JP2019189469A - Carbon material complex and carbon material-metal complex - Google Patents

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Abstract

To provide a method for obtaining a carbon material-metal complex in which carbon materials are combined together by sufficiently strong interaction.SOLUTION: The present invention provides a carbon material-metal complex of graphite oxide, a compound represented by a general formula (1), and a metal and/or metal compound (where Ris a direct bond or a divalent linking group. A is -NRRor -NRRR, and R, R, and Rare the same or different to represent a hydrogen atom or an organic group. Xand Xare the same or different to represent a hydrogen atom or a metal atom, or there is not any corresponding atom. If Xdoes not have any corresponding atom, -OXrepresents -O. If Xdoes not have any corresponding atom, -OXis -O).SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、炭素材料複合体及び炭素材料−金属複合体に関する。より詳しくは、熱電変換材料、ポンプ部品、切削工具、シールリング、軸受け、ボールミルのボール・ブレード等の粉砕部品、手術器具、治具、電気機器、デバイス用部品、建材製品等として好適に用いることができる炭素材料−金属複合体及び当該複合体を得るために好適な炭素材料複合体に関する。 The present invention relates to a carbon material composite and a carbon material-metal composite. More specifically, thermoelectric conversion materials, pump parts, cutting tools, seal rings, bearings, ball mill balls and blades and other pulverized parts, surgical instruments, jigs, electrical equipment, device parts, building material products, etc. The present invention relates to a carbon material-metal composite that can be used and a carbon material composite suitable for obtaining the composite.

複合体セラミックスは、セラミックスを繊維、粒子等と組み合わせて複合化し、硬度等の特性を向上したものであり、半導体、電池、自動車、情報通信、産業機器等の分野で種々用いられている。 Composite ceramics are composites of ceramics combined with fibers, particles, and the like to improve properties such as hardness, and are used in various fields such as semiconductors, batteries, automobiles, information communication, and industrial equipment.

また酸化黒鉛は、sp結合で結合した炭素原子が平面的に並んだ層状構造をもつ黒鉛を酸化し、酸素含有官能基を付与したものであり、その特異な構造や物性のために数多くの研究がなされている。酸化黒鉛は、金属イオンと相互作用があり、これを用いて複合体セラミックスの1種である炭素材料−金属複合体を形成できることが知られている。 In addition, graphite oxide is obtained by oxidizing graphite having a layered structure in which carbon atoms bonded by sp 2 bonds are arranged in a plane and imparting an oxygen-containing functional group. Due to its unique structure and physical properties, Research has been done. It is known that graphite oxide interacts with metal ions and can be used to form a carbon material-metal composite which is a kind of composite ceramics.

ところで、ダイレクトメタノール燃料電池におけるメタノール酸化のために有効な触媒として、スルホン酸基がグラフトされたグラフェン上の自己集積化白金ナノ粒子が開示されている(非特許文献1参照)。 Incidentally, as an effective catalyst for methanol oxidation in a direct methanol fuel cell, self-assembled platinum nanoparticles on graphene grafted with sulfonic acid groups have been disclosed (see Non-Patent Document 1).

Lu J. et al. Scientific Reports 6 21530 (2016).Lu J. et al. Scientific Reports 6 21530 (2016).

上記のとおり、酸化黒鉛は金属イオンと相互作用があり、このような炭素材料をセラミックスに導入することで、より優れた硬度や耐摩耗性を発揮できる可能性がある。しかしながら、酸化黒鉛とセラミックスとの相互作用は、特に金属種によっては、弱いものであり、一旦複合化しても、後で酸化黒鉛が剥がれてしまう等の問題があった。 As described above, graphite oxide interacts with metal ions, and by introducing such a carbon material into ceramics, there is a possibility that more excellent hardness and wear resistance can be exhibited. However, the interaction between graphite oxide and ceramics is weak, particularly depending on the metal species, and there is a problem that, once combined, graphite oxide is peeled off.

本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、炭素材料が充分に強い相互作用で複合化した炭素材料−金属複合体を得るための方法を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the said present condition, and it aims at providing the method for obtaining the carbon material-metal composite_body | complex in which the carbon material was compounded by the sufficiently strong interaction.

本発明者らは、炭素材料が充分に強い相互作用で複合化した炭素材料−金属複合体を得るための方法について種々検討し、酸化黒鉛と、アミン基とリン酸(塩)基とを有する特定の化合物と、金属及び/又は金属化合物との炭素材料−金属複合体を形成した。本発明者らは、この炭素材料−金属複合体が、充分に強い相互作用で複合化した強固な構造体となることを見出した。その理由は、酸化黒鉛と上記化合物のアミン基又はアミン基由来のアンモニウムカチオンとが強く相互作用するとともに、酸化黒鉛と複合化した上記化合物のリン酸(塩)基又はリン酸(塩)基由来のリン酸イオンが外側を向くため、リン酸(塩)基又はリン酸イオンと金属及び/又は金属化合物とが強く相互作用するためであると考えられる。このように、本発明者らは、上述した特定の化合物を用いることで炭素材料を複合化する作用がより強いものとなり、硬度等に優れ、種々の用途に適用できる可能性がある強固なセラミックスを形成できることを見出した。更に、本発明者らは、上記金属及び/又は金属化合物と複合化させることにより上記炭素材料−金属複合体を好適に得ることができる、酸化黒鉛と上記化合物との炭素材料複合体をも見出し、上記課題をみごとに解決することができることに想到し、本発明に到達したものである。 The present inventors have studied various methods for obtaining a carbon material-metal composite in which a carbon material is complexed with a sufficiently strong interaction, and has graphite oxide, an amine group, and a phosphoric acid (salt) group. A carbon material-metal composite of a specific compound and a metal and / or metal compound was formed. The present inventors have found that this carbon material-metal composite becomes a strong structure composited by a sufficiently strong interaction. The reason is that graphite oxide and the amine group of the above compound or the ammonium cation derived from the amine group strongly interact with each other and are derived from the phosphoric acid (salt) group or phosphoric acid (salt) group of the above compound complexed with graphite oxide. This is considered to be because the phosphate ions (salt) or the phosphate ions strongly interact with the metal and / or metal compound. As described above, the present inventors have a stronger action of compounding the carbon material by using the above-mentioned specific compound, and have excellent hardness, etc., and are strong ceramics that may be applicable to various applications. It was found that can be formed. Furthermore, the present inventors have also found a carbon material composite of graphite oxide and the above compound, which can suitably obtain the above carbon material-metal composite by combining with the above metal and / or metal compound. The inventors have conceived that the above problems can be solved brilliantly and have reached the present invention.

すなわち本発明は、酸化黒鉛と、下記一般式(1)で表される化合物との炭素材料複合体である。 That is, the present invention is a carbon material composite of graphite oxide and a compound represented by the following general formula (1).

Figure 2019189469
Figure 2019189469

(式中、Rは、直接結合又は2価の連結基を表す。Aは、−NR又は−Nを表し、R、R、及び、Rは、同一又は異なって、水素原子又は有機基を表す。X及びXは、同一又は異なって、水素原子又は金属原子を表すか、又は、対応する原子が存在しない。Xに対応する原子が存在しない場合、−OXは−Oを表す。Xに対応する原子が存在しない場合、−OXは−Oを表す。) (In the formula, R 1 represents a direct bond or a divalent linking group. A represents —NR 2 R 3 or —N + R 2 R 3 R 4 , R 2 , R 3 , and R 4. Are the same or different and each represents a hydrogen atom or an organic group, X 1 and X 2 are the same or different and each represents a hydrogen atom or a metal atom, or there is no corresponding atom, corresponding to X 1 . If there exist no atoms, -OX 1 is -O - if there is no corresponding atoms .X 2 representing the, -OX 2 is -O - represents a).

