JP2023521043A - Filtration device comprising an antiviral filtration element and an antiviral filtration element - Google Patents

Filtration device comprising an antiviral filtration element and an antiviral filtration element Download PDF

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Abstract

(a)マスク本体と、(b)留め具と、を備えるフェイスマスクが提供され、マスク本体は、(i)好ましくは疎水性材料を備える空気透過性外層と、(ii)内層と、(iii)マスク本体に配置されたグラフェン又はグラフェン発泡体又はグラファイトフレーク層と、を含み、グラフェン層は、複数の別個の単層又は数層のグラフェンシートを備え、グラフェンシートは、元の状態のグラフェン、酸化グラフェン、還元酸化グラフェン、フッ化グラフェン、塩化グラフェン、臭化グラフェン、ヨウ化グラフェン、水素化グラフェン、窒素化グラフェン、ドープグラフェン、化学官能化グラフェン又はそれらの組み合わせから選択される。グラフェン又は発泡体又はグラファイト層は、外層と内層との間でマスク本体に配置されてもよく、又は、外層若しくは内層に(全体的に又は部分的に)埋め込まれてもよい。グラフェン又は発泡体細孔壁又はグラファイトフレーク表面は、抗ウイルス又は抗菌化合物を堆積されてもよい。【選択図】図2A face mask is provided comprising (a) a mask body and (b) a fastener, the mask body comprising (i) an air permeable outer layer preferably comprising a hydrophobic material; (ii) an inner layer; ) a layer of graphene or graphene foam or graphite flakes disposed on the mask body, the graphene layer comprising a plurality of discrete single or few layers of graphene sheets, the graphene sheets comprising pristine graphene; selected from graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, graphene hydride, graphene nitrogen, doped graphene, chemically functionalized graphene, or combinations thereof. A graphene or foam or graphite layer may be disposed in the mask body between the outer and inner layers, or may be embedded (wholly or partially) in the outer or inner layers. Graphene or foam pore walls or graphite flake surfaces may be deposited with antiviral or antimicrobial compounds. [Selection drawing] Fig. 2

Description

関連出願への相互参照
本願は、2020年4月3日に出願された米国特許出願第16/839,827号、2020年4月3日に出願された米国特許出願第16/839,847号及び2020年4月9日に出願された米国特許出願第16/844,062号に対する優先権を主張し、各出願の内容は、すべての目的のために参照によって本明細書に組み込まれる。
CROSS-REFERENCES TO RELATED APPLICATIONS This application is addressed to U.S. Patent Application Serial No. 16/839,827, filed April 3, 2020, U.S. Patent Application Serial No. 16/839,847, filed April 3, 2020. and U.S. Patent Application No. 16/844,062, filed April 9, 2020, the contents of each of which are incorporated herein by reference for all purposes.

本開示は、概して、フィルタの分野に関し、及び特に、抗ウイルスろ過要素、この要素を含むろ過装置、並びに、当該要素を製造するためのプロセス及び操作する方法に関する。本開示は、細菌、ウイルス、その他の空中の粒子又は液体中の汚染物質をろ過することができるろ過装置に関連する。この装置は、有害ウイルスで汚染された吸入空気から、かつ、有害ウイルスに感染した患者から吐き出された汚染空気から、有害ウイルスを除去して中和することができる口腔及び/又は鼻腔の空気フィルタであってもよい。特に、本開示は、フェイスマスクの形態のそのような装置に関する。本開示はまた、そのようなフェイスマスク及び他のろ過装置での使用に適したフィルタ材料又はフィルタ部材にも関する。 FIELD OF THE DISCLOSURE The present disclosure relates generally to the field of filters, and in particular to antiviral filtration elements, filtration devices including such elements, and processes for manufacturing and methods of operating such elements. The present disclosure relates to filtration devices capable of filtering bacteria, viruses, other airborne particles or contaminants in liquids. The device is an oral and/or nasal air filter capable of removing and neutralizing harmful viruses from inhaled air contaminated with harmful viruses and from contaminated air exhaled from patients infected with harmful viruses. may be In particular, the present disclosure relates to such devices in the form of face masks. The present disclosure also relates to filter materials or members suitable for use in such face masks and other filtering devices.

有害ウイルス及び/又は他の微生物によって汚染された空気の吸入は、人間、特に、感染した人間又は動物と仕事をする医療従事者他の感染の一般的な経路である。感染者が吐き出す空気が汚染源であることも知られている。現在、いわゆる「COVID-19」新型コロナウイルスによる感染リスクが特に懸念される。適切なフィルタ材料を組み込んだマスクが、このウイルスによる感染を防止するためのバリアとして使用するのに理想的である。 Inhalation of air contaminated with harmful viruses and/or other microorganisms is a common route of infection for humans, especially health care workers and others who work with infected humans or animals. The air exhaled by infected persons is also known to be a source of contamination. Currently, the risk of infection from the so-called "COVID-19" novel coronavirus is of particular concern. A mask incorporating appropriate filter material is ideal for use as a barrier to prevent infection by this virus.

このようなウイルス及び/又は他の微生物を除去することができると考えられる空気フィルタが当技術分野で知られている。このようなフィルタの1つのタイプは、繊維状又は粒子状の基材又は層と、そのような基材又は層の表面上及び/若しくは基材又は層の大部分に堆積された抗ウイルス化合物又は抗菌化合物と、を備えている。この化合物は、ウイルス及び/又は他の懸念される微生物を捕捉及び/又は中和する。そのようなフィルタの開示の例を以下に要約する。 Air filters believed to be capable of removing such viruses and/or other microorganisms are known in the art. One type of such filter is a fibrous or particulate substrate or layer with an antiviral compound or and an antimicrobial compound. This compound captures and/or neutralizes viruses and/or other microorganisms of concern. Examples of such filter disclosures are summarized below.

例えば、米国特許第4,856,509号は、マスクの選択部分がクエン酸などのウイルス破壊剤を含むフェイスマスクを提供する。米国特許第5,767,167号は、ウイルスなどの微生物を捕捉するためのろ過媒体に適したエアロゲル発泡体を開示している。米国特許第5,783,502号は、抗ウイルス分子、特に布地に結合された第四級アンモニウムカチオン炭化水素基などのカチオン基を有する布地基材を提供する。米国特許第5,851,395号は、その上にシアル酸(環上にカルボン酸置換基を有する九炭素単糖)に基づくウイルス捕捉物質が堆積されたフィルタ材料を備えるウイルスフィルタを対象としている。米国特許第6,182,659号は、B群連鎖球菌培養物に基づくウイルス除去フィルタを開示している。米国特許第6,190,437号は、ヨウ素樹脂を含浸させた担体基材を備える、空気からウイルスを除去するための空気フィルタを開示している。米国特許第6,379,794号は、アクリルラテックス材料を含浸させたガラス及び他の弾性繊維に基づくフィルタを開示している。米国特許第6,551,608号は、多孔性熱可塑性材料基材と、少なくとも1つの抗ウイルス剤を熱可塑性物質と焼結することによって形成される抗ウイルス性物質と、を開示している。米国特許第7,029,516号は、ポリアクリル酸などの酸性ポリマーが堆積された不織布ポリプロピレンベースを備える、流体から粒子を除去するためのフィルタシステムを開示している。 For example, US Pat. No. 4,856,509 provides a face mask in which select portions of the mask contain a virus-disrupting agent such as citric acid. US Pat. No. 5,767,167 discloses airgel foams suitable for filtration media for trapping microorganisms such as viruses. US Pat. No. 5,783,502 provides a fabric substrate having cationic groups, such as quaternary ammonium cationic hydrocarbon groups, attached to antiviral molecules, particularly fabrics. U.S. Pat. No. 5,851,395 is directed to a virus filter comprising a filter material having deposited thereon a virus-capturing material based on sialic acid (a nine-carbon monosaccharide with carboxylic acid substituents on the ring) . US Pat. No. 6,182,659 discloses a virus removal filter based on a Group B Streptococcus culture. US Pat. No. 6,190,437 discloses an air filter for removing viruses from air comprising a carrier substrate impregnated with iodine resin. US Pat. No. 6,379,794 discloses filters based on glass and other elastic fibers impregnated with acrylic latex materials. U.S. Pat. No. 6,551,608 discloses a porous thermoplastic material substrate and an antiviral substance formed by sintering at least one antiviral agent with the thermoplastic. . US Pat. No. 7,029,516 discloses a filter system for removing particles from fluids comprising a non-woven polypropylene base deposited with an acidic polymer such as polyacrylic acid.

特に「鳥インフルエンザ」及びコロナウイルスによるリスクに関する懸念を考慮して、そのようなフィルタを改善することが継続的で極めて緊急に必要とされている。本発明者らは、吸入空気からの有害ウイルス及び/又は他の微生物の除去のレベル並びにこれらの種の中和のレベルを高めることができ得るフィルタ材料又は部材を特定し、改善された鼻腔及び/又は口腔フィルタでのそうした材料の使用を可能にした。同じフィルタ材料が、水及び空気の浄化、選択された溶媒の分離及びこぼれた油の回収など、他のフィルタ装置のろ過部材として使用され得る。 There is a continuing and very urgent need to improve such filters, especially in view of concerns about risks from "bird flu" and coronaviruses. The inventors have identified filter materials or members that can increase the level of removal of harmful viruses and/or other microorganisms from inhaled air and the level of neutralization of these species, resulting in improved nasal passages and /or enabled the use of such materials in oral filters. The same filter material can be used as a filtration member in other filter devices such as water and air purification, selected solvent separation and spilled oil recovery.

本開示は、(a)少なくとも着用者の口及び鼻を覆うように構成されたマスク本体と、(b)着用者の顔の所定の位置にマスクを保持するための留め具(例えば、マスク本体の両側から延び、かつ、着用者の耳の周りに引っ掛けられるように構成された1対の耳ストラップ、又は、着用者の頭の周りに引っ掛けられる弾性ストラップ)と、を備えるフェイスマスクを提供し;マスク本体は、(i)好ましくは疎水性材料(例えば、撥水性繊維)を備える空気透過性外層(例えば、繊維シート若しくは布地片、又は、多孔性ポリマー膜)と、(ii)マスク着用時に着用者側に配置される内層と、(iii)マスク本体に配置されたグラフェン又はグラフェン発泡体層と、を含む。一実施形態では、グラフェン又はグラフェン発泡体層は外層及び内層の間に配置される。別の実施形態では、グラフェン又はグラフェン発泡体層は外層に埋め込まれる。別の実施形態では、グラフェン又はグラフェン発泡体層は内層に埋め込まれる。グラフェン又はグラフェン発泡体層は外層又は内層に全体的に又は部分的に埋め込まれてもよい。グラフェン層は、複数の別個の単層又は数層のグラフェンシートを備えてもよく、かつ、グラフェン発泡体層はグラフェン材料を備えてもよく、グラフェンシート及びグラフェン材料は、元の状態のグラフェン、酸化グラフェン、還元酸化グラフェン、フッ化グラフェン、塩化グラフェン、臭化グラフェン、ヨウ化グラフェン、水素化グラフェン、窒素化グラフェン、ドープグラフェン、化学官能化グラフェン又はそれらの組み合わせから選択される。 The present disclosure includes (a) a mask body configured to cover at least the mouth and nose of the wearer, and (b) fasteners (e.g., the mask body) for holding the mask in place on the wearer's face. and a pair of ear straps extending from opposite sides of the head of the wearer and configured to hook around the ears of the wearer, or elastic straps that hook around the head of the wearer. the mask body comprises (i) an air permeable outer layer (e.g. a fibrous sheet or piece of fabric, or a porous polymer membrane) preferably comprising a hydrophobic material (e.g. water-repellent fibers) and (ii) when the mask is worn (iii) a graphene or graphene foam layer disposed on the mask body; In one embodiment, the graphene or graphene foam layer is positioned between the outer layer and the inner layer. In another embodiment, the graphene or graphene foam layer is embedded in the outer layer. In another embodiment, the graphene or graphene foam layer is embedded in the inner layer. The graphene or graphene foam layer may be wholly or partially embedded in the outer layer or the inner layer. The graphene layer may comprise a plurality of separate monolayers or several layers of graphene sheets, and the graphene foam layer may comprise a graphene material, the graphene sheets and graphene material comprising pristine graphene, selected from graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, graphene hydride, graphene nitrogen, doped graphene, chemically functionalized graphene, or combinations thereof.

特定の実施形態では、グラフェンシート又は発泡体層は、接着剤又は結合剤を使用して又は使用せずに、外層の表面(例えば、内面)又は内層の表面(外層に面する表面)に化学的に結合される。 In certain embodiments, the graphene sheet or foam layer is chemically attached to the surface of the outer layer (e.g., the inner surface) or the surface of the inner layer (surface facing the outer layer) with or without the use of adhesives or binders. are connected systematically.

開示されたフェイスマスクでは、グラフェン層は、0.005~1.7g/cmの密度、10~3200m/gの比表面積を有することが好ましいが、50~3000m/gの比表面積又は0.1~1.2g/cmの密度を有することがさらに好ましく、かつ、グラフェン発泡体層は、0.005~1.0g/cmの密度又は40~2600m/gの比表面積を有することが好ましいが、200~2000m/gの比表面積又は0.01~0.5g/cmの密度を有することがさらに好ましい。 In the disclosed face mask, the graphene layer preferably has a density of 0.005-1.7 g/cm 3 , a specific surface area of 10-3200 m 2 /g, but a specific surface area of 50-3000 m 2 /g or More preferably, it has a density of 0.1-1.2 g/cm 3 and the graphene foam layer has a density of 0.005-1.0 g/cm 3 or a specific surface area of 40-2600 m 2 /g. More preferably, it has a specific surface area of 200-2000 m 2 /g or a density of 0.01-0.5 g/cm 3 .

グラフェン若しくはグラフェン発泡体層と外層との重量比、又は、グラフェン若しくはグラフェン発泡体層と内層との重量比は、1/1000~1/0.1であることが好ましく、1/100~1/1であることがさらに好ましく、かつ、5/100~25/100であることが最も好ましい。 The weight ratio of the graphene or graphene foam layer to the outer layer or the weight ratio of the graphene or graphene foam layer to the inner layer is preferably 1/1000 to 1/0.1, preferably 1/100 to 1/ 1 is more preferred, and 5/100 to 25/100 is most preferred.

ある実施形態では、グラフェン又はグラフェン発泡体層は、外層又は内層のうちの少なくとも1つに埋め込まれた別個の層である。 In some embodiments, the graphene or graphene foam layer is a separate layer embedded in at least one of the outer layer or the inner layer.

開示されたフェイスマスクでは、マスク本体の外層又は内層は、ポリマー又はガラス繊維の織布構造又は不織布構造を備えてもよい。外層又は内層は、好ましくは、綿、セルロース、羊毛、ポリオレフィン(例えば、ポリエチレン及びポリプロピレン)、ポリエステル(例えば、PET)、ポリアミド(例えば、ナイロン)、レーヨン、ポリアクリロニトリル、酢酸セルロース、ポリスチレン、ポリビニル、ポリ(カルボン酸)、生分解性ポリマー、水溶性ポリマー、それらのコポリマー及びそれらの組み合わせの群から選択されるポリマー繊維を備えてもよい。 In the disclosed face mask, the outer layer or inner layer of the mask body may comprise a woven or non-woven construction of polymer or fiberglass. The outer or inner layer is preferably cotton, cellulose, wool, polyolefins (e.g. polyethylene and polypropylene), polyesters (e.g. PET), polyamides (e.g. nylon), rayon, polyacrylonitrile, cellulose acetate, polystyrene, polyvinyl, polyvinyl (carboxylic acid), biodegradable polymers, water-soluble polymers, copolymers thereof and combinations thereof.

留め具は、マスク本体の両側から延び、かつ、着用者の耳の周りに引っ掛けられるように構成された1対の耳ストラップ、又は、着用者の頭の周りに引っ掛けられる弾性ストラップを備えてもよい。 The fasteners may comprise a pair of ear straps extending from opposite sides of the mask body and configured to hook around the ears of the wearer, or elastic straps that hook around the head of the wearer. good.

好ましくは、グラフェン層又は発泡体層中のグラフェンシートは、グラフェンシートの総重量に基づいて5~50重量%の酸素含有量を有する。グラフェン表面の酸素含有官能基は、特定の微生物因子を殺傷又は非活性化することができるものとみなされる。 Preferably, the graphene sheets in the graphene layer or foam layer have an oxygen content of 5-50% by weight based on the total weight of the graphene sheets. Oxygen-containing functional groups on the surface of graphene are believed to be able to kill or deactivate specific microbial agents.

開示されたフェイスマスクでは、マスク本体は抗菌化合物をさらに備えてもよい。好ましくは、マスク本体は、グラフェンシートの表面上に分布する抗菌化合物をさらに備え、かつ、グラフェンシートは、50~2630m/gの比表面積を有する又はグラフェン発泡体の細孔壁面上にある。このような高い比表面積により、マスク本体は、微生物病原体(細菌、ウイルスなど)を直接攻撃することができる抗菌化合物の表面積を劇的に大きくすることができる。 In the disclosed facemask, the mask body may further comprise an antimicrobial compound. Preferably, the mask body further comprises an antimicrobial compound distributed on the surface of the graphene sheet, and the graphene sheet has a specific surface area of 50-2630 m 2 /g or is on the pore walls of the graphene foam. Such a high specific surface area allows the mask body to dramatically increase the surface area of antimicrobial compounds that can directly attack microbial pathogens (bacteria, viruses, etc.).

抗菌化合物は、アクリル酸、メタクリル酸、クエン酸、酸性ポリマー、銀有機イジン抗菌剤、ヨウ素樹脂、シアル酸(例えば、環上にカルボン酸置換基を有する九炭素単糖)、カチオン基(例えば、布地又はグラフェンシートに結合された第四級アンモニウムカチオン炭化水素基)、スルホンアミド、フルオロキノロン又はそれらの組み合わせから選択された抗ウイルス又は抗菌化合物を備えてもよい。 Antimicrobial compounds include acrylic acid, methacrylic acid, citric acid, acidic polymers, silver organoidine antimicrobials, iodine resins, sialic acids (e.g., nine-carbon monosaccharides with carboxylic acid substituents on the ring), cationic groups (e.g., quaternary ammonium cationic hydrocarbon groups attached to the fabric or graphene sheet), sulfonamides, fluoroquinolones or combinations thereof.

本開示はまた、前述のフェイスマスク又は他のタイプのろ過装置で使用するためのろ過材料(又は部材)を提供する。特定の実施形態では、ろ過材料は、2つの主表面を有する織布又は不織布の層と、2つの主表面のうちの少なくとも一方に堆積された又は織布若しくは不織布の層に埋め込まれたグラフェン又はグラフェン発泡体層と、を備える。 The present disclosure also provides filtering materials (or members) for use in the aforementioned face masks or other types of filtering devices. In certain embodiments, the filtration material comprises a woven or nonwoven layer having two major surfaces and graphene or and a graphene foam layer.

ろ過材料では、グラフェン又はグラフェン発泡体層は、好ましくは、元の状態のグラフェン、酸化グラフェン、還元酸化グラフェン、フッ化グラフェン、塩化グラフェン、臭化グラフェン、ヨウ化グラフェン、水素化グラフェン、窒素化グラフェン、ドープグラフェン、化学官能化グラフェン又はそれらの組み合わせから選択された複数の別個の単層又は数層のグラフェンシート又はグラフェン材料を備える。ある実施形態では、グラフェンシートは、接着剤又は結合剤を使用して又は使用せずに、主表面のうちの少なくとも1つに化学的に結合される。ろ過材料では、グラフェン層は、0.005~1.7g/cmの密度、10~3200m/gの比表面積を有することが好ましく、50~3000m/gの比表面積若しくは0.1~1.2g/cmの密度、又は、0.005~1.0g/cmの密度若しくは10~2600m/gの比表面積を有することがさらに好ましく、200~2000m/gの比表面積若しくは0.1~1.2g/cmの密度を有することがさらに好ましい。比表面積は、最も望ましくは200より大きく、かつ、発泡体の比表面積密度は、最も望ましくは300m/gより大きい。 In the filtration material, the graphene or graphene foam layer is preferably pristine graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, graphene hydride, graphene nitride. , doped graphene, chemically functionalized graphene, or a combination thereof. In some embodiments, the graphene sheets are chemically bonded to at least one of the major surfaces with or without the use of adhesives or bonding agents. In the filtration material, the graphene layer preferably has a density of 0.005-1.7 g/cm 2 , a specific surface area of 10-3200 m 2 /g, a specific surface area of 50-3000 m 2 /g or a specific surface area of 0.1-3000 m 2 /g. It is more preferable to have a density of 1.2 g/cm 3 , a density of 0.005 to 1.0 g/cm 3 or a specific surface area of 10 to 2600 m 2 /g, and a specific surface area of 200 to 2000 m 2 /g or More preferably, it has a density of 0.1-1.2 g/cm 3 . The specific surface area is most preferably greater than 200 and the specific surface area density of the foam most preferably greater than 300 m 2 /g.

ろ過材料では、グラフェン又はグラフェン発泡体層は、織布又は不織布の層に部分的又は全体的に埋め込まれている又は少なくともその主表面に部分的に埋め込まれている別個の層であることが好ましい。 In the filtration material, the graphene or graphene foam layer is preferably a separate layer partially or wholly embedded in the woven or non-woven fabric layer or at least partially embedded in its major surface. .

本開示は、開示されたろ過材料をろ過部材として備えるろ過装置をさらに提供する。ろ過装置は、浄水装置、空気清浄装置、油回収装置又は溶媒除去装置であってもよい。 The present disclosure further provides a filtering device comprising the disclosed filtering material as a filtering member. The filtration device may be a water purification device, an air purification device, an oil recovery device or a solvent removal device.

さらに、本開示では、本明細書で開示されるろ過材料を製造するためのプロセスが提供され、このプロセスは、(a)2つの主表面を有する織布又は不織布の層を用意するステップと、(b)2つの主表面のうちの少なくとも一方にグラフェン層を堆積させるステップと、を含む。 Further provided in the present disclosure is a process for manufacturing the filtration material disclosed herein comprising the steps of (a) providing a layer of woven or non-woven fabric having two major surfaces; (b) depositing a graphene layer on at least one of the two major surfaces.

特定の実施形態では、(b)は、接着剤を使用して又は使用しないで、気体媒体中に別個のグラフェンシートを分散させて流動流体を形成するステップと、2つの主表面のうちの少なくとも一方に流動流体を衝突させ、前記少なくとも一方の主表面に前記グラフェンシートが付着することを可能にするステップと、の手順を含む。 In certain embodiments, (b) comprises dispersing discrete graphene sheets in a gaseous medium to form a flowing fluid, with or without an adhesive; and C. impinging a flowing fluid on one side to allow said graphene sheets to adhere to said at least one major surface.

特定の好ましい実施形態では、(b)は、接着剤を使用して又は使用しないで、液体媒体中に別個のグラフェンシートを分散させてスラリーを形成するステップと、2つの主表面のうちの少なくとも一方にそのスラリーを堆積させて湿ったグラフェン層を形成するステップと、前記湿ったグラフェン層から液体媒体を除去又は乾燥させてグラフェン層を形成するステップと、の手順を含む。熱硬化性又はUV硬化性接着剤がより望ましい。 In certain preferred embodiments, (b) comprises dispersing discrete graphene sheets in a liquid medium with or without an adhesive to form a slurry; depositing the slurry on one side to form a wet graphene layer; and removing or drying the liquid medium from the wet graphene layer to form a graphene layer. Thermal or UV curable adhesives are more desirable.

堆積の手順は、好ましくは、キャスティング、コーティング(例えば、スロットダイコーティング、コンマコーティング、リバースロールコーティングなど)、噴霧(例えば、エアアシスト噴霧、静電荷アシスト噴霧、超音波噴霧など)、印刷(例えば、インクジェット印刷、スクリーン印刷など)、ブラッシング、塗装又はそれらの組み合わせから選択される手順を含む。 Deposition procedures are preferably casting, coating (e.g., slot die coating, comma coating, reverse roll coating, etc.), spraying (e.g., air-assisted spraying, electrostatic charge-assisted spraying, ultrasonic spraying, etc.), printing (e.g., inkjet printing, screen printing, etc.), brushing, painting or a combination thereof.

プロセスは、好ましくは、ロールツーロール又はリールツーリールのプロセスであり、(a)は、(i)織布又は不織布のロールを用意するステップと、(ii)連続した長さの布地のシートを(ローラ又はリールに装着された)ロールから堆積ゾーン内に連続的に供給するステップと、(iii)2つの主表面のうちの少なくとも一方にグラフェン層を堆積させて、グラフェン層でコーティングされた布地を形成するステップと、(iv)グラフェン層でコーティングされた布地を巻き取りローラ上に回収するステップと、を含む。 The process is preferably a roll-to-roll or reel-to-reel process, comprising (a) (i) providing a roll of woven or nonwoven fabric; (iii) depositing a graphene layer on at least one of the two major surfaces of the fabric coated with the graphene layer; and (iv) collecting the fabric coated with the graphene layer onto a take-up roller.

プロセスは、フェイスマスクを形成するための留め具が取り付けられたマスク本体にろ過材料を組み込むステップをさらに含んでもよい。 The process may further include incorporating the filtering material into a mask body with attached fasteners to form a face mask.

本開示は、ろ過装置で使用するためのろ過部材を提供し、ろ過部材は、2つの主表面を有する空気透過性膜の層(例えば、織布又は不織布のシート、多孔性ポリマー膜、連続気泡発泡体片、空気呼吸可能な紙のシートなど)と、2つの主表面のうちの少なくとも一方に堆積された又は空気透過性膜の層に埋め込まれた化学的に官能化されたグラファイトフレークの層と、を備え、グラファイトフレークは、O、N、H、F、Cl、Br、I又はそれらの組み合わせから選択される非炭素元素を1重量%~50重量%(好ましくは5重量%~35重量%)含有する化学官能基を含む。 The present disclosure provides a filtration member for use in a filtration device, the filtration member comprising a layer of air permeable membrane (e.g., woven or nonwoven sheet, porous polymer membrane, open cell membrane) having two major surfaces. foam strips, sheets of air-breathable paper, etc.) and a layer of chemically functionalized graphite flakes deposited on at least one of the two major surfaces or embedded in a layer of air-permeable membrane. and wherein the graphite flakes contain 1 wt% to 50 wt% (preferably 5 wt% to 35 wt%) of non-carbon elements selected from O, N, H, F, Cl, Br, I or combinations thereof. %) containing chemical functional groups.

ある実施形態では、グラファイトフレークの層は、接着剤又は結合剤を使用して主表面のうちの少なくとも一方に化学的に結合される。 In some embodiments, the layer of graphite flakes is chemically bonded to at least one of the major surfaces using an adhesive or bonding agent.

好ましくは、グラファイトフレークの層は、10~500m/gの比表面積を有している。 Preferably, the layer of graphite flakes has a specific surface area of 10-500 m 2 /g.

ろ過部材では、不織布は、好ましくは、綿、セルロース、羊毛、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリアミド、レーヨン、ポリアクリロニトリル、酢酸セルロース、ポリスチレン、ポリビニル、ポリ(カルボン酸)、生分解性ポリマー、水溶性ポリマー、それらのコポリマー及びそれらの組み合わせの群から選択されるポリマー繊維を備える。 In the filter member, the non-woven fabric is preferably cotton, cellulose, wool, polyolefin, polyester, polyamide, rayon, polyacrylonitrile, cellulose acetate, polystyrene, polyvinyl, poly(carboxylic acid), biodegradable polymer, water-soluble polymer, and combinations thereof.

特定の実施形態では、開示されたろ過部材は、グラファイトフレークの表面に分布する抗菌化合物をさらに備える。抗菌化合物は、アクリル酸、メタクリル酸、クエン酸、酸性ポリマー、銀有機イジン抗菌剤、ヨウ素樹脂、シアル酸、カチオン基、スルホンアミド、フルオロキノロン、ヒペリシン、クルクミン又はそれらの組み合わせから選択された抗ウイルス又は抗菌化合物を備えてもよい。 In certain embodiments, the disclosed filtration member further comprises an antimicrobial compound distributed on the surface of the graphite flakes. The antimicrobial compound is an antiviral selected from acrylic acid, methacrylic acid, citric acid, acidic polymers, silver organoidine antimicrobials, iodine resins, sialic acids, cationic groups, sulfonamides, fluoroquinolones, hypericin, curcumin, or combinations thereof. Or it may comprise an antimicrobial compound.

