JP7170537B2 - グラフェン強化ポリマーマトリックス複合材料のケミカルフリー製造 - Google Patents
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Description
本出願は、参照により本明細書に援用される2016年12月10日に出願された米国特許出願第14/757,236号明細書の優先権を主張する。
方法1:酸化黒鉛(GO)プレートレットの化学的形成および還元
第1の方法(図1)は、黒鉛インターカレーション化合物(GIC)、または実際には酸化黒鉛(GO)を得るために、インターカラントおよび酸化剤(たとえば、それぞれ濃硫酸および硝酸)を用いた天然黒鉛粉末の処理を伴う[William S.Hummers,Jr.,et al.,Preparation of Graphitic Oxide,Journal of the American Chemical Society,1958,p.1339]。インターカレーションまたは酸化の前、黒鉛は約0.335nmのグラフェン面間隔を有する(Ld=1/2 d002=0.335nm)。インターカレーションおよび酸化処理を行うと、グラフェン間隔は、典型的には0.6nmを超える値まで増加する。これは、この化学的経路中に黒鉛材料に生じる第1の膨張段階である。得られたGICまたはGOは、次に、熱衝撃曝露、または溶液系の超音波支援グラフェン層剥離方法のいずれかを用いることでさらに膨張する(多くの場合で剥離と呼ばれる)。
(1)この方法は、硫酸、硝酸、および過マンガン酸カリウムもしくは塩素酸ナトリウムなどのいくつかの望ましくない化学物質を多量に使用する必要がある。
(2)化学処理方法は、典型的には5時間から5日間の長いインターカレーションおよび酸化の時間を必要とする。
(3)強酸によって、「黒鉛中に入り込むこと」によるこの長いインターカレーションまたは酸化プロセス中に、多量の黒鉛が消費される(黒鉛が二酸化炭素に変換され、これがプロセス中に失われる)。強酸および酸化剤中に浸漬した黒鉛材料の20~50重量%が失われることは珍しくない。
(4)熱剥離は、高温(典型的には800~1,200℃)を必要とし、したがって、非常にエネルギーを消費するプロセスである。
(5)熱で誘発される剥離方法および溶液で誘発される剥離方法の両方は、非常に時間のかかる洗浄および精製のステップを必要とする。たとえば、洗浄して1グラムのGICを回収するために典型的には2.5kgの水が使用され、適切な処理が必要となる多量の廃水が生じる。
(6)熱で誘発される剥離方法および溶液で誘発される剥離方法の両方では、得られる生成物は、酸素含有量を減少させるためのさらなる化学的還元処理を行う必要があるGOプレートレットである。典型的には、還元後でさえも、GOプレートレットの導電率は、純粋なグラフェンの導電よりもはるかに低いままである。さらに、この還元手順は、ヒドラジンなどの毒性化学物質の利用を伴うことが多い。
(7)さらに、排液後にフレーク上に保持されるインターカレーション溶液の量は、黒鉛フレーク100重量部当たり20~150部(pph)の溶液の範囲、より典型的には約50~120pphの範囲となりうる。高温剥離中、フレークによって保持される残存インターカレート(intercalate)種は分解して硫黄化合物および窒素化合物の種々の化学種(たとえば、NOxおよびSOx)を生成し、これらは望ましくない。流出液は、環境に対して悪影響が生じないようにするために費用のかかる改善手順が必要となる。
2002年に、本発明者らの研究チームは、ポリマーまたはピッチ前駆体から得られた部分的に炭化または黒鉛化されたポリマー炭素から単層および多層のグラフェンシートを単離することに成功した[B.Z.Jang and W.C.Huang,“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号明細書;現在は米国特許第7,071,258号明細書(07/04/2006)]。Mackら[“Chemical manufacture of nanostructured materials” 米国特許第6,872,330号明細書(2005年3月29日)]は、黒鉛にカリウム溶融物をインターカレートさせるステップと、結果としてKがインターカレートされた黒鉛をアルコールと接触させて、NGPを含む剥離黒鉛を乱暴に生成するステップとを含む方法を開発した。カリウムおよびナトリウムなどの純アルカリ金属は水分に対して非常に敏感であり、爆発の危険が生じるので、この方法は、真空中または非常に乾燥したグローブボックス環境中で注意深く行う必要がある。この方法は、NGPの大量生産には適していない。上記概略の制限を克服するために本発明が作られた。
