JP2015535743A - カーボンナノ構造体分離膜及び分離プロセス - Google Patents

Abstract

【解決手段】カーボンナノ構造体は、分岐し、架橋結合し、相互に共通の壁を共有する複数のカーボンナノチューブを含み、それによってカーボンナノ構造体内に蛇行経路を有する多孔空間を画定することができる。この多孔空間を、様々なタイプの物質からある範囲のサイズの微粒子を捕捉するために使用することができる。分離膜は、約１ミクロン以下の有効な孔サイズを有し、物質が通過する蛇行経路を提供する分離体を含むことができる。分離体は、カーボンナノ構造体を含むことができる。【選択図】図１

Description

（関連出願への相互参照）
本出願は、米国特許法第１１９条により、２０１２年１０月４日出願の米国仮特許出願第６１／７０９，９１５号に対する優先権を主張し、これは参照することによりその全体が本明細書に組み込まれる。
（連邦政府後援の研究又は開発に関する声明）

該当なし

本開示は、一般的に、カーボンナノ構造体に関し、特に、カーボンナノ構造体を含む分離膜及びこれを使用する分離プロセスに関する。

世界的に精製水に対する要求が高まったことにより、新しい浄水及び脱塩方式を開発しようとする取り組みが活発化している。膜濾過技術は、現在の浄水技術の主要な焦点となっている。本明細書で使用する「膜」という用語は、自身を通って延在する特定サイズの複数の孔を有する薄い材料を指す。膜は、孔サイズより小さい物質は膜を通過できるようにしながら、これより大きい物質（例えば微粒子）は捕捉される「サイズ排除」により機能することができる。膜はまた、少なくとも部分的に、他の物質よりも特定の物質と選択的に相互作用して、それを保持する「親和性」によっても機能することができる。膜濾過技術に関してさらに説明する前に、以降では他の浄水方式について簡単に説明する。水以外の液体、及び気体さえ同様の方法で膜分離にかけられることに留意されたい。

相変化プロセスに基づく精製技術は、世界的な脱塩能力の約４０％になる。これらの技術は水の蒸溜又は蒸発と、その後の精製状態での濃縮を利用する。相変化プロセスは、スケール（scale：堆積物）を形成する傾向が高く、動作温度範囲が限られ、場合によってはわずかな分離性能しか提供しない。さらに、水の蒸発熱は高いので、これらのプロセスに必要なエネルギー投入は非常に大きい。

容量性の脱イオン化を使用して水中のイオンを移動させて電極表面に吸着させ、それによって精製水を得ることができる。これらのタイプのプロセスに必要なエネルギー投入量は一般的に高く、また不十分な電極表面積がその成功を妨げる要因になり得る。さらに、これらの技術では非イオン物質は分離不能である。陽イオンと陰イオンが膜を介して反対方向に移動する電気透析技術も、多少関連した方法で行うことができる。この場合も、これらの技術に必要なエネルギー投入量が高いままである。

逆浸透技術も浄水に広く使用されている。逆浸透では、高圧を使用して水を強制的に半透過膜に通し、膜を通るイオンの流れを制限する。これが効果的であるためには、イオン濃度が高い方の区域からイオン濃度が低い方の区域へと水を追いやるために、加える圧力が供給源の水の浸透圧を超えていなければならない。逆浸透プロセスに使用する半透過膜は普通はポリマー膜であり、ファウリング（fouling：付着物汚染）やスケーリング（scaling：堆積物の形成）が生じやすく、それによって膜通過流量に影響することがある。その化学的構成により、多くの場合、逆浸透膜からのスケール及び他のファウリング材料の効果的な除去が問題となり得る。これらの問題は、他のタイプのサイズ排除膜でも問題となり得る。

カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は、その化学的、機械的、電気的及び熱的特性の独特の組み合わせを利用することができる多くの用途での使用が提案されてきた。個々に分離したカーボンナノチューブを扱う場合、多くの用途で様々な困難が広く認識されている。これらの問題には、当技術分野で知られているように、個々に分離したカーボンナノチューブがまとまって束又はロープにする性向が含まれる。カーボンナノチューブの束やロープを解いて良好に分離した個々の部材にするために使用可能な様々な技術（例えば界面活性剤が存在する状態の音波処理など）があるが、これらの技術の多くは、元のカーボンナノチューブが提供することができる望ましい特性の強化に有害な影響を及ぼすことがある。以上に加えて、個々のカーボンナノチューブはサイズが小さいので、その環境衛生及び安全性のプロファイルに関して広範囲に懸念が生じている。さらに、個々に分離したカーボンナノチューブを生成する費用は、これらの材料の商業的実現可能性を脅かすほど法外に高いことが度々ある。

多くの場合、特定の用途に使用するように提案される１つのカーボンナノチューブの形態は自立型のカーボンナノチューブの薄層であり、当技術分野では一般的にカーボンナノチューブマット又は「バッキーペーパー（buckypaper）」と呼ばれる。カーボンナノチューブマットは、多くの場合、個々に分離したカーボンナノチューブの流体分散液を適切な回収媒体上に濾過することによって調製される。濾過の完了後、マットは、回収媒体から自立型のカーボンナノチューブ層として剥がすことができる。しかしながら、この方法で形成されたカーボンナノチューブマットは、多くの場合、嵩密度が低く、多くの下流の用途で問題となる。個々に分離したカーボンナノチューブの生成に使用される界面活性剤は、多くの場合、カーボンナノチューブマットから完全に除去することが困難であり、カーボンナノチューブの有利な特性をさらに損なうことがある。さらに、カーボンナノチューブマットから個々のカーボンナノチューブが脱落することがあり、これらの要素で構造的完全性と環境衛生及び安全性の問題との両方を生じる。

カーボンナノチューブマットを濾過媒体として使用することにある程度の関心が寄せられている。カーボンナノチューブには多くの好ましい特性があるにもかかわらず、従来のカーボンナノチューブマットは、上記の問題等により、濾過に使用するには価値が限られる。カーボンナノチューブマットを形成する現在の技術では、所望のサイズ範囲の微粒子材料を捕捉するために、マットの孔サイズを変更する可能性が限られることが多い。さらに、従来のカーボンナノチューブマットでは、カーボンナノチューブの非結合性で高度に凝集する性質により、マットの内部孔構造が一時的でサイズがきわめて不規則であることがあり、それによりフィルタ媒体としては限られた価値及び信頼性しかない。さらに、上述した環境衛生及び安全性の懸念に加えて、マットから個々のカーボンナノチューブが脱落することにより、マットで精製した流体相の品位を損なうことがあり、この流体相が所期の用途にとってふさわしくないものとなる可能性がある。

以上を鑑みて、膜濾過技術における使用にさらに適したものになる形態でカーボンナノチューブを生成することが非常に望ましい。本開示は、以上の要求を満たし、関連する利点も提供する。

幾つかの実施形態では、本開示は、物質が通過する蛇行経路を提供する約１ミクロン以下の有効な孔サイズの分離体（separation body）を有する分離膜を提供し、分離体はカーボンナノ構造体を含む。各カーボンナノ構造体は、分岐し、架橋結合し、相互に共通の壁を共有する複数のカーボンナノチューブを含有している。

幾つかの実施形態では、本開示は、分離体を含有する少なくとも１つの分離膜を有する分離システムを提供する。分離体は、約１ミクロン以下の有効な孔サイズを有し、物質が通過する蛇行経路を提供する。分離体はカーボンナノ構造体を含む。各カーボンナノ構造体は、分岐し、架橋結合し、相互に共通の壁を共有する複数のカーボンナノチューブを含有する。

幾つかの実施形態では、本開示は、約１ミクロン以下の有効な孔サイズを有していて、物質が通過する蛇行経路を提供する分離体を含む少なくとも１つの分離膜を提供することと、微粒子物質を含有する流体相を少なくとも１つの分離膜に通すことと、少なくとも１つの分離膜の少なくとも一部により微粒子物質の少なくとも一部を捕捉することと、少なくとも１つの分離膜から流体相を流出させることとを含む方法を提供する。流出した流体相は、微粒子物質の量が減少している。分離体はカーボンナノ構造体を含む。各カーボンナノ構造体は、分岐し、架橋結合し、及び相互に共通の壁を共有する複数のカーボンナノチューブを含有している。

以上では、以下の発明を実施するための形態をさらに良く理解できるように、本開示の形態をかなり広範囲に概説してきた。開示の追加的な形態及び利点は以降で説明され、それが請求の範囲の主題を形成する。

本開示及びその利点をさらに完全に理解するために、次に本開示の特定の実施形態を説明する図面と組み合わせて考察される以下の説明に言及する。

（ａ），（ｂ），（ｃ）は、各々分岐し、架橋結合し、共通の壁を共有するカーボンナノチューブ１，２，３の例示的描写を示す。 成長基体からカーボンナノ構造体を分離した後のカーボンナノ構造体フレーク材料の例示的な図を示す。 フレーク材料として得られる例示的カーボンナノ構造体のＳＥＭ像を示す。 意図された流体の流れの方向で有効な孔サイズが漸進的に低下する、カーボンナノ構造体を有する例示的分離膜の概略図を示す。 図４の分離領域が直列の複数の分離体として相互から隔置され、それぞれの有効な孔サイズが意図された流体の流れの方向に漸進的に低下する例示的分離流れの概略図を示す。 相互に直接接触している複数のカーボンナノ構造体層を含む分離体を有する分離システムの概略ブロック図を示す。 相互から隔置され、カーボンナノ構造体を含む複数の分離膜を有する分離システムの概略ブロック図を示す。 例示的なガラス又はセラミックの成長基体を採用する例示的カーボンナノ構造体の成長プロセスの流れ図を示す。 抗付着層でコーティングした遷移金属ナノ粒子の例示的概略図を示す。 カーボンナノ構造体を成長基体から分離する例示的プロセスの流れ図を示す。 図１０で示したプロセスをさらに詳述した例示的概略図を示す。 カーボンナノ構造体及び遷移金属ナノ粒子触媒を成長基体から取り出すために機械的剪断を使用できることを実証する例示的概略図を示す。 遷移金属ナノ粒子触媒がない状態でカーボンナノ構造体を成長基体から分離できるカーボンナノ構造体取り出しプロセスを実証する例示的概略図を示す。

本開示は、一部には、カーボンナノ構造体を含む分離膜に関する。本開示はまた、一部には、カーボンナノ構造体を含む少なくとも１つの分離膜を含む分離システムに関する。本開示はまた、一部には、カーボンナノ構造体を使用した分離方法に関する。

以上で説明したように、従来の精製プロセスで使用される分離膜は、それが濾過するように設計された物質そのものによるスケーリング及び閉塞などの幾つかの発生源からの汚損に影響されやすいことがある。また、従来の分離膜は、生物学的物質によるファウリングの影響を受けやすいことがある。それでも、これらの発生はすべて分離プロセス中に予想される事象であり、様々な措置をとって望ましくない状態を矯正し、分離膜を少なくとも部分的に元の状態に復元することができる。場合によっては、単に膜を通常の流体流とは反対方向にバックフラッシュし、流体の流れを妨げる捕捉微粒子を除去することによって、膜通過流量を増加させることができる。しかしながら、スイングベッド式膜構成を使用しない限り、上記方法での膜のバックフラッシュは、膜の再生の実行中にプロセスの停止時間が発生することがある。正常な流体の流れを妨げる微粒子を除去するために化学的処理を使用することもできるが、幾つかの従来の膜材料は、最も一般的なタイプのスケール及び塞栓性微粒子の除去に使用される作用物質及び処理条件により劣化しやすい場合が多い。さらなる問題として、従来の分離膜の多くは、少なくともリソグラフィなどの高価な膜生産技術に頼らない限り、提供できる孔サイズ制御の程度に限界がある。

以上でさらに説明したように、分離媒体としてのカーボンナノチューブマットには、ある程度関心が寄せられているが、これに関して、特に高性能用途では幾つかの問題を生じることがある。その問題には、孔サイズ制御が制限されること、堅牢な孔構造がないこと、及びカーボンナノチューブの脱落による潜在的な環境衛生及び安全性の問題があることなどが含まれる。また、カーボンナノチューブの脱落により、流体相の微粒子数は、意図したように低下せず、むしろ増加することがある。

様々な用途でその取扱い及び配備の問題の多くに対処する形態でカーボンナノチューブを提供するために、本発明の発明者の少なくとも一部は以前に、カーボンナノ構造体を繊維材料上で直接成長させることにより、様々な繊維材料に導入したカーボンナノ構造体を調製する技術を開発した。本明細書で使用する「カーボンナノ構造体（carbon nanostructure）」という用語は、相互に絡み合い（interdigitated）、分岐し、架橋結合（crosslinked）し、相互に共通の壁を共有することによってポリマー構造として存在することができる複数のカーボンナノチューブを指す。カーボンナノ構造体は、そのポリマー構造の基本モノマー単位としてカーボンナノチューブを有すると見なすことができる。カーボンナノ構造体成長状態でカーボンナノ構造体を基体（例えば繊維材料）上にて成長させることにより、カーボンナノ構造体内のカーボンナノチューブの少なくとも一部を、従来のカーボンナノチューブのフォレストで見られるカーボンナノチューブの平行な配向とほぼ同様に、相互に実質的に平行に配向させることができる。以下で説明するように、カーボンナノ構造体を成長基体から取り出しても、実質的に平行な配向を維持することができる。直接的な成長によりカーボンナノ構造体を繊維材料に導入すると、カーボンナノチューブの有利な特性（すなわち、化学的、機械的、電気的、及び熱特性の任意の組み合わせ）を前記繊維材料や、カーボンナノ構造体を導入した繊維材料を含んだマトリックス材料に付与することができる。さらに、カーボンナノ構造体を繊維材料に導入することにより、個々に分離したカーボンナノチューブの取扱いの問題、及び潜在的な環境衛生及び安全性の懸念の多くは、回避することができる。何故なら、強力に結合したカーボンナノチューブが脱落する危険性が最小化されるからである。

従来のカーボンナノチューブ成長プロセスは、含まれる欠陥数が最小の高純度カーボンナノチューブの生産を目標とすることが最も多い。このような従来のカーボンナノチューブ成長プロセスは通常、ミクロンスケールの長さを有するカーボンナノチューブの生産に数分以上かかるが、本明細書で述べるカーボンナノ構造体の成長プロセスは、成長基体上で連続的に現場成長するプロセスにて、毎秒数ミクロン程度の名目カーボンナノチューブ成長速度を採用する。その結果、カーボンナノ構造体内のカーボンナノチューブは、従来のカーボンナノチューブのフォレスト又は非結合カーボンナノチューブ中のものと比較して欠陥が多い。すなわち、その結果物であるカーボンナノ構造体は、高度に絡み合い、分岐し、架橋結合し、及び共通の壁を共有するカーボンナノチューブを含有し、それによって単なるカーボンナノチューブ自体の構造的形態を越えたもので画定されたマクロ構造を形成する。その結果、カーボンナノ構造体は、カーボンナノチューブ及びその相互の接続によって画定される高度に多孔質のマクロ構造を有する。カーボンナノチューブのマットとは異なり、カーボンナノ構造体内の多孔質マクロ構造は、カーボンナノチューブ間の共有結合によって堅牢に維持される。

大抵の場合、以前のカーボンナノ構造体導入繊維材料の製法では、カーボンナノ構造体が繊維材料に非常に強固に付着し、したがって、カーボンナノ構造体は、少なくともカーボンナノチューブ自体を著しく損傷しない限り、繊維材料から容易に取り出すことができない。カーボンナノ構造体導入繊維材料は、多くの用途で個々に分離したカーボンナノチューブの代替物として申し分なく使用することができるが、本発明の発明者の少なくとも一部は、場合によっては、カーボンナノ構造体を繊維材料に導入することによって得られたカーボンナノチューブの取り扱い容易性を維持しながら、成長の土台となる繊維材料がないカーボンナノ構造体を使用する方が望ましいことがあることを認識した。成長基体からのカーボンナノ構造体の取り出しを実行する技術を以下に記載するが、２０１３年９月２４日に出願された「Carbon Nanostructures and Methods for Making the Same」と題する本願出願人の米国特許出願第１４／０３５，８５６号でさらに詳細に説明されており、参照することによりその全体が本明細書に組み込まれる。

分離及び精製プロセスに関して、以下でさらに詳細に説明するように、成長基体から取り出されたカーボンナノ構造体は、高度に調整された有効な孔サイズを有する分離膜を形成するために容易に使用できることが、本発明の発明者には認識されていた。本開示の代替実施形態では、カーボンナノチューブ導入繊維材料を分離プロセスに使用することができるが、「自立型」（freestanding）カーボンナノ構造体は、そこから形成された分離膜の特性、特にその有効な孔サイズを調節する際に、はるかに高度の融通性を提供できると考えられる。本明細書で使用する「有効な孔サイズ」という用語は、所与の寸法を有する１つ又は複数のカーボンナノ構造体層を通過する最大サイズの微粒子を指す。カーボンナノ構造体内のチャネルには、保持されている微粒子より大きい寸法のものもあるが、これはカーボンナノ構造体の全体には延在することがなく、比較的細いチャネルのうち十分な数が比較的大きいチャネルと相互接続して、そこから延在する結果、微粒子が捕捉されることがある。多くの従来の分離膜で見られるような実質的に直線のチャネルでは、チャネルのサイズと基本的に同じである有効な孔サイズになることがある。対照的に、カーボンナノ構造体は、そのマクロ構造が複雑なので物質が通過する蛇行経路を示す。本明細書で使用する「蛇行経路」（tortuous path）という用語は、ランダムな方向を向き、全体にわたってサイズが均一でも、均一でなくてもよいチャネル又は通路を指す。微粒子が蛇行経路の全体を通過するほど十分に小さい場合でも、蛇行経路の捻れ及び方向転換によって、微粒子がカーボンナノ構造体の全体を通過することがはるかに困難になることがある。複雑な流れの経路を通り抜けねばならないからである。このように、微粒子の全サイズの通過速度が蛇行経路では遅くなり、最小チャネルよりさらに小さいサイズの微粒子の一部がカーボンナノ構造体を通過できないことがある。カーボンナノ構造体内の蛇行経路はランダムであり、必ずしもサイズが均一である必要がないので、微粒子は、それより細い下流のチャネルに捕捉される前に、蛇行経路の一部しか通り抜けられないことがある。カーボンナノ構造体は、このように大きい内部表面積を有し、このような複雑なマクロ構造を示すので、流体の流量が減少する前にかなりの量の微粒子を捕捉することができる。

