JP6563029B2 - コンクリート又はアスファルトなどのホスト中の酸化グラファイト強化繊維 - Google Patents

Description

本発明は概して、高導電率ナノコンポジットの分野に関し、より詳細には、コンクリート又はアスファルトなどのホスト中の酸化グラファイト強化繊維に関する。

本発明の範囲を限定することなく、複合材料に関連してその背景を説明する。

グラフェンは、これまで試験された中で最も強い材料の１つである。種々の研究所は、ホストにカーボンナノチューブ（ＣＮＴ，carbon nanotube）、グラフェンフレーク（ＧＦ，graphene flake）、酸化グラフェン（ＧＯ，graphene oxide）、及び酸化グラファイトなどの炭素同素体を導入し、導入されたホストにおいて引張り強さの増加が最大で２００％見られたが、結果に一貫性がなかった。グラフェンは、破壊強度が鋼鉄の２００倍高く、引張弾性率（剛性）が１ＴＰａ（１５０，０００，０００ｐｓｉ）であることが測定から示された。浮遊（suspended）グラフェンシートの力学的性質を測定するために原子間力顕微鏡（ＡＦＭ，atomic Force Microscope）が使用された。ファンデルワールス力によって結合しているグラフェンシートをＳｉＯ_２キャビティ上に浮遊させ、そこをＡＦＭ探針で調べてその力学的性質を試験した。そのバネ定数は１〜５Ｎ／ｍの範囲であり、ヤング率は０．５ＴＰａ（５００ＧＰａ）であり、したがってグラフェンが機械的に非常に強く硬くなり得ることが示された。

カーボンナノチューブ（ＣＮＴ，carbon nanotube）は、それらが単層ＣＮＴ（ＳＷＣＮＴ，single walled CNT）であるか多層ＣＮＴ（ＭＷＣＮＴ，multi-walled CNT）であるかに応じて、一般に直径がそれぞれ１〜３ｎｍ又は５〜５０ｎｍである。ＣＮＴの長さは数センチメートルまで可能であり、それによりアスペクト比が１０００を超える。ＣＮＴはまた、並外れた強度を示し、ＴＰａ程度の弾性率及びＧＰａの範囲の引張り強さを有する。高いアスペクト比と優れた機械的性能の利点と同時に、ＣＮＴは、セメント質又はアスファルト材料の物理的性質を改善することが分かっている。ＣＮＴは非常に高価なだけでなく、ＣＮＴの分散が不十分なことも一般に複合体の物理的性質の所望の向上を達成しない理由である。ＣＮＴ及びグラフェンは、ホスト材料中の粒子間の強いファンデルワールス引力及び粒子の相互作用が原因でしばしば分散させるのが困難である。ＣＮＴ及びグラフェン材料は、凝集体又はカーボンブラックで見られるものに類似した自己引力（self-attraction）／集合を形成する傾向があり、複合体中に欠陥部位を生じる。分散剤を使用しなければ、炭素系セメント複合体は、普通のセメントペーストよりも力学的性質が劣る。ＣＮＴ及びグラフェンの束の不均一な分布／分散が、力学的性質の劣化の原因である。

鉄筋コンクリートなどのいくつかの古典的な設計構造体は、複合体として認識されないことがある。実は、鉄筋（rebar）（reinforcing barの略）を含むセメント／コンクリートは、複合体と見なされる。周囲のマトリックスの物理的性質を著しく超える特定の物理的性質を有する鉄筋は、複合体の強度を最適化するために、パターンに配置される。

繊維強化プラスチック、セメント及びアスファルトなどの他の複合設計構造体は、一般に複合体として認識されている。このような構造体は、最低重量と高い強度の最良の組合せをもたらすためにしばしば設計される。

本発明は、グラフェン、還元型酸化グラフェン及び酸化グラフェンの少なくとも１種の平坦なフレークを用いた設計複合構造体を作製し、且つフレーク強化繊維が他の材料を補強するのに使用できるように繊維の表面上にフレークをコーティングする新規な方法に関する。グラフェンがこれまでに試験した最強の材料の１つであるため、これらは、多数のホスト材料（例えばコンクリート、ガラス、又はプラスチック）を補強するために使用される潜在的可能性を有し得る。

