(57)【要約】  炭素繊維を作成する方法において、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）がポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）を含む溶液中に混合されて、ＣＮＴ／ＰＡＮ混合物を形成する。少なくとも１つのＰＡＮ／ＣＮＴ繊維が該混合物から形成される。第１の所定の電流が、ＰＡＮ／ＣＮＴ繊維が安定化ＰＡＮ／ＣＮＴ繊維になるまで、ＰＡＮ／ＣＮＴ繊維に印加される。各々が軸を有する複数の繊維を含む加熱可能な布。複数の繊維の各々は、ポリアクリロニトリルと、ポリアクリロニトリル中にその所定の重量％で分散し、かつ複数の繊維の軸に沿って整列した、カーボンナノチューブと、を含む。複数の繊維は布に織られる。電流源は、複数の繊維を通して電流を印加するように構成され、それによって繊維に熱を生成させる。
2017536486.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維を作製する方法であって、
（ａ）カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）を含む溶液中に混合して、ＣＮＴ／ＰＡＮ混合物を形成する工程と、
（ｂ）前記混合物から少なくとも１つのＰＡＮ／ＣＮＴ繊維を形成する工程と、
（ｃ）第１の所定の電流を、前記ＰＡＮ／ＣＮＴ繊維が安定化ＰＡＮ／ＣＮＴ繊維になるまで、前記ＰＡＮ／ＣＮＴ繊維に印加する工程と、
（ｄ）第２の所定の電流を、前記安定化ＰＡＮ／ＣＮＴ繊維が炭化するまで、前記安定化ＰＡＮ／ＣＮＴ繊維に印加し、それによって前記炭素繊維を形成する工程と、を含む、前記方法。
【請求項２】
前記混合する工程が、
（ａ）前記ＰＡＮを第１の溶媒中に溶解して溶液を形成する工程と、
（ｂ）前記ＣＮＴを第２の溶媒中に分散して懸濁液を形成する工程と、
（ｃ）前記懸濁液を前記溶液に追加する工程と、を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の所定の電流が１ｍＡ〜５ｍＡの電流を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記形成する工程が、前記混合物を紡糸して前記繊維を形成する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記紡糸する工程がゲル紡糸の工程を含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記ポリアクリロニトリルが、コポリマー、ホモポリマー、及びそれらの組み合わせから成るポリマーの一覧から選択されたポリマーを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記ＰＡＮ／ＣＮＴ繊維が軸を有し、かつ前記カーボンナノチューブが前記ＰＡＮ／ＣＮＴ繊維軸に沿って主に整列する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記カーボンナノチューブが、前記ＰＡＮ／ＣＮＴ繊維のうちの最大２０重量％を構成する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記カーボンナノチューブが、前記繊維の最大２０重量％を構成する、請求項１に記載の炭素繊維。
【請求項１０】
（ａ）ポリマーマトリクスと、前記ポリマーマトリクス中にその所定の重量％で分散し、かつ前記複数の繊維の前記軸に沿って主に整列する、カーボンナノチューブと、を含む、各々が軸を有する複数の繊維であって、加熱可能な布に織られる、前記複数の繊維と、
（ｂ）前記複数の繊維を通して電流を印加するように構成され、それによって前記繊維に熱を生成させる、電流源と、を含む、前記加熱可能な布。
【請求項１１】
