KR20190082937A - 저온펌프 및 다른 큰 부피 형상물용 질화붕소 나노튜브 물질 - Google Patents

저온펌프 및 다른 큰 부피 형상물용 질화붕소 나노튜브 물질 Download PDF

Info

Publication number
KR20190082937A
KR20190082937A KR1020197017600A KR20197017600A KR20190082937A KR 20190082937 A KR20190082937 A KR 20190082937A KR 1020197017600 A KR1020197017600 A KR 1020197017600A KR 20197017600 A KR20197017600 A KR 20197017600A KR 20190082937 A KR20190082937 A KR 20190082937A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
bnnt
support structure
dispersed
dispersant
mat
Prior art date
Application number
KR1020197017600A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102524017B1 (ko
Inventor
토마스 지. 두샤틴스키
케빈 씨. 조단
마이클 더블유. 스미스
조나단 씨. 스티븐스
알. 로이 휘트니
Original Assignee
비엔엔티 엘엘씨
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 비엔엔티 엘엘씨 filed Critical 비엔엔티 엘엘씨
Publication of KR20190082937A publication Critical patent/KR20190082937A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102524017B1 publication Critical patent/KR102524017B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B35/00—Boron; Compounds thereof
    • C01B35/08—Compounds containing boron and nitrogen, phosphorus, oxygen, sulfur, selenium or tellurium
    • C01B35/14—Compounds containing boron and nitrogen, phosphorus, sulfur, selenium or tellurium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B21/00—Nitrogen; Compounds thereof
    • C01B21/06—Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron
    • C01B21/064—Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron with boron
    • C01B21/0648—After-treatment, e.g. grinding, purification
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D9/00—Crystallisation
    • B01D9/0018—Evaporation of components of the mixture to be separated
    • B01D9/0022—Evaporation of components of the mixture to be separated by reducing pressure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B21/00—Nitrogen; Compounds thereof
    • C01B21/06—Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron
    • C01B21/064—Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron with boron
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/40—AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
    • C30B29/403—AIII-nitrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/60—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape characterised by shape
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B33/00—After-treatment of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/10—Particle morphology extending in one dimension, e.g. needle-like
    • C01P2004/13—Nanotubes

Abstract

질화붕소 나노튜브(BNNT) 물질은 저온펌프, 높은 표면적의 필터, 코팅용 스캐폴드, 전이 방사선 검출기, 중성자 검출기, 및 큰 부피가 입방 밀리미터 내지 입방 미터 및 그 이상의 범위일 수 있는 유사한 시스템을 위해 필요한 것과 같은 큰 부피 형상물 내에 배치될 수 있다. 상기 BNNT 물질을 고정하기 위한 기술은 저온펌프용 스테인리스 스틸 와이어와 같이 최종 시스템에 허용가능한 물질의 스캐폴드를 생성하는 단계를 포함한다. 상기 BNNT는 동결건조, 여과 기술, 등각적 표면 부착 및 BNNT "접착제"에 의해 상기 스캐폴드 내에 배열될 수 있으며, 여기서 합성된 대로의 BNNT 물질은 부분적으로 정제되거나 완전히 정제되고, 분산제 내에 분산된다.

