TWI658179B - 奈米纖維紗紡紗系統 - Google Patents

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Abstract

使用「假撚｣奈米纖維紗紡紗機及假撚紡紗技術以至少30 m/min(1.8公里(km)/小時(hr)之速率來製造奈米纖維紗之方法、系統及設備。在假撚紡紗技術中，藉由在股線之末端之間的位置點處加撚奈米纖維而將加撚引入至該股線中的該奈米纖維。這不同於「真撚｣技術，其中股線之一端被固定而該股線之相對端被旋轉以將該加撚引入至紗的居間部分。

Description

奈米纖維紗紡紗系統
[0001] 本發明整體而言係關於紗製造。詳言之，本發明係關於奈米纖維紗紡紗系統。
[0002] 棉、聚酯、亞麻、羊毛等等材料之短纖維(通常被稱之為「短纖(staples)」)，係藉由將纖維紡紗成紗或線而轉化為更多技術上有用的形式。通常比單一纖維長得多的紗或線可接著被加工成織物。織物可被使用於任何數量的紡織品應用(例如，衣物、寢具、傢具)。 　　[0003] 有數種不同的方法可將單一纖維紡紗成紗或線。通常，係藉由將纖維之兩端固定，且接著將纖維之一端相對於相對端圍繞與纖維對準之縱向軸加撚以產生纖維之螺旋結構來進行紗之紡紗。此程序通常係被稱之為紗紡紗之「真撚」程序。具有「加撚角度」θ之加撚紗係示意性地繪示於圖1A中。在圖1B中係示出纖維被紡紗成真撚紗之示意性呈現圖。 　　[0004] 此加撚程序使短纖維彼此結合，因此形成比單一短纖維長得多的連續之紗之股線。經常使用每單位長度之線之加撚數(亦即，圍繞線之縱向軸之纖維的轉數)來表示線之特徵。此係因為加撚數及被使用於線之纖維的類型提供了線之各種性質的指示。例如，每單位長度之羊毛紗的加撚較少，係維持了在紗內的纖維間空間，因此改善了紗之熱絕緣性質，且為由紗所製成之織物提供了更粗糙的表面紋理。每單位長度之羊毛紗的加撚越多，係產生具有光滑得多之紋理的「精紡」線。
[0005] 本發明之一個實例係包含用於紡紗奈米纖維紗之方法，其包含：在基質上提供奈米纖維叢；以角度α從該基質來抽引該奈米纖維叢以形成奈米纖維薄片；利用流體來浸潤該奈米纖維薄片以形成具有外表面及縱向軸的解撚奈米纖維股線；且在該解撚奈米纖維股線之端點之間向該解撚奈米纖維股線之該外表面施加力，該施加的力係具有垂直於該縱向軸之分量，藉此形成假撚奈米纖維紗。在一實施例中，其中施加該力係包括該解撚奈米纖維股線與該加撚表面之間的接觸。在一實施例中，其中該解撚奈米纖維股線與該加撚表面之間之該接觸係於小於5毫秒期間發生。在一實施例中，其中該解撚奈米纖維股線與該加撚表面之間之該接觸係於小於0.5毫秒期間發生。在一實施例中，其中，施加該力係包括使用聚矽氧橡膠表面。在一實施例中，其中，施加該力係包括使用在該加撚表面與該解撚奈米纖維股線及該奈米纖維紗中之至少一者之間具有從0.25至0.75之摩擦係數的表面。在一實施例中，其中，施加該力係包括使用具有小於30毫牛頓/公尺之表面能之表面。在一實施例中，進一步包括利用聚合物及奈米粒子中之至少一者來浸潤該奈米纖維薄片。在一實施例中，其進一步包括乾燥該解撚奈米纖維股線以移除該流體。在一實施例中，其中，該角度α係在從2°至20°之範圍內。 　　[0006] 本發明之實例係包含奈米纖維紡紗系統，其包含：紡紗機，其包含具有內表面之旋轉撚紗環，該內表面具有小於1公分之曲率半徑；及被設置在基質上的奈米纖維叢，該奈米纖維叢以一角度α從該基質被抽引以在該密緻化工站處形成奈米纖維股線。一實施例，進一步包含乾燥器，該乾燥器係被設置在該密緻化工站與該紡紗機之間。該紡紗機之實施例係進一步包含：框架；圓形軸承，其被安裝至該框架；該圓形軸承，其具有靠近於該框架之外直徑及相對於該外直徑之內直徑；及撚紗環，其具有內表面及外表面，該外表面被安裝至該圓形軸承之該內直徑及曝露之該內表面。在一實施例中，包含容器及有機溶劑之密緻化工站係被設置在該容器中。在一實施例中，其中，該溶劑係進一步包括有機溶劑。在一實施例中，其中，該有機溶劑係包括溶化聚合物及懸浮粒子中之至少一者。該實例之實施例，其中，該角度α係在從2°至20°的範圍內。該實例之實施例係進一步包含用於捲繞離開紡紗機之奈米纖維紗的捲線軸，該捲線軸施加張力至該奈米纖維紗。在一實施例中，該紡紗機係進一步包含：彼此隔開之第一輪及第二輪，該第一輪及該第二輪兩者係被組構成用於旋轉；撚紗帶，其被設置環繞該第一輪及該第二輪兩者，該撚紗帶係藉由該第一輪及該第二輪之該旋轉來旋轉；及複數個支柱，其靠近於該撚紗帶。在一實施例中，其中，該撚紗環具有聚矽氧橡膠表面。其中，該撚紗環之該內表面在該撚紗環與該奈米纖維股線之間係具有從0.25至0.75之摩擦係數。在一實施例中，其中，該撚紗環具有小於30毫牛頓/公尺之表面能。在一實施例中，其中，對應於該撚紗環之該內表面之該撚紗環之內直徑係100 mm。
概述 　　[0021] 使用「真撚」程序來將單一奈米纖維紡紗成奈米纖維紗係構成技術上的挑戰，「真撚」程序係固定單一的奈米纖維之兩端且將固定端中之一端相對於另一端來加撚以產生螺旋結構(如在圖1B中所展示的)。如以下在圖2至5之內容中所描述的，當奈米纖維從奈米纖維「叢」被抽引時，如由以下實例所繪示的，需要極高的轉速來從奈米纖維生產可製造量的紗。假定一個在奈米纖維叢中之奈米纖維密度之常見範圍(大約為每平方公分(cm)十億奈米纖維之量級)，係可藉由在真撚程序中以25,000 RPM的速度來加撚奈米纖維之一端而以1公尺(m)/分鐘(min)的速度來生產具有30 μm直徑的紗。即使在如此高的旋轉之速率(25,000 RPM)下，以1公尺(m)/分鐘(min)的速率來生產紗對於經濟上可行之生產而言亦係太慢。 　　[0022] 再者，即使在真撚紡紗機之25,000 RPM的速率下，以1公尺(m)/分鐘(min)的速率來生產紗對於欲與奈米纖維叢生產達到「平衡」之紗生產而言係太慢。在某些實例中，大約1公分(cm)的奈米纖維叢可被使用以生產大約5公尺的紗。這說明了在奈米纖維紗加工的不同階段中的不平衡：奈米纖維叢能以高於可使用真撚紗紡紗程序來生產成紗之每單位時間的速率來生產。此係設計一個連續程序的障礙，在該程序中，奈米纖維叢係以接近奈米纖維紗生產之速率的速率來生產。