JP2024519803A - 二酸化炭素からポリマー－カーボンナノ物質混合物を作るためのシステム及び方法並びにその製品 - Google Patents

二酸化炭素からポリマー－カーボンナノ物質混合物を作るためのシステム及び方法並びにその製品 Download PDF

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Abstract

本開示の実施形態は、ポリマー及びカーボンナノ物質（ＣＮＭ）の混合物を作るための装置、システム及び方法に関する。そのような実施形態の混合物は、約１０重量％（ｗｔ％）以下のＣＮＭを含む。そのような混合物のＣＮＭ含有量は、混合物並びに材料及びそれから作られた製品に新たな又は向上した特性を与え得る。そのような新たな又は向上した製品は、向上した引張強度、新たな若しくは向上した電子医療、構造熱、触媒特性又はこれらの任意の組合せを含み得る。

Description

関連出願の相互参照
[0001] 本出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、２０２１年５月２４日に出願された米国仮特許出願第６３／１９２，３０４号に対する優先権及びその利益を主張する。
[0002] 本開示は、電気分解プロセスを使用して製品を製造することに関する。特に、本開示は、電気分解プロセスを使用して分割される二酸化炭素からカルバノゲル混合生成物を作る方法に関する。
[0003] ２０１５年現在、年間プラスチック生産量は、以下のように要約することができる。ポリプロピレン（ＰＰ）は、６８メガトン（ＭＴ）の非繊維ＰＰが生産され、５２ＭＴの繊維ＰＰが生産され、ポリエチレン（ＰＥ）は、６４ＭＴの低密度ＰＥが生産され、５２ＭＴの高密度ＰＥが生産され、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）とも呼ばれるポリエステルは、年間３３ＭＴ生産され、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）は、年間３８ＭＴ生産されている。他のプラスチックの生産量は、ＰＶＣの生産量に比べて劇的に下がる。
[0004] プラスチックの生産中、ポリマーを形成するためのモノマーの重合は、縮合反応、開環反応、イオン反応、連鎖移動反応又はプラズマ重合反応などの反応によって起きる。ポリマーは、天然ポリマー、合成ポリマー、半合成ポリマー、再生ポリマー、非晶質ポリマー、半結晶ポリマー、熱可塑性又は熱硬化性プラスチックなどに分けられることが多い。
[0005] ＰＰ及びＰＥ生産の主な利点は、費用が安く、望ましい機械的柔軟性を備えたプラスチックを提供することである。ＰＰ及びＰＥは、特別な触媒を備えた高温及び高圧のガスから作成される。ＰＰ及びＰＥは、再生利用が課題であり、それらは、耐化学性プラスチックであり、ＰＰ及びＰＥが環境に残り、プラスチック汚染を悪化させる。
[0006] ＰＶＣは、通常、冷却剤、開始剤、水中に小さいＰＶＣ粒子が浮遊することを促進するための１つ又は複数の添加剤から作成される。水性懸濁液は、次いで、乾燥され、一緒に溶解される。ときに、ＰＶＣ粒子は、最初に生産され、次いで懸濁液内で可塑剤又は他の添加剤と混合される。この重合反応は、ＰＶＣを超えるいかなるものも作らない。典型的には、可塑剤及び炭酸塩は、ＰＶＣの強度、柔軟性並びにＰＶＣ生産の速度及び容易さを増すために追加される。
[0007] 熱可塑性樹脂は、剛性を必要とする材料に関連することが多い。熱可塑性樹脂は、熱によって溶解し、再凝固するために冷却され、成形、圧縮成形、機械加工を介して又は３Ｄ印刷用途によって様々な形態を取るように形成され得る。ポリ乳酸（ＰＬＡ）は、熱可塑性樹脂の一例であり、熱可塑性樹脂は、再生可能であり、生物から供給することができ、場合により生物分解することができる。ＰＬＡは、単純な加熱によって比較的簡単に作成され、副産物として水を生成する。ＰＬＡの主な限界は、その強度特性が低いことである。可塑剤は、ポリカルボキシレート（若しくはポリカルボン酸塩）又は多くのカルボキシレート基を有するクエン酸を含む、ＰＬＡ内の望ましい特性を増加させるために添加剤として使用されることが多い。
[0008] ＰＬＡの年間生産量（２０１９年）は、わずか０．２ＭＴであったが、供給を超える需要をもたらす最高年間生産成長率（２６％）の１つを有し、価格が上昇している。熱可塑性樹脂として、ＰＬＡは、熱によって溶解し、冷却し、形成することができるポリマーであり、これは、限定されないが、ＰＥ、ＰＰ、ＰＶＣ、アクリル、アクリロニトリルブタジエンスチレン、すなわちＡＢＳ、ナイロン、テフロン（登録商標）及びポリカーボネート、すなわちＰＣを含む全ての熱可塑性樹脂と共有する特性である。ＡＢＳは、３Ｄ印刷用途に一般的に使用されるプラスチックであり、ＡＢＳは、車体、電化製品及び電話ケースにも使用される。
[0009] 反対に、熱硬化性樹脂は、架橋剤を介して恒久的に固体状態に不可逆的に硬化され、化学反応によって形成される。例えば、熱硬化性樹脂は、限定されないが、光重合又は熱的化学反応などの化学反応のみを介して３Ｄ印刷用途の印刷に使用することもできる。硬化する前に、熱硬化性樹脂の１つ又は複数の予備硬化構成要素は、液体として利用可能であり、これは、粘性又は高密度であることが多い。熱硬化性樹脂は、より高温に耐性であることが多く、高温では溶解よりむしろ分解する傾向がある。熱硬化性樹脂の共通の例は、エポキシ（及びエポキシ樹脂）、アクリル、フェノール、シリコン（ポリシロキサン）、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリイミド、加硫ゴム、ベークライト（ポリオキシベンジルメチレングリコールアンハイドライド）、ポリジシクロペンタジエン（ｐＤＣＰＤ）、ポリイソシアヌレート、ポリエステル、ポリウレア、尿素ホルムアルデヒド及びビニルエステル、シアン酸塩、メラミン又はポリエステル樹脂を含む。
[0010] カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を含むカーボンナノ物質（ＣＮＭ）は、本明細書で混合物（admix）とも呼ばれる混合物（admixture）を形成するためにプラスチックに追加され、複合材料及び製品は、そのような混合物から作ることができる。歴史的に、ＰＶＣ－ＣＮＴ及びＰＬＡ－ＣＮＴ混合物は、溶媒内にプラスチックを分解し、超音波処理によってその中にＣＮＴを拡散し、次いで混合物を乾燥させるか、又はＣＮＴと混合したプラスチックビーズを溶解するかのいずれかによって作られた。
[0011] ポリマー－ＣＮＴ混合物は、印刷されたＰＬＡ／ＣＮＴ構成要素を含むＰＬＡ、ＰＶＣ及びポリウレタン、ポリスチレン、ポリアニリン、ポリフッ化ビニリデン及び幅広い範囲のエポキシを含む他のポリマーを使用して研究されてきた。グラフェン及びグラフェン酸化物ポリマーの混合物も知られている。
[0012] ケブラー（登録商標）は、ポリマーの溶液を繊維中に回転させて入れることによって形成されるため、熱硬化性樹脂でも熱可塑性樹脂でもない。ケブラー－ＣＮＴ複合物は、ＣＮＴ上にケブラーを被覆し、ＣＮＴを、ＣＮＴの表面に共有結合したポリマーｐ－フェニレンテレフタルアミド（ＰＰＰＡ）及びテレフタロイルクロリド（ＴＰＣ）の繰り返し単位で接合することによって形成されている。ケブラー－ＣＮＴ混合物は、その衝撃抵抗を大幅に増加させることができる。ＣＮＴを加えない場合に比べて、ＣＮＴを０．１重量％（ｗｔ％）添加すると、規格化された吸収エネルギーは、６．５倍に増加した。
[0013] 得られる材料又は製品の多数の新たな向上した特性を与えるためにＣＮＭ及びポリマーを組み合わせることが知られているが、そのように得られた材料及び製品の使用及び展開は、広がっていない。いずれの特定の理論によっても制限されることなく、この阻まれた使用及び展開は、ＣＮＭ構成要素を作る共通の方法に起因する場合があり、これは、費用がかかり、関連するカーボンフットプリントが高い。例えば、化学蒸着（ＣＶＤ）は、ＣＮＭの商業的製造で従来使用されているプロセスである。ＣＶＤは、高額であり、現在、ＣＮＭ、例えばＣＮＴ、グラフェン及びカーボンナノオニオンの価格は、１トンあたり＄１００，０００～＄１０，０００，０００である。比較して、鋼は、１トンあたり＄４００～＄７００の価格である。
[0014] したがって、高い費用及び関連する高いカーボンフットプリントに対処する、ポリマー－ＣＮＭ混合物並びにそれから作られた材料及び製品の商業的製造の新たな方式が望ましい。
[0015] 本開示の実施形態は、ポリマーのみから作られた材料又は製品に比べて新たな又は向上した特性を有する材料又は製品を作るために使用され得るポリマー－カーボンナノ物質（ＣＮＭ）混合物に関する。
[0016] 本開示のいくつかの実施形態は、ポリマー－ＣＮＭ混合物を作る方法に関する。方法は、カルバノゲルを受け取るステップと、カルバノゲルをポリマー混合物と組み合わせるステップと、ポリマー－ＣＮＭ混合物を収集するステップ（回収するステップとも呼ばれる）とを含む。
[0017] 本開示のいくつかの実施形態は、カルバノゲルを含むポリマー－ＣＮＭ混合物及びポリマー混合物に関する。
