(57)【要約】  カーボンナノ構造体に付着される成長基材のないカーボンナノ構造体は、枝分かれし、架橋結合され、相互に共通の壁を共有する複数のカーボンナノチューブを含むことができる。カーボンナノ構造体を相互に凝集させ、高密度化して、各カーボンナノ構造体内のカーボンナノチューブの少なくとも一部が相互に実質的に平行に配列されているカーボンナノ構造層を形成することができる。カーボンナノ構造層を形成する方法は、それぞれに付着される成長基材のない複数のカーボンナノ構造体を提供することと、前記カーボンナノ構造体を表面に堆積させることによってカーボンナノ構造層を形成することとを含むことができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互に凝集し、それぞれに付着される成長基材のない複数のカーボンナノ構造体を含むカーボンナノ構造層であって、前記カーボンナノ構造体それぞれは、枝分かれし、架橋結合され、相互に共通の壁を共有する、複数のカーボンナノチューブを含み、各カーボンナノ構造体内の前記カーボンナノチューブの少なくとも一部は、相互に実質的に平行に配列されている、カーボンナノ構造層。
【請求項２】
各カーボンナノ構造体内の前記カーボンナノチューブは、前記カーボンナノ構造層内で実質的に同一面内に配列されている、請求項１に記載のカーボンナノ構造層。
【請求項３】
各カーボンナノ構造体は、カーボンナノ構造フレーク材料の形態のものである、請求項１に記載のカーボンナノ構造層。
【請求項４】
前記カーボンナノ構造層内の前記カーボンナノ構造フレーク材料の少なくとも一部は、相互に積み重ねられている、請求項３に記載のカーボンナノ構造層。
【請求項５】
前記カーボンナノ構造層内の前記カーボンナノ構造体の少なくとも一部は、相互に共有結合されている、請求項１に記載のカーボンナノ構造層。
【請求項６】
前記カーボンナノ構造層内の前記カーボンナノ構造体は、相互に非共有結合的に保持されている、請求項１に記載のカーボンナノ構造層。
【請求項７】
前記カーボンナノ構造層は、前記複数のカーボンナノ構造体を相互に結合させるポリマーを有していない、請求項１に記載のカーボンナノ構造層。
【請求項８】
前記カーボンナノ構造層は、界面活性剤を有していない、請求項１に記載のカーボンナノ構造層。
【請求項９】
前記カーボンナノ構造体の少なくとも幾つかにおいて、前記カーボンナノチューブの少なくとも一部と共有結合される添加剤をさらに含む、請求項１に記載のカーボンナノ構造層。
【請求項１０】
成長基材上に前記カーボンナノ構造体を形成する間に、各カーボンナノ構造体内の前記カーボンナノチューブは、枝分かれし、架橋結合され、相互に共通の壁の共有し、相互に実質的に平行となるように形成されるものである、請求項１に記載のカーボンナノ構造層。
【請求項１１】
前記カーボンナノ構造層は、約０．８ｇ／ｃｍ３と約１．５ｇ／ｃｍ３の間の範囲にあるかさ密度を有するものである、請求項１に記載のカーボンナノ構造層。
【請求項１２】
前記カーボンナノ構造層内の各カーボンナノ構造体は、前記カーボンナノ構造層に形成される前に約０．１ｇ／ｃｍ３と約０．１５ｇ／ｃｍ３の間の範囲にある初期かさ密度を有するものである、請求項１に記載のカーボンナノ構造層。
【請求項１３】
前記カーボンナノ構造層は、約２５ミクロンと約２ｍｍの間の範囲にある面内厚さを有するものである、請求項１に記載のカーボンナノ構造層。
【請求項１４】
前記複数のカーボンナノ構造体と混合されている、分解されたカーボンナノ構造体をさらに含む、請求項１に記載のカーボンナノ構造層。
【請求項１５】
前記分解されたカーボンナノ構造体は、溶媒中でカーボンナノ構造体を音波処理することによって調製される、請求項１４に記載のカーボンナノ構造層。
【請求項１６】
前記分解されたカーボンナノ構造体は、前記カーボンナノ構造層の少なくとも約１０重量％を構成している、請求項１４に記載のカーボンナノ構造層。
【請求項１７】
それぞれに付着される成長基材のない複数のカーボンナノ構造体を提供することを含み、前記カーボンナノ構造体それぞれは、枝分かれし、架橋結合され、相互に共通の壁を共有する、複数のカーボンナノチューブを含み、各カーボンナノ構造体内の前記カーボンナノチューブの少なくとも一部は、相互に実質的に平行に配列されており、さらに、
前記カーボンナノ構造体を表面に堆積させることによってカーボンナノ構造層を形成することを含む、方法。
【請求項１８】
前記カーボンナノ構造体の少なくとも一部は、相互に垂直に堆積されている、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
各カーボンナノ構造体内の前記カーボンナノチューブは、前記カーボンナノ構造層内で実質的に同一面内に配列されている、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記カーボンナノ構造層を形成する前に、前記カーボンナノ構造体を流体媒体中に分散させることをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記流体媒体から、分解されたカーボンナノ構造体を前記複数のカーボンナノ構造体と共析させることをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
溶媒中で複数のカーボンナノ構造体を音波処理して、分解されたカーボンナノ構造体を形成することと、
前記流体媒体中で前記分解されたカーボンナノ構造体を前記カーボンナノ構造体と組み合わせることと、
をさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記分解されたカーボンナノ構造体は、前記カーボンナノ構造層の少なくとも約１０重量％を構成している、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記カーボンナノ構造層を形成することは、前記流体媒体を濾過して、前記カーボンナノ構造層をフィルタ上で回収することを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２５】
前記カーボンナノ構造層は、約２５ミクロンと約２ｍｍの間の範囲にある面内厚さを有するものである、請求項１７に記載の方法。
【請求項２６】
前記カーボンナノ構造層は、約０．８ｇ／ｃｍ３と約１．５ｇ／ｃｍ３の間の範囲にあるかさ密度を有するものである、請求項１７に記載の方法。
【請求項２７】
前記カーボンナノ構造層内の各カーボンナノ構造体は、前記カーボンナノ構造層に形成される前に約０．１ｇ／ｃｍ３と約０．１５ｇ／ｃｍ３の間の範囲にある初期かさ密度を有するものである、請求項１７に記載の方法。
【請求項２８】
各カーボンナノ構造体は、カーボンナノ構造フレーク材料の形態で提供されるものである、請求項１７に記載の方法。
【請求項２９】
前記カーボンナノ構造層内の前記カーボンナノ構造フレーク材料の少なくとも一部は、相互に積み重ねられている、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記カーボンナノ構造体の少なくとも幾つかにおいて、添加剤が前記カーボンナノチューブの少なくとも一部と共有結合されている、請求項１７に記載の方法。
【請求項３１】
前記カーボンナノ構造体の少なくとも一部を前記カーボンナノ構造層内で相互に共有結合させることをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項３２】
前記複数のカーボンナノ構造体を提供することは、
成長基材上でカーボンナノ構造体を形成することと、
前記成長基材から前記カーボンナノ構造体を取り出すことと、
を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項３３】
前記成長基材から前記カーボンナノ構造体を取り出すことは、流体剪断、機械的剪断、化学エッチング、音波処理、及びそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される技術によって実行される、請求項３２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願への相互参照）
本出願は、米国特許法第１１９条により、２０１２年１０月４日出願の米国仮特許出願第６１／７０９，９１９号に対する優先権の利益を主張し、これは参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
（連邦政府後援の研究又は開発に関する声明）
【０００２】
該当なし
【０００３】
本開示は、一般的に、カーボンナノ構造体に関し、特に、相互に凝集した複数のカーボンナノ構造体を含有するカーボンナノ構造層に関する。
【背景技術】
【０００４】
カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は、その化学的、機械的、電気的及び熱的特性の独特の組み合わせを利用することができる多くの用途での使用が提案されてきた。多くの場合、これらの性質は、カーボンナノチューブの長さ、直径、キラリティ（掌性）、機能性、及び同様の構造的特徴の任意の組み合わせを調整することにより、特定の用途の要件に合わせることができる。個々に分離したカーボンナノチューブを取り扱う場合、多くの用途で様々な困難が広く認識されている。これらの困難には、低い溶媒可溶性、複合マトリックス中での低い分散性、不十分な純度などが含まれるが、これらに限定されない。いかなる理論又はメカニズムにも拘束されるものではないが、当技術分野で知られているように、これらの問題の多くが個々に分離したカーボンナノチューブの間に生ずる強力なファンデルワールス力によるもので、それによりカーボンナノチューブが集団形成されて束又はロープになるものと考えられる。カーボンナノチューブの極端なアスペクト比は物理的な絡み合いももたらすことがあり、さらにこれらの困難の原因になり得る。上記問題等の結果、選択された用途に個々に分離したカーボンナノチューブを使用する場合、多くの場合、特性の強化が予想より低い、及び／又は矛盾する性能となり得る。カーボンナノチューブのロープ、束又は凝集物を解いて個々に良好に分離された部材にするために使用可能な様々な技術があるが、これらの技術の多くは、元のカーボンナノチューブが提供することができる望ましい特性の強化に悪影響を及ぼすことがある。また、個々に分離したカーボンナノチューブはサイズが小さいので、その環境衛生及び安全性のプロファイルに関する広い懸念が生じている。さらに、個々に分離したカーボンナノチューブを生産する費用が、多くの場合、これらの物質の商業用実現性を脅かすほど法外に高くなることがある。
【０００５】
多くの場合、多くの用途で使用するために提案される１つのカーボンナノチューブの形態は、自立型のカーボンナノチューブの薄層であり、当技術分野では一般にカーボンナノチューブマット又は「バッキーペーパー（buckeypaper）」と呼ばれる。このようなカーボンナノチューブマットは、多くの場合、適切な回収媒体上で個々に分離された又は脱凝集された（dis-aggregated）カーボンナノチューブの分散液を濾過することによって調製される。濾過が完了した後、マットは自立型のカーボンナノチューブ層として回収媒体から剥がされ得る。しかし、この方法及び他の方法で形成されたカーボンナノチューブマットは、約０．４ｇ／ｃｍ３未満という低いかさ密度（bulk density）を有することが多く、０．１ｇ／ｃｍ３未満であることも多い。低いかさ密度により、多くの下流側の用途、特にカーボンナノチューブの導電性を利用する用途において問題が引き起こされることがある。何故なら、多くの場合、カーボンナノチューブの最も望ましい特性が、このような構造では完全には現れないからである。その生産方法のため、カーボンナノチューブマット内の複数のカーボンナノチューブは通常、相互にランダムに配列され、それにより、配列されたカーボンナノチューブによって得られることがある有利な特性の強化がさらに打ち消される。カーボンナノチューブマット内でランダムに配列されたカーボンナノチューブの別の問題により、一体構造内で３次元全体にカーボンナノチューブが相互に侵入（interpenetrating）し合うため、これらの成分が非常に強固（rigid）になる。カーボンナノチューブマットは、そのカーボンナノチューブの配列を多少制御する他の技術によって調製され得るが、これらの技術により商業化の実現に必要とされる生産量（throughput）が提供されないものと考えられる。別の問題点としては、個々に分離したカーボンナノチューブの生成に使用する界面活性剤をカーボンナノチューブマットから完全に除去することが困難になることが多く、それによりカーボンナノチューブの有利な特性がさらに損なわれる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上を鑑みて、上記問題点の少なくとも幾つかに対処するカーボンナノチューブ層を生成することが非常に望ましい。本開示は、上述の要求を満たし、関連する利点も提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
幾つかの実施形態では、本開示は、相互に凝集し、それぞれに付着される成長基材のないカーボンナノ構造体を提供する。前記カーボンナノ構造体それぞれは、枝分かれし（brunched）、架橋結合され（crosslinked）、相互に共通の壁を共有する、複数のカーボンナノチューブを含み、各カーボンナノ構造体内の前記カーボンナノチューブの少なくとも一部は、相互に実質的に平行に配列されている。
【０００８】
幾つかの実施形態では、本開示はカーボンナノ構造層を生成する方法を提供する。該方法は、それぞれに付着される成長基材のない複数のカーボンナノ構造体を提供することと、前記カーボンナノ構造体を表面に堆積させることによってカーボンナノ構造層を形成することとを含むことができる。前記カーボンナノ構造体それぞれは、枝分かれし、架橋結合され、相互に共通の壁を共有する、複数のカーボンナノチューブを含み、各カーボンナノ構造体内のカーボンナノチューブの少なくとも一部は、相互に実質的に平行に配列されている。
【０００９】
以上では、以下の発明を実施するための形態をさらに良く理解できるように、本開示の形態をかなり広範囲に概説してきた。開示の追加的な形態及び利点は以下に説明され、それが特許請求の範囲の主題を形成する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本開示及びその利点をさらに完全に理解するために、次に本開示の特定の実施形態を説明する図面と組み合わせて考察される以下の説明に言及する。
【００１１】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ、枝分かれし、架橋結合され、共通の壁を共有するカーボンナノチューブの例示的な描写を示す。
【図２Ａ】複数のカーボンナノ構造体からカーボンナノ構造フレーク材料の形態で形成された例示的なカーボンナノ構造層の概略図を示す。
【図２Ｂ】各カーボンナノ構造体内のカーボンナノチューブの面内配列（in-plane alignment）を示した図２Ａのカーボンナノ構造層を示す。
【図２Ｃ】カーボンナノ構造体の面に対して、各カーボンナノ構造体内のカーボンナノチューブが垂直に配列された図２Ａのカーボンナノ構造層を示す。
【図３】成長基材からカーボンナノ構造体を分離した後のカーボンナノ構造フレーク材料の例示的な描写を示す。
【図４】フレーク材料として得られる例示的なカーボンナノ構造体のＳＥＭ画像を示す。
【図５Ａ】カーボンナノ構造フレーク材料から形成したカーボンナノ構造層の例示的なＳＥＭ画像を示す。
【図５Ｂ】カーボンナノ構造フレーク材料から形成したカーボンナノ構造層の例示的なＳＥＭ画像を示す。
【図６】例示的なガラス又はセラミックの成長基材を用いた例示的なカーボンナノ構造体の成長プロセスの流れ図を示す。
【図７】抗付着層（anti-adhesive layer）でコーティングした遷移金属ナノ粒子の例示的な概略図を示す。
【図８】成長基材からカーボンナノ構造体を分離する例示的なプロセスの流れ図を示す。
【図９】図８で示したプロセスをさらに詳述する例示的な概略図を示す。
【図１０】カーボンナノ構造体及び遷移金属ナノ粒子触媒を成長基材から取り出すために機械的剪断がどのように使用され得るかを説明する例示的な概略図を示す。
