ES2960224T3 - Método para aumentar el espesor de una estructura de lámina de nanotubos de carbono - Google Patents

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Abstract

Un método para aumentar el espesor de una lámina de CNT (146, 147, 246, 346), que comprende: proporcionar una lámina húmeda de CNT, en donde la lámina de CNT es una lámina continua de CNT o una porción de lámina de CNT, en donde la lámina húmeda de CNT es el resultado de aplicar un proceso para fabricar una lámina de CNT; separar la lámina húmeda de CNT de cualquier elemento filtrante o de soporte; secar la lámina húmeda de CNT (146, 147, 246, 346) aplicando calor (15, 25, 35) desde una fuente de calor (12, 22, 32). Un método para fabricar una lámina continua de CNT, que comprende: en un recipiente (41) lleno con una solución líquida (42) que comprende CNT en cierta concentración, sumergir un tanque de vacío (43) que tiene una superficie inferior que forma una rejilla; mover una membrana filtrante alargada (44) a lo largo de la superficie inferior del tanque de vacío (43) mientras se aplica vacío sobre la membrana filtrante alargada (44) de tal manera que en la superficie de la membrana filtrante (44) opuesta a la superficie en contacto con la superficie inferior del tanque de vacío (43) se depositan CNT formando una lámina continua de CNT (45) de espesor constante; sacar la membrana filtrante (44) junto con la lámina continua de CNT (45) del recipiente (41); lavar la lámina continua de CNT (55) dispuesta sobre la membrana filtrante o sobre un elemento de soporte (54) en un segundo recipiente (51) lleno de solución limpiadora (52); sacar la lámina continua de CNT (55) junto con la membrana filtrante o el elemento de soporte (54) del segundo recipiente (51); separar la lámina continua de CNT (55) de la membrana filtrante o del elemento de soporte (54); secar la lámina continua de CNT (55) aplicando el método para aumentar el espesor de una lámina de CNT. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Método para aumentar el espesor de una estructura de lámina de nanotubos de carbono
Campo técnico
La presente invención se refiere a la fabricación de materiales y estructuras. Más particularmente, se refiere a métodos y sistemas para fabricar materiales y estructuras a partir de nanotubos de carbono, también conocido comobuckypaper(BP).
Estado de la técnica
Los nanotubos de carbono (CNT) se utilizan en la fabricación de materiales y dispositivos de alto rendimiento. El documento EP1112224A1 divulga un proceso para producir nanotubos de carbono de pared simple. Los nanotubos de carbono de paredes múltiples han sido discutidos, por ejemplo, por JI CHA et al en "Effect of Continuous Multi-Walled Carbon Nanotubes on Thermal and Mechanical Properties of Flexible Composite Film", Nanomaterial, vol. 6, n.° 10, 12 de octubre de 2016, página 182. En los últimos años se han divulgado procesos para la fabricación continua de BP basado en CNT. Dichos procesos normalmente incluyen preparar una suspensión de CNT dispersos en un medio líquido y filtrar la suspensión moviendo una membrana de filtro a través de la suspensión, de modo que los CNT se depositen directamente sobre la membrana del filtro a medida que el medio fluido fluye a través de la membrana del filtro. Luego se seca el BP continuo, después de lo cual se puede separar de la membrana del filtro. Un ejemplo de este proceso se divulga en el documento US7459121B2. El documento JP2016134215A divulga métodos para secar láminas que contienen nanotubos de carbono.
El documento US2017/210627A1 divulga métodos y dispositivos para la producción continua de una red de nanotubos de carbono en una estructura laminar continua. El documento US2016/0177511A1 divulga un método para la fabricación continua de una lámina de CNT en el que una placa porosa flanqueada por dos rodillos guía actúa como área de filtración y se dispone dentro de una cámara de suspensión llena con una suspensión de CNT. Se hace avanzar un papel de filtro hasta el área de filtración. Cuando se aplica presión de vacío, los CNT se depositan en la parte del papel de filtro en contacto con el área de filtración. Luego, la parte del papel de filtro con los CNT depositados se hace avanzar hasta un área de secado. Después del secado, el papel de filtro se separa de la lámina continua de CNT, obteniendo así un rollo de papel filtro y un rollo de lámina continua de CNT.
Un enfoque similar se divulga en el documento WO2016/019143A1, en el que un volumen de una suspensión de CNT se hace pasar sobre un material de filtro y se extrae a través del material de filtro para proporcionar una dispersión uniforme de los CNT sobre el material de filtro. El material de filtro tiene la forma de una cinta porosa continua. La estructura de CNT filtrada se seca antes de retirar la lámina de CNT del material de filtro poroso.
Sin embargo, el tiempo necesario para obtener una lámina de CNT de un espesor predeterminado con los procesos de fabricación convencionales es relativamente elevado, como consecuencia de lo cual estos procesos son poco eficientes. Es más, a medida que aumenta el espesor de la lámina de CNT, la tasa de aumento del espesor se ralentiza. Dicho de otra forma, la curva espesor frente a tiempo de filtrado tiene un comportamiento no lineal, como se muestra, por ejemplo, en la Figura 6, que muestra un gráfico de espesor frente a tiempo de filtración en una línea piloto de fabricación continua convencional de BP. El espesor del BP se expresa en pm (micrómetros, 10-6 metros), mientras que el tiempo se expresa en minutos. Como se puede ver en la Figura 6, al apuntar al 100 % del espesor, en el 30 % del tiempo nominal, se genera el 50 % del espesor. La generación de espesor se ralentiza a medida que aumenta el espesor del BP. Este efecto es aún mayor para un espesor diana mayor.
Descripción de la invención
La presente divulgación proporciona un nuevo método para aumentar el espesor de una lámina de CNT obuckypaper(BP). Unbuckypaperes una lámina delgada hecha de un agregado de nanotubos de carbono o papel de cuadrícula de nanotubos de carbono. Dado al fabricar una lámina de CNT, su tasa de aumento de espesor se reduce a medida que aumenta su espesor, obtener la última parte del espesor deseado (normalmente varios micrómetros o pm) requiere más tiempo que las anteriores. La presente divulgación proporciona un método que permite aumentar la última parte del espesor deseado en un proceso mucho más rápido, de tal manera que se minimice el efecto de ralentización mencionado anteriormente y se reduzca el tiempo necesario para obtener la lámina de CNT de un espesor deseado. Así pues, el espesor deseado de BP se puede obtener de la siguiente manera: En primer lugar, se puede obtener una primera cantidad de espesor de BP por cualquier método convencional, y luego, una segunda cantidad de espesor (la cantidad restante hasta alcanzar el espesor deseado) se puede obtener adicionalmente mediante el método de la presente divulgación. Como un ejemplo, la primera cantidad de espesor puede ser alrededor del 85 % del espesor deseado. Esto puede suponer un ahorro de tiempo de aproximadamente un 25 % para el mismo espesor deseado.
