JP2012523506A - ナノ粒子を含んで構成される繊維サイジング剤 - Google Patents
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Abstract
繊維サイジング剤配合剤は、（１）溶媒中に遷移金属ナノ粒子の分散を含んだナノ粒子溶液と、（２）第１の繊維サイジング剤と、を含んで構成される。前記ナノ粒子は、繊維サイジング剤配合剤を繊維に塗布し、溶媒を除去した後、前記第１の繊維サイジング剤中に分散する。前記ナノ粒子は、第２のサイジング剤、前記繊維上にさらなるナノ構造を成長させる触媒及びこれらの組み合わせ、から選択される機能を果たす。繊維は、周囲に配置されたサイジング剤を含む。繊維は、サイジング剤中に分散した遷移金属ナノ粒子を含む。方法は、繊維の製造中に繊維に前記サイジング剤配合剤を塗布すること及び塗布された前記配合剤から溶媒を除去することを含む。方法は、遷移金属ナノ粒子溶液をサイジング被覆された繊維へ塗布すること及び焼成することを含み、サイジング剤を焼成する前に、ナノ粒子サイジング溶液は塗布される。
【選択図】図１
【選択図】図１
Description
（関連出願）
本出願は、２００９年４月１０日に出願された米国仮出願第６１／１６８，５０２号に対して優先権を主張しており、この仮出願の全ての内容は、参照により本出願に組み込まれる。
本出願は、２００９年４月１０日に出願された米国仮出願第６１／１６８，５０２号に対して優先権を主張しており、この仮出願の全ての内容は、参照により本出願に組み込まれる。
（連邦支援の研究又は開発に関する記載）
適用なし。
適用なし。
本発明は、サイジング剤の構成に関し、特に、繊維とともに使用されるサイジング剤の構成に関する。
加工中に繊維がどのように扱われるか及び繊維が複合材料の一部としてどのように機能するか等の繊維の特性の多くを制御することができるサイジング剤が繊維に被覆されている。繊維サイジング剤は、例えば、複合材料の一部として使用された際の界面応力の向上、繊維の摩耗を防ぐための潤滑性の向上及び帯電防止特性の付与を目的として開発されてきた。
ナノ粒子は、同一成分のバルク材とは異なる独自の性質を有する。繊維サイジング剤配合剤中へのナノ粒子の混入はあまり研究されていないが、複合材料の強度を向上させるために、ナノ粒子とともにシランベースのサイジング剤を使用した例は注目に値する。このようなサイジング剤配合剤は、ガラス繊維及び複合材料に混入されるサイジング繊維（sized fiber）に塗布されている。ナノ粒子を含んだサイジング剤配合剤の開発は、サイジング繊維及びその繊維が混入された複合材料に新たな特性を与えるのに役立つだろう。
さらに、サイジング層中に分散可能なナノ粒子構造を混入された繊維サイジング剤配合剤を提供すること及び基材として繊維との階層構造を作成するための土台を提供することは有益であろう。そのような、ナノ粒子が含浸された（NP-impregnated）サイジング繊維は、サイジング層中にナノ粒子が混入されていないサイジング繊維に対する官能化（functionalization）を含む繊維処理に必要な繊維加工ステップを減らすことができる。本発明は、これらの要求を満たし、関連効果を提供する。
ある態様において、本明細書において開示される実施形態は、（１）溶媒中における遷移金属のナノ粒子（NP）の分散を含むナノ粒子溶液と、（２）第１の繊維サイジング剤と、を含む繊維サイジング剤配合剤に関する。前記遷移金属ナノ粒子は、繊維サイジング剤配合剤を繊維へ塗布し、前記溶媒を除去した後、第１の繊維サイジング剤中に分散する。前記ナノ粒子は、第２のサイジング剤、繊維上でのさらなるナノ構造の成長のための触媒及びそれらの組み合わせ、から選択される機能を果たす。
他の態様において、本明細書において開示される実施形態は、繊維の周囲に配置されたサイジング剤を含む繊維に関する。前記サイジング剤は、サイジング剤中に分散する遷移金属ナノ粒子を含む。
さらに他の態様において、本明細書において開示される実施形態は、繊維の製造中に、ナノ粒子を含むサイジング剤配合剤を繊維に塗布し、塗布された前記サイジング剤配合剤から溶媒を除去することを含む方法に関する。
さらにまた他の態様において、本明細書において開示される実施形態は、遷移金属ナノ粒子溶液をサイジング剤が被覆された繊維へ塗布し、前記サイジング剤を焼成することを含む方法に関する。このような実施形態において、ナノ粒子溶液は、サイジング剤が焼成される前に塗布される。
本発明は、１つには、ナノ粒子を従来のサイジング剤に混入する繊維サイジング剤配合剤を目的とする。前記配合が繊維の製造において使用されると、図２に例示するように、従来のサイジング剤全体に分散したナノ粒子を含むサイジング繊維製品が得られる。図１に示すように、既にサイジングされた繊維上へナノ粒子を配置すると、サイジング剤の表面にのみナノ粒子が配置される結果となる。一方、本発明によるサイジング剤配合剤中のナノ粒子は、繊維自体と表面接触したナノ粒子を含み、繊維サイジング層全体に分散させることができる。ナノ粒子自体は、例えば、第２のサイジング剤として、繊維上にさらなるナノ構造を形成するための触媒として並びに繊維に電気伝導性及び熱伝導性を与えるために使用することができる。ある実施形態では、ナノ粒子を含んだ第１のサイジング層の上に、さらなるサイジング層が重ねられる。この構造は、ナノ粒子を含んだ第１のサイジング層上に被覆された第２のサイジング層を示す図３に例示されている。また、第１の層中に第１のナノ粒子が含まれ、第２の層中に第２のナノ粒子が含まれるような他の構造も可能である。さらに、ナノ粒子を含むサイジング層とナノ粒子を含まないサイジング層とが交互に配置されてもよい。例えば、第１のサイジング層は第１のナノ粒子を含み、第２のサイジング層はナノ粒子を含まず、そして、第３のサイジング層は前記第１のナノ粒子と同一の又は異なったナノ粒子を含んでもよい。
