JP7339347B2 - Carbon nanotube product manufacturing system and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明の一実施形態は、概して、カーボンナノチューブ製品を製造するためのシステムおよび方法に関する。 One embodiment of the present invention relates generally to systems and methods for manufacturing carbon nanotube products.

カーボンナノチューブ分子からの物品の生成は、多くの技術分野での応用が見出されている。特に、カーボンナノチューブ繊維およびシートの生成における研究開発は、無数の異なる方向に進んできた。しかしながら、一貫して生成可能な高品質のカーボンナノチューブ物品の入手可能性は、カーボンナノチューブ物品の特性を利用したいというその願望に対する懸念となっている。 The production of articles from carbon nanotube molecules has found application in many technical fields. In particular, research and development in the production of carbon nanotube fibers and sheets have gone in a myriad of different directions. However, the availability of high quality carbon nanotube articles that can be produced consistently has raised concerns about the desire to exploit the properties of carbon nanotube articles.

したがって、高品質のカーボンナノチューブ物品を製造するためのシステムの必要性が依然として残っている。ますます高まる商業的競争圧力、消費者の期待の高まり、市場における有意義な製品差別化の機会の減少を考慮すると、これらの問題に対する答えを見つけることがますます重要になっている。加えて、コストを削減し、効率とパフォーマンスを向上させ、かつ競争圧力に対応する必要性は、これらの問題に対する答えを見つけるための決定的な必要性にさらに大きな緊急性を追加する。 Accordingly, there remains a need for systems for producing high quality carbon nanotube articles. Given the ever-increasing commercial competitive pressures, rising consumer expectations, and diminishing opportunities for meaningful product differentiation in the marketplace, finding answers to these problems has become increasingly important. In addition, the need to reduce costs, improve efficiency and performance, and meet competitive pressures adds even greater urgency to the critical need to find answers to these problems.

これらの問題の解決策は長い間追求されてきたが、以前の開発は解決策を教示または示唆しておらず、したがって、これらの問題の解決策は当業者に長い間分からなかった。 Solutions to these problems have long been sought, but previous developments have not taught or suggested solutions, and thus solutions to these problems have long been unknown to those skilled in the art.

本発明の一実施形態は、カーボンナノチューブ製品を製造する方法であって、整列していないカーボンナノチューブ材料を固体溶媒粒子とブレンドすることと、固体溶媒粒子を液化することによりナノチューブ溶媒を活性化することと、ナノチューブ溶媒および整列していないカーボンナノチューブ材料を混合することによりナノチューブドープ溶液を生成することと、ナノチューブドープ溶液を押し出すことによりカーボンナノチューブプロト製品を形成することと、カーボンナノチューブプロト製品を固化することにより整列したカーボンナノチューブ製品を形成することと、を含む、方法を提供する。 One embodiment of the present invention is a method of making a carbon nanotube product comprising blending non-aligned carbon nanotube material with solid solvent particles and activating the nanotube solvent by liquefying the solid solvent particles. mixing a nanotube solvent and a non-aligned carbon nanotube material to form a nanotube dope solution; extruding the nanotube dope solution to form a carbon nanotube proto-product; and solidifying the carbon nanotube proto-product. and forming an aligned carbon nanotube article by doing.

本発明の一実施形態は、カーボンナノチューブ製品を製造する方法であって、整列していないカーボンナノチューブ材料を溶媒前駆体材料と混合することと、溶媒前駆体を溶媒活性化剤と反応させることによりナノチューブ溶媒を活性化することと、ナノチューブ溶媒および整列していないカーボンナノチューブ材料を混合することによりナノチューブドープ溶液を生成することと、ナノチューブドープ溶液を押し出すことによりカーボンナノチューブプロト製品を形成することと、カーボンナノチューブプロト製品を固化することにより整列したカーボンナノチューブ製品を形成することと、を含む、方法を提供する。 One embodiment of the present invention is a method of making a carbon nanotube product by mixing a non-aligned carbon nanotube material with a solvent precursor material and reacting the solvent precursor with a solvent activator. activating the nanotube solvent; mixing the nanotube solvent and the unaligned carbon nanotube material to form a nanotube dope solution; extruding the nanotube dope solution to form a carbon nanotube proto-product; forming an aligned carbon nanotube product by solidifying the carbon nanotube proto-product.

本発明の一実施形態は、カーボンナノチューブ製品製造システムであって、整列していないカーボンナノチューブ材料を固体溶媒粒子とブレンドするように構成された固体ブレンドユニットと、均質化ユニットであって、固体溶媒粒子を液化することによりナノチューブ溶媒を活性化し、かつナノチューブ溶媒および整列していないカーボンナノチューブ材料を混合して、ナノチューブドープ溶液を生成するように構成された、均質化ユニットと、ナノチューブドープ溶液をカーボンナノチューブプロト製品として押し出すように構成された押出アセンブリと、カーボンナノチューブプロト製品を整列したカーボンナノチューブ製品として固化するように構成された固化モジュールと、を備える、カーボンナノチューブ製品製造システムを提供する。 One embodiment of the present invention is a carbon nanotube product manufacturing system comprising a solid blending unit configured to blend non-aligned carbon nanotube material with solid solvent particles; a homogenization unit configured to activate the nanotube solvent by liquefying the particles and to mix the nanotube solvent and the unaligned carbon nanotube material to produce a nanotube dope solution; A carbon nanotube product manufacturing system is provided comprising an extrusion assembly configured to extrude a nanotube proto-product and a consolidation module configured to consolidate the carbon nanotube proto-product into an aligned carbon nanotube product.

本発明の特定の実施形態は、上記のものに加えて、またはそれらの代わりに、他のステップまたは要素を有する。ステップまたは要素は、添付の図面を参照して用いられたときに、以下の詳細な説明を読むことから当業者に明らかになるであろう。 Certain embodiments of the invention have other steps or elements in addition to or in place of those described above. The steps or elements will become apparent to those skilled in the art from reading the following detailed description when used with reference to the accompanying drawings.

カーボンナノチューブ製品製造システムの概略図である。1 is a schematic diagram of a carbon nanotube product manufacturing system; FIG. 図1のカーボンナノチューブ製品製造システム用の混合モジュールの概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a mixing module for the carbon nanotube product manufacturing system of FIG. 1; 図1のカーボンナノチューブ製品製造システムの押出モジュールの概略図である。2 is a schematic diagram of an extrusion module of the carbon nanotube product manufacturing system of FIG. 1; FIG. 図1のカーボンナノチューブ製品製造システムの固化モジュールの概略図である。2 is a schematic diagram of a solidification module of the carbon nanotube product manufacturing system of FIG. 1; FIG. 図1のカーボンナノチューブ製品製造システムのポストプロダクションモジュールの概略図である。2 is a schematic diagram of a post-production module of the carbon nanotube product manufacturing system of FIG. 1; FIG. 図1のカーボンナノチューブ製品製造システムによる、図1の整列したカーボンナノチューブ製品102の製造方法のフローチャートである。2 is a flowchart of a method for manufacturing the aligned carbon nanotube product 102 of FIG. 1 by the carbon nanotube product manufacturing system of FIG. 1;

本発明は、一般に、整列していないカーボンナノチューブ材料を処理するためのシステム、方法、および装置に関する。一態様は、様々な形態の整列したカーボンナノチューブ材料を生成するためのシステムに関する。本明細書に開示されるシステムは、整列したカーボンナノチューブ材料を製造するためのモジュラーユニット、アセンブリ、デバイスなどを含む。 The present invention relates generally to systems, methods, and apparatus for processing misaligned carbon nanotube material. One aspect relates to a system for producing aligned carbon nanotube materials of various morphologies. Systems disclosed herein include modular units, assemblies, devices, etc. for producing aligned carbon nanotube materials.

以下の実施形態は、当業者が本発明を作成および使用することを可能にするのに十分詳細に記載されている。本開示に基づいて他の実施形態が明らかとなり、本発明の実施形態の範囲から逸脱することなく、システム、プロセス、または機械的変更をなし得ることを理解されたい。 The following embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to make and use the invention. It is to be understood that other embodiments will be apparent based on the present disclosure and that system, process or mechanical changes may be made without departing from the scope of embodiments of the present invention.

以下の説明では、本発明の完全な理解を提供するために、多くの特定の詳細が与えられている。しかしながら、本発明がこれらの特定の詳細なしで実施され得ることは明らかであろう。本発明の実施形態を曖昧にすることを回避するために、いくつかの既知の回路、システム構成、およびプロセスステップは詳細に開示されていない。 In the following description, numerous specific details are given in order to provide a thorough understanding of the invention. It may be evident, however, that the invention may be practiced without these specific details. In order to avoid obscuring the embodiments of the present invention, some well-known circuits, system configurations and process steps have not been disclosed in detail.

システムの実施形態を示す図面は、半図解式であり、縮尺どおりではなく、特に、いくつかの寸法は、表示を明確にするためのものであり、図面では誇張されて示されている。同様に、説明を容易にするために図面における視点は、一般に同様の向きを示しているが、図のこの描写は、ほとんどの場合、任意である。一般に、本発明は、任意の向きで操作することができる。 The drawings showing embodiments of the system are semi-diagrammatical and not to scale and, in particular, some dimensions are shown exaggerated in the drawings for clarity of presentation. Similarly, although points of view in the figures generally show similar orientations for ease of illustration, this depiction of the figures is in most cases arbitrary. In general, the invention can operate in any orientation.

便宜上、出願全体で使用されている特定の用語がここに集められている。別に定義されない限り、本明細書で使用されるすべての技術用語および科学用語は、本発明が属する当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。 For convenience, certain terms used throughout the application are collected here. Unless defined otherwise, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs.

カーボンナノチューブ材料に関して、「実質的に純粋な」という用語は、カーボンナノチューブ材料を構成するカーボンナノチューブ分子に関して、少なくとも約75%、好ましくは少なくとも約85%、より好ましくは少なくとも約90%、最も好ましくは少なくとも約95%の純度であるカーボンナノチューブ材料を指す。言い換えれば、カーボンナノチューブ材料に関して「実質的に純粋」または「本質的に精製された」という用語は、所望のカーボンナノチューブ材料ではない分子の約20%未満、より好ましくは約15%、10%、8%、7%未満、最も好ましくは約5%、4%、3%、2%、1%未満、または1%未満を含むカーボンナノチューブ材料を指す。 With respect to carbon nanotube materials, the term "substantially pure" refers to at least about 75%, preferably at least about 85%, more preferably at least about 90%, most preferably at least about 90%, carbon nanotube molecules that make up the carbon nanotube material. Refers to carbon nanotube material that is at least about 95% pure. In other words, the term "substantially pure" or "essentially purified" with respect to a carbon nanotube material means that less than about 20%, more preferably about 15%, 10%, Refers to carbon nanotube material containing less than 8%, 7%, most preferably less than about 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, or less than 1%.

本明細書で使用される場合、「含んでいる」または「含む」という用語は、本発明に必須の組成物、方法、およびそれらのそれぞれの構成要素に関して使用されるが、必須であるか否かを問わず、不特定の要素を含むことに対して開かれている。さらなる例として、元素AおよびBを含む組成物は、A、BおよびCからなる組成物も包含する。「含んでいる」という用語は、「主に含むが、単独で必要なわけではない」を意味する。さらに、原形の「含む」および単数形の「含む」などの「含んでいる」という単語の変形は、それに応じて変化した意味を有する。「本質的になる」という用語は、「主に少なくとも1つを含むが、少なくとも1つだけを必要とするわけではない」を意味し、したがって、「1つ以上の、および任意の組み合わせの選択」を意味することを意図する。本明細書の文脈において、「含んでいる」という用語は、「主に含むが、単独で必要なわけではない」ことを意味する。 As used herein, the term "comprising" or "comprising" is used in reference to compositions, methods, and their respective components essential to the invention, whether or not they are essential. open to the inclusion of unspecified elements, regardless of As a further example, compositions containing the elements A and B also include compositions consisting of A, B and C. The term "including" means "including principally, but not solely necessary". Further, variations of the word "comprising," such as the original "including," and the singular "including," have correspondingly altered meanings. The term "consisting essentially of" means "primarily including but not necessarily at least one" and thus "selecting one or more and in any combination is intended to mean In the context of this specification, the term "comprising" means "including primarily, but not necessarily solely".

本明細書で使用される場合、「本質的にからなる」という用語は、所与の実施形態に必要な要素を指す。この用語は、本発明のその実施形態の基本的および新規または機能的特徴に物質的に影響を及ぼさない追加の要素の存在を可能にする。 As used herein, the term "consisting essentially of" refers to those elements required for a given embodiment. This term allows for the presence of additional elements that do not materially affect the basic and novel or functional characteristics of that embodiment of the invention.

「からなる」という用語は、本明細書に記載の組成物、方法、およびそれらのそれぞれの構成要素を指し、これらは、実施形態のその説明に記載されていない任意の要素を排除する。 The term “consisting of” refers to the compositions, methods, and their respective components described herein, excluding any elements not described in that description of the embodiments.

本明細書および添付の特許請求の範囲で使用される場合、単数形「a」、「an」、および「the」は、文脈が別段の明確な指示をしない限り、複数の引用物を含む。したがって、例えば、「方法」への言及は、1つ以上の方法、および/または本明細書に記載のタイプのステップ、および/または本開示などを読むと当業者に明らかになるであろうステップを含む。 As used in this specification and the appended claims, the singular forms "a," "an," and "the" include plural references unless the context clearly dictates otherwise. Thus, for example, reference to "a method" refers to one or more methods and/or steps of the type described herein and/or steps that would be apparent to one of ordinary skill in the art upon reading this disclosure or the like. including.

前述の詳細な説明および以下の例は、例示にすぎず、本発明の範囲に対する制限として解釈されるべきではないことが理解される。当業者には明らかとなる、開示された実施形態に対する様々な変更および修正は、本発明の思想および範囲から逸脱することなく行われ得る。 It is understood that the foregoing detailed description and the following examples are illustrative only and should not be construed as limitations on the scope of the invention. Various changes and modifications to the disclosed embodiments, which will become apparent to those skilled in the art, can be made without departing from the spirit and scope of the invention.

本発明は、本明細書に記載される特定の方法論、プロトコル、および試薬などに限定されず、それ自体が変化することができることを理解されたい。本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的としており、特許請求の範囲によってのみ定義される本発明の範囲を限定することを意図するものではない。 It is to be understood that this invention is not limited to the particular methodology, protocols, and reagents, etc., described herein, as such may vary. The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to limit the scope of the invention, which is defined solely by the claims.

ここで図1を参照すると、カーボンナノチューブ製品製造システム100の概略図が示されている。カーボンナノチューブ製品製造システム100は、整列していないカーボンナノチューブ材料104から整列したカーボンナノチューブ製品102を生成することができる。整列していないカーボンナノチューブ材料104は、多数のカーボンナノチューブ分子106を含む構造である。例えば、整列していないカーボンナノチューブ材料104は、低密度のバルク固体繊維構造であることができる。カーボンナノチューブ分子106は、整列していないカーボンナノチューブ材料104および整列したカーボンナノチューブ製品102内の個々のカーボンナノチューブマクロ分子である。一例として、カーボンナノチューブ分子106は、単層カーボンナノチューブ分子であり得るが、カーボンナノチューブ分子106は、二層、多層カーボンナノチューブ分子、またはそれらの組み合わせなどの、他の構造、形状、または形態であることができることが理解される。整列していないカーボンナノチューブ材料104では、カーボンナノチューブ分子106は、ランダムに配向され、引力の分子間ファンデルワールス力によってまとまることができる。 Referring now to FIG. 1, a schematic diagram of a carbon nanotube product manufacturing system 100 is shown. Carbon nanotube product manufacturing system 100 can produce aligned carbon nanotube product 102 from unaligned carbon nanotube material 104 . Misaligned carbon nanotube material 104 is a structure that includes a large number of carbon nanotube molecules 106 . For example, the unaligned carbon nanotube material 104 can be a low density bulk solid fiber structure. Carbon nanotube molecules 106 are individual carbon nanotube macromolecules within unaligned carbon nanotube material 104 and aligned carbon nanotube product 102 . As an example, carbon nanotube molecules 106 can be single-walled carbon nanotube molecules, but carbon nanotube molecules 106 are of other structures, shapes, or morphologies, such as double-walled, multi-walled carbon nanotube molecules, or combinations thereof. It is understood that it is possible. In unaligned carbon nanotube material 104, carbon nanotube molecules 106 are randomly oriented and can be held together by attractive intermolecular Van der Waals forces.

整列したカーボンナノチューブ製品102は、カーボンナノチューブ分子106を、カーボンナノチューブ分子106の長軸または長さのそれらの組み合わせに沿って軸方向に、長手方向に整列させることによって形成される材料である。一般に、整列したカーボンナノチューブ製品102は、引力の分子間ファンデルワールス力を克服し、引力の分子間力を縦方向に再確立することによって、カーボンナノチューブ分子106のそれぞれを互いに分離することによって生成することができ、これは、非常に望ましい機械的特性のための基礎を提供する。整列したカーボンナノチューブ製品102は、いくつかの異なる形態で生成することができる。例えば、整列したカーボンナノチューブ製品102は、フィラメント、繊維、フィルム、またはそれらの組み合わせの形態であることができ、これらは、糸、ヤーン、シート、織物、発泡体、またはテープなどの他の材料または構造に組み込まれるかまたは統合することができる。整列したカーボンナノチューブ製品102は、それ自体または他のタイプの材料と組み合わせることができる。 Aligned carbon nanotube product 102 is a material formed by aligning carbon nanotube molecules 106 axially and longitudinally along their long axis or combination of lengths of carbon nanotube molecules 106 . In general, the aligned carbon nanotube product 102 is produced by separating each of the carbon nanotube molecules 106 from each other by overcoming the attractive intermolecular van der Waals forces and longitudinally re-establishing the attractive intermolecular forces. , which provides the basis for highly desirable mechanical properties. Aligned carbon nanotube product 102 can be produced in several different forms. For example, aligned carbon nanotube product 102 can be in the form of filaments, fibers, films, or combinations thereof, which can be other materials such as threads, yarns, sheets, fabrics, foams, or tapes or Can be built into or integrated into the structure. Aligned carbon nanotube product 102 can be combined by itself or with other types of materials.

整列したカーボンナノチューブ製品102を生成するために選択されたカーボンナノチューブ分子106は、長さ対直径(L/D)のアスペクト比、およびGバンド対Dバンド(G/D)比によって決定される純度によって、特徴付けることができる。例えば、カーボンナノチューブ分子106は、好ましくは、500より大きいアスペクト比および4より大きいG/D比を有することができ、より好ましくは、カーボンナノチューブ分子106は、1000より大きいアスペクト比および6より大きいG/D比を有することができ、最も好ましくは、カーボンナノチューブ分子106は、2000より大きいアスペクト比および10より大きいG/D比を有することができる。 The carbon nanotube molecules 106 selected to produce the aligned carbon nanotube product 102 have a length-to-diameter (L/D) aspect ratio and purity determined by the G-band to D-band (G/D) ratio. can be characterized by For example, the carbon nanotube molecule 106 can preferably have an aspect ratio greater than 500 and a G/D ratio greater than 4, more preferably the carbon nanotube molecule 106 has an aspect ratio greater than 1000 and a G /D ratio, most preferably the carbon nanotube molecule 106 can have an aspect ratio greater than 2000 and a G/D ratio greater than 10.

