用于由二氧化碳制备碳纳米材料纤维和纺织品的设备、系统和方法以及其材料和材料和产品与流程

本公开涉及使用电解工艺制造产品。具体地，本公开涉及由使用电解工艺分解的二氧化碳制造碳纳米材料纤维产品的方法。

背景技术：

1、纤维有许多用途，包括但不限于制成纺织品、织物、布料、线和网。纤维的一个特别有用的性质是它们可以缝合、打结和/或缝纫在一起以用于各种形状和修复。纤维和纺织品的另一个有用性质是它们可以充当多孔过滤器或支撑物。此外，纤维及其纺织品产品具有方便的柔韧性。通过对齐、交织和/或密集地堆积股线，例如在纺织品中，纤维可以比其单独的股线更坚固。天然材料纤维通常通过干纺丝或溶液纺丝方法生产，而合成纤维通常通过干纺丝、挤出、熔融纺丝(也可称为挤出纺丝)、溶液纺丝或反应纺丝生产。

2、一种制备纤维的方法是使用由单股线(例如棉花、凝胶和羊毛)组成的低密度3d网络组成的材料，然后拉动网络(牵伸或拉伸)以对齐并拉紧股线，然后再将它们纺在一起。另一种方法是利用一片股线并将它们拉动和/或纺丝以形成纤维。在这种情况下，羊毛或具有类似形态的材料是用于生产比起始纤维前材料更强的纤维的材料。

3、碳纤维在一系列轻质运动和车身中越来越常见，并以其轻质和卓越的强度而闻名。碳纤维通常通过溶液纺丝或静电纺丝衍生物生产，在静电纺丝中，在纺丝之前施加电场以对齐和强化碳纤维。通常，可以使用液态碳化合物，例如聚合物pan。然后，将聚合物碳化并且可以使用热固性塑料和/或热塑性塑料来形成。

4、已经探索了多种方法来生产性能优于碳纤维的纤维。由于其优异的物理和化学特性，已探索了碳纳米材料(cnm)。例如，碳纳米管(cnt)具有所有材料中最高的拉伸强度。由cnm制成的纤维在坚固、导电的纺织品和电缆方面具有巨大潜力。目前用于制备cnm纤维的方法包括溶液纺丝或湿纺丝、静电纺丝(在纺丝前向溶液施加对齐电场并帮助材料从喷丝头中喷出)、向纤维中添加cnm以及从化学化学气相沉积(cvd)工艺中直接纺丝。然而，这些方法受到成本非常高、cnm分散性差、生产碳足迹高以及难以将cnm的优异性能赋予给cnm纤维等挑战的困扰。

5、因此，需要用于生产cnm纤维的新方法以及由其制成的材料和产品，其解决了高成本、分散性差、相关的高碳足迹以及难以赋予cnm纤维优异性能的挑战。

技术实现思路

1、本公开的实施方式涉及一种碳纳米材料(cnm)纤维和由其制成的纺织品，该碳纳米材料纤维可用于制造材料或产品，与由非cnm纤维或不含纤维制成的材料或产品相比，所述材料或产品具有新的或增强的性能。

2、本公开的一些实施方式涉及一种制备含有碳纳米材料(cnm)的纤维的方法，该方法包含步骤：接收包含cnm和电解质的碳烷凝胶(carbanogel)；以及将该碳烷凝胶纤维加工成cnm。在本公开的一些实施方式中，该方法可以进一步包括由该cnm纤维形成纺织品的步骤。

3、本公开的一些实施方式涉及一种用于制造cnm纤维的系统，该系统包含：用于执行电解工艺的设备，该电解工艺在熔融电解质内分解二氧化碳(co2)以产生碳烷凝胶，其中该碳烷凝胶包含碳纳米材料(cnm)和电解质；用于接收所述碳烷凝胶的容器；和纤维处理单元。在本公开的一些实施方式中，该系统可以进一步包括用于由cnm纤维形成纺织品的纺织品形成单元。

