ナノ繊維質材料の形成および収穫に関するシステムおよび方法
ナノ材料を受け、そこからナノ繊維質材料を形成し、これらのナノ繊維質材料を次の応用用に収集するシステム。このシステムは、ナノ材料、典型的には化学蒸着によって製造されるカーボンナノチューブ、を発生させるチャンバーに連結されており、ナノチューブをヤーンまたはトウに紡ぐメカニズムを含む。代わりに、このシステムは、ナノチューブからの不織布シートを形成するメカニズムを含む。このシステムは、更に、形成ナノ繊維質材料を収集する部品を含む。更に、ナノ繊維質材料を形成および収集する方法も提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノ繊維質材料の形成および収穫に関するシステム、特にナノチューブ、ナノワイヤー、または別のナノスケール寸法を有するフィラメント構造物からのヤーンおよび不織布シートの形成に関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブは、高い破壊歪および比較的高い引張弾性率を含む並外れた引張強度を有することが知られている。カーボンナノチューブは、更に、疲労、放射線損傷、および熱に対して高い耐性がある。そのために、複合材料へのカーボンナノチューブの添加は、複合材料の引張強度および剛性を増加しうる。
【０００３】
過去１５年間、カーボンナノチューブの特性がよく理解されるにつれて、研究団体の内外においてカーボンナノチューブへの関心が大いに増加した。これらの特性を活用する一つの鍵は、広く展開されるのに充分な量のナノチューブの合成である。例えば、マクロスケール構造物（すなわち、寸法１ｃｍ以上の構造物）中の複合物の高強度成分として使用される場合、多量のカーボンナノチューブが必要とされうる。
【０００４】
ナノチューブ合成のある一般経路は、気相熱分解の使用による（例えば化学蒸着に関連して用いられるものである。）。このプロセスにおいて、ナノチューブは触媒ナノ粒子の表面から形成されうる。特に、ナノ粒子の表面からのナノチューブの発生に関して、供給材料として役立つ炭素化合物を含むガス混合物に触媒ナノ粒子を暴露しうる。
【０００５】
近年、大量のナノチューブ製造の有望なルートは、反応ガス中に「浮かぶ」触媒粒子からナノチューブを成長させる化学蒸着システムを用いることである。そのようなシステムは、典型的には、反応ガスから沈殿させられたナノ粒子からナノチューブを発生させうる加熱チャンバーに、反応ガス混合物を通す。触媒粒子を予備供給する変形を含む、多数の別の変形が可能である。
【０００６】
しかしながら、大量のカーボンナノチューブを発生させる場合、ナノチューブが反応チャンバーの壁に付着し、ナノ材料がチャンバーから流出することを妨害しうる。更に、これらの妨害は、反応チャンバー内の圧力増加を誘発し、このことは全体の反応速度論の変更を生じうる。速度論の変更は、製造される材料の均一性を低下させうる。
【０００７】
ナノ材料に対する別の問題は、それらを大量の浮遊微小粒子の発生なく取り扱い、処理する必要があることである。なぜなら、ナノスケールの材料に関連する危険が未だよくわかっていないからである。
【０００８】
マクロスケールの適用に関するナノチューブまたはナノスケール材料の処理は、近年着実に増加した。紡織繊維および関連する材料におけるナノスケール材料の使用もまた増加している。紡織術において、一定長かつ大質量において処理された繊維は、ステープルファイバーと呼ばれうる。ステープルファイバー、例えば、亜麻、ウール、およびコットン、を取り扱う技術は以前から確立されていた。織物または別の構造要素においてステープルファイバーを活用するために、ステープルファイバーを最初にバルク構造物、例えば、ヤーン、トウ、またはシート、に形成し、次にこれらを適切な材料に処理してもよい。
【０００９】
直径２０ｎｍ以下、長さ１０ミクロン以上の寸法を有する長いナノチューブは、比較的高いアスペクト比を有しうる。これらのナノチューブ繊維は、（例えば、化学蒸着によって）大量に製造される場合、多くの別の紡織ステープルファイバーよりも小さいにもかかわらず新しいステープルファイバー源として使用され得る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って、浮遊粒子の発生を最小化し、次の種々の適用、構造物またはその他への組み込みに関するナノチューブの強度の強い繊維質材料への処理を可能にする方法で、合成ナノチューブを収集し、取り扱うシステムおよびアプローチを提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
発明の要旨
本発明は、一態様において、ナノ繊維質材料（例えば、ヤーン）形成システムを提供する。このシステムは、ナノチューブが製造されうる独立合成チャンバーと係合する入口を有するハウジングを含む。このシステムは、更に、取り入れ末端、対向する出口末端、およびそれらの間の経路を有するスピンドルを含む。一態様において、スピンドルは、取り入れ末端を通ってナノチューブを収集し、次にナノチューブをナノ繊維質ヤーンに撚るために、ハウジング内から、入口を横切り、チャンバーまで延びる。このシステムは、更に、スピンドルからのヤーンをその上に巻き取るための、ハウジング内でかつスピンドルの下流に位置するスプールを含む。更に、ヤーンがスプールの回りに巻き取られるときにヤーンの完全性を損なうことを避けるために、センサーシステムを提供して、フィードバックデータを発生させてスピンドルおよびスプールのスピン速度を制御してもよい。一態様において、ガイドアームをスピンドルとスプールとの間に提供して、スピンドルから流出するヤーンを次の巻き取り用のスプールに向けうる。
【００１２】
別の態様において、本発明は、ナノ繊維質不織布シート形成システムを提供する。このシステムは、ナノチューブが製造されうる独立合成チャンバーに係合する入口を有するハウジングを含む。このシステムは、更に、合成チャンバーから流れるナノチューブを収集し、輸送する、ハウジング内の入口に近接して位置する移動表面を含む。圧アプリケーターを移動表面に近接して設けて、移動表面上の収集ナノチューブに力を適用して、ナノチューブを圧縮して混合ナノチューブ（ｉｎｔｅｒｍｉｎｇｌｅｄ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ）の不織布シートにしてもよい。このシステムは、更に、その上に不織布シートを巻き取るための、ハウジング内でかつ圧アプリケーター下流に位置するスプールを含む。更に、セパレーターを提供し、不織布シートの片側に材料を適用した後にこのシートをスプールの回りに巻き取り、不織布シートのそれ自身への結合を最小化してもよい。このシステムは、更に、センサーシステムを含み、フィードバックデータを発生させ、移動表面とスプールとのスピン速度を制御し、ヤーンをスプールの回りに巻き取るときにヤーンの完全性を損なうことを避けてもよい。
【００１３】
別の態様において、本発明は、ナノ繊維質ヤーン形成方法を提供する。この方法は、実質的に一方向に移動する複数の合成ナノチューブを受け取る工程を含む。この環境は気密環境でありうる。一態様において、受け取る前に、ナノチューブに渦流を与えて初期の撚りを提供しうる。次に、これらのナノチューブを共にナノチューブの移動方向に対して実質的に横方向に撚ってヤーンにしうる。その後、このヤーンを収穫エリアの方へ移動し、次にヤーンをヤーンの移動方向に対して実質的に横方向の軸回りに巻き取ることによって収穫しうる。巻き取り速度を制御して、ヤーンの完全性を損なうことを避けうる。
【００１４】
本発明は、更に、別のナノ繊維質不織布シート形成方法も提供する。この方法は、複数の合成ナノチューブを表面に堆積し、次にこれらのナノチューブを堆積ポイントから輸送する工程を含む。次に、圧力をこれらの複数のナノチューブに表面に対して適用し、これらのナノチューブを混合ナノチューブの不織布シートに圧縮しうる。次に、この不織布シートを収穫エリアに向けうる。一態様において、この不織布シートの片側に材料を置いて、シートがそれ自身と結合することを防ぎうる。次に、この不織布シートを、このシートの移動方向に対して実質的に横方向の軸回りに巻き取ることによって収穫しうる。一態様において、巻き取り速度を制御して、この不織布シートの完全性を損なうことを避けうる。
【００１５】
別の態様において、本発明は、次のナノ繊維質材料の形成に関して、合成ナノチューブを撚った状態で与える器械を提供する。この器械は、合成ナノチューブが流れうる経路を有する本体部分を含む。この器械は、更に、この本体部分の遠位末端に取り付けられ、ナノチューブが流出しうる開口部を有するキャップ部分を含みうる。チャネルをキャップ部分と本体部分との間にこの経路の周囲に設けうる。この器械は、更に、経路中に渦流を与えるために、経路と流体連絡した状態でチャネル内に位置する複数の流出ポートを含みうる。このようにして、経路を流れるナノチューブは、本体部分の遠位末端を流出した後、撚れて存在しうる。
【００１６】
本発明は、更に、次のナノ繊維質材料の形成用に合成ナノチューブを与える別の器械も提供する。この器械は、近位末端および遠位末端を有するディスクを含む。一態様において、通路が近位末端と遠位末端との間に延びる。この器械は、更に、通路の遠位末端に狭窄部位を含んでナノチューブの集積を可能にする。そのため、遠位末端の狭窄部位は、次のナノ繊維質材料の形成用にナノチューブを与える源を提供しうる。
【００１７】
図面の簡単な説明
図１は、本発明の一態様によるナノ繊維質材料の形成および収穫用システムである。
【００１８】
図２は、図１に示されるシステムの変形である。
【００１９】
図３Ａ〜Ｂは、図１に示されるシステムに関連して用いられる渦発生器である。
【００２０】
図４は、図１に示されるシステムの別の変形である。
【００２１】
図５〜６は、ナノ繊維質材料の形成および収穫用の本発明の別のシステムである。
【００２２】
図７は、図１に示されるシステムに関連して用いられる別の渦発生器である。
【００２３】
特定の態様の記載
本発明に関連して用いられるナノチューブは、種々のアプローチを使用して加工されうる。現在、ナノチューブ成長に関する多くのプロセスおよびそれらの変形が存在する。これらとしては、（１）周囲圧力近くにおいてまたはそれ以上の圧力において起こりうる一般的なプロセスである化学蒸着（ＣＶＤ）、（２）完全度の高いチューブを生じさせうる高温プロセスである、アーク放電、および（３）レーザーアブレーションが挙げられる。以下に炭素から合成されるナノチューブに触れるが、本発明での使用にナノチューブ合成に関連して別の化合物を使用してもよいことに注目すべきである。
【００２４】
一態様において、本発明は、産業においてよく知られているＣＶＤプロセスまたは類似の気相熱分解手順を用いて適切なナノチューブを発生させる。特に、ＣＶＤの成長温度が比較的低い範囲、例えば、約６００℃〜約１３００℃、でありうるので、一態様において、炭素含有ガス（すなわち、気体炭素源）によって供給されるナノ構造触媒粒子から単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）または多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）両方を成長させうる。
【００２５】
更に、本発明に関連して用いるために発生させたＳＷＮＴおよびＭＷＮＴの強度は、最高約３０ＧＰａでありうる。注目すべきことに、強度は欠陥に敏感である。しかしながら、本発明で用いられる加工ＳＷＮＴおよびＭＷＮＴの弾性率は、典型的には欠陥に敏感ではなく、約１〜１．５ＴＰａで変化しうる。更に、一般的に構造感受性パラメータである破壊歪は、本発明において数パーセントから最大約１０％までの範囲でありうる。
【００２６】
図１に言及すると、合成チャンバー１１内でＣＶＤプロセスによって製造される伸長ナノチューブを回収し、次にこれらのナノチューブから繊維質構造物または材料（例えば、ヤーン）を形成するためのシステム１０がある。合成チャンバー１１は、一般的に、反応ガスが供給されうる流入末端１１１、伸長ナノチューブ１１３の合成が起こりうる高温ゾーン１１２、並びに反応生成物、すなわち伸長ナノチューブ１１３および排ガス、が流出し、収集されうる流出末端１１４を含む。一態様において、合成チャンバー１１は、炉１１６を通って延びる石英チューブ１１５であり、チューブ１１５をシールする流出末端１１４および流入末端１１４に提供されるフランジ１１７を含みうる。図１それ自体を示したが、当然のことながら、合成チャンバー１１のデザインに別の構造を用いてもよい。
【００２７】
本発明の一態様において、システム１０は、ハウジング１２を含む。ハウジング１２は、図１に示されるように、合成チャンバー１１内から発生される潜在的に危険な浮遊粒子の環境への放出を最小化し、かつ、酸素がシステム１０の中に入り合成チャンバー１１に到達することを防ぐために実質的に気密でありうる。当然、合成チャンバー１１内の酸素の存在は、伸長ナノチューブ１１３の製造を損ない、完全性に影響を及ぼしうる。
【００２８】
システム１０は、更に、合成チャンバー１１の流出末端１１４においてフランジ１１７と実質的に気密に係合する入口１３を含む。一態様において、入口１３は、ガスおよび熱がハウジング１２から出る少なくとも一つのガス排出口１３１を含みうる。一態様において、排出口１３１から流出するガスは、液体、例えば水、またはフィルターを通って、排出口１０の上流の回転スピンドル１４に集められないナノ材料を回収してもよい。加えて、排ガスの種々の成分のエネルギーを絶つために排ガスを炎および空気に暴露してもよい。例えば、反応性水素を酸化して水を形成してもよい。
【００２９】
図１に示すように、伸長ナノチューブ１１３の収集に関して、回転スピンドル１４を、ハウジング１２内から、入口１３を通り、合成チャンバー１１まで延びるようにデザインしてもよい。一態様において、回転スピンドル１４は、複数のナノチューブが入り、ヤーン１５に紡がれる取り入れ末端１４１を含みうる。一態様において、紡糸方向は、ナノチューブ１１３の移動方向に対して実質的に横方向でありうる。回転スピンドル１４は、更に、ヤーン１５をスピンドル１４の出口１４３の方向に誘導しうる経路、例えば中空コア１４２、も含みうる。回転スピンドル１４の取り入れ末端１４１は、様々なデザインを含みうる。一態様において、取り入れ末端１４１は、単純にナノチューブ１１３が通って入りうる孔（図示せず）を含みうる。代わりに、ナノチューブ１１３を取り入れ末端１４１に誘導するのに役立つ漏斗様構造物１４４を含んでもよい。構造物１４４は、更に、ヤーン１５が壊れると、新しく堆積するナノチューブ１１３との加撚によって再構成されうる時間まで、ヤーン１５を支持するのにも役立ちうる。一態様において、（１）ヤーン１５が撚られるポイントとして役立て、かつ（２）ヤーン１５がスピンドル１４のコア１４２に迅速に引く弾力性を妨げ、このことは、もしヤーン１５が破壊されるとしたらそれが再形成されることを妨げうる、ために、ローラー、キャプスタン、または別の制限装置（図示せず）を、スピンドル１４の取り入れ末端１４１に近接して提供してもよい。
【００３０】
システム１０は、更に、回転スピンドル１４の出口末端１４３に連結されるガイドアーム１６を含み、ヤーン１５を集めるためのスプール１７に誘導し、向ける。本発明の一態様によると、一組のプーリー１６１、アイレット、またはフックをガイドアーム１６の付属品として提供してヤーン１５がガイドアーム１６に沿って向けるパスを規定しうる。代わりに、ヤーン１５が、スピンドル１４の出口末端１４３からヤーン１５がスプール１７上に巻き取られうるポイントにヤーン１５を向けうるチューブ状構造物（図示せず）を通るようにされてもよい。
【００３１】