【図１１】遷移金属ナノ粒子触媒がない成長基材からカーボンナノ構造体を分離することができるカーボンナノ構造体取り出しプロセスを説明する例示的な概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本開示は、一部では、カーボンナノ構造体（ＣＮＳ）の層（carbon nanostructure layes）を対象とし、ここで、カーボンナノ構造体は、付着される成長基材がないものである。本開示はまた、一部では、カーボンナノ構造層を生成する方法を対象とする。
【００１３】
以上で説明したように、従来のカーボンナノチューブマットは、多くの場合、用途によっては問題となる課題を呈することがある。これらの課題には、密度が低いこと、カーボンナノチューブが整列されていないこと、及び整列されていないカーボンナノチューブがマット全体で相互に侵入（interpenetration）し合う結果、マットが比較的剛性（stiffness）を有することが含まれるが、これらに限定されない。剛性の課題は、複雑な形状を有する表面上にカーボンナノチューブを配置しようとする場合に、特に問題となることがある。従来のカーボンナノチューブマットには問題があるが、それでもカーボンナノチューブの分散液から容易に形成できるので、様々な用途にカーボンナノチューブを展開する（deploying）のになお有用な形態である。例えば、所望の長さ及び幅を有する従来のカーボンナノチューブマットは、単に適切な形状のフィルタ媒体を通してカーボンナノチューブの分散液を濾過することによって調製され得る。
【００１４】
従来のカーボンナノチューブマットの長さ及び幅は、上述した方法で容易に調節することができるが、特に、マットが厚くなるほど、その厚さの調節の容易性が大幅に損なわれる。詳細には、カーボンナノチューブの堆積量が多くなるとともにカーボンナノチューブマットが厚くなると、それにつれて既に堆積したカーボンナノチューブに追加の流体相を通してマットをさらに厚くすることが困難になることがある。その結果、カーボンナノチューブを含有した流体相（a carbon nanotube-containing fluid phase）の濾過によって堆積する従来のカーボンナノチューブマットは、厚さが約１００ミクロンに制限される。従来のカーボンナノチューブマットは、代替の形成技術（例えばテープキャスティング（tape casting））を使用して多少拡張され得るが、これら代替の形成技術は通常、濾過技術による生産量（throughput）よりもはるかに低い。
【００１５】
従来のカーボンナノチューブマットに伴う課題は、その性能を劣化させることがある物質をマット内に取り込むことに関連する。これに関して、従来のカーボンナノチューブマットは、多くの場合、カーボンナノチューブの可溶性を向上させるために使用する界面活性剤を含有するカーボンナノチューブの分散液から形成される。注意してもカーボンナノチューブによって界面活性剤が封鎖されるので、カーボンナノチューブマットが多くの量の界面活性剤を伴うことが多く、それによりカーボンナノチューブマットに予想される性能が低下することがある。
【００１６】
従来のカーボンナノチューブマットに関連することがあるさらに別の課題は、個々に分離したカーボンナノチューブのサイズが小さいことによるその潜在的な環境衛生及び安全性の課題である。吸入毒性は、個々に分離したカーボンナノチューブにとって特に懸念となり得る。吸入可能な微粒子を形成する傾向があるからである。
【００１７】
容易に取り扱われ、上記問題の多くに対処する形態でカーボンナノチューブを提供するために、本発明の発明者の少なくとも一部は以前に、様々な繊維材料上でカーボンナノ構造体を直接成長させることにより、その繊維材料に導入された（infused）カーボンナノ構造体を調製する技術を開発した。本明細書で使用する「カーボンナノ構造体」という用語は、相互に絡み合わされ（interdigitated）、枝分かれし、架橋結合され、及び／又は相互に共通の壁を共有することによってポリマー構造として存在することができる複数のカーボンナノチューブを指す。カーボンナノ構造体は、そのポリマー構造の基本モノマー単位としてカーボンナノチューブを有していると見なされ得る。カーボンナノ構造体成長状態において、カーボンナノ構造体を基材（例えば繊維材料）上にて成長させることにより、カーボンナノ構造体中のカーボンナノチューブの少なくとも一部を、従来のカーボンナノチューブのフォレストで見られるカーボンナノチューブの平行な配列とほぼ同様に、相互に実質的に平行に配列させることができる。カーボンナノ構造体を繊維材料に導入することにより、カーボンナノチューブの有利な特性（すなわち、化学的、機械的、電気的、及び熱特性の任意の組み合わせ）を繊維材料に、及び／又はカーボンナノ構造体導入繊維材料（the carbon nanostructure-infused fiber material）が配置されたマトリックス材料に伝達させることができる。さらに、カーボンナノ構造体を繊維材料に導入することにより、個々に分離したカーボンナノチューブの取扱いの問題、及び潜在的な環境衛生及び安全性の懸念の多くは、回避され得る。
【００１８】
従来のカーボンナノチューブ成長プロセスは、含まれる欠陥の数を最小化した高純度カーボンナノチューブの生産を目標とすることが最も多い。このような従来のカーボンナノチューブ成長プロセスは通常、ミクロンスケールの長さを有するカーボンナノチューブの生産に数分以上かかるが、本明細書で述べるカーボンナノ構造体の成長プロセスは、成長基材上で連続的にその場（in situ）成長するプロセスにおいて、毎秒数ミクロン程度の名目（nominal）カーボンナノチューブ成長速度を採用している。その結果、カーボンナノ構造体中のカーボンナノチューブは、従来のカーボンナノチューブのフォレスト又は非結合カーボンナノチューブと比較して不良なものである。すなわち、その結果物であるカーボンナノ構造体は、高度に絡み合わされ、枝分かれし、架橋結合され、及び共通の壁を共有するカーボンナノチューブを含有し、それにより、単なるカーボンナノチューブそのものの構造的特徴によってのみ規定されるだけではないマクロ構造が形成される。さらに、このような急速な成長状態で成長基材上に連続的にカーボンナノ構造体を成長させる能力は、関連するカーボンナノチューブ成長プロセスで可能な量よりもはるかに大量のカーボンナノ構造体への入手を提供することができる。大抵の場合、以前のカーボンナノ構造体導入繊維材料の製法では、カーボンナノ構造体が繊維材料に非常に強固に付着し、したがってカーボンナノ構造体は、少なくともカーボンナノチューブ自体がひどく損傷しない限り、繊維材料から容易に取り出されるものではない。
【００１９】
カーボンナノ構造体導入繊維材料は、多くの用途で個々に分離したカーボンナノチューブの代替物として申し分なく使用され得るが、本発明の発明者の少なくとも一部は、場合によって、カーボンナノ構造体を繊維材料に導入することによって、カーボンナノチューブを容易に取り扱うという属性を維持しながら、成長の土台となる繊維材料のないカーボンナノ構造体を利用する方が望ましいことがあることを認識している。成長基材からのカーボンナノ構造体の取り出しを実行する技術が、以下に記載され、２０１３年９月２４日に出願された「Carbon Nanostructures and Methods for Making the Same」と題する共有の米国特許出願第１４／０３５，８５６号でさらに詳細に説明されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。マットに関して、カーボンナノ構造体導入繊維材料は、繊維材料が存在するので、複数のカーボンナノ構造体を含有するマットを形成するのに適切ではない。しかし、本発明の発明者は、成長基材から取り出したカーボンナノ構造体が、従来のカーボンナノチューブマットを形成する技術と同等の技術でカーボンナノ構造マットを形成するのに容易に使用され得ることを認識した。この方法でカーボンナノ構造体を利用してマットを形成すると、以降で説明するように幾つかの利点を提示することができる。「カーボンナノ構造マット」という用語は、本明細書では「カーボンナノ構造層」と同義で使用される。
【００２０】
カーボンナノ構造体は、低密度のカーボンナノ構造フレーク又は同様の微粒子材料として成長基材から取り出され得る。枝分かれし、架橋結合され、及びカーボンナノチューブ間で共通の壁を共有するという特徴は、カーボンナノ構造体をその成長基材から取り出した場合でも保持することができ、したがってカーボンナノチューブはカーボンナノ構造フレーク中で予め剥離された（すなわち、少なくとも部分的に分離した）状態である。これらの形態の組み合わせによって、カーボンナノ構造体は、界面活性剤を使用してカーボンナノチューブを個別にさらに分散させる必要なく、流体媒体に容易に分散可能とすることができ、それにより幾つかの実施形態では潜在的な界面活性剤のカーボンナノ構造マット内への組み込みが回避される。最初は低密度のカーボンナノ構造体からカーボンナノ構造マットを形成すると、カーボンナノ構造体が相互に凝集するにつれ、密度の大幅な増加が本質的に生じることがある。例えば、カーボンナノ構造マットで約０．４ｇ／ｃｍ３を超える密度を実現することができ、これは従来のカーボンナノチューブマットで見られる密度値を大幅に上回っている。必要に応じて、カーボンナノ構造層を機械的に圧縮することにより、さらなる高密度化を提供することができる。さらに、マットの形成後もマット内のカーボンナノ構造体は別個の要素（すなわち、フレーク又は同様の微粒子形態）のままであるので、マットはカーボンナノ構造体間と、枝分かれし、架橋結合され、及びカーボンナノチューブ間の壁を共有することにより規定された個々のカーボンナノ構造体の内部と、の両方に有孔性（porosity）を示し得る。この有孔性により、カーボンナノ構造体の分散液は、個々に分離したカーボンナノチューブの分散液で可能な程度よりはるかに濾過性が高いままとすることができる。濾過性が改善された結果、カーボンナノ構造マットは、同等の方法で調製されたカーボンナノチューブマットで可能な厚さよりはるかに厚く調製され得る。
【００２１】
従来のカーボンナノチューブマットと比較して、カーボンナノ構造マットの別の利点は、各カーボンナノ構造フレーク又は同様の微粒子内でカーボンナノチューブが平行に配列されていることである。分散液の濾過によって調製される従来のカーボンナノチューブマットは、ほとんどの場合、ランダムに配列されたカーボンナノチューブのみを含有しているが、複数のカーボンナノ構造体が相互に凝集してカーボンナノ構造マットを形成した場合にカーボンナノ構造体内で生成されたままの平行なカーボンナノチューブの配列を維持することができる。カーボンナノ構造マット全体でカーボンナノチューブがそれほど整列されてない場合でも、少なくとも、各カーボンナノ構造フレーク又は同様の微粒子内でカーボンナノチューブの平行な配列を局所的に保持することができる。幾つかの実施形態では、別々のフレークにおける平行に配列されたカーボンナノチューブの少なくとも一部を相互に整列させることにより、カーボンナノ構造マットのより大きな部分全体に局所的な整列を拡張することができる。詳細には、カーボンナノ構造フレーク又は同様の微粒子を整列させることにより、カーボンナノ構造マット内（すなわち、カーボンナノ構造マットのｘ−ｙ平面内であり、ここでカーボンナノ構造マットのｚ次元は、カーボンナノ構造マットの厚さを表す）でカーボンナノチューブの少なくとも幾つかを平行に整列させることができる。カーボンナノ構造マットは半結晶質ポリマー材料と類推することができ、層を構成する微結晶（カーボンナノ構造体）はランダムに分布する一方、ポリマー鎖（各カーボンナノ構造体内のカーボンナノチューブ）は一般に相互に平行に配向されている。カーボンナノ構造マット内でのカーボンナノチューブの少なくとも部分的な平行配列を容易に達成する能力があることが望ましいことがある。それによってカーボンナノチューブの方向性特性がさらに容易に現れ得るからである。例えば、引っ張り強度、導電性及び熱伝導性などの方向性特性は、合成中にカーボンナノ構造体のカーボンナノチューブに与えられる平行な方向性により、対応するカーボンナノチューブマットよりもカーボンナノ構造マットの方がより強力に現れることがある。
【００２２】
以上の利点に加えて、カーボンナノ構造マットは同等のカーボンナノチューブマットよりも可撓性がはるかに高いものであると考えられる。いかなる理論又はメカニズムにも拘束されるものではないが、カーボンナノチューブマットと比較してカーボンナノ構造マットの可撓性が増大するのは、カーボンナノ構造マット内に別個のカーボンナノ構造体（例えばカーボンナノ構造フレーク又は同様の微粒子）が存在することによるものであると考えられる。従来のカーボンナノチューブマットは識別可能な下部構造を含有していないが、本明細書で説明する技術により調製されたカーボンナノ構造マットは容易に識別可能なカーボンナノ構造フレークの形態を維持し、それによって隣接するカーボンナノ構造体間に少なくとも幾つかの間隙空間（void space）が生成される。カーボンナノ構造体間のこの間隙空間により、カーボンナノ構造マットは、はるかに容易に拡張及び収縮可能になり、一般的に従来のカーボンナノチューブマットで可能な程度よりも高い可撓性を有することができる。カーボンナノ構造マットの向上された可撓性は、そのより容易な加工性により、特に、間隙空間が望ましくないような構造的用途にマットが利用されていない場合に、非常に有利となることがある。
【００２３】
マットを形成する際の個々に分離したカーボンナノチューブに対するカーボンナノ構造体の別の利点は、カーボンナノ構造体が個々に分離したカーボンナノチューブより優れた環境衛生及び安全性能を提供するものと考えられることである。カーボンナノ構造は、個々に分離したカーボンナノチューブよりもサイズが巨視的であるので、自立型カーボンナノ構造は、毒性の懸念を低下させ、繊維材料に導入されたカーボンナノチューブの環境衛生及び安全性のプロファイルに匹敵し得るものと考えられる。いかなる理論にも拘束されず、環境衛生及び安全性プロファイルの改善は、少なくとも部分的に、カーボンナノ構造体自体のサイズ及び構造的一貫性からもたらされるものと考えられる。すなわち、カーボンナノ構造体中のカーボンナノチューブ間の結合相互作用により、呼吸毒性に関連するような有害なミクロン未満の微粒子には容易に分離しない堅牢な材料を提供することができる。例えば、本明細書で開示するカーボンナノ構造体は、このような微粒子を放出せずに、ボールミル粉砕のように過酷なプロセスに耐えることができる。
【００２４】
個々に分離したカーボンナノチューブと比較したカーボンナノ構造体のさらなる利点として、カーボンナノ構造体は、関連するカーボンナノチューブ生産技術で可能なものよりも高い炭素原料の転換割合（conversion percentage）で、より容易かつ安価に生産され得るものと考えられる。今日までに最高の性能を発揮したカーボンナノチューブ成長プロセスの幾つかは、炭素の変換効率がせいぜい約６０％であった。対照的に、カーボンナノ構造体は、繊維材料上にて約８５％を超える炭素の変換効率で生産され得る。このように、カーボンナノ構造体は、炭素原材料のより効率的な使用、及びそれに伴う生産費の削減を提供する。
【００２５】
さらに、カーボンナノチューブとは異なること、及び時にはそれと比較して優れた特性により、用途によっては、より少量の分離したカーボンナノ構造体を使用して、比較的大量の個々に分離したカーボンナノチューブでのみ見られるものと同等の効果を達成することができる。いかなる理論又はメカニズムにも拘束されず、カーボンナノ構造体の分散が改善され、その結果現れた様々なマトリックス中での特性により、カーボンナノ構造体にカーボンナノチューブより優れた性能を提供することができる。引き続きいかなる理論又はメカニズムにも拘束されず、カーボンナノ構造体の向上された分散は、個々に分離したカーボンナノチューブと比較して密度が低いことに由来するものと考えられる。
【００２６】