ある実施形態では、ろ過部材の不織布はポリマー繊維を備え、抗菌化合物はポリマー繊維の表面に分布する。抗菌化合物は、アクリル酸、メタクリル酸、クエン酸、酸性ポリマー、銀有機イジン抗菌剤、ヨウ素樹脂、シアル酸、カチオン基、スルホンアミド、フルオロキノロン、ヒペリシン、クルクミン又はそれらの組み合わせから選択される抗ウイルス又は抗細菌化合物を含んでもよい。 In some embodiments, the nonwoven of the filtration member comprises polymeric fibers and the antimicrobial compound is distributed on the surface of the polymeric fibers. The antimicrobial compound is an antiviral selected from acrylic acid, methacrylic acid, citric acid, acidic polymers, silver organoidine antimicrobials, iodine resins, sialic acids, cationic groups, sulfonamides, fluoroquinolones, hypericin, curcumin, or combinations thereof. Or it may contain an anti-bacterial compound.

本開示はまた、上述したろ過部材を機能部品として備えるろ過装置を提供する。ろ過装置は、浄水装置、空気清浄装置、溶媒除去装置、油回収装置又はフェイスマスク、特に医療用フェイスマスク又はレスピレータであってもよい。 The present disclosure also provides a filtering device comprising the filtering member described above as a functional component. The filtration device may be a water purification device, an air cleaning device, a solvent removal device, an oil recovery device or a face mask, especially a medical face mask or respirator.

特定の実施形態では、開示されたフェイスマスクは、(a)少なくとも着用者の口及び鼻を覆うように構成されたマスク本体と、(b)着用者の顔の所定の位置にマスクを保持するための留め具と、を備え、マスク本体は、(i)空気透過性外層と、(ii)マスク着用時に着用者側に配置される内層と、(iii)外層と内層との間に配置された又は外層若しくは内層に埋め込まれた上述したろ過部材と、を備える。 In certain embodiments, the disclosed face mask comprises (a) a mask body configured to cover at least the mouth and nose of the wearer, and (b) holding the mask in place on the wearer's face. the mask body comprising: (i) an air permeable outer layer; (ii) an inner layer positioned toward the wearer when the mask is worn; and (iii) positioned between the outer and inner layers. or a filtration member as described above embedded in the outer layer or the inner layer.

グラファイトフレークの層を支持する織布又は不織布の層は外層又は内層であってもよいことに留意されたい。言い換えれば、化学官能化されたグラファイトフレークの層は、外層の内面又は内層の外面(着用者の顔の反対側)に堆積されてもよい。 Note that the layer of woven or non-woven fabric that supports the layer of graphite flakes may be the outer layer or the inner layer. In other words, a layer of chemically functionalized graphite flakes may be deposited on the inner surface of the outer layer or on the outer surface of the inner layer (opposite the wearer's face).

したがって、本開示は、(a)少なくとも着用者の口及び鼻を覆うように構成されるマスク本体と、(b)着用者の顔の所定の位置にマスクを保持するための留め具装置(例えば、マスク本体の両側から延び、かつ、着用者の耳の周りに引っ掛けられるように構成された1対の耳ストラップ、又は、着用者の頭の周りに引っ掛けられる弾性ストラップ)と、を備えるフェイスマスクを提供し、マスク本体は、(i)好ましくは、疎水性材料(例えば、撥水性繊維)を備える空気透過性外層(例えば、繊維シート若しくは布地片、又は、多孔性ポリマー膜)と、(ii)マスク着用時の着用者側に配置される内層と、(iii)外層と内層との間に配置される、又は、外層若しくは内層に全体的に又は部分的に埋め込まれる、化学官能化された膨張グラファイトフレークの層と、を含む。グラファイトフレークは、O、N、H、F、Cl、Br、I又はそれらの組み合わせから選択される非炭素元素を1重量%~50重量%(好ましくは5重量%~35重量%)含有する化学官能基を含む。 Accordingly, the present disclosure provides (a) a mask body configured to cover at least the mouth and nose of the wearer, and (b) a fastening system (e.g., , a pair of ear straps extending from opposite sides of the mask body and configured to hook around the ears of the wearer, or elastic straps that hook around the head of the wearer. wherein the mask body comprises (i) an air-permeable outer layer (e.g., a fibrous sheet or piece of fabric, or a porous polymer membrane), preferably comprising a hydrophobic material (e.g., water-repellent fibers); (iii) a chemically functionalized inner layer positioned between the outer and inner layers or embedded wholly or partially in the outer or inner layer; and a layer of expanded graphite flakes. Graphite flakes contain a chemical composition containing 1 wt% to 50 wt% (preferably 5 wt% to 35 wt%) of non-carbon elements selected from O, N, H, F, Cl, Br, I, or combinations thereof. Contains functional groups.

概して、本開示は、化学的に官能化されたグラファイトフレークを抗ウイルス剤として含むフェイスマスクも提供し、グラファイトフレークは、O、N、H、F、Cl、Br、I又はそれらの組み合わせから選択される非炭素元素を1重量%~50重量%含有する化学官能基を含む。特に有用であるのは、-COOH、-OH、>O、-F、-Cl、-Br、-I及び/又は-NHなどの化学官能基を担持するグラファイトフレークである。 In general, the present disclosure also provides a face mask comprising chemically functionalized graphite flakes as an antiviral agent, wherein the graphite flakes are selected from O, N, H, F, Cl, Br, I, or combinations thereof chemical functional groups containing 1% to 50% by weight of non-carbon elements. Particularly useful are graphite flakes bearing chemical functional groups such as -COOH, -OH, >O, -F, -Cl, -Br, -I and/or -NH2 .

特定の実施形態では、グラファイトフレーク層は、接着剤又は結合剤を使用して、外層の表面(例えば、内面)又は内層の表面(外層に面する表面)に化学的に結合される。 In certain embodiments, the graphite flake layer is chemically bonded to the surface of the outer layer (eg, the inner surface) or the surface of the inner layer (the surface facing the outer layer) using an adhesive or bonding agent.

開示されたフェイスマスクでは、グラファイトフレークは、好ましくは、10~500m/gの比表面積を有する。 In the disclosed face mask the graphite flakes preferably have a specific surface area of 10-500 m 2 /g.

グラファイトフレーク層と外層との重量比又はグラファイトフレーク層と内層との重量比は、好ましくは1/1000~1/0.1であり、より好ましくは1/100~1/1であり、かつ、最も好ましくは5/100~25/100である。 The weight ratio of the graphite flake layer to the outer layer or the weight ratio of the graphite flake layer to the inner layer is preferably 1/1000 to 1/0.1, more preferably 1/100 to 1/1, and Most preferably 5/100 to 25/100.

ある実施形態では、グラファイトフレーク層は、外層又は内層のうちの少なくとも一方に埋め込まれた別個の層である。 In some embodiments, the graphite flake layer is a separate layer embedded in at least one of the outer layer or the inner layer.

開示されたフェイスマスクでは、マスク本体の外層又は内層は、ポリマー又はガラス繊維の織布又は不織布構造、多孔性ポリマー膜(例えば、多孔性PE-PPコポリマー膜、ポリテトラフルオロエチレン又はテフロン膜)、紙の空気透過性シート又はそれらの組み合わせを含んでもよい。外層又は内層は、好ましくは、綿、セルロース、羊毛、ポリオレフィン(例えば、ポリエチレン及びポリプロピレン)、ポリエステル(例えば、PET)、ポリアミド(例えば、ナイロン)、レーヨン、ポリアクリロニトリル、酢酸セルロース、ポリスチレン、ポリビニル、ポリ(カルボン酸)、生分解性ポリマー、水溶性ポリマー、それらのコポリマー及びそれらの組み合わせの群から選択されるポリマー繊維を備えてもよい。 In the disclosed facemask, the outer or inner layer of the mask body is composed of a woven or non-woven fabric structure of polymer or fiberglass, a porous polymer membrane (e.g., a porous PE-PP copolymer membrane, polytetrafluoroethylene or Teflon membrane), It may also include air permeable sheets of paper or combinations thereof. The outer or inner layer is preferably cotton, cellulose, wool, polyolefins (e.g. polyethylene and polypropylene), polyesters (e.g. PET), polyamides (e.g. nylon), rayon, polyacrylonitrile, cellulose acetate, polystyrene, polyvinyl, polyvinyl (carboxylic acid), biodegradable polymers, water-soluble polymers, copolymers thereof and combinations thereof.

留め具は、マスク本体の両側から延び、かつ、着用者の耳の周りに引っ掛けられるように構成された1対の耳ストラップ、又は、着用者の頭の周りに引っ掛けられる弾性ストラップを備えてもよい。 The fasteners may comprise a pair of ear straps extending from opposite sides of the mask body and configured to hook around the ears of the wearer, or elastic straps that hook around the head of the wearer. good.

好ましくは、グラファイトフレーク層は、グラファイトフレークの総重量に基づいて、5重量%~50重量%の酸素若しくは窒素含有量、又は、5重量%~30重量%のハロゲン含有量を有している。グラファイトフレーク表面の酸素、窒素又はハロゲン含有官能基は、特定の微生物因子を殺傷又は非活性化することができるものとみなされる。 Preferably, the graphite flake layer has an oxygen or nitrogen content of 5 wt% to 50 wt%, or a halogen content of 5 wt% to 30 wt%, based on the total weight of the graphite flakes. Oxygen-, nitrogen-, or halogen-containing functional groups on graphite flake surfaces are believed to be capable of killing or deactivating specific microbial agents.

開示されたフェイスマスクでは、マスク本体は抗菌化合物をさらに備えてもよい。好ましくは、マスク本体は、グラファイトフレークの表面に分布する抗菌化合物をさらに備える。そのような高い比表面積により、マスク本体は、微生物病原体(細菌、ウイルスなど)を直接攻撃することができる抗菌化合物の有効量を劇的に高めることができる。抗菌化合物の実質的にすべてが利用可能である。 In the disclosed facemask, the mask body may further comprise an antimicrobial compound. Preferably, the mask body further comprises an antimicrobial compound distributed on the surface of the graphite flakes. Such a high specific surface area allows the mask body to dramatically increase the effective amount of antimicrobial compounds that can directly attack microbial pathogens (bacteria, viruses, etc.). Virtually all antimicrobial compounds are available.

抗菌化合物は、アクリル酸、メタクリル酸、クエン酸、酸性ポリマー、銀有機イジン抗菌剤、ヨウ素樹脂、シアル酸(例えば、環上にカルボン酸置換基を有する九炭素単糖)、カチオン基(例えば、織物又はグラファイトフレークに結合された第四級アンモニウムカチオン炭化水素基)、スルホンアミド、フルオロキノロン、ヒペリシン、クルクミン(高分子クルクミンを含む)又はそれらの組み合わせから選択された抗ウイルス又は抗菌化合物を備えてもよい。 Antimicrobial compounds include acrylic acid, methacrylic acid, citric acid, acidic polymers, silver organoidine antimicrobials, iodine resins, sialic acids (e.g., nine-carbon monosaccharides with carboxylic acid substituents on the ring), cationic groups (e.g., quaternary ammonium cationic hydrocarbon groups attached to textiles or graphite flakes), sulfonamides, fluoroquinolones, hypericin, curcumin (including polymeric curcumin), or combinations thereof. good too.

図1は、グラフェンシートを製造するために最も一般的に使用される従来技術のプロセスを示すフローチャートである。FIG. 1 is a flow chart showing the most commonly used prior art process for producing graphene sheets. 図2は、本開示の一実施形態に係るフェイスマスクの概略図である。2 is a schematic illustration of a face mask according to one embodiment of the present disclosure; FIG. 図3Aは、層間及び/又は酸化グラファイト、続いて剥離グラファイトワーム及び膨張グラファイトフレークを生成するためのプロセスを示す概略図である。FIG. 3A is a schematic diagram showing a process for producing intercalated and/or graphite oxide followed by exfoliated graphite worms and expanded graphite flakes. 図3Bは、相互接続されたグラファイトフレークを含有する剥離炭素(剥離炭素ワーム)のSEM画像である;低強度のエアジェットミリングに曝されると、これらのワームは、単離された膨張グラファイトフレークになる。Figure 3B is an SEM image of exfoliated carbon containing interconnected graphite flakes (exfoliated carbon worms); become. 図3Cは、相互接続されたグラファイトフレークを含有するグラファイトワームの別のSEM画像である;低強度のエアジェットミリングに曝されると、これらのワームは、単離された膨張グラファイトフレークになる。FIG. 3C is another SEM image of graphite worms containing interconnected graphite flakes; when exposed to low intensity air jet milling, these worms become isolated expanded graphite flakes. 図3Dは、相互接続されたグラファイトフレークを含有する熱膨張/剥離グラファイト構造を生成するアプローチを示す概略図である;低強度のエアジェットミリングに曝されると、これらのワームは、単離された膨張グラファイトフレークになる。FIG. 3D is a schematic diagram showing an approach to produce thermally expanded/exfoliated graphite structures containing interconnected graphite flakes; It becomes expanded graphite flakes. 図4Aは、グラフェン、グラフェン発泡体又はグラファイトフレーク層が、外層に埋め込まれた別個の層である、一実施形態に係るフェイスマスク構造の概略図である。FIG. 4A is a schematic illustration of a face mask structure according to one embodiment, wherein the graphene, graphene foam or graphite flakes layer is a separate layer embedded in the outer layer. 図4Bは、グラフェン、グラフェン発泡体又はグラファイトフレーク層が、内層に埋め込まれた別個の層である、一実施形態に係るフェイスマスク構造の概略図である。FIG. 4B is a schematic diagram of a face mask structure according to one embodiment, wherein the graphene, graphene foam or graphite flakes layer is a separate layer embedded in the inner layer.

本開示は、ろ過要素(部材)及びそのような部材を含むろ過装置を提供する。ろ過装置は、水フィルタ装置、空気フィルタ装置、溶媒浄化装置、油回収装置又はフェイスマスク(例えば、N95フェイスマスクなどのサージカルフェイスマスク、レスピレータ)から選択されてもよい。 The present disclosure provides filtration elements (members) and filtration devices including such members. Filtration devices may be selected from water filter devices, air filter devices, solvent purifiers, oil recovery devices or face masks (eg, surgical face masks such as N95 face masks, respirators).

ろ過部材は、好ましくは、2つの主表面を有する空気透過性膜の層(例えば、織布又は不織布のシート、多孔性ポリマー膜、連続気泡発泡片、通気性を有する紙のシートなど)と、2つの主表面のうちの少なくとも一方に堆積される又は通気性膜の層に埋め込まれる化学的に官能化されたグラファイトフレークの層と、を備え、グラファイトフレークは、O、N、H、F、Cl、Br、I又はそれらの組み合わせから選択される非炭素元素を1重量%~50重量%(好ましくは5重量%~35重量%)を含有する化学官能基を備える。 The filtering member preferably comprises a layer of air-permeable membrane (e.g., woven or non-woven sheet, porous polymer membrane, open-cell foam strip, breathable paper sheet, etc.) having two major surfaces; a layer of chemically functionalized graphite flakes deposited on at least one of the two major surfaces or embedded in the layer of breathable membrane, the graphite flakes comprising O, N, H, F, It comprises chemical functional groups containing 1 wt% to 50 wt% (preferably 5 wt% to 35 wt%) of non-carbon elements selected from Cl, Br, I or combinations thereof.

ある実施形態では、グラファイトフレークの層は、接着剤又は結合剤を使用して主表面のうちの少なくとも一方に化学的に結合される。好ましくは、グラファイトフレークの層は10~500m/gの比表面積を有する。 In some embodiments, the layer of graphite flakes is chemically bonded to at least one of the major surfaces using an adhesive or bonding agent. Preferably, the layer of graphite flakes has a specific surface area of 10-500 m 2 /g.

ろ過部材では、不織布は、好ましくは、綿、セルロース、羊毛、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリアミド、レーヨン、ポリアクリロニトリル、酢酸セルロース、ポリスチレン、ポリビニル、ポリ(カルボン酸)、生分解性ポリマー、水溶性ポリマー、それらのコポリマー及びそれらの組み合わせの群から選択されるポリマー繊維を備える。 In the filter member, the non-woven fabric is preferably cotton, cellulose, wool, polyolefin, polyester, polyamide, rayon, polyacrylonitrile, cellulose acetate, polystyrene, polyvinyl, poly(carboxylic acid), biodegradable polymer, water-soluble polymer, and combinations thereof.

特定の実施形態では、開示されたろ過部材は、グラファイトフレークの表面に分布する抗菌化合物をさらに備える。抗菌化合物は、アクリル酸、メタクリル酸、クエン酸、酸性ポリマー、銀有機イジン抗菌剤、ヨウ素樹脂、シアル酸、カチオン基、スルホンアミド、フルオロキノロン、ヒペリシン、クルクミン又はそれらの組み合わせから選択された抗ウイルス又は抗菌化合物を備えてもよい。 In certain embodiments, the disclosed filtration member further comprises an antimicrobial compound distributed on the surface of the graphite flakes. The antimicrobial compound is an antiviral selected from acrylic acid, methacrylic acid, citric acid, acidic polymers, silver organoidine antimicrobials, iodine resins, sialic acids, cationic groups, sulfonamides, fluoroquinolones, hypericin, curcumin, or combinations thereof. Or it may comprise an antimicrobial compound.

ある実施形態では、ろ過部材の不織布はポリマー繊維を備え、抗菌化合物がポリマー繊維の表面に分布する。抗菌化合物は、アクリル酸、メタクリル酸、クエン酸、酸性ポリマー、有機銀イジン抗菌剤、ヨウ素樹脂、シアル酸、カチオン基、スルホンアミド、フルオロキノロン、ヒペリシン、クルクミン又はそれらの組み合わせから選択された抗ウイルス又は抗菌化合物を備えてもよい。 In some embodiments, the nonwoven fabric of the filtration member comprises polymer fibers and the antimicrobial compound is distributed on the surface of the polymer fibers. The antimicrobial compound is an antiviral selected from acrylic acid, methacrylic acid, citric acid, acidic polymers, organic silver idine antimicrobials, iodine resins, sialic acids, cationic groups, sulfonamides, fluoroquinolones, hypericin, curcumin, or combinations thereof. Or it may comprise an antimicrobial compound.

本開示はまた、上述したろ過部材を機能部品として備えるろ過装置を提供する。ろ過装置は、浄水装置、空気清浄装置、溶媒除去装置、油回収装置又はフェイスマスク、特に医療用フェイスマスク又はレスピレータであってもよい。 The present disclosure also provides a filtering device comprising the filtering member described above as a functional component. The filtration device may be a water purification device, an air cleaning device, a solvent removal device, an oil recovery device or a face mask, especially a medical face mask or respirator.

特定の実施形態では、図2に概略的に示すように、開示されたマスクは:(a)少なくとも着用者の口及び鼻を覆うように構成されたマスク本体と、(b)着用者の顔の所定の位置にマスクを保持するための留め具(例えば、マスク本体の両側から延び、かつ、着用者の耳の周りに引っ掛けられるように構成された1対の耳ストラップ、又は、着用者の頭の周りに引っ掛けられる弾性ストラップ)と、を備え;マスク本体は、(i)疎水性材料(例えば、撥水繊維)を備える空気透過性の外層(例えば、繊維シート又は布地片)と、(ii)マスク着用時に着用者の側に配置される内層と、(iii)外層及び内層の間に配置された又は外層若しくは内層に全体的に又は部分的に埋め込まれたグラフェン材料又は発泡体又はグラファイトフレークの層と、を含む。 In certain embodiments, as shown schematically in FIG. 2, the disclosed mask includes: (a) a mask body configured to cover at least the wearer's mouth and nose; and (b) the wearer's face. fasteners (e.g., a pair of ear straps extending from opposite sides of the mask body and configured to hook around the wearer's ears, or the wearer's The mask body comprises (i) an air-permeable outer layer (e.g., a fiber sheet or piece of fabric) comprising a hydrophobic material (e.g., water-repellent fabric); ii) an inner layer positioned on the side of the wearer when the mask is worn; and (iii) a graphene material or foam or graphite positioned between the outer and inner layers or wholly or partially embedded in the outer or inner layer. and a layer of flakes.

グラフェン又はグラフェン発泡体層は、好ましくは、元の状態のグラフェン、酸化グラフェン、還元酸化グラフェン、フッ化グラフェン、塩化グラフェン、臭化グラフェン、ヨウ化グラフェン、水素化グラフェン、窒素化グラフェン、ドープグラフェン、化学官能化グラフェン又はそれらの組み合わせから選択された複数の別個の単層又は数層のグラフェンシート又はグラフェン材料を備える。フェイスマスクには、サージカルマスク、レスピレータ及び非医療用マスクなどが含まれる。 The graphene or graphene foam layer preferably comprises pristine graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, graphene hydride, graphene nitride, doped graphene, It comprises a plurality of discrete single or few layers of graphene sheets or graphene materials selected from chemically functionalized graphene or combinations thereof. Face masks include surgical masks, respirators and non-medical masks.

グラファイトフレークは、O、N、H、F、Cl、Br、I又はそれらの組み合わせから選択された非炭素元素を1重量%~50重量%(好ましくは5重量%~35重量%)を含有する化学官能基を備える。留め具は、フェイスマスク本体に係合する1又は複数の部分と、着用者に係合する留め具の1又は複数の部分と、を有する。一実施形態では、弾性ストラップの一部がフェイスマスク本体に縫い付けられる一方で、弾性ストラップの他の部分が着用者の耳に巻き付く。 The graphite flakes contain 1 wt% to 50 wt% (preferably 5 wt% to 35 wt%) of non-carbon elements selected from O, N, H, F, Cl, Br, I or combinations thereof It has a chemical functional group. The fastener has one or more portions that engage the face mask body and one or more portions of the fastener that engage the wearer. In one embodiment, a portion of the elastic strap is sewn to the face mask body while another portion of the elastic strap wraps around the wearer's ears.

外層又は内層は各々、多層又は多層構造であってもよい。ある実施形態では、グラフェン、グラフェン発泡体又はグラファイトフレーク層は、外層(図4(A))又は内層(図4(B))のいずれかに複数の層の1つとして埋め込まれてもよい。空気透過性構造は、織布又は不織布のいずれかであり得る、繊維基材又は布地などの空気透過性膜を備えてもよい。織布素材の例には、綿、セルロース、羊毛、ポリオレフィン(例えば、PE及びPP)、ポリエステル(例えば、PET及びPBT)、ポリアミド(例えば、ナイロン)、レーヨン、ポリアクリロニトリル、酢酸セルロース、ポリスチレン、ポリビニル及び繊維に加工可能な任意のその他の合成ポリマーなどの天然繊維及び合成繊維が含まれる。不織布材料の例には、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、ナイロン、PET及びPLAが含まれる。現在開示されている装置では、不織布シート又はパッドの形態であり得る不織布が好ましい。 Each outer layer or inner layer may be a multi-layer or multi-layer structure. In some embodiments, the graphene, graphene foam or graphite flakes layer may be embedded as one of multiple layers in either the outer layer (FIG. 4(A)) or the inner layer (FIG. 4(B)). The air permeable structure may comprise an air permeable membrane such as a fibrous substrate or fabric, which may be either woven or non-woven. Examples of woven materials include cotton, cellulose, wool, polyolefins (e.g. PE and PP), polyesters (e.g. PET and PBT), polyamides (e.g. nylon), rayon, polyacrylonitrile, cellulose acetate, polystyrene, polyvinyl and any other synthetic polymer that can be processed into fibers. Examples of nonwoven materials include polypropylene, polyethylene, polyester, nylon, PET and PLA. Nonwovens, which may be in the form of nonwoven sheets or pads, are preferred in the presently disclosed devices.

酸性ポリマーなどの所望の抗ウイルス又は抗菌化合物の一部がポリエステル材料により良好に付着するので、不織布ポリエステルは好ましい空気透過性構造である。ポリプロピレン不織布も好ましい。本明細書で研究されたグラフェンシート又は発泡体若しくはグラファイトフレーク層/構造は、すべてのポリマー繊維ベースの布地構造に適応するようである。グラフェンシート又は発泡体又はグラファイトフレークを支持するために使用され得る繊維基材又は布地の等級は、空気の適切な貫流を達成するために実際に決定されてもよく、密度は、適度な重さのマスクを提供するフェイスマスク技術から既知のとおりであり得る。 Nonwoven polyester is a preferred air permeable structure because some of the desired antiviral or antimicrobial compounds, such as acidic polymers, adhere better to the polyester material. Polypropylene nonwovens are also preferred. The graphene sheet or foam or graphite flake layers/structures studied here appear to be compatible with all polymer fiber-based fabric structures. The grade of fibrous substrate or fabric that can be used to support the graphene sheets or foam or graphite flakes may be practically determined to achieve adequate air flow through, the density may be known from face mask technology to provide a mask of

サージカルマスクなどに従来から使用されているタイプの不織布ポリプロピレンは、シート状で広く入手可能である。不織布ポリプロピレンの適切な等級には、サージカルフェイスマスクに一般的に使用される周知の等級が含まれる。フェイスマスク又は他のろ過装置での使用に適していることがわかっている典型的な不織布ポリプロピレン材料は、10~50g/m(gsm)の面積重量を有している。他の適切な材料重量は経験的に容易に決定され得る。ろ過装置での使用に適した典型的な不織布ポリエステルの面積重量は10~300g/mである。フェイスマスクの用途には、重量が20~100g/mのポリエステル材料が好ましい。そのような材料は市販されている。他の適切な材料は、経験的に容易に決定され得る。 Non-woven polypropylene, of the type traditionally used for surgical masks and the like, is widely available in sheet form. Suitable grades of nonwoven polypropylene include well known grades commonly used in surgical face masks. Typical nonwoven polypropylene materials that have been found suitable for use in face masks or other filtration devices have area weights of 10-50 g/m 2 (gsm). Other suitable material weights can be readily determined empirically. Typical nonwoven polyester suitable for use in filtration devices have areal weights of 10 to 300 g/m 2 . For face mask applications, polyester materials with a weight between 20 and 100 g/m 2 are preferred. Such materials are commercially available. Other suitable materials can be readily determined empirically.

代替的に、不織布又は織布以外の多孔質層基材は、連続気泡発泡体などの他の形態、例えば、空気フィルタにも使用されるポリウレタン発泡体であってもよい。その後、グラフェン発泡体層及びポリマー発泡体層がともに結合又は積層されて、構造的に完全な本体を形成する。その後、グラファイトフレーク層及びポリマー発泡体層が結合又は積層されて、構造的に完全な本体を形成する。代替的に、キャスティング、コーティング、印刷、噴霧、塗装などを使用して、グラファイトフレークが発泡体(又は任意の他のタイプの通気性膜)の表面に堆積されてもよい。 Alternatively, the porous layer substrate other than nonwovens or wovens may be in other forms such as open cell foams, eg polyurethane foams which are also used in air filters. The graphene foam layers and polymer foam layers are then bonded or laminated together to form a structurally complete body. The graphite flake layer and polymer foam layer are then bonded or laminated to form a structurally complete body. Alternatively, the graphite flakes may be deposited onto the surface of the foam (or any other type of breathable membrane) using casting, coating, printing, spraying, painting, or the like.

繰り返しになるが、サージカルマスク及びレスピレータを含むフェイスマスクは、一般的に不織布で形成されており、不織布は、細菌のろ過及び通気性に優れている一方で、織布よりも滑りにくさを維持する。それらを形成するために最も一般的に使用される材料はポリプロピレンであるが、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリエチレン又はポリエステルなどからも形成可能である。20g/m又はgsmのマスク材料が、通常、溶融プラスチックを型からコンベア上に押し出すことを含むスパンボンドプロセスで形成される。材料はウェブに押し出され、ストランドは冷却するにつれて互いに結合する。25gsmの布地は通常、メルトブロープロセスによって形成され、このプロセスでは、プラスチックが、数百の小さなノズルを有するダイを通じて型から押し出され、かつ、熱風によって吹き飛ばされて極細の繊維になり、冷却されてコンベア上で結合される。これらの繊維の直径は通常、1ミクロン未満である。グラフェン発泡体層は、布地製造手順中又は後にプラスチック布地と結合されてもよい。グラファイトフレーク層は、布地製造手順中又は後にポリマー布地と結合されてもよい。 Again, surgical masks and face masks, including respirators, are generally made of non-woven fabrics, which are superior in bacterial filtration and breathability, while maintaining less slippage than woven fabrics. do. The material most commonly used to form them is polypropylene, but they can also be formed from polystyrene, polycarbonate, polyethylene or polyester, and the like. A mask material of 20 g/m 2 or gsm is typically formed in a spunbond process that involves extruding molten plastic from a mold onto a conveyor. The material is extruded into a web and the strands bond together as they cool. 25gsm fabrics are usually formed by a meltblowing process in which the plastic is extruded from a mold through a die with hundreds of small nozzles and blown by hot air into very fine fibers which are then cooled on a conveyor. Combined above. These fibers are typically less than 1 micron in diameter. The graphene foam layer may be combined with the plastic fabric during or after the fabric manufacturing procedure. The graphite flake layer may be combined with the polymer fabric during or after the fabric manufacturing procedure.

