JP2008508433A - カーボンナノチューブ／超高分子量ポリエチレン複合繊維を製造するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、カーボンナノチューブ／超高分子量ポリエチレン（ＣＮＴ／ＵＨＰＥ）複合繊維を製造するための方法に関し、該方法は、ａ）酸性水溶液を用いてＣＮＴを前処理する工程；ｂ）紡糸溶媒中のＵＨＰＥの溶液の中に分散された前処理されたＣＮＴを含む組成物を製造する工程；およびｃ）得られた前記組成物を紡糸して繊維とする工程を含むが、ここで、工程ｂ）には、アルコール中に前処理されたＣＮＴの分散体を製造し、この分散体をＵＨＰＥおよび紡糸溶媒の混合物と混合することが含まれる。この方法によって、比較的低いＣＮＴ含量で、改良された引張特性を示すＣＮＴ／ＵＨＰＥ複合繊維が得られる。さらなる利点は、分散助剤のような追加の成分の添加を全くまたはほとんど必要とすることなく、紡糸組成物におけるＣＮＴの安定な分散体を製造することができることである。本発明はさらに、本発明における方法により得られるＣＮＴ／ＵＨＰＥ複合繊維、および前記複合繊維を含む半製品または最終用途物品に関する。

Description

発明の詳細な説明

本発明は、カーボンナノチューブ／超高分子量ポリエチレン複合繊維を製造するための方法に関し、該方法は、以下の工程：ａ）酸性水溶液を用いてカーボンナノチューブを前処理する工程；ｂ）紡糸溶媒中のＵＨＰＥの溶液中に分散された前処理されたカーボンナノチューブを含む組成物を製造する工程；およびｃ）その組成物を紡糸して繊維を得る工程を含む。

本発明はさらに、本発明における方法により得られるＣＮＴ／ＵＨＰＥ複合繊維、および前記複合繊維を含む半製品または最終用途物品に関する。

そのような方法は、ポリマー（Ｐｏｌｙｍｅｒ）４４（２００３）、ｐ．５６４３〜５６５４からも公知である。その論文には、１質量％のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を含む超高分子量ポリエチレン（ＵＨＰＥ）の延伸フィルムを製造するための方法が記載されていて、そこでは、多層ＣＮＴを濃硝酸および硫酸（比１／３）の水性混合物中でＣＮＴを環流処理することにより前処理し；次いで、蒸留水を用いて酸分がまったく残らなくなるまで繰り返し洗浄した。次いでその前処理されたＣＮＴを、周囲温度で超音波を用いてキシレン中に分散させた。得られた分散体を次いで、１４０℃でＵＨＰＥのキシレン溶液と混合した。そのＣＮＴ／ＵＨＰＥ／キシレン混合物から溶液キャスティングによりフィルムを製造してから、加熱延伸にかけた。その方法は、ＵＨＰＥ繊維のゲル紡糸にも同様にして適用することが可能であるとの示唆がある。このようにして製造されたフィルムは、ばらばらに分散されたＣＮＴ、およびからみあって並んだＣＮＴの両方を含んでいることが観察され、ＣＮＴを含まないＵＨＰＥフィルムに比較して、改良された引張強さを示したが、引張モジュラスに関しては何の効果もなかった。

ＣＮ１４３１３４２Ａ号明細書には、０．０１〜５質量％のＣＮＴを含むＣＮＴ／ＵＨＰＥ複合繊維を製造するための方法の開示があり、そこでは、カーボンナノチューブをまず、硫酸と過マンガン酸カリウムの混合水溶液の中でＣＮＴを環流処理する工程を含む前処理にかける。その前処理したＣＮＴを、温度を１５０〜１９０℃に上げ、超音波を使用しながら、ＵＨＰＥを含むパラフィンオイルの中に均質に分散させ；次いでその混合物をゲル紡糸して繊維とする。ＣＮＴを含まない繊維に比較して、引張特性が向上したことが報告されているが、その絶対的な強さレベルはまだ低い（２．２ＧＰａ）。

産業界では、たとえば強力なロープや耐衝撃性（ａｎｔｉ−ｂａｌｌｉｓｔｉｃ）複合材料を製造するための、改良された性質、特により高い引張強さおよびモジュラスを有するＵＨＰＥ繊維が、依然として要望されている。

したがって、本発明の目的は、公知の方法により得られる繊維よりも、良好な引張特性を示す、ＵＨＰＥ繊維、特にＣＮＴ／ＵＨＰＥ複合繊維を製造するための方法を提供することである。より詳しくは、本発明は、少なくとも３．０ＧＰａの引張強さと少なくとも９０ＧＰａの引張モジュラスとを有するＣＮＴ／ＵＨＰＥ複合繊維を製造するための方法を提供することを目的としている。