カーボンナノチューブ製品製造システム100は、整列したカーボンナノチューブ製品102を生成するための1つ以上の処理モジュールを含むことができる。処理モジュールのそれぞれは、整列したカーボンナノチューブ製品102を製造するための、デバイス、機械、機構、アセンブリ、物理的結合器具、またはそれらの組み合わせなどの1つ以上の物理的処理ユニットを含むことができる。カーボンナノチューブ製品製造システム100のユニットの例は、混合モジュール110、押出モジュール120、固化モジュール130、生成後モジュール140、またはそれらの組み合わせを含むことができる。さらなる例として、押出モジュール120は、均質化ユニット220に結合することができ、固化モジュール130は、押出モジュール130に結合することができ、生成後モジュール140は、固化モジュール130に結合することができる。さらに別の例では、モジュールは、統合されたインラインの連続または半連続プロセスであることができる。 Carbon nanotube product manufacturing system 100 can include one or more processing modules for producing aligned carbon nanotube product 102 . Each of the processing modules can include one or more physical processing units such as devices, machines, mechanisms, assemblies, physical couplings, or combinations thereof for manufacturing aligned carbon nanotube products 102. . Examples of units of carbon nanotube product manufacturing system 100 can include mixing module 110, extrusion module 120, solidification module 130, post-production module 140, or combinations thereof. As a further example, extrusion module 120 can be coupled to homogenization unit 220, solidification module 130 can be coupled to extrusion module 130, and post-production module 140 can be coupled to solidification module 130. . In yet another example, a module can be an integrated in-line continuous or semi-continuous process.

混合モジュール110は、押し出すことができるカーボンナノチューブ分子106の溶液を生成するためのものである。例えば、混合モジュール110は、整列されていないカーボンナノチューブ材料104からナノチューブドープ溶液112を生成するための処理ユニットを含むことができる。ナノチューブドープ溶液112は、カーボンナノチューブ分子106が溶媒中で互いに分離された液体溶液である。いくつかの実施形態では、混合モジュール110は、整列されていないカーボンナノチューブ材料104の固体ブレンド、整列されていないカーボンナノチューブ材料104の溶解および液体状態混合、またはそれらの組み合わせのためのユニットを含むことができる。いくつかの実施形態では、混合モジュール110は、ナノチューブドープ溶液112の濃度を調整するためのユニットを含むことができる。混合モジュール110の詳細については、以下でさらに説明する。 Mixing module 110 is for producing a solution of extrudable carbon nanotube molecules 106 . For example, mixing module 110 can include processing units for producing nanotube dope solution 112 from unaligned carbon nanotube material 104 . Nanotube dope solution 112 is a liquid solution in which carbon nanotube molecules 106 are separated from each other in a solvent. In some embodiments, the mixing module 110 includes units for solid blending of the unaligned carbon nanotube material 104, dissolution and liquid state mixing of the unaligned carbon nanotube material 104, or combinations thereof. can be done. In some embodiments, mixing module 110 can include units for adjusting the concentration of nanotube dope solution 112 . Details of the mixing module 110 are described further below.

押出モジュール120は、ナノチューブドープ溶液112を処理してカーボンナノチューブプロト製品122を形成するためのものである。例えば、押出モジュール120は、カーボンナノチューブプロト製品122の形成前に、ナノチューブドープ溶液112の温度、圧力、化学組成、またはそれらの組み合わせを均質化するためのものである。カーボンナノチューブプロト製品122は、カーボンナノチューブ分子106の完全な整列の前に、整列したカーボンナノチューブ製品102の初期の物理的形態を有する材料である。例えば、カーボンナノチューブプロト製品112は、押出モジュール120によって生成することができ、体積または重量分率によって測定されたとき、主に溶媒である組成物を有する。いくつかの実施形態では、押出モジュール120は、ナノチューブドープ溶液112を精製する、ナノチューブドープ溶液112を様々な物理的形態および形状に成形する、またはそれらの組み合わせを行うための処理ユニットを含むことができる。押出モジュール120の詳細については、以下でさらに説明する。 Extrusion module 120 is for processing nanotube dope solution 112 to form carbon nanotube proto-product 122 . For example, extrusion module 120 is for homogenizing temperature, pressure, chemical composition, or a combination thereof of nanotube dope solution 112 prior to forming carbon nanotube proto-product 122 . Carbon nanotube proto-product 122 is a material that has the initial physical form of aligned carbon nanotube product 102 prior to full alignment of carbon nanotube molecules 106 . For example, carbon nanotube proto-product 112 can be produced by extrusion module 120 and has a composition that is primarily solvent as measured by volume or weight fraction. In some embodiments, extrusion module 120 can include processing units for purifying nanotube dope solution 112, shaping nanotube dope solution 112 into various physical forms and shapes, or a combination thereof. can. Details of the extrusion module 120 are described further below.

固化モジュール130は、カーボンナノチューブプロト製品122から整列したカーボンナノチューブ製品102を生成するためのものである。いくつかの実施形態では、固化モジュール130は、カーボンナノチューブプロト製品122を固化させるための処理ユニット、カーボンナノチューブプロト製品122内のカーボンナノチューブ分子106に整列を与えるための処理ユニット、またはそれらの組み合わせを含むことができる。固化モジュール130の詳細については、以下でさらに説明する。 Solidification module 130 is for producing aligned carbon nanotube product 102 from carbon nanotube proto-product 122 . In some embodiments, solidification module 130 includes a processing unit to solidify carbon nanotube proto-product 122, a processing unit to impart alignment to carbon nanotube molecules 106 within carbon nanotube proto-product 122, or a combination thereof. can contain. Details of the solidification module 130 are described further below.

生成後モジュール140は、整列したカーボンナノチューブ製品102を強化または修正するためのものである。いくつかの実施形態では、後処理モジュール140は、整列したカーボンナノチューブ製品102の精製、整列したカーボンナノチューブ製品102の任意の修正、整列したカーボンナノチューブ製品102の物理的形態の操作または変更、整列したカーボンナノチューブ製品102の追加の構造へのまたは追加の材料との統合のための処理ユニット、あるいはそれらの組み合わせを含むことができる。生成後モジュール140の詳細については、以下でさらに説明する。 Post-production module 140 is for enhancing or modifying aligned carbon nanotube product 102 . In some embodiments, post-processing module 140 performs purification of aligned carbon nanotube product 102, any modification of aligned carbon nanotube product 102, manipulation or alteration of the physical form of aligned carbon nanotube product 102, alignment of carbon nanotube product 102, Processing units for integration of the carbon nanotube product 102 into additional structures or with additional materials, or combinations thereof, may be included. Details of the post-generation module 140 are described further below.

いくつかの実施形態では、カーボンナノチューブ製品製造システム100は、整列したカーボンナノチューブ製品102をカーボンナノチューブフィラメント、ファイバー、またはフィルムとして生成することができる。一例として、カーボンナノチューブ製品製造システム100によって生成されたフィラメント、ファイバー、またはフィルムの形態の整列したカーボンナノチューブ製品102は、引張強度、伸び、応力疲労、多孔性またはボイド率、分子配列、純度、導電率、またはそれらの組み合わせなどの1つ以上の特性によって特徴付けることができる。以下は、カーボンナノチューブ製品製造システム100によって達成される整列したカーボンナノチューブ製品102の特性の例である。 In some embodiments, carbon nanotube product manufacturing system 100 can produce aligned carbon nanotube product 102 as carbon nanotube filaments, fibers, or films. By way of example, the aligned carbon nanotube products 102 in the form of filaments, fibers, or films produced by the carbon nanotube product manufacturing system 100 may have tensile strength, elongation, stress fatigue, porosity or void fraction, molecular alignment, purity, electrical conductivity, It can be characterized by one or more characteristics such as rate, or a combination thereof. The following are examples of aligned carbon nanotube product 102 properties achieved by carbon nanotube product manufacturing system 100 .

整列したカーボンナノチューブ製品102の引張強度の特性は、3GPaを超えることができる。一般に、カーボンナノチューブ分子106の引張強度は約60GPaである。カーボンナノチューブ製品製造システム100は、最大40%の分子スケール特性を、整列したカーボンナノチューブ製品102のマクロスケールに変換する、整列したカーボンナノチューブ製品102を生成することができ、これは、24GPaのCNT繊維を生成することができる。比較のために、ケブラーは約3.6GPaであるが、多くの異なるグレードのケブラーが利用可能である。 The tensile strength properties of the aligned carbon nanotube product 102 can exceed 3 GPa. Generally, the tensile strength of carbon nanotube molecules 106 is about 60 GPa. The carbon nanotube product manufacturing system 100 can produce an aligned carbon nanotube product 102 that converts up to 40% of the molecular scale properties to the macroscale of the aligned carbon nanotube product 102, which is a 24 GPa CNT fiber. can be generated. For comparison, Kevlar is about 3.6 GPa, but many different grades of Kevlar are available.

整列したカーボンナノチューブ製品102の伸びの特性は、破壊するまで0.5%~10%の伸びであることができる。カーボンナノチューブ製品製造システム100は、強度と伸びとの間のトレードオフに合わせて調整することができ、それにより、整列したカーボンナノチューブ製品102は、伸びを犠牲にしてより強くかつより堅くなることができ、またはその逆も可能である。 The elongation property of the aligned carbon nanotube article 102 can be from 0.5% to 10% elongation to failure. The carbon nanotube product manufacturing system 100 can be tuned for a trade-off between strength and elongation such that the aligned carbon nanotube product 102 can be stronger and stiffer at the expense of elongation. and vice versa.

整列したカーボンナノチューブ製品102の応力疲労の特性は、15%の変形で破壊するまで、数十億サイクルの変形に耐える。整列したカーボンナノチューブ製品102の多孔性またはボイド率の特性は、窒素(N)または二酸化炭素(CO)ガス吸収のブルナウアー-エメット-テラー(Brunauer-Emmett-Teller(BET))法によって決定された場合、好ましくは20%未満、より好ましくは10%未満、最も好ましくは5%未満のボイド率であることができる。整列したカーボンナノチューブ製品102の分子整列の特性は、X線および中性子回折などの回折または散乱技術によって測定した場合、好ましくは0.8、より好ましくは0.9、最も好ましくは0.95を超えるハーマン配向係数であることができる。整列したカーボンナノチューブ製品102の純度の特性は、ラマン分光法によって測定した場合、好ましくは5を超え、より好ましくは10を超え、最も好ましくは20を超えるG/D比であることができる。整列したカーボンナノチューブ製品102の導電率の特性は、10Λ6S/mを超えることができる。 The stress-fatigue properties of the aligned carbon nanotube article 102 withstand billions of cycles of deformation before failure at 15% deformation. The porosity or void fraction properties of the aligned carbon nanotube article 102 are determined by the Brunauer-Emmett-Teller (BET) method of nitrogen (N 2 ) or carbon dioxide (CO 2 ) gas absorption. If so, it may preferably have a void fraction of less than 20%, more preferably less than 10%, and most preferably less than 5%. The property of molecular alignment of the aligned carbon nanotube product 102 is preferably greater than 0.8, more preferably 0.9, and most preferably greater than 0.95 as measured by diffraction or scattering techniques such as X-ray and neutron diffraction. It can be the Hermann orientation factor. A purity characteristic of the aligned carbon nanotube product 102 may preferably be a G/D ratio of greater than 5, more preferably greater than 10, and most preferably greater than 20 as measured by Raman spectroscopy. Conductivity properties of the aligned carbon nanotube product 102 can exceed 10Λ6 S/m.

カーボンナノチューブ製品製造システム100は、整列したカーボンナノチューブ製品102と組み立てることができるデバイスおよびコンポーネントを生成するための追加のユニットまたはデバイスを含むことができる。例えば、整列したカーボンナノチューブ製品102から組み立てられたデバイスおよびコンポーネントは、ワイヤアンテナ、パッチアンテナ、コイルトランス、同軸ケーブルを含むことができる。別の例では、整列したカーボンナノチューブ製品102は、ロープ、ヤーン、織物、樹脂が予め含浸されたテープまたは布、発泡体、チョップドファイバーフィラー材料、または積層フィルムなどの他の構造に統合される構成要素であることができる。 Carbon nanotube product manufacturing system 100 can include additional units or devices for producing devices and components that can be assembled with aligned carbon nanotube product 102 . For example, devices and components assembled from aligned carbon nanotube products 102 can include wire antennas, patch antennas, coil transformers, and coaxial cables. In another example, the aligned carbon nanotube product 102 is a configuration that is integrated into other structures such as ropes, yarns, fabrics, tapes or fabrics pre-impregnated with resin, foams, chopped fiber filler materials, or laminated films. can be an element.

ここで図2を参照すると、図1のカーボンナノチューブ製品製造システム100の混合モジュール110の概略図が示されている。混合モジュール110は、整列していないカーボンナノチューブ材料104からナノチューブドープ溶液112を生成するための1つ以上の処理ユニットを含むことができる。例えば、混合モジュール110は、ブレンドユニット202、均質化ユニット220、濃度調整ユニット230、またはそれらの組み合わせを含むことができる。 Referring now to FIG. 2, a schematic diagram of the mixing module 110 of the carbon nanotube product manufacturing system 100 of FIG. 1 is shown. Mixing module 110 can include one or more processing units for producing nanotube dope solution 112 from misaligned carbon nanotube material 104 . For example, the mixing module 110 can include a blending unit 202, a homogenizing unit 220, a consistency adjusting unit 230, or combinations thereof.

ブレンドユニット202は、材料の固体粉砕、分類、ブレンド、またはそれらの組み合わせのためのものである。より具体的には、ブレンドユニット202は、移送中に自発的に分離または隔離しない自由流動性の乾燥粉末ブレンド材料を生成することができる。例えば、一実施形態では、ブレンドユニット202は、ナノチューブ溶媒204を固体溶媒粒子206として整列していないカーボンナノチューブ材料104全体に均一に分散させて、固体ブレンド208を生成するように構成することができる。一般に、ナノチューブ溶媒204は固体溶媒粒子206中に固化されるので、固体溶媒粒子206と整列していないカーボンナノチューブ材料104との固体ブレンド208は乾燥混合物である。別の実施形態では、ブレンドユニット202は、溶媒前駆体材料240を整列していないカーボンナノチューブ材料104全体に均一に分散させて、固体ブレンド202を生成するように構成することができる。さらなる実施形態では、ブレンドユニット202は、ナノチューブ溶媒204を添加することなく、整列していないカーボンナノチューブ材料104を物理的に処理するように構成することができる。 Blending unit 202 is for solid comminution, classification, blending, or combinations thereof of materials. More specifically, the blending unit 202 can produce a free-flowing dry powder blend material that does not spontaneously separate or segregate during transport. For example, in one embodiment, the blending unit 202 can be configured to uniformly disperse the nanotube solvent 204 as solid solvent particles 206 throughout the unaligned carbon nanotube material 104 to produce a solid blend 208. . Generally, the nanotube solvent 204 is solidified in the solid solvent particles 206 so that the solid blend 208 of the solid solvent particles 206 and the unaligned carbon nanotube material 104 is a dry mixture. In another embodiment, blending unit 202 can be configured to evenly disperse solvent precursor material 240 throughout unaligned carbon nanotube material 104 to produce solid blend 202 . In further embodiments, the blending unit 202 can be configured to physically treat the unaligned carbon nanotube material 104 without adding nanotube solvent 204 .

一例では、ナノチューブ溶媒204は、カーボンナノチューブ分子106を整列していないカーボンナノチューブ材料104に溶解することができる溶媒である。より具体的には、ナノチューブ溶媒204は、カーボンナノチューブ分子106のsp2炭素格子上で非局在化したπ電子をプロトン化することができる。一例として、カーボンナノチューブ溶媒204は、クロロスルホン酸(HSO Cl)、フルオロスルホン酸、フルオロ硫酸、塩酸、メタンスルホン酸、硝酸、フッ化水素酸、フルオロアンチモン酸、マジック酸、または任意の他のタイプのカルボランベースの酸などの酸であることができる。別の例として、ナノチューブ溶媒204は、その臨界点を超える温度および圧力の物質である超臨界流体であることができる。超臨界流体としてのナノチューブ溶媒204は、溶質分子、この場合はカーボンナノチューブ分子106間の静電相互作用のスクリーニングを提供して、表面張力効果および粒子-粒子相互作用を打ち消し、本明細書に記載のナノチューブドープ溶液112としての溶液処理を可能にする。ナノチューブ溶媒204の臨界点を超えると、その温度および圧力を、カーボンナノチューブ分子106の最大溶解度を維持するように調整することができ、これにより、超臨界状態のナノチューブ溶媒204を、すべての効果的な目的のために非熱的であると見なすことができる。一例として、超臨界流体としてのナノチューブ溶媒204は、超臨界二酸化炭素を含むことができる。 In one example, nanotube solvent 204 is a solvent that can dissolve carbon nanotube molecules 106 into non-aligned carbon nanotube material 104 . More specifically, nanotube solvent 204 can protonate delocalized π electrons on the sp2 carbon lattice of carbon nanotube molecule 106 . As an example, the carbon nanotube solvent 204 may be chlorosulfonic acid (HSO 3 Cl), fluorosulfonic acid, fluorosulfuric acid, hydrochloric acid, methanesulfonic acid, nitric acid, hydrofluoric acid, fluoroantimonic acid, magic acid, or any other can be acids such as carborane-based acids of the type. As another example, nanotube solvent 204 can be a supercritical fluid, which is a substance at a temperature and pressure above its critical point. Nanotube solvent 204 as a supercritical fluid provides screening of electrostatic interactions between solute molecules, in this case carbon nanotube molecules 106, to counteract surface tension effects and particle-particle interactions, and is described herein. of nanotube dope solution 112 . Once the critical point of the nanotube solvent 204 is exceeded, its temperature and pressure can be adjusted to maintain maximum solubility of the carbon nanotube molecules 106, thereby allowing the nanotube solvent 204 in its supercritical state to reach all effective can be regarded as non-thermal for some purposes. As an example, the nanotube solvent 204 as a supercritical fluid can include supercritical carbon dioxide.

溶媒前駆体材料240は、単独では、整列していないカーボンナノチューブ材料104を溶解することができない化合物である。一般に、溶媒前駆体材料240は、ナノチューブ溶媒204を生成するために溶媒活性化剤242と混合させることができる、反応させることができる、またはそれらの組み合わせの固体材料である。溶媒前駆体材料240および溶媒活性化剤242の例示的な組み合わせは、それぞれ、粉末形態の五塩化リンおよび硫酸であることができる。 Solvent precursor material 240 is a compound that alone cannot dissolve misaligned carbon nanotube material 104 . Solvent precursor material 240 is generally a solid material that can be mixed, reacted, or a combination thereof with solvent activator 242 to produce nanotube solvent 204 . An exemplary combination of solvent precursor material 240 and solvent activator 242 can be phosphorus pentachloride and sulfuric acid in powder form, respectively.

一実施形態では、ブレンドユニット202は、整列していないカーボンナノチューブ材料104および固体溶媒粒子206を受け入れてブレンドするように構成されたブレンドチャンバ210を含むことができる。一例として、ブレンドチャンバ210は、円錐形を有する容器であることができる。特定の例として、ブレンドチャンバ210は、固体ブレンド208の排出を容易にするために、45°~75°、最も好ましくは60°の安息角を有する壁を含むことができる。説明の目的で、ブレンドチャンバ210は円錐形を有することが示されているが、ブレンドチャンバ210は、円筒形、卵形プロファイル、または卵形などの他の形状または構成であることができることが理解される。 In one embodiment, the blending unit 202 can include a blending chamber 210 configured to receive and blend the misaligned carbon nanotube material 104 and solid solvent particles 206 . As an example, blending chamber 210 can be a container having a conical shape. As a particular example, blend chamber 210 may include walls having an angle of repose of 45° to 75°, most preferably 60°, to facilitate evacuation of solid blend 208 . For purposes of illustration, the blend chamber 210 is shown having a conical shape, but it is understood that the blend chamber 210 can be other shapes or configurations such as cylindrical, oval profile, or oval. be done.