幾つかの実施形態では、本明細書でカーボンナノ構造層を含有する組成物及び製品について説明する。様々な実施形態では、本明細書で説明するカーボンナノ構造層は、相互に凝集し、それぞれに付着される成長基材のない複数のカーボンナノ構造体を含むことができる。カーボンナノ構造体それぞれは複数のカーボンナノチューブを含むことができ、カーボンナノチューブは枝分かれし、架橋結合され、及び相互に共通の壁を共有し、各カーボンナノ構造体内のカーボンナノチューブの少なくとも一部は、相互に実質的に平行に配列されている。複数のカーボンナノチューブのすべてのカーボンナノチューブが必ずしも枝分かれ、架橋結合、及び共通の壁の共有という上記構造的特徴を有するものではないことを認識されたい。むしろ、複数のカーボンナノチューブが全体としてこれらの構造的特徴のうち１つ又は複数を有することができる。すなわち、幾つかの実施形態では、カーボンナノチューブの少なくとも一部が枝分かれし、カーボンナノチューブの少なくとも一部が架橋結合され、カーボンナノチューブの少なくとも一部が共通の壁を共有する。図１（Ａ）、（Ｂ）、Ｃは、それぞれ枝分かれし、架橋結合され、共通の壁を共有するカーボンナノチューブ１〜３の例示的な描写を示す。カーボンナノ構造体中のカーボンナノチューブは、成長基材上でカーボンナノ構造体を形成する間に、枝分かれし、架橋結合され、相互に共通の壁を共有するように形成され得る。さらに、成長基材上でカーボンナノ構造体を形成する間に、カーボンナノチューブは、カーボンナノ構造体中で相互に実質的に平行となるように形成され得る。カーボンナノ構造体は、少なくとも幾つかの他のカーボンナノチューブと平行に配列された基本モノマー単位（a base monomer unit）としてカーボンナノチューブを有するポリマーであると見なされ得る。
【００２７】
さらに、カーボンナノ構造体中の各カーボンナノチューブが必ずしも枝分かれ、架橋結合、又は他のカーボンナノチューブと共に共通の壁を共有する必要はないことを理解されたい。例えば、幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体中のカーボンナノチューブの少なくとも一部は、相互に絡み合わされ、及び／又は枝分かれし、架橋結合され、又はカーボンナノ構造体の残りのカーボンナノチューブと共通の壁を共有することができる。
【００２８】
幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体は、カーボンナノ構造層に形成される前に、低い初期かさ密度を有するカーボンナノ構造体をもたらすウェブ状形態（a web-like morphology）を有することができる。生成されたままのカーボンナノ構造体は、約０．００３ｇ／ｃｍ３〜約０．０１５ｇ／ｃｍ３の範囲にある初期かさ密度を有することができる。さらなる圧縮及び高密度化により、初期かさ密度を約０．１ｇ／ｃｍ３〜約０．１５ｇ／ｃｍ３の間の範囲まで上昇させることができる。幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造層内の各カーボンナノ構造体は、カーボンナノ構造層に形成される前に、約０．１ｇ／ｃｍ３〜約０．１５ｇ／ｃｍ３の間の範囲にある初期かさ密度を有することができる。以上の初期かさ密度値は、カーボンナノ構造体をその成長基材から取り出し、カーボンナノ構造体のさらなる高密度化を実行した後の生成されたままのカーボンナノ構造体の密度値を表す。幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体の初期かさ密度は、カーボンナノ構造体のカーボンナノチューブにコーティングを形成し、及び／又はカーボンナノ構造体の内部に様々な材料を導入（infiltrating）させることによってさらに変更することができる。様々な用途に使用するために、カーボンナノチューブのコーティング及び／又はカーボンナノ構造体の内部への導入（infiltrating）を使用して、カーボンナノ構造体の特性をさらに調整することができる。
【００２９】
複数のカーボンナノ構造体を凝集させてカーボンナノ構造層を形成すると、生成したままのカーボンナノ構造体の初期かさ密度に対してかさ密度の上昇が実現され得る。様々な実施形態では、カーボンナノ構造層は約０．４ｇ／ｃｍ３超のかさ密度を有することができる。他の実施形態では、カーボンナノ構造層は約０．６ｇ／ｃｍ３より大きい、又は約０．８ｇ／ｃｍ３より大きい、又は約１．０ｇ／ｃｍ３より大きいかさ密度を有することができる。カーボンナノ構造層のかさ密度の上限は、個々に分離したカーボンナノチューブの密度（すなわち、約２ｇ／ｃｍ３）によって決定されると考えられる。したがって、様々な実施形態では、カーボンナノ構造層は約０．４ｇ／ｃｍ３と約２．０ｇ／ｃｍ３の間の範囲のかさ密度を有することができる。さらに特定の実施形態では、カーボンナノ構造層は約０．８ｇ／ｃｍ３と約１．５ｇ／ｃｍ３の間、又は約１．０ｇ／ｃｍ３と約１．５ｇ／ｃｍ３の間、又は約１．０ｇ／ｃｍ３と約２．０ｇ／ｃｍ３の間の範囲のかさ密度を有することができる。カーボンナノ構造層を最終的に利用される選択用途に基づき、当業者は、カーボンナノ構造層中のカーボンナノチューブの望ましい特性を利用するために必要な適切なかさ密度を選択することができる。
【００３０】
複数のカーボンナノ構造体を相互に積み重ねることにより、カーボンナノ構造層の面内厚さを規定することができる。カーボンナノ構造層は、カーボンナノ構造体が１つであれば薄くすることができ、相互に堆積させたカーボンナノ構造体が約５００〜約１０００であれば厚くすることができる。以下で、例示的なカーボンナノ構造体及びその寸法について説明する。カーボンナノ構造層の厚さは広範囲にわたって変動し得る。幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造層の面内厚さ範囲の上限を、複数のカーボンナノ構造体を含有する流体相を濾過することによりカーボンナノ構造層を形成し続ける能力によって決定することができる。幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造層は約２５ミクロンと約２ｍｍの間の範囲で、その任意の部分範囲も含む面内厚さを有することができる。さらに特定の実施形態では、カーボンナノ構造層は約５０ミクロンと約１００ミクロンの間、又は約１００ミクロンと約２００ミクロンの間、又は約２００ミクロンと約５００ミクロンの間、又は約５００ミクロンと約１ｍｍの間、又は約１ｍｍと約２ｍｍの間の範囲にある面内厚さを有することができる。
【００３１】
図２Ａは、複数のカーボンナノ構造体１２からカーボンナノ構造フレーク材料の形態で形成された例示的なカーボンナノ構造層１０の概略図を示す。簡単さを期して、図２Ａにはカーボンナノチューブが示されていない。以上で説明したように、カーボンナノ構造体１０内でカーボンナノ構造体１２間に隙間（voids）１４が存在し得る。カーボンナノ構造体１０は面内厚さ１６を有し得る。図２Ａに示すように、カーボンナノ構造層１０内のカーボンナノ構造体１２の少なくとも一部は、相互に垂直に堆積する。図２Ａは、３つのカーボンナノ構造体１２が相互に垂直に堆積して、カーボンナノ構造層１０を形成するように示されているが、これは例示目的のために提示された例示的な数字であることを認識されたい。
【００３２】
カーボンナノ構造層の各カーボンナノ構造体内で、カーボンナノチューブの少なくとも一部を相互に実質的に平行に配列させることができる。いかなる理論又はメカニズムにも拘束されず、本明細書で説明するカーボンナノ構造体成長条件で成長基材上にカーボンナノチューブを形成すると、その結果、成長基材表面からカーボンナノチューブの少なくとも大部分が実質的に垂直に成長できると考えられる。枝分かれ、架橋結合、及びカーボンナノチューブの壁の共有という構造的特徴は、成長基材からさらに離れたカーボンナノチューブ上での位置でより多く見られることがある。カーボンナノ構造体を成長基材から取り出した後、以下で説明するように、その中でカーボンナノチューブの実質的に平行な配列を維持することができ、その結果、カーボンナノ構造層内（すなわち、各カーボンナノ構造体内）でのカーボンナノチューブの少なくとも局所的な配列が存在する。カーボンナノ構造体を、そのカーボンナノチューブが相互に実質的に平行に配列された状態で得ることができるので、カーボンナノ構造体は、配列に関して、個々に分離したカーボンナノチューブよりも容易に取り扱うことができ、後者はカーボンナノチューブを相互に平行に配列させるためにさらなる処理をする必要な場合がある。以下でさらに説明するように、カーボンナノチューブをさらに長い範囲の平行な配列にすることも可能である。
【００３３】
平行に配列されているので、カーボンナノ構造層内のカーボンナノチューブの少なくとも一部は、幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造層内の実質的に同一面内で配列され得る。すなわち、カーボンナノ構造層内のカーボンナノ構造体の少なくとも一部内で実質的に平行に配列されたカーボンナノチューブは、カーボンナノ構造体の厚さを規定する面内に、それと平行に配列されて配置され得る。図２Ｂは、各カーボンナノ構造体内のカーボンナノチューブの面内配列を示した図２Ａのカーボンナノ構造層を示す。図２Ｃには、カーボンナノ構造層内のカーボンナノチューブの少なくとも一部を、カーボンナノ構造体の厚さを規定する面内に配置し、それと垂直に配列させることができる代替構成が提示されている。図２Ｃの構成は、長さがより短いカーボンナノ構造体でさらに容易に形成すされてもよい。図２Ｂは、カーボンナノチューブの同一面内での配列が存在するように配向されている各カーボンナノ構造体を示しているが、カーボンナノチューブ層内のすべてのカーボンナノチューブが平行に配列される必要はない。幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造層内の各カーボンナノ構造体を、その平行に配列されたカーボンナノチューブがカーボンナノ構造層内の実質的に同一面内で配列されるように配向させることができる。すなわち、このような実施形態では、各カーボンナノ構造体内のカーボンナノチューブが、カーボンナノ構造層内の実質的に同一面内で配列される。他の実施形態では、カーボンナノ構造層内のカーボンナノ構造体の一部のみが、その平行に配列されたカーボンナノチューブがカーボンナノ構造層内の実質的に同一面内で配列されるように配向される。
【００３４】
幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体は、カーボンナノ構造体を最初に形成したベースとなる成長基材から取り出した後、フレーク材料の形態とすることができる。本明細書で使用する「フレーク材料」という用語は、有限の寸法を有する離散粒子（a discrete particle）を指す。図３は、成長基材からカーボンナノ構造体を分離した後のカーボンナノ構造フレーク材料の例示的な描写を示す。フレーク構造１００は、その間の任意の値及びその任意の分数を含め、厚さ約１ｎｍ〜約３５μｍ、特に厚さ約１ｎｍ〜約５００ｎｍの範囲である第１の寸法１１０を有することができる。フレーク構造１００は、その間の任意の値及びその任意の分数を含め、高さ約１ミクロン〜約７５０ミクロンの範囲の第２の寸法１２０を有することができる。フレーク構造１００は、カーボンナノ構造体が最初に形成されるベースである成長基材の長さに基づいてのみサイズが制限される第３の寸法１３０を有することができる。例えば、幾つかの実施形態では、成長基材上でカーボンナノ構造体を成長させるプロセスを、スプール可能な寸法の繊維系材料のトウ又はロービング上で実行することができる。カーボンナノ構造体成長プロセスは連続的に行うことができ、カーボンナノ構造体は繊維のスプールの全長にわたって延在することができる。このように、幾つかの実施形態では、第３の寸法１３０を約１ｍ〜約１０，０００ｍの範囲の幅とすることができる。また、第３の寸法１３０は、カーボンナノ構造体を形成するベースである成長基材の軸線に沿って延びる寸法を表すので、非常に長くすることができる。第３の寸法１３０はまた、１ｍ未満の任意の所望の長さまで短くすることもできる。例えば幾つかの実施形態では、第３の寸法１３０を、言及した範囲の間の任意の量及びその任意の分数を含め、任意の所望の長さまで、約１ミクロン〜約１０ミクロン、又は約１０ミクロン〜約１００ミクロン、又は約１００ミクロン〜約５００ミクロン、又は約５００ミクロン〜約１ｃｍ、又は約１ｃｍ〜約１００ｃｍ、又は約１００ｃｍ〜約５００ｃｍ程度とすることができる。カーボンナノ構造体を形成するベースである成長基材は極めて大きくてもよいので、適切な成長基材上に連続層としてポリマー状形態のカーボンナノ構造体を形成することにより、例外的に高い分子量（molecular weight）のカーボンナノ構造体を生成することができる。
【００３５】
図３をさらに参照すると、フレーク構造１００は、その間のすべての値及びその任意の分数を含め、約１５，０００ｇ／モル〜約１５０，０００ｇ／モルの範囲の分子量を有するカーボンナノチューブポリマー（すなわち、「カーボンナノポリマー」）の形態で、カーボンナノチューブ１４０のウェブ状ネットワーク（a webbed network）を含むことができる。幾つかの実施形態では、分子量範囲の上限を、約２００，０００ｇ／モル、約５００，０００ｇ／モル、又は約１，０００，０００ｇ／モルなど、さらに高くすることができる。寸法が長いカーボンナノ構造体に伴って分子量が上昇し得る。様々な実施形態では、分子量を、カーボンナノ構造体中に存在する優勢なカーボンナノチューブの直径及びカーボンナノチューブの壁の数の関数とすることもできる。幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体は、約２モル／ｃｍ３〜約８０モル／ｃｍ３の範囲の架橋結合密度を有し得る。架橋結合密度を、成長基材の表面上のカーボンナノ構造体の成長密度、さらにカーボンナノ構造体の成長状態の関数とすることができる。
【００３６】
図４は、フレーク材料として得られる例示的なカーボンナノ構造体のＳＥＭ画像を示す。図４に示すカーボンナノ構造体は、高度に配列されたカーボンナノチューブの絡み合い及び架橋結合により、３次元微細構造として存在している。配列形態は、急速なカーボンナノチューブ成長状態（例えば、毎秒約２ミクロン〜毎秒約１０ミクロンなど、毎秒数ミクロン）における成長基材上でのカーボンナノチューブの形成を反映ししており、それにより成長基材からの実質的に垂直なカーボンナノチューブの成長が誘発される。いかなる理論又はメカニズムにも拘束されず、成長基材上でのカーボンナノチューブの急速な成長は、少なくとも部分的には、カーボンナノ構造体の複雑な構造形態に寄与し得ると考えられる。また、例えばカーボンナノチューブの成長を開始するために成長基材に配置される遷移金属ナノ粒子の触媒粒子の濃度を変更するなど、カーボンナノ構造体の成長状態を調節することによって、カーボンナノ構造体のかさ密度をある程度調節することができる。適切な遷移金属ナノ粒子触媒及びカーボンナノ構造体成長状態については、以下でさらに詳細に述べる。
【００３７】
様々な実施形態では、本明細書で説明するカーボンナノ構造層が上述した複数のカーボンナノ構造フレーク材料を含有することができる。このような実施形態では、カーボンナノ構造フレーク材料の少なくとも一部を相互に積み重ね、凝集させてカーボンナノ構造層を生成することができる。複数のカーボンナノ構造体を組み合わせてカーボンナノ構造層を形成し、高密度化させると、カーボンナノ構造層を、自立型一体構造（a freestanding monolithic structure）として分離するのに十分に強固なものにすることができる。すなわち、カーボンナノ構造体をカーボンナノ構造層中で相互に凝集させると、相互に分離する（例えば別個のカーボンナノ構造フレーク材料又は同様の微粒子が再形成される）傾向がなくなる。幾つかの実施形態では、複数のカーボンナノ構造体をファンデルワールス力などで相互に非共有結合的に保持することができる。幾つかの又は他の実施形態では、カーボンナノ構造層中の複数のカーボンナノ構造体の少なくとも一部を相互に共有結合させることができる。例えば、幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造層中のカーボンナノ構造体はすべて、カーボンナノ構造体を相互に共有結合させるポリマーに共有結合させることができる。しかしながら、他の実施形態では、カーボンナノ構造層には、カーボンナノ構造体を相互に結合させるポリマーがなくてもよい。幾つかのこのような実施形態では、小分子リンカー（a small molecule linker）を実質的に同じ方法で使用して、カーボンナノ構造体を相互に共有結合させることができる。カーボンナノ構造体が相互に非共有結合的に保持される実施形態にも、ポリマーがなくてもよい。
【００３８】
