CN117580797A

CN117580797A - 用于由二氧化碳制备碳纳米材料纤维和纺织品的设备、系统和方法以及其材料和材料和产品

Info

Publication number: CN117580797A
Application number: CN202280044244.2A
Authority: CN
Inventors: S·利希特; G·利希特
Original assignee: Guiding Air Collection Co ltd
Current assignee: Guiding Air Collection Co ltd
Priority date: 2021-05-26
Filing date: 2022-05-26
Publication date: 2024-02-20
Also published as: US20220380947A1; EP4347478A1; WO2022251485A1; CA3220210A1

Abstract

本公开的实施方式涉及一种制造碳纳米材料纤维产品和/或纺织品产品的方法。与类似产品相比，此类产品可具有新的和/或增强的性质，并且根据本公开的实施方式，其制造成本较低。

Description

用于由二氧化碳制备碳纳米材料纤维和纺织品的设备、系统和方法以及其材料和材料和产品

相关申请的交叉引用

本申请要求2021年5月26日提交的美国临时专利申请序列号63/193,417的优先权和权益，该临时专利申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及使用电解工艺制造产品。具体地，本公开涉及由使用电解工艺分解的二氧化碳制造碳纳米材料纤维产品的方法。

背景技术

纤维有许多用途，包括但不限于制成纺织品、织物、布料、线和网。纤维的一个特别有用的性质是它们可以缝合、打结和/或缝纫在一起以用于各种形状和修复。纤维和纺织品的另一个有用性质是它们可以充当多孔过滤器或支撑物。此外，纤维及其纺织品产品具有方便的柔韧性。通过对齐、交织和/或密集地堆积股线，例如在纺织品中，纤维可以比其单独的股线更坚固。天然材料纤维通常通过干纺丝或溶液纺丝方法生产，而合成纤维通常通过干纺丝、挤出、熔融纺丝(也可称为挤出纺丝)、溶液纺丝或反应纺丝生产。

一种制备纤维的方法是使用由单股线(例如棉花、凝胶和羊毛)组成的低密度3D网络组成的材料，然后拉动网络(牵伸或拉伸)以对齐并拉紧股线，然后再将它们纺在一起。另一种方法是利用一片股线并将它们拉动和/或纺丝以形成纤维。在这种情况下，羊毛或具有类似形态的材料是用于生产比起始纤维前材料更强的纤维的材料。

碳纤维在一系列轻质运动和车身中越来越常见，并以其轻质和卓越的强度而闻名。碳纤维通常通过溶液纺丝或静电纺丝衍生物生产，在静电纺丝中，在纺丝之前施加电场以对齐和强化碳纤维。通常，可以使用液态碳化合物，例如聚合物PAN。然后，将聚合物碳化并且可以使用热固性塑料和/或热塑性塑料来形成。

已经探索了多种方法来生产性能优于碳纤维的纤维。由于其优异的物理和化学特性，已探索了碳纳米材料(CNM)。例如，碳纳米管(CNT)具有所有材料中最高的拉伸强度。由CNM制成的纤维在坚固、导电的纺织品和电缆方面具有巨大潜力。目前用于制备CNM纤维的方法包括溶液纺丝或湿纺丝、静电纺丝(在纺丝前向溶液施加对齐电场并帮助材料从喷丝头中喷出)、向纤维中添加CNM以及从化学化学气相沉积(CVD)工艺中直接纺丝。然而，这些方法受到成本非常高、CNM分散性差、生产碳足迹高以及难以将CNM的优异性能赋予给CNM纤维等挑战的困扰。

因此，需要用于生产CNM纤维的新方法以及由其制成的材料和产品，其解决了高成本、分散性差、相关的高碳足迹以及难以赋予CNM纤维优异性能的挑战。

发明内容

本公开的实施方式涉及一种碳纳米材料(CNM)纤维和由其制成的纺织品，该碳纳米材料纤维可用于制造材料或产品，与由非CNM纤维或不含纤维制成的材料或产品相比，所述材料或产品具有新的或增强的性能。

本公开的一些实施方式涉及一种制备含有碳纳米材料(CNM)的纤维的方法，该方法包含步骤：接收包含CNM和电解质的碳烷凝胶(carbanogel)；以及将该碳烷凝胶纤维加工成CNM。在本公开的一些实施方式中，该方法可以进一步包括由该CNM纤维形成纺织品的步骤。

本公开的一些实施方式涉及一种用于制造CNM纤维的系统，该系统包含：用于执行电解工艺的设备，该电解工艺在熔融电解质内分解二氧化碳(CO₂)以产生碳烷凝胶，其中该碳烷凝胶包含碳纳米材料(CNM)和电解质；用于接收所述碳烷凝胶的容器；和纤维处理单元。在本公开的一些实施方式中，该系统可以进一步包括用于由CNM纤维形成纺织品的纺织品形成单元。

本公开的其它实施方式涉及一种包含CNM和电解质的CNM纤维。本公开的其它实施方式还涉及由根据本文描述的方法制备的CNM纤维制成的纺织品、织物和布料。

本公开的其它实施方式涉及一种包含CNM和电解质的CNM纺织品。该CNM纺织品使用或不使用CNM纤维制成。本公开的一些实施方式涉及一种制造CNM纺织品的方法，包含步骤：接收碳烷凝胶；制备聚合物-CNM混合物；和形成CNM纺织品。

不受任何特定理论的束缚，在常规的CNM纤维工艺中，CNM的引入可以发生在纤维制造工艺的各个阶段。例如，CNM通常作为单独的、分开的和离散的CNM或单独结合的CNM在干纺丝、熔融纺丝、溶液纺丝或反应纺丝纤维工艺中引入到纤维中。相反，本公开的实施方式涉及将具有分散的、低密度的CNM三维(3D)网络的碳烷凝胶(无论是否压缩成碳烷凝胶巴基纸)和电解质内容物引入CNM纤维中，该CNM纤维可加工成CNM纺织品，其中CNM可以相对固定在所述3D网络内的给定位置。或者，可以将碳烷凝胶加工成不含CNM纤维的CNM纺织品。类似于由相似低密度3D网络组成的棉花随后转化为纤维的过程。所述碳烷凝胶可以由纤维形成过程后纤维的多数或少数组分组成，所述组分进入干纺丝、熔融纺丝、溶液纺丝、湿纺丝—与溶液纺丝的区别在于碳烷凝胶或巴基纸在纺成纤维时含有液体—反应纺丝纤维工艺或其任意组合。

本公开的一些实施方式涉及用于制备/生产/制造CNM纤维或包含CNM的纤维的方法，所述方法：比常规CNM纤维制造工艺更便宜；促进纤维中CNM的对齐；并且由CO₂生产，可能有助于缓解气候变化。3DCNM聚集体/网络类似于棉花中的聚集体/网络，并且与棉花一样，牵伸或拉伸很容易对齐，以允许生产比起始纤维前材料更强的纤维。进一步的实施方式涉及一种制造CNM纤维的方法，其使用碳烷凝胶巴基纸片材并拉动和/或纺丝该片材以形成CNM纤维。

碳烷凝胶和碳烷凝胶巴基纸都是通过特定的工艺制成的，并且是CO₂熔融电解分解的结果。

碳烷凝胶含有在CO₂熔融电解分解过程中在阴极上生长的CNM的缠结产物。取决于电解条件，可以将具有各种新的或增强的性质的各种纳米碳形态生长为CNM产品。CNM的一大类是石墨CNM，它含有一或多层石墨烯。

有趣的是，碳烷凝胶具有弹性，当压力消除时，它会恢复到原来的状态，并且取决于能否接触到排出的液体，允许它重新吸收大部分液体或变成大部分空的空间。这种弹性可用于纤维的纺丝工艺制备，通过在牵伸期间为CNM提供被拉出的路径并促进CNM在纤维中的对齐。

据了解，CNM和巴基纸的高生产成本主要是由于高反应物和能源成本所致，这导致CNM纤维和纺织品的高成本和高碳足迹。不受任何特定理论的束缚，当根据本公开的实施方式，通过熔融电解工艺由CO₂生产时，这些生产成本可降低两个数量级，并且所生产的CNM可用于制造CNM纤维。此外，并且不受任何特定理论的束缚，通过本公开的实施方式生产的碳烷凝胶和巴基纸还可以通过碳烷凝胶有助于克服建立CNM的均匀分散体的挑战，该碳烷凝胶提供了晶格状结构，其可以提供CNM的固定和分散位置。

附图说明

在参考附图的下列详细描述中，本公开的这些和其它特征将变得更加明显。

图1是在本公开的实施方式中使用的用于制造碳烷凝胶产品的设备的示意图。

图2是根据本公开实施方式的用于制造碳纳米材料(CNM)纤维和包含CNM纤维的纺织品的系统的示意图。

图3是表示根据本公开实施方式的用于制造CNM纤维的方法的步骤的示意图。

图4是表示根据本公开实施方式的图3的方法的进一步任选步骤的示意图。

图5是表示根据本公开实施方式的用于制造CNM纤维的另一种方法的示意图。

图6是示出本公开的方法的进一步步骤的示意图。

图7示出了根据本公开实施方式制得的碳烷凝胶的扫描电子显微镜图像的照片，其中图7A示出了x730放大倍率的图像；并且图7B示出了x8600放大倍率的图像。

图8是根据本公开的实施方式制得的碳烷凝胶巴基纸的照片。

图9是根据本公开的实施方式制得的进一步碳烷凝胶巴基纸的照片。

图10具有显示本公开实施方式的性能的两个图，其中上图显示了使用和不使用碳烷凝胶制得的环氧树脂制品的照片，并且下图是显示相对于碳烷凝胶的重量添加百分比增加的拉伸强度的条形图。

图11示出了根据本公开实施方式的两种进一步的方法，其中图11A示出了采用聚合物混合物和CNM纤维混合物的方法；图11B示出了采用聚合物和CNM纤维的进一步方法，并且图11C示出了不使用CNM纤维制造CNM纺织品的进一步方法。

图12是显示使用根据本公开的CNM纤维和聚合物混合物或聚合物制得的产品的一系列照片。

具体实施方式

自2009年以来，人们已经知道通过熔融碳酸盐电解将二氧化碳高效节能地转化为碳并进行氧化。随后，证明了将CO₂化学转化为各种石墨碳纳米材料(CNM)。这些石墨CNM由于长期稳定性而具有价值，并且这些材料具有有用的性质，诸如超高强度、高导电性、高导热性、高电池存储容量、电磁辐射屏蔽、有效药物递送和各种医疗性质以及有用的催化性质。

