KR102493369B1 - Humic Acid-Derived Conductive Foams and Devices - Google Patents

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Abstract

다수의 기공 및 기공벽으로 구성된 부식산-유도 폼(humic acid-derived foam)으로서, 기공벽은 단일층 또는 여러층(few-layer) 부식산-유도 육각형 탄소 원자 평면 또는 시트를 함유하며, 여러층 육각형 탄소 원자 평면 또는 시트는, X-선 회절에 의해 측정될 때, 평면간 간격 d002가 0.3354 nm 내지 0.40 nm인 2 내지 10개 층의 적층된 육각형 탄소 원자 평면을 가지며, 상기 단일층 또는 여러층 육각형 탄소 원자 평면은 0.01 중량% 내지 25 중량%의 비탄소 원자를 함유하며, 부식산은 산화된 부식산, 환원된 부식산, 불소화된 부식산, 염소화된 부식산, 브롬화된 부식산, 요오드화된 부식산, 수소화된 부식산, 질소화된 부식산, 도핑된 부식산, 화학적으로 작용화된 부식산, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는, 부식산-유도 폼.A humic acid-derived foam composed of multiple pores and pore walls, the pore walls containing single or few-layer humic acid-derived hexagonal carbon atom planes or sheets, The layered hexagonal carbon atom plane or sheet has from 2 to 10 layers of stacked hexagonal carbon atom planes with an interplanar spacing d 002 of 0.3354 nm to 0.40 nm, as measured by X-ray diffraction, wherein the single layer or The multi-layered hexagonal carbon atom plane contains from 0.01% to 25% by weight of non-carbon atoms, and the humic acid is oxidized humic acid, reduced humic acid, fluorinated humic acid, chlorinated humic acid, brominated humic acid, iodinated humic acid. A humic acid-derived foam selected from humic acid, hydrogenated humic acid, nitrogenated humic acid, doped humic acid, chemically functionalized humic acid, or combinations thereof.

Description

부식산-유도 전도성 폼 및 장치Humic Acid-Derived Conductive Foams and Devices

관련 출원에 대한 상호 참조CROSS REFERENCES TO RELATED APPLICATIONS

본 출원은 미국 특허 출원 제15/251,841호(2016년 8월 30일) 및 미국 특허 출원 제15/251,849호(2016년 8월 30일)에 대한 우선권을 주장하며, 이들은 본 명세서에 참고로 포함된다.This application claims priority to U.S. Patent Application Serial No. 15/251,841 (Aug. 30, 2016) and U.S. Patent Application No. 15/251,849 (Aug. 30, 2016), which are incorporated herein by reference. do.

기술분야technology field

본 발명은 일반적으로 탄소/흑연 폼(foam) 분야, 더 구체적으로는 부식산으로부터 유도된 새로운 형태의 전도성 폼, 그러한 부식산-유도 폼(humic acid-derived foam)을 수용하고 있는 장치(device), 및 이의 생성 공정에 관한 것이다.The present invention relates generally to the field of carbon/graphite foam, and more specifically to a new type of conductive foam derived from humic acid, and to devices containing such humic acid-derived foam. , and its production process.

탄소는 다이아몬드, 풀러렌(0-D 나노흑연 재료), 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노섬유(1-D 나노흑연 재료), 그래핀(2-D 나노흑연 재료), 및 흑연(3-D 흑연 재료)을 포함한 5가지 특유의 결정성 구조를 갖는 것으로 알려져 있다. 풀러렌 이외에, 모든 이들 재료는 폼 형성된(foamed) 구조로 제조될 수 있다.Carbon includes diamond, fullerene (0-D nanographitic material), carbon nanotubes or carbon nanofibers (1-D nanographitic material), graphene (2-D nanographitic material), and graphite (3-D graphite material). It is known to have five unique crystalline structures including Other than fullerenes, all of these materials can be made into foamed structures.

탄소 나노튜브(CNT)는 단일벽 또는 다중벽으로 성장된 튜브형 구조를 지칭한다. 탄소 나노튜브(CNTs) 및 탄소 나노섬유(CNFs)는 수 나노미터 내지 수백 나노미터 수준의 직경을 갖는다. 이의 길이방향의 중공 구조는 물질에 독특한 기계적, 전기적, 및 화학적 성질을 부여한다. CNT 또는 CNF는 1차원 나노탄소 또는 1-D 나노흑연 물질이다. 그러나, CNTs는 생성하기가 어려우며 매우 고가이다. 또한, CNTs는 용매 또는 물 중에 분산시키는 것이 어렵고 다른 재료들과의 혼합이 어려운 것으로 알려져 있다. 이러한 특성들은 이들의 응용 범주를 심각하게 제한해 왔다.Carbon nanotubes (CNTs) refer to single- or multi-walled grown tubular structures. Carbon nanotubes (CNTs) and carbon nanofibers (CNFs) have diameters on the order of a few nanometers to hundreds of nanometers. Its longitudinal hollow structure gives the material unique mechanical, electrical and chemical properties. CNT or CNF is a one-dimensional nanocarbon or one-D nanographitic material. However, CNTs are difficult to produce and very expensive. In addition, CNTs are known to be difficult to disperse in solvents or water and difficult to mix with other materials. These characteristics have severely limited their application scope.

단일층 그래핀 시트는 2차원 육각형 격자를 점유하는 탄소 원자들로 구성된다. 다층 그래핀은 하나 초과의 그래핀 평면으로 구성된 소판(platelet)이다. 개별 단일층 그래핀 시트 및 다층 그래핀 소판은 본 명세서에서 집합적으로 나노그래핀 소판(nanographene platelet, NGPs) 또는 그래핀 재료로 칭한다. NGPs는 프리스틴 (pristine) 그래핀(본질적으로 99%의 탄소 원자), 약간 산화된 그래핀(5 중량% 미만의 산소), 및 산화그래핀(5 중량% 이상의 산소)을 포함한다.A single-layer graphene sheet consists of carbon atoms occupying a two-dimensional hexagonal lattice. Multilayer graphene is a platelet composed of more than one graphene plane. Individual monolayer graphene sheets and multilayer graphene platelets are collectively referred to herein as nanographene platelets (NGPs) or graphene materials. NGPs include pristine graphene (essentially 99% carbon atoms), slightly oxidized graphene (less than 5% oxygen by weight), and graphene oxide (more than 5% oxygen by weight).

NGPs는 광범위한 통상적이지 않은 물리적, 화학적, 및 기계적 특성을 갖는 것으로 밝혀져 있다. 본 발명자들의 연구 그룹은 처음으로 그래핀을 발견하였다(문헌[B. Z. Jang and W. C. Huang, "Nano-scaled Graphene Plates," 미국 특허 출원 제10/274,473호(2002년 10월 21일); 현재 미국 특허 제7,071,258호(2006년 4월 7일)]). NGPs를 생산하는 공정 및 NGP 나노복합물은 이전에 본 발명자에 의해 검토되었다(문헌[Bor Z. Jang and A Zhamu, "Processing of Nano Graphene Platelets(NGPs) and NGP Nanocomposites: A Review," J. Materials Sci. 43 (2008) 5092-5101]). 4가지의 주요 종래 기술 접근법에 따라 NGP를 생성해 왔다. 이들의 이점 및 단점을 다음과 같이 간략하게 요약한다:NGPs have been found to have a wide range of unconventional physical, chemical, and mechanical properties. Our research group first discovered graphene (see B. Z. Jang and W. C. Huang, "Nano-scaled Graphene Plates," US Patent Application Serial No. 10/274,473 (October 21, 2002); current US Patent 7,071,258 (April 7, 2006)]). The process for producing NGPs and NGP nanocomposites has previously been reviewed by the present inventors (Bor Z. Jang and A Zhamu, "Processing of Nano Graphene Platelets (NGPs) and NGP Nanocomposites: A Review," J. Materials Sci 43 (2008) 5092-5101]). NGPs have been created according to four main prior art approaches. Their advantages and disadvantages are briefly summarized as follows:

접근법 1: 산화그래핀(GO)의 화학적 형성 및 환원Approach 1: Chemical Formation and Reduction of Graphene Oxide (GO)

첫 번째 접근법(도 1)은 천연 흑연 분말을 삽입제 및 산화제(예를 들어, 각각 진한 황산 및 질산)로 처리하여 흑연 층간 화합물(GIC) 또는, 실제로는, 산화흑연(GO)을 수득하는 것을 수반한다(문헌[William S. Hummers, Jr., et al., Preparation of Graphitic Oxide, Journal of the American Chemical Society, 1958, p. 1339]). 삽입 또는 산화 전에, 흑연은 그래핀 평면간 간격이 대략 0.335 nm(L d = 1/2 d 002 = 0.335 nm)이다. 삽입 및 산화 처리에 의해, 그래핀간 간격이 전형적으로 0.6 nm 초과의 값으로 증가된다. 이는 이러한 화학 경로 동안에 흑연 재료가 겪게 되는 제1 팽창 단계이다. 이어서, 수득된 GIC 또는 GO는 추가의 팽창(종종 박리(exfoliation)로 지칭됨)을 거치는데, 이는 열 충격 노출 또는 용액-기반 초음파-보조 그래핀 층 박리 접근법을 사용하여 행해진다.The first approach (FIG. 1) involves treating natural graphite powder with an intercalating agent and an oxidizing agent (e.g., concentrated sulfuric acid and nitric acid, respectively) to obtain a graphite intercalation compound (GIC) or, in practice, graphite oxide (GO). (William S. Hummers, Jr., et al., Preparation of Graphitic Oxide, Journal of the American Chemical Society, 1958, p. 1339). Before intercalation or oxidation, graphite has a graphene interplanar spacing of approximately 0.335 nm ( L d = 1/2 d 002 = 0.335 nm). By intercalation and oxidation treatment, the intergraphene spacing is typically increased to values greater than 0.6 nm. This is the first expansion step that graphitic materials undergo during this chemical pathway. The obtained GIC or GO then undergoes further expansion (sometimes referred to as exfoliation ), which is done using thermal shock exposure or solution-based ultrasound-assisted graphene layer exfoliation approaches.

열 충격 노출 접근법에서는, GIC 또는 GO를 짧은 시간(전형적으로 15 내지 60초) 동안 고온(전형적으로 800 내지 1,050℃)에 노출시켜, 박리되거나 추가로 팽창된 흑연의 형성을 위하여 GIC 또는 GO를 박리하거나 팽창시키며, 이때, 박리되거나 추가로 팽창된 흑연은 전형적으로, 여전히 서로 상호연결된 흑연 플레이크들로 구성된 "흑연 웜(graphite worm)"의 형태이다. 이러한 열 충격 절차는 일부 분리된 흑연 플레이크 또는 그래핀 시트를 생성할 수 있지만, 통상적으로 흑연 플레이크의 대부분이 상호연결된 상태로 남아 있다. 전형적으로, 이어서, 박리된 흑연 또는 흑연 웜은 에어 밀링(air milling), 기계적 전단, 또는 물 중에서의 초음파를 사용하여 플레이크 분리 처리를 거친다. 따라서, 접근법 1은 기본적으로 3가지 별개의 절차를 수반한다: 제1 팽창(산화 또는 삽입), 추가의 팽창(또는 "박리"), 및 분리.In the thermal shock exposure approach, the GIC or GO is exposed to a high temperature (typically 800 to 1,050 °C) for a short period of time (typically 15 to 60 seconds) to exfoliate the GIC or GO to form exfoliated or further expanded graphite. or expanded, wherein the exfoliated or further expanded graphite is typically in the form of a "graphite worm" consisting of still interconnected graphite flakes. This thermal shock procedure may produce some isolated graphite flakes or graphene sheets, but typically most of the graphite flakes remain interconnected. Typically, the exfoliated graphite or graphite worms are then subjected to a flake separation treatment using air milling, mechanical shearing, or ultrasound in water. Thus, Approach 1 basically involves three distinct procedures: first expansion (oxidation or intercalation), further expansion (or "exfoliation"), and separation .

용액-기반 분리 접근법에서는, 팽창 또는 박리된 GO 분말을 물 또는 알코올 수용액 중에 분산시키고, 이는 초음파를 거친다. 이들 공정에서는, 흑연의 삽입 및 산화 후에(즉, 제1 팽창 후에) 그리고 전형적으로, 생성된 GIC 또는 GO의 열 충격 노출 후에(제2 팽창 후에) 초음파가 사용된다는 것에 주목하는 것이 중요하다. 대안적으로, 물 중에 분산된 GO 분말은 평면간 공간 내에 존재하는 이온들 사이의 반발력이 그래핀간 반데르발스 힘을 극복하여 그래핀 층의 분리를 가져오는 방식으로 이온 교환 또는 장시간의 정제 절차를 거친다.In the solution-based separation approach, the swollen or exfoliated GO powder is dispersed in water or aqueous alcohol solution, which is subjected to ultrasonication. It is important to note that in these processes, ultrasound is used after intercalation and oxidation of the graphite (i.e., after the first expansion) and typically after thermal shock exposure of the resulting GIC or GO (after the second expansion). Alternatively, GO powder dispersed in water can undergo ion exchange or a lengthy purification procedure in such a way that the repulsive force between ions present in the interplanar space overcomes the inter-graphene van der Waals forces, resulting in the separation of the graphene layers. go through

이러한 통상적인 화학적 생성 공정과 관련된 몇몇 주요 문제점이 있다.There are several major problems associated with these conventional chemical production processes.

(1) 이 공정은 대량의 몇몇 바람직하지 않은 화학물질(예컨대, 황산, 질산, 및 과망간산칼륨 또는 염소산나트륨)의 사용을 필요로 한다.(1) This process requires the use of large quantities of some undesirable chemicals (eg, sulfuric acid, nitric acid, and potassium permanganate or sodium chlorate).

