JP2009538363A - Polymer materials incorporating carbon nanostructures and their fabrication methods - Google Patents

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Abstract

本発明は、カーボン・ナノスフィアを高分子材料中へ導入した新規な複合材料に関するものである。高分子材料は、グラファイト材料に親和性のあるどのような高分子または重合可能な材料であってもよい。カーボン・ナノスフィアは、中空のグラファイト状ナノ粒子である。カーボン・ナノスフィアは、鋳型ナノ粒子を使用したカーボン前駆体から製造することができる。カーボン・ナノスフィアのユニークなサイズ、形状、および電気的性質は、これらのナノ材料を導入した複合材料に有利な性質を与える。  The present invention relates to a novel composite material in which carbon nanospheres are introduced into a polymer material. The polymeric material can be any polymeric or polymerizable material that has an affinity for the graphite material. Carbon nanospheres are hollow graphite-like nanoparticles. Carbon nanospheres can be produced from carbon precursors using template nanoparticles. The unique size, shape, and electrical properties of carbon nanospheres provide advantageous properties for composite materials incorporating these nanomaterials.

Description

本発明は、一般に、カーボン・ナノ材料を導入した高分子材料に関するものである。特に、本発明は、カーボン・ナノスフィアを導入した高分子材料に関するものである。   The present invention generally relates to a polymer material into which a carbon nanomaterial is introduced. In particular, the present invention relates to a polymer material into which carbon nanospheres are introduced.

カーボン材料は、様々な分野で高性能および機能材料として使用されてきた。グラファイトは、導電性や不活性であることなどの重要な性質を有するよく知られたカーボン材料である。過去10年間、研究者達はグラファイト構造をナノメータースケールで作製することを学んできた。もっとも広範囲に研究され、理解されているグラファイトナノ構造はカーボン・ナノチューブである。最近、研究者達はカーボン「ナノオニオン」、「ナノホーン」、「ナノビーズ」、「ナノファイバ」などのような他のカーボン・ナノ構造を作製する方法を開発してきた。   Carbon materials have been used as high performance and functional materials in various fields. Graphite is a well-known carbon material that has important properties such as electrical conductivity and inertness. Over the past decade, researchers have learned to create graphite structures on the nanometer scale. The most extensively studied and understood graphite nanostructure is the carbon nanotube. Recently, researchers have developed other methods for making other carbon nanostructures such as carbon “nano onions”, “nano horns”, “nano beads”, “nano fibers”, and the like.

これらの材料のうちのいくつかのものは、高分子材料中にナノ構造を導入することにより複合材料を作製するために使用されてきた。これらの試みのほとんどのものは、高分子中に単壁および多重壁ナノチューブを導入しようとしたものである。カーボン・ナノチューブを高分子中のフィラー材料として使用することは、複合材料の強度を増加させ複合材料に導電性を付与することによる利点を有するであろう。   Some of these materials have been used to make composite materials by introducing nanostructures into polymeric materials. Most of these attempts have attempted to introduce single-walled and multi-walled nanotubes into the polymer. The use of carbon nanotubes as a filler material in a polymer will have the advantage of increasing the strength of the composite material and imparting electrical conductivity to the composite material.

米国特許第6,689,835号明細書US Pat. No. 6,689,835 2006年10月5日に出願の「鋳型ナノ粒子から製造されるカーボン・ナノリング(Carbon Nanorings Manufacured From Templating Nanoparticles)」という名称の米国特許出願第11/539,120号明細書US patent application Ser. No. 11 / 539,120, filed Oct. 5, 2006, entitled “Carbon Nanorings Manufactured From Templating Nanoparticulars”. 2006年10月5日に受理された「触媒鋳型ナノ粒子から製造されるカーボン・ナノ構造(Carbon Nanostructures Manufacured From Catalytic Templating Nanoparticles)」という名称の米国特許出願第11/539,042号明細書US patent application Ser. No. 11 / 539,042, entitled “Carbon Nanostructured Manufacture From Catalytic Templating Nanoparticulates”, accepted on October 5, 2006. ハン(Han)らによる「中空グラファイト状ナノ粒子の簡単な固相合成およびそれらの直接メタノール燃料電池の電極への応用(Simple Solid−Phase Synthesis of Hollow Graqphitic Nanoparticles and their Application to Direct Methanol Fuel Cell Electrodes)」、アドヴァンス マテリアル(Adv. Mater). 2003年, 15. 22号 11月17日Han et al., “Simple Solid-Phase Synthesis of Hollow Graphitic Nanoparticles and their Applied Electrode to the Solid Solid-Phase Synthesis of Hollow Graphite-like Nanoparticles and Their Direct Application to Direct Methanol Fuel Cell Electrodes”. ”Advance Material (Adv. Mater). 2003, 15. No. 22 November 17

しかしながら、カーボン・ナノチューブを高分子材料中に導入することは非常に困難であることがわかっている。カーボン・ナノチューブの繊維状の形状はサイズが小さなこととあいまって、高分子中に均一に分散させることを困難にしている。導電性が要求されるような応用では、電気抵抗の有意な低減を付与するために必要なカーボン・ナノチューブの量は、ほとんどの応用分野において価格的につりあわない。   However, it has proven very difficult to introduce carbon nanotubes into polymeric materials. The fibrous shape of carbon nanotubes, combined with their small size, makes it difficult to disperse uniformly in the polymer. In applications where electrical conductivity is required, the amount of carbon nanotubes needed to provide a significant reduction in electrical resistance is not costly in most applications.

本発明は、高分子材料中にカーボン・ナノ材料を導入した新規な複合材料に関するものである。このカーボン・ナノ材料は、前記高分子複合材料に新規な性質を与えるカーボン・ナノ構造を含む。発明の1つの実施形態では、高分子材料中に導入されるカーボン・ナノ構造はカーボン・ナノスフィアである。典型的には、カーボン・ナノスフィアは一般に丸い中空のナノ粒子を区切るグラファイトの多重壁を有する。   The present invention relates to a novel composite material in which a carbon nanomaterial is introduced into a polymer material. The carbon nanomaterial includes a carbon nanostructure that imparts a novel property to the polymer composite material. In one embodiment of the invention, the carbon nanostructure introduced into the polymeric material is a carbon nanosphere. Typically, carbon nanospheres have multiple walls of graphite that generally delimit round hollow nanoparticles.

様々なサイズのナノスフィアを作製することができる。1つの実施形態では、直径は約2nmから約500nmの範囲、より好ましくは約5nmから約250nmの範囲、最も好ましくは約10nmから約150nmの範囲である。ナノスフィアの内径は、ナノスフィアの外径および壁の厚みに依存する。内径(すなわち、中空部分の直径)は、典型的には約0.5nmから約300nmの間、より好ましくは約2nmから約200nmの間、最も好ましくは約5nmから約100nmの間である。   Various sizes of nanospheres can be made. In one embodiment, the diameter ranges from about 2 nm to about 500 nm, more preferably from about 5 nm to about 250 nm, and most preferably from about 10 nm to about 150 nm. The inner diameter of the nanosphere depends on the outer diameter of the nanosphere and the wall thickness. The inner diameter (ie, the diameter of the hollow portion) is typically between about 0.5 nm and about 300 nm, more preferably between about 2 nm and about 200 nm, and most preferably between about 5 nm and about 100 nm.

場合によっては、カーボン・ナノ材料は、高分子材料中にさらに分散しやすいナノ材料を作製するために、および/またはその表面から官能基(例えば酸性基)を除去するために処理を行うことが可能である。1つの実施形態では、カルボン酸および他の酸化官能基が中性化するための塩基によって除去される。もう一方の実施形態では、ナノ材料の分散性が酸化剤によって精製された後に、その材料の熱処理によって改善される。   In some cases, the carbon nanomaterial may be treated to create a nanomaterial that is more easily dispersed in the polymeric material and / or to remove functional groups (eg, acidic groups) from its surface. Is possible. In one embodiment, the carboxylic acid and other oxidizing functional groups are removed with a base to neutralize. In another embodiment, the dispersibility of the nanomaterial is improved by heat treatment of the material after it has been purified by an oxidizing agent.

前記複合材料を作製するために使用される前記高分子材料は、グラファイト材料となじみのよいどのような高分子または重合可能な材料でもよい。高分子の例としては、ポリアミン、ポリアクリル酸エステル、ポリブタジエン、ポリブチレン、ポリエチレン、塩素化ポリエチレン、エチレンビニルアルコール、フッ素系高分子、アイオノマー、ポリメチルペンテン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、縮合系高分子、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアリールエーテルケトン、ポリカーボネート、ポリケトン、ポリエステル、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフタールアミド、ポリフタールイミド、ポリスルホン、ポリアリールスルホン、アリル樹脂、メラミン樹脂、フェノールホルムアルデヒド樹脂、液晶高分子、ポリオレフィン、シリコーン、ポリウレタン、エポキシ、セルロース系高分子、それらの組み合わせ、それらの誘導体、または上記のいずれかの共重合体を含む。   The polymer material used to make the composite material may be any polymer or polymerizable material that is compatible with the graphite material. Examples of polymers include polyamines, polyacrylates, polybutadiene, polybutylene, polyethylene, chlorinated polyethylene, ethylene vinyl alcohol, fluoropolymers, ionomers, polymethylpentene, polypropylene, polystyrene, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride. , Condensation polymer, polyamide, polyamideimide, polyaryletherketone, polycarbonate, polyketone, polyester, polyetheretherketone, polyetherimide, polyethersulfone, polyimide, polyphenyleneoxide, polyphenylenesulfide, polyphthalamide, polyphthalimide , Polysulfone, polyarylsulfone, allyl resin, melamine resin, phenol formaldehyde resin, liquid crystal polymer, polyolefin Including emissions, silicone, polyurethane, epoxy, cellulosic polymers, combinations thereof, derivatives thereof or any copolymer of the above.

前記カーボン・ナノスフィアは、複合材料の約0.1重量%から約70重量%の範囲、より好ましくは約0.5重量%から約50重量%の範囲、最も好ましくは約1.0重量%から約30重量%の範囲で前記高分子材料と混合される。カーボン・ナノスフィアは単独で、または他のグラファイト材料と組み合わせて添加することができ、前記複合材料に導電性能を付与する。電気伝導性を与えるには、複合材料中に約3重量%以上の、より好ましくは約10重量%以上の、そして最も好ましくは約15重量%以上のカーボン・ナノスフィアを添加することが望ましい。   The carbon nanospheres are in the range of about 0.1% to about 70%, more preferably in the range of about 0.5% to about 50%, most preferably about 1.0% by weight of the composite material. To about 30% by weight with the polymeric material. Carbon nanospheres can be added alone or in combination with other graphite materials to impart conductive performance to the composite material. To provide electrical conductivity, it is desirable to add about 3 wt% or more, more preferably about 10 wt% or more, and most preferably about 15 wt% or more of carbon nanospheres in the composite material.

本発明の複合材料を作る方法としては、いずれかの既知の方法を使用することができる。例えば、前記高分子材料のペレットや粉と必要な量のカーボン・ナノスフィアとを乾式ブレンドまたは湿式ブレンドし、ついで加熱下ロールニーダで混合してもよいし、または押出機に供給してロープとして押し出しペレットに切断してもよい。もう一方では、カーボン・ナノスフィアは溶液としてまたは樹脂ディスパーションとして、液体媒体中でブレンドすることができる。熱硬化重合性材料が使用される場合には、その特定の樹脂に適切ないずれかの既知の方法を使用して、モノマーまたはオリゴマーと混合することができる。   Any known method can be used as a method of making the composite material of the present invention. For example, the polymer material pellets and powder and the required amount of carbon nanospheres may be dry blended or wet blended and then mixed with a roll kneader under heating, or supplied to an extruder and extruded as a rope. It may be cut into pellets. On the other hand, the carbon nanospheres can be blended in a liquid medium as a solution or as a resin dispersion. If a thermoset polymerizable material is used, it can be mixed with the monomer or oligomer using any known method appropriate for that particular resin.

他のナノ材料、特に繊維状の形状であるナノチューブと比較すると、ナノスフィアはそのより球状に近い形のために高分子中または重合可能な材料中にはるかに容易に分散する。このためナノスフィアを、繊維状材料というよりはむしろ粒子状のフィラーのようにより容易に分散させることができる。典型的には、繊維状材料は粒子に比較し分散することが難しく、良好な分散性を保証するためにははるかに大きなせん断力が必要とされる。対照的に、ナノスフィアは低いせん断力を使用して高分子材料および重合可能な材料とブレンドすることができる。ナノスフィアのブレンドに低いせん断力を使用することは、グラファイト材料およびそれが分散される高分子材料を劣化させる可能性を低くする。   Compared to other nanomaterials, especially nanotubes that are in a fibrous form, nanospheres are much easier to disperse in polymers or polymerizable materials due to their more spherical shape. For this reason, the nanospheres can be more easily dispersed like a particulate filler rather than a fibrous material. Typically, fibrous materials are difficult to disperse compared to particles, and much greater shear forces are required to ensure good dispersibility. In contrast, nanospheres can be blended with polymeric and polymerizable materials using low shear forces. The use of low shear forces in nanosphere blends reduces the likelihood of degrading the graphite material and the polymeric material in which it is dispersed.

高分子材料中のナノスフィアの分散を改善するために、グラファイトカーボンへの適用に向いているいずれかの既知の方法および/または材料を使用することができる。さらに、希望する形に成形する方法としては、押出し成形、ブロー成形、射出成形、またはプレス成形のようないずれかの既知の方法を使用することができる。   Any known method and / or material suitable for application to graphitic carbon can be used to improve the dispersion of nanospheres in the polymeric material. Further, any known method such as extrusion molding, blow molding, injection molding, or press molding can be used as a method of molding into a desired shape.

