JP7050667B2 - 一体化した高配向ハロゲン化グラフェンのモノリス膜 - Google Patents
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Description
好ましい一実施形態では、配向ハロゲン化グラフェンの一体化層は、y=0およびx=0.01~6.0である(酸素が完全に除去される)化学式C6ZxOyを有する。好ましい別の一実施形態では、配向ハロゲン化グラフェンの一体化層は、y=0.1およびx=0.1~5.0である(低酸素含有量を有する)化学式C6ZxOyを有する。
(1)このGOGHフィルムは、非常に大きい結晶粒度を有する十分に配列し相互接続された複数の結晶粒から構成される多結晶構造である、一体化したハロゲン化グラフェン(GH)要素である。HOGHは、すべての結晶粒中のすべてのグラフェン面が互いに実質的に平行に配向している(すなわち、すべての結晶粒の結晶学的c軸が実質的に同一方向に向かっている)。
平均直径が12μmの黒鉛短繊維および天然黒鉛粒子を出発物質として別々に使用し、この出発物質を濃硫酸、硝酸および過マンガン酸カリウムの混合物(化学的インターカレートおよび酸化剤として)に浸漬して、黒鉛インターカレーション化合物(GIC)を調製した。出発物質は、最初に真空オーブン中80℃で24時間乾燥させた。次に、濃硫酸、発煙硝酸および過マンガン酸カリウム(の4:1:0.05の重量比の)の混合物を、適切な冷却および撹拌下で、繊維の断片を入れた三口フラスコにゆっくり加えた。5~16時間の反応後、酸で処理された黒鉛繊維または天然黒鉛粒子を濾過し、溶液のpHレベルが6に到達するまで脱イオン水で十分に洗浄した。100℃で終夜乾燥させた後、得られた黒鉛インターカレーション化合物(GIC)または酸化黒鉛繊維を水および/またはアルコール中に再分散させてスラリーを形成した。
メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)は、China Steel Chemical Co.,Kaohsiung,Taiwanから供給された。この材料は、密度が約2.24g/cm3でありメジアン粒度が約16μmである。MCMB(10グラム)に酸溶液(4:1:0.05の比率の硫酸、硝酸および過マンガン酸カリウム)を48~96時間インターカレートさせた。反応終了後、混合物を脱イオン水中に注ぎ、濾過した。インターカレートさせたMCMBをHClの5%溶液中で繰り返し洗浄して、大部分の硫酸イオンを除去した。次に、濾液のpHが4.5以上になるまで、試料の脱イオン水による洗浄を繰り返した。次に、このスラリーに対して10~100分の超音波処理を行ってGO懸濁液を得た。TEMおよび原子間力顕微鏡による研究では、酸化処理が72時間を超える場合にはほとんどのGOシートが単層グラフェンであり、酸化時間が48~72時間の場合には2または3層グラフェンであったことが示されている。
4:1:0.05の比率の硫酸、硝酸ナトリウムおよび過マンガン酸カリウムからなる液体酸化剤を用いて30℃で黒鉛フレークを酸化させることによって酸化黒鉛を調製した。天然黒鉛フレーク(14μmの粒度)を液体酸化剤混合物中に48時間浸漬し分散させると、その懸濁液またはスラリーは、光学的に不透明で暗色に見え、それが維持される。48時間後、反応塊を水で3回洗浄して、少なくとも3.0のpH値に調整した。次に、一連のGO-水懸濁液を調製するために最終量の水を加えた。本発明者らは、GOシートが>3%、典型的には5%~15%の重量分率を占める場合、GOシートが液晶相を形成することを確認した。
クロロホルム(CF)およびこれとは別にクロロベンゼン(CB)を50~100℃の温度で1~10時間使用して、GOプレートレットの塩素化を行った。GOの塩素化の程度は、ラマン分光法およびX線光電子分光法(XPS)によって評価した。得られる塩素化GOの誘電性能に対するCFまたはCB処理の効果を調べるために、約70nm~2μmの厚さのフィルムを作製した。