(2) 화학적 처리 공정은, 전형적으로 5시간 내지 5일에 이르는 장시간의 삽입 및 산화 시간을 필요로 한다.(2) The chemical treatment process requires a long intercalation and oxidation time, typically ranging from 5 hours to 5 days.

(3) 강산은 이러한 장시간의 삽입 또는 산화 공정 동안 "흑연을 부식시킴으로써" (흑연을 이산화탄소로 전환시키고, 이는 이 공정에서 손실됨으로써) 상당량의 흑연을 소비한다. 강산 및 산화제 중에 침지된 흑연 재료의 20 내지 50 중량%가 손실되는 것은 흔한 일이다.(3) Strong acids consume significant amounts of graphite during these long intercalation or oxidation processes by "corrosing the graphite" (by converting the graphite to carbon dioxide, which is lost in the process). It is common to lose 20 to 50% by weight of the graphite material immersed in strong acids and oxidizing agents.

(4) 열 박리는 고온(전형적으로 800 내지 1,200℃)을 필요로 하며, 이에 따라 고도로 에너지-집약적인 공정이다.(4) Thermal exfoliation requires high temperatures (typically 800 to 1,200° C.) and is therefore a highly energy-intensive process.

(5) 열-유도 박리 접근법 및 용액-유도 박리 접근법 둘 모두는 매우 번거로운 세척 및 정제 단계를 필요로 한다. 예를 들어, 1 g의 GIC를 세척하고 회수하는 데 전형적으로 2.5 kg의 물이 사용되어, 막대한 양의 폐수를 발생시키며, 이는 적절하게 처리될 필요가 있다.(5) Both the heat-induced exfoliation approach and the solution-induced exfoliation approach require very cumbersome washing and purification steps. For example, 2.5 kg of water is typically used to wash and recover 1 g of GIC, generating a huge amount of wastewater, which needs to be properly disposed of.

(6) 열-유도 박리 접근법 및 용액-유도 박리 접근법 둘 모두에서, 얻어지는 생성물은 GO 소판으로, 이는 추가의 화학적 환원 처리를 겪어서 산소 함량을 감소시켜야 한다. 전형적으로 환원 후에도, GO 소판의 전기 전도도는 프리스틴 그래핀보다 훨씬 더 낮은 상태로 남아 있다. 또한, 환원 절차는 종종 독성 화학물질, 예컨대 하이드라진의 이용을 수반한다.(6) In both the thermal-induced exfoliation approach and the solution-induced exfoliation approach, the obtained product is GO platelets, which must undergo an additional chemical reduction treatment to reduce the oxygen content. Typically even after reduction, the electrical conductivity of GO platelets remains much lower than that of pristine graphene. In addition, reduction procedures often involve the use of toxic chemicals such as hydrazine.

(7) 또한, 배출(draining) 후에 플레이크 상에 보유된 삽입 용액의 양은 흑연 플레이크 100 중량부당 20 내지 150 중량부(pph), 더 전형적으로는 약 50 내지 120 pph의 용액의 범위일 수 있다. 고온 박리 동안, 플레이크에 의해 보유된 잔류 삽입 화학종은 분해되어 다양한 화학종의 황산 및 아질산 화합물(예를 들어, NOx 및 SOx)을 생성하는데, 이들은 바람직하지 않다. 유출물은 유해한 환경 영향을 갖지 않기 위하여 고비용 정화 절차를 필요로 한다.(7) Additionally, the amount of intercalating solution retained on the flakes after draining may range from 20 to 150 parts by weight (pph) per 100 parts by weight of graphite flakes (pph), more typically from about 50 to 120 pph of solution. During hot exfoliation, residual intercalating species retained by the flakes decompose to produce various species of sulfuric acid and nitrous compounds (eg, NO x and SO x ), which are undesirable. The effluent requires costly cleanup procedures in order not to have harmful environmental effects.

접근법 2: 프리스틴 나노그래핀 소판의 직접 형성Approach 2: Direct Formation of Pristine Nanographene Platelets

2002년에, 본 발명자들의 연구팀은 중합체 또는 피치 전구체로부터 수득된 부분 탄화 또는 흑연화 중합체 탄소로부터, 단일층 및 다층 그래핀 시트를 단리하는 데 성공하였다(문헌[B. Z. Jang and W. C. Huang, "Nano-scaled Graphene Plates," 미국 특허 출원 제10/274,473호(2002년 10월 21일); 지금은 미국 특허 제7,071,258호(2006년 4월 7일)임]). Mack 등(문헌["Chemical manufacture of nanostructured materials" 미국 특허 제6,872,330호(2005년 3월 29일)])은 흑연에 칼륨 용융물을 삽입하는 단계 및 얻어진 K-삽입된 흑연을 알코올과 접촉시켜, 격렬하게 박리된 흑연 함유 NGPs를 생성하는 단계를 수반하는 공정을 개발하였다. 이 공정은 진공 중에서 또는 극건조 글로브 박스 환경 내에서 신중하게 수행되어야 하는데, 이는, 순수한 알칼리 금속, 예컨대 칼륨 및 나트륨이 수분에 매우 민감하고 폭발 위험을 제기하기 때문이다. 이 공정은 NGPs의 대량 생산에는 적합하지 않다.In 2002, the research team of the present inventors succeeded in isolating mono- and multi-layer graphene sheets, from partially carbonized or graphitized polymer carbon obtained from polymer or pitch precursors (B. Z. Jang and W. C. Huang, "Nano- scaled Graphene Plates," US Patent Application Serial No. 10/274,473 (October 21, 2002); now US Patent No. 7,071,258 (April 7, 2006)]. Mack et al. ("Chemical manufacture of nanostructured materials" U.S. Patent No. 6,872,330 (March 29, 2005)) described the steps of intercalating a potassium melt into graphite and contacting the resulting K-intercalated graphite with an alcohol, vigorously A process was developed involving the production of properly exfoliated graphite-containing NGPs. This process must be carried out carefully in a vacuum or in an extremely dry glove box environment, since the pure alkali metals, such as potassium and sodium, are very sensitive to moisture and pose an explosion hazard. This process is not suitable for mass production of NGPs.

접근법 3: 무기 결정 표면 상에의 나노그래핀 시트의 에피택셜 성장 및 화학 증착Approach 3: Epitaxial growth and chemical vapor deposition of nanographene sheets on inorganic crystal surfaces

기재 상에의 초박형 그래핀 시트의 소규모 생산이 열 분해-기반 에피택셜 성장 및 레이저 탈착-이온화 기법에 의해 달성될 수 있다(문헌[Walt A. DeHeer, Claire Berger, Phillip N. First, "Patterned thin film graphite devices and method for making same" 미국 특허 제7,327,000 B2호(2003년 6월 12일)]). 단지 하나 또는 여러 개의 원자 층을 갖는 흑연의 에피택셜 필름은 장치 기재로서의 그들의 독특한 특성 및 큰 잠재성으로 인해 기술적 및 과학적 중요성을 갖는다. 그러나, 이들 공정은 복합 재료 및 에너지 저장 응용을 위한 단리된 그래핀 시트의 대량 생산에 적합하지 않다.Small-scale production of ultrathin graphene sheets on substrates can be achieved by thermal decomposition-based epitaxial growth and laser desorption-ionization techniques (Walt A. DeHeer, Claire Berger, Phillip N. First, “Patterned thin film graphite devices and method for making same" U.S. Patent No. 7,327,000 B2 (June 12, 2003)]). Epitaxial films of graphite with only one or several atomic layers are of technological and scientific importance due to their unique properties and great potential as device substrates. However, these processes are not suitable for mass production of isolated graphene sheets for composite materials and energy storage applications.

박막 형태로(전형적으로 2 nm 미만의 두께로) 그래핀을 생성하기 위한 또 다른 공정은 촉매 화학 증착 공정이다. 이러한 촉매 CVD는 Ni 또는 Cu 표면 상에서의 탄화수소 가스(예를 들어, C2H4)의 촉매 분해를 수반하여 단일층 또는 여러층(few-layer) 그래핀을 형성한다. 촉매인 Ni 또는 Cu를 사용하여, 800 내지 1,000℃의 온도에서 탄화수소 가스 분자의 분해를 통해 수득된 탄소 원자는 Cu 포일 표면 상에 직접 증착되거나 Ni-C 고용체 상태로부터 Ni 포일의 표면에 침전되어 단일층 또는 여러층 그래핀(5개 미만의 층)의 시트를 형성한다. Ni- 또는 Cu-촉매 CVD 공정은 그 자체가 5개 초과의 그래핀 평면(전형적으로 2 nm 미만)의 증착을 제공하지 않으며, 이를 초과하면, 그 아래에 놓인 Ni 또는 Cu 층은 더 이상 어떠한 촉매 효과도 제공할 수 없게 된다. CVD 그래핀 필름은 매우 고가이다.Another process for producing graphene in thin film form (typically less than 2 nm thick) is a catalytic chemical vapor deposition process. Such catalytic CVD involves the catalytic decomposition of a hydrocarbon gas (eg, C 2 H 4 ) on a Ni or Cu surface to form single- or few-layer graphene. Using Ni or Cu as a catalyst, carbon atoms obtained through decomposition of hydrocarbon gas molecules at a temperature of 800 to 1,000 ° C. are directly deposited on the surface of the Cu foil or precipitated on the surface of the Ni foil from the Ni-C solid solution state to form a single Forms sheets of layered or multilayer graphene (fewer than 5 layers). Ni- or Cu-catalyzed CVD processes by themselves do not provide for the deposition of more than 5 graphene planes (typically less than 2 nm), beyond which the underlying Ni or Cu layer no longer has any catalyst. effect cannot be provided. CVD graphene films are very expensive.

접근법 4: 상향식(Bottom-Up) 접근법(소분자로부터의 그래핀의 합성)Approach 4: Bottom-Up Approach (Synthesis of Graphene from Small Molecules)

Yang 등(문헌["Two-dimensional Graphene Nano-ribbons," J. Am. Chem. Soc. 130 (2008) 4216-17])은 1,4-디요오도-2,3,5,6-테트라페닐-벤젠과 4-브로모페닐보론산의 스즈키-미야우라 커플링(Suzuki-Miyaura coupling)으로 시작하는 방법을 사용하여 길이가 최대 12 nm인 나노그래핀 시트를 합성하였다. 얻어진 헥사페닐벤젠 유도체를 추가로 유도체화하고 고리-융합시켜 작은 그래핀 시트를 형성하였다. 이는 지금까지 매우 작은 그래핀 시트를 생성해 온 저속 공정(slow process)이다.Yang et al. ("Two-dimensional Graphene Nano-ribbons," J. Am. Chem. Soc. 130 (2008) 4216-17) reported that 1,4-diiodo-2,3,5,6-tetra Nanographene sheets up to 12 nm in length were synthesized using a method starting with Suzuki-Miyaura coupling of phenyl-benzene and 4-bromophenylboronic acid. The obtained hexaphenylbenzene derivative was further derivatized and ring-fused to form small graphene sheets. This is a slow process that has so far produced very small graphene sheets.

따라서, 특성의 관점에서 그래핀과 비견되거나 그보다 월등하지만, 더 비용-효과적으로, 더 신속하게, 더 규모확대 가능하게, 그리고 더 환경적으로 무해한 방식으로 생성될 수 있는 새로운 부류의 탄소 나노재료를 가질 것에 대한 긴급한 요구가 존재한다. 그러한 새로운 탄소 나노재료에 대한 생성 공정은 감소된 양의 바람직하지 않은 화학물질(또는 이들 화학물질 모두의 제거), 단축된 공정 시간, 더 적은 에너지 소비량, 배출액(drainage) 내로의 바람직하지 않은 화학종(예를 들어, 황산) 또는 공기 중으로의 바람직하지 않은 화학종(예를 들어, SO2 및 NO2)의 감소 또는 제거된 유출을 필요로 한다. 또한, 이러한 새로운 나노재료를 열적으로 그리고 전기적으로 비교적 전도성인 폼 구조로 용이하게 제조할 수 있어야 한다.Thus, we have a new class of carbon nanomaterials that are comparable to or superior to graphene in terms of properties, but can be produced more cost-effectively, faster, more scalably, and in a more environmentally benign manner. There is an urgent need for The production process for such new carbon nanomaterials includes reduced amounts of undesirable chemicals (or removal of all of them), shortened process times, lower energy consumption, and the introduction of undesirable chemicals into the drainage. species (eg, sulfuric acid) or undesirable chemical species (eg, SO 2 and NO 2 ) into the air. In addition, it should be possible to easily fabricate these new nanomaterials into thermally and electrically relatively conductive foam structures.