一態様において、ガイドアーム１６および回転スピンドル１４は、連携してヤーン１５の撚りを誘発しうる。スピンドル１４およびガイドアーム１６の回転は、図１に示されるように、（例えば、ベルト１８１によってスピンドル１４に連結される電気モーターによって）機械的に駆動されうる。
【００３２】
一態様において、ヤーン１５の収穫に関して、ハウジング１２内に設けられたスプール１７をガイドアーム１６の下流に位置させてもよい。特に、その後ヤーン１５がスプール１７の周囲に巻き取られるように、ガイドアーム１６から出てくるヤーン１５をスピンスプール１７に向けてもよい。回転スピンドル１４と同一軸上に示されるが、スプール１７は、当然のことながら、スプール１７がその軸回りにスピンしてガイドアーム１６からヤーン１５を収集しうる限り、ハウジング１２内の別のいずれの位置に置かれてもよい。一態様において、スプール１７のスピン軸は、スプール１７上のヤーン１５の移動方向に対して実質的に横方向である。
【００３３】
スプール１７に回転を与えるために、別の機械駆動１９をスプール１７に連結してもよい。一態様において、スプール１７を同調させてスピンドル１４の回転速度に近いかまたは実質的にスピンドル１４の回転速度に類似の回転速度においてスピンまたは回転させてスプール１７へのヤーン１５の均一収穫を可能にしうる。そうでなければ、例えば、スプール１７の回転速度がスピンドル１４の回転速度よりも速い場合、ガイドアーム１６からスプール１７までにおいてヤーン１５の破損が生じ、スプール１７の回転速度がスピンドル１４のそれよりも遅い場合、ヤーン１５のゆるんだ部分が最終的にもつれうる。
【００３４】
回転速度の実質的な同調を維持するために、機械駆動１８および１９の動きを制御システム（図示せず）によって調節しうる。一態様において、制御システムは、各機械駆動１７および１８に取り付けられた位置センサー（例えば光学エンコーダー）からのデータを受け取るようにデザインされうる。次にこのデータに基づいて、制御システムは制御アルゴリズムを使用して各駆動装置に供給されるパワーを変性し、各駆動装置の速度を制御し、ナノチューブ合成の速度に実質的に合うようにしうる。結果として、制御システムは、（１）規定の張力限界によって制御される一定のヤーン速度、または（２）速度限界によって制御される一定の張力を与えうる。一態様において、ヤーン速度は、張力があらかじめ設定された限界内に維持されうるように、張力値に依存する実時間においてリセットされうる。加えて、張力を設定値以内に維持するために、ヤーン張力を速度値に依存する実時間においてリセットしてもよい。
【００３５】
更に、制御システムは、スプール１７とスピンドル１４との間の速度を変えてもよく、必要であれば、スプール１７によるヤーンの取り込みを制御する。加えて、制御システムは、ヤーン１５がその回りに均一に巻き取られることを可能にするために、スプール１７を軸に沿って前後に動かしうる。
【００３６】
本発明のＣＶＤプロセスを使用する定常状態製造における操作において、伸長ナノチューブを合成チャンバー１１内から収集し、その後、ヤーン１５を形成しうる。特に、ナノチューブ１１３が合成チャンバー１１から出てくると、それらを収集して束にし、スピンドル１４の取り入れ末端１４１に供給し、次に紡ぐかまたは撚ってヤーン１５にする。ヤーン１５への連続撚りが充分な角歪をビルドアップ（ｂｕｉｌｄ ｕｐ）して、スピンドル１４に新たなナノチューブ１１３が達するポイント付近の回転を生じて、ヤーン形成プロセスを促進しうることに注目すべきである。更に、連続張力をヤーン１５に適用するかまたはその前進を制御速度において可能にして、スプール１７周囲の取り込みを可能にする。
【００３７】
典型的には、ヤーン１５の形成は、次に加撚ヤーンにきつく紡糸されうるナノチューブ１１３の集束に起因する。代わりに、ヤーン１５の主な撚りを、システム１０内のいくつかのポイントにおいて固定し、収集ナノチューブ１１３を加撚ヤーン１５上に巻き取ってもよい。これら両方の成長モードを本発明に関連して実行しうる。
【００３８】
図２を見ると、渦発生器（例えば、ガススピナー（ｇａｓ−ｓｐｉｎｎｅｒ）２０）を合成チャンバー１１の流出末端１１４に向かって提供し、実質的な渦流を発生させ、スピンドル１４に向けられる前にナノチューブ１１３の加撚動作を与え、紡いでヤーン１５にしうる。加撚動作を与えるための渦の発生は、更に、ヤーン１５の形成において使用されるナノチューブ材料の量を一様にするのに役立ちうる。図３Ａ〜Ｂに示されるガススピナー２０は、キャップ部分３１、本体部分３２、およびガススピナー２０の周囲のキャップ部分３１と本体部分３２との間に位置するチャネル３３を含むようにデザインされうる。
【００３９】
一態様において、キャップ部分３１は、次の渦流発生に関して供給ライン３１２からの不活性ガスが通ってガススピナー３０のチャネル３３に入る、ダクト３１１を含む。ガススピナー２０に関連して用いられる不活性ガスの例としては、Ｈｅ、Ａｒまたは別の好適な不活性ガスが挙げられる。
【００４０】
一方、本体部分３２は、ガス（すなわち、流体）および合成チャンバー１１の高温ゾーン１１２から発生される繊維質ナノ材料（すなわち、ナノチューブ１１３）が流れる（図３Ａ中の矢印３５）軸対称経路３２１を含む。一態様において、経路３２１は、本体部分３２の近位末端３２５に近接するテーパー部分３２２および本体部分３２の遠位末端３２６に近接する実質的に一定の部分３２３を含む。そのようなデザインで、テーパー部分３２２および一定の部分３２３は、共に作用してスピンドル１４の上流のナノチューブ１１３の過剰集積またはビルドアップ（ｂｕｉｌｄ−ｕｐ）を最小化しうる。特に、経路３２１は、作用してナノチューブ１１３をテーパー部分３２２に導き、一定の部分３２３を横切り、合成チャンバー１１から発生されるナノチューブ１１３が合成チャンバー１１内の鋭いエッジまたは別の突起物に引っかかることを避けうる。ナノチューブが経路３２１から流出することを可能にするため、キャップ部分３１は、経路３２１の一定部分３２３と実質的に同一軸上にある開口部３１３を含む。
【００４１】
本体部分３２は、更に、本体部分３２とキャップ部分３１との間の係合によってチャネル３３になる凹部３２４を含みうる。本体部分３２は、更に、凹部内に位置する流出ポート３２５を含みうる。一態様において、流出ポート３２５を、一定の部分３２３の回りに対称に分配し、次にあらかじめチャネル３３に導入した不活性ガスからの渦流を経路３２１の一定の部分３２３内に発生させてもよい。当然のことながら、この接線速度成分を提供するために、渦流が与えられる軸（例えば、ガススピナー３０の対称軸）回りに接線速度ベクトル成分を必要とするので、図３Ｂに示される流出ポート３２５は、対称軸に垂直な面に、各流出ポート３２５が実質的に非垂直角で経路３２１の一定の部分３２３に入るように位置する必要がありうる。言い換えれば、各出口ポート３２５は、各流出ポート３２５を横切って移動することを可能にするとチャネル３３内の流体（例えば、不活性ガス）が接線状態で経路３２１の一定の部分３２３に流れるように、経路３２１と接線で連絡する必要がある。
【００４２】
当然のことながら、充実狭窄（ｓｏｌｉｄ ｃｏｎｓｔｒｉｃｔｉｏｎ）をガス流および生じるナノ材料に提供することによって、ガススピナー２０は、更に、本発明のシステム１０に関するヤーンおよびトウ形成モードの実質的な画定自由を可能にしうる。更に、必要な範囲内で、ガススピナー２０は、特に、ガススピナー２０を通って供給されるガスが、例えば、次に撚ってヤーン１５にするためのリーダー（以下の記載参照）によって、ナノチューブ１１３が引かれうる源を作るのに低い流速である場合、ナノチューブ１１３が集積しうるエリアを提供しうる。
【００４３】
別の態様において、異なる渦発生器（例えば、図７Ａ〜Ｂに示される静電スピナー７０）を使用して、ナノチューブ１１３を紡糸してヤーン１５にするスピンドル１４に向ける前に、実質的な渦流をナノチューブ１１３に与えてもよい。一態様において、静電スピナー７０は、エントリー末端７２、流出末端７３、およびそれらの間に延びる経路７４を有する実質的にチューブ状の本体７１を含む。静電スピナー７０は、更に、経路７４の周囲に設けられる複数の電気接点７５を含んでもよい。各接点７５は、正の末端＋Ｖおよび負の末端−Ｖを含み、金属材料（例えば銅）からつくられうる。この関連で、電圧を各接点７５に印加して電場を発生させてもよい。更に、電圧を各接点７５に連続して印加すると、回転静電場が発生しうる。ナノチューブ１１３が実質的に高いアスペクト比を有し、導体でありうるので、ナノチューブ１１３はこの静電場に引きつけられ、場が経路７４の回りを動くと渦状にまたは巻いた状態で動く。ナノチューブ１１３に与えられた巻き動作は、ナノチューブ１１３が本体部分７１のエントリー末端７２から流出末端７３に移動する方向に対して実質的に横方向でありうることに注目すべきである。各連続接点７５への電圧印加を制御するために、市販の制御チップまたはプロセッサを使用してもよい。
【００４４】
本発明の一態様によると、ヤーン１５の形成のはじめに、ヤーンを「リーダー」で開始することが有益でありうる。このリーダーは、例えば、ナノチューブヤーンの別の部分、いくつかの別のタイプのヤーンまたはフィラメント、または細いワイヤーでありうる。一態様において、ワイヤーが使用されうる。なぜなら、ワイヤーが成長ヤーンの末端をつなぎ留めうるように、充分なビルドアップが存在するまで、ワイヤーが集積しているナノチューブ１１３のウェビングまたは束にスピンドル１４の加撚動作を伝えるのに必要な必須剛性を提供しうるからである。一態様において、使用されるワイヤーは、例えば、鉄ワイヤーまたはニクロムでありうる。なぜならば、これらの合金が合成チャンバー１１の高温ゾーン内の温度（６００℃〜１３００℃）に耐えうるからである。更に、ＣＶＤプロセスによって製造されるナノチューブは、これらの合金に比較的よく付着することが観測されている。特に、ナノチューブ１１３の末端における触媒ナノ粒子は強磁性材料、例えばＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等、を含みうるので、これらのナノ粒子は鉄合金材料上の磁区に磁気的に引きつけられうる。
【００４５】
リーダーが提供される範囲で、反応開始前にリーダーを予備装着する必要がありうる。特に、一態様において、穴をスプール１７に提供してリーダーの一端のアンカーポイントとして役立てうる。加えて、ノッチまたはスロットをガイドプーリー１６１に提供して、リーダーがガイドアーム１６に容易に挿入されるようにしてもよい。リーダーが用いられる場合、次に、リーダーをスピンドル１４に挿入し、その後、ガススピナー２０の上流の合成チャンバー１１に進める。
【００４６】
リーダーを使用する場合、図４を見ると、アンカー４０をガススピナー２０の場所に提供して、リーダーがナノチューブをスピンドル１４に引いてヤーン製造プロセスを開始する源を提供しうる。一態様において、アンカー４０を、合成チャンバー１１の流出末端１１４の方に位置させて、ナノチューブ１１３の集積をアンカー４０内に生じるようにガスおよびナノチューブ１１３の流れを狭窄してもよい。そうするために、アンカー４０を、遠位末端４１、近位末端４２、およびそれらの間に延びる通路４４を有するディスクとしてデザインしうる。図４に示すように、通路４４は、近位末端４２から遠位末端４１に向かってテーパーをもちうる。このように、ナノチューブ１１３が狭窄部位４５に向かって通路４４に入ると、狭窄部位４５が作用して集積ナノチューブ１１３がそこにリーダー源を提供しうる。テーパーまたはトロイダル形状として提供されるが、当然のことながら、アンカー４０の通路４４が作用してチャンバー１１中のガスおよびナノチューブ１１３の流れを狭窄する限り、様々な形態を含むようにデザインされうる。
【００４７】
そこでのナノチューブの集積を増大させるために、突出物（図示せず）または別の類似デザインを狭窄部位４５に提供して、ナノチューブ１１３のウェビングまたはバンドルが付着しうる表面を提供してもよい。一態様において、アンカー４０は、ナノチューブ１１３が固体表面に付着する比較的強い傾向を有しうる炉１１６付近に位置しうる。炉１６の付近にあるので、アンカー４０は、一態様において、炉１６からの熱に耐えうる黒鉛材料または別の材料からつくられうる。
【００４８】
ナノチューブ１１３が一定速度で製造されうるとすると、炉１１６付近のアンカー４０のデザインおよび位置は、ナノチューブ１１３がそこに一定速度で集積することを可能にしうる。そのため、制御ナノチューブ１１３源を、次の実質的に一定の特性を有するヤーン１５の収集および形成のために発生させうる。更に、アンカー４０は、作用して、ナノチューブ１１３が引かれて実質的にヤーン１５と共軸方向におけるナノチューブ１１３の実質的な整列を可能にするポイントを提供しうる。ヤーン１５の軸に沿ってナノチューブ１１３が整列する能力は、ナノチューブ１１３の間の負荷伝達を増大させて強度の強いヤーン１５の形成を可能にしうる。それにもかかわらず、当然のことながら、ヤーン１５は、アンカー４０が存在するかどうかにかかわらず形成されうる。
【００４９】
次に、スプール１７、スピンドル１４、ガイドアーム１６、およびリーダーを回転させることによって、ヤーン１５の合成および収穫を開始しうる。一態様において、ナノチューブ１１３の合成の開始後、ナノチューブ１１３をリーダーに向けてその上にナノチューブ１１３がビルドアップするかまたは束になることを可能にしうる。その後、一旦、ナノチューブ１１３のウェビングまたは束がリーダーにビルドアップし始めると、リーダーはスプール１７をスピンドル１４およびガイドアーム１６とわずかに異なる速度において回転させることによって回収されうる。上記のように、ナノチューブヤーン１５の形成は、自動的に行われ、その後、一旦、リーダーを合成チャンバー１１の高温ゾーン１１２から充分に回収する。特に、ナノチューブ１１３のウェビングは、スピンドル１４の取り入れ末端１４１付近のポイントにおいてヤーン１５に撚られうる。次に、ヤーン１５の撚られた部分は、コア１４２に沿ってスピンドル１４の出口末端１４３に向けて移動されうる。出口末端１４３を流出すると、ヤーン１５はガイドアーム１６に沿って導かれ、スプール１７に向けられうる。その後、ヤーン１５を制御速度においてスプール１７回りに巻き取りうる。
【００５０】
別の態様によると、システム１０は、更に合成チャンバー１１内で合成されるナノチューブ１１３からのトウ（図示せず）の連続形成に使用されうる。このトウを、次に、きつく巻き取られたヤーンに処理しうる（糸およびヤーン形成の技術における一般的な技術に類似している。）。一態様において、トウは、上記中空スピンドル１４、ガイドアーム１６およびスプール１７を使用して収集されうる。形成トウは、スプール１７からガイドアーム１６およびスピンドル１４を通り、流出末端１１４付近の合成チャンバー１１まで延びうる。一態様において、ナノチューブ１１３は、トウの回りに巻き取ることによってトウ上に集積しうる。なぜなら、トウが迅速にスピンし、ゆっくりと回収されるからである。アンカーは、この操作モードには必要とされえない。しかしながら、スピンしているトウの成長末端が付着するポイントを提供することが必要である場合、アンカーが使用されうる。
【００５１】
本発明の一態様によるヤーンまたはトウの形成は、長さを必要とする用途において用いられることが可能な比較的長い繊維質構造物を製造するアプローチを提供する。特に、ヤーン形成中の加撚操作は、ステープルファイバー（すなわち、ナノチューブ）が結合して大きな繊維質構造物（すなわち、ヤーン）になることを可能にする。加えて、軸配向繊維（すなわち、ナノチューブ）の加撚は、繊維間の負荷伝達を増大して強度の強いヤーンの形成を可能にしうる。
【００５２】
