CN110087760A - 用于卷对卷纳米材料分散造纸的旋转过滤器装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于卷对卷纳米材料分散造纸的装置，所述装置包括吸入压力和反向压力区，所述吸入压力用于将流体可渗透的过滤器上的纳米材料固结在所述过滤器的一个区中，所述反向压力区用于分离固结的所述纳米材料的垫并将所述垫转移至转移辊。所述转移辊可以例如具有位于所述转移辊内的吸入压力，以便帮助将所述垫从所述过滤器转移至所述转移辊。进入端口使用例如行入口和区域入口分配纳米材料。

Description

用于卷对卷纳米材料分散造纸的旋转过滤器装置
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年10月14日递交的临时申请号为62/408,434的美国临时申请的递交日的权益，该临时申请的全部内容通过引用并入。
技术领域
本领域涉及造纸，特别是涉及由纳米结构(例如纳米管或其它纳米材料)制成的“巴基纸(bucky paper)”。
背景技术
专利号为7,459,121的美国专利公开了一种用于连续制备纳米管垫的已知方法。然而，已公开的装置和方法难以从转鼓上移除纳米管垫而不损坏纳米管垫，例如撕裂或弯折纳米管垫。公布号为US2011/0111279的美国专利申请公开了使用纳米管(例如碳纳米管)的无粘合剂的纳米复合材料。该公布公开了一种使用声波处理和表面活性剂或其它方法来悬浮纳米管的方法。特别地，公开了流动池声波处理方法，其中添加附加的颗粒以便产生稳定的或半稳定的悬浮液。该参考文献公开了通过将悬浮液经由微孔膜过滤而制备垫。该公布公开了使用多种悬浮液以便提供逐层的(layer-by-layer)复合结构。然而，该公布没有公开可以制备连续垫的方法或者可以以其它方式改变垫的组分的方法。相反，该方法是用于形成片材的分批方法。
公布号为2013/0270180的美国专利申请公开了一种用于制备包括纳米线的连续膜的方法。该方法使用皮带和辊，类似于利用纤维素纤维来造纸的方法(该方法被称为脱水)。然而，该公布公开了一种“刀”(在施加涂层时使用的)以将分散体扩散和分散在多孔基底表面上，或者可替选地，该公布提及但未公开以下的方法：根据该参考文献，本领域已知的挤出、狭缝涂布、帘式涂布或凹面(gravure)涂布方法。该参考文献公开了已知的粘合剂和调节剂，例如络合剂和反应性粘合材料。该公布公开了粘合剂使用其特定的化学作用制备其多孔陶瓷膜以形成无机聚合物状交联的重要性。尽管该公布公开了一种可修改为连续制造片材的方法，但其没有公开任何能够引导悬浮液和/或添加剂局部地改变连续垫的组成的转鼓或入口。相反，整个陶瓷厚度一次地从刀(或其它分配器)分散。
发明内容
形成了纳米材料的悬浮液，该悬浮液使纳米材料分散，所述纳米材料例如剥离的石墨烯、氧化石墨烯片、单壁和多壁的纳米管、纳米纤维、微纤化纤维素或纳米纤化纤维素、纳米晶体纤维素、金属颗粒、量子点、陶瓷颗粒、生物材料颗粒、几丁质(例如壳聚糖)、纳米线(例如硅、碳、锗和其它纳米线)、纳米粘土(例如蒙脱石、膨润土、高岭石、锂蒙脱石和埃洛石)、蛋白质、酶、抗体、细胞材料、血红蛋白、DNA、RNA、脂质体、核糖体、病毒、细菌、标记剂(marking and tagging agent)、以及(如果允许团聚(agglomeration)，在控制团聚的同时)在整个悬浮液中的这些材料的组合。所选纳米材料的组合和排列取决于所期望的“巴基纸”的每种特定应用和类型。在一个示例中，纳米材料主要包括纳米管以及用于将纳米管分散在悬浮液中的材料以及用于在纳米管固结成垫之后粘合纳米管的材料。例如，可以加入表面活性剂、溶剂、单体和聚合物以便帮助防止纳米材料的团聚。在一个示例中，纳米管是碳纳米管，但是可以使用其它类型的纳米管，例如碳、硼、钼、以及能够形成纳米管的其它元素单独形成的纳米管或者作为硼化物、氮化物、碳化物等形式形成的纳米管。
