KR20140045160A - Low-oxidized graphene oxide and preparation method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 저산화된 대면적 고품위의 그래핀 옥사이드(graphene oxide), 및 알킬암모늄을 이용한 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a low oxidized large-area high-quality graphene oxide, and a method for preparing the same using alkylammonium.
그래핀은 탄소의 동소체 중 하나로서, 탄소 원자들이 각각 sp2 결합으로 연결된 단일 원자층 두께의 2차원 구조이며, 벤젠 형태의 탄소 고리가 연결되어 벌집 구조의 결정을 이룬다.Graphene is an allotrope of carbon. It is a two-dimensional structure of a single atomic layer in which carbon atoms are connected by sp 2 bonds, and benzene-type carbon rings are connected to form a honeycomb structure.
그래핀을 제조하는 방법으로는 기계적 박리법, 화학기상증착법(CVD), 유기 용매법, 그라파이트(graphite)의 산화-환원법 등의 총 4가지 방법이 알려져 있으며, 이 중에서 그라파이트의 산화-환원법이 대량 생산이 용이하다는 측면에서 가장 선호되고 있다. There are four known methods for producing graphene, such as mechanical exfoliation, chemical vapor deposition (CVD), organic solvent method, and graphite redox-reduction method. It is most preferred in terms of ease of production.
그라파이트의 산화-환원법은 산소를 기반으로 하는 관능기를 유도하여 층간에 파이 전자 밀도를 줄임으로써 반데르발스 인력을 낮추어 층간의 박리를 용이하게 하는 것으로서, 그라파이트를 산화시키는 방법에는 현재까지 휴머스(Hummers) 방법, 스타우덴마이어(Staudenmaier) 방법, 브로디(Brodie) 방법 등이 주로 알려져 있다. The oxidation-reduction method of graphite reduces the van der Waals attraction by reducing the pi electron density between layers by inducing oxygen-based functional groups to facilitate the peeling between layers, and the method of oxidizing graphite has been used to date. ) Method, the Steudenmaier method, the Brodie method and the like are mainly known.
그러나, 상기의 산화 공정은 강산과 강산화제를 조합하여 극한 조건으로 산화시키기 때문에 환원 후에도 본래의 그래핀 구조로 복원되지 않을 뿐 아니라 환원 과정을 거친 후에는 산소가 잔존하기 때문에, 그래핀의 대량 생산에는 용이하지만 고품질의 그래핀을 제조할 수 없다는 단점이 있다.However, since the oxidation process combines a strong acid and a strong oxidizer to oxidize to extreme conditions, not only does not restore the original graphene structure after reduction, but also oxygen remains after the reduction process, so that mass production of graphene is performed. There is a disadvantage in that it is easy but cannot produce high quality graphene.
또한, 일반적으로 그라파이트 층간의 산화에서, 최초로 하이드록시기 및 에폭시기가 만들어지고 산화반응이 지속적으로 진행될수록 에터(ether) 등을 거쳐 최종적으로 카르복실기가 만들어지게 되는데, 이 과정에서 그래핀을 이루는 탄소-탄소 결합이 끊어져 결함(defect)이 발생하고 이는 환원 후에도 완벽하게 복원되지 않는 문제가 있다.In general, in the oxidation of graphite layers, the first hydroxyl group and epoxy group are formed, and as the oxidation reaction proceeds continuously, the carboxyl group is finally formed through ether, etc. Defects occur due to breakage of carbon bonds, which are not fully restored even after reduction.
또한, 일반적으로 그라파이트 옥사이드(graphite oxide)의 제조 후 이를 박리하기 위해서 초음파와 같은 높은 에너지를 이용하게 되는데, 산화반응을 통해 유도된 결함은 초음파와 같은 높은 에너지 하에서 취약 지점(weak point)으로 작용하여, 그래핀이 부서져 단면적이 줄어드는 원인이 된다.Also, in general, high energy such as ultrasonic waves is used to exfoliate graphite oxide after preparation, and defects induced by oxidation reactions act as weak points under high energy such as ultrasonic waves. As a result, the graphene breaks down, which causes the cross-sectional area to decrease.
한편 최근 연구(Spanu, Charkarova-Kack 등)에 따르면, 그라파이트 층간 간격이 5Å 이상으로 될 경우에 그라파이트의 층간 반데르발스 인력이 완전히 소멸된다는 사실이 밝혀진 바 있다.Recent studies (Spanu, Charkarova-Kack et al.) Have shown that the graphite van der Waals attraction completely disappears when the graphite interlayer spacing is more than 5Å.
따라서 본 발명의 목적은, 산화에 의한 결함을 최소화하고 중간 물질인 그라파이트 옥사이드의 박리를 용이하게 하여 대면적 고품위의 그래핀 옥사이드를 제조하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to minimize the defects due to oxidation and to facilitate the exfoliation of graphite oxide, which is an intermediate material, to produce large-scale high-quality graphene oxide.
상기 목적에 따라 본 발명은, 탄소 원자 100개당 5 내지 20개의 산소 원자를 가지며 층간에 알킬암모늄이 삽입 및 결합되어 층간 간격이 팽창된 그라파이트 옥사이드가, 층간 박리되어 형성된 그래핀 옥사이드를 제공한다.In accordance with the above object, the present invention provides a graphene oxide formed by interlayer exfoliation of graphite oxide having 5 to 20 oxygen atoms per 100 carbon atoms and alkylammonium intercalated and bonded between layers to expand the interlayer spacing.
또한 본 발명은, 그라파이트를 산화제 및 알킬암모늄 화합물을 포함하는 용액과 반응시켜, 층간에 알킬암모늄이 삽입 및 결합되어 층간 간격이 팽창된 그라파이트 옥사이드를 얻는 단계; 및 상기 그라파이트 옥사이드를 층간 박리시키는 단계를 포함하는, 그래핀 옥사이드의 제조방법을 제공한다.In another aspect, the present invention comprises the steps of reacting graphite with a solution containing an oxidizing agent and an alkylammonium compound to obtain a graphite oxide having an interlaminar spacing expanded by alkylammonium intercalation and bonding between the layers; And it provides a method for producing graphene oxide, comprising the step of exfoliating the graphite oxide.