特に、ステープルファイバー（例えば、本発明の方法によって合成されたナノチューブ）は、高いアスペクト比で提供されうる（例えば、１００：１以上の 長さ：直径）。結果として、それらは小さいアスペクト比を有する繊維よりも良好に、ヤーン内の各繊維間に構造負荷を伝達する要求を満たしうる。本質的に無限のアスペクト比を有する繊維が理想的であるが、ヤーンが混合されうる構造物の長さスケールがより良好に構成繊維の必要とされる長さおよびアスペクト比を画定する。例えば、１〜２センチメートルの距離をブリッジすることが必要な場合、この距離よりもはるかに長い繊維は必要でない。更に、ヤーンにおいて、負荷伝達は、各近接繊維の接触ポイント間で相互作用として典型的に起こる。各接触ポイントにおいて、各繊維は、例えば、ファンデルワールス結合、水素結合、またはイオン相互作用によって相互作用しうる。それとして、本発明のヤーン中の大量の繊維の存在は、接触ポイントの数を増加し、従って、近接繊維間の結合相互作用を増加して繊維間の負荷伝達を増加させる。更に、加撚が、各繊維を互いに接近させることによってヤーン中の構成繊維間の接触ポイントの数を更に増加させるので、ヤーン全体の強度に撚りを与えることが有利でありうる。この関連で、独立して加撚と取り込み速度とを制御する能力が強度を最適化するのに重要でありうる。
【００５３】
ヤーンの強度は、近接繊維間の結合強度を増加させることによって更に高められうる。一態様において、ヤーンをマトリックス材料（例えば、ポリマー）または界面活性分子で含浸させて近接繊維を架橋しうる。共有結合またはイオン化学結合を使用する繊維の架橋は、ヤーンの全体強度を改良する別の方法を提供しうる。
【００５４】
接触ポイントの数がフォノンまたは電子が近接ナノチューブ間を移動する機会を増加させるので、ヤーンに撚りを与えることは更に本発明のヤーンの電気および熱伝導性を増加させうることに注目すべきである。
【００５５】
図５〜６を参照すると、本発明の別の態様によると、合成チャンバー５１内でＣＶＤプロセスでつくられる合成ナノチューブを収集し、次にバルク繊維質構造物または材料をこのナノチューブから形成するシステム５０が示されている。特に、システム５０は、圧縮混合ナノチューブから生じ、シートとして取り扱われるのに充分な構造完全性を有する実質的に連続の不織布シートの形成に使用されうる。
【００５６】
システム５０は、システム１０と同様、合成チャンバー５１に連結されうる。合成チャンバー５１は、一般的に、反応ガスが供給される流入末端、伸長ナノチューブの合成が起こりうる高温ゾーン、およびそこから反応生成物（すなわち伸長ナノチューブおよび排ガス）が流出し、収集されうる流出末端５１４を含む。一態様において、合成チャンバー５１は、炉の中を通って延び、流出末端５１４および流入末端に提供されるチューブ５１５をシールするためのフランジ５１７を含みうる石英チューブ５１５を含みうる。図５に大まかに示したが、当然のことながら、合成チャンバー５１のデザインに別の配置を用いてもよい。
【００５７】
本発明の一態様において、システム５０は、ハウジング５２を含む。ハウジング５２は、図５に示されるように、実質的に気密であり、潜在的に危険な浮遊微小粒子の合成チャンバー５１内から環境への放出を最小化し、酸素がシステム５０へ流入し、合成チャンバー５１に達することを防ぎうる。特に、合成チャンバー５１内の酸素の存在は、完全性に影響を与え、ナノチューブの製造を損ないうる。
【００５８】
システム５０は、更に、合成チャンバー５１の流出末端５１４におけるフランジ５１７を実質的に気密に係合させる入口５３を含みうる。一態様において、入口５３は、それを通ってガスおよび熱がハウジング５２を離れうる少なくとも一つのガス排出口５３１を含みうる。一態様において、排出口５３１から流出するガスは、排出口５３１の上流で集められないナノ材料を収集するために液体（例えば、水）またはフィルターを通りうる。加えて、排ガスを上記方法と同様の方法で処理しうる。特に、排ガスの種々の成分のエネルギーを絶つために排ガスを炎で処理してもよい（例えば、反応性水素を酸化して水を形成してもよい。）。
【００５９】
システム５０は、更に、合成チャンバー５１の流出末端５１４からのナノ材料（すなわち、ナノチューブ）の収集および輸送用に入口５３に近接して設けられる移動表面（例えば、ベルト５４）を含みうる。ナノ材料を収集するために、ベルト５４を流出末端５１４からのナノ材料を運ぶガス流に対して実質的に横方向の角度において位置させてナノ材料がベルト５４に堆積することを可能にしうる。一態様において、ベルト５４は、ガス流に対して実質的に垂直に位置し、ナノ材料を運ぶガス流が通り抜け、合成チャンバーから流出することを可能にするために実際は多孔質であってもよい。加えて、合成チャンバー５１からのガス流は、排出口５３１を通り入口５３に流出しうる。
【００６０】
システム５０の入口５３からナノ材料を運び出すために、ベルト５４は、常套のコンベヤベルトに類似の連続ループとしてデザインされうる。これを受けて、一態様において、ベルト５４は、対向する回転要素５４１回りにループにされていてもよく、機械装置（例えば、電気モーター５４２）によって、矢印５４３によって示されるように右回りに操作されていてもよい。代わりに、ドラム（図示せず）を使用してナノ材料輸送用移動表面を提供してもよい。そのようなドラムを、更に、機械装置（例えば、電気モーター５４２）によって操作してもよい。一態様において、張力および速度が最適化されるように、モーター５４２を、機械駆動１８および１９に関連して使用される制御システムに類似の制御システムの使用によって制御しうる。
【００６１】
更に図５を見ると、システム５０は、圧縮力（すなわち、圧力）を収集ナノ材料上に適用するためにベルト５４に近接して設けられる圧アプリケーター（例えば、ローラー５５）を含みうる。特に、ナノ材料がローラー５５に向かって輸送されると、ベルト５４上のナノ材料がローラー５５の下および反対に移動させられる結果、圧力が混合ナノ材料に適用され、一方、ナノ材料がベルト５４とローラー５５との間で圧縮されて凝集性の実質的に結合した不織布シート５６になりうる（図６参照）。ベルト５４上のナノ材料に対する圧力を増大するために、プレート５４４をベルト５４の後ろに位置させて、ローラー５５からの圧力が適用されうる硬質表面を提供してもよい。収集ナノ材料が充分な量であり充分混合されている場合、充分な数の接触部位が存在して不織布シート５６を発生するのに必要な結合強度を提供するので、ローラー５５の使用が必要でないことに注目するべきである。
【００６２】
次のハウジング５２からの除去のために混合ナノ材料の不織布シート５６をベルト５４からはずすために、エッジをベルト５４の表面５４５に接触させながらメスまたはブレード５７をローラー５５の下流に提供しうる。このようにして、不織布シート５６がパストローラー（ｐａｓｔ ｒｏｌｌｅｒ）の下流を動くとブレード５７は不織布シート５６をベルト５４の表面５４５から持ち上げうる。
【００６３】
加えて、収穫用に外された不織布シート５６が次にローラー５８の上に向けられ、その回りに巻き取られるように、スプールまたはローラー５８をブレード５７の下流に提供しうる。もちろん、不織布シート５６がその後のハウジング５２からの除去に関して収集されうる範囲で別のメカニズムを使用してもよい。一態様において、回転軸が不織布シート５６の移動方向に対して実質的に横方向であるように、ローラー５８をベルト５４と同様に、機械駆動（例えば、電気モーター５８１）によって作動してもよい。
【００６４】
ローラー５８の回りに巻き取られるときの不織布シート５６のそれ自身への結合を最小化するために、分離材５９（図６参照）を不織布シート５６の片側に適用した後にシート５６をローラー５８の回りに巻き取ってもよい。本発明に関連して活用する分離材５９は、連続ロール５９１に供給されうる様々な市販の金属シートまたはポリマーの一種であってもよい。そのため、シート５６がローラー５８の回りに巻き取られるように分離材５９を不織布シート５６と共にローラー５８に引いてもよい。分離材５９を含有するポリマーが不織布シート５６の片側に適用される範囲において、分離材５９を含有するポリマーが、シート、液体、または別の形態において提供されうることに注目すべきである。更に、不織布シート５６内の混合ナノチューブが強磁性材料（例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等）の触媒ナノ粒子を含みうるので、分離材５９は、一態様において、不織布シート５６が分離材５９に強く付着することを防ぐために非磁性材料（例えば、伝導性またはそうでないもの）でありうる。
【００６５】
更に、機械駆動５４２および５８１の回転速度がそれによって調節されうるように、システム５０をシステム１０の制御システムと同様の制御システム（図示せず）と共に提供してもよい。一態様において、制御システムは、機械駆動５４２と５８１とそれぞれに取り付けられた位置センサー（例えば、光学エンコーダ）からのデータを受けるようにデザインされうる。次に、このデータに基づいて、制御システムは、スプールの回りに巻き取られるときに不織布シートの完全性を損なうことを避けるために、各駆動の速度が実質的にベルト５４におけるナノチューブ収集速度に適合するように、各駆動の速度を制御するために各駆動に供給されるパワーを変性するために制御アルゴリズムを使用しうる。更に、制御システムは、ローラー５８のスピン速度をベルト５４のスピン速度に同調しうる。一態様において、ベルト５４とローラー５８との間の張力を設定値に保持しうるように、不織布シート５６の張力を、速度値に依存する実時間においてリセットしてもよい。
【００６６】
制御システムは、要すれば、更にローラー５８とベルト５４との間の速度を変えてローラー５８による不織布シート５６の取り込みを制御してもよい。更に、制御システムは、不織布シート５６がローラー５８上に均一に残るようにローラー５８を軸に沿ってわずかに前後に調節してもよい。
【００６７】
所望の範囲で静電場（図示せず）を用いて合成チャンバー５１から生じるナノチューブをほぼベルト移動の方向に整列させてもよい。一態様において、静電場は、例えば二以上の電極を合成チャンバー５１の流出末端５１４の周囲に置き、これらの電極に高電圧を印加することによって発生されうる。一態様において、電圧は約１０Ｖ〜約１００ｋＶ、好ましくは約４ｋＶ〜約６ｋＶを変動する。要すれば、電極を絶縁体（例えば、小さい石英または別の好適な絶縁体）で遮蔽してもよい。電場の存在は、移動ベルト５４上のナノチューブの整列を与えるように、その間を移動するナノチューブを実質的にその場に整列させうる。
【００６８】
上記のとおり、システム５０は強度の強いバルクナノ材料を不織布シートにおいて提供しうる。不織布シート中にナノ材料を提供することによって、バルクナノ材料は容易に取り扱われ、次に（ｉ）構造システム、例えばファブリック、装甲、複合強化材、アンテナ、電気または熱伝導体、および電極、（ｉｉ）機械構造要素、例えばプレートおよびアイビーム、並びに（ｉｉｉ）ケーブルまたはロープ、を含む最終使用用途に処理されうる。別の用途としては、水素貯蔵物質、バッテリー、またはコンデンサー部品が挙げられうる。
【００６９】
更に、不織布シートを別の最終使用用途用複合構造物（例えば、スポーツ用品、ヘルメット等）に組み込んでもよい。一態様において、不織布シートをマトリックス前駆体（例えば、クレイトン（Ｋｒａｙｔｏｎ）、ビニルエステル、ＰＥＥＫ、ビスポリアミド、ＢＭＩ（ビスマレイミド）、エポキシド、またはポリアミド）で含浸させ、次にこのマトリックスを重合するかまたは熱硬化することによって複合材料を形成してもよい。
【００７０】
別の態様において、材料の層状複合物が不織布シートをマトリックス材料と共に焼結することによって形成されうる。例えば、不織布シートの近接層をマトリックス前駆体のシートと分離し、次に平衡圧下におけるホットプレスにおいて焼結しうる。
【００７１】
本明細書において構造物用途が論じられるが、ナノ材料ベースのヤーンおよび不織布シートを、ナノ材料から形成される構造物を必要とする別の多くの用途において使用してもよいことに注目すべきである。そのような構造物は、例えば、電気的応用（例えば、導電材料、またはコンデンサー、バッテリーもしくは燃料電池の電極）において使用されうる。そのような例において、電極構造物において提供されるナノ材料が実質的に広い表面積を有するので、ナノ材料は、電荷を蓄えるかまたは電極にもしくは電極から電荷を伝えるために電子またはイオンが局在するのに実質的に大きな面積を有するコンデンサーまたはバッテリーを提供しうる。バルクマクロスケール構造物におけるナノ材料の広い表面積または界面化学が、更に、機械的濾過用途における特性に有用である。
【００７２】
更に、ナノ材料（例えば、カーボンナノチューブ）が非常に高い熱輸送効率を有することが知られているので、本発明のシステムで製造されるバルク構造物は、更にフォノンまたは熱エネルギーの導体として有用でありうる。
【００７３】
同様に当然のことながら、本発明の合成ナノ材料からつくられるヤーンおよびトウ、特に選択的にヤーン軸に沿って整列させられたナノチューブでつくられるもの、を組み込んで実質的に互いに平行に配向される繊維を有するバルクアッセンブリ、例えば、織布にしてもよい。加えて、マクロスケール構造物を、整列繊維を有する本発明の不織布シートからつくってもよい。これらの平行導体繊維構造物が、例えば、ナノ材料の量、織物（ｗｅａｖｅ）中のヤーンの間隔、または各ヤーンの厚さに基づく制御された間隔を有するので、これらのアッセンブリまたはマクロスケール構造物中の整列繊維の存在がアッセンブリおよびマクロスケール構造物に興味深い特性を与えうる。
【００７４】
例えば、電気的応用において、平行導体は、偏光フィルター、回折格子、および時折大きな後方散乱断面を有する物体として使用されうる。これらの応用全てが入射電磁波の波長、並びに入射電磁波と相互作用する平行導体の間隔、直径および長さに依存しうる。平行導体繊維間の間隔を制御することによって、これらの繊維のアッセンブリと特定周波数の電磁放射との相互作用が制御されうる。例えば、テラヘルツ周波数電磁照射用の偏光フィルターは、ナノチューブヤーンの織物の糸のサイズおよび緊張によって画定されうる。例えば、３００ミクロンピッチにおいて織られる直径１００ミクロンのヤーンの使用は３００ミクロン付近の波長（これは１ＴＨｚ電磁波に相当する。）を有する放射を偏光するのに充分である。
【００７５】
第二の例として、不織布シートまたはヤーン内の整列ナノチューブは、数ナノメートルのオーダーの間隔およびナノチューブ径を有するが、ナノチューブ軸に沿う伝導路ははるかに長い。不織布シート中または連続ヤーン内に整列ナノチューブを提供することによって、ｘ線と強く相互作用しうる回折格子が提供されうる。従って、これらのバルク構造物が容易に形成されてｘ線に対する回折格子および偏光子を提供しうる。更に、垂直偏光子がこれらの偏光子に入射する電磁波の透過をブロックし、各偏光子が相互作用しうるので、整列ナノチューブの二つの不織布シートを使用してｘ線をブロックすることが可能でありうる（但し、第一のシートにおけるナノチューブは第二のシートにおけるナノチューブに対して実質的に垂直に配向されうる。）。しっかりと織られた整列ナノチューブのヤーンのファブリックは、更に同様の効果を有しうる。そのようなものとして、ｘ線、紫外線、可視光、赤外線、テラヘルツ、マイクロ波照射、並びにレーダーおよびラジオ周波数に関する広周波数帯域の電磁吸収遮蔽における整列ナノチューブを有するバルク構造物を使用することが可能でありうる。
【００７６】
別の態様において、整列ナノチューブを有する本発明のナノ繊維質材料は、異方性複合物および熱導体、特に電磁照射または別の波（例えば、波長０．１ｎｍ以上の電子または中性子）の回折格子（ｇｒａｔｉｎｇ）、フィルター、および遮蔽物、における活用に組み込まれうる。