一実施形態では、本発明は、酸化グラフェン（ＧＯ，graphene oxide）フレークを用意するステップ；従来の補強繊維を用意するステップ；及び前記ＧＯフレークを前記従来の補強繊維上にコーティングするステップを含む、高強度の複合補強繊維を作製する方法を含む。一態様では、ＧＯフレークは、実質的に平坦である。別の態様では、実質的に平坦なＧＯフレークは、３００オングストロームより大きい表面積対厚さ比、及び１６０オングストローム未満の厚さを有し、グラフェンフレークには、顕著な物理的表面歪みがなく、顕著なエポキシ官能基化がなく、且つ前記酸化グラフェンフレークの酸化レベルが１．５質量％よりも高い。別の態様では、ＧＯフレークは、３００オングストロームより大きい表面積対厚さ比、及び１６０オングストローム未満の厚さを有し、前記酸化グラフェンフレークには、顕著な物理的表面歪みがなく、顕著なエポキシ官能基化がなく、且つ前記酸化グラフェンフレークの酸化レベルが１．５質量％未満である。別の態様では、ＧＯフレークの９５％は、厚さ約０．８〜１６ナノメートルである。別の態様では、ＧＯフレークの９５％は、最低３００オングストロームの表面積対厚さ比を有する。別の態様では、ＧＯフレークの最大寸法は、２２０オングストローム〜１００ミクロンである。別の態様では、ＧＯフレークは、主としてエッジ酸化されている。別の態様では、方法は、撹拌媒体ミル中で行われる、グラファイトを機械化学的に剥離して酸化グラフェン／酸化グラファイトフレークにするステップをさらに含み、撹拌媒体ミルは、アトリションミル又はボールミルである。

別の実施形態では、本発明は、高強度構造体を作製する方法であって、ＧＯフレークを用意するステップ；従来の補強繊維を用意するステップ；前記構造体のホスト材料を用意するステップ；前記ＧＯフレークを前記従来の補強繊維上にコーティングするステップ；前記コーティングされた繊維を空気乾燥させるステップ；前記コーティングされた繊維を構造体のホスト材料に組み込むステップ；及び組み込まれた前記コーティングされた繊維を含む構造体のホスト材料を構造体に形成するステップを含む、前記方法を含む。一態様では、前記ＧＯフレークは、実質的に平坦である。別の態様では、前記ＧＯフレークは、３００オングストロームより大きい表面積対厚さ比、及び１６０オングストローム未満の厚さを有し、前記ＧＯフレークには、顕著な物理的表面歪みがなく、顕著なエポキシ官能基化がなく、前記ＧＯフレークの酸化レベルが１．５質量％よりも高く、且つ通常のポルトランドセメント及び他の乾燥粉末と合わされる。別の態様では、方法は、音波混合システムで少なくとも３０分間、ＧＯフレークをホスト材料中に混合するステップをさらに含む。別の態様では、方法は、水を加えて、粉末とコンクリートを形成する１又は２以上の材料とを反応させて、硬化するとコンクリート複合体を形成するステップをさらに含む。別の態様では、ＧＯフレークは、３００オングストロームより大きい表面積対厚さ比、及び１６０オングストローム未満の厚さを有し、前記ＧＯフレークには、顕著な物理的表面歪みがなく、顕著なエポキシ官能基化がなく、前記ＧＯフレークの酸化レベルが１．５質量％未満であり、且つ前記ＧＯフレークは、砂及び他の乾燥粉末と合わされる。別の態様では、方法は、音波混合システムで少なくとも３０分間ＧＯフレークとホスト材料を混合するステップ、及びビチューメン又は他の無極性材料を加えて粉末を反応させて、硬化して複合体を形成するステップをさらに含む。別の態様では、ＧＯフレークは、乾燥粉末材料の質量よりも０．００００５％大きい質量を有する。別の態様では、ＧＯフレークの９５％は、厚さ約０．８〜１６ナノメートルである。別の態様では、ＧＯフレークの９５％は、最低３００オングストロームの表面積対厚さ比を有する。別の態様では、ＧＯフレークの最大寸法は、２２０オングストローム〜１００ミクロンである。別の態様では、ＧＯフレークは、主としてエッジ酸化されている。別の態様では、ＧＯフレーク表面は、他の粉末と同じ疎水性を有する。別の態様では、方法は、撹拌媒体ミル中でグラファイトを機械化学的に剥離して酸化グラフェン／酸化グラファイトフレークにするステップをさらに含み、撹拌媒体ミルは、アトリションミル又はボールミルである。