Elbuckypaper(o lámina de CNT) cuyo espesor se aumenta se obtiene en forma de lámina continua. En el contexto de la presente divulgación, una lámina continua de material es una lámina alargada que tiene una longitud que es órdenes de magnitud mayor que la anchura de la lámina. La lámina continua de material puede proporcionarse en forma de un rollo de material laminar. Se puede obtener una lámina continua de material realizando un proceso de fabricación continuo. En el contexto de la presente divulgación, una parte de lote o parte única de material es una parte que tiene una longitud y una anchura del mismo orden de magnitud o similar.
La lámina de CNT puede ser circular o rectangular o tener cualquier otra forma. Cuando es rectangular, la lámina puede ser continua (por ejemplo, para proporcionarse en un rollo) o no continua, también denominado lote o parte (por ejemplo, una parte de longitud y anchura de orden de magnitud similar). La anchura y longitud de las láminas de CNT pueden variar según el proceso de fabricación. Las reivindicaciones se refieren únicamente a láminas continuas de CNT.
También se divulga un método y sistema para secar una lámina húmeda de CNT, siendo el método de secado continuo, intermitente o estático. El método de secado de esta divulgación optimiza la etapa de secado en un proceso de fabricación de una lámina de CNT, siendo las láminas continuas. Con el método de secado propuesto, se aumenta el espesor de la lámina de CNT y, por tanto, también se aumenta la velocidad de fabricación.
También se divulga un método y sistema para fabricar una lámina de CNT, en el que se optimiza la etapa de secado de la lámina húmeda de CNT (continuo).
Los inventores han observado que, al fabricar una lámina de CNT aplicando vacío y un material de filtro, por ejemplo como se divulga en el documento WO2016/019143A1, algunos CNT quedan atrapados en los poros del filtro mencionado. Los inventores también han observado que, debido a tales fuerzas de captura, las dimensiones de la lámina de CNT no pueden cambiar durante el secado. En la presente divulgación, la lámina húmeda de CNT se separa de cualquier material de filtro. Dicho de otra forma, la lámina húmeda de CNT se seca sin material de filtro ni soporte. De esta forma se elimina el efecto de los CNT atrapados en los poros del material de filtro, permitiendo así cambios de dimensiones durante el secado, en particular aumentando el espesor. Esto significa que, cuando el proceso de aumento del espesor de una lámina de CNT se aplica durante el proceso de fabricación de una lámina de CNT, la lámina húmeda de CNT se seca después de separar la lámina de CNT del material de filtro.
Los métodos y sistemas de esta divulgación permiten la obtención de láminas continuas de CNT a un ritmo relativamente rápido en comparación con las configuraciones convencionales debido al aumento del espesor logrado en la etapa de secado propuesta. El peso superficial de la lámina de CNT antes de aplicar el método de secado de la presente divulgación, puede ajustarse adaptando las condiciones de fabricación, tal como la concentración de la suspensión de CNT, la presión de vacío aplicada, la velocidad de filtración, la duración de la filtración, el tipo de filtro (por ejemplo de rejilla) o una combinación de los mismos, durante el proceso de fabricación.
El espesor de las láminas de CNT obtenidas en el método de la presente divulgación, es decir, secadas después de separar la lámina de CNT de cualquier soporte del filtro, se ha observado que es sustancialmente mayor que el espesor de las láminas de CNT secadas antes de separar la lámina de CNT del soporte del filtro, considerando láminas idénticas de CNT y condiciones de secado idénticas. En particular, se ha observado que el espesor de las láminas de CNT de la presente divulgación (secadas sin ningún material de soporte, es decir, después de separar la lámina de CNT de cualquier material de soporte) es hasta un 15 % mayor que el espesor de las láminas de CNT secadas antes de separar la lámina de CNT de cualquier soporte. En algunas realizaciones de la invención, es hasta un 13 % más grande, o hasta un 11 % más grande, o hasta un 8 % más grande o hasta un 6 % más grande.
En algunas realizaciones de la invención, el espesor de la lámina resultante de CNT, que se ha incrementado hasta un 15% respecto al secado previo a la separación de lámina y soporte, varía entre 40 y 100 pm (1 pm = 1 micrómetro = 10-6 metros).
Para aplicar el método para aumentar el espesor de una lámina de CNT, se utiliza una lámina húmeda de CNT. La lámina húmeda de CNT se obtiene de la siguiente manera: en un recipiente lleno de una solución líquida que comprende CNT en una cierta concentración, sumergir un tanque de vacío que tiene una superficie inferior que forma una rejilla; desplazar una membrana filtrante alargada a lo largo de la superficie inferior del tanque de vacío mientras se aplica vacío sobre la membrana filtrante alargada de tal forma que en la superficie de la membrana filtrante opuesta a la superficie en contacto con la superficie inferior del tanque de vacío se depositen los CNT formando una lámina continua de CNT de espesor constante; sacar la membrana filtrante junto con la lámina continua de CNT del recipiente; opcionalmente, lavar la lámina continua de CNT dispuesta sobre la membrana filtrante o sobre un elemento de soporte en un segundo recipiente lleno de solución limpiadora; sacar la lámina continua de CNT junto con la membrana filtrante o el elemento de soporte (54) del segundo recipiente. Para aplicar el método de la invención, la lámina continua de CNT se separa de la membrana filtrante.
Un primer aspecto de la invención se refiere a un método para aumentar el espesor de una lámina de CNT, de acuerdo con la reivindicación 1.
De acuerdo con la invención, la lámina de CNT es continua.
En las realizaciones de la invención, la etapa de secado implica un avance continuo de la lámina de CNT, o un avance intermitente de la misma, o es estática.
