TWI542643B - 分散劑、其製備方法及包含彼之建基於碳材料的經分散組成物 - Google Patents

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Description

分散劑、其製備方法及包含彼之建基於碳材料的經分散組成物
本發明係關於可將各種建基於碳的材料均勻地分散於包括水性溶劑的不同介質中的新穎分散劑及其製備方法，以及包括彼之建基於碳材料的經分散組成物。
最近有許多建基於碳的材料已被研究及用於各種產品諸如熱塑性樹脂組成物、二次電池、太陽能電池、顯示材料、電子材料等等或技術領域中。例如，欲進一步改善二次電池或太陽能電池的容量或電特性，已考慮及嘗試使用奈米碳管、其衍生物等等，及欲改善各種半導體裝置或顯示裝置的特性，乃嘗試應用建基於碳的奈米材料諸如石墨烯、其衍生物等等。此外，欲達到改善熱塑性樹脂組成物之機械性質或提供彼等新穎性質諸如導電性等等的目的，己嘗試使用各種建基於碳的材料。
然而，欲藉由應用建基於碳的材料諸如奈米碳管、石 墨烯、碳黑、建基於富勒烯的材料或其衍生物等等至各種領域而達到期望的物理性質，需要將這些建基於碳的材料以高濃度均勻地分散於包括水性溶劑的其他各種介質中。例如，欲藉使用包括奈米碳管的導電材料等等以改善二次電池的電性質，必需將這些建基於碳的材料以高濃度均勻地分散於介質諸如水性溶劑等等中。
然而，因為大多數建基於碳的材料諸如奈米碳管、石墨烯、建基於富勒烯的材料等等通常包含碳-碳鍵，故許多情況下難以將這些建基於碳的材料以高濃度均勻地分散於介質中。基此原因，故有所限制而難以利用建基於碳的材料。欲解決此問題，已考慮使用分散劑以將高濃度建基於碳的材料更均勻地分散於各種介質中。
然而，先前已知或己研究之分散劑並未根據介質型式而充分將建基於碳的材料充分分散，或者必需大量地使用以有效地將建基於碳的材料分散。而且，先前已知之分散劑具有的缺點為需要極高製造成本，因為彼等之原料昻貴或者需要複雜的製備方法之故。
基此原因，故持續地需要可將各種建基於碳的材料諸如奈米碳管、石墨烯或建基於富勒烯的材料以高濃度均勻地分散於各種介質，例如環境友善之水性溶劑中的新穎分散劑，即使使用其相對小量亦然，且其可藉由較簡單的製備方法較低成本地獲得。
本發明提供可將各種建基於碳的材料以高濃度均勻地分散於包括水性溶劑的不同介質中的新穎分散劑及其製備方法。
此外，本發明提供建基於碳材料的經分散組成物，其包括新穎分散劑及因此而均勻分散之建基於碳的材料。
本發明提供分散劑，其包括複數種聚芳烴氧化物之混合物，其中該混合物含有60重量%或更多之量的具有分子量300至1000的聚芳烴氧化物。
該分散劑中，當複數種聚芳烴氧化物接受元素分析時，該氧含量可佔混合物總元素含量的12至50重量%。
此外，該分散劑中，聚芳烴氧化物可具有其中一或多個含氧官能基結合至含5至30個苯環之芳烴的結構。更尤其地，該芳烴可於結構中具有7至20個苯環，且該含氧官能基可為一或多個選自由以下所組成之群組者：羥基、環氧基、羧基、硝基及磺基。
上述分散劑可用於將建基於碳的材料分散於溶劑中。待被分散劑分散之該建基於碳的材料的更具體實例可為一或多種選自由以下所組成之群組者：石墨烯、奈米碳管、石墨、碳黑、建基於富勒烯的材料及其衍生物，且亦可包括其他各種建基於碳的材料。
同時，本發明提供分散劑之製備方法，其包括將包括 分子量200至1500之聚芳烴的混合物於氧化劑之存在下氧化的步驟。