Description

저온펌프 및 다른 큰 부피 형상물용 질화붕소 나노튜브 물질
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2016년 11월 29일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/427,583호에 대한 우선권을 주장하며, 그 전체 내용은 인용에 의해 포함된다.
정부 지원에 대한 진술
없음.
기술분야
본 발명은 질화붕소 나노튜브(BNNT, boron nitride nanotube)가 적절한 부피 및 충분한 구조 강직도로 존재할 때, 저온펌프, 높은 표면적의 필터, 코팅용 스캐폴드(scaffold), 전이 방사 검출기, 중성자 검출기, 및 BNNT의 특성으로부터 이점을 가질 수 있는 유사한 시스템에서 사용될 수 있는 것과 같은 큰-부피 형상물(configurations)에 BNNT를 배치하는 방법에 관한 것이다.
BNNT는 다양한 기술에 의해 제조될 수 있다. 예를 들면, 고온 또는 고온 고압 방법에 의해 생산된 BNNT는 전형적으로 고품질의 BNNT이며, 즉 월(wall)의 수가 1 내지 10 (2-월 및 3-월이 가장 좋음)의 범위이고, 길이-대-지름의 비가 전형적으로 10,000 대 1 또는 그 이상이며, 상기 BNNT는 무촉매이고, 상기 BNNT는 매우 결정형이다(100 지름의 길이 당 1 이하 레벨로 결함이 매우 적음). 그러나, 사용된 공정 및 합성 조건에 따라, 붕소, 비결정형 질화붕소(a-BN), 육각형 질화붕소(h-BN) 나노케이지, 및 h-BN 나노시트의 작은 입자가 존재할 수 있다. 상기 입자는 전형적으로 수십 나노미터 규모이지만, 그보다 작거나 클 수 있다. 또한, 상기 작은 입자는 제조 공정, 공급원료(feedstock) 및 구동 파라미터에 따라 합성된 대로의(as-synthesized) 물질 질량의 5% 이하 내지 95% 이상 중 어디를 차지할 수 있다.
BNNT 물질은 몇 가지 가치있는 특성을 갖는다. 상기 합성된 대로의 고온 방법 BNNT 물질의 밀도는 전형적으로 리터 당 약 0.5 그램(0.5 g/L)이지만, +/- 50%는 쉽게 변동한다. 상기 합성된 대로의 물질은 입방 센티미터 당 0.5 그램에 근접하는 밀도로 압축될 수 있다. 압축될 때, 상기 합성된 대로의 물질은 전형적으로 그 압축된 형태 및 밀도에 가깝게 남아 있다. 대부분의 붕소 입자, a-BN 입자, h-BN 나노케이지, 및 h-BN 나노시트가 제거된 정제된 BNNT 물질은 상기 합성된 대로의 물질과 유사한 밀도를 갖지만, 최대 밀도는 전형적으로 더 작다. 상기 합성된 대로의 고품질 BNNT 물질의 표면적은 합성 파라미터의 선택에 따라 전형적으로 100-200 ㎡/g 또는 그 이상의 범위이다.
해당 적용분야(application)에 대해 상기 BNNT 물질의 밀도를 제어하는 것이 바람직할 수 있다. 탄소 나노튜브(CNT), 그래핀, 및 질화붕소 나노시트(BNNS)의 어떤 적용분야는 안정한 밀도에 의존한다. 상기 물질에 대한 안정한 밀도를 달성하기 위하여, 보통의 기술은 접착제(glue)로 작용하는 소량의 폴리머, 실리콘, 또는 다른 유사한 물질을 첨가하는 것이다. 일부 적용분야의 경우, 이산화탄소 가스와 같은 다양한 기포제가 사용되어 상기 물질을 분산시킨다. 다른 적용분야는 동결건조 기술을 이용하여 상기 물질을 분산시키고, 일부 경우에는 에어로겔을 형성한다. 이들 첨가제의 대부분은 결과물인 CNT, 그래핀, 및 BNNS 형상물이 초고진공(XHV, extreme high vacuum) 저온펌프에서의 베이크-아웃(bake-out) 사이클과 같은 관심있는 다양한 환경에서 고온에서 생존하는 것을 방지한다. 부가적으로, 일부 필터의 화학적 환경은 상기 첨가제들 중 다수를 처리할 수 없다. 따라서, 상기 물질의 밀도를 안정화시키기 위한 현재의 접근법은 BNNT의 경우에는 유용하지 않다.
지지를 위한 소수의 와이어와 함께 합성된 대로의 BNNT 물질을 단순히 큰 부피 내로 채워 넣음으로써 초기 테스트를 수행하였지만, 이것은 상업적 해결책이 되지는 않는다. 큰 부피 BNNT 물질의 적용에는 일반적으로 붕소 입자가 없고, 배송이 가능하고, 제조 및 구동에 관해 매우 효율적이고, 진동을 포함하는 환경을 견딜 수 있어야 하고, BNNT 물질을 제거할 수 있는 기체 및/또는 액체 흐름에서 생존할 수 있어야만 한다. 따라서, 큰 부피 형상물에 사용하기 위한 BNNT를 제작하는 방법에 대한 필요성이 존재한다.
본 명세서에 개시된 것과 같이, BNNT는 다양한 적용분야용으로 적합한 안정한 밀도 및 구조적 강도를 갖는 큰 부피 형상물 내에 제조될 수 있다. 예를 들면, 이러한 BNNT 물질은 상기 물질이 큰 부피 내에 존재할 때 저온펌프, 높은 표면적의 필터, 코팅용 스캐폴드, 전이 방사 검출기, 중성자 검출기, 및 BNNT의 독특한 특성의 이점을 취하는 유사한 시스템에서 가치있는 적용분야를 갖는다.
큰 부피 형상물 내에 BNNT를 배열하는 방법은 스캐폴드 물질을 배열하는 단계 및 BNNT 물질을 상기 스캐폴드 상에 적용하는 단계를 포함한다. 상기 BNNT 물질은 BNNT 스프레이, BNNT 버키페이퍼(buckypaper)/매트를 이용한 코팅, 동결건조, 여과, 및 BNNT 접착제를 포함하는 하나 이상의 방법에 의해 적용될 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 스캐폴드는 BNNT 섬유, 스테인리스 스틸, Kevlar®, 폴리머 섬유, 탄소 섬유, 및 유리 섬유를 포함한다. 일부 구현예에서, 상기 스캐폴드 내의 간격은 약 0.3 내지 10 mm이다. 일부 구현예에서, 상기 BNNT 물질은 부분적으로 또는 전체적으로 정제된다.
스캐폴드를 BNNT 스프레이로 코팅하는 방법은 BNNT 물질을 분산시켜 BNNT 스프레이를 형성하는 단계, 상기 스캐폴드를 상기 BNNT 스프레이로 코팅하는 단계, 및 상기 BNNT-코팅된 스캐폴드를 베이킹하는 단계를 포함한다. 일부 구현예에서, 상기 베이킹 온도는 약 60-140℃일 수 있지만, 상기 베이킹 온도 및 기간은 특정 구현예에 대해 최적화될 수 있다. 예를 들면, 10 ㎝×10 ㎝ 아래의 작은 면적은 단지 10분 이하만 걸릴 수 있지만, 1 평방 미터의 면적은 큰 오븐이 이용되지 않는다면 수 십분이 걸릴 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 분산제는 이소프로필 알코올을 포함할 수 있거나, 이소프로필 알코올이다. 일부 구현예에서, 상기 방법은 상기 스캐폴드를 사전-청소하는 단계 및/또는 상기 스캐폴드를 열 플라스틱(thermal plastic), 인듐, 주석, 주석 합금 또는 다른 땜납, 및 저온 용융 유리 중 적어도 하나로 사전-코팅하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 구현예에서, 상기 방법은 상기 스프레이 코팅을 상기 스캐폴드 상에 압축하는 단계 및/또는 상기 BNNT-코팅된 스캐폴드를 베이킹하여 휘발성 유기 화합물을 제거하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 구현예에서, 상기 BNNT-코팅된 스캐폴드는 약 200℃에서 공기 중에 베이킹 또는 진공-베이킹될 수 있고, 다른 한편으로 잔류 탄소가 존재한다면 약 450℃에서 전형적으로 30분 내지 2시간 동안 공기 중에 베이킹될 수 있다. 상기 온도에서, 상기 잔류 탄소는 이산화탄소로 전환된다. 본 기술분야의 통상의 기술자는 특정 구현예에 대해 최적의 베이킹 온도 및 기간을 결정할 수 있다.
스캐폴드를 BNNT 버키페이퍼/매트로 코팅하는 방법은 상기 BNNT 버키페이퍼/매트를 상기 스캐폴드 상에 적층하는 단계 및 상기 BNNT-코팅된 스캐폴드를 약 60-140℃의 온도에서 베이킹하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 방법은 상기 스캐폴드를 사전-청소하는 단계 및/또는 상기 스캐폴드를 열 플라스틱, 인듐, 주석, 주석 합금 또는 다른 땜납, 및 저온 용융 유리 중 적어도 하나로 사전-코팅하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 구현예에서, 상기 방법은 상기 버키페이퍼/매트를 상기 스캐폴드 상에 압축하여 등각 부착(conformal attachment)을 향상 또는 제공하는 단계 및/또는 상기 BNNT-코팅된 스캐폴드를 베이킹하여 휘발성 유기 화합물을 제거하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 구현예에서, 상기 BNNT-코팅된 스캐폴드는 약 200℃에서 진공-베이킹되거나 450℃에서 공기 중에 베이킹될 수 있다.