スルホラン、ジメチルホルムアミド(DMF)またはN-メチル-2-ピロリドン(NMP)の存在下での音波処理により、(市販の)フッ化黒鉛粒子の化学エッチングを行うことでフッ化グラフェン懸濁液を得た。このプロセス中、溶媒分子がグラフェン層間にインターカレートして、隣接する層間のファンデルワールス力が弱まり、フッ化黒鉛の剥離によるフッ化グラフェン懸濁液の形成が促進される。GF懸濁液は、コンマコーティング、スロットダイコーティングまたは好ましくはリバースロール転写コーティングを用いて、高剪断条件(たとえば、より速い線速度比2/1~5/1)下でPETフィルムの表面上に直接コーティングすることができた。
絶縁耐力、誘電率、体積抵抗率(電気伝導率の逆数)の測定方法は当技術分野においてよく知られている。本発明の研究では規格化された方法に従った:絶縁耐力(ASTM D-149-91)、誘電率(ASTM D-150-92)および体積抵抗率(ASTM D-257-91)。
(1)一体化したハロゲン化グラフェンフィルム(薄いまたは厚い)は、典型的には大きい結晶粒を有する多結晶である一体化したハロゲン化酸化グラフェンまたは実質的に酸素を有さないハロゲン化グラフェン構造である。このフィルムは、すべてが互いに実質的に平行に配向している幅が広いまたは長い化学結合したグラフェン面を有する。換言すると、すべての結晶粒中のすべての構成グラフェン面の結晶学的c軸方向が実質的に同じ方向を向いている。換言すると、一体化層は、1つの方向に沿って互いに実質的に平行である複数の構成ハロゲン化グラフェン面であって、10度未満(より典型的には5度未満であるこれらのハロゲン化グラフェン面の平均偏差角を有する複数の構成ハロゲン化グラフェン面を有する。
Claims (24)
- ハロゲン化グラフェンのシートまたは分子の一体化層を製造する方法であって、
(a)流動媒体中に分散された酸化グラフェンシートを有する酸化グラフェン分散体または流動媒体中に溶解された酸化グラフェン分子を有する酸化グラフェンゲルのいずれかを調製するステップであって、前記酸化グラフェンシートまたは前記酸化グラフェン分子が5重量%を超える酸素量を含有する、ステップと;
(b)剪断応力条件下で支持基材の表面上に前記酸化グラフェン分散体または前記酸化グラフェンゲルの層を供給および堆積するステップであって、前記供給および堆積する手順が、前記支持基材上に酸化グラフェンの湿潤層を形成するための前記酸化グラフェン分散体または前記酸化グラフェンゲルの剪断によって誘発される薄化と、前記酸化グラフェンシートまたは前記酸化グラフェン分子の剪断によって誘発される配向とを含む、ステップと;
(c)C6ZxOyの化学式(式中、Zが、F、Cl、Br、Iまたはそれらの組合せから選択されるハロゲン元素であり、x=0.01~6.0、y=0~5.0およびx+y≦6.0である)を有し、かつX線回折によって測定された場合に0.35nm~1.2nmの面間隔d002を有するハロゲン化グラフェンの乾燥一体化層を形成する以下(i)または(ii)のステップと、
(i)前記酸化グラフェンの湿潤層中にハロゲン化剤を導入し、かつ前記ハロゲン化剤と前記酸化グラフェンシートまたは前記酸化グラフェン分子との間で化学反応を生じさせてハロゲン化グラフェンの湿潤層を形成し、および前記ハロゲン化グラフェンの湿潤層から前記流動媒体を除去するか、または
(ii)前記酸化グラフェンの湿潤層から前記流動媒体を除去して酸化グラフェンの乾燥層を形成し、および前記酸化グラフェンの乾燥層中にハロゲン化剤を導入し、かつ前記ハロゲン化剤と前記酸化グラフェンシートまたは前記酸化グラフェン分子との間で化学反応を生じさせるかのいずれかのハロゲン化処理を行い、
(d)25℃~250℃で1~24時間前記ハロゲン化処理する前にエージング室において25℃~200℃および20%~99%の湿度レベルで1時間~7日間にわたり、酸化グラフェンの湿潤層または乾燥層のエージングを行って、酸化グラフェンのエージングされた層を形成するステップを行うか、または、
エージング処理として100℃を超えるが3200℃以下の第1の熱処理温度で、酸化グラフェンの乾燥層または乾燥およびエージングされた層の熱処理を行い、0.4nm未満の面間隔d002と、5重量%未満の酸素および/またはハロゲン含有量とを有するステップを行う、方法。 - ハロゲン化グラフェンのシートまたは分子の一体化層を製造する方法であって、