En las realizaciones de la invención, la lámina de CNT es una lámina continua de CNT y el secado de la lámina continua húmeda de CNT se realiza de la siguiente manera: hacer avanzar la lámina continua húmeda de CNT en una dirección longitudinal hasta que una parte de la misma se dispone dentro de una unidad de secado que comprende la fuente de calor, estando configurada la fuente de calor para proporcionar calor a un área de secado, comprendiendo además la unidad de secado medios de protección para delimitar dicha zona de secado, de tal manera que la parte de lámina continua de CNT esté sometida a calor únicamente mientras se encuentre debajo del área de secado.
La unidad de secado puede comprender una pluralidad de rodillos configurados para girar libremente y guiar la lámina continua de CNT a lo largo de su dirección longitudinal, obligando a la lámina continua de CNT a adoptar curvaturas suaves convexas y cóncavas de forma alternativa.
La pluralidad de rodillos puede comprender un rodillo central dispuesto debajo del área de secado y rodillos laterales dispuestos debajo del medio de protección.
La unidad de secado puede comprender dos cintas transportadoras configuradas para guiar la lámina continua de CNT en su dirección longitudinal, estando dispuestas longitudinalmente las cintas transportadoras por encima y por debajo de la lámina continua de CNT, respectivamente.
Al menos una de las cintas transportadoras puede estar hecha de un material poroso o comprender una rejilla, para favorecer la entrada de calor y también favorecer la evaporación del líquido, reduciendo así el tiempo de secado.
De acuerdo con la invención, la fuente de calentamiento es una fuente de irradiación infrarroja.
Dado que la lámina húmeda de CNT se seca sin el soporte de filtro, con el que se ha fabricado, se aumenta el espesor de la lámina resultante de CNT. La lámina resultante de CNT tiene un aumento de espesor uniforme sin causar deformaciones irregulares como arrugas y pandeo.
También se divulga un método para fabricar una lámina continua de CNT, que comprende: en un recipiente lleno de una solución líquida que comprende CNT en una cierta concentración, sumergir un tanque de vacío que tiene una superficie inferior que forma una rejilla; desplazar una membrana filtrante alargada a lo largo de la superficie inferior del tanque de vacío mientras se aplica vacío sobre la membrana filtrante alargada de tal forma que en la superficie de la membrana filtrante opuesta a la superficie en contacto con la superficie inferior del tanque de vacío se depositen los CNT formando una lámina continua de CNT de espesor constante; sacar la membrana filtrante junto con la lámina continua de CNT del recipiente; separar la lámina continua de CNT de la membrana filtrante y secar la lámina continua de CNT aplicando el método ya descrito.
Antes de separar la lámina continua de CNT de la membrana filtrante o del elemento de soporte, el método puede comprender lavar la lámina continua de CNT dispuesta sobre la membrana filtrante o sobre un elemento de soporte en un segundo recipiente lleno de solución limpiadora; sacar la lámina continua de CNT junto con la membrana filtrante o el elemento de soporte del segundo recipiente.
Gracias a la etapa de secado optimizada, en la que se separa la lámina de CNT del soporte del filtro con el que se ha fabricado antes del secado de la lámina de CNT, la invención proporciona una lámina de CNT con mayor espesor con respecto a las convencionales, considerando condiciones similares (etapa de filtración y opcionalmente lavado). La lámina resultante de CNT tiene un aumento de espesor uniforme sin causar deformaciones irregulares como arrugas y pandeo.
También se divulga un sistema para aumentar el espesor de una lámina de CNT, comprendiendo el sistema una unidad de secado que comprende una fuente de calor configurada para proporcionar calor a un área de secado, estando configurada el área de secado para recibir la lámina de CNT.
En las realizaciones de la invención, la lámina de CNT es continua, estando configurada el área de secado para recibir la lámina continua húmeda de CNT a medida que avanza en su dirección longitudinal, comprendiendo además la unidad de secado medios de protección para delimitar dicha zona de secado, de tal manera que la parte de lámina continua de CNT quede sometida a calor únicamente hasta que se encuentre debajo del área de secado.
En las realizaciones de la invención, el área de secado puede comprender medios para evitar la deformación de la lámina continua de CNT durante la etapa de secado, siendo dichos medios una pluralidad de rodillos configurados para girar libremente y guiar la lámina continua de CNT a lo largo de su dirección longitudinal, obligando a la lámina continua de CNT a adoptar suaves curvaturas convexas y cóncavas de forma alterna, o dos cintas transportadoras configuradas para guiar la lámina continua de CNT en su dirección longitudinal.
Las ventajas y características adicionales de la invención resultarán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada y se señalarán especialmente en las reivindicaciones adjuntas.
Breve descripción de los dibujos
Para completar la descripción y con el fin de proporcionar una mejor comprensión de la invención, se proporciona un conjunto de dibujos. Dichos dibujos forman parte integral de la descripción e ilustran una realización de la invención, que no deben interpretarse como que restringen el alcance de la invención, sino solo como un ejemplo de cómo puede realizarse la invención. Los dibujos comprenden las siguientes figuras:
La Figura 1A, que no está de acuerdo con la invención, muestra una representación esquemática de un primer sistema para llevar a cabo el método de aumentar el espesor de una lámina de CNT de la presente divulgación, o para llevar a cabo el método de secado de una lámina de CNT de la presente divulgación. La configuración mostrada es adecuada para aumentar el espesor de una lámina de CNT por lotes, es decir, una parte de la lámina de CNT, en la que se muestra una fuente de calor y una zona de secado.
La Figura 1B muestra una representación esquemática de un segundo sistema para llevar a cabo el método de aumentar el espesor de una lámina de CNT de la presente divulgación, o para llevar a cabo el método de secar una lámina de CNT de la presente divulgación. La configuración mostrada es adecuada para aumentar el espesor de una lámina continua de CNT, en la que se muestran una fuente de calor y un área de secado en una configuración directa de rodillo a rodillo.
La Figura 2 muestra una representación esquemática de un tercer sistema para llevar a cabo el método de aumentar el espesor de una lámina de CNT de la presente divulgación, o para llevar a cabo el método de secar una lámina de CNT de la presente divulgación. La configuración mostrada es adecuada para aumentar el espesor de una lámina continua de CNT, en la que se muestran una fuente de calor y un área de secado en una configuración que incluye rodillos enderezadores de láminas de CNT.