カーボンナノ構造体の有効な孔サイズは、所望のサイズの微粒子の補足及び分離に使用できるように、幾つかの方法で容易に調整することができる。カーボンナノ構造体の面通過厚さ（through-plane thickness）を増加させることにより有効な孔サイズを小さくすることができる。これは単に、厚さが増加することによって所与のサイズの微粒子がその中の蛇行経路を通り抜けることがさらに困難になり得るからである。カーボンナノ構造体の面通過厚さの増加は、単に複数のカーボンナノ構造体の層を相互に積み重ねることによって達成することができる。例えば、幾つかの実施形態では、以下でさらに説明するカーボンナノ構造体フレーク材料から作成したカーボンナノ構造体のマットを相互に積み重ねて、面通過厚さを増加させ、そこから形成される分離膜の有効な孔サイズを小さくすることができる。カーボンナノ構造体の有効な孔サイズは、比較的小さい微粒子のみがカーボンナノ構造体を引き続き通過できるように、特定のサイズを有する微粒子でカーボンナノ構造体内のチャネルを意図的に閉塞することによっても調節することができる。

さらに、分離膜中のカーボンナノ構造体の有効な孔サイズは、意図された流体の流れの方向に漸進的に減少させることができ、したがって分離膜の上流部分は比較的大きい微粒子を捕捉し、それによって有効な孔サイズがこれより小さい下流部分が閉塞することを防止する。すなわち、様々なサイズの微粒子を分離膜の連続する位置にて捕捉することができる。有効な孔サイズの漸進的な減少は、全部が一体構造にまとめられた様々な構成のカーボンナノ構造体層で達成することができ、又は、カーボンナノ構造体層を隔置して各カーボンナノ構造体層又はそのまとまりが区別できる別個の分離膜を構成するようにすることもできる。カーボンナノ構造体を別個の分離膜として隔置することは、保守の観点から望ましいことがある。作業の過程で不可逆的に閉塞した分離膜があればすべて、他のシステム構成要素を妨げずに、単に交換することができるからである。例えば、カーボンナノ構造体から形成され、大きい微粒子を除去するように構成された分離膜は、比較的容易に作製することができ、流体相の初期分離を実行するのに使用し、場合によっては犠牲フィルタとすることができる。対照的に、比較的細く、さらに調整された有効な孔サイズ範囲を有するカーボンナノ構造体は、作製及び構成がこれより多少困難になる。このように、比較的小さい微粒子を捕捉するように構成されたカーボンナノ構造体が閉塞しないように保護することが望ましいことがある。本明細書で説明する実施形態では、任意のカーボンナノ構造体分離膜を犠牲膜として使用することができるが、大部分の場合、交換用分離膜の有効な孔サイズを構成する必要性がなくなるように、フィルタ膜を再生することが望ましいと考えられる。

有効な孔サイズを容易に調節する可能性に加えて、カーボンナノ構造体は分離プロセスにさらなる利点を提供する。カーボンナノ構造体は、カーボンナノチューブの機能化に使用するのと同様の反応により容易に機能化することができ、それによってカーボンナノ構造体を共有結合により改質し、特定の分離プロセスを実行するための望ましい一連の特性を生じさせることができる。例えば、カーボンナノ構造体を極性基で機能化して、極性液でカーボンナノ構造体の濡れ性を向上させることができ、これにより濾過性を向上させることができる。機能化によって、特定のタイプの微粒子に対して親和性を有する様々な基にカーボンナノ構造体を共有結合することもできる。例えば、金属結合剤との共有結合により機能化したカーボンナノ構造体を使用して、カーボンナノ構造体内の金属の捕捉を実行することができる。カーボンナノチューブを機能化する様々な反応が当業者にはよく知られており、カーボンナノ構造体の機能化に適用可能とすることができる。

膜分離プロセスのためのカーボンナノ構造体の別の利点は、その化学的安定性であり、これは従来の分離膜よりはるかに高くすることができる。したがって、カーボンナノ構造体分離膜は、再生の過程で、従来のフィルタ膜で可能な程度よりはるかに過酷な化学的処理に耐えることができる。また、カーボンナノ構造体は生物付着（biofouling）に対して耐性が非常に高く、それによって従来の分離膜で一般的に存在するプロセス停止時間のもう一つの原因発生を減少させる。さらに、生物付着が実際に発生した場合でも、カーボンナノ構造体は、一部の従来の分離膜とは異なり、表面の生物的環境浄化に一般的に使用される化学的及び殺菌性処理に容易に耐えることができる。生物付着は、分離膜に電位を印加することによっても除去することができる。カーボンナノ構造体は、電位の印加に耐えるばかりでなく、大抵の場合は導電性であり、それによって印加を容易にする。対照的に、従来の膜材料は、導電性ではなく、印加電位が存在する状態ではるかに分解されやすい。また、カーボンナノ構造体は、抗菌剤又は他の殺菌剤との共有結合により機能化し、生物付着の発生をさらに制限することができる。

カーボンナノ構造体に電位を印加できれば、分離プロセスの実行時にさらなる利点をもたらしうる。カーボンナノ構造体に正又は負の電位を印加することにより、同じ電荷のイオンがカーボンナノ構造体に入ることが妨げられ、反対の電荷のイオンはカーボンナノ構造体に入るように引きつけられて、捕捉されうる。このように、カーボンナノ構造体を使用して、選択的分離プロセスを実行することができる。さらに、カーボンナノ構造体は、正又は負の電荷を有する官能基で機能化し、カーボンナノ構造体に電位を印加せずに電荷に基づく分離プロセスを促進することもできる。

カーボンナノ構造体はまた、水に対しても非常に大きい接触角（＞１００°）を有し、これは浄水プロセスを実行するために好ましいことがある。特に逆浸透分離では、カーボンナノ構造体の大きい接触角は、溶解した分子及び塩を水から分離する際に顕著な利点を提供することができる。

以上で述べたように、カーボンナノ構造体は、凝集した個々のカーボンナノチューブよりはるかに安定した構造的要素となる。成長基体から分離された場合でも、カーボンナノ構造体の所望の特徴、例えば堅牢な内部の多孔性及びカーボンナノチューブが極めて脱落しにくいこと、を維持することができ、特にカーボンナノチューブの脱落は分離プロセス中に環境衛生及び安全性と品質管理の観点との両方から問題となることがある。これに関しては、カーボンナノ構造体のさらなる利点を以下で説明する。

カーボンナノ構造体は、低密度のカーボンナノ構造体フレーク又は同様の微粒子材料として成長基体から分離することができる。分岐し、架橋結合し、カーボンナノチューブ間で共通の壁を共有するという特徴は、カーボンナノ構造体をその成長基体から取り出した場合でも保持することができ、したがってカーボンナノチューブはカーボンナノ構造体フレーク中で前剥離した（すなわち、少なくとも部分的に分離した）状態であり、高度の内部多孔性を維持する。堅牢な多孔性により、カーボンナノ構造体の流体分散液は、個々に分離したカーボンナノチューブの流体分散液よりはるかに高い濾過性を維持することができ、これにより同等の方法で作成したカーボンナノチューブのマットで可能な厚さよりも有意に大きい面通過厚さを有するカーボンナノ構造体のマットを調製することができる。カーボンナノ構造体のマットの多孔性は、本明細書で説明する実施形態の場合のように、分離膜としての使用も容易にする。また、流体分散液の濾過によって調製された従来のカーボンナノチューブマットは、ランダムな方向のカーボンナノチューブしか含有しないことが最も多いが、カーボンナノ構造体内の生成したままのカーボンナノチューブの平行な配向は、複数のカーボンナノ構造体が相互に凝集してカーボンナノ構造体のマットを形成する場合にも、局所的に維持することができる。

個々に分離したカーボンナノチューブに対するカーボンナノ構造体の別の利点は、個々に分離したカーボンナノチューブと比較して、カーボンナノ構造体は優れた環境衛生及び安全性のプロファイルを提供すると考えられることである。カーボンナノ構造体は、個々のカーボンナノチューブよりもサイズが大きいので、自立型カーボンナノ構造体は、毒性の懸念を低下させ、繊維材料に導入したカーボンナノチューブの環境衛生及び安全性のプロファイルに匹敵できると考えられる。いかなる理論にも拘束されるものではないが、カーボンナノ構造体の優れた環境衛生及び安全性は、少なくとも部分的にカーボンナノ構造体自体のサイズ及び構造的一貫性からもたらされると考えられる。すなわち、カーボンナノ構造体内のカーボンナノチューブ間の結合相互作用は、呼吸毒性に関連するような有害なミクロン未満の微粒子には容易に分離しないしっかりした材料を提供することができる。さらに、以上で説明したように、カーボンナノ構造体からカーボンナノチューブが実質的に脱落又は放出されないことも、分離プロセスにおける使用を容易化することができる。

個々に分離したカーボンナノチューブに対するカーボンナノ構造体のさらなる利点として、カーボンナノ構造体は、関連するカーボンナノチューブ生産技術で可能であるより容易かつ安価に且つカーボン原材料の高い変換率で生産することができると考えられる。この特徴は、特に大規模運転の場合にプロセスの経済性を向上させることができる。今日までに最高の性能を発揮したカーボンナノチューブ成長プロセスの幾つかは、カーボンの変換効率がせいぜい約６０％であった。対照的に、カーボンナノ構造体は、繊維材料上にて約８５％を超えるカーボン変換効率で生産することができる。このように、カーボンナノ構造体は、カーボン原材料をより効率的に使用し、それに伴って生産費が削減される。

様々な実施形態では、カーボンナノ構造体を含む分離膜について本明細書で説明する。幾つかの又は他の実施形態では、カーボンナノ構造体を含む少なくとも１つの分離膜を含む分離システムについて同様に本明細書で説明する。

幾つかの実施形態では、分離膜は、約１ミクロン以下の有効な孔サイズを有して、物質が通過する蛇行経路を提供する分離体を含むことができる。分離体はカーボンナノ構造体を含み、各カーボンナノ構造体は分岐し、架橋結合し、相互に共通の壁を共有する複数のカーボンナノチューブを含む。複数のカーボンナノチューブのすべてのカーボンナノチューブが必ずしも分岐、架橋結合、共通の壁の共有という上記構造的形態を有するものではないことを認識されたい。むしろ、複数のカーボンナノチューブが全体としてこれらの構造的形態のうち１つ又は複数を有することができる。すなわち、幾つかの実施形態では、カーボンナノチューブの少なくとも一部が分岐し、カーボンナノチューブの少なくとも一部が架橋結合し、カーボンナノチューブの少なくとも一部が共通の壁を共有する。図１（ａ），（ｂ），（ｃ）は、各々分岐し、架橋結合し、共通の壁を共有するカーボンナノチューブ１〜３を例示的に図示する。成長基体上でカーボンナノ構造体を形成する間に、カーボンナノ構造体中のカーボンナノチューブは、分岐し、架橋結合して、相互に共通の壁を共有する状態で形成することができる。さらに、成長基体上でカーボンナノ構造体を形成するとき、カーボンナノチューブは、カーボンナノ構造体中で相互に実質的に平行であるように形成することができる。カーボンナノ構造体は、基本モノマー単位としてカーボンナノチューブを有するポリマーであると見なすことができ、そのカーボンナノチューブは、少なくとも幾つかの他のカーボンナノチューブと平行配向されている。したがって、幾つかの実施形態では、各カーボンナノ構造体内のカーボンナノチューブの少なくとも一部は、相互に実質的に平行に配向される。

さらに、カーボンナノ構造体中の各カーボンナノチューブが分岐し、架橋結合し、又は他のカーボンナノチューブと共通の壁を共有する必要は必ずしもないことを理解されたい。例えば、幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体中のカーボンナノチューブの少なくとも一部が、相互に絡み合い、分岐し、架橋結合し、カーボンナノ構造体の残りのカーボンナノチューブと共通の壁を共有すれば足りる。

カーボンナノ構造体はウェブ状形態を有することができ、その結果、カーボンナノ構造体は低い嵩密度を有する。生産した直後のカーボンナノ構造体は、約０．００３ｇ／ｃｍ^３〜約０．０１５ｇ／ｃｍ^３の範囲の初期嵩密度を有することができる。さらに固めてコーティングし、カーボンナノ構造体のフレーク材料又は同様の形態を生成すると、嵩密度を約０．１ｇ／ｃｍ^３〜約０．１５ｇ／ｃｍ^３の範囲に上昇させることができる。幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体に任意選択で、さらなる改質を実行し、カーボンナノ構造体の嵩密度及び／又は別の特性を変更することができる。カーボンナノチューブのコーティング及び／又はカーボンナノ構造体の内部への浸透により、様々な用途に使用するためにカーボンナノ構造体の特性をさらに調整することができる。さらに、幾つかの実施形態では、カーボンナノチューブにコーティングを形成すると、カーボンナノ構造体の取扱いを容易にすることができるので望ましい。さらに圧縮すると、嵩密度を約１ｇ／ｃｍ^３という上限まで上昇させることもでき、さらにカーボンナノ構造体の化学的改質により嵩密度を約１．２ｇ／ｃｍ^３という上限まで上昇させることができる。分離膜に関しては、カーボンナノ構造体の内部に（例えば特定サイズの微粒子を）浸透させると、カーボンナノ構造体内の特定サイズ未満の流れの経路を閉塞することにより、有効な孔サイズを変更することができる。

生成したカーボンナノ構造体を凝集させ、高密度化してカーボンナノ構造体層にして、カーボンナノチューブマットの類似物を生成することができる。カーボンナノ構造体マット及び同様のカーボンナノ構造体層に関するさらに詳細な説明が、「Carbon Nanostructure Layers and Methods for Making the Same」と題する２０１３年９月２５日に出願された本願出願人の米国特許出願第１４／０３７，２６４号に提供されており、参照により全体が本明細書に組み込まれる。幾つかの実施形態では、凝集したカーボンナノ構造体層を本明細書で説明する実施形態に使用することができる。他の実施形態では、カーボンナノ構造体が相互に凝集して高密度化させずに、カーボンナノ構造体を層状にすることができる。複数のカーボンナノ構造体を凝集させてカーボンナノ構造体層を形成すると、生成したカーボンナノ構造体の初期嵩密度から嵩密度を上昇させることができる。様々な実施形態では、カーボンナノ構造体層は約０．４ｇ／ｃｍ^３超の嵩密度を有することができる。他の実施形態では、カーボンナノ構造体層は約０．６ｇ／ｃｍ^３より大きい、又は約０．８ｇ／ｃｍ^３より大きい、又は約１．０ｇ／ｃｍ^３より大きい嵩密度を有することができる。カーボンナノ構造体層の嵩密度の上限は、個々に分離したカーボンナノチューブの密度（すなわち、約２ｇ／ｃｍ^３）によって決定されると考えられる。したがって、様々な実施形態では、カーボンナノ構造体層は約０．４ｇ／ｃｍ^３と約２．０ｇ／ｃｍ^３の間の範囲の嵩密度を有することができる。さらに特定の実施形態では、カーボンナノ構造体層は約０．８ｇ／ｃｍ^３と約１．５ｇ／ｃｍ^３の間、又は約１．０ｇ／ｃｍ^３と約１．５ｇ／ｃｍ^３の間、又は約１．０ｇ／ｃｍ^３と約２．０ｇ／ｃｍ^３の間の範囲の嵩密度を有することができる。カーボンナノ構造体層を最終的に使用する選択用途に基づき、当業者は、カーボンナノ構造体層中のカーボンナノチューブの望ましい特性を利用するために必要な、適切な嵩密度を選択することができる。

本明細書で説明する分離膜の幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体はカーボンナノ構造体に付着した成長基体がない状態とすることができる。すなわち、幾つかの実施形態では、分離膜は成長基体から分離されたカーボンナノ構造体から形成することができる。他の実施形態では、繊維材料又は同様の成長基体に付着したカーボンナノ構造体を使用して、支持付き分離膜を作成することができる。本開示の幾つかの実施形態で支持付き分離膜が想定されているが、分離プロセスには遊離したカーボンナノ構造体の方が望ましいと考えられる。何故なら、カーボンナノ構造体を相互に積み重ねるか、層状にして、それを通過する物質の経路長を増加させることにより、カーボンナノ構造体の有効な孔サイズを容易に変更できるからである。

幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体は、カーボンナノ構造体を最初に形成したベースとなる成長基体から取り出した後、フレーク材料の形態とすることができる。本明細書で使用する「フレーク材料（flake material）」という用語は、有限の寸法を有する離散粒子を指す。図２は、カーボンナノ構造体を成長基体から分離した後のカーボンナノ構造体フレーク材料の例示的な図を示す。フレーク構造体１００は、その間の任意の値及びその任意の端数を含め、厚さ約１ｎｍ〜約３５μｍ、特に厚さ約１ｎｍ〜約５００ｎｍの範囲である第１の寸法１１０を有することができる。フレーク構造体１００は、その間の任意の値及びその任意の端数を含め、高さ約１ミクロン〜約７５０ミクロンの範囲の第２の寸法１２０を有することができる。フレーク構造体１００は、カーボンナノ構造体が最初に形成されるベースである成長基体の長さに基づいてのみサイズが限定される第３の寸法１３０を有することができる。例えば、幾つかの実施形態では、成長基体上でカーボンナノ構造体を成長させるプロセスは、スプール可能な寸法（spoolable length）の繊維系材料のトウ又はロービング上で実行することができる。カーボンナノ構造体の成長プロセスは連続的とすることができ、カーボンナノ構造体は繊維のスプールの全長にわたって存在することができる。このように、幾つかの実施形態では、第３の寸法１３０は約１ｍ〜約１０，０００ｍの範囲の幅とすることができる。また、第３の寸法１３０は、カーボンナノ構造体を形成するベースである成長基体の軸線に沿って延びる寸法を表すので、非常に長くすることができる。第３の寸法１３０はまた、１ｍ未満の任意の所望の長さまで短くすることもできる。例えば幾つかの実施形態では、第３の寸法１３０は、言及した範囲の間の任意の量及びその任意の端数を含め、任意の所望の長さまで、約１ミクロン〜約１０ミクロン、又は約１０ミクロン〜約１００ミクロン、又は約１００ミクロン〜約５００ミクロン、又は約５００ミクロン〜約１ｃｍ、又は約１ｃｍ〜約１００ｃｍ、又は約１００ｃｍ〜約５００ｃｍ程度とすることができる。カーボンナノ構造体を形成するベースである成長基体は極めて大きくてもよいので、適切な成長基体上に連続層としてポリマー状形態のカーボンナノ構造体を形成することにより、例外的に高い分子量のカーボンナノ構造体を生成することができる。

