(57)【要約】  官能化グラファイト材料のための方法であって、１）グラファイト材料を用意するステップと、２）第１の基、スペーサおよび第２の基を含む第１の分子を用意するステップと、３）第３の基、スペーサ、および第４の基を含む第２の分子を用意するステップであって、前記第３の基は、前記第１の基と異なる基であるステップと、４）第１の分子および第２の分子をグラファイト材料に結合させるステップとを含む方法のための１つまたは複数の技術が開示される。また、本明細書に記載の方法により調製される官能化カーボン・ナノチューブまたは官能化グラフェンを含む調整可能材料組成物が開示される。
2015529610.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
官能化グラファイト材料を調製するための方法であって、
グラファイト材料を用意するステップと、
第１の基、第１のスペーサ、および第２の基を含む第１の分子を用意するステップと、
第３の基、第２のスペーサ、および第４の基を含む第２の分子を用意するステップであって、前記第３の基は、前記第１の基と異なる基であるステップと、
前記第２の基および前記第４の基を前記グラファイト材料に結合させるステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記グラファイト材料が、カーボン・ナノチューブおよびグラフェンの少なくとも１種の材料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の基が、ヒドロキシル、チオール、アミノ、エポキシ、カルボキシル、およびシリルの少なくとも１種の基を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第２の基が、アミノ、エポキシ、ヒドロキシル、カルボキシル、シリル、およびチオールの少なくとも１種の基を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第３の基が、チオール、カルボキシル、トリアルコキシシリル、ホスホリル・エステル、クラウン・エーテル、シクロペンタジエニル、クリプタンド、ジオキシム、およびＮ−ヘテオ環の少なくとも１種の基を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第４の基が、アミノ、エポキシ、ヒドロキシル、カルボキシル、シリル、およびチオールの少なくとも１種の基を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記第１の分子が、ジアミノ化合物、ジエポキシ化合物、およびアミノ・アルコール化合物の少なくとも１種の分子を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記第２の分子が、Ｏ−ホスホリルエタノールアミンのジエステルおよびアミノプロピル・トリアルコキシシランの少なくとも１種の分子を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記結合が、機械的粉砕、超音波振動、および高圧マイクロ流体注入の少なくとも１種の方法により提供される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１の基を重合させるステップ
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記第３の基を重合させるステップ
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
犠牲金属粒子を前記第３の基に結合させるステップ
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記犠牲金属粒子が、亜鉛、マグネシウム、ニッケル、アルミニウム、およびコバルトの少なくとも１種の金属を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記犠牲金属粒子と前記官能化グラファイト材料との間に電気的接触が形成される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
イオン伝導性により、前記犠牲金属粒子のカチオンを移動させるステップ
をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記官能化グラファイト材料を、プラスチック複合材中に組み込むステップ
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記プラスチック複合材が、熱硬化性である、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
熱硬化性プラスチックと；
グラファイト材料を用意するステップと、
第１の基、第１のスペーサ、および第２の基を含む第１の分子を用意するステップと、
第３の基、第２のスペーサ、および第４の基を含む第２の分子を用意するステップであって、前記第３の基は、前記第１の基と異なる基であるステップと、
前記第２の基および前記第４の基を前記グラファイト材料に結合させるステップと
を含む方法により調製される、官能化グラファイト材料と
を含む、調整可能材料組成物。
【請求項１９】
前記熱硬化性プラスチックは、エポキシ、ポリアクリレート、ポリウレタン、およびフェノールホルムアルデヒドの少なくとも１種のプラスチックである、請求項１８に記載の組成物。
【請求項２０】
前記グラファイト材料が、カーボン・ナノチューブおよびグラフェンの少なくとも１種の材料である、請求項１８に記載の組成物。
【請求項２１】
前記第１の基が、ヒドロキシル、チオール、アミノ、エポキシ、カルボキシル、およびシリルの少なくとも１種の基を含む、請求項１８に記載の組成物。
【請求項２２】
前記第２の基が、アミノ、エポキシ、ヒドロキシル、カルボキシル、シリル、およびチオールの少なくとも１種の基を含む、請求項１８に記載の組成物。
【請求項２３】
前記第３の基が、チオール、カルボキシル、トリアルコキシシリル、ホスホリル・エステル、クラウン・エーテル、シクロペンタジエニル、クリプタンド、ジオキシム、およびＮ−ヘテオ環の少なくとも１種の基を含む、請求項１８に記載の組成物。
【請求項２４】
前記第４の基が、アミノ、エポキシ、ヒドロキシル、カルボキシル、シリル、およびチオールの少なくとも１種の基を含む、請求項１８に記載の組成物。
【請求項２５】
前記グラファイト材料が、ジアミノベンゼン、ジアミノ・ポリエチレンオキシド、ジアミノ・ポリプロピレンオキシド、ジアミン・シクロヘキサン誘導体、およびアミン化トール・オイルの少なくとも１種の硬化剤で官能化される、請求項１８に記載の組成物。
【請求項２６】
マクロ粒子、マイクロ粒子、およびナノ粒子の少なくとも１種の粒子をさらに含む、請求項１８に記載の組成物。
【請求項２７】
前記マクロ粒子が、砂、ガラス、玄武岩、アルミナ、シリカ、二酸化チタン、セラミック、およびグラファイト繊維の少なくとも１種のマクロ粒子を含む、請求項２６に記載の組成物。
【請求項２８】
前記マイクロ粒子が、二酸化チタン、シリカ、セラミック、グラファイト、リン酸鉄、アルミナ、ニッケル、コバルト、亜鉛、アルミニウム、およびマグネシウムの少なくとも１種のマイクロ粒子を含む、請求項２６に記載の組成物。
【請求項２９】
前記ナノ粒子が、二酸化チタン、酸化銅、リン酸鉄、銀、シリカ、およびアルミナの少なくとも１種のナノ粒子を含む、請求項２６に記載の組成物。
【請求項３０】
前記調整可能材料組成物が、電磁干渉シールド、磁気シールド、導体、スーパー・キャパシタ、および事前含浸複合材用の耐腐食コーティングに使用される、請求項１８に記載の組成物。
【請求項３１】
官能化グラファイト材料を調製するための方法であって、
グラファイト材料を用意するステップと、
第１のアミノ基、第１のスペーサ、およびトリアルコキシシロキサン基を含む第１の分子を用意するステップと、
第２のアミノ基、第２のスペーサ、および第３のアミノ基を含む第２の分子を用意するステップと、
前記第１のアミノ基および前記第２のアミノを前記グラファイト材料に結合させるステップと
を含む方法。
【請求項３２】
前記グラファイト材料が、カーボン・ナノチューブおよびグラフェンの少なくとも１種の材料を含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記結合が、機械的粉砕、超音波振動、および高圧マイクロ流体注入の少なくとも１種の方法により提供される、請求項３１に記載の方法。
【請求項３４】
前記第３のアミノ基を、エポキシ・モノマーまたはエポキシ・オリゴマーと重合させるステップ
をさらに含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３５】
前記第３のアミノ基を、ウレタン・モノマーまたはウレタン・オリゴマーと重合させるステップ
をさらに含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３６】
前記トリアルコキシシロキサン基を、シリコーン・モノマーと重合させるステップ
をさらに含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３７】
酸化アルミニウムを、前記トリアルコキシシロキサン基と結合させるステップ
をさらに含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３８】
シリカを、前記トリアルコキシシロキサン基と結合させるステップ
をさらに含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３９】
犠牲金属粒子を、前記トリアルコキシシロキサン基に結合させるステップ
をさらに含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項４０】
前記犠牲金属粒子が、亜鉛、マグネシウム、ニッケル、アルミニウム、およびコバルトの少なくとも１種の金属を含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記犠牲金属粒子と前記官能化グラファイト材料との間に電気的接触が形成される、請求項３９に記載の方法。
