JP6757792B2 - グラフェン又は酸化グラフェンを有する建材製品 - Google Patents

Description

本発明は、建材製品、特に建材ボードに関する。特に、本発明は、好ましくは単分子層厚みの六角形ハニカム構造を有する材料を備える建材製品及び建材ボードに関する。

従来技術において、建材ボード、仕切壁ボード、床スクリード、プラスター又はフィラーのような建材製品が知られている。

これら全ての製品は、機械的負荷及び／又は熱負荷に関して所定の強度を有している必要がある。特定の製品にこれらの特性を付与するための種々の可能な方法がある。最も簡単な方法は、所望の特性に相当するように、この製品の製造のための基材を選択することである。しかし、製品に複数の特性の組み合わせが望まれる場合、基材の適切な選択では、多くの場合、不十分となる。この場合、最も広い意味の機能材料が使用される。

グラフェンやシリセンのような単分子層厚みを有する二次元ネットワークを備える材料は、材料科学の市場において比較的新しい材料である。これらは、本発明の範囲内で使用されることが意図される、顕著な、機械的、化学的及び電気的特性を有する。

グラフェンは、グラファイトの基本構造を形成する材料である。グラファイトは、グラフェンが互いに規則正しく又は不規則に積み重なった層を備え、該層は、比較的弱いファンデルワールス力により、集合層において結合している。グラファイトの機械的特性は、ファンデルワールス力により結合した集合層により支配されている。ファンデルワールス力により互いに結合した層は、剪断により比較的容易に、より小さい集合層に分裂され得る。この特性は、例えば、書くための鉛筆の芯としてのグラファイトの使用を可能にする。

これに対して、グラフェンは、単分子層からなり且つグラファイトの場合のような集合層ではないため、グラフェンにはファンデルワールス力が存在しない。理想的に構成されたグラフェンには、六角形の基本構造が存在し、この構造では、非局在化した共有二重結合により、六つのＣ原子それぞれが互いに結合してハニカム構造を形成している。これらのＣ原子二つの間の結合エネルギーは、自然界において知られている中で最も強力であり、およそ５．９ｅＶに達する。これにより、グラファイトと比較して、この材料のより一層優れた機械的安定性が説明される。すなわち、グラフェンは、鋼よりも優れた引き裂き抵抗を有することが示されている。

酸化グラフェンは、グラフェンの特性と同様に良好な機械的特性を有する。基本構造は、グラフェンと類似しており、すなわち、酸化グラフェンは、六角形ハニカム構造の単分子層を含むが、グラフェンと比較してよりはっきりした波形構造を有する。酸化グラフェンは、水溶性であり、水によりコロイド分散体を形成し、紙状フィルムの製造及びコーティング剤としての使用に、非常に良く適合する。

用語「グラフェン」及び「酸化グラフェン」は、これらの材料から直接誘導される機能化された化合物の修飾体／誘導体として意味すると理解されもする。

本発明の範囲内において、グラフェン及び酸化グラフェンの用語は、その純粋な物質だけでなく、混合物、特に、グラファイトとグラフェン及び／又は酸化グラフェンとの混合物をも意味する。グラフェン含有混合物、又は、酸化グラフェン含有混合物は、乾燥物として、１容量％より多いグラフェン又は酸化グラフェンを含む混合物であり、特に好ましくは３容量％より多く、さらに好ましくは１０容量％より多いグラフェン又は酸化グラフェンを含む混合物であり、これは、ラマン分光法を組み合わせた原子間力顕微鏡により確認される。この下限の制限は、実質的には、グラフェン含有分散体製品と、もっぱらグラファイトを含む分散体とを区別するために役立つ。

次の文献では、グラフェンは、単分子層厚みを有する形態のグラフェンとして示され、１０未満のグラフェン層が互いに重なった層としても示されている（Eigler, S. and Hirsch, A. (2014): Chemie an Graphen und Graphenoxid - eine Herausforderung fur Synthesechemiker, Angew. Chem. 2014, Vol. 126, S.2 - 23参照）。１１以上のグラフェン層を備えるグラフェンの積層物は、グラファイトを意味すると理解される。

本発明の基礎的な思想は、一般的な建材、特に建材ボードにおける、グラフェン及び酸化グラフェンの使用に基づいている。建材は、特に、建材ボード、仕切り壁ボード、床スクリード、プラスター又はフィラーを包含する。