前記ポリマーマトリクスが、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ、ポリ（プロピレン）（ＰＰ）、ポリ（エチレンテレフタレート）（ＰＥＴ）、ポリ（エチレン）（ＰＥ）、様々なナイロン、ポリ（ビニルアルコール）（ＰＶＡ）、ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）、ポリ（エチレンオキシド）（ＰＥＯ）、ポリ（エーテルケトン）（ＰＥＫ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ゴム、及びそれらの組み合わせから成る、ポリマーの一覧から選択されたポリマーを含む、請求項１０に記載の加熱可能な布。
【請求項１２】
前記カーボンナノチューブが、前記複数の繊維の最大２０重量％を構成する、請求項１０に記載の加熱可能な布
【請求項１３】
前記ポリマーマトリクスが、ＰＡＮコポリマー、ＰＡＮホモポリマー、及びそれらの組み合わせのうちの、選択された１つを含む、請求項１０に記載の加熱可能な布。
【請求項１４】
前記複数の繊維が炭化繊維を含む、請求項１０に記載の加熱可能な布。
【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、２０１３年１１月８日に出願された米国仮特許出願、出願番号第６１／９０１，５１９号の利益を主張し、該特許の全体はここで参照により本明細書に組み込まれる。本出願は、２０１３年１１月１２日に出願された米国仮特許出願、出願番号第６１／９０３，０４８号の利益を主張し、該特許の全体はここで参照により本明細書に組み込まれる。本出願は、２０１４年５月２３日に出願された米国仮特許出願、出願番号第６２／００２，７６１号の利益を主張し、該特許の全体はここで参照により本明細書に組み込まれる。本出願は、２０１４年５月２８日に出願された米国仮特許出願、出願番号第６２／００４，０５３号の利益を主張し、該特許の全体はここで参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
政府の権利の陳述
本発明は、米国軍隊によって与えられた、協定第Ｗ９１１ＮＦ−１０−１−００９８の下、政府援助を伴ってなされた。政府は本発明において特定の権利を有する。
発明の背景
【０００３】
本発明は、炭素繊維及びポリマー繊維、ならびに、より具体的には、カーボンナノチューブを含む紡糸繊維に関する。
【背景技術】
【０００４】
炭素繊維は、飛行機構造部品からテニスラケットまで、軽量及び高い強度を必要とする、多くの用途において使用される。今日生産されるほとんどの炭素繊維は、安定化し、次いで炭化した、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）前駆体繊維から作製される。
【０００５】
ＰＡＮは、直鎖式（Ｃ３Ｈ３Ｎ）ｎを有する、合成の、半結晶性有機ポリマー樹脂である。ほとんどのポリアクリロニトリル樹脂は、アクリロニトリルを有するモノマーを主要な成分として含む、コポリマーである。ＰＡＮは、たいてい繊維へと紡糸され、溶液紡糸過程によって、高品質の炭素繊維の前駆体へと紡糸される。実際に、ＰＡＮは、炭素繊維生産のうちの９０％の前駆体として使用される。
【０００６】
紡糸過程の一例では、ＰＡＮ粉末が有機溶媒中に溶解して溶液を形成する。該溶液は、紡糸口金内の開口部を通って紡糸され、結果として生じる繊維は、それらが繊維として凝固する環境へと引き出される。
【０００７】
多くの炭素繊維用途において使用されるために、繊維は、繊維から非炭素要素を除去する過程において炭化されなければならない。典型的に、炭化は高熱の不活性環境においてなされる。しかしながら、ＰＡＮ繊維を炭化するために必要とされる熱は、多くの場合、繊維が炭化する前に繊維を破壊し得る。したがって、ＰＡＮ繊維は炭化の前に安定化される必要がある。安定化は典型的に空気中でなされる。
【０００８】
ＰＡＮ繊維の安定化は、はしご型構造をもたらす。安定化過程は、炉において、酸素富化環境中で、繊維を加熱することを典型的に含む。安定化すると、繊維は高温不活性環境に曝露されて、非炭素原子を除去し、それによって炭素繊維を形成する。
【０００９】
既存のシステムは、典型的に窯においてＰＡＮ繊維を熱に曝露する。安定化過程は、かなりの量のエネルギーを消費し、かなりの量の時間がかかり、この両方は炭素繊維の費用に加算される。一般的に、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系炭素繊維の製作は、前駆体ＰＡＮ繊維を安定化及び炭化するために大きな炉を必要とする。これらの繊維は、典型的に１８０℃〜３５０℃の温度範囲の空気中での安定化を経て、３５０℃〜１７００℃の間の不活性環境中で炭化される。安定化時間は、典型的に１〜３時間の間で変動する。