本発明によるサイジング剤配合剤を使用して製造された繊維は、フィラメント（filament）、繊維トウ（fiber tow）、複合材料及び他の階層構造中に使用することができる。一部の実施形態では、サイジング繊維中に存在するナノ粒子は、カーボンナノチューブやナノロッド（ナノワイヤー）等の繊維上に、さらなるナノ構造を合成するために使用される。前記ナノ構造は、繊維のサイジング剤材料の役割を果たすか、複合材料へ混入された場合に、向上した、複合材料の強度、電気伝導性又は熱伝導性、放射線吸収等の望ましい性質を複合材料に与えることができる。
本発明によるサイジング剤配合剤を使用して製造されたサイジング繊維は、繊維トウ（ヤーン）等に巻き取られ又は丁合いをとられ（collated）、運搬するためにパッケージ化され、下流における他の設備でさらなる繊維処理を施されてもよい。したがって、例えば、サイジング剤中に配置された遷移金属ナノ粒子を有するサイジング繊維製品は、カーボンナノチューブを合成可能なサイジング繊維製品として出荷し、販売することができる。
本明細書において、「繊維」という用語は、連続フィラメント又は個別の細長い材料を含むいずれの種類の材料も示す。繊維は、フィラメント、紐、ロープ及びヤーン（yarn）等に紡ぎ、複合材料の構成要素として使用するか又は紙製品もしくはフェルト製品を作るためにシート状に固められてもよい。本発明による繊維は、天然繊維と、無機物又は有機物から作られた合成繊維と、を含んでもよい。繊維は、当業者が理解するように、耐熱繊維（high temperature fiber）又は耐冷繊維（low temperature fiber）であってもよい。「繊維」という用語は、「フィラメント」という用語と同じ意味で使用することができる。したがって、本明細書に開示される繊維製造における変更は、他のフィラメント状の材料にも同様に適用することができる。本発明による繊維は、ミクロ及びナノメートルスケールを含む、あらゆるスケールの繊維であってよい。
本明細書において、「ナノ粒子（nanoparticle, NP）」又は文法上これと同等の用語は、ＮＰは球形である必要はないが、球の等価直径が約０．１から約１００ナノメートルの間のサイズの粒子を示す。ナノ粒子は、微粒子やバルク材で観測される性質とは異なる、大きさと関連した性質を示す。本発明によるナノ粒子は、サイジング繊維上でのさらなるナノ構造の成長のための触媒もしくはサイジング繊維の第２のサイジング剤材料としての役割を果たすか又はサイジング繊維の電気伝導性もしくは熱伝導性を変化させることができる。例えば、量子閉じ込め、局所表面プラズモン共鳴（local surface Plasmon resonance）及び超常磁性（superparamagnetism）を含むナノ粒子の大きさに依存した性質は、本発明のナノ粒子に観測することができる。
本明細書において、溶媒中のナノ粒子に関して使用される場合、「分散」という用語は、溶媒相全体に均一に分散したナノ粒子の懸濁液やコロイド等を示す。溶媒中に均一に分散したナノ粒子は、沈殿することなく溶媒相中に浮遊したままでいることができる。同様に、溶媒が除去されたサイジング剤中のナノ粒子に関して使用される場合、「分散した」という用語は、繊維の周囲に配置された硬化したサイジング剤全体に亘るナノ粒子の略均一な分布を示す。前記略均一な分布は、繊維自体と表面接触したナノ粒子を含む。
本明細書において、「遷移金属」という用語は、周期表のｄブロックにおけるあらゆる元素又はその合金をいう。また、「遷移金属」という用語には、非遷移金属元素の塩形態（例えば、酸化物、炭化物、窒化物等）も含まれる。
本明細書において、「サイジング（sizing）」、「サイジング剤（sizing agent）」、「繊維サイジング剤（fiber sizing agent）」又は「サイジング剤配合剤（sizing formulation）」という用語は、繊維の品質を保護し、繊維と複合材料中のマトリクス材との間の界面相互作用を強化し、繊維特有の物理的性質を変化させるか又は強化する繊維被覆として、繊維の製造中に使用される材料を総称して示す。
本明細書において、「ナノ構造」という用語は、約０．１ｎｍ〜約５００ｎｍのナノメートルスケールの少なくとも１つの次元を有する構造を示す。ナノ構造は、カーボンナノチューブ、ナノロッド（nanorod）、ナノワイヤー（nanowire）、ナノカップ（nanocup）、ナノケージ（nanocage）、ナノ繊維（nanofiber）、ナノシェル（nanoshell）、ナノストリング（nanostring）、ナノピラー（nanopillar）、ナノフレーク（nanoflake）、ナノスプリング（nanospring）及びナノウィスカ（nanowhisker）等を含むが、これに限られない。
本明細書において、「カーボンナノチューブ（carbon nanotube, CNT）」という用語は、単層カーボンナノチューブ（single-walled carbon nanotube, SWNT）、二層カーボンナノチューブ（double-walled carbon nanotube, DWNT）及び多層カーボンナノチューブ（multi-walled carbon nanotube, MWNT）を含む、フラーレン（fullerene）群からなる多数の円筒形状の炭素の同位体のいずれかを示す。カーボンナノチューブはフラーレン様構造により閉塞されるか又は開口端となっていてもよい。カーボンナノチューブは、他の材料を封入したものを含む。カーボンナノチューブは、例えば、フッ化カーボンナノチューブ又は酸化カーボンナノチューブ等の当該技術分野で周知の官能化されたカーボンナノチューブを含む。