La Figura 3 muestra una representación esquemática de un cuarto sistema para llevar a cabo el método de aumentar el espesor de una lámina de CNT de la presente divulgación, o para llevar a cabo el método de secar una lámina de CNT de la presente divulgación. La configuración mostrada es adecuada para aumentar el espesor de una lámina continua de CNT, en la que se muestran una fuente de calor y un área de secado en una configuración que incluye cintas de soporte dobles.
La Figura 4 muestra una representación esquemática de una etapa de filtrado en un método convencional para fabricar una lámina continua húmeda de CNT.
La Figura 5 muestra una representación esquemática de una etapa de lavado en un método convencional para fabricar una lámina continua húmeda de CNT de acuerdo con las realizaciones de la invención.
La Figura 6 muestra un gráfico de espesor frente a tiempo de filtración en una línea piloto de fabricación continua convencional de BP.
La Figura 7 muestra el gráfico de la Figura 6, en el que se destaca el ahorro de tiempo obtenido al aplicar el método de la presente divulgación.
Descripción de una forma de realizar la invención
Las Figuras 1A, 1B, 2 y 3 muestran diferentes realizaciones de sistemas para aumentar el espesor de una lámina de CNT, o para secar una lámina de CNT. La lámina de CNT que se somete al método de la invención debe estar húmeda. La lámina de CNT puede estar mojada porque ha salido de una etapa de filtración o de una etapa de lavado en un proceso de fabricación de láminas de c Nt , como se describe en relación con las Figuras 4 y 5. Como alternativa, en un ejemplo que no entra dentro del alcance de las reivindicaciones, la lámina de CNT puede estar mojada porque una lámina de c Nt ya seca (que está seca, por ejemplo, porque se ha fabricado con mucha antelación) ha sido empapada intencionalmente en una solución acuosa para aplicar el método de la invención. En las realizaciones de la invención, la lámina de CNT está preferiblemente totalmente mojada, por ejemplo porque acaba de salir de una etapa de filtración como la que se muestra en la Figura 4, o de una etapa de lavado como la que se muestra en la Figura 5.
Como un ejemplo, pero sin limitación, un posible método que puede usarse para fabricar una lámina húmeda de CNT se divulga a la vista de las Figuras 4-5. En este caso, la lámina fabricada de CNT es continua y se almacena en rollos. En la Figura 4, se muestra una etapa de filtrado. En la Figura 5, se muestra una etapa de lavado opcional. Se puede aplicar un enfoque similar,mutatis mutandis,para la fabricación de láminas por lotes de CNT (no láminas continuas proporcionadas, por ejemplo, en rollos). Sin embargo, solo las láminas continuas están cubiertas por las reivindicaciones.
La Figura 4 muestra una representación esquemática de una etapa de filtrado de un proceso para fabricar una lámina continua húmeda de CNT. Se llena un recipiente 41 con una solución líquida 42 que comprende CNT en una cierta concentración. Un tanque de vacío 43 está sumergido en el recipiente 41. El tanque de vacío 43 tiene una superficie inferior que forma una rejilla. Una membrana filtrante alargada 44 se mueve a lo largo de la superficie inferior del tanque de vacío 43, a cierta velocidad, mientras que se aplica vacío constante a la membrana filtrante 44 de forma constante por medio de una válvula de vacío, no ilustrada, para retirar la solución 42 del recipiente 41. De esta forma, los CNT se depositan sobre la superficie de la membrana filtrante 44 opuesta a la superficie en contacto con la superficie inferior del tanque de vacío 43, formando una lámina continua de CNT 45 de espesor sustancialmente constante. La membrana filtrante 44 puede proporcionarse en rollos, no ilustrados, que se desenrollan, normalmente de forma automática, mientras que la membrana desenrollada 44 se mueve hacia el interior del recipiente 41. De forma similar, la membrana filtrante 44 con la lámina continua de CNT 45 depositada sobre ella puede enrollarse mientras sale del recipiente 41, formando un rollo (no mostrado). En la Figura 4, el área de filtrado, en la que los CNT se depositan sobre una parte de la membrana filtrante 44, se identifica y se denomina 46. La velocidad de esta etapa depende del espesor deseado de la lámina de CNT 45.
Después de la etapa de filtrado de la Figura 4, la lámina continua de CNT puede entrar en una etapa de lavado, como se muestra en la Figura 5. En la Figura 5, la membrana filtrante 54, junto con la lámina continua de CNT 55, se mueve a un segundo recipiente 51 lleno con solución limpiadora 52. Otro tanque de vacío 53 está sumergido en el segundo recipiente 51. El vacío constante se aplica mediante una válvula de vacío, Para eliminar la solución limpiadora del recipiente, de tal manera que la lámina continua de CNT 55 se lave en contacto con la solución limpiadora. La membrana filtrante 54 con la lámina continua limpia de CNT 55 sale continuamente del recipiente 51 en estado húmedo. La presión de vacío aplicada y la velocidad se pueden adaptar para controlar las características de la lámina continua húmeda de CNT 55.
A continuación, se divulgan diferentes realizaciones de la etapa de secado para aumentar el espesor de una lámina de CNT de acuerdo con la presente invención. La lámina de CNT debe estar mojada (por ejemplo, tal como proviene de la etapa de lavado ilustrada en la Figura 5). La lámina húmeda de CNT se seca sin el soporte del filtro utilizado para fabricar esa lámina de CNT.
Dicho de otra forma, la lámina mojada de CNT está sin revestir, es decir, separada del soporte del filtro (por ejemplo membrana filtrante) con el que sale de una etapa de filtración (por ejemplo el de la Figura 4), o separada del soporte con el que sale de una etapa de lavado (por ejemplo el de la Figura 5). Esto significa que, cuando el proceso de aumento del espesor de una lámina de c Nt se aplica durante el proceso de fabricación de una lámina de CNT, la lámina húmeda de CNT se seca después de separar la lámina de CNT del soporte del filtro. O, en un ejemplo que no entra dentro del alcance de las reivindicaciones, cuando el proceso para aumentar el espesor de una lámina de CNT se aplica mucho después del proceso de fabricación de la lámina de CNT, por ejemplo cuando la lámina de CNT se proporciona junto con un soporte, la lámina de CNT se separa del soporte, luego se remoja en una solución acuosa y, finalmente, se aplica el proceso de secado para aumentar su espesor, de acuerdo con la presente divulgación.