在一个示例中，分批方法将纳米管的悬浮液引入包括旋转过滤器的装置中。替选地，由于连续方法持续在旋转过滤器的表面上沉积纳米管，该连续方法引入具有额外纳米管的额外悬浮液。使旋转过滤器机械地或流体地旋转。旋转过滤器中的孔允许来自悬浮液的流体通过这些孔，而悬浮在流体内的至少一些纳米管聚集在旋转过滤器的表面上。优选地，一旦在旋转过滤器上形成垫层，所有纳米材料都沉积在旋转过滤器上。
在旋转过滤器的表面上形成纳米管垫，同时旋转过滤器的表面旋转通过悬浮液。通过压差将流体穿入通过孔。通过泵建立压差，该泵将流体吸入通过设置在流悬浮液中的旋转过滤器的一部分。当流体被吸入通过旋转过滤器时，在过滤器的表面上形成纳米管垫，同时过滤器继续旋转。随着过滤器的该部分旋转，纳米管垫的厚度增加。
挡块阻挡旋转过滤器的一部分免受由泵产生的吸力，当过滤器的具有纳米管垫的部分到达该挡块的位置时，如果一些压差仍然将一些流体吸入通过垫和旋转过滤器，则压差减小并且流体不被吸入通过过滤器的由该挡块阻挡的部分或流体转移速率小得多。
在一个示例中，挡块包括反冲洗部，该反冲洗部提供反向压差，使得流体从反冲洗部排出通过旋转过滤器而不是径向向内。该反冲洗提供了将纳米管垫与旋转过滤器的表面分离的力。在一个示例中，提供剥离辊，该剥离辊沿该剥离辊的弧形表面提供压差，该压差提供将纳米管垫吸入至剥离辊上的吸入压力。在一个示例中，剥离辊具有其中压差被反向的另一弧形区，并且纳米管垫与剥离辊的表面分离。在一个示例中，转移辊布置成当纳米管垫与剥离辊接触时将转移膜施加至纳米管垫的暴露表面上。然后，在垫的一侧上的纳米管垫和转移膜被引导至卷轴并卷绕至卷轴上用于例如运输和进一步处理。
在一个示例中，流体通过泵吸入通过与旋转过滤器表面的一部分流体连通的端口，该部分通过纳米管的悬浮液。例如，圆柱形旋转过滤器的被挡块阻挡的部分可以暴露于较低的压差、无压差或反向压差。例如，反向压差可以有助于纳米管垫与旋转过滤器的表面分离。在一个示例中，通过剥离辊辅助分离，该剥离辊具有将纳米管垫吸入至剥离辊上的压差。
替选地，剥离辊可以包括一对辊和皮带。皮带可以由多孔材料、例如特氟龙(Teflon)或与纳米管垫的表面接触的其它不粘网(non-stick mesh)制成，使得通过网的吸入可以帮助纳米管网从旋转过滤器上剥离。在一个示例中，将转移膜施加至纳米管垫在第二辊处的暴露侧。例如，第二辊可以具有反向压差，该反向压差有助于将转移膜和纳米管垫与皮带分离，并且垫和转移膜可以被引导至卷轴用于运输和/或进一步处理。
在另一个示例中，不是将纳米管垫引导至转移膜和卷轴，而是将纳米管垫与旋转过滤器分离并且将纳米管垫引导至第二悬浮液中的第二旋转过滤器。在一个示例中，这可以通过随后的悬浮液或处理来重复。以这种方式，纳米管垫可以被增厚、固结、功能化或以其它方式进一步加工。随后的每个旋转过滤器或转鼓可以使用吸入压差将垫粘附至辊、旋转过滤器或转鼓，和/或可以使用反向压差以便从辊、旋转过滤器或转鼓上剥离垫。然后，可以使用转移膜和转移辊将处理后的垫转移至卷轴用于运输或进一步加工。
附图说明
以下附图是说明性示例，并且不进一步限制最终公布的任何权利要求。
图1示出用于卷对卷纳米材料分散造纸的旋转过滤器装置的示例的分解图。
图2示出图1中所示的示例的前视图。
图3示出图1和图2中所示的示例的透视图。
图4示出图2中所示的示例的后视图。
图5示出图4中所示的示例的截面图。
图6示出图5中所示的示例的一部分的详细视图。
图7示出用于卷对卷纳米材料分散造纸的旋转过滤器装置的示例的示意图。为了清楚起见，省略了转鼓装置的细节。
图8示出用于卷对卷纳米材料分散造纸的旋转过滤器装置的另一示例的示意图，为了清楚起见，省略了转鼓装置的细节。
图9示出用于卷对卷纳米材料分散造纸的旋转过滤器装置的又一示例的示意图，为了清楚起见，省略了转鼓装置的细节。
图10示意性地示出提供有多个源(原料)的旋转过滤器装置的示例。
图11示意性地示出通过计算机来控制阀/分流器(splitter)(枢纽器(hub))的另一示例。
图12示意性地示出在计算机控制(仅开-关)下的单管线输入和单管线输出。
图13示意性地示出开-关混合阀，该阀具有两条管线输入和一条管线输出。
图14示意性地示出开-关混合阀，该阀具有三条管线输入和一条管线输出。
图15示意性地表示管线和端口之间的联接的截面图。