この目的は、工程ｂ）が、アルコール中に前処理されたＣＮＴの分散体を製造する工程およびその分散体をＵＨＰＥおよび紡糸溶媒の混合物と混合する工程を含む、方法を用いて本発明により達成される。

本発明による方法を用いれば、０．１〜１０質量％のＣＮＴを含むＵＨＰＥ複合繊維が得られ、その繊維は、改良された引張特性、たとえば少なくとも３．０ＧＰａの引張強さと少なくとも９０ＧＰａの引張モジュラスとを示す。

本発明による方法のまた別な利点は、その紡糸溶媒の中でＣＮＴの安定な分散体を得るために、たとえば分散助剤のような追加の成分を全くもしくはほとんど添加する必要がない点にある。さらなる利点は、紡糸工程の前にその組成物からアルコールを除去することが可能であって、それにより、紡糸やその後の加工におけるアルコールによる悪影響を防止することが可能となる。

国際公開第０３／０６９０３２Ａ１号パンフレットにも、ＣＮＴを含む複合繊維を製造するための方法が記載されているが、そこでは、第一の溶媒の中でのＣＮＴのコロイド分散体を、第一の溶媒と混和性のある第二の溶媒中のポリマー溶液と混合し、その混合物を紡糸して繊維としている。ＵＨＰＥ溶液の中でＣＮＴ分散体を製造するための第一の溶媒としては塩素化炭化水素、特にジクロロベンゼンが挙げられており、界面活性剤を使用することが推奨されている。しかしながら、本出願の工程の特別な組合せを含む方法が有利であるとの示唆は全くない。

ＣＮＴ／ＵＨＰＥ複合繊維とは、その主成分としてはＵＨＰＥポリマーをベースとし、性能向上添加剤としてＣＮＴを含む繊維であると理解されたい。本出願の文脈においては、繊維とは、その長さ方向の寸法がその幅および厚みよりもはるかに大きい延伸体であると理解されたい。したがって、繊維という用語には、モノフィラメント、マルチフィラメントヤーン、リボン、ストリップ、テープあるいはフィルムなどが含まれ、その断面は規則的であっても不規則的であってもよい。

本発明による方法において使用するのに好適な超高分子量ポリエチレンは、その固有粘度（ＩＶ、デカリン溶液中１３５℃で測定したもの）が典型的には５ｄＬ／ｇを超える、好ましくは約８〜４０ｄＬ／ｇの間、より好ましくは１０〜３０の間、または１２〜２８、または１５〜２５ｄＬ／ｇの間である。固有粘度は分子質量（分子量とも呼ばれる）の目安であって、ＭｎやＭｗのような実際の分子質量パラメーターよりは簡単に測定することができる。ＩＶとＭｗとの間にはいくつかの経験的な関係が存在するが、そのような関係は、分子質量分布に高度に依存する。Ｍｗ＝５．３７×１０^４［ＩＶ］^１．３７の式を使用すると（ＥＰ０５０４９５４Ａ１号明細書参照）、８ｄＬ／ｇのＩＶは、約９３０ｋｇ／モルのＭｗと等価である。好ましくはそのＵＨＰＥが線状ポリエチレンであって、１００個の炭素原子あたり１個未満の分枝または側鎖、好ましくは、３００個の炭素原子あたり１個未満の側鎖であるが、分枝には通常少なくとも１０個の炭素原子を含む。その線状ポリエチレンにはさらに、１種または複数のコモノマー、たとえばプロピレン、ブテン、ペンテン、４−メチルペンテンまたはオクテンのようなアルケンを５モル％まで含んでいてもよい。

好ましい実施形態においては、そのＵＨＰＥには側鎖として、少量の比較的小さな基、好ましくはＣ１〜Ｃ４アルキル基を含んでいる。そのような基がある程度の量で存在すると、改良されたクリープ挙動を有する繊維が得られることが見出された。しかしながら、側鎖が長すぎたり側鎖の量が多すぎたりすると、加工性、特にフィラメントの延伸挙動に悪影響がでる。この理由から、ＵＨＰＥには、メチルまたはエチル側鎖、より好ましくはメチル側鎖が含まれているのが好ましい。そのような側鎖の量は、１０００個の炭素原子あたり、好ましくは２０個以下、より好ましくは１０個以下である。

ＵＨＰＥは、単一のポリマーグレードであってもよいし、さらには、たとえばＩＶまたは分子質量分布および／または側鎖の数が異なった２種以上の別々なグレードの混合物であってもよい。

