JP2020507015A - ナノファイバー糸ディスペンサー - Google Patents
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Abstract
Description
ナノファイバー糸の製造は、国際公開第2007/015710号として公開された、国際出願番号第PCT/US2005/041031号に記載されており、その両方は、ここに引用することで本明細書の記載の一部をなすものとする。
本明細書で使用する場合「ナノファイバー」という用語は、1μm未満の直径を有する繊維を意味する。本明細書の実施形態が、カーボンナノチューブから製造されると主として記載される一方で、他の炭素同素体(グラフェン、マイクロメートル又はナノ寸法のグラファイト繊維及び/又はプレートに関わらず)、ならびにナノ寸法繊維の他の組成物(例えば、窒化ホウ素)は、後述する技術を使用してナノファイバーシートを作製するために使用してもよい。本明細書で使用する場合「ナノファイバー」及び「カーボンナノチューブ」という用語は、単層カーボンナノチューブ及び/又は多層カーボンナノチューブ(炭素原子が円筒状構造を形成するために結合されている)を含む。いくつかの実施形態で、本明細書で参照されるカーボンナノチューブは、4つと10つの間の壁を有する。本明細書で使用する場合「ナノファイバーシート」又は単に「シート」は、引き出し(drawing)プロセス(国際公開第2007/015710号に記載のとおりであり、その全体は、ここに引用することで本明細書の記載の一部をなすものとする)を介して一直線に並べられる、ナノファイバーのシートを指し、その結果、シートのナノファイバーの長手方向軸は、シートの主表面(すなわち、しばしば「フォレスト」と呼ばれる、シートの成膜直後の状態)に垂直ではなく、シートの主表面と平行である。
本件開示の種々の実施形態に従って、ナノファイバー(カーボンナノチューブを含むが、これに限定されない)は、種々の構成(本明細書で「フォレスト」と称される構成も含む)で配置されることができる。本明細書で使用する場合、ナノファイバー又はカーボンナノチューブの「フォレスト」とは、基材上の互いと実質的に平行して配置される、ほぼ同じ寸法を有するナノファイバーのアレイを意味する。図1は、基材上のナノファイバーの例示のフォレストを示す。基材は任意の形状でもよいが、いくつかの実施形態で、基材は、フォレストがアセンブルされる平坦な表面を有する。図1に示すように、フォレストのナノファイバーは、高さ及び/又は直径がほぼ等しくてもよい。
種々の方法は、本開示に従ってナノファイバーフォレストを製造するために使用できる。例えばいくつかの実施形態で、ナノファイバーは、高温の炉で成長することができる。いくつかの実施形態では、触媒は、基材上に付着して、反応器内に配置されることができ、次に反応器に供給される燃料化合物に曝露されることができる。基材は、800℃超〜1000℃の温度に耐えることができて、不活性材料でもよい。基材は、下にあるシリコン(Si)ウエハに配置されるステンレス鋼またはアルミニウムを含むことができるが、他のセラミック基材を、Siウエハの代わりに使用してもよい(例えば、アルミナ、ジルコニア、SiO2、結晶化ガラス)。フォレストのナノファイバーがカーボンナノチューブである例で、炭素系化合物(例えば、アセチレン)を、燃料化合物として使用できる。反応器に導入された後、燃料化合物は、次に触媒に堆積しはじめることができて、ナノファイバーのフォレストを形成するために、基材から上向きに成長することによってアセンブルすることができる。
フォレスト構成の配置に加えて、本出願のナノファイバーは、シート構成に配置されることもできる。本明細書で使用する場合「ナノファイバーシート」「ナノチューブシート」又は単に「シート」という用語は、ナノファイバーが平面に端から端まで一直線になる、ナノファイバーの配列を意味する。いくつかの実施形態で、シートは、シートの厚さより100倍超の長さ及び/又は幅を有する。いくつかの実施形態で、長さ、幅または両方は、シートの平均厚さより103、106又は109倍超である。ナノファイバーシートは、例えば約5nmと30μmとの間の厚さ、ならびに目的の用途に適している任意の長さ及び幅を有することができる。いくつかの実施形態で、ナノファイバーシートは、1cmと10mの間の長さ及び1cmと1mの間の幅を有することができる。これらの長さは、単に例示のために提供される。ナノファイバーシートの長さ及び幅は製造装置の構成によって拘束され、ナノチューブ、フォレストもしくはナノファイバーシートのいずれかの物理的または化学的性質によるものではない。例えば、連続プロセスは、任意の長さのシートを製造することができる。それらを製造する際、これらのシートはロール上に巻かれることができる。
