(57)【要約】熱、並びに圧迫成分及び伸長成分の両方を含むことができる加えられる力を使用して少なくとも１つのナノファイバーシートを連続して圧縮する方法及びシステムが説明される。それらの技術を使用して圧縮されたナノファイバーシートは、溶媒を単独で使用して圧縮されたナノファイバーシートよりも均一であり、高度に整列されたマイクロ構造を有する。結果として、本開示のナノファイバーシートは、例えば、他の技術を使用して圧縮されたナノファイバーシートよりも高い伸長の強さ、及び良好な導電性を有する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのナノファイバーフォレストを少なくとも１つのナノファイバーシートに引き出すステップと、
前記少なくとも１つのナノファイバーシートに、熱と、伸長成分及び圧迫成分を有する力とを提供するステップであって、前記提供された熱及び前記提供された力は、前記少なくとも１つのナノファイバーシート内でナノファイバーを整列させ、前記少なくとも１つのナノファイバーシートの密度を増大させるステップと、
を含む、方法。
【請求項２】
前記提供された熱、前記伸長成分、及び前記圧迫成分のうちの少なくとも１つが、前記ナノファイバーシートの個々のナノファイバーの間の平均間隔を低減させることによって、前記ナノファイバーシートの密度を増大させる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記提供された熱、前記伸長成分、及び前記圧迫成分のうちの少なくとも１つが、前記少なくとも１つのナノファイバーフォレストのナノファイバーの間のもつれの数を減少させる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも１つのナノファイバーシートが、第１の側面と、前記第１の側面とは反対の第２の側面とを有し、
前記提供された熱、前記伸長成分、及び前記圧迫成分のうちの少なくとも１つが、前記第１の側面に提供され、次いで、前記第２の側面に提供される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記少なくとも１つのナノファイバーシートが、第１の側面と、前記第１の側面とは反対の第２の側面とを有し、
前記提供された熱、前記伸長成分、及び前記圧迫成分のうちの少なくとも１つが、前記第１の側面及び前記第２の側面に同時に提供される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記ナノファイバーシートが、前記熱及び力を提供するステップの間、溶媒に曝されない、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記熱及び前記力のうちの少なくとも１つを前記ナノファイバーシートに提供するのと同時に、溶媒蒸気を前記ナノファイバーシートに提供するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
ナノ粒子を前記ナノファイバーシートに提供するステップを更に含み、前記ナノ粒子が、前記溶媒蒸気内でサスペンドされる、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
コロイド粒子を前記ナノファイバーシートに提供するステップを更に含み、前記コロイド粒子が、前記溶媒蒸気内でサスペンドされる、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
ポリマー分子を前記ナノファイバーシートに提供するステップを更に含み、前記ポリマー分子が、前記溶媒蒸気によって溶媒和される、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記少なくとも１つのナノファイバーフォレストを少なくとも１つのナノファイバーシートに引き出すステップが、複数のナノファイバーフォレストを、対応する複数の前駆体ナノファイバーシートに引き出すことを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記複数の前駆体ナノファイバーシートが、連続したマイクロ構造を有する単一の融合されたナノファイバーシートに圧縮される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記連続したマイクロ構造が、圧縮されると前記複数の前駆体ナノファイバーシートが相互に区別することができないマイクロ構造を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記少なくとも１つのナノファイバーシートに提供される熱が、前記ナノファイバーシートの第１の表面を、１００℃〜６００℃の温度を有する表面に曝すことを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
第１の熱ロッド、第２の熱ロッド、及び第３の熱ロッドであって、前記第１の熱ロッド、前記第２の熱ロッド、及び前記第３の熱ロッドが、基準面と同一平面上にない、第１の熱ロッド、第２の熱ロッド、及び第３の熱ロッドと、
第１の方向に回転運動するように構成されたボビンと
を備える、ナノファイバー加工システム。
【請求項１６】
前記基準面が、前記ボビンを含む平面とナノファイバーフォレスト基材とによって定められる、請求項１５に記載のナノファイバー加工システム。
【請求項１７】
前記第１の熱ロッド、前記第２の熱ロッド、及び前記第３の熱ロッドのいずれも、相互に同一平面上にない、請求項１５に記載のナノファイバー加工システム。
【請求項１８】
少なくとも１つの基材と、
前記少なくとも１つの基材の各々の上に配置されたナノファイバーフォレストと
を更に備える、請求項１５に記載のナノファイバー加工システム。
【請求項１９】
前記第３の熱ロッドと前記ボビンとの間に配置された張力低減ローラを更に備え、前記張力低減ローラが、前記第１の方向とは反対である第２の方向に回転運動するように構成されている、請求項１５に記載のナノファイバー加工システム。
【請求項２０】
前記ボビンと前記第３の熱ロッドとの間に配置されたガイド構造を更に備える、請求項１５に記載のナノファイバー加工システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、ここに引用することでその全体が本明細書の記載の一部をなすものとする、２０１７年６月２０日に出願された「Ｄｅｎｓｉｆｙｉｎｇ  ａ  Ｎａｎｏｆｉｂｅｒ  Ｓｈｅｅｔ  Ｕｓｉｎｇ  Ｈｅａｔ  ａｎｄ  Ｆｏｒｃｅ」と題する米国仮特許出願第６５／５２２，１６３号に対する米国特許法第１１９条（ｅ）の下の優先権を主張する。
【０００２】
本開示は概して、ナノファイバーの製造に関する。特に、本開示は、熱及び力を使用してナノファイバーシートを圧縮することに関する。
【背景技術】
【０００３】
ナノファイバーは、独特な機械的、光学的、及び電気的特性を有すると知られている。しかしながら、ナノファイバーのナノスケールの寸法を理由に、商業的に有用であるナノファイバー製品（例えば、操作されることができ、及び／または最終製品に統合されることができる）を発明することが課題であった。国際公開第２００７／０１５７１０号は、ナノファイバーの商業的に有用な具体化を発展させる際の進展の１つの例である。この公開物は、ナノファイバー「フォレスト」をナノファイバーシート及び／または糸に変換することを記載している。この公開物において記載された工程の一部は、溶媒を加えること、及び溶媒をその後に除去することを通じたナノファイバーシートの「圧縮」である。
