TW201904865A

TW201904865A - 利用熱及力將奈米纖維片緻密化

Info

Publication number: TW201904865A
Application number: TW107120969A
Authority: TW
Inventors: 志黃
Original assignee: 美商美國琳得科股份有限公司
Priority date: 2017-06-20
Filing date: 2018-06-19
Publication date: 2019-02-01
Also published as: WO2018236681A1; JP2020524224A; US20180363237A1; US11155959B2

Abstract

描述用於將至少一奈米纖維片連續緻密化的方法和系統，並且使用熱及可包括壓縮分量和伸張分量兩者之經施加的力。使用這些技術緻密化之奈米纖維片比僅使用溶劑緻密化之奈米纖維片具有更均勻且更高度對齊的微結構。結果，本揭示內容之奈米纖維片比使用其他技術緻密化之奈米纖維片具有例如更高伸張強度和更好導電性。

Description

利用熱及力將奈米纖維片緻密化

本揭示內容通常係關於奈米纖維的製造。尤其，本揭示內容係關於利用熱及力將奈米纖維片緻密化。

已知奈米纖維具有不尋常之機械、光學、和電子性質。然而，商業有用之制定的奈米纖維產品(例如可被操控及／或整合於成品中)因該等奈米纖維之奈米級尺寸，曾是具挑戰性的。PCT公告WO 2007/015710是在發展商業有用之奈米纖維具體例上的一個進步實例。此公告描述將奈米纖維“叢(forest)”轉變成奈米纖維片及／或紗。在此公告中所述之製程的部分是透過溶劑之施加及後續之移除對奈米纖維片的“緻密化＂。

實例1是一種方法，其包含：將至少一奈米纖維叢(forest)拉伸成至少一奈米纖維片；及對該至少一奈米纖維片提供熱和具有伸張分量和壓縮分量之力，其中該經提供之熱和該經提供之力使奈米纖維在該至少一奈米纖維片內對齊且提高該至少一奈米纖維片之密度。

實例2包括實例1之標的，其中該經提供之熱、該伸張力分量和該壓縮分量之至少一者藉由降低該奈米纖維片之個別奈米纖維之間的平均間隔而提高該奈米纖維片的密度。

實例3包括實例1或實例2之任一標的，其中該經提供之熱、該伸張力分量和該壓縮分量之至少一者減低該至少一奈米纖維叢之奈米纖維之間的纏結(entanglements)數目。

實例4包括先前實例中任一標的，其中：該至少一奈米纖維片具有第一面和與該第一面相對之第二面；且對該第一面，然後對該第二面提供該經提供之熱、該伸張分量和該壓縮分量之至少一者。

實例5包括實例1-3之標的，其中：該至少一奈米纖維片具有第一面和與該第一面相對之第二面；且同時對該第一面和該第二面提供該經提供之熱、該伸張分量和該壓縮分量之至少一者。

實例6包括先前實例中任一標的，其中該奈米纖維片在該熱和該力之提供期間不曝於溶劑。

實例7包括實例1-5中任一標的，其進一步包含在對該奈米纖維片提供該熱和該力之至少一者的同時，對該奈米纖維片提供溶劑蒸氣。

實例8包括實例7之標的，其進一步包含對該奈米纖維片提供奈米粒子，該奈米粒子係懸浮在該溶劑蒸氣中。

實例9包括實例7之標的，其進一步包含對該奈米纖維片提供膠態粒子，該膠態粒子係懸浮在該溶劑蒸氣中。

實例10包括實例7之標的，其進一步包含對奈米纖維片提供聚合物分子，該聚合物分子係藉由該溶劑蒸氣溶合。

實例11包括先前實例中任一標的，其中將至少一奈米纖維叢拉伸成該至少一奈米纖維片係包含將多個奈米纖維叢拉伸成對應之多個前趨體奈米纖維片。

實例12包括實例11之標的，其中將該多個前超體奈米纖維片緻密化成具有連續微結構之單一的合併奈米纖維片。

實例13包括實例12之標的，其中該連續微結構包含其中之該前趨體奈米纖維片在緻密化後即彼此不能區分的微結構。

實例14包括先前實例中任一標的，其中對該至少一奈米纖維片所提供之熱係包含將該奈米纖維片之第一表面曝於具有100℃至600℃之溫度的表面。

實例15是一種奈米纖維加工系統，其包含：第一經加熱桿、第二經加熱桿、及第三經加熱桿，其中該第一經加熱桿、該第二經加熱桿及該第三經加熱桿不與參考平面共平面；及經配置以供在第一方向上旋轉移動的捲絲管。

實例16包括實例15之標的，其中該參考平面係藉由包括該捲絲管和奈米纖維叢基材的平面所定義。

實例17包括實例15或實例16之任一標的，其中該第一經加熱桿、該第二經加熱桿和該第三經加熱桿無一互相共平面。

實例18包括實例15-17中任一標的，其進一步包含：至少一基材；及設置在該至少一基材之每一者上的奈米纖維叢。

實例19包括實例15-18中任一標的，其進一步包含設置在該第三經加熱桿和該捲絲管之間的張力降低滾筒，該張力降低滾筒係經設置以供在與該第一方向相反之第二方向上旋轉移動。