對於具有微米尺寸(或更小)直徑之奈米纖維紗尤其如此，因為被使用以在紗中產生給定之加撚角度之在紗中的轉數(及因此真撚紡紗設備之轉數)通常係隨著紗的直徑減小而增加。此係示意性地繪示於圖1C中，其展示比在圖1A中所繪示之紗較小直徑的紗。儘管在圖1A及圖1C中之紗具有相同的加撚角度θ，但是在圖1C中所繪示之較小直徑的紗係包含比在圖1A中所展示之較大直徑的紗更大量的每單位長度之加撚數。隨著紗之每單位長度的轉數增加，在給定的紡紗機之旋轉速率的情況下，紗生產之速率係下降。 　　[0023] 本發明之實施例係包含使用「假撚」紡紗機及假撚紡紗技術而以至少30公尺(m)/分鐘(min)(1.8公里(km)/小時(hr))之速率來製造奈米纖維紗之方法、系統及設備。在假撚紡紗技術中，係藉由將奈米纖維股線加撚於股線之端部之間的點處(亦即，在解撚股線的「中間」)來使用解撚奈米纖維股線而引入加撚，且紗之一端不需要參照紗之第二端來旋轉。此不同於在圖1B中所展示之「真撚」技術，其中，股線之一端被固定(「靜止」)，而股線之相對端係相對於相對固定端旋轉，以將加撚引入至紗之居間部分。 　　[0024] 「假撚」方法之益處係不僅包含更大的生產速率，而且亦包含被使用於將加撚引入至奈米纖維股線之更低的旋轉速度。與以高速(例如，10,000 RPM、15,000 RPM、25,000 RPM或更高的)來操作之設備相比，這些較低的旋轉速度(例如，50 RPM至100 RPM、100 RPM至1000RPM、1000 RPM至10,000 RPM)係降低了加撚設備之成本。較低的旋轉速度繼而降低了設備故障及維護的頻率，其繼而降低了生產奈米纖維紗的成本。對於紗本身的潛在損害亦會減少。再者，與習知纖維(例如，棉花、羊毛、亞麻、聚酯)不同，使用「假撚」將奈米纖維加撚成紗係不容易散開，因為相信在個別的奈米纖維之間的凡得瓦力係提高了在紗內的纖維間內聚力。撚紗環之旋轉速度亦可基於在給定的時間量內或在特定的紗之長度中施加至紗的自旋的數量來進行量測。例如，撚紗環能以每秒1000個紗圓周的速度或每公分的紗1000個紗圓周的速度來旋轉。各種實施例可使用每秒大於100、103 、104 或105 個紗圓周的旋轉速度或每秒小於100、103 、104 或105 個紗圓周的旋轉速度。其他實施例可施加每公分的紗大於100、103 、104 、105 、106 或107 個紗圓周的旋轉速度或每公分的紗小於100、103 、104 、105 、106 、107 、108 個紗圓周的旋轉速度。 　　[0025] 假撚方法的另一個益處係奈米纖維紗之生產的速率與奈米纖維叢之生產的速率更接近一致。生產速度的此種平衡係藉由減少對於在內部庫存點處的大批加工中工作的程序及積累的需要來促進連續程序的設計。連續程序通常被認為係比大批程序更經濟且具有更少的品質缺陷，因此降低了生產奈米纖維紗的成本。本發明之實施例的又另一個優點係將奈米纖維叢連續加工成解撚奈米纖維之股線(在本文中被稱之為「奈米纖維股線」或「解撚奈米纖維股線」)及將奈米纖維股線進一步連續加工成「假撚」之奈米纖維紗係可促進奈米纖維紗的生產，奈米纖維紗具有均勻的一致性、形態且表現出一致的機械的、電性的及物理性質。 　　[0026] 在描述用於製造奈米纖維紗之假撚程序及設備之前，圖2至5及其等之相對應的描述係解釋了奈米纖維、奈米纖維叢集及相對應之製造技術的實例。 碳奈米纖維及碳奈米纖維網之性能 　　[0027] 如在本文中所使用之術語「奈米纖維」係指具有直徑小於1 μm之纖維。儘管在本文中之實施例係主要被描述為由碳奈米管所製造，但應理解的是，其他碳同素異形體，不管石墨烯、微米或奈米級石墨纖維及/或板，及甚至奈米級纖維之其他組成(諸如氮化硼)，係可被使用於使用以下所描述之技術來製造奈米纖維薄片。如在本文中所使用的，術語「奈米纖維」及「碳奈米管」兩者係皆包括其中碳原子被連結在一起以形成圓柱形結構之單壁碳奈米管、雙壁碳奈米管、三壁碳奈米管及/或多壁碳奈米管。在某些實施例中，如在本文中所提及之碳奈米管係具有介於4至10個之間的壁。如在本文中所使用之「奈米纖維薄片」或簡稱「薄片」係指經由抽引程序(如在專利合作條約(PCT)公開號第WO 2007/015710號中所描述的，且通過引用而將其全部內容併入本文中)來對準之奈米纖維之薄片，使得薄片之奈米纖維的縱向軸係平行於薄片的主表面，而不是垂直於薄片的主表面(亦即，呈薄片之已沈積的形式，通常被稱之為「叢」)。 　　[0028] 碳奈米管之尺寸可根據所使用的生產方法而變化很大。例如，碳奈米管之直徑可以係從0.4 nm至100 nm，且其長度的範圍可從10 μm至大於55.5 cm。碳奈米管亦能夠具有非常高的縱橫比(長度對直徑之比值)，其中有些甚至高達132,000,000:1或更高。鑒於尺寸之廣泛範圍的可能性，碳奈米管之性質係高度可調整的或可微調的。儘管已經確定了碳奈米管的許多有趣性質，但是在實際應用中利用碳奈米管之性質係需要可擴展的且可控制的生產方法，其允許保持或增強碳奈米管的特徵。 　　[0029] 由於其獨特的結構，碳奈米管係具有特定之機械、電性、化學、熱學及光學性質，其使得其等係相當地適合於某些應用。詳言之，碳奈米管表現出優異的導電性、高機械強度、良好的熱穩定性且亦係疏水性的。除了這些性質之外，碳奈米管亦可表現出有用的光學性質。例如，碳奈米管可被使用於發光二極體(LED)及光偵測器中，以窄選波長來發射或偵測光。碳奈米管亦可證明對於光子傳輸及/或聲子傳輸係有用的。 奈米纖維叢 　　[0030] 根據本標的發明之各種實施例，奈米纖維(包含但不限於碳奈米管)可以各種構形來配置，包含以在本文中被稱之為「叢」的構形。如在本文中所使用的，奈米纖維或碳奈米管之「叢」係指具有大約相同尺寸之奈米纖維之陣列，其大致上係彼此平行地被配置在基質上。圖2係展示位於基質上之實例之奈米纖維之叢。基質可以係任何形狀，但是在某些實施例中，基質係具有於其上組合叢之平坦表面。如在圖2中可看到的，在叢中之奈米纖維在高度上及/或直徑上係大約相等的。 　　[0031] 如在本文中所揭示之奈米纖維叢可能係相對地密集的。詳言之，揭示之奈米纖維叢可具有至少10億奈米纖維/cm2 的密度。