a.流動媒体中に分散された酸化グラフェンシートを有する酸化グラフェン分散体または流動媒体中に溶解された酸化グラフェン分子を有する酸化グラフェンゲルのいずれかを調製するステップであって、前記酸化グラフェンシートまたは前記酸化グラフェン分子が5重量%を超える酸素量を含有する、ステップと;
b.前記酸化グラフェン分散体または前記酸化グラフェンゲル中にハロゲン化剤を導入し、かつ前記ハロゲン化剤と前記酸化グラフェンシートまたは酸化グラフェン分子との間で化学反応を生じさせて、ハロゲン化グラフェンシートの分散体またはハロゲン化グラフェン分子のゲルを形成してハロゲン化処理するステップであって、前記ハロゲン化グラフェンシートがC6ZxOyの化学式(式中、Zが、F、Cl、Br、Iまたはそれらの組合せから選択されるハロゲン元素であり、x=0.01~6.0、y=0~5.0およびx+y≦6.0である)を有する、ステップと;
c.剪断応力条件下で支持基材の表面上に前記ハロゲン化グラフェン分散体またはゲルの層を供給および堆積するステップであって、前記供給および堆積する手順が、前記支持基材上に酸化グラフェンの湿潤層を形成するためのハロゲン化グラフェンの分散体またはゲルの剪断によって誘発される薄化と、前記ハロゲン化グラフェンシートまたは分子の剪断によって誘発される配向とを含むことによりハロゲン化グラフェンの湿潤層を前記支持基材の表面に形成するステップと;
d.前記ハロゲン化グラフェンの湿潤層から前記流動媒体を除去して、X線回折によって測定された場合に0.35nm~1.2nmの面間隔d002を有する前記ハロゲン化グラフェンの一体化層を形成するステップとを含み、
25℃~250℃で1~24時間前記ハロゲン化処理する前にエージング室において25℃~200℃および20%~99%の湿度レベルで1時間~7日間にわたり、酸化グラフェンの湿潤層または乾燥層のエージングを行って、酸化グラフェンのエージングされた層を形成するステップを行うか、または、
エージング処理として100℃を超えるが3200℃以下の第1の熱処理温度で、酸化グラフェンの乾燥層または乾燥およびエーングされた層の熱処理を行い、0.4nm未満の面間隔d002と、5重量%未満の酸素および/またはハロゲン含有量とを有するステップを行う、方法。 - 前記酸化グラフェンシートが、単層酸化グラフェンまたは2~10の酸化グラフェン面を有する数層酸化グラフェンシートを含有する、請求項1に記載の方法。
- 前記ハロゲン化剤が、F、Cl、Br、Iまたはそれらの組合せから選択されるハロゲン元素を含有する液体、気体またはプラズマ状態の化学種を含有する、請求項1に記載の方法。
- 前記ハロゲン化剤が、F、Cl、Br、Iまたはそれらの組合せから選択されるハロゲン元素を含有する液体、気体またはプラズマ状態の化学種を含有する、請求項2に記載の方法。
- 前記ハロゲン化剤が、フッ化水素酸、HPF6、XeF2、F2ガス、F2/Arプラズマ、CF4プラズマ、SF6プラズマ、HCl、HPCl6、XeCl2、Cl2ガス、Cl2/Arプラズマ、CCl4プラズマ、SCl6プラズマ、HBr、XeBr2、Br2ガス、Br2/Arプラズマ、CBr4プラズマ、SBr6プラズマ、HI、XeI2、I2、I2/Arプラズマ、CI4プラズマ、SI6プラズマまたはそれらの組合せから選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記フッ素化剤が、フッ化水素酸、HPF6、XeF2、F2ガス、F2/Arプラズマ、CF4プラズマ、SF6プラズマ、HCl、HPCl6、XeCl2、Cl2ガス、Cl2/Arプラズマ、CCl4プラズマ、SCl6プラズマ、HBr、XeBr2、Br2ガス、Br2/Arプラズマ、CBr4プラズマ、SBr6プラズマ、HI、XeI2、I2、I2/Arプラズマ、CI4プラズマ、SI6プラズマまたはそれらの組合せから選択される、請求項2に記載の方法。
