JP7099227B2 - グラフェン被覆織物の製造方法およびグラフェン被覆織物 - Google Patents
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5≦グラフェン材料の平均サイズに対する織物の目開きの比(A)≦500
を満たす平均サイズのグラフェン材料の分散液中に浸漬する浸漬工程を有するグラフェン被覆織物の製造方法である。
グラフェンとは、狭義には1原子の厚さのsp2結合炭素原子のシート(単層グラフェン)を指すが、本明細書においては、単層グラフェンが積層した薄片状の形態を持つものも含めてグラフェンと呼ぶ。また、酸化グラフェンも同様に、積層した薄片状の形態を持つものも含めた呼称とする。また、本明細書においては、X線光電子分光分析(XPS)によって測定された酸素原子の炭素原子に対する元素割合(酸化度)が0.4を超えるものを酸化グラフェン、0.4以下のものをグラフェンと呼ぶ。さらに、グラフェンや酸化グラフェンには分散性の向上等を目的とした表面処理がなされる場合があるが、本明細書においては、このような表面処理剤が付着したグラフェンまたは酸化グラフェンも含めて「グラフェン」または「酸化グラフェン」と呼称するものとする。なお、本明細書においては、このようなグラフェンと酸化グラフェンを総称して「グラフェン材料」と呼ぶものとする。
一般式(1)中、R1~R4としては、水素原子、炭素数1~18の直鎖または分岐のあるアルキル基またはベンジル基が好ましく、それぞれ同一であってもそれぞれ異なっていても良い。
(2)ピリジニウム塩型
ピリジニウム塩型の化合物の具体例としては、ラウリルピリジニウムクロライド、ステアリルアミドメチルピリジニウムクロライドが挙げられる。
カチオン性高分子化合物のカチオン化剤としては、第一級アミノ基(-NH2)、第二級アミノ基(-NHR1)、又は第三級アミノ基(-NR1R2)、イミノ基(=NH)、イミド基(-C(=O)-NH-C(=O)-)、アミド基(-C(=O)NH-)、前述した第4級アンモニウムカチオンのうち少なくとも1種類以上有する高分子化合物が挙げられる。
5≦グラフェン材料の平均サイズに対する織物の目開きの比(A)≦500
を満たす平均サイズのグラフェン材料の分散液中に浸漬する。
上記のような製造方法により、
5≦グラフェンの平均サイズに対する織物の目開きの比(A)≦500
を満たす平均サイズのグラフェンによって織物中の繊維表面が被覆されてなるグラフェン被覆織物を得ることができ、これもまた本発明の一態様であると言うことができる。
織物表面を走査型電子顕微鏡により200倍で観察し、経糸および緯糸に囲まれて形成された孔部の面積を異なる20箇所で測定し、その平方根の平均値を目開きサイズとした。
織物表面を走査型電子顕微鏡により2000倍で観察し、単繊維径を異なる20本の単繊維で測定し、その平均値を単繊維径とした。
織物表面を走査型電子顕微鏡により100倍で観察し、マルチフィラメント径を異なる20本のマルチフィラメントで測定し、その平均値をマルチフィラメント径とした。
織物表面を走査型電子顕微鏡により200倍で観察し、織糸のピッチを異なる20箇所で測定し、その平均値を織糸ピッチとした。
グラフェン材料の分散液を分散媒と同じ溶媒で0.002wt%に希釈し、マイカ基板上に滴下、乾燥し、基板上に付着させた。基板上のグラフェン材料をキーエンス社製レーザー顕微鏡VK-X250で観察して、グラフェン材料の小片の最も長い部分の長さ(長径)と最も短い部分の長さ(短径)をランダムに50個測定し、(長径+短径)/2で求められる数値を50個分平均して求めた。
グラフェン被覆織物をエポキシ樹脂で包埋し、Reichert社製FC・4E型クライオセクショニングシステムで凍結し、ダイヤモンドナイフを具備したReichert-Nissei ultracut N(ウルトラミクロトーム)で切削した後、その切削面を走査型電子顕微鏡で観察し、繊維の軸方向に垂直な断面の周長を測定した。これを繊維10本に対して行い、平均して求めた。
グラフェン被覆織物を水中、浴比1:50で40℃でホットスターラーREXIM RSH-6DN(AS ONE社)で回転数450rpmで24時間撹拌処理することによりグラフェンを遊離させた。得られた混合物を吸引濾過で繊維の直径かグラフェンのサイズのいずれか小さい方のみを通過可能な孔径を有するろ紙に数回かけることで織物とグラフェンを分離した。その後、得られたグラフェンをNMPで希釈し、フィルミックス(登録商標)30-30型(プライミクス社)で回転速度40m/s(せん断速度:毎秒20000)で60秒処理した後、マイカ基板上に滴下、乾燥し、基板上に付着させた。基板上のグラフェンをキーエンス社製レーザー顕微鏡VK-X250で観察して、グラフェンの小片の最も長い部分の長さ(長径)と最も短い部分の長さ(短径)をランダムに50個測定し、(長径+短径)/2で求められる数値を50個分平均して求めた。