【００７７】
本発明を、特定の態様に関連して記述したが、別の変更も可能であると解釈されるべきである。更に、本出願は、本発明が当業者に既知または慣行にさせるような本発明の開示から外れる部分を含む、本発明の全ての変更、使用、または適応をカバーすることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】図１は、本発明の一態様によるナノ繊維質材料の形成および収穫用システムである。
【図２】図２は、図１に示されるシステムの変形である。
【図３】図３Ａ〜Ｂは、図１に示されるシステムに関連して用いられる渦発生器である。
【図４】図４は、図１に示されるシステムの別の変形である。
【図５】図５は、ナノ繊維質材料の形成および収穫用の本発明の別のシステムである。
【図６】図６は、ナノ繊維質材料の形成および収穫用の本発明の別のシステムである。
【図７】図７は、図１に示されるシステムに関連して用いられる別の渦発生器である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノ繊維質材料の形成および収穫に関するシステム、特にナノチューブ、ナノワイヤー、または別のナノスケール寸法を有するフィラメント構造物からのヤーンおよび不織布シートの形成に関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブは、高い破壊歪および比較的高い引張弾性率を含む並外れた引張強度を有することが知られている。カーボンナノチューブは、更に、疲労、放射線損傷、および熱に対して高い耐性がある。そのために、複合材料へのカーボンナノチューブの添加は、複合材料の引張強度および剛性を増加しうる。
【０００３】
過去１５年間、カーボンナノチューブの特性がよく理解されるにつれて、研究団体の内外においてカーボンナノチューブへの関心が大いに増加した。これらの特性を活用する一つの鍵は、広く展開されるのに充分な量のナノチューブの合成である。例えば、マクロスケール構造物（すなわち、寸法１ｃｍ以上の構造物）中の複合物の高強度成分として使用される場合、多量のカーボンナノチューブが必要とされうる。
【０００４】
ナノチューブ合成のある一般経路は、気相熱分解の使用による（例えば化学蒸着に関連して用いられるものである。）。このプロセスにおいて、ナノチューブは触媒ナノ粒子の表面から形成されうる。特に、ナノ粒子の表面からのナノチューブの発生に関して、供給材料として役立つ炭素化合物を含むガス混合物に触媒ナノ粒子を暴露しうる。
【０００５】
近年、大量のナノチューブ製造の有望なルートは、反応ガス中に「浮かぶ」触媒粒子からナノチューブを成長させる化学蒸着システムを用いることである。そのようなシステムは、典型的には、反応ガスから沈殿させられたナノ粒子からナノチューブを発生させうる加熱チャンバーに、反応ガス混合物を通す。触媒粒子を予備供給する変形を含む、多数の別の変形が可能である。
【０００６】
しかしながら、大量のカーボンナノチューブを発生させる場合、ナノチューブが反応チャンバーの壁に付着し、ナノ材料がチャンバーから流出することを妨害しうる。更に、これらの妨害は、反応チャンバー内の圧力増加を誘発し、このことは全体の反応速度論の変更を生じうる。速度論の変更は、製造される材料の均一性を低下させうる。
【０００７】
ナノ材料に対する別の問題は、それらを大量の浮遊微小粒子の発生なく取り扱い、処理する必要があることである。なぜなら、ナノスケールの材料に関連する危険が未だよくわかっていないからである。
【０００８】
マクロスケールの適用に関するナノチューブまたはナノスケール材料の処理は、近年着実に増加した。紡織繊維および関連する材料におけるナノスケール材料の使用もまた増加している。紡織術において、一定長かつ大質量において処理された繊維は、ステープルファイバーと呼ばれうる。ステープルファイバー、例えば、亜麻、ウール、およびコットン、を取り扱う技術は以前から確立されていた。織物または別の構造要素においてステープルファイバーを活用するために、ステープルファイバーを最初にバルク構造物、例えば、ヤーン、トウ、またはシート、に形成し、次にこれらを適切な材料に処理してもよい。
【０００９】
直径２０ｎｍ以下、長さ１０ミクロン以上の寸法を有する長いナノチューブは、比較的高いアスペクト比を有しうる。これらのナノチューブ繊維は、（例えば、化学蒸着によって）大量に製造される場合、多くの別の紡織ステープルファイバーよりも小さいにもかかわらず新しいステープルファイバー源として使用され得る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って、浮遊粒子の発生を最小化し、次の種々の適用、構造物またはその他への組み込みに関するナノチューブの強度の強い繊維質材料への処理を可能にする方法で、合成ナノチューブを収集し、取り扱うシステムおよびアプローチを提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
発明の要旨
本発明は、一態様において、ナノ繊維質材料（例えば、ヤーン）形成システムを提供する。このシステムは、ナノチューブが製造されうる独立合成チャンバーと係合する入口を有するハウジングを含む。このシステムは、更に、取り入れ末端、対向する出口末端、およびそれらの間の経路を有するスピンドルを含む。一態様において、スピンドルは、取り入れ末端を通ってナノチューブを収集し、次にナノチューブをナノ繊維質ヤーンに撚るために、ハウジング内から、入口を横切り、チャンバーまで延びる。このシステムは、更に、スピンドルからのヤーンをその上に巻き取るための、ハウジング内でかつスピンドルの下流に位置するスプールを含む。更に、ヤーンがスプールの回りに巻き取られるときにヤーンの完全性を損なうことを避けるために、センサーシステムを提供して、フィードバックデータを発生させてスピンドルおよびスプールのスピン速度を制御してもよい。一態様において、ガイドアームをスピンドルとスプールとの間に提供して、スピンドルから流出するヤーンを次の巻き取り用のスプールに向けうる。
【００１２】
別の態様において、本発明は、ナノ繊維質不織布シート形成システムを提供する。このシステムは、ナノチューブが製造されうる独立合成チャンバーに係合する入口を有するハウジングを含む。このシステムは、更に、合成チャンバーから流れるナノチューブを収集し、輸送する、ハウジング内の入口に近接して位置する移動表面を含む。圧アプリケーターを移動表面に近接して設けて、移動表面上の収集ナノチューブに力を適用して、ナノチューブを圧縮して混合ナノチューブ（ｉｎｔｅｒｍｉｎｇｌｅｄ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ）の不織布シートにしてもよい。このシステムは、更に、その上に不織布シートを巻き取るための、ハウジング内でかつ圧アプリケーター下流に位置するスプールを含む。更に、セパレーターを提供し、不織布シートの片側に材料を適用した後にこのシートをスプールの回りに巻き取り、不織布シートのそれ自身への結合を最小化してもよい。このシステムは、更に、センサーシステムを含み、フィードバックデータを発生させ、移動表面とスプールとのスピン速度を制御し、ヤーンをスプールの回りに巻き取るときにヤーンの完全性を損なうことを避けてもよい。
【００１３】
別の態様において、本発明は、ナノ繊維質ヤーン形成方法を提供する。この方法は、実質的に一方向に移動する複数の合成ナノチューブを受け取る工程を含む。この環境は気密環境でありうる。一態様において、受け取る前に、ナノチューブに渦流を与えて初期の撚りを提供しうる。次に、これらのナノチューブを共にナノチューブの移動方向に対して実質的に横方向に撚ってヤーンにしうる。その後、このヤーンを収穫エリアの方へ移動し、次にヤーンをヤーンの移動方向に対して実質的に横方向の軸回りに巻き取ることによって収穫しうる。巻き取り速度を制御して、ヤーンの完全性を損なうことを避けうる。
【００１４】
本発明は、更に、別のナノ繊維質不織布シート形成方法も提供する。この方法は、複数の合成ナノチューブを表面に堆積し、次にこれらのナノチューブを堆積ポイントから輸送する工程を含む。次に、圧力をこれらの複数のナノチューブに表面に対して適用し、これらのナノチューブを混合ナノチューブの不織布シートに圧縮しうる。次に、この不織布シートを収穫エリアに向けうる。一態様において、この不織布シートの片側に材料を置いて、シートがそれ自身と結合することを防ぎうる。次に、この不織布シートを、このシートの移動方向に対して実質的に横方向の軸回りに巻き取ることによって収穫しうる。一態様において、巻き取り速度を制御して、この不織布シートの完全性を損なうことを避けうる。
【００１５】
別の態様において、本発明は、次のナノ繊維質材料の形成に関して、合成ナノチューブを撚った状態で与える器械を提供する。この器械は、合成ナノチューブが流れうる経路を有する本体部分を含む。この器械は、更に、この本体部分の遠位末端に取り付けられ、ナノチューブが流出しうる開口部を有するキャップ部分を含みうる。チャネルをキャップ部分と本体部分との間にこの経路の周囲に設けうる。この器械は、更に、経路中に渦流を与えるために、経路と流体連絡した状態でチャネル内に位置する複数の流出ポートを含みうる。このようにして、経路を流れるナノチューブは、本体部分の遠位末端を流出した後、撚れて存在しうる。
【００１６】
本発明は、更に、次のナノ繊維質材料の形成用に合成ナノチューブを与える別の器械も提供する。この器械は、近位末端および遠位末端を有するディスクを含む。一態様において、通路が近位末端と遠位末端との間に延びる。この器械は、更に、通路の遠位末端に狭窄部位を含んでナノチューブの集積を可能にする。そのため、遠位末端の狭窄部位は、次のナノ繊維質材料の形成用にナノチューブを与える源を提供しうる。
【００１７】
図面の簡単な説明
図１は、本発明の一態様によるナノ繊維質材料の形成および収穫用システムである。
【００１８】
図２は、図１に示されるシステムの変形である。
【００１９】
図３Ａ〜Ｂは、図１に示されるシステムに関連して用いられる渦発生器である。
【００２０】
図４は、図１に示されるシステムの別の変形である。
【００２１】
図５〜６は、ナノ繊維質材料の形成および収穫用の本発明の別のシステムである。
【００２２】
図７は、図１に示されるシステムに関連して用いられる別の渦発生器である。
【００２３】
特定の態様の記載
本発明に関連して用いられるナノチューブは、種々のアプローチを使用して加工されうる。現在、ナノチューブ成長に関する多くのプロセスおよびそれらの変形が存在する。これらとしては、（１）周囲圧力近くにおいてまたはそれ以上の圧力において起こりうる一般的なプロセスである化学蒸着（ＣＶＤ）、（２）完全度の高いチューブを生じさせうる高温プロセスである、アーク放電、および（３）レーザーアブレーションが挙げられる。以下に炭素から合成されるナノチューブに触れるが、本発明での使用にナノチューブ合成に関連して別の化合物を使用してもよいことに注目すべきである。
【００２４】
一態様において、本発明は、産業においてよく知られているＣＶＤプロセスまたは類似の気相熱分解手順を用いて適切なナノチューブを発生させる。特に、ＣＶＤの成長温度が比較的低い範囲、例えば、約６００℃〜約１３００℃、でありうるので、一態様において、炭素含有ガス（すなわち、気体炭素源）によって供給されるナノ構造触媒粒子から単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）または多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）両方を成長させうる。
【００２５】
更に、本発明に関連して用いるために発生させたＳＷＮＴおよびＭＷＮＴの強度は、最高約３０ＧＰａでありうる。注目すべきことに、強度は欠陥に敏感である。しかしながら、本発明で用いられる加工ＳＷＮＴおよびＭＷＮＴの弾性率は、典型的には欠陥に敏感ではなく、約１〜１．５ＴＰａで変化しうる。更に、一般的に構造感受性パラメータである破壊歪は、本発明において数パーセントから最大約１０％までの範囲でありうる。
【００２６】
図１に言及すると、合成チャンバー１１内でＣＶＤプロセスによって製造される伸長ナノチューブを回収し、次にこれらのナノチューブから繊維質構造物または材料（例えば、ヤーン）を形成するためのシステム１０がある。合成チャンバー１１は、一般的に、反応ガスが供給されうる流入末端１１１、伸長ナノチューブ１１３の合成が起こりうる高温ゾーン１１２、並びに反応生成物、すなわち伸長ナノチューブ１１３および排ガス、が流出し、収集されうる流出末端１１４を含む。一態様において、合成チャンバー１１は、炉１１６を通って延びる石英チューブ１１５であり、チューブ１１５をシールする流出末端１１４および流入末端１１４に提供されるフランジ１１７を含みうる。図１それ自体を示したが、当然のことながら、合成チャンバー１１のデザインに別の構造を用いてもよい。
【００２７】
本発明の一態様において、システム１０は、ハウジング１２を含む。ハウジング１２は、図１に示されるように、合成チャンバー１１内から発生される潜在的に危険な浮遊粒子の環境への放出を最小化し、かつ、酸素がシステム１０の中に入り合成チャンバー１１に到達することを防ぐために実質的に気密でありうる。当然、合成チャンバー１１内の酸素の存在は、伸長ナノチューブ１１３の製造を損ない、完全性に影響を及ぼしうる。
【００２８】
システム１０は、更に、合成チャンバー１１の流出末端１１４においてフランジ１１７と実質的に気密に係合する入口１３を含む。一態様において、入口１３は、ガスおよび熱がハウジング１２から出る少なくとも一つのガス排出口１３１を含みうる。一態様において、排出口１３１から流出するガスは、液体、例えば水、またはフィルターを通って、排出口１０の上流の回転スピンドル１４に集められないナノ材料を回収してもよい。加えて、排ガスの種々の成分のエネルギーを絶つために排ガスを炎および空気に暴露してもよい。例えば、反応性水素を酸化して水を形成してもよい。
【００２９】
図１に示すように、伸長ナノチューブ１１３の収集に関して、回転スピンドル１４を、ハウジング１２内から、入口１３を通り、合成チャンバー１１まで延びるようにデザインしてもよい。一態様において、回転スピンドル１４は、複数のナノチューブが入り、ヤーン１５に紡がれる取り入れ末端１４１を含みうる。一態様において、紡糸方向は、ナノチューブ１１３の移動方向に対して実質的に横方向でありうる。回転スピンドル１４は、更に、ヤーン１５をスピンドル１４の出口１４３の方向に誘導しうる経路、例えば中空コア１４２、も含みうる。回転スピンドル１４の取り入れ末端１４１は、様々なデザインを含みうる。一態様において、取り入れ末端１４１は、単純にナノチューブ１１３が通って入りうる孔（図示せず）を含みうる。代わりに、ナノチューブ１１３を取り入れ末端１４１に誘導するのに役立つ漏斗様構造物１４４を含んでもよい。構造物１４４は、更に、ヤーン１５が壊れると、新しく堆積するナノチューブ１１３との加撚によって再構成されうる時間まで、ヤーン１５を支持するのにも役立ちうる。一態様において、（１）ヤーン１５が撚られるポイントとして役立て、かつ（２）ヤーン１５がスピンドル１４のコア１４２に迅速に引く弾力性を妨げ、このことは、もしヤーン１５が破壊されるとしたらそれが再形成されることを妨げうる、ために、ローラー、キャプスタン、または別の制限装置（図示せず）を、スピンドル１４の取り入れ末端１４１に近接して提供してもよい。
【００３０】