本明細書において、「ナノロッド」又は「ナノワイヤー」という用語は、厚さ又は直径が約１〜約５０ｎｍで、長さがそれより長いナノ構造を示す。例えば、ナノワイヤーは、約１００〜約１０００又はそれより大きいアスペクト比を有してもよい。ナノロッドは、約１０〜１００のアスペクト比を有してもよい。
本明細書において、「繊維トウ」という用語は、連続フィラメントの捩れのない束状構造を示す。当該技術分野で周知のように、トウは、そこに含まれるフィラメント状の繊維の本数により指定される。例えば、１２Ｋトウは、約１２，０００本のフィラメントを含む。
本明細書において、「複合材料」という用語は、完成構造において、巨視的レベルでの分離や差異が残ったままの、物理的又は化学的な性質の異なる２つ又はそれ以上の材料からなる材料を示す。１つの材料の物理的又は化学的な性質は、複合材料の他の材料へ与えられてもよい。本発明において、例として挙げた複合材料は、マトリクス材中のサイジング繊維を含む。
本明細書において、「マトリクス材（matrix material）」という用語は、本発明のサイジング剤を、ランダム配向を含む特定の配向で形成する役割を果たすバルク材を示す。マトリクス材は、サイジング繊維の物理的又は化学的な性質の一部がマトリクス材に与えられることにより、サイジング繊維からの恩恵を受ける。
一部の実施形態において、本発明は、（１）溶媒中における遷移金属ナノ微粒子（NP）の分散を含んで構成されるナノ粒子溶液と、（２）第１の繊維サイジング剤と、を含む繊維サイジング剤配合剤を提供する。前記遷移金属ナノ粒子は、繊維サイジング剤配合剤を繊維へ塗布し、前記溶媒を除去した後、第１の繊維サイジング剤中に分散する。前記ナノ粒子は、第２のサイジング剤、繊維上でのさらなるナノ構造の成長のための触媒及びそれらの組み合わせ、から選択される機能を果たす。
本発明は、ナノ粒子分散として、製造中に繊維に塗布するナノメートルサイズの微粒子を含むサイジング剤配合剤を提供する。本発明によるナノ粒子は、ナノ粒子の懸濁液又はコロイド分散を可能とする任意の適切な溶媒中における分散として提供される。前記溶媒は、加熱下、真空下又はその組み合わせ等の適切な状況下で除去できるように選択されればよい。ナノ粒子の懸濁液又はコロイド分散の形成に対する適合性に加えて、溶媒は、前記配合に使用された他のサイジング剤の適切な溶解特性と、被覆される繊維との化学的適合性とにより選択される。本発明による配合に使用される溶媒は、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適切なナノ粒子の分散を形成するように極性が制御された他の触媒を含むが、これに限られない。
本発明によるサイジング剤配合剤中のナノ粒子は、前記配合の約０．５〜約７０重量パーセントの範囲で存在してもよい。さらに、前記配合剤中のナノ粒子の量は、被覆されている繊維基質上の単分子層ナノ粒子の簡易生成を確実にするために調整することができる。ナノ粒子の量は、配合剤に含まれる他のサイジング剤の相対的な量に応じて決まる。したがって、例えば、ナノ粒子の量は、他のサイジング剤との約１：１〜約１：４００の範囲の割合で表されるか又は繊維基質上のナノ粒子の単分子層の簡易形成を確実にする任意の量で表される。当業者は、使用されるナノ粒子の量は、表面積が被覆されている程度及び特定のサイジング剤が繊維上に塗布される望ましい被覆密度によって決まるということを理解するだろう。他の留意事項は、ナノ粒子が特定の物理的もしくは化学的な性質を付与するために使用されるのか又は他の階層的なナノ構造を合成するための基盤として使用されるのか、というような繊維製造後の塗布に関する。ナノ粒子が第２のサイジング剤として使用された場合、前記配合中のナノ粒子の量は、一実施形態では前記配合の約０．５〜７０重量パーセントの範囲であってよく、他の実施形態では約０．５〜１０重量パーセントの範囲であってもよく、例えば、１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１５，２０、２５，３０，３５，４０，４５，５０，５５，６０，６５，７０重量パーセント及びこれらの値の間の全ての値を含んでもよい。ナノ粒子がさらなるナノ構造の成長のための触媒として使用される場合、前記配合中のナノ粒子の量は、一実施形態では前記配合の約０．５〜約５重量パーセントの範囲であってよく、他の実施形態では約０．０１〜約１重量パーセントの範囲であってよく、例えば、０．０１，０．０２，０．０３，０．０４，０．０５，０．０６，０．０７，０．０８，０．０９，０．１，０．２，０．３，０．４，０．５，０．６，０．７，０．８，０．９，１．０，１．５，２．０，２．５，３．０，３．５，４．０，４．５，５．０重量パーセント及びこれらの値の間の全ての値を含んでもよい。ナノ粒子が電気伝導性又は熱伝導性のための導管としての役割を果たす塗布においては、前記配合中のナノ粒子の量は、一実施形態では前記配合の約０．５〜７０重量パーセントの範囲であってよく、他の実施形態では約０．５〜１０重量パーセントの範囲であってもよく、例えば、１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１５，２０、２５，３０，３５，４０，４５，５０，５５，６０，６５，７０重量パーセント及びこれらの値の間の全ての値を含んでもよい。ナノ粒子が第２のサイジング剤としての役割を果たす塗布においては、前記配合中のナノ粒子の量は、一実施形態では前記配合の約０．５〜７０重量パーセントの範囲であってよく、他の実施形態では約０．５〜１０重量パーセントの範囲であってもよく、例えば、１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１５，２０、２５，３０，３５，４０，４５，５０，５５，６０，６５，７０重量パーセント及びこれらの値の間の全ての値を含んでもよい。
