RU2693755C1 - Method of producing graphene material - Google Patents

Method of producing graphene material Download PDF

Info

Publication number
RU2693755C1
RU2693755C1 RU2018134005A RU2018134005A RU2693755C1 RU 2693755 C1 RU2693755 C1 RU 2693755C1 RU 2018134005 A RU2018134005 A RU 2018134005A RU 2018134005 A RU2018134005 A RU 2018134005A RU 2693755 C1 RU2693755 C1 RU 2693755C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
graphite
ammonia
graphene
treatment
sulfuric acid
Prior art date
Application number
RU2018134005A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Григорьевич Ткачев
Александр Васильевич Мележик
Нариман Рустемович Меметов
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "НаноТехЦентр"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "НаноТехЦентр" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "НаноТехЦентр"
Priority to RU2018134005A priority Critical patent/RU2693755C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2693755C1 publication Critical patent/RU2693755C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82BNANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • B82B3/0095Manufacture or treatments or nanostructures not provided for in groups B82B3/0009 - B82B3/009
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00Manufacture or treatment of nanostructures
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15Nano-sized carbon materials
    • C01B32/182Graphene
    • C01B32/184Preparation
    • C01B32/19Preparation by exfoliation
    • C01B32/192Preparation by exfoliation starting from graphitic oxides

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention relates to nanotechnology and chemical industry and can be used in making polymer composite materials. First, graphite is treated with ammonium persulphate solution in sulphuric acid free of free water. Intercalated graphite is heat treated until expansion, after which expanded graphite compound is treated with gaseous ammonia, and then subjected to thermal treatment for 2 to 8 hours at temperature from 280 to 420 °C. Before treating the expanded graphite compound with ammonia, it can be evacuated or extracted from it with excess sulphuric acid by liquid sulphur dioxide. Obtained product is dispersed and washed with water until removal of sulphate and ammonium bisulphate.
EFFECT: high electrical conductivity of the polymer composite materials containing the obtained graphene material, the electroconductive properties of which are less degraded during machining.
3 cl, 2 dwg, 1 tbl, 9 ex

Description

Изобретение относится к технологии графеновых материалов, конкретно, к технологии получения многослойного графена, обладающего высокой электропроводностью в составе полимерных композиций.The invention relates to the technology of graphene materials, specifically, to the technology of multilayer graphene, with high electrical conductivity in the composition of the polymer compositions.

Придание полимерным материалам электропроводности является важной технической задачей, которая решается введением в состав полимеров металлических (медь, серебро, никель) порошков или волокон, углеродных волокон, углеродных нанотрубок, различных видов графена.Giving polymeric materials electrical conductivity is an important technical problem, which is solved by introducing into the composition of polymers metallic (copper, silver, nickel) powders or fibers, carbon fibers, carbon nanotubes, various types of graphene.

Однако, применение металлических электропроводящих добавок во многих случаях неприемлемо вследствие способности металлов к коррозии, большого удельного веса, биологической несовместимости, и по другим причинам. Углеродные электропроводящие добавки лишены этих недостатков, однако, обладают меньшей электропроводностью по сравнению с металлическими. Кроме того, такой широко применяемый электропроводящий наполнитель, как сажа разных марок, при введении в полимеры в большом количестве существенно ухудшает механические свойства полимеров. Углеродные нанотрубки в чрезмерно большом количестве также ухудшают механические свойства полимеров, поскольку придают композиционному материалу пористость и ломкость.However, the use of metal electrically conductive additives in many cases is unacceptable due to the ability of metals to corrosion, a large proportion, biological incompatibility, and for other reasons. Carbon electrically conductive additives are free from these disadvantages, however, they have lower electrical conductivity compared to metal ones. In addition, such widely used electrically conductive filler as soot of different grades, when introduced into polymers in large quantities, significantly deteriorates the mechanical properties of polymers. Carbon nanotubes in an excessively large amount also deteriorate the mechanical properties of polymers, since they give the composite material porosity and friability.

Теоретически, углеродные нанотрубки или графен с идеальной структурой могут обладать очень высокой электропроводностью, однако, на практике такие показатели не достигаются. При введении в состав полимеров проявляется еще один фактор, сильно влияющий на свойства полимерных композиций - агрегация частиц наполнителя и образование изолирующих слоев на поверхности углеродных частиц вследствие адсорбции полимерных молекул. Для известных углеродных электропроводящих наполнителей, таких как электропроводящая сажа, углеродные нанотрубки, графеновые нанопластинки в силу указанных причин часто не удается достигнуть желаемой электропроводности. Так, в работе [Michael Thomas

Figure 00000001
, Konrad Hilarius, Marco Liebscher, Dirk Lei-linger, Ingo Alig, Petra
Figure 00000002
. Effect of Graphite Nanoplate Morphology on the Dispersion and Physical Properties of Polycarbonate Based Composites // Materials 2017, 10, 545; dot: 10.3390/ma10050545] приведены данные по электропроводности полимерных композиций, наполненных различными видами дисперсных углеродных материалов. Согласно приведенным в этой работе данным, для поликарбонатных композиционных материалов наибольшая удельная объемная электропроводность составляет (данные приблизительные, поскольку оцифрованы нами из приведенного в цитируемой публикации рисунка):Theoretically, carbon nanotubes or graphene with an ideal structure may have very high electrical conductivity, however, in practice, such indicators are not achieved. When introduced into the composition of polymers, another factor appears that strongly influences the properties of polymer compositions - aggregation of filler particles and the formation of insulating layers on the surface of carbon particles due to adsorption of polymer molecules. For the known carbon electrically conductive fillers, such as electrically conductive carbon black, carbon nanotubes, graphene nano-plates, due to these reasons, it is often not possible to achieve the desired conductivity. So, in [Michael Thomas
Figure 00000001
, Konrad Hilarius, Marco Liebscher, Dirk Lei-linger, Ingo Alig, Petra
Figure 00000002
. Effects of Graphite Nanoplate for Polycarbonate Based Composites // Materials 2017, 10, 545; dot: 10.3390 / ma10050545] shows data on the electrical conductivity of polymer compositions filled with various types of dispersed carbon materials. According to the data presented in this paper, for polycarbonate composite materials, the highest specific volume electrical conductivity is (the data are approximate, since we digitized it from the figure given in the cited publication):

Углеродные нанотрубки - 0,2 Сименс/см при содержании УНТ 9%;Carbon nanotubes - 0.2 Siemens / cm with a CNT content of 9%;

Электропроводящая сажа Printex ХЕ2 В - 0,01 Сименс/см при содержании сажи 11%;Electrically conductive soot Printex XE2 B - 0.01 Siemens / cm with a carbon black content of 11%;

Графеновые нанопластинки (ГНП) слоистой структуры - 0,0002 Сименс/см при содержании ГНП 10%;Graphene nanoplates (GNP) of a layered structure - 0.0002 Siemens / cm with a content of GNP 10%;

Графеновые нанопластинки компактной структуры - 0,00002 Сименс/см при содержании ГНП 20%;Graphene nanoplates of compact structure - 0.00002 Siemens / cm with a content of GNP 20%;

Графеновые нанопластинки фрагментированной структуры - 0,0000003 Сименс/см при содержании ГНП 20%.Graphene nanoplates of fragmented structure - 0.0000003 Siemens / cm with a content of GNP 20%.

Следует отметить, что данные из цитируемой работы взяты нами для композиций с наибольшим из приведенных содержанием углеродного наполнителя. Наш опыт работы с аналогичными материалами показывает, что добиться большей электропроводности путем дальнейшего увеличения содержания наполнителя практически невозможно, потому что это приводит к резкому ухудшению механических свойств полимеров вплоть до растрескивания.It should be noted that the data from the cited work are taken by us for compositions with the highest content of carbon filler. Our experience with similar materials shows that to achieve greater electrical conductivity by further increasing the filler content is almost impossible, because it leads to a sharp deterioration in the mechanical properties of polymers up to cracking.

Свойства графеновых материалов определяются способом их получения. Наиболее близким к заявляемому способу является патент Украины №4707, МКл. COJB 31/04, опубликованный 28.12.1994 в Бюл. №7-1 Укрпатента (прототип). В этом патенте описан способ получения «микрочешуйчатого графита» (МЧГ), который по современной терминологии называют многослойным графеном. Способ-прототип включает обработку природного графита ГСМ-1 раствором персульфата аммония в безводной серной кислоте при массовом соотношении компонентов графит: персульфат аммония : серная кислота = 1:4:9,5.The properties of graphene materials are determined by the method of their preparation. Closest to the claimed method is the patent of Ukraine No. 4707, MKL. COJB 31/04, published 12/28/1994 in Bull. № 7-1 Ukrpatent (prototype). This patent describes a method for producing “flaked graphite” (MHG), which is called modern multilayer graphene by modern terminology. The prototype method includes the processing of natural graphite fuel-1 with a solution of ammonium persulfate in anhydrous sulfuric acid at a mass ratio of components of graphite: ammonium persulfate: sulfuric acid = 1: 4: 9.5.

