专利名称：用于由高内相乳液形成泡沫材料的反应器、在该反应器中形成泡沫材料和导电纳米结构 ...的制作方法
技术领域：
本公开内容涉及连续和分批制造聚合物乳液例如HIPE，并涉及在RF范围内的电能或波能在小室(cell)形成工艺期间或在物理后处理多孔状产物中的使用。本公开内容还涉及聚复合材料(polycomposite)聚合物泡沫(例如，诸如在聚合之后变成纳米复合材料的在苯乙烯或ABS单体中的碳纳米管)，并涉及通过将聚复合材料泡沫中包括的导电颗粒(例如，诸如苯乙烯或ABS聚合物中的碳纳米管)连接到增加体积电导率的纳米结构中来改进聚复合材料泡沫的强度和电导率的方法。2.相关技术的讨论高内相乳液(HIPE)泡沫由包括不相混的相(连续相和内相)的聚合物乳液制成。 连续相还被称为油相，且内相还被称为水相，但是包括不相混的有机化合物的非水乳液也被包括在该定义中。使乳液固化产生稳定的和固体的泡沫通常通过在固化室中烘焙泡沫来进行。聚合物低的热导率阻碍从外部加热泡沫的内部。可选择地，使用紫外线(UV)处理。对于包含聚电解质的HIPE泡沫的UV热处理和常规热处理领域的优秀评论，参见Clear等人的美国专利第6，890，963号(2005)。Bosomworth等人的美国专利第2，604，665号(1952)中公开了海绵橡胶的RF固化。HIPE制造领域中的一个未被解决的问题是自加速效应，在聚合期间局部热量累积造成聚合物卷成球(ball up)并隐藏它们展开的活性末端，这阻碍单体到聚合物的完全转化和聚合物的交联。然而，对于耐久性和拉伸性，聚合物的交联是所希望的。已知包括碳纳米管的纳米复合材料聚合物泡沫具有有利的性质，例如轻的重量、 电导率和耐久性。它们带来了替代例如铜线的常规导电材料的希望。然而，通过常规方法生产的碳纳米管是短的而不合乎要求。因此，仍需要避免自加速效应的形成泡沫材料的工艺。还仍需要形成具有由碳纳米管形成的宏观尺度纳米结构的纳米复合材料聚合物泡沫的工艺。概述根据一些实施方式，用于形成聚合物泡沫的方法可以包括将包括水相和油相的高内相乳液(HIPE)轴向供给到工作空间中，所述工作空间被界定在具有共同旋转轴的相对的反向旋转的离心式叶轮之间；在工作空间内以正交流平流输送HIPE远离旋转轴到达工作空间的周边；在工作空间内固化HIPE以由此在工作空间的周边形成HIPE泡沫；和抽出HIPE泡沫。根据一些实施方式，用于分批处理聚合物材料的方法可以包括将包括水相和油相的高内相乳液(HIPE)轴向供给到工作空间中，所述工作空间被界定在具有共同旋转轴的相对的反向旋转的离心式叶轮之间；在HIPE内邻近与轴向抽取泵相通的轴向抽取口产生低压汇区(low pressure sink region)，由此在HIPE内形成会聚的汇流通道；和通过会聚的汇流通道将水相径向向内地平流输送到叶轮旋转轴。根据一些实施方式，用于处理聚合物的反应器包括相对的同轴的可反向旋转的离心式叶轮，其界定了它们之间的工作空间；驱动器，其连接于叶轮并配置成引起叶轮的反向旋转；轴向进料口，其在叶轮中的一个的中心处，轴向进料口配置成将包括水相和油相的高内相乳液(HIPE)引入工作空间中；和中心口，其在叶轮中的另一个处，用于将另外的水相引入工作空间中。根据一些实施方式，形成纳米结构的方法包括将纳米管分散在基质材料中；和将纳米管的端部结合在一起。附图简述
图1示出剪切反应器的实施方式的横截面图。图2示出叶轮上的转子的径向排列。图3示出RF感应器，一种特斯拉天线的细节。图4示出乳液的当其正在边界层之间被剪切并被来自感应器的RF辐射时的横截面的细节。图5示出在从反应器的周边被抽出之后通过特斯拉天线正在固化的乳液带的细节。图6a_c示出通过微锤击(microhammering)正在以它们的端部结合的碳纳米管。图7示出用于将HIPE处理成径向过滤器的可选择的实施方式。图8示出图7中示出的可选择的实施方式中的轴向进料口处的结构的细节。附图参考数字a-a是叶轮的旋转轴和反应器的对称轴1—HIPE的轴向进料口2—顶部叶轮3—底部叶轮4—叶轮上的转子5—边界层6—剪切层7-分离器，其将被挤出的HIPE分成带8—工作空间的周边9—被抽取的HIPE的带10—感应器11—水相口12—射频电磁源13—轴向抽取口14—轴向抽取泵详细描述根据一些实施方式，用于形成聚合物泡沫的方法可以包括将包括水相和油相的高内相乳液(HIPE)轴向供给到工作空间中，所述工作空间被界定在具有共同旋转轴的相对的反向旋转的离心式叶轮之间；在工作空间内以正交流平流输送HIPE远离旋转轴到达工作空间的周边；在工作空间内固化HIPE以由此在工作空间的周边形成HIPE泡沫；和通过工作空间的周边抽出HIPE泡沫。在一个实施方式中，通过工作空间的周边抽出HIPE泡沫。在另一个实施方式中， 在抽出HIPE泡沫时可以将HIPE轴向供给到工作空间中。然而，在另一个实施方式中，当没有将HIPE轴向供给到工作空间中时可以抽出HIPE泡沫。