또한, 본 발명은 탄소 원자 100개당 5 내지 20개의 산소 원자를 가지며 층간 간격이 10 내지 25 Å인 그라파이트 옥사이드를 제공한다.The present invention also provides a graphite oxide having 5 to 20 oxygen atoms per 100 carbon atoms and having an interlayer spacing of 10 to 25 mm 3.
본 발명에 따른 그래핀 옥사이드 제법에 의하면, 기존의 산화 방법보다 온화한 산화 조건으로 인해 그래핀 본연의 파이 전자 구조의 파괴를 최소화(산화 공정에서 하이드록시기 및 에폭시기의 도입 후 그 이상의 산화 진행을 막음으로써 탄소-탄소 결합 파괴를 방지)할 수 있을 뿐 아니라, 중간 물질인 그라파이트 옥사이드의 층간 거리가 증대됨으로써 낮은 에너지 하에서도 박리가 용이하여, 대면적 고품위의 그래핀 옥사이드를 제조할 수 있다.
According to the graphene oxide manufacturing method according to the present invention, due to the mild oxidation conditions than the conventional oxidation method minimizes the destruction of the graphene native pi electronic structure (prevents further oxidation progress after the introduction of hydroxyl and epoxy groups in the oxidation process In addition, it is possible to prevent carbon-carbon bond breakage), and the interlayer distance of graphite oxide, which is an intermediate material, is increased, so that peeling is easy under low energy, and a large-scale high-quality graphene oxide can be manufactured.
도 1 은 본 발명의 일례에 따라 저산화된 그래핀 옥사이드를 제조하는 공정을 단계별로 나타낸 모식도이다.
도 2 는 본 발명의 일례에 따라 알킬암모늄이 층간 삽입된 그라파이트 옥사이드(A) 및 종래의 휴머스 방법으로 제조된 그라파이트 옥사이드(B)의 XRD 결과를 비교한 것이다.
도 3 은 본 발명의 일례에 따라 제조된 그래핀 옥사이드의 AFM 이미지(a) 및 이를 부분적으로 추가 분석한 결과(b)를 나타낸 것이다.
1 is a schematic diagram illustrating a step-by-step process for producing low-oxidized graphene oxide according to an example of the present invention.
FIG. 2 compares XRD results of graphite oxide (A) having an alkylammonium intercalated in accordance with an example of the present invention and graphite oxide (B) prepared by a conventional human method.
Figure 3 shows an AFM image (a) of the graphene oxide prepared according to an example of the present invention and the results of the partial further analysis (b).
저산화된 그래핀 옥사이드Low Oxidized Graphene Oxide
본 발명의 그래핀 옥사이드는, 탄소 원자 100개당 5 내지 20개의 산소 원자를 가지며 층간에 알킬암모늄이 삽입 및 결합되어 층간 간격이 팽창된 그라파이트 옥사이드가, 층간 박리되어 형성된 것이다. The graphene oxide of the present invention is a graphite oxide having 5 to 20 oxygen atoms per 100 carbon atoms and having an alkylammonium intercalated and bonded between layers to expand the interlayer spacing, and is formed by interlayer peeling.
이 때, 상기 층간 간격이 팽창된 그라파이트 옥사이드는, 층간 간격이 5 내지 30 Å인 것일 수 있고, 예를 들어 10 내지 25 Å, 보다 구체적으로는 15 내지 25 Å로 팽창된 그라파이트 옥사이드일 수 있다.In this case, the graphite oxide having the interlayer spacing expanded may be 5 to 30 GPa, and may be, for example, 10 to 25 GPa, more specifically 15 to 25 GPa.
본 발명의 그래핀 옥사이드는 10㎛2 이상의 면적을 가질 수 있으며, 예를 들어 10㎛2 내지 100㎛2 의 면적을 가질 수 있다.The graphene oxide of the present invention may have an area of 10 μm 2 or more, for example, may have an area of 10 μm 2 to 100 μm 2 .
또한 상기 알킬암모늄은 1개 내지 4개의 알킬기를 가질 수 있으며, 이들 알킬기 중 적어도 하나가 2.5Å 이상의 길이의 선형 주사슬을 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 알킬암모늄은 3,6-디아미노-10-메틸아크리딘-10-이늄, 메틸-트리알킬암모늄, 알킬디메틸벤질암모늄, 벤질-알킬-디메틸암모늄, 벤질-알킬-비스(2-하이드록시에틸)암모늄, 벤질-트리알킬암모늄, 2-부탄노일옥시에틸-트리메틸-아자니윰, (1-에톡시-1-옥소알칸-2-일)-트리케틸아자니윰, 알킬-트리메틸-암모늄, 디알킬-디메틸암모늄, N,N-디메틸-N-알킬-암모늄, 초린 포스페이트, 테트라알킬암모늄, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 이들의 알킬기는 탄소수가 5개 이상일 수 있고, 예를 들어 5개 내지 15개일 수 있다.In addition, the alkylammonium may have 1 to 4 alkyl groups, and at least one of these alkyl groups may have a linear main chain having a length of 2.5 Å or more. More specifically, the alkylammonium is 3,6-diamino-10-methylacridin-10-inium, methyl-trialkylammonium, alkyldimethylbenzylammonium, benzyl-alkyl-dimethylammonium, benzyl-alkyl-bis ( 2-hydroxyethyl) ammonium, benzyl-trialkylammonium, 2-butannoyloxyethyl-trimethyl-azanibine, (1-ethoxy-1-oxoalkan-2-yl) -triketylazanibane, alkyl-trimethyl -Ammonium, dialkyl-dimethylammonium, N, N-dimethyl-N-alkyl-ammonium, choline phosphate, tetraalkylammonium, and mixtures thereof. These alkyl groups may have 5 or more carbon atoms, for example, 5 to 15 carbon atoms.
도 3은 본 발명의 일례에 따라 제조된 그래핀 옥사이드의 AFM 이미지(a) 및 이를 부분적으로 추가 분석한 결과(b)를 나타낸 것으로서, 이를 볼 때 기존의 산화-환원법에 의해 제조된 그 어떤 그래핀 옥사이드에 비해 균일한 단일층의 그래핀 옥사이드가 제조되었음을 알 수 있다.Figure 3 shows an AFM image (a) of the graphene oxide prepared in accordance with an example of the present invention and the results of the partial analysis further (b), which shows that any graph produced by the conventional redox method It can be seen that a uniform single layer of graphene oxide was prepared compared to fin oxide.