일반적으로 말하면, 폼 또는 발포된 물질은 기공(또는 셀) 및 기공벽(고체 물질)으로 구성된다. 기공은 개방셀 폼을 형성하기 위해 상호연결될 수 있다. 한 예로, 그래핀 폼은 그래핀 재료를 함유하는 기공벽 및 기공으로 구성된다. 그래핀 폼을 생성시키는 3가지 주요 방법이 존재하는데, 이들은 모두 시간이 오래 걸리고, 에너지가 많이 들며, 느리다:Generally speaking, a foam or foamed material consists of pores (or cells) and pore walls (solid materials). The pores can be interconnected to form an open cell foam. As an example, graphene foam is composed of pores and pore walls containing graphene material. There are three main methods of producing graphene foam, all of which are time consuming, energy intensive, and slow:

제1 방법은 전형적으로 고압 오토클레이브에서 산화그래핀(GO) 수성 현탁액을 시일링하고, 연장된 시간(전형적으로 12 내지 36시간) 동안 고압(수십 또는 수백 atm) 하에서 전형적으로 180 내지 300℃ 범위의 온도에서 GO 현탁액을 가열시키는 것을 포함하는 산화그래핀 하이드로겔의 열수 환원이다. 이러한 방법에 대한 유용한 참고문헌은 하기에 제공된다: Y. Xu, 등, "Self-Assembled Graphene Hydrogel via a One-Step Hydrothermal Process," ACS Nano 2010, 4, 4324-4330. 이러한 방법과 관련된 여러 주요 문제점이 존재한다: (a) 고압 요건은 산업 스케일 생산을 위해 비실용적인 방법을 만든다. 한 예를 든다면, 이러한 공정은 지속적으로 수행될 수 없다. (b) 불가능한 것은 아니지만, 얻어진 다공성 구조의 기공 크기 및 다공도 수준에 대한 제어를 수행하는 것이 어렵다. (c) 얻어진 환원된 산화그래핀(RGO) 물질의 형상 및 크기를 다양하게 할 수 있는 유연성이 존재하지 않는다(예를 들어, 이는 필름 형상으로 제조될 수 없다). (d) 본 방법은 수 중에 현탁된 매우 낮은 농도의 GO의 사용을 포함한다(예를 들어, 2 mg/mL = 2 g/L = 2 kg/kL). 비-탄소 원소를 (최대 50%) 제거하면, 단지 1000 리터 현탁액 당 2 kg 미만의 그래핀 재료(RGO)를 생산할 수 있다. 또한, 고온 및 고압의 조건을 견뎌야 하는 1000 리터 반응기를 운용하는 것은 실제적으로 불가능하다. 명확하게, 이는 다공성 그래핀 구조의 대량 생산을 위한 확장 가능한 공정이 아니다.The first method involves sealing an aqueous suspension of graphene oxide (GO), typically in a high pressure autoclave, under high pressure (tens or hundreds of atm) for an extended period of time (typically 12 to 36 hours), typically in the range of 180 to 300 °C. It is a hydrothermal reduction of a graphene oxide hydrogel comprising heating a GO suspension at a temperature of A useful reference for this method is provided below: Y. Xu, et al., “Self-Assembled Graphene Hydrogel via a One-Step Hydrothermal Process,” ACS Nano 2010, 4, 4324-4330. There are several major problems associated with this method: (a) The high pressure requirements make the method impractical for industrial scale production. For one thing, this process cannot be carried out continuously. (b) It is difficult, if not impossible, to exert control over the pore size and porosity level of the resulting porous structure. (c) there is no flexibility to vary the shape and size of the resulting reduced graphene oxide (RGO) material (eg it cannot be made into a film form); (d) The method involves the use of very low concentrations of GO suspended in water (e.g., 2 mg/mL = 2 g/L = 2 kg/kL). By removing non-carbon elements (up to 50%), it is possible to produce less than 2 kg of graphene material (RGO) per just 1000 liters of suspension. In addition, it is practically impossible to operate a 1000 liter reactor that must withstand conditions of high temperature and high pressure. Clearly, this is not a scalable process for mass production of porous graphene structures.

제2 방법은 희생 주형(예를 들어, Ni 폼) 상에 그래핀의 CVD 증착을 포함하는, 주형-보조 촉매 CVD 공정을 기초로 한 것이다. 그래핀 재료는 Ni 폼 구조의 형상 및 치수에 따른다. Ni 폼은 이후에, 에칭제를 사용하여 에칭되어, 본질적으로 개방셀 폼인 그래핀 골격의 모놀리스(monolith)를 남긴다. 이러한 방법에 대한 유용한 참조문헌은 하기에 제공된다: Zongping Chen, 등, "Three-dimensional flexible and conductive interconnected graphene networks grown by chemical vapour deposition," Nature Materials, 10 (June 2011) 424-428. 이러한 공정과 관련된 여러 문제점이 존재한다: (a) 촉매 CVD는 본질적으로 매우 느리고, 고도로 에너지 집약적이고, 고가의 공정이다; (b) 에칭제는 전형적으로 매우 요망되지 않는 화학물질이며, 얻어진 Ni-함유 에칭 용액은 오염원이다. 에칭제 용액으로부터 용해된 Ni 금속을 회수하거나 재활용하는 것은 매우 어렵고 고가이다. (c) Ni 폼이 에칭될 때, 셀 벽을 손상시키지 않으면서 그래핀 폼의 형상 및 치수를 유지시키는 것은 어렵다. 얻어진 그래핀 폼은 전형적으로 매우 부서지기 쉽고 깨지기 쉽다. (d) 금속 폼 내부내로의 CVD 전구체 가스(예를 들어, 탄화수소)의 수송이 어려워져서, 불균일한 구조를 초래할 수 있는데, 왜냐하면, 이는 희생 금속 폼 내측의 특정 스폿(spot)이 CVD 전구체 가스로 접근할 수 없기 때문이다.A second method is based on a mold-assisted catalytic CVD process, involving the CVD deposition of graphene on a sacrificial mold (eg, Ni foam). The graphene material depends on the shape and dimensions of the Ni foam structure. The Ni foam is then etched away using an etchant, leaving a monolith of the graphene framework that is essentially an open cell foam. A useful reference for this method is provided below: Zongping Chen, et al., "Three-dimensional flexible and conductive interconnected graphene networks grown by chemical vapor deposition," Nature Materials, 10 (June 2011) 424-428. There are several problems associated with this process: (a) catalytic CVD is an inherently very slow, highly energy intensive and expensive process; (b) The etchant is typically a highly undesirable chemical, and the resulting Ni-containing etching solution is a source of contamination. Recovering or recycling dissolved Ni metal from the etchant solution is very difficult and expensive. (c) When the Ni foam is etched, it is difficult to maintain the shape and dimensions of the graphene foam without damaging the cell walls. The resulting graphene foam is typically very brittle and brittle. (d) transport of the CVD precursor gas (e.g., hydrocarbon) into the interior of the metal foam may be difficult, resulting in a non-uniform structure, since certain spots inside the sacrificial metal foam may because it is not accessible.

그래핀 폼을 생성시키는 제3 방법은 또한, 자가-어셈블리 방법을 이용하여 산화그래핀 시트로 코팅된 희생 물질(예를 들어, 콜로이드성 폴리스티렌 입자, PS)을 사용한다. 예를 들어, Choi, 등은 하기 2 단계로 화학적으로 개질된 그래핀(CMG) 페이퍼를 제조하였다: CMG 및 PS(2.0 ㎛ PS 구체)의 혼합된 수성 콜로이드성 현탁액의 진공 여과에 의한 독립형 PS/CMG 필름의 제작, 이후, 3D 마크로기공을 발생시키기 위한 PS 비드의 제거(문헌[B. G. Choi, 등, "3D Macroporous Graphene Frameworks for Supercapacitors with High Energy and Power Densities," ACS Nano, 6 (2012) 4020-4028]). Choi, 등은 여과에 의해 잘 정렬된 독립형 PS/CMG 페이퍼를 제작하였으며, 이는 음으로 하전된 CMG 콜로이드성 및 양으로 하전된 PS 현탁액을 별도로 제조하여 개시한다. CMG 콜로이드성 및 PS 현탁액의 혼합물은 조절된 pH(=2) 하에서 용액에 분산되었으며, 여기서, 2가지 화합물은 동일한 표면 전하를 갖는다(CMG의 경우 +13±2.4 mV 및 PS의 경우 +68±5.6 mV의 제타 전위 값). pH가 6까지 상승되었을 때, CMGs(제타 전위 = -29±3.7 mV) 및 PS 구체(제타 전위 = +51±2.5 mV)는 이들 간의 정전기적 상호작용 및 소수성 특징으로 인해 조립되었으며, 이러한 것들은 후속하여 여과 공정을 통해 PS/CMG 복합 페이퍼내에 통합되었다. 이러한 방법은 또한, 하기 몇 가지 단점을 갖는다: (a) 이러한 방법은 산화그래핀 및 PS 입자 둘 모두의 매우 지루한 화학적 처리를 필요로 한다. (b) 톨루엔에 의한 PS의 제거는 또한 마크로다공성 구조를 약화시킨다. (c) 톨루엔은 고도로 규제된 화학물질이어서, 극도의 주의를 기울여 취급되어야 한다. (d) 기공 크기는 전형적으로 과도하게 크고(예를 들어, 수 ㎛), 여러 유용한 적용에 대해 너무 크다.A third method of producing graphene foam also uses a sacrificial material (eg, colloidal polystyrene particles, PS) coated with graphene oxide sheets using a self-assembly method. For example, Choi, et al. prepared chemically modified graphene (CMG) paper in two steps: free-standing PS/ by vacuum filtration of a mixed aqueous colloidal suspension of CMG and PS (2.0 μm PS spheres). Fabrication of CMG film, then removal of PS beads to generate 3D macropores (B. G. Choi, et al., "3D Macroporous Graphene Frameworks for Supercapacitors with High Energy and Power Densities," ACS Nano, 6 (2012) 4020- 4028]). Choi, et al. fabricated well-aligned free-standing PS/CMG paper by filtration, which discloses separately prepared negatively charged CMG colloidal and positively charged PS suspensions. A mixture of CMG colloidal and PS suspensions was dispersed in solution under controlled pH (=2), where the two compounds had the same surface charge (+13±2.4 mV for CMG and +68±5.6 for PS). zeta potential value in mV). When the pH was raised to 6, CMGs (zeta potential = -29 ± 3.7 mV) and PS spheres (zeta potential = +51 ± 2.5 mV) assembled due to their electrostatic interaction and hydrophobic character, which were subsequently and incorporated into the PS/CMG composite paper through a filtration process. This method also has several disadvantages: (a) This method requires a very tedious chemical treatment of both graphene oxide and PS particles. (b) Removal of PS by toluene also weakens the macroporous structure. (c) Toluene is a highly regulated chemical and must be handled with extreme caution. (d) Pore sizes are typically excessively large (e.g., several microns) and too large for many useful applications.

상기 논의는 그래핀 및 그래핀 폼을 생산하는 모든 종래 기술 방법 또는 공정이 중대한 결함을 가지고 있음을 명확하게 나타낸다. 따라서, 본 발명의 목적은 열적으로 그리고 전기적으로 전도성이고 기계적으로 견고한 새로운 부류의 폼 재료를 제공하는 것이고 이러한 부류의 폼을 생성하는 비용-효과적인 방법을 제공하는 것이다.The above discussion clearly indicates that all prior art methods or processes for producing graphene and graphene foam have significant deficiencies. It is therefore an object of the present invention to provide a new class of foam materials that are thermally and electrically conductive and mechanically robust and to provide a cost-effective method for producing this class of foam.

부식산(HA)은 토양 중에서 일반적으로 발견되는 유기 물질이고, 염기(예를 들어, KOH)를 사용하여 토양으로부터 추출될 수 있다. HA는 또한, 갈탄의 고도로 산화된 형태인 연갈탄(leonardite)으로 불리는 석탄 유형로부터 고수율로 추출될 수 있다. 연갈탄으로부터 추출된 HA는 그래핀-유사 분자 중심(육각형 탄소 구조의 SP2 코어)의 가장자리 둘레에 위치된 다수의 산소화된 기(예를 들어, 카르복실 기)를 함유한다. 이 재료는 천연 흑연의 강산 산화에 의해 생성된 산화그래핀(GO)과 약간 유사하다. HA는 전형적인 산소 함량이 5 중량% 내지 42 중량%이다(다른 주요 원소는 탄소 및 수소임). 화학적 또는 열적 환원 후의 HA는 산소 함량이 0.01 중량% 내지 5 중량%이다. 본 출원에서의 청구항 정의 목적상, 부식산(HA)은 전체 산소 함량 범위가 0.01 중량% 내지 42 중량%인 것을 지칭한다. 환원된 부식산(RHA)은 산소 함량이 0.01 중량% 내지 5 중량%인 특별한 유형의 HA이다.Humic acid (HA) is an organic substance commonly found in soil and can be extracted from soil using a base (eg KOH). HA can also be extracted in high yield from a type of coal called leonardite, which is a highly oxidized form of lignite. HA extracted from soft brown coal contains a number of oxygenated groups (eg, carboxyl groups) located around the edges of the graphene-like molecular center (SP 2 core of hexagonal carbon structure). This material is slightly similar to graphene oxide (GO) produced by strong acid oxidation of natural graphite. HA has a typical oxygen content of 5% to 42% by weight (other major elements being carbon and hydrogen). The HA after chemical or thermal reduction has an oxygen content of 0.01% to 5% by weight. For purposes of claim definition in this application, humic acid (HA) refers to a total oxygen content ranging from 0.01% to 42% by weight. Reduced humic acid (RHA) is a special type of HA with an oxygen content of 0.01% to 5% by weight.

본 발명은 새로운 부류의 그래핀-유사 2D 재료(즉, 부식산)에 관한 것으로, 이는 놀랍게도 높은 구조적 완전성을 갖는 폼 형성된 구조로 전환될 수 있다. 따라서, 또 다른 목적은 그러한 나노탄소 폼(구체적으로, 부식산-유도 폼)을 대량으로 생성하기 위한 비용-효과적인 공정을 제공하는 것이다. 본 공정은 환경 친화적이지 않은 화학물질의 사용을 수반하지 않는다. 본 방법은 다공성 수준 및 기공 크기의 유연한 설계 및 제어를 가능하게 한다.The present invention relates to a new class of graphene-like 2D materials (ie humic acid), which can be converted into foamed structures with surprisingly high structural integrity. Accordingly, another object is to provide a cost-effective process for producing such nanocarbon foams (specifically, humic acid-derived foams) in large quantities. The process does not involve the use of chemicals that are not environmentally friendly. The method allows flexible design and control of porosity level and pore size.