本発明の種々の実施形態の製造及び使用が以下に詳細に論じられているが、本発明は、多種多様な特定の状況において具体化され得る多くの適用可能な本発明の概念を提供するものであると理解されたい。本明細書で論じた特定の実施形態は、本発明を製造及び使用するための方法の例示であり、本発明の範囲を限定するものではない。

本発明の理解を容易にするため、いくつかの用語が以下に定義されている。本明細書で定義されている用語は、本発明に関連する分野の当業者によって一般的に理解される意味を有する。「a」、「an」及び「the」などの用語は、単数の物だけを指すものではなく、例示のために具体例を使用できる全般的な類を含む。本明細書の専門用語は、本発明の特定の実施形態を説明するのに使用されているが、それらの使用は、特許請求の範囲に概説されているものを除いて、本発明の範囲を定めるものではない。

本明細書では、用語「グラフェン」は、互いに共有結合している炭素原子を含む多環の六方格子を意味する。共有結合した炭素原子は、繰返し単位として６員環を形成でき、５員環及び７員環のうち少なくとも１つを含むこともできる。多数のグラフェン層は、当技術分野でグラファイトと呼ばれている。したがって、グラフェンは、単層であってよく、又はグラフェンの他の層上に積み重ねられ酸化グラフェンをもたらすグラフェンの多重層も含んでいてよい。一般に、酸化グラフェンは、最大厚さが、約１００ナノメートル（ｎｍ，nanometer）、特に約０．５ｎｍ〜約９０ｎｍであってよい。

本明細書では、用語「酸化グラフェンフレーク」は、酸化された結晶又は「フレーク」形態の酸化グラフェンを意味し、酸化され互いに積み重ねられた多くのグラフェンシートを含み、超純水中０．０１重量％〜２５重量％の範囲の酸化レベルを有していてよい。前記酸化グラフェンフレークは、実質的に平坦であることが好ましい。

これは、従来の、例えばプラスチック又はガラス、補強繊維上にコーティングした平坦なＧＯフレークを用いて、高強度の複合補強繊維を作製する方法であってよい。このコーティングは、繊維の柔軟性をある程度維持し、平坦な酸化グラフェンフレークを繊維の表面に沿って整列させ；これは繊維の強度を劇的に増大させる。これは、強化されているホスト材料中に均一に広く分散されているフレークとは対照的に、部分的に重なり合ったフレークの間に多少の結合を可能にすることもできる。

これはまた、従来の補強繊維上に平坦なＧＯフレークがコーティングされた複合補強繊維を用いて、高強度構造体を作製する方法であってもよい。これは、ホスト材料と複合補強繊維を合わせている間、繊維の柔軟性をある程度維持する。

種々の研究所は、ホストにカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、グラフェンフレーク（ＧＦ，graphene flake）、及び酸化グラフェンなどの炭素同素体を導入し、導入されたホストにおいて引張り強さの増加が最大で２００％見られた。グラフェンは、破壊強度が鋼鉄の２００倍高く、引張り強さが１３０ＧＰａであることが測定から示された。浮遊（suspended）グラフェンシートの力学的性質を測定するために原子間力顕微鏡（ＡＦＭ，Atomic Force Microscope）が使用された。グラフェンシートを、キャビティを有するＳｉＯ_２基板上に浮遊させ、ＡＦＭ探針で調べてその力学的性質を試験した。そのバネ定数は１〜５Ｎ／ｍの範囲であり、ヤング率は０．５〜１ＴＰａであり、したがってグラフェンが機械的に非常に強く硬くなり得ることが示された。これらのナノスケールの力学的性質にもかかわらず、価格及び分散に関連する問題が原因で、グラフェンも酸化グラフェンもマクロスケールの機械的構造における商業的使用に移行していない。

