ES2683744T3

ES2683744T3 - Aparato y método para formación y recolección de hojas no tejidas nanofibrosas

Info

Publication number: ES2683744T3
Application number: ES14193087.5T
Authority: ES
Inventors: David S Lashmore; Joseph J Brown; Jared K Chaffee; Bruce Resnicoff; Peter Antoinette
Original assignee: Nanocomp Technologies Inc
Current assignee: Nanocomp Technologies Inc
Priority date: 2005-07-28
Filing date: 2006-07-17
Publication date: 2018-09-27
Anticipated expiration: 2026-07-17
Also published as: US7993620B2; US20150176163A1; WO2008036068A9; CA2897320A1; US10029442B2; EP2860153A2; CA2616151C; EP2860153B1; EP2365117B1; AU2006345024B2; WO2008036068A3; US20110316183A1; US8999285B2; AU2006345024A1; WO2008036068A2; US20160250823A1; CA2850951A1; EP2365117A1; EP1926846A4; AU2006345024C1

Abstract

Un sistema (10) para formar un hilo nanofibroso (15), el sistema comprende: un alojamiento (12) que tiene una entrada (13) para acoplar una cámara de síntesis independiente (11) dentro de la que se producen nanotubos (113); un husillo (14) que tiene un extremo de admisión (141), un extremo de salida opuesto (143), y una senda (142) entre los mismos, el husillo (14) se extiende desde dentro del alojamiento (12), cruzando la entrada (13) y adentro de la cámara (11) para recoger los nanotubos (113) a través del extremo de admisión (131) y posteriormente retorcer los nanotubos hasta un hilo nanofibroso (15); un carrete (17) posicionado dentro del alojamiento (12) y aguas abajo del husillo (14) para devanar sobre el mismo el hilo (15) desde el husillo (14); un sistema de sensor diseñado para proporcionar datos de retroinformación para controlar una tasa de giro del husillo (14) y el carrete (17), para evitar comprometer la integridad del hilo (15) conforme está siendo devanado alrededor del carrete (17).

Description

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DESCRIPCION

Aparato y metodo para formacion y recoleccion de hojas no tejidas nanofibrosas Campo tecnico

La presente invencion esta relacionada con sistemas para formacion y recoleccion de materiales nanofibrosos, y mas particularmente con la formacion de hilos y hojas no tejidas a partir de nanotubos, nanoalambres u otras estructuras filamentosas que tienen dimensiones de nanoescala.

Antecedentes de la tecnica

Se conoce que los nanotubos de carbono tienen extraordinaria resistencia a la traccion, incluido alto alargamiento hasta el fallo y modulo de traccion relativamente alto. Los nanotubos de carbono tambien pueden ser sumamente resistentes a fatiga, dano por radiacion y calor. Con este fin, la adicion de nanotubos de carbono a materiales composite puede aumentar la resistencia a la traccion y la tiesura de los materiales composite.

En los ultimos quince (15) anos, como las propiedades de los nanotubos de carbono se han entendido mejor, el interes en nanotubos de carbono ha aumentado enormemente dentro y fuera de la comunidad de investigacion. Una clave para hacer uso de estas propiedades es la smtesis de nanotubos en suficientes cantidades para que se desplieguen ampliamente. Por ejemplo, pueden ser necesarias grandes cantidades de nanotubos de carbono si van a ser usadas como componentes de alta fortaleza de composites en estructuras a macroescala (es decir, estructuras que tienen dimensiones mayores de 1 cm.)

Una ruta comun a smtesis de nanotubos puede ser mediante el uso de pirolisis en fase gaseosa, tal como la empleada en conexion con deposicion qmmica de vapor. En este proceso, se puede formar un nanotubo a partir de la superficie de una nanopartmula catalftica. Espedficamente, la nanopartmula catalftica puede ser expuesta a una mezcla de gases que contiene compuestos de carbono que sirven como materia prima para la generacion de un nanotubo desde la superficie de la nanopartmula.

Recientemente, una ruta prometedora para la produccion de alto volumen de nanotubos ha sido emplear un sistema de deposicion qmmica de vapor que hace crecer nanotubos a partir de partmulas de catalizador que “flotan” en el gas de reaccion. Un sistema de este tipo ftpicamente hace discurrir una mezcla de gases de reaccion a traves de una camara calentada dentro de la que se pueden generar los nanotubos a partir de nanopartmulas que han sido precipitadas desde el gas de reaccion. Puede ser posibles otras numerosas variaciones, incluidas donde las partmulas de catalizador pueden ser presuministradas.

En casos donde pueden ser generados grandes volumenes de nanotubos de carbono, sin embargo, los nanotubos pueden conectarse a las paredes de una camara de reaccion, dando como resultado el bloqueo de nanomateriales que salen de la camara. Ademas, estos bloqueos pueden inducir un acumulo de presion en la camara de reaccion, que puede dar como resultado la modificacion de la reaccion cinetica global. Una modificacion de la cinetica puede llevar a la reduccion de la uniformidad del material producido.

Una preocupacion adicional con los nanomateriales puede ser que tienen que se manejados y procesados sin generar grandes cantidades de particulados en el aire, dado que los peligros asociados con materiales a nanoescala todavfa no se entienden bien.

El procesamiento de nanotubos o materiales a nanoescala para aplicaciones a macroescala ha aumentado constantemente en anos recientes. El uso de materiales a nanoescala en fibras textiles y materiales relacionados ha estado aumentando. En la tecnica textil, a las fibras que son de longitud fija y que han sido procesadas en gran masa se les puede hacer referencia como fibras cortadas. La tecnologfa para manejar fibras cortadas, tales como lino, lana y algodon se ha establecido hace tiempo. Para hacer uso de fibras cortadas en telas u otros elementos estructurales, las fibras cortadas pueden ser formadas primero hasta estructuras voluminosas tales como hilos, estopas u hojas, que luego pueden ser procesadas hasta los materiales apropiados.

Nanotubos largos, que pueden tener dimensiones de 20 nm o menos de diametro y 10 micrometres o mas de longitud, pueden tener relaciones de aspecto relativamente altas. Estas fibras de nanotubo, cuando son producidas en grandes cantidades a partir de, por ejemplo, deposicion qmmica de vapor, pueden ser usadas como nueva fuente de fibras cortadas a pesar de ser mas pequenas que la mayona de otras fibras cortadas textiles.

Por consiguiente, sena deseable proporcionar un sistema y un planteamiento para recoger y manejar nanotubos sintetizados que pueda minimizar la generacion particulados en el aire, y de manera tal que se permita el procesamiento de los nanotubos hasta un material fibroso de alta fortaleza para subsiguiente incorporacion a diversas aplicaciones, estructuras o de otro modo.

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Compendio de la invencion

La presente invencion, en una realizacion, proporciona un sistema para formar materiales nanofibrosos, tales como hilo. El sistema incluye un alojamiento que tiene una entrada para acoplar una camara de smtesis independiente dentro de la que pueden producirse nanotubos. El sistema tambien incluye un husillo que tiene un extremo de admision, un extremo de salida opuesto y una senda entre los mismos. En una realizacion, el husillo se extiende desde dentro del alojamiento, cruzando la entrada y adentro de la camara para recoger los nanotubos a traves del extremo de admision y para posteriormente retorcer los nanotubos hasta un hilo nanofibroso. El sistema incluye ademas un carrete posicionado dentro del alojamiento y aguas abajo del husillo para devanar sobre el mismo el hilo del husillo. Tambien se puede proporcionar un sistema de sensor para generar datos de retroinformacion para controlar una tasa de giro de husillo y carrete, para evitar comprometer la integridad del hilo conforme esta siendo devanado alrededor del carrete. En una realizacion, se pueden proporcionar un brazo de gma entre el husillo y carrete para dirigir el hilo que sale del husillo sobre el carrete para subsiguiente devanado.

La presente invencion, en una realizacion adicional, proporciona un metodo para formar un hilo nanofibroso. El metodo incluye recibir una pluralidad de nanotubos sintetizados que se mueven sustancialmente en una direccion. El ambiente puede ser un ambiente hermetico al aire. En una realizacion, antes de la recepcion, puede impartirse un flujo en vortice a los nanotubos para proporcionar un retorcimiento inicial. A continuacion, los nanotubos pueden ser retorcidos juntos hasta formar un hilo en una direccion sustancialmente transversal a la direccion de movimiento de los nanotubos. Despues de eso, el hilo se puede mover hacia un area para recoleccion y posteriormente ser recolectados al devanar el hilo alrededor de un eje sustancialmente transversal a una direccion de movimiento del hilo. La tasa de devanado puede ser controlada para evitar comprometer la integridad del hilo.

En un ejemplo, se proporciona un aparato para presentar nanotubos sintetizados de una manera retorcida para subsiguiente formacion de materiales nanofibrosos. El aparato incluye un trozo de cuerpo que tiene una senda a traves de la que pueden fluir nanotubos sintetizados. El aparato tambien puede incluir un trozo de capuchon conectado a un extremo distal del trozo de cuerpo y que tiene una abertura a traves de la que pueden salir los nanotubos. Entre el trozo de capuchon y el trozo de cuerpo se puede situar un canal circunferencialmente alrededor de la senda. El aparato puede incluir ademas una pluralidad de lumbreras de salida, posicionadas dentro del canal, en comunicacion de fluidos con la senda, para impartir un flujo en vortice a la senda. De esta manera, nanotubos que fluyen a traves de la senda se pueden presentar de una manera retorcida despues de salir por el extremo distal del trozo de cuerpo.