サージカルマスクは、一般に多層構造から構成されており、一般に、織物の層の両面を不織布結合布地で覆うことによって構成されている。不織布材料は、使い捨てであるので、製造コストが安く、より清潔である。マスク本体の一部として組み込まれた構造は、3つ又は4つの層で形成されてもよい。これらの使い捨てマスクは、多くの場合、1ミクロンを超える細菌などの粒子をろ過するのに効果的な2つのフィルタ層で形成されている。マスクのろ過レベルは、繊維、製造プロセス、ウェブ構造及び繊維の断面形状に応じて異なる。開示されたマスクでは、グラフェン又はグラフェン発泡体又はグラファイトフレーク層は、多層の1つとして組み込まれることができるが、外気に直接曝されず(最外層ではない)、かつ、着用者の顔と直接接触しない(最内層ではない)ことが好ましい。マスクは、ボビンから不織布を作り、層をともに超音波溶接し、かつ、マスクにノーズストリップ、イヤーループ及びその他の部品をスタンプする機械ラインで形成されてもよい。これらの手順は当技術分野で周知である。 Surgical masks are generally constructed from a multi-layer construction, generally by covering a layer of fabric on both sides with a nonwoven bonded fabric. Nonwoven materials are less expensive to manufacture and cleaner because they are disposable. Structures incorporated as part of the mask body may be formed of three or four layers. These disposable masks are often made with two filter layers that are effective in filtering out particles such as bacteria larger than 1 micron. The filtration level of the mask varies depending on the fibers, manufacturing process, web construction and cross-sectional shape of the fibers. In the disclosed mask, the graphene or graphene foam or graphite flakes layer can be incorporated as one of multiple layers, but not directly exposed to the atmosphere (not the outermost layer) and directly with the wearer's face. It is preferred that they do not touch (not the innermost layer). The mask may be formed on a machine line that creates the nonwoven fabric from a bobbin, ultrasonically welds the layers together, and stamps nose strips, ear loops and other components onto the mask. These procedures are well known in the art.

レスピレータも複数の層を備えている。両側の外層は、20~100g/mの密度を有する保護不織布から形成され、外部環境に対して、かつ、内側で、着用者自身の呼気に対して、バリアを作成してもよい。250g/mの密度であり得る事前ろ過層が続く。これは通常、プラスチック繊維を高圧加熱ロールに通すことによってプラスチック繊維が熱的に結合されるホットカレンダー加工を通じて製造されるニードル不織布である。グラフェン又はグラフェン発泡体又はグラファイトフレーク層が使用されて、この層を部分的又は全体的に置換してもよい。部分置換の場合、グラフェン発泡体又はシート又はグラファイトフレークは、このニードル不織布層の一次表面上に堆積又は結合されてもよい。これにより、事前ろ過層をより厚く、かつ、より硬くして、マスクが使用される際の所望の形状を形成する。最後の層は、ろ過効率を決定する高効率のメルトブローエレクトレット不織布材料であってもよい。このメルトブロー層は、事前ろ過層の代わりに又は事前ろ過層に加えて、グラフェン又はグラフェン発泡体又はグラファイトフレーク層とともに堆積又は結合されてもよい。 Respirators also have multiple layers. The outer layers on both sides may be formed from a protective nonwoven with a density of 20-100 g/m 2 to create a barrier to the external environment and, on the inside, to the wearer's own exhaled air. A pre-filtration layer follows which can be of density 250 g/m 2 . It is typically a needled nonwoven fabric produced through a hot calendering process in which the plastic fibers are thermally bonded by passing the plastic fibers through high pressure heated rolls. A graphene or graphene foam or graphite flakes layer may be used to partially or wholly replace this layer. In the case of partial replacement, graphene foams or sheets or graphite flakes may be deposited or bonded onto the primary surface of this needled nonwoven layer. This makes the pre-filtration layer thicker and stiffer to form the desired shape when the mask is in use. The final layer may be a highly efficient meltblown electret nonwoven material that determines the filtration efficiency. This meltblown layer may be deposited or bonded with a graphene or graphene foam or graphite flakes layer instead of or in addition to the pre-filtration layer.

グラフェン発泡体又はグラファイトフレークのグラフェンシート表面又は細孔壁グラフェン表面には抗ウイルス又は抗菌化合物が堆積されてもよい。この堆積は、グラフェンシート又は発泡体がグラフェン層に形成される前又は後に、若しくは、グラファイトフレークが層に形成される前又は後に行われてもよい。抗菌化合物は、アクリル酸、メタクリル酸、クエン酸、酸性ポリマー、銀有機イジン抗菌剤、ヨウ素樹脂、シアル酸(例えば、環上にカルボン酸置換基を有する九炭素単糖)、カチオン基(例えば、布地又はグラフェンシートに結合された第四級アンモニウムカチオン炭化水素基)、スルホンアミド、フルオロキノロン、ヒペリシン、クルクミン(高分子クルクミンを含む)又はそれらの組み合わせから選択された抗ウイルス又は抗菌化合物を含んでもよい。 An antiviral or antimicrobial compound may be deposited on the graphene sheet surface or pore wall graphene surface of the graphene foam or graphite flakes. This deposition may occur before or after the graphene sheets or foams are formed into the graphene layer, or before or after the graphite flakes are formed into the layer. Antimicrobial compounds include acrylic acid, methacrylic acid, citric acid, acidic polymers, silver organoidine antimicrobials, iodine resins, sialic acids (e.g., nine-carbon monosaccharides with carboxylic acid substituents on the ring), cationic groups (e.g., quaternary ammonium cationic hydrocarbon groups attached to fabric or graphene sheets), sulfonamides, fluoroquinolones, hypericin, curcumin (including polymeric curcumin), or combinations thereof. good.

酸性ポリマーは、酸性ポリマーを特徴とするそのようなろ過部材(基材)を通過する空気中のウイルスを捕捉して中和するのに有効であることが見出された。特定の理論に限定されるわけではないが、基材の表面と接触すると、ウイルスは、ポリマーと相互作用し、捕捉され、かつ、酸性ポリマーの局所的な低pH環境(例えば、pH値2.8~5)がウイルスを不活性化すると考えられる。本明細書に開示されるフィルタ部材及びそのような部材を含むろ過装置は、風邪、インフルエンザ、SARS、RSV、鳥インフルエンザ、コロナウイルス及びこれらの突然変異した血清型を引き起こすウイルスに対して、このように有効であり得ると考えられる。 Acidic polymers have been found to be effective in trapping and neutralizing viruses in air passing through such filtration members (substrates) featuring acidic polymers. Without wishing to be bound by any particular theory, upon contact with the surface of the substrate, the virus interacts with the polymer, is trapped, and is exposed to the local low pH environment of the acidic polymer (eg, pH value 2.00). 8-5) are thought to inactivate the virus. The filter members and filtration devices comprising such members disclosed herein are thus effective against viruses that cause colds, influenza, SARS, RSV, avian flu, coronaviruses, and mutated serotypes thereof. It is thought that it can be effective for

酸性ポリマーの例としてのポリ-(カルボン酸)ポリマーは、典型的には、それらの構造の-COOH基、又は、酸無水物基、容易に切断して-COOH基を生成する容易に切断可能なカルボン酸エステル基などの誘導体基を含むポリマーである。ポリ-(カルボン酸)ポリマーは、その主鎖に直接連結された-COOH基(又は誘導体基)を有してもよく、又は、ポリマーは、-COOH(又は誘導体)基が、主鎖から分岐した側鎖に結合されている、いわゆるグラフトポリマー又は樹枝状ポリマーであってもよい。 Poly-(carboxylic acid) polymers, as examples of acidic polymers, typically have --COOH groups in their structure, or readily cleavable acid anhydride groups, which readily cleave to produce --COOH groups. are polymers containing derivative groups such as carboxylic acid ester groups. A poly-(carboxylic acid) polymer may have —COOH groups (or derivative groups) directly linked to its backbone, or the polymer may have —COOH (or derivative) groups branched from the backbone. It may also be a so-called graft polymer or dendritic polymer, which is attached to side chains attached to the polymer.

本明細書に開示される官能化膨張グラファイトフレークは、それらの表面又はエッジに-COOH基を含むように容易に形成可能である。グラファイトフレークに担持されるこれらの官能基は抗ウイルス性も期待される。 The functionalized expanded graphite flakes disclosed herein can be readily formed to contain --COOH groups on their surfaces or edges. These functional groups carried on graphite flakes are also expected to have antiviral properties.

一般的に言えば、本開示は、化学的に官能化されたグラファイトフレークを抗ウイルス剤として含むフェイスマスクも提供し、グラファイトフレークは、O、N、H、F、Cl、Br、I又はそれらの組み合わせから選択される非炭素元素を1重量%~50重量%含む化学官能基を含む。特に有用であるのは、-COOH、-OH、>O、-F、-Cl、-Br、-I及び/又はNHなどの化学官能基を担持するグラファイトフレークである。 Generally speaking, the present disclosure also provides a face mask comprising chemically functionalized graphite flakes as an antiviral agent, wherein the graphite flakes are O, N, H, F, Cl, Br, I or and chemical functional groups containing 1% to 50% by weight of non-carbon elements selected from combinations of Particularly useful are graphite flakes bearing chemical functional groups such as -COOH, -OH, >O, -F, -Cl, -Br, -I and/or NH2 .

製造されたフェイスマスク及びレスピレータは、工場から出荷される前に滅菌されることが不可欠である。 It is imperative that manufactured face masks and respirators are sterilized before leaving the factory.

グラフェン及びグラフェン発泡体の製造は、当技術分野でよく知られているが、読者の便宜のために以下でさらに説明され得る。 The manufacture of graphene and graphene foams is well known in the art and may be further described below for the convenience of the reader.

炭素材料は、本質的に非晶質構造(ガラス状炭素)、高度に組織化された結晶(グラファイト)、又は、さまざまな比率及びサイズのグラファイト結晶子及び欠陥が非晶質マトリックスに分散されていることを特徴とする中間構造の全範囲をとり得る。通常、グラファイト結晶子は、基底面に垂直な方向であるc軸方向のファンデルワールス力によって結合された多数のグラフェンシート又は基底面から構成される。これらのグラファイト結晶子は、通常、ミクロン又はナノメートルサイズである。グラファイト結晶子は、グラファイトフレーク、炭素/グラファイト繊維セグメント、炭素/グラファイトウィスカー、又は炭素/グラファイトナノ繊維であり得るグラファイト粒子中の結晶欠陥又は非晶質相中に分散又は接続される。言い換えると、グラフェン面(炭素原子の六方格子構造)がグラファイト粒子のかなりの部分を構成する。 Carbon materials may have an essentially amorphous structure (glassy carbon), highly organized crystallites (graphite), or graphite crystallites and defects of varying proportions and sizes dispersed in an amorphous matrix. A full range of intermediate structures characterized by Graphite crystallites are usually composed of a large number of graphene sheets or basal planes held together by van der Waals forces along the c-axis, which is oriented perpendicular to the basal planes. These graphite crystallites are typically micron or nanometer sized. Graphite crystallites are dispersed or connected in crystal defects or amorphous phases in graphite particles, which may be graphite flakes, carbon/graphite fiber segments, carbon/graphite whiskers, or carbon/graphite nanofibers. In other words, the graphene planes (the hexagonal lattice structure of carbon atoms) make up a significant portion of the graphite particles.

単層グラフェンシートは、2次元の六方格子を占める炭素原子から構成される。多層グラフェンは、複数のグラフェン面から構成されるプレートレットである。個々の単層グラフェンシート及び多層グラフェンプレートレットは、本明細書ではまとめてナノグラフェンプレートレット(NGP)又はグラフェン材料と呼ぶ。NGPには、元の状態のグラフェン(本質的に炭素原子の99%)、わずかに酸化されたグラフェン(5重量%未満の酸素)、酸化グラフェン(5重量%以上の酸素)、わずかにフッ素化されたグラフェン(5重量%未満のフッ素)、フッ化グラフェン((5重量%以上のフッ素)、その他のハロゲン化グラフェン及び化学的に官能化されたグラフェンが含まれる。 A single-layer graphene sheet is composed of carbon atoms occupying a two-dimensional hexagonal lattice. Multilayer graphene is a platelet composed of multiple graphene planes. Individual single-layer graphene sheets and multi-layer graphene platelets are collectively referred to herein as nano-graphene platelets (NGPs) or graphene materials. NGP includes pristine graphene (essentially 99% of carbon atoms), slightly oxidized graphene (less than 5 wt% oxygen), graphene oxide (>5 wt% oxygen), slightly fluorinated modified graphene (less than 5 wt% fluorine), fluorinated graphene ((5 wt% or more fluorine), other halogenated graphenes and chemically functionalized graphene.

我々の研究グループはグラフェンを最初に発見した[B.Z.Jang及びW.C.Huangによる「Nano-scaled Graphene Plates」、2002年10月21日に提出された米国特許出願第10/274,473号、現在では米国特許第7,071,258号(2006年7月4日)]。NGP及びNGPナノコンポジットの製造プロセスは、最近、我々によってレビューされた[Bor Z.Jang及びA Zhamu、「Processing of Nano Graphene Platelets(NGPs)and NGP Nanocomposites: A Review」、J.Materials Sci.43(2008)5092~5101]。さまざまなタイプのグラフェンシートの製造が当技術分野で周知である。 Our research group was the first to discover graphene [B. Z. Jang and W.J. C. Huang, "Nano-scaled Graphene Plates", US patent application Ser. No. 10/274,473 filed Oct. 21, 2002, now US Pat. ]. The fabrication process of NGP and NGP nanocomposites was recently reviewed by us [Bor Z. Jang and A Zhamu, "Processing of Nano Graphene Platelets (NGPs) and NGP Nanocomposites: A Review," J. Am. Materials Sci. 43 (2008) 5092-5101]. The manufacture of various types of graphene sheets is well known in the art.

例えば、グラフェンシート又はプレートレットを製造するための化学プロセスは、通常、グラファイト又は他のグラファイト材料の粉末を、濃硫酸、硝酸、及び、過マンガン酸カリウム又は過塩素酸ナトリウムなどの酸化剤の混合物に浸漬して、化学インターカレーション/酸化反応を完了するには通常5~120時間を必要とする反応塊を形成することを含む。反応が完了すると、スラリーは水でのすすぎ及び洗浄の反復工程にかけられる。精製された生成物は、一般に、グラファイト層間化合物(GIC)又はグラファイト酸化物(GO)と呼ばれる。水にGIC又はGOを含む懸濁液が超音波処理されて、水中に分散した単離/分離された酸化グラフェンシートを生成してもよい。得られる製品は通常、高度に酸化されたグラフェンであり(すなわち、高酸素含有量を有する酸化グラフェン)、還元された酸化グラフェン(RGO)を得るには、高度に酸化されたグラフェンが化学的又は熱的に還元される必要がある。 For example, chemical processes for producing graphene sheets or platelets typically combine a powder of graphite or other graphite material with a mixture of concentrated sulfuric acid, nitric acid, and an oxidizing agent such as potassium permanganate or sodium perchlorate. to form a reaction mass that typically requires 5-120 hours to complete the chemical intercalation/oxidation reaction. When the reaction is complete, the slurry is subjected to repeated steps of rinsing and washing with water. The purified product is commonly referred to as graphite intercalation compound (GIC) or graphite oxide (GO). A suspension containing GIC or GO in water may be sonicated to produce isolated/separated graphene oxide sheets dispersed in water. The resulting product is usually highly oxidized graphene (i.e., graphene oxide with high oxygen content), and to obtain reduced graphene oxide (RGO), highly oxidized graphene is chemically or It must be thermally reduced.

代替的に、GIC懸濁液が乾燥処理されて水を除去してもよい。乾燥粉末がその後、熱衝撃処理を受ける。これは、通常800~1100℃(より通常は950~1050℃)の温度に事前設定された炉にGICを配置して、高せん断又は超音波処理に曝されて分離されたグラフェンシートを生成し得る剥離グラファイト(又はグラファイトワーム)を生成することによって達成されることができる。 Alternatively, the GIC suspension may be dried to remove water. The dry powder is then subjected to thermal shock treatment. This involves placing the GIC in a furnace preset at a temperature of typically 800-1100° C. (more typically 950-1050° C.) and subjecting it to high shear or sonication to produce separated graphene sheets. This can be achieved by producing exfoliated graphite (or graphite worms) that can be obtained.

代替的に、グラファイトワームは、薄膜形状に再圧縮されて、可撓性を有するグラファイトシートを得てもよい。可撓性を有するグラファイトシートは、世界中の多くのソースから市販されている。 Alternatively, the graphite worms may be recompressed into a thin film form to obtain a flexible graphite sheet. Flexible graphite sheets are commercially available from many sources around the world.

出発グラファイト材料は、天然グラファイト、合成グラファイト、高配向熱分解グラファイト、グラファイト繊維、グラファイトナノ繊維、フッ化グラファイト、化学修飾グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ、部分結晶グラファイト又はそれらの組み合わせから選択されてもよい。 The starting graphite material may be selected from natural graphite, synthetic graphite, highly oriented pyrolytic graphite, graphite fibers, graphite nanofibers, graphite fluoride, chemically modified graphite, mesocarbon microbeads, partially crystalline graphite or combinations thereof. .

元の状態のグラフェンシートは、周知の液相剥離又は金属触媒化学蒸着(CVD)によって生成されてもよい。 The pristine graphene sheets may be produced by well-known liquid phase exfoliation or metal-catalyzed chemical vapor deposition (CVD).

グラフェン薄膜、可撓性グラファイトシート及び人造グラファイト薄膜は、一般的に、根本的に異なる明らかに区別される3つクラスの材料とみなされる。 Graphene thin films, flexible graphite sheets and synthetic graphite thin films are generally regarded as three radically different and distinct classes of materials.

図1の上部に概略的に示すように、バルク天然グラファイトは、隣接するグラファイト単結晶との境界を画定する粒界(非晶質又は欠陥ゾーン)を有する複数の粒(グラファイト単結晶又は結晶子である粒)から構成される各グラファイト粒子を有する3Dグラファイト材料である。各粒は、互いに平行に配向された複数のグラフェン面から構成される。グラファイト結晶子中のグラフェン面又は六方晶炭素原子面は、2次元の六方格子を占める炭素原子から構成される。所定の粒又は単結晶では、グラフェン面は、ファンデルワールス力を介して結晶学的c方向(グラフェン面又は基底面に垂直)に積層されて結合される。天然グラファイト材料のグラフェン面間隔は約0.3354nmである。 As shown schematically at the top of FIG. 1, bulk natural graphite consists of multiple grains (graphite single crystals or crystallites) with grain boundaries (amorphous or defect zones) demarcating adjacent graphite single crystals. 3D graphite material with each graphite grain composed of grains). Each grain is composed of multiple graphene planes oriented parallel to each other. Graphene planes or hexagonal carbon atom planes in graphite crystallites are composed of carbon atoms occupying a two-dimensional hexagonal lattice. In a given grain or single crystal, the graphene planes are stacked and bonded in the crystallographic c-direction (perpendicular to the graphene planes or basal planes) via van der Waals forces. The graphene interplanar spacing of natural graphite material is about 0.3354 nm.

人造グラファイト材料は、成分のグラフェン面を含むが、X線回折で測定すると、通常は0.32nm~0.36nm(より一般的には0.3339~0.3465nm)のグラフェン面間隔d002を有している。多くの炭素又は準グラファイト材料は、積層されたグラフェン面から各々が構成されるグラファイト結晶(グラファイト結晶子、ドメイン又は結晶粒とも呼ばれる)も含む。これらには、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、メソフェーズカーボン、ソフトカーボン、ハードカーボン、コークス(例えば、ニードルコークス)、炭素又はグラファイト繊維(気相成長カーボンナノ繊維又はグラファイトナノ繊維を含む)及び多層カーボンナノチューブ(MW-CNT)が含まれる。MW-CNTの2つのグラフェンリング又は壁の間の間隔は約0.27~0.42nmである。MW-CNTの最も一般的な間隔値は、0.32~0.35nmの範囲で、合成方法にはあまり依存しない。 Artificial graphite materials contain component graphene planes, but typically have graphene plane spacings d 002 of 0.32 nm to 0.36 nm (more commonly 0.3339 to 0.3465 nm) as measured by X-ray diffraction. have. Many carbon or quasi-graphitic materials also contain graphite crystallites (also called graphite crystallites, domains or grains) each composed of stacked graphene planes. These include mesocarbon microbeads (MCMB), mesophase carbon, soft carbon, hard carbon, coke (e.g. needle coke), carbon or graphite fibers (including vapor grown carbon nanofibers or graphite nanofibers) and multi-layered carbon. Nanotubes (MW-CNT) are included. The spacing between two graphene rings or walls of MW-CNTs is about 0.27-0.42 nm. The most common spacing values for MW-CNTs are in the range of 0.32-0.35 nm and are largely independent of the synthesis method.

「ソフトカーボン」とは、1つのドメイン内の六方晶炭素平面(又はグラフェン面)の配向と、隣接するグラファイトドメイン内の配向とが、これらのドメインが2000℃を超える(より一般的には2500℃を超える)温度に加熱された場合に容易に融合されることができるように、互いに過度に不一致とならない、グラファイトドメインを含む炭素材料を参照することに留意されたい。このような熱処理は一般にグラファイト化と呼ばれる。したがって、ソフトカーボンは、グラファイト化可能な炭素質材料として定義されることができる。対照的に、「ハードカーボン」は、より大きなドメインを得るためにともに熱的に融合されることができない、非常に誤った配向のグラファイトドメインを含む炭素質材料として定義可能であり、すなわち、ハードカーボンはグラファイト化されることができない。 "Soft carbon" means that the orientation of the hexagonal carbon planes (or graphene planes) within one domain and the orientation within adjacent graphite domains are such that these domains exceed 2000°C (more commonly 2500°C). Note that reference is made to carbon materials containing graphite domains that are not too mismatched with each other so that they can be easily fused when heated to temperatures above °C. Such heat treatment is commonly referred to as graphitization. Soft carbon can thus be defined as a graphitizable carbonaceous material. In contrast, “hard carbon” can be defined as a carbonaceous material comprising highly misoriented graphite domains that cannot be thermally fused together to obtain larger domains, i.e., hard Carbon cannot be graphitized.

天然グラファイト、人造グラファイト及び上記リストにあるその他のグラファイト炭素材料のグラファイト結晶子の成分グラフェン面間の間隔は、いくつかの膨張処理アプローチを使用することによって膨張させられることができ(すなわち、d002間隔は、元の範囲の0.27~0.42nmから0.42~2.0nmに増加する)、膨張処理アプローチは、酸化、フッ素化、塩素化、臭素化、ヨード化、窒素化、インターカレーション、グラファイト又は炭素材料の酸化インターカレーションの組み合わせ、フッ素化及びインターカレーションの組み合わせ、塩素化及びインターカレーションの組み合わせ、臭素化及びインターカレーションの組み合わせ、ヨード化及びインターカレーションの組み合わせ、若しくは、窒素化及びインターカレーションの組み合わせを含む。 The spacing between the constituent graphene planes of the graphite crystallites of natural graphite, synthetic graphite and other graphitic carbon materials listed above can be expanded by using several expansion treatment approaches (i.e., d 002 The spacing increases from 0.27-0.42 nm in the original range to 0.42-2.0 nm), and the expansion treatment approaches include oxidation, fluorination, chlorination, bromination, iodination, nitrogenation, inter Calation, combination of oxidative intercalation of graphite or carbon materials, combination of fluorination and intercalation, combination of chlorination and intercalation, combination of bromination and intercalation, combination of iodination and intercalation or a combination of nitration and intercalation.

より具体的には、平行なグラフェン面をともに保持するファンデルワールス力が比較的弱いので、グラフェン面間の間隔を広げてc軸方向に顕著な膨張を提供することができるように、天然グラファイトが処理されることができる。これにより、グラファイト材料の間隔が拡大されるが、六方晶炭素層の層状特性は実質的に保持される。グラファイト結晶子の面間間隔(グラフェン間間隔とも呼ばれる)は、グラファイトの酸化、フッ素化及び/又はインターカレーションを含むいくつかのアプローチによって増大(拡大)されることができる。これは、図3(D)に概略的に示されている。インターカラント、酸素含有基又はフッ素含有基の存在は、グラファイト結晶子中の2つのグラフェン面間の間隔を広げるのに役立つ。 More specifically, since the van der Waals forces that hold parallel graphene planes together are relatively weak, the natural graphite can be processed. This enlarges the spacing of the graphite material while substantially preserving the layered properties of the hexagonal carbon layers. The interplanar spacing of graphite crystallites (also called inter-graphene spacing) can be increased (enlarged) by several approaches including oxidation, fluorination and/or intercalation of graphite. This is shown schematically in FIG. 3(D). The presence of intercalants, oxygen-containing groups or fluorine-containing groups helps increase the spacing between two graphene planes in graphite crystallites.

d間隔が拡大したグラファイト/炭素材料が、制限なし(すなわち、体積を自由に増やすことを許容される)に(例えば、通常は800~2500℃の温度に予め設定された炉内にこの炭素材料を急速に配置することによって)熱衝撃に曝されると、特定のグラフェン面間の平面間スペースが大幅に増加され得る(実際には剥離される)。これらの条件下で、熱的に剥離されたグラファイト/炭素材料はワームのように見え、各グラファイトワームは、相互接続されたままの多くのグラファイトフレークから構成される(図3(C)を参照のこと)。しかしながら、これらのグラファイトフレークは、典型的には20nm~10μmの細孔サイズ範囲のフレーク間細孔を有する。これらのワームは、分離された膨張グラファイトフレークを生成するために(例えば、エアジェットミルを使用して)解体されてもよい。 A graphite/carbon material with an enlarged d-spacing is placed without restriction (i.e., allowed to increase in volume at will) (e.g., the carbon material in a furnace preset at a temperature typically between 800 and 2500° C.). When exposed to thermal shock, the interplanar spacing between specific graphene planes can be greatly increased (actually exfoliated). Under these conditions, the thermally exfoliated graphite/carbon material appears worm-like, with each graphite worm composed of many graphite flakes that remain interconnected (see Fig. 3(C)). ). However, these graphite flakes typically have interflake pores in the pore size range of 20 nm to 10 μm. These worms may be disintegrated (eg, using an air jet mill) to produce separated expanded graphite flakes.

代替的に、d間隔が拡大したインターカレートされた、酸化された又はフッ素化されたグラファイト/炭素材料は、十分な時間にわたって一定体積条件下で適度な温度(100~800℃)に曝されてもよい。平均サイズが2~20nmのフレーク間細孔を有する、剥離が制限された生成物を得るために条件が調整されてもよい。これは、本明細書では拘束された膨張/剥離処理として参照される。我々は、驚くべきことに、平面間スペースが2~20nmのグラファイト/炭素のカソードを有するAlセルが、高エネルギー密度、高出力密度及び長いサイクル寿命を実現することができることを観察した。 Alternatively, intercalated, oxidized or fluorinated graphite/carbon materials with increased d-spacings are exposed to moderate temperatures (100-800° C.) under constant volume conditions for sufficient time. may Conditions may be adjusted to obtain a limited exfoliation product with interflake pores with an average size of 2-20 nm. This is referred to herein as a constrained expansion/exfoliation process. We have surprisingly observed that Al cells with graphite/carbon cathodes with an interplanar spacing of 2-20 nm can achieve high energy density, high power density and long cycle life.

1つのプロセスでは、図3(A)に示されるように、天然グラファイト粒子を強酸及び/又は酸化剤でインターカレートして、グラファイト層間化合物(GIC)又はグラファイト酸化物(GO)を得ることによって、拡大された平面間間隔を有するグラファイト材料が得られる。グラフェン面間の隙間空間に化学種又は官能基が存在すると、X線回折によって決定されるグラフェン間間隔d002が増加し、それによって、c軸方向に沿ってグラフェン面をともに保持するファンデルワールス力を大幅に減少させる。GIC又はGOは、天然グラファイト粉末(図3(A)の100)を硫酸、硝酸(酸化剤)及び別の酸化剤(例えば、過マンガン酸カリウム又は過塩素酸ナトリウム)の混合物に浸漬することによって生成されることが最も多い。得られるGIC(102)は、インターカレーション手順中に酸化剤が存在する場合、実際にはある種のグラファイト酸化物(GO)粒子である。その後、このGIC又はGOが水中で繰り返し洗浄及びすすがれて余分な酸を除去し、水に分散した離散的で視覚的に識別可能なグラファイト酸化物粒子を包含するグラファイト酸化物懸濁液又は分散液を生成する。 In one process, by intercalating natural graphite particles with strong acids and/or oxidizing agents to obtain graphite intercalation compounds (GIC) or graphite oxides (GO), as shown in FIG. , a graphite material having an enlarged interplanar spacing is obtained. The presence of chemical species or functional groups in the interstitial spaces between graphene planes increases the inter-graphene spacing d002 as determined by X-ray diffraction, thereby holding the graphene planes together along the c-axis direction. greatly reduce power. GIC or GO is prepared by soaking natural graphite powder (100 in FIG. 3(A)) in a mixture of sulfuric acid, nitric acid (an oxidizing agent) and another oxidizing agent (e.g. potassium permanganate or sodium perchlorate). Most often generated. The resulting GIC (102) is actually a type of graphite oxide (GO) particles when an oxidizing agent is present during the intercalation procedure. The GIC or GO is then repeatedly washed and rinsed in water to remove excess acid, and a graphite oxide suspension or dispersion comprising discrete, visually identifiable graphite oxide particles dispersed in water. produce liquid.

