KR20120107044A - 그라핀 시트 및 흑연을 함유하는 중합체 조성물 - Google Patents

그라핀 시트 및 흑연을 함유하는 중합체 조성물 Download PDF

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댄 쉐퍼
존 에스. 레토우
비핀 바르마
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Abstract

적어도 1개의 중합체 결합제, 그라핀 시트, 및 흑연을 포함하고, 흑연 대 그라핀 시트의 중량비가 약 40:60 내지 약 98:2인 조성물.

Description

그라핀 시트 및 흑연을 함유하는 중합체 조성물{Polymer compositions containing graphene sheets and graphite}
흑연 및 그라핀 시트(graphene sheets)를 포함하는 중합체 조성물.
중합체 조성물은 금속과 같은 다른 물질이 전통적으로 사용되었던 많은 영역에서 그 사용이 증대되고 있다. 이것은 부분적으로는 중합체 물질의 물리적 특성, 이들의 경량, 이들의 비용 등에 기인한다. 또한, 다수의 중합체 물질(특정 수지의 특징에 따라서)은 복잡한 부품 및 물리적으로 유연한 형태를 비롯한 폭넓게 다양한 형상 및 형태로 형성될 수 있는 능력을 갖는다. 중합체 물질은 그들이 취할 수 있는 형태에서 굉장한 유연성을 가지고 또 (특정 수지의 특징에 따라서) 몰딩 및 압출 수지, 페이스트, 분말, 분산액, 코팅 등으로서 사용될 수 있다.
중합체 조성물을 사용하는 것이 바람직한 적용분야의 다수는 전기적 도전성을 갖는 물질을 사용할 필요가 있다. 그러나, 대부분의 중합체 물질은 이들 적용분야의 일부에 대해 본질적으로 전기적으로 또는 열적으로 충분히 도전성이 아니다. 도전성 중합체 수지 조성물은 충전제를 중합체에 부가하는 것에 의해 일부 경우에 제조될 수 있지만, 흔히 높은 로딩량이 필요하며, 이는 다른 가능한 결점 중에서도 물질의 물리적 및 기타 특성 면에서 위험할 수 있을 뿐만 아니라 열가소성 물질이 사용될 때 용융 가공의 어려움을 초래한다.
중합체-계 코팅 조성물의 사용은 전기적 도전성이 요망되는 적용분야를 비롯한 다수의 적용분야에서 특히 바람직한데, 이들이 금속에 비하여 비용, 중량, 가공성 및 디자인 유연성 이점을 가질 수 있을 뿐만 아니라 플렉시블(flexible) 장치(디스플레이와 같은)를 제조하는 것과 같이 금속을 흔히 사용할 수 없는 경우에 사용될 수 있기 때문이다. 전통적으로, 전기적 도전성인 잉크 및 코팅은 도전성을 부여하기 위하여 금속 입자의 부가에 의존하지만, 금속은 흔히 값이 비싸고, 산화되기 쉬우며, 또 최적 도전성을 얻기 위하여 소결(sintering)과 같은 여분의 단계 이용을 필요로 할 수 있다.
카본 블랙과 같은 탄소질 물질은 코팅을 비롯한 도전성 중합체 조성물을 제조하기 위하여 사용되어 왔으나, 많은 경우에서 이들은 많은 적용분야에 대해 도전성이 불충분하거나 또는 너무 높고 또 예컨대 물질의 특정의 바람직한 물리적 특성에 손상을 줄 수 있는 로딩을 필요로 할 수 있다. 적어도 일부 바람직한 특성을 유지하는 것을 비롯하여 향상된 전기적 도전성을 갖는 조성물을 얻는 것이 바람직할 것이다.
US 2007/0092432호
Staudenmaier(Ber. Stsch. Chem. Ges.(1898), 31, 1481) Hummers(J. Am. Chem. Soc.(1958), 80, 1339)
본 발명에 개시되고 특허청구된 것은 적어도 1개의 중합체 결합제, 그라핀 시트 및 흑연을 포함하며, 흑연 대 그라핀 시트의 중량비가 약 40:60 내지 약 90:10인 조성물이다. 상기 조성물로부터 제조된 물품도 또한 개시되고 특허청구되어 있다.
상기 조성물은 그라핀 시트, 적어도 1개의 중합체 결합제, 및 흑연을 포함한다. 상기 흑연은 천연 흑연, 키쉬 흑연, 합성, 어닐링된, 고도로 배향된, 열분해성 흑연 등을 비롯한 임의 유형일 수 있다.
흑연 대 그라핀 시트의 중량비는 약 2:98 내지 약 98:2, 또는 약 5:95 내지 약 95:5, 또는 약 10:90 내지 약 90:10, 또는 약 20:80 내지 약 80:20, 또는 약 30:70 내지 70:30, 또는 약 40:60 내지 약 90:10, 또는 약 50:50 내지 약 85:15, 또는 약 60:40 내지 약 85:15, 또는 약 70:30 내지 약 85:15일 수 있다.
상기 그라핀 시트는 상이한 입자 크기 분포 및/또는 형태를 갖는 2 이상의 그라핀 분말을 포함할 수 있다. 상기 흑연은 상이한 입자 크기 분포 및/또는 형태를 갖는 2 이상의 흑연 분말을 포함할 수 있다.
상기 중합체 결합제는 열경화성 수지, 열가소성 수지, 비-용융 가공성 중합체 등일 수 있다.
중합체의 예는 비제한적으로 올리올레핀(폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 고밀도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 및 올레핀 공중합체와 같은), 스티렌/부타디엔 고무(SBR), 스티렌/에틸렌/부타디엔/스티렌 공중합체(SEBS), 부틸 고무, 에틸렌/프로필렌 공중합체(EPR), 에틸렌/프로필렌/디엔 단량체 공중합체(EPDM), 폴리스티렌(고충격 폴리스티렌 포함), 폴리(비닐 아세테이트), 에틸렌/비닐 아세테이트 공중합체(EVA), 폴리(비닐 알코올), 에틸렌/비닐 알코올 공중합체(EVOH), 폴리(비닐 부티랄), 폴리(메틸 메타크릴레이트) 및 기타 아크릴레이트 중합체 및 공중합체(메틸 메타크릴레이트 중합체, 메타크릴레이트 공중합체, 1 이상의 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 에틸 아크릴레이트, 에틸 메타크릴레이트, 부틸 아크릴레이트, 부틸 메타크릴레이트 등으로부터 유도된 중합체 포함), 올레핀 및 스티렌 공중합체, 아크릴로니트릴/부타디엔/스티렌(ABS), 스티렌/아크릴로니트릴 중합체(SAN), 스티렌/말레산 무수물 공중합체, 이소부틸렌/말레산 무수물 공중합체, 에틸렌/아크릴산 공중합체, 폴리(아크릴로니트릴), 폴리카보네이트(PC), 폴리아미드, 폴리에스테르, 액체 결정성 중합체(LCP), 폴리(락트산), 폴리(페닐렌 옥사이드)(PPO), PPO-폴리아미드 합금, 폴리술폰(PSU), 폴리에테르케톤(PEK), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리이미드, 폴리옥시메틸렌(POM) 동종- 및 공중합체, 폴리에테르이미드, 플루오르화된 에틸렌 프로필렌 중합체(FEP), 폴리(비닐 플루오라이드), 폴리(비닐리덴 플루오라이드), 폴리(비닐리덴 클로라이드), 및 폴리(비닐 클로라이드), 폴리우레탄(열가소성 및 열경화성), 아라미드(Kevlar® 및 Nomex®와 같은), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리실옥산(폴리디메틸렌실옥산, 디메틸실옥산/비닐메틸실옥산 공중합체, 비닐디메틸실옥산 종료된 폴리(디메틸실옥산) 등 포함), 탄성중합체, 에폭시 중합체, 폴리우레아, 알키드, 셀룰로오스성 중합체(에틸 셀룰로오스, 에틸 히드록시에틸 셀룰로오스, 카복시메틸 셀룰로오스, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 및 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트와 같은), 폴리(에틸렌 옥사이드)(폴리(에틸렌 글리콜)로도 알려짐), 폴리(프로필렌 옥사이드)(폴리(프로필렌 글리콜)로도 공지됨), 및 에틸렌 옥사이드/프로필렌 옥사이드 공중합체와 같은 폴리에테르 및 글리콜, 아크릴 라텍스 중합체, 폴리에스테르 아크릴레이트 올리고머 및 중합체, 폴리에스테르 디올 디아크릴레이트 중합체, UV-경화성 수지 등을 포함한다.
탄성중합체의 예는 비제한적으로 폴리우레탄, 코폴리에테르에스테르, 고무(부틸 고무 및 천연 고무 포함), 스티렌/부타디엔 공중합체, 스티렌/에틸렌/부타디엔/스티렌 공중합체(SEBS), 폴리이소프렌, 에틸렌/프로필렌 공중합체(EPR), 에틸렌/프로필렌/디엔 단량체 공중합체(EPDM), 폴리실옥산, 및 폴리에테르(폴리(에틸렌 옥사이드), 폴리(프로필렌 옥사이드), 및 이들의 공중합체와 같은)를 포함한다.
폴리아미드의 예는 비제한적으로 지방족 폴리아미드(폴리아미드 4,6; 폴리아미드 6,6; 폴리아미드 6; 폴리아미드 11; 폴리아미드 12; 폴리아미드 6,9; 폴리아미드 6,10; 폴리아미드 6,12; 폴리아미드 10,10; 폴리아미드 10,12; 및 폴리아미드 12,12와 같은), 지환족 폴리아미드, 및 방향족 폴리아미드(폴리(m-크실릴렌 아디프아미드와 같은)(폴리아미드 MXD,6)) 및 폴리(도데카메틸렌 테레프탈아미드)(폴리아미드 12,T), 폴리(데카메틸렌 테레프탈아미드)(폴리아미드 10,T), 폴리(노나메틸렌 테레프탈아미드)(폴리아미드 9,T)와 같은 폴리테레프탈아미드, 헥사메틸렌 테레프탈아미드 및 헥사메틸렌 아디프아미드의 폴리아미드, 헥사메틸렌테레프탈아미드, 및 2-메틸펜타메틸렌테레프탈아미드의 폴리아미드) 등을 포함한다.
폴리아미드는 약 100 내지 약 255℃ 사이 또는 약 120 내지 약 255℃ 사이, 또는 약 110 내지 약 255℃ 사이 또는 약 120 내지 약 255℃ 사이의 융점을 갖는 중합체 및 공중합체(즉, 적어도 2개의 상이한 반복단위를 갖는 폴리아미드)일 수 있다. 이들은 약 230℃ 이하의 융점을 갖는 지방족 코폴리아미드, 약 210℃ 이하의 융점을 갖는 지방족 코폴리아미드, 약 200℃ 이하의 융점을 갖는 지방족 코폴리아미드, 약 180℃ 이하, 약 150℃ 이하, 약 130℃ 이하, 약 120℃ 이하, 약 110℃ 이하의 지방족 코폴리아미드 등을 포함한다. 이들의 예는 Henkel에 의한 상품명 Macromelt, Cognis에 의한 상품명 Versamid, 및 DuPont에 의한 상품명 Elvamide®을 포함한다.