CO₂→C_纳米材料+O₂(等式1)

等式1展示了一种熔融电解过程，其中碳纳米材料作为缠结的CNM与电解质混合的混合物生长并保留在阴极上。这种混合物被称为碳烷凝胶，并且至少95％的电解质可以通过高温压滤或其它方式从这种碳烷凝胶中压出。以单数和复数形式使用的术语“碳烷凝胶”和“碳烷凝胶产品”是指包含CNM内容物和电解质内容物的材料，其中电解质内容物—相对于CNM内容物贡献—可以为总碳烷凝胶含量贡献相对大的、相对小的、残留量的、痕量的或可忽略不计量的电解质。任选地，碳烷凝胶可转化为由压缩的碳烷凝胶组成的碳烷凝胶巴基纸(CB)。根据本公开的一些实施方式，碳烷凝胶可嵌入聚合物中(或与聚合物例如环氧化物共挤出)以形成聚合物-CNM混合物，其可加工成聚合物-CNM片材。可以将碳烷凝胶、CB、聚合物-CNM片材或其任何组合引入到纤维加工的适当步骤中以产生CNM纤维。在本公开的另一个实施方式中，CB或聚合物-CNM片材可以直接用作CNM纺织品，而不需要加工成纤维。

包含石墨烯的sp²键合的碳组分和单层或多层石墨烯(其可以发生在CNM组分内)可以为碳烷凝胶内的CNM提供增强的性质，例如但不限于这些CNM的增加的强度和传导性。另外，特定形态的CNM的相对量可以赋予碳烷凝胶和由其制成的产品附加性质。此类形态的示例包括但不限于：球形纳米碳，实心和空心纳米洋葱，圆柱形同素异形体的纳米碳，平面同素异形体，螺旋同素异形体，碳纳米管(CNT)，纳米纤维，石墨烯，纳米片，纳米支架，纳米树，纳米带，纳米花，纳米龙，纳米树，纳米棒，表面改性的或金属涂覆的CNM，不具有石墨特性或性质的无定形纳米碳，或它们的任何组合。此类附加性质的示例包括但不限于：减少的摩擦、弹性、热传导率、阻燃性、手性、碳烷凝胶内CNM的增大的表面积或它们的任何组合。这些性质可用于特定应用，包括但不限于：改进的纤维、电线、电缆、纺织品、润滑器、柔性材料、手性光吸收、手性光发射、手性催化、改进的电化学电荷存储、增强的催化活性、防火电阻、或增强的EMF屏蔽能力。碳烷凝胶内的CNM还可包含附加特征，包括掺杂、磁性、不寻常的形状以及缩小或放大的尺寸。不受任何理论的限制，CNT可以包括单壁CNT；多壁CNT；掺杂的CNT，例如硼、硫、磷或氮掺杂的CNT；磁性CNT；竹形CNT；珍珠形CNT；同位素特定的CNT，例如12C和13CCNT；表面改性的或金属涂覆的CNT；螺旋CNT，包括单编织或双编织的CNT；螺旋形螺旋CNT；薄壁、厚壁或实壁CNT；细或粗直径CNT；短或毛线(长)CNT，或它们的任何组合。

根据本公开的实施方式，可以使含碳气体经历电解过程(在本文中也称为电合成过程)，以从气体内的碳产生含有碳纳米材料(CNM)产品的碳烷凝胶。本文使用术语“碳烷凝胶”来指代CNM和电解质的混合物，其是电解过程的产物并且在电解过程期间和之后位于阴极上。本文使用术语“碳纳米材料产品”、“CNM产品”和“CNM材料”来指代一种或多种形态的纳米碳的集合，该纳米碳也可以称为纳米级碳。本文使用术语“纳米碳”来指代在纳米尺度内排列成特定结构的碳，例如石墨纳米碳结构。特别地，可以使用熔融电解质介质和各种电解过程配置以将来自含碳气体的碳分解成碳和氧。电解过程可以导致碳从气相传质到熔融电解质介质、固体CNM产品或两者中。CNM产品可以是基本上纯的、纯的、或不纯的碳纳米材料(CNM)，包括碳纳米管(CNT)。CNM产品可包含如上文所述的CNM结构的一种或多种形态或其任何组合。任选地，可以调节电解过程的一个或多个参数以改变CNM产品内给定形态的相对量。

如图1所示，电解过程可以发生在设备10内，设备10包括用于容纳阴极18的箱12，其也可被称为电解室或电解池，其中阳极16可形成箱12的壁的内表面的至少一部分。两个电极一起限定其间的电解空间。如本领域技术人员可以理解的，任选地，阳极16可以与箱12的壁分开。箱12被构造成容纳电解质介质21。包括电解质的上表面21A的电解空间B可以与含碳气体源(如图1中的D所示)流体连通。在本公开的一些实施方式中，箱12可以包含在由热绝缘体材料制成的绝缘壳体20内。绝热壳体20还可以包括由或不由热绝缘体材料制成的顶部22、或侧面或底部(未示出)，并且该热绝缘体可以来自CO₂可渗透的绝热体例如高温编织陶瓷，或者很大程度上CO₂不可渗透的热绝缘体。可渗透的热绝缘体的示例包括但不限于由氧化铝和二氧化硅并且可以包括氧化锆的氧化物制成的Morgan以及由碱土金属硅酸盐制成的Morgan/>两者的额定温度均超过1,200℃。很大程度上CO₂不可渗透的热绝缘体的示例包括各种可用的商业耐火砖或浇注耐火水泥和砂浆，并且其示例包括但不限于：BNZ材料耐火砖和耐火水泥和砂浆，例如PA 20和23，以及额定温度超过1,090℃的BNZ 2000、2300、23A、2600、26-60、2800、3000和3200。

含碳气体的来源可以是各种工厂，包括但不限于：水泥制造厂；炼铁厂；钢铁制造厂；制造或使用氨、乙醇、镁、氢、聚合物、塑料、玻璃中的一种或多种的工厂；废水处理厂，食品加工厂。含碳气体的来源还可以是化学反应器，包括内燃机和用于加热或烹饪的碳质材料的燃烧。来自发电厂、蒸汽发生设施或热解反应器的排放气体也可以是含碳气体的来源。从这些来源或在任何高碳足迹物质的生产过程中排放的含碳气体也可能有助于或构成用于制造CNM产品的碳源。此外，用于加热、运输的化石燃料的燃烧或转化的气体产物以及诸如聚合物和塑料等碳产品也可以有助于或构成用于制造CNM产品的碳源。含碳气体的另一个主要来源是大气温室气体、空气中存在的二氧化碳和/或甲烷。不受任何特定理论的束缚，由于石墨基结构的高稳定性和长寿命(石墨的寿命与已有数亿之久的自然地质矿床相同)，将来自人为或天然来源的含碳气体转化为石墨CNM尤其重要，可以将GHG从碳循环中隔离出来，从而缓解气候变化和全球变暖。

在本公开的一些实施方式中，阳极16形成为平面结构、线结构、丝网、多孔结构、导电板、平坦或折叠垫片、卷绕结构或者阳极可以形成箱12的至少部分内侧壁。阳极16可由各种导电材料形成，使得阳极16可以产生氧气或不产生氧气。此类阳极形成材料包括但不限于：具有稳定层或建立有利于在根据本公开的实施方式进行的电解反应期间产生氧气的高度稳定的氧化物外层的任何导电材料，镍，镍合金，镀锌(锌涂覆的)钢，钛，石墨，铁以及建立了有利于氧气产生的高度稳定的氧化物外层的各种金属。用于形成阳极16的合适材料的进一步示例包括镍合金36(不含铬但含铁的镍)，镍铬合金(镍铬基合金)包括不锈钢(例如SS 304或SS 316)，以及Inconel合金(例如Inconel 600、625和718)，合金C-264，或镍铬合金例如Chromel A、B或，作为已知可生产高品质CNT的合金成分的共成核。二元和三元过渡金属成核剂也可以是有用的，包括但不限于：Ni、Cr、Sn、In、Fe和Mo也可以影响CNM产物生长。

在本公开的一些实施方案中，可以将过渡金属添加到阳极16上，其可以从阳极16溶解以通过电解质介质21迁移到阴极18上。添加的过渡金属可以起到成核剂的作用，其可以选自镍、铁、钴、铜、钛、铬、锰、锆、钼、银、镉、锡、钌、锌、锑、钒、钨、铟、镓或非过渡金属例如锗或硅或它们的混合物，包括但不限于黄铜、蒙乃尔合金和镍合金。过渡金属还可以作为电解质介质21内溶解的过渡金属盐引入，直接迁移到阴极18上。还可以将过渡金属成核剂直接添加到阴极18上。

在本公开的一些实施方式中，阴极18形成为平面结构、线结构、丝网、多孔结构、导电板、平坦或折叠垫片、片材、卷绕结构或者阴极可以形成为箱12的内侧壁的至少一部分。阴极18可由反映成核点和在阴极18上形成的CNM产物的变化的需要的各种导电材料形成。此类阴极形成材料包括但不限于：任何导电材料，镀锌(锌覆盖的)钢，钛，石墨，铁，包含铜和锌的合金，蒙乃尔合金(Ni 400、Ni/Cu合金)，Inconel，不锈钢，铁，镍铬合金，纯铜和黄铜合金也可适合作为制造阴极18的材料。

阳极16和阴极18可以在箱12(例如不锈钢箱或者由基本上纯的或纯氧化铝制成的箱)内基本上彼此平行地对齐。箱12可以由适合容纳熔融电解质介质21并承受由设备10A达到的温度的任何材料制成。电极可以以任何方向定向，包括但不限于基本水平或基本垂直，但彼此间隔开以便在其间限定电解空间B。在本公开的一些实施方式中，电解空间B在约0.1cm至约10cm之间。在本发明的一些实施方式中，电解空间B为约1cm。如本领域技术人员可以理解的，电解空间B的尺寸将由设备10的规模决定，例如每个电极的尺寸、限定在箱内的气室、施加的电流量及其组合。

阳极16和阴极18可操作地连接至电流源(未示出)，该电流源可以是恒定或不恒定的任何交流电或直流电源，其提供在约0.001A/cm²和10A/cm²之间的电流密度。在本公开的一些实施方式中，在电极之间提供的电流密度为至少0.02A/cm²、0.05A/cm²、0.1A/cm²、0.2A/cm²、0.3A/cm²、0.4A/cm²、0.5A/cm²、0.6A/cm²、0.7A/cm²、0.8A/cm²、0.9A/cm²、1.0A/cm²或更大。用于电流源的电力可以是任何电源或电源的组合，包括电电源、太阳能电源等。

