[发明专利]定向碳纳米管‑聚合物材料、系统和方法

说明书

发明领域

本发明涉及与聚合物基体整合的复合碳纳米结构如纳米管，以提供多种系统用于不同应用如干胶粘剂、电子系统、显示装置及其它应用。本发明还涉及用于形成此类复合材料的方法及其用途。

发明背景

碳纳米管的用途和发展已经扩大，因为已显示这些材料在下一代工业包括电子和化学领域都很重要。碳纳米管技术的进一步发展允许形成碳纳米管的有序结构或缠绕无规定向束。已将技术发展至可控制地组成具有预定方向的纳米管的有序构造，如垂直定向的纳米管。虽然此类结构可用于多种目的，但结构本身可能受限于功能和应用方面。

例如在胶粘剂领域，希望提供可用于标准胶粘剂存在缺陷的各种应用和环境的干胶粘剂。胶粘剂通常潮湿和以聚合物为基础，具有低导热性和导电性。对于电子、微机电系统(MEMS)、低或零大气压环境、低温或高温环境，或者各种其它方面，希望提供可以选择性附着于表面或从表面上剥离的干胶粘剂，还希望提供具有其它有利特性的胶粘剂，如高导电性和导热性或高粘附强度同时可以选择性剥离。例如，允许壁虎蜥蜴攀爬垂直表面或任何其它表面的机制以壁虎足部和脚趾的解剖学为基础，其中每个五趾足都覆盖着称为刚毛的精细的弹性体毛。这些体毛的末端裂开成匙形(spatulas)，接触表面，引发足够的分子间(van der WAALS，[VdW])力确保脚趾附着于表面。壁虎足部的解剖学允许它们选择性附着于它们接触的任何表面。虽然已经尝试提供模拟壁虎足部和脚趾解剖学的合成系统，但总体而言此类系统尚未成功。希望通过纳米结构技术，提供模拟这些特征的胶粘剂，提供通过分子间或VdW力与其它表面相互作用的表面。

在各种其它方面，使用独特构型(configuration)的有序碳纳米结构可在生物相容性或生物活性系统、电子显示器、功能膜或皮肤或其它应用中提供有价值的功能。

发明概述

因此本发明涉及碳纳米结构复合系统，该系统可用于各种应用，包括作为干胶粘剂、电子和显示技术生物系统，或者各种其它用途，其中可形成有序纳米结构并整合入柔性衬底内。本发明提供系统和方法，其中将有序纳米管结构或其它纳米结构包埋入聚合物或其它柔性材料内以提供柔性皮肤样材料，具有开发用于各种应用的纳米管或其它纳米结构的性能和特征。

一方面，本发明涉及碳纳米管/聚合物复合材料，该材料具有形成预定构造(architecture)的多个碳纳米管，所述多个纳米管各自具有基本预定的宽度和长度。所述多个纳米管的构造为多个纳米管限定了至少一个方向，还限定纳米管和/或纳米管簇之间的大致间距。将碳纳米管构造以该构造按预定构造被稳定化的方式用聚合物基体至少部分包埋。形成的聚合物基体还可具有基本预定的厚度。

本发明另一方面涉及形成碳纳米结构/聚合物复合材料的方法，该方法包括提供具有预定构型的衬底，提供多个碳纳米管或其它纳米结构，形成负载在衬底上的预定构造。将至少一种聚合的聚合物前体引入衬底上，使预定纳米管构造至少部分包埋其中。然后，使所述至少一种前体聚合，以便将碳纳米管的位置固定，稳定预定构造。提供多个碳纳米管的步骤还可包括将纳米管设计成具有基本预定的宽度和长度，以及为多个纳米管限定至少一个方向。还可控制纳米管和/或纳米管簇之间的距离。将碳纳米管构造以稳定该构造的方式用聚合物基体至少部分包埋，可形成具有基本预定厚度的聚合基体。

本发明还涉及方法和系统，其中将多壁碳纳米管(MWNT)构建在聚合物表面上，或部分构建在聚合物膜内，其强大的纳米水平粘附类似于或强于壁虎足部体毛(foot-hair)。

本发明还涉及整合入聚合物基体内的碳纳米结构的用途，用于提供生物活性或生物相容性系统用于生物有机体或系统。

本发明还涉及有序纳米结构如MWNT结构与柔性材料结合在柔性衬底上形成场发射显示器的用途。可提供其它柔性表面或涂层用于各种其它应用，如在汽车或飞机表面上的表层或涂层，其中碳纳米管的特征可提供例如减摩、防静电和不润湿的特性。

对于胶粘剂类型应用，本发明提供具有显微特征的图案化纳米管表面，所述特征在基本任何表面上都可共同提供非常强大的粘附力。所述特征包括例如较大的纳米管结构和较小的纳米管结构的分级结构。可形成胶粘纳米管柔性胶带，可以反复使用，具有非常高的粘附特性。