本発明の複合材料は、その中に導入されるカーボン・ナノスフィアのユニークな形状、化学、および他の側面から由来する有益な性質を有することが期待される。特に、カーボン・ナノスフィアは多くの高分子の電気抵抗を、同程度の量のカーボン・ナノチューブやカーボンブラックの場合よりもかなり低減させることが可能であることが見出された。例えば、要求される低い電気抵抗値を高分子材料中の約16重量%のカーボンブラックまたは7重量%のカーボン・ナノチューブが達成するのに対し、同じ要求される低い電気抵抗値を達成するのに必要なカーボン・ナノスフィアの量は驚くべきことにたった約3重量%でよい。   The composite material of the present invention is expected to have beneficial properties derived from the unique shape, chemistry, and other aspects of the carbon nanospheres introduced therein. In particular, it has been found that carbon nanospheres can significantly reduce the electrical resistance of many macromolecules over comparable amounts of carbon nanotubes and carbon black. For example, about 16% by weight carbon black or 7% by weight carbon nanotubes in a polymeric material can achieve the required low electrical resistance value, while achieving the same required low electrical resistance value. The amount of carbon nanosphere required is surprisingly only about 3% by weight.

本発明のこれらのおよび他の利点と側面は、以下の記述および上記に添付された請求項によってさらに完全に明らかにされるであろう。   These and other advantages and aspects of the present invention will become more fully apparent from the following description and the appended claims.

本発明の上記のおよび他の利点と側面をさらに明らかにするために、本発明のより詳細な記述が、添付図中で説明される発明の特別な実施形態を参照して、示されるであろう。これらの図は発明の典型的な実施形態を表しているだけであるので、その範囲を限定すると考えるべきではない。発明は、付随する図面を使用することによって付加的な特異性および詳細について記述および説明される。   To further clarify the above and other advantages and aspects of the present invention, a more detailed description of the invention will be presented with reference to specific embodiments of the invention illustrated in the accompanying drawings. Let's go. These figures only represent typical embodiments of the invention and should not be considered as limiting its scope. The invention will be described and explained with additional specificity and detail through the use of the accompanying drawings in which:

I.複合材料を製造するために使用される成分
発明の高分子複合材料は、高分子材料とカーボン・ナノ材料の混合物を含む。カーボン・ナノ材料は、複合材料に低い電気抵抗のような新規な特性を与えるカーボン・ナノスフィアを含む。場合によっては、前記高分子複合材料はフィラーまたは他のカーボン・ナノ材料のような他の添加剤を含むことも可能である。本発明のために、ナノスフィアという語は規則的または不規則的な外形を有するグラファイト状の中空粒子または球を含む。
I. Ingredients used to make the composite material The inventive polymer composite material comprises a mixture of polymer material and carbon nanomaterial. Carbon nanomaterials include carbon nanospheres that impart new properties such as low electrical resistance to composite materials. In some cases, the polymer composite material may include other additives such as fillers or other carbon nanomaterials. For the purposes of the present invention, the term nanosphere includes graphite-like hollow particles or spheres having a regular or irregular profile.

A.高分子材料
本発明の新規複合材料においては、グラファイト材料と適合する、または適合するようにされるどのような高分子材料を使用してもよい。この高分子材料は、合成、天然、または修正された天然の高分子または樹脂であってもよい。適切な高分子材料としては、熱硬化性および熱可塑性高分子、および/または重合可能な材料が含まれる。
A. Polymeric Material Any polymeric material that is or is made compatible with the graphite material may be used in the novel composite material of the present invention. The polymeric material may be a synthetic, natural, or modified natural polymer or resin. Suitable polymeric materials include thermosetting and thermoplastic polymers, and / or polymerizable materials.

本発明の複合材料において利用できる適切な高分子材料としては、次のような高分子(および/または次のような高分子の一つかそれ以上を形成するように選ばれる重合可能な材料):ポリアミン、ポリアクリル酸エステル、ポリブタジエン、ポリブチレン、ポリエチレン、塩素化ポリエチレン、エチレンビニルアルコール、フッ素系高分子、アイオノマー、ポリメチルペンテン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、縮合系高分子、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアリールエーテルケトン、ポリカーボネート、ポリケトン、ポリエステル、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフタールアミド、ポリフタールイミド、ポリスルホン、ポリアリールスルホン、アリル樹脂、メラミン樹脂、フェノールホルムアルデヒド樹脂、液晶高分子、ポリオレフィン、シリコーン、ポリウレタン、エポキシ、セルロース系高分子、それらの組み合わせ、それらの誘導体、または上記のいずれかの共重合体が含まれる。   Suitable polymeric materials that can be utilized in the composite materials of the present invention include the following polymers (and / or polymerizable materials selected to form one or more of the following polymers): Polyamine, polyacrylic ester, polybutadiene, polybutylene, polyethylene, chlorinated polyethylene, ethylene vinyl alcohol, fluorine polymer, ionomer, polymethylpentene, polypropylene, polystyrene, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, condensation polymer, polyamide , Polyamideimide, Polyaryletherketone, Polycarbonate, Polyketone, Polyester, Polyetheretherketone, Polyetherimide, Polyethersulfone, Polyimide, Polyphenylene oxide, Polyphenylene sulfide, Polyphthal Amides, polyphthalimides, polysulfones, polyarylsulfones, allyl resins, melamine resins, phenol formaldehyde resins, liquid crystal polymers, polyolefins, silicones, polyurethanes, epoxies, cellulosic polymers, combinations thereof, derivatives thereof, or the above Any copolymer is included.

高分子材料は、加熱後カーボン・ナノスフィアと混合される熱可塑性高分子であってもよい。一方で、熱硬化性高分子を使用することもできる。典型的には、熱硬化性高分子は一つまたはそれ以上の重合性モノマーまたはオリゴマーとして供給され、その後カーボン・ナノスフィアと混合し、重合させることによって複合材料を形成する。   The polymeric material may be a thermoplastic polymer that is mixed with the carbon nanospheres after heating. On the other hand, a thermosetting polymer can also be used. Typically, the thermosetting polymer is supplied as one or more polymerizable monomers or oligomers, which are then mixed with carbon nanospheres and polymerized to form a composite material.

当業者は、上記の高分子を形成するために使用することができるモノマーおよび/またはオリゴマーに精通している。例えば、ポリウレタンはイソシアナート基とヒドロキシル基との反応から誘導され;ポリ尿素はイソシアナートとアミンとの反応から誘導され;シリコーンはシランおよび/またはシロキサンの加水分解から誘導することができる、等々。本発明はまた上記の1つのまたはそれ以上の高分子のブロックを有する共重合体を含む。追加の高分子および重合可能な材料は、特許文献1に開示されている。   Those skilled in the art are familiar with monomers and / or oligomers that can be used to form the macromolecules described above. For example, polyurethanes are derived from the reaction of isocyanate groups with hydroxyl groups; polyureas are derived from the reaction of isocyanates with amines; silicones can be derived from hydrolysis of silanes and / or siloxanes, and so on. The present invention also includes copolymers having one or more polymeric blocks as described above. Additional polymers and polymerizable materials are disclosed in US Pat.

適切な熱可塑性の重合可能な材料の例としては、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン、アクリロニトリル−エチレン/プロピレン−スチレン、メタクリル酸メチル−ブタジエン−スチレン、アクリロニトリル−ブタジエン−メタクリル酸メチル−スチレン、アクリロニトリル−アクリル酸n−ブチル−スチレン、ゴム改質ポリスチレン(耐衝撃性ポリスチレン)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリメタクリル酸メチル、ポリ塩化ビニル、酢酸セルロース、ポリアミド、ポリエステル、ポリアクリロニトリル、ポリカーボネート、ポリフェニレンオキシド、ポリケトン、ポリスルホン、ポリフェニレンスルフィド、フッ素樹脂、シリコーン、ポリイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリアミドエラストマー、それらの組み合わせ、およびそれらの誘導体などが含まれる。   Examples of suitable thermoplastic polymerizable materials include acrylonitrile-butadiene-styrene, acrylonitrile-ethylene / propylene-styrene, methyl methacrylate-butadiene-styrene, acrylonitrile-butadiene-methyl methacrylate-styrene, acrylonitrile-acrylic acid. n-butyl-styrene, rubber-modified polystyrene (impact polystyrene), polyethylene, polypropylene, polystyrene, polymethyl methacrylate, polyvinyl chloride, cellulose acetate, polyamide, polyester, polyacrylonitrile, polycarbonate, polyphenylene oxide, polyketone, polysulfone , Polyphenylene sulfide, fluororesin, silicone, polyimide, polybenzimidazole, polyamide elastomer, those Together they look, and include their derivatives, and the like.

適切な熱硬化性樹脂の例としては、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン−ホルムアルデヒド樹脂、尿素−ホルムアルデヒドラテックス、キシレン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、エポキシ樹脂、アニリン樹脂、フラン樹脂、ケイ素樹脂、ポリウレタン樹脂、それらの組み合わせ、およびそれらの誘導体などが含まれる。   Examples of suitable thermosetting resins include phenolic resin, urea resin, melamine-formaldehyde resin, urea-formaldehyde latex, xylene resin, diallyl phthalate resin, epoxy resin, aniline resin, furan resin, silicon resin, polyurethane resin, etc. Combinations thereof, derivatives thereof and the like.

B.カーボン・ナノ材料
カーボン・ナノ材料は、複合材料に望ましい性質を与えるために複合材料中に含まれる。複合材料の新規な性質は、少なくとも部分的にはカーボン・ナノ材料の全体を形成するまたは一部を形成するカーボン・ナノ構造によるものである。カーボン・ナノ材料中のカーボン・ナノ構造は、ユニークな形状、サイズ、および/または電気的性質のような有益な性質を有している。1つの実施形態では、カーボン・ナノ構造はカーボン・ナノスフィアである。
B. Carbon nanomaterials Carbon nanomaterials are included in composite materials to impart desirable properties to the composite materials. The novel properties of composite materials are due, at least in part, to carbon nanostructures that form all or part of the carbon nanomaterial. Carbon nanostructures in carbon nanomaterials have beneficial properties such as unique shape, size, and / or electrical properties. In one embodiment, the carbon nanostructure is a carbon nanosphere.

前記カーボン・ナノ材料はカーボン・ナノスフィア以外の材料を含むことが可能である。例えば、カーボン・ナノ材料はグラファイト(すなわちグラファイトシート)、アモルファス・カーボン、および/または鉄ナノ粒子を含むことが可能である。カーボン・ナノスフィアの割合は、複合材料の性質に影響を及ぼす可能性がある。1つの実施形態では、カーボン・ナノ材料中のカーボン・ナノスフィアの重量パーセントは約2重量%から約100重量%の範囲の重量である。一方の実施形態では、カーボン・ナノスフィアの割合は少なくとも約10重量%で、より好ましくは少なくとも約15%である。   The carbon nanomaterial may include materials other than carbon nanospheres. For example, the carbon nanomaterial can include graphite (ie, a graphite sheet), amorphous carbon, and / or iron nanoparticles. The proportion of carbon nanospheres can affect the properties of the composite material. In one embodiment, the weight percentage of carbon nanospheres in the carbon nanomaterial ranges from about 2% to about 100% by weight. In one embodiment, the proportion of carbon nanospheres is at least about 10% by weight, more preferably at least about 15%.

一方で、またはカーボン・ナノ構造の重量パーセントに加えて、新規なカーボン・ナノ材料は、表面官能基の欠如により特性づけることができる。1つの実施形態では、カーボン・ナノ材料の官能性は水洗液の酸性度によって決定される。1つの実施形態では、カーボン・ナノ材料は、カーボン・ナノ材料に対する水洗液の重量比が1:1の場合に、水洗液のpHが約5.0から約8.0の範囲、より好ましくは約6.0から約7.5の範囲、最も好ましくは約6.5から約7.25の範囲の値を与えるような酸官能性を有する。上記の範囲のpHを有するカーボン・ナノ材料は、酸性フィラー材料に敏感な高分子樹脂(例えばポリスチレンブタジエンゴム)と有利に混合できる。しかしながら、発明は上記の範囲外のpHを有するカーボン・ナノ材料を含み、もし要求があれば、これらのカーボン・ナノ材料は酸性フィラー材料に敏感な高分子とともに使用することができる。   On the other hand, or in addition to the weight percent of carbon nanostructures, new carbon nanomaterials can be characterized by the lack of surface functional groups. In one embodiment, the functionality of the carbon nanomaterial is determined by the acidity of the wash liquor. In one embodiment, the carbon nanomaterial has a pH of the wash liquor in the range of about 5.0 to about 8.0, more preferably when the weight ratio of the wash liquor to the carbon nanomaterial is 1: 1. It has an acid functionality that provides a value in the range of about 6.0 to about 7.5, most preferably in the range of about 6.5 to about 7.25. The carbon nanomaterial having a pH in the above range can be advantageously mixed with a polymer resin (for example, polystyrene butadiene rubber) sensitive to an acidic filler material. However, the invention includes carbon nanomaterials having a pH outside the above range, and if required, these carbon nanomaterials can be used with polymers that are sensitive to acidic filler materials.

1.カーボン・ナノスフィア
カーボン・ナノスフィアは、規則的または不規則的な形状を有する中空のナノ粒子である。1つの実施形態では、カーボン・ナノスフィアは一般に回転楕円体の形状である。
1. Carbon nanospheres Carbon nanospheres are hollow nanoparticles with a regular or irregular shape. In one embodiment, the carbon nanospheres are generally spheroid shaped.