폴리에스테르의 예는 비제한적으로 폴리(부틸렌 테레프탈레이트)(PBT), 폴리(에틸렌 테레프탈레이트)(PET), 폴리(1,3-프로필렌 테레프탈레이트)(PPT), 폴리(에틸렌 나프탈레이트)(PEN), 폴리(시클로헥산디메탄올 테레프탈레이트)(PCT)) 등을 포함한다.
적합한 중합체의 예는 Elvacite® 2009, 2010, 2013, 2014, 2016, 2028, 2042, 2045, 2046, 2550, 2552,2614, 2669, 2697, 2776, 2823, 2895, 2927, 3001, 3003, 3004, 4018, 4021, 4026, 4028, 4044, 4059, 4400, 4075, 4060, 4102 등을 비롯한 루사이트 인터내셔날 인코포레이티드에 의해 공급되는 Elvacite® 중합체를 포함한다. 다른 중합체 패밀리는 Bynel® 중합체(듀퐁에 의해 제공되는 Bynel® 2022와 같은) 및 Joncryl® 중합체(Joncryl® 678 및 682와 같은)를 포함한다.
일부 실시형태로서, 상기 결합제는 약 110℃ 이하, 또는 약 100℃ 이하, 또는 약 90℃ 이하의 융점 또는 유리 전이온도를 갖는 적어도 1개의 중합체를 포함한다.
상기 그라핀 시트는 바람직하게는 약 100 내지 약 2630 m2/g의 표면적을 갖는 흑연 시트이다. 본 발명의 일부 실시형태로서, 상기 그라핀 시트는 주로, 거의 완전하게는, 또는 완전히 흑연의 충분히 박리된(exfoliated) 단일 시트(이들은 약 1 nm 두께이고 또 흔히 "그라펜"이라 칭함)를 포함하는 한편, 다른 실시형태에서는, 이들은 부분적으로 박리된 흑연 시트를 적어도 일부 포함할 수 있으며, 이때 흑연의 2개 이상의 시트는 서로로부터 박리되지 않는다. 상기 그라핀 시트는 충분히 및 부분적으로 박리된 흑연 시트의 혼합물을 포함할 수 있다.
그라핀 시트는 적합한 방법을 이용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 이들은 흑연, 흑연 산화물, 팽창성 흑연, 팽창된 흑연 등으로부터 얻을 수 있다. 이들은 흑연을 물리적으로 박리하는 것에 의해, 에컨대 그라핀 시트를 벗겨내는 것에 의해 얻을 수 있다. 이들은 실리콘 카바이드와 같은 무기 전구체로부터 제조될 수 있다. 이들은 화학증기증착(chemical vapor deposition) (금속 표면 상에서 메탄 및 수소를 반응시키는 것에 의해)에 의해 제조될 수 있다. 이들은 에탄올과 같은 알코올을 금속(나트륨과 같은 알칼리 금속과 같은)에 의해 환원시킨 다음 알콕사이드 생성물을 열분해하는 것에 의해 제조될 수 있다(이러한 방법은 Nature Nanotechnology(2009), 4, 30-33에 보고되어 있다). 이들은 분산액 중에서 흑연을 박리하는 것에 의해 또는 분산액 중에서 흑연 산화물을 박리한 다음 박리된 흑연 산화물을 환원시키는 것에 의해 제조할 수 있다. 그라핀 시트는 팽창성 흑연을 박리한 다음 인터칼레이션(intercalation)하고 또 인터칼레이트된 시트를 초음파 또는 기타 분리 수단에 처리하는 것에 의해 제조될 수 있다(참고, 예를 들어, Nature Nanotechnology(2008), 3, 538-542). 이들은 흑연의 인터칼레이션에 이어 생성물을 현탁액에서 열적으로 박리하는 등에 의해 제조될 수 있다.
그라핀 시트는 흑연 산화물(흑연 산 또는 그라핀 산화물로도 공지됨)로부터 제조될 수 있다. 흑연은 산화제 및/또는 인터칼레이트제에 의해 처리되어 박리될 수 있다. 흑연은 인터칼레이트제로 처리되고 또 전기화학적으로 산화되어 박리될 수 있다. 그라핀 시트는 액체(계면활성제 및/또는 인터칼레이트제를 함유할 수 있음) 중에 흑연 및/또는 흑연 산화물이 현탁된 현탁액을 초음파적으로 박리하는 것에 의해 형성될 수 있다. 박리형 흑연 산화물 분산액 또는 현탁액은 그라핀 시트로 환원될 수 있다. 그라핀 시트는 또한 기계적 처리(그라인딩(grinding) 또는 밀링(milling)과 같은)에 의해 흑연 또는 흑연 산화물(뒤이어 그라핀 시트로 환원될 수 있음)를 박리하는 것에 의해 형성될 수 있다.
흑연 산화물을 그라핀 시트로 환원시키는 것은 화학적 환원수법에 의할 수 있고 또 고체 형태의 흑연 산화물 상에서, 분산액 중에서 실시될 수 있다. 유용한 화학적 환원제의 예는 비제한적으로 히드라진(히드라진, N,N-디메틸히드라진 등과 같은), 수소화붕소 나트륨, 시트르산, 히드로퀴논, 이소시아네이트(페닐 이소시아네이트와 같은), 수소, 수소 플라즈마 등을 포함한다. 예컨대, 박리된 흑연 산화물이 캐리어(carrier) (물, 유기 용매 또는 용매의 혼합물 같은) 중에 분산된 분산액은 적합한 방법(초음파 처리 및/또는 기계적 그라인딩 또는 밀링과 같은)을 이용하여 제조될 수 있다.
흑연 산화물은 당분야에 공지된 방법에 의해, 예컨대 1 이상의 화학적 산화제 및 경우에 따라, 황산과 같은 인터칼레이트제를 사용한 흑연의 산화를 포함하는 방법에 의해 제조될 수 있다. 산화제의 예는 질산, 질산 나트륨 및 질산 칼륨, 과염소산염, 과산화수소, 광망간산 나트륨 및 과망간산 칼륨, 오산화인, 비술파이트 등을 포함한다. 바람직한 산화제는 다음을 포함한다: KClO4; HNO3 및 KClO3; KMnO4 및/또는 NaMnO4; KMnO4 및 NaNO3; K2S2O8 및 P2O5 및 KMnO4; KMnO4 및 HNO3; 및 HNO3. 바람직한 인터칼레이트제는 황산을 포함한다. 흑연은 인터칼레이트제에 의해 처리되고 또 전기화학적으로 산화될 수 있다. 흑연 산화물을 제조하는 방법의 예는 Staudenmaier(Ber . Stsch . Chem . Ges .(1898), 31, 1481) 및 Hummers(J. Am . Chem. Soc.(1958), 80, 1339)에 의해 기재된 방법을 포함한다.
그라핀 시트를 제조하는 방법의 일례는, 그 내용이 본 명세서에 참고문헌으로 포함되어 있는 US 2007/0092432호에 기재된 바와 같이, 흑연을 산화하여 흑연 산화물을 얻고, 이어 열적으로 박리시켜 그라핀 시트(열적으로 박리된 흑연 산화물이라고 공지됨)를 형성하는 것이다. 따라서 형성된 그라핀 시트는 이들의 X-선 회절 패턴에서 흑연 또는 흑연 산화물에 상응하는 신호를 거의 나타내지 않거나 또는 전혀 나타내지 않을 수 있다.
열적 박리는 뱃치 방식으로 또는 연속 방식으로 실시될 수 있고 또 불활성 및 환원 분위기(질소, 아르곤 및/또는 수소 분위기와 같은)를 비롯한 다양한 분위기하에서 실시될 수 있다. 가열 시간은, 이용된 온도 및 최종 열적으로 박리된 흑연 산화물에서 소망하는 특징에 따라서, 수 초 또는 수 시간 이상의 범위일 수 있다. 가열은 융합 실리카, 미네랄, 금속, 탄소(흑연같은), 세라믹 용기 등과 같은 적절한 용기 내에서 실시할 수 있다. 가열은 플래쉬 램프를 이용하여 실시할 수 있다.
가열하는 동안, 흑연 산화물은 단일 뱃치 반응 용기 내에서 일정한 위치에 필수적으로 함유될 수 있거나, 또는 반응하는 동안 연속적 또는 뱃치 모드로 1 이상의 용기를 통하여 수송될 수 있다. 가열은 노(furnace) 및 적외선 히터의 사용을 비롯하여 적합한 수단을 이용하여 실시할 수 있다.
흑연 산화물의 열적 박리가 실시되는 온도의 예는 적어도 약 300℃, 적어도 약 400℃, 적어도 약 450℃, 적어도 약 500℃, 적어도 약 600℃, 적어도 약 700℃, 적어도 약 750℃, 적어도 약 800℃, 적어도 약 850℃, 적어도 약 900℃, 적어도 약 950℃, 및 적어도 약 1000℃이다. 바람직한 범위는 약 750 내지 약 3000℃, 약 850 내지 2500℃, 약 950 내지 약 2500℃, 및 약 950 내지 약 1500℃이다.
가열 시간은 일초 미만에서부터 수분에 이르기까지 범위일 수 있다. 예를 들어, 가열 시간은 약 0.5 초 미만, 약 1 초 미만, 약 5 초 미만, 약 10 초 미만, 약 20 초 미만, 약 30 초 미만, 또는 약 1 분 미만일 수 있다. 가열 시간은 적어도 약 1 분, 적어도 약 2 분, 적어도 약 5 분, 적어도 약 15 분, 적어도 약 30 분, 적어도 약 45 분, 적어도 약 60 분, 적어도 약 90 분, 적어도 약 120 분, 적어도 약 150 분, 적어도 약 240 분, 약 0.01 초 내지 약 240 분, 약 0.5 초 내지 약 240 분, 약 1 초 내지 약 240 분, 약 1 분 내지 약 240 분, 약 0.01 초 내지 약 60 분, 약 0.5 초 내지 약 60 분, 약 1 초 내지 약 60 분, 약 1 분 내지 약 60 분, 약 0.01 초 내지 약 10 분, 약 0.5 초 내지 약 10 분, 약 1 초 내지 약 10 분, 약 1 분 내지 약 10 분, 약 0.01 초 내지 약 1 분, 약 0.5 초 내지 약 1 분, 약 1 초 내지 약 1 분, 약 600 분 이하, 약 450 분 이하, 약 300 분 이하, 약 180 분 이하, 약 120 분 이하, 약 90 분 이하, 약 60 분 이하, 약 30 분 이하, 약 15 분 이하, 약 10 분 이하, 약 5 분 이하, 약 1 분 이하, 약 30 초 이하, 약 10 초 이하, 또는 약 1 초 이하일 수 있다. 가열하는 동안, 온도는 다양할 수 있다.