特に好ましくは、建材は、硫酸カルシウム含有基材、すなわち、硬石膏基材、焼石膏基材及び石膏基材の建材である。硫酸カルシウム含有基材を有する材料は、混合物における乾燥した結合材料の含有量に関して、少なくとも１０質量％、好ましくは少なくとも５０質量％、特に好ましくは少なくとも８０質量％の割合の硫酸カルシウムを有する。

あるいは、本発明は、一般的に、セメントを含む建築用製品にも適用でき、これらの製品における硫酸カルシウム含量は、結合剤の乾燥物の、前記１０質量％より低くなっているか、又は、製品は、実質的に、硫酸カルシウムがなくてもよい。この場合、例えば、結合剤は、水硬セメント、例えば水ガラスのような他の無機結合剤、又は、例えば天然樹脂若しくは合成樹脂のような有機結合剤であってもよい。

さらに、これらの基材に関係なく、建材ボードは、それらが六角形ハニカム構造及び単分子層厚みを有する材料を含む場合、本発明に包含されることとなる。乾式壁構築のための建材ボードは、基材として、例えば、木材、石膏、セメント、微粒子（例えば、パーライト、フライアッシュのセノスフェア、セラミック微粒子）等の多種多様な材料を含み得る。特に、グラフェン及び酸化グラフェンの引張強度が、たわみ抵抗、破断荷重及び曲げ引張強度といった建材ボードの機械的特性を改善するために、有利に利用され得る。

さらに、特に二次元六角形ハニカム構造及び単分子層厚みを有するグラフェンは、建材、特に建材ボード又はプラスターの耐火性を改善するためのかなりの可能性を有する。グラフェンの熱伝導率は、高い異方性がある。該熱伝導率は、二次元格子における伝搬方向においては非常に高いが、該格子における伝搬方向に対する垂直方向においては非常に低い。これは、グラフェン層の一方側における高温は、他方側に伝わらないことを意味する。

このように、本発明は、グラフェン及び／又は酸化グラフェンを含む建材製品に関する。さらに、本発明は、グラフェン及び／又は酸化グラフェンを含む建材ボードに関する。

本発明の特に好ましい実施形態によれば、前記建材ボードは、層の形状で、グラフェン及び／又は酸化グラフェンを含む。この層は、前記建材ボードの少なくとも一表面、好ましくは両表面に存在し得る。この配置において、前記建材ボードは、例えば、機械的負荷に対する外面補強として、又は、（防火等級が高められている）防火材料としても役立ち得る。

さらなる実施形態では、前記建築用ボードは、複数の（すなわち少なくとも二つの）材料層により構成され得る。これら複数の材料層は、同じであっても異なっていてもよい。軽量石膏ボードの場合、例えば、機械的負荷の能力を変化させることなく重さを削減するために、異なる複数の層からなる製品がますます普及してきている。このために、比較的安定で密度が高い複数の境界層が構成され、サンドイッチのような態様で多孔性の芯層を取り囲んでいる。この「軽量構造」の補強及びさらなる発展のためには、前記建材ボードの外面側を補強することが特に適当である。

しかし、本発明の好ましい発展では、前記建材ボードの二つの層の間にグラフェン及び／又は酸化グラフェンの層を配することも可能であり、これは追加的にも可能である。この補強は、内部から前記建築用ボードを強化する。

グラフェン層及び／又は酸化グラフェン層は、前記建材ボードの表面において、又は、前記建材ボードの複数の材料層の間において、全領域又は一部領域に亘って適用され得る。

さらなる可能性は、グラフェン又は酸化グラフェンの個々の帯の使用に存する。該帯は、有利には、例えば、ボードにおける最大機械的負荷の方向に広がるように、前記建材ボードの長手方向及び／又は横断方向、すなわち二次元のボードの広がり方向、に適用され得る。このように、前記帯は、さらに、前記建材ボード上に及び／又は前記建材ボード中に、格子型に導入され得、前記建材ボードにおける機械的負荷能力の所望強度は、格子間隔及び／又は厚み変動及び／又は格子の領域寸法により調節され得る。

