JP2019534774A - 炭素繊維複合材、炭素繊維複合材を組み込む媒体、及びこれらに関連する方法 - Google Patents

炭素繊維複合材、炭素繊維複合材を組み込む媒体、及びこれらに関連する方法 Download PDF

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Abstract

炭素繊維複合材添加剤、炭素繊維複合材を組み込む媒体、及びこれらに関連する方法が、ここに開示される。幾つかの態様において組成物は、少なくとも１種の媒体、及び少なくとも１種の媒体とともに組み込まれる炭素繊維複合材を含み、この炭素繊維複合材は、１種以上の炭素繊維を、該炭素繊維に付与されたエポキシ樹脂マトリックスとともに含み、改善された特性及びろ過性能を有する組成物が製造される。【選択図】なし

Description

本開示は一般的に、炭素繊維複合材に関する。本開示はより具体的には、炭素繊維複合材添加剤、炭素繊維複合材を組み込む媒体、及びこれらに関連する方法に関する。
硬化した炭素繊維複合材料（ＣＣＦＣＭ）は、「無垢の（ｐｒｉｓｔｉｎｅ）」炭素繊維（すなわちエポキシ樹脂マトリックスが内部に組み込まれていない炭素繊維）の幾つかの機械的特性を保持している。これらの機械的特性を保持したままＣＣＦＣＭを再利用するためには、ＣＣＦＣＭ繊維を最小限の繊維サイズにするために高コストの化学処理が必要であり、また炭素繊維をマトリックスから分離するために繊維表面を処理することが必要である。このため、ＣＣＦＣＭを再利用する環境的な利点が否定されてしまう。
従って、炭素繊維複合材添加剤にとって、高価な処理プロセスを必要とせずに再利用でき、毒性がなく、環境への負荷を減少させる、炭素繊維複合材を組み込む媒体、及びこれに関連した方法が望まれている。
本開示の例示的実施形態は、炭素繊維複合材添加剤、炭素繊維複合材を組み込む媒体の組成物、及びこの組成物を作製するための関連する方法に向けられている。炭素繊維複合材を含む媒体の組成物についての例示的実施形態により、透過性舗装において耐久性、摩耗性、敷設の間の加工性、及び可変性の観点で改善された性能が提供される。透過性舗装は、透過性コンクリート又は多孔質アスファルトを含むことができる。炭素繊維複合材を含む媒体の組成物の組成物についての別の例示的実施形態により、ろ過システムにおいて、例えばジェット燃料ろ過システムにおいて、改善された性能が提供される。
よって本開示は、以下の例示的実施形態を含むが、これに限られない。
幾つかの例示的実施形態により、１種以上の炭素繊維を、該炭素繊維に付与されたエポキシ樹脂マトリックスとともに含む炭素繊維複合材添加剤が、提供される。
先行する若しくは後続の例示的実施形態の炭素繊維複合材添加剤についての幾つかの例示的実施形態、又はこれらのあらゆる組み合わせでは、１種以上の炭素繊維がポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）型炭素繊維を含み、このエポキシ樹脂マトリックスは、熱可塑性樹脂及びエポキシ樹脂のうち少なくとも１つを含む。
先行する若しくは後続の例示的実施形態の炭素繊維複合材添加剤についての幾つかの例示的実施形態、又はこれらのあらゆる組み合わせでは、炭素繊維複合材がさらに、メソ多孔性材料を含む。
先行する若しくは後続の例示的実施形態の炭素繊維複合材についての幾つかの例示的実施形態、又はこれらのあらゆる組み合わせでは、１種以上の炭素繊維が、ランダムに重なった底面を有する内部構造を備える。
先行する若しくは後続の例示的実施形態の炭素繊維複合材添加剤についての幾つかの例示的実施形態、又はこれらのあらゆる組み合わせでは、炭素繊維に付与されたエポキシ樹脂マトリックスを有する１種以上の炭素繊維が、異なる粒径画分に分けられている。
先行する若しくは後続の例示的実施形態の炭素繊維複合材添加剤についての幾つかの例示的実施形態、又はこれらのあらゆる組み合わせでは、異なる粒径画分が、炭素繊維複合材及び少なくとも１種の媒体を組み込む組成物の体積割合による重量に対して約２１．１パーセント、約３０．１パーセント、及び約４８．６パーセントである。
幾つかの例示的実施形態により、少なくとも１種の媒体、及び少なくとも１種の媒体とともに組み込まれる炭素繊維複合材を含む組成物が提供され、この炭素繊維複合材は、１種以上の炭素繊維を、該炭素繊維に付与されたエポキシ樹脂マトリックスとともに含み、改善された特性及びろ過性能を有する組成物が製造される。
先行する若しくは後続の例示的実施形態の組成物についての幾つかの例示的実施形態、又はこれらのあらゆる組み合わせでは、組成物の改善された特性が、炭素繊維複合材が無い媒体を含む組成物に対して改善されている。