【請求項４２】
前記官能化グラファイト材料を、プラスチック複合材中に組み込むステップ
をさらに含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項４３】
前記プラスチック複合材が、熱硬化性である、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記プラスチック複合材が、エポキシ、ポリアクリレート、ポリウレタン、およびフェノールホルムアルデヒドの少なくとも１種の樹脂を含む、請求項４２に記載の方法。
【請求項４５】
熱硬化性プラスチックと；
シリコーンと；
グラファイト材料を用意するステップと、
第１のアミノ基、第１のスペーサ、およびトリアルコキシシロキサン基を含む第１の分子を用意するステップと、
第２のアミノ基、第２のスペーサ、および第３のアミノ基を含む第２の分子を用意するステップと、
前記第１のアミノ基および前記第２のアミノ基を前記グラファイト材料に結合させるステップと
を含む方法により調製される、官能化グラファイト材料と
を含む、調整可能材料組成物。
【請求項４６】
前記熱硬化性プラスチックは、エポキシ、ポリアクリレート、ポリウレタン、およびフェノールホルムアルデヒドの少なくとも１種のプラスチックである、請求項４５に記載の組成物。
【請求項４７】
前記グラファイト材料が、カーボン・ナノチューブおよびグラフェンの少なくとも１種の材料である、請求項４５に記載の組成物。
【請求項４８】
前記グラファイト材料が、ジアミノベンゼン、ジアミノ・ポリエチレンオキシド、ジアミノ・ポリプロピレンオキシド、ジアミン・シクロヘキサン誘導体、およびアミン化トール・オイルの少なくとも１種の硬化剤で官能化される、請求項４５に記載の組成物。
【請求項４９】
マクロ粒子、マイクロ粒子、およびナノ粒子の少なくとも１種の粒子をさらに含む、請求項４５に記載の組成物。
【請求項５０】
前記マクロ粒子が、砂、ガラス、玄武岩、アルミナ、シリカ、二酸化チタン、セラミック、およびグラファイト繊維の少なくとも１種のマクロ粒子を含む、請求項４９に記載の組成物。
【請求項５１】
前記マイクロ粒子が、二酸化チタン、シリカ、セラミック、グラファイト、リン酸鉄、アルミナ、ニッケル、コバルト、亜鉛、アルミニウム、およびマグネシウムの少なくとも１種のマイクロ粒子を含む、請求項４９に記載の組成物。
【請求項５２】
前記ナノ粒子が、二酸化チタン、酸化銅、リン酸鉄、銀、シリカ、およびアルミナの少なくとも１種のナノ粒子を含む、請求項４９に記載の組成物。
【請求項５３】
前記調整可能材料組成物が、電磁干渉シールド、磁気シールド、導体、スーパー・キャパシタ、および事前含浸複合材に使用される、請求項４５に記載の組成物。
【請求項５４】
耐腐食コーティング系を作製する方法であって、
基板を用意するステップと；
前記基板に、熱硬化性プラスチックと；
グラファイト材料を用意するステップと、
第１の基、第１のスペーサ、および第２の基を含む第１の分子を用意するステップと、
第３の基、第２のスペーサ、および第４の基を含む第２の分子を用意するステップであって、前記第３の基は、前記第１の基と異なる基であるステップと、
前記第２の基および前記第４の基を前記グラファイト材料に結合させるステップと
を含む方法により調製される、カーボン・ナノチューブおよびグラフェンの少なくとも１種の官能化グラファイト材料とを含む調整可能材料組成物の第１の層を塗布するステップと；
電気絶縁材料を含む第２の層を、前記第１の層に塗布するステップと；
前記第２の層に、熱硬化性プラスチックと；
グラファイト材料を用意するステップと、
第１の基、第１のスペーサ、および第２の基を含む第１の分子を用意するステップと、
第３の基、第２のスペーサ、および第４の基を含む第２の分子を用意するステップであって、前記第３の基は、前記第１の基と異なる基であるステップと、
前記第２の基および前記第４の基を前記グラファイト材料に結合させるステップと
を含む方法により調製される、カーボン・ナノチューブおよびグラフェンの少なくとも１種の官能化グラファイト材料とを含む調整可能材料組成物の第３の層を塗布するステップと
を含む方法。
【請求項５５】
前記第１の基が、ヒドロキシル、チオール、アミノ、エポキシ、カルボキシル、およびシリルの少なくとも１種の基を含む、請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
前記第２の基が、アミノ、エポキシ、ヒドロキシル、カルボキシル、シリル、およびチオールの少なくとも１種の基を含む、請求項５４に記載の方法。
【請求項５７】
前記第３の基が、チオール、カルボキシル、トリアルコキシシリル、ホスホリル・エステル、クラウン・エーテル、シクロペンタジエニル、クリプタンド、ジオキシム、およびＮ−ヘテオ環の少なくとも１種の基を含む、請求項５４に記載の方法。
【請求項５８】
前記第４の基が、アミノ、エポキシ、ヒドロキシル、カルボキシル、シリル、およびチオールの少なくとも１種の基を含む、請求項５４に記載の方法。
【請求項５９】
耐腐食コーティング系を作製する方法であって、
基板を用意するステップと；
前記基板に、熱硬化性プラスチックと；シリコーンと；
グラファイト材料を用意するステップと、
第１のアミノ基、第１のスペーサ、およびトリアルコキシシロキサン基を含む第１の分子を用意するステップと、
第２のアミノ基、第２のスペーサ、および第３のアミノ基を含む第２の分子を用意するステップと、
前記第１のアミノ基および前記第２のアミノを前記グラファイト材料に結合させるステップと
を含む方法により調製される、カーボン・ナノチューブおよびグラフェンの少なくとも１種の官能化グラファイト材料とを含む調整可能材料組成物の第１の層を塗布するステップと；
電気絶縁材料を含む第２の層を、前記第１の層に塗布するステップと；
前記第２の層に、熱硬化性プラスチックと；シリコーンと；
グラファイト材料を用意するステップと、
第１のアミノ基、第１のスペーサ、およびトリアルコキシシロキサン基を含む第１の分子を用意するステップと、
第２のアミノ基、第２のスペーサ、および第３のアミノ基を含む第２の分子を用意するステップと、
前記第１のアミノ基および前記第２のアミノ基を前記グラファイト材料に結合させるステップと
を含む方法により調製される、カーボン・ナノチューブおよびグラフェンの少なくとも１種の官能化グラファイト材料とを含む調整可能材料組成物の第３の層を塗布するステップと
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１３年２月２０日出願の米国仮特許第６１／８５０，５６１号、名称「調整可能材料」、および２０１２年６月２１日出願のフィンランド特許第２０１２０１９８０９９３号、名称「調整可能材料」の優先権を主張し、これらは参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
複合材は、エポキシ、ポリウレタン、およびシリコーン等の熱硬化性プラスチックで製造され得る。エポキシは、エポキシ樹脂および硬化剤を反応させることにより生成され得る。ポリウレタン・ポリマーは、イソシアネートをポリオールと反応させることにより形成され得る。シリコーンは、有機側鎖を有する重合シロキサンを含み得る。
【０００３】
カーボン・ナノチューブ（ＣＮＴ）およびグラフェンは、エポキシ、ポリウレタン、シリコーン、ならびにその他の樹脂およびポリマー等の熱硬化性プラスチックを補強するために使用されている。ＣＮＴ、官能化ＣＮＴ（またはハイブリッドＣＮＴ、ＨＮＴと表記される）、グラフェン、および官能化グラフェンは、集合的にハイブリッド・グラファイト材料（ＨＧＭ）と呼ぶことができる。これらのＨＧＭは、エポキシ樹脂および硬化剤等のエポキシ成分のいずれかに組み込むことができる。ＨＧＭはまた、ポリウレタンおよびシリコーンに組み込むことができる。
【０００４】
熱硬化性プラスチック、ＣＮＴ、グラフェン、およびＨＮＴは、モジュールおよび靭性を増加させることができるが、ある特定のプラスチック複合材には弾性が好ましくなり得る。弾性を増加させるために、シロキサンが添加され得る。シロキサン骨格は、螺旋状であってもよく、またシリコーンにおいてアルキルまたはアリール基で被覆され得る。したがって、シリコーンは、非常に可撓性および疎水性となり得る。疎水性は、フッ素化アルキルまたはアリール基等の基による官能化によって増加され得る。
【０００５】
ＣＮＴの官能化方法は、数多く開発されてきた。これらは、ＣＮＴの硝酸／硫酸酸化、ＣＮＴへのアリール基付加、アミンおよび硫化物のＣＮＴ内への付加を誘導するボールミル粉砕、アルキル・ハライドへのブチル・リチウム活性化カップリング、ならびに、アミンおよびエポキシを含む多くの試薬の超音波振動支援付加を含む。機械的または超音波切断等のメカノケミカル反応の改善は、ＣＮＴの化学反応を誘導し得る。
【０００６】
耐腐食コーティングは、亜鉛粒子等の犠牲金属粒子を含有し得る。粒子の濃度は、球状粒子の場合約３０％である浸透限界を超える可能性がある。高濃度のこれらの粒子は、特に粒子がポリマーと化学結合していない場合、コーティングの完全性を低減し得る。耐腐食コーティングは、コーティングされた金属表面とＣＮＴまたはグラフェン・ネットワークを介して電気的に接続された犠牲金属粒子を使用し得る。ＣＮＴまたはグラフェン・ネットワークの使用は、耐腐食コーティング内でより少ない犠牲金属粒子を必要とし得る。さらに、グラファイト材料は、金属層でコーティングされてもよい。金属層は、ナノ粒子またはマイクロ粒子で構成され得る。金属粒子は、グラファイト材料が酸素の非存在下でコーティングされない限り、酸化物薄層でコーティングされ得る。ナノ粒子の場合、酸化物層が粒子の比較的大きな部分となり得る。酸化物層はまた、ＣＮＴの周囲の金属コーティングの大部分となり得る。金属粒子の他に、粒子は、セラミックであってもよい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この概要は、以下の発明を実施するための形態においてさらに説明される簡略化された形態の一連の概念を導入するために提供される。この概要は、請求される主題の主要な要因または本質的な特徴を特定することを意図せず、また請求される主題の範囲を限定するために使用されることを意図しない。
