BR112015007053B1 - ELECTRICALLY CONDUCTIVE COATING COMPOSITION, ELECTRICALLY CONDUCTIVE COATING AND METHOD FOR MAKING AN ELECTRICALLY CONDUCTIVE COATING COMPOSITION - Google Patents
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Abstract
composição de revestimento eletricamente condutiva, revestimento eletricamente condutivo e método para fazer uma composição de revestimento eletricamente condutiva. as composições de revestimento contendo partículas de carbono de grafeno são reveladas. as partículas de carbono de grafeno podem ser termicamente produzidas e dispersadas em revestimentos termorrígidos e/ou revestimentos de filme polimérico termorrígido. os revestimentos curados exibem propriedades desejadas, tais como, condutividade elétrica aumentada.electrically conductive coating composition, electrically conductive coating and method for making an electrically conductive coating composition. coating compositions containing graphene carbon particles are disclosed. graphene carbon particles can be thermally produced and dispersed in thermoset coatings and/or thermoset polymer film coatings. the cured coatings exhibit desired properties such as increased electrical conductivity.
Description
[0001] A presente invenção refere-se aos revestimentos eletricamente condutivos contendo partículas de carbono de grafeno.[0001] The present invention relates to electrically conductive coatings containing graphene carbon particles.
[0002] Muitos tipos diferentes de revestimentos são submetidos a ambientes onde a condutividade elétrica é desejada. Por exemplo, as propriedades melhoradas de condutividade podem ser vantajosas para diversos tipos de revestimentos claros, revestimentos coloridos, revestimentos de primer, revestimentos dissipativos estáticos e eletrônicos impressos, baterias, capacitores, traços elétricos, antenas, revestimentos de aquecimento elétrico e semelhantes.[0002] Many different types of coatings are subjected to environments where electrical conductivity is desired. For example, the improved conductivity properties can be advantageous for many types of clear coatings, color coatings, primer coatings, static dissipative coatings and printed electronics, batteries, capacitors, electrical traces, antennas, electrical heating coatings, and the like.
[0003] Um aspecto da invenção fornece uma composição de revestimento eletricamente condutivo compreendendo uma resina de formação de filme e partículas de carbono de grafeno termicamente produzidas. Quando a composição de revestimento é curada, ela tem uma condutividade elétrica superior a uma condutividade elétrica da mesma composição de revestimento sem as partículas de carbono de grafeno termicamente produzidas.[0003] One aspect of the invention provides an electrically conductive coating composition comprising a film-forming resin and thermally produced graphene carbon particles. When the coating composition is cured, it has an electrical conductivity greater than an electrical conductivity of the same coating composition without the thermally produced graphene carbon particles.
[0004] Outro aspecto da invenção fornece um revestimento eletricamente condutivo compreendendo um filme de resina polimérica e partículas de carbono de grafeno termicamente produzidas dispersadas no filme de resina polimérica.[0004] Another aspect of the invention provides an electrically conductive coating comprising a polymeric resin film and thermally produced graphene carbon particles dispersed in the polymeric resin film.
[0005] Um aspecto adicional da invenção fornece um método de realizar uma composição de revestimento eletricamente condutiva compreendendo misturar as partículas de carbono de grafeno termicamente produzidas com uma resina de formação de filme.[0005] A further aspect of the invention provides a method of realizing an electrically conductive coating composition comprising mixing the thermally produced graphene carbon particles with a film-forming resin.
[0006] A Figura 1 é um gráfico ilustrando as propriedades de condutividade elétrica de diversos revestimentos contendo partículas de carbono de grafeno termicamente produzidas em conformidade com as realizações da presente invenção em comparação aos revestimentos contendo outros tipos de partículas comerciais de grafeno; e[0006] Figure 1 is a graph illustrating the electrical conductivity properties of various coatings containing graphene carbon particles thermally produced in accordance with the embodiments of the present invention compared to coatings containing other types of commercial graphene particles; and
[0007] A Figura 2 é um gráfico ilustrando as propriedades de condutividade elétrica de diversos revestimentos contendo um tipo de partículas de carbono de grafeno comercialmente disponíveis em combinação com as partículas de carbono de grafeno termicamente produzidas da presente invenção ou outros tipos de partículas de carbono de grafeno comercialmente disponíveis.[0007] Figure 2 is a graph illustrating the electrical conductivity properties of various coatings containing one type of commercially available graphene carbon particles in combination with the thermally produced graphene carbon particles of the present invention or other types of carbon particles of commercially available graphene.
[0008] Em conformidade com as realizações da presente invenção, as partículas de carbono de grafeno são adicionadas às composições de revestimento para fornecer as propriedades desejáveis, tal como, condutividade elétrica aumentada. Conforme aqui usado, o termo “eletricamente condutivo”, quando referente a um revestimento contendo partículas de carbono de grafeno, significa que o revestimento tem uma condutividade elétrica de pelo menos 0,001 S/m. Por exemplo, o revestimento pode ter uma condutividade de pelo menos 0,01, ou pelo menos 10 S/m. Tipicamente, a condutividade pode ser a partir de 100 até 100.000 S/m ou superior. Em determinadas realizações, a condutividade pode ser pelo menos 1.000 S/m ou pelo menos 10.000 S/m. Por exemplo, a condutividade pode ser pelo menos 20.000 S/m, ou pelo menos 30.000 S/m, ou pelo menos 40.000 S/m.[0008] In accordance with the embodiments of the present invention, graphene carbon particles are added to coating compositions to provide desirable properties such as increased electrical conductivity. As used herein, the term "electrically conductive" when referring to a coating containing graphene carbon particles means that the coating has an electrical conductivity of at least 0.001 S/m. For example, the coating can have a conductivity of at least 0.01, or at least 10 S/m. Typically, the conductivity can be from 100 to 100,000 S/m or higher. In certain embodiments, the conductivity can be at least 1,000 S/m or at least 10,000 S/m. For example, the conductivity can be at least 20,000 S/m, or at least 30,000 S/m, or at least 40,000 S/m.
[0009] Em conformidade com determinadas realizações, os revestimentos não exibem condutividade elétrica significativa na ausência da adição de partículas de carbono de grafeno. Por exemplo, uma camada incolor de retoque convencional pode ter uma condutividade que não é mensurável, enquanto os revestimentos da presente invenção incluindo as partículas de carbono de grafeno podem exibir as condutividades conforme acima observado. Em determinadas realizações, a adição das partículas de carbono de grafeno aumenta a condutividade dos revestimentos em mais do que um fator de 10, tipicamente superior a um fator de 1.000 ou 100.000 ou superior.[0009] In accordance with certain embodiments, coatings do not exhibit significant electrical conductivity in the absence of the addition of graphene carbon particles. For example, a conventional touch-up colorless layer may have conductivity that is not measurable, while coatings of the present invention including graphene carbon particles may exhibit conductivities as noted above. In certain embodiments, the addition of graphene carbon particles increases the conductivity of coatings by more than a factor of 10, typically greater than a factor of 1,000 or 100,000 or greater.
[0010] Em determinadas realizações, as partículas de carbono de grafeno podem ser adicionadas às resinas de formação de filme nas quantias a partir de 0,1 até 95 por cento de peso com base nos sólidos totais de revestimento. Por exemplo, as partículas de carbono de grafeno podem compreender a partir de 1 até 90 por cento de peso, ou a partir de 5 até 85 por cento de peso. Em determinadas realizações, a quantia das partículas de carbono de grafeno contida nos revestimentos pode ser relativamente grande, tal como, a partir de 40 ou 50 por cento de peso até 90 ou 95 por cento de peso. Por exemplo, as partículas de carbono de grafeno podem compreender a partir de 60 até 85 por cento de peso, ou a partir de 70 até 80 por cento de peso. Em determinadas realizações, as propriedades de condutividade dos revestimentos podem ser significativamente aumentadas com adições relativamente menores das partículas de carbono de grafeno, por exemplo, menos do que 50 por cento de peso, ou menos do que 30 por cento de peso. Em determinadas realizações, os presentes revestimentos têm condutividades elétricas suficientemente altas em carregamentos relativamente baixos das partículas de carbono de grafeno. Por exemplo, as condutividades elétricas acima anotadas podem ser atingidas nos carregamentos de partícula de carbono de grafeno de menos do que 20 ou 15 por cento de peso. Em determinadas realizações, os carregamentos de partícula podem ser menos do que 10 ou 8 por cento de peso, ou menos do que 6 ou 5 por cento de peso. Por exemplo, para os revestimentos compreendendo polímeros de formação de filme ou resinas que, por si só, não são condutivos, a adição a partir de 3 até 5 por cento de peso das partículas de carbono de grafeno termicamente produzidas pode fornecer uma condutividade elétrica de pelo menos 0,1 S/m, p.ex., ou pelo menos 10 S/m.[0010] In certain embodiments, graphene carbon particles can be added to film-forming resins in amounts from 0.1 to 95 weight percent based on total coating solids. For example, graphene carbon particles can comprise from 1 to 90 percent by weight, or from 5 to 85 percent by weight. In certain embodiments, the amount of graphene carbon particles contained in the coatings can be relatively large, such as from 40 or 50 weight percent to 90 or 95 weight percent. For example, graphene carbon particles can comprise from 60 to 85 percent by weight, or from 70 to 80 percent by weight. In certain embodiments, the conductivity properties of coatings can be significantly increased with relatively minor additions of graphene carbon particles, for example, less than 50 weight percent, or less than 30 weight percent. In certain embodiments, the present coatings have sufficiently high electrical conductivities at relatively low loadings of the graphene carbon particles. For example, the electrical conductivities noted above can be achieved in graphene carbon particle loadings of less than 20 or 15 percent by weight. In certain embodiments, particle loadings can be less than 10 or 8 percent by weight, or less than 6 or 5 percent by weight. For example, for coatings comprising film-forming polymers or resins which, by themselves, are not conductive, the addition of from 3 to 5 weight percent of the thermally produced graphene carbon particles can provide an electrical conductivity of at least 0.1 S/m, e.g., or at least 10 S/m.