【００１０】
さらに、安定化の窯を基本とする方法を使用することは、不適切に安定化された繊維をもたらし得る。窯からの熱の全てが、繊維の外側から繊維の内側に放出するため、異なる水準の安定化が繊維の断面をわたって存在し得、繊維の外殻が安定化過剰になり得る一方で、繊維の中心は安定化不足になり得る。これは乏しい品質の炭素繊維をもたらし得る。
【００１１】
さらに、商用及び住居用建物の電気使用は、米国において使用される全電気のうちのかなりの量を占める。建物の設定温度が冬に４℃低減され得、夏も４℃上昇され得れば、建物の居住者に快適性を提供しながら、建物の加熱及び冷却エネルギー消費は１０％低減され得る。この節約は、米国における合計エネルギー消費の１％超に対応する。
【００１２】
したがって、均一に安定化した繊維をもたらす、ＰＡＮ繊維を安定化させる、より低いエネルギーの方法の必要性がある。
【００１３】
電流の印加によって熱を生成し得る布の必要性もまたある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１４】
先行技術の短所は、一態様では、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）がポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）を含む溶液に混合されて、ＣＮＴ／ＰＡＮ混合物を形成する、炭素繊維を作製する方法である、本発明によって克服される。少なくとも１つのＰＡＮ／ＣＮＴ繊維が該混合物から形成される。第１の所定の電流が、ＰＡＮ／ＣＮＴ繊維が安定化ＰＡＮ／ＣＮＴ繊維になるまで、ＰＡＮ／ＣＮＴ繊維に印加される。
【００１５】
別の態様では、本発明は、各々が軸を有する複数の繊維を含む、加熱可能な布である。複数の繊維の各々は、ポリアクリロニトリルと、ポリアクリロニトリル中にその所定の重量％で分散し、かつ複数の繊維の軸に沿って主に整列したカーボンナノチューブと、を含む。複数の繊維は布に織られる。電流源は、複数の繊維を通して電流を印加するように構成され、それによって繊維に熱を生成させる。
【００１６】
本発明のこれら及び他の態様は、以下の図面と合わせて、以下の好ましい実施形態の説明から明らかとなり得る。当業者に明らかであり得るように、本開示の新奇概念の精神及び範囲から逸脱することなく、本発明の多くの変形及び修正が有効であり得る。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】炭化繊維を作製する一方法を示す流れ図である。
【図２】電流がＰＡＮ／ＣＮＴ繊維に印加されているのを示す、模式図である。
【図３】ＰＡＮ／ＣＮＴ繊維における電気伝導率を、そこを流れる電流と関連付けるグラフである。
【図４】ＰＡＮ／ＣＮＴ繊維を含む布の顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の好ましい実施形態がこれから詳細に記載される。図面を参照して、図を通して同様の数字は同様の部品を示す。以下の本開示において具体的に示されない限り、図面は必ずしも一定の縮尺で描写されない。本明細書の説明において及び請求項を通して使用される場合、以下の用語は、文脈が明らかに別途示さない限り、本明細書で明確に関連付けられる意味を有する。「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、及び「その（ｔｈｅ）」の意味は複数形の支持物を含み、「〜において」の意味は、「〜において」及び「〜上で」を含む。
【００１９】