一部の実施形態において、ナノ粒子溶液は、一実施形態では約１ｎｍ〜約８００ｎｍの範囲の粒径を有し、他の実施形態では約１ｎｍ〜約１００ｎｍの範囲の粒径を有し、さらに他の実施形態では約１ｎｍ〜約３０ｎｍの範囲の粒径を有するナノメートルサイズの粒子のコロイド溶液である。ナノ粒子が第２のサイジング剤として使用された場合、ナノ粒子の粒径は、一実施形態では約１ｎｍ〜約８００ｎｍの範囲に分布し、他の実施形態では約１ｎｍ〜約１００ｎｍの範囲に分布し、さらに他の実施形態では約１ｎｍ〜約３０ｎｍの範囲に分布してもよい。当業者は、単層カーボンナノチューブ合成に適用するために、ナノ粒子の粒径は、約０．０５ｎｍ〜約２ｎｍの範囲に分布してもよいことを理解するだろう。これより大きな粒径のナノ粒子によって単層カーボンナノチューブを得ることは可能だが、生成されたカーボンナノチューブは、二層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブを若干含むおそれがある。一部の適用において、カーボンナノチューブの混合物を有することが好ましい場合がある。複数層のナノチューブは、本質的に金属的であり、二層カーボンナノチューブ及び多層カーボンナノチューブの混合物は、熱伝導性又は電気伝導性に関する利用に有効である。一部の実施形態において、繊維上に多層カーボンナノチューブが望ましい場合、ナノ粒子の粒径は、一実施形態では約５ｎｍ〜約６０ｎｍの範囲に分布し、他の実施形態では約５〜約３０ｎｍの範囲に分布してもよい。
一部の実施形態において、ナノ粒子は遷移金属を含む。遷移金属は、上記のｄブロック遷移金属のいずれであってもよい。さらに、ナノ粒子は、ｄブロック遷移金属の合金及び非合金の混合物の元素形態又は塩形態及びこれらの混合物を含んでもよい。このような塩形態は、酸化物、炭化物及び窒化物を含むが、これに限られない。限定されない例示的な遷移金属ナノ粒子には、Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ａｕ及びＡｇ、並びにこれらの塩及びこれらの混合物が含まれる。有用な遷移金属には、例えば、カーボンナノチューブ、ナノロッド及びナノワイヤー等のナノ構造成長の触媒としての役割を果たすものが含まれる。カーボンナノチューブの触媒は、上記の遷移金属を含む。例えば、Ａｇ，Ａｕ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ｓｉ，ＩｎＰ，ＧａＮ，ＳｉＯ２，ＴｉＯ２，ＺｎＯ，ＭｎＯ及びＳｎＯは、ナノワイヤー及びナノロッド成長のテンプレートとして使用されている。他の有用な遷移金属ナノ粒子には、例えば、構造的なドーパントとして使用されるＴｉ、ＥＭＩ伝導性遮蔽（EMI shielding conductivity）の応用例に使用されるＡｌ及びバッテリ又はコンデンサの電極の電解質としてのＭｇ及びＭｎが含まれる。
本発明による繊維サイジング剤配合剤中のナノ粒子は、多くの用途に使用することができる。例えば、ナノ粒子は、従来のサイジング剤とともに、第２のサイジング剤として使用することができる。特に、遷移金属粒子の使用は、繊維のサイジング特性を変化させる製造後変更の機会を提供する。例えば、一部の実施形態において、繊維に付着したナノ粒子を残したまま、第１の繊維サイジング物質を除去することができる。特に繊維がナノ粒子と強く結びついている場合、複合材料構造内のマトリクス材との界面相互作用を強化する上で効果的なナノ粒子の表面積からの恩恵を得ることができる。第１の繊維サイジング剤の有無に関わらず、ナノ粒子は、本発明によるサイジング剤配合剤によりサイジングされた繊維を含んだ複合材料へ、特定の性質を与えることができる。例えば、電気伝導性の微粒子は、電気伝導性及びＥＭＩ遮蔽特性を与えるために使用することができる。同様に、熱伝導性の微粒子は、熱伝導性の向上のために使用することができる。
ナノ粒子は、特定の放射波長を吸収する能力に応じて選択されてもよい。このような放射線吸収は、熱等の有用なエネルギー形態への変換と結びついていてもよい。熱は、熱交換への適用又は複合材料の前処理において使用される。後者の例として、マイクロ波放射又は他の放射波長を吸収することができる繊維は、特定のマトリクス材の硬化を補助するために使用することができる。例えば、熱硬化性のマトリクス材は、通常加熱により硬化した場合、不規則に硬化することがある。放射を吸収するナノ粒子を混入した本発明によるサイジング剤配合剤でサイジングされた繊維を組み込むことにより、マトリクス材は、通常加熱と同時に放射により加熱され、マトリクス材の硬化を規則的にすることができる。また、ナノ粒子は、光の特定の波長を吸収するように粒径及び間隔を制御した太陽光吸収の用途に使用されてもよい。このナノ粒子の粒径及び間隔の制御により、光吸収を向上させ、放射率を低下させることができる。