基板上の超薄グラフェンシートの小規模製造は、熱分解に基づくエピタキシャル成長およびレーザー脱離イオン化技術によって行うことができる[Walt A.DeHeer,Claire Berger,Phillip N.First,“Patterned thin film graphite devices and method for making same” 米国特許第7,327,000B2号明細書(2003年6月12日)]。わずか1層または数層の原子層を有する黒鉛のエピタキシャル膜は、それらの特有の特性およびデバイス基板としての大きな可能性のため、技術的および化学的に重要である。しかし、これらの方法は、複合材料およびエネルギー貯蔵用途の単離されたグラフェンシートの大量生産には適していない。上記概略の制限を克服するために本発明が作られた。
Yangら[“Two-dimensional Graphene Nano-ribbons,”J.Am.Chem.Soc.130(2008)4216-17]は、1,4-ジヨード-2,3,5,6-テトラフェニル-ベンゼンと4-ブロモフェニルボロン酸との鈴木-宮浦カップリングから開始する方法を用いて最長12nmの長さのナノグラフェンシートを合成した。結果として得られるヘキサフェニルベンゼン誘導体をさらに誘導体化させ環を縮合させて小さいグラフェンシートを得た。これは、これまでは非常に小さいグラフェンシートが生成されている遅いプロセスである。上記概略の制限を克服するために本発明が作られた。
グラフェン強化ポリマーマトリックス複合物(以下ではグラフェン-ポリマーナノ複合物または単にグラフェンナノ複合物とも記載される)の潜在的な用途は、導電率、熱伝導率、機械的性質、および遮断性の4つの主要な領域の性質の向上を利用している。特殊な用途の例としては、タイヤ、エレクトロニクスのハウジング、EMIシールド、燃料経路、センサー、UV抵抗性ポリマー物品、およびフレキシブル回路が挙げられる。グラフェンナノ複合物によって、自動車車体および航空機機体のパネルの軽量化の大きな可能性が得られる。
十分に分散したポリマー/グラフェンおよびポリマー/酸化グラフェンナノ複合物の小規模製造は、図3に示されるようなその場重合によって行うことができる[Lopez-Manchado et al,“Graphene Filled Polymer Nanocomposites”,J.Mater.Chem.Vol.21 Issue 10,pp.3301-3310]。最も一般的な方法では、黒鉛またはグラフェンプレートレット(9)が1種類以上のモノマーの溶液に加えられる。剪断力または超音波エネルギーが加えられ、モノマーの重合が行われる。これによって、ポリマー/グラフェン溶液またはポリマー/黒鉛インターカレーション化合物溶液が形成される。溶媒を除去する、または非溶媒を加えることで、ポリマーで包まれたグラフェンまたはポリマー/黒鉛インターカレーション化合物の固体粒子が得られる。この材料は、溶融配合、プレス加工、または焼結によって加工されて、ポリマー/グラフェンナノ複合物が形成される。同様に、酸化グラフェンは、その場重合によって加工して、ポリマー/酸化グラフェン溶液を形成することができ、これは、還元することでポリマーで包まれたグラフェン溶液を形成することができるし、溶媒除去によってさらに処理することで、ポリマーで包まれた酸化グラフェンを形成することができる。次にこれを溶融配合、または当技術分野において周知の別の方法によって加工して、ポリマー/酸化グラフェン複合物を形成することができる。
1)その場重合中に要求される多くのポリマーは、健康への悪影響、安全性リスク、環境への悪影響、またはこれらのいくつかの組合せを有する。
2)その場重合に要求される溶媒の使用は、製造のスケールアップのためのコストが大きい。工業規模で製造するための溶媒回収設備のために、大きなエネルギーおよび設備のコストが生じる。
3)モノマーとグラフェンまたは酸化グラフェンとの低い相溶性の結果として、低品質の分散体が得られる。
4)酸化グラフェンを使用することで、プロセス化学の問題が生じる。酸化グラフェンは多くのモノマーと共有結合することができ、そのことが望ましい場合がある。しかし、酸化グラフェンの酸素含有量は、プロセス条件、貯蔵条件、および材料供給元に基づいて変動しうる。使用される材料に固有のばらつきは、工業規模の製造の場合に問題となる。
十分に分散したポリマー/グラフェンおよびポリマー/酸化グラフェンナノ複合物の小規模製造は、図4に示されるような溶液混合によって行うことができる[Lopez-Manchado et al,“Graphene Filled Polymer Nanocomposites”,J.Mater.Chem.Vol.21 Issue 10,pp.3301-3310]。最も一般的な方法では、グラフェンプレートレットの溶媒懸濁液は、剪断、キャビテーション、または超音波エネルギーの印加によって形成される。選択される溶媒は、選択されたポリマーに適切である必要がある。ポリマーが溶媒溶液に加えられ、剪断または超音波によってエネルギーが加えられて、グラフェン/ポリマー溶液が形成される。次に、一般に濾過、蒸発、または組合せによって溶媒が除去されて、ポリマーで包まれたグラフェン粒子が形成される。次に、これらの粒子の溶融配合、プレス加工、または焼結を行うことで、ポリマー/グラフェン複合物が形成される。あるいは、貧溶媒をポリマー/グラフェン溶液に加えて、ポリマーで包まれたグラフェンを沈殿させることができる。この材料は、さらなる処理の前に、濾過、洗浄、および乾燥が必要となり得る。