가열속도의 예는 적어도 약 120℃/분, 적어도 약 200℃/분, 적어도 약 300℃/분, 적어도 약 400℃/분, 적어도 약 600℃/분, 적어도 약 800℃/분, 적어도 약 1000℃/분, 적어도 약 1200℃/분, 적어도 약 1500℃/분, 적어도 약 1800℃/분, 및 적어도 약 2000℃/분을 포함한다.
그라핀 시트는 환원성 분위기 조건하(예컨대 불활성 가스 또는 수소로 퍼징된 시스템에서)에서 가열하는 것에 의해 더 높은 탄소 대 산소 비율을 갖는 그라핀 시트로 어닐링되거나 또는 환원될 수 있다. 환원/어닐링 온도는 바람직하게는 적어도 약 300℃, 또는 적어도 약 350℃, 또는 적어도 약 400℃, 또는 적어도 약 500℃, 또는 적어도 약 600℃, 또는 적어도 약 750℃, 또는 적어도 약 850℃, 또는 적어도 약 950℃, 또는 적어도 약 1000℃이다. 이용된 온도는 예를 들어, 약 750 내지 약 3000℃, 또는 약 850 내지 2500℃, 또는 약 950 내지 약 2500℃일 수 있다.
가열 시간은 예를 들어, 적어도 약 1 초, 또는 적어도 약 10 초, 또는 적어도 약 1 분, 또는 적어도 약 2 분, 또는 적어도 약 5 분일 수 있다. 일부 실시형태로서, 가열 시간은 적어도 약 15 분, 또는 약 30 분, 또는 약 45 분, 또는 약 60 분, 또는 약 90 분, 또는 약 120 분, 또는 약 150 분일 것이다. 어닐링/환원 동안, 온도는 이들 범위 내에서 다양할 수 있다.
상기 가열은 불활성 분위기(아르곤 또는 질소 같은) 또는 수소(아르곤 또는 질소와 같은 불활성 가스에 희석된 수소를 비롯한), 또는 진공하와 같은 환원성 분위기를 비롯하여 다양한 조건하에서 실시될 수 있다. 상기 가열은 융합된 실리카 또는 미네랄 또는 세라믹 용기 또는 금속 용기와 같은 적절한 용기 내에서 실시될 수 있다. 임의 출발물질 및 임의 생성물 또는 중간체를 비롯한 가열되는 물질은 단일 뱃치 반응 용기 내의 필수적으로 일정한 위치에 함유되거나, 또는 반응하는 동안 1 이상의 용기를 통하여 연속식 또는 뱃치식 반응으로 수송될 수 있다. 가열은 노 및 적외선 히터를 사용하는 것을 비롯하여 적합한 수단을 이용하여 실시될 수 있다.
그라핀 시트는 바람직하게는 적어도 약 100 m2/g, 또는 적어도 약 200 m2/g, 또는 적어도 약 300 m2/g, 또는 적어도 약 350 m2/g, 또는 적어도 약 400 m2/g, 또는 적어도 약 500 m2/g, 또는 적어도 약 600 m2/g, 또는 적어도 약 700 m2/g, 또는 적어도 약 800 m2/g, 또는 적어도 약 900 m2/g, 또는 적어도 약 700 m2/g의 표면적을 갖는다. 상기 표면적은 약 400 내지 약 1100 m2/g일 수 있다. 이론적 최대 표면적은 산출될 수 있다. 상기 표면적은 특히 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700, 1800, 1900, 2000, 2100, 2200, 2300, 2400, 2500, 및 2630 m2/g을 비롯한, 모든 값 및 그 사이의 값을 포함한다.
상기 그라핀 시트 바람직하게는 약 100 내지 100,000의 수평균 종횡비를 갖는다(여기서 "종횡비"는 시트의 가장 짧은 치수에 대한 시트의 가장 긴 치수의 비로서 정의된다).
표면적은 77K에서 질소 흡착/BET법 또는 액체 용액 중에서 메틸렌 블루(MB) 염색법을 이용하여 측정될 수 있다.
상기 염색법은 다음과 같이 실시될 수 있다: 공지량의 그라핀 시트를 플라스크에 부가한다. 그라핀 시트 그램당 적어도 1.5 g의 MB를 플라스크에 부가한다. 에탄올을 플라스크에 부가하고 또 그 혼합물을 약 15분 동안 초음파처리한다. 이어 에탄올을 증발시키고 또 공지량의 물을 상기 플라스크에 부가하여 유리 MB를 재용해시킨다. 용해되지 않은 물질은 바람직하게는 샘플을 원심분리하는 것에 의해 침강시킨다. 용액 중의 MB의 농도는 표준 농도에 대하여 λmax = 298 nm에서 흡수를 측정하는 것에 의해 UV-vis 분광광도계를 이용하여 측정한다.
UV-vis 분광광도계에 의해 측정되는 바와 같이 처음에 부가된 MB의 양과 용액 중에서 존재하는 양 사이의 차이는 그라핀 시트의 표면에 흡착된 MB의 양으로 추정된다. 그라핀 시트의 표면적은 흡착된 MB 1 mg당 피복된 표면의 값 2.54 m2를 이용하여 산출한다.
그라핀 시트는 약 0.1 내지 적어도 약 200 kg/m3의 벌크 밀도를 가질 수 있다. 벌크 밀도는 특히 0.5, 1, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 50, 75, 100, 125, 150, 및 175 kg/m3를 비롯한 모든 값 및 그 사이의 값을 포함한다.
그라핀 시트는 예를 들어, 산소-함유 작용기(예를 들어, 히드록시, 카복시, 및 에폭시 기)에 의해 작용화될 수 있고 또 전형적으로 원소 분석에 의해 결정되는 바와 같이 적어도 약 1:1, 또는 더욱 바람직하게는, 적어도 약 3:2의 전체 탄소 대 산소 몰비(C/O 비)를 갖는다. 탄소 대 산소 비의 예는 약 3:2 내지 약 85:15; 약 3:2 내지 약 20:1; 약 3:2 내지 약 30:1; 약 3:2 내지 약 40:1; 약 3:2 내지 약 60:1; 약 3:2 내지 약 80:1; 약 3:2 내지 약 100:1; 약 3:2 내지 약 200:1; 약 3:2 내지 약 500:1; 약 3:2 내지 약 1000:1; 약 3:2 내지 1000:1 이상; 약 10:1 내지 약 30:1; 약 80:1 내지 약 100:1; 약 20:1 내지 약 100:1; 약 20:1 내지 약 500:1; 약 20:1 내지 약 1000:1을 포함한다. 본 발명의 일부 실시형태로서 탄소 대 산소 비는 적어도 약 10:1, 또는 적어도 약 20:1, 또는 적어도 약 35:1, 또는 적어도 약 50:1, 또는 적어도 약 75:1, 또는 적어도 약 100:1, 또는 적어도 약 200:1, 또는 적어도 약 300:1, 또는 적어도 약 400:1, 또는 적어도 500:1, 또는 적어도 약 750:1, 또는 적어도 약 1000:1; 또는 적어도 약 1500:1, 또는 적어도 약 2000:1 이다. 탄소 대 산소 비는 또한 상술한 모든 값 및 이들 범위 사이에 드는 값을 포함한다.
그라핀 시트는 흑연 기저 면의 허니콤(honeycomb) 구조 내의 격자 결함의 존재로 인하여 원자 규모의 구부러짐(kink)을 함유할 수 있다. 이들 구부러짐은 반데어발스력의 영향 하에서 흑연 산화물 및/또는 다른 흑연 구조에 대하여 단일 시트의 스태킹을 방지하는데 바람직할 수 있다.
상기 조성물은 다양한 형태를 취할 수 있다. 이들은 중합체 수지(몰딩 및 압출 수지 비롯), 성형품, 압출품, 액체 현탁액 또는 분산액, 페이스트, 분말, 필름, 코팅, 필라멘트, 섬유 등을 포함한다.
그라핀 시트 및 흑연은 그라핀 시트, 흑연, 및 결합제의 전체 양을 기준으로 하여 약 1 내지 약 98 중량%, 약 5 내지 약 98 중량%, 약 10 내지 약 98 중량%, 약 20 내지 약 98 중량%, 약 30 내지 약 95 중량%, 약 40 내지 약 95 중량%, 약 50 내지 약 95 중량%, 및 약 70 내지 약 95 중량%의 양으로 존재할 수 있다.
상기 조성물은 그라핀 시트가 중합체에 분산되어 있는 잘 혼합된 블렌드일 수 있다. 이들은 종래 기술에 공지된 수단을 이용하여 형성될 수 있다. 중합체가 열가소성이면, 이들은 단일 또는 2축 스크류 압출기, 블렌더, 혼련기, 또는 밴버리 혼합기를 이용하는 것과 같은 적합한 용융-혼합 방법을 이용하여 제조될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태로서, 조성물은 비-중합성 성분이 중합체 매트릭스에 잘 분산되어 있는 용융-혼합 블렌드이므로, 이 블렌드는 전체적으로 균일화될 수 있다.
상기 조성물은 그라핀 시트 및/또는 유기 화합물 및/또는 기타 성분의 존재하에서 단량체를 중합하는 것에 의해 형성될 수 있다.
상기 조성물은 압축 성형, 압출, 램 압출, 사출성형, 압출, 공압출, 회전성형, 블로우 성형, 사출 블로우 성형, 열성형, 진공 성형, 캐스팅, 용액 캐스팅, 원심분리 캐스팅, 오버몰딩, 수지 이송 성형, 진공보조된 수지 이송 성형, 스피닝, 인쇄 등을 비롯한 적합한 수법을 이용하여 물품으로 형성될 수 있다.
용융-가공 수법이 이용될 때, 조성물은 바람직하게는 용융-블렌딩된 혼합물이다.