[0011] As composições de revestimento podem compreender qualquer de uma variedade de composições termoplásticas e/ou termorrígidas conhecidas na técnica. Por exemplo, as composições de revestimento podem compreender as resinas de formação de filme selecionadas a partir de resinas de epóxi, polímeros acrílicos, polímeros de poliéster, polímeros de poliuretano, polímeros de poliamida, polímeros de poliéter, polímeros de epóxi com base em bisfenol A, polímeros de polisiloxano, estirenos, etilenos, butilenos, seus copolímeros, e suas misturas. De modo geral, esses polímeros podem ser quaisquer polímeros desses tipos feitos por qualquer método conhecido por aquele com habilidade na técnica. Tais polímeros podem ser transportados por solvente, solúveis em água ou dispersíveis em água, emulsificáveis ou de solubilidade limitada em água. Além do mais, os polímeros podem ser fornecidos em sistemas de sol-gel, podem ser fornecidos em sistemas de polímero de core-shell ou podem ser fornecidos em forma de pó. Em determinadas realizações, os polímeros são dispersões em uma fase contínua compreendendo água e/ou solvente orgânico, por exemplo, polímeros de emulsão ou dispersões não aquosas.[0011] The coating compositions may comprise any of a variety of thermoplastic and/or thermoset compositions known in the art. For example, coating compositions can comprise film-forming resins selected from epoxy resins, acrylic polymers, polyester polymers, polyurethane polymers, polyamide polymers, polyether polymers, bisphenol A-based epoxy polymers , polysiloxane polymers, styrenes, ethylenes, butylenes, their copolymers, and mixtures thereof. Generally speaking, such polymers can be any such polymer made by any method known to one of skill in the art. Such polymers can be solvent-borne, water-soluble or water-dispersible, emulsifiable or of limited water solubility. Furthermore, polymers can be supplied in sol-gel systems, can be supplied in core-shell polymer systems, or can be supplied in powder form. In certain embodiments, the polymers are dispersions in a continuous phase comprising water and/or organic solvent, for example, emulsion polymers or non-aqueous dispersions.
[0012] As composições termorrígidas ou curáveis de revestimento tipicamente compreendem os polímeros de formação de filme ou resinas tendo grupos funcionais que são reativos com eles mesmos ou um agente de ligação cruzada. Os grupos funcionais na resina de formação de filme podem ser selecionados a partir de qualquer de uma variedade de grupos funcionais reativos, incluindo, por exemplo, grupos de ácido carboxílico, grupos de amina, grupos de epóxido, grupos de hidroxil, grupos de tiol, grupos de carbamato, grupos de amida, grupos de ureia, grupos de isocianato (incluindo grupos bloqueados de isocianato e tris- alquilcarbamoiltriazina) grupos de mercaptana, grupos estirênicos, grupos de anidrido, acrilatos de acetoacetato, uretidiona e suas combinações.[0012] Thermoset or curable coating compositions typically comprise film-forming polymers or resins having functional groups that are reactive with themselves or a cross-linking agent. The functional groups on the film-forming resin can be selected from any of a variety of reactive functional groups, including, for example, carboxylic acid groups, amine groups, epoxide groups, hydroxyl groups, thiol groups, carbamate groups, amide groups, urea groups, isocyanate groups (including isocyanate and tris-alkylcarbamoyltriazine blocked groups) mercaptan groups, styrenic groups, anhydride groups, acetoacetate acrylates, uretidione and combinations thereof.
[0013] As composições termorrígidas de revestimento tipicamente compreende um agente de ligação cruzada que pode ser selecionado a partir de, por exemplo, aminoplásticos, poli-isocianatos incluindo isocianatos bloqueados, poliepóxidos, beta-hidroxialquilamidas, poliácidos, anidridos, materiais funcionais de ácido organometálico, poliaminas, poliamidas e misturas de quaisquer dos acima. Os poli-isocianatos adequados incluem os isocianatos multifuncionais. Os exemplos de poli-isocianatos multifuncionais incluem os di-isocianatos alifáticos como hexametileno di-isocianato e isoforona di-isocianato e di- isocianatos aromáticos, como tolueno di-isocianato e 4,4'- difenilmetano di-isocianato. Os poli-isocianatos podem ser bloqueados ou não bloqueados. Os exemplos de outros poli- isocianatos adequados incluem trímeros de isocianurato, alofanatos e uretdionas de di-isocianatos. Os exemplos de poli-isocianatos comercialmente disponíveis incluem DESMODUR N3390, que é vendido pela Bayer Corporation, e TOLONATE HDT90, que é vendido pela Rhodia Inc. Os aminoplásticos adequados incluem os condensados de aminas e ou amidas com aldeído. Por exemplo, o condensado de melamina com formaldeído é um aminoplástico adequado. Os aminoplásticos adequados são bem conhecidos na técnica. Um aminoplástico adequado é revelado, por exemplo, na Pat. dos EUA N° 6.316.119 na coluna 5, linhas 45-55, aqui incorporada por referência. Em determinadas realizações, a resina pode ser auto-ligada cruzada. Auto-ligada cruzada significa que a resina contém os grupos funcionais que são capazes de reagir com eles mesmos, tais como, grupos de alcoxisilano, ou que o produto de reação contém os grupos funcionais que são co- reativos, por exemplo, os grupos de hidroxil e grupos bloqueados de isocianato.[0013] Thermoset coating compositions typically comprise a cross-linking agent which can be selected from, for example, aminoplastics, polyisocyanates including blocked isocyanates, polyepoxides, beta-hydroxyalkylamides, polyacids, anhydrides, organometallic acid functional materials , polyamines, polyamides and mixtures of any of the above. Suitable polyisocyanates include multifunctional isocyanates. Examples of multifunctional polyisocyanates include aliphatic diisocyanates like hexamethylene diisocyanate and isophorone diisocyanate and aromatic diisocyanates like toluene diisocyanate and 4,4'-diphenylmethane diisocyanate. Polyisocyanates can be blocked or unblocked. Examples of other suitable polyisocyanates include isocyanurate trimers, allophanates and diisocyanate uretdiones. Examples of commercially available polyisocyanates include DESMODUR N3390, which is sold by Bayer Corporation, and TOLONATE HDT90, which is sold by Rhodia Inc. Suitable aminoplastics include condensates of amines and/or amides with aldehyde. For example, melamine condensate with formaldehyde is a suitable aminoplastic. Suitable aminoplasts are well known in the art. A suitable aminoplast is disclosed, for example, in U.S. Pat. No. 6,316,119 at column 5, lines 45-55, incorporated herein by reference. In certain embodiments, the resin can be self cross-linked. Self cross-linking means that the resin contains functional groups that are capable of reacting with themselves, such as alkoxysilane groups, or that the reaction product contains functional groups that are coreactive, for example, alkoxysilane groups. hydroxyl and isocyanate blocked groups.
[0014] A espessura de filme seco dos revestimentos curados pode tipicamente variar a partir de menos do que 0,5 mícrons até 100 mícrons ou mais, por exemplo, a partir de 1 até 50 mícrons. Como um exemplo particular, a espessura de revestimento curado pode variar a partir de 1 até 15 mícrons.[0014] The dry film thickness of cured coatings can typically range from less than 0.5 microns to 100 microns or more, for example from 1 to 50 microns. As a particular example, the cured coating thickness can range from 1 to 15 microns.