図５Ａ及び図５Ｂは、カーボンナノ構造フレーク材料から形成したカーボンナノ構造層の例示的なＳＥＭ画像を示す。カーボンナノ構造体に加えて、図５Ａ及び図５Ｂに示すカーボンナノ構造層は、複数のカーボンナノ構造体と混合された分解されたカーボンナノ構造体を含有する。分解されたカーボンナノ構造体は、溶媒中でカーボンナノ構造体を数分間音波処理することによって形成され得る。いかなる理論又はメカニズムにも拘束されず、カーボンナノ構造体の音波処理はカーボンナノ構造体内のカーボンナノチューブ間の架橋結合を破壊し、それにより架橋結合されていないが、それでも枝分かれ及び共通の壁の共有を含むカーボンナノチューブを残せると考えられる。幾つかの実施形態では、このようなカーボンナノチューブを、音波処理状態で相互にさらに剥離することができる。意外にも、本発明の発明者は、カーボンナノ構造層の形成中に、分解されたカーボンナノ構造体が「無傷（intact）」のカーボンナノ構造体と共析（co-deposited）させたとき、カーボンナノ構造層は、はるかに高い程度の構造的完全性を有し、それらの堆積表面からはるかに容易に取り出されることを発見した。さらに、高密度化を達成するためにカーボンナノ構造層をさらに圧縮する必要性も低下した。特にカーボンナノ構造層内に少なくとも１０重量％の分解されたカーボンナノ構造体が存在する実施形態では、上述の利点を特に実現することができる。分解されたカーボンナノ構造体の量が多くなると、カーボンナノ構造層に追加の機械的強化が提供されると考えられる。再度、いかなる理論又はメカニズムにも拘束されず、分解されたカーボンナノ構造体は、カーボンナノ構造層内の隣接するカーボンナノ構造体間に関するファンデルワールス力を増加させ、より強力にそれらを結合できると考えられる。
【００３９】
カーボンナノ構造層に取り入れるために分解されたカーボンナノ構造体を調製する例示的な音波処理プロセスは、以下の方法で実行することができる。最初に、複数のカーボンナノ構造体は溶媒中で混合され得る。例示的な溶媒には、例えば約１０％のアルコールから最大１００％までのアルコールを含有するアルコール溶媒が含まれる。特定のアルコールに制限されないと考えられ、例えばメタノール、エタノール及びイソプロパノールを含むことができる。他の溶媒も使用することができる。次に、音波処理を全出力で５分間実行することができる。例示的な実施形態では、音波処理の出力を約１００Ｗとすることができる。次に、分解されたカーボンナノ構造体に「無傷」のカーボンナノ構造体（例えばカーボンナノ構造フレーク材料）を添加することができ、次に本明細書で説明するようにカーボンナノ構造層を形成することができる。
【００４０】
本明細書で説明するカーボンナノ構造層を構成するカーボンナノ構造体中又はその上には、様々な添加剤も見られる。存在し得る添加剤には、カーボンナノチューブ上のコーティング、カーボンナノ構造体の間隙空間（interstitial space）の充填材料、遷移金属ナノ粒子、カーボンナノ構造体に付着されていない残留した成長基材（residual growth substrate）、及びそれらの任意の組み合わせが含まれるが、それに限定されない。幾つかの実施形態では、特定の添加剤は、カーボンナノ構造体の少なくとも一部にあるカーボンナノチューブの少なくとも一部に共有結合することができる。本明細書で説明する実施形態では、残留した成長基材はカーボンナノ構造体に共有結合しないと予想される。何故なら、以降で説明するように、カーボンナノ構造体は成長基材から回収されているからである。
【００４１】
カーボンナノ構造体をその成長基材から取り出す前、又は取り出した後、カーボンナノ構造体のカーボンナノチューブにコーティングを塗布することができる。カーボンナノ構造体をその成長基材から取り出す前にコーティングを塗布すると、例えば取り出しプロセス中にカーボンナノチューブを保護するか、又は取り出しプロセスを容易にすることができる。他の実施形態では、コーティングは、カーボンナノ構造体をその成長基材から取り出した後に、カーボンナノ構造体のカーボンナノチューブに塗布することができる。成長基材から取り出した後にカーボンナノ構造体のカーボンナノチューブにコーティングを塗布すると、カーボンナノ構造体の取扱い及び保存を容易にすることができるので望ましい。幾つかの実施形態では、カーボンナノチューブ上のコーティングは、カーボンナノ構造体を相互に凝集させカーボンナノ構造層を形成することを容易にすることができるので望ましい。
【００４２】
幾つかの実施形態では、コーティングはカーボンナノ構造体のカーボンナノチューブに共有結合することができる。幾つかの又は他の実施形態では、このようなコーティングを形成するために適切な反応性官能基を提供するように、カーボンナノ構造体をその成長基材から取り出す前、又は取り出した後にカーボンナノチューブを機能化（functionalized）することができる。カーボンナノ構造体のカーボンナノチューブを機能化する適切なプロセスは通常、個々に分離したカーボンナノチューブの機能化に使用できるプロセスと同様であり、当業者によく知られている。様々な実施形態では、カーボンナノ構造体のカーボンナノチューブを機能化するのに適切な技術には、例えばカーボンナノ構造体をＫＭｎＯ４、Ｈ２Ｏ２、ＨＮＯ３又はこれらの任意の組み合わせなどの酸化剤と反応させることが含まれる。他の実施形態では、コーティングはカーボンナノ構造体のカーボンナノチューブと非共有結合することができる。すなわち、このような実施形態では、コーティングをカーボンナノチューブ上に物理的に配置することができる。
【００４３】
幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体のカーボンナノチューブのコーティングは、ポリマーコーティングとすることができる。適切なポリマーコーティングは特に限定されないと考えられ、例えば、エポキシ、ポリエステル、ビニルエステルポリマー、ポリエーテルイミド、ポリエーテルケトンケトン、ポリフタルアミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、フェノールホルムアルデヒドポリマー、ビスマレイミドポリマー、ポリアクリロニトリル、アクリロニトリルブタジエンスチレンポリマー、ポリカーボネート、ポリエチレンイミン、ポリウレタン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリオレフィン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、エラストマー及びポリシロキサンなどのポリマーを含むことができる。当業者であれば、他のポリマーコーティングを想定することができる。幾つかの実施形態では、以上で概略的に説明したように、ポリマーコーティングをカーボンナノ構造体のカーボンナノチューブに共有結合することができる。このような実施形態では、その結果物としての複合体は、カーボンナノ構造体とポリマーコーティングのブロックコポリマー（a block copolymer）を含むことができる。他の実施形態では、ポリマーコーティングはカーボンナノ構造体のカーボンナノチューブに非共有結合することができる。ポリマーコーティングの形成については、以下でさらに説明する。
【００４４】
ポリマーコーティングに加えて、他のタイプのコーティングがあってもよい。他のタイプのコーティングには、例えば、金属コーティング及びセラミックコーティングが含まれる。
【００４５】
幾つかの又は他の実施形態では、少なくともカーボンナノ構造体の複数のカーボンナノチューブ間の間隙空間に（すなわち、カーボンナノ構造体の内部に）存在する充填剤又は他の添加材料があることがある。添加材料は単独で、又はカーボンナノ構造体のカーボンナノチューブ上のコーティングとの組み合わせで使用してもよい。コーティングと組み合わせて使用する場合、添加材料は、カーボンナノ構造体の間隙空間内に配置することに加えて、コーティング内のカーボンナノ構造体の外部にも配置することができる。添加材料をカーボンナノ構造体の間隙空間内に、又はカーボンナノ構造体の他の場所に導入した結果、カーボンナノ構造体の特性をさらに変更することができる。制限なく、カーボンナノ構造体中に添加材料を含めた結果、カーボンナノ構造体の密度、熱特性、分光学的特性、機械的強度などを変更することができる。個々に分離した、又は束状のカーボンナノチューブは、同様の方法で添加材料を担持することができないと考えられる。何故なら、ナノチューブの外部に添加材料を含有する永久的な間隙空間がないからである。カーボンナノチューブの内部には空の空間があるが、添加材料をその位置に配置することは非常に困難であるか、又は不可能であると考えられる。
【００４６】
幾つかの又は他の実施形態では、カーボンナノ構造体は複数の遷移金属ナノ粒子を含有することができ、ここで遷移金属ナノ粒子は、カーボンナノ構造体の合成に使用した触媒であることがある。幾つかの実施形態では、図７に示すように、遷移金属ナノ粒子を、成長基材へのその付着又は成長基材へのカーボンナノ構造体の付着を制限する抗付着コーティングでコーティングすることができる。適切な抗付着コーティングについては、以下でさらに詳細に説明する。様々な実施形態では、成長基材からカーボンナノ構造体及び遷移金属ナノ粒子を取り出すにときに、抗付着コーティングを遷移金属ナノ粒子とともに搬送することができる。他の実施形態では、カーボンナノ構造体に取り込まれる前に、又は取り込まれた後に、抗付着コーティングを遷移金属ナノ粒子から除去することができる。さらに他の実施形態では、遷移金属ナノ粒子を最初にカーボンナノ構造体に取り込み、その後に取り出すことができる。例えば、幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体を無機酸で処理することにより、遷移金属ナノ粒子の少なくとも一部をカーボンナノ構造体から取り出すことができる。
【００４７】
幾つかの又は他の実施形態では、本明細書で説明するカーボンナノ構造体は、カーボンナノ構造体に付着されていない成長基材を含有することができる。以下でさらに説明するように、最初に形成されるカーボンナノ構造体は、カーボンナノ構造体の取り出しプロセス中に生成されて破断した成長基材を含有することがある。幾つかの実施形態では、破断した成長基材がカーボンナノ構造体に残ることがある。他の実施形態では、以下でさらに詳細に説明するように、その後にカーボンナノ構造体から成長基材を除去することができる。
【００４８】
カーボンナノ構造体は、個々に分離されたカーボンナノチューブと比較して分散性が高いので、界面活性剤を使用せずに流体相に分散させることができることがある。したがって、幾つかの実施形態では、本明細書で説明するカーボンナノ構造層は界面活性剤を有していなくてもよい。
【００４９】
本明細書で説明するカーボンナノ構造層の非限定的使用には、例えば電極材料、集電器、フィルタ、及び機械的強化が望ましい構造的要素が含まれる。幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造層を使用して導電性強化を複合体材料に伝達することができる。複合体材料にとって適切なマトリックスには特に制限がないと考えられ、例えば、熱可塑性物質、熱硬化性樹脂、金属、合金、セラミック、及びその任意の組み合わせが含まれる。幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体をマトリックス材料に取り入れる前に細断することができる。幾つかの実施形態では、隣接するカーボンナノ構造層の間に基材又はマトリックスが存在するように、複数のカーボンナノ構造層を相互に積み重ねることができる。幾つかの又は他の実施形態では、カーボンナノ構造層をコーティング又は外皮として基材に堆積させることができる。
【００５０】
カーボンナノ構造層を形成する上記方法は、複数のカーボンナノ構造体を表面上に堆積させてカーボンナノ構造層を形成する作業を含むことができる。これに関しては、以下でさらに説明するように、幾つかの実施形態が想定される。
【００５１】
幾つかの実施形態では、本明細書でカーボンナノ構造層を形成する方法について説明する。該方法は、各カーボンナノ構造体に付着される成長基材のない複数のカーボンナノ構造体を提供することと、カーボンナノ構造体を表面に堆積させることによってカーボンナノ構造層を形成することとを含むことができる。カーボンナノ構造体それぞれは、枝分かれし、架橋結合され、相互に共通の壁を共有する、複数のカーボンナノチューブを含有し、各カーボンナノ構造体中のカーボンナノチューブの少なくとも一部は、相互に実質的に平行に配列されている。
【００５２】
本明細書で説明するカーボンナノ構造層を形成する方法は、従来のカーボンナノチューブマットを調製する技術のいずれかによって実行することができる。これに関して、カーボンナノ構造層を形成する適切な技術には、例えばカーボンナノ構造体の分散液の濾過、カーボンナノ構造体の電気泳動堆積、カーボンナノ構造体の層毎の堆積、インクジェット印刷、テープキャスティング、カーボンナノ構造体の分散液からの溶媒の気化などが含まれる。カーボンナノチューブマットの生成に使用されるものと同様の他の適切な技術が、当業者によって想定され得る。カーボンナノ構造層を形成する方法は、複数のカーボンナノ構造体を含有する流体媒体を濾過することを含むことが最も望ましい。
【００５３】
幾つかの実施形態では、本明細書で説明する方法はさらに、カーボンナノ構造層を形成する前に、カーボンナノ構造体を流体媒体中に分散させることを含むことができる。カーボンナノ構造体が分散する流体媒体には特に制限がないと考えられ、例えば水、アルコール、ケトン、塩素化炭化水素（例えばクロロホルム及びジクロロメタン）、トルエン、短鎖炭化水素（例えばｎ−ヘキサン）、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチルピロリドン、及びこれらの様々な混合物が含まれる。様々な実施形態では、カーボンナノ構造体は界面活性剤を使用せずに流体媒体中に分散させることができる。以上で説明したように、カーボンナノ構造体は、カーボンナノチューブよりも流体媒体中の分散性がはるかに高い。それは分子構造が全く異なることが原因である可能性が非常に高い。幾つかの実施形態では、上記方法はさらに、カーボンナノ構造体を含有する流体媒体を濾過して、カーボンナノ構造層をフィルタ上で回収することを含むことができる。
【００５４】
幾つかの実施形態では、本明細書で説明する方法はさらに、流体媒体から、分解されたカーボンナノ構造体を複数のカーボンナノ構造体と共析（co-depositing）させることを含むことができる。分解されたカーボンナノ構造体は、例えば一般に上述したように音波処理（sonication）によって調製され得る。幾つかの実施形態では、方法はさらに、溶媒中で複数のカーボンナノ構造体を音波処理して分解されたカーボンナノ構造体を形成することと、分解されたカーボンナノ構造体を流体媒体中で複数のカーボンナノ構造体と組み合わせることとを含むことができる。その後、分解されたカーボンナノ構造体と「無傷」のカーボンナノ構造体を使用して、カーボンナノ構造層を形成することができる。
【００５５】
幾つかの実施形態では、本明細書で説明する方法はさらに、成長基材上にカーボンナノ構造体を形成することと、成長基材からカーボンナノ構造体を取り出すこととを含むことができる。その後、以上で概説したように、複数のカーボンナノ構造体（例えばカーボンナノ構造フレーク材料の形態のもの）を加工して、カーボンナノ構造層を形成することができる。
【００５６】
幾つかの実施形態では、上記方法はさらに、以上で概略的に説明したように、カーボンナノ構造層中でカーボンナノ構造体の少なくとも一部を相互に共有結合させることを含むことができる。
【００５７】
次に、様々な技術で成長基材上にカーボンナノ構造体を生成し、その後に成長基材からカーボンナノ構造体を取り出すことについて、以下でさらに説明する。
【００５８】
幾つかの実施形態では、本明細書で説明するプロセスは、成長基材上にカーボンナノ構造体を調製し、カーボンナノ構造体の合成が完了したら１つ又は複数の措置によりカーボンナノ構造体を取り出すことを含むことができる。成長基材からカーボンナノ構造体を取り出す措置は、以下からなる群から選択される１つ又は複数の技術を含むことができる。すなわち、（ｉ）成長基材上に抗付着コーティングを設けること、（ｉｉ）カーボンナノ構造体の合成に使用する遷移金属ナノ粒子触媒上に抗付着コーティングを設けること、（ｉｉｉ）遷移金属ナノ粒子触媒に成長基材をエッチングする対向イオンを設け、それによって成長基材に対するカーボンナノ構造体の付着を弱めること、及び（ｉｖ）カーボンナノ構造体の合成が完了した後に、成長基材へのカーボンナノ構造体の付着を弱めるために、エッチング作業を実行することである。これらの技術の組み合わせを使用することもできる。これらの技術と組み合わせて、成長基材からのカーボンナノ構造体の取り出しに影響を与えるために、様々な流体剪断又は機械的剪断作業を実行することができる。
【００５９】
