JP7447021B2 - Discrete graphene sheet coated with anti-corrosion material and anti-corrosion coating composition containing the same - Google Patents

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、2018年5月8日に出願された米国特許出願公開第15/973,651号及び2018年5月8日に出願された米国特許出願公開第15/973,656号(それぞれの内容があらゆる目的で参照により本明細書に援用される)に対する優先権を主張する。
CROSS-REFERENCES TO RELATED APPLICATIONS This application is filed in U.S. Patent Application No. 15/973,651, filed on May 8, 2018; No. 656, the contents of each of which are incorporated herein by reference for all purposes.

分野
本開示は、概して、防食被覆の分野に関し、特にグラフェンを使用可能な被覆組成物及びその使用方法に関する。
FIELD The present disclosure relates generally to the field of anticorrosive coatings, and specifically to graphene-enabled coating compositions and methods of use thereof.

背景
金属材料の腐食は、費用のかかる問題である。例えば、腐食によって生じる問題のコストは、米国の年間の国内総生産(GDP)の2%~5%を占める。
Background Corrosion of metallic materials is an expensive problem. For example, the cost of problems caused by corrosion accounts for 2% to 5% of the annual gross domestic product (GDP) of the United States.

腐食は、鉄金属(例えば、鉄及び鋼)及び非鉄金属(例えば、アルミニウム、銅など)の両方で発生する。これらの金属材料は、海洋及び沖合の構造物、橋梁、コンテナ、製油所、発電所、貯蔵タンク、クレーン、風車、空港、石油化学設備などにおいて一般に使用されている。 Corrosion occurs in both ferrous metals (eg, iron and steel) and non-ferrous metals (eg, aluminum, copper, etc.). These metal materials are commonly used in marine and offshore structures, bridges, containers, refineries, power plants, storage tanks, cranes, wind turbines, airports, petrochemical equipment, etc.

耐食被覆は、湿気、塩水噴霧、酸化又は種々の環境若しくは工業の化学物質への曝露による劣化から金属部材を保護する。防食被覆は、金属表面の保護を可能にし、腐食性物質と、保護される金属基材との間の接触に対する障壁として機能する。腐食防止に加えて、多くの被覆は、改善された耐摩耗性、焦げ付き防止性能及び化学的保護も得られる。防食特性を有する被覆により、金属部材の実現可能な最長寿命が保証される。 Corrosion-resistant coatings protect metal components from deterioration due to moisture, salt spray, oxidation, or exposure to various environmental or industrial chemicals. Anticorrosion coatings allow protection of metal surfaces and act as a barrier to contact between corrosive substances and the metal substrate to be protected. In addition to corrosion protection, many coatings also offer improved abrasion resistance, non-stick performance and chemical protection. A coating with anti-corrosion properties ensures the longest possible service life of the metal component.

一例として、鋼構造物を保護するための防食性被覆は、亜鉛プライマーを含み、ここで、亜鉛は、アノード活性被覆を形成するための伝導性顔料として使用される。亜鉛は、カソードとなる鋼基材を保護する犠牲アノード材料として機能する。腐食に対する抵抗性は、亜鉛プライマーによるガルバーニ電流の伝達に依存すると思われ、系の導電性が維持され、アノードとして機能するのに十分な亜鉛が存在する場合、鋼基材は、依然として直流電流により保護される。これらの要求に適合させるため、亜鉛プライマーは、典型的には、高使用量の亜鉛粒子(例えば、80重量%までの亜鉛)を含むように配合され、亜鉛プライマー中の亜鉛顔料粒子は、互いに密集して充填される。しかし、高亜鉛使用量は、液体媒体中に固体内容物を分散させることが非常に困難であること、保護される鋼表面上へのプライマーの塗布が困難であること、過度に厚く緻密な被覆及び高コストを意味する。別の種類の金属構造物を保護するための別の被覆系も重大な欠点を有する。 As an example, anticorrosive coatings for protecting steel structures include zinc primers, where zinc is used as a conductive pigment to form the anode active coating. The zinc acts as a sacrificial anode material that protects the steel substrate that becomes the cathode. Resistance to corrosion appears to depend on the transmission of galvanic current by the zinc primer, and if the system remains conductive and enough zinc is present to act as an anode, the steel substrate will still be sensitive to direct current. protected. To meet these demands, zinc primers are typically formulated to include high loadings of zinc particles (e.g., up to 80% zinc by weight) such that the zinc pigment particles in the zinc primer are in close contact with each other. Densely packed. However, high zinc usage can result in very difficult dispersion of the solid contents in the liquid medium, difficulty in applying the primer onto the steel surface to be protected, and excessively thick and dense coatings. and high cost. Other coating systems for protecting other types of metal structures also have significant drawbacks.

したがって、改善された防食被覆の開発が依然として非常に望まれている。本開示の特定の目的の1つは、必要なアノード又は犠牲材料の量がより少ない新しい被覆系である。 Therefore, the development of improved corrosion protection coatings remains highly desirable. One particular object of the present disclosure is a new coating system that requires lower amounts of anode or sacrificial material.

概要
本開示は、2つの反対側にある平行な表面(主面とも呼ばれる)をそれぞれ有する複数のグラフェンシートと、2つの平行な表面の1つの少なくとも50%の面積に被覆され且つそれを覆う防食顔料又は犠牲金属の薄膜被覆(0.5nm~500nmの厚さを有する)と、液体媒体中に溶解又は分散されたバインダー樹脂とを含む、グラフェンをベースとする被覆懸濁液であって、複数のグラフェンシートは、本質的に0%の非炭素元素を有する純粋なグラフェン材料又は0.001重量%~47重量%の非炭素元素を有する不純グラフェン材料から選択される単層又は数層グラフェンシートを含み、不純グラフェンは、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、ドープされたグラフェン、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、グラフェンをベースとする被覆懸濁液を提供する。好ましくは、グラフェンシートは、液体媒体を除いた全被覆懸濁液重量を基準として0.1%~30%の重量分率を有する。不純グラフェン材料は、1重量%~30重量%の、O、H、N、F、Cl、Br、I、B、P又はそれらの組み合わせから選択される非炭素元素を有することができる。
SUMMARY The present disclosure provides a plurality of graphene sheets each having two opposite parallel surfaces (also referred to as major surfaces) and a corrosion protection coating covering at least 50% of the area of one of the two parallel surfaces and covering the same. A graphene-based coating suspension comprising a thin film coating of a pigment or sacrificial metal (having a thickness of 0.5 nm to 500 nm) and a binder resin dissolved or dispersed in a liquid medium, comprising: The graphene sheets are essentially single-layer or few-layer graphene sheets selected from pure graphene materials with 0% non-carbon elements or impure graphene materials with 0.001 wt.% to 47 wt.% non-carbon elements. Impure graphene includes graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, graphene hydride, graphene nitride, doped graphene, chemically functionalized graphene or combinations thereof. A graphene-based coating suspension selected from: Preferably, the graphene sheets have a weight fraction of 0.1% to 30% based on the total coating suspension weight excluding liquid medium. The impure graphene material can have from 1% to 30% by weight of non-carbon elements selected from O, H, N, F, Cl, Br, I, B, P or combinations thereof.

ある実施形態では、防食顔料又は犠牲金属は、アルミニウム、クロム、亜鉛、ベリリウム、マグネシウム、それらの合金、リン酸亜鉛又はそれらの組み合わせから選択される。このような防食材料は、グラフェンシートの一方又は両方の主面上に堆積される薄い被覆層を形成する。このような薄い被覆は、好ましくは、単層グラフェンシート(厚さ0.34nm)上又は数層グラフェンシート(厚さ約0.68nm~3.4nm)上に堆積されて1nm~100nmの厚さを有する。グラフェンシートと、それらの表面上に被覆された防食材料との両方は、非常に薄い。これらの超薄防食材料で被覆されたグラフェンシートを含む防食性被覆組成物は、驚くべきことに、腐食に対する金属表面の保護において有効であり、分離したグラフェンシートと、防食顔料又は金属の離散粒子とが別々に液体媒体中に分散されて被覆懸濁液を形成する対応する被覆組成物よりも有効である。 In certain embodiments, the anticorrosive pigment or sacrificial metal is selected from aluminum, chromium, zinc, beryllium, magnesium, alloys thereof, zinc phosphate, or combinations thereof. Such anti-corrosion material forms a thin coating layer deposited on one or both major surfaces of the graphene sheet. Such thin coatings are preferably deposited on single layer graphene sheets (0.34 nm thick) or on multilayer graphene sheets (approximately 0.68 nm to 3.4 nm thick) to a thickness of 1 nm to 100 nm. has. Both the graphene sheets and the anti-corrosion material coated on their surface are very thin. Anti-corrosion coating compositions comprising graphene sheets coated with these ultra-thin anti-corrosion materials are surprisingly effective in protecting metal surfaces against corrosion, with separate graphene sheets and discrete particles of anti-corrosion pigments or metals. and are separately dispersed in a liquid medium to form a coating suspension.

バインダー樹脂は、好ましくは、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、ウレタン尿素樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂、アルキド樹脂、ポリイミド、熱硬化性ポリエステル、ビニルエステル樹脂、シリケート接着剤又はそれらの組み合わせから選択される樹脂を含むことができる。 The binder resin is preferably a resin selected from epoxy resins, polyurethane resins, urethaneurea resins, phenolic resins, acrylic resins, alkyd resins, polyimides, thermosetting polyesters, vinyl ester resins, silicate adhesives or combinations thereof. can be included.

当業者に明らかとなるように、被覆懸濁液は、別の被覆/塗料成分をさらに含むことができる。このような成分の例は、フィラー、添加剤(例えば、界面活性剤、分散剤、消泡剤、触媒、促進剤、安定剤、融合助剤、チキソトロープ剤、沈降防止剤及び染料)、カップリング剤、増量剤、伝導性顔料、電子伝導性ポリマー又はそれらの組み合わせである。この場合にも、被覆懸濁液は、ガラス、セラミック又はポリマーなどの微小球を含まない。 As will be apparent to those skilled in the art, the coating suspension may further include other coating/coating components. Examples of such ingredients are fillers, additives (e.g. surfactants, dispersants, defoamers, catalysts, promoters, stabilizers, coalescing aids, thixotropic agents, antisettling agents and dyes), coupling agents. agent, filler, conductive pigment, electronically conductive polymer, or a combination thereof. In this case too, the coating suspension does not contain microspheres such as glass, ceramic or polymers.

伝導性顔料は、アセチレンブラック、カーボンブラック、膨張黒鉛フレーク、炭素繊維、カーボンナノチューブ、アンチモンがドープされた酸化スズ若しくはインジウムスズ酸化物で被覆されたマイカ又はそれらの混合物から選択され得る。 The conductive pigment may be selected from acetylene black, carbon black, expanded graphite flakes, carbon fibres, carbon nanotubes, mica coated with antimony doped tin oxide or indium tin oxide or mixtures thereof.

電子伝導性ポリマーは、好ましくは、ポリジアセチレン、ポリアセチレン(PAc)、ポリピロール(PPy)、ポリアニリン(PAni)、ポリチオフェン(PTh)、ポリイソチオナフテン(PITN)、ポリヘテロアリーレンビニレン(PArV)(ここで、ヘテロアリーレン基は、チオフェン、フラン又はピロールであり得る)、ポリ-p-フェニレン(PpP)、ポリフタロシアニン(PPhc)など、及びそれらの誘導体並びにそれらの組み合わせからなる群から選択される。 The electronically conductive polymer is preferably polydiacetylene, polyacetylene (PAc), polypyrrole (PPy), polyaniline (PAni), polythiophene (PTh), polyisothionaphthene (PITN), polyheteroarylene vinylene (PArV) (herein , the heteroarylene group may be thiophene, furan or pyrrole), poly-p-phenylene (PpP), polyphthalocyanine (PPhc), etc., and derivatives thereof and combinations thereof.

幾つかの実施形態では、官能化グラフェンシートに結合される化学官能基は、アルキル若しくはアリールシラン、アルキル若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(-SOH)、アルデヒド基、キノイド系、フルオロカーボン又はそれらの組み合わせから選択される。 In some embodiments, the chemical functional groups attached to the functionalized graphene sheets include alkyl or aryl silanes, alkyl or aralkyl groups, hydroxyl groups, carboxyl groups, amine groups, sulfonate groups (-SO 3 H), aldehyde groups. , quinoids, fluorocarbons or combinations thereof.

代わりに、グラフェンシートに結合される官能基は、2-アジドエタノール、3-アジドプロパン-1-アミン、4-(2-アジドエトキシ)-4-オキソブタン酸、2-アジドエチル-2-ブロモ-2-メチルプロパノエート、クロロカーボネート、アジドカーボネート、ジクロロカルベン、カルベン、アライン、ニトレン、(R-)-オキシカルボニルニトレン(ここで、R=以下の基
のいずれか1つである)及びそれらの組み合わせからなる群から選択されるアジド化合物の誘導体を含む。
Alternatively, the functional groups attached to the graphene sheets are 2-azidoethanol, 3-azidopropan-1-amine, 4-(2-azidoethoxy)-4-oxobutanoic acid, 2-azidoethyl-2-bromo-2 - Methylpropanoate, chlorocarbonate, azidocarbonate, dichlorocarbene, carbene, aryne, nitrene, (R-)-oxycarbonylnitrene (where R = the following group)
) and combinations thereof.

ある実施形態では、官能基は、ヒドロキシル、ペルオキシド、エーテル、ケト及びアルデヒドからなる群から選択される。ある実施形態では、官能化剤は、SOH、COOH、NH、OH、R’CHOH、CHO、CN、COCl、ハライド、COSH、SH、COOR’、SR’、SiR’、Si(-OR’-)R’-y、Si(-O-SiR’-)OR’、R”、Li、AlR’、Hg-X、TlZ及びMg-Xからなる群から選択される官能基を含み、ここで、yは、3以下の整数であり、R’は、水素、アルキル、アリール、シクロアルキル若しくはアラルキル、シクロアリール又はポリ(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又はシクロアリールであり、Xは、ハライドであり、及びZは、カルボキシレート又はトリフルオロアセテート及びそれらの組み合わせである。 In certain embodiments, the functional group is selected from the group consisting of hydroxyl, peroxide, ether, keto, and aldehyde. In some embodiments, the functionalizing agent is SO 3 H, COOH, NH 2 , OH, R'CHOH, CHO, CN, COCl, halide, COSH, SH, COOR', SR', SiR' 3 , Si(- OR'-) y R' 3 -y, Si(-O-SiR' 2 -) OR', R'', Li, AlR' 2 , Hg-X, TlZ 2 and Mg-X y is an integer of 3 or less, R' is hydrogen, alkyl, aryl, cycloalkyl or aralkyl, cycloaryl or poly(alkyl ether), and R'' is fluoroalkyl , fluoroaryl, fluorocycloalkyl, fluoroaralkyl or cycloaryl, X is halide, and Z is carboxylate or trifluoroacetate and combinations thereof.

官能基は、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、非アミン硬化剤及びそれらの組み合わせからなる群から選択され得る。 Functional groups include amidoamine, polyamide, aliphatic amine, modified aliphatic amine, alicyclic amine, aromatic amine, anhydride, ketimine, diethylenetriamine (DETA), triethylenetetramine (TETA), and tetraethylenepentamine (TEPA). , polyethylene polyamines, polyamine epoxy adducts, phenolic hardeners, non-brominated hardeners, non-amine hardeners, and combinations thereof.

幾つかの実施形態では、官能基は、OY、NHY、O=C-OY、P=C-NR’Y、O=C-SY、O=C-Y、-CR’1-OY、N’Y又はC’Yから選択され、及びYは、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、抗原若しくは酵素基質、酵素阻害剤若しくは酵素基質の遷移状態アナログの官能基であるか、又はR’-OH、R’-NR’、R’SH、R’CHO、R’CN、R’X、R’N(R’)、R’SiR’、R’Si(-OR’-)R’3-y、R’Si(-O-SiR’-)OR’、R’-R”、R’-N-CO、(CO-)H、(-CO-)H、(-CO)-R’、(CO)-R’、R’から選択され、及びwは、1超且つ200未満の整数である。 In some embodiments, the functional groups are OY, NHY, O=C-OY, P=C-NR'Y, O=C-SY, O=C-Y, -CR'1-OY, N' selected from Y or C'Y, and Y is a functional group of a protein, peptide, amino acid, enzyme, antibody, nucleotide, oligonucleotide, antigen or enzyme substrate, enzyme inhibitor or transition state analog of an enzyme substrate; or R'-OH, R'-NR' 2 , R'SH, R'CHO, R'CN, R'X, R'N + (R') 3 X - , R'SiR' 3 , R'Si (-OR'-) y R' 3-y , R'Si(-O-SiR' 2- )OR', R'-R", R'-N-CO, (C 2 H 4 O-) w selected from H, (-C 3 H 6 O-) w H, (-C 2 H 4 O) w -R', (C 3 H 6 O) w -R', R', and w is 1 An integer greater than 200 and less than 200.

本開示は、物体又は構造物であって、複数のグラフェンシートと、防食顔料又は犠牲金属の粒子と、水性バインダー樹脂であって、グラフェンシートと防食顔料又は犠牲金属の粒子とを互いに且つそれらを物体又は構造物の表面に結合する水性バインダー樹脂とを含む被覆で少なくとも部分的に被覆された物体又は構造物も提供し、複数のグラフェンシートは、本質的に0%の非炭素元素を有する純粋なグラフェン材料又は0.001重量%~47重量%の非炭素元素を有する不純グラフェン材料から選択される単層又は数層グラフェンシートを含み、不純グラフェンは、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、ドープされたグラフェン、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、被覆は、シリケートバインダー又はそれらの中に分散された微小球を含まない。 The present disclosure relates to an object or structure comprising a plurality of graphene sheets, particles of an anti-corrosion pigment or sacrificial metal, and an aqueous binder resin, the graphene sheets and the particles of an anti-corrosion pigment or sacrificial metal being bonded to each other and the particles of the sacrificial metal. There is also provided an object or structure at least partially coated with a coating comprising an aqueous binder resin bonded to a surface of the object or structure, wherein the plurality of graphene sheets are pure graphene having essentially 0% non-carbon elements. The impure graphene includes graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride. selected from graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, hydrogenated graphene, nitrogenated graphene, doped graphene, chemically functionalized graphene or combinations thereof, the coating is dispersed in a silicate binder or Contains no microspheres.

被覆中の防食顔料又は犠牲金属は、アルミニウム、クロム、亜鉛、ベリリウム、マグネシウム、それらの合金、リン酸亜鉛又はそれらの組み合わせから選択され得る。物体又は構造物の上に塗布される被覆は、典型的には、1nm~10mm、典型的には10nm~1mmの厚さを有する。ある実施形態では、物体又は構造物は、金属製である。 The anti-corrosion pigment or sacrificial metal in the coating may be selected from aluminum, chromium, zinc, beryllium, magnesium, alloys thereof, zinc phosphate or combinations thereof. The coating applied onto an object or structure typically has a thickness of 1 nm to 10 mm, typically 10 nm to 1 mm. In some embodiments, the object or structure is metal.

物体又は構造物の上に塗布される被覆は、エステル樹脂、ネオペンチルグリコール(NPG)、エチレングリコール(EG)、イソフタル酸、テレフタル酸、ウレタン樹脂、ウレタンエステル樹脂、ウレタン尿素樹脂、アクリル樹脂、アクリルウレタン樹脂又はそれらの組み合わせから選択される水性バインダー樹脂を含むことができる。 Coatings applied over objects or structures include ester resins, neopentyl glycol (NPG), ethylene glycol (EG), isophthalic acid, terephthalic acid, urethane resins, urethane ester resins, urethane urea resins, acrylic resins, acrylics. An aqueous binder resin selected from urethane resins or combinations thereof can be included.

水性バインダー樹脂は、100重量部のバインダー樹脂を基準として1~30重量部の量の硬化剤及び/又はカップリング剤を含むことができる。 The aqueous binder resin may contain a curing agent and/or a coupling agent in an amount of 1 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the binder resin.

物体又は構造物の上に塗布される被覆の場合、水性バインダー樹脂は、ジグリセロールテトラグリシジルエーテル、ジペンタエリトリトールテトラグリシジルエーテル、ソルビトールポリグリシジルエーテル、ポリグリセロールポリグリシジルエーテル、ペンタエリトリトールポリグリシジルエーテル又はそれらの組み合わせから選択される多官能性エポキシモノマーを含む熱硬化性樹脂を含むことができる。 In the case of coatings applied onto objects or structures, the aqueous binder resin may be diglycerol tetraglycidyl ether, dipentaerythritol tetraglycidyl ether, sorbitol polyglycidyl ether, polyglycerol polyglycidyl ether, pentaerythritol polyglycidyl ether or the like. The thermosetting resin may include a polyfunctional epoxy monomer selected from a combination of the following.

