BR112020019217A2 - Material compósito à base de carbono - Google Patents

Abstract

a presente revelação se refere a um processo para produzir lâminas de um material compósito que compreendem um filme de grafeno disposto em um substrato de carbono amorfo, em que o processo compreende as etapas de: a) fornecer uma fonte de lignina e uma solução aquosa para formar uma composição, b) depositar a composição em uma superfície metálica, c) aquecer a composição na superfície metálica para formar o material compósito.

Description

“MATERIAL COMPÓSITO À BASE DE CARBONO” Campo Técnico

[0001] A presente invenção se refere a um material compósito à base de carbono inovador, um material compósito à base de carbono intermediário e um processo para produzir um material compósito à base de carbono. Antecedentes

[0002] Os materiais bidimensionais e, em particular, grafeno, desencadearam um grande interesse visto que foram sintetizados pela primeira vez no início do século 21, devido principalmente a suas propriedades mecânicas, eletrônicas e ópticas. O uso de materiais compreendendo grafeno em várias aplicações aumentou constantemente desde sua revelação. Vários métodos para a fabricação de grafeno foram propostos, incluindo deposição de vapor químico (CVD) e exfoliação. Os métodos para produzir material compreendendo grafeno conhecido na técnica atualmente enfrentam, em geral, várias limitações, que geram uma necessidade de processos aprimorados permitindo o uso de materiais abundantes e ecológicos como matérias-primas e para controlar as propriedades físicas do material. Em particular, com os métodos conhecidos na técnica atualmente, geralmente é difícil direcionar o tamanho do material compreendendo grafeno. Sumário

[0003] É um objetivo da presente invenção atenuar pelo menos algumas das desvantagens da técnica anterior. Um objetivo particular consiste em fornecer um processo para produzir um material compósito de grafeno de um processo simples usando uma fonte de lignina como matéria-prima. Além disso, um objetivo consiste em fornecer um material compósito de grafeno que tem um tamanho maior que 1 µm2, como maior que 1 mm2. Ainda um outro objetivo consiste em fornecer um material intermediário.

[0004] Os objetivos mencionados acima, bem como outros objetivos aparentes a uma pessoa versada na técnica, são, cada um, abordados pelos aspectos da presente invenção.

[0005] No primeiro aspecto dos mesmos, a presente invenção fornece um processo para produzir um material compósito que compreende um filme de grafeno disposto em um substrato de carbono amorfo, em que o processo compreende as etapas de a) fornecer uma fonte de lignina e uma solução aquosa para formar uma composição b) depositar a composição em uma superfície metálica c) aquecer a composição na superfície metálica para formar o dito material compósito na superfície metálica.

[0006] A presente invenção tem como base a realização de que um material compósito à base de carbono que compreende carbono pode ser produzido por um processo simples usando uma fonte de carbono abundante, lignina, e um solvente ecológico, como água. O processo inventivo produz um material compósito à base de carbono que compreende um substrato de carbono amorfo no qual, em pelo menos um lado, um filme de grafeno é aderido. Os termos “adesão” e “ligação” são usados de maneira intercambiável no presente documento e são, ambos, destinados para denotar a ligação física e/ou química de uma superfície de um composto a uma superfície de um outro composto.

[0007] O material produzido de acordo com o processo inventivo está na forma de lâminas. Ao longo de toda esta revelação, o termo “lâminas” será usado de maneira intercambiável com o termo “flocos”. Os dois termos são destinados a denotar uma peça fina do material compósito que tem uma espessura de aproximadamente alguns mícrons e que tem um tamanho de um de seus principais lados de pelo menos 1 µm2, como de pelo menos 1 mm2. Os flocos compreendem geralmente dois lados principais que têm aproximadamente o mesmo tamanho.

[0008] O termo “material compósito” como referido no presente documento, deve ser geralmente entendido como um material que compreende pelo menos dois materiais com diferentes propriedades físicas e químicas. O material compósito produzido pelo processo inventivo compreende um substrato de carbono amorfo no qual um filme de grafeno é aderido. O filme de grafeno é tipicamente aderido a apenas um dos lados principais do substrato, mas a presente revelação também abrange exemplos em que o filme de grafeno é aderido a ambos os lados principais do substrato.

[0009] Lignina é uma fonte de carbono que existe prontamente disponível em massas abundantes em muitas partes de produção de papel do mundo. Lignina é, entre outros, um subproduto de produção de papel. Na produção de papel, a matéria-prima lignocelulósica, como madeira, é tratada a fim de separar a celulose, a partir da qual o papel branqueado pode ser produzido, a partir de lignina. Lignina é uma classe de polímeros orgânicos complexos, tipicamente com massas moleculares em excesso de

10.000 g/mol. Na presente revelação, o termo fonte de lignina é destinado a denotar uma lignina que compreende material, de preferência, uma lignina de particulado que compreende material. As fontes de lignina adequadas de acordo com a presente invenção consistem em lignina refinada, lignina purificada, lignina alcalina e lignossulfonato, como lignossulfonato obtido a partir de processo de sulfita na produção de papel, mas outras fontes de lignina também podem ser contempladas. Lignina é vantajosa como uma fonte de carbono que é prontamente disponível e relativamente econômica.