ブレンドユニット202は、ブレンドチャンバ210内にブレンド要素を含むことができる。例えば、ブレンド要素は、ブレンドチャンバ210の内面によって決定される経路を移動するらせん形スクリューであることができる。 Blending unit 202 may include blending elements within blending chamber 210 . For example, the blending element can be a helical screw that travels a path determined by the interior surface of blending chamber 210 .

ブレンド要素は、整列していないカーボンナノチューブ材料104を物理的に分離するための分離器具を含むことができる。例えば、分離器具は、小さな剛毛、爪、またはフックであることができる。分離器具は、ブレンド要素の表面に取り付けることができるか、またはブレンド要素の表面から延びていることができる。例えば、ブレンド要素は、整列していないカーボンナノチューブ材料104を引き離すために、それらの表面に沿って分離器具を含むことができる。いくつかの実施形態では、ブレンド要素は、整列していないカーボンナノチューブ材料104の表面を固体溶媒粒子206に露出させることができる。他の実施形態では、ブレンド要素は、整列していないカーボンナノチューブ材料104の表面を溶媒前駆体材料240に露出させることができる。 The blending element can include a separation device to physically separate the misaligned carbon nanotube material 104. FIG. For example, the separating device can be small bristles, claws, or hooks. The separation device can be attached to the surface of the blending element or can extend from the surface of the blending element. For example, the blending elements can include separating devices along their surfaces to separate the misaligned carbon nanotube material 104 . In some embodiments, the blending elements can expose the surface of the non-aligned carbon nanotube material 104 to solid solvent particles 206 . In other embodiments, the blending element can expose the surface of the non-aligned carbon nanotube material 104 to the solvent precursor material 240 .

ブレンドユニット202は、ブレンドチャンバ210の上面および側面からの充填能力を含む。例えば、整列していないカーボンナノチューブ材料104の充填能力は、1つ以上の機械的フィーダー機構を含むことができる。 The blending unit 202 includes top and side filling capabilities of the blending chamber 210 . For example, the non-aligned carbon nanotube material 104 loading capability can include one or more mechanical feeder mechanisms.

いくつかの実施形態では、液体状態のナノチューブ溶媒204のためのブレンドユニット202の充填能力は、ブレンドユニット202内の様々な位置に配置された、1つ以上のスプレーノズル、ミストノズル、噴霧器、またはそれらの組み合わせを含むことができる。特定の例として、スプレーノズルまたは噴霧器は、アモルファスまたは結晶性粒子の形態の固体溶媒粒子206の形成を促進するために、ナノチューブ溶媒204を液滴サイズで液体形態にて排出するように構成することができる。別の実施形態では、ナノチューブ溶媒204のためのブレンドユニット202への充填能力は、固体溶媒粒子206または溶媒前駆体材料240を導入する能力を含むことができる。 In some embodiments, the filling capacity of the blending unit 202 for the nanotube solvent 204 in liquid state is determined by one or more spray nozzles, misting nozzles, atomizers, or It can include combinations thereof. As a particular example, the spray nozzle or atomizer may be configured to discharge the nanotube solvent 204 in droplet size and in liquid form to facilitate the formation of solid solvent particles 206 in the form of amorphous or crystalline particles. can be done. In another embodiment, the ability to load blending unit 202 for nanotube solvent 204 can include the ability to introduce solid solvent particles 206 or solvent precursor material 240 .

固体充填能力の例は、粉体ディスペンサーまたは粉体塗装メカニズムを含むことができる。ブレンドユニット202は、ブレンドユニット202の底部を通る、固体ブレンド208のための排出能力を含むことができる。 Examples of solid fill capabilities can include powder dispensers or powder coating mechanisms. Blending unit 202 may include a discharge capability for solids blend 208 through the bottom of blending unit 202 .

ブレンドユニット202は、ブレンド再循環ループ218を含むことができる。ブレンド再循環ループ218は、ブレンドユニット202の周りの閉じた再循環ループであることができる。ブレンド再循環ループ218は、ブレンドユニット202が、整列していないカーボンナノチューブ材料104を、ブレンドユニット202を通して連続的に再循環させることを可能にする。 Blending unit 202 may include a blending recycle loop 218 . Blending recirculation loop 218 can be a closed recirculation loop around blending unit 202 . The blend recycle loop 218 allows the blend unit 202 to continuously recycle the misaligned carbon nanotube material 104 through the blend unit 202 .

ブレンドユニット202は、温度制御装置を含むことができる。例えば、温度制御装置は、断熱層、液体窒素または液体ヘリウムで覆われた冷却システム、またはそれらの組み合わせを含むことができる。 Blending unit 202 may include a temperature control device. For example, the temperature control device can include a thermal barrier, a cooling system covered with liquid nitrogen or liquid helium, or a combination thereof.

ブレンドユニット202は、均質化ユニット220に結合することができる。均質化ユニット220は、ナノチューブドープ溶液112を生成するためのものである。均質化ユニット220は、密閉された往復式混練アセンブリなどの、密閉された混合チャンバ224内に混合要素を含む装置またはデバイスであることができる。一例として、均質化ユニット220は、水平に配向することができ、混合要素は単軸または二軸スクリュー混練アセンブリとしてバレル内に密閉されている。混合要素は、均質化ユニット220内で材料を混合するための低-中程度の剪断を提供することができる。均質化ユニット220は、混合要素と密閉された混合チャンバ224との互換性を可能にするように構成することができる。 Blending unit 202 can be coupled to homogenization unit 220 . Homogenization unit 220 is for producing nanotube dope solution 112 . Homogenization unit 220 can be an apparatus or device that includes mixing elements within a closed mixing chamber 224, such as a closed reciprocating kneading assembly. As an example, the homogenization unit 220 can be horizontally oriented with the mixing elements enclosed within a barrel as a single or twin screw kneading assembly. The mixing elements can provide low-to-moderate shear for mixing materials within homogenization unit 220 . Homogenization unit 220 may be configured to allow interchangeability of mixing elements and sealed mixing chamber 224 .

いくつかの実施形態では、均質化ユニット220は、混合チャンバ224に沿った充填能力を含むことができる。いくつかの実施形態では、混合チャンバ224は、溶媒活性化剤242を混合チャンバ224に導入するためのスプレーヘッドまたはノズルを含むことができる。他の実施形態では、混合チャンバ224は、ナノチューブ溶媒204を混合チャンバ224に導入するためのスプレーヘッドまたはノズルを含むことができる。 In some embodiments, homogenization unit 220 can include a charging capability along mixing chamber 224 . In some embodiments, mixing chamber 224 can include a spray head or nozzle for introducing solvent activator 242 into mixing chamber 224 . In other embodiments, mixing chamber 224 can include a spray head or nozzle for introducing nanotube solvent 204 into mixing chamber 224 .

密閉された混合チャンバ224は、揮発性ガス除去能力含むことができる。特に、密閉された混合チャンバ224は、整列していないカーボンナノチューブ材料104のナノチューブ溶媒204への溶解、溶媒活性化剤242との溶媒前駆体材料240の反応、またはそれらの組み合わせの間に生成される、塩酸(HCl)ガスなどのガスおよび他の揮発性副生成物を排出することができる。 The sealed mixing chamber 224 can include volatile gas removal capabilities. In particular, closed mixing chamber 224 is created during dissolution of misaligned carbon nanotube material 104 in nanotube solvent 204, reaction of solvent precursor material 240 with solvent activator 242, or combinations thereof. gases such as hydrochloric acid (HCl) gas and other volatile by-products can be vented.

均質化ユニット220は、均質化ユニット220内の温度を監視し、変更し、維持し、またはそれらの組み合わせのための温度制御能力を含むことができる。例えば、均質化ユニット220は、所与の期間にわたって温度を徐々にまたは漸進的に上昇させることができる。いくつかの実施形態では、均質化ユニット220の温度制御能力は、液体状態のナノチューブ溶媒204への固体溶媒粒子206の制御された液化を可能にすることができる。他の実施形態では、均質化ユニット220の温度制御能力は、溶媒前駆体材料240と溶媒活性化剤242との間の反応、混合、またはそれらの組み合わせを制御するために、温度の漸進的な上昇を可能することができる。 Homogenization unit 220 may include temperature control capabilities for monitoring, varying, maintaining the temperature within homogenization unit 220, or a combination thereof. For example, the homogenization unit 220 can gradually or progressively increase the temperature over a given period of time. In some embodiments, the temperature control capability of homogenization unit 220 can enable controlled liquefaction of solid solvent particles 206 into nanotube solvent 204 in a liquid state. In other embodiments, the temperature control capability of homogenization unit 220 provides a gradual change in temperature to control reaction, mixing, or a combination thereof between solvent precursor material 240 and solvent activator 242. can allow ascent.

ナノチューブドープ溶液112の品質を監視するために、均質化ユニット220に沿った1つ以上の位置に測定ユニットを含むことができる。例えば、測定ユニットは、カーボンナノチューブ骨格のプロトン化による波長シフトを測定するための分光計を含むインラインセンサーユニットであることができる。別の例として、測定ユニットは、ナノチューブドープ溶液112のレオロジー評価のためのデバイスであることができる。別の例では、測定ユニットは、ナノチューブドープ溶液112の複屈折を光学的に測定するためのデバイスであることができる。 Measurement units can be included at one or more locations along the homogenization unit 220 to monitor the quality of the nanotube dope solution 112 . For example, the measurement unit can be an in-line sensor unit including a spectrometer for measuring wavelength shift due to protonation of the carbon nanotube backbone. As another example, the measurement unit can be a device for rheological evaluation of nanotube dope solution 112 . In another example, the measurement unit can be a device for optically measuring the birefringence of nanotube dope solution 112 .

均質化ユニット220は、均質化ユニット220を通してナノチューブドープ溶液112を再循環させることを可能にするために、流れ再循環ループ226を含むことができる。高剪断ミキサーなどの追加の混合ハードウェアは、流れ再循環ループ226に沿って含むことができる。 Homogenization unit 220 may include a flow recirculation loop 226 to allow recirculation of nanotube dope solution 112 through homogenization unit 220 . Additional mixing hardware, such as a high shear mixer, can be included along flow recirculation loop 226 .

混合モジュール110は、破線輪郭矢印によって示されるように、任意選択で濃度調整ユニット230を含むことができる。濃度調整ユニット230は、ナノチューブドープ溶液112の濃度を調整するためのものである。濃度調整ユニット230は、ナノチューブドープ溶液112からまたはナノチューブドープ溶液112へ、指定された量のナノチューブ溶媒204を除去または添加するように構成された、圧力および温度制御された容器のうちの1つ以上を含むことができる。例えば、濃度調整ユニット230は、ナノチューブドープ溶液112からナノチューブ溶媒204を蒸発させるように構成された1つ以上の蒸留カラムまたは装置を含むことができる。例示の目的で、濃度調整ユニット230は、蒸留装置の単一の例で示されているが、濃度調整ユニット230は、ナノチューブドープ溶液112を処理するために、並列、直列、またはそれらの組み合わせで互いに結合された蒸留装置の複数の例を含むことができることが理解される。別の例では、濃度調整ユニット230は、濃度調整ユニット230を通してナノチューブドープ溶液112を再循環させるための濃度再循環ループ232を含むことができる。 The mixing module 110 can optionally include a density adjustment unit 230, as indicated by the dashed outline arrow. The concentration adjustment unit 230 is for adjusting the concentration of the nanotube dope solution 112 . Concentration adjustment unit 230 is one or more pressure and temperature controlled vessels configured to remove or add a specified amount of nanotube solvent 204 from or to nanotube dope solution 112 . can include For example, concentration adjustment unit 230 can include one or more distillation columns or devices configured to evaporate nanotube solvent 204 from nanotube dope solution 112 . For purposes of illustration, concentration adjustment unit 230 is shown in a single example of a distillation apparatus, but concentration adjustment unit 230 may be used in parallel, in series, or a combination thereof to process nanotube dope solution 112 . It is understood that multiple instances of distillation apparatus coupled together may be included. In another example, concentration adjustment unit 230 can include concentration recycle loop 232 for recycling nanotube dope solution 112 through concentration adjustment unit 230 .

濃度調整ユニット230は、様々な大気条件および組成の下で動作するように構成することができる。例えば、濃度調整ユニット230は、ナノチューブドープ溶液112から蒸発したナノチューブ溶媒204と共フラックスすることができるHCl飽和した大気を提供することができる。別の例として、濃度調整ユニット230は、ある範囲の圧力、温度、またはそれらの組み合わせの下で動作するように構成することができる。一般に、濃度調整ユニット230は、30~35mmHgの圧力または0.039~0.046気圧および85~90℃の範囲の温度で動作するように構成することができる。 Concentration adjustment unit 230 can be configured to operate under various atmospheric conditions and compositions. For example, concentration adjustment unit 230 can provide an atmosphere saturated with HCl that can co-flux with nanotube solvent 204 evaporated from nanotube dope solution 112 . As another example, concentration adjustment unit 230 may be configured to operate under a range of pressures, temperatures, or combinations thereof. In general, concentration adjustment unit 230 can be configured to operate at pressures of 30-35 mmHg or 0.039-0.046 atmospheres and temperatures in the range of 85-90°C.

濃度調整ユニット230は、ナノチューブドープ溶液112の濃度を監視するための測定デバイスを含むことができる。例えば、測定デバイスは、ナノチューブドープ溶液112の粘弾性および液晶性特性の接触または非接触評価のためのレオメータを含むことができる。別の例では、測定デバイスは、ラマン分光法によってナノチューブドープ溶液112中のカーボンナノチューブ分子106の骨格のプロトン化に関連する波長シフトを決定するための分光計を含むことができる。 Concentration adjustment unit 230 may include a measurement device for monitoring the concentration of nanotube dope solution 112 . For example, the measurement device can include a rheometer for contact or non-contact evaluation of viscoelastic and liquid crystalline properties of nanotube-doped solution 112 . In another example, the measurement device can include a spectrometer for determining wavelength shifts associated with backbone protonation of carbon nanotube molecules 106 in nanotube dope solution 112 by Raman spectroscopy.

ここで図3を参照すると、図1のカーボンナノチューブ製品製造システム100の押出モジュール120の概略図が示されている。押出モジュール120は、ナノチューブドープ溶液112からカーボンナノチューブプロト製品122を生成するための1つ以上の処理ユニットを含むことができる。例えば、押出モジュール120は、フロー駆動機構312、濾過ユニット302、押出アセンブリ310、押出フローマニホルド316、またはそれらの組み合わせを含むことができる。 Referring now to FIG. 3, a schematic diagram of extrusion module 120 of carbon nanotube product manufacturing system 100 of FIG. 1 is shown. Extrusion module 120 can include one or more processing units for producing carbon nanotube proto-product 122 from nanotube dope solution 112 . For example, extrusion module 120 can include flow drive mechanism 312, filtration unit 302, extrusion assembly 310, extrusion flow manifold 316, or combinations thereof.

押出モジュール120は、図2の混合モジュール110に結合することができる。例えば、押出モジュール120は、パイプまたはチューブなどの流体移送経路350によって混合モジュール110に結合することができる。ナノチューブドープ溶液112は、流体移送経路350を介して、混合モジュール110から押出モジュール120に移送することができる。いくつかの実施形態では、流体移送経路350は、ナノチューブドープ溶液112のための持続的な乱流レジームを生成するための静的混合要素を含みことができ、これは、静的混合要素の内部の熱交換流体再循環、静的混合要素の外部の熱交換流体再循環、またはそれらの組み合わせからの、混合および制御された熱伝達を提供する。 Extrusion module 120 may be coupled to mixing module 110 of FIG. For example, extrusion module 120 can be coupled to mixing module 110 by a fluid transfer path 350 such as a pipe or tube. Nanotube dope solution 112 can be transferred from mixing module 110 to extrusion module 120 via fluid transfer path 350 . In some embodiments, the fluid transfer path 350 can include a static mixing element for creating a sustained turbulent flow regime for the nanotube dope solution 112, which includes a provides mixing and controlled heat transfer from heat exchange fluid recirculation within the static mixing element, heat exchange fluid recirculation external to the static mixing element, or a combination thereof.

押出モジュール120は、フロー駆動機構312を介してナノチューブドープ溶液112を受け入れることができる。フロー駆動機構312は、押出モジュール120を通るナノチューブドープ溶液112の流れを促進し、ナノチューブドープ溶液112の均一な特性を維持するためのものである。フロー駆動機構312は、一定の圧力の発生を提供し、これは、押出モジュール120を通るナノチューブドープ溶液112の均一な流れを促進する。特定の例として、フロー駆動機構312は、ツインスクリュー押出機であることができ、これは、「飢餓供給」が可能であり、混練および混合要素のバランスを提供し、これは、ナノチューブドープ溶液112の温度、圧力、濃度、またはそれらの組み合わせなどの均一な特性を維持するのを助ける。 Extrusion module 120 can receive nanotube dope solution 112 via flow drive mechanism 312 . Flow drive mechanism 312 is for promoting the flow of nanotube dope solution 112 through extrusion module 120 and maintaining uniform properties of nanotube dope solution 112 . Flow drive mechanism 312 provides constant pressure generation, which promotes uniform flow of nanotube dope solution 112 through extrusion module 120 . As a particular example, the flow drive mechanism 312 can be a twin-screw extruder, which is capable of “starvation feeding” and provides a balance of kneading and mixing elements that allow the nanotube dope solution 112 help maintain uniform properties such as temperature, pressure, concentration, or a combination thereof.

いくつかの実施形態では、押出モジュール120は、濾過ユニット302を含むことができる。ナノチューブドープ溶液112の純度を高めるために、濾過ユニット302を含むことができる。例えば、濾過ユニット302は、金属触媒粒子、アモルファス炭素粒子、sp3炭素粒子、またはそれらの組み合わせなどの残留粒子をナノチューブドープ溶液112から除去するための濾過要素304を含むことができる。濾過ユニット302の異なる実施形態は、残留粒子のサイズまたは整列していないカーボンナノチューブ材料104の純度に応じて、濾過要素304の様々な構成および組み合わせを含むことができる。例えば、濾過ユニット302は、粗いスクリーンパックまたは粗いスクリーンチェンジャーなどの粗い濾過要素330の1つ以上、微細なスクリーンパックまたは微細なスクリーンチェンジャーなどの微細な濾過要素332の1つ以上、またはそれらの組み合わせを含むことができる。濾過要素304は、濾過ユニット302の動作中に連続的または半連続的に更新または変更可能であるように構成することができる。いくつかの実施形態では、濾過ユニット302は、濾過要素304を通るナノチューブドープ溶液112の流れを補助または促進するために必要に応じてブースターポンプおよび圧力センサーを含むことができる。 In some embodiments, extrusion module 120 can include filtration unit 302 . A filtration unit 302 can be included to increase the purity of the nanotube dope solution 112 . For example, the filtration unit 302 can include a filtration element 304 for removing residual particles such as metal catalyst particles, amorphous carbon particles, sp3 carbon particles, or combinations thereof from the nanotube dope solution 112 . Different embodiments of filtration unit 302 can include various configurations and combinations of filtration elements 304 depending on the size of the residual particles or the purity of the misaligned carbon nanotube material 104 . For example, the filtration unit 302 may include one or more coarse filtration elements 330 such as a coarse screen pack or coarse screen changer, one or more fine filtration elements 332 such as a fine screen pack or fine screen changer, or a combination thereof. can include Filtration element 304 can be configured to be continuously or semi-continuously updated or changeable during operation of filtration unit 302 . In some embodiments, filtration unit 302 can include booster pumps and pressure sensors as needed to assist or facilitate flow of nanotube dope solution 112 through filtration element 304 .