Реакционную смесь выдержали 10 мин при комнатной температуре и 20 мин при 100°C. В результате интеркалирования графита и последующих реакций получили расширенное соединение графита в виде рыхлой буро-зеленой массы с кажущимся объемом 80 см3/г исходного графита. Через эту массу пропускали газообразный аммиак до завершения нейтрализации серной кислоты, в результате чего происходило еще некоторое увеличение кажущегося объема и цвет реакционной массы переходил из исходного буро-зеленого в серый. При этом за счет теплоты реакции аммиака с серной кислотой происходило самопроизвольное увеличение температуры до 200-300°C. Процесс завершался в течение 5 мин, считая с начала пропускания аммиака. Полученный продукт представлял собой смесь МЧГ, сульфата аммония и гидросульфата аммония. Этот продукт подвергали диспергированию в устройстве, представляющем собой фторопластовый цилиндрический ротор наружным диаметром 19,6 мм, вращающийся в стеклянной пробирке с внутренним диаметром 20,0 мм. При поднимании-опускании ротора продукт проходил через зазор между ротором и стенками стеклянной пробирки и испытывал деформацию сдвига, в результате чего измельчался. Для того, чтобы сделать возможным прохождение продукта через зазор, к нему добавляли органический растворитель (например, н-бутанол). То есть, фактически диспергированию в описанном устройстве подвергали суспензию или пасту продукта в органическом растворителе. Обработать в таком устройстве сухой продукт невозможно. Обработанную в диспергирующем устройстве суспензию продукта в органическом растворителе отфильтровывали, промывали водой для удаления сульфата и гидросульфата аммония, после чего снова промывали смешивающимся с водой органическим растворителем для замены воды на органический растворитель. Далее полученный МЧГ вводили в состав полимерных композиций в виде суспензии или пасты в подходящем органическом растворителе, например, диоксане.The reaction mixture was kept for 10 min at room temperature and 20 min at 100 ° C. As a result of intercalation of graphite and subsequent reactions, an expanded graphite compound was obtained in the form of a foul brown-green mass with an apparent volume of 80 cm 3 / g of the initial graphite. Gaseous ammonia was passed through this mass until neutralization of sulfuric acid was completed, as a result of which there was still some increase in the apparent volume and the color of the reaction mass changed from the initial brown-green to gray. At the same time, due to the heat of reaction of ammonia with sulfuric acid, a spontaneous increase in temperature to 200-300 ° C occurred. The process was completed within 5 minutes, counting from the beginning of the transmission of ammonia. The resulting product was a mixture of MHG, ammonium sulfate and ammonium hydrogensulfate. This product was subjected to dispersion in the device, which is a PTFE cylindrical rotor with an outer diameter of 19.6 mm, rotating in a glass test tube with an inner diameter of 20.0 mm. When the rotor was raised and lowered, the product passed through the gap between the rotor and the walls of the glass test tube and experienced shear deformation, which resulted in grinding. In order to allow the passage of the product through the gap, an organic solvent (for example, n-butanol) was added to it. That is, in fact, the suspension in the described device was subjected to suspension or paste of the product in an organic solvent. It is impossible to process a dry product in such a device. The product suspension treated with a dispersing device in an organic solvent was filtered, washed with water to remove ammonium sulfate and ammonium hydrosulfate, and then washed again with a water-miscible organic solvent to replace the water with an organic solvent. Next, the resulting MHG was introduced into the composition of the polymer compositions in the form of a suspension or paste in a suitable organic solvent, for example, dioxane.

В патенте-прототипе приводятся характеристики полученного МЧГ:In the prototype patent, the characteristics of the received MHG are given:

Поперечный размер чешуек 2-10 мкм, толщина 0,005-0,1 мкм (=5-100 нм), т.е., это типичный многослойный графен по современной терминологии. В связи с терминологией, можно цитировать заявку на патент [United States Patent Application US 2015/0360956. Production of graphene nanoplatelets by oxidative anhydrous acidic media. - Published Dec. 17, 2015], в которой описан точно такой же способ обработки графита путем интеркалирования персульфатом аммония в безводной серной кислоте, как и в рассматриваемом способе-прототипе, и они называют получаемый продукт графеновыми нанопластинками.The transverse size of the flakes is 2-10 microns, the thickness is 0.005-0.1 microns (= 5-100 nm), i.e., it is a typical multilayer graphene according to modern terminology. In connection with the terminology, you can cite a patent application [United States Patent Application US 2015/0360956. Production of graphene nanoplatelets by oxidative anhydrous acidic media. - Published Dec. 17, 2015], which describes exactly the same method of processing graphite by intercalating with ammonium persulfate in anhydrous sulfuric acid, as in the prototype method in question, and they call the resulting product graphene nano-plates.

В способе-прототипе приводятся также данные по удельному электрическому сопротивлению акриловых покрытий, наполненных МЧГ, которые составляют:In the method prototype also provides data on the specific electrical resistance of acrylic coatings filled with MCG, which are:

1,1 Ом.см при содержании МЧГ 4,8% масс в покрытии;1.1 Ω cm at a MHT content of 4.8% by weight in the coating;

0,11 Ом.см при содержании МЧГ 9,1% масс в покрытии;0.11 Ω cm at a MHG content of 9.1% by weight in the coating;

0,06 Ом.см при содержании МЧГ 33% масс в покрытии.0.06 Ω cm at a MHG content of 33% by weight in the coating.

При этом, согласно цитируемому патенту, введение даже большого количества МЧГ не приводило к растрескиванию покрытия. Можно видеть, что значение удельного сопротивления 0,11 Ом.см при 9,1 масс % наполнении, что в пересчете равно 9 Сименс/см, на много порядков превосходит известные графеновые материалы и значительно превосходит все известные электропроводящие углеродные дисперсные материалы, данные для которых были приведены в цитированной выше публикации.In this case, according to the cited patent, the introduction of even a large number of MHG did not lead to cracking of the coating. It can be seen that the specific resistance value is 0.11 Ohm.cm at 9.1 mass% filling, which is 9 Siemens / cm in terms, exceeds by many orders the known graphene materials and significantly exceeds all known electrically conductive carbon dispersions, the data for which were cited in the publication cited above.

Вероятной причиной высокой эффективности данного графенового материала как электропроводящего наполнителя является высокий коэффициент формы частиц (отношение поперечного размера к толщине) и особая природа поверхности, которая обеспечивает минимальное контактное сопротивление между частицами, диспергированными в полимере.The likely reason for the high efficiency of this graphene material as an electrically conductive filler is the high coefficient of particle shape (ratio of transverse size to thickness) and the special nature of the surface, which provides minimal contact resistance between particles dispersed in the polymer.

Общими существенными признаками способа-прототипа и заявляемого изобретения являются:Common essential features of the prototype method and the claimed invention are:

- обработка (окислительное интеркалирование) природного графита раствором персульфата аммония в серной кислоте, не содержащей свободной воды;- processing (oxidative intercalation) of natural graphite with a solution of ammonium persulfate in sulfuric acid that does not contain free water;

- выдержка интеркалированного графита при определенной температуре до расширения;- extract of intercalated graphite at a certain temperature before expansion;

- обработка расширенного соединения графита газообразным аммиаком;- treatment of the expanded graphite compound with ammonia gas;

- диспергирование продукта, полученного после обработки газообразным аммиаком;- dispersion of the product obtained after treatment with gaseous ammonia;

- промывка диспергированного продукта водой до удаления сульфата и гидросульфата аммония с получением водной пасты многослойного графена;- washing the dispersed product with water to remove the sulfate and ammonium hydrosulfate to obtain a water paste of multilayer graphene;

- при необходимости замена воды в графеновой пасте на органический растворитель.- if necessary, replace the water in graphene paste with an organic solvent.

Недостатком графенового материала, получаемого по способу- прототипу, является его слишком большая чувствительность к механическому или ультразвуковому диспергированию, что приводит к значительной потере электропроводности. В описании способа-прототипа этот момент никак не отражен, однако наши опыты показали этот эффект.The disadvantage of graphene material obtained by the method of the prototype, is its too great sensitivity to mechanical or ultrasonic dispersion, which leads to a significant loss of electrical conductivity. In the description of the prototype method this moment is not reflected in any way, however, our experiments showed this effect.