4、本公开的其它实施方式涉及一种包含cnm和电解质的cnm纤维。本公开的其它实施方式还涉及由根据本文描述的方法制备的cnm纤维制成的纺织品、织物和布料。

5、本公开的其它实施方式涉及一种包含cnm和电解质的cnm纺织品。该cnm纺织品使用或不使用cnm纤维制成。本公开的一些实施方式涉及一种制造cnm纺织品的方法，包含步骤：接收碳烷凝胶；制备聚合物-cnm混合物；和形成cnm纺织品。

6、不受任何特定理论的束缚，在常规的cnm纤维工艺中，cnm的引入可以发生在纤维制造工艺的各个阶段。例如，cnm通常作为单独的、分开的和离散的cnm或单独结合的cnm在干纺丝、熔融纺丝、溶液纺丝或反应纺丝纤维工艺中引入到纤维中。相反，本公开的实施方式涉及将具有分散的、低密度的cnm三维(3d)网络的碳烷凝胶(无论是否压缩成碳烷凝胶巴基纸)和电解质内容物引入cnm纤维中，该cnm纤维可加工成cnm纺织品，其中cnm可以相对固定在所述3d网络内的给定位置。或者，可以将碳烷凝胶加工成不含cnm纤维的cnm纺织品。类似于由相似低密度3d网络组成的棉花随后转化为纤维的过程。所述碳烷凝胶可以由纤维形成过程后纤维的多数或少数组分组成，所述组分进入干纺丝、熔融纺丝、溶液纺丝、湿纺丝—与溶液纺丝的区别在于碳烷凝胶或巴基纸在纺成纤维时含有液体—反应纺丝纤维工艺或其任意组合。

7、本公开的一些实施方式涉及用于制备/生产/制造cnm纤维或包含cnm的纤维的方法，所述方法：比常规cnm纤维制造工艺更便宜；促进纤维中cnm的对齐；并且由co2生产，可能有助于缓解气候变化。3dcnm聚集体/网络类似于棉花中的聚集体/网络，并且与棉花一样，牵伸或拉伸很容易对齐，以允许生产比起始纤维前材料更强的纤维。进一步的实施方式涉及一种制造cnm纤维的方法，其使用碳烷凝胶巴基纸片材并拉动和/或纺丝该片材以形成cnm纤维。

8、碳烷凝胶和碳烷凝胶巴基纸都是通过特定的工艺制成的，并且是co2熔融电解分解的结果。

9、碳烷凝胶含有在co2熔融电解分解过程中在阴极上生长的cnm的缠结产物。取决于电解条件，可以将具有各种新的或增强的性质的各种纳米碳形态生长为cnm产品。cnm的一大类是石墨cnm，它含有一或多层石墨烯。

10、有趣的是，碳烷凝胶具有弹性，当压力消除时，它会恢复到原来的状态，并且取决于能否接触到排出的液体，允许它重新吸收大部分液体或变成大部分空的空间。这种弹性可用于纤维的纺丝工艺制备，通过在牵伸期间为cnm提供被拉出的路径并促进cnm在纤维中的对齐。

11、据了解，cnm和巴基纸的高生产成本主要是由于高反应物和能源成本所致，这导致cnm纤维和纺织品的高成本和高碳足迹。不受任何特定理论的束缚，当根据本公开的实施方式，通过熔融电解工艺由co2生产时，这些生产成本可降低两个数量级，并且所生产的cnm可用于制造cnm纤维。此外，并且不受任何特定理论的束缚，通过本公开的实施方式生产的碳烷凝胶和巴基纸还可以通过碳烷凝胶有助于克服建立cnm的均匀分散体的挑战，该碳烷凝胶提供了晶格状结构，其可以提供cnm的固定和分散位置。