図２をさらに参照すると、フレーク構造体１００は、その間のすべての値及びその任意の端数を含め、約１５，０００ｇ／モル〜約１５０，０００ｇ／モルの範囲の分子量を有するカーボンナノチューブポリマー（すなわち、「カーボンナノポリマー」）の形態で、カーボンナノチューブ１４０のウェブ状ネットワークを含むことができる。幾つかの実施形態では、分子量範囲の上限を、約２００，０００ｇ／モル、約５００，０００ｇ／モル、又は約１，０００，０００ｇ／モルなど、さらに高くすることができる。分子量の上昇は、寸法が長いカーボンナノ構造体を伴うことができる。様々な実施形態では、分子量は、カーボンナノ構造体中に存在する支配的なカーボンナノチューブの直径及びカーボンナノチューブの壁の数の関数とすることもできる。幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体は、約２モル／ｃｍ^３〜約８０モル／ｃｍ^３の範囲の架橋結合密度を有することができる。架橋結合密度は、成長基体の表面上のカーボンナノ構造体の成長密度、さらにカーボンナノ構造体の成長条件の関数とすることができる。

図３は、フレーク材料として得られる例示的なカーボンナノ構造体のＳＥＭ像を示す。図５に示すカーボンナノ構造体は、高度に配向されたカーボンナノチューブの絡み合い及び架橋結合により、３次元微細構造として存在する。配向形態は、急速なカーボンナノチューブ成長条件（例えば、毎秒約２ミクロン〜毎秒約１０ミクロンなど、毎秒数ミクロン）における成長基体上のカーボンナノチューブの形成を反映し、それにより成長基体からの実質的に垂直なカーボンナノチューブの成長を誘発する。いかなる理論又はメカニズムにも拘束されるものではないが、成長基体上でカーボンナノチューブが高速で成長することは、少なくとも部分的にカーボンナノ構造体の複雑な構造形態に寄与しうると考えられる。また、生成した直後のカーボンナノ構造体の嵩密度は、例えばカーボンナノチューブの成長を開始するために成長基体に配置される遷移金属ナノ粒子の触媒粒子の濃度を変更するなど、カーボンナノ構造体の成長条件を調整することによって、ある程度調節することができる。適切な遷移金属ナノ粒子触媒及びカーボンナノ構造体の成長条件については、以下でさらに詳細に述べる。

以上で説明したように、幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体の有効な孔サイズは、カーボンナノ構造体の厚さを変更する、特にカーボンナノ構造体フレーク材料の寸法を変更するか、カーボンナノ構造体を相互に載せて層状にし、カーボンナノ構造体層の面通過厚さを変更することによって制御することができる。カーボンナノ構造体の層状化は、（例えば所望の厚さのカーボンナノ構造体マットを生成することによって）カーボンナノ構造体を凝集させ、高密度化するか、又は凝集も高密度化もせずに行うことができる。特に、幾つかの実施形態では、分離体は１つ又は複数のカーボンナノ構造体フレーク材料の層を含むことができる。例えば、幾つかの実施形態では、分離体は１つ又は複数のカーボンナノ構造体マットの層を含むことができ、これはカーボンナノ構造体フレーク材料から作成することができる。

特定の分離プロセスで捕捉される具体的な微粒子材料に応じて、カーボンナノ構造体は、ある範囲の有効な孔サイズ及び分離親和性を提供するように調整することができる。特定のタイプの微粒子を捕捉する例示的な有効な孔サイズについては、以下で説明する。これも以下で説明するように、有効な孔サイズに応じて、ある範囲の動作圧が適切になる。

幾つかの実施形態では、精密濾過範囲内の微粒子をカーボンナノ構造体で捕捉することができる。本明細書で使用する精密濾過範囲は、約１００ｎｍと約１ミクロンの間の範囲にある有効な孔サイズを指す。例示的実施形態では、精密濾過は単層のカーボンナノ構造体（例えば単層のカーボンナノ構造体フレーク材料）で達成することができる。精密濾過範囲で除去することができる例示的な物質には、例えば、粘土、細菌、大きいウイルス、及び塵埃などの懸濁粒子が含まれる。精密濾過範囲内の有効動作圧は、約３０ｐｓｉ以下とすることができる。

幾つかの実施形態では、限外濾過範囲内の微粒子をカーボンナノ構造体で捕捉することができる。本明細書で使用する限外濾過範囲は、約１０ｎｍと約１００ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを指す。例示的実施形態では、限外濾過は約２層のカーボンナノ構造体で実現することができる。限外濾過範囲で除去することができる例示的物質には、例えばウイルス、タンパク質、デンプン、コロイド、シリカ、有機分子、染料及び脂肪が含まれる。限外濾過範囲内の有効動作圧は約２０ｐｓｉ〜約１００ｐｓｉとすることができる。

幾つかの実施形態では、ナノ濾過範囲内の微粒子をカーボンナノ構造体で捕捉することができる。本明細書で使用するナノ濾過範囲は、約５ｎｍと約１０ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを指す。例示的実施形態では、ナノ濾過は約３層から約５層のカーボンナノ構造体で実現することができる。ナノ濾過範囲で除去することができる例示的物質には、例えば糖、殺虫剤除草剤、小さい有機分子、及び二価イオンが含まれる。ナノ濾過範囲内の有効動作圧は約５０ｐｓｉ〜約３００ｐｓｉとすることができる。

さらに他の実施形態では、本明細書で説明する分離膜を使用して、逆浸透精製プロセスを実行することができる。本明細書で使用する「逆浸透（reverse osmosis）」という用語は、流体相が溶解物質の高濃度区域から低濃度区域へと通過する分離プロセスを指す。例えば、逆浸透プロセスでは、塩溶液は、浸透圧を超える印加圧力で流体相を半透膜に通し、溶解塩を残すことにより、溶解塩を遊離することができる。様々な実施形態では、逆浸透プロセスで使用されるカーボンナノ構造体の有効な孔サイズは、約１ｎｍと約５ｎｍの間の範囲とすることができる。カーボンナノ構造体から形成した分離膜を使用する逆浸透精製プロセス中の有効動作圧は、約２２５ｐｓｉと約１０００ｐｓｉの間の範囲とすることができる。逆浸透精製プロセス中に除去することができる例示的物質には、例えば一価塩が含まれる。

幾つかの実施形態では、本明細書で説明する分離膜の分離体は、少なくとも約１ミクロンと約１００ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有することができる。幾つかの又は他の実施形態では、本明細書で説明する分離膜の分離体は、少なくとも約１００ｎｍと約１０ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有することができる。幾つかの又は他の実施形態では、本明細書で説明する分離膜の分離体は、少なくとも約１０ｎｍと約５ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有することができる。幾つかの又は他の実施形態では、本明細書で説明する分離膜の分離体は、少なくとも約５ｎｍと約１ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有することができる。以降で説明するように、以上の有効な孔サイズの組み合わせを有する分離体も使用することができる。

幾つかの実施形態では、上述の有効な孔サイズの任意の組み合わせ及び部分範囲を有する複数のカーボンナノ構造体を、相互に直列に構成して分離体を生成することができる。より詳細には、幾つかの実施形態では、本明細書で説明する分離膜の分離体は、相互に直接接触し、意図された流体の流れの方向に有効な孔サイズが漸進的に減少するように直列に構成された複数のカーボンナノ構造体層を含むことができる。本明細書で使用する「漸進的に減少する（progressively decreasing）」という用語は、分離体に沿って流体の流れの方向で有効な孔サイズが実質的に一定のままであるか減少するが、増加はしないという意味である。有効な孔サイズの漸進的な減少は、意図された流体の流れの方向に沿って勾配状に生じるか、段階的に生じることができる。有効な孔サイズが段階的に減少する場合は、有効な孔サイズが再び減少を開始する前に実質的に一定のままである領域があってよい。

さらに特定の実施形態では、分離体は、相互に直接接触し、精密濾過、限外濾過、及びナノ濾過領域で濾過を提供するように構成された複数のカーボンナノ構造体層を含むことができる。より詳細には、幾つかの実施形態では、分離体は、約１ミクロンと約１００ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有する第１のカーボンナノ構造体層と、約１００ｎｍと約１０ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有する第２のカーボンナノ構造体層と、約１０ｎｍと約５ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有する第３のカーボンナノ構造体層とを有することができる。他の実施形態では、分離体は、逆浸透によって濾過を提供するように構成された複数のカーボンナノ構造体層を含むことができる。より詳細には、幾つかの実施形態では、分離体はさらに、約５ｎｍと約１ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有する第４のカーボンナノ構造体層を含むことができる。

図４は、意図された流体の流れの方向に有効な孔サイズが漸進的に減少するカーボンナノ構造体を有する例示的分離膜の概略図を示す。分離膜を通る順方向の流体の流れの方向を、図４の矢印で示す。分離膜２００は、微粒子２１１が捕捉される精密濾過領域２１０、微粒子２２１が捕捉される限外濾過領域２２０、微粒子２３１が捕捉されるナノ濾過領域２３０、及び流体相が出口を通過した後に微粒子２４１が残る逆浸透領域２４０を含む。図４に示すように、微粒子の量は分離膜２００の長さに沿って徐々に減少する。逆浸透領域２４０を通過して分離膜２００を出ると、少なくとも残りの微粒子があってもすべて逆浸透領域２４０の有効な孔サイズより小さい程度まで微粒子を減少させた流体相を得ることができる。分離膜２００によって除去される最小の微粒子は設計の選択肢の問題であることを認識されたい。例えば、幾つかの実施形態では、分離膜２００は逆浸透領域２４０を省略することができ、その場合分離膜２００を出る流体相に残っている微粒子があればすべて、ナノ濾過領域２３０の有効な孔サイズより小さいサイズである。幾つかの実施形態では、逆浸透領域２４０とナノ濾過領域２３０の両方を分離膜２００から省略することができる。

分離膜２００内の各濾過領域は、濾過領域全体で単一の有効な孔サイズを提供するカーボンナノ構造体のみを含んでもよく、又は１つの濾過領域内に別個の２組以上の有効な孔サイズが存在してもよいが、意図された流体の流れの方向に有効な孔サイズが漸進的に減少する。例えば、幾つかの実施形態では、精密濾過領域２１０は、約１ミクロン〜約５００ｎｍの有効な孔サイズのカーボンナノ構造体を有する第１の部分領域、及び約５００ｎｍ〜約１００ｎｍの有効な孔サイズを有する第２の部分領域を含むことができる。本開示を読んだ当業者は、以上の濾過領域のいずれかに入る有効な孔サイズの部分範囲の他の組み合わせも相当することができ、特定の分離プロセスにて実現することができる。

代替実施形態では、意図された流体の流れの方向に有効な孔サイズが漸進的に減少するように構成され、かつ、相互から隔置された複数のカーボンナノ構造体層を使用することができる。カーボンナノ構造体層のこのように隔置された構成を、以下に説明する分離システムでさらに詳細に考察する。図５は、図４の分離領域が直列の複数の分離体として相互から隔置され、意図された流体の流れの方向に有効な孔サイズが漸進的に減少する例示的な分離流２０１の概略図を示す。

カーボンナノ構造体を積層して有効な孔サイズを変更することに加えて、カーボンナノ構造体に様々な追加的改質をして、その多孔性及び他の特性を変化させることができる。幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体の少なくとも一部に添加剤が存在してもよい。幾つかの実施形態では、添加剤は、カーボンナノ構造体内で有効な孔サイズを決定するように選択することができる。例えば、添加剤は、添加剤より小さいカーボンナノ構造体内の孔を閉塞し、それによってカーボンナノ構造体により捕捉される最小微粒子サイズを設定するように選択することができる。これに関して適切な添加剤の例は、予想される孔サイズの範囲内にある指定サイズ範囲を有する任意のタイプの微小粒子又はナノ粒子を含む。添加剤は、カーボンナノ構造体から除去可能であってもよく、又は添加剤は添加剤をカーボンナノ構造体に共有結合されて除去不能であってもよい。非共有結合の添加剤も、幾つかの実施形態では除去不能とすることができる。膜の再生中に分離膜をバックフラッシュする場合、添加剤が除去されるのを制限するために添加剤をカーボンナノ構造体に共有結合させることが望ましいことがある。幾つかの又は他の実施形態では、添加剤は、有効な孔サイズ以外の分離膜の別の特性を調整するために使用することもできる。例えば、幾つかの実施形態では、生物付着に対する耐性を改善するために、抗菌性微粒子（例えば銀ナノ粒子）をカーボンナノ構造体に組み込むことができる。亜鉛、銅、及びランタニド微粒子も同様の方法で使用することができる。

同様に、幾つかの実施形態では、分離体内のカーボンナノ構造体の少なくとも一部を機能化することができる。カーボンナノ構造体の機能化に使用する反応は、カーボンナノチューブの機能化に使用したものと同じタイプの反応を含むことができる。カーボンナノチューブの機能化に適切な幾つかの反応が当業者にはよく知られており、本開示を読んだ者は、これらをカーボンナノ構造体の機能化に適合させることができる。例えば、分離体内のカーボンナノ構造体の少なくとも一部は、カーボンナノチューブの機能化に使用したものと同様の技術を使用してヒドロキシル化又はカルボキシル化することができる。ヒドロキシル又はカルボキシル基は、カーボンナノ構造体の親水性を増大させ、水性流体の濾過を受け入れやすくすることができる。

幾つかの実施形態では、分離体内のカーボンナノ構造体の少なくとも一部は、相互に共有結合することができる。すなわち、複数のカーボンナノ構造体を組み合わせてカーボンナノ構造体層を作成する場合、カーボンナノ構造体の少なくとも一部を相互に共有結合することができる。カーボンナノ構造体間の共有結合は、上述したように導入した官能基を介して実行することができる。例えば、幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体に導入したカルボン酸基又はヒドロキシル基を使用して、カーボンナノ構造体間の共有結合を確立することができる。

カーボンナノ構造体を含む分離膜、及び分離プロセスにおけるその使用法についてさらに説明する前に、カーボンナノ構造体を含む分離システムについてさらに説明する。本明細書で説明する分離システムは、図４に示すような少なくとも１つの分離膜を含むことができ、該分離膜中では幾つかのカーボンナノ構造体層が相互に直接接触して、これらの領域間で有効な孔サイズが漸進的に減少する分離膜を構成する。このようなシステムでは、複数の分離膜を並列に設けてスループットを改善してもよい。分離システムは、図５に示すように、流体の流路の中に設けられ相互から隔置された複数の分離膜も含むことができる。幾つかの実施形態では、隔置された複数の分離膜を含む流体の流路を複数並列に動作させて、システムのスループットも改善することができる。通常、分離システムは上述したカーボンナノ構造体の任意の実施形態及び組み合わせを含むことができる。

幾つかの実施形態では、本明細書で説明する分離システムは、分離体を有する少なくとも１つの分離膜を含むことができ、分離体は約１ミクロン以下の有効な孔サイズを有し、物質が通過する蛇行経路を提供する。分離体はカーボンナノ構造体を含む。カーボンナノ構造体は、分岐し、架橋結合し、相互に共通の壁を共有する複数のカーボンナノチューブを含む。カーボンナノ構造体は、本明細書で説明する追加的特徴のいずれかを含むことができる。

幾つかの実施形態では、システムの分離体は、相互に直接接触し、意図された流体の流れの方向に孔サイズが漸進的に減少するように直列に構成された複数のカーボンナノ構造体層を含むことができる。さらに特定の実施形態では、分離体は、約１ミクロンと約１００ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有する第１のカーボンナノ構造体層と、約１００ｎｍと約１０ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有する第２のカーボンナノ構造体層と、約１０ｎｍと約５ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有する第３のカーボンナノ構造体層とを含むことができる。幾つかの実施形態では、分離体は、約５ｎｍと約１ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有する第４のカーボンナノ構造体層も含むことができる。

図６は、相互に直接接触する複数のカーボンナノ構造体層を含む分離体を有する分離システム２５０の概略ブロック図を示す。図６に示すように、分離体２５５はカーボンナノ構造体層２５６〜２５９を含み、これらは以上で概設したように漸進的に減少する有効な孔サイズを有する。流体相は、供給源２５１から流体入口２５２を通過して分離体２５５に流入し、微粒子の量が減少した流体相が流体出口２５３を通過して流出し、保存容器２５４内に回収される。図６は、精製した流体相を保存容器２５４内で保存するものとして分離システム２５０を描いているが、流体相は意図された最終目的地の方向に関連する方法で搬送できることを認識されたい。図示されていないが、分離システム２５０には様々なポンプが存在して、流体相が分離体２５５を通過するのを促進することができる。