在一个实施方式中，用于形成聚合物泡沫的前述方法还包括将HIPE泡沫分离成带。在另一个实施方式中，当抽出HIPE泡沫时将HIPE泡沫分成带。在另一个实施方式中， 抽出HIPE泡沫是分离的结果。因此，HIPE泡沫的抽出可以包括将HIPE泡沫分成带。在一个实施方式中，固化HIPE包括使HIPE经历电磁场。在另一个实施方式中，电磁场是RF (射频)场。在一个实施方式中，用于形成聚合物泡沫的前述方法还包括在叶轮和HIPE之间提供滑动层。在另一个实施方式中，通过将另外的水相加入工作空间中来提供滑动层。在另一个实施方式中，另外的水相的组成不同于HIPE中的水相的组成。在一个实施方式中，HIPE的油相包括导电颗粒。在另一个实施方式中，导电颗粒包括选自由碳、钨、硼、硅、钛、钼、钒、锰、铜、铋、金、铝、银和阳离子组成的组的至少一种材料。 在另一个实施方式中，导电颗粒包括选自由纳米管、纳米线、金属粉末和金属薄片组成的组的至少一种。在一个实施方式中，纳米管包括选自由碳、钨、硼、硅、钛、钼、钒、锰、铜和铋组成的组的至少一种材料。在一个实施方式中，纳米线、金属粉末和金属薄片包括选自由碳、 金、铝和银组成的组的至少一种材料。根据一些实施方式，用于分批处理聚合物材料的方法可以包括将包括水相和油相的高内相乳液(HIPE)轴向供给到工作空间中，所述工作空间被界定在具有共同旋转轴的相对的反向旋转的离心式叶轮之间；在HIPE内邻近与轴向抽取泵相通的轴向抽取口产生低压汇区，由此在HIPE内形成会聚的汇流通道；和通过会聚的汇流通道将水相径向向内地平流输送。在一个实施方式中，用于分批处理聚合物材料的前述方法还可以包括在工作空间内固化HIPE。在一个实施方式中，固化HIPE包括使HIPE经历电磁场。在一个实施方式中， 电磁场是RF场。在一个实施方式中，通过经由轴向抽取口从HIPE除去水相来产生低压汇区。在一个实施方式中，通过会聚的汇流通道将水相径向向内地平流输送到叶轮旋转轴。在一个实施方式中，用于分批处理聚合物材料的前述方法还可以包括将另外的水相加入工作空间中。在另一个实施方式中，当通过轴向抽取口除去水相时可以加入另外的水相。在一个实施方式中，另外的水相的组成不同于HIPE中的水相的组成。在一个实施方式中，HIPE的油相包括导电颗粒。在另一个实施方式中，导电颗粒包括选自由碳、钨、硼、硅、钛、钼、钒、锰、铜、铋、金、铝、银和阳离子组成的组的至少一种材料。 在另一个实施方式中，导电颗粒包括选自由纳米管、纳米线、金属粉末和金属薄片组成的组的至少一种。在一个实施方式中，纳米管包括选自由碳、钨、硼、硅、钛、钼、钒、锰、铜和铋组成的组的至少一种材料。在一个实施方式中，用于分批处理聚合物材料的前述方法还可以包括将导电颗粒平行对准入HIPE内的结构。在另一个实施方式中，通过将导电颗粒平行对准入HIPE内形成的结构是径向螺旋形结构。在另一个实施方式中，用于分批处理聚合物材料的前述方法还可以包括将径向螺旋形结构中的导电颗粒连接成螺旋形纳米结构。根据一些实施方式，用于聚合物处理的反应器包括相对的同轴可反向旋转的离心式叶轮，其界定在它们之间的工作空间；驱动器，其可操作地连接于叶轮并配置成引起叶轮的反向旋转；轴向进料口，其在叶轮中的一个的中心处，所述轴向进料口配置成将包括水相和油相的高内相乳液(HIPE)引入工作空间中；和中心口，其在叶轮中的另一个处，用于将另外的水相引入工作空间中。在一个实施方式中，叶轮中的至少一个配置成通过其输送另外的水相。在一个实施方式中，叶轮中的至少一个包括至少一个可以通过其输送另外的水相的口。在另一个实施方式中，叶轮中的至少一个是多孔结构，其中另外的相可以通过该多孔结构输送。在一个实施方式中，所述另外的水相的组成不同于HIPE中的水相的组成。根据一些实施方式，形成纳米结构的方法包括将纳米管分散在基质材料中；和将纳米管的端部结合在一起。在一个实施方式中，通过在纳米管中感应电流将纳米管的端部结合在一起。在一个实施方式中，通过感应器感应电流。在一个实施方式中，感应器感应通过RF场产生的电流。在一个实施方式中，纳米管包括选自由碳、钨、硼、硅、钛、钼、钒、锰、铜和铋组成的组的至少一种材料。在一个实施方式中，基质材料包括选自由热固性聚合物材料、热塑性材料和陶瓷材料组成的组的至少一种。在一个实施方式中，纳米管包括碳纳米管，基质材料包括碳，且形成纳米结构的方法还包括电解分离位于碳纳米管的带相反电荷的端部之间的基质材料的各部分，由此提供用于纳米管生长的碳离子。碳纳米管可以通过常规方法来生产，常规方法包括电弧放电。所谓的“扶手椅”碳纳米管展示金属的性质且被称为金属纳米管。碳纳米管还可以展示半导电性质。金属碳纳米管具有高的电导率，近似超导体。平行对准并由范德华力保持在一起的纳米管束被称为“绳”或“纱”。端对端地连接这些束形成纳米结构。端对端连接碳纳米管束形成纳米结构。对于增加聚复合材料泡沫的结构强度和电导率，纳米结构是所希望的。现在将关于图1至图8描述上述实施方式的具体实例。