該分散劑之製備方法中，該氧化劑包括一或多種選自由以下所組成之群組者：硝酸(HNO3)、硫酸(H2SO4)、過氧化氫(H2O2)、硫酸鈰(IV)銨((NH4)4Ce(SO4)4)及硝酸鈰(IV)銨((NH4)2Ce(NO3)6)。
該製備方法中，包括具有分子量200至1500之聚芳烴的混合物可包括複數種含有5至50個苯環之芳烴。
此外，該氧化步驟可於水性溶劑中、於10至90℃的反應溫度進行0.5至20小時。
此外，作為製備方法起始材料的包括具有分子量200至1500之聚芳烴的混合物可由得自化石燃料或其產物的瀝青所衍生。
此外，該製備方法可進一步包括將氧化步驟後之生成物純化以得複數種聚芳烴氧化物之混合物的步驟，且此純化步驟可藉包括將氧化步驟之生成物離心的步驟進行。
同時，本發明提供建基於碳材料的經分散組成物，其包括建基於碳的材料；及上述之分散劑。
經分散組成物中，該建基於碳的材料可為一或多種選自由以下所組成之群組者：石墨烯、奈米碳管、石墨、碳黑、建基於富勒烯的材料、及其衍生物。
此經分散組成物為組成物，其中高濃度之建基於碳的材料由於上述分散劑之作用而以更高濃度均勻地分散於介質諸如水性溶劑等等中，且該經分散組成物可極佳地應用 至各種產品諸如二次電池、太陽能電池、顯示材料、電子材料等以求使用建基於碳的材料改善該產品的物理性質。
根據本發明，提供可將建基於碳的材料以高濃度均勻地分散於包括水性溶劑的不同介質中的新穎分散劑及其製備方法。尤其，此分散劑可藉使用不貴的原料諸如得自化石燃料廢棄物的瀝青等等以極簡單方法得到，因此，其僅需要極低的製造成本，同時展現對建基於碳的材料之優良可分散性。
結果，此分散劑克服了慣用分散劑的限制，且以低製造成本地將各種建基於碳的材料分散於介質中。因此，其可極佳地應用至各種產品諸如二次電池、太陽能電池、顯示材料、電子材料等以求使用建基於碳的材料改善該產品的物理性質。
圖1a及1b(分子量範圍400至500的放大)顯示瀝青的分子量分佈，其係藉MALDI-TOF質譜進行分析；圖2a及2b(分子量範圍400至500的放大)顯示實例1分散劑的分子量分佈，其係藉MALDI-TOF質譜進行分析；圖3顯示瀝青及實例1分散劑之13C CPMAS NMR分析的結果； 圖4顯示瀝青及實例1分散劑之FT-IR分析的結果；圖5顯示實例2至4之分散劑的分子量分佈之比較結果，其係藉MALDI-TOF質譜進行分析。
圖6顯示肉眼及掃描電子顯微鏡(SEM)分析的觀察影像，其中係將實驗實例2中使用實例分散劑與未使用分散劑之間所得之建基於碳的材料之可分散性相比較；圖7為顯示在實驗實例2中使用實例分散劑的情況下，以肉眼觀察建基於碳的材料(石墨烯片)於各種溶劑中之可分散性的影像；圖8顯示肉眼及掃描電子顯微鏡(SEM)分析的觀察影像，其中係將實驗實例2中使用實例2至4分散劑之間所得之建基於碳的材料之可分散性相比較；及圖9為顯示在實驗實例2中使用實例1之分散劑與使用比較實例1及2之分散劑之間，以肉眼觀察建基於碳的材料之可分散性的影像比較。
下文將更詳細地說明根據本發明實施例之新穎分散劑、其製備方法、及包括彼之建基於碳材料的經分散組成物。