その繊維には、通常の量、一般には５質量％未満の量の慣用される添加剤、たとえば抗酸化剤、熱安定剤、着色剤、成核剤、流動促進剤など；または残存量の紡糸溶媒などが含まれていてもよい。繊維にはさらに、他のポリマー、好ましくはポリオレフィン系ポリマーたとえば他のポリエチレン、ポリプロピレン、またはそれらのコポリマー（ゴム状コポリマーたとえばＥＰＤＭ、ＥＰＲなども含む）などが含まれていてもよい。そのようなその他のポリマーの量は繊維中のＵＨＰＥの量よりは必ず少なくするが、好ましくはＵＨＰＥの３０％以下とする。

カーボンナノチューブは、単にナノチューブと呼ばれることもあるが、炭素をベースとした分子であって、いわゆるバックミンスターフラーレン（Ｃ６０）およびその他のフラーレンの構造に関連した構造を有している。ナノチューブは円筒状の構造を有していて、５０ｎｍから１０ｍｍまでの長さの、ほぼ無限のチューブに成長させることができる。ナノチューブの直径は約０．５〜１００ｎｍとすることができる。現在のところナノチューブは典型的には炭素から製造されているが、他の原子が存在していても構わない。ナノチューブはさらに、ポリマー複合材料またはポリマー繊維のための補強繊維としても評価されているが、その理由は、それらが極めて高いアスペクト比（長さ対直径の比）を有していながらも、ポリマーマトリックス中に組み入れたときに充分な流動性を示すほど短いからである。ナノチューブは、いくつかの層の同心円柱に類似させて、単なる単層構造（単層ナノチューブ、略称ＳＷＮＴ）、二層構造（ＤＷＮＴ）または多層構造（ＭＷＮＴ）を有することができる。ナノチューブは、たとえばほほ平行に配列したチューブの分枝を有するクラスターの形態で、１０００ナノチューブまでの凝集物を形成する傾向が強く、個々のナノチューブが別なクラスターの中まで延びて、相互に結合されている。ロープと呼ばれることもある、そのような凝集物が凝集して、粉体またはシート材料を形成することができる。ＣＮＴは一般に、有機溶媒、特に非極性溶媒の中に分散させることは困難であるが、それは、凝集物中で強い粒子相互作用があるからである。ナノチューブの調製法とその性質ならびに応用の可能性については、多くの公刊物の対象となっているが、たとえば、国際公開第９７／０９２７２Ａ１号パンフレットおよび国際公開第９８／３９２５０Ａ１号パンフレットを参照されたい。

ＵＨＰＥ繊維の性質を改良するのに適した、ＣＮＴの含量は、約０．１〜１０質量％である。おそらくは、本発明による方法を用いて得られる良好な分散体の結果として、ＣＮＴを比較的少量担持させただけでも、繊維の性能が顕著に改良される。したがって、本発明による方法においては、繊維が０．２〜５質量％のＣＮＴを含むのが好ましく、０．３〜３または０．５〜２．５質量％含めばより好ましい。

本発明による方法には、酸性水溶液を用いてカーボンナノチューブを前処理する工程が含まれる。好適な前処理としては、ポリマー（Ｐｏｌｙｍｅｒ）４４（２００３）、ｐ．５６４３〜５６５４、またはＣＮ１４３１３４２Ａ号明細書において適用された方法を挙げることができる。濃硝酸（６８％）と濃硫酸（９８％）との水性混合物（好ましくは容積比で約１／３）の中でＣＮＴを環流処理することを含む前処理を適用するのが好ましいが、これについてはたとえばカーボン（Ｃａｒｂｏｎ）３６（１９９８）、ｐ．１６０３〜１６１２により詳しい記述がある。この手順によって、水性媒体中に容易に分散させることが可能な、充分に精製されたＣＮＴが得られる。前処理工程の一部として一般には、水を用いてＣＮＴを洗浄して、残存している酸残分を除去する。洗浄後に、前処理されたＣＮＴを乾燥させてもよいが、ＣＮＴは完全に乾燥させない方が好ましく、その理由は、本願発明者らは、それが次のアルコールの中への分散を邪魔することを見出したからである。したがって、水をアルコールに置き換えるのが好ましい。水溶液からアルコールへのそのような溶媒置換は、最終の洗浄工程にアルコールを用いることにより実施することができる。

本発明による方法は、多層ＣＮＴ（ＭＷＮＴｓ）に適用するのが極めて好ましいが、この多層ＣＮＴは、そうしないと、複合材料の性能の改良において比較的低い効率を一般に示す。このことは、ＣＮＴ／ＵＨＰＥ繊維の引張特性においても観察される。

本発明による方法では典型的には、５０ｎｍ以下の直径と０．１〜５ミクロンの範囲の長さとを有するＣＮＴが得られる。好ましい実施形態においては、ＣＮＴの直径は４０、３０、２５以下または、さらには２０ｎｍ以下であり、長さが約０．５〜２ミクロンであるが、それらはアルコール中での分散体または複合繊維について（電子）顕微鏡で測定したものである。直径が小さく、アスペクト比が高い結果として、繊維の引張特性がより顕著に改良される。