热源(未示出)可以是将箱12内的温度升高至导致电解质介质21转变为熔融相的温度的任何热源。例如，热源可在箱12内实现在约500℃和约850℃之间或更高的温度。在本公开的一些实施方式中，加热达到在约700℃和约800℃之间、在约720℃和约790℃之间、或在约750℃和约780℃之间的温度。在本公开的一些实施方式中，加热达到749-750℃、751-752℃、753-754℃、755-756℃、757-758℃、759-760℃、761-762℃、763-764℃、765-766℃、767-768℃、769-770°C、771-772℃、773-774℃、775-776℃、777-778℃或779-780℃的温度。在本公开的一些实施方式中，箱12内的温度可以升高到约800℃或更高。在本公开的一些实施方案中，热源由CO₂吸收和转化为碳酸盐的放热反应(从气相到固相CNM产物的传质)或施加的电解电流的过电位提供或补充。

在本公开的一些实施方式中，电解质介质可包含碳酸盐，其可被热源加热直至转变为熔融相。例如，碳酸盐可以是碳酸锂或锂化碳酸盐。熔融碳酸盐(例如熔点为723℃的碳酸锂(Li₂CO₃)，或熔点较低的碳酸盐，例如熔点为620℃的LiBaCaCO₃)当含有氧化物时，包括在熔化时发生的自发氧化物形成或者是电解的结果，或者当与高可溶性氧化物(例如Li₂O、Na₂O和BaO)混合时，会保持从熔融电解质介质上方的空间中快速吸收CO₂。合适的碳酸盐可以包括碱金属碳酸盐和碱土金属碳酸盐。碱金属碳酸盐可包括锂、钠、钾、铷、铯或钫的碳酸盐，或其混合物。碱土金属碳酸盐可包括铍、镁、钙、锶、钡或镭的碳酸盐，或其混合物。在本公开的一些实施方式中，电解质可以是混合组合物，例如碱金属碳酸盐和碱土金属碳酸盐与氧化物、硼酸盐、硫酸盐、硝酸盐、氯化物、氯酸盐或磷酸盐中的一种或多种的混合物。

根据本发明的实施方式，通过熔融碳酸盐电解分解CO₂形成碳烷凝胶。碳烷凝胶由CNM网络和电解过程停止后剩余的电解质的混合物组成。有趣的是，碳烷凝胶在粉碎后不仅可以保留CNM网络，而且粉碎后的碎片可以重新组装形成巴基纸。可以通过压制、反应或洗掉电解质而从巴基纸上除去一些、大部分、基本上全部或全部电解质。压制有或没有电解质的粉碎的碎片可以产生连续的层，可以称为CB(碳烷凝胶巴基纸)。除去部分或全部电解质后，CB由高纯度碳组成的CNM组成。除去部分或全部电解质后，CB可以限定内部空隙。例如，碳烷凝胶或CB可以限定在CB内、在CB内的CNM表面上、在CNM内(CNM的内部)的空隙空间或它们的组合。出于本公开的目的，术语“空隙”是指CB内基本上不含电解质或其它物质的二维或三维空间。因此，CNM纤维和CNM纺织品(用或不用CNM纤维制成)将限定空隙。

在本公开的一些实施方式中，碳烷凝胶或CB内限定的空隙可以部分地填充有、基本填充有或完全填充有空隙填充剂，例如基于应用的材料。合适的空隙填充剂的示例包括但不限于：强化剂、催化剂、掺杂剂、药物或电磁场(EMF)屏蔽剂。强化剂可包括但不限于热固性塑料、热塑性塑料、环氧树脂、树脂和其它聚合物、水泥质材料和金属。催化剂可以包括但不限于加速化学或电化学反应的材料。掺杂剂可以包括但不限于在空隙内少量存在就实质上影响碳烷凝胶或CB的物理化学性质的材料。CNM组分、碳烷凝胶或CB可以在碳烷凝胶或CB形成过程中机械地、电地或磁地对齐，以进一步增强碳烷凝胶或CB性质，包括但不限于强度性质、电性质和热性质。通过在碳烷凝胶或CB制备阶段施加定向电场和/或磁场来实现电和/或磁对齐。磁性CNM通过掺入磁性材料来制备，所述磁性材料例如但不限于：铁、镍、钴、钆、钐、钕、钢、或它们的碳化物中的一种或多种，以及包含一种或多种具有铁磁性质、顺磁性质、抗磁性质及其任何组合的磁性材料的其它合金。磁性CNM纤维的磁性质包括柔性磁体、磁存储和电磁屏蔽。

众所周知，CNM的高生产成本主要是由于高反应物和能源成本导致的。不受任何特定理论的束缚，当使用根据本公开实施方式的熔融电解工艺由CO₂生产时，这些生产成本可以降低两个数量级。

不受任何特定理论的束缚，发明人推测碳烷凝胶颗粒中熔化的残余电解质可以为CNM的均匀分散提供驱动力，其在组合之后导致经加工的碳烷凝胶颗粒以相对分散的方式组装成CNM纤维或CNM纺织品，而无需超声处理或其它更严格的混合处理。在分解CO₂的电解过程中制备的碳烷凝胶包括CNM和电解质，并且这种组合的存在可以提供一种固定结构，该结构实际上是“预分散的”CNM的晶格矩阵。如本文所用，以单数和复数形式使用的术语“纺织品”是指可以通过交织多个纤维、针织多个纤维、钩编多个纤维、粘合多个纤维、编织多个纤维、对齐多个纤维、密堆积多个纤维、拉伸多个纤维、挤压多个纤维、压平多个纤维、铺展多个纤维、用于生产跨度比输入纤维跨度更宽的纺织品材料的另一种方法或其任意组合生产的布料、片材、织物、防水布或纱线。如本文所用，以单数或复数形式使用的术语“CNM纺织品”是指包含CNM的纺织品，与没有使用CNM制成的纺织品相比，该CNM赋予CNM纺织品新的或增强的性能。为清楚起见，CNM纺织品可以使用CNM纤维或非纤维CNM片材制成。

本公开的一些实施方式涉及一种用于制造CNM-纤维222的系统200，CNM-纤维222也可以被称为CNM纤维产品或含有CNM的纤维。如图2的非限制性示例所示，系统200包含用于执行电解过程的设备210、容器212和纤维处理单元221，所述电解过程在熔融电解质内分解二氧化碳(CO₂)以产生碳烷凝胶。包括下述各种可选组件的系统200可用于执行本公开的方法，如下文所述。

在本公开的一些实施方式中，设备210可以与上文描述的设备10相同或相似。设备210被配置成执行电解过程，该电解过程分解熔融电解质内的含碳气体。分解的产物是其内具有大部分或残余电解质的CNM产品，即碳烷凝胶，也可称为碳烷凝胶产品。

容器212接收碳烷凝胶(如图2中的线X所示)，无论是冷产品还是热产品。容器212可以由各种材料制成并且可以具有任何形状和尺寸，前提条件是容器212足够坚固以承受容纳在其中的碳烷凝胶的温度。

纤维处理单元221将从容器212接收的碳烷凝胶加工成CNM纤维。在本公开的一些实施方式中，纤维处理单元221可以是将碳烷凝胶222纺丝和/或拉伸成CNM纤维的各种合适的部件、机构或机器。例如，纤维处理单元221可包括干纺丝单元、熔体纺丝单元、挤出纺丝单元、溶液纺丝单元、反应纺丝单元或其任意组合。在本公开的一些实施方式中，CNM纤维形成为一种或多种CNM纺织品。

在本公开的一些实施方式中，系统220还可以包括压缩单元214，用于向接收在容器212中的碳烷凝胶施加压缩力，以由碳烷凝胶制造碳烷凝胶巴基纸(CB)。压缩单元214可以是对容器212内的碳烷凝胶施加压缩力的各种合适的部件、机构或机器。压缩力的幅度可以根据接收在容器212中的碳烷凝胶颗粒的尺寸以及碳烷凝胶包含电解质的程度而变化，如下文进一步讨论的。在本公开的一些实施方式中，压缩机构214包括真空，其可以将碳烷凝胶(如图2中的线Y所示)拉过过滤器，在容器212内或进入容器212中。

这样，纤维处理单元221可以接收碳烷凝胶或CB，并且视情况而定，将碳烷凝胶或CB加工成CNM纤维222。

在本公开的一些实施方式中，纤维处理单元221可以生成具有不同材料层(例如内芯层、外壳层和任选的一个或多个中间层)的CNM纤维。例如，CNM纤维产品可包含由第一CNM(来自碳烷凝胶或CB)制成的内芯层和由第二CNM(来自碳烷凝胶或CB)制成的外壳层。第一CNM和第二CNM可以在设备210中在不同的操作条件下制得，使得第一CNM和第二CNM具有不同的期望性质。例如，第一CNM可以相对较不致密，并因此，第一CNM可以比第二CNM限定更大体积的空隙，或者反之亦然。在其它非限制性示例中，第一CNM可以具有更大相对量的与第二CNM的最大相对形态不同的期望形态；第一和第二CNM之一或两者可以掺杂有相同的掺杂剂或不同的掺杂剂；第一和第二CNM之一或两者可以是磁性的，并且如果两者都是磁性的，则它们可以具有相同或不同的磁性性质；第一CNM可以比第二CNM相对更强，或者反之亦然；第一CNM可以比第二CNM相对更柔韧，或者反之亦然；第一CNM可以具有比第二CNM更大的导电性，或者反之亦然；第一CNM可以具有比第二CNM更大的导热性，或者反之亦然；第一CNM可以具有比第二CNM更好的热绝缘体性质，反之亦然，或其任意组合。

如本领域技术人员将理解的，由本公开的系统200和方法制造的CNM纤维不限于仅由第一CNM和第二CNM制造。本公开的CNM纤维可以由一种、两种、三种或更多种不同类型的CNM加工成纤维，并且单独的CNM纤维也可以由多层构成，例如但不限于：第一CNM的内芯层、第二CNM的外壳层，而纤维的一个或多个中间层可以由第三CNM或第三CNM和第四CNM制成。

在本公开的一些实施方式中，系统220还可以包括CNM纺织品-形成单元226。CNM纺织品-形成单元226可以是将多个CNM纤维形成为CNM纺织品的各种合适的部件、机构或机器，其中这种形成的CNM纺织品由于CNM纤维的存在而被赋予了新的或增强的性能。纺织品-形成单元226可以对多个CNM纤维进行机织、针织、环编、钩编、辫编、编结、丝束展开或其任意组合以形成CNM纺织品。另外，CNM纺织品-形成单元226可以从使用相同CNM材料制成的多个CNM纤维、使用不同CNM材料制成的不同CNM纤维、使用不同CNM材料制成的多个相同或相似CNM纤维、使用相同CNM材料制成的不同CNM纤维、多个CNM纤维和非CNM纤维或它们的任何组合来形成一种或多种类型的CNM纺织品。