本発明はまた、酸化黒鉛と、下記一般式(1)で表される化合物と、金属及び/又は金属化合物との炭素材料−金属複合体でもある。 The present invention is also a carbon material-metal composite of graphite oxide, a compound represented by the following general formula (1), and a metal and / or a metal compound.

Figure 2019189469
Figure 2019189469

(式中、Rは、直接結合又は2価の連結基を表す。Aは、−NR又は−Nを表し、R、R、及び、Rは、同一又は異なって、水素原子又は有機基を表す。X及びXは、同一又は異なって、水素原子又は金属原子を表すか、又は、対応する原子が存在しない。Xに対応する原子が存在しない場合、−OXは−Oを表す。Xに対応する原子が存在しない場合、−OXは−Oを表す。)
なお、本発明の炭素材料−金属複合体は、炭素材料としての酸化黒鉛と、一般式(1)で表される化合物と、金属及び/又は金属(元素)を含む金属化合物との複合体を言う。
(In the formula, R 1 represents a direct bond or a divalent linking group. A represents —NR 2 R 3 or —N + R 2 R 3 R 4 , R 2 , R 3 , and R 4. Are the same or different and each represents a hydrogen atom or an organic group, X 1 and X 2 are the same or different and each represents a hydrogen atom or a metal atom, or there is no corresponding atom, corresponding to X 1 . If there exist no atoms, -OX 1 is -O - if there is no corresponding atoms .X 2 representing the, -OX 2 is -O - represents a).
The carbon material-metal composite of the present invention is a composite of graphite oxide as a carbon material, a compound represented by the general formula (1), and a metal compound containing a metal and / or a metal (element). To tell.

本発明の炭素材料−金属複合体は、酸化黒鉛が充分に強い相互作用で複合化した、強固なものである。 The carbon material-metal composite of the present invention is a solid material in which graphite oxide is composited by a sufficiently strong interaction.

以下に本発明を詳述する。
なお、以下において段落に分けて記載される個々の本発明の好ましい特徴を2つ以上組み合わせた形態も、本発明の好ましい形態である。
The present invention is described in detail below.
In addition, the form which combined two or more each preferable characteristic of this invention described separately in a paragraph below is also a preferable form of this invention.

<炭素材料複合体>
本発明の炭素材料複合体は、酸化黒鉛と、上記一般式(1)で表される化合物との炭素材料複合体である。なお、一般式(1)で表される化合物は、アミン基とリン酸(塩)基とを有する特定の化合物の他、当該化合物を例えば水中で複合化して本発明の炭素材料複合体を得た場合に水のpH等によって通常起こりうるリン酸(塩)基の解離やアミン基のカチオン化を経たものであってもよく、このようなイオン化合物も酸化黒鉛と充分に強い相互作用で複合化されて本発明の効果を発揮できる。本発明の炭素材料複合体と金属及び/又は金属化合物とを更に複合化させることにより、後述する本発明の炭素材料−金属複合体を好適に得ることができる。
<Carbon material composite>
The carbon material composite of the present invention is a carbon material composite of graphite oxide and a compound represented by the above general formula (1). The compound represented by the general formula (1) is a specific compound having an amine group and a phosphoric acid (salt) group, and the compound is compounded in, for example, water to obtain the carbon material composite of the present invention. In this case, it may have undergone dissociation of phosphoric acid (salt) groups or cationization of amine groups, which normally occurs depending on the pH of water, and such ionic compounds are also complexed with graphite oxide with sufficiently strong interaction. The effect of the present invention can be exhibited. By further complexing the carbon material composite of the present invention with a metal and / or metal compound, the carbon material-metal composite of the present invention described later can be suitably obtained.

(酸化黒鉛)
本発明の炭素材料複合体における酸化黒鉛は、グラフェン、黒鉛(グラファイト)等の黒鉛質の炭素材料を酸化することにより酸素が結合したもの(該炭素材料に酸素が結合したもの)であり、該酸素は黒鉛質の炭素材料に対しカルボキシル基、カルボニル基、水酸基、エポキシ基等の置換基として存在している。
上記酸化黒鉛は、グラフェンの炭素に酸素が結合した酸化グラフェンであることが好ましい。
なお、一般的にグラフェンとは、sp結合で結合した炭素原子が平面的に並んだ1層からなるシートをいい、グラフェンシートが多数積層されたものはグラファイトといわれるが、本発明における酸化グラフェンには、炭素原子1層のみからなるシートだけではなく、2層〜100層程度積層した構造を有するものも含まれる。該酸化グラフェンは、炭素原子1層のみからなるシートであるか、又は、2層〜20層程度積層した構造を有するものであることが好ましい。
上記酸化黒鉛は、更に、硫黄含有基、窒素含有基等の官能基を有していてもよいが、全構成元素に対する炭素、水素、及び、酸素の構成元素としての含有率が97モル%以上であることが好ましく、99モル%以上であることがより好ましく、酸化黒鉛が炭素、水素、及び、酸素のみを構成元素とするものであることが更に好ましい。
(Graphite oxide)
The graphite oxide in the carbon material composite of the present invention is one in which oxygen is bonded by oxidizing a graphitic carbon material such as graphene, graphite (graphite) (the one in which oxygen is bonded to the carbon material), Oxygen is present as a substituent such as a carboxyl group, a carbonyl group, a hydroxyl group, and an epoxy group with respect to the graphitic carbon material.
The graphite oxide is preferably graphene oxide in which oxygen is bonded to carbon of graphene.
In general, graphene refers to a sheet composed of one layer in which carbon atoms bonded by sp 2 bonds are arranged in a plane, and a stack of graphene sheets is referred to as graphite. In the present invention, graphene oxide Includes not only a sheet composed of only one carbon atom layer but also a sheet having a structure in which about 2 to 100 layers are laminated. The graphene oxide is preferably a sheet composed of only one carbon atom layer, or has a structure in which about 2 to 20 layers are laminated.
The graphite oxide may further have a functional group such as a sulfur-containing group and a nitrogen-containing group, but the content of carbon, hydrogen, and oxygen as constituent elements with respect to all constituent elements is 97 mol% or more. It is preferable that it is 99 mol% or more, and it is still more preferable that the graphite oxide contains only carbon, hydrogen, and oxygen as constituent elements.

上記酸化黒鉛は、酸素原子数に対する炭素原子数の比(C/O)が0.5〜20であることが好ましい。該比は、1以上であることがより好ましく、1.2以上であることが更に好ましい。また、該比は、10以下であることがより好ましく、6以下であることが更に好ましく、4以下であることが一層好ましく、3以下であることが特に好ましい。酸素原子数に対する炭素原子数の比が上記範囲に入ることで、酸化黒鉛、一般式(1)で表される化合物、並びに、金属及び/又は金属化合物がより強固に複合化することができる。
酸素原子数に対する炭素原子数の比は、XPS測定で得られるO1s領域の全ピーク面積とC1s領域の全ピーク面積との比率により確認することができる。
The graphite oxide preferably has a ratio of carbon atoms to oxygen atoms (C / O) of 0.5 to 20. The ratio is more preferably 1 or more, and still more preferably 1.2 or more. The ratio is more preferably 10 or less, still more preferably 6 or less, still more preferably 4 or less, and particularly preferably 3 or less. When the ratio of the number of carbon atoms to the number of oxygen atoms is within the above range, the graphite oxide, the compound represented by the general formula (1), and the metal and / or metal compound can be combined more firmly.
The ratio of the number of carbon atoms to the number of oxygen atoms can be confirmed by the ratio of the total peak area of the O1s region and the total peak area of the C1s region obtained by XPS measurement.