幾つかの実施形態では、本明細書で説明する分離システムの少なくとも１つの分離膜は、相互から隔置され、意図された流体の流れの方向に有効な孔サイズが漸進的に減少するように直列に構成された、複数のカーボンナノ構造体層を含むことができる。すなわち、幾つかの実施形態では、分離システムは、相互から隔置され、カーボンナノ構造体を含む複数の分離膜を含むことができる。さらに特定の実施形態では、少なくとも１つの分離膜は、約１ミクロンと約１００ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有する第１のカーボンナノ構造体層を含有する第１の分離膜と、約１００ｎｍと約１０ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有する第２のカーボンナノ構造体層を有する第２の分離膜と、約１０ｎｍと約５ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有する第３のカーボンナノ構造体層を有する第３の分離膜とを含むことができる。幾つかの実施形態では、少なくとも１つの分離膜はまた、約５ｎｍと約１ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有する第４のカーボンナノ構造体層を有する第４の分離膜も含むことができる。

図７は、相互から隔置され、カーボンナノ構造体を含む複数の分離膜を有する分離システム２６０の概略ブロック図を示す。図７に示すように、分離システム２６０は、相互に直列に流体接続した分離膜２６６〜２６９を含み、それぞれがカーボンナノ構造体を含み、以上で概説したように漸進的に減少する有効な孔サイズを形成する。流体相は供給源２６１から流体入口２６２を通過してシステム２６０に流入し、微粒子の量が減少した流体相が流体出口２６３を通過して流出し、保存容器２６４内に回収される。図７は、精製した流体相を保存容器２６４内で保存するものとしてシステム２６０を描いているが、流体相は意図された最終目的地に関連する方法で直接搬送できることを認識されたい。分離膜２６６〜２６９はそれぞれ、その間に延在する流体導管２７０を介して相互に流体接続される。また、システム２６０には様々なポンプが存在して、流体相が中を通過するのを促進することができる。

幾つかの実施形態では、本明細書で説明する分離膜はさらに、分離体の少なくとも一部に電流を加えるように構成された電気接続を含むことができる。分離膜に電気接続を含めることの利点には、電流を加えることによって分離膜をクリーニングできること、及び電荷による分離プロセスを実行できることなどが含まれる。電流（ＡＣ又はＤＣ）を分離膜に連続的に供給するか、電流を、例えば必要に応じてクリーニング用になど、定期的に供給することができる。分離膜へのクリーニングの必要性を示す目安としては、例えば分離膜を通る流体の流量が設定レベル未満に低下すること、及び／又は分離膜の電気的特性の測定値が変化する（例えば抵抗率測定値が特定の閾値限界又は閾値キャパシタンス値を上回る）ことが含まれる。これに関してはカーボンナノ構造体が特に望ましいことがある。何故なら、それ自体を導電性とすることができ、捕捉された微粒子物質などの取り込まれた異物により、その抵抗率又はキャパシタンス値の測定値が著しく変化しうるからである。

幾つかの実施形態では、本明細書では流体相を精製する方法を説明する。流体相は、幾つかの実施形態では液相でよく、他の実施形態では気相でよい。様々な実施形態では、約１ミクロン以下の有効な孔サイズを有し、物質が通過する蛇行経路を提供する分離体を含む少なくとも１つの分離膜を提供することと、微粒子物質を含有する流体相を少なくとも１つの分離膜に通すことと、少なくとも１つの分離膜の少なくとも一部に微粒子物質の少なくとも一部を捕捉することと、少なくとも１つの分離膜から流体相を溶離することとを含むことができる。溶離した流体相は、減少した量の微粒子物質を有する。分離体はカーボンナノ構造体を含む。各カーボンナノ構造体は分岐し、架橋結合し、相互に共通の壁を共有する複数のカーボンナノチューブを含有する。

本明細書で開示する分離膜中に捕捉される微粒子物質のタイプに特に制限はないと考えられる。この実施形態の分離膜を使用して流体相から分離することができる微粒子物質の例示的なタイプについては、以上でさらに詳細に説明する。

特定の期間が経過し、少なくとも１つの分離膜中にある量の微粒子物質が蓄積した後、連続した微粒子分離を実行できるようにするために、微粒子物質を除去する必要が生じる場合がある。さもなければ、蓄積した微粒子物質が多すぎると、分離膜が目詰まりすることがある。蓄積した微粒子物質の除去は様々な技術で実行することができ、その一部について以降で説明する。

幾つかの実施形態では、上記方法は、微粒子物質の少なくとも一部を除去するために少なくとも１つの分離膜をバックフラッシュすることを含むことができる。望ましくない微粒子物質を分離膜から除去すると、これで順方向の流体の流れを再開することができる。幾つかの実施形態では、分離膜の少なくとも１つが常に順方向に動作し、それによって分離プロセスを連続的に実行できるように、２つ以上の分離膜を並列で動作させることができる。幾つかの実施形態では、１つ又は複数の分離膜を連続的にバックフラッシュすることができ、その間に残りの分離膜が順方向に動作し、他の実施形態では、１つ又は複数の分離膜を必要に応じてのみバックフラッシュすることができる。

幾つかの実施形態では、上記方法は、微粒子物質の少なくとも一部を除去するために、少なくとも１つの分離膜を化学処理することを含むことができる。少なくとも１つの分離膜に適用される化学処理のタイプに特に制限はないと考えられ、カーボンナノ構造体によって捕捉されている微粒子物質のタイプによって決定することができる。カーボンナノ構造体内に捕捉される微粒子のタイプに関する知識があれば、当業者はその除去に作用する化学処理を選択することができる。本明細書で説明する分離膜から様々なタイプの微粒子物質を除去することができる例示的な化学処理には、例えば酸、緩酸化剤などが含まれる。これに関してはカーボンナノ構造体が有利になることがある。何故なら、従来の分離膜の処理に一般的に使用される化学薬剤の多くに対する反応性が低いからである。従来の分離膜は、ポリマーから作成することが多く、化学的攻撃を受けやすく、それによって分離膜の寿命を短縮することがある。

幾つかの実施形態では、上記方法は、微粒子物質の少なくとも一部を除去するために、少なくとも１つの分離膜の少なくとも一部に電流を加えることを含むことができる。以上で説明したように、分離膜に供給される電流は交流又は直流とすることができ、連続的又は必要に応じて供給することができる。

様々な実施形態では、本明細書で説明する分離膜は複数のカーボンナノ構造体層を含むことができ、これは上述したカーボンナノ構造体フレーク材料から形成することができる。このようなカーボンナノ構造体層については、以降でさらに説明する。

複数のカーボンナノ構造体を組み合わせてカーボンナノ構造体層を形成し、高密度化すると、カーボンナノ構造体層は、自立型一体構造として分離するほど十分に堅牢にすることができる。すなわち、カーボンナノ構造体をカーボンナノ構造体層中で相互に凝集させると、相互から分離する（例えば別個のカーボンナノ構造体フレーク材料又は同様の微粒子を再編成する）傾向が少なくなる。幾つかの実施形態では、複数のカーボンナノ構造体をファンデルワールス力などで相互に非共有結合的に保持することができる。幾つかの又は他の実施形態では、カーボンナノ構造体層中の複数のカーボンナノ構造体の少なくとも一部を相互に共有結合することができる。例えば、幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体層中のカーボンナノ構造体はすべて、カーボンナノ構造体を相互に共有結合するポリマーに共有結合することができる。しかしながら、他の実施形態では、カーボンナノ構造体層には、カーボンナノ構造体を相互に結合するポリマーがなくてもよい。幾つかのこのような実施形態では、小分子リンカーを実質的に同じ方法で使用して、カーボンナノ構造体を相互に共有結合することができる。カーボンナノ構造体が相互に非共有結合的に保持される実施形態にも、ポリマーがなくてよい。

本明細書で説明するカーボンナノ構造体層を構成するカーボンナノ構造体内又はその上には、様々な添加剤も見られる。存在し得る添加剤には、カーボンナノチューブ上のコーティング、カーボンナノ構造体の間隙空間の充填材料、遷移金属ナノ粒子、カーボンナノ構造体に付着していない残余成長基体、及びそれらの任意の組み合わせが含まれるが、それに限定されない。幾つかの実施形態では、特定の添加剤は、カーボンナノ構造体の少なくとも一部にあるカーボンナノチューブの少なくとも一部に共有結合することができる。本明細書で説明する実施形態では、残余成長基体はカーボンナノ構造体に共有結合しないと予想される。何故なら、以降で説明するように、カーボンナノ構造体から成長基体が除去されているからである。

カーボンナノ構造体をその成長基体から取り出す前、又は取り出した後、カーボンナノ構造体のカーボンナノチューブにコーティングを塗布することができる。カーボンナノ構造体をその成長基体から取り出す前にコーティングを塗布すると、例えば取り出しプロセス中にカーボンナノチューブを保護し、取り出しプロセスを容易にすることができる。他の実施形態では、コーティングは、カーボンナノ構造体をその成長基体から取り出した後に、カーボンナノ構造体のカーボンナノチューブに塗布することができる。成長基体から取り出した後にカーボンナノ構造体のカーボンナノチューブにコーティングを塗布すると、カーボンナノ構造体の取扱い及び保存を容易にすることができるので望ましい。幾つかの実施形態では、カーボンナノチューブ上のコーティングは、カーボンナノ構造体が相互に凝集してカーボンナノ構造体層を形成することを容易にすることができるので望ましい。特に、カーボンナノ構造体をコーティングすると、カーボンナノ構造体の圧縮又は高密度化を促進できるので望ましい。密度上昇はカーボンナノ構造体の加工性を容易にすることができるので望ましい。

幾つかの実施形態では、コーティングはカーボンナノ構造体のカーボンナノチューブに共有結合することができる。幾つかの又は他の実施形態では、このようなコーティングを形成するために適切な反応性官能基を提供するように、カーボンナノ構造体をその成長基体から取り出す前、又は取り出した後にカーボンナノチューブを機能化することができる。カーボンナノ構造体のカーボンナノチューブを機能化する適切なプロセスは通常、個々に分離したカーボンナノチューブの機能化に使用できるプロセスと同様であり、当業者によく知られている。様々な実施形態では、カーボンナノ構造体のカーボンナノチューブを機能化するのに適切な技術には、例えばカーボンナノ構造体をＫＭｎＯ_４、Ｈ_２Ｏ_２、ＨＮＯ_３又はこれらの任意の組み合わせのような酸化剤と反応させることが含まれる。他の実施形態では、コーティングはカーボンナノ構造体のカーボンナノチューブと非共有結合することができる。すなわち、このような実施形態では、コーティングをカーボンナノチューブ上に物理的に配置することができる。

幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体のカーボンナノチューブのコーティングは、ポリマーコーティングとすることができる。適切なポリマーコーティングは特に限定されないと考えられ、例えば、エポキシ、ポリエステル、ビニルエステルポリマー、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ポリマー、ビスマレイミドポリマー、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）ポリマー、ポリカーボネート、ポリエチレンイミン、ポリウレタン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリオレフィン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、及びこれらの任意の組み合わせなどのポリマーを含むことができる。当業者であれば、他のポリマーコーティングを想定することができる。幾つかの実施形態では、以上で概略的に説明したように、ポリマーコーティングをカーボンナノ構造体のカーボンナノチューブに共有結合することができる。このような実施形態では、その結果の複合体は、カーボンナノ構造体とポリマーコーティングのブロックコポリマーを含むことができる。他の実施形態では、ポリマーコーティングはカーボンナノ構造体のカーボンナノチューブに非共有結合することができる。ポリマーコーティングの形成については、以下でさらに説明する。

ポリマーコーティングに加えて、他のタイプのコーティングがあってもよい。他のタイプのコーティングには、例えば、金属コーティング及びセラミックコーティングが含まれる。幾つかの実施形態では、界面活性剤コーティングも提供することができる。

幾つかの又は他の実施形態では、少なくともカーボンナノ構造体のカーボンナノチューブの間隙空間に（すなわち、カーボンナノ構造体の内部に）存在する充填剤又は他の添加材料があることがある。添加材料は単独で、又はカーボンナノ構造体のカーボンナノチューブ上のコーティングとの組み合わせで使用してもよい。コーティングと組み合わせて使用する場合、添加材料は、カーボンナノ構造体の間隙空間内に配置することに加えて、コーティング内のカーボンナノ構造体の外部にも配置することができる。添加材料をカーボンナノ構造体の間隙空間内に、又はカーボンナノ構造体の他の場所に導入した結果、カーボンナノ構造体の特性をさらに変更することができる。制限なく、カーボンナノ構造体中に添加材料を含めることにより、カーボンナノ構造体の密度、熱特性、分光学的特性、機械的強度などを変更することができる。個々に分離した、又は束状のカーボンナノチューブは、同様の方法で添加材料を担持することができないと考えられる。何故なら、ナノチューブの外部に添加材料を含有する永久的な間隙空間がないからである。カーボンナノチューブの内部には空の空間があるが、添加材料をその位置に配置することは非常に困難であるか、又は不可能であると考えられる。

幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体は複数の遷移金属ナノ粒子を含有することができ、この遷移金属ナノ粒子は、カーボンナノ構造体の合成に使用した触媒であってもよい。幾つかの実施形態では、図９に示すように、遷移金属ナノ粒子はその成長基体への付着又はカーボンナノ構造体の成長基体への付着を制限する抗付着コーティングでコーティングすることができる。適切な抗付着コーティングについては、以下でさらに詳細に説明する。様々な実施形態では、成長基体からカーボンナノ構造体及び遷移金属ナノ粒子を取り出すとき、抗付着コーティングは遷移金属ナノ粒子に付随して取り出されうる。他の実施形態では、抗付着コーティングは、カーボンナノ構造体に組み込まれる前に、又は組み込まれた後に、遷移金属ナノ粒子から除去してもよい。さらに他の実施形態では、遷移金属ナノ粒子を最初にカーボンナノ構造体に組み込み、その後除去することができる。例えば、幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体を無機酸で処理することにより、遷移金属ナノ粒子の少なくとも一部をカーボンナノ構造体から取り出すことができる。

幾つかの又は他の実施形態では、本明細書で説明するカーボンナノ構造体は、カーボンナノ構造体に付着しない成長基体を含有することができる。以下でさらに説明するように、最初に形成されるカーボンナノ構造体は、カーボンナノ構造体の取り出しプロセス中に生成されて破断した成長基体を含有することがある。幾つかの実施形態では、破断した成長基体がカーボンナノ構造体に残ることがある。他の実施形態では、以下でさらに詳細に説明するように、その後にカーボンナノ構造体から成長基体を除去することができる。

カーボンナノ構造体は、個々に分離したカーボンナノチューブと比較して分散性が高いので、界面活性剤を使用せずに流体相に分散できることがある。したがって、幾つかの実施形態では、本明細書で説明するカーボンナノ構造体層には界面活性剤がなくてもよい。

カーボンナノ構造体層を形成する上記方法は、カーボンナノ構造体層を形成するために複数のカーボンナノ構造体を表面上に堆積させる作業を含むことができる。これに関しては、以下でさらに説明するように、幾つかの実施形態が想定される。

幾つかの実施形態では、本明細書でカーボンナノ構造体層を形成する方法について説明する。該方法は、付着した成長基体がない複数のカーボンナノ構造体を提供することと、カーボンナノ構造体を表面に堆積させることによってカーボンナノ構造体層を形成することとを含むことができる。カーボンナノ構造体はそれぞれ、分岐し、架橋結合し、相互に共通の壁を共有する複数のカーボンナノチューブを含有し、各カーボンナノ構造体内のカーボンナノチューブの少なくとも一部が相互に実質的に平行に配向される。

本明細書で説明するカーボンナノ構造体層を形成する方法は、従来のカーボンナノチューブマットを調製する技術のいずれかによって実行することができる。これに関して、カーボンナノ構造体層を形成する適切な技術には、例えばカーボンナノ構造体の分散液の濾過、カーボンナノ構造体の電気泳動堆積、カーボンナノ構造体の層毎の付着、インクジェット印刷、テープキャスティング、カーボンナノ構造体の分散液からの溶媒の気化などが含まれる。カーボンナノチューブマットの生成に使用されるものと同様の他の適切な技術が、当業者には想定することができる。カーボンナノ構造体層を形成する方法は、複数のカーボンナノ構造体を含む流体媒体を濾過することを含むことが最も望ましい。

幾つかの実施形態では、本明細書で説明する方法はさらに、カーボンナノ構造体層を形成する前に流体媒体中にカーボンナノ構造体を分散させることを含むことができる。カーボンナノ構造体が分散している流体媒体には特に制限がないと考えられ、例えば水又は有機溶媒を含むことができる。様々な実施形態では、カーボンナノ構造体は界面活性剤を使用せずに流体媒体中に分散させることができる。以上で説明したように、カーボンナノ構造体は、カーボンナノチューブよりも流体媒体中の分散性がはるかに高い。それは分子構造が非常に異なることが原因である可能性が最も高い。幾つかの実施形態では、上記方法はさらに、フィルタ上にカーボンナノ構造体層を回収するために、カーボンナノ構造体を含む流体媒体を濾過することを含むことができる。

幾つかの実施形態では、本明細書で説明する方法はさらに、成長基体上にカーボンナノ構造体を形成することと、成長基体からカーボンナノ構造体を取り出すこととを含むことができる。その後、以上で概説したようにカーボンナノ構造体層を形成するために、（例えばカーボンナノ構造体フレーク材料の形態の）複数のカーボンナノ構造体を加工することができる。

幾つかの実施形態では、上記方法はさらに、以上で概略的に説明したように、カーボンナノ構造体層中でカーボンナノ構造体の少なくとも一部を相互に共有結合することを含むことができる。

次に、様々な技術で成長基体上にカーボンナノ構造体を生成し、その後に成長基体からカーボンナノ構造体を取り出すことについて、以下でさらに説明する。

幾つかの実施形態では、本明細書で説明するプロセスは、成長基体上にカーボンナノ構造体を調製し、カーボンナノ構造体の合成が完了したら１つ又は複数の措置によりカーボンナノ構造体を取り出すことを含むことができる。成長基体からカーボンナノ構造体を取り出す措置は、以下からなる群から選択される１つ又は複数の技術を含むことができる。すなわち、（ｉ）成長基体上に抗付着コーティングを設けること、（ｉｉ）カーボンナノ構造体の合成に使用する遷移金属ナノ粒子触媒上に抗付着コーティングを設けること、（ｉｉｉ）遷移金属ナノ粒子触媒に成長基体をエッチングする対向イオンを設け、それによって成長基体に対するカーボンナノ構造体の付着を弱めること、及び（ｉｖ）カーボンナノ構造体の合成が完了した後に、成長基体へのカーボンナノ構造体の付着を弱めるために、エッチング作業を実行することである。これらの技術の組み合わせを使用することもできる。これらの技術と組み合わせて、様々な流体剪断又は機械的剪断作業を実行し、成長基体からのカーボンナノ構造体の取り出しを促進することができる。