본 발명의 저산화된 그래핀 옥사이드는 탄소 원자 100개당 1 내지 50개의 산소 원자를 가질 수 있고, 보다 구체적으로는 탄소 원자 100개당 5 내지 20개의 산소 원자를 가질 수 있다.The low oxidized graphene oxide of the present invention may have from 1 to 50 oxygen atoms per 100 carbon atoms, more specifically from 5 to 20 oxygen atoms per 100 carbon atoms.
본 발명의 저산화된 그래핀 옥사이드는 환원 후에도 높은 C/O 비와 대면적을 가짐으로써, 방열소재, 전자파 차폐 소재, 대전 방지 소재, 슈퍼 커패시터 전극 소재로서 활용할 수 있을 뿐 아니라, 기존의 그래핀 옥사이드로는 불가능했던 투명 전극 소재 분야에의 활용도 가능하다.
The low oxidized graphene oxide of the present invention has a high C / O ratio and a large area even after reduction, and can be utilized as a heat dissipating material, an electromagnetic shielding material, an antistatic material, and a super capacitor electrode material, as well as conventional graphene. It can also be used in the field of transparent electrode materials that were not possible with oxides.
제조 방법Manufacturing method
본 발명의 그래핀 옥사이드는 (a) 그라파이트를 산화제 및 알킬암모늄 화합물을 포함하는 용액과 반응시켜 층간에 알킬암모늄이 삽입 및 결합되어 층간 간격이 팽창된 그라파이트 옥사이드를 얻는 단계; 및 (b) 상기 그라파이트 옥사이드를 층간 박리시키는 단계를 포함하여 제조될 수 있다.
Graphene oxide of the present invention comprises the steps of (a) reacting graphite with a solution containing an oxidizing agent and an alkylammonium compound to obtain a graphite oxide having an interlaminar spacing expanded by alkylammonium intercalation and bonding between the layers; And (b) delaminating the graphite oxide.
본 발명에 따른 그래핀 옥사이드를 제조하기 위한 반응 기전의 일례를 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다:An example of a reaction mechanism for preparing graphene oxide according to the present invention will be described with reference to FIG. 1 as follows:
(R1) 그라파이트(층간 약 0.34nm)에 산화제(KMnO4, H2SO4 등)를 첨가.(R1) An oxidizing agent (KMnO 4 , H 2 SO 4, etc.) was added to graphite (about 0.34 nm between layers).
(R2) 그라파이트의 층간에 산화제 음이온(MnO4 - 등)이 도입.(R2) oxidant anion (MnO 4 − ) between the layers of graphite Etc.)
(R3) 그라파이트 층간의 탄소 원자에 산화제 음이온(MnO4 - 등)이 반응.(R3) Oxidizer anions (MnO 4 - at carbon atoms between graphite layers) Etc.)
(R4) 그라파이트 층간의 탄소가 산화제 음이온(MnO4 -)의 산소 원자와 결합.(R4) Carbon between graphite layers bonds to oxygen atoms of oxidant anions (MnO 4 − ).
(R5) 그라파이트 층간의 탄소 원자에 OH 기가 치환됨.(R5) OH group is substituted on the carbon atom between the graphite layers.
(R6) 탄소 원자에 치환된 OH 기에 알킬암모늄 이온이 반응.(R6) Alkyl ammonium ion reacts with OH group substituted by a carbon atom.
(R7) OH 기의 산소 원자와 알킬암모늄 이온의 질소 원자가 정전기적 인력에 의해 결합하여 그라파이트 옥사이드의 층간 간격이 팽창됨.(R7) Oxygen atoms of OH groups and nitrogen atoms of alkylammonium ions are bonded by electrostatic attraction to expand the interlayer spacing of graphite oxide.
(R8) 층간 간격이 팽창된 그라파이트 옥사이드를 층간 박리하여 그래핀 옥사이드를 얻음.
(R8) Graphene oxide was obtained by delamination of graphite oxide having expanded interlayer spacing.
본 발명의 방법에 따르면, 산화 반응이 기존보다 온화한 조건으로 실시되어 그래핀 본연의 파이 전자 구조의 파괴를 최소화할 수 있고, 산화 반응을 통해 하이드록시기 및 에폭시기가 도입된 후 알킬암모늄이 정전기적 인력 또는 화학적 결합에 의해 하이드록시기 및 에폭시기에 결합되어 하이드록시기 및 에폭시기의 에터로의 산화 반응의 진행을 막음으로써 그라파이트 내 그래핀의 탄소-탄소 결합 파괴를 방지할 수 있을 뿐 아니라, 그라파이트 층간에 삽입된 알킬암모늄에 의해 그라파이트 층간의 거리가 크게 벌어짐으로써 낮은 에너지 하에서도 박리를 용이하게 하거나 또는 반응 중 박리를 유도하여, 대면적 고품위의 그래핀 옥사이드를 용이하게 제조할 수 있다.
According to the method of the present invention, the oxidation reaction is carried out in a milder condition than before, thereby minimizing the destruction of graphene's native pi electronic structure, and after the hydroxyl group and the epoxy group are introduced through the oxidation reaction, the alkylammonium is electrostatically charged. By binding to hydroxy and epoxy groups by attraction or chemical bonding to prevent the oxidation of hydroxy and epoxy groups to ether, it is possible to prevent the breakdown of carbon-carbon bonds of graphene in graphite, Since the distance between the graphite layers is greatly increased by the alkylammonium intercalated therein, the peeling is facilitated even under low energy, or the peeling is induced during the reaction, so that a large-area high-quality graphene oxide can be easily produced.
이하, 그래핀 옥사이드의 제조 방법을 단계별로 보다 구체적으로 설명한다.
Hereinafter, the method for producing graphene oxide will be described in more detail step by step.
그라파이트의 준비Preparation of Graphite
출발 원료로 사용되는 그라파이트는 천연 그라파이트(natural graphite), 키쉬 그라파이트(kish graphite), 인조 그라파이트(synthetic graphite), 팽창 그라파이트(expandable graphite 또는 expanded graphite), 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
Graphite used as a starting material may be used natural graphite, kish graphite (synthetic graphite), expandable graphite (expandable graphite or expanded graphite), or a mixture thereof.