1)ポリマーの溶解には、ABS/アセトンなどのよく適合したポリマー/溶媒系の場合でさえも、剪断または超音波による大きなエネルギー入力を必要とする。より高コストの粉末ポリマーまたは反応器球(reactor sphere)を使用することで、このプロセスの必要性を減少させることはできるが、なくすことはできない。
2)ポリマーの溶解に必要な多くの溶媒は、健康への悪影響、安全性リスク、環境への悪影響、またはこれらのいくつかの組合せを有する。アセトンに加えて、ポリマーのための一般的な溶媒としては、メチルエチルケトン、ヘキサン、トルエン、およびキシレンが挙げられる。
3)溶液混合に必要な溶媒の使用のため、製造のスケールアップのコストが大きくなる。たとえば、1kgのABSの製造には10kg以上のアセトンを必要としうる。溶液混合によって工業規模で製造するための溶媒回収設備のために、大きなエネルギーおよび設備のコストが生じる。
4)たとえばポリイミドおよびPEEKなどの一部のポリマーは、周知の溶媒に対して溶解性が低い、または不溶性となる。さらに、溶媒は、グラフェンまたは酸化グラフェンが溶媒中に分散できるように選択する必要がある。溶媒とグラフェンまたは酸化グラフェンとの適合性が低いと、低品質の分散体が得られる。
十分に分散したポリマー/グラフェンおよびポリマー/酸化グラフェンナノ複合物の小規模製造は、図5に示されるように乾式ブレンドによって行うことができる[Lopez-Manchado et al,“Graphene Filled Polymer Nanocomposites”,J.Mater.Chem.Vol.21 Issue 10,pp.3301-3310]。最も一般的な方法では、ポリマーペレットを入れた混合装置にグラフェンプレートレットが加えられる。グラフェンのポリマーペレットに対する付着を促進するために添加剤を含むことができる。混合装置の作業の後、グラフェンでゆるくコーティングされたポリマーペレットは溶融配合機中に供給されて、ポリマー/グラフェンナノ複合物が形成される。あるいは、酸化グラフェンをポリマーペレット上に噴霧して、GOがコーティングされたポリマーペレットを形成することができる。これらは低温で溶融配合して、ポリマー/酸化グラフェンナノ複合物を形成することができる。あるいは、これらは、いくつかの方法の中の1つによって還元し、次に溶融配合して、ポリマー/グラフェンナノ複合物を形成することができる。
1)投入材料のコスト:グラフェンおよびポリマーの両方の原材料のコストは大きな欠点である。分散体の品質は、ポリマーペレットの粒度に大きく影響される。市販のポリマーペレットは、一般に直径2~3mmおよび長さ2~5mmの略円筒形である。従来のポリマーペレットでは、実現可能な最大使用量は、約5%のナノグラフェンプレートレットである。高表面積の反応器粉末または粉砕ポリマー粉末を使用することで、分散体の利用可能な表面積を増加させることができるが、これによって、投入材料のコストが大幅に増加する。
2)グラフェン使用量の不確実性:グラフェン粉末はポリマー担体にゆるく付着しているので、溶融配合に移行する間に未知の量の材料が失われうる。この結果として、グラフェンの実際の使用量が不確実となり、不必要な粉塵曝露に作業者がさらされる。
3)最大グラフェン使用量の制限:固体の混合は、静電力によって、または付着力の補助によってポリマー表面にゆるく付着できる材料の量に制限される。これは、厚さ約10nmのナノグラフェンプレートレットの場合は約50%、高表面積の数層グラフェンの場合は約2パーセントに制限される。最大使用量の制限を回避する方法の1つは、溶融配合し、ペレット化し、グラフェンを再度コーティングし、続いてさらに溶融配合することである。溶融配合の繰り返しは、ポリマーマトリックスが熱的および機械的に劣化するので望ましくない。
十分に分散したポリマー/グラフェンおよびポリマー/酸化グラフェンナノ複合物の小規模製造は、固体剪断粉砕(SSSP)によって行うことができる[Torkelsonら、“Polymer-graphite nanocomposites via solid state shear pulverization” 米国特許第8,303,876号明細書(2012年11月6日)]。最も一般的な方法では、黒鉛材料がポリマーペレットと混合され、溶融配合装置に加えられる。黒鉛をグラフェンに分解しポリマーマトリックス中に分散させるために、粉砕、混練、および混合の要素が使用される。この方法は、工業規模へのスケールアップに影響するいくつかの大きな課題を有する。