En un ejemplo, se proporciona otro aparato para presentar nanotubos sintetizados para subsiguiente formacion de materiales nanofibrosos. El aparato incluye un disco que tiene un extremo proximal y un extremo distal. Un pasadizo, en una realizacion, se extiende entre el extremo proximal y un extremo distal. El aparato tambien incluye un trozo constrenido en el extremo distal del pasadizo para permitir acumulacion de los nanotubos en el mismo. Con este fin, el trozo constrenido en el extremo distal puede proporcionar una fuente desde la que se pueden presentar nanotubos para subsiguiente formacion de materiales nanofibrosos.

Breve descripcion de los dibujos

La figura 1 ilustra un sistema para formacion y recoleccion de materiales nanofibrosos segun una realizacion de la presente invencion.

La figura 2 ilustra una variante del sistema mostrado en la figura 1.

Las figuras 3A-B ilustran un generador de vortice para uso en conexion con el sistema mostrado en la figura 1.

Las figuras 4 ilustran otra variante del sistema mostrado en la figura 1.

Las figuras 5-6 ilustran otro sistema de la presente invencion para formacion y recoleccion de materiales nanofibrosos. La figura 7 ilustra otro generador de vortice para uso en conexion con el sistema mostrado en la figura 1.

Descripcion de realizaciones especificas

Nanotubos para uso en conexion con la presente invencion pueden ser fabricados usando una variedad de planteamientos. Actualmente, existen multiples procesos y variaciones de los mismos para hacer crecer nanotubos. Estos incluyen: (1) Deposicion qrnmica de vapor (CVD), un proceso comun que puede ocurrir a presiones casi ambiente o altas, (2) descarga de arco, un proceso a temperatura alta que puede producir tubos que tienen un alto grado de perfeccion, y (3) ablacion por laser. Cabe senalar que aunque a continuacion se hace referencia a nanotubo sintetizado a partir de carbono, se pueden usar otros compuestos en conexion con la smtesis de nanotubos para uso con la presente invencion.

La presente invencion, en una realizacion, emplea un proceso CVD o procedimientos similares de pirolisis en fase gaseosa bien conocidos en la industria para generar los nanotubos apropiados. En particular, como las temperaturas de crecimiento para CVD se pueden ser comparativamente bajas yendo, por ejemplo, de aproximadamente 600 °C a aproximadamente 1300 °C, nanotubos de carbono, tanto de unica pared (SWNT, single wall nanotube, nanotubo de

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unica pared) como multipared (MWNT, multiwall nanotube, nanotubo multipared), pueden crecer, en una realizacion, a partir de partmulas de catalizador nanoestructural suministradas por gases reactivos que contienen carbono (es decir, fuente de carbono gaseoso).

Ademas, la fortaleza de los SWNT y MWNT generados para uso en conexion con la presente invencion puede ser aproximadamente 30 GPa como maximo. La fortaleza, cabe senalar, es sensible a defectos. Sin embargo, el modulo elastico de los SWNT y MWNT fabricados para uso con la presente invencion tipicamente no son sensibles a defectos y pueden variar de aproximadamente 1 a aproximadamente 1,5 TPa. Ademas, el alargamiento hasta el fallo, que generalmente puede ser un parametro sensible a la estructura, puede ir de un pequeno porcentaje a un maximo de aproximadamente 10 % en la presente invencion.

Haciendo referencia ahora a la figura 1, se ilustra un sistema 10 para recoger nanotubos de longitud extendida producidos mediante un proceso CVD dentro de una camara de smtesis 11, y para posteriormente formar estructuras o materiales fibrosos, tales como hilo, a partir de los nanotubos. La camara de smtesis 11, en general, incluye un extremo de entrada 111, en el que se pueden suministrar gases de reaccion, una zona caliente 112, donde puede ocurrir smtesis de nanotubos de longitud extendida 113, y un extremo de salida 114 desde el que pueden salir y recogerse los productos de la reaccion, es decir los nanotubos de longitud extendida 113 y gases de escape. En una realizacion, la camara de smtesis 11 puede ser un tubo de cuarzo 115, que se extiende a traves de un horno 116, y puede incluir rebordes 117 proporcionados en el extremo de salida 114 y el extremo de entrada 114 para sellar el tubo 115. Aunque ilustrado como tal en la figura 1, se debe apreciar que en el diseno de la camara de smtesis 11 se pueden emplear otras configuraciones.

El sistema 10, en una realizacion de la presente invencion, incluye un alojamiento 12. El alojamiento 12, como se ilustra en la figura 1, puede ser sustancialmente hermetico al aire para minimizar la liberacion de particulados en el aire potencialmente peligrosos generados desde dentro de la camara de smtesis 11 al ambiente, y para impedir que entre oxfgeno al sistema 10 y llegue a la camara de smtesis 11. Se debe apreciar que la presencia de oxfgeno dentro de la camara de smtesis 11 puede comprometer la produccion y afectar a la integridad de los nanotubos extendidos 113.

El sistema 10 tambien incluye una entrada 13 para acoplar los rebordes 117 en el extremo de salida 114 de la camara de smtesis 11 de una manera sustancialmente hermetica al aire. En una realizacion, la entrada 13 puede incluir al menos un escape de gas 131 a traves del que los gases y el calor pueden dejar el alojamiento 12. El gas que sale del escape 131, en una realizacion, puede tener permitido pasar a traves de un lfquido, tal como agua, o un filtro para recoger nanomateriales no reunidos sobre un husillo rotatorio 14 aguas arriba del escape 10. Adicionalmente, el gas de escape puede ser expuesto a una llama y aire a fin de desenergizar diversos componentes del gas de escape, por ejemplo, se puede oxidar hidrogeno reactivo para formar agua.

El husillo rotatorio 14, como se muestra en la figura 1, se puede disenar para extenderse desde dentro del alojamiento 12, a traves de la entrada 13, y adentro de la camara de smtesis 11 para la recogida de nanotubos de longitud extendida 113. En una realizacion, el husillo rotatorio 14 puede incluir un extremo de admision 141 en el que puede entrar una pluralidad de nanotubos y ser girados hasta un hilo 15. En una realizacion, el sentido de giro puede ser sustancialmente transversal a la direccion de movimiento de los nanotubos 113. El husillo rotatorio 14 tambien puede incluir una senda, tal como nucleo hueco 142, a lo largo del que puede ser guiado el hilo 15 hacia el extremo de salida 143 del husillo 14. El extremo de admision 141 del husillo rotatorio 14 puede incluir una variedad de disenos. En una realizacion, el extremo de admision 141 puede simplemente incluir una abertura (no se muestra) a traves de la que pueden entrar los nanotubos 113. Como alternativa, puede incluir una estructura semejante a un embudo 144 que puede servir para guiar los nanotubos 113 al extremo de admision 141. La estructura 144 tambien puede servir para soportar el hilo 15, si se rompe, hasta el momento que pueda reconstituirse por sf mismo al retorcer con nanotubos recientemente depositados 113. En una realizacion, se puede proporcionar un rodillo, cabestrante u otros dispositivos restrictivos (no se muestran) adyacentes al extremo de admision 141 del husillo 14 a fin de: (1) servir como punto desde el que se puede retorcer el hilo 15, y (2) impedir elasticidad en el hilo 15 al tirar del hilo demasiado rapidamente hacia la nucleo 142 del husillo 14, que puede impedir que el hilo 15 se reforme si se ha roto.

El sistema 10 incluye ademas un brazo de grna 16 que puede ser acoplado al extremo de salida 143 del husillo rotatorio 14 para guiar y dirigir el hilo 15 hacia un carrete 17 para reunirlos sobre el mismo. Segun una realizacion de la presente invencion, se puede proporcionar un set de poleas 161, ojales o ganchos como accesorios al brazo de grna 16 para definir un camino sobre el que puede ser dirigido el hilo 15 a lo largo del brazo de grna 16. Como alternativa, se puede permitir que el hilo 15 pase a traves de una estructura tubular (no se muestra) que puede dirigir el hilo 15 desde el extremo de salida 143 del husillo 14 a un punto desde el que se puede devanar hilo 15 sobre el carrete 17.

El brazo de grna 16 y el husillo rotatorio 14, en una realizacion, pueden trabajar juntos para inducir retorcimiento en el hilo 15. La rotacion del husillo 14 y el brazo de grna 16, como se muestra en la figura 1, puede ser impulsada mecanicamente, por ejemplo, por un motor electrico 18 acoplado al husillo 14 por medio de una cinta 181, por ejemplo.

El carrete 17, situado dentro del alojamiento 12, se puede posicionar, en una realizacion, aguas abajo del brazo de grna 16 para la recoleccion del hilo 15. En particular, hilo 15 que avanza desde el brazo de grna 16 puede ser dirigido a un carrete giratorio 17, de manera que despues de eso el hilo 15 puede ser devanado circunferencialmente alrededor

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del carrete 17. Aunque mostrado en alineacion axial con el husillo rotatorio 14, se debe apreciar que el carrete 17 se puede colocar en cualquier otra ubicacion dentro del alojamiento 12, siempre que el carrete 17 pueda ser girado alrededor de su eje para recoger hilo 15 desde el brazo de gma 16. En una realizacion el eje de giro del carrete 17 puede ser sustancialmente transversal a la direccion de movimiento del hilo 15 sobre el carrete 17.