산화제 및 알킬암모늄 화합물을 포함하는 용액의 제조Preparation of Solution Containing Oxidizer and Alkyl Ammonium Compound
본 발명에 사용되는 산화제는 특별히 한정되지는 않으나, 예를 들어 퍼망가네이트, 클로레이트, 페록사이드 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 성분을 포함할 수 있다. 특히 이들 중 퍼망가네이트, 클로레이트 또는 이들이 조합된 성분을 포함하는 것이 바람직하다.The oxidizing agent used in the present invention is not particularly limited, but may include, for example, a component selected from the group consisting of permanganate, chlorate, peroxide and combinations thereof. Among these, it is preferable to include permanganate, chlorate, or a combination thereof.
상기 산화제의 보다 구체적인 예시로는 포타슘 퍼망가네이트, 칼슘 퍼망가네이트, 암모늄 퍼망가네이트, 소듐 퍼망가네이트, 포타슘 클로레이트, 소듐 클로레이트, 암모늄 클로레이트, 망가니즈 헵톡사이드 및 이들의 혼합물을 들 수 있다. 특히 이들 중 포타슘 퍼망가네이트, 포타슘 클로레이트, 소듐 클로레이트 또는 이들의 혼합물을 사용하는 것이 바람직하다.
More specific examples of the oxidizing agent include potassium permanganate, calcium permanganate, ammonium permanganate, sodium permanganate, potassium chlorate, sodium chlorate, ammonium chlorate, manganese heptoxide and mixtures thereof. Can be. Of these, preference is given to using potassium permanganate, potassium chlorate, sodium chlorate or mixtures thereof.
본 발명에서 층간 삽입제(intercalant)로서 사용되는 알킬암모늄 화합물은 1개 내지 4개의 알킬기를 가질 수 있다.The alkylammonium compound used as the intercalant in the present invention may have 1 to 4 alkyl groups.
또한, 상기 알킬암모늄 화합물의 알킬기 중 적어도 하나는 2.5Å 이상의 길이의 선형 주사슬을 가질 수 있고, 예를 들어 상기 길이가 2.5 내지 20 Å 일 수 있으며, 보다 구체적으로는 6 내지 20 Å 일 수 있다.In addition, at least one of the alkyl groups of the alkylammonium compound may have a linear main chain having a length of 2.5 Å or more, for example, the length may be 2.5 to 20 Å, and more specifically 6 to 20 Å. .
또한, 상기 알킬암모늄 화합물은 알킬기 중 적어도 하나는 선형 주사슬의 탄소수가 5개 이상일 수 있고, 예를 들어 5개 내지 15개일 수 있다.In addition, the alkylammonium compound may have at least one alkyl group having 5 or more carbon atoms in the linear main chain, for example, 5 to 15 carbon atoms.
상기 알킬암모늄 화합물의 예시로서, 3,6-디아미노-10-메틸아크리딘-10-이늄 화합물, 메틸-트리알킬암모늄 화합물, 알킬디메틸벤질암모늄 화합물, 벤질-알킬-디메틸암모늄 화합물, 벤질-알킬-비스(2-하이드록시에틸)암모늄 화합물, 벤질-트리알킬암모늄 화합물, 2-부탄노일옥시에틸-트리메틸-아자니윰 화합물, (1-에톡시-1-옥소알칸-2-일)-트리케틸아자니윰 화합물, 알킬-트리메틸-암모늄 화합물, 디알킬-디메틸암모늄 화합물, N,N-디메틸-N-알킬-암모늄 화합물, 초린 포스페이트 화합물, 테트라알킬암모늄 화합물, 및 이들의 혼합물이 가능하다. 이들 예시 화합물의 알킬기는 탄소수가 5개 이상일 수 있고, 예를 들어 5개 내지 15개일 수 있다.Examples of the alkylammonium compound include 3,6-diamino-10-methylacridin-10-inium compound, methyl-trialkylammonium compound, alkyldimethylbenzylammonium compound, benzyl-alkyl-dimethylammonium compound, benzyl- Alkyl-bis (2-hydroxyethyl) ammonium compound, benzyl-trialkylammonium compound, 2-butannoyloxyethyl-trimethyl-azanicin compound, (1-ethoxy-1-oxoalkan-2-yl) -tri Ketylazanibine compounds, alkyl-trimethyl-ammonium compounds, dialkyl-dimethylammonium compounds, N, N-dimethyl-N-alkyl-ammonium compounds, choline phosphate compounds, tetraalkylammonium compounds, and mixtures thereof are possible. The alkyl group of these exemplary compounds may have 5 or more carbon atoms, for example, 5 to 15 carbon atoms.
