JP2017523118A - 有機高分子材料からカーボンパウダーを調製する方法および有機高分子材料における結晶形態を測定する方法 - Google Patents
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Abstract
Description
前記方法で得られたカーボンパウダーはナノメートルスケールのオニオン状炭素ボールを含むことを特徴とする、実施形態1〜5のいずれか1項に記載の方法。
得られたカーボンパウダーはナノメートルスケールの炭素繊維を含むことを特徴とする、実施形態1〜5のいずれか1項に記載の方法。
前記有機高分子材料における結晶形態を反映する前記炭素材料のミクロ形態を観察する観察と確認の工程と、
を含む、有機高分子材料における結晶形態を測定する方法。
本発明の第2側面は、酸により有機高分子材料を処理することで表面が炭化された材料或いはグラフェン含有粉末材料を得る方法に関する。本発明の第2側面は以下の内容に関する。
b.分離を行うことで前記固体粉末あるいは前記固体粉末の水溶液が得られる工程と、
を含む、固体粉末あるいはその溶液を調製する方法。
本発明の一部の実施形態は、強酸化剤を用いて、ナノメートルスケール結晶を含む有機高分子材料(例えば、直鎖高分子材料)を炭化させることで、ナノメートルスケールの炭素材料が得られる炭化工程を含む、炭素材料を調製する方法を提供する。具体的に、前記炭化工程は、ナノメートルスケール結晶を含む有機高分子材料(例えば、直鎖高分子材料)と強酸化剤を接触させて炭化させることで、ナノメートルスケールの炭素材料が得られる。前記強酸化剤は重金属イオンを含まないものであることが好ましい。
本発明の一部の実施形態は、ナノメートルスケールの炭素材料がスルホン酸基を含むことを特徴とするナノメートルスケールの炭素材料を提供する。前記した方法において、重金属を含まない強酸化剤を酸化性スルホン化剤とした場合に、得られたナノメートルスケールの炭素材料はスルホン酸基を含むことが多い。得られたナノメートルスケールの炭素材料は重金属を含まなくてスルホン酸基を含むことで、その炭素材料を水処理に用いる場合、非常に有利である。その炭素材料は炭素材料そしての吸着作用を機能するともに、スルホン酸基は水中の重金属イオンを除くことができ、さらにある程度でカルシウムイオンやマグネシウムイオンを除くことができる。一方、炭素材料を充填物に用いる応用において、炭素材料に官能基を有することで炭素材料と基質の間をより緊密に結合させる。
本発明の一部の実施形態は、強酸化剤(好ましくは重金属イオンを含まない強酸化剤である)を用いて有機高分子材料を炭化させることで、炭素材料が得られる炭化工程と、
前記有機高分子材料における結晶形態を反映する前記炭素材料のミクロ形態を観察する、観察と確認の工程と、
を含む、有機高分子材料における結晶形態を測定する方法を提供する。
本発明の第二側面は、酸により有機高分子材料を処理することで表面が炭化された材料或いはグラフェン含有粉末材料を得る方法に関する。
プラスチックめっき:この表面に炭素が覆われた材料でプラスチックめっきを行い、前期プロセスには粗雑化などのプロセスを必要としなく、直接セメントパラジウムすれば、後のプロセスを行うことができる。この方法は以下の利点がある。1、プラスチックめっきプロセスは重金属汚染を起こり、主な汚染源(六価クロム)は粗雑化プロセスから由来するので、本発明の方法を用いることで汚染のプロセスを減少でき、環境に良くとなる。2、プラスチックめっきの種類を広げる。今の市場では、プラスチックめっきの主な種類はABSであり、業界には数十年をかけてポリエチレン系材料のめっきを開発をしたいが、まだ良い方法がないのは現状である。本発明はこの問題を解決することができる。
実施例1〜11は本発明の第一側面の実施例
実施例1:(高密度ポリエチレンを用いて球形の炭素材料を調製する)
高密度ポリエチレンHDPE 5000Sの結晶温度は136℃、結晶化度は80〜90%である。
実施例2:(高密度ポリエチレンを用いて繊維状炭素材料を調製する)
10重量部の高密度ポリエチレンHDPE 5000Sを溶融して200℃に昇温した後に、125℃で保温して10cm/sの速度で徐々に引張り、引張られたサンプルを液体窒素中に急冷した。処理したポリエチレンを用意した。
実施例3:
10重量部の高密度ポリエチレンHDPE 5000Sを溶融して200℃に昇温した後に、徐々に130℃に降温し、127℃で1分間恒温した後に、液体窒素で急冷した。処理したポリエチレンを用意した。