システム１０は、更に、回転スピンドル１４の出口末端１４３に連結されるガイドアーム１６を含み、ヤーン１５を集めるためのスプール１７に誘導し、向ける。本発明の一態様によると、一組のプーリー１６１、アイレット、またはフックをガイドアーム１６の付属品として提供してヤーン１５がガイドアーム１６に沿って向けるパスを規定しうる。代わりに、ヤーン１５が、スピンドル１４の出口末端１４３からヤーン１５がスプール１７上に巻き取られうるポイントにヤーン１５を向けうるチューブ状構造物（図示せず）を通るようにされてもよい。
【００３１】
一態様において、ガイドアーム１６および回転スピンドル１４は、連携してヤーン１５の撚りを誘発しうる。スピンドル１４およびガイドアーム１６の回転は、図１に示されるように、（例えば、ベルト１８１によってスピンドル１４に連結される電気モーターによって）機械的に駆動されうる。
【００３２】
一態様において、ヤーン１５の収穫に関して、ハウジング１２内に設けられたスプール１７をガイドアーム１６の下流に位置させてもよい。特に、その後ヤーン１５がスプール１７の周囲に巻き取られるように、ガイドアーム１６から出てくるヤーン１５をスピンスプール１７に向けてもよい。回転スピンドル１４と同一軸上に示されるが、スプール１７は、当然のことながら、スプール１７がその軸回りにスピンしてガイドアーム１６からヤーン１５を収集しうる限り、ハウジング１２内の別のいずれの位置に置かれてもよい。一態様において、スプール１７のスピン軸は、スプール１７上のヤーン１５の移動方向に対して実質的に横方向である。
【００３３】
スプール１７に回転を与えるために、別の機械駆動１９をスプール１７に連結してもよい。一態様において、スプール１７を同調させてスピンドル１４の回転速度に近いかまたは実質的にスピンドル１４の回転速度に類似の回転速度においてスピンまたは回転させてスプール１７へのヤーン１５の均一収穫を可能にしうる。そうでなければ、例えば、スプール１７の回転速度がスピンドル１４の回転速度よりも速い場合、ガイドアーム１６からスプール１７までにおいてヤーン１５の破損が生じ、スプール１７の回転速度がスピンドル１４のそれよりも遅い場合、ヤーン１５のゆるんだ部分が最終的にもつれうる。
【００３４】
回転速度の実質的な同調を維持するために、機械駆動１８および１９の動きを制御システム（図示せず）によって調節しうる。一態様において、制御システムは、各機械駆動１７および１８に取り付けられた位置センサー（例えば光学エンコーダー）からのデータを受け取るようにデザインされうる。次にこのデータに基づいて、制御システムは制御アルゴリズムを使用して各駆動装置に供給されるパワーを変性し、各駆動装置の速度を制御し、ナノチューブ合成の速度に実質的に合うようにしうる。結果として、制御システムは、（１）規定の張力限界によって制御される一定のヤーン速度、または（２）速度限界によって制御される一定の張力を与えうる。一態様において、ヤーン速度は、張力があらかじめ設定された限界内に維持されうるように、張力値に依存する実時間においてリセットされうる。加えて、張力を設定値以内に維持するために、ヤーン張力を速度値に依存する実時間においてリセットしてもよい。
【００３５】
更に、制御システムは、スプール１７とスピンドル１４との間の速度を変えてもよく、必要であれば、スプール１７によるヤーンの取り込みを制御する。加えて、制御システムは、ヤーン１５がその回りに均一に巻き取られることを可能にするために、スプール１７を軸に沿って前後に動かしうる。
【００３６】
本発明のＣＶＤプロセスを使用する定常状態製造における操作において、伸長ナノチューブを合成チャンバー１１内から収集し、その後、ヤーン１５を形成しうる。特に、ナノチューブ１１３が合成チャンバー１１から出てくると、それらを収集して束にし、スピンドル１４の取り入れ末端１４１に供給し、次に紡ぐかまたは撚ってヤーン１５にする。ヤーン１５への連続撚りが充分な角歪をビルドアップ（ｂｕｉｌｄ ｕｐ）して、スピンドル１４に新たなナノチューブ１１３が達するポイント付近の回転を生じて、ヤーン形成プロセスを促進しうることに注目すべきである。更に、連続張力をヤーン１５に適用するかまたはその前進を制御速度において可能にして、スプール１７周囲の取り込みを可能にする。
【００３７】
典型的には、ヤーン１５の形成は、次に加撚ヤーンにきつく紡糸されうるナノチューブ１１３の集束に起因する。代わりに、ヤーン１５の主な撚りを、システム１０内のいくつかのポイントにおいて固定し、収集ナノチューブ１１３を加撚ヤーン１５上に巻き取ってもよい。これら両方の成長モードを本発明に関連して実行しうる。
【００３８】
図２を見ると、渦発生器（例えば、ガススピナー（ｇａｓ−ｓｐｉｎｎｅｒ）２０）を合成チャンバー１１の流出末端１１４に向かって提供し、実質的な渦流を発生させ、スピンドル１４に向けられる前にナノチューブ１１３の加撚動作を与え、紡いでヤーン１５にしうる。加撚動作を与えるための渦の発生は、更に、ヤーン１５の形成において使用されるナノチューブ材料の量を一様にするのに役立ちうる。図３Ａ〜Ｂに示されるガススピナー２０は、キャップ部分３１、本体部分３２、およびガススピナー２０の周囲のキャップ部分３１と本体部分３２との間に位置するチャネル３３を含むようにデザインされうる。
【００３９】
一態様において、キャップ部分３１は、次の渦流発生に関して供給ライン３１２からの不活性ガスが通ってガススピナー３０のチャネル３３に入る、ダクト３１１を含む。ガススピナー２０に関連して用いられる不活性ガスの例としては、Ｈｅ、Ａｒまたは別の好適な不活性ガスが挙げられる。
【００４０】
一方、本体部分３２は、ガス（すなわち、流体）および合成チャンバー１１の高温ゾーン１１２から発生される繊維質ナノ材料（すなわち、ナノチューブ１１３）が流れる（図３Ａ中の矢印３５）軸対称経路３２１を含む。一態様において、経路３２１は、本体部分３２の近位末端３２５に近接するテーパー部分３２２および本体部分３２の遠位末端３２６に近接する実質的に一定の部分３２３を含む。そのようなデザインで、テーパー部分３２２および一定の部分３２３は、共に作用してスピンドル１４の上流のナノチューブ１１３の過剰集積またはビルドアップ（ｂｕｉｌｄ−ｕｐ）を最小化しうる。特に、経路３２１は、作用してナノチューブ１１３をテーパー部分３２２に導き、一定の部分３２３を横切り、合成チャンバー１１から発生されるナノチューブ１１３が合成チャンバー１１内の鋭いエッジまたは別の突起物に引っかかることを避けうる。ナノチューブが経路３２１から流出することを可能にするため、キャップ部分３１は、経路３２１の一定部分３２３と実質的に同一軸上にある開口部３１３を含む。
【００４１】
本体部分３２は、更に、本体部分３２とキャップ部分３１との間の係合によってチャネル３３になる凹部３２４を含みうる。本体部分３２は、更に、凹部内に位置する流出ポート３２５を含みうる。一態様において、流出ポート３２５を、一定の部分３２３の回りに対称に分配し、次にあらかじめチャネル３３に導入した不活性ガスからの渦流を経路３２１の一定の部分３２３内に発生させてもよい。当然のことながら、この接線速度成分を提供するために、渦流が与えられる軸（例えば、ガススピナー３０の対称軸）回りに接線速度ベクトル成分を必要とするので、図３Ｂに示される流出ポート３２５は、対称軸に垂直な面に、各流出ポート３２５が実質的に非垂直角で経路３２１の一定の部分３２３に入るように位置する必要がありうる。言い換えれば、各出口ポート３２５は、各流出ポート３２５を横切って移動することを可能にするとチャネル３３内の流体（例えば、不活性ガス）が接線状態で経路３２１の一定の部分３２３に流れるように、経路３２１と接線で連絡する必要がある。
【００４２】
当然のことながら、充実狭窄（ｓｏｌｉｄ ｃｏｎｓｔｒｉｃｔｉｏｎ）をガス流および生じるナノ材料に提供することによって、ガススピナー２０は、更に、本発明のシステム１０に関するヤーンおよびトウ形成モードの実質的な画定自由を可能にしうる。更に、必要な範囲内で、ガススピナー２０は、特に、ガススピナー２０を通って供給されるガスが、例えば、次に撚ってヤーン１５にするためのリーダー（以下の記載参照）によって、ナノチューブ１１３が引かれうる源を作るのに低い流速である場合、ナノチューブ１１３が集積しうるエリアを提供しうる。
【００４３】
別の態様において、異なる渦発生器（例えば、図７Ａ〜Ｂに示される静電スピナー７０）を使用して、ナノチューブ１１３を紡糸してヤーン１５にするスピンドル１４に向ける前に、実質的な渦流をナノチューブ１１３に与えてもよい。一態様において、静電スピナー７０は、エントリー末端７２、流出末端７３、およびそれらの間に延びる経路７４を有する実質的にチューブ状の本体７１を含む。静電スピナー７０は、更に、経路７４の周囲に設けられる複数の電気接点７５を含んでもよい。各接点７５は、正の末端＋Ｖおよび負の末端−Ｖを含み、金属材料（例えば銅）からつくられうる。この関連で、電圧を各接点７５に印加して電場を発生させてもよい。更に、電圧を各接点７５に連続して印加すると、回転静電場が発生しうる。ナノチューブ１１３が実質的に高いアスペクト比を有し、導体でありうるので、ナノチューブ１１３はこの静電場に引きつけられ、場が経路７４の回りを動くと渦状にまたは巻いた状態で動く。ナノチューブ１１３に与えられた巻き動作は、ナノチューブ１１３が本体部分７１のエントリー末端７２から流出末端７３に移動する方向に対して実質的に横方向でありうることに注目すべきである。各連続接点７５への電圧印加を制御するために、市販の制御チップまたはプロセッサを使用してもよい。
【００４４】
本発明の一態様によると、ヤーン１５の形成のはじめに、ヤーンを「リーダー」で開始することが有益でありうる。このリーダーは、例えば、ナノチューブヤーンの別の部分、いくつかの別のタイプのヤーンまたはフィラメント、または細いワイヤーでありうる。一態様において、ワイヤーが使用されうる。なぜなら、ワイヤーが成長ヤーンの末端をつなぎ留めうるように、充分なビルドアップが存在するまで、ワイヤーが集積しているナノチューブ１１３のウェビングまたは束にスピンドル１４の加撚動作を伝えるのに必要な必須剛性を提供しうるからである。一態様において、使用されるワイヤーは、例えば、鉄ワイヤーまたはニクロムでありうる。なぜならば、これらの合金が合成チャンバー１１の高温ゾーン内の温度（６００℃〜１３００℃）に耐えうるからである。更に、ＣＶＤプロセスによって製造されるナノチューブは、これらの合金に比較的よく付着することが観測されている。特に、ナノチューブ１１３の末端における触媒ナノ粒子は強磁性材料、例えばＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等、を含みうるので、これらのナノ粒子は鉄合金材料上の磁区に磁気的に引きつけられうる。
【００４５】
リーダーが提供される範囲で、反応開始前にリーダーを予備装着する必要がありうる。特に、一態様において、穴をスプール１７に提供してリーダーの一端のアンカーポイントとして役立てうる。加えて、ノッチまたはスロットをガイドプーリー１６１に提供して、リーダーがガイドアーム１６に容易に挿入されるようにしてもよい。リーダーが用いられる場合、次に、リーダーをスピンドル１４に挿入し、その後、ガススピナー２０の上流の合成チャンバー１１に進める。
【００４６】
リーダーを使用する場合、図４を見ると、アンカー４０をガススピナー２０の場所に提供して、リーダーがナノチューブをスピンドル１４に引いてヤーン製造プロセスを開始する源を提供しうる。一態様において、アンカー４０を、合成チャンバー１１の流出末端１１４の方に位置させて、ナノチューブ１１３の集積をアンカー４０内に生じるようにガスおよびナノチューブ１１３の流れを狭窄してもよい。そうするために、アンカー４０を、遠位末端４１、近位末端４２、およびそれらの間に延びる通路４４を有するディスクとしてデザインしうる。図４に示すように、通路４４は、近位末端４２から遠位末端４１に向かってテーパーをもちうる。このように、ナノチューブ１１３が狭窄部位４５に向かって通路４４に入ると、狭窄部位４５が作用して集積ナノチューブ１１３がそこにリーダー源を提供しうる。テーパーまたはトロイダル形状として提供されるが、当然のことながら、アンカー４０の通路４４が作用してチャンバー１１中のガスおよびナノチューブ１１３の流れを狭窄する限り、様々な形態を含むようにデザインされうる。
【００４７】
そこでのナノチューブの集積を増大させるために、突出物（図示せず）または別の類似デザインを狭窄部位４５に提供して、ナノチューブ１１３のウェビングまたはバンドルが付着しうる表面を提供してもよい。一態様において、アンカー４０は、ナノチューブ１１３が固体表面に付着する比較的強い傾向を有しうる炉１１６付近に位置しうる。炉１６の付近にあるので、アンカー４０は、一態様において、炉１６からの熱に耐えうる黒鉛材料または別の材料からつくられうる。
【００４８】
ナノチューブ１１３が一定速度で製造されうるとすると、炉１１６付近のアンカー４０のデザインおよび位置は、ナノチューブ１１３がそこに一定速度で集積することを可能にしうる。そのため、制御ナノチューブ１１３源を、次の実質的に一定の特性を有するヤーン１５の収集および形成のために発生させうる。更に、アンカー４０は、作用して、ナノチューブ１１３が引かれて実質的にヤーン１５と共軸方向におけるナノチューブ１１３の実質的な整列を可能にするポイントを提供しうる。ヤーン１５の軸に沿ってナノチューブ１１３が整列する能力は、ナノチューブ１１３の間の負荷伝達を増大させて強度の強いヤーン１５の形成を可能にしうる。それにもかかわらず、当然のことながら、ヤーン１５は、アンカー４０が存在するかどうかにかかわらず形成されうる。
【００４９】
次に、スプール１７、スピンドル１４、ガイドアーム１６、およびリーダーを回転させることによって、ヤーン１５の合成および収穫を開始しうる。一態様において、ナノチューブ１１３の合成の開始後、ナノチューブ１１３をリーダーに向けてその上にナノチューブ１１３がビルドアップするかまたは束になることを可能にしうる。その後、一旦、ナノチューブ１１３のウェビングまたは束がリーダーにビルドアップし始めると、リーダーはスプール１７をスピンドル１４およびガイドアーム１６とわずかに異なる速度において回転させることによって回収されうる。上記のように、ナノチューブヤーン１５の形成は、自動的に行われ、その後、一旦、リーダーを合成チャンバー１１の高温ゾーン１１２から充分に回収する。特に、ナノチューブ１１３のウェビングは、スピンドル１４の取り入れ末端１４１付近のポイントにおいてヤーン１５に撚られうる。次に、ヤーン１５の撚られた部分は、コア１４２に沿ってスピンドル１４の出口末端１４３に向けて移動されうる。出口末端１４３を流出すると、ヤーン１５はガイドアーム１６に沿って導かれ、スプール１７に向けられうる。その後、ヤーン１５を制御速度においてスプール１７回りに巻き取りうる。
【００５０】
別の態様によると、システム１０は、更に合成チャンバー１１内で合成されるナノチューブ１１３からのトウ（図示せず）の連続形成に使用されうる。このトウを、次に、きつく巻き取られたヤーンに処理しうる（糸およびヤーン形成の技術における一般的な技術に類似している。）。一態様において、トウは、上記中空スピンドル１４、ガイドアーム１６およびスプール１７を使用して収集されうる。形成トウは、スプール１７からガイドアーム１６およびスピンドル１４を通り、流出末端１１４付近の合成チャンバー１１まで延びうる。一態様において、ナノチューブ１１３は、トウの回りに巻き取ることによってトウ上に集積しうる。なぜなら、トウが迅速にスピンし、ゆっくりと回収されるからである。アンカーは、この操作モードには必要とされえない。しかしながら、スピンしているトウの成長末端が付着するポイントを提供することが必要である場合、アンカーが使用されうる。