1)ポリマーマトリックスの熱劣化および熱履歴:強力、高温、または長時間のポリマーの溶融配合によって機械的強度が低下することは当業者によく知られている。十分に分散したグラフェンを形成するためのSSSPは、機械的性質を低下させ、より温度ではポリマーマトリックスの変色を誘発すると考えられる。
2)溶融配合装置の摩耗:黒鉛の混練、混合、および粉砕のために溶融配合機を使用すると、スクリューエレメントの激しい摩耗が生じると考えられる。スクリューエレメントの交換によって、装置の中断時間が生じ、大きな費用がかかる。スクリューエレメントが摩耗するので、プロセスは経時により変化することがあり、分散体の品質の望ましくない低下が生じることがある。
3)エネルギーおよび水の使用:SSSPは、グラフェンを形成するための黒鉛の剥離によって生じる熱を散逸させるために冷却が必要である。
4)粒度の制限:SSSPによって処理するために、黒鉛を特定の粒度未満に減少させる必要がある。これは大きなコストおよびエネルギーを必要とするプロセスである。
(1)化学的インターカレーションおよび酸化(グラフェン間の空間の膨張、グラフェン面のさらなる膨張または剥離、ならびに剥離したグラフェンシートの完全な分離が必要)とは異なり、本発明の方法は、原材料の黒鉛材料からグラフェンシートを直接除去し、これらのグラフェンシートを担体材料粒子の表面に移動させる。望ましくない化学物質(たとえば硫酸および硝酸)は使用されない。
(2)酸化およびインターカレーションとは異なり、純粋なグラフェンシートを担体材料上に移動させることができる。シートの酸化による損傷がないことで、より高い導電率および熱伝導率を有するグラフェン含有製品を製造することができる。
(3)ボトムアップ製造方法とは異なり、本発明の方法を用いて大型連続プレートレットを製造することができる。
(4)一般的な製造方法とは逆に、グラフェンコーティングを形成するために強酸および酸化剤は不要である。
(5)一般的な製造方法とは逆に、多量の水を必要とする製造プロセスは不要である。
の基のいずれか1つである)、およびそれらの組合せからなる群から選択されるアジド化合物を含む。
担体固体粒子表面に移動したグラフェンシートは、黒鉛結晶のエッジ面に対応する大きな表面比率を有する。エッジ面における炭素原子は反応性であり、炭素の原子価を満たすためにある程度のヘテロ原子または基を含む必要がある。固体担体粒子に移動させることで形成されるグラフェンナノプレートレットのエッジまたは表面にもともと存在する多くの種類の官能基(たとえばヒドロキシルおよびカルボン酸)が存在する。衝突によって誘発されて担体粒子が受ける運動エネルギーは、担体粒子表面上を被覆するグラフェンシートのエッジ、さらには表面を化学的に活性化させる(たとえば高活性部位またはフリーラジカルを形成する)のに十分なエネルギーおよび強度を有する。所望の化学官能基(たとえば-NH2、Br-など)を含む特定の化学種を衝突チャンバー中に混入すると、これらの官能基をグラフェンのエッジおよび/または表面に付与することができる。言い換えると、グラフェンシートの製造および化学官能化は、衝突チャンバー中に適切な化合物を混入することによって同時に行うことができる。要約すると、他の方法に対する本発明の大きな利点の1つは、製造と表面化学の改質とを同時に行うことが簡単なことである。
の基のいずれか1つである)、およびそれらの組合せからなる群から選択されるアジド化合物を含む。
実験において、1kgのポリプロピレン(PP)ペレット、50グラムの50メッシュのフレーク黒鉛(平均粒度0.18mm;Asbury Carbons、Asbury NJ)、および250グラムの磁性ステンレス鋼ピン(Raytech Industries、Middletown CT)を高エネルギーボールミル容器中に入れた。このボールミルを300rpmで4時間運転した。容器の蓋を取り外し、磁石を用いてステンレス鋼ピンを除去した。ポリマー担体材料が暗色の炭素層で覆われたことが分かった。担体材料を50メッシュのふるいの上に置き、少量の未処理のフレーク黒鉛を除去した。得られた被覆担体材料の試料を、次に、600℃の通気炉中のるつぼ中に入れた。冷却後、炉を開けると、単離されたグラフェンシート粉末でるつぼが満たされていることが分かった。残りの被覆担体材料は、次に溶融配合し、ペレット化し、射出成形して、引張試験棒を作製した。
実験において、固体担体材料粒子としての100グラムのABSペレットを、16オンスのプラスチック容器中に5グラムの膨張黒鉛とともに入れた。この容器を音響混合装置(Resodyn Acoustic mixer)中に入れ、30分間処理を行った。処理後、担体材料が炭素の薄層で覆われたことが分かった。担体材料の少量の試料をアセトン中に入れ、ABSの溶解を促進するために超音波エネルギーを加えた。適切なフィルターを用いて溶液を濾過し、追加のアセトンで4回洗浄した。洗浄後、濾液を60℃に設定した真空オーブン中で2時間乾燥させた。この試料を光学顕微鏡法で調べると、グラフェンであることが分かった。残りのペレットを押出成形して、溶融フィラメント製造に使用される1.75mmのフィラメントを作製した。
