(57)【要約】  基体上のカーボンナノ構造体の成長を視覚的画像化技術によって評価することができる。基体上のカーボンナノ構造体を画像化するための方法は、基体に導入される複数のカーボンナノ構造体を提供することと、基体に導入されている間に複数のカーボンナノ構造体の画像を取得することと、複数のカーボンナノ構造体の画像を、カーボンナノ構造体と基体の部分とその他の部分とを含む２値画像に変換することと、２値画像のカーボンナノ構造体と基体の部分と基体に導入されたカーボンナノ構造体の量とを相関させることとを含むことができる。例示的な基体としては、カーボンナノ構造体が導入された１つ又は複数の繊維にすることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ある基体に導入されている複数のカーボンナノ構造体を提供することと、
前記基体に導入されている間に前記複数のカーボンナノ構造体の画像を取得することと、
前記複数のカーボンナノ構造体の前記画像を、カーボンナノ構造体と基体の部分とその他の部分とを含む２値画像に変換することと、
前記２値画像の前記カーボンナノ構造体と基体の部分と前記基体に導入されたカーボンナノ構造体の量とを相関させることと
を含む方法。
【請求項２】
前記画像が可視光画像を含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記２値画像の前記カーボンナノ構造体と基体の部分を識別することを更に含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記複数のカーボンナノ構造体の前記画像を２値画像に変換することが、前記２値画像の前記カーボンナノ構造体と基体の部分を複数のピクセルにピクセル化することを更に含む、請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記カーボンナノ構造体と基体の部分内のピクセルの数を測定することを更に含む、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記２値画像の前記カーボンナノ構造体と基体の部分と前記基体に導入されたカーボンナノ構造体の量とを相関させることが、前記ピクセルの数を前記基体に導入されたカーボンナノ構造体の量に関連させる較正関数に前記ピクセルの数を入力することを含む、請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記基体が繊維を含む、請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記複数のカーボンナノ構造体の前記画像を取得している間に前記繊維が移動する、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記繊維に沿って間隔を空けた複数の位置で前記カーボンナノ構造体の複数の画像を取得することと、
それぞれの画像を、カーボンナノ構造体と繊維の部分とその他の部分とを含む２値画像に変換することと、
それぞれの２値画像の前記カーボンナノ構造体と繊維の部分と前記繊維に沿って間隔を空けたそれぞれの位置で前記繊維に導入されたカーボンナノ構造体の量とを相関させることと
を更に含む、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記繊維が移動している間に前記繊維上に複数のカーボンナノ構造体を導入することを更に含み、前記カーボンナノ構造体はカーボンナノ構造体の成長条件下で前記繊維に導入される、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記繊維に導入された前記カーボンナノ構造体の量が所望の範囲内であるかどうかを判断することと、
前記範囲からのカーボンナノ構造体の逸脱量に応じて前記カーボンナノ構造体の成長条件のパラメータを変更することと
を更に含む、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記カーボンナノ構造体の成長条件のパラメータを変更することが、前記繊維のライン速度を変更することを含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記カーボンナノ構造体の成長条件のパラメータを変更することが、リアルタイム又はほぼリアルタイムで行われる、請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
カーボンナノ構造体の成長条件下で複数のカーボンナノ構造体を移動中の繊維上に導入することと、
前記移動中の繊維に導入されている間に前記複数のカーボンナノ構造体の可視光画像を取得することと、
前記複数のカーボンナノ構造体の前記可視光画像を、カーボンナノ構造体と繊維の部分とその他の部分とを含む２値画像に変換することと、
前記２値画像の前記カーボンナノ構造体と繊維の部分を識別することと、
前記２値画像の前記カーボンナノ構造体と繊維の部分と前記移動中の繊維に導入されたカーボンナノ構造体の量とを相関させることと
を含む方法。
【請求項１５】
前記複数のカーボンナノ構造体の前記可視光画像を２値画像に変換することが、前記２値画像の前記カーボンナノ構造体と繊維の部分を複数のピクセルにピクセル化することを更に含む、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記カーボンナノ構造体と繊維の部分内のピクセルの数を測定することを更に含む、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記２値画像の前記カーボンナノ構造体と繊維の部分と前記移動中の繊維に導入されたカーボンナノ構造体の量とを相関させることが、前記ピクセルの数を前記移動中の繊維に導入されたカーボンナノ構造体の量に関連させる較正関数に前記ピクセルの数を入力することを含む、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記移動中の繊維に沿って間隔を空けた複数の位置で前記カーボンナノ構造体の複数の可視光画像を取得することと、
それぞれの可視光画像を、カーボンナノ構造体と繊維の部分とその他の部分とを含む２値画像に変換することと、
それぞれの２値画像の前記カーボンナノ構造体と繊維の部分と前記繊維に沿って間隔を空けたそれぞれの位置で前記移動中の繊維に導入されたカーボンナノ構造体の量とを相関させることと
を更に含む、請求項１４記載の方法。
【請求項１９】
前記移動中の繊維に導入された前記カーボンナノ構造体の量が所望の範囲内であるかどうかを判断することと、
前記範囲からの逸脱量に応じて前記カーボンナノ構造体の成長条件のパラメータを変更すること
を更に含む、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記カーボンナノ構造体の成長条件のパラメータを変更することが、前記移動中の繊維のライン速度を変更することを含む、請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記カーボンナノ構造体の成長条件のパラメータを変更することが、リアルタイム又はほぼリアルタイムで行われる、請求項１９記載の方法。
【請求項２２】
前記移動中の繊維に前記複数のカーボンナノ構造体を導入している間に該複数のカーボンナノ構造体の可視光画像を取得することが、第１の画像取得メカニズムによって前記複数のカーボンナノ構造体の第１の可視光画像を入手し、第２の画像取得メカニズムによって前記複数のカーボンナノ構造体の第２の可視光画像を入手することを含み、前記第１及び第２の画像取得メカニズムは、可視光カメラを含み、前記移動中の繊維の同じ位置を画像化するように構成され、前記移動中の繊維に対して相互に異なる位置に位置決めされる、請求項１４記載の方法。
【請求項２３】
前記第１及び第２の可視光画像を、カーボンナノ構造体と繊維の部分とその他の部分とを含む第１及び第２の２値画像に変換することと、
それぞれの２値画像の前記カーボンナノ構造体と繊維の部分とそこに存在するカーボンナノ構造体の量とを相関させることと、
それぞれの２値画像内に存在する前記カーボンナノ構造体の量に基づいて前記移動中の繊維に導入されたカーボンナノ構造体の量を算出することと
を更に含む、請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
カーボンナノ構造体の成長条件下でカーボンナノ構造体を１つ又は複数の移動中の繊維上に導入するように構成されたカーボンナノ構造体成長室と、
前記カーボンナノ構造体成長室から出て、カーボンナノ構造体が導入された１つ又は複数の移動中の繊維の第１の画像を入手するように構成された第１の画像取得メカニズムと、
前記第１の画像をカーボンナノ構造体と繊維の部分とその他の部分とを有する第１の２値画像に変換するように構成された処理メカニズムであって、更に前記第１の２値画像の前記カーボンナノ構造体と繊維の部分とそれぞれの移動中の繊維に導入されたカーボンナノ構造体の量とを相関させるように構成された処理メカニズムと
を含む画像化システム。
【請求項２５】
前記処理メカニズムが、前記第１の２値画像の前記カーボンナノ構造体と繊維の部分を、複数のピクセルを含む第１のピクセル化画像にピクセル化し、前記第１のピクセル化画像の前記カーボンナノ構造体と繊維の部分内のピクセルの数を測定するように更に構成される、請求項２４記載の画像化システム。
【請求項２６】
前記第１の画像取得メカニズムが可視光カメラを含む、請求項２４記載の画像化システム。
【請求項２７】
バックライトを更に含み、
前記１つ又は複数の移動中の繊維が前記第１の画像取得メカニズムと前記バックライトとの間に位置するように前記バックライトが配置されている、
請求項２４記載の画像化システム。
【請求項２８】
前記１つ又は複数の移動中の繊維の前記第１の画像取得メカニズムと同じ位置を画像化した第２の画像を入手するように構成された第２の画像取得メカニズムであって、前記１つ又は複数の移動中の繊維に対して前記第１の画像取得メカニズムとは異なる位置に位置決めされた第２の画像取得メカニズムを更に含む、請求項２４記載の画像化システム。
【請求項２９】
前記第１及び第２の画像取得メカニズムが可視光カメラを含む、請求項２８記載の画像化システム。
【請求項３０】
前記処理メカニズムが、前記第２の画像を、カーボンナノ構造体と繊維の部分とその他の部分とを有する第２の２値画像に変換するように更に構成された、請求項２８記載の画像化システム。
【請求項３１】
前記処理メカニズムが、それぞれの２値画像内に存在するカーボンナノ構造体の量に基づいてそれぞれの移動中の繊維に導入されたカーボンナノ構造体の量を算出するように更に構成された、請求項３０記載の画像化システム。
【請求項３２】
前記カーボンナノ構造体成長室を通って前記１つ又は複数の繊維を運搬するように構成され、前記カーボンナノ構造体成長室の前後に配置された１つ又は複数の張力調整ローラを含むオープンリール式処理システムを更に含む、請求項２４記載の画像化システム。
【請求項３３】
前記第１の画像取得メカニズムが、前記カーボンナノ構造体成長室の出口と前記カーボンナノ構造体成長室の後に配置された前記１つ又は複数の張力調整ローラとの間の前記１つ又は複数の繊維の前記第１の画像を入手するように構成された、請求項３２記載の画像化システム。
【請求項３４】
前記処理メカニズムが、前記１つ又は複数の移動中の繊維に導入されたカーボンナノ構造体のある範囲からの逸脱量に応じて前記カーボンナノ構造体の成長条件の１つ又は複数のパラメータを変更するように更に構成された、請求項２４記載の画像化システム。
【請求項３５】
前記処理メカニズムが、前記１つ又は複数の移動中の繊維に導入されたカーボンナノ構造体のある範囲からの逸脱量に応じて前記カーボンナノ構造体成長室を通過する前記１つ又は複数の移動中の繊維のライン速度を変更するように構成された、請求項３４記載の画像化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、米国特許法第１１９条に基づき、２０１２年７月３日に出願された米国仮特許出願第６１／６６７９１６号の優先権の利益を請求するものであり、同出願は参照により全体として本明細書に取り入れられる。
【０００２】
連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載
適用なし。
【０００３】
本発明は、一般に、カーボンナノ構造体（carbon nanostructure）に関し、より具体的には、カーボンナノ構造体の成長を監視するための方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００４】
カーボンナノ構造体は、そのユニークな化学的性質、機械的性質、電気的性質、及び熱的性質の組み合わせを利用することができる様々な用途での使用が提案されている。本明細書で使用する「カーボンナノ構造体」という用語は、カーボンナノチューブ（carbon nanotube）を含む組成物を指し、そのカーボンナノチューブの一部は、枝分かれカーボンナノチューブ、架橋カーボンナノチューブ、及び／又は共通壁を共有するカーボンナノチューブを含む、蜘蛛の巣状の構造体（web-like structures）内に存在してもよい。多くの事例では、用途において特定のタイプの特徴を強化するために、カーボンナノ構造体の性質を調整することが望ましい場合がある。例えば、カーボンナノチューブの場合、カーボンナノチューブの長さ、直径、及び／又はタイプは、そのカーボンナノチューブが特定の適用例に適しているかどうかの決定要因になり得る。また、存在するカーボンナノチューブの量も重要な要因になり得る。
【０００５】
「遊離した（loose）」カーボンナノ構造体（即ち、基体（substrate）に結合されていないカーボンナノ構造体）のバッチ生産の場合、特定の生産バッチ内のカーボンナノ構造体の特徴を分析するために使用できるいくつかの技術が存在する。カーボンナノ構造体の特徴を分析するために使用できる例示的な特徴分析技術としては、例えば、蛍光分光、ラマン分光、強熱減量（loss on ignition:ＬＯＩ）技術、導電率測定、走査型又は透過型電子顕微鏡などがある。これらの技術のいくつかは、１つのサンプル又は１つのサンプルの一領域内の個々のカーボンナノ構造体の診断に役立つナノスケールの性質を明らかにし、その他の技術はバルク・サンプル全体に特有な情報を提供する。最も重要なことに、これらの特徴分析技術のいずれもあまり高速なものではなく、カーボンナノ構造体の生産中又はその生産直後にリアルタイム又はほぼリアルタイムでカーボンナノ構造体を特徴分析することができない。その上、これらの特徴分析技術のいずれも、特にハイスループット分析に必要な自動化に対応できるものではない。
【０００６】
基体に導入（infuse）されたカーボンナノ構造体は、十分に特徴分析するのが更に難しくなる可能性がある。「遊離した」カーボンナノ構造体と同様に、基体に導入される時にカーボンナノ構造体の長さ、直径、及び／又はタイプを特徴付けることが望ましい場合がある。また、カーボンナノ構造体が基体に導入される時に、そのカーボンナノ構造体が均一にしかも基体全体の上に望ましい被覆密度（coverage density）で成長したか否か、或いはカーボンナノ構造体の成長パターンが基体の特定の部分で何らかの態様で変化したか否かを把握することが望ましい場合もある。例えば、カーボンナノ構造体の成長条件の変化は、基体上のカーボンナノ構造体の均一性及び被覆密度を変更する可能性があり、場合によっては、異なるタイプのカーボンナノ構造体が形成される可能性さえある。基体へのカーボンナノ構造体の導入における何らかの変動によって、カーボンナノ構造体を導入した基体は、意図された用途での使用に不適当なものになる可能性がある。
【０００７】