Данное явление мешает практическому применению, поскольку всякое смешивание графеновой пасты с расплавом или раствором полимера требует достаточно интенсивного механического перемешивания, перетирания или ультразвуковой обработки для равномерного распределения графена. Даже при получении исходной графеновой пасты приходится ограничивать интенсивность диспергирования продукта, чтобы не потерять электропроводность. А недостаточно интенсивное диспергирование дает продукт с грубодисперсными частицами или агрегатами частиц. Лакокрасочные покрытия, содержащие грубодисперсный графен, получаются неравномерными, с шероховатой поверхностью, с неудовлетворительными механическими свойствами. Вероятной причиной таких явлений является то, что многослойный графеновый материал по способу-прототипу содержит не только отдельные графеновые нанопластинки, но и их конгломераты в виде сотоподобных структур, построенных из графеновых нанопластинок и похожих на обломки частиц терморасширенного графита. Такие частицы легко сминаются при механическом воздействии. При этом, механическое диспергирование в центробежном поле приводит не только к разделению графеновых нанопластинок, но и к смятию конгломератов с образованием более грубых частиц, не обладающих высоким коэффициентом формы.This phenomenon interferes with practical application, since any mixing of graphene paste with a melt or polymer solution requires quite intensive mechanical mixing, grinding or ultrasonic processing in order to evenly distribute graphene. Even when the initial graphene paste is obtained, it is necessary to limit the dispersion intensity of the product in order not to lose electrical conductivity. A lack of intensive dispersion gives a product with coarse particles or aggregates of particles. Paint coatings containing coarse graphene are uneven, with a rough surface, and unsatisfactory mechanical properties. The probable cause of such phenomena is that the multilayer graphene material according to the prototype method contains not only individual graphene nano-plates, but also their conglomerates in the form of honeycomb-like structures built of graphene nano-plates and similar to fragments of thermally expanded graphite particles. Such particles are easily crushed by mechanical action. At the same time, mechanical dispersion in a centrifugal field not only leads to the separation of graphene nano-plates, but also to a crush of conglomerates with the formation of coarser particles that do not have a high shape factor.

Недостатком способа, описанного в примере 1 изобретения-прототипа, является также применение достаточно большого количества органического растворителя для диспергирования обработанного аммиаком материала. Это создает проблему, поскольку органический растворитель необходимо регенерировать. Вместе с тем, в формуле изобретения-прототипа не заявляется применение органического растворителя на стадии диспергирования в качестве существенного признака изобретения, говорится только о диспергировании в центробежном поле.The disadvantage of the method described in example 1 of the invention of the prototype is also the use of a sufficiently large amount of organic solvent to disperse the ammonia-treated material. This creates a problem, since the organic solvent needs to be regenerated. However, in the claims of the prototype does not declare the use of organic solvent at the stage of dispersion as an essential feature of the invention, it is said only about dispersion in a centrifugal field.

В основу заявляемого изобретения поставлена задача, путем введения дополнительных технологических операций и выбора технологических режимов, обеспечить получение электропроводящего графенового наполнителя, электропроводящие свойства которого меньше деградируют при механической обработке.The basis of the claimed invention, the task, by introducing additional technological operations and the choice of technological modes, to ensure the production of electrically conductive graphene filler, the electrically conductive properties of which are less degraded during machining.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения графенового материала, включающем обработку графита раствором персульфата аммония в серной кислоте, не содержащей свободной воды, термообработку интеркалированного графита до расширения, обработку расширенного соединения графита газообразным аммиаком, диспергирование и промывку водой до удаления сульфата и гидросульфата аммония, согласно изобретению продукт после обработки газообразным аммиаком и перед диспергированием дополнительно подвергают термической обработке от 2 до 8 часов при температуре от 280 до 420°C.The task is solved by the fact that in the method of obtaining graphene material, including processing of graphite with ammonium persulphate solution in sulfuric acid, not containing free water, heat treatment of intercalated graphite before expansion, processing the expanded graphite compound with gaseous ammonia, dispersing and washing with water before removing sulfate and ammonium hydrosulfate According to the invention, the product after treatment with gaseous ammonia and before dispersing is additionally subjected to heat treatment from 2 d about 8 hours at a temperature of 280 to 420 ° C.

Как вариант реализации изобретения, полезный при крупномасштабном производстве, реактор с расширенным соединением графита перед впуском аммиака вакуумируют, затем впускают в реактор газообразный аммиак. Вакуумирование расширенного интеркалированного графита перед обработкой газообразным аммиаком обеспечивает ускоренное проникновение аммиака в пористую массу расширенного интеркалированного графита и тем самым сокращает продолжительность процесса.As an embodiment of the invention, useful in large-scale production, a reactor with an expanded graphite compound is evacuated before intake of ammonia, then gaseous ammonia is admitted to the reactor. Evacuation of expanded intercalated graphite prior to treatment with ammonia gas provides accelerated penetration of ammonia into the porous mass of expanded intercalated graphite and thereby shortens the process time.

Как вариант реализации изобретения, перед обработкой расширенного интеркалированного графита аммиаком избыточную серную кислоту экстрагируют жидким диоксидом серы. Экстрагирование избыточной серной кислоты жидким диоксидом серы перед обработкой расширенного интеркалированного графита аммиаком снижает расход аммиака.As an embodiment of the invention, before processing the expanded intercalated graphite with ammonia, excess sulfuric acid is extracted with liquid sulfur dioxide. Extraction of excess sulfuric acid with liquid sulfur dioxide before treating expanded intercalated graphite with ammonia reduces the consumption of ammonia.

Дополнительная термическая обработка продолжительностью от 2 до 8 часов при температуре от 280 до 420°C. после обработки продукта газообразным аммиаком и перед диспергированием обеспечивает снижение чувствительности готового продукта к механическому воздействию при получении композиционных материалов. Верхняя температура заявляемого диапазона обусловлена технологическими соображениями. Не следует допускать испарения гидросульфата аммония, поскольку это существенно усложняет работу оборудования, около 420°C и выше испарение гидросульфата аммония при атмосферном давлении становится заметным. Нижняя температура заявляемого диапазона найдена экспериментально.Additional heat treatment with a duration of 2 to 8 hours at a temperature of from 280 to 420 ° C. after treatment of the product with gaseous ammonia and before dispersing, it reduces the sensitivity of the finished product to mechanical stress during the production of composite materials. The upper temperature of the claimed range is due to technological considerations. Ammonium hydrosulfate should not evaporate, since this significantly complicates the operation of the equipment; about 420 ° C and higher, the evaporation of ammonium hydrosulfate at atmospheric pressure becomes noticeable. The lower temperature of the claimed range was found experimentally.

На основании известного уровня техники невозможно было предсказать эффект от операции термообработки при 380-420°C или выбрать режим термообработки. Однако, для лучшего понимания сущности изобретения мы приведем предположительное объяснение.Based on the prior art, it was impossible to predict the effect of the heat treatment operation at 380-420 ° C or select the heat treatment mode. However, for a better understanding of the essence of the invention, we present a tentative explanation.

Смятие конгломератов графеновых нанопластинок при интенсивном механическом воздействии происходит потому, что в графитовом материале после его обработки аммиаком имеются пустоты между графеновыми чешуйками. И это легко понять, потому что такие пустоты имеются в расширенном соединении графита до обработки аммиаком - его кажущийся объем увеличивается и уменьшается соответственно при откачке в вакууме и впуске воздуха именно за счет наличия замкнутых полостей, заполненных газом (кислородом). При обработке газообразным аммиаком происходит в первую очередь реакция аммиака с серной кислотой, которая присутствует в избытке и покрывает поверхность интеркалированного графита. Поскольку эта реакция сильно экзотермическая, расширенное соединение графита частично разлагается, что, как было показано в наших экспериментах, приходит к спеканию графеновых чешуек с потерей способности к диспергированию. В результате, в готовом продукте присутствуют прочные конгломераты графеновых чешуек, которые легко сминаются при механическом воздействии с потерей коэффициента формы. Для того, чтобы устранить или уменьшить этот негативный эффект, необходимо заполнить все щелевидные или сотообразные поры между графеновыми нанопластинками каким-то веществом, препятствующим компактированию графеновых слоев обратно в графитоподобную структуру. Предположительно, в заявляемом техническом решении таким веществом выступает расплав гидросульфата аммония, который образуется при нагревании нормального сульфата аммония:The crushing of conglomerates of graphene nano-plates with intensive mechanical action occurs because in the graphite material after its treatment with ammonia there are voids between the graphene flakes. And it is easy to understand, because such voids exist in the expanded graphite compound before treatment with ammonia - its apparent volume increases and decreases, respectively, when pumping in vacuum and air intake precisely due to the presence of closed cavities filled with gas (oxygen). When treating with gaseous ammonia, the reaction of ammonia with sulfuric acid, which is present in excess and covers the surface of intercalated graphite, occurs first. Since this reaction is highly exothermic, the expanded compound of graphite partially decomposes, which, as was shown in our experiments, comes to sintering graphene flakes with a loss of dispersibility. As a result, in the finished product there are strong conglomerates of graphene flakes, which are easily crushed under mechanical action with a loss of shape factor. In order to eliminate or reduce this negative effect, it is necessary to fill all the slit-like or cell-like pores between graphene nano-plates with some substance that prevents the compaction of graphene layers back into a graphite-like structure. Presumably, in the claimed technical solution such a substance is the melt of ammonium hydrosulfate, which is formed when the normal ammonium sulfate is heated:

Figure 00000003
Figure 00000003

По данным из Википедии:According to Wikipedia:

https:/ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B8%D0%B4%D1%80%D0%BE%D1 %81%D1%83%D0%BB%D1%8C%D1%84%D0%B0%D1%82%D0%B0%D0%BC %D0%BC%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D1%8F реакция (1) проходит при температуре 235-360°С.При этом температура плавления гидросульфата аммония равна 251°C (разброс данных, эта цифра наиболее надежная), а температура кипения с разложением равна 490°C:https: /en.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B8%D0%B4%D1%80%D0%BE%D1% 81% D1% 83% D0% BB% D1% 8C% D1% 84% D0% B0% D1% 82% D0% B0% D0% BC% D0% BC% D0% BE% D0% BD% D0% B8% D1% 8F reaction (1) takes place at a temperature of 235-360 ° C. The melting point of ammonium hydrosulfate is 251 ° C (data spread, this figure is the most reliable), and the boiling point with decomposition is 490 ° C:

Figure 00000004
Figure 00000004

При понижении температуры реакция (2) обращается, и конденсация газовой смеси указанного состава приводит к осаждению гидросульфата аммония на холодных частях реактора и трубопроводов. Предположительно, для наиболее эффективного заполнения пор в расширенном графитовом материале термообработку следует вести при температуре, достаточной для протекания реакции (1), и при этом образующийся гидросульфат аммония должен находиться в расплавленном состоянии. Теоретически, согласно приведенным данным, минимальная температура термообработки должна быть около 250°C. Практически, как показали наши эксперименты, следует выбрать температурный диапазон не ниже 280°C для достаточно быстрого протекания реакций. Верхняя температура заявляемого диапазона обусловлена технологическими соображениями. Не следует допускать «спарения гидросульфата аммония, поскольку это существенно усложняет работу оборудования. Как показали наши эксперименты, не следует превышать температуру около 420°C - выше испарение гидросульфата аммония при атмосферном давлении становится заметным. Таким образом, можно обосновать заявляемый температурный интервал термообработки, от 280 до 420°C. В принципе, технический результат достигается и за пределами этого интервала, но для этого или требуется слишком долгое время (если температура меньше 280°C), или же приходится усложнять оборудование для улавливания испаряющегося гидросульфата аммония, если температура выше 420°C. Кроме того, следует учитывать, что при температуре около 400°C и выше с заметной скоростью начинается реакция восстановления сульфатных групп углеродом, что приводит к потере углерода и образованию диоксида серы. Выше 420°C эти процессы становятся существенными.With a decrease in temperature, the reaction (2) is reversed, and the condensation of the gas mixture of the indicated composition leads to the precipitation of ammonium hydrosulfate on the cold parts of the reactor and pipelines. Presumably, for the most efficient filling of the pores in the expanded graphite material, heat treatment should be carried out at a temperature sufficient for the reaction (1) to proceed, and the resulting ammonium hydrosulfate should be in the molten state. Theoretically, according to the given data, the minimum temperature of heat treatment should be about 250 ° C. Practically, as shown by our experiments, it is necessary to choose a temperature range not lower than 280 ° C for a sufficiently fast reaction. The upper temperature of the claimed range is due to technological considerations. It should not be allowed to “pairing ammonium hydrosulfate, as this significantly complicates the operation of the equipment. As shown by our experiments, one should not exceed a temperature of about 420 ° C - higher evaporation of ammonium hydrosulfate at atmospheric pressure becomes noticeable. Thus, it is possible to substantiate the claimed temperature range of heat treatment, from 280 to 420 ° C. In principle, the technical result is achieved outside this range, but this either takes too long (if the temperature is less than 280 ° C), or it is necessary to complicate the equipment for trapping the evaporating ammonium hydrogen sulfate, if the temperature is above 420 ° C. In addition, it should be noted that at a temperature of about 400 ° C and above, the reduction of carbonate sulfate groups begins at a noticeable rate, which leads to carbon loss and the formation of sulfur dioxide. Above 420 ° C these processes become significant.

Разумеется, вышеприведенные объяснения являются предположительными, поскольку свойства интеркалированной серной кислоты и сульфатных групп между слоями графена могут отличаться от свойств чистых веществ. Далее приводятся данные, доказывающие возможность осуществления заявляемого изобретения.Of course, the above explanations are conjectural, since the properties of intercalated sulfuric acid and sulfate groups between graphene layers may differ from those of pure substances. The following are data proving the possibility of implementing the claimed invention.

Для осуществления изобретения применялись следующие исходные вещества:To implement the invention, the following starting materials were used:

Графит специальный малозольный ГСМ-2 по ГОСТ 17022-81, содержащий до 0,5% золы. Следует отметить, что в способе-прототипе применяли графит ГСМ-1 с чистотой более 99,9% по углероду, который отличается от ГСМ-2 более крупным размером кристаллов, более совершенной кристаллической структурой. При использовании ГСМ-1 получается графен с лучшей электропроводностью, за счет большего коэффициента формы графеновых частиц. К сожалению, в настоящее время графит ГСМ-1 не выпускается и аналогичного по качеству графита нам найти не удалось. Потому для сравнения заявляемого изобретения с прототипом мы повторили синтез МЧГ по способу-прототипу с применением графита ГСМ-2 и сравнивали электропроводность покрытий, приготовленных в одинаковых условиях.Special low-ash graphite fuel-2 according to GOST 17022-81, containing up to 0.5% ash. It should be noted that in the method of the prototype used graphite fuel-1 with a purity of more than 99.9% of carbon, which differs from the fuel-2 by a larger size of crystals, a more perfect crystalline structure. When using fuel-1 graphene is obtained with better electrical conductivity, due to the larger shape factor of graphene particles. Unfortunately, at present, the graphite of the GSM-1 is not being produced and we have not been able to find a graphite of similar quality. Therefore, to compare the claimed invention with the prototype, we repeated the synthesis of MHG according to the prototype method using graphite fuels and lubricants-2 and compared the electrical conductivity of coatings prepared under the same conditions.

Персульфат аммония марки ЧДА.Ammonium persulphate

Безводную серную кислоту готовили закреплением концентрированной серной кислоты марки ХЧ олеумом марки ХЧ. Точку эквивалентности (полноту связывания воды) контролировали по дымлению пара трехокиси серы, как это описано в книге [А. Гордон, Р. Форд. Спутник химика. М., «Мир», 1976 - С. 442].Anhydrous sulfuric acid was prepared by fixing concentrated sulfuric acid of the grade KhC by oleum of the mark KhCh. The equivalence point (completeness of water binding) was controlled by the smoke of sulfur trioxide, as described in the book [A. Gordon, R. Ford. Satellite chemist. M., "Peace", 1976 - p. 442].

Газообразный аммиак получали прибавлением 25%-ного водного аммиака к избытку гранулированного гидроксида калия. Получение аммиака и обработку им расширенного интеркалированного графита проводили под вытяжной вентиляцией.Gaseous ammonia was obtained by adding 25% aqueous ammonia to an excess of granulated potassium hydroxide. Obtaining ammonia and processing them expanded intercalated graphite was performed under exhaust ventilation.

Термообработку продукта после обработки аммиаком проводили на поддоне из нержавеющей стали в муфельной печи под вытяжной вентиляцией.Heat treatment of the product after treatment with ammonia was carried out on a stainless steel tray in a muffle furnace under exhaust ventilation.

Для размола сухого продукта после обработки аммиаком применяли дезинтегратор ударного типа - 1000g Multifunctional Disintegrator WF-20B, 3000 W, 25000 rpm, made in China.For grinding the dry product after treatment with ammonia, a shock type disintegrator was used - 1000g Multifunctional Disintegrator WF-20B, 3000 W, 25000 rpm, made in China.

Для тестирования электрических свойств, полученных графеновых материалов водную пасту графенового материала смешивали с воднодисперсионным акриловым лаком: Акриловый лак для древесины ОРИОН прозрачный шелковисто-матовый, ТУ 2313-082-51218143-2011, бесцветный, степень глянца 4 из 6, изготовлено ЗАО «Декарт» МО, г. Химки, Ленинградская ул., 31 www.dekart.ru. Сухой остаток этого лака после высушивания при 110°C до постоянной массы нами определен = 23,38%.To test the electrical properties of graphene-derived materials, water paste of graphene material was mixed with a water-dispersion acrylic varnish: Acrylic varnish for wood ORION transparent silky-matte, TU 2313-082-51218143-2011, colorless, gloss degree 4 of 6, manufactured by Descartes Moscow Region, Khimki, 31 Leningradskaya Str. Www.dekart.ru. The dry residue of this varnish after drying at 110 ° C to constant weight is determined by us = 23.38%.