図5A、図5B、図5Cはナノファイバー糸ディスペンサー500の一実施形態の側面図及び2つの斜視図をそれぞれ示しており、ディスペンサー500は、上述のように、ナノファイバー糸の無駄な消耗及び汚染の可能性を低下させる一方で、ナノファイバー糸の操作の利便性を改善する方法で、ナノファイバー糸を確実に格納して分配するように構成される。これらの3つの図を同時に参照することは、説明を容易にする。記載されている要素のいくつかが、描写及び説明の明確さを補助するために、図5A、図5B及び図5Cの1つ又は2つだけに現れ得ることは理解されるであろう。
r=2γ/ΔP 式1
上述したディスペンサー500の実施形態は、任意の方向にナノファイバー糸を分配できる。これらの実施形態で、ディスペンサー500の配向(したがって、それによりナノファイバー糸が基材に適用される方向)は、横方向力をディスペンサーハウジング504に加えることによって変えることができて、そうしてローラー612を中心にディスペンサーを回転させる。ディスペンサー500の方向を変える、この技術は不都合であり得る。例えば、全体としてディスペンサー500の方向を同時に変える一方で、ローラー612と基材の間の接触を維持することは、困難であり得る。また、ハウジング504が方向を変えるために移動しなければならない、弧の長さは比較的大きい。これは、ローラー612を中心に回転するとき、ハウジング504が、図7Bに示すように半径「r」を有する円の弧を描かなければならないからである。この半径rは、ローラー612の中心と、長手方向軸の真向かいのハウジング504の周辺部の点の間にある(図7Bに示すように)、下にある表面上に投影される長さに等しい(角度の余弦成分と同じ)。
図8Aは、ベンチュリ効果がナノファイバー糸をディスペンサー800から分配するために使用される、ナノファイバー糸ディスペンサーの別の実施形態800を示す。ディスペンサー800は、上述の糸ディスペンサー500の種々の要素に加えて、流体供給源804及びコネクタ808を含む。流体供給源(例えば、収容容器または他の容器から)は、チャネル528にコネクタ808を介して流れる流体を提供する。図示するように、コネクタ808は、チャネル528の分配端部に近接して配置されることができる。図8A及び図8Bで示す流体の適用は、ベンチュリ効果を介してナノファイバー糸514をディスペンサー800から分配するのに役立つことができる。
上述のディスペンサー500(又はディスペンサー700)及び本開示を考慮すると明らかである変形例の1つの用途は、表面上へ適用される導電経路に対する装置である。金属ワイヤ及びテープ(例えば、鋼、銅、アルミニウム)が表面に適用されることができる一方で、これらは表面に密着することは困難である。金属ワイヤ及びテープは、小さい曲率半径(例えば、2cm未満)を有する曲線を使用して、金属ワイヤ又はテープの方向を変えることが困難である、十分高い弾力率を有する。導電性インクは、金属ワイヤ及びテープのこれらの課題を解決できるが、乾燥時間を必要とし、不均一な形状(例えばピーク及び谷を有する表面)に容易に適合することができない。導電性インクは、それらが適用されることができる下にある基材でも、より制限される。上述のとおり、ナノファイバーワイヤは、小さい曲率半径を有する曲線を使用して突然の方向が変化する表面に、容易に適用されて、付着することができる。
本開示の実施形態の上述の説明は、例示の目的のために提示されており、包括的であること、又は開示した明確な形態に特許請求の範囲を制限することを意図しない。関連技術分野の当業者は、多くの修正及び変更が、上述の開示を考慮して可能であることを理解するであろう。
Claims (55)
- 注入口、放出口及びチャンバを画定するハウジングと、
前記ハウジングに接続し、前記注入口と連通する加圧ガス供給源と、
前記チャンバ内に配置されているスプールと、
前記スプールの周囲に巻かれているナノファイバーであって、前記ナノファイバーが100マイクロメートル未満の平均直径を有する、ナノファイバーと