幾つかの実施形態では、本明細書で説明するプロセスは、成長基体からカーボンナノ構造体を取り出すことを含むことができる。幾つかの実施形態では、成長基体からカーボンナノ構造体を取り出すことは、高圧の液体又は気体を使用して成長基体からカーボンナノ構造体を分離することと、成長基体に由来する汚染物質（例えば、断片化した成長基体）をカーボンナノ構造体から分離することと、フィルタ媒体の補助のもとで空気又は液体媒体からカーボンナノ構造体を収集することと、フィルタ媒体からカーボンナノ構造体を分離することとを含むことができる。様々な実施形態では、成長基体に由来する汚染物質をカーボンナノ構造体から分離することは、サイクロンフィルタリング、密度分離、サイズによる分離、及びこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される技術によって実行することができる。以上のプロセスを以下でさらに詳細に説明する。

図８は、例示的なガラス又はセラミック成長基体４１０を使用する例示的なカーボンナノ構造体の成長プロセス４００の流れ図を示す。ガラス又はセラミックの成長基体という選択肢は単に例示的であり、基体は例えば金属、有機ポリマー（例えばアラミド）、玄武岩繊維、又は炭素でもよいことを理解されたい。幾つかの実施形態では、成長基体はスプール可能な寸法の繊維材料とすることができ、それによって成長基体が第１の位置から第２の位置へと搬送されるにつれて、成長基体上でカーボンナノ構造体の形成を連続的に実行することができる。カーボンナノ構造体の成長プロセス４００は、繊維、トウ、糸、織物及び不織布、シート、テープ、ベルトなどのような様々な形態の成長基体を使用することができる。連続的合成の都合上、トウ及び糸が特に都合の良い繊維材料である。

図８をさらに参照すると、このような繊維材料は、作業４２０で繰り出しクリール（payout creal）から計り分け、作業４３０で任意選択的なサイジング除去ステーションに送出することができる。サイジング除去は通常、繊維材料へのカーボンナノ構造体の導入程度を向上させるために、カーボンナノ構造体導入繊維材料の調製時に実行する。しかし、分離したカーボンナノ構造体の調製時に、例えばサイジングが成長基体への遷移金属ナノ粒子触媒及び／又はカーボンナノ構造体の付着程度の低下を促進する場合は、サイジング除去作業４３０を省略し、それによってカーボンナノ構造体の取り出しを容易にすることができる。繊維基体に関連する多くのサイジング組成物は、主に耐摩耗効果を提供するが、通常は繊維表面への特段の付着性を有しない結合剤及びカップリング剤を含むことができる。このように、サイジングが存在する状態で成長基体上にカーボンナノ構造体を形成すると、幾つかの実施形態では実際にその後のカーボンナノ構造体の分離を促進することができる。この理由で、幾つかの実施形態ではサイジング除去作業４３０を省略することが有利なことがある。

幾つかの実施形態では、作業４４０で追加のコーティングを施すことができる。作業４４０で施すことができる追加のコーティングには、例えば成長基体への触媒及び／又はカーボンナノ構造体の付着を低下させることができるコロイド状セラミック、ガラス、シラン、又はシロキサンが含まれる。幾つかの実施形態では、サイジングと追加のコーティングとの組み合わせは、成長基体からのカーボンナノ構造体の取り出しを促進することができる抗付着コーティングを提供することができる。幾つかの実施形態では、サイジングのみで、以上で説明したような成長基体からのカーボンナノ構造体の取り出しを容易にするのに十分な抗付着特性を提供することができる。幾つかの実施形態では、作業４４０で提供された追加のコーティングのみで、成長基体からのカーボンナノ構造体の取り出しを容易にするのに十分な抗付着特性を提供することができる。さらなる実施形態では、サイジングも追加のコーティングも、単独でも組み合わせても、カーボンナノ構造体の取り出しを容易にするのに十分な抗付着特性を提供しない。このような実施形態では、成長基体上のカーボンナノ構造体の成長を促進するために使用される遷移金属ナノ粒子を注意深く選択することによって、成長基体へのカーボンナノ構造体の付着低下を達成することができる。詳細には、幾つかのこのような実施形態では、作業４５０において低い付着特性を有する触媒を特に選択して使用することができる。

図８をさらに参照すると、任意選択的なサイジング除去作業４３０及び任意選択的なコーティング作業４４０の後、作業４５０で触媒を成長基体に塗布し、作業４６０で細孔ＣＶＤプロセスによりカーボンナノ構造体の成長を行う。その結果のカーボンナノ構造体導入成長基体（すなわち、カーボンナノ構造体導入繊維材料）は、作業４７０に示すように、保存して、その後にカーボンナノ構造体を取り出すために巻き付けるか、又は即座にハーベスタを使用するカーボンナノ構造体分離プロセスに投入することができる。

幾つかの実施形態では、成長基体を変質させて、そこからのカーボンナノ構造体の取り出しを促進することができる。幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体の生成に使用する成長基体を変質させて、成長基体へのカーボンナノ構造体の付着を制限する抗付着コーティングを含めることができる。抗付着コーティングは、市販の成長基体に既に塗布されているサイジングを含むことができるか、又は抗付着コーティングは成長基体を受けた後に施すことができる。幾つかの実施形態では、抗付着コーティングを施す前に、サイジングを成長基体から除去することができる。他の実施形態では、サイジングが存在する成長基体にサイジングを施すことができる。

幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体は、以下に概説するように、複数の遷移金属ナノ粒子を含む触媒から成長基体上で成長させることができる。幾つかの実施形態では、成長基体上に触媒を塗布する１つの方法としては、粒子吸着による方法、例えば、液体又はコロイド状の前駆物質の蒸着による直接的な触媒塗布を用いた方法により行うことができる。適切な遷移金属ナノ粒子触媒には、ｄ−ブロック遷移金属又はｄ−ブロック遷移金属塩が含まれる。幾つかの実施形態では、遷移金属塩は、熱処理せずに成長基体に塗布することができる。他の実施形態では、遷移金属塩は、熱処理により成長基体上でゼロ価遷移金属に転換することができる。

幾つかの実施形態では、遷移金属ナノ粒子は、成長基体への付着を制限する抗付着コーティングでコーティングすることができる。既に説明したように、抗付着コーティングで遷移金属ナノ粒子をコーティングすると、カーボンナノ構造体の合成後に成長基体からのカーボンナノ構造体の取り出しを促進することもできる。遷移金属ナノ粒子のコーティングに使用するのに適切な抗付着コーティングとしては、成長基体のコーティングに使用するものと同じ抗付着コーティングでもよい。図９は、抗付着層でコーティングした遷移金属ナノ粒子の例示的な図を示す。図９に示すように、コーティングした触媒５００は、抗付着層５２０のオーバコートを施したコア触媒粒子５１０を含むことができる。幾つかの実施形態では、コロイド状ナノ粒子溶液を使用することができ、その場合、ナノ粒子の周囲の外層がナノ粒子への成長基体の付着を促進するが、ナノ粒子へのカーボンナノ構造体の付着は抑制し、それによって成長基体へのカーボンナノ構造体の付着を制限することができる。

図１０は、成長基体からカーボンナノ構造体を分離する例示的プロセスの流れ図を示す。図１０に示すように、プロセス６００は、作業６１０でカーボンナノ構造体導入繊維を提供することから開始する。成長したカーボンナノ構造体が載っている非繊維質成長基体も同様の方法で使用することができる。作業６２０で、繊維材料からのカーボンナノ構造体の取り出しを遂行するために、気体又は液体を使用する流体剪断を行うことができる。幾つかのケースでは、流体剪断の結果、繊維材料の少なくとも一部がバルク繊維から遊離して、遊離カーボンナノ構造体と混合するが、付着はしない。必要に応じて、作業６３０で、付着していない繊維材料を取り出すために、遊離したカーボンナノ構造体をサイクロン／媒体濾過にかけることができる。密度又はサイズによる分離技術を使用して、付着していない繊維材料からのカーボンナノ構造体の分離を実行することもできる。気体剪断の場合、作業６４５でカーボンナノ構造体をフィルタ媒体上に乾燥状態で収集することができる。作業６４５で収集した結果物である乾燥フレーク材料は、図１０でさらに概説するように、任意選択的なさらなる化学的又は熱的精製にかけることができる。液体剪断の場合、作業６４０で液体を収集することができ、作業６５０で液体からのカーボンナノ構造体の分離を行い、最終的に作業６６０で乾燥フレーク材料を生成することができる。作業６６０で分離したカーボンナノ構造体フレーク材料は、作業６４５で生成したものと同様となりうる。作業６６０でカーボンナノ構造体フレーク材料を分離した後、これを作業６９５で梱包及び／又は保存することができる。気体剪断を使用してカーボンナノ構造体を取り出すプロセスでは、作業６４５でカーボンナノ構造体を乾燥状態でフィルタに収集することができる。作業６９５で梱包及び／又は保存を行う前に、いずれかの剪断技術で形成した未加工生成物を、作業６７０で任意選択的な化学的及び／又は熱精製にかけることができる。これらの精製プロセスは、従来のカーボンナノチューブの精製時に実行するプロセスと同様でよい。例えば、作業６７０で実行する精製は、液体臭素等で処理するなど、カーボンナノ構造体の成長のために用いた触媒の除去を含むことができる。当業者には他の精製技術も想定することができる。

図１０をさらに参照すると、いずれかの剪断技術によって生成したカーボンナノ構造体は、作業６８０で切断又は膨らませ加工（fluffing）によってさらに処理することができる。このような切断及び膨らませ加工は、機械的ボールミル粉砕、研削、混合、化学的プロセス、又はこれらの任意の組み合わせを含むことができる。さらに任意選択的に、作業６９０で、カーボンナノチューブを変質又は機能化するのに典型的な任意の技術を使用して、カーボンナノ構造体をさらに機能化することができる。作業６９０の適切な機能化技術は、例えばプラズマ処理、化学的エッチングなどを含むことができる。この方法でカーボンナノ構造体を機能化すると、化学的官能基のハンドルを生成することができ、これをさらなる改質に使用することができる。例えば、幾つかの実施形態では、化学的エッチングを使用して、カーボンナノ構造体上にカルボン酸基を形成することができ、これは例えば複合体材料のマトリックス材料などの任意の数のさらなる要素との共有結合をもたらすことができる。この場合、機能化したカーボンナノ構造体は、複合体マトリックスの優れた強化材料を提供することができる。何故なら、全次元方向で複合体のマトリックス材料との共有結合に複数の部位を提供することができるからである。

複合体材料のマトリックスに対するカーボンナノ構造体の共有結合を容易にすることに加えて、カーボンナノ構造体の機能化は、他の基のカーボンナノ構造体との共有結合も可能にすることができる。幾つかの実施形態では、合成又はバイオポリマーなどの他の共有結合要素へのアクセスは、後処理であるカーボンナノ構造体機能化によって生成された官能基のハンドルを介して実現することができる。例えば、カーボンナノ構造体を（例えば、カーボンナノ構造体上のカルボン酸基から形成されたエステル結合を通して）ポリエチレングリコールに結合して、ＰＥＧ化カーボンナノ構造体を提供することができ、これはカーボンナノ構造体に改良された水溶性を与えることができる。幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体は生体分子に共有結合するプラットフォームを提供し、バイオセンサの製造を容易にすることができる。この場合、カーボンナノ構造体は、個々に分離したカーボンナノチューブを使用する他のカーボンナノチューブ系バイオセンサよりも、さらに従来のカーボンナノチューブのフォレストよりも、検出感度を強化した改良型の電気的浸透通路を提供することができる。センサを開発するために関係する生体分子は、例えばペプチド、タンパク質、酵素、炭水化物、糖タンパク質、ＤＮＡ、ＲＮＡなどを含むことができる。

図１１は、図１０に示したプロセスをさらに詳述した例示的図を示す。図１１のプロセス７００に示すように、作業７１０で単一又は複数のスプールのカーボンナノ構造体担持繊維型基体を、繰り出し及び巻き取りシステムを使用して取り出しチャンバ７１２に供給する。繊維型基体からのカーボンナノ構造体の取り出しは、作業７２０でエアナイフ又はエアノズルなどの単一又は幾つかの加圧空気源ツール７１４で実行することができる。このような空気源ツールは、一般にスプールに対して直角に配置することができ、次にカーボンナノ構造体を担持する繊維型基体に空気を向けることができる。幾つかの実施形態では、空気源ツールは固定式でよいが、他の実施形態では、空気源ツールは可動式とすることができる。空気源ツールが可動式である実施形態では、繊維型基体の表面に対して往復移動し、取り出しの効率を改善するように構成することができる。空気が衝突すると、繊維トウ及び他の束状の繊維型基体が広がり、それによって機械的接触を有利に回避しながら、基体の露出表面積を増加させ、カーボンナノ構造体の取り出しを改善することができる。幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体の合成及び取り出しの連続的サイクルで基体をリサイクルできるように、基体の完全性を十分に維持することができる。したがって、幾つかの実施形態では、基体は、ベルト又はループの形態とすることができ、それにより、カーボンナノ構造体を基体上で合成し、その後に下流で取り出して、次に元のカーボンナノ構造体を取り出した位置で新しいカーボンナノ構造体を追加で成長させるためにリサイクルする。幾つかの実施形態では、元のカーボンナノ構造体を取り出した結果、カーボンナノ構造体の取り出しを容易にした表面処理が除去されることがある。したがって、幾つかの実施形態では、元のカーボンナノ構造体を取り出した後に、本明細書で説明した表面改質技術が概略実行されるように、基体を再び改質し、新しいカーボンナノ構造体の取り出しを促進することができる。元のカーボンナノ構造体を取り出した後に基体上で実行する表面処理は、元の表面処理と同じか、又は異なってよい。

幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体の取り出し中に基体の完全性が損なわれることがあり、もはやカーボンナノ構造体に付着していない基体の少なくとも一部が、カーボンナノ構造体と混合されることがある。図１１をさらに参照すると、分離したカーボンナノ構造体と混合している断片化した基体を、作業７３０で除去することができる。図１１では、作業７３０はサイクロン濾過で実行するように描かれているが、任意の適切な固体分離技術を使用することができる。例えば、幾つかの実施形態では、篩い分け、不等沈下、又はその他の大きさの違いに基づく分離を実行することができる。他の実施形態では、密度の違いに基づく分離を実行することができる。さらに他の実施形態では、少なくとも部分的に化学反応を使用し、カーボンナノ構造体に付着していない成長基体とカーボンナノ構造体との分離を実行することができる。図１１は、単一のサイクロン濾過を描いているが、複数の真空及びサイクロン濾過技術を直列、並列、又はこれらの任意の組み合わせで使用し、カーボンナノ構造体から残留する断片化した成長基体を除去することができる。このような技術は、複数の段階のフィルタ媒体及び／又は濾過速度を使用して、断片化した成長基体を選択的に捕捉しながら、カーボンナノ構造体は収集容器へと送ることができる。その結果物であるカーボンナノ構造体は、作業７４０で乾燥状態で収集するか、又は作業７５０で湿潤スラッジとして収集することができる。幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体は、作業７３０で断片化した成長基体を取り出した直後に処理し、梱包作業７６０で保存容器又は輸送可能な容器に梱包することができる。そうでない場合、梱包は乾燥状態の収集作業７４０又は湿式収集作業７５０の後に実行することができる。

湿式処理を使用する実施形態では、カーボンナノ構造体を、約１％〜約４０％の溶媒を含有する水溶液と混合して、フィルタ又は同様の分離機構を通過させて、カーボンナノ構造体を溶媒から分離することができる。その結果物である分離したカーボンナノ構造体を乾燥させ、流体相中の分散物として「湿潤」状態で梱包又は保存することができる。個々に分離したカーボンナノチューブ溶液又は分散物とは異なり、カーボンナノ構造体は安定した分散物を形成できるので有利であることが観察されている。幾つかの実施形態では、溶媒として水を使用する場合でも、安定化のための界面活性剤なしに安定した分散を達成することができる。幾つか又は他の実施形態では、湿式処理中に水と組み合わせて溶媒を使用することができる。湿式処理と組み合わせて使用するのに適切な溶媒には、イソプロパノール（ＩＰＡ）、エタノール、メタノール、及び水が含まれるが、これらに限定されない。

流体剪断の代替法として、幾つかの実施形態では、機械的剪断を使用して成長基体からカーボンナノ構造体を取り出すことができる。図１２は、カーボンナノ構造体及び遷移金属ナノ粒子触媒を成長基体から取り出すために機械的剪断を使用することができる方法を示す例示的図を示す。図１２に示すように、カーボンナノ構造体取り出しプロセス８００は、機械的剪断力８１０を使用して、カーボンナノ構造体及び遷移金属ナノ粒子触媒の両方を成長基体８３０から一体の要素８２０として取り出すことができる。幾つかのこのような実施形態では、サイジング及び／又は追加の抗付着コーティングを使用して、成長基体へのカーボンナノ構造体及び／又はナノ粒子の付着を制限し、それによって成長基体からのカーボンナノ構造体の機械的剪断又は他のタイプの剪断力による取り出しを容易にすることができる。幾つかの実施形態では、機械的剪断は、カーボンナノ構造体導入繊維をドライアイスで研削することによって実現することができる。