実施例4:(結晶温度110℃、結晶化度35〜50%の低密度ポリエチレンを用いて、球形炭素材料を調製する)
10重量部の低密度ポリエチレンLDPEを溶融して160℃に昇温した後に、105℃で保温して10cm/sの速度で徐々に引張り、引張られたサンプルを液体窒素中に急冷した。処理したポリエチレンを用意した。
実施例5:(結晶温度110℃、結晶化度35〜50%の低密度ポリエチレンを用いて、繊維状炭素材料を調製する)
10重量部の低密度ポリエチレンLDPEを溶融して150℃に昇温した後に、徐々に108℃に降温し、108℃で96時間恒温にした後、徐々に室温に冷却した。処理したポリエチレンを用意した。
実施例6:(無定形ポリ塩化ビニルを用いる)
本実施例において、使用したポリ塩化ビニルは結晶を含まない無定形重合体である。10重量部のこの無定形ポリ塩化ビニルを500重量部の塩化スルホン酸に120℃で処理した後、無定形炭素材料5重量部が得られた。X線回折により、結晶形態の炭素はほとんどない。
実施例7:(フッ化スルホン酸を用いて強酸化剤として、高密度ポリエチレンを用いて有機高分子材料として、球形炭素材料を調製する)
高密度ポリエチレンHDPE 5000Sの結晶温度は136℃、結晶化度は80〜90%である。
実施例8:(結晶温度136℃、結晶化度80〜90%の高密度ポリエチレンHDPE 5000Sを用いて、結晶温度より高い温度で炭化工程を行う)
10重量部の高密度ポリエチレンHDPE 5000Sを溶融して180℃に昇温した後に、徐々に130℃に降温し、130℃で48時間恒温にした後、徐々に室温に冷却した。処理したポリエチレンを用意した。
実施例9:(結晶温度136℃、結晶化度80〜90%の高密度ポリエチレンHDPE 5000Sを用いて、結晶温度より高い温度で炭化工程を行う)
10重量部の高密度ポリエチレンHDPE 5000Sを溶融して200℃に昇温した後に、125℃で保温して10cm/sの速度で徐々に引張り、引張られたサンプルを液体窒素中に急冷した。処理したポリエチレンを用意した。
実施例10:(応用1)
実施例1で調製した炭素材料2%とシュウ酸鉄(II)、炭酸リチウム、リン酸二水素アンモニウムを混合し、ボールミルした後に、750℃で焼結した。得られたリン酸鉄リチウム材料の放電比容量は160 mAh/gとなった。
実施例11:(応用2)
5wt%の実施例2で調製した炭素材料とナイロン66(Shanghai GENIUS CO.,LTD)を混合して押出し、混合材料1が得られた。これに対して、5wt%の直径3〜5マイクロメートル、長さ1〜3ミリメートルの短く切った炭素繊維(上海力碩複合材料科技有限公司)とナイロン66を混合して押出し、混合材料2が得られた。得られた材料のミクロ形態を観察し、国家規格であるGB/T1447−2005とGB1449−2005に準して、以上得られた混合材料と単純のナイロン66をそれそれに規定の形状とサイズに切り出し、ミリングし、Instron3369万能試験機を用い、引張強度、曲げ強度を測定した。得られた性能データ(全てのデータは5組の測定したデータの平均値)を比較して表2に示す。
以上のデータから、実施例2を添加した炭素材料であるナイロン66の引張強度は単純のナイロン66材料より50%向上し、曲げ強度は47%向上したが、従来の技術のマイクロメートルスケールの短く切った繊維は本発明の効果に達することができないことが明らかとなる。
以下は本発明の第二側面の実施例である。
図7は本発明の第二側面の方法で調製した炭素付き材料が銅めっきに用いられる実施例である。結果は以上の第二側面の前記した利点を証明した。
実施例13
図8は本発明の第二側面の方法で調製した炭素付き材料である。この炭素付き材料は帯電防止チューブに用いられる。
実施例14
図9と図10はそれぞれに本発明の第二側面の方法で調製したシート状の官能化グラフェンの透過型電子顕微鏡写真である。これは本発明の第二側面の方法で調製した官能化グラフェン粉末の以上の第二側面の前記した利点を示した。
実施例15
図11は本発明の第二側面の方法で調製した球状の官能化グラフェンの透過型電子顕微鏡写真である。これは本発明の第二側面の方法で調製した官能化グラフェン粉末の以上の第二側面の前記した利点を示した。
実施例16
図12は本発明の第二側面の方法で調製した繊維状の官能化グラフェンの透過型電子顕微鏡写真である。これは本発明の第二側面の方法で調製した官能化グラフェン粉末の以上の第二側面の前記した利点を示した。