Акриловый лак с добавкой графенового материала наносили ровным слоем на стеклянную пластинку (предметное стекло для микроскопа) размером 25×75 мм, высушивали вначале не менее 1 суток при комнатной температуре и затем 3 часа при 110°C. В большинстве опытов массу графенового материала рассчитывали так, чтобы содержание графена в высушенном при 110°C покрытии составляло 20%. В ряде опытов определяли зависимость удельного электрического сопротивления покрытий от массового содержания графена, для чего готовили образцы покрытий с переменным содержанием графена. Удельное электрическое сопротивление покрытий измеряли 2-х электродным методом с помощью мультиметра М-838. Чтобы устранить контактное сопротивление, измерительные электроды изготовляли из эластичной графитовой фольги Графлекс и прижимали их к поверхности тестируемого покрытия через резиновую прокладку под давлением. Наши эксперименты показали, что при таком методе измерения контактное сопротивление практически отсутствует за счет плотного прилегания электродов из Графлекса к поверхности покрытия. Металлические (медные или стальные) электроды в данных условиях применить оказалось невозможным, потому что из-за микронеровностей поверхности тестируемых покрытий обеспечить их плотный контакт с измерительными электродами невозможно, что приводило к значительному контактному сопротивлению. Если ширина покрытия на стеклянной пластинке равнялась 25 мм и расстояние между краями электродов из Графлекса тоже было 25 мм, то очевидно, что измеренное сопротивление равняется поверхностному сопротивлению на единицу площади покрытия. Для пересчета в удельное объемное электрическое сопротивление поверхностное сопротивление умножали на толщину покрытия. Точную толщину покрытий определяли путем их взвешивания с учетом плотности отвержденного лака.Acrylic varnish with the addition of graphene material was applied in an even layer onto a glass plate (microscope slide) 25 × 75 mm in size, dried first for at least 1 day at room temperature and then 3 hours at 110 ° C. In most experiments, the mass of graphene material was calculated so that the content of graphene in the coating dried at 110 ° C was 20%. In a number of experiments, the dependence of the specific electrical resistance of coatings on the mass content of graphene was determined, for which samples of coatings with variable graphene content were prepared. The electrical resistivity of the coatings was measured by the 2-electrode method using an M-838 multimeter. To eliminate the contact resistance, the measuring electrodes were made of Graflex elastic graphite foil and pressed against the surface of the test coating through a rubber gasket under pressure. Our experiments showed that with this method of measurement the contact resistance is practically absent due to the tight fit of the Graflex electrodes to the surface of the coating. Under these conditions, metal (copper or steel) electrodes were impossible to apply because, because of the asperities of the surface of the tested coatings, it was impossible to ensure their close contact with the measuring electrodes, which resulted in significant contact resistance. If the width of the coating on the glass plate was 25 mm and the distance between the edges of the Graflex electrodes was also 25 mm, then it is obvious that the measured resistance equals the surface resistance per unit area of the coating. For conversion to specific volume electrical resistance, the surface resistance was multiplied by the coating thickness. The exact thickness of the coatings was determined by weighing them, taking into account the density of the cured varnish.

Изобретение иллюстрируется фигурами графических изображений фиг. 1 и фиг. 2, на которых показана зависимость удельного электрического сопротивления графен-акриловых покрытий от времени размола графенового материала.The invention is illustrated by the figures of the graphic images of FIG. 1 and FIG. 2, which show the dependence of the specific electrical resistance of graphene-acrylic coatings on the time of grinding the graphene material.

Фиг. 1. Зависимость удельного электрического сопротивления (R, Ом.см) графен-акриловых покрытий от времени размола графенового материала в дезинтеграторе (t, мин). Массовое содержание графена в покрытиях 20%.FIG. 1. The dependence of the electrical resistivity (R, Ω.cm) of graphene-acrylic coatings on the time of grinding the graphene material in the disintegrator (t, min). Mass content of graphene in coatings of 20%.

1 - Пример 1, термообработка графенового материала 2 часа 300°C.1 - Example 1, heat treatment of graphene material 2 hours 300 ° C.

2 - Пример 2 (по способу-прототипу, без термообработки).2 - Example 2 (according to the method prototype, without heat treatment).

4 - Пример 4, термообработка графенового материала 2 часа 400°C.4 - Example 4, heat treatment of graphene material for 2 hours at 400 ° C.

Фиг. 2. Зависимость удельного электрического сопротивления (R, Ом.см) графен-акриловых покрытий от времени размола графенового материала в дезинтеграторе (t, мин). Массовое содержание графена в покрытиях 20%.FIG. 2. The dependence of the electrical resistivity (R, Ω.cm) of graphene-acrylic coatings on the time of grinding the graphene material in the disintegrator (t, min). Mass content of graphene in coatings of 20%.

1 - Пример 1, термообработка графенового материала 2 часа 300°C.1 - Example 1, heat treatment of graphene material 2 hours 300 ° C.

2 - Пример 2 (по способу-прототипу, без термообработки).2 - Example 2 (according to the method prototype, without heat treatment).

4 - Пример 4, термообработка графенового материала 2 часа 400°C.4 - Example 4, heat treatment of graphene material for 2 hours at 400 ° C.

Далее приводятся примеры реализации изобретения.The following are examples of the implementation of the invention.

Пример 1Example 1

В 2-литровый стакан из термостойкого стекла поместили 20 г персульфата аммония и добавили 26 мл безводной серной кислоты. Для защиты от влаги воздуха стакан закрывали полиэтиленовой пленкой. Перемешивали смесь в течение 20 мин при комнатной температуре до растворения персульфата аммония, затем добавили 5 г графита ГСМ-2 и перемешали до образования однородной суспензии. Суспензию перемешивали в течение 10 мин до ее загустевания, после чего стакан с реакционной смесью, закрытый пленкой, поставили на 1 час в сушильный шкаф с температурой 60°C для расширения. Получили рыхлую массу, состоящую из червеобразных частиц буро-зеленого цвета, с кажущимся объемом около 0,5 дм3.In a 2-liter glass of heat-resistant glass was placed 20 g of ammonium persulfate and added 26 ml of anhydrous sulfuric acid. To protect from moisture in the air, the beaker was closed with plastic wrap. The mixture was stirred for 20 minutes at room temperature until the ammonium persulfate was dissolved, then 5 g of graphite gcm-2 was added and mixed until a uniform suspension was formed. The suspension was stirred for 10 minutes until it thickened, after which the glass with the reaction mixture, covered with film, was placed for 1 hour in an oven with a temperature of 60 ° C for expansion. Got a loose mass consisting of worm-like particles of brown-green color, with an apparent volume of about 0.5 DM 3 .

Примечание: как показали наши опыты и в согласии с опубликованными ранее литературными данными [Мележик А.В., Чуйко А.А. Холодное расширение графита - путь к новым технологиям // Химическая Технология (Киев), 1992, №2, с. 3-11], изменение температуры расширения в пределах 40-100°C не влияет на качество продукта, меняется только время, необходимое для полного расширения. В данном примере расширение проводили при 60°C, поскольку при этой температуре требуется не слишком большое время - 1 час. Если проводить расширение при 40°C, требуется 3 часа. При 100°C (как это делалось в способе-прототипе) достаточно 15-20 мин для полного расширения, однако, слишком короткое время неудобно при увеличенном масштабе синтеза, потому что при большой массе загрузки и стакана реакционная смесь не успевает равномерно прогреться, если время слишком короткое.Note: as shown by our experiments and in agreement with previously published literature data [Melezhik A.V., Chuyko A.A. Cold expansion of graphite - the path to new technologies // Chemical Technology (Kiev), 1992, №2, p. 3-11], a change in the temperature of expansion in the range of 40-100 ° C does not affect the quality of the product, only the time required for full expansion changes. In this example, the expansion was carried out at 60 ° C, since at this temperature it takes a not too long time - 1 hour. If the expansion is carried out at 40 ° C, it takes 3 hours. At 100 ° C (as was done in the prototype method) 15-20 minutes is enough for full expansion, however, too short time is inconvenient with an increased scale of synthesis, because with a large mass of charge and glass, the reaction mixture does not have time to warm up evenly if too short.

