説明

ナノ粒子を有する材料を形成する方法及びナノ粒子を有する材料

【課題】所定のパターンに配列されたナノ粒子を含む材料及びナノ粒子を所定のパターンに配列する方法及びナノ粒子材料を提供する。
【解決手段】複数のナノ粒子104とマトリックス材料108を準備し、アプリケーター106を用いて配列させ、磁場を作用させることでマトリックス材料108中で複数のナノ粒子104を所定のパターンに配向させる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、材料及び材料を形成する方法に関する。より具体的には、本発明は、ナノ粒子を含む材料を形成する方法及びナノ粒子を含む材料に関する。
【背景技術】
【0002】
製造品がより極端な環境やより過激な用途に供されるにつれて、材料の性質の制限がより重要な問題となる。それに応じて、材料の性質が常に改良され続けている。材料内で所定のパターンに粒子を配列することで所望の性質を得ることができる。
【0003】
公知の材料を強化するには、ナノ粒子をマトリックスと共にブレンドして強化されたブレンドを形成する。この強化されたブレンドは増大した粘度とより大きい強度を含む。しかし、この強化されたブレンドは費用がかかる可能性があり、脆性のような望ましくない性質を有する可能性がある。加えて、強化されたブレンドは全体を通してランダムに配向されたナノ粒子を含んでおり、秩序化されたナノ粒子を必要とする用途に利用することができない。
【0004】
公知の方法では、マトリックスを引き伸ばし、このマトリックスの引き伸ばしにより創成される空隙内にナノ粒子を配置することによって、秩序化されたナノ粒子をマトリックス内に配置する。これらのナノ粒子は一般にマトリックスの空隙内に一列に並べられる。この方法には、ナノ粒子が実質的に同じ大きさでなければならないので、追加のコストがかかるという難点がある。さらにまた、ナノ粒子の整列は、マトリックス内でどこに空隙が形成されるかによって制限され、そのためナノ粒子の配列を妨げるので、予測ができない。
【0005】
別の公知の方法では、ナノ繊維を所定の位置に配置し、マトリックスと共に接合して、所望のデザインのナノ繊維を有する平坦なプライ層を形成する。この平坦なプライ層をあるパターンに切断し、追加の平坦なプライ層と共に積み重ねるか及び/又は折り曲げて所望の形状を形成する。この方法には、トリミングに起因する繊維端部の予測できない破損、トリミングに起因する空隙の予測できない破損、層間剥離、ナノ繊維の望ましくない移動及びナノ繊維の望ましくないスクラップが生じるという難点がある。
【0006】
ミクロ繊維を配列することは公知である。本明細書で使用する場合、用語「ミクロ繊維」とは、直径約15μm〜約100μmを有する視覚的に識別できる繊維をいう。従来、ミクロ繊維は、繊維を配向させるための機械的システムにより、また磁場をかけることによって、配列されている。例えば、ある公知の方法では、直径約20μm、厚さ約1μmを有するディスク形状の強磁性フレークを、磁場を作用させることによって配列させた。これらのフレークは視覚的に識別できるように充分な大きさであり、実質的に一貫した大きさに分離するのに充分な大きさである。これらのミクロ繊維は、ナノ粒子で利用可能な性質を有していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】米国特許第7718738号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
所定のパターンに配列されたナノ粒子を含む材料及びナノ粒子を所定のパターンに配列する方法は当技術分野で望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【0009】
代表的な実施形態によると、製品を形成する方法は、複数のナノ粒子とマトリックス材料を準備し、場を作用させることによってマトリックス材料中で複数のナノ粒子を所定のパターンに配列することを含む。
【0010】
別の代表的な実施形態によると、製品は、複数のナノ粒子を含むマトリックス材料に磁場をかけることによって複数のナノ粒子を配列して所定のパターンを形成する方法によって形成される。
【0011】