本発明による方法には、紡糸溶媒中のＵＨＰＥの溶液の中に分散された前処理されたカーボンナノチューブを含む組成物を製造する工程、アルコール中に前処理されたＣＮＴの分散体を製造することを含む工程、そしてこの分散体を、ＵＨＰＥと紡糸溶媒との混合物に混合する工程が含まれる。

本発明による方法において使用するのに適したアルコールは、水と紡糸溶媒溶媒の両方に少なくともある程度の混和性を有するか、あるいは溶解するものである。水に可溶性であることによって、洗浄の際に溶媒を置き換えることが可能となるが、紡糸溶媒への溶解性の程度は、とりわけ、アルコール中およびＣＮＴ／ＵＨＰＥ／紡糸溶媒組成物中における、ＣＮＴの所望の濃度に依存する。当業者であれば、いくつかの簡単な実験により適切な溶解度を決めることができる。好適なアルコールの例としては、直鎖または分枝鎖の脂肪族一価アルコールたとえば、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、１−ブタノール、１−ヘキサノール、１−デカノール、さらには多価アルコールたとえばエチレングリコールなどが挙げられる。フェノールのような芳香族アルコールもまた、それらが所定の溶解性を持つならば、使用することが可能である。脂肪族アルコールを使用するのが好ましいが、その理由は、それらには毒性またはその他の環境的な問題がないからである。紡糸溶媒とのＣＮＴの分散および混和性の点から、Ｃ２〜Ｃ１２脂肪族一価アルコールを適用するのがより好ましい。

前処理されたＣＮＴのアルコール中分散体の製造は、公知の方法たとえば、ある程度の時間たとえば、多くて１〜２時間、混合物を撹拌（場合によっては超音波を使用）することにより実施することが可能である。先にも述べたように、前処理工程の後でＣＮＴを完全に乾燥させることなく、溶媒の置換をすれば、分散体の製造がより効率的となる。使用するアルコールの沸点に応じて、室温または高温で分散を実施することができる。

得られたアルコール中ＣＮＴの分散体を、次いで、ＵＨＰＥと紡糸溶媒との混合物と混合する。この混合物はＵＨＰＥの溶液であってもよく、その場合、紡糸溶媒中のＵＨＰＥの溶液の中に分散された前処理されたカーボンナノチューブを含む組成物に直接なる。その場合には、混合物の温度は一般に、紡糸溶媒中へのＵＨＰＥの溶解温度より高くする。別な方法では、混合物が、ＵＨＰＥ粒子たとえば市販されているＵＨＰＥ粉体の、溶解温度より低い温度の紡糸溶媒中への分散体である。次いで、その混合物を撹拌しながら、溶解温度にまで温度を上げることによって、紡糸溶媒中のＵＨＰＥの溶液の中に分散された前処理されたカーボンナノチューブを含む組成物が得られるが、場合によっては超音波を使用してもよい。

好適な紡糸溶媒は、場合によっては高温（但し紡糸溶媒の沸点より低い）で、高分子質量ポリエチレンがその中に完全に溶解されるような溶媒である。紡糸溶媒は、高温ではＵＨＰＥの均質な溶液ができるが、温度を再び下げたときにその溶液が固化またはゲル化するように、選択するのが好ましい。そのような溶媒の例としては、パラフィンオイルまたはワックス、デカリン（またはデカヒドロナフタレン）、テトラリン、キシレン、各種のケロシンなど、さらには当業者公知の溶媒が挙げられる。

アルコールおよび紡糸溶媒中のＣＮＴの分散体は、混合後の組成物の水含量が５００ｐｐｍ未満；より好ましくは２００未満、さらには１００ｐｐｍ未満にとどまるような、少量の水しか含んでいないのが好ましい。そのような低い水分量によって、紡糸安定性にはプラスの効果が得られる。