BNNT 물질을 스캐폴드 상에 동결건조하는 방법이 본 명세서에 개시된다. 상기 방법은 BNNT 물질을 분산시키는 단계, 용기 내에 분산된 BNNT 물질을 동결하는 단계, 상기 분산된 BNNT 물질을 진공 중에 배치하고 온도를 상기 분산제의 어는점 아래로 낮추는 단계, 및 상기 분산된 BNNT 물질을 표준 온도 및 압력으로 되돌리는 단계를 포함한다. 일부 구현예에서, 상기 분산제는 증류수 내의 메틸 알코올, 에틸 알코올, 이소프로필 알코올, 및 휘발성 유기 화합물 중 적어도 하나이다. 일부 구현예에서, 상기 분산제는 약 1-10 중량%이다. 일부 구현예에서, 상기 온도는 약 -5℃ 내지 -80℃로 낮춰진다. 일부 구현예에서, 상기 온도는 약 -40℃로 낮춰진다.
BNNT 버키페이퍼/매트의 제조 방법은 BNNT 물질을 분산제에 분산시키는 단계, 버키페이퍼/매트를 원하는 형태로 형상화하는 단계, 상기 원하는 형태의 바닥 아래에 필터 및/또는 박리지(release paper)를 배치하는 단계, 상기 분산된 BNNT 물질을 상기 버키페이퍼/매트 위에 붓는 단계, 및 상기 코팅된 버키페이퍼/매트를 건조시키는 단계를 포함한다. 일부 구현예에서, 상기 분산제는 메틸 알코올, 에틸 알코올, 이소프로필 알코올, 및 휘발성 유기 화합물 중 적어도 하나이다. 일부 구현예에서, 상기 버키페이퍼/매트는 직물(woven) 스테인리스 스틸 그리드(grid), 폴리머 섬유, 유리 섬유, 및 BNNT 섬유 중 적어도 하나를 포함한다. 일부 구현예는 상기 원하는 형태를 위한 하나 이상의 부가적인 지지체를 위치시키는 단계를 추가로 포함한다.
BNNT 접착제, BNNT 접착제의 제조 방법, 및 BNNT 접착제의 사용 방법이 본 명세서에 개시된다. 일부 구현예에서, BNNT 접착제는 BNNT 물질 및 알코올을 포함하며, 여기서 상기 BNNT 물질의 밀도는 약 0.1 내지 3 ㎎/㎖이다. 일부 구현예에서, 상기 BNNT 물질은 부분적으로 정제되거나 완전히 정제된다. 일부 구현예에서, 상기 알코올은 이소프로필 알코올, 메틸 알코올, 및 에틸 알코올 중 적어도 하나이다. 일부 구현예에서, 상기 조성물은 물을 추가로 포함하고, 약 100:0 내지 50:50의 알코올 대 물의 비를 가질 수 있다. BNNT 접착제의 제조 방법은 BNNT 물질을 알코올을 포함하는 분산제 내에 분산시키는 단계를 포함하며, 여기서 상기 분산된 BNNT 물질은 약 0.1 내지 3 ㎎/㎖의 밀도를 갖는다. 일부 구현예에서, 상기 BNNT 물질은 교반 또는 음파처리에 의해 분산된다. 일부 구현예에서, 상기 알코올은 이소프로필 알코올, 메틸 알코올, 및 에틸 알코올 중 적어도 하나이다. 일부 구현예에서, 상기 방법은 물을 포함하며, 여기서 알코올 대 물의 비는 약 100:0 내지 50:50이다. BNNT 접착제의 이용 방법은 BNNT 물질을 알코올을 포함하는 분산제 내에 분산시키는 단계, 상기 분산된 BNNT 물질을 적어도 두 조각의 BNNT 버키페이퍼/매트 상에 바르는 단계, 상기 적어도 두 조각의 BNNT 버키페이퍼/매트를 압축하는 단계, 및 상기 적어도 두 조각의 BNNT 버키페이퍼/매트를 약 80-120℃로 가열하여 임의의 액체를 증발시키는 단계를 포함한다. 일부 구현예에서, 상기 분산된 BNNT 물질은 약 0.1-1 ㎖/㎠의 밀도로 바른다. 일부 구현예에서, 상기 방법은 상기 적어도 두 조각의 BNNT 버키페이퍼/매트를 베이킹하여 휘발성 유기 화합물(들)을 제거하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 구현예에서, 상기 적어도 두 조각의 BNNT 버키페이퍼/매트는 약 200℃에서 진공에서 베이킹되거나, 약 450℃에서 공기 중에 베이킹된다.
도 1은 이소프로필 알코올에 분산된 부분적으로 정제된 BNNT 물질(왼쪽) 및 정제된 BNNT 물질(오른쪽)을 보여준다.
도 2는 본 접근법의 구현예에 따른 BNNT 스프레이 및 버키페이퍼/매트 코팅의 제조 공정을 도시한다.
도 3은 본 접근법의 구현예에 따라 직물의 바닥 절반 위에 스프레이된 부분적으로 정제된 BNNT 물질을 갖는 섬유유리 직물을 보여준다.
도 4는 본 접근법의 구현예에 따라 부분적으로 정제된 BNNT 물질로 스프레이된 80 메쉬(mesh) 316 스테인리스 스틸 메쉬를 보여준다.
도 5는 본 접근법에 따른 BNNT 동결건조 공정의 구현예를 도시한다.
도 6은 본 접근법의 구현예에 따라 분말로서 동결건조된 부분적으로 정제된 BNNT 물질을 도시한다.
도 7은 본 접근법의 구현예에 따른 BNNT 버키페이퍼/매트의 제조 공정을 도시한다.
도 8은 본 접근법의 구현예에 따라 BNNT 버키페이퍼/매트로서 여과막 상에 수집된 부분적으로 정제된 BNNT 물질을 도시한다.
도 9는 본 접근법 하에 BNNT "접착제"를 제조 및 적용하기 위한 공정의 구현예를 도시한다.
도 10은 본 접근법의 구현예에 따라 BNNT "접착제"에 의해 합쳐진 버키페이퍼로서 두 조각의 부분적으로 정제된 BNNT 물질을 보여준다.
도 11은 본 접근법의 구현예에 따라 계층적(hierarchal) 와이어 프레임 내에서 BNNT "접착제"와 함께 합쳐진 BNNT 버키페이퍼/매트를 도시한다.
큰 부피 형상물 내의 BNNT는 저온펌프, 높은 표면적의 필터, 코팅용 스캐폴드, 전이 방사 검출기, 중성자 검출기, 및 유사한 시스템에서 적용분야를 갖는다. 큰 부피 형상물은 입방 밀리미터로부터 입방 미터 이상까지의 BNNT 물질의 범위일 수 있다. 큰 부피 형상물 내에서 BNNT를 지지하는 것은 와이어, 메쉬, 및 유사한 지지체의 계층적 스캐폴드의 조합을 수반할 수 있다. 본 출원은 2016년 5월 13일자로 출원된 국제 출원 제PCT/US16/32385호, 2017년 9월 6일자로 출원된 국제 출원 제PCT/US17/50287호, 2016년 9월 6일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/383,853호, 2016년 9월 20일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/397,050호, 및 2016년 9월 23일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/398,941호의 전체 내용을 인용에 의해 포함한다.
스캐폴드를 사용하는 구현예에서, 상기 스캐폴드 조성물은 다음의 인자들에 의존한다: 큰 부피가 저온 및/또는 고온, 즉 ∼0 K 내지 800 K 이상 및/또는 이들 양쪽에서 순환될 것인지, 또는 실온 근처에 남아있을 것인지 여부; 상기 BNNT 물질 부피에서 사용되거나 이와 접촉되는 화학물질; 상기 BNNT 물질 부피를 통한 임의의 물질 흐름. 일부 구현예에서, 상기 스캐폴드는 하나 이상의 BNNT 섬유, 스테인리스 스틸, Kevlar® 및 다른 폴리머 섬유, 탄소 섬유, 유리 섬유, 및 BNNT와 잘 반응하는 임의의 다른 섬유 및 상기 부피를 통해 통과하는 임의의 조성물로부터 형성될 수 있다. 상기 스캐폴드의 형태는 적용분야에 기초하여 결정될 수 있다. 일부 스캐폴드 물질은 상기 스캐폴드를 형성하는 지지체들 사이에 공간을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 스캐폴드의 지지체들 사이의 간격은 약 0.3 내지 10 mm일 수 있다.
스캐폴드가 제작된 후, 용기 내에 배치될 수 있다. 바람직하게는, 상기 용기의 형태는 그 형태와 맞추어서, 상기 BNNT 큰 부피 물질은 상기 적용분야를 점유할 것이다. 예를 들면, 상기 BNNT 큰 부피 물질이 저온펌프에서 얇은 실린더 부피를 점유하게 된다면, 상기 스캐폴드는 얇은 웨이퍼의 형태일 수 있고, 상기 용기는 BNNT 코팅 후 상기 코팅된 스캐폴드가 상기 저온펌프의 공간에 대응하는 얇은 실린더 형태를 갖게 되는 크기 및 형태일 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 적용분야 자체는 상기 BNNT 큰 부피 물질을 위한 용기를 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 저온펌프의 하나 이상의 섹션은 상기 스캐폴드를 수용하기 위하여 상기 용기의 하나 이상의 월을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 저온펌프 장치의 임의의 비-저온펌프 부분과 같이 BNNT 코팅을 수용하기 위한 의도가 아닌 적용분야의 표면은 Teflon과 같이 상기 BNNT 물질이 즉시 부착되지 않는 물질로부터 형성되거나 이를 이용해 코팅될 수 있다.