[0018] 本開示のいくつかの実施形態は、ポリマー－ＣＮＭ混合物を作るためのシステムに関する。システムは、カルバノゲルを生成するために熔融電界質中で二酸化炭素（ＣＯ２）を分割する電気分解プロセスを行うための装置であって、カルバノゲルは、カーボンナノ物質（ＣＮＭ）と電解質とを含む、装置と、カルバノゲルを受け取るための容器と、ポリマー混合物の供給源とを含む。
[0019] ポリマー－ＣＮＭ混合物、得られる複合材料の展開は、ＣＮＭ構成要素を製造するのに費用がかかること及び関連する高いカーボンフットプリントによって阻まれてきた。さらに、特により少量のＣＮＭが存在するとき、混合物を通してＣＮＭの均一な分散を確立するための技術的な課題が存在する。
[0020] ＣＮＭの高い製造費は、主として高い反応剤及びエネルギー費用を原因とすることが既知である。いずれの特定の理論によっても制限されることなく、本開示の実施形態によるポリマー－ＣＮＭ混合物中の構成要素として使用することができる、熔融電気分解プロセス及び製造されたＣＮＭを使用してＣＯ２から製造されると、これらの製造費は、２桁低減され得る。さらに、いずれの特定の理論によっても制限されることなく、電気分解プロセスによって製造されたカルバノゲルは、ＣＮＭの固定されて分散された位置を提供し得る、格子状構造を提供するカルバノゲルによって混合物を通してＣＮＭの均一な分散を確立する課題を克服することも支援し得る。
[0021] 本開示のこれらの及び他の特徴は、添付図面を参照する以下の詳細な説明でより明らかになる。
[0022]本開示の実施形態における使用のための、カルバノゲル生成物を作るための装置の概略図である。 [0023]ポリマー－ＣＮＭ混合物を作るための、本開示の実施形態によるシステムの概略図である。 [0024]本開示の実施形態による方法のステップを表す概略図である。 [0025]本開示の実施形態の特性を示す２つのパネルを有し、上部パネルは、カルバノゲルあり及びなしで作られたエポキシ樹脂品目の写真を示し、下部パネルは、カルバノゲルの重量％付加に対して増加した引張強度を示す棒グラフである。 [0026]本開示の実施形態によって作られたカルバノゲルの走査型電子顕微鏡画像の写真を示し、７３０倍の倍率の画像を示す。 [0026]本開示の実施形態によって作られたカルバノゲルの走査型電子顕微鏡画像の写真を示し、８６００倍の倍率の画像を示す。 [0027]本開示の実施形態によるポリマー－ＣＮＭ混合物を作るためのさらなるプロトコルの概略図を示す２つのパネルを有し、上部パネルは、組み合わせるステップがポリマーを調製する前に起きるプロトコルを示し、下部パネルは、組み合わせるステップがポリマーの調製に続いて起きるプロトコルを示す。
[0028] 本開示の実施形態は、ポリマー及びカーボンナノ物質（ＣＮＭ）の混合物を作るための装置、システム及び方法に関する。そのような実施形態の混合物は、約１０重量％（ｗｔ％）以下のＣＮＭを含む。そのような混合物のＣＮＭ含有量は、新たな又は向上した特性を混合物及び材料並びにそれから作られた製品に与え得る。そのような新たな又は向上した特性は、限定されないが、強度特性、電子応用特性、医療応用特性、熱伝導特性、熱絶縁特性、触媒特性又はこれらの任意の組合せを含む。
[0029] ２００９年以降、ＣＯ２の炭素へのエネルギー効率的な変換及び溶融炭酸塩電気分解による酸化が知られている。続いて、ＣＯ２の様々な黒鉛状カーボンナノ物質（ＣＮＭ）への化学的変換が実証された。これらの黒鉛状ＣＮＭは、長期間の安定性と、これらの材料が有用な特性、例えば超高強度、高導電性、高熱伝導性、新たな電子機器、高電池、燃料電池及びキャパシタ蓄電容量、電磁放射線遮蔽、有効な薬物送達及び様々な医療特性並びに有用な触媒特性を有することとに起因として価値がある。
ＣＯ２→Ｃナノ物質＋Ｏ２ （式１）
[0030] 式１は、溶融電気分解プロセスを示し、カーボンナノ物質は、成長し、電解質と混合された絡まったＣＮＭの混合物としてカソードの上に残る。この混合物は、カルバノゲルと呼ばれており、電解質の少なくとも９５％は、このカルバノゲルから高温プレス濾過によって押し出され得る。
[0031] ＣＮＭ構成要素内で生じ得る、グラフェンのｓｐ２結合炭素構成要素及び単層又は多層グラフェンの包含は、カルバノゲル中のＣＮＭに対して、向上した特性、例えば、限定されないが、これらのＣＮＭの増強された強度及び伝導性を提供し得る。追加的に、ＣＮＭの特定の形態の相対的な量は、追加的な特性をカルバノゲル及びそれから作られた製品に与え得る。そのような形態の例は、限定されないが、球状ナノカーボン、中実及び中空ナノオニオン、円筒形同素体のナノカーボン、平面同素体、らせん状同素体、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、ナノファイバー、グラフェン、ナノプレートレット、ナノスキャフォールド、ナノツリー、ナノベルト、ナノフラワー、ナノドラゴン、ナノツリー、ナノロッド、表面修飾若しくは金属被覆ＣＮＭ、図形的特徴若しくは特性のない非晶質ナノカーボン又はこれらの任意の組合せを含む。そのような追加的な特性の例は、限定されないが、カルバノゲル中のＣＮＭの低減した摩擦、弾力性、熱伝導、難燃性、対掌性、向上した表面積又はこれらの任意の組合せを含む。これらの特性は、限定されないが、潤滑、可撓性材料、対掌性光吸収、対掌性光放射、対掌性触媒、向上した電気化学的電荷蓄積、向上した触媒活性、耐火性又は強化されたＥＭＦ遮蔽能力を含む特定の用途に有用である。カルバノゲル中のＣＮＭは、ドーピング、磁性、まれな形状及び小型化又は拡大されたサイズを含む追加的な特徴も含み得る。いかなる理論にも制約されることなく、ＣＮＴは、単壁ＣＮＴ、多壁ＣＮＴ、ドープＣＮＴ、例えばホウ素、硫黄、リン若しくは窒素ドープＣＮＴ、磁気ＣＮＴ、竹型ＣＮＴ、パール状ＣＮＴ、同位体特異的ＣＮＴ、例えば１２Ｃ及び１３ＣＣＮＴ、表面修飾若しくは金属被覆ＣＮＴ、単一若しくは二重編組ＣＮＴを含むらせん状ＣＮＴ、渦巻き状らせん状ＣＮＴ、薄い、厚い若しくは中実壁のＣＮＴ、細径及び太径ＣＮＴ、短い若しくはウール（長い）ＣＮＴ又はこれらの任意の組合せを含み得る。
[0032] 本開示の実施形態によると、炭素含有ガスは、そのガス中の炭素から、カーボンナノ物質（ＣＮＭ）生成物を含むカルバノゲルを発生させるための、本明細書で電気合成プロセスとも呼ばれる電気分解プロセスを受け得る。「カルバノゲル」という用語は、本明細書では、電気分解プロセスの生成物であり、電気分解プロセス中又は後にカソードに局在するＣＮＭ及び電解質の混合物を指すために使用される。「カーボンナノ物質生成物」及び「ＣＮＭ生成物」という用語は、本明細書では、１つ又は複数の形態の、ナノスケールカーボンとも呼ばれ得るナノカーボンの集合を指すために使用される。「ナノカーボン」という用語は、本明細書では、ナノスケールで特定の構造、例えば黒鉛ナノカーボン構造に配置された炭素を指すために称される。特に、炭素含有ガスからの炭素は、溶融電解質媒体及び様々な電気分解プロセス構成を使用して炭素及び酸素に分割され得る。電気分解プロセスは、気相から溶融電解質媒体、固体ＣＮＭ生成物又は両方への炭素の物質移動を引き起こし得る。ＣＮＭ生成物は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を含む実質的に純粋な、純粋な又は不純なカーボンナノ物質（ＣＮＭ）であり得る。ＣＮＭ生成物は、本明細書において上記で説明された通りのＣＮＭ構造の１つ若しくは複数の形態又はこれらの任意の組合せを含み得る。任意選択的に、電気分解プロセスの１つ又は複数のパラメータは、ＣＮＭ生成物中の所与の形態の相対的な量を変えるために調整され得る。
[0033] 図１に示される通り、電気分解プロセスは、カソード１８を収容するための、電気分解チャンバ又は電気分解セルとも呼ばれ得るケース１２を含む装置１０内で行われ得、アノード１６は、ケース１２の壁の内面の少なくとも一部を形成し得る。合わせて、２つの電極は、それらの間に電気分解空間を画定する。当業者によって認められる通り、任意選択的に、アノード１６は、ケース１２の壁とは別個であり得る。ケース１２は、電解質媒体２１を収容するように構成される。電解質の上面２１Ａを含む電気分解空間Ｂは、炭素含有ガス源（図１でＤとして示される）と流体連通し得る。本開示のいくつかの実施形態では、ケース１２は、断熱材料で作られた絶縁されたハウジング２０内に含まれ得る。絶縁されたハウジング２０は、断熱材料で作られた又は作られていない頂部２２又は側部若しくは底部（図示せず）も含み得、断熱材は、ＣＯ２透過性断熱材、例えば高温織セラミックス又はほぼＣＯ２不浸透性の断熱材に由来し得る。透過性断熱材の例は、限定されないが、アルミナ及びシリカの酸化物から作られ、ジルコニアを含み得るMorgan Cerablanket（登録商標）、アルカリ土類ケイ酸塩から作られたMorgan Superwool（登録商標）を含み、両方とも１，２００℃を上回る温度に対応する。ほぼＣＯ２不浸透性の断熱材の例は、幅広い範囲の利用可能な商業的耐火煉瓦又は現場打ち耐火セメント及びモルタルを含み、その例は、限定されないが、１，０９０℃を上回る温度に対応するBNZ Materials耐火煉瓦及び耐火セメント及びモルタル、例えばＰＡ２０及び２３並びにＢＮＺ２０００、２３００、２３Ａ、２６００、２６～６０、２８００、３０００及び３２００を含む。