首先，本案所用之“分散劑”意指任何用於將其他組份例如建基於碳的材料諸如石墨烯、奈米碳管等等均勻分散於水性溶劑、有機溶劑或其他液態介質中的組份。其中此“分散劑”及其他待分散的組份諸如建基於碳的材料被分散 於液態介質中的組成物稱之為“經分散組成物”，且此“經分散組成物”可以各種形式諸如溶液、淤漿、或糊之形式存在。此外，此“經分散組成物”可使用於各種應用中諸如用於二次電池的導電組成物；應用至各種電池、顯示器、裝置等等之製備方法的電極或導電組成物；用於二次電池的活性材料組成物；用於各種聚合物或樹脂複合物之製造的組成物；或應用至各種電子材料、裝置等等之製造方法的油墨或糊組成物，且其應用並未特別限制。其經定義為只要“分散劑”及待分散的組份均包括於液態介質中，則該組成物無視於其使用狀態地包括在上述“經分散組成物”之範圍內。
此外，本案所用之“聚芳烴”意指芳烴化合物，其中芳族環，例如二或多個，或5或多個苯環結合至且包括在單一化合物的結構中。此外，“聚芳烴氧化物”意指任何化合物，其中一或多個含氧官能基結合至其化學結構，因為上述“聚芳烴”與氧化劑之反應所導致。在此方面，藉與氧化劑反應以待引入“聚芳烴”中的含氧官能基可為其中具有一或多個氧的任何官能基，其可結合至芳族環，諸如羥基、環氧基、羧基、硝基、磺基等等。
此外，本案中所用之“建基於碳的材料”意指主要含有碳-碳鍵的任何材料，例如其涵蓋石墨烯、奈米碳管、石墨、碳黑、C60富勒烯、其他類似之建基於富勒烯的材料、其衍生物等等。然而，其可被解釋為，作為本發明“分散劑”的主要成分或主要原料的“聚芳烴”或其氧化物並 未包括在“建基於碳的材料”之範圍內。
同時，根據本發明之一實施例，提供分散劑，該分散劑包括含有聚芳烴氧化物之混合物，且該聚芳烴氧化物之混合物具有300至1000之分子量，且其量佔複數種聚芳烴氧化物之混合物的60重量%或更多。
在化石燃料諸如石油、煤等等之純化期間作為廢棄物而排出的瀝青為柏油製造中所用的副產物，且其可為含有複數種具有許多芳族環之聚芳烴的黏滯混合物。然而，本發明人的實驗結果顯示，當將瀝青使用氧化劑進行氧化法時，在瀝青所含的聚芳烴當中至少有一部分具有過高分子量的聚芳烴被降解，而得到具有相對窄分子量分佈的聚芳烴混合物。而且，經發現，一或多個含氧官能基被引入每個聚芳烴的芳族環中，因而得到含有複數種聚芳烴氧化物的混合物。
詳細地，當藉該方法所得之聚芳烴氧化物的混合物藉MALDI-TOF MS分析時，具有分子量約300至1000或約300至700的聚芳烴氧化物之含量為約60重量%或更多，或約65重量%或更多，或約70至95重量%。混合物中所含之聚芳烴氧化物的具體種類、結構及分佈可能依用於作為原料的瀝青之種類或來源、或氧化劑之種類等等而不同。然而，一實施例之分散劑中所包括之聚芳烴氧化物的混合物至少含有複數種聚芳烴氧化物，該複數種聚芳烴氧化物具有其中一或多個含氧官能基被引入具有5至30個、或7至20個苯環之聚芳烴中的結構。混合物中之聚 芳烴氧化物具有上述的分子量分佈，亦即，具有分子量約300至1000或約300至700的氧化物佔混合物總重之約60重量%或更多的量。
就此方面，含氧官能基的種類可依用於瀝青氧化法中之氧化劑種類等等而不同。例如，其可為一或多種選自由以下所組成之群組者：羥基、環氧基、羧基、硝基、磺基等等。