流体剪断の別の代替法として、幾つかの実施形態では、音波処理（sonication）を使用して成長基体からカーボンナノ構造体を取り出すことができる。

幾つかの実施形態では、遷移金属ナノ粒子触媒を実質的に取り出さずに、カーボンナノ構造体を成長基体から取り出すことができる。図１３は、遷移金属ナノ粒子触媒がない状態で成長基体からカーボンナノ構造体を分離することができるカーボンナノ構造体取り出しプロセス９００を示す例示的図を示す。図１３に示すように、カーボンナノ構造体９４０は、導入した遷移金属ナノ粒子触媒９１０を使用して成長基体９２０上に成長させることができる。その後、カーボンナノ構造体９４０の剪断取り出し９３０により、成長基体９２０上に遷移金属ナノ粒子触媒９１０が残る。幾つかのこのような実施形態では、層状の触媒が基体表面への付着を促進しながら、ナノ粒子に対するカーボンナノ構造体の付着を抑制することができる。

図１２及び図１３は、カーボンナノ構造体の成長を触媒からの基部成長（basal growth）により生じたものとして描いてきたが、カーボンナノ構造体成長の他の機械的形態が可能であることが当業者には認識される。例えば、カーボンナノ構造体の成長は、触媒がカーボンナノ構造体の表面上で成長基体から遠位側にある形態（すなわち、先端成長（tip growth））、又は先端成長と基部成長との間である形態として生じることもある。幾つかの実施形態では、成長基体からのカーボンナノ構造体の取り出しの容易化のために、主に基部成長を選択することができる。

代替の実施形態では、成長基体からのカーボンナノ構造体の取り出しは、流体剪断又は機械的剪断以外のプロセスで実行することができる。幾つかの実施形態では、化学的エッチングを使用して、成長基体からカーボンナノ構造体を取り出すことができる。幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体の成長を促進するために使用される遷移金属ナノ粒子触媒として、陰イオンを含有する遷移金属塩を選択することができ、それにより、成長基体をエッチングし、カーボンナノ構造体の取り出しを容易にすることができる。適切なエッチング用陰イオンには、例えば塩化物、硫酸塩、硝酸塩、亜硝酸塩、及びフッ化物が含まれる。幾つかの又は他の実施形態では、化学的エッチングは触媒の選択とは別個に使用することができる。例えば、ガラス基体を使用する場合、フッ化水素のエッチングを使用して、基体へのカーボンナノ構造体及び／又は遷移金属ナノ粒子触媒の付着を弱めることができる。

本明細書で開示するカーボンナノ構造体は、複雑な構造形態を有するネットワークを形成するカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を含み、これについては以上で既に詳細に説明した。いかなる理論又はメカニズムにも拘束されるものではないが、この複雑な構造形態は、毎秒数ミクロン程度の急速な成長速度をもたらすＣＮＴ成長条件で、基体上にカーボンナノ構造体を調製したことに由来すると考えられる。急速なＣＮＴの成長速度は、ＣＮＴが相互に非常に近接していることと相俟って、観察された分岐し、架橋結合し、壁を共有するというモチーフをＣＮＴに与えることがある。以下の説明で、繊維基体に結合したカーボンナノ構造体の生成技術について説明する。簡略化のため、その説明は、ＣＮＴと区別なく基体に配置されたカーボンナノ構造体について言及することがある。何故なら、ＣＮＴがカーボンナノ構造体の主要な構造的構成要素だからである。

幾つかの実施形態では、本明細書で開示するプロセスは、典型的なサイジング溶液を繊維材料に塗布する前に、又は塗布する代わりに、新たに生成された発生期の繊維材料に適用することができる。あるいは、本明細書で開示するプロセスは、既に表面にサイジングが施された市販の繊維材料、例えばトウを使用することができる。このような実施形態では、サイジングを除去して、繊維材料と合成したカーボンナノ構造体との間に直接的な界面を形成することができるが、遷移金属ナノ粒子触媒が両者の間の中間リンカーとして働くことができる。カーボンナノ構造体の合成後、所望の場合、別のサイジング剤を繊維材料に塗布することができる。カーボンナノ構造体の分離を目的として、上述したサイジング又はコーティングのいずれかを使用して、分離プロセスを容易化することができる。カーボンナノ構造体を形成するために同様に適した基体としては、テープ、シート、さらには成形品としてのカーボンナノ構造体製品を提供するために使用できる３次元の形態が含まれる。本明細書で説明するプロセスによって、トウ、テープ、織物及び他の３次元織物構造のスプール可能な長さに沿って均一な長さ及び分布を有するカーボンナノ構造体ネットワークを構成するＣＮＴを連続的に生成することができる。

本明細書で使用する「繊維材料」という用語は、基本的構造成分として繊維を有する任意の材料を指す。この用語は、繊維、フィラメント、糸、トウ、トウ、テープ、織物及び不織布、プライ（ply）、マットなどを包含する。

本明細書で使用する「スプール可能な寸法」という用語は、少なくとも１次元の長さが制限されず、材料がスプール又はマンドレル上で保存できるようになった繊維材料を指す。本明細書で説明するプロセスは、５〜２０ポンドのスプールで容易に作業することができるが、これより大きいスプールも使用可能である。さらに、例えば１００ポンド以上の非常に大きいスプール可能な長さを、２つの５０ポンドのスプールのように取り扱いやすい寸法に分割する前処理作業を組み込むことができる。

本明細書で使用する「カーボンナノチューブ」（ＣＮＴ）という用語は、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）、２層カーボンナノチューブ（ＤＷＮＴ）、多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）など、フラーレンファミリーのカーボンの任意の数の円筒形同素体を指す。ＣＮＴは、フラーレン様構造で蓋をするか、開放端とすることができる。ＣＮＴには、他の材料を封入するものが含まれる。ＣＮＴは、分岐したネットワーク、絡み合ったネットワーク、及びその組み合わせのような外観を有することがある。基体上に調製されカーボンナノ構造体を構成するＣＮＴは、ＭＷＮＴ、ＳＷＮＴ又はＤＷＮＴのみからなる個別的ＣＮＴモチーフを含むことができるか、又はカーボンナノ構造体はＣＮＴのこれらのモチーフの混合物を含むことができる。

本明細書で使用する「長さが均一」とは、カーボンナノ構造体を生成する反応器内で成長したＣＮＴの平均長さを指す。「均一な長さ」は、ＣＮＴの長さが約１ミクロン〜約５００ミクロンの範囲内の場合、ＣＮＴの長さの公差がＣＮＴ全長のプラスマイナス約２０％以内であるという意味である。長さが１〜４ミクロンなどの非常に短い場合、この誤差はＣＮＴ全長の約±２０％〜約±１ミクロン、すなわち、ＣＮＴ全長の約２０％を多少超えた値までの間の範囲に入る。カーボンナノ構造体との関連では、カーボンナノ構造体の少なくとも１次元の長さを、ＣＮＴ成長の長さによって制御することができる。

本明細書で使用する「分布が均一」は、繊維材料など、成長基体上のＣＮＴの密度の一貫性を指す。「均一な分布」は、ＣＮＴの繊維材料上での密度が、ＣＮＴによって覆われた繊維の表面積の百分率として定義される被覆率でプラスマイナス約１０％の公差であるという意味である。これは、直径８ｎｍの５層のＣＮＴでは、ＣＮＴが±１５００個／μｍ２と同等である。このような数字は、ＣＮＴ内の空間が充填可能であると仮定している。

本明細書で使用する「遷移金属」という用語は、周期表のｄ−ブロックにある任意の元素又は元素の合金を指す。「遷移金属」という用語は、酸化物、炭化物、窒化物などの塩基性遷移金属元素の塩の形態も含む。

本明細書で使用する「ナノ粒子」又はＮＰ、又はその文法的に同等な用語は、同等の球形の直径が約０．１〜約１００ナノメートルの間のサイズである粒子を指すが、ＮＰは球形の形状である必要はない。特に、遷移金属ＮＰは繊維材料上でＣＮＴが成長する触媒として働くことができる。

本明細書で使用する「サイジング剤」、「繊維サイジング剤」、又は単に「サイジング」という用語は、繊維の完全性を保護する、複合体中の繊維とマトリックス材料との間に強化された界面相互作用を提供する、及び／又は繊維の特定の物理的特性を変更及び／又は強化するために、コーティングとして繊維の製造に使用される材料を一括して指す。

本明細書で使用する「材料滞留時間」という用語は、本明細書で説明するＣＮＳプロセス中に、スプール可能な寸法の繊維材料に沿った個々の点がＣＮＴ成長条件に曝される時間の量を指す。この定義は、複数のＣＮＴ成長チャンバを使用する場合の滞留時間を含む。

本明細書で使用する「ライン速度」という用語は、本明細書で説明するＣＮＴ合成プロセスを通してスプール可能な寸法の繊維材料を供給する速度を指し、ライン速度は、ＣＮＴチャンバの長さを材料の滞留時間で割ることによって求められる速度である。

幾つかの実施形態では、ＣＮＴ担持（CNT-laden）繊維材料は、スプール可能な寸法の繊維材料、及び繊維材料上で成長したカーボンナノ構造体の形態のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を含む。

いかなる理論又はメカニズムにも拘束されるものではないが、ＣＮＴ形成触媒として機能する遷移金属ＮＰは、ＣＮＴ成長シード構造を形成することによってＣＮＴ成長に触媒作用をすることができる。一実施形態では、ＣＮＴ形成触媒は、繊維材料の基部に留まることができる（すなわち、基部成長）。このようなケースでは、遷移金属ナノ粒子触媒によって最初に形成されるシード構造は、触媒なしにシードからＣＮＴが連続的に成長するのに十分で、触媒がＣＮＴ成長の先端に沿って移動（すなわち、先端成長）することはない。このようなケースでは、ＮＰは繊維材料に対するＣＮＳの取付点として働く。

ＣＮＴの長さが実質的に一定であるＣＮＳ担持繊維材料を有する組成物が提供される。本明細書で説明する連続的プロセスでは、ＣＮＴ成長チャンバ内の繊維材料の滞留時間は、ＣＮＴの成長を制御し、最終的にはＣＮＴ及びＣＮＳの長さを制御するために調節することができる。これらの特徴は、成長するＣＮＴの特定の特性、したがってＣＮＳの特性を制御する手段を提供する。ＣＮＴの長さは、炭素の原料及びキャリアガスの流量及び反応温度を調節することによっても制御することができる。ＣＮＴ特性の追加の制御は、例えばＣＮＴの調製に使用する触媒のサイズなどを調節することによって達成することができる。例えば、１ｎｍの遷移金属ナノ粒子触媒を使用して、特にＳＷＮＴを提供することができる。これより大きい触媒を使用して、主にＭＷＮＴを調製することができる。

また、使用されるＣＮＴ成長プロセスは、予め形成したＣＮＴを溶媒媒体中に懸濁又は分散して手で繊維材料に施すプロセスで生じることがあるＣＮＴの束化及び／又は凝集を回避しながら、均一に分布したＣＮＴをＣＮＳ担持繊維材料に提供するのに有用である。幾つかの実施形態では、被覆率、すなわち、覆われる繊維材料の表面積として表される最大分布密度は、直径８ｎｍの５層のＣＮＴと仮定して、約５５％という高さになりうる。この被覆率は、ＣＮＴ内部の空間を「充填可能」空間と見なすことによって計算される。表面上の触媒分散を変化させ、さらに気体組成及びプロセス速度を制御することによって、様々な分布／密度値を達成することができる。通常、所与のパラメータのセットでは、繊維表面全体で約１０％以内の被覆率を達成することができる。機械的特性を改善するには、密度を高くし、ＣＮＴを短くする（例えば長さ約１００ミクロン未満）ことが有用なことがある一方、熱的及び電気的特性を改善するには、ＣＮＴを長くし（例えば長さ約１００ミクロン超）、密度を低くすることが有用なことがあるが、それでも密度を高くすることが好ましいことがある。ＣＮＴを長く成長させると、その結果、密度が低下することがある。これは、高い温度と速い成長により、触媒粒子の歩留まりが低下した結果である場合がある。

ＣＮＳ担持繊維材料は、フィラメント、繊維糸、繊維トウ、繊維ブレード、織物、不織繊維マット、繊維プライ、及び他の３次元織物構造のような繊維材料を含むことができる。フィラメントは、約１ミクロン〜約１００ミクロンの間のサイズ範囲の直径を有する高アスペクト比の繊維を含む。繊維トウは通常、密に結合したフィラメントの束であり、通常は相互に捻って糸にする。

糸（yarn）は、捻ったフィラメントの密に結合した束を含む。糸中の各フィラメントの直径は比較的均一である。糸は、様々な重量を有し、１，０００リニアメートルのグラム単位の重量で表される「テックス」、又は１０，０００ヤードのポンド単位の重量で表されるデニールで記述され、典型的なテックス範囲は一般的に、約２００テックスと約２，０００テックスの間である。

トウ（tow）は、捻れていないフィラメントの緩く結合した束を含む。糸の場合と同様に、トウのフィラメント直径は、通常、均一である。トウも様々な重量を有し、テックス範囲は通常、２００テックスと約２，０００テックスの間である。これはトウ中のフィラメントの千本単位の数で特徴付けられることが多く、例えば１２Ｋトウ、２４Ｋトウ、４８Ｋトウなどである。

テープは、織物として組み立てられるか、又は平らにした不織トウとすることができる材料である。テープの幅は様々であり、通常はリボンと同様の両面構造である。ＣＮＴ導入は、テープの片側又は両側で実行することができる。ＣＮＳ担持テープは、平坦な基体表面上の「カーペット」又は「フォレスト」のように見えることがある。しかし、ＣＮＳの方がＣＮＳの構造的形態中に生じる分岐及び架橋結合の程度がはるかに高いので、従来の配向ＣＮＴフォレストから容易に区別することができる。この場合も、本明細書で説明するプロセスは、連続モードで実行してテープのスプールを機能化することができる。

繊維ひも（briad）は、密に集めた繊維のロープの様な構造体を表す。このような構造体は、例えば糸から組み立てることができる。ひも構造は中空部分を含むことができ、又はひも構造は別のコア材料の周囲に組み立てることができる。

ＣＮＴは、機械的強度、低レベルから中位の電気抵抗、高い伝熱性などの特徴的特性をＣＮＳ担持繊維材料に与える。例えば、幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体担持繊維材料の電気抵抗は、親繊維材料の電気抵抗より低い。同様に、分離したＣＮＳはこのような特性を引き継ぐことができる。さらに一般的には、結果物であるＣＮＳ担持繊維がこれらの特徴を表す程度は、カーボンナノチューブによる繊維の被覆率の程度及び密度の関数となりうる。直径８ｎｍの５層ＭＷＮＴと仮定して、繊維の０〜５５％まで、繊維表面積の任意の量を覆うことができる（この場合も、この計算はＣＮＴの内部空間を充填可能と見なす）。この数字は、ＣＮＴの直径が小さい方が小さくなり、ＣＮＴの直径が大きい方が大きくなる。５５％の表面被覆率はＣＮＴ約１５，０００個／平方ミクロンと同等である。上述したように、ＣＮＴの長さに応じて、さらなるＣＮＴの特性を繊維材料に与えることができる。カーボンナノ構造体中のＣＮＴは、長さが約１ミクロン〜約５００ミクロンの間の様々な値である場合があり、これには、約１ミクロン、約２ミクロン、約３ミクロン、約４ミクロン、約５ミクロン、約６ミクロン、約７ミクロン、約８ミクロン、約９ミクロン、約１０ミクロン、約１５ミクロン、約２０ミクロン、約２５ミクロン、約３０ミクロン、約３５ミクロン、約４０ミクロン、約４５ミクロン、約５０ミクロン、約６０ミクロン、約７０ミクロン、約８０ミクロン、約９０ミクロン、約１００ミクロン、約１５０ミクロン、約２００ミクロン、約２５０ミクロン、約３００ミクロン、約３５０ミクロン、約４００ミクロン、約４５０ミクロン、約５００ミクロン、及びその間のすべての値及び部分範囲が含まれる。ＣＮＴは、例えば約０．５ミクロンなど、長さ約１ミクロン未満でもよい。ＣＮＴは、５００ミクロンを超えてもよく、例えば約５１０ミクロン、約５２０ミクロン、約５５０ミクロン、約６００ミクロン、約７００ミクロン、及びその間をすべての値及び部分範囲が含まれる。このような長さは、架橋結合及び分岐の存在に対応し、したがって長さは、成長基体の基部からＣＮＳの先端まで測定した複合長さとすることができる。

本明細書で説明するＣＮＳは、約１ミクロン〜約１０ミクロンの長さを有するＣＮＴを含むことができる。このようなＣＮＴの長さは、剪断強度を向上させる用途に有用なことがある。ＣＮＴは、約５〜約７０ミクロンの長さも有することができる。このようなＣＮＴの長さは、ＣＮＴが繊維方向に配向された場合に、引っ張り強度を向上させる用途に有用なことがある。ＣＮＴは、約１０ミクロン〜約１００ミクロンの長さも有することができる。このようなＣＮＴの長さは、電気的／熱的特性、さらに機械的特性を向上させるのに有用なことがある。約１００ミクロン〜約５００ミクロンの長さを有するＣＮＴも電気的及び熱的特性の向上に有利なことがある。このようなＣＮＴの長さの制御は、ライン速度及び成長温度を調節するとともに、炭素原料及び不活性ガスの流量を調節することによって容易に達成される。

幾つかの実施形態では、スプール可能な長さのＣＮＳ担持繊維材料を含む複合体は、異なる長さのＣＮＴを有する様々な均一の領域を有することができる。例えば、剪断強度特性を向上させるために比較的短い均一のＣＮＴの長さを有するＣＮＳ担持繊維材料の第１の部分、及び電気的又は熱特性を向上させるために比較的長い均一のＣＮＴの長さを有する同じスプール可能な材料の第２の部分を有することが望ましいことがある。

繊維材料上でＣＮＳを急速成長させるプロセスにより、スプール可能な繊維材料の連続的プロセスでＣＮＴの長さを均一に制御することができる。材料の滞留時間が５〜３００秒の状態で、長さ３フィートのシステムの連続的プロセスにおけるライン速度は、約０．５フィート／分〜約３６フィート／分の範囲のいずれか及びそれ以上とすることができる。選択される速度は、以下でさらに説明するような様々なパラメータによって決定される。