[0034] 炭素含有ガス源は、限定されないが、セメント製造プラント、鉄精製プラント、鋼製造プラント、アンモニア、エタノール、マグネシウム、水素、ポリマー、プラスチック、ガラスの１つ又は複数を作るか又は使用するプラント、廃水処理プラント、食品加工プラントを含む様々な工業用プラントであり得る。炭素含有ガス源は、内燃機関及び加熱又は調理のための炭素質材料の燃焼を含む化学反応器でもあり得る。発電プラントからの排出ガス、蒸気発生設備又は熱分解反応器も炭素含有ガス源であり得る。これらの供給源から又は任意の高カーボンフットプリント物質の製造で排出される炭素含有ガスも、ＣＮＭ生成物を作るための炭素源に寄与し得るか又はそれを構成し得る。さらに、加熱、輸送のための化石燃料の燃焼又は変換のガス生成物及び炭素生成物、例えばポリマー及びプラスチックも、ＣＮＭ生成物を作るための炭素源に寄与し得るか又はそれを構成し得る。
[0035] 本開示のいくつかの実施形態では、アノード１６は、平面構造、ワイヤ構造、スクリーン、多孔質構造、導電性プレート、平坦な又は折り畳まれたシム、コイル状構造として形成されるか、又はアノードは、ケース１２の内側壁の少なくとも一部を形成し得る。アノード１６は、アノード１６が酸素発生であっても又はなくてもよいように、様々な導電性材料で形成され得る。このようなアノード形成材料は、限定されないが、安定した層を有するか又は確立する、本開示の実施形態によって実施される電気分解反応中に酸素製造を促す高度に安定的な酸化物外層を確立する任意の導電性材料、Ｎｉ、Ｎｉ合金、亜鉛めっきされた（亜鉛コーティング）鋼、チタン、黒鉛、鉄及び酸素製造を促す高度に安定的な酸化物外層を確立する幅広い種類の金属を含む。アノード１６を形成するための好適な材料のさらなる例は、合金構成要素の共核生成が高品質ＣＮＴを製造することが知られているため、ニッケル合金３６（クロムなしであるが、鉄を有するニッケル）、ステンレス鋼、例えばＳＳ３０４又はＳＳ３１６を含むニクロム（ニッケルクロム基合金）並びにインコネル合金、例えばインコネル６００、６２５及び７１８、合金Ｃ－２６４又はニクロム、例えばクロメルＡ、Ｂ又はを含む。限定されないが、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｆｅ及びＭｏを含む２成分系及び３成分系遷移金属核生成剤も有用であり得、同様にＣＮＭ生成物の成長に影響を及ぼし得る。
[0036] 本開示のいくつかの実施形態では、遷移金属がアノード１６に追加され得、これは、電解質媒体２１を通してカソード１８に移動するようにアノード１６から溶解され得る。追加された遷移金属は、成核剤として機能し得、これは、ニッケル、鉄、コバルト、銅、チタン、クロム、マンガン、ジルコニウム、モリブデン、銀、カドミウム、錫、ルテニウム、亜鉛、アンチモン、バナジウムタングステン、インジウム、ガリウム又は非遷移金属、例えばゲルマニウム若しくはシリコン又は限定されないが、真鍮、モネル及びニッケル合金を含むその混合物から選択され得る。遷移金属は、カソード１８上に移動するように電解質媒体２１内に溶解された遷移金属塩としても直接導入され得る。遷移金属成核剤をカソード１８上に直接追加することも可能である。
[0037] 本開示のいくつかの実施形態では、カソード１８は、平面構造、ワイヤ構造、スクリーン、多孔質構造、導電性プレート、平坦な又は折り畳まれたシム、シート、コイル状構造として形成されるか、又はカソードは、ケース１２の内側壁の少なくとも一部を形成し得る。カソード１８は、核生成ポイント及びカソード１８に形成するＣＮＭ生成物のバリエーションの必要性を反映する様々な導電性材料で形成され得る。そのようなカソード形成材料は、限定されないが、任意の導電性材料、亜鉛めっきされた（亜鉛コーティング）鋼、チタン、黒鉛、鉄、銅及び亜鉛を含む合金、モネル（Ｎｉ４００、Ｎｉ／Ｃｕ合金）、インコネル、ステンレス鋼、鉄、ニクロム、純粋Ｃｕを含み、真鍮合金もカソード１８を作るための材料として好適であり得る。
[0038] アノード１６及びカソード１８は、ケース１２、例えばステンレス鋼ケース又は実質的に純粋な若しくは純粋なアルミナで作られたケース内で互いに実質的に平行に整列され得る。ケース１２は、溶融電解質媒体２１を含み、及び装置１０Ａによって達成される温度を維持するのに好適な任意の材料で作られ得る。電極は、限定されないが、実質的に水平又は実質的に垂直を含む任意の向きに方向付けられ得るが、それらの間に電気分解空間Ｂを画定するように互いから間隔を空けて配される。本開示のいくつかの実施形態では、電気分解空間Ｂは、約０．１ｃｍ～約１０ｃｍである。本開示のいくつかの実施形態では、電気分解空間Ｂは、約１ｃｍである。当業者によって認められる通り、電気分解空間Ｂの寸法は、装置１０の規模、例えば各電極のサイズ、ケース内に画定されたプレナム、印加された電流の量及びこれらの組合せによって決まる。
[0039] アノード１６及びカソード１８は、約０．００１Ａ／ｃｍ２～１０Ａ／ｃｍ２の電流密度を提供する、一定であるか又はないかのいずれかの交流又は直流の任意の電源であり得る電流源（図示せず）に動作可能に接続される。本開示のいくつかの実施形態では、電極間に提供される電流密度は、少なくとも０．０２Ａ／ｃｍ２、０．０５Ａ／ｃｍ２、０．１Ａ／ｃｍ２、０．２Ａ／ｃｍ２、０．３Ａ／ｃｍ２、０．４Ａ／ｃｍ２、０．５Ａ／ｃｍ２、０．６Ａ／ｃｍ２、０．７Ａ／ｃｍ２、０．８Ａ／ｃｍ２、０．９Ａ／ｃｍ２、１．０Ａ／ｃｍ２又はそれを上回る。電流源のための電力は、電源、ソーラー電源などを含む任意の電源又は電源の組合せであり得る。
[0040] 熱源（図示せず）は、ケース１２内の温度を、電解質媒体２１を溶融相に移行させる温度まで上昇させる任意の熱源であり得る。例えば、熱源は、約５００℃～約８５０℃又はそれを上回るケース１２内の温度を達成し得る。本開示のいくつかの実施形態では、加熱は、約７００℃～約８００℃、約７２０℃～約７９０℃又は約７５０℃～約７８０℃の温度を達成する。本開示のいくつかの実施形態では、加熱は、７４９～７５０℃、７５１～７５２℃、７５３～７５４℃、７５５～７５６℃、７５７～７５８℃、７５９～７６０℃、７６１～７６２℃、７６３～７６４℃、７６５～７６６℃、７６７～７６８℃、７６９～７７０℃、７７１～７７２℃、７７３～７７４℃、７７５～７７６℃、７７７～７７８℃又は７７９～７８０℃の温度を達成する。本開示のいくつかの実施形態では、ケース１２内の温度は、約８００℃以上に上昇され得る。本開示のいくつかの実施形態では、熱源は、ＣＯ２吸収及び炭酸塩への変換（気相から固相ＣＮＭ生成物への物質移動）の発熱反応又は印加された電気分解電流の過電圧によって提供又は補完される。
[0041] 本開示のいくつかの実施形態では、電解質媒体は、溶融相に移行するまで熱源によって加熱され得る炭酸塩を含み得る。例えば、炭酸塩は、リチウム炭酸塩又はリチウム化炭酸塩であり得る。７２３℃の融点を有するリチウム炭酸塩（Ｌｉ２ＣＯ３）などの溶融炭酸塩又は６２０℃の融点を有するＬｉＢａＣａＣＯ３などの融点がより低い炭酸塩は、酸化物を含む場合、溶融時に生じるか又は電気分解の結果である自然発生的な酸化物の形成を含むか、又は高溶解性酸化物、例えばＬｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ及びＢａＯと混合されたとき、溶融電解質媒体より上の空間からのＣＯ２の迅速な吸収を維持する。好適な炭酸塩は、アルカリ炭酸塩及びアルカリ土類炭酸塩を含み得る。アルカリ炭酸塩は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム若しくはフランシウム炭酸塩又はその混合物を含み得る。アルカリ土類炭酸塩は、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム若しくはラジウム炭酸塩又はその混合物を含み得る。本開示のいくつかの実施形態では、電解質は、混合された組成物、例えばアルカリ炭酸塩及びアルカリ土類炭酸塩並びに酸化物、ホウ酸塩、硫酸塩、硝酸塩、塩化化合物、塩素酸塩又はリン酸塩の１つ又は複数の混合物であり得る。
[0042] 本開示の実施形態によると、カルバノゲルは、ＣＯ２の溶融炭酸塩電気分解分割によって形成される。カルバノゲルは、電気分解プロセスが止まった後に残るＣＮＭネットワーク及び電解質の混合物を含む。興味深いことに、破砕などの処理後、カルバノゲルは、ＣＮＭネットワークを維持し得る。さらに、（処理された又は処理されていない）カルバノゲルの電解質含有量は、電解質を押圧するか、反応させるか又は洗い流すことによって低減され得る。電解質の一部又は全ての除去後、カルバノゲルは、高純度炭素から構成されるＣＮＭからなる。電解質の一部又は全ての除去後、ＣＮＭは、内部空隙を画定する。例えば、ＣＮＭは、ＣＮＭ中の空隙スペース、ＣＮＭ表面上及びＣＮＭ内又はこれらの組合せを画定し得る。本開示の目的上、「空隙」という用語は、電解質も他の物質も実質的にない、ＣＮＭ中の２次元又は３次元空間を意味する。