【０００９】
一実施形態において、グラファイト材料を修飾する方法は、１）グラファイト材料を用意するステップと、２）第１の基、スペーサ、および第２の基を含む第１の分子を用意するステップと、３）第３の基、スペーサ、および第４の基を含む第２の分子を用意するステップであって、前記第３の基は、前記第１の基と異なる基であるステップと、４）第１の分子および第２の分子を、グラファイト材料に結合させるステップとを含む。
【００１０】
上記および関連した目的の達成のために、以下の説明および付属の図面は、ある特定の例示的態様および実施形態を記載している。これらは、１つまたは複数の態様が使用され得る様々な様式のいくつかを示す。本開示の他の態様、利点および新規な特徴は、付属の図面と併せて考慮すれば、以下の発明を実施するための形態から明らかとなる。
【００１１】
本明細書において開示されるものは、ある特定の部分における物理的形態および部分の配置をとることができ、本明細書において詳細に説明され、本明細書の一部を成す添付の図面において例示される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本明細書において開示される方法の単純な図である。
【図２】本明細書において開示されるものを示す概略図である。
【図３】本明細書において開示されるものを示す概略図である。
【図４】本明細書において開示されるものを示す概略図である。
【図５】本明細書において開示されるものを示す概略図である。
【図６】本明細書において開示されるものを示す概略図である。
【図７】本明細書において開示されるものを示す概略図である。
【図８】本明細書において開示されるものを示す概略図である。
【図９】本明細書において開示されるものを示す概略図である。
【図１０】本明細書において開示されるものを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
ここで、図面を参照しながら請求される主題を説明するが、同様の参照番号は、概して、全体を通して同様の要素を示すために使用される。以下の説明において、例示を目的として、請求される主題の完全な理解を提供するために、多くの具体的詳細が記載される。しかしながら、請求される主題は、これらの具体的詳細なしに実践され得ることが明らかとなり得る。他の場合において、構造およびデバイスは、請求される主題の説明を容易化するために、ブロック図の形態で示される。
【００１４】
「例示的」という用語は、本明細書において使用される場合、例、事例または例示として機能することを意味する。本明細書において「例示的」として説明される任意の態様または設計は、必ずしも他の態様または設計に勝る利点として解釈されるわけではない。むしろ、例示的という用語の使用は、具体的な様式で本概念を提示することを意図する。本出願において使用される場合、「または」という用語は、排他的な「または」ではなく、包含的な「または」を意味することを意図する。すなわち、別段に指定されない限り、または文脈から明確でない限り、「ＸはＡまたはＢを使用する」は、自然な包含的順列のいずれをも意味することを意図する。すなわち、ＸがＡを使用する、ＸがＢを使用する、またはＸがＡおよびＢの両方を使用する場合、「ＸはＡまたはＢを使用する」は、前記の場合のいずれをも満足する。さらに、ＡおよびＢの少なくとも１つ、ならびに／または同様のものは、概してＡまたはＢまたはＡおよびＢの両方を意味する。さらに、冠詞「ａ」および「ａｎ」は、本出願および添付の特許請求の範囲において使用される場合、単数形を示すことが別段に指定されない限り、または文脈から明確でない限り、概して「１つまたは複数」を意味するように解釈され得る。
【００１５】
主題は、構造的特徴および／または方法における行為に特定した言語で説明されているが、添付の特許請求の範囲において定義される主題は、必ずしも上述の特定の特徴または行為に限定されるわけではないことを理解されたい。むしろ、上述の特定の特徴および行為は、本発明を実施する例示的形態として開示される。当然ながら、当業者には、請求される主題の範囲または精神から逸脱せずに、この構成に多くの修正が行われてもよいことが理解される。
【００１６】
また、本開示は、１つまたは複数の実施形態に関して示され説明されているが、当業者は、本明細書および付属の図面の読解および理解に基づいて、同等の変更および修正を思い付くだろう。本開示は、全てのそのような修正および変更を含み、以下の特許請求の範囲によってのみ限定される。特に、上述の構成成分（例えば、要素、源等）により実行される様々な機能に関して、そのような構成成分を説明するために使用される用語は、別段に指定されない限り、本明細書において例示される本開示の例示的実施形態における機能を実行する開示された構造と構造的には同等でない場合であっても、説明された構成成分の特定の機能を実行する任意の構成成分（例えば、機能的に同等である）に対応することを意図する。
【００１７】
さらに、いくつかの実施形態のただ１つに関して本開示の具体的特徴が開示された可能性があるが、そのような特徴は、所与の、または具体的な用途において望ましく、また有利となり得るように、他の実施形態の１つまたは複数の他の特徴と組み合わされてもよい。さらに、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「有する（ｈａｓ）」、「有する（ｗｉｔｈ）」、またはそれらの変化形が、発明を実施するための形態または特許請求の範囲において使用される限り、そのような用語は、用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」と同様に包含的であることが意図される。
【００１８】
カーボン・ナノチューブ（ＣＮＴとも呼ばれる）およびグラフェンは共に、グラファイト材料である。それらは、本質的に、純粋な炭素で構成される物質である。ＣＮＴおよびグラフェンの端部は、水素および酸素等の他の元素を有し得る。グラフェンは、グラファイトと同様の規則的な六角形パターンで配置される原子を有し得るが、一原子固定シートである。グラフェンは、炭素原子を含むことができ、各炭素原子が他の３つの炭素原子と結合している。炭素原子は、４つの共有結合を形成することができ、各炭素は、単結合および二重結合の両方を有する。これらの共有結合は、グラフェン材料内の強度を提供し得る。グラフェン材料は非常に軽量となり得るが、材料としての強度を提供し得る。複合材に少量のグラファイト材料が添加された場合でも、複合材の引張強度が増加され得る。その強度に加え、グラファイト材料はまた、その電気伝導性で知られている。
【００１９】
一般に、グラファイト材料は、平滑で規則的形状を有し得るが、ナノ複合材内で容易に滑り得る。滑りは、グラファイト材料を官能化することにより防止され得る。適切な官能化によって、官能化グラファイト材料、様々な粒子、ポリマー、およびコーティングにより保護される表面の間の共有結合、配位結合、またはイオン結合の形成が可能となり得る。
【００２０】
グラフェンは、より小さい構成要素から（ボトムアップ）、またはグラファイトの剥離から（トップダウン）の、２つの異なる手法で製造することができる。ボトムアップ法は、基板上の連続グラフェン層の製造を可能にする。これは、トランジスタおよび電子回路の製造に理想的な方法である。大規模材料製造には、グラファイトの剥離がより好適なアプローチとなり得る。剥離は、水素またはいくつかの他の原子もしくはイオンをグラファイト内にインターカレートすることにより、あるいは超音波振動によりグラフェン層を分離させることによって行うことができる。グラフェン・シートの端部は、炭素以外の原子、例えば水素または酸素を含有する。端部は、任意の官能基により意図的に官能化することができる。
【００２１】
カーボン・ナノチューブもまたグラファイト材料であるが、円筒構造を有する。各ＣＮＴは、正確に知られていてもよい、または知られていなくてもよいある特定の構造を有する分子である。ＣＮＴは、耐久性を有し得、複合材またはコーティングにおいて使用された場合、熱膨張および他の収縮サイクルによるナノ亀裂に抵抗することができる。カーボン・ナノチューブは、多くの他の材料と比較して高い引張強度を有し得る。それらはまた、少量で複合材に添加された場合であっても、複合材の引張強度を増加させ得る。さらに、ＣＮＴは、増加した持続長を有し得る。持続長は、ポリマーの堅さを定量化する機械特性の測定値である。ほとんどのポリマーは、約１ｎｍから約２ｎｍの持続長を有し得る。しかしながら、多層カーボン・ナノチューブ（ＭＷＮＴ）は、約１００ｎｍを超える持続長を有し得る。単層カーボン・ナノチューブ（ＳＷＮＴ）および二層カーボン・ナノチューブ（ＤＷＮＴ）も同様に、増加した持続長を有し得る。高い引張強度および持続長は共に、グラファイト材料が、特に本明細書に記載の組成物の一部となり得るポリマーまたは粒子と化学結合し得る場合、ナノ複合材の引張強度を提供することを可能にし得る。
【００２２】
官能化ＣＮＴは、出発材料として使用され得るＣＮＴと根本的に異なり得る。官能化ＣＮＴはまた、官能化されていないＣＮＴとも異なり得る。官能化ＣＮＴは、ＣＮＴと異なる化学構造、化学的および物理的特性を有し得る分子となり得る。比較のために、セルロースおよび官能化セルロース、例えばカルボキシメチル・セルロース（ＣＭＣ）は、異なる特性を有し得る。ＣＭＣは、セルロースから化学的に誘導され得るが、セルロースのように機能し得ない。ＣＭＣは、完全に異なる化学的および物理的特性を有する。
【００２３】