以下に記されているように、発明の1つの実施形態では、カーボン・ナノ構造は鋳型ナノ粒子とカーボン前駆体から製造される。このプロセスの間、カーボン・ナノ構造は鋳型ナノ粒子のまわりに生成する。この実施形態では、ナノ構造のサイズと形状は大体において鋳型ナノ粒子のサイズと形によって決定される。カーボン・ナノ構造は鋳型ナノ粒子のまわりに生成するので、カーボン・ナノ構造の穴または内径は典型的には鋳型ナノ粒子の外径に対応する。カーボン・ナノ構造の内径は0.5nmから約90nmの間でよい。   As described below, in one embodiment of the invention, carbon nanostructures are fabricated from template nanoparticles and a carbon precursor. During this process, carbon nanostructures are generated around the template nanoparticles. In this embodiment, the size and shape of the nanostructure is largely determined by the size and shape of the template nanoparticles. Since the carbon nanostructures are created around the template nanoparticles, the hole or inner diameter of the carbon nanostructure typically corresponds to the outer diameter of the template nanoparticles. The inner diameter of the carbon nanostructure may be between 0.5 nm and about 90 nm.

図1Aと1Bは、その詳細が下記の実施例1に記されている触媒鋳型ナノ粒子を使用して作製されたナノスフィアの例のSEM画像である。図2と3は、図1Aと1Bに示されたナノ材料のTEM画像である。SEM画像を考慮して解釈したTEM画像は1つの実施形態ではナノスフィアは一般に回転楕円体の形を有する可能性がある。   1A and 1B are SEM images of examples of nanospheres made using catalyst-templated nanoparticles, the details of which are described in Example 1 below. 2 and 3 are TEM images of the nanomaterial shown in FIGS. 1A and 1B. The TEM image interpreted in view of the SEM image, in one embodiment, the nanospheres may generally have a spheroid shape.

図1Aにおいて、SEM画像は少なくともいくつかの実施形態においては、カーボン・ナノ材料はカーボン・ナノスフィアの回転楕円体状または「ぶどう」状のクラスタを含む。図1Bは、部分的に壊れて内部が開いて、それにより複数のカーボン・ナノスフィアがあらわとなったカーボン・ナノスフィアのクラスタのクローズアップである。図2のTEM画像は、さらにクラスタが複数のより小さなナノスフィアから構成されていることを示す。図2のナノスフィアのクラスタは、ナノ構造が中空で一般に回転楕円体であることを明らかにしている。   In FIG. 1A, the SEM image, in at least some embodiments, the carbon nanomaterial comprises spheroid or “grape” -like clusters of carbon nanospheres. FIG. 1B is a close-up of a cluster of carbon nanospheres that has been partially broken and opened inside, thereby revealing multiple carbon nanospheres. The TEM image of FIG. 2 further shows that the cluster is composed of multiple smaller nanospheres. The cluster of nanospheres in FIG. 2 reveals that the nanostructure is hollow and generally spheroid.

図3は、鉄の鋳型ナノ粒子がその中心に残っているようにみえる、カーボン・ナノスフィアのさらに詳細な画像である。図3のカーボン・ナノスフィアは、カーボン・ナノ構造の生成が触媒鋳型ナノ粒子のまわりに起こることを示している。   FIG. 3 is a more detailed image of a carbon nanosphere that appears to have iron template nanoparticles in its center. The carbon nanospheres in FIG. 3 show that the formation of carbon nanostructures occurs around the catalyst template nanoparticles.

TEM画像で観察される多くのカーボン・ナノスフィアにおいて、ナノスフィアの外径は約10nmから約60nmの間にあり、中空の中心径は約10nmから約40nmである。しかしながら本発明はより大きな直径、およびより小さな直径を有するナノ構造を含む。典型的には、カーボン・ナノスフィアは構造的な一貫性を保つために約100nmより小さな外径を有する。   In many carbon nanospheres observed in TEM images, the outer diameter of the nanosphere is between about 10 nm and about 60 nm, and the hollow center diameter is about 10 nm to about 40 nm. However, the present invention includes nanostructures having larger diameters and smaller diameters. Typically, carbon nanospheres have an outer diameter of less than about 100 nm to maintain structural consistency.

ナノスフィア壁の厚みは、壁の内径から壁の外径へ測定される。ナノ構造の厚みは下に記述されているようにカーボン前駆体の重合および炭化の程度を制限することによって製造中に変化させることが可能である。典型的には、カーボン・ナノスフィア壁の厚みは約1nmから20nmの間である。しかしながら、もし必要であればより厚い壁およびより薄い壁を作ることができる。厚い壁を作る利点はより大きな構造的一貫性である。より薄い壁を作る利点はより大きな表面積および多孔性である。   The thickness of the nanosphere wall is measured from the inner diameter of the wall to the outer diameter of the wall. The thickness of the nanostructure can be varied during manufacture by limiting the degree of polymerization and carbonization of the carbon precursor as described below. Typically, the thickness of the carbon nanosphere wall is between about 1 nm and 20 nm. However, thicker and thinner walls can be made if necessary. The advantage of making a thick wall is greater structural consistency. The advantage of making thinner walls is greater surface area and porosity.

カーボン・ナノ構造の壁はまた多重グラファイト層から形成することができる。ある典型的な実施形態では、カーボン・ナノスフィアは約2から約100グラファイト層の間の、より好ましくは約5から約50グラファイト層の間の、最も好ましくは約5から約20グラファイト層の間の壁を有する。カーボン・ナノ構造のグラファイト様の特性は多重壁カーボン・ナノチューブの利点(例えば優れた伝導性)と類似した有利な特性をカーボン・ナノ構造に与えると信じられている。カーボン・ナノスフィアがカーボン・ナノチューブと置き換えられ、カーボン・ナノチューブを使用することが可能な多くの応用において使用することができるが、しばしば予想通り優れた結果および/または低いコストで使用することができる。   Carbon nanostructure walls can also be formed from multiple graphite layers. In certain exemplary embodiments, the carbon nanospheres are between about 2 and about 100 graphite layers, more preferably between about 5 and about 50 graphite layers, and most preferably between about 5 and about 20 graphite layers. With walls. The graphite-like properties of carbon nanostructures are believed to give carbon nanostructures advantageous properties similar to those of multi-walled carbon nanotubes (eg, excellent conductivity). Carbon nanospheres are replaced with carbon nanotubes and can be used in many applications where carbon nanotubes can be used, but can often be used with good results and / or low cost as expected .

SEM画像とTEM画像は一般に球形のナノ構造を示すが、本発明は回転楕円体以外の形状を有するナノ構造にもおよぶ。加えて、ナノ構造は原形が回転楕円体の形状を有するナノスフィアの断片であってもよい。典型的には、カーボン・ナノ構造の形は少なくとも部分的には鋳型ナノ粒子の形によって決定されるであろう。したがって、非球形の鋳型ナノ粒子の形成は、回転楕円体ではない大きさを有するカーボン・ナノ構造に導く可能性がある。   Although SEM and TEM images generally show spherical nanostructures, the invention extends to nanostructures having shapes other than spheroids. In addition, the nanostructure may be a nanosphere fragment whose original shape has a spheroid shape. Typically, the shape of the carbon nanostructure will be determined at least in part by the shape of the template nanoparticles. Thus, the formation of non-spherical template nanoparticles can lead to carbon nanostructures having sizes that are not spheroids.

良好な電子移動に加えて、本発明のカーボン・ナノ構造は高い多孔性と大きな表面積を有する可能性がある。吸着および脱着等温線は、カーボン・ナノ構造がメソ多孔質材料を形成することを示唆する。カーボン・ナノ構造のBET比表面積は、約80から約400m2/gの間、好ましくは約120m2/gより大きく、典型的には約200m2/gであって、カーボン・ナノチューブに対して観察されている典型的な値100m2/gよりかなり大きい。発明の方法が構造性のないグラファイトと組み合わせたカーボン・ナノ構造の場合においてさえ、このグラファイト混合物(すなわちカーボン・ナノ材料)は典型的にはカーボン・ナノチューブより大きな表面積を有する。 In addition to good electron transfer, the carbon nanostructures of the present invention may have high porosity and large surface area. Adsorption and desorption isotherms suggest that carbon nanostructures form mesoporous materials. The BET specific surface area of the carbon nanostructure is between about 80 and about 400 m 2 / g, preferably greater than about 120 m 2 / g, typically about 200 m 2 / g, relative to the carbon nanotubes It is much larger than the typical value of 100 m 2 / g that has been observed. Even in the case where the inventive method is carbon nanostructures combined with unstructured graphite, this graphite mixture (ie carbon nanomaterial) typically has a larger surface area than carbon nanotubes.

2.カーボン・ナノ材料を製造するための方法
本発明のカーボン・ナノ構造は、次のステップのすべてまたはその一部を使用して製造することができる:(i)カーボン前駆体と複数の鋳型ナノ粒子を含む前駆体混合物を形成するステップ、(ii)触媒鋳型ナノ粒子のまわりでカーボン前駆体を自発的に重合させるか重合を起こさせるステップ、(iii)前駆体混合物を炭化して、複数のナノ構造(例えばカーボン・ナノスフィア)、アモルファス・カーボン、および触媒金属を含む中間体カーボン材料を形成するステップ、(iv)少なくともアモルファス・カーボンの一部および場合によっては触媒金属の一部を除去することによって中間体カーボン材料を精製するステップ、および(v)場合によっては、精製された中間体材料の熱処理および/または精製された中間体材料の塩基による処理により、精製された中間体材料の表面に残っているさまざまな官能基の少なくとも一部を除去するステップ。
2. Methods for Producing Carbon Nanomaterials The carbon nanostructures of the present invention can be produced using all or part of the following steps: (i) carbon precursor and multiple template nanoparticles Forming a precursor mixture comprising: (ii) spontaneously polymerizing or causing polymerization of the carbon precursor around the catalyst-templated nanoparticles; (iii) carbonizing the precursor mixture to form a plurality of nanoparticles Forming an intermediate carbon material comprising a structure (eg, carbon nanosphere), amorphous carbon, and catalytic metal, (iv) removing at least a portion of the amorphous carbon and possibly a portion of the catalytic metal. (V) optionally purifying the intermediate carbon material by a heat treatment of the purified intermediate material. Removing at least some of the various functional groups remaining on the surface of the purified intermediate material by treatment of the purified and / or purified intermediate material with a base.

(i)前駆体混合物の形成
前駆体混合物はカーボン前駆体を選択し、このカーボン前駆体中に複数の触媒鋳型ナノ粒子を分散させることによって形成される。
(I) Formation of Precursor Mixture The precursor mixture is formed by selecting a carbon precursor and dispersing a plurality of catalyst template nanoparticles in the carbon precursor.

本発明のカーボン前駆体としては、それが鋳型粒子を分散でき熱処理によって鋳型粒子のまわりで炭化するかぎり、どのような型のカーボン材料を使用してもよい。適切な重合可能なカーボン前駆体の例としては、レゾルシノール−ホルムアルデヒドゲル、レゾルシノール、フェノール樹脂、メラミン−ホルムアルデヒドゲル、ポリフルフリルアルコール、ポリアクリロニトリル、ショ糖、石油ピッチなどが含まれる。他の重合可能なベンゼン類、キノン類、および類似の化合物もまたカーボン前駆体として使用することができ、これは当業者にはよく知られていることである。ある典型的な実施形態では、カーボン前駆体は水熱反応で重合できる有機化合物である。この型の適切な有機化合物には、クエン酸、アクリル酸、安息香酸、アクリル酸エステル、ブタジエン、スチレン、けい皮酸などが含まれる。   As the carbon precursor of the present invention, any type of carbon material may be used as long as it can disperse the template particles and carbonize around the template particles by heat treatment. Examples of suitable polymerizable carbon precursors include resorcinol-formaldehyde gel, resorcinol, phenolic resin, melamine-formaldehyde gel, polyfurfuryl alcohol, polyacrylonitrile, sucrose, petroleum pitch and the like. Other polymerizable benzenes, quinones, and similar compounds can also be used as carbon precursors, as is well known to those skilled in the art. In one exemplary embodiment, the carbon precursor is an organic compound that can be polymerized by a hydrothermal reaction. Suitable organic compounds of this type include citric acid, acrylic acid, benzoic acid, acrylic esters, butadiene, styrene, cinnamic acid and the like.

カーボン前駆体中に分散される触媒鋳型ナノ粒子は、いくつかの異なった方法で供給される。鋳型ナノ粒子はカーボン前駆体中に(すなわちその場で)形成してもよいし、または別の反応混合物中で形成されその後カーボン前駆体と混合してもよい。ある場合には、粒子形成が部分的に別の反応で起こり、その後鋳型粒子がカーボン前駆体中で混合および/または加熱される(例えば、前駆体の重合ステップが開始される)に従い、粒子形成が完結する。鋳型ナノ粒子は、また粒子形成の一つまたはそれ以上の側面を制御する分散剤を使用して形成してもよいし、または鋳型ナノ粒子は金属塩から作製してもよい。   The catalyst-templated nanoparticles dispersed in the carbon precursor are supplied in a number of different ways. The template nanoparticles may be formed in the carbon precursor (ie, in situ) or may be formed in a separate reaction mixture and then mixed with the carbon precursor. In some cases, particle formation occurs in part in a separate reaction, followed by particle formation as the template particles are mixed and / or heated in the carbon precursor (eg, the precursor polymerization step is initiated). Is completed. Template nanoparticles may also be formed using dispersants that control one or more aspects of particle formation, or template nanoparticles may be made from metal salts.

1つの実施形態では、鋳型ナノ粒子は、カーボン前駆体中で金属塩から形成される。この実施形態では、鋳型ナノ粒子はカーボン前駆体と混合させることが可能な一つまたはそれ以上の触媒金属塩を選択することにより形成される。金属塩はカーボン前駆体と混合され、その後自発的にまたは人為的にその場でナノ粒子を形成させる。   In one embodiment, the template nanoparticles are formed from a metal salt in a carbon precursor. In this embodiment, the template nanoparticles are formed by selecting one or more catalytic metal salts that can be mixed with the carbon precursor. The metal salt is mixed with the carbon precursor and then spontaneously or artificially forms nanoparticles in situ.