【００５１】
本発明の一態様によるヤーンまたはトウの形成は、長さを必要とする用途において用いられることが可能な比較的長い繊維質構造物を製造するアプローチを提供する。特に、ヤーン形成中の加撚操作は、ステープルファイバー（すなわち、ナノチューブ）が結合して大きな繊維質構造物（すなわち、ヤーン）になることを可能にする。加えて、軸配向繊維（すなわち、ナノチューブ）の加撚は、繊維間の負荷伝達を増大して強度の強いヤーンの形成を可能にしうる。
【００５２】
特に、ステープルファイバー（例えば、本発明の方法によって合成されたナノチューブ）は、高いアスペクト比で提供されうる（例えば、１００：１以上の 長さ：直径）。結果として、それらは小さいアスペクト比を有する繊維よりも良好に、ヤーン内の各繊維間に構造負荷を伝達する要求を満たしうる。本質的に無限のアスペクト比を有する繊維が理想的であるが、ヤーンが混合されうる構造物の長さスケールがより良好に構成繊維の必要とされる長さおよびアスペクト比を画定する。例えば、１〜２センチメートルの距離をブリッジすることが必要な場合、この距離よりもはるかに長い繊維は必要でない。更に、ヤーンにおいて、負荷伝達は、各近接繊維の接触ポイント間で相互作用として典型的に起こる。各接触ポイントにおいて、各繊維は、例えば、ファンデルワールス結合、水素結合、またはイオン相互作用によって相互作用しうる。それとして、本発明のヤーン中の大量の繊維の存在は、接触ポイントの数を増加し、従って、近接繊維間の結合相互作用を増加して繊維間の負荷伝達を増加させる。更に、加撚が、各繊維を互いに接近させることによってヤーン中の構成繊維間の接触ポイントの数を更に増加させるので、ヤーン全体の強度に撚りを与えることが有利でありうる。この関連で、独立して加撚と取り込み速度とを制御する能力が強度を最適化するのに重要でありうる。
【００５３】
ヤーンの強度は、近接繊維間の結合強度を増加させることによって更に高められうる。一態様において、ヤーンをマトリックス材料（例えば、ポリマー）または界面活性分子で含浸させて近接繊維を架橋しうる。共有結合またはイオン化学結合を使用する繊維の架橋は、ヤーンの全体強度を改良する別の方法を提供しうる。
【００５４】
接触ポイントの数がフォノンまたは電子が近接ナノチューブ間を移動する機会を増加させるので、ヤーンに撚りを与えることは更に本発明のヤーンの電気および熱伝導性を増加させうることに注目すべきである。
【００５５】
図５〜６を参照すると、本発明の別の態様によると、合成チャンバー５１内でＣＶＤプロセスでつくられる合成ナノチューブを収集し、次にバルク繊維質構造物または材料をこのナノチューブから形成するシステム５０が示されている。特に、システム５０は、圧縮混合ナノチューブから生じ、シートとして取り扱われるのに充分な構造完全性を有する実質的に連続の不織布シートの形成に使用されうる。
【００５６】
システム５０は、システム１０と同様、合成チャンバー５１に連結されうる。合成チャンバー５１は、一般的に、反応ガスが供給される流入末端、伸長ナノチューブの合成が起こりうる高温ゾーン、およびそこから反応生成物（すなわち伸長ナノチューブおよび排ガス）が流出し、収集されうる流出末端５１４を含む。一態様において、合成チャンバー５１は、炉の中を通って延び、流出末端５１４および流入末端に提供されるチューブ５１５をシールするためのフランジ５１７を含みうる石英チューブ５１５を含みうる。図５に大まかに示したが、当然のことながら、合成チャンバー５１のデザインに別の配置を用いてもよい。
【００５７】
本発明の一態様において、システム５０は、ハウジング５２を含む。ハウジング５２は、図５に示されるように、実質的に気密であり、潜在的に危険な浮遊微小粒子の合成チャンバー５１内から環境への放出を最小化し、酸素がシステム５０へ流入し、合成チャンバー５１に達することを防ぎうる。特に、合成チャンバー５１内の酸素の存在は、完全性に影響を与え、ナノチューブの製造を損ないうる。
【００５８】
システム５０は、更に、合成チャンバー５１の流出末端５１４におけるフランジ５１７を実質的に気密に係合させる入口５３を含みうる。一態様において、入口５３は、それを通ってガスおよび熱がハウジング５２を離れうる少なくとも一つのガス排出口５３１を含みうる。一態様において、排出口５３１から流出するガスは、排出口５３１の上流で集められないナノ材料を収集するために液体（例えば、水）またはフィルターを通りうる。加えて、排ガスを上記方法と同様の方法で処理しうる。特に、排ガスの種々の成分のエネルギーを絶つために排ガスを炎で処理してもよい（例えば、反応性水素を酸化して水を形成してもよい。）。
【００５９】
システム５０は、更に、合成チャンバー５１の流出末端５１４からのナノ材料（すなわち、ナノチューブ）の収集および輸送用に入口５３に近接して設けられる移動表面（例えば、ベルト５４）を含みうる。ナノ材料を収集するために、ベルト５４を流出末端５１４からのナノ材料を運ぶガス流に対して実質的に横方向の角度において位置させてナノ材料がベルト５４に堆積することを可能にしうる。一態様において、ベルト５４は、ガス流に対して実質的に垂直に位置し、ナノ材料を運ぶガス流が通り抜け、合成チャンバーから流出することを可能にするために実際は多孔質であってもよい。加えて、合成チャンバー５１からのガス流は、排出口５３１を通り入口５３に流出しうる。
【００６０】
システム５０の入口５３からナノ材料を運び出すために、ベルト５４は、常套のコンベヤベルトに類似の連続ループとしてデザインされうる。これを受けて、一態様において、ベルト５４は、対向する回転要素５４１回りにループにされていてもよく、機械装置（例えば、電気モーター５４２）によって、矢印５４３によって示されるように右回りに操作されていてもよい。代わりに、ドラム（図示せず）を使用してナノ材料輸送用移動表面を提供してもよい。そのようなドラムを、更に、機械装置（例えば、電気モーター５４２）によって操作してもよい。一態様において、張力および速度が最適化されるように、モーター５４２を、機械駆動１８および１９に関連して使用される制御システムに類似の制御システムの使用によって制御しうる。
【００６１】
更に図５を見ると、システム５０は、圧縮力（すなわち、圧力）を収集ナノ材料上に適用するためにベルト５４に近接して設けられる圧アプリケーター（例えば、ローラー５５）を含みうる。特に、ナノ材料がローラー５５に向かって輸送されると、ベルト５４上のナノ材料がローラー５５の下および反対に移動させられる結果、圧力が混合ナノ材料に適用され、一方、ナノ材料がベルト５４とローラー５５との間で圧縮されて凝集性の実質的に結合した不織布シート５６になりうる（図６参照）。ベルト５４上のナノ材料に対する圧力を増大するために、プレート５４４をベルト５４の後ろに位置させて、ローラー５５からの圧力が適用されうる硬質表面を提供してもよい。収集ナノ材料が充分な量であり充分混合されている場合、充分な数の接触部位が存在して不織布シート５６を発生するのに必要な結合強度を提供するので、ローラー５５の使用が必要でないことに注目するべきである。
【００６２】
次のハウジング５２からの除去のために混合ナノ材料の不織布シート５６をベルト５４からはずすために、エッジをベルト５４の表面５４５に接触させながらメスまたはブレード５７をローラー５５の下流に提供しうる。このようにして、不織布シート５６がパストローラー（ｐａｓｔ ｒｏｌｌｅｒ）の下流を動くとブレード５７は不織布シート５６をベルト５４の表面５４５から持ち上げうる。
【００６３】
加えて、収穫用に外された不織布シート５６が次にローラー５８の上に向けられ、その回りに巻き取られるように、スプールまたはローラー５８をブレード５７の下流に提供しうる。もちろん、不織布シート５６がその後のハウジング５２からの除去に関して収集されうる範囲で別のメカニズムを使用してもよい。一態様において、回転軸が不織布シート５６の移動方向に対して実質的に横方向であるように、ローラー５８をベルト５４と同様に、機械駆動（例えば、電気モーター５８１）によって作動してもよい。
【００６４】
ローラー５８の回りに巻き取られるときの不織布シート５６のそれ自身への結合を最小化するために、分離材５９（図６参照）を不織布シート５６の片側に適用した後にシート５６をローラー５８の回りに巻き取ってもよい。本発明に関連して活用する分離材５９は、連続ロール５９１に供給されうる様々な市販の金属シートまたはポリマーの一種であってもよい。そのため、シート５６がローラー５８の回りに巻き取られるように分離材５９を不織布シート５６と共にローラー５８に引いてもよい。分離材５９を含有するポリマーが不織布シート５６の片側に適用される範囲において、分離材５９を含有するポリマーが、シート、液体、または別の形態において提供されうることに注目すべきである。更に、不織布シート５６内の混合ナノチューブが強磁性材料（例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等）の触媒ナノ粒子を含みうるので、分離材５９は、一態様において、不織布シート５６が分離材５９に強く付着することを防ぐために非磁性材料（例えば、伝導性またはそうでないもの）でありうる。
【００６５】
更に、機械駆動５４２および５８１の回転速度がそれによって調節されうるように、システム５０をシステム１０の制御システムと同様の制御システム（図示せず）と共に提供してもよい。一態様において、制御システムは、機械駆動５４２と５８１とそれぞれに取り付けられた位置センサー（例えば、光学エンコーダ）からのデータを受けるようにデザインされうる。次に、このデータに基づいて、制御システムは、スプールの回りに巻き取られるときに不織布シートの完全性を損なうことを避けるために、各駆動の速度が実質的にベルト５４におけるナノチューブ収集速度に適合するように、各駆動の速度を制御するために各駆動に供給されるパワーを変性するために制御アルゴリズムを使用しうる。更に、制御システムは、ローラー５８のスピン速度をベルト５４のスピン速度に同調しうる。一態様において、ベルト５４とローラー５８との間の張力を設定値に保持しうるように、不織布シート５６の張力を、速度値に依存する実時間においてリセットしてもよい。
【００６６】
制御システムは、要すれば、更にローラー５８とベルト５４との間の速度を変えてローラー５８による不織布シート５６の取り込みを制御してもよい。更に、制御システムは、不織布シート５６がローラー５８上に均一に残るようにローラー５８を軸に沿ってわずかに前後に調節してもよい。
【００６７】
所望の範囲で静電場（図示せず）を用いて合成チャンバー５１から生じるナノチューブをほぼベルト移動の方向に整列させてもよい。一態様において、静電場は、例えば二以上の電極を合成チャンバー５１の流出末端５１４の周囲に置き、これらの電極に高電圧を印加することによって発生されうる。一態様において、電圧は約１０Ｖ〜約１００ｋＶ、好ましくは約４ｋＶ〜約６ｋＶを変動する。要すれば、電極を絶縁体（例えば、小さい石英または別の好適な絶縁体）で遮蔽してもよい。電場の存在は、移動ベルト５４上のナノチューブの整列を与えるように、その間を移動するナノチューブを実質的にその場に整列させうる。
【００６８】
上記のとおり、システム５０は強度の強いバルクナノ材料を不織布シートにおいて提供しうる。不織布シート中にナノ材料を提供することによって、バルクナノ材料は容易に取り扱われ、次に（ｉ）構造システム、例えばファブリック、装甲、複合強化材、アンテナ、電気または熱伝導体、および電極、（ｉｉ）機械構造要素、例えばプレートおよびアイビーム、並びに（ｉｉｉ）ケーブルまたはロープ、を含む最終使用用途に処理されうる。別の用途としては、水素貯蔵物質、バッテリー、またはコンデンサー部品が挙げられうる。
【００６９】
更に、不織布シートを別の最終使用用途用複合構造物（例えば、スポーツ用品、ヘルメット等）に組み込んでもよい。一態様において、不織布シートをマトリックス前駆体（例えば、クレイトン（Ｋｒａｙｔｏｎ）、ビニルエステル、ＰＥＥＫ、ビスポリアミド、ＢＭＩ（ビスマレイミド）、エポキシド、またはポリアミド）で含浸させ、次にこのマトリックスを重合するかまたは熱硬化することによって複合材料を形成してもよい。
【００７０】
別の態様において、材料の層状複合物が不織布シートをマトリックス材料と共に焼結することによって形成されうる。例えば、不織布シートの近接層をマトリックス前駆体のシートと分離し、次に平衡圧下におけるホットプレスにおいて焼結しうる。
【００７１】
本明細書において構造物用途が論じられるが、ナノ材料ベースのヤーンおよび不織布シートを、ナノ材料から形成される構造物を必要とする別の多くの用途において使用してもよいことに注目すべきである。そのような構造物は、例えば、電気的応用（例えば、導電材料、またはコンデンサー、バッテリーもしくは燃料電池の電極）において使用されうる。そのような例において、電極構造物において提供されるナノ材料が実質的に広い表面積を有するので、ナノ材料は、電荷を蓄えるかまたは電極にもしくは電極から電荷を伝えるために電子またはイオンが局在するのに実質的に大きな面積を有するコンデンサーまたはバッテリーを提供しうる。バルクマクロスケール構造物におけるナノ材料の広い表面積または界面化学が、更に、機械的濾過用途における特性に有用である。
【００７２】
更に、ナノ材料（例えば、カーボンナノチューブ）が非常に高い熱輸送効率を有することが知られているので、本発明のシステムで製造されるバルク構造物は、更にフォノンまたは熱エネルギーの導体として有用でありうる。
【００７３】
同様に当然のことながら、本発明の合成ナノ材料からつくられるヤーンおよびトウ、特に選択的にヤーン軸に沿って整列させられたナノチューブでつくられるもの、を組み込んで実質的に互いに平行に配向される繊維を有するバルクアッセンブリ、例えば、織布にしてもよい。加えて、マクロスケール構造物を、整列繊維を有する本発明の不織布シートからつくってもよい。これらの平行導体繊維構造物が、例えば、ナノ材料の量、織物（ｗｅａｖｅ）中のヤーンの間隔、または各ヤーンの厚さに基づく制御された間隔を有するので、これらのアッセンブリまたはマクロスケール構造物中の整列繊維の存在がアッセンブリおよびマクロスケール構造物に興味深い特性を与えうる。
【００７４】
例えば、電気的応用において、平行導体は、偏光フィルター、回折格子、および時折大きな後方散乱断面を有する物体として使用されうる。これらの応用全てが入射電磁波の波長、並びに入射電磁波と相互作用する平行導体の間隔、直径および長さに依存しうる。平行導体繊維間の間隔を制御することによって、これらの繊維のアッセンブリと特定周波数の電磁放射との相互作用が制御されうる。例えば、テラヘルツ周波数電磁照射用の偏光フィルターは、ナノチューブヤーンの織物の糸のサイズおよび緊張によって画定されうる。例えば、３００ミクロンピッチにおいて織られる直径１００ミクロンのヤーンの使用は３００ミクロン付近の波長（これは１ＴＨｚ電磁波に相当する。）を有する放射を偏光するのに充分である。
【００７５】
第二の例として、不織布シートまたはヤーン内の整列ナノチューブは、数ナノメートルのオーダーの間隔およびナノチューブ径を有するが、ナノチューブ軸に沿う伝導路ははるかに長い。不織布シート中または連続ヤーン内に整列ナノチューブを提供することによって、ｘ線と強く相互作用しうる回折格子が提供されうる。従って、これらのバルク構造物が容易に形成されてｘ線に対する回折格子および偏光子を提供しうる。更に、垂直偏光子がこれらの偏光子に入射する電磁波の透過をブロックし、各偏光子が相互作用しうるので、整列ナノチューブの二つの不織布シートを使用してｘ線をブロックすることが可能でありうる（但し、第一のシートにおけるナノチューブは第二のシートにおけるナノチューブに対して実質的に垂直に配向されうる。）。しっかりと織られた整列ナノチューブのヤーンのファブリックは、更に同様の効果を有しうる。そのようなものとして、ｘ線、紫外線、可視光、赤外線、テラヘルツ、マイクロ波照射、並びにレーダーおよびラジオ周波数に関する広周波数帯域の電磁吸収遮蔽における整列ナノチューブを有するバルク構造物を使用することが可能でありうる。