Расширенную буро-зеленую реакционную массу перегрузили в другой 2-литровый стакан, при этом с помощью шпателя раздробили ее на кусочки размером 1-3 см. Это было сделано для улучшения доступа аммиака в объем расширенной массы. Затем в стакан вставили стеклянную трубку для подачи газообразного аммиака, термопару, закрыли стакан фторопластовой пленкой, поставили стакан на теплостойкую подложку из волокнистого кремнеземного материала Суперсил и подавали аммиак. Эту операцию проводили под вытяжной вентиляцией. За ходом реакции следили по изменению цвета реакционной массы и температуре. Постепенно буро-зеленый цвет перешел в серый, а температура поднялась примерно до 300°C. Приблизительно через 15-20 мин вся реакционная масса стала серой, а температура начала спадать, что свидетельствовало о завершении реакции нейтрализации серной кислоты и разложения интеркалированного графита аммиаком. Кажущийся объем серой реакционной массы после завершения реакции составлял около 1 дм3. Стакан с остывшей реакционной смесью и атмосферой аммиака закрыли герметично пищевой пленкой и выдержали в течение 16 часов. После вскрытия стакана чувствовался запах аммиака, что являлось свидетельством полной нейтрализации серной кислоты. Серую реакционную смесь от двух синтезов, проведенных, как описано выше, загрузили в контейнер из нержавеющей стали и поставили в муфельную печь. Включили печь и после достижения температуры 300°C выдержали 2 часа при этой температуре, затем извлекли контейнер из печи (чувствовался запах аммиака), закрыли крышкой от влаги воздуха и дали остыть до комнатной температуры.The expanded brown-green reaction mass was overloaded into another 2-liter glass, while using a spatula it was crushed into pieces of 1-3 cm. This was done to improve the access of ammonia into the volume of the expanded mass. Then a glass tube for supplying ammonia gas, a thermocouple was inserted into the glass, the glass was closed with a fluoroplastic film, the glass was placed on a heat-resistant substrate of fibrous silica material Supersil and ammonia was fed. This operation was performed under exhaust ventilation. Over the course of the reaction was monitored by changing the color of the reaction mass and temperature. Gradually, the brown-green color turned gray, and the temperature rose to about 300 ° C. Approximately in 15-20 minutes, the entire reaction mass became sulfur, and the temperature began to subside, which indicated the completion of the neutralization of sulfuric acid and the decomposition of intercalated graphite with ammonia. The apparent volume of the gray reaction mass after completion of the reaction was about 1 dm 3 . The beaker with the cooled reaction mixture and the atmosphere of ammonia was sealed with food-grade plastic wrap and held for 16 hours. After opening the glass, there was a smell of ammonia, which was evidence of the complete neutralization of sulfuric acid. The gray reaction mixture from two syntheses, carried out as described above, was loaded into a stainless steel container and placed in a muffle furnace. The oven was turned on and after reaching a temperature of 300 ° C, it was kept for 2 hours at this temperature, then the container was removed from the oven (there was an ammonia smell), covered with a lid from air moisture and allowed to cool to room temperature.

Серую реакционную смесь от двух синтезов (то есть в общей сложности из 10 г исходного графита), термообработанную, как описано выше, загрузили в дезинтегратор и размололи в течение 15 сек. Отобрали пробу продукта 10 г, и продолжали размол (с перерывали через каждые 30 сек для охлаждения дезинтегратора), отбирая пробы по 10 г после каждого времени размола. Пробы отобрали через 15 сек, 30 сек, 1 мин, 2 мин и 4 мин размола. Таким образом, получили образцы для определения влияния времени размола на электрические свойства полученного графенового материала.The gray reaction mixture from two syntheses (that is, a total of 10 g of the original graphite), heat-treated as described above, was loaded into a disintegrator and grinded for 15 seconds. A sample of product was taken of 10 g, and grinding continued (with a break every 30 seconds to cool the disintegrator), taking samples of 10 g after each grinding time. Samples were taken after 15 seconds, 30 seconds, 1 minute, 2 minutes, and 4 minutes of grinding. Thus, samples were obtained to determine the effect of grinding time on the electrical properties of the resulting graphene material.

Образцы графенового материала в виде водной пасты смешивали с водно-дисперсионным акриловым лаком, готовили образцы покрытий и измеряли удельное электрическое сопротивление как описано выше. Для каждого графенового материала (каждого времени размола) готовили 5 образцов покрытий и при расчете удельного электрического сопротивления брали среднее значение. Как правило, наблюдалось хорошее совпадение результатов.Samples of graphene material in the form of an aqueous paste were mixed with a water-dispersion acrylic lacquer, samples of coatings were prepared and electrical resistivity was measured as described above. For each graphene material (each grinding time), 5 samples of coatings were prepared and the average value was taken when calculating the electrical resistivity. As a rule, a good match was observed.

Пример 2 (по способу - прототипу).Example 2 (according to the method - the prototype).

Этот пример выполнен как описано в примере 1, но операцию термообработки при 300°C не проводили, продукт после обработки аммиаком сразу размалывали в дезинтеграторе. Дальнейшая обработка и тестирование как описано в примере 1.This example was made as described in example 1, but the heat treatment operation at 300 ° C was not performed, the product after treatment with ammonia was immediately ground in a disintegrator. Further processing and testing as described in example 1.

Примеры 3-5Examples 3-5

Выполняли как в примере 1, но температуру термообработки выбирали 280, 400 или 420°C.Performed as in example 1, but the temperature of the heat treatment was chosen 280, 400 or 420 ° C.

Пример 6Example 6

Выполняли как в примере 1, но время термообработки при 300°C выбрали 4 часа.Performed as in example 1, but the heat treatment time at 300 ° C was chosen 4 hours.

Пример 7Example 7

Выполняли как в примере 1, но время термообработки при 300°C выбрали 8 часа.Performed as in example 1, but the heat treatment time at 300 ° C was chosen 8 hours.

Пример 8Example 8

Выполняли как в примере 1, но обработку расширенного интеркалированного графита аммиаком проводили в круглодонной колбе, из которой перед впуском аммиака откачивали воздух вакуумным насосом. Следует отметить, что при вакуумировании кажущийся объем расширенного интеркалированного графита заметно увеличился, что доказывает наличие замкнутых пор, наполненных газом (в данном случае, кислородом).Performed as in example 1, but the processing of expanded intercalated graphite with ammonia was carried out in a round bottom flask, from which air was evacuated with a vacuum pump before the intake of ammonia. It should be noted that during evacuation, the apparent volume of expanded intercalated graphite increased markedly, which proves the presence of closed pores filled with gas (in this case, oxygen).

Нами были получены также образцы пленок и покрытий, в которых в качестве полимерного связующего использовались эпоксидная смола, пластик АБС, кремнийорганический лак КО-08, отверждаемый силиконовый каучук. Для того, чтобы совместить графеновый материал с этими полимерами, необходимо было получить его в виде пасты в органических растворителях. Ацетоновую пасту получали промывкой водной пасты на фильтре ацетоном до удаления воды. Для получения толуоловой пасты водную пасту смешивали с избытком толуола и при перемешивании отгоняли толуол в виде азеотропа с водой.We also obtained samples of films and coatings, in which epoxy resin, ABS plastic, KO-08 silicone lacquer, curable silicone rubber were used as a polymer binder. In order to combine graphene material with these polymers, it was necessary to obtain it in the form of a paste in organic solvents. Acetone paste was obtained by washing the aqueous paste on the filter with acetone to remove water. To obtain a toluene paste, the aqueous paste was mixed with an excess of toluene and with stirring, the toluene was distilled off as an azeotrope with water.

В таблице приведено удельное электрическое сопротивление образцов акриловых покрытий, полученных по примерам 1-8, а также, в качестве справочной информации, данные для некоторых других полученных нами графен-полимерных пленок и покрытий.The table shows the electrical resistivity of samples of acrylic coatings obtained in examples 1-8, as well as, as reference information, data for some other graphene-polymer films and coatings obtained by us.

Figure 00000005
Figure 00000005

Figure 00000006
Figure 00000006

Figure 00000007
Figure 00000007

Данные примеров 1, 2, 4 изображены на фиг. 1 Для наглядности начальный участок этих зависимостей изображен на фиг. 2The data of examples 1, 2, 4 are depicted in FIG. 1 For clarity, the initial part of these dependencies is shown in FIG. 2

Как видно из таблицы и рисунков, при увеличении времени размола графенового материала в дезинтеграторе удельное электрическое сопротивление графен-содержащих покрытий резко растет. Однако, графеновый материал, полученный согласно заявляемому изобретению, отличается значительно меньшей чувствительностью к продолжительности или интенсивности размола. Проведенные нами опыты показали, что такое же поведение наблюдается при смешивании готового графенового материала (в виде водной, ацетоновой или толуоловой пасты) с водными или органическими полимерными связующими. Интенсивное механическое или ультразвуковое диспергирование таких смесей приводит к резкому увеличению удельного электрического сопротивления полимерных покрытый. Однако, для графенового материала, полученного согласно заявляемому изобретению, этот эффект выражен намного слабее, чем для графенового материала, полученного согласно способу-прототипу. Это имеет важное значение для получения электропроводящих графен-полимерных композиционных материалов, поскольку, как правило, для их приготовления применяется интенсивная механическая обработка (высокооборотная мешалка, дезинтегратор, дисковая мельница, экструдер, кавитационное оборудование).As can be seen from the table and figures, with an increase in the grinding time of graphene material in the disintegrator, the electrical resistivity of graphene-containing coatings increases sharply. However, the graphene material obtained according to the claimed invention is significantly less sensitive to the duration or intensity of grinding. Our experiments showed that the same behavior is observed when mixing the finished graphene material (in the form of an aqueous, acetone or toluene paste) with aqueous or organic polymeric binders. Intensive mechanical or ultrasonic dispersion of such mixtures leads to a sharp increase in the specific electrical resistance of the polymer coated. However, for the graphene material obtained according to the claimed invention, this effect is much less pronounced than for the graphene material obtained according to the prototype method. This is important for the production of electrically conductive graphene-polymer composite materials, since, as a rule, intensive mechanical processing is used for their preparation (high-speed mixer, disintegrator, disk mill, extruder, cavitation equipment).