先行する若しくは後続の例示的実施形態の組成物についての幾つかの例示的実施形態、又はこれらのあらゆる組み合わせでは、本組成物が、改善されたろ過性能が望まれるスポーツ用品、自動車、及び非構造的な航空部材の用途で利用される。
先行する若しくは後続の例示的実施形態の組成物についての幾つかの例示的実施形態、又はこれらのあらゆる組み合わせでは、炭素繊維複合材が、硬化した炭素繊維複合材料（ＣＣＦＣＭ）である。
先行する若しくは後続の例示的実施形態の組成物についての幾つかの例示的実施形態、又はこれらのあらゆる組み合わせでは、炭素繊維複合材が、組成物の体積割合による重量に対して異なる粒径画分に細分化されている。
先行する若しくは後続の例示的実施形態の組成物についての幾つかの例示的実施形態、又はこれらのあらゆる組み合わせでは、組成物の体積割合による重量に対して異なる粒径画分の炭素繊維含有量が、所望のろ過性能に対応して修正されている。
先行する若しくは後続の例示的実施形態の組成物についての幾つかの例示的実施形態、又はこれらのあらゆる組み合わせでは、少なくとも１種の媒体が、粘土、セルロース、砂、ピートモス、パーライト、ガラスビーズ、ゼオライト、コンクリート、又はアスファルトを含む。
先行する若しくは後続の例示的実施形態の組成物についての幾つかの例示的実施形態、又はこれらのあらゆる組み合わせでは、炭素繊維複合材の１種以上の炭素繊維に付与されたエポキシ樹脂マトリックスを有する１種以上の炭素繊維が、少なくとも１種の媒体とともに、検体における既知の汚染物質濃度を標準的な指標レベル未満に低下させる１つ以上のサイズ及び１つ以上の量で組み込まれている。
先行する若しくは後続の例示的実施形態の組成物についての幾つかの例示的実施形態、又はこれらのあらゆる組み合わせでは、炭素繊維複合材の１種以上の炭素繊維に付与されたエポキシ樹脂マトリックスを有する１種以上の炭素繊維が、少なくとも１種の媒体とともに、検体における既知の汚染物質濃度を標準的な指標レベル未満に低下させる合計組成物の体積割合による規定重量で組み込まれている。
先行する若しくは後続の例示的実施形態の組成物についての幾つかの例示的実施形態、又はこれらのあらゆる組み合わせでは、本組成物が、炭素繊維複合材の１種以上の炭素繊維の表面積、この組成物を流れる流体の流速、流体のｐＨ、流体中に混入される汚染物質の分子量、及び汚染物質の分子サイズのうち１つ以上に応じて改善されたろ過性能を有する。
幾つかの例示的実施形態により、少なくとも１種の媒体を用意すること、及び炭素繊維複合材を少なくとも１種の媒体とともに組み込むことを含む、組成物の作製方法が提供され、この炭素繊維複合材は、１種以上の炭素繊維を、該炭素繊維に付与されたエポキシ樹脂マトリックスとともに含み、改善された特性及びろ過性能を有する組成物が製造される。
先行する若しくは後続の例示的実施形態の方法についての幾つかの例示的実施形態、又はこれらのあらゆる組み合わせでは、この方法がさらに、炭素繊維複合材の１種以上の炭素繊維に付与されたエポキシ樹脂マトリックスを有する１種以上の炭素繊維を、本組成物の体積割合による重量に対して異なる粒径画分に細分化することを含む。
先行する若しくは後続の例示的実施形態の方法についての幾つかの例示的実施形態、又はこれらのあらゆる組み合わせでは、少なくとも１種の媒体を用意することが、粘土、セルロース、砂、ピートモス、パーライト、ガラスビーズ、ゼオライト、コンクリート、又はアスファルトのうち少なくとも１種を含む。
先行する若しくは後続の例示的実施形態の方法についての幾つかの例示的実施形態、又はこれらのあらゆる組み合わせでは、炭素繊維複合材を、少なくとも１種の媒体とともに組み込んで改善された特性及びろ過性能を有する組成物を製造することが、炭素繊維複合材が無い媒体を含む組成物に対して改善された特性を有する組成物を製造することを含む。
ここで論じた特徴、機能及び利点は、様々な例示的実施形態において独立して達成できるか、又は以下の説明及び図面を参照してさらなる別の例示的実施形態についての詳細を把握可能なさらに別の実施形態において、組み合わせることができる。
一般的な用語で開示された例示的実施形態について説明したので、これより添付図面（必ずしも縮尺通りではない）について述べる。
本開示の幾つかの例示的実施形態に従った炭素繊維複合剤添加剤の繊維内部でのランダムに重なった底面を示す。 本開示の幾つかの例示的実施形態に従った組成物を作製するための方法における様々な工程を説明するフローチャートを示す。