상기 조성물은 전기적으로 도전성일 수 있다. 이들은 적어도 약 10-8 S/m의 도전성을 가질 수 있다. 약 10-6 S/m 내지 약 105 S/m, 또는 약 10-5 S/m 내지 약 105 S/m의 도전성을 가질 수 있다. 본 발명의 다른 실시형태로서, 상기 조성물은 적어도 약 0.001 S/m, 적어도 약 0.01 S/m, 적어도 약 0.1 S/m, 적어도 약 1 S/m, 적어도 약 10 S/m, 적어도 약 100 S/m, 또는 적어도 약 1000 S/m, 또는 적어도 약 10,000 S/m, 또는 적어도 약 20,000 S/m, 또는 적어도 약 30,000 S/m, 또는 적어도 약 40,000 S/m, 또는 적어도 약 50,000 S/m, 또는 적어도 약 60,000 S/m, 또는 적어도 약 75,000 S/m, 또는 적어도 약 105 S/m, 또는 적어도 약 106 S/m의 도전성을 갖는다. 일부 실시형태로서, 코팅된 기판의 표면 저항률은 약 10000 Ω/스퀘어(square) 이하, 또는 약 5000 Ω/스퀘어 이하, 또는 약 1000 Ω/스퀘어 이하 또는 약 700 Ω/스퀘어 이하, 또는 약 500 Ω/스퀘어 이하, 또는 약 350 Ω/스퀘어 이하, 또는 약 200 Ω/스퀘어 이하, 또는 약 200 Ω/스퀘어 이하, 또는 약 150 Ω/스퀘어 이하, 또는 약 100 Ω/스퀘어 이하, 또는 약 75 Ω/스퀘어 이하 또는 약 50 Ω/스퀘어 이하, 또는 약 30 Ω/스퀘어 이하, 또는 약 20 Ω/스퀘어 이하, 또는 약 10 Ω/스퀘어 이하, 또는 약 5 Ω/스퀘어 이하, 또는 약 1 Ω/스퀘어 이하, 또는 약 0.1 Ω/스퀘어 이하, 또는 약 0.01 Ω/스퀘어 이하, 또는 약 0.001 Ω/스퀘어 이하일 수 있다.
조성물이 현탁액 또는 분산액 형태인 경우 또는 중합체 결합제가 그라핀 시트 및 기타 성분과 조합(블렌딩)된 후 경화되거나 또는 다른게 처리될 수 있는 경우, 도전성 및/또는 저항률은 상기 블렌드가 건조, 경화, 가교 또는 다르게 처리되기 전 또는 후에 결정될 수 있다.
상기 조성물은 약 0.1 내지 약 50 W/(m-K), 또는 약 0.5 내지 약 30 W/(m-K), 또는 약 1 내지 약 30 W/(m-K), 또는 약 1 내지 약 20 W/(m-K), 또는 약 1 내지 약 10 W/(m-K), 또는 약 1 내지 약 5 W/(m-K), 또는 약 2 내지 약 25 W/(m-K), 또는 약 5 내지 약 25 W/(m-K)의 열적 도전성을 가질 수 있다.
상기 조성물은 기타 충전제 및 강화제(유리 섬유, 및 월라스토나이트와 같은 미네랄 섬유와 같은), 강인화제 및 충격 조절제, 난연제, 가소제, 산화방지제, UV 안정화제, 열 안정화제, 윤활제, 가공보조제, 이형제, 착색제 등과 같은 부가적 첨가제를 포함할 수 있다.
상기 조성물은 금속(금속 합금 포함), 도전성 금속 옥사이드, 중합체, 그라핀 시트 및 흑연 이외의 탄소질 물질, 및 금속-코팅된 물질과 같은 그라핀 시트 및 흑연 이외의 부가적인 전기적으로 도전성 성분을 경우에 따라 함유할 수 있다. 이들 성분은 입자, 분말, 플레이크, 호일, 침상 등을 비롯한 다양한 형태를 취할 수 있다.
금속의 예는, 비제한적으로, 은, 구리, 알루미늄, 백금, 팔라듐, 니켈, 크롬, 금, 청동, 콜로이드성 금속 등을 포함한다. 금속 산화물의 예는 안티몬 주석 산화물 및 인듐 주석 산화물 및 금속 산화물에 의해 코팅된 충전제와 같은 물질을 포함한다. 금속 및 금속 산화물 코팅된 물질은 비제한적으로 금속 코팅된 탄소 및 흑연 섬유, 금속 코팅된 유리 섬유, 금속 코팅된 유리 비드, 금속 코팅된 세라믹 물질(비드와 같은) 등을 포함한다. 이들 물질은 니켈을 비롯한 다양한 금속에 의해 코팅될 수 있다.
전기적으로 도전성 중합체의 예는 비제한적으로 폴리아세틸렌, 폴리에틸렌 디옥시티오펜(PEDOT), 폴리(스티렌술포네이트)(PSS), PEDOT:PSS 공중합체, 폴리티오펜 및 폴리티오펜, 폴리(3-알킬티오펜), 폴리(2,5-비스(3-테트라데실티오펜-2-일)티에노[3,2-b]티오펜)(PBTTT), 폴리(페닐렌비닐렌), 폴리피렌, 폴리카바졸, 폴리아줄렌, 폴리아제핀, 폴리플루오렌, 폴리나프탈렌, 폴리이소나프탈렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리(페닐렌 술피드), 상술한 것의 1 이상의 공중합체 등, 및 이들의 유도체 및 공중합체를 포함한다. 상기 도전성 중합체는 도핑되거나 또는 도핑되지 않을 수 있다. 이들은 붕소, 인, 요오드 등에 의해 도핑될 수 있다.
그라핀 시트 및 흑연 이외의 탄소질 물질의 예는 비제한적으로 흑연화된 카본블랙, 탄소 섬유 및 피브릴, 진공 성장 탄소 나노섬유, 금속 코팅된 탄소 섬유, 탄소 나노튜브(단일벽- 및 다중벽 나노튜브를 비롯한), 풀러렌, 활성화된 탄소, 탄소 섬유, 팽창된 흑연, 팽창성 흑연, 흑연 산화물, 중공 탄소구, 탄소 폼(foam) 등을 포함한다.
상기 조성물은 적어도 1개의 "다중 사슬 지질"을 경우에 따라 포함할 수 있으며, 상기 용어는 극성 헤드 기(head group) 및 그에 결합된 적어도 2개의 비극성 테일 기(tail group)를 갖는 천연 산출 또는 합성 지질을 의미한다. 극성 헤드 기의 예는 산소-, 황-, 및 할로겐-함유, 포스페이트, 아미드, 암모늄기, 아미노산(α-아미노산 포함), 당류, 다당류, 에스테르(글리세릴 에스테르 포함), 쯔비터이온 기 등을 포함한다.
테일 기는 동일하거나 상이할 수 있다. 테일 기의 예는 알칸, 알켄, 알킨, 방향족 화합물 등을 포함한다. 이들은 탄화수소, 작용화된 탄화수소 등일 수 있다. 테일 기는 포화되거나 또는 비포화될 수 있다. 이들은 선형 또는 분기쇄(branched)일 수 있다. 테일 기는 올레산, 팔미트산, 스테아르산, 아라키드산, 에루식산, 아라키돈산, 리놀레산, 리놀레닌산, 올레산 등과 같은 지방산으로부터 유도될 수 있다.
다중 사슬 지질의 예는 비제한적으로 레시틴 및 기타 인지질(포스포글리세리드(포스파티딜세린, 포스파티딜이노시톨, 포스파티딜에탄올 아민(세팔린), 및 포스파티딜글리세롤 포함) 및 스핀고미엘린과 같은); 글리코지질(글루코실-세로브로시드와 같은); 사카로지질; 스핀고지질(세라미드, 디- 및 트리글리세리드, 포스포스핀고지질, 및 글리코스핀고지질) 등을 포함한다. 이들은 쯔비터이온성을 비롯하여 양쪽성일 수 있다.
상기 조성물은 1 이상의 하전된 유기 화합물을 경우에 따라 포함할 수 있다. 하전된 유기 화합물은 적어도 1개의 이온성 작용기 및 1개의 탄화수소-계 사슬을 포함한다. 이온성 작용기의 예는 암모늄 염, 술페이트, 술포네이트, 포스페이트, 카복시레이트 등을 포함한다. 2 이상의 이온성 작용기가 존재하면, 이들은 동일하거나 또는 상이한 유형일 수 있다. 상기 화합물은 비제한적으로 히드록실, 알켄, 알킨, 카보닐 기(카복시산, 에스테르, 아미드, 케톤, 알데히드, 무수물, 티올 등과 같은), 에테르, 플루오로, 클로로, 브로모, 요오도, 니트릴, 질소 함유 기, 인 함유 기, 실리콘 함유 기 등을 비롯한 부가적 작용기를 포함할 수 있다.
상기 화합물은 적어도 1개의 탄화수소-계 사슬을 포함한다. 상기 탄화수소-계 사슬은 포화되거나 또는 비포화될 수 있고 또 분기형 또는 선형일 수 있다. 그것은 알킬 기, 알케닐 기, 알키닐 기 등일 수 있다. 탄소 및 수소 원자만을 함유할 필요가 없다. 다른 작용기(상술한 것과 같은)에 의해 치환될 수 있다. 에스테르, 에테르, 아미드와 같은 다른 작용기는 사슬의 길이 내에 존재할 수 있다. 즉, 상기 사슬은 1 이상의 작용기에 의해 연결된 2 이상의 탄화수소-계 절편(segment)을 포함할 수 있다. 일 실시형태로서, 적어도 1개의 이온성 작용기는 사슬의 말단에 위치할 수 있다.
암모늄 염의 예는 다음 식을 갖는 물질을 포함한다:
R1R2R3R4N+X-, 식중 R1, R2, 및 R3은 각각 독립적으로 H, 탄화수소-계 사슬, 아릴 함유 기, 지환족 기; 올리고머성 기, 중합체성 기 등이고; R4는 적어도 4개의 탄소 원자를 갖는 탄화수소-계 사슬이며; 또 X-는 플루오라이드, 브로마이드, 클로라이드, 요오다이드, 술페이트, 히드록사이드, 카복시레이트 등과 같은 음이온임.임의의 R 기는 1 이상의 부가적 암모늄 기를 가질 수 있다.
R 기의 예는 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실, 헵틸, 옥틸, 노닐, 데실, 운데실, 도데실, 트리데실, 테트라데실, 펜타데실, 헥사데실, 헵타데실, 옥타데실, 노나데실, 아이코실, C21 내지 C40 사슬 등을 포함한다.
4급 암모늄 염의 예는 테트라알킬암모늄 염, 디알킬디메틸암모늄 염, 알킬트리메틸암모늄 염을 포함하며, 상기 알킬 기는 적어도 8개의 탄소원자를 함유하는 1 이상의 기이다. 그 예는 테트라도데실암모늄, 테트라데실트리메틸암모늄 할라이드, 헥사데실트리메틸암모늄 할라이드, 디도데실디메틸암모늄 할라이드 등을 포함한다.