这些实例意图是说明性的， 且权利要求并不限于这些实例中阐明的结构、材料、条件或工艺参数。图1示出用于连续生产HIPE泡沫的HIPE剪切反应器的实施方式的横截面视图。工作空间被界定在近似平行的相对的同轴可反向旋转的离心式叶轮2、3之间。驱动器(未示出)可以可操作地连接于叶轮2、3并配置成引起叶轮2、3反向旋转。驱动器可以以本领域已知的任何合适的方式配置。工作空间具有开放的周边8，使得来自叶轮2、3之间的材料可以离开反应器。通过轴向HIPE进料口 1将高内相乳液(HIPE)供给到工作空间中。HIPE进料口 1可以具有许多设计。其功能是在叶轮围绕轴a-a反向旋转时，将来自源 (未示出，源包括用于与轴向HIPE进料口连接的设备，也未示出)的HIPE引入工作空间的中心。适当的HIPE进料口设计对于技术人员应是明显的。相比于水相，HIPE中的油相的体积百分数是相对低的，因此被称为“高内相乳液”。 由HIPE得到的泡沫可以具有高达90%的空隙体积百分数。HIPE包括包含待聚合形成海绵样固体结构的单体的基本上不溶于水的部分。本领域已知的用于聚合物乳液的单体的实例包括聚苯乙烯(以商品名Styrofoam销售)和丙烯晴丁二烯苯乙烯(ABS)以及合成橡胶。 本领域已知的引发剂的实例是过硫酸盐。水相可以包括水溶性电解质，水溶性电解质使水相成为导电流体。在乳液中，水相液滴被分散为小室，且油相填充围绕海绵样结构中的液滴的间隙(小室)。通常通过表面活性剂来防止液滴聚结引起的相分离。在被称为固化的工艺中，乳液的油相中的交联和聚合通过加热来促进。在固化之后，通过本领域已知的合适方式从HIPE除去水相，且留下的空隙界定了具有高的内表面积的微孔性低密度泡沫。从工作空间周边8挤出HIPE泡沫9使HIPE以正交流平流输送通过工作空间，远离在水相的层流边界层5之间的轴a-a，层流边界层5紧靠同轴反向旋转的离心式叶轮2、 3而设置。边界层起滑动层的作用，所以叶轮并不撕裂HIPE。叶轮2、3优选地包括图2中示出的径向排列的转子4。边界层5通过叶轮径向向外且水平地(以相对于轴a-a相反的方向)平流输送。水相在转子4之间径向向外流动。 当HIPE固化时，转子之间的水相流将热量输送出HIPE。将可以通过本领域已知的合适方式预混合的HIPE通过轴向HIPE进料口 1在叶轮的共同旋转轴a-a处供给到叶轮之间的工作空间内。将水相通过轴向进料口(例如，围绕 HIPE进料)且还通过水相口 11供给到反应器中，如图1所示，使得水相的滑动层使HIPE与叶轮的接触分开。图8示出围绕HIPE进料的水相进料的更多细节。HIPE在叶轮的作用下被径向向外拉伸且还被左右拉伸。活性聚合物末端并不卷成球，而是继续清除被搅拌的单体以完成单体到聚合物的转化。拉伸还用来使聚合物链以及碳纳米管或其他高长宽比的成分平行对准。平行对准的聚合物链更可能发生交联，且平行对准的碳纳米管更可能通过范德华力键合成绳或纱。HIPE中的张力使先前处理中存在的可能赋于聚合物纤维不期望的卷曲的弹性应力消散，并使聚合物彼此近似平行地延伸，以便促进它们交联和防止它们由于自加速效应而卷成硬的、不流动的球，否则自加速效应可能压制单体到聚合物的转化。在连续工艺中(对于分批工艺，参见下面图7的讨论)，当叶轮2、3围绕轴a-a反向旋转时，将HIPE通过轴向HIPE进料口 1在叶轮旋转轴a-a处引入。来自叶轮的动量通过紧靠叶轮的水相的层流边界层5扩散，且在边界层之间的是剪切层6，其中HIPE浓缩，这是因为水相在剪切层6中的更粘的油相上滑动。边界层5的水平平流(对于轴a-a反向) 剪切剪切层6中的HIPE。当乳液被边界层的水平平流剪切时，HIPE还同时地通过其与边界层的接触以及通过被从反应器抽出的HIPE泡沫带9而被径向向外拉伸。聚合时可能非常脆弱的HIPE并不撕裂且其内部弹性应力通过轻柔拉伸来减轻。 由于粘度和惯性，乳液处于径向张力其粘度抵抗其通过叶轮以及HIPE泡沫带9上的任何拉力的向外平流，所以HIPE经历了试图将其吸回到旋转轴a-a的径向向内的力。平行拉伸使新出现的聚合物对准，所以它们并不滚成球。聚合物的平行对准适合于交联和单体的
完全聚合OHIPE泡沫可以以正交流被挤出为连续的片，且该片可以形成无缝管。例如，HIPE 剪切反应器，例如图1示出的HIPE剪切反应器(但没有分离器7)，可以被定位在管的内部且在管的顶部且被挤出的HIPE泡沫将包覆管内部(例如，当管被抬起时)。以该方式内衬的管将是隔热的且被保护不受腐蚀。对于HIPE泡沫带，被布置成围绕工作空间的周边8并与该周边8分离的分离器7将HIPE的正交流分成HIPE泡沫带9。图1示出两个分离器7，但可以具有多于两个分离器 7，这取决于所需的带的宽度。分离器7可以具有各种设计，例如通过电动机转动的叶轮(如同披萨刀具)。分离器的刀片被相对于轴a-a径向定向，使得当HIPE泡沫带9通过叶轮的摩擦而被拉出反应器时，刀片的边缘切割通过HIPE泡沫。HIPE泡沫带9的另外的处理可以包括在反应器外部通过另外的感应器10例如特斯拉天线的RF固化，如图5中所示的。