ある実施形態では、水性バインダー樹脂は、トリメチロールエタントリグリシジルエーテル、トリメチロールメタントリグリシジルエーテル、トリメチロールプロパントリグリシジルエーテル、トリフェニロールメタントリグリシジルエーテル、トリスフェノールトリグリシジルエーテル、テトラフェニロールエタントリグリシジルエーテル、テトラフェニロールエタンのテトラグリシジルエーテル、p-アミノフェノールトリグリシジルエーテル、1,2,6-ヘキサントリオールトリグリシジルエーテル、グリセロールトリグリシジルエーテル、ジグリセロールトリグリシジルエーテル、グリセロールエトキシレートトリグリシジルエーテル、ヒマシ油トリグリシジルエーテル、プロポキシル化グリセリントリグリシジルエーテル、エチレングリコールジグリシジルエーテル、1,4-ブタンジオールジグリシジルエーテル、ネオペンチルグリコールジグリシジルエーテル、シクロヘキサンジメタノールジグリシジルエーテル、ジプロピレングリコールジグリシジルエーテル、ポリプロピレングリコールジグリシジルエーテル、ジブロモネオペンチルグリコールジグリシジルエーテル、水素化ビスフェノールAジグリシジルエーテル、(3,4-エポキシシクロヘキサン)メチル3,4-エポキシシクロヘキシルカルボキシレート、それらの誘導体及びそれらの混合物からなる群から選択される二又は三官能性エポキシモノマーを含む熱可塑性樹脂を含む。 In some embodiments, the aqueous binder resin includes trimethylolethane triglycidyl ether, trimethylolmethane triglycidyl ether, trimethylolpropane triglycidyl ether, triphenylmethane triglycidyl ether, trisphenol triglycidyl ether, tetraphenylolethane triglycidyl ether, Glycidyl ether, tetraphenylolethane tetraglycidyl ether, p-aminophenol triglycidyl ether, 1,2,6-hexanetriol triglycidyl ether, glycerol triglycidyl ether, diglycerol triglycidyl ether, glycerol ethoxylate triglycidyl ether, Castor oil triglycidyl ether, propoxylated glycerin triglycidyl ether, ethylene glycol diglycidyl ether, 1,4-butanediol diglycidyl ether, neopentyl glycol diglycidyl ether, cyclohexanedimethanol diglycidyl ether, dipropylene glycol diglycidyl ether , polypropylene glycol diglycidyl ether, dibromoneopentyl glycol diglycidyl ether, hydrogenated bisphenol A diglycidyl ether, (3,4-epoxycyclohexane)methyl 3,4-epoxycyclohexyl carboxylate, derivatives thereof and mixtures thereof. thermoplastic resins comprising di- or trifunctional epoxy monomers selected from the group consisting of:

ある実施形態では、水性バインダー樹脂は、アクリレート及びメタクリレートオリゴマー、(メタ)アクリレート(アクリレート及びメタクリレート)、(メタ)アクリレート官能基を有する多価アルコール及びそれらの誘導体、例えばエトキシル化トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、トリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、ジエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ペンタエリトリトールテトラ(メタ)アクリレート、ペンタエリトリトールトリ(メタ)アクリレート、ジペンタエリトリトールヘキサ(メタ)アクリレート、1,6-ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート又はネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート及びそれらの混合物並びに低分子量ポリエステル樹脂、ポリエーテル樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、アルキド樹脂、スピロアセタール樹脂、エポキシアクリレート、ポリブタジエン樹脂及びポリチオール-ポリエン樹脂から誘導されるアクリレート及びメタクリレートオリゴマーから選択されるUV放射線硬化性樹脂又はラッカーを含む。 In some embodiments, the aqueous binder resin comprises acrylate and methacrylate oligomers, (meth)acrylates (acrylates and methacrylates), polyhydric alcohols having (meth)acrylate functional groups and their derivatives, such as ethoxylated trimethylolpropane tri(meth) ) acrylate, tripropylene glycol di(meth)acrylate, trimethylolpropane tri(meth)acrylate, diethylene glycol di(meth)acrylate, pentaerythritol tetra(meth)acrylate, pentaerythritol tri(meth)acrylate, dipentaerythritol hexa(meth)acrylate ) acrylate, 1,6-hexanediol di(meth)acrylate or neopentyl glycol di(meth)acrylate and mixtures thereof and low molecular weight polyester resins, polyether resins, epoxy resins, polyurethane resins, alkyd resins, spiroacetal resins, UV radiation curable resins or lacquers selected from acrylate and methacrylate oligomers derived from epoxy acrylates, polybutadiene resins and polythiol-polyene resins.

ある実施形態では、物体又は構造物は、金属製の補強材料又は部材である。物体又は構造物は、コンクリート構造物、橋梁であり得る。 In some embodiments, the object or structure is a metallic reinforcing material or member. The object or structure may be a concrete structure, a bridge.

本開示は、表面を有する構造物又は物体の腐食を抑制する方法であって、(i)0.5nm~1μmの厚さを有する防食顔料又は犠牲金属の薄膜で被覆された複数のグラフェンシートと、液体媒体中に分散又は溶解された樹脂バインダーとを含む被覆懸濁液で表面の少なくとも一部を被覆することと;(ii)被覆ステップの終了時に前記被覆懸濁液から液体媒体を少なくとも部分的に除去して、表面上に保護被覆層を形成することとを含む方法も提供する。 The present disclosure provides a method for inhibiting corrosion of a structure or object having a surface comprising: (i) a plurality of graphene sheets coated with a thin film of an anticorrosion pigment or sacrificial metal having a thickness of 0.5 nm to 1 μm; , a resin binder dispersed or dissolved in a liquid medium; (ii) removing at least a portion of the liquid medium from the coating suspension at the end of the coating step; and forming a protective coating layer on the surface.

好ましくは、保護被覆層は、互いに実質的に平行であり、且つ保護される構造物又は物体の表面に平行であるように整列される、防食顔料又は犠牲金属で被覆されたグラフェンシートを含む。被覆されたグラフェンシートのこのような配向は、超音波噴霧、空気補助噴霧又は表面に接触するときに被覆懸濁液に対して剪断応力が加わることを含む種々のコーティング又はキャスティング手順のいずれか(例えば、コンマコーティング、スロットダイコーティング、リバースロールコーティングなど)を用いることによって実現することができる。 Preferably, the protective coating layer comprises graphene sheets coated with an anticorrosive pigment or sacrificial metal that are aligned substantially parallel to each other and parallel to the surface of the structure or object to be protected. Such orientation of the coated graphene sheets can be achieved by any of a variety of coating or casting procedures, including ultrasonic atomization, air-assisted atomization, or the application of shear stress to the coating suspension upon contact with the surface. For example, this can be achieved by using comma coating, slot die coating, reverse roll coating, etc.).

この方法では、防食顔料又は犠牲金属は、アルミニウム、クロム、亜鉛、ベリリウム、マグネシウム、それらの合金、リン酸亜鉛又はそれらの組み合わせから選択される。この方法では、水性バインダー樹脂は、好ましくは、水溶性若しくは水分散性のエポキシ樹脂、水溶性若しくは水分散性のポリウレタン樹脂、水溶性若しくは水分散性のフェノール樹脂、水溶性若しくは水分散性のアクリル樹脂、水溶性若しくは水分散性のアルキド樹脂又はそれらの組み合わせから選択される水性熱硬化性樹脂を含む。不純グラフェン材料は、好ましくは、1重量%~30重量%の、O、H、N、F、Cl、Br、I、B、P又はそれらの組み合わせから選択される非炭素元素を有する。この方法は、担体、フィラー、分散剤、界面活性剤、消泡剤、触媒、促進剤、安定剤、融合助剤、チキソトロープ剤、沈降防止剤、着色染料、カップリング剤、増量剤、伝導性顔料、電子伝導性ポリマー又はそれらの組み合わせをさらに含むことができる。 In this method, the anticorrosive pigment or sacrificial metal is selected from aluminum, chromium, zinc, beryllium, magnesium, alloys thereof, zinc phosphate or combinations thereof. In this method, the water-based binder resin is preferably a water-soluble or water-dispersible epoxy resin, a water-soluble or water-dispersible polyurethane resin, a water-soluble or water-dispersible phenolic resin, a water-soluble or water-dispersible acrylic resin, or a water-soluble or water-dispersible epoxy resin. water-based thermosetting resins selected from resins, water-soluble or water-dispersible alkyd resins, or combinations thereof. The impure graphene material preferably has from 1% to 30% by weight of non-carbon elements selected from O, H, N, F, Cl, Br, I, B, P or combinations thereof. This method includes carriers, fillers, dispersants, surfactants, defoamers, catalysts, promoters, stabilizers, coalescing aids, thixotropic agents, antisettling agents, colored dyes, coupling agents, extenders, conductive It can further include pigments, electronically conductive polymers, or combinations thereof.

本開示は、液体媒体(例えば、有機溶媒)中に分散されている、防食材料で被覆された離散グラフェンシートを含む、グラフェンをベースとする被覆懸濁液を製造する方法も提供する。この方法は、(a)グラフェンシートの連続フィルムを堆積ゾーン中に提供することと;(b)防食顔料又は金属の前駆体の蒸気又は原子を堆積ゾーン中に導入し、且つその蒸気又は原子をグラフェンシートの表面上に堆積させて、防食材料で被覆されたグラフェンシートの被覆フィルムを形成することと;(c)この被覆フィルムを、防食材料で被覆されたグラフェンシートの複数の断片に機械的に破壊することと;(d)防食材料で被覆されたグラフェンシートの複数の断片とバインダー樹脂とを液体媒体中に分散させて、被覆懸濁液を形成することとを含む。 The present disclosure also provides a method of making a graphene-based coating suspension comprising discrete graphene sheets coated with an anticorrosion material dispersed in a liquid medium (e.g., an organic solvent). The method includes (a) providing a continuous film of graphene sheets in a deposition zone; (b) introducing vapors or atoms of a precursor of an anticorrosive pigment or metal into the deposition zone; (c) mechanically applying the coating film to a plurality of pieces of the graphene sheet coated with the anti-corrosion material; (d) dispersing a plurality of pieces of graphene sheets coated with an anticorrosive material and a binder resin in a liquid medium to form a coating suspension.

この方法では、グラフェン材料の連続フィルムは、固体基材上にグラフェン懸濁液を噴霧することであって、このグラフェン懸濁液は、液体媒体中に分散されたグラフェン材料のシートを含む、噴霧することと、液体媒体を除去することとによって形成され得る。幾つかの実施形態では、このグラフェンシートの連続フィルムは、固体基材上へのグラフェン材料の化学蒸着によって形成される。 In this method, a continuous film of graphene material is produced by spraying a graphene suspension onto a solid substrate, the graphene suspension comprising sheets of graphene material dispersed in a liquid medium. and by removing the liquid medium. In some embodiments, this continuous film of graphene sheets is formed by chemical vapor deposition of graphene material onto a solid substrate.

好ましくは、被覆フィルムは、100nm未満の防食活性材料被覆厚さを有する。 Preferably, the coating film has an anti-corrosion active material coating thickness of less than 100 nm.

ある実施形態では、防食材料で被覆されたグラフェンシートの被覆フィルムを形成するステップ(b)は、グラフェンシートのフィルム上への防食顔料又は金属の化学蒸着、物理蒸着、スパッタリング又はレーザー支援薄膜堆積を伴う。 In some embodiments, step (b) of forming a coating film of graphene sheets coated with an anti-corrosion material comprises chemical vapor deposition, physical vapor deposition, sputtering or laser assisted thin film deposition of an anti-corrosion pigment or metal onto the film of graphene sheets. Accompany.

機械的に破壊するステップ(c)は、エアジェットミル粉砕、インパクトミル粉砕、研削、機械的剪断加工、超音波処理又はそれらの組み合わせを伴う場合がある。 Mechanically disrupting step (c) may involve air jet milling, impact milling, grinding, mechanical shearing, sonication, or combinations thereof.

幾つかの実施形態では、グラフェン材料の連続フィルムを提供するステップ(a)は、連続フィルムを給送ローラーから堆積ゾーン中に供給することを含み、及び前記ステップ(b)は、被覆フィルムを巻き取りローラー上に収集することをさらに含む。 In some embodiments, step (a) of providing a continuous film of graphene material includes feeding the continuous film from a feed roller into a deposition zone, and step (b) includes rolling a coated film. Further comprising collecting on a pick up roller.

図面の簡単な説明
化学酸化/インターカレーション、洗浄及び高温剥離手順を伴う、酸化グラフェンシートを製造するための最も一般的に使用される方法を示すフローチャートである。 防食材料で被覆されたグラフェンシートを製造する方法である。 4つの防食性被覆組成物の分極電流密度対電圧(電気化学ポテンシャル)である。
Brief description of the drawing
1 is a flowchart showing the most commonly used method for producing graphene oxide sheets, involving chemical oxidation/intercalation, washing and high temperature exfoliation steps. This is a method of manufacturing a graphene sheet coated with an anti-corrosion material. Figure 2: Polarization current density versus voltage (electrochemical potential) for four anticorrosive coating compositions.

好ましい実施形態の説明
本開示は、腐食又は酸化に対する金属表面の保護に使用するための、グラフェンをベースとする被覆懸濁液を提供する。この被覆懸濁液は、プライマー、中間被覆層又は表面被覆層(最上部被覆層)として金属基材表面に塗布することができる。
Description of Preferred Embodiments The present disclosure provides graphene-based coating suspensions for use in protecting metal surfaces against corrosion or oxidation. This coating suspension can be applied to the metal substrate surface as a primer, intermediate coating layer or surface coating layer (top coating layer).

ある実施形態では、この被覆懸濁液は、複数のグラフェンシート(防食顔料又は犠牲金属の薄い被覆層で被覆される)と、液体媒体(例えば、有機溶媒又は水)中に溶解又は分散された分バインダー樹脂とを含む。各グラフェンシートは、2つの反対側にある平行な表面(又は「主面」)を有する。ある実施形態では、2つの主面の1つの少なくとも50%は、防食顔料又は犠牲金属の薄い被覆で覆われる。この防食材料の薄い被覆は、好ましくは、0.5nm~1μm、より好ましくは1nm~500nm、最も好ましくは5nm~100nmの厚さを有する。防食材料で被覆されたグラフェンシートは、10nm~10μmの典型的な長さ又は幅を有する離散及び分離したシートである。グラフェンシート自体(防食顔料又は金属で被覆される前)は、典型的には、0.34nm~約3.4nmの厚さを有する。 In some embodiments, the coating suspension comprises a plurality of graphene sheets (coated with a thin coating layer of anticorrosion pigment or sacrificial metal) and a plurality of graphene sheets dissolved or dispersed in a liquid medium (e.g., an organic solvent or water). and a binder resin. Each graphene sheet has two opposing parallel surfaces (or "major surfaces"). In some embodiments, at least 50% of one of the two major surfaces is covered with a thin coating of anticorrosion pigment or sacrificial metal. This thin coating of anticorrosive material preferably has a thickness of 0.5 nm to 1 μm, more preferably 1 nm to 500 nm, most preferably 5 nm to 100 nm. Graphene sheets coated with anti-corrosion materials are discrete and discrete sheets with typical lengths or widths of 10 nm to 10 μm. The graphene sheets themselves (before being coated with anticorrosive pigments or metals) typically have a thickness of 0.34 nm to about 3.4 nm.

複数のグラフェンシートは、本質的に0%の非炭素元素を有する純粋なグラフェン材料又は0.001重量%~47重量%の非炭素元素を有する不純グラフェン材料から選択される単層又は数層グラフェンシートを含み、不純グラフェンは、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、ドープされたグラフェン、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。不純グラフェン材料は、1重量%~30重量%の、O、H、N、F、Cl、Br、I、B、P又はそれらの組み合わせから選択される非炭素元素を有することができる。好ましくは、被覆懸濁液は、フィラーとしての微小球(ガラス、セラミック及びポリマーの微小球など)を含まない。ある実施形態では、被覆懸濁液は、シリケートバインダーを含まない。 The plurality of graphene sheets are monolayer or few-layer graphene selected from pure graphene materials with essentially 0% non-carbon elements or impure graphene materials with 0.001 wt.% to 47 wt.% non-carbon elements. Impure graphene sheets include graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, graphene hydride, graphene nitride, doped graphene, chemically functionalized graphene or the like. selected from combinations. The impure graphene material can have from 1% to 30% by weight of non-carbon elements selected from O, H, N, F, Cl, Br, I, B, P or combinations thereof. Preferably, the coating suspension does not contain microspheres as fillers (such as glass, ceramic and polymeric microspheres). In some embodiments, the coating suspension does not include a silicate binder.

好ましい又は典型的な被覆組成物(液体媒体の除去時)では、結果として得られる固体内容物は、0.1重量%~30重量%のグラフェンシートと、グラフェンシートの表面上に被覆された1重量%~70重量%(好ましくは5%~60%、さらに好ましくは10%~40%)の防食顔料又は犠牲金属と、1重量%~10重量%のバインダー樹脂を含む。当然のことながら、これらの3つの種類の合計は、どのように配合しても100%になる必要がある。 In a preferred or typical coating composition (on removal of the liquid medium), the resulting solid content is 0.1% to 30% by weight graphene sheets and 1% by weight coated on the surface of the graphene sheets. % to 70% by weight (preferably 5% to 60%, more preferably 10% to 40%) of an anticorrosive pigment or sacrificial metal and 1% to 10% by weight of a binder resin. Naturally, the sum of these three types must be 100% no matter how they are blended.

本開示は、液体媒体(例えば、有機溶媒)中に分散されている、防食材料で被覆された離散グラフェンシートを含む、グラフェンをベースとする被覆懸濁液を製造する方法も提供する。この方法は、(a)グラフェンシートの連続フィルムを堆積ゾーン中に提供することと;(b)防食顔料又は金属の前駆体の蒸気又は原子を堆積ゾーン中に導入し、且つその蒸気又は原子をグラフェンシートの表面上に堆積させて、防食材料で被覆されたグラフェンシートの被覆フィルムを形成することと;(c)この被覆フィルムを、防食材料で被覆されたグラフェンシートの複数の断片に機械的に破壊することと;(d)防食材料で被覆されたグラフェンシートの複数の断片とバインダー樹脂とを液体媒体中に分散させて、被覆懸濁液を形成することとを含む。好ましくは、被覆フィルムは、100nm未満の防食活性材料被覆厚さを有する。 The present disclosure also provides a method of making a graphene-based coating suspension comprising discrete graphene sheets coated with an anticorrosion material dispersed in a liquid medium (e.g., an organic solvent). The method includes (a) providing a continuous film of graphene sheets in a deposition zone; (b) introducing vapors or atoms of a precursor of an anticorrosive pigment or metal into the deposition zone; (c) mechanically applying the coating film to a plurality of pieces of the graphene sheet coated with the anti-corrosion material; (d) dispersing a plurality of pieces of graphene sheets coated with an anticorrosive material and a binder resin in a liquid medium to form a coating suspension. Preferably, the coating film has an anti-corrosion active material coating thickness of less than 100 nm.

この方法では、グラフェンシートの連続フィルムは、固体基材上にグラフェン懸濁液を噴霧することであって、このグラフェン懸濁液は、液体媒体中に分散されたグラフェン材料のシートを含む、噴霧することと、液体媒体を除去することとによって形成され得る。この液体媒体は、最終被覆懸濁液の液体媒体と同じ場合も異なる場合もある。幾つかの実施形態では、このグラフェンシートの連続フィルムは、固体基材上へのグラフェン材料の化学蒸着によって形成される。幾つかの実施形態では、グラフェン材料の連続フィルムを提供するステップ(a)は、連続フィルムを給送ローラーから堆積ゾーン中に供給することを含み、及び前記ステップ(b)は、被覆フィルムを巻き取りローラー上に収集することをさらに含む。 In this method, a continuous film of graphene sheets is produced by spraying a graphene suspension onto a solid substrate, the graphene suspension comprising sheets of graphene material dispersed in a liquid medium. and by removing the liquid medium. This liquid medium may be the same or different from the liquid medium of the final coating suspension. In some embodiments, this continuous film of graphene sheets is formed by chemical vapor deposition of graphene material onto a solid substrate. In some embodiments, step (a) of providing a continuous film of graphene material includes feeding the continuous film from a feed roller into a deposition zone, and step (b) includes rolling a coated film. Further comprising collecting on a pick up roller.

ある実施形態では、防食材料で被覆されたグラフェンシートの被覆フィルムを形成するステップ(b)は、グラフェンシートのフィルム上への防食顔料又は金属の化学蒸着、物理蒸着、スパッタリング又はレーザー支援薄膜堆積を伴う。機械的に破壊するステップ(c)は、エアジェットミル粉砕、インパクトミル粉砕、研削、機械的剪断加工、超音波処理又はそれらの組み合わせを伴う場合がある。 In some embodiments, step (b) of forming a coating film of graphene sheets coated with an anti-corrosion material comprises chemical vapor deposition, physical vapor deposition, sputtering or laser assisted thin film deposition of an anti-corrosion pigment or metal onto the film of graphene sheets. Accompany. Mechanically disrupting step (c) may involve air jet milling, impact milling, grinding, mechanical shearing, sonication, or combinations thereof.

鋼構造物を保護するための従来の防食性被覆は、典型的には、亜鉛プライマーを含み、ここで、亜鉛は、アノード活性被覆を形成するための伝導性顔料として使用される。保護される鋼又は鉄の基材は、カソードとして機能する。亜鉛は、鋼又は鉄の基材を保護する犠牲アノード材料として機能する。腐食に対する抵抗性は、亜鉛プライマーによるガルバーニ電流の移動に依拠するものと思われる。系の電子伝導経路が維持され、アノードとして機能するのに十分な亜鉛が存在する場合、鋼基材は、依然として直流電流により保護される。残念ながら、亜鉛プライマーは、典型的には、高使用量の亜鉛粒子(例えば、80重量%までの亜鉛)を含むように配合される。高亜鉛使用量は、液体媒体中に固体内容物を分散させることが非常に困難であること、保護される鋼表面上へのプライマーの塗布が困難であること、過度に厚く緻密な被覆及び高コストを意味する。別の種類の金属構造物を保護するための別の被覆系も重大な欠点を有する。 Conventional anticorrosive coatings for protecting steel structures typically include zinc primers, where zinc is used as a conductive pigment to form the anode active coating. The steel or iron substrate to be protected functions as a cathode. Zinc acts as a sacrificial anode material that protects the steel or iron substrate. Resistance to corrosion appears to rely on galvanic current transfer by the zinc primer. If the electronic conduction path of the system is maintained and enough zinc is present to act as an anode, the steel substrate will still be protected by direct current. Unfortunately, zinc primers are typically formulated to include high loadings of zinc particles (eg, up to 80% by weight zinc). High zinc usage can result in very difficult dispersion of the solid contents in the liquid medium, difficulty in applying the primer onto the steel surface to be protected, excessively thick and dense coatings and means cost. Other coating systems for protecting other types of metal structures also have significant drawbacks.

本開示では、本発明者らは、驚くべきことに、1重量%の選択された官能化グラフェンを亜鉛プライマー中に加えることにより、防食能力を損なうことなく、Zn量を80重量%から20重量%まで減少させ得る(Zn量が4分の1に減少する)ことを確認した。これは、性能の顕著な改善であり、まったく予期しないことである。1重量%のグラフェンが完全に60重量%の亜鉛の代わりになり得ることは、驚くべきことであり、前例のないことである。 In the present disclosure, we have surprisingly increased the Zn amount from 80 wt.% to 20 wt.% without compromising the anti-corrosion ability by adding 1 wt.% of selected functionalized graphene into the zinc primer. % (the amount of Zn is reduced to one-fourth). This is a significant improvement in performance and is completely unexpected. It is surprising and unprecedented that 1% by weight graphene can completely replace 60% by weight zinc.