[0015] Em conformidade com determinadas realizações, quando as composições de revestimento são curadas, os revestimentos resultantes compreendem uma matriz contínua da resina curada com as partículas de carbono de grafeno lá dispersadas. As partículas de carbono de grafeno podem ser dispersas uniformemente por toda a espessura do revestimento. Alternativamente, as partículas de carbono de grafeno podem ser distribuídas não uniformemente, p.ex., com uma gradiente de distribuição de partícula através da espessura do revestimento e/ou através do revestimento.[0015] In accordance with certain embodiments, when the coating compositions are cured, the resulting coatings comprise a continuous matrix of the cured resin with the graphene carbon particles dispersed therein. Graphene carbon particles can be evenly dispersed throughout the thickness of the coating. Alternatively, the graphene carbon particles may be non-uniformly distributed, e.g., with a particle distribution gradient across the coating thickness and/or across the coating.
[0016] Conforme aqui usado, o termo “partículas de carbono de grafeno” significa as partículas de carbono tendo as estruturas compreendendo uma ou mais camadas de folhas planares de espessura de um átomo de átomos de carbono ligados por sp2 que são densamente embaladas em uma treliça de cristal de favo de mel. O número médio de camadas empilhadas pode ser menos do que 100, por exemplo, menos do que 50. Em determinadas realizações, o número médio de camadas empilhadas é 30 ou menos, tal como, 20 ou menos, 10 ou menos, ou, em alguns casos, 5 ou menos. As partículas de carbono de grafeno podem ser substancialmente planas, entretanto, pelo menos uma porção das folhas planares pode ser substancialmente curvada, enrolada, enrugada ou entortada. As partículas tipicamente não têm uma morfologia esferoidal ou equiaxial.[0016] As used herein, the term "graphene carbon particles" means carbon particles having structures comprising one or more layers of one atom thick planar sheets of sp2-bonded carbon atoms that are densely packed in a honeycomb crystal lattice. The average number of stacked layers can be less than 100, for example, less than 50. In certain embodiments, the average number of stacked layers is 30 or less, such as 20 or less, 10 or less, or, in some cases 5 or less. The graphene carbon particles may be substantially flat, however, at least a portion of the planar sheets may be substantially curved, curled, wrinkled, or warped. Particles typically do not have a spheroidal or equiaxed morphology.
[0017] Em determinadas realizações, as partículas de carbono de grafeno presentes nas composições de revestimento da presente invenção têm uma espessura, medida em uma direção perpendicular às camadas de átomo de carbono, de não mais do que 10 nanômetros, não mais do que 5 nanômetros, ou, em determinadas realizações, não mais do que 4 ou 3 ou 2 ou 1 nanômetro, tal como, não mais do que 3,6 nanômetros. Em determinadas realizações, as partículas de carbono de grafeno pode ser a partir de 1 camada de átomo até 3, 6, 9, 12, 20 ou 30 camada de átomos de espessura, ou mais. Em determinadas realizações, as partículas de carbono de grafeno presentes nas composições da presente invenção têm os tamanhos médios de partícula, i.e., larguras e comprimentos, medidos em uma direção paralela às camadas de átomos de carbono, de pelo menos 10 ou 30 nanômetros, tal como, mais do que 50 nanômetros, em alguns casos, mais do que 100 nanômetros até 1.000 nanômetros. Por exemplo, o tamanho médio de partícula das partículas de carbono de grafeno pode ser a partir de 200 até 800 nm, ou a partir de 250 até 750 nm. As partículas de carbono de grafeno podem ser fornecidas na forma de flocos ultrafinos, plaquetas ou folhas tendo razões de aspecto de média relativamente altas (razão de aspecto sendo definida como a razão da dimensão mais longa de uma partícula até a dimensão mais curta da partícula) maior do que 3:1, tal como, maior do que 10:1 até 2000:1. Por exemplo, as razões de aspecto podem ser superiores do que 15:1, ou superiores do que 25:1 ou superiores do que 100:1 ou superiores do que 500:1.[0017] In certain embodiments, the graphene carbon particles present in the coating compositions of the present invention have a thickness, measured in a direction perpendicular to the carbon atom layers, of no more than 10 nanometers, no more than 5 nanometers, or, in certain embodiments, no more than 4 or 3 or 2 or 1 nanometer, such as no more than 3.6 nanometers. In certain embodiments, graphene carbon particles can be from 1 atom layer up to 3, 6, 9, 12, 20, or 30 atom layer thickness, or more. In certain embodiments, the graphene carbon particles present in the compositions of the present invention have average particle sizes, ie, widths and lengths, measured in a direction parallel to the carbon atom layers, of at least 10 or 30 nanometers, such as like, more than 50 nanometers, in some cases more than 100 nanometers up to 1000 nanometers. For example, the average particle size of graphene carbon particles can be from 200 to 800 nm, or from 250 to 750 nm. Graphene carbon particles can be supplied in the form of ultra-thin flakes, platelets or sheets having relatively high average aspect ratios (aspect ratio being defined as the ratio of the longest dimension of a particle to the shortest dimension of the particle) greater than 3:1 such as greater than 10:1 to 2000:1. For example, aspect ratios can be greater than 15:1, or greater than 25:1, or greater than 100:1 or greater than 500:1.
[0018] Em determinadas realizações, as partículas de carbono de grafeno usadas nas composições de revestimento da presente invenção têm conteúdo de oxigênio relativamente baixo. Por exemplo, as partículas de carbono de grafeno usadas em determinadas realizações das composições da presente invenção podem, mesmo quando tendo uma espessura de não mais do que 5 ou não mais do que 2 nanômetros, têm um conteúdo de oxigênio de não mais do que 2 por cento de peso atômico, tal como, não mais do que 1,5 ou 1 por cento de peso atômico, ou não mais do que 0,6 de peso atômico, tal como, cerca de 0,5 por cento de peso atômico. O conteúdo de oxigênio das partículas de carbono de grafeno pode ser determinado usando a Espectroscopia de Fotoelétron de Raio X, tal como é descrito em D. R. Dreyer et al., Chem. Soc. Rev. 39, 228- 240 (2010).[0018] In certain embodiments, graphene carbon particles used in the coating compositions of the present invention have relatively low oxygen content. For example, graphene carbon particles used in certain embodiments of the compositions of the present invention may, even when having a thickness of no more than 5 or no more than 2 nanometers, have an oxygen content of no more than 2 percent atomic weight, such as, not more than 1.5 or 1 percent atomic weight, or not more than 0.6 percent atomic weight, such as, about 0.5 percent atomic weight. The oxygen content of graphene carbon particles can be determined using X-Ray Photoelectron Spectroscopy, as described in D.R. Dreyer et al., Chem. Soc. Rev. 39, 228-240 (2010).
[0019] Em determinadas realizações, as partículas de carbono de grafeno usadas nas composições de revestimento da presente invenção têm uma área de superfície específica de B.E.T. de pelo menos 50 metros quadrados por grama, tal como, pelo menos 70 metros quadrados por grama, ou, em alguns casos, pelo menos 100 metros quadrados por gramas. Por exemplo, a área de superfície pode ser a partir de 100 ou 150 até 500 ou 1.000 metros quadrados por grama, ou a partir de 150 até 300 ou 400 metros quadrados por grama. Em determinadas realizações, a área de superfície é menor do que 300 metros quadrados por grama, por exemplo, menor do que 250 metros quadrados por grama. Conforme aqui usado, o termo “área de superfície específica de B.E.T.” refere-se a uma área de superfície específica determinada por adsorção de nitrogênio de acordo com a norma ASTMD 3663-78 com base no método de Brunauer-Emmett-Teller descrito no periódico “The Journal of the American Chemical Society”, 60, 309 (1938).[0019] In certain embodiments, the graphene carbon particles used in the coating compositions of the present invention have a specific surface area of B.E.T. of at least 50 square meters per gram, such as at least 70 square meters per gram, or, in some cases, at least 100 square meters per gram. For example, the surface area can be from 100 or 150 to 500 or 1000 square meters per gram, or from 150 to 300 or 400 square meters per gram. In certain embodiments, the surface area is less than 300 square meters per gram, for example, less than 250 square meters per gram. As used herein, the term "B.E.T. specific surface area." refers to a specific surface area determined by nitrogen adsorption according to ASTMD 3663-78 based on the Brunauer-Emmett-Teller method described in the journal “The Journal of the American Chemical Society”, 60, 309 ( 1938).
[0020] Em determinadas realizações, as partículas de carbono de grafeno usadas nas composições de revestimento da presente invenção têm uma razão de pico de 2D/G de espectroscopia de Raman de pelo menos 1,1, por exemplo, pelo menos 1,2 ou 1,3. Conforme aqui usado, o termo “razão de pico de 2D/G” refere-se à razão da intensidade do pico de 2D em 2692 cm-1 para a intensidade do pico G em 1.580 cm-1.[0020] In certain embodiments, graphene carbon particles used in the coating compositions of the present invention have a Raman spectroscopy 2D/G peak ratio of at least 1.1, e.g., at least 1.2 or 1.3. As used herein, the term "2D/G peak ratio" refers to the ratio of the 2D peak intensity at 2692 cm-1 to the intensity of the G peak at 1580 cm-1.