押出フローマニホルド316は、濾過ユニット302に結合することができる。押出フローマニホルド316は、押出モジュール120内のナノチューブドープ溶液112の流れを方向付けるためのものである。より具体的には、ナノチューブドープ溶液112が押出ユニット120を出る前に通過する押出フローマニホルド316内の任意の通路は、押出ユニット120を出た後所望の結果を達成するためにナノチューブドープ溶液112の流れのパターンまたは対称性を変更するための調整可能な構造を有することができる。押出フローマニホルド316は、押出モジュール120を通る異なる流れスキームに対応するために、様々な構成でナノチューブドープ溶液112の流れを分離または併合することができる。一例として、押出フローマニホルド316は、ナノチューブドープ溶液112を濾過ユニット302に再循環させるための再循環ループ(図示せず)などの、分別ユニット306内の濾過ユニット302の濾過要素304の異なるスキームまたは配置を提供することができる。 Extrusion flow manifold 316 may be coupled to filtration unit 302 . Extrusion flow manifold 316 is for directing the flow of nanotube dope solution 112 within extrusion module 120 . More specifically, any passageway within extrusion flow manifold 316 through which nanotube dope solution 112 passes before exiting extrusion unit 120 is designed to direct nanotube dope solution 112 after exiting extrusion unit 120 to achieve desired results. can have adjustable structures to change the flow pattern or symmetry of the Extrusion flow manifold 316 can separate or combine the flow of nanotube dope solution 112 in various configurations to accommodate different flow schemes through extrusion module 120 . As an example, the extrusion flow manifold 316 may include different schemes of filtration elements 304 of the filtration unit 302 within the fractionation unit 306, such as a recycle loop (not shown) for recycling the nanotube dope solution 112 to the filtration unit 302 or placement can be provided.

押出フローマニホルド316は、分別経路306を含むことができる。分別経路306は、カーボンナノチューブ分子106のアスペクト比に基づいて、ナノチューブドープ溶液112中のカーボンナノチューブ分子106を分離するためのものである。例えば、分別経路306は、ナノチューブドープ溶液112の流れに剪断力を与えるように構成された要素を含むことができる。十分に高い剪断下で、ナノチューブドープ溶液112は、ナノチューブドープ溶液112において最も高いアスペクト比を有するカーボンナノチューブ分子106から主に構成される高度に結晶性の相332と、ナノチューブドープ溶液112において最も低いアスペクト比を有するカーボンナノチューブ分子106から主に構成される濃縮された等方性の相330とに相分離すると予想される。 Extrusion flow manifold 316 may include fractionation path 306 . The sorting path 306 is for separating the carbon nanotube molecules 106 in the nanotube dope solution 112 based on the aspect ratio of the carbon nanotube molecules 106 . For example, fractionation path 306 can include elements configured to impart shear to the flow of nanotube dope solution 112 . Under sufficiently high shear, nanotube dope solution 112 exhibits a highly crystalline phase 332 composed primarily of carbon nanotube molecules 106 with the highest aspect ratio in nanotube dope solution 112 and the lowest aspect ratio in nanotube dope solution 112 . It is expected to phase separate into a concentrated isotropic phase 330 composed primarily of carbon nanotube molecules 106 having an aspect ratio.

押出フローマニホルド316は、分別経路306の異なる相のための、流れの異なるスキームまたは配置に対応することができる。例えば、分別経路306は、処理廃棄物または低品位材料として、濃縮された等方性の相330を高度に結晶性の相332から分離および方向転換するように構成された流れ分離および再結合マニホルドを含むことができる。高度に結晶性の相332は、押出アセンブリ310に向かって進ませることができる。任意選択で、押出フローマニホルド316は、高度に結晶性の相332および濃縮された等方性の相330の流れを押出フローマニホルド316を通って押出アセンブリ310へ駆動するためのポンプを含むことができる。 Extrusion flow manifold 316 can accommodate different flow schemes or arrangements for the different phases of fractionation path 306 . For example, the fractionation path 306 is a flow separation and recombination manifold configured to separate and divert the enriched isotropic phase 330 from the highly crystalline phase 332 as process waste or low grade material. can include A highly crystalline phase 332 may be advanced toward the extrusion assembly 310 . Optionally, extrusion flow manifold 316 can include pumps for driving the flow of highly crystalline phase 332 and enriched isotropic phase 330 through extrusion flow manifold 316 to extrusion assembly 310 . can.

押出アセンブリ310は、カーボンナノチューブプロト製品122を生成するためのものである。押出アセンブリ310は、押出ダイ314を含むことができる。押出ダイ314は、カーボンナノチューブプロト製品122を形成するためにナノチューブドープ溶液112を押し出すためのものである。例えば、押出ダイ314は、カーボンナノチューブプロト製品122の成形、初期整列、またはそれらの組み合わせのためのものであることができる。押出アセンブリ310は、押出ダイ314の1つ以上の例を含むように構成することができる。一般に、押出アセンブリ310は、カーボンナノチューブプロト製品122、および最終的には整列したカーボンナノチューブ製品102の形状因子に対応するダイ開口部またはアパーチャを備えた押出ダイ314を含むことができる。 Extrusion assembly 310 is for producing carbon nanotube proto-product 122 . Extrusion assembly 310 may include extrusion die 314 . Extrusion die 314 is for extruding nanotube dope solution 112 to form carbon nanotube proto-product 122 . For example, extrusion die 314 can be for shaping, initial alignment, or a combination thereof of carbon nanotube proto-product 122 . Extrusion assembly 310 can be configured to include one or more instances of extrusion die 314 . In general, extrusion assembly 310 can include an extrusion die 314 with die openings or apertures corresponding to the form factor of carbon nanotube proto-product 122 and eventual aligned carbon nanotube product 102 .

カーボンナノチューブプロト製品122を繊維またはフィラメント、またはフィルムとして形成、成形、および初期整列させるための押出ダイ314は、1つ以上の異なる構成に設定することができる。カーボンナノチューブプロト製品122をフィルムの形態で生成する場合、押出ダイ314はスロットダイであることができる。カーボンナノチューブプロト製品112を繊維またはフィラメントの形態で生成する場合、押出ダイ314は、単穴紡糸口金または多穴紡糸口金であることができる。一般に、押出ダイ314の穴は、ドメインを伸長し、カーボンナノチューブ分子106の整列を促進するのに適した長さの平坦な部分で終わる円錐形の断面プロファイルを有することができる。別の例として、押出ダイ314の紡糸口金ハウジングは静的であることができる。さらなる例では、押出ダイ314の紡糸口金ハウジングは、密封されたベアリングアセンブリ内に保持することができ、これにより、流動中にナノチューブドープ溶液112の液晶ドメインのねじれ、回転、またはそれらの組み合わせが可能になり、ドメインが、ねじれた構成、スパイラル構成、らせん構成、またはそれらの組み合わせで固化されると、カーボンナノチューブプロト製品122に追加の強度を付与する。 Extrusion dies 314 for forming, shaping, and initial alignment of carbon nanotube proto-products 122 as fibers or filaments or films can be set in one or more different configurations. When producing the carbon nanotube proto-product 122 in film form, the extrusion die 314 can be a slot die. When producing carbon nanotube proto-product 112 in the form of fibers or filaments, extrusion die 314 can be a single-hole spinneret or a multi-hole spinneret. Generally, the holes of the extrusion die 314 can have a conical cross-sectional profile terminating in a flat portion of length suitable to elongate the domains and promote alignment of the carbon nanotube molecules 106 . As another example, the spinneret housing of extrusion die 314 can be static. In a further example, the spinneret housing of extrusion die 314 can be held in a sealed bearing assembly, which allows the liquid crystal domains of nanotube dope solution 112 to twist, rotate, or a combination thereof during flow. , imparting additional strength to the carbon nanotube proto-product 122 when the domains are consolidated in a twisted, spiral, helical, or combination thereof.

押出アセンブリ310は、任意選択で、押出ダイ314と適合する、または押出ダイ314の上流における、振動装置を含むことができる。振動装置によって生成される振動は、押出ダイ314の出口の直前の望ましくない弾性乱流を妨害することによって、押出ダイ314を通るナノチューブドープ溶液112の流れを助けることができ、流れ面に沿った望ましくない摩擦および剪断効果を低減することによって、またはそれらの組み合わせによって、流れの安定性を改善する。 Extrusion assembly 310 can optionally include a vibrating device in line with extrusion die 314 or upstream of extrusion die 314 . The vibrations generated by the vibrating device can aid in the flow of the nanotube dope solution 112 through the extrusion die 314 by disrupting the undesirable elastic turbulence just prior to the exit of the extrusion die 314, and along the flow plane. Improve flow stability by reducing undesirable friction and shear effects, or by a combination thereof.

押出フローマニホルド316は、ナノチューブドープ溶液112の共押出などのために、押出ダイ314の複数の例、様々なタイプ、および形状の包含に対応することができる。さらなる例では、押出フローマニホルド316は、異なる流量および生産速度に対応することができ、システムのアーキテクチャを実質的に変更することなく、生産能力を高めるために複数の上流および下流コンポーネントの使用を可能にする。 Extrusion flow manifold 316 can accommodate inclusion of multiple instances, various types, and shapes of extrusion dies 314, such as for co-extrusion of nanotube dope solution 112. In a further example, the extrusion flow manifold 316 can accommodate different flow rates and production rates, allowing multiple upstream and downstream components to be used to increase production capacity without substantially changing the architecture of the system. to

ここで図4を参照すると、図1のカーボンナノチューブ製品製造システム100の固化モジュール130の概略図が示されている。固化モジュール130は、カーボンナノチューブプロト製品122から整列したカーボンナノチューブ製品102を生成するための1つ以上の処理ユニットを含むことができる。例えば、固化モジュール130は、初期整列ユニット402、照射凝固ユニット404、中間整列ユニット408、化学凝固ユニット410、固体整列ユニット414、またはそれらの組み合わせを含むことができる。 Referring now to FIG. 4, a schematic diagram of the consolidation module 130 of the carbon nanotube product manufacturing system 100 of FIG. 1 is shown. Solidification module 130 can include one or more processing units for producing aligned carbon nanotube product 102 from carbon nanotube proto-product 122 . For example, the solidification module 130 can include an initial alignment unit 402, an irradiation solidification unit 404, an intermediate alignment unit 408, a chemical solidification unit 410, a solid alignment unit 414, or combinations thereof.

初期整列ユニット402は、押出モジュール120から出た後、カーボンナノチューブプロト製品122内のカーボンナノチューブ分子106に整列を課すためのものである。例えば、初期整列ユニット402は、温度制御されたドラムまたはゴデットロールアセンブリであることができる。初期整列ユニット402は、図3の押出ダイ314での流速よりも速い速度で、張力下でカーボンナノチューブプロト製品122を延伸するように構成することができ、それにより、カーボンナノチューブ分子106に整列を課し、カーボンナノチューブプロト製品122の断面積を引き下げる。 Initial alignment unit 402 is for imposing alignment on carbon nanotube molecules 106 within carbon nanotube proto-product 122 after exiting extrusion module 120 . For example, the initial alignment unit 402 can be a temperature controlled drum or godet roll assembly. The initial alignment unit 402 can be configured to stretch the carbon nanotube proto-product 122 under tension at a velocity greater than the flow velocity at the extrusion die 314 of FIG. impose and reduce the cross-sectional area of the carbon nanotube proto-product 122 .

照射凝固ユニット404は、カーボンナノチューブプロト製品122の照射固化用である。例えば、照射凝固ユニット404は、赤外線(IR)放射線エミッタのアレイなどの放射線源406を含むことができる。照射凝固ユニット404は、制御された大気においてプロト製品の周りに配置された放射線源406を含むことができる。放射線源406から放出された放射線は、カーボンナノチューブプロト製品122の凝固を誘発することができる。 The irradiation solidification unit 404 is for irradiation solidification of the carbon nanotube proto-product 122 . For example, the irradiation coagulation unit 404 can include a radiation source 406 such as an array of infrared (IR) radiation emitters. The irradiation coagulation unit 404 can include a radiation source 406 positioned around the proto-product in a controlled atmosphere. Radiation emitted from radiation source 406 can induce solidification of carbon nanotube proto-product 122 .

放射線源406は、ナノチューブ溶媒204による吸収が最小化され、カーボンナノチューブプロト製品122のカーボンナノチューブ分子106による吸収が最大化されるような波長で放射線を放出することができる。放射線源406は、局所的な加熱効果を防ぐために放射線をパルス化するように構成することができる。 Radiation source 406 can emit radiation at a wavelength such that absorption by nanotube solvent 204 is minimized and absorption by carbon nanotube molecules 106 of carbon nanotube proto-product 122 is maximized. Radiation source 406 may be configured to pulse the radiation to prevent localized heating effects.

照射凝固ユニット404は、揮発性物質を排出し、カーボンナノチューブプロト製品122を取り巻く大気にガス流を強制するためのデバイスを含むことができる。これは、対流熱伝達を提供し、カーボンナノチューブプロト製品122の凝固速度を制御するのを助け、ならびにカーボンナノチューブプロト製品122を運ぶのを助ける。 Irradiation coagulation unit 404 can include devices for venting volatiles and forcing a gas flow into the atmosphere surrounding carbon nanotube proto-product 122 . This provides convective heat transfer and helps control the solidification rate of the carbon nanotube proto-product 122 as well as helps transport the carbon nanotube proto-product 122 .

中間整列ユニット408は、部分的に固化した状態のカーボンナノチューブプロト製品122中のカーボンナノチューブ分子106に整列を与えるためのものである。例えば、中間整列ユニット408は、温度制御されたドラムまたはゴデットロールアセンブリであることができる。中間整列ユニット408は、カーボンナノチューブ分子106に整列を課すために、押出ダイ314での流速よりも速い速度において張力下でカーボンナノチューブプロト製品122を延伸するように構成することができる。カーボンナノチューブプロト製品122が中間整列ユニット408によって延伸される速度および張力は、初期整列ユニット402のものと同じか、それよりも大きいか、またはそれよりも小さくすることができる。 The intermediate alignment unit 408 is for providing alignment to the carbon nanotube molecules 106 in the partially consolidated carbon nanotube proto-product 122 . For example, intermediate alignment unit 408 can be a temperature controlled drum or godet roll assembly. Intermediate alignment unit 408 can be configured to stretch carbon nanotube proto-product 122 under tension at a velocity greater than the flow velocity at extrusion die 314 to impose alignment on carbon nanotube molecules 106 . The speed and tension at which carbon nanotube proto-product 122 is stretched by intermediate alignment unit 408 can be the same, greater than, or less than that of initial alignment unit 402 .

化学凝固ユニット410は、カーボンナノチューブプロト製品122の化学的固化のためのものである。化学凝固ユニット410は、カーボンナノチューブプロト製品122を化学凝固剤412に曝露することができる。化学凝固剤412は、ナノチューブ溶媒204の溶媒であり、カーボンナノチューブプロト製品122の非溶媒である化合物である。例えば、化学凝固剤412は、アセトン、水、テトラヒドロフラン(THF)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、エーテル、クロロホルム、水中の硫酸の混合物を含むことができる。一例として、化学凝固剤412の濃度は、20%未満の濃度、40%未満の濃度の水中の酢酸の混合物、またはそれらの組み合わせであることができる。 Chemical solidification unit 410 is for chemical solidification of carbon nanotube proto-product 122 . A chemical coagulation unit 410 can expose the carbon nanotube proto-product 122 to a chemical coagulant 412 . Chemical coagulant 412 is a compound that is a solvent for nanotube solvent 204 and a non-solvent for carbon nanotube proto-product 122 . For example, chemical coagulants 412 can include acetone, water, tetrahydrofuran (THF), dimethylsulfoxide (DMSO), ether, chloroform, mixtures of sulfuric acid in water. As an example, the chemical coagulant 412 concentration can be less than 20% concentration, a mixture of acetic acid in water less than 40% concentration, or a combination thereof.

例示の目的で、化学凝固ユニット410は、化学凝固剤412をカーボンナノチューブプロト製品122に適用するためのシャワーヘッドまたはスプレーノズルで示されているが、化学凝固ユニット410は、異なる構成であることができることが理解される。例えば、カーボンナノチューブプロト製品122は、カーボンナノチューブプロト製品122を化学凝固剤412に曝露する、浴または浸漬タンク、連続的に更新される流体膜、またはそれらの組み合わせを含むことができる。化学凝固ユニット410は、カーボンナノチューブプロト製品122の断面に沿って均一な凝固速度を提供するように構成することができる。化学凝固ユニット410は、揮発性物質の排出、カーボンナノチューブプロト製品122を取り巻く大気における強制されたガス流、およびカーボンナノチューブプロト製品122の運搬を助けることなどによって、化学凝固ユニット410内の対流伝熱を提供するためのデバイスおよび機構を含むことができる。 For purposes of illustration, the chemical coagulation unit 410 is shown with a showerhead or spray nozzle for applying the chemical coagulant 412 to the carbon nanotube proto-product 122, although the chemical coagulation unit 410 can be of different configurations. It is understood that you can. For example, carbon nanotube proto-product 122 can include a bath or immersion tank, a continuously renewed fluid film, or a combination thereof that exposes carbon nanotube proto-product 122 to chemical coagulant 412 . Chemical solidification unit 410 can be configured to provide a uniform solidification rate along the cross-section of carbon nanotube proto-product 122 . Chemical coagulation unit 410 controls convective heat transfer within chemical coagulation unit 410, such as by evacuating volatiles, forced gas flow in the atmosphere surrounding carbon nanotube proto-product 122, and helping to transport carbon nanotube proto-product 122. can include devices and mechanisms for providing

固体整列ユニット414は、固化状態のカーボンナノチューブプロト製品122中のカーボンナノチューブ分子106に整列を与えるためのものである。例えば、固体整列ユニット414は、温度制御されたドラムまたはゴデットロールアセンブリであることができる。中間整列ユニット408は、カーボンナノチューブ分子106に整列を課すために、押出ダイでの流速よりも速い速度で、張力下でカーボンナノチューブプロト製品122を延伸するように構成することができる。整列したカーボンナノチューブ製品102の最終的な寸法は、固体整列ユニット414によって設定することができる。カーボンナノチューブプロト製品122が固体整列ユニット414によって延伸される速度および張力は、初期整列ユニット402、中間整列ユニット408、またはそれらの組み合わせのものと同じか、それよりも大きいか、またはそれもより小さくすることができる。固体整列ユニット414は、整列したカーボンナノチューブ製品102の取り込みおよび貯蔵のためのクリールを含むことができる。 The solid alignment unit 414 is for providing alignment to the carbon nanotube molecules 106 in the solidified carbon nanotube proto-product 122 . For example, solid alignment unit 414 can be a temperature controlled drum or godet roll assembly. Intermediate alignment unit 408 can be configured to stretch carbon nanotube proto-product 122 under tension at a velocity greater than the flow velocity in the extrusion die to impose alignment on carbon nanotube molecules 106 . The final dimensions of aligned carbon nanotube product 102 can be set by solid alignment unit 414 . The speed and tension with which the carbon nanotube proto-product 122 is stretched by the solid alignment unit 414 is the same, greater than or less than that of the initial alignment unit 402, the intermediate alignment unit 408, or a combination thereof. can do. Solid alignment unit 414 can include a creel for capture and storage of aligned carbon nanotube product 102 .