일부 구현예에서, 상기 BNNT 물질은 부분적으로 또는 완전히 정제되어서 상기 BNNT 물질에 존재하는 붕소 입자 및/또는 다른 불순물을 제거할 수 있다. 정제를 위한 적합한 방법은 그 전체가 인용에 의해 포함되는 2017년 11월 29일자로 출원된 국제 특허 출원 제 PCT/US2017/063729호에 개시되어 있는 것들을 포함한다. 일부 구현예에서, 상기 부분적으로 정제된 BNNT 물질(예컨대, 붕소 제거 공정 후의 BNNT 물질)은 하나 이상의 부가적인 정제 공정에 의해 제거되는 작은 입자의 a-BN, h-BN 나노케이지, h-BN 나노시트 및 BNNT를 가질 수 있다. 일부 구현예에서, 정제된 BNNT 물질은 거의 모든 h-BN 나노케이지 및 h-BN 나노시트가 제거될 수 있다. 상기 정제의 범위 및 정도는 해당 적용분야에 대한 해당 구현예용으로 맞추어진 이용가능한 물질의 수율을 최대로 하기 위해 최적화되어야 함이 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 인식되어야 한다. 붕소 입자는 상기 BNNT 물질에 대해 상대적으로 조밀한 중량으로 작용하며, 상기 BNNT 물질이 진동할 때 압축력(compaction force)에 있어서 원하지 않는 증가를 가져올 수 있다. 상기 붕소 입자는 BNNT, a-BN, h-BN 나노케이지, 및 h-BN 나노시트와 같은 BN 물질과 비교하여 다른 물질들과 상이한 화학 반응을 가질 수 있다. 예를 들면, 고온 고압 방법에 의해 생산된 합성된 대로의 BNNT 물질은 그램 당 약 100-200 ㎡의 표면적을 가질 수 있고, 정제된 BNNT 물질은 그램 당 약 350-550 ㎡의 표면적을 가질 수 있다. 부분적으로 정제된 BNNT 물질은 그램 당 약 300 ㎡의 표면적을 가질 수 있다. 많은 적용분야는 더 높은 표면적이 유리하며, 정제 및 부분적 정제는 BNNT 물질의 표면적을 증가시킬 수 있다. 본 명세서에 개시된 것과 같은 동결건조 및 여과 기술은 적어도 부분적으로 정제된 BNNT 물질과 더 잘 작동될 수 있는데, 그 이유는 BNNT 용으로 최적화된 분산제는 붕소 입자용으로 최적화된 분산제와 동일하지 않기 때문이다.
도 1은 왼쪽에 부분적으로 정제된 BNNT 물질(11) 및 오른쪽에 정제된 BNNT 물질(12)을 보여준다. 양쪽 모두 강력한 교반에 의해 이소프로필 알코올 내에 분산된다. 일부 구현예에서, 가벼운 음파처리, 즉 BNNT 클러스터의 묶음은 풀지만 BNNT를 파괴하지는 않는 음파처리가 이용될 수 있다. 상기 부분적으로 정제된 BNNT 물질(11)은 약간 침전되어 나올 수 있지만, 상기 정제된 BNNT 물질(12)은 분산된 채로 있다. 적용분야에 따라, 도 1에 나타낸 BNNT 물질 모두 유용할 수 있다.
부분적으로 정제된 및 정제된 BNNT 물질은 플라스틱, 유리, 및 금속을 포함하는 많은 물질의 표면에 약하게 결합할 수 있다. 5-10 ㎎/㎠의 부분적으로 정제된 및 정제된 BNNT 물질의 코팅이 본 명세서에 개시되어 있다. 부분적으로 정제된 BNNT 물질의 경우 5 ㎎/㎠의 커버링 및 300 ㎡/g의 표면적을 가지면, 1 ㎡의 스프레이 코팅된 면적은 15,000 ㎡의 유효 표면적을 가질 것이다. 일부 구현예에서, BNNT 물질은 버키페이퍼, 즉 탄소 나노튜브 및/또는 탄소 나노튜브 그리드 용지, 및/또는 BNNT로부터 만들어진 하나 이상의 얇은 시트에 적용될 수 있다. 본 명세서에 개시된 실증적인 BNNT 버키페이퍼는 약 20-500 미크론의 두께이고, 1-25 ㎎/㎠의 대응하는 기중(aerial) 표면 밀도를 갖는다. 본 명세서에서 사용되는 "매트"란 용어는 약 500 미크론 이상의 두께를 갖는 BNNT 물질을 나타내며, 서로 합쳐진 다수의 BNNT 버키페이퍼 또는 매트를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용된 것과 같이, "버키페이퍼/매트"란 용어는 버키페이퍼 및/또는 매트를 의미하고 나타낸다.
도 2는 본 접근법에 따른 BNNT 스프레이 코팅 및/또는 버키페이퍼/매트를 제조 및 적용하기 위한 공정의 구현예의 순서도를 보여준다. 이러한 공정 하에, 상기 BNNT는 코팅된 물질에 등각적으로 부착된다. 일부 구현예에서, 상기 공정은 이소프로필 알코올(IPA), 메틸 알코올, 에틸 알코올, 아세톤, 다른 휘발성 유기 화합물 등과 같은 분산제 내에 부분적으로 정제되거나 완전히 정제된 BNNT 물질일 수 있는 BNNT 물질을 분산시키는 단계(S201)를 포함한다. 다른 알코올 및 분산제도 동일하게 잘 작동함을 인식해야 한다. 일부 구현예에서, 상기 분산제는 이소프로필 알코올과 증류수의 50-50까지의 혼합물일 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 부분적으로 정제된 또는 완전히 정제된 BNNT 물질의 밀도는 10 ㎖의 분산제 당 약 1-5 ㎎의 BNNT 물질이다. 일부 구현예에서, BNNT 물질과 코팅되는 물질은 청소되어서 모든 그리스, 미립자 등을 제거할 수 있다(S202). 구현예에 따라, 청소(S202)는 선택적일 수 있다. 상기 코팅되는 물질은 본 기술분야에 알려진 방법, 및/또는 그 전체가 인용에 의해 포함되는 2017년 11월 29일자로 출원된 국제 특허 출원 제 PCT/US2017/063729호에 개시된 방법을 이용하여 임의의 탄화수소를 청소할 수 있다. 선택적으로, 상기 BNNT 물질과 코팅되는 물질은 약 1-50 미크론의 열 플라스틱, 인듐, 주석, 주석 합금 또는 다른 땜납, 또는 저온 용융 유리로 사전-코팅될 수 있다(S203). 상기 사전-코팅의 선별은 최종 적용분야의 화학적 및 열적 요구사항을 맞추도록 상기 적용분야에 의해 결정된다. 사전-코팅은 최종 적용분야에 대한 부착 요구사항에 의해 결정된다. 일부 적용분야는 사전-코팅(S203)이 필요하지 않을 것임이 인식되어야 한다.
일부 구현예에서, 아토마이저(atomizer)를 사용하여 상기 분산된 BNNT 물질을 코팅되는 물질 위에 스프레이할 수 있다(S204). 다른 한편으로, BNNT 버키페이퍼/매트는 코팅되는 물질의 표면에 적층되어 상기 표면의 형태를 등각적으로 맞출 수 있다(S205). 일부 구현예에서, 상기 BNNT-코팅된 물질은 베이킹되어서 상기 BNNT-코팅된 물질로부터 휘발성 유기 화합물을 제거할 수 있다(S206). 예를 들면, 상기 BNNT-코팅된 물질을 약 60-140℃의 온도로 가열하여 휘발성 유기 화합물이 나오게 할 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 물질은 히트 건(heat gun)으로 가열되거나, 베이킹 기간 동안에 하나 이상의 베이킹 온도에서 유지되는 오븐 내에 배치될 수 있다. 본 기술분야의 통상의 기술자는 상기 베이킹 시간 및 온도는 BNNT-코팅된 물질 내에 존재하는 것으로 예상되거나 알려져 있는 휘발성 유기 화합물의 타입(들)에 의존할 수 있음을 인식해야 한다.
일부 구현예에서, 상기 스프레이 코팅 또는 BNNT 버키페이퍼/매트는 압축될 수 있다(S207). 특히 베이킹 동안 또는 상승 온도에서의 압축은 코팅 및 BNNT의 결합을 개선한다. 예를 들면, 상기 온도는 상기 코팅의 용융점 또는 유리 전이 온도로 올려서 상기 코팅이 상기 BNNT에 등각적으로 연결되거나 결합되게 할 수 있다.
선택적으로, 알코올 또는 다른 휘발성 유기 화합물이 존재하고 제거되어야 할 필요가 있다면, 상기 BNNT-코팅된 물질은 진공-베이킹될 수 있다(S208). 예를 들면, 상기 BNNT-코팅된 물질은 진공 내에 배치되고 약 200℃의 베이킹 기간 동안 가열될 수 있다. 다른 한편으로, 상기 BNNT-코팅된 물질은 공기 중에서 바람직하게는 더 높은 온도에서, 보다 바람직하게는 약 450℃에서 진공 베이킹될 수 있다. 일부 구현예에서, 더 낮은 온도의 유리 전이 온도를 갖는 열플라스틱 또는 인듐과 같은 저온 코팅이 사용된다면, 상기 베이킹 온도는 감소될 수 있다.