幾つかの実施形態では、本明細書で説明するプロセスは、成長基材からカーボンナノ構造体を取り出すことを含むことができる。幾つかの実施形態では、成長基材からカーボンナノ構造体を取り出すことは、高圧の液体又は気体を使用して成長基材からカーボンナノ構造を分離することと、成長基材に由来する汚染物質（例えば、断片化した成長基材）をカーボンナノ構造体から分離することと、フィルタ媒体を用いて、空気で又は液体媒体からカーボンナノ構造体を収集することと、フィルタ媒体からカーボンナノ構造体を分離することとを含むことができる。様々な実施形態では、成長基材に由来する汚染物質をカーボンナノ構造体から分離することは、サイクロンフィルタリング、密度分離、サイズに基づく分離、及びこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される技術によって実行することができる。以上のプロセスを以下でさらに詳細に説明する。
【００６０】
図６は、例示的なガラス又はセラミックの成長基材４１０を用いた例示的なカーボンナノ構造体の成長プロセス４００の流れ図を示す。ガラス又はセラミックの成長基材という選択肢は単に例示的であり、基材は例えば金属、有機ポリマー（例えばアラミド）、玄武岩繊維、又は炭素でもよいことを理解されたい。幾つかの実施形態では、成長基材はスプール可能な寸法の繊維材料とすることができ、それによって成長基材を第１の位置から第２の位置に搬送させながら、成長基材上でカーボンナノ構造体の形成を連続的に実行することができる。カーボンナノ構造体の成長プロセス４００では、繊維、トウ、糸、織物及び不織布、シート、テープ、ベルトなどのような様々な形態の成長基材を使用することができる。連続的合成の都合上、トウ及び糸が特に都合の良い繊維材料である。
【００６１】
図６をさらに参照すると、このような繊維材料は、作業４２０で繰り出しクリール（payout creel）から計り分け、作業４３０で任意選択のサイジング除去ステーションに送出することができる。サイジング除去は通常、繊維材料へのカーボンナノ構造体の導入程度を向上させるために、カーボンナノ構造体導入繊維材料の調製時に実行される。しかし、分離されたカーボンナノ構造体の調製時に、例えばサイジングが成長基材への遷移金属ナノ粒子触媒及び／又はカーボンナノ構造体の付着程度の低下を促進する場合は、サイジング除去作業４３０を省略し、それによってカーボンナノ構造体の取り出しを容易に行うことができる。繊維基材に関連する多くのサイジング組成物は、主に耐摩耗効果を提供するが、通常は繊維表面への非常に優れた付着性を示さない結合剤及びカップリング剤を含むことができる。このように、サイジングが存在する状態で成長基材上にカーボンナノ構造体を形成すると、幾つかの実施形態では実際にその後のカーボンナノ構造体の分離を促進することができる。この理由で、幾つかの実施形態ではサイジング除去作業４３０を省略することが有利なことがある。
【００６２】
幾つかの実施形態では、作業４４０で追加のコーティングを施すことができる。作業４４０で施すことができる追加のコーティングには、例えば成長基材への触媒及び／又はカーボンナノ構造体の付着を低下させることができるコロイド状セラミック、ガラス、シラン、又はシロキサンが含まれる。幾つかの実施形態では、サイジングと追加のコーティングとの組み合わせにより、成長基材からのカーボンナノ構造体の取り出しを促進することができる抗付着コーティングを提供することができる。幾つかの実施形態では、サイジングのみで、以上で説明したような成長基材からのカーボンナノ構造体の取り出しを容易にするのに十分な抗付着特性を提供することができる。幾つかの実施形態では、作業４４０で提供された追加のコーティングのみで、成長基材からのカーボンナノ構造体の取り出しを容易にするのに十分な抗付着特性を提供することができる。さらなる実施形態では、サイジングも追加のコーティングも、単独でも組み合わせても、カーボンナノ構造体の取り出しを容易にするのに十分な抗付着特性は提供されない。このような実施形態では、成長基材上のカーボンナノ構造体の成長を促進するために使用される遷移金属ナノ粒子を確実に選択することによって、成長基材へのカーボンナノ構造体の付着低下を達成することができる。詳細には、幾つかのこのような実施形態では、作業４５０はその低い付着特性のために触媒を特に選択して使用することができる。
【００６３】
図６をさらに参照すると、任意選択のサイジング除去作業４３０及び任意選択的なコーティング作業４４０の後、作業４５０で触媒を成長基材に塗布し、作業４６０で細孔ＣＶＤプロセス（a small cavity CVD process）によりカーボンナノ構造体の成長に影響を与える。作業４７０に示すように、その結果物であるカーボンナノ構造体導入成長基材（すなわち、カーボンナノ構造体導入繊維材料）を、保存して、その後にカーボンナノ構造体を取り出すために巻き取るか、又は即座にハーベスタ（harvester）を使用するカーボンナノ構造体分離プロセスに投入することができる。
【００６４】
幾つかの実施形態では、成長基材を変質させて、そこからのカーボンナノ構造体の取り出しを促進することができる。幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体の生成に使用する成長基材を変質させて、成長基材へのカーボンナノ構造体の付着を制限する抗付着コーティングを含むことができる。抗付着コーティングは、市販用に成長基材に塗布されているサイジングを含むことができるか、又は抗付着コーティングを成長基材の受け入れ後に施すことができる。幾つかの実施形態では、抗付着コーティングを施す前に、サイジングを成長基材から除去することができる。他の実施形態では、サイジングが存在する成長基材にサイジングを施すことができる。
【００６５】
幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体は、以下で概略するように、複数の遷移金属ナノ粒子を含む触媒から成長基材上で成長することができる。幾つかの実施形態では、成長基材上に触媒を塗布する１つのモードを、液体又はコロイド状前駆物質による蒸着を使用した直接的な触媒塗布などの粒子吸着を介して実行することができる。適切な遷移金属ナノ粒子触媒には、ｄ−ブロック遷移金属又はｄ−ブロック遷移金属塩が含まれる。幾つかの実施形態では、遷移金属塩を、熱処理せずに成長基材に塗布することができる。他の実施形態では、遷移金属塩を、熱処理により成長基材上でゼロ価遷移金属に転換することができる。
【００６６】
幾つかの実施形態では、遷移金属ナノ粒子を、成長基材への付着を制限する抗付着コーティングでコーティングすることができる。以上で説明したように、抗付着コーティングで遷移金属ナノ粒子をコーティングすると、カーボンナノ構造体の合成後に成長基材からのカーボンナノ構造体の取り出しを促進することもできる。遷移金属ナノ粒子をコーティングすることと組み合わせて使用するのに適切な抗付着コーティングは、成長基材のコーティングに使用するものと同じ抗付着コーティングを含むことができる。図７は、抗付着層でコーティングした遷移金属ナノ粒子の例示的な概略図を示す。図７に示すように、コーティングした触媒５００は、抗付着層５２０のオーバコートを施したコア触媒粒子５１０を含むことができる。幾つかの実施形態では、ナノ粒子の周囲の外層がナノ粒子への成長基材の付着を促進するが、ナノ粒子へのカーボンナノ構造体の付着は抑制され、それによって成長基材へのカーボンナノ構造体の付着を制限するコロイド状ナノ粒子溶液を使用することができる。
【００６７】
図８は、成長基材からカーボンナノ構造体を分離する例示的なプロセスの流れ図を示す。図８に示すように、プロセス６００は、作業６１０でカーボンナノ構造体導入繊維を提供することから開始する。その上でカーボンナノ構造体が成長した非繊維質成長基材も同様の方法で使用することができる。作業６２０では、繊維材料からのカーボンナノ構造体の取り出しを遂行するために、気体又は液体を使用して流体剪断を実行することができる。幾つかのケースでは、流体剪断の結果、繊維材料の少なくとも一部がバルク繊維から自由になり、遊離カーボンナノ構造体と混合するが、付着はしない。必要に応じて、作業６３０では、付着されていない繊維材料の断片を除去するために、自由になったカーボンナノ構造体をサイクロン／媒体濾過にかけることができる。密度又はサイズに基づく分離技術を使用して、付着されていない繊維材料からのカーボンナノ構造体の分離を実行することもできる。気体剪断の場合、作業６４５でカーボンナノ構造体をフィルタ媒体上に乾燥形態で収集することができる。作業６４５で収集した結果物である乾燥フレーク材料は、図８でさらに概説するように、任意選択のさらなる化学的又は熱的精製にかけることができる。液体剪断の場合、作業６４０で液体を収集することができ、作業６５０で液体からのカーボンナノ構造体の分離を実行し、最終的に作業６６０で乾燥フレーク材料を生成することができる。作業６６０で分離されたカーボンナノ構造フレーク材料は、作業６４５で生成されたものと同様となり得る。作業６６０でカーボンナノ構造フレーク材料を分離した後、これを作業６９５で梱包及び／又は保存するための準備を整えることができる。気体剪断を使用してカーボンナノ構造体を取り出すプロセスでは、作業６４５でカーボンナノ構造体を乾燥状態でフィルタに収集することができる。作業６９５で梱包及び／又は保存する前に、いずれかの剪断技術で形成した未加工生成物を、作業６７０で任意選択の化学的及び／又は熱的精製にかけることができる。これらの精製プロセスは、従来のカーボンナノチューブの精製時に実行されるプロセスと同様でよい。例えば、作業６７０で実行される精製は、例えば液体臭素で処理するなど、カーボンナノ構造体の成長に作用する触媒の除去を含むことができる。当業者は他の精製技術を想定することができる。
【００６８】
図８をさらに参照すると、いずれかの剪断技術によって生成されたカーボンナノ構造体を、作業６８０で切断又は膨らませ加工（fluffing）によってさらに処理することができる。このような切断及び膨らませ加工は、機械的ボールミル粉砕、研削、混合、化学的プロセス、又はこれらの任意の組み合わせを含むことができる。さらに任意選択で、作業６９０でカーボンナノチューブを変質又は機能化するのに典型的な任意の技術を使用して、カーボンナノ構造体をさらに機能化することができる。作業６９０の適切な機能化技術は、例えばプラズマ処理、化学的エッチングなどを含むことができる。この方法でカーボンナノ構造体を機能化すると、さらなる改質に使用することができる化学的官能基のハンドル（handle）を生成することができる。例えば、幾つかの実施形態では、化学的エッチングを使用して、カーボンナノ構造体上にカルボン酸基を形成することができ、これは例えば複合材料のマトリックス材料などを含む任意の数のさらなる要素との共有結合をもたらすことができる。これに関して、機能化されたカーボンナノ構造体は、複合マトリックスの優れた強化材料を提供することができる。何故なら、全次元方向で複合マトリックス材料との共有結合のための複数の部位を提供することができるからである。
【００６９】
複合材料のマトリックスに対するカーボンナノ構造体の共有結合を容易にすることに加えて、カーボンナノ構造体の機能化は、他の基のカーボンナノ構造体との共有結合も可能にすることができる。幾つかの実施形態では、合成又はバイオポリマーなどの他の共有結合要素へのアクセスは、後処理のカーボンナノ構造体の機能化によって生成された官能基のハンドルを介して実現することができる。例えば、カーボンナノ構造体を（例えば、カーボンナノ構造体上のカルボン酸基から形成されたエステル結合を通して）ポリエチレングリコールに結合して、ＰＥＧ化カーボンナノ構造体を提供することができる。これはカーボンナノ構造体に改良された水溶性を与えることができる。幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体は生体分子に共有結合するプラットフォーム（a platform）を提供し、バイオセンサの製造を容易にすることができる。これに関して、カーボンナノ構造体は、個々に分離されたカーボンナノチューブを使用する他のカーボンナノチューブ系バイオセンサよりも、又は従来のカーボンナノチューブのフォレストによりも、検出感度を強化した改良型の電気的浸透通路（electrical percolation pathway）を提供することができる。センサを開発するために関係する生体分子は、例えばペプチド、タンパク質、酵素、炭水化物、糖タンパク質、ＤＮＡ、ＲＮＡなどを含むことができる。
【００７０】
図９は、図８で示したプロセスをさらに詳述する例示的な概略図を示す。図９のプロセス７００に示すように、単一又は複数のスプールのカーボンナノ構造体担持繊維型基材を、作業７１０で繰り出し及び巻き取りシステムを使用して取り出しチャンバ７１２に供給する。繊維型基材からのカーボンナノ構造体の取り出しを、作業７２０でエアナイフ又はエアノズルなどの単一又は幾つかの加圧空気源ツール７１４で実行することができる。このような空気源ツールは、一般にスプールに対して直角に配置することができ、次にカーボンナノ構造体を担持する繊維型基材に空気を向けることができる。幾つかの実施形態では、空気源ツールは固定式でよいが、他の実施形態では、空気源ツールは可動式としてもよい。空気源ツールが可動式である実施形態では、繊維型基材の表面に対して往復移動し、取り出しの効率を改善するように構成することができる。空気が衝突すると、繊維トウ及び他の束状の繊維型基材が広がり、それによって機械的接触を有利に回避しながら、基材上の追加の表面積を露出させ、カーボンナノ構造体の取り出しを改善することができる。幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体の合成及び取り出しの連続的サイクルで基材をリサイクルできるように、基材の完全性を十分なものにすることができる。このように、幾つかの実施形態では、基材は、ベルト又はループの形態とすることができ、ここではカーボンナノ構造体を基材上で合成し、その後に下流で取り出して、次に元のカーボンナノ構造体を取り出した位置で新しいカーボンナノ構造体を追加で成長させるためにリサイクルされる。幾つかの実施形態では、元のカーボンナノ構造体を取り出した結果、カーボンナノ構造体の取り出しを容易にした表面処理が除去されることがある。このように、幾つかの実施形態では、元のカーボンナノ構造体を取り出した後に、本明細書で説明した表面改質技術に従って概略的に実行されるように、基材を再び改質し、新しいカーボンナノ構造体の取り出しを促進することができる。元のカーボンナノ構造体を取り出した後に基材上で実行する表面処理は、元の表面処理と同じか、又は異なってよい。
【００７１】
幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体の取り出し中に基材の完全性が損なわれることがあり、もはやカーボンナノ構造体に付着されていない基材の少なくとも一部が、カーボン菜の構造体と混合されることがある。図９をさらに参照すると、分離されたカーボンナノ構造体と混合している断片化した基材を、作業７３０で除去することができる。図９では、作業７３０はサイクロン濾過で実行されるように描かれているが、任意の適切な固体分離技術を使用することができる。例えば、幾つかの実施形態では、篩い分け（sieving）、不等沈下（differential settling）、又はその他の大きさの違いに基づく分離を実行することができる。他の実施形態では、密度による分離を実行することができる。さらに他の実施形態では、少なくとも部分的に化学反応を使用し、カーボンナノ構造体に付着されていない成長基材からのカーボンナノ構造体の分離を実行することができる。図９は、単一のサイクロン濾過を描いているが、複数の真空及びサイクロン濾過技術を直列、並列、又はこれらの任意の組み合わせで使用し、カーボンナノ構造体から残留する断片化した成長基材を除去することができる。このような技術は、複数の段階のフィルタ媒体及び／又は濾過速度を使用して、断片化した成長基材を選択的に捕捉しながら、カーボンナノ構造体を収集容器（a collection vessel）へと送ることができる。その結果物であるカーボンナノ構造体を、作業７４０において乾燥状態で収集するか、又は作業７５０で湿潤スラッジとして収集することができる。幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体を、作業７３０で断片化した成長基材を取り出した直後に処理し、梱包作業７６０で保存容器又は輸送可能な容器に梱包することができる。そうでない場合、梱包を乾燥状態の収集作業７４０又は湿式収集作業７５０の後に実行することができる。