本発明による方法における次の工程は、得られた組成物を溶液紡糸して繊維とする工程である。そのような紡糸法もまた当業者には周知である。好適な溶液紡糸法はいわゆるゲル紡糸法であって、これについては、多数の文献に記述があり、その例をいくつか挙げる：ＥＰ０２０５９６０Ａ号明細書、ＥＰ０２１３２０８Ａ１号明細書、米国特許第４４１３１１０号明細書、ＧＢ２０４２４１４Ａ号明細書、ＥＰ０２００５４７Ｂ１号明細書、ＥＰ０４７２１１４Ｂ１号明細書、国際公開第０１／７３１７３Ａ１号パンフレット、およびＴ．ナカジマ（Ｔ．Ｎａｋａｊｉｍａ）編『アドバンスト・ファイバー・スピニング・テクノロジー（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ｓｐｉｎｎｉｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）』（ウッドヘッド・パブリッシング・リミテッド（Ｗｏｏｄｈｅａｄ Ｐｕｂｌ．Ｌｔｄ）（１９９４、ＩＳＢＮ１−８５５−７３１８２−７）、およびそれらの中の引用文献。ゲル紡糸法には、少なくとも、紡糸溶媒中の超高分子量ポリエチレンの溶液から少なくとも１本のフィラメントを紡糸する工程；得られたフィラメントを冷却してゲルフィラメントを形成させる工程；そのゲルフィラメントから少なくとも部分的にその紡糸溶媒を除去する工程；および、紡糸溶媒の除去前、除去中および／または除去後の少なくとも一つの延伸工程においてそのフィラメントを延伸させる工程、を含むものと理解されたい。好ましい実施形態においては、得られる複合繊維はマルチフィラメントヤーンである。

一定で安定な紡糸法を維持し、一定の品質の繊維を得るためには、ゲル紡糸の際に、溶媒の組成が一定であることが重要である。組成物中のアルコールの沸点が比較的に低い、すなわち紡糸溶媒の沸点より低い場合には、紡糸の前に組成物からそのアルコールを除去しておくのが好ましい。したがって、本発明による方法には、工程ｃ）より前に組成物からアルコールをたとえば蒸発法によって除去する工程が含まれているのが好ましい。紡糸の前にアルコールを除去しておくことのさらなる利点は、紡糸溶媒の回収と精製が、アルコールの存在による影響を受けないことである。アルコールをそのように除去することを可能とするためには、そのアルコールの沸点を、好ましくは１８０℃未満、より好ましくは１５０、１２５、さらには１００℃未満とする。

特に好ましい実施形態においては、アルコールとしてエタノールを使用するが、その理由は、これによってＣＮＴの良好な分散が得られ、たとえば４０〜８０℃で混合物から蒸発させることによって組成物から容易に除去することが可能となるからであって、それらの混合物は紡糸溶媒中のＵＨＰＥの分散体、溶液のいずれであってもよく、これにより、高い引張特性を有するＣＮＴ／ＵＨＰＥ繊維を製造することが可能となる。

また別な実施形態においては、比較的高い沸点、好ましくは１８０℃を超え、より好ましくは２００または２２０℃を超える、比較的高い沸点を有するアルコールを含む組成物を使用する。その利点は、アルコール除去工程を加えなくても、紡糸法が安定性を保つことであって、その理由はおそらく、紡糸組成が一定であるためであろう。好適な高沸点アルコールの一例は１−デカノールである。そのようなアルコールは、抽出法によって、繊維から紡糸溶媒と同時に除去するのが好ましい。

本発明による方法にはさらに、ゲルフィラメントが形成された後、すなわちゲル状態または固相状態にあるときに、繊維を横方向に変形させる工程が含まれていてもよい。ゲル状態においては、繊維にはまだ比較的大量の溶媒が含まれている可能性があるが、半固相状態にある。紡糸溶媒が実質的に除去された後では、その繊維は固相状態となる。紡糸溶媒が実質的に除去されたということは、その繊維に５質量％以下の残存紡糸溶媒しか含まれていないということを意味すると理解されたい。

横方向、すなわちゲル状態または固相状態において延伸方向にほぼ直角の方向に繊維を変形させると、繊維の延伸挙動が改良される、すなわち、繊維が破断することなくより高い延伸比が可能となり、その結果より高い引張特性が得られる、ということが判明した。いかなる理論にも束縛されることは欲しないが、本願発明者らの考えるところでは、これは、たとえば凝集物を乱すことによって、繊維中におけるＣＮＴの分散がさらに改良されるためであろう。そのような変形工程は、たとえば、所定の距離をおいて保った２本のローラーの間に繊維を通すことによって実施することができる。

本発明はさらに、０．１〜１０質量％のＣＮＴを含むＵＨＰＥ複合繊維に関し、その繊維は少なくとも３．０ＧＰａの引張強さと少なくとも９０ＧＰａの引張モジュラスとを有しており、その繊維は本発明における方法により得ることができる。

本発明による繊維は、比較的低い担持量のＣＮＴで改良された引張特性を示しているので、０．２〜５、０．３〜３、さらには０．５〜２．５質量％のＣＮＴを含んでいるのが好ましい。

本発明による繊維では、その引張強さおよびモジュラスがそれぞれ、好ましくは少なくとも３．１および９５ＧＰａ；より好ましくは少なくとも３．２および１００ＧＰａ；さらには３．５および１１０ＧＰａである。さらに、そのような繊維は、鋭利なものたとえばナイフによる切断に意外なほど改良された抵抗性を示す。

