JP2019502619A - バルク材料にグラフェン又は酸化グラフェンを含む建材製品、及び、このような建材製品の製造方法 - Google Patents

バルク材料にグラフェン又は酸化グラフェンを含む建材製品、及び、このような建材製品の製造方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、バルク成分にグラフェン及び／又は酸化グラフェンを含む建材製品に関する。グラフェン及び／又は酸化グラフェンの添加は、特に強度の点において前記建材製品の機械的特性を改善する。
【選択図】なし

Description

本発明は、グラフェン又は酸化グラフェンを含む建材製品、及び、このような建材製品の製造方法に関する。特に、本発明は、石膏を備える建材パネルに関し、それらのバルク材料にグラフェン又は酸化グラフェンを含む。
本発明は、建材製品、特に建材パネルに関する。とりわけ、本発明は、好ましくは単分子層厚みにおける、六角形ハニカム構造を有する材料を含む建材製品及び建材パネルに関する。
従来技術において、建材パネル、仕切壁レンガ、スクリード、プラスター又はパテのような建材製品が知られている。これら全ての製品は、機械的負荷及び／又は熱負荷に対する所定の耐性を有していなければならない。与えられた製品にこれらの特性を付与するための様々な可能な方法がある。最も簡単には、該製品を製造するための基材が、望まれる特性を有する主成分として選択される。しかし、一つの製品にいくつかの特性の組み合わせが望まれる場合、単に適切な基材を選択することは、多くの場合、不十分となる。この場合、最も広い意味での機能材料が必要になる。
グラフェン又はシリセンのような単分子層厚みを有する二次元マトリックスからなる材料は、材料科学の市場において比較的新しい材料である。これらは、本発明の範囲内で利用され得る、顕著な、機械的、化学的及び電気的特性を有する。
グラフェンは、グラファイトの基本構造を形成する材料である。グラファイトは、整然とした又は無秩序な複数の層において順に積み重なったグラフェンの層からなり、該複数の層は、比較的弱いファンデルワールス力により、集合層において結合している。グラファイトの機械的特性は、ファンデルワールス力によりもたらされた層の束の結合に支配されている。ファンデルワールス力により結合している複数の層は、剪断により、かなり容易により小さい複数の層の束に分離され得る。これにより、例えば、グラファイトは、書くための鉛筆の芯として使用することが可能になる。
これに対して、純粋なグラフェンにはファンデルワールス結合はなく、正確には、グラフェンの層は単一分子厚みであるため、グラフェンにはグラファイトを構成する複数の層の束は生じない。理想的なグラフェンには、六角形の基本構造が存在し、この構造では、非局在化した共有結合により、六つのＣ原子それぞれが互いに結合してハニカム構造を形成している。これらのＣ原子二つの間の結合エネルギーは、自然界において知られている最も強い力であり、約５．９ｅＶほどの力である。これにより、この材料がグラファイトよりもより一層安定であることが説明される。すなわち、グラフェンは、鋼よりも優れた引張強度を有することが示されている。
酸化グラフェンの機械的特性は、グラフェンの機械的特性とほとんど同じくらい良好である。その基本的な構造は、グラフェンの構造と類似しており、すわなち、酸化グラフェンは、六角形ハニカム構造の単分子層からなるが、よりはっきりした波形構造を有する。酸化グラフェンは、水溶性であり、水とコロイド分散体を形成し、紙のような薄膜の製造やコーティング物質としての使用に非常に良く適している。
用語「グラフェン」及び「酸化グラフェン」は、これらの材料から直接誘導される修飾体／誘導体又は機能化された化合物としても使用される。
本発明の目的に対して、グラフェン及び酸化グラフェンの用語は、純粋な物質だけでなく、混合物、特に、グラファイトとグラフェン及び／又は酸化グラフェンとの混合物をも意味する。グラフェンを含む混合物、又は、酸化グラフェンを含む混合物は、１容量％より多いグラフェン又は酸化グラフェンを含む混合物であると考えられ、特に好ましくは３容量％より多く、さらに好ましくは１０容量％より多いグラフェン又は酸化グラフェンを含む混合物であり、これは、ラマン分光法を組み合わせた原子間力顕微鏡により確かめられる。
本出願の目的に対して、文献（Eigler, S. and Hirsch, A. (2014): Chemie an Graphen und Graphenoxid - eine Herausforderung fur Synthesechemiker, Angew. Chem. 2014, Vol. 126, S.2 - 23参照）でも使用されているように、用語グラフェンは、単分子層厚みを有する形態を参照するために使用されるだけでなく、１０未満のグラフェンの積層においてグラフェンが存在するときにも使用される。１１以上のグラフェンを含むグラフェンの積層物は、グラファイトであると考えられている。
このように、本発明は、グラフェン及び／又は酸化グラフェンを含む建材製品に関する。さらに、本発明は、グラフェン及び／又は酸化グラフェンを含有する建材パネルを含んでいる。