以下では本開示の幾つかの実施形態を、添付図面を参照しながらより詳細に説明するが、図面には開示された実施形態の幾つかが示されているに過ぎず、全ての実施形態が示されているわけではない。実際に、本開示の様々な実施形態を、多くの異なる形態で具現化することができ、ここに規定する実施形態に限定されると解釈されるべきではない。むしろこれらの実施形態は、当業者に本開示の範囲を完全に伝えるものである。例えば、特に明示されない限り、第一、第二のように示されたものが、特定の順序を意味すると解釈されるべきではない。何かが何かの上にあるように説明することもあり、また（特に明示しない限り）そうではなく何かが何かの下方にあるように説明することもあり、またその逆も成り立つ：同様に、何かが何かの左にあるように説明することもあり、そうではなく何かが何かの右にあるように説明することもあり、その逆も成り立つ。また例えば、本明細書では定量的な測定、値、関係（例えば平面、同一平面、垂直）などについて言及することがある。特に言及しない限り、これらすべてではないにしろ、そのうちの１つ以上が、起こり得る許容可能なバリエーションについて絶対的であるか、又は近似していることがある（例えば技術上の許容性などによって）。本明細書を通じて同様の参照番号は、同様の要素を表す。
炭素繊維複合材添加剤、炭素繊維複合材を組み込む媒体の組成物、及びこの組成物を作製するための関連する方法が、ここに開示される。炭素繊維複合剤添加剤は、１種以上の炭素繊維を含む硬化した炭素繊維複合材料（ＣＣＦＣＭ）と、この１種以上の炭素繊維に添加するように構成されたエポキシ樹脂マトリックスとを含有する。幾つかの例においてＣＣＦＣＭは、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）型の炭素繊維、熱可塑性樹脂、及びエポキシ樹脂を、ＣＣＦＣＭ合計重量による様々な割合で含むが、ＣＣＦＣＭはさらに、ガラス繊維、アルミニウム、及び／又はチタンを含むことができる。
ＣＣＦＣＭの炭素繊維に付与されるエポキシ樹脂マトリックス材料を有する炭素繊維には、中弾性率（ＩＭ）炭素繊維が含まれ、この中弾性率炭素繊維は公称で、例えば２６５ＧＰａ〜約３２０ＧＰａの引張弾性率、及び／又は約４．０ＧＰａ〜約５．８ＧＰａの引張強度を有する。ここで使用するように特に、ＣＣＦＣＭに含まれるＩＭ炭素繊維は例えば、航空宇宙グレードのＩＭ炭素繊維である。一般的に、航空宇宙グレードのＩＭ炭素繊維は、関連コストが高いため、ろ過用途では通常使用されない。しかしながら、航空宇宙グレードの再利用ＩＭ炭素繊維を用いることにより、ろ過用途との価格ギャップが橋渡しされ、他の場所で求められるさらなる利点も伴う。慣用の宇宙航空グレードのＩＭ炭素繊維の例は、Ｔ８００（東レ株式会社から市販で入手可能）、ＩＭ７（ＨＥＸＣＥＬ（登録商標）から市販で入手可能）、ＩＭＳ６５（東邦テナックスから市販で入手可能）、Ｔ６５０（Ｃｙｔｅｃ Ｓｏｌｖａｙ Ｇｒｏｕｐから市販で入手可能）などである。
対照的に、「無垢の」炭素繊維（すなわち、その中にエポキシ樹脂マトリックスが組み込まれていない炭素繊維）は、エポキシ樹脂マトリックスの組み込みによって生じる利点の恩恵を受けない。より具体的には、無垢の炭素繊維は、ここに開示した炭素繊維複合材と比べて、反応性箇所が増加せず、水取り込み量にも欠ける。幾つかの例ではエポキシ樹脂マトリックスが、熱可塑性樹脂、例えばポリエーテルスルホン及びポリアミドを含む。
代替的な用途のために炭素繊維を、ＣＣＦＣＭの炭素繊維に付与されるエポキシマトリックス樹脂とともに再利用することにより、材料に対するさらなる有価流（その製造量は著しく増大している）が提供されるが、現在、充分に開発された再利用経路がない。炭素繊維に付与されたエポキシマトリックスを有する炭素繊維を含むＣＣＦＣＭを既に実行している用途にとっては、多機能特性（例えば水ろ過又は静電防止）により、さらなる価値が得られる。なぜならば、炭素繊維構造の長さの少なくとも一部、ひいてはこれと関連した機械的性能が、ＣＣＦＣＭによって保たれるからである。ＣＣＦＣＭにはさらに、粒状樹脂が存在しており、これによってろ過のためにさらなる活性箇所をもたすことができる。
細分化されたＣＣＦＣＭは、別の媒体（例えば透過性舗装組成物）内に取り込まれたときに、ろ過システムとして機能し得る。ＣＣＦＣＭは例えば、表面活性又は表面積を維持することについてさらに懸念することなく、少なくとも１種の媒体に直接添加される。ＣＣＦＣＭの炭素繊維に付与されるエポキシ樹脂マトリックスを有する炭素繊維構造の性質によって、ろ過性能に対するメカニズムが提供される。幾つかの例においてろ過は、約１〜約２パーセントの最小担持量でのみ、達成される。
ＣＣＦＣＭを利用した典型的なろ過性能（それ自体による、又は媒体（例えば透過性舗装組成物）内に取り込まれたことによる）には、ＣＣＦＣＭを通過した水又はその他の流体の質を改善すること、存在する不純物（すなわち汚染物質、沈殿物、毒素など）をこれらの水又は流体から除去することが含まれる。このようなろ過性能は、ＣＣＦＣＭと緊密に接触する流体に起因し、このような流体は、炭素繊維複合材の１種以上の炭素繊維の表面積、組成物を流れる流体の流速、流体のｐＨ、流体中に混入される汚染物質の分子量、及び汚染物質の分子サイズのうち１つ以上（これらに限られない）に応じて、ろ過性能をもたらすことが知られている。より具体的には、流体からろ過すべき不純物について、不純物がＣＣＦＣＭの少なくとも表面と接触することが、望ましい。このようにして、多孔性の減少、及びＣＣＦＣＭを用いたろ過速度の上昇が、ろ過性能の向上の一助となる。