본 발명의 또 다른 목적은 통상적인 흑연 폼, 탄소 폼, 또는 그래핀 폼과 비견되거나 그보다 더 큰 열 전도도, 전기 전도도, 탄성 모듈러스, 및/또는 강도를 나타내는 부식산-유도 폼을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은, 바람직하게는 메소규모 기공 크기 범위(2 내지 50 nm)를 갖는 부식산-유도 폼을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a humic acid-derived foam that exhibits thermal conductivity, electrical conductivity, elastic modulus, and/or strength comparable to or greater than conventional graphite foam, carbon foam, or graphene foam. Another object of the present invention is to provide a humic acid-derived foam preferably having a mesoscale pore size range (2 to 50 nm).

본 발명의 또 다른 목적은 본 발명의 부식산-유도 폼을 수용하고 있는 제품(예를 들어, 장치) 및 이들 제품의 작동 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide products (eg, devices) containing the humic acid-derived foams of the present invention and methods of operating these products.

본 발명은 다수의 기공 및 기공벽으로 구성된 부식산-유도 폼을 제공하며, 기공벽은 단일층 또는 여러층 부식산-유도 육각형 탄소 시트를 함유하며, 여러층 육각형 탄소 시트는, X-선 회절에 의해 측정될 때, 평면간 간격 d002가 0.3354 nm 내지 0.60 nm(바람직하게는 0.40 nm 이하)인 2 내지 10개의 층의 적층된 육각형 탄소 원자 평면을 갖는다. 단일층 또는 여러층 육각형 탄소 시트는 0.01 중량% 내지 25 중량%의 비탄소 원소를 함유한다. 부식산(HA)은 산화된 부식산, 환원된 부식산, 불소화된 부식산, 염소화된 부식산, 브롬화된 부식산, 요오드화된 부식산, 수소화된 부식산, 질소화된 부식산, 도핑된 부식산, 화학적으로 작용화된 부식산, 또는 이들의 조합으로부터 선택된다.The present invention provides a humic acid-derived foam composed of a plurality of pores and pore walls, wherein the pore walls contain single-layer or multi-layer humic acid-derived hexagonal carbon sheets, and the multi-layer hexagonal carbon sheets have X-ray diffraction properties. It has 2 to 10 layers of stacked hexagonal carbon atom planes with an interplanar spacing d 002 of 0.3354 nm to 0.60 nm (preferably 0.40 nm or less), as measured by . The single-layer or multi-layer hexagonal carbon sheet contains from 0.01% to 25% by weight of non-carbon elements. Humic acid (HA) is oxidized humic acid, reduced humic acid, fluorinated humic acid, chlorinated humic acid, brominated humic acid, iodinated humic acid, hydrogenated humic acid, nitrogenated humic acid, doped humic acid acids, chemically functionalized humic acids, or combinations thereof.

본 발명의 부식산-유도 폼은 3가지 유형으로 나누어진다: (a) 폭넓은 응용에 사용될 수 있는 적어도 10 중량%(전형적으로 10 중량% 내지 42 중량%, 가장 전형적으로는 10 중량% 내지 25 중량%)의 비탄소 원소를 함유하는 부식산(HA) 폼(여기서는, 원래의 부식산 분자가 실질적으로 동일한 상태로 남아 있지만, HA 분자들 사이의 일부 화학적 연결이 일어남); (b) 화학적으로 병합 및 환원된 부식산계 폼으로서, 여기서는 원래의 HA 분자들 사이의 광범위한 연결 및 병합이 일어나서 기공벽을 구성하는 초기 그래핀-유사 육각형 탄소 시트를 형성하였으며, 그 결과, HA 분자에 원래 부착되어 있는 비탄소 원소를 함유하는 화학종이 방출됨(따라서, 비탄소 원소 함량이 대체로 2 중량% 내지 10 중량%로 감소됨); 및 (c) 본질적으로 전부 탄소만을 함유하는 부식산-유도 흑연 폼(2 중량% 미만, 바람직하게는 1 중량% 미만, 더 바람직하게는 0.1 중량% 미만의 비탄소 함량)으로서, 여기서는 기공벽이, 육각형 탄소 원자 평면인 단일층 또는 여러층(2 내지 10개) 그래핀-유사 시트를 함유함.The humic acid-derived foams of the present invention are divided into three types: (a) at least 10 wt% (typically 10 wt% to 42 wt%, most typically 10 wt% to 25 wt%), which can be used in a wide range of applications; % by weight) of a humic acid (HA) foam containing non-carbon elements, wherein the original humic acid molecules remain substantially the same, but some chemical linkages between the HA molecules occur; (b) a chemically merged and reduced humic acid-based foam in which extensive linking and coalescing between original HA molecules has occurred to form pristine graphene-like hexagonal carbon sheets constituting the pore walls, resulting in HA molecules chemical species containing non-carbon elements originally attached to are released (thus, the non-carbon element content is generally reduced to 2% to 10% by weight); and (c) a humic acid-derived graphite foam containing essentially all carbon (non-carbon content of less than 2% by weight, preferably less than 1% by weight, more preferably less than 0.1% by weight), wherein the pore walls are , containing monolayer or multilayer (2 to 10) graphene-like sheets that are hexagonal carbon atom planes.

바람직하게는 그리고 전형적으로는, HA-유도 폼은 밀도가 0.005 내지 1.7 g/cm3이고/이거나, 비표면적이 50 내지 3,200 m2/g이고/이거나, 비중의 단위당 열 전도도가 적어도 100 W/mK이고/이거나, 비중의 단위당 전기 전도도가 500 S/cm 이상이다. 더 전형적으로는, 부식산-유도 폼은 밀도가 0.01 내지 1.5 g/cm3이거나, 평균 기공 크기가 2 nm 내지 50 nm이다. 일 구현예에서, 폼은 비표면적이 200 내지 2,000 m2/g이거나, 밀도가 0.1 내지 1.3 g/cm3이다.Preferably and typically, the HA-derived foam has a density of 0.005 to 1.7 g/cm 3 , a specific surface area of 50 to 3,200 m 2 /g, and/or a thermal conductivity per unit of specific gravity of at least 100 W/cm 3 . mK, and/or an electrical conductivity per unit of specific gravity of at least 500 S/cm. More typically, the humic acid-derived foam has a density of 0.01 to 1.5 g/cm 3 or an average pore size of 2 nm to 50 nm. In one embodiment, the foam has a specific surface area of 200 to 2,000 m 2 /g or a density of 0.1 to 1.3 g/cm 3 .

전형적으로, HA-유도 폼이 300℃보다 높은 열처리 온도(HTT)를 포함하지 않는 공정으로부터 생성되는 경우, 폼은 비탄소 원소의 함량이 10 중량% 내지 42 중량%의 범위이다. 기공벽은 시트-유사 육각형 탄소 원자 구조인 확인가능한 부식산 분자를 여전히 함유할 수 있다. 비탄소 원소는 산소, 불소, 염소, 브롬, 요오드, 질소, 수소, 또는 붕소로부터 선택되는 원소를 포함할 수 있다. 구체적인 구현예에서, 기공벽은 불소화된 부식산을 함유하고, 폼은 0.01 중량% 내지 25 중량%의 불소 함량을 갖는다. 또 다른 구현예에서, 폼은 0.01 중량% 내지 25 중량%의 산소 함량을 갖는다.Typically, when the HA-derived foam is produced from a process that does not include a heat treatment temperature (HTT) greater than 300° C., the foam has a content of non-carbon elements ranging from 10% to 42% by weight. The pore walls may still contain identifiable humic acid molecules, which are sheet-like hexagonal carbon atom structures. The non-carbon element may include an element selected from oxygen, fluorine, chlorine, bromine, iodine, nitrogen, hydrogen, or boron. In a specific embodiment, the pore walls contain a fluorinated humic acid and the foam has a fluorine content of 0.01% to 25% by weight. In another embodiment, the foam has an oxygen content of 0.01% to 25% by weight.

300℃보다 높은 HTT의 경우, 조밀 충전되고 잘 정렬된 이웃하는 HA 분자들은 함께 화학적으로 연결되어, 초기 그래핀-유사 육각형 탄소 원자 구조와 유사한 다중-고리 방향족 구조를 형성할 수 있다. 열처리가 계속됨에 따라, 이들 고도로 방향족인 분자는 가장자리-대-가장자리 방식으로 함께 병합되어 그래핀-유사 육각형 평면의 길이 및 폭을 증가시키고, 동시에, 몇몇 육각형 탄소 평면들이 함께 적층되어 여러층 그래핀 구조와 유사한 다층 탄소 원자 구조를 형성할 수 있다. 평면간 간격은 전형적으로 << 0.60 nm, 더 전형적으로는 0.40 nm 미만으로 감소된다. HTT가 300℃ 내지 최대 1,500℃인 경우, 전형적으로 화학적으로 병합 및 환원된 부식산계 폼을 생성하며, 여기서는 원래의 HA 분자들 사이의 광범위한 연결 및 병합이 일어나서, 기공벽을 구성하는 초기 그래핀-유사 육각형 탄소 시트를 형성하고 있다. 폼 내의 비탄소 함량은 전형적으로 2% 내지 10%로 감소된다.For HTTs higher than 300 °C, closely packed and well-ordered neighboring HA molecules can chemically link together to form multi-ring aromatic structures similar to the initial graphene-like hexagonal carbon atom structure. As heat treatment continues, these highly aromatic molecules merge together in an edge-to-edge manner to increase the length and width of the graphene-like hexagonal planes, while at the same time, several hexagonal carbon planes are stacked together to form multilayer graphene. It is possible to form a multi-layered carbon atom structure similar to the structure. The interplanar spacing is typically reduced to << 0.60 nm, more typically less than 0.40 nm. When the HTT is from 300 °C up to 1,500 °C, it typically produces a chemically coalesced and reduced humic acid-based foam, in which extensive linking and coalescing between the pristine HA molecules takes place, resulting in pristine graphene-constituting the pore walls. A pseudo-hexagonal carbon sheet is formed. The specific carbon content in the foam is typically reduced from 2% to 10%.

HTT가 1,500℃ 내지 3,200℃인 경우, 폼은 본질적으로 흑연 폼으로 될 수 있으며, 여기서는 기공벽이 단일층 또는 여러층 그래핀-유사 육각형 탄소 평면을 함유하고, 비탄소 함량은 2 중량% 미만으로 감소된다.When the HTT is between 1,500°C and 3,200°C, the foam may be essentially a graphite foam, in which the pore walls contain monolayer or multilayer graphene-like hexagonal carbon planes and the non-carbon content is less than 2% by weight. is reduced

바람직한 구현예에서, 폼은 200 ㎛ 이하의 두께 및 적어도 1 미터, 바람직하게, 적어도 2 미터, 더욱 바람직하게, 적어도 10 미터, 및 가장 바람직하게, 적어도 100 미터의 길이를 갖는 연속-길이 롤 시트 형태(연속 폼 시트의 롤)로 제조된다. 이러한 시트 롤은 롤-투-롤 공정에 의해 생성된다. 종래 기술에는 시트 롤 형태로 제조된 HA-유도 그래핀-유사 폼이 존재하지 않는다.In a preferred embodiment, the foam is in the form of a continuous-length roll sheet having a thickness of 200 μm or less and a length of at least 1 meter, preferably at least 2 meters, more preferably at least 10 meters, and most preferably at least 100 meters. (rolls of continuous foam sheet). These sheet rolls are produced by a roll-to-roll process. There are no HA-derived graphene-like foams made in the form of sheet rolls in the prior art.

바람직한 구현예에서, HA-유도 폼은 산소 함량 또는 비탄소 함량이 1 중량% 미만이고, 기공벽은, 평면간 간격이 0.35 nm 미만이고/이거나, 비중의 단위당 열 전도도가 적어도 200 W/mK이고/이거나, 비중의 단위당 전기 전도도가 1,000 S/cm 이상인 적층된 그래핀-유사 평면을 갖는다.In a preferred embodiment, the HA-derived foam has an oxygen content or specific carbon content of less than 1% by weight, and the pore walls have an interplanar spacing of less than 0.35 nm and/or a thermal conductivity per unit of specific gravity of at least 200 W/mK; / or has stacked graphene-like planes having an electrical conductivity per unit of specific gravity greater than or equal to 1,000 S/cm.

추가의 바람직한 구현예에서, HA-유도 폼은 산소 함량 또는 비탄소 함량이 0.1 중량% 미만이고, 상기 기공벽은, 평면간 간격이 0.34 nm 미만이고/이거나, 비중의 단위당 열 전도도가 적어도 250 W/mK이고/이거나, 비중의 단위당 전기 전도도가 1,500 S/cm 이상인 적층된 그래핀-유사 육각형 탄소 원자 평면을 함유한다.In a further preferred embodiment, the HA-derived foam has an oxygen content or specific carbon content of less than 0.1% by weight, and the pore walls have an interplanar spacing of less than 0.34 nm and/or a thermal conductivity per unit of specific gravity of at least 250 W /mK and/or contain layered graphene-like hexagonal carbon atom planes having an electrical conductivity per unit of specific gravity of at least 1,500 S/cm.