图16示意性地示出联接至一对进入端口(不可编程的分流器)的单管线。
图17示意性地示出垫的简化部分。
图18示出与图17的垫相关联的进入端口区域。
图19示出垫的简化的截面。
图20示意性地示出联接至不同的三个源的混合阀。
图21使用局部剖视图示出示例，该图示出多个凹形入口行，每个凹形入口行是入口的一部分，并且该图示出多个区域中的一个，每个区域具有多个入口，并且所述区域中的每个通过分隔器与其它区域中的每个隔开，这些其它区域可以集成至旋转过滤器装置的障壁中。
当使用相同的附图标记时，这些标记是指附图中所示的示例中的类似部分。
具体实施方式
图1中的装置10的示例示出旋转密封件12如何与壳体16内的旋转过滤器14组装，壳体16具有与泵30流体联接的流体端口23，泵30沿弧形区提供吸入压差。弧形区可以包括具有多个端口28的障壁18，端口28允许悬浮在流体中的纳米材料无阻碍地通过端口28。旋转过滤器14由具有多孔表面24的材料构成，该多孔表面24允许悬浮液(例如溶剂)通过但阻挡纳米材料中的至少一些通过多孔表面24。例如，多孔表面可以由多孔聚合物膜(例如聚四氟乙烯聚合物、尼龙聚合物或其组合)构成。例如，多孔表面可以由结构网构成，该结构网(可以是例如金属网)支撑多孔聚合物膜。旋转密封件密封过滤器的侧面，使得流体通过、优选地不绕过过滤器表面24。用于使旋转过滤器旋转的机构可以包括机械驱动器或流体驱动器。例如，图1示出驱动齿轮118，该驱动齿轮118例如与旋转过滤器14的圆周上的齿轮齿部34啮合。这样简化了用于使旋转过滤器旋转的机构，从而允许将驱动齿轮118设置在悬浮液之外。例如，可以使用简单的蜗轮来使旋转过滤器旋转，而不需要额外的密封件。挡块11具有在壳体16中的液面上方延伸的弧形上表面21和在壳体16中的液面下方延伸的平坦下表面27。弧形上表面21被圆柱形切口15中断，该圆柱形切口15提供由通过从例如泵30进入反冲洗端口13的流体提供的反向压差区域。替选地，切口可以是除圆柱形之外的其它形状，例如槽形、楔形等。同样地，切口15通过旋转密封件12密封，并提供正分离压力，该正分离压力在从旋转过滤器14的表面24剥离纳米材料垫的过程中辅助剥离辊17。图2示出驱动齿轮118如何与旋转过滤器14的齿部34啮合的示例。在图3中，透视图示出例如剥离辊17如何与旋转过滤器14的表面24上的垫接合。图4示出壳体16的后表面26，该后表面26示出流体端口23和反冲洗端口13的位置。还示出用于剥离辊17的轴的孔43。线A-A表示图5中所示的装置10的截面图。图5的截面图的一部分的详细视图在图6中示出并且表示图5中圈出的部分。在图6中，旋转过滤器14的截面图被示出为详细地说明例如旋转密封件12如何从相对高压侧(例如，通过在液体体积上方引入加压气体(例如氮气或空气)，使用泵32将空气通过高压入口31泵送至高压侧，该高压侧可以大于1atm)密封装置10的低压侧。替选地，例如，高压侧可以是标准大气压，无论由流体自身引入任何压力，并且低压侧可以小于1atm，例如使用流体吸入泵30将液体吸入通过旋转过滤器。
在一个示例中，悬浮液进入端口33用于使用悬浮液泵35将新的悬浮液引入装置的流体体积中，该悬浮液泵35将悬浮液在以下压力下泵送至液体体积中：该压力高于组合的流体压头的压力并且高于由高压泵32引入的任何气体的压力。
除了端口33或者作为端口33的替选，端口28可以直接引导流体通过障壁18。在该示例中，可以选择端口28，例如使得端口28不阻碍悬浮在流体中的纳米材料流到达旋转过滤器14的表面24。在该示例中，密封件将流体保持在障壁18内，并且端口28可以通过管或管线连接至分配枢纽器(例如分流器)，该分配枢纽器将一定量的悬浮液引导至端口28中的每一者。泵引导流体和纳米材料通过管或管线，以便离开端口28。在一个示例中，可以存在多个端口，这些端口与超过一种悬浮液的储存器或源联接，这样可以允许纳米材料和添加剂以设计的方式沉积在表面24上。通过这种方式，设计的“巴基纸”可以在形成垫的沉积过程中具有制备在垫中的通道和通孔。例如，两种不同的纳米材料悬浮液可以由两个不同的泵泵送通过不同的两个声波发生器。分配枢纽器可以将不同的两种纳米材料悬浮液引导至多个不同的端口28，这取决于纳米材料沉积在旋转过滤器14的多孔表面24上的位置。