本発明の課題は、改善された機械的特性、特に曲げ強度及び／又は圧縮強度における改善された機械的特性を有する建材製品を製造することである。本発明は、さらに、このような建材製品の製造方法に関する。
本発明の課題は、請求項１の特徴を有する建材製品及び請求項９の特徴を有する建材製品の製造方法により解決される。前記建材製品及び前記方法の有利なバリエーションは、従属請求項において標準化される。
これに応じて、このような建材製品は、グラフェン及び／又は酸化グラフェンを含む。該建材製品は、建材パネル、特に乾式壁パネルであってもよい。最も好ましくは、これらの乾式壁パネルは、セメントに基づいた結合剤、好ましくは石膏を含む。しかし、本発明に係る建材製品は、仕切壁レンガ、スクリード、プラスター又はパテであってもよい。
特に好ましくは、主成分として硫酸カルシウムを含有する建材製品、すなわち、硬石膏、硫酸カルシウム焼石膏及び石膏からなる主成分を含む建材製品である。硫酸カルシウムを含有する主成分を含む材料は、混合物における乾燥した結合剤の質量割合に対して、少なくとも１０質量％、好ましくは少なくとも５０質量％、特に好ましくは少なくとも８０質量％の硫酸カルシウム割合を有する。
あるいは、本発明は、さらに、セメントを含む建材製品に適用可能であり、これらの製品における硫酸カルシウム含量は、前記の結合剤の乾燥質量に対して、１０質量％より低くなってもよく、又は、前記製品は、実質的に、硫酸カルシウムがなくてもよい。この場合、例えば、結合剤は、水硬セメント、水ガラスのような他の無機結合剤、又は、天然樹脂若しくは合成樹脂のような有機結合剤であってもよい。
さらに、これらの基材に関係なく、建材パネルは、それらが六角形ハニカム構造及び単分子層厚みを有する材料を含む場合、本発明の範囲に含まれることとなる。乾式壁のための建材パネルは、非常に広い範囲、例えば、木材、石膏、セメント、微粒子（例えば、パーライト、フライアッシュのセノスフェア、セラミック微粒子）等の材料からなる主成分により作製され得る。特に、グラフェン及び酸化グラフェンの引張強度が、たわみ抵抗、破断荷重及び曲げ引張強度に関する、建材パネルの機械的特性を改善するために、有利に利用され得る。
加えて、特に二次元六角形ハニカム構造及び単分子層厚みを有するグラフェンは、建材製品、特に建材パネル又はプラスターの耐火性を改善するための有意な可能性を有する。グラフェンの熱伝導率は、強い異方性がある。該熱伝導率は、二次元格子における伝搬方向においては非常に高いが、二次元格子における伝搬方向に対する垂直方向においては非常に低い。これは、グラフェン層の一方側における高温は、他方側に伝わらないことを意味する。
本発明の特に好ましい実施形態によれば、前記建材製品は、切削片（shaving）又は薄片（flake）の形態のグラフェン及び／又は酸化グラフェンを含む。この形態では、グラフェン又は酸化グラフェンは、バルク材料にむらなく均一に分散され得るため、この形態は特に好ましい。さらなる有意性は、少量でも均一に分散させることにある。酸化グラフェン及び特にグラフェンの両方は、非常に高価な物質であるため、これにはかなりの有意性がある。
この実施形態の改良では、前記建材製品の全体ではなく、一部にだけグラフェン及び／又は酸化グラフェンが含まれているだけのものが提供される。前記建材製品が、建材パネル、例えば、特に石膏ボードパネルのような乾式壁パネルである場合、前記建材パネルは、同一の又は異なる構成物を有する複数の層を備えてもよい。従って、前記建材パネルが、例えば、多孔性の芯層及び高密度の外層を備えることが考えられる。この場合、前記芯層のみ又は一つ以上の外層のみが、グラフェン及び／又は酸化グラフェンを含んでもよい。これによりコストも削減される。
これらの外層は、前記建材パネルの外面の強度を決める目的にとって決定的であるため、特に好ましくは、このような建材パネルの前記外層のみが、グラフェン及び／又は酸化グラフェンを含んでいる。
グラフェン及び／又は酸化グラフェンを有する建材製品を製造するための本発明に係る方法は、特に切削片又は薄片の形態で、特に好ましくは懸濁液の形態でグラフェン及び／又は酸化グラフェンと、セメントを主成分とする結合剤及び水並びに任意の他の添加剤とを混合すること、混合物を成形すること、及び、このようにして成形された前記建材製品を乾燥することを備える。
グラフェン及び／又は酸化グラフェンは、特に好ましくは、懸濁液の形態で使用される。このような懸濁液は、溶媒中、好ましくは界面活性剤を有する水中で剪断することにより、グラファイト粉末から比較的容易に製造され得る。グラファイト層の束の剪断及びその後のさらなる分裂により産出されるグラフェン及び／又は酸化グラフェンの含量は、剪断速度に依存する。剪断速度が速くなるにつれて、生産されるグラフェン及び／又は酸化グラフェンの切削片又は薄片の割合は大きくなる。それゆえに、前記懸濁液を調製するためには、１０４／ｓよりも速い剪断速度であることが特に好ましい。
最後に、本発明は、さらに、建材製品の機械的強度を改善するため、又は、建材製品の耐火性等級を向上させるために、グラフェン及び／又は酸化グラフェンの使用を拡張することも意図している。前記建材製品は、具体的には、セメント、好ましくは石膏を含む建材製品であってもよい。このような建材製品は、例えば、建材パネル、仕切壁レンガ、スクリード、プラスター及びパテであり得る。