암모늄 염은 4급 암모늄 염을 비롯한 비스- 또는 고급 암모늄 염일 수 있다. 이들은 카복시산, 디카복시산, 트리카복시산, 및 더 고급 카복시산의 염일 수 있다. 상기 카복시산은 적어도 약 4개의 선형 탄소 원자를 갖는 탄화수소-계 사슬의 일부일 수 있다. 예는 옥탄산, 노난산, 데칸산, 운데칸산, 도데칸산, 트리데칸산, 테트라데칸산, 펜타데칸산, 적어도 15 탄소 원자를 갖는 카복시산, 스테아르산, 올레산, 몬탄산, 아디프산, 1,7-헵탄디온산, 1,8-옥탄디온산, 1,9-노난디온산, 세바스산, 1,11-운데칸디온산, 1,12-도데칸디온산, 1,13-트리데칸디온산, 1,14-테트라데칸디온산, 1,15-펜타데칸디온산, 1,16-헥사데칸디온산, 1,17-헵타데칸디온산, 1,18-옥타데칸디온산, 1,19-노나데칸디온산, 1,20-아이코산디온산, 21 내지 40 탄소 원자를 갖는 디카복시산 등의 암모늄 염을 포함한다.
카복시산(고분자량 카복시산 및 비포화 카복시산 포함)의 알킬올 암모늄 염도 사용될 수 있다. 그 예는 시바에 의해 공급되는 고분자량 카복시산의 알킬올 암모늄 염인 EFKA 5071 및 BYK USA(미국 커네티컷 월링포드 소재)에 의해 제조되는 비포화 산성 카복시산 에스테르의 알킬올암모늄 염인 BYK-ES80을 포함한다.
하전된 유기 화합물은 술포네이트, 메실레이트, 트리플레이트, 토실레이트, 베실레이트, 술페이트, 술파이트, 퍼옥소모노술페이트, 퍼옥소디술페이트, 파이로술페이트, 디티오네이트, 메타비술파이트, 디티오나이트, 티오술페이트, 테트라티오네이트 등과 같은 황-함유 기를 가질 수 있다. 상기 유기 화합물은 또한 2 이상의 황 함유 기를 함유할 수 있다.
알킬, 알케닐, 및/또는 알키닐 술페이트 및 술포네이트가 바람직한 황-함유 화합물이다. 상기 알킬, 알케닐, 및/또는 알키닐 기는 바람직하게는 적어도 약 8개의 탄소 원자, 또는 더욱 바람직하게는 적어도 약 10개의 탄소 원자를 함유한다. 그 예는 데실술페이트 염, 도데실술페이트 염(나트륨 1-도데칸술페이트(SDS)와 같은), 데실술포네이트 염, 도데실술포네이트 염(나트륨 1-도데칸술포네이트(SDSO)와 같은) 등을 포함한다. 대이온은 리튬, 나트륨, 칼륨, 암모늄 등과 같은 적합한 양이온일 수 있다.
하전된 유기 화합물은 하전된 유기 화합물 및 그라핀 시트 및 흑연의 총 중량을 기준으로 하여 약 1 내지 약 75 중량%, 약 2 내지 약 70 중량%, 약 2 내지 약 60 중량%, 약 2 내지 약 50 중량%, 약 5 내지 약 50 중량%, 약 10 내지 약 50 중량%, 약 10 내지 약 40 중량%, 약 20 내지 약 40 중량%의 양으로 존재할 수 있다.
상기 조성물은 코팅 형태일 수 있다. 용어 "코팅"이라는 것은 기판뿐만 아니라 그것이 기판에 적용된 후의 물질에 적용되기에 적합한 한편, 기판에 적용되면, 후-적용 처리(증발, 가교, 경화 등과 같은) 전 및 후에 적용되기에 적합한 형태의 조성물을 의미한다. 상기 코팅 조성물의 성분은 이들 단계 동안 다양할 수 있다. 여기서 사용된 바와 같이, 용어 "코팅"은 잉크를 지칭할 수 있다.
그라핀 시트 및 흑연은 바람직하게는 그라핀 시트, 흑연, 및 결합제의 총량을 기준으로 하여 약 20 내지 약 98 중량%, 약 30 내지 약 95 중량%, 약 40 내지 약 95 중량%, 약 50 내지 약 95 중량%, 및 약 70 내지 약 95 중량%의 양으로 코팅에 존재한다.
상기 코팅은 습식 방법 또는 건식 방법 및 뱃치, 반연속 및 연속적 방법을 비롯한 적합한 방법을 이용하여 제조될 수 있다.
예를 들어, 1 이상의 그라핀 시트, 흑연, 결합제, 캐리어, 및/또는 기타 성분과 같은 코팅의 성분들은 초음파 장치, 고전단 혼합기, 볼밀, 마쇄(attrition) 장치, 샌드밀, 2롤밀, 3롤밀, 냉동성 그라인딩 파쇄기, 압출기, 혼련기, 이중 플렌터리(planetary) 혼합기, 삼중 플렌타리 혼합기, 고압 균질기, 볼밀, 소모 장치, 샌드밀, 수평 및 수직 습식 그라인딩 밀 등을 비롯한 적합한 혼합, 분산, 및/또는 배합 수법 및 장치를 이용하여 가공될 수 있다(예컨대 분쇄되거나/그라인드되고, 블렌딩됨). 가공(그라인딩 포함) 수법은 습식 또는 건식일 수 있고 또 연속적이거나 또는 불연속적일 수 있다. 그라인딩 매질로 사용하기에 적합한 물질은 금속, 탄소 강철, 스테인레스 강철, 세라믹, 안정화된 세라믹 매질(이트륨 안정화된 지르코늄 옥사이드같은), PTFE, 유리, 텅스텐 카바이드 등을 포함한다. 이들과 같은 방법은 흑연, 그라핀 시트, 기타 성분 및 이들의 블렌드 또는 2 이상의 성분의 입자 크기 및/또는 형태를 변경하기 위하여 사용될 수 있다.
성분들은 함께 또는 별도로 가공될 수 있고 또 1 이상의 성분(블렌드 포함)을 각기 포함하는 다중 가공(혼합/블렌딩 포함) 단계를 통하여 실시될 수 있다.
그라핀 시트, 흑연, 및 기타 성분이 가공되고 조합되는 방식에는 특별한 제한이 없다. 예를 들어, 그라핀 시트 및/또는 흑연은 소정입자 크기 분포 및/또는 형태로 별개로 가공된 다음 부가적 성분을 사용하거나 또는 사용하지 않고 더 가공되도록 조합된다. 가공되지 않은 그라핀 시트 및/또는 흑연은 가공된 그라핀 시트 및/또는 흑연과 조합될 수 있고 또 부가적 성분을 이용하거나 이용하지 않고 더 가공된다. 가공된 및/또는 미가공된 그라핀 시트 및/또는 가공된 및/또는 미가공된 흑연은 1 이상의 결합제와 같은 기타 성분과 조합된 다음 가공된 및/또는 미가공된 그라핀 시트 및/또는 가공된 및/또는 미가공된 흑연과 조합될 수 있다. 가공된 및/또는 미가공된 그라핀 시트 및/또는 기타 성분과 조합된 가공된 및/또는 미가공된 흑연의 2 이상의 조합물은 더 조합되거나 또는 가공될 수 있다.
일 실시형태로서, 다중 사슬 지질이 사용되면, 가공하기 전에 그라핀 시트 및/또는 흑연에 부가된다.
가공 후(블렌딩 및/또는 그라인딩 단계와 같은), 비제한적으로, 결합제, 증점제, 점도 조절제 등을 비롯한 부가적 성분을 코팅에 부가할 수 있다. 상기 코팅은 더 많은 캐리어를 부가하는 것에 의해 또한 희석될 수 있다.
하전된 유기 화합물이 코팅에 사용되면, 그라핀 시트 및 흑연은 바람직하게는 하전된 유기 화합물을 조성물에 부가하기 전에 캐리어 존재하에서 1 이상의 그라인딩 단계에 처리된다. 상기 결합제는 가공 중의 임의 지점(또는 2 이상의 지점)에서 부가될 수 있다.
상기 코팅은 경우에 따라 1 이상의 캐리어를 포함하며, 이들 성분의 일부 또는 전부는 용해되거나, 현탁되거나, 또는 다르게는 분산되거나 또는 담지된다. 적합한 캐리어의 예는, 비제한적으로, 물, 증류된 또는 합성된 이소파라핀성 탄화수소(Isopar® 및 Norpar® (모두 엑손에 의해 제조) 및 Dowanol® (다우에 의해 제조), 시트러스 테르펜 및 시트러스 테르펜을 함유하는 혼합물(Purogen, Electron, 및 Positron(모두 Ecolink에 의해 제조)와 같은), 테르펜 및 테르펜 알코올(알파-테르핀올을 포함한 테르핀올), 리모넨, 지방족 석유 증류물, 알코올(메탄올, 에탄올, n-프로판올, i-프로판올, n-부탄올, i-부탄올, sec-부탄올, tert-부탄올, 펜탄올, i-아밀 알코올, 헥산올, 헵탄올, 옥탄올, 디아세톤 알코올, 부틸 글리콜 등과 같은), 케톤(아세톤, 메틸 에틸 케톤, 시클로헥사논, i-부틸 케톤, 2,6,8,트리메틸-4-노나논 등과 같은), 에스테르(메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, n-프로필 아세테이트, i-프로필 아세테이트, n-부틸 아세테이트, i-부틸 아세테이트, tert-부틸 아세테이트, 카르비톨 아세테이트 등과 같은), 글리콜 에테르, 에스테르 및 알코올(2-(2-에톡시에톡시)에탄올, 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 및 다른 프로필렌 글리콜 에테르; 에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르, 2-메톡시에틸 에테르(디글라임), 프로필렌 글리콜 메틸 에테르(PGME); 및 다른 에틸렌 글리콜 에테르; 에틸렌 및 프로필렌 글리콜 에테르 아세테이트, 디에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르 아세테이트, 1-메톡시-2-프로판올 아세테이트(PGMEA); 및 헥실렌 글리콜(HexasolTM ,, SpecialChem에 의해 공급)), 이미드, 아미드(디메틸 포름아미드, 디메틸아세트아미드 등), 시클릭 아미드(N-메틸피롤리돈 및 2-피롤리돈), 락톤(베타-프로피오락톤, 감마-발레로락톤, 델타-발레로락톤, 감마-부티로락톤, 입실론-카프로락톤과 같은), 시클릭 이미드(N,N-디메틸이미다졸리논(1,3-디메틸-2-이미다졸리논)과 같은 이미다졸리논) 및 상술한 것의 2 이상의 혼합물 및 상술한 것의 1 이상과 다른 캐리어와의 혼합물을 포함한다. 용매는 저- 또는 비-VOC 용매, 위험하지 않은 공기 오염 용매, 및 비-할로겐화 용매일 수 있다.
코팅은 경우에 따라 분산조제(계면활성제, 유화제, 및 습윤조제 포함), 접착 증진제, 증점제(점토 포함), 소포제 및 기포방지제, 살생물제, 부가적 충전제, 유동향상제, 안정화제, 가교제 및 경화제 등과 같은 1 이상의 부가적 첨가제를 포함한다.