도 3은 시트(32)의 바닥 절반 상에 8 ㎎/㎠의 부분적으로 정제된 BNNT 물질을 갖는 유리섬유 직물(31)의 구현예를 보여준다. 상기 부분적으로 정제된 BNNT는 수 센티미터 곡률의 국소 반지름으로 휘거나 접힐 때 조차도 상기 직물 상에 남아 있다.
도 4는 80 메쉬의 316 스테인리스 스틸이 5 ㎎/㎠의 부분적으로 정제된 BNNT 물질(41)으로 스프레이-코팅된 본 접근법에 따른 구현예를 보여준다. 상기 메쉬는 약 81%가 개방되어 있다(예컨대, 81%의 면적은 BNNT 물질(41)이 없다). 상기 개방된 공간은 물질이 상기 메쉬를 통해 흐르도록 한다. 상기 구현예에서, 상기 메쉬 내의 316 스테인리스 스틸 와이어는 0.315 mm 떨어져서 이격된다. 기계적 스크레이핑(scraping), 진동 또는 알코올과 같은 용매/분산제가 존재하는 한, 상기 BNNT 물질이 유리섬유 및 스테인리스 스틸과 같은 표면에 약하게 결합되어 있을 수 있지만, 상기 BNNT 물질은 도 3 및 도 4에 나타낸 것과 같은 표면에 충분히 결합되어서 많은 적용분야에서 유용한 큰-부피를 형성할 수 있다.
일부 구현예에서, BNNT 물질을 스캐폴드 또는 다른 구조물 상에 배치하기 위해 동결건조가 이용될 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 스캐폴드에 대한 상기 BNNT 물질의 결합을 도와주기 위해 에폭시와 같은 결합제가 사용될 수 있다. 결합제의 첨가는 적용분야에 의존한다. 예를 들면, 결합제는 전형적으로 저온펌프 적용분야용으로는 사용되지 않는데, 그 이유는 결합제는 고온에서는 악화될 수 있지만 저온펌프는 종종 대략 10 K 및 적어도 500 K 사이, 일부 경우에는 800 K 이상에서 순환하기 때문이다. 부가적으로, 결합제는 펌프되는 가스의 효과적인 저온펌핑을 제공하는 상기 BNNT 표면의 능력을 간섭할 수 있다. 그러나, 예를 들면, 저온펌프가 400 K 근처의 열 사이클만이 필요하다면, 인듐이 429.7 K에서 용융되기 때문에 상기 BNNT 물질에 대한 결합제로서 인듐이 사용될 수 있다. 인듐은 저온펌프에서 사용되는 일부 금속을 납땜할 수 있고, 이어서 도 2에 개시된 것과 같이 상기 BNNT 물질을 가열 및 압착하여서, 상기 인듐은 상기 BNNT 물질을 상기 표면에 등각적으로 고정할 수 있다. 열플라스틱 및 유리 코팅은 또한 해당 표면에 대한 상기 BNNT 물질의 등각적 결합을 형성할 수 있다. 일부 구현예에서, 와이어 및 표면에 대한 상기 BNNT 물질의 등각적 결합을 위한 결합제는 약 1-50 미크론의 두께이지만, 원하는 결과물에 따라 상기 범위를 초과해 연장될 수 있다.
도 5는 본 접근법에 따른 동결건조의 구현예에 대한 순서도를 도시한다. 일부 구현예에서, 부분적으로 정제된 및 정제된 BNNT 물질은 하나 이상의 분산제 내에 분산될 수 있다(S501). 예를 들면, 상기 분산제는 메틸 알코올, 에틸 알코올, 이소프로필 알코올, 및 휘발성 유기 화합물 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 BNNT 물질은, 예를 들면, 강력한 교반 또는 가벼운 음파처리와 같은 공지된 방법에 의해 상기 분산제 내에 도입될 수 있다. 본 기술분야의 통상의 기술자는 알코올의 적절한 중량%를 결정할 수 있다. 예를 들면, 일부 구현예에서, 상기 알코올의 중량%는 약 1-10 중량%일 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 알코올의 중량%는 1 중량% 이하일 수 있다. 일부 구현예에서, 메틸 알코올 및 증류수가 사용될 수 있다. 분산 후, 일부 분산된 BNNT는 분산된 상태를 유지하기 위해 계속적인 교반이 필요할 수 있다. 정제된 BNNT는 교반 후에 대부분 분산되어 있을 수 있다. 부분적으로 정제된 BNNT 물질, 예컨대, 붕소 제거 단계를 거친 BNNT 물질은 수시간 동안 분산되어 있을 수 있지만, 합성된 대로의 물질은 전형적으로 붕소 입자의 존재가 우세할 수 있고, (분산이 붕소 입자에 기초하지 않는 한) 분산되어 있지 않을 수 있다. 일반적으로, 상기 합성된 대로의 BNNT, 부분적으로 정제된 BNNT, 또는 정제된 BNNT 물질에 필요한 질량은 용기의 부피에 맞춘 부피의 분산제 내에 분산될 수 있다.
다음으로, 상기 분산된 BNNT는 이후 코팅되는 스캐폴드 또는 유사한 구조물을 함유하는 용기 내로 도입될 수 있다(S502). 예를 들면, 상기 분산된 BNNT를 상기 용기 내에 부을 수 있다. 다음으로, 상기 BNNT-부하된 분산제를 함유하는 용기는 챔버 내에 배치되어 동결될 수 있다(S503). 바람직하게는, 상기 동결은 신속하게 일어나서 임의의 BNNT 물질이 분산물로부터 빠져 나오는 것을 감소시킨다. 일부 구현예에서, 상기 챔버의 압력은 거의 진공까지 낮아질 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 온도는 어는점 이하, 즉 알코올에 따라 -5℃ 내지 -80℃로 조정되어 증발을 유도할 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 온도는 -40℃로 조정될 수 있다. 상기 분산제는 증발되어 나와서, 상기 BNNT 물질이 계층적 스캐폴드 또는 다른 구조물 내부에 분산되고 이들에 의해 지지되게 할 수 있다. 본 기술분야의 통상의 기술자는 상기 분산제를 제거하는 공지된 방법을 이용할 수 있다. 상기 분산제가 제거되면, 상기 용기는 실온 및 압력으로 되돌리거나(S504), 특정 구현예를 위해 필요한 후속 가공 및 조작을 위한 임의의 다른 조건으로 할 수 있다. 예를 들면, 상기 적용분야가 저온펌프라면, 상기 용기의 임의의 비-저온펌프 부분은 표준 온도 및 압력에서 제거될 수 있다. 도 6은 동결건조된 부분적으로 정제된 BNNT 물질(61)의 샘플을 도시하며, 이것은 솜털 분말처럼 보인다. 도 6에서, 상기 BNNT 물질(61)은 코팅되는 스캐폴드 또는 유사한 구조물이 없이 본 접근법의 구현예에서 제조되었다.
여과 기술이 또한 버키페이퍼/매트를 BNNT로 코팅하기 위해 사용될 수 있다. 일부 구현예에서, 다수의 버키페이퍼/매트가 서로 합쳐져서 BNNT의 부피를 증가시키고 최종 적용분야를 위한 임의의 원하는 부피 및/또는 형태를 달성할 수 있다. 도 7은 본 접근법에 따른 여과 공정의 구현예를 보여준다. 일부 구현예에서, 부분적으로 정제된 또는 완전히 정제된 BNNT 물질은 분산제 내에 분산된다(S701). 분산은, 예를 들면, 강력한 교반 및/또는 가벼운 음파처리를 포함하는 공지된 수단에 의해 달성될 수 있다. 상기 분산된 BNNT의 밀도는 최종 적용분야에 따라 결정될 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 밀도는 약 0.1-5 g/L일 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 분산제는 이소프로필 알코올, 메틸 알코올, 에틸 알코올, 휘발성 유기 화합물, 또는 다른 공지된 분산제(들) 중 하나 이상일 수 있다. 상기 분산 용액은 증류수를 포함할 수 있다. 알코올 대 물의 비는 약 100:0(알코올 단독), 100:0 내지 50:50, 또는 50:50 이하일 수 있다. 본 기술분야의 통상의 기술자는 최종 적용분야에 따라 최적의 비를 결정할 수 있다. 바람직하게는 원하는 형태의 버키페이퍼/매트를 갖는 주형(mold)이 준비될 수 있다(S702). 일부 구현예에서, 상기 주형은 알루미늄과 같은 금속, 또는 플라스틱일 수 있다. 상기 스캐폴드 물질은 상기 분산된 BNNT를 수용하기 위해 위치될 수 있다(S703). 일부 구현예에서, 각각의 버키페이퍼/매트는 계층적 스캐폴드로 사용되는 직물 스테인리스 스틸 그리드 또는 다른 물질의 층을 포함할 수 있다. 상기 스캐폴드를 형성하기 위하여 폴리머 섬유, 유리 섬유, 및 심지어 BNNT 섬유와 같은 다른 물질이 사용될 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 스캐폴드 그리드는 스테인리스 스틸 메쉬 또는 울(wool)에 의해 커버될 수 있다. 