別の例示的実施形態においてＣＣＦＣＭは、沈殿物又は比較的重質の不所望の燃料（例えばディーゼル）を濾別するためにジェット燃料ろ過システムに組み込まれた場合、ろ過システムとして機能する。ＣＣＦＣＭの取り込みから利点を得るその他のろ過用途には例えば、豪雨の採取、及びサンプリング用途、特に都会環境において、又は豪雨採取、サンプリングなどのための実験的な設定をもたらす実験環境における用途などが含まれる。とは言え、ここに記載するＣＣＦＣＭは、何らかのろ過用途タイプに組み込まれれば、水性、半水生、又は陸生の生物にとって毒性がなく、有利である。
幾つかの例示的実施形態では（例えば透過性舗装用途又はろ過）、ＣＣＦＣＭの炭素繊維に付与されるエポキシ樹脂マトリックスを有する１種以上の炭素繊維は、細分化工程を経る。本開示の目的のため、細分化工程又は再利用工程について述べる場合、細分化又は再利用とは特に、ＣＣＦＣＭの炭素繊維に付与されるマトリックスを有する１種以上の炭素繊維を、バラバラの要素に、さらにはより小さな粒径画分などに細分化することをいう。
例えば、ＣＣＦＣＭをまず細分化して、機械的分離工程を用いて粗大な要素を除去する。このような機械的工程の一例としては、この炭素繊維を、ＣＣＦＣＭの炭素繊維に付与されたエポキシ樹脂マトリックスとともに、細かく切ってからハンマーでミリングし、約２５．４ｍｍのスクリーンに通して、バラバラの要素にすることが挙げられるが、ＣＣＦＣＭを分離してバラバラの要素にするためのその他の工程も使用できる。従って、最初に一度処理してから、ＣＣＦＣＭ要素をさらに加工して、炭素繊維を、ＣＣＦＣＭの炭素繊維に付与されたエポキシ樹脂マトリックスとともに、組成物の（すなわちＣＣＦＣＭ及び媒体の合計組成物の）体積割合による重量に対して異なる粒径画分にすることができる。
ＣＣＦＣＭの炭素繊維に付与されたエポキシ樹脂マトリックスを有する炭素繊維は、さらなる機械的スクリーニング又は同等の方法によって４つの粒径画分に区別することができ、例えば大きな粒子は、６メッシュを通るが１０メッシュには残るものとし、中程度の粒子は、１０メッシュを通るが２０メッシュには残るものとし、小さな粒子は、２０メッシュを通るが受け皿には残るものとし、混在粒子（ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ）は、６メッシュを通るが受け皿には残るものとする。別の例示的実施態様では、ＣＣＦＣＭの炭素繊維に付与されたエポキシ樹脂マトリックスを有する炭素繊維を、サイズの異なる様々なメッシュスクリーン、又はその他の機械的なスクリーニング、又はその他の同等の工程により、２つ、３つ、５つ、６つ、７つ、又はそれより多い異なる粒径画分に区別する。
このため、異なる粒径画分はそれぞれ、組成物の体積割合による重量に対する炭素繊維含有量を有する。１つの例示的な態様において、組成物の体積割合による重量に対する混在型粒径画分は、６メッシュスクリーンを通って炭素繊維に付与されたエポキシ樹脂マトリックスを有するハンマーミリングした炭素繊維合計の約６０．８％である。この画分内において、大きな粒径のＣＣＦＣＭ要素は約２１．１％であり、中程度の粒径のＣＣＦＣＭ要素は約３０．１％であり、小さな粒径のＣＣＦＣＭ要素は約４８．６％である。この例において、炭素繊維含有率が最も高いのは、小さな粒径画分（２０メッシュを通るもの）であり、炭素繊維含有率が最も低いのは中程度の粒径画分（１０メッシュを通るもの）であり、炭素繊維含有率が中程度なのは、大きな粒径画分（６メッシュを通るもの）である。よって、組成物の体積割合による重量に対する炭素繊維含有率を変えることによって（例えば材料及び／又はＣＣＦＣＭの粒径画分により）、組成物の特性を所望のように変えることができ、例えば組成物のろ過速度は、組成物を用いてろ過した粒状体に応じて変えられる。