乳液以与轴a-a正交的流(正交流)在剪切层6中径向向外流动，且搅拌用来使单体发展聚合物链端部并改进单体到聚合物转化速率。因为通过对流水相在乳液上方和经过乳液的强制流动耗散任何热集中，所以避免了自加速效应。交联和链生长通过暴露和搅拌活性自由基端部以用于频繁碰撞的机械强制湍流来加速，且高Tg聚合物片可以以高的单体到聚合物转化速率连续地被生产。在阐明的实施方式中，反应器的HIPE进料在经由HIPE进料口 1被引入反应器中之前通过经由本领域已知的合适设备混合油相和水相来产生。另外的水相(内相)可以通过水相口 11以及在进料口 1周围且通过叶轮2、3中的口(未示出)引入反应器中以确保具有紧靠叶轮的水相(无论是来自HIPE还是另外的水相)的足够层流边界层5。所述另外的水相是除了在HIPE中的水相之外的水相。另外的水相可以具有与HIPE中的水相不同的组成。例如，在另外的水相中可以不存在表面活性齐U。边界层5提供了用来预防HIPE在正交流动期间撕裂的滑动层。对于HIPE的非常轻柔的正交流动，叶轮可以被很远地分开。在一个实施方式中，水相包括引发剂，使得当水相在剪切层中的乳液表面平流输送HIPE时，HIPE连续地被引发剂浸泡以在HIPE表面处开始聚合。边界层5还提供用于运走来自乳液中的放热反应的热的强制对流浴，由此除去HIPE中的局部热集中，否则局部热集中可以促进自加速效应。聚合油相中的弹性应力，由所述连续的同时的径向且水平的张紧造成的弹性应力，使聚合物将端部发展为游离状态且由此有助于避免自加速效应。所述弹性应力使局部弹性应力消散，当HIPE进料被引入时局部弹性应力可以存在于HIPE进料中。弹性应力使具有高长宽比的结构例如碳纳米管平行对准，所以它们更可能在聚合物基质中通过范德华力结合成绳或纱。在一个实施方式中，叶轮2、3由非导电材料形成。非导电叶轮将不使剪切层6中的乳液屏蔽来自RF感应器10的电磁场。在另一个实施方式中，叶轮2、3中的一个或多个由烧结金属形成，烧结金属是坚固的且仍是多孔的，足以引入另外的水相。反应器中的停留时间可以通过改变叶轮旋转速度、叶轮直径、进料流和将HIPE泡沫带9拉出反应器的速率来调节。由本领域技术人员进行实验将发现特定HIPE泡沫的适当设置值。叶轮的反向旋转产生轻轻剪切HIPE外部上的水相的连续洗涤，这通过强制对流从HIPE抽出热。在一个实施方式中，水相是导电流体并且导电颗粒，在一个实施方式中为碳纳米管，与油相混合。所得到的HIPE纳米管复合材料可以经历来自感应器10的近场RF感应， 这焦耳加热水相(以有助于固化聚合物基质)并通过微锤击将碳纳米管片段的端部结合在一起以形成导电泡沫。参见下面图6的讨论。感应器10例如根据Tesla的美国专利第512，340号(1894)的在射频下操作的双线扁平线圈(特斯拉天线)[参见其图2]被布置为大约平行于乳液，如图1所示的。图3 示出感应器10的细节。Tesla公开内容通过引用并入本文。其他感应器设计被包括在本文的术语感应器内，包括在比射频谱高或低的频率下操作的电感器。感应器10将电磁能耦合到乳液中，进入导电水相且还进入与油相混合的导电颗粒这两者中。射频焦耳加热从内部逐渐固化HIPE。使聚合物固化完成了聚合和交联，且通过微锤击形成纳米结构产生了足以允许通过分离器7将其从周边抽出的HIPE泡沫结构强度。射频感应是近场效应，即，乳液在感应器的一个RF波长内。例如，IOOMHz感应器的波长在自由空间中是3米，而在水中(折射率1.33；3)，水中的光速是22hl03m/S。聚碳酸酯 (折射率1. 586)中的光速是189xl03m/s。IOOMHz的电磁辐射的波长在水中是2. 25米而在聚碳酸酯中是1. 89米。对于5MHz，波长是20倍长或对于大部分工业应用来说是足够的。在5MHz下海水(电导率4S/m)的透入深度是约10cm，这可以用作对于特定反应器几何形状和水相电导率的适当感应器频率的指示。焦耳加热泡沫的小室中的导电水相加速小室间隙中的油相的聚合。这还将能量送到将乳液与叶轮分离的水相边界层中，由此均勻地加热乳液的表面，使得在从反应器在周边8处被挤出之前的表面通过快速聚合而韧化。合适的感应器10可以是特斯拉双线扁平线圈天线或本领域已知的其他设计。参见下面图3的讨论。特斯拉感应器设计允许以最小损失进行射频操作。射频操作是有益的， 因为高频率适合于感应效应。然而，比RF谱高的频率操作例如微波将导致透入深度问题， 其中大部分能量在聚复合材料中在浅的深度处消散，所以聚复合材料表面处的能量浓度是不期望地高的。如权利要求中使用的术语感应器10包括在比RF高或低的频率下操作的电感器。在图1示出的实施方式中，感应器居中在剪切反应器的轴a-a上，使得乳液在其径向流动期间在感应器下方流到周边8。图5示出用于固化已经从剪切反应器被挤出之后的HIPE的感应器10。根据楞次定律，感应器的RF频率波动磁场线在HIPE的导电颗粒中感应电流。