本質的に乾燥GIC又は乾燥グラファイト酸化物粒子の塊である「膨張性グラファイト」を得るために、懸濁液から水が除去されてもよい。乾燥GIC又はグラファイト酸化物粒子におけるグラフェン間間隔d002は、典型的には0.42~2.0nmの範囲であり、より典型的には0.5~1.2nmの範囲である。なお、「膨張性グラファイト」は「膨張化グラファイト」(さらに後述する)ではない。 Water may be removed from the suspension to obtain "expandable graphite", which is essentially a mass of dry GIC or dry graphite oxide particles. The inter-graphene spacing d 002 in dry GIC or graphite oxide particles is typically in the range 0.42-2.0 nm, more typically in the range 0.5-1.2 nm. Note that "expandable graphite" is not "expanded graphite" (further described below).

通常800~2500℃(より一般的には900~1050℃)の範囲の温度に膨張性グラファイトを約30秒~2分間曝すと、GICは30~300倍の急速な体積膨張を受けて、「剥離グラファイト」又は「グラファイトワーム」(104)を形成する。グラファイトワームは各々、剥離されたが大部分は分離されていない、相互接続されたままのグラファイトフレークの集まりである(図3(B)及び図3(C))。剥離グラファイトでは、個々のグラファイトフレーク(各々が1~数百個のグラフェン面をともに積層したもの)が互いに大きく間隔をあけられており、通常は2.0nm~10μmの間隔を有している。ただし、それらは物理的に相互接続されたままであり、アコーディオン又はワームのような構造を形成する。 When expandable graphite is exposed to temperatures typically in the range of 800-2500° C. (more commonly 900-1050° C.) for about 30 seconds to 2 minutes, the GIC undergoes a rapid volume expansion of 30-300 times, exfoliated graphite” or “graphite worms” (104). Each graphite worm is a collection of exfoliated but largely unseparated graphite flakes that remain interconnected (FIGS. 3B and 3C). In exfoliated graphite, individual graphite flakes (each with one to several hundred graphene planes stacked together) are widely spaced from each other, typically with spacings of 2.0 nm to 10 μm. However, they remain physically interconnected, forming an accordion or worm-like structure.

グラファイト業界では、グラファイトワームが再圧縮されて、典型的には0.1mm(100μm)~0.5mm(500μm)の範囲の厚さを有する可撓性グラファイトシート又はホイル(106)を得ることができる。そのような可撓性グラファイトシートは、一種のグラファイトヒートスプレッダ要素として使用されてもよい。 In the graphite industry, graphite worms can be recompressed to obtain flexible graphite sheets or foils (106), typically having a thickness in the range of 0.1 mm (100 μm) to 0.5 mm (500 μm). can. Such flexible graphite sheets may be used as a type of graphite heat spreader element.

代替的に、グラファイト業界では、ほとんどがグラファイトフレーク又は100nmを超える厚さのプレートレット(したがって、定義上、ナノ材料ではない)を包含するいわゆる「膨張化グラファイト」フレーク(108)を製造する目的で、低強度エアミル又は剪断機械を使用してグラファイトワームを単純に解体することを選択し得る。「膨張化グラファイト」は、「膨張性グラファイト」ではなく、かつ、「剥離グラファイトワーム」でもないことは明らかである。むしろ、「膨張性グラファイト」が熱的に剥離されて「グラファイトワーム」を得ることができ、「グラファイトワーム」は、今度は、機械的剪断を受けて、相互接続されたグラファイトフレークを他の方法で解体して、「膨張化グラファイト」フレークを得ることができる。膨張化グラファイトフレークは通常、それらの元のグラファイトと同じ又は類似の平面間間隔(通常0.335~0.36nm)を有している。複数の膨張化グラファイトフレークがともにロールプレスされて、可撓性グラファイトシートの一変形例であるグラファイト状薄膜を形成してもよい。又は、好ましくは化学的官能化後に、複数の膨張化グラファイトフレークが不織布層の表面に噴霧又はコーティングされて、ろ過部材を製造してもよい。 Alternatively, in the graphite industry, for the purpose of producing mostly graphite flakes or so-called "expanded graphite" flakes (108) containing platelets with a thickness greater than 100 nm (thus, by definition, not nanomaterials), One may choose to simply break up the graphite worms using a low intensity air mill or shearing machine. "Expanded graphite" is clearly neither "expanded graphite" nor "exfoliated graphite worms." Rather, "expandable graphite" can be thermally exfoliated to obtain "graphite worms", which in turn undergo mechanical shearing to form interconnected graphite flakes in other ways. to obtain "expanded graphite" flakes. Expanded graphite flakes typically have the same or similar interplanar spacing (typically 0.335-0.36 nm) as their original graphite. A plurality of expanded graphite flakes may be roll-pressed together to form a graphite-like film, which is one variation of a flexible graphite sheet. Alternatively, preferably after chemical functionalization, a plurality of expanded graphite flakes may be sprayed or coated onto the surface of the nonwoven layer to produce the filtration member.

代替的に、剥離されたグラファイト又はグラファイトワームは、我々の米国特許出願第10/858,814号(米国特許出願公開第2005/0271574号)(現在は放棄されている)に開示されているように、(例えば、超音波発生器、高剪断ミキサ、高強度エアジェットミル又は高エネルギーボールミルを使用して)高強度な機械的剪断を受けて、分離された単層及び多層グラファイトシート(まとめてNGP、112と呼ばれる)を形成してもよい。単層グラフェンは0.34nmの薄さであり得る一方で、多層グラフェンは最大100nmの厚さを有し得るが、より一般的には3nm未満である(一般に数層グラフェンとして参照される)。複数のグラフェンシート又はプレートレットは、製紙プロセスを使用してNGP紙(114)のシートに形成されてもよい。 Alternatively, exfoliated graphite or graphite worms may be prepared as disclosed in our US patent application Ser. To separate monolayer and multilayer graphite sheets (collectively NGP, 112) may be formed. Single-layer graphene can be as thin as 0.34 nm, while multilayer graphene can have a thickness of up to 100 nm, but is more commonly less than 3 nm (commonly referred to as few-layer graphene). A plurality of graphene sheets or platelets may be formed into a sheet of NGP paper (114) using a papermaking process.

GIC又はグラファイト酸化物では、グラフェン面間の分離が、天然グラファイトの0.3354nmから、高酸化のグラファイト酸化物の0.5~1.2nmに増加し、隣接する平面をともに保持するファンデルワールス力を大幅に弱めた。グラファイト酸化物は、2重量%~50重量%、より典型的には20重量%~40重量%の酸素含有量を有し得る。GIC又はグラファイト酸化物は、本明細書では「拘束熱膨張」として参照される特別な処理を受けてもよい。GIC又はグラファイト酸化物が、炉内で熱衝撃(例えば800~1050℃)に曝され、かつ、自由に膨張することが許容されると、最終生成物は剥離グラファイトワームである。ただし、GIC又はグラファイト酸化物の質量が拘束条件(例えば、一定体積条件下又は金型内で一軸圧縮下のオートクレーブ内に閉じ込められている)に曝されている場合、150℃~800℃(より典型的には最大600°)で十分な時間(典型的には2分~15分)ゆっくりと加熱されながら、膨張の程度が抑制及び制御されることができ、かつ、生成物は、2.0nm~20nm、又は、より望ましくは2nm~10nmのフレーク間スペースを有することができる。 In GIC or graphite oxide, the separation between graphene planes increases from 0.3354 nm in natural graphite to 0.5-1.2 nm in highly oxidized graphite oxide, with van der Waals holding adjacent planes together. greatly weakened. Graphite oxide may have an oxygen content of 2% to 50% by weight, more typically 20% to 40% by weight. GIC or graphite oxide may undergo a special treatment referred to herein as "constrained thermal expansion". When the GIC or graphite oxide is subjected to thermal shock (eg, 800-1050° C.) in a furnace and allowed to expand freely, the final product is exfoliated graphite worms. However, if the GIC or graphite oxide mass is subjected to constraining conditions (e.g., under constant volume conditions or confined in an autoclave under uniaxial compression in a mold), then 150°C to 800°C (more While heated slowly (typically up to 600° C.) for a sufficient period of time (typically 2 minutes to 15 minutes), the degree of expansion can be suppressed and controlled and the product is: 2. It can have an interflake spacing of 0 nm to 20 nm, or more desirably 2 nm to 10 nm.

GOに代えて、グラファイトフッ化物(GF)を形成することによって、「膨張性グラファイト」又は拡張された面間間隔を有するグラファイトが得られ得ることに留意されたい。高温でのフッ素ガス中でのFとグラファイトとの相互作用により、(CF)から(CF)への共有結合グラファイトフッ化物が生成されるが、低温では、グラファイト層間化合物(GIC)CF(2≦x≦24)が形成される。(CF)では、炭素原子がsp3混成され、及びしたがって、フルオロカーボン層は、トランス結合されたシクロヘキサンいすからなる波形である。(CF)では、C原子の半分だけがフッ素化されて、隣接する炭素シートのすべての対が共有C-C結合によってともにリンクされる。フッ素化反応に関する体系的な研究により、得られるF/C比は、フッ素化温度と、フッ素化ガス中のフッ素の分圧と、グラファイト化の程度、粒子サイズ及び比表面積を含むグラファイト前駆体の物理的特性とに大部分を依存することが示された。フッ素(F)に加えて、他のフッ素化剤(例えば、FとBr、Cl又はIとの混合物)が使用されてもよいが、利用可能な文献のほとんどは、ときにはフッ化物の存在下でのFガスによるフッ素化を含む。 Note that by forming graphite fluoride (GF) instead of GO, "expandable graphite" or graphite with extended interplanar spacing can be obtained. The interaction of F2 with graphite in fluorine gas at high temperatures produces (CF) n to ( C2F ) n covalently bonded graphite fluoride, whereas at low temperatures, the graphite intercalation compound (GIC ) C x F (2≤x≤24) are formed. In (CF) n , the carbon atoms are sp3 hybridized and thus the fluorocarbon layer is corrugated consisting of trans-coupled cyclohexane chair. In (C 2 F) n only half of the C atoms are fluorinated and all pairs of adjacent carbon sheets are linked together by covalent C—C bonds. Systematic studies on fluorination reactions have shown that the resulting F/C ratio is dependent on the fluorination temperature, the partial pressure of fluorine in the fluorination gas, and the degree of graphitization, particle size and specific surface area of the graphite precursor. It has been shown to depend largely on physical properties. In addition to fluorine ( F2 ), other fluorinating agents (e.g. mixtures of F2 with Br2 , Cl2 or I2 ) may be used, but most of the available literature fluorination with F2 gas in the presence of oxides.

膨張グラファイトフレーク(酸素含有種がそれに結合されている又は結合されていない)は、F、Br、Cl又はIのガス分子に曝露されて、F-、Br-、Cl-又はI含有官能基を有する膨張グラファイトフレークを生成する。 Expanded graphite flakes (with or without oxygen-containing species bound thereto) are exposed to gas molecules of F 2 , Br 2 , Cl 2 or I 2 to form F-, Br-, Cl- or I Expanded graphite flakes with contained functional groups are produced.

我々は、電解フッ素化から得られた低フッ素化グラファイト、CF(2≦x≦24)が、通常、0.37nm未満、より一般的には0.35nm未満のグラフェン間間隔(d002)を有することを観察した。CFのxが2未満の場合のみ(すなわち、0.5≦x≦2)(気相フッ素化又は化学フッ素化手順によって生成されたフッ素化グラファイトで)、0.5nmを超えるd002間隔を観察することができる。CFのxが1.33未満の場合(すなわち、0.5≦x≦1.33)、0.6nmを超えるd002間隔を観察することができる。この高フッ素化グラファイトは、好ましくは1気圧を超える、より好ましくは3気圧を超える圧力下で、高温(>>200℃)で十分に長い時間にわたるフッ素化によって得られる。不明なままの理由として、グラファイトの電解フッ素化により、生成物CFのx値が1~2であるにも拘わらず、d間隔が0.4nm未満の生成物が得られる。グラファイトに電気化学的に導入されたF原子は、グラフェン面間ではなく粒界などの欠陥に存在する傾向があり、及びその結果、グラフェン間の平面間隔を拡大するように作用しない可能性がある。 We find that low-fluorinated graphite, CxF (2≤x≤24), obtained from electrolytic fluorination typically has inter-graphene spacings ( d002 ). d 002 spacing greater than 0.5 nm only when x in C x F is less than 2 (i.e. 0.5≦x≦2) (in fluorinated graphite produced by gas phase fluorination or chemical fluorination procedures) can be observed. When x of CxF is less than 1.33 (ie, 0.5≤x≤1.33), d 002 spacing greater than 0.6 nm can be observed. This highly fluorinated graphite is obtained by fluorination at high temperatures (>>200° C.) for a sufficiently long time, preferably under pressures above 1 atmosphere, more preferably above 3 atmospheres. For reasons that remain unclear, the electrofluorination of graphite gives products with d-spacings of less than 0.4 nm, despite x values of 1-2 for the products C x F. F atoms electrochemically introduced into graphite tend to reside at defects such as grain boundaries rather than between graphene planes, and as a result may not act to expand the interplanar spacing between graphenes. .

グラファイトの窒素化は、グラファイト酸化物質又は膨張グラファイトフレークを高温(200~400℃)でアンモニアに曝露することによって行われることができる。窒素化は、熱水法によって低温で、例えば、オートクレーブ内にGO及びアンモニアを密閉し、及びその後、150~250℃に温度を上昇させることによって、行われることができる。 Nitrification of graphite can be carried out by exposing graphite oxide material or expanded graphite flakes to ammonia at elevated temperatures (200-400° C.). Nitrification can be carried out by the hydrothermal method at low temperatures, eg by sealing the GO and ammonia in an autoclave and then increasing the temperature to 150-250°C.

N、O、F、Br、Cl又はHに加えて、グラフェン面間の他の化学種の存在(例えば、Na、Li、K、Ce、Ca、Fe、NHなど)が、平面間間隔を拡大するように機能し、電気化学的に活性な材料をその中に収容する余地を生み出すことができる。この研究において我々によって、グラフェン面(六角形の炭素平面又は基底面)間の拡大された隙間空間は、特に空間が2.0nmから20nmである場合、Al+イオン及び他の陰イオン(電解質成分から導出される)を同様に驚くほど収容することができるものであることがわかった。グラファイトは、その後に金属元素(Bi、Fe、Co、Mn、Ni、Cuなど)で化学的に又は電気化学的にイオン交換可能であるNa、Li、K、Ce、Ca、NH又はそれらの組み合わせなどのそうした化学種と電気化学的にインターカレートされることができる。これらの化学種はすべて、平面間間隔を拡大するように機能することができる。間隔は劇的に拡大(剥離)されて、(例えば、Na又はLiでインターカレートされたグラファイトを水又は水及びアルコールの混合物に曝すことによって)サイズが20nm~10μmであるフレーク間細孔を有し得る。 In addition to N, O, F, Br, Cl or H, the presence of other chemical species between graphene planes (e.g. Na, Li, K, Ce, Ca, Fe, NH4 , etc.) can increase the inter-plane spacing. It can act to expand and create room for the electrochemically active material to be accommodated therein. In this work, we found that the enlarged interstitial space between graphene planes (hexagonal carbon planes or basal planes), especially when the space is between 2.0 nm and 20 nm, contains Al + 3 ions and other anions (electrolyte component ) have been found to be surprisingly accommodating as well. Graphite can be ion-exchanged subsequently chemically or electrochemically with metal elements (Bi, Fe, Co, Mn, Ni, Cu, etc.) Na, Li, K, Ce, Ca, NH4 or their It can be electrochemically intercalated with such chemical species as combinations. All of these chemical species can function to increase the interplanar spacing. The spacing is dramatically enlarged (exfoliated) to create interflake pores 20 nm to 10 μm in size (e.g., by exposing Na or Li intercalated graphite to water or a mixture of water and alcohol). can have

グラフェンシートが生成されると、グラフェンシートは、本開示のいくつかの実施形態に従ってマスク本体に形成されることができる。本明細書で開示されるろ過材料又は部材を製造するための1つのプロセスは、(a)2つの主表面を有する織布又は不織布の層を用意するステップと、(b)2つの主表面のうちの少なくとも一方にグラフェン層を堆積させるステップと、を含む。 Once the graphene sheets are produced, the graphene sheets can be formed into a mask body according to some embodiments of the present disclosure. One process for making a filtration material or member disclosed herein includes the steps of (a) providing a layer of woven or nonwoven fabric having two major surfaces; depositing a graphene layer on at least one of them.

サブプロセス(b)は、接着剤を使用して又は使用しないで、別個のグラフェンシートを気体媒体中に分散させて流動流体を形成し、かつ、2つの主表面のうちの少なくとも一方に流動流体を衝突させ、前記グラフェンシートが前記少なくとも1つの主表面に付着することを可能にする手順を含んでもよい。 Sub-process (b) disperses discrete graphene sheets in a gaseous medium to form a flowing fluid, with or without an adhesive, and dispersing the flowing fluid on at least one of the two major surfaces. and allowing the graphene sheets to adhere to the at least one major surface.

代替的に、サブプロセス(b)は、接着剤を使用して又は使用しないで、別個のグラフェンシートを液体媒体中に分散させてスラリーを形成し、そのスラリーを2つの主表面のうちの少なくとも一方に堆積させて、湿ったグラフェン層を形成し、かつ、前記湿ったグラフェン層から液体媒体を除去又は乾燥させてグラフェン層を形成する手順を含んでもよい。熱硬化性又はUV硬化性接着剤がより望ましい。 Alternatively, sub-process (b) comprises dispersing discrete graphene sheets in a liquid medium with or without an adhesive to form a slurry, and applying the slurry to at least one of the two major surfaces. Depositing on one side to form a wet graphene layer, and removing or drying the liquid medium from the wet graphene layer to form the graphene layer. Thermal or UV curable adhesives are more desirable.

堆積の手順は、好ましくは、キャスティング、コーティング(例えば、スロットダイコーティング、コンマコーティング、リバースロールコーティングなど)、噴霧(例えば、エアアシスト噴霧、静電荷アシスト噴霧、超音波噴霧など)、印刷(例えば、インクジェット印刷、スクリーン印刷など)、ブラッシング、塗装又はそれらの組み合わせから選択される手順を含む。 Deposition procedures are preferably casting, coating (e.g., slot die coating, comma coating, reverse roll coating, etc.), spraying (e.g., air-assisted spraying, electrostatic charge-assisted spraying, ultrasonic spraying, etc.), printing (e.g., inkjet printing, screen printing, etc.), brushing, painting or a combination thereof.

プロセスは、好ましくは、ロールツーロール又はリールツーリールプロセスであり、サブプロセス(a)は、(i)織布又は不織布のロールを用意するステップと、(ii)連続長さの布地のシートを、(ローラ又はリールに装着された)ロールから堆積ゾーンに連続的に供給するステップと、(iii)2つの主表面のうちの少なくとも一方にグラフェン層を堆積させて、グラフェン層でコーティングされた布地を形成するステップと、(iv)グラフェン層でコーティングされた布地を巻き取りローラに回収するステップと、を含む。 The process is preferably a roll-to-roll or reel-to-reel process, sub-process (a) comprising the steps of (i) providing a roll of woven or non-woven fabric; , continuously feeding from a roll (mounted on rollers or reels) to a deposition zone; and (iii) depositing a graphene layer on at least one of the two major surfaces to form a graphene layer coated fabric. and (iv) collecting the fabric coated with the graphene layer onto a take-up roller.

一般的に言えば、発泡体又は発泡材料は、細孔(又はセル)及び細孔壁(固体材料)から構成される。細孔は相互連結されて連続気泡発泡体を形成することができ、連続気泡発泡体は、本開示を実施する際に独立気泡発泡体よりも好ましい。グラフェン発泡体は、グラフェン材料を含む細孔及び細孔壁から構成される。グラフェン発泡体の主な製造方法は4つある。 Generally speaking, foams or foamed materials are composed of pores (or cells) and pore walls (solid material). The pores can be interconnected to form open-cell foams, which are preferred over closed-cell foams when practicing the present disclosure. Graphene foams are composed of pores and pore walls that contain graphene material. There are four main methods of manufacturing graphene foams.

第1の方法は酸化グラフェンヒドロゲルの水熱還元であり、この水熱還元は通常、酸化グラフェン(GO)水性懸濁液を高圧オートクレーブ内に密封し、かつ、GO懸濁液を高圧(数十又は数百気圧)下で通常180~300℃の範囲で長時間(通常は12~36時間)にわたって加熱することを含む。この方法の有用な参考文献をここに示す:Y.Xu他の「Self-Assembled Graphene Hydrogel via a One-Step Hydrothermal Process」、ACS Nano2010年4月、4324~4330。 The first method is the hydrothermal reduction of graphene oxide hydrogels, which typically involves sealing the graphene oxide (GO) aqueous suspension in a high-pressure autoclave and placing the GO suspension under high pressure (several tens of or several hundred atmospheres), usually in the range of 180 to 300° C. for a long time (usually 12 to 36 hours). A useful reference for this method is given here: Y. Xu et al., "Self-Assembled Graphene Hydrogel via a One-Step Hydrothermal Process," ACS Nano April 2010, 4324-4330.

第2の方法は、テンプレート支援触媒CVDプロセスに基づいており、このプロセスは、犠牲テンプレート(例えば、Ni発泡体)上へのグラフェンのCVD蒸着を含む。グラフェン材料は、Ni発泡体構造の形状及び寸法に適合する。その後、Ni発泡体はエッチング剤を使用してエッチングされ、本質的に連続気泡発泡体であるグラフェン骨格のモノリスを残す。この方法の有用な参考文献をここに示す:Zongping Chen他、「Three-dimensional flexible and conductive interconnected graphene networks grown by chemical vapour deposition」、Nature Materials、10(2011年6月)424~428。 A second method is based on a template-assisted catalytic CVD process, which involves CVD deposition of graphene onto a sacrificial template (eg, Ni foam). The graphene material conforms to the shape and dimensions of the Ni foam structure. The Ni foam is then etched using an etchant, leaving a monolith of graphene framework that is essentially an open cell foam. A useful reference for this method is given here: Zongping Chen et al., "Three-dimensional flexible and conductive interconnected graphene networks grown by chemical vapor deposition", Nature Materials, 10 (June 2011) 424-428.

グラフェン発泡体を製造する第3の方法も、自己組織化アプローチを使用して酸化グラフェンシートでコーティングされた犠牲材料(例えば、コロイド状ポリスチレン粒子、PS)を利用する。例えば、Choi他は、化学修飾グラフェン(CMG)紙を2段階で用意した:CMG及びPS(2.0μmPS球体)の混合水性コロイド懸濁液の真空ろ過による自立型PS/CMG薄膜の製造、続いて、PSビーズの除去による3Dマクロ孔の生成。[B.G.Choi他、「3D Macroporous Graphene Frameworks for Supercapacitors with High Energy and Power Densities」、ACS Nano、6(2012)4020~4028]Choi他は、負に帯電したCMGコロイドと正に帯電したPS懸濁液とを別々に用意することから開始する、ろ過による整然とした自立型PS/CMG紙を製造した。CMGコロイド及びPS懸濁液の混合物は、制御されたpH(=2)の下で溶液に分散され、2つの化合物は同じ表面電荷を有していた(ゼータ電位値はCMGについて+13±2.4mV、PSについて+68±5.6mV)。pHが6に上昇すると、CMG(ゼータ電位=-29±3.7mV)及びPS球体(ゼータ電位=+51±2.5mV)が、それらの間の静電相互作用と疎水性特性とにより組み立てられ、これらはその後、ろ過プロセスを通じてPS/CMG複合紙に統合された。 A third method of fabricating graphene foams also utilizes sacrificial materials (eg, colloidal polystyrene particles, PS) coated with graphene oxide sheets using a self-assembly approach. For example, Choi et. and generation of 3D macropores by removal of PS beads. [B. G. Choi et al., "3D Macroporous Graphene Frameworks for Supercapacitors with High Energy and Power Densities," ACS Nano, 6 (2012) 4020-4028] Choi et al. and the positively charged PS suspension Filtration ordered self-supporting PS/CMG papers were produced starting from separate preparations. A mixture of CMG colloid and PS suspension was dispersed in solution under controlled pH (=2) and the two compounds had the same surface charge (zeta potential value was +13±2.0 for CMG). 4 mV, +68±5.6 mV for PS). When the pH was raised to 6, CMG (zeta potential = -29 ± 3.7 mV) and PS spheres (zeta potential = +51 ± 2.5 mV) assembled due to electrostatic interactions and hydrophobic properties between them. , which were then integrated into the PS/CMG composite paper through a filtration process.

複数の細孔及び細孔壁から構成された固体グラフェン発泡体を製造するための第4の方法は我々によって以前に発明された[Aruna Zhamu及びBor Z.Jang、「Highly Conductive Graphene Foams and Process for Producing Same」、米国特許出願第14/120,959号(2014年7月17日)]。プロセスは:
(a)液体媒体中にグラフェン材料を分散されたグラフェン分散液を用意するステップであって、グラフェン材料が、元の状態のグラフェン、酸化グラフェン、還元酸化グラフェン、フッ化グラフェン、塩化グラフェン、臭化グラフェン、ヨウ化グラフェン、水素化グラフェン、窒素化グラフェン、化学官能化グラフェン又はそれらの組み合わせから選択され、かつ、分散液は任意選択的な発泡剤を含む、ステップと;
(b)グラフェン分散液を支持基材(例えば、プラスチック薄膜、ゴムシート、金属箔、ガラスシート、紙シートなど)の表面に分散及び堆積させてグラフェン材料の湿った層を形成するステップであって、分散及び堆積させる手順は、配向誘導応力にグラフェン分散液を曝すことを含む、ステップと;
(c)グラフェン材料の湿った層から液体媒体を部分的又は完全に除去して、5重量%以上の量の非炭素元素(例えば、O、H、N、B、F、Cl、Br、Iなど)を有するグラフェン材料の乾燥層を形成するステップと;
(d)グラフェン材料の乾燥層を、100℃~3200℃の第1熱処理温度で、非炭素元素から揮発性ガス分子を誘導するために十分な、若しくは、0.01~1.7g/cm(より典型的には0.1~1.5g/cm、さらにより典型的には0.1~1.0g/cm、最も典型的には0.2~0.75g/cm)の密度、又は、50~3000m/g(より典型的には200~2000m/g、最も典型的には500~1500m/g)の比表面積を有する固体グラフェン発泡体を製造するために前記発泡剤を活性化させるために十分な、所望の加熱速度で熱処理するステップと、を含む。
A fourth method for fabricating solid graphene foams composed of multiple pores and pore walls was previously invented by us [Aruna Zhamu and Bor Z.; Jang, "Highly Conductive Graphene Foams and Process for Producing Same," U.S. Patent Application Serial No. 14/120,959 (July 17, 2014)]. The process:
(a) providing a graphene dispersion comprising a graphene material dispersed in a liquid medium, wherein the graphene material comprises pristine graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, and bromide; selected from graphene, graphene iodide, graphene hydride, graphene nitride, graphene chemically functionalized, or combinations thereof, and the dispersion optionally comprises a blowing agent;
(b) dispersing and depositing the graphene dispersion on the surface of a supporting substrate (e.g., plastic film, rubber sheet, metal foil, glass sheet, paper sheet, etc.) to form a wet layer of graphene material; , the dispersing and depositing procedure comprises exposing the graphene dispersion to an orientation-induced stress;
(c) partial or complete removal of the liquid medium from the wet layer of the graphene material to remove non-carbon elements (e.g., O, H, N, B, F, Cl, Br, I) in amounts of 5% or more by weight; etc.);
(d) drying the dried layer of graphene material at a first heat treatment temperature of 100° C. to 3200° C. sufficient to induce volatile gas molecules from non-carbon elements, or 0.01 to 1.7 g/cm 3 ; (more typically 0.1-1.5 g/cm 3 , still more typically 0.1-1.0 g/cm 3 , most typically 0.2-0.75 g/cm 3 ) or a specific surface area of 50-3000 m 2 /g (more typically 200-2000 m 2 /g, most typically 500-1500 m 2 /g). heat treating at a desired heating rate sufficient to activate the blowing agent.