【００７２】
湿式処理を使用する実施形態では、カーボンナノ構造体を、約１％〜約４０％の溶媒を含有する溶液と混合し、フィルタ又は同様の分離機構を通過させて、カーボンナノ構造体を溶媒から分離することができる。その結果物である分離されたカーボンナノ構造体を乾燥させ、流体相中の分散物として「湿潤」状態でパッケージング又は保存することができる。個々に分離されたカーボンナノチューブ溶液又は分散物とは異なり、カーボンナノ構造体は安定した分散物を形成できるので有利であることが観察されている。幾つかの実施形態では、溶媒として水がある場合でも、安定化のための界面活性剤が存在しない状態で安定した分散を達成することができる。幾つか又は他の実施形態では、湿式処理中に水と組み合わせて溶媒を使用することができる。湿式処理と組み合わせて使用するのに適切な溶媒には、イソプロパノール（ＩＰＡ）、エタノール、メタノール、及び水が含まれるが、これらに限定されない。
【００７３】
流体剪断の代替法として、幾つかの実施形態では、機械的剪断を使用して成長基材からカーボンナノ構造体を取り出すことができる。図１０は、カーボンナノ構造体及び遷移金属ナノ粒子触媒を成長基材から取り出すために機械的剪断がどのように使用され得るかを説明する例示的な概略図を示す。図１０に示すように、カーボンナノ構造体取り出しプロセス８００は、機械的剪断力８１０を使用して、カーボンナノ構造体及び遷移金属ナノ粒子触媒の両方を成長基材８３０から一体の要素８２０として取り出すことができる。幾つかのこのような実施形態では、サイジング及び／又は追加の抗付着コーティングを使用して、成長基材へのカーボンナノ構造体及び／又はナノ粒子の付着を制限し、それによって成長基材からのカーボンナノ構造体の機械的剪断又は他のタイプの剪断力による取り出しを容易にするすることができる。幾つかの実施形態では、機械的剪断は、カーボンナノ構造体導入繊維をドライアイスで研削することによって実現され得る。
【００７４】
流体剪断の別の代替法として、幾つかの実施形態では、音波処理（sonication）を使用して成長基材からカーボンナノ構造体を取り出すことができる。
【００７５】
幾つかの実施形態では、遷移金属ナノ粒子触媒を実質的に取り出さずに、カーボンナノ構造体を成長基材から取り出すことができる。図１１は、成長基材から遷移金属ナノ粒子触媒がないカーボンナノ構造体を分離することができるカーボンナノ構造体取り出しプロセス９００を示す例示的な概略図を示す。図１１に示すように、カーボンナノ構造体９４０を、導入した遷移金属ナノ粒子触媒９１０を使用して成長基材９２０上に成長させることができる。その後、カーボンナノ構造体９４０の剪断取り出し９３０により、成長基材９２０上に遷移金属ナノ粒子触媒９１０が残る。幾つかのこのような実施形態では、層状の触媒が基材表面への付着を促進しながら、ナノ粒子に対するカーボンナノ構造体の付着を抑制することができる。
【００７６】
図１０及び図１１は、触媒からの基部成長（basal growth）により生じたものとしてカーボンナノ構造体の成長を描いてきたが、カーボンナノ構造体の成長の他の機械的形態が可能であることが当業者に認識されるであろう。例えば、カーボンナノ構造体の成長は、触媒がカーボンナノ構造体の表面上で成長基材から遠位側にある（すなわち、先端成長（tip growth））、又は先端成長と基部成長との間であるように生じ得る。幾つかの実施形態では、成長基材からのカーボンナノ構造体の取り出しの容易化のために、主に基部成長を選択することができる。
【００７７】
代替の実施形態では、成長基材からのカーボンナノ構造体の取り出しを、流体剪断又は機械的剪断以外のプロセスで実行することができる。幾つかの実施形態では、化学的エッチングを使用して、成長基材からカーボンナノ構造体を取り出すことができる。幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体の成長を促進するために使用される遷移金属ナノ粒子触媒として、陰イオンを含有する遷移金属塩を選択することができ、それにより、成長基材をエッチングし、カーボンナノ構造体の取り出しを容易にすることができる。適切なエッチング用陰イオンには、例えば塩化物、硫酸塩、硝酸塩、亜硝酸塩、及びフッ化物が含まれる。幾つかの又は他の実施形態では、化学的エッチングは触媒の選択とは別個に使用することができる。例えば、ガラス基材を使用する場合、フッ化水素のエッチングを使用して、基材へのカーボンナノ構造体及び／又は遷移金属ナノ粒子触媒の付着を弱めることができる。
【００７８】
本明細書で開示するカーボンナノ構造体は、複雑な構造形態を有するネットワーク中にカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を含み、これについては以上でさらに詳細に説明している。いかなる理論又はメカニズムにも拘束されるものではないが、この複雑な構造形態は、毎秒数ミクロン程度の急速な成長速度を生成するＣＮＴ成長条件で、基材上にカーボンナノ構造体を調製したことに由来するものと考えられる。急速なＣＮＴの成長速度は、ＣＮＴが相互に非常に近接していることと組み合わされて、観察された枝分かれ、架橋結合、及び共有された壁のモチーフをＣＮＴに与えることがある。以下の説明で、繊維基材に結合したカーボンナノ構造体の生成技術について説明する。簡略化を期して、その説明は、ＣＮＴと区別なく基材に配置されたカーボンナノ構造体について言及することがある。何故なら、ＣＮＴがカーボンナノ構造体の主要な構造的構成要素であるからである。
【００７９】
幾つかの実施形態では、本明細書で開示するプロセスは、典型的なサイジング溶液を繊維材料に塗布する前に、又は塗布する代わりに、新たに生成された発生期の繊維材料に適用することができる。あるいは、本明細書で開示するプロセスでは、既に表面にサイジングが施された市販の繊維材料、例えばトウを使用することができる。このような実施形態では、サイジングを除去して、繊維材料と、合成されたカーボンナノ構造体との間に直接的な界面を提供することができるが、遷移金属ナノ粒子触媒が２つの間の中間リンカー（an intermediate linker）として機能することができる。カーボンナノ構造体の合成後、所望に応じて別のサイジング剤を繊維材料に塗布することができる。カーボンナノ構造体の分離を目的として、上述したサイジング又はコーティングのいずれかを使用して、分離プロセスを容易にすることができる。カーボンナノ構造体を形成するために適した同等な基材には、テープ、シート、さらには成形したカーボンナノ構造体製品を提供するために使用できる３次元の形態が含まれる。本明細書で説明するプロセスによって、トウ、テープ、織物及び他の３Ｄ織物構造のスプール可能な長さに沿って均一な長さ及び分布を有するカーボンナノ構造体ネットワークを構成するＣＮＴを連続的に生成することができる。
【００８０】
本明細書で使用する「繊維材料」という用語は、基本的構造成分として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、糸、トウ、トウ、テープ、織物及び不織布、プライ、マットなどを包含する。
【００８１】
本明細書で使用する「スプール可能な寸法（spoolable dimensions）」という用語は、少なくとも１次元の長さが制限されず、材料がスプール（a spool）又はマンドレル上で保存できるようになった繊維材料を指す。本明細書で説明するプロセスは、５〜２０ポンドのスプールで容易に作業することができるが、これより大きいスプールも使用可能である。さらに、例えば１００ポンド以上の非常に大きいスプール可能な長さを、２つの５０ポンドのスプールのように取り扱いやすい寸法に分割する前処理作業を組み込むことができる。
【００８２】
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、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）、２層カーボンナノチューブ（ＤＷＮＴ）、多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）など、フラーレンファミリーのカーボンの任意の数の円筒形同素体を指す。ＣＮＴは、フラーレン様構造で蓋をするか、開放端とすることができる。ＣＮＴには、他の材料を封入するものが含まれる。ＣＮＴは、枝分かれしたネットワーク、絡み合ったネットワーク、及びその組み合わせのような外観を有することがある。カーボンナノ構造体内で基材上に調製されるＣＮＴは、ＭＷＮＴ、ＳＷＮＴ又はＤＷＮＴのみからなる個別的ＣＮＴモチーフを含むことができるか、又はカーボンナノ構造体はＣＮＴのこれらのモチーフの混合物を含むことができる。
【００８３】
本明細書で使用する「長さが均一」とは、カーボンナノ構造体を生成する反応器内で成長したＣＮＴの平均長さを指す。「均一な長さ」とは、ＣＮＴの長さが約１ミクロン〜約５００ミクロンの範囲内である場合、ＣＮＴの長さの公差がＣＮＴ全長のプラスマイナス約２０％以内であるという意味である。１〜４ミクロンなどの非常に短い長さでは、この誤差はＣＮＴ全長の約±２０％〜約±１ミクロン、すなわち、ＣＮＴ全長の約２０％を多少超えた値までの間の範囲に入る。カーボンナノ構造体においては、カーボンナノ構造体の少なくとも１つの寸法を、ＣＮＴ成長の長さによって制御することができる。
【００８４】
本明細書で使用する「分布が均一」は、繊維材料など、成長基材上のＣＮＴの密度の一貫性を指す。「均一な分布」とは、ＣＮＴが繊維材料上での密度が、ＣＮＴによって覆われた繊維の表面積の百分率として定義される被覆率でプラスマイナス約１０％の公差であるという意味である。これは、直径８ｎｍの５層のＣＮＴでは、ＣＮＴが±１５００個／μｍ２と同等である。このような数字は、ＣＮＴ内の空間が充填可能であると仮定している。
【００８５】
本明細書で使用する「遷移金属」という用語は、周期表のｄ−ブロックにある任意の元素又は元素の合金を指す。「遷移金属」という用語は、酸化物、炭化物、窒化物などの塩基性遷移金属元素の塩の形態も含む。
【００８６】
本明細書で使用する「ナノ粒子」又はＮＰ、又はその文法的に同等な用語は、同等の球形の直径が約０．１〜約１００ナノメートルの間のサイズである粒子を指すが、ＮＰは球形の形状である必要はない。特に、遷移金属ＮＰは繊維材料上でＣＮＴが成長する触媒として機能することができる。
【００８７】
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、繊維の完全性を保護し、複合体中の繊維とマトリックス材料との間に強化された界面相互作用を提供し、及び／又は繊維の特定の物理的特性を変更及び／又は強化するために、コーティングとして繊維の製造に使用される材料を一括して指す。
【００８８】
本明細書で使用する「材料滞留時間」という用語は、本明細書で説明するＣＮＳプロセス中に、スプール可能な寸法の繊維材料に沿った不連続点がＣＮＴ成長状態に曝露される時間の量を指す。この定義は、複数のＣＮＴ成長チャンバを使用する場合の滞留時間を含む。
【００８９】
本明細書で使用する「ライン速度」という用語は、本明細書で説明するＣＮＴ合成プロセスを通してスプール可能な寸法の繊維材料を供給する速度を指し、ライン速度は、ＣＮＴチャンバの長さを材料の滞留時間で割ることによって求められる速度である。
【００９０】
幾つかの実施形態では、ＣＮＴ担持（CNT-laden）繊維材料は、スプール可能な寸法の繊維材料、及び繊維材料上で成長したカーボンナノ構造体の形態のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を含む。
【００９１】
いかなる理論又はメカニズムにも拘束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ってＣＮＴ成長に触媒作用を及ぼすことができる。一実施形態では、ＣＮＴ形成触媒は、繊維材料の基部に留まることができる（すなわち、基部成長）。このようなケースでは、遷移金属ナノ粒子触媒によって最初に形成されるシード構造は、触媒なしにシードからＣＮＴが連続的に成長するのに十分で、触媒がＣＮＴ成長の先端に沿って移動（すなわち、先端成長）することはない。このようなケースでは、ＮＰは繊維材料へのＣＮＳの取付点として機能する。
【００９２】
ＣＮＴの長さが実質的に一定であるＣＮＳ担持繊維材料を有する組成物が提供される。本明細書で説明する連続的プロセスでは、ＣＮＴ成長チャンバ内の繊維材料の滞留時間を調節して、ＣＮＴの成長、及び最終的にはＣＮＴ及びＣＮＳの長さを制御することができる。これらの特徴は、成長するＣＮＴの特定の特性、したがってＣＮＳの特性を制御する手段を提供する。ＣＮＴの長さは、炭素の原料及びキャリアガスの流量及び反応温度を調節することによっても制御され得る。例えばＣＮＴの調製に使用される触媒のサイズなどを調節することによって、ＣＮＴ特性の追加の制御を達成することができる。例えば、１ｎｍの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。より大きな触媒を使用して、主にＭＷＮＴを調製することができる。
【００９３】
また、使用されるＣＮＴ成長プロセスは、予め形成されたＣＮＴが溶媒媒体中に懸濁又は分散し、手作業で繊維材料に塗布されるプロセスで生じることがあるＣＮＴの束化及び／又は凝集を回避しながら、均一に分布したＣＮＴをＣＮＳ担持繊維材料に提供するのに有用である。幾つかの実施形態では、被覆率、すなわち、覆われる繊維材料の表面積として表される最大分布密度を、直径８ｎｍの５層のＣＮＴと仮定して、約５５％という高さとしてもよい。この被覆率は、ＣＮＴ内部の空間を「充填可能」空間と見なすことによって計算することができる。表面上の触媒分散を変化させ、さらに気体組成及びプロセス速度を制御することによって、様々な分布／密度値を達成することができる。通常、所与のパラメータのセットでは、繊維表面全体で約１０％以内の被覆率が達成され得る。機械的特性を改善するには、密度を高くし、ＣＮＴを短くする（例えば長さ約１００ミクロン未満）ことが有用なことがある一方、熱的及び電気的特性を改善するには、ＣＮＴを長くし（例えば長さ約１００ミクロン超）、密度を低くすることが有用なことがあるが、それでも密度を高くすることが好ましいことがある。ＣＮＴを長く成長させると、その結果、密度が低下することがある。これは、高い温度及び迅速な成長により、触媒粒子の歩留まり（yields）を低下させた結果である場合がある。
【００９４】
ＣＮＳ担持繊維材料は、フィラメント、繊維糸、繊維トウ、繊維ひも（braid）、織物、不織繊維マット、繊維プライ、及び他の３Ｄ織物構造のような繊維材料を含むことができる。フィラメントは、約１ミクロン〜約１００ミクロンの間のサイズ範囲の直径を有する高アスペクト比の繊維を含む。繊維トウは通常、密に結合したフィラメントの束であり、通常は相互に捻って糸にする。
【００９５】
糸（yarn）は、捻ったフィラメントの密に結合した束を含む。糸中の各フィラメントの直径は比較的均一である。糸は、様々な重量を有し、１０００リニアメートルのグラム単位の重量で表される「テックス」、又は１０，０００ヤードのポンド単位の重量で表されるデニールで記述され、典型的なテックス範囲は一般的に、約２００テックスと約２０００テックスの間である。
【００９６】
トウ（tow）は、捻れていないフィラメントの緩く結合した束を含む。糸の場合と同様に、トウのフィラメント直径は、通常、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テックスと約２０００テックスの間である。これはトウ中のフィラメントの千本単位の数で特徴付けられることが多く、例えば１２Ｋトウ、２４Ｋトウ、４８Ｋトウなどである。
【００９７】
テープは、織物として組み立てられるか、又は平らにした不織トウとすることができる材料である。テープの幅は変化させることができ、通常はリボンと同様の両面構造である。ＣＮＴ導入（infusion）を、テープの片側又は両側で実行することができる。ＣＮＳ担持テープは、平坦な基材表面上の「カーペット」又は「フォレスト（forest）」のように見えることがある。しかし、ＣＮＳの方がＣＮＳの構造的形態中に生じる枝分かれ及び架橋結合の程度がはるかに高いので、従来の配列されたＣＮＴフォレストから容易に区別することができる。この場合も、本明細書で説明するプロセスを連続モードで実行してテープのスプールを機能化することができる。
【００９８】
繊維ひもは、密に集めた繊維のロープ様の構造体を表す。このような構造は、例えば糸から組み立てることができる。ひも構造は中空部分を含むことができ、又はひも構造は別のコア材料の周囲に組み立てることができる。