包括在术语导电颗粒内的是碳纳米管(无论是金属的还是半导电的)、阳极级焦炭、金薄片、 铝薄片、银薄片以及金属线、金属碎片和金属粉末。还包括阳离子。前述列举并不意图是限制性的，且术语导电颗粒意图宽泛地包括具有比油相中的单体的电导率大的电导率的任何物质。每一个导电颗粒携带产生与感应场相反的磁场的感应瞬态电流(楞次定律)，且因此排斥力加速颗粒远离感应器10。在5MHz，感应器每秒放出5百万脉冲。对于> 1百万每秒的干扰(barrage)，术语“微锤击”是优选的，因为正如微米是米的百万分之一，秒的百万分之一是微锤击频率。术语微锤击已经在其他上下文中使用，例如金的声频物理锤击，但来自术语的先前使用的那些限制并不意图限制本文权利要求的范围。微锤击还可以在大于或小于IMHz的频率下发生，且这样的感应也由权利要求覆盖。纳米管端部处的瞬态阳极和阴极，在射频时互生且由于HIPE泡沫中的纳米管正被感应器10微锤击而出现(参见图6a_6c)，电解在它们之间的聚合物并在它们的端部堆积所得到的碳离子，其一半时间是阴极。抑制纳米管端部被封端且当微锤击继续时，端部最终接合在一起而成为纳米结构。所述纳米管端部电解的另一个益处是在纳米管端部之间的材料被削弱，所以纳米管可以穿通聚合物基质并结合端部。
取决于导电颗粒的浓度和特性，HIPE泡沫可以如等效重量的常规导体例如铜、银、 金和铝一样有导电性。HIPE纳米管复合材料的EM屏蔽和接地应是优良的。包括纳米管的HIPE泡沫可以被称为纳米复合材料聚合物泡沫，且其中的连接纳米管被称为纳米结构。本文所公开的纳米复合材料聚合物泡沫可以由于嵌入在其结构中的纳米管而具有高的拉伸强度和弹性，且还由于聚合物的海绵样网络而具有良好的震动阻尼。如果HIPE泡沫包括氨基甲酸乙酯或具有低恢复系数的其他聚合物，那么可以获得特别良好的阻尼特性。因此，纳米复合材料聚合物泡沫可以适合于网球球拍框架或其他碰撞物品纳米结构提供刚度，且泡沫中的低恢复系数聚合物吸收拉伸聚合物时的冲击并以热的形式消散能量载荷。图2示出从反应器内部向进料口 1看的顶部叶轮2的细节。转子4的径向排列弯曲远离由箭头示出的旋转方向。旋转轴在叶轮2的中心处。每一个叶轮具有相同的排列， 所以当叶轮被同轴地且平行地布置时，相对的叶轮2、3上的转子4当它们反向旋转时剪取。 在转子之间的空间允许将热连续强制对流离开HIPE。图3示出感应器10的细节，感应器10具体为如Tesla的美国专利第512，340号 (1894)中公开的特斯拉天线，该专利的公开内容通过引用并入本文。感应器布置在顶部叶轮2上方并居中在进料口 1上，如图1所示的。这是以射频操作的双线扁平线圈，其由射频电磁源12供电。射频优选于较高的频率例如UV，这是因为RF的透入深度更大且因此感应效应可以更深地透入HIPE，因此来自感应器的能量在到达聚复合材料中的纳米管之前并不在导电水相中被消散那么多。来自源12的电流如由箭头所示的流动。特斯拉天线包括串联的两个线圈，该两个线圈使它们的交替平行细丝以平螺旋缠绕在一起，使得电流在邻近线圈中以相同方向流动。以不同方式缠绕的其他双线线圈可以具有在邻近线圈中以相反方向流动的电流，且这样的配置以及其他感应器类型还被包括在感应器10的定义中，虽然特斯拉天线是感应器 10的优选实施方式。在操作中，电流从源12流到具有由A表示其端点的第一线圈(未示出)。电流在所述第一线圈内向内螺旋到终端A，从那里从径向向外的跨接电缆中的A到具有由B表示其端点的第二线圈的开端。第二线圈还向内螺旋，其绕组与第一线圈交替。在任何一对邻近细丝之间具有大约相等长度的导体，且导体具有一定电阻，所以第一线圈和第二线圈的邻近绕组因此在它们之间具有电势。寄生电容通过偏置感抗而允许高频操作。Tesla提供了以下实例来表明特斯拉天线允许高能量储存具有跨过其终端的 100伏电势的1000匝常规线圈将在每匝之间具有0. 1伏电势。在特斯拉天线中，由于串联的两个线圈的交替绕组，在邻近绕组之间具有50伏电势。电容器中的能量储存与电压的平方成比例，所以在该实例中，特斯拉天线将具有502/0. I2 = 250，000倍常规线圈电容的电容。图4示出当叶轮反向旋转时在叶轮2、3之间的空间的细节。水相的层流边界层5 紧靠叶轮。在边界层之间的是剪切层6，其中是HIPE。叶轮上的转子4平流输送边界层5 并由此间接地平流输送剪切层6。HIPE的正交流从轴a-a(未示出，参见图1)径向向外。图5示出被特斯拉天线微锤击的其中包括导电颗粒(例如，纳米管)的HIPE泡沫带9，HIPE泡沫带9在本文还被称为聚复合材料带。RF固化完成单体到聚合物的转化且还微锤击聚复合材料带9中的导电颗粒。聚合物基质的加热完全局限在微小的纳米管端部处发生，不同于Smalley等人的美国专利第6，790，425号Q004)中公开的900°C-1300°C本体热退火工艺，该本体热退火工艺将使基质碎裂。用于微锤击纳米管聚复合材料的有用类似物是传统的锻工装置砧提供锤击反作用，且当给予锤击时夹钳将工件保持在适当的位置。泡沫起到砧和夹钳的作用，而特斯拉天线是锤。