幾つかの実施形態では、約５秒〜約３０秒という材料の滞留時間で、約１ミクロン〜約１０ミクロンの長さを有するＣＮＴを生成することができる。幾つかの実施形態では、約３０秒〜約１８０秒という材料の滞留時間で、約１０ミクロン〜約１００ミクロンの長さを有するＣＮＴを生成することができる。さらなる実施形態では、約１８０秒〜約３００秒という材料の滞留時間で、約１００ミクロン〜約５００ミクロンの長さを有するＣＮＴを生成することができる。これらの範囲は近似値であり、ＣＮＴの長さは反応温度、及び担体及び炭素原料の濃度及び流量によっても調節できることが当業者には認識される。

幾つかの実施形態では、ＣＮＳを成長させる連続的プロセスは、（ａ）スプール可能な寸法の繊維材料の表面にカーボンナノ構造体形成触媒を配置することと、（ｂ）繊維材料上で直接カーボンナノチューブを合成し、それによってＣＮＳ担持繊維材料を形成することとを含むことができる。長さ９フィートのシステムでは、プロセスのライン速度は約１．５フィート／分〜約１０８フィート／分の範囲とすることができる。本明細書で説明するプロセスによって達成されるライン速度により、短い生産時間で市販用の適切な量のＣＮＳ担持繊維材料を形成することができる。例えば３６フィート／分のライン速度で生産されるＣＮＳ担持繊維（重量で繊維上に５％超のＣＮＴ）の量は、５本の別個のトウ（２０ポンド／本）を同時に処理するよう設計されたシステムで、１日に１００ポンド以上の材料を超えることができる。システムは、成長ゾーンを繰り返すことによって、一度にさらに多くのトウを、又はより高速で生産するように作成することができる。

以下でさらに説明するように、触媒は、遷移金属ナノ粒子を含有するＣＮＴ形成触媒を含有する溶液として調製することができる。合成したナノチューブの直径は、上述したような遷移金属ナノ粒子のサイズに関連する。幾つかの実施形態では、ＣＮＴ形成遷移金属ナノ粒子触媒の市販の分散液を入手可能であり、希釈せずに使用することができ、他の実施形態では、触媒の市販の分散剤を希釈することができる。このような溶液を希釈するかは、上述したように成長させるＣＮＴの所望の密度及び長さに依存することがある。

カーボンナノチューブの合成は、化学的蒸着（ＣＶＤ）プロセスをベースにすることができ、高温で実行される。具体的な温度は、選択した触媒によって異なるが、通常は約５００℃〜約１，０００℃の範囲である。この作業は、カーボンナノチューブの合成を支援するために、繊維材料を上記範囲の温度まで加熱することを含む。

次に、触媒担持繊維材料で、ＣＶＤに促進されるナノチューブの成長を実行する。ＣＶＤプロセスは、例えばアセチレン、エチレン、メタン及び／又はプロパンなどの炭素含有原料ガスによって促進することができる。ＣＮＴ合成プロセスは通常、１次キャリアガスとして不活性ガス（窒素、アルゴン、ヘリウム）を使用する。炭素原料は通常、混合物合計の約０％〜約５０％の範囲で提供する。ＣＶＤ成長のための実質的に不活性の環境は、成長チャンバから水分及び酸素を除去することによって調製する。

触媒を繊維材料に配置するという作業は、溶液を噴霧又は浸漬コーティングするか、又は例えばプラズマプロセスを介した気相蒸着によって遂行することができる。このため、幾つかの実施形態では、触媒の溶媒溶液を形成した後、繊維材料に溶液を噴霧又は浸漬コーティングするか、又は噴霧と浸漬コーティングの組み合わせによって触媒を塗布することができる。いずれの技術も単独で又は組み合わせて用いられ、１回、２回、３回、４回、又は何回でも用いてＣＮＴ形成触媒で十分均一にコーティングされた繊維材料を提供することができる。浸漬コーティングを使用する場合、例えば繊維材料を第１の浸漬槽内に、第１の浸漬槽の第１の滞留時間だけ配置することができる。第２の浸漬槽を使用する場合、繊維材料は第２の浸漬槽内に第２の滞留時間だけ配置することができる。例えば、繊維材料は、浸漬構成及びライン速度に応じて、ＣＮＴ形成触媒の溶液に約３秒〜約９０秒の間、曝露することができる。噴霧又は浸漬コーティングプロセスを使用することにより、表面被覆率が約５％未満から約８０％の表面の触媒密度を有する繊維材料が提供されるが、この場合ＣＮＴ形成触媒ナノ粒子はほぼ単層である。幾つかの実施形態では、繊維材料上のＣＮＴ形成触媒をコーティングするプロセスは、単層のみを生成すべきである。例えば、複数層積層したＣＮＴ形成触媒の上にＣＮＴが成長すると、繊維材料へのＣＮＴの導入の程度が損なわれることがあるからである。他の実施形態では、繊維材料に遷移金属触媒を堆積するために、例えば、蒸着技術、電解析出技術、並びにプラズマ原料ガスに遷移金属を金属有機物、金属塩又は気相搬送を促進する他の組成物として追加する方法など、他の堆積プロセスを使用することができる。

カーボンナノ構造体を成長させるプロセスは連続的であるように設計されるので、スプール可能な繊維材料は一連の槽内で浸漬コーティングすることができ、これらの浸漬コーティング槽は空間的に分離されている。発生期の繊維を新たに生成する連続的プロセスでは、ＣＮＴ形成触媒の浸漬槽又は噴霧を第１のステップとすることができる。他の実施形態では、ＣＮＴ形成触媒を、他のサイジング剤が存在する状態で新たに形成された繊維に塗布することができる。このようにＣＮＴ形成触媒と他のサイジング剤を同時に塗布すると、繊維材料上のサイジングの表面にＣＮＴ形成触媒を提供し、付着性が低いＣＮＴコーティングを生成することができる。

使用する触媒溶液は、上述したようにｄ−ブロックの任意の遷移金属である遷移金属ナノ粒子とすることができる。また、ナノ粒子は元素形態又は塩形態、及びその混合物のｄ−ブロック金属の合金及び非合金混合物を含むことができる。非限定的な例示的な遷移金属ＮＰとしては、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ａｕ及びＡｇ及びその塩及びその混合物が含まれる。幾つかの実施形態では、バリアコーティングの付着と同時に、ＣＮＴ形成触媒を繊維材料に直接塗布又は導入することにより、このようなＣＮＴ形成触媒を繊維に付着させる。これらの遷移金属触媒の多くは、例えばＳｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ（モンタナ州セントルイス）又はＦｅｒｒｏｔｅｃ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ニューハンプシャー州ベッドフォード）などの様々な供給元から市販用に容易に入手することができる。

ＣＮＴ形成触媒を繊維材料に塗布するために使用する触媒溶液の溶媒は、ＣＮＴ形成触媒を全体に均一に分散させることができる任意の一般的溶媒でよい。このような溶媒には、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ＣＮＴ形成触媒ナノ粒子の適切な分散を生成するために極性が制御された任意の他の溶媒が含まれるが、これらに限定されない。ＣＮＴ形成触媒の濃度は、触媒対溶媒が約１：１〜１：１０，０００の範囲とすることができる。このような濃度は、バリアコーティング及びＣＮＴ形成触媒を同時に塗布する場合も使用することができる。

幾つかの実施形態では、繊維材料の加熱は、ＣＮＴ形成触媒の堆積後にカーボンナノチューブを合成するために約５００℃と約１，０００℃の間の温度とすることができる。これらの温度での加熱は、ＣＮＴを成長させる炭素原料を導入する前に、又はそれとほぼ同時に実行することができる。

幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体を生成するプロセスは、繊維材料からサイジング剤を除去することと、繊維材料上に付着阻害コーティング（すなわち、抗付着コーティング）を密着して塗布することと、ＣＮＴ形成触媒を繊維材料に塗布することと、繊維材料を少なくとも５００℃に加熱することと、繊維材料上でカーボンナノチューブを合成することとを含む。幾つかの実施形態では、ＣＮＳ成長プロセスの作業は、繊維材料からサイジングを除去することと、付着阻害コーティングを繊維材料に塗布することと、ＣＮＴ形成触媒を繊維に塗布することと、繊維をＣＮＴ合成温度まで加熱することと、ＣＶＤで促進されたＣＮＳ成長を触媒担持繊維材料上で実行することとを含むことができる。このように、市販の繊維材料を使用する場合、ＣＮＳ担持繊維を構築するプロセスは、付着阻害コーティング及び触媒を繊維材料に配置する前に、繊維材料からサイジングを除去するという別個のステップを含むことができる。

繊維材料上でカーボンナノチューブを合成することは、参照することにより本明細書に組み込まれる本願出願人の米国特許出願公開第２００４／０２４５０８８号に開示されているものを含め、カーボンナノチューブを形成する様々な技術を含むことができる。繊維上で成長するＣＮＳは、例えばマイクロキャビティ、熱及びプラズマ強化ＣＶＤ技術、レーザアブレーション、アーク放電、及び高圧一酸化炭素（ＨｉＰＣＯ）などの技術によって形成することができる。幾つかの実施形態では、ＣＮＴ合成の前に従来のサイジング剤をすべて除去することができる。幾つかの実施形態では、アセチレンガスを電離して、ＣＮＴ合成用の低温カーボンプラズマを生成することができる。プラズマは、触媒を有する繊維材料へと送られる。このため、幾つかの実施形態では、繊維材料上でＣＮＳを合成することは、（ａ）カーボンプラズマを形成することと、（ｂ）繊維材料に配置された触媒にカーボンプラズマを送ることとを含む。成長するＣＮＴの直径は、上述したようにＣＮＴ形成触媒のサイズによって規定される。幾つかの実施形態では、サイジングした繊維材料を約５５０℃〜約８００℃に加熱して、ＣＮＳの合成を容易にする。ＣＮＴの成長を開始するには、２つのガスを反応器内に流入させる。すなわち、アルゴン、ヘリウム、又は窒素などのプロセスガスと、アセチレン、エチレン、エタノール又はメタンなどの炭素含有ガスである。ＣＮＴは、ＣＮＴ形成触媒の位置で成長する。

幾つかの実施形態では、ＣＶＤ成長はプラズマ強化される。プラズマは、成長プロセス中に電界を提供することによって生成される。これらの状況で、ＣＮＴを電界の方向に追従して成長させることができる。このように、反応器の幾何形状を調整することにより、垂直配向のカーボンナノチューブを円筒形の繊維の周囲からその半径方向に成長させることができる。幾つかの実施形態では、繊維の周囲からその半径方向に成長させるためにプラズマを必要としない。テープ、マット、織物、プライなどのような明白な側面を有する繊維材料の場合、触媒を一方側又は両側に配置することができ、それに応じてＣＮＴも一方側又は両側に成長させることができる。

上述したように、ＣＮＳ合成は、スプール可能な繊維材料を機能化する連続的プロセスを提供するのに十分な速度で実行することができる。多くの装置構成により、このような連続的合成が容易になり、その結果、以下で例示するように複雑なＣＮＳの形態が実現する。

連続的にＣＮＳを合成する１つの構成は、繊維材料上でカーボンナノチューブを直接合成して成長させるために最適な形状を有する（基体のサイズ及び形状に合わせた形状を有する）反応器を含む。この反応器は、ＣＮＳを有する繊維を生成する連続的なインラインプロセスで使用するように設計することができる。幾つかの実施形態では、ＣＮＳは、化学的蒸着（「ＣＶＤ」）プロセスにより、マルチゾーン反応器にて大気圧で約５５０℃〜約８００℃の範囲の高温で成長させることができる。合成が大気圧で実行されるということは、繊維上のＣＮＳ合成の連続的処理ラインに反応器を組み込むことを容易にする１つの要素である。このようなゾーン化した反応器を使用する連続的インライン処理の別の利点は、ＣＮＴの成長が秒単位で実行されることであり、これには、当技術分野で一般的な他のプロセス及び装置構成の分単位（又はそれ以上）とは対照的である。

様々な実施形態によるＣＮＳ合成反応器は、以下の特徴を含む。

最適に形成された合成反応器：成長チャンバのサイズをその内部を通過する基体のサイズとさらに効果的に合致するように調整すると、反応容器の全体の容積を減少させることができ、それにより、反応速度、さらにはプロセスの効率が改善される。最適に形成された成長チャンバの断面では、というチャンバ対基体の容積比を１０，０００未満に維持することができる。幾つかの実施形態では、チャンバの断面は前記容積比を１，０００未満に維持する。他の実施形態では、チャンバの断面は前記容積比を５００未満に維持する。

ＣＶＤなどのガスデポジション法は、通常、圧力及び温度のみによって律速されるが、容積は付着の効率に重大な影響を及ぼす。基体の形状を成長チャンバと合致させることにより、生産的なＣＮＳ形成反応が起こる可能性が高くなる。幾つかの実施形態では、合成反応器は、反応器の容積を減少させるために、ＣＮＳが成長するベースとなる基体の形状に従う多角形により描かれる断面を有することを認識されたい。幾つかの実施形態では、ガスは、反応器の側部を通して、又は上板及び底板を通して反応器の中心、すなわち目標とする成長ゾーン内に、対称形で導入することができる。これにより全体的なＣＮＴ成長速度が改善される。何故なら、流入する原料ガスが、ＣＮＴの成長が最も活発な場所であるシステムの最高温度部分に連続的に補給されるからである。この一定のガス補給は、形成されたＣＮＴ反応器が示す成長速度の上昇の重要な側面である。

ゾーン化：比較的低温のパージガスを提供するチャンバは、合成反応器の両端から吊り下がっている。高温のガスが外部環境（すなわち、反応器の外部）と混合した場合は、大部分の繊維材料の劣化が増大することと出願人は判断した。低温のパージゾーンは、内部システムと外部環境との間の緩衝部となる。当技術分野で知られている典型的なＣＮＴ合成反応器の構成では通常、基体を慎重に（かつ緩やかに）冷却する必要がある。本発明のＣＮＳ成長反応器の出口にある低温パージゾーンは、連続的インライン処理で必要とされるような短期間での冷却を達成する。

非接触式のホットウォール金属反応器：幾つかの実施形態では、金属、特にステンレス鋼で作成したホットウォール反応器を使用することができる。これは直観に反しているように見えることがある。何故なら、金属、特にステンレス鋼は炭素が付着（すなわち、煤煙及び副産物が形成）しやすいからである。したがって、大部分のＣＮＴ反応器構成はクォーツの反応器を使用する。炭素の付着が少なく、クォーツの方がクリーニングし易く、クォーツは試料の観察を容易にするからである。

しかし、ステンレス鋼への煤煙及び炭素の付着が増加した結果、ＣＮＴの成長がさらに着実で、高速化、効率化、及び安定化することが観察されている。理論に拘束されるものではないが、大気圧下での動作と関連して反応器内で実行されるＣＶＤプロセスは、拡散律速が起こることが示されている。すなわち、（反応器が部分真空下で作業している場合よりも）比較的高い分圧により、触媒が「過剰供給」され、反応器システムで使用可能な炭素が多すぎる。その結果、開放型システム、特にクリーンなシステムでは、触媒粒子に付着できる炭素が多すぎて、ＣＮＴを合成する能力を低下させる。幾つかの実施形態では、長方形の反応器は、反応器が「汚れている」、すなわち、反応器の金属壁に煤煙が付着した状態で意図的に運転する。炭素が反応器の壁の単層に付着すると、炭素が容易に次々と付着することになる。使用可能な炭素の一部がこのメカニズムにより「回収」されるので、ラジカルの形態である残りの炭素原料は、触媒の作用を阻害しない率で触媒と反応する。既存のシステムは「クリーン」な状態で運転され、連続処理に対して解放されると、成長速度が低下してＣＮＴの歩留まりがはるかに低くなる。

ＣＮＴの合成は、上述したように「汚れた」状態で実行することが通常は有利であるが、それでも煤煙が閉塞状態を引き起こした場合、ガスマニホールド及び入口などの装置の特定部分は、ＣＮＴの成長プロセスに悪影響を及ぼすことがある。この問題を解決するために、ＣＮＴ成長反応チャンバのこのような区域を、シリカ、アルミナ、又はＭｇＯなどの煤煙阻害コーティングで保護することができる。実際には、装置のこれらの部分は、これらの煤煙抑制コーティングで浸漬コーティングすることができる。これらのコーティングとともにＩＮＶＡＲ（登録商標）などの金属を使用することができる。何故なら、ＩＮＶＡＲは前記コーティングと同様のＣＴＥ（熱膨張率）を有するため、高温での前記コーティングの適切な付着を保証し、重要なゾーンにおける煤煙の著しい蓄積を防止するからである。

幾つかの実施形態では、反応チャンバは１次チャンバ材料としてＳｉＣ、アルミナ、又はクォーツを含むことができる。ＣＮＳ合成のガスと反応しないからである。この形態によって、効率を上げることができ、長期の作業にわたって稼働率が改善される。

（触媒還元とＣＮＳ合成の組み合わせ）ＣＮＴ合成反応器内で、触媒の還元とＣＮＳの成長の両方を反応器内で実行することができる。この形態は重要である。何故なら、還元動作を別個のステップとして実行する場合、連続的プロセスで使用するのに十分なほどタイムリーに行なうことができないからである。典型的なカーボンナノチューブ合成プロセスでは、触媒の還元を行なうのに通常は１〜１２時間かかる。本明細書で説明する実施形態によりカーボンナノ構造体を合成する際に、触媒の還元とＣＮＳの合成は両方とも反応器内で実行されるが、その少なくとも部分的な理由は、炭素原料ガスが、円筒形の反応器を使用して通常実行されるような端部ではなく、反応器の中心に導入されるからである。還元プロセスは繊維が加熱ゾーンに入ると実行されるが、この時点までにガスには壁と反応する時間があり、触媒と反応する前に冷えて、（水素ラジカル相互作用を介して）酸化還元を引き起こす。還元が生じるのはこの遷移領域である。システムの最高温度の等温ゾーンでＣＮＳが成長し、最高の成長速度は、反応器の中心付近のガス入口の近傍で生じる。