상기 알킬암모늄 화합물이 4차 알킬암모늄 화합물일 경우의 구체적인 예시로서, N,N,N-트리스데실-1-데칸암모늄브로마이드 클로라이드; N,N-디도데실-N-메틸-1-도데칸암모늄 클로라이드; N,N,N-트리헥사데실-1-헥사데칸암모늄 클로라이드; N-메틸-N,N-디옥타데실-1-옥타데칸암모늄 클로라이드; N-벤질-N,N-디메틸-1-데칸암모늄 클로라이드; N-벤질-N,N-디메틸-1-테트라데칸암모늄 클로라이드; N-벤질-N,N-디메틸-1-테트라데칸암모늄 클로라이드 디하이드레이트; N-벤질-N,N-디메틸-1-도데칸암모늄 브로마이드; N-벤질-N,N-디메틸-1-헥사데칸암모늄 브로마이드; N-벤질-N,N-디메틸-1-옥타데칸암모늄 클로라이드; 벤질디메틸헥사데실암모늄 디크로메이트; N-벤질-1-메톡시-N,N-디메틸-1-옥소-2-도데칸암모늄 클로라이드; N-벤질-1-에톡시-N,N-디메틸-1-옥소-2-도데칸암모늄 클로라이드; N-벤질-1-(헥실옥시)-N,N-디메틸-1-옥소-2-도데칸암모늄 클로라이드; N-벤질-N,N-디메틸-1-(옥틸옥시)-1-옥소-2-도데칸암모늄 클로라이드; N-벤질-N,N-디메틸-2-{2-[4-(2,4,4-트리메틸펜탄-2-일)페녹시]에톡시}에탄암모늄 클로라이드; 벤질-도데실-디메틸암모늄 브로마이드; N-벤질-N,N-비스(2-하이드록시에틸)도데칸-1-암모늄 클로라이드; N-벤질-N,N-디메틸-2-페녹시에탄암모늄 3-하이드록시나프탈렌-2-카복실레이트; 2-(카바모일옥시)-N,N,N-트리메틸프로판-1-암모늄; 2-(카바모일옥시)-N,N,N-트리메틸프로판-1-암모늄; (1-에톡시-1-옥소헥사데칸-2-일)-트리메틸아자늄 브로마이드; 헥사데실-트리메틸-암모늄 클로라이드; 헥사데실-트리메틸-암모늄 브로마이드; 1-헥사데실피리디늄 클로라이드; 4-(4-클로로페닐)부틸-디에틸-헵틸암모늄; {[3-(도데카노일아미노)프로필](디메틸)암모니오}아세테이트; 코카미도프로필 하이드록시설테인; 컴플레이닌(Complanine); 1,1'-데칸-1,10-디일비스(4-아미노-2-메틸퀴놀리늄)데실]-2-메틸-4-퀴놀린-1-윰아민 디클로라이드; 디데실-디메틸암모늄 클로라이드; N,N-디메틸-N-옥타데실옥타데칸-1-암모늄 클로라이드; N,N-디메틸-N-(2-페녹시에틸)도데칸-1-암모늄 브로마이드; 10-메틸-9-(10-메틸아크리딘-10-윰-9-일)아크리딘-10-윰 디나이트레이트; 1,1'-[옥시비스(메틸렌)]비스{4-[(E)-(하이드록시이미노)메틸]피리디늄}; 2-(3-카복시-1-옥소-프로폭시)에틸-트리메틸-암모늄; 2,2'-[(1,4-디옥소부탄-1,4-디일)비스(옥시)]비스(N,N,N-트리메틸에탄암모늄); 테트라-n-부틸암모늄 브로마이드; 테트라-n-부틸암모늄 플루오라이드; 테트라-n-부틸암모늄 하이드록사이드; 테트라-n-부틸암모늄 트리브로마이드; 테트라옥틸암모늄 브로마이드; 테트라프로필암모늄 퍼루테네이트; N-{2-[(4-메톡시벤질)(피리미딘-2-일)아미노]에틸}-N,N-디메틸헥사데칸-1-암모늄 브로마이드; 폴리[비스(2-클로로에틸) 에테르-alt-1,3-비스[3-(디메틸아미노)프로필]우레아]; 하이드록시에틸 셀룰로오스 디메틸 디알릴암모늄 클로라이드 코폴리머; 디알릴디메틸암모늄 클로라이드-하이드록시에틸 셀룰로오스 코폴리머; 아크릴아마이드 및 4차 디메틸암모늄에틸 메타크릴레이트의 코폴리머; 폴리(디알릴디메틸암모늄 클로라이드); 4차 하이드록시에틸 셀룰로오스; 비닐피롤리딘 및 4차 디메틸아미노에틸 메타크릴레이트의 코폴리머; 아크릴아마이드-디메틸아미노에틸 메타크릴레이트 메틸 클로라이드 코폴리머; 아크릴아마이드-디메틸아미노에틸 메타크릴레이트 메틸 클로라이드 코폴리머; 아크릴산 및 디알릴디메틸암모늄 클로라이드의 코폴리머; 비닐피롤리딘 및 메타크릴아미도프로필 트리메틸암모늄의 코폴리머; 폴리(아크릴아마이드 2-메타크릴옥시에틸트리메틸 암모늄 클로라이드); 폴리(2-메타크릴옥시에틸트리메틸암모늄 클로라이드); 아크릴산, 아크릴아마이드 및 디알릴디메틸암모늄 클로라이드의 터폴리머; 폴리[옥시에틸렌(디메틸이미노)에틸렌 (디메틸이미노)에틸렌 디클로라이드]; 비닐카프로락탐, 비닐피롤리딘 및 4차 비닐이미다졸의 터폴리머; 아크릴산, 메타크릴아미도프로필 트리메틸 암모늄 클로라이드 및 메틸 아크릴레이트의 터폴리머; 및 이들의 혼합물을 예로 들 수 있다.
Specific examples of when the alkylammonium compound is a quaternary alkylammonium compound include N, N, N-trisdecyl-1-decaneammonium bromide chloride; N, N-didodecyl-N-methyl-1-dodecaneammonium chloride; N, N, N-trihexadecyl-1-hexadecaneammonium chloride; N-methyl-N, N-dioctadecyl-1-octadecaneammonium chloride; N-benzyl-N, N-dimethyl-1-decanammonium chloride; N-benzyl-N, N-dimethyl-1-tetradecaneammonium chloride; N-benzyl-N, N-dimethyl-1-tetradecaneammonium chloride dihydrate; N-benzyl-N, N-dimethyl-1-dodecaneammonium bromide; N-benzyl-N, N-dimethyl-1-hexadecaneammonium bromide; N-benzyl-N, N-dimethyl-1-octadecaneammonium chloride; Benzyldimethylhexadecylammonium dichromate; N-benzyl-1-methoxy-N, N-dimethyl-1-oxo-2-dodecaneammonium chloride; N-benzyl-1-ethoxy-N, N-dimethyl-1-oxo-2-dodecaneammonium chloride; N-benzyl-1- (hexyloxy) -N, N-dimethyl-1-oxo-2-dodecaneammonium chloride; N-benzyl-N, N-dimethyl-1- (octyloxy) -1-oxo-2-dodecaneammonium chloride; N-benzyl-N, N-dimethyl-2- {2- [4- (2,4,4-trimethylpentan-2-yl) phenoxy] ethoxy} ethaneammonium chloride; Benzyl-dodecyl-dimethylammonium bromide; N-benzyl-N, N-bis (2-hydroxyethyl) dodecane-1-ammonium chloride; N-benzyl-N, N-dimethyl-2-phenoxyethaneammonium 3-hydroxynaphthalene-2-carboxylate; 2- (carbamoyloxy) -N, N, N-trimethylpropane-1-ammonium; 2- (carbamoyloxy) -N, N, N-trimethylpropane-1-ammonium; (1-ethoxy-1-oxohexadecan-2-yl) -trimethylazanium bromide; Hexadecyl-trimethyl-ammonium chloride; Hexadecyl-trimethyl-ammonium bromide; 1-hexadecylpyridinium chloride; 4- (4-chlorophenyl) butyl-diethyl-heptylammonium; {[3- (dodecanoylamino) propyl] (dimethyl) ammonio} acetate; Cocamidopropyl hydroxide; Complanine; 1,1'-decane-1,10-diylbis (4-amino-2-methylquinolinium) decyl] -2-methyl-4-quinolin-1- 윰 amine dichloride; Didecyl-dimethylammonium chloride; N, N-dimethyl-N-octadecyloctadecane-1-ammonium chloride; N, N-dimethyl-N- (2-phenoxyethyl) dodecane-1-ammonium