[0021] Em determinadas realizações, as partículas de carbono de grafeno usadas nas composições de revestimento da presente invenção têm uma densidade a granel relativamente baixa. Por exemplo, as partículas de carbono de grafeno usadas em determinadas realizações da presente invenção são caracterizadas por ter uma densidade a granel (densidade de toque) de menos do que 0,2 g/cm3, tal como, não mais do que 0,1 g/cm3. Para os fins da presente invenção, a densidade a granel das partículas de carbono de grafeno é determinada ao colocar 0,4 gramas das partículas de carbono de grafeno em um cilindro de medição de vidro tendo uma escala legível. O cilindro é levantado aproximadamente uma polegada e apertado 100 vezes, ao pressionar a base do cilindro em uma superfície rígida, para permitir às partículas de carbono de grafeno assentarem dentro do cilindro. O volume das partículas é então medido, e a densidade a granel é calculada ao dividir 0,4 gramas pelo volume medido, em que a densidade a granel é expressa em termos de g/cm3.[0021] In certain embodiments, graphene carbon particles used in the coating compositions of the present invention have a relatively low bulk density. For example, graphene carbon particles used in certain embodiments of the present invention are characterized by having a bulk density (tap density) of less than 0.2 g/cm3, such as, no more than 0.1 g/cm3. For the purposes of the present invention, the bulk density of the graphene carbon particles is determined by placing 0.4 grams of the graphene carbon particles into a glass measuring cylinder having a readable scale. The cylinder is lifted approximately one inch and squeezed 100 times by pressing the base of the cylinder onto a hard surface to allow the graphene carbon particles to settle into the cylinder. The volume of the particles is then measured, and the bulk density is calculated by dividing 0.4 grams by the measured volume, where the bulk density is expressed in terms of g/cm3.
[0022] Em determinadas realizações, as partículas de carbono de grafeno usadas nas composições de revestimento da presente invenção têm uma densidade comprimida e uma densificação percentual que é menor do que a densidade comprimida e densificação percentual do pó de grafite e determinados tipos de partículas de carbono de grafeno substancialmente planas. A densidade comprimida inferior e densificação percentual inferior são cada atualmente acreditada para contribuir com a melhor dispersão e/ou propriedades reológicas do que as partículas de carbono de grafeno exibindo densidade comprimida superior e densificação percentual superior. Em determinadas realizações, a densidade comprimida das partículas de carbono de grafeno é de 0,9 ou menos, tal como, menos do que 0,8, menos do que 0,7, tal como a partir de 0,6 até 0,7. Em determinadas realizações, a densificação percentual das partículas de carbono de grafeno é menor do que 40 por cento, tal como, menor do que 30 por cento, tal como, a partir de 25 até 30 por cento.[0022] In certain embodiments, graphene carbon particles used in the coating compositions of the present invention have a tapped density and a percent densification that is less than the tapped density and percent densification of graphite powder and certain types of carbon particles. substantially flat graphene carbon. Lower compressed density and lower percent densification are each currently believed to contribute better dispersion and/or rheological properties than graphene carbon particles exhibiting higher compressed density and higher percent densification. In certain embodiments, the tap density of the graphene carbon particles is 0.9 or less, such as less than 0.8, less than 0.7, such as from 0.6 to 0.7 . In certain embodiments, the percent densification of the graphene carbon particles is less than 40 percent, such as, less than 30 percent, such as, from 25 to 30 percent.
[0023] Para os fins da presente invenção, a densidade comprimida das partículas de carbono de grafeno é calculada a partir de uma espessura medida de determinada massa das partículas após a compressão. Especificamente, a espessura medida é determinada ao submeter 0,1 grama das partículas de carbono de grafeno para prensa a frio sob 15.000 libras de força em um molde de 1,3 centímetro por 45 minutos, em que a pressão de contato é de 500 MPa. A densidade comprimida das partículas de carbono de grafeno é então calculada a partir dessa espessura medida de acordo com a seguinte equação: Densidade comprimida (g/cm3) = 0,1 grama π*(1,3cm/2)2*(espes.medida em cm)[0023] For the purposes of the present invention, the compressed density of graphene carbon particles is calculated from a measured thickness of a given mass of the particles after compression. Specifically, the measured thickness is determined by subjecting 0.1 gram of the graphene carbon particles to the cold press under 15,000 pounds force in a 1.3 centimeter mold for 45 minutes, where the contact pressure is 500 MPa . The compressed density of the graphene carbon particles is then calculated from that measured thickness according to the following equation: Compressed density (g/cm3) = 0.1 gram π*(1,3cm/2)2*(thick. measure in cm)
[0024] A densificação percentual das partículas de carbono de grafeno é então determinada como a razão da densidade comprimida calculada das partículas de carbono de grafeno, conforme acima determinado, para 2,2 g/cm3, que é a densidade de grafite.The percent densification of the graphene carbon particles is then determined as the calculated compressed density ratio of the graphene carbon particles, as determined above, to 2.2 g/cm3, which is the density of graphite.
[0025] Em determinadas realizações, as partículas de carbono de grafeno têm uma condutividade líquida a granel medida de pelo menos 10 microSiemens, tal como, pelo menos 30 microSiemens, tal como, pelo menos 100 microSiemens imediatamente após misturar e em pontos posteriores no tempo, tal como, em 10 minutos, ou 20 minutos, ou 30 minutos ou 40 minutos. Para os fins da presente invenção, a condutividade líquida a granel das partículas de carbono de grafeno é determinada conforme segue. Primeiro, uma amostra compreendendo uma solução de 0,5% das partículas de carbono de grafeno em butil celosolve é sonicada por 30 minutos com sonicador de banho. Imediatamente após a sonicação, a amostra é colocada em uma célula de condutividade eletrolítica calibrada padrão (K=1). Um medidor de condutividade Fisher Scientific AB 30 é introduzido à amostra para medir a condutividade da amostra. A condutividade é organizada sobre o curso de cerca de 40 minutos.[0025] In certain embodiments, graphene carbon particles have a measured bulk net conductivity of at least 10 microSiemens, such as at least 30 microSiemens, such as at least 100 microSiemens immediately after mixing and at later points in time , such as in 10 minutes, or 20 minutes, or 30 minutes, or 40 minutes. For the purposes of the present invention, the net bulk conductivity of the graphene carbon particles is determined as follows. First, a sample comprising a 0.5% solution of graphene carbon particles in butyl cellosolve is sonicated for 30 minutes with a bath sonicator. Immediately after sonication, the sample is placed in a standard calibrated electrolyte conductivity cell (K=1). A Fisher Scientific AB 30 conductivity meter is introduced to the sample to measure the sample's conductivity. Conductivity is arranged over the course of about 40 minutes.
[0026] Em conformidade com determinadas realizações, a percolação, definida como interconectividade de longa variação, ocorre entre as partículas condutivas de carbono de grafeno. Tal percolação pode reduzir a resistividade das composições de revestimento. As partículas condutivas de grafeno podem ocupar um volume mínimo dentro do revestimento de modo que as partículas formam uma rede contínua, ou quase contínua. Em tal caso, as razões de aspecto das partículas de carbono de grafeno podem afetar o volume mínimo exigido para percolação. Além do mais, a energia de superfície das partículas de carbono de grafeno pode ser a mesma ou similar à energia de superfície da borracha elastomérica. De outro modo, as partículas podem tender a formar flocos ou perder a mistura conforme são processadas.[0026] In accordance with certain embodiments, percolation, defined as long-range interconnectivity, occurs between conductive carbon particles of graphene. Such percolation can reduce the resistivity of coating compositions. Conductive graphene particles can occupy a minimal volume within the coating so that the particles form a continuous, or nearly continuous, network. In such a case, the aspect ratios of the graphene carbon particles may affect the minimum volume required for percolation. Furthermore, the surface energy of graphene carbon particles can be the same or similar to the surface energy of elastomeric rubber. Otherwise, the particles may tend to flake or lose their mixture as they are processed.
[0027] As partículas de carbono de grafeno termicamente produzidas utilizadas nas composições de revestimento da presente invenção são feitas por processos térmicos. Em conformidade com as realizações da invenção, as partículas de carbono de grafeno termicamente produzidas são feitas a partir de materiais precursores contendo carbono que são aquecidos para altas temperaturas em uma zona térmica, tal como, um plasma. Conforme mais totalmente abaixo descrito, os materiais precursores contendo carbono são aquecidos para uma temperatura suficientemente alta, p.ex., acima de 3.500°C, para produzir as partículas de carbono de grafeno tendo as características conforme acima descritas. O precursor contendo carbono, tal como, um hidrocarboneto fornecido em forma gasosa ou líquida, é aquecido na zona térmica para produzir as partículas de carbono de grafeno na zona térmica ou a jusante a partir de lá. Por exemplo, as partículas de carbono de grafeno termicamente produzidas podem ser feitas pelos sistemas e métodos revelados na Patente Norte-Americana N°s 8.486.363 e 8.486.364.The thermally produced graphene carbon particles used in the coating compositions of the present invention are made by thermal processes. In accordance with embodiments of the invention, thermally produced graphene carbon particles are made from carbon-containing precursor materials that are heated to high temperatures in a thermal zone, such as a plasma. As more fully described below, the carbon-containing precursor materials are heated to a sufficiently high temperature, e.g., above 3,500°C, to produce the graphene carbon particles having the characteristics as described above. Carbon-containing precursor, such as a hydrocarbon supplied in gaseous or liquid form, is heated in the thermal zone to produce graphene carbon particles in the thermal zone or downstream therefrom. For example, thermally produced graphene carbon particles can be made by the systems and methods disclosed in U.S. Patent Nos. 8,486,363 and 8,486,364.