本発明者らは、亜鉛に加えて(又は亜鉛の代替として)、アルミニウム、クロム、ベリリウム、マグネシウム、それらの合金、リン酸亜鉛又はそれらの組み合わせなどの別の元素又は化合物も、グラフェンシートと対になる防食顔料又は犠牲金属として使用できることをさらに確認した。少量のグラフェン(典型的には0.1重量%~10重量%)を最大70重量%のこれらの防食顔料材料の代わりに使用できる。 In addition to (or as an alternative to) zinc, we also combined other elements or compounds such as aluminum, chromium, beryllium, magnesium, alloys thereof, zinc phosphate or combinations thereof with graphene sheets. It was further confirmed that it can be used as an anticorrosive pigment or as a sacrificial metal. Small amounts of graphene (typically 0.1% to 10% by weight) can be used to replace up to 70% by weight of these anticorrosive pigment materials.

水性バインダー樹脂は、好ましくは、水溶性若しくは水分散性のエポキシ樹脂、水溶性若しくは水分散性のポリウレタン樹脂、水溶性若しくは水分散性のフェノール樹脂、水溶性若しくは水分散性のアクリル樹脂、水溶性若しくは水分散性のアルキド樹脂又はそれらの組み合わせから選択される水性熱硬化性樹脂を含むことができる。 The water-based binder resin is preferably a water-soluble or water-dispersible epoxy resin, a water-soluble or water-dispersible polyurethane resin, a water-soluble or water-dispersible phenol resin, a water-soluble or water-dispersible acrylic resin, or a water-soluble or water-dispersible acrylic resin. or a water-based thermosetting resin selected from water-dispersible alkyd resins or combinations thereof.

当業者に明らかとなるように、被覆懸濁液は、別の被覆/塗料成分をさらに含むことができる。このような成分の例は、フィラー、添加剤(例えば、界面活性剤、分散剤、消泡剤、触媒、促進剤、安定剤、融合助剤、チキソトロープ剤、沈降防止剤及び染料)、カップリング剤、増量剤、伝導性顔料、電子伝導性ポリマー又はそれらの組み合わせである。この場合にも、被覆懸濁液は、フィラー又は添加剤としてガラス、セラミック又はポリマーなどの微小球を含まない。 As will be apparent to those skilled in the art, the coating suspension may further include other coating/coating components. Examples of such ingredients are fillers, additives (e.g. surfactants, dispersants, defoamers, catalysts, promoters, stabilizers, coalescing aids, thixotropic agents, antisettling agents and dyes), coupling agents. agent, filler, conductive pigment, electronically conductive polymer, or a combination thereof. In this case too, the coating suspension does not contain microspheres such as glass, ceramic or polymers as fillers or additives.

伝導性顔料は、アセチレンブラック、カーボンブラック、膨張黒鉛フレーク、炭素繊維、カーボンナノチューブ、アンチモンがドープされた酸化スズ若しくはインジウムスズ酸化物で被覆されたマイカ又はそれらの混合物から選択され得る。 The conductive pigment may be selected from acetylene black, carbon black, expanded graphite flakes, carbon fibres, carbon nanotubes, mica coated with antimony doped tin oxide or indium tin oxide or mixtures thereof.

電子伝導性ポリマーは、好ましくは、ポリジアセチレン、ポリアセチレン(PAc)、ポリピロール(PPy)、ポリアニリン(PAni)、ポリチオフェン(PTh)、ポリイソチオナフテン(PITN)、ポリヘテロアリーレンビニレン(PArV)(ここで、ヘテロアリーレン基は、チオフェン、フラン又はピロールであり得る)、ポリ-p-フェニレン(PpP)、ポリフタロシアニン(PPhc)など、及びそれらの誘導体並びにそれらの組み合わせからなる群から選択される。 The electronically conductive polymer is preferably polydiacetylene, polyacetylene (PAc), polypyrrole (PPy), polyaniline (PAni), polythiophene (PTh), polyisothionaphthene (PITN), polyheteroarylene vinylene (PArV) (herein , the heteroarylene group may be thiophene, furan or pyrrole), poly-p-phenylene (PpP), polyphthalocyanine (PPhc), etc., and derivatives thereof and combinations thereof.

被覆懸濁液は、周知の方法及び装置を用いて、例えば分散機/ミキサー/ホモジナイザー又は超音波処理機を用いて、グラフェンシート(防食顔料又は犠牲金属で被覆される)及びバインダー樹脂を液体媒体中に分散/混合することによって容易に作製することができる。 The coating suspension is prepared by combining the graphene sheets (to be coated with anti-corrosion pigment or sacrificial metal) and binder resin in a liquid medium using well-known methods and equipment, e.g. using a disperser/mixer/homogenizer or a sonicator. It can be easily produced by dispersing/mixing in

被覆懸濁液は、空気補助噴霧、超音波噴霧、塗装、印刷及び浸漬被覆などの多くの周知の被覆/塗布方法の1つを用いて基材表面上に塗布することができる。ある実施形態では、グラフェンをベースとする被覆懸濁液中に金属部材を単純に漬けるか又は浸し、次にグラフェン分散液から成分を取り出すことで、被覆されたグラフェンシート及びバインダーを金属部材の表面上に堆積することができ、ここで、グラフェンシートは、金属表面に結合して、結合したグラフェンシートの層を形成する。代わりに、被覆懸濁液を金属部材の表面上に単に噴霧し、液体媒体成分を蒸発させ、バインダー樹脂を硬化又は固化させることができる。 The coating suspension can be applied onto the substrate surface using one of the many well known coating/application methods such as air assisted spraying, ultrasonic spraying, painting, printing and dip coating. In some embodiments, the coated graphene sheets and binder are applied to the surface of the metal component by simply dipping or dipping the metal component into a graphene-based coating suspension and then removing the components from the graphene dispersion. The graphene sheets can be deposited onto the metal surface, where the graphene sheets are bonded to the metal surface to form a layer of bonded graphene sheets. Alternatively, the coating suspension can simply be sprayed onto the surface of the metal component, allowing the liquid medium components to evaporate and the binder resin to cure or solidify.

バインダー樹脂は、主要成分として接着樹脂を含む接着剤組成物から形成することができる。接着樹脂組成物は、接着樹脂とともに硬化剤及びカップリング剤を含むことができる。接着樹脂の例としては、エステル樹脂、ウレタン樹脂、ウレタンエステル樹脂、アクリル樹脂及びアクリルウレタン樹脂、特にネオペンチルグリコール(NPG)、エチレングリコール(EG)、イソフタル酸及びテレフタル酸を含むエステル樹脂を挙げることができる。硬化剤は、100重量部の接着樹脂を基準として1~30重量部の量で存在することができる。カップリング剤としては、エポキシシラン化合物を挙げることができる。 The binder resin can be formed from an adhesive composition that includes an adhesive resin as a major component. The adhesive resin composition can contain a curing agent and a coupling agent along with the adhesive resin. Examples of adhesive resins include ester resins, urethane resins, urethane ester resins, acrylic resins and acrylic urethane resins, in particular ester resins containing neopentyl glycol (NPG), ethylene glycol (EG), isophthalic acid and terephthalic acid. Can be done. The curing agent may be present in an amount of 1 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight adhesive resin. Examples of coupling agents include epoxysilane compounds.

このバインダー樹脂の硬化は、熱、UV又は電離放射線によって行うことができる。これは、硬質被覆層を形成するために、熱硬化性組成物を少なくとも70℃、好ましくは90℃~150℃の温度に少なくとも1分(典型的には最長2時間、より典型的には2分~30分)加熱することを含み得る。 Curing of this binder resin can be done by heat, UV or ionizing radiation. This involves subjecting the thermosetting composition to a temperature of at least 70°C, preferably from 90°C to 150°C, for at least 1 minute (typically up to 2 hours, more typically 2 hours) to form a hard coating layer. (minutes to 30 minutes).

浸漬、コーティング(例えば、ドクターブレードコーティング、バーコーティング、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)、ロールツーロールプロセス、インクジェット印刷、スクリーン印刷、マイクロコンタクト、グラビアコーティング、スプレーコーティング、超音波スプレーコーティング、静電吹付塗装及びフレキソ印刷を用いて、金属部材の表面をグラフェン分散液と接触させることができる。硬質塗膜層の厚さは、一般に、約1nm~1mm、好ましくは10nm~100μm、最も好ましくは100nm~10μmである。 Dipping, coating (e.g. doctor blade coating, bar coating, slot die coating, comma coating, reverse roll coating, etc.), roll-to-roll process, inkjet printing, screen printing, microcontact, gravure coating, spray coating, ultrasonic spray coating , electrostatic spray coating and flexographic printing can be used to contact the surface of the metal member with the graphene dispersion. The thickness of the hard coating layer is generally about 1 nm to 1 mm, preferably 10 nm to 100 μm, most preferably 100 nm to 10 μm.

熱硬化性樹脂の場合、多官能性エポキシモノマーは、好ましくは、ジグリセロールテトラグリシジルエーテル、ジペンタエリトリトールテトラグリシジルエーテル、ソルビトールポリグリシジルエーテル、ポリグリセロールポリグリシジルエーテル、ペンタエリトリトールポリグリシジルエーテル(例えば、ペンタエリトリトールテトラグリシジルエーテル)又はそれらの組み合わせから選択され得る。二又は三官能性エポキシモノマーは、トリメチロールエタントリグリシジルエーテル、トリメチロールメタントリグリシジルエーテル、トリメチロールプロパントリグリシジルエーテル、トリフェニロールメタントリグリシジルエーテル、トリスフェノールトリグリシジルエーテル、テトラフェニロールエタントリグリシジルエーテル、テトラフェニロールエタンのテトラグリシジルエーテル、p-アミノフェノールトリグリシジルエーテル、1,2,6-ヘキサントリオールトリグリシジルエーテル、グリセロールトリグリシジルエーテル、ジグリセロールトリグリシジルエーテル、グリセロールエトキシレートトリグリシジルエーテル、ヒマシ油トリグリシジルエーテル、プロポキシル化グリセリントリグリシジルエーテル、エチレングリコールジグリシジルエーテル、1,4-ブタンジオールジグリシジルエーテル、ネオペンチルグリコールジグリシジルエーテル、シクロヘキサンジメタノールジグリシジルエーテル、ジプロピレングリコールジグリシジルエーテル、ポリプロピレングリコールジグリシジルエーテル、ジブロモネオペンチルグリコールジグリシジルエーテル、水素化ビスフェノールAジグリシジルエーテル、(3,4-エポキシシクロヘキサン)メチル3,4-エポキシシクロヘキシルカルボキシレート、それらの誘導体及びそれらの混合物からなる群から選択され得る。 In the case of thermosetting resins, the polyfunctional epoxy monomers are preferably diglycerol tetraglycidyl ether, dipentaerythritol tetraglycidyl ether, sorbitol polyglycidyl ether, polyglycerol polyglycidyl ether, pentaerythritol polyglycidyl ether (e.g. erythritol tetraglycidyl ether) or combinations thereof. Di- or trifunctional epoxy monomers include trimethylolethane triglycidyl ether, trimethylolmethane triglycidyl ether, trimethylolpropane triglycidyl ether, triphenylolmethane triglycidyl ether, trisphenol triglycidyl ether, and tetraphenylolethane triglycidyl ether. Ether, tetraglycidyl ether of tetraphenylolethane, p-aminophenol triglycidyl ether, 1,2,6-hexanetriol triglycidyl ether, glycerol triglycidyl ether, diglycerol triglycidyl ether, glycerol ethoxylate triglycidyl ether, castor oil triglycidyl ether, propoxylated glycerin triglycidyl ether, ethylene glycol diglycidyl ether, 1,4-butanediol diglycidyl ether, neopentyl glycol diglycidyl ether, cyclohexanedimethanol diglycidyl ether, dipropylene glycol diglycidyl ether, The group consisting of polypropylene glycol diglycidyl ether, dibromoneopentyl glycol diglycidyl ether, hydrogenated bisphenol A diglycidyl ether, (3,4-epoxycyclohexane)methyl 3,4-epoxycyclohexyl carboxylate, derivatives thereof and mixtures thereof can be selected from.

ある実施形態では、本開示の熱硬化性組成物は、有利には、少量、好ましくは0.05~0.20重量%の少なくとも1つの界面活性化合物をさらに含む。界面活性剤は、基材の良好な濡れによって十分な最終硬質被覆を得るために重要である。 In certain embodiments, the thermosetting compositions of the present disclosure advantageously further comprise a small amount, preferably 0.05-0.20% by weight, of at least one surface-active compound. Surfactants are important to obtain a sufficient final hard coating by good wetting of the substrate.

本開示のバインダー樹脂に使用できるUV放射線硬化性樹脂及びラッカーは、多官能性化合物のアクリレート及びメタクリレートオリゴマー(本明細書で使用される「(メタ)アクリレート」という用語は、アクリレート及びメタクリレートを意味する)、例えば(メタ)アクリレート官能基を有する多価アルコール及びそれらの誘導体、例えばエトキシル化トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、トリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、ジエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ペンタエリトリトールテトラ(メタ)アクリレート、ペンタエリトリトールトリ(メタ)アクリレート、ジペンタエリトリトールヘキサ(メタ)アクリレート、1,6-ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート又はネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート及びそれらの混合物並びに低分子量ポリエステル樹脂、ポリエーテル樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、アルキド樹脂、スピロアセタール樹脂、エポキシアクリレート、ポリブタジエン樹脂、ポリチオール-ポリエン樹脂、それらの誘導体及びそれらの組み合わせから誘導されるアクリレート及びメタクリレートオリゴマーなどの光重合性モノマー及びオリゴマーから誘導されるものである。 UV radiation curable resins and lacquers that can be used in the binder resins of the present disclosure include the multifunctional compounds acrylate and methacrylate oligomers (as used herein, the term "(meth)acrylate" refers to acrylates and methacrylates). ), e.g. polyhydric alcohols with (meth)acrylate functionality and their derivatives, e.g. ethoxylated trimethylolpropane tri(meth)acrylate, tripropylene glycol di(meth)acrylate, trimethylolpropane tri(meth)acrylate, diethylene glycol Di(meth)acrylate, pentaerythritol tetra(meth)acrylate, pentaerythritol tri(meth)acrylate, dipentaerythritol hexa(meth)acrylate, 1,6-hexanediol di(meth)acrylate or neopentyl glycol di(meth)acrylate Derived from acrylates and mixtures thereof and low molecular weight polyester resins, polyether resins, epoxy resins, polyurethane resins, alkyd resins, spiroacetal resins, epoxy acrylates, polybutadiene resins, polythiol-polyene resins, derivatives thereof and combinations thereof. They are derived from photopolymerizable monomers and oligomers such as acrylate and methacrylate oligomers.

UV重合性モノマー及びオリゴマーは、被覆され(例えば、浸漬から引き上げた後)、乾燥され、続いてUV放射線に露光して、光学的に透明で架橋した耐摩耗性層が形成される。好ましいUV硬化線量は、50~1000mJ/cmである。 The UV polymerizable monomers and oligomers are coated (eg, after being removed from immersion), dried, and subsequently exposed to UV radiation to form an optically clear, crosslinked, wear-resistant layer. A preferred UV curing dose is 50-1000 mJ/cm 2 .

UV硬化性樹脂は、典型的には、電離放射線硬化性でもある。電離放射線硬化性樹脂は、比較的多量の反応性希釈剤を含むことができる。本明細書において使用できる反応性希釈剤としては、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸エチルヘキシル、スチレン、ビニルトルエン及びN-ビニルピロリドンなどの一官能性モノマー並びに多官能性モノマー、例えばトリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、ヘキサンジオール(メタ)アクリレート、トリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、ジエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ペンタエリトリトールトリ(メタ)アクリレート、ジペンタエリトリトールヘキサ(メタ)アクリレート、1,6-ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート又はネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレートが挙げられる。 UV curable resins are also typically ionizing radiation curable. Ionizing radiation curable resins can include relatively large amounts of reactive diluents. Reactive diluents that can be used herein include monofunctional monomers such as ethyl (meth)acrylate, ethylhexyl (meth)acrylate, styrene, vinyltoluene and N-vinylpyrrolidone, as well as polyfunctional monomers such as trifunctional monomers. Methylolpropane tri(meth)acrylate, hexanediol(meth)acrylate, tripropylene glycol di(meth)acrylate, diethylene glycol di(meth)acrylate, pentaerythritol tri(meth)acrylate, dipentaerythritol hexa(meth)acrylate, 1, Examples include 6-hexanediol di(meth)acrylate or neopentylglycol di(meth)acrylate.

前述のバインダー樹脂は、通常、溶媒をベースとしており、(硬化又は架橋前に)最初に有機溶媒に対して可溶性である。しかし、これらのバインダー樹脂中の大部分のモノマー又はポリマー(硬化前)は、化学的改質(例えば、カルボキシル化、ヒドロキシル化又は何らかの官能化)を行うことで、水に対して可溶性又は分散性になることができる。次に、これらは、水性被覆系の成分となる。市販の本来水溶性又は水分散性の樹脂系が存在する。 The aforementioned binder resins are usually solvent-based and are initially soluble in organic solvents (prior to curing or crosslinking). However, most of the monomers or polymers in these binder resins (before curing) can be made water soluble or dispersible by chemical modification (e.g. carboxylation, hydroxylation or some functionalization). can become. These then become components of the aqueous coating system. There are commercially available inherently water-soluble or water-dispersible resin systems.

グラフェンシート及びグラフェン分散液の調製は、以下のように記載される:炭素は、ダイヤモンド、フラーレン(0Dナノ黒鉛材料)、カーボンナノチューブ又はカーボンナノファイバー(1Dナノ黒鉛材料)、グラフェン(2Dナノ黒鉛材料)及び黒鉛(3D黒鉛材料)を含む5つの特有の結晶構造を有することが知られている。カーボンナノチューブ(CNT)は、単層又は多層で成長した管状構造を意味する。カーボンナノチューブ(CNT)及びカーボンナノファイバー(CNF)は、数ナノメートル~数百ナノメートル程度の直径を有する。これらの長手方向の中空構造により、特有の機械的性質、電気的性質及び化学的性質が材料に付与される。CNT又はCNFは、1次元ナノ炭素又は1Dナノ黒鉛材料である。 The preparation of graphene sheets and graphene dispersions is described as follows: carbon can be diamond, fullerene (0D nanographite material), carbon nanotubes or carbon nanofibers (1D nanographite material), graphene (2D nanographite material). ) and graphite (3D graphite materials). Carbon nanotubes (CNTs) refer to tubular structures grown in a single or multilayer structure. Carbon nanotubes (CNTs) and carbon nanofibers (CNFs) have diameters on the order of several nanometers to several hundred nanometers. These longitudinal hollow structures impart unique mechanical, electrical and chemical properties to the material. CNTs or CNFs are one-dimensional nanocarbon or 1D nanographite materials.

本発明者らの研究グループは、2002年には、グラフェン材料及び関連する製造方法の開発の先駆者であった:(1)B. Z. Jang and W. C. Huang,“Nano-scaled Graphene Plates”、米国特許第7,071,258号(07/04/2006)、2002年10月21日に出願;(2)B. Z. Jang, et al.“Process for Producing Nano-scaled Graphene Plates”、米国特許出願公開第10/858,814号(06/03/2004)(米国特許出願公開第2005/0271574号);及び(3)B. Z. Jang, A. Zhamu, and J. Guo,“Process for Producing Nano-scaled Platelets and Nanocomposites”、米国特許出願公開第11/509,424号(08/25/2006)(米国特許出願公開第2008-0048152号)。 Our research group pioneered the development of graphene materials and related manufacturing methods in 2002: (1) B. Z. Jang and W. C. Huang, “Nano-scaled Graphene Plates,” U.S. Pat. No. 7,071,258 (07/04/2006), filed October 21, 2002; (2) B. Z. Jang, et al. “Process for Producing Nano-scaled Graphene Plates”, U.S. Patent Application Publication No. 10/ No. 858,814 (06/03/2004) (U.S. Patent Application Publication No. 2005/0271574); and (3) B. Z. Jang, A. Zhamu, and J. Guo, “Process for Producing Nano-scaled Platelets and Nanocomposites” , U.S. Patent Application Publication No. 11/509,424 (08/25/2006) (U.S. Patent Application Publication No. 2008-0048152).

単層グラフェンシートは、2次元の六角形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、2つ以上のグラフェン面から構成されるプレートレットである。個別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、本明細書では一括し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記載される。NGPとしては、純粋なグラフェン(実質的に99%炭素原子)、わずかに酸化されたグラフェン(<5重量%の酸素)、酸化グラフェン(≧5重量%の酸素)、わずかにフッ素化されたグラフェン(<5重量%のフッ素)、フッ化グラフェン(≧5重量%のフッ素)、他のハロゲン化グラフェン及び化学官能化グラフェンが挙げられる。 Single-layer graphene sheets are composed of carbon atoms occupying a two-dimensional hexagonal lattice. Multilayer graphene is a platelet composed of two or more graphene planes. Individual single-layer graphene sheets and multi-layer graphene platelets are collectively referred to herein as nanographene platelets (NGPs) or graphene materials. NGPs include pure graphene (substantially 99% carbon atoms), slightly oxidized graphene (<5 wt% oxygen), graphene oxide (≧5 wt% oxygen), slightly fluorinated graphene (<5 wt% fluorine), fluorinated graphene (≧5 wt% fluorine), other halogenated graphenes, and chemically functionalized graphenes.