[0010] A escolha da fonte de lignina pode ter como base as características do produto final que é procurado. Por exemplo, as fontes de lignina, como lignina obtida a partir do processo de sulfita, são geralmente hidrofílicas enquanto a lignina refinada é geralmente hidrofóbica. O inventor constatou que ao escolher uma fonte de lignina mais hidrofílica ou mais hidrofóbica, as propriedades do produto final podem ser direcionadas. Por exemplo, o lignossulfonato consiste em fonte de lignina hidrofílica. A lignina refinada é uma fonte de lignina hidrofóbica. O uso de uma fonte de lignina hidrofóbica pode produzir um material compósito hidrofóbico. O uso de uma fonte de lignina hidrofílica pode produzir um material compósito hidrofílico.

[0011] A etapa de fornecer uma fonte de lignina e uma solução aquosa para formar uma composição pode compreender uma etapa de misturar os componentes para formar a composição. As etapas de mistura são conhecidas por uma pessoa versada na técnica.

[0012] A solução aquosa pode ser água.

[0013] Várias maneiras de realizar a etapa de depositar a composição em uma superfície metálica incluem, porém sem limitação, deposição por gotejamento, revestimento por rotação, revestimento por imersão, aplicação física, sublimação, formação de lâminas, impressão por jato de tinta, impressão de tela, colocação direta ou evaporação térmica. Em um exemplo, a etapa b) é realizada por deposição por gotejamento. A superfície pode, de preferência, ser uma superfície lisa que tem um formato quadrangular. Outros formatos, como redondo ou elíptico, também podem ser contemplados. Após depositar a composição na superfície, a composição na superfície metálica pode ser seca a fim de criar alguma adesão entre a composição e a superfície metálica.

[0014] A superfície metálica pode ser feita de qualquer metal ou liga adequada. No entanto, a superfície metálica deve, de preferência, ter capacidade de superar a etapa de aquecer sem quaisquer alterações mecânicas ou físicas substanciais. Os metais adequados incluem cobre, ligas de cobre, alumínio e ligas de alumínio.

[0015] A etapa de aquecer a composição na superfície metálica é, de preferência, realizada em um forno capaz de aquecer a composição na superfície metálica a uma temperatura de pelo menos 500 °C, como a uma temperatura de pelo menos 600 °C, de preferência, a uma temperatura de pelo menos 700 °C, com mais preferência, a uma temperatura de pelo menos 800 °C. O forno deve, de preferência, ter capacidade para fornecer uma atmosfera quimicamente inerte para a composição na superfície metálica, de preferência, através do fluxo de um ou vários gases inertes através de sua câmara de aquecimento. Fornos adequados são conhecidos por uma pessoa versada na técnica, mas um exemplo consiste em forno tubulares. Para formar o material compósito, o tempo de reação na temperatura-alvo pode ser cerca de 20 minutos. Após o material compósito ter sido formado, o material compósito é aderido ao substrato metálico. O material compósito no substrato metálico pode ser posteriormente resfriado à temperatura ambiente, em uma atmosfera inerte ou sob condições ambientais.

[0016] A etapa de aquecer a composição deve ser realizada a uma temperatura de modo que a composição forme o material compósito.

[0017] Em alguns exemplos, o ambiente inerte é criado por um fluxo de gás argônio e gás hidrogênio, de preferência, em uma razão, em peso, entre cerca de 1-10 partes de gás hidrogênio e 90-99 partes de gás argônio, como entre cerca de 5 partes de gás hidrogênio e cerca de 95 partes de gás argônio.

[0018] Em alguns exemplos, o ambiente inerte é criado por um fluxo de gás argônio durante o aquecimento do forno à temperatura de reação e um fluxo de gás hidrogênio quando o forno tiver alcançado a temperatura-alvo e para o tempo de reação completo. Após a reação à temperatura-alvo, a atmosfera inerte pode ser fornecida por um fluxo de gás argônio durante uma etapa de resfriar o substrato à temperatura ambiente.

[0019] Alternativamente, um fluxo de argônio e hidrogênio, em que a razão, em peso, entre argônio e hidrogênio está na faixa se 5-100 partes de argônio a 0-95 partes de argônio, pode ser usado quando o forno tiver alcançado a temperatura-alvo e para o tempo de reação completo à temperatura-alvo.

[0020] O fluxo de gás argônio e/ou hidrogênio pode fornecer uma pressão de pelo menos 1 atm, de preferência, de pelo menos 1,5 atm.

[0021] Nos exemplos da presente revelação, o processo do primeiro aspecto compreende adicionalmente uma etapa d) remover o material compósito da superfície metálica para formar as lâminas do material compósito. A etapa de remover o material compósito da superfície metálica para formar lâminas do material compósito pode ser realizada usando meios mecânicos. O material compósito pode ser removido da superfície metálica usando meio químicos. Em alguns exemplos, a etapa d) compreende adicionalmente tratar o material compósito na superfície metálica com ácido clorídrico a fim de remover flocos de material compósito do substrato metálico. Após os flocos terem sido removidos, uma etapa de eletrólise pode ser usada para coletar os flocos. Os meios mecânicos, como escovação, também podem ser contemplados. Após a remoção, os flocos podem ter um tamanho de mais de 1 µm2, de preferência, de mais de 1 mm2, como na faixa de 1 mm2-50 mm2.