[0028] Em determinadas realizações, as partículas de carbono de grafeno termicamente produzidas podem ser feitas ao usar o mecanismo e método descritos na Patente Norte- Americana N° 8.486.363 em [0022] até [0048] em que (i) um ou mais materiais precursores de hidrocarboneto capazes de formar uma espécie de fragmento de dois carbonos (tal como, n-propanol, etano, etileno, acetileno, cloreto de vinil, 1,2- dicloroetano, alil álcool, propionaldeído, e/ou brometo de vinil) é introduzido em uma zona térmica (tal como, um plasma), e (ii) o hidrocarboneto é aquecido na zona térmica para uma temperatura de pelo menos 1.000°C para formar as partículas de carbono de grafeno. Em outras realizações, as partículas de carbono de grafeno termicamente produzidas podem ser feitas ao usar o mecanismo e método descritos na Patente Norte-Americana N° 8.486.364 em [0015] até [0042] em que (i) um material precursor de metano (tal como, um material compreendendo pelo menos 50 por cento de metano, ou, em alguns casos, metano gasoso ou líquido de pelo menos 95 ou 99 por cento de pureza ou superior) é introduzido em uma zona térmica (tal como, um plasma), e (ii) o precursor de metano é aquecido na zona térmica para formar as partículas de carbono de grafeno. Tais métodos podem produzir partículas de carbono de grafeno tendo pelo menos algumas, em alguns casos, todas as, características acima descritas.[0028] In certain embodiments, thermally produced graphene carbon particles can be made using the mechanism and method described in U.S. Patent No. 8,486,363 in [0022] through [0048] wherein (i) one or more hydrocarbon precursor materials capable of forming a two-carbon fragment species (such as n-propanol, ethane, ethylene, acetylene, vinyl chloride, 1,2-dichloroethane, allyl alcohol, propionaldehyde, and/or vinyl bromide ) is introduced into a thermal zone (such as a plasma), and (ii) the hydrocarbon is heated in the thermal zone to a temperature of at least 1000°C to form graphene carbon particles. In other embodiments, thermally produced graphene carbon particles can be made using the mechanism and method described in U.S. Patent No. 8,486,364 in [0015] through [0042] wherein (i) a methane precursor material (such as, a material comprising at least 50 percent methane, or, in some cases, gaseous or liquid methane of at least 95 or 99 percent purity or greater) is introduced into a thermal zone (such as a plasma ), and (ii) the methane precursor is heated in the thermal zone to form graphene carbon particles. Such methods can produce graphene carbon particles having at least some, in some cases all, of the characteristics described above.
[0029] Durante a produção das partículas de carbono de grafeno pelos métodos de produção térmica acima descritos, um precursor contendo carbono é fornecido como um material de alimentação que pode ser contatado com um gás transportador inerte. O material precursor contendo carbono pode ser aquecido em uma zona térmica, por exemplo, por um sistema de plasma. Em determinadas realizações, o material precursor é aquecido para uma temperatura de pelo menos 3.500°C, por exemplo, a partir de uma temperatura maior do que 3.500°C ou 4.000°C até 10.000°C ou 20.000°C. Embora a zona térmica possa ser gerada por um sistema de plasma, deve ser entendido que qualquer outro sistema adequado de aquecimento pode ser usado para criar a zona térmica, tal como, diversos tipos de fornos, incluindo fornos de tubo eletricamente aquecidos e semelhantes.[0029] During the production of graphene carbon particles by the thermal production methods described above, a carbon-containing precursor is provided as a feed material that can be contacted with an inert carrier gas. The carbon-containing precursor material can be heated in a thermal zone, for example, by a plasma system. In certain embodiments, the precursor material is heated to a temperature of at least 3,500°C, for example, from a temperature greater than 3,500°C or 4,000°C to 10,000°C or 20,000°C. Although the thermal zone can be generated by a plasma system, it should be understood that any other suitable heating system can be used to create the thermal zone, such as several types of ovens, including electrically heated tube ovens and the like.
[0030] A corrente gasosa pode ser contatada com uma ou mais correntes de têmpera que são injetadas na câmara de plasma através de pelo menos uma porta de injeção de corrente de têmpera. A corrente de têmpera pode resfriar a corrente gasosa para facilitar a formação ou controle do tamanho de partícula ou morfologia das partículas de carbono de grafeno. Em determinadas realizações da invenção, após contatar a corrente de produto gasoso com as correntes de têmpera, as partículas ultrafinas podem ser passadas através de um membro de convergência. Após as partículas de carbono de grafeno saírem do sistema de plasma, elas podem ser coletadas. Qualquer meio adequado pode ser usado para separar as partículas de carbono de grafeno a partir do fluxo de gás, tal como, por exemplo, um filtro de saco, separador de ciclone ou deposição em um substrato.[0030] The gas stream may be contacted with one or more quench streams which are injected into the plasma chamber through at least one quench current injection port. The quench stream can cool the gas stream to facilitate the formation or control of the particle size or morphology of the graphene carbon particles. In certain embodiments of the invention, after contacting the product gas stream with quench streams, the ultrafine particles may be passed through a converging member. After the graphene carbon particles leave the plasma system, they can be collected. Any suitable means can be used to separate graphene carbon particles from the gas stream, such as, for example, a bag filter, cyclone separator or deposition on a substrate.
[0031] Sem ser vinculado por qualquer teoria, é atualmente acreditado que os métodos precedentes de fabricar as partículas de carbono de grafeno termicamente produzidas são parcialmente adequados para produzir as partículas de carbono de grafeno tendo espessura relativamente baixa e razão de aspecto relativamente alta em combinação com o conteúdo de oxigênio relativamente baixo, conforme acima descrito. Além do mais, tais métodos são atualmente acreditados para produzir uma quantia substancial das partículas de carbono de grafeno tendo uma morfologia substancialmente curvada, enrolada, enrugada ou entortada (aqui mencionada como uma morfologia “3D”), conforme oposto a produzir predominantemente partículas tendo uma morfologia substancialmente bidimensional (ou plana). Esta característica é acreditada como refletida nas características de densidade comprimida previamente descritas e é acreditada como benéfica na presente invenção, pois, é atualmente acr4editado, quando uma porção significativa das partículas de carbono de grafeno tem uma morfologia 3D, o contato de “borda até borda” e “borda até face” entre as partículas de carbono de grafeno dentro da composição pode ser promovido. Pensa-se que isso é devido às partículas terem uma morfologia 3D menos provável de serem agregadas na composição (devido às forças inferiores de Van der Waals) do que as partículas tendo uma morfologia bidimensional. Além do mais, atualmente acredita-se que, mesmo no caso do contato “face até face” entre as partículas tendo uma morfologia 3D, já que as partículas podem ter mais do que um plano facial, toda a superfície de partícula não é engajada em uma única interação “face até face” com outra única partícula, porém, ao invés disso, pode participar de interações com outras partículas, incluindo outras interações “face até face”, em outros planos. Como resultado, as partículas de carbono de grafeno tendo uma morfologia 3D são atualmente pensadas para fornecer o melhor caminho condutivo nas presentes composições e são atualmente pensadas como úteis para obter as características de condutividade elétrica buscadas pelas realizações da presente invenção, particularmente quando as partículas de carbono de grafeno estão presentes na composição em quantias relativamente baixas.[0031] Without being bound by any theory, it is currently believed that the preceding methods of fabricating the thermally produced graphene carbon particles are partially suitable for producing graphene carbon particles having relatively low thickness and relatively high aspect ratio in combination with relatively low oxygen content as described above. Furthermore, such methods are currently believed to produce a substantial amount of graphene carbon particles having a substantially curved, curled, wrinkled, or warped morphology (referred to herein as a "3D" morphology), as opposed to predominantly producing particles having a substantially two-dimensional (or flat) morphology. This characteristic is believed to be reflected in the previously described compressed density characteristics and is believed to be beneficial in the present invention as it is currently believed, when a significant portion of the graphene carbon particles have a 3D morphology, the "edge to edge contact" ” and “edge to face” between the graphene carbon particles within the composition can be promoted. This is thought to be due to particles having a 3D morphology less likely to be aggregated into the composition (due to lower Van der Waals forces) than particles having a two-dimensional morphology. Furthermore, it is currently believed that even in the case of “face to face” contact between particles having a 3D morphology, as particles may have more than one face plane, the entire particle surface is not engaged in a single “face to face” interaction with another single particle, however, may instead participate in interactions with other particles, including other “face to face” interactions on other planes. As a result, graphene carbon particles having a 3D morphology are currently thought to provide the best conductive path in the present compositions and are currently thought to be useful for obtaining the electrical conductivity characteristics pursued by the embodiments of the present invention, particularly when the particles of Graphene carbons are present in the composition in relatively low amounts.