ここで図5を参照すると、図1のカーボンナノチューブ製品製造システム100の生成後モジュール140の概略図が示されている。生成後モジュール140は、整列したカーボンナノチューブ製品102を修正するための1つ以上の処理ユニットを含むことができる。例えば、生成後モジュール140は、精製ユニット502、機能化ユニット512、コーティングユニット514、ドーピングユニット516、製品統合ユニット518、またはそれらの組み合わせを含むことができる。 Referring now to FIG. 5, a schematic diagram of the post-production module 140 of the carbon nanotube product manufacturing system 100 of FIG. 1 is shown. Post-production module 140 can include one or more processing units for modifying aligned carbon nanotube product 102 . For example, post-production module 140 can include purification unit 502, functionalization unit 512, coating unit 514, doping unit 516, product integration unit 518, or combinations thereof.

精製ユニット502は、整列したカーボンナノチューブ製品102から残留処理物質を除去するためのものである。例えば、精製ユニット502は、図2のナノチューブ溶媒204、図4の化学凝固剤412、整列したカーボンナノチューブ製品102上の他の望ましくない残留粒子、またはそれらの組み合わせの残留量を除去するように構成することができる。精製ユニット502は、溶媒除去ユニット504、熱アニーリングユニット506、化学洗浄ユニット508、またはそれらの組み合わせを含むことができる。精製ユニット502は、整列したカーボンナノチューブ生成物102を受け取るために、直接または間接的に押出モジュール120に結合することができる。 Purification unit 502 is for removing residual treatment materials from aligned carbon nanotube product 102 . For example, purification unit 502 is configured to remove residual amounts of nanotube solvent 204 of FIG. 2, chemical coagulant 412 of FIG. 4, other undesirable residual particles on aligned carbon nanotube product 102, or combinations thereof. can do. The purification unit 502 can include a solvent removal unit 504, a thermal annealing unit 506, a chemical cleaning unit 508, or combinations thereof. Purification unit 502 can be directly or indirectly coupled to extrusion module 120 to receive aligned carbon nanotube product 102 .

溶媒除去ユニット504は、整列したカーボンナノチューブ製品102からナノチューブ溶媒204の残留痕跡を除去するためのものである。例えば、溶媒除去ユニット504は、整列したカーボンナノチューブ製品102を洗浄するために、水性浴、シャワーヘッド、スプレーノズル、またはそれらの組み合わせを含むことができる。溶媒除去ユニット504は、例えば、約60℃~80℃の温度範囲で水性洗浄を送達および維持するように構成することができる。 Solvent removal unit 504 is for removing residual traces of nanotube solvent 204 from aligned carbon nanotube product 102 . For example, solvent removal unit 504 can include an aqueous bath, showerhead, spray nozzle, or combination thereof to clean aligned carbon nanotube product 102 . Solvent removal unit 504 can be configured to deliver and maintain an aqueous wash at a temperature range of about 60°C to 80°C, for example.

熱アニーリングユニット506は、整列したカーボンナノチューブ製品102から化学凝固剤412の残留痕跡を除去するためのものである。例えば、熱アニーリングユニット506は、整列したカーボンナノチューブ製品102の周囲の環境からガスおよび揮発性物質を排出するように構成されたオーブンまたは密閉された加熱要素を含むことができる。 Thermal annealing unit 506 is for removing residual traces of chemical coagulant 412 from aligned carbon nanotube product 102 . For example, thermal annealing unit 506 can include an oven or enclosed heating element configured to exhaust gases and volatiles from the environment surrounding aligned carbon nanotube product 102 .

化学洗浄ユニット508は、整列したカーボンナノチューブ製品102からプロセス副産物物質の残留痕跡を除去するためのものである。例えば、化学洗浄ユニット508は、整列したカーボンナノチューブ製品102を化学洗浄溶液に曝すためのスプレーノズル、シャワーヘッド、浴またはタンク、連続的に更新される流体膜、またはそれらの組み合わせを含むことができる。化学洗浄溶液の選択は、図4の化学凝固ユニット410で使用される化学凝固剤412の選択に依存することができる。 Chemical cleaning unit 508 is for removing residual traces of process byproduct materials from aligned carbon nanotube product 102 . For example, chemical cleaning unit 508 can include a spray nozzle, showerhead, bath or tank, continuously renewed fluid film, or combinations thereof for exposing aligned carbon nanotube product 102 to a chemical cleaning solution. . The choice of chemical cleaning solution can depend on the choice of chemical coagulant 412 used in chemical coagulation unit 410 of FIG.

任意選択で、生成後モジュール140は、整列したカーボンナノチューブ製品102をさらに処理するための1つ以上の追加のユニットを含むことができる。例えば、生成後モジュール140は、機能化ユニット512、コーティングユニット514、ドーピングユニット516、製品統合ユニット518、またはそれらの組み合わせなどの任意のユニットを含むことができる。一般に、破線および矢印で示されるように、生成後モジュール140の任意のユニットを含めることは、整列したカーボンナノチューブ製品102の意図された用途に依存することができる。 Optionally, post-production module 140 can include one or more additional units for further processing aligned carbon nanotube product 102 . For example, post-production module 140 may include any unit such as functionalization unit 512, coating unit 514, doping unit 516, product integration unit 518, or combinations thereof. Inclusion of optional units of post-production module 140 , generally indicated by dashed lines and arrows, can depend on the intended use of aligned carbon nanotube product 102 .

機能化ユニット512は、整列したカーボンナノチューブ製品102の分子構造を変更するためのものである。例えば、機能化ユニット512は、整列したカーボンナノチューブ製品102の共有化学的機能化のための反応チャンバ、オーブン、またはそれらの組み合わせを含むことができる。 Functionalization unit 512 is for modifying the molecular structure of aligned carbon nanotube product 102 . For example, functionalization unit 512 can include a reaction chamber, an oven, or a combination thereof for covalent chemical functionalization of aligned carbon nanotube product 102 .

コーティングユニット514は、整列したカーボンナノチューブ製品102にコーティング物質を塗布するためのものである。例えば、コーティングユニット514は、ディップコーター、ロールツーロールコーター、スライドコーター、浸漬コーター、またはそれらの組み合わせなどの、整列したカーボンナノチューブ製品102の機械的コーティングのための装置を含むことができる。別の例では、コーティングユニット514は、適切なゼータ電位レベルでの水分散のためのイオン性化合物を含む電解浴またはタンクなどの、整列したカーボンナノチューブ製品102の電解コーティングのための装置を含むことができる。さらなる例では、コーティングユニット514は、帯電した固体粒子の静電コーティングまたは整列したカーボンナノチューブ製品102への気相堆積が可能な装置を含むことができる。 The coating unit 514 is for applying a coating substance to the aligned carbon nanotube product 102 . For example, coating unit 514 can include an apparatus for mechanical coating of aligned carbon nanotube product 102, such as a dip coater, roll-to-roll coater, slide coater, dip coater, or combinations thereof. In another example, coating unit 514 may include apparatus for electrolytic coating of aligned carbon nanotube article 102, such as an electrolytic bath or tank containing ionic compounds for water dispersion at appropriate zeta potential levels. can be done. In a further example, the coating unit 514 can include equipment capable of electrostatic coating of charged solid particles or vapor phase deposition onto the aligned carbon nanotube article 102 .

ドーピングユニット516は、整列したカーボンナノチューブ製品102の非共有化学的機能化のためのものである。ドーピングユニット516は、ドーピングプロセスに基づく機能性および能力を備えたドーピングチャンバを含むことができる。一例では、ドーピングユニット516は、気相ドーピングプロセスのための真空オーブンを含むことができる。別の例では、ドーピングユニット516は、液相ドーピングプロセスのために、スプレーノズル、シャワーヘッド、浴またはタンク、連続的に更新される流体膜、またはそれらの組み合わせを含むことができる。 Doping unit 516 is for non-covalent chemical functionalization of aligned carbon nanotube product 102 . Doping unit 516 may include a doping chamber with doping process-based functionality and capabilities. In one example, the doping unit 516 can include a vacuum oven for vapor phase doping processes. In another example, the doping unit 516 can include a spray nozzle, showerhead, bath or tank, continuously renewed fluid film, or combinations thereof for liquid phase doping processes.

製品統合ユニット518は、整列したカーボンナノチューブ製品102をデバイス、コンポーネント、または構造に統合するためのものである。一例として、製品統合ユニット518は、整列したカーボンナノチューブ材料102の1つ以上の例を、ロープ、ヤーン、織物、発泡体、樹脂の事前含浸テープまたは布、チョップドファイバーフィラー材料、または積層材料などの構造に統合するためのユニットまたはデバイスを含むことができる。このようなユニットの例は、織機、クレードル、ワインダー、プレス、ローラー、またはレーザーカッターを含むことができる。同様に、製品統合ユニット518は、整列したカーボンナノチューブ製品102をデバイスまたはコンポーネントに統合するためのユニットを含むことができ、これは、ワイヤアンテナ、パッチアンテナ、コイルトランス、同軸ケーブル、またはそれらの組み合わせを含むことができる。 Product integration unit 518 is for integrating aligned carbon nanotube product 102 into a device, component, or structure. As an example, the product integration unit 518 may process one or more examples of aligned carbon nanotube material 102 such as ropes, yarns, fabrics, foams, resin pre-impregnated tapes or fabrics, chopped fiber filler materials, or laminated materials. It can include units or devices for integration into structures. Examples of such units can include looms, cradles, winders, presses, rollers, or laser cutters. Similarly, product integration unit 518 can include units for integrating aligned carbon nanotube product 102 into devices or components, such as wire antennas, patch antennas, coil transformers, coaxial cables, or combinations thereof. can include

ここで図6を参照すると、図1のカーボンナノチューブ製品製造システム100による図1の整列したカーボンナノチューブ製品102の製造方法600のフローチャートが示されている。方法600は、整列したカーボンナノチューブ製品102を製造するためのいくつかのステップを含むことができる。以下の製造ステップは、例示の目的で以下に配置されているが、ステップは他の順序または配置で配置できることが理解される。 Referring now to FIG. 6, a flowchart of a method 600 of manufacturing the aligned carbon nanotube product 102 of FIG. 1 by the carbon nanotube product manufacturing system 100 of FIG. 1 is shown. Method 600 can include several steps for manufacturing aligned carbon nanotube product 102 . Although the manufacturing steps below are arranged below for purposes of illustration, it is understood that the steps may be arranged in other orders or arrangements.

本発明の一実施形態では、方法600は、材料調製ステップ602を含むことができる。材料調製ステップ602は、カーボンナノチューブ製品製造システム100によって処理される材料を調製するためのものである。例えば、材料調製ステップ602において、ナノチューブ溶媒204は、整列していないカーボンナノチューブ材料104との固体状態ブレンドのために調製され得る。 In one embodiment of the invention, method 600 may include material preparation step 602 . A material preparation step 602 is for preparing materials to be processed by the carbon nanotube product manufacturing system 100 . For example, in material preparation step 602 , nanotube solvent 204 can be prepared for solid state blending with unaligned carbon nanotube material 104 .

いくつかの実施形態では、ナノチューブ溶媒204は、液体状態で、ブレンドユニット202のブレンドチャンバ210に提供することができ、図2の両方、そして冷却されて、ナノチューブ溶媒204および整列していないカーボンナノチューブ材料104の固体ブレンドを可能にする。より具体的には、ブレンドチャンバ210の十分な冷却は、ナノチューブ溶媒204を液体状態から固体状態に変換し、ブレンドプロセスの期間中、乾燥固体状態を維持するために必要である。ブレンド中の固体溶媒粒子206の形成は、ナノチューブ溶媒204と整列していないカーボンナノチューブ材料104との間の反応の開始が防止されることを確実にすることができる。例えば、ナノチューブ溶媒214を導入する前に、材料調製ステップ602は、固体ブレンド温度に達するまで、液相または気相のチャンバ冷却剤をブレンドチャンバ210に導入することを含むことができる。具体的な例として、固体ブレンド温度は好ましくは100℃未満である。チャンバ冷却剤は、窒素(N2)またはヘリウム(He)などの化学的に不活性な物質であることが好ましい。チャンバ冷却剤は、冷却剤リザーバーからブレンドチャンバ210への封じ込められた経路に沿って向けられた圧力差によってブレンドチャンバ210に導入することができ、ブレンドチャンバ210の内部を固体ブレンド温度に冷却および維持する。任意選択で、ナノチューブ溶媒204を導入する前に固体ブレンド温度に冷却するために、整列していないカーボンナノチューブ材料104をブレンドユニット202に導入することができる。 In some embodiments, the nanotube solvent 204 can be provided in a liquid state to the blending chamber 210 of the blending unit 202, both of FIG. Allows solid blending of material 104 . More specifically, sufficient cooling of the blending chamber 210 is necessary to convert the nanotube solvent 204 from a liquid state to a solid state and maintain a dry solid state for the duration of the blending process. Formation of solid solvent particles 206 in the blend can ensure that initiation of reaction between nanotube solvent 204 and misaligned carbon nanotube material 104 is prevented. For example, prior to introducing the nanotube solvent 214, the material preparation step 602 can include introducing a liquid or vapor phase chamber coolant into the blending chamber 210 until a solid blending temperature is reached. As a specific example, the solid blending temperature is preferably below 100°C. The chamber coolant is preferably a chemically inert substance such as nitrogen (N2) or helium (He). A chamber coolant can be introduced into the blending chamber 210 by a pressure differential directed along a contained path from the coolant reservoir to the blending chamber 210 to cool and maintain the interior of the blending chamber 210 at a solid blending temperature. do. Optionally, unaligned carbon nanotube material 104 can be introduced into blending unit 202 for cooling to a solid blending temperature prior to introduction of nanotube solvent 204 .

ナノチューブ溶媒204をブレンドチャンバ210に導入する前に、ナノチューブ溶媒204は、ブレンドユニット202の区画またはリザーバーに貯蔵することができる。固体ブレンド温度*まで冷却した後など、ブレンドチャンバ210が準備されると、方法600は、固体ブレンドステップ606に進むことができる。固体ブレンドステップ606は、材料の乾燥固体状態の粉砕、分類、ブレンド、またはそれらの組み合わせのためのものである。より具体的には、移送中に自発的に分離または隔離しない自由流動性の粉末ブレンド材料を生成することができる。例えば、固体ブレンドステップ606において、乾燥固体状態のナノチューブ溶媒204を、整列していないカーボンナノチューブ材料104とブレンドすることができ、乾燥混合物としての図1の固体ブレンド208を形成する。固体ブレンドステップ606において、整列していないカーボンナノチューブ材料104は、ブレンドユニット202のブレンドチャンバ210に導入することができる。一例として、整列していないカーボンナノチューブ材料104は、「飢餓供給」状態を維持する速度でブレンドチャンバ210に導入することができる。 Prior to introducing nanotube solvent 204 into blending chamber 210 , nanotube solvent 204 can be stored in a compartment or reservoir of blending unit 202 . Once the blending chamber 210 is prepared, such as after cooling to the solids blending temperature*, the method 600 can proceed to a solids blending step 606 . The solids blending step 606 is for dry solid state pulverization, classification, blending, or a combination thereof of materials. More specifically, a free-flowing powder blend material can be produced that does not spontaneously separate or segregate during transport. For example, the dry solid state nanotube solvent 204 can be blended with the non-aligned carbon nanotube material 104 in a solid blending step 606 to form the solid blend 208 of FIG. 1 as a dry mixture. In a solid blending step 606 , the non-aligned carbon nanotube material 104 can be introduced into the blending chamber 210 of the blending unit 202 . As an example, misaligned carbon nanotube material 104 can be introduced into blending chamber 210 at a rate that maintains a "starvation" condition.

一実施形態では、固体ブレンドステップ606は、図2のナノチューブ溶媒204または溶媒前駆体材料240のブレンドチャンバ210への導入を継続することができる。固体ブレンドステップ606の1つの実装では、液体状態で提供されるナノチューブ溶媒204の場合、固体溶媒粒子206、より具体的には、非晶質または結晶質の粒子の形成を促進するように、ナノチューブ溶媒204をブレンドチャンバ210に導入することができる。固体溶媒粒子206の形成は、ナノチューブ溶媒204を凍結するための冷却速度を満たすのに十分に小さい液滴サイズでナノチューブ溶媒204を導入することによって達成することができる。この実装において、整列していないカーボンナノチューブ材料104は、固体溶媒粒子206とブレンドする前に、固体ブレンド温度に冷却することができる。 In one embodiment, solids blending step 606 can continue with introduction of nanotube solvent 204 or solvent precursor material 240 of FIG. 2 into blending chamber 210 . In one implementation of the solid blending step 606, for nanotube solvent 204 provided in a liquid state, the nanotube A solvent 204 can be introduced into the blending chamber 210 . Formation of solid solvent particles 206 can be accomplished by introducing nanotube solvent 204 in droplet sizes small enough to satisfy the cooling rate for freezing nanotube solvent 204 . In this implementation, the unaligned carbon nanotube material 104 can be cooled to a solid blending temperature prior to blending with the solid solvent particles 206 .

ブレンドチャンバ210に導入されるナノチューブ溶媒204または溶媒前駆体材料240の量は、ナノチューブドープ溶液112のドープ濃度およびブレンドチャンバ210に供給される整列していないカーボンナノチューブ材料104の量に依存する。ドープ濃度は、整列していないカーボンナノチューブ材料104の重量によって決定される、ナノチューブ溶媒204中の整列していないカーボンナノチューブ材料104の濃度として定義される。例えば、目標濃度は、整列していないカーボンナノチューブ材料104の2~20質量%の範囲であることができるが、しかしながら、図1の混合モジュール110において、濃度は、製造プロセスを通じて変化することができることが理解される。例えば、処理のこの段階でのナノチューブドープ溶液112のドープ濃度は、押出中のナノチューブドープ溶液112のドープ濃度よりも低くなることができる。 The amount of nanotube solvent 204 or solvent precursor material 240 introduced into blending chamber 210 depends on the doping concentration of nanotube dope solution 112 and the amount of unaligned carbon nanotube material 104 supplied to blending chamber 210 . Doping concentration is defined as the concentration of unaligned carbon nanotube material 104 in nanotube solvent 204 determined by the weight of unaligned carbon nanotube material 104 . For example, the target concentration can range from 2-20% by weight of the unaligned carbon nanotube material 104; however, in the mixing module 110 of FIG. 1, the concentration can vary throughout the manufacturing process. is understood. For example, the doping concentration of nanotube dope solution 112 at this stage of processing can be lower than the doping concentration of nanotube dope solution 112 during extrusion.

固体ブレンドステップ606の別の実施形態では、整列していないカーボンナノチューブ材料104は、固体溶媒粒子206または溶媒前駆体材料240を添加することなく、ブレンドチャンバ202内で処理することができる。例えば、ブレンドチャンバ202内のブレンド要素の分離要素は、整列していないカーボンナノチューブ材料104を分離または分解して、整列していないカーボンナノチューブ材料104の露出表面積を増加させる、整列していないカーボンナノチューブ材料104を冷却する、整列していないカーボンナノチューブ材料104の乾燥または通気する、または下流の処理を容易にするための他のプロセスなど、整列していないカーボンナノチューブ材料104を処理することができる。 In another embodiment of solid blending step 606 , unaligned carbon nanotube material 104 can be processed within blending chamber 202 without the addition of solid solvent particles 206 or solvent precursor material 240 . For example, the separating element of the blending element within the blending chamber 202 separates or decomposes the misaligned carbon nanotube material 104 to increase the exposed surface area of the misaligned carbon nanotube material 104. The unaligned carbon nanotube material 104 can be processed, such as cooling the material 104, drying or venting the unaligned carbon nanotube material 104, or other processes to facilitate downstream processing.