在某些具體實施例中，如在本文中所述之奈米纖維叢可具有介於100億/cm2 與300億/cm2 之間的密度。在其他實例中，如在本文中所述之奈米纖維叢可具有在900億奈米纖維/cm2 之範圍內的密度。叢可能包含高密度或低密度之區域，且特定區域可能沒有奈米纖維。在叢中之奈米纖維亦可表現出纖維間連接性。例如，在奈米纖維叢中之相鄰的奈米纖維可能藉由凡得瓦力而彼此吸引。 用於生產奈米纖維叢之實例方法 　　[0032] 依照本發明，可使用各種方法來生產奈米纖維叢。例如，在某些實施例中，奈米纖維可在高溫爐中生長。在某些實施例中，觸媒可被沈積在基質上，被放置在反應器中，且接著可被曝露於被供應至反應器的燃料化合物。基質可承受大於800°C至1000°C的溫度，且可能係惰性材料。基質可包括設置在下方矽(Si)晶圓上的不銹鋼或鋁，但是亦可使用其他陶瓷基質來代替矽(Si)晶圓(例如，氧化鋁、氧化鋯、二氧化矽(SiO2 )、玻璃陶瓷)。在叢之奈米纖維係碳奈米管的實例中，可使用碳基化合物(諸如乙炔)來作為燃料化合物。在被引入至反應器之後，接著，燃料化合物可開始累積在觸媒上且可藉由從基質向上生長來進行組裝以形成奈米纖維叢。 　　[0033] 用於奈米纖維生長之實例反應器的圖式係展示於圖3中。如在圖3中可看到的，反應器可包含加熱區，基質可被定位於其中以促進奈米纖維叢生長。反應器亦可包含：氣體入口，其中燃料化合物及載氣可被供應至反應器；及氣體出口，其中可從反應器來釋放所消耗之燃料化合物及載氣。載氣之實例係包含氫氣、氬氣及氦氣。這些氣體，特別是氫氣，亦可被引入至反應器以促進奈米纖維叢的生長。此外，被摻入於奈米纖維中的摻雜劑可被添加至氣流中。在奈米纖維叢之沈積期間添加摻雜劑的實例方法係描述於PCT公開號第WO2007/015710號之段落287處，且通過引用而併入本文中。向叢摻雜或提供添加劑的其他實例方法係包含表面塗層、摻雜物噴射或其他沈積及/或原位反應(例如，電漿引致反應、氣相反應、濺鍍、化學汽相沈積)。實例黏著劑係包含聚合物(例如，聚(乙烯醇)、聚(對苯撐四胺)型樹脂、聚(對苯撐苯並雙噁唑)、聚丙烯腈、聚(苯乙烯)、聚(醚醚酮)及聚(乙烯吡咯烷酮或其衍生物及組合)、元素或化合物之氣體(例如，氟)、鑽石、鈀及鈀合金等等。 　　[0034] 奈米纖維生長期間之反應條件可被改變以調整所得奈米纖維叢之性質。例如，可根據需要來調整觸媒之粒子尺寸、反應溫度、氣體流速及/或反應時間，以生產具有所需規格之奈米纖維叢。在某些實施例中，控制位於基質上之觸媒之位置以形成具有所需圖案之奈米纖維叢。例如，在某些實施例中，觸媒係被沈積在基質上呈一圖案，且由圖案化觸媒生長所得之叢係被類似地圖案化。示例性的觸媒係包含具有二氧化矽(SiO2 )或氧化鋁(Al2 O3 )之緩衝層的鐵。這些可使用化學汽相沈積(CVD)、壓力輔助化學汽相沈積(PCVD)、電子束(eBeam)沈積、濺鍍、原子層沈積(ALD)、雷射輔助CVD、電漿強化CVD、熱蒸鍍、各種電化學方法等等而被沈積在基質上。 　　[0035] 在形成之後，奈米纖維叢可任選地被修飾。例如，在某些實施例中，奈米纖維叢可被曝露於處理劑，諸如氧化劑或還原劑。在某些實施例中，叢之奈米纖維可任選地由處理劑來化學性地官能化。可藉由任何適當的方法將處理劑引入至奈米纖維叢，方法係包含但不限於化學汽相沈積(CVD)或以上所呈現之其他技術及添加劑/摻雜劑中之任一者。在某些實施例中，奈米纖維叢可被修改以形成圖案化叢。叢之圖案化可藉由例如選擇性地從叢移除奈米纖維來實現。移除可透過化學或物理方法來實現。 奈米纖維薄片 　　[0036] 除了配置成叢構形之外，本標的申請案之奈米纖維亦可被配置成薄片構形。如在本文中所使用的，術語「奈米纖維薄片」、「奈米管薄片」或簡稱「薄片」係指其中奈米纖維在平面中端對端來對準之奈米纖維的配置。在某些實施例中，薄片係具有比薄片之厚度大於100倍以上之長度及/或寬度。在某些實施例中，長度、寬度或兩者係大於薄片之平均厚度103 、106 或109 倍以上。奈米纖維薄片可具有例如介於大約5 nm及30 μm之間的厚度及適合於預期應用之任何長度及寬度。在某些實施例中，奈米纖維薄片可具有介於1 cm及10公尺之間的長度及介於1 cm及1公尺之間的寬度。提供這些長度僅僅係為了說明。奈米纖維薄片之長度及寬度係受到製造設備之構形的限制，而不受奈米管、叢或奈米纖維薄片中之任一者之物理或化學性質的限制。例如，連續程序可產生具有任何長度的薄片。這些薄片可在生產時被捲繞成捲。 　　[0037] 實例奈米纖維薄片之繪示係展示於圖4中，其中係表示有相對尺寸。如在圖4中可看到的，其中奈米纖維端對端所對準之軸線係被稱之為奈米纖維對準之方向。在某些實施例中，奈米纖維所對準之方向可在整個奈米纖維薄片中係連續的。奈米纖維不一定完全地平行於彼此，且應瞭解，奈米纖維所對準之方向係奈米纖維之對準之方向的平均或一般的量測。 　　[0038] 奈米纖維薄片可使用能夠生產薄片之任何類型的適當程序來進行組裝。在某些實例實施例中，奈米纖維薄片可從奈米纖維叢來抽引。從奈米纖維叢來抽引奈米纖維薄片之實例係被展示於圖5中。 　　[0039] 如在圖5中可看到的，奈米纖維可從叢被橫向地抽引，且接著端對端地對準以形成奈米纖維薄片。在從奈米纖維叢抽引奈米纖維薄片之實施例中，可控制叢之尺寸以形成具有特定尺寸之奈米纖維薄片。例如，奈米纖維薄片之寬度可大約等於從其抽引薄片之奈米纖維叢之寬度。此外，例如，當已達到所需要的薄片長度時，可藉由結束抽引程序來控制薄片之長度。 奈米纖維紗製造系統 　　[0040] 圖6A及6B係分別地繪示用於將奈米纖維叢抽引成奈米纖維紗之股線的實例奈米纖維紗製造系統600之俯視圖及側視圖。在圖6A及6B中所描繪之製造系統600係包含位於基質608上之奈米纖維叢604、密緻化工站616、可選用的乾燥器624、紡紗機628及捲線軸650。 　　[0041] 奈米纖維叢604係使用例如以上在圖2及3之上下文中所描述之方法來製造，且被設置在被使用以生長奈米纖維叢604之基質608上，亦如上所述。接著將奈米纖維叢604從基質608抽引成奈米纖維薄片612。如在圖6A中所描繪之被抽引的奈米纖維薄片612係繪示位於基質608上之奈米纖維叢604之平面構形與逐漸地變窄之構形之間的物理轉變。