상기 그리드는 바닥층을 형성하거나, 여과막 및/또는 박리지의 최상부에 배치될 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 직물 그리드의 지름은 약 50-200 미크론일 수 있지만, 일부 구현예에서는 상기 범위를 초과할 수 있다. 스테인리스 스틸 와이어 그리드 사이의 부피는 상기 논의된 것과 같은 80 메쉬 316 스테인리스 스틸 또는 평균 와이어-대-와이어 간격이 약 0.3-5 mm인 스테인리스 스틸 울로 채워질 수 있지만, 상기 간격은 일부 구현예에서 상기 범위를 초과할 수 있다. 매우 큰 저온펌프의 경우, 큰 구조물을 지지하기 위해 부가적인 층의 코스(course) 직물 스테인리스 스틸 와이어 그리드가 필요할 수 있다. 상기 스캐폴드 구조는 원하는 결과물 및 최종 적용분야에 따라 다양할 수 있음이 인식되어야 한다. 일부 구현예에서, 상기 주형은 하나 이상의 부가적인 지지체를 포함하여 상기 구조물에 강직도를 제공할 수 있다(S704). 다음으로, 상기 분산된 BNNT 물질을 종래의 기술을 이용하여 상기 버키페이퍼/매트 위에 붓고(S705), 이후 스프레이 코팅으로부터 알코올을 증발시키기 위해 상기 개시한 것과 같은 종래의 기술을 이용해 건조시킬 수 있다(S706).
도 8은 본 접근법의 구현예에 따라 여과막(82) 상에 수집된 부분적으로 정제된 BNNT 물질(81)을 도시한다. 계층적 스캐폴드는 상기 도면에 나타나 있지 않지만, 전술한 것과 같이 상기 BNNT 물질(81) 내에 포함될 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 계층적 구조물은 먼저 인듐, 주석, 인듐 또는 주석 합금, 열 플라스틱, 또는 낮은 전이 온도를 갖는 유리와 같은 땜납으로 코팅될 수 있다. 이후, 상기 계층적 구조물 상에 부하된 상기 부분적으로 정제된 또는 정제된 BNNT 물질은 해당 코팅의 용융점으로 가열되어서 상기 BNNT 물질의 작은 분획이 상기 표면에 등각적으로 결합하는 것을 돕고, 이로 인해 최종 조립물의 기계적 안정성을 향상시킬 수 있다. 동결건조 및 여과 시스템 기술분야의 기술자에게 인식되는 것과 같이, 기술들 간의 선택은 최종 시스템에서의 BNNT 물질의 원하는 밀도, 용기의 기하학, 요구되는 시간 및 물질 및 공정의 비용에 의존할 수 있다.
상기 최종 적용분야는 스캐폴드 또는 다른 지지 구조물을 형성하기 위해 사용되는 물질(들)을 결정할 수 있음이 인식되어야 한다. 예를 들면, 저온펌프에 의해 요구되는 극단적인 온도 범위는 상기 BNNT 물질을 지지하느 스캐폴드에 대해 스테인리스 스틸을 선택하게 할 수 있다. 일부 구현예에서, 실온 성능만이 요구되고 최종 시스템의 환경에 존재하는 화학물질이 상기 스캐폴드 물질과 반응성이 없다면, 상기 와이어 및 지지체는 Kevlar®, 탄소 섬유, 또는 유리 섬유와 같은 물질로 구성될 수 있다. 일부 구현예에서, 부가적인 접착제 또는 충진제가 상기 BNNT 물질에 첨가될 수 있다.
일부 구현예에서, BNNT "접착제"는 BNNT 버키페이퍼/매트 및 표면 스프레이 코팅(존재시)을 합치기 위해 사용될 수 있다. 도 9는 본 접근법에 따른 BNNT 접착제에 대한 공정의 구현예를 도시한다. 일부 구현예에서, 부분적으로 정제된 또는 완전히 정제된 BNNT 물질은 단계 S901에서 개시된 것과 같이 알코올 또는 알코올-물 혼합물 내에 분산되어 BNNT "접착제" 물질을 형성할 수 있다. 상기 BNNT "접착제"는 아래에 개시된 것과 같은 BNNT 물질 밀도의 요구사항으로 스프레이 및 버키페이퍼를 형성하는 것과 동일한 물질일 수 있다. 이를 BNNT "접착제"로 만드는 것은 공정에서 어떻게 적용되는지 여부이다. 일부 구현예에서, 상기 부분적으로 정제된 또는 완전히 정제된 BNNT 물질은 강력한 교반 및/또는 가벼운 음파처리에 의해 분산제 내에 분산되어 최종 밀도가 약 0.1-3 ㎎/㎖인 BNNT 물질을 달성할 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 분산제는 이소프로필 알코올, 메틸 알코올, 에틸 알코올, 휘발성 유기 화합물, 또는 유사한 분산제 중 하나 이상일 수 있고, 증류수를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 알코올 대 물의 비는 약 100:0(알코올 단독)로부터 50:50만큼 낮을 수 있으며, 본 기술분야의 통상의 기술자는 일부 구현예의 경우 낮은 비가 최적임을 결정할 수 있다. 이후, 상기 BNNT "접착제"를 BNNT 버키페이퍼/매트의 별도의 조각 위에 바른다(S902). 사용하는 BNNT "접착제"의 양은 특정 구현예에 의존한다. 일부 구현예에서, 예를 들면, 상기 접착제는 약 0.1-1 ㎖/㎠의 밀도로 바른다. 다음으로, 두 조각의 BNNT 버키페이퍼/매트는 함께 압축될 수 있다(S903). 상기 압축된 조각은 또한 액체를 증발시키기 위해 가열될 수 있다. 일부 구현예의 경우, 약 80-120℃에서 10분 내지 2시간 동안 가열하는 것이 상기 BNNT "접착제" 물질로부터 액체를 제거하기에 적절하다. 선택적으로, 임의의 알코올이 제거될 필요가 있다면, 상기 BNNT 버키페이퍼/매트는 베이킹될 수 있다(S904). 예를 들면, 상기 접착된 조각은 약 200℃에서 진공에 배치되거나, 약 450℃에서 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 결정될 수 있는 베이킹 기간 동안 공기 중에서 베이킹될 수 있다.
상기 BNNT "접착제" 방법은 예외적인 평면내(in-plane) 결합을 생산하기 위해 설명된다. 예를 들면, 중첩 전단 테스트(lap shear test)에서 관찰되는 것과 같은 G2C 균열 테스트 평면내 결합은 상기 버키페이퍼/매트 자체보다 더 강할 수 있다. G1C 균열 박리 테스트는 상기 G1C 평면통과(though-plane) 방향에서 매우 약한 결합을 보여준다. 도 10은 본 접근법의 구현예에서 생산된 BNNT "접착제"에 의해 합쳐진 원형의(prototype) BNNT 버키페이퍼/매트(101)를 보여준다. 도 10은 원래의 BNNT 버키페이퍼/매트 조각(102) 중 하나에서 일어나지만 본 접근법에 따른 BNNT "접착제"를 이용하여 형성된 접합부를 갖는 섹션(103)에서는 일어나지 않는 중첩 전단 텍스트로부터의 파괴물을 보여준다.
본 접근법은 매우 다양한 형상물을 가능하게 함이 인식되어야 한다. 한 예로서, 도 11은 BNNT "접착제"(112)에 의해 합쳐진 다수의 BNNT 버키페이퍼/매트(111)의 배열을 도시한다. 상기 구현예는 미세 메쉬(113) 및 코스 직물(114)의 와이어 계층 구조를 포함한다. 상기 BNNT "접착제"(112)는 횡단 부착을 제공하지만, 상기 와이어 계층 구조(113,114)는 전체 조립물에 대한 수직 안정성을 제공한다. 이러한 구조를 이용함으로써, 큰 부피가 큰 표면적 및 기계적 안정성을 갖는 BNNT 물질로 채워질 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 구현예를 설명하기 위한 목적일 뿐이며, 본 접근법을 제한하기 위한 의도는 아니다. 본 명세서에서 사용된 것과 같이, 단수 형태인 "하나", "한", 및 "상기"는, 문맥 상 명확하게 달리 나타내지 않는 한, 복수 형태도 함께 포함하기 위한 의도이다. 본 명세서에서 사용될 때, "포함한다" 및/또는 "포함하는"이란 용어는 언급된 특징, 정수, 단계, 작동, 요소 및/또는 성분의 존재를 구체화하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 작동, 요소, 성분, 및/또는 이들의 군의 존재를 배제하는 것이 아님이 추가로 이해될 것이다.
본 접근법은 그 사상 및 본질적 특징을 벗어나지 않으면서 다른 구체적인 형태로 구현될 수 있다. 따라서, 상기 개시된 구현예는 모든 측면에서 예시적인 것일 뿐 제한적인 것이 아닌 것으로 간주되어야 하며, 본 접근법의 범위는 전술한 설명에 의해서라기 보다는 본 출원의 청구범위에 의해 시사되며, 따라서 청구범위에 대한 의미 및 범위가 균등하게 되는 모든 변화는 본 발명에 포괄되기 위한 의도이다. 본 기술분야의 통상의 기술자는 무수한 가능성이 있으며, 본 접근법의 범위가 본 명세서에 개시된 구현예에 의해 제한되지 않음을 인식해야 한다.