固体ブレンドステップ606は、固体溶媒粒子206または溶媒前駆体材料240の、整列していないカーボンナノチューブ材料104の露出面への侵入を可能にすることができる。例えば、ブレンドチャンバ210内のブレンド要素の分離機器は、整列していないカーボンナノチューブ材料104を引き離して、固体溶媒粒子206または溶媒前駆体材料240の、整列していないカーボンナノチューブ材料104の表面へのブレンドを容易にすることができる。固体ブレンドステップ606は、整列していないカーボンナノチューブ材料104を通る固体溶媒粒子206の均一な分配が達成されるまで、整列していないカーボンナノチューブ材料104を固体溶媒粒子206に一定して再露出させるために、整列していないカーボンナノチューブ材料104をブレンドチャンバ210に再循環させることを含むことができる。固体溶媒粒子206のこの分配は、好ましくは、標的濃度によって定義される比率でランダム化され、非常に類似した溶媒および溶質粒子の形状およびサイズからなり、好ましくは最長粒子寸法に沿ったサイズの10%の標準偏差以内、より好ましくは最長粒子寸法に沿ったサイズの5%の標準偏差以内、最も好ましくは最長粒子寸法に沿ったサイズの1%の標準偏差以内である。 A solid blending step 606 can allow solid solvent particles 206 or solvent precursor material 240 to penetrate exposed surfaces of the unaligned carbon nanotube material 104 . For example, a blending element separation device within the blending chamber 210 separates the non-aligned carbon nanotube material 104 to force solid solvent particles 206 or solvent precursor material 240 onto the surface of the non-aligned carbon nanotube material 104 . Blending can be facilitated. A solid blending step 606 constantly re-exposes the non-aligned carbon nanotube material 104 to the solid solvent particles 206 until uniform distribution of the solid solvent particles 206 through the non-aligned carbon nanotube material 104 is achieved. To do so, can include recycling the non-aligned carbon nanotube material 104 to the blending chamber 210 . This distribution of solid solvent particles 206 is preferably randomized in a ratio defined by the target concentration and consists of very similar solvent and solute particle shapes and sizes, preferably 10 particles of size along the longest particle dimension. % standard deviation, more preferably within 5% standard deviation of size along the longest particle dimension, and most preferably within 1% standard deviation of size along the longest particle dimension.

固体ブレンドステップ606は、整列していないカーボンナノチューブ材料104へのナノチューブ溶媒204の制御された導入を提供し、これは、エンタルピー的に好ましくかつ拡散制限されたプロトン化反応を制御するために非常に重要であることが発見された。固体ブレンドステップ606は、固体溶媒粒子206の均一なブレンドが達成されるまで、ナノチューブ溶媒204と整列していないカーボンナノチューブ材料104との間の化学反応を開始することなくナノチューブ溶媒の分散を可能にし、これにより、ナノチューブ溶媒204への整列していないカーボンナノチューブ材料104の均一でかつ制御された溶解を提供する。これは、カーボンナノチューブ分子106の分散を最大化することができ、整列したカーボンナノチューブ製品102を生成するときにカーボンナノチューブ分子106の整列を最適化する。 The solid blending step 606 provides controlled introduction of the nanotube solvent 204 into the non-aligned carbon nanotube material 104, which is highly enthalpically favorable and diffusion limited for controlling the protonation reaction. found to be important. A solid blending step 606 allows dispersion of the nanotube solvent without initiating a chemical reaction between the nanotube solvent 204 and the unaligned carbon nanotube material 104 until a uniform blend of solid solvent particles 206 is achieved. , thereby providing uniform and controlled dissolution of the misaligned carbon nanotube material 104 into the nanotube solvent 204 . This can maximize the dispersion of carbon nanotube molecules 106 and optimizes the alignment of carbon nanotube molecules 106 when producing aligned carbon nanotube product 102 .

固体溶媒粒子206または溶媒前駆体材料240と整列していないカーボンナノチューブ材料104との間のブレンドが固体ブレンドステップ606において完了すると、方法600は、溶媒活性化ステップ610へ続くことができる。溶媒活性化ステップ610は、固体溶媒粒子206、溶媒前駆体材料240、またはそれらの組み合わせを活性化するためのものである。溶媒活性化ステップ610において、固体ブレンド208は、図2の均質化ユニット220へ移送することができる。 Once the blending between solid solvent particles 206 or solvent precursor material 240 and unaligned carbon nanotube material 104 is completed in solid blending step 606 , method 600 can continue to solvent activation step 610 . Solvent activation step 610 is for activating solid solvent particles 206, solvent precursor material 240, or a combination thereof. At the solvent activation step 610, the solid blend 208 can be transferred to the homogenization unit 220 of FIG.

一実施形態では、ナノチューブ溶媒204は、固体溶媒粒子206を液化することによって活性化することができる。例えば、極低温固体状態のナノチューブ溶媒204は、固体ブレンド温度から溶液混合温度への制御された加熱によって活性化することができる。一般に、溶液混合温度は、ナノチューブ溶媒204の劣化を引き起こす温度よりも低い。クロロスルホン酸としてのナノチューブ溶媒204の特定の例では、溶液混合温度は25℃~80℃の範囲であり得るが、大気圧で154℃~156℃の沸点を超えてはならず、より好ましくは、80℃未満である。いくつかの実施形態において、溶液混合温度は、飽和HCl大気下で制御された場合、クロロスルホン酸の沸点を超えることができ、これは、クロロスルホン酸の劣化を防ぐことができる。 In one embodiment, nanotube solvent 204 can be activated by liquefying solid solvent particles 206 . For example, the cryogenic solid state nanotube solvent 204 can be activated by controlled heating from the solid blending temperature to the solution mixing temperature. Generally, solution mixing temperatures are below temperatures that cause nanotube solvent 204 to degrade. In the particular example of nanotube solvent 204 as chlorosulfonic acid, the solution mixing temperature can range from 25° C. to 80° C., but must not exceed the boiling point of 154° C. to 156° C. at atmospheric pressure, more preferably , below 80°C. In some embodiments, the solution mixing temperature can exceed the boiling point of chlorosulfonic acid when controlled under a saturated HCl atmosphere, which can prevent degradation of chlorosulfonic acid.

固体溶媒粒子206を液化すると、ナノチューブ溶媒204と整列していないカーボンナノチューブ材料104との間のプロトン化反応が活性化される。プロトン化反応は、sp2炭素格子上の非局在化π電子がプロトン化され、カーボンナノチューブ分子106の分子骨格上のプロトン間の静電反発力が相互の引力のファンデルワールス力に打ち勝つときに、真の溶液の形成を開始し、カーボンナノチューブ分子106が分離して溶液になることを可能にする。 Liquifying the solid solvent particles 206 activates the protonation reaction between the nanotube solvent 204 and the misaligned carbon nanotube material 104 . The protonation reaction occurs when the delocalized π-electrons on the sp2 carbon lattice are protonated and the electrostatic repulsion between the protons on the molecular backbone of the carbon nanotube molecule 106 overcomes the mutual attractive van der Waals forces. , initiates the formation of a true solution, allowing the carbon nanotube molecules 106 to separate and go into solution.

溶媒活性化ステップ606の別の実施形態では、ナノチューブ溶媒204は、溶媒前駆体材料240を含む固体ブレンド208に図2の溶媒活性化剤242を導入することによって活性化することができる。例えば、五塩化リンの溶媒前駆体材料240および硫酸の溶媒活性化剤242は、制御された加熱速度で密閉された混合チャンバ224内で反応することができ、クロロスルホン酸のナノチューブ溶媒204を生成する。 In another embodiment of solvent activation step 606, nanotube solvent 204 may be activated by introducing solvent activator 242 of FIG. For example, phosphorus pentachloride solvent precursor material 240 and sulfuric acid solvent activator 242 can be reacted in sealed mixing chamber 224 at a controlled heating rate to produce nanotube solvent 204 of chlorosulfonic acid. do.

溶媒活性化ステップ610に続いて、方法600は均質化ステップ614に進むことができる。均質化ステップ614は、ナノチューブドープ溶液112を生成するためのものである。均質化ステップ614において、均質化ユニット220は、整列していないカーボンナノチューブ材料104を、液体状態にあるナノチューブ溶媒204と混合することができる。均質化ステップ614の一実施形態では、固体溶媒粒子206の液化または溶媒前駆体材料240と溶媒活性化剤242との間の反応から生成されたナノチューブ溶媒204を、整列していないカーボンナノチューブ材料104と混合することができる。均質化ステップ614の別の実施形態では、液体クロロスルホン酸または超臨界流体などのナノチューブ溶媒204を均質化ユニット220に導入して、固体溶媒粒子206または溶媒前駆体材料240とブレンドされていない整列していないカーボンナノチューブ材料104と剪断混合することができる。整列していないカーボンナノチューブ材料104とナノチューブ溶媒204との混合は、光学的に複屈折性のネマチック液晶相にあるナノチューブドープ溶液112を生成することができる。 Following solvent activation step 610 , method 600 may proceed to homogenization step 614 . Homogenization step 614 is for producing nanotube dope solution 112 . In a homogenization step 614, the homogenization unit 220 may mix the non-aligned carbon nanotube material 104 with the nanotube solvent 204 in a liquid state. In one embodiment of the homogenization step 614 , the nanotube solvent 204 produced from the liquefaction of the solid solvent particles 206 or the reaction between the solvent precursor material 240 and the solvent activator 242 is transferred to the non-aligned carbon nanotube material 104 . can be mixed with In another embodiment of the homogenization step 614, a nanotube solvent 204, such as liquid chlorosulfonic acid or a supercritical fluid, is introduced into the homogenization unit 220 and aligned unblended with the solid solvent particles 206 or solvent precursor material 240. It can be shear mixed with the uncured carbon nanotube material 104 . Mixing misaligned carbon nanotube material 104 with nanotube solvent 204 can produce nanotube dope solution 112 in an optically birefringent nematic liquid crystal phase.

一般に、ナノチューブドープ溶液112は、整列していないカーボンナノチューブ材料104の2~20質量%の範囲の濃度で生成することができるが、ナノチューブドープ溶液112は、異なる濃度で生成できることが理解される。例えば、追加の量を密閉された混合チャンバに導入して、ナノチューブドープ溶液112の濃度を低下させることができる。 Generally, the nanotube dope solution 112 can be produced at concentrations ranging from 2-20% by weight of the unaligned carbon nanotube material 104, although it is understood that the nanotube dope solution 112 can be produced at different concentrations. For example, an additional amount can be introduced into the sealed mixing chamber to reduce the concentration of nanotube dope solution 112 .

均質化ステップ614の間に、ナノチューブドープ溶液112を評価して、ナノチューブ溶媒204と整列していないカーボンナノチューブ材料104との間のプロトン化の程度を決定することができる。例えば、均質化ユニット220の測定装置は、波長シフトおよび粘度などのナノチューブドープ溶液112の特性または特質を監視して、ナノチューブドープ溶液112の適切な均質化が達成されたかどうかを決定することができる。1つの特定の例では、sp2炭素構造のプロトン化に関連する波長シフトは、インラインラマン分光計などの測定デバイスによって測定することができる。別の特定の例では、ナノチューブドープ溶液112の粘弾性および光学複屈折を測定して、機械的、光学的、または他の非接触レオメータなどの測定デバイスによって液晶形成の程度を決定することができる。ナノチューブドープ溶液112は、満足のいくプロトン化が達成されるまで、図2の流れ再循環ループ226を介して均質化ユニット220を通して再循環させることができる。 During the homogenization step 614 , the nanotube dope solution 112 can be evaluated to determine the degree of protonation between the nanotube solvent 204 and the misaligned carbon nanotube material 104 . For example, the measurement device of homogenization unit 220 can monitor properties or attributes of nanotube dope solution 112, such as wavelength shift and viscosity, to determine whether adequate homogenization of nanotube dope solution 112 has been achieved. . In one particular example, the wavelength shift associated with protonation of sp2 carbon structures can be measured by a measurement device such as an in-line Raman spectrometer. In another specific example, the viscoelasticity and optical birefringence of the nanotube-doped solution 112 can be measured to determine the extent of liquid crystal formation by a measuring device such as mechanical, optical, or other non-contact rheometer. . Nanotube dope solution 112 can be recycled through homogenization unit 220 via flow recirculation loop 226 in FIG. 2 until satisfactory protonation is achieved.

溶媒活性化ステップ610および均質化ステップ614の両方は、均質化ユニット220において実行することができる。均質化ユニット220は、溶媒活性化ステップ610、均質化ステップ614、またはそれらの組み合わせの間に、塩酸ガスなどのプロトン化反応から生成された副生成物を排出することができる。 Both solvent activation step 610 and homogenization step 614 can be performed in homogenization unit 220 . Homogenization unit 220 may exhaust by-products produced from the protonation reaction, such as hydrochloric acid gas, during solvent activation step 610, homogenization step 614, or a combination thereof.

方法600は、破線の矢印および線によって示されるように、任意選択で濃度調整ステップ616を含むことができる。濃度調整ステップ616は、ナノチューブドープ溶液112の濃度を調整するためのものである。いくつかの実施形態では、整列していないカーボンナノチューブ材料104およびナノチューブ溶媒204は、図1のナノチューブプロト製品122の形成中にナノチューブドープ溶液112の目標濃度よりも低い濃度を目標とするような比率でブレンドユニット202に充填することができ、混合モジュール110内の様々なユニットおよび要素へのひずみを低減する。ナノチューブドープ溶液112の最終目標濃度は、ナノチューブドープ溶液112の低濃度形態を図2の濃度調整ユニット230に供給することによって達成することができ、これは、劣化することなくナノチューブ溶媒204を蒸発させることができる。 The method 600 can optionally include a density adjustment step 616, as indicated by the dashed arrow and line. Concentration adjustment step 616 is for adjusting the concentration of nanotube dope solution 112 . In some embodiments, the non-aligned carbon nanotube material 104 and the nanotube solvent 204 are ratioed to target a lower concentration than the target concentration of the nanotube dope solution 112 during formation of the nanotube proto-product 122 of FIG. can fill the blending unit 202 with a reduced strain on the various units and elements within the mixing module 110 . The final target concentration of nanotube dope solution 112 can be achieved by feeding a dilute form of nanotube dope solution 112 to concentration adjustment unit 230 of FIG. 2, which evaporates nanotube solvent 204 without degradation. be able to.

濃度調整ステップ616において、濃度調整ユニット230は、ナノチューブ溶媒204の劣化を防ぐために、温度および大気条件下で操作することができる。例えば、濃度調整ユニット230は、ナノチューブドープ溶液112から蒸発したナノチューブ溶媒204と共フラックスまたは共流動することができる、HClガスに富むまたは飽和した大気を提供するように操作することができる。一般に、濃度調整ユニット230は、30~35mmHgの圧力または0.039から0.046気圧および85~90℃の範囲の温度で操作することができる。 In concentration adjustment step 616 , concentration adjustment unit 230 may operate under temperature and atmospheric conditions to prevent degradation of nanotube solvent 204 . For example, concentration adjustment unit 230 can be operated to provide an atmosphere enriched or saturated with HCl gas that can co-flux or co-flow with nanotube solvent 204 evaporated from nanotube dope solution 112 . Generally, concentration adjustment unit 230 can operate at pressures of 30-35 mmHg or 0.039-0.046 atmospheres and temperatures in the range of 85-90°C.

ナノチューブドープ溶液112の十分な混合および目標濃度が均質化ステップ614で達成されると、ナノチューブドープ溶液112は、受動的移送混合ステップ618を受けることができる。受動的移送混合ステップ618において、ナノチューブドープ溶液112は、混合モジュール110から押出モジュール120への移送中に、流体経路に沿って図3の静的混合要素を介して追加の受動的混合を受けることができる。受動的移動混合ステップ618の目的は、ナノチューブドープ溶液112のための持続的な乱流レジームを作り出すことである。ナノチューブドープ溶液112の乱流は、静的混合要素の内側および外側の熱交換流体再循環を介するなど、ナノチューブドープ溶液112内の制御された熱伝達も提供しながら、継続的な混合を提供する。 Once sufficient mixing and target concentration of nanotube dope solution 112 is achieved in homogenization step 614 , nanotube dope solution 112 can undergo passive transmixing step 618 . In a passive transfer mixing step 618, the nanotube dope solution 112 undergoes additional passive mixing through the static mixing elements of FIG. can be done. The purpose of the passive moving mixing step 618 is to create a sustained turbulent flow regime for the nanotube dope solution 112 . Turbulent flow of the nanotube dope solution 112 provides continuous mixing while also providing controlled heat transfer within the nanotube dope solution 112, such as through heat exchange fluid recirculation inside and outside static mixing elements. .

方法600は、ナノチューブドープ溶液112から不純物を除去するための濾過ステップ620を含むことができる。例えば、場合によっては、精製された整列していないカーボンナノチューブ材料104を使用しているにもかかわらず、複数の分散されていない望ましくない粒子、整列していないカーボンナノチューブ材料104の不十分に純粋な例、残留触媒粒子、残留非晶質またはsp3炭素、またはそれらの組み合わせなどの不純物が、ナノチューブドープ溶液112中に存在することができる。不純物は、ナノチューブドープ溶液112を図3の濾過ユニット302に通すことにより、濾過ステップ620でナノチューブドープ溶液112から除去することができる。一例として、不純物の濾過は、粗い濾過要素330、微細濾過要素332、またはそれらの組み合わせなどの図3の濾過要素304を通る流れによって達成することができる。粗い濾過要素330または微細濾過要素332の包含は、整列していないカーボンナノチューブ材料104の初期純度に依存することができる。 Method 600 can include a filtering step 620 to remove impurities from nanotube dope solution 112 . For example, in some cases, despite using purified unaligned carbon nanotube material 104, a plurality of undesired undispersed particles, insufficiently pure unaligned carbon nanotube material 104 Impurities such as, for example, residual catalyst particles, residual amorphous or sp3 carbon, or combinations thereof, can be present in the nanotube dope solution 112 . Impurities may be removed from nanotube dope solution 112 in filtering step 620 by passing nanotube dope solution 112 through filtering unit 302 of FIG. As an example, filtration of impurities can be accomplished by flow through filter element 304 of FIG. 3, such as coarse filter element 330, fine filter element 332, or a combination thereof. The inclusion of coarse filtering elements 330 or fine filtering elements 332 can depend on the initial purity of the non-aligned carbon nanotube material 104 .

濾過ステップ620に続いて、プロセスフローは、分別ステップ624に続くことができる。分別ステップ624は、カーボンナノチューブ分子106のアスペクト比に基づいて、ナノチューブドープ溶液112中のカーボンナノチューブ分子106を分離するためのものである。一般に、ナノチューブドープ溶液112は、広範囲のアスペクト比を有するカーボンナノチューブ分子106の混合物を含むことができる。分別ステップ624において、ナノチューブドープ溶液112は、図3の両方で、押出フローマニホルド316の分別経路306内で剪断流に曝されることができる。十分に高い剪断下で、ナノチューブドープ溶液112は、ナノチューブドープ溶液112において最も高いアスペクト比を有するカーボンナノチューブ分子106から主に構成される図3の高度に結晶性の相340と、ナノチューブドープ溶液112において最も低いアスペクト比を有するカーボンナノチューブ分子106から主に構成される図3の濃縮された等方性の相342とに相分離すると予想される。 Following filtering step 620 , process flow may continue to fractionation step 624 . A sorting step 624 is for separating the carbon nanotube molecules 106 in the nanotube dope solution 112 based on the aspect ratio of the carbon nanotube molecules 106 . In general, nanotube dope solution 112 can include a mixture of carbon nanotube molecules 106 having a wide range of aspect ratios. At fractionation step 624, nanotube dope solution 112 may be subjected to shear flow within fractionation path 306 of extrusion flow manifold 316 in both FIG. Under sufficiently high shear, nanotube dope solution 112 is composed primarily of carbon nanotube molecules 106 with the highest aspect ratios in nanotube dope solution 112 and highly crystalline phase 340 of FIG. is expected to phase separate into the enriched isotropic phase 342 of FIG.