本発明はさらに、本発明による複合繊維、または本発明における方法により得られるそのような繊維を含む、各種の半製品および最終用途物品にも関する。そのような物品の例としては、各種のロープおよびコード、漁網、スポーツ用品、医療用途、切断抵抗性物品、および耐衝撃性複合材料などが挙げられる。それらの用途のほとんどにおいて、ヤーンの引張強さが、その物品の性能を決める重要なパラメーターである。

ロープには、たとえば錨の取扱い、地震対策（ｓｅｉｓｍｉｃ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）、掘削装置および採油プラットフォームの繋留および曳航など、海上用途および沖合における操作（ｏｆｆｓｈｏｒｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）のためのヘビーデューティロープが含まれる。

たとえば保護手袋のような耐切断性物品は典型的には、本発明による複合繊維および場合によってはその他の繊維を編み込むことによって製造される。

耐衝撃性複合材料には特に、本発明による繊維を含む複数の層を含む多層集合体が含まれ、そのような集合体を含む耐衝撃性物品が含まれる。層の中では複合繊維は、たとえば織布や不織布のように、各種の形態で存在させることが可能である。それらの層には、一方向に配向させた繊維を含んでいて；それぞれの層における繊維の方向は、隣接する層における繊維の方向に対して角度がつけられているのが好ましい。繊維の層には、基本的にはフィラメントを層の中に組み入れて保持するための、バインダー物質がさらに含まれていてもよい。

本発明はさらに、非極性媒体の中にカーボンナノチューブの分散体を製造する方法に関し、それには、酸性水溶液を用いてＣＮＴを前処理する工程；アルコール中に前処理されたＣＮＴの分散体を製造する工程、およびその分散体を非極性溶媒と混合する工程が含まれる。非極性溶媒とは、ポリエチレン、ポリプロピレン、またはエチレン、プロピレンおよび／または他のアルファ−オレフィンから実質的になる各種その他の非架橋コポリマーのようなポリオレフィンを、場合によっては高温で、均質に溶解させることが可能な溶媒と理解されるべきであり、そしてそれには、ＵＨＰＥのための紡糸溶媒（これに限定される訳ではない）も含まれる。非極性媒体とは、たとえば非極性溶媒、またはそのような溶媒中のポリオレフィンの溶液であって、場合によってはその他の成分たとえばポリオレフィンのための典型的な添加剤が含まれていてもよい。本発明によるこの方法によって、非極性媒体中で安定なＣＮＴ分散体を製造することが可能となり、界面活性剤やその他の添加剤のような分散助剤を添加することは必要ない。得られるＣＮＴ分散体は、複合材料製品たとえばコーティング、フィルム、繊維など各種の目的のために有利に使用することが可能である。分散体中のＣＮＴ含量、およびたとえば非極性溶媒を除去した後の複合材料製品中のＣＮＴ／ポリオレフィンの比率に応じて、その複合材料製品は、公知の方法により製造した類似の組成の製品よりも改良された性質、たとえば改良された機械的性質または改良された電気的性質を示す。ＣＮＴ分散体を製造するこの方法についての好ましい実施形態は、ＣＮＴ／ＵＨＰＥ複合繊維を製造する方法について先に記述した実施形態および好ましい実施形態と類似している。

本発明はさらに、非極性媒体中のカーボンナノチューブの分散体、特に、本発明における方法により得られる、非極性溶媒中のポリオレフィンの溶媒中のＣＮＴの分散体に関する。

本発明はさらに、本発明に従ってたとえばコーティング、フィルム、繊維などのような複合材料を製造するための、非極性媒体、特に非極性溶媒中のポリオレフィンの溶液中のカーボンナノチューブの前記分散体の使用に関する。

以下の実施例を参照しながら、本発明についてさらに詳しく説明する。

実施例１
多層ＣＮＴは、カーボン・ナノテック・ポイント（Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｅｃｈ Ｐｏｉｎｔ）（中国、シンセン）から入手した。１グラムのＣＮＴを、Ｈ２ＳＯ４（９８％）とＨＮＯ３（６８％）の酸混合物（容積比３：１）１００ｍＬの中に分散させた。その混合物をマグネチックスターラーで撹拌しながら９０℃で約１．５時間加熱してから、放冷した。その後で、脱イオン水をその酸性混合物に加え、次いで孔径１．０μｍの石英フィルターを用いて濾過した。この希釈／濾過操作を２回実施し、その後でＣＮＴを再び脱イオン水中に希釈し、室温で約１０〜２０分間超音波浴で処理した。得られた分散体をもう一度濾過した。水が無色になるか、あるいはｐＨが中性となるまで、この超音波処理／濾過操作を繰り返した。