酸化黒鉛の製造方法としては、黒鉛を酸溶媒中で強力な酸化剤と作用させることで酸化黒鉛を合成する方法が一般的であり、酸化剤として硫酸と過マンガン酸カリウムを用いるHummers法を使用できる。またその他の方法として、硝酸と塩素酸カリウムを用いるBrodie法、酸化剤として硫酸、硝酸と塩素酸カリウムを用いるStaudenmaier法等を使用できる。Hummers法における酸化方法を採用した、黒鉛と硫酸とを含む混合液に過マンガン酸塩を添加する方法であってもよい。このようにして得られた酸化黒鉛は、通常、ろ過、デカンテーション、遠心分離、分液抽出、水洗等の手法により精製されるものである。精製は、空気中で行ってもよく、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中で行ってもよい。また、加圧条件下、常圧条件下、減圧条件下のいずれで行ってもよい。 As a method for producing graphite oxide, a method of synthesizing graphite oxide by generally reacting graphite with a strong oxidizing agent in an acid solvent is used, and a Hummers method using sulfuric acid and potassium permanganate as an oxidizing agent is used. it can. As other methods, Brodie method using nitric acid and potassium chlorate, Staudenmaier method using sulfuric acid, nitric acid and potassium chlorate as oxidizing agents, and the like can be used. A method of adding permanganate to a mixed solution containing graphite and sulfuric acid, which employs the oxidation method in the Hummers method, may be used. The graphite oxide thus obtained is usually purified by techniques such as filtration, decantation, centrifugation, liquid separation extraction, and water washing. Purification may be performed in air or in an inert gas atmosphere such as nitrogen, helium, or argon. Moreover, you may carry out on any of pressurization conditions, normal-pressure conditions, and pressure reduction conditions.

本発明の炭素材料複合体における酸化黒鉛の含有量は、炭素材料複合体100質量%中、0.01質量%以上であることが好ましく、0.1質量%以上であることがより好ましく、0.2質量%以上であることが更に好ましく、0.4質量%以上であることが特に好ましい。また、該含有量は、99質量%以下であることが好ましく、95質量%以下であることがより好ましく、90質量%以下であることが更に好ましく、80質量%以下であることが特に好ましい。 The content of graphite oxide in the carbon material composite of the present invention is preferably 0.01% by weight or more, more preferably 0.1% by weight or more in 100% by weight of the carbon material composite, More preferably, it is 2% by mass or more, and particularly preferably 0.4% by mass or more. Further, the content is preferably 99% by mass or less, more preferably 95% by mass or less, still more preferably 90% by mass or less, and particularly preferably 80% by mass or less.

(一般式(1)で表される化合物)
本発明の炭素材料複合体における化合物は、上述したように、下記一般式(1)で表される。
(Compound represented by the general formula (1))
The compound in the carbon material composite of the present invention is represented by the following general formula (1) as described above.

Figure 2019189469
Figure 2019189469

(式中、Rは、直接結合又は2価の連結基を表す。Aは、−NR又は−Nを表し、R、R、及び、Rは、同一又は異なって、水素原子又は有機基を表す。X及びXは、同一又は異なって、水素原子又は金属原子を表すか、又は、対応する原子が存在しない。Xに対応する原子が存在しない場合、−OXは−Oを表す。Xに対応する原子が存在しない場合、−OXは−Oを表す。) (In the formula, R 1 represents a direct bond or a divalent linking group. A represents —NR 2 R 3 or —N + R 2 R 3 R 4 , R 2 , R 3 , and R 4. Are the same or different and each represents a hydrogen atom or an organic group, X 1 and X 2 are the same or different and each represents a hydrogen atom or a metal atom, or there is no corresponding atom, corresponding to X 1 . If there exist no atoms, -OX 1 is -O - if there is no corresponding atoms .X 2 representing the, -OX 2 is -O - represents a).

上記Rは、直接結合又は2価の連結基を表す限り特に限定されないが、2価の連結基を表すことが好ましい。該2価の連結基は、例えば置換基を有していてもよいアルキレン基、アリーレン基、カルボニル基、エステル基、エーテル基、又は、これらの基の2種以上が結合したものであることが好ましい。該置換基としては、例えば、アルコキシ基、アシル基、ハロゲン原子等が挙げられる。該2価の連結基は、中でもアルキレン基又はアリーレン基であることがより好ましい。アルキレン基は、その炭素数は1〜12が好ましく、1〜6がより好ましく、具体的にはメチレン基、エチレン基、プロピレン基等が挙げられる。アリーレン基は、その炭素数は6〜20が好ましく、6〜12がより好ましく、具体的にはフェニレン基、ナフチレン基等が挙げられる。 R 1 is not particularly limited as long as it represents a direct bond or a divalent linking group, but preferably represents a divalent linking group. The divalent linking group may be, for example, an alkylene group, an arylene group, a carbonyl group, an ester group, an ether group, or a combination of two or more of these groups, which may have a substituent. preferable. Examples of the substituent include an alkoxy group, an acyl group, and a halogen atom. The divalent linking group is more preferably an alkylene group or an arylene group. The alkylene group preferably has 1 to 12 carbon atoms, more preferably 1 to 6 carbon atoms, and specific examples include a methylene group, an ethylene group, and a propylene group. The arylene group preferably has 6 to 20 carbon atoms, more preferably 6 to 12 carbon atoms, and specific examples thereof include a phenylene group and a naphthylene group.

上記R及びRは、水素原子又は有機基を表す限り特に限定されないが、上記R及びRが、同一又は異なって、有機基を表す場合、該有機基は、例えば炭素数1〜30の炭化水素基であることが好ましい。該炭化水素基の炭素数は、20以下であることが好ましく、10以下であることがより好ましく、5以下であることが更に好ましい。
上記R及びRは、例えば水素原子を表すことが特に好ましい。
上記Aが−Nを表す場合、上記Rの好ましいものは、上記R、Rの好ましいものと同様である。
The R 2 and R 3 are not particularly limited as long as they represent a hydrogen atom or an organic group, but when the R 2 and R 3 are the same or different and represent an organic group, the organic group has, for example, 1 to 1 carbon atoms. 30 hydrocarbon groups are preferred. The hydrocarbon group preferably has 20 or less carbon atoms, more preferably 10 or less, and still more preferably 5 or less.
R 2 and R 3 particularly preferably represent, for example, a hydrogen atom.
If the A represents -N + R 2 R 3 R 4 , preferred of the R 4 are the same as those preferred above R 2, R 3.

上記X及びXが、同一又は異なって、金属原子を表す場合、該金属原子は特に限定されないが、例えばアルカリ金属であることが好ましく、Li、Na、又は、Kであることがより好ましく、Naであることが更に好ましい。
上記X及びXは、例えば水素原子を表すか、又は、対応する原子が存在しないことが特に好ましい。
When X 1 and X 2 are the same or different and represent a metal atom, the metal atom is not particularly limited, but is preferably an alkali metal, and more preferably Li, Na, or K, for example. More preferably, Na.
It said X 1 and X 2, for example, represent a hydrogen atom, or, it is particularly preferable that the corresponding atoms are not present.

上記一般式(1)で表される化合物は、例えば、エタノールアミンリン酸、プロパノールアミンリン酸であることが特に好ましい。 The compound represented by the general formula (1) is particularly preferably, for example, ethanolamine phosphoric acid or propanolamine phosphoric acid.

