JP6916775B2 - 高配向酸化グラフェンフィルムおよびそれらから得られる黒鉛フィルムの製造 - Google Patents
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Description
(a)流動媒体中に分散した酸化グラフェンシートを有する酸化グラフェン分散体、または流動媒体中に溶解した酸化グラフェン分子を有する酸化グラフェンゲルのいずれかを調製するステップであって、酸化グラフェンシートまたは酸化グラフェン分子が5重量%を超える酸素含有量を有するステップと、
(b)第1の方向に第1の線速度(塗布ローラーの外面の線速度)で回転する塗布ローラーの表面上に酸化グラフェン分散体または酸化グラフェンゲルを供給して、酸化グラフェンのアプリケーター層を形成し、この酸化グラフェンのアプリケーター層を、第1の方向とは反対の第2の方向に第2の線速度で駆動される支持フィルムの表面上に転写して、支持フィルム上に酸化グラフェンの湿潤層を形成するステップと、
(c)酸化グラフェンの湿潤層から流動媒体を少なくとも部分的に除去して、X線回折によって測定して0.4nm〜1.2nmの面間隔d002、および5重量%以上の酸素含有量を有する酸化グラフェンの乾燥層を形成するステップと
を含む。
平均直径が12μmの黒鉛短繊維および天然黒鉛粒子を出発物質として別々に使用し、この出発物質を、濃硫酸、硝酸、および過マンガン酸カリウムの混合物(化学的インターカラントおよび酸化剤として)中に浸漬して、黒鉛インターカレーション化合物(GIC)を調製した。出発物質は、最初に真空オーブン中80℃で24時間乾燥させた。次に、濃硫酸、発煙硝酸、および過マンガン酸カリウム(4:1:0.05の重量比の)の混合物を、適切な冷却および撹拌下で、繊維の断片を入れた三口フラスコにゆっくり加えた。5〜16時間の反応後、酸で処理された黒鉛繊維または天然黒鉛粒子を濾過し、溶液のpHレベルが6に到達するまで脱イオン水で十分洗浄した。100℃で終夜乾燥させた後、得られた黒鉛インターカレーション化合物(GIC)または酸化黒鉛繊維を水および/またはアルコール中に再分散させてスラリーを形成した。
メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)は、China Steel Chemical Co.,Kaohsiung,Taiwanから供給された。この材料は、密度が約2.24g/cm3でありメジアン粒度が約16μmである。MCMB(10グラム)に酸溶液(4:1:0.05の比率の硫酸、硝酸、および過マンガン酸カリウム)を48〜96時間インターカレートさせた。反応終了後、混合物を脱イオン水中に注ぎ、濾過した。インターカレートさせたMCMBをHClの5%溶液中で繰り返し洗浄して、硫酸イオンの大部分を除去した。次に、濾液のpHが4.5以上になるまで、試料の脱イオン水による洗浄を繰り返した。次に、得られたスラリーに対して10〜100分の超音波処理を行って、GO懸濁液を得た。TEMおよび原子間力顕微鏡による研究では、酸化処理が72時間を超える場合はほとんどのGOシートが単層グラフェンであり、酸化時間が48〜72時間の場合は2または3層グラフェンであることが示される。
4:1:0.05の比率の硫酸、硝酸ナトリウム、および過マンガン酸カリウムからなる液体酸化剤を用いて30℃で黒鉛フレークを酸化させることによって、酸化黒鉛を調製した。天然黒鉛フレーク(14μmの粒度)を液体酸化剤混合物中に48時間浸漬し分散させると、その懸濁液またはスラリーは、光学的に不透明で暗色に見え、それが維持される。48時間後、反応材料を水で3回洗浄して、少なくとも3.0のpH値に調整した。次に一連のGO−水懸濁液を調整するために最終量の水を加えた。本発明者らは、GOシートが>3%、典型的には5%〜15%の重量分率を占める場合に、GOシートが液晶相を形成することを確認した。
個別のグラフェン面の伝導率を低下させる機能を果たすGOシート中の高欠陥の集団の可能性を認識しているので、本発明者らは、プリスティングラフェンシート(酸化されておらず酸素を含まない)を使用すると、より高い熱伝導率を有する黒鉛フィルムを得ることができるかどうかを調べることにした。液相製造方法としても知られる直接超音波処理法を使用することによって、プリスティングラフェンシートを作製した。
すべての材料で同等の最終熱処理温度を使用することによって、一連のリバースロールコーティングされたGOゲル由来の黒鉛フィルム、コンマコーティングされたGOゲル由来の黒鉛フィルム、およびRGOプレートレット紙のシートを作製した。これらの材料の引張特性を測定するために万能試験機を使用した。リバースロールコーティングされたGOゲルから得た黒鉛フィルム試料、コンマコーティングされたGOゲルから得た黒鉛フィルム試料、およびRGOプレートレット紙のある熱処理温度にわたる引張弾性率および引張強度を、それぞれ図13(A)および13(B)に示している。
Claims (39)
- 高配向酸化グラフェンフィルムの製造方法であって、