技术特征：

1.一种用于制备碳纳米材料(cnm)纤维的方法，所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括由所述cnm纤维形成碳纳米材料(cnm)纺织品的步骤。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述形成步骤包括机织、针织、环编、钩编、辫织、编结、丝束展开或其任意组合。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述cnm纤维包括多个cnm纤维，其为：由相同cnm材料制成的多个相同或相似的cnm纤维、由不同cnm材料制成的不同cnm纤维、由不同cnm材料制成的多个相同或相似的cnm纤维、由相同cnm材料制成的不同cnm纤维及其任意组合。

5.根据权利要求2所述的方法，其中，所述形成步骤进一步包括使用非cnm纤维。

6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括压缩所述碳烷凝胶、所述cnm纤维或两者的步骤。

7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括减少所述碳烷凝胶的电解质含量的步骤。

8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括向所述碳烷凝胶产品、所述cnm纤维或两者施加对齐力的步骤。

9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括支持所述加工步骤的步骤。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述支持步骤包括添加添加剂、选择所述cnm的形态、选择所述cnm的新的或增强的性质、聚合所述添加剂及其任意组合。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述纤维加工步骤包括所述碳烷凝胶的纺丝、拉伸或两者。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述纺丝包括干纺丝、熔体纺丝、挤出纺丝、溶液纺丝、反应纺丝或其任意组合。

13.根据权利要求1所述的方法，进一步包括通过用于分解二氧化碳(co2)的熔融电解过程生成所述碳烷凝胶产品的步骤。

14.根据权利要求1所述的方法，进一步包括加工所述碳烷凝胶产品的步骤。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述加工步骤包括研磨、切碎、压制、磨碎、碾磨、压碎或其组合。

16.根据权利要求1所述的方法，进一步包括减少所述碳烷凝胶产品的电解质含量的步骤。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述减少步骤包括压制、反应、洗涤、过滤及其任意组合。

18.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在接收所述碳烷凝胶产品的步骤之后施加热量的步骤，其中，所述热量在约0℃与约1000℃之间，或在约15℃与约900℃之间，或在约399℃与约850℃之间。

19.根据权利要求1所述的方法，进一步包括向低密度cnm聚集体施加对齐力的步骤。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述对齐力由机械力、化学反应、电流、施加磁场或其组合引起。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述对齐力是径向几何形状、圆柱形几何形状、球形几何形状或用以产生线性、径向、圆柱形、球形或其它方向几何形状的其它几何形状，从而在所述cnm纤维中产生一种或多种各向异性特性。

22.根据权利要求20所述的方法，其中，所述施加对齐力的步骤发生在牵伸步骤、拉伸步骤或所述纺丝步骤期间。

23.根据权利要求1所述的方法，进一步包括施加空隙填充剂的步骤，以部分或基本上完全填充所述碳烷凝胶、所述cnm纤维、由所述cnm纤维制成的cnm纺织品及其任何组合中的空隙。

24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述空隙填充剂为强化剂、液体、催化剂、掺杂剂、磁性材料、药物、电磁力屏蔽增强剂或其组合。

25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述强化剂包括热固性塑料、热塑性塑料、环氧树脂、树脂、其它聚合物、水泥质材料、金属或其组合。

26.根据权利要求24所述的方法，其中，所述催化剂包括用于以下目的的材料：加速化学反应或电化学反应；促进cnm/聚合物相互作用；促进聚合；或其组合。

27.根据权利要求24所述的方法，其中，所述掺杂剂能包括硼、氮、硫和磷、钴、铝、硅、铈、铂、金、钌、锇、碲、钨、各自的氧化物、各自的盐或其组合。

28.根据权利要求24所述的方法，其中，所述磁性材料是铁、镍、钴、钆、钐、钕、钢、各自的碳化物、包括一种或多种具有铁磁性质、顺磁性质、抗磁性质的磁性材料的其它合金或其组合。

29.根据权利要求23所述的方法，其中，所述空隙填充剂是促进或优化以下各项的材料：静电纺丝过程、所述cnm纤维或所述cnm纺织品的摩擦学性质、所述cnm纤维或所述cnm纺织品的流动性质、催化聚合反应、缩合反应、对齐所述cnm纤维或其中的cnm、支持或保护所述cnm纤维或其中的所述cnm及其任意组合。