もう一方の実施形態では、鋳型粒子は粒子形成を制御するために分散剤を使用して(その場でまたはほかの場所で)形成される。この実施形態では、一つまたはそれ以上の型の触媒原子および一つまたはそれ以上の型の分散剤が選択される。分散剤は、所望の安定性、サイズ、および/または一様性を有するナノ触媒粒子の形成を促進するために選択される。この発明の範囲にある分散剤は、さまざまな有機小分子、高分子、およびオリゴマーを含む。分散剤は、適当な溶媒またはキャリア中に溶解または分散された触媒原子と、イオン結合、共有結合、ファンデルワールス相互作用/結合、孤立電子対結合、または水素結合を含むさまざまな機構によって相互作用し結合することができる。   In another embodiment, the template particles are formed (in situ or elsewhere) using a dispersant to control particle formation. In this embodiment, one or more types of catalyst atoms and one or more types of dispersants are selected. The dispersant is selected to promote the formation of nanocatalyst particles having the desired stability, size, and / or uniformity. Dispersants within the scope of this invention include a variety of small organic molecules, macromolecules, and oligomers. Dispersants interact with catalyst atoms dissolved or dispersed in a suitable solvent or carrier by a variety of mechanisms including ionic, covalent, van der Waals interactions / bonds, lone pair bonds, or hydrogen bonds. Can be combined.

触媒原子(例えば、基底状態の金属または金属塩の型)および分散剤(例えば、カルボン酸またはその塩の型)と互いに反応または結合し錯体触媒を形成する。錯体触媒は一般に、まず触媒原子と分散剤とを適当な溶媒に溶解し、その後触媒原子が分散剤分子と結合させるようにして形成される。さまざまな成分をいろいろな順序または組み合わせで結合させまたは混合させることが可能である。さらに、成分のサブセットを他の成分との混合の前に前混合してもよいし、すべての成分を同時に組み合わせてもよい。   It reacts or binds with a catalyst atom (eg, a ground state metal or metal salt form) and a dispersant (eg, a carboxylic acid or salt form) to form a complex catalyst. Complex catalysts are generally formed by first dissolving the catalyst atoms and the dispersant in a suitable solvent and then combining the catalyst atoms with the dispersant molecules. The various components can be combined or mixed in various orders or combinations. In addition, a subset of the components may be premixed before mixing with other components, or all components may be combined simultaneously.

本発明の1つの実施形態では、鋳型ナノ粒子のための成分は、その成分を約1時間から約14日の期間混合することにより自発的にまたは人為的にナノ粒子が形成される。混合は典型的には0℃から200℃の温度範囲で行われる。1つの実施形態では温度は100℃を越えない。粒子形成はまた試薬を使用して誘起させることができる。例えば、いくつかの場合には粒子または中間体粒子の形成は錯体触媒の溶液をとおして水素をバブルさせることによって引き起こすことができる。   In one embodiment of the present invention, the components for the template nanoparticles are spontaneously or artificially formed into nanoparticles by mixing the components for a period of about 1 hour to about 14 days. Mixing typically takes place in the temperature range of 0 ° C to 200 ° C. In one embodiment, the temperature does not exceed 100 ° C. Particle formation can also be induced using reagents. For example, in some cases the formation of particles or intermediate particles can be caused by bubbling hydrogen through a solution of the complex catalyst.

本発明の鋳型ナノ粒子は、カーボン前駆体の重合および/または炭化を触媒することが可能である。カーボン前駆体中の触媒鋳型ナノ粒子の濃度は、典型的には形成されるカーボン・ナノ構造の数を最大化するように選択される。触媒鋳型粒子の量は使用されるカーボン前駆体の型に依存して変化する。1つの実施形態の例では、触媒原子に対するカーボン前駆体のモル比は約0.1:1から約100:1、より好ましくは約1:1から約30:1である。適切な触媒材料の例としては鉄、コバルト、ニッケルなどが含まれる。   The template nanoparticles of the present invention can catalyze the polymerization and / or carbonization of a carbon precursor. The concentration of catalyst-templated nanoparticles in the carbon precursor is typically selected to maximize the number of carbon nanostructures that are formed. The amount of catalyst template particles varies depending on the type of carbon precursor used. In one example embodiment, the molar ratio of carbon precursor to catalyst atoms is from about 0.1: 1 to about 100: 1, more preferably from about 1: 1 to about 30: 1. Examples of suitable catalyst materials include iron, cobalt, nickel and the like.

(ii)前駆体混合物の重合
前駆体混合物は、複数の中間体カーボン・ナノ構造が鋳型ナノ粒子のまわりに形成されるように、典型的には十分な時間硬化させる。鋳型ナノ粒子は触媒活性を有するので、鋳型ナノ粒子は鋳型粒子表面近くのカーボン前駆体の重合を優先的に加速および/または開始することができる。
(Ii) Polymerization of the precursor mixture The precursor mixture is typically cured for a sufficient amount of time such that a plurality of intermediate carbon nanostructures are formed around the template nanoparticles. Because the template nanoparticles have catalytic activity, the template nanoparticles can preferentially accelerate and / or initiate polymerization of the carbon precursor near the template particle surface.

中間体ナノ構造を形成するのに必要な時間は、温度、触媒材料の型と濃度、溶液のpH、使用されるカーボン前駆体の型に依存する。重合の間、中間体カーボン・ナノ構造は個々の有機構造体でもよいし、あるいは炭化および/またはアモルファス・カーボンの除去に際し壊れて離れてしまうナノ構造の会合体であってもよい。   The time required to form the intermediate nanostructure depends on the temperature, the type and concentration of the catalyst material, the pH of the solution, and the type of carbon precursor used. During polymerization, the intermediate carbon nanostructures may be individual organic structures or nanostructure aggregates that break apart and leave upon carbonization and / or removal of amorphous carbon.

pHを調整するために添加されるアンモニアもまた重合速度を増加させることにより、および前駆体分子間に生ずる架橋の量を増加させることにより、重合に影響を及ぼす可能性がある。   Ammonia added to adjust the pH can also affect the polymerization by increasing the polymerization rate and by increasing the amount of crosslinking that occurs between the precursor molecules.

水熱反応で重合可能なカーボン前駆体については、重合は典型的には高温で生ずる。好ましい実施形態では、カーボン前駆体は約0℃から約200℃の温度、より好ましくは約25℃から約120℃の間の温度に加熱される。   For carbon precursors that can be polymerized by hydrothermal reaction, the polymerization typically occurs at elevated temperatures. In a preferred embodiment, the carbon precursor is heated to a temperature between about 0 ° C. and about 200 ° C., more preferably between about 25 ° C. and about 120 ° C.

レゾルシノール−ホルムアルデヒドゲル(例えば、鉄粒子を含みpH1−14の溶液)の重合のための適切な条件の例は、溶液温度が0℃から90℃の間で硬化時間は1時間以下から約72時間である。当業者は、同じまたは異なったパラメータのもとで他のカーボン前駆体を硬化させるために必要な条件を容易に決定することができる。   Examples of suitable conditions for the polymerization of resorcinol-formaldehyde gels (eg, solutions containing iron particles and pH 1-14) include solution temperatures between 0 ° C. and 90 ° C. and cure times of less than 1 hour to about 72 hours. It is. One skilled in the art can readily determine the conditions necessary to cure other carbon precursors under the same or different parameters.

1つの実施形態では、重合反応は完結するまで継続しない。全溶液が重合する前に硬化過程を停止することは、炭化した材料の単一の塊よりはむしろ個々のナノ構造を生ずるような複数の中間体ナノ構造の形成を促す可能性がある。しかしながら、本発明はカーボン前駆体が互いにつながったあるいは部分的につながった複数の中間体カーボン・ナノ構造を形成する実施形態を含む。この実施形態では、個々のナノ構造は炭化に際し、および/またはアモルファス・カーボンの除去に際し形成される。   In one embodiment, the polymerization reaction does not continue until complete. Stopping the curing process before the entire solution is polymerized may facilitate the formation of multiple intermediate nanostructures that result in individual nanostructures rather than a single mass of carbonized material. However, the present invention includes embodiments in which the carbon precursors form a plurality of intermediate carbon nanostructures that are connected or partially connected to each other. In this embodiment, individual nanostructures are formed upon carbonization and / or upon removal of amorphous carbon.

鋳型ナノ粒子の分散体から中間体カーボン・ナノ構造を形成することは、ユニークな形状やサイズを有する複数の中間体カーボン・ナノ構造の形成を促す。最終的には、ナノ構造の性質は少なくとも部分的には中間体カーボン・ナノ構造の形やサイズに依存する。中間体カーボン・ナノ構造のユニークな形やサイズのために、最終的なナノ構造は、とりわけ高い比表面積や高い多孔性のような有利な特性を有することが可能となる。   Forming intermediate carbon nanostructures from a dispersion of template nanoparticles facilitates the formation of multiple intermediate carbon nanostructures having unique shapes and sizes. Ultimately, the nature of the nanostructure depends at least in part on the shape and size of the intermediate carbon nanostructure. Because of the unique shape and size of the intermediate carbon nanostructure, the final nanostructure can have advantageous properties such as high specific surface area and high porosity, among others.

(iii)前駆体混合物の炭化
前駆体混合物は加熱により炭化され、複数のカーボン・ナノ構造、アモルファス・カーボン、および触媒金属を含む中間体カーボン材料を形成する。前駆体混合物は、混合物を約500℃から約2500℃の間の温度で加熱することによって炭化することができる。加熱過程の間、酸素や窒素のような原子は蒸散または他の機構で中間体ナノ構造(または鋳型ナノ粒子のまわりのカーボン)から除去され、炭素原子は再配置または合体してカーボンベースの構造を形成する。
(Iii) Carbonization of precursor mixture The precursor mixture is carbonized by heating to form an intermediate carbon material comprising a plurality of carbon nanostructures, amorphous carbon, and catalytic metal. The precursor mixture can be carbonized by heating the mixture at a temperature between about 500 ° C and about 2500 ° C. During the heating process, atoms such as oxygen and nitrogen are removed from the intermediate nanostructures (or carbon around the template nanoparticles) by transpiration or other mechanism, and the carbon atoms rearrange or coalesce to form a carbon-based structure. Form.

炭化ステップは典型的にはグラファイトベースのナノ構造を作成する。グラファイトベースのナノ構造はsp2混成の炭素原子の構造性シート状に配置された炭素原子を有する。グラファイト層は電気伝導性および構造強度および/または剛性のようなユニークで有用な性質を提供する可能性がある。 The carbonization step typically creates a graphite-based nanostructure. Graphite-based nanostructures have carbon atoms arranged in a structural sheet of sp 2 hybridized carbon atoms. Graphite layers can provide unique and useful properties such as electrical conductivity and structural strength and / or stiffness.

(iv)中間体カーボン材料の精製
中間体カーボン材料は、グラファイト構造を有さないアモルファス・カーボンの少なくとも一部分を除去することにより精製される。この精製ステップは中間体カーボン材料中のカーボン・ナノ材料の重量パーセントを増加させる。
(Iv) Purification of intermediate carbon material The intermediate carbon material is purified by removing at least a portion of the amorphous carbon having no graphite structure. This purification step increases the weight percent of carbon nanomaterials in the intermediate carbon material.

アモルファス・カーボンは、典型的にはカーボンの酸化により除去される。アモルファス・カーボンを除去するために使用される酸化剤は、グラファイト構造を有さないアモルファス・カーボンにおいて見出される結合の酸化に対し選択的にはたらくが、グラファイト状カーボン・ナノ構造のπ結合に対してはより反応性に乏しい。アモルファス・カーボンは、1つまたはそれ以上の連続する精製ステップにおいて酸化剤または酸化剤混合物を作用させることにより除去される。アモルファス・カーボンを除去するための試薬としては、酸化作用を有する酸、酸化剤、およびこれらの混合物が含まれる。アモルファス・カーボンの除去に適する混合物の例としては硫酸、KMNO4、H22,5Mまたはさらに高濃度のHNO3,および王水が含まれる。 Amorphous carbon is typically removed by oxidation of the carbon. The oxidant used to remove amorphous carbon works selectively against the oxidation of bonds found in amorphous carbon that does not have a graphite structure, but against the π bonds of graphite-like carbon nanostructures. Is less reactive. Amorphous carbon is removed by the action of an oxidant or oxidant mixture in one or more successive purification steps. The reagent for removing amorphous carbon includes an acid having an oxidizing action, an oxidizing agent, and a mixture thereof. Examples of mixtures suitable for removal of amorphous carbon include sulfuric acid, KMNO 4 , H 2 O 2 , 5M or even higher concentrations of HNO 3 and aqua regia.

場合によっては、事実上触媒金属の全てまたはその一部が除去される可能性がある。触媒金属が除去されるかどうか、およびどの程度の純度まで触媒金属が除去されるかは、カーボン・ナノ材料が必要とされる用途に依存する。発明のいくつかの実施形態では、鉄のような金属の存在はある種の電気的性質および/または磁気的性質を付与するために有利である可能性がある。その一方で、触媒金属が最終的な用途に対し逆の効果を及ぼすことを防ぐために触媒金属を除去することが望ましい場合もある。触媒鋳型粒子の除去はまた多孔性を改善し、および/または密度を低減させる。   In some cases, virtually all or part of the catalytic metal may be removed. Whether the catalytic metal is removed and to what extent the catalytic metal is removed depends on the application for which the carbon nanomaterial is needed. In some embodiments of the invention, the presence of a metal such as iron may be advantageous to impart certain electrical and / or magnetic properties. On the other hand, it may be desirable to remove the catalyst metal to prevent the catalyst metal from having the opposite effect on the final application. Removal of catalyst template particles also improves porosity and / or reduces density.