由本公开的CNM纤维制成的CNM纺织品相对于未形成为CNM纺织品的CNM纤维可以具有优点，这些优点包括但不限于：更容易运输和处理；具有更大的结构，可以提供增强的强度、导电性、EMF屏蔽或其任意组合；保持所需的形状，同时保持柔韧，比散装固体更轻质且更适合；具有用于填充空隙或过滤或其任何组合的更明确的结构。

在本公开的一些实施方式中，系统200可以进一步包括处理单元216，用于在被容器212接收之前(或之后)粉碎冷却的或热的碳烷凝胶产品。处理单元216可以是能够承受碳烷凝胶温度的各种合适的部件、机构或机器，例如但不限于：研磨机；切碎单元；物理压机；磨粉单元；磨机或其任何组合。所得到的碳烷凝胶的颗粒尺寸由处理单元216执行的处理操作的程度决定。

在本公开的一些实施方式中，系统200可以进一步包含电解质减少单元218。电解质减少单元218可以直接从设备210接收冷却的或热的碳烷凝胶产品和/或其可以从处理单元216接收加工过的碳烷凝胶产品。电解质减少单元218减少碳烷凝胶产品(经加工的或未经加工的)的电解质含量和/或杂质含量，使得电解质/杂质含量减少的碳烷凝胶可以在处理单元216中加工(或进一步加工)，并且然后被接收到容器212中。替代地或附加地，电解质/杂质含量减少的碳烷凝胶可以从电解质减少单元218接收在容器212中。

电解质减少单元218可以通过机械方法、化学方法、电化学方法或其任意组合来减少碳烷凝胶(经加工的或未经加工的)的电解质含量和/或杂质含量。例如，机械方法可包括可以减少碳烷凝胶的电解质含量的各种合适的部件、机构或机器，例如将碳烷凝胶推过网或筛子的机械压力机、用于熔化碳烷凝胶内的电解质的加热器、过滤器(室温或高温)或其任何组合。用于减少碳烷凝胶的电解质含量的化学方法包括一个或多个清洗站，用于将碳烷凝胶暴露于一种或多种可以溶解电解质的化学品。除了减少电解质含量之外，还可以应用一种或多种化学品来溶解来自碳烷凝胶内的CNM的杂质，例如无定形碳或金属。电化学方法包括用于进行选择性电解以减少碳烷凝胶的电解质含量和/或杂质含量的设备。

在本公开的一些实施方式中，系统200可以进一步包括对齐单元220，其对齐碳烷凝胶(经过加工的和/或电解质/杂质减少的和/或压缩的或未压缩的)、CB(经过加工的和/或电解质/杂质减少的或未减少的)和/或CNM纤维222(如图2的非限制性示例中所示)中的至少一部分CNM组分。对齐单元220可以集成到容器212中，使得由对齐单元220执行的对齐程序发生在容器212内。替代地或附加地，对齐单元220可以是与容器212分开的物理部件，其可以接收未压缩的碳烷凝胶(经过加工的和/或电解质/杂质减少的和/或压缩的或未压缩的)、执行对齐程序并且然后将对齐的碳烷凝胶转移至容器212以进行压缩或不压缩。对齐单元220可以采用机械方法、电动方法、磁力方法或其任何组合中的一种或多种，使得CNM纤维222内对齐的CMN组分具有期望的各向异性性质。对齐单元220可采用通过各种合适的部件、机构或机器的机械方法，可将定向物理应力场施加至碳烷凝胶(经加工的和/或电解质减少的和/或压缩的或未压缩的)内的和/或CNM-纤维222内的CNM。例如，机械方法可以对碳烷凝胶内的CNM产品施加剪切力。剪切力可以通过拉动、旋转或拖动主体(例如活塞)穿过碳烷凝胶(经过加工的和/或电解质减少的和/或压缩的或未压缩的)内的和/或CNM-纤维222内的CNM来施加。或者，可以定向施加剪切力以增加CNM缠结而不是CNM对齐。

对齐单元220可以采用通过各种合适的部件、机构或机器的电方法，其可以将定向电场施加到碳烷凝胶(经过加工的和/或电解质减少的和/或压缩的或未压缩的)内的和/或CNM-纤维222内的CNM。

对齐单元220可以采用通过各种合适的部件、机构或机器的磁性方法，其可以将定向磁场施加到碳烷凝胶(经过加工的和/或电解质减少的和/或压缩的或未压缩的)内的和/或CNM-纤维222内的CNM。

在本公开的一些实施方式中，对齐单元220可用于减少而不是增加CNM的方向对齐，并且因此减少CNM-光纤222的任何各向异性性质。

在本公开的一些实施方式中，系统200可以进一步包括隔离单元112，用于保护CNM纤维(经过加工的和/或电解质减少的和/或压缩的或未压缩的)和由其形成的任何CNM纺织品或其它免受氧化环境影响。隔离单元112可以包括流体密闭容器，其具有合适的尺寸以接收CNM纤维或形成的CNM纺织品并从容器内去除任何氧化剂(例如含氧气体)，例如通过真空泵，并且用非含氧气体(例如惰性气体)替换容器内的流体。

图3示出了一种用于制造CNM纤维的方法100的步骤，该方法包含：接收碳烷凝胶的步骤102，将碳烷凝胶置于容器中的步骤104，纤维-加工碳烷凝胶的步骤108和回收CNM-纤维的步骤110。任选地，方法100可以进一步包含通过上文描述的电解过程产生碳烷凝胶的步骤101。方法100可以进一步包含任选步骤：压缩CNM纤维的步骤109、由CNM纤维形成CNM纺织品的步骤110A、处理步骤103和/或减少碳烷凝胶的电解质和/或杂质含量的步骤105和/或对齐CNM-纤维的至少一部分CNM内容物的步骤107(如图4所示)。

对于接收步骤102，可以使用上文描述的电解过程来产生碳烷凝胶，这可以被称为生成步骤101。生成的碳烷凝胶含有在CO₂熔融电解分解过程中在阴极上生长的CNM缠结产物。通过选择性地控制生成步骤101、上述电解过程的操作参数，所生成的碳烷凝胶可以在碳烷凝胶内具有较大相对量的所需形态的CNM。例如，可以控制电解过程以与碳烷凝胶的CNM内的纳米碳结构的其它形态相比，增加所需形态的相对量，例如：球形纳米碳、实心和空心纳米洋葱、圆柱形同素异形体的纳米碳、平面同素异形体、螺旋同素异形体、碳纳米管(CNT)、纳米纤维、石墨烯、纳米片、纳米支架、纳米树、纳米带、纳米花、纳米龙、纳米树、纳米棒、表面改性或金属涂覆的CNM、无石墨特性或性质的无定形纳米碳、或其任意组合。另外，通过选择性地控制生成步骤101的操作参数，生成的碳烷凝胶可以具有不同的性质，例如包含掺杂的CNM或磁性CNM。

使碳烷凝胶(无论是否经过加工和/或电解质或杂质减少，如下所述)经历纤维处理步骤108，以生成CNM纤维。纤维处理步骤108可包含纺丝和/或拉伸碳烷凝胶以制造CNM纤维和由CNM纤维形成的CNM纺织品的一个或多个步骤。纤维处理步骤108可以在有或没有添加剂的情况下进行。例如，碳烷凝胶内的残余碳酸盐电解质含量可以减少，可以用可以在纤维处理步骤108之前、期间或之后发生的任选的支持步骤106期间引入的支持液体来代替和支持。或者，电解质可以保留在碳烷凝胶的空隙中并且它可以在其中固化/聚合。

在本公开的非限制性示例中，纤维处理步骤108包括聚集体的干纺丝、熔体纺丝、挤出纺丝、溶液纺丝、反应纺丝或其任意组合。干燥步骤125(参见图6)可以在纤维处理步骤108之后通过压缩步骤109、滴落或一些其它方式进行，以减少或基本上除去CNM纤维的所有液体含量。

在本公开的一些实施方式中，方法100可以进一步包括在纤维处理步骤108之前、期间或之后进行的支持步骤106，其中可添加一种或多种添加剂以支持纤维处理步骤108和/或CNM纤维产品。例如，可以在支持步骤106期间添加的添加剂是支持液，其可以添加到碳烷凝胶(或CB)中，以帮助在碳烷凝胶(或CB)内稳定和形成被纤维处理步骤108优先接受的形态，如图5所示。任选地，可以稍后通过干燥步骤125(其还可以包括洗涤)或在形成CNM纺织品之后去除支持液体，然后可以再循环支持液体(参见图6)。在图6中，步骤106A和106B分别是纤维前支持步骤106的一部分，其中步骤106A没有施加对齐力的步骤(对齐113)，并且步骤106B有对齐113步骤。步骤109施加压力或压缩，如图4和5中步骤109中所描绘的，对齐步骤113也示于图4中。支持液可有助于牵引材料穿过纤维处理单元221，允许CNM移动经过彼此以形成优选的结构，和/或防止结构过早和/或过快塌陷。令人惊奇的是，水性聚羧酸盐超增塑剂，包括但不限于各种Adva、Plastol和BASF超增塑剂，适合用作碳烷凝胶的支持液体。支持液体可以提供与外部氧气的空间界面，并且特别是在高温工艺中也可以防止氧化。任选地，支持液体可以被聚合，或以替代方式转变成固体，以向CNM纤维提供支持基质以用于增加的结构或提供CNM纤维的基本性质的变化或出于经济原因。包含CNM纤维的支持基质可用于降低纤维中的总CNM、调整CNM纤维的有用性质(例如用于3D打印的熔点)、将CNM更牢固地粘合在一起和/或更好地对准CNM纤维内的CNM。