グラフェン被覆織物を水中、浴比1:50で40℃でホットスターラーREXIM RSH-6DN(AS ONE社)で回転数450rpmで24時間撹拌処理することによりグラフェンを遊離させた。得られた混合物を吸引濾過で繊維の直径かグラフェンのサイズのいずれか小さい方のみを通過可能な孔径を有するろ紙に数回かけることで織物とグラフェンを分離した。その後、得られたグラフェンをNMPで希釈し、フィルミックス(登録商標)30-30型(プライミクス社)で回転速度40m/s(せん断速度:毎秒20000)で60秒処理した後、マイカ基板上に滴下、乾燥し、基板上に付着させた。基板上のグラフェンを、原子間力顕微鏡(Dimension Icon;Bruker社)で観察して、グラフェンの厚みをランダムに50個測定し、平均値を求めた。一小片で厚みにバラつきがあった場合は面積平均を求めた。
X線光電子測定はQuantera SXM (PHI社製))を使用して測定した。励起X線は、monochromatic Al Kα1,2 線(1486.6eV)であり、X線径は200μm、光電子脱出角度は45°である。炭素原子に基づくC1sメインピークを284.3eVとし、酸素原子に基づくO1sピークを533eV付近のピーク、窒素原子に基づくN1sピークを402eV付近のピークに帰属し、各ピークの面積比からO/C比、およびN/C比を求めた。
抵抗値測定は、Loresta-GP(三菱化学社製)を使用して測定した。プローブはLSPプローブ(三菱化学社製、型番MCP-TPLSP)を用い、四探針法測定とした。測定は、下記実施例で作製したグラフェン被覆織物に対して行った。
グラフェン被覆織物を同サイズにて作成し、25±1℃、60±5%RHの環境で170cm±2cm、65±3kgの男性被験者10名に、ソフトさについて判定させた。回答については5段階評定とし、その平均値を示した。
5:非常に高い
4:高い
3:どちらともいえない
2:低い
1:非常に低い
[実施例1]
(酸化グラフェン水分散液の調製)
1500メッシュの天然黒鉛粉末(上海一帆石墨有限会社)を原料として、氷浴中の10gの天然黒鉛粉末に、220mlの98%濃硫酸、5gの硝酸ナトリウム、30gの過マンガン酸カリウムを入れ、1時間機械攪拌し、混合液の温度は20℃以下で保持した。この混合液を氷浴から取り出し、35℃水浴中で4時間攪拌反応し、その後イオン交換水500mlを入れて得られた懸濁液を90℃で更に15分反応を行った。その後、600mlのイオン交換水と50mlの過酸化水素を入れ、5分間の反応を行い、酸化グラフェン分散液を得た。熱いうちにこれを濾過し、希塩酸溶液で金属イオンを洗浄し、イオン交換水で酸を洗浄し、pHが7になるまで洗浄を繰り返して酸化グラフェンゲルを調製した。調製した酸化グラフェンゲルの、X線光電子分光法により測定される酸素原子の炭素原子に対する元素比は0.53であった。得られた酸化グラフェンゲルにイオン交換水を加えて濃度を0.5wt%とし、超音波装置UP400S(hielscher社)を使用して、出力300Wで超音波を30分間印加し、0.5wt%酸化グラフェン水分散液を調整した。得られた酸化グラフェンの平均サイズは0.5μmであった。
単繊維径15μm、マルチフィラメント径243μmの84T-36Fのポリエステルフィラメントからなる経糸ピッチ520μm、緯糸ピッチ520μmの織物を、5wt%ポリエチレンイミン(数平均分子量70000)水溶液中で100℃、浴比1:50で混合し、ホットスターラーREXIM RSH-6DN(AS ONE社)を用いて回転数450rpmにて30分処理した。その後、イオン交換水中で浴比1:1000で混合し、ホットスターラーで回転数200rpmにて1分間洗浄する操作を2回繰り返した。
次に、調製した0.5wt%酸化グラフェン水分散液中で80℃、浴比1:50で混合し、ホットスターラーを用いて回転数450rpmにて30分処理した。その後、イオン交換水中で浴比1:1000で混合し、ホットスターラーを用いて回転数600rpmにて1分間洗浄する操作を3回繰り返した。
続いて、5wt%亜ジチオン酸ナトリウム水溶液中で40℃、浴比1:50で混合し、ホットスターラーを用いて回転数450rpmにて5分処理した。その後、イオン交換水中で浴比1:1000で混合し、ホットスターラーで回転数600rpmにて1分間洗浄する操作を3回繰り返した。