Para impartir rotacion al carrete 17, un impulsor mecanico adicional 19 se puede acoplar al carrete 17. En una realizacion, el carrete 17 puede ser sincronizado para girar o rotar a una tasa de rotacion cercana o sustancialmente similar a la del husillo 14 para permitir recoleccion uniforme del hilo 15 sobre el carrete 17. De otro modo, si, por ejemplo, la tasa de rotacion del carrete 17 es mas rapida que la del husillo 14, puede ocurrir la rotura del hilo 15 desde el brazo de gma 16 al carrete 17, o si la tasa es mas lenta que la del husillo 14, trozos flojos del hilo 15 pueden terminar enredados.

Para mantener sustancial sincronizacion de las tasas de rotacion, el movimiento de los impulsores mecanicos 18 y 19 puede ser ajustado por un sistema de control (no se muestra). En una realizacion, el sistema de control se puede disenar para recibir datos desde sensores de posicion, tales como codificadores opticos, conectados a cada uno de los impulsores mecanicos 17 y 18. Posteriormente, sobre la base de los datos, el sistema de control puede usar un algoritmo de control a fin de modificar la potencia suministrada a cada impulsor a fin de controlar la tasa de cada impulsor de modo que sustancialmente coincida con la tasa de smtesis de nanotubos. Como resultado, el sistema de control puede impartir: (1) velocidad constante de hilo controlada por lfmites de tension establecidos, o (2) tension constante controlada por lfmites de velocidad. En una realizacion, la velocidad de hilo puede ser restablecida en tiempo real dependiendo de los valores de tension, de modo que la tension puede ser mantenida dentro de un lfmite preestablecido. Adicionalmente, la tension de hilo puede ser restablecida en tiempo real dependiendo de los valores de velocidad, de modo que la tension puede ser mantenida dentro de un valor establecido.

El sistema de control tambien puede variar la tasa entre el carrete 17 y el husillo 14, si es necesario, para controlar el hilo tomado por el carrete 17. Adicionalmente, el sistema de control puede provocar que el carrete 17 se mueva adelante y atras a lo largo de su eje, para permitir que el hilo 15 sea devanado uniformemente alrededor del mismo.

En funcionamiento, bajo produccion en estado estable usando un proceso de la presente invencion, nanotubos de longitud extendida pueden ser recogidos de dentro de la camara de smtesis 11 y despues de eso se puede formar hilo 15. En particular, conforme los nanotubos 113 emergen de la camara de smtesis 11, pueden ser recogidos en un fardo, alimentado al extremo de admision 141 del husillo 14, y posteriormente girados o retorcidos hasta el hilo 15 dentro del mismo. Cabe senalar que un retorcimiento continuo del hilo 15 puede acumular suficiente esfuerzo angular como para provocar rotacion cerca de un punto donde llegan nuevos nanotubos 113 en el husillo 14 para el proceso de formacion de hilo. Ademas, se puede aplicar una tension continua al hilo 15 o su avance puede ser permitido en una tasa controlada, para permitir captacion circunferencialmente alrededor del carrete 17.

Tfpicamente, la formacion del hilo 15 resulta de enfardar nanotubos 113 que posteriormente pueden ser girados apretadamente hasta un hilo retorcido. Como alternativa, un retorcimiento principal del hilo 15 puede ser anclado en algun punto dentro del sistema 10 y los nanotubos recogidos 113 pueden ser devanados en el hilo 15 retorcido. Estos dos modos de crecimiento se pueden implementar en conexion con la presente invencion.

Mirando ahora a la figura 2, se puede proporcionar un generador de vortice, tal como centrifugador de gas 20, hacia el extremo de salida 114 de la camara de smtesis 11 para generar un sustancial flujo en vortice a fin de impartir un movimiento de retorcimiento a los nanotubos 113 antes de ser dirigidos al husillo 14 y ser girados hasta el hilo 15. La generacion de un vortice para impartir movimiento de retorcimiento tambien puede servir para igualar la cantidad de material de nanotubo usado en la formacion del hilo 15. El centrifugador de gas 20, como se ilustra en las figuras 3A- B, se puede disenar para incluir un trozo de capuchon 31, un trozo de cuerpo 32, y un canal 33 posicionado circunferencialmente alrededor del centrifugador de gas 20 entre el trozo de capuchon 31 y el trozo de cuerpo 32.

El trozo de capuchon 31, en una realizacion, incluye un conducto 311 a traves del que un gas inerte desde una lmea de suministro 312 puede entrar al canal 33 del centrifugador de gas 30 para subsiguiente generacion de un flujo en vortice. Ejemplos de un gas inerte para uso en conexion con el centrifugador de gas 20 incluyen, He, Ar o otros gases inertes adecuados.

El trozo de cuerpo 32, por otro lado, incluye una senda asimetrica 321, a traves de la que puede fluir gas (es decir, fluido) y nanomateriales fibrosos (es decir, nanotubos 113) generados desde la zona caliente 112 de la camara de smtesis 11 (flechas 35 en la figura 3A). En una realizacion, la senda 321 incluye un trozo en disminucion 322 adyacente a un extremo proximal 325 del trozo de cuerpo 32 y un trozo sustancialmente uniforme 323 adyacente a un extremo distal 326 del trozo de cuerpo 32. Con un diseno de este tipo, el trozo en disminucion 322 y el trozo uniforme 323 pueden actuar juntos para minimizar sobre-acumulacion o acumulo de nanotubos 113 aguas arriba del husillo 14. Espedficamente, la senda 321 puede actuar para guiar los nanotubos 113 al trozo en disminucion 322 y cruzando el trozo uniforme 323, de modo que nanotubos 113 generados desde la camara de smtesis 11 pueden evitar ser cogidos en cantos afilados u otras obstrucciones salientes dentro de la camara de smtesis 11. Para permitir que los nanotubos salgan de la senda 321, el trozo de capuchon 31 incluye una abertura 313, en sustancial alineacion axial con el trozo uniforme 323 de la senda 321.

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El trozo de cuerpo 32 tambien puede incluir un rebaje 324, que con un acoplamiento entre el trozo de cuerpo 32 y el trozo de capuchon 31, se convierte en el canal 33. El trozo de cuerpo 32 puede incluir ademas lumbreras de salida 325 posicionadas dentro del rebaje 324. En una realizacion, las lumbreras de salida 325 pueden ser distribuidas simetricamente alrededor del trozo uniforme 323 para posteriormente generar, dentro del trozo uniforme 323 de la senda 321, un flujo en vortice desde el gas inerte previamente introducido al canal 33. Se debe apreciar que como el flujo en vortice requiere una componente de vector de velocidad tangencial alrededor de un eje dado, p. ej., eje de simetna del centrifugador de gas 30, a fin de proporcionar esta componente de velocidad tangencial, las lumbreras de salida 325, como se ilustra en la figura 3B, pueden tener que ser posicionadas en un plano normal al eje de simetna, y de tal manera que cada lumbrera de salida 325 entre al trozo uniforme 323 de la senda 321 en un angulo sustancialmente no perpendicular. En otras palabras, cada lumbrera de salida 325 tiene que estar en comunicacion tangencial con la senda 321, de modo que fluido (p. ej., gas inerte) dentro del canal 33, cuando se le permite moverse cruzando cada lumbrera de salida 325, puede fluir al trozo uniforme 323 de la senda 321 de una manera tangencial.

Tambien se debe apreciar que al proporcionar una constriccion solida al flujo de gas y nanomateriales generados, el centrifugador de gas 20 tambien puede permitir una sustancial libertad al definir modos de formacion de hilo y estopa para el sistema 10 de la presente invencion. Ademas, en la medida necesaria, el centrifugador de gas 20 puede proporcionar un area donde se pueden acumular nanotubos 113, particularmente cuando el gas suministrado a traves del centrifugador de gas 20 esta a un bajo caudal para crear una fuente desde la que se pueden extraer nanotubos 113, tal como mediante un guiador (vease la descripcion mas adelante) para posteriormente retorcer hasta el hilo 15.

En una realizacion alternativa, se puede usar un generador de vortice diferente, tal como el centrifugador electrostatico 70, como se ilustra en las figuras 7A-B, para impartir un flujo en vortice sustancial a los nanotubos 113 antes a dirigir los nanotubos 113 al husillo 14 donde pueden ser girados hasta el hilo 15. El centrifugador electrostatico 70, en una realizacion, incluye un cuerpo sustancialmente tubular 71 que tiene un extremo de entrada 72, un extremo de salida 73, y una senda 74 que se extiende entre los mismos. El centrifugador electrostatico 70 tambien puede incluir una pluralidad de contactos electricos 75 situados circunferencialmente alrededor de la senda 74. Cada contacto 75 incluye un extremo positivo +V y un extremo negativo -V, y se puede hacer de un material metalico, tal como cobre. En este sentido, a cada uno de los contactos 75 se puede aplicar una tension para generar un campo electrico. Ademas, como se puede aplicar tension a cada contacto 75 en sucesion, se puede generar un campo electrostatico rotatorio. Como los nanotubos 113 tienen una relacion de aspecto sustancialmente alta y como pueden ser conductores, los nanotubos 113 se pueden conectar al campo electrostatico y moverse a modo de vortice o devanado conforme el campo se mueve alrededor de la senda 74. Cabe senalar que el movimiento de devanado impartido a los nanotubos 113 puede ser sustancialmente transversal a la direccion a lo largo de la que pueden moverse los nanotubos 113 desde el extremo de entrada 72 al extremo de salida 73 del trozo de cuerpo 71. Para controlar la aplicacion de tension a cada contacto 75 sucesivo, se puede usar cualquier chip controlador o procesador disponible comercialmente.