(a)流動媒体中に分散した酸化グラフェンシートを有する酸化グラフェン分散体、または流動媒体中に溶解した酸化グラフェン分子を有する酸化グラフェンゲルのいずれかを調製するステップであって、前記酸化グラフェンシートまたは酸化グラフェン分子が、5重量%を超える酸素含有量を有するステップと、
(b)第1の方向に第1の線速度で回転する塗布ローラーの表面上に前記酸化グラフェン分散体または前記酸化グラフェンゲルを供給して、酸化グラフェンのアプリケーター層を形成するステップであって、前記塗布ローラーによって、前記酸化グラフェンの前記アプリケーター層が、前記第1の方向とは反対の第2の方向に第2の線速度で駆動される支持フィルムの表面上に転写されて、前記支持フィルム上に酸化グラフェンの湿潤層が形成されるステップと、
(c)前記酸化グラフェンの前記湿潤層から前記流動媒体を少なくとも部分的に除去して、X線回折によって測定して0.4nm〜1.2nmの面間隔d002、および5重量%以上の酸素含有量を有する前記酸化グラフェンの乾燥層を形成するステップと、
エージング室中、25℃〜55℃のエージング温度および20%〜99%の湿度レベルで1時間〜7日のエージング時間の間、前記酸化グラフェンの前記湿潤層または乾燥層のエージングを行って、前記酸化グラフェンのエージングされた層を形成するステップと、
を含む方法。 - 前記塗布ローラーからある作動距離に配置され、前記第1の方向とは反対の前記第2の方向に回転する逆転支持ローラーによって、前記支持フィルムが駆動される、請求項1に記載の方法。
- 前記塗布ローラーの前記表面上に前記酸化グラフェン分散体または前記酸化グラフェンゲルを供給する前記ステップが、前記塗布ローラーの表面に所望の厚さの前記酸化グラフェンの前記アプリケーター層を形成するために、計量ローラーおよび/またはドクターブレードを使用するステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 2、3、または4個のローラーを操作するステップを含む、請求項1に記載の方法。
- リバースロール転写コーティング手順を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記支持フィルムが給送ローラーから供給され、前記支持フィルムによって支持される前記酸化グラフェンの前記乾燥層が巻き取りローラー上に巻き取られ、前記方法がロールツーロール方式で行われる、請求項1に記載の方法。
- (前記第2の線速度)/(前記第1の線速度)で定義される速度比が1/5〜5/1である、請求項1に記載の方法。
- 前記速度比が、1/1を超え、かつ5/1未満である、請求項7に記載の方法。
- 55℃を超えるが2,200℃以下の第1の熱処理温度において、所定の時間の長さで、前記酸化グラフェンの前記乾燥層の熱処理を行って、0.4nm未満の面間隔d002および5重量%未満の酸素含有量を有する黒鉛フィルムを生成するステップ(d)をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 55℃を超えるが2,200℃以下の第1の熱処理温度において、所定の時間の長さで、前記酸化グラフェンの前記エージングされた層の熱処理を行って、0.4nm未満の面間隔d002および5重量%未満の酸素含有量を有する黒鉛フィルムを生成するステップ(d)をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記流動媒体がプリスティングラフェンシートをさらに含有し、プリスティングラフェンの酸化グラフェンに対する比が1/100〜100/1である、請求項1に記載の方法。
- 2,200℃を超える第2の熱処理温度において、面間隔d002を0.3354nm〜0.36nmの値まで減少させ、かつ前記酸素含有量を2重量%未満まで減少させるのに十分な時間の長さで、前記黒鉛フィルムの熱処理を行うステップをさらに含む、請求項9に記載の方法。
- 2,200℃を超える第2の熱処理温度において、面間隔d002を0.3354nm〜0.36nmの値まで減少させ、かつ前記酸素含有量を2重量%未満まで減少させる時間の長さで、前記黒鉛フィルムの熱処理を行うステップをさらに含む、請求項10に記載の方法。
- 前記流動媒体が水および/またはアルコールからなる、請求項1に記載の方法。
- 前記ステップ(d)の最中または後に、前記黒鉛フィルムの厚さを減少させるための圧縮ステップをさらに含む、請求項9に記載の方法。
- 前記ステップ(d)の最中または後に、前記黒鉛フィルムの厚さを減少させるための圧縮ステップをさらに含む、請求項10に記載の方法。
- 前記第2の熱処理温度における前記黒鉛フィルムの熱処理のステップの最中または後に、前記黒鉛フィルムの厚さを減少させるための圧縮ステップをさらに含む、請求項12に記載の方法。
- 前記第2の熱処理温度における前記黒鉛フィルムの熱処理のステップの最中または後に、前記黒鉛フィルムの厚さを減少させるための圧縮ステップをさらに含む、請求項13に記載の方法。
- 前記酸化グラフェン分散体中の前記酸化グラフェンシートが、前記酸化グラフェンシートおよび前記流動媒体を合わせた全重量を基準として0.1%〜25%の重量分率を占める、請求項1に記載の方法。