[0022] Em um outro exemplo, os flocos podem ser removidos da superfície metálica usando eletrodelaminação. A eletrodelaminação pode ser realizada permitindo-se que a superfície metálica atue como um primeiro eletrodo, grafite para atuar como segundo eletrodo e hidróxido de sódio como um eletrólito sob uma corrente aplicada. A superfície metálica é, então, transferida para a água, que permite que os flocos se delaminem da superfície de cobre. O processo pode ser repetido a fim de remover tantos flocos quanto possíveis, de preferência, todos os flocos, da superfície metálica. O uso de eletrodelaminação é vantajoso no fato de que não consome a superfície metálica.

[0023] Uma vantagem da presente invenção consiste no fato de que após a remoção da superfície metálica, os flocos produzidos tipicamente tem um tamanho de mais de 1 µm2, como de mais de 1 mm2. Os métodos conhecidos para produzir material compósito à base de carbono produzem geralmente nanopartículas do material compósito. Em comparação com as nanopartículas, os flocos que têm um tamanho de mais de 1 µm2, como de mais de 1 mm2, são pelo menos milhares de vezes maiores que tais nanopartículas. Isso é vantajoso no fato de que fornece uma condutividade eletrônico aprimorada. Os flocos produzidos de acordo com a presente revelação são adequados para uso em aplicações em massa.

[0024] O processo inventivo pode compreender adicionalmente uma etapa de eletrolisar os flocos a fim de coletar os mesmos após terem sido removidos da superfície metálica.

[0025] Em alguns exemplos da presente invenção, a etapa a) compreende adicionalmente fornecer um álcool polivinílico e um álcool para a composição. PVA é um polímero sintético solúvel em água. De preferência, o álcool polivinílico (PVA) é uma solução de PVA, em que tal solução de PVA tem uma quantidade de PVA, em peso, de cerca de 10 % em peso. A solução é, de preferência, uma solução aquosa. A solução de PVA pode ser fornecida em uma quantidade de 1-5 % em peso em peso da composição, como cerca de 2-4 % em peso da composição.

[0026] O inventor percebeu surpreendentemente que fornecer PVA para a composição na etapa a) é vantajoso no fato de que fornece um material compósito mais estável na forma de flocos que têm uma distribuição de tamanho relativamente uniforme de mais de 1 µm2, de preferência, na faixa de 1 µm2-50 mm2 ou de mais de 1 mm2, de preferência, na faixa de 1-50 mm2 ou 1 µm2-1 mm2. Sem o desejo de se ater a qualquer teoria científica específica, acredita-se que a adição de um PVA aprimora a separação de fase da composição da superfície metálica, que facilita mais a remoção da superfície metálica.

[0027] O álcool é, de preferência, um álcool menor, como um álcool que compreende menos que 5 átomos de carbono. O álcool é, de preferência, um álcool primário, secundário ou terciário. O álcool pode ser isopropanol. A quantidade de álcool pode estar na faixa de 25-70 % em peso da composição, como na faixa 45-65 % em peso da composição, de preferência, na faixa de 50-55 % em peso de isopropanol em peso da composição. Nos exemplos em que a fonte de lignina é lignina refinada, a quantidade de álcool pode estar na faixa de 25-35 % em peso.

[0028] O uso de um álcool menor, como isopropanol, é vantajoso no fato de que diminui a tensão de superfície da composição, facilitando, através disso, uma deposição contínua da mistura na superfície metálica.

[0029] Nos exemplos, a composição compreende, em peso da composição, em peso da composição, 10-40 % em peso da fonte de lignina, 1-5 % em peso de álcool polivinílico, e 45-65 % em peso de isopropanol, em que o restante compreende água.

De preferência, a composição compreende, em peso de a composição, 15-30 % em peso da fonte de lignina, 1-5 % em peso de álcool polivinílico, e 47-57 % em peso de isopropanol, em que o restante compreende água. Com mais preferência, a composição compreende 18-22 % em peso da fonte de lignina, 1,5-4 % em peso de álcool polivinílico, e 50-55 % em peso de isopropanol, em que o restante compreende água. Em um exemplo, a composição compreende cerca de 20 % em peso de lignina refinada, cerca de 2,5 % em peso de álcool polivinílico, cerca de 52,5 % em peso de isopropanol e cerca de 25 % em peso de água. Em um outro exemplo, a composição compreende 23-27 % em peso lignina, 1,5-4 % em peso de álcool polivinílico, e 50-55 % em peso de isopropanol, em que o restante compreende água, como cerca de 25 % em peso lignina, cerca de 2,5 % em peso de álcool polivinílico, cerca de 52,5 % em peso de isopropanol e cerca de 20 % em peso de água

[0030] De acordo com alguns exemplos da presente invenção, a fonte de lignina é uma fonte de lignina de particulado, e em que a etapa a) compreende adicionalmente moer a composição. A moagem é, de preferência, realizada usando um moinho de esferas, como um moinho de esferas planetário usando esferas de moagem que têm um diâmetro na faixa de 0,6-0,8 mm. A quantidade de esferas de moagem pode estar na faixa de 1-3 vezes o peso da composição, como cerca de 2 vezes o peso da composição.