Segun una realizacion de la presente invencion, al comienzo de la formacion del hilo 15, puede ser beneficioso empezar el hilo con un “guiador”. Este guiador, por ejemplo, puede ser un pedazo adicional de hilo de nanotubo, algun otro tipo de hilo o filamento, o un alambre delgado. En una realizacion, se puede usar un alambre porque este puede proporcionar el requisito de tiesura necesario para transferir el movimiento de retorcimiento del husillo 14 a la acumulacion de banda o fardo de nanotubos 113 hasta que exista suficiente acumulo, de manera que el alambre puede amarrarse a un extremo de un hilo que crece. El alambre usado, en una realizacion, puede ser, por ejemplo, un alambre ferroso o mquel-cromo, dado que estas aleaciones pueden aguantar la temperatura dentro de la zona caliente (600 °C - 1300 °C) de la camara de smtesis 11. Ademas, se ha observado que nanotubos producidos por medio de un proceso CVD se adhieren relativamente bien a estas aleaciones. En particular, como nanopartmulas catalfticas en el extremo de los nanotubos 113 pueden incluir materiales ferromagneticos, tales como Fe, Co, Ni, etc., estas nanopartmulas pueden atraer magneticamente a los dominios magneticos sobre los materiales de aleacion ferrosa.

En la medida que se proporcione un guiador, puede ser necesario preenhebrar el guiador antes del comienzo de la reaccion. Espedficamente, en el carrete 17 se puede proporcionar un orificio, en una realizacion, que sirva como punto de anclaje para un extremo del guiador. Adicionalmente, en las poleas de grna 161 se pueden proporcionar hendiduras o ranuras para permitir al guiador ser insertado facilmente en el brazo de grna 16. El guiador puede entonces ser insertado en el husillo 14, y despues de eso avanzado adentro de la camara de smtesis 11 aguas arriba del centrifugador de gas 20, si se emplea uno.

Mirando a la figura 4, cuando se usa un guiador, se puede proporcionar un anclaje 40 en lugar de centrifugador de gas 20 para proporcionar una fuente desde la que el guiador puede tirar de los nanotubos al husillo 14 para iniciar el proceso de fabricacion de hilo. En una realizacion, el anclaje 40 se puede posicionar hacia el extremo de salida 114 de la camara de smtesis 11 para constrenir el flujo de gas y nanotubos 113 de modo que dentro del anclaje 40 se puede generar una acumulacion de nanotubos 113. Para hacerlo, el anclaje 40 se puede disenar como disco que tiene un extremo distal 41, un extremo proximal 42 y un pasadizo 44 que se extiende entre los mismos. Como se ilustra en la figura 4, el pasadizo 44 puede ser en disminucion desde el extremo proximal 42 hacia el extremo distal 41. De esta manera, cuando los nanotubos 113 entran al pasadizo 44 hacia el trozo constrenido 45, el trozo constrenido 45 puede actuar para acumular nanotubos 113 en el mismo para proporcionar una fuente para el guiador. Aunque se proporciona como forma en disminucion o toroidal, se debe apreciar que el pasadizo 44 del anclaje 40 se puede disenar para que incluya una variedad de formas, siempre que funcione para constrenir el flujo de gas y los nanotubos 113 en la camara

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Para mejorar la acumulacion de nanotubos en la misma, en el trozo constrenido 45 se pueden proporcionar salientes (no se muestra) u otros disenos similares para proporcionar una superficie a la que se puede conectar una banda o fardo de nanotubos 113. En una realizacion, el anclaje 40 se puede posicionar cerca del horno 116 donde los nanotubos 113 pueden tener una tendencia relativamente mayor a adherirse a superficies solidas. Como puede estar cerca del horno 16, el anclaje 40 se puede hacer, en una realizacion, de un material de grafito o cualquier otro material que aguante calor del horno 16.

Asumiendo que los nanotubos 113 se pueden producir a una tasa constante, el diseno y la ubicacion del anclaje 40 cerca del horno 116 puede permitir a los nanotubos 113 acumularse sobre el mismo a una tasa uniforme. Con este fin, se puede generar una fuente controlada de nanotubos 113 para subsiguiente recogida y formacion del hilo 15 que tiene propiedades sustancialmente uniformes. Ademas, el anclaje 40 puede actuar para proporcionar un punto desde el que se puede tirar de los nanotubos 113 para permitir alineacion sustancial de los nanotubos 113 en una direccion sustancialmente coaxial con el hilo 15. La capacidad de alinear los nanotubos 113 a lo largo de un eje del hilo 15 puede mejorar la trasferencia de carga entre los nanotubos 113 para permitir la formacion de un hilo 15 de alta fortaleza. No obstante, se debe apreciar que el hilo 15 se puede formar independientemente de si el anclaje 40 esta presente.

Posteriormente se puede iniciar smtesis y recoleccion del hilo 15 al provocar que el carrete 17, husillo 14, brazo de grna 16, y guiador roten. En una realizacion, tras iniciar la smtesis de nanotubos 113, los nanotubos 113 pueden ser dirigidos hacia el guiador para permitir acumulo o enfarde de los nanotubos 113 sobre el mismo. Despues de eso, una vez una banda o enfarde de nanotubos 113 empieza a acumularse sobre el guiador, y el guiador puede ser retirado al provocar que el carrete 17 rote a una tasa ligeramente diferente que el husillo 14 y el brazo de grna 16. La formacion del hilo de nanotubo 15, como se ha descrito anteriormente, puede proceder automaticamente despues de eso una vez el guiador ha sido retirado suficientemente de la zona caliente 112 de la camara de smtesis 11. En particular, la banda de nanotubos 113 puede ser retorcida hasta un hilo 15 en un punto cerca del extremo de admision 141 del husillo 14. Entonces se puede permitir a los trozos retorcidos del hilo 15 moverse a lo largo del nucleo 142 hacia el extremo de salida 143 del husillo 14. Al salir por el extremo de salida 143, el hilo 15 puede ser guiado a lo largo de brazo de grna 16 y dirigido hacia el carrete 17. El hilo 15 puede despues de eso ser devanado alrededor del carrete 17 a una tasa controlada.

Segun otra realizacion, el sistema 10 tambien puede ser usado para formacion continua de una estopa (no se muestra) a partir de nanotubos 113 sintetizados dentro de la camara de smtesis 11. Esta estopa puede ser procesada posteriormente hasta un hilo devanado apretadamente, similar a tecnologfas comunes en la tecnica de formacion hebras e hilos. En una realizacion, la estopa puede ser recogida usando el husillo hueco 14, el brazo de grna 16 y el carrete 17, como se ha descrito anteriormente. La estopa formada se puede extender desde el carrete 17, a traves del brazo de grna 16 y el husillo 14 adentro de la camara de smtesis 11 cerca del extremo de salida 114. Los nanotubos 113, en una realizacion, pueden acumularse sobre la estopa por devanado de la estopa, ya que la estopa gira rapidamente y es retirada lentamente. Para este modo de funcionamiento puede no ser necesario un anclaje. Sin embargo, si fuera necesario proporcionar un punto en el que se pueda conectar el extremo creciente de la estopa giratoria, se puede usar un anclaje.

La formacion de un hilo o estopa segun una realizacion de la presente invencion proporciona un planteamiento para producir una estructura fibrosa relativamente largo que puede ser empleada en aplicaciones que requieren longitud. En particular, la accion de retorcimiento durante la formacion del hilo permite que las fibras cortadas (es decir, nanotubos) sean sostenidas juntas hasta la estructura fibrosa mas grande (es decir, hilo). Adicionalmente, el retorcimiento de fibras alineadas axialmente (es decir, nanotubos) puede mejorar la trasferencia de carga entre las fibras para permitir la formacion de un hilo de alta fortaleza.

Espedficamente, fibras cortadas, tales como los nanotubos sintetizados por el proceso de la presente invencion, pueden estar provistas de una alta relacion de aspecto (p. ej., > 100:1 longitud:diametro). Como resultado, pueden servir mejor que las de relaciones de aspecto mas pequenas para transferir cargas estructurales entre fibras individuales dentro de un hilo. Si bien las fibras con relacion de aspecto esencialmente infinita senan ideales, la escala de longitud de las estructuras en la que puede ser incorporado el hilo define mejor la longitud y las relaciones de aspecto necesarias de las fibras constituyentes. Por ejemplo, si se necesita puentear una distancia de unicamente uno a dos centfmetros, puede no necesitarse fibras mucho mas largas que esta distancia. Ademas, dentro de un hilo, la trasferencia de carga tfpicamente ocurre como interaccion entre cada uno de los puntos de contacto de fibras adyacentes. En cada punto de contacto, cada fibra puede interactuar por medio de, por ejemplo, cohesion de Van der Waal, cohesion por hidrogeno o interaccion ionica. Como tal, la presencia de una pluralidad de fibras en el hilo de la presente invencion puede aumentar el numero de puntos de contacto y asf la interaccion por cohesion entre fibras adyacentes para mejorar la trasferencia de carga entre las fibras. Ademas, como el retorcimiento puede aumentar aun mas el numero de puntos de contacto entre fibras constituyentes en un hilo al forzar a fibras individuales a juntarse mas cerca, puede ser ventajoso para la fortaleza total del hilo impartir retorcimiento. En este sentido, la capacidad de controlar independientemente retorcimiento y velocidad de captura puede ser importante a fin de optimizar la fortaleza.