これまで、導入されたホストを生成するプロセスは、実行可能な複合構造体に移されるとは限らない。技術を実行可能な複合構造体に移すことができないことは、ホスト材料中の浮遊物（suspension）の均一な分布／分散、ホスト材料への補強材の不十分な結合、及びコスト要因を含む、技術的な問題の組合せである。従来、超音波処理と撹拌の組合せによって、液体ホスト中で分散が達成されている。場合によっては、粒子の液体又はスラリーは、粒子若しくは添加物の官能基化によって、又はホストの粘性、ｐＨを改変することによって、又は分散及び機械的結合を改善する手段としての界面活性剤の使用によって、修飾されている。液体ホストと粒子の間の相互作用、粒子間相互作用／引力及び粒子の沈降は、得られる複合体の強度に有害な、分散の均一性に著しく悪い影響を与える。一般に、ホスト中の酸化グラフェン／官能化された酸化グラファイト（ＧＯ，graphite oxide）、ＧＯ又は還元型酸化物ＧＯ（ｒＧＯ，reduced oxide GO）添加物の濃度があまりにも高いと、添加物のスタッキング又は凝集がもたらされる可能性があり、ホスト中に点欠陥を生じるより厚いＧＯ又はｒＧＯ構造をもたらす。これらのより厚いＧＯ又はｒＧＯ構造は、互いに対してスリップし得るファンデルワールス力によって結合した積み重ねられたシートであり、それによってホスト中に点欠陥が生じる。このような点欠陥は、より低い機械的強度を有する複合体をもたらすことになる。数パーセント超の添加物導入量は、一般にフロキュレーション又はゆるい凝集をもたらし、これらの点欠陥が生じる。

酸化グラフェンは、ホスト又は設計／デザインされたパターンに均一に分散させた場合、より大きな構造強度のための負荷移動及び機械的支持を容易にする。この技術的なアプローチは、腐食して機械的完全性を失う金属補強材の使用を、はるかに化学的に安定な添加物で置き換える潜在的可能性を提供する。

好ましくは、ＧＯ及びｒＧＯを機械的強化添加物として使用すると、酸化グラフェン／酸化グラファイトフレークとホストのマトリックスとの間に良好な界面結合がある。界面結合の改善には、一般に２つの重要な態様がある。好ましくは、酸化グラフェン／酸化グラファイトフレーク製造プロセスによって変形しない；実質的に平らなフレーク表面であり；いくつかの製造プロセス、例えば「ハマーズ」法は、変形したフレークを生成する。

好ましくは、フレークの化学的性質に加えて、ホストのマトリックス中へのフレークの完全なエントレインメント（entrainment）を可能にする。補強をより均等に分散させるので、相対的に短い、例えば「細断された」繊維が好ましい。

用語が区別なく用いられる、本発明で使用するための「ホスト」又は「ホスト材料」の非限定的な例には、例えば、通常のポルトランドセメント、ポリプロピレン（ＰＰ，polypropylene）、ポリエチレン（ＰＥ，polyethylene）、ポリカーボネート（ＰＣ，polycarbonate）、セラミック粉末、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、シリカ、二酸化ケイ素、若しくはそれらの組合せのセラミック粉末、金属粉末、チタン、水素化チタン、タンタル、コバルトクロム、ニオブ、ステンレス鋼、ニッケル、銅、アルミニウム、若しくはそれらの組合せの金属粉末、多結晶材料、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＦ，polyvinylidene fluoride）、若しくはポリ二フッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ，polyvinylidene difluoride）、ポリウレタン、ポリ（ブチレンテレフタレート）、ナイロン１１、ポリ（エチレンテレフタレート）、ポリ（エーテルエーテルケトン）、ポリ（フェニレンスルフィド）、ポリオレフィン、周期表２ａ、３ａ、４ａ及び４ｂ族の元素の酸化物、炭酸塩若しくはケイ酸塩、ポリ（塩化ビニル）（ＰＶＣ，poly（vinyl chloride））、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリスチレン、ポリカーボネート／ナイロンアロイ、ポリカーボネート／ポリエステルアロイ、ＡＢＳ、ＡＢＳ／ナイロンアロイ、ＡＢＳ／ＰＶＣアロイ、アクリルコポリマー、ポリスルホン、ポリスルホン／ＡＢＳアロイ、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリアリレート（polyarylate）、フルオロポリマー、ポリフェニレンオキシド／ポリスチレンブレンド、又はポリ（フェニレンスルフィド）が含まれる。