別の代表的な実施形態によると、製品は、マトリックス材料とマトリックス材料中の所定のパターンとを含み、この所定のパターンは複数のナノ粒子を含む。
【0012】
本発明のその他の特徴と利点は、本発明の原理を例として示す添付の図面を参照した好ましい実施形態に関する以下のより詳細な説明から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】図1は、本開示の一実施形態による配列されたナノ粒子を含む代表的な材料を概略的に示す。
【図2】図2は、本開示の一実施形態による配列されたナノ粒子を含む代表的な材料を概略的に示す。
【図3】図3は、本開示の一実施形態による代表的な方法の前のナノ粒子のランダムな配列を概略的に示す。
【図4】図4は、本開示の一実施形態による代表的な方法に従ってランダムな配列のナノ粒子に沿って配置された正に帯電したプローブと負に帯電したプローブを概略的に示す。
【図5】図5は、本開示の一実施形態による代表的な方法に従って磁場の印加により配向されたナノ粒子の配列を概略的に示す。
【図6】図6は、本開示の一実施形態による代表的な方法に従って磁場の印加により配置されたナノ粒子の配列を概略的に示す。
【図7】図7は、本開示の一実施形態による代表的な方法に従って第2の位置における磁場の印加により配置されたナノ粒子の配列を概略的に示す。
【図8】図8は、本開示の一実施形態による代表的な方法に従って所定のパターンに配置されたナノ粒子の配列を概略的に示す。
【図9】図9は、本開示の一実施形態による代表的な方法に従って所定のパターンに配置される前のナノ粒子の配列を概略的に示す。
【図10】図10は、本開示の一実施形態による代表的な方法に従って所定のパターンに配置されたナノ粒子の配列を概略的に示す。
【0014】
可能な限り、全図面を通じて同一の部分を表すには同一の参照番号を使用する。
【発明を実施するための形態】
【0015】
所定のパターンに配列されたナノ粒子を含む材料及びナノ粒子を所定のパターンに配列する方法が提供される。本開示の実施形態により、新しい性質を提供する複雑な所定のパターンにナノ粒子を配列することが可能になり、ナノ粒子の適用及び配列において一貫性をもたせ制御することによってナノ粒子のスクラップの量を低減又は削減することが可能になり、より広範囲の大きさのナノ粒子を線状のパターンのような一定のパターンに使用することが可能になり、マトリックス中の空隙の低減又は削減が可能になり、層間剥離の低減又は削減が可能になり、ナノ粒子の望ましくない移動の低減又は削減が可能になり、ナノ粒子の使用によってのみ利用可能な独特の性質が可能になり、またこれらの組合せが可能になる。
【0016】
本開示の実施形態では、材料は、コーティング(例えば、セラミック系SiC繊維ウィスカー、有機系炭素ウィスカー、有機系ガラスウィスカー及び/又はその他の形態のアラミド繊維上)又は複合材(例えば、セラミックマトリックス複合材、有機のマトリックス複合材及び/又は熱可塑性及び/又は熱硬化性ポリマー)の一部であるか又はこれらを形成する。
【0017】
図1〜図2を参照して、代表的な実施形態では、材料100はマトリックス材料108内に所定のパターン102を形成するように配列され配置された複数のナノ粒子104を含んでいる。本明細書で使用する場合、用語「ナノ粒子」とは、数nm(10-9m)程度の大きさを有するあらゆる構造体をいう。個々のナノ粒子104は視覚的に見分けられない。例えば、本開示の実施形態では、ナノ粒子104は、約1500nm未満の直径、約10nm〜約1500nmの直径範囲、約10nm〜約1000nmの直径範囲、約20nm〜約500nmの直径範囲、約50nm〜約500nmの直径範囲、約100nm〜約500nmの直径範囲、約20nm〜約400nmの直径範囲又は約40nm〜約200nmの直径範囲を有し、この直径は、例えば、電子顕微鏡と連結した画像解析器具によって測定して、中央の20%、50%、80%又は全てのナノ粒子104に対して測定する。加えて又は代わりに、本開示の実施形態では、ナノ粒子104は、最も大きい分散の領域で、20%未満の分散、5%未満の分散又は1%未満の分散を有する。
【0018】
本開示の実施形態では、ナノ粒子104はナノスケールのグラフェンプレート、ナノチューブ、ナノ繊維、ナノクレー小板、ナノロッド、ナノスケール強化材、その他の適切なナノ構造体又はこれらの組合せである。一実施形態では、ナノ粒子104はナノ充填材である。適切なナノ充填材としては、例えば、ナノスケールグラフェンプレート、ナノ繊維及びナノチューブがある。