图5示出的聚合物泡沫基质带9的弹性不至于高到防止纳米管响应微锤击而改变定向，但也不至于低到使纳米管被驱逐出基质。聚合物具有足够高的恢复系数，所以基质由于楞次定律而从冲击弹回并将纳米管输送用于另一个微锤打击。随着时间推移，在感应器的一致对准的交替磁场中，聚复合材料中的纳米管已经由于聚合物中的剪切和张力而近似平行对准，使端部连接，如图6a_6c所示的。与水相混合的导电颗粒被微锤击以紧靠油相沉积，而它们不能运动远离感应器， 所以它们加热油相的表面和水相，由此局部增强用于引发小室表面和乳液表面处的聚合的可得到的能量。与油相混合的导电颗粒也不能够运动远离感应器10，所以它们内部加热油相并增添活化能用于聚合。导电颗粒中的感应电流使它们聚集成更大的导电结构。并联电流有吸引力，所以具有非常高的长宽比(长度/直径)和非常刚性且非常导电的碳纳米管调节它们在HIPE 中的位置。每一个纳米管瞬时地具有阴极端部和阳极端部(参见图6b)，阴极端部和阳极端部是由感应电流方向引起的且在根据感应器10的频率的频率下对调。每一个阴极端部累积碳离子以延伸纳米管。碳离子可能来自气化然后电离的非金属纳米管，该非金属纳米管具有比金属纳米管的电阻高的电阻；或来自聚合物基质，当分子键被纳米管的微小端部处的高电场打破时。连续的RF感应使纳米管编织成导电网络，该导电网络给予HIPE泡沫本体电导率。图6a_6c示出纳米管的微锤击。感应器10的磁场线(未示出，参见图5)与页面平行并纵向，所以焊接的纳米管的最后方向与磁场线正交。感应电流与磁场线正交。图6a示出油相中一组松散聚集的碳纳米管。呈现了一定程度的平行对准，如图6a 所示的，平行对准是由聚复合材料中的剪切和张力导致的，其中纳米管被保持在聚合物基质中。由感应器10引起的感应电流导致每一个纳米管的一个端部成为瞬态阳极而另一个端部成为瞬态阴极，如由端部处的符号所指示的。在图6b中，连续的RF感应(微锤击)已经使纳米管由于它们的端部电荷吸引而位移。在图6c中，已经从图6a和图6b示出的片段聚集长的纳米管。如Smalley等人的美国专利第6，790，425号Q004)中公开的热退火通过使聚合物上的热效应为完全局部的以便保护聚合物基质来改进。纳米管，如同金刚石，是非常有效的热导体，所以来自微锤击中的纳米管感应的热将主要在纳米管的端部处影响聚合物基质，因此气化和电离在纳米管端部之间的聚合物基质以便提供用于完成纳米管端部之间的连接的碳离子原料。聚合物优选地具有低的热导率，所以进入基质本体的对流是最小的，且甚至当纳米管端部处的条件成为极端条件时，基质也被保护。纳米管端部的半球形封端，将使它们终止，通过纳米管中的电流的微秒频率切换来克服。微锤击使展开的纳米管端部保持开放，使得碳纳米管可以连接成宏观尺度纳米结构。虽然讨论集中在热固性纳米复合材料泡沫通过特斯拉天线的近场RF感应，但这仅是微锤击工艺的一个实施方式。另一个实例是与热塑性塑料混合并通过喷丝头如同尼龙那样被挤出以使碳纳米管平行对准的碳纳米管，该碳纳米管随后被微锤击成固体塑料棒形式的纳米结构。在基材例如聚碳酸酯膜的表面上被微锤击的碳纳米管是另一个实例。许多其他实例可以基于本文公开内容而找到，并意图由权利要求覆盖。因此，术语“基质”在权利要求中被使用，该术语包括用于在微锤击期间将纳米管保持在适当位置的任何材料。图7示出用于分批处理以产生具有与径向过滤器一样的性能的HIPE泡沫圆盘的剪切反应器的可选择的实施方式。图8是HIPE进料口的细节。该装置被浸在充满水相的罐(未示出)中并被该罐围绕。在分批过程中通过轴向进料口 1引入HIPE，如更详细的图8所示的。当叶轮围绕轴a-a以相反方向旋转(反向旋转)时，HIPE被剪切，且剪切在树形网络中产生大量多种规模的径向涡流。通过口 11引入另外的水相，以维持其中浸入反应器的罐的水平。在周围的罐中的另外的水相还渗透到叶轮2、3以使它们保持清除油相。另外的水相可以是去离子水。大量径向涡流分形地分支成朝向周边8的非常细微规模的旋涡。旋涡通过油相中的动量的粘性扩散在泡沫中形成非常小的小室，并通过胶凝作用，这些小室被固定在适当的位置。这些旋涡涡流中自旋的水相陷入涡核中，这是因为其是牛顿流体并容易流动。乳液的这些湍流旋涡中的粘性更强的油相并不容易流动，所以该油相被涡核排斥并在旋涡之间的间隙处集中，在间隙处该油相硬化。涡核中的水相在硬化油相间隙上方流过并带走来自放热反应的热，以预防自加速效应。轴向抽取口 13被布置在HIPE内在其中心处。图8示出轴向抽取口相对于HIPE 进入反应器的流动而定位的地方的细节。轴向抽取口 13包括至少一个中心导管，该导管与轴向抽取泵14相通。在图8中，正被供给到反应器中的HIPE被示出为围绕该中心导管环流。轴向抽取口 13可以包括与中心导管相通的径向排列的管。通过轴向抽取泵14迫使流通过轴向抽取口并离开反应器。另外的水相从其中浸入反应器的罐径向向内流动通过正硬化的HIPE，通过正硬化的分形脉管网络(径向涡核)，到达轴a-a，并通过轴向排出口 13离开反应器。