【発明の概要】
【０００４】
例１（Example 1）は、少なくとも１つのナノファイバーフォレストを少なくとも１つのナノファイバーシートに引き出すことと、少なくとも１つのナノファイバーシートに、熱、並びに伸長成分及び圧迫成分を有する力を提供することであって、提供された熱及び提供された力は、少なくとも１つのナノファイバーシート内でナノファイバーを整列させ、少なくとも１つのナノファイバーシートの密度を増大させる、提供することと、を含む、方法である。
【０００５】
例２（Example 2）は、提供された熱、伸長成分、及び圧迫成分のうちの少なくとも１つは、ナノファイバーシートの個々のナノファイバーの間の平均間隔を低減させることによって、ナノファイバーシートの密度を増大させる、例１の主題を含む。
【０００６】
例３（Example 3）は、提供された熱、伸長成分、及び圧迫成分のうちの少なくとも１つは、少なくとも１つのナノファイバーフォレストのナノファイバーの間のもつれの数を減少させる、例１または例２のいずれかの主題を含む。
【０００７】
例４（Example 4）は、少なくとも１つのナノファイバーシートは、第１の側面及び第１の側面とは反対の第２の側面を有し、提供された熱、伸長成分、及び圧迫成分のうちの少なくとも１つは、第１の側面に提供され、次いで、第２の側面に提供される、先述の例のいずれかの主題を含む。
【０００８】
例５（Example 5）は、少なくとも１つのナノファイバーシートは、第１の側面及び第１の側面とは反対の第２の側面を有し、提供された熱、伸長成分、及び圧迫成分のうちの少なくとも１つは、第１の側面及び第２の側面に同時に提供される、例１〜３の主題を含む。
【０００９】
例６（Example 6）は、ナノファイバーシートは、熱及び力の提供の間に溶媒にさらされない、先述の例のいずれかの主題を含む。
【００１０】
例７（Example 7）は、熱及び力のうちの少なくとも１つをナノファイバーシートに提供するのと同時に、溶媒蒸気をナノファイバーシートに提供することを更に含む、例１〜５のいずれかの主題を含む。
【００１１】
例８（Example 8）は、ナノ粒子をナノファイバーシートに提供することを更に含み、ナノ粒子は、溶媒蒸気内でサスペンドされる、例７の主題を含む。
【００１２】
例９（Example 9）は、コロイド粒子をナノファイバーシートに提供することを更に含み、コロイド粒子は、溶媒蒸気内でサスペンドされる、例７の主題を含む。
【００１３】
例１０（Example 10）は、ポリマー分子をナノファイバーシートに提供することを更に含み、ポリマー分子は、溶媒蒸気によって溶媒和される、例７の主題を含む。
【００１４】
例１１（Example 11）は、少なくとも１つのナノファイバーフォレストを少なくとも１つのナノファイバーシートに引き出すことは、複数のナノファイバーフォレストを対応する複数の前駆体ナノファイバーシートに引き出すことを含む、先述の例のいずれかの主題を含む。
【００１５】
例１２（Example 12）は、複数の前駆体ナノファイバーシートは、連続したマイクロ構造を有する単一の融合されたナノファイバーシートに圧縮される、例１１の主題を含む。
【００１６】
例１３（Example 13）は、連続したマイクロ構造は、圧縮されると前駆体ナノファイバーシートが相互に区別することができないマイクロ構造を含む、例１２の主題を含む。
【００１７】
例１４（Example 14）は、少なくとも１つのナノファイバーシートに提供された熱は、ナノファイバーシートの第１の表面を、１００℃〜６００℃の温度を有する表面にさらすことを含む、先述の例のいずれかの主題を含む。
【００１８】
例１５（Example 15）は、第１の熱ロッド、第２の熱ロッド、及び第３の熱ロッドであって、第１の熱ロッド、第２の熱ロッド、及び第３の熱ロッドは、基準面と同一平面上にない、第１の熱ロッド、第２の熱ロッド、及び第３の熱ロッドと、第１の方向における回転運動に対し構成されたボビンと、を含む、ナノファイバー加工システムである。
【００１９】
例１６（Example 16）は、基準面は、ボビンを含む平面及びナノファイバーフォレスト基材によって定められる、例１５の主題を含む。
【００２０】
例１７（Example 17）は、第１の熱ロッド、第２の熱ロッド、及び第３の熱ロッドのいずれも、相互に同一平面上にない、例１５または例１６のいずれかの主題を含む。
【００２１】
例１８（Example 18）は、少なくとも１つの基材と、少なくとも１つの基材の各々の上に配置されたナノファイバーフォレストと、を更に含む、例１５〜１７のいずれかの主題を含む。
【００２２】
例１９（Example 19）は、第３の熱ロッドとボビンとの間に配置された張力低減ローラを更に含み、張力低減ローラは、第１の方向とは反対の第２の方向における回転運動に対し構成されている、例１５〜１８のいずれかの主題を含む。
【００２３】
例２０（Example 20）は、ボビンと第３の熱ロッドとの間に配置されたガイド構造を更に含む、例１５〜１９のいずれかの主題を含む。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施形態における、基材上のナノファイバーの例示的なフォレストを示す。
【図２】実施形態における、成長するナノファイバーについての反応器の概略図である。
【図３】実施形態における、シートの相対寸法を識別するナノファイバーシートの図であり、シートの表面上に端から端へと平面に平行に整列されたシート内のナノファイバーを概略的に示す。
【図４】ナノファイバーフォレストから横方向に引き出されたナノファイバーシートの画像であり、複数のナノファイバーが、図３に概略的に示されるように端から端へと整列される。
【図５】実施形態における、熱及び力の組み合わせを使用して少なくとも１つのナノファイバーシートを圧縮する例示的な方法の方法フローチャートである。
【図６】図６Ａは、実施形態における、熱及び力を使用してナノファイバーシートを圧縮する例示的なシステムの側面図を示す。図６Ｂは、図６Ａ及び６Ｃに示された例示的なシステムの構成要素上で、及び構成要素と接触して引き出されるときにナノファイバーシートによって経験される力の成分を概略的に示す。図６Ｃは、実施形態における、熱及び力を使用してナノファイバーシートを圧縮する例示的なシステムの側面図を示す。
【図７】図７Ａは、実施形態における、熱及び力を使用して、１つよりも多いナノファイバーシートを一度に単一の融合されたナノファイバーシートに連続して圧縮する例示的なシステムの側面図を示す。図７Ｂは、実施形態における、図７Ａの例示的なシステムの平面図を示す。
【図８】実施形態における、熱及び力が繰り返し加わるときのナノファイバーシート内の個々のナノファイバーの進歩的な整列を概略的に示す。
【図９】図９Ａ〜９Ｃは、実施形態における、異なる加工条件に従って引き出されたナノファイバーシートの平面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図面は、説明の目的のためのみに本開示の種々の実施形態を示す。多数の変形、構成及び他の実施形態は、以下の詳細な説明から明らかであろう。更に、認識されるように、図面は、必ずしも正確な縮尺で描かれておらず、または説明する実施形態に示される特定の構成に限定することを意図していない。例えば、いくつかの図面が全体的に直線、直角、及び滑面を示しているが、開示される技術の実際の実装態様は、完全な直線及び直角ではなくてもよく、いくつかの特徴は、製造工程の現実世界の制約を仮定して、表面地形を有してもよく、または他に、滑面でなくてもよい。要するに、図面は、単に例示的な構造を示すために提供される。