NGPは、一連の独特の物理的、化学的及び機械的性質を有することが分かっている。例えば、グラフェンは、あらゆる既存の材料の中で最も高い固有強度及び最も高い熱伝導率を示すことが分かった。グラフェンの実際の電子デバイス用途(例えば、トランジスタ中の主要要素としてのSiの代替)は、今後5~10年で実現するとは考えられていないが、複合材料中及びエネルギー貯蔵装置の電極材料中のナノフィラーとしてのその用途は、目前に迫っている。加工可能グラフェンシートを大量に利用できることは、グラフェンの複合物用途、エネルギー用途及び別の用途の開発に成功するために重要である。 NGP is known to have a unique set of physical, chemical and mechanical properties. For example, graphene has been found to exhibit the highest intrinsic strength and highest thermal conductivity of any existing material. Graphene's practical applications in electronic devices (e.g., replacing Si as a key element in transistors) are not expected to materialize within the next 5 to 10 years, but it is expected to be used in composite materials and in electrode materials for energy storage devices. Its application as a nanofiller is imminent. The availability of large quantities of processable graphene sheets is important for the successful development of composites, energy and other applications of graphene.

NGP及びNGPナノ複合物の製造方法は、本発明者らによって最近レビューされている[Bor Z. Jang and A Zhamu,“Processing of Nano Graphene Platelets (NGPs) and NGP Nanocomposites: A Review,”J. Materials Sci. 43 (2008) 5092-5101]。 Methods for the production of NGP and NGP nanocomposites have been recently reviewed by the present inventors [Bor Z. Jang and A Zhamu, “Processing of Nano Graphene Platelets (NGPs) and NGP Nanocomposites: A Review,” J. Materials Sci. 43 (2008) 5092-5101].

非常に有用な方法(図1)は、黒鉛インターカレーション化合物(GIC)又は実際には酸化黒鉛(GO)を得るために、インターカラント及び酸化剤(例えば、それぞれ濃硫酸及び硝酸)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又は酸化前、黒鉛は、約0.335nmのグラフェン面間隔を有する(L=1/2 d002=0.335nm)。インターカレーション及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又はGOは、次に、熱衝撃曝露又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(多くの場合に剥離と呼ばれる)。 A very useful method (Figure 1) uses an intercalant and an oxidizing agent (e.g. concentrated sulfuric acid and nitric acid, respectively) to obtain a graphite intercalation compound (GIC) or indeed graphite oxide (GO). It involves the treatment of natural graphite powder [William S. Hummers, Jr., et al., Preparation of Graphitic Oxide, Journal of the American Chemical Society, 1958, p. 1339]. Before intercalation or oxidation, graphite has a graphene interplanar spacing of approximately 0.335 nm (L d =1/2 d 002 =0.335 nm). Upon intercalation and oxidation treatments, graphene spacing typically increases to values greater than 0.6 nm. This is the first expansion step that occurs in the graphite material during this chemical pathway. The resulting GIC or GO is then further expanded (often referred to as exfoliation) using either thermal shock exposure or solution-based ultrasound-assisted graphene exfoliation methods.

熱衝撃曝露方法では、典型的には依然として互いに相互接続する黒鉛フレークから構成される「黒鉛ワーム」の形態である剥離又はさらに膨張した黒鉛を形成するために、GIC又はGOを高温(典型的には800~1,050℃)に短時間(典型的には15~60秒)曝露して、GIC又はGOを剥離又は膨張させる。この熱衝撃手順により、一部分離した黒鉛フレーク又はグラフェンシートを製造することができるが、通常、黒鉛フレークの大部分は、相互接続されたままである。典型的には、次に、剥離した黒鉛又は黒鉛ワームに対して、エアミル粉砕、機械的剪断又は水中の超音波処理を用いたフレーク分離処理が行われる。したがって、方法1は、基本的に、第1の膨張(酸化又はインターカレーション)と、さらなる膨張(又は「剥離」)と、分離との3つの異なる手順を伴う。 Thermal shock exposure methods involve subjecting GIC or GO to high temperatures (typically (800-1,050°C) for a short period of time (typically 15-60 seconds) to exfoliate or swell the GIC or GO. This thermal shock procedure can produce partially separated graphite flakes or graphene sheets, but typically the majority of graphite flakes remain interconnected. Typically, the exfoliated graphite or graphite worms are then subjected to a flake separation process using air milling, mechanical shearing, or underwater sonication. Thus, method 1 basically involves three different steps: a first expansion (oxidation or intercalation), a further expansion (or "exfoliation"), and separation.

溶液系分離方法では、膨張又は剥離したGO粉末を水中又は水性アルコール溶液中に分散させ、これに対して超音波処理を行う。これらの方法において、超音波処理は、黒鉛のインターカレーション及び酸化後(すなわち第1の膨張後)並びに典型的には得られたGIC又はGOの熱衝撃曝露後(第2の膨張後)に使用することに留意することが重要である。代わりに、面間空間内に存在するイオン間の反発力がグラフェン間ファンデルワールス力に打ち勝ち、結果としてグラフェン層が分離するように、水中に分散させたGO粉末のイオン交換又は長時間の精製手順が行われる。 In the solution-based separation method, expanded or exfoliated GO powder is dispersed in water or a hydroalcoholic solution, and then subjected to ultrasonication. In these methods, sonication is performed after intercalation and oxidation of the graphite (i.e. after the first expansion) and typically after thermal shock exposure of the resulting GIC or GO (after the second expansion). It is important to note that when using Alternatively, ion exchange or long-term purification of GO powder dispersed in water such that the repulsive forces between the ions present in the interplane space overcome the inter-graphene van der Waals forces, resulting in separation of the graphene layers. The procedure takes place.

前述の例において、グラフェンシート又はNGPの調製の出発物質は、天然黒鉛、人造黒鉛、酸化黒鉛、フッ化黒鉛、黒鉛繊維、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、メソフェーズカーボンマイクロビーズ(MCMB)又は炭素質微小球(CMS)、ソフトカーボン、ハードカーボン及びそれらの組み合わせからなる群から選択され得る黒鉛材料である。 In the aforementioned examples, the starting material for the preparation of graphene sheets or NGP is natural graphite, artificial graphite, oxidized graphite, fluorinated graphite, graphite fibers, carbon fibers, carbon nanofibers, carbon nanotubes, mesophase carbon microbeads (MCMB) or The graphite material may be selected from the group consisting of carbonaceous microspheres (CMS), soft carbon, hard carbon, and combinations thereof.

酸化黒鉛は、層状黒鉛材料(例えば、天然フレーク黒鉛又は合成黒鉛粉末)を、典型的にはインターカラント(例えば、濃硫酸)と酸化剤(例えば、硝酸、過酸化水素、過塩素酸ナトリウム、過マンガン酸カリウム)との混合物である酸化剤中に所望の温度(典型的には0~70℃)において十分な長さの時間(典型的には4時間~5日)にわたって分散又は浸漬することによって調製することができる。結果として得られる酸化黒鉛粒子は、次に、水で数回洗浄することで、典型的には2~5のpH値に調整される。この結果得られる、水中に分散された酸化黒鉛粒子の懸濁液は、次に、超音波処理が行われて、水中に分散し且つ分離した酸化グラフェンシートの分散液が得られる。還元酸化グラフェン(RDO)シートを得るために、少量の還元剤(例えば、NaB)を加えることができる。 Oxidized graphite is produced by combining a layered graphite material (e.g., natural flake graphite or synthetic graphite powder) with an intercalant (e.g., concentrated sulfuric acid) and an oxidizing agent (e.g., nitric acid, hydrogen peroxide, sodium perchlorate, peroxide, etc.). (potassium manganate) at the desired temperature (typically 0-70°C) for a sufficient length of time (typically 4 hours to 5 days). It can be prepared by The resulting oxidized graphite particles are then adjusted to a pH value typically between 2 and 5 by washing several times with water. The resulting suspension of graphite oxide particles dispersed in water is then subjected to ultrasonication to obtain a dispersion of graphene oxide sheets dispersed and separated in water. A small amount of reducing agent (eg, Na 4 B) can be added to obtain reduced graphene oxide (RDO) sheets.

前駆体溶液又は懸濁液を得るために必要な時間を短縮するために、より短い時間(例えば、30分~4時間)、黒鉛をある程度酸化させて、黒鉛インターカレーション化合物(GIC)を得ることを選択することができる。GIC粒子は、好ましくは、600~1,100℃の温度範囲内の熱衝撃に典型的には15~60秒間曝露することで剥離黒鉛又は黒鉛ワームが得られ、これに対して、場合により(しかし、好ましくは)機械的剪断加工が行われ(例えば、機械的剪断加工機又は超音波処理機を使用)、黒鉛ワームを構成する黒鉛フレークが破壊される。すでに分離したグラフェンシート(機械的剪断加工後)又は破壊されていない黒鉛ワーム若しくは個別の黒鉛フレークのいずれかは、次に、水、酸又は有機溶媒中に再分散され、超音波処理されてグラフェン分散液が得られる。 In order to reduce the time required to obtain the precursor solution or suspension, the graphite is partially oxidized for a shorter period of time (e.g., 30 minutes to 4 hours) to obtain the graphite intercalation compound (GIC). You can choose that. The GIC particles are preferably exposed to thermal shock within a temperature range of 600 to 1,100° C., typically for 15 to 60 seconds to obtain exfoliated graphite or graphite worms, whereas optionally ( However, preferably) mechanical shearing is performed (e.g. using a mechanical shearer or an ultrasonicator) to break up the graphite flakes that make up the graphite worm. Either the already separated graphene sheets (after mechanical shearing) or the unbroken graphite worms or individual graphite flakes are then redispersed in water, acid or organic solvents and sonicated to form graphene. A dispersion is obtained.

純粋なグラフェン材料は、好ましくは、以下の3つの方法の1つによって製造される:(A)黒鉛材料に非酸化性物質をインターカレートさせ、次に非酸化性環境中で熱的又は化学的剥離処理を行うこと;(B)グラフェン層間の浸透及び剥離のために、黒鉛材料を超臨界流体環境中に曝露すること;又は(C)粉末形態の黒鉛材料を、界面活性剤又は分散剤を含む水溶液中に分散させて懸濁液を得、その懸濁液に対して直接超音波処理を行ってグラフェン分散液を得ること。 Pure graphene materials are preferably produced by one of the following three methods: (A) intercalation of graphite materials with non-oxidizing substances, followed by thermal or chemical treatment in a non-oxidizing environment; (B) exposing the graphite material to a supercritical fluid environment for infiltration and exfoliation between the graphene layers; or (C) subjecting the graphite material in powder form to a surfactant or dispersant. Graphene is dispersed in an aqueous solution containing the graphene to obtain a suspension, and the suspension is directly subjected to ultrasonic treatment to obtain a graphene dispersion.

手順(A)では、特に好ましいステップは、(i)黒鉛材料に、アルカリ金属(例えば、カリウム、ナトリウム、リチウム又はセシウム)、アルカリ土類金属又はアルカリ金属若しくはアルカリ金属の合金、混合物若しくは共晶から選択される非酸化性物質をインターカレートさせることと;(ii)化学的剥離処理(例えば、カリウムがインターカレートされた黒鉛をエタノール溶液中に浸漬することによって)とを含む。 In procedure (A), particularly preferred steps include (i) treating the graphite material with an alkali metal (e.g. potassium, sodium, lithium or cesium), an alkaline earth metal or an alkali metal or alkali metal alloy, mixture or eutectic; (ii) a chemical exfoliation treatment (eg, by soaking the potassium intercalated graphite in an ethanol solution).

手順(B)では、好ましいステップは、黒鉛材料を二酸化炭素(例えば、温度T>31℃及び圧力P>7.4MPaにおいて)及び水(例えば、T>374℃及びP>22.1MPaにおいて)などの超臨界流体に、グラフェン層間の浸透(一時的なインターカレーション)に十分な時間にわたって浸漬することを含む。このステップに続いて、次に急激な減圧を行うことで個別のグラフェン層を剥離させる。別の適切な超臨界流体としては、メタン、エタン、エチレン、過酸化水素、オゾン、水の酸化(高濃度の溶存酸素を含む水)又はそれらの混合物が挙げられる。 In procedure (B), the preferred steps include converting the graphite material into carbon dioxide (e.g. at a temperature T>31°C and a pressure P>7.4 MPa) and water (e.g. at a T>374°C and a pressure P>22.1 MPa), etc. in a supercritical fluid for a time sufficient to allow penetration between the graphene layers (temporary intercalation). Following this step, a rapid vacuum is then applied to exfoliate the individual graphene layers. Other suitable supercritical fluids include methane, ethane, ethylene, hydrogen peroxide, ozone, water oxidation (water with high concentrations of dissolved oxygen), or mixtures thereof.

手順(C)では、好ましいステップは、(a)黒鉛材料の粒子を、界面活性剤又は分散剤をその中に含む液体媒体中に分散させて懸濁液又はスラリーを得ることと;(b)液体媒体(例えば、水、アルコール又は有機溶媒)中に分散し且つ分離したグラフェンシート(酸化していないNGP)のグラフェン分散液を得るのに十分な時間の長さで、あるエネルギーレベルの超音波にその懸濁液又はスラリーを曝露すること(一般に超音波処理と呼ばれるプロセス)とを含む。 In procedure (C), the preferred steps are (a) dispersing particles of graphite material in a liquid medium comprising a surfactant or dispersant therein to obtain a suspension or slurry; (b) Ultrasound at an energy level for a length of time sufficient to obtain a graphene dispersion of dispersed and separated graphene sheets (unoxidized NGP) in a liquid medium (e.g. water, alcohol or organic solvent). (a process commonly referred to as sonication).

NGPは、25重量%以下、好ましくは20重量%未満、さらに好ましくは5%未満の酸素含有量で生成することができる。典型的には、酸素含有量は、5重量%~20重量%である。酸素含有量は、化学元素分析及び/又はX線光電子分光法(XPS)を用いて求めることができる。 NGP can be produced with an oxygen content of 25% by weight or less, preferably less than 20%, more preferably less than 5%. Typically the oxygen content is between 5% and 20% by weight. Oxygen content can be determined using chemical elemental analysis and/or X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).

GIC、酸化黒鉛を製造し、続いて剥離黒鉛、可撓性黒鉛シート及びグラフェンプレートレットを製造するための従来技術の方法に使用される層状黒鉛材料は、多くの場合、天然黒鉛であった。しかし、本開示は、天然黒鉛に限定されない。出発物質は、天然黒鉛、人造黒鉛(例えば、高配向熱分解黒鉛、HOPG)、酸化黒鉛、フッ化黒鉛、黒鉛繊維、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、メソフェーズカーボンマイクロビーズ(MCMB)又は炭素質微小球(CMS)、ソフトカーボン、ハードカーボン及びそれらの組み合わせからなる群から選択され得る。これらの材料のすべては、ファンデルワールス力によって互いに積層又は結合したグラフェン面の層から構成される黒鉛微結晶を含む。天然黒鉛では、グラフェン面の配向がスタック間で異なるグラフェン面の複数のスタックが互いに集団を形成する。炭素繊維では、グラフェン面は、通常、好ましい1つの方向に沿って配向する。一般的に言えば、ソフトカーボンは、液体状態の芳香族分子の炭化によって得られる炭素質材料である。それらの芳香環又はグラフェン構造は、互いにある程度平行であり、さらなる黒鉛化が可能である。ハードカーボンは、芳香族固体材料(例えば、フェノール樹脂及びポリフルフリルアルコールなどのポリマー)から得られる炭素質材料である。それらのグラフェン構造は、比較的不規則に配向しており、したがって、さらなる黒鉛化は、2,500℃よりも高い温度でも実現が困難である。しかし、これらの炭素中にグラフェンシートが存在する。 The layered graphite material used in prior art methods for producing GIC, oxidized graphite, and subsequently exfoliated graphite, flexible graphite sheets, and graphene platelets, was often natural graphite. However, the present disclosure is not limited to natural graphite. The starting material can be natural graphite, artificial graphite (e.g. highly oriented pyrolytic graphite, HOPG), oxidized graphite, fluorinated graphite, graphite fibers, carbon fibers, carbon nanofibers, carbon nanotubes, mesophase carbon microbeads (MCMB) or carbon The material may be selected from the group consisting of solid carbon microspheres (CMS), soft carbon, hard carbon, and combinations thereof. All of these materials contain graphite crystallites composed of layers of graphene planes stacked or bonded together by van der Waals forces. In natural graphite, multiple stacks of graphene planes in which the orientation of the graphene planes differs between stacks form clusters with each other. In carbon fibers, the graphene planes are typically oriented along one preferred direction. Generally speaking, soft carbon is a carbonaceous material obtained by carbonization of aromatic molecules in the liquid state. Their aromatic rings or graphene structures are parallel to each other to some extent and further graphitization is possible. Hard carbon is a carbonaceous material obtained from aromatic solid materials, such as phenolic resins and polymers such as polyfurfuryl alcohol. Their graphene structures are relatively randomly oriented and therefore further graphitization is difficult to achieve even at temperatures above 2,500°C. However, graphene sheets are present in these carbons.

フッ素化グラフェン又はフッ化グラフェンは、ハロゲン化グラフェン材料のグループの一例として本明細書において使用される。フッ素化グラフェンを製造するために使用される2つの異なる方法が存在する:(1)あらかじめ合成したグラフェンのフッ素化:この方法は、機械的剥離又はCVD成長によって調製したグラフェンの、XeFなどのフッ素化剤又はF系プラズマによる処理を伴う;(2)多層フッ化黒鉛の剥離:フッ化黒鉛の機械的剥離及び液相剥離の両方が容易に実現可能である[F. Karlicky, et al.“Halogenated Graphenes: Rapidly Growing Family of Graphene Derivatives”ACS Nano, 2013, 7 (8), pp 6434-6464]。 Fluorinated graphene or fluorinated graphene is used herein as an example of a group of halogenated graphene materials. There are two different methods used to produce fluorinated graphene: (1) Fluorination of pre-synthesized graphene: This method involves the fluorination of graphene prepared by mechanical exfoliation or CVD growth, such as XeF2 . involves treatment with a fluorinating agent or F-based plasma; (2) exfoliation of multilayer fluorinated graphite: both mechanical exfoliation and liquid-phase exfoliation of fluorinated graphite are easily realized [F. Karlicky, et al. “Halogenated Graphenes: Rapidly Growing Family of Graphene Derivatives” ACS Nano, 2013, 7 (8), pp 6434-6464].

高温におけるFと黒鉛とのインターカレーションにより、共有結合性のフッ化黒鉛(CF)又は(CF)が得られる一方、低温では黒鉛インターカレーション化合物(GIC)CF(2≦x≦24)の形態が得られる。(CF)では、炭素原子は、sp3混成し、したがって、フルオロカーボン層は、トランス結合したいす形シクロヘキサンからなる波形になる。(CF)では、C原子の半分のみがフッ素化され、隣接する炭素シートの各組が共有C-C結合によって互いに結合する。フッ素化反応に関する系統的な研究では、得られるF/C比は、フッ素化温度、フッ素化ガス中のフッ素の分圧並びに黒鉛化の程度、粒度及び比表面積などの黒鉛前駆体の物理的特性に大きく依存することが示されている。利用可能な大部分の文献では、場合によりフッ化物の存在下でのFガスを用いたフッ素化を伴うが、フッ素(F)に加えて、別のフッ素化剤を使用することができる。 Intercalation of F 2 with graphite at high temperatures yields covalent graphite fluoride (CF) n or (C 2 F) n , while at low temperatures graphite intercalation compounds (GICs) C x F ( 2≦x≦24) is obtained. In (CF) n , the carbon atoms are sp3-hybridized, so the fluorocarbon layer becomes corrugated, consisting of trans-bonded chair cyclohexane. In (C 2 F) n , only half of the C atoms are fluorinated and each set of adjacent carbon sheets are bonded to each other by covalent CC bonds. Systematic studies on fluorination reactions have shown that the resulting F/C ratio depends on the fluorination temperature, the partial pressure of fluorine in the fluorination gas, and the physical properties of the graphite precursor, such as the degree of graphitization, particle size, and specific surface area. It has been shown that there is a strong dependence on Most of the available literature involves fluorination with F2 gas, optionally in the presence of fluoride, but in addition to fluorine ( F2 ), other fluorinating agents can be used. .

層状前駆体材料を個別の1つのグラフェン層又は数層の状態に剥離するために、隣接する層間の引力に打ち勝ち、層をさらに安定化させることが必要である。これは、官能基によるグラフェン表面の共有結合改質又は特定の溶媒、界面活性剤、ポリマー若しくはドナーアクセプター芳香族分子を用いる非共有結合改質のいずれかによって実現することができる。液相剥離方法は、液体媒体中でフッ化黒鉛を超音波処理して、液体媒体中に分散されたフッ化グラフェンシートを形成することを含む。結果として得られる分散液は、ポリマー部品表面のグラフェン堆積に直接使用することができる。 In order to exfoliate the layered precursor material into individual graphene layers or layers, it is necessary to overcome the attractive forces between adjacent layers and further stabilize the layers. This can be achieved either by covalent modification of the graphene surface with functional groups or non-covalent modification using specific solvents, surfactants, polymers or donor-acceptor aromatic molecules. The liquid phase exfoliation method involves sonicating fluorinated graphite in a liquid medium to form fluorinated graphene sheets dispersed in the liquid medium. The resulting dispersion can be used directly for graphene deposition on the surface of polymeric parts.

グラフェンの窒素化は、酸化グラフェンなどのグラフェン材料をアンモニアに高温(200~400℃)で曝露することによって行うことができる。窒素化グラフェンは、例えば、GO及びアンモニアをオートクレーブ中に密閉し、次に温度を150~250℃まで上昇させることによる水熱方法により、より低温で形成することもできる。窒素ドープされたグラフェンの別の合成方法としては、グラフェンに対する窒素プラズマ処理、アンモニアの存在下での黒鉛電極間のアーク放電、CVD条件下での酸化グラフェンのアンモノリシス並びに種々の温度における酸化グラフェン及び尿素の水熱処理が挙げられる。 Nitrogenation of graphene can be performed by exposing graphene materials, such as graphene oxide, to ammonia at high temperatures (200-400° C.). Nitrogenated graphene can also be formed at lower temperatures, for example, by hydrothermal methods by sealing GO and ammonia in an autoclave and then increasing the temperature to 150-250°C. Alternative synthesis methods for nitrogen-doped graphene include nitrogen plasma treatment on graphene, arc discharge between graphite electrodes in the presence of ammonia, ammonolysis of graphene oxide under CVD conditions and synthesis of graphene oxide and urea at various temperatures. Examples include hydrothermal treatment.