基体に導入したカーボンナノ構造体を商業規模で生産する場合、最小限のオペレータ入力によってカーボンナノ構造体の連続的な生産をサポートすることができる分析技術が非常に望ましい場合がある。「遊離した」カーボンナノ構造体を特徴分析するために使用できる技術のいくつかは、基体に導入されたカーボンナノ構造体の分析にも適用可能であるが、それらはすべてのタイプの基体に適用可能ではないか或いはカーボンナノ構造体の連続生産プロセスをサポートするのに十分なほど高速ではない場合がある。その上、上記の技術のほとんどは基体全体に適用するのが容易ではなく、そのため、基体の分析されていない領域では観察されてない変動の有無が不明のままになる。この問題は、巻き取り可能な長さの繊維基体など、高アスペクト比の基体の場合に特に重要である可能性があり、基体の長さが長いために基体の一端から他端までのカーボンナノ構造体の導入条件の変動の影響を受けやすくなる。
【０００８】
上述のように、ある特定のタイプの基体上でのカーボンナノ構造体の成長は、従来からある分析方法において特に問題となる可能性がある。基体によっては、高温分解性又は導電性を有する場合があり、それらはそれぞれＬＯＩ又は導電率測定によるカーボンナノ構造体の分析を妨げる可能性がある。例えば、金属繊維及び炭素繊維は電気的に伝導性であり、導入されたカーボンナノ構造体から得られる導電率から背景の繊維の導電率をフィルタで除去することは困難である場合がある。また、導電率測定は、サンプル内に存在する導電性カーボンナノ構造体と半導電性カーボンナノ構造体との割合によって影響を受ける可能性もあり、繊維基体の場合、繊維張力の程度も測定される導電率に影響を及ぼす可能性がある。その上、導電率測定は、基体上のカーボンナノ構造体担持量が比較的低い時に最も正確であり、カーボンナノ構造体基体担持量が増加するにつれて正確さが低下する。ＬＯＩ技術の場合、（例えば、カーボンナノ構造体除去後に残留基体を計量することにより）存在する導入カーボンナノ構造体の量を決定するために、基体の分解温度は、通常、導入されたカーボンナノ構造体の温度より高いことが必要である。例えば、炭素繊維及びアラミド繊維の分解温度は低いため、ＬＯＩ技術によるカーボンナノチューブの導入の分析では、これらのタイプの繊維について問題となる可能性がある。また、低融点基体もこの点に関しては問題となる可能性がある。その上、ＬＯＩ技術を使用する時に、炭素質不純物によりサンプル内に存在するカーボンナノ構造体の数量の測定が不正確になる可能性がある。
【０００９】
上記問題を有する炭素繊維、アラミド繊維、及びいくつかの金属繊維などの基体の場合、カーボンナノ構造体導入の前後の繊維リールの重さを単純に計量すること以外に、繊維へのカーボンナノ構造体の導入の程度を測定するのに適した既存の技術は存在しない。この技術はあまり高度でないだけでなく、繊維リールの一端から他端までのカーボンナノ構造体導入の均一性に関するいかなるフィードバックも提供しない。同様の問題はＬＯＩなどの破壊技術でも存在する可能性があり、一般的には、連続長繊維基体の端部領域のみを分析し、少なくとも繊維中央のサンプリングの目的で繊維をより短い長さにあえて切断することはしない。要約すると、基体上のカーボンナノ構造体の成長を監視するための既存の技術は、一般的に、リアルタイムで分析を実行できないこと、自動化能力の欠如、長い測定時間、破壊的サンプリング、サンプル全体を分析する難しさ、及び特定の基体との不適合等の１つ又は複数の困難を伴っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】２０１２年７月３日に出願された米国仮特許出願第６１／６６７９１６号
【特許文献２】米国特許出願第２００４／０２４５０８８号
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】１９９６年カリフォルニア州サンディエゴのAcademic Press発行、M. S. Dresselhausらによる「Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes」の７５６〜７６０ページ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記を考慮すると、理想的にリアルタイム又はほぼリアルタイムで、導入される基体のタイプとは本質的に無関係に、基体へのカーボンナノ構造体の導入を容易に監視できるようにするシステム及び方法は、当技術分野における重要な進歩となるであろう。本発明は、上記の必要性を満足し、関連の利点も提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
いくつかの実施形態では、本発明は、基体に導入される複数のカーボンナノ構造体を提供することと、基体に導入されている間に複数のカーボンナノ構造体の画像を取得することと、複数のカーボンナノ構造体の画像を、カーボンナノ構造体と基体の部分（carbon nanostructure/substrate portion）とその他の部分又は関係のない部分（extraneous portion）とを有する２値画像（binary image）に変換することと、２値画像のカーボンナノ構造体と基体の部分と基体に導入されたカーボンナノ構造体の量とを相関させることとを含む方法について記載している。
【００１４】
いくつかの実施形態では、本発明は、カーボンナノ構造体の成長条件下で複数のカーボンナノ構造体を移動中の繊維（moving fiber）上に導入することと、移動中の繊維に導入されている間に複数のカーボンナノ構造体の可視光画像（visible light image）を取得することと、複数のカーボンナノ構造体の可視光画像を、カーボンナノ構造体と繊維の部分（carbon nanostructure/fiber portion）とその他の部分とを有する２値画像に変換することと、２値画像のカーボンナノ構造体と繊維の部分を識別することと、２値画像のカーボンナノ構造体と繊維の部分と基体に導入されたカーボンナノ構造体の量とを相関させることとを含む方法について記載している。
【００１５】
いくつかの実施形態では、本発明は、カーボンナノ構造体の成長条件下でカーボンナノ構造体を１つ又は複数の移動中の繊維上に導入するように構成されたカーボンナノ構造体成長室と、該カーボンナノ構造体成長室から出て、カーボンナノ構造体が導入された１つ又は複数の移動中の繊維の第１の画像を入手するように構成された第１の画像取得メカニズムと、前記第１の画像をカーボンナノ構造体と繊維の部分とその他の部分とを有する第１の２値画像に変換するように構成された処理メカニズムであって、更に前記第１の２値画像のカーボンナノ構造体と繊維の部分とそれぞれの移動中の繊維に導入されたカーボンナノ構造体の量とを相関させるように構成される処理メカニズムとを含む画像化システム（imaging system）について記載している。
【００１６】
上記では、以下に示す詳細な説明をより適切に理解できるようにするために本発明の特徴についてかなり大まかに概説している。特許請求の範囲の主題を形成する本発明の追加の特徴及び利点については以下に説明する。
【００１７】
本発明及びその利点について、より完全な理解のために、本発明の具体的な諸実施形態を記述した添付図面を参照しつつ以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】基体上のカーボンナノ構造体の成長が視覚的画像化によって監視されるプロセス全体を示す概略図を示している。
【図２】基体上のカーボンナノ構造体の成長を監視するように構成された例示的な画像化システムの側面概略図を示している。
【図３】基体上のカーボンナノ構造体の成長を監視するように構成された例示的な画像化システムの側面概略図を示している。
【図４】カーボンナノ構造体成長室の直前及び直後の図２の画像化システムの上面拡大概略図を示している。
【図５】Ａ〜Ｃはそれぞれ繊維上に存在するカーボンナノ構造体の量を測定するためのカーボンナノ構造体導入繊維の画像を更にどのように処理できるかを示す例示的なプロセスを示している。
【図６】繊維上に存在するカーボンナノ構造体の量を測定するために使用できる例示的な較正曲線及び較正関数を示している。
【図７】繊維へのカーボンナノ構造体の導入の時間変化を監視することから得られた出力データの例示的なスクリーンショットを示している。
【図８】相互に異なる位置に位置決めされた２つの画像取得メカニズムを含む例示的な画像化システムの上面概略図を示している。
【図９】カーボンナノ構造体導入室の出口から繊維の運搬方向に対して平行に見た時の図８の画像化システムの概略図を示している。
【図１０】Ａ〜Ｃはそれぞれ異なる相対位置から同じ繊維を画像化する２つの異なる位置に位置決めされた可視光カメラからの例示的なプロセス画像を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明は、その一部が、カーボンナノ構造体の成長を監視するための画像化方法を対象とする。また、本発明は、その一部が、カーボンナノ構造体の成長を監視するために構成された画像化システムも対象とする。
【００２０】
上述の通り、カーボンナノ構造体の成長を監視することは、多くの事例では、特にカーボンナノ構造体が基体上に直接に導入される時に、問題となる可能性がある。いくつかの現在使用されている分析技術は、分析できる基体のタイプが限定され、いくつかの技術では、監視対象の観察可能量がカーボンナノチューブのタイプと相関関係があって（例えば、蛍光分光法及び導電率測定）、サンプル全体を表さない可能性がある。既存のカーボンナノ構造体の特徴分析技術に関する更なる問題は、それらの技術が一般的に低速であり、往々にして相当なオペレータ入力を必要とすることである。その結果、それらはカーボンナノ構造体の連続生産プロセスに対応できない可能性があるが、そのようなプロセスでは、特に繊維など高アスペクト比の基体上へのカーボンナノ構造体導入の場合に生産プロセス全体を通して連続的又は半連続的にカーボンナノ構造体の成長を監視することが望ましい場合がある。
【００２１】
上記の問題に対して、本発明者らは、連続的に運転するカーボンナノ構造体の成長プロセス、特に基体にカーボンナノ構造体を導入するためのプロセスを容易に監視するために使用できる方法及びシステムを開発しようと努めた。本発明者らは、一般に任意のタイプの基体上に成長する任意のタイプのカーボンナノ構造体に適用でき、それにより上記の問題に対処する方法及びシステムを開発しようと努めた。より具体的には、本発明者らは、カーボンナノ構造体の導入後の基体表面の全体又は少なくとも実質的な大部分を分析するために使用でき、それによりカーボンナノ構造体を導入した基体の一部分のみの分析に比較してより良好な品質管理の尺度を提供する方法及びシステムを開発しようと努めた。
【００２２】
多くの用途において、基体表面に導入されたカーボンナノ構造体の量を測定することは、カーボンナノ構造体を導入した基体が特定の最終用途に適しているかどうかを判断するための十分な特徴分析になる可能性がある。問題のない基体の場合、この目的のためにＬＯＩ技術を適用することができる。ＬＯＩ及びその他の特徴分析技術に代わるものとして、本発明者らは、基体に導入されたカーボンナノ構造体の量が増加するにつれて、基体の物理的サイズも測定できるほど増加することを認識した。カーボンナノ構造体導入繊維の場合、本発明者らは、繊維の直径が存在するカーボンナノ構造体の量の関数として増加し、それにより既知のサンプルから得られる標準的な較正関数を使用することによって繊維の直径と導入されたカーボンナノ構造体の量とを相関させることができることを認識した。実質的に均一なカーボンナノ構造体の成長の場合、繊維の直径及びそれに対応するカーボンナノ構造体の量はカーボンナノ構造体の長さの関数になる可能性がある。従って、基体に導入されるカーボンナノ構造体の量を測定することにより、本明細書に記載されている方法を使用して、カーボンナノ構造体の長さも測定することができる。
【００２３】
カーボンナノ構造体が導入された基体のサイズを測定するために、本発明者らは、視覚的画像化技術（必ずしも可視光によるものではない）を使用してカーボンナノ構造体導入後の基体サイズを測定することができ、それにより基体上のカーボンナノ構造体の担持量を較正関数から決定できることを認識した。この目的のために写真画像を適用することができる。写真画像に代わるものとして、いくつかの実施形態では赤外線画像化システムを使用して、成長後のカーボンナノ構造体が保持している熱に基づいてカーボンナノ構造体の熱的な画像の視覚的描写を生成することができる。このような熱的な画像又はその他の視覚的画像は、本明細書に記載されている諸実施形態による写真画像と同様に分析することができる。視覚的画像化方法は、当技術分野で現在使用されているカーボンナノ構造体分析技術より優位ないくつかの利点を提供することができる。第一に、この画像化方法は、従来の画像分解能を有する安価な可視光カメラにより単純かつ非破壊的に実行することができる。その上、標準的な画像処理及び計器制御ソフトウェアを使用することができる。第二に、この画像化方法は存在する基体のタイプとは本質的に無関係であり、それにより問題となる基体へのカーボンナノ構造体の導入を研究することができる。第三に、画像取得及び分析を高速でリアルタイム又はほぼリアルタイムで実行して、カーボンナノ構造体の導入が行われる時に製品品質に関する出力データを生成することができる。本発明の方法の高速分析により、既存の技術に比べ単位時間あたり大量の基体を監視することができる。その上、リアルタイム又はほぼリアルタイムでカーボンナノ構造体の成長の変化を監視することにより、カーボンナノ構造体の量が範囲外になった場合、これに対処するためにカーボンナノ構造体の成長条件のパラメータを変更するように、成長プロセスに対して事前対応型フィードバックを行うことができる。第四に、これらの方法は、高度に自動化され、最小限のオペレータ入力で実施することができる。第五に、これらの方法は、カーボンナノ構造体の担持量が高いときに効果的である可能性があり、往々にしてカーボンナノ構造体の担持量が低いときにより効果的である導電率測定から得られる結果を補完することができる。最後に、これらの方法において、基体内の同じ位置の複数の画像を異なる相対画像化位置から入手することができ、それにより２次元画像化で発生し得る不正確性を分析結果から除去することができる。
【００２４】
本明細書で使用する「導入された（infused）」という用語は、結合された状態（bonded）を意味し、「導入（infusion）」は結合プロセスを指すものである。このような結合は、直接的な共有結合、イオン結合、ｐｉ−ｐｉ、及び／又はファン・デル・ワールス力媒介物理吸着を伴ってもよい。例えば、いくつかの実施形態では、カーボンナノ構造体は基体に直接に結合することができる。また、結合は、バリア・コーティング及び／又はカーボンナノ構造体と基体との間に配置された介在遷移金属ナノ粒子を介する基体へのカーボンナノ構造体の導入など、間接的なものでもよい。カーボンナノ構造体が基体に「導入」される特定の方法は本明細書では「結合モチーフ（bonding motif）」と呼ぶものである。「導入された」及び「結合された」という用語並びに「導入」及び「結合」という用語は本明細書では相互に同義語として使用されるものである。いくつかの実施形態では、カーボンナノ構造体は、基体上でカーボンナノ構造体を成長させることによって基体に導入された状態になることができる。従って、「導入する」及び「導入」という用語も本明細書では「成長する」及び「成長」という用語と同義語として使用されるものである。
【００２５】
本明細書で使用する「画像（image）」という用語は、必ずしも可視光を使用するものではないが、視覚的描写を指すものである。
【００２６】
本明細書で使用する「基体（substrate）」という用語は、その上にカーボンナノ構造体が導入される任意の表面を指すものである。適切な基体としては、例えば、繊維、ウェハ、シートなどを含むことができる。適切な繊維としては、例えば、フィラメント（filament）、トウ（tow）、ヤーン（yarn）、ロービング（roving）、繊維ブレード（fiber braid）、織布、不織布、不織繊維マット（non-woven fiber mat）、繊維プライ（fiber plies）などを含むことができる。
【００２７】
本明細書で使用する「２値画像（binary image）」という用語は、生画像の所望の部分が一元的に第１のカラーに変換され、生画像の不要な部分が一元的に第２のカラーに変換されている処理済み画像を指すものである。本明細書に記載されている諸実施形態では、カーボンナノ構造体及び基体は２値画像において第１のカラーで提示され、２値画像の残りの部分は第２のカラーで提示される。