一例では、100グラムのPLAペレット(担体材料)および2グラムのMCMB(China Steel Chemical Co.,Taiwan)を、磁性ステンレス鋼インパクター粒子も含む振動ボールミル中に入れ、2時間処理を行った。続いて、DETAを加え、材料混合物をさらに2時間処理した。処理の完了後、次に振動ミルを開くと、担体材料がグラフェンの暗色の被覆で覆われていることが分かった。磁石を用いて磁性鋼粒子を除去した。続いて、担体材料を粉砕し、選択的レーザー焼結装置を用いて焼結させた。
実験の1つにおいて、10グラムのABSペレットをSPEXミルの試料ホルダー(SPEX Sample Prep、Metuchen,NJ)中に、黒鉛化ポリイミドから得られる0.25グラムのHOPGおよび磁性ステンレス鋼インパクターとともに入れた。このプロセスは、完成品上への水の凝縮を軽減するために1%「乾燥室」中で行った。SPEXミルを10分間運転した。運転後、試料ホルダーの内容物をアセトン浴に移した。超音波ホーンを15分間運転してABS担体を溶解させた。得られた溶液を金属基材上に噴霧して、グラフェン/ポリマー複合物被覆を形成した。
実験において、0.5kgのPEもしくはナイロンビーズ(固体担体材料として)、50グラムの天然黒鉛(グラフェンシート源)、および250グラムのジルコニア粉末(衝突ボール)を遊星ボールミルの容器中に入れた。このボールミルを300rpmで4時間運転した。容器の蓋を取り外し、ジルコニアビーズ(グラフェン被覆PEビーズとは異なるサイズおよび重量)を振動スクリーンによって除去した。ポリマー担体材料が暗色のグラフェン層で覆われていることが分かった。担体材料を50メッシュのふるいの上に置き、少量の未処理のフレーク黒鉛を除去した。次に被覆担体材料の試料を600℃の通気炉中のるつぼ中に入れた。冷却後、炉を開けると、図8(B)に示されるような単離されたグラフェンシート粉末(>95%単層グラフェン)でるつぼが満たされているのが分かった。残りのグラフェン被覆PEまたはナイロンビーズを別々の溶融配合し、射出成形して、曲げ試験棒および導電率測定用ディスクを作製した。別の実験において、衝突ボールとしてガラスビーズを使用し、他のボールミル粉砕運転条件は同じままであった。
酸化黒鉛は、Hummersの方法[米国特許第2,798,878号明細書、1957年7月9日]による硫酸、硝酸塩、および過マンガン酸塩を用いた黒鉛フレークの酸化によって調製される。反応終了後、得られた混合物を脱イオン水中に注ぎ、濾過した。大部分の硫酸イオンを除去するため、得られた酸化黒鉛をHClの5%溶液中で繰り返し洗浄した。次に、濾液のpHが中性となるまで、試料を脱イオン水で繰り返し洗浄した。得られたスラリーを噴霧乾燥し、真空オーブン中60℃で24時間保管した。結果として得られる層状酸化黒鉛の層間隔をDebey-ScherrerのX線技術によって測定すると約0.73nm(7.3A)であった。次にこの材料の試料を、剥離のために、650℃にあらかじめ設定した炉に4分間入れ、1200℃の不活性雰囲気の炉中で4時間加熱して、図8(A)に示されるような数層還元酸化グラフェン(RGO)から構成される低密度粉末を形成した。窒素吸着BETによって表面積を測定した。
ポリマーマトリックス複合物と、オールミリング(all-milling)後に回収したマトリックスを有さない分離されたグラフェンシートとの両方の構造および性質を測定するために、走査型電子顕微鏡法(SEM)、透過型電子顕微鏡法(TEM)、ラマン分光法、曲げ強度試験(曲げ強度および弾性率測定のための長梁(long beam)試験と、層間または界面結合の評価のための短梁剪断試験との両方)、比表面積(SSA)を求めるためのBET試験、導電率(4点プローブ)試験、および熱伝導率(レーザーフラッシュ)試験を行った。以下は、より顕著な結果の一部のまとめである:
1)一般に、衝突ボールを加えることは、黒鉛粒子からのグラフェンシートの剥離過程の促進に役立つ。しかし、この選択肢は、グラフェン被覆ポリマー粒子の作製後にこれらの衝突ボールの分離が必要である。
2)衝突粒子(セラミック、ガラス、金属ボールなど)が使用されない場合、より硬質のポリマー粒子(たとえばPE、PP、ナイロン、ABS、ポリスチレン、高衝撃ポリスチレンなど、およびそれらのフィラーで強化された種類のもの)は、軟質ポリマー粒子(たとえばゴム、PVC、ポリビニルアルコール、ラテックスの粒子)と比較すると、黒鉛粒子からグラフェンシートを剥離する能力が高い。