本出願の請求項を規定する目的で、NGP又はグラフェン材料は、単層及び多層(典型的には10層未満の数層グラフェン)の純粋なグラフェン、酸化グラフェン、還元酸化グラフェン(RGO)、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、ドープされたグラフェン(例えば、B又はNでドープされる)の離散したシート/プレートレットを含む。純粋なグラフェンは、本質的に0%の酸素を有する。RGOは、典型的には、0.001重量%~5重量%の酸素含有量を有する。酸化グラフェン(RGOを含む)は、0.001重量%~50重量%の酸素を有することができる。純粋なグラフェン以外のすべてのグラフェン材料は、0.001重量%~50重量%の非炭素元素(例えば、O、H、N、B、F、Cl、Br、Iなど)を有する。これらの材料は、本明細書では、不純グラフェン材料と呼ばれる。本発明によるグラフェンは、純粋なグラフェン又は不純グラフェンを含むことができ、本発明による方法は、この柔軟性を可能にする。これらのグラフェンシートのすべては、化学官能化させることができる。 For the purpose of defining the claims of this application, NGP or graphene materials include pure graphene, single and multilayer (typically fewer than 10 layers of graphene), graphene oxide, reduced graphene oxide (RGO), Discrete sheets/platelets of graphene chloride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, graphene hydride, graphene nitride, chemically functionalized graphene, doped graphene (e.g. doped with B or N) include. Pure graphene has essentially 0% oxygen. RGO typically has an oxygen content of 0.001% to 5% by weight. Graphene oxide (including RGO) can have from 0.001% to 50% by weight oxygen. All graphene materials other than pure graphene have 0.001% to 50% by weight of non-carbon elements (eg, O, H, N, B, F, Cl, Br, I, etc.). These materials are referred to herein as impure graphene materials. Graphene according to the invention can include pure graphene or impure graphene, and the method according to the invention allows this flexibility. All of these graphene sheets can be chemically functionalized.

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い比率のエッジを有する。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又は基を含む必要がある。さらに、化学的又は電気化学的方法によって製造されるグラフェンシートのエッジ又は表面にもともと存在する多くの種類の官能基(例えば、ヒドロキシル及びカルボン酸)が存在する。当技術分野において周知の方法を用いて、多くの化学官能基(例えば、-NHなど)をグラフェンのエッジ及び/又は表面に容易に取り付けることができる。 Graphene sheets have a large proportion of edges corresponding to the edge planes of graphite crystals. The carbon atoms in the edge plane are reactive and need to contain some heteroatoms or groups to satisfy the valence of the carbon. Additionally, there are many types of functional groups (eg, hydroxyl and carboxylic acid) that are naturally present at the edges or surfaces of graphene sheets produced by chemical or electrochemical methods. Many chemical functional groups (eg, -NH2 , etc.) can be easily attached to the edges and/or surfaces of graphene using methods well known in the art.

1つの好ましい実施形態では、結果として得られる官能化グラフェンシート(NGP)は、式:[NGP]-Rで大まかに表すことができ、式中、mは、異なる官能基の種類の数(典型的には1~5)であり、Rは、SOH、COOH、NH、OH、R’CHOH、CHO、CN、COCl、ハライド、COSH、SH、COOR’、SR’、SiR’、Si(-OR’-)R’-y、Si(-O-SiR’-)OR’、R”、Li、AlR’、Hg-X、TlZ及びMg-Xから選択され、ここで、yは、3以下の整数であり、R’は、水素、アルキル、アリール、シクロアルキル若しくはアラルキル、シクロアリール又はポリ(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又はシクロアリールであり、Xは、ハライドであり、及びZは、カルボキシレート又はトリフルオロアセテートである。 In one preferred embodiment, the resulting functionalized graphene sheets (NGPs) can be roughly represented by the formula: [NGP]-R m , where m is the number of different functional group types ( Typically 1 to 5), R is SO 3 H, COOH, NH 2 , OH, R'CHOH, CHO, CN, COCl, halide, COSH, SH, COOR', SR', SiR' 3 , Si(-OR'-) y R' 3 -y, Si(-O-SiR' 2 -) OR', R'', Li, AlR' 2 , Hg-X, TlZ 2 and Mg-X. , where y is an integer of 3 or less, R' is hydrogen, alkyl, aryl, cycloalkyl or aralkyl, cycloaryl or poly(alkyl ether), and R'' is fluoroalkyl, fluoroaryl, Fluorocycloalkyl, fluoroaralkyl or cycloaryl, X is halide and Z is carboxylate or trifluoroacetate.

エポキシ樹脂の一般に使用される硬化剤の1つは、3つの-NH基を有するジエチレントリアミン(DETA)である。DETAが衝突チャンバー中に含まれる場合、その3つの-NH基のうちの1つがグラフェンシートのエッジ又は表面に結合することができ、残りの2つの未反応-NH基は、その後、エポキシ樹脂との反応に利用することができる。このような配置により、NGP(グラフェンシート)と、エポキシをベースとするバインダー樹脂との間に良好な界面結合が形成される。 One of the commonly used curing agents for epoxy resins is diethylenetriamine (DETA), which has three -NH2 groups. When DETA is included in the collision chamber, one of its three -NH2 groups can be bonded to the edge or surface of the graphene sheet, and the remaining two unreacted -NH2 groups are then transferred to the epoxy It can be used for reaction with resin. Such an arrangement forms a good interfacial bond between the NGP (graphene sheet) and the epoxy-based binder resin.

他の有用な化学官能基又は反応性分子は、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)、ヘキサメチレンテトラミン、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、非アミン硬化剤及びそれらの組み合わせからなる群から選択され得る。これらの官能基は、多官能性であり、少なくとも2つの末端から少なくとも2つの化学種と反応可能である。最も重要なことに、これらは、その末端の1つを用いて、グラフェンのエッジ又は表面に結合可能であり、エポキシ硬化段階中、1つ又は2つの他の末端でエポキシド又はエポキシ樹脂と反応可能である。 Other useful chemical functional groups or reactive molecules include amidoamines, polyamides, aliphatic amines, modified aliphatic amines, cycloaliphatic amines, aromatic amines, anhydrides, ketimines, diethylenetriamine (DETA), triethylenetetramine (TETA). ), tetraethylene pentamine (TEPA), hexamethylenetetramine, polyethylene polyamines, polyamine epoxy adducts, phenolic hardeners, non-brominated hardeners, non-amine hardeners, and combinations thereof. These functional groups are polyfunctional and can react with at least two chemical species from at least two ends. Most importantly, they can be attached to the edge or surface of graphene with one of their terminal ends and reacted with an epoxide or epoxy resin at one or two other terminals during the epoxy curing step. It is.

上記の[NGP]-Rは、さらに官能化することができる。この結果得られるグラフェンシートは、式:[NGP]-A(式中、Aは、OY、NHY、O=C-OY、P=C-NR’Y、O=C-SY、O=C-Y、-CR’1-OY、N’Y又はC’Yから選択され、及びYは、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、抗原若しくは酵素基質、酵素阻害剤若しくは酵素基質の遷移状態アナログの適切な官能基であるか、又はR’-OH、R’-NR’、R’SH、R’CHO、R’CN、R’X、R’N(R’)、R’SiR’、R’Si(-OR’-)R’3-y、R’Si(-O-SiR’-)OR’、R’-R”、R’-N-CO、(CO-)H、(-CO-)H、(-CO)-R’、(CO)-R’、R’から選択され、及びwは、1超且つ200未満の整数である)の組成を含む。CNTを同様に官能化することができる。 The above [NGP]-R m can be further functionalized. The resulting graphene sheet has the formula: [NGP]-A m (where A is OY, NHY, O=C-OY, P=C-NR'Y, O=C-SY, O=C -Y, -CR'1-OY, N'Y or C'Y, and Y is a protein, peptide, amino acid, enzyme, antibody, nucleotide, oligonucleotide, antigen or enzyme substrate, enzyme inhibitor or enzyme a suitable functional group of a transition state analog of the substrate, or R'-OH, R'-NR' 2 , R'SH, R'CHO, R'CN, R'X, R'N + (R' ) 3 -N-CO, (C 2 H 4 O-) w H, (-C 3 H 6 O-) w H, (-C 2 H 4 O) w -R', (C 3 H 6 O) w - R′, R′, and w is an integer greater than 1 and less than 200. CNTs can be similarly functionalized.

式:[NGP]-[R’-A](式中、m、R’及びAは、前述の定義の通りである)を有する組成物を生成するために、NGP及び伝導性添加剤(例えば、カーボンナノファイバー)官能化することもできる。本開示の組成物は、ある種の環状化合物が上に吸着するNGPも含む。これらは、式:[NGP]-[X-R(式中、aは、0又は10未満の数であり、Xは、多環式芳香族、複素多環式芳香族又は金属複素多環式芳香族部分であり、及びRは、前述の定義の通りである)の物質の組成物を含む。好ましい環状化合物は、平面状である。吸着のためのより好ましい環状化合物は、ポルフィリン及びフタロシアニンである。吸着した環状化合物は、官能化することができる。このような組成物は、式、[NGP]-[X-A(式中、m、a、X及びAは、前述の定義の通りである)の化合物を含む。 NGP and a conductive additive ( For example, carbon nanofibers) can also be functionalized. The compositions of the present disclosure also include NGP on which certain cyclic compounds are adsorbed. These have the formula: [NGP]-[X-R a ] m (where a is 0 or a number less than 10, and X is a polycyclic aromatic, a heteropolyaromatic, or a metal hetero polycyclic aromatic moieties, and R is as defined above. Preferred cyclic compounds are planar. More preferred cyclic compounds for adsorption are porphyrins and phthalocyanines. Adsorbed cyclic compounds can be functionalized. Such compositions include a compound of the formula [NGP]-[XA a ] m , where m, a, X and A are as defined above.

本開示の官能化NGPは、スルホン化又は脱酸素したグラフェンプレートレット表面への求電子付加によって直接調製することができる。グラフェンプレートレットは、官能化剤を接触させる前に処理することができる。このような処理としては、溶媒中へのグラフェンプレートレットの分散を挙げることができる。ある場合には、次にプレートレットを濾過し、乾燥させた後に接触させることができる。官能基の特定の有用な種類の1つは、カルボン酸部分であり、これは、NGPが前述の酸インターカレーション経路から調製される場合にNGP表面上にもともと存在する。カルボン酸官能化が必要である場合、NGPは、クロレート、硝酸又は過硫酸アンモニウム酸化を行うことができる。 The functionalized NGPs of the present disclosure can be prepared directly by electrophilic addition to sulfonated or deoxygenated graphene platelet surfaces. The graphene platelets can be treated prior to contacting with the functionalizing agent. Such treatments can include dispersing graphene platelets in a solvent. In some cases, the platelets can then be filtered and dried before contacting. One particularly useful class of functional groups are carboxylic acid moieties, which are naturally present on the NGP surface when the NGP is prepared from the acid intercalation route described above. If carboxylic acid functionalization is required, NGP can be subjected to chlorate, nitric acid or ammonium persulfate oxidation.

カルボン酸官能化グラフェンシート又はプレートレットは、別の種類の官能化NGPを調製するための出発点として機能できるため、特に有用である。例えば、アルコール又はアミドは、酸と容易に結合して安定なエステル又はアミドを得ることができる。アルコール又はアミンが二官能性又は多官能性分子の一部である場合、O-又はNH-を介した結合によって別の官能基がペンダント基として残る。これらの反応は、当技術分野において周知のようなカルボン酸のアルコール又はアミンによるエステル化又はアミノ化のために開発されたいずれかの方法を用いて行うことができる。これらの方法の例は、G. W. Anderson, et al., J. Amer. Chem. Soc. 86, 1839 (1964)に見ることができ、その全体が参照により本明細書に援用される。プレートレットを硝酸及び硫酸で処理してニトロ化プレートレットを得、次にそのニトロ化形態を亜ジチオン酸ナトリウムなどの還元剤で化学的に還元して、アミノ官能化プレートレットを得ることにより、アミノ基を黒鉛プレートレット上に直接導入することができる。 Carboxylic acid-functionalized graphene sheets or platelets are particularly useful because they can serve as a starting point for preparing other types of functionalized NGPs. For example, alcohols or amides can be easily combined with acids to yield stable esters or amides. If the alcohol or amine is part of a di- or polyfunctional molecule, the bond via O- or NH- leaves another functional group as a pendant group. These reactions can be carried out using any method developed for the esterification or amination of carboxylic acids with alcohols or amines as is well known in the art. Examples of these methods can be found in G. W. Anderson, et al., J. Amer. Chem. Soc. 86, 1839 (1964), which is incorporated herein by reference in its entirety. By treating the platelets with nitric acid and sulfuric acid to obtain nitrated platelets, and then chemically reducing the nitrated form with a reducing agent such as sodium dithionite to obtain amino-functionalized platelets. Amino groups can be introduced directly onto the graphite platelets.

幾つかの実施形態では、化学官能化グラフェンシートは、アルキル若しくはアリールシラン、アルキル若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(-SOH)、アルデヒド基、キノイド系、フルオロカーボン又はそれらの組み合わせから選択される化学官能基を含む。代わりに、官能基は、2-アジドエタノール、3-アジドプロパン-1-アミン、4-(2-アジドエトキシ)-4-オキソブタン酸、2-アジドエチル-2-ブロモ-2-メチルプロパノエート、クロロカーボネート、アジドカーボネート、ジクロロカルベン、カルベン、アライン、ニトレン、(R-)-オキシカルボニルニトレン(ここで、R=以下の基
のいずれか1つである)及びそれらの組み合わせからなる群から選択されるアジド化合物の誘導体を含む。
In some embodiments, the chemically functionalized graphene sheets include alkyl or aryl silanes, alkyl or aralkyl groups, hydroxyl groups, carboxyl groups, amine groups, sulfonate groups (-SO 3 H), aldehyde groups, quinoids, fluorocarbons, or including chemical functional groups selected from combinations thereof. Alternatively, the functional group is 2-azidoethanol, 3-azidopropan-1-amine, 4-(2-azidoethoxy)-4-oxobutanoic acid, 2-azidoethyl-2-bromo-2-methylpropanoate, Chlorocarbonate, azidocarbonate, dichlorocarbene, carbene, aryne, nitrene, (R-)-oxycarbonylnitrene (where R = the following group)
) and combinations thereof.

特定の実施形態では、官能化剤は、SOH、COOH、NH、OH、R’CHOH、CHO、CN、COCl、ハライド、COSH、SH、COOR’、SR’、SiR’、Si(-OR’-)R’-y、Si(-O-SiR’-)OR’、R”、Li、AlR’、Hg-X、TlZ及びMg-X(ここで、yは、3以下の整数であり、R’は、水素、アルキル、アリール、シクロアルキル若しくはアラルキル、シクロアリール又はポリ(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又はシクロアリールであり、Xは、ハライドであり、及びZは、カルボキシレート又はトリフルオロアセテートである)及びそれらの組み合わせからなる群から選択される官能基を含む。 In certain embodiments, the functionalizing agent is SO3H , COOH, NH2 , OH, R'CHOH, CHO, CN, COCl, halide, COSH, SH, COOR', SR', SiR'3 , Si( -OR'-) y R' 3 -y, Si(-O-SiR' 2 -)OR', R'', Li, AlR' 2 , Hg-X, TlZ 2 and Mg-X (where y is , an integer of 3 or less, R' is hydrogen, alkyl, aryl, cycloalkyl or aralkyl, cycloaryl or poly(alkyl ether), and R'' is fluoroalkyl, fluoroaryl, fluorocycloalkyl, fluoroaralkyl. or cycloaryl, X is halide, and Z is carboxylate or trifluoroacetate) and combinations thereof.

官能基は、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、それらの誘導体及びそれらの組み合わせからなる群から選択され得る。 Functional groups include amidoamine, polyamide, aliphatic amine, modified aliphatic amine, alicyclic amine, aromatic amine, anhydride, ketimine, diethylenetriamine (DETA), triethylenetetramine (TETA), and tetraethylenepentamine (TEPA). , polyethylene polyamines, polyamine epoxy adducts, phenolic hardeners, non-brominated hardeners, non-amine hardeners, derivatives thereof, and combinations thereof.

幾つかの実施形態では、官能基は、OY、NHY、O=C-OY、P=C-NR’Y、O=C-SY、O=C-Y、-CR’1-OY、N’Y又はC’Yから選択され得、及びYは、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、抗原若しくは酵素基質、酵素阻害剤若しくは酵素基質の遷移状態アナログの官能基であるか、又はR’-OH、R’-NR’、R’SH、R’CHO、R’CN、R’X、R’N(R’)、R’SiR’、R’Si(-OR’-)R’3-y、R’Si(-O-SiR’-)OR’、R’-R”、R’-N-CO、(CO-)H、(-CO-)H、(-CO)-R’、(CO)-R’、R’から選択され、及びwは、1超且つ200未満の整数である。 In some embodiments, the functional groups are OY, NHY, O=C-OY, P=C-NR'Y, O=C-SY, O=C-Y, -CR'1-OY, N' may be selected from Y or C'Y, and Y is a functional group of a protein, peptide, amino acid, enzyme, antibody, nucleotide, oligonucleotide, antigen or enzyme substrate, enzyme inhibitor or transition state analog of an enzyme substrate. , or R'-OH, R'-NR' 2 , R'SH, R'CHO, R'CN, R'X, R'N + (R') 3 X - , R'SiR' 3 , R'Si(-OR'-) y R' 3-y , R'Si(-O-SiR' 2 -) OR', R'-R'', R'-N-CO, (C 2 H 4 O-) selected from w H, (-C 3 H 6 O-) w H, (-C 2 H 4 O) w -R', (C 3 H 6 O) w -R', R', and w is It is an integer greater than 1 and less than 200.

化学官能化された又は官能化されていないグラフェンシートが製造された後、それらは、2つの主面の少なくとも1つの上を防食材料の薄層で被覆することができる。グラフェンをベースとする被覆懸濁液を製造する方法は、(a)グラフェンシートの連続フィルムを堆積ゾーン中に提供することと;(b)防食顔料又は金属の前駆体の蒸気又は原子を堆積ゾーン中に導入し、且つその蒸気又は原子をグラフェンシートの表面上に堆積させて、防食材料で被覆されたグラフェンシートの被覆フィルムを形成することと;(c)この被覆フィルムを、防食材料で被覆されたグラフェンシートの複数の断片に機械的に破壊することと;(d)防食材料で被覆されたグラフェンシートの複数の断片とバインダー樹脂とを液体媒体中に分散させて、被覆懸濁液を形成することとを含む。 After the chemically functionalized or non-functionalized graphene sheets are produced, they can be coated with a thin layer of anti-corrosion material on at least one of the two major surfaces. A method of producing a graphene-based coating suspension includes (a) providing a continuous film of graphene sheets in a deposition zone; (b) vapor or atoms of an anticorrosive pigment or metal precursor in the deposition zone. (c) coating the graphene sheet with an anticorrosive material; (c) coating the graphene sheet with an anticorrosion material; (d) dispersing the plurality of graphene sheet fragments coated with the anticorrosive material and a binder resin in a liquid medium to form a coating suspension; including forming.

ステップ(a)では、グラフェンシートの連続フィルムは、固体基材上へのグラフェンの化学蒸着(CVD)によって製造することができる。しかし、CVDは、費用のかかるプロセスである。代わりに、好ましくは、図2中に示されるように、この連続フィルムは、グラフェン材料シート(例えば、酸化グラフェンシート)の液体媒体(例えば、水)中の懸濁液を調製し、その懸濁液を固体基材表面上に噴霧してグラフェンフィルムを形成することによって製造することができる。好ましくは、グラフェンシートの基材表面上への移動及び堆積のために超音波噴霧又は静電吹付の装置が使用され、それにより複数のグラフェンシートが重なり合って、約0.5nm~数ミクロンの厚さ(好ましくは1nm~20nm)の凝集したフィルムが形成される。 In step (a), a continuous film of graphene sheets can be produced by chemical vapor deposition (CVD) of graphene onto a solid substrate. However, CVD is an expensive process. Alternatively, this continuous film is preferably prepared by preparing a suspension of a graphene material sheet (e.g., a graphene oxide sheet) in a liquid medium (e.g., water), as shown in FIG. It can be produced by spraying a liquid onto the surface of a solid substrate to form a graphene film. Preferably, an ultrasonic atomization or electrostatic spraying device is used to transfer and deposit the graphene sheets onto the substrate surface, whereby a plurality of graphene sheets are overlapped to a thickness of about 0.5 nm to several microns. A cohesive film of diameter (preferably 1 nm to 20 nm) is formed.

支持基材を有する又は有さないこのグラフェンフィルムは、次に、堆積ゾーン(例えば、真空チャンバー又はCVDチャンバー)中に導入され、ここで、防食材料の蒸気又は原子の流れがグラフェンフィルムの1つの表面上に堆積されて、被覆フィルム(例えば、Znで被覆されたグラフェンフィルム)が形成される。この堆積は、物理蒸着(PVD)、スパッタリング、レーザー支援堆積、プラズマ強化CVD及びホットワイヤーCVDなどの化学蒸着、原子層堆積並びに溶液からの堆積によって行うことができる。防食材料被覆の厚さは、好ましくは、500nm未満の厚さ、より好ましくは100nm未満、さらに好ましくは50nm未満、最も好ましくは20nm未満である。 This graphene film, with or without a supporting substrate, is then introduced into a deposition zone (e.g., a vacuum chamber or a CVD chamber), where a stream of vapor or atoms of the anticorrosion material is applied to one of the graphene films. A coating film (eg, a Zn-coated graphene film) is formed by depositing on the surface. This deposition can be performed by physical vapor deposition (PVD), sputtering, laser assisted deposition, chemical vapor deposition such as plasma enhanced CVD and hot wire CVD, atomic layer deposition and deposition from solution. The thickness of the anticorrosive material coating is preferably less than 500 nm thick, more preferably less than 100 nm, even more preferably less than 50 nm, and most preferably less than 20 nm.

再び図2を参照すると、防食材料で被覆されたグラフェンフィルムは、次に、機械的破壊が行われて、好ましくは10nm~10μm、さらに好ましくは100nm~3μmの範囲内の横寸法を有する、防食材料で被覆されたグラフェンシートの断片が得られる。 Referring again to FIG. 2, the graphene film coated with the anti-corrosion material is then mechanically fractured to form an anti-corrosion material having a lateral dimension preferably in the range of 10 nm to 10 μm, more preferably 100 nm to 3 μm. Pieces of graphene sheets coated with the material are obtained.