【００２８】
本明細書で使用する「その他の部分（extraneous portion）」又は「関係のない部分」という用語は、基体又はその上に成長させたカーボンナノ構造体に関連しない２値画像の不要な部分を指すものである。
【００２９】
本明細書で使用する「ピクセル（pixel）」という用語は、より大きい画像を構成するために結合される均一サイズの表示単位を指すものである。本明細書で使用する「ピクセル化」という用語は、より大きい画像をピクセルに分割するプロセスを指すものである。
【００３０】
本明細書で使用する「較正関数（calibration function）」という用語は、ある較正範囲において２つのパラメータを相互に関連付ける数学的関係を指すものである。
【００３１】
本明細書で使用する「ライン速度」という用語は、カーボンナノ構造体の成長条件が存在する位置を通って基体が運搬される速度を指すものである。適切なカーボンナノ構造体の成長条件については以下により詳細に指定する。
【００３２】
本明細書で使用する「リアルタイム（real-time）」という用語は、生画像の実質的即時取得と、それによる処理済みデータのフィードバックを指すものである。本明細書で使用する「ほぼリアルタイム（near real-time）」という用語は、生画像の実質的即時取得であるが、それによる処理済みデータの遅延フィードバック（例えば、処理遅延による）を指すものである。
【００３３】
本明細書で使用する「可視光画像（visible light image）」という用語は、人間の目で見ることができる画像を指す。可視光画像は、一般に、「ピクチャ」又は「写真」或いはその電子ファイルと呼ばれる。
【００３４】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載されている方法は、基体に導入される複数のカーボンナノ構造体を提供することと、基体に導入されている間に複数のカーボンナノ構造体の画像を取得することと、複数のカーボンナノ構造体の画像を、カーボンナノ構造体と基体の部分とその他の部分とを有する２値画像に変換することと、２値画像のカーボンナノ構造体と基体の部分と基体に導入されたカーボンナノ構造体の量とを相関させることとを含むことができる。
【００３５】
複数のカーボンナノ構造体の画像を２値画像に変換することは、２値画像においてカーボンナノ構造体及び該カーボンナノ構造体が導入された基体を第１のカラーとして描写し、画像の残りの部分を第２のカラーとして描写することを含むことができる。例えば、いくつかの実施形態では、２値画像は黒と白で描写することができ、２値画像の黒部分又は白部分のいずれかをカーボンナノ構造体及び基体に関連付けることができる。２値画像への変換及び２値画像の更なる分析は、ソフトウェア又はハードウェアを含むことができる標準的な画像処理メカニズムを使用して行うことができる。例えば、いくつかの実施形態では、画像処理及び分析は、National Instrumentsから入手可能なＬＡＢＶＩＥＷソフトウェアによって遂行することができる。また、画像処理メカニズムは、基体に導入されているカーボンナノ構造体の量に関する出力データを生成するように動作可能であっても良い。
【００３６】
複数のカーボンナノ構造体の画像を２値画像に変換し、その後、その２値画像を処理して存在するカーボンナノ構造体の量を決定するための適切な画像処理メカニズムは、特に限定されないと考えられる。適切な画像処理メカニズムとしては、様々なブロック、モジュール、エレメント、コンポーネント、メソッド、アルゴリズムなどを含むことができ、そのいずれもコンピュータ・ハードウェア、ソフトウェア、それらの組み合わせなどを使用して実現することができる。このハードウェアとソフトウェアの互換性を説明するために、様々な例示的なブロック、モジュール、エレメント、コンポーネント、メソッド、アルゴリズムなどは、一般にそれぞれの機能性について記載している。このような機能性がハードウェア又はソフトウェアとして実現されるかどうかは、特定の用途及び、任意に、課された設計上の制約に依存するものである。少なくともこの理由により、当業者であれば記載されている機能性を特定の適用例のために様々な方法で実現できることを認識できる。更に、様々なコンポーネント及びブロックは、例えば、明確に記載されている諸実施形態の範囲を逸脱せずに、異なる順序で配置するか又は異なる区分に分割することができる。
【００３７】
本明細書に記載されている様々な例示的なブロック、モジュール、エレメント、コンポーネント、メソッド、アルゴリズムなどを実現するために使用されるコンピュータ・ハードウェアは、非一時的なコンピュータ可読媒体上に保管された１つ又は複数の命令シーケンス、プログラミング・スタンス、又はコードを実行するように構成されたプロセッサを含むことができる。プロセッサは、例えば、汎用マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ、特定用途向け集積回路、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ、プログラム可能論理デバイス、コントローラ、状態機械（state machine）、ゲーテッド・ロジック、個別ハードウェア・コンポーネント、人工神経網、或いは計算又はその他のデータ操作を実行できる任意の同様の適切なエンティティにすることができる。いくつかの実施形態では、コンピュータ・ハードウェアは、例えば、メモリ［例えば、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、フラッシュ・メモリ、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、プログラム可能読み取り専用メモリ（ＰＲＯＭ）、消去可能読み取り専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）］、レジスタ、ハードディスク、取り外し可能ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ、或いは任意のその他の同様の適切な記憶装置又は媒体などのエレメントを更に含むことができる。
【００３８】
本明細書に記載されている実行可能シーケンスは、メモリ内に収容されている１つ又は複数のコード・シーケンスによって実現することができる。いくつかの実施形態では、このようなコードは他の機械可読媒体からメモリに読み込むことができる。メモリ内に収容されている命令シーケンスの実行により、プロセッサは本明細書に記載されているプロセス・ステップを実行することができる。また、マルチプロセッシング配置内の１つ又は複数のプロセッサを使用して、メモリ内の命令シーケンスを実行することもできる。加えて、ソフトウェア命令の代わりに又はソフトウェア命令と組み合わせてハードワイヤード回路を使用して、本明細書に記載されている様々な実施形態を実現することができる。従って、本発明の諸実施形態は、ハードウェア及び／又はソフトウェアのいずれかの具体的な組み合わせに限定されないものである。
【００３９】
本明細書で使用する機械により可読な媒体は、実行のために直接又は間接的にプロセッサに命令を提供する任意の媒体を指すものである。機械可読媒体は、例えば、不揮発性媒体、揮発性媒体、及び伝送媒体を含む、多くの形態を有することができる。不揮発性媒体としては、例えば、光ディスク及び磁気ディスクを含むことができる。揮発性媒体としては、例えば、ダイナミック・メモリを含むことができる。伝送媒体としては、例えば、同軸ケーブル、ワイヤ、光ファイバ、及びバスを形成する複数ワイヤを含むことができる。一般的な形態の機械可読媒体としては、例えば、フロッピー（登録商標）ディスク、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、その他の同様の磁気媒体、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ、その他の同様の光学媒体、パンチカード、紙テープ及びパターン形成された穴を有する同様の物理的媒体、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、並びにフラッシュＥＰＲＯＭを含むことができる。
【００４０】
いくつかの実施形態では、基体に導入される複数のカーボンナノ構造体を提供することは、カーボンナノ構造体の成長条件下で基体上にカーボンナノ構造体を成長させることを含むことができる。適切なカーボンナノ構造体の成長条件については以下により詳細に指定する。いくつかの実施形態では、基体は、カーボンナノ構造体の成長条件に曝されている間に移動していてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、本明細書に記載されている方法は、繊維が移動している間に繊維上に複数のカーボンナノ構造体を導入することであって、カーボンナノ構造体の成長条件下でカーボンナノ構造体を繊維に導入することを含むことができる。
【００４１】
いくつかの実施形態では、複数のカーボンナノ構造体の画像は可視光で入手することができる。即ち、このような実施形態では、カーボンナノ構造体の画像は写真画像などの可視光画像にすることができる。本明細書に記載されている諸実施形態を実施する時に可視光画像を入手するための画像取得メカニズムとして安価な可視光カメラを使用することができる。カーボンナノ構造体の画像を入手するためのその他の適切な電磁放射源としては、例えば、赤外線放射（熱的な画像の場合）及びＸ線放射を含むことができる。このような代替形式の電磁放射のための適切な画像取得メカニズムは当業者が熟知しているものである。
【００４２】
カーボンナノ構造体が導入される基体のタイプは特に限定されないと考えられる。一般に、その上にカーボンナノ構造体を成長させることができる任意の基体は、本明細書に記載されている画像化方法により分析することができる。基体は、導電性又は実質的に非導電性であり、透明又は不透明であり、広範囲の融点を有することができる。カーボンナノ構造体を導入できる適切な基体としては、例えば、ガラス、炭素、セラミックス、金属、有機体（例えば、アラミド基体）などを含む。適切な基体タイプとしては、繊維、ウェハ、シート、テープなどを含むことができる。繊維としては、個々のフィラメント、トウ、ヤーン、ロービング、繊維ブレード、織布、不織布、不織繊維マット、繊維プライなどを含むことができる。
【００４３】
いくつかの実施形態では、カーボンナノ構造体が導入される基体は繊維にすることができる。本明細書に記載されている諸実施形態によりカーボンナノ構造体を導入し分析することができる適切な繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維、金属繊維、セラミック繊維、有機繊維（例えば、アラミド繊維）などがある。繊維上のカーボンナノ構造体の成長を監視する場合、繊維全体（即ち、端から端まで）を画像化するか或いは繊維の長さ方向に沿って一定の間隔を空けた複数の位置で画像化を行うことができる。即ち、繊維の画像化は連続的又は非連続的に行うことができる。いくつかの実施形態では、繊維は、巻き取り可能な寸法の連続繊維にすることができる。
【００４４】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載されている方法は、カーボンナノ構造体の成長条件下で複数のカーボンナノ構造体を移動中の繊維上に導入することと、移動中の繊維に導入されている間に複数のカーボンナノ構造体の可視光画像を取得することと、複数のカーボンナノ構造体の可視光画像を、カーボンナノ構造体と繊維の部分とその他の部分とを有する２値画像に変換することと、２値画像のカーボンナノ構造体と繊維の部分を識別することと、２値画像のカーボンナノ構造体と繊維の部分と移動中の繊維に導入されたカーボンナノ構造体の量とを相関させることとを含むことができる。
【００４５】
本明細書に記載されている方法は、移動中の繊維上のカーボンナノ構造体を分析することに関して使用するのに適している可能性があるが、この方法は、所望であれば、繊維が移動していない間にも実施できることも認識されたい。即ち、いくつかの実施形態では、複数のカーボンナノ構造体の画像を取得している間に繊維が移動していてもよく、その他の実施形態では、画像が取得されている間に繊維が静止したままであってもよい。前者の実施形態は、特に、巻き取り可能な寸法の基体上への連続カーボンナノ構造体導入プロセスと互換性がある可能性がある。
【００４６】
この説明の残りの部分では、明瞭化のために、「基体」という用語は、その基体が繊維である特定の実施形態においても、一般に複数のカーボンナノ構造体が導入される表面を指すものとして使用する。従って、「基体」及び「繊維」という用語は、他の指定がない限り、この説明の残りの部分では区別なく使用できることを認識されたい。
【００４７】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載されている方法は、２値画像のカーボンナノ構造体と基体の部分を識別することを含むことができる。いくつかの実施形態では、２値画像のカーボンナノ構造体と基体の部分を識別することは、特定の基体についてカーボンナノ構造体と基体の部分全体を包含する２値画像の最小領域を識別することを含むことができる。カーボンナノ構造体と基体の部分を識別することにより、複数の基体が存在する場合に、それらを単一画像で識別し、個別に定量化することができる。次に、２値画像内のカーボンナノ構造体と基体の部分の面積を、以下に記載する技術により測定することができ、次に、その面積を、基体に導入されるカーボンナノ構造体の量と相関させることができる。カーボンナノ構造体と基体の部分の識別に関するさらなる詳細について以下に説明する。
【００４８】
いくつかの実施形態では、複数のカーボンナノ構造体の画像を２値画像に変換することは、２値画像のカーボンナノ構造体と基体の部分を複数のピクセルにピクセル化することを更に含むことができる。カーボンナノ構造体と基体の部分をピクセル化することにより、それぞれの識別されたカーボンナノ構造体と基体の部分内に存在するピクセルの数をカウントすることによってその面積を測定することができる。いくつかの実施形態では、本明細書に記載されている方法は、カーボンナノ構造体と基体の部分内のピクセルの数を測定することを更に含むことができる。いくつかの実施形態によれば、ピクセルの数を測定することは、処理メカニズムを使用して（例えば、ソフトウェア制御を使用して）自動的に行うことができる。いくつかの実施形態では、２値画像のカーボンナノ構造体と基体の部分と基体に導入されているカーボンナノ構造体の量とを相関させることは、ピクセルの数を基体に導入されるカーボンナノ構造体の量に関連させる較正関数にそのピクセルの数を入力することを含むことができる。較正関数及びその決定に関するさらなる詳細は以下に説明する。
【００４９】
２値画像のカーボンナノ構造体と基体の部分をピクセル化し、次にピクセルをカウントすることは、カーボンナノ構造体と基体の部分の面積を決定するための１つの方法に過ぎないことを認識されたい。代替実施形態では、カーボンナノ構造体と基体の部分の画像面積は、例えば、多角近似技術によって決定することができ、その結果得られる面積は上記のものと同様の方法で較正関数に入力することができる。当業者であれば、面積決定のためのその他の技術を想像することができる。
【００５０】
いくつかの実施形態では、ピクセルの数又はカーボンナノ構造体と基体の部分の面積を較正関数に入力した後、基体上に存在するカーボンナノ構造体の量の出力データを入手することができる。いくつかの実施形態では、その出力データは機械可読記憶媒体に保管することができる。いくつかの実施形態では、その出力データは測定中にグラフ化することができる。