30.根据权利要求23所述的方法，其中，所述空隙填充剂使所述cnm在所述cnm纤维内对齐、缩合所述cnm纤维、充当催化剂及其任意组合。

31.据权利要求1所述的方法，其中，所述碳烷凝胶是所述cnm纤维的多数组分。

32.根据权利要求1所述的方法，其中，所述碳烷凝胶是所述cnm纤维的少数组分。

33.根据权利要求1所述的方法，其中，所形成的预纺和拉伸材料中的空隙部分地或完全地填充有cnm帮助对齐、缩合或通过缩合或催化以其它方式改变最终产品形式的材料。

34.根据权利要求1所述的方法，进一步包括制备cnm纺织品的步骤，其通过交错多个纤维、针织多个纤维、钩编多个纤维、粘合多个纤维、机织多个纤维、对齐多个纤维、密集堆积多个纤维、拉伸多个纤维、挤压多个纤维、压平多个纤维、铺展多个纤维、生产具有比输入纤维的跨度更宽的材料的另一种方法或其任意组合，以将cnm纤维组合到所述cnm纺织品中。

35.根据权利要求2所述的方法，其中，所述cnm纺织品包括能在所述形成步骤期间保留或去除的液体，以允许在所述形成步骤期间、在纺织品聚合后期间更容易处理。

36.一种用于制造cnm纤维的系统，所述系统包括：

37.根据权利要求30所述的系统，进一步包括纺织品形成单元。

38.根据权利要求30所述的系统，进一步包括压缩单元。

39.根据权利要求30所述的系统，进一步包括处理单元。

40.根据权利要求35所述的系统，进一步包括电解质减少单元。

41.根据权利要求35所述的系统，进一步包括对齐单元。

42.根据权利要求35所述的系统，进一步包括隔离单元。

43.一种碳纳米材料(cnm)纤维，包括：

44.根据权利要求43所述的cnm纤维，进一步包括由第一cnm制成的第一层和由第二cnm制成的第二层。

45.根据权利要求44所述的cnm纤维，其中，所述第一层在所述第二层的内部。

46.根据权利要求45所述的cnm纤维，其中，所述第一cnm具有更大相对量的与所述第二cnm的最大相对形态不同的所需形态；所述第一cnm和第二cnm中的一个或两者掺杂有相同的掺杂剂或不同的掺杂剂；所述第一cnm和第二cnm中的一个或两者是磁性的，并且如果两者都是磁性的，则它们可以具有相同或不同的磁性性质；所述第一cnm比所述第二cnm相对更强，或反之亦然；所述第一cnm比所述第二cnm相对更柔韧，或反之亦然；所述第一cnm具有比所述第二cnm更大的电导性，或反之亦然；所述第一cnm具有比所述第二cnm更大的导热性，或反之亦然；所述第一cnm具有比所述第二cnm更好的热绝缘体性质，或反之亦然，及其任意组合。

47.根据权利要求43所述的cnm纤维，其中，所述cnm纤维是活化的形状记忆材料或人造肌肉。

48.根据权利要求47所述的cnm纤维，其中，所述活化的形状记忆材料的形状记忆性质是机械活化的、热活化的、电活化的、磁活化的、化学活化的及其任意组合。

49.根据权利要求43所述的cnm纤维，进一步包含聚合物。

50.一种碳纳米材料(cnm)纺织品，包含：

51.根据权利要求50所述的cnm纺织品，进一步包含多个cnm纤维作为所述cnm和所述电解质的至少一种来源。

52.根据权利要求51所述的cnm纺织品，进一步包含多个非cnm纤维。

53.根据权利要求50或51所述的cnm纺织品，进一步包含聚合物。

54.根据权利要求51所述的cnm纺织品，进一步包含赋予增强的电存储性质和/或增强的热电性质的液体。

55.根据权利要求51所述的cnm纺织品，其中，所述cnm纺织品包含编织的cnm纤维。

56.根据权利要求50所述的cnm纺织品，其中，所述cnm纺织品提供以下优点：更容易运输、更容易处理、改进的强度、传导性、emf屏蔽、形状控制、柔性、重量更轻、更适合、可折叠及其任意组合。