を備える、装置。 - 前記ナノファイバーの前記平均直径が、1マイクロメートル未満である、請求項1に記載の装置。
- 前記ハウジングが、前記注入口及び前記放出口を除いた、ハーメチックシールを含み、
前記ハーメチックシールが、前記注入口及び前記放出口の通過を除く、前記チャンバ内への流体の浸潤を防ぐように構成される、請求項1に記載の装置。 - 前記放出口が、前記放出口を通って前記ハウジング内へ、1気圧の圧力で水の浸潤を防ぐように寸法が設定される、請求項1に記載の装置。
- 前記放出口の内径が10μmと300μmとの間である、請求項4に記載の装置。
- 前記ハウジングが、前記チャンバ内に配置される流体を更に含む、請求項1に記載の装置。
- 前記流体がポリマーである、請求項6に記載の装置。
- 前記流体が接着剤である、請求項7に記載の装置。
- 前記接着剤がメタクリル酸系接着剤である、請求項8に記載の装置。
- 前記ハウジングに接続するノズルを更に備え、前記ノズルが、前記放出口と連通するチャネルを画定する、請求項1に記載の装置。
- 前記チャネル内に配置されるライナーを更に備える、請求項10に記載の装置。
- 前記ライナーが、水の浸潤を防ぐように寸法が設定された内径を有する、請求項11に記載の装置。
- 前記ライナーの直径が、90μmと130μmとの間である、請求項11に記載の装置。
- 前記ライナーが、前記チャネルから取り外し可能である、請求項11に記載の装置。
- 前記チャネル内を流れる流体を更に含み、前記ライナーの長さが前記チャネルの長さより短い、請求項11に記載の装置。
- 前記スプールの中央に配置されている回転軸を更に備え、前記回転軸が前記チャンバ内で前記スプールの回転を可能にするように構成される、請求項1に記載の装置。
- 前記スプール上に配置されているカーボンナノファイバー糸を更に備え、前記カーボンナノファイバー糸が、前記ハウジングの前記放出口に近接した自由端と、前記スプールに近接した固定端とを有する、請求項1に記載の装置。
- 前記カーボンナノファイバー糸が、約100μmの断面直径、及び前記自由端と前記固定端の間の約1kmの長さを有し、前記長さの少なくとも一部は前記スプールに巻き付けられている、請求項17に記載の装置。
- 前記ナノファイバー糸が、2つ又はそれより多い独立したナノファイバー、又は撚られたナノファイバー糸を形成するために撚り合わされたナノファイバー糸から製造されている、請求項1に記載の装置。
- 前記撚られたナノファイバー糸が、0.5マイクロメートル〜100マイクロメートルの直径を有する、請求項1に記載の装置。
- ローラーアセンブリを更に備える、請求項1に記載の装置。
- 前記ローラーアセンブリが、
支持体と、
前記支持体に接続するスピンドルと、
前記スピンドルの少なくとも一部の周囲に配置されているローラーと
を更に含む、請求項21に記載の装置。 - 洗浄機構を更に備える、請求項22に記載の装置。
- 前記ローラーアセンブリが、
第1の支持体及び第2の支持体と、
前記第1の支持体に接続する第1のスピンドル、及び前記第2の支持体に接続する第2のスピンドルと、
前記第1のスピンドルの少なくとも一部の周囲に配置されている第1のローラー、及び前記第2のスピンドルの少なくとも一部の周囲に配置されている第2のローラーと、
前記第1のローラーと前記第2のローラーの周囲に配置されたベルトと
を更に含む、請求項22に記載の装置。 - 前記ハウジング、及び前記ハウジングに接続する前記ノズルのうちの少なくとも1つに接続するコネクタと、
前記コネクタに取り付けられる駆動軸と
を更に備える、請求項22に記載の装置。 - 前記駆動軸の長手方向軸が、前記ハウジングの中央点と前記ローラーに近接する前記ローラーの中央点との間の基準軸と交差する、請求項25に記載の装置。
- 前記駆動軸の断面の半径が、前記ローラーの中央点から、下にある表面に投影されるハウジング周囲の対応箇所までを測定した長さより短い、請求項25に記載の装置。
- 前記ハウジング及びノズルのうちの少なくとも1つに接続するコネクタと、
前記コネクタに取り付けられる駆動棒と
を更に備える、請求項1に記載の装置。 - 前記駆動棒が、前記コネクタに回転可能に取り付けられる、請求項28に記載の装置。
- 前記回動可能な取り付け具がベアリングである、請求項29に記載の装置。
- ナノファイバーを分配する方法であって、
ナノファイバーの自由端をディスペンサー放出口に通すステップであって、このステップは、