[0043] 本開示のいくつかの実施形態では、ＣＮＭ中に画定された空隙は、空隙充填剤、例えば用途に基づく材料で部分的に、実質的に完全に又は完全に充填され得る。好適な空隙充填剤の例は、限定されないが、強化剤、触媒、ドーパント、薬剤又は電磁場（ＥＭＦ）遮蔽剤を含む。強化剤は、限定されないが、エポキシ樹脂、樹脂及び他のポリマー、セメント質材料及び金属を含み得る。触媒は、限定されないが、化学又は電気化学反応を早めるための材料を含み得る。ドーパントは、限定されないが、空隙内において少量でポリマー－ＣＮＭ混合物並びにそれから作られた材料及び製品の物理的化学的特性に実質的に影響を及ぼす材料を含み得る。カルバノゲルにおけるＣＮＭ構成要素は、ポリマー－ＣＮＭ混合物並びにそれから作られた材料及び製品の１つ又は複数の特性をさらに高めるか、又は新たな特性を与えるために機械的、電気的又は磁気的に整列され得る。そのような特性は、限定されないが、強度、電気及び熱特性を含む。電気的及び／又は磁気的整列は、カルバノゲル調製ステージ中に配向電場及び／又は磁場を印加することで達成され得る。磁気的ＣＮＭは、ＣＮＭを発生させるとき、電気分解プロセス中に磁気材料、例えば金属又は金属炭化物を組み込むことによって調製される。ポリマー－ＣＮＭ混合物は、例えば、裏張り、難燃性物質若しくはシールドにおいて単独で又は向上した特性をそれらの他の材料に与えるために、例えば、限定されないが、ポリマー－ＣＮＭ混合物で作られない、積層体などの他の材料との組合せで使用され得るシート材料を形成するために使用され得る。
[0044] ＣＮＭの高い製造費は、主として高い反応剤及びエネルギー費用を原因とすることが既知である。いずれの特定の理論によっても制限されることなく、本開示の実施形態による溶融電気分解プロセスを使用してＣＯ２から製造されると、これらの製造費は、２桁低減され得る。
[0045] 本開示のいくつかの実施形態は、ポリマー－ＣＮＭ混合物２２２を作るためのシステム２００に関する。図２の非限定的な例に示される通り、システム２００は、カルバノゲル生成物を製造するために溶融電解質中で二酸化炭素（ＣＯ２）を分割する電気分解プロセスを行うための装置２１０と、容器２１２と、モノマー／ポリマー混合物の供給源２１４とを含む。システム２００は、本明細書において以下で説明される通りの本開示の方法を実施するために使用され得る。
[0046] 本開示のいくつかの実施形態では、装置２１０は、本明細書において上記で説明された装置１０と同じ又は同様であり得る。装置２１０は、溶融電解質中で炭素含有ガスを分割する電気分解プロセスを行うように構成される。その分割の生成物は、バルク又は残余電解質がその中にあるＣＮＭ生成物、すなわちカルバノゲル生成物とも呼ばれ得るカルバノゲルである。
[0047] 低温の生成物又は高温の生成物としてのいずれかを問わず、カルバノゲル（図２で線Ｘによって示される）を受け取る容器２１２である。容器２１２は、容器２１２がその中に受け取られるカルバノゲルの温度に耐えるのに十分に堅牢である限り、様々な材料で作られ得、任意の形状及び寸法であり得る。
[0048] システム２００は、ポリマー－ＣＮＭ混合物２２２を、酸化力のある環境から保護するための絶縁ユニット２２４をさらに含み得る。絶縁ユニット２２４は、ポリマー－ＣＮＭ混合物２２２を受け取り、酸素含有ガスなどのいずれの酸化剤も容器内から例えば真空ポンプによって取り除き、及び容器内の流体を不活性ガスなどの非酸素含有ガスと置き換えるための好適な寸法の流体密封器を含み得る。
[0049] モノマー／ポリマー混合物の供給源２１４は、モノマー／ポリマー混合物を収容する容器であり得、及び／又は供給源２１４は、モノマー／ポリマー混合物を調製するための調製ユニットを含み得る。本開示の目的を達成するために、用語「ポリマー混合物」は、ポリマー、ホモポリマー、ヘテロポリマー、少なくとも２つのポリマー、モノマー、少なくとも２つのモノマー又はポリマー混合物が、ポリマー－ＣＮＭ混合物を作るために本開示の実施形態に利用され得る、これらの任意の組合せの混合物を指すために、用語「ポリマー混合物」、「モノマー／ポリマー混合物」及び「モノマー／ポリマー混合物」と交換可能に使用される。例えば、調製ユニットは、１つ又は複数の化学反応を行うことができる反応器を含み得る。反応器内で行うことができるような化学反応の非限定的な例は、限定されないが、開始反応、伝搬反応、停止反応、縮合反応、開環反応、イオン反応、連鎖移動反応、光子ベース反応、熱反応、プラズマ重合反応又はこれらの任意の組合せを含む。
[0050] 追加的又は代替的に、調製ユニットは、モノマー／ポリマー混合物を製造するための押出機入力部に所定の熱及び圧力を加えるための押出機を含み得る。
[0051] モノマー／ポリマー混合物の供給源２１４は、ポリマー－ＣＮＭ混合物を製造するためにポリマーに調製する前に、カルバノゲルと組み合わせる必要があり得るモノマー前駆体を含み得る。追加的又は代替的に、モノマー／ポリマー混合物２１４は、ポリマー－ＣＮＭ混合物を製造するためのカルバノゲルと組み合わせることができる、すでに調製されたポリマーを含み得る。
[0052] 本開示のいくつかの実施形態では、供給源２１４は、天然ポリマー、合成ポリマー、半合成ポリマー、再生ポリマー、非晶質ポリマー、半結晶ポリマー、熱硬化性ポリマー、熱硬化性ポリマー、熱可塑性ポリマー、そのようなポリマーのモノマー前駆体又はこれらの任意の組合せの供給源である。
[0053] 本開示のいくつかの実施形態では、供給源２１４は、ＰＬＡ、ＰＶＡ、ＰＰ、ＰＥ、アクリル、ＡＢＳ、ナイロン、テフロン、ＰＣ、エポキシ、エポキシ、アクリル、フェノール、ポリシロキサン、ポリウレタン、ポリイミド、加硫ゴム、ベークライト、ｐＤＣＰＤ、ポリイソシアヌレート、ポリエステル、ポリウレア、尿素ホルムアルデヒド、ビニルエステル、シアン酸塩、メラミン、ポリエステル樹脂、そのようなポリマーのモノマー前駆体又はこれらの任意の組合せの供給源である。
[0054] 本開示のいくつかの実施形態では、システム２００は、冷却された又は高温のカルバノゲル生成物を、容器２１２によって受け取られる前（又は受け取られた後）に破砕するための処理ユニット２１６をさらに含み得る。処理ユニット２１６は、カルバノゲルの温度に耐え得る様々な好適な構成要素、機構又は機械、例えば、限定されないが、グラインダ、細分化ユニット、物理的プレス、微粉砕ユニット、ミル又はこれらの任意の組合せであり得る。カルバノゲルの結果としての粒子サイズは、処理ユニット２１６によって行われる処理動作の程度によって決められる。
[0055] 本開示のいくつかの実施形態では、システム２００は、電解質低減ユニット２１８をさらに含み得る。電解質低減ユニット２１８は、冷却された又は高温のカルバノゲル生成物を装置２１０から直接受け取ることができ、及び／又はこれは、処理されたカルバノゲル生成物を処理ユニット２１６から受け取ることができる。電解質低減ユニット２１８は、（処理された又は処理されていない）カルバノゲル生成物の電解質含有量を低減させ、その結果、電解質含有量が減少したカルバノゲルが処理ユニット２１６で処理され得（又はさらに処理され得）、次いで容器２１２に受け入れられる。代替的又は追加的に、電解質含有量が減少したカルバノゲルは、電解質低減ユニット２１８から容器に受け入れられ得る。
[0056] 電解質低減ユニット２１８は、（処理された又は処理されていない）カルバノゲルの電解質含有量を機械的方式、化学的方式、電気化学的方式又はこれらの任意の組合せによって低減させ得る。例えば、機械的方式は、カルバノゲルの電解質含有量を低減させ得る様々な好適な構成要素、機構又は機械、例えばカルバノゲルを、メッシュ若しくは篩を通すように押す機械プレス、カルバノゲル中の電解質を溶かすための加熱器、フィルタ（室温若しくは高温）又はこれらの任意の組合せを含み得る。カルバノゲルの電解質含有量を低減させるための化学的方式は、電解質を溶解させ得る１つ又は複数の化学物質にカルバノゲルを暴露するための１つ又は複数の洗浄ステーションを含む。電解質含有量を低減させることに加えて、１つ又は複数の化学物質は、カルバノゲル中のＣＮＭから非晶質炭素又は金属などの不純物を溶解させるためにも加えられ得る。電気化学的方式は、カルバノゲルの電解質含有量及び／又は不純物含有量を低減させるための選択的電気分解を行うための装置を含む。
[0057] 本開示のいくつかの実施形態では、システム２００は、カルバノゲル（処理された及び／又は電解質が低減された若しくはされていない）及び／又はポリマー－ＣＮＭ混合物におけるＣＮＭ構成要素の少なくとも一部を整列させる整列ユニット２２０をさらに含み得る（図２の非限定的な例に示された通り）。整列ユニット２２０によって実施される整列手順が容器２１２型内で行われるように、整列ユニット２２０は、容器２１２に一体化され得る。代替的又は追加的に、整列ユニット２２０は、圧縮されていないカルバノゲル（処理された及び／又は電解質が低減された若しくはされていない）を受け取ることができ、整列手順を実施することができ、次いで整列したカルバノゲルを容器２１２に移すことができる、容器２１２とは別個の物理的構成要素であり得る。整列ユニット２２０は、ポリマー－ＣＮＭ混合物中の整列したＣＭＮ構成要素が必要な異方性特性を有するように、機械的方式、電気的方式、磁気的方式又はこれらの任意の組合せの１つ又は複数を用いることができる。整列ユニット２２０は、配向物理的応力場をカルバノゲル中及び／又はポリマー－ＣＮＭ混合物中のＣＮＭ（処理された及び／又は電解質が低減された若しくはされていない）に印加することができる様々な好適な構成要素、機構又は機械による機械的方式を用い得る。例えば、機械的方式は、せん断力をカルバノゲル中のＣＮＭ生成物に印加することができる。せん断力は、本体、例えばピストンを、カルバノゲル中及び／又はポリマー－ＣＮＭ混合物中のＣＮＭ（処理された及び／又は電解質が低減された若しくはされていない）を通して引くか、回転させるか又は引くことによって印加され得る。代替的に、ＣＮＭ整列ではなく、ＣＮＭの絡み合いを増加させるためにせん断力が直接印加される。