분산조제의 예는 글리콜 에테르(폴리(에틸렌 옥사이드)와 같은), 에틸렌 옥사이드 및 프로필렌 옥사이드로부터 유도된 블록 공중합체(BASF에 의해 상품명 Pluronic®으로 시판됨), 아세틸렌 디올(2,5,8,11-테트라메틸-6-도데신-5,8-디올 에톡시레이트 및 Air Products에 의해 상품명 Surfynol®및 Dynol®로 시판되는 다른 것과 같은), 카복시산의 염(알칼리 금속 및 암모늄 염 포함), 및 폴리실옥산을 포함한다.
그라인딩 조제의 예는 스테아레이트(Al, Ca, Mg, 및 Zn 스테아레이트) 및 아세틸렌 디올(Air Products에 의해 상품명 Surfynol® 및 Dynol®로 시판되는 것과 같은)을 포함한다.
접착 증진제의 예는 티타늄 킬레이트 및 티타늄 포스페이트 착물(부틸 티타늄 포스페이트 포함), 티타네이트 에스테르, 디이소프로폭시 티타늄 비스(에틸-3-옥소부타노에이트), 이소프로폭시 티타늄 아세틸아세토네이트, 및 Johnson-Matthey Catalysts에 의해 상품명 Vertec®으로 시판되는 다른 것과 같은 다른 티타늄 화합물을 포함한다.
증점제의 예는 글리콜 에테르(폴리(에틸렌 옥사이드), 에틸렌 옥사이드 및 프로필렌 옥사이드으로부터 유도된 블록 공중합체(BASF에 의해 상품명 Pluronic®으로 시판되는 것과 같은), 장쇄 카복시레이트 염(알루미늄, 칼슘, 아연 등, 스테아레이트, 올레에이트, 팔미테이트의 염 등과 같은), 알루미노실리케이트(Unimin Specialty Minerals에 의해 상품명 Minex® 및 Evonik Degussa에 의해 상품명 Aerosil®9200로 시판되는 것과 같은), 발연 실리카, 천연 및 합성 제올라이트 등을 포함한다.
코팅은 비제한적으로, 유연성 및/또는 연신성 물질, 실리콘 및 다른 탄성중합체 및 다른 중합체 물질, 금속(알루미늄, 구리, 강철, 스테인레스 강철 등과 같은), 접착제, 직물(천 포함) 및 텍스타일(목면, 모, 폴리에스테르, 레이욘 등), 의류, 유리 및 다른 미네랄, 세라믹, 실리콘 표면, 나무, 종이, 카드보드, 종이보드, 셀룰로오스-계 물질, 글래신, 라벨, 실리콘 및 다른 반도체, 라미네이트, 주름잡힌 물질, 콘크리트, 벽돌, 및 다른 건축 물질 등을 비롯한 다양한 기판에 적용될 수 있다. 기판은 필름, 종이, 웨이퍼, 대형 3차원 물품 등의 형태일 수 있다.
기판은 코팅을 적용하기 전에 다른 코팅(도료와 같은) 또는 유사한 물질에 의해 처리된 것일 수 있다. 그 예는 인듐 주석 산화물, 안티몬 주석 산화물 등에 의해 코팅된 기판(PET와 같은)을 포함한다. 이들은 직조된 것이나, 부직(nonwoven), 메시형태 등 일 수 있다.
기판은 일반적으로 종이-계 물질일 수 있다(종이, 종이보드, 카드보드, 글래신 등). 종이-계 물질은 표면 처리될 수 있다. 표면처리의 예는 PET, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 아세테이트, 니트로셀룰로오스 등을 포함할 수 있는 중합성 코팅과 같은 코팅을 포함한다. 코팅은 접착제일 수 있다. 종이 계 물질은 사이징처리될 수 있다.
중합체 물질의 예는, 비제한적으로, 탄성중합체 및 고무(열가소성 수지 및 열경화성 수지 포함), 실리콘, 플루오르화된 폴리실옥산, 천연 고무, 부틸 고무, 클로로술포네이트 폴리에틸렌, 염소화된 폴리에틸렌, 스티렌/부타디엔 공중합체(SBR), 스티렌/에틸렌/부타디엔/스티렌 공중합체(SEBS), 말레산 무수물에 의해 그라프팅된 스티렌/에틸렌/부타디엔/스티렌 공중합체, 스티렌/이소프렌/스티렌 공중합체(SIS), 폴리이소프렌, 니트릴 고무, 수소화된 니트릴 고무, 네오프렌, 에틸렌/프로필렌 공중합체(EPR), 에틸렌/프로필렌/디엔 공중합체(EPDM), 에틸렌/비닐 아세테이트 공중합체(EVA), 헥사플루오로프로필렌/비닐리덴 플루오라이드/테트라플루오로에틸렌 공중합체, 테트라플루오로에틸렌/프로필렌 공중합체, 플루오르탄성중합체, 폴리에스테르(폴리(에틸렌 테레프탈레이트), 폴리(부틸렌 테레프탈레이트), 폴리(에틸렌 나프탈레이트), 액체 결정성 폴리에스테르, 폴리(락트산) 등과 같은); 폴리스티렌; 폴리아미드(폴리테레프탈아미드 포함); 폴리이미드(Kapton®와 같은); 아라미드(Kevlar® 및 Nomex®와 같은); 플루오로중합체(플루오르화된 에틸렌 프로필렌(FEP), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리(비닐 플루오라이드), 폴리(비닐리덴 플루오라이드) 등과 같은); 폴리에테르이미드; 폴리(비닐 클로라이드); 폴리(비닐리덴 클로라이드); 폴리우레탄(열가소성 폴리우레탄(TPU)); 스판덱스, 셀룰로오스성 중합체(니트로셀룰로오스, 셀룰로오스 아세테이트 등과 같은); 스티렌/아크릴로니트릴 중합체(SAN); 아크릴로일니트릴/부타디엔/스티렌 중합체(ABS); 폴리카보네이트; 폴리아크릴레이트; 폴리(메틸 메타크릴레이트); 에틸렌/비닐 아세테이트 공중합체; 열경화성 에폭시 및 폴리우레탄; 올리올레핀(폴리에틸렌(저밀도 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌 등을 포함하는), 폴리프로필렌(2축 배향된 폴리프로필렌 등과 같은); Mylar; 등을 비롯한 열가소성 수지 및 열경화성 수지를 포함한다. 이들은 DuPont Tyvek®와 같은 부직 물질일 수 있다. 이들은 접착성 물질일 수 있다.
기판은 유리, 석영, 중합체(폴리카보네이트 또는 폴리(메트)아크릴레이트(폴리(메틸 메타크릴레이트)와 같은)와 같은 투명 또는 반투명 또는 광학 물질일 수 있다.
상기 코팅은, 비제한적으로, 페인팅, 붓기, 스핀 캐스팅, 용액 캐스팅, 침지 코팅, 분말 코팅, 적층, 압출, 주사위 또는 피펫에 의해, 분무 코팅, 커튼 코팅, 정전분무 증착, 잉크젯 인쇄, 스핀 코팅, 열적 이송(레이저 이송을 포함) 방법, 닥터 블레이드 인쇄, 스크린 인쇄, 로터리 스크린 인쇄, 그라비아 인쇄, 모세관 인쇄, 옵셋 인쇄, 전기수력학적(EHD) 인쇄(본 명세서에 참고문헌으로 기재된 WO 2007/053621호에 기재된 방법), 플렉소그래픽 인쇄, 패드 인쇄, 스탬핑, 제로그래피, 미세접촉 인쇄, 침지 펜 나노리소그래피, 레이저 인쇄, 펜을 통하여 또는 유사유사한 수단을 통하여 등을 비롯한 적합한 방법을 이용하여 기판에 도포 수 있다. 코팅은 다중층으로 도포될 수 있다.
이들이 기판에 도포된 후, 코팅은 건조 및 오븐-건조(공기 또는 다른 불활성 또는 반응성 분위기), UV 경화, IR 경화, 건조, 가교, 열적 경화, 레이저 경화, IR 경화, 마이크로웨이브 경화 또는 건조, 소결 등을 비롯한 적합한 수법을 이용하여 경화될 수 있다.
일부 실시형태로서, 경화는 열적 경화일 수 있고 또 약 135℃ 이하, 또는 약 120℃ 이하, 또는 약 110℃ 이하, 또는 약 100℃ 이하, 또는 약 90℃ 이하, 또는 약 80℃ 이하, 또는 약 70℃ 이하의 온도에서 실시될 수 있다.
기판에 도포될 때, 코팅은 다양한 두께를 가질 수 있다. 일 실시형태로서, 기판에 도포될 때, 경화 후 코팅은 경우에 따라 적어도 약 2 nm, 또는 적어도 약 5 nm의 두께를 가질 수 있다. 본 발명의 다양한 실시형태에서, 코팅은 경우에 따라 약 2 nm 내지 2 mm, 약 5 nm 내지 1 mm, 약 2 nm 내지 약 100 nm, 약 2 nm 내지 약 200 nm, 약 2 nm 내지 약 500 nm, 약 2 nm 내지 약 1 마이크로미터, 약 5 nm 내지 약 200 nm, 약 5 nm 내지 약 500 nm, 약 5 nm 내지 약 1 마이크로미터, 약 5 nm 내지 약 50 마이크로미터, 약 5 nm 내지 약 200 마이크로미터, 약 10 nm 내지 약 200 nm, 약 50 nm 내지 약 500 nm, 약 50 nm 내지 약 1 마이크로미터, 약 100 nm 내지 약 10 마이크로미터, 약 1 마이크로미터 내지 약 2 mm, 약 1 마이크로미터 내지 약 1 mm, 약 1 마이크로미터 내지 약 500 마이크로미터, 약 1 마이크로미터 내지 약 200 마이크로미터, 약 1 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터, 약 50 마이크로미터 내지 약 1 mm, 약 100 마이크로미터 내지 약 2 mm, 약 100 마이크로미터 내지 약 1 mm, 약 100 마이크로미터 내지 약 750 마이크로미터, 약 100 마이크로미터 내지 약 500 마이크로미터, 약 500 마이크로미터 내지 약 2 mm, 또는 약 500 마이크로미터 내지 약 1 mm의 두께를 가질 수 있다.
기판에 도포될 때, 코팅은 다양한 형태를 가질 수 있다. 이들은 필름 또는 라인, 패턴, 글자, 숫자, 회로, 로고스, 확인 태그 및 기타 형상 및 형태로 제공될 수 있다. 코팅은 오버코팅, 바니시, 중합체, 직물 등과 같은 부가 물질에 의해 전체적으로 또는 부분적으로 덮힐 수 있다.
코팅은 상이한 기판에서 다양한 두께로 동일 기판에 도포될 수 있고 또 기판 상에 3차원 구조를 형성하기 위해 사용될 수 있다.