図１において示されるように、一実施形態は、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）を第１の溶媒中に溶解して溶液を形成する１１０、炭素繊維を作製する方法１００である。複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）が、第２の溶媒中で懸濁されて懸濁液を形成する１１２。第１の溶媒及び第２の溶媒は同じ材料を含み得る。懸濁液は溶液に追加され、結果として生じる組み合わせは混合されて、ＣＮＴをＰＡＮ溶液中に分散させる１１４。繊維は結果として生じる組み合わせから形成される１１６（例えば、溶液紡糸またはゲル紡糸等の合成繊維紡糸過程によって）繊維は所望の直径に引き出され１１８、第１の電流が繊維に印加されてそれらを安定化させる１２０（すなわち、繊維中の分子をはしご型構造へと整理する）。第２の電流が繊維に印加されてそれらを炭化する１２２。
【００２０】
安定化の模式図は、図２に表示され、繊維２１０は、ポリマーマトリクス（例えばＰＡＮマトリクス）２１２と、それを通して分散する複数の主に整列したＣＮＴ２１４と、を含む。電流源２２０からの電流が印加されて、繊維２１０を安定化させる。
【００２１】
ある実験的な実施形態では、乾式−ジェット式−湿式紡糸技術を使用して、１５重量％及び２０重量％のＣＮＴ含有量を有するポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）／ＣＮＴ複合繊維が製作された。カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は、電気伝導率を呈し、ポリマー内に電流を導入し得る。ＰＡＮ／ＣＮＴ繊維の電気伝導率は、異なる温度での焼鈍過程によって強化されて、時間と共に変化した。これらの繊維は緊張にも対応し得、伸長が３％に到達すると、電気伝導率は５０％低減した。さらに、電流はジュール熱効果を誘導し、ＰＡＮ／ＣＮＴ複合繊維を熱変形させ得る。固定した長さでの最大７ｍＡの様々な電流の印加を伴って、伝導率は約２５Ｓ／ｍ〜８００Ｓ／ｍ超で強化され、複合繊維は空気中で安定化した。複合繊維の温度は、赤外線（ＩＲ）顕微鏡で測定して、室温から摂氏数百度超まで上昇し得る。ジュール熱効果は、一次元の定常状態熱伝達方程式に従って推測もされ得、これは温度が繊維を安定化または炭化するために十分に高くなり得ることを明らかにする。
【００２２】
実験的な実施形態では、コポリマーとして６．７％のメチルアクリレートを有する、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ、分子量：１０５ｇ／ｍｏｌ）（Ｊａｐａｎ  Ｅｘｌａｎ  Ｃｏ．から入手）が、使用される前に８０℃の真空下で乾燥された。カーボンナノチューブ（多層カーボンナノチューブ）が韓国のＩｌｊｉｎ  Ｎａｎｏｔｅｃｈ  Ｃｏ．から入手された。）ＰＡＮ粉末は、９０℃で羽根車を使用して、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ  Ｃｏ．から入手）中に溶解し、ＣＮＴ粉末は、浴槽超音波発生器（Ｂｒａｎｓｏｎ、３５１０−ＭＴ）を使用してＤＭＦ中に分散させた。ＣＮＴ／ＤＭＦ分散液は、続いて繊維紡糸のためにＰＡＮ溶液と混合され、ＰＡＮ／ＣＮＴ複合繊維は、直径２５０μｍの紡糸口金と、２つの凝固（ＤＭＦ／水）浴槽と、を有する、乾式ジェット湿式紡糸ユニット（イギリス、ｔｈｅ  Ｂｒａｄｆｏｒｄ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｒｅｓｅａｒｃｈから入手）を使用して製作された。繊維は、続いて沸騰した水の中に引き込まれ、５０℃の窯の中で７日間乾燥させた。
【００２３】
ジュール熱効果は、ソースメータユニット（Ｋｅｉｔｈｌｅｙ  ２４００  Ｓｏｕｒｃｅｍｅｔｅｒ）を使用して、電流を印加することによって誘導された。繊維構造は、ジュール熱過程の間、実時間広角Ｘ線装置によって測定された。ＣｕＫα（λ＝０．１５４２ｎｍ）を使用する広角Ｘ線回折（ＷＡＸＤ）が、４５ＫＶの動作電圧及び０．６５ｍＡの電流で、Ｘ線発生装置（Ｒｉｇａｋｕ  Ｍｉｃｒｏｍａｘ−００２）を用いて実行された。回折パターンは、検出システム（Ｒｉｇａｋｕ  Ｒ−ａｘｉｓ  ＩＶ＋＋）によって記録され、ＡｒｅａＭａｘ（ｖｅｒｓｉｏｎ１．００）及びＭＤＩ  Ｊａｄｅ（ｖｅｒｓｉｏｎ９．０）によって分析された。ＷＡＸＤデータから、ＰＡＮ結晶化度、ＰＡＮ結晶径、ならびにポリマー及びカーボンナノチューブの、ヘルマンの配向係数が計算された。