図2の上部に示されるように、防食材料で被覆された後にフィルムを被覆グラフェンシートの小片に破壊する必要があるため、グラフェン懸濁液から堆積することによって作製されたグラフェンフィルムの使用は、CVDグラフェンフィルムよりも好ましい。重なり合うグラフェンシートでできた連続グラフェンフィルムは、元のグラフェンシートの境界に沿って容易に破壊することができる。結果として得られる被覆グラフェンシートは、元のグラフェン材料シートと同等のサイズである。懸濁液由来のグラフェンフィルムは、CVDグラフェンフィルムよりもはるかに脆弱である。しかし、本発明者らは、この脆弱性を、所望のサイズの被覆グラフェンシートを製造するために有利な特徴に変換した。 As shown at the top of Figure 2, the use of graphene films made by depositing from graphene suspensions is difficult because the film needs to be broken into small pieces of coated graphene sheets after being coated with anti-corrosion material. It is preferable to CVD graphene film. A continuous graphene film made of overlapping graphene sheets can be easily fractured along the boundaries of the original graphene sheets. The resulting coated graphene sheet is comparable in size to the original graphene material sheet. Suspension-derived graphene films are much more fragile than CVD graphene films. However, the inventors converted this fragility into an advantageous feature for producing coated graphene sheets of desired size.

金属部材を保護するグラフェン被覆組成物に使用するためにより反応性の分散液を調製するために、製造されたグラフェン分散液に他の成分(フィラー、分散剤、着色顔料、増量剤、消泡剤、触媒、促進剤、安定剤、融合助剤、チキソトロープ剤、沈降防止剤など)をさらに加えることができる。金属部材をグラフェン懸濁液中に数秒~数分(好ましくは5秒~15分)の時間にわたって単純に浸漬し、次にポリマー部品をグラフェン液体分散液から引き上げることができる。液体(例えば、自然に又は強制蒸発により)除去した後、グラフェンシートは、ポリマー部品の表面上に自然に被覆され且つ結合する。 In order to prepare a more reactive dispersion for use in graphene coating compositions that protect metal parts, the produced graphene dispersion may be combined with other ingredients (fillers, dispersants, color pigments, extenders, antifoaming agents). , catalysts, promoters, stabilizers, coalescing aids, thixotropic agents, antisettling agents, etc.) can be further added. The metal part can be simply immersed in the graphene suspension for a period of seconds to minutes (preferably 5 seconds to 15 minutes) and then the polymer part can be pulled out of the graphene liquid dispersion. After removing the liquid (eg, naturally or by forced evaporation), the graphene sheets spontaneously coat and bond onto the surface of the polymeric part.

防食被覆系は、当技術分野において周知の方法、例えばASTM B117(ISO 9277)に準拠した塩水噴霧試験(SST)及びカソード及びアノードの分極電流を求めるためのサイクリックボルタンメトリー試験(電流密度対電圧)などを用いて特性決定を行った。 The anticorrosive coating system is tested using methods well known in the art, such as the salt spray test (SST) according to ASTM B117 (ISO 9277) and the cyclic voltammetry test (current density versus voltage) to determine the cathode and anode polarization currents. Characteristics were determined using methods such as

以下の実施例は、本開示の実施の最良の形態に関する一部の具体的な詳細を説明するために使用され、本開示の範囲を限定するものとして解釈すべきではない。 The following examples are used to illustrate some specific 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:MCMBの硫酸インターカレーション及び剥離からの酸化グラフェン
MCMB(メソカーボンマイクロビーズ)は、China Steel Chemical Co.から供給された。この材料は、約2.24g/cmの密度及び約16μmのメジアン粒度を有する。MCMB(10グラム)に酸溶液(4:1:0.05の比率の硫酸、硝酸及び過マンガン酸カリウム)を48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。大部分の硫酸イオンを除去するために、インターカレートしたMCMBをHClの5%溶液で繰り返し洗浄した。次に、この試料を、濾液のpHが中性になるまで脱イオン水で繰り返し洗浄した。得られたスラリーを60℃の真空オーブン中で24時間乾燥させ、保管した。乾燥した粉末試料を石英管内に入れ、所望の温度の800℃~1,100℃にあらかじめ設定した水平管状炉中に30~90秒間挿入してグラフェンシートを得た。ある量のグラフェンシートを水と混合し、60Wの出力で10分間超音波処理して、グラフェン分散液を得た。
Example 1: Graphene oxide from sulfuric acid intercalation and exfoliation of MCMB MCMB (mesocarbon microbeads) was supplied by China Steel Chemical Co. 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 acid solution (4:1:0.05 ratio of sulfuric acid, nitric acid and potassium permanganate) for 48 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 sample was then washed repeatedly with deionized water until the pH of the filtrate was neutral. The resulting slurry was dried in a vacuum oven at 60° C. for 24 hours and stored. The dried powder sample was placed in a quartz tube and inserted into a horizontal tubular furnace preset at the desired temperature of 800° C. to 1,100° C. for 30 to 90 seconds to obtain a graphene sheet. A certain amount of graphene sheets were mixed with water and sonicated for 10 minutes at a power of 60 W to obtain a graphene dispersion.

グラフェン-水分散液をガラス基材上にキャストしてグラフェンフィルムを形成し、これに物理蒸着及びスパッタリングを用いてZn及びAlを別々に堆積した。この防食材料で被覆されたフィルムを次に小さい断片に切断し、これらに対してエアジェットミル粉砕を行って、離散した被覆グラフェンシートを得た。 A graphene-water dispersion was cast onto a glass substrate to form a graphene film, onto which Zn and Al were separately deposited using physical vapor deposition and sputtering. This anti-corrosion material coated film was then cut into small pieces and air-jet milled to obtain discrete coated graphene sheets.

少量を採取し、乾燥させ、TEMで調べると、大部分のNGPが1~10層であることが示された。得られたグラフェン粉末(GO又はRGO)の酸素含有量は、剥離の温度及び時間に依存して0.1%~約25%であった。 A small sample was taken, dried, and examined by TEM, which showed that most of the NGP had 1 to 10 layers. The oxygen content of the resulting graphene powder (GO or RGO) was between 0.1% and about 25%, depending on the temperature and time of exfoliation.

被覆グラフェンシートの幾つかの懸濁液に種々の他の顔料及び成分を別々に加えて、種々の防食被覆組成物を作製した。 Various other pigments and ingredients were added separately to several suspensions of coated graphene sheets to create various anticorrosive coating compositions.

実施例2:天然黒鉛の酸化及び剥離
Hummersの方法[米国特許第2,798,878号、1957年7月9日]に従い、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を用いて、30℃において48時間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。反応終了後、混合物を脱イオン水中に注ぎ、濾過した。次に、大部分の硫酸イオン及び残留塩を除去するために、試料を5%のHCl溶液で洗浄し、次に濾液のpHが約4になるまで脱イオン水で繰り返し洗浄した。この目的は、黒鉛の間隙からすべての硫酸及び硝酸の残留物を除去することであった。得られたスラリーを60℃の真空オーブン中で24時間乾燥させ、保管した。
Example 2: Oxidation and exfoliation of natural graphite
According to the method of Hummers [U.S. Pat. No. 2,798,878, July 9, 1957], 48% Oxidized graphite was prepared by oxidizing graphite flakes with time. After the reaction was completed, the mixture was poured into deionized water and filtered. The samples were then washed with a 5% HCl solution to remove most of the sulfate ions and residual salts, and then repeatedly with deionized water until the pH of the filtrate was approximately 4. The purpose of this was to remove all sulfuric and nitric acid residues from the interstitial spaces of the graphite. The resulting slurry was dried in a vacuum oven at 60° C. for 24 hours and stored.

試料を石英管中に入れ、これを、1,050℃にあらかじめ設定した水平管状炉中に挿入して高剥離黒鉛を得ることにより、インターカレート(酸化)させ、乾燥させた化合物の剥離を行った。得られた剥離黒鉛を、平底フラスコ中の1%界面活性剤を含む45℃の水中に分散させ、得られた懸濁液に対して15分間の超音波処理を行って、酸化グラフェン(GO)シートの分散液を得た。 The sample is placed in a quartz tube, and this is inserted into a horizontal tube furnace preset at 1,050°C to obtain highly exfoliated graphite, thereby intercalating (oxidizing) and exfoliating the dried compound. went. The obtained exfoliated graphite was dispersed in 45°C water containing 1% surfactant in a flat bottom flask, and the resulting suspension was subjected to ultrasonication for 15 minutes to form graphene oxide (GO). A sheet dispersion was obtained.

グラフェン-水分散液をガラス基材上にキャストしてグラフェンフィルムを形成し、これに物理蒸着を用いてZnを堆積した。Znで被覆されたフィルムを次に小さい断片に切断し、それらに対してエアジェットミル粉砕を行って離散した被覆グラフェンシートを得た。被覆グラフェンシートの数個の懸濁液に種々の他の顔料及び成分を別々に加えて、種々の防食被覆組成物を作製した。被覆グラフェンシートが互いに平行となり、鋼構造物の表面に対して実質的に平行となるような配列を促進するために、超音波噴霧又は圧縮空気支援吹付塗装を用いて、被覆懸濁液を鋼構造物の表面に塗布した。 A graphene-water dispersion was cast onto a glass substrate to form a graphene film, onto which Zn was deposited using physical vapor deposition. The Zn-coated film was then cut into small pieces and air jet milled on them to obtain discrete coated graphene sheets. Various other pigments and ingredients were added separately to several suspensions of coated graphene sheets to create various anticorrosive coating compositions. The coating suspension is applied to the steel using ultrasonic atomization or compressed air assisted spray painting to promote alignment such that the coated graphene sheets are parallel to each other and substantially parallel to the surface of the steel structure. applied to the surface of the structure.

実施例3:純粋なグラフェンシートの調製
直接超音波処理又は液相剥離プロセスを用いることによって純粋なグラフェンシートを作製した。典型的な手順の1つでは、約20μmのサイズまで粉砕した5グラムの黒鉛フレークを1,000mLの脱イオン水(DuPontの分散剤Zonyl(登録商標)FSOを0.1重量%含有する)中に分散させて懸濁液を得た。85Wの超音波エネルギーレベル(Branson S450 Ultrasonicator)を、グラフェンシートの剥離、分離及び粉砕のために15分~2時間の時間使用した。この結果得られたグラフェンシートは、まったく酸化されておらず、酸素を含まず、比較的欠陥を含まない純粋なグラフェンであった。
Example 3: Preparation of pure graphene sheets Pure graphene sheets were prepared by using direct sonication or liquid phase exfoliation process. In one typical procedure, 5 grams of graphite flakes ground to a size of approximately 20 μm are dissolved in 1,000 mL of deionized water (containing 0.1% by weight of DuPont's dispersant Zonyl® FSO). to obtain a suspension. An ultrasonic energy level of 85 W (Branson S450 Ultrasonicator) was used for exfoliation, separation and crushing of graphene sheets for times ranging from 15 minutes to 2 hours. The resulting graphene sheet was completely unoxidized, oxygen-free, and relatively defect-free pure graphene.

実施例4:フッ化グラフェンの調製
GFを生成するために、本発明者らは、幾つかの方法を使用したが、例として1つの方法のみを本明細書に記載する。典型的な手順の1つでは、インターカレートした化合物СF・xClFから高剥離黒鉛(HEG)を調製した。HEGを三フッ化塩素の蒸気でさらにフッ素化させて、フッ素化高剥離黒鉛(FHEG)を得た。あらかじめ冷却したTeflon反応器に20~30mLのあらかじめ冷却した液体ClFを満たし、次に反応器を閉じ、液体窒素温度まで冷却した。続いて、反応器まで到達するためのClFガス用の孔を有する容器中に1g以下のHEGを入れた。7~10日後、おおよその式がCFである灰色-ベージュ色の生成物が形成された。次に、GFシートをハロゲン化溶媒中に分散させて懸濁液を形成した。
Example 4: Preparation of fluorinated graphene To produce GF, we used several methods, but only one method is described here as an example. In one typical procedure, highly exfoliated graphite ( HEG ) was prepared from the intercalated compound С2F.xClF3 . HEG was further fluorinated with chlorine trifluoride vapor to obtain fluorinated highly exfoliated graphite (FHEG). The pre-chilled Teflon reactor was filled with 20-30 mL of pre-chilled liquid ClF 3 and then the reactor was closed and cooled to liquid nitrogen temperature. Subsequently, up to 1 g of HEG was placed in a container with holes for ClF 3 gas to reach the reactor. After 7-10 days, a gray-beige product was formed with the approximate formula C 2 F. The GF sheets were then dispersed in a halogenated solvent to form a suspension.

実施例5:窒素化グラフェンの調製
実施例2で合成した酸化グラフェン(GO)を種々の比率の尿素とともに微粉砕し、ペレット化した混合物をマイクロ波反応器(900W)中で30秒間加熱した。その生成物を脱イオン水で数回洗浄し、減圧乾燥した。この方法では、酸化グラフェンの還元と窒素ドープとが同時に行われる。グラフェン/尿素質量比が1/0.5、1/1及び1/2で得られた生成物をそれぞれN-1、N-2及びN-3と呼び、元素分析によって測定したこれらの試料の窒素含有量は、それぞれ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、依然として水に対して分散性である。
Example 5: Preparation of nitrogenated graphene Graphene oxide (GO) synthesized in Example 2 was pulverized with various proportions of urea, and the pelletized mixture was heated in a microwave reactor (900 W) for 30 seconds. The product was washed several times with deionized water and dried under vacuum. In this method, reduction of graphene oxide and nitrogen doping are performed simultaneously. The products obtained with graphene/urea mass ratios of 1/0.5, 1/1, and 1/2 are called N-1, N-2, and N-3, respectively, and the values of these samples determined by elemental analysis are The nitrogen content was 14.7, 18.2 and 17.5% by weight, respectively. These nitrogenated graphene sheets are still dispersible in water.

実施例6:防食成分としての官能化グラフェン
この研究に関与する化学官能基は、アジド化合物(2-アジドエタノール)、アルキルシラン、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(-SOH)及びジエチレントリアミン(DETA)を含む。これらの官能化グラフェンシートは、Taiwan Graphene Co., Taipei, Taiwanより供給される。水を除去し150℃で15分間硬化させると、グラフェンシートは、金属表面によく結合した。
Example 6: Functionalized graphene as an anti-corrosion component The chemical functional groups involved in this study are azide compounds (2-azidoethanol), alkylsilanes, hydroxyl groups, carboxyl groups, amine groups, sulfonate groups (-SO 3 H) and diethylenetriamine (DETA). These functionalized graphene sheets are supplied by Taiwan Graphene Co., Taipei, Taiwan. After removing water and curing at 150° C. for 15 minutes, the graphene sheets bonded well to the metal surface.

本発明者らは、一般に、金属部材表面が、水性バインダー樹脂を有する本発明による官能化グラフェンシートによく結合できることを確認した。Zn又はAlなどのアノード金属とともに防食顔料として官能化グラフェンシートが含まれる場合、金属顔料単独を使用する場合よりも、被覆された表面が一般に平滑である。 The inventors have confirmed that, in general, metal component surfaces can be well bonded to functionalized graphene sheets according to the present invention with aqueous binder resins. When a functionalized graphene sheet is included as an anticorrosion pigment along with an anode metal such as Zn or Al, the coated surface is generally smoother than when using the metal pigment alone.

実施例7:ポリウレタンをベースとする水性バインダー樹脂
数種類のヒドロキシル/カルボキシル官能性ポリウレタン分散液を、以下に示すスキーム1による非イソシアネート方法によって調製した。
Example 7: Polyurethane-based aqueous binder resin Several hydroxyl/carboxyl functional polyurethane dispersions were prepared by a non-isocyanate method according to Scheme 1 shown below.

ポリマーは、最初にジエステルとポリオールとを有機金属触媒の存在下、200℃~220℃において減圧下で反応させることによって合成した。メタノールがエステル交換反応の副生物であった。続いて、ヒドロキシル官能性ウレタンジオールを加え、180℃において減圧下でプロピレングリコールを除去した。このヒドロキシル官能性ウレタンジオールは、環状カーボネートとジアミンとの間の反応を利用する非イソシアネート方法によって調製した。次に、この樹脂をカルボキシル官能化させ、中和のための第3級アミンを使用して水中に分散させた。ポリウレタン分散液の数平均分子量は、約3000~4000g/モルの範囲内であった。 The polymer was synthesized by first reacting the diester and polyol in the presence of an organometallic catalyst at 200° C. to 220° C. under reduced pressure. Methanol was a byproduct of the transesterification reaction. Subsequently, hydroxyl-functional urethane diol was added and propylene glycol was removed under reduced pressure at 180°C. This hydroxyl-functional urethane diol was prepared by a non-isocyanate method utilizing a reaction between a cyclic carbonate and a diamine. The resin was then carboxyl functionalized and dispersed in water using a tertiary amine for neutralization. The number average molecular weight of the polyurethane dispersion was in the range of about 3000-4000 g/mol.

溶剤系ポリウレタン樹脂は、商業的供給元から広く入手可能である。 Solvent-based polyurethane resins are widely available from commercial sources.

実施例8:ポリウレタン-尿素コポリマーをベースとする水性バインダー樹脂
スキーム2に示されるプレポリマーイソシアネート方法により、2つのポリウレタン-尿素分散液を調製した。この方法により、実際にポリウレタン-尿素ポリマーが生成される。イソシアネート末端ポリウレタンとジアミンとの鎖延長反応によって尿素部分が形成される。
Example 8: Aqueous Binder Resin Based on Polyurethane-Urea Copolymer Two polyurethane-urea dispersions were prepared by the prepolymer isocyanate method shown in Scheme 2. This method actually produces polyurethane-urea polymers. The urea moiety is formed by a chain extension reaction between the isocyanate-terminated polyurethane and the diamine.

架橋剤として使用したメラミン樹脂は、約1.5の重合度、554の平均分子量及び8.3の平均理論官能価を有する市販の種類のヘキサキス(メトキシメチル)メラミン(HMMM)であった。配合に使用した水性アクリル分散液は、ヒドロキシル/カルボキシル官能性樹脂であるRohm and HaasのAcrysol WS-68であった。Bayer Corporationの水分散性ポリイソシアネート(Bayhydur XP-7007、変性脂肪族イソシアネート三量体)を架橋のために使用した。 The melamine resin used as a crosslinking agent was a commercially available type hexakis(methoxymethyl)melamine (HMMM) having a degree of polymerization of approximately 1.5, an average molecular weight of 554, and an average theoretical functionality of 8.3. The aqueous acrylic dispersion used in the formulation was Acrysol WS-68 from Rohm and Haas, a hydroxyl/carboxyl functional resin. A water-dispersible polyisocyanate (Bayhydur XP-7007, modified aliphatic isocyanate trimer) from Bayer Corporation was used for crosslinking.

実施例9:水溶性アルキド樹脂
典型的な手順の1つでは、撹拌装置、温度制御装置及びデカンターが取り付けられた容器に以下の原材料を投入し、投入物を撹拌しながら加熱した:ダイズ脂肪酸(33重量%)、トリメチロールプロパン(33%)、無水トリメリット酸(8.5%)、イソフタル酸24%、酸化ジブチルスズ(0.5%)及びキシレン(1%)。反応が進行すると水が生成し、水は、キシレンと共沸させて除去した。酸価39及びヒドロキシル価140が得られるまで加熱を続けた。次に、反応を停止させた。反応混合物を、不揮発性含有量が70重量%になるまでブチルセルロースで希釈して、アルキド樹脂ワニスを得た。この樹脂ワニスをトリエチルアミンで中和し、不揮発性含有量が40重量%となるまで脱イオン水で調整して、水溶性アルキド樹脂ワニスを得た。このワニスは、33の有効酸価を有した。
Example 9: Water-Soluble Alkyd Resin In one typical procedure, the following raw materials were charged into a container fitted with a stirring device, a temperature control device and a decanter, and the charge was heated while stirring: Soy fatty acid ( 33% by weight), trimethylolpropane (33%), trimellitic anhydride (8.5%), isophthalic acid 24%, dibutyltin oxide (0.5%) and xylene (1%). As the reaction proceeded, water was produced and was removed by azeotroping with xylene. Heating was continued until an acid number of 39 and a hydroxyl number of 140 were obtained. Next, the reaction was stopped. The reaction mixture was diluted with butylcellulose to a non-volatile content of 70% by weight to obtain an alkyd resin varnish. This resin varnish was neutralized with triethylamine and adjusted with deionized water until the nonvolatile content was 40% by weight to obtain a water-soluble alkyd resin varnish. This varnish had an effective acid number of 33.

実施例10:エポキシ樹脂
この研究で使用した水性エポキシは、「1型」(約500~600のエポキシ当量)固体エポキシ分散液と疎水性アミン付加体硬化剤とをベースとした。両方の成分は、エポキシ及びアミンの成分中であらかじめ反応する非イオン界面活性剤を利用している。このような水性エポキシの一例は、EPIKURE 6870(変性ポリアミン付加体)を有するEPI-REZ 6520(Hexion Specialty Chemicals Co.)であった。溶剤系エポキシ樹脂は、商業的供給元から広く入手可能である。
Example 10: Epoxy Resin The waterborne epoxy used in this study was based on a "Type 1" (approximately 500-600 epoxy equivalent weight) solid epoxy dispersion and a hydrophobic amine adduct curing agent. Both components utilize nonionic surfactants that are pre-reacted in the epoxy and amine components. An example of such a waterborne epoxy was EPI-REZ 6520 (Hexion Specialty Chemicals Co.) with EPIKURE 6870 (modified polyamine adduct). Solvent-based epoxy resins are widely available from commercial sources.