[0031] A superfície metálica pode ser uma superfície de cobre. O cobre tem um alto ponto de fusão de 1085 °C e fornece estabilidade mecânica a altas temperaturas. A superfície de cobre é, de preferência, uma superfície de cobre lisa. Verificou-se que o uso de uma superfície de cobre fornece flocos do material compósito que tem uma distribuição de tamanho uniforme de mais de 1 µm2, como de mais de 1 mm2, como na faixa de 1 µm2-50 mm2, de preferência, 1 µm2-1 mm2.

[0032] Em alguns exemplos, a etapa c) compreende adicionalmente aquecer a composição na superfície metálica a uma temperatura de reação na faixa de 500-1100 °C. Como usado no presente documento, o termo “temperatura de reação” é destinado a denotar a temperatura máxima na qual a composição na superfície metálica é exibida durante o processo. A temperatura de reação também pode estar na faixa de 600-1000 °C, como na faixa de 700-900 °C, de preferência, na faixa de 750-850 °C, com mais preferência, na faixa de 790-815 °C, por exemplo, cerca de 805 °C. O tempo de reação, que corresponde ao tempo no qual a composição na superfície metálica é exibida à temperatura de reação é tipicamente menor que 1 hora, como menos de 50 minutos, de preferência, na faixa de 10-50 minutos, como cerca de 30 minutos ou cerca de 20 minutos.

[0033] A etapa de aquecer é, de preferência, realizada em um forno, como um forno tubular. De preferência, o forno tubular é capaz de fornecer uma atmosfera inerte.

[0034] Em alguns exemplos, a temperatura de reação está na faixa de 750-850 °C e o tempo de reação está na faixa de 10-50 minutos, como por cerca de 20 minutos.

[0035] Em algumas modalidades, a temperatura de reação está na faixa de 770-890 °C e o tempo de reação está na faixa de 10-50 minutos, como por cerca de 30 minutos.

[0036] Após ser exibido à temperatura de reação pelo tempo de reação, o material compósito na superfície metálica ainda pode ser exibido a uma temperatura elevada, pelo menos pelo período durante o qual o material resfria após o calor ter sido removido.

[0037] Em um segundo aspecto da presente revelação, é fornecido um material compósito formado como flocos que têm um tamanho médio de pelo menos 1 µm2, em que os flocos compreendem -um substrato que compreende carbono amorfo que tem um primeiro lado disposto de modo oposto a um segundo lado, e -um filme de grafeno disposto pelo menos no primeiro lado do substrato.

[0038] Foi surpreendentemente constatado que ao fornecer flocos com um tamanho médio de pelo menos 1 µm2, como na faixa de 1 µm2-1 mm2 ou de pelo menos 1 mm2, como na faixa de 1-50 mm2, várias desvantagens associadas aos compósitos de grafeno da técnica anterior podem ser atenuadas. Por exemplo, as nanopartículas de grafeno (que são substancialmente menores que os flocos da presente invenção) geralmente sofrem de condutividade insatisfatória.

[0039] O material revelado no segundo aspecto da presente invenção é vantajoso no fato de que fornece uma condutividade aprimorada em comparação aos compósitos de grafeno convencionais. Sem o desejo de se ater a quaisquer teorias científicas específicas, acredita-se que a condutividade aprimorada seja causada pelo tamanho dos flocos. Adicionalmente, a mesma fornece propriedades em massa aprimoradas em comparação com as lâminas maiores de material, como lâminas maiores que 50 mm2.

[0040] Ainda uma outra vantagem do material compósito da presente revelação consiste no fato de que o mesmo pode ser formado a partir de matérias-primas abundantes. De preferência, o material compósito é obtenível a partir de fontes de lignina, que são prontamente disponíveis, por exemplo, como subprodutos da indústria de papel.

[0041] Os flocos, como entendido no presente documento, são lâminas finas de material que se estende substancialmente mais duas dimensões que em uma terceira, que tem uma largura e profundidade que são substancialmente maiores que sua altura. Os flocos da presente revelação devem ter um tamanho médio de pelo menos 1 µm2, como entendido no presente documento como tendo um tamanho de um de seus lados principais de pelo menos 1 µm2. Esse tamanho é destinado a denotar um tamanho que os flocos ocupam em espaço bidimensional. O tamanho de um lado pode ser estimado como a largura do floco multiplicada pela profundidade do floco.