典型的には、鋳型ナノ粒子は、硝酸、フッ化水素、または水酸化ナトリウムのような酸または塩基を使用して除去される。鋳型ナノ粒子またはアモルファス・カーボンを除去する方法は、複合材料中の鋳型ナノ粒子または触媒原子の型に依存する。触媒原子または粒子(例えば鉄粒子または原子)は、典型的には複合材料のナノ構造を5.0M硝酸溶液中で約3−6時間還流することにより除去される。   Typically, template nanoparticles are removed using an acid or base such as nitric acid, hydrogen fluoride, or sodium hydroxide. The method of removing template nanoparticles or amorphous carbon depends on the type of template nanoparticles or catalyst atoms in the composite material. Catalyst atoms or particles (eg, iron particles or atoms) are typically removed by refluxing the composite nanostructure in a 5.0 M nitric acid solution for about 3-6 hours.

鋳型ナノ粒子および/またはアモルファス・カーボンを除去するためには、除去過程がカーボン・ナノ構造を完全に破壊しない限りどのような除去過程を使用してもよい。いくつかの場合には、精製過程で中間体ナノ構造から少なくとも部分的にはある炭素質材料を除去することが有利となることさえある。   Any removal process may be used to remove template nanoparticles and / or amorphous carbon as long as the removal process does not completely destroy the carbon nanostructure. In some cases, it may even be advantageous to remove at least partially some carbonaceous material from the intermediate nanostructure during the purification process.

精製過程の間、酸化剤および酸は炭素質材料の表面上に、それらのみに限定されているわけではないが、カルボン酸エステル、カルボニル、および/またはエーテル基のようなヒドロニウム基および酸化基を導入する傾向がある。カーボン・ナノ構造、カーボン・ナノ構造と混合したグラファイト、および/または残存しているグラファイト構造を有さないアモルファス・カーボンの表面上に官能基が存在する可能性があると信じられている。   During the purification process, oxidants and acids are present on the surface of the carbonaceous material, but are not limited to hydronium and oxidative groups such as carboxylic acid ester, carbonyl, and / or ether groups. There is a tendency to introduce. It is believed that functional groups may be present on the surface of carbon nanostructures, graphite mixed with carbon nanostructures, and / or amorphous carbon that does not have residual graphite structures.

(v)中間体カーボン材料の表面からの官能基の除去
場合によっては、中間体カーボン材料の表面にある官能基は、熱処理ステップおよび/または中和するための塩基を使用して除去することができる。表面官能基の除去および/または表面官能基の中和は、典型的には官能基の除去または中和が高分子材料中へのカーボン・ナノ材料の分散を改善し、および/または複合材料の性質を改善する場合に行われる。
(V) Removal of functional groups from the surface of the intermediate carbon material In some cases, the functional groups on the surface of the intermediate carbon material may be removed using a heat treatment step and / or a base for neutralization. it can. The removal of surface functional groups and / or neutralization of surface functional groups typically improves the dispersion of carbon nanomaterials in the polymeric material and / or the composite material removal or neutralization. This is done to improve the properties.

中間体カーボン材料の表面上の官能基は、熱処理ステップを使用して除去することができる。熱処理ステップは、除去する必要がある特定の官能基に依存して選択した温度で有利に実行される。一般に、熱処理温度が高いほど除去できる官能基の種類は多くなる。精製に続く熱処理ステップは、約100℃より高い温度、より好ましくは約200℃より高い温度、最も好ましくは約500℃より高い温度で行うことができる。   Functional groups on the surface of the intermediate carbon material can be removed using a heat treatment step. The heat treatment step is advantageously performed at a temperature selected depending on the particular functional group that needs to be removed. In general, the higher the heat treatment temperature, the more types of functional groups that can be removed. The heat treatment step following purification can be performed at a temperature above about 100 ° C, more preferably at a temperature above about 200 ° C, and most preferably at a temperature above about 500 ° C.

場合によっては、精製に続く熱処理をアモルファス・カーボンの炭化を行うのに十分な温度で行うことができる。驚くべきことに、精製後に中間体カーボン材料を炭化温度に加熱すると、残存するどのようなアモルファス・カーボンでもそのかなりの部分を都合よくグラファイトに変換できる。精製ステップにおいてアモルファス・カーボンのかなりの割合を除去し、その精製された材料を炭化することによって、残存するカーボンをより容易にグラファイトに変換することができることが見出された。   In some cases, the heat treatment following purification can be performed at a temperature sufficient to carbonize the amorphous carbon. Surprisingly, heating the intermediate carbon material to carbonization temperature after purification can conveniently convert a significant portion of any remaining amorphous carbon to graphite. It has been found that the remaining carbon can be more easily converted to graphite by removing a significant proportion of the amorphous carbon in the purification step and carbonizing the purified material.

この第二の炭化ステップで形成されたグラファイトを、カーボン・ナノ構造や二次カーボン・ナノ構造(例えばナノスフィアのぶどう状の凝集体)に添加することができ、またはカーボン・ナノ構造と混合された遊離グラファイトとすることができる。残存するアモルファス・カーボンをグラファイトに変換することはカーボン・ナノ構造のグラファイト純度をかなり増加させる。高純度カーボン・ナノ材料は、単一炭化ステップで同一な水準の純度を達成する試みと比較して、この発明の2ステップ炭化法を使用することでより効率的に作成することができる。   Graphite formed in this second carbonization step can be added to carbon nanostructures or secondary carbon nanostructures (eg nanosphere grape-like aggregates) or mixed with carbon nanostructures. Free graphite. Converting the remaining amorphous carbon to graphite significantly increases the graphite purity of the carbon nanostructure. High purity carbon nanomaterials can be made more efficiently by using the two-step carbonization method of the present invention compared to attempts to achieve the same level of purity in a single carbonization step.

もう一方の実施形態において、または付加的な熱処理ステップに加えて、それに限定されるものではないがヒドロニウムイオンのようないくつかの官能基が、中間体カーボン材料から中和するための塩基を使用して除去される。この実施形態では、中間体カーボン材料は一つまたはそれ以上の中和するための塩基を含む溶液と混合される。適切な塩基としては、水酸化ナトリウムおよび水酸化カリウムを含む水酸化物、アンモニア、酢酸リチウム、酢酸ナトリウム、酢酸カリウム、NaHCO3,KHCO3,Na2CO3、K2CO3など、およびそれらの組み合わせが含まれる。塩基とヒドロニウム基との反応は、水洗によって除去できる副生成物を生成する可能性がある。 In another embodiment, or in addition to an additional heat treatment step, some functional groups such as, but not limited to, hydronium ions may provide a base to neutralize from the intermediate carbon material. Use to be removed. In this embodiment, the intermediate carbon material is mixed with a solution containing one or more neutralizing bases. Suitable bases include hydroxides including sodium hydroxide and potassium hydroxide, ammonia, lithium acetate, sodium acetate, potassium acetate, NaHCO 3 , KHCO 3 , Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 , and the like A combination is included. The reaction between the base and the hydronium group can produce a by-product that can be removed by washing with water.

1つの実施形態では、中間体カーボン材料を洗浄液中に浸すことによって官能基が除去される。追加の塩基を洗浄液中にpHが所望の、より中性側のpHに到達するまで添加することができる。1つの実施形態では、洗浄液は約5.0から約8.0のpH範囲に、またはそのかわりに約6.0から約7.5のpH範囲になるまで中和される。   In one embodiment, the functional groups are removed by immersing the intermediate carbon material in a cleaning solution. Additional base can be added to the wash solution until the pH reaches the desired, more neutral pH. In one embodiment, the wash solution is neutralized to a pH range of about 5.0 to about 8.0, or alternatively to a pH range of about 6.0 to about 7.5.

カーボン・ナノ材料から官能基を除去する過程は、カーボン・ナノ構造、アモルファス・カーボン(グラファイト状または非グラファイト状)、または精製された中間体カーボン材料のいずれかの他の成分における官能基の除去に使用することができる。1つの実施形態では、官能基はカーボン・ナノ材料の部分を形成するカーボン・ナノ構造または他のグラファイト材料から除去される。高温熱処理ステップは、もしナノ材料から官能基を除去するのに加えて、鉄のようなある種の不純物を除去することが望まれるならば、高温熱処理ステップもまた有利となりうる。   The process of removing functional groups from carbon nanomaterials can include removing functional groups in other components of either carbon nanostructures, amorphous carbon (graphite or non-graphite), or purified intermediate carbon materials. Can be used for In one embodiment, the functional groups are removed from the carbon nanostructure or other graphite material that forms part of the carbon nanomaterial. The high temperature heat treatment step can also be advantageous if it is desired to remove certain impurities, such as iron, in addition to removing functional groups from the nanomaterial.

ナノスフィアは他の適切な技術を使用しても製造される。本発明において適切に利用できるナノ材料製造法は、非特許文献1とともに、いずれも本出願人による出願継続中の特許文献2および特許文献3に開示されており、そのすべての内容をそのまま本願に引用して援用する。   Nanospheres can also be manufactured using other suitable techniques. The nanomaterial production method that can be appropriately used in the present invention is disclosed in Patent Document 2 and Patent Document 3, both of which have been filed by the present applicant, together with Non-Patent Document 1, the entire contents of which are incorporated herein by reference. Cited and incorporated.

C.添加剤
複合材料に所望の性質を付与し、および/またはカーボン・ナノスフィアを高分子中に分散するために、フィラーまたは分散剤のような添加剤を高分子材料に添加することができる。本発明ではどのようなフィラー材料を使用してもよい。適切なフィラーとしては、カーボンブラック、シリカ、けいそう土、粉砕石英、タルク、粘土、マイカ、ケイ酸カルシウム、ケイ酸マグネシウム、ガラス粉、炭酸カルシウム、硫酸バリウム、炭酸亜鉛、酸化チタン、アルミナ、ガラス繊維、他のカーボン繊維、および有機繊維が含まれる。他の適切な添加剤としては、軟化剤、可塑剤、成形助剤、潤滑剤、劣化防止剤、およびUV吸収剤が含まれる。
C. Additives Additives such as fillers or dispersants can be added to the polymeric material to impart desired properties to the composite material and / or to disperse the carbon nanospheres in the polymer. Any filler material may be used in the present invention. Suitable fillers include carbon black, silica, diatomaceous earth, ground quartz, talc, clay, mica, calcium silicate, magnesium silicate, glass powder, calcium carbonate, barium sulfate, zinc carbonate, titanium oxide, alumina, glass Fibers, other carbon fibers, and organic fibers are included. Other suitable additives include softeners, plasticizers, molding aids, lubricants, anti-aging agents, and UV absorbers.

II.カーボン・ナノスフィアを導入した複合材料の作製法
本発明の複合材料は、ある量のカーボン・ナノスフィアを高分子材料、および場合によってはフィラーおよび分散剤のような一つまたはそれ以上の添加物と混合することによって形成される。カーボン・ナノスフィアは複合材料の約0.1重量%から約70重量%の範囲で、より好ましくは約0.5重量%から約50重量%の範囲で、最も好ましくは約1.0重量%から約30重量%の範囲で高分子材料と混合することができる。
II. Method of making a composite material incorporating carbon nanospheres The composite material of the present invention comprises an amount of carbon nanospheres as a polymeric material, and optionally one or more additives such as fillers and dispersants. Formed by mixing with. The carbon nanospheres are in the range of about 0.1% to about 70% by weight of the composite material, more preferably in the range of about 0.5% to about 50%, most preferably about 1.0%. To about 30% by weight can be mixed with the polymeric material.

カーボン・ナノスフィアは、実質的に純粋な形で高分子材料に添加することができる。その一方で、カーボン・ナノスフィアは、カーボン・ナノ材料の一成分として高分子材料に添加することもできる。1つの実施形態では、カーボン・ナノスフィアは少なくともカーボン・ナノ材料の約2重量%、より好ましくは少なくとも約10重量%、最も好ましくは少なくとも約15重量%である。   Carbon nanospheres can be added to the polymeric material in a substantially pure form. On the other hand, carbon nanospheres can also be added to polymer materials as a component of carbon nanomaterials. In one embodiment, the carbon nanospheres are at least about 2%, more preferably at least about 10%, and most preferably at least about 15% by weight of the carbon nanomaterial.

本発明の高分子材料と混合する場合、カーボン・ナノスフィアはナノスフィアの回転楕円体の形によるユニークな利点を与える。繊維状であるカーボン・ナノチューブとは対照的に、カーボン・ナノスフィアはより粒子状に近い形状を有している。発明のいくつかの実施形態において、粒子状の形は繊維含有複合材料よりはむしろ粒子状フィラーによく似た特性を複合材料に付与する。   When mixed with the polymeric material of the present invention, carbon nanospheres offer unique advantages due to the spheroid shape of the nanospheres. In contrast to carbon nanotubes, which are fibrous, carbon nanospheres have a more particle-like shape. In some embodiments of the invention, the particulate shape imparts properties to the composite material much like a particulate filler rather than a fiber-containing composite material.