幾つかの代表的な試験結果を図2中にまとめており、これは、1重量%の選択された官能化グラフェンシート(単層グラフェン)を亜鉛プライマー中に加えることで、防食能力を損なうことなく、必要なZn量を80重量%から20重量%まで減少させ得る(Zn量が4分の1に減少する)ことを示している。1重量%の単層グラフェンが完全に60重量%の亜鉛の代わりになり得ることは、驚くべきことであり、前例のないことである。Zn粒子とグラフェンシートとの合計は、この試料では約21重量%である。対照的に、わずか15重量%(1%のグラフェンシート上を被覆する14%のZn)が、腐食に対して同レベルの保護を実現するために十分となる。 Some representative test results are summarized in Figure 2, which shows that adding 1 wt% of selected functionalized graphene sheets (monolayer graphene) into zinc primer impairs the anti-corrosion ability. This shows that the required amount of Zn can be reduced from 80% by weight to 20% by weight (the amount of Zn is reduced to one-fourth). It is surprising and unprecedented that 1% by weight single layer graphene can completely replace 60% by weight zinc. The sum of Zn particles and graphene sheets is about 21% by weight in this sample. In contrast, only 15% by weight (14% Zn coated on 1% graphene sheet) would be sufficient to achieve the same level of protection against corrosion.

また、10重量%の数層グラフェンを70重量%のZn粒子と効果的に置き換えることができる。Zn粒子と数層グラフェンシートとの合計は、この試料では約20重量%である。Znがグラフェン表面上に被覆される場合、合計17%で十分となる(7%のグラフェンシート上を被覆する10%のZn)。これらの性能の大幅な改善は、まさに予期しないことである。 Also, 10% by weight of few-layer graphene can be effectively replaced by 70% by weight of Zn particles. The sum of Zn particles and few-layer graphene sheets is about 20% by weight in this sample. If Zn is coated on the graphene surface, a total of 17% will be sufficient (10% Zn coated on 7% graphene sheet). These significant improvements in performance are truly unexpected.

本発明者らは、亜鉛に加えて(又は亜鉛の代替として)、アルミニウム、クロム、ベリリウム、マグネシウム、それらの合金、リン酸亜鉛又はそれらの組み合わせなどの別の元素又は化合物も、さまざまな種類のグラフェンシートと対になる防食顔料又は犠牲金属として使用できることをさらに確認した。少量のグラフェン(典型的には0.1重量%~10重量%)の使用を最大70重量%のこれらの防食顔料材料と置き換えることができる。 In addition to (or in place of) zinc, the inventors also found that other elements or compounds, such as aluminum, chromium, beryllium, magnesium, alloys thereof, zinc phosphate or combinations thereof, can be used in various types. It was further confirmed that the material can be used as an anticorrosion pigment or a sacrificial metal to be paired with a graphene sheet. The use of small amounts of graphene (typically 0.1% to 10% by weight) can replace up to 70% by weight of these anticorrosive pigment materials.

Claims (52)

2つの反対側にある平行な表面をそれぞれ有する複数のグラフェンシートと、前記2つの平行な表面の1つの少なくとも80%の面積に被覆され且つそれを覆う0.5nm~100nmの厚さの防食顔料又は犠牲金属を有する薄膜被覆と、液体媒体中に溶解又は分散されたバインダー樹脂とを含む、グラフェンをベースとする被覆懸濁液であって、前記複数のグラフェンシートは、本質的に0%の非炭素元素を有する純粋なグラフェン材料又は0.001重量%~47重量%の非炭素元素を有する不純グラフェン材料から選択される単層又は数層グラフェンシートを含み、前記不純グラフェンは、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、ドープされたグラフェン、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、前記グラフェンシートは、前記液体媒体を除いた全被覆懸濁液重量を基準として0.1%~30%の重量分率を有する、グラフェンをベースとする被覆懸濁液。 a plurality of graphene sheets each having two opposite parallel surfaces and an anti-corrosion pigment with a thickness of 0.5 nm to 100 nm covering and overlying at least 80 % of the area of one of said two parallel surfaces; or a graphene-based coating suspension comprising a thin film coating with a sacrificial metal and a binder resin dissolved or dispersed in a liquid medium, wherein the plurality of graphene sheets contain essentially 0% comprising a single-layer or few-layer graphene sheet selected from pure graphene material with non-carbon elements or impure graphene material with 0.001% to 47% by weight of non-carbon elements, said impure graphene being graphene oxide, selected from reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, graphene hydride, graphene nitride, doped graphene, chemically functionalized graphene or a combination thereof; Graphene-based coating suspension having a weight fraction of 0.1% to 30%, based on the total coating suspension weight excluding liquid medium. 前記防食顔料又は犠牲金属は、アルミニウム、クロム、亜鉛、ベリリウム、マグネシウム、それらの合金、リン酸亜鉛又はそれらの組み合わせから選択される、請求項1に記載の被覆懸濁液。 Coating suspension according to claim 1, wherein the anti-corrosion pigment or sacrificial metal is selected from aluminum, chromium, zinc, beryllium, magnesium, alloys thereof, zinc phosphate or combinations thereof. 前記バインダー樹脂は、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、ウレタン尿素樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂、アルキド樹脂、ポリイミド、熱硬化性ポリエステル、ビニルエステル樹脂、シリケート接着剤又はそれらの組み合わせから選択される樹脂を含む、請求項1に記載の被覆懸濁液。 The binder resin includes a resin selected from epoxy resins, polyurethane resins, urethaneurea resins, phenolic resins, acrylic resins, alkyd resins, polyimides, thermosetting polyesters, vinyl ester resins, silicate adhesives, or combinations thereof. Coating suspension according to claim 1. 前記不純グラフェン材料は、1重量%~30重量%の、O、H、N、F、Cl、Br、I、B、P又はそれらの組み合わせから選択される非炭素元素を有する、請求項1に記載の被覆懸濁液。 2. The impure graphene material according to claim 1, wherein the impure graphene material has from 1% to 30% by weight of non-carbon elements selected from O, H, N, F, Cl, Br, I, B, P or combinations thereof. Coating suspension as described. 担体、フィラー、分散剤、界面活性剤、消泡剤、触媒、促進剤、安定剤、融合助剤、チキソトロープ剤、沈降防止剤、着色染料、カップリング剤、増量剤、伝導性顔料、電子伝導性ポリマー又はそれらの組み合わせをさらに含む、請求項1に記載の被覆懸濁液。 Carriers, fillers, dispersants, surfactants, antifoaming agents, catalysts, promoters, stabilizers, coalescence aids, thixotropic agents, antisettling agents, colored dyes, coupling agents, extenders, conductive pigments, electronic conductors 2. The coating suspension of claim 1, further comprising a polymer or a combination thereof. 前記伝導性顔料は、アセチレンブラック、カーボンブラック、膨張黒鉛フレーク、炭素繊維、カーボンナノチューブ、アンチモンがドープされた酸化スズ若しくはインジウムスズ酸化物で被覆されたマイカ又はそれらの混合物から選択される、請求項に記載の被覆懸濁液。 4. The conductive pigment is selected from acetylene black, carbon black, expanded graphite flakes, carbon fibers, carbon nanotubes, antimony doped tin oxide or indium tin oxide coated mica or mixtures thereof. Coating suspension according to 5 . 前記電子伝導性ポリマーは、ポリジアセチレン、ポリアセチレン(PAc)、ポリピロール(PPy)、ポリアニリン(PAni)、ポリチオフェン(PTh)、ポリイソチオナフテン(PITN)、ポリヘテロアリーレンビニレン(PArV)(ここで、ヘテロアリーレン基は、チオフェン、フラン又はピロールから選択される)、ポリ-p-フェニレン(PpP)、ポリフタロシアニン(PPhc)など、及びそれらの誘導体並びにそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項に記載の被覆懸濁液。 The electronically conductive polymers include polydiacetylene, polyacetylene (PAc), polypyrrole (PPy), polyaniline (PAni), polythiophene (PTh), polyisothionaphthene (PITN), polyheteroarylene vinylene (PArV) (herein, hetero 5. The arylene group is selected from the group consisting of thiophene, furan or pyrrole), poly-p-phenylene (PpP), polyphthalocyanine (PPhc), etc., and derivatives thereof and combinations thereof. Coating suspension as described in. 前記化学官能化グラフェンは、アルキル若しくはアリールシラン、アルキル若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(-SOH)、アルデヒド基、キノイド系、フルオロカーボン又はそれらの組み合わせから選択される化学官能基を有するグラフェンシートを含む、請求項1に記載の被覆懸濁液。 The chemically functionalized graphene is selected from alkyl or arylsilanes, alkyl or aralkyl groups, hydroxyl groups, carboxyl groups, amine groups, sulfonate groups ( -SO H), aldehyde groups, quinoids, fluorocarbons or combinations thereof. Coating suspension according to claim 1, comprising graphene sheets with chemical functional groups. 前記化学官能化グラフェンは、2-アジドエタノール、3-アジドプロパン-1-アミン、4-(2-アジドエトキシ)-4-オキソブタン酸、2-アジドエチル-2-ブロモ-2-メチルプロパノエート、クロロカーボネート、アジドカーボネート、ジクロロカルベン、カルベン、アライン、ニトレン、(R-)-オキシカルボニルニトレン(ここで、R=以下の基

のいずれか1つである)及びそれらの組み合わせからなる群から選択されるアジド化合物の誘導体から選択される化学官能基を有するグラフェンシートを含む、請求項1に記載の被覆懸濁液。
The chemically functionalized graphene includes 2-azidoethanol, 3-azidopropan-1-amine, 4-(2-azidoethoxy)-4-oxobutanoic acid, 2-azidoethyl-2-bromo-2-methylpropanoate, Chlorocarbonate, azidocarbonate, dichlorocarbene, carbene, aryne, nitrene, (R-)-oxycarbonylnitrene (where R = the following group)

2. The coating suspension of claim 1, comprising graphene sheets having chemical functional groups selected from the group consisting of azide compounds selected from the group consisting of: (1) and combinations thereof.
前記化学官能化グラフェンは、ヒドロキシル、ペルオキシド、エーテル、ケト及びアルデヒドからなる群から選択される酸素化基から選択される化学官能基を有するグラフェンシートを含む、請求項1に記載の被覆懸濁液。 Coating suspension according to claim 1, wherein the chemically functionalized graphene comprises graphene sheets having chemical functional groups selected from oxygenated groups selected from the group consisting of hydroxyl, peroxide, ether, keto and aldehyde. . 前記化学官能化グラフェンは、SOH、COOH、NH、OH、R’CHOH、CHO、CN、COCl、ハライド、COSH、SH、COOR’、SR’、SiR’、Si(-OR’-)R’-y、Si(-O-SiR’-)OR’、R”、Li、AlR’、Hg-X、TlZ及びMg-Xからなる群から選択される化学官能基を有するグラフェンシートを含み、ここで、yは、3以下の整数であり、R’は、水素、アルキル、アリール、シクロアルキル若しくはアラルキル、シクロアリール又はポリ(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又はシクロアリールであり、Xは、ハライドであり、及びZは、カルボキシレート又はトリフルオロアセテート及びそれらの組み合わせである、請求項1に記載の被覆懸濁液。 The chemically functionalized graphene includes SO 3 H, COOH, NH 2 , OH, R'CHOH, CHO, CN, COCl, halide, COSH, SH, COOR', SR', SiR' 3 , Si(-OR'- ) y R' 3 -y, Si(-O-SiR' 2 -)OR', R'', Li, AlR' 2 , Hg-X, TlZ 2 and Mg-X. where y is an integer less than or equal to 3, R' is hydrogen, alkyl, aryl, cycloalkyl or aralkyl, cycloaryl or poly(alkyl ether), and R'' is The coating suspension of claim 1, wherein fluoroalkyl, fluoroaryl, fluorocycloalkyl, fluoroaralkyl or cycloaryl, X is halide, and Z is carboxylate or trifluoroacetate and combinations thereof. Turbid liquid. 前記化学官能化グラフェンは、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、非アミン硬化剤及びそれらの組み合わせからなる群から選択される化学官能基を有するグラフェンシートを含む、請求項1に記載の被覆懸濁液。 The chemically functionalized graphene includes amidoamine, polyamide, aliphatic amine, modified aliphatic amine, cycloaliphatic amine, aromatic amine, anhydride, ketimine, diethylenetriamine (DETA), triethylenetetramine (TETA), and tetraethylenepentamine. (TEPA), polyethylene polyamines, polyamine epoxy adducts, phenolic hardeners, non-brominated hardeners, non-amine hardeners, and combinations thereof. Coating suspension according to 1. 前記化学官能化グラフェンは、OY、NHY、O=C-OY、P=C-NR’Y、O=C-SY、O=C-Y、-CR’1-OY、N’Y又はC’Yから選択される化学官能基を有するグラフェンシートを含み、及びYは、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、抗原若しくは酵素基質、酵素阻害剤若しくは酵素基質の遷移状態アナログの官能基であるか、又はR’-OH、R’-NR’、R’SH、R’CHO、R’CN、R’X、R’N(R’)、R’SiR’、R’Si(-OR’-)R’3-y、R’Si(-O-SiR’-)OR’、R’-R”、R’-N-CO、(CO-)H、(-CO-)H、(-CO)-R’、(CO)-R’、R’から選択され、及びwは、1超且つ200未満の整数である、請求項1に記載の被覆懸濁液。 The chemically functionalized graphene may be OY, NHY, O=C-OY, P=C-NR'Y, O=C-SY, O=C-Y, -CR'1-OY, N'Y or C' comprises a graphene sheet with a chemical functional group selected from Y, and Y is a protein, peptide, amino acid, enzyme, antibody, nucleotide, oligonucleotide, antigen or enzyme substrate, enzyme inhibitor or transition state analog of the enzyme substrate. is a functional group, or R'-OH, R'-NR' 2 , R'SH, R'CHO, R'CN, R'X, R'N + (R') 3 X - , R'SiR ' 3 , R'Si(-OR'-) y R' 3-y , R'Si(-O-SiR' 2- )OR', R'-R", R'-N-CO, (C 2 selected from H 4 O-) w H, (-C 3 H 6 O-) w H, (-C 2 H 4 O) w -R', (C 3 H 6 O) w -R', R' , and w are integers greater than 1 and less than 200. 物体又は構造物であって、複数のグラフェンシートと、グラフェン表面上に堆積された防食顔料又は犠牲金属の薄い被覆と、前記被覆されたグラフェンシートを互いに且つ前記物体又は構造物の表面に結合するバインダー樹脂とを含む被覆で少なくとも部分的に被覆され、前記複数のグラフェンシートは、本質的に0%の非炭素元素を有する純粋なグラフェン材料又は0.001重量%~47重量%の非炭素元素を有する不純グラフェン材料から選択される単層又は数層グラフェンシートを含み、前記不純グラフェンは、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、ドープされたグラフェン、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、前記グラフェンシートは、全被覆重量を基準として0.1%~30%の重量分率を有し、
前記防食顔料又は犠牲金属の薄い被覆は、グラフェンシートの2つの平行な表面の1つの少なくとも80%の面積を覆う、物体又は構造物。
An object or structure comprising a plurality of graphene sheets, a thin coating of an anti-corrosion pigment or sacrificial metal deposited on the graphene surface, and bonding the coated graphene sheets to each other and to the surface of the object or structure. a binder resin, wherein the plurality of graphene sheets are pure graphene material having essentially 0% non-carbon elements or 0.001% to 47% by weight non-carbon elements. The impure graphene includes graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, graphene hydride, selected from nitrogenated graphene, doped graphene, chemically functionalized graphene or a combination thereof, the graphene sheets having a weight fraction of 0.1% to 30% based on the total coating weight;
Object or structure , wherein said thin coating of anti-corrosion pigment or sacrificial metal covers an area of at least 80% of one of two parallel surfaces of the graphene sheet .
前記防食顔料又は犠牲金属は、アルミニウム、クロム、亜鉛、ベリリウム、マグネシウム、それらの合金、リン酸亜鉛又はそれらの組み合わせから選択される、請求項14に記載の物体又は構造物。 15. An object or structure according to claim 14 , wherein the anti-corrosion pigment or sacrificial metal is selected from aluminum, chromium, zinc, beryllium, magnesium, alloys thereof, zinc phosphate or combinations thereof. 前記被覆は、1nm~1.0mmの厚さを有する、請求項14に記載の物体又は構造物。 15. Object or structure according to claim 14 , wherein the coating has a thickness of 1 nm to 1.0 mm. 金属製である、請求項14に記載の物体又は構造物。 15. An object or structure according to claim 14 , which is made of metal. 前記バインダー樹脂は、エステル樹脂、ネオペンチルグリコール(NPG)、エチレングリコール(EG)、イソフタル酸、テレフタル酸、ウレタン樹脂、ウレタンエステル樹脂、アクリル樹脂、アクリルウレタン樹脂又はそれらの組み合わせを含む、請求項14に記載の物体又は構造物。 14. The binder resin comprises an ester resin, neopentyl glycol (NPG), ethylene glycol (EG), isophthalic acid, terephthalic acid, urethane resin, urethane ester resin, acrylic resin, acrylic urethane resin, or a combination thereof. Objects or structures described in . 前記バインダー樹脂は、100重量部の前記バインダー樹脂を基準として1~30重量部の量の硬化剤及び/又はカップリング剤を含む、請求項14に記載の物体又は構造物。 15. The object or structure according to claim 14 , wherein the binder resin contains a curing agent and/or a coupling agent in an amount of 1 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the binder resin. 前記バインダー樹脂は、ジグリセロールテトラグリシジルエーテル、ジペンタエリトリトールテトラグリシジルエーテル、ソルビトールポリグリシジルエーテル、ポリグリセロールポリグリシジルエーテル、ペンタエリトリトールポリグリシジルエーテル又はそれらの組み合わせから選択される多官能性エポキシモノマーを含む熱硬化性樹脂を含む、請求項14に記載の物体又は構造物。 The binder resin comprises a thermoplastic polyfunctional epoxy monomer selected from diglycerol tetraglycidyl ether, dipentaerythritol tetraglycidyl ether, sorbitol polyglycidyl ether, polyglycerol polyglycidyl ether, pentaerythritol polyglycidyl ether, or combinations thereof. 15. The object or structure of claim 14 , comprising a curable resin. 前記バインダー樹脂は、トリメチロールエタントリグリシジルエーテル、トリメチロールメタントリグリシジルエーテル、トリメチロールプロパントリグリシジルエーテル、トリフェニロールメタントリグリシジルエーテル、トリスフェノールトリグリシジルエーテル、テトラフェニロールエタントリグリシジルエーテル、テトラフェニロールエタンのテトラグリシジルエーテル、p-アミノフェノールトリグリシジルエーテル、1,2,6-ヘキサントリオールトリグリシジルエーテル、グリセロールトリグリシジルエーテル、ジグリセロールトリグリシジルエーテル、グリセロールエトキシレートトリグリシジルエーテル、ヒマシ油トリグリシジルエーテル、プロポキシル化グリセリントリグリシジルエーテル、エチレングリコールジグリシジルエーテル、1,4-ブタンジオールジグリシジルエーテル、ネオペンチルグリコールジグリシジルエーテル、シクロヘキサンジメタノールジグリシジルエーテル、ジプロピレングリコールジグリシジルエーテル、ポリプロピレングリコールジグリシジルエーテル、ジブロモネオペンチルグリコールジグリシジルエーテル、水素化ビスフェノールAジグリシジルエーテル、(3,4-エポキシシクロヘキサン)メチル3,4-エポキシシクロヘキシルカルボキシレート及びそれらの混合物からなる群から選択される二又は三官能性エポキシモノマーを含む熱硬化性樹脂を含む、請求項14に記載の物体又は構造物。 The binder resin includes trimethylolethane triglycidyl ether, trimethylolmethane triglycidyl ether, trimethylolpropane triglycidyl ether, triphenylolmethane triglycidyl ether, trisphenol triglycidyl ether, tetraphenylolethane triglycidyl ether, and tetraphenylene triglycidyl ether. Tetraglycidyl ether of roll ethane, p-aminophenol triglycidyl ether, 1,2,6-hexanetriol triglycidyl ether, glycerol triglycidyl ether, diglycerol triglycidyl ether, glycerol ethoxylate triglycidyl ether, castor oil triglycidyl ether , propoxylated glycerin triglycidyl ether, ethylene glycol diglycidyl ether, 1,4-butanediol diglycidyl ether, neopentyl glycol diglycidyl ether, cyclohexanedimethanol diglycidyl ether, dipropylene glycol diglycidyl ether, polypropylene glycol diglycidyl ether Di- or trifunctional selected from the group consisting of ether, dibromoneopentyl glycol diglycidyl ether, hydrogenated bisphenol A diglycidyl ether, (3,4-epoxycyclohexane)methyl 3,4-epoxycyclohexyl carboxylate and mixtures thereof. 15. The object or structure of claim 14 , comprising a thermosetting resin containing a polypropylene epoxy monomer. 前記バインダー樹脂は、アクリレート及びメタクリレートオリゴマー、(メタ)アクリレート(アクリレート及びメタクリレート)、(メタ)アクリレート官能基を有する多価アルコール及びそれらの誘導体、例えばエトキシル化トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、トリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、ジエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ペンタエリトリトールテトラ(メタ)アクリレート、ペンタエリトリトールトリ(メタ)アクリレート、ジペンタエリトリトールヘキサ(メタ)アクリレート、1,6-ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート又はネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート及びそれらの混合物並びに低分子量ポリエステル樹脂、ポリエーテル樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、アルキド樹脂、スピロアセタール樹脂、エポキシアクリレート、ポリブタジエン樹脂及びポリチオール-ポリエン樹脂から誘導されるアクリレート及びメタクリレートオリゴマーから選択されるUV放射線硬化性樹脂又はラッカーを含む、請求項14に記載の物体又は構造物。 The binder resins include acrylate and methacrylate oligomers, (meth)acrylates (acrylates and methacrylates), polyhydric alcohols having (meth)acrylate functional groups and derivatives thereof, such as ethoxylated trimethylolpropane tri(meth)acrylate, tripropylene. Glycol di(meth)acrylate, trimethylolpropane tri(meth)acrylate, diethylene glycol di(meth)acrylate, pentaerythritol tetra(meth)acrylate, pentaerythritol tri(meth)acrylate, dipentaerythritol hexa(meth)acrylate, 1, 6-hexanediol di(meth)acrylate or neopentyl glycol di(meth)acrylate and mixtures thereof, and low molecular weight polyester resins, polyether resins, epoxy resins, polyurethane resins, alkyd resins, spiroacetal resins, epoxy acrylates, polybutadiene resins 15. An object or structure according to claim 14 , comprising a UV radiation curable resin or lacquer selected from acrylate and methacrylate oligomers derived from polythiol-polyene resins. 金属製の補強材料又は部材である、請求項14に記載の物体又は構造物。 15. An object or structure according to claim 14 , which is a reinforcing material or member made of metal. コンクリート構造物である、請求項14に記載の物体又は構造物。 15. An object or structure according to claim 14 , which is a concrete structure. 橋梁である、請求項14に記載の物体又は構造物。 15. The object or structure according to claim 14 , which is a bridge. 請求項1に記載のグラフェンをベースとする被覆懸濁液を製造する方法であって、
a)グラフェンシートの連続フィルムを堆積ゾーン中に提供することと;
b)防食顔料又は金属の蒸気又は原子を前記堆積ゾーン中に導入し、且つ前記蒸気又は原子を前記グラフェンシートの表面上に堆積させて、防食材料で被覆されたグラフェンシートの被覆フィルムを形成することと;
c)前記被覆フィルムを、防食材料で被覆されたグラフェンシートの複数の断片に機械的に破壊することと;
d)防食材料で被覆されたグラフェンシートの複数の断片とバインダー樹脂とを液体媒体中に分散させて、前記被覆懸濁液を形成することと
を含む方法。
A method for producing a graphene-based coating suspension according to claim 1, comprising:
a) providing a continuous film of graphene sheets in the deposition zone;
b) introducing a vapor or atoms of an anti-corrosion pigment or metal into the deposition zone and depositing the vapor or atoms on the surface of the graphene sheet to form a coating film of the graphene sheet coated with anti-corrosion material; Koto;
c) mechanically breaking the coating film into a plurality of pieces of graphene sheets coated with anti-corrosion material;
d) dispersing a plurality of pieces of graphene sheets coated with an anti-corrosion material and a binder resin in a liquid medium to form said coating suspension.
前記グラフェンシートの連続フィルムは、グラフェン懸濁液を固体基材上に噴霧することであって、前記グラフェン懸濁液は、液体媒体中に分散されたグラフェンシートを含む、噴霧することと、前記液体媒体を除去することとによって製造される、請求項26に記載の方法。 The continuous film of graphene sheets is produced by spraying a graphene suspension onto a solid substrate, the graphene suspension comprising graphene sheets dispersed in a liquid medium; 27. The method of claim 26 , wherein the method is produced by removing the liquid medium. 前記グラフェンシートの連続フィルムは、固体基材上へのグラフェン材料の化学蒸着によって製造される、請求項26に記載の方法。 27. The method of claim 26 , wherein the continuous film of graphene sheets is produced by chemical vapor deposition of graphene material onto a solid substrate. 前記被覆フィルムは、100nm未満の防食活性材料被覆厚さを有する、請求項26に記載の方法。 27. The method of claim 26 , wherein the coated film has an anti-corrosion active material coating thickness of less than 100 nm. 防食材料で被覆されたグラフェンシートの被覆フィルムを形成する前記ステップ(b)は、前記グラフェンシートのフィルム上への防食顔料又は金属の化学蒸着、物理蒸着、スパッタリング又はレーザー支援薄膜堆積を伴う、請求項26に記載の方法。 5. Said step (b) of forming a coating film of graphene sheets coated with an anti-corrosion material involves chemical vapor deposition, physical vapor deposition, sputtering or laser assisted thin film deposition of an anti-corrosion pigment or metal onto said film of graphene sheets. The method according to item 26 . 機械的に破壊する前記ステップ(c)は、エアジェットミル粉砕、インパクトミル粉砕、研削、機械的剪断加工、超音波処理又はそれらの組み合わせを伴う、請求項26に記載の方法。 27. The method of claim 26 , wherein step (c) of mechanically disrupting involves air jet milling, impact milling, grinding, mechanical shearing, sonication, or a combination thereof. グラフェンシートの連続フィルムを提供する前記ステップ(a)は、前記連続フィルムを給送ローラーから前記堆積ゾーン中に供給することを含み、及び前記ステップ(b)は、前記被覆フィルムを巻き取りローラー上に収集することをさらに含む、請求項26に記載の方法。 Step (a) of providing a continuous film of graphene sheets includes feeding the continuous film from a feed roller into the deposition zone, and step (b) includes feeding the coated film onto a take-up roller. 27. The method of claim 26 , further comprising collecting. 表面を有する構造物又は物体の腐食を抑制する方法であって、(i)0.5nm~1μmの厚さを有する防食顔料又は犠牲金属の薄膜で被覆された複数のグラフェンシートと、液体媒体中に分散又は溶解された樹脂バインダーとを含む被覆懸濁液で前記表面の少なくとも一部を被覆することと;(ii)前記被覆ステップの終了時に前記被覆懸濁液から前記液体媒体を少なくとも部分的に除去して、前記表面上に保護被覆層を形成することとを含み、
前記防食顔料又は犠牲金属の薄膜は、グラフェンシートの2つの平行な表面の1つの少なくとも80%の面積を覆う、方法。
A method for inhibiting corrosion of a structure or object having a surface comprising: (i) a plurality of graphene sheets coated with a thin film of an anticorrosive pigment or sacrificial metal having a thickness of 0.5 nm to 1 μm; coating at least a portion of said surface with a coating suspension comprising a resin binder dispersed or dissolved in; (ii) at the end of said coating step at least partially draining said liquid medium from said coating suspension; forming a protective coating layer on the surface ;
The method , wherein said thin film of anti-corrosion pigment or sacrificial metal covers an area of at least 80% of one of two parallel surfaces of a graphene sheet .
前記防食顔料又は犠牲金属は、アルミニウム、クロム、亜鉛、ベリリウム、マグネシウム、それらの合金、リン酸亜鉛又はそれらの組み合わせから選択される、請求項33に記載の方法。 34. The method of claim 33 , wherein the anticorrosion pigment or sacrificial metal is selected from aluminum, chromium, zinc, beryllium, magnesium, alloys thereof, zinc phosphate, or combinations thereof. 前記複数のグラフェンシートは、本質的に0%の非炭素元素を有する純粋なグラフェン材料又は0.001重量%~47重量%の非炭素元素を有する不純グラフェン材料から選択される単層又は数層グラフェンシートを含み、前記不純グラフェンは、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、ドープされたグラフェン、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、前記グラフェンシートは、前記液体媒体を除いた全被覆懸濁液重量を基準として0.1%~30%の重量分率を有する、請求項33に記載の方法。 The plurality of graphene sheets are a single layer or several layers selected from pure graphene material with essentially 0% non-carbon elements or impure graphene material with 0.001% to 47% by weight non-carbon elements. The impure graphene includes graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, graphene hydride, graphene nitride, doped graphene, chemically functionalized graphene, or 34. The method of claim 33 , selected from a combination thereof, wherein the graphene sheets have a weight fraction of 0.1% to 30% based on the total coating suspension weight excluding the liquid medium. 前記不純グラフェン材料は、1重量%~30重量%の、O、H、N、F、Cl、Br、I、B、P又はそれらの組み合わせから選択される非炭素元素を有する、請求項35に記載の方法。 36. The impure graphene material has from 1% to 30% by weight of non-carbon elements selected from O, H, N, F, Cl, Br, I, B, P or combinations thereof. Method described. 前記バインダー樹脂は、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、ウレタン尿素樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂、アルキド樹脂、ポリイミド、熱硬化性ポリエステル、ビニルエステル樹脂、シリケート接着剤又はそれらの組み合わせから選択される樹脂を含む、請求項33に記載の方法。 The binder resin includes a resin selected from epoxy resins, polyurethane resins, urethaneurea resins, phenolic resins, acrylic resins, alkyd resins, polyimides, thermosetting polyesters, vinyl ester resins, silicate adhesives, or combinations thereof. 34. The method of claim 33 . 前記保護被覆層は、実質的に互いに平行であり、且つ前記構造物又は物体の前記表面に平行であるように整列される、防食顔料又は犠牲金属で被覆されたグラフェンシートを含む、請求項33に記載の方法。 33. The protective coating layer comprises graphene sheets coated with an anti-corrosion pigment or sacrificial metal that are aligned substantially parallel to each other and parallel to the surface of the structure or object . The method described in. 担体、フィラー、分散剤、界面活性剤、消泡剤、触媒、促進剤、安定剤、融合助剤、チキソトロープ剤、沈降防止剤、着色染料、カップリング剤、増量剤、伝導性顔料、電子伝導性ポリマー又はそれらの組み合わせをさらに含む、請求項33に記載の方法。 Carriers, fillers, dispersants, surfactants, antifoaming agents, catalysts, promoters, stabilizers, coalescence aids, thixotropic agents, antisettling agents, colored dyes, coupling agents, extenders, conductive pigments, electronic conductors 34. The method of claim 33 , further comprising a polymer or a combination thereof. 前記防食顔料又は犠牲金属の薄膜は、0.5nm~100nmの厚さを有し、及びグラフェンシートの2つの平行な表面の1つの少なくとも50%の面積に被覆され且つそれを覆う、請求項33に記載の方法。 33. The thin film of anti-corrosion pigment or sacrificial metal has a thickness of 0.5 nm to 100 nm and is coated on and covers an area of at least 50% of one of the two parallel surfaces of the graphene sheet. The method described in. 伝導性顔料は、アセチレンブラック、カーボンブラック、膨張黒鉛フレーク、炭素繊維、カーボンナノチューブ、アンチモンがドープされた酸化スズ若しくはインジウムスズ酸化物で被覆されたマイカ又はそれらの混合物から選択される、請求項39に記載の方法。 39. The conductive pigment is selected from acetylene black, carbon black, expanded graphite flakes, carbon fibers, carbon nanotubes, antimony doped tin oxide or indium tin oxide coated mica or mixtures thereof. The method described in. 電子伝導性ポリマーは、ポリジアセチレン、ポリアセチレン(PAc)、ポリピロール(PPy)、ポリアニリン(PAni)、ポリチオフェン(PTh)、ポリイソチオナフテン(PITN)、ポリヘテロアリーレンビニレン(PArV)(ここで、ヘテロアリーレン基は、チオフェン、フラン又はピロールから選択される)、ポリ-p-フェニレン(PpP)、ポリフタロシアニン(PPhc)など、及びそれらの誘導体並びにそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項39に記載の方法。 Electronically conductive polymers include polydiacetylene, polyacetylene (PAc), polypyrrole (PPy), polyaniline (PAni), polythiophene (PTh), polyisothionaphthene (PITN), polyheteroarylene vinylene (PArV) (where heteroarylene 40. The group is selected from the group consisting of thiophene, furan or pyrrole), poly-p-phenylene (PpP), polyphthalocyanine (PPhc), etc., and derivatives thereof and combinations thereof. Method described. 化学官能化グラフェンは、アルキル若しくはアリールシラン、アルキル若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(-SOH)、アルデヒド基、キノイド系、フルオロカーボン又はそれらの組み合わせから選択される化学官能基を有するグラフェンシートを含む、請求項33に記載の方法。 Chemically functionalized graphene is a chemically functionalized graphene selected from alkyl or aryl silanes, alkyl or aralkyl groups, hydroxyl groups, carboxyl groups, amine groups, sulfonate groups (-SO 3 H), aldehyde groups, quinoids, fluorocarbons or combinations thereof. 34. The method of claim 33 , comprising graphene sheets having functional groups. 化学官能化グラフェンは、2-アジドエタノール、3-アジドプロパン-1-アミン、4-(2-アジドエトキシ)-4-オキソブタン酸、2-アジドエチル-2-ブロモ-2-メチルプロパノエート、クロロカーボネート、アジドカーボネート、ジクロロカルベン、カルベン、アライン、ニトレン、(R-)-オキシカルボニルニトレン(ここで、R=以下の基