幾つかの実施形態では、トウなどの緩くまとまった繊維材料を使用する場合、連続プロセスは、トウのストランド及び／又はフィラメントを開繊する作業を含むことができる。このように、スプールからトウを繰り出すとき、例えば真空により繊維を広げる（開繊する）システムを使用してこれを開繊することができる。サイジングした繊維は比較的固い場合があり、これを使用する場合は、トウを「軟化」させて繊維の開繊を容易にするために、追加の加熱を使用することができる。個別のフィラメントを含む開繊した繊維は、フィラメントの全表面積を露出させるのに十分なほど広げることができ、これによってトウはその後のプロセスステップでさらに効率的に反応することができる。このような開繊は、３ｋのトウで差し渡し約４インチ〜約６インチに近くなりうる。開繊されたトウは、上述したようなプラズマシステムで構成された表面処理ステップを通過することができる。バリアコーティングを施し、粗面化した後、開繊した繊維は次にＣＮＴ形成触媒浸漬槽を通過することができる。その結果、トウの繊維は、その表面に放射状に分布した触媒粒子を有する。次に、トウの触媒担持繊維は、上述した最適形状のチャンバのような適切なＣＮＴ成長チャンバに入り、ここで大気圧ＣＶＤ又はＰＥ−ＣＶＤプロセスを通過させることにより、毎秒数ミクロンという速い速度でＣＮＳを合成する。トウの繊維は、ＣＮＳの形態で放射状に配向されたＣＮＴを備えた状態で、ＣＮＴ成長反応器を出る。

幾つかの実施形態では、ＣＮＳ担持繊維材料は、分離する前にさらに別の処理プロセスを通過することができ、これは幾つかの実施形態では、ＣＮＳを機能化するために使用するプラズマプロセスである。ＣＮＳの追加的機能化を使用して、特定の樹脂に対する付着を促進することができる。このように、幾つかの実施形態では、プロセスは、機能化したＣＮＳを有するＣＮＳ担持繊維材料を提供することができる。ＣＮＳがまだ繊維上にある間にこの機能化プロセスを完了することにより、処理の均一性を改善することができる。

幾つかの実施形態では、スプール可能な繊維材料上でＣＮＳを成長させる連続プロセスは、約０．５フィート／分〜約３６フィート／分のライン速度を達成することができる。ＣＮＴ成長チャンバが長さ３フィートで、７５０℃の成長温度で動作するこの実施形態では、例えば約１ミクロン〜約１０ミクロンの長さを有するＣＮＴを生成するために、約６フィート／分〜約３６フィート／分のライン速度でプロセスを実施することができる。プロセスは、例えば約１０ミクロン〜約１００ミクロンの長さを有するＣＮＴを生成するために、約１フィート／分〜約６フィート／分のライン速度で実施することもできる。プロセスは、例えば約１００ミクロン〜約２００ミクロンの長さを有するＣＮＴを生成するために、約０．５フィート／分〜約１フィート／分のライン速度で実施することができる。ＣＮＴの長さは、ライン速度及び成長温度にのみ関連付けられるのではなく、炭素原料と不活性キャリアガスの両方の流量もＣＮＴの長さに影響を及ぼすことがある。例えば、不活性ガス中に１％未満の炭素原料で構成された流量の場合、高いライン速度（６フィート／分〜３６フィート／分）で１ミクロン〜約５ミクロンの長さを有するＣＮＴが得られる。不活性ガス中に１％超の炭素原料で構成された流量の場合、高いライン速度（６フィート／分〜３６フィート／分）で５ミクロン〜約１０ミクロンの長さを有するＣＮＴが得られる。

幾つかの実施形態では、複数の材料を同時にプロセスに通すことができる。例えば、複数のテープ、トウ、フィラメント、ストランドなどを並列でプロセスに通すことができる。このように、任意の数の予め作製したスプールの繊維材料を並列でプロセスに通し、プロセスの最後で再度スプールに巻き取ることができる。並列で通ることができるスプール可能な遷移材料の数は、１、２、３、４、５、６、又はＣＮＴ成長反応チャンバの幅で対応することができる任意の数まで含むことができる。さらに、複数の繊維材料をプロセスに通す場合、収集スプールの数は、プロセスの開始時におけるスプールの数より少なくすることができる。このような実施形態では、ストランド、トウなどを、さらなるプロセスに送り、このような繊維材料を組み合わせて、織物などのようなさらに高次の繊維材料にすることができる。連続プロセスは、例えばＣＮＳ担持の細断繊維マットの形成を容易にする後処理の細断機（chopper）も組み込むことができる。

連続処理は、任意選択的にさらなるＣＮＳの化学処理を含むことができる。ＣＮＳは複数のＣＮＴのポリマーネットワークであるので、個々に分離したＣＮＴに関連する化学処理はすべてＣＮＳ材料で実行することができる。このような化学処理は、ＣＮＳの調製と直列で、又は別個に実行することができる。幾つかの実施形態では、ＣＮＳはまだ基体に結合している間に改質することができる。これにより、ＣＮＳ材料の精製を容易化することができる。他の実施形態では、ＣＮＳを合成するベースとなる基体から取り出した後に、ＣＮＳの化学処理を実行することができる。例示的化学処理には、フッ化、酸化、還元などに加えて、本明細書で上述した化学処理が含まれる。幾つかの実施形態では、ＣＮＳ材料を使用して水素を保存することができる。幾つかの実施形態では、ＣＮＳ構造体は、別のポリマー構造を付着させて改質し、ジブロックポリマーを形成することができる。幾つかの実施形態では、ＣＮＳ構造体を、生体分子を付着させるプラットフォームとして使用することができる。幾つかの実施形態では、ＣＮＳ構造体は、センサとして使用するように構成することができる。幾つかの実施形態では、ＣＮＳ構造体を、複合体材料を形成するマトリックス材料に組み込むことができる。幾つかの実施形態では、ＣＮＳ構造体は、ＣＮＴを分解してグラフェンのナノリボンを形成することが知られている試薬で改質することができる。無数の他の化学処理及び下流の用途が、当業者には認識される。

幾つかの実施形態では、上記プロセスによって第１の量の第１のタイプのＣＮＳを繊維材料上で合成することができ、ここで第１のタイプのＣＮＳは、繊維材料の少なくとも１つの第１の特性を変更するように選択されるＣＮＴを含む。その後、上記プロセスによって、第２の量の第２のタイプのＣＮＳを繊維材料上で合成することができ、ここで第２のタイプのＣＮＳは、繊維材料の少なくとも１つの第２の特性を変更するように選択されるカーボンナノチューブを含有する。

幾つかの実施形態では、ＣＮＴの第１の量と第２の量とは異なる。この場合、ＣＮＴのタイプの変化を伴うか、又は伴わないことがある。このように、ＣＮＴのタイプを変化させなくても、ＣＮＳの密度を変化させて、元の繊維材料の特性を変更することができる。ＣＮＴのタイプには、例えばＣＮＴの長さ及び壁の数が含まれる。幾つかの実施形態では、第１の量と第２の量とは同じである。繊維材料の２つの異なる範囲において特性が異なることが望ましい場合は、ＣＮＴの長さのようなＣＮＴのタイプを変更することができる。例えば、電気的／熱的用途では、比較的長いＣＮＴが有用なことがあり、機械的強化の用途では比較的短いＣＮＴが有用なことがある。

導電性又は導電率は、材料が電流を通す能力の尺度である。ＣＮＴのキラリティ（掌性）に関連する捻りの程度（degree of twist）のような特定の構造的パラメータを有するＣＮＴは、導電性が高いことがあり、したがって金属的特性を示す。ＣＮＴのキラリティに関して認識された命名体系が形式化されており、当業者に認識されている。これによると、例えばＣＮＴは２つの指数（ｎ，ｍ）で相互に区別され、ここでｎ及びｍは、円筒形の表面に巻き付けて縁部を相互に密封した場合に管を作成するように、六角形のグラファイトの切断と巻き方を示す整数である。２つの指数が同じである、すなわち、ｍ＝ｎである場合、その結果となる管は、「アームチェア」（又はｎ，ｎ）タイプであると言われる。何故なら、管をＣＮＴの軸に直角に切断すると、六角形の側部のみが露出し、管の縁部の周囲のパターンがアームに似て、アームチェアの座部がｎ回繰り返されるからである。アームチェアＣＮＴ、特にＳＷＮＴは金属性を示し、極めて高い導電性及び伝熱性を有する。また、このようなＳＷＮＴは極めて高い引っ張り強度を有する。

捻れの程度に加えて、ＣＮＴの直径も導電性に影響を及ぼす。上述したように、ＣＮＴの直径は、制御されたサイズのＣＮＴ形成触媒ナノ粒子を使用することによって制御することができる。ＣＮＴは、半導体材料として形成することもできる。多層ＣＮＴ（ＭＷＮＴ）の導電性は、これより複雑になることがある。ＭＷＮＴの層間反応により、個別の管に電流が不均一に再配分される場合があるからである。これとは対照的に、金属性の単層ナノチューブ（ＳＷＮＴ）では部分による電流の変化がない。カーボンナノチューブは、ダイヤモンド結晶及び平面内グラファイトシートに匹敵する非常に高い伝熱性も有する。ＣＮＴのこれらの特徴的な特性は、いずれもＣＮＳで発現しうる。幾つかの実施形態では、ＣＮＳを組み込んでいる材料でＣＮＳは、個々に分離したＣＮＴよりも高度の特性向上の実現を容易化することができる。

開示した実施形態について本発明を説明してきたが、これは本発明の例証にすぎないことが当業者には容易に認識される。本発明の精神から逸脱することなく、様々な修正ができることを理解されたい。本発明は、上述されていないが本発明の精神及び範囲にふさわしい任意の数の変形、変更、置換又は同様と配置構成を組み込むように修正することができる。また、本発明の様々な実施形態を説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の幾つかしか含まなくてもよいことが理解される。したがって、本発明は以上の説明によって限定されないものとする。

Claims (39)

1. 約１ミクロン以下の有効な孔サイズを有し、物質が通過する蛇行経路を提供する分離体を含む分離膜であって、ここで、前記分離体はカーボンナノ構造体を含み、
   各カーボンナノ構造体が、分岐し、架橋結合し、相互に共通の壁を共有する複数のカーボンナノチューブを含むものである、分離膜。
2. 各カーボンナノ構造体内の前記カーボンナノチューブの少なくとも一部が相互に実質的に平行に配向している、請求項１に記載の分離膜。
3. 前記カーボンナノ構造体が付着した成長基体を有さない、請求項１に記載の分離膜。
4. 前記カーボンナノ構造体がカーボンナノ構造体フレーク材料の形態である、請求項３に記載の分離膜。
5. 前記分離体が前記カーボンナノ構造体フレーク材料の１つ又は複数の層を含む、請求項３に記載の分離膜。
6. 前記分離体内の前記カーボンナノ構造体の少なくとも一部が相互に共有結合している、請求項１に記載の分離膜。
7. 前記分離体内の前記カーボンナノ構造体の少なくとも一部が機能化されている、請求項１に記載の分離膜。
8. 前記分離体が少なくとも約１ミクロンと約１００ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有する、請求項１に記載の分離膜。
9. 前記分離体が少なくとも約１００ｎｍと約１０ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有する、請求項１に記載の分離膜。
10. 前記分離体が少なくとも約１０ｎｍと約５ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有する、請求項１に記載の分離膜。
11. 前記分離体が少なくとも約５ｎｍと約１ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有する、請求項１に記載の分離膜。
12. 前記分離体が、相互に直接接触し、意図された流体の流れの方向に有効な孔サイズが漸進的に減少するように直列に構成された複数のカーボンナノ構造体層を含む、請求項１に記載の分離膜。
13. 前記分離体が、約１ミクロンと約１００ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有する第１のカーボンナノ構造体層と、約１００ｎｍと約１０ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有する第２のカーボンナノ構造体層と、約１０ｎｍと約５ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有する第３のカーボンナノ構造体層とを含む、請求項１２に記載の分離膜。
14. 前記分離体が、約５ｎｍと約１ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有する第４のカーボンナノ構造体層をさらに含む、請求項１３に記載の分離膜。
15. 前記分離体の少なくとも一部に電流を加えるように構成された電気接続をさらに含む、請求項１に記載の分離膜。
16. 前記分離体が前記カーボンナノ構造体の少なくとも一部内に添加剤をさらに含み、前記添加剤が前記カーボンナノ構造体内の前記有効な孔サイズを決定するように選択される、請求項１に記載の分離膜。
17. 前記添加剤が前記カーボンナノ構造体に共有結合している、請求項１６に記載の分離膜。
18. 各カーボンナノ構造体内の前記カーボンナノチューブが、成長基体上に前記カーボンナノ構造体を形成する間に分岐し、架橋結合し、相互に共通の壁を共有するように形成されている、請求項１に記載の分離膜。
19. 分離体を含む少なくとも１つの分離膜を含む分離システムであって、
    、前記分離体が、約１ミクロン以下の有効な孔サイズを有して、物質が通過する蛇行経路を提供し、前記分離体がカーボンナノ構造体を含み、各カーボンナノ構造体が、分岐し、架橋結合し、相互に共通の壁を共有する複数のカーボンナノチューブを含むものである、分離システム。
20. 各カーボンナノ構造体内の前記カーボンナノチューブの少なくとも一部が相互に実質的に平行に配向されている、請求項１９に記載の分離システム。
21. 前記少なくとも１つの分離膜が、約１ミクロンと約１００ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有する少なくとも１つの分離体を含む、請求項１９に記載の分離システム。
22. 前記少なくとも１つの分離膜が、約１００ｎｍと約１０ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有する少なくとも１つの分離体を含む、請求項１９に記載の分離システム。
23. 前記少なくとも１つの分離膜が、約１０ｎｍと約５ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有する少なくとも１つの分離体を含む、請求項１９に記載の分離システム。
24. 前記少なくとも１つの分離膜が、約５ｎｍと約１ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有する少なくとも１つの分離体を含む、請求項１９に記載の分離システム。
25. 前記分離体が、相互に直接接触し、意図された流体の流れの方向に有効な孔サイズが漸進的に減少するように直列に構成された複数のカーボンナノ構造体層を含む、請求項１９に記載の分離システム。
26. 前記分離体が、約１ミクロンと約１００ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有する第１のカーボンナノ構造体層と、約１００ｎｍと約１０ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有する第２のカーボンナノ構造体層と、約１０ｎｍと約５ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有する第３のカーボンナノ構造体層とを含む、請求項２５に記載の分離システム。
27. 前記分離体が、約５ｎｍと約１ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有する第４のカーボンナノ構造体層をさらに含む、請求項２６に記載の分離システム。
28. 前記少なくとも１つの分離膜が、互いに隔置され、意図された流体の流れの方向に有効な孔サイズが漸進的に減少するように直列に構成された複数のカーボンナノ構造体層を含む、請求項１９に記載の分離システム。
29. 前記少なくとも１つの分離膜が、
    約１ミクロンと約１００ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有する第１のカーボンナノ構造体層を含む第１の分離膜と、
    約１００ｎｍと約１０ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有する第２のカーボンナノ構造体層を含む第２の分離膜と、
    約１０ｎｍと約５ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有する第３のカーボンナノ構造体層を含む第３の分離膜と
    を含む、請求項２８に記載の分離システム。
30. 前記少なくとも１つの分離膜が、
    約５ｎｍと約１ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有する第４のカーボンナノ構造体層を含む第４の分離膜をさらに含む、請求項２９に記載の分離システム。
31. 前記分離体が、前記カーボンナノ構造体の少なくとも一部内に添加剤をさらに含み、前記添加剤が、前記カーボンナノ構造体内の前記有効な孔サイズを決定するように選択されている、請求項１９に記載の分離システム。
32. 前記分離体の少なくとも一部に電流を加えるように構成された電気接続をさらに含む、請求項１９に記載の分離システム。
33. 約１ミクロン以下の有効な孔サイズを有し、物質が通過する蛇行経路を提供する分離体を含む少なくとも１つの分離膜を提供することと、ここで、前記分離体はカーボンナノ構造体を含み、各カーボンナノ構造体が、分岐し、架橋結合し、相互に共通の壁を共有する複数のカーボンナノチューブを含むものであり、
    微粒子物質を含有する流体相を前記少なくとも１つの分離膜に通すことと、
    前記少なくとも１つの分離膜の少なくとも一部により前記微粒子物質の少なくとも一部を捕捉することと、
    前記少なくとも１つの分離膜から減少した量の微粒子物質を有する前記流体相を流出させることと
    を含む方法。
34. 前記微粒子物質の少なくとも一部をそこから除去するために、前記少なくとも１つの分離膜をバックフラッシュすることをさらに含む、請求項３３に記載の方法。
35. 前記微粒子物質の少なくとも一部をそこから除去するために、前記少なくとも１つの分離膜を化学処理することをさらに含む、請求項３３に記載の方法。
36. 前記微粒子物質の少なくとも一部をそこから除去するために、前記少なくとも１つの分離膜の少なくとも一部に電流を加えることをさらに含む、請求項３３に記載の方法。
37. 前記分離体が、相互に直接接触し、意図された流れの方向に有効な孔サイズが漸進的に減少するように直列に構成された複数のカーボンナノ構造体層を含む、請求項３３に記載の方法。
38. 前記分離体が、約１ミクロンと約１００ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有する第１のカーボンナノ構造体層と、約１００ｎｍと約１０ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有する第２のカーボンナノ構造体層と、約１０ｎｍと約５ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有する第３のカーボンナノ構造体層とを含む、請求項３７に記載の方法。
39. 前記分離体が、約５ｎｍと約１ｎｍの間の範囲にある有効な孔サイズを有する第４のカーボンナノ構造体層をさらに含む、請求項３８に記載の方法。