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La fortaleza del hilo puede ademas ser mejorada aumentando la fortaleza de cohesion entre fibras adyacentes. En una realizacion, el hilo puede ser impregnado con un material matricial, tal como un polfmero, o una molecula de agente tensoactivo para reticular fibras adyacentes. La reticulacion de las fibras usando enlaces qmmicos ionicos o covalentes puede proporcionar medios adicionales para mejorar la fortaleza total del hilo.

Cabe senalar que como el numero de puntos de contacto aumenta las oportunidades de que se trasfiera fonon o electron entre nanotubos adyacentes, la imparticion de un retorcimiento al hilo tambien puede mejorar la conductividad electrica y termica del hilo de la presente invencion.

Con referencia ahora a las figuras 5-6, se ilustra, segun otra realizacion de la presente invencion, un sistema 50 para recoger nanotubos sintetizados hechos a partir de un proceso CVD dentro de una camara de smtesis 51, y para posteriormente formar materiales o estructuras fibrosas voluminosas a partir los nanotubos. En particular, el sistema

50 puede ser usado en la formacion de una hoja no tejida sustancialmente continua generada de nanotubos compactados y entrelazados y que tiene suficiente integridad estructural para ser manejada como hoja.

El sistema 50, como el sistema 10, puede ser acoplado a una camara de smtesis 51. La camara de smtesis 51, en general, incluye un extremo de entrada, en el que se pueden suministrar gases de reaccion, una zona caliente, donde puede ocurrir smtesis de nanotubos de longitud extendida, y un extremo de salida 514 desde el que pueden salir y recogerse los productos de la reaccion, es decir los nanotubos de longitud extendida y gases de escape. En una realizacion, la camara de smtesis 51 puede incluir un tubo de cuarzo 515, que se extiende a traves de un horno, y puede incluir rebordes 517 proporcionados en el extremo de salida 514 y el extremo de entrada para sellar el tubo 515. Aunque ilustrado generalmente en la figura 5, se debe apreciar que en el diseno de la camara de smtesis 51 se pueden emplear otras configuraciones.

El sistema 50, en una realizacion de la presente invencion, incluye un alojamiento 52. El alojamiento 52, como se ilustra en la figura 5, puede ser sustancialmente hermetico al aire para minimizar la liberacion de particulados en el aire potencialmente peligrosos desde dentro de la camara de smtesis 51 al ambiente, y para impedir que entre oxfgeno al sistema 50 y llegue a la camara de smtesis 51. En particular, la presencia de oxfgeno dentro de la camara de smtesis

51 puede afectar a la integridad y comprometer la produccion de los nanotubos.

El sistema 50 tambien puede incluir una entrada 53 para acoplar los rebordes 517 en el extremo de salida 514 de la camara de smtesis 51 de una manera sustancialmente hermetica al aire. En una realizacion, la entrada 53 puede incluir al menos un escape de gas 531 a traves del que los gases y el calor pueden dejar el alojamiento 52. El gas que sale del escape 531, en una realizacion, puede tener permitido pasar a traves de un lfquido, tal como agua, o un filtro para recoger nanomateriales no reunidos aguas arriba del escape 531. Adicionalmente, el gas de escape puede ser tratado de una manera similar a la descrita anteriormente. Espedficamente, el gas de escape puede ser tratado con una llama a fin de desenergizar diversos componentes del gas de escape, por ejemplo, hidrogeno reactivo se puede oxidar para formar agua.

El sistema 50 puede incluir ademas una superficie en movimiento, tal como la cinta 54, situada adyacente a la entrada 53 para recoger y trasportar los nanomateriales, es decir, nanotubos, desde el extremo de salida 514 de la camara de smtesis 51. Para recoger los nanomateriales, la cinta 54 se puede posicionar en un angulo sustancialmente transversal al flujo de gas que lleva los nanomateriales desde el extremo de salida 514 para permitir que los nanomateriales sean depositados sobre la cinta 54. En una realizacion, la cinta 54 se puede posicionar sustancialmente perpendicular al flujo de gas y puede ser de naturaleza porosa para permitir que el flujo de gas que lleva los nanomateriales pase a traves de la misma y para salir de la camara de smtesis 51. El flujo de gas desde la camara de smtesis 51 puede, adicionalmente, salir a traves del escape 531 a la entrada 53.

Para llevar los nanomateriales lejos de la entrada 53 del sistema 50, la cinta 54 se puede disenar como bucle continuo similar a una cinta trasportadora convencional. Con este fin, la cinta 54, en una realizacion, puede ser enrollada alrededor de elementos rotatorios opuestos 541 y puede ser impulsada por un dispositivo mecanico, tal como un motor electrico 542, en sentido horario, como se ilustra con las flechas 543. Como alternativa, se puede usar un tambor (no se muestra) para proporcionar la superficie en movimiento para trasportar el nanomaterial. Un tambor de este tipo tambien puede ser impulsado por un dispositivo mecanico, tal como el motor electrico 542. En una realizacion, los motores 542 pueden ser controlados mediante el uso de un sistema de control, similar al usado en conexion con los impulsores mecanicos 18 y 19, de modo que se puede optimizar tension y velocidad.

Todavfa mirando a la figura 5, el sistema 50 puede incluir un aplicador de presion, tal como el rodillo 55, situado adyacente a la cinta 54 para aplicar una fuerza compactadora (es decir, presion) sobre los nanomateriales recogidos. En particular, conforme los nanomateriales son trasportados hacia el rodillo 55, los nanomateriales sobre la cinta 54 pueden ser forzados a moverse bajo y contra el rodillo 55, de manera que se puede aplicar presion a los nanomateriales entrelazados mientras los nanomateriales se compactan entre cinta 54 y rodillo 55 hasta una hoja no tejida coherente sustancialmente cohesionada 56 (vease la figura 6). Para mejorar la presion contra los nanomateriales sobre la cinta 54, se puede posicionar una placa 544 por detras de la cinta 54 para proporcionar una superficie dura contra la que puede ser aplicada presion desde el rodillo 55. Cabe senalar que el uso del rodillo 55 puede no ser necesario si los nanomateriales recogidos abundantes en cantidad y suficientemente entrelazados, de manera que existe un numero adecuado de lugares de contacto para proporcionar la fortaleza de cohesion necesaria para generar

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la hoja no tejida 56.

Para desacoplar la hoja no tejida 56 de nanomateriales entrelazados de la cinta 54 para subsiguiente retirada del alojamiento 52, se puede proporcionar un escalpelo o pala 57 aguas abajo del rodillo 55 con su canto contra la superficie 545 de la cinta 54. De esta manera, conforme la hoja no tejida 56 se mueve aguas abajo pasando el rodillo 55, la pala 57 puede actuar para elevar la hoja no tejida 56 de la superficie 545 de la cinta 54.

Adicionalmente, se puede proporcionar un carrete o rodillo 58 aguas abajo de la pala 57, de modo que la hoja no tejida 56 desacoplada puede ser dirigida posteriormente sobre el mismo y ser devanada alrededor del rodillo 58 para recoleccion. Por supuesto, se pueden usar otros mecanismos, siempre que la hoja no tejida 56 pueda ser recogida de la retirada del alojamiento 52 despues de eso. El rodillo 58, como la cinta 54, puede ser impulsado, en una realizacion, por un impulsor mecanico, tal como un motor electrico 581, de modo que su eje de rotacion puede ser sustancialmente transversal a la direccion de movimiento de la hoja no tejida 56.

A fin de minimizar la cohesion de la hoja no tejida 56 a sf misma conforme esta siendo devanada alrededor del rodillo 58, puede aplicarse un material de separacion 59 (vease la figura 6) sobre un lado de la hoja no tejida 56 antes de que la hoja 56 sea devanada alrededor del rodillo 58. El material de separacion 59 para uso en conexion con la presente invencion puede ser uno de diversas chapas metalicas o polfmeros disponibles comercialmente que se pueden suministrar en un rodillo continuo 591. Con este fin, se puede tirar del material de separacion 59 junto con la hoja no tejida 56 sobre el rodillo 58 conforme la hoja 56 esta siendo devanada alrededor del rodillo 58. Cabe senalar que el polfmero que comprende el material de separacion 59 se puede proporcionar en una hoja, lfquido, o cualquier otra forma, siempre que pueda ser aplicado a un lado de la hoja no tejida 56. Ademas, como los nanotubos entrelazados dentro de la hoja no tejida 56 pueden contener nanopartmulas cataltticas de un material ferromagnetico, tal como Fe, Co, Ni, etc., el material de separacion 59, en una realizacion, puede ser un material no magnetico, p. ej., conductor o de otro modo, para impedir que la hoja no tejida 56 se pegue fuertemente al material de separacion 59.