또 다른 바람직한 구현예에서, 그래핀 폼은 산소 함량 또는 비-탄소 함량이 0.01 중량% 이하이고, 상기 기공벽은, 그래핀간 간격이 0.336 nm 미만이고/이거나, 모자이크 분산 값이 0.7 이하이고/이거나, 비중의 단위당 열 전도도가 적어도 300 W/mK이고/이거나, 비중의 단위당 전기 전도도가 2,000 S/cm 이상인 적층된 그래핀-유사 평면을 함유한다.In another preferred embodiment, the graphene foam has an oxygen content or non-carbon content of 0.01% by weight or less, and the pore walls have an inter-graphene spacing of less than 0.336 nm and/or a mosaic dispersion value of 0.7 or less and/or , containing layered graphene-like planes having a thermal conductivity per unit of specific gravity of at least 300 W/mK and/or an electrical conductivity per unit of specific gravity of at least 2,000 S/cm.

또 다른 바람직한 구현예에서, 그래핀 폼은 평면간 간격이 0.336 nm 미만이고/이거나, 모자이크 분산 값이 0.4 이하이고/이거나, 비중의 단위당 열 전도도가 400 W/mK 초과이고/이거나, 비중의 단위당 전기 전도도가 3,000 S/cm 초과인 적층된 그래핀-유사 원자 평면을 함유한 기공벽을 갖는다.In another preferred embodiment, the graphene foam has an interplanar spacing of less than 0.336 nm, a mosaic dispersion value of 0.4 or less, and/or a thermal conductivity per unit of specific gravity greater than 400 W/mK, and/or per unit of specific gravity. It has pore walls containing stacked graphene-like atomic planes with an electrical conductivity greater than 3,000 S/cm.

바람직한 구현예에서, 기공벽은 평면간 간격이 0.337 nm 미만이고, 모자이크 분산 값이 1.0 미만인 적층된 그래핀-유사 육각형 탄소 원자 평면을 함유한다. 바람직한 구현예에서, 폼은 흑연화도가 80% 이상(바람직하게, 90% 이상)이고/이거나, 모자이크 분산 값이 0.4 미만을 나타낸다. 바람직한 구현예에서, 기공벽은 상호연결된 그래핀-유사 육각형 탄소 원자 평면의 3D 네트워크를 함유한다.In a preferred embodiment, the pore walls contain layered graphene-like hexagonal carbon atom planes with an interplanar spacing of less than 0.337 nm and a tessellation dispersion value of less than 1.0. In a preferred embodiment, the foam exhibits a degree of graphitization greater than 80% (preferably greater than 90%) and/or a mosaic variance value less than 0.4. In a preferred embodiment, the pore walls contain a 3D network of interconnected graphene-like hexagonal carbon atom planes.

바람직한 구현예에서, 고체 폼은 2 nm 내지 50 nm의 기공 크기를 갖는 메소규모 기공을 함유한다. 고체 폼은 또한 마이크로 규모의 기공(1 내지 500 ㎛)을 함유하도록 제조될 수 있다.In a preferred embodiment, the solid foam contains mesoscale pores with a pore size of 2 nm to 50 nm. Solid foams can also be made to contain micro-scale pores (1 to 500 μm).

본 발명의 HA-유도 폼은 하기 단계를 포함하는 공정에 의해 생성될 수 있다: (a) 액체 매체 중에 분산된 다수의 부식산 분자 또는 시트를 갖는 부식산 분산물을 제조하는 단계로서, 부식산은 산화된 부식산, 환원된 부식산, 불소화된 부식산, 염소화된 부식산, 브롬화된 부식산, 요오드화된 부식산, 수소화된 부식산, 질소화된 부식산, 도핑된 부식산, 화학적으로 작용화된 부식산, 또는 이들의 조합으로부터 선택되고, 분산물은 선택적인 발포제(blowing agent)를 함유하며, 발포제 대 부식산 중량비가 0/1.0 내지 1.0/1.0인, 단계; (b) 그래핀 분산물을 지지 기재(예를 들어, 플라스틱 필름, 고무 시트, 금속 포일, 유리 시트, 종이 시트 등)의 표면 상에 분배하고 증착시켜 부식산의 습윤층을 형성하는 단계; (c) 액체 매체를 부식산의 습윤층으로부터 부분적으로 또는 완전히 제거하여 부식산의 건조층을 형성하는 단계; 및 (d) 부식산-유도 폼을 생성하기 위하여 비탄소 원소(예를 들어, O, H, N, B, F, Cl, Br, I 등)로부터 휘발성 가스 분자의 형성 및 방출을 유도하거나 발포제를 활성화하기에 충분한 원하는 가열 속도로 80℃ 내지 3,200℃의 제1 열처리 온도에서 부식산의 건조층을 열처리하는 단계. 바람직하게는, 분배 및 증착 절차는 부식산 분산물을 배향-유도 응력 하에 두는 단계를 포함한다.The HA-derived foam of the present invention may be produced by a process comprising the steps of: (a) preparing a humic acid dispersion having a plurality of humic acid molecules or sheets dispersed in a liquid medium, wherein the humic acid is Oxidized humic acids, reduced humic acids, fluorinated humic acids, chlorinated humic acids, brominated humic acids, iodinated humic acids, hydrogenated humic acids, nitrogenated humic acids, doped humic acids, chemically functionalized a humic acid, or a combination thereof, wherein the dispersion contains an optional blowing agent, wherein the blowing agent to humic acid weight ratio is from 0/1.0 to 1.0/1.0; (b) dispensing and depositing the graphene dispersion onto the surface of a supporting substrate (eg, plastic film, rubber sheet, metal foil, glass sheet, paper sheet, etc.) to form a wet layer of humic acid; (c) partially or completely removing the liquid medium from the wet layer of humic acid to form a dry layer of humic acid; and (d) a blowing agent or which induces the formation and release of volatile gas molecules from non-carbon elements (e.g., O, H, N, B, F, Cl, Br, I, etc.) to produce humic acid-derived foam. Heat treating the dry layer of humic acid at a first heat treatment temperature of 80° C. to 3,200° C. at a desired heating rate sufficient to activate the humic acid. Preferably, the dispensing and deposition procedure includes subjecting the humic acid dispersion to an orientation-induced stress.

이러한 선택적 발포제는, HA 재료가 5 중량% 이상(바람직하게, 10 중량% 이상, 더욱 바람직하게, 20 중량% 이상, 더욱더 바람직하게, 30 중량%)의 비-탄소 원소(예를 들어, O, H, N, B, F, Cl, Br, I, 등)의 함량을 갖는다. 후속 고온 처리는 HA 분자의 가장자리로부터 대부분의 이러한 비-탄소 원소를 제거하여, 고체 폼 구조에서 기공 또는 셀을 생성시키는 휘발성 가스종을 발생시키는 역할을 한다. 다시 말해서, 매우 놀랍게도, 이러한 비-탄소 원소는 발포제의 역할을 한다. 이에 따라, 외부에서 첨가되는 발포제는 선택적이다(필수적인 것은 아니다). 그러나, 발포제의 사용은 요망되는 적용을 위해 다공도 수준 및 기공 크기를 조절하거나 조정하는 유연성을 추가로 제공할 수 있다. 발포제는 전형적으로, 부식산에서 비-탄소 원소 함량이 5% 미만인 경우에 요구된다.This optional blowing agent is such that the HA material contains at least 5% by weight (preferably at least 10% by weight, more preferably at least 20% by weight, even more preferably at least 30% by weight) of non-carbon elements (eg O, H, N, B, F, Cl, Br, I, etc.). Subsequent high-temperature treatment serves to remove most of these non-carbon elements from the edges of the HA molecule, generating volatile gaseous species that create pores or cells in the solid foam structure. In other words, quite surprisingly, these non-carbon elements act as blowing agents. Accordingly, an externally added blowing agent is optional (but not essential). However, the use of a blowing agent may provide additional flexibility to control or tune the porosity level and pore size for a desired application. Blowing agents are typically required when the non-carbon element content in the humic acid is less than 5%.

발포제는 물리적 발포제, 화학적 발포제, 이들의 혼합물, 용출-및-침출제 (dissolution-and-leaching agent), 또는 기계적으로 도입된 발포제일 수 있다.The blowing agent may be a physical blowing agent, a chemical blowing agent, a mixture thereof, a dissolution-and-leaching agent, or a mechanically introduced blowing agent.

본 공정은 그래핀-유사 폼을 수득하는 데 충분한 시간의 길이 동안 제1 열처리 온도보다 높은 제2 열처리 온도에서 고체 폼을 열처리하는 단계를 추가로 포함할 수 있으며, 여기서, 기공벽은 0.3354 nm 내지 0.40 nm의 평면간 간격 d002 및 5 중량% 미만(전형적으로 0.001 중량% 내지 2 중량%)의 비-탄소 원소의 함량을 갖는 적층된 육각형 탄소 원자 평면을 함유한다. 얻어진 비-탄소 원소 함량이 0.1% 내지 2.0%일 때, 평면간 간격 d002는 전형적으로 0.337 nm 내지 0.40 nm이다.The process may further include heat treating the solid foam at a second heat treatment temperature higher than the first heat treatment temperature for a length of time sufficient to obtain a graphene-like foam, wherein the pore walls are between 0.3354 nm and 0.3354 nm. It contains stacked hexagonal carbon atom planes with an interplanar spacing d 002 of 0.40 nm and a content of non-carbon elements of less than 5% by weight (typically between 0.001% and 2% by weight). When the obtained non-carbon element content is 0.1% to 2.0%, the interplanar spacing d 002 is typically 0.337 nm to 0.40 nm.

분산액 중 원래의 HA 분자가 5 중량%보다 높은 비-탄소 원소 함량을 함유하는 경우에, 고체 폼 중 육각형 탄소 원자 평면(열처리후)은 열처리 단계 (d) 동안 유도되는 구조적 결함을 함유한다. 액체 매질은 단순히 물 및/또는 알코올일 수 있으며, 이는 환경 친화적이다.When the original HA molecules in the dispersion contain a non-carbon element content higher than 5% by weight, the hexagonal carbon atom planes (after heat treatment) in the solid foam contain structural defects induced during the heat treatment step (d). The liquid medium may simply be water and/or alcohol, which is environmentally friendly.

바람직한 구현예에서, 본 공정은 단계 (b) 및 단계 (c)가 지지 기판을 공급기 롤러에서 증착 구역으로 공급하고, HA 재료의 습윤층을 위에 형성시키기 위해 지지 기판의 표면 상에 HA 분산액을 연속적으로 또는 간헐적으로 증착시키고, HA 재료의 건조된 층을 형성시키기 위해 HA 재료의 습윤층을 건조시키고, 수집기 롤러 상에서 지지 기판 상에 증착된 HA 재료의 건조된 층을 수집하는 것을 포함하는, 롤-투-롤 공정이다. 이러한 롤-투-롤 또는 릴-투-릴(reel-to-reel) 공정은 자동화될 수 있는 실제 산업적 스케일의 대량 제작 공정이다.In a preferred embodiment, the present process includes steps (b) and (c) feeding the support substrate from a feeder roller to the deposition zone and continuously applying an HA dispersion on the surface of the support substrate to form a wet layer of HA material thereon. or intermittently, drying the wet layer of HA material to form a dried layer of HA material, and collecting the dried layer of HA material deposited on the supporting substrate on a collector roller. It is a two-roll process. This roll-to-roll or reel-to-reel process is a real industrial-scale high-volume manufacturing process that can be automated.

일 구현예에서, 제1 열처리 온도는 100℃ 내지 1,500℃이다. 다른 구현예에서, 제2 열처리 온도는 적어도 (A) 300 내지 1,500℃, (B) 1,500 내지 2,100℃, 및/또는 (C) 2,100 내지 3,200℃로부터 선택된 온도를 포함한다. 특정 구현예에서, 제2 열처리 온도는 적어도 1시간 동안 300 내지 1,500℃ 범위의 온도, 그 후, 적어도 1시간 동안 1,500 내지 3,200℃ 범위의 온도를 포함한다.In one embodiment, the first heat treatment temperature is 100 °C to 1,500 °C. In another embodiment, the second heat treatment temperature comprises a temperature selected from at least (A) 300 to 1,500 °C, (B) 1,500 to 2,100 °C, and/or (C) 2,100 to 3,200 °C. In certain embodiments, the second heat treatment temperature includes a temperature in the range of 300 to 1,500 °C for at least 1 hour, followed by a temperature in the range of 1,500 to 3,200 °C for at least 1 hour.

건조된 HA 층에 대한 제1 및/또는 제2 열처리의 수행 결과 몇몇 놀라운 점이 있으며, 상이한 열처리 온도 범위는 다음과 같은 상이한 목적을 달성할 수 있게 한다: (a) HA 재료로부터의 비탄소 원소의 제거(예를 들어, 불소화된 부식산의 열적 환원으로 환원된 부식산을 수득함)로서, 이는 휘발성 가스를 발생시켜 HA 폼 내에 기공 또는 셀을 생성함, (b) 화학적 또는 물리적 발포제를 활성화하여 기공 또는 셀을 생성함, (c) 고도로 방향족인 분자 내로의 부식산 분자의 화학적 연결 또는 병합, 및 방향족 고리 구조 또는 육각형 탄소 평면의 가장자리-대-가장자리 병합으로 폼 벽(폼의 고체 부분)에서의 그래핀-유사 육각형 탄소 시트의 측방향 치수(길이 및 폭)를 상당히 증가시킴, (d) HA 내에 천연으로 존재하거나 부식산 분자의 불소화, 산화, 또는 질소화 동안 야기된 결함의 회복, 및 (e) 흑연 도메인 또는 흑연 결정의 재조직화 및 완전성(perfection). 이러한 상이한 목적 또는 기능은 상이한 온도 범위 내에서 상이한 정도로 달성된다. 비-탄소 원소는 전형적으로, 산소, 불소, 염소, 브롬, 요오드, 질소, 수소, 또는 붕소로부터 선택된 원소를 포함한다. 매우 놀랍게도, 심지어 저온 발포 조건 하에서도, 열처리는 종종 에지-대-에지 방식(일부, 면-대-면(face-to-face) 방식)으로, 시트-유사 HA 분자들 간의 화학적 연결, 병합, 또는 화학적 결합을 유도한다.There are several surprises as a result of performing the first and/or second heat treatment on the dried HA layer, different heat treatment temperature ranges allow achieving different objectives: (a) the release of non-carbon elements from the HA material. removal (e.g., thermal reduction of fluorinated humic acid to obtain reduced humic acid), which generates volatile gases to create pores or cells in the HA foam; (b) activates a chemical or physical blowing agent to (c) chemical linking or incorporation of humic acid molecules into highly aromatic molecules, and edge-to-edge incorporation of aromatic ring structures or hexagonal carbon planes in foam walls (solid parts of the foam) to create pores or cells; Significantly increase the lateral dimensions (length and width) of graphene-like hexagonal carbon sheets of (d) repair defects naturally present in HA or caused during fluorination, oxidation, or nitrogenation of humic acid molecules, and (e) Reorganization and perfection of graphite domains or graphite crystals. These different purposes or functions are achieved to different degrees within different temperature ranges. Non-carbon elements typically include elements selected from oxygen, fluorine, chlorine, bromine, iodine, nitrogen, hydrogen, or boron. Quite surprisingly, even under low-temperature foaming conditions, heat treatment often results in edge-to-edge (some, face-to-face) chemical linking, coalescence, or induce chemical bonds.