Por ejemplo, si el método para aumentar el espesor de la lámina de CNT se aplica después de la etapa de lavado mostrada en la Figura 5, durante un proceso de fabricación de láminas de CNT, la lámina continua de CNT 55 se separa del material filtrante 54 antes de la etapa de secado. Un rollo (no mostrado) que comprende la lámina continua húmeda de CNT 55 junto con cualquier soporte, se desenrolla continuamente. Mientras está desenrollada, la lámina de CNT está separada de cualquier elemento de filtro o de soporte.
La Figura 1A, que no se encuentra dentro del alcance de las reivindicaciones, muestra una configuración adecuada para aumentar el espesor de una parte de lote de lámina de CNT 146. Se muestra una unidad de secado 11. La lámina húmeda de CNT 146 está dispuesta sobre una superficie 19 sujeta al calor 15 proporcionado por una fuente de calor 12. La fuente de calor 12 está configurada para proporcionar calor 15 a un área de secado 13, bajo la cual o dentro de la cual se coloca la lámina de CNT 146. La fuente de calor 12 puede ser móvil. La estática (una sola parte) de la lámina de CNT 146 queda así expuesta al calor 15. Después de cierto tiempo, que depende del espesor original de la lámina de CNT 146, la lámina de CNT se seca. La fuente de calor 12 puede implementarse de diferentes maneras. De acuerdo con la invención, se utiliza una fuente de irradiación infrarroja (IR). En realizaciones que no entran dentro del alcance de las reivindicaciones, se utiliza una fuente de convección o una fuente de aire caliente. En lugar de ello, se pueden utilizar otras fuentes de radiación, que no se encuentran dentro del alcance de las reivindicaciones, tales como una fuente de irradiación ultravioleta (UV) o una fuente de radiación de resistencia eléctrica (ER). Se ha aumentado el espesor de la lámina seca de CNT resultante.
La Figura 1B muestra una representación esquemática de un segundo sistema para llevar a cabo el método de la invención. Este sistema es similar al de la Figura 1A. Sin embargo, el sistema de la Figura 1B es adecuado para aumentar el espesor de una lámina continua de CNT. La lámina continua de CNT, húmeda y ya separado del filtro utilizado para fabricar la lámina de CNT, puede proporcionarse en rollos 145. Se muestra una unidad de secado 11. La lámina continua húmeda de CNT, formando un rollo 145, se mueve hacia delante mientras se desenrolla 147 hacia la unidad de secado 11. La lámina de CNT podrá moverse automáticamente, por ejemplo accionada por medios impulsores (por ejemplo accionando el rodillo 148 en el exterior de la unidad de secado 11). La lámina continua de CNT 147 se puede mover continuamente, a baja velocidad, o puede moverse parte por parte, de manera intermitente, es decir, se puede mover hasta que una primera parte de lámina de CNT esté dispuesta dentro del área de trabajo del área de secado 13 y luego detenerse durante un tiempo suficiente para secar esa primera parte. Y luego la lámina de CNT se mueve hacia delante hasta que una segunda parte de la misma quede dispuesta dentro del área de trabajo del área de secado 13, y así sucesivamente. En cualquier caso, la lámina continua de CNT 147 se calienta mientras la lámina continua de CNT se mueve progresivamente, ya sea de manera continua o intermitente, en su dirección longitudinal. El calor 15 se aplica localmente, es decir, solo debajo o dentro del funcionamiento del área de secado 13. Los medios impulsores de la lámina continua de CNT 147 están dispuestos preferiblemente fuera de la unidad de secado 11. La unidad de secado 11 tiene una fuente de calor 12 configurada para proporcionar calor 15 a un área de secado 13. La fuente de calor 12 puede ser móvil. La zona de secado 13 está delimitada por medios de protección 16, configurada para delimitar el área de secado 13, impedir que el calor 15 atraviese los medios de protección 16, y delimitar el tiempo de secado, en particular en caso de movimiento continuo de la lámina de CNT. Los medios de protección 16 pueden implementarse mediante dos mamparas fijas o dos mamparas móviles. Los medios de protección 16 pueden ser de cualquier material capaz de bloquear el calor emitido por la fuente de calor y de soportar la temperatura de trabajo. En algunas realizaciones, las mamparas pueden estar formadas por placas metálicas que se pueden fijar en diferentes posiciones según la zona de secado deseada. Por tanto, solo una parte de lámina continua de CNT 147 (es decir, la parte que pasa por debajo de la zona de secado 13) se expone al calor 15. Dado que la lámina continua de CNT 147 se mueve longitudinalmente, ya sea de forma continua o a intervalos (discontinuamente), se expone al calor 15 solo cuando pasa por debajo de la zona de secado 13. A la salida de la unidad de secado 11, la lámina continua ya seca de CNT 149 puede ser laminada continuamente, formando un rollo 148. Dicho de otra forma, la lámina continua seca de CNT 149 se enrolla mientras sale de la unidad de secado 11. Debido a los dos rollos 145, 148 de láminas de CNT, dispuestos respectivamente en la entrada y salida de la unidad de secado 11, esta configuración se conoce como configuración directa de rollo a rollo. La fuente de calor 12 se puede implementar de las mismas formas posibles que se describen en relación con la Figura 1A. Después de la aplicación de este proceso continuo, se ha aumentado el espesor de la lámina seca resultante de CNT 149. Sin embargo, se pueden producir ciertas deformaciones en la lámina de CNT, en particular en los lados longitudinales, debido al secado desigual, fuerzas de contracción o cualquier otra posible fuente de deformación. Esta potencial deformación se soluciona tal y como se propone en las implementaciones de las Figuras 2 y 3.
Las Figuras 2 y 3 muestran diferentes sistemas para llevar a cabo el método de la invención, en el que la deformación irregular de la lámina de CNT, que puede ocurrir en el proceso de secado, se evita utilizando medios para evitar la deformación.