【００２６】
［概略］
本開示の実施形態は、熱及び加えられる力を使用して少なくとも１つのナノファイバーシートを連続して圧縮する方法及びシステムを含む。加えられる力は、圧迫成分及び伸長成分のうちの１つまたは両方を含むことができる。本明細書で説明される実施形態は、ナノファイバーシートの引き出し、ナノファイバーシートの圧縮、及びいくつかのケースでは、ナノファイバー糸の紡ぎが単一の加工システムまたは協調加工システム内で異なる段階において実行されるように連続した工程として構成されることができる。いくつかの実施形態では、溶媒または溶媒蒸気は加えて、熱及び力に従って圧縮されているナノファイバーシートに加えられてもよい。加えられた溶媒または溶媒蒸気は、圧縮工程を強化することができ、別の材料（例えば、ナノ粒子、コロイド粒子、ポリマー）をナノファイバーシート構造に導入するために使用されることができ、またはその両方である。いくつかの例では、本開示のシステムにおいて加工されるナノファイバーシートは、ナノファイバーフォレストの単一源から生じることができる。実施形態はまた、溶媒を単独で使用するなど、他の技術を使用して圧縮されたナノファイバーシートよりも均一であり、高度に整列された構造を有する、本明細書で説明される工程に従って圧縮されたナノファイバーシートを含む。
【００２７】
本開示の方法及びシステムを使用して、圧縮されたナノファイバーシートを製造する製品は、溶媒を使用して圧縮されたナノファイバーシートとは別のマイクロ構造を有するナノファイバーシートとすることができる。特に、いくつかの例では、ナノファイバーシートを圧縮するために熱、並びに圧迫成分及び伸長成分の両方を含む加えられる力を使用することによって、シート内のナノファイバーは、溶媒を単独で使用して圧縮されたナノファイバーシートと比較して、より相互に整列される。この構造的な差は、溶媒を単独で使用して圧縮されたナノファイバーシートと比較して、ナノファイバーシートの機械的または物理的特性（例えば、伸長力、シートのナノファイバー／単位構造（すなわち、密度））、及び電気的特性（例えば、導電性）における改善を生じさせることができる。
【００２８】
実施形態はまた、複数の前駆体ナノファイバーシートを共に単一の融合され圧縮されたナノファイバーシートに圧縮するために使用されることができる。それらの実施形態では、均一の組成物及び構造の単一の、融合され圧縮されたシートは、複数の前駆体ナノファイバーシートから生成されることができる、すなわち、複数の前駆体ナノファイバーシートが使用されるとしても、前駆体ナノファイバーシートの間の境界を示す単一の融合され圧縮されたナノファイバーシート内では検出可能な異質性が存在しない。それらの実施形態の利点は、構造的に均一であり、単一のナノファイバーフォレストから引き出されたナノファイバーシートに対応する電気的及び機械的特性を有する圧縮されたナノファイバーシートの製造である。このようにして、より長く、より厚みがあり、より密度があるナノファイバーシート及びナノファイバー糸は、溶媒を単独で使用して一度に圧縮された単一のナノファイバーフォレストを使用して単一のナノファイバーフォレストから製造されたナノファイバーシート及び糸と比較して、本開示の単一の、結合され圧縮されたナノファイバーシートから製造されることができる。
【００２９】
他の実施形態及び利点は、本開示を考慮して認識されよう。本開示の実施形態の説明についてのコンテキストを提供するために、カーボンナノファイバー、ナノファイバーフォレスト、及びナノファイバーシートの議論が続く。
【００３０】
［カーボンナノファイバー及びカーボンナノファイバーシートの特性］
本明細書で使用する場合「ナノファイバー」という用語は、１μｍ未満の直径を有する繊維を意味する。本明細書の実施形態が、カーボンナノチューブから製造されると主として記載される一方で、他の炭素同素体（グラフェン、マイクロメートルまたはナノスケールのグラファイトファイバー及び／またはプレートに関わらず）、並びにナノスケールのファイバーの他の組成物（例えば、窒化ホウ素）は、後述する技術を使用してナノファイバーシートを作製するために使用してもよいことは認識されるであろう。本明細書で使用する場合「ナノファイバー」及び「カーボンナノチューブ」という用語は、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（炭素原子が円筒状構造を形成するために結合されている）を含む。いくつかの実施形態で、本明細書で参照されるカーボンナノチューブは、４つと１０個の間の壁を有する。本明細書で使用する場合「ナノファイバーシート」または単に「シート」は、引き出し工程（国際公開第２００７／０１５７１０号に記載のとおりであり、これは、その全体が本明細書の記載の一部をなすものとする）を介して整列される、ナノファイバーのシートを指し、その結果、シートのナノファイバーの長手方向軸は、シートの主表面（すなわち、しばしば「フォレスト」と呼ばれる、シートの成膜直後の状態）に垂直ではなく、シートの主表面と平行である。
【００３１】
カーボンナノチューブの寸法は、使用する製造方法に応じて、著しく変化できる。例えば、カーボンナノチューブの直径は０．４ｎｍ〜１００ｎｍであり得て、その長さは１０μｍ〜５５．５ｃｍ超の範囲であり得る。カーボンナノチューブはまた、１３２，０００，０００：１以上と同じ程度のものを有する、非常に高いアスペクト比（長さと直径の比）を有することができる。広範囲の次元の可能性を考慮すると、カーボンナノチューブの特性は、高度に調節可能または調整可能である。カーボンナノチューブの多くの魅力的な特性が確認される一方で、実際の適用でカーボンナノチューブの特性を利用することは、カーボンナノチューブの特徴を維持する、またはそれを強化することを可能にする、計測可能かつ制御可能な製造方法を必要とする。
【００３２】
その独特の構造のため、カーボンナノチューブは、特定の用途のためにそれらを良好に適合させる、特定の機械的、電気的、化学的、熱的及び光学的特性を備えている。特にカーボンナノチューブは、優れた導電率、高い機械的強度、良好な熱安定性を示し、疎水性でもある。これらの特性に加えて、カーボンナノチューブは、有用な光学特性も示すことができる。例えば、カーボンナノチューブは、狭く選択した波長で光を発する、または検出するために、発光ダイオード（ＬＥＤ）及び光検知器に使用できる。カーボンナノチューブは、光子輸送及び／またはフォノン輸送でも有用であることがわかり得る。
【００３３】
［ナノファイバーフォレスト］
本件開示の種々の実施形態に従って、複数のナノファイバー（カーボンナノチューブを含むが、これに限定されない）は、種々の構成（本明細書で「フォレスト」と称される構成も含む）で配列されることができる。本明細書で使用する場合、複数のナノファイバーまたは複数のカーボンナノチューブの「フォレスト」とは、基材上で互いに実質的に平行に配列される、ほぼ同じ寸法を有する複数のナノファイバーのアレイを意味する。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もよいが、いくつかの実施形態で、基材は、フォレストが集積される平坦な表面を有する。図１に示すように、フォレストの複数のナノファイバーは、高さ及び／又は直径がほぼ等しくてもよい。