Сопоставляя данные заявляемого изобретения со способом-прототипом, следует иметь в виду, что с графитом ГСМ-2 невозможно получить столь малое удельное электрическое сопротивление покрытий, как было опубликовано в способе-прототипе, где применялся крупнокристаллический, высокочистый графит ГСМ-1, в настоящее время не выпускаемый. Потому мы сопоставляем данные по электропроводности, полученные с применением одного и того же графита ГСМ-2.Comparing the data of the claimed invention with the method of the prototype, it should be borne in mind that with graphite fuel-2 it is impossible to obtain such a small specific electrical resistance of coatings, as was published in the method of the prototype, which used coarse-crystalline, high-purity graphite fuel-1, currently not manufactured Therefore, we compare the data on electrical conductivity obtained using the same graphite fuel-2.

Недостатком изобретения-прототипа является также то, что для приготовления, расширенного интеркалированного графита применяется большое количество серной кислоты, в приведенных конкретных примерах, 9,5 масс. частей серной кислоты на 1 масс. часть графита. Это также влечет за собой повышенный расход аммиака и образование большого количества сульфата аммония в виде отхода производства.The disadvantage of the invention of the prototype is also the fact that for the preparation of expanded intercalated graphite used a large amount of sulfuric acid, in the specific examples given, 9.5 wt. parts of sulfuric acid on 1 mass. part of graphite. It also entails an increased consumption of ammonia and the formation of large amounts of ammonium sulfate in the form of waste production.

Чтобы устранить этот недостаток, в настоящем изобретении предлагается, как вариант, экстракция избыточной серной кислоты жидким диоксидом серы. Целесообразность такого технологического варианта зависит от масштаба производства и конструкции применяемого оборудования. Вероятно, для лабораторного масштаба применять промывку жидким диоксидом серы не целесообразно. Однако, при крупномасштабном производстве такой вариант может оказаться выгодным.To eliminate this disadvantage, the present invention proposes, as an option, the extraction of excess sulfuric acid with liquid sulfur dioxide. The feasibility of such a technological option depends on the scale of production and design of the equipment used. Probably, for laboratory scale to apply washing with liquid sulfur dioxide is not advisable. However, with large-scale production, this option may be beneficial.

Пример 9Example 9

Лабораторный эксперимент по экстракции избыточной серной кислоты проводили следующим образом (с применением средств защиты на случай разрыва прибора от избыточного давления диоксида серы - вытяжная вентиляция, защитный экран, брезентовые перчатки, маска). Лабораторный прибор был выполнен из стеклянной трубки Пирекс диаметром 10 мм, выдерживающей давление не менее 1,0 МПа. Дно трубки запаяли, как пробирку. Затем на высоте 120 мм над дном выполнили перетяжку и поместили на нее тампон из кварцевого волокна. Затем трубку над тампоном наполнили расширенным интеркалированным графитом на высоту 50 мм, тщательно протерли стенки, прикрыли вещество еще одним кварцевым тампоном сверху и над тампоном выполнили вторую перетяжку. Наконец, на высоте 150 мм над второй перетяжкой припаяли тройник из трубки диаметром 6 мм. Один свободный конец тройника через вентиль присоединили к форвакуумному насосу, второй конец через перекрытый вентиль присоединили к системе подачи газообразного диоксида серы. Включили вакуумный насос и откачали прибор. Затем перекрыли вентиль, ведущий к вакуумному насосу, и открыли впуск диоксида серы. Нижний сегмент прибора охлаждали твердой углекислотой, таким образом, в нем намораживался жидкий диоксид серы. Когда сегмент заполнился наполовину, подачу диоксида серы перекрыли, и нижний сегмент заморозили жидким азотом. Открыли вентиль к вакуумному насосу и откачали в вакууме, что было необходимо для удаления примеси неконденсируемых газов. Затем перепаяли трубку тройника и отделили его от прибора. Теперь извлекли прибор из жидкого азота и поместили нижним сегментом в отверстие в пенопластовой плитке. Таким образом, при медленном нагреве диоксид серы размораживался, начиная сверху, и это предохраняло от разрыва трубки. Когда диоксид серы принял комнатную температуру, перевернули прибор вверх дном и теперь нижнюю часть погрузили для охлаждения в твердую углекислоту. Жидкий диоксид серы прошел через слой расширенного соединения графита и вымыл из него серную кислоту. Тогда сегмент с конденсатом диоксида серы снова заморозили жидким азотом, вскрыли перепаянный отросток трубки, впустили в прибор аргон и отрезали сегмент с промытым расширенным интеркалированным графитом по перетяжке. После этого пустили поток аммиака. Продукт, обработанный аммиаком, выдержали 2 часа при 300°C в муфельной печи, после чего обработали в течение 15 сек в миниатюрном измельчителе, работающем от высокооборотного мини-привода. Измельченный материал промыли на микрофильтре водой и полученную водную пасту графенового материала замешали в акриловом лаке, как описано выше. Поскольку материала было мало, наносили смесь на стеклянную пластинку шириной 10 мм и расстояние между измерительными электродами тоже сделали 10 мм. Получили покрытие с удельным объемным сопротивлением 0,08 Ом.см. К сожалению, при работе со столь малыми количествами нельзя быть уверенным в полной сопоставимости результатов, поскольку температурный режим синтеза и режим размола другие. В настоящее время у нас нет возможности реализовать этот технологический вариант в крупном масштабе. Тем не менее, лабораторный эксперимент доказывает возможность получения графенового материала с применением экстракции избыточной серной кислоты жидким диоксидом серы. Данный вариант может сэкономить серную кислоту и аммиак при крупномасштабном производстве. При соответствующем аппаратурном оформлении нет необходимости замораживать диоксид серы жидким азотом, как в лабораторном эксперименте. Также, в данном технологическом варианте может улучшиться и качество графенового материала. В системе, содержащей избыток серной кислоты и интеркалированный графит, при обработка аммиаком в первую очередь с аммиаком реагирует избыточная серная кислота. Интеркалированный графит или реагирует после нейтрализации серной кислоты аммиаком, или же термически разлагается еще до завершения этой реакции. Экстракция избыточной серной кислоты аммиаком и непосредственное взаимодействие аммиака с интеркалированным графитом может поменять химию происходящих процессов, в частности, сделать эксфолиацию интеркалированного графита более эффективной, а следовательно, улучшить качество получаемого графенового материала.A laboratory experiment on the extraction of excess sulfuric acid was carried out as follows (using protective equipment in case of rupture of the device from excessive pressure of sulfur dioxide — exhaust ventilation, a protective screen, canvas gloves, a mask). The laboratory instrument was made of a Pyrex glass tube with a diameter of 10 mm, which withstands a pressure of at least 1.0 MPa. The bottom of the tube was sealed like a test tube. Then, at a height of 120 mm above the bottom, the waist was filled and a tampon of quartz fiber was placed on it. Then the tube over the tampon was filled with expanded intercalated graphite to a height of 50 mm, the walls were carefully wiped, the substance was covered with another quartz tampon from above and above the tampon the second waist was completed. Finally, at a height of 150 mm above the second waist, a tee was soldered from a tube with a diameter of 6 mm. One free end of the tee through the valve attached to the foreline pump, the other end through the blocked valve attached to the supply system of gaseous sulfur dioxide. The vacuum pump was turned on and the instrument was pumped out. Then shut off the valve leading to the vacuum pump, and opened the sulfur dioxide inlet. The lower segment of the device was cooled with solid carbon dioxide, thus, it was freezing liquid sulfur dioxide. When the segment was half full, the sulfur dioxide supply was cut off, and the lower segment was frozen with liquid nitrogen. The valve to the vacuum pump was opened and pumped out in a vacuum, which was necessary to remove non-condensable impurities. Then they soldered the tee tube and separated it from the device. Now remove the device from liquid nitrogen and place the lower segment in the hole in the foam tile. Thus, with slow heating, sulfur dioxide was thawed, starting from the top, and this prevented from breaking the tube. When sulfur dioxide reached room temperature, the device was turned upside down and now the lower part was immersed for cooling in solid carbon dioxide. Liquid sulfur dioxide passed through a layer of expanded graphite compound and washed sulfuric acid from it. Then the segment with sulfur dioxide condensate was frozen again with liquid nitrogen, the soldered process of the tube was opened, argon was admitted into the device and the segment with washed expanded intercalated graphite was cut to the waist. After that, let the flow of ammonia. The product treated with ammonia, held for 2 hours at 300 ° C in a muffle furnace, and then processed for 15 seconds in a miniature grinder, working from a high-speed mini-drive. The ground material was washed on a microfilter with water and the resulting aqueous paste of graphene material was mixed in an acrylic lacquer, as described above. Since there was little material, they applied the mixture onto a glass plate 10 mm wide and the distance between the measuring electrodes was also made 10 mm. Got a coating with a specific volume resistance of 0.08 Ohm.cm. Unfortunately, when working with such small quantities, one cannot be sure that the results are fully comparable, since the temperature regime of synthesis and the grinding mode are different. Currently, we are not able to implement this technological option on a large scale. Nevertheless, a laboratory experiment proves the possibility of obtaining a graphene material using the extraction of excess sulfuric acid with liquid sulfur dioxide. This option can save sulfuric acid and ammonia in large-scale production. With the appropriate hardware design, there is no need to freeze sulfur dioxide with liquid nitrogen, as in a laboratory experiment. Also, in this technological variant, the quality of graphene material can also be improved. In a system containing an excess of sulfuric acid and intercalated graphite, excess sulfuric acid reacts with ammonia in the first place with ammonia treatment. Intercalated graphite either reacts after neutralization of sulfuric acid with ammonia, or thermally decomposes before the completion of this reaction. Extraction of excess sulfuric acid with ammonia and the direct interaction of ammonia with intercalated graphite can change the chemistry of the processes taking place, in particular, make exfoliation of intercalated graphite more efficient and, consequently, improve the quality of the graphene material.