図１は、グラファイト材料を修飾する方法であって、１）グラファイト材料を用意するステップと、２）第１の基、スペーサ、および第２の基を含む第１の分子を用意するステップと、３）第３の基、スペーサ、および第４の基を含む第２の分子を用意するステップであって、前記第３の基は、前記第１の基と異なる基であるステップと、４）第１の分子および第２の分子を、グラファイト材料に結合させるステップとを含む方法を示す。この方法において、第１の基は、ヒドロキシル、チオール、アミノ、エポキシ、カルボキシル、およびシリルの少なくとも１種の基を含んでもよく、第２の基は、アミノ、エポキシ、ヒドロキシル、カルボキシル、シリル、およびチオールの少なくとも１種の基を含んでもよい。また、本明細書に記載の方法において、第３の基は、チオール、カルボキシル、トリアルコキシシリル、ホスホリル・エステル、クラウン・エーテル、クリプタンド、ジオキシム、およびＮ−ヘテオ環の少なくとも１種の基を含んでもよく、第４の基は、アミノ、エポキシ、ヒドロキシル、カルボキシル、シリル、およびチオールの少なくとも１種の基を含んでもよい。第１の基は、グラファイト材料内の第３の基と異なってもよい。第１の分子は、第２の分子の前にグラファイト材料に結合してもよく、または、第２の分子は、第１の分子の前にグラファイト材料に結合してもよい。さらに、上述の方法において説明されるように、第１の基、スペーサ、および第２の基を含む第１の分子は、第３の基、スペーサ、および第４の基を含む第２の分子と同時に結合してもよい。第１の分子は、ジアミノ化合物、ジエポキシ化合物、およびアミノ・アルコール化合物の少なくとも１種の分子を含み得る。第２の分子は、Ｏ−ホスホリルエタノールアミンのジエステルおよびアミノプロピル・トリアルコキシシランの少なくとも１種の分子を含み得る。
【００２４】
図１に示される方法において、グラファイト材料は、官能化されてもよい。グラファイト材料は、グラフェンおよびＣＮＴの少なくとも１種のグラファイト材料であってもよい。図１では、ＣＮＴ１０１がグラファイト材料として示され得る。
【００２５】
第１の基１０２（Ｙとして示される）は、ヒドロキシル、チオール、アミノ、エポキシ、カルボキシル、およびシリルの少なくとも１種の基を含み得る。シリルとしての第１の基１０２の例は、ジメチルシリルおよびジフェニルシリルを含み得るが、これらに限定されない。
【００２６】
第３の基１０３（Ｗとして示される）は、チオール、カルボキシル、トリアルコキシシリル、ホスホリル・エステル、クラウン・エーテル、シクロペンタジエニル、クリプタンド、ジオキシム、およびＮ−ヘテオ環の少なくとも１種の基を含み得る。第３の基１０３の例は、ホスホリル・ジ（トリクロロエチル）・エステル、ホスホリル・ジ（シアノエチル）・エステル、１８−クラウン−６、２，２，２−クリプタンド、２，１，１−クリプタンド、ジメチルグリオキシム、およびフェナントロリニルを含み得るが、これらに限定されない。特定の金属に関して、シクロペンタジエニルは、鉄に結合することができ、イミダゾリルは、鉄に結合することができ、１８−クラウン−６は、マグネシウムに結合することができ、２，２，２−クリプタンドは、亜鉛に結合することができ、イミダゾリルは、亜鉛に結合することができ、２，１，１−クリプタンドは、マグネシウムに結合することができ、ジメチルグリオキシムは、ニッケルに結合することができ、イミダゾリルは、銅に結合することができ、フェナントロリニルは、銅に結合することができる。また、当該技術分野において周知のいくつかの他のリガンドが使用されてもよい。
【００２７】
第２の基１０４（Ｚとして示される）および第４の基１０５（Ｘとして示される）は、アミノ、エポキシ、ヒドロキシル、カルボキシル、シリル、およびチオールの少なくとも１種の基を含む。シリルとしての第２の基１０４および第４の基１０５の例は、ジメチルシリルおよびジフェニルシリルを含み得るが、これらに限定されない。
【００２８】
第１の分子内において、スペーサ１０６が、第１の基１０２（Ｙとして示される）と第２の基１０４（Ｚとして示される）との間に結合してもよい。第１の分子のスペーサ１０６は、変動し得る。スペーサは、第１の分子および第２の分子に対して異なってもよい。例えば、スペーサは、図１に示されるように、プロピレン・スペーサであってもよい。スペーサ１０６は、約１ｎｍ未満であってもよい。スペーサ１０６の長さはさらに、スペーサ１０６が約１ｎｍ未満である場合、電子トンネル効果を可能にし得る。また、第１の基Ｙ１０２、第３の基Ｗ１０３、または第１の基Ｙ１０２および第３の基Ｗ１０３の両方は、第１の基Ｙ１０２、第３の基Ｗ１０３、または第１の基Ｙ１０２および第３の基Ｗ１０３の両方がＣＮＴ１０１と接触し得るように、スペーサ１０６に結合してもよい。
【００２９】
第２の分子のスペーサ１０７もまた変動し得る。第２の分子内において、スペーサ１０７は、第３の基１０３（Ｗとして示される）と第４の基１０５（Ｘとして示される）との間に結合してもよい。例えば、スペーサは、図１に示されるように、プロピレン・スペーサであってもよい。スペーサ１０７は、約１ｎｍ未満であってもよい。スペーサ１０７の長さもまたさらに、スペーサ１０７が約１ｎｍ未満である場合、電子トンネル効果を可能にし得る。また、第１の基Ｙ１０２、第３の基Ｗ１０３、または第１の基Ｙ１０２および第３の基Ｗ１０３の両方は、第１の基Ｙ１０２、第３の基Ｗ１０３、または第１の基Ｙ１０２および第３の基Ｗ１０３の両方がＣＮＴ１０１と接触し得るように、スペーサ１０７に結合してもよい。
【００３０】
さらに、第１の基Ｙ１０２上に重合が生じてもよい。重合はまた、第３の基Ｗ１０３が特定の金属結合リガンドであり得ない限り、第３の基Ｗ１０３上に生じてもよい。重合は、ポリウレタン、エポキシ、またはシリコーンを含み得る。第３の基Ｗ１０３に犠牲金属粒子が結合してもよい。犠牲金属粒子は、亜鉛、マグネシウム、ニッケル、アルミニウム、およびコバルトの少なくとも１種の金属を含み得る。本明細書に記載の方法において、犠牲金属粒子は、グラファイト材料と電気的に接触してもよい。電気的接触において、スペーサは、約１ｎｍ未満の長さであってもよく、電子トンネル効果が生じ得る。
【００３１】
本明細書において、図１に記載の方法は、少なくとも２つの異なる種類の分子がグラファイト材料に結合することを可能にし得る。結合は、機械的粉砕、超音波振動、および高圧マイクロ流体注入の少なくとも１種の方法により提供され得る。１種類の分子のみがグラファイト材料に結合し得るグラファイト材料の混合物を提供する代わりに、本明細書に記載の方法は、単一の官能化グラファイト材料が使用されることを許容し得る。第１および第２の分子の両方の結合の量および比は、特定の用途に合わせて調節され得る。
【００３２】
官能化グラファイト材料はまた、プラスチック複合材中に組み込まれてもよい。プラスチック複合材は、熱硬化性であってもよい。プラスチック複合材は、エポキシ、ポリアクリレート、ポリウレタン、およびフェノールホルムアルデヒドの少なくとも１種の樹脂を含む。プラスチック複合材は、調整可能材料組成物であってもよい。調整可能材料は、１）熱硬化性プラスチックと；２）ａ）グラファイト材料を用意するステップと、ｂ）第１の基、スペーサ、および第２の基を含む第１の分子を用意するステップと、ｃ）第３の基、スペーサ、および第４の基を含む第２の分子を用意するステップであって、前記第３の基は、前記第１の基と異なる基であるステップと、ｄ）第１の分子および第２の分子を、グラファイト材料に結合させるステップとを含む方法により調製されるグラファイト材料とを含み得る。第１の分子を用意するための方法において、第１の基は、ヒドロキシル、チオール、アミノ、エポキシ、カルボキシル、およびシリルの少なくとも１種の基を含んでもよく、第２の基は、アミノ、エポキシ、ヒドロキシル、カルボキシル、シリル、およびチオールの少なくとも１種の基を含んでもよい。また、第２の分子を用意するための本明細書に記載の方法において、第３の基は、チオール、カルボキシル、トリアルコキシシリル、ホスホリル・エステル、クラウン・エーテル、クリプタンド、ジオキシム、およびＮ−ヘテオ環の少なくとも１種の基を含んでもよく、第４の基は、アミノ、エポキシ、ヒドロキシル、カルボキシル、シリル、およびチオールの少なくとも１種の基を含んでもよい。第１の基は、グラファイト材料内の第３の基と異なってもよい。調整可能材料組成物は、電磁干渉シールド、磁気シールド、導体、スーパー・キャパシタ、事前含浸複合材、エポキシ、ポリアクリレート、およびポリウレタンにおける耐腐食コーティングに使用することができる。組成物はまた、シリコーンを含んでもよい。
【００３３】
上述の組成物中において、熱硬化性プラスチックは、エポキシ、ポリアクリレート、ポリウレタン、およびフェノールホルムアルデヒドの少なくとも１種のプラスチックであってもよい。グラファイト材料は、カーボン・ナノチューブおよびグラフェンの少なくとも１種の炭素であってもよい。さらに、グラファイト材料は、官能化されてもよい。グラファイト材料は、ジアミノベンゼン、ジアミノ・ポリエチレンオキシド、ジアミノ・ポリプロピレンオキシド、ジアミン・シクロヘキサン誘導体、およびアミン化トール・オイルの少なくとも１種の硬化剤で官能化されてもよい。グラファイト材料は、酸素および水の非存在下で官能化されてもよい。
【００３４】
上述の組成物は、マクロ粒子、マイクロ粒子、およびナノ粒子の少なくとも１種の粒子をさらに含んでもよい。マクロ粒子は、砂、ガラス、玄武岩、アルミナ、シリカ、二酸化チタン、セラミック、およびグラファイト繊維の少なくとも１種のマクロ粒子を含み得る。マイクロ粒子は、二酸化チタン、シリカ、セラミック、グラファイト、リン酸鉄、アルミナ、ニッケル、コバルト、亜鉛、アルミニウム、およびマグネシウムの少なくとも１種のマイクロ粒子を含む。ナノ粒子は、二酸化チタン、酸化銅、リン酸鉄、銀、シリカ、およびアルミナの少なくとも１種のナノ粒子を含む。
【００３５】
