JP7182897B2 - ナノファイバーフォレストの緻密化 - Google Patents
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Description
本出願は、2017年4月25日に出願された「Densifying a Nanofiber Sheet」という表題の米国仮特許出願第62/489,580に基づく優先権を主張する。これは、その全体がここに引用することで本明細書の記載の一部となすものとする。
本開示の実施形態は、合成したままの状態のナノファイバーフォレストと比較して、単位面積当たりのナノファイバーの数(「面密度」または同じ意味で「密度」ともいう)を増加させるために処理されたナノファイバーフォレストを含む。この面密度の増加は、ナノファイバーフォレストが上に配置されている変形可能な基材を物理的に操作することによって達成される。高いレベルでは、この物理的な操作は、ナノファイバーフォレストを成長基材から変形可能な基材へと移動させることによって開始する。ナノファイバーフォレストは、流動性接着剤を使用して変形可能な基材に付着させられる。ナノファイバーフォレストが付着した後、変形可能な基材の表面積は、ナノファイバーフォレストを付着させた時の基材の表面積よりも減少させられる。この面積の減少によって、フォレスト中のナノファイバーが互いにより近くに移動し、その結果単位面積当たりのナノファイバーの数が増加する。
本明細書において、用語「ナノファイバー」とは、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は主にカーボンナノチューブから作製されるものとして述べられているが、グラフェン、ミクロンもしくはナノスケールのグラファイト繊維及び/またはプレートのいずれかに関わらず他の炭素同素体も、更には窒化ホウ素などのナノスケール繊維の他の組成物も、以下に記載される技術を使用して緻密化できることが理解されるであろう。本明細書において、用語「ナノファイバー」及び「カーボンナノチューブ」には、中で炭素原子が互いに結合して円筒構造を形成している、単層カーボンナノチューブ及び/または多層カーボンナノチューブの両方が包まれる。いくつかの実施形態においては、本明細書において言及されているカーボンナノチューブは4~10個の層を有する。本明細書において、「ナノファイバーシート」または単純に「シート」とは、引き出し工程(国際公開第2007/015710号に記載されているとおりであり、これはその全体がここに引用することで本明細書の記載の一部となすものとする)によって整列したナノファイバーのシートであり、その結果シートのナノファイバーの長手方向の軸がシートの主表面に対して垂直(すなわち、堆積したままの形態のシート、しばしば「フォレスト」と呼ばれる)ではなくシートの主表面に対して平行であるシートのことをいう。これは、それぞれ図2及び3の中で説明され示されている。
フォレスト構造の中での配置に加えて、主題の用途のナノファイバーは、シート構造に配置されていてもよい。本明細書において、用語「ナノファイバーシート」、「ナノチューブシート」、または単純に「シート」とは、ナノファイバーが平面内で一方向に整列しているナノファイバーの配置のことをいう。図示された相対的な寸法を有する例示的なナノファイバーシートの図が、図2に示されている。いくつかの実施形態においては、シートはシートの厚さよりも100倍超大きい長さ及び/または幅を有する。いくつかの実施形態においては、長さ、幅、または両方が、シートの平均厚さよりも103、106、または109倍大きい。ナノファイバーシートは、例えば約5nm~30μmの厚さと、意図される用途に適切な任意の長さ及び幅を有する。いくつかの実施形態においては、ナノファイバーシートは、1cm~10mの長さと1cm~1mの幅を有していてもよい。これらの長さは例示のために示されているに過ぎない。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制約され、ナノチューブ、フォレスト、またはナノファイバーシートのいずれの物理的特性及び化学的特性によっても制約されない。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。これらのシートは、製造されたままの状態でロール状に巻き取ることができる。
フォレストがダメージを受けてフォレストの特性が損なわれることなしに、ナノファイバーフォレストを成長基材から別の基材へ移すことは困難な場合がある。本明細書に記載のようなフォレストの緻密化のために技術の実施は必要とはされないものの、変形可能な基材へナノファイバーフォレストを簡便に移動させるための例示的な方法が方法400として図4に示されており、また以下に記載されている。この例示的な方法400(米国特許出願第15/800,882にも記載されており、これはその全体がここに引用することで本明細書の記載の一部となすものとする)は、フォレストにダメージを与える(すなわち、ナノファイバーの密度を低下させる及び/またはフォレストの電気的特性若しくは熱的特性を低下させる構造の変化、あるいはシートへと引き伸ばされるか糸へと紡糸されるその能力の低下)ことなしにフォレストを移動させることができる。方法400を説明し易くするための方法400のいくつかの段階の概略的な図は図5A~5Fに示されている。