實例20包括實例15-19中任一標的，其進一步包含設置在該捲絲管與該第三經加熱桿之間的導引結構。

概述

本揭示內容之具體例包括利用熱及經施加之力將至少一奈米纖維片連續緻密化的方法和系統。該經施加之力可包括壓縮分量和伸張分量之一或二者。本文中描述之具體例可被配置成連續製程以使奈米纖維片之拉伸、奈米纖維片之緻密化、及在一些情況中之奈米纖維紗之紡絲係在單一或協同的加工系統內的不同階段進行。在一些具體例中，伴同該熱及力，可對該經緻密化之奈米纖維片另外施加溶劑或溶劑蒸氣。該經施加之溶劑或溶劑蒸氣可強化該緻密化製程，且可被利用以將其他材料(例如奈米粒子、膠態粒子、聚合物)導入該奈米纖維片結構中，或兩者一起。在一些實例中，在本揭示內容之系統中所加工之該奈米纖維片可源自奈米纖維叢之單一來源。具體例也可包括根據本文所描述之製程所緻密化之奈米纖維片，其比利用其他技術諸如僅使用溶劑所緻密化之奈米纖維片具有更均一且更高度對齊之結構。

利用本揭示內容之方法和系統製造經緻密化之奈米纖維片的產物可以是具有與利用溶劑所緻密化之奈米纖維片不同的微結構的奈米纖維片。尤其，在一些實例中，藉由利用熱及包括壓縮分量和伸張分量兩者之經施加的力以將奈米纖維片緻密化，在該片內之奈米纖維與僅利用溶劑所緻密化之奈米纖維片相比，彼此更對齊。此結構差異可使該奈米纖維片在機械性質或物理性質(例如伸張強度、奈米纖維／片之單位體積(亦即密度))、及電學性質方面與僅利用溶劑所緻密化之奈米纖維片相比得以改良。

具體例也可被利用以供將多個前趨體奈米纖維片一起緻密化成單一之合併的緻密化奈米纖維片。在這些具體例中，具有均一組成和結構之單一之合併且緻密化之片可由該多個前趨體奈米纖維片製造。亦即，即使利用多個前趨體奈米纖維片，在該單一之合併的緻密化奈米纖維片內沒有可偵測之能指出該前趨體奈米纖維片之間的邊界的非均一性。這些具體例之一優點是緻密化奈米纖維片的製造，該緻密化奈米纖維片在結構上是均一且具有與由單一奈米纖維叢所拉伸之奈米纖維片對應之電學性質和機械性質。以此方式，與利用單一奈米纖維叢(其僅利用溶劑單次緻密化產生)而由單一奈米纖維叢所製造之奈米纖維片和紗相比，更長、更厚、更緻密之奈米纖維片和奈米纖維紗可由本揭示內容之單一的經結合緻密化之奈米纖維片製造。

其他具體例和優點將鑑於本揭示內容被理解。接著討論碳奈米纖維、奈米纖維叢、及奈米纖維片以對本揭示內容之具體例的描述提供背景。碳奈米纖維和碳奈米纖維片的性質

如本文中使用的，“奈米纖維”一詞意指具有小於1μm直徑的纖維。雖然本文中之具體例初步被描述成由碳奈米管製造，將理解可以利用其他的碳同素異形體，不管是石墨烯、微米級和奈米級石墨纖維及／或板，甚至是奈米級纖維之其他組成物諸如氮化硼，以利用下述技術製造奈米纖維片。如本文中使用的，“奈米纖維”和“碳奈米管”二詞包含單壁型碳奈米管及／或多壁型碳奈米管，其中碳原子被連接在一起以形成圓柱形結構。在一些具體例中，如本文中引用之碳奈米管具有4與10之間的壁。如本文中使用的，“奈米纖維片”或簡稱“片”是指經由拉伸製程(如在PCT公開WO 2007/015710中描述，且藉由引用將其整體併入本文中)對齊以致該片之奈米纖維的長軸平行於該片之主表面而非垂直於該片之該主表面(亦即呈該片之正被沉積形式，常被稱為“叢”)的片。

碳奈米管之尺寸可根據所利用之製造方法大幅地變化。例如，碳奈米管之直徑可以是0.4 nm至100 nm且其長度範圍可以是10μm至大於55.5cm。碳奈米管也能具有極高的縱橫比值(長度對直徑的比值)，而一些高達132,000,000:1或更高。假定有該廣範圍之尺寸可能性，碳奈米管之性質是高度可調節或調整的。雖然碳奈米管之很多奇妙性質已經確認，在實際應用中治理碳奈米管之該等性質需要一種使該碳奈米管之特徵能維持或加強的可規模化且可控制之製造方法。

由於其獨特結構，碳奈米管擁有特別的機械、電學、化學、熱學和光學性質而使其極適合某些應用。尤其，碳奈米管展現優越的導電性、高機械強度、良好熱穩定性和疏水性。除了這些性質以外，碳奈米管也可展現有用的光學性質。例如，碳奈米管可被用在發光二極體(LED)和光檢器以發射或檢測在窄選波長下的光。碳奈米管也可證明有用於光子傳送及／或聲子傳送。奈米纖維叢

根據該揭示內容之多種具體例，奈米纖維(包括但不限於碳奈米管)可布置成多種配置，包括在本文中被稱為“叢”之配置。如本文中使用的，奈米纖維或碳奈米管之“叢”是指經實質互相平行排列在基材上之具有約等效尺寸的奈米纖維陣列。圖1顯示在基材上之奈米纖維的實例叢。該基材可以是任何形狀，但在一些具體例中該基材具有平的表面，其上該叢被組合。如圖1中可見到的，在該叢中該奈米纖維在高度及／或直徑方面可以約相等。

如本文中揭示之奈米纖維叢可以是相對緻密的。特別地，該經揭示之奈米纖維叢可具有至少10億個奈米纖維/cm² 的密度。在一些特定具體例中，如本文中描述之奈米纖維叢可具有在100億個/cm² 與300億個/cm² 之間的密度。在其他實例中，如本文中描述之奈米纖維叢可具有在900億個奈米纖維/cm² 範圍中的密度。該叢可包括高密度區或低密度區且特定區可以沒有奈米纖維。在一叢內之奈米纖維也可展現纖維間連接性。例如，在一奈米纖維叢內接鄰奈米纖維可藉由凡得瓦爾力互相吸引。用於製造奈米纖維叢之實例方法