意即，如在圖6B中所展示的，當奈米纖維薄片612相對於包含與奈米纖維叢604接觸之基質608之表面的參考平面成角度α而從奈米纖維叢604被抽引時，奈米纖維叢之寬度β係從大約基質608之寬度的寬度減小至接近最終奈米纖維紗之寬度的寬度β’。大約在寬度β’下，奈米纖維薄片係被稱之為解撚奈米纖維股線，儘管此僅僅係為了便於說明。 　　[0042] 角度α之實例可包含以下中之任一者：0°至1°；2°至20°；1°至5°；5°至10°；l0°至20°；5°至15°；15°至20°。 　　[0043] 寬度β之實例可以係針對基質608之寬度所選擇的任何值。僅為了說明而提供的實例寬度β可在以下範圍中之任一者內：0.5 cm至50 cm；1 cm至40 cm；2 cm至30 cm；3 cm至20 cm；4 cm至15 cm；5 cm至10 cm；2 cm至40 cm；2 cm至30 cm；2 cm至20 cm；2 cm至10 cm；3 cm至40 cm；3 cm至30 cm；3 cm至20 cm；3 cm至10 cm；4 cm至40 cm；4 cm至30 cm；4 cm至20 cm；4 cm至10 cm；20 cm至40 cm；20 cm至30 cm；30 cm至50 cm及10 cm至20 cm。僅用於說明所提供之寬度β’的實例係可在以下範圍之任一者內：1 μm至1 cm；1 μm至1 mm；1 μm至100 μm；1 μm至50 μm；1 μm至30 μm；5 μm至50 μm；l0 μm至50 μm。 　　[0044] 為了促進在個別的奈米纖維(如在圖4中所繪示的)之間的緊密接觸及縱向對準，當其等一起被抽引成解撚奈米纖維股線時，奈米纖維薄片612係以寬度β’通過密緻化工站616。 　　[0045] 在一實例中，密緻化工站616係包含被使用以將個別的奈米纖維推壓在一起之機械設備。機械設備之實施例可包含撞擊在奈米纖維上的滾子，以機械地「密緻化」奈米纖維，以便於減小奈米纖維之間之空間的尺寸。其他機械設備係包含加壓氣體、機械壓力機或真空機，其任何組合皆可被應用以減少纖維間間距。 　　[0046] 在一實例中，密緻化工站616係被使用以施加密緻化流體至具有寬度β’之解撚奈米纖維股線620，密緻化流體係包含但不限於聚合物、聚合物溶液、黏著劑溶液及有機溶劑(諸如醇、多元醇、醛、醚、脂肪族烴及芳香族碳氫化合物等等)。此暴露係導致在解撚奈米纖維股線620內之奈米纖維被抽引在一起，進一步「密緻化」奈米纖維薄片。在一實例中，密緻化工站616係包含流體貯存器及施配器，諸如連接至噴嘴之質量流控制器，其控制位在貯存器中之流體沈積至奈米纖維薄片612上。流體之沈積速率可以係基於包含所沈積之流體之化學組合物、黏滯性及表面張力、以奈米纖維薄片612穿過密緻化工站616的速率(質量/時間或體積/時間或質量/長度)以及懸浮或溶解在流體中之第二材料的密度(分子/單位體積的流體或粒子/單位體積的流體)在內的任何數量的因素來選擇。在另一實例中，密緻化工站係設置在解撚奈米纖維股線620穿過或與之接觸的容器中的靜態浴槽。可監視位在浴槽中之流體之化學組合物及物理性質(例如，黏滯性、導電性、密度)且保持在恆定的位準下以促進一致的奈米纖維紗組合物。 　　[0047] 在某些實施例中，可藉由將多於一種的額外材料懸浮或溶解在密緻化工站616之流體中來將額外材料引入至奈米纖維薄片612及/或奈米纖維股線620中。接著藉由在密緻化工站處所提供之流體將額外材料攜入至(亦被稱之為「浸潤」)奈米纖維及/或奈米纖維之間之間隙中。額外材料之實例係包含導電性奈米粒子及奈米線(銀(Ag)、銅(Cu)、金(Au)，其之組合)、磁性奈米粒子(鐵(Fe)、鎳(Ni)、釹(Nd)、及其組合)、碳奈米管及富勒烯、聚合物、寡聚合物、小分子等等 在某些實例中，浸潤薄片的密緻化程度(如按照奈米纖維薄片之體積減小來量測的)係小於完全地密緻化薄片(例如，利用稍後被移除的有機溶劑來處理的薄片，如以下所描述的)，因為即使在浸潤材料的揮發性成分被移除之後，個別纖維之間的一些自由體積亦被浸潤至薄片中之材料所佔據。 　　[0048] 經由在密緻化工站616處所施加的流體而將額外材料添加至奈米纖維股線620的優點係在於，可將粒子移動至奈米纖維股線620的內部，且因此最終地被設置在由奈米纖維股線620所製造之奈米纖維紗的內部。再者，保護性材料可經由密緻化工站616之流體連同奈米粒子一起被引入至奈米纖維股線620中，使得奈米粒子被保護而免於環境、物理或化學降解。可被使用以抑制某些類型的奈米粒子(例如，銀奈米粒子、鐵奈米粒子)的腐蝕的保護性材料的實例係聚二甲基矽氧烷(PDMS)。PDMS可藉由亦懸浮銀奈米線的溶劑來溶解，接著兩者皆在密緻化工站616處被提供至奈米纖維薄片612/奈米纖維股線620。因此，當在密緻化工站616處被抽引成奈米纖維股線620時，銀奈米纖維係部分地或全部地由PDMS來塗覆，藉此抑制腐蝕(通常被稱之為「失澤」)。此有助於保持由包含銀奈米纖維之奈米纖維紗632所表現之導電性。包含銀奈米線之實例奈米纖維複合材料的優點係在以下「實驗結果」部分中更詳細地描述。 　　[0049] 可選用的乾燥器624係移除在密緻化工站616處被施加至奈米纖維薄片612的溶劑或其他揮發性化學物質及/或固化在密緻化工站616處所施加的材料。可選用的乾燥器624可藉由施加熱、真空、在相對濕度上的變化、輻射(例如，紫外線(UV)、紅外線(IR))及其組合至奈米纖維股線620來移除化學物質及/或固化材料。 　　[0050] 離開密緻化工站616或溶劑乾燥器624之解撚奈米纖維股線620係進入假撚紡紗機628。如上所述，假撚紡紗機628係將奈米纖維在奈米纖維股線620/奈米纖維紗632 (亦即，奈米纖維叢604及捲線軸650)的端點之間的點處加撚在一起。 　　[0051] 儘管未圖示，奈米纖維股線620可藉由不與奈米纖維股線620化學地或物理地反應之引導件(例如，箍、鉤或支柱)而在各個位置處物理性地被引導通過系統600。引導件亦可被組構成用以向奈米纖維股線620(及/或假撚奈米纖維紗632)提供張力，張力促進個別之碳奈米管彼此對準以及與奈米纖維股線620及/或奈米纖維紗632之縱向軸的對準。