【００３４】
本明細書にて開示するナノファイバーフォレストは、比較的高密度であり得る。具体的には、開示したナノファイバーフォレストは、少なくとも１，０００，０００，０００ナノファイバー／ｃｍ２の密度を有することができる。いくつかの特定の実施形態にて、本明細書に記載されているナノファイバーフォレストは、１０，０００，０００，０００ナノファイバー／ｃｍ２と３０，０００，０００，０００ナノファイバー／ｃｍ２の間の密度を有することができる。他の例で、本明細書に記載されているナノファイバーフォレストは、９０，０００，０００，０００ナノファイバー／ｃｍ２の範囲の密度を有することができる。フォレストは高密度または低密度の領域を含むことができ、特定の領域はナノファイバーがなくてもよい。フォレスト内のナノファイバーは、繊維間結合性も示すことができる。例えば、ナノファイバーフォレスト内の隣接するナノファイバーは、ファンデルワールス力によって互いに引きつけられることができる。
【００３５】
［ナノファイバーフォレストを製造するための例示の方法］
種々の方法は、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使用できる。例えばいくつかの実施形態で、ナノファイバーは、高温の炉で成長させることができる。いくつかの実施形態では、触媒は、基材上に付着して、反応器内に配置されることができ、次に反応器に供給される燃料化合物に曝露されることができる。基材は、８００℃超〜１０００℃の温度に耐えることができて、不活性材料でもよい。基材は、下にあるシリコン（Ｓｉ）ウエハ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を、Ｓｉウエハの代わりに使用してもよい（例えば、アルミナ、ジルコニア、ＳｉＯ２、結晶化ガラス）。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、炭素系化合物（例えば、アセチレン）を、燃料化合物として使用できる。反応器に導入された後、燃料化合物は、次に触媒に堆積しはじめることができて、ナノファイバーのフォレストを形成するために、基材から上向きに成長することによってアセンブルすることができる。
【００３６】
ナノファイバー成長における例示の反応器の図を、図２に示す。図２で示すように、反応器は、基材がナノファイバーフォレストの成長を促進するために配置されることができる、加熱ゾーンを含んでよい。反応器はまた、燃料化合物（複数可）及びキャリアガスが反応器に供給され得るガス注入口と、消費した燃料化合物及びキャリアガスが反応器から放出され得るガス放出口と、を含むことができる。キャリアガスの例は、水素、アルゴン及びヘリウムを含む。これらのガス、特に水素はまた、反応器に導入されて、ナノファイバーフォレストの成長を促進することができる。そのうえ、ナノファイバーに混合されるドーパントを、ガス流に加えることができる。ナノファイバーフォレストの堆積の間、ドーパントを加える例示の方法は、国際公開第２００７／０１５７１０号の、他の場所でも特に段落２８７に記載されており、これは、本明細書に参照により組み込まれる。フォレストに添加物をドープするまたは提供する、他の例示の方法は、表面コーティング、ドーパント注入、または他の堆積及び／またはｉｎ  ｓｉｔｕ反応（例えば、プラズマ誘起反応、気相反応、スパッタリング、化学気相成長）を含む。例示の添加物は、特に、ポリマー（例えば、ポリ（ビニルアルコール）、ポリ（フェニレンテレフタルアミド）型樹脂、ポリ（ｐ−フェニレンベンゾビスオキサゾール）、ポリアクリロニトリル、ポリ（スチレン）、ポリ（エーテルエーテルケトン）及びポリ（ビニルピロリドン）、またはその誘導体及びこれらの組み合わせ）、元素または化合物のガス（例えば、フッ素）、ダイヤモンド、パラジウム及びパラジウム合金、を含む。
【００３７】
ナノファイバーの成長中の反応条件は、得られるナノファイバーフォレストの特性を調整するために変えることができる。例えば、触媒の粒径、反応温度、ガス流速及び／または反応時間は、所望の仕様を有するナノファイバーフォレストを生産するように、必要に応じて調整されることができる。いくつかの実施形態では、基材上の触媒の位置は、所望のパターンを有するナノファイバーフォレストを形成するために制御される。例えば、いくつかの実施形態で、触媒はパターンの基材上に堆積され、パターニングした触媒から生じる成長フォレストは、同じようにパターニングされる。代表的な触媒は、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）または酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の緩衝層を備える鉄を含む。これらは、特に、化学気相成長（ＣＶＤ）、圧力化学気相成長（ＰＣＶＤ）、電子ビーム（ｅビーム）堆積、スパッタリング、原子層堆積（ＡＬＤ）、レーザーＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、熱蒸着、種々の電気化学的方法などを使用して、基材上に堆積され得る。
【００３８】
形成の後、ナノファイバーフォレストは、所望により改質されることができる。例えば、いくつかの実施形態で、ナノファイバーフォレストは、酸化剤または還元剤などの処理剤に曝露され得る。いくつかの実施形態で、フォレストのナノファイバーは所望により、処理剤によって化学的に官能化されることができる。処理剤は、任意の好適な方法（化学気相成長（ＣＶＤ）または上述した他の技術及び添加物／ドーパントのいずれかを含むが、これらに限定されない）によってナノファイバーフォレストに導入され得る。いくつかの実施形態では、ナノファイバーフォレストは、パターニングしたフォレストを形成するために改質されることができる。フォレストのパターニングは、例えば、フォレストからナノファイバーを選択的に除去することにより達成され得る。除去は、化学的または物理的手段により成し遂げられることができる。
【００３９】
［ナノファイバーシート］
フォレスト構成の配列に加えて、本出願のナノファイバーは、シート構成に配列されてもよい。本明細書で使用する場合「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、複数のナノファイバーが端から端へと平面に整列している、複数のナノファイバーの配列を意味する。いくつかの実施形態で、シートは、シートの厚さより１００倍超の長さ及び／または幅を有する。いくつかの実施形態で、長さ、幅または両方は、シートの平均厚さより１０３、１０６または１０９倍超である。ナノファイバーシートは、例えば約５ｎｍと３０μｍとの間の厚さ、並びに目的の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、ナノファイバーシートは、１ｃｍと１０ｍの間の長さ及び１ｃｍと１ｍの間の幅を有することができる。これらの長さは、単に例示のために提供される。ナノファイバーシートの長さ及び幅は製造装置の構成によって拘束され、ナノチューブ、フォレストもしくはナノファイバーシートのいずれかの物理的または化学的性質によるものではない。例えば、連続工程は、任意の長さのシートを製造することができる。それらを製造する際、これらのシートはロール上に巻き付けられることができる。
【００４０】