[0042] Os flocos, como revelado no presente documento, compreendem um substrato que tem um primeiro lado disposto de modo oposto a um segundo lado. O termo substrato é no presente documento destinado a denotar material destinado a ser, em pelo menos um lado, pelo menos parcialmente coberto por um filme de um material diferente que tem diferentes propriedades em relação ao primeiro material. O substrato da presente revelação consiste geralmente em dois lados dispostos de modo oposto entre si, isto é, que têm vetores normais apontando em duas direções paralelas e diferentes.

[0043] Na presente revelação, o substrato compreende carbono amorfo. Em alguns exemplos, o substrato consiste substancialmente em carbono amorfo. O carbono amorfo é conhecido por uma pessoa versada na técnica. A espessura do substrato pode estar tipicamente na faixa de 100 nm a 100 µm. A presença de carbono amorfo nos flocos pode ser identificada usando, por exemplo, espectroscopia Raman, por exemplo, pela presença de picos D e G e a razão de faixa D/G. A espectroscopia Raman é conhecida por uma pessoa versada na técnica.

[0044] O filme, referido no presente documento, é destinado a denotar uma camada fina de material que cobre pelo menos parcialmente pelo menos um lado do substrato. O filme compreende grafeno. O grafeno é um material bidimensional conhecido por uma pessoa versada na técnica. Em alguns exemplos, o filme pode cobrir substancialmente pelo menos um lado do substrato. Substancialmente, a cobertura é definida como cobrindo, por pelo menos uma camada de grafeno, pelo menos 90 % no primeiro lado do substrato, como pelo menos 95 % do primeiro lado do substrato. Em alguns exemplos, o filme cobre pelo menos 20 % de pelo menos um lado do substrato, como pelo menos 30 % de pelo menos um lado do substrato, como pelo menos 35 % de pelo menos um lado do substrato, como pelo menos 40 % de pelo menos um lado do substrato, como pelo menos 45 % de pelo menos um lado do substrato, como pelo menos 50 % de pelo menos um lado do substrato, como pelo menos 55 % de pelo menos um lado do substrato, como pelo menos 60 % de pelo menos um lado do substrato, como pelo menos 65 % de pelo menos um lado do substrato, como pelo menos 70 % de pelo menos um lado do substrato, como pelo menos 75 % de pelo menos um lado do substrato, como pelo menos

80 % de pelo menos um lado do substrato, como pelo menos 85 % de pelo menos um lado do substrato.

[0045] A presença de grafeno no material compósito pode ser identificada usando espectroscopia Raman, por exemplo, através da identificação de um pico 2D.

[0046] Em alguns exemplos, os flocos podem ter um tamanho médio na faixa de 1 mm2-50 mm2. Em geral, os materiais de grafeno e, em particular, materiais compósitos de grafeno, são produzidos como nanopartículas ou lâminas grandes que têm um tamanho médio de pelo menos 50 mm2. As nanopartículas tipicamente sofrem de baixa condutividade eletrônica, enquanto as lâminas grandes são desvantajosas em aplicações em massa. O inventor constatou que ao fornecer flocos de acordo com a presente revelação tendo um tamanho médio na faixa de 1 mm2-50 mm2, um material compósito que exibe uma alta condutividade pode ser alcançado. Ainda uma outra vantagem consiste no fato de que os flocos que têm um tamanho médio de 1-50 mm2 são adequados para uso em aplicações em massa. Em alguns exemplos, os flocos podem ter um tamanho médio na faixa de 1 mm2-50 mm2, como na faixa de 10 mm2-25 mm2.

[0047] Em alguns exemplos, os flocos podem ter um tamanho médio na faixa de 1 µm2-50 mm2, como na faixa de 1 µm2-1 mm2. Os inventores constataram que as vantagens mencionadas acima são exibidas também por esses flocos.

[0048] Nos exemplos da presente revelação, o filme pode compreender grafeno de múltiplas camadas. O grafeno de múltiplas camadas (também conhecido como grafeno de poucas camadas) compreende várias monocamadas, tipicamente mais que monocamadas de duas camadas de grafeno. Em alguns exemplos, o filme consiste em grafeno de múltiplas camadas. No entanto, o filme pode tipicamente compreender adicionalmente uma porção de carbono amorfo. A porção amorfa pode ser pequena, como menos de 40 %, em peso, do peso total do filme. O filme pode, em alguns exemplos, compreender grafeno de monocamada e/ou grafeno de duas camadas.

[0049] Em alguns exemplos, o material compósito é obtenível a partir de uma fonte contendo lignina. A lignina é um recurso abundante, em particular, visto que é um subproduto da indústria de fabricação de papel. Tanto o filme quanto o substrato do material compósito, de acordo com o segundo aspecto da presente revelação é obtenível a partir de lignina pelo processo revelado no primeiro aspecto da presente revelação.

[0050] Em um terceiro aspecto da presente invenção, é fornecido um material intermediário, que compreende -um substrato que compreende carbono amorfo que tem um primeiro lado disposto de modo oposto a um segundo lado, e -um filme de grafeno disposto pelo menos no primeiro lado do substrato em que um dentre o substrato e o filme de grafeno é disposto em uma superfície metálica.

[0051] O material intermediário pode ser obtido no processo revelado no primeiro aspecto da presente invenção. Através da remoção do substrato e do filme de grafeno da superfície metálica, o material de acordo com o segundo aspecto pode ser obtido.