特に好ましくは、グラフェン及び／又は酸化グラフェンは、紙状形状で使用される。酸化グラフェン紙は、例えば、酸化グラフェンのコロイド溶液化、及び続く前記領域に亘っての堆積、及び酸化グラフェン片の乾燥により製造され得る。グラフェン紙も、現在、複数のグラフェン層を互いの上に配し、界面活性剤の浴槽に沈め、乾燥することにより製造され得る。このように製造されたフィルムは、紙のように加工され得る、すなわち、切断され、折り畳まれ得る。

本発明のさらなる実施形態によれば、グラフェン及び／又は酸化グラフェン層は、前記建材ボードの表面に存在し、例えば板紙や（不織）繊維などの被覆材により、全領域又は一部領域に亘って包まれている。

本実施形態のさらなる変形例では、グラフェン層又は酸化グラフェン層は、前記建材ボードの表面ではなく、前記被覆材の上に適用される。前記被覆材は、例えば接着剤により該層に結合され得る。しかし、前記被覆材は、例えば散布により、塗布され又は浸透され得る。前記塗布は、前記建材ボードへの被覆適用の前に行われてもよく、又は、被覆された建材ボードに、続けて塗布又は浸透が施されてもよい。

全領域又は一部領域に亘るグラフェン層又は酸化グラフェン層を使用することは、例えば帯の形状において、有利に、前記建材ボードの、たわみ抵抗、曲げ強度及び曲げ引張強度を向上させる。もちろん同じことが他の建材製品にも適用される。

建材ボードにおいて有利にグラフェン及び／又は酸化グラフェンを使用することのさらなる可能性は、前記建材それ自体の補強として前記グラフェン層及び／又は酸化グラフェン層を使用することにある。様々な変形が、この実施形態を実施するために提案される。一方、該補強は、最も大きい負荷（特に引張負荷）方向において、帯の形状で、ボードにおいて配向した態様で存在し得る。しかし、上記のグラフェン帯及び／又は酸化グラフェン帯の格子配置も可能である。一部領域又は全領域を覆う、前記建材ボードに配される一つの層も、もちろん可能である。

Claims (11)

1. セメント又は石膏含有建材製品であって、
   前記建材製品は、グラフェン及び／又は酸化グラフェンを含み、
   前記建材製品は、建材ボードであり、
   前記建材ボードは、複数の材料層を備え、
   前記材料層の少なくとも１つが、グラフェン紙又は酸化グラフェン紙により構成されたグラフェン又は酸化グラフェン層である、セメント又は石膏含有建材製品。
2. 前記グラフェン又は酸化グラフェン層が、前記建材ボードの少なくとも一つの表面にある、請求項１に記載のセメント又は石膏含有建材製品。
3. 前記グラフェン又は酸化グラフェン層が、二つの前記材料層の間に配されている、請求項１に記載のセメント又は石膏含有建材製品。
4. 前記グラフェン又は酸化グラフェン層が、前記表面における全領域又は一部領域に亘って適用された、請求項２に記載のセメント又は石膏含有建材製品。
5. 前記グラフェン又は酸化グラフェン層が、二つの前記材料層の間の全領域又は一部領域に亘って適用された、請求項３に記載のセメント又は石膏含有建材製品。
6. 前記グラフェン又は酸化グラフェン層が、個別の複数の帯を有する、請求項１乃至５いずれか１項に記載のセメント又は石膏含有建材製品。
7. 前記複数の帯が、前記建材ボードの長手方向及び／又は横断方向に延びている、請求項６に記載のセメント又は石膏含有建材製品。
8. 少なくとも一つの前記グラフェン又は酸化グラフェン層が、全領域又は一部領域に亘って、被覆材により覆われている、請求項１又は２に記載のセメント又は石膏含有建材製品。
9. 少なくとも一つの前記グラフェン又は酸化グラフェン層が、前記建材ボードの材料における補強材として含まれている、請求項１乃至８いずれか１項に記載のセメント又は石膏含有建材製品。
10. 建材製品の機械的強度を向上させるため、又は、建材製品の耐火性等級を向上させるための、グラフェン及び／又は酸化グラフェンの使用であって、
    前記建材製品が、セメント含有建材製品であり、
    前記グラフェン及び／又は前記酸化グラフェンが、グラフェン紙又は酸化グラフェン紙として使用される、グラフェン及び／又は酸化グラフェンの使用。
11. 前記建材製品が、石膏含有建材製品である、請求項１０に記載のグラフェン及び／又は酸化グラフェンの使用。