對準效果可改變紗之機械或電性的性質，諸如藉由增加或降低所生產之紗之導電性及機械強度。 　　[0052] 亦未圖示但是其可被包括在系統600中的係導電性測試設備及紗張力監視器。 奈米纖維紗紡紗機 　　[0053] 圖7及8係繪示奈米纖維「假撚」紡紗機628(或為了方便起見簡稱為「紡紗機628」)的平面圖及橫截面視圖。紡紗機628，且更具體而言係作為紡紗機628之組件的「撚紗環」712，係向解撚奈米纖維股線620之外表面提供摩擦力。撚紗環712係至少部分地橫向於解撚奈米纖維股線620之縱向軸，藉此將解撚奈米纖維股線620「假撚」成紗632。 　　[0054] 如在圖7及8兩者中所展示的，紡紗機628係包含框架704、軸承708及撚紗環712。框架704係可被使用以將軸承708及撚紗環712組裝在一起且將其等穩定以向奈米纖維股線620提供假撚之任何結構，藉此產生奈米纖維紗632。框架可由軸承708可被安裝至其上的任何材料(例如，金屬、塑膠)來製造。 　　[0055] 在紡紗機628之某些替代實施例中，軸承708及撚紗環712係被組構成位於框架之外部圓周上，而不是如在圖7及8中所展示之內部圓周上。例如，假撚紡紗機的另一種構形可包含旋轉軸，旋轉軸係由被使用於撚紗環712(描述於下)的材料所製造，或具有被設置(全部或部分地)環繞軸之撚紗環。旋轉軸可相對於解撚奈米纖維股線620來定向，使得旋轉軸之縱向軸相對於解撚奈米纖維股線620之縱向軸成小於90°且大於0°的角度。以此方式，旋轉軸之旋轉係包含橫向於解撚奈米纖維股線620之縱向軸的分量，藉此向解撚奈米纖維股線620之端點之間的位置提供假撚。類似地，撚紗環712可被配置在一或多個輪之外部圓周上，一或多個輪向解撚奈米纖維股線620提供橫向加撚力，藉此製造假撚奈米纖維紗632。 　　[0056] 回到在圖7及8中所描繪之實例，軸承708係被安裝至框架704且被使用以旋轉撚紗環712(以下更詳細地描述)，以便於向先前解撚奈米纖維股線620提供假撚，藉此產生假撚奈米纖維紗632。軸承708係被連接至提供被使用以旋轉軸承708及連接的撚紗環712之力的馬達(未圖示)。 　　[0057] 參照圖7及圖8兩者，實例軸承708係「圓形」軸承，或者被稱之為「球形」軸承或「滾軋元件」軸承。通常，這些類型的軸承係藉由在內環與外環之間放置滾珠軸承、圓柱體或錐體(或某些其他「滾軋元件」)來運作。滾珠軸承係減少在內環與外環之間的摩擦，允許環之一或多者相對容易地移動。滾軋元件軸承的其他構形可適用於向撚紗環712提供旋轉運動，其包含但不限於 旋轉轉盤、球面滾子軸承及針狀滾子軸承。亦可使用其他類型的軸承，諸如低摩擦PTFE軸承、流體軸承及磁性軸承等等。軸承708係透過由馬達714或其他旋轉移動源所提供的直接或間接的力而旋轉。 　　[0058] 馬達可藉由能夠傳遞所需運動的任何連桿組(諸如齒輪、鏈條、直接驅動或摩擦驅動裝置)而被連結至環。在所展示之實例中，撚紗環712係被安裝在軸承708之內表面上，且藉此與軸承之內表面一起旋轉。在所展示之實例中，撚紗環712係由聚矽氧橡膠所構成。聚矽氧橡膠對於撚紗環712而言係方便的選擇，因為其可被組構成有具有足夠高的摩擦係數(通常為相對於碳奈米纖維股線/紗所量測的從0.25至0.75或更多)的表面，以抓住奈米纖維且向解撚奈米纖維股線620提供加撚力，而同時具有足夠低的表面能(大約24毫牛頓/公尺(mN/M))，以降低污染物積累的速率。聚矽氧橡膠通常係化學惰性的，且因此在假撚期間亦不會污染解撚奈米纖維股線620。聚矽氧橡膠通常亦係化學穩定的，且在暴露於奈米纖維時其本身不會降解。在有污染的情況下，加撚程序可在潔淨室中進行。 　　[0059] 撚紗環712之內直徑D之選擇可部分地基於解撚奈米纖維股線620之直徑與撚紗環712之內直徑D的比率。在一實例中，撚紗環712之內直徑D係100 mm。在其他實例中，撚紗環之內直徑D可在以下範圍中之任一者內：10 mm至500 mm；65 mm至90 mm；10 mm至250 mm；10 mm至100 mm；100 mm至500 mm；100 mm至300 mm；250 mm至500 mm。在其他實例中，撚紗環之內直徑與正在旋轉之奈米纖維紗之直徑的比率係在以下範圍中之任一者內：從5：1至5000：1；從5：1至4000：1；從10：1至4500：1；從1000：1至3500：1；從2000：1至10,000：1。在一實例中，撚紗環712之100 mm之內直徑與奈米纖維紗之30 μm直徑的比率係為3333:1。 　　[0060] 撚紗環712之表面之曲率半徑ρ(在圖8中所展示的)亦可被改變，以改變施加至紗的加撚頻率及/或加撚力。例如，半徑ρ可從無限的(環之平坦內表面)變化至5 mm或更小。在具體的實施例中，ρ可小於10 cm、小於5 cm、小於1 cm、小於5 mm、大於1 mm、大於5 mm、大於1 cm、大於10 cm或大於1m。環繞撚紗環712之圓周之半徑ρ可為恆定的，或可變化。 　　[0061] 基於30公尺/分鐘之奈米纖維紗製造速率及具有0.5公分(cm)之短半徑σ(在圖8中所指示的)之撚紗環712的實施例，解撚股線/奈米纖維紗係與撚紗環712接觸大約5毫秒(假定與具有圓形截面之撚紗環之外表面的1/4相接觸，如在圖8中所繪示之接觸長度λ)。在另一實施例中，在相同的線性製造速率下，具有1毫米(mm)之短半徑σ的撚紗環712將與撚紗環接觸0.5毫秒(同樣假設奈米纖維股線/紗與具有如在圖8中所指示之λ之圓形截面之撚紗環之外表面的1/4之間的接觸)。將可理解以下任一或多者：(1)增加從奈米纖維叢來製造紗的速率，(2)減小撚紗環之短半徑σ，及(3)調整各個角度以便於減小奈米纖維股線/奈米纖維紗與撚紗環之間之接觸長度λ將使接觸時間減少至例如低至0.005毫秒。在圖8中所繪示之實例中，曲率半徑ρ及短半徑σ係大約相同的，然而此不一定係這種情況。 　　[0062] 可被調整以改變加撚性質的另一變量係解撚奈米纖維接近且接觸撚紗環712之進入角β。若纖維在與相對於其中設置有撚紗環712之旋轉軸線之平面垂直之垂直平面中通過撚紗環712之半徑(即，平行於圖8中所指示之參考軸線)，則奈米纖維之角度β係被稱之為0°。