[0058] 整列ユニット２２０は、配向電場をカルバノゲル中及び／又はポリマー－ＣＮＭ混合物中のＣＮＭ（処理された及び／又は電解質が低減された若しくはされていない）に印加し得る様々な好適な構成要素、機構又は機械によって電気的方式を用い得る。
[0059] 整列ユニット２２０は、配向磁場をカルバノゲル中及び／又はポリマー－ＣＮＭ混合物中のＣＮＭ（処理された及び／又は電解質が低減された若しくはされていない）に印加し得る様々な好適な構成要素、機構又は機械によって磁気的方式を用い得る。
[0060] 本開示のいくつかの実施形態では、整列ユニット２２０は、ＣＮＭの方向性のある整列を増加させるよりむしろ低減させ、したがってポリマー－ＣＮＭ混合物の任意の異方性特性の減少のために使用され得る。
[0061] 図３は、カルバノゲルを受け取るステップ１０２と、カルバノゲル及びモノマー／ポリマー混合物を容器内で組み合わせるステップ１０８と、ポリマー－ＣＮＭ混合物を回収するステップ１１０とを含むものとして、ポリマー－ＣＮＭ混合物を作る方法１００のステップを示す。任意選択的に、方法１００は、本明細書において上記で説明された電気分解プロセスによってカルバノゲルを発生させるステップ１０１をさらに含み得る。方法１００は、カルバノゲルの電解質含有量を処理するステップ１０３及び／又は低減させるステップ１０５をさらに含み得る。
[0062] 受け取るステップ１０２について、カルバノゲルは、本明細書において上記で説明された電気分解プロセスを使用して発生され得、これは、発生のステップ１０１と呼ばれ得る。発生したカルバノゲルは、ＣＯ２の溶融電気分解分割中にカソードで成長したＣＮＭの絡まった生成物を含む。発生させるステップ１０１、上述の電気分解プロセスの動作パラメータを選択的に制御することにより、発生したカルバノゲルは、カルバノゲル中のＣＮＭの望ましい形態のより大きい相対的な量を有し得る。例えば、電気分解プロセスは、カルバノゲルのＣＮＭ内のナノカーボン構造の他の形態と比べて、球状ナノカーボン、中実及び中空ナノオニオン、円筒形同素体のナノカーボン、平面同素体、らせん状同素体、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、ナノファイバー、グラフェン、ナノプレートレット、ナノスキャフォールド、ナノツリー、ナノベルト、ナノフラワー、ナノドラゴン、ナノツリー、ナノロッド、表面修飾若しくは金属被覆ＣＮＭ、図形的特徴若しくは特性のない非晶質ナノカーボン又はこれらの任意の組合せの相対的な量を増加させるように制御され得る。
[0063] ＣＮＭ生成物を含む発生したカルバノゲルは、カルバノゲルを冷却、剥離することを可能にすること若しくは冷却されたカソード１８からカルバノゲル片を折り取ること、カルバノゲルを破砕すること又はこれらの任意の組合せを含むカルバノゲル処理のステップ１０３に受け入れられ得る。代替的に、処理するステップ１０３において、ＣＮＭ生成物を含むカルバノゲルは、カソード１８から依然として高温であり、高温の溶融電解質を含む間に抽出され得、次いで高温のカルバノゲルを破砕すること又は本明細書で説明された方法の他のステップに供される。したがって、受け取るステップ１０２は、冷却された及び固体の又は高温の及び粘度のある流体カルバノゲルのものであり得、これは、さらなる処理を受けても又は受けなくてもよい。
[0064] 本開示の実施形態によると、処理するステップ１０３は、限定されないが、研削、細分化、押圧、微粉砕、フライス処理又はこれらの組合せを含む破砕技術などの様々な方式によって実施され得る。カルバノゲル中のカルバノゲル材料の結果としての粒子サイズは、破砕の程度によって決められる。さらなる及び／又はより厳密な破砕は、処理するステップ１０３がより短い時間及び／又はより低い厳密さで実施されるシナリオと比較して、ポリマー混合物及びカルバノゲルの組合せに影響を及ぼし得るより小さいカルバノゲル粒子サイズをもたらす。
[0065] 本開示のいくつかの実施形態では、カルバノゲルの電解質及び／又は不純物含有量は、低減させるステップ１０５によって低減され得る。限定されることなく、低減した不純物は、非黒鉛炭素、例えば非晶質炭素及び金属又はこれらの組合せを含み得る。電解質及び又は不純物の一部、ほとんど、実質的に全て又は全ては、化学的、機械的又は電気化学的方式でカルバノゲルを押圧するか、反応させるか又は洗浄することによってカルバノゲルから除去され得る。例えば、低減させるステップ１０５のための機械的方式は、特定の孔サイズのメッシュなどの選別デバイスを通して電解質をカルバノゲルから物理的に強制的に出すために、物理的圧力をカルバノゲルに印加することを含み得る。機械的方式は、電解質フロー及び分離を円滑にするために、温度を電解質の融点より高くに調整することも含み得る。アルカリ及びアルカリ土類炭酸塩電解質の融点は、溶融三元共晶Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ炭酸塩のための４００℃未満からカリウム炭酸塩のための８９１℃にわたる。印加される圧力は、０～１０００ポンド毎平方インチ（ｐｓｉ）、１０００～２０００ｐｓｉに及び得るか又は２０００ｐｓｉ以上であり得る。代替的又は追加的に、低減すること１０５は、化学的方式を含み得、カルバノゲルは、１つ又は複数の化学物質に暴露されて反応を引き起こし、それによりカルバノゲルの電解質含有量が低減する。例えば、洗浄液がカルバノゲルを洗浄するために使用され得、洗浄液は、カルバノゲル粒子からの残余の又はバルク電解質の一部を溶解させ得る。洗浄液は、中性ｐＨ液体、例えば水若しくは食塩水溶液又は溶融電解質の溶解を促進し得る酸性若しくはアルカリ性溶液、例えばギ酸若しくは塩酸又はアンモニア硫酸塩、酸化性溶液、例えばパーマグネイト若しくは過酸化物又は有機溶媒或いはこれらの任意の組合せを含み得る。電解質を低減させることに加えて、洗浄液は、ＣＮＭから不純物、例えば非晶質炭素又は金属を溶解させるために適用され得る。本開示のいくつかの実施形態では、カルバノゲルの電解質含有量は、室温濾過及び／又は高温濾過によって低減され得る。カルバノゲルの電解質含有量を低減させる１０５ためのさらなる方式は、限定されないが、篩過及び濾過などの機械的方式、電気化学的手段、例えば選択的電気分解、熱的手段、例えばあまり安定的でない非晶質炭素の燃焼による酸化的除去がＣＮＭ不純物を取り除くために施されるか、又はこれらの任意の組合せを含む。カルバノゲルの電解質含有量を低減させることは、カルバノゲルにおけるＣＮＭの相対的な割合を増加させ得る。本開示のいくつかの実施形態では、カルバノゲルの電解質及び／又は不純物含有量を低減させるステップ１０５は、処理された又は処理されていないカルバノゲルに１回又は２回以上実施され得る。
[0066] 本開示の一実施形態では、カルバノゲル（処理された及び／又は電解質含有量が低減された若しくはされていない）は、ポリマー－ＣＮＭ混合物を形成するために、単一ステップでポリマー混合物と組み合わされる。別の実施形態では、カルバノゲル（処理された及び／又は電解質含有量が低減された若しくはされていない）は、ポリマーの調製ステップ中、例えばポリマーを調製する開始ステップ、及び／又は伝搬ステップ、及び／又は停止ステップ中に追加される。別の実施形態では、カルバノゲル（処理された及び／又は電解質含有量が低減された若しくはされていない）は、縮合反応／機構が生じ、開環反応／機構が生じ、イオン反応／機構が生じ、連鎖移動反応／機構が生じ、光子ベース反応／機構が生じ、熱反応／機構が生じ、化学反応／機構が生じ、プラズマ重合反応／機構が生じるか又はこれらの組合せである、ポリマーを調製するステップ中に追加される。
[0067] 本開示のいくつかの実施形態では、カルバノゲル（処理された及び／又は電解質含有量が低減された若しくはされていない）は、天然、合成、半合成又は再生ポリマーの調製中に追加される。本開示の別の実施形態では、カルバノゲル（処理された及び／又は電解質含有量が低減された若しくはされていない）は、熱可塑性ポリマー又は熱硬化性ポリマーの調製中に追加される。本開示の別の実施形態では、カルバノゲル（処理された及び／又は電解質含有量が低減された若しくはされていない）は、非晶質ポリマー又は半結晶ポリマーの形成中に追加される。