当小室连接到涡流且涡流连接到分形网络以汇流到轴a-a时，径向向内流动至少部分地将表面活性剂冲出HIPE。保留面积的(area-preserving)脉管网络通过HIPE中的开放的冯卡门回旋流来建立。当会聚的汇流通过轴向抽取泵14的抽吸被强制朝向轴a-a时，周边8处细微规模的涡流汇聚成较大规模的径向涡流。虽然最初所引入的HIPE的粘度与水相的粘度大约相同，但HIPE中正硬化的聚合物变得更粘，所以HIPE不能如水相那样容易地流动，因此油相未被从轴向抽取口 13除去。在分批模式操作以形成泡沫圆盘中，HIPE被引入工作空间中并允许缓慢地在剪切层6中向外散布到周边8，且当HIPE已经充分胶凝而阻碍更粘的油相朝向轴a-a的会聚流时，开动轴向抽取泵14，且在正胶凝的HIPE中形成的径向涡流仅允许水相的稳定的会聚流进入轴向抽取口 13。通过轴向抽取口 13轴向抽出水相提供了用于从HIPE内除去热的强制对流。由轴向抽取泵14引起的水相强制径向向内流动发生在HIPE在边界层5之间正被剪切时。当HIPE已经充分硬化时，通过合适的设备(未示出)从反应器经由周边8将其除去，清洁反应器，用于处理用于新径向过滤器的新批料。HIPE中的大量径向涡流的形成是由于在叶轮之间的剪切，尤其是在叶轮的在图2 示出的大量转子之间的剪切，径向涡流具有指向轴a-a的旋转轴。当叶轮反向旋转时转子一起剪取，且转子的交叉的剪取点在从轴a-a径向向外的直线上。沿着这些线剪切和拉伸赋予HIPE涡旋，且通过与泵14的抽吸组合的这种强制力，涡流产生，其中水相液滴可以聚结成通过径向分形涡旋网络的相干汇流通道。当HIPE硬化时，保留汇流通道，且HIPE圆盘是由于其保留面积特性而具有最佳的径向通量的径向过滤器。这样的HIPE泡沫圆盘堆叠将提供改进的径向过滤，这是因为周边处的空隙是小的，且滤液的径向向内流动通过保留面积的网络。由于剪切升力效应，这样的径向过滤器的旋转堆叠将排斥颗粒，且由于过滤器中的脉管网络的保留面积特性而将具有
高的通量。树具有保留面积的脉管网络树干的传导组织的横截面面积等于支根的横截面面积之和，所以通过网络的流如同通过恒定直径的管一样。参见Chen等人的 "Fractal-like tree networks increasing the permeability(±曾力口渗透性的分形样树形网络)” Physical Review E 75，056301 (2007)。如上面所讨论的，感应器10可以帮助反应器中的固化以及碳纳米管的对准和结合。借助于特斯拉天线或用于射频感应的其他合适设备，本公开内容下的微锤击将泡沫的涡流中的纳米管连接到径向排列的螺旋中。由此形成的每一个螺旋形纳米管导体将具有与轴正交的轴。权利要求中还包括通过微锤击由其他导电材料例如金纳米线形成的螺旋。上面已经公开了许多示例性实施方式。出现在下面段落中的是上面所公开的一些实施方式的非限制性讨论。在一个实施方式中，在反向旋转的同轴离心式叶轮之间轴向供给HIPE，同时紧靠叶轮的水相边界层将动量从叶轮扩散到HIPE，由此引起在边界层之间径向向外的HIPE的正交流。通过叶轮以及在HIPE之上和之中的水相循环对HIPE的轻柔拉伸防止了自加速效应并帮助单体到聚合物的转化以及聚合物的交联。拉伸还用于平行对准所包括的碳纳米管，使得它们可以通过范德华力结合成绳或纱。在一个实施方式中，特斯拉天线在与HIPE混合的导电部分中感应瞬态电流。在一个实施方式中，HIPE的油相包括碳纳米管，且特斯拉天线在射频下操作。纳米管获得电荷分离，且它们的端部变成将能量耦合到在纳米管端部之间的单体或聚合物中的电极。在纳米管端部之间的基质碎裂，贡献碳离子以便桥接在纳米管端部之间的间隙。通过RF感应对 HIPE的焦耳加热帮助固化。在一个实施方式中，通过单体的剪切和拉伸平行对准单体基质中的碳纳米管，单体聚合以便将纳米管固定在更坚固的基质中，然后通过在RF特斯拉天线下微锤击以形成对于其重量具有高电导率的纳米结构聚复合材料，使得碳纳米管在它们的端部处结合。在一个实施方式中，纳米结构聚复合材料是呈从高内相乳液(HIPE)获得的泡沫的形式。通过在根据本公开内容的剪切反应器中分批处理来生产由于HIPE泡沫中固定的保留面积的脉管网络而具有从其边缘到其中心(径向通量)的改进的会聚汇流的径向过滤器。包含围绕径向涡流旋制的碳纳米管的这样的聚复合材料泡沫，将是径向排列的高导电性和弹性线圈，所述径向涡流产生了脉管网络，所述纳米管在导电纳米结构中连接。