在此種情況下，纖維股線620將以大致上平行於旋轉之撚紗環之軸線及參考軸線之大約直線進入由撚紗環712所界定之空間中。若纖維從基本上平行於由撚紗環所界定之平面且垂直於旋轉之軸線及參考軸線的方向進入撚紗環712，則β係被稱為90°。如在圖8中所展示的，β係大約為45°。在其他參數中，此角度β可影響奈米纖維股線/紗與撚紗環之間的接觸長度λ(以下所描述的)，其繼而影響被施加至紗的加撚角度及/或加撚的程度。 　　[0063] 可影響加撚的另一個變量係在奈米纖維橫越過環之表面時之奈米纖維的橫向角度χ。若纖維以與撚紗環712環繞其旋轉之軸線平行的角度(且因此平行於在圖8中所展示之參考軸線)來與撚紗環712表面接觸，且纖維穿過垂直於旋轉之方向之表面，則奈米纖維之角度χ被認為係90°。若纖維以朝向撚紗環712之旋轉之方向的方向偏轉的角度進入環，則角度χ係大於90°，且在變成平行於撚紗環712之旋轉之平面時將達到最大的180°(若可能，給定框架704之物理限制)。若纖維以相對於環之旋轉之方向偏置的角度進入環，則χ係小於90°，且當平行(若可能的話，給定框架704之物理限制)於撚紗環712之旋轉之方向時將減小至0°。因此，奈米纖維或紗相對於撚紗環之橫向角度可介於0°至180°之間，儘管可能無法實現接近0°或180°的角度。在各種實施例中，相對於環的橫向角度χ可大於90°、大於100°、大於110°、大於120°、小於90°、小於80°、小於70°或小於60°。在某些實施例中，此角度可從30°至150°、從45°至135°、從60°至120°、從45°至90°、從90°至135°、從90°至120°或從100°至120°。可藉由旋轉撚紗環712來相對於解撚纖維股線620向左或向右傾斜來改變橫向角度χ。注意，當橫向角度χ係90°時，旋轉環之力向量係垂直於紗之軸線。當此角度減小或增大時，力向量轉變為向奈米纖維施加更大的斜向力，而非僅將旋轉力環繞其軸線而施加至紗。此亦可影響接觸長度λ，以下將更詳細地描述。 　　[0064] 在任何時間點上欲控制奈米纖維股線/紗與撚紗環之表面之間的接觸長度亦可能係重要的。此接觸長度λ可由至少五個變量來控制，包含進入角β、撚紗環712之表面之曲率半徑ρ、撚紗環712之短半徑σ、在假撚紗離開撚紗環712之平面處之角度φ及橫向角度χ，如上述。通常，較大的接觸長度λ係藉由較大的半徑環表面ρ、較大的短半徑σ、較大的離開角度φ、較大的進入角β及較大的橫向角度χ來實現。在實例中，β值可在以下範圍中之任一者內：10°至70°；10°至35°；10°至15°至25°；35°至70°；35°至45°；45°至70°；55°至70°。在實例中，φ的值可在以下範圍中之任一者內：70°至110°；70°至90°；70°至80°；90°至110°；100°至110°。可調整這些變量中之任一或多者以改變所得紗之假撚性質。這些角度亦可被改變，以考慮系統的其他變化，諸如奈米纖維的數量或尺寸、紗的直徑、紗的密度、紗的緊密度、紗的抽引速度、紗的加撚密度或撚紗環712之旋轉速度。在某些情況下，股線/紗與環之表面的接觸長度λ可大於個別奈米纖維之直徑的103 、104 、105 、106 或107 倍。在其他情況下，紗與環之表面的接觸長度λ可大於假撚紗之寬度的100、103 、104 、105 、106 或107 倍。在其他實施例中，可選擇接觸長度λ、抽引之速度及旋轉之速度，使得紗在離開環之前經受一定數量的旋轉(亦即，紗本身的多個完整的360°旋轉)。例如，當與環712之表面接觸時，紗可從其首次接觸環的時間至當其失去與環的接觸時經受大於103 、104 、105 或106 個旋轉。 　　[0065] 被使用以選擇撚紗環712之內直徑D的替代因素可包含撚紗環712可以之來操作的速度(或速度的範圍)，假撚奈米纖維紗632在一次的旋轉中的加撚之角度，假撚奈米纖維紗632之每單位長度的加撚數，及解撚奈米纖維股線620被進給通過紡紗機628的速率(以長度/時間為單位)。在某些實施例中，解撚奈米纖維股線之多個股線可被組構成用以接觸相同撚紗環712之不同部分，藉此增加單一假撚奈米纖維紗紡紗機628的生產率。 　　[0066] 儘管未圖示，奈米纖維股線620及假撚奈米纖維紗632係由鉤、環圈或其他引導件所引導，使得奈米纖維股線620係接觸撚紗環712的表面，從而促進將假撚傳遞至奈米纖維股線620。此係示意性地展示於圖8中。亦應理解的是，解撚奈米纖維股線620係從其與撚紗環712之接觸部分地被壓縮，藉此將股線構形成大約圓柱形的構造。此亦可具有導致某些奈米粒子在密緻化工站處被引入且即被設置在解撚奈米纖維股線620之表面上以變成被夾帶在假撚奈米纖維紗632之內部中的作用。儘管僅有單一紡紗機628被展示於圖7及8中，其將理解到，此僅僅係為了方便，且系統600之其他實施例可包含多個紡紗機628。 　　[0067] 可選地，奈米纖維紗632可以連續通過多個紡紗機628，以更精細地控制紗之外部尺寸或將多個單獨的紗線紡紗在一起。額外的紡紗機可在與第一紡紗機相同的方向或相反的方向來進行紡紗。 　　[0068] 在通過紡紗機628之後，將假撚奈米纖維紗632捲繞至捲線軸650上。捲線軸650亦可在假撚奈米纖維紗632及解撚奈米纖維股線620上提供張力或拉力，遍及整個奈米纖維紗製造系統600，使得來自於奈米纖維叢604的奈米纖維繼續從基質608被移除且由製造系統600漸進地加工成假撚奈米纖維紗632。張力可為恆定的或可藉由改變由馬達、彈簧或其他機構所施加至捲線軸650之力矩來進行改變。張力的大小亦可被使用以影響紗之奈米纖維之間的對準、奈米粒子與奈米纖維的對準(例如，至少奈米纖維之某些縱向軸線與奈米粒子之某些縱向軸線的對準)，及奈米粒子與彼此之對準。一般而言，張力的大小越大，則奈米纖維之間、奈米纖維與奈米粒子之間以及奈米粒子之間的對準之程度越高。 　　[0069] 在另一個實施例中，假撚紡紗機628亦可包含以上在可選用的乾燥器624之上下文中所描述的特徵。例如，使假撚奈米纖維紗632曝露於熱、真空及/或輻射的元件可與紡紗機628結合。這些元件可被使用以移除先前被施加至奈米纖維薄片612的揮發性化學物質及/或固化材料。 　　