[0068] いずれの特定の理論によっても制限されることなく、処理されたカルバノゲル粒子内の融合した残余電解質は、ＣＮＭの均一的な分布のために駆動力を提供し、組み合わせた後、超音波処理又は他のより厳密な混合プロセスを必要とすることなく、処理されたカルバノゲル粒子をポリマー－ＣＮＭ混合物に結合させることを本発明者らは理論付けた。ＣＯ２を分割するために電気分解プロセス中に調製されたカルバノゲルは、ＣＮＭ及び電解質の両方を含み、この組み合わされた存在は、効果的な「予め分散された」ＣＮＭの格子マトリクスである、固定された構造を提供し得る。
[0069] 実施例１：重合によるカルバノゲルＰＬＡポリマー－ＣＮＴ形成条件
[0070] 本開示のいくつかの実施形態は、ポリマー混合物がＰＬＡを含む、ポリマー－ＣＮＴ混合物を調製する方法に関する。この方法中、カルバノゲルは、重合ステップ前に追加されるカルバノゲル粒子を形成するために破砕によって処理され、次いでＰＬＡポリマーと、破砕されたカルバノゲルのＣＮＭとの混合物の形成を進める。ＰＬＡの従来の重合調製は、縮合（直接とも呼ばれる）重合又は開環縮合重合（開ループとも呼ばれる）の２つの経路のいずれか１つによって進む。例えば、乳酸水溶液は、加熱され、水を除去するために単独で又は触媒の存在下で真空ポンプ供給され得る。反応が完了するか又はほぼ完了すると、液体ＰＬＡ（これは、約１３０～１８０℃で溶解する）を流出させるか、又は固体として後に使用するために保存することができる。いずれのＰＬＡ調製経路も、例えば、ＰＬＡ－ＣＮＭ混合物を形成するために（破砕されたカルバノゲルの）ＣＮＭを追加して、ＰＬＡ形成の破砕されたカルバノゲルの開始、及び／又は伝搬、及び／又は停止段階を提供することができる。
[0071]ＣＮＴは、既知の最も強い材料であり、ＰＬＡ単独に比べてＰＬＡ－ＣＮＴ混合物の強度を非常に向上させる。一般に、ＣＮＴは、重合前に熱可塑性樹脂に追加されておらず、ＣＮＴの均一な分布を可能にするために超音波処理及び／又は溶解した熱可塑性溶媒混合物で追加されるか、又は押し出す前に熔融中に広範に混合して追加される。代わりに、この実施形態の一例として、ＣＮＴは、ＰＬＡと互換性がある、破砕されたポリカルボキシレート及びポリカルボン酸塩として追加される。限定されないが、様々な超可塑剤（例えば、Adva、Plastol及びBASFから市販の超可塑剤並びに他の可塑剤）を含む水性ポリカルボキシレート超可塑剤は、優れたカルバノゲルＣＮＭ分散剤であり、超音波処理よりむしろ従来の混合を行うことにより、破砕されたカルバノゲル／ポリカルボキシレートを実質的に均一にＰＬＡポリマー混合物中に分散させる。したがって、破砕されたカルバノゲル及びポリカルボキシレートのいずれも、ＰＬＡ重合前にエネルギーを超音波処理に浪費することなく追加することにより、早期にＰＬＡ形成プロセスを通してＣＮＭの分散を提供する。本開示のいくつかの実施形態では、破砕されたカルバノゲル及び／又はポリカルボキシレートは、続いて、重合プロセスに追加され、次いで、ＰＬＡポリマー、破砕されたカルバノゲル及び／又はポリカルボキシレートは、ＰＬＡポリマーを通してＣＮＭの実質的に均一な分散を提供するために押出プロセスを受ける。これらの代替の破砕された切れ目のないポリマー－ＣＮＭ混合物の形成プロトコルは、図６に示されている。
[0072] 実施例２：押出によるカルバノゲルＰＬＡポリマー－ＣＮＴ形成条件
[0073] 本開示のさらなる実施形態では、ポリマー－ＣＮＭ混合物は、ポリマー押出ステップ中、従来の分散されたＣＮＭの代わりに破砕されたカルバノゲル粒子を使用して調製される。押出は、処理されたカルバノゲルを固体ポリマー又は熔融ポリマーのいずれかと混ぜて利用し得る。この実施形態は、ＰＬＡ－ＣＮＴ混合調製の従来のプロセスと比較される。従来のプロセスでは、０、２、４、６又は８重量％のＣＮＴがＰＬＡペレットと８時間混ぜることによって混合される。超音波エネルギーを液体なしで運ぶ超音波処理は、この媒体内では不可能である。混ぜることによる混合時間の延長は、超音波処理がないにも関わらず、均一な分散を達成するための試みである。既知の押出プロセスは、二重ネジ押出機に続いて単一ネジ押出機を使用し、試験のために既知のＰＬＡ／ＣＮＴ混合物を形成するために１６５℃～２２０℃に温度が上がる。６重量％のＣＮＴ追加が最大の強度増加を示した。０％のＣＮＴのＰＬＡに比べて、６重量％のＰＬＡ／ＣＮＴ混合物は、引張強度が６４％増加し、湾曲強度が２９％増加した。従来のＣＮＴの代わりに、本開示のこの実施形態では、処理されたカルバノゲルは、押出のために混ぜる間、ＰＬＡと共に追加された。したがって、相当するＰＬＡ－ＣＮＴの強度の増加は、１時間未満などのはるかに低い混合時間を使用して、実質的に同量のＣＮＴの充填で達成され得る。本開示の実施形態により、溶融ポリマーをカルバノゲルと混合することにより、関連する貯蔵弾性率の大幅な増加を引き起こす。
[0074] 実施例３：熱硬化性樹脂－カルバノゲル混合物
[0075] この実施例は、処理されたカルバノゲルを、概してエポキシなどの溶解及び再形成できない熱硬化性樹脂と組み合わせることを通してポリマー－ＣＮＭ混合物を形成することに関する。処理されたカルバノゲルは、破砕されたカルバノゲルであり得、分散及びポリマーとの相互作用を向上し得る。例えば、従来のエポキシ－ＣＮＴ混合物のある型では、ＣＮＴは（カルバノゲルと対照的に）均一に分散され、次いで構成要素を含有するエポキシド（環状又は２つのＣに結合したＯ）にアミン結合を介して共有結合され、その後、エポキシド基と反応してエポキシ－ＣＮＴ混合物を形成する。本開示のいくつかの実施形態では、破砕されたカルバノゲルは、互換性のある媒体である溶媒に混合することによって分散され、欠陥を生じ、官能基部位を介してＣＮＭをエポキシド（２つのＣに結合したＯ）にグラフトし、及び／又は共有結合させる。この混合に続いて、化学反応（ポリアミン、ポリアミドアルカリ若しくは無水媒介反応を含む）、熱ベース硬化剤又は光子ベース硬化剤などを介してエポキシドを反応させ、酸素環を開き、従来のＣＮＴよりむしろ破砕されたカルバノゲルから形成されたエポキシ－ＣＮＭ混合物を形成する。
[0076]本開示のさらなる実施形態は、ＣＮＭとポリマーの混合を利用する。これは、ポリマー混合物中にＣＮＭを分散することによって達成されるが、ここでは、ポリマー混合物中に破砕されたカルバノゲルを直接混合することによって達成される。混合物におけるＣＮＭの従来の分散は、機械的又は磁気的のいずれかのカレンダー処理、押出、ボールミリング若しくは超音波処理又はこれらの組合せの剪断混合によって達成され、繊維を向上するために直接浸漬又は間接統合で使用される。
[0077] 実施例４：エポキシ－ＣＮＭ混合物の増加した引張強度
[0078] 図４は、本開示の実施形態により、ＣＯ２から作られたカルバノゲルの追加のあり及びなしのエポキシ樹脂の例からの写真及び引張強度の日付を示す。図４の上部パネルは、カルバノゲルなしで作られた３つの品目（左側の３つの犬の骨形の品目）及び本開示の実施形態による、カルバノゲルを備えて作られた３つの品目、カルバノゲルの品目（右側の３つの犬の骨形の品目）を示す。カルバノゲルの品目は、全体として黒であり、写真は、コントラストを強調するために明るくされた。カルバノゲルの品目を作るために使用したカルバノゲルは、ＣＯ２をカルバノゲルに変えるために、本明細書に記載されたように電気分解プロセスを使用して作られた。カルバノゲルは、ＣＮＴカルバノゲル生成物を製造するムンツ真鍮カソード及びステンレス鋼３０４アノードを備えた７５０℃のＬｉ２ＣＯ３溶解電解質で鋼ステンレスケース３０４を使用して装置１０で作られた。カルバノゲルは、カソードがモネル又はＮｉ合金、例えばインコネル、ニクロム及びＮｉ－鉄及びＮｉ－銅合金に変えられ、アノードがインコネル、ニクロム並びにＮｉ－鉄及びＮｉ－銅合金に変えられた場合にはＣＮＴカルバノゲル生成物を作るためにＣＯ２からも作られた。このカルバノゲル生成物は、塩酸（ＨＣｌ）で清浄された。Metlab M135樹脂の約４部及びMetlab M135硬化剤の約１部は、６０℃で別個に真空チャンバの内側で脱気された。その後、精製ＣＮＴを含有する電解質を低減した所望の０重量％、０．０５重量％、０．１重量％、０．２５重量％又は０．５重量％のカルバノゲルが樹脂に追加され、次いで６５ｒｐｍで４分間混合され、次いで１５分間超音波処理された。超音波処理後、硬化剤が追加され、６５ｒｐｍで４分間混合され、次いで脱気された。サンプルは、６０℃で従来の「犬の骨」型内で硬化され、引張強度試験のために除去された。図４の上部パネルは、上部左にカルバノゲルを追加していない３つの硬化された制御サンプル及び上部右に０．５重量％のカルバノゲルを備えた３つの硬化されたサンプルを示す。制御サンプルに対する引張強度は、ＥＴＭ－１０ｋＮコンピュータ制御電子万能試験製造機で測定された。図４の下部パネルは、追加されたカルバノゲルのない品目の引張強度に比べて、引張強度の観察された増加を示す。図４の下部パネルは、０．０５重量％、０．１重量％、０．２５重量％及び０．５重量％のカルバノゲルの例が、それぞれ４％、１５％、２１％及び３３％の相対増加が測定された引張強度を示す。
[0079] 実施例５：ポリマー－ＣＮＭ混合物単独及び代替層との併合