例えば、酸化グラフェン／酸化グラファイトフレークの化学的性質は、熱処理によってフレークエッジのカルボキシレート基を修飾すること、又は極性を調整でき、及び／若しくはホストの化学的性質（例えば、極性、疎水性など）に適合する官能基をもたらす化学的官能基化によって変化させることができる。ホストと類似した化学的性質を有する酸化グラフェン／酸化グラファイト添加物の官能基化は、グラフェン添加物が長距離又は短距離の秩序化又は結合に直接組み込まれることを可能にする。ホストには、プラスチック、金属、セメント、アスファルト、セラミックス、及びガラス材料が含まれていてよい。

より大きいグラフェンの表面積対厚さ比は、機械的負荷をより良く軽減し分散させ、ホストに、引張り強さ、剪断強さ、及び曲げ強さの増大を含むが、それだけには限定されない、力学的性質の向上をもたらす。ホストの力学的性質の実質的な向上を達成する能力は、４８４００Å^２の面積及び１６０Å〜２００Åの厚さを有し、表面積対厚さ比が約２００Åである、フレークで得ることができる。２００Å以上の表面積対厚さ比は、ホストの力学的性質を向上させることができる。

好ましい実施形態では、フレークの厚さは、層が多すぎると引張り強さが著しく低下するため、１６ナノメートル以下である（好ましくは、これらのフレークの９５％が約０．８〜１６ナノメートルの厚さであり、これらの表面積対厚さ比が４８４００：１オングストロームより大きい）。好ましくは、フレークの最大寸法は、直径が２２０オングストローム〜１００ミクロンに変化し；これは、厳密なプロセス制御又は表面積及び／若しくは厚さによってグラフェンフレークの分離を可能にするプロセスを必要とする。

ホスト、例えばセメント又はアスファルト内のグラフェン／グラファイト官能化フレークの均一な分布、分散及び／又はエントレインメントは：付加的な粉末又は複数の粉末添加物の使用、混合してから反応させ、注型し又は他の方法で粉末間に秩序若しくは結合を誘発する熱的、化学的、電気的若しくは他のプロセス、例えば凝固若しくはゲル化によって粉末を秩序化させることを含むいくつかの方法によって達成することができる。官能基化は、エポキシ化した（epoxied）若しくはカルボン酸基の形態の酸化、又はアミン、フッ素、塩素、若しくはホストと反応する他の化学物質などの他の官能基化であってよい。

細断された繊維は複合体の機械的性能を高めるための添加物として使用することができる。細断された繊維は：プラスチック、セメント、アスファルト及び複合体に使用される他のホスト材料を含む、複合ホストに使用されている。多数の繊維添加物が、セメント及びアスファルトにおいて強度向上添加物として長年使用されており、それらには：物理的特性を改変するために金属、プラスチック、ガラス、セラミック及びＣＮＴ繊維が含まれる。繊維は一般に、ホスト材料と化学反応しない。繊維は、ミリメートル／センチメートル規模の補強でホスト全体に捩れたねじ構造（tortuous threaded structure）を作るこ
とによって機械的強化をもたらす。ＧＯでコーティングされたＥ−ガラスラミネートは、物理的性質に大きな影響を与えることが示されており、樹脂硬化前にＧＯは０．０１ｗｔ％だけであり、一軸曲げ疲れ寿命が１２００倍増加し、ＳＷＮＴ及びＭＷＮＴよりも１〜２桁良好であり、引張疲労寿命が３〜５倍増加し、曲げ強さが２０〜３０％増加する。