幾つかの態様では、ここに記載したようにろ過速度を変えることにより、組成物のその他の特性（例えば多孔性、割裂強度、圧縮強度、弾性率）に影響を与えることができる。このような例では、その他の特性に対してろ過速度のバランスを取ることが、各状況に独特であり、これはまた、炭素繊維複合材が組み込まれた少なくとも１種の媒体に依存している。しかしながら、組成物について少なくとも多孔性、浸透速度、割裂強度、圧縮強度又は弾性率を全般的に改善させることは単に、炭素繊維複合材を少なくとも１種の媒体に組み込むことから生じ、これは炭素繊維複合材の担持量の変化に応じて、変えることができる。従って、炭素繊維複合材を媒体に組み込む組成物の改善された特徴は、炭素繊維複合材料（例えばＣＣＦＣＭ）の無い媒体を含む組成物に対して、改善される。よって、ＣＣＦＣＭの炭素繊維に付与されたエポキシ樹脂マトリックスを有する炭素繊維の細分化は、粒子状媒体への組み込みに望ましい炭素繊維含有量に応じて、達成できる。より具体的には、２０メッシュを通るＣＣＦＣＭ要素粒子は、高い炭素繊維含有量が望ましい媒体に組み込むことができる。ＣＣＦＣＭ細分化の例について、これまで概略してきたが、ＣＣＦＣＭの細分化を可能にするやり方が、これに限られることを意図しているのではない。ＣＣＦＣＭを再びサイズ調整するその他の形態又は工程を使用することができ、これは本開示の範囲から離れるものではない。
ＣＣＦＣＭ（すなわち、炭素繊維に付与されたエポキシ樹脂マトリックスを有する細分化された炭素繊維、及び／又は炭素繊維に付与されたエポキシ樹脂マトリックスを有する細分化されていない炭素繊維）粒子は、媒体のろ過特性、また媒体のその他の特性を強化するために、媒体とともに組み込まれるように構成されている。この媒体には、粘土、セルロース、砂、ピートモス、パーライト、ガラスビーズ、ゼオライト、コンクリート、アスファルトなどが含まれ得る。前述のようにＣＣＦＣＭは、媒体と組み合わせる前に、例えば断裁及び／又はハンマーミルによって細分化することができる。細分化工程の結果、ＣＣＦＣＭは、流体、気体、固体などのろ過を改善するように変更された物理構造を有することが可能なＣＣＦＣＭ要素粒子（すなわち、炭素繊維に付与されたエポキシ樹脂マトリックスを有する繊維）を含むことができる。より具体的には、一例として、各ＣＣＦＣＭ要素粒子の繊維内部でランダムに重なった底面、また表面処理（例えば硬化）から生じるミクロ多孔質表面も、ろ過性能を改善させる。なぜならば、顆粒化された又は粒子状炭素種に比して、各ＣＣＦＣＭ要素粒子の繊維内部は、繊維体積に対して大きな外部表面積を有し、一方で繊維内部の結晶性により、吸収性を増大させるメソ多孔質構造がもたらされるからである。図１は、細分化されたＣＣＦＣＭ要素粒子の内部１００を説明するものであり、ここではランダムに重なった底面が生じている。ここで使用するように「ランダムに重なった底面」とは、ＣＣＦＣＭ要素粒子の内部及び／又は表面の結晶構造をいい、ここで黒鉛底面は一般的に、ＣＣＦＣＭ要素粒子の半径方向に向けられている。例えば、黒鉛化に基づくＰＡＮ前駆体ポリマーの高分子配向が、ランダムに重なった底面をもたらす。
ＣＣＦＣＭは、少なくとも１種のメソ多孔性材料（すなわち実質的に直径が約２ｎｍ〜約５０ｎｍの細孔を有する材料）を含み、このようなさらなる材料により、媒体のろ過性能力を強化することができる。少なくとも１種のメソ多孔性材料を含むＣＣＦＣＭにより、ろ過性能が強化される。なぜならばろ過材料の細孔サイズにより、分子又は生物学的要素を所定の範囲で捕捉及び保持するシステムの能力に関して、物理的なスクリーニングサイズが決まるからである。普通の水又はその他の流体における不純物の分子サイズは、ナノメータ未満から、サブミクロンまで様々であり得る。ナノメータ範囲及びそれより小さい場合、ろ過システムにとって捕捉が最も困難であるため、この大きさの範囲にある細孔を有する媒体を組み込むことにより、物理的な分別、また媒体の表面積増加が可能になる。
ＣＣＦＣＭ要素粒子をマトリックス材料に担持するためには、非常に低いパーセント（例えば約０重量％より多いか、又は約１〜２重量％）が望ましくあり得る。特に、系に何らかの材料を添加することによって、物理的及び機械的特性が変わり得るため、材料について最小量を添加することが望ましいが、それでもなお均質性を達成するとともに、顕著な利点をもたらすランダム分布が望ましい。よって例えば、粒子状物質（例えばＣＣＦＣＭ）の高いアスペクト比について約２重量％の担持量が望ましい。
或いは、ろ過用途のためにあり得る機械的な用途のためには、ＣＣＦＣＭ要素粒子についての機械的な担持量が、約３５〜４５重量％であり得る。キャリアマット又はＣＣＦＣＭ要素粒子が一次成分であるその他の用途のためには、この担持量が約９９重量％以上であり得る。これらの系は、少量のバインダを有することができる。炭素繊維表面は、実際に開放されている場合、又は流体を容易に通過させることが可能で、ＣＣＦＣＭ要素粒子にさらされるマトリックス内にある場合には、ろ過される流体に到達可能となるべきである。
既知の汚染物質濃度を、標準的な指標レベル未満に低下させるため、媒体に、１種以上のサイズ及び１種以上の量のＣＣＦＣＭ要素粒子を導入することが、望ましくあり得る。例えば、１種以上の炭素繊維とエポキシ樹脂マトリックスとを含むＣＣＦＣＭは、媒体に、ＣＣＦＣＭ及び媒体の合計組成物の体積割合により規定重量で（例えば約１０〜約５０パーセント）添加されるように構成されている。実験室の水及び／又は都会で集めた豪雨の検体で収集可能な汚染物質の例は、銅、亜鉛、多環式芳香族炭化水素（ＰＡＨ）、鉛、ヒ素、カドミウム、水銀、石油系炭化水素（ディーゼル留分）、全懸濁物質（ＴＳＳ）、及びケロシンである。ここには列挙されていないその他の汚染物質であっても、知られているものについては、考慮される。