滿足上述結構性質及分子量分佈的聚芳烴氧化物，及其混合物可具有芳族環之疏水性π-結構域以及同時藉由結合至芳族環的含氧官能基而致的親水性區域。其中，疏水性π-結構域參與了與具有碳-碳鍵之建基於碳的材料諸如石墨烯、奈米碳管等等之表面的π-π交互作用，而親水性區域引起單一石墨烯或單一奈米碳管之間的斥力。結果，一實施例之包括聚芳烴氧化物混合物的分散劑於液態介質諸如水性溶劑等等中存在於建基於碳的材料諸如石墨烯或奈米碳管的分子之間，以便能將建基於碳的材料均勻地分散。因此，一實施例之分散劑經發現顯現將建基於碳的材料以更高濃度均勻地分散之優良可分散性，即使其以相對小量使用亦然。
而且，因為一實施例分散劑本身由於如上所述之其親水性區域而能展現水溶性，故其可將建基於碳的材料均勻地分散於對生態環境友善之水性溶劑中。尤其，如同下列實例中所證實，該分散劑經發現能展現將建基於碳的材料以高濃度均勻地分散於各種有機溶劑諸如丙酮、四氫呋喃 (THF)、乙醇及N-甲基吡咯啶酮(NMP)以及於對生態環境友善之水性溶劑中的優良可分散性。
尤其，僅使用個別之1~2種聚芳烴氧化物難以達成上述優良的可分散性，但上述優良的可分散性可藉使用能滿足上述分子量分佈(分子量範圍及含量範圍)之複數種聚芳烴氧化物的混合物達成。
此外，一實施例之分散劑可藉由不貴的原料諸如瀝青中經由簡化的氧化法製得，因而大幅地降低用於建基於碳的材料之分散劑的製造成本且進一步簡化製備方法。
結果，一實施例之分散劑克服了慣用分散劑的限制，且以低製造成本地將各種建基於碳的材料以高濃度均勻地分散於各種液態介質中。因此，其可極佳地應用至各種產品諸如二次電池、太陽能電池、顯示材料、電子材料等以求使用建基於碳的材料改善該產品的物理性質。
同時，當包括於一實施例分散劑中的複數種聚芳烴氧化物接受元素分析時，於該總混合物中之該氧含量可佔總元素含量之約12至50重量%或約15至45重量%。此氧含量反映含氧官能基藉氧化法於聚芳烴氧化物中的引入程度。當滿足此氧含量時，則可包括適當程度之上述的親水性區域。結果，奈米碳管可更適當地使用上述分散劑分散。
氧含量可藉由包括於上述混合物中之複數種聚芳烴氧化物的元素分析計算出。亦即，當將混合物樣品(例如約1毫克)於(例如)薄箔上以約900℃之高溫加熱時，該 箔突然熔化，再將溫度增至約1500至1800℃。由於高溫，氣體由混合物樣品中產生，再收集氣體以測量及分析元素含量。由元素分析之結果中，可測量及分析複數種聚芳烴氧化物中所含之碳、氧、氫、及氮的總元素含量，且可計算相關於總元素含量之氧含量。
上述之一實施例的分散劑可用於將各種建基於碳的材料分散於溶劑中，且適當地，用於將高濃度建基於碳的材料均勻分散於水性溶劑中。其中可分散性可藉使用分散劑而改善之建基於碳的材料之種類為(但不特別限定於)例如石墨烯、奈米碳管、石墨、碳黑、建基於富勒烯的材料、其衍生物等等。然而顯見地，一實施例之分散劑可適當地用於將其他各種建基於碳的材料分散。
同時，根據本發明之另一實施例，提供上述分散劑之製備方法。該分散劑的製備方法可包括將具有分子量約200至1500之聚芳烴的混合物於氧化劑之存在下氧化的步驟。
如上所述，在化石燃料諸如石油、煤等等之純化期間作為廢棄物而排出的瀝青可為含有複數種聚芳烴的黏滯或粉狀混合物。顯見地，該聚芳烴的具體種類、結構、組成物比、及分子量分佈可能依瀝青之原料或來源等等而不同，但瀝青可於其結構中含有複數種具有5至50個芳族環，例如苯環之聚芳烴，且其通常可含有具分子量200至1500的聚芳烴。例如，含有具分子量200至1500之聚芳烴的混合物(例如瀝青)(其係作為另一實施例之製備方 法中的起始材料)可包括約80重量%或更多，或約90重量%或更多之量的具上述範圍內分子量之聚芳烴。