可以在支持步骤106期间添加的添加剂的另一个示例是加工添加剂，例如有利于纤维处理108步骤的液体、分散剂或表面活性剂。附加地或替代地，加工添加剂可提供围绕CNM纤维或由CNM纤维形成的CNM纺织品形成的支持基质。支持基质可用于降低CNM纤维中所需的总CNM分数，以赋予来自CNM含量的所需新的或增强的性能，调整CNM纤维的有用性质(例如用于3D打印应用的熔点)，将单根CNM纤维或多根CNM纤维的组分更牢固地粘合在一起，降低成本或增加CNM纤维的可回收性，和/或更好地对齐CNM。在碳烷凝胶或CB中使用掺杂的CNM可以进一步增强由支持基质提供的支持。例如，掺杂有各种金属颗粒的CNM可以充当聚合催化剂并增强有助于形成支持基质的聚合反应。附加地或替代地，掺杂有非金属掺杂剂的CNMS可用于催化有助于形成支持基质的氧化反应和氧介导的聚合反应。附加地或替代地，在碳烷凝胶或CB内采用具有增强的导电性或导热性的CNM也可增强支持基质内的聚合或凝固区域的形成，以协助形成支持基质。

在支持步骤106期间可以使用的进一步添加剂可以为支持基质和/或CNM纤维提供长期有序(就3D结构而言)。进一步的添加剂可以充当催化剂以促进支撑基质的形成。进一步的添加剂还可以提高CNM纤维的柔性或刚性。

所生成的含有CNM产品的碳烷凝胶可以接收在碳烷凝胶处理步骤103中，该步骤包括使碳烷凝胶冷却、从冷却的阴极18剥离或折断碳烷凝胶碎片、压碎碳烷凝胶或其任何组合。或者，在处理步骤103中，含有CNM产品的碳烷凝胶可在仍热时从阴极18中提取并且含有热熔融电解质，然后使热碳烷凝胶经历粉碎或本文所述方法的其它步骤。因此，接收步骤102可以是冷却的固体或热的粘稠的流体碳烷凝胶，其可以已经经过或没有经过进一步处理。

令人惊奇的是，在任选的压缩步骤108期间的压缩压力下，碳烷凝胶颗粒可以聚集以形成连续的片材。多层薄的压碎的碳烷凝胶颗粒或者一层或多层较大的碳烷凝胶颗粒可以经历压缩步骤109以制造CB。如图5的非限制性示例所示，方法100B包括与图3所示的方法100相同的步骤，但添加了在纤维处理步骤108之前或之后进行的压缩步骤109。例如，一层尺寸约为25μm的粉碎碳烷凝胶颗粒将形成大约但小于25μm厚的片材。然而，四层25μm大小的碳烷凝胶颗粒将形成大约但小于100μm厚的片材。类似地，一层100μm大小的碳烷凝胶颗粒将形成大约但小于100μm厚的片材。

压缩碳烷凝胶或CNM纤维的步骤109和任选的施加热步骤107、施加压力步骤109A、允许发生沉降和/或过滤步骤111(例如真空过滤)和对齐步骤113或其任意组合，可以对碳烷凝胶进行多次重复以确保形成所需的CB产品。在各种条件下，施加压力的步骤109A可以包括向碳烷凝胶颗粒施加约1至约1,000psi、约1,000至约2,000psi或高于2,000psi的压力以形成CB产品。可能需要在这些范围的较高端或更高施加压力109A以形成在室温下稳定的CB产品片材。然后，这些稳定的CB产品片材可以经历进一步的加热步骤107，任选地在模具中，以达到足以熔化碳烷凝胶颗粒内和之间的任何残余电解质的温度。熔化任何残留电解质所需的温度将取决于电解质组成。一般来说，碳烷凝胶颗粒倾向于分解，其中碳烷凝胶的至少一部分CNM含量在高于900℃的温度下转化为一氧化碳(CO)。尽管在高CO₂气压存在下，一些CNM结构可以在约1000℃的温度下维持在碳烷凝胶内。例如，纯Li₂CO₃、Na₂CO₃、或K₂CO₃电解质的熔点分别为约723℃、851℃和891℃，而Li₂CO₃和Na₂CO₃的混合物可以在低于约700℃的温度下熔化，并且Li_xNa_yK_zCO₃共晶熔点为399°C。因此，加热步骤107可以在高压CO₂存在下在约0℃至约1000℃的温度范围内进行，或在约15℃至约900℃或约399℃至约850℃的较窄范围内进行。

根据本公开的实施方式，由多个CNM纤维形成CNM纺织品的步骤110A可包含机织、针织、环编、钩编、辫织、编结、丝束展开或其任意组合。形成步骤110A可以采用用相同CNM材料制成的多个CNM纤维、用不同CNM材料制成的不同CNM纤维、用不同CNM材料制成的多个相同或相似的CNM纤维、用相同CNM材料制成的不同CNM纤维、多个CNM纤维和非CNM纤维或其任意组合。

根据本公开的实施方式，处理步骤103可以通过多种方式进行，例如粉碎技术，包括但不限于：研磨；切碎；压制；磨碎；碾磨或其组合。所得碳烷凝胶内的碳烷凝胶材料的颗粒尺寸由粉碎程度决定。与处理步骤103进行较短时间量和/或较低严格性的情况相比，进一步和/或更严格粉碎将导致更小的碳烷凝胶颗粒尺寸，这可以影响聚合物混合物和碳烷凝胶的组合。

在本公开的一些实施方式中，可以通过减少步骤105来降低碳烷凝胶的电解质和/或杂质含量。不受限制，被减少的杂质可包括非石墨碳，例如无定形碳和金属，或其组合。可以通过用化学、机械或电化学方法压制、反应或洗涤碳烷凝胶来从碳烷凝胶中除去一些、大部分、基本上全部或全部电解质和/或杂质。例如，用于减少步骤105的机械方法可以包括向碳烷凝胶施加物理压力以机械地迫使电解质通过分选装置(例如具有特定孔径的网)离开碳烷凝胶。机械方法还可以包括调节温度高于电解质熔点以促进电解质流动和分离。碱金属和碱土金属碳酸盐电解质的熔点范围从熔融共晶三元碳酸锂、钠、钾的低于400℃到碳酸钾的891℃。施加的压力范围可以是0至1000磅每平方英寸(psi)、1000至2000psi、或者2000psi或更大。替代地或附加地，减少105可以包括化学方法，由此将碳烷凝胶暴露于一种或多种化学品以引起反应，从而减少碳烷凝胶的电解质含量。例如，可以使用洗涤液来洗涤碳烷凝胶，其中洗涤液可以溶解来自碳烷凝胶颗粒的一部分残余的或大量的电解质。洗涤液可包括中性pH液体，例如水或水性盐溶液，或可促进熔融电解质溶解的酸性或碱性溶液，例如甲酸或盐酸、或硫酸铵、氧化溶液例如高锰酸盐或过氧化物，或有机溶剂，或其任意组合。除了减少电解质外，洗涤液还可用于溶解来自CNM的杂质，例如无定形碳或金属。在本公开的一些实施方式中，可以通过室温过滤和/或高温过滤来降低碳烷凝胶的电解质含量。用于减少105碳烷凝胶电解质含量的进一步方法包括但不限于：如筛分和过滤等机械方法；电化学方法，例如选择性电解；热方法，例如通过燃烧不太稳定的无定形碳来氧化去除，也可用于去除CNM杂质；或其任意组合。减少碳烷凝胶的电解质含量可以增加碳烷凝胶中CNM的相对比例。在本公开的一些实施方式中，减少碳烷凝胶的电解质和/或杂质含量的步骤105可以对经加工的或未加工的碳烷凝胶进行一次或多次。

实施例1：在纤维、纺织品和面料生产中使用的碳烷凝胶。

图7示出了具有通过洗涤而减少的电解质的碳烷凝胶的示例，并且以x720(上图)和x8600(下图)的两种不同放大倍率示出，如通过扫描电子显微镜SEM测量的。该示例是通过上述CO₂电解制备的CNT碳烷凝胶。图7的碳烷凝胶是在设备10中使用不锈钢箱304用Muntz黄铜阴极和不锈钢304阳极在750℃ Li₂CO₃熔融电解质中制成的，产生CNT碳烷凝胶产品。包含碳烷凝胶的混合CNM的大颗粒尺寸在图7的上图中是明显的。与传统过滤介质的孔隙率相比，这种颗粒尺寸较大，并且可为纳米尺寸CNM的宏观处理提供了不寻常的机会。除了由CO₂而不是高碳足迹反应物形成的优点之外，碳烷凝胶的大颗粒尺寸可以允许碳烷凝胶容易地由微观限制过滤器形成，尽管其中的CNM具有纳米材料尺寸，如图7下图所示。电解之后，通过将图7所示的碳烷凝胶从冷却的阴极剥离并破碎来进行加工。加工后的碳烷凝胶用浓HCl洗涤后如图7的SEM图像所示。CNT的高纯度及其在不同方向范围内的取向在图7中也很明显。通过电子色散光谱(EDS)和热重分析(TGA)测量，用稀HCl进行替代洗涤同样可以洗掉电解质和金属杂质。用水或甲酸或硫酸铵的替代洗涤主要去除了过量的电解质，并且未去除任何金属杂质。另一种替代性的洗涤结合了盐酸和过氧化氢，在这种情况下，超声处理，而不是将碳烷凝胶混合在浓HCl和35％ H₂O₂的溶液中，除去了过量的电解质、金属杂质以及无定形碳杂质。类似地，其它化学氧化剂(例如盐酸和高锰酸钾)在适当稀释后也被观察到是有效的，电化学产生的氧化剂也是如此。根据TGA测量，与碳纳米管相比，无定形碳具有较低的燃烧温度，并且无定形碳比更坚固的石墨纳米碳结构(例如层状石墨烯CNT结构)更容易氧化。因此，可以通过化学氧化、电化学氧化、热氧化或其任何组合来将无定形碳作为杂质去除。作为进一步的示例，在HCl洗涤后将碳烷凝胶加热至300℃降低了碳烷凝胶的杂质含量。通过在杂质减少步骤之后观察到的碳烷凝胶质量减少以及通过TGA和SEM来测量减少的杂质含量。TGA数据表明，HCl和加热减少步骤主要去除了无定形碳杂质，并且SEM分析表明杂质含量降低的碳烷凝胶保留了CNT。