上記一般式(1)で表される化合物の質量割合は、本発明の炭素材料複合体中の酸化黒鉛100質量%に対し、10質量%以上であることが好ましい。より好ましくは、15質量%以上であり、更に好ましくは、20質量%以上であり、特に好ましくは、200質量%以上である。また、該質量割合は、10000質量%以下であることが好ましい。より好ましくは、5000質量%以下であり、更に好ましくは、2000質量%以下である。 The mass ratio of the compound represented by the general formula (1) is preferably 10% by mass or more with respect to 100% by mass of graphite oxide in the carbon material composite of the present invention. More preferably, it is 15 mass% or more, More preferably, it is 20 mass% or more, Most preferably, it is 200 mass% or more. Moreover, it is preferable that this mass ratio is 10,000 mass% or less. More preferably, it is 5000 mass% or less, More preferably, it is 2000 mass% or less.

本発明の炭素材料複合体は、酸化黒鉛、上記一般式(1)で表される化合物をそれぞれ1種ずつ用いて複合化されたものであってもよく、2種以上用いて複合化されたものであってもよい。また、酸化黒鉛、上記一般式(1)で表される化合物以外のその他の成分を含んでいてもよい。
上記その他の成分の含有割合は、本発明の炭素材料複合体100質量%中、10質量%以下であることが好ましい。より好ましくは、2質量%以下であり、更に好ましくは、0.4質量%以下である。
The carbon material composite of the present invention may be composited using graphite oxide and one compound each represented by the above general formula (1), or may be composited using two or more kinds. It may be a thing. Moreover, other components other than the graphite oxide and the compound represented by the general formula (1) may be included.
The content ratio of the other components is preferably 10% by mass or less in 100% by mass of the carbon material composite of the present invention. More preferably, it is 2 mass% or less, More preferably, it is 0.4 mass% or less.

本発明の炭素材料複合体を金属及び/又は金属化合物と複合化させることにより、後述する本発明の炭素材料−金属複合体を好適に得ることができる。 By combining the carbon material composite of the present invention with a metal and / or a metal compound, the carbon material-metal composite of the present invention described later can be suitably obtained.

(本発明の炭素材料複合体の調製方法)
本発明の炭素材料複合体は、種々の混合方法を用いて酸化黒鉛と、上記一般式(1)で表される化合物とを混合して作製することができる。
(Preparation method of carbon material composite of the present invention)
The carbon material composite of the present invention can be produced by mixing graphite oxide and the compound represented by the general formula (1) using various mixing methods.

混合には、種々の混合方法を使用でき、ミキサー、ブレンダー、ニーダー、ビーズミル、レディミル、ボールミル、超音波処理等を使用することができるが、中でも超音波処理が好ましい。混合の前に、水や、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール、ヘキサノール、テトラヒドロフラン、N−メチルピロリドン等の有機溶剤、又は、水と有機溶剤との混合溶剤を加えても良い。中でも、水を加えることが好ましい。また、酸化黒鉛として酸化黒鉛の水分散液を混合してもよい。なお、混合の前後、又は、その途中で、溶剤を用いて上記一般式(1)で表される化合物の過剰分を洗い除いてもよい。 Various mixing methods can be used for mixing, and a mixer, blender, kneader, bead mill, ready mill, ball mill, ultrasonic treatment, and the like can be used. Among them, ultrasonic treatment is preferable. Prior to mixing, water, an organic solvent such as methanol, ethanol, propanol, isopropanol, butanol, hexanol, tetrahydrofuran, N-methylpyrrolidone, or a mixed solvent of water and an organic solvent may be added. Among these, it is preferable to add water. Further, an aqueous dispersion of graphite oxide may be mixed as graphite oxide. The excess of the compound represented by the general formula (1) may be washed away before or after the mixing or during the mixing using a solvent.

<炭素材料−金属複合体>
本発明の炭素材料−金属複合体は、酸化黒鉛と、上記一般式(1)で表される化合物と、金属及び/又は金属化合物との炭素材料−金属複合体である。
<Carbon material-metal composite>
The carbon material-metal composite of the present invention is a carbon material-metal composite of graphite oxide, a compound represented by the above general formula (1), and a metal and / or a metal compound.

本発明の炭素材料−金属複合体において、通常、上記金属及び/又は金属化合物は、一般式(1)で表される化合物と直接相互作用しており、言い換えれば、金属及び/又は金属化合物が、一般式(1)で表される化合物と、該一般式(1)で表される化合物との間に他の成分を介さずに相互作用している。なお、本明細書中、相互作用は、複合化するように引き合う力であり、アニオン成分間で反発する力は相互作用に該当しない。 In the carbon material-metal composite of the present invention, the metal and / or metal compound usually interacts directly with the compound represented by the general formula (1), in other words, the metal and / or metal compound is The compound represented by the general formula (1) interacts with the compound represented by the general formula (1) without intervening other components. In the present specification, the interaction is a force attracting so as to be complexed, and the force repelling between anion components does not correspond to the interaction.

上記金属及び/又は金属化合物は、一般式(1)で表される化合物のリン酸(塩)基又はリン酸イオンと相互作用していることが好ましく、例えば、一般式(1)で表される化合物のリン酸(塩)基又はリン酸イオンと直接(上記金属及び/又は金属化合物と、一般式(1)で表される化合物のリン酸(塩)基又はリン酸イオンとの間に他の成分を介さずに)相互作用していることが好ましい。 The metal and / or metal compound preferably interacts with the phosphate (salt) group or phosphate ion of the compound represented by the general formula (1). For example, the metal and / or metal compound is represented by the general formula (1). Between the phosphate (salt) group or phosphate ion of the compound directly (between the metal and / or metal compound and the phosphate (salt) group or phosphate ion of the compound represented by the general formula (1)) It is preferred that they are interacting (without other components).

本明細書中、相互作用は、結合と言い換えることができる。本明細書中、結合は、特に限定されないが、例えば、イオン結合、分子間力による結合(水素結合、ファンデルワールス力等)が好ましく、イオン結合がより好ましい。なお、通常、上記金属及び/又は金属化合物は、一般式(1)で表される化合物と直接結合しており、言い換えれば、該金属及び/又は金属化合物は、一般式(1)で表される化合物と、該一般式(1)で表される化合物との間に他の成分を介さずに結合している。該金属及び/又は金属化合物は、一般式(1)で表される化合物のリン酸(塩)基又はリン酸イオンと結合していることが好ましく、例えば、一般式(1)で表される化合物のリン酸(塩)基又はリン酸イオンと直接(該金属及び/又は金属化合物と、一般式(1)で表される化合物のリン酸(塩)基又はリン酸イオンとの間に他の成分を介さずに)結合していることが好ましい。 In this specification, the interaction can be rephrased as binding. In the present specification, the bond is not particularly limited, but for example, an ionic bond, a bond by intermolecular force (hydrogen bond, van der Waals force, etc.) is preferable, and an ionic bond is more preferable. In general, the metal and / or metal compound is directly bonded to the compound represented by the general formula (1). In other words, the metal and / or metal compound is represented by the general formula (1). And the compound represented by the general formula (1) are bonded without intervening other components. The metal and / or metal compound is preferably bonded to a phosphate (salt) group or a phosphate ion of the compound represented by the general formula (1), for example, represented by the general formula (1). Other than between the phosphate (salt) group or phosphate ion of the compound and directly (the metal and / or metal compound and the phosphate (salt) group or phosphate ion of the compound represented by the general formula (1)) It is preferable that it is couple | bonded (without going through this component).