然而，如果含有聚芳烴之混合物諸如瀝青使用氧化劑進行氧化法時，在瀝青所含的聚芳烴當中具有過高分子量的聚芳烴被降解，而可得到具有相對窄分子量分佈的聚芳烴混合物。例如，具有分子量超過約1000或約700之聚芳烴可被降解成具低分子量者。此外，一或多個含氧官能基被引入每個聚芳烴的芳族環中，因此可極簡單地製得包括複數種聚芳烴氧化物的混合物，亦即一實施例之分散劑。
分散劑之製備方法中，氧化劑的種類並未特別限制。任何氧化劑可無限制地使用，只要其可導致可將含氧官能基引至芳烴中的氧化反應即可。氧化劑之具體實例包括硝酸(HNO3)、硫酸(H2SO4)、過氧化氫(H2O2)、硫酸鈰(IV)銨((NH4)4Ce(SO4)4)及硝酸鈰(IV)銨((NH4)2Ce(NO3)6)等等。二或多種由其中選出者之混合物亦可使用。
氧化步驟可於水性溶劑中、於約10至90℃之反應溫度進行0.5至20小時。一具體實施例中，該氧化步驟可藉將預定量之包括聚芳烴的混合物於液態氧化劑諸如硫酸及/或硝酸之存在下、於室溫例如於約20℃或80℃加入進行約1至12小時。上述分散劑的性質，例如聚芳烴的氧化程度可藉由控制氧化步驟的反應溫度或時間而予適當地控制，因而製得具有期望性質的分散劑。
此外，如上所述，含有具分子量200至1500之聚芳烴的混合物(其係用於作為製備方法之起始材料)可由得自化石燃料或其產物的瀝青所衍生，且該聚芳烴的種類、結構或分子量分佈可依原料之種類等等而不同。然而，對建基於碳的材料具有優良可分散性的一實施例分散劑可藉將含有具分子量200至1500之聚芳烴的混合物(其由瀝青等等所衍生)如上所述地進行氧化法而簡單地製得。
同時，上述製備方法可進一步地包括將氧化步驟後之生成物純化以得複數種聚芳烴氧化物之混合物的步驟。此純化步驟可藉包括將氧化步驟之生成物離心的步驟進行。由於純化步驟，滿足一實施例分子量分佈的聚芳烴氧化物混合物可以更高純度適當地獲得，且包括彼之分散劑可用於將建基於碳的材料更適當地分散於液態介質諸如水性溶劑等等中。
同時，根據本發明之又另一實施例，提供建基於碳材料的經分散組成物，其包括建基於碳的材炓；及上述之一實施例的分散劑。
該經分散組成物中，建基於碳的材料可為一或多種選自由以下所組成之群組者：石墨烯、奈米碳管、石墨、碳黑、建基於富勒烯的材料及其衍生物。
由於上述分散劑的作用，此經分散組成物可為其中高濃度建基於碳的材料以更高濃度均勻地分散於液態介質諸如水性溶劑等等中的狀態。此外，此經分散組成物可根據建基於碳的材料種類、其他額外組份的使用、或具體組成 物而用於各種應用中諸如用於二次電池的導電組成物、電極組成物或活性材料組成物。此外，其狀態可根據該建基於碳的材料之具體組成物的種類而具有各種形式諸如溶液、淤漿、或糊。
然而，具有各種應用、種類或狀態的該經分散組成物可藉應用熟諳此藝者典型已知之組成物及製備方法而得，惟使用一實施例之分散劑。因此，其額外說明將予省略。
上述之經分散組成物可為液態組成物，其中建基於碳的材料由於一實施例分散劑的使用而以更高濃度均勻地分散。因此，此經分散組成物可極佳地應用至各種產品諸如太陽能電池、顯示材料、電子材料等以求使用建基於碳的材料改善該產品的物理性質。
下文中，本發明之作用及效應將更詳細地由本發明之具體實例說明。然而，這些實例僅供闡述的目的，且本發明的範圍不欲被這些實例所限制。
實例1：分散劑的製備