【００５１】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載されている方法は、基体上の間隔を空けた複数の位置でカーボンナノ構造体の複数の画像を取得することを含むことができる。このように基体を画像化することにより、カーボンナノ構造体の成長の均一性を基体全体にわたってより適切に測定することができる。例えば、基体が繊維である場合、本明細書に記載されている方法は、繊維の長さ方向に沿って間隔を空けた複数の位置でカーボンナノ構造体の複数の画像を取得することを含むことができる。いくつかの実施形態では、繊維の長さ全体を分析することができる。即ち、このような諸実施形態では、カーボンナノ構造体の導入後の繊維の画像を連続的に入手することができる。その他の実施形態では、繊維の長さに沿って間隔を空けた複数の位置で複数の画像を入手するが、その画像を連続的に入手するわけではない。即ち、このような実施形態は、繊維の一定間隔での画像化で十分である場合である。その後、それぞれの画像は、上記のように、２値画像に変換され、更に処理することができる。
【００５２】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載されている方法は、繊維に沿って間隔を空けた複数の位置でカーボンナノ構造体の複数の画像を取得することと、それぞれの画像を、カーボンナノ構造体と繊維の部分とその他の部分とを有する２値画像に変換することと、それぞれの２値画像のカーボンナノ構造体と繊維の部分と繊維に沿って間隔を空けたそれぞれの位置で繊維に導入されたカーボンナノ構造体の量とを相関させることとを含むことができる。
【００５３】
本明細書に記載されている方法及びシステムは、基体の変化、特に繊維において、基体の外観と導入されたカーボンナノ構造体の見かけの量の変動を説明できるという点で更に有利であり得る。例えば、繊維基体は、それに導入されるカーボンナノ構造体の見かけの量を変化させ得る繊維の「ねじれ」又は「よじれ」を有する可能性がある。本明細書に記載されている諸実施形態により繊維のねじれが画像化された場合、導入されたカーボンナノ構造体の実際の量が大幅に変わらない場合でも、繊維のねじれ箇所におけるカーボンナノ構造体の計算された量が繊維のねじれのいずれかの側で導入されたカーボンナノ構造体の量とは大幅に異なる可能性がある。本明細書に記載されている方法及びシステムは、繊維に導入されるカーボンナノ構造体の量を測定する際にこのような変動をフィルタすることができる。例えば、導入されたカーボンナノ構造体の計算された量の移動平均（running average）は、繊維に沿って間隔が空いた様々な複数の位置で測定することができる。例えば、単一データ点が移動平均から所定の量より多く逸脱する場合、そのデータ点は将来の移動平均を計算する際に異常値として無視することができる。データを保存し、必要な場合に後で再処理することができる。しかし、複数のデータ点が連続して移動平均から顕著に逸脱する場合、或いは移動平均が経時的に許容限度外に増加又は減少している場合、生産運転がその意図された仕様を逸脱しているという警報を発生させることができる。このような警報が発生された場合、品質管理規格を満たしていないために生産運転を停止するか或いは製品を所望の規格内に戻すようにカーボンナノ構造体の成長条件を変更することができる。
【００５４】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載されている方法は、基体（繊維）に導入されたカーボンナノ構造体の量が所望の範囲内であるかどうかを判断することを更に含むことができる。一般に、繊維に導入されたカーボンナノ構造体の量は、重量でカーボンナノ構造体導入繊維の約０．１％〜約４０％の範囲になる可能性がある。上述の通り、特定の用途での使用における繊維に導入されたカーボンナノ構造体の量及びその変動の適正値は、当業者が選択できるものである。
【００５５】
基体に導入されたカーボンナノ構造体の量が所望の範囲内ではない場合、カーボンナノ構造体の生産運転は、所望であれば、停止することができる。その他の実施形態では、導入されるカーボンナノ構造体の量を所望の範囲内に戻そうとして、カーボンナノ構造体の成長条件を変更することができる。例えば、カーボンナノ構造体の重量パーセントの移動平均が上昇又は下降傾向にあり、所望の範囲の端点に近づいている場合、導入されたカーボンナノ構造体の量を規格の範囲内に維持しようとして、カーボンナノ構造体の成長条件を変更することができる。あるいは、移動平均が所望の範囲外に移動した場合、導入されたカーボンナノ構造体の量を所望の範囲内に戻すためにカーボンナノ構造体の成長条件を変更することができる。いくつかの事例では、この種の軽微な変動は、品質管理目的のために受け入れられ得る。
【００５６】
より一般的には、いくつかの実施形態では、本明細書に記載されている方法は、導入されたカーボンナノ構造体の量がある範囲から逸脱したことに応じてカーボンナノ構造体の成長条件のパラメータを変更することを更に含むことができる。ある範囲からの逸脱値に対応して変更できるカーボンナノ構造体の成長条件のパラメータとしては、成長温度、供給ガス圧、供給ガス流量、希釈ガスに対する供給ガスの割合、並びに、繊維基体の場合には、カーボンナノ構造体の成長条件が存在する反応室を繊維が通過するライン速度を含むことができる。繊維上で成長させるカーボンナノ構造体の量は、繊維がカーボンナノ構造体の成長条件に曝される時間の長さを変更することにより最も容易に変化させ得る。いくつかの実施形態では、繊維がカーボンナノ構造体の成長条件に曝される時間の長さを変更することは、カーボンナノ構造体の成長条件を通過する時の繊維のライン速度を変更することを含むことができる。適切な繊維ライン速度については以下により詳細に明記する。
【００５７】
いくつかの実施形態では、カーボンナノ構造体の量のある範囲からの逸脱量に応じてカーボンナノ構造体の成長条件のパラメータを変更することは、リアルタイム又はほぼリアルタイムで行うことができる。このような諸実施形態では、カーボンナノ構造体導入プロセスからのフィードバックを用いて、カーボンナノ構造体の成長が行われている間にプロセスを更に適正化することができる。その他の実施形態では、カーボンナノ構造体の成長条件のパラメータを変更することは、ある生産運転が完了した後に行うことができる。例えば、カーボンナノ構造体が望ましくない量となることによりその生産運転が規格を逸脱していると判断された場合、その後の生産運転（production runs）においてカーボンナノ構造体の成長条件を変更することができる。
【００５８】
以下に、カーボンナノ構造体が導入される１つ又は複数の繊維の可視光画像化に関連して、本発明の方法及びシステムについてより詳細に説明する。以下の説明では、可視光カメラなどの単一の画像取得メカニズムを使用する繊維の２次元画像化について説明する。複数の画像取得メカニズムを使用して複合データ分析のために異なる視角から繊維の画像を入手するその他の実施形態についてはその後に説明する。このシステム及び方法は、上記の諸実施形態のいずれかにより修正することができる。
【００５９】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載されている画像化システムは、カーボンナノ構造体の成長条件下でカーボンナノ構造体を１つ又は複数の移動中の繊維に導入するように構成されたカーボンナノ構造体成長室と、該カーボンナノ構造体成長室から出て、カーボンナノ構造体が導入された１つ又は複数の移動中の繊維の第１の画像を入手するように構成された第１の画像取得メカニズムと、前記第１の画像をカーボンナノ構造体と繊維の部分とその他の部分とを有する第１の２値画像に変換するように構成された処理メカニズムであって、更に前記第１の２値画像のカーボンナノ構造体と繊維の部分とそれぞれの移動中の繊維に導入されたカーボンナノ構造体の量とを相関させるように構成される処理メカニズムとを含むことができる。いくつかの実施形態では、第１の画像取得システムは可視光カメラを含むことができる。
【００６０】
いくつかの実施形態では、処理メカニズムは、第１の２値画像のカーボンナノ構造体と繊維の部分を、複数のピクセルを含む第１のピクセル化画像にピクセル化し、第１のピクセル化画像のカーボンナノ構造体と繊維の部分内のピクセルの数を測定するように更に構成することができる。加えて、処理メカニズムは、カーボンナノ構造体の成長条件に曝されたそれぞれの繊維上のカーボンナノ構造体の量を決定するように構成することができる。いくつかの実施形態では、処理メカニズムは、１つ又は複数の移動中の繊維に導入されたカーボンナノ構造体のある範囲からの逸脱量に応じてカーボンナノ構造体の成長条件の１つ又は複数のパラメータを変更するように更に構成することができる。いくつかの実施形態では、処理メカニズムは、１つ又は複数の移動中の繊維に導入されたカーボンナノ構造体のある範囲からの逸脱量に応じてカーボンナノ構造体成長室を通過する１つ又は複数の移動中の繊維のライン速度を変更するように構成することができる。
【００６１】
いくつかの実施形態では、繊維上のカーボンナノ構造体を画像化する際にバックライトを使用することができる。バックライトは、カーボンナノ構造体導入繊維から得られた画像のコントラストを改善するために使用することができる。様々な実施形態では、１つ又は複数の移動中の繊維が第１の画像取得メカニズムとバックライトとの間に位置決めされるようにバックライトを配置することができる。
【００６２】
複数の画像取得メカニズムが存在する諸実施形態について論じる前に、本明細書に記載されている方法及びシステムについて図面に関連して以下に更に説明する。
【００６３】
図１は、基体上のカーボンナノ構造体の成長が視覚的画像化によって監視されるプロセス全体を示す概略図を示している。図１では、操作２において基体上のカーボンナノ構造体の成長が行われる。その後、操作４においてカーボンナノ構造体を導入した基体の画像を取得する。操作６では、操作４において入手された画像の処理を行って、カーボンナノ構造体を導入した基体の２値画像を生成する。次に、操作８においてカーボンナノ構造体を導入した基体の２値画像を更に分析して、２値画像内に存在するカーボンナノ構造体と基体の部分を識別する。２値画像内のカーボンナノ構造体と基体の部分を識別した後に、操作１０において２値画像内のカーボンナノ構造体と基体の部分の面積を決定することができる。例えば、２値画像のそれぞれのカーボンナノ構造体と基体の部分内に存在するピクセルの数をカウントすることにより、カーボンナノ構造体と基体の部分の面積を個別に決定することができる。次に、操作１２においてカーボンナノ構造体と基体の部分の面積を較正関数に入力して、基体上の導入されたカーボンナノ構造体の量を測定することができる。任意ステップとして、操作１２から操作２へのプロセス・フィードバックを実行して、カーボンナノ構造体の成長条件の１つ又は複数のパラメータを変更することができる。
【００６４】
図２及び図３は、基体上のカーボンナノ構造体の成長を監視するように構成された例示的な画像化システムの側面概略図を示している。図２及び図３に示されているように、基体は１つ又は複数の移動中の繊維を含む。図２及び図３では、画像化システム２０及び２０’はそれぞれ、カーボンナノ構造体成長室２２を通って１つ又は複数の繊維２１を運搬するように構成されるオープンリール式処理システムを含む。オープンリール式処理システムは、カーボンナノ構造体成長室２２の前後に配置された送りリール２４及び巻き取りリール２４’と張力調整ローラ２６及び２６’とを含む。カーボンナノ構造体成長室２２を出た後の繊維２１にはカーボンナノ構造体が導入されている。
【００６５】
カーボンナノ構造体成長室２２を出た後、画像取得メカニズム２８によって繊維２１の画像を取得することができ、該画像取得メカニズム２８は、いくつかの実施形態では可視光カメラにすることができる。システム２０及び２０’は、繊維画像のコントラストを改善するために画像取得メカニズム２８の反対側に配置されたバックライト３０も含むことができる。図２に描写されているように、画像取得メカニズム２８は、カーボンナノ構造体成長室２２の出口とカーボンナノ構造体成長室２２の後に配置された張力調整ローラ２６’との間の繊維上のカーボンナノ構造体の画像を入手するように構成される。このように繊維を画像化するために画像取得メカニズム２８を構成することにより、張力調整ローラ２６’によるカーボンナノ構造体の圧縮の可能性を低減することによって測定不一致を低減することができる。図２のシステム２０内の画像取得メカニズム２８及びバックライト３０の位置は本質的に例示的なものに過ぎず、様々な代替構成が本発明の精神及び範囲に該当することを認識されたい。例えば、図３のシステム２０’では、画像取得メカニズム２８及びバックライト３０は張力調整ローラ２６’の後に位置決めされる。画像取得メカニズム２８によって画像を取得した後、図１に関連して上記に概説し、図示されているように、出力データを生成するための画像の処理は処理メカニズム３２内で行うことができる。
【００６６】
図４は、カーボンナノ構造体成長室２２の直前及び直後の図２の画像化システムの上面拡大概略図を示している。明瞭化のために、図４には図２の特定の特徴のみが示されている。図４に示されているように、複数の繊維２１はカーボンナノ構造体成長室２２を通過し、画像取得メカニズム２８によって同時に画像化することができる。図４は３本の繊維２１の存在を示しているが、本明細書に記載されているシステム及び方法によって任意の数の繊維２１を画像化できることを認識されたい。
【００６７】
図５Ａ〜図５Ｃは、存在するカーボンナノ構造体の量を測定するためにカーボンナノ構造体導入繊維の画像を更にどのように処理できるかを示す例示的なプロセスを示している。図５Ａはカーボンナノ構造体導入繊維の可視光画像を描写しているが、その他のタイプの画像も同様に処理できることを認識されたい。図５Ａに示されているように、カーボンナノ構造体導入繊維の可視光画像が入手される。その後、図５Ａの可視光画像は、図５Ｂに例示されているように２値画像に変換され、同図では画像のカーボンナノ構造体と繊維の部分が白で示され、画像のその他の部分が黒で示されている。図５Ｃでは、特定の繊維のカーボンナノ構造体と繊維の部分を含む、２値画像の最小可能領域（点線の枠）が識別される。この識別された領域内で、次にカーボンナノ構造体と繊維の部分の面積が（例えば、ピクセルをカウントすることによって）測定され、以下に詳述するように、所与のピクセル・カウントに対して存在するカーボンナノ構造体の量を相関させるために使用できる較正関数に、前記計算された面積（ピクセル・カウント）が供給される。この較正関数は、既知の量のカーボンナノ構造体が導入されているカーボンナノ構造体導入繊維を画像化し、画像内のカーボンナノ構造体と繊維の部分の面積（ピクセル・カウント）を測定することによって決定することができる。その後、標準的な曲線の近似及び回帰技術により既知のデータを式にあてはめることができる。
【００６８】
図６は、繊維上に存在するカーボンナノ構造体の量を決定するために使用できる例示的な較正曲線及び較正関数を示している。図６の較正曲線を作成するために使用される標準的なカーボンナノ構造体導入繊維の場合、存在するカーボンナノ構造体の量はＬＯＩによって測定され、それはカーボンナノ構造体導入繊維の総重量に対して存在するカーボンナノ構造体の重量パーセントを測定するものである。図６に描写されている較正曲線及び較正関数は、面積を測定するためのピクセル・カウントに基づくものであるが、上記のように、任意の適切な面積測定技術を使用することができる。較正関数を決定するためのデータのあてはめは、任意の適切なフィッティング・プロトコルを使用して行うことができる。図６の較正関数は多項式近似を使用して決定されているが、データの線形近似など、その他のフィッティング・プロトコルも実行できることを認識されたい。図７は、経時的に繊維へのカーボンナノ構造体の導入を監視することから得られた出力データの例示的なスクリーンショットを示している。
【００６９】