bromide; 10-methyl-9- (10-methylacridin-10-VII-9-yl) acridin-10-VII dinitrate; 1,1 '-[oxybis (methylene)] bis {4-[(E)-(hydroxyimino) methyl] pyridinium}; 2- (3-carboxy-1-oxo-propoxy) ethyl-trimethyl-ammonium; 2,2 '-[(1,4-dioxobutane-1,4-diyl) bis (oxy)] bis (N, N, N-trimethylethaneammonium); Tetra-n-butylammonium bromide; Tetra-n-butylammonium fluoride; Tetra-n-butylammonium hydroxide; Tetra-n-butylammonium tribromide; Tetraoctylammonium bromide; Tetrapropylammonium perruthenate; N- {2-[(4-methoxybenzyl) (pyrimidin-2-yl) amino] ethyl} -N, N-dimethylhexadecane-1-ammonium bromide; Poly [bis (2-chloroethyl) ether-alt-1,3-bis [3- (dimethylamino) propyl] urea]; Hydroxyethyl cellulose dimethyl diallylammonium chloride copolymer; Diallyldimethylammonium chloride-hydroxyethyl cellulose copolymer; Copolymers of acrylamide and quaternary dimethylammoniumethyl methacrylate; Poly (diallyldimethylammonium chloride); Quaternary hydroxyethyl cellulose; Copolymers of vinylpyrrolidine and quaternary dimethylaminoethyl methacrylate; Acrylamide-dimethylaminoethyl methacrylate methyl chloride copolymer; Acrylamide-dimethylaminoethyl methacrylate methyl chloride copolymer; Copolymers of acrylic acid and diallyldimethylammonium chloride; Copolymers of vinylpyrrolidine and methacrylamidopropyl trimethylammonium; Poly (acrylamide 2-methacryloxyethyltrimethyl ammonium chloride); Poly (2-methacryloxyethyltrimethylammonium chloride); Terpolymers of acrylic acid, acrylamide and diallyldimethylammonium chloride; Poly [oxyethylene (dimethylimino) ethylene (dimethylimino) ethylene dichloride]; Terpolymers of vinylcaprolactam, vinylpyrrolidine and quaternary vinylimidazoles; Terpolymers of acrylic acid, methacrylamidopropyl trimethyl ammonium chloride and methyl acrylate; And mixtures thereof.
추후 그라파이트와 알킬암모늄 화합물과의 반응은 산 존재하에서 수행되는 것이 바람직하므로, 상기 산화제 및 알킬암모늄 화합물 함유 용액은 황산, 질산, 인산, 카르복실산 등을 포함할 수 있다. 이들 산으로서, 종래와 비교하여 보다 낮은 농도의 산 용액을 사용할 수 있으며, 예를 들어 황산을 사용할 경우 종래의 휴머스 방법에서 95% 내지 98% 농도의 황산 용액을 사용하는 것과 달리 70% 내지 85% 농도의 황산 용액에서도 가능하다.
Since the reaction between the graphite and the alkylammonium compound is preferably performed in the presence of an acid, the oxidizing agent and the alkylammonium compound-containing solution may include sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, carboxylic acid, and the like. As these acids, lower concentrations of acid solutions can be used as compared to the prior art, for example, when sulfuric acid is used, 70% to 85% of sulfuric acid solutions of 95% to 98% concentration are used in the conventional human method. This is also possible in sulfuric acid solutions in% concentration.
층간에 알킬암모늄이 삽입 및 결합되어 팽창된 그라파이트 옥사이드의 제조Preparation of Expanded Graphite Oxide by Inserting and Bonding Alkyl Ammonium Between Layers
본 단계는 앞서 준비된 용액을 그라파이트와 혼합하여 반응시키는 단계이다. 이와 같이 본 발명에서는, 그라파이트를 산화시켜 그라파이트 옥사이드를 제조하고 추출/세척한 뒤 이를 층간 삽입제와 반응시키는 여러 단계의 공정을 거치지 않고, 단지 한 차례의 혼합 반응 공정만을 실시하면 되므로 시간 및 비용면에서 효율적이다. 혼합 반응 시간은 특별히 한정되지 않으나 예를 들어 6시간 이상일 수 있고, 또는 6 내지 24 시간일 수 있다.This step is a step of reacting the previously prepared solution by mixing with graphite. As described above, in the present invention, only one mixing reaction process is required without oxidizing graphite to prepare graphite oxide, extracting / cleaning, and reacting it with an intercalating agent, and thus, time and cost are required. Efficient at The mixing reaction time is not particularly limited, but may be, for example, 6 hours or more, or 6 to 24 hours.
본 단계에서 그라파이트와 반응되는 산화제는 매우 적은 양으로도 가능하다. 보다 구체적으로, 상기 산화제는 그라파이트 1g 당 18.9 mmol 이하의 양으로 반응하도록 조절할 수 있다. 또한, 상기 산화제는 그라파이트 1g 당 0.6 내지 18.9 mmol 의 양으로 반응될 수 있고, 보다 구체적으로는 3.15 내지 9.5 mmol 의 양으로 반응될 수 있다. The oxidant reacted with graphite in this step is possible in very small amounts. More specifically, the oxidant may be adjusted to react in an amount of 18.9 mmol or less per 1 g of graphite. In addition, the oxidizing agent may be reacted in an amount of 0.6 to 18.9 mmol per 1 g of graphite, and more specifically, in an amount of 3.15 to 9.5 mmol.