[0032] Em determinadas realizações, as partículas de carbono de grafeno termicamente produzidas podem ser combinadas com outros tipos de partículas de grafeno, tais como, aquelas obtidas a partir de fontes comerciais, por exemplo, da Angstron, XG Sciences e outras fontes comerciais. Em tais realizações, as partículas de carbono de grafeno comercialmente disponíveis podem compreender grafite esfoliado e têm diferentes características em comparação com as partículas de carbono de grafeno termicamente produzidas, tais como, diferentes distribuições de tamanho, espessuras, razões de aspecto, morfologias estruturais, conteúdo de oxigênio e funcionalidade química nos planos/bordas basais.[0032] In certain embodiments, thermally produced graphene carbon particles can be combined with other types of graphene particles, such as those obtained from commercial sources, for example, from Angstron, XG Sciences and other commercial sources. In such embodiments, commercially available graphene carbon particles may comprise exfoliated graphite and have different characteristics compared to thermally produced graphene carbon particles, such as different size distributions, thicknesses, aspect ratios, structural morphologies, content of oxygen and chemical functionality in the basal planes/edges.
[0033] Quando as partículas de carbono de grafeno termicamente produzidas são combinadas com as partículas de carbono de grafeno comercialmente disponíveis em conformidade com as realizações da invenção, uma distribuição bimodal, distribuição tri-modal, etc. das características de partícula de carbono de grafeno pode ser atingida. Por exemplo, as partículas de carbono de grafeno contidas nos revestimentos podem ter distribuições de tamanho de partícula multimodal, distribuições de razão de aspecto, morfologias estruturais, diferenças de funcionalidade de borda, conteúdo de oxigênio e semelhante. A seguinte Tabela 1 lista os tamanhos médios de partícula, espessuras e razões de aspecto para as partículas de carbono de grafeno termicamente produzidas em comparação a determinadas partículas de carbono de grafeno comercialmente disponíveis produzidas a partir de grafite esfoliado.[0033] When thermally produced graphene carbon particles are combined with commercially available graphene carbon particles in accordance with the embodiments of the invention, a bimodal distribution, tri-modal distribution, etc. of the carbon particle characteristics of graphene can be achieved. For example, graphene carbon particles contained in coatings can have multimodal particle size distributions, aspect ratio distributions, structural morphologies, edge functionality differences, oxygen content, and the like. The following Table 1 lists the average particle sizes, thicknesses and aspect ratios for thermally produced graphene carbon particles compared to certain commercially available graphene carbon particles produced from exfoliated graphite.
[0034] Em uma realização da presente invenção em que ambas as partículas de carbono de grafeno termicamente produzidas e partículas de carbono de grafeno comercialmente disponíveis, p.ex., a partir de grafite esfoliado, são adicionadas a uma composição de revestimento para produzir uma distribuição de tamanho de partícula de grafeno bimodal, as quantias relativas dos diferentes tipos de partículas de carbono de grafeno são controladas para produzir as propriedades desejadas de condutividade dos revestimentos. Por exemplo, as partículas de grafeno termicamente produzidas podem compreender a partir de 1 até 50 por cento de peso, e as partículas de carbono de grafeno comercialmente disponíveis podem compreender a partir de 50 até 99 por cento de peso, com base no peso total das partículas de carbono de grafeno. Em determinadas realizações, as partículas de carbono de grafeno termicamente produzidas podem compreender a partir de 2 até 20 por cento de peso, ou a partir de 5 até 10 ou 12 por cento de peso.[0034] In an embodiment of the present invention wherein both thermally produced graphene carbon particles and commercially available graphene carbon particles, e.g., from exfoliated graphite, are added to a coating composition to produce a bimodal graphene particle size distribution, the relative amounts of different types of graphene carbon particles are controlled to produce the desired conductivity properties of the coatings. For example, thermally produced graphene particles can comprise from 1 to 50 weight percent, and commercially available graphene carbon particles can comprise from 50 to 99 weight percent, based on the total weight of the Graphene carbon particles. In certain embodiments, the thermally produced graphene carbon particles can comprise from 2 to 20 weight percent, or from 5 to 10 or 12 weight percent.
[0035] Além dos componentes de resina e partícula de carbono de grafeno, os revestimentos da presente invenção podem incluir componentes adicionais convencionalmente adicionados às composições de revestimento, tais como, agentes reticulantes, pigmentos, tintas, auxílios de fluxo, desespumantes, dispersantes, solventes, absorvedores de UV, catalisadores e agentes ativos de superfície.[0035] In addition to the resin and graphene carbon particle components, coatings of the present invention may include additional components conventionally added to coating compositions, such as crosslinking agents, pigments, paints, flow aids, defoamers, dispersants, solvents , UV absorbers, catalysts and surface active agents.
[0036] Em determinadas realizações, as composições de revestimento estão substancialmente livres de determinados componentes, tais como, polialquileneiminas, grafite ou outros componentes. Por exemplo, o termo “substancialmente livre de polialquileneiminas” significa que as polialquileneiminas não são propositadamente adicionadas, ou estão presentes como impurezas ou em quantias de traço, p.ex., menos do que 1 por cento de peso ou menos do que 0,1 por cento de peso. Os revestimentos da presente invenção foram averiguados como tendo boas propriedades de adesão sem a necessidade de adicionar polialquileneiminas. O termo “substancialmente livre de grafite” significa que o grafite não é propositadamente adicionado, ou está presente como uma impureza ou em quantias de traço, p.ex., menos do que 1 por cento de peso ou menos do que 0,1 por cento de peso. Em determinadas realizações, o grafite em quantias menores pode estar presente nos revestimentos, p.ex., menos do que 5 por cento de peso ou menos do que 1 por cento de peso do revestimento. Se o grafite estiver presente, ele está tipicamente em uma quantia menor do que o grafeno, p.ex., menos do que 30 por cento de peso com base no peso combinado do grafite e grafeno, por exemplo, menos do que 20 ou 10 por cento de peso.[0036] In certain embodiments, coating compositions are substantially free of certain components such as polyalkyleneimines, graphite or other components. For example, the term "substantially free of polyalkyleneimines" means that the polyalkyleneimines are not purposely added, or are present as impurities or in trace amounts, e.g., less than 1 weight percent or less than 0. 1 percent by weight. The coatings of the present invention have been found to have good adhesion properties without the need to add polyalkyleneimines. The term "substantially free of graphite" means that the graphite is not purposely added, or is present as an impurity or in trace amounts, e.g., less than 1 percent by weight or less than 0.1 by weight percent of weight. In certain embodiments, graphite in smaller amounts may be present in the coatings, e.g., less than 5 weight percent or less than 1 weight percent of the coating. If graphite is present, it is typically in an amount less than graphene, eg less than 30 percent by weight based on the combined weight of graphite and graphene, eg less than 20 or 10 percent weight.
[0037] As composições de revestimento da presente invenção podem ser feitas por diversos métodos padrão em que as partículas de carbono de grafeno são misturadas com as resinas de formação de filme e outros componentes das composições de revestimento. Por exemplo, para os sistemas de revestimento de duas partes, as partículas de carbono de grafeno podem ser dispersas na parte A e/ou parte B. Em determinadas realizações, as partículas de carbono de grafeno são dispersas na parte A por diversas técnicas de mistura, tais como, sonicação, mistura de alta velocidade, fresa de meio e semelhante. Em determinadas realizações, as partículas de carbono de grafeno podem ser misturadas nas composições de revestimento usando técnicas de alta energia e/ou alto cisalhamento, tais como, sonicação, fresa de 3 cilindros, fresa de esfera, fresa de agitador, misturadores de rotor/estator e semelhantes.[0037] The coating compositions of the present invention can be made by various standard methods in which graphene carbon particles are mixed with the film-forming resins and other components of the coating compositions. For example, for two-part coating systems, the graphene carbon particles can be dispersed in part A and/or part B. In certain embodiments, the graphene carbon particles are dispersed in part A by various mixing techniques. , such as sonication, high-speed mixing, middle milling, and the like. In certain embodiments, graphene carbon particles can be blended into coating compositions using high energy and/or high shear techniques such as sonication, 3-cylinder cutter, ball cutter, agitator cutter, rotor/mixers stator and the like.