本発明の炭素材料−金属複合体における酸化黒鉛の含有量は、炭素材料−金属複合体100質量%中、0.01質量%以上であることが好ましく、0.05質量%以上であることがより好ましく、0.1質量%以上であることが更に好ましく、0.2質量%以上であることが特に好ましい。また、該含有量は、50質量%以下であることが好ましく、10質量%以下であることがより好ましく、5質量%以下であることが更に好ましく、1質量%以下であることが特に好ましい。 The content of graphite oxide in the carbon material-metal complex of the present invention is preferably 0.01% by mass or more, and 0.05% by mass or more in 100% by mass of the carbon material-metal complex. More preferably, it is more preferably 0.1% by mass or more, and particularly preferably 0.2% by mass or more. The content is preferably 50% by mass or less, more preferably 10% by mass or less, still more preferably 5% by mass or less, and particularly preferably 1% by mass or less.

なお、本発明の炭素材料−金属複合体中の、酸化黒鉛に対する上記一般式(1)で表される化合物の好ましい質量割合は、上述した本発明の炭素材料複合体中の、酸化黒鉛に対する上記一般式(1)で表される化合物の好ましい質量割合と同様である。 In addition, the preferable mass ratio of the compound represented by the general formula (1) with respect to graphite oxide in the carbon material-metal composite of the present invention is the above-described ratio with respect to graphite oxide in the carbon material composite of the present invention described above. It is the same as the preferable mass ratio of the compound represented by General formula (1).

(金属及び/又は金属化合物)
本発明の炭素材料−金属複合体における金属及び/又は金属化合物を構成する金属としては、例えば、Li、Na、K、Rb、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra、Sc、Y、ランタノイド、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Fe、Ru、Co、Ni、Pd、Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Hg、Al、Ga、In、Tl、Sn、Pb、及び、Biからなる群より選択される少なくとも1つの元素であることが好ましい。中でも、2価以上の多価金属イオンとなる金属がより好ましく、例えば、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra、Sc、Y、ランタノイド、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Fe、Ru、Co、Ni、Pd、Cu、Zn、Cd、Hg、Al、Ga、In、Tl、Sn、Pb、Biがより好ましい。
(Metal and / or metal compound)
Examples of metals constituting the metal and / or metal compound in the carbon material-metal composite of the present invention include Li, Na, K, Rb, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, and lanthanoids. Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Ru, Co, Ni, Pd, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, Al, Ga, In, Tl It is preferably at least one element selected from the group consisting of Sn, Pb, and Bi. Among these, metals that are polyvalent metal ions having two or more valences are more preferable. For example, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, lanthanoid, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo W, Mn, Fe, Ru, Co, Ni, Pd, Cu, Zn, Cd, Hg, Al, Ga, In, Tl, Sn, Pb, Bi are more preferable.

また本発明の炭素材料−金属複合体において、金属及び/又は金属化合物を構成する金属は、リン酸塩としたときの20℃での100gの水に対する溶解度が1g以下であることもまた好ましい。このような金属は、上記一般式(1)で表される化合物が有するリン酸(塩)基又はリン酸イオンと水中でも解離することなく強固に結合することができ、本発明の効果がより顕著なものとなる。当該金属としては、例えば、Li、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra、Ce、Cd、Al、Tl、Pb、Bi等が挙げられる。 Moreover, in the carbon material-metal composite of the present invention, it is also preferable that the metal constituting the metal and / or metal compound has a solubility in 100 g of water at 20 ° C. of 1 g or less when converted to a phosphate. Such a metal can be strongly bonded to the phosphate (salt) group or phosphate ion of the compound represented by the above general formula (1) without dissociating in water, and the effect of the present invention is further improved. It will be remarkable. Examples of the metal include Li, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Ce, Cd, Al, Tl, Pb, and Bi.

本発明の炭素材料−金属複合体における金属及び/又は金属化合物を構成する金属は、コストを抑える観点からは、貴金属(Au、Ag、Pt、Pd、Rh、Ir、Ru、Os)以外の金属とすることが好ましい。例えば、白金類(Pt、Ir、Os)以外の金属とすることが好適である。 From the viewpoint of cost reduction, the metal constituting the carbon material-metal composite of the present invention and / or the metal compound is a metal other than noble metals (Au, Ag, Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, Os). It is preferable that For example, it is preferable to use a metal other than platinum (Pt, Ir, Os).

上記金属及び/又は金属化合物は、金属化合物であることが好ましい。該金属化合物としては、例えば、酸化物;水酸化物;層状複水酸化物;粘土化合物;合金;ゼオライト;カルボキシラート化合物;炭酸化合物;炭酸水素化合物;硝酸化合物;ホウ酸化合物;ケイ酸化合物;硫化物;硫酸化合物;リン酸化合物;炭化物;窒化物等が挙げられる。これらの中でも、上記金属化合物は、酸化物、水酸化物、硫酸化合物、及び、リン酸化合物からなる群より選択される少なくとも1種であることが好ましい。 The metal and / or metal compound is preferably a metal compound. Examples of the metal compound include oxides, hydroxides, layered double hydroxides, clay compounds, alloys, zeolites, carboxylate compounds, carbonate compounds, hydrogen carbonate compounds, nitric acid compounds, boric acid compounds, silicic acid compounds, and the like. Examples thereof include sulfides; sulfuric acid compounds; phosphoric acid compounds; carbides; Among these, the metal compound is preferably at least one selected from the group consisting of oxides, hydroxides, sulfuric acid compounds, and phosphoric acid compounds.

上記酸化物としては、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化ラジウム、酸化カドミウム、酸化鉛、酸化セリウム、酸化タリウム、酸化ビスマス、酸化マグネシウム、酸化リチウム、酸化アルミニウム、酸化チタンが好ましく、中でも、酸化アルミニウムがより好ましい。 Preferred examples of the oxide include calcium oxide, strontium oxide, barium oxide, radium oxide, cadmium oxide, lead oxide, cerium oxide, thallium oxide, bismuth oxide, magnesium oxide, lithium oxide, aluminum oxide, and titanium oxide. Aluminum is more preferred.

上記水酸化物としては、水酸化カルシウム、水酸化ストロンチウム、水酸化バリウム、水酸化ラジウム、水酸化カドミウム、水酸化鉛、水酸化セリウム、水酸化タリウム、水酸化ビスマス、水酸化マグネシウム、水酸化リチウム、水酸化アルミニウムが好ましい。 Examples of the hydroxide include calcium hydroxide, strontium hydroxide, barium hydroxide, radium hydroxide, cadmium hydroxide, lead hydroxide, cerium hydroxide, thallium hydroxide, bismuth hydroxide, magnesium hydroxide, lithium hydroxide Aluminum hydroxide is preferred.

上記硫酸化合物としては、硫酸カルシウム、硫酸ストロンチウム、硫酸バリウム、硫酸ラジウム、硫酸カドミウム、硫酸鉛、硫酸セリウム、硫酸タリウム、硫酸ビスマス、硫酸マグネシウム、硫酸リチウム、硫酸アルミニウムが好ましい。
上記リン酸化合物としては、リン酸カルシウム、リン酸ストロンチウム、リン酸バリウム、リン酸ラジウム、リン酸カドミウム、リン酸鉛、リン酸セリウム、リン酸タリウム、リン酸ビスマス、リン酸マグネシウム、リン酸リチウム、リン酸アルミニウムがより好ましい。
As the sulfuric acid compound, calcium sulfate, strontium sulfate, barium sulfate, radium sulfate, cadmium sulfate, lead sulfate, cerium sulfate, thallium sulfate, bismuth sulfate, magnesium sulfate, lithium sulfate, and aluminum sulfate are preferable.
Examples of the phosphate compound include calcium phosphate, strontium phosphate, barium phosphate, radium phosphate, cadmium phosphate, lead phosphate, cerium phosphate, thallium phosphate, bismuth phosphate, magnesium phosphate, lithium phosphate, phosphorus Aluminum oxide is more preferred.