[0052] Em alguns exemplos, o filme de grafeno é disposto na superfície metálica. O material intermediário é, de preferência, um material em camadas, que compreende uma primeira camada de uma superfície metálica, uma segunda camada de um filme que compreende grafeno disposto na primeira camada e uma terceira camada de um substrato que compreende carbono amorfo disposto na segunda camada.

[0053] A fim de formar o material compósito do segundo aspecto a partir do material intermediário, a etapa d) revelada em relação ao primeiro aspecto pode ser usada. A etapa d) pode ser realizada quimicamente, pela remoção do filme de grafeno do substrato metálico usando um produto químico, como um ácido, de preferência, ácido clorídrico. A etapa d) pode, em outros exemplos, ser realizada mecanicamente, pela remoção do grafeno do substrato metálico por meios mecânicos, como por escovação. Em alguns exemplos, a eletrodelaminação pode ser usada.

[0054] Deve ser prontamente entendido que a invenção se refere a todos os recursos possíveis citados nas reivindicações, a menos que seja claramente contraditório. Breve descrição dos desenhos anexos

[0055] A invenção será descrita em referência às seguintes figuras, em que a figura 1 mostra uma imagem de microscópio óptico de luz de flocos de acordo com a presente revelação, antes de os flocos terem sido removidos da superfície de cobre; a figura 2 mostra uma imagem de microscópio óptico de luz de flocos de acordo com a presente revelação, após os flocos terem sido removidos da superfície de cobre; a figura 3 mostra um espectro Raman dos flocos quando ainda são fixados ao cobre; a figura 4 mostra um espectro Raman dos flocos após a remoção do cobre;

a figura 5 mostra uma seção transversal esquemática de um floco de acordo com a presente revelação; a figura 6 mostra uma seção transversal esquemática do material intermediário de acordo com a presente revelação; a figura 7 mostra uma seção transversal esquemática do material intermediário de acordo com a presente revelação. Descrição detalhada

[0056] A presente invenção será descrita por meio dos seguintes exemplos não limitativos Exemplo 1 Preparação de amostra

[0057] Um material compósito à base de carbono foi preparado de acordo com o mencionado a seguir.

[0058] 0,5 gramas de lignina particular (Sigma Aldrich) foi fornecido em um béquer juntamente com 0,4 gramas de água desionizada, 0,05 g de solução de álcool polivinílico (PVA) (10 % em mol de PVA em água) e 1,05 g de isopropanol para formar uma pasta fluida. A pasta fluida foi posteriormente transferida para um moinho de esferas (Planetary Mill Pulverisette) em que a pasta fluida foi moída usando esferas de trituração que têm um diâmetro na faixa de 0,6-0,8 mm, em uma quantidade de aproximadamente duas vezes o peso da pasta fluida. A pasta fluida foi moída em um esquema de 5x30 minutos, com um período restante de 15 minutos entre cada repetição de moagem. A pasta fluida moída foi posteriormente coletada do moinho usando 60 ml de uma solução 1:1 de isopropanol e água.

[0059] Após a moagem, a pasta fluida moída foi tratada em um banho ultrassônico.

[0060] A pasta fluida moída foi posteriormente depositada em um substrato de cobre, por revestimento por gotejamento da pasta fluida moída no substrato para obter uma camada de pasta fluida que cobriu substancialmente o substrato de cobre.

[0061] Permitiu-se então que a pasta fluida secasse na superfície de cobre por aproximadamente 30 minutos.

[0062] A superfície de cobre depositada na pasta fluida foi, então, aquecida em um forno tubular (Carbolite Gero) a uma temperatura de aproximadamente 805 °C em uma atmosfera inerte de gás hidrogênio e gás argônio em uma razão de 0,05:0,95 em um fluxo de aproximadamente 130 cc/min. O tratamento de calor foi realizado a 805 °C por aproximadamente 20 minutos, após o qual o calor foi desligado e permitiu-se que o substrato depositado na pasta fluida resfriasse. O fluxo de gás foi diminuído para 5 cc/min. Quando a temperatura no forno diminuiu para 100 °C, o fluxo de gás foi desligado. Após esse tratamento, um produto intermediário que compreendeu um material compósito à base de carbono e o substrato de cobre foi alcançado.

[0063] O material compósito foi removido do substrato de cobre afundando-se o substrato em um recipiente que compreende ácido clorídrico a 4,5 M para realizar gravação química do cobre e para formar os flocos do material compósito à base de carbono. Microscopia óptica de luz

[0064] As Figuras 1 e 2 mostram microgramas ópticos de luz de flocos obtidos de acordo com a presente invenção. A Figura 1 mostra o material compósito em sua forma intermediária quando os flocos ainda são fixados a uma superfície metálica, nesse caso, uma superfície de cobre.

Como pode ser visto na figura 1, o material compósito cobre substancialmente o substrato de cobre.

[0065] A Figura 2 mostra os flocos da presente invenção após a remoção do substrato metálico. É claramente mostrado que o método inventivo forma flocos do material compósito.