その後、熱風乾燥機で乾燥し、グラフェン被覆織物を得た。
経糸ピッチ496μm、緯糸ピッチ496μmの織物を用いた以外は、実施例1と同様にして、グラフェン被覆織物を得た。
経糸ピッチ586μm、緯糸ピッチ586μmの織物を用いた以外は、実施例1と同様にして、グラフェン被覆織物を得た。
経糸ピッチ886μm、緯糸ピッチ886μmの織物を用いた以外は、実施例1と同様にして、グラフェン被覆織物を得た。
ポリエチレンイミンによる織物のカチオン化処理を行わなかったこと以外は、実施例1と同様にして、グラフェン被覆織物を得た。
(グラフェンNMP分散液の調製)
実施例1と同様に調製した0.5wt%酸化グラフェン水分散液1000mlに15gの亜ジチオン酸ナトリウムを入れて、40℃で1時間反応を行った。その後、減圧吸引濾過器で濾過し、さらにイオン交換水で0.5質量%まで希釈して吸引濾過する洗浄工程を5回繰り返して洗浄した。洗浄後にNMPで0.5質量%まで希釈してフィルミックス(登録商標)30-30型(プライミクス社製)を用いて回転速度40m/s(せん断速度:毎秒20000)で60秒処理して吸引濾過した。その後、NMPで0.5質量%まで希釈して、ホモディスパー2.5型(プライミクス社製)を用いて回転数3000rpmで30分処理して吸引濾過する工程を2回繰り返した。濾過後にNMPで0.5質量%まで希釈して、ホモディスパー2.5型(プライミクス社製)を用いて回転数3000rpmで30分処理し0.5wt%グラフェンNMP分散液を調整した。得られたグラフェンの平均サイズは3μmであった。
単繊維径15μm、マルチフィラメント径243μmの84T-36Fの、カーボンブラック含有ポリエステルフィラメント(カーボン重量比20%)を用いた以外は実施例1と同様にして、グラフェン被覆織物を得た。
酸化グラフェンゲルへの超音波装置UP400Sによる超音波印加時間を2分間とした以外は実施例1と同様にして、グラフェン被覆織物を得た。
ポリエチレンイミンとして、数平均分子量3000のものを用いた以外は、実施例1と同様にして、グラフェン被覆織物を得た。
(酸化グラフェン水分散液の調製)
超音波処理条件を出力300Wで超音波を120分間印加にした以外は、実施例1と同様にして0.5wt%酸化グラフェン水分散液を調整した。得られた酸化グラフェンの平均サイズは0.1μmであった。
経フィラメントピッチ488μm、緯フィラメントピッチ488μmの織物を用いた以外は、実施例1と同様にして、グラフェン被覆織物を得た。
(酸化グラフェン水分散液の調製)
超音波処理をしなかったこと以外は、実施例1と同様にして0.5wt%酸化グラフェン水分散液を調整した。得られた酸化グラフェンの平均サイズは10μmであった。
Claims (13)
- グラフェン被覆織物の製造方法であって、織物を、5≦グラフェン材料の平均サイズに対する織物の目開きの比(A)≦500を満たす平均サイズのグラフェン材料の分散液中に浸漬する浸漬工程を有するグラフェン被覆織物の製造方法。
- 前記浸漬工程において、さらに撹拌処理を行う、請求項1に記載のグラフェン被覆織物の製造方法。
- 前記浸漬工程の前に、織物をカチオン化剤で処理する、請求項1または2に記載のグラフェン被覆織物の製造方法。
- 前記浸漬工程の後、さらにグラフェン材料を還元する還元工程を有する、請求項1~3のいずれかに記載のグラフェン被覆織物の製造方法。
- 前記織物が化学繊維を含む、請求項1~4のいずれかに記載のグラフェン被覆織物の製造方法。
- 前記グラフェン材料の平均サイズが0.10μm以上1.00μm以下である、請求項1~5のいずれかに記載のグラフェン被覆織物の製造方法。
- 前記織物の目開きが1μm以上200μm以下である、請求項1~6のいずれかに記載のグラフェン被覆織物の製造方法。
- 前記織物を構成する単繊維が導電材料を含有する、請求項1~7のいずれかに記載のグラフェン被覆織物の製造方法。
- 5≦グラフェンの平均サイズに対する織物の目開きの比(A)≦500を満たす平均サイズのグラフェンによって織物中の繊維表面が被覆されてなるグラフェン被覆織物。
- 前記グラフェンの酸化度が0.05以上0.35以下である、請求項9に記載のグラフェン被覆織物。
- さらに、カチオン化剤を含む、請求項9または10に記載のグラフェン被覆織物。
- X線光電子分光法により測定される炭素に対する窒素の元素比が0.001以上0.500以下である、請求項11に記載のグラフェン被覆織物。
- 前記織物を構成する単繊維が導電材料を含有する、請求項9~12のいずれかに記載のグラフェン被覆織物。
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