[0038] Em conformidade com determinadas realizações, os revestimentos da presente invenção possuem propriedades mecânicas desejáveis, absorção aumentada de IR, “profundidade de cor” aumentada, condutividade térmica aumentada, permeabilidade diminuída para pequenas moléculas, como, água e oxigênio, também pode ser vantajoso para esses mesmos revestimentos.[0038] In accordance with certain embodiments, the coatings of the present invention have desirable mechanical properties, increased IR absorption, increased "color depth", increased thermal conductivity, decreased permeability for small molecules such as water and oxygen, may also be advantageous for these same coatings.
[0039] Os seguintes exemplos são pretendidos para ilustrar diversos aspectos da invenção, e não são pretendidos para limitar o escopo da invenção.[0039] The following examples are intended to illustrate various aspects of the invention, and are not intended to limit the scope of the invention.
[0040] As condutividades elétricas dos revestimentos contendo partículas de carbono de grafeno termicamente produzidas foram comparadas com revestimentos similares contendo partículas comerciais de grafeno, e nenhuma tal partícula. As composições de revestimento foram feitas com partículas aquosas de látex que são estáveis em solvente de N-metil pirrolidona (NMP). As partículas acrílicas de látex são ligadas cruzadas e são funcionalizadas por epóxi, porém não precisam ser funcionalizadas para operar. O látex forma um filme em temperaturas elevadas e serve como o aglutinador para manter o filme junto. As partículas de carbono de grafeno termicamente produzidas, rotuladas PPG A e PPG B, foram produzidas pelo método de produção de plasma térmico utilizando o metano como um material precursor divulgado na Patente Norte-Americana N° 8.486.364. As partículas de carbono de grafeno de PPG A e PPG B termicamente produzidas têm uma área de superfície de cerca de 250 - 280 m2/g e têm cerca de 100-200 nm de tamanho. As partículas de carbono de grafeno comercialmente disponíveis incluíram: XG-M5 (da XG Sciences tendo um tamanho médio de partícula de 5 mícrons, espessura de cerca de 6 nm, e área de superfície de BET a partir de 120 até 150 metros quadrados por grama); XG-C750 (da XG Sciences tendo um tamanho médio de partícula de cerca de 1,5 mícron, espessura de cerca de 2 nm e área de superfície de BET de 750 metros quadrados por grama); e PDR (da Angstron Materials tendo um tamanho médio de partícula de cerca de 10 mícrons, espessura de cerca de 1 nm e área de superfície de BET a partir de 400 até 800 metros quadrados por grama). Antes da adição das partículas de carbono de grafeno à solução de revestimento, as amostras são diluídas para 0,25 - 2,5 por cento de peso no solvente de NMP e sonicadas por corneta por 15 min. A amostra PPG B foi dispersa com o dobro da energia de sonicação por grafeno unitário em comparação com a amostra PPG A. A composição de revestimento final é então feita ao misturar látex, solvente de NMP e as partículas de carbono de grafeno pré-dispersas. As amostras são então sonicadas por banho por 15 minutos. Após a sonicação, as amostras são passadas através de um filtro de malha 150 e então extraídas nos substratos de vidro em uma construção de filme úmido de 6 mil. Os filmes úmidos são lampejados em temperatura ambiente por 15 minutos, seguido por uma cura por forno em 100°C por 30 minutos.[0040] The electrical conductivities of coatings containing thermally produced graphene carbon particles were compared with similar coatings containing commercial graphene particles, and no such particle. Coating compositions were made with aqueous latex particles that are stable in N-methyl pyrrolidone (NMP) solvent. Acrylic latex particles are crosslinked and functionalized by epoxy, but do not need to be functionalized to operate. The latex forms a film at elevated temperatures and serves as the binder to hold the film together. Thermally produced graphene carbon particles, labeled PPG A and PPG B, were produced by the thermal plasma production method using methane as a precursor material disclosed in U.S. Patent No. 8,486,364. Thermally produced PPG A and PPG B graphene carbon particles have a surface area of about 250 - 280 m 2 /g and are about 100-200 nm in size. Commercially available graphene carbon particles included: XG-M5 (from XG Sciences having an average particle size of 5 microns, thickness about 6 nm, and BET surface area from 120 to 150 square meters per gram ); XG-C750 (from XG Sciences having an average particle size of about 1.5 microns, thickness of about 2 nm, and BET surface area of 750 square meters per gram); and PDR (from Angstron Materials having an average particle size of about 10 microns, thickness of about 1 nm and BET surface area from 400 to 800 square meters per gram). Prior to addition of graphene carbon particles to the coating solution, samples are diluted to 0.25 - 2.5 weight percent in NMP solvent and sonicated by horn for 15 min. The PPG B sample was dispersed at twice the sonication energy per unit graphene compared to the PPG A sample. The final coating composition is then made by mixing latex, NMP solvent and the predispersed graphene carbon particles. The samples are then bath sonicated for 15 minutes. After sonication, samples are passed through a 150 mesh filter and then extracted onto the glass substrates in a 6 mil wet film construction. Wet films are flashed at room temperature for 15 minutes, followed by an oven cure at 100°C for 30 minutes.
[0041] A Figura 1 graficamente ilustra as condutividades dos revestimentos contendo as partículas de carbono de grafeno de PPG A e PPG B termicamente produzidas em diversos carregamentos, em comparação com outras partículas comerciais de carbono de grafeno e um revestimento de controle não contendo nenhuma tal partícula, que não mediu nenhuma condutividade. Embora as partículas PPG A e PPG B estão cerca de uma ordem de magnitude menor do que as partículas M5, elas produzem condutividades elétricas similares. Conforme as partículas ficam menores, a resistência deveria aumentar no filme em um carregamento similar, i.e., comparando o M5 com PDR, que é um tamanho médio de partícula de ~ 10 mícrons vs. 5 mícron e o C750 que é de 1,5 mícron. Entretanto, as partículas de grafeno termicamente produzidas fornecem um revestimento inferior de resistência. Isso pode ser devido ao conteúdo de oxigênio extremamente baixo das partículas de carbono de grafeno termicamente produzidas e o fato de que sua funcionalidade de borda pode ser limitada às ligações de C-H vs. ligações de C-O, C-N, observadas nas amostras comerciais de grafeno, produzindo uma resistência de contato inferior de partícula-partícula para o grafeno termicamente produzido. O grafeno termicamente produzido também pode ser inerentemente mais condutivo devido a sua estrutura de cristal turbostrático.[0041] Figure 1 graphically illustrates the conductivities of coatings containing the thermally produced PPG A and PPG B graphene carbon particles in various loads, compared to other commercial graphene carbon particles and a control coating containing no such particle, which did not measure any conductivity. Although PPG A and PPG B particles are about an order of magnitude smaller than M5 particles, they produce similar electrical conductivities. As the particles get smaller, the resistance should increase in the film at a similar loading, i.e., comparing the M5 with PDR, which is an average particle size of ~10 microns vs. 5 micron and the C750 which is 1.5 micron. However, the thermally produced graphene particles provide a lower coating of strength. This may be due to the extremely low oxygen content of the thermally produced graphene carbon particles and the fact that their edge functionality may be limited to C-H vs. C-O, C-N bonds observed in commercial graphene samples, producing a lower particle-particle contact resistance for the thermally produced graphene. Thermally produced graphene can also be inherently more conductive due to its turbostratic crystal structure.