- 前記酸化グラフェン分散体中の前記酸化グラフェンシートが、前記酸化グラフェンシートおよび前記流動媒体を合わせた全重量を基準として0.5%〜15%の重量分率を占める、請求項19に記載の方法。
- 前記酸化グラフェン分散体中の前記酸化グラフェンシートが、前記酸化グラフェンシートおよび前記流動媒体を合わせた全重量を基準として3%〜15%の重量分率を占める、請求項19に記載の方法。
- 前記酸化グラフェン分散体または前記酸化グラフェンゲルが、液晶相を形成するために、前記流動媒体中に分散した3重量%を超える酸化グラフェンを有する、請求項1に記載の方法。
- 前記黒鉛フィルムが100μm〜500μmの厚さを有する、請求項9に記載の方法。
- 前記黒鉛フィルムが100nm〜100μmの厚さを有する、請求項10に記載の方法。
- 粉末または繊維の形態の黒鉛材料を、反応容器中の酸化性液体中に、反応温度において、所定の時間の長さで浸漬するステップによって、前記酸化グラフェン分散体または前記酸化グラフェンゲルが得られ、前記黒鉛材料が、天然黒鉛、人造黒鉛、中間相炭素、中間相ピッチ、メソカーボンマイクロビーズ、軟質炭素、硬質炭素、コークス、炭素繊維、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、またはそれらの組合せから選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の熱処理温度が500℃〜1,500℃の範囲内の温度を含み、前記黒鉛フィルムが、1%未満の酸素含有量、0.345nm未満のグラフェン間隔、少なくとも1,000W/mKの熱伝導率、および/または3,000S/cm以上の電気伝導率を有する、請求項9に記載の方法。
- 前記第1および/または第2の熱処理温度が1,500℃〜2,200℃の範囲内の温度を含み、前記黒鉛フィルムが、0.01%未満の酸素含有量、0.337nm未満のグラフェン間隔、少なくとも1,300W/mKの熱伝導率、および/または5,000S/cm以上の電気伝導率を有する、請求項12に記載の方法。
- 前記第2の熱処理温度が2,500℃を超える温度を含み、前記黒鉛フィルムが、0.001%以下の酸素含有量、0.336nm未満のグラフェン間隔、0.7以下のモザイクスプレッド値、少なくとも1,500W/mKの熱伝導率、および/または10,000S/cm以上の電気伝導率を有する、請求項12に記載の方法。
- 前記第1および/または第2の熱処理温度が2,500℃以上の温度を含み、前記黒鉛フィルムが、0.336nm未満のグラフェン間隔、0.4以下のモザイクスプレッド値、1,600W/mKを超える熱伝導率、および/または10,000S/cmを超える電気伝導率を有する、請求項12に記載の方法。
- 前記黒鉛フィルムが0.337nm未満のグラフェン間隔および1.0未満のモザイクスプレッド値を示す、請求項12に記載の方法。
- 前記黒鉛フィルムが80%以上の黒鉛化度および/または0.4未満のモザイクスプレッド値を示す、請求項13に記載の方法。
- 前記黒鉛フィルムが90%以上の黒鉛化度および/または0.4以下のモザイクスプレッド値を示す、請求項12に記載の方法。
- 前記酸化グラフェン分散体または前記酸化グラフェンゲルが、最大の元の黒鉛結晶粒度の黒鉛材料から得られ、前記黒鉛フィルムが、前記最大の元の黒鉛結晶粒度よりも大きい結晶粒度を有する多結晶グラフェン構造である、請求項9に記載の方法。
- 前記酸化グラフェン分散体または前記酸化グラフェンゲルが、X線回折法または電子線回折法によって測定して所定の結晶配向を示さない複数の黒鉛微結晶を有する黒鉛材料から得られ、前記黒鉛フィルムが、前記X線回折法または前記電子線回折法によって測定して所定の結晶配向を有する単結晶または多結晶グラフェン構造である、請求項10に記載の方法。
- 前記熱処理によって、前記酸化グラフェンシートまたは前記酸化グラフェン分子のエッジ間方式での化学的連結、合体、または化学結合が誘導される、請求項9に記載の方法。
- 前記熱処理によって、前記酸化グラフェンシートまたは前記酸化グラフェン分子のエッジ間方式での化学的連結、合体、または化学結合が誘導される、請求項10に記載の方法。
- 前記黒鉛フィルムが、5,000S/cmを超える電気伝導率、800W/mKを超える熱伝導率、1.9g/cm3を超える物理的密度、80MPaを超える引張強度、および/または60GPaを超える弾性率を有する、請求項12に記載の方法。
- 前記黒鉛フィルムが、8,000S/cmを超える電気伝導率、1,200W/mKを超える熱伝導率、2.0g/cm3を超える物理的密度、100MPaを超える引張強度、および/または80GPaを超える弾性率を有する、請求項12に記載の方法。
- 前記黒鉛フィルムが、12,000S/cmを超える電気伝導率、1,500W/mKを超える熱伝導率、2.1g/cm3を超える物理的密度、120MPaを超える引張強度、および/または120GPaを超える弾性率を有する、請求項13に記載の方法。
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