[0070] 在另一實施例中，奈米纖維紗製造系統600係包含用以在奈米纖維紗正在被紡紗時原位量測及/或監視紗直徑的裝置。用以量測紗直徑的一個實例裝置係雷射測微計。亦可使用其他用以量測直徑及/或寬度的光學系統。在另一實施例中，奈米纖維紗製造系統600可包含用於在生產奈米纖維紗時原位量測奈米纖維紗的導電性的裝置，諸如導電計或其他電探針。使用裝置來原位量測奈米纖維紗之物理尺寸及電性性質係產生可被使用以改變加工條件的資訊，使得奈米纖維紗之所需性質得以維持或實現。 　　[0071] 奈米纖維紗製造系統600的一個應用係包含使用系統而將奈米纖維紗的兩種不同的組合物加撚在一起。例如，疏水性的奈米纖維紗可與親水性的奈米纖維紗一起加撚。接著可使用相容的黏著劑將此複合的奈米纖維紗施加至亦係親水性或疏水性的基質上，因為親水性或疏水性中之至少一者將與基質黏合。 實驗實例 　　[0072] 在一實驗實例中，係使用鐵觸媒在2.06 cm寬的不銹鋼基質上生長奈米纖維叢。使用在PCT公開號第WO 2007/015710號中所描述之技術而從基質來抽引奈米纖維薄片。將奈米纖維薄片以大約2°至20°的角度α來抽引成在直徑上具有大約50 μm的直徑，且使其通過甲苯之浴槽，其中懸浮有銀奈米線及Sylguard® PDMS聚合物(購自Dow Corning Inc.)。懸浮於異丙醇中之銀奈米線係具有大約50 nm至大約70 nm的直徑及大約20 μm至大約40 μm的長度。 　　[0073] 假撚紡紗機628係產生具有30 μm之直徑及介於5°與30°之間之加撚角度的假撚奈米纖維紗。所產生之假撚紗係具有介於0.8 Gpa與1.2 GPa之間之極限張應力，及介於大約4000西門子(Siemens)與6000西門子(Siemens)之間之導電性。樣品亦顯示出1000萬次循環的疲勞極限。此與使用與在此實驗實例部分中所描述的相同的程序來生產的控制樣品形成了對比，不同之處係在於沒有將任何銀奈米線提供給假撚奈米纖維紗控制樣品。在此控制樣品中，極限張應力係介於1.0 Gpa與1.5 GPa之間，且具有介於大約600西門子(Siemens)與650西門子(Siemens)之間的導電性。 紗線紡紗機替代實施例 　　[0074] 圖9係繪示紡紗機628之替代實施例900。紡紗機900係包含撚紗帶908及兩個輪912A、912B。 　　[0075] 兩個輪912A及912B係藉由一或多個馬達或其他機構(未圖示)沿著相同的方向來旋轉。兩個輪912A、912B可具有任何直徑，且由能夠維持與撚紗帶908接觸且引起其運動的任何材料及/或設計來製造。 　　[0076] 撚紗帶908被放置成與兩個輪912A及912B接觸，使得撚紗帶908回應於兩個輪912A及912B之旋轉而旋轉。撚紗帶908可由先前在撚紗環712之上下文中所描述的任何材料所製成。同樣地，撚紗帶908之直徑、進入角β、橫向角度χ、旋轉速度及接觸長度λ可以係先前針對撚紗環712所描述的任何值。 　　[0077] 類似於上述之實施例，一或多個解撚奈米纖維股線904A、904B、904C(不管係密緻化或非密緻化)係被放置成與撚紗帶908接觸。一旦撚紗帶908移動(由在圖9中之箭頭所指示的)，解撚奈米纖維股線904A至904C係被「假撚」成假撚奈米纖維紗916A至916C。如上所述，這些可接著被捲繞至捲線軸650上。實施例900的一個優點係輪912A、912B之間的撚紗帶908之線性區域可同時地適應複數個奈米纖維股線之假撚。在某些實施例中，複數個支柱920A至920C可靠近於撚紗帶908及解撚奈米纖維股線904A至904C兩者來放置。儘管撚紗帶908之移動可具有垂直於其中奈米纖維股線904A至904C被抽引之方向的分量(由在圖9中之箭頭所指示的)，這些支柱係維持解撚奈米纖維股線904A至904C的對準，且其可能另外地導致解撚奈米纖維股線904A至904C在撚紗帶908之行進方向上向彼此漂移。 方法 　　[0078] 圖10係繪示用於由奈米纖維叢來製造假撚奈米纖維紗的方法1100。方法1100係藉由在基質上提供1104奈米纖維叢而開始。如上述，以角度α從基質將奈米纖維叢抽引1108為奈米纖維薄片，其使奈米纖維薄片的寬度β變窄為寬度β’。接著將具有寬度β之奈米纖維薄片以密緻化流體來浸潤1112且任選地以被溶解、懸浮或兩者在密緻化流體中的至少一個額外材料來浸潤1116。在密緻化之後，奈米纖維薄片之尺寸係因此被稱之為解撚奈米纖維股線。解撚奈米纖維股線係任選地被乾燥1120。解撚奈米纖維股線接著進入假撚紡紗機且被紡紗1124成假撚奈米纖維紗。 進一步的考慮 　　[0079] 已經出於說明的目的呈現了本發明之實施例的前述描述；其非旨在窮舉或將申請專利範圍限制於所揭示之精確形式。熟習相關領域之技術者可理解，根據以上之揭示，許多修改及變化係可能的。 　　[0080] 在本說明書中所使用的語言主要係為了可讀性及指導的目的而選擇的，且其可能沒有被選擇來描繪或限定本發明之標的。因此，其旨在本發明的範圍不受此詳細說明的限制，而係受到基於關於此申請案所頒佈之任何申請專利範圍的限制。因此，實施例之揭示係旨在說明而非限制本發明的範圍，本發明的範圍係闡述在以下之申請專利範圍中。
[0081]
600‧‧‧奈米纖維紗製造系統
604‧‧‧奈米纖維叢
608‧‧‧基質
612‧‧‧奈米纖維薄片
616‧‧‧密緻化工站
620‧‧‧解撚奈米纖維股線
624‧‧‧可選用的乾燥器
628‧‧‧紡紗機
632‧‧‧假撚奈米纖維紗
650‧‧‧捲線軸
704‧‧‧框
708‧‧‧軸承
712‧‧‧撚紗環
714‧‧‧馬達
900‧‧‧紡紗機
904A‧‧‧解撚奈米纖維股線
904B‧‧‧解撚奈米纖維股線
904C‧‧‧解撚奈米纖維股線
908‧‧‧撚紗帶
912A‧‧‧輪
912B‧‧‧輪
916C‧‧‧假撚奈米纖維紗
920A‧‧‧支柱
920C‧‧‧支柱
1000‧‧‧奈米纖維紡紗機
1004‧‧‧撚紗筒
1006‧‧‧圓柱形腔室
1008‧‧‧桿
1008A‧‧‧桿
1008B‧‧‧桿
1008C‧‧‧桿
1008D‧‧‧桿
1008E‧‧‧桿
1010‧‧‧解撚奈米纖維股線
1012‧‧‧假撚奈米纖維紗
1020‧‧‧撚紗總成
1021‧‧‧撚紗筒