またＧＯ、ｒＧＯ、ＣＮＴ及び細断された繊維は、ホストの強度を高めるために、別々に及び場合によっては互いに併せて使用されている。ＧＯ／ｒＧＯでコーティングされた繊維は、セメント及びアスファルトに使われたことがない。さらに、これまでＧＯ／ｒＧＯでコーティングされた繊維は、いかなるホストにも強度向上添加物として使用されたことがないようである。

ＧＯ／ｒＧＯは、ＧＯ_ｆ／ｒＧＯ_ｆが繊維とホストの両方と反応することを可能にする、ＣＯＯＨの官能基化又は装飾、エポキシ化した又は他の官能基を有する。

官能基化は、ＧＯ_ｆ／ｒＧＯ_ｆで示される。好ましくは、ＧＯ_ｆ／ｒＧＯ_ｆ導入は、複合ホスト材料に対して０．０１％（ｗ）よりも多く、好ましくは１％（ｗ）未満となる。ＧＯ_ｆ／ｒＧＯ_ｆでコーティングされた繊維は、ホストと反応し、ホスト内の他の領域と合わされた場合に物理的性質全体に巨視的な影響を与える、ホストの強度向上領域を作る。

いくつかの実施形態では、細断された繊維は、ＧＯ_ｆ／ｒＧＯ_ｆ懸濁液を用いてスプレー又は浸漬コーティングすることができる。懸濁液は、濃度が５％（ｗ）〜０．０００１％（ｗ）であってよい。したがって、懸濁液は、繊維と適合性があり、乾燥を容易にするのに適当な蒸気圧を有する。エタノール及びアセトンは、懸濁媒体として使用することができる。１ｍｌ／分の速度で０．１ｍｍ液滴サイズの液滴を生成したコンプレッサー駆動エアブラシ塗装ガンを使用して、細断されたガラス繊維をコーティングすることができる。細断されたガラス繊維は、好ましくは長さが６ｃｍ未満であり、直径が０．５ｍｍ未満である。特定の繊維の長さ及び厚さは、所与の最終的な複合構造体のために選択することができる。コーティングされた細断された繊維は、好ましくは空気乾燥してからセメント又はアスファルトホストに組み込まれる。セメント又はアスファルトホストは、次に硬化させて強度を最適にする。硬化中、ＧＯ_ｆ／ｒＧＯ_ｆ材料は、ホスト材料と反応してもよい。

セメントの場合、エポキシ基及びＣＯＯＨ基は、セメント中のナノスケールのゲルであるカルシウムシリカ水和物（ＣＳＨ，calcium silica hydrate）と化学反応する。繊維上のＧＯ_ｆ／ｒＧＯ_ｆ材料は、ＣＳＨゲルを触媒してはるかに大きな結晶構造に成長し、繊維の周りの強度をセメントの三次元に包囲し拡張する。触媒されたＣＳＨ結晶構造は、劇的に拡張し、ホストセメントの力学的性質を改善する。同様にアスファルトでは、ＧＯ_ｆ／ｒＧＯ_ｆ材料は、アスファルト内の熱プラスチック（ビチューメン）と反応し、ホストの力学的性質を劇的に拡張し改善することができる。

本明細書中で論じられたいかなる実施形態も、本発明のいかなる方法、キット、試薬、又は組成物に関して実施可能であり、逆の場合も同様であると考えられる。さらに、本発明の組成物は、本発明の方法の達成に使用することができる。

本明細書に記載された特定の実施形態は、例示として示されており、本発明を限定するものとして示されていないことを理解されたい。本発明の主要な特質は、本発明の範囲から逸脱することなく種々の実施形態で使用することができる。当業者は、ただルーチン実験(routine experimentation)を使用することによって、本明細書に記載された特定の手順に対する多くの均等形態を認識、又は確認することができるであろう。このような均等形態は、本発明の範囲内であると考えられ、特許請求の範囲に包含される。