【００２４】
１５及び２０重量％のＣＮＴ含有量を有するＰＡＮ／ＣＮＴ複合繊維の伝導率が、四探針法によって測定された。焼鈍過程の前の複合繊維については、伝導率は約１０−５Ｓ／ｍだった。これらの繊維において、ＣＮＴ電気伝導率が１０５〜１０６Ｓ／ｍの範囲で、ＣＮＴ含有量が最大２０重量％であったものの、隣接するチューブ間の相当なショットキー障壁が伝導率を重度に減少させ得、適切なＣＮＴ配向が効果的なＣＮＴネットワークのために必要とされた。電気伝導率は、焼鈍過程を使用することによって著しく改良され、１８０℃で２時間焼鈍した後、伝導率は、１５及び２０重量％のＣＮＴ含有量を有する繊維について、それぞれ４．８３Ｓ／ｍ及び２７．６３Ｓ／ｍと高かった。電気伝導率は焼鈍温度の上昇と共に上昇した。
【００２５】
伝導率の焼鈍過程への反応は、電源メータ及び温度制御窯を使用して、観察された。２０重量％のＣＮＴ含有量を有する複合繊維は、１８０℃で制御され、１０μＡの電流が印加された。開始時の電圧の反応は早かった。ほんの１分後に、印加電圧は４０％に減少し、電気伝導率はおよそ２Ｓ／ｍに上昇した。焼鈍時間の２時間後、電圧は９５％減少し、伝導率は２５Ｓ／ｍに近似した。
【００２６】
焼鈍による構造変化を調査するために、１８０℃で２時間焼鈍される前及び後の複合繊維もまた、Ｘ線回折を使用して観察された。ＰＡＮの構造は焼鈍過程の後に変化し、ＰＡＮポリマーの結晶化度及び結晶径は、それぞれ５０〜６０％、及び５．８〜１１．８ｎｍ上昇した。焼鈍過程はポリマー鎖の再結晶化過程を誘導し、より高い結晶化度及びより大きい結晶径をもたらした。これは、ＣＮＴネットワークの再編成を誘導し、それらの配向を低下させた。再編成はＣＮＴチューブ間接続の数を上昇させ、それによって電気伝導率を著しく強化した。
【００２７】
焼鈍過程の後、伝導率の引張歪への反応が、緊張試験で測定された。破断時の伸長は、１５及び２０重量％のＣＮＴを有する複合繊維について、それぞれ約６％及び約３％であった。両方の繊維が１３０ＭＰａ超の引張強度及びおよそ９ＧＰａの類似する引張弾性率を示した。緊張試験の間、伸長が上昇したときに電気伝導率は減少した。伝導率は、３％の伸長で、２０重量％のＣＮＴを有する繊維について、２７から１５Ｓ／ｍに変化し、６％の伸長で、１５重量％のＣＮＴを有する繊維について、４．５から０．４Ｓ／ｍに変化した。これは、複合繊維が緊張した場合、３％の伸長のみが電気伝導率を５０％減少させ得ることを意味する。この現象はポリマー／ＣＮＴ複合物について期待され、減少はＣＮＴネットワークにおける破損の結果である。緊張過程の間、ポリマーマトリクス内部のＣＮＴは配向され、ＣＮＴのより高い整列は、チューブ間接続のより低い確率をもたらした。より低いＣＮＴ接続は、電子伝達の能力を損ね、より低い伝導率をもたらした。電気伝導率の歪への反応は、外部の力が繊維に適用されるときに、ＰＡＮ／ＣＮＴ複合繊維が周囲と相互作用するセンサーとして利用され得ることもまた意味する。
【００２８】
電気特性は、印加電流が固定された長さでフィラメント当たり０．１ｍＡ未満（約６×１０４Ａ／ｍ２）であったときに測定された。しかし印加電流がフィラメント当たり１ｍＡ超（約６×１０５Ａ／ｍ２）であったときは、伝導率は電流を上昇させることにより著しく強化された。図３に示すように、２０重量％のＣＮＴ含有量を有する焼鈍複合繊維の伝導率は、１ｍＡ未満の電流で元は約２５Ｓ／ｍであった。繊維の電気伝導率は、上昇する印加電流と共に上昇し、７ｍＡの印加電流で８００Ｓ／ｍに到達した。
【００２９】
複合繊維への電力の影響は、フーリエ変換赤外分光法（ＦＴ−ＩＲ）を使用してさらに調査された。３０００〜２８５０ｃｍ−１（Ｃ−Ｈ、緊張）、２２４０ｃｍ−１（Ｃ−Ｎ、緊張）、及び１４５２ｃｍ−１（ＣＨ２、屈曲）でのスペクトルピークは、電流を印加した後、複合繊維において減少または消失した。しかしながら、１６００ｃｍ−１（Ｃ＝ＣまたはＣ＝Ｎ、接合）にてブロードなピークが出現し、ヘテロ原子環についてＣ＝Ｃ、Ｃ＝Ｎ、Ｃ−Ｏ、−ＯＨ、及びＮ−Ｈ基と会合する、１６００〜５００ｃｍ−１間の指紋領域における他のピークもまた出現した。ジュール熱処理後の複合繊維と安定化及び炭化した繊維との比較は、複合繊維が固定された長さでの電気処理後に安定化したことを示す。電流が繊維を通過したとき、複合繊維の温度はジュール熱効果によって上昇した。電力による上昇温度は、複合繊維を安定化するために十分高く、したがって複合繊維は電流によって熱変質した。