上記金属及び/又は金属化合物の形状としては、微粉状、粉状、粒状、顆粒状、鱗片状、多面体状、ロッド状、曲面含有状等が挙げられる。 Examples of the shape of the metal and / or metal compound include fine powder, powder, granule, granule, scale, polyhedron, rod, and curved surface.

また上記金属及び/又は金属化合物は、その平均粒子径が10nm〜1000μmであることが好ましい。平均粒子径は、20nm以上であることが好ましく、50nm以上であることがより好ましく、100nm以上であることが更に好ましい。また、平均粒子径は、500μm以下であることがより好ましい。
上記平均粒子径は、0.2質量%ヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液に適切な量の金属及び/又は金属化合物を分散させた溶液をレーザー回折/散乱式粒度分布測定装置LA−920(株式会社堀場製作所)を用いて測定されるものである。
The metal and / or metal compound preferably has an average particle size of 10 nm to 1000 μm. The average particle diameter is preferably 20 nm or more, more preferably 50 nm or more, and further preferably 100 nm or more. The average particle size is more preferably 500 μm or less.
The average particle size is determined by LA-920 (Horiba, Ltd.), a laser diffraction / scattering particle size distribution measuring device obtained by dispersing a suitable amount of metal and / or metal compound in a 0.2 mass% sodium hexametaphosphate aqueous solution. It is measured using.

なお、本発明の炭素材料−金属複合体中で、上記金属及び/又は金属化合物のどの部位が上記一般式(1)で表される化合物と相互作用(結合)しているのかについて以下に簡単に説明する。基本的には、金属及び/又は金属化合物の表面の金属原子(元素)が相互作用しており、例えば金属化合物の場合は、金属化合物の表面の、金属化合物を構成する金属原子が相互作用している。また、表面金属原子自体が相互作用していてもよいが、金属原子Mに結合した水酸基(M−OH)が相互作用していてもよく、水中で複合化して本発明の炭素材料−金属複合体を得た場合は、金属の種類(電気陰性度)や水のpHによって、水酸基がプロトンを解離したMO基や、水酸基がプロトンを受け取ったMOH 基が相互作用していてもよい。表面金属原子は、その原子価(価数)が0価であってもよく、正の原子価であってもよい。 In the carbon material-metal composite of the present invention, it is briefly described below which part of the metal and / or metal compound interacts (bonds) with the compound represented by the general formula (1). Explained. Basically, metal atoms (elements) on the surface of the metal and / or metal compound interact. For example, in the case of a metal compound, the metal atoms constituting the metal compound interact on the surface of the metal compound. ing. Further, the surface metal atoms themselves may interact, but the hydroxyl group (M-OH) bonded to the metal atom M may interact, and the carbon material-metal composite of the present invention is compounded in water. If to give the body, the pH of the metal type (electronegativity) and water, a hydroxyl group is dissociated proton MO - or group, the MOH 2 + group in which a hydroxyl group has received the protons may interact . The surface metal atom may have a valence (valence) of zero or a positive valence.

上記金属及び/又は金属化合物の質量割合は、本発明の炭素材料−金属複合体中の酸化黒鉛100質量%に対し、10質量%以上であることが好ましい。より好ましくは、50質量%以上であり、更に好ましくは、100質量%以上であり、特に好ましくは、1000質量%以上である。また、該質量割合は、100000質量%以下であることが好ましい。より好ましくは、50000質量%以下であり、更に好ましくは、20000質量%以下である。 The mass ratio of the metal and / or metal compound is preferably 10% by mass or more with respect to 100% by mass of graphite oxide in the carbon material-metal composite of the present invention. More preferably, it is 50 mass% or more, More preferably, it is 100 mass% or more, Most preferably, it is 1000 mass% or more. Moreover, it is preferable that this mass ratio is 100000 mass% or less. More preferably, it is 50000 mass% or less, More preferably, it is 20000 mass% or less.

本発明の炭素材料−金属複合体は、酸化黒鉛、上記一般式(1)で表される化合物、上記金属及び/又は金属化合物をそれぞれ1種ずつ用いて複合化されたものであってもよく、2種以上用いて複合化されたものであってもよい。また、酸化黒鉛、上記一般式(1)で表される化合物、上記金属及び/又は金属化合物以外のその他の成分を含んでいてもよい。
上記その他の成分の含有割合は、本発明の炭素材料−金属複合体100質量%中、5質量%以下であることが好ましい。より好ましくは、1質量%以下であり、更に好ましくは、0.2質量%以下である。
The carbon material-metal composite of the present invention may be composited using graphite oxide, a compound represented by the above general formula (1), and each of the above metals and / or metal compounds. Two or more types may be combined. Further, graphite oxide, a compound represented by the above general formula (1), the above metal and / or other components other than the metal compound may be included.
The content of the other components is preferably 5% by mass or less in 100% by mass of the carbon material-metal composite of the present invention. More preferably, it is 1 mass% or less, More preferably, it is 0.2 mass% or less.

本発明の炭素材料−金属複合体は、炭素材料が導入されたことにより優れた硬度を発揮できるものであり、種々の用途への適用可能性があるが、中でも熱電変換材料、ポンプ部品、切削工具、シールリング、軸受け、ボールミルのボール・ブレード等の粉砕部品、手術器具、治具、電気機器、デバイス用部品、建材製品として用いられることが好ましい。なお、熱電変換材料として用いられる場合、例えばn型熱電変換材料、p型熱電変換材料の一方又は両方に好適に使用できるが、中でもn型熱電変換材料として用いられることがより好ましい。なお、通常、複合化に用いた金属化合物(例えば、酸化物)の種類によって、n型熱電変換材料になるか、p型熱電変換材料になるかが決まる。
なお、熱電変換材料は、一般的には熱を電力に変換する熱電変換素子中の熱電変換層等に用いられる材料であり、本発明の炭素材料−金属複合体そのものであってもよく、その他の樹脂、各種添加剤等を必要に応じて更に含んで構成されるものであってもよい。
The carbon material-metal composite of the present invention can exhibit excellent hardness due to the introduction of the carbon material, and can be applied to various applications. Among them, thermoelectric conversion materials, pump parts, cutting It is preferably used as a tool, a seal ring, a bearing, a pulverized part such as a ball / blade of a ball mill, a surgical instrument, a jig, an electric device, a device part, or a building material product. In addition, when used as a thermoelectric conversion material, for example, it can be suitably used for one or both of an n-type thermoelectric conversion material and a p-type thermoelectric conversion material. In general, depending on the type of metal compound (for example, oxide) used for the composite, it is determined whether it is an n-type thermoelectric conversion material or a p-type thermoelectric conversion material.
The thermoelectric conversion material is a material generally used for a thermoelectric conversion layer in a thermoelectric conversion element that converts heat into electric power, and may be the carbon material-metal composite itself of the present invention. These resins, various additives, and the like may be further included as necessary.