La Figura 2 muestra una representación esquemática de un tercer sistema para llevar a cabo el método de la invención. Al igual que el sistema de la Figura 1B, el sistema de la Figura 2 es adecuado para aumentar el espesor de una lámina continua de CNT. Además, evita la flexión no deseada de los bordes longitudinales de la lámina de CNT. Se muestra una unidad de secado 21. La lámina continua húmeda de CNT, que puede estar formando un rollo 245, se hace avanzar mientras se desenrolla 246 hacia la unidad de secado 21. La lámina de CNT 246 podrá moverse automáticamente. La unidad de secado 21 tiene una fuente de calor 22 configurada para proporcionar calor 25 a un área de secado 23. La zona de secado 23 está delimitada por medios de protección 26, que tiene el mismo propósito e implementación que los medios de protección 16 en el segundo sistema. Como en el segundo sistema (Figura 1B), hay un primer rollo 245 de lámina continua húmeda de CNT a la entrada de la unidad de secado 21 y un segundo rollo 248 de lámina continua seca de CNT a la salida de la unidad de secado 21. En esta realización, una pluralidad de rodillos 27, 28, 29 guían la lámina continua de CNT 246. En la Figura 2, se muestran tres rodillos. Los rodillos ruedan libremente, sin ser accionados. Contribuyen a evitar deformaciones en la lámina continua de CNT 246. Los rodillos primero y tercero 27, 29 están dispuestos preferiblemente respectivamente en la entrada y salida del área de secado 23. Por ejemplo, pueden estar dispuestos debajo de los medios de protección 26. Mientras se desenrolla la lámina continua de CNT 246, esta se ve obligada a moverse por debajo del primer rodillo 27, formando una forma cóncava. Después, por ejemplo cuando se expone al calor 25 en el área de secado 23, la lámina continua de CNT se ve obligada a moverse por encima del segundo rodillo 28 (rodillo central), formando una forma convexa. A continuación, a la salida de la zona de secado 23, la lámina continua de CNT se ve obligada a moverse por debajo del tercer rodillo 29, siguiendo la trayectoria que este define, formando una forma cóncava. Un experto en la materia entenderá que son posibles otras configuraciones de rodillos. Por ejemplo, el primer y tercer rodillos 27, 28 pueden estar dispuestos debajo de la lámina de CNT, de tal manera que la lámina continua de CNT se ve obligada a moverse por encima del primer rodillo 27, formando una forma convexa, luego por debajo del segundo rodillo 28 (dispuesto en este caso encima de la lámina de CNT), formando una forma cóncava, y finalmente por encima del tercer rodillo 29, formando nuevamente una forma convexa. Los tres rodillos 27-29 pueden tener la misma forma y diámetro. Como alternativa, el rodillo central 28 puede tener un diámetro mayor. Después de ser guiada por el último rodillo 29, la lámina continua ya seca de CNT 247 puede ser laminada continuamente, formando un rollo 248. Dado que la pluralidad de rodillos 27 29 están dispuestos para forzar a la lámina de CNT a adoptar formas alternativamente cóncavas y convexas, los rodillos 27-29 se denominan rodillos enderezadores, ya que evitan la deformación en la lámina continua de CNT. En las realizaciones de la invención, los rodillos 27-29 fuerzan el avance de la lámina continua de CNT 246 en su dirección longitudinal, para que se aleje varios grados del plano horizontal. Por ejemplo, la lámina de CNT puede formar un ángulo de hasta 20° (grados) con respecto al plano horizontal cuando pasa por encima/por debajo de los rodillos correspondientes 27-29. El ángulo puede ser, por ejemplo, de hasta 15°, o hasta 12°, o hasta 10°. Como en los sistemas anteriores, la fuente de calor 22 puede implementarse de diferentes maneras. De acuerdo con la invención, se utiliza una fuente de irradiación infrarroja (IR). En ejemplos que no entran dentro del alcance de las reivindicaciones, se utiliza una fuente de convección o una fuente de aire caliente. En lugar de ello, se pueden utilizar otras fuentes de radiación, que no se encuentran dentro del alcance de las reivindicaciones, tales como una fuente de irradiación ultravioleta (UV) o una fuente de radiación de resistencia eléctrica (ER). Después de la aplicación de este proceso continuo, se ha aumentado el espesor de la lámina seca resultante de CNT 247. Por otra parte, gracias a los rodillos 27-29, se ha impedido la deformación en la lámina de CNT, tal como deformaciones en sus bordes longitudinales.
La Figura 3 muestra una representación esquemática de un cuarto sistema para llevar a cabo el método de la invención. Al igual que el sistema de las Figuras 1B y 2, el sistema de la Figura 3 es adecuado para aumentar el espesor de una lámina continua de CNT. Además, evita la flexión no deseada de los bordes longitudinales de la lámina de CNT. Se muestra una unidad de secado 31, similar a las unidades de secado 11, 21. La lámina continua húmeda de CNT, por ejemplo formando un rollo 345, se hace avanzar mientras se desenrolla 346 hacia la unidad de secado 31. Como en el segundo y tercer sistema, la lámina de CNT se puede mover automáticamente por medio de medios impulsores ubicados preferiblemente fuera de la unidad de secado 31 (por ejemplo, accionando el segundo rodillo 348). Como en el primer, segundo y tercer sistemas, la unidad de secado 31 tiene una fuente de calor 32 configurada para proporcionar calor 35 a un área de secado 33. Un medio de protección similar 36 al utilizado en el segundo y tercer sistema, se utiliza en esta unidad de secado 31. Como en el segundo y tercer sistema, hay un primer rollo 345 de lámina continua húmeda de CNT a la entrada de la unidad de secado 31 y un segundo rollo 348 de lámina continua seca de CNT a la salida de la unidad de secado 31. Sin embargo, en esta realización, la lámina continua desenrollada de CNT 346, 347 está soportada o guiada por dos materiales de soporte para evitar la deformación de la lámina de CNT, tal como deformaciones en sus bordes longitudinales. Los materiales de soporte se pueden implementar como cintas transportadoras 37, 38. Una primera cinta transportadora 37 está dispuesta encima de la lámina continua de CNT 346, 347, longitudinalmente a la misma, y muy cerca de su superficie superior, evitando que la lámina de CNT se deforme hacia arriba. Una segunda cinta transportadora 38 está dispuesta debajo de la lámina continua de CNT 346, 347, longitudinalmente a la misma, y muy cerca de su superficie inferior, por lo tanto paralela a la primera cinta transportadora 37, evitando que la lámina de CNT se deforme hacia abajo. Dicho de otra forma, las cintas transportadoras 37, 38 presionan ligeramente la lámina de CNT en direcciones opuestas, para mantenerla recto (sin arrugas). Las cintas transportadoras 37, 38 pueden estar hechas de un material poroso o pueden comprender una rejilla, para favorecer la entrada de calor y también favorecer la evaporación del líquido, reduciendo así el tiempo de secado. Después de ser guiada por al menos una cinta transportadora, la lámina continua ya seca de CNT 347 puede ser laminada continuamente, formando un rollo 348. Como en los sistemas anteriores, la fuente de calor 32 puede implementarse de diferentes maneras.