いくつかの実施形態では、２つ以上の画像取得メカニズムを使用して、基体の画像を入手することができる。より具体的な実施形態では、異なる物理的方位から基体内の同じ位置を画像化するように２つ以上の画像取得メカニズムを構成することができる。２つ以上の異なる画像化位置から基体内の１つの位置を画像化することにより、基体上のカーボンナノ構造体の成長についてより高い次元で潜在的により正確な分析を行うことができる。例えば、より高い次元の分析を使用して、基体上のカーボンナノ構造体の成長に対して異方性が存在するかどうかを判断することができる。その上、繊維及びその他の複雑な基体を分析する時に、より高い次元の分析の方が、導入されたカーボンナノ構造体の量の変化が繊維のねじれによるものであるかどうかをより適切に判断することができる。例えば、繊維のねじれが第２の観察平面（viewing plane）ではなく第１の観察平面で観察される可能性がある。第２の観察平面から入手可能な画像化データを有することにより、繊維のねじれによる画像化データを、導入されたカーボンナノ構造体量の移動平均からより確信的に排除することができる。最後に、異なる観察平面から測定された導入されたカーボンナノ構造体の計算量を平均化することにより、存在するカーボンナノ構造体の実際の量についてより正確な査定を行うことができる。複数の画像を入手する場合、画像取得及び分析は一般に上記のように行うことができ、異なる画像から入手したデータを統合するために上記のように修正が行われる。
【００７０】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載されている画像化システムは、１つ又は複数の移動中の繊維内の第１の画像取得メカニズムと同じ位置を画像化することにより、その第２の画像を入手するように構成された第２の画像取得メカニズムを更に含むことができる。第２の画像取得メカニズムは、１つ又は複数の移動中の繊維に対して第１の画像取得メカニズムとは異なる位置に（differentially）位置決めされる。いくつかの実施形態では、第１の画像取得メカニズムと第２の画像取得メカニズムは同じものにすることができる。その他の実施形態では、第１の画像取得メカニズムと第２の画像取得メカニズムは異なるものにすることができる。いくつかの実施形態では、第１及び第２の画像取得メカニズムはいずれも可視光カメラにすることができる。
【００７１】
いくつかの実施形態では、処理メカニズムは、第２の画像取得メカニズムによって入手された第２の画像を第２の２値画像に変換するように更に構成することができる。第１の２値画像と同様に、第２の２値画像もカーボンナノ構造体と繊維の部分とその他の部分とを有することができる。いくつかの実施形態では、処理メカニズムは、第２の２値画像のカーボンナノ構造体と繊維の部分を識別し、それぞれの２値画像内に存在するカーボンナノ構造体の量に基づいてそれぞれの移動中の繊維に導入されたカーボンナノ構造体の量を測定するように更に構成することができる。
【００７２】
図８は、相互に異なる位置に位置決めされた２つの画像取得メカニズム２８を含む例示的な画像化システムの上面概略図を示している。図８を見ると明白になるように、繊維２１はそれぞれの画像取得メカニズム２８からは異なる位置に存在し、その結果、得られる画像が異なっている（図１０Ａ〜図１０Ｃを参照）。図９は、カーボンナノ構造体導入室の出口から繊維運搬の方向に対して平行に見た時の図８の画像化システムの概略図を示している。図９では、例示目的のために、画像取得メカニズム２８が繊維２１を観察する際の種々の角度が提示されている。図１０Ａ〜図１０Ｃは、異なる相対位置から同じ繊維を画像化する２つの異なる位置に位置決めされた可視光カメラからの例示的なプロセス画像を示している。図１０Ａ〜図１０Ｃで分かるように、カメラのアングル次第で、それぞれの繊維の見かけの画像並びにその計算された画像面積は、単一の２次元画像のみを考慮する場合から大幅に変化する可能性がある。
【００７３】
カーボンナノ構造体の成長条件下でカーボンナノ構造体を生成することに関する以下の説明は、当業者に対するガイダンスとして提供するものである。カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は本明細書に明記されている技術により成長させたカーボンナノ構造体の主要コンポーネントであるので、説明を単純にするため、カーボンナノ構造体の成長の考察はＣＮＴを対象とする。更に、以下の説明は炭素繊維上のカーボンナノ構造体の成長を対象とする。しかし、例えば、金属、ガラス、セラミックス、及び有機繊維を含むその他の基体上に同様の方法によってカーボンナノ構造体を生成できることを当業者は認識されたい。
【００７４】
炭素繊維材料上に導入されたＣＮＴは、例えば、繊維の熱伝導率及び／又は導電率、及び／又は引張り強さなど、炭素繊維材料の様々な性質を変更する可能性がある。ＣＮＴ導入炭素繊維材料を形成するために使用されるプロセスでは、実質的に均一な長さ及び分布を有するＣＮＴを得ることができ、これにより改質された炭素繊維材料に有用な特性を均一に付与することができる。更に、本明細書に開示されているプロセスは、巻き取り可能な寸法のＣＮＴ導入炭素繊維材料の生成に適している。
【００７５】
本明細書に開示されているプロセスは、炭素繊維材料に対する典型的なサイジング液の塗布の前に、又はそれに代わって、新たに生成された発生期の炭素繊維材料に適用することができる。あるいは、本明細書に開示されているプロセスは、すでにその表面にサイジングが塗布されている商用炭素繊維材料、例えば、炭素トウを使用することができる。このような諸実施形態では、サイジングは、炭素繊維材料と合成ＣＮＴとの間の直接境界面を形成するために除去することができるが、バリア・コーティング及び／又は遷移金属粒子は、以下に更に説明するように、間接導入を実現する中間層として機能することができる。ＣＮＴ合成後、必要に応じて、追加のサイジング剤を炭素繊維材料に塗布することができる。
【００７６】
本明細書に記載されているプロセスは、トウ、テープ、ファブリック、及びその他の３Ｄ織物構造の巻き取り可能な長さに沿って均一な長さ及び分布のカーボンナノチューブの連続生産を可能にする。様々なマット、織布及び不織布などを本発明のプロセスによって機能化することができるが、親トウ、ヤーンなどのＣＮＴ機能化後にこのような母材からこのような高次構造を生成することも可能である。例えば、ＣＮＴ導入織布はＣＮＴ導入炭素繊維トウから生成することができる。
【００７７】
本明細書で使用する「炭素繊維材料」という用語は、その基本構造部材として炭素繊維を有する任意の材料を指す。この用語は、繊維、フィラメント、ヤーン、トウ、トウ、テープ、織布及び不織布、プライ、マットなどを含む。
【００７８】
本明細書で使用する「巻き取り可能な寸法（spoolable dimensions）」という用語は、長さが制限されず、その材料をスプール又はマンドレル上に保管できるようにする少なくとも１つの寸法を有する炭素繊維材料を指す。「巻き取り可能な寸法」の炭素繊維材料は、本明細書に記載されているように、ＣＮＴ導入のためのバッチ処理又は連続処理の使用を示す少なくとも１つの寸法を有する。市販されている巻き取り可能な寸法の炭素繊維材料の１つは、テックス値８００（１テックス＝１ｇ／１０００ｍ）又は６２０ヤード／ｌｂのＡＳ４  １２ｋ炭素繊維トウ（カリフォルニア州サクラメントのGrafil,Inc.）によって例示される。特に、商用炭素繊維トウは、例えば、５、１０、２０、５０、及び１００ｌｂ（高重量を有するスプール用、通常、３ｋ／１２Ｋトウ）のスプールで入手可能であるが、より大きいスプールは特別注文を必要とする可能性がある。本発明のプロセスは５〜２０ｌｂのスプールで容易に動作するが、より大きいスプールも使用可能である。その上、例えば、１００ｌｂ以上の非常に大きい巻き取り可能な長さを２つの５０ｌｂスプールなどの扱いやすい寸法に分割する前処理操作を取り入れることができる。
【００７９】
本明細書で使用する「カーボンナノチューブ」（ＣＮＴ）という用語は、シングルウォール・カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）、ダブルウォール・カーボンナノチューブ（ＤＷＮＴ）、マルチウォール・カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）を含む、フラーレン属の炭素のいくつかの円筒形同素体のうちのいずれかを指す。ＣＮＴは、フラーレン様構造によって上部を蓋されるか又は開放端のままでもよい。ＣＮＴは、他の材料をカプセル化するものを含む。ＣＮＴは、枝分かれした網、絡み合った網、及びそれらの組み合わせとして現れる可能性がある。
【００８０】
本明細書で使用する「長さが均一」とは、反応器内で成長させたＣＮＴの長さを指す。「長さが均一」とは、約１ミクロンから約５００ミクロンのＣＮＴの長さの範囲で、ＣＮＴがＣＮＴの全長の＋／−約２０％以下の許容誤差の長さを有することを意味する。１〜４ミクロンなどの非常に短い長さでは、この誤差はＣＮＴの全長の＋／−約２０％から＋／−約１ミクロンまでの範囲内、即ち、ＣＮＴの全長の約２０％よりいくらか大きくてもよい。
【００８１】
本明細書で使用する「分布が均一」は、炭素繊維材料上のＣＮＴの密度の一貫性を指す。「分布が均一」とは、ＣＮＴがＣＮＴによって覆われた繊維の表面積のパーセンテージとして定義された＋／−約１０％の被覆という許容誤差の炭素繊維材料上の密度を有することを意味する。これは、５つのウォールを備えた８ｎｍ径のＣＮＴの場合の±１５００ＣＮＴ／μｍ2と同等である。このような数字は、ＣＮＴ内部の空間を充填可能なものとして想定している。
【００８２】
本明細書で使用する「遷移金属」という用語は、周期表のｄブロック内の任意の元素又は複数元素の合金を指す。また、「遷移金属」という用語は、酸化物、炭化物、窒化物などの基本遷移金属元素の塩の形態も含む。
【００８３】
本明細書で使用する「ナノ粒子」又はＮＰ或いはその文法上同等のものは、球体径相当で約０．１〜約１００ナノメートルの間でサイジングされた粒子を指すが、ＮＰは球体の形状である必要はない。特に、遷移金属ＮＰは、炭素繊維材料上のＣＮＴ成長のための触媒として機能することができる。
【００８４】
本明細書で使用する「サイジング剤」、「繊維サイジング剤」、又は単に「サイジング」という用語は、ひとまとめにして、炭素繊維の完全性を保護するか、複合物内の炭素繊維とマトリックス材料との境界面の相互作用を強化するか、及び／又は炭素繊維の特定の物理的性質を変更及び／又は強化するためのコーティングとして炭素繊維の製造で使用される材料を指す。いくつかの実施形態では、炭素繊維材料に導入されたＣＮＴはサイジング剤として作用する。
【００８５】
本明細書で使用する「材料滞留時間（material residence time）」という用語は、巻き取り可能な寸法の炭素繊維材料に沿った個々の点が本明細書に記載されているＣＮＴ導入プロセス中にＣＮＴ成長条件に曝される時間の量を指す。この定義は、複数のＣＮＴ成長室を使用する場合の滞留時間を含む。
【００８６】
いくつかの実施形態では、ＣＮＴ導入炭素繊維材料は、巻き取り可能な寸法の炭素繊維材料、炭素繊維材料の周りに密着して配置されたバリア・コーティング、及び炭素繊維材料に導入されたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を含む。炭素繊維材料へのＣＮＴの導入は、炭素繊維材料への個々のＣＮＴの直接的な結合或いは遷移金属のＮＰ、バリア・コーティング、又はその両方を介した間接的な結合の結合モチーフを含むことができる。
【００８７】
理論に束縛されるものではないが、ＣＮＴ形成触媒として機能する遷移金属ＮＰは、ＣＮＴ成長シード構造を形成することによりＣＮＴ成長に触媒作用を及ぼす可能性がある。一実施形態では、ＣＮＴ形成触媒は、炭素繊維材料の基部に留まり、バリア・コーティングによって固定され、炭素繊維材料の表面に導入される可能性がある。このような場合、遷移金属ナノ粒子触媒によって最初に形成されたシード構造は、当技術分野でしばしば観察されるように、触媒をＣＮＴ成長の最先端に沿って移動させることなく、無触媒シードＣＮＴ成長を継続させるのに十分なものである。このような場合、ＮＰは、炭素繊維材料に対するＣＮＴの付着点として機能する。また、バリア・コーティングの存在は、他の間接的な結合モチーフに至る可能性もある。例えば、ＣＮＴ形成触媒は、上記のようにバリア・コーティング内に固定される可能性があるが、炭素繊維材料と表面接触していない。このような場合、結果として、ＣＮＴ形成触媒と炭素繊維材料との間にバリア・コーティングが配置された積層構造となる。いずれの場合も、形成されたＣＮＴは炭素繊維材料に導入される。いくつかの実施形態では、一部のバリア・コーティングによりＣＮＴ成長触媒は依然として成長中のナノチューブの先端に追随することができる。このような場合、この結果として、炭素繊維材料に、又は任意選択でバリア・コーティングに、ＣＮＴの直接的な結合が行われる可能性がある。カーボンナノチューブと炭素繊維材料との間に形成された実際の結合モチーフの性質とは無関係に、導入されたＣＮＴは強固であり、ＣＮＴ導入炭素繊維材料はカーボンナノチューブの性質及び／又は特性を発揮することができる。
【００８８】
この場合も、理論に束縛されるものではないが、炭素繊維材料上でＣＮＴを成長させる場合、反応室内に存在する可能性のある高温及び／又は残留酸素及び／又は水分は炭素繊維材料を損傷する可能性がある。その上、炭素繊維材料自体は、ＣＮＴ形成触媒自体との反応によって損傷する可能性がある。即ち、炭素繊維材料は、ＣＮＴ合成に使用される反応温度で触媒に対する炭素供給原料として作用する可能性がある。このような過剰炭素は、炭素供給原料ガスの被制御投入を妨げる可能性があり、炭素を過剰担持することによって触媒の作用を阻害する働きをする可能性すらある。本発明で使用されるバリア・コーティングは、炭素繊維材料上でのＣＮＴ合成を容易にするように設計される。
【００８９】
理論に束縛されるものではないが、バリア・コーティングは、熱崩壊に対する熱障壁を提供し、及び／又は、高温の環境に炭素繊維材料を曝すのを防止する物的障壁になる可能性がある。代替として又は追加的に、それはＣＮＴ形成触媒と炭素繊維材料との表面接触を最小限にし、及び／又は、ＣＮＴ成長温度のＣＮＴ形成触媒に炭素繊維材料を曝すのを軽減する可能性がある。
【００９０】
ＣＮＴの長さが実質的に均一であるＣＮＴ導入炭素繊維材料を有する組成物が提供される。本明細書に記載されている連続プロセスでは、ＣＮＴ成長室内の炭素繊維材料の滞留時間は、ＣＮＴ成長及び最終的なＣＮＴの長さを制御するように調整することができる。これは、成長したＣＮＴの特定の性質を制御するための手段を提供する。ＣＮＴの長さも炭素供給原料及びキャリアガス流量及び反応温度の調整により制御することができる。ＣＮＴの性質の追加制御は、例えば、ＣＮＴを調製するために使用される触媒のサイズを制御することによって実現することができる。例えば、１ｎｍ遷移金属ナノ粒子触媒を使用して、特にＳＷＮＴを提供することができる。より大きい触媒を使用すると、主にＭＷＮＴを調製することができる。
【００９１】
更に、使用されるＣＮＴ成長プロセスは、前もって形成されたＣＮＴを溶剤溶液中に懸濁又は分散させ、炭素繊維材料に手作業で塗布されるプロセスにおいて発生する可能性のあるＣＮＴの結束及び／又は凝集を回避しながら、炭素繊維材料上に均一に分布されたＣＮＴを伴うＣＮＴ導入炭素繊維材料を提供するために有用である。このように凝集したＣＮＴは炭素繊維材料に対して弱く接着する傾向があり、特徴的なＣＮＴの性質は存在しても弱く表われる。いくつかの実施形態では、被覆率（percent coverage）として表される最大分布密度、即ち、覆われる繊維の表面積は、５つのウォールを備えた約８ｎｍ径のＣＮＴを想定して、約５５％に達する可能性がある。この被覆は、ＣＮＴ内部の空間を「充填可能な」空間であると仮定して計算される。表面上の触媒分散を変化させること並びにガス組成及びプロセス速度を制御することにより、様々な分布／密度値を達成することができる。典型的に、所与の１組のパラメータの場合、繊維表面全体で約１０％以内の被覆率を達成することができる。より高い密度及びより短いＣＮＴは、機械的性質を改善するために有用である可能性があり、より低い密度及びより長いＣＮＴは、熱的性質及び電気的性質を改善するために有用であるが、密度を高くすることはなお有利である。ＣＮＴを長く成長させた時には、結果として密度が低くなる可能性がある。これは、高い温度及び高速の成長が触媒粒子の歩留まりを低下させた結果である可能性がある。
【００９２】
ＣＮＴ導入炭素繊維材料を有する本発明の組成物は、炭素フィラメント、炭素繊維ヤーン、炭素繊維トウ、炭素テープ、炭素繊維ブレード、炭素織布、不織炭素繊維マット、炭素繊維プライ、及びその他の３Ｄ織物構造などの炭素繊維材料を含むことができる。炭素フィラメントは、サイズが約１ミクロン〜約１００ミクロンの範囲の直径を有する高アスペクト比の炭素繊維を含む。炭素繊維トウは、一般に緻密に結合させたフィラメントの束であり、通常、まとめて撚り合わせるとヤーンが得られる。