水質改善可能性（すなわち既知の汚染物質を、標準的な指標レベル未満に低下させること）を評価するための１つの例示的なアプローチは、収集した検体（例えば収集した実験室の水、及び／又は都会で収集した豪雨）中の汚染物質を隔離する可能性を評価することである。それから、複数の汚染物質及び異なるＣＣＦＣＭ要素粒子サイズにより、さらなる試験を行う。
図２は、組成物（例えば前述のもの）を作製するための方法２００における様々な工程を説明するフローチャートである。２０２及び２０４に示されているようにこの方法は、少なくとも１種の媒体を用意すること、及び炭素繊維複合材を少なくとも１種の媒体とともに組み込むことを含み、この炭素繊維複合材は、１種以上の炭素繊維を、該炭素繊維に付与されたエポキシ樹脂マトリックスとともに含み、改善された特性及びろ過性能を有する組成物が製造される。
幾つかの例示的実施形態において、本方法はさらに、炭素繊維複合材の１種以上の炭素繊維に付与されたエポキシ樹脂マトリックスを有する１種以上の炭素繊維を、組成物の体積割合による重量に対して異なる粒径画分に細分化することを含む。
本明細書に記載するＣＣＦＣＭを用いた試験及び分析のさらなる例を、以下に提示する。これらの例は例示的なものに過ぎず、ＣＣＦＣＭを用いた実際の試験適用例をもたらすことが意図されている。
実施例１
調製した媒体を用いて水の毒性評価を行った。調製した媒体は、透過性組成物（例えば透過性コンクリート及び多孔質アスファルト）、これらはそれぞれ添加剤として、細分化されたＣＣＦＣＭ量を含んでおり、また透過性コンクリート、及び添加剤無しの多孔質アスファルトを含んでいた。調製した媒体をそれぞれ、ミジンコに基づき評価した。
対照の検体を用いて、またＣＣＦＣＭ添加剤検体を有する透過性コンクリートを含む組成物を用いて、きれいな水を浸透させる手順にさらされた全てのミジンコは、最初の４８時間以内に死んだ。
ＣＣＦＣＭ添加剤とともに多孔質アスファルト媒体を含む検体を試験した。多孔質アスファルト媒体にＣＣＦＣＭ添加剤を添加することにより、浸出した水からの毒性を防げるように思われた。ＣＣＦＣＭ添加剤を有する多孔質アスファルト媒体によって、１００％のミジンコ生存率が観察された。これに対して添加剤無しの多孔質アスファルト（対照）では、生存率が６３％であった。これらの結果は、ＣＣＦＣＭが毒性物質及びその他の汚染物質を緩和させる可能性を示している。道路上の雨水（豪雨を集めたもの）によっても、同じ結果が得られた。ＣＣＦＣＭ添加剤を有する多孔質アスファルト媒体は、対照の多孔質アスファルトよりも高い生存率を示し、生存率はそれぞれ順に２４％及び２．５％であった。
実施例２
ＣＣＦＣＭ要素粒子の可能性を調査するために、ケロシン及び細分化されたＣＣＦＣＭ要素粒子を用いて、吸着ジャー試験を行った。ジャー試験による結果は、ＣＣＦＣＭ要素粒子の添加により、有機化合物が吸着され、水質が改善されることを示していた。さらに、ＣＣＦＣＭ要素粒子が、水生生物に対する水の毒性を判定するために一般的に用いられるニセネコゼミジンコ（Ｃｅｒｉｏｄａｐｈｎｉａ ｄｕｂｉａ）に対して毒性を有するかどうかを判定するために試験を行った。その結果は好ましいものであり、ＣＣＦＣＭ要素粒子が、水生生物について毒性傾向を有しないことが示された。
さらに、本開示は、以下の条項に従った実施形態を含む：
条項１
１種以上の炭素繊維を、該炭素繊維に付与されたエポキシ樹脂マトリックスとともに含む、炭素繊維複合材添加剤。
条項２
１種以上の炭素繊維が、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）型炭素繊維を含み、エポキシ樹脂マトリックスが、熱可塑性樹脂及びエポキシ樹脂のうち少なくとも１つを含む、条項１に記載の炭素繊維複合材添加剤。
条項３
さらにメソ多孔性材料を含む、条項１又は２に記載の炭素繊維複合材添加剤。
条項４
１種以上の炭素繊維が、ランダムに重なった底面を有する内部構造を備える、条項１から３のいずれか一項に記載の炭素繊維複合材添加剤。
条項５
１種以上の炭素繊維に付与されたエポキシ樹脂マトリックスを有する１種以上の炭素繊維が、異なる粒径画分に分けられている、条項１から４のいずれか一項に記載の炭素繊維複合材添加剤。
条項６
異なる粒径画分が、炭素繊維複合材及び少なくとも１種の媒体を組み込む組成物の体積割合による重量に対して約２１．１パーセント、約３０．１パーセント、及び約４８．６パーセントである、条項１から５のいずれか一項に記載の炭素繊維複合材添加剤。
条項７