最終的な濾過工程の後で、ＣＮＴの一部を真空炉中６０℃で一夜乾燥させて、その収率と固形分含量とを求めた（典型的には、総合収率約７０〜８０質量％）。湿っているＣＮＴをエタノールを用いて洗浄してから、室温で、８０分間超音波処理してエタノール中に分散させた（０．１５ｇＣＮＴ／５０ｍＬ分析グレードエタノール）。

１０００個の炭素原子あたり０．３個未満の側基と、デカリン中で１９．８ｄＬ／ｇのＩＶを有する、粉末状のＵＨＰＥポリマー１５ｇを室温で、５００ｍＬのデカリン（シス／トランス異性体比４０／６０、水分含量１００ｐｐｍ未満）に加え、その混合物を浴中で７５分間超音波処理してから、そのエタノール中ＣＮＴの分散体を、ＵＨＰＥ／デカリン懸濁液に加え、得られた混合物をさらに３０分間超音波処理した。次いで、そうして得られた混合物を、ホットプレート上５０〜６０℃の間の温度でマグネチックスターラー撹拌をして、約４５分間でエタノールを蒸発させた。

いわゆるゲル紡糸法により、繊維を紡糸した。ＣＮＴ／ＵＨＰＥ／デカリン組成物を、典型的には１７５℃、３００ｒｐｍで運転される、ＡＰＶ二軸押出機（Ｄ＝１９ｍｍ、長さ２５Ｄ、５加熱ゾーン）の中に、ホースポンプを用いてフィードした。押出機の中で、ＵＨＰＥはデカリン中に溶解した。押出機の直後に、０．３ｃｃの紡糸用ギヤポンプを６０ｒｐｍに設定して、紡糸溶液を紡糸口金を通して直径２ｍｍとなるように押し出した。紡糸口金の下約１０ｃｍのところに水浴（深さ約５０ｃｍ）を設けておいて、紡糸されたフィラメントを浴の底に直接導き、自由回転のホイールを介してボビンを備えた引取りロールへと送った。引取りロールの速度は、エアギャップ中での延伸比が約８．４となるように設定した。紡糸されたフィラメントは、ボビン上で、周囲条件下で乾燥させた。

１質量％のＣＮＴを含む、紡糸したまま乾燥させたフィラメントを有するボビンを、フィードロールの上に置き、フィラメントを長さ９０ｃｍの電気加熱筒状炉の中に通して、引取りロール上の別なボビンに巻き取った。加えられる延伸比は、引取りロールとフィードロールの速度の比である。その繊維を２段で１５〜２０倍に延伸させたが、最初の工程では１３０℃で延伸比５とし（フィード速度０．５ｃｍ／s）、次いで１４０℃で３〜４の延伸比を用いた（フィード速度０．１３ｃｍ／s）。

引張特性；引張強さ（すなわち、強さ）、引張モジュラス（すなわち、モジュラス）および破断時伸び（すなわち、ｅａｂ）を繊維サンプルについて測定したが、その有効サンプル長さは２７８ｍｍ（クランプの間の距離が２００ｍｍ、それに曲線状のクランプの表面上の７８ｍｍのフィラメントを加えたもの）、クロスヘッド速度が１００ｍｍ／分であり、ツビック（Ｚｗｉｃｋ）８１９０空気式クランプを備えたツビック／ロエル（Ｚｗｉｃｋ／Ｒｏｅｌｌ）Ｚ０１０引張試験機を使用した（標準ＡＳＴＭ Ｄ８８５Ｍに準拠）。測定した応力−歪み曲線を基準にして、（０．２５〜０．３５％歪みの間であてはめることにより）歪み０．３％のところにおけるモジュラスを測定した。モジュラスおよび強さを計算するために、測定で得られた引張力を、一連の３回の個別の引張試験の前後で長さ１メートルの繊維の重量をミクロバランスで測定して求めた繊維の線密度で割り算をして、密度を０．９７ｇ／ｃｍ^３と仮定して、ＧＰａの単位の数値を計算した。全部で少なくとも１２回の試験を実施した。得られた平均値を表１に示す。

ＵＨＰＥの固有粘度（ＩＶ）は、ＰＴＣ−１７９法（ハーキュレス・インコーポレーテッド（Ｈｅｒｃｕｌｅｓ Ｉｎｃ．）、１９８２年４月２９日改訂）に従い、デカリン中１３５℃で、溶解時間は１６時間とし、抗酸化剤としてのＤＢＰＣを２ｇ／溶液１Ｌの量で使用し、各種の濃度で測定した粘度を濃度ゼロに外挿することによって求めた（ＡＳＴＭ Ｄ４０２０に準拠）。

ＵＨＰＥサンプルの中の側鎖の数は、厚さ２ｍｍの加圧成形フィルムについてのＦＴＩＲにより求めたが、ＮＭＲ測定を基準にした補正曲線を用いて、１３７５ｃｍ^−１における吸収から定量化した（たとえば、ＥＰ０２６９１５１号明細書参照）。