3)外部から加えられる衝突ボールがない場合、より軟質のポリマー粒子によって0.01重量%~5重量%のグラフェン(ほとんどが単層グラフェンシート)を有するグラフェン被覆粒子またはグラフェン埋め込み粒子が得られる傾向にあり、より硬質のポリマーボールによって、0.1重量%~30重量%のグラフェン(ほとんどが単層および数層グラフェンシート)を有するグラフェン被覆粒子が得られる傾向にある。
4)外部から加えられる衝突ボールを有する場合、すべてのポリマーボールは0.01重量%~約80重量%のグラフェンシート(ほとんどが数層グラフェン、30重量%を超える場合<10層)を支持することができる。
5)本発明による方法によって製造されたグラフェン強化ポリマーマトリックス複合物(グラフェン/ポリマーナノ複合物)は、典型的には、一般的な従来技術方法によって製造されたそれらの相当物と比較すると、はるかに高い曲げ強度を示す。破断面のSEM検査によって、本発明によるグラフェン/ポリマーナノ複合物中でグラフェンがはるかにより均一に分散していることが分かる。ナノフィラーの凝集は、複合材料中の亀裂発生源となりうる。
6)本発明による方法によって製造されたグラフェン/ポリマーナノ複合物は、はるかに低い浸透閾値も有する。浸透閾値は、他の非伝導性ポリマーマトリックス中に電子伝導経路の網目構造を形成可能な伝導性フィラーの臨界体積分率または重量分率である。これは典型的には、導電率対フィラー分率曲線における1~5桁での大きさの急上昇を特徴とする。たとえば、本発明によるグラフェン/ABSナノ複合物は、0.3%の低い浸透閾値を示すことができるが、同じ種類の複合物は、その浸透閾値を実現するために約2.5重量%のグラフェンシートを必要とする
7)化学官能化グラフェンシートを含むグラフェン/ポリマーナノ複合物は、非官能化グラフェンシートを含む複合物と比較すると、はるかに高い短梁剪断強度を示す。これは、グラフェン製造/官能化を組み合わせた本発明による方法の驚くべき有効性を示している。
Claims (28)
- グラフェン強化ポリマーマトリックス複合物を黒鉛材料から直接製造する方法であって、当該方法が:
(a)エネルギー衝突装置の衝突チャンバー中で黒鉛材料の複数の粒子と、固体ポリマー担体材料の複数の粒子とを混合して混合物を形成するステップであって、前記衝突チャンバーが衝突ボールを含まず、前記エネルギー衝突装置が、振動ボールミル、遊星ボールミル、高エネルギーミル、バスケットミル、アジテーターボールミル、クライオボールミル、マイクロボールミル、タンブラーボールミル、連続ボールミル、撹拌ボールミル、加圧ボールミル、フリーザーミル、振動ふるい、ビーズミル、ナノビーズミル、超音波ホモジナイザーミル、遠心分離遊星ミキサー、真空ボールミル、または共鳴音響ミキサーであり、前記固体ポリマー担体材料粒子が、溶媒中に溶解可能または溶融温度よりも高温で溶融可能であるマイクロメートルまたはナノメートルスケールの粒子を含み、前記混合物を形成するステップが、前記ポリマーマトリックス複合物を形成するために前記固体ポリマー担体材料粒子を溶解または溶融させることを含むステップと;
(b)前記黒鉛材料からグラフェンシートを剥離し、前記グラフェンシートを前記固体ポリマー担体材料粒子の表面に移動させて、グラフェン被覆ポリマー粒子またはグラフェン埋め込みポリマー粒子を前記衝突チャンバーの内部で形成するのに十分な時間の間、ある頻度およびある強度で前記エネルギー衝突装置を運転して、前記グラフェン被覆ポリマー粒子またはグラフェン埋め込みポリマー粒子を前記衝突チャンバーから回収するステップと;
(c)前記グラフェン被覆ポリマー粒子またはグラフェン埋め込みポリマー粒子からグラフェン強化ポリマーマトリックス複合物を形成するステップと
を含み、
前記固体ポリマー担体材料粒子が、10nm~10mmの直径または厚さを有し、
前記グラフェンシートが単層グラフェンシートを含む、方法。 - グラフェン強化ポリマーマトリックス複合物を黒鉛材料から直接製造する方法であって、当該方法が:
(a)エネルギー衝突装置の衝突チャンバー中で黒鉛材料の複数の粒子と、固体ポリマー担体材料の複数の粒子とを混合して混合物を形成するステップであって、複数の衝突ボールが前記エネルギー衝突装置の前記衝突チャンバーに加えられ、前記エネルギー衝突装置が、振動ボールミル、遊星ボールミル、高エネルギーミル、バスケットミル、アジテーターボールミル、クライオボールミル、マイクロボールミル、タンブラーボールミル、連続ボールミル、撹拌ボールミル、加圧ボールミル、フリーザーミル、振動ふるい、ビーズミル、ナノビーズミル、超音波ホモジナイザーミル、遠心分離遊星ミキサー、真空ボールミル、または共鳴音響ミキサーであり、前記固体ポリマー担体材料粒子が、溶媒中に溶解可能または溶融温度よりも高温で溶融可能であるマイクロメートルまたはナノメートルスケールの粒子を含み、前記混合物を形成するステップが、前記ポリマーマトリックス複合物を形成するために前記固体ポリマー担体材料粒子を溶解または溶融させることを含むステップと;