図２もまた、グラファイト炭素を修飾する方法であって、１）グラファイト材料を用意するステップと、２）第１のアミノ基、スペーサ、およびトリアルコキシシロキサン基を含む第１の分子を用意するステップと、３）第２のアミノ基、スペーサ、および第３のアミノ基を含む第２の分子を用意するステップと、４）第１のアミノ基および第２のアミノ基をグラファイト材料に結合させるステップとを含む方法のための、本明細書に記載の方法の実施形態を示す。代替として、本明細書に記載の図２の方法は、グラファイト炭素を修飾する方法であって、１）グラファイト材料を用意するステップと、２）第２のアミノ基、スペーサ、および第３のアミノ基を含む第１の分子を用意するステップと、３）第１のアミノ基、スペーサ、およびトリアルコキシシロキサン基を含む第２の分子を用意するステップと、４）第１のアミノ基および第２のアミノをグラファイト材料に結合させるステップとを含む方法であってもよい。代替として、第１のアミノ基、スペーサ、およびトリアルコキシシロキサン基を含み得る分子は、第２のアミノ基、スペーサ、および第３のアミノ基を含む分子と同時に添加されてもよいが、これらの両方は、上記の２つの方法において説明されている。第１の分子は、第２の分子の前にグラファイト材料に結合してもよく、または、第２の分子は、第１の分子の前にグラファイト材料に結合してもよい。さらに、上述の方法において説明されるように、第１の基、スペーサ、および第２の基を含む第１の分子は、第３の基、スペーサ、および第４の基を含む第２の分子と同時に結合してもよい。結合は、機械的粉砕、超音波振動、および高圧マイクロ流体注入の少なくとも１種の方法により提供され得る。
【００３６】
図２に示される方法において、グラファイト材料は、官能化されてもよい。グラファイト材料は、グラフェンおよびＣＮＴの少なくとも１種のグラファイト材料であってもよい。図２では、ＣＮＴ２０１がグラファイト材料として示され得る。
【００３７】
図２における上の図は、アミノ基２０２およびトリアルコキシシロキサン基２０３の、ＣＮＴ２０１への導入を示す。この方法において、アミノ基２０２およびトリアルコキシシロキサン基２０３は共に、図２における下の図に示されるように、次いでスペーサ（２０６および２０７）を介してＣＮＴ２０１に結合し得る。具体的には、ジアミノ化合物は、アミン基２０４を介してＣＮＴ２０１に結合し、第２のアミノ基２０８を形成し得る。同様に、第２の分子もまた、アミン基２０５を介してＣＮＴ２０１に結合し、第２のアミノ基２０９を形成し得る。
【００３８】
分子のスペーサ部分は、変動し得る。例えば、スペーサは、図２に示されるように、プロピレン・スペーサであってもよい。スペーサは、第１の分子および第２の分子に対して異なってもよい。アミノ基２０２およびトリアルコキシシロキサン基２０３の両方の結合は、アミノ基２０２およびトリアルコキシシロキサン基２０３の両方によるアミノ基の官能化に起因して生じ得る。アミノ基は、ＣＮＴ２０１に直接結合して、アミノ基２０２およびトリアルコキシシロキサン基２０３の両方が次いでＣＮＴ２０１を官能化するのを可能にしてもよい。
【００３９】
次いで、アミノ基２０２は、さらなるエポキシおよびウレタン官能基のための開始点を提供することができ、両方のトリアルコキシシロキサン基２０３は、シリコーン官能基の開始点を提供することができる。エポキシおよびウレタン官能基、ならびに他のアミノ官能基は、ＣＮＴ２０１に剛性および靭性を提供することができ、一方シリコーン官能基は、ＣＮＴ２０１に柔軟性および可撓性を提供し得る。それと共に、ＣＮＴ２０１内の複数の官能基は、所望の特性、さらには特定用途に合わせて特性を調節するための手段を提供し得る。例えば、アミノ基は、エポキシ・モノマー、エポキシ・オリゴマー、ウレタン・モノマー、またはウレタン・オリゴマーと重合されてもよい。また、トリアルコキシシロキサン基は、シリコーン・モノマーまたはオリゴマーと重合されてもよい。
【００４０】
グラファイト材料は、ジアミノベンゼン、ジアミノ・ポリプロピレンオキシド、ジアミン・シクロヘキサン誘導体、およびアミン化トール・オイルの少なくとも１種の硬化剤で官能化されてもよい。グラファイト材料はまた、別の硬化薬剤で官能化されてもよい。グラファイト材料はまた、酸素および水の非存在下で官能化されてもよい。
【００４１】
図３は、ポリマーによるＣＮＴの官能化の様々な形式を示す。ポリマーは、一級もしくは二級アミノ基、ヒドロキシル基、またはエポキシ基を介して接続され得る。ヒドロキシル基は、フェノール性ヒドロキシル基を含み得る。これらの官能基は、ポリウレタン、ポリアクリレート、ポリ尿素、エポキシ樹脂、フェノール−ホルムアルデヒド樹脂、ポリアクリレート、または他のポリマーの開始点として機能し得る。本明細書に記載の方法の一般的原理の一実施形態は、アルコキシシランもしくはアミノ官能基で、またはそれらの両方で同時に官能化された、ＣＮＴまたはグラフェン・シートである。
【００４２】
それぞれの官能化ＣＮＴまたはグラフェン・シートは、それぞれの粒子に複数回結合することができる数十または数百の官能基を含有してもよい。それぞれの官能化ＣＮＴまたはグラフェン・シートはまた、複数の粒子に結合してもよい。同様に、それぞれの官能化ＣＮＴまたはグラフェン・シートは、複数のポリマー鎖に結合してもよい。これらの官能基は、ＣＮＴもしくはグラフェンに直接接続されてもよく、またはスペーサが使用されてもよい。スペーサは、脂肪族、芳香族、またはヘテロ環式部分を含有してもよい。
【００４３】
図３Ａにおいて、ＣＮＴ３０１は、トリアルコキシシロキサン基３０４のみで官能化されてもよい。トリアルコキシシロキサン基３０４のみが使用され得る場合、シリコーン官能基のみが結合し得る。図３Ｂにおいて、ＣＮＴ３０２は、アミノ基３０５のみで官能化されてもよい。アミノ基３０５のみが使用され得る場合、エポキシ、ウレタン、および他のアミノ官能基のみが結合し得る。ある用途において官能化ＣＮＴ３０１およびＣＮＴ３０２の混合物が使用されてもよいが、いずれも、単一のＣＮＴまたは他のグラファイト材料内にアミノ基３０５およびトリアルコキシシロキサン基３０４の両方を提供しない。図３Ｃは、ＣＮＴ３０３がアミノ基３０５およびトリアルコキシシロキサン基３０４の両方で官能化され得る、本明細書に記載の方法を示す。
【００４４】
図４は、側鎖がグラファイト材料上に成長し得る様子を示し得る。図４の上に示された反応の開始時において、ＣＮＴ４０１は、アミノ基およびそれに結合したトリアルコキシシロキサン基の両方を含有し得る。この例において、シリコーン４０３は、触媒量の水の存在下で反応し得る。図４に示される反応は、エポキシ４０２およびシリコーン４０３の後の重合を可能とし得るが、エポキシ４０２の代わりにポリウレタンもまた重合され得る。この反応から、エポキシ官能基４０５およびシリコーン官能基４０４は、次いでＣＮＴ４０１に異なる特性を提供し得る。
【００４５】
図５は、鎖がグラファイト材料上に成長し得る様子の３つの異なる図的表現を示し得る。この図において、グラファイト材料は、ＣＮＴ５０１であってもよい。図５Ａにおいて、ＣＮＴ５０１は、複数のシリコーン基側鎖５０４を有してもよい。図５Ｂにおいて、ＣＮＴ５０２は、複数のエポキシまたはポリウレタン側鎖５０５を有してもよい。図５Ｃは、エポキシまたはポリウレタン側鎖５０５およびシリコーン基側鎖５０４の両方を含んでもよいＣＮＴ５０３を示す。一般に、これらの様々な側鎖は、ＣＮＴ上にグラフトされてもよい。側鎖は、分岐していてもよい。図５Ｃの場合のように、ポリマー鎖が物理的、化学的、または物理的かつ化学的に十分異なる場合、ＣＮＴ５０３は、図６においてさらに説明されるように、離間して層状構造を形成することができる。二相性ＣＮＴが組成物中に含まれる場合、これらの層は、弱く結合または強く結合し得る。この種の二相性ＣＮＴは、両方の層と強く相互作用し得る少なくとも２種類の分岐を含有することができ、自己層化コーティングの製造を可能にし得る。
【００４６】
本明細書において、図５Ｃに説明されるものは、硬質および軟質複合材ならびに官能化ＣＮＴを有するコーティング材料の組合せを可能にし得る。プラスチック複合材は、熱硬化性であってもよい。プラスチック複合材は、エポキシ、ポリウレタン、ポリアクリレート、およびフェノールホルムアルデヒドを含み得る。これらのコーティングは、衝撃耐性および亀裂耐性を有し得る。磨耗耐性は許容され得るが、これはナノ粒子またはマイクロ粒子を共有結合させることにより改善され得る。
【００４７】
図６において、ＣＮＴの複数の層が示され得る。ＣＮＴ（６０１、６０２、および６０３）が、図中に示されている。図中に６０８および６１０として標示される官能化ＣＮＴの離間した層は、官能化ＣＮＴの層化の結果であってもよい。中間領域６０９は、６０８および６１０の離間したＣＮＴ層内に位置してもよい。中間層６０９は、離間した官能化ＣＮＴ層６０８および６１０を互いに結合させるために使用され得る。層は、シリコーン層６０８がエポキシ層６１０から離間する際に形成し得る。すなわち、シリコーン内のメチル基が層を提供し得る。しかしながら、シリコーン内のフェニル基は、特にフェニル基がメトキシ等の極性置換基を有する場合、層の形成を防止し得る。シリコーン内にメチル基のみが、またはシリコーン内にフェニル基のみが存在してもよい。また、シリコーン内にメチルおよびフェニル基の両方が存在してもよい。層が形成され得る場合、それらは約１０ｎｍまで薄くなり得る。層はまた、約５０ｎｍから約５０μｍであってもよい。
【００４８】
カーボン・ナノチューブの官能化の程度は、カーボン・ナノチューブのマイクロメートル当たりの共有結合した広範な部分にわたり調節され得る。例えば、官能基は、エポキシ化合物の重合を開始し得るアミノ基であってもよい。官能基はまた、ポリウレタン化合物の重合を開始し得るアミノ基であってもよい。官能基は、シリコーンの重合を開始し得るトリアルコキシシロキサン基であってもよい。
【００４９】
層内において、アミノ基側鎖６０５、６０７とトリアルコキシシロキサン基側鎖６０４および６０６との間に相互作用があってもよい。これらの相互作用のため、官能化ＣＮＴの間に結合および架橋があってもよい。
【００５０】
図６に示される層状構造は、シリコーン基に起因してより剛性が低くなり得るために亀裂に抵抗し得るコーティングを可能とし得る。層状構造はまた、層状構造が有利となり得る用途において役立ち得る。例えば、これらの層状構造は、コーティングの少なくとも１つの層からフジツボが一度に剥がれ落ちることができる船体コーティングにおいて使用されてもよいが、層状構造はコーティング内に維持され得る。また、芳香族または脂肪族硬化薬剤が層状構造内で使用されてもよい。
【００５１】
官能化グラファイト材料は、ポリマー、金属粒子、またはその両方と結合してもよい。本明細書に記載の方法は、成分の単なる混合よりも高い電気伝導性を可能とし得る。粒子とグラファイト材料との間の電気的接触が望ましい場合、スペーサは短くてもよい。
【００５２】