カーボン・ナノスフィアは高分子材料に所望の性質を与える量だけ添加することができる。例えば、カーボン・ナノスフィアは高分子材料に電気伝導性を与え、そして/または表面抵抗を低減する量だけ添加することができる。驚くべきことに、表面電気抵抗の所望の低減を実現するために必要なカーボン・ナノスフィアの量は、その抵抗の同じ低減を達成するために必要なカーボン・ナノチューブまたはカーボンブラックの量よりもかなり少ない。カーボン・ナノチューブに比較し改善されたパーコレーションを可能とするより均一な粒子の網目により、上記カーボン・ナノ材料が上記改善を示すと信じられている。低い表面抵抗は、特に研磨表面において顕著である。1つの実施形態では、この発明の高分子複合材料は、カーボン・ナノスフィアの約0.5重量%から約7重量%、より好ましくは約1重量%から約5重量%の範囲の充填で、約1×104から約1×106(Ω/sq)の範囲の表面抵抗を示す。 Carbon nanospheres can be added in an amount that gives the polymer material the desired properties. For example, carbon nanospheres can be added in an amount that imparts electrical conductivity to the polymeric material and / or reduces surface resistance. Surprisingly, the amount of carbon nanospheres required to achieve the desired reduction in surface electrical resistance is significantly greater than the amount of carbon nanotubes or carbon black required to achieve the same reduction in resistance. Few. It is believed that the carbon nanomaterials exhibit the improvement due to the more uniform particle network that allows improved percolation compared to carbon nanotubes. Low surface resistance is particularly noticeable on the polished surface. In one embodiment, the polymer composite of the present invention has a loading in the range of about 0.5% to about 7%, more preferably about 1% to about 5% by weight of the carbon nanosphere, The surface resistance is in the range of about 1 × 10 4 to about 1 × 10 6 (Ω / sq).

電気伝導性に加えて、カーボン・ナノスフィアは高分子材料中に難燃剤として導入することができる。   In addition to electrical conductivity, carbon nanospheres can be introduced into polymer materials as flame retardants.

本発明の複合材料を作製する方法としては、いずれかの既知の方法を使用することができる。発明の1つの実施形態では、複合材料は高分子材料を溶融してその後高分子とカーボン・ナノ材料とを混合することによって製造される。その一方で、カーボン・ナノスフィアが存在する状態で高分子材料を作成する(すなわち重合する)こともできる。   As a method for producing the composite material of the present invention, any known method can be used. In one embodiment of the invention, the composite material is made by melting the polymeric material and then mixing the polymer and the carbon nanomaterial. On the other hand, a polymer material can be prepared (that is, polymerized) in the presence of carbon nanospheres.

例えば、高分子材料のペレットまたは粉、および所望の量のカーボン・ナノスフィアを乾式ブレンドまたは湿式ブレンドし、その後加熱しながらロールニーダで混合することができる。その一方で、複合材料をロープとして押出し次いでペレットに切断するために、混合した複合材料を押出し成形機に供給することもできる。   For example, a pellet or powder of polymeric material and a desired amount of carbon nanospheres can be dry blended or wet blended and then mixed with a roll kneader while heated. On the other hand, the mixed composite material can also be fed to an extruder to extrude the composite material as a rope and then cut into pellets.

一方で、カーボン・ナノスフィアは溶液または樹脂ディスパーションとして液体の媒体中でブレンドすることもできる。また、複合材料を湿式マスターバッチ法で混合することもできる。熱硬化性樹脂を使用する場合には、カーボン・ナノスフィアは個別の重合可能な材料に適切ないずれかの既知の方法でモノマーまたはオリゴマーと混合することができる。   On the other hand, carbon nanospheres can also be blended in a liquid medium as a solution or resin dispersion. The composite material can also be mixed by a wet masterbatch method. If a thermosetting resin is used, the carbon nanospheres can be mixed with the monomer or oligomer in any known manner appropriate to the individual polymerizable material.

高分子材料中のナノスフィアの分散性を改善するために、グラファイト状カーボンとともに使用する場合に適切ないずれかの既知の方法および材料を使用することができる。さらに、所望の形状に成形する方法としては、押出し成形、ブロー成形、射出成形、またはプレス成形のようないずれかの既知の方法を使用することができる。   Any known method and material suitable for use with graphitic carbon can be used to improve the dispersibility of the nanospheres in the polymeric material. Furthermore, any known method such as extrusion molding, blow molding, injection molding, or press molding can be used as a method of molding into a desired shape.

本発明の複合材料は、電気伝導性および/または黒色性を有する発泡樹脂を得るために発泡剤を添加することによって発泡製品にすることができる。前述のさまざまな高分子材料のどのようなものでも、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリブタジエン、ポリウレタン、エチレン−酢酸ビニル共重合体などのような熱可塑性樹脂と同様な発泡製品を作成する事ができるが、熱可塑性高分子材料が好適である。発泡剤としては、ブタンのような気体と同じくさまざまな樹脂発泡剤、有機溶媒を使用することができる。   The composite material of the present invention can be made into a foamed product by adding a foaming agent in order to obtain a foamed resin having electrical conductivity and / or blackness. Any of the various polymeric materials mentioned above will create a foamed product similar to thermoplastics such as polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, polystyrene, polybutadiene, polyurethane, ethylene-vinyl acetate copolymer, etc. A thermoplastic polymer material is preferred. As the foaming agent, various resin foaming agents and organic solvents can be used as well as gas such as butane.

本発明の範囲に含まれる電気伝導性発泡体を製造する方法としては、どのような既知の方法を使用してもよい。例えば、熱可塑性樹脂が使用される場合、樹脂は溶融され押出し成形機により所望の量のカーボン・ナノスフィアと混合される。それから、ブタンのような気体が高分子材料中に注入される。代替法として気体の代わりに化学発泡剤を使用することもできる。   Any known method may be used as a method for producing an electrically conductive foam within the scope of the present invention. For example, if a thermoplastic resin is used, the resin is melted and mixed with the desired amount of carbon nanospheres by an extruder. A gas such as butane is then injected into the polymeric material. As an alternative, chemical blowing agents can be used instead of gas.

本発明の範囲に含まれる配合物は、他の基板表面に電気伝導性および/または黒色性を付与するための塗料としても有用である。適切な基板としては、さまざまな樹脂、エラストマー、ゴム、木材、無機材料などが含まれる。加えてこれらの材料はさらに成形あるいは発泡させることができる。   Formulations within the scope of the present invention are also useful as paints for imparting electrical conductivity and / or blackness to other substrate surfaces. Suitable substrates include various resins, elastomers, rubber, wood, inorganic materials, and the like. In addition, these materials can be further molded or foamed.

本発明の範囲に含まれるこのような配合物の被覆膜の望ましい厚みは0.1ミクロンより大きい。   The desired thickness of coatings of such formulations that fall within the scope of the present invention is greater than 0.1 microns.

III.実施例
以下の実施例が本発明の1つの実施形態に基づきカーボン・ナノ構造を含むカーボン・ナノ材料を作製するための処方を提供する。
III. Examples The following examples provide formulations for making carbon nanomaterials comprising carbon nanostructures according to one embodiment of the present invention.

実施例1
実施例1は、カーボン・ナノスフィアを含むカーボン・ナノ材料の調製法を記述する。
Example 1
Example 1 describes a method for preparing a carbon nanomaterial containing carbon nanospheres.

(a)鉄溶液(0.1M)の調製
0.1M鉄溶液は、84gの鉄粉末、289gのクエン酸、および15Lの水を使用して調製される。鉄を含む混合物は、混合を再開する前にボトルの蒸気空間を空気でパージするための1日あたり1回か2回の短い中断を挟んで、閉じたボトルの中攪拌テーブル上で3日間混合される。
(A) Preparation of iron solution (0.1 M) A 0.1 M iron solution is prepared using 84 g iron powder, 289 g citric acid, and 15 L water. The iron-containing mixture is mixed on a stirring table in a closed bottle for 3 days with one or two short breaks per day to purge the vapor space of the bottle with air before resuming mixing Is done.

(b)前駆体混合物の調製
916.6gのレゾルシノールと1350gのホルムアルデヒド(37%水溶液)を丸底フラスコに入れる。レゾルシノールが完全に溶解するまで溶液を攪拌する。ステップ(a)で調製された15Lの鉄溶液をかき混ぜながらゆっくりと加え、それから1025mlの水酸化アンモニウム(28−30%水溶液)を激しく攪拌しながら滴下すると、得られた懸濁液のpHは10.26となる。このスラリを80−90℃(水浴)で10時間硬化させる。ついで固体のカーボン前駆体混合物をろ過により集めオーブン中で一晩乾燥させる。
(B) Preparation of precursor mixture 916.6 g of resorcinol and 1350 g of formaldehyde (37% aqueous solution) are placed in a round bottom flask. Stir the solution until the resorcinol is completely dissolved. When the 15 L iron solution prepared in step (a) is slowly added with stirring and then 1025 ml ammonium hydroxide (28-30% aqueous solution) is added dropwise with vigorous stirring, the pH of the resulting suspension is 10 .26. The slurry is cured at 80-90 ° C. (water bath) for 10 hours. The solid carbon precursor mixture is then collected by filtration and dried in an oven overnight.

(c)炭化
重合した前駆体混合物をふたつきるつぼ中にいれ加熱炉中に移す。炭化過程は、十分な窒素気流のもと次のような温度プログラムを使用して行われる:室温→20℃/minの速度で1160℃→1160℃で5時間保持→室温。炭化ステップは、カーボン・ナノ構造、アモルファス・カーボン、および鉄を含む中間体カーボン材料を与える。
(C) Carbonization The polymerized precursor mixture is placed in a covered crucible and transferred to a heating furnace. The carbonization process is performed under a sufficient nitrogen stream using the following temperature program: room temperature → 1160 ° C. → 1160 ° C. for 5 hours at a rate of 20 ° C./min→room temperature. The carbonization step provides an intermediate carbon material that includes carbon nanostructures, amorphous carbon, and iron.

(d)アモルファス・カーボンと鉄を除去するための精製
炭化したカーボン生成物(すなわち中間体カーボン材料)の精製は次のように行われる:5MのHNO3中で約12時間炭化生成物を還流→脱イオン(DI)−H20で洗浄→モル比1:0.01:0.003のKMnO4+H2SO4+H2O混合液による処理(約90℃で約12時間保持)→DI−H20で洗浄→4MのHClで処理(約90℃で約12時間保持)→DI−H20で洗浄→生成物を収集しオーブン中約100℃で2日間乾燥。
(D) Purification to remove amorphous carbon and iron Purification of the carbonized carbon product (ie, intermediate carbon material) is performed as follows: reflux the carbonized product in 5M HNO 3 for about 12 hours. → washing with deionized (DI) -H 2 0 → treatment with a mixture of KMnO 4 + H 2 SO 4 + H 2 O at a molar ratio of 1: 0.01: 0.003 (kept at about 90 ° C. for about 12 hours) → DI Wash with H 2 O → treat with 4M HCl (kept at about 90 ° C. for about 12 hours) → wash with DI-H 2 0 → collect the product and dry in oven at about 100 ° C. for 2 days.

(e)表面官能基の低減のための熱処理
精製過程の後、カーボン生成物は表面官能基を最小にし、グラファイト含量を増加させるため熱処理を受ける。この処理のために使用される温度プログラムは、次のとおりである:室温から4℃/minで加熱→100℃→100℃で2時間保持→15℃/minで250℃→250℃で2時間保持→15℃/minで1000℃→1000℃で2時間保持→室温。この熱処理過程により主としてカーボン・ナノスフィアから構成されるカーボン・ナノ材料が得られる。
(E) Heat treatment to reduce surface functional groups After the purification process, the carbon product undergoes heat treatment to minimize surface functional groups and increase the graphite content. The temperature program used for this treatment is as follows: heating from room temperature at 4 ° C./min→100° C. → holding at 100 ° C. for 2 hours → 250 ° C. at 15 ° C./min→2 hours at 250 ° C. Holding → 1000 ° C. at 15 ° C./min→holding at 1000 ° C. for 2 hours → room temperature. By this heat treatment process, a carbon nanomaterial mainly composed of carbon nanospheres is obtained.

次に実施例1で製造されたカーボン・ナノ材料は、SEMおよびTEMで解析された。カーボン・ナノ構造のSEM画像が図1Aおよび1Bに示され、複数のカーボン・ナノスフィアが凝集してぶどう状の形を有するクラスタを形成することが明らかにされた。図2および3のTEM画像はこのぶどう状のクラスタが複数の小さな、中空のグラファイト状のナノ構造またはカーボン・ナノスフィアから構成されていることを示す。   Next, the carbon nanomaterial produced in Example 1 was analyzed by SEM and TEM. SEM images of carbon nanostructures are shown in FIGS. 1A and 1B, revealing that a plurality of carbon nanospheres aggregate to form a cluster with a vine shape. The TEM images in FIGS. 2 and 3 show that this grape-like cluster is composed of multiple small, hollow, graphite-like nanostructures or carbon nanospheres.

X線回折を使用して実施例1のカーボン・ナノ構造のグラファイト含有量を調べた。図4は、実施例1のカーボン・ナノ材料のX線回折パターンを示すグラフである。約26°にある幅広いピークは、グラファイト状ナノ構造の短距離秩序によるものである。これは、非常に狭いピークを有する傾向がある典型的なグラファイトシートの回折パターンと対照的である。アモルファス・カーボンは20°に回折ピークを有する傾向があるので、約26°にある幅広いピークはまたこの材料がグラファイト状であることを示唆する。   The graphite content of the carbon nanostructure of Example 1 was examined using X-ray diffraction. FIG. 4 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of the carbon nanomaterial of Example 1. The broad peak at about 26 ° is due to the short range order of the graphitic nanostructure. This is in contrast to the diffraction pattern of typical graphite sheets that tend to have very narrow peaks. Since amorphous carbon tends to have a diffraction peak at 20 °, a broad peak at about 26 ° also suggests that the material is graphite-like.