以上は本発明の例示した実施形態であるが、本発明の範囲はこれらに限定されるものではなく、その範囲は、添付の特許請求の範囲によって定められるべきである。
Claims (10)
- 重金属イオンを含まない強酸化剤を用いて、ナノメートルスケール結晶を含む直鎖高分子材料を炭化させることにより、ナノメートルスケールの炭素材料が得られる炭化工程を含む、炭素材料を調製する方法。
- 前記ナノメートルスケール結晶を含む直鎖高分子材料はポリオレフィン、ポリイン或いはその他の対称構造の直鎖炭化水素重合体材料、好ましくは、前記高分子材料が対称構造の高分子、より好ましくは、前記高分子材料がポリエチレンワックス、塩素化ポリエチレン、ポリアセチレン、ハロゲン元素含有ポリイン、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ハロゲン元素含有ポリオレフィン、ポリプロピレンからなる群から選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記強酸化剤は一般式R-SO3Hで表される化合物(式中、RはF、Cl、Brから選択される)、H2SO4とHClの組合せ、H2SO4とHFの組合せ、濃硫酸、発煙硫酸、及びそれらの組合せからなる群から選択される1種または2種以上を含み、好ましくは、前記強酸化剤がフッ化スルホン酸、塩化スルホン酸あるいはそれらの組合せである、請求項1または2に記載の方法。
- 前記有機高分子材料が前記強酸化剤に対する重量比は1:1〜1:300、好ましくは1:1〜1:200、より好ましくは1:2〜1:150、より好ましくは1:2〜1:120、より好ましくは1:3〜1:100、より好ましくは1:4〜1:90、より好ましくは1:5〜1:80、より好ましくは1:9〜1:75、より好ましくは1:10〜1:70、より好ましくは1:13〜1:65、より好ましくは1:15〜1:60である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。
- 前記炭化工程が行われる温度は前記高分子材料における結晶部分の結晶温度より1〜50℃低く、好ましくは2〜40℃低く、より好ましくは2〜30℃低く、より好ましくは2〜20℃低く、より好ましくは2〜15℃低く、より好ましくは2〜10℃低く、もっとも好ましくは2〜7℃低く、また好ましくは5〜20℃低い、請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。
- 前記高分子材料中にナノメートルスケールのオニオン状結晶を含ませるように、前記高分子材料を結晶温度より高い温度に加熱した後、結晶温度より2〜7度低い温度に降温し、1〜100時間(好ましくは12〜48時間)保持し、その後、1℃/分未満の速度で前記高分子材料を室温に降温させる前処理工程を更に含み、
前記方法で得られたカーボンパウダーはナノメートルスケールのオニオン状炭素ボールを含むことを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。 - 前記高分子材料中にナノメートルスケールの繊維状結晶を含ませるように、前記高分子材料を結晶温度より高い温度に加熱した後、結晶温度より2〜7度低い温度に降温し、1cm/s〜1m/sの速度で、好ましくは5cm/s〜20cm/sの速度で、より好ましくは8cm/s〜12cm/sの速度で前記高分子材料を引張り、引張られた高分子材料を20℃/分を超える速度で室温に急冷する前処理工程を更に含み、
得られたカーボンパウダーはナノメートルスケールの炭素繊維を含むことを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。 - ナノメートルスケールの炭素材料はスルホン酸基を含み、且つ前記ナノメートルスケールの炭素材料は繊維状、球状、六角形状、樹枝状、或いはそれらの組合せであることを特徴とする、ナノメートルスケールの炭素材料。
- 前記スルホン酸基の含有量は1〜40%であることを特徴とする、請求項8に記載のナノメートルスケールの炭素材料。
- 重金属イオンを含まない強酸化剤を用いて有機高分子材料を炭化させることで、炭素材料が得られる炭化工程と、
前記有機高分子材料における結晶形態を反映する前記炭素材料のミクロ形態を観察する観察と確認の工程と、
を含む、有機高分子材料における結晶形態を測定する方法。
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