Claims (20)

  1. BNNT를 분산제 내에 분산시키는 단계;
    BNNT-코팅된 지지 구조물을 형성하기 위하여 지지 구조물 상에 상기 분산된 BNNT를 적용하는 단계; 및
    상기 분산제를 제거하는 단계;를 포함하는 큰 부피의 BNNT 형상물의 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 분산된 BNNT를 적용하는 단계는 상기 분산된 BNNT를 상기 지지 구조물 상에 스프레이 코팅하는 단계; 상기 분산된 BNNT를 상기 지지 구조물 상에 적층하는 단계; 상기 분산된 BNNT를 상기 지지 구조물 상에 동결건조하는 단계; 및 상기 분산된 BNNT를 상기 지지 구조물 및 제2 지지 구조물 상에 바르는 단계; 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 지지 구조물은 스캐폴드 및 버키페이퍼/매트 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 스캐폴드는 BNNT 섬유, 스테인리스 스틸, Kevlar, 폴리머 섬유, 탄소 섬유, 및 유리 섬유 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 BNNT 물질은 부분적으로 정제된 BNNT 물질 및 정제된 BNNT 물질 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 BNNT-코팅된 지지 구조물을 베이킹하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 베이킹은 약 60-140℃의 베이킹 온도에서 수행되는 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 분산제는 알코올, 이소프로필 알코올, 메틸 알코올, 에틸 알코올 및 휘발성 유기 화합물 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 스캐폴드를 열 플라스틱(thermal plastic), 인듐, 주석, 주석 합금 또는 다른 땜납, 및 저온 용융 유리 중 적어도 하나로 사전-코팅하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 BNNT-코팅된 지지 구조물을 압축하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 BNNT-코팅된 지지 구조물을 진공에서 베이킹하는 단계 및 상기 BNNT-코팅된 지지 구조물을 공기 중에서 베이킹하는 단계 중 적어도 하나를 추가로 포함하는 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 BNNT-코팅된 지지 구조물을 진공에서 베이킹하는 단계는 약 200℃의 베이킹 온도에서 수행되고, 상기 BNNT-코팅된 지지 구조물을 공기 중에서 베이킹하는 단계는 약 450℃의 베이킹 온도에서 수행되는 방법.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 BNNT-코팅된 지지 구조물은 BNNT 버키페이퍼/매트를 포함하고, 상기 BNNT 버키페이퍼/매트를 스캐폴드 상에 압축하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 분산된 BNNT를 적용하는 단계는 상기 분산된 BNNT를 상기 지지 구조물 상에 동결하고, 상기 분산제를 증발시키는 단계를 포함하는 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 분산제를 증발시키는 단계는 상기 분산된 BNNT 물질을 진공에서 배치하고, 온도를 상기 분산제의 어는점 아래로 낮추는 단계를 포함하는 방법.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 분산제는 증류수 및 알코올, 메틸 알코올, 에틸 알코올, 이소프로필 알코올, 및 휘발성 유기 화합물 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 지지 구조물은 버키페이퍼/매트를 포함하고, 상기 버키페이퍼/매트를 원하는 형상으로 형상화하는 단계; 상기 분산된 BNNT를 상기 형상화된 버키페이퍼/매트 및 필터 위에 부어서 BNNT-코팅된 버키페이퍼/매트를 형성하는 단계; 및 상기 BNNT-코팅된 버키페이퍼/매트를 건조시키는 단계;를 추가로 포함하는 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 분산제는 알코올, 메틸 알코올, 에틸 알코올, 이소프로필 알코올, 및 휘발성 유기 화합물 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  19. 청구항 1에 있어서,
    상기 분산된 BNNT는 1 ㎖의 분산제 당 약 0.1 내지 3 ㎎의 BNNT 물질을 갖는 BNNT 접착제를 포함하는 방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 BNNT 접착제를 상기 지지 구조물 및 제2 지지 구조물 상에 바르는 단계, 상기 지지 구조물 및 제2 지지 구조물을 합치는 단계, 상기 합쳐진 지지 구조물 및 제2 지지 구조물을 압축하는 단계, 및 상기 합쳐진 지지 구조물 및 제2 지지 구조물을 가열하여 분산제를 증발시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
KR1020197017600A 2016-11-29 2017-11-29 저온펌프 및 다른 큰 부피 형상물용 질화붕소 나노튜브 물질 KR102524017B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201662427583P 2016-11-29 2016-11-29
US62/427,583 2016-11-29
PCT/US2017/063752 WO2018102437A1 (en) 2016-11-29 2017-11-29 Boron nitride nanotube materials for cryopumps and other large volume configurations