本明細書で言及した全ての刊行物及び特許出願は、本発明が関連する技術分野の当業者の技術レベルを示すものである。全ての刊行物及び特許出願は、個々の刊行物又は特許出願が具体的及び個別に参照により組み込まれていることが示されているのと同程度まで、参照により本明細書に組み込まれる。

特許請求の範囲及び／又は本明細書において用語「含む（comprising）」と併用する場合、単語「a」又は「an」の使用は、「１つ」を意味することができるが、「１又は２以上」、「少なくとも１つ」、及び「１又は１超」の意味にも一致する。特許請求の範囲における用語「又は（or）」の使用は、選択肢のみを指すことが明確に示されていない限り、又は選択肢が相互排他的でない限り、「及び／又は（and／or）」を意味するのに使用されるが、本開示は選択肢のみ及び「及び／又は」を指す定義を支持する。本出願の全体にわたって、用語「約」は、値に、デバイス、その値を決定するのに使用される方法の誤差の固有のばらつき、又は研究対象間に存在するばらつきが含まれることを示すのに用いられる。

本明細書及び請求項で用いられているように、単語「含む（comprising）」（と「comprise」及び「comprises」などの「comprising」のいかなる形態）、「有する（having）」（と「have」及び「has」などの「having」のいかなる形態）、「含む（including）」（と「includes」及び「include」などの「including」のいかなる形態）又は「含有する（containing）」（と「contains」及び「contain」などの「containing」のいかなる形態）は、包括的又は開放的であり、列挙されていないさらなる要素又は方法ステップを除外するものではない。本明細書で提供される組成物及び方法のいずれかの実施形態では、「含む（comprising）」は、「から本質的になる（consisting essentially of）」又は「からなる（consisting of）」で置き換えることができる。本明細書では、句「から本質的になる（consisting essentially of）」は、指定された必須のもの（integer）（複数可）又はステップ並びに特許請求した発明の特徴又は機能に著しくは影響を及ぼさないものを要求する。本明細書では、用語「なる（consisting）」は、列挙された必須のもの（例えば、特質、要素、特徴、性質、方法／プロセスステップ又は制限）又は必須のもののグループ（例えば、各特質、各要素、各特徴、各性質、各方法／各プロセスステップ又は各制限）だけの存在を示すのに用いられる。

用語「又はそれらの組合せ（or combinations thereof）」は、本明細書では、この用語に先立って列挙された項目の全ての順列及び組合せを指す。例えば、「Ａ、Ｂ、Ｃ又はそれらの組合せ」は、Ａ、Ｂ、Ｃ、ＡＢ、ＡＣ、ＢＣ、又はＡＢＣ、及び特定の状況において順序が重要である場合には、さらにＢＡ、ＣＡ、ＣＢ、ＣＢＡ、ＢＣＡ、ＡＣＢ、ＢＡＣ、又はＣＡＢの少なくとも１つを含むものである。この例に続いて、明確に含まれているのは、１つ又は２つ以上の項目又は用語の繰り返し、例えばＢＢ、ＡＡＡ、ＡＢ、ＢＢＣ、ＡＡＡＢＣＣＣＣ、ＣＢＢＡＡＡ、ＣＡＢＡＢＢなどを含有する組合せである。当業者は、特に文脈から明らかでない限り、いかなる組合せの項目又は用語の数に通常制限がないことを理解されよう。

本明細書では、それだけには限らないが、「約」、「実質的な」又は「実質的に」などの近似を示す単語は、そのように修飾された場合、必ずしも絶対でも完全でもないと理解される条件であるが、その条件が存在すると指定することを当業者が保証するのに十分近いと考えられる条件を指す。説明が変化し得る範囲は、どれほど大きな変化が起こり得るかによって決まり、修飾された特質が、修飾前の特質に必要とされる特徴及び能力を依然としてもつことを当業者にさらに認識させる。一般に、前述の議論の対象となるが、「約」などの近似の単語で修飾される本明細書の数値は、記載された値から少なくとも±１、２、３、４、５、６、７、１０、１２又は１５％変化し得る。