일 구현예에서, HA-유도 폼은 200 내지 2,000 ㎡/g의 비표면적을 갖는다. 일 구현예에서, 고체 폼은 0.1 내지 1.5 g/㎤의 밀도를 갖는다. 일 구현예에서, 제1 열처리 온도에서 HA 재료 층을 열처리하는 단계 (d)는 압축 응력 하에서 수행된다. 다른 구현예에서, 본 공정은 HA-유도 폼의 필름의 두께, 기공 크기, 또는 다공도 수준을 감소시키기 위한 압축 단계를 포함한다. 일부 응용에서, 폼은 200 ㎛ 이하의 두께를 갖는다.In one embodiment, the HA-derived foam has a specific surface area of 200 to 2,000 m 2 /g. In one embodiment, the solid foam has a density of 0.1 to 1.5 g/cm 3 . In one embodiment, step (d) of heat treating the HA material layer at the first heat treatment temperature is performed under compressive stress. In another embodiment, the process includes a compression step to reduce the thickness, pore size, or porosity level of the film of the HA-derived foam. In some applications, the foam has a thickness of 200 μm or less.

일 구현예에서, HA 분산액은 액정상을 형성하기 위해 액체 매질에 분산된 적어도 5 중량%의 HA를 갖는다. 일 구현예에서, 제1 열처리 온도는 80℃ 내지 300℃ 범위의 온도를 함유하며, 결과적으로, HA 폼은 5% 미만의 산소 함량 또는 비-탄소 원소 함량을 가지며, 기공벽은 0.40 nm 미만의 평면간 간격, 비중의 단위당 적어도 150 W/mK(더욱 전형적으로, 적어도 200 W/mk)의 열 전도도, 및/또는 비중의 단위당 1,000 S/cm 이상의 전기 전도도를 갖는다.In one embodiment, the HA dispersion has at least 5% by weight of HA dispersed in a liquid medium to form a liquid crystalline phase. In one embodiment, the first heat treatment temperature contains a temperature in the range of 80 ° C to 300 ° C, and as a result, the HA foam has an oxygen content or non-carbon element content of less than 5%, and the pore walls are less than 0.40 nm. interplanar spacing, a thermal conductivity per unit of specific gravity of at least 150 W/mK (more typically, at least 200 W/mk), and/or an electrical conductivity per unit of specific gravity of at least 1,000 S/cm.

바람직한 구현예에서, 제1 열처리 온도 및/또는 제2 열처리 온도는 300℃ 내지 1,500℃의 범위의 온도를 함유하며, 결과적으로, HA-유도 폼은 2% 미만의 산소 함량 또는 비-탄소 함량을 가지며, 기공벽은 0.35 nm 미만의 평면간 간격, 비중의 단위당 적어도 250 W/mK의 열 전도도, 및/또는 비중의 단위당 1,500 S/cm 이상의 전기 전도도를 갖는다.In a preferred embodiment, the first heat treatment temperature and/or the second heat treatment temperature contains a temperature in the range of 300° C. to 1,500° C. As a result, the HA-derived foam has an oxygen content or non-carbon content of less than 2%. and the pore walls have an interplanar spacing of less than 0.35 nm, a thermal conductivity per unit of specific gravity of at least 250 W/mK, and/or an electrical conductivity per unit of specific gravity of at least 1,500 S/cm.

제1 열처리 온도 및/또는 제2 열처리 온도가 1,500℃ 내지 2,100℃의 범위의 온도를 함유할 때, HA-유도 폼은 1% 미만의 산소 함량 또는 비-탄소 함량을 가지며, 기공벽은 0.34 nm 미만의 그래핀간 간격, 비중의 단위당 적어도 300 W/mK의 열 전도도, 및/또는 비중의 단위당 3,000 S/cm 이상의 전기 전도도를 갖는다.When the first heat treatment temperature and/or the second heat treatment temperature contain a temperature in the range of 1,500°C to 2,100°C, the HA-derived foam has an oxygen content or non-carbon content of less than 1%, and a pore wall of 0.34 nm an intergraphene spacing of less than or equal to, a thermal conductivity per unit of specific gravity of at least 300 W/mK, and/or an electrical conductivity per unit of specific gravity of at least 3,000 S/cm.

제1 열처리 온도 및/또는 제2 열처리 온도는 2,100℃보다 높은 온도를 함유할 때, HA-유도 폼은 0.1% 이하의 산소 함량 또는 비-탄소 함량을 가지며, 기공벽은 0.336 nm 미만의 평면간 간격, 0.7 이하의 모자이크 분산 값, 비중의 단위당 적어도 350 W/mK의 열 전도도, 및/또는 비중의 단위당 3,500 S/cm 이상의 전기 전도도를 갖는다.When the first heat treatment temperature and/or the second heat treatment temperature contain a temperature higher than 2,100°C, the HA-derived foam has an oxygen content or non-carbon content of 0.1% or less, and the pore walls are less than 0.336 nm interplanar. spacing, a mosaic dispersion value of 0.7 or less, a thermal conductivity per unit of specific gravity of at least 350 W/mK, and/or an electrical conductivity per unit of specific gravity of at least 3,500 S/cm.

제1 열처리 온도 및/또는 제2 열처리 온도가 2,500℃ 이상의 온도를 함유할 때, HA-유도 폼은 0.336 nm 미만의 평면간 간격, 0.4 이하의 모자이크 분산 값, 및 비중의 단위당 400 W/mK보다 큰 열 전도도, 및/또는 비중의 단위당 4,000 S/cm보다 큰 전기 전도도를 갖는 적층된 그래핀-유사 육각형 탄소 평면을 함유한 기공벽을 갖는다.When the first heat treatment temperature and/or the second heat treatment temperature contain a temperature of 2,500° C. or higher, the HA-derived foam has an interplanar spacing of less than 0.336 nm, a mosaic dispersion value of 0.4 or less, and a specific gravity greater than 400 W/mK per unit. It has pore walls containing stacked graphene-like hexagonal carbon planes with high thermal conductivity and/or electrical conductivity greater than 4,000 S/cm per unit of specific gravity.

일 구현예에서, 기공벽은 0.337 nm 미만의 평면간 간격 및 1.0 미만의 모자이크 분산 값을 갖는 적층된 그래핀-유사 육각형 탄소 평면을 함유한다. 다른 구현예에서, HA-유도 폼의 고체 벽 부분은 80% 이상의 흑연화도 및/또는 0.4 미만의 모자이크 분산 값을 나타낸다. 또 다른 구현예에서, HA-유도 폼의 고체 벽 부분은 90% 이상의 흑연화도 및/또는 0.4 이하의 모자이크 분산 값을 나타낸다.In one embodiment, the pore walls contain stacked graphene-like hexagonal carbon planes with an interplanar spacing of less than 0.337 nm and a tessellation dispersion value of less than 1.0. In another embodiment, the solid wall portion of the HA-derived foam exhibits a degree of graphitization of 80% or greater and/or a mosaic dispersion value of less than 0.4. In another embodiment, the solid wall portion of the HA-derived foam exhibits a graphitization degree of 90% or greater and/or a mosaic dispersion value of 0.4 or less.

전형적으로, 2,500℃보다 더 높은 HTT에서의 열처리 후에, HA-유도 흑연 폼 내의 기공벽은 전자-전도성 경로인 상호연결된 육각형 탄소 원자 평면의 3D 네트워크를 함유한다. 셀 벽은 20 nm 이상, 더욱 전형적으로 그리고 바람직하게, 40 nm 이상, 더욱더 전형적으로 그리고 바람직하게, 100 nm 이상, 더욱더 전형적으로 그리고 바람직하게, 500 nm 이상, 종종 1 ㎛ 초과, 및 때때로, 10 ㎛ 초과의 측면 치수(La, 길이 또는 폭)를 갖는 흑연질 도메인 또는 흑연 결정을 함유한다. 흑연질 도메인은 전형적으로, 1 nm 내지 20 nm, 더욱 전형적으로, 1 nm 내지 10 nm, 더욱더 전형적으로, 1 nm 내지 4 nm의 두께를 갖는다.Typically, after heat treatment at HTT higher than 2,500 °C, the pore walls in HA-derived graphite foam contain a 3D network of interconnected hexagonal carbon atom planes that are electron-conducting pathways. The cell wall is 20 nm or greater, more typically and preferably 40 nm or greater, even more typically and preferably 100 nm or greater, even more typically and preferably 500 nm or greater, often greater than 1 μm, and sometimes 10 μm. It contains graphitic domains or graphitic crystals with a lateral dimension (L a , length or width) greater than The graphitic domains typically have a thickness of 1 nm to 20 nm, more typically 1 nm to 10 nm, even more typically 1 nm to 4 nm.

바람직하게는, HA-유도 폼은 기공 크기가 2 nm 내지 50 nm(바람직하게는 2 nm 내지 25 nm)인 메소규모 기공을 함유한다.Preferably, the HA-derived foam contains mesoscale pores with a pore size of 2 nm to 50 nm (preferably 2 nm to 25 nm).

바람직한 구현예에서, 본 발명은 다수의 기공 및 기공벽으로 구성된 고체 HA 폼 또는 HA-유도 폼을 생성하기 위한 롤-투-롤 공정(roll-to-roll process)을 제공한다. 본 공정은 하기 단계를 포함한다: (a) 액체 매체 중에 분산된 다수의 부식산 분자 또는 시트를 갖는 부식산 분산물을 제조하는 단계로서, 부식산은 산화된 부식산, 환원된 부식산, 불소화된 부식산, 염소화된 부식산, 브롬화된 부식산, 요오드화된 부식산, 수소화된 부식산, 질소화된 부식산, 도핑된 부식산, 화학적으로 작용화된 부식산, 또는 이들의 조합으로부터 선택되고, 분산물은 선택적인 발포제를 함유하며, 발포제 대 부식산 중량비가 0/1.0 내지 1.0/1.0인, 단계; (b) HA 분산물을 지지 기재의 표면 상에 연속적으로 또는 간헐적으로 분배하고 증착시켜 HA 재료의 습윤층을 형성하는 단계로서, 지지 기재는 공급 롤러로부터 공급되며 수집 롤러 상에 수집되는 연속 박형 필름인, 단계; (c) 하나의 가열 구역 또는 다수의 가열 구역 내에서 액체 매체를 부식산의 습윤층으로부터 부분적으로 또는 완전히 제거하여 부식산의 건조층을 형성하는 단계; 및 (d) 밀도가 0.01 내지 1.7 g/cm3이거나 비표면적이 50 내지 3,000 m2/g인 부식산-유도 폼을 생성하기 위하여 발포제를 활성화하기에 충분한 원하는 가열 속도로 80℃ 내지 500℃의 가열 온도를 포함하는 이들 가열 구역들 중 하나의 가열 구역 내에서 부식산의 건조층을 열처리하는 단계. 본 공정에서, 열처리는 롤-투-롤 공정 동안 동일계내(in situ)에서 일어난다. 이는 운송 및 취급의 용이성, 그리고 후속으로, 커팅 및 슬리팅(slitting)의 용이성을 위하여 롤러 상에 감기는 HA-유도 흑연 폼 시트의 대량 생산에 적합한 매우 비용-효과적인 공정이다.In a preferred embodiment, the present invention provides a roll-to-roll process for producing a solid HA foam or HA-derived foam composed of multiple pores and pore walls. The process includes the following steps: (a) preparing a humic acid dispersion having a plurality of humic acid molecules or sheets dispersed in a liquid medium, wherein the humic acid is oxidized humic acid, reduced humic acid, fluorinated humic acid selected from humic acids, chlorinated humic acids, brominated humic acids, iodinated humic acids, hydrogenated humic acids, nitrogenated humic acids, doped humic acids, chemically functionalized humic acids, or combinations thereof; wherein the dispersion contains an optional blowing agent, wherein the blowing agent to humic acid weight ratio is from 0/1.0 to 1.0/1.0; (b) distributing and depositing the HA dispersion continuously or intermittently on the surface of a supporting substrate to form a wet layer of HA material, wherein the supporting substrate is a continuous thin film supplied from a supply roller and collected on a collecting roller; phosphorus, step; (c) partially or completely removing the liquid medium from the wet layer of humic acid in one or more heating zones to form a dry layer of humic acid; and (d) a temperature of 80° C. to 500° C. at a desired heating rate sufficient to activate the blowing agent to produce a humic acid-derived foam having a density of 0.01 to 1.7 g/cm 3 or a specific surface area of 50 to 3,000 m 2 /g. Heat treating the dry layer of humic acid in one of these heating zones comprising a heating temperature. In this process, heat treatment takes place in situ during the roll-to-roll process. This is a very cost-effective process suitable for mass production of sheets of HA-derived graphite foam rolled onto rollers for ease of transport and handling, and subsequently, ease of cutting and slitting.