【００３０】
広角Ｘ線回折（ＷＡＸＤ）もまた、複合繊維へのジュール熱効果を観察するために使用された。２０重量％のＣＮＴ含有量を有する複合繊維に異なる電流が通過するときに、二次元のＷＡＸＤパターンが実時間で記録された。これらの回折パターンは、印加電流が１ｍＡ超であるときに、約１７°及び約３０°での回折ピークの可視的な変化を示す。これらの２つのピークは、ＰＡＮ（２００、１１０）及び（３１０、０２０）結晶面を表す。電流が１．６ｍＡ超であるとき、約１７°及び約３０°での回折ピークは消失し、回折パターンはそれらの元の繊維のパターンとは完全に異なる。これらのＷＡＸＤパターンは、ＰＡＮポリマー構造は上昇する電流と共に徐々に変化したという、ＦＴ−ＩＲ観察からの提言を立証する。電力はジュール熱効果を誘導し、電気による繊維温度上昇が、ＰＡＮ結晶構造を破壊するために十分に高く、複合繊維を安定化させたときに、該熱効果はＰＡＮ結晶構造を熱変質させた。
【００３１】
構造は低い印加電流にて安定であり、ＰＡＮポリマーの結晶化度及び配向のみがわずかに上昇した。しかしながら、電流が１ｍＡ超であったとき、ＰＡＮ結晶化度及び配向は低減した。電流が１．６ｍＡに上昇した後、結晶化度は６０％から１８％に変化し、配向係数は０．５６から０．３７に低減した。２θ〜１７°面のｄ間隔もまた０．５２５から０．５３９に変化し、結晶径は１１．８から１６．６ｎｍに上昇した。安定化及び炭化過程中にＰＡＮ結晶構造が破壊され、はしごまたは黒鉛構造に変形される間に、上記の現象は安定化ＰＡＮ繊維にも起こった。
【００３２】
ＰＡＮ結晶構造は、電流が１．６ｍＡだったときに熱変形過程を経ており、２θ〜１５°での１つの追加のピークが観察される。ＷＡＸＤパターンの変化は、ジュール熱過程中のＰＡＮ結晶の変形を示した。この追加のピークは、構造変化はＰＡＮポリマー領域の一部から開始し得ることもまた提言した。電子が主にポリマーマトリクス内部のＣＮＴを通過したため、ジュール熱過程は初めにＣＮＴの周囲で発生し、ＣＮＴの周囲のより高温領域をもたらした。したがって、ＰＡＮの熱変形は、ＣＮＴの隣のこの高温区域において開始し得、徐々に複合物全体において発生する。もう１つの理由は、より大きい結晶径のＰＡＮ結晶が、ジュール熱の間、より長い時間維持し得る一方で、非結晶性ＰＡＮ及びより小さい結晶径のＰＡＮ結晶は、より低い熱安定性を有し得、先に変形し得るということである。電流が３ｍＡ超であるとき、全てのＰＡＮ結晶は変換され、２θ〜１５°及び約１７°での両方のピークが消失する。
【００３３】
ＰＡＮ構造が３ｍＡ超の電流にて消失した後、２６°の周囲のピークがより優勢になった。これは、複合繊維の安定化が電流によって誘導され、ＰＡＮポリマーがはしご構造に変換されたことを示す。ジュール熱過程の間、ＰＡＮ構造は上昇電流と共に徐々に変換され、安定化はしご構造の配向係数は０．４４から０．５１に変化し、一方でｄ間隔及び結晶径は異なる印加電流にてほとんど同じであった。電気誘導安定化過程は、炭素繊維を製造するための新しい省エネルギー過程を提言する。
【００３４】
２０重量％のＣＮＴを有するＰＡＮ／ＣＮＴ複合繊維の電気特性もまた、繊維の長さの、ジュール熱挙動への効果を調査するために観察された。繊維が長いほど、より高い電気抵抗を克服するためにより高い電圧を必要とする。例えば、４ｍｍよりも短い繊維は、１ｍＡの電流に到達するためにほんの５０Ｖ未満の電圧を必要とするが、７６ｍｍの長さを有する繊維は、１ｍＡの電流に到達するために５００Ｖを必要とする。高い電圧は高い電力と同様に繊維を損傷し得るため、７６ｍｍの長さを有する繊維は最高で４ｍＡの印加電流での結果のみを示すが、繊維は４ｍＡで破損した。必要とされる電圧及び生成された電力が、様々な長さの繊維で異なるため、これらの繊維が加熱繊維として適用される場合、繊維接続及び織る方法を最適化することは、制御可能かつ均一な温度プロファイルを得るために決定的である。
【００３５】