例如，图11提供了具有三种不同纳米材料的系统的示意图，每种纳米材料包含在单独的储存器147、148、149中。储存器中的每一者与相应的泵137、138、139流体联接，泵137、138、139将纳米材料悬浮液中的相应的一种泵送至超声混合器127、128、129。超声混合器可以是可编程的，以便管理在混合器内发生的团聚和解团聚(deagglomeration)的量。另外，例如，可以向储存器和/或混合器中添加额外的添加剂以便控制团聚/解团聚。每个混合器与分配枢纽器或分流器117、118、119流体联接，这在一个输入通道中示意性地示出，该输入通道在第一分流器117的示例中被分成三个输出通道。在一个示例中，分流器117、118，119可以是单个枢纽器或将纳米材料悬浮液分到多条管线中的一系列分流器，这些管线为装置10中的各个端口28供料。通过旋转过滤器14的废水可以例如经由废水泵从装置10抽出至一个或多个废水容器115。
在一个示例中，例如图12中示意性示出的，单个管线可以指向一个或多个端口28。替选地，如图13所示，可以经由混合枢纽器或阀将两条管线(例如可以包括两种不同的纳米材料悬浮液的两条管线)组合到一个或多个进入端口28中。在另一替选方式中，例如图14中所示，三条管线可以包括三种不同的材料(例如三种不同的纳米材料悬浮液)，并且可以通过(一个或多个)混合枢纽器或(一个或多个)阀组合到一个或多个端口28中。分流器和混合阀的任何组合可以组合以便将悬浮液引导至一个或多个端口28。在一个示例中，可以例如通过开关控制分流器和混合阀以打开和关闭或切换某些端口、分流器、混合阀等，以便通过为一个或多个进入端口28供料的管线来控制各种悬浮液的流动。例如，可编程的阀可以通过在附图中示意性地示出的计算机界面等来操作。在图15的示例中，管线100流体地联接至例如进入端口28，使得穿过管线100的悬浮液在进入端口28处通过障壁18被输送至旋转过滤器的多孔表面24。如图15所示，每个进入端口28可以通过例如任何传统的连接器联接至单独的管线100，或者每个进入端口28可以通过设置在装置10内的入口枢纽器或分流器连接至多个进入端口28。例如，在图16中示意性地示出简单的分流器。分流器或枢纽器可以设置得比图11的示意图中明显的更靠近障壁18。实际上，障壁可以合并一个或多个分流器或扩展器。在图16的简化示例中，单条管线100在与障壁18相邻的两个进入端口28之间分开。为了减少不可避免的混淆，多条管线100和进入端口28在图1、图3和图5-图6中示意性地表示为圆圈；然而，如本领域中已知的，可以使用各种联接中的任何一种将管线100与进入端口28连接。然而，用于在旋转过滤器上沉积一种或多种纳米材料悬浮液的多个端口28的布置是未知的并且并不明显。在一个示例中，流体联接器预先布置在特定装置10内，以便产生单一类型的纳米材料垫。在替选的示例中，纳米材料悬浮液的分布可以使用阀和开关来编程，以便将纳米材料悬浮液引导至一个或多个端口。例如，分布枢纽器117、118、119示意性地示出为无线联接至便携式计算机系统101，用于控制分布枢纽器的开/关和切换阀。在一个示例中，多个枢纽器/混合阀或混合入口中的每一者可以无线地控制或通过计算机处理器等有线连接来控制。
图7至图9示出用于连续生产纳米材料垫的系统的示例。在图7的示例中，装置10被集成至用于连续纳米材料造纸的卷对卷系统中。该示意图示出吸入压力(即，向内指向轮中心的箭头)和释放压力(即，向外指向轮的圆周的箭头)的各种区域。例如，吸入压力区72将流体从进入端口28(图1中最佳示出)通过旋转过滤器14引入至体积71中，从而将纳米材料沉积在旋转过滤器14的多孔表面24上。例如，旋转过滤器可以利用聚乙烯对苯二甲酸酯膜或聚碳酸酯径迹蚀刻膜，该膜对载送流体是可渗透的，但在该膜的表面上保留纳米材料。例如，如图1中最佳示出的，可以由挡块11提供的一个或多个中性区73没有压差。反向压力区74向垫施加释放压力以便帮助从旋转过滤器14的表面24上剥离垫。在该示例中，顺时针(cw)旋转的剥离辊17具有用于从旋转过滤器14的表面24剥离垫75的吸入压力区82和用于帮助将垫75转移至逆时针(ccw)旋转的转移辊87的反向压力区84。转移辊87具有吸入压力区85。由于转移膜78由顺时针(cw)旋转的转移膜辊70供给，因此转移辊87不需要反向压力区。图7示出转移膜78和纳米纸75被引导至逆时针(ccw)旋转的卷轴80，用于例如运输或后续处理。