[0042] Os revestimentos compreendendo um tipo de partículas de carbono de grafeno comercialmente disponíveis sozinhas, e em combinação com outras partículas de carbono de grafeno (incluindo as partículas de carbono de grafeno termicamente produzidas), foram produzidos e medidos para condutividade elétrica. As composições de revestimento foram feitas com 10 por cento de peso de partículas de carbono de grafeno: xGnP C-300 (da XG Sciences tendo um tamanho médio de partícula de 1,5 mícron, espessura de cerca de 2 nm e área de superfície de BET de 300 metros quadrados por grama), xGnP C750 (da XG Sciences conforme descrito no Exemplo 1), xGnP M25 (da XG Sciences tendo um tamanho médio de partícula de 25 mícrons, espessura de 6-8 nm e área de superfície de BET de 120-150 metros quadrados por grama) ou partículas de carbono de grafeno de PPG termicamente produzidas, com 1,67 por cento de peso de etil celulose (Aqualon, Ashland), e com 88,33 por cento de peso de água deionizada. Essas composições de revestimento foram dispersas ao adicionar 70g de cada nos jarros de vidro de 8 onças com 220g de SEPR Ermil 1,0-1,25mm de meio de fresa. As amostras nas jarras foram agitadas por 4 horas usando um dispersador Lau (Modelo DAS 200, Lau, GmbH). O meio de fresa foi então filtrado a partir das composições de revestimento. As misturas dessas composições de revestimento foram então preparadas, de modo que do total de 10 por cento por peso de carbono de grafeno em cada uma das misturas, existem dois tipos de partículas de carbono de grafeno nas seguintes porcentagens de peso: 92% de xGnP M-25 e 8% de partículas de carbono de grafeno de PPG termicamente produzidas, 92% de xGnP M-25 e 8% de xGnP C-300 e 92% de xGnP M-25 e 8% de xGnP C-750. Cada uma dessas misturas, bem como, a composição de revestimento com somente xGnP M-25 foi aplicada como linhas amplas de 1-2 mm em um padrão de circuito de serpentina para um slide de vidro de 2 x 3 polegadas (Fisherbrand, Plain, Precleaned) usando um jato de dispensação (válvula PICO, MV-100, Nordson, EFD) e um robô de mesa (2504N, Janome) e então secada em um forno em 212°F por 30 minutos. A condutividade elétrica de cada amostra revestida foi determinada ao primeiramente medir a resistência do circuito de serpentina vs. o comprimento da linha de circuito. Então, a área em seção cruzada das linhas de serpentina foi medida usando um profilômetro de estilo (Dektak). Usando os valores medidos para a área em seção cruzada (A) e a resistência (R) para determinado comprimento (L) do circuito, a resistividade (p) foi calculada usando a equação p = RA/L. Então, a condutividade (a) foi calculada ao obter o reciproco da resistividade, α = 1/p.[0042] Coatings comprising a type of commercially available graphene carbon particles alone, and in combination with other graphene carbon particles (including the thermally produced graphene carbon particles), were produced and measured for electrical conductivity. The coating compositions were made with 10 weight percent graphene carbon particles: xGnP C-300 (from XG Sciences having an average particle size of 1.5 microns, thickness of about 2 nm and surface area of 300 square meters BET per gram), xGnP C750 (from XG Sciences as described in Example 1), xGnP M25 (from XG Sciences having an average particle size of 25 microns, thickness of 6-8 nm, and BET surface area 120-150 square meters per gram) or thermally produced PPG graphene carbon particles, 1.67 weight percent ethyl cellulose (Aqualon, Ashland), and 88.33 weight percent deionized water. These coating compositions were dispersed by adding 70g of each to 8 oz. glass jars with 220g of SEPR Ermil 1.0-1.25mm cutter medium. The samples in the jars were shaken for 4 hours using a Lau disperser (Model DAS 200, Lau, GmbH). The milling medium was then filtered from the coating compositions. Blends of these coating compositions were then prepared so that of the total 10 percent by weight graphene carbon in each of the blends, there are two types of graphene carbon particles in the following weight percentages: 92% xGnP M-25 and 8% thermally produced PPG graphene carbon particles, 92% M-25 xGnP and 8% C-300 xGnP and 92% M-25 xGnP and 8% C-750 xGnP. Each of these mixtures as well as the M-25 xGnP only coating composition was applied as 1-2 mm wide lines in a serpentine circuit pattern to a 2 x 3 inch glass slide (Fisherbrand, Plain, Precleaned) using a dispensing jet (PICO valve, MV-100, Nordson, EFD) and a tabletop robot (2504N, Janome) and then dried in an oven at 212°F for 30 minutes. The electrical conductivity of each coated sample was determined by first measuring the coil circuit resistance vs. the length of the circuit line. Then, the cross-sectional area of the serpentine lines was measured using a style profilometer (Dektak). Using the measured values for the cross-sectional area (A) and the resistance (R) for a given length (L) of the circuit, the resistivity (p) was calculated using the equation p = RA/L. Then, the conductivity (a) was calculated by obtaining the reciprocal of the resistivity, α = 1/p.
[0043] Os resultados são mostrados na Figura 2. A adição de uma pequena quantia das partículas de carbono de grafeno de PPG termicamente produzidas significativamente aumenta a condutividade, em cerca de 200%, acima disso de uma composição de revestimento contendo somente um carbono de grafeno do tipo de plaqueta grande (xGnP M-25). A Figura 2 mostra que pequenas adições de outras partículas de carbono de grafeno comercialmente disponíveis não aumentam a condutividade tão significativamente (somente cerca de 50% de aumento para xGnP C-300 e somente cerca de 90% de aumento para xGnP C-750).[0043] The results are shown in Figure 2. The addition of a small amount of the thermally produced PPG graphene carbon particles significantly increases the conductivity, by about 200%, above that of a coating composition containing only one carbon of large platelet-type graphene (xGnP M-25). Figure 2 shows that small additions of other commercially available graphene carbon particles do not increase the conductivity as significantly (only about 50% increase for xGnP C-300 and only about 90% increase for xGnP C-750).
[0044] Para os fins desta descrição, deve ser entendido que a invenção pode assumir diversas variações alternativas e sequências de etapa, exceto onde expressamente especificado do contrário. Além do mais, exceto em quaisquer exemplos operacionais, ou onde de outro modo indicado, todos os números expressando, por exemplo, quantidades de ingredientes usados na especificação e reivindicações devem ser entendidas como sendo modificadas em todas as instâncias pelo termo “cerca”. De modo correspondente, exceto se indicado do contrário, os parâmetros numéricos estabelecidos na seguinte especificação e reivindicações anexas são aproximações que podem variar dependendo das propriedades desejadas a serem obtidas pela presente invenção. No mínimo, e não como uma tentativa de limitar a aplicação da doutrina de equivalentes ao escopo das reivindicações, cada parâmetro numérico deve pelo menos ser interpretado à luz do número dos dígitos significativos reportados e ao aplicar as técnicas ordinárias de arredondamento.[0044] For the purposes of this description, it is to be understood that the invention may assume several alternative variations and step sequences, except where expressly specified otherwise. Furthermore, except in any operational examples, or where otherwise indicated, all numbers expressing, for example, amounts of ingredients used in the specification and claims are to be understood to be modified in all instances by the term “about”. Accordingly, unless otherwise indicated, the numerical parameters set forth in the following specification and appended claims are approximations which may vary depending on the desired properties to be achieved by the present invention. At the very least, and not in an attempt to limit the application of the equivalents doctrine to the scope of the claims, each numerical parameter should at least be interpreted in light of the number of significant digits reported and when applying ordinary rounding techniques.
[0045] Não obstante que as variações numéricas e parâmetros estabelecido o amplo escopo da invenção sejam aproximações, os valores numéricos estabelecidos nos exemplos específicos são reportados tão precisamente quanto possível. Qualquer valor numérico, entretanto, inerentemente contém determinados erros necessariamente resultantes a partir da variação padrão encontrada em suas respectivas medições de teste.[0045] Notwithstanding that the numerical variations and parameters establishing the broad scope of the invention are approximations, the numerical values set forth in the specific examples are reported as accurately as possible. Any numerical value, however, inherently contains certain errors necessarily resulting from the standard variation found in their respective test measurements.
[0046] Da mesma forma, deve ser entendido que qualquer variação numérica aqui mencionada é pretendida para incluir todas as subvariações lá incluídas. Por exemplo, uma variação de “1 até 10” é pretendida para incluir todas as sub- variações entre (e incluindo) o valor mínimo mencionado de 1 e o valor máximo mencionado de 10, isto é, tendo um valor mínimo igual ou superior a 1 e um valor máximo igual ou menor do que 10.[0046] Likewise, it is to be understood that any numerical variation mentioned herein is intended to include all subvariations included therein. For example, a range of "1 to 10" is intended to include all sub-ranges between (and including) the stated minimum value of 1 and the stated maximum value of 10, i.e. having a minimum value equal to or greater than 1 and a maximum value equal to or less than 10.
[0047] Neste pedido, o uso do singular inclui o plural e o plural abrange o singular, exceto se especificamente declarado de outro modo. Além disso, neste pedido, o uso de “ou” significa “e/ou”, exceto se especificamente declarado de outro modo, embora “e/ou” possa ser explicitamente usado em determinadas instâncias.[0047] In this application, the use of the singular includes the plural and the plural includes the singular, unless specifically stated otherwise. Furthermore, in this application, the use of “or” means “and/or”, unless specifically stated otherwise, although “and/or” may be explicitly used in certain instances.
[0048] Será prontamente apreciado por aqueles com habilidade na técnica que as modificações podem ser feitas à invenção sem desviar dos conceitos revelados na descrição precedente. Tais modificações devem ser consideradas como incluídas dentro das reivindicações a seguir, exceto se as reivindicações, por sua linguagem, expressamente declarem de outro modo. De modo correspondente, as realizações particulares descritas em detalhes aqui são somente ilustrativas e não limitantes ao escopo da invenção que devem receber a amplitude total das reivindicações anexas e todas e quaisquer de seus equivalentes.[0048] It will be readily appreciated by those skilled in the art that modifications can be made to the invention without deviating from the concepts disclosed in the foregoing description. Such modifications shall be considered to be included within the following claims, unless the claims, by their language, expressly state otherwise. Correspondingly, the particular embodiments described in detail herein are only illustrative and not limiting to the scope of the invention which are to receive the full breadth of the appended claims and any and all of their equivalents.
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