【００９９】
ＣＮＴは、機械的強度、低レベルから中位の電気抵抗、高い伝熱性などの特徴的特性をＣＮＳ担持繊維材料に与える。例えば、幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体担持繊維材料の電気抵抗は、元の繊維材料の電気抵抗より低い。同様に、このような特性を分離されたＣＮＳに伝えることができる。さらに一般的には、結果物であるＣＮＳ担持繊維がこれらの特徴を表す程度を、カーボンナノチューブによる繊維の被覆率の程度及び密度の関数とすることができる。直径８ｎｍの５層ＭＷＮＴと仮定して、繊維の０〜５５％まで、繊維表面積の任意の量を覆うことができる（この場合も、この計算はＣＮＴの内部空間を充填可能と見なす）。この数字は、ＣＮＴの直径が小さくなるにつれて小さくなり、ＣＮＴの直径が大きくなるにつれて大きくなる。５５％の表面積被覆率はＣＮＴ約１５，０００個／ミクロン２と同等である。上述したように、ＣＮＴの長さに応じた方法で、さらなるＣＮＴの特性を繊維材料に与えることができる。カーボンナノ構造体中の複数のＣＮＴは、長さが約１ミクロン〜約５００ミクロンの間で変動することができ、これには、約１ミクロン、約２ミクロン、約３ミクロン、約４ミクロン、約５ミクロン、約６ミクロン、約７ミクロン、約８ミクロン、約９ミクロン、約１０ミクロン、約１５ミクロン、約２０ミクロン、約２５ミクロン、約３０ミクロン、約３５ミクロン、約４０ミクロン、約４５ミクロン、約５０ミクロン、約６０ミクロン、約７０ミクロン、約８０ミクロン、約９０ミクロン、約１００ミクロン、約１５０ミクロン、約２００ミクロン、約２５０ミクロン、約３００ミクロン、約３５０ミクロン、約４００ミクロン、約４５０ミクロン、約５００ミクロン、及びその間のすべての値及び部分範囲が含まれる。ＣＮＴは、例えば約０．５ミクロンなど、長さ約１ミクロン未満でもよい。ＣＮＴは、５００ミクロンを超えてもよく、例えば約５１０ミクロン、約５２０ミクロン、約５５０ミクロン、約６００ミクロン、約７００ミクロン、及びその間をすべての値及び部分範囲が含まれる。このような長さは、架橋結合及び枝分かれの存在に対応し、したがってこの長さを、成長基材の基部からＣＮＳの先端までを測定した複合長さとすることができるということは理解されるだろう。
【０１００】
本明細書で説明するＣＮＳは、約１ミクロン〜約１０ミクロンの長さを有するＣＮＴを組み込むことができる。このようなＣＮＴの長さは、剪断強度を向上させる用途に有用となり得る。ＣＮＴは、約５〜約７０ミクロンの長さも有することができる。このようなＣＮＴの長さは、ＣＮＴが繊維方向に配列された場合に、引っ張り強度を向上させる用途に有用となり得る。ＣＮＴは、約１０ミクロン〜約１００ミクロンの長さも有することができる。このようなＣＮＴの長さは、電気的／熱的特性、さらに機械的特性を向上させるのに有用となり得る。約１００ミクロン〜約５００ミクロンの長さを有するＣＮＴも電気的及び熱的特性の向上に有利となり得る。このようなＣＮＴの長さの制御は、ライン速度及び成長温度を調節するとともに、炭素原料及び不活性ガスの流量を調節することによって容易に達成される。
【０１０１】
幾つかの実施形態では、スプール可能な長さのＣＮＳ担持繊維材料を含む複合体は、様々な長さのＣＮＴを有する様々な均一の領域を有することができる。例えば、剪断強度特性を向上させるために比較的短い均一のＣＮＴの長さを有するＣＮＳ担持繊維材料の第１の部分、及び電気的又は熱特性を向上させるために比較的長い均一のＣＮＴの長さを有する同じスプール可能な材料の第２の部分を有することが望ましいことがある。
【０１０２】
繊維材料上でＣＮＳを急速成長させるプロセスにより、スプール可能な繊維材料の連続的プロセスでＣＮＴの長さを均一に制御することができる。材料の滞留時間が５〜３００秒の状態で、長さ３フィートのシステムの連続的プロセスにおけるライン速度を、約０．５フィート／分〜約３６フィート／分の範囲のいずれか及びそれ以上とすることができる。選択される速度は、以下でさらに説明するような様々なパラメータによって決定される。
【０１０３】
幾つかの実施形態では、約５秒〜約３０秒という材料の滞留時間で、約１ミクロン〜約１０ミクロンの長さを有するＣＮＴを生成することができる。幾つかの実施形態では、約３０秒〜約１８０秒という材料の滞留時間で、約１０ミクロン〜約１００ミクロンの長さを有するＣＮＴを生成することができる。さらなる実施形態では、約１８０秒〜約３００秒という材料の滞留時間で、約１００ミクロン〜約５００ミクロンの長さを有するＣＮＴを生成することができる。当業者は、これらの範囲は近似値であり、ＣＮＴの長さが反応温度、及び担体及び炭素原料の濃度及び流量によっても調節され得ることを認識するであろう。
【０１０４】
幾つかの実施形態では、ＣＮＳを成長させる連続的プロセスは、（ａ）スプール可能な寸法の繊維材料の表面にカーボンナノ構造体形成触媒を配置することと、（ｂ）繊維材料上で直接カーボンナノチューブを合成し、それによってＣＮＳ含有繊維材料を形成することとを含むことができる。長さ９フィートのシステムでは、プロセスのライン速度を約１．５フィート／分〜約１０８フィート／分の範囲とすることができる。本明細書で説明するプロセスによって達成されるライン速度により、短い生産時間で市販用の適切な量のＣＮＳ担持繊維材料を形成することができる。例えば３６フィート／分のライン速度で、ＣＮＳ担持繊維（５重量％超の繊維上のＣＮＴ）の量は、５本の別個のトウ（２０ポンド／本）を同時に処理するよう設計されたシステムで１日に生産される材料の１００ポンド又はそれ以上を上回ることができる。システムは、成長ゾーンを繰り返すことによって、一度により多くのトウを、又はより高速で生産するように構成され得る。
【０１０５】
以下でさらに説明するように、触媒は、遷移金属ナノ粒子を含有する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。合成したナノチューブの直径は、上述したような遷移金属ナノ粒子のサイズに関連する。幾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液を入手可能であり、希釈せずに使用することができ、他の実施形態では、触媒の市販の分散剤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、上述したように成長させるＣＮＴの所望の密度及び長さに左右されることがある。
【０１０６】
カーボンナノチューブの合成は、化学的蒸着（ＣＶＤ）プロセスに基づくものとされ、高温で実行される。具体的な温度は、触媒の選択に応じるものであるが、通常は約５００℃〜約１０００℃の範囲である。この作業は、カーボンナノチューブの合成を支援するために、繊維材料を上記範囲の温度まで加熱することを含む。
【０１０７】
次に、触媒担持繊維材料上でＣＶＤに促進されるナノチューブの成長を実行する。ＣＶＤプロセスは、例えばアセチレン、エチレン、メタン及び／又はプロパンなどの炭素含有原料ガスによって促進することができる。ＣＮＴ合成プロセスでは、通常、１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）が使用される。炭素原料は通常、混合物全体の約０％〜約５０％の範囲で提供される。ＣＶＤ成長のための実質的に不活性な環境は、成長チャンバから水分及び酸素を除去することによって調製される。
【０１０８】
触媒を繊維材料に配置するという作業は、溶液を噴霧又は浸漬コーティングするか、又は例えばプラズマプロセスを介した気相蒸着によって遂行することができる。このように、幾つかの実施形態では、触媒の溶媒溶液を形成した後、繊維材料に溶液を噴霧又は浸漬コーティングするか、又は噴霧と浸漬コーティング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で又は組み合わせて用いられ、１回、２回、３回、４回、又はＣＮＴ形成触媒で十分均一にコーティングされた繊維材料を提供するための任意の回数まで使用することができる。浸漬コーティングを使用する場合、例えば繊維材料を第１の浸漬槽内に、第１の浸漬槽の第１の滞留時間だけ配置することができる。第２の浸漬槽を使用する場合、繊維材料を第２の浸漬槽内に第２の滞留時間だけ配置することができる。例えば、浸漬構成及びライン速度に応じて、約３秒〜約９０秒の間、ＣＮＴ形成触媒の溶液に繊維材料を曝露させることができる。噴霧又は浸漬コーティングプロセスを使用することにより、表面被覆率が約５％未満から約８０％もの表面の触媒密度を有する繊維材料が提供され、ここでＣＮＴ形成触媒ナノ粒子はほぼ単層である。幾つかの実施形態では、繊維材料上にＣＮＴ形成触媒をコーティングするプロセスは、単層のみを生成すべきである。例えば、複数層積層したＣＮＴ形成触媒上にＣＮＴが成長すると、繊維材料へのＣＮＴの導入の程度が損なわれることがある。他の実施形態では、蒸着技術、電解析出技術、及びプラズマ原料ガスに遷移金属を金属有機物、金属塩又は気相搬送を促進する他の組成物として追加するなどの他の付着プロセスを使用して、遷移金属触媒を繊維材料上に堆積させることができる。
【０１０９】
カーボンナノ構造体を成長させるプロセスは連続的であるように設計されているので、スプール可能な繊維材料を一連の槽内で浸漬コーティングすることができ、浸漬コーティング槽は空間的に分離されている。発生期の繊維が新たに生成されている連続的プロセスでは、ＣＮＴ形成触媒の浸漬槽又は噴霧を第１のステップとすることができる。他の実施形態では、ＣＮＴ形成触媒を、他のサイジング剤が存在する状態で新たに形成された繊維に塗布することができる。このようにＣＮＴ形成触媒と他のサイジング剤を同時に塗布すると、繊維材料上でサイジングの表面にＣＮＴ形成触媒が提供され、付着性が低いＣＮＴコーティングを生成することができる。
【０１１０】
使用する触媒溶液を、上述したようにｄ−ブロックの任意の遷移金属である遷移金属ナノ粒子とすることができる。また、ナノ粒子は元素形態又は塩形態、及びその混合物のｄ−ブロック金属の合金及び非合金混合物を含むことができる。非限定的な例示的遷移金属ＮＰには、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ａｕ及びＡｇ及びその塩及びその混合物が含まれる。幾つかの実施形態では、バリアコーティングの付着と同時に、ＣＮＴ形成触媒を繊維材料に直接塗布又は導入することにより、このようなＣＮＴ形成触媒を繊維上に堆積させる。これらの遷移金属触媒の多くは、例えばＳｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈ（モンタナ州セントルイス）又はＦｅｒｒｏｔｅｃ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ニューハンプシャー州ベッドフォード）などの様々な供給元から市販用に容易に入手することができる。
【０１１１】
ＣＮＴ形成触媒を繊維材料に塗布するために使用する触媒溶液の溶媒は、ＣＮＴ形成触媒を全体に均一に分散させることができる任意の一般的な溶媒であってよい。このような溶媒には、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た任意の他の溶媒が含まれるが、これらに限定されない。ＣＮＴ形成触媒の濃度は、触媒対溶媒が約１：１〜１：１００００の範囲となるよう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形成触媒を同時に塗布する場合も使用することができる。
【０１１２】
幾つかの実施形態では、ＣＮＴ形成触媒の堆積後にカーボンナノチューブを合成するために、繊維材料を約５００℃と約１０００℃の間の温度で加熱することができる。これらの温度での加熱は、ＣＮＴを成長させる炭素原料を導入する前に、又はそれとほぼ同時に実行することができる。
【０１１３】
幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体を生成するプロセスは、繊維材料からサイジング剤を除去することと、繊維材料上に付着阻害（adhesion-inhibiting）コーティング（すなわち、抗付着コーティング）を適合的に（conformally）に塗布することと、ＣＮＴ形成触媒を繊維材料に塗布することと、繊維材料を少なくとも５００℃に加熱することと、繊維材料上でカーボンナノチューブを合成することとを含む。幾つかの実施形態では、ＣＮＳ成長プロセスの作業は、繊維材料からサイジングを除去することと、付着阻害コーティングを繊維材料に塗布することと、ＣＮＴ形成触媒を繊維に塗布することと、繊維をＣＮＴ合成温度まで加熱することと、ＣＶＤで促進されたＣＮＳ成長を触媒担持繊維材料上で実行することとを含むことができる。このように、市販用の繊維材料を使用する場合、ＣＮＳ担持繊維を構築するプロセスは、付着阻害コーティング及び触媒を繊維材料に配置する前に、繊維材料からサイジングを除去するという別個のステップを含むことができる。
【０１１４】
繊維材料上でカーボンナノチューブを合成することは、参照により本明細書に組み込まれる同時係属中の米国特許出願公開第２００４／０２４５０８８号に開示されているものを含め、カーボンナノチューブを形成する様々な技術を含むことができる。繊維上で成長するＣＮＳは、例えばマイクロキャビティ、熱及びプラズマ強化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）などの技術によって形成され得る。幾つかの実施形態では、ＣＮＴ合成の前にあらゆる従来のサイジング剤を除去することができる。幾つかの実施形態では、アセチレンガスを電離して、ＣＮＴ合成用の低温カーボンプラズマを生成することができる。プラズマは、触媒を有する繊維材料に向けられる。このように、幾つかの実施形態では、繊維材料上でＣＮＳを合成することは、（ａ）カーボンプラズマを形成することと、（ｂ）繊維材料に配置された触媒にカーボンプラズマを向けることとを含む。成長するＣＮＴの直径は、上述したようにＣＮＴ形成触媒のサイズによって規定される。幾つかの実施形態では、サイジングされた繊維材料を約５５０℃〜約８００℃に加熱して、ＣＮＳの合成を容易にする。ＣＮＴの成長を開始するには、２つのガスを反応器内に流入させる。すなわち、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である。ＣＮＴは、ＣＮＴ形成触媒の位置で成長する。
【０１１５】
幾つかの実施形態では、ＣＶＤ成長はプラズマ強化される。プラズマは、成長プロセス中に電界を提供することによって生成される。これらの状況で、ＣＮＴを電界の方向に追従させて成長させることができる。このように、反応器の幾何形状を調整することにより、垂直配列のカーボンナノチューブを、円筒形の繊維の周囲からその半径方向に成長させることができる。幾つかの実施形態では、繊維の周囲からその半径方向に成長させるためにプラズマを必要としない。テープ、マット、織物、プライなどのような明確な側面を有する繊維材料の場合、触媒を一方側又は両側に配置することができ、それに応じてＣＮＴも一方側又は両側に成長させることができる。
【０１１６】
上述したように、ＣＮＳ合成を、スプール可能な繊維材料を機能化する連続的プロセスを提供するのに十分な速度で実行することができる。多くの装置構成により、このような連続的合成が容易になり、その結果、以下で例示するように複雑なＣＮＳの形態になる。
【０１１７】
連続的にＣＮＳを合成する１つの構成は、繊維材料上でカーボンナノチューブを直接合成して成長させるために最適に形成された（基材のサイズ及び形状に合致するように形成された）反応器を含む。反応器は、ＣＮＳを有する繊維を生成する連続的なインラインプロセスで使用されるように設計され得る。幾つかの実施形態では、化学的蒸着（「ＣＶＤ」）プロセスにより、マルチゾーン反応器にて大気圧で約５５０℃〜約８００℃の範囲の高温で、ＣＮＳを成長させることができる。合成が大気圧で実行されるということは、繊維上のＣＮＳ合成の連続的処理ラインに反応器を組み込むことを容易にする１つの要素である。このようなゾーン化した反応器（a zoned reactor）を使用する連続的インライン処理と矛盾しない別の利点は、ＣＮＴの成長が秒単位で実行されることである。これに対して当技術分野で一般的な他の手順及び装置構成では分単位（以上）になる。
【０１１８】
様々な実施形態によるＣＮＳ合成反応器は、以下の特徴を含む。
【０１１９】