ディスペンサーにより画定される注入口を介して、前記ディスペンサーのチャンバ内に流体を流すサブステップであって、前記流体が、前記チャンバを通過して、前記ディスペンサー放出口を通って前記チャンバを出ていく、サブステップと、
前記流体が、前記ディスペンサー放出口を通って前記ナノファイバーの前記自由端を運ぶサブステップと
を含む、ステップと、
前記ディスペンサーに取り付けたローラーと接触する前記自由端に近接して前記ナノファイバーの一部を配置するステップと、
前記ローラーを介して前記ナノファイバーに力を加えるステップであって、前記力が、前記ナノファイバーを基材に接触させる、ステップと
を含む、方法。 - ノズルにより画定されるチャネルに前記ナノファイバーを通すステップであって、前記チャネルが前記放出口と連通しており、前記ノズルが前記ディスペンサーに取り付けられている、ステップを更に含む、請求項31に記載の方法。
- 前記チャネル内に配置したライナーを更に含み、前記ナノファイバーが、前記チャネル内に配置される前記ライナーを通される、請求項32に記載の方法。
- 前記ライナーを通過する前記ナノファイバーの前記自由端で前記チャンバへの前記流体の流れを止めるステップと、
前記チャンバへの前記流体の流れを止める際、前記ライナーと前記チャネルとの間の隙間に追加の流体を流すステップであって、前記ライナーの長さが前記チャネルの長さより短い、ステップと
を更に含み、
更に、前記追加の流体の流れがベンチュリ効果を介して前記ナノファイバーへ圧力を加える、請求項33に記載の方法。 - 前記自由端を有するナノファイバーをスプールの周囲に巻き付けるステップと、
前記スプールを前記ディスペンサーの前記チャンバ内に配置するステップと
を更に含む、請求項31に記載の方法。 - 前記ナノファイバーがナノファイバー糸を更に含む、請求項31に記載の方法。
- 前記ナノファイバー糸が、100マイクロメートル未満の直径を有する、請求項36に記載の方法。
- 前記ナノファイバー糸が、1マイクロメートル未満の直径を有する、請求項36に記載の方法。
- 前記チャンバが、前記放出口及び前記注入口を除いて、ハーメチックシールされる、請求項31に記載の方法。
- 前記流体がガスである、請求項31に記載の方法。
- 前記流体が液体接着剤である、請求項31に記載の方法。
- 前記ローラーを介して前記ナノファイバーに力を加えるステップが、前記ナノファイバーを前記基材に付着させる、請求項41に記載の方法。
- ナノファイバー糸ディスペンサーと、
前記ナノファイバー糸ディスペンサーに接続し、前記ナノファイバー糸ディスペンサーを並進運動させるように構成される並進アセンブリであって、この並進アセンブリが、
0.5cmから1メートルまで前記ナノファイバー糸ディスペンサーを並進させるように構成される、粗調整並進器と、
100マイクロメートルから5ミリメートルまで前記ナノファイバー糸ディスペンサーを並進させるように構成される、微調整並進器と
を含む、並進アセンブリと
を備える、装置。 - フィルム供給スプール及びフィルム取り込みスプールを更に備える、請求項43に記載の装置。
- 前記微調整並進器が、可撓性分配管に接続している、請求項43に記載の装置。
- 前記微調整並進器が、圧電アクチュエータを含む、請求項45に記載の装置。
- 前記微調整並進器が、電磁アクチュエータを含む、請求項45に記載の装置。
- 前記微調整並進器が、キロヘルツのオーダーの運動周波数に設定される、請求項43に記載の装置。
- 非接触式切断システムを更に備える、請求項43に記載の装置。
- 前記非接触式切断システムが、電源に接続される少なくとも1つの電極を含む、請求項49に記載の装置。
- 前記非接触式切断システムが、電気アークシステムである、請求項49に記載の装置。
- 前記非接触式切断システムが、コロナ放電システムである、請求項49に記載の装置。
- 前記ナノファイバー糸ディスペンサーが、ナノファイバー糸が適用されるように構成されるフィルムを更に含む、請求項49に記載の装置。
- 複数の並列のナノファイバー糸セグメントが、互いに対応する100μm間隔で分離して、前記ナノファイバー糸が前記フィルムに適用される、請求項53に記載の装置。
- 前記非接触式切断システムが、レーザーシステムである、請求項43に記載の装置。
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