De acuerdo con la invención, se utiliza una fuente de irradiación infrarroja (IR). En ejemplos que no entran dentro del alcance de las reivindicaciones, se utiliza una fuente de convección o una fuente de aire caliente. En lugar de ello, se pueden utilizar otras fuentes de radiación, que no se encuentran dentro del alcance de las reivindicaciones, tales como una fuente de irradiación ultravioleta (UV) o una fuente de radiación de resistencia eléctrica (ER). Se ha aumentado el espesor de la lámina seca de CNT resultante.
En los ejemplos/realizaciones representados en las Figuras 1A, 1B, 2 y 3, se observa un aumento del espesor de la lámina seca de CNT 146, 149, 247, 347, con respecto al espesor de las láminas similares de CNT secadas sin retirar el elemento de filtro.
A continuación, se describen algunos experimentos que se han llevado a cabo.
En un primer experimento, una primera parte de lámina de CNT producida mediante un método convencional para fabricar láminas de CNT (utilizando una dispersión de CNT de paredes múltiples en un medio líquido, con orientación aleatoria, seguido de filtración a través de una membrana filtrante con ayuda de vacío) se ha sometido a una etapa de secado convencional, es decir, se ha secado sin separar la lámina de<c>N<t>del soporte del filtro (o soporte, en general), con el que se lava la lámina de CNT. Las dimensiones de la parte de lámina de CNT son aproximadamente 70 mm (70 milímetros = 0,07 m) (longitud) x 46 mm (anchura). Se ha secado con una fuente de radiación infrarroja (IR) (potencia de 1100W, distancia de 45 cm entre la lámina de CNT y la lámpara de infrarrojos). Una segunda parte de lámina de CNT se produce exactamente mediante el mismo método de fabricación. Tiene las mismas dimensiones que la primera. De hecho, en algunos experimentos, se cortó el mismo BP en dos partes (o más) que se secaron de manera diferente para obtener resultados comparables. Sin embargo, en lugar de secar la lámina de CNT sin separar la lámina de CNT del soporte del filtro con el que se lavó la lámina de CNT, ambos elementos se separaron y luego se secaron mediante secado por infrarrojos. En particular, se ha utilizado un sistema similar al mostrado en la Figura 3. La fuente de calor era la misma fuente de radiación infrarroja. No se requirió ninguna mampara (porque no se estaba secando ninguna lámina continua de CNT). Para evitar la deformación, la parte de lámina de<c>N<t>se dispuso sobre una superficie porosa plana de una malla metálica (que actúa como la cinta transportadora inferior 38 en la Figura 3) y una lámina porosa de una malla metálica (que actúa como la cinta transportadora superior 37 en la Figura 3) se dispuso sobre la superficie superior de la lámina de CNT. Después del secado, el espesor de la primera muestra (secada de acuerdo con un método convencional, sin separar la lámina de CNT del elemento de filtro) fue de 66 pm (micrómetros, 10-6 m). A diferencia de ello, el espesor de la segunda muestra (secada de acuerdo con el método de la presente invención), era de 75 pm. Por lo tanto, se obtuvo un aumento del 13%. Este experimento demuestra la capacidad del método de separación de los CNT del soporte antes del calentamiento por infrarrojos para aumentar el espesor de la lámina de CNT resultante. Se observa que esta comparación ha sido establecida, en lugar de comparar la misma parte húmeda de lámina de CNT antes y después de aplicar el método de la invención, porque es extremadamente complicado medir correctamente el espesor de una lámina húmeda de CNT. Por otra parte, el objetivo del método es aumentar su espesor con respecto a las láminas de CNT fabricadas mediante métodos convencionales, en los que la etapa de secado se realiza sin separar la lámina de CNT del elemento de filtro.
En un segundo experimento, se ha demostrado que el espesor aumenta para un amplio intervalo de espesores. En primer lugar, se produjeron tres partes de lámina de CNT mediante un método convencional para fabricar láminas de CNT, pero con diferentes tiempos de filtrado para obtener láminas de CNT de diferente espesor. Las tres se sometieron a una etapa de secado convencional, es decir, se secaron sin separar la lámina de CNT del soporte del filtro (o soporte, en general), con el que se lavó cada lámina de CNT. Las dimensiones de las partes de láminas de CNT eran aproximadamente 45 mm (longitud) x 45 mm (anchura). Se secaron con una fuente de radiación infrarroja (IR) (potencia de 1100W, distancia de 45 cm entre la lámina de CNT y la lámpara de infrarrojos). A continuación, se produjeron tres partes adicionales de láminas de CNT exactamente mediante el mismo método de fabricación. Tenían las mismas dimensiones que las tres primeras. Sin embargo, en lugar de secar las láminas de CNT sin separar la lámina de CNT del soporte del filtro con el que se lavó cada lámina de CNT, en los tres casos se separaron ambos elementos y se aplicó el método de la invención. En particular, se utilizó un sistema similar al descrito para el primer experimento. La siguiente tabla resume los resultados:
Como se puede observar, en todos los casos se logró un aumento de al menos el 11 %. En particular, en dos casos fue del 13%. Este experimento demuestra la capacidad de separar los CNT del soporte del filtro antes del calentamiento por infrarrojos para aumentar el espesor de la lámina de CNT resultante para láminas de CNT de diferente espesor.
En un tercer experimento útil para comprender la invención, pero que no cae dentro del alcance de las reivindicaciones, se ha demostrado que el espesor aumenta para un amplio intervalo de espesores también cuando la fuente de calor es un calentador de aire en lugar de una fuente de radiación infrarroja. En primer lugar, se produjeron tres partes de lámina de CNT mediante un método convencional para fabricar láminas de CNT, pero con diferentes tiempos de filtrado para obtener láminas de CNT de diferente espesor. Las tres se sometieron a una etapa de secado convencional, en este caso con un calentador de aire (2 h a 105 °C). Dicho de otra forma, se secaron sin separar la lámina de CNT del soporte del filtro (o soporte, en general), con el que se lavó cada lámina de CNT. Las láminas de CNT tenían dimensiones similares a las de los experimentos anteriores. A continuación, se produjeron tres partes adicionales de láminas de CNT exactamente mediante el mismo método de fabricación. Tenían las mismas dimensiones que las tres primeras. Sin embargo, en lugar de secar las láminas de CNT sin separar la lámina de CNT del soporte del filtro con el que se lavó cada lámina de CNT, en los tres casos se separaron ambos elementos y se aplicó el método de secado por calentamiento de aire. En particular, se utilizó un sistema similar al descrito para el primer y segundo experimentos. La siguiente tabla resume los resultados:
Como se puede observar, si se utiliza un calentador de aire en lugar de una fuente de radiación infrarroja, también se consigue un aumento del espesor de la lámina de CNT resultante. Sin embargo, el aumento es mayor cuando se utiliza una fuente de radiación infrarroja.