可利用多種方法以製造根據本揭示內容之奈米纖維叢。例如，在一些具體例中，可使奈米纖維可在高溫爐中成長。在一些具體例中，可將觸媒沉積在基材上，放置在反應器中，然後可曝於經供應至該反應器之燃料化合物。基材可耐受高於800℃至1000℃之溫度且可以是惰性材料。該基材可包含設置在下方之矽(Si)晶圓上的不鏽鋼或鋁，雖然可以利用其他陶瓷基材以代替該Si晶圓(例如氧化鋁、氧化鋯、SiO₂ 、玻璃陶瓷)。在該叢之奈米纖維為碳奈米管的實例中，可以利用以碳為基質之化合物諸如乙炔以作為燃料化合物。在被導至該反應器之後，該燃料化合物然後開始累積在該觸媒上且藉由從該基材向上成長可組合而形成奈米纖維叢。

用於奈米纖維成長之實例反應器的圖解係在圖2中被顯示。如在圖2中可見的，該反應器可包括加熱區，其中基材可被定位以促進奈米纖維叢成長。該反應器也可包括氣體入口，其中燃料化合物和載劑氣體可被供應至該反應器；及氣體出口，其中廢燃料化合物和載劑氣體可由該反應器釋出。載劑氣體之實例包括氫、氬、和氦。也可將這些氣體(尤其是氫)導至該反應器以促進該奈米纖維叢之成長。另外，可將待併入該奈米纖維之摻雜劑添加至該氣流。在該奈米纖維叢之沉積期間添加摻雜劑之實例方法係在PCT公開WO 2007/015710之287段描述，其在先前已藉由引用將其整體併入本文中。摻雜或提供添加劑至該叢的其他實例方法包括表面塗覆、摻雜劑注入、或其他沉積及／或原位反應(例如電漿引發之反應、氣相反應、濺鍍、化學蒸氣沉積)。實例添加劑包括聚合物(例如聚(乙烯醇)、聚(伸苯基對苯二甲醯苯二胺)型樹脂、聚(對伸苯基苯並雙噁唑)、聚丙烯腈、聚(苯乙烯)、聚(醚醚酮)和聚(乙烯基吡咯二酮、或其衍生物和組合物)、元素或化合物(例如氟)的氣體、鑽石、鈀和鈀合金等等。

在奈米纖維成長期間之反應條件可被更改以調節所得奈米纖維叢之性質。例如，該觸媒之粒度、反應溫度、氣體流速及／或反應時間可視需要被調節以製造具有所要規格之奈米纖維叢。在一些具體例中，控制觸媒在該基材上的位置以形成具有所要圖案之奈米纖維叢。例如，在一些具體例中，將觸媒沉積成圖案在該基材上且由該圖案化觸媒所成長之叢同樣地被圖案化。例示觸媒包括附帶氧化矽(SiO₂ )或氧化鋁(Al₂ O₃ )之緩衝層的鐵。這些可利用化學沉積(CVD)、經壓力輔助之化學沉積(PCVD)、電子束(eBeam)沉積、濺鍍、原子層沉積(ALD)、經雷射輔助CVD、經電漿強化CVD、熱學蒸發、多種電化學方法等等被沉積在該基材上。

在形成後，該奈米纖維叢可隨意地被改質。例如，在一些具體例中，可將該奈米纖維叢曝於處理劑諸如氧化劑或還原劑。在一些具體例中，該叢之奈米纖維可隨意地藉由處理劑被化學官能化。處理劑可藉由任何適合方法(包括但不限於化學蒸氣沉積(CVD)或以上呈現之其他技術和添加劑／摻雜劑的任一者)被導至該奈米纖維叢。在一些具體例中，該奈米纖維叢可被改質以形成圖案化之叢。該叢之圖案化可例如藉由從該叢選擇性移除奈米纖維而完成。移除可透過化學或物理措施達成。奈米纖維片

除了排列成叢配置，本申請案之奈米纖維也可排列成片配置。如本文中使用的，“奈米纖維片”、 “奈米管片”或簡稱“片”等詞是指奈米纖維之布置，其中該奈米纖維在一平面上首尾對齊(aligned end-to-end)。在一些具體例中，該片具有比該片厚度大超過100倍之長度及／或寬度。在一些具體例中，長度、寬度或兩者比該片之平均厚度大超過10³ 、10⁶ 或10⁹ 倍。奈米纖維片具有例如在約5 nm與30μm之間的厚度及任何適合所企求之應用的長度和寬度。在一些具體例中，奈米纖維片可具有在1cm與10公尺之間的長度和在1cm與1公尺之間的寬度。這些長度僅供說明之用。奈米纖維片之長度和寬度受限於該製造裝置之配置且不限於奈米管、叢、或奈米纖維片之任一者的物理或化學性質。例如，連續製程可製造任何長度之片。這些片隨著其被製造，可被捲繞在滾筒上。

實例奈米纖維片之闡明係在圖3中顯示，附帶闡明相對各維。如在圖3中可見到的，其中之該奈米纖維被首尾對齊的軸被稱為奈米纖維對齊之方向。在一些具體例中，奈米纖維對齊之方向可以連續貫穿整個奈米纖維片。奈米纖維彼此無須完美平行且據了解：奈米纖維對齊之方向是該奈米纖維對齊方向的平均或共同量度。