배향-유도 응력은 전단 응력일 수 있다. 한 예로서, 전단 응력은 "독터 블레이드"와 같은 간단한 상황에서 접할 수 있는데, 독터 블레이드는 수동 캐스팅 공정 동안 충분히 높은 전단율로 플라스틱 또는 유리 표면 위로의 HA 분산물의 펼침을 안내한다. 다른 예로서, 효과적인 배향-유도 응력은 "나이프-온-롤(knife-on-roll)" 구성이 플라스틱 필름과 같은 이동하는 고체 기판 위에 그래핀 분산액을 분배하는 자동화된 롤-투-롤(roll-to-roll) 코팅 공정에서 생성된다. 이러한 이동하는 필름과 코팅 나이프 간의 상대적 이동은 전단 응력 방향을 따라 그래핀 시트의 배향을 달성하도록 작용한다. 콤마 코팅 및 슬롯-다이 코팅이 이러한 기능에 특히 효과적인 방법이다.Orientation-induced stress may be shear stress. As an example, shear stress can be encountered in situations as simple as a "doctor blade", which guides the spreading of the HA dispersion onto a plastic or glass surface at a sufficiently high shear rate during the manual casting process. As another example, effective orientation-induced stress can be achieved by automated roll-to-roll, in which a "knife-on-roll" configuration dispenses a graphene dispersion onto a moving solid substrate, such as a plastic film. -to-roll) produced in the coating process. The relative movement between this moving film and the coating knife serves to achieve orientation of the graphene sheet along the shear stress direction. Comma coating and slot-die coating are particularly effective methods for this function.

이러한 배향-유도 응력은, 바람직한 배향을 생성시키고 폼 벽을 따라 HA 분자 또는 시트들 간의 접촉을 용이하게 하기 위해 전단 응력이 HA 분자 또는 시트를 특정 방향(예를 들어, X-방향 또는 길이-방향)을 따라 정렬할 수 있게 한다는 놀라운 관찰로 인하여, 본 발명의 HA-유도 폼의 생산에서 매우 중요한 단계이다. 또한, 놀랍게도, 이러한 바람직한 배향 및 개선된 HA-대-HA 접촉은 건조된 HA 층의 후속 열처리 동안 HA 분자 또는 시트들 간의 화학적 병합 또는 연결을 용이하게 한다. 이러한 바람직한 배향 및 개선된 접촉은 얻어진 HA-유도 폼의 예외적으로 높은 열 전도도, 전기 전도도, 탄성 계수, 및 기계적 강도를 최종적으로 달성하는 데 필수적이다. 일반적으로, 이러한 우수한 성질은 이러한 전단 응력-유도 배향 조절 없이 얻을 수 없었다.This orientation-induced stress is such that the shear stress moves the HA molecules or sheets in a specific direction (e.g., the X-direction or the longitudinal-direction) to create a preferred orientation and facilitate contact between the HA molecules or sheets along the foam walls. ) is a very important step in the production of HA-derived foams of the present invention. Also surprisingly, this preferred orientation and improved HA-to-HA contact facilitates chemical incorporation or linkage between HA molecules or sheets during subsequent heat treatment of the dried HA layer. This preferred orientation and improved contact are essential to finally achieve the exceptionally high thermal conductivity, electrical conductivity, elastic modulus, and mechanical strength of the resulting HA-derived foam. In general, these superior properties could not be obtained without such shear stress-induced orientation control.

본 발명은 또한, 오일-흡수 요소로서 부식산-유도 폼을 수용하고 있는 오일-제거 장치 또는 오일-분리 장치를 제공한다. 용매-흡수 또는 용매-분리 요소로서 부식산-유도 폼을 수용하고 있는 용매-제거 장치 또는 용매-분리 장치가 또한 제공된다.The present invention also provides an oil-removing device or oil-separating device containing humic acid-derived foam as an oil-absorbing element. A solvent-removal device or solvent-separation device containing humic acid-derived foam as a solvent-absorbing or solvent-separating element is also provided.

본 발명은 또한 물로부터 오일을 분리하기 위한 방법을 제공한다. 본 방법은 하기 단계를 포함한다: (a) 일체형 부식산-유도 폼을 포함하는 오일-흡수 요소를 제공하는 단계; (b) 오일-물 혼합물을 요소와 접촉시켜, 혼합물로부터 오일을 흡수하는 단계; (c) 혼합물로부터 요소를 재처리하고 요소로부터 오일을 추출하는 단계; 및 (d) 요소를 재사용하는 단계.The invention also provides a method for separating oil from water. The method includes the following steps: (a) providing an oil-absorbing element comprising integral humic acid-derived foam; (b) contacting the oil-water mixture with urea to absorb oil from the mixture; (c) reprocessing urea from the mixture and extracting oil from the urea; and (d) reusing the element.

추가적으로, 본 발명은 용매-물 혼합물로부터 또는 다중-용매 혼합물로부터 유기 용매를 분리하기 위한 방법을 제공한다. 본 방법은 하기 단계를 포함한다: (a) 일체형 부식산-유도 폼을 포함하는 유기 용매-흡수 또는 용매-분리 요소를 제공하는 단계; (b) 요소를 유기 용매-물 혼합물 또는 제1 용매 및 적어도 제2 용매를 함유하는 다중-용매 혼합물과 접촉시키는 단계; (c) 요소가 혼합물로부터 유기 용매를 흡수할 수 있게 하거나 적어도 제2 용매로부터 제1 용매를 분리할 수 있게 하는 단계; (d) 혼합물로부터 요소를 재처리하고 요소로부터 유기 용매 또는 제1 용매를 추출하는 단계; 및 (e) 요소를 재사용하는 단계.Additionally, the present invention provides methods for separating organic solvents from solvent-water mixtures or from multi-solvent mixtures. The method includes the following steps: (a) providing an organic solvent-absorbing or solvent-separating element comprising an integral humic acid-derived foam; (b) contacting the urea with an organic solvent-water mixture or a multi-solvent mixture containing a first solvent and at least a second solvent; (c) enabling the urea to absorb the organic solvent from the mixture or at least to separate the first solvent from the second solvent; (d) reprocessing the urea from the mixture and extracting the organic solvent or first solvent from the urea; and (e) reusing the element.

열 확산 또는 열 방산 요소로서 부식산-유도 폼을 수용하고 있는 열 관리 장치가 또한 제공된다. 열 관리 장치는 열 교환기, 히트 싱크, 히트 파이프, 고전도도 삽입물, 히트 싱크와 열원 사이의 전도성 플레이트, 열-확산 구성요소, 열-방산 구성요소, 열 계면 매체, 또는 열전(thermoelectric) 또는 펠티에(Peltier) 냉각 장치로부터 선택되는 장치를 포함할 수 있다.A thermal management device containing humic acid-derived foam as a heat spreading or heat dissipating element is also provided. Thermal management devices include heat exchangers, heat sinks, heat pipes, high-conductivity inserts, conductive plates between heat sinks and heat sources, heat-spreading components, heat-dissipating components, thermal interface media, or thermoelectric or Peltier devices. (Peltier) may include a device selected from cooling devices.

부식산(HA)은 토양 중에서 일반적으로 발견되는 유기 물질이고, 염기(예를 들어, KOH)를 사용하여 토양으로부터 추출될 수 있다. HA는 또한, 갈탄의 고도로 산화된 형태인 연갈탄으로 불리는 석탄 유형로부터 추출될 수 있다. 연갈탄으로부터 추출된 HA는 그래핀-유사 분자 중심(육각형 탄소 구조의 SP2 코어)의 가장자리 둘레에 위치된 다수의 산소화된 기(예를 들어, 카르복실 기)를 함유한다. 이 재료는 천연 흑연의 강산 산화에 의해 생성된 산화그래핀(GO)과 약간 유사하다. HA는 전형적인 산소 함량이 5 중량% 내지 42 중량%이다(다른 주요 원소는 탄소, 수소, 및 질소임). 퀴논, 페놀, 카페콜 및 당 모이어티(moiety)를 포함한 다양한 성분들을 갖는, 부식산의 분자 구조의 예가 하기 도식 1에 제공되어 있다(출처: 문헌 [Stevenson F.J. "Humus Chemistry: Genesis, Composition, Reactions," John Wiley & Sons, New York 1994]).Humic acid (HA) is an organic substance commonly found in soil and can be extracted from soil using a base (eg KOH). HA can also be extracted from a type of coal called soft coal, which is a highly oxidized form of lignite. HA extracted from soft brown coal contains a number of oxygenated groups (eg, carboxyl groups) located around the edges of the graphene-like molecular center (SP 2 core of hexagonal carbon structure). This material is slightly similar to graphene oxide (GO) produced by strong acid oxidation of natural graphite. HA has a typical oxygen content of 5% to 42% by weight (other major elements being carbon, hydrogen, and nitrogen). An example of the molecular structure of humic acids, with various components including quinones, phenols, cafecol and sugar moieties, is provided in Scheme 1 below (source: Stevenson FJ "Humus Chemistry: Genesis, Composition, Reactions ," John Wiley & Sons, New York 1994 ]).

[도식 1][Scheme 1]

Figure 112019031661315-pct00001
Figure 112019031661315-pct00001

부식산을 위한 비수성 용매는 폴리에틸렌 글리콜, 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 알코올, 당 알코올, 폴리글리세롤, 글리콜 에테르, 아민계 용매, 아미드계 용매, 알킬렌 카르보네이트, 유기산, 또는 무기산을 포함한다.Non-aqueous solvents for the humic acid include polyethylene glycol, ethylene glycol, propylene glycol, alcohols, sugar alcohols, polyglycerols, glycol ethers, amine solvents, amide solvents, alkylene carbonates, organic acids, or inorganic acids.

본 발명은 다수의 기공 및 기공벽으로 구성된 부식산-유도 폼 및 이의 생성 공정을 제공한다. 폼 내의 기공은, 시트-유사 부식산 분자가 (1) 전형적으로 100 내지 1,500℃의 온도에서 (가장자리-대-가장자리 및/또는 면-대-면으로) 함께 화학적으로 연결된/병합된, 그리고/또는 (2) 고온(전형적으로 2,100℃ 초과, 더 전형적으로는 2,500℃ 초과)에서 기공벽을 따라 더 큰 흑연 결정 또는 도메인으로 조직화 (본 명세서에서 흑연화로 지칭됨)되는 동안에 또는 후에 형성된다.The present invention provides a humic acid-derived foam composed of multiple pores and pore walls and a process for producing the same. The pores in the foam are such that the sheet-like humic acid molecules are (1) chemically linked/merged together (edge-to-edge and/or face-to-face), typically at temperatures of 100 to 1,500° C., and/or or (2) formed during or after organization (referred to herein as graphitization) into larger graphitic crystals or domains along the pore walls at high temperatures (typically greater than 2,100° C., more typically greater than 2,500° C.).

본 발명은 또한 하기 단계를 포함하는 생성 공정을 제공한다: (a) 액체 매체 중에 분산된 다수의 부식산 분자 또는 시트를 갖는 부식산 분산물을 제조하는 단계로서, 부식산은 산화된 부식산, 환원된 부식산, 불소화된 부식산, 염소화된 부식산, 브롬화된 부식산, 요오드화된 부식산, 수소화된 부식산, 질소화된 부식산, 도핑된 부식산, 화학적으로 작용화된 부식산, 또는 이들의 조합으로부터 선택되고, 분산물은 선택적인 발포제를 함유하며, 발포제 대 부식산 중량비가 0/1.0 내지 1.0/1.0인, 단계; (b) 그래핀 분산물을 지지 기재(예를 들어, 플라스틱 필름, 고무 시트, 금속 포일, 유리 시트, 종이 시트 등)의 표면 상에 분배하고 증착시켜 부식산의 습윤층을 형성하는 단계; (c) 액체 매체를 부식산의 습윤층으로부터 부분적으로 또는 완전히 제거하여 부식산의 건조층을 형성하는 단계; 및 (d) 부식산-유도 폼을 생성하기 위하여 비탄소 원소(예를 들어, O, H, N, B, F, Cl, Br, I 등)로부터 휘발성 가스 분자를 유도하거나 발포제를 활성화하기에 충분한 원하는 가열 속도로 80℃ 내지 3,200℃의 제1 열처리 온도에서 부식산의 건조층을 열처리하는 단계. 바람직하게는, 분배 및 증착 절차는 부식산 분산물을 배향-유도 응력 하에 두는 단계를 포함한다. 이들 비탄소 원소는, 열-유도 분해를 통해 제거될 때, 포밍제 (foaming agent) 또는 발포제로서 작용하는 휘발성 가스를 생성한다.The present invention also provides a production process comprising the following steps: (a) preparing a humic acid dispersion having a plurality of humic acid molecules or sheets dispersed in a liquid medium, wherein the humic acid is an oxidized humic acid, a reduced humic acid humic acid, fluorinated humic acid, chlorinated humic acid, brominated humic acid, iodinated humic acid, hydrogenated humic acid, nitrogenated humic acid, doped humic acid, chemically functionalized humic acid, or any of these wherein the dispersion contains an optional blowing agent, wherein the blowing agent to humic acid weight ratio is from 0/1.0 to 1.0/1.0; (b) dispensing and depositing the graphene dispersion onto the surface of a supporting substrate (eg, plastic film, rubber sheet, metal foil, glass sheet, paper sheet, etc.) to form a wet layer of humic acid; (c) partially or completely removing the liquid medium from the wet layer of humic acid to form a dry layer of humic acid; and (d) to induce volatile gas molecules from non-carbon elements (e.g., O, H, N, B, F, Cl, Br, I, etc.) or activate blowing agents to produce humic acid-derived foams. Heat treating the dry layer of humic acid at a first heat treatment temperature of 80° C. to 3,200° C. at a sufficient desired heating rate. Preferably, the dispensing and deposition procedure includes subjecting the humic acid dispersion to an orientation-induced stress. When these non-carbon elements are removed through heat-induced decomposition, they produce volatile gases that act as foaming or blowing agents.