熱処理過程(e)の際のさまざまな温度におけるカーボン・ナノ材料のグラファイト含有量を決定するためにラマン分光を使用した。試料Aは、熱処理温度1000℃でカーボン・ナノ材料から採取され、試料Bは、600℃への熱処理の際に採取されたもので、試料Cは、熱処理を行っていない試料である(すなわち、試料Cはステップ(d)の精製された中間体カーボン材料である)。ラマン分光の結果を図5に示す。図5のグラフは、1つは1354cm-1、他は1581cm-1にある二つの重要なピークを有する。このグラフに示されるように、熱処理された試料AおよびBは1354cm-1により大きなピークを示す。これらのピークは、アモルファス・カーボンがグラファイト状で、それ故燃え尽きてはいない(すなわち重量減少が少ない)ことを示唆する。対照的に、試料Cに対する1354cm-1のピークは、かなりの重量減少を示し、グラファイト状ではないアモルファス・カーボンであることを示唆する。したがって、官能基の除去に加えて熱処理ステップは、どのような残存カーボンについてもグラファイト含有量を増加させるのに有効である。驚くべきことに、この変換は比較的低い温度、例えば500℃から1400℃の間で起こりうる。 Raman spectroscopy was used to determine the graphite content of the carbon nanomaterial at various temperatures during the heat treatment process (e). Sample A was taken from the carbon nanomaterial at a heat treatment temperature of 1000 ° C., Sample B was taken during the heat treatment to 600 ° C., and Sample C was a sample that had not been heat treated (ie, Sample C is the purified intermediate carbon material of step (d)). The result of Raman spectroscopy is shown in FIG. The graph of FIG. 5 has two important peaks, one at 1354 cm −1 and the other at 1581 cm −1 . As shown in this graph, heat-treated samples A and B show a larger peak at 1354 cm −1 . These peaks suggest that the amorphous carbon is graphite-like and therefore not burned out (ie, less weight loss). In contrast, the 1354 cm −1 peak for Sample C shows a significant weight loss, suggesting amorphous carbon that is not graphitic. Thus, in addition to functional group removal, the heat treatment step is effective in increasing the graphite content for any residual carbon. Surprisingly, this conversion can occur at relatively low temperatures, for example between 500 ° C and 1400 ° C.

本発明に従い付加的な熱処理ステップを使用して製造されたカーボン・ナノ材料のより高いグラファイト含有量は,優れた伝導性と純度を有するカーボン・ナノ材料をもたらす。グラファイト濃度の改善に加えて、熱処理は鉄のような他の不純物を大幅に低減させる。   The higher graphite content of carbon nanomaterials produced using an additional heat treatment step according to the present invention results in carbon nanomaterials having excellent conductivity and purity. In addition to improving the graphite concentration, the heat treatment significantly reduces other impurities such as iron.

実施例2
実施例2は、ステップ(e)で熱処理ステップが中和のための塩基処理で置き換えられることを除いて、実施例1と同じ方法で製造されるカーボン・ナノ材料について記述する。
Example 2
Example 2 describes a carbon nanomaterial produced by the same method as Example 1 except that in step (e) the heat treatment step is replaced with a base treatment for neutralization.

実施例1のステップ(d)で得られた精製されたカーボン材料の一部を十分な量のDI−H2Oと混合し、ついで5MのNaOHを滴下して溶液のpHを約7.0に保った。得られたカーボン・ナノ材料をろ別して収集し、Na+イオンを取り除くため十分な量のDI−H2Oで洗浄した。最終生成物を集めオーブン中約100℃で2日間乾燥した。 A portion of the purified carbon material obtained in step (d) of Example 1 is mixed with a sufficient amount of DI-H 2 O, then 5M NaOH is added dropwise to bring the pH of the solution to about 7.0. Kept. The resulting carbon nanomaterial was collected by filtration and washed with a sufficient amount of DI-H 2 O to remove Na + ions. The final product was collected and dried in an oven at about 100 ° C. for 2 days.

実施例3:比較例
比較の目的で、実施例1のステップ(d)で得られた精製されたカーボン材料の一部を集め、実施例1のステップ(e)に記述されている熱処理ステップも、実施例2の中和のための塩基処理も省略した。
Example 3: Comparative Example For comparison purposes, a portion of the purified carbon material obtained in step (d) of Example 1 was collected and a heat treatment step described in Step (e) of Example 1 was also performed. The base treatment for neutralization in Example 2 was also omitted.

中和ステップの間に何らかの構造変化が起こっているかどうか決定するために、実施例2および3のカーボン・ナノ構造のTEM画像を得た。実施例3(すなわち中和前)のカーボン材料のTEMである図6と比較した場合、実施例2(すなわち中和後)のカーボン材料のTEMである図7は、カーボン・ナノ構造にいかなる有害な影響も与えていないことを示している。   TEM images of the carbon nanostructures of Examples 2 and 3 were obtained to determine if any structural change occurred during the neutralization step. Compared to FIG. 6 which is the TEM of the carbon material of Example 3 (ie before neutralization), FIG. 7 which is the TEM of the carbon material of Example 2 (ie after neutralization) shows any harmful effects on the carbon nanostructure. It shows that there is no significant influence.

実施例2の酸のないカーボン・ナノ材料の有利な性質は、酸のないナノ材料を高分子中に導入し、それを酸性官能基が存在することを除けば同じであるナノ材料を含む高分子と比較することによって説明することができる。このシナリオを試すために、実施例2および3のカーボン・ナノ材料を別々に高分子と混合した。図8は、酸性官能基を有するカーボン・ナノ材料を含む高分子を示す。この高分子は、その表面にかなりのブリスタリング(水ぶくれ)と不規則性を示す。対照的に、実施例2の中和したカーボン・ナノ材料を含む高分子は滑らかな表面を示す。   The advantageous nature of the acid-free carbon nanomaterial of Example 2 is that it includes a nanomaterial that is the same except that the acid-free nanomaterial is introduced into the polymer and it has the presence of acidic functional groups. It can be explained by comparing with molecules. To test this scenario, the carbon nanomaterials of Examples 2 and 3 were separately mixed with the polymer. FIG. 8 shows a polymer comprising a carbon nanomaterial having acidic functional groups. This polymer exhibits considerable blistering and irregularities on its surface. In contrast, the polymer comprising the neutralized carbon nanomaterial of Example 2 exhibits a smooth surface.

本発明は、その精神と本質的な特性から外れなければ、他の特有な形でも実施することができる。記述された実施形態は全ての面で解説的なものであって、制約的なものではないと考えるべきである。したがって、発明の範囲は上記の記述によるよりはむしろ付記された請求項によって指示される。請求項の意味と等価性の範囲に含まれるすべての変更は、請求項の範囲に包含されるべきである。   The present invention may be implemented in other specific forms without departing from the spirit and essential characteristics thereof. The described embodiments are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive. Accordingly, the scope of the invention is indicated by the appended claims rather than by the foregoing description. All changes that come within the meaning and range of equivalency of the claims are to be embraced within their scope.

本発明の一実施形態に従い形成されたカーボン・ナノ材料の高分解能SEM画像であり、複数のナノスフィア・クラスタを含む図である。1 is a high resolution SEM image of a carbon nanomaterial formed according to one embodiment of the present invention, including a plurality of nanosphere clusters. FIG. カーボン・ナノ構造の個々のクラスタを示すさらに詳細な高分解能SEM画像であり、破壊された内部があらわとなった1つのクラスタから、複数のカーボン・ナノ構造がクラスタを構成している図である。It is a more detailed high-resolution SEM image showing individual clusters of carbon nanostructures, and is a diagram in which a plurality of carbon nanostructures constitutes a cluster from one cluster that reveals a broken interior. . 図1Aのカーボン・ナノ構造の高分解能TEM画像であり、複数のカーボン・ナノ構造が互いに凝集し、クラスタを形成するカーボン・ナノ構造の多重壁および中空特性を明らかにする図である。1B is a high-resolution TEM image of the carbon nanostructure of FIG. 1A, revealing multiple wall and hollow properties of the carbon nanostructure in which multiple carbon nanostructures aggregate together to form a cluster. 高分解能TEM画像であり、触媒鋳型ナノ粒子をその中心に有するカーボン・ナノ構造のクローズアップを示す図である。FIG. 3 is a high-resolution TEM image showing a close-up of a carbon nanostructure having a catalyst-templated nanoparticle at its center. 図1Aのカーボン・ナノ構造のX線回折強度を示す図である。It is a figure which shows the X-ray-diffraction intensity of the carbon nanostructure of FIG. 1A. 本発明に従い製造されたカーボン・ナノ材料のラマンスペクトルを示すグラフであり、異なった熱処理の結果、異なったカーボン・ナノ材料を生成することを示す図である。FIG. 4 is a graph showing a Raman spectrum of carbon nanomaterials manufactured according to the present invention, showing that different carbon nanomaterials are produced as a result of different heat treatments. 本発明に従い製造されたが、官能基を除去するための処理を行っていない、精製された中間体カーボン材料の高分解能TEMである図である。FIG. 2 is a high resolution TEM of a purified intermediate carbon material that has been produced according to the present invention but has not been treated to remove functional groups. 官能基を除去するために塩基で処理された図6のカーボン・ナノ材料の高分解能TEMを示す図である。FIG. 7 shows a high resolution TEM of the carbon nanomaterial of FIG. 6 that has been treated with a base to remove functional groups. 図6の精製された中間体カーボン材料をその中に含む高分子の画像を示す図である。It is a figure which shows the image of the polymer which contains the refined intermediate carbon material of FIG. 6 in it. 図7のカーボン・ナノ材料をその中に導入した高分子の画像を示す図である。It is a figure which shows the image of the polymer which introduce | transduced the carbon nanomaterial of FIG.

Claims (26)