Aunque los primeros experimentos se refieren a partes "estáticas" o por lotes de láminas de CNT, es decir, partes de láminas de CNT de anchura y longitud del mismo orden de magnitud, (estos experimentos no entran dentro del alcance de las reivindicaciones), estos experimentos también se han realizado en una configuración dinámica (con láminas continuas de CNT, por ejemplo en rollos). En todos los casos, se ha observado un aumento del espesor de las láminas de CNT resultantes, similar al mostrado en los experimentos 1-3. En resumen, el método de la invención permite ahorrar tiempo de producción, aumentando así la eficiencia, gracias al aumento obtenido en el espesor de la lámina de CNT. Por ejemplo, el gráfico representado en la Figura 6 muestra la curva espesor frente al tiempo correspondiente a un proceso convencional de fabricación de una lámina de CNT. El comportamiento de esta curva no es lineal: en el 30 % del tiempo nominal, se genera el 50 % del espesor. El tiempo de filtración está definido por la velocidad lineal. La capacidad de producción (m2) también depende de la velocidad lineal: mayores velocidades lineales conducen a una mayor producción de BP (m2) de menor espesor, mientras que velocidades lineales más bajas conducen a una menor producción de BP (m2) de mayor espesor. Como se muestra en la Figura 7, dado que el método de la invención permite obtener un aumento de espesor de aproximadamente el 13 %, se ahorra aproximadamente el último 22%del tiempo necesario para lograr cierto espesor utilizando un método de fabricación convencional.
En el presente texto, el término "comprende" y sus derivados (tales como "comprendiendo", etc.) no deberían entenderse en un sentido excluyente, es decir, no debería interpretarse que estos términos excluyen la posibilidad de que lo que se describe y define pueda incluir otros elementos, etapas, etc.

Claims (8)

REIVINDICACIONES
1. Un método para aumentar el espesor de una lámina de CNT (146, 147, 246, 346), que comprende:
proporcionar una lámina continua húmeda de CNT, en donde una lámina continua de CNT es una lámina alargada cuya longitud es órdenes de magnitud mayor que su anchura y en donde la lámina continua húmeda de CNT se ha fabricado de la siguiente manera:
en un recipiente (41) lleno de una solución líquida (42) que comprende CNT en una cierta concentración, sumergir un tanque de vacío (43) que tiene una superficie inferior que forma una rejilla,
mover una membrana filtrante alargada (44) a lo largo de la superficie inferior del tanque de vacío (43) mientras se aplica vacío sobre la membrana filtrante alargada (44) de tal manera que en la superficie de la membrana filtrante (44) opuesta a la superficie en contacto con la superficie inferior del tanque de vacío (43) se depositan CNT formando una lámina continua de CNT (45) de espesor constante,
sacar la membrana filtrante (44) junto con la lámina continua de CNT (45) del recipiente (41),
separar la lámina continua húmeda de CNT (45) de la membrana filtrante (44),
secar la lámina continua húmeda de CNT (146, 147, 246, 346) aplicando calor (15, 25, 35) desde una fuente de calor (12, 22, 32), en donde la fuente de calor es una fuente de irradiación infrarroja.
2. El método de la reivindicación 1, en donde la etapa de secado implica un avance continuo de la lámina de CNT, o un avance intermitente de la misma, o es estática.
3. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el secado de la lámina continua húmeda de CNT se realiza de la siguiente manera: hacer avanzar la lámina continua húmeda de CNT (147, 246, 346) en una dirección longitudinal hasta que una parte de la misma se dispone dentro de una unidad de secado (11, 21, 31) que comprende la fuente de calor (12, 22, 32), estando configurada la fuente de calor (12, 22, 32) para proporcionar calor (15, 25, 35) a un área de secado (13, 23, 33), comprendiendo además la unidad de secado (11, 21, 31) medios de protección (16, 26, 36) para delimitar dicha zona de secado (13, 23, 33), de tal manera que la parte de lámina continua de CNT esté sometida a calor (15, 25, 35) solo hasta que se encuentre debajo del área de secado (13, 23, 33).
4. El método de la reivindicación 3, en donde la unidad de secado (21) comprende además una pluralidad de rodillos (27, 28, 29) configurados para girar libremente y guiar la lámina continua de CNT a lo largo de su dirección longitudinal, obligando a la lámina continua de CNT a adoptar curvaturas suaves convexas y cóncavas de forma alternativa.
5. El método de la reivindicación 4, en donde dicha pluralidad de rodillos (27, 28, 29) comprende un rodillo central (28) dispuesto debajo del área de secado (23) y rodillos laterales (27, 29) dispuestos debajo del medio de protección (16).
6. El método de la reivindicación 3, en donde la unidad de secado (31) comprende además dos cintas transportadoras (37, 38) configuradas para guiar la lámina continua de CNT (346) en su dirección longitudinal, estando dispuestas longitudinalmente las cintas transportadoras (37, 38) por encima y por debajo de la lámina continua de CNT (346), respectivamente.
7. El método de la reivindicación 6, en donde al menos una cinta transportadora (37, 38) está hecha de un material poroso o comprende una rejilla, para favorecer la entrada de calor y también favorecer la evaporación del líquido, reduciendo así el tiempo de secado.
8. El método de cualquier reivindicación anterior, en donde antes de separar la lámina continua de CNT (45) de la membrana filtrante (44), el método comprende:
lavar la lámina continua de CNT (55) dispuesta sobre la membrana filtrante (54) en un segundo recipiente (51) lleno de solución limpiadora (52),
sacar la lámina continua de CNT (55) junto con la membrana filtrante (54) del segundo recipiente (51).
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