奈米纖維片可被疊合在另一者上方以形成多層片疊合物。奈米纖維片可被疊合以具有相同的奈米纖維對齊方向或具有不同的奈米纖維對齊方向。任何數目之奈米纖維片可被疊合在另一者上方以形成多層奈米纖維片疊合物。例如，在一些具體例中，奈米纖維片疊合物可包括2、3、4、5、10、或更多個別奈米纖維片。在疊合物中相鄰片上的奈米纖維對齊之方向可相差少於1°、少於5°或少於10°。在其他具體例中，在相鄰片或交錯片上奈米纖維對齊之方向可以相多於40°、多於45°、多於60°、多於80°或多於85°。在一特定具體例中，在相鄰片或交錯片上奈米纖維對齊之方向可以是90°。多層片疊合物可包括其他材料諸如聚合物、金屬和黏著劑在個別奈米纖維片之間。

奈米纖維片可利用能製造該片之任何類型的適合製程來組合。在一些實例具體例中，奈米纖維片可由奈米纖維叢拉伸。由奈米纖維叢拉伸之奈米纖維片的實例係在圖4中顯示。

如在圖4中可見到的，該奈米纖維可由該叢側向地拉伸且後續首尾對齊以形成奈米纖維片。在其中之奈米纖維片係由奈米纖維叢拉伸的具體例中，可控制該叢之尺寸以形成具有特別尺寸之奈米纖維片。例如，該奈米纖維片之寬度可以約等於該奈米纖維叢(該片係由此叢拉伸)之寬度。另外，該片之長度可例如藉由在該片所需長度已達到時結束該拉伸製程來控制。

奈米纖維片具有很多可被開發以供多種應用之性質。例如，奈米纖維片可具有可調整之濁度、高機械強度和彈性、導熱性和導電性，且也可展現疏水性。假定在片內該奈米纖維高度對齊，奈米纖維片可以是極薄的。在一些實例中，奈米纖維片是在約10 nm厚度等級上(如在標準測量容許度內所測得的)，使其近似二維。在其他實例中，奈米纖維片之厚度可高達200 nm或300 nm。因此，奈米纖維片可將最小之額外厚度加給組件。

和奈米纖維叢一樣，在奈米纖維片中之奈米纖維可藉由添加化學基團或元素至該片之該奈米纖維之一表面而被處理劑官能化且藉此提供與單獨之該奈米纖維不同之化學活性。奈米纖維片之官能化可對經預先官能化之奈米纖維實施或可對未預先官能化之奈米纖維實施。可以使用在本文中描述之技術(包括但不限於CVD)和不同之摻雜技術實施官能化。

在金屬化及／或聚合物滲透之前，奈米纖維片如本文中所揭示的，也可具有高純度，其中在一些例子中多於90%、多於95%或多於99%之重量百分率的該奈米纖維片是由奈米纖維產生。同樣地，該奈米纖維片可包含多於90%、多於95%、多於99%或多於99.9%之重量百分率的碳。

如以上指明的，奈米纖維片可藉由施加且後續移除溶劑而緻密化。然而，此溶劑緻密化製程使該奈米纖維片的尺寸收縮，除非貼合至下方基材。在此尺寸收縮期間，在由該叢拉伸該片期間所產生之在該片中奈米纖維之間的物理纏結被保留。在奈米纖維之間的纏結限制奈米纖維片能被緻密化的程度，因為個別奈米纖維之移動自由度可被這些纏結所限制。亦即，有時可防止奈米纖維變更直且與附近奈米纖維更對齊，因為其移動被另一奈米纖維之物理衝擊所防止。這些經保留之纏結因此限制奈米纖維片能藉由溶劑緻密化的程度。當將此類型奈米纖維片加工成紗時，通常需要額外扭轉以提高該紗密度而克服這些纏結。

與此單獨溶劑緻密化技術不同的，本文中揭示之具體例係藉由施加熱和在一些實例中包括壓縮分量和伸張分量之任一者或二者的力將奈米纖維片緻密化。圖5是方法流程圖，其闡明在一具體例中利用熱和力之組合將至少一奈米纖維片緻密化的方法500。圖6A-6C、和圖7A和7B闡明實施該方法500之實例系統。

該方法500藉由提供504至少一奈米纖維叢且拉伸508該至少一奈米纖維叢成至少一奈米纖維片而開始。該奈米纖維叢可例如使用在以上圖1至4之內容中所述技術以及在PCT公開WO 2007/015710(其整體藉由引用被併入本文)中描述之技術來製造且拉伸。在多於一個奈米纖維叢被提供504且被拉伸508成多於一個奈米纖維片的具體例中，該二或更多個奈米纖維叢可被物理性地重疊512。重疊奈米纖維片之概略闡明係在圖7B中顯示。

不管根據該方法500所加工之奈米纖維片的數目為何，該至少一奈米纖維片係藉由提供熱及具有壓縮分量和伸張分量之至少一者的力而緻密化516。用於對該奈米纖維片提供熱及壓縮力和伸張力之至少一者的實例系統係在圖6A、6B、6C、7A、和7B中說明，各圖係在以下更詳細地被描述。

在一些具體例中，在緻密化516之期間或之後，可對該奈米纖維片施加520溶劑或溶劑蒸氣。溶劑或溶劑蒸氣之施加520可將奈米纖維片進一步緻密化或被利用以將第二材料導至該奈米纖維片內。例如，可利用該溶劑或溶劑蒸氣作為載劑將聚合物分子、非揮發性或低揮發性分子、石墨烯奈米粒子、和其他奈米粒子供應至該奈米纖維片表面或進入該奈米纖維片內部。

在一些具體例中，經緻密化奈米纖維片可被紡絲524成奈米纖維紗。在由本揭示內容之奈米纖維片製造之奈米纖維紗的實例中，該紗之機械性質和電學性質比由常見之僅用溶劑緻密化之奈米纖維片更被改良。