(本発明の炭素材料−金属複合体の調製方法)
本発明の炭素材料−金属複合体は、種々の混合方法を用いて酸化黒鉛と、上記一般式(1)で表される化合物と、上記金属及び/又は金属化合物とを混合して作製することができる。混合の順序は、特に限定されず、酸化黒鉛と、上記一般式(1)で表される化合物と、上記金属及び/又は金属化合物とを同時に混合してもよいし、これらのうち2成分を予め混合し、その後で残りの1成分を混合しても良い。2成分を予め混合し、その後で残りの1成分を混合する場合、例えば、酸化黒鉛と、上記一般式(1)で表される化合物とを予め混合して本発明の炭素材料複合体を調製し、本発明の炭素材料複合体と上記金属及び/又は金属化合物とを混合することが好ましいが、酸化黒鉛と、上記金属及び/又は金属化合物とを予め混合し、その後、上記一般式(1)で表される化合物を混合しても構わない。一般式(1)で表される化合物と、金属及び/又は金属化合物だけでは、互いに相互作用はせず、一般式(1)で表される化合物がそれ自身で相互作用してしまう。酸化黒鉛と一般式(1)で表される化合物とは強く相互作用し、酸化黒鉛を添加すると、酸化黒鉛と一般式(1)で表される化合物のアミン基又はアンモニウムカチオンとが強く相互作用するとともに、酸化黒鉛と複合化した上記化合物のリン酸(塩)基又はリン酸イオンが外側を向き、リン酸(塩)基又はリン酸イオンと金属及び/又は金属化合物とが強く相互作用する。
(Method for Preparing Carbon Material-Metal Composite of the Present Invention)
The carbon material-metal composite of the present invention is prepared by mixing graphite oxide, the compound represented by the general formula (1), and the metal and / or metal compound using various mixing methods. Can do. The order of mixing is not particularly limited, and graphite oxide, the compound represented by the general formula (1), and the metal and / or metal compound may be mixed at the same time. Mixing in advance may be followed by mixing the remaining one component. When two components are mixed in advance and the remaining one component is then mixed, for example, graphite oxide and the compound represented by the general formula (1) are mixed in advance to prepare the carbon material composite of the present invention. The carbon material composite of the present invention and the metal and / or metal compound are preferably mixed, but graphite oxide and the metal and / or metal compound are mixed in advance, and then the general formula (1) ) May be mixed. The compound represented by the general formula (1) and the metal and / or metal compound alone do not interact with each other, and the compound represented by the general formula (1) interacts with itself. Graphite oxide and the compound represented by general formula (1) interact strongly, and when graphite oxide is added, graphite oxide and the amine group or ammonium cation of the compound represented by general formula (1) interact strongly. In addition, the phosphate (salt) group or phosphate ion of the above compound complexed with graphite oxide faces outward, and the phosphate (salt) group or phosphate ion and the metal and / or metal compound interact strongly. .

混合には、上述した本発明の炭素材料複合体の調製方法と同様と種々の混合方法を使用でき、ミキサー、ブレンダー、ニーダー、ビーズミル、レディミル、ボールミル、超音波処理等を使用することができるが、中でも超音波処理が好ましい。混合の前に、水や、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール、ヘキサノール、テトラヒドロフラン、N−メチルピロリドン等の有機溶剤、又は、水と有機溶剤との混合溶剤を加えても良い。中でも、水を加えることが好ましい。また、酸化黒鉛として酸化黒鉛の水分散液を混合してもよい。なお、混合の前後、又は、その途中で、溶剤を用いて上記一般式(1)で表される化合物の過剰分を洗い除いてもよい。 For mixing, various mixing methods similar to the above-described method for preparing the carbon material composite of the present invention can be used, and mixers, blenders, kneaders, bead mills, ready mills, ball mills, ultrasonic treatments and the like can be used. Of these, ultrasonic treatment is preferable. Prior to mixing, water, an organic solvent such as methanol, ethanol, propanol, isopropanol, butanol, hexanol, tetrahydrofuran, N-methylpyrrolidone, or a mixed solvent of water and an organic solvent may be added. Among these, it is preferable to add water. Further, an aqueous dispersion of graphite oxide may be mixed as graphite oxide. The excess of the compound represented by the general formula (1) may be washed away before or after the mixing or during the mixing using a solvent.

本発明の炭素材料−金属複合体は、上記混合により直接得られるものであってもよく、上記混合の後、更に還元して得られるものであってもよい。還元は加熱、光照射による還元や、還元剤を用いた還元が好ましい。上記混合の後、還元することで、より強固な本発明の炭素材料−金属複合体を得ることができる。 The carbon material-metal composite of the present invention may be obtained directly by the above mixing, or may be obtained by further reducing after the above mixing. Reduction is preferably performed by heating, light irradiation, or reduction using a reducing agent. By reducing after the above mixing, a stronger carbon material-metal composite of the present invention can be obtained.

本発明の炭素材料−金属複合体は、上記混合の後、更に焼結して得られるものであってもよい。焼結する際の雰囲気にもよるが還元も進行することがある。上記混合により直接得られる本発明の炭素材料−金属複合体では炭素材料と金属及び/又は金属化合物とが良好に複合化しているため、単純に酸化黒鉛と金属及び/又は金属化合物との混合物を焼結するよりも、焼結によって更に強い相互作用を発現すると考えられる。そのため上記混合の後、更に焼結して得られる本発明の炭素材料−金属複合体はより強固となり、硬度や、耐久性等がより向上されたものとなる。 The carbon material-metal composite of the present invention may be obtained by further sintering after the above mixing. Depending on the atmosphere during sintering, reduction may also proceed. In the carbon material-metal composite of the present invention obtained directly by the above mixing, since the carbon material and the metal and / or metal compound are well composited, a mixture of graphite oxide and the metal and / or metal compound is simply prepared. It is considered that a stronger interaction is expressed by sintering than by sintering. Therefore, the carbon material-metal composite of the present invention obtained by further sintering after the above mixing becomes stronger and the hardness, durability and the like are further improved.

以下に実施例を掲げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。なお、特に断りのない限り、「部」は「質量部」を、「%」は「質量%」を意味するものとする。 The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the present invention is not limited to these examples. Unless otherwise specified, “part” means “part by mass” and “%” means “% by mass”.

(実施例1)
0.01%酸化黒鉛(GO)水分散液30ml(GOを3mg含有)にエタノールアミンリン酸(EAP)300mgを添加した。この時点では凝集せず一様な分散液であった。
次に、アルミナ300mgを添加し、数分間超音波処理した。分散液を1分間静置し、凝集の様子を観察した。GOがアルミナに吸着した凝集体の沈殿が観察され、非常に良好な凝集能が確認できた(上澄みは無色透明)。
(Example 1)
To 30 ml of 0.01% graphite oxide (GO) aqueous dispersion (containing 3 mg of GO), 300 mg of ethanolamine phosphoric acid (EAP) was added. At this time, it was a uniform dispersion without aggregation.
Next, 300 mg of alumina was added and sonicated for several minutes. The dispersion was allowed to stand for 1 minute, and the state of aggregation was observed. Precipitation of aggregates in which GO was adsorbed on alumina was observed, and very good aggregation ability was confirmed (the supernatant was colorless and transparent).

(実施例2)
添加するEAP量を30mgにした以外は実施例1と同様に実験を行い、沈降性の比較を行った。結果、GOがアルミナに吸着した凝集体の沈殿が観察され、非常に良好な凝集能が確認できた(上澄みは無色透明)。
(Example 2)
An experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that the amount of EAP to be added was changed to 30 mg, and the sedimentation property was compared. As a result, precipitation of aggregates in which GO was adsorbed on alumina was observed, and very good aggregation ability was confirmed (the supernatant was colorless and transparent).

(実施例3)
添加するEAP量を3mgにした以外は実施例1と同様に実験を行い、沈降性の比較を行った。結果、GOがアルミナに吸着した凝集体の沈殿が観察され、良好な凝集能が確認できた(上澄みは希薄な茶色透明)。
(Example 3)
An experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that the amount of EAP to be added was 3 mg, and the sedimentation property was compared. As a result, precipitation of aggregates in which GO was adsorbed on alumina was observed, and good aggregation ability was confirmed (the supernatant was thin brown transparent).