实施例2：用于纤维、纺织品和布料生产的来自真空过滤的碳烷凝胶巴基纸。

图8是根据本公开实施方式的由CO₂制成的碳烷凝胶巴基纸(CB)的第一示例的照片。然后可以将CB卷成纤维和/或纺丝成纤维，或直接使用、或层压成布料。该示例是全黑的；图被调亮以突出对比度。第一CB示例是使用电解将CO₂转化为碳烷凝胶制成的。该碳烷凝胶是在设备10中使用不锈钢箱304用Muntz黄铜阴极和不锈钢304阳极在750℃ Li₂CO₃熔融电解质中制成的，产生CNT碳烷凝胶产品。当阴极改为蒙乃尔合金或Ni合金(包括Inconel、镍铬合金和Ni-铁和Ni-铜合金)并且阳极改为Inconel、镍铬合金和Ni-铁和Ni-铜时，也由CO₂ CNT产品制得了碳烷凝胶。使用盐酸(HCl)洗涤0.2克这种碳烷凝胶产品并将其混入300mL异丙醇中，然后超声处理30分钟以均匀分散。然后，将混合物倒入真空过滤器装配(尼龙膜过滤器；0.2μm孔径，47mm直径)中，并在真空下抽出液体，发现各种过滤器孔径和溶剂都可以有效地以这种方式从转化为碳烷凝胶的CO₂形成巴基纸。CNT在形成CB中具有混合取向，或者在液体(醇)去除阶段施加机械力、电场或磁场时对齐。一旦所有明显的醇通过过滤器，取出过滤器并在室温下干燥过夜。将所得的CB从尼龙膜过滤器上取出并且具有180μm的厚度。

实施例3：用于纤维、纺织品和布料生产的来自压缩的碳烷凝胶巴基纸。

图9是由CO₂制得的CB的第二示例的照片。该示例的颜色为全黑色；图被调亮以突出对比度。图9CB示例是由如上一实施例所述的转化为碳烷凝胶的CO₂制得的，但代替化学洗涤，通过压缩减少了碳烷凝胶的电解质含量。具体来说，在阴极处生成碳烷凝胶，然后在热且含有固体CNM和熔融电解质的情况下将其压缩通过网或网层。使用在750℃下的500psi压力来生产图9中的CB。在1000psi或更高的施加压力下产生了类似但较薄的CB，而在小于500psi的施加压力下产生较厚的CB。图9所示的CB的直径约为350mm，并且在500psi的施加压力下也制得了大约2倍。还将碳烷凝胶直接压缩在热阴极上(在从箱中取出后)，或者如本实施例所示，在从阴极转移之后进行压缩。碳烷凝胶可以在热时转移，或者如本实施例所示，在从阴极转移之后进行加工(例如冷却、剥离、压碎和再加热以将电解质重新熔化在碳烷凝胶内)之后转移。压缩中使用的筛网网孔尺寸以线/英寸为单位测量，网孔尺寸为2至100线/英寸，或网孔尺寸为100至1,000线/英寸，或网孔尺寸高于1,00线/英寸，以减少产品中的电解质。网孔尺寸约60，孔径约为250μm，以及各种较大尺寸均特别有效。请注意，250μm孔径远大于CB内CNM的纳米材料尺寸。不受任何理论的束缚，CO₂转化的巴基纸是在压缩过程中形成的，因为碳烷凝胶中较大尺寸的混合的CNM被网保留，而电解质穿过网。所得CB的厚度与碳烷凝胶的起始质量成线性正比，并且与所施加的压力大致成反比。

实施例4：用于纤维、纺织品和布料生产的具有增加拉伸强度的环氧树脂-CNM碳烷凝胶混合物。

图10示出了具有和不具有添加的根据本公开实施方式由CO₂制得的碳烷凝胶的环氧树脂的示例的照片。图10还示出了具有和不具有添加的由CO₂制得的碳烷凝胶的环氧树脂的拉伸强度数据。然后可以将环氧树脂-CNM卷成和/或纺丝成纤维，或直接使用，或层压成布料。例如，与碳烷凝胶混合的环氧树脂可以形成CNM聚合物纤维或聚合物-CNM片材。图4的上图示出了未使用根据本公开的实施方式的碳烷凝胶制得的三个制品(左手侧的三个狗骨形制品)和用碳烷凝胶制成的三个制品，碳烷凝胶制品(右手侧的三个狗骨形制品)。碳烷凝胶制品是全黑的，照片被调亮以突出对比度。用于制造碳烷凝胶制品的碳烷凝胶是使用如本文所述的电解工艺将CO₂转化为碳烷凝胶来制造的。该碳烷凝胶是在设备10中使用不锈钢箱304用Muntz黄铜阴极和不锈钢304阳极在750℃ Li₂CO₃熔融电解质中制造的，产生CNT碳烷凝胶产品。当阴极改为蒙乃尔合金或Ni合金(包括Inconel、镍铬合金和Ni-铁和Ni-铜合金)并且阳极改为Inconel、镍铬合金和Ni-铁和Ni-铜时，也由CO₂制得碳烷凝胶以制造碳纳米管碳烷凝胶产品。用盐酸(HCl)洗涤该碳烷凝胶产品。分别在60℃的真空室内将约4份Metlab M135树脂和约1份Metlab M135硬化剂脱气。然后，将所需的按重量计0％、0.05％、0.1％、0.25％或0.5％的减少了电解质且含有纯化的CNT的碳烷凝胶(与树脂和硬化剂的总重量相比)添加到树脂中，然后在65rpm下混合4分钟，然后超声处理15分钟。超声处理后，加入硬化剂，在65rpm下混合4分钟，然后脱气。样品在传统的“狗骨”模具中在60℃下固化，然后取出进行拉伸强度测试。图4的上图在左上方显示了不具有添加的碳烷凝胶的三个固化对照样品，并且在右上方显示了具有0.5wt％碳烷凝胶的三个固化样品。使用ETM-10kN计算机控制电子万能试验生产机测量了相对于对照样品的拉伸强度。图4的下图显示了与未添加碳烷凝胶的制品的拉伸强度相比，观察到的拉伸强度的增加。图4的下图显示，具有0.05、0.1、0.25和0.5％wt％碳烷凝胶的样品分别表现出测得的拉伸强度相对增加4、15、21和33％。虽然该实施例4描述了“狗骨”形状的制品，但应当理解的是，作为聚合物-CNM混合物的非限制性示例的CNM和环氧树脂材料可以用作纤维处理步骤108的输入以制造CNM聚合物纤维。然而，聚合物-CNM混合物还可以经历进一步的处理步骤以制造片材状制品，可称为不是由多个CNM纤维制成的CNM纺织品。

实施例5：通过聚合形成纤维、纺织品和布料的碳烷凝胶PLA聚合物-CNT形成条件。

本公开的一些实施方式涉及用于制备聚合物-CNT混合物的方法，其中聚合物混合物包含PLA。然后可以将聚合物-CNM混合物加工成包括但不限于CNM纤维和/或CNM纺织品的材料。在此方法中，通过粉碎对碳烷凝胶进行加工以形成在聚合步骤之前添加的碳烷凝胶颗粒，然后继续形成聚乳酸(PLA)聚合物与粉碎的碳烷凝胶的混合物。PLA的常规聚合制备通过以下两种途径之一进行：缩合(也称为直接)聚合或开环缩合聚合(也称为开环)。例如，可以单独或在催化剂存在下加热乳酸水溶液并抽真空以除去水。一旦反应完成或接近完成，液体PLA(在约130-180℃下熔化)就可以倒出或作为固体储存以供以后使用。任一PLA制备途径均可为PLA形成提供粉碎碳烷凝胶起始、和/或传播和/或终止阶段，例如添加(粉碎碳烷凝胶的)CNM以形成PLA-CNM混合物。

CNT是已知最强的材料，并且与单独的PLA相比，它大大增强了PLA-CNT混合物的强度，并且这种聚合物-CNT混合物为更强的纤维和纺织品提供了聚合物基础。一般来说，CNT在聚合之前未添加到热塑性塑料中，而是随超声处理添加和/或溶解的热塑性溶剂混合物中，以允许CNT均匀分散，或者在挤出之前的熔融过程中通过充分混合添加。相反，并且作为该实施方式的一个示例，CNT以与PLA相容的粉碎的聚羧酸盐和聚羧酸盐一起添加。水性聚羧酸盐超增塑剂，包括但不限于各种超增塑剂(例如，可从Adva、Plastol和BASF商购获得的那些以及其它增塑剂)是优异的碳烷凝胶CNM分散剂，通过常规混合而不是超声处理，可产生粉碎的碳烷凝胶/聚羧酸盐在PLA聚合物混合物中的基本上均匀的分散体。因此，在PLA聚合之前添加粉碎的碳烷凝胶和聚羧酸盐并且不进行浪费能量的超声处理，可以在整个PLA形成过程的早期和整个过程中提供分散的CNM。在本公开的一些实施方式中，在聚合过程之后添加粉碎的碳烷凝胶和/或聚羧酸盐，然后使PLA聚合物、粉碎的碳烷凝胶和/或聚羧酸盐经历挤出过程以提供CNM遍布整个PLA聚合物的基本均匀分散体。

因此，本公开的一些实施方式涉一种及制造CNM纤维的进一步方法300(参见图11A)，该方法包含由聚合物混合物和加工的碳烷凝胶形成聚合物-CNM混合物的步骤302，其中该聚合物混合物包含一种或多种聚合物和/或聚合物前体，然后进行挤出混合物的步骤304以形成其中具有基本上均匀的CNM分散体的CNM聚合物纤维。在一些实施方式中，该方法进一步包含在挤出步骤304之前添加306CNM分散剂并回收306挤出的CNM纤维产品的任选步骤。然后，回收的挤出CNM纤维可以经历形成CNM纺织品的步骤110A。在本公开的一些实施方式中，挤出产品可能需要纤维处理步骤以在形成步骤110A之前制造CNM纤维。

实施例6：通过挤出形成纤维、纺织品和布料的碳烷凝胶PLA聚合物-CNT形成条件。

在本公开的另一个实施方式中，在聚合物挤出步骤期间，使用粉碎的碳烷凝胶颗粒代替常规分散的CNM来制备聚合物-CNM混合物。挤出可以利用加工过的碳烷凝胶与固体聚合物或熔融聚合物的共混物。该实施方式与PLA-CNT混合物制备的常规方法进行了比较。在常规方式中，将0、2、4、6或8wt％的CNM CNT通过与PLA颗粒共混8小时来混合。在这种介质中，未使用液体来传递声能的超声处理是不可能的。尽管缺乏超声处理，但通过延长混合时间的共混是实现均匀分散的尝试。已知的挤出工艺使用双螺杆挤出机，随后使用单螺杆挤出机，温度从165℃升高到220℃，以形成用于测试的已知的PLA/CNT混合物。添加6wt％CNT表现出最大的强度增加。与含有0％ CNT的PLA相比，6wt％PLA/CNT混合物的拉伸强度增加了64％，并且弯曲强度增加了29％。在本公开的该实施方式中，代替常规的CNT，在共混挤出期间将加工过的碳烷凝胶与PLA一起添加。因此，使用基本上相同量的CNT负载，使用低得多的共混时间，例如小于1小时，可以实现可比的PLA-CNT强度增加。将熔融聚合物与根据本公开实施方式的碳烷凝胶混合导致相关储能模量的显著增加。