簡単に説明したとおり、ナノ粒子は、繊維上にカーボンナノチューブと、ナノロッド又はナノワイヤー等のナノ構造材料とを成長させるための触媒として使用されてもよい。構成可能なカーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ及びこれらの混合物を含む。特に単層カーボンナノチューブに関し、当業者は、ナノチューブキラリティーの制御を可能にする技術は、導体単層カーボンナノチューブ、半導体単層カーボンナノチューブ及び絶縁体単層カーボンナノチューブ等の特有の電気特性備えた単層カーボンナノチューブを生成するために使用することができることを理解するだろう。さらに、繊維上に成長したカーボンナノチューブは、例えば、酸化又はフッ素化等の周知の方法により官能化することができる。繊維上に成長した単層カーボンナノチューブは、閉口端又は開口端となっている。カーボンナノチューブは、放射性物質又は造影に有益な材料等の他の材料を封入して成長させることができる。また、当業者は、ナノ構造材料のさらなる製造のための基盤としてカーボンナノチューブを使用できることを認識するだろう。例えば、カーボンナノチューブは、ナノロッド及びナノワイヤーの成長のためのテンプレートとして使用することができる。繊維上に成長したカーボンナノチューブは、繊維サイジング剤としての役割を果たすことができる。また、強化された伸張強度並びに向上した電気伝導性及び熱伝導性等の有用な特性を、カーボンナノチューブ官能化繊維を混入した複合材料に与えることができる。
一部の実施形態において、ナノ粒子又は上記のカーボンナノチューブは、ナノロッド又はナノワイヤーの製品に使用することができる。例となるナノロッド又はナノワイヤーは、ＳｉＣ，ＣｄＳ，Ｂ４Ｃ，ＺｎＯ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ｓｉ，ＩｎＰ，ＧａＮ，ＳｉＯ２及びＴｉＯ２を含むが、これに限られない。例えば、ＳｉＣは、元素状の炭素、シリコン及び水素とともに、化学蒸着（chemical vapor deposition, CVD）を使用することにより、クロム、ニッケル、鉄又はこれらの組み合わせに基づくナノ粒子触媒を使用して成長させることができる。例示的な手順は、米国特許第６２２１１５４号明細書を参照。例えば、金ナノ粒子は、ＣｄＳナノロッド又はナノワイヤーの合成に使用することができる。モリブデン及び鉄ベースの触媒は、例えば、チタン炭化物、シリコン炭化物、ニオビウム炭化物、鉄炭化物、ホウ素炭化物、タングステン炭化物、モリブデン炭化物、ジルコニウム炭化物、ハフニウム炭化物、バナジウム炭化物、タンタラム炭化物、クロム炭化物、マンガン炭化物、テクネチウム炭化物、レニウム炭化物、オスミウム炭化物、コバルト炭化物、ニッケル炭化物、ランタニド系列元素炭化物、スカンジウム炭化物、イットリウム炭化物、ランタン炭化物、亜鉛炭化物、アルミニウム炭化物、銅炭化物、ゲルマニウム炭化物及びこれらの混合物を含む様々な炭化物ナノロッド製品の製造に使用することができる。このような炭化物の製造は、例えば米国特許第５９９７８３２号明細書に記載の熱ＣＶＤ技術が利用される。遷移金属触媒を使用した多くの処理は、熱及びプラズマ助長（plasma-enhanced）ＣＶＤ技術を使用して、酸化亜鉛ナノロッド又はナノワイヤーの製造に使用することができる。
また、本発明によるサイジング剤配合剤は、第１の繊維サイジング剤を含む。サイジング剤は、当該技術分野で周知のサイジング剤のいずれでもよい。サイジング剤の機能は、酸化的分解反応、湿度及び光等の環境条件から繊維を保護することを含む。ほとんどのサイジング剤とともに、又は補完的なサイジング剤として、プレポリマー及び二官能性有機化合物は、与えられたマトリクス樹脂との架橋重合を促進する。サイジング剤はいくつでも組み合わせて使用することができ、繊維の最終用途及び繊維の物理的又は化学的性質に応じて決定される。例示的な繊維サイジング剤は、例えば、シランベースのサイジング剤、シラン鎖で修飾されたポリマー及び特定のマトリクス樹脂と架橋重合を形成するように形成されたプレポリマーを含む。特に、ガラス繊維に塗布するために、サイジング剤は、例えば、アルコキシシランや、シロキサン等の他のシリコンベースの骨格構造を有する反応性官能基を含んでもよい。特に、セラミック繊維に塗布するために、サイジング剤は、米国特許第５０９３１５５号明細書に開示されたようなスルホンベースのサイジング剤及び米国特許第５１３０１９４号明細書に開示されたような二官能性有機カップリング剤（difunctional organic coupling agent）とともに使用されるシラノールを含んでもよい。セラミック及び他の繊維のための二層サイジングシステム（two layer sizing system）は、米国特許第５１７３３６７号明細書に記載されている。この二層サイジングシステムは、金属酸化物及びチタン化合物を有する第１層と、ポリカルボシラン（polycarbosilane）又はポリシラザン（polysilazane）の第２層とを含む。米国特許第６２５１５２０号明細書は、特にセラミック繊維のような感湿繊維（moisture sensitive fiber）とともに使用するためのアクリレート及びメタクリル樹脂の使用を開示している。有機繊維は、サイジング剤として、有機ポリマー又は無機ポリマーのいずれでも採用することができる。適切なサイジング剤は、繊維の化学的性質及び繊維と結び付くマトリクス材により選択される。他の留意事項には、繊維又は複合材料のための特定の適用並びに熱及び湿度等の繊維又は複合材料がさらされる環境条件が含まれる。上記の通り、サイジング剤は、帯電防止、潤滑性及び他の有用な特性をもたらす。
さらに、本発明によるサイジング剤配合剤は、非イオン性、双性イオン性及びイオン性の界面活性剤を含む界面活性剤等の成分を含んでもよい。イオン性界面活性剤は、陽イオン性の界面活性剤及び陰イオン性の界面活性剤を含む。また、サイジング剤配合剤は、水又は従来の有機性溶媒等の溶媒を含む。これらの溶媒は、一般に、繊維上にサイジング剤の成分を規則的に被覆するための手段を提供するために用いられる。通常、溶媒は、硬化処理の際に除去される。