將瀝青(其為得自POSCO之石油副產物)進行下列之氧化及純化法以製得實例1之分散劑。
首先，將0.5至1.5克之瀝青加至75毫升硫酸/硝酸(體積比為3：1)之混合溶液中，再於70℃進行氧化反應約3.5小時。
其後，將氧化反應所得之瀝青反應溶液冷卻至室溫，再以約5倍體積之蒸餾水稀釋，其後以約3500rpm之速 離心30分鐘。隨後將上層液丟棄，再將相同量之蒸餾水加入且再懸浮，其後於相同條件下離心。最後，將丸粒回收及乾燥。結果製得實例1之分散劑。
首先，將瀝青(其係用於作為分散劑製備方法期間的原料)之分子量分佈藉MALDI-TOF質譜進行分析，結果示於圖1a及1b中(分子量範圍400至500的放大)，且實例1之分散劑的分子量分佈亦以相同方式分析，結果示於圖2a及2b中(分子量範圍400至500的放大)。此分析係使用MALDI-TOF質譜分光計(Ultraflex II,Bruker)進行，將瀝青或分散劑加至基質後，再將彼等混合及乾燥。
關於圖1a及1b(放大)方面，經發現瀝青含有具分子量200至1500之聚芳烴。尤其，圖1b之放大中，每14Da分子量的間隔偵測到高峰，顯示複數種具有不同數目芳族環(苯環)的聚芳烴藉由脂族烴連結。相比之下，關於圖2a及2b(放大)方面，實例1分散劑之聚芳烴中，每44Da及16D的間隔偵測到高峰，顯示其以聚芳烴氧化物之混合物的形式存在，其中含氧官能基諸如-COOH或-OH被引入芳烴中。具有分子量約300至1000或約300至700的氧化物經發現以60重量%或更多之量包括。
此外，用於作為原料的瀝青(上圖)及實例1之分散劑(下圖)分別藉13C CPMAS NMR(Varian 400MHz Solid-State NMR)分析。將分析結果相比較且示於圖3中。有關於圖3方面，由芳烴之碳所衍生之峰及由脂族烴 之碳所衍生之一些峰被偵測出，但瀝青中未偵測出含氧官能基。相比之下，實例1分散劑之NMR分析結果顯示含氧官能基的峰。含氧官能基的種類經發現為環氧基、羥基或羧基。
此外，將用於作為原料的瀝青及實例1之分散劑以粉末形式藉FT-IR(Agilent 660-IR)分析，再將分析結果相比較且示於圖4中。圖4亦顯示實例1分散劑中之含氧官能基的峰之外觀。
實例2至4：分散劑的製備
使用得自POSCO之石油副產物的瀝青(然而，此瀝青不同於實例1中所用的樣品)，且以與實例1相同之方式製得實例2至4之分散劑，惟氧化反應分別進行1小時(實例2)，3.5小時(實例3)或7小時(實例4)。
將這些分散劑以與實例1相同之方式藉MALDI-TOF質譜進行分析，再將結果相比較且示於圖5中。有關於圖5方面，當氧化時間增加時，分散劑中具有分子量大於約1000或約700的組份(聚芳烴氧化物)之含量減少，結果，分散劑以包括更高含量之具有分子量約300至1000或約300至700的聚芳烴氧化物之混合物形式獲得。
比較實例1及2：分散劑
下列化學式1之商業化分散劑(PNE)係用於作為比較實例1且下列化學式2之分散劑(PNS)係用於作為比 較實例2。
實驗實例1：分散劑之氧含量的測量
將各1毫克實例3及4所得之分散劑樣品於薄箔上於約900℃之高溫加熱。此時，當該箔突然熔化之時，將溫度增至約1500至1800℃，氣體由於高溫而由樣品中產生。收集此氣體，再進行元素分析以測量及分析碳、氧、氫及氮含量。將分析結果與用於製備每一種分散劑的瀝青者相比較，且顯示於下表1中。