[0080] ポリマー－ＣＮＭ混合物は、平面裏打ち、難燃性物質若しくは熱シールドなどの材料又は製品において単独で使用され得る。ポリマー－ＣＮＭ混合物は、限定されないが、積層体など、ポリマー－ＣＮＭ混合物から作られていない別の材料との組合せでも使用され得、ポリマー－ＣＮＭ混合物は、新たな又は向上した特性を他の材料に与える。例えば、ポリマー－ＣＮＭ混合物及びその複合材料は、熱的活性、機械的活性、電気的活性、磁気的活性、光活性又は化学的活性などの様々な活性条件下で形状記憶特性を呈する。この形状記憶特性は、ポリマー－ＣＮＭ混合物、材料又はそれから作られた製品並びにポリマー－ＣＮＭ混合物（又はその材料若しくは製品）及び別の材料の組合せから作られた材料又は製品に組み込み得る。形状記憶特性に加えて、エポキシがポリマー－ＮＣＭ混合物中でポリマーとして使用されるとき、引張強度は、最大１８４％まで増加することがあり、ＣＮＭが多壁ＣＮＴを含むとき、０．１～１重量％の添加で衝撃強度は、最大４４４％まで増加し、これは、電気分解プロセスの作動条件を選択することによって生じる。さらに、電気分解プロセスの作動条件は、向上したバネ効果があり得るＣＮＭ内でコイル状ＣＮＴの相対的な量を増加させるために選択される。これらの形状記憶特性は、上述の通り、整列させることによってポリマー－ＣＮＭ混合物において異方性特性を組み込むことによっても促進され得る。グラフェンなどのＣＮＭの電気及び熱伝導性は、ポリマー加熱要素又はラジエータとしてそれらの用途に優れた特性を提供し得る。形状記憶特性及び加熱要素挙動を組み込むことは、それぞれ単独で又は別の材料の層と組み合わせて有益であり得る。
[0081] 図５は、洗浄によって電解質が低減したカルバノゲルの例であり、走査型電子顕微鏡、ＳＥＭによって測定される通り、７２０倍及び８６００倍の２つの異なる倍率で示される。この例は、先行する例でＣＯ２電気分解によって調製されたＣＮＴカルバノゲルのものである。カルバノゲルを含む混じり合ったＣＮＭの大きい粒子サイズは、図５の上部パネルで明らかである。これは、従来の濾過媒体多孔性に比べて大きく、ポリマーに混合するために巨視的に扱われるナノ寸法化されたＣＮＭにまれな機会を提供する。高いカーボンフットプリント反応剤よりむしろＣＯ２から形成される利点に追加して、これは、図５の下部パネルに示されたように、カルバノゲル材料のナノ物質寸法にも関わらず、カルバノゲルが微細な抑制フィルタから容易に形成されることを可能にする。電気分解に続いて、カルバノゲルは、冷却されたカソードから剥離され、砕かれた。濃縮されたＨＣｌでの洗浄に続いて、処理されたカルバノゲルが図５のＳＥＭ画像に示されている。ＣＮＴの高純度及び様々な方向におけるそれらの向きも図５で明らかである。希釈ＨＣｌ酸での代替的な洗浄も、同様に、電子分散型分光法（ＥＤＳ）及び熱重量解析（ＴＧＡ）によって測定された通り、電解質及び金属不純物を洗い流した。水又はギ酸のいずれかでの代替的な洗浄は、主に余剰の電解質を除去したのみであり、金属不純物を除去しなかった。組み合された塩酸及び水素過酸化物での別の代替的な洗浄、この場合には濃縮されたＨＣｌ及び３５％Ｈ２Ｏ２の溶液におけるカルバノゲルの混合よりもむしろ超音波による分解が余剰の電解質、金属不純物及びさらに非晶質炭素不純物を除去する。同様に、他の化学的酸化剤、例えば塩酸及びカリウムパーマグネイトが十分な希釈化で有効であることが観察され、電気化学的に発生された酸化剤が発生した。カーボンナノチューブと比較して、非晶質炭素のＴＧＡでのより低い燃焼温度によって測定される通り、非晶質炭素は、より堅牢なグラフェンナノカーボン構造、例えば積層型グラフェンＣＮＴ構造よりも酸化し易い。したがって、非晶質炭素は、化学的酸化、電気化学的酸化、熱酸化又はこれらの任意の組合せによって不純物として除去され得る。カルバノゲルの不純物含有量を低減させるさらなる例として、カルバノゲルは、ＨＣｌ洗浄に続いて３００℃に加熱される。低減された不純物含有量は、不純物を低減させるステップ後、ＴＧＡ及びＳＥＭによってカルバノゲルの観察された低減した物質によって測定された。ＴＧＡデータは、ＨＣｌ及び加熱ステップが非晶質炭素不純物を大部分除去したことを示し、ＳＥＭ分析は、不純物含有量を低減したカルバノゲルがＣＮＴを保持していることを示した。
[0082] いずれの特定の理論によっても制限されることなく、本開示のポリマー－ＣＮＭ混合物は、ポリマー材料及びポリマー製品用途で使用され得る一方、（ｉ）カルバノゲル含有量は、向上した強度及び／又は伝導性を与えるため、ポリマー材料又はポリマー製品を作るために必要な投入材料を低減させ、（ｉｉ）向上した化学的、機械的、光学的及び熱的耐性を通してポリマー材料及びポリマー製品が長持ちできる一方、依然として本開示のカルバノゲルなしで作られる、現在入手可能なポリマー材料及び製品と同じようにリサイクルしやすくなり、（ｉｉｉ）ポリエチレンなどの環境にあまり優しくないポリマーをＰＬＡ－ＣＮＭ混合物などの本開示のポリマー－ＣＮＭ混合物と置き換え、（ｉｖ）炭素隔離リザーバとして機能するようなポリマー材料及びポリマー製品用途又はこれらの任意の組合せにより、そのようなポリマー材料及びそれから作られたポリマー製品の環境の持続可能性を増加させる。
[0083] 本開示の実施形態によって作られるＣＮＭ－ポリマー混合物は、様々な材料及び製品用途、例えば、限定されないが、裏張り、難燃性物質又はシールドで使用され得る。しかしながら、本開示の実施形態によるポリマー－ＣＮＭ混合物、材料及びそれから作られた製品は、限定されないが、他の非ＣＮＭ材料を備えたポリマー－ＣＮＭ混合物から作られた少なくとも１つの層などを含み、それらの他の非ポリマー材料に向上した特性を与える積層体などの複合材料の構成要素としても使用され得る。さらに、ポリマー－ＣＮＭ混合物から作られたポリマー及びそのようなポリマー（ＣＮＭを含む）で作られた複合材料は、熱、機械、電気、磁気、光又は化学的活性条件下で形状記憶特性を呈し、これらの特性は、ポリマーを含むようなＣＮＭ（含浸、又は補強、又は代わりに統合されることによって）を含む材料又は製品に与えられ得る。この形状記憶効果は、上述の通り、ポリマー－ＣＮＭ混合物から作られたポリマーにおいて異方性特性を含むことによって促進される。さらに、ＣＮＭ－ポリマー製品の電気及び熱伝導性は、加熱要素又はラジエータ用途で使用される場合、優れた特性を提供し得る。
[0084] カルバノゲルによって与えられた優れたＣＮＭ特性を特に活用できる、本開示のポリマー－ＣＮＭ混合物から作られた材料及び製品の他の用途は、限定されないが、（ｉ）高速、安全及び迅速な変更のための軽量ツーリング用途、（ｉｉ）より良好な穿孔、衝撃及び／又は鋸引きのためのより硬い工具、（ｉｉｉ）熱管理がより良好な工具、（ｉｖ）超強力で折り曲げ可能な材料、（ｖ）ＣＯ２の一般的な隔離、（ｖｉ）超軽量、超吸収スポンジ、（ｖｉｉ）複合材料内に含めるための予め作られた積層体シートとしてのもの、（ｖｉｉｉ）バリスティック又は電磁場（ＥＭＦ）遮蔽、（ｉｘ）パラシュート及びドラッグエンハンサー、（ｘ）布地／織物のための編むことができる／縫うことができるポリマー、又は（ｘｉ）３Ｄ製造若しくは印刷のための繊維／細糸を含む。
[0085] 本開示の実施形態により、ポリマー－ＣＮＭ混合物を使用して作られる材料及び製品の他の使用は、重量、材料コスト／使用される材料を追加的に低減させ、及び／又は容量を増加させる二重使用を提供する構造材料など、２つ以上の優れたＣＮＭに基づいた特性の利点を組み合わせた製品を含む。そのような二重使用のいくつかの非限定的な例は、（ｉ）構造目的のための強度特性の使用及び電気エネルギー貯蔵特性の使用、（ｉｉ）構造的目的構造のための強度特性の使用及び熱エネルギー貯蔵特性の使用、（ｉｉｉ）構造目的のための強度特性の使用、電気導管又はワイヤとしての使用、（ｉｖ）構造目的のための強度特性の使用及び材料性能を評価するためにリアルタイムのひずみ又は安全性データを収集するためのセンサとしての使用、（ｖ）構造目的のための強度特性の使用及び触媒としての使用、（ｖｉ）構造目的のための強度特性の使用及び熱導管としての使用又はこれらの任意の組合せを含む。例えば、火災が懸念される用途において、高熱を拡散させるための放熱部材で使用されることによって安全性を高めるための、本開示の実施形態によるポリマー－ＣＮＭ混合物を使用して作られた材料及び製品の用途及び使用もある。

Claims (43)

  1. ポリマー－カーボンナノ物質（ＣＮＭ）混合物を調製する方法であって、
    （ａ）カルバノゲル生成物を受け取るステップと、
    （ｂ）前記カルバノゲル生成物をポリマー混合物と組み合わせるステップと、
    （ｃ）前記ポリマー－ＣＮＭ混合物を収集するステップと
    を含む方法。
  2. 二酸化炭素（ＣＯ２）を分割するための熔融電気分解プロセスによって前記カルバノゲル生成物を発生させるステップをさらに含み、前記カルバノゲル生成物は、ＣＮＭと電解質とを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記ポリマー混合物を調製するための調製ステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  4. 前記ポリマー混合物は、１つ又は複数のポリマー前駆体を含み、及び前記調製ステップは、前記カルバノゲル生成物を前記ポリマー混合物と組み合わせる前記ステップ後に行われる、請求項３に記載の方法。