実験的な実施形態では、ＰＡＮ／ＣＮＴ複合繊維の電気伝導率が試験され、２０重量％のＣＮＴ含有量を有する繊維は、約２５Ｓ／ｍ〜最大８００Ｓ／ｍ超の伝導率を示した。複合繊維を焼鈍することは、繊維構造ならびにＣＮＴネットワークを再編成し、電気伝導率を強化し得る。複合繊維が緊張していたとき、繊維の電気伝導率は伸長の関数であり得、ほんの３％の伸長で５０％低減し得る。加えて、電流がジュール熱を誘導し、１〜７ｍＡの電流の印加でＣＮＴ／ＰＡＮ複合繊維を熱変換した。繊維温度は徐々に１０００℃に上昇し得る。結果として、電流は空気中での複合繊維の安定化を誘導し得る。
【００３６】
一実施形態では、図４に示されるように、ＰＡＮ／ＣＮＴ繊維は電流源４１０からそこへの電流の印加によって加熱され得る、布４００へと織られ得る。本実施形態は、非常に少量の電気の印加で加熱され得る、繊維、織物、布、衣類、及び毛布を提供し得る、ポリマー／カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）に関する。これらの繊維は丈夫であり、織物の品質（外見、感触等）を提供する。これらの繊維の使用は、居住者に快適性を提供しながら、冬の建物の温度を現在の設定温度よりも５℃以上低く設定することを可能にし得ると推測される。これは今日アメリカ合衆国で消費される合計エネルギーのうちの約０．４％を節約し得、年間で１０億ドル以上の節約をもたらすとさらに推測される。
【００３７】
ある実験的な実施形態では、ゲル紡糸を使用して、ポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ（ＰＡＮ／ＣＮＴ）複合繊維は、十分に分散し、かつ繊維軸に沿って主に整列したＣＮＴで製作される。ＣＮＴは、機械特性を改良し得るだけでなく、複合繊維に電気伝導率を導入し得る。２０重量％もの高いＣＮＴ濃度を有して、ＰＡＮ／ＣＮＴ繊維は約２５Ｓ／ｍの伝導率を呈し、伝導率は、温度、引張歪、及び電圧によって影響され得る。したがって、ジュール熱をポリマー／ＣＮＴ繊維に導入して、活性加熱能力を実現することができる。
【００３８】
ジュール熱効果は、電流が複合繊維を通過するときに、ＰＡＮ／ＣＮＴ複合繊維にとって重要であった。ジュールの法則及び一次元の定常状態ポアソンの方程式による推測によれば、２０重量％のＣＮＴを含有するＰＡＮ繊維の温度は、１〜７ｍＡの範囲の電流が印加されたときに、２００℃超で８００℃近くまで上昇し得る。繊維を通る電流が１ｍＡから７ｍＡに上昇したときに、繊維電気伝導率は８００Ｓ／ｍ近くまでかなり上昇した。繊維及び布における適度な温度上昇は、非常により低いＣＮＴ濃度及びより低い電流水準で到達され得る。
【００３９】
この方法は、ＰＡＮ、ならびにポリ（プロピレン）（ＰＰ）、ポリ（エチレンテレフタレート）（ＰＥＴ）、ポリ（エチレン）（ＰＥ）、様々なナイロン、ポリ（ビニルアルコール）（ＰＶＡ）、ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）、ポリ（エチレンオキシド）（ＰＥＯ）、ポリ（エーテルケトン）（ＰＥＫ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、及びゴムを含む、他のポリマーを使用し得る。適切な過程設計及び電力を伴い、複合繊維材料は制御下で加熱され得、制御された加熱能力を有する、高品質で丈夫な繊維、布、織物、衣類、及び毛布を作成することにより、著しい省エネルギーをもたらし得る。
【００４０】
上記の実施形態は、出願時に発明人に既知の、本発明の好ましい実施形態及び最良の態様を含む一方で、ほんの例示的な実施例として与えられる。本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、本明細書に開示される特定の実施形態から、多くの逸脱がなされ得ることが容易に理解され得る。したがって、本発明の範囲は、上記の具体的に記載された実施形態に限定されるというよりは、むしろ以下の特許請求項によって決定される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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