【００７６】
別の態様において、整列ナノチューブを有する本発明のナノ繊維質材料は、異方性複合物および熱導体、特に電磁照射または別の波（例えば、波長０．１ｎｍ以上の電子または中性子）の回折格子（ｇｒａｔｉｎｇ）、フィルター、および遮蔽物、における活用に組み込まれうる。
【００７７】
本発明を、特定の態様に関連して記述したが、別の変更も可能であると解釈されるべきである。更に、本出願は、本発明が当業者に既知または慣行にさせるような本発明の開示から外れる部分を含む、本発明の全ての変更、使用、または適応をカバーすることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】図１は、本発明の一態様によるナノ繊維質材料の形成および収穫用システムである。
【図２】図２は、図１に示されるシステムの変形である。
【図３】図３Ａ〜Ｂは、図１に示されるシステムに関連して用いられる渦発生器である。
【図４】図４は、図１に示されるシステムの別の変形である。
【図５】図５は、ナノ繊維質材料の形成および収穫用の本発明の別のシステムである。
【図６】図６は、ナノ繊維質材料の形成および収穫用の本発明の別のシステムである。
【図７】図７は、図１に示されるシステムに関連して用いられる別の渦発生器である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノチューブが製造される独立合成チャンバーと係合する入口を有するハウジング；
取り入れ末端、対向する出口末端、およびそれらの間の経路を有すスピンドルであって、前記ハウジング内から入口を横切ってチャンバー内に延びる、取り入れ末端を通ってナノチューブを回収するための、かつナノチューブを撚ってナノ繊維質ヤーンにするスピンドル；
ハウジング内でかつスピンドルの下流に位置する、ヤーンをスピンドルから巻き取るためのスプール；
スピンドルおよびスプールのスピン速度を制御するためにフィードバックデータを提供して、スプールの回りに巻き取られるときにヤーンの完全性を損なうことを防ぐようにデザインされているセンサーシステム；
を備える、ナノ繊維質ヤーン形成システム。
【請求項２】
該ハウジングが、チャンバー内から発生されるナノチューブおよび関連粒子の浮遊物質放出を最小化するために実質的に気密である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
該スピンドルが取り入れ末端を通してスピンドルの中にナノチューブを誘導するために取り入れ末端に漏斗状のものを含んでいる、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
該スプールが、その軸に沿って前後に移動してスプール回りに実質的に均一のヤーン取り込みを提供するようにデザインされている、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
該センサーシステムが、データを提供してヤーンの張力を制御するようにデザインされている、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
該センサーシステムが、スプールのスピン速度をスピンドルのスピン速度に同調させるのに使用され得るデータを提供するようにデザインされている、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
該センサーシステムが、スピンドルおよびスプールのスピン速度をナノチューブ合成速度と実質的に同様の速度に同調させるのに使用され得るデータを提供するようにデザインされている、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
スプール回りの巻き取りのためにスピンドルから流出するヤーンをスプールに向けるためのガイドアームをスピンドルとスプールとの間に設ける、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
該ガイドアームが、ヤーンがガイドアームに沿ってスプールに向かうパスを規定するために、一組のプーリー、フック、アイレットまたはそれらの組み合わせの一つを含む、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
実質的に一方向に移動する複数の合成ナノチューブを受け取る工程；
ナノチューブの移動方向に対して実質的に横方向に該複数のナノチューブを共に撚ってヤーンにする工程；
該ヤーンを収穫エリアに向ける工程；
該ヤーンの移動方向に対して実質的に横方向の軸回りに該ヤーンを巻き取ることによって該ヤーンを収集する工程；および
該ヤーンの完全性を損なうことを避ける速度に巻き取りを制御する工程；
を包含する、ナノ繊維質ヤーンの形成方法。
【請求項１１】
該受け取る工程が、ナノチューブを狭窄エリアに向けて、気密環境に集める工程を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
該受け取る工程が、複数のナノチューブを狭窄エリアに集束する工程を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
該受け取る工程の前に、合成ナノチューブが付着するアンカーを提供して、ナノチューブが実質的に一方向に移動することを可能にする工程を更に含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
該受け取る工程の前に、合成ナノチューブに渦流を与えて初期の撚りを提供する工程を更に含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
該撚る工程が、近接ナノチューブ間の接触ポイントを増加させて形成ヤーンの強度を高める工程を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
該撚る工程が、該ヤーンを該ナノチューブ間に架橋を与えうる材料で含浸させて形成ヤーンの強度を高める工程を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
該向ける工程が、該ヤーンを規定の経路に沿って移動させる工程を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
該収集する工程が、該軸に沿って進めて均一巻き取りを可能にする工程を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１９】
該制御する工程が、撚る工程および巻き取る工程からのフィードバックデータを利用して撚る速度および巻き取る速度を制御する工程を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項２０】
該利用する工程が、巻き取る速度を撚る速度に同調させる工程を含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
該制御する工程が、ヤーンの張力を制御する工程を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項２２】
該制御する工程が、巻き取る速度および撚る速度をナノチューブを受け取る速度と実質的に同様の速度に同調させる工程を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項２３】
ナノチューブが製造される独立合成チャンバーと係合する入口を有するハウジング；
合成チャンバーから流れるナノチューブを収集および輸送するための、該ハウジング内の入口に近接して位置決めされる移動表面；
該移動表面に近接して配置されて、該移動表面上の収集ナノチューブに力を適用して、該ナノチューブを圧縮して混合ナノチューブの不織布シートにする圧アプリケーター；
該ハウジング内でかつ該圧アプリケーターの下流に位置決めされた、該不織布シートを巻き取るためのスプール；および
シートがスプールの回りに巻き取られる前に該不織布シートの片側に材料を適用して不織布シートのスプール上のそれ自身への結合を最小化するセパレーター；
を備える、ナノ繊維質不織布シート形成システム。
【請求項２４】
該ハウジングが実質的に気密であり、ナノチューブおよび該チャンバー内から発生される関連粒子の浮遊物質放出を最小化する、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
該移動表面を合成チャンバーからのナノチューブの流れに対して実質的に横方向の角度に位置決めしてナノチューブがその上に堆積することを可能にする、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２６】
該移動表面が対向する回転要素の回りに配置されたベルトである、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２７】
該ベルトが、合成チャンバーからのガス流がそれを通ることを可能にする多孔質である、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２８】
該圧アプリケーターが、該移動表面の後ろに位置決めされて該アプリケーターからの圧力が適用されうる硬質表面を提供するプレートを含む、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２９】
該スプールが、不織布シートの移動方向に対して実質的に横方向である回転軸を有する、請求項２３に記載のシステム。
【請求項３０】
更に、該圧アプリケーターの下流に、該移動表面に対してエッジを有するブレードを含み、次のスプール回りの巻き取りのために該移動表面から不織布シートを持ち上げて外す、請求項２３に記載のシステム。
【請求項３１】
更に、該不織布シートがスプールの回りに巻き取られるときに完全性を損なうことを防ぐために移動表面およびスプールのスピン速度を制御するためのフィードバックデータを提供するようにデザインされているセンサーシステムを含む、請求項２３に記載のシステム。
【請求項３２】
該センサーシステムがデータを提供して移動表面とスプールとの間の不織布シートの張力を制御するようにデザインされている、請求項２３に記載のシステム。
【請求項３３】
該センサーシステムが、該スプールのスピン速度を移動表面の速度に同調させるために使用され得るデータを提供するようにデザインされている、請求項２３に記載のシステム。
【請求項３４】
該センサーシステムが、移動表面とスプールとのスピン速度を移動表面上のナノチューブの堆積速度と実質的に同様に同調するのに使用されうるデータを提供するようにデザインされる、請求項２３に記載のシステム。
【請求項３５】
複数の合成ナノチューブを表面に堆積させる工程；
該ナノチューブを堆積ポイントから輸送する工程；
該ナノチューブを圧縮して混合ナノチューブの不織布シートにするために該複数のナノチューブ上に圧力を表面に対して適用する工程；
該不織布シートを収穫エリアに向ける工程；
不織布シートの片側に材料を置いて不織布シートがそれ自体に結合することを防ぐ工程；および
該シートの移動方向に対して実質的に横方向の軸の回りに該シートを巻き取ることによって該不織布シートを収集する工程；
を包含する、ナノ繊維質不織布シート形成方法。
【請求項３６】
該堆積させる工程が、該ナノチューブを気密環境内で該表面上に連続堆積させる工程を含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
該輸送する工程が、堆積方向に対して実質的に横方向の方向にナノチューブを移動する工程を含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
該適用する工程が、該ナノチューブを該表面と回転メカニズムとの間に移動させる工程を含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３９】
該向ける工程が、該不織布シートが実質的に次の収穫のために外されるように該不織布シートを該表面から持ち上げる工程を含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項４０】
該置く工程において、該不織布シートが該材料に強く他着することを防ぐように該材料が非磁性材料である、請求項３５に記載の方法。
【請求項４１】
該収集する工程が、該不織布シートの完全性を損なうことを避けるように巻き取り速度を制御する工程を含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項４２】
該堆積させる工程の前に、該ナノチューブを向けて該ナノチューブの実質的な整列を可能にしうる静電場を発生させる工程を更に含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項４３】
合成ナノチューブが流れうる経路を有する本体部分；
該本体部分の遠位末端に取り付けられ、該ナノチューブが流出しうる開口部を有するキャップ部分；
該キャップ部分と該本体部分との間かつ該経路の周囲に位置決めされるチャネル；
該経路を流れるナノチューブが本体の遠位末端を流出した後撚れて存在しうるように該経路内に渦流を与えるように該チャネル内に配置される、該経路と流体連絡する複数の流出ポート；
を備える、合成ナノチューブを次のナノ繊維質材料の形成用に撚って与える器械。
【請求項４４】
該本体部分中の該経路が、該本体部分の近位末端に近接するテーパー部分および該本体部分の遠位末端に近接する実質的に均一の部分を含む、請求項４３に記載の器械。
【請求項４５】
該本体部分中の該経路が、ナノチューブ合成を損ないうるナノチューブのビルドアップを最小化する、請求項４３に記載の器械。
【請求項４６】
該本体部分中の該経路が線対称である、請求項４３に記載の器械。
【請求項４７】
該キャップ部分における該開口部が実質的に該経路と同一軸上にあり、該経路からのナノチューブの流出を可能にする、請求項４３に記載の器械。
【請求項４８】
該経路からの渦流発生のために該流出ポートを該経路に対して接線方向に配置して、該経路に流れ込む流体に充分な接線速度を与える、請求項４３に記載の機器。
【請求項４９】
合成ナノチューブが流れうる経路を有する本体部分；
各接点に連続して電流を適用して該経路内に回転静電場を発生させて、ナノチューブが該本体部分から流出するときに該経路を流れるナノチューブが撚れて提供されうるように、該経路内に該本体部分の円周方向に配置される複数の電気接点；
を備える、次のナノ繊維質材料の形成用に撚れた合成ナノチューブを与える器械。
【請求項５０】
近位末端および遠位末端を有するディスク；
該近位末端と該遠位末端との間に延在する通路；および
次のナノ繊維質材料の形成用にナノチューブを与えうる源として用いるための、ナノチューブの集積を可能にする該通路の遠位末端の狭窄部位；
を備える、次のナノ繊維質材料の形成用に合成ナノチューブを与える器械。
【請求項５１】
該ディスクが黒鉛材料または比較的高い温度に耐える別の材料からつくられる、請求項５０に記載の器械。
【請求項５２】
該通路が該ディスクの近位末端から遠位末端に向かってテーパーをもつ、請求項５０に記載の器械。
【請求項１】
ナノチューブが製造される独立合成チャンバーと係合する入口を有するハウジング；