分別ステップ624において、押出フローマニホルド316は、処理廃棄物または低品位材料として、濃縮された等方性相342を高度に結晶性の相340から分離および方向転換することができる。高度に結晶性の相は、図3の押出アセンブリ310に向かって進むことができる。押出アセンブリ310への移送中に、追加の均質化および温度制御を、静的ミキサーまたは押出フローマニホルド316の静的ミキサーのアセンブリを介してナノチューブドープ溶液112に与えることができる。 In a fractionation step 624, the extrusion flow manifold 316 can separate and redirect the enriched isotropic phase 342 from the highly crystalline phase 340 as process waste or low grade material. The highly crystalline phase can proceed toward extrusion assembly 310 in FIG. Additional homogenization and temperature control may be provided to nanotube dope solution 112 during transfer to extrusion assembly 310 via a static mixer or assembly of static mixers in extrusion flow manifold 316 .

このプロセスは、分別ステップ624から押出ステップ626まで続く。押出ステップ626において、ナノチューブドープ溶液112は、カーボンナノチューブプロト製品122である整列したカーボンナノチューブ製品102の初期形態および整列を与えるために処理される。例えば、ナノチューブドープ溶液112は、図3の押出アセンブリ310の様々な可能な構成のうちの1つを通って流れて、繊維、フィラメント、またはフィルムなどの特定の形態、形状、または寸法のカーボンナノチューブプロト製品122を生成することができる。いくつかの実施形態では、ナノチューブドープ溶液112の液晶ドメインは、押出ステップ626の間にねじれ、回転、またはそれらの組み合わせを行うことができ、ドメインがねじれた構成、スパイラル構成、らせん構成、またはそれらの組み合わせで固化されると、カーボンナノチューブプロト製品122に追加の強度を与える。 The process continues from fractionation step 624 to extrusion step 626 . In extrusion step 626 , nanotube dope solution 112 is processed to provide the initial morphology and alignment of aligned carbon nanotube product 102 , which is carbon nanotube proto-product 122 . For example, nanotube dope solution 112 may flow through one of various possible configurations of extrusion assembly 310 of FIG. A proto product 122 can be generated. In some embodiments, the liquid crystal domains of the nanotube-doped solution 112 can be twisted, rotated, or a combination thereof during the extrusion step 626 such that the domains are in a twisted configuration, a spiral configuration, a helical configuration, or both. provides additional strength to the carbon nanotube proto-product 122 when solidified with a combination of

押出ステップ626は、破線の矢印および線によって示されるように、任意選択で流動振動ステップ628を含むことができる。流動振動ステップ628は、押出ダイ314を通るナノチューブドープ溶液112の流れを促進するためのものである。例えば、流動振動ステップ628において、押出ダイ314は、振動装置によって振動させられて、押出ダイ314の出口の直前の望ましくない弾性乱流を妨害することによって、押出ダイ314を通るナノチューブドープ溶液112の流れを助けることができ、流れ面に沿った望ましくない摩擦および剪断効果、またはそれらの組み合わせを低減することにより、流れの安定性を改善する。 The extrusion step 626 can optionally include a flow agitation step 628, as indicated by the dashed arrows and lines. A flow agitation step 628 is to facilitate the flow of the nanotube dope solution 112 through the extrusion die 314 . For example, in flow vibrating step 628 , extrusion die 314 is vibrated by a vibrating device to disrupt undesirable elastic turbulence of nanotube dope solution 112 through extrusion die 314 just prior to the exit of extrusion die 314 . It can aid flow and improve flow stability by reducing undesirable friction and shear effects along the flow surface, or a combination thereof.

押出ステップ626に続いて、カーボンナノチューブプロト製品122は、整列および固化ステップ630に進むことができる。この段階で、カーボンナノチューブプロト製品112は、体積または重量分率によって測定されるように、主にナノチューブ溶媒204からなる組成を有するように生成することができる。整列および固化ステップ630において、カーボンナノチューブプロト製品122は、延伸および整列プロセスの組み合わせで処理されて、整列したカーボンナノチューブ製品102を形成する。一例として、整列および固化ステップ630は、初期整列ステップ632、照射凝固ステップ634、中間整列ステップ636、化学的凝固ステップ638、固体整列ステップ640、またはそれらの組み合わせを含むことができる。 Following extrusion step 626 , carbon nanotube proto-product 122 can proceed to alignment and consolidation step 630 . At this stage, carbon nanotube proto-product 112 can be produced to have a composition consisting primarily of nanotube solvent 204, as measured by volume or weight fraction. In an alignment and solidification step 630, carbon nanotube proto-product 122 is treated with a combination of stretching and alignment processes to form aligned carbon nanotube product 102. FIG. As an example, the alignment and solidification step 630 can include an initial alignment step 632, a radiation coagulation step 634, an intermediate alignment step 636, a chemical coagulation step 638, a solid alignment step 640, or combinations thereof.

初期整列ステップ632は、カーボンナノチューブプロト製品122に初期整列を与えるために、カーボンナノチューブプロト製品122の生成に続くことができる。例えば、初期整列ステップ632において、カーボンナノチューブプロト製品122は、図4の初期整列ユニット402によって張力下で延伸され、カーボンナノチューブプロト製品122中のカーボンナノチューブ分子106を、例えば、初期整列ユニット402を、図4の押出ダイ314を出るときのカーボンナノチューブプロト製品122の流速よりも速い速度である延伸速度で操作することによって、整列させることができる。一例として、初期整列ステップ632中の延伸速度は、インラインX線または中性子散乱技術で測定して、好ましくは少なくとも0.8、より好ましくは少なくとも0.9、最も好ましくは少なくとも0.95のヘルマン配向係数に対応する整列を生成するように設定することができる。 An initial alignment step 632 can follow the creation of the carbon nanotube proto-product 122 to give the carbon nanotube proto-product 122 an initial alignment. For example, in initial alignment step 632, carbon nanotube proto-product 122 is stretched under tension by initial alignment unit 402 of FIG. Alignment can be achieved by operating at a draw speed that is faster than the flow rate of the carbon nanotube proto-product 122 as it exits the extrusion die 314 of FIG. As an example, the draw rate during the initial alignment step 632 is preferably at least 0.8, more preferably at least 0.9, and most preferably at least 0.95 Hermann orientation as measured by an in-line X-ray or neutron scattering technique. It can be set to generate alignments corresponding to the coefficients.

照射凝固ステップ634は、初期整列ステップ632に続くことができる。照射凝固ステップ634は、カーボンナノチューブプロト製品122を図4の放射線源406からの放射線に曝露することによって固化を開始するためのものである。照射凝固ステップ634において、カーボンナノチューブプロト製品122は、ナノチューブ溶媒204による吸収を最小にしかつカーボンナノチューブプロト製品122のカーボンナノチューブ分子106による放射線の吸収を最大にする波長で、放射線源406からの赤外放射線などの放射線に曝露される。一例として、照射凝固ユニット404は、1~130μmの範囲の波長で入射照射を生成することができる。照射凝固ステップ634は、カーボンナノチューブプロト製品122内およびそれに沿った局所的な加熱効果を防止するために、放射線源406のパルス化を含むことができる。照射凝固ステップ634は、例えば、照射凝固ユニット404からのナノチューブ溶媒204の排出によって対流熱伝達を提供し、カーボンナノチューブプロト製品122を取り巻く大気中でガス流を強制し、かつカーボンナノチューブプロト製品122を運ぶのを助けることができる。 An irradiation coagulation step 634 can follow the initial alignment step 632 . An irradiation solidification step 634 is to initiate solidification by exposing carbon nanotube proto-product 122 to radiation from radiation source 406 in FIG. In an irradiation solidification step 634, carbon nanotube proto-product 122 is exposed to infrared radiation from radiation source 406 at a wavelength that minimizes absorption by nanotube solvent 204 and maximizes absorption of radiation by carbon nanotube molecules 106 of carbon nanotube proto-product 122. Exposure to radiation, such as radiation. As an example, radiation coagulation unit 404 can generate incident radiation at wavelengths in the range of 1-130 μm. The irradiation solidification step 634 can include pulsing the radiation source 406 to prevent localized heating effects within and along the carbon nanotube proto-product 122 . Irradiation solidification step 634 provides convective heat transfer, for example, by exhausting nanotube solvent 204 from irradiation solidification unit 404 , forcing gas flow in the atmosphere surrounding carbon nanotube proto-product 122 , and forcing carbon nanotube proto-product 122 to can help carry.

中間整列ステップ636は、照射凝固ステップ634に続くことができる。中間整列ステップ636は、カーボンナノチューブプロト製品122に整列を与えるためのものである。中間整列ステップ636において、カーボンナノチューブプロト製品122は、部分的に固化された状態にあり、図4の中間整列ユニット408によって張力下で延伸され、カーボンナノチューブプロト製品122内のカーボンナノチューブ分子106を、例えば、中間整列ユニット408を、押出ダイ314を出るときのカーボンナノチューブプロト製品122の流速よりも速い速度で操作することによって、整列させることができる。カーボンナノチューブプロト製品122が中間整列ユニット408によって延伸される速度および張力は、初期整列ステップ632における初期整列ユニット402のものと同じか、それよりも大きいか、またはそれよりも小さくすることができる。 An intermediate alignment step 636 can follow the irradiation coagulation step 634 . An intermediate alignment step 636 is for providing alignment to the carbon nanotube proto-product 122 . At intermediate alignment step 636, carbon nanotube proto-product 122 is in a partially consolidated state and stretched under tension by intermediate alignment unit 408 of FIG. For example, the intermediate alignment unit 408 can be aligned by operating at a velocity greater than the flow velocity of the carbon nanotube proto-products 122 as they exit the extrusion die 314 . The speed and tension with which carbon nanotube proto-product 122 is stretched by intermediate alignment unit 408 can be the same, greater than, or less than that of initial alignment unit 402 in initial alignment step 632 .

化学凝固ステップ638は、中間整列ステップ636に続くことができる。化学凝固ステップ638において、カーボンナノチューブプロト製品122は、化学凝固剤412への曝露によって固化される。例えば、カーボンナノチューブプロト製品122は、図4の化学凝固ユニット410内の化学凝固剤412に曝露されることができる。具体的な例として、カーボンナノチューブプロト製品122を化学凝固剤412に曝露することは、噴霧、浴浸漬、連続的に更新される流体膜の通過、またはそれらの組み合わせを含むことができる。化学凝固ステップ638は、カーボンナノチューブプロト製品122の断面に沿って均一な凝固速度を提供することができる。さらに、化学凝固ステップ638は、化学凝固ユニット410の大気制御、および揮発性物質の排出による対流熱伝達、ならびにカーボンナノチューブプロト製品122を取り巻く大気における強制されたガス流、ならびにカーボンナノチューブプロト製品122を運ぶのを助けることを含むことができる。 A chemical coagulation step 638 can follow an intermediate alignment step 636 . In chemical solidification step 638 , carbon nanotube proto-product 122 is solidified by exposure to chemical coagulant 412 . For example, carbon nanotube proto-product 122 can be exposed to chemical coagulant 412 in chemical coagulation unit 410 of FIG. As a specific example, exposing the carbon nanotube proto-product 122 to the chemical coagulant 412 can include spraying, bath immersion, passage through a continuously renewed fluid film, or combinations thereof. Chemical solidification step 638 can provide a uniform solidification rate along the cross-section of carbon nanotube proto-product 122 . In addition, the chemical coagulation step 638 includes atmospheric control of the chemical coagulation unit 410 and convective heat transfer by exhausting volatiles and forced gas flow in the atmosphere surrounding the carbon nanotube proto-product 122 and the carbon nanotube proto-product 122 . Can include helping to carry.

固体整列ステップ640は、照射凝固ステップ634、化学的凝固ステップ638、またはそれらの組み合わせに続くことができる。固体整列ステップ640は、カーボンナノチューブプロト製品122の固体整列のためのものである。固体整列ステップ640において、カーボンナノチューブプロト製品122の固化はほぼ完了しており、図4の固体整列ユニット414によって張力下で延伸され、カーボンナノチューブプロト製品122におけるカーボンナノチューブ分子106に最終的な程度の整列を課し、整列したカーボンナノチューブ製品102を形成するか、整列したカーボンナノチューブ製品102の最終寸法を設定するか、またはそれらの組み合わせを行うことができる。一例として、固体整列ユニット414は、押出ダイ314を出るときのカーボンナノチューブプロト製品122の流速よりも速い速度で操作することができる。カーボンナノチューブプロト製品122が固体整列ユニット414によって延伸させられる速度および張力は、初期整列ステップ632における初期整列ユニット402、中間整列ステップ404における中間整列ユニット408、またはそれらの組み合わせの速度および張力と同じか、それよりも大きいか、またはそれよりも小さくすることができる。整列したカーボンナノチューブ製品102は、固体整列ステップ640に続いて、貯蔵のためにクリールに巻くことができる。 Solid alignment step 640 can follow irradiation coagulation step 634, chemical coagulation step 638, or a combination thereof. Solid alignment step 640 is for solid alignment of carbon nanotube proto-product 122 . At solid alignment step 640, solidification of carbon nanotube proto-product 122 is nearly complete and is stretched under tension by solid alignment unit 414 of FIG. The alignment can be imposed to form the aligned carbon nanotube product 102, set the final dimensions of the aligned carbon nanotube product 102, or a combination thereof. As an example, solid alignment unit 414 can be operated at a velocity greater than the flow velocity of carbon nanotube proto-product 122 as it exits extrusion die 314 . Are the speed and tension at which carbon nanotube proto-product 122 is stretched by solid alignment unit 414 the same as the speed and tension of initial alignment unit 402 in initial alignment step 632, intermediate alignment unit 408 in intermediate alignment step 404, or a combination thereof? , which can be larger or smaller. The aligned carbon nanotube product 102 can be creeled for storage following the solid alignment step 640 .

整列したカーボンナノチューブ製品102の生成に続いて、方法600は、精製ステップ650に進むことができる。精製ステップ650において、整列したカーボンナノチューブ製品102はナノチューブ溶媒204の残留量、化学凝固剤412の残留量、整列したカーボンナノチューブ製品102上の他の望ましくない残留粒子、またはそれらの組み合わせを除去するための1つ以上の処理の組合せを受けることができる。一例として、精製ステップ650は、水性洗浄ステップ652、熱アニーリングステップ654、化学的洗浄ステップ656、またはそれらの組み合わせを含むことができる。精製ステップ650は、整列したカーボンナノチューブ製品102を精製するための一実施形態を表すが、追加のステップおよび他の配列または配置を実施することができることが理解される。 Following production of aligned carbon nanotube product 102, method 600 may proceed to purification step 650. FIG. In purification step 650, aligned carbon nanotube product 102 is purified to remove residual amounts of nanotube solvent 204, residual amounts of chemical coagulant 412, other undesirable residual particles on aligned carbon nanotube product 102, or a combination thereof. can be subjected to a combination of one or more treatments of As an example, the purification step 650 can include an aqueous wash step 652, a thermal annealing step 654, a chemical wash step 656, or combinations thereof. Although purification step 650 represents one embodiment for purifying aligned carbon nanotube product 102, it is understood that additional steps and other arrangements or arrangements can be performed.

水性洗浄ステップ652は、整列したカーボンナノチューブ製品102からナノチューブ溶媒の残留痕跡を除去するためのものである。水性洗浄ステップ652において、整列したカーボンナノチューブ製品102は、図5の溶媒除去ユニット504において、蒸留水または精製水などの水溶液に曝露されて、ナノチューブ溶媒204の残留量を除去することができる。例えば、整列したカーボンナノチューブ製品102を水溶液に曝露することは、噴霧、浴浸漬、連続的に更新される流体膜の通過、またはそれらの組み合わせを含むことができる。水性洗浄ステップ652の間、水溶液は、60℃~80℃の範囲の温度に維持することができる。 Aqueous wash step 652 is to remove residual traces of nanotube solvent from aligned carbon nanotube product 102 . In aqueous wash step 652, aligned carbon nanotube product 102 may be exposed to an aqueous solution, such as distilled or purified water, in solvent removal unit 504 of FIG. 5 to remove residual amounts of nanotube solvent 204. For example, exposing the aligned carbon nanotube product 102 to an aqueous solution can include spraying, bath immersion, passage through a continuously renewed fluid film, or combinations thereof. During the aqueous wash step 652, the aqueous solution can be maintained at a temperature in the range of 60°C to 80°C.

熱アニーリングステップ654は、整列したカーボンナノチューブ製品102から化学凝固剤412の残留痕跡を除去するためのものである。熱アニーリングステップ654は、加熱され制御された環境において、図5の熱アニーリングユニット506内で実行することができる。例えば、熱アニーリングステップ654において、整列したカーボンナノチューブ製品102は、熱アニーリングユニット506内で揮発温度に加熱されて、化学凝固剤412の残留量を除去することができる。具体的な例として、揮発温度は、120℃~250℃の範囲であることができる。 Thermal annealing step 654 is to remove residual traces of chemical coagulant 412 from aligned carbon nanotube product 102 . Thermal annealing step 654 can be performed within thermal annealing unit 506 of FIG. 5 in a heated and controlled environment. For example, in thermal annealing step 654 , aligned carbon nanotube product 102 may be heated to a volatilization temperature within thermal annealing unit 506 to remove residual amounts of chemical coagulant 412 . As a specific example, the volatilization temperature can range from 120°C to 250°C.

化学洗浄ステップ656は、ナノチューブ凝固剤とナノチューブ溶媒204との間の反応からの副生成物を除去するためのものである。例えば、化学洗浄ステップ656において、整列したカーボンナノチューブ製品102は、図5の化学洗浄ユニット508において、図5の化学洗浄溶液に曝露することができる。具体的な例として、整列したカーボンナノチューブ製品102を化学洗浄溶液に曝露することは、噴霧、浴浸漬、連続的に更新される流体膜の通過、またはそれらの組み合わせを含むことができる。化学洗浄溶液は、ナノチューブ溶媒204と化学凝固剤412との間の反応の望ましくない副生成物を除去することができる非カーボンナノチューブ溶媒であることができる。 A chemical wash step 656 is to remove byproducts from the reaction between the nanotube coagulant and the nanotube solvent 204 . For example, in chemical cleaning step 656, aligned carbon nanotube product 102 can be exposed to the chemical cleaning solution of FIG. 5 in chemical cleaning unit 508 of FIG. As a specific example, exposing the aligned carbon nanotube article 102 to a chemical cleaning solution can include spraying, bath immersion, passage through a continuously renewed fluid film, or combinations thereof. The chemical cleaning solution can be a non-carbon nanotube solvent that can remove unwanted by-products of the reaction between nanotube solvent 204 and chemical coagulant 412 .

方法600は、整列したカーボンナノチューブ製品102を修正するための1つ以上の任意のステップを含むことができる。例えば、方法600は、任意選択で、機能化ステップ660、コーティングステップ670、ドーピングステップ680、製品統合ステップ690、またはそれらの組み合わせを含むことができる。 Method 600 can include one or more optional steps for modifying aligned carbon nanotube product 102 . For example, method 600 may optionally include functionalization step 660, coating step 670, doping step 680, product integration step 690, or combinations thereof.