在替选的示例中，如图8所示，剥离辊17具有单个吸入压力区域82。为了清楚起见，图8和图9中省略了垫。可以使用皮带89(例如多孔聚对苯二甲酸丁二醇酯(polytetraethylene teraphalate)皮带)将垫(未示出)转移至转移辊87，该转移辊87具有单个反向压力区85，有助于从皮带89上剥离垫75和转移膜78。该转移辊87可以与例如图7所示的转移辊87相同；然而，在该示例中，转移辊87顺时针(cw)旋转并且设置在例如转移膜78的相反面上。虽然皮带89增加了可能经受磨损的部件，但是随着时间的推移，图8中所示的系统优于图7中的系统，因为剥离辊17可以由于仅具有单个吸入区域而简化。
在另一个示例中，如图9所示，例如示出多步骤处理。在第一装置10的操作过程中产生的垫75被转移至第二装置90以便进一步处理，例如添加另一层纳米材料、固结和/或粘合垫、或以其它方式功能化垫。在该示例中，皮带89连接第一剥离辊17和转移辊91，并且第一剥离辊仅具有单个吸入压力区域82。转移辊91具有单个反向压力区域92，用于将垫75转移至第二装置90的第二旋转过滤器。然后，任何类型的流体或气体可以通过垫75，用于在一个或多个后续处理步骤中进一步处理垫75。可以通过使用该配置链接两个、三个或甚至更多个旋转过滤器来组合多个处理步骤。然而，在该示例中，示出了剥离辊97，其功能类似于图7的示例中的剥离辊17。然后，通过该第二剥离辊97将垫75剥离，该第二剥离辊97包括与反向压力区域95和第二装置90的反向压力区域93一起工作的吸入压力区域96，反向压力区域95与第二转移辊87的吸入压力区域85一起工作，以便将转移膜78施加至垫75。然后通过转移辊87将转移膜78和垫75引导至卷轴80，如之前所示，转移辊87可以具有或不具有吸入区域85。卷轴80可以用于例如运输或进一步处理。
如图10中示意性所示，提供完全穿过障壁18的孔的每个进入端口28可以通过分配枢纽器117流体联接(例如通过管和联接器)至多个泵137中的一个，如本文中所述的，分配枢纽器11通过本文提到的多个管或“管线”100将含有纳米材料的悬浮液例如从一个或多个悬浮液源147、148、149(例如含有纳米材料悬浮液的储存器)直接引导至每个进入端口28。在一个示例中，储存器分配系统147包括超声波仪127，该超声波仪127用于在悬浮液内提供纳米材料并用于控制团聚。例如，当使用管线100时，障壁18外部的体积可以为空隙(没有任何悬浮液，但不一定是真空，即空隙可以包含空气或其它气体或甚至是液体)。管线100(可以是管，例如柔性聚合物管)可以将悬浮液输送至每个进入端口28或选定的进入端口。例如，每个进入端口28可以被供应不同的悬浮液混合物，或者端口可以被聚集在一起以便提供贯穿如图17的简化示意图所示的垫的厚度的不同的纳米材料和添加剂，图17示出了来自进入端口287(高对比度纤维)、288(灰色)和289(低对比度纤维)的三个区域的三个不同层297、298、299。图18示出了按区域分组的进入端口28。例如，第一区域287可以包括纳米材料和脱模剂，第二区域288可以包括相同或不同的纳米材料和粘合剂，第三区域289可以包括相同或不同的纳米材料和着色剂和/或粘附剂，例如黏性物质或胶黏剂。
替选地，组分的变化可以通过垫的厚度逐渐改变，而不是仅通过选择管线向端口28的分配而分成离散层(discreet layer)，如图19的虚线阴影示意性所示。在图19中，点是为了表示添加剂，该添加剂具有穿过第一垫层(即最靠近过滤膜)的厚度T的梯度。例如，在垫和过滤膜之间的表面处可以存在更高浓度的脱模剂，以帮助从膜上剥离垫。此外，该浓度在启动时可能大于随后(在最初剥离垫之后)的浓度。然而，本说明不限于这一示例。存在期望一种组成在另一种组成中通过厚度或沿垫的长度的浓度梯度的许多原因。