第１の繊維サイジング剤は、前記配合中に、前記配合の約０．０１〜約５重量パーセントの範囲で存在してもよい。例えば、第１の繊維サイジング剤は、前記配合の０．０１，０．０５，０．１，０．２，０．３，０．４，０．５，０．６，０．７，０．８，０．９，１．０，１・５，２．０，２．５，３．０，３．５，４．０，４．５，５．０重量パーセント（これらの値の間の全ての値を含む）存在してもよい。
いくつかの実施形態によれば、本発明によるサイジング剤配合剤は、繊維、除去される溶媒及びサイジング繊維を得るために硬化されたサイジング剤に塗布することができる。したがって、本発明は、サイジング剤中に分散した遷移金属ナノ粒子を含むサイジング剤が周囲に配置された繊維を提供する。図２及び上記に示されるように、ナノ粒子は、繊維と表面接触したナノ粒子を含み、サイジング剤中に分散する。これは、繊維表面上にさらなるナノ構造物を生成するための触媒としてナノ粒子が使用される際に有用である。一部の実施形態において、繊維とナノ粒子との表面接触は、共有結合を形成するための手段又は初期のナノ構造繊維トウとの間のファンデルワールス相互作用のような、効果的な非結合の相互作用を提供することができる。サイジング剤が既に塗布された市販の繊維と同様の結果を得るためには、サイジング剤除去ステップ及び触媒付着ステップのような、さらなる処理ステップを加えなければならない。親繊維が環境条件に敏感な場合には、サイジング剤の塗布によるナノ粒子の塗布は、特に有用である。
サイジング剤又は既存のサイジング剤への添加物として、ナノ粒子溶液を塗布できる繊維には、ガラス繊維、炭素繊維、セラミック繊維、アラミド繊維、他の有機繊維、金属繊維及びこれらの混合物が含まれるが、これに限られない。特定の繊維には、例えば、炭素（ＡＳ４及びＩＭ７，ピッチベース及びパンベース）、ガラス（Ｅ，Ｓ，Ｄ，Ｃ，Ｒ，Ａタイプ）、アルミナ（ネクステル（登録商標））、及びＳｉＣが含まれる。サイジング繊維は、繊維トウに混入されてもよい。一部の実施形態において、繊維トウは、一種類のサイジング繊維を混入するが、他の実施形態においては、繊維トウは、２種類又はそれより多い種類のサイジング繊維を含んでもよい。さらに他の実施形態において、本発明による繊維は、マトリクス材を含んで構成される複合材料に混入されてもよい。このようなマトリクス材として、例えば、エポキシ、ポリエステル、ビニルエステル、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及びビスマレイミドが含まれるが、これに限られない。マトリクス材への混入は、繊維トウ形状の繊維を含んでもよい。上記の通り、ナノ粒子が配置されたサイジング剤を有する繊維は、マトリクス材に混入される前に、さらなるナノ構造を合成するために使用されてもよい。また、このようなナノ構造は、繊維サイジング剤としての役割を果たすことができる。
本発明はまた、本明細書に記載のサイジング剤配合剤を繊維の製造中に繊維に塗布する方法及び塗布されたサイジング剤配合剤から溶媒を除去する方法を含む方法を提供する。例えば、サイジングガラス繊維を形成するために、溶融ガラスは、繊維の寸法を設定するダイスに引き込まれる。前記繊維は、引き込まれた後に冷却され、繊維が冷却されるにつれてサイジング剤配合剤を添加される。サイジング剤配合剤が添加された後、前記繊維は、水又は他の溶媒を飛ばすために加熱又は「焼成」される。
サイジング剤配合剤の塗布は、サイジング剤配合剤の噴霧又は浸漬槽法（dip bath technique）により行われてもよい。サイジング剤配合剤の繊維への塗布は、サイジング繊維製造の連続処理に組み込むことができる。繊維の表面上に化学反応によってサイジングを行うステップとして、複数の処理ステップを採用することができる。複数のサイジング剤は、順番に又は同時に塗布されてもよい。一部の実施形態において、ナノ粒子を含むサイジング剤は、まずナノ粒子繊維トウ表面とが確実に接触するように塗布することができる。他の実施形態において、ナノ粒子を含むサイジング剤は、いくつもの他のサイジング剤の後に塗布することができる。処理中において、引き込まれた繊維は、浸漬槽中に搬送され、その後、サイジング剤配合剤から溶媒を除去するために、真空室又は加熱室に送られてもよい。硬化されたサイジング剤を備えた繊維は、巻き取られ、繊維トウに加工され、複合材料に混入されてもよい。
上記の通り、サイジング剤は、サイジング剤配合剤から溶媒を除去することで「硬化」されてもよい。これは、真空下、加熱又はこの２つの方法の組み合わせにより行われてもよい。溶媒除去の適切な条件は、例えば、除去される溶媒の性質及び温度上昇への繊維の敏感さによって決まる。硬化のための温度は、例えば、４０℃〜１１０℃で１〜２４時間の範囲であってもよい。それ自体又はマトリクス樹脂と、サイジング剤との架橋重合を形成するための官能基を形成又は反応させる必要に応じて、他の温度が使用されてもよい。
カーボンナノチューブを製造するさらなる処理に関して、例えば、従来のカーボンナノチューブ官能化繊維の製造で行われるステップは、本発明によるサイジング剤配合剤が採用されればもはや必要がない。特に、繊維上のカーボンナノチューブを成長させるために使用されるいくつかの処理として、触媒添加ステップ及び触媒添加前のサイジング剤除去等の繊維表面処理を含む。触媒ナノ粒子は、サイジング剤とともに繊維に添加されるので、これらの付加的なステップは、カーボンナノチューブ成長処理から省くことができる。これらの処理作業の不存在は、繊維表面をより初期又は非汚染の状態に維持するのに役立つ。さらに、本発明によるサイジング剤配合剤中の遷移金属ナノ粒子は、繊維への直接的な表面接触を含め、繊維への均一分布を促進する。