有關於表1方面，當分析實例3及4之分散劑中的每一種元素之含量時，氧含量佔總元素含量之約12至50重量%或約30至40重量%。
實驗實例2：用於建基於碳材料之分散劑的可分散性試驗
(1)將15毫克實例1之分散劑藉音波處理分散於100毫升蒸餾水中。然後將0.5克作為建基於碳的材料之石墨加入，再使用高速均質機以12000rpm之速攪拌約1小時，且繼而使用超音波處理器(尖端-音波器)以400瓦特之80%電力(亦即320瓦特電力)以30分鐘之間隔時間分散兩次。此外，使用高速均質機及尖端音波處理將實例2至4之分散劑用以將作為建基於碳之材料的石墨分散及剝落成石墨烯片，然後以與實例1相同之方式測試用於石墨烯片的分散劑之可分散性。
此外，將其他建基於碳的材料、CNT或碳黑藉下列方法分散。令佔CNT或碳黑重量之5至30重量%的實例1分散劑溶於10毫升蒸餾水中，然後將0.1克作為建基於碳的材料之CNT或碳黑加入，其後進行分批式音波處理以供分散。
上述分散法中，用於分散之該分散劑之含量或該設備的實驗條件可依建基於碳的材料之型式而有所變化。
首先，以掃描電子顯微鏡(SEM)分析或肉眼觀察藉上述方法所得之實例1分散劑之分散性質的測試結果，且示於圖6中。
首先，有關於圖6之(a)至(c)方面，當石墨、奈米碳管(MWCNT)及碳黑簡單地分散於水中時，大部分建基於碳的材料沈澱，且很少被分散(參見每個影像的左邊)。相比之下，當使用實例1之分散劑時，彼等極均勻地被分散(參見每一影像的右邊)。此優良之可分散性亦藉掃描電子顯微鏡(SEM)分析結果證實。
圖6之(d)至(f)顯示未使用分散劑地將建基於碳的材料分散於水中後的SEM分析結果，而圖6之(g)至(i)顯示使用分散劑地將彼等分散後之SEM分析結果，顯示石墨、奈米碳管(MWCNT)及碳黑之建基於碳的材料係藉使用分散劑而更為均勻地分散於水中。
(2)同時，將實例1分散劑之可分散性使用石墨烯片作為建基於碳的材料進行測試。然而，使用各種溶劑諸如水、丙酮、四氫呋喃(THF)、乙醇及N-甲基吡咯啶酮(NMP)以測試可分散性且測試結果示於圖7中。
更尤其，將溶液(其係藉使用實例1之分散劑將石墨分散及剝落於水中而得)以1500rpm之速離心以移出未剝落的大塊，再將上層液以8000rpm之速離心30分鐘。將所回收之丸粒於55℃乾燥。其後，將各10毫克乾燥粉末加至10毫升各種溶劑諸如水、丙酮、四氫呋喃(THF)、乙醇及N-甲基吡咯啶酮(NMP)，然後藉分批式音波法進行音波處理1小時以將石墨烯片(其係藉將石墨剝落於各種溶劑中而得)分散。
有關於圖7方面，經發現當使用實例之分散劑時，石 墨烯片之建基於碳的材料可極均勻地分散於各種溶劑中。
(3)此外，以掃描電子顯微鏡(SEM)分析或肉眼觀察藉上述方法所得之實例2至4分散劑之分散性質的測試結果，且示於圖8中(於圖8中，1小時：實例2，3.5小時：實例3，7小時：實例4)。
首先，有關於圖8之(d)之方面，經發現當使用實例2至4之分散劑時，由石墨中剝落的石墨烯片極均勻地分散(參見每一影像的右邊；甚至於分散後的1年，經發現仍保持優良的分散狀態)。此優良之可分散性亦藉圖8之(a)至(c)中所示的SEM分析結果證實。
(4)另外，使用實例1及比較實例1及2之每一種分散劑以藉下列方法比較及分析彼等用於建基於碳的材料之可分散性。