조성물은 배리어 특성, 내습성 등과 같은 특성과 함께 이들 특성이 필요할 때를 비롯하여 전기적 도전성, 정적 소산(static dissipativity), 전자기 간섭 차폐 특성 등을 필요로 하는 적용에 사용될 수 있다.
상기 조성물로부터 적어도 일부 제조된 물품의 예는 연료계 성분(연료 라인 및 튜빙, 연료 탱크 충전 파이프 및 커넥터, 연료라인 커넥터, 연료 펌프, 연료 펌프 및 전달 모듈 성분, 연료 인젝터 성분, 및 연료 필터 하우징, 연료 라인 그라운딩 클립, 연료 탱크 플랜지, 연료 필터 클램프, 연료 탱크 캡, 및 히트 싱크 핀, 연료 탱크와 같은 열 소산 요소를 포함하는 성분과 같은); 전기 및 전자계 커넥터 및 하우징, 바디 패널 및 기타 바디 성분과 같은 자동차 성분; 비행기 성분; 파이프 및 튜브; 씨일(seal); 가스켓; 전기적 및 전자적 스위치, 커넥터, 하우징 등; 히트 싱크; 회로 보드 하우징; 컨택트; 안테나; 전극; 전지 및 울트라커패시터 성분; 센서 성분 및 하우징; 전자장치 하우징(텔레비젼, 컴퓨터 장치, 비데오 게임 시스템, 디스플레이와 같은), 휴대용 전자장치(휴대전화, GPS 리시버, 음악 플레이어, 컴퓨터, 게임 장치 등과 같은); 고무 물품; 타이어; 탱크 및 병(가스 및 액체 탱크, 냉동탱크, 압력 용기 등) 등을 포함한다.
조성물은 전기적 도전성, 정적 사라짐, 전자기 간섭 차폐 특성등을 필요로 하는 적용분야에서 사용될 수 있다.
상기 코팅은 교량 및 건물과 같은 외장 구조물을 비롯한 금속(예컨대 강철, 알루미늄 등) 표면의 부동태화(passivation)을 위해 사용될 수 있다. 코팅의 다른 용도의 예는 다음을 포함한다: UV 방사선 내성 코팅, 마모 내성 코팅, 액체(탄화수소, 알코올, 물 등과 같은) 및/또는 가스에 대한 투과 내성을 갖는 코팅, 전기적으로 도전성 코팅, 정적 소산성 코팅, 및 블라스트 및 충격 내성 코팅. 이들은 전기적 도전성을 갖는 직물 제조를 위해 사용될 수 있다. 코팅은 태양전지 용도; 태양 에너지 포획용도; 신호체계, 플랫 패널 디스플레이; 발광 다이오드, 유기 발광 다이오드, 및 중합체 발광 다이오드 디스플레이를 비롯한 플렉시블 디스플레이; 디스플레이용 후면 및 전면; 및 전계발광 및 OLED 발광을 비롯한 발광을 포함한다. 디스플레이는 컴퓨터, 휴대전화, 게임, GPS 리시버, 개인용 디지털 보조물, 음악 플레이어, 게임, 계산기, 인공 종이 및 판독장치 등과 같은 휴대용 전자장치의 성분으로서 사용될 수 있다.
이들은 포장에 사용되거나 및/또는 라벨 제조를 위해 사용될 수 있다. 이들은 포장 라벨을 비롯한 본 발명의 재고관리 및 위조방지 용도(약제용과 같은)를 위해 사용될 수 있다. 이들은 스마트 포장 및 라벨(마케팅과 광고, 정보수집, 재고관리, 정보표시 등과 같은) 제조를 위해 사용될 수 있다. 이들은 전자부품과 같은 포장에서 파라데이 케이지를 형성하기 위해 사용될 수 있다.
코팅은 하우징 등과 같은 전기 및 전자 장치 및 요소 상에서 EMI 차폐 특성을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 이들은 대전방지 코팅을 제공하는 것을 비롯하여마이크로장치(마이크로전기기계적 시스템(MEMS) 장치와 같은)에 사용될 수 있다.
이들은 컴퓨터, 휴대전화, 게임, 내비게이션 시스템, 개인용 디지털 보조물, 음악 플레이어, 게임, 계산기, 라디오, 인공 종이 및 판독장치 등과 같은 휴대용 전자장치의 하우징, 안테나, 및 기타 요소를 제조하는데 사용될 수 있다.
코팅은 기판 상에 열적 도전성 채널을 형성하기 위하여 또는 소망하는 유동 특성 및 다공성을 갖는 막을 형성하기 위하여 사용될 수 있다. 이러한 물질은 가변적이고 조정가능한 다공성을 가질 수 있고 또 다공성 구배가 형성될 수 있다. 코팅은 이방성 열적 및/또는 전기적 도전성을 갖는 물품을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 코팅은 3차원 인쇄 프로토타입을 형성하기 위해 사용될 수 있다.
코팅은 완전한 장치, 장치의 부품 또는 서브요소, 전자 부품 등의 형태일 수 있는 인쇄된 전자장치("인쇄된 전자제품"으로도 지칭됨)를 제조하기 위해 사용될 수 있다.
인쇄된 전자장치는 소망하는 전자장치를 달성하도록 고안된 전기적 도전성 경로를 포함하는 패턴으로 코팅을 기판에 도포하는 것에 의해 제조할 수 있다. 상기 경로는 고형, 주로 고체, 액체, 또는 겔 형태 등일 수 있다. 잉크는 또한 결합제 이외의 다른 캐리어를 경우에 따라 포함할 수 있다. 잉크를 기판에 도포할 때, 캐리어의 모든 또는 일부는 제거되어 전기적 도전성 경로를 형성한다. 상기 결합제는 잉크가 기판에 도포된 후 경화되거나 또는 가교될 수 있다.
인쇄된 전자장치는 다양한 형태를 취할 수 있고 또 다양한 적용분야에서 사용될 수 있다. 이들은 전자요소(예컨대 회로) 및/또는 기판의 다층을 함유할 수 있다. 인쇄된 층의 모든 또는 일부는 커버 코트, 바니시, 커버층, 커버 필름, 유전성 코팅, 전해질 및 다른 전기적 도전성 물질 등과 같은 다른 물질에 의해 커버되거나 코팅될 수 있다. 기판과 인쇄된 회로 사이에는 1 이상의 물질이 존재할 수 있다. 층은 반도체, 금속 호일, 유전성 물질 등을 포함할 수 있다.
인쇄된 전자제품은 프로세서, 기억 칩, 다른 마이크로칩, 전지, 레지스터, 다이오드, 커패시턴스, 트랜지스터와 같은 다른 부가적 요소를 더 포함할 수 있다.
다른 용도는 비제한적으로 수동 및 능동 장치 및 부품; 전기 및 전자 회로, 집적회로; 플렉시블 인쇄 회로판; 트랜지스터; 전계효과 트랜지스터; 마이크로전기기계적 시스템(MEMS) 장치; 마이크로웨이브 회로; 안테나; 회절격자; 인디케이터; 무-칩 태그(예컨대 가게, 도서관 등으로부터 절도 방지를 위한 것과 같은 것 등); 소매점, 도서관 및 다른 세팅에 대한 안전 및 절도 방지 장치; 키 패드; 스마트 카드; 센서; 액체 결정성 디스플레이(LCD); 신호체계; 발광; 평면 패널 디스플레이; 발광 다이오드, 유기 발광 다이오드, 및 중합체 발광 다이오드 디스플레이를 비롯한 플레시블 디스플레이; 디스플레이용 백플레인(backplane) 및 프론트플레인(frontplane); 전계발광 및 OLED 발광; 백플레인을 포함하는 광휘발성 장치; 제품 확인 칩 및 장치; 막 스위치; 박막 전지를 포함하는 전지; 전극; 인디케이터; 휴대용 전자장치(예를 들어, 휴대전화, 컴퓨터, 개인용 디지털 보조물, 글로벌 위치추적 시스템 장치, 음악 플레이어, 게임, 계산기 등)에서 인쇄회로; 휴대전화, 휴대용 컴퓨터, 접이식 키보드 등과 같은 전자 장치에서 힌지를 통하여 또는 다른 가동성/굽힐 수 있는 접합부를 통하여 이루어진 전자 접속; 착용감이 좋은 전자장치; 및 자동차, 의료 장치, 진단 장치, 인스트루먼트 등에서 회로를 포함한다.
전자장치는 라디오주파수 확인(RFID) 장치 및/또는 그의 부품 및/또는 라디오주파수 통신장치일 수 있다. 그 예는 비제한적으로 RFID 태그, 칩, 및 안테나이다. RFID 장치는 초고주파 RFID 장치일 수 있고, 이들은 전형적으로 약 868 내지 약 928 MHz 범위의 주파수에서 동작한다. RFID에 사용하는 용도의 예는 트래킹 선적 용기, 가게에 있는 제품, 수송 중인 제품, 및 제조 공정에 사용되는 부품; 패스포트; 바코드 교체 적용; 재고관리 적용; 애완동물 확인; 가축 제어; 무접촉식 스마트 카드; 자동차 전자열쇠; 등을 포함한다.
전자장치는 또한 탄성중합체(실리콘) 접촉식 패드 및 키보드일 수 있다. 이러한 장치는 계산기, 휴대전화, GPS 장치, 키보드, 음악 플레이어, 게임 등과 같은 휴대용 전자장치에서 사용될 수 있다. 이들은 또한 원격 조정, 터치 스크린, 자동차 버튼 및 스위치 등과 같은 무수한 다른 전자 용도에서도 사용될 수 있다.
실시예
코팅의 제조
각 경우에서 캐리어는 이소프로판올이고 또 결합제는 BASF에 의해 공급되는 스티렌/아크릴 수지인 Joncryl® 682이다.
안료(즉, 그라핀 시트, 흑연, 카본블랙, 또는 ITO)를 수직 볼 밀 중에서 3/16" 스테인레스 강철 볼을 사용하여 약 6시간 동안 캐리어에 의해 약 10 중량% 로딩되게 분쇄하였다. 분산제가 사용되면, 이것도 또한 안료와 함께 분쇄하였다.
방법 A에서, 생성한 분산액을 결합제 및 하전된 유기 화합물(사용하는 경우)와 조합하고 약 33,000 RPM에서 약 3분간 동작되는 고전단 혼합기(로토-스테이터 오버헤드 교반기를 갖는 균질기)에서 블렌딩하였다.