図７は、調整可能コーティングまたはプラスチック複合材の構造的表現の一実施形態を示し得る。耐腐食コーティングは、本明細書に記載の方法の応用となり得る。図７における調整可能材料組成物は、１）熱硬化性プラスチックと；２）シリコーンと；３）１）グラファイト材料を用意するステップと、２）第１のアミノ基、スペーサ、およびトリアルコキシシロキサン基を含む第１の分子を用意するステップと、３）第２のアミノ基、スペーサ、および第３のアミノ基を含む第２の分子を用意するステップと、４）第１のアミノ基および第２のアミノをグラファイト材料に結合させるステップとを含む方法により調製されるカーボン・ナノチューブおよびグラフェンの少なくとも１種の官能化グラファイト材料とを含んでもよい。代替として、少なくとも１種の官能化グラファイト材料を提供する方法は、図２において上述された他の方法により調製されてもよい。第１の分子は、第２の分子の前にグラファイト材料に結合してもよく、または、第２の分子は、第１の分子の前にグラファイト材料に結合してもよい。さらに、上述の方法において説明されるように、第１のアミノ基、スペーサ、およびトリアルコキシシロキサン基を含む第１の分子は、第２のアミノ基、スペーサ、および第３のアミノ基を含む第２の分子と同時に結合してもよい。
【００５３】
図７は、本明細書に記載の方法のための分子接続を示し得る。弾性ポリマー７０４は、スプリングとして示され得る（以前に図５Ａにおいて丸として示された）。弾性ポリマー７０４は、シロキサン官能基を含んでもよい。より剛性のポリマー７０５は、図７において三角形として示され得る。より剛性のポリマー７０５は、エポキシ、ポリウレタン、ポリアクリレート、およびフェノールホルムアルデヒドを含み得る。３種類の官能化ＣＮＴ７０１、７０２、および７０３は、図５における５０１、５０２、および５０３に対応し得る。弾性ポリマー７０４およびより剛性のポリマー７０５を含むポリマー鎖は、２つの官能化ＣＮＴの間に架橋を形成し得る、または官能化ＣＮＴを粒子７０６および７０７と結合させ得る。粒子７０６および７０７は、短いスペーサを介して官能化ＣＮＴと結合し得る。矢印は、ポリマー（７０４および７０５）または官能化ＣＮＴ（７０１、７０２、および７０３）の、粒子（７０６および７０７）または基板７０９との結合を示す。ポリマー鎖は、架橋されてもよい。重合反応が垂直である場合、ブロック・ポリマーまたはグラフト・ポリマーは形成され得ない。
【００５４】
本説明は、コーティングを調製するための方法をさらに提供し得る。この方法は、１）ＣＮＴまたはグラフェンを、アミン硬化剤、アミノプロピル・トリメトキシシラン、マクロ粒子、マイクロ粒子、またはナノ粒子で官能化するステップと、２）官能化ＣＮＴをエポキシと混合して、混合物を形成するステップと、３）鋳型を混合物でコーティングするステップと、４）バルクのエポキシ混合物を鋳型に射出するステップと、４）混合物を硬化させるステップとを含んでもよい。
【００５５】
図７におけるシロキサン７０４セグメントは、モノマーから形成されてもよく、または、それらは、部分的に事前重合され得るオリゴマーであってもよい。これらの成分は、硬化剤もしくはエポキシ、またはその両方と混合されてもよい。好適なモノマーは、ジ（メトキシフェニル）、ジメトキシシラン、ジアニシル・ジメトキシシラン、ジメチル・ジメトキシシラン、ジフェニル・ジエトキシシラン、アミノプロピル・トリメトキシシラン（ＡＰＴＭＳとしても知られる）、およびテトラエトキシシリケート（ＴＥＳとしても知られる）を含み得る。しかしながら、モノマーはまた、ほとんどいかなる脂肪族または芳香族部分をも、およびそれらの官能化形態のいくつか、例えば塩素化およびフッ素化誘導体を含み得る。これらのモノマーは、触媒量の水が存在し得る場合、重合され得る。ＡＰＴＭＳおよびＴＥＳは、シロキサン鎖内の分岐点を提供し得る。ＡＰＴＭＳは、さらに、シロキサン重合の開始点および終了点の両方として機能し得る。過剰な共有結合的エポキシ接触は、シロキサンの弾性を低減または除去する可能性があり、遊離ＡＰＴＭＳの濃度は、官能化ＣＮＴまたはナノ粒子に結合し得ない場合、全シラン成分の約１０％未満となり得る。別の種類のシリコーン・ポリマーは、例えば、触媒量の白金の存在下でビニル・ジメチルシランから形成され得る。側鎖を変更することにより、多くの他の類似モノマーが使用され得る。官能化カーボン・ナノチューブにおける開始点を提供するために、アミノプロピルジメチルシランが使用され得る。終了点は、アミノプロピル・ビニルメチルシランにより官能化され得る。これらの例の代わりに、いくつかの類似分子を使用することができる。さらに、アミノ基は、エポキシ重合の開始点および終了点の両方として機能し得る。
【００５６】
グラファイト材料および金属粒子を含む組成物中において、金属粒子とグラファイト材料との間の電気的接触は弱くてもよい。この弱さは、金属粒子、グラファイト材料、またはそれらの両方の周りを覆うポリマーの層に起因し得る。本明細書に記載の方法は、電気的接触を増加させることができ、また金属粒子とポリマーとの間の化学的接触のためのメカニズムを提供し得る。官能化グラファイト材料を組み込むことにより、より強い電気接続が、金属粒子と金属基板との間に存在し得る。金属粒子は、ナノ粒子またはマイクロ粒子であってもよい。本明細書に記載の方法において、直交化学反応は、共有結合を介した金属粒子およびポリマーのグラファイト材料との結合を補助し得る。直交化学反応は、互いに干渉し得ない。直交化学反応は、周囲条件下で生じ得る。しかしながら、直交化学反応はまた、ＵＶ、ＩＲ、またはいくつかの他の硬化方法を使用し得る。
【００５７】
図８は、セラミックまたは金属粒子を官能化グラファイト材料に結合させる手段を示し得る。上述のポリマー結合の他に、単一粒子が結合し得る。図８において、ＣＮＴ８０１が示され得る。シリカ（ＳｉＯ２）８０２および酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）８０３の両方が、トリアルコキシシロキサン基を介してＣＮＴ８０１に結合し得る。トリメトキシシラン基はまた、シリカまたは酸化アルミニウムに結合可能であってもよい。さらに、犠牲金属粒子が、トリアルコキシシロキサン基に結合し得る。犠牲金属粒子は、亜鉛、マグネシウム、ニッケル、アルミニウム、およびコバルトの少なくとも１種の金属を含み得る。本明細書に記載の方法において、犠牲金属粒子は、グラファイト材料と電気的に接触してもよい。電気的接触において、スペーサは、約１ｎｍ未満の長さであってもよく、ＣＮＴ８０１と金属粒子との間に電子トンネル効果が生じ得る。
【００５８】
本明細書に記載の方法は、犠牲粒子の不導体化を回避する手段を提供し得る。ほとんどの結合基（例えば、図１における第３の基１０３）は、犠牲粒子により結合され得ない。これらの基の間の距離が平均約０．４ｎｍから約２ｎｍである場合、イオン伝導性により金属カチオンの移動が可能となり得る。イオン伝導性により、犠牲金属カチオンが酸化反応後に粒子の表面から除去され得、次いで活性金属表面が露出し得る。第３の基（図１において１０３として示される）は、犠牲金属カチオンに対して選択的であってもよい。この方法は、官能化グラファイト材料に沿った電子およびイオン伝導性を可能にし得る。しかしながら、高度の官能化は、特に単層ＣＮＴが使用される場合、電気伝導性を低減し得る。この効果は、二層ＣＮＴおよび多層ＣＮＴにおいてはより低くなり得る。リガンドの密度は、ポリマー・イオン伝導体がグラファイト材料と結合する場合、より小さくなり得る。ポリマー・イオン伝導体の限定されない例は、ジアミノ・ポリエチレン・オキシド、ポリアリルアミン、およびポリピロリジンであってもよい。
【００５９】
図９は、本明細書に記載のような調整可能材料８０１の一実施形態の図的描写を示し得る。調整可能材料組成物は、１）熱硬化性プラスチックと；２）シリコーンと；３）１）グラファイト材料を用意するステップと、２）第１のアミノ基、スペーサ、およびトリアルコキシシロキサン基を含む第１の分子を用意するステップと、３）第２のアミノ基、スペーサ、および第３のアミノ基を含む第２の分子を用意するステップと、４）第１のアミノ基および第２のアミノをグラファイト材料に結合させるステップとを含む方法により調製されるカーボン・ナノチューブおよびグラフェンの少なくとも１種の官能化グラファイト材料とを含んでもよい。代替として、少なくとも１種の官能化グラファイト材料を用意する方法は、図２において上述された他の方法により調製されてもよい。第１のアミノ基、スペーサ、およびトリアルコキシシロキサン基を含む第１の分子は、第２のアミノ基、スペーサ、および第３のアミノ基を含む第２の分子の前にグラファイト材料に結合してもよく、または、第２の分子は、第１の分子の前にグラファイト材料に結合してもよい。さらに、上述の方法において説明されるように、第１のアミノ基、スペーサ、およびトリアルコキシシロキサン基を含む第１の分子は、第２のアミノ基、スペーサ、および第３のアミノ基を含む第２の分子と同時に結合してもよい。また、上述の方法の組合せが使用されてもよい。図７においても記載されるように、他の材料が図７における組成物中に含まれてもよい。また、調整可能材料９０１は、マクロ粒子９０２、マイクロ粒子９０３、およびナノ粒子９０４の少なくとも１種の粒子と、熱硬化性樹脂と、シリコーンと、カーボン・ナノチューブおよびグラフェンの少なくとも１種のグラファイト材料と、高圧水圧注入によりカーボン・ナノチューブおよびグラフェンの少なくとも１種のグラファイト材料を提供するための手段とを含有してもよい。
【００６０】