図１に示すように、ナノ粒子が既にサイジングされた繊維に導入された場合、ナノ粒子は、サイジング剤の表面に留まる傾向がある。サイジング剤の表面に留まった微粒子からカーボンナノチューブの成長が生じる範囲以外では、繊維上のカーボンナノチューブの存在により生じる他の利益（例えば、最終的に製造される繊維複合材料の強度の向上等）がほとんど実現されないかもしれない。
図２は、本発明によるサイジング剤配合剤の繊維製造中における塗布を示す。ナノ粒子を混入されたサイジング剤配合剤は、繊維の製造中に塗布されるので、ナノ粒子は、繊維の表面に付着している多くの微粒子とともによく分布する。繊維の表面に付着したナノ粒子からカーボンナノチューブが成長する範囲で、結果として得られる繊維複合材料は、向上した靭性及び疲労強度とともに、（特に複合材料の横断方向への）向上した強度及び剛性を示す。また、本明細書で開示されたサイジング剤配合剤により処理された繊維から製造された繊維複合材料は、向上した熱性能及び電気伝導性を示す。
本発明による繊維上でのカーボンナノチューブの成長は、これに限定されるものではないが、微小共振動、熱又はプラズマ助長ＣＶＤ技術、レーザ切断、アーク放電及び高圧一酸化炭素（ＨｉＰＣＯ）を含む当該分野において周知の技術により行われる。特に、ＣＶＤの間に遷移金属ナノ粒子を有するサイジング繊維を直接使用することができる。一部の実施形態において、従来のサイジング剤は、カーボンナノチューブ合成の間に除去される。他の実施形態において、他のサイジング剤は除去されないが、サイジング剤を通じた炭素源の拡散によるカーボンナノチューブの合成を妨げることはない。成長したカーボンナノチューブの直径は、上記のナノ粒子の大きさにより決定される。一部の実施形態において、サイジング繊維基質は、合成を促進するために、約５５０〜約７５０℃に加熱される。カーボンナノチューブの成長を開始するために、反応器に２種類のガスが流入される。処理ガスは、アンモニア、窒素又は水素、及びアセチレン、エチレン、エタノール又はメチレン等の炭素含有ガス等である。カーボンナノチューブは、遷移金属ナノ粒子の部分で成長する。理論に拘束されるものではないが、炭素含有ガスは、触媒微粒子及び微粒子の端部へ運ばれた炭素の表面で反応し、そこでカーボンナノチューブが形成される。一部の実施形態において、ナノ粒子は、成長しているカーボンナノチューブの先端を行き来することができる。他の実施形態において、ナノ粒子は、繊維基質上のカーボンナノチューブの基部に留まることができる。当業者は、カーボンナノチューブ成長中におけるナノ粒子の配置は、触媒微粒子繊維トウとの間の付着力に依存することを理解するだろう。
一部の実施形態において、ＣＶＤ成長はプラズマ助長される。プラズマは、成長処理中に電場を与えることにより発生させることができる。この状況下で成長したカーボンナノチューブは、電場の方向を向く。したがって、反応器の形状を調整することにより、垂直に位置合わせされたカーボンナノチューブを円筒形の繊維の周囲に放射状に成長させることができる。一部の実施形態において、プラズマは、繊維の周囲における放射状の成長の必要はない。
サイジング繊維のさらなる処理は、繊維を繊維トウ又は複合材料に混入することを含む。このような繊維は、ナノ粒子又は触媒もしくは成長の核としてのナノ粒子の助けを借りて集まった他のナノ構造を含んでもよい。繊維トウは、トウ源材料から直接又はサイジング繊維の丁合いをとることにより作成されてもよい。トウ源材料からトウが直接作成された場合、繊維トウは、個々の繊維を露出させるために広げられてもよい。広げられた繊維は、テンションをかけられたまま本明細書に記載のサイジング剤配合剤により処理されてもよい。したがって、個々の繊維の製造に適用される手順は、既にトウ形状となっている材料にも同様に適用することができる。
本明細書に記載されたサイジング剤配合剤により処理された繊維をマトリクス材に混入して複合材料を形成する際、複合材料形成のための従来からの技術が採用される。加熱硬化が必要なマトリクス樹脂は、加熱室に導入されてもよい。上記の通り、ナノ粒子又は他のナノ構造は、放射又は加熱を助長する他の技術によりマトリクス材の硬化を補助する。複合材料は、当該技術分野における周知の混合技術により形成することができ、形成されている生成品及び使用されているマトリクス材の状態に応じて、押し出し成形、引き抜き成形及び鋳造等により結合されてもよい。複合材料製作は、一般的なシャトルレース又は繊維／樹脂／ナノ材料ベースの複合材料を製造するために必要な他の処理及び例えばフィラメント・ワインディング又は真空樹脂含浸製造法（Vacuum Assisted Resin Transfer Molding, VARTM）等の樹脂注入処理により行われてもよい。
さらなる実施形態において、本発明は、遷移金属ナノ粒子の溶液をサイジング剤が被覆された繊維に加えること及びナノ粒子の溶液を添加した後にサイジング剤を焼成することを含む方法を提供する。このような実施形態において、サイジング剤配合剤は、ナノ粒子を含まず、ナノ粒子はサイジング剤の硬化の前に別々に塗布される。これにより、サイジング剤を硬化させるための最終工程の前に、サイジング剤材料の全体に亘りナノ粒子が分散する。
また、当然のことながら、本発明の様々な実施形態の作用に実質的に影響を与えない変更は、本明細書において提供された発明の定義に含まれる。したがって、以下の実施例は、説明を目的としたものであり、本発明を限定するものではない。
（実施例１）
カーボンナノチューブ成長触媒としてのナノ粒子を含む繊維サイジング剤の塗布。