(b)前記黒鉛材料からグラフェンシートを剥離し、前記グラフェンシートを前記固体ポリマー担体材料粒子の表面に移動させて、グラフェン被覆ポリマー粒子またはグラフェン埋め込みポリマー粒子を前記衝突チャンバーの内部で形成するのに十分な時間の間、ある頻度およびある強度で前記エネルギー衝突装置を運転して、前記グラフェン被覆ポリマー粒子またはグラフェン埋め込みポリマー粒子を前記衝突チャンバーから回収するステップと;
(c)前記グラフェン被覆ポリマー粒子またはグラフェン埋め込みポリマー粒子からグラフェン強化ポリマーマトリックス複合物を形成するステップと
を含み、
前記固体ポリマー担体材料粒子が、10nm~10mmの直径または厚さを有し、
前記グラフェンシートが単層グラフェンシートを含む、方法。 - 前記グラフェン被覆ポリマー粒子またはグラフェン埋め込みポリマー粒子から前記衝突ボールを分離するために磁石が使用される、請求項2に記載の方法。
- 前記固体ポリマー担体材料粒子が、プラスチックまたはゴムのビーズ、ペレット、球、ワイヤ、繊維、フィラメント、ディスク、リボン、またはロッドを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記直径または厚さが1μm~100μmである、請求項1に記載の方法。
- 前記黒鉛材料が、天然黒鉛、合成黒鉛、高配向熱分解黒鉛、黒鉛繊維、黒鉛ナノファイバー、フッ化黒鉛、酸化黒鉛、化学修飾黒鉛、剥離黒鉛、剥離し再圧縮した黒鉛、膨張黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ、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。
- 前記黒鉛材料が、前記混合ステップの前に化学処理または酸化処理があらかじめ行われていない非インターカレートおよび非酸化黒鉛材料を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記ステップ(c)が、前記ポリマー粒子を溶融させて、グラフェンシートが中に分散したポリマー溶融混合物を形成するステップと、前記ポリマー溶融混合物から所望の形状を形成するステップと、前記形状を固化させて前記グラフェン強化ポリマーマトリックス複合物を得るステップとを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記ステップ(c)が、前記ポリマー粒子を溶媒中に溶解させて、グラフェンシートが中に分散したポリマー溶液混合物を形成するステップと、前記ポリマー溶液混合物から所望の形状を形成するステップと、前記溶媒を除去して前記形状を固化させて前記グラフェン強化ポリマーマトリックス複合物を得るステップとを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記ステップ(c)が、前記ポリマー粒子を溶融させて、グラフェンシートが中に分散したポリマー溶融混合物を形成するステップと、前記混合物を押出成形してロッド形態またはシート形態にするステップ、前記混合物を紡糸して繊維形態にするステップ、前記混合物を噴霧して粉末形態にするステップ、または前記混合物をキャスティングしてインゴット形態にするステップとを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記ステップ(c)が、前記ポリマー粒子を溶媒中に溶解させて、グラフェンシートが中に分散したポリマー溶液混合物を形成するステップと、前記溶液混合物を押出成形してロッド形態またはシート形態にするステップ、前記溶液混合物を紡糸して繊維形態にするステップ、前記溶液混合物を噴霧して粉末形態にするステップ、または前記溶液混合物をキャスティングしてインゴット形態にするステップと、前記溶媒を除去するステップとを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記ポリマー溶液混合物を噴霧してナノグラフェン強化ポリマーマトリックス複合物被覆を形成する、請求項11に記載の方法。
- 前記ステップ(c)が、前記グラフェン被覆ポリマー粒子を前記グラフェン強化ポリマーマトリックス複合物の所望の形状に焼結させるステップを含み、前記焼結ステップが選択的レーザー焼結装置中で行われる、請求項1に記載の方法。