(実施例4)
添加するアルミナを硫酸バリウムにした以外は実施例2と同様に実験を行い、沈降性の比較を行った。結果、GOが硫酸バリウムに吸着した凝集体の沈殿が観察され、非常に良好な凝集能が確認できた(上澄みは無色透明)。
Example 4
An experiment was conducted in the same manner as in Example 2 except that the alumina to be added was changed to barium sulfate, and the sedimentation properties were compared. As a result, precipitation of aggregates in which GO was adsorbed on barium sulfate was observed, and very good aggregation ability was confirmed (the supernatant was colorless and transparent).

(比較例1)
EAPを添加しない以外は実施例1と同様に実験を行い、沈降性の比較を行った。結果、GOとアルミナは分離したままでありアルミナの沈殿のみが観察され、かつ上澄みはGO由来の茶色を呈しており、ほとんど凝集能が無かった。
(Comparative Example 1)
The experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that EAP was not added, and the sedimentation property was compared. As a result, GO and alumina remained separated, and only precipitation of alumina was observed, and the supernatant had a brown color derived from GO, and there was almost no aggregation ability.

(比較例2)
GOを添加しない以外は実施例1と同様に実験を行い、沈降性の比較を行った。結果、EAP水溶液とアルミナは相互作用がなくアルミナの沈殿のみが観察され、EAPのみでは凝集能が無かった。
(比較例3)
添加するEAPをタウリンにした以外は実施例1と同様に実験を行い、沈降性の比較を行った。結果、GOがアルミナに吸着した凝集体の沈殿が観察され、非常に良好な凝集能が確認できた(上澄みは無色透明)。しかしながら沈殿の密度(沈殿の締まり具合)は実施例1よりも弱かった。
(Comparative Example 2)
An experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that GO was not added, and the sedimentation property was compared. As a result, there was no interaction between the EAP aqueous solution and alumina, and only precipitation of alumina was observed, and EAP alone had no aggregation ability.
(Comparative Example 3)
An experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that EAP to be added was taurine, and the sedimentation property was compared. As a result, precipitation of aggregates in which GO was adsorbed on alumina was observed, and very good aggregation ability was confirmed (the supernatant was colorless and transparent). However, the density of precipitation (the degree of precipitation tightening) was weaker than in Example 1.

実施例1〜4、比較例1、2の結果から、アミン基とリン酸(塩)基とを有するEAPを添加することで、GOがアルミナおよび硫酸バリウムに強く相互作用し、強固なセラミックスとなることが分かった。さらに実施例1と比較例3の結果から、スルホン酸基(タウリン由来)よりもリン酸基(EAP由来)の方がよりアルミナと強固に相互作用する。これはスルホン酸(硫酸)アルミニウムは水溶性の塩だがリン酸アルミニウムは不溶性の塩であることに由来する。該セラミックスは、GOが導入されたことから、硬度に優れるものと考えられる。 From the results of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2, by adding EAP having an amine group and a phosphoric acid (salt) group, GO strongly interacts with alumina and barium sulfate, I found out that Furthermore, from the results of Example 1 and Comparative Example 3, the phosphoric acid group (derived from EAP) interacts more strongly with alumina than the sulfonic acid group (derived from taurine). This is because aluminum sulfonate (sulfate) is a water-soluble salt, but aluminum phosphate is an insoluble salt. The ceramic is considered to be excellent in hardness since GO is introduced.

なお、複合体が、GOと、一般式(1)で表される化合物と、金属及び/又は金属化合物との複合体であること、金属及び/又は金属化合物が、一般式(1)で表される化合物と相互作用していることは、一般的な化学的手法により分析することができるが、例えば、実施例で観察された現象、すなわち、一般式(1)で表される化合物に該当するEAP、GO、及び、金属化合物に該当するアルミナ又は硫酸バリウムの3成分を混合することにより、凝集し、沈殿したことから、これら3成分から構成される複合体が形成されたこと、及び、この複合体において、EAPが有するリン酸基又はリン酸基由来のリン酸イオンが、アルミナ又は硫酸バリウムと相互作用(結合)していることは明らかである。 The composite is a composite of GO, a compound represented by the general formula (1), and a metal and / or a metal compound, and the metal and / or the metal compound is represented by the general formula (1). The interaction with the compound can be analyzed by a general chemical technique, but for example, the phenomenon observed in the examples, that is, the compound represented by the general formula (1) The EAP, GO, and the three components of alumina or barium sulfate corresponding to the metal compound were mixed to cause aggregation and precipitation, so that a composite composed of these three components was formed, and In this complex, it is clear that the phosphate groups or phosphate ions derived from phosphate groups of EAP interact (bond) with alumina or barium sulfate.

Claims (3)

酸化黒鉛と、下記一般式(1)で表される化合物との炭素材料複合体。
Figure 2019189469
(式中、Rは、直接結合又は2価の連結基を表す。Aは、−NR又は−Nを表し、R、R、及び、Rは、同一又は異なって、水素原子又は有機基を表す。X及びXは、同一又は異なって、水素原子又は金属原子を表すか、又は、対応する原子が存在しない。Xに対応する原子が存在しない場合、−OXは−Oを表す。Xに対応する原子が存在しない場合、−OXは−Oを表す。)
A carbon material composite of graphite oxide and a compound represented by the following general formula (1).
Figure 2019189469
(In the formula, R 1 represents a direct bond or a divalent linking group. A represents —NR 2 R 3 or —N + R 2 R 3 R 4 , R 2 , R 3 , and R 4. Are the same or different and each represents a hydrogen atom or an organic group, X 1 and X 2 are the same or different and each represents a hydrogen atom or a metal atom, or there is no corresponding atom, corresponding to X 1 . If there exist no atoms, -OX 1 is -O - if there is no corresponding atoms .X 2 representing the, -OX 2 is -O - represents a).
酸化黒鉛と、下記一般式(1)で表される化合物と、金属及び/又は金属化合物との炭素材料−金属複合体。
Figure 2019189469
(式中、Rは、直接結合又は2価の連結基を表す。Aは、−NR又は−Nを表し、R、R、及び、Rは、同一又は異なって、水素原子又は有機基を表す。X及びXは、同一又は異なって、水素原子又は金属原子を表すか、又は、対応する原子が存在しない。Xに対応する原子が存在しない場合、−OXは−Oを表す。Xに対応する原子が存在しない場合、−OXは−Oを表す。)
A carbon material-metal composite of graphite oxide, a compound represented by the following general formula (1), and a metal and / or a metal compound.
Figure 2019189469
(In the formula, R 1 represents a direct bond or a divalent linking group. A represents —NR 2 R 3 or —N + R 2 R 3 R 4 , R 2 , R 3 , and R 4. Are the same or different and each represents a hydrogen atom or an organic group, X 1 and X 2 are the same or different and each represents a hydrogen atom or a metal atom, or there is no corresponding atom, corresponding to X 1 . If there exist no atoms, -OX 1 is -O - if there is no corresponding atoms .X 2 representing the, -OX 2 is -O - represents a).
前記金属及び/又は前記金属化合物を構成する金属は、リン酸塩としたときの20℃での100gの水に対する溶解度が1g以下であることを特徴とする請求項2に記載の炭素材料−金属複合体。 3. The carbon material-metal according to claim 2, wherein the metal and / or the metal constituting the metal compound has a solubility in 100 g of water at 20 ° C. of 1 g or less when converted to a phosphate. Complex.
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