因此，本公开的一些实施方式涉及一种制造CNM纤维的进一步方法400(参见图11B)，该方法400包含粉碎碳烷凝胶的步骤402，将粉碎的碳烷凝胶与聚合物(固体聚合物或聚合物熔体)混合的步骤404，挤出压碎的碳烷凝胶和聚合物的混合物的步骤406，回收挤出的CNM纤维的步骤408和由挤出的CNM纤维形成CNM纺织品的步骤110A。在本公开的一些实施方式中，挤出产品可能需要在形成步骤110A之前进行纤维处理步骤以制造CNM纤维。

实施例7：聚合物-CNM单独混合以及与纤维、纺织品和布料的交替层结合。

聚合物-CNM混合物可以单独用于材料或产品中，例如平面衬里、阻热剂或热屏蔽中。聚合物-CNM混合物还可以与不是由聚合物-CNM混合物制成的另一种材料组合使用，例如但不限于层压材料，其中聚合物-CNM混合物赋予那些其它材料新的或改进的性能。例如，聚合物-CNM混合物及其复合材料在各种活化条件(例如热活化、机械活化、电活化、磁活化、光活化或化学活化)下表现出形状记忆性质。该形状记忆性质可以并入聚合物-CNM混合物、由其制成的材料或产品以及通过将聚合物-CNM混合物(或其材料或产品)与另一种材料组合而制成的材料或产品。请注意，除了形状记忆性质外，当使用环氧树脂作为聚合物-NCM混合物中的聚合物时，拉伸强度可能会增加高达184％，并且冲击强度可能会增加高达444％。当CNM包含多壁CNT时，添加0.1至1wt％，多壁CNT是通过选择电解过程的操作条件而产生的。此外，当选择电解过程的操作条件以增加CNM内卷绕CNT的相对量时，可能会增强弹簧效应。也可以通过如上所述通过对齐将各向异性性质并入聚合物-CNM混合物中来促进这些形状记忆性质。CNM(例如石墨烯)的导电性和导热性可能表现出优越的性能，以便其应用作为聚合物加热元件或散热器。结合形状记忆性质和加热元件行为可以单独使用或者与另一种材料层组合使用。

实施例8：通过挤出制备的碳烷凝胶纤维。

图12显示了由两种类型的聚合物PLA或丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)制成的碳烷凝胶纤维的照片。图10的上图显示了在聚合物与碳烷凝胶混合之后通过挤出压出的长细丝，例如通过方法300。用于制造碳烷凝胶制品的碳烷凝胶是使用如本文所述的电解工艺来制造的，以将CO₂转化为碳烷凝胶。碳烷凝胶是在设备10中使用不锈钢箱304用Muntz黄铜阴极和不锈钢304阳极在750℃ Li₂CO₃熔融电解质中制造的，产生CNT碳烷凝胶产品。当阴极改为蒙乃尔合金或Ni合金(包括Inconel、镍铬合金和Ni-铁和Ni-铜合金)并且阳极改为Inconel、镍铬合金和Ni-铁和Ni-铜合金时，也由CO₂制得碳烷凝胶，以制造CNT碳烷凝胶产品。用盐酸(HCl)洗涤该碳烷凝胶产品。通过与聚合物共混来混合0、1、3或5wt％的碳烷凝胶。挤出过程使用Felfil Evo细丝挤出机，温度从165℃增加至220℃，形成碳烷凝胶聚合物混合物，通过细丝喷嘴挤出以进行冷却、硬化和纤维收集。图11上图示出了切割的碳烷凝胶-PLA加纤维，并且图11的下图示出了具有0、1、3或5wt％CNT碳烷凝胶的碳烷凝胶-ABS纤维。

根据本公开的实施方式制得的任何聚合物-CNM混合物可用于形成CNM纺织品的方法500中，该方法500包括接收碳烷凝胶(经加工的和/或电解质/杂质减少的和/或压缩的或未压缩的)的步骤502，制造聚合物-CNM混合物的步骤504和形成CNM纺织品的步骤506。制造步骤504可包括在聚合聚合物混合物的步骤之前、之后或期间挤出所述聚合物混合物(其可包括预聚物)和碳烷凝胶(经加工的和/或电解质/杂质减少的和/或压缩的或未压缩的)的步骤。形成纺织品的步骤506可包括压制、挤压、滚压、加热、挤出、添加溶剂、添加增塑剂或其任意组合以形成可用作CNM纺织品的CNM聚合物片材。

不受任何特定理论的束缚，本公开的CNM纤维可用于材料和产品应用，例如但不限于：衬里、阻热剂或屏蔽。然而，根据本公开的实施方式，CNM纤维、材料和由其制成的产品也可用作复合材料中的组分，该复合材料例如但不限于掺入了至少一层由CNM纤维(无论是否包括聚合的支持基质)与其它非CNM材料制成的层的层压材料，以赋予那些其它非CNM材料改进的性能。

此外，由CNM纤维、CNM纺织品和由此类CNM纤维制成的复合材料所制得的材料和/或产品可以在热、机械、电、磁、光或化学活化条件下表现出形状记忆性质，并且可以将这些性质赋予给掺入了(通过浸渍了或强化有或以其它方式整合了)此类CNM纤维和CNM纺织品的材料或产品。如上所述，通过在CNM纤维和CNM纺织品中掺入各向异性性质来促进这种形状记忆效应。除了本文描述的应用之外，由本公开的CNM纤维和CNM纺织品制成的形状记忆纳米复合材料可用于制造人造肌肉。此外，当用于加热元件或散热器应用时，CNM-聚合物产品的导电性和导热性可以提供优异的性能。

由本公开的CNM纤维和CNM纺织品制得的材料和产品的其它应用可以利用由碳烷凝胶和/或CB赋予的优异CNM性能，所述应用包括但不限于：(i)用于高速、安全和快速变化的轻质工具应用；(ii)更坚硬以便更好地钻孔、冲击和/或锯切的工具；(iii)具有更好热管理的工具；(iv)超强、可折叠材料；(v)CO₂的一般隔离；(vi)超轻、超吸水海绵；(vii)作为包含在复合材料中的预制层压片材；(viii)用于弹道或电磁场(EMF)屏蔽；(ix)降落伞和拖拽增强器；(x)用于纺织品/织物的可针织/可缝纫聚合物；或(xi)用于3D制造或打印的纤维/细丝。

使用根据本公开实施方式的CNM纤维制造的材料和产品的其它用途包括结合了两种或更多种基于CNM的优异性质的优点的产品，例如：提供双重用途的结构材料，附加地减轻重量、材料成本/使用和/或增加了容量。这种双重用途的一些非限制性示例包括：(i)将强度性质用于结构目的并使用电能存储特性；(ii)将强度性质用于结构目的结构和使用热能储存特性；(iii)将强度性质用于结构目的，用作电气导管或电线；(iv)将强度性质用于结构目的，并用作传感器来收集实时应变或安全数据以评估材料的性能；(v)将强度性质用于结构目的并用作催化剂；(vi)将强度性质用于结构目的并用作热导管，或其任何组合。此外，存在使用根据本公开实施方式的CNM纤维和CNM纺织品制成的材料和产品用来增加安全性的应用和用途，通过用在用于分散高热的热分散构件中，例如用在关注火灾的应用中。

根据本公开的实施方式制造的CNM纤维可以由一种或多种CNM纤维类型组成并且可以形成为CNM纺织品。不同的编织图案和纤维类型可能会导致整个CNM纺织品被赋予有不同的性质，例如具有接缝以防止或促进在某些区域和沿特定方向折叠。

CNM纺织品可以含有来自纤维制造阶段的液体，或者可以在该阶段之后添加液体，可以保留或除去液体，以便在形成CNM纺织品的步骤期间、在聚合物的CNM纺织品制造之后更容易处理，和/或提供其它性质，包括但不限于：增强的电存储和热电效应。

碳烷凝胶改进的纺织品用途的示例包括但不限于自清洁纺织品；安全服装，因为它们更耐用，热芯吸、抗冲击和安全性更好。这包括但不限于为建筑工人提供更好的不易撕裂的服装，防弹背心，太空服，更轻、更坚固的降落伞，过滤器，用于滑轮和其它机械应用的绳索和电缆，充气结构例如充气船、房屋、自动操作装置，用于时尚和服装的纺织品，包括更强、更轻、更坚韧、自清洁、可切换颜色或电子增强服装，包括用于监测健康、空气质量或控制外部设备或维持布料通风水平的服装，具有过滤空气、水的催化性能的纺织品，包括那些具有自清洁反应、过滤空气的纺织品，以及具有形状记忆性能的纺织品。

Claims

1.一种用于制备碳纳米材料(CNM)纤维的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)接收包含CNM产品和电解质的碳烷凝胶产品；

(b)将接收的碳烷凝胶放置在容器中；

(c)将所述碳烷凝胶加工成CNM纤维；以及

(d)回收所述CNM纤维。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括由所述CNM纤维形成碳纳米材料(CNM)纺织品的步骤。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述形成步骤包括机织、针织、环编、钩编、辫织、编结、丝束展开或其任意组合。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述CNM纤维包括多个CNM纤维，其为：由相同CNM材料制成的多个相同或相似的CNM纤维、由不同CNM材料制成的不同CNM纤维、由不同CNM材料制成的多个相同或相似的CNM纤维、由相同CNM材料制成的不同CNM纤维及其任意组合。

5.根据权利要求2所述的方法，其中，所述形成步骤进一步包括使用非CNM纤维。

6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括压缩所述碳烷凝胶、所述CNM纤维或两者的步骤。

7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括减少所述碳烷凝胶的电解质含量的步骤。

8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括向所述碳烷凝胶产品、所述CNM纤维或两者施加对齐力的步骤。

9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括支持所述加工步骤的步骤。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述支持步骤包括添加添加剂、选择所述CNM的形态、选择所述CNM的新的或增强的性质、聚合所述添加剂及其任意组合。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述纤维加工步骤包括所述碳烷凝胶的纺丝、拉伸或两者。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述纺丝包括干纺丝、熔体纺丝、挤出纺丝、溶液纺丝、反应纺丝或其任意组合。

13.根据权利要求1所述的方法，进一步包括通过用于分解二氧化碳(CO₂)的熔融电解过程生成所述碳烷凝胶产品的步骤。

14.根据权利要求1所述的方法，进一步包括加工所述碳烷凝胶产品的步骤。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述加工步骤包括研磨、切碎、压制、磨碎、碾磨、压碎或其组合。