首先，將各1.0克實例1及比較實例1及2之分散劑、50毫升蒸餾水及2.5克作為建基於碳的材料之石墨烯片(如上所述地由石墨中剝落)混合，然後藉分批式音波法進行音波處理1小時以將石墨烯片(其係藉將石墨剝落而得)分散。
分散之結果示於圖9中。有關於圖9方面，當使用比較實例1之分散劑(PNE)及比較實例2之分散劑(PNS)時，石墨烯片未被適當分散，且有聚集體經發現於管瓶壁上或漂浮於水中。相比之下，當使用實例1之分散劑(PAO)時，作為建基於碳的材料之石墨烯片被均勻地分散。因此證實實例1之分散劑展現對建基於碳的材料 優良的可分散性。
假定地，不像具有個別1~2種化合物之比較實例1及2的分散劑一樣，實例1之分散劑為數種聚芳烴氧化物的混合物，且該聚芳烴氧化物的分子量範圍及含量範圍被最適化，導致與建基於碳的材料更有效的交互作用且使建基於碳的材料更均勻分散。

Claims (16)

  1. 一種分散劑，其包含複數種聚芳烴氧化物之混合物，其中該混合物包括60重量%或更多之量的具有分子量300至1000的聚芳烴氧化物。
  2. 如申請專利範圍第1項之分散劑，其中當複數種聚芳烴氧化物接受元素分析時，該氧含量佔總元素含量的12至50重量%。
  3. 如申請專利範圍第1項之分散劑，其中該聚芳烴氧化物具有其中一或多個含氧官能基結合至含5至30個苯環之芳烴的結構。
  4. 如申請專利範圍第3項之分散劑，其中該芳烴於其結構中具有7至20個苯環。
  5. 如申請專利範圍第3項之分散劑，其中該含氧官能基包括一或多個選自由以下所組成之群組者：羥基、環氧基、羧基、硝基及磺基。
  6. 如申請專利範圍第1項之分散劑，其係用於將建基於碳的材料分散於溶液中。
  7. 如申請專利範圍第6項之分散劑，其中該建基於碳的材料為一或多個選自由以下所組成之群組者：石墨烯、奈米碳管、石墨、碳黑、建基於富勒烯的材料及其衍生物。
  8. 一種如申請專利範圍第1項之分散劑的製備方法，其包含將具有分子量200至1500之聚芳烴的混合物於氧 化劑之存在下氧化的步驟。
  9. 如申請專利範圍第8項之方法，其中該氧化劑包括一或多個選自由以下所組成之群組者：硝酸(HNO3)、硫酸(H2SO4)、過氧化氫(H2O2)、硫酸鈰(IV)銨((NH4)4Ce(SO4)4)及硝酸鈰(IV)銨((NH4)2Ce(NO3)6)。
  10. 如申請專利範圍第8項之方法，其中該具有分子量200至1500之聚芳烴的混合物包括複數種含有5至50個苯環之芳烴。
  11. 如申請專利範圍第8項之方法，其中該氧化步驟係於水性溶劑中、於10至90℃的反應溫度進行0.5至20小時。
  12. 如申請專利範圍第8項之方法，其中該具有分子量200至1500之聚芳烴的混合物係由得自化石燃料或其產物的瀝青所衍生。
  13. 如申請專利範圍第8項之方法，其進一步包含將氧化步驟後之生成物純化以得複數種聚芳烴氧化物之混合物的步驟。
  14. 如申請專利範圍第13項之方法，其中該純化步驟包括將氧化步驟之生成物離心的步驟。
  15. 一種建基於碳材料的經分散組成物，其包含建基於碳的材料；及如申請專利範圍第1項之分散劑。
  16. 如申請專利範圍第15項之建基於碳材料的經分散組成物，其中該建基於碳的材料為一或多個選自由以下所組成之群組者：石墨烯、奈米碳管、石墨、碳黑、建基於富勒烯的材料及其衍生物。
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