グラフェン材料が5重量%以上(好ましくは10%以上、さらに好ましくは20%以上、さらにより好ましくは30%以上又は40%以上、最も好ましくは50%まで)の量で非炭素元素(例えば、O、H、N、B、F、Cl、Br、I等)を有する場合には、この任意選択的な発泡剤は必要とされない。その後の高温処理は、それらの非炭素元素の大部分をグラフェン材料から除去し、固体グラフェン材料構造に細孔又はセルを生成する揮発性ガス種を生成するのに役立つ。言い換えれば、非常に驚くべきことに、これらの非炭素元素は発泡剤の役割を果たす。したがって、外部から添加される発泡剤は任意選択的である(必須ではない)。しかしながら、発泡剤の使用は、所望の用途のために気孔率レベル及び細孔サイズを調節又は調整する際のさらなる可撓性を提供することができる。発泡剤は通常、非炭素元素の含有量が5%未満の場合、基本的にすべて炭素である元の状態のグラフェンなどの場合に必要とされる。 The graphene material contains non-carbon elements (e.g., O , H, N, B, F, Cl, Br, I, etc.), this optional blowing agent is not required. A subsequent high temperature treatment removes most of those non-carbon elements from the graphene material and helps to produce volatile gaseous species that create pores or cells in the solid graphene material structure. In other words, very surprisingly, these non-carbon elements act as blowing agents. Therefore, an externally added blowing agent is optional (not essential). However, the use of blowing agents can provide additional flexibility in adjusting or tailoring porosity levels and pore sizes for desired applications. Blowing agents are usually required when the content of non-carbon elements is less than 5%, such as in pristine graphene, which is essentially all carbon.

第4の方法によって生成されたグラフェン発泡体は、すべてのグラフェン発泡体材料の中で最も高い熱伝導率を有し、かつ、引張り又は圧縮に対して非常に可逆的で耐久性のある弾性変形を示し、ろ過部材又はろ過装置の布地層間の良好で長期的な接触を可能にする。 Graphene foams produced by the fourth method have the highest thermal conductivity of all graphene foam materials and highly reversible and durable elastic deformation in tension or compression. and allows good long-term contact between the fabric layers of the filtration member or filtration device.

プロセス及びフェイスマスクを形成するプロセスは、グラフェン又はグラフェン発泡体又はグラファイトフレーク強化ろ過材料(部材)を、留め具(例えば、弾性ストラップ)が取り付けられてフェイスマスクを形成するマスク本体に組み込むステップを含んでもよい。 The process and process of forming the face mask includes incorporating graphene or graphene foam or graphite flake reinforced filtration material (members) into a mask body to which fasteners (e.g., elastic straps) are attached to form the face mask. It's okay.

グラフェン層でコーティングされた布地又は発泡体又はグラファイトフレーク層は、微細な細孔(<2nm)、2nm~50nmの細孔サイズを有するメソスケール細孔又はより大きな細孔(好ましくは50nm~1μm)を含むように形成されることができる。十分に制御された細孔サイズのみに基づいて、布地によって支持されたこのグラフェン層コーティングされた又は発泡体又はグラファイトフレーク層は、空気又は水ろ過のための優れたフィルタ材料であり得る。 The fabric or foam coated with the graphene layer or the graphite flake layer has fine pores (<2 nm), mesoscale pores with pore sizes from 2 nm to 50 nm or larger pores (preferably from 50 nm to 1 μm). can be formed to include Based on well-controlled pore size alone, this graphene layer coated or foam or graphite flake layer supported by fabric can be an excellent filter material for air or water filtration.

さらに、グラフェン又はグラフェン細孔壁又はグラファイトフレーク表面の化学的性質が独立して制御されて、グラフェンシート又はグラファイトフレークに異なる量及び/又はタイプの官能基を付与することができる(例えば、シート中のO、F、N、H等のパーセンテージによって、又は、フレーク中のO、F、Cl、Br、I、N、H等のパーセンテージによって反映されるように)。言い換えれば、内部構造又は多孔性グラファイトフレーク層の異なる部位での細孔サイズ及び化学官能基の両方を同時に又は独立して制御することによって、グラフェンコーティング又はグラファイトフレークコーティングされた布地の設計及び製造において前例のない可撓性又は最高度の自由度が提供され、前例のない可撓性又は最高度の自由度は、多くの予想外の特性、相乗効果、及び、通常は相互に排他的であるとみなされる特性の独自の組み合わせを示す(例えば、構造の一部が疎水性で他の部分が親水性である;又は、ろ過構造が疎水性で親油性である)。水がこの材料又は表面からはじかれる場合、表面又は材料は疎水性であるといわれ、かつ、疎水性の表面又は材料に配置された水滴は大きな接触角を形成する。表面又は材料は、水ではなく油に対して強い親和性を有する場合に親油性であるといわれる。本方法は、疎水性、親水性及び親油性を正確に制御することを可能にする。 Additionally, the chemistry of the graphene or graphene pore walls or graphite flake surfaces can be independently controlled to impart different amounts and/or types of functional groups to the graphene sheets or graphite flakes (e.g., or by the percentage of O, F, Cl, Br, I, N, H, etc. in the flakes). In other words, in the design and manufacture of graphene-coated or graphite-flake-coated fabrics, by simultaneously or independently controlling both the pore size and chemical functionality at different sites of the internal structure or porous graphite-flake layer. Unprecedented flexibility or degree of freedom is provided, which has many unexpected properties, synergistic effects and usually mutually exclusive exhibit a unique combination of properties that are considered to be (eg, part of the structure is hydrophobic and other parts are hydrophilic; or the filtering structure is hydrophobic and lipophilic). A surface or material is said to be hydrophobic if water is repelled from this material or surface, and a water droplet placed on a hydrophobic surface or material forms a large contact angle. A surface or material is said to be lipophilic if it has a strong affinity for oil rather than water. The method allows precise control of hydrophobicity, hydrophilicity and lipophilicity.

本開示はまた、油吸収要素又は油分離要素として、本発明のグラフェン又はグラフェン発泡体層コーティング又は結合された布地を含む、油除去装置、油分離装置又は油回収装置を提供する。また、溶媒吸収要素としてグラフェン又はグラフェン発泡体層でコーティング又は結合された布地を含む溶媒除去装置又は溶媒分離装置も提供される。 The present disclosure also provides an oil remover, oil separator or oil recovery device comprising the graphene or graphene foam layer coating or bonded fabric of the present invention as an oil absorbing or separating element. Also provided is a solvent eliminator or solvent separation device comprising a fabric coated or bonded with a graphene or graphene foam layer as a solvent absorbing element.

本発明のグラフェンコーティングされた又はグラフェン発泡体結合された布地又はグラファイトフレーク結合された布地構造を油吸収要素として使用する主な利点はその構造的完全性である。グラフェンシート又は発泡体又はグラファイトフレークは構造的完全性が高く、かつ、発泡体構造は接着剤によって布地層に化学的に結合され得るので、結果として得られる構造は、反復的に油吸収作業を行っても崩壊することはない。 A major advantage of using the graphene-coated or graphene foam-bonded fabric or graphite flake-bonded fabric structure of the present invention as an oil absorbing element is its structural integrity. Because graphene sheets or foams or graphite flakes have a high degree of structural integrity, and because the foam structure can be chemically bonded to the fabric layer by adhesives, the resulting structure can be subjected to repeated oil absorption operations. It will not collapse even if you go.

本発明の技術の別の主な利点は、油を大量に吸収することができるが、それでもその構造形状を(大幅な膨張なしに)維持することできる油吸収要素を設計及び形成する際のその可撓性である。この量は、ろ過構造の特定の細孔容積に依存する。 Another major advantage of the technique of the present invention is its ability in designing and forming an oil absorbing element capable of absorbing large amounts of oil while still maintaining its structural shape (without significant expansion). Flexible. This amount depends on the specific pore volume of the filtration structure.

本開示は、油水混合物(例えば、油が流出した水又はオイルサンドからの廃水)から油を分離/回収する方法も提供する。この方法は、(a)グラフェン又はグラフェン発泡体層でコーティング又は結合された布地又は化学的に官能化されたグラファイトフレーク層が結合された布地を含む油吸収要素を提供するステップと、(b)油水混合物を、混合物から油を吸収する要素と接触させるステップと、(c)混合物から油吸収要素を取り去り、要素から油を抽出するステップと、を含む。好ましくは、この方法は、(d)要素を再使用するステップを含む。 The present disclosure also provides methods for separating/recovering oil from oil-water mixtures (eg, oil spill water or wastewater from oil sands). The method comprises the steps of (a) providing an oil-absorbing element comprising a fabric coated or bonded with a graphene or graphene foam layer or a fabric bonded with a chemically functionalized graphite flake layer; and (b). (c) removing the oil-absorbing element from the mixture and extracting the oil from the element. Preferably, the method includes the step of (d) reusing the element.

さらに、本開示は、溶媒-水混合物から又は複数溶媒混合物から有機溶媒を分離する方法を提供する。この方法は、(a)完全グラフェン又はグラフェン発泡体層でコーティング又は結合された布地構造又はグラファイトフレーク層で結合された布地を含む有機溶媒吸収要素を提供するステップと、(b)有機溶媒水混合物又は第1溶媒及び少なくとも第2溶媒を含有する複数溶媒混合物に要素を接触させるステップと、(c)この要素が、混合物から有機溶媒を吸収する、又は、少なくとも第2溶媒から第1溶媒を吸収することを可能にするステップと、(d)混合物から要素を取り去り、かつ、要素から有機溶媒又は第1溶媒を抽出するステップと、を含む。好ましくは、この方法は、(e)溶媒吸収要素を再使用するステップを含む。 Additionally, the present disclosure provides methods for separating organic solvents from solvent-water mixtures or from multi-solvent mixtures. The method comprises the steps of: (a) providing an organic solvent-absorbing element comprising a fabric structure coated or bonded with a full graphene or graphene foam layer or a fabric bonded with a graphite flake layer; and (b) an organic solvent-water mixture. or contacting the element with a multi-solvent mixture containing a first solvent and at least a second solvent; and (c) the element absorbs organic solvent from the mixture, or absorbs the first solvent from at least the second solvent and (d) removing the component from the mixture and extracting the organic solvent or first solvent from the component. Preferably, the method includes the step of (e) reusing the solvent absorbent element.

以下の実施例は、本開示を実施する最良の形態に関するある特定の詳細を説明するために使用され、かつ、本開示の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。 The following examples are used to illustrate certain details of the best mode of carrying out the disclosure, and should not be construed as limiting the scope of the disclosure.

実施例1:メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)からの単層グラフェンシート及びグラフェン層の用意
メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)は、台湾高雄市のChina Steel Chemical Co.から供給された。この材料は、約2.24g/cmの密度を有し、約16μmの中央粒径を有する。MCMB(10グラム)が酸性溶液(4:1:0.05の比率の硫酸、硝酸及び過マンガン酸カリウム)で48~96時間にわたってインターカレートされた。反応が完了すると、混合物は脱イオン水に注がれてろ過された。インターカレートされたMCMBは、HClの5%溶液で繰り返し洗浄されて、硫酸イオンの大部分を除去した。その後、ろ液のpHが4.5以上になるまで、試料が脱イオン水で繰り返し洗浄された。その後、スラリーが10~100分間にわたって超音波処理を受けて、GO懸濁液を生成した。TEM及び原子間力顕微鏡による研究では、GOシートの大部分は、酸化処理が72時間を超えた場合には単層グラフェンであったこと、及び、酸化時間が48~72時間であった場合には2層又は3層グラフェンであったことが示された。
Example 1: Preparation of monolayer graphene sheets and graphene layers from mesocarbon microbeads (MCMB) Mesocarbon microbeads (MCMB) were obtained from China Steel Chemical Co., Kaohsiung, Taiwan. supplied from. This material has a density of about 2.24 g/cm 3 and a median particle size of about 16 μm. MCMB (10 grams) was intercalated with an acidic solution (sulfuric acid, nitric acid and potassium permanganate in a ratio of 4:1:0.05) for 48-96 hours. After the reaction was completed, the mixture was poured into deionized water and filtered. The intercalated MCMB was washed repeatedly with a 5% solution of HCl to remove most of the sulfate ions. The samples were then washed repeatedly with deionized water until the pH of the filtrate was greater than or equal to 4.5. The slurry was then subjected to sonication for 10-100 minutes to produce a GO suspension. TEM and atomic force microscopy studies showed that the majority of GO sheets were monolayer graphene when the oxidation treatment exceeded 72 hours, and when the oxidation time was 48-72 hours was shown to be bilayer or trilayer graphene.

GOシートは、48~96時間の酸化処理時間で約35重量%~47重量%の酸素含有量を含んでいる。GOシートは水で懸濁された。GO懸濁液は、ガラス表面上の薄い酸化グラフェン薄膜にキャストされ、かつ別に、PET薄膜基材上にスロットダイコーティングされ、乾燥され、かつ、PET基材から剥がされてGO薄膜を形成した。GO薄膜は、室温から1500℃まで別個に加熱され、及びその後、わずかにロールプレスされて、ろ過装置の多孔質グラフェン層として使用するための還元酸化グラフェン(RGO)薄膜(自立層)を得た。 The GO sheet has an oxygen content of about 35% to 47% by weight with an oxidation treatment time of 48-96 hours. GO sheets were suspended in water. The GO suspension was cast into a thin graphene oxide thin film on a glass surface and separately slot die coated onto a PET thin film substrate, dried and peeled off from the PET substrate to form a GO thin film. The GO thin films were separately heated from room temperature to 1500 °C and then slightly roll-pressed to obtain reduced graphene oxide (RGO) thin films (free-standing layers) for use as porous graphene layers in filtration devices. .

これとは別に、超音波噴霧手順が実施されて、PP系不織布のシートの主表面にGO水溶液を噴霧した。乾燥すると、グラフェン層でコーティングされた布地構造が得られた。我々は、GOシートの一部がPP不織布構造の大部分に部分的に浸透したことを観察した。これらのGOシートは、接着樹脂を使用しなくてもPP繊維によって所定の位置に保持された。 Separately, an ultrasonic spraying procedure was performed to spray the GO aqueous solution onto the main surface of the sheet of PP-based nonwoven fabric. After drying, a fabric structure coated with a graphene layer was obtained. We observed that some of the GO sheets partially penetrated most of the PP nonwoven structure. These GO sheets were held in place by PP fibers without the use of adhesive resin.

実施例2:元の状態のグラフェンシート(0%酸素)及びグラフェン層の用意
元の状態のグラフェンシートが、直接超音波処理又は液相製造プロセスを使用することによって生成された。典型的な手順では、約20μm以下のサイズに粉砕された5グラムのグラファイトフレークが、1000mLの脱イオン水(0.1重量%の分散剤、DuPont社のZonyl(登録商標)FSOを含む)に分散されて懸濁液を得た。85Wの超音波エネルギーレベル(Branson S450 Ultrasonicator)が使用されて、グラフェンシートの剥離、分離及びサイズ縮小を15分~2時間にわたって行った。得られたグラフェンシートは、酸化されたことのない元の状態のグラフェンであり、かつ、無酸素で相対的に欠陥がない。他の非炭素元素はない。
Example 2: Preparation of pristine graphene sheets (0% oxygen) and graphene layers Pristine graphene sheets were produced by using direct sonication or liquid phase manufacturing processes. In a typical procedure, 5 grams of graphite flakes ground to a size of about 20 μm or less are added to 1000 mL of deionized water (containing 0.1 wt % dispersant, DuPont's Zonyl® FSO). Dispersed to obtain a suspension. An ultrasonic energy level of 85 W (Branson S450 Ultrasonicator) was used to exfoliate, separate and reduce the size of the graphene sheets for 15 minutes to 2 hours. The resulting graphene sheets are pristine graphene that has never been oxidized, and are oxygen-free and relatively defect-free. No other non-carbon elements.

元の状態のグラフェンシートが、過酸化ベンゾイル(BPO)の10mMアセトン溶液に30分間にわたって浸漬され、及びその後、取り出されて空気中で自然乾燥された。グラフェンシートを官能基化するための熱開始化学反応が、純粋な窒素で満たされた高圧ステンレス鋼容器内で80℃で行われた。その後、試料はアセトンで十分にすすがれ、その後のラマン特性評価のためにBPO残留物を除去した。反応時間が長くなるにつれて、1330cm-付近に特徴的な乱れ誘起Dバンドが出現してラマンスペクトルの最も顕著な特徴に徐々になった。Dバンドは、六員sp炭素環のA1gモード収縮振動に由来し、かつ、隣接するsp炭素原子がsp混成に変換された後にラマン活性になる。さらに、2670cm-付近の二重共鳴2Dバンドが大幅に弱まる一方で、1580cm-付近のGバンドは、~1620cm-に欠陥によって誘発されたD’ショルダーピークが存在することに起因して広げられた。これらの観察結果は、共有C-C結合が、BPOとの反応によるsp配置からsp配置への変換によってある程度の構造的乱れが生成された。 The pristine graphene sheets were immersed in a 10 mM acetone solution of benzoyl peroxide (BPO) for 30 minutes and then removed and air-dried in air. A thermally initiated chemical reaction to functionalize the graphene sheets was performed at 80° C. in a high pressure stainless steel vessel filled with pure nitrogen. The samples were then rinsed thoroughly with acetone to remove BPO residues for subsequent Raman characterization. As the reaction time increased, a characteristic disturbance-induced D-band appeared around 1330 cm- 1 and gradually became the most prominent feature of the Raman spectrum. The D band originates from the A 1g mode contraction vibration of the 6-membered sp 2 carbocycle and becomes Raman active after the adjacent sp 2 carbon atoms are converted to sp 3 hybridization. Moreover, the double-resonant 2D band near 2670 cm is greatly weakened, while the G band near 1580 cm is attenuated due to the presence of a defect-induced D′ shoulder peak at ~ 1620 cm. spread out. These observations suggest that the covalent C—C bond was converted from the sp 2 configuration to the sp 3 configuration upon reaction with BPO, generating some degree of structural perturbation.

官能化グラフェンシートが水に再分散されてグラフェン分散液を生成した。その後、この分散液がPP不織布の層に堆積されて、コンマコーティングを使用して布地にコーティングされた官能化グラフェン層を形成した。別個に、非官能化された元の状態のグラフェンシートもPP不織布層にコーティングされて、元の状態のグラフェンでコーティングされた布地構造を得た。 The functionalized graphene sheets were redispersed in water to produce graphene dispersions. This dispersion was then deposited on a layer of PP nonwoven to form a functionalized graphene layer coated onto the fabric using comma coating. Separately, a non-functionalized pristine graphene sheet was also coated onto the PP nonwoven layer to obtain a pristine graphene-coated fabric structure.

実施例3:フッ化グラフェンシート及びグラフェン層の用意
GFを生成するためにいくつかのプロセスが使用されたが、本明細書では1つのプロセスのみを例として説明する。典型的な手順では、インターカレートされた化合物CF・xCIFから高度に剥離されたグラファイト(HEG)が用意された。HEGは、三フッ化塩素の蒸気によってさらにフッ素化されて、フッ素化された高度に膨張されたグラファイト(FHEG)を生成した。予冷されたテフロン反応器には、20~30mLの予冷された液体CIFが充填され、反応器は閉じられて液体窒素温度まで冷却された。その後、1g未満のHEGが、CIFガスがアクセスするための孔を有する容器に入れられ、かつ、反応器内に配置された。7~10日で、近似式CFを有する灰色がかったベージュの生成物が形成された。
Example 3: Preparation of Fluorinated Graphene Sheets and Graphene Layers Several processes were used to produce GFs, but only one process is described here as an example. In a typical procedure, highly exfoliated graphite (HEG) was prepared from the intercalated compound C2F.xCIF3 . HEG was further fluorinated by chlorine trifluoride vapor to produce fluorinated highly expanded graphite (FHEG). A pre-chilled Teflon reactor was charged with 20-30 mL of pre-chilled liquid CIF 3 , the reactor was closed and cooled to liquid nitrogen temperature. Less than 1 g of HEG was then placed in a container with holes for CIF 3 gas access and placed in the reactor. In 7-10 days, an off-white product with the approximate formula C 2 F was formed.

続いて、少量のFHEG(約0.5mg)が、20~30mLの有機溶媒(メタノール、エタノール、1-プロパノール、2-プロパノール、1-ブタノール、tert-ブタノール、イソアミルアルコール)と混合され、かつ、30分間にわたって超音波処理(280W)を受けると、均質の黄色がかった分散液が形成された。比較的均質な分散を得るには5分間の超音波処理が十分であったが、超音波処理時間を長くすると安定性が向上した。溶媒を除去してPET布地表面上に湿った薄膜を形成するために押し出すと、分散液はPET布地表面上に形成された茶色がかった薄膜になった。乾燥薄膜は、乾燥及びロールプレスにより、良好なろ過部材となった。 Subsequently, a small amount of FHEG (about 0.5 mg) was mixed with 20-30 mL of organic solvent (methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, tert-butanol, isoamyl alcohol), and A homogenous yellowish dispersion was formed when subjected to sonication (280 W) for 30 minutes. Five minutes of sonication was sufficient to obtain a relatively homogenous dispersion, but longer sonication times improved stability. After removing the solvent and extruding to form a wet film on the PET fabric surface, the dispersion became a brownish film formed on the PET fabric surface. The dry film made a good filtration member after drying and roll pressing.

実施例4:窒素化グラフェンシート及びグラフェン層の用意
実施例1で合成された酸化グラフェン(GO)が、マイクロ波反応器(900W)で30秒間にわたって加熱されたさまざま比率の尿素及びペレット化された混合物とともに微細に粉砕された。生成物は脱イオン水で数回洗浄されて真空乾燥された。この方法では、グラフェン酸化物が同時に還元されて窒素でドープされる。1/0.5、1/1及び1/2のグラフェン/尿素質量比で得られた生成物は、それぞれ、元素分析によって見出された14.7、18.2及び17.5重量%の窒素含有量を有している。これらの窒素化グラフェンシートは、事前に化学的官能化を行うことなく、水に分散されたままである。得られた懸濁液は、スプレー塗装を用いてPET不織布層上で湿った薄膜にされ、かつその後、乾燥されてろ過部材を形成した。
Example 4: Preparation of nitrogenated graphene sheets and graphene layers Graphene oxide (GO) synthesized in Example 1 was pelletized with various ratios of urea heated in a microwave reactor (900 W) for 30 seconds. Finely ground with the mixture. The product was washed several times with deionized water and vacuum dried. In this method, graphene oxide is simultaneously reduced and doped with nitrogen. The products obtained with graphene/urea mass ratios of 1/0.5, 1/1 and 1/2 respectively contained 14.7, 18.2 and 17.5 wt% of Has a nitrogen content. These nitrogenated graphene sheets remain dispersed in water without prior chemical functionalization. The resulting suspension was wet-filmed onto a PET nonwoven layer using spray coating and then dried to form a filter member.

実施例5:さまざまな発泡剤及び造孔(気泡形成)プロセス
プラスチック加工の分野では、化学発泡剤が、粉末又はペレットの形態でプラスチックペレットに混合され、かつ、高温で溶解される。発泡剤の溶解に特有の特定の温度を超えると、発泡剤として機能するガス状の反応生成物(通常は窒素又はCO)が生成される。しかしながら、化学発泡剤は、液体ではなく固体であるグラフェン材料に溶解されることはできない。これは、化学発泡剤を利用してグラフェン材料に細孔又はセルを生成するという課題を提示する。
Example 5: Various blowing agents and pore-forming (bubble formation) processes In the field of plastics processing, chemical blowing agents are mixed into plastic pellets in powder or pellet form and melted at high temperatures. Above a certain temperature characteristic of melting the blowing agent, a gaseous reaction product (usually nitrogen or CO 2 ) is produced which functions as the blowing agent. However, chemical blowing agents cannot be dissolved in graphene materials, which are solids rather than liquids. This presents the challenge of utilizing chemical blowing agents to create pores or cells in graphene materials.

我々は、広範な実験後、最初の熱処理温度が発泡反応を活性化するのに十分である場合、事実上あらゆる化学発泡剤(例えば、粉末又はペレットの形態)が使用されてグラフェンの乾燥層に細孔又は気泡を作成することができることを発見した。化学発泡剤(粉末又はペレット)が液体媒体に分散されて、懸濁液内の第2分散相(第1分散相であるグラフェン材料のシート)になってもよく、懸濁液は、個体支持基材上に堆積されて湿った層を形成する。その後、このグラフェン材料の湿った層が乾燥及び熱処理されて、化学発泡剤を活性化してもよい。化学発泡剤が活性化されて気泡が生成された後、結果として得られる発泡グラフェン構造は、その後に構造に高い熱処理温度が適用された場合でも、ほとんど維持される。これは実に予想外である。 After extensive experiments, we found that virtually any chemical blowing agent (e.g., in powder or pellet form) could be used to dry layers of graphene if the initial heat treatment temperature was sufficient to activate the blowing reaction. It has been discovered that pores or bubbles can be created. A chemical blowing agent (powder or pellets) may be dispersed in a liquid medium to become a second dispersed phase (sheets of graphene material being the first dispersed phase) within the suspension, the suspension being a solid support. It is deposited on a substrate to form a wet layer. This wet layer of graphene material may then be dried and heat treated to activate the chemical blowing agent. After the chemical blowing agent is activated and the bubbles are generated, the resulting expanded graphene structure is largely preserved even when high heat treatment temperatures are subsequently applied to the structure. This is really unexpected.

化学発泡剤(CFA)は、熱分解時にガスを放出する有機化合物又は無機化合物であり得る。CFAは通常、中密度から高密度の発泡体を得るために使用され、かつ、たいていは低密度の発泡体を得るために物理発泡剤と組み合わせて使用される。CFAは、吸熱性又は発熱性のいずれかに分類され得、これは、CFAが受ける分解のタイプを指している。吸熱タイプは、エネルギーを吸収し、かつ通常は、分解時に二酸化炭素及び水分を放出する一方で、発熱タイプは、分解時にエネルギーを放出し、かつ通常は、窒素を生成する。発熱発泡剤によって放出されるガスの全体的なガス発生量及び圧力は、多くの場合、吸熱タイプのものよりも高くなる。吸熱性CFAは一般に、130~230℃(266~446°F)の範囲で分解することが知られている一方で、より一般的な発熱性発泡剤の一部は200℃(392°F)付近で分解する。ただし、ほとんどの発熱性CFAの分解範囲は、特定の化合物を添加することによって低減されることができる。CFAの活性化(分解)温度は、我々の熱処理温度の範囲内に収まる。適切な化学発泡剤の例には、重炭酸ナトリウム(重曹)、ヒドラジン、ヒドラジド、アゾジカルボンアミド(発熱化学発泡剤)、ニトロソ化合物(例えば、N,N-ジニトロソペンタメチレンテトラミン)、ヒドラジン誘導体(例えば、4.4’-オキシビス(ベンゼンスルホニルヒドラジド)及びヒドラゾジカルボンアミド)、及び、炭酸水素塩(例えば、炭酸水素ナトリウム)が含まれる。これらはすべてプラスチック業界で市販されている。 Chemical blowing agents (CFAs) can be organic or inorganic compounds that release gas upon thermal decomposition. CFA's are typically used to obtain medium to high density foams and are mostly used in combination with physical blowing agents to obtain low density foams. CFAs can be classified as either endothermic or exothermic, which refers to the type of decomposition they undergo. Endothermic types absorb energy and typically release carbon dioxide and moisture upon decomposition, while exothermic types release energy upon decomposition and typically produce nitrogen. The overall gas yield and pressure of the gas released by exothermic blowing agents is often higher than endothermic types. Endothermic CFAs are generally known to decompose in the range of 130-230°C (266-446°F), while some of the more common exothermic blowing agents decompose at 200°C (392°F). Decompose in the vicinity. However, the extent of decomposition of most exothermic CFAs can be reduced by adding certain compounds. The activation (decomposition) temperature of CFA falls within our heat treatment temperature range. Examples of suitable chemical blowing agents include sodium bicarbonate (baking soda), hydrazine, hydrazide, azodicarbonamide (exothermic chemical blowing agent), nitroso compounds (e.g. N,N-dinitrosopentamethylenetetramine), hydrazine derivatives ( Examples include 4,4′-oxybis(benzenesulfonylhydrazide) and hydrazodicarbonamide), and bicarbonates (eg, sodium bicarbonate). All of these are commercially available in the plastics industry.