  5. 前記調製するステップは、前記カルバノゲルを前記ポリマー混合物と組み合わせる前記ステップ前に行われる、請求項３に記載の方法。
  6. 前記組み合わされたカルバノゲル及びポリマー混合物を押し出すステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
  7. 前記カルバノゲル生成物を処理するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  8. 前記処理するステップは、研削、細分化、押圧、微粉砕、フライス処理、破砕又はこれらの組合せを含む、請求項１に記載の方法。
  9. 前記カルバノゲル生成物の電解質含有量を低減させるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  10. 低減させるステップは、押圧、反応、洗浄、濾過及びこれらの任意の組合せを含む、請求項５に記載の方法。
  11. 前記カルバノゲル生成物を受け取る前記ステップ後に熱を加えるステップをさらに含み、前記熱は、約０℃～約１０００℃、又は約１５℃～約９００℃、又は約３９９℃～約８５０℃である、請求項１に記載の方法。
  12. 前記ポリマー混合物は、縮合機構、開環機構、イオン機構、連鎖移動光子機構、熱機構、化学機構、プラズマ重合機構及びこれらの任意の組合せによって調製される、請求項１に記載の方法。
  13. 前記ポリマー－ＣＮＭ混合物は、１０重量％のＣＮＭ～０．１重量％以下のＣＮＭを含む、請求項１に記載の方法。
  14. 前記カルバノゲル生成物は、ＣＮＭの絡まった生成物を含む、請求項１に記載の方法。
  15. 前記受け取られたカルバノゲルは、球状ナノカーボン、中実ナノオニオン、中空ナノオニオン、円筒形同素体のナノカーボン、平面同素体のナノカーボン、らせん状同素体のナノカーボン、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、ナノファイバー、グラフェン、ナノプレートレット、ナノスキャフォールド、ナノツリー、ナノベルト、ナノフラワー、ナノドラゴン、ナノツリー、ナノロッド、表面修飾又は金属被覆ＣＮＭ、図形的特徴のない非晶質ナノカーボン、図形的特性のない非晶質ナノカーボン及びこれらの任意の組合せを含むＣＮＭを含む、請求項１に記載の方法。
  16. 前記ポリマー混合物は、天然ポリマー、合成ポリマー、半合成ポリマー、再生ポリマー及びこれらの任意の組合せを含む、請求項１に記載の方法。
  17. 前記ポリマー混合物は、非晶質ポリマー、半結晶ポリマー及びこれらの任意の組合せを含む、請求項１に記載の方法。
  18. 前記ポリマー混合物は、熱硬化性ポリマー、熱硬化性ポリマー、熱可塑性ポリマー及びこれらの任意の組合せを含む、請求項１に記載の方法。
  19. 前記ポリマー混合物は、ＰＬＡ、ＰＶＡ、ＰＰ、ＰＥ、アクリル、ＡＢＳ、ナイロン、テフロン（登録商標）、ＰＣ、エポキシ、エポキシ、アクリル、フェノール、ポリシロキサン、ポリウレタン、ポリイミド、加硫ゴム、ベークライト、ｐＤＣＰＤ、ポリイソシアヌレート、ポリエステル、ポリウレア、尿素ホルムアルデヒド、ビニルエステル、シアン酸塩、メラミン、ポリエステル樹脂及びこれらの任意の組合せの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
  20. 整列力を前記カルバノゲル生成物に印加するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  21. 前記整列力は、機械力、電流を印加すること、磁場を印加すること及びこれらの任意の組合せの１つ又は複数によって引き起こされる、請求項２０に記載の方法。
  22. 前記整列力は、前記ポリマー－ＣＮＭ混合物の１つ又は複数の異方性の特徴的な特性を発生させるために、線形、放射状、円筒形、球状又は他の方向性のある形状を生じさせるための放射状形状、円筒形状、球形状又は他の形状のものである、請求項２０に記載の方法。
  23. 前記ポリマー－ＣＮＭ混合物中、前記混合物のＣＮＭの表面上、前記混合物の前記ＣＮＭの内部空間内及びこれらの任意の組合せにおける空隙を部分的に又は実質的に完全に充填するための空隙充填剤を適用するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  24. 前記空隙充填剤は、強化剤、触媒、ドーパント、磁気材料、薬剤、電磁力遮蔽増強剤及びこれらの任意の組合せである、請求項２３に記載の方法。
  25. 前記強化剤は、エポキシ、樹脂、別のポリマー、コポリマー、セメント質材料、金属、合金及びこれらの任意の組合せを含む、請求項２４に記載の方法。
  26. 前記触媒は、エポキシ、樹脂、別のポリマー、コポリマー、セメント質材料、金属、合金及びこれらの任意の組合せを含む、請求項２４に記載の方法。
  27. 前記ドーパントは、ホウ素、窒素、硫黄、リン、コバルト、アルミニウム、シリコン、セリウム、白金、金、ルテニウム、オスミウム、テルル、タングステン、それぞれの酸化物、それぞれの塩及びこれらの任意の組合せを含む、請求項２４に記載の方法。
  28. 前記磁気材料は、鉄、ニッケル、コバルト、ガドリニウム、サマリウム、ネオジム、鋼、それぞれの炭化物、強磁性、常磁性、反磁性を備えた１つ又は複数の磁気材料を含む他の合金及びこれらの任意の組合せである、請求項２４に記載の方法。
  29. （ａ）カルバノゲルと、
    （ｂ）ポリマー混合物と
    を含むポリマー－ＣＮＭ混合物。
  30. 前記カルバノゲルは、カーボンナノ物質（ＣＮＭ）と電解質とを含む、請求項２９に記載のポリマー－ＣＮＭ混合物。
  31. 別の非ＣＮＭ材料の層と合わせて使用される、請求項２９に記載のポリマー－ＣＮＭ生成物。
  32. 形状記憶材料である、請求項２９に記載のポリマー－ＣＮＭ生成物。
  33. 前記ポリマー－ＣＮＭ混合物の形状記憶特性は、電気的に、磁気的に、化学的に、熱的に、光によって又はこれらの任意の組合せで活性化される、請求項３２に記載のポリマー－ＣＮＭ生成物。
  34. 加熱要素として使用される、請求項２９に記載のポリマー－ＣＮＭ生成物。
  35. ポリマー－ＣＮＭ混合物を作るためのシステムであって、
    （ａ）カルバノゲルを製造するために溶融電解質中で二酸化炭素（ＣＯ２）を分割する電気分解プロセスを行うための装置であって、前記カルバノゲルは、カーボンナノ物質（ＣＮＭ）と電解質とを含む、装置と、
    （ｂ）前記カルバノゲルを受け取るための容器と、
    （ｃ）ポリマー混合物の供給源と
    を含むシステム。
  36. 処理ユニットをさらに含む、請求項３５に記載のシステム。
  37. 電解質低減ユニットをさらに含む、請求項３５に記載のシステム。
  38. 整列ユニットをさらに含む、請求項３５に記載のシステム。
  39. 絶縁ユニットをさらに含む、請求項３５に記載のシステム。
  40. 材料又は製品用途における、請求項２９に記載のポリマー－ＣＮＭ混合物の使用であって、前記材料又は製品を作るために必要とされる投入材料の量を低減させること、前記材料又は製品を強化すること、前記材料又は製品の導電性を高めること、向上した化学的耐久性、機械的耐久性、光耐久性、熱耐久性を通して前記材料又は製品の耐用期間を延ばすこと及びそれらにおける任意の組合せにより、環境持続可能性を高めるための使用。
  41. 請求項２９に記載のポリマー－ＣＮＭ混合物の使用であって、炭素隔離リザーバとして機能する材料又は製品用途を作るための使用。
  42. 材料又は製品用途における、請求項２９に記載のポリマー－ＣＮＭ混合物の使用であって、（ｉ）高速、安全及び迅速な変更のための軽量ツーリング用途のための、（ｉｉ）穿孔、衝撃及び／又は鋸引きのための工具のための、（ｉｉｉ）向上した熱伝導性又は向上した断熱を備えた工具のための、（ｉｖ）超強力で折り曲げ可能な材料のための、（ｖ）二酸化炭素の隔離のための、（ｖｉ）超軽量の超吸収スポンジのための、（ｖｉｉ）複合材料に含めるための予め形成された積層体シートとしての、（ｖｉｉｉ）バリスティック又は電磁場（ＥＭＦ）遮蔽のための、（ｉｘ）パラシュート又はドラッグエンハンサーのための、（ｘ）布地を作るための編むことができる／縫うことができるポリマーのための、（ｘｉ）３次元製造又は印刷のための繊維又はフィラメントのための、並びにこれらの任意の組合せのための使用。
  43. 材料又は製品用途における、請求項２９に記載のポリマー混合物の二重使用であって、（ｉ）構造目的のための強度特性及び電気エネルギー貯蔵特性のための、（ｉｉ）構造的目的構造のための強度特性及び熱エネルギー貯蔵特性のための、（ｉｉｉ）構造目的のための強度特性のための及び電気導管又はワイヤとしての、（ｉｖ）構造目的のための強度特性のための及び前記材料の性能を評価するためのリアルタイムのひずみ又は安全データを収集するためのセンサとしての、（ｖ）構造目的のための強度特性のための及び触媒としての、（ｖｉ）構造目的のための強度特性のための及び熱導管としての、並びにこれらの任意の組合せのための二重使用。
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