Claims (14)

  1. グラフェン及び／又は酸化グラフェンを含む、建材製品。
  2. 前記建材製品が、建材パネル、仕切壁レンガ、スクリード、プラスター又はパテである、請求項１に記載の建材製品。
  3. 前記建材製品が、グラフェン及び／又は酸化グラフェンの薄片の切削片を含む、請求項１又は２に記載の建材製品。
  4. 前記グラフェン及び／又は酸化グラフェンが、前記建材製品に均一に分散されている、請求項３に記載の建材製品。
  5. 前記建材製品の一部のみが、グラフェン及び／又は酸化グラフェンを含む、請求項３又は４に記載の建材製品。
  6. 前記建材製品が、建材パネルである、請求項１乃至５いずれか１項に記載の建材製品。
  7. 前記建材パネルが、少なくとも一つの芯層及び少なくとも一つの外層からなり、
    前記芯層又は前記外層の少なくともいずれか一方が、グラフェン及び／又は酸化グラフェンの切削片を含む、請求項６に記載の建材パネル。
  8. 前記建材製品が、セメント、特に石膏を含む結合剤を含む、請求項１乃至７いずれか１項に記載の建材製品。
  9. グラフェン及び／又は酸化グラフェンを含む建材製品の製造方法であって、
    グラフェン及び／又は酸化グラフェン、特に切削片又は薄片の形態のグラフェン及び／又は酸化グラフェンと、セメントを主成分とする結合剤及び水並びに任意の他の添加剤とを混合すること、
    該混合物を成形すること、及び、
    このようにして成形された前記建材製品を乾燥することを備える、方法。
  10. 前記グラフェン及び／又は酸化グラフェンが、懸濁液、特に水の懸濁液の形態で使用される、請求項９に記載の方法。
  11. 前記懸濁液が、グラファイト粉末を剪断すること及び界面活性剤を添加することにより製造される、請求項１０に記載の方法。
  12. １０４／ｓよりも速い剪断速度が、前記懸濁液を製造するために使用される、請求項１１に記載の方法。
  13. 建材製品の機械的強度を改善するため、又は、前記建材製品の耐火性等級を向上させるための建材製品におけるグラフェン及び／又は酸化グラフェンの使用であって、
    前記建材製品は、特に、セメントを含む、好ましくは石膏を含む建材製品である、使用。
  14. 前記建材製品が、建材パネル、仕切壁レンガ、スクリード、プラスター及びパテを含む、請求項１２又は１３に記載の使用。
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