【0019】
マトリックス材料108は有機、金属、セラミック、ガラス、炭素系、ポリマー又はこれらの組合せである。本明細書で使用する場合、用語「ポリマー」及びその文法上の変形は、限定されることはないが、ホモポリマー、コポリマー(例えば、ブロック、グラフト、ランダム及び交互コポリマー)、ターポリマー及びこれらのブレンドを指す。一実施形態では、マトリックス材料108はポリマー、例えば、ポリラクチド、ポリ乳酸、ポリオレフィン、ポリアクリロニトリル、ポリウレタン、ポリカーボネート、ポリカプロラクトン、ポリビニルアルコール、セルロース、キトサン ナイロン、ポリスチレン、タンパク質及びこれらの組合せである。一実施形態では、マトリックス材料108はポリマー、例えば、ポリ(ジアリルジメチルアンモニウムクロリド)、ポリアクリル酸、ポリ(アリルアミンヒドロサルフェート)、ポリ(4−スチレンスルホン酸)、ポリ(硫酸ビニル)カリウム塩、4−スチレンスルホン酸ナトリウム塩水和物、ポリスチレンスルホネート、ポリスチレンイミン、その他適切なポリマー又はこれらの組合せである。
【0020】
一実施形態では、マトリックス材料108は、直鎖ポリスチレンイミン骨格、直鎖ポリスチレンイミン骨格のブロックのブロックコポリマー、水溶性ポリマーブロック(例えば、ポリスチレングリコール、ポリプロピオニルスチレンイミン及び/又はポリアクリルアミド)、疎水性ポリマーブロック(例えば、ポリスチレン又はポリオキサゾリン、例えばポリフェニルオキサゾリン、ポリオクチルオキサゾリン及びポリドデシルオキサゾリン)又はポリアクリレート(例えば、ポリメチルメタクリレート及びポリブチルメタクリレート)のみからなるポリマーである。
【0021】
複数のナノ粒子104は所定のパターン102に配列される。ナノ粒子104はマトリックス材料108内に配列された配向で適用され及び/又はマトリックス材料108とブレンドされた後に配列されて所定のパターン102を形成する。本明細書で使用する場合、用語「所定のパターン」とは、設計された配列をいう。設計された配列は、ナノ粒子104の配置及び配向を知ることによって形成される。設計された配列は、限定されることはないが、コンピューター支援設計(CAD)プログラムの使用を始めとする任意の適切な方法によって形成される。用語「所定のパターン」は意図的に形成されたパターンを含み、不均一なランダムな配列、一貫しないで形成された配列又は予測できない配列を含まない。
【0022】
図1を参照して、一実施形態では、所定のパターン102は実質的に平行な配向に配列される複数のナノ粒子104を含んでいる。図2を参照して、一実施形態では、所定のパターン102は、複数のナノ粒子104の一部分が実質的に線状の配向に配列し、複数のナノ粒子104の一部分が曲線状の配向に配列するように配列された複数のナノ粒子104を含んでいる。一実施形態では、所定のパターン102は複雑な所定のパターン(例えば、回路パターン、非線形のパターン、曲線状のパターン又は幾何学的なパターン、例えば正方形、長方形、円、長円又はその他適切な形状)である。
【0023】
一実施形態では、ナノ粒子104は磁力の作用によって配列される。この実施形態では、ナノ粒子104は磁性であるか又は磁化される。この実施形態では、磁場を発生させ、この磁場を作用させることによってナノ粒子104を配列させ、マトリックス材料108を硬化させることによってナノ粒子104の位置を固定する。別の実施形態では、所定の温度より高く加熱することによってナノ粒子104から磁性を除く。代わりの実施形態では、所定の温度より高い熱をかけないでナノ粒子104の磁性を保持する。一実施形態では、ナノ粒子104をマトリックス材料108とブレンドした後配列させる。この実施形態では、ブレンドに磁場をかけることによってナノ粒子104を所定のパターン102に配列させる。ブレンド内でのナノ粒子104の配列は、ブレンドの外でナノ粒子104を配列させるよりも強い磁場を含んでいる。一実施形態では、磁場の強度はブレンドの粘度に相当する(例えば、より高い粘度のブレンドにはより高い強度の磁場を作用させる)。
【0024】