図９における調整可能材料９０１中において、マクロ粒子９０２、マイクロ粒子９０３、およびナノ粒子９０４は、熱硬化性プラスチック９０５全体に分散されてもよい。熱硬化性プラスチックは、エポキシ、ポリウレタン、ポリアクリレート、およびフェノールホルムアルデヒドの少なくとも１種のプラスチックを含み得る。図９において、マクロ粒子９０２、マイクロ粒子９０３、およびナノ粒子９０４の少なくとも１種の粒子が添加されてもよい。マクロ粒子９０２は、約１００μｍから約２ｍｍの間の寸法であってもよい。マイクロ粒子９０３は、約２００ｎｍから約１００μｍであってもよい。ナノ粒子９０４は、約１ｎｍから約２００ｎｍであってもよい。マクロ粒子９０２は、砂、ガラス、玄武岩、アルミナ、シリカ、二酸化チタン、セラミック、グラファイト繊維、および他の金属粒子の少なくとも１種のマクロ粒子を含み得る。マイクロ粒子９０３は、二酸化チタン、シリカ、セラミック、グラファイト、リン酸鉄、アルミナ、ニッケル、コバルト、亜鉛、アルミニウム、マグネシウム、および他の金属粒子の少なくとも１種のマイクロ粒子を含み得る。ナノ粒子９０４は、二酸化チタン、酸化銅、リン酸鉄、銀、シリカ、アルミナ、および他の金属粒子の少なくとも１種のナノ粒子を含み得る。マクロ粒子９０２、マイクロ粒子９０３、およびナノ粒子９０４はまた、用途に依存して、調整可能材料９０１に所望の特性を提供し得る。例えば、二酸化チタン、シリカ、およびアルミナ粒子は、剛性および表面硬度を増加させ得る。また、二酸化チタンは、調整可能材料９０１に自浄特性およびロータス効果を提供するために使用され得る。さらに、犠牲金属粒子が調整可能材料に添加されてもよく、犠牲金属粒子は、亜鉛、マグネシウム、ニッケル、アルミニウム、およびコバルトの少なくとも１種の金属を含み得る。
【００６１】
さらに、ガラスおよび玄武岩繊維は、主にアルカリ金属、アルカリ土類金属、およびアルミニウムを含有する金属ケイ酸塩であってもよい。ガラスは、ホウ酸塩を含有してもよく、一方玄武岩繊維は、いくつかの他の金属カチオンを含有してもよい。ＡＰＴＭＳは、ケイ酸または金属カチオンと結合し得る。ＡＰＴＭＳは、ケイ酸のイオン化形態と徐々に反応し得る。したがって、ガラスおよび玄武岩繊維を気体状または液体の酸で処理することは、反応時間を改善し得る。これらの酸は、希塩酸、硫酸、蟻酸、および酢酸を含み得るが、これらに限定されない。フッ化水素酸またはフッ化アンモニウム等の酸による短時間の処理もまた可能である。調整可能材料８０１内の炭素繊維は、カルボン酸およびヒドロキシル基等の酸素含有官能基を有してもよく、ＡＰＴＭＳのトリメトキシシラン基は、これらの官能基と結合可能であってもよい。
【００６２】
調整可能材料９０１はまた、本明細書に記載の方法から調製されるカーボン・ナノチューブおよびグラフェンを含む少なくとも１種の官能化グラファイト材料を含んでもよい。官能化グラファイト材料は、エポキシおよびポリウレタン樹脂を含むがこれらに限定されない熱硬化性樹脂を補強するために使用され得る。官能化グラファイト材料、例えば官能化カーボン・ナノチューブは、高い引張強度および剛性を提供し得る。改善された引張強度および剛性は、成形可能な熱硬化性プラスチック９０５を補うことができる。
【００６３】
また、調整可能材料９０１中に、シリコーンが添加されてもよい。調整可能材料９０１中のシリコーンは、材料内の弾性を調節するために使用され得る。調整可能材料９０１中のシリコーンは、シロキサン構造を含有してもよく、柔軟で変形可能となり得る。調整可能材料９０１中のシリコーンの量は、耐久性のある材料を提供するように調節され得る。
【００６４】
本調整可能材料９０１の各成分は、官能性を提供し得る。熱硬化性樹脂９０５は、複合材の全質量の約９０％超を構成し得る。マクロ粒子９０２、マイクロ粒子９０３、およびナノ粒子９０４の範囲は、所望の硬度に依存して、約５％から約８０％であってもよい。また、マクロ粒子９０２、マイクロ粒子９０３、およびナノ粒子９０４の範囲は、約１０％から約３５％であってもよい。シロキサンは、約０．０５％まで低くてもよく、マトリックスおよび粒子の界面内で作用し得る。シロキサンが調整可能材料９０１のマトリックスの成分として作用し得る場合、シロキサンは、所望の弾性に依存して、約０．１％から約５０％の範囲であってもよい。官能化グラフェンは、約０．１％から約５％であってもよい。機械的特性は、約０．３％から約０．８％の間で改善し得るが、電気伝導性は、約２％改善し得る。調整可能材料９０１中において、組成は、所望の用途および特性に依存して変動し得る。
【００６５】
本明細書に記載の調整可能材料組成物中において、二酸化チタンナノ粒子は、光を受けて酸素分子を電子的に活性化し得る。活性化酸素は、次いで、表面上で有機不純物を酸化可能となり得る。したがって、自浄表面の製造が可能となり得る。しかしながら、表面自体が酸化され得る。表面の酸化を防止するために、２つの方法を使用することができる。第１の方法は、無機粒子濃度を増加させることであってもよい。第２の方法は、例えば官能化カーボン・ナノチューブもしくはシリコーンと化学結合する、ポリフルオロ・カルボン酸、アルコール、または芳香族化合物等のフッ素化化合物を添加することであってもよい。
【００６６】
粒子は、表面の硬度および磨耗耐性を増加させ得る。また、ある特定の色を付与するために、顔料が使用されてもよい。例えば、二酸化チタン・マクロ粒子およびマイクロ粒子は、黒色の官能化カーボン・ナノチューブが存在するにもかかわらず、白色を提供することができる。二酸化チタンナノ粒子もまた、自浄表面を提供し得る。
【００６７】
調整可能材料９０１中において、熱硬化性プラスチック９０５、シロキサン、官能化カーボン・ナノチューブ、マクロ粒子９０２、マイクロ粒子９０３、およびナノ粒子９０４（これらの成分が存在する場合、シリカ、アルミナ、酸化チタン、酸化銅、リン酸鉄、炭素、ガラス、および玄武岩繊維を含む）を含む、成分の全てにおいて共有結合が存在してもよい。調整可能材料９０１において、成分は互いに近接していてもよく、各成分は、隣接する成分との分子レベルでの化学的結合を提供し得る。また、トリメトキシシラン基は、エポキシおよび硬化剤の液体混合物がガラス繊維または玄武岩繊維と接触され得る場合、それらの繊維と結合することができ、カーボン・ナノチューブを官能化し得る。これは、官能化の前にＡＰＴＭＳをジアミンまたはポリアミン硬化剤と混合することにより達成され得る。
【００６８】
表面は、ポリマーマトリックスに埋め込まれ化学結合したマクロ粒子９０２を含有してもよい。マクロ粒子９０２は、砂、ガラス粉末、玄武岩、シリカ、アルミナ、二酸化チタン、グラファイト繊維、またはほぼいかなるセラミック材料であってもよい。マイクロ粒子９０３は、マクロ粒子９０２の間の空隙を充填することができ、表面をより滑らかにするのに役立つ。表面は、マイクロ粒子およびナノ・スケールの粗度の両方を有し得る。マイクロ・スケールの粗度は、空気力学において役立つことができ、ナノ・スケールの粗度は、疎水性表面またはロータス効果を提供し得る。ナノ・スケールの粗度は、ナノ粒子９０４により達成され得る。
【００６９】
本明細書に記載の方法において、グラフェンまたはＣＮＴの調製はまた、ナノ粒子およびマイクロ粒子の少なくとも１種の粒子を炭素分散物中に、またナノ粒子およびマイクロ粒子の少なくとも１種の粒子を第２の炭素分散物中に組み込むことができる。ナノ粒子およびマイクロ粒子は共に、グラフェンまたはＣＮＴの剥離を助けることができ、またグラフェンからグラファイトへの再構成を防止することができる。ナノ粒子およびマイクロ粒子の少なくとも１種の添加は、シリカ、アルミナ、カーボン・ナノチューブ、および非晶質炭素を含み得る。
【００７０】
図１０は、磨耗および腐食耐性コーティング１００１の表面構造の概略図を示す。図１０における概略図は、マイクロ・スケールおよびナノ・スケール表面粗度の両方を示し得る。この種の構造は、風車の羽根等のある特定の用途において有用となり得る。マイクロ構造は、水１００４および気流に対する摩擦を低減し得る。次いで、空気はマイクロサイズのポケット１００５内で循環することができ、固体表面の間の玉軸受のように機能し得る。コーティング表面１００２内のナノ粒子１００３は、水１００６とコーティングの下の表面との間の相互作用を低減するナノサイズの波型を形成し得る。水１００６の表面張力は、水がナノ・スケールの変動に従うのを防止し得る。ナノ・スケールでの弱い相互作用に起因して、水は、マイクロ・スケールの波型にも従うことができなくなり得るため、水１００６の接着がさらに低減され得、水１００６は、腐食耐性コーティング１００１内に浸透不可能となり得る。したがって、水１００６は、コーティング表面１００２、および基板上のコーティング１００１自体からも完全に除去され得る。水１００６の除去は、氷の形成がコーティング１００１を妨害し得る高湿および低温環境の両方において必要とされ得る。
【００７１】
コーティング１００１の材料は、従来のエポキシおよびポリウレタンを含み得る。さらに、コーティング１００１の材料は、腐食耐性であると共に、化学的かつ物理的に耐久性であってもよい。典型的なコーティングにおいて、水、酸、およびアルカリ等の腐食性液体は、ナノ亀裂に染み込む可能性があり、次いでその下の表面を腐食することができ、コーティングを分離させ得る。このプロセスは、本明細書に記載の本コーティングの使用により低減または防止することができる。本明細書に記載のコーティング１００１内の熱膨張および収縮サイクルは、コーティング１００１中のカーボン・ナノチューブがナノ亀裂を防止し得るため、この亀裂を引き起こすことはできない。さらに、シロキサンは、エポキシまたはポリウレタンがより可塑性となり、いかなる亀裂にも抵抗するのを助けることができる。塩水を含む水から表面を保護するためにコーティング１００１が使用される場合、さらなる保護層が必要となり得る。カーボン・ナノチューブおよびグラフェンは、コーティング１００１を電気伝導性とすることができるが、カーボン・ナノチューブおよびグラフェン（ＣＮＴおよびグラフェン）の濃度は、抵抗が高くなり得るように低く維持されてもよい。
【００７２】