のいずれか1つである)及びそれらの組み合わせからなる群から選択されるアジド化合物の誘導体から選択される化学官能基を有するグラフェンシートを含む、請求項33に記載の方法。
Chemically functionalized graphene contains 2-azidoethanol, 3-azidopropan-1-amine, 4-(2-azidoethoxy)-4-oxobutanoic acid, 2-azidoethyl-2-bromo-2-methylpropanoate, chloro carbonate, azidocarbonate, dichlorocarbene, carbene, aryne, nitrene, (R-)-oxycarbonylnitrene (where R = the following group)

34. The method of claim 33 , comprising a graphene sheet having a chemical functional group selected from the group consisting of azide compounds selected from the group consisting of: (1) and combinations thereof.
化学官能化グラフェンは、ヒドロキシル、ペルオキシド、エーテル、ケト及びアルデヒドからなる群から選択される酸素化基から選択される化学官能基を有するグラフェンシートを含む、請求項33に記載の方法。 34. The method of claim 33 , wherein the chemically functionalized graphene comprises graphene sheets having chemical functional groups selected from oxygenated groups selected from the group consisting of hydroxyl, peroxide, ether, keto, and aldehyde. 化学官能化グラフェンは、SOH、COOH、NH、OH、R’CHOH、CHO、CN、COCl、ハライド、COSH、SH、COOR’、SR’、SiR’、Si(-OR’-)R’-y、Si(-O-SiR’-)OR’、R”、Li、AlR’、Hg-X、TlZ及びMg-Xからなる群から選択される化学官能基を有するグラフェンシートを含み、ここで、yは、3以下の整数であり、R’は、水素、アルキル、アリール、シクロアルキル若しくはアラルキル、シクロアリール又はポリ(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又はシクロアリールであり、Xは、ハライドであり、及びZは、カルボキシレート又はトリフルオロアセテート及びそれらの組み合わせである、請求項33に記載の方法。 Chemically functionalized graphene includes SO 3 H, COOH, NH 2 , OH, R'CHOH, CHO, CN, COCl, halide, COSH, SH, COOR', SR', SiR' 3 , Si(-OR'-) a chemical functional group selected from the group consisting of y R' 3 -y, Si(-O-SiR' 2 -)OR', R", Li, AlR' 2 , Hg-X, TlZ 2 and Mg-X; wherein y is an integer less than or equal to 3, R' is hydrogen, alkyl, aryl, cycloalkyl or aralkyl, cycloaryl or poly(alkyl ether), and R'' is a fluorocarbon 34. The method of claim 33 , wherein alkyl, fluoroaryl, fluorocycloalkyl, fluoroaralkyl, or cycloaryl, X is halide, and Z is carboxylate or trifluoroacetate and combinations thereof. 化学官能化グラフェンは、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、非アミン硬化剤及びそれらの組み合わせからなる群から選択される化学官能基を有するグラフェンシートを含む、請求項33に記載の方法。 Chemically functionalized graphene can be synthesized from amidoamine, polyamide, aliphatic amine, modified aliphatic amine, cycloaliphatic amine, aromatic amine, anhydride, ketimine, diethylenetriamine (DETA), triethylenetetramine (TETA), tetraethylenepentamine ( 33. Graphene sheets having chemical functional groups selected from the group consisting of TEPA), polyethylene polyamines, polyamine epoxy adducts, phenolic hardeners, non-brominated hardeners, non-amine hardeners, and combinations thereof. The method described in. 化学官能化グラフェンは、OY、NHY、O=C-OY、P=C-NR’Y、O=C-SY、O=C-Y、-CR’1-OY、N’Y又はC’Yから選択される化学官能基を有するグラフェンシートを含み、及びYは、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、抗原若しくは酵素基質、酵素阻害剤若しくは酵素基質の遷移状態アナログの官能基であるか、又はR’-OH、R’-NR’、R’SH、R’CHO、R’CN、R’X、R’N(R’)、R’SiR’、R’Si(-OR’-)R’3-y、R’Si(-O-SiR’-)OR’、R’-R”、R’-N-CO、(CO-)H、(-CO-)H、(-CO)-R’、(CO)-R’、R’から選択され、及びwは、1超且つ200未満の整数である、請求項33に記載の方法。 Chemically functionalized graphene can be OY, NHY, O=C-OY, P=C-NR'Y, O=C-SY, O=C-Y, -CR'1-OY, N'Y or C'Y and Y is a functional group of a protein, peptide, amino acid, enzyme, antibody, nucleotide, oligonucleotide, antigen or enzyme substrate, enzyme inhibitor or transition state analog of the enzyme substrate. or R'-OH, R'-NR' 2 , R'SH, R'CHO, R'CN, R'X, R'N + (R') 3 X - , R'SiR' 3 , R'Si(-OR'-) y R' 3-y , R'Si(-O-SiR' 2- )OR', R'-R", R'-N-CO, (C 2 H 4 O-) w H, (-C 3 H 6 O-) w H, (-C 2 H 4 O) w -R', (C 3 H 6 O) w -R', R', 34. The method of claim 33 , wherein and w are integers greater than 1 and less than 200. 前記バインダー樹脂は、100重量部の前記バインダー樹脂を基準として1~30重量部の量の硬化剤及び/又はカップリング剤を含む、請求項33に記載の方法。 34. The method of claim 33 , wherein the binder resin comprises a curing agent and/or a coupling agent in an amount of 1 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the binder resin. 前記バインダー樹脂は、ジグリセロールテトラグリシジルエーテル、ジペンタエリトリトールテトラグリシジルエーテル、ソルビトールポリグリシジルエーテル、ポリグリセロールポリグリシジルエーテル、ペンタエリトリトールポリグリシジルエーテル又はそれらの組み合わせから選択される多官能性エポキシモノマーを含む熱硬化性樹脂を含む、請求項33に記載の方法。 The binder resin comprises a thermoplastic polyfunctional epoxy monomer selected from diglycerol tetraglycidyl ether, dipentaerythritol tetraglycidyl ether, sorbitol polyglycidyl ether, polyglycerol polyglycidyl ether, pentaerythritol polyglycidyl ether, or combinations thereof. 34. The method of claim 33 , comprising a curable resin. 前記バインダー樹脂は、トリメチロールエタントリグリシジルエーテル、トリメチロールメタントリグリシジルエーテル、トリメチロールプロパントリグリシジルエーテル、トリフェニロールメタントリグリシジルエーテル、トリスフェノールトリグリシジルエーテル、テトラフェニロールエタントリグリシジルエーテル、テトラフェニロールエタンのテトラグリシジルエーテル、p-アミノフェノールトリグリシジルエーテル、1,2,6-ヘキサントリオールトリグリシジルエーテル、グリセロールトリグリシジルエーテル、ジグリセロールトリグリシジルエーテル、グリセロールエトキシレートトリグリシジルエーテル、ヒマシ油トリグリシジルエーテル、プロポキシル化グリセリントリグリシジルエーテル、エチレングリコールジグリシジルエーテル、1,4-ブタンジオールジグリシジルエーテル、ネオペンチルグリコールジグリシジルエーテル、シクロヘキサンジメタノールジグリシジルエーテル、ジプロピレングリコールジグリシジルエーテル、ポリプロピレングリコールジグリシジルエーテル、ジブロモネオペンチルグリコールジグリシジルエーテル、水素化ビスフェノールAジグリシジルエーテル、(3,4-エポキシシクロヘキサン)メチル3,4-エポキシシクロヘキシルカルボキシレート及びそれらの混合物からなる群から選択される二又は三官能性エポキシモノマーを含む熱硬化性樹脂を含む、請求項33に記載の方法。 The binder resin includes trimethylolethane triglycidyl ether, trimethylolmethane triglycidyl ether, trimethylolpropane triglycidyl ether, triphenylolmethane triglycidyl ether, trisphenol triglycidyl ether, tetraphenylolethane triglycidyl ether, and tetraphenylene triglycidyl ether. Tetraglycidyl ether of roll ethane, p-aminophenol triglycidyl ether, 1,2,6-hexanetriol triglycidyl ether, glycerol triglycidyl ether, diglycerol triglycidyl ether, glycerol ethoxylate triglycidyl ether, castor oil triglycidyl ether , propoxylated glycerin triglycidyl ether, ethylene glycol diglycidyl ether, 1,4-butanediol diglycidyl ether, neopentyl glycol diglycidyl ether, cyclohexanedimethanol diglycidyl ether, dipropylene glycol diglycidyl ether, polypropylene glycol diglycidyl ether Di- or trifunctional selected from the group consisting of ether, dibromoneopentyl glycol diglycidyl ether, hydrogenated bisphenol A diglycidyl ether, (3,4-epoxycyclohexane)methyl 3,4-epoxycyclohexyl carboxylate and mixtures thereof. 34. The method of claim 33 , comprising a thermoset resin comprising a polypropylene epoxy monomer. 前記バインダー樹脂は、アクリレート及びメタクリレートオリゴマー、(メタ)アクリレート(アクリレート及びメタクリレート)、(メタ)アクリレート官能基を有する多価アルコール及びそれらの誘導体、例えばエトキシル化トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、トリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、ジエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ペンタエリトリトールテトラ(メタ)アクリレート、ペンタエリトリトールトリ(メタ)アクリレート、ジペンタエリトリトールヘキサ(メタ)アクリレート、1,6-ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート又はネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート及びそれらの混合物並びに低分子量ポリエステル樹脂、ポリエーテル樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、アルキド樹脂、スピロアセタール樹脂、エポキシアクリレート、ポリブタジエン樹脂及びポリチオール-ポリエン樹脂から誘導されるアクリレート及びメタクリレートオリゴマーから選択されるUV放射線硬化性樹脂又はラッカーを含む、請求項33に記載の方法。 The binder resins include acrylate and methacrylate oligomers, (meth)acrylates (acrylates and methacrylates), polyhydric alcohols having (meth)acrylate functional groups and derivatives thereof, such as ethoxylated trimethylolpropane tri(meth)acrylate, tripropylene. Glycol di(meth)acrylate, trimethylolpropane tri(meth)acrylate, diethylene glycol di(meth)acrylate, pentaerythritol tetra(meth)acrylate, pentaerythritol tri(meth)acrylate, dipentaerythritol hexa(meth)acrylate, 1, 6-hexanediol di(meth)acrylate or neopentyl glycol di(meth)acrylate and mixtures thereof, and low molecular weight polyester resins, polyether resins, epoxy resins, polyurethane resins, alkyd resins, spiroacetal resins, epoxy acrylates, polybutadiene resins and acrylate and methacrylate oligomers derived from polythiol - polyene resins.
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