例示的なナノファイバーシートの図を、相対的な寸法で図３に示す。図３に示すように、複数のナノファイバーが端から端へと整列している軸（axis）は、ナノファイバーの整列方向と称される。いくつかの実施形態で、ナノファイバーの整列方向は、ナノファイバーシート全体にわたって連続的でもよい。複数のナノファイバーは必ずしも互いに完全に平行ではなく、ナノファイバーの整列方向は、複数のナノファイバーが整列している方向の平均的または一般的な指標であると理解されている。
【００４１】
ナノファイバーシートは、互いの上に積み重なって、多層シート積層体を形成できる。複数のナノファイバーシートは、ナノファイバーの整列方向が同一となるように、またはナノファイバーの整列方向が異なるように積み重ねることができる。任意の数のナノファイバーシートが、互いの上に積み重ねられて、多層ナノファイバーシート積層体を形成できる。例えば、いくつかの実施形態で、ナノファイバーシート積層体は、２、３、４、５、１０又はそれ以上の個別のナノファイバーシートを備えることができる。積層体の隣接するシート上のナノファイバーの整列方向は、１度未満、５度未満または１０度未満だけ異なることができる。他の実施形態では、隣接するまたは交互配置したシート上のナノファイバーの整列方向は、４０度超、４５度超、６０度超、８０度超または８５度超異なることができる。特定の実施形態では、隣接するまたは交互配置したシート上のナノファイバーの整列方向は、９０度でもよい。多層シート積層体は、個々の非繊維シートの間の他の材料（例えば、ポリマー、金属及び接着剤）を含むことができる。
【００４２】
ナノファイバーシートは、シートを作製できる任意の種類の好適な方法を使用して、アセンブルされることができる。いくつかの例示の実施形態で、ナノファイバーシートは、ナノファイバーフォレストから引き出されることができる。ナノファイバーフォレストから引き出されているナノファイバーシートの例を、図４に示す。
【００４３】
図４に示すように、複数のナノファイバーは、フォレストから横方向に引き出されて、次にナノファイバーシートを形成するために、端から端へと整列させられてもよい。ナノファイバーシートがナノファイバーフォレストから引き出される実施形態で、フォレストの寸法は、特定の寸法を有するナノファイバーシートを形成するように制御されることができる。例えば、ナノファイバーシートの幅は、シートが引き出されたナノファイバーフォレストの幅にほぼ等しくてもよい。そのうえ、シートの長さは、所望のシート長さが得られたとき、例えば引き出し工程を終えることにより制御されることができる。
【００４４】
ナノファイバーシートは、種々の用途のために利用できる、多くの特性を有する。例えば、ナノファイバーシートは、調整可能な不透明度、高い機械的強度及び可撓性、熱的及び電気伝導度を有することができて、疎水性も示すことができる。シート内の複数のナノファイバーの高度の整列を考慮すると、ナノファイバーシートは極めて薄くてもよい。いくつかの例で、ナノファイバーシートは、それをほとんど２次元にする、厚さ約１０ｎｍ程度（通常の測定公差内で測定）である。他の例で、ナノファイバーシートの厚さは、２００ｎｍまたは３００ｎｍと同じ程度であり得る。したがってナノファイバーシートは、軽微な追加の厚さを構成要素に加えることができる。
【００４５】
ナノファイバーフォレストと同様に、ナノファイバーシートのナノファイバーは、シートのナノファイバーの表面に化学基または要素を添加することにより、処理剤によって官能化されることができ、それはナノファイバー単独とは異なる化学的活性を提供する。ナノファイバーシートの官能化は、以前に官能化されたナノファイバーに実行することができる、または以前に非官能化されたナノファイバーに実行することができる。官能化は、限定されないがＣＶＤ及び種々のドーピング技術を含む、本明細書に記載の技術のいずれかを使用して実行することができる。
【００４６】
金属処理及び／またはポリマー浸潤の前に、本明細書にて開示するナノファイバーシートは、高純度を有することもでき、いくつかの例で、ナノファイバーシートの９０重量％超、９５重量％超または９９重量％超は、ナノファイバーに起因している。同様に、ナノファイバーシートは、９０重量％超、９５％重量超、９９％重量超または９９．９重量％超の炭素を含むことができる。
【００４７】
［圧縮方法］
上記示されたように、ナノファイバーシートは、溶媒を加え、その後、溶媒を除去することによって圧縮されることができる。しかしながら、この溶媒の圧縮工程によって、下層の基材に取り付けられない限り、ナノファイバーシートが寸法に関して縮小する。この寸法に関する縮小の間、フォレストからシートを引き出す間に生じる、シート内のナノファイバーの間の物理的なもつれが保たれる。ナノファイバーの間のもつれは、それらのもつれによって制限されることがある個々のナノファイバーの移動の自由度を理由に、ナノファイバーシートが圧縮されることができる程度を制限する。すなわち、ナノファイバーは、その移動が別のナノファイバーの物理的な衝突によって妨げられることを理由に、より真っすぐになること及び隣接するナノファイバーとより整列されることを妨げられることがある。よって、それらの保たれたもつれは、ナノファイバーシートが溶媒によって圧縮されることができる程度を制限する。このタイプのナノファイバーシートを糸に加工するとき、それらのもつれを克服するように糸の密度を高めるために、追加のねじれが全体的に必要とされる。
【００４８】
この溶媒単独の圧縮技術とは異なり、本明細書で開示される実施形態は、熱、並びにいくつかの例では、圧迫成分及び伸長成分の一方または両方を含む力を加えることによって、ナノファイバーシートを圧縮する。図５は、実施形態における、熱及び力の組み合わせを使用して少なくとも１つのナノファイバーシートを圧縮する方法５００を示す方法フローチャートである。図６Ａ〜６Ｃ、並びに図７Ａ及び７Ｂは、方法５００を実行する例示的なシステムを示す。
【００４９】
方法５００は、少なくとも１つのナノファイバーフォレストを設け（５０４）、少なくとも１つのナノファイバーフォレストを少なくとも１つのナノファイバーシートに引き出す（５０８）ことによって開始する。ナノファイバーフォレストは、例えば、図１〜４のコンテキストにおいて上記説明された技術と共に、その全体を参照することによって以下に組み込まれる、国際公開第ＷＯ２００７／０１５７１０号公報において説明されたそれらの技術を使用して製造されることができ、引き出されることができる。１つよりも多いナノファイバーフォレストが設けられ（５０４）、１つよりも多いナノファイバーフォレストが１つよりも多いナノファイバーシートに引き出される（５０８）実施形態では、２つ以上のナノファイバーシートは、物理的に重なることができる（５１２）。重なったナノファイバーシートの概略図は、図７Ｂに示される。
【００５０】
方法５００に従って加工されるナノファイバーシートの数に関わらず、熱、並びに圧迫成分及び伸長成分のうちの少なくとも１つを有する力を提供することによって、少なくとも１つのナノファイバーシートが圧縮される（５１６）。熱、並びに圧迫力及び伸長力のうちの少なくとも１つをナノファイバーシートに提供する例示的なシステムは、各々が以下で更に詳細に説明される、図６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、７Ａ、及び７Ｂに記述される。
【００５１】