在一个示例中，如图19中示意性地所示，通过在处理的开始时仅通过端口的一部分引导纳米材料和添加剂来选择连续垫的第一部分的组分。然后，通过添加来自具有纳米材料和添加剂的不同选择的其它源的纳米材料和/或添加剂来改变垫的组分。例如，垫的第一部分可以具有添加的脱模剂，并且垫的后一部分可以从悬浮液中减少或消除被引导至过滤器的脱模剂。通过仅在图18的第一区域287中包括脱模剂，将产生具有更高浓度的脱模剂的表面层。通过控制混合阀中混合的添加剂的量，可以获得例如添加剂的特定浓度梯度。
例如，图11中的示意图示出了三种不同的纳米材料悬浮液147、148、149，纳米材料悬浮液147、148、149通过三个不同的超声波仪127、128、129和三个不同的泵137、138、139流向三个不同的枢纽器(分流器和/或者混合阀)117、118、119，其中示出一个或多个流体管线，流体管线承载含纳米材料的悬浮液从枢纽器到达相应的进入端口28。例如，垫的底部部分(在图19的截面中最靠近过滤器膜)可以包括纳米管和脱模剂，其中脱模剂在与过滤膜接触的表面处浓缩，并且脱模剂浓度的梯度仅在垫的表面中延伸短距离。顶部可以包括完全不同的悬浮液或悬浮液的组合，例如纤维素材料，其可以着色为任何颜色或白色。通过利用混合阀和进入端口28，可以贯穿垫的厚度或沿垫的长度以层或梯度或沿垫以任何图案添加任何数量的添加剂。例如，通过控制通过每个端口28供应的材料的分层和位置，垫可以包括印刷电路板等。
在一个示例中，如图20的示意性细节所示，每个进入端口28可以通过阀366多路复用和/或连接，阀366可以是混合阀，其确定通过由流体分配管线100连接至阀的进入端口28所引导的材料的(一个或多个)源。因此，通过每个进入端口28的组分可以打开或关闭，并且可以随着时间的推移而改变，因为材料被引导通过每个端口。通过控制阀366，每一个端口28提供制备三维结构的纳米材料垫的能力，如图17中示意性所示。图20提供了具有三条管线361、365、363和三个源360、362、364的混合阀的示例。阀体366能够控制流体流出管线到达进入端口28，以便混合三个源的任何比例或者关闭和打开源的任何一个或所有源。这使得在一个或多个进入端口28或一个或多个区域处控制悬浮液和添加剂的浓度。可以使用混合阀、开关阀和分流器的组合。优选地，混合阀是紧凑的阀体，其可以放置在障壁/入口附近。图17示意性地示出了分成多个层、多个行和多个区域的垫的体积。添加区域之间的线仅仅是为了更清楚地显示该区域，因为在一个区域和下一个区域之间可能存在梯度。根据处理速度和条件，梯度可以是急剧梯度或渐变梯度。在该简化的示例中，仅示出了两行a、b。可替选地，可以通过进入端口28提供多行，例如图21中所示的四行。
图17的简化示例示出一定体积的垫，其具有三个层297、298、299，两个行(a，b)和沿垫的长度从220、221到224、225的三个区域。第一层297具有第一行(a)，其具有与第二行(b)不同的组分。第二层298示出从暗到亮的梯度，其表示第二层298内的浓度梯度。第三层299沿层的长度具有三个不同的区域。最后的区域224、225由交叉影线表示，并且具有与其它两个区域不同的组分。第二区域222、223显示具有较浅的对比度，表明第二区域222、223具有其组成元素中的一者的较低浓度。相反，第一区域220、221具有较暗的纤维色调，表明第一区域220、221具有其组成元素中的一者的较高浓度。虽然三个层中的每一层显示出不同的变化，但是通过控制阀和连接至阀的入口区，可以在这些层中的任意一层混合和匹配该变化。可以提供任何数量的层，并且可以根据需要调整区域的长度以便提供期望的结构。三维结构垫的最终分辨率取决于例如阀的速度、区域的尺寸以及将阀连接至进入端口28的管线100的长度和体积。