아울러, 상기 알킬암모늄 화합물은 그라파이트 1g 당 0.028 내지 8.28 mmol 의 양으로 반응될 수 있고, 보다 구체적으로 0.28 내지 2.8 mmol 의 양으로 반응될 수 있다.
In addition, the alkylammonium compound may be reacted in an amount of 0.028 to 8.28 mmol per gram of graphite, more specifically 0.28 to 2.8 mmol Can be reacted in an amount of.
본 단계에서의 반응 기전을 요약하면, 그라파이트 층간에 하이드록시기 및 에폭시기가 도입되고 이어 상기 하이드록시기 및 에폭시기에 알킬암모늄이 정전기적 인력 또는 화학적 결합에 의해 결합됨으로써 상기 알킬암모늄에 의해 층간 간격이 팽창되는 것으로 요약할 수 있다. 이와 같이 하이드록시 및 에폭시기에 알킬암모늄이 결합되어 하이드록시기 및 에폭시기 생성 이후 다음 단계인 카르보닐기나 카르복실기과 같은 관능기로의 산화 반응 진행이 억제될 수 있다. 그 결과 알킬암모늄은 하이드록시기 및 에폭시기의 생성 이후 더 이상의 산화 반응이 진행되지 않도록 기능할 뿐 아니라, 하이드록시기 및 에폭시기와 정전기적 인력 또는 화학적 결합으로 결합하여 반데르발스 인력에 의해 결합된 그라파이트 층간을 팽창시켜 낮은 에너지 하에서도 박리를 용이하게 할 수 있다.
Summarizing the reaction mechanism in this step, the hydroxy group and the epoxy group are introduced between the graphite layers, and then the alkylammonium is bonded by the electrostatic attraction or chemical bond to the hydroxy group and the epoxy group, so that the interlayer spacing is It can be summarized as expanding. As such, alkylammonium is bonded to the hydroxy and epoxy groups to inhibit the progress of the oxidation reaction to functional groups such as carbonyl and carboxyl groups, which are the next step after the formation of the hydroxyl and epoxy groups. As a result, the alkylammonium not only functions to prevent further oxidation after the formation of the hydroxyl group and the epoxy group, but also binds the hydroxyl group and the epoxy group by an electrostatic attraction or chemical bond and is bonded by van der Waals attraction. The interlayers can be expanded to facilitate exfoliation even under low energy.
알킬암모늄에 의해 층간 간격이 팽창된 그라파이트 옥사이드는 5 내지 30 Å의 층간 간격을 가질 수 있고, 예를 들어 10 내지 25 Å, 보다 구체적으로는 15 내지 25 Å의 팽창된 층간 간격을 가질 수 있다.Graphite oxides in which the interlayer spacing is expanded by alkylammonium may have an interlayer spacing of 5 to 30 GPa, for example 10 to 25 GPa, more specifically 15 to 25 GPa.
도 2 는 본 발명에 따라 알킬암모늄을 이용하여 제조된 그라파이트 옥사이드의 XRD 패턴(A)과, 일반적인 그라파이트 옥사이드의 제조법인 휴머스 방법으로 제조된 그라파이트 옥사이드의 XRD 패턴(B)을 비교한 것으로서, 이를 보면 알킬암모늄을 이용하여 제조된 그라파이트 옥사이드의 (002) 피크는 2θ가 약 4.2°에서 나타나며 이는 층간 간격 18.79Å에 해당하고, 휴머스 방법으로 제조된 그라파이트 옥사이드의 (002) 피크는 2θ가 약 11.2°에서 나타나며 이는 층간 간격 9.9Å에 해당한다.
2 XRD pattern (A) of graphite oxide prepared using alkylammonium according to the present invention and XRD pattern (B) of graphite oxide prepared by a human method, which is a general method of preparing graphite oxide, which is alkyl The (002) peak of graphite oxide prepared using ammonium exhibits 2θ at about 4.2 °, which corresponds to an interlayer spacing of 18.79Å, and the (002) peak of graphite oxide prepared by the human method at about 11.2 °. This corresponds to an interlaminar spacing of 9.9 ms.
이와 같이 생성된, 층간에 알킬암모늄이 결합되어 층간 간격이 팽창된 그라파이트 옥사이드는 탄소 원자 100개당 1 내지 50개의 산소 원자를 가질 수 있고, 보다 구체적으로는 탄소 원자 100개당 5 내지 20개의 산소 원자를 가질 수 있다.
The graphite oxide thus produced, in which the alkylammonium is bonded between layers to expand the interlayer space, may have 1 to 50 oxygen atoms per 100 carbon atoms, and more specifically 5 to 20 oxygen atoms per 100 carbon atoms. Can have
층간 박리를 통한 그래핀 옥사이드의 제조Preparation of Graphene Oxide by Delamination
이전의 단계를 통해 수득된 그라파이트 옥사이드는 층간 간격이 크기 때문에 낮은 에너지(예를 들면 전단 응력) 하에서도 박리가 용이하다. 또한, 층간 간격이 크기 때문에 앞서의 반응 도중에 박리가 유도될 수도 있다.The graphite oxide obtained through the previous step is easy to peel even under low energy (eg shear stress) because of the large interlayer spacing. In addition, peeling may be induced during the previous reaction because of the large interlayer spacing.
이와 같은 층간 박리는 호모게나이저, 쿠에트테일러 반응기, 고압 균질기, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 장치를 이용하여 수행될 수 있다.Such delamination can be carried out using an apparatus selected from the group consisting of homogenizers, Kuet Taylor reactors, high pressure homogenizers, and combinations thereof.
이상의 박리 단계 이후에, 그래핀 옥사이드의 세척 및 분리 단계를 추가로 수행할 수 있다. 상기 세척 및 분리는 필터프레스, 원심분리기, 데칸트, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 장치를 이용하여 수행될 수 있다.
After the above peeling step, the washing and separating step of the graphene oxide may be further performed. The washing and separating may be performed using an apparatus selected from the group consisting of filter presses, centrifuges, decants, and combinations thereof.
또한 그래핀 옥사이드의 세척 및 분리 단계 이후에, 필요에 따라 층간에 결합된 알킬암모늄을 제거하는 공정을 거칠 수 있으며, 예를 들어 환원 공정을 거칠 경우 산소를 기반으로 한 관능기가 제거되면서 층간에 결합된 알킬암모늄이 제거될 수 있다.