いくつかの実施形態では、圧縮（５１６）の間または後、溶媒または溶媒蒸気は、ナノファイバーシートに加えられることができる（５２０）。溶媒または溶媒蒸気を加えることは、ナノファイバーシートを更に圧縮することができ、または第２の材料をナノファイバーシート内に導入するために使用されることができる。例えば、ポリマー分子、不揮発性または低揮発性分子、グラフェンナノ粒子、及び他のナノ粒子は、溶媒または溶媒蒸気を媒剤として使用して、ナノファイバーシートの表面または内部に提供されることができる。
【００５２】
いくつかの実施形態では、圧縮されたナノファイバーシートは、ナノファイバー糸に紡がれることができる（５２４）。本開示のナノファイバーシートから生成されたナノファイバー糸の例では、糸の機械的及び電気的特性は、従来の溶媒のみの圧縮されたナノファイバーシートから生成された糸よりも改善される。
【００５３】
ナノファイバー糸またはナノファイバーシートであるかどうかに関わらず、圧縮された材料は、収集されることができ（５２８）、例えば、ボビンまたは糸巻きの周りに巻き付けられることができる。
【００５４】
［圧縮システム］
図６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、７Ａ、及び７Ｂは、本開示の実施形態における、熱及び力を使用して少なくとも１つのナノファイバーシートを圧縮するシステムの様々な実施形態及びその態様を概略的に記述する。
【００５５】
図６Ａは、実施形態における、熱及び力を使用して少なくとも１つのナノファイバーシートを圧縮する例示的なシステム６００の側面図を示す。例示的なシステム６００は、基材６０８上に配置されたナノファイバーフォレスト６０４、熱ロッド６１６Ａ〜６１６Ｃ、ガイド構造６２０、及びボビン６２４を含む。
【００５６】
ナノファイバーフォレスト６０４は、図１〜４のコンテキストにおいて上記説明された方法に従って製造されることができる。基材６０８は、その上でナノファイバーフォレスト６０４が成長する成長基材または交換基材とすることができる。例えば、その全体を参照することによって以下に組み込まれる、米国特許第９，９６４，７８３号明細書において説明されるように、ナノファイバーフォレスト６０４は、成長基材とは異なる基材６０８に転移されることができる。転移されたナノファイバーフォレストは、フォレスト６０４をナノファイバーシートに引き出す前に、下層の基材６０８に対してナノファイバーの角度を再方位付けるように操作されることができる。
【００５７】
基材６０８のタイプに関わらず、ナノファイバーフォレスト６０４（または、フォレスト（複数可））は、ナノファイバーシート６１２に引き出される。ナノファイバーシート６１２の１つの表面は次いで、熱ロッド６１６Ａの「最上部」表面と接触して置かれる。例示的なシステム６００はまた、ナノファイバーシートがその下及びその上をそれぞれ通る第２の熱ロッド６１６Ｂ及び第３の熱ロッド６１６Ｃを含む。
【００５８】
熱ロッド（総称的に６１６）の数は、本開示の異なる実施形態において変わることができることを認識されよう。少なくとも２つの熱ロッド６１６を使用することは、ナノファイバーシート６１２の両側面を熱及び力にさらすことを可能にすることを認識されよう。しかしながら、例の中でも特に、ナノファイバーシート６１２がそれを通じて延ばされる別の最上部上で配列された１つである（すなわち、「ローリングミル」構成）隣接する熱ローラのペアなどの他のデバイスは、この目的を達成することができることを認識されよう。更に、熱ロッド６１６自体が加熱されなくてもよく、むしろ、ナノファイバーシートがロッド６１６上で及びロッド６１６に対して引き出されるにつれて、熱が外部源からナノファイバーシート６１２に加えられることができることを認識されよう。外部熱源の例は、強制温風源、ＩＲヒータ、放射ヒータ、及びその他を含むが、それらに限定されない。
【００５９】
各々の熱ロッド６１６は、少なくとも２つの機能を実行することができる。第１の機能は、熱ロッド６１６と接触するナノファイバーシート６１２の一部に熱を提供することである。熱によって、個々のナノファイバーは、より真っすぐになることができ、シート内で隣接して配置されたナノファイバーの間のもつれの数（または、程度）が減少することができる。それらのうちの１つまたは両方は、シート６１２内で個々のナノファイバーの間の空間における低減及び個々のナノファイバーの間の整列における増大を可能にする。第２の機能は、ナノファイバーシート６１２上で力を提供し、それはまた、ナノファイバーの間の整列をより真っすぐにし、及び増大させることができ、よって、シートを全体的に圧縮する。それらの例では、示されるシステムを通じてナノファイバーシート６１２を引き出すことによって、力が供給される。すなわち、１つ以上の熱ロッド６１６に対してシートの方位を変更し、ロッド６１６をシート６１２が接触される表面として使用する（家庭のスチームアイロンのように）ことによって、引き出し力（例えば、ボビンによって供給される）は、伸長力及び圧迫力の両方を含むように転移されることができる。それらの力の相対的な大きさは、シート６１２が所与のロッド６１６上で引き出される角度に基づいて変化することができる。
【００６０】
整列を真っすぐにし、及び増大させることが熱もしくは力（または、その両方）によって生じるかどうかに関わらず、１つの結果は、ナノファイバーシート６１２が全体的に断面積及び体積において減少するにつれて、ナノファイバーシート６１２の単位体積ごとにナノファイバーの密度を増大させることである。増大された密度及び整列は、圧縮されたナノファイバーシート６１２の伸長の強さを増大させることができ、伸長の強さを増大させることができ、ナノファイバーシート６１２の導電性も増大させることができる。更に全体的に、本明細書で説明される圧縮方法及びシステムは、シート内の個々のナノファイバーが真っすぐになり、真っすぐになった（及び、もつれにおける低減）結果として相互により隣接して配置されることを理由に、シートのナノファイバーの間のファンデルワールス力の相互作用の強さの関数である特性を増大させる。
【００６１】
熱ロッド６１６は、１００℃〜２００℃、１００℃〜５００℃、１００℃〜６００℃、５００℃〜６００℃、５０℃〜１００℃、１００℃〜２００℃、２００℃〜３００℃、２５０℃〜３００℃、１５０℃〜２００℃、３００℃〜６００℃、４００℃〜６００℃、４００℃〜５００℃、４００℃〜５００℃の範囲のいずれかの内の表面温度を生じさせることができる電熱素子または他の熱源を含むことができる。熱ロッド６１６はまた、それらの間の接触の間に熱ロッド６１６とナノファイバーシート６１２との間の摩擦の係数を低減させるように、低表面エネルギーにより被膜されることができるが、熱的に安定した被膜（例えば、ポリテトラフルオロエチレン）により被膜されることができる。
【００６２】
いくつかの例では、熱ロッド６１６はまた、それを通じて溶媒または溶媒蒸気が通ってもよい、接触表面内で定められた１つ以上のポートを含むことができる。溶媒または溶媒蒸気（霧、トルエン、エタノール、メタノールなどであるかどうかに関わらず）は、ナノファイバーシート６１２を更に圧縮し、及び／又は個々のナノファイバーの間の整列を改善するために使用されることができる。いくつかの例では、溶媒または溶媒蒸気はまた、別の材料をナノファイバーシート６１２の表面または内部に提供するための溶剤として使用されることができる。例えば、ポリマー（例えば、接着剤）は、溶媒内で溶媒和されることができ、次いで、熱ロッド６１６の接触表面内で定められたポートを通じてナノファイバーシート６１２に加えられることができる。別の例では、コロイド粒子またはナノ粒子（例えば、銀ナノ粒子、グラフェンナノ粒子）は、溶媒内でのサスペンドし、及び溶媒または溶媒蒸気をナノファイバーシート６１２に加えるときにナノファイバーシート６１２の表面及び／又は内部に提供されることができる。