取り入れ末端、対向する出口末端、およびそれらの間の経路を有すスピンドルであって、前記ハウジング内から入口を横切ってチャンバー内に延びる、取り入れ末端を通ってナノチューブを回収するための、かつナノチューブを撚ってナノ繊維質ヤーンにするスピンドル；
ハウジング内でかつスピンドルの下流に位置する、ヤーンをスピンドルから巻き取るためのスプール；
スピンドルおよびスプールのスピン速度を制御するためにフィードバックデータを提供して、スプールの回りに巻き取られるときにヤーンの完全性を損なうことを防ぐようにデザインされているセンサーシステム；
を備える、ナノ繊維質ヤーン形成システム。
【請求項２】
該ハウジングが、チャンバー内から発生されるナノチューブおよび関連粒子の浮遊物質放出を最小化するために実質的に気密である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
該スピンドルが取り入れ末端を通してスピンドルの中にナノチューブを誘導するために取り入れ末端に漏斗状のものを含んでいる、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
該スプールが、その軸に沿って前後に移動してスプール回りに実質的に均一のヤーン取り込みを提供するようにデザインされている、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
該センサーシステムが、データを提供してヤーンの張力を制御するようにデザインされている、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
該センサーシステムが、スプールのスピン速度をスピンドルのスピン速度に同調させるのに使用され得るデータを提供するようにデザインされている、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
該センサーシステムが、スピンドルおよびスプールのスピン速度をナノチューブ合成速度と実質的に同様の速度に同調させるのに使用され得るデータを提供するようにデザインされている、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
スプール回りの巻き取りのためにスピンドルから流出するヤーンをスプールに向けるためのガイドアームをスピンドルとスプールとの間に設ける、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
該ガイドアームが、ヤーンがガイドアームに沿ってスプールに向かうパスを規定するために、一組のプーリー、フック、アイレットまたはそれらの組み合わせの一つを含む、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
実質的に一方向に移動する複数の合成ナノチューブを受け取る工程；
ナノチューブの移動方向に対して実質的に横方向に該複数のナノチューブを共に撚ってヤーンにする工程；
該ヤーンを収穫エリアに向ける工程；
該ヤーンの移動方向に対して実質的に横方向の軸回りに該ヤーンを巻き取ることによって該ヤーンを収集する工程；および
該ヤーンの完全性を損なうことを避ける速度に巻き取りを制御する工程；
を包含する、ナノ繊維質ヤーンの形成方法。
【請求項１１】
該受け取る工程が、ナノチューブを狭窄エリアに向けて、気密環境に集める工程を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
該受け取る工程が、複数のナノチューブを狭窄エリアに集束する工程を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
該受け取る工程の前に、合成ナノチューブが付着するアンカーを提供して、ナノチューブが実質的に一方向に移動することを可能にする工程を更に含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
該受け取る工程の前に、合成ナノチューブに渦流を与えて初期の撚りを提供する工程を更に含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
該撚る工程が、近接ナノチューブ間の接触ポイントを増加させて形成ヤーンの強度を高める工程を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
該撚る工程が、該ヤーンを該ナノチューブ間に架橋を与えうる材料で含浸させて形成ヤーンの強度を高める工程を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
該向ける工程が、該ヤーンを規定の経路に沿って移動させる工程を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
該収集する工程が、該軸に沿って進めて均一巻き取りを可能にする工程を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１９】
該制御する工程が、撚る工程および巻き取る工程からのフィードバックデータを利用して撚る速度および巻き取る速度を制御する工程を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項２０】
該利用する工程が、巻き取る速度を撚る速度に同調させる工程を含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
該制御する工程が、ヤーンの張力を制御する工程を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項２２】
該制御する工程が、巻き取る速度および撚る速度をナノチューブを受け取る速度と実質的に同様の速度に同調させる工程を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項２３】
ナノチューブが製造される独立合成チャンバーと係合する入口を有するハウジング；
合成チャンバーから流れるナノチューブを収集および輸送するための、該ハウジング内の入口に近接して位置決めされる移動表面；
該移動表面に近接して配置されて、該移動表面上の収集ナノチューブに力を適用して、該ナノチューブを圧縮して混合ナノチューブの不織布シートにする圧アプリケーター；
該ハウジング内でかつ該圧アプリケーターの下流に位置決めされた、該不織布シートを巻き取るためのスプール；および
シートがスプールの回りに巻き取られる前に該不織布シートの片側に材料を適用して不織布シートのスプール上のそれ自身への結合を最小化するセパレーター；
を備える、ナノ繊維質不織布シート形成システム。
【請求項２４】
該ハウジングが実質的に気密であり、ナノチューブおよび該チャンバー内から発生される関連粒子の浮遊物質放出を最小化する、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
該移動表面を合成チャンバーからのナノチューブの流れに対して実質的に横方向の角度に位置決めしてナノチューブがその上に堆積することを可能にする、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２６】
該移動表面が対向する回転要素の回りに配置されたベルトである、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２７】
該ベルトが、合成チャンバーからのガス流がそれを通ることを可能にする多孔質である、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２８】
該圧アプリケーターが、該移動表面の後ろに位置決めされて該アプリケーターからの圧力が適用されうる硬質表面を提供するプレートを含む、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２９】
該スプールが、不織布シートの移動方向に対して実質的に横方向である回転軸を有する、請求項２３に記載のシステム。
【請求項３０】
更に、該圧アプリケーターの下流に、該移動表面に対してエッジを有するブレードを含み、次のスプール回りの巻き取りのために該移動表面から不織布シートを持ち上げて外す、請求項２３に記載のシステム。
【請求項３１】
更に、該不織布シートがスプールの回りに巻き取られるときに完全性を損なうことを防ぐために移動表面およびスプールのスピン速度を制御するためのフィードバックデータを提供するようにデザインされているセンサーシステムを含む、請求項２３に記載のシステム。
【請求項３２】
該センサーシステムがデータを提供して移動表面とスプールとの間の不織布シートの張力を制御するようにデザインされている、請求項２３に記載のシステム。
【請求項３３】
該センサーシステムが、該スプールのスピン速度を移動表面の速度に同調させるために使用され得るデータを提供するようにデザインされている、請求項２３に記載のシステム。
【請求項３４】
該センサーシステムが、移動表面とスプールとのスピン速度を移動表面上のナノチューブの堆積速度と実質的に同様に同調するのに使用されうるデータを提供するようにデザインされる、請求項２３に記載のシステム。
【請求項３５】
複数の合成ナノチューブを表面に堆積させる工程；
該ナノチューブを堆積ポイントから輸送する工程；
該ナノチューブを圧縮して混合ナノチューブの不織布シートにするために該複数のナノチューブ上に圧力を表面に対して適用する工程；
該不織布シートを収穫エリアに向ける工程；
不織布シートの片側に材料を置いて不織布シートがそれ自体に結合することを防ぐ工程；および
該シートの移動方向に対して実質的に横方向の軸の回りに該シートを巻き取ることによって該不織布シートを収集する工程；
を包含する、ナノ繊維質不織布シート形成方法。
【請求項３６】
該堆積させる工程が、該ナノチューブを気密環境内で該表面上に連続堆積させる工程を含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
該輸送する工程が、堆積方向に対して実質的に横方向の方向にナノチューブを移動する工程を含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
該適用する工程が、該ナノチューブを該表面と回転メカニズムとの間に移動させる工程を含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３９】
該向ける工程が、該不織布シートが実質的に次の収穫のために外されるように該不織布シートを該表面から持ち上げる工程を含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項４０】
該置く工程において、該不織布シートが該材料に強く他着することを防ぐように該材料が非磁性材料である、請求項３５に記載の方法。
【請求項４１】
該収集する工程が、該不織布シートの完全性を損なうことを避けるように巻き取り速度を制御する工程を含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項４２】
該堆積させる工程の前に、該ナノチューブを向けて該ナノチューブの実質的な整列を可能にしうる静電場を発生させる工程を更に含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項４３】
合成ナノチューブが流れうる経路を有する本体部分；
該本体部分の遠位末端に取り付けられ、該ナノチューブが流出しうる開口部を有するキャップ部分；
該キャップ部分と該本体部分との間かつ該経路の周囲に位置決めされるチャネル；
該経路を流れるナノチューブが本体の遠位末端を流出した後撚れて存在しうるように該経路内に渦流を与えるように該チャネル内に配置される、該経路と流体連絡する複数の流出ポート；
を備える、合成ナノチューブを次のナノ繊維質材料の形成用に撚って与える器械。
【請求項４４】
該本体部分中の該経路が、該本体部分の近位末端に近接するテーパー部分および該本体部分の遠位末端に近接する実質的に均一の部分を含む、請求項４３に記載の器械。
【請求項４５】
該本体部分中の該経路が、ナノチューブ合成を損ないうるナノチューブのビルドアップを最小化する、請求項４３に記載の器械。
【請求項４６】
該本体部分中の該経路が線対称である、請求項４３に記載の器械。
【請求項４７】
該キャップ部分における該開口部が実質的に該経路と同一軸上にあり、該経路からのナノチューブの流出を可能にする、請求項４３に記載の器械。
【請求項４８】
該経路からの渦流発生のために該流出ポートを該経路に対して接線方向に配置して、該経路に流れ込む流体に充分な接線速度を与える、請求項４３に記載の機器。
【請求項４９】
合成ナノチューブが流れうる経路を有する本体部分；
各接点に連続して電流を適用して該経路内に回転静電場を発生させて、ナノチューブが該本体部分から流出するときに該経路を流れるナノチューブが撚れて提供されうるように、該経路内に該本体部分の円周方向に配置される複数の電気接点；
を備える、次のナノ繊維質材料の形成用に撚れた合成ナノチューブを与える器械。
【請求項５０】
近位末端および遠位末端を有するディスク；
該近位末端と該遠位末端との間に延在する通路；および
次のナノ繊維質材料の形成用にナノチューブを与えうる源として用いるための、ナノチューブの集積を可能にする該通路の遠位末端の狭窄部位；
を備える、次のナノ繊維質材料の形成用に合成ナノチューブを与える器械。
【請求項５１】
該ディスクが黒鉛材料または比較的高い温度に耐える別の材料からつくられる、請求項５０に記載の器械。
【請求項５２】
該通路が該ディスクの近位末端から遠位末端に向かってテーパーをもつ、請求項５０に記載の器械。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【公表番号】特表２００９−５０９０６６（Ｐ２００９−５０９０６６Ａ）
【公表日】平成２１年３月５日（２００９．３．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５３５５１８（Ｐ２００８−５３５５１８）
【出願日】平成１８年７月１７日（２００６．７．１７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／０２７９１８
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０３６０６８
【国際公開日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【出願人】（５０６２４３２２０）ナノコンプ テクノロジーズ インコーポレイテッド (16)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年３月５日（２００９．３．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月１７日（２００６．７．１７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／０２７９１８
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０３６０６８
【国際公開日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【出願人】（５０６２４３２２０）ナノコンプ テクノロジーズ インコーポレイテッド (16)
【Ｆターム（参考）】
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