少なくとも１種の媒体、及び
少なくとも１種の媒体とともに組み込まれる炭素繊維複合材
を含む組成物であって、
該炭素繊維複合材は、１種以上の炭素繊維を、該炭素繊維に付与されたエポキシ樹脂マトリックスとともに含み、改善された特性及びろ過性能を有する組成物が製造される、組成物。
条項８
組成物の改善された特性が、炭素繊維複合材が無い媒体を含む組成物に対して改善されている、条項７に記載の組成物。
条項９
組成物を、改善されたろ過性能が望まれるスポーツ用品、自動車、及び非構造的な航空部材の用途で利用する、条項７又は８に記載の組成物。
条項１０
炭素繊維複合材が、硬化した炭素繊維複合材料（ＣＣＦＣＭ）である、条項７から９のいずれか一項に記載の組成物。
条項１１
炭素繊維複合材の１種以上の炭素繊維に付与されたエポキシ樹脂マトリックスを有する１種以上の炭素繊維が、組成物の体積割合による重量に対して異なる粒径画分に細分化されている、条項７から９のいずれか一項に記載の組成物。
条項１２
組成物の体積割合による重量に対して異なる粒径画分の炭素繊維含有量が、所望のろ過性能に対応して修正されている、条項１１に記載の組成物。
条項１３
少なくとも１種の媒体が、粘土、セルロース、砂、ピートモス、パーライト、ガラスビーズ、ゼオライト、コンクリート、又はアスファルトを含む、条項７から１２のいずれか一項に記載の組成物。
条項１４
炭素繊維複合材の１種以上の炭素繊維に付与されたエポキシ樹脂マトリックスを有する１種以上の炭素繊維が、少なくとも１種の媒体とともに、検体における既知の汚染物質濃度を標準的な指標レベル未満に低下させる１つ以上のサイズ及び１つ以上の量で組み込まれている、条項７から１３のいずれか一項に記載の組成物。
条項１５
炭素繊維複合材の１種以上の炭素繊維に付与されたエポキシ樹脂マトリックスを有する１種以上の炭素繊維が、少なくとも１種の媒体とともに、検体における既知の汚染物質濃度を標準的な指標レベル未満に低下させる合計組成物の体積割合による規定重量で組み込まれている、条項１４に記載の組成物。
条項１６
組成物が、炭素繊維複合材の１種以上の炭素繊維の表面積、組成物を流れる流体の流速、流体のｐＨ、流体中に混入される汚染物質の分子量、及び汚染物質の分子サイズのうち１つ以上に応じて改善されたろ過性能を有する、条項８に記載の組成物。
条項１７
組成物を作製する方法であって、
少なくとも１種の媒体を用意すること、及び
炭素繊維複合材を、少なくとも１種の媒体とともに組み込むことであって、該炭素繊維複合材は、１種以上の炭素繊維を、該炭素繊維に付与されたエポキシ樹脂マトリックスとともに含み、改善された特性及びろ過性能を有する組成物が製造される、組み込むこと
を含む、方法。
条項１８
炭素繊維複合材の１種以上の炭素繊維に付与されたエポキシ樹脂マトリックスを有する１種以上の炭素繊維を、組成物の体積割合による重量に対して異なる粒径画分に細分化することをさらに含む、条項１７に記載の方法。
条項１９
少なくとも１種の媒体を用意することが、粘土、セルロース、砂、ピートモス、パーライト、ガラスビーズ、ゼオライト、コンクリート、又はアスファルトのうち少なくとも１種を用意することを含む、条項１７又は１８に記載の方法。
条項２０
炭素繊維複合材を、少なくとも１種の媒体とともに組み込んで改善された特性及びろ過性能を有する組成物を製造することが、炭素繊維複合材が無い媒体を含む組成物に対して改善された特性を有する組成物を製造することを含む、条項１７から１９のいずれか一項に記載の方法。
ここに規定された本開示について多くの変形及びその他の実施態様が、当業者には浮かぶだろうが、これらについて本開示は、先の明細書及び関連する図面で示した教示の利益を有する。よって本開示は、開示された特定の実施態様に限定されるものではなく、変形及びその他の実施態様が、添付の特許請求の範囲の範囲に含まれることが意図されていると、理解されるべきである。さらに、前述の説明及び関連する図面は、要素及び／又は機能について特定の例示的実施形態組み合わせの文脈で例示的な実施態様を説明するに過ぎず、要素及び／又は機能について異なる組み合わせが、添付特許請求の範囲から外れない限りにおいて、代替的な実施態様により提供可能なことが評価されるべきである。これについて例えば、明示的に上述した要素及び／又は機能の異なる組み合わせも、添付特許請求の範囲の幾つかにおいて規定されているように、考慮される。ここで特定の用語を用いているものの、これらは一般的で説明的な意味で用いているに過ぎず、限定する目的で用いているわけではない。

Claims (20)

  1. １種以上の炭素繊維を、該炭素繊維に付与されたエポキシ樹脂マトリックスとともに含む、炭素繊維複合材添加剤。