【００９３】
ヤーンは、撚られたフィラメントを密に絡めた束を含む。１本のヤーン内のそれぞれのフィラメントの直径は相対的に均一である。ヤーンは、１０００直線メートルの重量としてグラムで表されるその「テックス」又は１００００ヤードの重量としてポンドで表されるデニールで記述される様々な重量を有し、典型的なテックス範囲は通常、約２００テックス〜約２０００テックスの間である。
【００９４】
トウは、撚られていないフィラメントを緩く絡めた束を含む。ヤーンと同様に、１本のトウ内のフィラメントの直径は一般に均一である。トウも様々な重量を有し、テックス範囲は通常、２００テックス〜２０００テックスの間である。トウは、往々にして、そのトウ内のフィラメントの１０００単位の数によって特徴付けられ、例えば、１２Ｋトウ、２４Ｋトウ、４８Ｋトウなどになる。
【００９５】
炭素テープは、織物として組み立てることができるか又は平らな不織のトウとすることができる材料である。炭素テープはさまざまな幅を有することができ、一般に、リボンと同様に２つの面を有する構造である。本発明のプロセスは、テープの片面又は両面へのＣＮＴ導入に対応する。ＣＮＴ導入テープは、平らな基体表面上の「カーペット」又は「森」に例えることがある。この場合も、本明細書に記載されているプロセスは、テープのスプールを機能化するように連続モードで実行することができる。
【００９６】
炭素繊維ブレード（braid；ひも）は、稠密に集められた炭素繊維のロープ様構造体を成している。このような構造は、例えば、炭素ヤーンから集めることができる。ひも構造体は中空分を含むか、又は、ひも構造体は他の心材の周りに組み立てることができる。
【００９７】
いくつかの実施形態では、いくつかの一次炭素繊維材料構造をまとめて織物又はシート様構造体に編成することができる。これらは、例えば、上記のテープに加えて、炭素織布、不織炭素繊維マット、及び炭素繊維プライを含む。このような高次構造体は、ＣＮＴがすでに親繊維に導入された、親トウ、ヤーン、フィラメントなどから組み立てることができる。あるいは、このような構造体は、本明細書に記載されているＣＮＴ導入プロセスのための基体として機能することができる。
【００９８】
炭素繊維は、繊維を生成するために使用される前駆物質に基づいて３つのタイプに分類され、これらは、レーヨン、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、及びピッチであり、そのいずれも本発明で使用することができる。セルロース系材料であるレーヨン前駆物質からの炭素繊維は、約２０％の相対的に低い炭素量を有し、その繊維は強度及び剛性が低い傾向がある。ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）前駆物質は、約５５％の炭素量を有する炭素繊維を提供する。ＰＡＮ前駆物質に基づく炭素繊維は一般に、表面のきずが少ないため、他の炭素繊維前駆物質に基づく炭素繊維より高い引張り強さを有する。
【００９９】
石油アスファルト、コールタール、及びポリ塩化ビニルに基づくピッチ前駆物質も炭素繊維を生成するために使用することができる。ピッチは相対的にコストが低く、炭素収量が高いが、所与のバッチでは非均一性の問題が存在する可能性がある。
【０１００】
炭素繊維材料への導入に有用なＣＮＴは、シングルウォールＣＮＴ、ダブルウォールＣＮＴ、マルチウォールＣＮＴ、及びそれらの混合物を含む。実際に使用すべきＣＮＴはＣＮＴ導入炭素繊維の用途によって異なる。ＣＮＴは、熱伝導性及び／又は電気伝導性の用途に又は絶縁体として使用することができる。いくつかの実施形態では、導入されるカーボンナノチューブはシングルウォール・ナノチューブである。いくつかの実施形態では、導入されるカーボンナノチューブはマルチウォール・ナノチューブである。いくつかの実施形態では、導入されるカーボンナノチューブは、シングルウォール・ナノチューブとマルチウォール・ナノチューブの組み合わせである。シングルウォール・ナノチューブとマルチウォール・ナノチューブの特性にはいくつかの相違点があり、これに基づいてどちらのタイプのナノチューブを合成するかを決定する。例えば、シングルウォール・ナノチューブは半導電性又は金属性である場合があり、マルチウォール・ナノチューブは金属性である場合がある。
【０１０１】
ＣＮＴは、機械的強度、低から中程度の電気抵抗、高い熱伝導率などのＣＮＴ自体の特性をＣＮＴ導入炭素繊維材料に付与する。例えば、いくつかの実施形態では、カーボンナノチューブ導入炭素繊維材料の電気抵抗は親炭素繊維材料の電気抵抗より低い。より一般的には、得られるＣＮＴ導入繊維がこれらの特性を示す程度は、カーボンナノチューブによる炭素繊維の被覆の程度及び密度の関数になる可能性がある。５つのウォールを備えた８ｎｍ径のＭＷＮＴを想定すると、繊維の０〜５５％の間の任意の割合の繊維表面積を覆うことができる（この場合もこの計算はＣＮＴ内部の空間を充填可能としている）。この数値は、直径がより小さいＣＮＴの場合はより低くなり、直径がより大きいＣＮＴの場合はより大きくなる。５５％の表面積被覆は、約１５０００ＣＮＴ／μｍ2に相当する。更に上記のように、炭素繊維材料に付与されるＣＮＴの特性は、ＣＮＴの長さに依存し得る。導入されるＣＮＴは、１ミクロン、２ミクロン、３ミクロン、４ミクロン、５ミクロン、６ミクロン、７ミクロン、８ミクロン、９ミクロン、１０ミクロン、１５ミクロン、２０ミクロン、２５ミクロン、３０ミクロン、３５ミクロン、４０ミクロン、４５ミクロン、５０ミクロン、６０ミクロン、７０ミクロン、８０ミクロン、９０ミクロン、１００ミクロン、１５０ミクロン、２００ミクロン、２５０ミクロン、３００ミクロン、３５０ミクロン、４００ミクロン、４５０ミクロン、５００ミクロン、及びその間のすべての値を含む、約１ミクロン〜約５００ミクロンの範囲内の様々な長さである可能性がある。また、ＣＮＴは、例えば、約０．５ミクロンを含む、約１ミクロンより小さい長さになる可能性もある。また、ＣＮＴは、例えば、５１０ミクロン、５２０ミクロン、５５０ミクロン、６００ミクロン、７００ミクロン、及びその間のすべての値を含む、５００ミクロンより大きい長さになる可能性もある。
【０１０２】
本明細書に記載されている組成物は、約１ミクロン〜約１０ミクロンの長さを有するＣＮＴを取り入れることができる。このようなＣＮＴの長さは、剪断強さを増すための用途において有用であり得る。また、ＣＮＴは約５〜約７０ミクロンの長さを有することもできる。このようなＣＮＴの長さは、ＣＮＴが繊維の方向に整列させた場合に、引張り強さを増すための用途において有用であり得る。また、ＣＮＴは約１０ミクロン〜約１００ミクロンの長さを有することもできる。このようなＣＮＴの長さは、電気的／熱的性質並びに機械的性質を増すために有用であり得る。本明細書に記載されているプロセスは、約１００ミクロン〜約５００ミクロンの長さを有するＣＮＴを提供することもでき、これは電気的性質及び熱的性質を増すためにも有益であり得る。このようなＣＮＴの長さの制御は、炭素供給原料及び不活性ガス流量の調整と、様々なライン速度及び成長温度とを組み合わせることによって容易に達成される。
【０１０３】
いくつかの実施形態では、巻き取り可能な長さのＣＮＴ導入炭素繊維材料を含む組成物は、異なる長さのＣＮＴを有する様々な均一領域を有しても良い。例えば、剪断強さの性質を高めるために均一により短いＣＮＴの長さを備えたＣＮＴ導入炭素繊維材料の第１の部分と、電気的又は熱的性質を高めるために均一により長いＣＮＴの長さを備えた同じ巻き取り可能な材料の第２の部分とを有することが望ましい場合がある。
【０１０４】
炭素繊維材料へのＣＮＴ導入のためのプロセスは、均一かつ連続プロセスで、ＣＮＴの長さの制御を可能にし、それにより巻き取り可能な炭素繊維材料を高速でＣＮＴによって機能化することができる。５秒〜３００秒の間の材料滞留時間の場合、３フィートの長さのシステムのための連続プロセスにおけるライン速度は、約０．５フィート／分〜約３６フィート／分の範囲内かそれ以上になる可能性がある。選択された速度は、以下に更に説明するように様々なパラメータに依存する。
【０１０５】
いくつかの実施形態では、約５秒〜約３０秒の材料滞留時間により、約１ミクロン〜約１０ミクロンの間の長さを有するＣＮＴを生成することができる。いくつかの実施形態では、約３０秒〜約１８０秒の材料滞留時間により、約１０ミクロン〜約１００ミクロンの間の長さを有するＣＮＴを生成することができる。更に他の実施形態では、約１８０秒〜約３００秒の材料滞留時間により、約１００ミクロン〜約５００ミクロンの間の長さを有するＣＮＴを生成することができる。これらの範囲は概算値であり、ＣＮＴの長さは反応温度並びにキャリア及び炭素供給原料の濃度及び流量によって調整できることも当業者は、認識するであろう。
【０１０６】
本発明のＣＮＴ導入炭素繊維材料は、バリア・コーティングを含む。バリア・コーティングは、例えば、アルコキシシラン、メチルシロキサン、アルモキサン、アルミナナノ粒子、スピン・オン・グラス、及びガラスナノ粒子を含むことができる。以下に記載されているように、ＣＮＴ形成触媒は、未硬化状態のバリア・コーティング材料に加えられ、その後、共に炭素繊維材料に塗布することができる。その他の実施形態では、バリア・コーティング材料は、ＣＮＴ形成触媒の付着前に炭素繊維材料に加えることができる。バリア・コーティング材料は、その後のＣＶＤ成長のために炭素供給原料に対するＣＮＴ形成触媒の暴露を可能にするように十分薄い厚さのものにすることができる。いくつかの実施形態では、この厚さはＣＮＴ形成触媒の有効径より小さいか又はそれにほぼ等しい。いくつかの実施形態では、バリア・コーティングの厚さは約１０ｎｍ〜約１００ｎｍの範囲内である。また、バリア・コーティングは、１０ｎｍ未満とすることができ、１ｎｍ、２ｎｍ、３ｎｍ、４ｎｍ、５ｎｍ、６ｎｍ、７ｎｍ、８ｎｍ、９ｎｍ、１０ｎｍ、及びその間の任意の値を取り得る。
【０１０７】
理論によって束縛されるものではないが、バリア・コーティングは、炭素繊維材料とＣＮＴとの間の中間層として機能することができ、炭素繊維材料にＣＮＴを機械的に導入する働きをする。このような機械的導入が提供する強固なシステムにおいては、炭素繊維材料はＣＮＴを編成するためのプラットフォームとして機能するとともに、ＣＮＴの性質が炭素繊維材料に付与される。更に、バリア・コーティングを含むことの利益は、水分への暴露による化学的損傷及び／又はＣＮＴ成長を促進するために使用される温度での炭素繊維材料の加熱による熱的損傷からの直接的な保護を炭素繊維材料に提供することである。
【０１０８】
本明細書に開示されている導入されたＣＮＴは、従来の炭素繊維「サイジング」の代わりのものとして効果的に機能することができる。導入されたＣＮＴは従来のサイジング材料より強固であり、複合材料における繊維とマトリックスとの界面を改善し、より一般的には、繊維と繊維との界面を改善することができる。実際に、本明細書に開示されているＣＮＴ導入炭素繊維材料は、その性質が炭素繊維材料のものと導入されたＣＮＴのものとの組み合わせになるという意味で、それ自体が複合材料である。その結果、本発明の諸実施形態は、他では与えられないか又は十分には与えられない所望の特性を炭素繊維材料に付与するための手段を提供する。炭素繊維材料は、特定の用途の要件を満たすように調整又は設計することができる。サイジングとして作用するＣＮＴは、疎水性のＣＮＴ構造のため、水分を吸収することから炭素繊維材料を保護することができる。更に、以下に更に例証するように、疎水性マトリックス材料は疎水性ＣＮＴと十分に相互作用して、繊維とマトリックスとの相互作用を改善する。
【０１０９】
いくつかの実施形態では、本発明は、（ａ）巻き取り可能な寸法の炭素繊維材料の表面上にカーボンナノチューブ形成触媒を配置することと、（ｂ）炭素繊維材料上で直接、カーボンナノチューブを合成し、それによりカーボンナノチューブ導入炭素繊維材料を形成することを含む、ＣＮＴ導入のための連続プロセスを提供する。９フィートの長さのシステムの場合、プロセスのライン速度は約１．５フィート／分〜約１０８フィート／分の範囲にすることができる。本明細書に記載されているプロセスによって達成されるライン速度は、短い生産時間で商業的に適切な数量のＣＮＴ導入炭素繊維の形成を可能にする。例えば、３６フィート／分のライン速度では、５つの個別のトウ（２０ｌｂ／トウ）を同時に処理するように設計されたシステムにおいて１日あたりに生産されるＣＮＴ導入炭素繊維の量（繊維に導入されたＣＮＴが重量で５％超）は、１００ポンドを超える可能性がある。成長ゾーンを反復させることにより一度により多くのトウを又はより速い速度で生産するようにシステムを作成することができる。更に、当技術分野で知られているように、ＣＮＴ製作のいくつかのステップは、極めて処理速度が遅いため、連続動作モードにおいて障害になる。例えば、当技術分野で知られている典型的なプロセスでは、ＣＮＴ形成触媒還元ステップの実行に１〜１２時間を要する可能性がある。ＣＮＴ成長自体も時間のかかるものである可能性があり、例えば、ＣＮＴ成長に数１０分を必要とし、本発明で実現される高速ライン速度を困難にする。本明細書に記載のプロセスはこのような処理速度を制限するステップを克服するものである。
【０１１０】
本発明のＣＮＴ導入炭素繊維材料形成プロセスは、予め形成したカーボンナノチューブの懸濁液を繊維材料に塗布しようとする時に発生するＣＮＴの絡まりを回避することができる。即ち、予め形成したＣＮＴは炭素繊維材料に対して融着しないので、ＣＮＴは束になり、絡み合う傾向がある。その結果、炭素繊維材料に弱く接着するＣＮＴの不均一な分布が発生する。しかし、本発明のプロセスは、所望であれば、成長密度を低減することにより、炭素繊維材料の表面上に非常に均一に絡み合うＣＮＴマットを提供することができる。低密度で成長したＣＮＴはまず炭素繊維材料内に導入される。このような実施形態では、繊維は、垂直に整列するのに十分な高密度で成長せず、その結果、炭素繊維材料表面上に絡み合ったマットが形成される。これに対して、予め形成したＣＮＴを手作業で塗布する場合には、炭素繊維材料上のＣＮＴマットの均一分布及び密度は保証されない。
【０１１１】
カーボンナノチューブを炭素繊維材料に導入するために、カーボンナノチューブは、バリア・コーティングを密着してコーティングされた炭素繊維材料上で合成される。一実施形態では、まずバリア・コーティングを炭素繊維材料に密着してコーティングし、次にナノチューブ形成触媒をバリア・コーティング上に配置することにより達成される。いくつかの実施形態では、バリア・コーティングは、触媒付着の前に部分的に硬化させることができる。これにより、ＣＮＴ形成触媒と炭素繊維材料との表面接触を可能にすることを含め、触媒を容易に受け入れ、それがバリア・コーティング内に埋め込まれるようにすることを可能にする表面を提供することができる。このような実施形態では、バリア・コーティングは、触媒を埋め込んだ後に完全に硬化させることができる。いくつかの実施形態では、バリア・コーティングは、ＣＮＴ形成触媒の付着と同時に炭素繊維材料の上に密着してコーティングされる。ＣＮＴ形成触媒とバリア・コーティングが所定の位置に配置された後、バリア・コーティングを完全に硬化させることができる。
【０１１２】
いくつかの実施形態では、バリア・コーティングは、触媒付着の前に完全に硬化させることができる。このような諸実施形態では、完全に硬化したバリア・コーティングを有する炭素繊維材料は、触媒を受け入れるように表面を調製するためにプラズマで処理することができる。例えば、硬化したバリア・コーティングを有し、プラズマ処理された炭素繊維材料は、ＣＮＴ形成触媒を付着させることができる粗面を提供することができる。従って、バリアの表面を「粗面化する」ためのプラズマ・プロセスは触媒付着を容易にする。粗さは典型的にナノメートルの規模である。プラズマ処理プロセスでは、深さがナノメートル単位で直径がナノメートル単位のクレータ又はへこみが形成される。このような表面改質は、限定ではないが、アルゴン、ヘリウム、酸素、窒素、及び水素を含む様々な異なるガスのうちの任意の１つ又は複数のプラズマを使用して達成することができる。いくつかの実施形態では、プラズマ粗面化は、炭素繊維材料自体に対して直接実行することもできる。これにより、炭素繊維材料に対するバリア・コーティングの接着を容易にすることができる。