16.根据权利要求1所述的方法，进一步包括减少所述碳烷凝胶产品的电解质含量的步骤。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述减少步骤包括压制、反应、洗涤、过滤及其任意组合。

18.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在接收所述碳烷凝胶产品的步骤之后施加热量的步骤，其中，所述热量在约0℃与约1000℃之间，或在约15℃与约900℃之间，或在约399℃与约850℃之间。

19.根据权利要求1所述的方法，进一步包括向低密度CNM聚集体施加对齐力的步骤。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述对齐力由机械力、化学反应、电流、施加磁场或其组合引起。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述对齐力是径向几何形状、圆柱形几何形状、球形几何形状或用以产生线性、径向、圆柱形、球形或其它方向几何形状的其它几何形状，从而在所述CNM纤维中产生一种或多种各向异性特性。

22.根据权利要求20所述的方法，其中，所述施加对齐力的步骤发生在牵伸步骤、拉伸步骤或所述纺丝步骤期间。

23.根据权利要求1所述的方法，进一步包括施加空隙填充剂的步骤，以部分或基本上完全填充所述碳烷凝胶、所述CNM纤维、由所述CNM纤维制成的CNM纺织品及其任何组合中的空隙。

24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述空隙填充剂为强化剂、液体、催化剂、掺杂剂、磁性材料、药物、电磁力屏蔽增强剂或其组合。

25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述强化剂包括热固性塑料、热塑性塑料、环氧树脂、树脂、其它聚合物、水泥质材料、金属或其组合。

26.根据权利要求24所述的方法，其中，所述催化剂包括用于以下目的的材料：加速化学反应或电化学反应；促进CNM/聚合物相互作用；促进聚合；或其组合。

27.根据权利要求24所述的方法，其中，所述掺杂剂能包括硼、氮、硫和磷、钴、铝、硅、铈、铂、金、钌、锇、碲、钨、各自的氧化物、各自的盐或其组合。

28.根据权利要求24所述的方法，其中，所述磁性材料是铁、镍、钴、钆、钐、钕、钢、各自的碳化物、包括一种或多种具有铁磁性质、顺磁性质、抗磁性质的磁性材料的其它合金或其组合。

29.根据权利要求23所述的方法，其中，所述空隙填充剂是促进或优化以下各项的材料：静电纺丝过程、所述CNM纤维或所述CNM纺织品的摩擦学性质、所述CNM纤维或所述CNM纺织品的流动性质、催化聚合反应、缩合反应、对齐所述CNM纤维或其中的CNM、支持或保护所述CNM纤维或其中的所述CNM及其任意组合。

30.根据权利要求23所述的方法，其中，所述空隙填充剂使所述CNM在所述CNM纤维内对齐、缩合所述CNM纤维、充当催化剂及其任意组合。

31.据权利要求1所述的方法，其中，所述碳烷凝胶是所述CNM纤维的多数组分。

32.根据权利要求1所述的方法，其中，所述碳烷凝胶是所述CNM纤维的少数组分。

33.根据权利要求1所述的方法，其中，所形成的预纺和拉伸材料中的空隙部分地或完全地填充有CNM帮助对齐、缩合或通过缩合或催化以其它方式改变最终产品形式的材料。

34.根据权利要求1所述的方法，进一步包括制备CNM纺织品的步骤，其通过交错多个纤维、针织多个纤维、钩编多个纤维、粘合多个纤维、机织多个纤维、对齐多个纤维、密集堆积多个纤维、拉伸多个纤维、挤压多个纤维、压平多个纤维、铺展多个纤维、生产具有比输入纤维的跨度更宽的材料的另一种方法或其任意组合，以将CNM纤维组合到所述CNM纺织品中。

35.根据权利要求2所述的方法，其中，所述CNM纺织品包括能在所述形成步骤期间保留或去除的液体，以允许在所述形成步骤期间、在纺织品聚合后期间更容易处理。

36.一种用于制造CNM纤维的系统，所述系统包括：

(a)用于进行电解过程的设备，所述电解过程在熔融电解质内分解二氧化碳(CO₂)以产生碳烷凝胶，其中，所述碳烷凝胶包括碳纳米材料(CNM)和电解质；

(b)用于接收所述碳烷凝胶的容器；和

(c)纤维处理单元。

37.根据权利要求30所述的系统，进一步包括纺织品形成单元。

38.根据权利要求30所述的系统，进一步包括压缩单元。

39.根据权利要求30所述的系统，进一步包括处理单元。

40.根据权利要求35所述的系统，进一步包括电解质减少单元。

41.根据权利要求35所述的系统，进一步包括对齐单元。

42.根据权利要求35所述的系统，进一步包括隔离单元。

43.一种碳纳米材料(CNM)纤维，包括：

(a)碳纳米材料；和

(b)电解质。

44.根据权利要求43所述的CNM纤维，进一步包括由第一CNM制成的第一层和由第二CNM制成的第二层。

45.根据权利要求44所述的CNM纤维，其中，所述第一层在所述第二层的内部。

46.根据权利要求45所述的CNM纤维，其中，所述第一CNM具有更大相对量的与所述第二CNM的最大相对形态不同的所需形态；所述第一CNM和第二CNM中的一个或两者掺杂有相同的掺杂剂或不同的掺杂剂；所述第一CNM和第二CNM中的一个或两者是磁性的，并且如果两者都是磁性的，则它们可以具有相同或不同的磁性性质；所述第一CNM比所述第二CNM相对更强，或反之亦然；所述第一CNM比所述第二CNM相对更柔韧，或反之亦然；所述第一CNM具有比所述第二CNM更大的电导性，或反之亦然；所述第一CNM具有比所述第二CNM更大的导热性，或反之亦然；所述第一CNM具有比所述第二CNM更好的热绝缘体性质，或反之亦然，及其任意组合。

47.根据权利要求43所述的CNM纤维，其中，所述CNM纤维是活化的形状记忆材料或人造肌肉。

48.根据权利要求47所述的CNM纤维，其中，所述活化的形状记忆材料的形状记忆性质是机械活化的、热活化的、电活化的、磁活化的、化学活化的及其任意组合。

49.根据权利要求43所述的CNM纤维，进一步包含聚合物。

50.一种碳纳米材料(CNM)纺织品，包含：

(a)CNM；和

(b)电解质。

51.根据权利要求50所述的CNM纺织品，进一步包含多个CNM纤维作为所述CNM和所述电解质的至少一种来源。

52.根据权利要求51所述的CNM纺织品，进一步包含多个非CNM纤维。

53.根据权利要求50或51所述的CNM纺织品，进一步包含聚合物。

54.根据权利要求51所述的CNM纺织品，进一步包含赋予增强的电存储性质和/或增强的热电性质的液体。

55.根据权利要求51所述的CNM纺织品，其中，所述CNM纺织品包含编织的CNM纤维。

56.根据权利要求50所述的CNM纺织品，其中，所述CNM纺织品提供以下优点：更容易运输、更容易处理、改进的强度、传导性、EMF屏蔽、形状控制、柔性、重量更轻、更适合、可折叠及其任意组合。

57.根据权利要求50所述的CNM纺织品，其中，与由非CNM纤维制成的类似纺织品相比，所述CNM纺织品具有改进的弹性性质。

58.根据权利要求50所述的CNM纺织品，其中，与由非CNM纤维制成的类似纺织品相比，所述CNM纺织品具有改进的增强的热性质、机械性质和电性质。

59.根据权利要求50所述的CNM纺织品，其中，与由非CNM纤维制成的类似纺织品相比，所述CNM纺织品具有改进的自清洁性质、化学疏性(包括水)和电性质。

60.根据权利要求43所述的CNM纤维或根据权利要求50所述的CNM纺织品，其中，所述CNM纤维包括超高强度性质、高导电性性质、高导热性性质、高电池储能性质、燃料存储容量性质、高电容器充电容量性质、电磁辐射屏蔽性质、有效药物递送性质、治疗性质、减少的摩擦性质、高表面积性质、弹性性质、柔性性质、手性光吸收性质、手性发光性质、手性催化性质、催化性质及其任意组合。

61.根据权利要求43所述的CNM纤维或根据权利要求50所述的CNM纺织品在材料或产品应用中的用途，用于通过减少制造所述材料或产品所需的输入材料的量来提高环境可持续性，强化所述材料或产品，增加所述材料或产品的导电性，通过增强的化学耐久性、机械耐久性、光耐久性、热耐久性来延长所述材料或产品的寿命及其任意组合。

62.根据权利要求43所述的CNM纤维或根据权利要求50所述的CNM纺织品用于制备充当碳封存储库的材料或产品应用的用途。

63.根据权利要求43所述的CNM纤维或根据权利要求50所述的CNM纺织品在用于以下各项的材料或产品应用中的用途：(i)用于高速、安全和快速变化的轻质工具应用；(ii)用于钻孔、冲击和/或锯切的工具；(iii)具有增强的导热性或增强的隔热性的工具；(iv)超强、可折叠的材料；(v)封存二氧化碳；(vi)超轻、超吸水海绵；(vii)作为包括在复合材料中的预成型层压片材；(viii)用于弹道或电磁场(EMF)屏蔽；(ix)降落伞或拖拽增强器；(x)用于制造纺织品的可针织/可缝合聚合物；(xi)用于3维制造或印刷的纤维或细丝及其任何组合。

64.根据权利要求43所述的CNM纤维或根据权利要求50所述的CNM纺织品在用于以下各项的材料或产品应用中的双重用途：(i)用于结构目的的强度性质和电能存储性质；(ii)用于结构目的的强度性质和热能储存性质；(iii)用于结构目的的强度性质和作为电气导管或电线；(iv)用于结构目的的强度性质和作为采集实时应变或安全数据以评估材料性能的传感器；(v)用于结构目的的强度性质和作为催化剂；(vi)用于结构目的的强度性质和作为热导管及其任意组合。

65.根据权利要求50所述的CNM纺织品用于制造充气结构的用途，所述充气结构包括但不限于建筑物、船只和自动操作装置。

66.根据权利要求50所述的CNM纺织品的用途，其中，所述纺织品用于过滤应用。

67.根据权利要求50所述的CNM纺织品的用途，其中，所述纺织品用作传感器。

68.根据权利要求50所述的CNM纺织品的用途，其中，所述纺织品用于催化过程。

69.一种制造CNM纺织品的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)接收碳烷凝胶；

(b)制备聚合物-CNM混合物；以及

(c)形成所述CNM纺织品。