この実施例は、サイジング剤配合剤のガラス繊維への塗布を示す。
カーボンナノチューブ成長触媒としてのナノ粒子を含む繊維サイジング剤の塗布。
この実施例は、サイジング剤配合剤のガラス繊維への塗布を示す。
体積濃度１：２００（１は鉄ベース触媒のコロイド溶液（水溶媒）、２００は水に０．５％のシランサイジング剤を含んだサイジング溶液）のナノ粒子：サイジング剤溶液が、サイジング剤被覆を行うために、ガラス形成浸漬処理の前に塗布される。繊維は、スプールにトウ形状に集められ、巻き取られた繊維は、水を除去しサイジング剤被覆を硬化させるために、１２０℃のオーブンで１２時間焼成される。
本願において、様々な刊行物が参照されている。これらの刊行物全体の開示は、本発明に関連する技術水準をより完全に説明するために、参照により本願に組み込まれる。
本発明は、開示された実施形態を参照して説明されてきたが、当業者は、先に詳細に説明された特定の実施例及び調査は、単に本発明を説明するためだけものであることを容易に理解するだろう。当然のことながら、本発明の精神から離れることなく様々な変更が可能である。したがって、本発明は請求項にのみ制限されるものではない。
Claims (25)
- （１）溶媒中に遷移金属ナノ粒子の分散を含んだナノ粒子溶液と、
（２）第１の繊維サイジング剤と、
を含んで構成された繊維サイジング剤配合剤であって、
前記繊維サイジング剤配合剤を繊維へ塗布し、前記溶媒を除去した後、前記ナノ粒子は前記第１の繊維サイジング剤全体に分散し、
前記ナノ粒子は、第２のサイジング剤、前記繊維上でのさらなるナノ構造成長のための触媒及びこれらの組み合わせ、から選択される機能を果たすことを特徴とする繊維サイジング剤配合剤。 - 前記ナノ粒子は、前記配合剤の約Ｘ〜約Ｙ重量パーセントの範囲で存在することを特徴とする請求項１に記載の配合剤。
- ナノ粒子の粒径は、約１ｎｍ〜約８００ｎｍの範囲に分布することを特徴とする請求項１に記載の配合剤。
- ナノ粒子の粒径は、約５ｎｍ〜約６０ｎｍの範囲に分布することを特徴とする請求項３に記載の配合剤。
- ナノ粒子の粒径は、約５ｎｍ〜約３０ｎｍの範囲に分布することを特徴とする請求項３に記載の配合剤。
- ナノ粒子の粒径は、約０．０５ｎｍ〜約２ｎｍの範囲に分布することを特徴とする請求項３に記載の配合剤。
- 前記ナノ構造は、カーボンナノチューブ又はナノワイヤー／ナノロッドであることを特徴とする請求項１に記載の配合剤。
- 前記ナノワイヤー／ナノロッドは、ＳｉＣ，ＣｄＳ，Ｂ４Ｃ，ＺｎＯ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ｓｉ，ＩｎＰ，ＧａＮ，ＳｉＯ２及びＴｉＯ２からなるグループから選択されることを特徴とする請求項７に記載の配合剤。
- 前記ナノ粒子は、電気伝導性であることを特徴とする請求項１に記載の配合剤。
- 前記ナノ粒子は、熱伝導性であることを特徴とする請求項１に記載の配合剤。
- 前記遷移金属ナノ粒子は、Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，ＴｉＯ２，ＺｎＯ，ＭｎＯ，ＳｎＯ及びこれらの混合物からなるグループから選択されることを特徴とする請求項１に記載の配合剤。
- 前記第１の繊維サイジング剤は、シランベース材料と、随意にマトリクス樹脂と架橋重合するプレポリマーと、を含んで構成されたことを特徴とする請求項１に記載の配合剤。
- 前記第１の繊維サイジング剤は、前記配合剤の約０．０１〜約５重量パーセントの範囲で存在することを特徴とする請求項１に記載の配合剤。
- 周囲に配置されたサイジング剤を含んで構成された繊維であって、
前記サイジング剤は、サイジング剤中に分散した遷移金属ナノ粒子を含んで構成される繊維。 - 繊維トウに混入されることを特徴とする請求項１４に記載の繊維。
- マトリクス材を含んで構成された複合材料に混入されることを特徴とする請求項１４に記載の繊維。
- 前記マトリクス材は、エポキシ、ポリエステル、ビニルエステル、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及びビスマレイミドからなるグループから選択されることを特徴とする請求項１６に記載の繊維。
- 前記ナノ粒子は、前記複合材料への混入の前に、ナノ構造を合成するために使用されることを特徴とする請求項１６に記載の繊維。
- 繊維の製造中に、請求項１に記載の配合剤を前記繊維へ塗布することと、
塗布された前記配合剤から前記溶媒を除去することと、
を含んで構成された方法。 - 前記繊維を繊維トウへ混入することをさらに含んで構成される請求項１９に記載の方法。
- 複合材料形成のために、前記繊維をマトリクス材へ混入することをさらに含んで構成される請求項１９に記載の方法。
- 複合材料形成のために、前記繊維を前記マトリクス材へ混入するステップの前に、前記繊維上にカーボンナノチューブを成長させることをさらに含んで構成される請求項２１に記載の方法。
- 遷移金属ナノ粒子の溶液をサイジング剤被覆された繊維に加えることと、
前記サイジング剤を焼成することと、
を含んで構成され、
前記ナノ粒子の溶液は、前記サイジング剤を焼成する前に加えることを特徴とする方法。 - 複合材料を形成するために、前記繊維をマトリクス材へ混入することをさらに含んで構成される請求項２３に記載の方法。
- 前記複合材料を形成するために、前記繊維を前記マトリクス材に混入するステップの前に、前記繊維上にカーボンナノチューブを成長させることをさらに含んで構成される請求項２４に記載の方法。
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