【００６３】
システム６００はまた、熱ロッド６１６Ｃとボビン６２４との間に配置されたガイド構造６２０を含む。ガイド構造６２０は、ナノファイバーシートがボビン６２４上で一貫して、及び均一に巻き付けられるように、ボビン６２４に対してナノファイバーシート６１２を位置付けることを支援する。すなわち、ガイド構造６２０は、ボビン６２４上にナノファイバーシート６１２を巻き付けることを促進するために、ボビン６２４に対するナノファイバーシート６１２の方位付け及び整列を維持する。
【００６４】
ナノファイバーシート６１２は、ボビン６２４によって熱ロッド６１６上で引き出されることができる。ナノファイバーシート６１２の第１の端は、ボビン６２４に取り付けられる。ボビン６２４は次いで、ナノファイバーシートを熱ロッド６１６上で（及び、接触して）フォレスト６０４から引き出させる力をナノファイバーシート６１２に提供するような方向に回転する。ボビン６２４の回転は、電気モータ、ベアリング、及びそれらの組み合わせを含む、様々な機構のいずれかを使用して達成されることができる。最終的に、圧縮された材料（ナノファイバーシートまたはナノファイバーシートから紡がれたナノファイバー糸であるかどうかに関わらず）は、ボビン６２４によって収集される。
【００６５】
上記説明されたように、ナノファイバーフォレスト６０４からナノファイバーシート６１２を最終的に引き出す、ボビン６２４によって加えられる引き出し力は、適切に置かれた熱ロッド６１６と協働して、伸長成分及び圧迫成分の両方を有する力に変換されることができる。それらの成分は、ナノファイバーシート６１２内のナノファイバーの整列及びナノファイバーシート６１２自体の圧縮に貢献することができる。
【００６６】
ボビン６２４からの引き出し力を伸長成分及び圧迫成分を有する力に変換することは、熱ロッド６１６及び／または１つ以上のガイド構造６２０のうちの少なくとも１つを、ナノファイバーフォレスト６０４及びボビン６２４を含む基準面６２６からオフセットされた位置に置くことによって達成されることができる。ナノファイバーフォレスト６０４及びボビン６２４を含む基準面６２６からのこのオフセットによって、ナノファイバーシート６１２が少なくとも１つの熱ロッド６１６の周りで屈曲する。図６Ｂに示されるように、ナノファイバーシート６１２を熱ロッド６１６の周りで屈曲させまたは一致させることによって、ボビン６２４によってナノファイバーシート６１２に提供される引き出し力は、２つの成分、圧迫力成分（「垂直力成分」と同等に称される）及び伸長力成分（「水平力成分」と同等に称される）を有する。それらの力の両方は、ナノファイバーの整列及びナノファイバーシート６１２の圧縮を促進する。整列及び圧縮の程度は、力成分が熱と共にナノファイバーシート６１２に加わるときに増大することができる。別の例では、整列及び圧縮の程度は、力成分が熱及び溶媒または溶媒蒸気と共にナノファイバーシート６１２に加わるときに増大することができる。本明細書におけるいくつかの例では、圧迫力及び伸長力の１つまたは両方は、シート幅の０．１ニュートン（Ｎ）／ｃｍ〜シート幅の１Ｎ／ｃｍ、シート幅の０．１Ｎ／ｃｍ〜シート幅の２Ｎ／ｃｍ、シート幅の０．１Ｎ／ｃｍ〜シート幅の５Ｎ／ｃｍ、シート幅の０．１Ｎ／ｃｍ〜シート幅の１０Ｎ／ｃｍ、及びシート幅の１Ｎ／ｃｍ〜シート幅の１００Ｎ／ｃｍの範囲のいずれかの内の値を有することができる。
【００６７】
図６Ｃは、システム６００の代替的な構成６３０を示す。代替的な構成６３０では、熱ロッド６１６の配列は、システム６００の配列とは異なる。示されるように、熱ロッド６１６Ａは、ナノファイバーシート６１２が熱ロッド６１６Ａの「底面」上で熱ロッド６１６Ａと接触し、次いで熱ロッド６１６Ｂの「上面」上で接触するように配列される。これは、図６Ａのコンテキストにおいて示され、及び上記説明された接触とは反対の接触の順序である。システム６３０はまた、熱ロッド６１６Ｃとボビン６２４との間に配置されたガイド構造６２０を含む。ガイド構造６２０は、ナノファイバーシートがボビン６２４上に一貫して及び均一に巻き付けられるように、ボビン６２４に対してナノファイバーシート６１２を位置付けることを支援する。すなわち、ガイド構造６２０は、ボビン６２４上でのナノファイバーシート６１２の巻き付けを促進するために、ボビン６２４に対するナノファイバーシート６１２の方位付け及び整列を維持する。
【００６８】
図６Ｃはまた、張力低減ローラ６３４を含む。この任意選択の張力低減ローラ６３４は、ボビン６２４の回転の方向とは反対の方向に回転することによって、ナノファイバーシート６１２の移動（図６Ｃにおける矢印によって示されるような）の方向とは反対の方向に回転する。この反対の回転は、ボビン６２４とガイド構造６２０との間のナノファイバーシートの位置においてボビン６２４によってナノファイバーシート６１２に及ぼされる力を低減させる。いくつかの実施形態では、張力低減ローラ６３４は、張力低減ローラ６３４が熱ロッド６１６に対して垂直に移動することができるように、弾性要素（例えば、ばね）に接続され、よって、ナノファイバーシート６１２に対する張力を更に制御する。
【００６９】
いくつかの実施形態では、熱ロッド６１６Ａ〜６１６Ｃの各々におけるナノファイバーシート６１２に加えられる圧迫成分及び伸長成分の相対的な大きさは、熱ロッド６１６Ａ〜６１６Ｃの各々を相互に、及び基準面６２６に対して置くことによって変わることができる。例えば、熱ロッド６１６Ｂを熱ロッド６１６Ａの下に直接置くことは、熱ロッド６１６Ａにおいてナノファイバーシート６１２によって経験される圧迫成分を増大させる。代わりに、熱ロッド６１６Ｂ及び熱ロッド６１６Ａを相互に別個に水平に、及び基準面６２６のいずれかの側面に直に置くことは、圧迫成分に対するナノファイバーシート６１２によって経験される加えられる力の伸長成分を増大させる。熱ロッド６１６のそれらの構成及び他の構成は、圧縮されるときのナノファイバーシート６１２のマイクロ構造、並びに物理的及び電気的特性に作用することができる。いくつかの例では、熱ロッド６１６Ｂの角度（６１６Ａ及び６１６Ｂの中心をつなぐ仮想線と、仮想線と基準面６２６との間の交差との間で測定された）は、５度〜９０度、５度〜４５度、４５度〜９０度、１度〜３０度、３０度〜６０度、６０度〜９０度、４５度〜１６０度、９０度〜１６０度の範囲のいずれかの内にあることができる。全体的に、角度が増大するにつれて、力の圧迫成分も増大することを認識されよう。
【００７０】
図７Ａは、複数のナノファイバーフォレストを単一のナノファイバーシートに圧縮するシステム７００の側面図を示す。図７Ｂは、代替的な実施形態のシステム７００の平面図を示す。図７Ａ及び７Ｂを同時に参照することが、説明を促進する。
【００７１】