【０１１３】
以下に更に記載するように、触媒は、遷移金属ナノ粒子を含むＣＮＴ形成触媒を含有する溶液として調製することができる。上記のように、合成されたナノチューブの直径は金属粒子のサイズに関連する。いくつかの実施形態では、ＣＮＴ形成遷移金属ナノ粒子触媒の市販の分散系が使用可能であり、希釈なしに使用され、その他の実施形態では、触媒の市販の分散系を希釈することができる。このような溶液を希釈するかどうかは、上記のように、成長させるＣＮＴの所望の密度及び長さに応じて決定することができる。
【０１１４】
カーボンナノチューブ合成は、化学蒸着（ＣＶＤ）プロセスに基づくことができ、高温で行われる。具体的な温度は、触媒選択に応じて異なるが、典型的に約５００℃〜１０００℃の範囲内になる。この操作は、カーボンナノチューブ合成をサポートするためにバリア・コーティングされた炭素繊維材料を上記の範囲内の温度まで加熱することを含む。
【０１１５】
次に、触媒を含む炭素繊維材料上でＣＶＤ促進ナノチューブ成長が実行される。ＣＶＤプロセスは、例えば、アセチレン、エチレン、及び／又はエタノールなどの炭素含有供給原料ガスによって促進することができる。ＣＮＴ合成プロセスは、一般に、一次キャリアガスとして不活性ガス（窒素、アルゴン、ヘリウム）を使用する。炭素供給原料は、全混合物の約０％〜約１５％の範囲内で提供される。ＣＶＤ成長のための実質的に不活性の環境は、成長室から水分及び酸素を除去することによって調製される。
【０１１６】
ＣＮＴ合成プロセスでは、ＣＮＴは、ＣＮＴ形成遷移金属ナノ粒子触媒の箇所で成長する。任意選択で、強いプラズマ生成電界の存在を使用し、ナノチューブ成長に影響を及ぼすことができる。即ち、この成長は、電界の方向に従う傾向がある。プラズマスプレー及び電界の形状寸法を適切に調整することにより、垂直に整列されたＣＮＴ（即ち、炭素繊維材料に対して垂直）を合成することができる。特定の条件下では、プラズマが存在しなくても、密接配置のナノチューブが垂直成長方向を維持することになり、その結果、カーペット又は森に似ている高密度のＣＮＴのアレイが得られる。また、バリア・コーティングの存在もＣＮＴ成長の指向性に影響を及ぼす可能性がある。
【０１１７】
炭素繊維材料上に触媒を配置する操作は、溶液をスプレー又は浸漬被覆することによるか、或いは、例えば、プラズマ・プロセスを介して気相成長させることによって達成することができる。技術の選択は、バリア・コーティングを塗布する方法を考慮して選択することができる。従って、いくつかの実施形態では、溶剤に触媒を溶解した溶液を形成した後、バリア・コーティングされた炭素繊維材料をその溶液でスプレー又は浸漬被覆するか、或いはスプレー及び浸漬被覆の組み合わせによって触媒を塗布することができる。いずれの技術も、単独又は組み合わせて使用され、ＣＮＴ形成触媒で十分に均一にコーティングされた炭素繊維材料を提供するために１回、２回、３回、４回、任意の回数まで使用することができる。例えば、浸漬被覆が使用される場合、第１の滞留時間だけ、第１の浸漬槽内に炭素繊維材料を入れることができる。第２の浸漬槽を使用する場合、第２の滞留時間だけ、第２の浸漬槽内に炭素繊維材料を入れることができる。例えば、浸漬構成及びライン速度次第で、約３秒〜約９０秒の間、ＣＮＴ形成触媒の溶液に炭素繊維材料を曝すことができる。スプレー又は浸漬被覆プロセスを使用して、約５％未満の表面被覆から約８０％もの高い被覆までの触媒表面密度を有する炭素繊維材料が得られ、ＣＮＴ形成触媒ナノ粒子は、ほぼ単分子層になる。いくつかの実施形態では、炭素繊維材料上でＣＮＴ形成触媒をコーティングするプロセスは、単分子層のみを生成する必要がある。例えば、積層されたＣＮＴ形成触媒上でのＣＮＴ成長は、炭素繊維材料へのＣＮＴの導入の程度を損なう可能性がある。その他の実施形態では、炭素繊維材料上に遷移金属触媒を付着させるために、蒸着技術、電解析出技術、並びに、当業者に知られているその他のプロセス、例えば、金属有機、金属塩、又はその他の組成物としてプラズマ供給原料ガスに遷移金属触媒を添加することなど、を使用して、気相移送を促進することができる。
【０１１８】
本発明のプロセスは連続的なものとして設計されているので、巻き取り可能な炭素繊維材料は、複数の浸漬被覆槽が空間的に分離されている一連の槽で浸漬被覆することができる。発生期の炭素繊維が新たに生成される連続プロセスでは、ＣＮＴ形成触媒の浸漬槽又はスプレーは、炭素繊維材料にバリア・コーティングを塗布して硬化させたか又は部分的に硬化させた後の最初のステップになり得る。バリア・コーティング及びＣＮＴ形成触媒の塗布は、新たに形成された炭素繊維材料の場合、サイジングの塗布の代わりに実行することができる。その他の実施形態では、ＣＮＴ形成触媒は、バリア・コーティング後に他のサイジング剤の存在下で新たに形成された炭素繊維に塗布することができる。ＣＮＴ形成触媒とその他のサイジング剤のこのような同時塗布によっても、ＣＮＴ導入を保証するための炭素繊維材料のバリア・コーティングと表面接触しているＣＮＴ形成触媒を提供することができる。
【０１１９】
使用される触媒溶液は、上記のように任意のｄブロック遷移金属にすることができる遷移金属ナノ粒子にすることができる。加えて、このナノ粒子は、元素の形態又は塩の形態のｄブロック金属の合金及び非合金混合物並びにその混合物を含むことができる。このような塩の形態は、限定されないが、酸化物、炭化物、及び窒化物を含む。非限定で例示的な遷移金属ＮＰとしては、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ａｕ、及びＡｇ、並びにその塩及びその混合物を含む。いくつかの実施形態では、このようなＣＮＴ形成触媒は、バリア・コーティングの塗布と同時に炭素繊維材料に直接塗布又は導入することにより、炭素繊維上に配置される。これらの遷移金属触媒の多くは、例えば、Ferrotec Corporation（ニューハンプシャー州ベッドフォード）を含む様々な供給業者から市販され、容易に入手可能である。
【０１２０】
ＣＮＴ形成触媒を炭素繊維材料に塗布するために使用される触媒溶液は、ＣＮＴ形成触媒を全域にわたって均一に分散できるようにする任意の一般的な溶剤で調製することができる。このような溶剤としては、水、アセトン、ヘキサン、イソプロピルアルコール、トルエン、エタノール、メタノール、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、シクロヘキサン、又はＣＮＴ形成触媒ナノ粒子の適切な分散を生成するために極性が制御されている任意のその他の溶剤を含むことができるが、これらに限定されない。ＣＮＴ形成触媒の濃度は、溶剤に対して約１：１〜１：１００００の触媒の範囲内にすることができる。このような濃度は、バリア・コーティング及びＣＮＴ形成触媒が同時に塗布される場合にも使用することができる。
【０１２１】
いくつかの実施形態では、炭素繊維材料の加熱は、ＣＮＴ形成触媒の付着後にカーボンナノチューブを合成するために約５００℃〜１０００℃の間の温度で行うことができる。このような温度での加熱は、ＣＮＴ成長のための炭素供給原料の投入前又は実質的にそれと同時に実行することができる。
【０１２２】
いくつかの実施形態では、本発明は、炭素繊維材料からサイジング剤を除去することと、炭素繊維材料の上に密着してバリア・コーティングを塗布することと、炭素繊維材料にＣＮＴ形成触媒を塗布することと、少なくとも５００℃まで炭素繊維材料を加熱することと、炭素繊維材料上でカーボンナノチューブを合成することを含むプロセスを提供する。いくつかの実施形態では、ＣＮＴ導入プロセスの操作としては、炭素繊維材料からサイジングを除去することと、炭素繊維材料にバリア・コーティングを塗布することと、炭素繊維材料にＣＮＴ形成触媒を塗布することと、ＣＮＴ合成温度まで繊維を加熱することと、触媒を含む炭素繊維材料上でＣＶＤ促進ＣＮＴ成長を行うことを含む。従って、市販の炭素繊維材料を使用する場合、ＣＮＴ導入炭素繊維を構築するためのプロセスは、バリア・コーティング及び触媒を炭素繊維材料上に配置する前に炭素繊維材料からサイジングを除去する個別ステップを含むことができる。
【０１２３】
カーボンナノチューブを合成するステップは、参照により本明細書に取り入れられる同時係属の米国特許出願第２００４／０２４５０８８号に開示されているものを含み、カーボンナノチューブを形成するための多数の技術を含むことができる。本発明の繊維上で成長させたＣＮＴは、マイクロキャビティ、熱又はプラズマ強化ＣＶＤ技術、レーザアブレーション、アーク放電、及び高圧一酸化炭素（ＨｉＰＣＯ）を非限定に含む、当技術分野で知られている技術によって達成することができる。ＣＶＤ中は、具体的には、その上にＣＮＴ形成触媒が配置されバリア・コーティングされた炭素繊維材料を直接使用することができる。いくつかの実施形態では、ＣＮＴ合成の前に任意の従来のサイジング剤を除去することができる。いくつかの実施形態では、ＣＮＴ合成のための低温炭素プラズマ・ジェットを生成するために、アセチレンガスがイオン化される。プラズマは触媒を含む炭素繊維材料に向けられる。従って、いくつかの実施形態では、炭素繊維材料上でＣＮＴを合成することは、（ａ）炭素プラズマを形成することと、（ｂ）炭素繊維材料上に配置された触媒に炭素プラズマを向けることを含む。成長させたＣＮＴの直径は、上記のようにＣＮＴ形成触媒のサイズによって規定される。いくつかの実施形態では、ＣＮＴ合成を容易にするために、サイジングされた繊維基体が約５５０℃〜約８００℃の間まで加熱される。ＣＮＴの成長を開始するために、アルゴン、ヘリウム、又は窒素などのプロセスガスと、アセチレン、エチレン、エタノール、又はメタンなどの炭素含有ガスという２通りのガスが反応器内に放出される。ＣＮＴは、ＣＮＴ形成触媒の箇所で成長する。
【０１２４】
いくつかの実施形態では、ＣＶＤ成長はプラズマ強化型である。成長プロセス中に電界を提供することにより、プラズマを生成することができる。このような条件下で成長させたＣＮＴは電界の方向に従う可能性がある。従って、反応器の形状寸法を調整することにより、垂直に整列したカーボンナノチューブを円筒形の繊維の周りに放射状に成長させることができる。いくつかの実施形態では、繊維の周りの放射状の成長にはプラズマは必要ではない。テープ、マット、ファブリック、プライなどの複数の別個の面を有する炭素繊維材料の場合、片面又は両面に触媒を配置することができ、それに対応して、片面又は両面でＣＮＴを成長させることもできる。
【０１２５】
上記のように、ＣＮＴ合成は、巻き取り可能な炭素繊維材料を機能化するための連続プロセスを提供するのに十分な速度で実行される。以下に例示するように、多数の装置構成がこのような連続合成を容易にする。
【０１２６】
連続カーボンナノチューブ合成のための他の構成は、炭素繊維材料上で直接、カーボンナノチューブの合成及び成長を行うための特別な矩形又は最適形状の反応器を伴う。この反応器は、カーボンナノチューブを含む繊維を生成するための連続インライン・プロセスで使用するために設計することができる。いくつかの実施形態では、ＣＮＴは、マルチゾーン反応器内で大気圧並びに約５５０℃〜約８００℃の範囲内の高温の化学蒸着（「ＣＶＤ」）プロセスにより成長する。合成が大気圧で行われるという事実は、繊維上ＣＮＴ合成のための連続処理ライン内に反応器を取り入れるのを容易にする１つの要因である。このようなゾーン反応器を使用するインライン連続処理と整合するもう１つの利点は、当技術分野で典型的な他の手順及び装置構成では分単位（又はそれ以上）であるのとは対照的に、ＣＮＴ成長が秒単位で行われることである。
【０１２７】
様々な諸実施形態によるＣＮＴ合成反応器は以下の特徴を含む。
【０１２８】
最適形状の合成反応器：当技術分野で使用される典型的なＣＮＴ合成反応器の断面は円形である。これには、例えば、歴史的理由（研究室では円筒型反応器が使用される場合が多い）及び利便性（フロー・ダイナミクスは円筒型反応器でモデリングしやすい、ヒータ・システムは円形チューブ（石英など）を容易に受け入れる、製造しやすい）を含む、いくつかの理由がある。円筒型の慣例から離れて、本発明は、矩形の断面又はその他の最適形状の断面を有するＣＮＴ合成反応器を提供する。この離脱の理由は以下の通りである。１．反応器によって処理できる多くの炭素繊維材料が平らなテープ又はシート様の形など相対的に平面であるので、円形の断面は反応器の容積の使用法としては非効率である。この非効率の結果、円筒型ＣＮＴ合成反応器には、いくつかの欠点が生じる。例えば、ａ）十分なシステム・パージの維持。反応器の容積が増加すると、同じレベルのガスパージを維持するためにガス流量を増加する必要がある。この結果、システムは開放環境におけるＣＮＴの大量生産には非効率なものになる。ｂ）炭素供給原料ガスフローの増加。上記のａ）により不活性ガスフローが相対的に増加すると、炭素供給原料ガスフローを増加する必要がある。１２Ｋ炭素繊維トウの量が矩形の断面を有する合成反応器の全容積より２０００倍小さい場合について検討する。同等の円筒型成長反応器（即ち、矩形の断面の反応器と同じ平坦化炭素繊維材料を収容できる幅を有する円筒型反応器）では、炭素繊維材料の量は反応室の容積より１７５００倍小さい。
【０１２９】
ＣＶＤなどのガス蒸着プロセスは典型的に圧力及び温度のみによって管理されるが、容積は蒸着の効率に重大な影響を及ぼす。矩形の反応器及びその他の形状の反応器では、依然として容積が過剰である。この過剰な容積は不要な反応を促進し、円筒型反応器はその容積の約８倍である。このように競合する反応が発生する機会が増加することにより、円筒型反応室では所望の反応が効果的に行われるのが遅くなる。このようなＣＮＴ成長の減速は連続プロセスの開発にとって問題となる。矩形又はその他の形状の反応器構成の利益の１つは、矩形又はその他の最適形状の反応室の高さを低くして、この容積比をより良好なものにし、反応をより効率的にすることにより、反応器の容積を低減できることである。本発明のいくつかの実施形態では、合成反応器の全容積は、合成反応器を通過する炭素繊維材料の全量より約３０００倍程度大きい。いくつかの他の実施形態では、合成反応器の全容積は、合成反応器を通過する炭素繊維材料の全量より約４０００倍程度大きい。いくつかの更に他の実施形態では、合成反応器の全容積は、合成反応器を通過する炭素繊維材料の全量より約１００００倍程度大きい。更に、円筒型反応器を使用する場合、他の反応器と比較して、同じ流量率を提供するためにより多くの炭素供給原料ガスを必要とすることに留意すべきである。いくつかの実施形態では、合成反応器は、矩形ではないが、比較的それに類似する多角形の断面を有し、円形の断面を有する反応器に対して同様の反応器容積の低減を提供することを認識されたい。ｃ）問題となる温度分布。相対的に小径の反応器を使用する場合、反応室の中心からその壁までの温度勾配は最小限になる。しかし、商業規模生産に使用される場合等、サイズが大きくなると、温度勾配は増加する。このような温度勾配の結果、炭素繊維材料基体の全体で製品品質が変動する（即ち、製品品質は半径方向の位置の関数として変化する）。この問題は、矩形の断面を有する反応器を使用した時に実質的に回避される。特に、平面基体を使用する場合、基体のサイズが拡大した時に反応器の高さを一定に維持することができる。反応器の最上部と最下部の間の温度勾配は本質的にごくわずかであり、その結果、熱問題及び製品品質の変動は回避される。２．ガスの投入：当技術分野では通常、管状炉を使用するので、典型的なＣＮＴ合成反応器は一端でガスを投入し、反応器を通って他端にガスを引き出す。本明細書で開示されているいくつかの実施形態では、反応器の中心で又は目標成長ゾーン内で、左右対称に、両側を通って或いは反応器の上下のプレートを通って、ガスを投入することができる。入ってくる供給原料ガスは、ＣＮＴ成長が最も活発な場所であるシステムの最高温部分で連続的に補充されるので、これは全体的なＣＮＴ成長速度を改善する。この一定のガス補充は、矩形のＣＮＴ反応器が発揮する成長速度の増加にとって重要な側面である。
【０１３０】