不管是奈米纖維紗或是奈米纖維片，該經緻密化材料可被收集528，例如經纏繞捲絲管或卷軸。緻密化系統

圖6A、6B、6C、7A、和7B概略說明在本揭示內容之具體例中用於利用熱和力將至少一奈米纖維片緻密化之系統的多種具體例及其各方面。

圖6A闡明在一具體例中用於利用熱和力將至少一奈米纖維片緻密化之實例系統600的側視圖。該實例系統600包括設置在基材608上之奈米纖維叢604、經加熱桿616A-616C、導引結構620和捲絲管624。

該奈米纖維叢604可根據以上在圖1-4之內容描述之方法所製造。該基材608可以是在其上成長該奈米纖維叢604之成長基材或置換(replacement)基材。例如，如其整體藉由引用被併入本文中之美國專利9,964,783描述地，奈米纖維叢604可被轉移到與該成長基材不同之基材608。該經轉移之奈米纖維叢可被操控以在拉伸該叢604成奈米纖維片之前將該奈米纖維與該下方基材608所呈之角度再定向。

不管基材608的類型為何，該奈米纖維叢604(或叢)被拉伸成奈米纖維片612。該奈米纖維片612之一表面然後與經加熱桿616A之“上方”表面接觸。該實例系統600也包括使奈米纖維片分別通過下方和上方之第二經加熱桿616B和第三經加熱桿616C。

可以理解的是，經加熱桿(一般是616)之數目在本揭示內容之不同具體例中係能被改變的。可以理解的是，使用至少兩個經加熱桿616將使該奈米纖維片612之雙面能曝於熱和力。然而，可以理解的是，其他裝置能完成此目標，諸如經上下排列(亦即“滾壓磨機”配置)以使該奈米纖維片612被滾壓通過之一對相鄰的經加熱滾筒等等。進一步可以理解的是，該經加熱桿616本身不可被加熱，而是隨著該奈米纖維片緊靠著該桿616被拉伸過該桿616，熱可由外部來源被施加至該奈米纖維片612。外部熱來源之實例包括但不限於經強制之熱空氣來源、IR加熱器、輻射加熱器及其他加熱器。

每一經加熱桿616可實施至少兩項功能。第一功能是對該奈米纖維片612之與該經加熱桿616接觸之部分提供熱。該熱可使個別奈米纖維變得更直，且減少在該片內接鄰設置之奈米纖維間的纏結數目(或程度)。這些功能之一或兩者能使個別奈米纖維間的空間減少且在該片612內個別奈米纖維間的對齊增加。第二功能是要在該奈米纖維片612上提供力，該力也能拉直奈米纖維並增加奈米纖維間之對齊，因此整體使該片緻密化。在這些實例中，該力係藉由拉伸該奈米纖維片612經過所顯示之系統而提供。亦即，藉由改變該片與一或更多個經加熱桿616所呈的定向且利用該桿616表面接觸該片612(極類似家用蒸汽熨斗)，該拉伸力(例如藉由捲絲管所提供)可被轉變成包括伸張力和壓縮力兩者。這些力之相對大小可基於該片612被拉伸過特定桿616時的角度而被改變。

不管該拉直或經提高之對齊是藉由熱或力(或兩者)所造成，一結果是隨著該奈米纖維片612整體在橫截面積和體積上的減少，提高每單位體積之奈米纖維片612的奈米纖維密度。該經提高之密度和對齊可提高該經緻密化奈米纖維片612之伸張強度，提高伸張強度且也可提高該奈米纖維片612之導電度。更普遍地，在本文中描述之該緻密化方法和系統提高作為該片之奈米纖維間之凡得瓦爾力交互作用之強度的函數的性質，因為在該片中該個別奈米纖維被拉直且由於該拉直(及纏結之減少)彼此更接鄰設置。

經加熱桿616可包括能產生在任一以下範圍內之表面溫度的電熱元件或其他熱源：從100℃至200℃；從100℃至500℃；從100℃至600℃；從500℃至600℃；從50℃至100℃；從100℃至200℃；從200℃至300℃；從250℃至300℃；從150℃至200℃；從300℃至600℃；從400℃至600℃；從400℃至500℃；從400℃至500℃。該經加熱桿616也可以低表面能量但熱穩定之塗料(例如聚四氟乙烯)塗覆以減少該經加熱桿616與該奈米纖維片612之間在接觸期間的摩擦係數。

在一些實例中，該經加熱桿616也可包括界定在接觸表面內之一或多個能讓溶劑或溶劑蒸氣由此通過之埠(ports)。該溶劑或溶劑蒸氣(不管是水蒸氣、甲苯、乙醇、甲醇等)可被利用以進一步將該奈米纖維片612緻密化且／或改良個別奈米纖維間之對齊。在一些實例中，該溶劑或溶劑蒸氣也可被利用作為載劑以對該奈米纖維片612之表面或內部提供另一物質。例如，聚合物(例如黏著劑)可在溶劑中溶合且然後透過界定在該經加熱桿616之接觸表面中的埠施加至該奈米纖維片612。在另一實例中，在懸浮於溶劑中且將溶劑或溶劑蒸氣施加至該奈米纖維片612時，可對該奈米纖維片612之表面及／或內部提供膠態粒子或奈米粒子(例如銀奈米粒子、石墨烯奈米粒子)。

該系統600也包括設置在該經加熱桿616C與該捲絲管624之間的導引結構620。該導引結構620幫助該奈米纖維片612與該捲絲管624相對定位以致該奈米纖維片一致地且均勻地纏繞在捲絲管624上。亦即，該導引結構620維持該奈米纖維片612與該捲絲管624相對的定向和對齊以促進該奈米纖維片612纏繞在該捲絲管624上。

該奈米纖維片612可藉由捲絲管624被拉伸過該經加熱桿616。該奈米纖維片612之第一端被貼合至該捲絲管624。該捲絲管624然後在一方向上旋轉以對該奈米纖維片612提供力而使該奈米纖維片由該叢604被拉伸過該經加熱桿616(且與該經加熱桿616接觸)。該捲絲管624之旋轉可利用多種機轉之任一者(包括電動馬達、軸承、及其組合)來完成。最後，該經緻密化材料(不管是奈米纖維片還是由該奈米纖維片所紡成之奈米纖維紗)藉由該捲絲管624收集。