57.根据权利要求50所述的cnm纺织品，其中，与由非cnm纤维制成的类似纺织品相比，所述cnm纺织品具有改进的弹性性质。

58.根据权利要求50所述的cnm纺织品，其中，与由非cnm纤维制成的类似纺织品相比，所述cnm纺织品具有改进的增强的热性质、机械性质和电性质。

59.根据权利要求50所述的cnm纺织品，其中，与由非cnm纤维制成的类似纺织品相比，所述cnm纺织品具有改进的自清洁性质、化学疏性(包括水)和电性质。

60.根据权利要求43所述的cnm纤维或根据权利要求50所述的cnm纺织品，其中，所述cnm纤维包括超高强度性质、高导电性性质、高导热性性质、高电池储能性质、燃料存储容量性质、高电容器充电容量性质、电磁辐射屏蔽性质、有效药物递送性质、治疗性质、减少的摩擦性质、高表面积性质、弹性性质、柔性性质、手性光吸收性质、手性发光性质、手性催化性质、催化性质及其任意组合。

61.根据权利要求43所述的cnm纤维或根据权利要求50所述的cnm纺织品在材料或产品应用中的用途，用于通过减少制造所述材料或产品所需的输入材料的量来提高环境可持续性，强化所述材料或产品，增加所述材料或产品的导电性，通过增强的化学耐久性、机械耐久性、光耐久性、热耐久性来延长所述材料或产品的寿命及其任意组合。

62.根据权利要求43所述的cnm纤维或根据权利要求50所述的cnm纺织品用于制备充当碳封存储库的材料或产品应用的用途。

63.根据权利要求43所述的cnm纤维或根据权利要求50所述的cnm纺织品在用于以下各项的材料或产品应用中的用途：(i)用于高速、安全和快速变化的轻质工具应用；(ii)用于钻孔、冲击和/或锯切的工具；(iii)具有增强的导热性或增强的隔热性的工具；(iv)超强、可折叠的材料；(v)封存二氧化碳；(vi)超轻、超吸水海绵；(vii)作为包括在复合材料中的预成型层压片材；(viii)用于弹道或电磁场(emf)屏蔽；(ix)降落伞或拖拽增强器；(x)用于制造纺织品的可针织/可缝合聚合物；(xi)用于3维制造或印刷的纤维或细丝及其任何组合。

64.根据权利要求43所述的cnm纤维或根据权利要求50所述的cnm纺织品在用于以下各项的材料或产品应用中的双重用途：(i)用于结构目的的强度性质和电能存储性质；(ii)用于结构目的的强度性质和热能储存性质；(iii)用于结构目的的强度性质和作为电气导管或电线；(iv)用于结构目的的强度性质和作为采集实时应变或安全数据以评估材料性能的传感器；(v)用于结构目的的强度性质和作为催化剂；(vi)用于结构目的的强度性质和作为热导管及其任意组合。

65.根据权利要求50所述的cnm纺织品用于制造充气结构的用途，所述充气结构包括但不限于建筑物、船只和自动操作装置。

66.根据权利要求50所述的cnm纺织品的用途，其中，所述纺织品用于过滤应用。

67.根据权利要求50所述的cnm纺织品的用途，其中，所述纺织品用作传感器。

68.根据权利要求50所述的cnm纺织品的用途，其中，所述纺织品用于催化过程。

69.一种制造cnm纺织品的方法，所述方法包括以下步骤：

技术总结本公开的实施方式涉及一种制造碳纳米材料纤维产品和/或纺织品产品的方法。与类似产品相比，此类产品可具有新的和/或增强的性质，并且根据本公开的实施方式，其制造成本较低。技术研发人员：S·利希特,G·利希特受保护的技术使用者：指引空气收集有限责任公司技术研发日：技术公布日：2024/2/21