방법 B에서, 생성한 분산액을 Eiger Mini 250 Type M250-VSE-TEFV 수평 분쇄 밀 중, 5% 이트륨 안정화된 0.3 mm 지르코늄 옥사이드 분쇄 매질 0.3 mm를 사용하여 약 20-25℃에서 약 90분간 분쇄하였다. 안료는 캐리어에 대하여 약 2-6 중량% 로딩으로 존재한다. 이어 상기 분산액을 결합제 및 하전된 유기 화합물(사용한 경우)과 조합하고 또 약 33,000 RPM에서 약 3분간 동작되는 고전단 혼합기(로토-스테이터 오버헤드 교반기를 갖는 균질기)에서 블렌딩하였다.
다르게 나타내지 않는 한, 코팅은 안료 및 결합제의 총 중량을 기준으로 하여 약 93 중량% 안료 및 약 7 중량% 중합체 결합제를 함유한다. 최종 로딩은 고체 및 캐리어의 양을 기초로 하여 약 2-5 중량% 고형분이다.
시험 샘플의 제조
액체 분산액 형태의 코팅을 닥터 브레이드(DB) 또는 #28 또는 #16 와이어봉을 사용하는 롤코팅을 사용하여 코팅된 PET 필름 상에 인쇄하였다. 샘플을 125℃ 오븐 중에서 건조시켜 필름을 형성하였다. 인쇄 필름 상에서 시험을 실시하였다. 일부 경우에서, 인쇄된 샘플은 오븐에 넣기 전에 공기 건조시키는 한편, 다른 것은 인쇄 직후에 오븐에 넣었다. 후술한 과정은 각 샘플에 대한 방법 유형 다음의 아스테리스크 표시로 표에 나타낸다.
도전성 측정
전기적 도전성은 4점 프로브법을 이용하여 결정한다. 직사각형 4지점 프로브를 샘플 상에 놓는다. 샘플에 걸쳐 위치적 차이(약 5-20 V)를 가하고 멀티미터(multimeter)를 이용하여 전류(I)를 모니터링한다. 전류방향을 따라 공지된 분리거리를 갖는 2개 지점에 걸친 전압(V)을 측정하기 위하여 다른 멀티미터를 이용한다.
저항은 옴의 법칙을 이용하여 측정한다: 즉, R = V/I; 식 중 R, V, 및 I는 각각 저항, 전압 및 전류이다. 저항률(σ)은 식 σ = RA/L에 의해 결정되며, 식 중 A 및 L은 전류가 흐르고 또 위치 차이가 있는 길이가 측정되는 필름의 단면적을 각각 나타낸다. 도전성(κ)은 식 κ = 1/σ에 의해 결정된다. A는 샘플의 측정된 두께를 이용하여 산출한다.
결과를 하기 표에 나타낸다. 일부 경우에서 1 이상의 측정을 실시하며 그 결과를 평균낸다. 이들 경우에서, 사용된 샘플 두께의 평균 및 측정된 도전성의 평균은 측정이 실시된 회수와 함께 제공된다.
실시예에 사용된 성분
그라핀 시트 55는 탄소 대 산소 몰비가 약 52-55:1인 그라핀 시트를 지칭한다.
그라핀 시트 67는 탄소 대 산소 몰비가 약 67:11인 그라핀 시트를 지칭한다.
그라핀 시트 96은 탄소 대 산소 몰비가 약 96:1인 그라핀 시트를 지칭한다.
그라핀 시트 130은 탄소 대 산소 몰비가 약 130:1인 그라핀 시트를 지칭한다.
천연 흑연은 미국 뉴저지 아스베리에 소재하는 Asbury Carbons에 의해 공급되는 230 흑연을 지칭한다.
합성 흑연은 미국 뉴저지 아스베리에 소재하는 Asbury Carbons에 의해 공급되는 APS 흑연을 지칭한다.
카본블랙은 아크조 노벨에 의해 공급되는 Ketjenblack EC600J를 지칭한다.
분산제 X는 미국 커네티컷 월링포드에 소재하는 BYK USA에 의해 공급되는 비포화 폴리아민 아미드 및 저분자 산 중합체의 염의 용액인 Anti-Terra® U-80을 지칭한다. 안료의 결합제의 총량을 기준으로 하여 약 2 중량%로 사용된다.
ITO는 Evonik Industries에 의해 공급되는 VP AdNano ITO TC8 인듐 주석 산화물을 지칭한다.
결과
도전성 측정 결과는 하기 표에 나타낸다. 실시예 1-19 및 비교예 1-3의 경우에서, 인쇄된 필름은 매우 양호한 접착력과 내마찰성을 가지고 있다. 비교예 4 및 5의 경우에서, 필름의 품질은 매우 불량하고 또 접착력과 내마찰력도 불량하다.
비교예 1 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5 실시예 6 실시예 7 실시예 8 실시예 9 실시예 10
그라핀 시트 67 96 96 96 96 67 67 55 55 55 55
흑연 천연 천연 천연 천연 천연 천연 천연 천연 천연 천연 천연
그라핀 시트 대 흑연 비 75: 25 50: 50 50: 50 50: 50 50: 50 50: 50 50: 50 50: 50 50: 50 50: 50 50: 50
분산제 -- -- -- -- -- -- -- Y Y Y Y
제조방법 A A A A B A A A A A B
도포방법 DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB
두께(㎛)
(측정 회수)		 11-15 8(2) 24 28 10
(2)		 4 10
(2)		 8(2) 15 30 7
도전성(S/cm)
(측정 회수)		 12 15
(2)		 8 6 21
(2)		 43 18
(2)		 27
(2)		 21 12 23
실시예 11 실시예 12 실시예 13 실시예 14 실시예 15 실시예 16 실시예 17 실시예 18 실시예 19 실시예 20
그라핀 시트 55 55 55 55 55 67 67 67 67 67
흑연 천연 천연 천연 천연 천연 천연 천연 천연 천연 천연
그라핀 시트 대 흑연 비 34: 66 34: 66 34: 66 34: 66 34: 66 25: 75 25: 75 25: 75 25: 75 25: 75
분산제 -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
제조방법 A* A* A* A A A A A B B
도포방법 DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB
두께(㎛)
(측정 회수)		 9 15 22 39 35 20 29
(2)		 33 10 11
도전성(S/cm)
(측정 회수)		 17 20 16 7 7 20 10 12 19 19
실시예 24 실시예 25 실시예 26 실시예 27 실시예 28 실시예 29
그라핀 시트 55 55 55 55 55 55
흑연 천연 천연 천연 천연 천연 천연
그라핀 시트 대 흑연 비 15:85 15:85 15:85 15:85 15:85 15:85
분산제 -- -- -- -- -- --
제조방법 A* A* A A B* B*
도포방법 DB DB DB DB DB DB
두께(㎛)(측정 회수) 10 13(2) 35 40 4 10
도전성(S/cm)(측정 회수) 37 29(2) 13 11 22 40
비교예 2 비교예 3
그라핀 시트 -- --
흑연 합성 합성
그라핀 시트 대 흑연 비 0:100 0:100
제조방법 A* B*
도포방법 와이어 봉(#28) 와이어 봉(#28)
두께(㎛) 7 9
도전성(S/cm) 18 11
비교예 4 비교예 5
카본블랙(wt.%) 15 --
흑연(천연)(wt.%) 85 --
ITO(wt.%) -- 100
제조방법 B* A
도포방법 DB DB
두께(㎛)(# 측정회수) 9(2) 15
도전성(S/cm)(측정 회수) 62(2) 7

Claims (30)

  1. 적어도 1개의 중합체 결합제, 그라핀 시트, 및 흑연을 포함하고, 흑연 대 그라핀 시트의 중량비가 약 40:60 내지 약 98:2인 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 흑연 대 그라핀 시트의 중량비가 약 50:50 내지 약 90:10인 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 흑연 대 그라핀 시트의 중량비가 약 60:40 내지 약 85:15인 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 흑연이 천연 흑연인 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 상기 흑연이 합성 흑연인 조성물.
  6. 제1항에 있어서, 액체 분산제를 더 포함하는 조성물.
  7. 제6항에 있어서, 상기 액체 분산제가 1 이상의 시트러스 테르펜 및/또는 1 이상의 알코올을 포함하는 조성물.
  8. 제1항에 있어서, 적어도 1개의 다중 사슬 지질을 더 포함하는 조성물.
  9. 제1항에 있어서, 상기 다중 사슬 지질이 레시틴인 조성물.
  10. 제1항에 있어서, 카복시산의 알킬올 암모늄 염을 더 포함하는 조성물.
  11. 제1항에 있어서, 상기 중합체 결합제가 폴리아미드를 포함하는 조성물.
  12. 제1항에 있어서, 상기 중합체 결합제가 약 300℃ 미만의 융점을 갖는 폴리아미드 공중합체를 포함하는 조성물.
  13. 제1항에 있어서, 상기 그라핀 시트가 적어도 약 300 m2/g의 표면적을 갖는 조성물.
  14. 제1항에 있어서, 상기 그라핀 시트가 적어도 약 400 m2/g의 표면적을 갖는 조성물.
  15. 제1항에 있어서, 상기 그라핀 시트가 적어도 약 500 m2/g의 표면적을 갖는 조성물.
  16. 제1항에 있어서, 상기 그라핀 시트가 적어도 약 25:1의 탄소 대 산소 몰비를갖는 조성물.
  17. 제1항에 있어서, 상기 그라핀 시트가 적어도 약 75:1의 탄소 대 산소 몰비를갖는 조성물.
  18. 제1항에 있어서, 적어도 약 10-8 S/cm의 전기적 도전성을 갖는 조성물.
  19. 제1항에 있어서, 적어도 약 10-3 S/cm의 전기적 도전성을 갖는 조성물.
  20. 제1항에 있어서, 적어도 약 10 S/cm의 전기적 도전성을 갖는 조성물.
  21. 제1항에 있어서, 적어도 약 102 S/cm의 전기적 도전성을 갖는 조성물.
  22. 제1항에 있어서, 액체 분산액 형태의 조성물.
  23. 제1항에 있어서, 성형 수지 또는 압출 수지 형태의 조성물.
  24. 제1항에 있어서, 섬유 또는 필라멘트 형태의 조성물.
  25. 제1항에 있어서, 코팅 형태의 조성물.
  26. 제1항에 있어서, 잉크 형태의 조성물.
  27. 제1항에 있어서, 성형품 형태의 조성물.
  28. 제25항에 따른 조성물을 사용하여 인쇄된 물품.
  29. 적어도 1개의 중합체 매트릭스, 그라핀 시트, 및 흑연을 포함하고, 흑연 대 그라핀 시트의 중량비가 약 40:60 내지 약 90:10인 코팅을 기판 상에 인쇄하는 것을 포함하는, 물품의 제조 방법.
  30. 제29항에 있어서, 상기 기판은 폴리(에틸렌 테레프탈레이트), 인듐 주석 산화물 코팅된 폴리(에틸렌 테레프탈레이트), 실리콘, 종이, 카드보드, 금속, 폴리테트라플루오로에틸렌, 및 폴리(락트산)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 제조 방법.

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