発泡プラスチックの製造では、物理的発泡剤が、発泡押出又は射出成形発泡中にプラスチック溶融物に計量される、又は、ポリウレタン発泡中に前駆体材料の1つに供給される。物理的発泡剤が使用されて、固体状態(溶融していない)のグラフェン材料に細孔を作成することができることはこれまで知られていなかった。驚くべきことに、我々は、物理的な発泡剤(例えば、CO又はN)が、支持基材上にコーティング又はキャストされる前に、グラフェン懸濁液の流れに注入されることができることを観察した。これにより、液体媒体(例えば、水及び/又はアルコール)が除去された場合でも、発泡構造が得られる。グラフェン材料の乾燥層は、液体の除去及びその後の熱処理中に、制御された量の細孔又は気泡を維持することができる。 In the manufacture of foamed plastics, a physical blowing agent is metered into the plastic melt during foam extrusion or injection molding foaming or supplied to one of the precursor materials during polyurethane foaming. It was not previously known that physical blowing agents could be used to create pores in solid-state (unmelted) graphene materials. Surprisingly, we found that a physical blowing agent (e.g. CO2 or N2 ) can be injected into the graphene suspension stream before it is coated or cast onto the supporting substrate. observed. This results in a foamed structure even when the liquid medium (eg water and/or alcohol) is removed. A dry layer of graphene material can maintain a controlled amount of pores or bubbles during liquid removal and subsequent heat treatment.

技術的に実現可能な発泡剤には、二酸化炭素(CO)、窒素(N)、イソブタン(C10)、シクロペンタン(C10)、イソペンタン(C12)、CFC-11(CFCI)、HCFC-22(CHFCI)、HCFC-142b(CFCICH)及びHCFC-134a(CHFCF)が含まれる。ただし、発泡剤を選択する際、環境への安全性が考慮すべき主要な要素である。モントリオール議定書及びそれに伴う協定への影響は、発泡体の生産者にとって大きな課題となっている。以前に適用されたクロロフルオロカーボンの効果的な特性及び取り扱いの容易さにもかかわらず、オゾン層減少の可能性(ODP)のためにこれらを禁止するという世界的な合意があった。部分ハロゲン化クロロフルオロカーボンも、環境的に安全ではなく、及びしたがって、多くの国ですでに禁止されている。代替手段は、イソブタン及びペンタンなどの炭化水素と、CO及び窒素などのガスである。 Technically feasible blowing agents include carbon dioxide ( CO2 ), nitrogen ( N2 ), isobutane ( C4H10 ) , cyclopentane ( C5H10 ), isopentane ( C5H12 ), CFC -11 (CFCI 3 ), HCFC-22 (CHF 2 CI), HCFC-142b (CF 2 CICH 3 ) and HCFC-134a (CH 2 FCF 3 ). However, environmental safety is a major factor to consider when choosing a blowing agent. The impact on the Montreal Protocol and the agreements it accompanies poses significant challenges for foam producers. Despite the effective properties and ease of handling of previously applied chlorofluorocarbons, there has been a global consensus to ban them due to their potential for ozone depletion (ODP). Partially halogenated chlorofluorocarbons are also environmentally unsafe and are therefore already banned in many countries. Alternatives are hydrocarbons such as isobutane and pentane and gases such as CO2 and nitrogen.

これらの規制物質を除いて、上述したすべての発泡剤が我々の実験でテストされた。物理的発泡剤及び化学的発泡剤の両方について、懸濁液に導入される発泡剤の量は、発泡剤とグラフェン材料との重量比として定義され、重量比は通常は0/1.0~1.0/1.0である。 With the exception of these restricted substances, all blowing agents mentioned above were tested in our experiments. For both physical and chemical blowing agents, the amount of blowing agent introduced into the suspension is defined as the weight ratio of blowing agent to graphene material, and the weight ratio is usually from 0/1.0 to 1.0/1.0.

実施例6:別個の酸化グラフェン(GO)シート及びGO発泡体の用意
平均直径12μmの細断グラファイト繊維と天然グラファイト粒子とが出発原料として別個に使用され、出発材料は、濃硫酸、硝酸及び過マンガン酸カリウム(化学インターカレート及び酸化剤として)の混合物に浸漬されてグラファイト層間化合物(GIC)を用意した。出発材料が最初に真空オーブン内で80℃で24時間にわたって乾燥された。その後、濃硫酸、発煙硝酸及び過マンガン酸カリウムの混合物(4:1:0.05の重量比)が、適切に冷却及び攪拌しながら、繊維セグメントを含む三口フラスコにゆっくりと添加された。5~16時間の反応後、酸処理されたグラファイト繊維又は天然グラファイト粒子が、溶液のpHレベルが6に達するまで脱イオン水で十分にろ過されて洗浄された。100℃で一晩乾燥された後、得られたグラファイト層間化合物(GIC)又はグラファイト酸化物繊維が、水及び/又はアルコールに再分散されてスラリーを形成した。
Example 6: Preparation of Separate Graphene Oxide (GO) Sheets and GO Foams Chopped graphite fibers with an average diameter of 12 μm and natural graphite particles were separately used as starting materials, the starting materials being concentrated sulfuric acid, nitric acid and peroxide. A graphite intercalation compound (GIC) was prepared by soaking in a mixture of potassium manganate (as a chemical intercalate and oxidant). The starting material was first dried in a vacuum oven at 80° C. for 24 hours. A mixture of concentrated sulfuric acid, fuming nitric acid and potassium permanganate (4:1:0.05 weight ratio) was then slowly added to the three-necked flask containing the fiber segments with proper cooling and stirring. After 5-16 hours of reaction, the acid-treated graphite fibers or natural graphite particles were thoroughly filtered and washed with deionized water until the pH level of the solution reached 6. After drying overnight at 100° C., the resulting graphite intercalation compound (GIC) or graphite oxide fibers were redispersed in water and/or alcohol to form a slurry.

1つの試料では、5グラムのグラファイト酸化物繊維が、15:85の比率のアルコールと蒸留水とから構成されるアルコール溶液2000mlと混合されて、スラリー塊を得た。その後、混合スラリーは、200Wの出力でさまざまな時間にわたって超音波の照射を受けた。20分間の超音波処理後、GO繊維は、酸素含有量が約23重量%~31重量%の薄い酸化グラフェンシートに効果的に剥離されて分離された。得られた懸濁液には、水に懸濁されているGOシートが含まれる。キャスティングの直前に、化学発泡剤(ヒドラゾジカルボンアミド)が懸濁液に添加された。 In one sample, 5 grams of graphite oxide fibers were mixed with 2000 ml of an alcohol solution consisting of alcohol and distilled water in a ratio of 15:85 to obtain a slurry mass. The mixed slurry was then subjected to ultrasonic irradiation at a power of 200 W for various times. After 20 minutes of ultrasonic treatment, the GO fibers were effectively exfoliated and separated into thin graphene oxide sheets with an oxygen content of about 23 wt% to 31 wt%. The resulting suspension contains GO sheets suspended in water. A chemical blowing agent (hydrazodicarbonamide) was added to the suspension just prior to casting.

その後、得られた懸濁液は、ドクターブレードを使用してガラス表面にキャストされてせん断応力を加え、GOシートの向きを誘導した。得られたGOコーティング薄膜は、液体の除去後に、約5~500μm(好ましくは、典型的には10μm~50μm)まで変化し得る厚さを有している。 The resulting suspension was then cast onto a glass surface using a doctor blade to apply shear stress and induce orientation of the GO sheets. The resulting GO coating film has a thickness that can vary from about 5-500 μm (preferably, typically 10-50 μm) after liquid removal.

グラフェン発泡体の標本を作成するため、GOコーティング薄膜が熱処理にかけられ、熱処理は、80~350℃の初期熱還元温度で0.5~2時間、続いて500~1500℃の第2温度で0.5~2時間にわたって熱処理を行ってGO発泡体シートを生成する(通常は1~500μmであるが、GOコーティング厚さによっては、より薄くてもより厚くてもよい)ことを通常伴う。 To prepare the graphene foam specimens, the GO coating thin films were subjected to heat treatment, which included an initial thermal reduction temperature of 80-350°C for 0.5-2 hours, followed by a second temperature of 500-1500°C for 0.5-2 hours. It is usually accompanied by heat treatment for 5-2 hours to produce a GO foam sheet (usually 1-500 μm, but may be thinner or thicker depending on the GO coating thickness).

実施例7:メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)及びグラフェン発泡体からの単層グラフェンシートの用意
メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)は、台湾高雄市のChina Steel Chemical Co.から供給された。この材料は、約2.24g/cmの密度を有し、約16μmの中央粒径を有している。MCMB(10グラム)が、酸性溶液(4:1:0.05の比率の硫酸、硝酸及び過マンガン酸カリウム)で48~96時間にわたってインターカレートされた。反応が完了すると、混合物が脱イオン水に注がれてろ過された。インターカレートされたMCMBは、5%HCl溶液で繰り返し洗浄されて、硫酸イオンの大部分を除去した。その後、ろ液のpHが4.5以上になるまで、試料が脱イオン水で繰り返し洗浄された。その後、スラリーが、10~100分間にわたって超音波処理されて、GO懸濁液を生成した。TEM及び原子間力顕微鏡による研究では、GOシートの大部分が、酸化処理が72時間を超えた場合には単層グラフェンであったこと、かつ、酸化時間が48~72時間であった場合には2層又は3層グラフェンであったことが示された。
Example 7: Preparation of monolayer graphene sheets from mesocarbon microbeads (MCMB) and graphene foam Mesocarbon microbeads (MCMB) were obtained from China Steel Chemical Co., Kaohsiung, Taiwan. supplied from. This material has a density of about 2.24 g/cm 3 and a median particle size of about 16 μm. MCMB (10 grams) was intercalated with an acidic solution (sulfuric acid, nitric acid and potassium permanganate in a 4:1:0.05 ratio) for 48-96 hours. After the reaction was completed, the mixture was poured into deionized water and filtered. The intercalated MCMB was washed repeatedly with 5% HCl solution to remove most of the sulfate ions. The samples were then washed repeatedly with deionized water until the pH of the filtrate was greater than or equal to 4.5. The slurry was then sonicated for 10-100 minutes to produce a GO suspension. TEM and atomic force microscopy studies showed that the majority of GO sheets were monolayer graphene when the oxidation treatment exceeded 72 hours, and when the oxidation time was 48-72 hours, was shown to be bilayer or trilayer graphene.

GOシートは、48~96時間の酸化処理時間で約35重量%~47重量%の酸素比率を含んでいる。GOシートは水に懸濁された。キャスティングの直前に、化学発泡剤として重曹(5重量%~20重量%)が懸濁液に添加された。その後、ドクターブレードを使用して懸濁液がガラス表面にキャストされてせん断応力を加え、GOシートの向きを誘導した。いくつかの試料がキャストされ、一部は発泡剤を含み、一部は含まなかった。得られたGO薄膜は、液体の除去後、約10μm~500μmの範囲で厚さを変え得る。 The GO sheet contains an oxygen percentage of about 35% to 47% by weight with an oxidation treatment time of 48-96 hours. GO sheets were suspended in water. Just before casting, baking soda (5% to 20% by weight) was added to the suspension as a chemical blowing agent. The suspension was then cast onto the glass surface using a doctor blade to apply shear stress and induce the orientation of the GO sheets. Several samples were cast, some with blowing agent and some without. The resulting GO thin films can vary in thickness from about 10 μm to 500 μm after liquid removal.

その後、発泡剤を使用して又は使用しないで、GO薄膜の数枚のシートが、1~2時間にわたる80~500℃の初期(第1)熱還元温度を伴う熱処理を受けた。この第1熱処理によってグラフェン発泡体が生成された。ただし、発泡体が1500℃~2850℃の第2温度で熱処理されれば、発泡体壁のグラフェンドメインはさらに完全にされ得る(再グラファイト化されてより規則的になる、又は、化学的融合によって、高い結晶化度及び元のグラフェンシートの寸法よりも長いグラフェン面のより大きな横方向寸法を有する)。 Several sheets of GO thin films were then subjected to a heat treatment with an initial (first) thermal reduction temperature of 80-500° C. for 1-2 hours, with or without a blowing agent. This first heat treatment produced a graphene foam. However, if the foam is heat treated at a second temperature between 1500° C. and 2850° C., the graphene domains in the foam wall can be further perfected (re-graphitized to become more regular or by chemical fusion). , with high crystallinity and larger lateral dimensions of the graphene planes, which are longer than those of the original graphene sheets).

実施例8:元の状態のグラフェン発泡体(0%酸素)の用意
GOシートの高い欠陥群が、個々のグラフェン面の伝導率を減少させるように作用する可能性を認識すると、元の状態のグラフェンシート(非酸化及び無酸素、非ハロゲン化及びハロゲンフリーなど)を使用することで、より高い熱伝導率を有するグラフェン発泡体が得られるかどうかを調査することを我々は決定した。元の状態のグラフェンシートは、直接超音波処理又は液相製造プロセスを使用して生成された。
Example 8: Preparation of pristine graphene foam (0% oxygen). We decided to investigate whether using graphene sheets (non-oxidized and oxygen-free, non-halogenated and halogen-free, etc.) would lead to graphene foams with higher thermal conductivity. The pristine graphene sheets were produced using direct sonication or liquid phase fabrication processes.

典型的な手順では、約20μm以下のサイズに粉砕された5グラムのグラファイトフレークが、1000mLの脱イオン水(0.1重量%の分散剤、DuPont社のZonyl(登録商標)FSOを含む)に分散されて懸濁液を得た。85Wの超音波エネルギーレベル(Branson S450 Ultrasonicator)が使用されて、グラフェンシートの剥離、分離及びサイズ縮小を15分~2時間にわたって行った。得られたグラフェンシートは、酸化されていない元の状態のグラフェンであり、かつ、無酸素で相対的に欠陥がない。他の非炭素元素はない。 In a typical procedure, 5 grams of graphite flakes ground to a size of about 20 μm or less are added to 1000 mL of deionized water (containing 0.1 wt % dispersant, DuPont's Zonyl® FSO). Dispersed to obtain a suspension. An ultrasonic energy level of 85 W (Branson S450 Ultrasonicator) was used to exfoliate, separate and reduce the size of the graphene sheets for 15 minutes to 2 hours. The resulting graphene sheets are unoxidized pristine graphene and are oxygen free and relatively defect free. No other non-carbon elements.

さまざまな量(グラフェン材料に対して1重量%~30重量%)の化学的発泡剤(N,N-ジニトロソペンタメチレンテトラミン又は4.4’-オキシビス(ベンゼンスルホニルヒドラジド)が、元の状態のグラフェンシート及び界面活性剤を含む懸濁液に添加された。その後、ドクターブレードを使用してガラス表面に懸濁液がキャストされてせん断応力を加え、グラフェンシートの配向を誘導した。キャスティングの直前に懸濁液に導入された物理的発泡剤としてCOを使用して作られたものを含め、いくつかの試料がキャスティングされた。得られたグラフェン薄膜は、液体の除去後、約10μm~100μmの範囲で厚さを変えられ得る。 Chemical blowing agents (N,N-dinitrosopentamethylenetetramine or 4.4'-oxybis(benzenesulfonylhydrazide) in varying amounts (1 wt% to 30 wt% relative to the graphene material) were added to the pristine state. It was added to the suspension containing the graphene sheets and the surfactant, and then the suspension was cast onto the glass surface using a doctor blade to apply shear stress and induce the orientation of the graphene sheets.Just before casting. Several samples were cast, including one made using CO2 as a physical blowing agent introduced into the suspension at 2000. The resulting graphene thin films ranged from about 10 μm to 10 μm after removal of the liquid. The thickness can be varied in the range of 100 μm.

その後、グラフェン薄膜が、1~5時間にわたる80~1500℃の初期(第1)熱還元温度を伴う熱処理を受けた。この第1熱処理によってグラフェン発泡体が生成された。その後、元の状態の発泡体サンプルの一部が1500~2850℃の第2温度に曝され、発泡体壁のグラフェンドメインがさらに完全にされる(再グラファイト化されてより規則的になる、又は、高い結晶化度を有する)かどうかを判定した。 The graphene thin film was then subjected to a heat treatment with an initial (first) thermal reduction temperature of 80-1500° C. for 1-5 hours. This first heat treatment produced a graphene foam. A portion of the pristine foam sample is then exposed to a second temperature of 1500-2850° C. to further complete the graphene domains of the foam wall (re-graphitize to become more regular or , with high crystallinity).

実施例9:Ni発泡体テンプレート上のCVDグラフェン発泡体
手順は、公開文献:Chen、Z.他の「Three-dimensional flexible and conductive interconnected graphene networks grown by chemical vapor deposition」、Nat.Mater.10、424~428(2011)で開示されたものから適応された。ニッケルの相互接続された3D足場材を有する多孔質構造であるニッケル発泡体は、グラフェン発泡体の成長のテンプレートとして選択された。簡単に説明すると、大気圧下、1000℃でCHを分解することによって、ニッケル発泡体に炭素が導入され、ニッケル発泡体の表面にグラフェン薄膜が堆積された。ニッケル及びグラフェンの熱膨張係数の相違により、グラフェン薄膜に波紋及びしわが形成された。グラフェン発泡体を回収(分離)するためには、Ni骨格がエッチングで除去される必要がある。高温のHCl(又はFeCl)溶液でニッケル骨格をエッチング除去する前に、ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)の薄層が支持体としてグラフェン薄膜の表面に堆積され、ニッケルエッチング中にグラフェンネットワークが崩壊することを防止する。PMMA層が熱アセトンによって慎重に除去された後、壊れやすいグラフェン発泡体サンプルが得られた。PMMA支持層の使用は、グラフェン発泡体の自立薄膜を準備するために重要であり;PMMA支持層なしで、ひどく歪んで変形したグラフェン発泡体試料のみが得られた。
Example 9: CVD Graphene Foam on Ni Foam Template The procedure was described in the published literature: Chen, Z.; See other "Three-dimensional flexible and conductive interconnected graphene networks grown by chemical vapor deposition", Nat. Mater. 10, 424-428 (2011). Nickel foam, which is a porous structure with nickel interconnected 3D scaffolds, was selected as a template for graphene foam growth. Briefly, carbon was introduced into the nickel foam by decomposing CH4 at 1000 °C under atmospheric pressure, and a graphene thin film was deposited on the surface of the nickel foam. Due to the difference in thermal expansion coefficients of nickel and graphene, ripples and wrinkles were formed in the graphene thin film. In order to recover (separate) the graphene foam, the Ni skeleton must be removed by etching. A thin layer of poly(methyl methacrylate) (PMMA) was deposited on the surface of the graphene thin film as a support before etching away the nickel framework with hot HCl (or FeCl 3 ) solution, and the graphene network collapsed during the nickel etching. to prevent Fragile graphene foam samples were obtained after the PMMA layer was carefully removed by hot acetone. The use of a PMMA support layer is critical for preparing free-standing thin films of graphene foam; without the PMMA support layer, only severely strained and deformed graphene foam samples were obtained.

実施例10:天然グラファイトからの酸化グラフェン(GO)懸濁液及びその後のGO発泡体の用意
グラファイト酸化物は、4:1:0.05の比率の硫酸、硝酸ナトリウム及び過マンガン酸カリウムから構成された酸化剤液を用いて30℃でグラファイトフレークを酸化させることによって用意された。天然グラファイトフレーク(粒径14μm)が酸化剤混合液に48時間にわたって浸漬分散された場合、懸濁液又はスラリーが現れて光学的に不透明で暗いままである。48時間後、反応塊が水で3回すすがれて、pH値を少なくとも3.0に調整した。その後、最終量の水が追加されて一連のGO水懸濁液を用意した。我々は、GOシートが3%を超える重量分率、通常は5%~15%を占める場合、GOシートが液晶相を形成することを観察した。
Example 10 Preparation of Graphene Oxide (GO) Suspensions from Natural Graphite and Subsequent GO Foams Graphite oxide is composed of sulfuric acid, sodium nitrate and potassium permanganate in a ratio of 4:1:0.05. were prepared by oxidizing graphite flakes at 30° C. with a oxidant solution. When natural graphite flakes (14 μm particle size) are immersion dispersed in the oxidizer mixture for 48 hours, a suspension or slurry emerges and remains optically opaque and dark. After 48 hours, the reaction mass was rinsed with water three times to adjust the pH value to at least 3.0. A final amount of water was then added to provide a series of GO water suspensions. We have observed that the GO sheets form a liquid crystal phase when the GO sheets account for a weight fraction above 3%, usually between 5% and 15%.

スラリーコータでポリエチレンテレフタレート(PET)薄膜にGO懸濁液を分配及びコーティングし、かつ、コーティングされた薄膜から液体媒体を除去することによって、我々は乾燥グラフェン酸化物の薄膜を得た。その後、いくつかのGO薄膜サンプルをさまざまな熱処理にかけ、熱処理には通常、100℃~500℃の第1温度で1時間~10時間の熱還元処理と、1500℃~2850℃の第2温度での0.5~5時間の熱還元処理と、が含まれる。これらの熱処理により、やはり圧縮応力下で、GO薄膜はグラフェン発泡体に変換された。 By dispensing and coating the GO suspension onto polyethylene terephthalate (PET) thin films with a slurry coater and removing the liquid medium from the coated thin films, we obtained dry graphene oxide thin films. Afterwards, several GO thin film samples were subjected to various heat treatments, typically including a thermal reduction treatment at a first temperature of 100°C to 500°C for 1 hour to 10 hours, and a second temperature of 1500°C to 2850°C. and thermal reduction treatment for 0.5 to 5 hours. These heat treatments transformed the GO thin films into graphene foams, also under compressive stress.

実施例11:熱水還元酸化グラフェンからのグラフェン発泡体
比較のため、自己組織化グラフェンヒドロゲル(SGH)試料が1ステップの水熱法で用意された。典型的な手順では、SGHが、テフロンで裏打ちされたオートクレーブに密封された2mg/mLの均質な酸化グラフェン(GO)水性分散液を180℃で12時間にわたって加熱することによって簡単に用意されることができる。約2.6%(重量)のグラフェンシートと97.4%の水とを含むSGHの電気伝導率は約5x10-S/cmである。乾燥及び1500℃での熱処理により、得られたグラフェン発泡体は、約1.5x10-S/cmの電気伝導率を示し、これは、同じ温度での熱処理によって生成された本発明のグラフェン発泡体の2分の1である。
Example 11: Graphene Foam from Hydrothermally Reduced Graphene Oxide For comparison, self-assembled graphene hydrogel (SGH) samples were prepared by a one-step hydrothermal method. In a typical procedure, SGH was simply prepared by heating a 2 mg/mL homogenous graphene oxide (GO) aqueous dispersion sealed in a Teflon-lined autoclave at 180 °C for 12 h. can be done. The electrical conductivity of SGH containing about 2.6% (by weight) graphene sheets and 97.4% water is about 5×10 −3 S/cm. Upon drying and heat treatment at 1500° C., the resulting graphene foam exhibits an electrical conductivity of about 1.5×10 −1 S/cm, which is comparable to the graphene foams of the present invention produced by heat treatment at the same temperature. 1/2 of the body.

実施例12:還元酸化グラフェン発泡体のプラスチックビーズテンプレート支援形成
マクロ多孔性気泡グラフェン薄膜(MGF)のためのハードテンプレート指令秩序アセンブリが準備された。単分散ポリメチルメタクリレート(PMMA)ラテックス球体がハードテンプレートとして使用された。実施例9で用意されたGO液晶がPMMA球体懸濁液と混合された。次に、その後の真空ろ過が実施されて、PMMAビーズの周りにGOシートが巻き付けられた、PMMA球体及びGOシートのアセンブリを用意した。複合薄膜がフィルタから剥がされて風乾され、かつ、800℃で焼成されてPMMAテンプレートを除去し、かつ、GOをRGOに同時に熱還元した。グレーの自立型PMMA/GO薄膜は、焼成後に黒色になった一方で、グラフェン薄膜は多孔性のままであった。得られた発泡体は、典型的には、約0.05~0.6g/cmの範囲の物理密度を有している。細孔サイズは、非炭素元素の含有量及び使用される発泡剤の量/種類に応じて、メソスケール(2~50nm)からマクロスケール(数μm)まで変動し得る。さまざまなタイプのグラフェン発泡体を設計する際のこのレベルの可撓性及び汎用性は、前例のないものであり、いずれの先行技術のプロセスにも匹敵しない。
Example 12: Plastic Bead Template Assisted Formation of Reduced Graphene Oxide Foams Hard template directed ordered assembly for macroporous cellular graphene thin films (MGF) was prepared. Monodisperse polymethylmethacrylate (PMMA) latex spheres were used as hard templates. GO liquid crystal prepared in Example 9 was mixed with PMMA sphere suspension. Subsequent vacuum filtration was then performed to provide an assembly of PMMA spheres and GO sheets, with GO sheets wrapped around PMMA beads. The composite film was stripped from the filter, air-dried, and fired at 800° C. to remove the PMMA template and simultaneously thermally reduce GO to RGO. The gray free-standing PMMA/GO thin films turned black after firing, while the graphene thin films remained porous. The resulting foams typically have physical densities in the range of about 0.05-0.6 g/cm 3 . The pore size can vary from meso-scale (2-50 nm) to macro-scale (a few μm) depending on the content of non-carbon elements and the amount/type of blowing agent used. This level of flexibility and versatility in designing various types of graphene foams is unprecedented and unmatched by any prior art process.

実施例13:フッ化グラフェンからのグラフェン発泡体の用意
GFを生成するために我々はいくつかのプロセスを使用したが、ここでは1つのプロセスのみを一例として説明する。典型的な手順では、インターカレートされた化合物CF・xCIFから高度に剥離されたグラファイト(HEG)が用意された。HEGは、三フッ化塩素の蒸気によってさらにフッ素化されて、フッ素化された高度に剥離されたグラファイト(FHEG)を生成した。予冷されたテフロン反応器に20~30mLの予冷された液体CIFが充填され、反応器が閉じられて液体窒素温度まで冷却された。その後、反応器内にアクセスするためのCIFガス用の孔を有する容器に1g以下のHEGが入れられて反応器内に配置された。7~10日で、近似式CFを有する灰色がかったベージュの生成物が形成された。
Example 13: Preparation of graphene foam from graphene fluoride We used several processes to produce GFs, but only one process is described here as an example. In a typical procedure, highly exfoliated graphite (HEG) was prepared from the intercalated compound C2F.xCIF3 . HEG was further fluorinated by chlorine trifluoride vapor to produce fluorinated highly exfoliated graphite (FHEG). A pre-chilled Teflon reactor was charged with 20-30 mL of pre-chilled liquid CIF 3 , the reactor was closed and cooled to liquid nitrogen temperature. Then, <1 g of HEG was placed in the reactor in a container with holes for CIF 3 gas to access the reactor. In 7-10 days, an off-white product with the approximate formula C 2 F was formed.

続いて、少量のFHEG(約0.5mg)が、20~30mLの有機溶媒(メタノール、エタノール、1-プロパノール、2-プロパノール、1-ブタノール、tert-ブタノール、イソアミルアルコール)と混合され、かつ、30分間にわたって超音波処理(280W)を受けて、均質な黄色がかった分散液が形成された。比較的均質な分散液を得るには5分間の超音波処理で十分であったが、より長い超音波処理時間がより良好な安定性を保証した。溶媒を除去してガラス表面にキャスティングすると、分散液は、ガラス表面に形成された茶色がかった薄膜になった。GF薄膜が熱処理されると、フッ素がガスとして放出され、薄膜に細孔を生成するのに役立った。一部の試料では、物理的発泡剤(Nガス)がキャストされている間に湿ったGF薄膜に注入された。これらの試料は、はるかに高い細孔容積又は低い発泡体密度を示す。発泡剤を使用しない場合、得られるフッ化グラフェン発泡体は、0.35~1.38g/cmの物理密度を示す。発泡剤が使用された場合(発泡剤/GF重量比0.5/1~0.05/1)、0.02~0.35g/cmの密度が得られた。典型的なフッ素含有量は、関連する最終熱処理温度に応じて、0.001%(HTT=2500℃)~4.7%(HTT=350℃)である。 Subsequently, a small amount of FHEG (about 0.5 mg) was mixed with 20-30 mL of organic solvent (methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, tert-butanol, isoamyl alcohol), and Under sonication (280 W) for 30 minutes, a homogenous yellowish dispersion was formed. Five minutes of sonication was sufficient to obtain a relatively homogeneous dispersion, but longer sonication times ensured better stability. After removing the solvent and casting on the glass surface, the dispersion turned into a brownish thin film formed on the glass surface. When the GF thin film was heat treated, fluorine was released as a gas and helped create pores in the thin film. In some samples, a physical blowing agent ( N2 gas) was injected into the wet GF thin film during casting. These samples exhibit much higher pore volumes or lower foam densities. Without the use of blowing agents, the resulting graphene fluoride foams exhibit physical densities of 0.35-1.38 g/cm 3 . Densities of 0.02 to 0.35 g/cm 3 were obtained when a blowing agent was used (blowing agent/GF weight ratio 0.5/1 to 0.05/1). Typical fluorine contents are from 0.001% (HTT=2500° C.) to 4.7% (HTT=350° C.) depending on the relevant final heat treatment temperature.

