JP7491850B2 - ナノファイバーヤーン配置システム - Google Patents
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Description
ナノファイバー及びナノファイバーヤーンの操作は、難しい場合がある。ナノファイバーは、数十ナノメートルの直径を有する場合がある。ナノファイバーヤーン(単糸、諸糸にかかわりなく)は、わずか数ミクロン(μm)の直径(または糸の長さ全体の平均直径)を有することができ、1キロメートル(km)を超える長さを有することができる。これらの比較的小さい直径は、ナノファイバーヤーンを見ることを難しくし、物理的に握持して操作することさえさらに難しくする。長いナノファイバー及びナノファイバーヤーンは、メートルまたはキロメートルの長いナノファイバーまたは糸に存在する追加の材料を考慮すると、操作をさらに複雑にする。任意の長さ、及び特に長い長さのナノファイバーまたはナノファイバーヤーンのストランド上で整然とした構成を維持することはきわめて重要であり、一度絡まると、ナノファイバー及びナノファイバーヤーンを解くのはほぼ不可能である。
本明細書に使用される場合、用語「ナノファイバー」は、1μm未満の直径を有する繊維を意味する。本明細書では実施形態がカーボンナノチューブから製作されたものとして主に説明されるが、グラフェン、ミクロンまたはナノスケールのグラファイトファイバー及び/またはプレートかどうかにかかわりなく他の炭素同素体、及び窒化ホウ素などのナノスケールの繊維の他の組成物でも、以下に説明される技法を使用してナノファイバーシートを製作するために使用されることができることが理解されよう。本明細書に使用される場合、用語「ナノファイバー」及び「カーボンナノチューブ」は、炭素原子を合わせて結合して円筒形構造を形成する単層カーボンナノチューブ及び/または多層カーボンナノチューブの両方を含む。いくつかの実施形態では、本明細書に参照されるようなカーボンナノチューブは、4から10の間の層を含む。本明細書に使用される場合、「ナノファイバーシート」または単に「シート」は、引き抜きプロセス(PCT公開番号WO2007/015710に説明され、参照によりその全体が本明細書に援用されるような)によってアライメントを取るナノファイバーのシートを指すので、シートのナノファイバーの長手方向軸は、シートの主面に垂直であるよりもむしろ、シートの主面に平行である(すなわち、多くの場合「フォレスト」と称されるシートの成膜直後の形態になる)。
本開示のさまざまな実施形態に従って、ナノファイバー(限定ではないが、カーボンナノチューブを含む)は、「フォレスト」と本明細書で称される構成を含む、さまざまな構成で配列されることができる。本明細書に使用される場合、ナノファイバーまたはカーボンナノチューブの「フォレスト」は、基材上で相互に実質的に平行に配列されるほぼ同等の寸法を有するナノファイバーアレイを指す。図1は、基材上のナノファイバーの例示的なフォレストを示す。基材は任意の形状であり得るが、いくつかの実施形態では、基材は、フォレストが組み立てられる平面を有する。図1に見られることができるように、フォレスト内のナノファイバーは、ほぼ等しい高さ及び/または直径であることができる。
本開示に従って、ナノファイバーフォレストを製造するためにさまざまな方法を使用することができる。例えば、いくつかの実施形態では、ナノファイバーを高温炉で成長させることができる。いくつかの実施形態では、触媒を基材上に析出させ、反応器内に配置した後に、反応器に供給される燃料化合物に曝露することができる。基材は、800℃よりも高い温度から1000℃に耐えることができ、不活性材料であることができる。基材は、下にあるシリコーン(Si)ウェハ上に配置されるステンレス鋼またはアルミニウムを含むことができるが、他のセラミック基材(例えば、アルミナ、ジルコニア、SiO2、ガラスセラミックス)は、Siウェハの代わりに使用されることができる。フォレストのナノファイバーがカーボンナノチューブである例では、アセチレンなどの炭素系化合物を燃料化合物として使用することができる。反応器に導入された後、次に、燃料化合物(複数可)は触媒上に蓄積し始めることができ、基材から上向きに成長することにより集合して、ナノファイバーフォレストを形成することができる。
フォレスト構成での配置に加えて、対象用途のナノファイバーもまたシート構成で配置されることができる。本明細書で使用される場合、「ナノファイバーシート」、「ナノチューブシート」、または単に「シート」という用語は、ナノファイバーが平面内の両端部間でアライメントを取るナノファイバーの配置を指す。いくつかの実施形態では、シートは、シートの厚さよりも100倍大きい長さ及び/または幅を有する。いくつかの実施形態では、長さ、幅または両方は、シートの平均厚さよりも103倍、106倍、または109倍超大きい。ナノファイバーシートは、例えば、約5nmから30μmの間の厚さ、ならびに意図された用途に適している任意の長さ及び幅を有することができる。いくつかの実施形態では、ナノファイバーシートは、1cmから10メートルの間の長さ、及び1cmから1メートルの間の幅を有することができる。これらの長さは、説明のために提供されるに過ぎない。ナノファイバーシートの長さ及び幅は、ナノチューブ、フォレスト、またはナノファイバーシートのうちのいずれかの物理的特性または化学的特性ではなく、製造機器の構成によって制約される。例えば、連続プロセスは、任意の長さのシートを製造することができる。これらのシートは、製造されるときにロール上に巻かれ得る。