複合材料であって、
高分子または重合可能な材料を含む高分子材料と、
複数のカーボン・ナノスフィアが複合材料の少なくとも約0.1重量%を含むことを特徴とする前記高分子材料中に分散された複数のカーボン・ナノスフィアと
を含むことを特徴とする複合材料。
A composite material,
A polymeric material including a polymer or a polymerizable material; and
A composite material comprising: a plurality of carbon nanospheres dispersed in the polymeric material, wherein the plurality of carbon nanospheres comprises at least about 0.1% by weight of the composite material.
前記カーボン・ナノスフィアは、外径が約1ミクロン未満の中空で多重壁の粒子を含むことを特徴とする請求項1に記載の複合材料。   The composite of claim 1, wherein the carbon nanospheres comprise hollow multi-wall particles having an outer diameter of less than about 1 micron. 前記カーボン・ナノスフィアは、前記複合材料の少なくとも約0.5重量%を含むことを特徴とする請求項1に記載の複合材料。   The composite material of claim 1, wherein the carbon nanospheres comprise at least about 0.5% by weight of the composite material. 前記カーボン・ナノスフィアは、前記複合材料の少なくとも約1重量%を含むことを特徴とする請求項1に記載の複合材料。   The composite material of claim 1, wherein the carbon nanospheres comprise at least about 1% by weight of the composite material. 前記カーボン・ナノスフィアが、前記複合材料中のカーボン・ナノ材料の全重量の少なくとも約2重量%を含むことを特徴とする、カーボン・ナノスフィア以外のカーボン・ナノ材料、およびカーボン・ナノスフィアに付け加えたカーボン・ナノ材料をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の複合材料。   Carbon nanomaterials other than carbon nanospheres, and carbon nanospheres, wherein the carbon nanospheres comprise at least about 2% by weight of the total weight of the carbon nanomaterials in the composite material The composite material according to claim 1, further comprising an added carbon nanomaterial. 前記カーボン・ナノスフィアは、前記複合材料中のカーボン・ナノ材料の全重量の少なくとも約3重量%を含むことを特徴とする請求項5に記載の複合材料。   6. The composite material of claim 5, wherein the carbon nanosphere comprises at least about 3% by weight of the total weight of the carbon nanomaterial in the composite material. 前記カーボン・ナノスフィアは、前記複合材料中のカーボン・ナノ材料の全重量の少なくとも約15重量%を含むことを特徴とする請求項5に記載の複合材料。   6. The composite material of claim 5, wherein the carbon nanosphere comprises at least about 15% by weight of the total weight of the carbon nanomaterial in the composite material. 前記高分子材料は、ポリアミン、ポリアクリル酸エステル、ポリブタジエン、ポリブチレン、ポリエチレン、塩素化ポリエチレン、エチレンビニルアルコール、フッ素系高分子、アイオノマー、ポリメチルペンテン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、縮合系高分子、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアリールエーテルケトン、ポリカーボネート、ポリケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフタールアミド、ポリフタールイミド、ポリスルホン、ポリアリールスルホン、アリル樹脂、メラミン樹脂、フェノールホルムアルデヒド樹脂、液晶高分子、ポリオレフィン、ポリエステル、シリコーン、ポリウレタン、エポキシ、セルロース系高分子、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される高分子を含むことを特徴とする請求項1に記載の複合材料。   The polymer material is polyamine, polyacrylate, polybutadiene, polybutylene, polyethylene, chlorinated polyethylene, ethylene vinyl alcohol, fluorine polymer, ionomer, polymethylpentene, polypropylene, polystyrene, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, Condensed polymer, polyamide, polyamideimide, polyaryletherketone, polycarbonate, polyketone, polyetheretherketone, polyetherimide, polyethersulfone, polyimide, polyphenyleneoxide, polyphenylenesulfide, polyphthalamide, polyphthalimide, polysulfone, Polyarylsulfone, allyl resin, melamine resin, phenol formaldehyde resin, liquid crystal polymer, polyolefin, polyester , Silicone, polyurethane, epoxy, cellulosic polymers, and composite material according to claim 1, characterized in that it comprises a polymer selected from the group consisting of. 前記高分子材料は、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン、アクリロニトリル−エチレン/プロピレン−スチレン、メタクリル酸メチル−ブタジエン−スチレン、アクリロニトリル−ブタジエン−メタクリル酸メチル−スチレン、アクリロニトリル−アクリル酸n−ブチル−スチレン、ゴム改質ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリメタクリル酸メチル、ポリ塩化ビニル、酢酸セルロース樹脂、ポリアミド、ポリエステル、ポリアクリロニトリル、ポリカーボネート、ポリフェニレンオキシド、ポリケトン、ポリスルホン、ポリフェニレンスルフィド、フッ素樹脂、シリコーン、ポリイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリアミドエラストマー、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される熱可塑性高分子材料を含むことを特徴とする請求項1に記載の複合材料。   The polymer materials are acrylonitrile-butadiene-styrene, acrylonitrile-ethylene / propylene-styrene, methyl methacrylate-butadiene-styrene, acrylonitrile-butadiene-methyl methacrylate-styrene, acrylonitrile-n-butyl acrylate-styrene, rubber modified. Polystyrene, polyethylene, polypropylene, polystyrene, polymethyl methacrylate, polyvinyl chloride, cellulose acetate resin, polyamide, polyester, polyacrylonitrile, polycarbonate, polyphenylene oxide, polyketone, polysulfone, polyphenylene sulfide, fluororesin, silicone, polyimide, polybenz Thermoplastic selected from the group consisting of imidazole, polyamide elastomer, and combinations thereof The composite material according to claim 1, characterized in that it comprises a polymeric material. 前記高分子材料は、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン−ホルムアルデヒド樹脂、尿素−ホルムアルデヒドラテックス、キシレン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、エポキシ樹脂、アニリン樹脂、フラン樹脂、ポリウレタン、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される熱硬化性高分子材料を含むことを特徴とする請求項1に記載の複合材料。   The polymer material is selected from the group consisting of phenolic resin, urea resin, melamine-formaldehyde resin, urea-formaldehyde latex, xylene resin, diallyl phthalate resin, epoxy resin, aniline resin, furan resin, polyurethane, and combinations thereof. The composite material according to claim 1, further comprising a thermosetting polymer material. 高分子または重合可能な材料およびそれと混合されるカーボン・ナノ材料とを含む複合材料であって、前記複合材料は、
カーボン前駆体および触媒金属を含む複数の鋳型ナノ粒子を含む、前駆体混合物を形成するステップと、
複数のカーボン・ナノ構造、アモルファス・カーボン、および場合によっては残存する触媒金属を含む中間体カーボン材料を形成するための前記前駆体混合物を炭化するステップと、
カーボン・ナノ材料を得るために、アモルファス・カーボンの少なくとも一部および場合によっては残存触媒金属の一部を除去することによって、前記中間体カーボン材料を精製するステップと、
前記カーボン・ナノ材料を、液体状のまたは可塑化条件にある熱可塑性高分子または重合可能な材料と混合し、前記熱可塑性高分子または重合可能な材料が前記複合材料を生成するように固化させるかまたは固化に導くステップと
を含む方法で製造されることを特徴とする複合材料。
A composite material comprising a polymer or polymerizable material and a carbon nanomaterial mixed therewith, wherein the composite material comprises:
Forming a precursor mixture comprising a plurality of template nanoparticles comprising a carbon precursor and a catalytic metal;
Carbonizing the precursor mixture to form an intermediate carbon material comprising a plurality of carbon nanostructures, amorphous carbon, and optionally remaining catalytic metal;
Purifying the intermediate carbon material by removing at least a portion of the amorphous carbon and possibly a portion of the remaining catalytic metal to obtain a carbon nanomaterial;
The carbon nanomaterial is mixed with a thermoplastic or polymerizable material in liquid or plasticizing condition and solidified such that the thermoplastic polymer or polymerizable material produces the composite material. Or a composite material characterized in that it is produced by a method comprising the steps of leading to solidification.
前記カーボン・ナノ材料を製造する前記方法が、
(i)前記精製された中間体カーボン材料を約100℃より高い温度に加熱するステップおよび/または、
(ii)前記精製された中間体カーボン材料を塩基で処理するステップにより、
前記精製された中間体カーボン材料の表面から官能基を除去するステップをさらに含むことを特徴とする請求項11に記載の複合材料。
The method for producing the carbon nanomaterial comprises:
(I) heating the purified intermediate carbon material to a temperature greater than about 100 ° C. and / or
(Ii) treating the purified intermediate carbon material with a base;
The composite material according to claim 11, further comprising removing functional groups from a surface of the purified intermediate carbon material.
前記カーボン・ナノ材料を製造する前記方法が、前記精製された中間体カーボン材料を約200℃より高い温度に加熱するステップを含むことを特徴とする請求項11に記載の複合材料。   12. The composite material of claim 11, wherein the method of manufacturing the carbon nanomaterial comprises heating the purified intermediate carbon material to a temperature greater than about 200 degrees Celsius. 前記カーボン・ナノ材料を製造する前記方法が、前記精製された中間体カーボン材料を約500℃より高い温度に加熱するステップを含むことを特徴とする請求項11に記載の複合材料。   12. The composite material of claim 11, wherein the method of manufacturing the carbon nanomaterial comprises heating the purified intermediate carbon material to a temperature greater than about 500 degrees Celsius. 前記カーボン・ナノ材料を製造する前記方法が、前記精製された中間体カーボン材料を約1000℃より高い温度に加熱するステップを含むことを特徴とする請求項11に記載の複合材料。   12. The composite material of claim 11, wherein the method of manufacturing the carbon nanomaterial comprises heating the purified intermediate carbon material to a temperature greater than about 1000 degrees Celsius. 前記カーボン・ナノ材料を製造する前記方法が、前記精製された中間体カーボン材料を水酸化ナトリウムおよび/または水酸化カリウムで処理するステップを含むことを特徴とする請求項11に記載の複合材料。   12. A composite material according to claim 11, wherein the method of producing the carbon nanomaterial comprises treating the purified intermediate carbon material with sodium hydroxide and / or potassium hydroxide. 前記複合材料は、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン、アクリロニトリル−エチレン/プロピレン−スチレン、メタクリル酸メチル−ブタジエン−スチレン、アクリロニトリル−ブタジエン−メタクリル酸メチル−スチレン、アクリロニトリル−アクリル酸n−ブチル−スチレン、ゴム改質ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリメタクリル酸メチル、ポリ塩化ビニル、酢酸セルロース樹脂、ポリアミド、ポリエステル、ポリアクリロニトリル、ポリカーボネート、ポリフェニレンオキシド、ポリケトン、ポリスルホン、ポリフェニレンスルフィド、フッ素樹脂、シリコーン、ポリイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリアミドエラストマー、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される高分子を含むことを特徴とする請求項11に記載の複合材料。   The composite materials are acrylonitrile-butadiene-styrene, acrylonitrile-ethylene / propylene-styrene, methyl methacrylate-butadiene-styrene, acrylonitrile-butadiene-methyl methacrylate-styrene, acrylonitrile-n-butyl acrylate-styrene, rubber modified Polystyrene, polyethylene, polypropylene, polystyrene, polymethyl methacrylate, polyvinyl chloride, cellulose acetate resin, polyamide, polyester, polyacrylonitrile, polycarbonate, polyphenylene oxide, polyketone, polysulfone, polyphenylene sulfide, fluororesin, silicone, polyimide, polybenzimidazole A polymer selected from the group consisting of polyamide elastomers, and combinations thereof Composite material according to claim 11, wherein Mukoto. 複合材料を作製する方法であって、
液体状のまたは可塑化条件にある熱可塑性高分子または重合可能な材料を供給するステップと、
3重量%以上のカーボン・ナノスフィアを含むグラファイト状物質を、約1重量%から50重量%の間で前記熱可塑性高分子または重合可能な材料中に混合するステップと、
前記熱可塑性高分子または重合可能な材料が前記複合材料を生成するように固化させるかまたは固化に導くステップと
を含むことを特徴とする複合材料を作製する方法。
A method of making a composite material, comprising:
Providing a thermoplastic polymer or polymerizable material in liquid or plasticizing conditions;
Mixing a graphite-like material comprising 3% by weight or more of carbon nanospheres into the thermoplastic polymer or polymerizable material between about 1% and 50% by weight;
Solidifying the thermoplastic polymer or polymerizable material to produce the composite material or leading to solidification. A method of making a composite material.
前記複合材料が、熱可塑性高分子から形成される方法において、前記方法が前記グラファイト状物質との混合の前または混合に際し、前記の液体状または可塑化条件になるように前記熱可塑性高分子を前記熱可塑性高分子の融点またはガラス転移温度より高い温度に加熱するステップと、その後、前記熱可塑性高分子を冷却して前記複合材料を生成するステップとを含むことを特徴とする請求項18に記載の方法。   In the method in which the composite material is formed from a thermoplastic polymer, the thermoplastic polymer is placed in a liquid or plasticizing condition before or during mixing with the graphite-like substance. 19. The method of claim 18, comprising heating to a temperature higher than a melting point or glass transition temperature of the thermoplastic polymer, and then cooling the thermoplastic polymer to produce the composite material. The method described. 前記熱可塑性高分子は、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン、アクリロニトリル−エチレン/プロピレン−スチレン、メタクリル酸メチル−ブタジエン−スチレン、アクリロニトリル−ブタジエン−メタクリル酸メチル−スチレン、アクリロニトリル−アクリル酸n−ブチル−スチレン、ゴム改質ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリメタクリル酸メチル、ポリ塩化ビニル、酢酸セルロース樹脂、ポリアミド、ポリエステル、ポリアクリロニトリル、ポリカーボネート、ポリフェニレンオキシド、ポリケトン、ポリスルホン、ポリフェニレンスルフィド、フッ素樹脂、シリコーン、ポリイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリアミドエラストマー、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする請求項19に記載の方法。   The thermoplastic polymer is acrylonitrile-butadiene-styrene, acrylonitrile-ethylene / propylene-styrene, methyl methacrylate-butadiene-styrene, acrylonitrile-butadiene-methyl methacrylate-styrene, acrylonitrile-n-butyl acrylate-styrene, rubber. Modified polystyrene, polyethylene, polypropylene, polystyrene, polymethyl methacrylate, polyvinyl chloride, cellulose acetate resin, polyamide, polyester, polyacrylonitrile, polycarbonate, polyphenylene oxide, polyketone, polysulfone, polyphenylene sulfide, fluororesin, silicone, polyimide, poly Selected from the group consisting of benzimidazole, polyamide elastomer, and combinations thereof. The method of claim 19, wherein. 前記複合材料が、最初は液体状または可塑化条件にあり、引き続き重合して高分子材料を形成する重合可能な材料から形成されることを特徴とする請求項18に記載の方法。   19. The method of claim 18, wherein the composite material is formed from a polymerizable material that is initially in liquid or plasticizing conditions and subsequently polymerizes to form a polymeric material. 前記重合可能な材料は、ポリアクリル酸エステル、ポリブタジエン、ポリブチレン、ポリエチレン、塩素化ポリエチレン、エチレンビニルアルコール、フッ素系高分子、アイオノマー、ポリメチルペンテン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、縮合系高分子、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアリールエーテルケトン、ポリカーボネート、ポリケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフタールアミド、ポリフタールイミド、ポリスルホン、ポリアリールスルホン、アリル樹脂、メラミン樹脂、ホルムアルデヒド樹脂、液晶高分子、ポリオレフィン、ポリエステル、シリコーン、ポリウレタン、エポキシ、セルロース系高分子、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される高分子材料を形成するのに適切なモノマーまたはオリゴマーを含むことを特徴とする請求項21に記載の方法。   The polymerizable material is polyacrylic acid ester, polybutadiene, polybutylene, polyethylene, chlorinated polyethylene, ethylene vinyl alcohol, fluoropolymer, ionomer, polymethylpentene, polypropylene, polystyrene, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, condensation Polymer, polyamide, polyamideimide, polyaryletherketone, polycarbonate, polyketone, polyetheretherketone, polyetherimide, polyethersulfone, polyimide, polyphenyleneoxide, polyphenylenesulfide, polyphthalamide, polyphthalimide, polysulfone, polysulfone Aryl sulfone, allyl resin, melamine resin, formaldehyde resin, liquid crystal polymer, polyolefin, polyester, silicone, polyester Urethane, epoxy, cellulosic polymers, and methods of claim 21, which comprises a suitable monomer or oligomer to form a polymeric material selected from the group consisting of. 前記カーボン・ナノスフィアが次のステップ、
(i)複数の鋳型ナノ粒子の存在のもとでカーボン前駆体の重合により一つまたはそれ以上の中間体カーボン・ナノスフィアを形成するステップと、
(ii)複数の複合体ナノ構造を形成するため前記中間体カーボン・ナノスフィアを炭化するステップと、
(iii)場合によっては、前記カーボン・ナノスフィアを得るため前記複合体ナノ構造から前記鋳型ナノ粒子を除去するステップと
に従って製造されることを特徴とする請求項18に記載の方法。
The carbon nanosphere is the next step,
(I) forming one or more intermediate carbon nanospheres by polymerizing a carbon precursor in the presence of a plurality of template nanoparticles;
(Ii) carbonizing said intermediate carbon nanosphere to form a plurality of composite nanostructures;
19. The method of claim 18, wherein (iii) is optionally produced according to the step of removing the template nanoparticles from the composite nanostructure to obtain the carbon nanospheres.
前記鋳型ナノ粒子は、鉄、ニッケル、またはコバルトのうちの少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項23に記載の方法。   24. The method of claim 23, wherein the template nanoparticles comprise at least one of iron, nickel, or cobalt. 炭化が、約500℃から約2500℃の間の温度で行われることを特徴とする請求項23に記載の方法。   24. The method of claim 23, wherein the carbonization is performed at a temperature between about 500 degrees Celsius and about 2500 degrees Celsius. 前記鋳型ナノ粒子が、前記複合体ナノ構造から酸、塩基、またはその双方によるエッチングによって除去されることを特徴とする請求項23に記載の方法。   24. The method of claim 23, wherein the template nanoparticles are removed from the composite nanostructure by etching with acid, base, or both.
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