実施例14:窒素化グラフェンからのグラフェン発泡体の用意
実施例6で合成された酸化グラフェン(GO)が、マイクロ波反応器(900W)で30秒間加熱された、さまざまな割合の尿素とペレット化した混合物とともに微細に粉砕された。生成物は、脱イオン水で数回洗浄されて真空乾燥された。この方法では、酸化グラフェンが同時に還元されて窒素でドープされる。1:0.5、1:1及び1:2のグラフェン:尿素質量比で得られた生成物は、それぞれNGO-1、NGO-2及びNGO-3として指定され、これらの試料の窒素含有量は、元素分析によってそれぞれ見出されるように、14.7、18.2及び17.5重量%であった。これらの窒素化グラフェンシートは水に分散可能なままである。その後、得られた懸濁液がキャストされ、乾燥され、かつ、最初に第1熱処理温度として200~350℃で熱処理され、及び続いて、第2温度である1500℃で処理された。得られた窒素化グラフェン発泡体は、0.45~1.28g/cmの物理密度を示す。発泡体の典型的な窒素含有量は、関連する最終熱処理温度に応じて、0.01%(HTT=1500℃)~5.3%(HTT=350℃)である。
Example 14: Preparation of graphene foam from nitrogenated graphene Graphene oxide (GO) synthesized in Example 6 was pelletized with various proportions of urea heated in a microwave reactor (900 W) for 30 seconds. finely ground with the mixture. The product was washed several times with deionized water and vacuum dried. In this method, graphene oxide is simultaneously reduced and doped with nitrogen. The products obtained with graphene:urea mass ratios of 1:0.5, 1:1 and 1:2 are designated as NGO-1, NGO-2 and NGO-3 respectively and the nitrogen content of these samples were 14.7, 18.2 and 17.5 wt%, respectively, as found by elemental analysis. These nitrogenated graphene sheets remain dispersible in water. The resulting suspension was then cast, dried and heat treated first at a first heat treatment temperature of 200-350°C and subsequently at a second temperature of 1500°C. The resulting nitrogenated graphene foams exhibit physical densities between 0.45 and 1.28 g/cm 3 . Typical nitrogen contents of foams are 0.01% (HTT=1500° C.) to 5.3% (HTT=350° C.) depending on the relevant final heat treatment temperature.

実施例15:グラファイトの酸化、酸化されたグラファイトの熱膨張/剥離、及びエアジェットミリングを通じたグラファイトフレークの生成
Asbury Carbons(アメリカ合衆国ニュージャージー州08802、アズベリ、オールドメインストリート405)から提供された公称45μmのサイズの天然フレークグラファイトが粉砕されてそのサイズを約14μmに縮小した(試料1a)。発煙硝酸(>90%)、硫酸(95~98%)、塩素酸カリウム(98%)及び塩酸(37%)を含む本研究で使用された化学薬品は、Sigma-Aldrichから購入されて未処理で使用された。酸化グラファイト(GO)試料は以下の手順に従って用意された。
Example 15: Oxidation of Graphite, Thermal Expansion/Exfoliation of Oxidized Graphite, and Generation of Graphite Flakes Via Air Jet Milling Nominally 45 μm graphite powder supplied by Asbury Carbons (405 Old Main Street, Asbury, NJ 08802, USA). Natural flake graphite of size was milled to reduce its size to about 14 μm (Sample 1a). Chemicals used in this study, including fuming nitric acid (>90%), sulfuric acid (95-98%), potassium chlorate (98%) and hydrochloric acid (37%), were purchased from Sigma-Aldrich and untreated. used in Graphite oxide (GO) samples were prepared according to the following procedure.

磁気攪拌棒を含む反応フラスコに硫酸(176mL)及び硝酸(90mL)を入れ、氷浴に浸漬して冷却した。酸混合物が攪拌されて15分間冷却され、かつ、凝集を回避するためにグラファイト(10g)が激しく攪拌されながら添加された。グラファイト粉末が十分に分散された後、急激な温度上昇を回避するために、塩素酸カリウム(110g)が15分かけてゆっくりと添加された。反応フラスコにゆるく蓋がされ、反応混合物からのガスの発生を許容し、反応混合物は室温で24時間攪拌された。反応が完了すると、混合物が8Lの脱イオン水に注がれてろ過された。GOが5%HCl溶液で再分散及び洗浄されて硫酸イオンを除去した。ろ液が塩化バリウムで断続的に試験されて、硫酸イオンが存在するかどうかを判定した。この試験が陰性になるまで、HCl洗浄工程が繰り返された。その後、ろ液のpHが中性になるまで、GOが脱イオン水で繰り返し洗浄された。GOスラリーが噴霧乾燥され、60℃の真空オーブンに保存された後、自由熱剥離(1050℃で2分間)を受けて、熱的に剥離されたグラファイトワームを得た。その後、グラファイトワームが光強度エアミリングに曝されて、単離された膨張グラファイトフレーク(典型的には15nm~150nmの厚さを有する)を生成した。膨張グラファイトフレークは、-COOH、-OH及び>Oなどの化学官能基をいくらか担持することがわかっている。 A reaction flask containing a magnetic stir bar was charged with sulfuric acid (176 mL) and nitric acid (90 mL) and cooled by immersion in an ice bath. The acid mixture was stirred and cooled for 15 minutes and graphite (10 g) was added with vigorous stirring to avoid agglomeration. After the graphite powder was well dispersed, potassium chlorate (110 g) was slowly added over 15 minutes to avoid a sudden temperature rise. The reaction flask was loosely capped to allow gas evolution from the reaction mixture and the reaction mixture was stirred at room temperature for 24 hours. After the reaction was completed, the mixture was poured into 8 L of deionized water and filtered. GO was redispersed and washed with a 5% HCl solution to remove sulfate ions. The filtrate was intermittently tested with barium chloride to determine if sulfate ions were present. The HCl wash step was repeated until the test was negative. The GO was then washed repeatedly with deionized water until the pH of the filtrate was neutral. After the GO slurry was spray dried and stored in a vacuum oven at 60° C., it underwent free heat exfoliation (1050° C. for 2 minutes) to obtain thermally exfoliated graphite worms. The graphite worms were then exposed to light intensity air milling to produce isolated expanded graphite flakes (typically with a thickness of 15 nm to 150 nm). Expanded graphite flakes are known to carry some chemical functional groups such as -COOH, -OH and >O.

その後、膨張グラファイトフレークがH(30重量%)の水溶液に浸漬されて、追加の酸素含有官能基、特に-COOHをこれらのグラファイトフレークに付与した。 The expanded graphite flakes were then immersed in an aqueous solution of H 2 O 2 (30 wt%) to impart additional oxygen-containing functional groups, especially —COOH, to these graphite flakes.

特定のグラファイトフレークが、アンモニア、塩素、フッ素及び臭素ガスに個別に曝され、それぞれ、-NH、-Cl、-F及び-Brを含む異なる官能基が生成された。 Certain graphite flakes were individually exposed to ammonia, chlorine, fluorine and bromine gases to produce different functional groups including -NH 2 , -Cl, -F and -Br, respectively.

実施例16:修正ハマーズ法を用いたグラファイト酸化物(GO)の用意
グラファイト酸化物は、ハマーズの方法[米国特許第2,798,878号、1957年7月9日]に従って、硫酸、硝酸ナトリウム及び過マンガン酸カリウムを用いて天然グラファイトフレークの酸化によって用意された。この例では、我々は、1グラムのグラファイトごとに、22mlの濃硫酸、2.8グラムの過マンガン酸カリウム及び0.5グラムの硝酸ナトリウムの混合物を使用した。グラファイトフレークが混合溶液に浸漬され、反応時間は35℃で約1時間であった。過熱及びその他の安全性の問題を回避するため、過マンガン酸カリウムが十分に制御された方法で硫酸に徐々に添加される必要があることに注意することが重要である。反応が完了したら、混合物は脱イオン水に注がれてろ過された。その後、ろ液のpHが約5になるまで、試料が脱イオン水で繰り返し洗浄された。スラリーが、噴霧乾燥されて真空オーブン内で60℃で24時間にわたって貯蔵された。続いて、粉末の一部が、950℃に予め設定された炉内で1分間剥離されて、熱的に剥離されたグラファイトワームを得た。
Example 16 Preparation of Graphite Oxide (GO) Using Modified Hammers Method Graphite oxide was prepared according to the method of Hammers [U.S. Pat. No. 2,798,878, Jul. 9, 1957]. and prepared by oxidation of natural graphite flakes with potassium permanganate. In this example, we used a mixture of 22 ml of concentrated sulfuric acid, 2.8 grams of potassium permanganate and 0.5 grams of sodium nitrate for every gram of graphite. Graphite flakes were immersed in the mixed solution and the reaction time was about 1 hour at 35°C. It is important to note that potassium permanganate must be added slowly to the sulfuric acid in a well-controlled manner to avoid overheating and other safety issues. After the reaction was complete, the mixture was poured into deionized water and filtered. The samples were then washed repeatedly with deionized water until the pH of the filtrate was about 5. The slurry was spray dried and stored in a vacuum oven at 60° C. for 24 hours. Subsequently, a portion of the powder was exfoliated in a furnace preset at 950° C. for 1 minute to obtain thermally exfoliated graphite worms.

グラファイトワームの一部が家庭用フードプロセッサに注がれ、10分間剪断されて、膨張したグラファイトフレークを得た。酸素含有量が6~20%の膨張グラファイトフレークが水中に分散されて懸濁液を形成し、これが、PP不織布の表面に噴霧コーティングされてろ過部材を形成した。 A portion of the graphite worms was poured into a home food processor and sheared for 10 minutes to obtain expanded graphite flakes. Expanded graphite flakes with an oxygen content of 6-20% were dispersed in water to form a suspension, which was spray-coated on the surface of the PP nonwoven fabric to form a filtration member.

実施例17:メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)の酸化及び剥離
グラファイト酸化物は、実施例1で使用されたのと同じ手順に従って、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)の酸化によって用意された。MCMBマイクロビーズは、China Steel Chemical Co.(台湾)から供給された。この材料は、約2.14g/cmの密度、25ミクロンの粒径及び約0.336nmの面間距離を有している。深酸化処理後、得られたグラファイト酸化物マイクロビーズの面間隔は約0.76nmである。350℃で2分間にわたって剥離すると、剥離されたカーボンワームは、3nm~15nmの厚さを有するフレークを有する。
Example 17 Oxidation and Exfoliation of Mesocarbon Microbeads (MCMB) Graphite oxide was prepared by oxidation of mesocarbon microbeads (MCMB) following the same procedure used in Example 1. MCMB microbeads are available from China Steel Chemical Co. (Taiwan). This material has a density of about 2.14 g/cm 3 , a grain size of 25 microns and an interplanar distance of about 0.336 nm. After deep oxidation treatment, the interplanar spacing of the resulting graphite oxide microbeads is about 0.76 nm. When exfoliated at 350° C. for 2 minutes, the exfoliated carbon worms have flakes with thicknesses between 3 nm and 15 nm.

その後、剥離されたカーボンワームの一部が酸性溶液(水に溶解されたクエン酸を含む)に分散されてスラリーを形成した。このスラリーが、その後、PP不織布シートに塗布され、水分を除去して抗ウイルス性ろ過部材が得られた。この部材は、グラファイトフレーク表面に分散されたクエン酸と、PP繊維表面に分散されたクエン酸と、を含んでいた。 A portion of the exfoliated carbon worms was then dispersed in an acidic solution (including citric acid dissolved in water) to form a slurry. This slurry was then applied to a PP nonwoven sheet and dehydrated to obtain an antiviral filtering member. This member contained citric acid dispersed on the graphite flake surface and citric acid dispersed on the PP fiber surface.

実施例18:剥離及び膨張グラファイトフッ化物フレークを生成するためのグラファイトのフッ素化
200~250メッシュのふるいサイズの天然グラファイトフレークが真空(10-mmHg未満)で約2時間にわたって加熱されて、グラファイトに含まれる残留水分を除去した。反応器にフッ素ガスが導入され、フッ素圧を200mmHgに維持しながら375℃で120時間にわたって反応を進行させた。これは、米国特許第4,139,474号に開示されたWatanabeらによって提案された手順に基づいていた。得られた粉末生成物は黒色であった。生成物のフッ素含有量は以下のように測定された:生成物が酸素フラスコ燃焼法に従って燃焼され、フッ素がフッ化水素として水中に吸収された。フッ素イオン電極を採用することによってフッ素量が判定された。その結果、我々は、実験式(CF75を有するGF(試料5A)を得た。X線回折は、2θ=13.5度に主要な(002)ピークを示し、これは、6.25Åの面間間隔に相当する。グラファイトフッ化物粉末の一部が熱剥離されてグラファイトワームを形成し、これはエアジェットミリングされて膨張フッ化グラファイトフレークを得た。その後、これらのグラファイトフレークがポリアクリル酸(2%)水溶液に分散されて懸濁液を形成し、懸濁液は不織布シート上に噴霧されて、水を乾燥させた後に抗ウイルスろ過部材を形成した。
Example 18: Fluorination of Graphite to Produce Exfoliated and Expanded Graphite Fluoride Flakes 200-250 mesh sieve size natural graphite flakes were heated under vacuum (less than 10-2 mmHg) for about 2 hours to form graphite. The residual moisture contained in was removed. Fluorine gas was introduced into the reactor and the reaction was allowed to proceed at 375° C. for 120 hours while maintaining the fluorine pressure at 200 mmHg. This was based on the procedure proposed by Watanabe et al. disclosed in US Pat. No. 4,139,474. The powder product obtained was black in color. The fluorine content of the product was measured as follows: the product was combusted according to the oxygen flask combustion method and fluorine was absorbed in water as hydrogen fluoride. The fluorine content was determined by employing a fluoride ion electrode. As a result, we obtained a GF (Sample 5A ) with the empirical formula (CF 0.75 ) n . X-ray diffraction shows a major (002) peak at 2θ=13.5 degrees, which corresponds to an interplanar spacing of 6.25 Å. A portion of the graphite fluoride powder was thermally exfoliated to form graphite worms, which were air jet milled to obtain expanded graphite fluoride flakes. These graphite flakes were then dispersed in a polyacrylic acid (2%) aqueous solution to form a suspension, and the suspension was sprayed onto a nonwoven sheet to form an antiviral filtration member after drying the water. bottom.

実施例19:膨張グラファイトフッ化物フレークのハロゲン化
実施例4で得られた膨張フッ化グラファイト(CF68)の試料が、250℃、1気圧で、1,4-ジブロモ-2-ブテン(BrHC-CH=.CH――CHBr)の蒸気に3時間にわたって曝された。フッ素の3分の2がグラファイトフッ化物試料から失われたことがわかった。1,4-ジブロモ-2-ブテンは、グラファイトフッ化物と積極的に反応し、グラファイトフッ化物からフッ素を除去し、かつ、グラファイト格子内の炭素原子への結合を形成するものと推測される。得られた生成物は混合ハロゲン化グラファイトであり、おそらくグラファイトフッ化物とグラファイトブロマイドとの組み合わせである。その後、これらのハロゲン化グラファイトフレークがメルトブローPP布地のシートに塗装され、布地の外層と内層との間に積層されてフェイスマスクを形成した。

Example 19 Halogenation of Expanded Graphite Fluoride Flakes A sample of expanded graphite fluoride (CF 0.68 ) obtained in Example 4 was subjected to 1,4-dibromo-2-butene ( BrH 2 C—CH=.CH—CH 2 Br) vapor for 3 hours. It was found that two-thirds of the fluorine was lost from the graphite-fluoride sample. It is speculated that 1,4-dibromo-2-butene reacts positively with graphite fluoride, removing fluorine from the graphite fluoride and forming bonds to carbon atoms in the graphite lattice. The resulting product is a mixed graphite halide, possibly a combination of graphite fluoride and graphite bromide. These halogenated graphite flakes were then painted onto a sheet of meltblown PP fabric and laminated between the outer and inner layers of the fabric to form a face mask.

抗菌化合物は、アクリル酸、メタクリル酸、クエン酸、酸性ポリマー、銀有機ヨウ素抗菌剤、ヨウ素樹脂、シアル酸(例えば、環上にカルボン酸置換基を有する九炭素単糖)、カチオン基(例えば、布地又はグラフェンシートに結合された第四級アンモニウムカチオン炭化水素基)、スルホンアミド、フルオロキノロン又はそれらの組み合わせから選択された抗ウイルス又は抗菌化合物を備えてもよい。 Antimicrobial compounds include acrylic acid, methacrylic acid, citric acid, acidic polymers, silver organoiodine antimicrobial agents, iodine resins, sialic acids (e.g., nine-carbon monosaccharides with carboxylic acid substituents on the ring), cationic groups (e.g., quaternary ammonium cationic hydrocarbon groups attached to the fabric or graphene sheet), sulfonamides, fluoroquinolones or combinations thereof.

特定の実施形態では、開示されたろ過部材は、グラファイトフレークの表面に分布する抗菌化合物をさらに備える。抗菌化合物は、アクリル酸、メタクリル酸、クエン酸、酸性ポリマー、銀有機ヨウ素抗菌剤、ヨウ素樹脂、シアル酸、カチオン基、スルホンアミド、フルオロキノロン、ヒペリシン、クルクミン又はそれらの組み合わせから選択された抗ウイルス又は抗菌化合物を備えてもよい。 In certain embodiments, the disclosed filtration member further comprises an antimicrobial compound distributed on the surface of the graphite flakes. The antimicrobial compound is an antiviral selected from acrylic acid, methacrylic acid, citric acid, acidic polymers, silver organic iodine antimicrobial agents, iodine resins, sialic acids, cationic groups, sulfonamides, fluoroquinolones, hypericin, curcumin, or combinations thereof. Or it may comprise an antimicrobial compound.

ある実施形態では、ろ過部材の不織布はポリマー繊維を備え、抗菌化合物はポリマー繊維の表面に分布する。抗菌化合物は、アクリル酸、メタクリル酸、クエン酸、酸性ポリマー、銀有機ヨウ素抗菌剤、ヨウ素樹脂、シアル酸、カチオン基、スルホンアミド、フルオロキノロン、ヒペリシン、クルクミン又はそれらの組み合わせから選択される抗ウイルス又は抗細菌化合物を含んでもよい。 In some embodiments, the nonwoven of the filtration member comprises polymeric fibers and the antimicrobial compound is distributed on the surface of the polymeric fibers. The antimicrobial compound is an antiviral selected from acrylic acid, methacrylic acid, citric acid, acidic polymers, silver organic iodine antimicrobial agents, iodine resins, sialic acids, cationic groups, sulfonamides, fluoroquinolones, hypericin, curcumin, or combinations thereof. Or it may contain an anti-bacterial compound.

抗菌化合物は、アクリル酸、メタクリル酸、クエン酸、酸性ポリマー、銀有機ヨウ素抗菌剤、ヨウ素樹脂、シアル酸(例えば、環上にカルボン酸置換基を有する九炭素単糖)、カチオン基(例えば、織物又はグラファイトフレークに結合された第四級アンモニウムカチオン炭化水素基)、スルホンアミド、フルオロキノロン、ヒペリシン、クルクミン(高分子クルクミンを含む)又はそれらの組み合わせから選択された抗ウイルス又は抗菌化合物を備えてもよい。 Antimicrobial compounds include acrylic acid, methacrylic acid, citric acid, acidic polymers, silver organoiodine antimicrobial agents, iodine resins, sialic acids (e.g., nine-carbon monosaccharides with carboxylic acid substituents on the ring), cationic groups (e.g., quaternary ammonium cationic hydrocarbon groups attached to textiles or graphite flakes), sulfonamides, fluoroquinolones, hypericin, curcumin (including polymeric curcumin), or combinations thereof. good too.

特定の実施形態では、開示されたろ過部材は、グラファイトフレークの表面に分布する抗菌化合物をさらに備える。抗菌化合物は、アクリル酸、メタクリル酸、クエン酸、酸性ポリマー、銀有機ヨウ素抗菌剤、ヨウ素樹脂、シアル酸、カチオン基、スルホンアミド、フルオロキノロン、ヒペリシン、クルクミン又はそれらの組み合わせから選択された抗ウイルス又は抗菌化合物を備えてもよい。 In certain embodiments, the disclosed filtration member further comprises an antimicrobial compound distributed on the surface of the graphite flakes. The antimicrobial compound is an antiviral selected from acrylic acid, methacrylic acid, citric acid, acidic polymers, silver organic iodine antimicrobial agents, iodine resins, sialic acids, cationic groups, sulfonamides, fluoroquinolones, hypericin, curcumin, or combinations thereof. Or it may comprise an antimicrobial compound.

ある実施形態では、ろ過部材の不織布はポリマー繊維を備え、抗菌化合物がポリマー繊維の表面に分布する。抗菌化合物は、アクリル酸、メタクリル酸、クエン酸、酸性ポリマー、有機銀ヨウ素抗菌剤、ヨウ素樹脂、シアル酸、カチオン基、スルホンアミド、フルオロキノロン、ヒペリシン、クルクミン又はそれらの組み合わせから選択された抗ウイルス又は抗菌化合物を備えてもよい。 In some embodiments, the nonwoven fabric of the filtration member comprises polymer fibers and the antimicrobial compound is distributed on the surface of the polymer fibers. The antimicrobial compound is an antiviral selected from acrylic acid, methacrylic acid, citric acid, acidic polymers, organic silver iodine antimicrobial agents, iodine resins, sialic acid, cationic groups, sulfonamides, fluoroquinolones, hypericin, curcumin, or combinations thereof. Or it may comprise an antimicrobial compound.

グラフェン発泡体又はグラファイトフレークのグラフェンシート表面又は細孔壁グラフェン表面には抗ウイルス又は抗菌化合物が堆積されてもよい。この堆積は、グラフェンシート又は発泡体がグラフェン層に形成される前又は後に、若しくは、グラファイトフレークが層に形成される前又は後に行われてもよい。抗菌化合物は、アクリル酸、メタクリル酸、クエン酸、酸性ポリマー、銀有機ヨウ素抗菌剤、ヨウ素樹脂、シアル酸(例えば、環上にカルボン酸置換基を有する九炭素単糖)、カチオン基(例えば、布地又はグラフェンシートに結合された第四級アンモニウムカチオン炭化水素基)、スルホンアミド、フルオロキノロン、ヒペリシン、クルクミン(高分子クルクミンを含む)又はそれらの組み合わせから選択された抗ウイルス又は抗菌化合物を含んでもよい。 An antiviral or antimicrobial compound may be deposited on the graphene sheet surface or pore wall graphene surface of the graphene foam or graphite flakes. This deposition may occur before or after the graphene sheets or foams are formed into the graphene layer, or before or after the graphite flakes are formed into the layer. Antimicrobial compounds include acrylic acid, methacrylic acid, citric acid, acidic polymers, silver organoiodine antimicrobial agents, iodine resins, sialic acids (e.g., nine-carbon monosaccharides with carboxylic acid substituents on the ring), cationic groups (e.g., quaternary ammonium cationic hydrocarbon groups attached to fabric or graphene sheets), sulfonamides, fluoroquinolones, hypericin, curcumin (including polymeric curcumin), or combinations thereof. good.

Claims (82)