機能化ステップ660は、整列したカーボンナノチューブ製品102の分子構造を修正するためのものである。例えば、機能化ステップ660は、整列したカーボンナノチューブ製品102中のカーボンナノチューブ分子106を架橋することができる加硫プロセスを含むことができる。具体的な例として、加硫プロセスでは、整列したカーボンナノチューブ生成物102にポリスチレンスルホン酸(PEDOT)をドープすることにより、硫黄基をカーボンナノチューブ分子106の分子骨格に結合させることができ、これを次に図5の機能化ユニット512のオーブン内の無酸素大気において800℃でアニールすることができる。設定された数の硫黄基がカーボンナノチューブ分子106の分子骨格に結合されると、硫黄基を架橋するための標準的な加硫反応を実行することができる。 Functionalization step 660 is to modify the molecular structure of aligned carbon nanotube product 102 . For example, functionalization step 660 can include a vulcanization process that can crosslink carbon nanotube molecules 106 in aligned carbon nanotube article 102 . As a specific example, in the vulcanization process, by doping the aligned carbon nanotube product 102 with polystyrene sulfonic acid (PEDOT), sulfur groups can be attached to the molecular backbone of the carbon nanotube molecule 106, which It can then be annealed at 800° C. in an oxygen-free atmosphere in the oven of the functionalization unit 512 of FIG. Once a set number of sulfur groups have been attached to the molecular backbone of the carbon nanotube molecule 106, standard vulcanization reactions can be performed to cross-link the sulfur groups.

加硫を含む機能化ステップ660は、整列したカーボンナノチューブ製品102の機械的特性を向上させることができるが、整列したカーボンナノチューブ製品102の導電率を低下させることができる。同様に、他の形態の化学的機能化も可能であるが、導電率の低下を犠牲にする可能性もある。 Functionalization step 660 , which includes vulcanization, can improve the mechanical properties of aligned carbon nanotube product 102 , but can reduce the electrical conductivity of aligned carbon nanotube product 102 . Similarly, other forms of chemical functionalization are also possible, possibly at the expense of reduced conductivity.

コーティングステップ670は、整列したカーボンナノチューブ製品102の表面をコーティングするためのものである。コーティングステップ670において、コーティング物質の層は、整列したカーボンナノチューブ製品102の表面に適用することができる。一例では、コーティング物質は、コーティング材料によって決定される、ディップコーティング、ロールツーロールコーティング、スライドコーティング、浸漬コーティング、または他の利用可能な機械的コーティング技術などの機械的プロセスを通じて、整列したカーボンナノチューブ製品102に適用することができる。別の例では、コーティング物質は、適切なゼータ電位レベルで水性分散液中にイオン性化合物を含む電解浴に整列したカーボンナノチューブ製品102を浸漬することを含む電解プロセスを介して、整列したカーボンナノチューブ製品102に適用することができる。さらなる例では、コーティング物質は、帯電した固体粒子の静電コーティングまたは気相堆積によって、整列したカーボンナノチューブ製品102に適用することができる。 A coating step 670 is for coating the surface of the aligned carbon nanotube article 102 . In a coating step 670 , a layer of coating material can be applied to the surface of the aligned carbon nanotube article 102 . In one example, the coating material is applied to the aligned carbon nanotube product through a mechanical process such as dip coating, roll-to-roll coating, slide coating, dip coating, or other available mechanical coating techniques, determined by the coating material. 102. In another example, the coating material is applied to the aligned carbon nanotubes via an electrolytic process that involves immersing the aligned carbon nanotube article 102 in an electrolytic bath containing an ionic compound in an aqueous dispersion at a suitable zeta potential level. It can be applied to product 102 . In a further example, the coating material can be applied to the aligned carbon nanotube article 102 by electrostatic coating or vapor deposition of charged solid particles.

ドーピングステップ680は、整列したカーボンナノチューブ製品102の非共有化学的機能化のためのものである。例えば、ドーピングステップ680において、整列したカーボンナノチューブ製品102は、ヨウ素または硫酸などのp型ドナーによるp型ドーピングを受けることができる。一実施形態では、ドーピングステップ680は、ヨウ素ドーピングなどによる気相ドーピングを含むことができる。別の実施形態では、ドーピングステップ680は、酸ドーピングなどによる液相ドーピングを含むことができる。ドーピングステップ680に続いて、整列したカーボンナノチューブ製品102をコーティングステップ670でコーティングして、経時的なドーパントの安定性を確保することができる。 Doping step 680 is for non-covalent chemical functionalization of aligned carbon nanotube product 102 . For example, in doping step 680, aligned carbon nanotube product 102 can undergo p-type doping with a p-type donor such as iodine or sulfuric acid. In one embodiment, doping step 680 may include vapor phase doping, such as by iodine doping. In another embodiment, the doping step 680 can include liquid phase doping, such as by acid doping. Following the doping step 680, the aligned carbon nanotube product 102 can be coated with a coating step 670 to ensure dopant stability over time.

製品統合ステップ690は、整列したカーボンナノチューブ製品102をデバイス、コンポーネント、または構造に統合するためのものである。例えば、整列および固化ステップ630、精製ステップ650、機能化ステップ660、コーティングステップ670、ドーピングステップ680、またはそれらの組み合わせの後に生成された整列したカーボンナノチューブ製品102は、インラインまたはセミインラインプロセスで様々な構造、デバイス、またはコンポーネントに統合することができる。構造の例は、ロープ、ヤーン、織物、発泡体、樹脂が予め含浸させられたテープまたはファブリック、チョップドファイバーフィラー材料、整列したカーボンナノチューブ製品102から作られた積層フィルム、またはケブラー、グラスファイバー、または金属などの他の材料との組み合わせを含むことができる。製品統合ステップ690において、整列したカーボンナノチューブ製品102は、ねじられ、編組され、織られ、プレスされ、圧延され、結合され、積層され、コーティングされ、切断され、またはそれらの組み合わせが行われ、様々な構造を形成することができる。 A product integration step 690 is for integrating the aligned carbon nanotube product 102 into a device, component, or structure. For example, the aligned carbon nanotube product 102 produced after the alignment and solidification step 630, the purification step 650, the functionalization step 660, the coating step 670, the doping step 680, or combinations thereof can be processed in various in-line or semi-in-line processes. It can be integrated into a structure, device or component. Examples of structures are ropes, yarns, fabrics, foams, tapes or fabrics pre-impregnated with resin, chopped fiber filler materials, laminated films made from aligned carbon nanotube products 102, or Kevlar, fiberglass, or Combinations with other materials such as metals can be included. In a product consolidation step 690, the aligned carbon nanotube product 102 is twisted, braided, woven, pressed, rolled, bonded, laminated, coated, cut, or combinations thereof, and variously processed. structure can be formed.

整列したカーボンナノチューブ製品102のデバイスまたはコンポーネントへの統合の例は、ワイヤアンテナ、パッチアンテナ、コイルトランス、同軸ケーブルを含むことができる。ワイヤアンテナを生成する例では、整列したカーボンナノチューブ製品102のコーティングされた形態またはコーティングされていない形態を、特定の共振周波数によって決定される長さに切断できる単一またはマルチフィラメントの糸、ヤーン、またはロープに織ることができる。 Examples of integration of aligned carbon nanotube products 102 into devices or components can include wire antennas, patch antennas, coil transformers, coaxial cables. In an example of producing a wire antenna, the coated or uncoated form of the aligned carbon nanotube article 102 can be cut into lengths determined by the specific resonant frequency of single or multifilament threads, yarns, Or can be woven into a rope.

パッチアンテナを生成する例では、整列したカーボンナノチューブ製品102のコーティングされたまたはコーティングされていないフィルム形態の切断を、指定されたアンテナ形状に切断することができる。得られた形態は、誘電体基板上に堆積することができ、これは、溶融または溶液処理を使用して共押し出しすることができる。 In the example of creating a patch antenna, a coated or uncoated film form cut of the aligned carbon nanotube product 102 can be cut into a specified antenna shape. The resulting morphology can be deposited onto a dielectric substrate, which can be coextruded using melt or solution processing.

コイル変圧器を生成する例では、整列したカーボンナノチューブ製品102は、糸、ヤード、またはロープに織り込むことができ、これらは、フェライトまたは磁気コアの周りに巻かれ、コイルを形成することができる。巻線の数は、コイルによって達成されるインダクタンスによって決定することができる。 In the example of creating a coil transformer, aligned carbon nanotube products 102 can be woven into threads, yards, or ropes, which can be wound around ferrite or magnetic cores to form coils. The number of windings can be determined by the inductance achieved by the coil.

同軸ケーブルを生成する例では、カーボンナノチューブプロト製品104を誘電体材料と共押し出しすることができる。カーボンナノチューブプロト製品104が固化されると、誘電体材料は、内部導体として整列したカーボンナノチューブ製品102を備えたカプセル化として固化することができる。 In the example of producing a coaxial cable, the carbon nanotube proto-product 104 can be coextruded with a dielectric material. Once the carbon nanotube proto-product 104 is solidified, the dielectric material can be solidified as an encapsulation with the carbon nanotube product 102 aligned as an inner conductor.

その結果、本発明の実施形態のこれらのおよび他の価値ある態様は、技術の状態を少なくとも次のレベルにさらに進める。 As a result, these and other valuable aspects of embodiments of the present invention further advance the state of the art to at least the next level.

本発明は特定の最良の形態に関連して説明されてきたが、前述の説明に照らして、多くの代替、修正、および変形が当業者には明らかであることを理解されたい。したがって、添付の請求項の範囲内にあるそのようなすべての代替、修正、および変形を包含することが意図されている。本明細書に記載されている、または添付の図面に示されているすべての事項は、例示的かつ非限定的な意味で解釈されるべきである。
Although the invention has been described in relation to a specific best mode, it should be understood that many alternatives, modifications and variations will be apparent to those skilled in the art in light of the foregoing description. Accordingly, it is intended to embrace all such alternatives, modifications and variations that fall within the scope of the appended claims. All matter contained in the specification or shown in the accompanying drawings is to be interpreted in an illustrative and non-limiting sense.

Claims (11)

カーボンナノチューブ製品を製造する方法であって、
該方法は、
カーボンナノチューブ分子を含む、整列していないカーボンナノチューブ材料を固体溶媒粒子とブレンドすることと、
前記固体溶媒粒子を液化することによりナノチューブ溶媒を活性化することと、ここで、該ナノチューブ溶媒を活性化することは、任意選択で該固体溶媒粒子を加熱することを含み、
前記ナノチューブ溶媒および前記整列していないカーボンナノチューブ材料を混合することにより、ナノチューブドープ溶液を生成することと、
前記ナノチューブドープ溶液を押し出すことによってカーボンナノチューブプロト製品を形成することと、ここで、該ナノチューブドープ溶液は、任意選択でナノチューブフィラメントまたはナノチューブフィルムとして押し出され、
整列したカーボンナノチューブ製品を形成することと、
を含み、
該整列したカーボンナノチューブ製品を形成することは、該カーボンナノチューブプロト製品を、赤外線放射源に1~130μmの範囲の波長で曝露すること、ここで、赤外線は任意選択でパルス化されており、
前記曝露することの前および後の一方または両方で、該カーボンナノチューブプロト製品中のカーボンナノチューブ分子の整列が与えられ、ここで、カーボンナノチューブ分子の整列を与えることは、任意選択でカーボンナノチューブプロト製品を延伸させることを含み、ならびに
カーボンナノチューブプロト製品を化学凝固剤に曝露することより形成され、ここで該化学凝固剤は、ナノチューブ溶媒のための溶媒およびカーボンナノチューブプロト製品のための非溶媒である、
方法。
A method of manufacturing a carbon nanotube product, comprising:
The method comprises
blending a non-aligned carbon nanotube material comprising carbon nanotube molecules with solid solvent particles;
activating the nanotube solvent by liquefying the solid solvent particles, wherein activating the nanotube solvent optionally comprises heating the solid solvent particles;
forming a nanotube dope solution by mixing the nanotube solvent and the unaligned carbon nanotube material;
forming a carbon nanotube proto-product by extruding said nanotube dope solution, wherein said nanotube dope solution is optionally extruded as nanotube filaments or nanotube films;
forming an aligned carbon nanotube product;
including
forming the aligned carbon nanotube article exposing the carbon nanotube proto-article to an infrared radiation source at a wavelength in the range of 1-130 μm, wherein the infrared radiation is optionally pulsed;
Alignment of carbon nanotube molecules in said carbon nanotube proto-product is provided prior to and/or after said exposing, wherein providing alignment of carbon nanotube molecules is optionally provided in said carbon nanotube proto-product and exposing the carbon nanotube proto-product to a chemical coagulant, wherein the chemical coagulant is a solvent for the nanotube solvent and a non-solvent for the carbon nanotube proto-product ,
Method.
前記整列していないカーボンナノチューブ材料とブレンドする前に、前記ナノチューブ溶媒を低温凍結して前記固体溶媒粒子を形成することをさらに含む、請求項1に記載の方法。 2. The method of claim 1, further comprising cryo-freezing the nanotube solvent to form the solid solvent particles prior to blending with the non-aligned carbon nanotube material. 液体状態の前記ナノチューブ溶媒を前記整列していないカーボンナノチューブ材料に添加することをさらに含み、
前記ナノチューブドープ溶液を生成することは、液体状態の前記ナノチューブ溶媒を前記整列していないカーボンナノチューブ材料に剪断混合することを含む、請求項1に記載の方法。
further comprising adding the nanotube solvent in a liquid state to the unaligned carbon nanotube material;
2. The method of claim 1, wherein forming the nanotube dope solution comprises shear mixing the nanotube solvent in a liquid state into the non-aligned carbon nanotube material.
前記ナノチューブ溶媒の劣化を防止するために、ガス状塩酸との共流下で蒸発により前記ナノチューブ溶媒を除去することをさらに含む、請求項1に記載の方法。 2. The method of claim 1, further comprising removing the nanotube solvent by evaporation under co-current flow with gaseous hydrochloric acid to prevent degradation of the nanotube solvent. 前記ナノチューブドープ溶液中の最も低いアスペクト比のカーボンナノチューブ分子を除去するために前記ナノチューブドープ溶液を分別することをさらに含む、請求項1に記載の方法。 2. The method of claim 1, further comprising fractionating the nanotube dope solution to remove the lowest aspect ratio carbon nanotube molecules in the nanotube dope solution. 前記整列したカーボンナノチューブ製品をドープすること、前記整列したカーボンナノチューブ製品の表面をコーティングすること、またはそれらの組み合わせをさらに含む、請求項1に記載の方法。 2. The method of claim 1, further comprising doping the aligned carbon nanotube product, coating a surface of the aligned carbon nanotube product, or a combination thereof. 前記整列したカーボンナノチューブ製品を、前記整列したカーボンナノチューブ製品、他の材料、またはそれらの組み合わせの追加の例と統合して、(i)ヤーン、糸、織物、積層フィルム、テープ、発泡体、複合予備含侵材料、および離散長のチョップドファイバー材料から選択される統合された構造を生成すること、又は(ii)ワイヤアンテナ、パッチアンテナ、コイルトランス、および同軸ケーブルから選択される構成要素を生成すること
をさらに含む、請求項1に記載の方法。
Integrating the aligned carbon nanotube product with additional examples of the aligned carbon nanotube product, other materials, or combinations thereof to produce (i) yarns, threads, fabrics, laminated films, tapes, foams, composites creating an integrated structure selected from pre-impregnated material and discrete lengths of chopped fiber material; or (ii) creating components selected from wire antennas, patch antennas, coil transformers, and coaxial cables; 2. The method of claim 1, further comprising:
カーボンナノチューブ製品を製造する方法であって、
該方法は、
整列していないカーボンナノチューブ材料を溶媒前駆体材料と混合することと、
前記溶媒前駆体を溶媒活性化剤と反応させることによってナノチューブ溶媒を活性化することと、
前記ナノチューブ溶媒および前記整列していないカーボンナノチューブ材料を混合することにより、ナノチューブドープ溶液を生成することと、
前記ナノチューブドープ溶液を押し出すことによってカーボンナノチューブプロト製品を形成することと、
整列したカーボンナノチューブ製品を形成することと、
を含み、
該整列したカーボンナノチューブ製品を形成することは、該カーボンナノチューブプロト製品を、赤外線放射源に1~130μmの範囲の波長で曝露すること、
前記曝露することの前および後の一方または両方で、該カーボンナノチューブプロト製品中のカーボンナノチューブ分子の整列が与えられ、ここで、カーボンナノチューブ分子の整列を与えることは、任意選択でカーボンナノチューブプロト製品を延伸させることを含み、ならびに
カーボンナノチューブプロト製品を化学凝固剤に曝露することより形成され、ここで該化学凝固剤は、ナノチューブ溶媒のための溶媒およびカーボンナノチューブプロト製品のための非溶媒である、
方法。
A method of manufacturing a carbon nanotube product, comprising:
The method comprises
mixing a non-aligned carbon nanotube material with a solvent precursor material;
activating the nanotube solvent by reacting the solvent precursor with a solvent activator;
forming a nanotube dope solution by mixing the nanotube solvent and the unaligned carbon nanotube material;
forming a carbon nanotube proto-product by extruding the nanotube dope solution;
forming an aligned carbon nanotube product;
including
forming the aligned carbon nanotube article comprises exposing the carbon nanotube proto-article to an infrared radiation source at a wavelength in the range of 1-130 μm;
Alignment of carbon nanotube molecules in said carbon nanotube proto-product is provided prior to and/or after said exposing, wherein providing alignment of carbon nanotube molecules is optionally provided in said carbon nanotube proto-product and exposing the carbon nanotube proto-product to a chemical coagulant, wherein the chemical coagulant is a solvent for the nanotube solvent and a non-solvent for the carbon nanotube proto-product ,
Method.
カーボンナノチューブ製品製造システムであって、
整列していないカーボンナノチューブ材料を固体溶媒粒子とブレンドするように構成されたブレンドユニットと、
均質化ユニットであって、
前記固体溶媒粒子を液化することによりナノチューブ溶媒を活性化し、かつ
前記ナノチューブ溶媒および前記整列していないカーボンナノチューブ材料を混合して、ナノチューブドープ溶液を生成するように構成された、均質化ユニットと、
前記ナノチューブドープ溶液をカーボンナノチューブプロト製品として押し出すように構成された押出アセンブリと、
前記カーボンナノチューブプロト製品を整列したカーボンナノチューブ製品として固化するように構成された固化モジュールであって、カーボンナノチューブプロト製品に赤外線放射源が1~130μmの範囲の波長で曝露するように配置された放射アセンブリを含む固化モジュール、
を備える、カーボンナノチューブ製品製造システム。
A carbon nanotube product manufacturing system,
a blending unit configured to blend the misaligned carbon nanotube material with solid solvent particles;
a homogenization unit,
a homogenization unit configured to activate the nanotube solvent by liquefying the solid solvent particles and to mix the nanotube solvent and the unaligned carbon nanotube material to produce a nanotube dope solution;
an extrusion assembly configured to extrude the nanotube dope solution as a carbon nanotube proto-product;
a consolidation module configured to consolidate the carbon nanotube proto-product as an aligned carbon nanotube product, wherein the infrared radiation source is arranged to expose the carbon nanotube proto-product to radiation at a wavelength in the range of 1-130 μm. a solidification module containing the assembly,
A carbon nanotube product manufacturing system comprising:
整列したカーボンナノチューブ製品を熱アニーリングすることにより、該整列したカーボンナノチューブ製品から化学凝固剤を除くことをさらに含む、請求項1に記載の方法。 2. The method of claim 1, further comprising removing the chemical coagulant from the aligned carbon nanotube product by thermally annealing the aligned carbon nanotube product. カーボンナノチューブプロト製品を化学凝固剤に曝露することが、化学凝固剤を含む連続的に更新される流体膜に曝すことを含む、請求項1に記載の方法 3. The method of claim 1, wherein exposing the carbon nanotube proto-product to a chemical coagulant comprises exposing to a continuously renewed fluid film comprising the chemical coagulant .
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