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет получить графеновый материал, отличающийся высокой электропроводностью в составе полимерных композиционных материалов и при этом лучшей технологичностью (меньшей деградацией электропроводности в процессах диспергирования и смешивания) по сравнению со способом-прототипом. Полученный графеновый материал может найти широкое применение в технике.Thus, the claimed invention allows to obtain graphene material, characterized by high electrical conductivity in the composition of polymer composite materials and thus better processability (less degradation of electrical conductivity in the processes of dispersion and mixing) compared with the method of the prototype. The resulting graphene material can be widely used in engineering.

Claims (3)

1. Способ получения графенового материала, включающий обработку графита раствором персульфата аммония в серной кислоте, не содержащей свободной воды, термообработку интеркалированного графита до расширения, обработку расширенного соединения графита газообразным аммиаком, диспергирование и промывку водой до удаления сульфата и гидросульфата аммония, отличающийся тем, что продукт после обработки газообразным аммиаком и перед диспергированием дополнительно подвергают термической обработке от 2 до 8 ч при температуре от 280 до 420°С.1. A method of producing graphene material, which includes the treatment of graphite with ammonium persulfate solution in sulfuric acid containing no free water, the heat treatment of intercalated graphite before expansion, the treatment of the expanded graphite compound with gaseous ammonia, dispersion and washing with water before removing sulfate and ammonium hydrosulfate, characterized in that the product after treatment with gaseous ammonia and before dispersing is additionally subjected to heat treatment from 2 to 8 hours at a temperature of from 280 to 420 ° C. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что расширенный интеркалированный графит перед обработкой газообразным аммиаком вакуумируют.2. The method according to p. 1, characterized in that the expanded intercalated graphite is evacuated before treatment with gaseous ammonia. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что перед обработкой расширенного интеркалированного графита аммиаком избыточную серную кислоту экстрагируют жидким диоксидом серы.3. The method according to paragraphs. 1 and 2, characterized in that, prior to the treatment of expanded intercalated graphite with ammonia, excess sulfuric acid is extracted with liquid sulfur dioxide.
RU2018134005A 2018-09-26 2018-09-26 Method of producing graphene material RU2693755C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018134005A RU2693755C1 (en) 2018-09-26 2018-09-26 Method of producing graphene material

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018134005A RU2693755C1 (en) 2018-09-26 2018-09-26 Method of producing graphene material

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2693755C1 true RU2693755C1 (en) 2019-07-04

Family

ID=67252011

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018134005A RU2693755C1 (en) 2018-09-26 2018-09-26 Method of producing graphene material

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2693755C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113502181A (en) * 2021-05-19 2021-10-15 兆丰(重庆)科技有限公司 Graphene modification process
RU2777632C1 (en) * 2021-08-10 2022-08-08 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Тамбовский государственный технический университет» (ФГБОУ ВО «ТГТУ») Apparatus for producing a graphene-containing suspension

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100028681A1 (en) * 2008-07-25 2010-02-04 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Pristine and Functionalized Graphene Materials
RU2013128041A (en) * 2013-06-18 2015-01-10 Общество с ограниченной ответственностью "НаноТехЦентр" METHOD FOR PRODUCING GRAPHENE
US20150360956A1 (en) * 2014-06-16 2015-12-17 William Marsh Rice University Production of graphene nanoplatelets by oxidative anhydrous acidic media
RU2648424C2 (en) * 2016-02-25 2018-03-26 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный технический университет" (ФГБОУ ВО "ТГТУ") Method of obtaining graphene and device for its implementation
RU2657504C2 (en) * 2016-09-16 2018-06-14 Общество с ограниченной ответственностью "НаноТехЦентр" Method for graphene production

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100028681A1 (en) * 2008-07-25 2010-02-04 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Pristine and Functionalized Graphene Materials
RU2013128041A (en) * 2013-06-18 2015-01-10 Общество с ограниченной ответственностью "НаноТехЦентр" METHOD FOR PRODUCING GRAPHENE
US20150360956A1 (en) * 2014-06-16 2015-12-17 William Marsh Rice University Production of graphene nanoplatelets by oxidative anhydrous acidic media
RU2648424C2 (en) * 2016-02-25 2018-03-26 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный технический университет" (ФГБОУ ВО "ТГТУ") Method of obtaining graphene and device for its implementation
RU2657504C2 (en) * 2016-09-16 2018-06-14 Общество с ограниченной ответственностью "НаноТехЦентр" Method for graphene production

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A.V. MELEZHYK, A.G. TKACHEV, Synthesis of graphene nanoplatelets from peroxosulfate graphite intercalation compounds, Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics, 2014, v.5, no. 2, p.p. 294-306. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113502181A (en) * 2021-05-19 2021-10-15 兆丰(重庆)科技有限公司 Graphene modification process
RU2777632C1 (en) * 2021-08-10 2022-08-08 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Тамбовский государственный технический университет» (ФГБОУ ВО «ТГТУ») Apparatus for producing a graphene-containing suspension

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yadav et al. Development of mesophase pitch derived high thermal conductivity graphite foam using a template method
Chung A review of exfoliated graphite
JP4999128B2 (en) Method for producing porous body
CN108701809B (en) Method for producing Si/C composite particles
JP5400892B2 (en) Method for producing porous activated carbon
WO2003040445A1 (en) Fine carbon fiber, method for producing the same and use thereof
JP2012507470A5 (en)
KR20180021209A (en) New graphite material
Mensah et al. Preparation and properties of acrylonitrile–butadiene rubber–graphene nanocomposites
Zhu et al. Defluorination study of spent carbon cathode by microwave high-temperature roasting
CN110157931B (en) Nano carbon reinforced metal matrix composite material with three-dimensional network structure and preparation method thereof
WO2005055346A1 (en) A process of production of carbon negative electrode material for lithium ion battery
Liu et al. Effect of multi-walled carbon nanotube additive on the microstructure and properties of pitch-derived carbon foams
Ho et al. Preparation and characterization of covalently functionalized graphene using vinyl‐terminated benzoxazine monomer and associated nanocomposites with low coefficient of thermal expansion
WO1996004688A1 (en) Electrode material for nonaqueous solvent secondary cell and method of manufacturing the same
RU2693755C1 (en) Method of producing graphene material
de Oliveira et al. Tuning of surface properties of poly (vinyl alcohol)/graphene oxide nanocomposites
Debnath et al. Radio frequency heating and reduction of graphene oxide and graphene oxide-polyvinyl alcohol composites
WO2018105570A1 (en) Defect-reduced graphene carbon material and production method therefor
CN107903878B (en) Fused salt graphite composite material and preparation method thereof
Darabut et al. Influence of thermal treatment on the structure and electrical conductivity of thermally expanded graphite
JP5335174B2 (en) Porous body, manufacturing method thereof, and composite material using porous body
Kim et al. Characteristics of fluorinated CNTs added carbon foams
Konikkara et al. Electrical conductivity studies of Nanoporous carbon derived from leather waste: effect of pressure, temperature and porosity
US20210230398A1 (en) Electrically conductive polymer adhesives with complex dimensional filters