- 前記供給および堆積するステップが、剪断応力手順と組み合わされる印刷、噴霧、コーティングおよび/またはキャスティング手順を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記供給および堆積するステップがリバースロール転写コーティング手順を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記供給および堆積するステップがスロットダイコーティングまたはコンマコーティング手順を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記供給および堆積するステップが、前記酸化グラフェン分散体または酸化グラフェンゲルの層を、第1の方向に第1の線速度で回転する塗布ローラーの表面上に供給して酸化グラフェンのアプリケーター層を形成するステップを含み、前記塗布ローラーが、前記酸化グラフェンのアプリケーター層を、前記第1の方向とは反対の第2の方向に第2の線速度で駆動される支持フィルムの表面に転写して、前記支持フィルム上に前記酸化グラフェンの湿潤層を形成する、請求項1に記載の方法。
- 前記支持フィルムが、前記塗布ローラーから作動距離に配置され、かつ前記第1の方向とは反対の前記第2の方向に回転する逆転支持ローラーによって駆動される、請求項11に記載の方法。
- 前記酸化グラフェン分散体または酸化グラフェンゲルを前記塗布ローラーの前記表面上に供給する前記ステップが、計量ローラーおよび/またはドクターブレードを使用して前記塗布ローラー表面上に所望の厚さの前記酸化グラフェンのアプリケーター層を提供するステップを含む、請求項11に記載の方法。
- 2、3または4個のローラーを操作するステップを含む、請求項11に記載の方法。
- 前記支持フィルムが給送ローラーから供給され、および前記支持フィルムによって支持された前記ハロゲン化グラフェンの乾燥層が巻き取りローラー上に巻き取られ、および前記方法がロールツーロール方式で行われる、請求項11に記載の方法。
- (前記第2の線速度)/(前記第1の線速度)として定義される速度比が1/5~5/1である、請求項11に記載の方法。
- 前記速度比が1/1を超えかつ5/1未満である、請求項16に記載の方法。
- 25℃~100℃のエージング温度および20%~99%の湿度レベルのエージング室において、1時間~7日間のエージング時間にわたり、ステップ(b)後に前記酸化グラフェンの湿潤層のエージングを行うか、ステップ(c)後に前記ハロゲン化グラフェンの湿潤層のエージングを行うか、またはステップ(d)後に前記ハロゲン化グラフェンの一体化層のエージングを行うステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 100℃を超えるが3,200℃以下の第1の熱処理温度で前記ハロゲン化グラフェンの一体化層を熱処理して、0.4nm未満の面間隔d002および1重量%未満の酸素/ハロゲン総含有量を有する黒鉛フィルムを製造するステップ(e)をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記流動媒体が水、アルコール、水とアルコールとの混合物または有機溶媒からなる、請求項1に記載の方法。
- 前記一体化層の厚さを減少させるために前記ステップ(d)中またはその後に圧縮ステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記黒鉛フィルムの厚さを減少させるために前記熱処理ステップ中またはその後に圧縮ステップをさらに含む、請求項19に記載の方法。
- 前記酸化グラフェン分散体または酸化グラフェンゲルが、粉末または繊維の形態の黒鉛材料を反応温度において反応容器中の酸化性液体に浸漬することによって調製され、前記黒鉛材料が、天然黒鉛、人造黒鉛、中間相炭素、中間相ピッチ、メソカーボンマイクロビーズ、軟質炭素、硬質炭素、コークス、炭素繊維、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブまたはそれらの組合せから選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記エージングのステップが、エッジ間方式での前記酸化グラフェンシートまたは前記
酸化グラフェン分子の化学的連結、合体または化学結合を誘発する、請求項18に記載の方法。
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