1022‧‧‧奈米纖維紗
1024‧‧‧中央縱向軸
1030‧‧‧非線性元件
1032‧‧‧解撚股線/奈米纖維紗
1100‧‧‧方法
1104‧‧‧步驟
1108‧‧‧步驟
1112‧‧‧步驟
1116‧‧‧步驟
1120‧‧‧步驟
1124‧‧‧步驟
β‧‧‧奈米纖維叢之寬度
β’‧‧‧較靠近最後奈米纖維紗之寬度
χ‧‧‧奈米纖維之橫向角度
D‧‧‧撚紗環之內直徑
σ‧‧‧短半徑
λ‧‧‧接觸長度
ρ‧‧‧曲率半徑
φ‧‧‧角度
[0007] 圖1A係如在習知技術中所描述之真撚紗之描繪圖。 　　[0008] 圖1B係依照習知技術之技術來紡紗真撚紗之示意性描繪圖。 　　[0009] 圖1C係具有紗直徑小於在圖1A中所繪示之紗之加撚紗之繪示圖。 　　[0010] 圖2係繪示在一實施例中之位於基質上之奈米纖維之實例叢。 　　[0011] 圖3係在一實施例中之用於生長奈米纖維之反應器之示意圖。 　　[0012] 圖4係在一實施例中之識別薄片之相對尺寸之奈米纖維薄片之繪示圖，且概要地繪示在平行於薄片之表面的平面中端對端對準之位於薄片中之奈米纖維。 　　[0013] 圖5係在一實施例中之從奈米纖維叢橫向地抽引之奈米纖維薄片之影像，奈米纖維如在圖4中所示意性地展示地從端對端來對準。 　　[0014] 圖6A係在一實施例中之用於奈米纖維紗之假撚紡紗程序之示意性平面描繪圖。 　　[0015] 圖6B係在一實施例中之用於奈米纖維紗之假撚紡紗程序之示意性平面描繪圖。 　　[0016] 圖7係在一實施例中之假撚紡紗機之示意性平面圖。 　　[0017] 圖8係在一實施例中之假撚紡紗機之示意性橫截面透視圖。 　　[0018] 圖9係在一實施例中之假撚紡紗機之示意性透視圖。 　　[0019] 圖10係在一實施例中之用於製造假撚奈米纖維紗之方法流程圖。 　　[0020] 附圖僅針對說明的目的來描繪本發明之各種實施例。根據以下之詳細討論，許多變化、構形及其他實施例將係顯而易見的。

Claims (23)

  1. 一種用於紡紗奈米纖維紗之方法，包括： 　　提供奈米纖維叢於基質上； 　　以一角度α從該基質抽引該奈米纖維叢以形成奈米纖維薄片； 　　用流體浸潤該奈米纖維薄片以形成解撚奈米纖維股線，該解撚奈米纖維股線具有外表面及縱向軸；及 　　施加力至在該解撚奈米纖維股線之端點之間的該解撚奈米纖維股線之該外表面，該施加的力具有垂直於該縱向軸之分量，因此形成假撚奈米纖維紗。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，施加該力包括該解撚奈米纖維股線與加撚表面之間的接觸。
  3. 如申請專利範圍第2項之方法，其中，該解撚奈米纖維股線與該加撚表面之間的該接觸係在小於5毫秒的期間內發生。
  4. 如申請專利範圍第2項之方法，其中，該解撚奈米纖維股線與該加撚表面之間的該接觸係在小於0.5毫秒的期間內發生。
  5. 如申請專利範圍第2項之方法，其中，施加該力包括使用聚矽氧橡膠表面。
  6. 如申請專利範圍第2項之方法，其中，施加該力包括使用在該加撚表面與該解撚奈米纖維股線及該奈米纖維紗之至少一者之間具有0.25至0.75之摩擦係數的表面。
  7. 如申請專利範圍第2項之方法，其中，施加該力包括使用具有小於30毫牛頓/公尺之表面能的表面。
  8. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，浸潤該奈米纖維薄片進一步包括用聚合物及奈米粒子之至少一者來浸潤該奈米纖維薄片。
  9. 如申請專利範圍第1項之方法，其進一步包括乾燥該解撚奈米纖維股線以移除該流體。
  10. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該角度α係在2°至20°的範圍內。
  11. 一種奈米纖維紡紗系統，包括： 　　紡紗機，包含具有曲率半徑小於1公分之內表面的旋轉撚紗環；及 　　被設置在基質上的奈米纖維叢，該奈米纖維叢以一角度α從該基質被抽引以在密緻化工站處形成奈米纖維股線。
  12. 如申請專利範圍第11項之奈米纖維紡紗系統，其進一步包括被設置在該密緻化工站與該紡紗機之間的乾燥器。
  13. 如申請專利範圍第11項之奈米纖維紡紗系統，其中，該紡紗機進一步包括： 　　框架； 　　被安裝至該框架之圓形軸承，該圓形軸承具有靠近該框架之外直徑及與該外直徑相對的內直徑；且 　　其中，該撚紗環具有內表面與外表面，該外表面被安裝至該圓形軸承之該內直徑且該內表面被曝露。
  14. 如申請專利範圍第11項之奈米纖維紡紗系統，其進一步包括密緻化工站，該密緻化工站包括容器及在該容器中的溶劑。
  15. 如申請專利範圍第14項之奈米纖維紡紗系統，其中，在該容器中之該溶劑係有機溶劑。
  16. 如申請專利範圍第15項之奈米纖維紡紗系統，其中，該有機溶劑進一步包括溶化聚合物及懸浮粒子之至少一者。
  17. 如申請專利範圍第11項之奈米纖維紡紗系統，其中，該角度α係在2°至20°的範圍內。
  18. 如申請專利範圍第11項之奈米纖維紡紗系統，其進一步包括用於捲繞離開紡紗機之奈米纖維紗的捲線軸，該捲線軸施加張力至該奈米纖維紗。
  19. 如申請專利範圍第11項之奈米纖維紡紗系統，其中，該紡紗機進一步包括： 　　彼此隔開的第一輪及第二輪，該第一輪及該第二輪兩者皆被組構成用於旋轉； 　　撚紗帶，被設置成圍繞該第一輪及該第二輪兩者，該撚紗帶藉由該第一輪及該第二輪之該旋轉而旋轉；及 　　靠近該撚紗帶之複數個支柱。
  20. 如申請專利範圍第11項之奈米纖維紡紗系統，其中，該撚紗環具有聚矽氧橡膠表面。
  21. 如申請專利範圍第11項之奈米纖維紡紗系統，其中，在該撚紗環與該奈米纖維股線之間之該撚紗環之該內表面具有0.25至0.75之摩擦係數。
  22. 如申請專利範圍第11項之奈米纖維紡紗系統，其中，該撚紗環具有小於30毫牛頓/公尺之表面能。
  23. 如申請專利範圍第11項之奈米纖維紡紗系統，其中，對應於該撚紗環之該內表面之該撚紗環之內直徑係100 mm。
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