  2. １種以上の炭素繊維が、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）型炭素繊維を含み、エポキシ樹脂マトリックスが、熱可塑性樹脂及びエポキシ樹脂のうち少なくとも１つを含む、請求項１に記載の炭素繊維複合材添加剤。
  3. さらにメソ多孔性材料を含む、請求項１又は２に記載の炭素繊維複合材添加剤。
  4. １種以上の炭素繊維が、ランダムに重なった底面を有する内部構造を備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の炭素繊維複合材添加剤。
  5. １種以上の炭素繊維に付与されたエポキシ樹脂マトリックスを有する１種以上の炭素繊維が、異なる粒径画分に分けられている、請求項１から４のいずれか一項に記載の炭素繊維複合材添加剤。
  6. 異なる粒径画分が、炭素繊維複合材及び少なくとも１種の媒体を組み込む組成物の体積割合による重量に対して約２１．１パーセント、約３０．１パーセント、及び約４８．６パーセントである、請求項１から５のいずれか一項に記載の炭素繊維複合材添加剤。
  7. 少なくとも１種の媒体、及び
    少なくとも１種の媒体とともに組み込まれる炭素繊維複合材
    を含む組成物であって、該炭素繊維複合材は、１種以上の炭素繊維を、該炭素繊維に付与されたエポキシ樹脂マトリックスとともに含み、改善された特性及びろ過性能を有する組成物が製造される、組成物。
  8. 組成物の改善された特性が、炭素繊維複合材が無い媒体を含む組成物に対して改善されている、請求項７に記載の組成物。
  9. 組成物を、改善されたろ過性能が望まれるスポーツ用品、自動車、及び非構造的な航空部材の用途で利用する、請求項７又は８に記載の組成物。
  10. 炭素繊維複合材が、硬化した炭素繊維複合材料（ＣＣＦＣＭ）である、請求項７から９のいずれか一項に記載の組成物。
  11. 炭素繊維複合材の１種以上の炭素繊維に付与されたエポキシ樹脂マトリックスを有する１種以上の炭素繊維が、組成物の体積割合による重量に対して異なる粒径画分に細分化されている、請求項７から９のいずれか一項に記載の組成物。
  12. 組成物の体積割合による重量に対して異なる粒径画分の炭素繊維含有量が、所望のろ過性能に対応して修正されている、請求項１１に記載の組成物。
  13. 少なくとも１種の媒体が、粘土、セルロース、砂、ピートモス、パーライト、ガラスビーズ、ゼオライト、コンクリート、又はアスファルトを含む、請求項７から１２のいずれか一項に記載の組成物。
  14. 炭素繊維複合材の１種以上の炭素繊維に付与されたエポキシ樹脂マトリックスを有する１種以上の炭素繊維が、少なくとも１種の媒体とともに、検体における既知の汚染物質濃度を標準的な指標レベル未満に低下させる１つ以上のサイズ及び１つ以上の量で組み込まれている、請求項７から１３のいずれか一項に記載の組成物。
  15. 炭素繊維複合材の１種以上の炭素繊維に付与されたエポキシ樹脂マトリックスを有する１種以上の炭素繊維が、少なくとも１種の媒体とともに、検体における既知の汚染物質濃度を標準的な指標レベル未満に低下させる合計組成物の体積割合による規定重量で組み込まれている、請求項１４に記載の組成物。
  16. 組成物が、炭素繊維複合材の１種以上の炭素繊維の表面積、組成物を流れる流体の流速、流体のｐＨ、流体中に混入される汚染物質の分子量、及び汚染物質の分子サイズのうち１つ以上に応じて改善されたろ過性能を有する、請求項８に記載の組成物。
  17. 組成物を作製する方法であって、
    少なくとも１種の媒体を用意すること、及び
    炭素繊維複合材を、少なくとも１種の媒体とともに組み込むことであって、該炭素繊維複合材は、１種以上の炭素繊維を、該炭素繊維に付与されたエポキシ樹脂マトリックスとともに含み、改善された特性及びろ過性能を有する組成物が製造される、組み込むこと
    を含む、方法。
  18. 炭素繊維複合材の１種以上の炭素繊維に付与されたエポキシ樹脂マトリックスを有する１種以上の炭素繊維を、組成物の体積割合による重量に対して異なる粒径画分に細分化することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
  19. 少なくとも１種の媒体を用意することが、粘土、セルロース、砂、ピートモス、パーライト、ガラスビーズ、ゼオライト、コンクリート、又はアスファルトのうち少なくとも１種を用意することを含む、請求項１７又は１８に記載の方法。
  20. 炭素繊維複合材を、少なくとも１種の媒体とともに組み込んで改善された特性及びろ過性能を有する組成物を製造することが、炭素繊維複合材が無い媒体を含む組成物に対して改善された特性を有する組成物を製造することを含む、請求項１７から１９のいずれか一項に記載の方法。
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