In addition, after washing and separating the graphene oxide, if necessary, the step of removing the alkylammonium bonded between the layers may be carried out. For example, when the reduction process is carried out, oxygen-based functional groups are removed and bound between the layers. Alkylammonium can be removed.
이상 본 발명을 구체적인 예를 들어 설명하였으나 이는 예시에 지나지 아니하며, 본 발명은 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 다양한 변형 및 균등한 기타의 실시예를 이하에 첨부한 청구범위 내에서 수행할 수 있다는 사실을 이해하여야 한다.The present invention has been described above by way of specific examples, which are only examples, and the present invention has various modifications and other equivalent embodiments apparent to those skilled in the art, and the following claims are attached to the present invention. It should be understood that it can be done within.
Claims (11)
Graphite oxide having 5 to 20 oxygen atoms per 100 carbon atoms and a graphite oxide having an intercalation of alkylammonium intercalated and bonded between layers to form an interlayer exfoliation.
상기 그라파이트 옥사이드의 팽창된 층간 간격이 10 내지 25 Å인 것을 특징으로 하는, 그래핀 옥사이드.
The method according to claim 1,
Graphene oxide, characterized in that the expanded interlayer spacing of the graphite oxide is 10 to 25 mm 3.
상기 그래핀 옥사이드가 10㎛2 내지 100㎛2 의 면적을 갖는 것을 특징으로 하는, 그래핀 옥사이드.
3. The method according to claim 1 or 2,
Graphene oxide, characterized in that having an area of 10 ㎛ 2 to 100㎛ 2 , graphene oxide.
상기 알킬암모늄이 1개 내지 4개의 알킬기를 가지며, 이들 알킬기 중 적어도 하나가 2.5Å 이상의 길이의 선형 주사슬을 갖는 것을 특징으로 하는, 그래핀 옥사이드.
The method according to claim 1,
Graphene oxide, characterized in that the alkylammonium has 1 to 4 alkyl groups, at least one of these alkyl groups has a linear main chain length of 2.5 Å or more.
상기 알킬암모늄이 3,6-디아미노-10-메틸아크리딘-10-이늄, 메틸-트리알킬암모늄, 알킬디메틸벤질암모늄, 벤질-알킬-디메틸암모늄, 벤질-알킬-비스(2-하이드록시에틸)암모늄, 벤질-트리알킬암모늄, 2-부탄노일옥시에틸-트리메틸-아자니윰, (1-에톡시-1-옥소알칸-2-일)-트리케틸아자니윰, 알킬-트리메틸-암모늄, 디알킬-디메틸암모늄, N,N-디메틸-N-알킬-암모늄, 테트라알킬암모늄, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 그래핀 옥사이드.
The method according to claim 1 or 4,
The alkylammonium is 3,6-diamino-10-methylacridin-10-inium, methyl-trialkylammonium, alkyldimethylbenzylammonium, benzyl-alkyl-dimethylammonium, benzyl-alkyl-bis (2-hydroxy Ethyl) ammonium, benzyl-trialkylammonium, 2-butannoyloxyethyl-trimethyl-azanidyl, (1-ethoxy-1-oxoalkan-2-yl) -triketylazanidyl, alkyl-trimethyl-ammonium, di Alkyl-dimethylammonium, N, N-dimethyl-N-alkyl-ammonium, Graphene oxide, characterized in that it is selected from the group consisting of tetraalkylammonium, and mixtures thereof.
(b) 상기 그라파이트 옥사이드를 층간 박리시키는 단계를 포함하는, 그래핀 옥사이드(graphene oxide)의 제조방법.
(a) reacting the graphite with a solution comprising an oxidizing agent and an alkylammonium compound to obtain an graphite ammonium having an interlayer spacing expanded by alkylammonium intercalation and bonding between the layers; And
(b) comprising the step of exfoliating the graphite oxide, a method for producing graphene oxide (graphene oxide).
상기 산화제가 포타슘 퍼망가네이트, 포타슘 클로레이트, 소듐 클로레이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는, 그래핀 옥사이드의 제조방법.
The method according to claim 6,
The method of producing a graphene oxide, characterized in that the oxidant comprises a component selected from the group consisting of potassium permanganate, potassium chlorate, sodium chlorate and mixtures thereof.
상기 층간 간격이 팽창된 그라파이트 옥사이드가
10 내지 25 Å의 층간 간격을 갖고
탄소 원자 100개당 5 내지 20개의 산소 원자를 갖는 것을 특징으로 하는, 그래핀 옥사이드의 제조방법.
8. The method according to claim 6 or 7,
The interlayer gap is expanded graphite oxide
With an interlayer spacing of 10 to 25 mm 3
A method for producing graphene oxide, characterized in that it has 5 to 20 oxygen atoms per 100 carbon atoms.
상기 단계 (a)의 용액이, 70% 내지 85% 농도의 황산 용액을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 그래핀 옥사이드의 제조방법.
The method according to claim 6,
The solution of step (a), characterized in that it further comprises a sulfuric acid solution of 70% to 85% concentration, the method for producing graphene oxide.
상기 단계 (a)의 반응시에, 상기 산화제에 의해 상기 그라파이트 층간에 하이드록시기 및 에폭시기가 도입되고, 이어 상기 하이드록시기 및 에폭시기에 상기 알킬암모늄이 정전기적 인력 또는 화학적 결합에 의해 결합함으로써, 하이드록시기 및 에폭시기의 추가적인 산화 반응이 억제됨과 동시에 층간 간격이 팽창된 그라파이트 옥사이드를 얻는 것을 특징으로 하는, 그래핀 옥사이드의 제조방법.
The method according to claim 6,
In the reaction of the step (a), by introducing the hydroxy group and the epoxy group between the graphite layer by the oxidant, and then the alkylammonium bonds to the hydroxy group and the epoxy group by electrostatic attraction or chemical bond, A method for producing graphene oxide, characterized in that graphite oxide having an interlayer spacing is expanded while further oxidation reaction of hydroxyl group and epoxy group is suppressed.
Graphite oxide having 5 to 20 oxygen atoms per 100 carbon atoms and having an interlayer spacing of 10 to 25 microns.
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