图21示出具有多个进入端口28的区域的示例。该视图是障壁18的内表面，其它表面被切除。每个进入端口28被成形为将悬浮液分配在特定的行上并保持特定的距离。出于权利要求限制的目的，这种类型的分配结构被称为“行入口和区域入口”，因为每个入口的结构被成形为将通过入口的悬浮液仅分配至旋转过滤器14的表面24上的特定区(或在先前沉积在其上的材料垫上)。特定区可以包括仅限于障壁18和表面24之间的间隙的界限的任何形状和尺寸的区域或区域的一部分。具有特定组分的行可以与区域一样短或与连续垫一样长，长度可以通过操作一个或多个阀来控制。通过分散来自一个或多个入口的悬浮液来控制具有特定组分的行的宽度。例如，图21中所示的行的凹面有助于限制悬浮液从所示的入口中的每一个入口的分散。在图21中以透视图示出的区域的凹面的截面在图18中示意性地表示，并且这些区域例如与枢纽器(分流器和阀)结合提供所需的控制，用于制作例如具有图17中所示的结构类型的垫。
该详细的说明提供了包括权利要求的特征和要素的示例，以便使本领域的普通技术人员能够制备和使用权利要求书中记载的发明。然而，这些示例不旨在直接地限制权利要求的范围。相反，这些示例提供了权利要求书的已经在这些说明书、权利要求书和附图中公开的特征和要素，这些特征和要素可以以本领域已知的方式改变和组合。

Claims (23)

1.一种片状或带状形式的材料垫，所述垫包括：
多个层，其中，所述层中的每一者由局部设置在所述多个层中的每一者内的特定位置处的纳米材料的组分形成，并且所述纳米材料的组分选自悬浮在工作流体中的纳米材料的一种或多种特定源，所述纳米材料的一种或多种特定源沉积在所述特定位置处，使得局部沉积在所述特定位置处的所述纳米材料的组分包括：剥离的石墨烯、氧化石墨烯片、单壁和多壁的纳米管、纳米纤维、微纤化纤维素、纳米纤化纤维素、纳米晶体纤维素、金属颗粒、量子点、陶瓷颗粒、生物材料颗粒、几丁质、纳米线、纳米粘土、蛋白质、酶、抗体、细胞材料、血红蛋白、DNA、RNA、脂质体、核糖体、病毒、细菌、标记剂或这些材料的任意的组合，所述几丁质例如壳聚糖，所述纳米线例如硅、碳、锗和其它纳米线，所述纳米粘土例如蒙脱石、膨润土、高岭石、锂蒙脱石和埃洛石；
所述工作流体的至少一部分与所述纳米材料的组分分离，所述纳米材料的组分的至少一部分沉积在所述特定位置处；以及
在所述多个层中的每一者内的所述特定位置处，所述多个层中的每一者具有与所述多个层中的其它层不同的组分。
2.如权利要求1所述的垫，其中，所述工作流体包括粘合剂、表面活性剂、溶剂、单体或聚合物。
3.如权利要求2所述的垫，其中，所述工作流体的一部分保留在局部沉积在所述多个层中的每一者内的特定位置处的所述纳米材料的组分内。
4.如权利要求1所述的垫，其中，局部沉积在所述特定位置处的所述纳米材料的组分包括纳米管。
5.如权利要求4所述的垫，其中，所述纳米管包括碳，硼，钼，硼化物，氮化物，碳化物，或者碳、硼、钼、硼化物、氮化物或碳化物的组合。
6.如权利要求5所述的垫，其中，所述纳米管包括碳。
7.如权利要求6所述的垫，其中，所述纳米管是单壁的碳纳米管。
8.一种用于制备如权利要求1所述的垫的装置，所述装置包括：
多孔基底，所述多孔基底被安装成使得所述多孔基底是可平移的；
压力梯度区，其中，所述多孔基底平移通过所述压力梯度区，使得第一压力存在于所述多孔基底的第一侧上并且第二压力存在于所述多孔基底的第二侧上，所述第一压力大于所述第二压力；
多个出口，所述多个出口相对于所述压力梯度区设置，使得包括工作流体和纳米材料的组分的悬浮液沉积在所述多孔基底上，使得所述工作流体的至少一部分被吸入通过所述多孔基底并且与所述纳米材料的组分分离，从所述多个出口中的一个或多个出口分配的所述纳米材料的组分包括剥离的石墨烯、氧化石墨烯片、单壁和多壁的纳米管、纳米纤维、微纤化纤维素、纳米纤化纤维素、纳米晶体纤维素、金属颗粒、量子点、陶瓷颗粒、生物材料颗粒、几丁质、纳米线、纳米粘土、蛋白质、酶、抗体、细胞材料、血红蛋白、DNA、RNA、脂质体、核糖体、病毒、细菌、标记剂、或这些材料的任意的组合，所述几丁质例如壳聚糖，所述纳米线例如硅、碳、锗和其它纳米线，所述纳米粘土例如蒙脱石、膨润土、高岭石、锂蒙脱石和埃洛石；
控制系统，其中，所述控制系统流体地联接至所述多个出口，使得在所述多个出口中的每一个出口处的所述纳米材料的组分从所述多个出口中的所述一个或多个出口选择性地分配并与所述工作流体分离，以形成所述垫的多个层中的一层，每层具有通过所述多个出口选择性地沉积在该层内的特定位置处的纳米材料的组分，使得在该层中的纳米材料的组分不同于所述垫的所述多个层中的其它层的纳米材料的组分。