如上述，藉由該捲絲管624所施加而最終由該奈米纖維叢604拉伸該奈米纖維片612的拉伸力，在與經合適放置之經加熱桿616的合作下，可轉變成具有伸張分量和壓縮分量兩者的力。這些分量可有助於奈米纖維在該奈米纖維片內的對齊及該奈米纖維片612本身的緻密化。

將由該捲絲管624所產生之拉伸力轉變成具有伸張分量和壓縮分量之力可藉由將該經加熱桿616之至少一者及或一或多個導引結構620放置在與含有該奈米纖維叢604和該捲絲管624之參考平面626有偏移之位置而完成。此與該含有該奈米纖維叢604和該捲絲管624之參考平面626之偏移使該奈米纖維片612彎曲在該至少一經加熱桿616周圍。如圖6B中顯示的，該奈米纖維片612之彎曲或同形在經加熱桿616周圍使藉由該捲絲管624對該奈米纖維片612所提供之力有兩個分量：壓縮力分量(等效地被稱為“垂直力分量”)和伸張力分量(等效地被稱為“水平力分量”)。這些力皆促進奈米纖維之對齊和該奈米纖維片612之緻密化。當對該奈米纖維片612施加該力分量與熱時，對齊和緻密化的程度可被提高。在另一實例中，當對該奈米纖維片612施加該力分量與熱和溶劑或溶劑蒸氣時，對齊和緻密化的程度可被提高。在本文之一些實例中，該壓縮力和伸張力之一或兩者可具有在以下任一範圍內的值：從0.1牛頓(N)/cm片寬度至1N/cm片寬度；從0.1N/cm片寬度至2N/cm片寬度；從0.1N/cm片寬度至5N/cm片寬度；從0.1N/cm片寬度至10N/cm片寬度；及從1N/cm片寬度至100N/cm片寬度。

圖6C闡明該系統600之一種替代配置630。在該替代配置630中，該經加熱桿616之排列於該系統600的排列。如所示，該經加熱桿616A被排列以使該奈米纖維片612在該經加熱桿616A之“下方”表面上與該經加熱桿616A接觸，然後在該經加熱桿616B之“上方”表面上接觸。這是與以上在圖6A內容所顯示且描述者相反的接觸順序。該系統630也包括設置在該經加熱桿616C和該捲絲管624之間的導引結構620。該導引結構620幫助該奈米纖維片612相對於該捲絲管624定位以使該奈米纖維片一致地且均勻地纏繞在該捲絲管624上。亦即，該導引結構620維持該奈米纖維片612與該捲絲管624相對的定向和對齊以促進該奈米纖維片612纏繞在該捲絲管624上。

圖6C也包括張力降低滾筒634。此隨意之張力降低滾筒634藉由在與該捲絲管624之旋轉方向相對之方向上旋轉而在與該奈米纖維片612之行進方向(如在圖6C中由箭頭所指明的)相反之方向上旋轉。此相反旋轉降低在該捲絲管624與該導引結構620之間該奈米纖維片的位置上該捲絲管624對該奈米纖維片612所賦予之力。在一些具體例中，該張力降低滾筒634與彈性元件(例如彈簧)連接以使該張力降低滾筒634能垂直於該經加熱桿616地行進，因此進一步控制對該奈米纖維片612的張力。

在一些具體例中，對該奈米纖維片612在該經加熱桿616A-616C之每一者所施加之該壓縮分量與伸張分量的相對大小可藉由該經加熱桿616A-616C之每一者的彼此相對及與該參考平面626相對放置而改變。例如，將該經加熱桿616B放置在該經加熱桿616正下方會增加該奈米纖維片612在該經加熱桿616A所遭受之壓縮分量。可選擇地，彼此水平分開地且在該參考平面626之任一側緊接地放置該經加熱桿616B和該經加熱桿616A會增加該奈米纖維片612所遭受之該經施加之力的伸張分量，相對該壓縮分量。該經加熱桿616之這些和其他配置可影響在緻密化時該奈米纖維片612之微結構和物理性質和電學性質。在一些實例中，該經加熱桿616B之角度(在連接616A與616B之中心的想像射線之間和該想像射線與該參考平面626的交點所測得的)可在下列範圍之任一者內：從5°至90°；從5°至45°；從45°至90°；從1°至30°；從30°至60°；從60°至90°；從45°至160°；從90°至160°。會理解：通常隨著角度增加，該力之壓縮分量也增加。

圖7A闡明用於將多個奈米纖維叢緻密化成單一奈米纖維片的系統700的側視圖。圖7B闡明該替代具體例系統700之平面視圖。同時引用圖7A和7B會有助說明。

該系統700包括很多以上已描述之元素，包括經加熱桿616A-616C、導引結構620、和捲絲管624。在前述元件之外，該系統700包括三個分別設置在對應基材608A、608B、和608C上之奈米纖維叢604A、604B、604C。奈米纖維叢604A、604B、和604C被分別拉伸成對應之前趨體奈米纖維片612A、612B、和612C。該三個奈米纖維片612A、612B、和612C在該第一經加熱桿616A互相對齊。在該經加熱桿616A(及隨意地在所示實例中之經加熱桿616B和616C)在對該三個奈米纖維片612A、612B、和612C加熱且施加伸張力和壓縮力時，該經對齊之三個奈米纖維片612A-612C被緻密化成具有連續微結構之單一合併的奈米纖維片704。亦即，該單一合併之奈米纖維片704之微結構沒有對應於該前趨體奈米纖維片612A、612B、和612C的不連續性，而是具有與由單一前趨體奈米纖維片612製造之經緻密化奈米纖維片相等之結構、奈米纖維對齊、和片密度。