図1〜図2を参照して、一実施形態では、ナノ粒子104はマトリックス材料108内で配列された配向に適用される。例えば、この実施形態では、ナノ粒子104はアプリケーター106内で配列される。アプリケーター106は磁場に基づいてナノ粒子104を配向させ、一貫した制御可能な配向でナノ粒子104を適用する。この実施形態では、一貫した制御可能な配向に適用することができるので、他の方法では配列させるのが困難な非常に小さいナノ粒子104を使用することができる。
【0025】
磁場は任意の適切な磁場である。一実施形態では、磁場は磁場である。この実施形態では、ナノ粒子104は磁性であるか又は磁化されている。磁場は磁場内のナノ粒子104を推進し、引き付け、はね返し、回転させ又はその他の方法で粒子の配向を調節する。一実施形態では、磁場は所定の持続時間及び/又はナノ粒子104が所定のパターン102に配列されるまでかけられる。一実施形態では、複数の磁場を使用して、ナノ粒子104を複雑な所定のパターンに配列する。一実施形態では、第1の強度を有する第1の磁場がかけられ、第2の強度を有する第2の磁場をかけるが、第1の強度は第2の強度とは異なる。他の実施形態では、偏向性の力線に同調させた同調ナノ粒子に対して他の場(例えば、イオン場又は電場)を使用する。
【0026】
図3〜図8は、ナノ粒子104を所定のパターン102に配列する代表的な方法の工程を示す。一実施形態では、代表的な方法はナノ粒子104をマトリックス材料108内に配列することを含んでいる。別の実施形態では、代表的な方法はナノ粒子104をマトリックス材料108に適用する前にナノ粒子104をアプリケーター106内で配列することを含んでいる。
【0027】
図3を参照して、第1の工程では、所定の経路302に近接してランダムな配列のナノ粒子104を準備する。所定の経路302は曲線状のラインとして示されているが、所定のパターン102に対するあらゆる適切な前駆体であることができる。図4を参照して、第2の工程では、正に帯電したプローブ402と負に帯電したプローブ404を所定の経路302に沿って配置する。図5を参照して、第3の工程において、正に帯電したプローブ402と負に帯電したプローブ404を作動させることによって場(例えば、磁場、イオン場、電場又はこれらの組合せ)を発生させて、ナノ粒子104の一部分504の配向を調節する(例えば、一実施形態では、配向の調節はナノ粒子104の一部分504を整列させることを含む)。図6を参照して、第4の工程において、ナノ粒子104の一部分504の位置を調節する(例えば、一実施形態では、この一部分504の配置は実質的に所定の経路302に沿っている)。図7を参照して、任意の第5の工程において、正に帯電したプローブ402と負に帯電したプローブ404をナノ粒子104の第2の一部分702に近接して所定の経路302に沿って配置するる。図8は代表的な方法に従って所定のパターン102に配列されたナノ粒子104を示す。
【0028】
図9〜図10を参照して、一実施形態では、ナノ粒子104は繊維複合材内の穴又は節のような構造902の回りに配置され配列されている。図9は、場の印加前に構造902を通って延びるナノ粒子104を示す。図10は、ナノ粒子104の所定のパターン102を形成するように配置され作動する正に帯電したプローブ402と負に帯電したプローブ404を示す。この実施形態では、所定のパターン102は硬材合板製品に似ている。他の実施形態では、所定のパターン102は任意の適切な木理パターン、任意の適切な大理石パターン、その他任意の天然の図案、任意の適切な非天然の図案、審美デザイン又はその他任意の適切なパターンに似ている。
【0029】
好ましい実施形態に関連して本発明を説明して来たが、当業者には理解されるように、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更をなすことができ、またその要素に代えて等価物を使用することができる。さらに、特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるために、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく多くの改変をなすことができる。従って、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の態様として開示された特定の実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲に入る全ての実施形態を包含するものである。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