図6は、ナノファイバー基材上のナノファイバーの密度を増加させるための例示的な方法600を示している。例示的な方法600の要素は、図7~10Fに概略的に示されている。図6と図7~10Fを同時に参照することによって、方法600の様々な技術が解釈し易くなるであろう。
本開示の実施形態の前述の説明は、例示の目的で述べてきたものであり、網羅するものではないし、特許請求の範囲を開示の形態に厳密に限定することも意図していない。当該技術分野の当業者であれば、上述の開示を踏まえて、多くの変形例及び改変例が可能であることを理解できるであろう。
Claims (19)
- 初期表面積を有する表面を有する変形可能な基材を準備することと、
流動性接着剤を使用して、ナノファイバーフォレストを前記変形可能な基材の前記表面に付着させることと、
前記変形可能な基材を前記初期表面積よりも小さい第2の表面積へと変形させることによって、前記ナノファイバーフォレストのナノファイバーの直線部分の長手方向の軸が前記変形可能な基材の前記表面の平面に対して実質的に垂直に配置された前記ナノファイバーフォレストの面密度を増加させることと
を含む方法。 - 前記ナノファイバーフォレストを付着させる前に、前記変形可能な基材の前記表面の表面積を、弾性的に大きくすることを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記ナノファイバーフォレストの面密度を増加させることが、前記大きくした変形可能な基材の表面の表面積を、小さくすることを含む、請求項2に記載の方法。
- 前記変形可能な基材を変形させることが、刺激を加えることによって前記変形可能な基材を可塑的に変形させることを含み、前記変形可能な基材は、前記加えられた刺激に応答して前記初期表面積から前記第2の表面積へと収縮する、請求項1に記載の方法。
- 前記刺激が、前記変形可能な基材の温度をガラス転移温度より高い温度にさせる熱である、請求項4に記載の方法。
- 前記変形可能な基材に流動性接着剤の層を設けることと、
前記流動性接着剤によって前記変形可能な基材の前記表面に前記ナノファイバーフォレストを付着させることと
を更に含む、請求項1に記載の方法。 - 前記変形可能な基材を弾性的に変形させることが、前記変形可能な基材に対して異方性の応力を加えることを含む、請求項1~6のいずれか1項に記載の方法。
- 前記ナノファイバーフォレストの前記面密度を増加させた後に前記変形可能な基材から前記ナノファイバーフォレストを取り外すことを更に含む、請求項1~6のいずれか1項に記載の方法。
- 第1の弛緩状態にある第1の表面積を有する表面を有する弾性的に変形可能な基材を準備することと、
前記弾性的に変形可能な基材を、前記表面が前記第1の表面積よりも大きい第2の表面積を有する伸長状態へと弾性的に変形させることと、
前記第2の表面積を有する前記伸長状態にある前記弾性的に変形可能な基材の前記表面上にナノファイバーフォレストを配置することと、
前記弾性的に変形可能な基材を、前記第2の表面積よりも小さい第3の表面積を有する第2の弛緩状態へと弛緩させることによって、前記変形可能な基材の前記表面の平面に対して前記ナノファイバーフォレストのナノファイバーの直線部分の長手方向の軸が実質的に垂直に配置された前記ナノファイバーフォレストの面密度を増加させることと
を含み、
前記弾性的に変形可能な基材の前記表面上に前記ナノファイバーフォレストを配置することが、前記伸長状態にある前記弾性的に変形可能な基材に前記ナノファイバーフォレストを流動性接着剤により付着させることを含む、方法。 - 前記弾性的に変形可能な基材に前記ナノファイバーフォレストを接着させることが、前記ナノファイバーフォレストのナノファイバーの開放端または絡み合った端部のうちの1つを前記流動性接着剤と接触させることを更に含む、請求項9に記載の方法。
- 前記流動性接着剤が、前記第1の弛緩状態と前記伸長状態の両方において流動性接着剤の連続した一つの層となっている、請求項9に記載の方法。
- 前記流動性接着剤が、溶媒中の高分子接着剤である、請求項9に記載の方法。
- 前記流動性接着剤が、加えられる応力を緩和するために流動することによって前記加えられた応力に応答する、請求項9に記載の方法。
- 前記表面が、平面状、円筒状、または球状である、請求項9~13のいずれか1項に記載の方法。
- 前記弾性的に変形可能な基材を弾性的に変形させることが、前記弾性的に変形可能な基材に対して等方的な応力を加えることを含む、請求項9に記載の方法。
- 前記弾性的に変形可能な基材を弾性的に変形させることが、前記弾性的に変形可能な基材に対して異方性の応力を加えることを含む、請求項9に記載の方法。
- 前記ナノファイバーフォレストの前記面密度を変えた後に前記弾性的に変形可能な基材を前記ナノファイバーフォレストから取り外すことを更に含む、請求項9に記載の方法。
- 前記弾性的に変形可能な基材が、前記基材を弾性的に変形させる際に、等方的に変形され、前記基材を弛緩させる際に、異方的に弛緩される、請求項9に記載の方法。
- 前記ナノファイバーフォレストの前記面密度を増加させることが、前記面密度の2倍より大きくすることを含む、請求項9に記載の方法。
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