在圖7B顯示之實例方案中，該奈米纖維片之寬度在緻密化期間與正被拉伸之前趨體奈米纖維片612A-612C之寬度相比係減小。該較窄配置可被稱為“奈米纖維帶狀物”。在此實例中，對應於奈米纖維帶狀物形成之寬度上的劇烈降低被顯示是發生在經加熱桿616C。然而，在一些實例中，經緻密化之片704成為奈米纖維帶狀物在寬度上的減小比在圖7B中顯示之實例更平緩，此在該圖中被強調以方便說明。在一些實例中，奈米纖維帶狀物形成點可以在經加熱桿616A與616B，616B與616C，或616C與捲絲管624之間。由該奈米纖維片形成奈米纖維帶狀物之點可以是下列的函數：經緻密化成單一合併片的奈米纖維片的數目、拉伸力、該力之壓縮分量對該力之伸張分量的比值、用以將該奈米纖維片緻密化之經加熱桿(或桿)之溫度、其組合等等。帶狀物形成之其他實例在圖9A至9C之內容被顯示且描述。

在一些情況下，諸如奈米纖維粒子之材料可在該個別前趨體之片被結合前被添加至該單一(複合的)奈米纖維片。例如，傳導性奈米粒子、石墨烯粒子或溶劑可被沉積在前趨體之片612A、612B及／或612C上或之間。一旦形成為單一合併奈米纖維片704，該等添加劑可被併入該單一複合片中且可均勻地或非均勻地設置在該單一複合片中。

根據本揭示內容之具體例的對齊奈米纖維和緻密化奈米纖維片的效果在圖8中概略闡明。該配置804闡明在奈米纖維間之任何緻密化或對齊之前正被拉伸狀態的奈米纖維片。如可見到的，該個別奈米纖維部分地由於使每一個別奈米纖維符合(conformed)多個不同方向而被纏結。

該配置808闡明根據本揭示內容之具體例所加工之奈米纖維片。亦即，利用熱和具有壓縮分量和伸張分量之力緻密化的奈米纖維片會具有一種微結構，其特徵在於具有比正被拉伸狀態者更直且更緊密設置在一起之個別奈米纖維符合(conformation)。因為與圖8中顯示之較不直且更多纏結之奈米纖維相比，在該奈米纖維片內之單位體積有更多這些更直且更少纏結之奈米纖維，這有提高奈米纖維片密度的效果。

該配置812闡明已根據本揭示內容之具體例重複緻密化之奈米纖維片。如顯示的，本文所述之方法和系統之重複應用製造具有高度對齊之最少纏結的奈米纖維的微結構的奈米纖維片，且因此，產製高度緻密之奈米纖維片。具有諸如在812中闡明之奈米纖維對齊及密度之奈米纖維片由於該高度對齊和緻密微結構，會具有經改良之機械性質和電學性質。

圖9A、9B、和9C闡明在具體例中根據三種不同之加工條件，由奈米纖維叢所拉伸之奈米纖維片之三個平面視圖。圖9A、9B、和9C之平面視圖之每一者包括前述元件，就是包括在基材900上之奈米纖維叢902、由奈米纖維叢902拉伸之奈米纖維片904、經加熱桿908A-908C、導引結構912、和捲絲管916。

該圖9A、9B、和9C分別闡明點920A、920B、和920C，在這些點，經緻密化奈米纖維片如上述由於經施加之熱和力而將自身重配置成更窄且更緻密之奈米纖維帶狀物。如以上在圖7B之內容所指明的，點920A-920C之位置可以是溫度、拉伸力大小、及對該奈米纖維片所施加之該拉伸力之伸張分量與壓縮分量之相對大小等等之一或多者的函數。如圖9A中顯示的，在第三經加熱桿908C與該導引結構912之間，該奈米纖維片將自身重配置成奈米纖維帶狀物。此位置(在第三經加熱桿908C之後且緊鄰該捲絲管916)在經驗上已發現會產製異常緻密之奈米纖維帶狀物，其轉而可被加工成緻密奈米纖維紗。在一實例中，根據圖9A所產製之奈米纖維帶狀物可被扭轉成奈米纖維紗，其具有約從5°至10°之低的奈米纖維扭轉角度，同時具有與僅用溶劑緻密化而與具有15°或更大之扭轉角度之紗一同扭轉之叢相同或更佳之密度、伸張強度、及導電性。進一步之考量

本揭示內容之該具體例的先前描述已經呈現以供闡明目的；該描述無意要鉅細靡遺或要將該申請專利範圍限制於所揭示之精確形式。在相關技藝中之技術人員能理解：鑒於以上揭示內容，很多改良型和變化型是可能的。

在本說明書中之用語原則上被選擇以供閱讀和指導目的，且其可以不被選擇以描述或定義本發明之主題。因此意圖使本揭示內容不被此詳細說明所限制，而是被任何對基於該詳細說明之申請案所發布之申請專利範圍所限制。因此，該具體例之揭示內容意圖是闡明而非限制在以下申請專利範圍中所列之本發明的範圍。