製品を形成する方法であって、
複数のナノ粒子104とマトリックス材料108とを準備し、
場を作用させることによってマトリックス材料108中で複数のナノ粒子104を所定のパターン302に配列させること
を含む方法。
【請求項2】
さらに、所定のパターン302を有するマトリックス材料108をコーティングとして適用することを含む、請求項1記載の方法。
【請求項3】
前記コーティングをアラミド繊維に適用する、請求項2記載の方法。
【請求項4】
前記マトリックス材料108がセラミックマトリックス複合材、有機マトリックス複合材、熱可塑性、熱硬化性ポリマー及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項1記載の方法。
【請求項5】
前記場が磁場である、請求項1記載の方法。
【請求項6】
複数のナノ粒子104の少なくとも一部分が磁性である、請求項5記載の方法。
【請求項7】
複数のナノ粒子104の少なくとも一部分が磁化される、請求項5記載の方法。
【請求項8】
前記磁場をマトリックス材料108のブレンドに作用させる、請求項5記載の方法。
【請求項9】
前記磁場をアプリケーター106に作用させることによって複数のナノ粒子104の少なくとも一部分をアプリケーター106内に配置し、アプリケーター106がマトリックス材料108中で複数のナノ粒子104を配列する、請求項5記載の方法。
【請求項10】
さらに、マトリックス材料108を硬化させることによってナノ粒子104の少なくとも一部分の位置を固定することを含む、請求項1記載の方法。
【請求項11】
所定のパターン302がナノ粒子104の平行な少なくとも一部分を含む、請求項1記載の方法。
【請求項12】
所定のパターン302がナノ粒子104のライン上にある少なくとも一部分を含む、請求項1記載の方法。
【請求項13】
所定のパターン302がナノ粒子104の非線形の少なくとも一部分を含む、請求項1記載の方法。
【請求項14】
所定のパターン302がナノ粒子104の曲線の一部分を形成する少なくとも一部分を含む、請求項1記載の方法。
【請求項15】
所定のパターン302がナノ粒子104の複雑な所定のパターンの一部分を形成する少なくとも一部分を含む、請求項1記載の方法。
【請求項16】
ナノ粒子104を、第1の磁場及び第2の磁場を作用させることによって配列させる、請求項1記載の方法。
【請求項17】
複数のナノ粒子104を含むマトリックス材料108に磁場を作用させることによって複数のナノ粒子104を配列させて所定のパターン302を形成する方法によって形成された製品。
【請求項18】
マトリックス材料108と、
マトリックス材料108中の所定のパターン302であって複数のナノ粒子104を含む所定のパターン302と
を含む製品であって、マトリックス材料108が、セラミックマトリックス複合材、有機マトリックス複合材、熱可塑性、熱硬化性ポリマー、アラミド繊維上のコーティング及びこれらの組合せからなる群から選択される、製品。
【請求項19】
複数のナノ粒子104の少なくとも一部分が磁性である、請求項18記載の製品。
【請求項20】
所定のパターン302が複雑な所定のパターンの一部分を形成する複数のナノ粒子104を含む、請求項18記載の製品。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【公開番号】特開2012−139679(P2012−139679A)
【公開日】平成24年7月26日(2012.7.26)
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願2011−282552(P2011−282552)
【出願日】平成23年12月26日(2011.12.26)
【出願人】(390041542)ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Fターム(参考)】