Ademas, el sistema 50 puede esta provisto de un sistema de control (no se muestra), similar al sistema 10, de modo que por consiguiente se pueden ajustar tasas de rotacion de impulsores mecanicos 542 y 581. En una realizacion, el sistema de control se puede disenar para recibir datos desde sensores de posicion, tales como codificadores opticos, conectados a cada uno de los impulsores mecanicos 542 y 581. Posteriormente, sobre la base de los datos, el sistema de control puede usar un algoritmo de control a fin de modificar la potencia suministrada a cada impulsor a fin de controlar la tasa de cada impulsor de modo que sustancialmente coincida con la tasa de recogida de nanotubos sobre la cinta 54 para evitar comprometer la integridad de la hoja no tejida conforme esta siendo devanada alrededor del carrete. Adicionalmente, el sistema de control puede actuar para sincronizar una tasa de giro del rodillo 58 con la de la cinta 54. En una realizacion, la tension de la hoja no tejida 56 puede ser restablecida en tiempo real dependiendo de los valores de velocidad, de modo que la tension entre la cinta 54 y rodillo 58 puede ser mantenida dentro de un valor establecido.

El sistema de control tambien puede variar la tasa entre rodillo 58 y cinta 54, si es necesario, para controlar la captura de la hoja no tejida 56 por el rodillo 58. Adicionalmente, el sistema de control puede provocar que el rodillo 58 se ajuste ligeramente adelante y atras a lo largo de su eje, para permitir que la hoja no tejida 56 permanezca uniformemente sobre el rodillo 58.

En la medida deseada, puede emplearse un campo electrostatico (no se muestra) para alinear los nanotubos, generados desde la camara de smtesis 51, aproximadamente en una direccion del movimiento de cinta. El campo electrostatico puede ser generado, en una realizacion, colocando, por ejemplo, dos o mas electrodos circunferencialmente alrededor del extremo de salida 514 de la camara de smtesis 51 y aplicando una tension alta a los electrodos. La tension, en una realizacion, puede variar de aproximadamente 10 V a aproximadamente 100 kV, y preferiblemente de aproximadamente 4 kV a aproximadamente 6 kV. Si es necesario, los electrodos puede ser blindados con un aislamiento, tal como un pequeno aislamiento de cuarzo u otro adecuado. La presencia del campo electrico puede provocar que los nanotubos se muevan a traves del mismo para alinearse sustancialmente con el campo, para impartir una alineacion de los nanotubos sobre la cinta 54 en movimiento.

El sistema 50, como se ha senalado, puede proporcionan nanomateriales voluminosos de alta fortaleza en una hoja no tejida. Al proporcionar los nanomateriales en una hoja no tejida, los nanomateriales voluminosos pueden ser manejados facilmente y posteriormente ser procesados para aplicaciones de uso extremo, incluidas (i) sistemas estructurales, tales como telas, armaduras, refuerzos de composite, antenas, conductores electricos o termicos, y electrodos, (ii) elementos estructurales mecanicos, tales como placas y vigas en I, y (iii) cableado o cuerdas. Otras aplicaciones pueden incluir almacenamiento de hidrogeno, batenas o componentes de condensador.

Ademas, la hoja no tejida puede ser incorporada en estructuras de composite para aplicaciones adicionales de uso extremo, tales como productos de mercandas deportivas, cascos, etc. En una realizacion, un material composite se puede formar impregnando la hoja no tejida con un precursor matricial, tal como Krayton, vinilester, PEEK, bispoliloida, BMI (bismaleimida), epoxis o poliamidas, y posteriormente dejar que la matriz se polimerice o se cure termicamente.

En una realizacion alternativa, se puede formar un composite estratificado de materiales al sinterizar hojas no tejidas junto con un material de matriz. Por ejemplo, capas adyacentes de hojas no tejidas pueden ser separadas con una

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hoja de precursor de matriz y posteriormente sinterizadas en una prensa caliente bajo presion isostatica.

Tambien cabe senalar que, aunque en esta memoria se tratan aplicaciones estructurales, el hilo basado en nanomaterial y hojas no tejidas puede ser usado en otras numerosas aplicaciones que requieren estructuras que sean formadas de nanomateriales. Dichas estructuras pueden ser usadas, por ejemplo, en aplicaciones electricas como materiales conductores, o como electrodos de un condensador, o batena o celda de carburante. En un caso de este tipo, como los nanomateriales proporcionados en la estructura de electrodo tienen un area superficial sustancialmente alta, los nanomateriales pueden proporcionar condensadores o batenas con un area sustancialmente grande en la que se podnan localizar los electrones o iones a fin de almacenar carga o trasferir carga a o desde el electrodo. La alta area superficial o qmmica superficial de los nanomateriales en estructuras de macroescala voluminosa tambien puede ser una propiedad util en aplicaciones de filtracion mecanica.

Ademas, como los nanomateriales, tales como nanotubos de carbono se conocen por tener coeficientes de trasferencia de calor extremadamente altos, estructuras voluminosas producidas con el sistema de la presente invencion tambien pueden ser utiles como conductores de fonones o energfa termica.

Tambien se debe apreciar que los hilos y estopas hechos de nanomateriales sintetizados de la presente invencion, especialmente con nanotubos preferencialmente alineados a lo largo del eje del hilo, pueden ser incorporados como conjuntos voluminosos que tienen fibras orientadas sustancialmente paralelas entre sf, tal como en una tela tejida. Adicionalmente, estructuras de macroescala se pueden hacer de hojas no tejidas de la presente invencion que tienen fibras alineadas. Como estas estructuras de fibras conductoras paralelas tienen un espaciamiento controlado basado en, por ejemplo, la cantidad de nanomateriales, el espaciamiento de hilos en un hilado, o el grosor de los hilos individuales, la presencia de fibras alineadas en estos conjuntos o estructuras de macroescala puede impartir propiedades interesantes a los conjuntos y estructuras de macroescala.

Por ejemplo, en aplicaciones electricas, se pueden usar conductores paralelos como filtros polarizadores, rejillas de difraccion, y ocasionalmente objetos con grandes secciones transversales de retrodispersion. Todas estas aplicaciones pueden ser dependientes de la longitud de onda de ondas electromagneticas incidentes, y el espaciamiento, diametro y longitud de los conductores paralelos que interactuan con las ondas. Al controlar el espaciamiento entre fibras conductoras paralelas, puede controlarse la interaccion de un conjunto de estas fibras con radiacion electromagnetica de frecuencias espedficas. Por ejemplo, un filtro polarizador para radiacion electromagnetica de terahercios de frecuencia puede ser definido por un tamano de hebra y apriete de un hilado de hilos de nanotubos. Usando, por ejemplo, hilos de 100 micrometros de diametro tejidos con un paso de 300 micrometros debena ser suficiente para polarizar radiacion con longitudes de onda en las inmediaciones de 300 micrometros, que corresponde a una onda electromagnetica de 1 THz.

Como segundo ejemplo, nanotubos alineados dentro de una hoja no tejida o hilo puede tener espaciamientos y diametros de nanotubo del orden de varios nanometros, pero caminos conductores mucho mas largos a lo largo del eje de los nanotubos. Al proporcionar nanotubos alineados en una hoja no tejida o dentro de un hilo continuo, se puede proporcionar una rejilla de difraccion que puede interactuar fuertemente con rayos X. Estas estructuras voluminosas, por lo tanto, pueden ser formadas facilmente para proporcionar rejillas de difraccion y polarizadores para rayos X. Ademas, como polarizadores perpendiculares pueden bloquear la trasmision de las ondas electromagneticas incidentes en los polarizadores y con los que interactua cada polarizador, puede ser posible bloquear rayos X usando dos hojas no tejidas de nanotubos alineados, siempre que los nanotubos en la primera hoja puedan ser orientados sustancialmente perpendiculares a los nanotubos en la segunda hoja. Una tela tejida apretadamente de hilos de nanotubos alineados tambien puede tener un efecto similar. Como tal, puede ser posible usar estructuras voluminosas que tienen nanotubos alineados en blindaje de absorcion electromagnetica de amplio espectro para rayos X, ultravioletas, luz visible, infrarrojos, terahercios, radiacion de microondas, y frecuencias de radar y radio.

En otra realizacion, los materiales nanofibrosos de la presente invencion que tienen nanotubos alineados se pueden incorporar para uso en composites anisotropos y conductores termicos, y especialmente en rejillas, filtros y protectores de radiacion electromagnetica, u otras ondas, tales como electrones o neutrones con longitudes de onda mayores de, por ejemplo, 0,1 nm.

Si bien la invencion ha sido descrita en conexion con las realizaciones espedficas de la misma, se entendera que permite ademas modificacion. Ademas, esta solicitud pretende cubrir cualesquiera variaciones, usos o adaptaciones de la invencion, que incluyan tales salidas la presente descripcion que entran dentro de practica conocida o habitual, en la tecnica a la que atane la invencion.

Ciertos aspectos se describen en las siguientes clausulas numeradas.

1. Un sistema para formar un hilo nanofibroso, el aparato comprende: un alojamiento que tiene una entrada para acoplar una camara de smtesis independiente dentro de la que se producen nanotubos; un husillo que tiene un extremo de admision, un extremo de salida opuesto, y una senda entre los mismos, el husillo se extiende desde dentro del alojamiento, cruzando la entrada y adentro de la camara para recoger los nanotubos a traves del extremo de admision y retorcer los nanotubos hasta un hilo nanofibroso; un carrete posicionado dentro del alojamiento y aguas abajo del

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husillo para devanar sobre el mismo el hilo desde el husillo; un sistema de sensor disenado para proporcionar datos de retroinformacion para controlar una tasa de giro del husillo y el carrete, para evitar comprometer la integridad del hilo tal conforme esta siendo devanado alrededor del carrete.