604、604A、604B、604C‧‧‧奈米纖維叢

608、608A、608B、608C‧‧‧基材

612‧‧‧奈米纖維片

616、616A、616B、616C‧‧‧經加熱桿

620‧‧‧導引結構

624‧‧‧捲絲管

630‧‧‧系統600之替代配置

634‧‧‧張力降低滾筒

900‧‧‧基材

904‧‧‧奈米纖維片

908A、908B、908C‧‧‧經加熱桿

912‧‧‧導引結構

916‧‧‧捲絲管

圖1闡明在一具體例中之在基材上的奈米纖維之實例叢。

圖2是在一具體例中用於使奈米纖維成長之反應器的概略圖解。

圖3是在一具體例中之奈米纖維片的闡明，其確認該片之相對尺寸且概略描繪在與該片平行之平面上且於該片內頭尾對齊(aligned end-to-end)的奈米纖維。

圖4是由奈米纖維叢被側向拉伸之奈米纖維片的影像，該奈米纖維是頭尾對齊的，如圖3概略顯示的。

圖5是在一具體例中利用熱和力之組合將至少一奈米纖維片緻密化的實例方法的方法流程圖。

圖6A和6C闡明在一具體例中利用熱和力將奈米纖維片緻密化的實例系統的側視圖。

圖6B概略闡明當奈米纖維片被拉伸過且接觸圖6A和6C中顯示之該實例系統的一組件時，該奈米纖維片所遭受之力的分量。

圖7A闡明在一具體例中利用熱及力同時將多於一個奈米纖維片一次緻密化成單一的合併奈米纖維片的實例系統的側視圖。

圖7B闡明在一具體例中圖7A之實例系統的平面視圖。

圖8概略闡明在一具體例中於重複施加熱及力時個別奈米纖維在奈米纖維片中的逐漸對齊。

圖9A、9B、和9C闡明在一具體例中根據不同之加工條件所拉伸之奈米纖維片的平面視圖。

該等圖係描述本揭示內容之多種具體例以僅供闡明目的。很多變化型、配置、和其他具體例將由以下詳細討論所顯明。另外，如將被理解的，該等圖無須按比例繪製或無意將該經描述之具體例限制於所顯示之特定配置。例如，雖然一些圖通常指示直線、直角、和平滑表面，該經揭示之技術的真實執行可具有非完美直線和直角，且若已知製造製程之工作限制，一些特徵可具有表面地形，或在其他狀況下為非平滑的。簡言之，該等圖僅供顯示實例結構。

Claims

一種方法，其包含：　　將至少一奈米纖維叢(forest)拉伸成至少一奈米纖維片；及　　對該至少一奈米纖維片提供熱和具有伸張分量和壓縮分量之力，其中該經提供之熱和該經提供之力使奈米纖維在該至少一奈米纖維片內對齊且提高該至少一奈米纖維片之密度。
如申請專利範圍第1項之方法，其中該經提供之熱、該伸張力分量和該壓縮分量之至少一者藉由降低該奈米纖維片之個別奈米纖維之間的平均間隔而提高該奈米纖維片的密度。
如申請專利範圍第1項之方法，其中該經提供之熱、該伸張力分量和該壓縮分量之至少一者減低該至少一奈米纖維叢之奈米纖維之間的纏結(entanglements)數目。
如申請專利範圍第1項之方法，其中：　　該至少一奈米纖維片具有第一面和與該第一面相對之第二面；且　　對該第一面，然後對該第二面提供該經提供之熱、該伸張分量和該壓縮分量之至少一者。
如申請專利範圍第1項之方法，其中：　　該至少一奈米纖維片具有第一面和與該第一面相對之第二面；且　　同時對該第一面和該第二面提供該經提供之熱、該伸張分量和該壓縮分量之至少一者。
如申請專利範圍第1項之方法，其中該奈米纖維片在該熱和該力之提供期間不曝於溶劑。
如申請專利範圍第1項之方法，其進一步包含在對該奈米纖維片提供該熱和該力之至少一者的同時，對該奈米纖維片提供溶劑蒸氣。
如申請專利範圍第7項之方法，其進一步包含對該奈米纖維片提供奈米粒子，該奈米粒子係懸浮在該溶劑蒸氣中。
如申請專利範圍第7項之方法，其進一步包含對該奈米纖維片提供膠態粒子，該膠態粒子係懸浮在該溶劑蒸氣中。
如申請專利範圍第7項之方法，其進一步包含對奈米纖維片提供聚合物分子，該聚合物分子係藉由該溶劑蒸氣溶合。
如申請專利範圍第1項之方法，其中將至少一奈米纖維叢拉伸成該至少一奈米纖維片係包含將多個奈米纖維叢拉伸成對應之多個前趨體奈米纖維片。
如申請專利範圍第11項之方法，其中將該多個前趨體奈米纖維片緻密化成具有連續微結構之單一的合併奈米纖維片。
如申請專利範圍第12項之方法，其中該連續微結構包含其中之該前趨體奈米纖維片在緻密化後即彼此不能區分的微結構。
如申請專利範圍第1項之方法，其中對該至少一奈米纖維片所提供之熱係包含將該奈米纖維片之第一表面曝於具有100℃至600℃之溫度的表面。
一種奈米纖維加工系統，其包含：　　第一經加熱桿、第二經加熱桿、及第三經加熱桿，其中該第一經加熱桿、該第二經加熱桿及該第三經加熱桿不與參考平面共平面；及　　經配置以供在第一方向上旋轉移動的捲絲管。
如申請專利範圍第15項之奈米纖維加工系統，其中該參考平面係藉由包括該捲絲管和奈米纖維叢基材的平面所定義。
如申請專利範圍第15項之奈米纖維加工系統，其中該第一經加熱桿、該第二經加熱桿和該第三經加熱桿無一互相共平面。
如申請專利範圍第15項之奈米纖維加工系統，其進一步包含：　　至少一基材；及　　設置在該至少一基材之每一者上的奈米纖維叢。
如申請專利範圍第15項之奈米纖維加工系統，其進一步包含設置在該第三經加熱桿和該捲絲管之間的張力降低滾筒，該張力降低滾筒係經配置以供在與該第一方向相反之第二方向上旋轉移動。
如申請專利範圍第15項之奈米纖維加工系統，其進一步包含設置在該捲絲管與該第三經加熱桿之間的導引結構。