（最適に形成された合成反応器）成長チャンバのサイズをその内部を通過する基材のサイズとより効果的に合致するように調整すると、反応容器の全体の容積を減少させることができ、それにより、反応速度、さらにプロセスの効率が改善される。最適に形成された成長チャンバの断面では、チャンバ対基材の容積比を１０，０００未満に維持することができる。幾つかの実施形態では、チャンバの断面によって容積比が１，０００未満に維持される。他の実施形態では、チャンバの断面によって容積比が５００未満に維持される。
【０１２０】
ＣＶＤなどのガスデポジション法は、通常、圧力及び温度のみによって決定されるが、容積は堆積の効率性に重大な影響を及ぼす。基材の形状を成長チャンバと合致させることにより、生産的なＣＮＳ形成反応が生じる機会がより多くなる。幾つかの実施形態では、反応器の容積を減少させるために、合成反応器は、ＣＮＳが成長するベースとなる基材の形状に従う多角形により描かれる断面を有することを認識されたい。幾つかの実施形態では、ガスは、反応器の側部、又はその上板及び底板を通過して、反応器の中心に、又は目標とする成長ゾーン内に、対称形で導入され得る。これにより全体的なＣＮＴ成長速度が改善される。何故なら、流入する原料ガスが、ＣＮＴの成長が最も活発な場所である、システムの最高温度部分に連続的に補給されるからである。この一定のガス補給は、形成されたＣＮＴ反応器が示す成長速度を上昇させるのに重要な側面である。
【０１２１】
（ゾーン化）比較的低温のパージゾーンを提供するチャンバは、合成反応器の両端から吊り下がっている。高温のガスが外部環境（すなわち、反応器の外側）と混合された場合は、大部分の繊維材料の劣化が増大することになると出願人は判断した。低温のパージゾーンは、内部システムと外部環境との間の緩衝部を提供する。当技術分野で知られている典型的なＣＮＴ合成反応器の構成では通常、基材を慎重に（かつ緩やかに）冷却する必要がある。本発明のＣＮＳ成長反応器の出口にある低温パージゾーンは、連続的インライン処理で必要とされるような短期間での冷却を達成する。
【０１２２】
（非接触式のホットウォール金属反応器）幾つかの実施形態では、金属、特にステンレス鋼で作成したホットウォール反応器を使用することができる。これは直観に反しているように見えることがある。何故なら、金属、特にステンレス鋼は炭素が付着（すなわち、煤煙及び副産物が形成）しやすいからである。このように、大部分のＣＮＴ反応器は石英反応器を使用して構成される。炭素の付着が少なく、石英の方が洗浄し易く、石英は試料の観察を容易にするからである。
【０１２３】
しかし、ステンレス鋼への煤煙及び炭素の付着が増加した結果、ＣＮＴの成長が、より着実で、高速化、効率化、及び安定化することが観察されている。理論に拘束されるものではないが、大気圧での作業と組み合わせて反応器内で実行されるＣＶＤプロセスは、拡散が制限されることが示されている。すなわち、（反応器が部分真空下で運転されている場合よりも）比較的高い分圧により、触媒が「過剰供給」され、反応器システムで使用可能な炭素が過剰になる。その結果、開放型システム、特にクリーンなシステムでは、触媒粒子に付着できる炭素が多すぎて、ＣＮＴを合成する能力を低下させる。幾つかの実施形態では、長方形の反応器は、反応器が「汚れている」、すなわち、反応器の金属壁に煤煙が付着した状態で意図的に運転される。一度、炭素が反応器の壁の単層に付着すると、次々に炭素が容易に付着することになる。このメカニズムにより、使用可能な炭素の一部が「回収（withdrawn）」されるので、ラジカルの形態である残りの炭素原料は、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「クリーン」な状態で運転され、連続処理に対して解放されると、成長速度が低下してＣＮＴの歩留まりがはるかに低くなる。
【０１２４】
ＣＮＴの合成は、上述したように「汚れた」状態で実行することが通常は有利であるが、それでも煤煙が閉塞状態を引き起こした場合、ガスマニホールド及び入口などの装置の特定部分は、ＣＮＴの成長プロセスに悪影響を及ぼすことがある。この問題を解決するために、ＣＮＴ成長反応チャンバのこのような区域を、シリカ、アルミナ、又はＭｇＯなどの煤煙阻害（soot inhibiting）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を、これらの煤煙阻害コーティングで浸漬コーティングすることができる。INVAR（登録商標）などの金属を、これらのコーティングに使用することができる。何故なら、INVARは同様のＣＴＥ（熱膨張率）を有しており、高温でのコーティングの適切な付着を保証し、重要なゾーンにおける煤煙の著しい蓄積を防止するからである。
【０１２５】
幾つかの実施形態では、反応チャンバは１次チャンバ材料としてＳｉＣ、アルミナ、又は石英を含むことができる。ＣＮＳ合成のガスと反応しないからである。この形態によって、効率を上げることができ、長期の作業にわたって稼働率が改善される。
【０１２６】
（触媒還元とＣＮＳ合成の組み合わせ）ＣＮＴ合成反応器内で、触媒の還元とＣＮＳの成長の両方を反応器内で実行することができる。この形態は重要である。何故なら、還元作業を別個の作業として実行する場合、連続的プロセスで使用するのに十分なほどタイムリーに行うことができないからである。典型的なカーボンナノチューブ合成プロセスでは、触媒の還元を実行するのに通常は１〜１２時間かかる。本明細書で説明する実施形態によるカーボンナノ構造体の合成では、触媒の還元とＣＮＳの合成はどちらも反応器内で実行される。これは、少なくともある部分において、炭素原料ガスが、円筒形の反応器を使用して通常実行されるような端部ではなく、反応器の中心に導入されるからである。還元プロセスは繊維が加熱ゾーンに入ると実行され、この時点までにガスには、触媒と反応し、（水素ラジカル相互作用を介して）酸化還元を引き起こす前に壁面と反応し冷却されるまでの時間がある。還元が生じ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ＣＮＳ成長が生じ、反応器の中心付近のガス入口の近傍で最大の成長速度となる。
【０１２７】
幾つかの実施形態では、トウなどの緩くまとまった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開繊する（spreads out）作業を含むことができる。このように、スプールからトウを繰り出すとき、例えば真空により繊維を開繊するシステムを使用してこれを広げることができる。サイジングした繊維は比較的堅いことがあり、これを使用する場合は、トウを「軟化」させて繊維の開繊を容易にするために、追加の加熱を使用することができる。個々に分離されたフィラメントを含む開繊された繊維は、フィラメントの全表面積を露出させるのに十分なほどバラバラに広げることができ、このようにして、トウはその後のプロセスステップでさらに効率的に反応することができる。このような開繊は、３ｋのトウで差し渡し約４インチ〜約６インチに近くなり得る。開繊されたトウは、上述したようなプラズマシステムで構成された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を施し、粗面化した後、開繊された繊維は次にＣＮＴ形成触媒浸漬槽を通過することができる。結果として、その表面に放射状に分布した触媒粒子を有するトウの繊維が得られる。次に、トウの触媒含有繊維は、上述した最適に形成されたチャンバ等の適切なＣＮＴ成長チャンバに入り、ここで大気圧のＣＶＤ又はＰＥ−ＣＶＤプロセスを経た流れを使用して、毎秒数ミクロンという速い速度でＣＮＳが合成される。トウの繊維は、ここではＣＮＳ形態の形状で放射状に配列されたＣＮＴを有した状態で、ＣＮＴ成長反応器から出ていく。
【０１２８】
幾つかの実施形態では、ＣＮＳ担持繊維材料は、分離される前にさらに別の処理プロセスを通過することができ、これは幾つかの実施形態では、ＣＮＳ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。ＣＮＳの追加的機能化を使用して、特定の樹脂に対する付着を促進することができる。このように、幾つかの実施形態では、プロセスによって、機能化したＣＮＳを有するＣＮＳ担持繊維材料を提供することができる。ＣＮＳがまだ繊維上にある間にこの機能化プロセスが完了されると、処理の均一性を改善することができる。
【０１２９】
幾つかの実施形態では、スプール可能な繊維材料上でＣＮＳを成長させる連続プロセスは、約０．５フィート／分〜約３６フィート／分のライン速度を達成することができる。ＣＮＴ成長チャンバが長さ３フィートで、７５０℃の成長温度で運転されるこの実施形態では、例えば約１ミクロン〜約１０ミクロンの長さを有するＣＮＴを生成するために、約６フィート／分〜約３６フィート／分のライン速度でプロセスを実施することができる。例えば約１０ミクロン〜約１００ミクロンの長さを有するＣＮＴを生成するために、約１フィート／分〜約６フィート／分のライン速度でプロセスを実施することもできる。例えば約１００ミクロン〜約２００ミクロンの長さを有するＣＮＴを生成するために、約０．５フィート／分〜約１フィート／分のライン速度でプロセスを実施することができる。ＣＮＴの長さは、ライン速度及び成長温度にのみ関連付けられるのではなく、炭素原料と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すことがある。例えば、高いライン速度（６フィート／分〜３６フィート／分）で不活性ガス中に１％未満の炭素原料で構成された流量では、１ミクロン〜約５ミクロンの長さを有するＣＮＴとなる。高いライン速度（６フィート／分〜３６フィート／分）で不活性ガス中に１％超の炭素原料で構成された流量では、５ミクロン〜約１０ミクロンの長さを有するＣＮＴとなる。
【０１３０】
幾つかの実施形態では、複数の材料を同時にプロセスに通すことができる。例えば、複数のテープ、トウ、フィラメント、ストランドなどを並列でプロセスに通すことができる。このように、任意の数の予め作製されたスプールの繊維材料を並列でプロセスに通し、プロセスの最後で再度スプールに巻き取ることができる。並列で通ることができるスプール可能な繊維材料の数は、１、２、３、４、５、６、又はＣＮＴ成長反応チャンバの幅で対応することができる任意の数までを含むことができる。さらに、複数の繊維材料をプロセスに通す場合、収集スプールの数は、プロセスの開始時におけるスプールの数より少なくすることができる。このような実施形態では、ストランド、トウなどを、皿なリュプロセスに送り、このような繊維材料と組み合わせて、織物などのようなさらに高次の繊維材料にすることができる。連続プロセスは、例えばＣＮＳ担持の細断繊維マットの形成を容易にする後処理の細断機（chopper）も組み込むことができる。
【０１３１】
連続処理は、任意選択的にさらなるＣＮＳの化学処理を含むことができる。ＣＮＳは複数のＣＮＴのポリマーネットワークであるので、個々に分離されたＣＮＴに関連する化学処理はすべてＣＮＳ材料上で実行することができる。このような化学処理を、ＣＮＳの調製と直列、又は別個に実行することができる。幾つかの実施形態では、ＣＮＳは、まだ基材に結合している間に改質することができる。これは、ＣＮＳ材料の精製を容易化することができる。他の実施形態では、ＣＮＳを合成するベースとなる基材から取り出した後に、ＣＮＳの化学処理を実行することができる。例示的な化学処理には、フッ化、酸化、還元などに加えて、本明細書で上述した化学処理が含まれる。幾つかの実施形態では、ＣＮＳ材料を使用して水素を保存することができる。幾つかの実施形態では、ＣＮＳ構造体を、別のポリマー構造を付着させて改質し、ジブロックポリマー（a diblock polymer）を形成することができる。幾つかの実施形態では、ＣＮＳ構造体を、生体分子を付着させるプラットフォームとして使用することができる。幾つかの実施形態では、ＣＮＳ構造体を、センサとして使用するように構成することができる。幾つかの実施形態では、ＣＮＳ構造体を、複合材料を形成するマトリックス材料に組み込むことができる。幾つかの実施形態では、ＣＮＳ構造体を、ＣＮＴを分解してグラフェンのナノリボンを形成することが知られている試薬で改質することができる。無数の他の化学反応及び下流側の用途が、当業者に認識されている。
【０１３２】
幾つかの実施形態では、プロセスによって第１の量の第１のタイプのＣＮＳを繊維材料上で合成することができ、ここで第１のタイプのＣＮＳは、繊維材料の少なくとも１つの第１の特性を変更するように選択されるＣＮＴを含む。その後、プロセスによって、第２の量の第２のタイプのＣＮＳを繊維材料上で合成することができ、ここで第２のタイプのＣＮＳは、繊維材料の少なくとも１つの第２の特性を変更するように選択されるカーボンナノチューブを含有する。
【０１３３】
幾つかの実施形態では、ＣＮＴの第１の量と第２の量とは異なる。これは、ＣＮＴのタイプの変化を伴うか、又は伴わないことがある。このように、ＣＮＴのタイプを変化させなくても、ＣＮＳの密度を変化させて、元の繊維材料の特性を変更することができる。ＣＮＴのタイプには、例えばＣＮＴの長さ及び壁の数が含まれる。幾つかの実施形態では、第１の量と第２の量とは同じである。繊維材料の２つの異なる範囲に沿って特性が異なることが望ましい場合は、ＣＮＴの長さのようなＣＮＴのタイプを変更することができる。例えば、より長いＣＮＴは電気的／熱用途に有用となり、より短いＣＮＴは機械的強化の用途に有用となり得る。
【０１３４】
導電性及び導電率は、材料が電流を通す能力の尺度である。ＣＮＴのキラリティに関連する捻りの程度（degree of twist）のような特定の構造的パラメータを有するＣＮＴは、高い導電性を有し、このようにして、金属的な性質を示す。ＣＮＴのキラリティに関して認識された命名体系が形式化されており、当業者に認識されている。このように、例えばＣＮＴは２つの指数（ｎ，ｍ）で相互に区別され、ここでｎ及びｍは、円筒形の表面に巻き付けて縁部を相互に密封した場合に管（a tube）を作成するように、六角形のグラファイトの切断（cut）と巻き方（wrapping）を示す整数である。２つの指数が同じである、すなわち、ｍ＝ｎである場合、その結果物である管は、「アームチェア」（又はｎ，ｎ）型と呼ばれる。何故なら、管をＣＮＴの軸に対して垂直に切断すると、六角形の側部のみが露出し、管の縁部の周囲のパターンが、ｎ回繰り返されるアームチェアのアーム及び座部に似ているからである。アームチェアＣＮＴ、特にＳＷＮＴは金属性を示し、極めて高い導電性及び伝熱性を有する。また、このようなＳＷＮＴは極めて高い引っ張り強度を有する。
【０１３５】
捻れの程度に加えて、ＣＮＴの直径も導電性に影響を及ぼす。上述したように、制御されたサイズのＣＮＴ形成触媒ナノ粒子を使用することによって、ＣＮＴの直径を制御することができる。ＣＮＴを、半導体材料として形成することもできる。多層ＣＮＴ（ＭＷＮＴ）の導電性は、これより複雑になることがある。ＭＷＮＴの層間反応により、個別の管に亘って電流が不均一に再配分されることがある。対照的に、金属性の単層ナノチューブ（ＳＷＮＴ）では異なる部分による電流の変化がない。カーボンナノチューブは、ダイヤモンド結晶及び平面内グラファイトシートに匹敵する非常に高い伝熱性も有する。ＣＮＴのこれらの特徴的な特性は、いずれもＣＮＳで発現し得る。幾つかの実施形態では、ＣＮＳを組み込んでいる材料でＣＮＳは、個々に分離されたＣＮＴよりも高度の特性向上の実現を容易化することができる。
【０１３６】
開示した実施形態について本発明を説明してきたが、これは本発明の例証にすぎないことが当業者には容易に認識される。本発明の精神から逸脱することなく、様々な修正ができることを理解されたい。本発明は、上述されていないが本発明の精神及び範囲にふさわしい任意の数の変形、変更、置換又は同様と配置構成を組み込むように修正することができる。また、本発明の様々な実施形態を説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の幾つかしか含まなくてもよいことが理解される。したがって、本発明は以上の説明によって限定されないものとする。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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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【図１１】
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【国際調査報告】
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