尽管上面已经特别地示出和描述本发明的各实施方式，但本领域技术人员应理解，可以在其中做出形式和细节的各种变化，而不偏离如由以下权利要求界定的本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种用于形成聚合物泡沫的方法，所述方法包括将包括水相和油相的高内相乳液(HIPE)轴向供给到工作空间中，所述工作空间被界定在具有共同旋转轴的相对的反向旋转的离心式叶轮之间；在所述工作空间内以正交流平流输送所述HIPE远离所述旋转轴到达所述工作空间的周边；在所述工作空间内固化所述HIPE以由此在所述工作空间的所述周边形成HIPE泡沫；禾口通过所述工作空间的所述周边抽出所述HIPE泡沫。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括当抽出所述HIPE泡沫时，同时轴向供给所述 HIPE0
3.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述HIPE泡沫分成带。
4.根据权利要求1所述的方法，其中固化所述HIPE包括使所述HIPE经历电磁场。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述叶轮和所述HIPE之间提供滑动层。
6.根据权利要求5所述的方法，其中提供所述滑动层包括将另外的水相加入所述工作空间中。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述油相包括导电颗粒。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述导电颗粒包括选自由碳纳米管、纳米线、金属粉末和金属薄片组成的组的至少一种。
9.一种用于分批处理聚合物材料的方法，所述方法包括 将包括水相和油相的高内相乳液(HIPE)轴向供给到工作空间中，所述工作空间被界定在具有共同旋转轴的相对的反向旋转的离心式叶轮之间；在所述HIPE内邻近与轴向抽取泵相通的轴向抽取口产生低压汇区，由此在所述HIPE 内形成会聚的汇流通道；和通过所述会聚的汇流通道将所述水相径向向内地平流输送到所述叶轮旋转轴。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括在所述工作空间内固化所述HIPE。
11.根据权利要求9所述的方法，其中产生所述低压汇区包括通过所述轴向抽取口从所述HIPE中除去所述水相。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括当通过所述轴向抽取口除去所述水相时，将另外的水相加入所述工作空间中。
13.根据权利要求9所述的方法，其中所述油相包括导电颗粒，所述方法还包括将所述导电颗粒平行对准入所述HIPE内的径向螺旋形结构。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括将所述导电颗粒结合入螺旋形纳米结构中。
15.一种用于处理聚合物的反应器，所述反应器包括相对的同轴的可反向旋转的离心式叶轮，其界定了它们之间的工作空间； 驱动器，其可操作地连接于所述叶轮并配置成引起所述叶轮的反向旋转； 轴向进料口，其在所述叶轮中的一个的中心处，所述轴向进料口配置成将包括水相和油相的高内相乳液(HIPE)引入所述工作空间中；和中心口，其在所述叶轮中的另一个处，用于将另外的水相引入所述工作空间中。
16.根据权利要求15所述的反应器，其中所述叶轮中的至少一个配置成通过其输送所述另外的水相。
17.一种形成纳米结构的方法，包括 将纳米管分散在基质材料中；和通过感应器在所述纳米管中感应电流，直到所述纳米管的端部结合。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述纳米管包括碳纳米管，且所述基质材料包括碳，所述方法包括电解分离位于所述碳纳米管的带相反电荷的端部之间的基质材料的各部分，由此提供用于纳米管生长的碳离子。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述感应器在射频下操作。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述基质材料包括选自由热固性聚合物材料、 热塑性材料和陶瓷材料组成的组的至少一种。
全文摘要
RP感应器例如特斯拉天线使纳米管端部接合在一起以在聚合物泡沫基质中形成纳米结构。高内相乳液(HIPE)在包括相对的同轴反向旋转的叶轮的反应器中被轻轻地剪切和拉伸，叶轮平行对准聚合物链且还平行对准与油相混合的碳纳米管。拉伸和强制对流防止自加速效应。公开了分批工艺和连续工艺。在分批工艺中，当HIPE聚合时，保留HIPE中相干涡流的分形径向排列，且围绕这些涡流的螺旋形纳米结构通过微锤击接合成更长的螺旋线。通过分批工艺产生的盘式径向过滤器由于其保留面积的径向脉管网络而具有改进的从边缘到中心的径向通量。在连续工艺中，从反应器的周边连续地拉伸H3PE带并通过RF感应器后处理H3PE带以产生固化导电泡沫。
文档编号C08J9/28GK102458645SQ201080032154
公开日2012年5月16日 申请日期2010年6月4日 优先权日2009年6月5日
发明者W·H·麦卡钦 申请人:麦卡钦公司