2. Un sistema como se presenta en la clausula 1, en donde el alojamiento es sustancialmente hermetico al aire para minimizar la liberacion en el aire de nanotubos y particulados relacionados generados desde dentro de la camara.

3. Un sistema como se presenta en la clausula 1, en donde el husillo incluye un embudo en el extremo de admision para guiar los nanotubos a traves del extremo de admision y al husillo.

4. Un sistema como se presenta en la clausula 1, en donde el carrete se disena para moverse adelante y atras a lo largo de su eje para proporcionar captacion sustancialmente uniforme del hilo alrededor del carrete.

5. Un sistema como se presenta en la clausula 1, en donde el sistema de sensor se disena para proporcionar datos para controlar la tension de hilo.

6. Un sistema como se presenta en la clausula 1, en donde el sistema de sensor se disena para proporcionar datos que se pueden usar para sincronizar la tasa de giro del carrete con la del husillo.

7. Un sistema como se presenta en la clausula 1, en donde el sistema de sensor se disena para proporcionar datos que se pueden usar para sincronizar la tasa de giro del husillo y el carrete para que sea sustancialmente similar a la tasa de smtesis de los nanotubos.

8. Un sistema como se presenta en la clausula 1, que incluye ademas un brazo de grna situado entre el husillo y el carrete para dirigir el hilo que sale del husillo sobre el carrete para subsiguiente devanado alrededor del carrete.

9. Un sistema como se presenta en la clausula 8, en donde el brazo de grna incluye uno de un set de poleas, ganchos, ojales o una combinacion de los mismos para definir un camino sobre el que el hilo puede ser dirigido a lo largo del brazo de grna hacia el carrete.

10. Un metodo para formar un hilo nanofibroso, el metodo comprende: recibir una pluralidad de nanotubos sintetizados que se mueven sustancialmente en una direccion; retorcer la pluralidad de nanotubos juntos en una direccion sustancialmente transversal a la direccion de movimiento de los nanotubos hasta un hilo; dirigir el hilo hacia un area para recoleccion; recoger el hilo devanando el hilo alrededor de un eje sustancialmente transversal a una direccion de movimiento del hilo; y controlar el devanado a una tasa que evita comprometer la integridad del hilo.

11. Un metodo como se presenta en la clausula 10, en donde la etapa de recepcion incluye introducir en embudo, en un ambiente hermetico al aire, los nanotubos hacia un area constrenida.

12. Un metodo como se presenta en la clausula 10, en donde la etapa de recepcion incluye enfardar la pluralidad de nanotubos dentro de un area constrenida.

13. Un metodo como se presenta en la clausula 10, que incluye ademas, antes de la etapa de recepcion, proporcionar un anclaje sobre el que se pueden conectar nanotubos sintetizados para permitir que los nanotubos se muevan sustancialmente en una direccion.

14. Un metodo como se presenta en la clausula 10, que incluye ademas, antes a la etapa de recepcion, impartir un flujo en vortice sobre los nanotubos sintetizados para proporcionar un retorcimiento inicial.

15. Un metodo como se presenta en la clausula 10, en donde la etapa de retorcer incluye aumentar los puntos de contacto entre nanotubos adyacentes para mejorar la fortaleza del hilo formado.

16. Un metodo como se presenta en la clausula 10, en donde la etapa de retorcer incluye impregnar el hilo con un material que puede impartir reticulacion entre los nanotubos para mejorar la fortaleza del hilo formado.

17. Un metodo como se presenta en la clausula 10, en donde la etapa de dirigir incluye mover el hilo a lo largo de una senda definida.

18. Un metodo como se presenta en la clausula 10, en donde la etapa de recoger incluye hacer avanzar a lo largo del eje para permitir un devanado uniforme.

19. Un metodo como se presenta en la clausula 10, en donde la etapa de controlar incluye utilizar datos de retroinformacion de las etapas de retorcer y devanar para controlar una tasa de retorcimiento y devanado.

20. Un metodo como se presenta en la clausula 19, en donde la etapa de utilizar incluye sincronizar la tasa de devanado con la de retorcimiento.

21. Un metodo como se presenta en la clausula 10, en donde la etapa de controlar incluye controlar la tension de hilo.

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22. Un metodo como se presenta en la clausula 10, en donde la etapa de controlar incluye sincronizar la tasa de devanado y retorcimiento con una sustancialmente similar a una tasa de recepcion de los nanotubos.

23. Un sistema para formar una hoja no tejida nanofibrosa, el aparato comprende: un alojamiento que tiene una entrada para acoplar una camara de smtesis independiente dentro de la que se producen nanotubos; una superficie en movimiento posicionada adyacente a la entrada dentro del alojamiento para recoger y trasportar los nanotubos que fluyen desde la camara de smtesis; un aplicador de presion situado adyacente a la superficie en movimiento para aplicar una fuerza contra los nanotubos recogidos en la superficie en movimiento, para compactar los nanotubos hasta una hoja no tejida de nanotubos entrelazados; un carrete posicionado dentro del alojamiento y aguas abajo del aplicador de presion para devanar sobre el mismo la hoja no tejida; y un separador para aplicar un material sobre un lado de la hoja no tejida antes de que la hoja sea devanada alrededor del carrete para minimizar la cohesion de la hoja no tejida a sf misma sobre el carrete.

24. Un sistema como se presenta en la clausula 23, en donde el alojamiento es sustancialmente hermetico al aire para minimizar la liberacion en el aire de nanotubos y particulados relacionados generados desde dentro de la camara.

25. Un sistema como se presenta en la clausula 23, en donde la superficie en movimiento se posiciona en un angulo sustancialmente transversal al flujo de nanotubos desde la camara de smtesis para permitir que los nanotubos sean depositados sobre el mismo.

26. Un sistema como se presenta en la clausula 23, en donde la superficie en movimiento es una cinta dispuesta alrededor de elementos rotatorios opuestos.

27. Un sistema como se presenta en la clausula 26, en donde la cinta es porosa para permitir que gas que fluye desde la camara de smtesis pase a traves de la misma.

28. Un sistema como se presenta en la clausula 23, el aplicador de presion incluye una placa posicionada por detras de la superficie en movimiento para proporcionar una superficie dura contra la que se puede aplicar presion desde el aplicador.

29. Un sistema como se presenta en la clausula 23, en donde el carrete tiene un eje de rotacion que es sustancialmente transversal a la direccion de movimiento de la hoja no tejida.

30. Un sistema como se presenta en la clausula 23, que incluye ademas una pala aguas abajo del aplicador de presion y que tiene un canto contra la superficie en movimiento para elevar y desacoplar la hoja no tejida de la superficie en movimiento para subsiguiente devanado alrededor del carrete.

31. Un sistema como se presenta en la clausula 23, que incluye ademas un sistema de sensor disenado para proporcionar datos de retroinformacion para controlar una tasa de giro de la superficie en movimiento y carrete, para evitar comprometer la integridad de la hoja no tejida a medida que esta siendo devanada alrededor del carrete.

32. Un sistema como se presenta en la clausula 23, en donde el sistema de sensor se disena para proporcionar datos para controlar la tension de la hoja no tejida entre la superficie en movimiento y el carrete.

33. Un sistema como se presenta en la clausula 23, en donde el sistema de sensor se disena para proporcionar datos que se pueden usar para sincronizar una tasa de giro del carrete a la de la superficie en movimiento.

34. Un sistema como se presenta en la clausula 23, en donde el sistema de sensor se disena para proporcionar datos que se pueden usar para sincronizar una tasa de giro de la superficie en movimiento y el carrete a una sustancialmente similar a la tasa de deposito de nanotubos sobre la superficie en movimiento.

35. Un metodo para formar una hoja no tejida nanofibrosa, el metodo comprende: depositar una pluralidad de nanotubos sintetizados sobre una superficie; trasportar los nanotubos lejos de un punto de deposicion; aplicar presion sobre la pluralidad de nanotubos contra la superficie, para compactar los nanotubos hasta una hoja no tejida de nanotubos entrelazados; dirigir la hoja no tejida hacia un area para recoleccion; poner un material sobre un lado de la hoja no tejida para impedir que la hoja no tejida se cohesione a sf misma; y recoger la hoja no tejida devanando la hoja alrededor de un eje sustancialmente transversal a una direccion de movimiento de la hoja.

36. Un metodo como se presenta en la clausula 35, en donde la etapa de depositar incluye depositar continuamente los nanotubos sobre la superficie dentro de un ambiente hermetico al aire.

37. Un metodo como se presenta en la clausula 35, en donde la etapa de trasportar incluye mover los nanotubos lejos en una direccion sustancialmente transversal a una direccion de deposicion.

38. Un metodo como se presenta en la clausula 35, en donde la etapa de aplicar incluye forzar los nanotubos a moverse entre la superficie y un mecanismo de rodillos.

39. Un metodo como se presenta en la clausula 35, en donde la etapa de dirigir incluye elevar la hoja no tejida desde la superficie de modo que se desacople sustancialmente para subsiguiente recoleccion.

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40. Un metodo como se presenta en la clausula 35, en donde, en la etapa de poner, el material es un material no magnetico para impedir que la hoja no tejida se pegue fuertemente al material.