[0066] Os materiais mostrados nas Figuras 1 e 2 foram investigados usando espectroscopia Raman. Espectroscopia Raman

[0067] O espectro Raman dos flocos antes da remoção da superfície de cobre é mostrado na Figura 3. O espectro Raman dos flocos após a remoção da superfície metálica é mostrado na Figura 4.

[0068] O espectro Raman foi registrado com um microscópio confocal de Raman de Renishaw inVia com um comprimento de onda de excitação de 532 nm e potência constante de 0,1 % da potência máxima nominal de 500 mW. Um objetivo de magnificação de 20X foi usado e 20 aquisições cumulativas de 20 s para cada espectro único foram tomadas.

[0069] O espectro na Figura 3 mostra um pico D em 1350 cm-1. O pico D representa o modo de respiração de carbono hibridizado por sp2 em anéis em defeitos e contornos de grão. O espectro também mostra um pico G em 1590 cm-1 indicando a vibração em plano de carbono cristalino ligado a sp2. A razão de intensidade de faixa D/G é característica para carbono amorfo. Nenhum pico 2D é visível, visto que o espectro foi tomado a partir da superfície superior, em que a estrutura de grafeno não é visível visto que os flocos ainda são fixados ao cobre com o filme de grafeno adjacente ao cobre.

[0070] O espectro na Figura 4 mostra um pico D em

1350 cm-1. O pico D representa o modo de respiração de carbono hibridizado por sp2 em anéis em defeitos e contornos de grão. O espectro também mostra um pico G em 1590 cm-1 indicando a vibração em plano de carbono cristalino ligado a sp2. A razão de intensidade de faixa D/G é característica para carbono amorfo. O pico 2D (2720 cm-1) que é visível na Figura 4 indica a presença de grafeno de poucas camadas. O espectro mostra adicionalmente um pico D+G em 2958 cm-1. Exemplo 2

[0071] Uma segunda amostra foi preparada da mesma maneira que no Exemplo 1, mas em vez de remover os flocos usando ácido clorídrico, uma etapa de eletrodelaminação foi usada. A superfície metálica foi usada como um primeiro eletrodo, um eletrodo de grafite como um segundo eletrodo e uma solução de NaOH a 0,05 M foi usada como eletrólito. Uma corrente de 25mA/cm2 foi, então, aplicada aos eletrodos. O eletrodo de cobre foi posteriormente transferido para um recipiente de água MilliQ que removeu os flocos do material compósito. O procedimento foi, então, repetido quatro vezes a fim de remover todos os flocos da superfície de cobre. Exemplo 3

[0072] A Figura 5 mostra uma ilustração esquemática de uma seção transversal do material intermediário 10 de acordo com a presente revelação. O material intermediário compreende uma superfície metálica 15. Aderido a um primeiro lado da superfície metálica 15 está o material compósito, em que o primeiro lado do filme 11 que compreende grafeno se adere a um primeiro lado da superfície metálica 15. O substrato 13 que compreende carbono amorfo se adere ao outro lado do filme 11. O filme e o substrato formam o material compósito 12.

[0073] A Figura 6 mostra uma ilustração esquemática de um floco 10 de acordo com a presente revelação, após o floco ter sido removido da superfície metálica. O floco 12’ compreende um substrato 13 que compreende carbono amorfo que tem um primeiro lado no qual um filme 11 que compreende grafeno é aderido.

[0074] Adicionalmente, variações às modalidades e exemplos revelados podem ser entendidas e efetuadas pela pessoa versada na prática da invenção reivindicada, a partir de um estudo dos desenhos, da revelação e das reivindicações anexas. Nas reivindicações, a palavra "que compreende" não exclui outros elementos ou etapas, e os artigos indefinidos "uma" ou "um" não excluem uma pluralidade. O simples fato de que certas medidas são mencionadas nas reivindicações dependentes mutuamente diferentes não indica que uma combinação dessas medidas não pode ser usada como vantagem. Lista em itens das modalidades

[0075]

1. Um processo para produzir um material compósito que compreende um filme de grafeno disposto em um substrato de carbono amorfo, em que o processo compreende as etapas de a) fornecer uma fonte de lignina e uma solução aquosa para formar uma composição b) depositar a composição em uma superfície metálica c) aquecer a composição na superfície metálica para formar o material compósito na superfície metálica.

2. O processo, de acordo com o item 1, em que o processo compreende adicionalmente uma etapa de d) remover o material compósito da superfície metálica para formar flocos do material compósito.

3. O processo, de acordo com qualquer um dos itens anteriores, em que a etapa a) compreende adicionalmente fornecer um álcool polivinílico e um álcool para a composição.

4. O processo, de acordo com o item 3, em que o álcool é isopropanol.

5. O processo, de acordo com o item 4, em que a composição compreende, em peso da composição - 10-30 % em peso da fonte de lignina - 1-5 % em peso de álcool polivinílico - 45-65 % em peso de isopropanol em que o restante compreende água.

6. O processo, de acordo com qualquer um dos itens anteriores, em que a fonte de lignina é uma fonte de lignina de particulado, e em que a etapa a) compreende adicionalmente moer a composição.