システム７００は、熱ロッド６１６Ａ〜６１６Ｃ、ガイド構造６２０、及びボビン６２４を含む、既に上記説明された要素の多くを含む。前に説明された要素に加え、システム７００は、３つのナノファイバーフォレスト６０４Ａ、６０４Ｂ、及び６０４Ｃを含み、その各々は、対応する基材６０８Ａ、６０８Ｂ、及び６０８Ｃ上に配置される。ナノファイバーフォレスト６０４Ａ、６０４Ｂ、及び６０４Ｃの各々は、対応する前駆体ナノファイバーシート６１２Ａ、６１２Ｂ、及び６１２Ｃに引き出される。３つのナノファイバーシート６１２Ａ、６１２Ｂ、及び６１２Ｃは、第１の熱ロッド６１６Ａにおいて相互に整列される。熱ロッド６１６Ａ（任意選択で、示される例では、熱ロッド６１６Ｂ及び６１６Ｃ）において、３つのナノファイバーシート６１２Ａ、６１２Ｂ、及び６１２Ｃを加熱し、伸長力及び圧迫力を３つのナノファイバーシート６１２Ａ、６１２Ｂ、及び６１２Ｃに加えるとき、整列された３つのナノファイバーシート６１２Ａ〜６１２Ｃは、連続したマイクロ構造を有する単一の融合されたナノファイバーシート７０４に圧縮される。すなわち、単一の融合されたナノファイバーシート７０４のマイクロ構造は、前駆体ナノファイバーシート６１２Ａ、６１２Ｂ、及び６１２Ｃに対応する断絶を包含せず、むしろ、単一の前駆体ナノファイバーシート６１２から製造された圧縮されたナノファイバーシートのそれに等しい構造、ナノファイバー整列、及びシート密度を有する。
【００７２】
図７Ｂに示される例示的なシナリオでは、ナノファイバーシートの幅は、引き出されたときの前駆体ナノファイバーシート６１２Ａ〜６１２Ｃの幅と比較して、圧縮の間に減少する。より細い構成は、「ナノファイバーリボン」と称されることができる。この例では、熱ロッド６１６Ｃにおいて発生するナノファイバーリボンの形成に対応する幅における飛躍的な低減が示される。しかしながら、いくつかの例では、ナノファイバーリボンへの圧縮されたシート７０４の幅における低減は、説明の便宜のために図において強調される、図７Ｂに示される例よりも段階的である。いくつかの例では、ナノファイバーリボンが形成するポイントは、熱ロッド６１６Ａと６１６Ｂとの間、６１６Ｂと６１６Ｃとの間、または６１６Ｃとボビン６２４との間にあることができる。ナノファイバーリボンがナノファイバーシートから形成するポイントは、因子の中でも特に、単一の融合されたシートに圧縮されたナノファイバーシートの数、引き出し力、力の伸長成分に対する力の圧迫成分の比率、ナノファイバーシート（複数可）を圧縮するために使用される熱ロッド（または、ロッド（複数））の温度、それらの組み合わせの関数とすることができる。リボンの形成の他の例は、図９Ａ〜９Ｃのコンテキストにおいて示され、及び説明される。
【００７３】
いくつかのケースでは、ナノ粒子などの材料は、個々の前駆体シートが結合される前に単一の（複合体）ナノファイバーシートに追加されることができる。例えば、導電性ナノ粒子、グラフェン粒子、または溶媒は、前駆体シート６１２Ａ、６１２Ｂ、及び／または６１２Ｃ上に、または前駆体シート６１２Ａ、６１２Ｂ、及び／または６１２Ｃの間に堆積されることができる。単一の融合されたナノファイバーシート７０４に形成されるとき、添加剤が単一の複合体シートに組み込まれることができ、単一の複合体シートに均一にまたは不均一に配置されてもよい。
【００７４】
本開示の実施形態に従って複数のナノファイバーを整列させ、ナノファイバーシートを圧縮する効果は、図８に概略的に示される。構成８０４は、ナノファイバーの間のいずれかの圧縮または整列の前に、引き出されたときの状態にあるナノファイバーシートを示す。理解することができるように、個々のナノファイバーは、複数の異なる方向に適合している各々の個々のナノファイバーに部分的に起因してもつれている。
【００７５】
構成８０８は、本開示の実施形態に従って加工されたナノファイバーシートを示す。すなわち、熱、並びに圧迫成分及び伸長成分を有する力を使用して圧縮されたナノファイバーシートは、引き出されたときの状態にあるよりも真っすぐであり、共に近くに配置された個々のナノファイバーの適合によって特徴付けられるマイクロ構造を有する。これは、それらのより真っすぐであり、あまりもつれていないナノファイバーが、図８に示されるあまり真っすぐでなく、よりもつれているナノファイバーと比較して、ナノファイバーシート内で容積単位を占有していることを理由に、ナノファイバーシートの密度を増大させる効果を有する。
【００７６】
構成８１２は、本開示の実施形態に従って繰り返して圧縮されたナノファイバーシートを示す。示されるように、本明細書で説明される方法及びシステムの繰り返しの適用は、高度に整列され、最小限にもつれたナノファイバーのマイクロ構造を有するナノファイバーシートを生成し、結果として非常に密度が高いナノファイバーシートを生成する。８１２に示されるもののような、ナノファイバー整列及び密度を有するナノファイバーシートは、高度に整列された高密度のマイクロ構造の結果として、向上した機械的特性及び電気的特性を有するであろう。
【００７７】
図９Ａ、９Ｂ、及び９Ｃは、実施形態における、３つの異なる加工条件に従ってナノファイバーフォレストから引き出されたナノファイバーシートの３つの平面図を示す。図９Ａ、９Ｂ、及び９Ｃの平面図の各々は、基材９００上のナノファイバーフォレスト９０２、それから引き出されたナノファイバーシート９０４、熱ロッド９０８Ａ〜９０８Ｃ、ガイド構造９１２、及びボビン９１６を含む、前に説明された要素を含む。
【００７８】
図９Ａ、９Ｂ、９Ｃは、上記説明されたように、加えられた熱及び力の結果として、圧縮されたナノファイバーシートが、自身をより細い、密度の高いナノファイバーリボンに再構成するポイント９２０Ａ、９２０Ｂ、及び９２０Ｃをそれぞれ示す。上記示されたように、図７Ｂのコンテキストでは、ポイント９２０Ａ〜９２０Ｃの位置は、因子の中でも特に、温度、引き出し力の大きさ、並びにナノファイバーシートに加えられる引き出し力の伸長成分及び圧迫成分の相対的な大きさのうちの１つ以上の関数とすることができる。図９Ａに示されるように、ナノファイバーシートは、自身を第３の熱ロッド９０８Ｃとガイド構造９１２との間のナノファイバーリボンに再構成する。この位置（第３の熱ロッド９０８Ｃの後であり、ボビン９１６に隣接した）は、例外的に密度が高いナノファイバーリボンを生成し、例外的に密度が高いナノファイバーリボンは次いで、密度が高いナノファイバー糸に加工されることができることが実験的に発見されている。例では、図９Ａに従って生成されるナノファイバーリボンは、約５度〜１０度のナノファイバーの低減したねじれた角度によりナノファイバー糸にねじられることができ、１５度またはそれよりも大きいねじれた角度により、糸と共にねじれた溶媒のみの圧縮されたフォレストと同一またはより良好な密度、伸長の強さ、及び導電性を有する。
【００７９】
［更なる考慮事項］
本開示の実施形態の上述の説明は、例示の目的のために提示されており、包括的であること、または開示した明確な形態に特許請求の範囲を限定することを意図しない。関連技術分野の当業者は、多くの修正及び変更が、上述の開示を考慮して可能であることを理解するであろう。
【００８０】
本明細書で使用する文言は、主に読みやすさ及び説明目的のために選択されており、それは、発明の内容を詳細に描写する、または限定するために選択されているとはいえない。本開示の範囲は、この詳細な説明によってではなく、むしろこれに基づく本明細書から生じる、任意の請求項によって限定されるものとする。したがって、実施形態の開示は、例示を目的としており、本発明の範囲を限定するものではなく、それは以下の特許請求の範囲に記載される。
【図１】
2020524224.tif 000002
【図２】
2020524224.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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