比較実験Ａ〜Ｃ
実施例１と同様であるが、ただしＣＮＴ抜きで、デカリン中のＵＨＰＥ溶液を作り、紡糸して繊維とした（実験Ａ）。実験Ｂにおいては、入荷したままのＣＮＴを使用して、実施例１と同様にして、デカリン中ＵＨＰＥ粉体（ＵＨＰＥ１質量％）の混合物に加え、同様にして紡糸して繊維とした。実験Ｃにおいては、ＣＮＴを酸性溶液を用いて前処理し、水を用いて洗浄し、乾燥させ、次いでそれを用いて、実施例１と同様にして、ＵＨＰＥおよびデカリンとの混合物とした。

表１に列記したデータから、水性酸性溶液を用いて前処理してから、ＣＮＴをアルコール中に分散させることを含む方法による、実施例１において最善の性質が得られることが判る。

実施例２
実施例１と同様であるが、ただし５質量％のＣＮＴを使用してデカリン中のＵＨＰＥ溶液を作り、紡糸して繊維とした。延伸比１７．５のところでは、得られた繊維ではすでに、延伸比２０で製造した参照繊維（比較例Ａ）よりも、強さがわずかに上昇したことが認められた。

実施例３
実施例２で製造した、紡糸したままで、未延伸の前駆体繊維を、１２０℃で３０分かけて熱盤プレス中である長さの繊維（ａ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ｆｉｂｒｅ）を加圧することにより、さらなる変形工程にかけた。次いでその繊維を加熱炉を備えた引張試験機で、最初に温度１２０℃で５倍、次いで１３０℃でさらに６倍に伸させた。次いで、室温、伸び速度２．５４ｍｍ／分で引張特性を測定した。

比較実験Ｄ
実施例３と同様にして、比較実験Ａで作った紡糸したままで未延伸の前駆体繊維をさらなる変形工程にかけ、次いで延伸および試験を行った。結果を表１に示す。

繊維の横向けの方向に繊維を変形させる工程を組み入れることによって、繊維の紡糸性が向上し、さらに引張挙動が改良されると、結論づけることができる。上述の方法を用いて製造された繊維の中にＣＮＴが存在することによって、さらに良好な特性が得られることとなった。

Claims (16)

1. カーボンナノチューブ／超高分子量ポリエチレン（ＣＮＴ／ＵＨＰＥ）複合繊維を製造するための方法であって、
   ａ）酸性水溶液を用いてカーボンナノチューブを前処理する工程、
   ｂ）紡糸溶媒中のＵＨＰＥの溶液の中に分散された前処理されたＣＮＴを含む組成物を製造する工程、および
   ｃ）得られた前記組成物を紡糸して繊維とする工程
   を含む、方法において、
   工程ｂ）が、アルコール中に前処理されたＣＮＴの分散体を製造し、この分散体をＵＨＰＥおよび紡糸溶媒の混合物と混合することを含むことを特徴とする、
   方法。
2. 前記繊維が０．２〜５質量％のＣＮＴを含む、請求項１に記載の方法。
3. 工程ａ）が、前記ＣＮＴを濃硝酸（６８％）および濃硫酸（９８％）の水性混合物（好ましくは容積比約１／３）の中で環流処理することを含む、請求項１または２に記載の方法。
4. 多層ＣＮＴを適用する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記ＣＮＴが５０ｎｍ以下の直径を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記アルコールが脂肪族アルコールである、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 工程ｃ）の前に、前記アルコールを前記組成物から除去する工程をさらに含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. アルコールが好ましくは１５０℃未満の沸点を有する、請求項７に記載の方法。
9. 前記アルコールがエタノールである、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. ゲル状態または固相状態において前記繊維を横方向に変形させる工程をさらに含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法により得られる、少なくとも３．０ＧＰａの引張強さと少なくとも９０ＧＰａの引張モジュラスとを有するＣＮＴを０．１〜１０質量％含む、ＣＮＴ／ＵＨＰＥ複合繊維。
12. 請求項１１に記載の複合繊維を含む半製品または最終用途物品。
13. 酸性水溶液を用いてＣＮＴを前処理する工程、アルコール中に前処理されたＣＮＴの分散体を製造する工程、およびその分散体を非極性溶媒と混合する工程を含む、非極性媒体中のカーボンナノチューブの分散体を製造する方法。
14. 前記非極性媒体が、非極性溶媒中のポリオレフィンの溶液である、請求項１３に記載の方法。
15. 請求項１３または１４に記載の方法により得られる、カーボンナノチューブの分散体。
16. コーティング、フィルム、繊維などのような複合材料製品を製造するための、請求項１５に記載の分散体の使用。