7. O processo, de acordo com qualquer um dos itens anteriores, em que a superfície metálica é uma superfície de cobre.

8. O processo, de acordo com qualquer um dos itens anteriores, em que a etapa c) compreende adicionalmente aquecer a composição na superfície metálica a uma temperatura de reação na faixa de 500-1100 °C.

9. O processo, de acordo com qualquer um dos itens anteriores, em que a etapa c) é realizada em uma atmosfera que compreende gás argônio e gás hidrogênio.

10. O processo, de acordo com qualquer um dos itens 2-

7, em que os flocos formados na etapa d) têm um tamanho médio na faixa de 1 mm2-50 mm2.

11. Um material compósito formado como flocos tendo um tamanho médio de pelo menos 1 mm2, em que os flocos compreendem -um substrato que compreende carbono amorfo que tem um primeiro lado disposto de modo oposto a um segundo lado, e -um filme de grafeno disposto pelo menos no primeiro lado do substrato.

12. O material compósito, de acordo com o item 11, em que o filme de grafeno cobre substancialmente o primeiro lado do substrato.

13. O material compósito, de acordo com qualquer um dos itens 11-12, em que os flocos têm um tamanho médio na faixa de 1 mm2-50 mm2.

14. O material compósito, de acordo com qualquer um dos itens 11-13, em que o material compósito é obtenível a partir de uma fonte contendo lignina.

15. Um material compósito intermediário que compreende -um substrato que compreende carbono amorfo que tem um primeiro lado disposto de modo oposto a um segundo lado, e -um filme de grafeno disposto pelo menos no primeiro lado do substrato em que um lado do substrato é disposto em uma superfície metálica.

Claims (21)

REIVINDICAÇÕES

1. Processo para produzir um material compósito que compreende um filme de grafeno disposto em um substrato de carbono amorfo, sendo o processo caracterizado por compreender as etapas de a) fornecer uma fonte de lignina e uma solução aquosa para formar uma composição b) depositar a composição em uma superfície metálica c) aquecer a composição na superfície metálica para formar o material compósito na superfície metálica.

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, sendo o processo caracterizado por compreender adicionalmente uma etapa d) remover o material compósito da superfície metálica para formar os flocos do material compósito.

3. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a etapa a) compreende adicionalmente fornecer um álcool polivinílico e um álcool para a composição.

4. Processo, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que o álcool é isopropanol.

5. Processo, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a composição compreende, em peso da composição - 10-30 % em peso da fonte de lignina - 1-5 % em peso de álcool polivinílico - 45-65 % em peso de isopropanol em que o restante compreende água.

6. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a fonte de lignina é uma fonte de lignina de particulado, e em que a etapa a) compreende adicionalmente moer a composição.

7. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a superfície metálica é feita de um metal selecionado a partir de cobre, ligas de cobre, alumínio e ligas de alumínio.

8. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a superfície metálica é uma superfície de cobre.

9. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a etapa c) compreende adicionalmente aquecer a composição na superfície metálica a uma temperatura de reação na faixa de 500-1100 °C.

10. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a etapa c) é realizada em uma atmosfera que compreende gás argônio e/ou hidrogênio.

11. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a etapa c) é realizada em uma atmosfera que compreende gás argônio e gás hidrogênio.

12. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que os flocos formados na etapa d) têm um tamanho médio na faixa de 1 µm2-50 mm2.

13. Processo, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que os flocos formados na etapa d) têm um tamanho médio na faixa de 1 µm2-1 mm2.

14. Processo, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que os flocos formados na etapa d) têm um tamanho médio na faixa de 1 mm2-50 mm2.

15. Material compósito caracterizado por ser formado como flocos tendo um tamanho médio de pelo menos 1 µm2, em que os flocos compreendem -um substrato que compreende carbono amorfo que tem um primeiro lado disposto de modo oposto a um segundo lado, e -um filme de grafeno disposto pelo menos no primeiro lado do substrato.

16. Material compósito, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o filme de grafeno cobre substancialmente o primeiro lado do substrato.

17. Material compósito, de acordo com qualquer uma das reivindicações 15-16, caracterizado pelo fato de que os flocos têm um tamanho médio de pelo menos 1 mm2.

18. Material compósito, de acordo com qualquer uma das reivindicações 15-17, caracterizado pelo fato de que os flocos têm um tamanho médio na faixa de 1 mm2-50 mm2.

19. Material compósito, de acordo com qualquer uma das reivindicações 15-16, caracterizado pelo fato de que os flocos têm um tamanho médio na faixa de 1 µm2-1 mm2.

20. Material compósito, de acordo com qualquer uma das reivindicações 15-19, sendo o material compósito caracterizado por ser obtenível a partir de uma fonte contendo lignina.

21. Material compósito intermediário caracterizado por compreender -um substrato que compreende carbono amorfo que tem um primeiro lado disposto de modo oposto a um segundo lado, e -um filme de grafeno disposto pelo menos no primeiro lado do substrato em que um lado do substrato é disposto em uma superfície metálica.