本明細書に記載の調整可能コーティングの他に、腐食耐性コーティング系が提供されてもよく、調整可能コーティングが系内に組み込まれてもよい。腐食耐性コーティング系を作製する方法の一実施形態は、１）基板を用意するステップと；２）基板に、熱硬化性プラスチックと；グラファイト材料を用意するステップと、第１の基、スペーサ、および第２の基を含む第１の分子を用意するステップと、第３の基、スペーサ、および第４の基を含む第２の分子を用意するステップであって、前記第３の基は、前記第１の基と異なる基であるステップと、第２の基および第４の基をグラファイト材料に結合させるステップとを含む方法により調製される、カーボン・ナノチューブおよびグラフェンの少なくとも１種の官能化グラファイト材料とを含む調整可能材料組成物の第１の層を塗布するステップと；２）電気絶縁材料を含む第２の層を、第１の層に塗布するステップと；３）第２の層に、熱硬化性プラスチックと；グラファイト材料を用意するステップと、第１の基、スペーサ、および第２の基を含む第１の分子を用意するステップと、第３の基、スペーサ、および第４の基を含む第２の分子を用意するステップであって、前記第３の基は、前記第１の基と異なる基であるステップと、第２の基および第４の基をグラファイト材料に結合させるステップとを含む方法により調製される、カーボン・ナノチューブおよびグラフェンの少なくとも１種の官能化グラファイト材料とを含む調整可能材料組成物の第３の層を塗布するステップとを含んでもよい。この方法において、第１の基は、ヒドロキシル、チオール、アミノ、エポキシ、カルボキシル、およびシリルの少なくとも１種の基を含んでもよく、第２の基は、アミノ、エポキシ、ヒドロキシル、カルボキシル、シリル、およびチオールの少なくとも１種の基を含んでもよい。また、本明細書に記載の方法において、第３の基は、チオール、カルボキシル、トリアルコキシシリル、ホスホリル・エステル、クラウン・エーテル、クリプタンド、ジオキシム、およびＮ−ヘテオ環の少なくとも１種の基を含んでもよく、第４の基は、アミノ、エポキシ、ヒドロキシル、カルボキシル、シリル、およびチオールの少なくとも１種の基を含んでもよい。
【００７３】
そのような腐食耐性コーティング系を作製する方法の別の実施形態は、１）基板を用意するステップと；２）基板に、熱硬化性プラスチックと；シリコーンと；グラファイト材料を用意するステップと、第１のアミノ基、スペーサ、およびトリアルコキシシロキサン基を含む第１の分子を用意するステップと、第２のアミノ基、スペーサ、および第３のアミノ基を含む第２の分子を用意するステップと、第１のアミノ基および第２のアミノをグラファイト材料に結合させるステップとを含む方法により調製される、カーボン・ナノチューブおよびグラフェンの少なくとも１種の官能化グラファイト材料とを含む調整可能材料組成物の第１の層を塗布するステップと；３）電気絶縁材料を含む第２の層を、第１の層に塗布するステップと；４）第２の層に、熱硬化性プラスチックと；シリコーンと；グラファイト材料を用意するステップと、第１のアミノ基、スペーサ、およびトリアルコキシシロキサン基を含む第１の分子を用意するステップと、第２のアミノ基、スペーサ、および第３のアミノ基を含む第２の分子を用意するステップと、第１のアミノ基および第２のアミノをグラファイト材料に結合させるステップとを含む方法により調製される、カーボン・ナノチューブおよびグラフェンの少なくとも１種の官能化グラファイト材料とを含む調整可能材料組成物の第３の層を塗布するステップとを含んでもよい。代替として、そのような腐食耐性コーティング系を作製する方法は、１）基板を用意するステップと；２）基板に、熱硬化性プラスチックと；シリコーンと；グラファイト材料を用意するステップと、第２のアミノ基、スペーサ、および第３のアミノ基を含む第１の分子を用意するステップと、第１のアミノ基、スペーサ、およびトリアルコキシシロキサン基を含む第２の分子を用意するステップと、第１のアミノ基および第２のアミノをグラファイト材料に結合させるステップとを含む方法により調製される、カーボン・ナノチューブおよびグラフェンの少なくとも１種の官能化グラファイト材料とを含む調整可能材料組成物の第１の層を塗布するステップと；３）電気絶縁材料を含む第２の層を、第１の層に塗布するステップと；４）第２の層に、熱硬化性プラスチックと；シリコーンと；グラファイト材料を用意するステップと、第２のアミノ基、スペーサ、および第３のアミノ基を含む第１の分子を用意するステップと、第１のアミノ基、スペーサ、およびトリアルコキシシロキサン基を含む第２の分子を用意するステップと、第１のアミノ基および第２のアミノをグラファイト材料に結合させるステップとを含む方法により調製される、カーボン・ナノチューブおよびグラフェンの少なくとも１種の官能化グラファイト材料とを含む調整可能材料組成物の第３の層を塗布するステップとを含んでもよい。本明細書に記載の方法により調製されるカーボン・ナノチューブおよびグラフェンの官能化グラファイト材料中において、アミノ基、スペーサ、およびトリアルコキシシロキサン基を含む分子は、アミノ基、スペーサ、および追加のアミノ基を含む分子と同時に添加されてもよい。また、上述の方法の組合せが使用されてもよい。
【００７４】
プライマー（下塗りの第１層）は、コーティングの物理的完全性を犠牲にし得ない。下塗りの第１層は、第１の調整可能材料組成物を含んでもよい。プライマーはまた、マグネシウム、亜鉛、ニッケル、およびコバルトの少なくとも１種の犠牲金属粒子を含有してもよい。この下塗りの第１層は、腐食に対する電気防食を提供し得る。中間層、または第２の層は、電気絶縁性であってもよく、炭化ケイ素ウィスカー、酸化アルミニウム繊維またはチューブ、水素化グラフェン、水素化ナノチューブ、およびカーボン・ナノチューブの少なくとも１種の補強材を含むがこれらに限定されない補強を含有し得る。上塗り、または第３の層は、第２の調整可能材料組成物中に、官能化され得るカーボン・ナノチューブおよびグラフェンの少なくとも１種のグラファイト材料を含有してもよい。上塗り、または第３の層はまた、殺生物性であってもよい化合物、ならびにコーティングを自己回復性および腐食耐性とし得る粒子を含有してもよい。上塗り、または第３の層は、第１の調整可能材料組成物を含む下塗りの第１層と同一であっても、または同一でなくてもよい。
【００７５】
図９および１０ならびに本明細書に記載の本コーティングは、車両、ボート、船舶、石油およびガス管、ならびに風車の羽根に関する用途において使用され得るが、これらに限定されなくてもよい。調整可能材料組成物は、電磁干渉シールド、磁気シールド、導体、スーパー・キャパシタ、事前含浸複合材における耐腐食コーティングに使用される。
【００７６】
以下の例は、本方法が実践され得る様式で本方法を例示するものであり、したがってこれらの例は、本明細書に記載の方法の全体的な範囲に対する限定として解釈されるべきではない。
【実施例１】
【００７７】
多層ＣＮＴ（１０ｇ、Ｂａｙｔｕｂｅｓ、Ｂａｙｅｒ、ドイツ）および１０ｇのアミノプロピル・トリメトキシシランを、１ｇのアルミニウム・トリプロポキシドを触媒として使用して、１０００ｇのＪｅｆｆａｍｉｎｅ  ＥＤ−９００硬化剤（Ｈｕｎｔｓｍａｎ、ＵＳＡ）中で超音波照射した。出力は８００Ｗであり、時間は約１０分であった。ＨＮＴ−硬化剤として示されるこの硬化剤は、８０ｍｌのジメチル・ジメトキシシランおよび２０ｇのジフェニル・ジメトキシシランを含有するビスフェノールＡエポキシと共にすぐに使用可能であった。
【実施例２】
【００７８】
多層ＣＮＴ（１０ｇ、Ｂａｙｔｕｂｅｓ、Ｂａｙｅｒ、ドイツ）、５ｇのシリカおよび５ｇのアルミナナノ粒子、ならびに１０ｇのアミノプロピル・トリメトキシシランを、乳鉢内で、１００ｍｌのＪｅｆｆａｍｉｎｅ  ＥＤ−９００硬化剤（Ｈｕｎｔｓｍａｎ、ＵＳＡ）中で約３０分間粉砕した。この硬化剤は、未加工のＪｅｆｆａｍｉｎｅ  ＨＫ−５１１で１０００ｇまで希釈され、ＨＮＴ−ＮＰ−硬化剤として示されるが、これは、８０ｍｌのジメチル・ジメトキシシランおよび２０ｇのジフェニル・ジメトキシシランを含有する１４５０ｇのビスフェノールＡエポキシと共にすぐに使用可能であった。
【実施例３】
【００７９】
実施例２の材料を、２００ｍｌのイソプロパノールで希釈し、濾過し、１００ｍｌのイソプロパノールで洗浄した。固体を真空下で乾燥させた。官能化ＣＮＴを、１０００ｍｌの３，３'−ジメチル−４，４'−ジアミノジシクロヘキシルメタン中に分散させた。
【実施例４】
【００８０】
機械的混合を使用して、１ｋｇのビスフェノールＡジグリシジル・エーテル中に、１０ｇのグラファイト粉末（２００メッシュ、Ａｌｆａ  Ａｅｓａｒ）を添加した。混合物を、窒素下で超音波洗浄機内で脱気した。１５０００００ｍｍＨｇ（２５００バール）の圧力を使用して、粗グラファイト分散物をＬＶ１  Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｚｅｒ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ（ＩＤＥＸ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  Ｇｒｏｕｐ）で３回処理した。
【実施例５】
【００８１】
ローラー・ミキサーを使用して、実施例３からの生成物を、閉鎖金属缶内で１００ｇの亜鉛粉末と混合した。コーティングされた亜鉛粉末を、高速機械式ミキサーでＥｐｏｎ８２８とさらに混合した。メラミン硬化薬剤を添加し、６つの試験プレートを、このコーティング材料の２０マイクロメートルの層でコーティングした。これらのプレート上に、ポリウレタンの上塗りを塗布した。６つの参照プレートを、同じ成分を含有する組成物で同様にコーティングしたが、アミノ−トリメトキシシラン−ＣＮＴの代わりにＣＮＴを使用した。塩水噴霧チャンバ内で、プレートを１０００時間試験した。比色分析によって、錆が計測された。この方法でコーティングされたプレートには、約２４±１１％低い錆形成が見られた。
【００８２】
上記において、実施形態が説明された。上述の方法および装置は、これらの方法の一般的範囲から逸脱せずに、変更および修正を組み込むことができることが、当業者に明らかとなる。全てのそのような修正および改変は、添付の特許請求の範囲またはその均等物に含まれる限り包含されることが意図される。
【図１】
2015529610.tif 000003
【図２】
2015529610.tif 000004
【図３】
2015529610.tif 000005
【図４】
2015529610.tif 000006
【図５】
2015529610.tif 000007
【図６】
2015529610.tif 000008
【図７】
2015529610.tif 000009
【図８】
2015529610.tif 000010
【図９】
2015529610.tif 000011
【図１０】
2015529610.tif 000012
【国際調査報告】
2015529610.tif 000013
2015529610.tif 000014