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190082937A true KR20190082937A (ko) 2019-07-10
KR102524017B1 KR102524017B1 (ko) 2023-04-20

Family

ID=62242739

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020197017600A KR102524017B1 (ko) 2016-11-29 2017-11-29 저온펌프 및 다른 큰 부피 형상물용 질화붕소 나노튜브 물질

Country Status (7)

Country Link
US (1) US11866327B2 (ko)
EP (1) EP3548435A4 (ko)
JP (1) JP7160825B2 (ko)
KR (1) KR102524017B1 (ko)
AU (1) AU2017368072B2 (ko)
CA (1) CA3043510A1 (ko)
WO (1) WO2018102437A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220121551A (ko) * 2021-02-25 2022-09-01 주식회사 에프에스티 질화 붕소 나노 구조 층을 포함하는 극자외선 리소그라피용 펠리클 막 및 그 제조방법

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020146298A1 (en) * 2019-01-07 2020-07-16 Bnnt, Llc Boron nitride nanotube vibration damping optimization
KR102393063B1 (ko) 2019-10-21 2022-05-03 한국과학기술연구원 질화붕소 나노튜브의 정제방법

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100239488A1 (en) * 2005-08-25 2010-09-23 Zettl Alex K Controlled Placement and Orientation of Nanostructures
US20150086607A1 (en) * 2013-09-25 2015-03-26 Jed K. Johnson Fiber scaffolds for use creating implantable structures
WO2016100715A1 (en) * 2014-12-17 2016-06-23 Bnnt, Llc Boron nitride nanotube enhanced electrical components

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6250984B1 (en) * 1999-01-25 2001-06-26 Agere Systems Guardian Corp. Article comprising enhanced nanotube emitter structure and process for fabricating article
US7419601B2 (en) * 2003-03-07 2008-09-02 Seldon Technologies, Llc Nanomesh article and method of using the same for purifying fluids
US7618647B2 (en) * 2003-10-03 2009-11-17 Boston Scientific Scimed, Inc. Using bucky paper as a therapeutic aid in medical applications
US20050159805A1 (en) * 2004-01-20 2005-07-21 Jan Weber Functional coatings and designs for medical implants
JP4971836B2 (ja) 2007-03-05 2012-07-11 帝人株式会社 窒化ホウ素ナノチューブ分散液、及びそれより得られる不織布
CN101450288B (zh) 2007-11-30 2012-08-29 清华大学 过滤膜及其制备方法
US20100009165A1 (en) * 2008-07-10 2010-01-14 Zyvex Performance Materials, Llc Multifunctional Nanomaterial-Containing Composites and Methods for the Production Thereof
US8004076B2 (en) * 2008-09-30 2011-08-23 Intel Corporation Microelectronic package with carbon nanotubes interconnect and method of making same
US9463433B2 (en) * 2013-06-24 2016-10-11 Jefferson Science Associates, Llc Nano-materials for adhesive-free adsorbers for bakable extreme high vacuum cryopump surfaces
CN104418316B (zh) * 2013-08-27 2017-01-25 清华大学 碳纳米管海绵体及其制备方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100239488A1 (en) * 2005-08-25 2010-09-23 Zettl Alex K Controlled Placement and Orientation of Nanostructures
US20150086607A1 (en) * 2013-09-25 2015-03-26 Jed K. Johnson Fiber scaffolds for use creating implantable structures
WO2016100715A1 (en) * 2014-12-17 2016-06-23 Bnnt, Llc Boron nitride nanotube enhanced electrical components

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Keun Su Kim et al., RSC Adv., 2015, 5, 41186-41192* *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220121551A (ko) * 2021-02-25 2022-09-01 주식회사 에프에스티 질화 붕소 나노 구조 층을 포함하는 극자외선 리소그라피용 펠리클 막 및 그 제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
AU2017368072B2 (en) 2021-10-07
EP3548435A1 (en) 2019-10-09
JP7160825B2 (ja) 2022-10-25
KR102524017B1 (ko) 2023-04-20
US11866327B2 (en) 2024-01-09
AU2017368072A1 (en) 2019-05-23
CA3043510A1 (en) 2018-06-07
EP3548435A4 (en) 2020-07-15
WO2018102437A1 (en) 2018-06-07
US20200055732A1 (en) 2020-02-20
JP2020500829A (ja) 2020-01-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhang et al. Flyweight 3D graphene scaffolds with microinterface barrier-derived tunable thermal insulation and flame retardancy
Dou et al. Hierarchical cellular structured ceramic nanofibrous aerogels with temperature-invariant superelasticity for thermal insulation
KR20190082937A (ko) 저온펌프 및 다른 큰 부피 형상물용 질화붕소 나노튜브 물질
Si et al. A robust epoxy resins@ stearic acid-Mg (OH) 2 micronanosheet superhydrophobic omnipotent protective coating for real-life applications
Chang et al. Efficient solar-thermal energy harvest driven by interfacial plasmonic heating-assisted evaporation
Kholmanov et al. Continuous carbon nanotube–ultrathin graphite hybrid foams for increased thermal conductivity and suppressed subcooling in composite phase change materials
Yang et al. Nitrogen-rich and fire-resistant carbon aerogels for the removal of oil contaminants from water
KR101606401B1 (ko) 다층 그래핀 피복 기판의 제조 방법
Sun et al. Tough polymer aerogels incorporating a conformal inorganic coating for low flammability and durable hydrophobicity
WO2012057117A1 (ja) 集熱レシーバー及び太陽熱発電装置
Cai et al. Ultralight programmable bioinspired aerogels with an integrated multifunctional surface for self-cleaning, oil absorption, and thermal insulation via coassembly
Lin et al. Robust waterborne superhydrophobic coatings with reinforced composite interfaces
US20130251942A1 (en) Hydrophobic Materials Incorporating Rare Earth Elements and Methods of Manufacture
CN103157328A (zh) 一种pm2.5微孔陶瓷过滤元件及其制备工艺
CN102765227B (zh) 一种开孔结构的波纹-蜂窝复合夹层材料及其制备方法
Putz et al. Hierarchically organized and anisotropic porous carbon monoliths
Noël et al. Freeze-cast form-stable phase change materials for thermal energy storage
Sun et al. Fast self-healing superhydrophobic thermal energy storage coatings fabricated by bio-based beeswax and artificially cultivated diatom frustules
WO2013141877A1 (en) Hydrophobic materials incorporating rare earth elements and methods of manufacture
WO2012074800A1 (en) Ionically conductive polymers, methods for production thereof and electrical devices made therefrom
US20130233302A1 (en) Heat collection receiver and solar thermal power generation device
Bonaccorsi et al. Synthesis of SAPO-34/graphite composites for low temperature heat adsorption pumps
Xuan et al. Trifolium repens L.-Like Periodic Micronano Structured Superhydrophobic Surface with Ultralow Ice Adhesion for Efficient Anti-Icing/Deicing
Cui et al. Preparation of 3-D porous PVDF/TPU composite foam with superoleophilic/hydrophobicity for the efficient separation of oils and organics from water
Zhao et al. Visible Light Locking in Mineral-Based Composite Phase Change Materials Enabling High Photothermal Conversion and Storage

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant