JP7011704B2 - エッジ面を使用したナノファイバシートの密度の変更 - Google Patents
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Description
本願は、米国特許法第119条(e)の下で、ここに引用することでその全体が本明細書の記載の一部をなす、2017年8月8日に出願された「Changing a Density of a Nanofiber Sheet Using an Edged Surface」と題する米国仮特許出願第62/542,355号に基づく優先権を主張する。
ナノファイバシートの密度を高めるために使用できる様々な方法がある。一部の例では、ナノファイバシートは溶剤または他の液体にさらされる場合がある。溶剤または他の液体の除去時、ナノファイバはともに引き出され、このようにして(単位体積あたりのナノファイバで測定されるのか、それとも単位体積あたりの質量で測定されるのかに関わりなく)ナノファイバシートの密度を高める。
本明細書で使用するように、用語「ナノファイバ」は、1μm未満の直径を有するファイバを意味する。本明細書の実施形態はカーボンナノチューブから製造されるとしておもに説明しているが、他の炭素同素体が、グラフェンであるのか、ミクロンもしくはナノスケールのグラファイトファイバ及び/またはプレートであるのか、ならびに例えば窒化ホウ素等のナノスケールファイバの他の組成物であるのかに関わらず、以下に説明する技術を使用し、密度を高め得ることが理解される。本明細書で使用するように、用語「ナノファイバ」及び「カーボンナノチューブ」は、炭素原子が互いに連結されて円筒形の構造を形成する、単一壁カーボンナノチューブ及び/または多壁ナノチューブの両方を包含する。一部の実施形態では、本明細書で参照されるカーボンナノチューブは、4と10の間の壁を有する。本明細書で使用するように、「ナノファイバシート」又は単に「シート」は、引き出しプロセスを介して整列された複数のナノファイバのシートを指し(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国際公開第2007/015710号に記載されている)、このシートのナノファイバの長手方向の軸は、シートの主面に垂直よりむしろ、シートの主面に平行である(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(as-deposited)の状態で)。これは、それぞれ図3及び図4に説明され、示される。
フォレスト構成での配置に加えて、本願のナノファイバはシート構成で配置されてもよい。本明細書で使用するように、用語「ナノファイバシート」、「ナノチューブシート」、または単に「シート」は、複数のナノファイバが端から端へ平面に整列しているという、複数のナノファイバの配列を指す。例のナノファイバシートの図は、寸法のラベルとともに図3に示される。一部の実施形態では、シートはシートの厚さよりも100倍以上大きい長さ及び/または幅を有する。一部の実施形態では、長さ、幅、または両方は、シートの平均厚さよりも103倍、106倍、または109倍以上大きい。ナノファイバシートは、例えば約5nmと30μmの間の厚さ、及び意図した応用例に適した任意の長さ及び幅を有する場合がある。一部の実施形態では、ナノファイバシートは、1cmと10メートルの間の長さ、及び1cmと1メートルの間の幅を有する場合がある。これらの長さは、単に例示のために提供される。ナノファイバシートの長さ及び幅は、製造設備の構成によって制約され、ナノチューブ、フォレスト、またはナノファイバシートのいずれかの物理的特性または化学的特性によって制約されない。例えば、連続的なプロセスは、任意の長さのシートを作り出す場合がある。これらのシートは、それらが作り出されるにつれ、ロールに巻き付けることができる。
上述したように、本明細書に開示する実施形態は、ナノファイバシート(またはリボン)の密度を、その中のナノファイバのもつれを解き、真直ぐにしつつも機械的に改変する。以下により詳細に説明するように、これは、エッジ面の上で及びエッジ面に接触してナノファイバシートを引き出すことによって達成される。エッジ面の例は、外科用ブレード、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)でコーティングされた外科用ブレード、及び分割されたシリコンウェハの破断面を含むが、これに限定されるものではない。多様な実施形態では、端縁の接触面は、5mm未満、1mm未満、500μm未満、250μm未満、または100μm未満のナノファイバシートとの(引き出しの軸の方向での)接触の長さを有する場合がある。接触面は円滑である場合があり、端縁に沿って、そうでなければ従来の剃刀の刃に存在する、例えば1μm、2μm、5μm、10μm、50μm、または100μmより大きい頂点または谷間の不在を示す場合がある。ナノファイバシートの整列された複数のナノファイバは、やはり通常、ナノファイバシートがエッジ面の上で引き出されるのと同じ方向である引き出し方向と同じ軸に沿って配向されてよい。
弓形のエッジ面のナノファイバシートに対する影響は、図6A~図6Gとの関連で以下に説明する。ナノファイバシートが引き出される方向は、ラベル付きの矢印により図6A~図6Gのそれぞれに示される。図6A~図6Cは、弓形表面に直交するベクトルがナノファイバシートの引き出し方向に対して平行(または逆平行)である実施形態を示す。図6D~図6Gは、弓形表面の半径が、ナノファイバシートの引き出し方向に対して、及び整列された複数のナノファイバの軸に対して垂直である実施形態を示す。
図7は、本開示の実施形態として、ナノファイバシートの密度を機械的に変更する例示的な方法700を示す。上述したように、方法700は、ナノファイバシートを提供するステップ704により開始する。ナノファイバシートは第1の密度を含み、第1の主面及び第2の主面を有する。第1の密度を有するナノファイバシートは、少なくとも1つの弓形のエッジ面の上で、且つ弓形のエッジ面に接触して引き出される708。この引き出し708は、ナノファイバシートの主面の少なくとも1つと、対応するエッジ面との間の物理的な接触を提供する。引き出し708に応答して、ナノファイバシートの第1の密度は、第2の密度に変化する(712)。凸状のエッジ面を使用し、第1の密度は、第1の密度に満たない第2の密度に減少する(716)。凹状のエッジ面を使用し、第1の密度は、第1の密度よりも大きい第2の密度に増加する(720)。
本開示の実施形態の上述の説明は、例示のために提示されている。包括的であること、または特許請求の範囲を開示された正確な形式に制限することは意図されていない。当業者は、多くの修正形態及び変形形態が、上記の開示を鑑みて可能であることを理解できる。
Claims (25)
- ナノファイバシートの密度を高めるためのシステムであって、
ナノファイバシートソースと、
前記ナノファイバシートソースから引き出されたナノファイバシートに、引っ張り力を印加するための引き出し機構と、
前記ナノファイバシートソースと前記引き出し機構との間に配置された少なくとも1つの弓形のエッジと
を備え、
前記少なくとも1つの弓形のエッジが可撓性であり、前記少なくとも1つの弓形のエッジを圧縮することで、前記少なくとも1つの弓形のエッジの湾曲の量が調整可能であり、
前記少なくとも1つの弓形のエッジの湾曲が、凹状または凸状であり、
前記少なくとも1つの弓形のエッジが、前記引き出されたナノファイバシートと接触するように配置され、
前記湾曲の量が、前記ナノファイバシートソースから引き出される前記ナノファイバシートの密度によって調整され、
前記少なくとも1つの弓形のエッジが、前記ナノファイバシートの平面、前記ナノファイバシートの整列された複数のナノファイバの軸、または前記ナノファイバシートの引き出し方向のうちの少なくとも1つに対して90°±30°に配向される半径を有する、システム。 - 前記ナノファイバシートソースが、
基板と、
前記基板上に配置されたナノファイバフォレストと
をさらに備える、請求項1に記載のシステム。 - 前記引き出し機構がボビンを備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記少なくとも1つの弓形のエッジが、分割されたシリコンウェハの破断面を備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記少なくとも1つの弓形のエッジがブレードを備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記ブレードの少なくとも一部分が、セラミック、ポリマー、及びガラスのうちの少なくとも1つから選択された低エネルギー材料でコーティングされたブレードである、請求項5に記載のシステム。
- 前記ブレードがポリテトラフルオロエチレンでコーティングされる、請求項6に記載のシステム。
- 前記ナノファイバシートの第1の主面と接触するように配置された第1の弓形のエッジと、
前記ナノファイバシートの第2の主面と接触するように配置された第2の弓形のエッジと
を備える、請求項1に記載のシステム。 - 前記第1の弓形のエッジ及び前記第2の弓形のエッジが、互いに同一平面上にはない、請求項8に記載のシステム。
- 前記第1の弓形のエッジ及び前記第2の弓形のエッジの少なくとも1つが、前記引き出し機構と同一平面上にはない、請求項8に記載のシステム。
- 前記第1の弓形のエッジ及び前記第2の弓形のエッジの少なくとも1つが、前記ナノファイバシートソースと同一平面上にはない、請求項8に記載のシステム。
- 前記弓形のエッジが、円、放物線、または楕円の一部分から選択された曲線を転写する、請求項1~11のいずれかに記載のシステム。
- 前記弓形のエッジが、前記ナノファイバシートの主面に垂直な半径を有する曲線を転写する、請求項1~12のいずれかに記載のシステム。
- 前記弓形のエッジが2つの異なる平面で曲げられる、請求項1~12のいずれかに記載のシステム。
- ナノファイバシートの密度を高めるための方法であって、
第1の密度と、
第1の主面と、
前記第1の主面に向かい合った第2の主面と
を有するナノファイバシートを提供するステップと、
ナノファイバシートソースから、前記第1の主面及び前記第2の主面の少なくとも一方が、対応する弓形のエッジの上で及び対応する弓形のエッジに接触して引き出されるように、第1の方向で前記第1の密度を有する前記ナノファイバシートを引き出すステップであって、前記弓形のエッジが可撓性である、ステップと、
前記ナノファイバシートを、前記弓形のエッジの上で及び前記弓形のエッジに接触して引き出すことに応答して、前記ナノファイバシートの前記第1の密度を第2の密度に変更するステップと、
前記弓形のエッジを圧縮して、前記弓形のエッジの湾曲の量を調整するステップと
を含み、
前記弓形のエッジの湾曲が、凹状または凸状であり、
前記弓形のエッジの湾曲の量が、前記ナノファイバシートソースから引き出される前記ナノファイバシートの密度によって調整され、
前記弓形のエッジが、前記ナノファイバシートの平面、前記ナノファイバシートの整列された複数のナノファイバの軸、または前記ナノファイバシートの引き出し方向のうちの少なくとも1つに対して90°±30°に配向される半径を有する、方法。 - 前記第1の密度を前記第2の密度に変更することが、前記ナノファイバシートと前記少なくとも1つの弓形のエッジとの間の接触線に近接する場所で発生する、請求項15に記載の方法。
- 前記接触線に近接する前記場所が、遷移セクションを備える、請求項16に記載の方法。
- 前記ナノファイバシートがカーボンチューブナノファイバシートである、請求項15~17のいずれかに記載の方法。
- ナノファイバシートであって、
ナノファイバシートソースとエッジ面の第1の側面との間に配置された前記ナノファイバシートの第1のセクションであって、第1の密度を有する第1のセクションと、
前記エッジ面の前記第1の側面と引き出し機構との間に配置された前記ナノファイバシートの第2のセクションであって、前記第1の密度とは異なる第2の密度を有する第2のセクションと、
前記第1のセクションと前記エッジ面の前記第1の側面との間に配置された前記ナノファイバシートの遷移セクションと
を備え、
前記エッジ面が、凹状または凸状の湾曲であり、
前記エッジ面が可撓性であり、前記エッジ面を圧縮することで、前記エッジ面の湾曲の量が調整可能であり、
前記エッジ面の湾曲の量が、前記ナノファイバシートの密度によって調整可能であり、
前記エッジ面が、前記ナノファイバシートの平面、または前記ナノファイバシートの整列された複数のナノファイバの軸のうちの少なくとも1つに対して90°±30°に配向される半径を有する、ナノファイバシート。 - 前記第2のセクションの前記第2の密度が、前記第1のセクションの前記第1の密度よりも大きい、請求項19に記載のナノファイバシート。
- 前記第1のセクションが第1の幅を有し、前記第2のセクションが、前記第1の幅に満たない第2の幅を有する、請求項20に記載のナノファイバシート。
- 前記第2のセクションの前記第2の密度が、前記第1のセクションの前記第1の密度に満たない、請求項19に記載のナノファイバシート。
- 前記第1のセクションが第1の幅を有し、前記第2のセクションが、前記第1の幅よりも大きい第2の幅を有する、請求項22に記載のナノファイバシート。
- 前記第1の幅が、前記ナノファイバシートソースでのナノファイバシートの幅に対応する、請求項21に記載のナノファイバシート。
- 前記第1の密度が、前記弓形のエッジの上流のナノファイバシートを測定した密度に対応する、請求項15~18のいずれかに記載の方法。
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