フォレストから引き抜かれるナノファイバーは、「実撚り」技術または「仮撚り」技術によって単糸に紡績されることができる。「実撚り」技術では、繊維集合体の第一端部が固定され、固定された第一端部に対して、対向する繊維の第二端部が撚りをかけられる。「仮撚り」技術では、ねじれはナノファイバー集合体の第一端部と第二端部との間に加えられる。理論に束縛されることを望まないが、仮撚り技術ではナノファイバーに加えられる圧縮及び撚りかけにより、ファンデルワールス力を介してナノファイバーを相互に結合させ、それは加えられたねじれを維持するのに役立つと信じられている。一例では、仮撚りは、回転リングまたはバンド上に、このリングの回転方向に対して0°超、及び180°未満の角度でナノファイバー集合体(例えば、ナノファイバーシート)を通過させることによって適用されることができる。いくつかの例では、リングまたはバンドは、ナノファイバーに撚りをかけるのに十分なナノファイバーストランドに対する摩擦係数を有する材料で、また混入物の蓄積に抵抗するのに十分に低い表面エネルギーで製造される。一実施形態では、リングまたはバンドはシリコーンゴムから製造される。ナノファイバーヤーンの仮撚り紡績技術は、国際出願番号PCT/US2017/066665に記載されており、これは、参照によりその全体が本明細書に援用される。順に巻き取られる撚りをかけられたナノファイバーを含むように、撚りをかけられた単糸ナノファイバーヤーンの一例は図4Bに出現する。
上記に示されるように、高精度ナノファイバーヤーン適用システムの実施形態が本明細書に記載される。これらの実施形態のいくつかでは、この適用システムは、100μm未満、10μm未満、5μm未満、及びさらに1μm未満の直径を有するナノファイバーヤーンを、それらを基材上にわずか約2μm(+/-10%)であるピッチで配置することによって操作することができる。図5A及び図5Bは、ナノファイバーヤーン適用システム500の一実施形態のそれぞれ平面図及び側面図を示す。図5A及び図5Bへの同時参照は、説明を容易にする。
図6は、システム500に統合されるナノファイバーヤーンディスペンサー524の一例の斜視図を示す。ナノファイバーヤーンディスペンサー524は、ナノファイバーヤーンの廃棄及び混入の可能性を低減させながら、ナノファイバーヤーンの操作の利便性を改善する方式でナノファイバーヤーンを固定して保管し、分配するように構成される。
r=2γ/ΔP 式1
図7は、基材512にナノファイバーヤーン502を提供するプロセスにおける配置アセンブリ508の立面図を示す。上記に示されるように、システム500の他の要素に加えて、配置アセンブリ508は、100μm未満、50μm未満、10μm未満、及びいくつかの実施形態ではわずか2μmのピッチで、基材512上に複数のナノファイバーヤーン502を配置することができる。また上記に示されるように、配置アセンブリ508は、わずか1μm以下である直径を有するナノファイバーヤーンに対してこれらのファインピッチを達成することができる。
上述される実施形態は、さまざまな用途のために、基材上に正確に配置されたカーボンナノチューブ(または同等のナノファイバー)の糸を適用するために特に有用である。例えば、糸のパターン(平行な糸のパターン及び/または糸の直交グリッド)を基材上に配置することができ、そのとき、糸のパターンは高周波(RF)放射を含む電磁放射(EMI)の偏光子またはシールドとして機能する。また、ナノファイバーヤーンは、ナノファイバーヤーンに対応する電気抵抗を提供する材料で構成される、及び/または含浸されるときに、抵抗加熱装置として機能するように配列されることができる。また、ナノファイバーヤーンは、非常に低い導電率(例えば、銅、アルミニウム、及び/または金によって示される導電率以下の)を有するように調整され、電子部品間の電気接続として使用されることができる。
本開示の実施形態の前述の説明は、例示の目的で提示されている。網羅的であること、または請求項を開示された正確な形式に限定することを意図していない。当業者は、上記の開示を考慮して、多くの修正及び変化が可能であることを認識することができる。
Claims (6)
- ヤーンディスペンサーアセンブリと、
配置アセンブリと、
を含む、ナノファイバーヤーン配置システムであって、
前記配置アセンブリは、
伸展性フランジと、
前記伸展性フランジに結合されるガイドであって、前記ガイドはチャンネルを画定し、前記チャンネルは少なくとも1つの内面、及び前記少なくとも1つの内面によって画定される少なくとも1つの隅部を含む、前記ガイドと、
を備える、前記ナノファイバーヤーン配置システム。 - 前記配置アセンブリは、微調整トランスレータをさらに備え、
前記伸展性フランジは、前記微調整トランスレータに結合される、請求項1に記載のナノファイバーヤーン配置システム。 - 基材をさらに含む、請求項1に記載のナノファイバーヤーン配置システム。
- 前記基材は接着面、熱可塑性プラスチック及び取り外し可能な表面から選択される面を含む、請求項3に記載のナノファイバーヤーン配置システム。
- 前記伸展性フランジは前記基材と接触している、請求項3に記載のナノファイバーヤーン配置システム。
- 前記ガイドは、30°から90°の第一隅部を形成するように接合する第一内面及び第二内面を少なくとも含むチャンネルを備えるように構成される、請求項1に記載のナノファイバーヤーン配置システム。
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