ゾーン分け。相対的に低温のパージ・ゾーンを提供する反応室は、矩形の合成反応器の両端から下がっている。本出願人は、高温ガスが外部環境（即ち、反応器の外側）と混合する場合、炭素繊維材料の劣化が増加するであろうと判断した。この低温パージ・ゾーンは、内部システムと外部環境との間の緩衝域を提供する。当技術分野で知られている典型的なＣＮＴ合成反応器構成は、典型的に、基体が慎重に（しかも緩やかに）冷却することが必要である。現在の矩形又はその他の形状のＣＮＴ成長反応器の出口にある低温パージ・ゾーンは、連続インライン処理に必要な短時間での冷却を達成する。
【０１３１】
非接触のホットウォール式金属性反応器。いくつかの実施形態では、金属、特にステンレス鋼で作られたホットウォール式反応器が使用される。金属、特にステンレス鋼には炭素が付着（即ち、煤及び副生成物形成）しやすいので、これは直観に反するように見える可能性がある。一方、石英は付着する炭素が少なく、浄化しやすく、しかもサンプル観察を容易にするので、ほとんどのＣＮＴ反応器構成では石英反応器を使用する。
【０１３２】
しかし、ステンレス鋼への煤及び炭素付着が増加した結果、より着実で、より高速で、より効率的かつより安定したＣＮＴ成長が得られることが観察された。理論に束縛されるものではないが、大気圧動作において、反応器内で行われるＣＶＤプロセスは拡散により律速されていることが示された。即ち、触媒は炭素の「過剰供給状態」になり、つまり（反応器が部分真空下で動作している場合より）相対的に高い分圧のために反応器内で使用可能な炭素が多くなりすぎる。その結果、開放型システム、特に清浄なものでは、触媒粒子に接着する炭素が多すぎる可能性があり、ＣＮＴを合成する能力を損なうことになる。いくつかの実施形態では、矩形の反応器が「汚れている（dirty）」、即ち、金属性の反応器の壁上に煤が付着している状態でその反応器を意図的に運転する。炭素が反応器の壁上に単分子層になるまで付着すると、炭素はそれ自体の上に容易に付着するようになる。使用可能な炭素の一部はこのメカニズムによって「抜き取られる」ので、ラジカルの形で残っている炭素供給原料は触媒の作用を阻害しない速度で触媒と反応する。既存のシステムは「清浄に（cleanly）」運転されるので、連続処理のために開放されている場合に成長速度が低下して、ＣＮＴの収量はかなり少なくなる。
【０１３３】
上記のようにＣＮＴ合成を「汚れた」状態で実行することは一般に有益であるが、ガスマニホールド及び入口などの装置の特定の部分は、それにもかかわらず、煤が障害物を形成した時にＣＮＴ成長プロセスに否定的な影響を及ぼす可能性がある。この問題を克服するために、ＣＮＴ成長反応室のこのようなエリアは、シリカ、アルミナ、又はＭｇＯなどの煤抑制コーティングで保護することができる。実際には、装置のこれらの部分はこのような煤抑制コーティングで浸漬被覆することができる。ＩＮＶＡＲ（Ｒ）は同様のＣＴＥ（熱膨張率）を有し、高温でそのコーティングの適切な接着を保証し、煤がクリティカル・ゾーン内に著しく堆積するのを防止するので、ＩＮＶＡＲなどの金属をこのようなコーティングとともに使用することができる。いくつかの実施形態では、過剰な煤の形成及びプロセス効率の低減を引き起こす可能性のある反応ガスと反応器の壁との相互作用を防止するために、低反応性の「スリーブ」を金属反応器内に挿入することができる。
【０１３４】
触媒還元とＣＮＴ合成の組み合わせ。本明細書に開示されているＣＮＴ合成反応器では、触媒還元とＣＮＴ成長の両方が反応器内で行われる。これは重要なことである。なぜなら、還元ステップは個別動作として実行すると、連続プロセスで使用するのに十分なほどタイムリーに実施できないからである。当技術分野で知られている典型的なプロセスでは、還元ステップは実行するのに通常１〜１２時間を要する。本発明による反応器では両方の動作が行われるが、その少なくとも部分的な要因としては、円筒型反応器を使用する当技術分野で一般的な端部ではなく反応器の中心に炭素供給原料ガスが投入されるためである。繊維が加熱されたゾーンに入ると還元プロセスが行われる。この時点までに、ガスには、壁と反応して冷めるための時間があり、その後触媒と反応し、（水素ラジカル相互作用により）酸化還元を引き起こす。還元が行われるのはこの遷移領域である。システム内の最も高温の等温ゾーンではＣＮＴ成長が行われ、最大の成長速度は反応器の中央付近のガス入口の近傍で発生する。
【０１３５】
いくつかの実施形態では、炭素トウなどの緩く連係した炭素繊維材料を使用する場合、連続プロセスは、トウのストランド及び／又はフィラメントを広げるステップを含むことができる。従って、トウがスプールから外されているとき、例えば、真空ベースの開繊システムを使用してトウを広げることができる。サイジングされた炭素繊維を使用する場合、その炭素繊維は相対的に堅い可能性があり、トウを「軟化」させて開繊を容易にするために追加の加熱をすることができる。個々のフィラメントを含む広げられた繊維は、フィラメントの表面積全体を露出するのに十分なほどばらばらに広げることができ、従って、トウはその後のプロセス・ステップでより効率的に反応することができる。このような開繊により、３ｋトウの場合、直径で約４インチ〜約６インチの間に近づけることができる。広げられた炭素トウは、上記のようにプラズマ・システムからなる表面処理ステップを通過することができる。バリア・コーティングが塗布され粗面化された後、広げられた繊維をＣＮＴ形成触媒浸漬槽を通過させることができる。その結果、それぞれの表面上に放射状に分布された触媒粒子を有する炭素トウの繊維になる。次に、トウの触媒を含む繊維は、上記の矩形の反応室など、適切なＣＮＴ成長室に入り、そこで大気圧ＣＶＤ又はＰＥ−ＣＶＤプロセスを通過させることにより、毎秒数ミクロン程度の高い速度でＣＮＴを合成する。トウの繊維は、この時点で放射状に整列されたＣＮＴを有し、ＣＮＴ成長反応器から出る。
【０１３６】
いくつかの実施形態では、ＣＮＴ導入炭素繊維材料は更に他の処理プロセスを通過することができ、このプロセスは実施形態によってはＣＮＴを機能化するために使用されるプラズマ・プロセスである。ＣＮＴの追加の機能化は、特定の樹脂に対するその接着を促進するために使用することができる。従って、いくつかの実施形態では、本発明は、機能化したＣＮＴを有するＣＮＴ導入炭素繊維材料を提供する。
【０１３７】
巻き取り可能な炭素繊維材料の連続処理の一部として、ＣＮＴ導入炭素繊維材料は、サイジング浸漬槽を更に通過して、最終生成物において有益なものになり得る追加のサイジング剤を塗布することができる。最後に、湿式巻きが望ましい場合、ＣＮＴ導入炭素繊維材料は、樹脂槽を通過し、マンドレル又はスプールに巻き付けることができる。その結果得られる炭素繊維材料／樹脂の組み合わせは、炭素繊維材料上のＣＮＴを固定し、より容易な処理及び複合物の形成を可能にする。いくつかの実施形態では、ＣＮＴ導入を使用して、改善されたフィラメント巻きを提供する。従って、炭素トウなどの炭素繊維上に形成されたＣＮＴは樹脂槽を通過して、樹脂含浸のＣＮＴ導入炭素トウを生成する。樹脂含浸後、送出ヘッドによって回転するマンドレルの表面上に炭素トウを位置決めすることができる。次に、トウは、既知の方式で精密な幾何学パターンになるようにマンドレル上に巻き付けることができる。
【０１３８】
上記の巻き付けプロセスは、雄型により特徴的に生成されるパイプ、チューブ、又はその他の形状を提供する。しかし、本明細書に開示されている巻き付けプロセスから作成される形状は、従来のフィラメント巻き付けプロセスにより生成されるものとは異なっている。
【０１３９】
具体的には、本明細書に開示されているプロセスでは、これらの形状は、ＣＮＴ導入トウを含む複合材料から作成される。従って、このような形状は、ＣＮＴ導入トウによって提供されるように、強度の向上などの利点がある。
【０１４０】
いくつかの実施形態では、巻き取り可能な炭素繊維材料上のＣＮＴの導入のための連続プロセスは、約０．５フィート／分〜約３６フィート／分の間のライン速度を達成することができる。ＣＮＴ成長室が長さ３フィートで、７５０℃の成長温度で動作しているこの実施形態では、約６フィート／分〜約３６フィート／分のライン速度でこのプロセスを運転して、例えば、約１ミクロン〜約１０ミクロンの間の長さを有するＣＮＴを生成することができる。また、約１フィート／分〜約６フィート／分のライン速度でこのプロセスを運転して、例えば、約１０ミクロン〜約１００ミクロンの間の長さを有するＣＮＴを生成することもできる。約０．５フィート／分〜約１フィート／分のライン速度でこのプロセスを運転して、例えば、約１００ミクロン〜約２００ミクロンの間の長さを有するＣＮＴを生成することができる。ＣＮＴの長さはライン速度及び成長温度のみに関係するだけでなく、炭素供給原料及び不活性キャリアガスの両方の流量もＣＮＴの長さに影響を及ぼし得る。例えば、高速ライン速度（６フィート／分〜３６フィート／分）で不活性ガス中１％未満の炭素供給原料で構成される流量の結果、１ミクロン〜約５ミクロンの間の長さを有するＣＮＴが得られる。高速ライン速度（６フィート／分〜３６フィート／分）で不活性ガス中１％を超える炭素供給原料で構成される流量の結果、５ミクロン〜約１０ミクロンの間の長さを有するＣＮＴが得られる。
【０１４１】
いくつかの実施形態では、２種類以上の炭素材料に同時にプロセスを実行することができる。例えば、複数のテープ、トウ、フィラメント、ストランドなどに並行してプロセスを実行することができる。従って、任意の数の前もって形成されたスプールの炭素繊維材料に対して並行してこのプロセスを実行し、プロセスの終わりにスプールに巻き直すことができる。並行して実行することができる炭素繊維材料のスプール数は、１、２、３、４、５、６を含み、ＣＮＴ成長反応室の幅によって対応できる任意の数まで含むことができる。その上、複数の炭素繊維材料をプロセスにかける場合、回収スプールの数はプロセスの始めのスプールの数より少ない場合もある。このような実施形態では、炭素ストランド、トウなどの炭素繊維材料を結合して織布などのより高次の炭素繊維材料にする他のプロセスを通って送り出すことができる。また、連続プロセスは、例えば、ＣＮＴ導入細断繊維マットの形成を容易にする後処理チョッパも取り入れることができる。
【０１４２】
いくつかの実施形態では、本発明のプロセスは、炭素繊維材料上に第１の量の第１のタイプのカーボンナノチューブを合成することを可能にするが、この第１のタイプのカーボンナノチューブは、炭素繊維材料の少なくとも１つの第１の性質を変更するように選択される。その後、本発明のプロセスは、炭素繊維材料上に第２の量の第２のタイプのカーボンナノチューブを合成することを可能にするが、この第２のタイプのカーボンナノチューブは、炭素繊維材料の少なくとも１つの第２の性質を変更するように選択される。
【０１４３】
いくつかの実施形態では、ＣＮＴの第１の量と第２の量は異なっている。これは、ＣＮＴタイプの変化を伴う場合もあり伴わない場合もある。このように、ＣＮＴタイプが変化しない場合でも、ＣＮＴの密度の変化を使用して、元の炭素繊維材料の性質を変更することができる。ＣＮＴタイプは、例えば、ＣＮＴの長さ及びウォールの数を含むことができる。いくつかの実施形態では、第１の量と第２の量が同じである。この場合、巻き取り可能な材料の２通りの異なる方向に沿って異なる性質が望ましい場合、ＣＮＴの長さなどのＣＮＴタイプを変化させることができる。例えば、電気的／熱的用途では長いＣＮＴが有用である可能性があり、機械的に強化する用途では短いＣＮＴが有用である可能性がある。
【０１４４】
導電率又は電気伝導率は、材料が電流を伝導する能力の尺度である。ＣＮＴキラリティに関連するねじれの程度などの特定の構造上のパラメータを有するＣＮＴは導電性が高い可能性があり、従って、金属的性質を発揮する。ＣＮＴキラリティみ関して広く認められている命名法システム（１９９６年カリフォルニア州サンディエゴのAcademic Press発行、M. S. Dresselhaus他による「Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes」の７５６〜７６０ページ）が正式なものになり、当業者によって認識されている。従って、例えば、ＣＮＴは２つのインデックス（ｎ，ｍ）によって互いに区別され、ｎ及びｍは、円筒の表面上に巻かれて端部同士が接合された時にチューブを形成するような、六方晶グラファイトの断面及び巻き方を示す整数である。２つの指標が同じである場合、即ち、ｍ＝ｎである場合、結果として得られるチューブは「アームチェア」（又はｎ，ｎ）型のものと言われ、チューブがＣＮＴ軸に対して直角に切断された時に、六角形の側面だけが露出され、チューブのエッジの周縁部の周りのパターンはｎ回繰り返したアームチェアのアームとシートに似ている。アームチェアＣＮＴ、特に、ＳＷＮＴは金属性であり、極めて高い導電率及び熱伝導率を有する。加えて、このようなＳＷＮＴは極めて高い引張り強さを有する。
【０１４５】
ねじれの程度に加えて、ＣＮＴの直径も導電率を生じさせる。上記のように、ＣＮＴの直径は制御されたサイズのＣＮＴ形成触媒ナノ粒子の使用によって制御することができる。また、ＣＮＴは半導体材料として形成することもできる。マルチウォールＣＮＴ（ＭＷＮＴ）における伝導性はより複雑になる可能性がある。ＭＷＮＴ内のウォール間反応は、個々のチューブに対して不均一に再分布する可能性がある。対照的に、金属性シングルウォール・ナノチューブ（ＳＷＮＴ）の異なる部分における電流には変化が全くない。また、カーボンナノチューブは、ダイヤモンドの結晶及び平面内のグラファイト・シートに匹敵する非常に高い熱伝導率も有する。
【０１４６】
ＣＮＴ導入炭素繊維材料は、上記の特性においてＣＮＴの存在の恩恵を受けることができるだけでなく、プロセスにおいて軽量化した材料を提供することもできる。従って、このような低密度で高強度の材料はより大きい比強度を生み出すものである。
【０１４７】
本明細書に記載されている実施形態のより適切な理解を容易にするために、以下の実施例を提供する。この実施例は、例示目的のみのために示され、非制限的なものと見なすべきである。
【０１４８】
（例）
例１：画像化技術を使用したカーボンナノ構造体導入繊維の分析。上記の説明で述べた方法により、カーボンナノ構造体導入ガラス繊維トウを７つ調製し、ＬＯＩ方法によりそのカーボンナノ構造体の重量パーセントを測定した。それぞれの繊維について実験的に測定したＬＯＩ測定値を表１に明記する。また、図３に示されている画像化構成を使用して繊維の視覚的画像を入手し、それぞれの画像のピクセル・カウントに基づいて（例えば、図５を参照）、図６に示されている相関関数を使用してＬＯＩ計算値を決定した。表１に示されているように、ＬＯＩ計算値は実験的に測定したＬＯＩ値と良く整合し、典型的に４．５％未満の相対誤差であった。ＬＯＩ絶対誤差は、ＬＯＩ計算値からＬＯＩ実際値を引き、絶対値を取ることによって算出した。
【表１】
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【０１４９】
開示されている諸実施形態に関連して本発明について説明してきたが、当業者であれば、これらが本発明の例証に過ぎないことを容易に認識するであろう。本発明の精神を逸脱せずに様々な変更が可能であることを理解されたい。本発明は、これまでに記載されていないが、本発明の精神及び範囲に見合った任意の数の変形、変更、代用、又は同等の配置を取り入れるように変更することができる。更に、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の諸態様は記載されている諸実施形態のうちのいくつかのみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって制限されるものと見なすべきではない。
【図１】
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【図２】
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【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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【図１０】
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【国際調査報告】
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