方案中，熔融共混在注塑机中进行。在示例性的间歇法实施方案中，固体形式的聚合物134是在压力下
浸入可溶性流体344中持续一定时间段以形成流体
‑
饱和聚合物134。解除压力后，可溶性流体344经历成核和生长以形成纳米多孔泡沫。
[0121]
方法600还可包括在挤出装置组合聚合物和添加剂以形成聚合物组合物。例如，挤出装置可包括或对应于挤出机310。在一些这样的实施方案中，方法600还包括从挤出装置向注射装置提供聚合物组合物用于注入模具。例如，注射装置可包括或对应于注射器314。在其他实施方案中，挤出装置将聚合物组合物注入模具。
[0122]
因此，方法600描述了制造具有增加的孔隙密度(孔隙率)和减轻的重量的聚合物泡沫，例如聚合物泡沫152。方法600有利地能够形成孔隙密度增加和重量减轻的聚合物泡沫。另外或替代地，聚合物泡沫可以是导电的。
[0123]
聚合物泡沫例如聚合物泡沫152的一种示例性用途是作为绝热材料(例如，并入绝热材料中)。聚合物泡沫具有良好的绝缘性能(例如，低于气体的绝缘性能)和低密度。由于克努森效应，聚合物泡沫可以提供增加的热绝缘。聚合物泡沫的另一个示例性用途是作为膜和/过滤器。开孔聚合物泡沫可用作电池隔膜，因为它们可以阻碍开放泡孔狭窄通道中的离子传输。由于聚合物泡沫的高表面积，纳米多孔聚合物泡沫的表面可用于支持催化剂和反应。聚合物泡沫可设计用于过滤特定颗粒，基于调整泡孔大小以匹配过滤的颗粒的大小。本文所述的聚合物泡沫可具有与微孔泡沫相比较高的抗冲击性。较高的抗冲击性可由限制效应和官能化的碳纳米管增强产生。在特定的实施方案中，聚合物泡沫可对特定部分的电磁辐射表现出透明性和/或对特定部分的电磁辐射具有高反射率。
[0124]
注意，参考图4至图6的方法中的一种描述的一个或多于一个操作可以与图4至图6的其他方法的一个或多于一个操作组合。例如，方法400的一个或多于一个操作可以与方法600的一个或多于一个操作组合。另外，参考图1和图3的系统描述的一个或多于一个操作可以与参考图4至图6的方法中的一种描述的一个或多于一个操作组合。
[0125]
尽管参考包括官能化的碳纳米管(和任选的非官能化的碳纳米管)的实例描述聚合物泡沫的上述实例，但在其他实施方案中，本文所述聚合物泡沫包括非官能化的碳纳米管并且可不包括官能化的碳纳米管。
[0126]
例如，图1的聚合物复合材料142和聚合物泡沫152的官能化的碳纳米管132可用非官能化的碳纳米管替代。举例说明，图1的聚合物复合材料142可具有与所述官能化的碳纳米管浓度的相似浓度的非官能化的碳纳米管。类似地，可以与图1的聚合物泡沫152类似的方式形成包括非官能化的碳纳米管的聚合物泡沫。
[0127]
另外或替代地，非官能化的碳纳米管可具有与参考图1和图2所述官能化的碳纳米管132所述的特征类似的特征。举例说明，非官能化的碳纳米管可具有相似的尺度和尺寸，由相似材料制成，或两者兼而有之。非官能化的碳纳米管不具有例如参考图1中所述浓度的这种官能团或与其连接的氧基团。
[0128]
非官能化的碳纳米管可以与官能化的碳纳米管132类似的方式形成或生长，并且不可进行氧化/官能化操作。因此，与官能化的碳纳米管132相比，这种非官能化的碳纳米管生产成本较低。
[0129]
已发现，与传统的碳纳米管聚合物泡沫相比，特定尺度和尺寸的非官能化的碳纳米管为作为官能化的碳纳米管的聚合物泡沫提供类似的益处和改善的性能。举例说明，对于某些长度的非官能化的碳纳米管，例如0.4微米至14微米，所得非官能化的碳纳米管聚合
物泡沫可保持官能化的碳纳米管聚合物泡沫的大部分益处(例如，80％)用于显著降低成本(例如，50％)。例如，这种非官能化的碳纳米管聚合物泡沫可以提高孔隙密度和孔尺寸，改善物理性能例如导电性和韧性。其他长度范围的非官能化的碳纳米管也提供改善的性能，例如1微米至10微米和1微米至5微米。
[0130]
作为另一个例证，较低纵横比的非官能化的碳纳米管也可提高聚合物泡沫的性能。举例说明，小于100、小于50和小于30的非官能化的碳纳米管除了上述长度之外或替代上述长度，其聚合物形式还可提供改善的性能。因此，本文所述非官能化的碳纳米管聚合物泡沫实施方案提供相对于常规聚合物泡沫的改善的性能并且提供与官能化的碳纳米管聚合物泡沫类似的性能用于降低成本。因此，这种非官能化的碳纳米管聚合物泡沫实施方案可适用于成本控制或成本集中的产品。
[0131]
上述说明和实施例提供了说明性实施方案的结构和使用的完整描述。尽管以上已以某种程度的特定性或参考一个或多个单独实施方案描述了某些实施方案，但本领域技术人员可以在不脱离本公开的范围的情况下对公开的实施方案进行许多改变。因此，方法和系统的各种说明性实施方式并不旨在限于公开的特定形式。相反，它们包括落入权利要求范围内的所有修改和替代，并且除所示实施方案以外的实施方案可包括所述实施方案的一些特征或全部特征。例如，元件可以省略或组合为单一结构，连接可以进行替换，或两者兼而有之。此外，在适当的情况下，上述任何实施例的方面可以与描述的任何其他实施例的方面组合以形成具有类似或不同性能和/或功能并且解决相同或不同问题的其他实施例。类似地，应当理解，上述益处和优点可与一种实施方案有关或可与多种实施方案有关。因此，本文描述的单个实施方案不应解释为限制性的，并且在不脱离本公开的教导的情况下可以适当地组合本公开的实施方案。
[0132]
权利要求并不旨在包括并且不应解释为包括装置加功能或步骤加功能的限制，除非在给定的权利要求中分别使用短语“用于
……
的装置”或“用于
……
的步骤”明确记载了这样的限制。