9.如权利要求8所述的装置，所述装置还包括释放区，所述释放区包括在所述多孔基底的第一侧上的第三压力和在所述多孔基底的第二侧上的第四压力，其中，所述第三压力小于所述第四压力，其中，当所述多孔基底平移通过所述释放区时，所述垫从多孔基底释放。
10.如权利要求8所述的装置，其中，所述多孔基底是旋转过滤器。
11.如权利要求10所述的装置，所述装置还包括释放区，所述释放区包括在所述多孔基底的第一侧上的第三压力和在所述多孔基底的第二侧上的第四压力，其中，所述第三压力小于所述第四压力，其中，当所述多孔基底平移通过所述释放区时，所述垫从多孔基底释放。
12.如权利要求11所述的装置，所述装置还包括阻挡区，其中，所述阻挡区将所述压力梯度区与所述释放区隔开，并且所述阻挡区减小所述阻挡区内的任何压差。
13.如权利要求12所述的装置，所述装置还包括剥离辊，其中，所述剥离辊邻近所述释放区设置，并被设置成使得所述剥离辊沿所述剥离辊的弧形表面提供压差，所述压差提供与所述多孔基底的第一侧相反的吸入压力，并且沿所述剥离辊的弧形表面的所述压差将所述垫吸至所述剥离辊上。
14.如权利要求13所述的装置，其中，所述剥离辊具有另一弧形区，所述压差在所述另一弧形区中反向，从而将所述垫与所述剥离辊的弧形表面分离。
15.如权利要求14所述的装置，所述装置还包括转移辊，所述转移辊被布置成当所述垫与所述剥离辊接触时将转移膜施加至所述垫的暴露表面上。
16.如权利要求14所述的装置，所述装置还包括另一多孔基底，其中，通过所述剥离辊使所述垫与所述多孔基底分离并且所述垫被引导至所述另一多孔基底，并且所述第二多孔基底被布置在另一压力梯度区中，其中，所述另一多孔基底平移通过所述另一压力梯度区，使得另一流体穿过所述垫。
17.如权利要求16所述的装置，其中，所述另一流体包括通过另外的多个出口沉积的另一悬浮液，使得另一层包括纳米材料的另一组分，所述纳米材料的另一组分不同于如权利要求8所述的在该层中选择性地沉积在特定位置处的所述纳米材料的组分。
18.如权利要求10所述的装置，其中，所述旋转过滤器包括多孔聚合物膜。
19.如权利要求10所述的装置，其中，所述旋转过滤器包括结构网，所述网支撑多孔聚合物膜。
20.如权利要求19所述的装置，其中，所述网为金属网。
21.如权利要求10所述的装置，其中，所述旋转过滤器绕中心轴线旋转，从而使所述旋转过滤器平移经过所述压力梯度区，并且所述装置还包括密封所述旋转过滤器的侧面的旋转密封件，使得当所述旋转过滤器设置在所述压力梯度区内时，所述工作流体穿过而不是绕过所述旋转过滤器。
22.如权利要求21所述的装置，所述装置还包括机械驱动器，所述机械驱动器被布置为使所述旋转过滤器旋转，使得所述旋转过滤器平移通过所述压力梯度区。
23.一种使用如权利要求8所述的装置来制备具有多个层的片材的方法，所述方法包括：
在压力梯度内设置多孔基底；
控制悬浮液的组分，使得所述悬浮液的组分包括工作流体和纳米材料的组分，所述纳米材料的组分包括：剥离的石墨烯、氧化石墨烯片、单壁和多壁的纳米管、纳米纤维、微纤化纤维素、纳米纤化纤维素、纳米晶体纤维素、金属颗粒、量子点、陶瓷颗粒、生物材料颗粒、几丁质、纳米线、纳米粘土、蛋白质、酶、抗体、细胞材料、血红蛋白、DNA，RNA、脂质体、核糖体、病毒、细菌、标记剂或这些材料中的任意的组合，所述几丁质例如壳聚糖，所述纳米线例如硅、碳、锗和其它纳米线，所述纳米粘土例如蒙脱石、膨润土、高岭石、锂蒙脱石和埃洛石；
在所述多孔基底上，将所述悬浮液局部地沉积在所述多孔基底的特定位置处；
将所述悬浮液吸入通过所述多孔基底，使所述纳米材料的组分局部地沉积在所述特定位置处；
在所述多孔基底上的多个特定位置处局部地重复控制、沉积和吸入的步骤，使得形成所述片材的多个层，并且在所述多个层中的每一层中的特定位置处，所述多个层中的每一层具有与所述多个层中的其它层的组分选择性地不同的组分。
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