本明細書に開示され、特許請求された全ての組成物及び／又は方法は、本開示に照らして過度の実験を行わずに製造及び実施することができる。本発明の組成物及び方法を好ましい実施形態に関して説明してきたが、本発明の概念、精神及び範囲から逸脱することなく、本明細書に記載された、組成物及び／又は方法、並びに方法のステップ又は一連のステップに変更を加えてもよいことは、当業者には明らかであろう。当業者に明らかなそのような同様の置換形態及び変更形態は全て、添付の特許請求の範囲によって定義された本発明の精神、範囲及び概念の範囲内にあると考えられる。

Claims (13)

1. 高強度の複合補強繊維を作製する方法であって、
   平坦な酸化グラフェン（ＧＯ）フレークを用意するステップ、
   補強繊維を用意するステップ、及び
   前記ＧＯフレークを前記補強繊維上にコーティングするステップ
   を含み、
   前記平坦なＧＯフレークが、３００オングストロームより大きい表面積対厚さ比、１６０オングストローム未満の厚さを有し、且つ前記ＧＯフレークには、物理的表面歪みがなく、エポキシ官能基化がない、前記方法。
2. 平坦なＧＯフレークの酸化レベルが１．５質量％よりも高い、請求項１に記載の方法。
3. ＧＯフレークの酸化レベルが１．５質量％未満である、請求項１に記載の方法。
4. ＧＯフレークの９５％が、厚さ０．８〜１６ナノメートルであるか、
   前記ＧＯフレークの９５％が、最低３００オングストロームの表面積対厚さ比を有するか、
   前記ＧＯフレークの最大寸法が、２２０オングストローム〜１００ミクロンであるか、
   前記ＧＯフレークがエッジ酸化されている、請求項１に記載の方法。
5. 撹拌媒体ミル中で行われる、グラファイトを機械化学的に剥離して酸化グラフェン／酸化グラファイトフレークにするステップをさらに含み、前記撹拌媒体ミルが、アトリションミル又はボールミルである、請求項１に記載の方法。
6. 高強度構造体を作製する方法であって、
   ３００オングストロームより大きい表面積対厚さ比、１６０オングストローム未満の厚さを有し、且つ、物理的表面歪みがなく、エポキシ官能基化がない平坦なＧＯフレークを用意するステップ、
   補強繊維を用意するステップ、
   前記構造体のホスト材料を用意するステップ、
   前記ＧＯフレークの少なくとも一部を前記補強繊維上にコーティングするステップ、
   前記コーティングされた繊維を空気乾燥させるステップ、
   前記コーティングされた繊維を前記構造体のホスト材料に組み込むステップ、及び
   組み込まれた前記コーティングされた繊維を含む前記構造体のホスト材料を構造体に形成するステップ
   を含み、
   前記ＧＯフレークの少なくとも一部を前記ホスト材料と結合させるステップを含む、
   前記方法。
7. ＧＯフレークの酸化レベルが１．５質量％よりも高い、請求項６に記載の方法。
8. 音波混合システムで少なくとも３０分間、ＧＯフレークをホスト材料中に混合するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
9. 水を加えて、通常のポルトランドセメントを含むホスト材料を反応させ、硬化してコンクリート複合体を形成するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
10. 音波混合システムで少なくとも３０分間、ＧＯフレークとホスト材料を混合するステップ、及び
    ビチューメン又は他の無極性材料を加えてホスト材料を反応させ、硬化して複合体を形成するステップ
    をさらに含む、請求項６に記載の方法。
11. ＧＯフレークの９５％が、厚さ０．８〜１６ナノメートルであるか、
    前記ＧＯフレークの９５％が、最低３００オングストロームの表面積対厚さ比を有するか、
    前記ＧＯフレークの最大寸法が、２２０オングストローム〜１００ミクロンであるか、
    前記ＧＯフレークがエッジ酸化されている、請求項６に記載の方法。
12. ＧＯフレーク表面が、ホスト材料の疎水性と同じ疎水性を有する、請求項６に記載の方法。
13. 撹拌媒体ミル中でグラファイトを機械化学的に剥離して酸化グラフェン／酸化グラファイトフレークにするステップをさらに含み、前記撹拌媒体ミルが、アトリションミル又はボールミルである、請求項６に記載の方法。