41. Un metodo como se presenta en la clausula 35, en donde la etapa de recoger incluye controlar una tasa de devanado, para evitar comprometer la integridad de la hoja no tejida.

42. Un metodo como se presenta en la clausula 35, que incluye ademas, antes de la etapa de depositar, generar un campo electrostatico a traves del que pueden ser dirigidos los nanotubos para permitir alineacion sustancial de los nanotubos.

43. Un aparato para presentar nanotubos sintetizados de una manera retorcida para subsiguiente formacion de

materiales nanofibrosos, el aparato comprende: un trozo de cuerpo que tiene una senda a traves de la que pueden fluir nanotubos sintetizados; un trozo de capuchon conectado a un extremo distal del trozo de cuerpo y que tiene una abertura a traves de la que pueden salir los nanotubos; un canal posicionado entre el trozo de capuchon y el trozo de cuerpo y circunferencialmente alrededor de la senda; una pluralidad de lumbreras de salida, situadas dentro del canal, en comunicacion de fluidos con la senda, para impartir un flujo en vortice en la senda de manera que nanotubos que fluyen a traves de la senda se pueden presentar de una manera retorcida tras salir por el extremo distal de la cuerpo.

44. Un aparato como se presenta en la clausula 43, en donde la senda en el trozo de cuerpo incluye un trozo en

disminucion adyacente a un extremo proximal del trozo de cuerpo y un trozo sustancialmente uniforme adyacente al extremo distal del trozo de cuerpo.

45. Un aparato como se presenta en la clausula 43, en donde la senda en el trozo de cuerpo actua para minimizar el acumulo de nanotubos que pueden comprometer la smtesis de los nanotubos.

46. Un aparato como se presenta en la clausula 43, en donde la senda en el trozo de cuerpo es asimetrica.

47. Un aparato como se presenta en la clausula 43, en donde la abertura en el trozo de capuchon en sustancial

alineacion axial con la senda para permitir que salgan nanotubos de la senda.

48. Un aparato como se presenta en la clausula 43, en donde las lumbreras de salida se situan tangencialmente a la senda para impartir suficiente velocidad tangencial a flujo de fluido a la senda para la generacion de un flujo en vortice desde el mismo.

49. Un aparato para presentar nanotubos sintetizados de una manera retorcida para subsiguiente formacion de materiales nanofibrosos, el aparato comprende: un trozo de cuerpo que tiene una senda a traves de la que pueden fluir nanotubos sintetizados; una pluralidad de contactos electricos situados dentro de la senda circunferencialmente alrededor del trozo de cuerpo, para permitir que sea aplicada una corriente electrica a cada contacto en sucesion para generar un campo electrostatico rotatorio dentro de la senda, de manera que nanotubos que fluyen a traves de la senda pueden ser presentados de una manera retorcida a medida que salen del trozo de cuerpo.

50. Un aparato para presentar nanotubos sintetizados para subsiguiente formacion de materiales nanofibrosos, el aparato comprende: disco que tiene un extremo proximal y un extremo distal; un pasadizo que se extiende entre el extremo proximal y el extremo distal; y un trozo constrenido en el extremo distal del pasadizo para permitir acumulacion de los nanotubos en el mismo para uso como fuente desde la que se pueden presentar nanotubos para subsiguiente formacion de materiales nanofibrosos.

51. Un aparato como se presenta en la clausula 50, en donde el disco se hace de un material grafito de o cualquier otro material que aguante temperatura relativamente alta.

52. Un aparato como se presenta en la clausula 50, en donde el pasadizo es en disminucion desde el extremo proximal hacia el extremo distal de la disco.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Un sistema (10) para formar un hilo nanofibroso (15), el sistema comprende: un alojamiento (12) que tiene una entrada (13) para acoplar una camara de smtesis independiente (11) dentro de la que se producen nanotubos (113); un husillo (14) que tiene un extremo de admision (141), un extremo de salida opuesto (143), y una senda (142) entre los mismos, el husillo (14) se extiende desde dentro del alojamiento (12), cruzando la entrada (13) y adentro de la camara (11) para recoger los nanotubos (113) a traves del extremo de admision (131) y posteriormente retorcer los nanotubos hasta un hilo nanofibroso (15); un carrete (17) posicionado dentro del alojamiento (12) y aguas abajo del husillo (14) para devanar sobre el mismo el hilo (15) desde el husillo (14); un sistema de sensor disenado para proporcionar datos de retroinformacion para controlar una tasa de giro del husillo (14) y el carrete (17), para evitar comprometer la integridad del hilo (15) conforme esta siendo devanado alrededor del carrete (17).
2. Un sistema (10) como se presenta en la reivindicacion 1, en donde el alojamiento (12) es sustancialmente hermetico al aire para minimizar la liberacion en el aire de nanotubos (113) y particulados relacionados generados desde dentro de la camara (11).
3. Un sistema (10) como se presenta en la reivindicacion 1, en donde el husillo (14) incluye un embudo (144) en el extremo de admision (141) para guiar los nanotubos (113) a traves del extremo de admision (141) y al husillo (14).
4. Un sistema (10) como se presenta en la reivindicacion 1, en donde el carrete (17) se disena para moverse adelante y atras a lo largo de su eje para proporcionar captacion sustancialmente uniforme del hilo (15) alrededor del carrete (17).
5. Un sistema (10) como se presenta en la reivindicacion 1, en donde el sistema de sensor se disena para proporcionar datos para controlar la tension de hilo.
6. Un sistema (10) como se presenta en la reivindicacion 1, en donde el sistema de sensor se disena para proporcionar datos que se pueden usar para sincronizar la tasa de giro del carrete (17) con la del husillo.
7. Un sistema (10) como se presenta en la reivindicacion 1, en donde el sistema de sensor se disena para proporcionar datos que se pueden usar para sincronizar la tasa de giro del husillo (14) y el carrete (17) para que sea sustancialmente similar a la tasa de smtesis de los nanotubos (113).
8. Un sistema (10) como se presenta en la reivindicacion 1, que incluye ademas un brazo de grna (16) situado entre el husillo (14) y el carrete (17) para dirigir el hilo (15) que sale del husillo (14) sobre el carrete (17) para subsiguiente devanado alrededor del carrete.
9. Un sistema (10) como se presenta en la reivindicacion 8, en donde el brazo de grna (16) incluye uno de un set de poleas (161), ganchos, ojales o un combinacion de los mismos para definir un camino sobre el que el hilo (15) puede ser dirigido a lo largo del brazo de grna (16) hacia el carrete (17).
10. Un metodo para formar un hilo nanofibroso (15), el metodo comprende: recibir una pluralidad de nanotubos sintetizados (113) que se mueven sustancialmente en una direccion; retorcer la pluralidad de nanotubos juntos en una direccion sustancialmente transversal a la direccion de movimiento de los nanotubos hasta un hilo; dirigir el hilo hacia un area para recoleccion; recoger el hilo devanando el hilo alrededor de un eje sustancialmente transversal a una direccion de movimiento del hilo; y controlar la devanado a una tasa que evita comprometer la integridad del hilo.
11. Un metodo como se presenta en la reivindicacion 10, en donde la etapa de recepcion incluye introducir en embudo, en un ambiente hermetico al aire, los nanotubos hacia un area constrenida.
12. Un metodo como se presenta en la reivindicacion 10, en donde la etapa de recepcion incluye enfardar la pluralidad de nanotubos dentro de un area constrenida.
13. Un metodo como se presenta en la reivindicacion 10, que incluye ademas, antes de la etapa de recepcion, proporcionar un anclaje sobre el que se pueden conectar nanotubos sintetizados para permitir que los nanotubos se muevan sustancialmente en una direccion.
14. Un metodo como se presenta en la reivindicacion 10, que incluye ademas, antes a la etapa de recepcion, impartir un flujo en vortice sobre los nanotubos sintetizados para proporcionar un retorcimiento inicial.
15. Un metodo como se presenta en la reivindicacion 10, en donde la etapa de retorcer incluye aumentar los puntos de contacto entre nanotubos adyacentes para mejorar la fortaleza del hilo formado.
16. Un metodo como se presenta en la reivindicacion 10, en donde la etapa de retorcer incluye impregnar el hilo con un material que puede impartir reticulacion entre los nanotubos para mejorar la fortaleza del hilo formado.
17. Un metodo como se presenta en la reivindicacion 10, en donde la etapa de dirigir incluye mover el hilo a lo largo de una senda definida.
18. Un metodo como se presenta en la reivindicacion 10, en donde la etapa de recoger incluye hacer avanzar a lo largo del eje para permitir un devanado uniforme.
19. Un metodo como se presenta en la reivindicacion 10, en donde la etapa de controlar incluye utilizar datos de retroinformacion de las etapas de retorcer y devanar para controlar una tasa de retorcimiento y devanado.

5 20. Un metodo como se presenta en la reivindicacion 19, en donde la etapa de utilizar incluye sincronizar la tasa

de devanado con la de retorcimiento.
21. Un metodo como se presenta en la reivindicacion 10, en donde la etapa de controlar incluye controlar la tension de hilo.
22. Un metodo como se presenta en la reivindicacion 10, en donde la etapa de controlar incluye sincronizar la 10 tasa de devanado y retorcimiento con una sustancialmente similar a una tasa de smtesis de los nanotubos.

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II b

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Figura 2

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Figura 5

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Figura 6

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