- 前記グラフェンシートが、少なくとも80%の単層グラフェン、または10個以下のグラフェン面を有する少なくとも80%の数層グラフェンを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記グラフェンシートが、純粋なグラフェン、5重量%未満の酸素含有量を有する酸化グラフェン、フッ化グラフェン、5重量%未満のフッ素を有するフッ化グラフェン、95重量%以上の炭素含有量を有するグラフェン、または化学修飾グラフェンを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記衝突チャンバーが、炭素繊維、セラミック繊維、ガラス繊維、カーボンナノチューブ、炭素ナノファイバー、金属ナノワイヤ、金属粒子、セラミック粒子、ガラス粉末、炭素粒子、黒鉛粒子、有機粒子、またはそれらの組合せから選択される改質用フィラーをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記ポリマーが、熱可塑性ポリマー、熱硬化性樹脂、ゴムもしくはエラストマー、半貫通網目構造ポリマー、貫通網目構造ポリマー、ワックス、ゴム、マスチック、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。
- 前記衝突チャンバーが官能化剤をさらに含み、前記エネルギー衝突装置を運転する前記ステップ(b)が、前記グラフェンシートを前記官能化剤で化学官能化する役割を果たす、請求項1に記載の方法。
- 前記官能化剤が、アルキルもしくはアリールシラン、アルキルもしくはアラルキル基、ヒドロキシル基、カルボキシル基、アミン基、スルホネート基(-SO3H)、アルデヒド基、キノイダル、フルオロカーボン、またはそれらの組合せから選択される化学官能基を含む、請求項18に記載の方法。
- 前記官能化剤が、ヒドロキシル、ペルオキシド、エーテル、ケト、およびアルデヒドからなる群から選択される酸素化基を含む、請求項18に記載の方法。
- 前記官能化剤が、SO3H、COOH、NH2、OH、R’CHOH、CHO、CN、COCl、ハライド、COSH、SH、COOR’、SR’、SiR’3、Si(-OR’-)yR’3-y、Si(-O-SiR’2-)OR’、R”、Li、AlR’2、Hg-X、TlZ2、およびMg-X(式中、yは3以下の整数であり、R’は、水素、アルキル、アリール、シクロアルキル、またはアラルキル、シクロアリール、またはポリ(アルキルエーテル)であり、R”は、フルオロアルキル、フルオロアリール、フルオロシクロアルキル、フルオロアラルキル、またはシクロアリールであり、Xはハライドであり、Zは、カルボキシレートまたはトリフルオロアセテートである)、およびそれらの組合せからなる群から選択される官能基を含む、請求項18に記載の方法。
- 前記官能化剤が、アミドアミン、ポリアミド、脂肪族アミン、変性脂肪族アミン、脂環式アミン、芳香族アミン、無水物、ケチミン、ジエチレントリアミン(DETA)、トリエチレンテトラミン(TETA)、テトラエチレンペンタミン(TEPA)、ポリエチレンポリアミン、ポリアミンエポキシ付加体、フェノール系硬化剤、非臭素化硬化剤、非アミン硬化剤、およびそれらの組合せからなる群から選択される官能基を含む、請求項18に記載の方法。
- 前記官能化剤が、OY、NHY、O=C-OY、P=C-NR’Y、O=C-SY、O=C-Y、-CR’1-OY、N’Y、またはC’Yから選択される官能基を含み、Yが、タンパク質、ペプチド、アミノ酸、酵素、抗体、ヌクレオチド、オリゴヌクレオチド、抗原、もしくは酵素基質、酵素阻害剤、もしくは酵素基質の遷移状態アナログの官能基である、またはR’-OH、R’-NR’2、R’SH、R’CHO、R’CN、R’X、R’N+(R’)3X-、R’SiR’3、R’Si(-OR’-)yR’3-y、R’Si(-O-SiR’2-)OR’、R’-R”、R’-N-CO、(C2H4O-)wH、(-C3H6O-)wH、(-C2H4O)w-R’、(C3H6O)w-R’、R’(式中、yは3以下の整数であり、wは1を超え200未満の整数であり、R’は、水素、アルキル、アリール、シクロアルキル、またはアラルキル、シクロアリール、またはポリ(アルキルエーテル)であり、R”は、フルオロアルキル、フルオロアリール、フルオロシクロアルキル、フルオロアラルキル、またはシクロアリールであり、Xはハライドである)から選択される、請求項18に記載の方法。
- 前記エネルギー衝突装置を運転する前記ステップが、連続エネルギー衝突装置を用いて連続方法で行われる、請求項1に記載の方法。
- 前記ステップ(c)に続いて、350℃~3000℃の温度で、前記グラフェン強化ポリマーマトリックス複合物を熱処理して、前記ポリマーマトリックスの炭化、または前記ポリマーマトリックスの炭化および黒鉛化を行って、グラフェン強化炭素マトリックス複合物または黒鉛マトリックス複合物を形成するステップが行われる、請求項1に記載の方法。
- グラフェン被覆ポリマー粒子またはグラフェン埋め込みポリマー粒子の材料であって、グラフェンの比率が、グラフェンおよびポリマーを合わせた全重量を基準として0.01重量%~80重量%である材料が製造される、請求項1に記載の方法。
- グラフェン被覆ポリマー粒子またはグラフェン埋め込みポリマー粒子の材料が、押出機、成形機、または選択的レーザー焼結装置に供給されて、グラフェン強化ポリマー複合物の部品が製造される、請求項27に記載の方法。
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