顔、口及び鼻を有する着用者による使用のためのフェイスマスクであって、前記フェイスマスクは、
a)少なくとも前記着用者の口及び鼻を覆うように構成されたマスク本体であって、前記着用者に面する内側を有するマスク本体と、
b)前記着用者の顔の所定の位置に前記マスクを保持するための留め具であって、前記マスク本体に係合する部分、及び、前記着用者に係合する部分を含む留め具と、を備え、
前記マスク本体は、(i)空気透過性外層と、(ii)前記マスク本体の内側に配置される内層と、(iii)前記マスク本体に配置されたグラフェン層と、を備え、
前記グラフェン層は、複数の別個の単層又は数層のグラフェンシートを備え、前記グラフェンシートは、元の状態のグラフェン、酸化グラフェン、還元酸化グラフェン、フッ化グラフェン、塩化グラフェン、臭化グラフェン、ヨウ化グラフェン、水素化グラフェン、窒素化グラフェン、ドープグラフェン、化学官能化グラフェン又はそれらの組み合わせから選択され、前記留め具は、前記着用者に前記マスク本体を接続する、フェイスマスク。
A face mask for use by a wearer having a face, mouth and nose, said face mask comprising:
a) a mask body configured to cover at least the mouth and nose of the wearer, the mask body having an inner side facing the wearer;
b) a fastener for holding the mask in place on the wearer's face, the fastener including a portion that engages the mask body and a portion that engages the wearer; with
the mask body comprises (i) an air permeable outer layer, (ii) an inner layer disposed inside the mask body, and (iii) a graphene layer disposed on the mask body;
The graphene layer comprises a plurality of separate monolayer or few-layer graphene sheets, and the graphene sheets include pristine graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, iodine A face mask selected from hydrogenated graphene, hydrogenated graphene, nitrided graphene, doped graphene, chemically functionalized graphene, or combinations thereof, wherein the fastener connects the mask body to the wearer.
前記グラフェン層は前記外層と前記内層との間に配置される、請求項1に記載のフェイスマスク。 2. The face mask of claim 1, wherein said graphene layer is disposed between said outer layer and said inner layer. 前記グラフェン層は前記外層に埋め込まれる、請求項1に記載のフェイスマスク。 2. The face mask of claim 1, wherein said graphene layer is embedded in said outer layer. 前記グラフェン層は前記内層に埋め込まれる、請求項1に記載のフェイスマスク。 2. The face mask of claim 1, wherein said graphene layer is embedded in said inner layer. 前記グラフェンシートは、前記マスク本体の表面に化学的に結合される、請求項1に記載のフェイスマスク。 2. The face mask of Claim 1, wherein the graphene sheet is chemically bonded to the surface of the mask body. 前記グラフェンシートは、接着剤又は結合剤を使用して前記マスク本体の表面に化学的に結合される、請求項1に記載のフェイスマスク。 2. The face mask of claim 1, wherein said graphene sheets are chemically bonded to the surface of said mask body using an adhesive or bonding agent. 前記グラフェン層は、0.005~1.7g/cmの密度及び10~3200m/gの比表面積を有する、請求項1に記載のフェイスマスク。 The face mask according to claim 1, wherein the graphene layer has a density of 0.005-1.7 g/cm 3 and a specific surface area of 10-3200 m 2 /g. 前記グラフェン層は、50~3000m/gの比表面積又は0.1~1.2g/cmの密度を有する、請求項1に記載のフェイスマスク。 The face mask according to claim 1, wherein said graphene layer has a specific surface area of 50-3000 m 2 /g or a density of 0.1-1.2 g/cm 3 . 前記ゲラフェン層は別個の層である、請求項1に記載のフェイスマスク。 2. The face mask of claim 1, wherein said geraphen layer is a separate layer. 前記外層又は前記内層のうちの少なくとも一方は、ポリマー繊維又はガラス繊維の織布構造又は不織布構造を備える、請求項1に記載のフェイスマスク。 2. The face mask of claim 1, wherein at least one of the outer layer or the inner layer comprises a woven or non-woven construction of polymer fibers or glass fibers. 前記留め具は、前記マスク本体の両側から延び、かつ、前記着用者の1以上の耳の周りに引っ掛けられるように構成された1対の耳ストラップを備える、請求項1に記載のフェイスマスク。 3. The face mask of claim 1, wherein the fasteners comprise a pair of ear straps extending from opposite sides of the mask body and configured to hook around one or more ears of the wearer. 前記留め具は、前記着用者の頭の周りに引っ掛けられる弾性ストラップを備える、請求項1に記載のフェイスマスク。 2. The face mask of Claim 1, wherein the fastener comprises an elastic strap that hooks around the wearer's head. 前記外層又は前記内層のうちの少なくとも一方は、綿、セルロース、羊毛、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリアミド、レーヨン、ポリアクリロニトリル、酢酸セルロース、ポリスチレン、ポリビニル、ポリ(カルボン酸)、生分解性ポリマー、水溶性ポリマー、それらのコポリマー及びそれらの組み合わせの群から選択されるポリマー繊維を含む、請求項1に記載のフェイスマスク。 At least one of the outer layer or the inner layer is cotton, cellulose, wool, polyolefin, polyester, polyamide, rayon, polyacrylonitrile, cellulose acetate, polystyrene, polyvinyl, poly(carboxylic acid), biodegradable polymer, water-soluble polymer. , copolymers thereof and combinations thereof. 前記グラフェンシートは、前記グラフェンシートの総重量に基づいて5重量%~50重量%の酸素含有量を有する、請求項1に記載のフェイスマスク。 2. The face mask of claim 1, wherein said graphene sheets have an oxygen content of 5% to 50% by weight based on the total weight of said graphene sheets. 前記マスク本体は抗菌化合物をさらに含む、請求項1に記載のフェイスマスク。 2. The face mask of Claim 1, wherein the mask body further comprises an antimicrobial compound. 前記マスク本体は、前記グラフェンシートの表面上に分布する抗菌化合物をさらに備え、かつ、前記グラフェンシートは、50~2630m/gの比表面積を有する、請求項1に記載のフェイスマスク。 The face mask according to claim 1, wherein the mask body further comprises an antimicrobial compound distributed on the surface of the graphene sheets, and the graphene sheets have a specific surface area of 50-2630 m 2 /g. 前記抗菌化合物は、アクリル酸、メタクリル酸、クエン酸、酸性ポリマー、銀有機イジン抗菌剤、ヨウ素樹脂、シアル酸、カチオン基、スルホンアミド、フルオロキノロン又はそれらの組み合わせから選択された抗ウイルス又は抗菌化合物を含む、請求項16に記載のフェイスマスク。 The antimicrobial compound is an antiviral or antimicrobial compound selected from acrylic acid, methacrylic acid, citric acid, acidic polymers, silver organoidine antimicrobial agents, iodine resins, sialic acid, cationic groups, sulfonamides, fluoroquinolones, or combinations thereof. 17. The face mask of claim 16, comprising: 請求項1に記載のフェイスマスクに使用するためのろ過材料であって、前記ろ過材料は、2つの主表面を有する織布又は不織布の層と、前記2つの主表面のうちの少なくとも一方に堆積された又は前記織布若しくは不織布の層に埋め込まれたグラフェン層と、を備える、ろ過材料。 2. A filtration material for use in the face mask of claim 1, wherein said filtration material comprises a layer of woven or non-woven fabric having two major surfaces and deposited on at least one of said two major surfaces. and a graphene layer embedded in or embedded in said woven or non-woven layer. 前記グラフェン層は、元の状態のグラフェン、酸化グラフェン、還元酸化グラフェン、フッ化グラフェン、塩化グラフェン、臭化グラフェン、ヨウ化グラフェン、水素化グラフェン、窒素化グラフェン、ドープグラフェン、化学官能化グラフェン又はそれらの組み合わせから選択された複数の別個の単層又は数層のグラフェンシートを備える、請求項18に記載のろ過材料。 The graphene layer may be pristine graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, graphene hydride, graphene nitride, doped graphene, graphene chemically functionalized, or 19. The filtration material of claim 18, comprising a plurality of discrete single or few layers of graphene sheets selected from a combination of: 前記グラフェンシートは、接着剤又は結合剤を使用して又は使用せずに、前記主表面のうちの少なくとも一方に化学的に結合される、請求項19に記載のろ過材料。 20. The filtration material of claim 19, wherein said graphene sheets are chemically bonded to at least one of said major surfaces with or without the use of adhesives or bonding agents. 前記グラフェン層は、0.005~1.7g/cmの密度、及び、10~3200m/gの比表面積を有する、請求項19に記載のろ過材料。 20. The filtration material according to claim 19, wherein the graphene layer has a density of 0.005-1.7 g/cm 3 and a specific surface area of 10-3200 m 2 /g. 前記グラフェン層は、50~3000m/gの比表面積又は0.1~1.2g/cmの密度を有する、請求項19に記載のろ過材料。 20. The filtration material of claim 19, wherein the graphene layer has a specific surface area of 50-3000 m 2 /g or a density of 0.1-1.2 g/cm 3 . ろ過部材として請求項18に記載の前記ろ過材料を備えるろ過装置。 A filtering device comprising the filtering material according to claim 18 as a filtering member. 浄水装置、空気清浄装置、溶媒除去装置又は油回収装置である、請求項23に記載のろ過装置。 24. The filtration device of claim 23, which is a water purification device, an air cleaning device, a solvent removal device or an oil recovery device. 請求項18に記載の前記ろ過材料を製造するためのプロセスであって、前記プロセスは、(a)2つの主表面を有する織布又は不織布の層を用意するステップと、(b)前記2つの主表面のうちの少なくとも一方にグラフェン層を堆積させるステップと、を含む、プロセス。 19. A process for manufacturing the filtration material of claim 18, the process comprising the steps of: (a) providing a layer of woven or non-woven fabric having two major surfaces; depositing a graphene layer on at least one of the major surfaces. (b)は、接着剤を使用して又は使用しないで、気体媒体中に別個のグラフェンシートを分散させて流動流体を形成するステップと、前記2つの主表面のうちの少なくとも一方に前記流動流体を衝突させて、前記少なくとも一方の主表面に前記グラフェンシートが付着することを可能にするステップと、の手順を含む、請求項25に記載のプロセス。 (b) dispersing discrete graphene sheets in a gaseous medium with or without an adhesive to form a flowing fluid; and allowing the graphene sheets to adhere to the at least one major surface. (b)は、接着剤を使用して又は使用しないで、液体媒体中に別個のグラフェンシートを分散させてスラリーを形成するステップと、前記2つの主表面のうちの少なくとも一方に前記スラリーを堆積させて湿ったグラフェン層を形成するステップと、前記湿ったグラフェン層から前記液体媒体を除去又は乾燥させて前記グラフェン層を形成するステップと、の手順を含む、請求項25に記載のプロセス。 (b) dispersing discrete graphene sheets in a liquid medium with or without an adhesive to form a slurry; and depositing said slurry on at least one of said two major surfaces. 26. The process of claim 25, comprising the steps of: allowing to form a wet graphene layer; and removing or drying the liquid medium from the wet graphene layer to form the graphene layer. 前記堆積させるステップは、キャスティング、コーティング、噴霧、印刷、ブラッシング、塗装又はそれらの組み合わせから選択される手順を含む、請求項27に記載のプロセス。 28. The process of Claim 27, wherein said depositing step comprises a procedure selected from casting, coating, spraying, printing, brushing, painting or combinations thereof. ロールツーロールのプロセスであり、(a)は、(i)織布又は不織布のロールを用意するステップと、(ii)連続した長さの前記布地のシートを(ローラ又はリールに装着された)前記ロールから堆積領域内に連続的に供給するステップと、(iii)前記2つの主表面のうちの少なくとも一方にグラフェン層を堆積させて、グラフェン層でコーティングされた布地を形成するステップと、(iv)前記グラフェン層でコーティングされた布地を巻き取りローラ上に回収するステップと、を含む、請求項25に記載のプロセス。 It is a roll-to-roll process comprising the steps of (a) (i) providing a roll of woven or non-woven fabric; and (ii) continuous lengths of sheets of said fabric (mounted on rollers or reels). (iii) depositing a graphene layer on at least one of the two major surfaces to form a graphene layer coated fabric; 26. The process of claim 25, comprising iv) collecting the graphene layer coated fabric on a take-up roller. 前記フェイスマスクを形成するための留め具が取り付けられたマスク本体に前記ろ過材料を組み込むステップをさらに含む、請求項25に記載のプロセス。 26. The process of claim 25, further comprising incorporating the filtering material into a mask body fitted with fasteners to form the face mask. 顔、口及び鼻を有する着用者によって使用されるためのフェイスマスクであって、前記フェイスマスクは、
(c)少なくとも着用者の口及び鼻を覆うように構成されたマスク本体と、
(d)前記着用者の顔の所定の位置に前記マスクを保持するための留め具であって、前記マスク本体に係合する部分、及び、前記着用者に係合する部分を含む留め具と、を備え、
前記マスク本体は、(i)空気透過性外層と、(ii)前記マスク本体の内側に配置された内層と、(iii)前記マスク本体内に配置されるグラフェン発泡体の層と、を備え、前記留め具は前記着用者に前記マスク本体を接続する、フェイスマスク。
A face mask for use by a wearer having a face, mouth and nose, said face mask comprising:
(c) a mask body configured to cover at least the wearer's mouth and nose;
(d) a fastener for holding the mask in place on the wearer's face, the fastener including a portion that engages the mask body and a portion that engages the wearer; , and
the mask body comprises (i) an air permeable outer layer, (ii) an inner layer disposed inside the mask body, and (iii) a layer of graphene foam disposed within the mask body; A face mask, wherein the fastener connects the mask body to the wearer.
前記グラフェン発泡体層は前記外層と前記内層との間に配置される、請求項31に記載のフェイスマスク。 32. The face mask of Claim 31, wherein said graphene foam layer is disposed between said outer layer and said inner layer. 前記グラフェン発泡体層は前記外層に埋め込まれる、請求項31に記載のフェイスマスク。 32. The face mask of claim 31, wherein said graphene foam layer is embedded in said outer layer. 前記グラフェン発泡体層は前記内層に埋め込まれる、請求項31に記載のフェイスマスク。 32. The face mask of claim 31, wherein said graphene foam layer is embedded in said inner layer. 前記グラフェン発泡体の層は、元の状態のグラフェン、酸化グラフェン、還元酸化グラフェン、フッ化グラフェン、塩化グラフェン、臭化グラフェン、ヨウ化グラフェン、水素化グラフェン、窒素化グラフェン、ドープグラフェン、化学官能化グラフェン又はそれらの組み合わせから選択されるグラフェン材料を含む、請求項31に記載のフェイスマスク。 The graphene foam layers include pristine graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, graphene hydride, graphene nitride, doped graphene, and chemically functionalized. 32. The face mask of claim 31, comprising a graphene material selected from graphene or combinations thereof. 前記グラフェン発泡体層は、接着剤又は結合剤を使用して前記マスク本体の表面に化学的に結合される、請求項31に記載のフェイスマスク。 32. The face mask of Claim 31, wherein the graphene foam layer is chemically bonded to the surface of the mask body using an adhesive or bonding agent. 前記グラフェン発泡体層は、0.005~1.0g/cmの密度又は40~2600m/gの比表面積を有する、請求項31に記載のフェイスマスク。 32. The face mask according to claim 31, wherein said graphene foam layer has a density of 0.005-1.0 g/cm 3 or a specific surface area of 40-2600 m 2 /g. 前記グラフェン発泡体層は、200~2000m/gの比表面積又は0.01~0.5g/cmの密度を有する、請求項31に記載のフェイスマスク。 32. The face mask according to claim 31, wherein said graphene foam layer has a specific surface area of 200-2000 m 2 /g or a density of 0.01-0.5 g/cm 3 . 前記グラフェン発泡体層は別個の層である、請求項31に記載のフェイスマスク。 32. The face mask of claim 31, wherein said graphene foam layer is a separate layer. 前記外層又は前記内層のうちの少なくとも一方は、ポリマー繊維又はガラス繊維の織布構造又は不織布構造を備える、請求項31に記載のフェイスマスク。 32. The face mask of claim 31, wherein at least one of the outer layer or the inner layer comprises a woven or non-woven construction of polymer fibers or glass fibers. 前記留め具は、前記マスク本体の両側から延在し、かつ、着用者の耳の周りに引っ掛けられるように構成された1対の耳ストラップを備える、又は、着用者の頭の周りに引っ掛けられる弾性ストラップを備える、請求項31に記載のフェイスマスク。 The fasteners comprise a pair of ear straps extending from opposite sides of the mask body and configured to hook around the wearer's ears, or hook around the wearer's head. 32. The face mask of claim 31, comprising elastic straps. 前記外層又は前記内層は、綿、セルロース、羊毛、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリアミド、レーヨン、ポリアクリロニトリル、酢酸セルロース、ポリスチレン、ポリビニル、ポリ(カルボン酸)、生分解性ポリマー、水溶性ポリマー、それらのコポリマー及びそれらの組み合わせの群から選択されるポリマー繊維を備える、請求項31に記載のフェイスマスク。 The outer layer or the inner layer may be made of cotton, cellulose, wool, polyolefin, polyester, polyamide, rayon, polyacrylonitrile, cellulose acetate, polystyrene, polyvinyl, poly(carboxylic acid), biodegradable polymers, water-soluble polymers, copolymers thereof and 32. The face mask of claim 31, comprising polymeric fibers selected from the group of combinations thereof. 前記グラフェン発泡体層は、前記グラフェンシートの総重量に基づいて5重量%~50重量%の酸素含有量を有する、請求項31に記載のフェイスマスク。 32. The face mask of claim 31, wherein said graphene foam layer has an oxygen content of 5% to 50% by weight based on the total weight of said graphene sheet. 前記マスク本体は抗菌化合物をさらに備える、請求項31に記載のフェイスマスク。 32. The face mask of claim 31, wherein said mask body further comprises an antimicrobial compound. 前記マスク本体は、前記グラフェン発泡体層の細孔壁表面に分布した抗菌化合物をさらに備える、請求項31に記載のフェイスマスク。 32. The face mask of claim 31, wherein the mask body further comprises an antimicrobial compound distributed on pore wall surfaces of the graphene foam layer. 前記抗菌化合物は、アクリル酸、メタクリル酸、クエン酸、酸性ポリマー、銀有機イジン抗菌剤、ヨウ素樹脂、シアル酸、カチオン基、スルホンアミド、フルオロキノロン又はそれらの組み合わせから選択された抗ウイルス又は抗菌化合物を含む、請求項45に記載のフェイスマスク。 The antimicrobial compound is an antiviral or antimicrobial compound selected from acrylic acid, methacrylic acid, citric acid, acidic polymers, silver organoidine antimicrobial agents, iodine resins, sialic acid, cationic groups, sulfonamides, fluoroquinolones, or combinations thereof. 46. The face mask of claim 45, comprising: 請求項31に記載のフェイスマスクに使用するためのろ過部材であって、前記ろ過部材は、2つの主表面を有する織布又は不織布の層と、前記2つの主表面のうちの少なくとも一方に堆積された又は前記織布若しくは不織布の層に埋め込まれたグラフェン発泡体の層と、を備える、ろ過部材。 32. A filtering member for use in a face mask according to claim 31, said filtering member comprising a layer of woven or non-woven fabric having two major surfaces and a layer of fabric deposited on at least one of said two major surfaces. and a layer of graphene foam embedded in or embedded in said woven or non-woven layer. 前記グラフェン発泡体層は、接着剤又は結合剤を使用して、前記主表面のうちの少なくとも一方に化学的に結合される、請求項47に記載のろ過部材。 48. The filtration member of claim 47, wherein said graphene foam layer is chemically bonded to at least one of said major surfaces using an adhesive or bonding agent. 前記グラフェン発泡体層は、0.005~1.0g/cmの密度又は40~2600m/gの比表面積を有する、請求項47に記載のろ過部材。 48. The filtration member according to claim 47, wherein the graphene foam layer has a density of 0.005-1.0 g/cm 3 or a specific surface area of 40-2600 m 2 /g. 前記グラフェン発泡体層は、200~2000m/gの比表面積又は0.01~0.5g/cmの密度を有する、請求項47に記載のろ過部材。 48. The filtration member of claim 47, wherein the graphene foam layer has a specific surface area of 200-2000 m 2 /g or a density of 0.01-0.5 g/cm 3 . ろ過部材として請求項37に記載の前記ろ過部材を備えるろ過装置。 38. A filtering device comprising the filtering member according to claim 37 as a filtering member. 浄水装置、空気清浄装置、溶媒除去装置又は油回収装置である、請求項51に記載のろ過装置。 52. The filtration device of claim 51, which is a water purification device, an air cleaning device, a solvent removal device or an oil recovery device. ろ過装置で使用されるためのろ過部材であって、前記ろ過部材は、2つの主表面を有する空気透過性膜の層と、前記2つの主表面のうちの少なくとも一方に堆積された又は前記空気透過性膜の層に埋め込まれた化学官能化されたグラファイトフレークの層と、を備え、前記グラファイトフレークは、O、N、H、F、Cl、Br、I又はそれらの組み合わせから選択される非炭素元素を1重量%~50重量%含有する化学官能基を含む、ろ過部材。 A filtration member for use in a filtration device, said filtration member comprising a layer of an air permeable membrane having two major surfaces and a layer of air permeable membrane deposited on at least one of said two major surfaces or said air a layer of chemically functionalized graphite flakes embedded in the layer of permeable membrane, said graphite flakes being a non-hydrogen selected from O, N, H, F, Cl, Br, I or combinations thereof. A filtration member comprising chemical functional groups containing 1% to 50% by weight of elemental carbon. 前記空気透過性膜は、織布又は不織布のシート、多孔性ポリマー膜、連続気泡発泡片、通気性を有する紙のシート又はそれらの組み合わせから選択される、請求項53に記載のろ過部材。 54. The filtration member of claim 53, wherein the air permeable membrane is selected from a woven or nonwoven sheet, a porous polymer membrane, an open cell foam strip, a breathable paper sheet, or combinations thereof. 前記グラファイトフレークの層は、接着剤又は結合剤を使用して、前記主表面のうちの少なくとも一方に化学的に結合される、請求項53に記載のろ過部材。 54. The filtration member of claim 53, wherein the layer of graphite flakes is chemically bonded to at least one of the major surfaces using an adhesive or bonding agent. 前記グラファイトフレークの層は、10~500m/gの比表面積を有する、請求項53に記載のろ過部材。 54. A filtration member according to claim 53, wherein the layer of graphite flakes has a specific surface area of 10-500 m 2 /g. 前記不織布は、綿、セルロース、羊毛、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリアミド、レーヨン、ポリアクリロニトリル、酢酸セルロース、ポリスチレン、ポリビニル、ポリ(カルボン酸)、生分解性ポリマー、水溶性ポリマー、それらのコポリマー及びそれらの組み合わせの群から選択されるポリマー繊維を含む、請求項54に記載のろ過部材。 Said nonwovens are made of cotton, cellulose, wool, polyolefins, polyesters, polyamides, rayon, polyacrylonitrile, cellulose acetate, polystyrene, polyvinyl, poly(carboxylic acid), biodegradable polymers, water-soluble polymers, copolymers thereof and combinations thereof. 55. The filtration member of claim 54, comprising polymeric fibers selected from the group of 前記グラファイトフレークの表面に分布した抗菌化合物をさらに備える、請求項53に記載のろ過部材。 54. The filtering member of claim 53, further comprising an antimicrobial compound distributed on the surface of said graphite flakes. 前記不織布は、ポリマー繊維と、前記ポリマー繊維の表面に分布した抗菌化合物と、を備える、請求項54に記載のろ過部材。 55. The filtration member of claim 54, wherein said nonwoven fabric comprises polymer fibers and an antimicrobial compound distributed on the surface of said polymer fibers. 前記抗菌化合物は、アクリル酸、メタクリル酸、クエン酸、酸性ポリマー、銀有機イジン抗菌剤、ヨウ素樹脂、シアル酸、カチオン基、スルホンアミド、フルオロキノロン、ヒペリシン、クルクミン又はそれらの組み合わせから選択された抗ウイルス又は抗菌化合物を含む、請求項58に記載のろ過部材。 The antimicrobial compound is an antimicrobial selected from acrylic acid, methacrylic acid, citric acid, acidic polymers, silver organoidine antimicrobial agents, iodine resins, sialic acids, cationic groups, sulfonamides, fluoroquinolones, hypericin, curcumin, or combinations thereof. 59. The filtering member of claim 58, comprising a virus or antimicrobial compound. 前記抗菌化合物は、アクリル酸、メタクリル酸、クエン酸、酸性ポリマー、銀有機イジン抗菌剤、ヨウ素樹脂、シアル酸、カチオン基、スルホンアミド、フルオロキノロン、ヒペリシン、クルクミン又はそれらの組み合わせから選択された抗ウイルス又は抗菌化合物を含む、請求項59に記載のろ過部材。 The antimicrobial compound is an antimicrobial selected from acrylic acid, methacrylic acid, citric acid, acidic polymers, silver organoidine antimicrobial agents, iodine resins, sialic acids, cationic groups, sulfonamides, fluoroquinolones, hypericin, curcumin, or combinations thereof. 60. The filtering member of claim 59, comprising a virus or antimicrobial compound. 請求項53に記載の前記ろ過部材を備えるろ過装置。 54. A filtering device comprising the filtering member of claim 53. 浄水装置、空気清浄装置、溶媒除去装置又は油回収装置である、請求項62に記載のろ過装置。 63. The filtration device of claim 62, which is a water purification device, an air cleaning device, a solvent removal device or an oil recovery device. フェイスマスクである、請求項62に記載のろ過装置。 63. The filtering device of claim 62, which is a face mask. 顔、口及び鼻を有する着用者によって使用されるためのフェイスマスクであって、前記フェイスマスクは、
(e)少なくとも着用者の口及び鼻を覆うように構成されたマスク本体と、
(f)前記着用者の顔の所定の位置に前記マスクを保持するための留め具であって、前記マスク本体に係合する部分、及び、前記着用者に係合する部分を含む留め具と、を備え、
前記マスク本体は、(i)空気透過性外層と、(ii)前記マスク本体の内側に配置された内層と、(iii)前記マスク本体内に配置される請求項1に記載の前記ろ過部材と、を備える、フェイスマスク。
A face mask for use by a wearer having a face, mouth and nose, said face mask comprising:
(e) a mask body configured to cover at least the wearer's mouth and nose;
(f) a fastener for holding the mask in place on the wearer's face, the fastener including a portion that engages the mask body and a portion that engages the wearer; , and
3. The mask body comprises: (i) an air permeable outer layer; (ii) an inner layer disposed inside the mask body; and (iii) the filtration member of claim 1 disposed within the mask body. A face mask comprising:
前記ろ過部材は前記外層と前記内層との間に配置される、請求項65に記載のフェイスマスク。 66. The face mask of claim 65, wherein said filtering member is positioned between said outer layer and said inner layer. 前記ろ過部材は前記外層に埋め込まれる、請求項65に記載のフェイスマスク。 66. The face mask of claim 65, wherein said filtering member is embedded in said outer layer. 前記ろ過部材は前記内層に埋め込まれる、請求項65に記載のフェイスマスク。 66. The face mask of claim 65, wherein said filtering member is embedded in said inner layer. 前記留め具は、前記マスク本体の両側から延在し、かつ、着用者の耳の周りに引っ掛けられるように構成された1対の耳ストラップを備える、又は、着用者の頭の周りに引っ掛けられる弾性ストラップを備える、請求項65に記載のフェイスマスク。 The fasteners comprise a pair of ear straps extending from opposite sides of the mask body and configured to hook around the wearer's ears, or hook around the wearer's head. 66. The face mask of claim 65, comprising elastic straps. 顔、口及び鼻を有する着用者によって使用されるためのフェイスマスクであって、前記フェイスマスクは、
A)少なくとも着用者の口及び鼻を覆うように構成されるマスク本体と、
B)前記着用者の顔の所定の位置に前記マスクを保持するための留め具であって、前記マスク本体に係合する部分、及び、前記着用者に係合する部分を含む留め具と、を備え、
前記マスク本体は、(i)空気透過性外層と、(ii)前記マスク本体の内側に配置される内層と、(iii)前記マスク本体に配置される化学的に官能化されたグラファイトフレークの層と、を備え、前記グラファイトフレークは、O、N、H、F、Cl、Br、I又はそれらの組み合わせから選択される非炭素元素を1重量%~50重量%含有する化学官能基を含む、フェイスマスク。
A face mask for use by a wearer having a face, mouth and nose, said face mask comprising:
A) a mask body configured to cover at least the wearer's mouth and nose;
B) a fastener for holding the mask in place on the wearer's face, the fastener including a portion that engages the mask body and a portion that engages the wearer; with
The mask body comprises (i) an air permeable outer layer, (ii) an inner layer disposed inside the mask body, and (iii) a layer of chemically functionalized graphite flakes disposed on the mask body. and wherein the graphite flakes comprise chemical functional groups containing 1% to 50% by weight of non-carbon elements selected from O, N, H, F, Cl, Br, I, or combinations thereof; face mask.
前記ろ過部材は前記外層及び前記内層の間に配置される、請求項70に記載のフェイスマスク。 71. The face mask of claim 70, wherein said filtering member is positioned between said outer layer and said inner layer. 前記ろ過部材は前記外層に埋め込まれる、請求項70に記載のフェイスマスク。 71. The face mask of claim 70, wherein said filtering member is embedded in said outer layer. 前記ろ過部材は前記内層に埋め込まれる、請求項70に記載のフェイスマスク。 71. The face mask of claim 70, wherein said filtering member is embedded in said inner layer. 抗菌剤として化学官能化されたグラファイトフレークを備えるフェイスマスクであって、前記グラファイトフレークは、O、N、H、F、Cl、Br、I又はそれらの組み合わせから選択される非炭素元素を1重量%~50重量%含有する化学官能基を含む、フェイスマスク。 A face mask comprising graphite flakes chemically functionalized as an antimicrobial agent, said graphite flakes containing 1 weight of a non-carbon element selected from O, N, H, F, Cl, Br, I or combinations thereof. A face mask comprising chemical functional groups containing % to 50% by weight. 前記化学官能化されたグラファイトフレークの層は、接着剤又は結合剤を使用して、前記外層の表面又は前記内層の表面に化学的に結合される、請求項70に記載のフェイスマスク。 71. The face mask of claim 70, wherein the layer of chemically functionalized graphite flakes is chemically bonded to the surface of the outer layer or the surface of the inner layer using an adhesive or bonding agent. 前記化学官能化されたグラファイトフレークの層は、10~500m/gの比表面積を有する、請求項70に記載のフェイスマスク。 71. A face mask according to claim 70, wherein the layer of chemically functionalized graphite flakes has a specific surface area of 10-500 m 2 /g. 前記外層又は前記内層は、ポリマー繊維又はガラス繊維の織布構造又は不織布構造、多孔性ポリマー膜、通気性を有する紙のシート又はそれらの組み合わせを備える、請求項70に記載のフェイスマスク。 71. The face mask of claim 70, wherein the outer layer or the inner layer comprises a woven or non-woven structure of polymeric or glass fibers, a porous polymeric membrane, a breathable sheet of paper, or a combination thereof. 前記留め具は、前記マスク本体の両側から延在し、かつ、着用者の耳の周りに引っ掛けられるように構成された1対の耳ストラップを備える、又は、着用者の頭の周りに引っ掛けられる弾性ストラップを備える、請求項70に記載のフェイスマスク。 The fasteners comprise a pair of ear straps extending from opposite sides of the mask body and configured to hook around the wearer's ears or hook around the wearer's head. 71. The face mask of claim 70, comprising elastic straps. 前記外層又は前記内層は、綿、セルロース、羊毛、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリアミド、レーヨン、ポリアクリロニトリル、酢酸セルロース、ポリスチレン、ポリビニル、ポリ(カルボン酸)、生分解性ポリマー、水溶性ポリマー、それらのコポリマー及びそれらの組み合わせの群から選択されるポリマー繊維を備える、請求項70に記載のフェイスマスク。 The outer layer or the inner layer may be made of cotton, cellulose, wool, polyolefin, polyester, polyamide, rayon, polyacrylonitrile, cellulose acetate, polystyrene, polyvinyl, poly(carboxylic acid), biodegradable polymers, water-soluble polymers, copolymers thereof and 71. The face mask of claim 70, comprising polymeric fibers selected from the group of combinations thereof. 前記マスク本体は抗菌化合物をさらに備える、請求項70に記載のフェイスマスク。 71. The face mask of claim 70, wherein said mask body further comprises an antimicrobial compound. 前記マスク本体は、前記グラファイトフレークの表面に分布した抗菌化合物を備える、請求項70に記載のフェイスマスク。 71. The face mask of claim 70, wherein said mask body comprises an antimicrobial compound distributed on the surface of said graphite flakes. 前記抗菌化合物は、アクリル酸、メタクリル酸、クエン酸、酸性ポリマー、銀有機イジン抗菌剤、ヨウ素樹脂、シアル酸、カチオン基、スルホンアミド、フルオロキノロン、ヒペリシン、クルクミン又はそれらの組み合わせから選択された抗ウイルス又は抗菌化合物を含む、請求項70に記載のフェイスマスク。

The antimicrobial compound is an antimicrobial selected from acrylic acid, methacrylic acid, citric acid, acidic polymers, silver organoidine antimicrobial agents, iodine resins, sialic acids, cationic groups, sulfonamides, fluoroquinolones, hypericin, curcumin, or combinations thereof. 71. The face mask of Claim 70, comprising a virus or antimicrobial compound.

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