얻어진 부식산-유도 폼은 전형적으로 밀도가 0.005 내지 1.7 g/cm3(더 전형적으로는 0.01 내지 1.5 g/cm3, 더욱 더 전형적으로는 0.1 내지 1.0 g/cm3, 가장 전형적으로는 0.2 내지 0.75 g/cm3)이거나, 비표면적이 50 내지 3,000 m2/g(더 전형적으로는 200 내지 2,000 m2/g, 가장 전형적으로는 500 내지 1,500 m2/g)이다.The resulting humic acid-derived foam typically has a density of 0.005 to 1.7 g/cm 3 (more typically 0.01 to 1.5 g/cm 3 , even more typically 0.1 to 1.0 g/cm 3 , most typically 0.2 to 1.0 g/cm 3 ). 0.75 g/cm 3 ), or a specific surface area of 50 to 3,000 m 2 /g (more typically 200 to 2,000 m 2 /g, most typically 500 to 1,500 m 2 /g).

발포제 또는 포밍제는 경화 또는 상 전이를 일으키는 다양한 물질, 예를 들어, 폴리머(플라스틱 및 고무), 유리, 및 금속에서 발포 공정을 통해 셀 또는 발포된 구조를 생성시킬 수 있는 물질이다. 이러한 것은 전형적으로, 발포되는 물질이 액체 상태에 있을 때 적용된다. 이전에, 발포제가 고체 상태에 있는 동안 발포된 물질을 생성시키기 위해 사용될 수 있다는 것은 알려져 있지 않았다. 더욱 유의미하게, 부식산 분자의 집합체(aggregate)가 발포제를 통해 그래핀-유사 폼으로 변환될 수 있다는 것이 이전에 교시되거나 암시되어 있지 않았다. 매트릭스에서 셀 구조는 전형적으로, 원래의 폴리머의 두께 및 상대적 강성을 증가시키면서, 밀도를 감소시키고 내열성 및 방음성을 증가시킬 목적으로 생성된다.A foaming agent or foaming agent is a material capable of producing cells or foamed structures through a foaming process in a variety of materials that undergo curing or phase transition, such as polymers (plastics and rubbers), glass, and metals. This is typically applied when the material being foamed is in a liquid state. Previously, it was not known that a blowing agent could be used to create a foamed material while in the solid state. More significantly, it has not been previously taught or suggested that aggregates of humic acid molecules can be converted to graphene-like foams via a blowing agent. Cellular structures in the matrix are typically created with the goal of reducing density and increasing heat and sound insulation while increasing the thickness and relative stiffness of the original polymer.

발포된 또는 셀 물질을 생산하기 위한 매트릭스에서 기공 또는 셀(버블)을 생성시키는 발포제 또는 관련된 발포 메커니즘은 하기 그룹으로 분류될 수 있다:Blowing agents or related foaming mechanisms that create pores or cells (bubbles) in a matrix to produce foamed or cellular materials can be classified into the following groups:

(a) 물리적 발포제: 예를 들어, 탄화수소(예를 들어, 펜탄, 이소펜탄, 사이클로펜탄), 클로로플루오로카본(CFCs), 하이드로클로로플루오로카본(HCFCs), 및 액체 CO2. 버블/폼-생성 공정은 흡열 공정으로서, 즉, 이는 액체 발포제를 휘발화시키기 위해 (예를 들어, 용융 공정 또는 가교로 인한 화학적 발열로부터의) 열을 필요로 한다.(a) Physical blowing agents: eg, hydrocarbons (eg, pentane, isopentane, cyclopentane), chlorofluorocarbons (CFCs), hydrochlorofluorocarbons (HCFCs), and liquid CO 2 . The bubble/foam-generating process is an endothermic process, ie it requires heat (e.g., from a melting process or chemical exotherm due to crosslinking) to volatilize the liquid blowing agent.

(b) 화학적 발포제: 예를 들어, 이소시아네이트, 아조-, 하이드라진, 및 다른 질소-기반 물질(열가소성 및 엘라스토머 폼을 위한), 소듐 바이카르보네이트(예를 들어, 베이킹 소다, 열가소성 폼에서 사용됨). 여기에서, 가스성 산물 및 다른 부산물은 공정 및 반응하는 폴리머의 발열성 열에 의해 촉진되는, 화학적 반응에 의해 형성된다. 발포 반응이 발포 가스로서 작용하는 저분자량 화합물을 형성하는 것을 포함하기 때문에, 추가 발열성 열이 또한 방출된다. 티탄 하이드라이드 분말은, 이러한 것이 상승된 온도에서 티탄 및 수소 가스를 형성하기 위해 분해하기 때문에, 금속 폼의 생산에서 포밍제로서 사용된다. 지르코늄(II) 하이드라이드는 동일한 목적을 위해 사용된다. 형성된 직후에, 저분자량 화합물은 원래의 발포제(들)로 결코 되돌아 가지 않을 것이며, 즉, 반응은 비가역적이다.(b) Chemical blowing agents: eg isocyanates, azo-, hydrazine, and other nitrogen-based materials (for thermoplastic and elastomeric foams), sodium bicarbonate (eg baking soda, used in thermoplastic foams) . Here, gaseous products and other by-products are formed by chemical reactions, catalyzed by the exothermic heat of the process and reacting polymers. Since the foaming reaction involves forming a low molecular weight compound that acts as a foaming gas, additional exothermic heat is also released. Titanium hydride powder is used as a foaming agent in the production of metal foam as it decomposes at elevated temperatures to form titanium and hydrogen gas. Zirconium(II) hydride is used for the same purpose. Immediately after being formed, the low molecular weight compound will never return to the original blowing agent(s), ie the reaction is irreversible.

(c) 혼합된 물리적/화학적 발포제: 예를 들어, 매우 낮은 밀도를 갖는 가요성 폴리우레탄(PU) 폼을 생산하기 위해 사용됨. 화학적 및 물리적 발포 둘 모두는 방출/흡수된 열 에너지와 관련하여 서로 균형을 맞추기 위해 함께 사용될 수 있다. 이에 따라, 온도 상승을 최소화한다. 예를 들어, 이소시아네이트 및 물(CO2를 형성하기 위해 반응함)은 매트리스(mattresse)를 위한 매우 낮은 밀도의 가요성 PU 폼의 생산에서 액체 CO2(가스상 형태를 제공하기 위해 비등함)와 함께 사용된다.(c) Mixed physical/chemical blowing agents: used, for example, to produce flexible polyurethane (PU) foams with very low densities. Both chemical and physical foaming can be used together to balance each other with respect to released/absorbed thermal energy. Accordingly, the temperature rise is minimized. For example, isocyanates and water (which react to form CO 2 ) together with liquid CO 2 (which boils to give a gaseous form) in the production of very low density flexible PU foam for mattresses. used

(d) 기계적으로 주입되는 작용제: 기계적으로 제조된 폼은 버블을 액체 중합 가능한 매트릭스(예를 들어, 액체 라텍스 형태의 가황화되지 않지 않은 엘라스토머)내에 도입하는 방법을 포함한다. 이러한 방법은 저점도 격자에 공기 또는 다른 가스 또는 저비등 휘발성 액체를 휘스킹하거나(whisking-in), 가스를 압출기 배럴 또는 다이내에 또는 사출 성형 배럴 또는 노즐내에 주입하고, 용융물 중에 매우 미세한 버블 또는 가스의 용액을 형성시키기 위해 스크류의 전단/혼합 작용으로 가스를 균일하게 분산시키는 것을 포함한다. 용융물이 성형되거나 압출되고 부품이 대기압에 있을 때, 가스는 고형화 직전에 용액으로부터 나와서 폴리머 용융물을 팽창시킨다.(d) Mechanically Injected Agents: Mechanically prepared foams involve incorporating bubbles into a liquid polymerizable matrix (e.g., unvulcanized elastomer in the form of liquid latex). These methods include whisking-in of air or other gases or low-boiling volatile liquids into a low-viscosity grid, injecting the gas into an extruder barrel or die or into an injection molding barrel or nozzle, and injecting very fine bubbles or gases into the melt. and uniformly dispersing the gas by the shearing/mixing action of the screw to form a solution of When the melt is molded or extruded and the part is at atmospheric pressure, gases come out of solution just before solidification to expand the polymer melt.

(e) 가용성 및 침출성 작용제: 가용성 충전제, 예를 들어, 액체 우레탄 시스템내에 혼합되고, 이후에 고체 폴리머 부품으로 형상화되는 고체 소듐 클로라이드 결정으로서, 소듐 클로라이드는 후에 잠시 동안 수중에 고체 성형된 부품을 함침시킴으로써 세척되어, 비교적 고밀도 폴리머 생성물에서 작은 서로 연결된 홀을 형성시킨다.(e) Soluble and Leachable Agents: Soluble fillers, for example solid sodium chloride crystals that are mixed into a liquid urethane system and then shaped into solid polymer parts, which then form solid molded parts in water for a while. Cleaned by impregnation, it forms small interconnected holes in a relatively high-density polymer product.

(f) 본 발명자는, 상기 5개의 메커니즘 모두가 고체 상태인 동안에 HA-유도 재료에서 기공을 생성시키기 위해 사용될 수 있다는 것을 발견하였다. HA 재료에서 기공을 생성시키는 다른 메커니즘은 고온 환경에서 그러한 비-탄소 원소를 제거함으로써 휘발성 가스의 발생 및 증기화를 통해 이루어진다. 이러한 것은 이전에 결코 교시되거나 제시되지 않은 독특한 자가-발포 공정이다.(f) We have found that all of the above five mechanisms can be used to create pores in HA-derived materials while in the solid state. Another mechanism for creating pores in HA materials is through vaporization and evolution of volatile gases by removing such non-carbon elements in a high temperature environment. This is a unique self-foaming process that has never been taught or suggested before.

본 발명의 폼에서 기공벽(셀 벽)은 화학적으로 결합되고 병합된 그래핀-유사 육각형 탄소 원자 평면을 함유한다. 이러한 평면 방향족 분자 또는 육각형 구조의 탄소 원자는 물리적으로 및 화학적으로 잘 상호 연결된다. 이러한 평면의 측면 치수(길이 또는 폭)는 거대한(20 nm 내지 10 ㎛ 초과), 전형적으로, 출발 부식산 분자의 최대 길이/폭보다 여러 배 또는 심지어 수십 배이다. 육각형 탄소 원자 평면은 본질적으로 상호 연결되어 낮은 저항을 갖는 긴 전자-전도 경로를 형성한다. 이는 이전에 발견되거나 개발되거나 존재할 가능성이 있음을 제시하지 않은 독특하고 신규한 부류의 물질이다.The pore walls (cell walls) in the foams of the present invention contain chemically bonded and merged graphene-like hexagonal carbon atom planes. The carbon atoms of these planar aromatic molecules or hexagonal structures are well interconnected physically and chemically. The lateral dimensions (length or width) of these planes are large (20 nm to greater than 10 μm), typically many or even tens of times the maximum length/width of the starting humic acid molecules. Hexagonal carbon atom planes are intrinsically interconnected to form long electron-conducting pathways with low resistance. This is a unique and novel class of substances that have not been previously discovered or developed or suggested to be likely to exist.

단계 (b)에서, HA 현탁액은 바람직하게, 전단 응력의 영향 하에서 고체 기판 표면(예를 들어, PET 필름 또는 유리) 상의 습윤층으로 형성된다. 이러한 전단 절차의 일 예는 코팅 기계를 이용하여 HA 현탁액의 박막을 캐스팅하거나 코팅한다. 이러한 절차는 고체 기판 상에 코팅되는 니스(varnish), 페인트, 코팅, 또는 잉크의 층과 유사하다. 롤러, "독터 블레이드(doctor's blade)," 또는 와이퍼(wiper)는 필름이 형상화될 때, 또는 롤러/블레이드/와이퍼와 지지 기판 사이에 상대적인 운동이 있을 때 충분히 높은 상대적인 운동 속도에서 전단 응력을 생성시킬 수 있다. 매우 예상치 못하게 그리고 현저하게, 이러한 전단 작용은 평면 HA 분자를 예를 들어, 전단 방향을 따라 잘 정렬되게 한다. 더욱 놀랍게도, 이러한 분자 정렬 상태 또는 바람직한 배향은, HA 현탁액 중 액체 성분이 적어도 일부 건조된 고도로 정렬된 시트-유사 HA 분자의 잘 패킹된 층을 형성하기 위해 후속하여 제거될 때, 파괴되지 않는다. 건조된 HA 필름은 평면내 방향과 평면에 대한 법선 방향 사이에 높은 복굴절 계수를 갖는다.In step (b), the HA suspension is preferably formed into a wet layer on a solid substrate surface (eg PET film or glass) under the influence of shear stress. One example of such a shearing procedure is to cast or coat a thin film of HA suspension using a coating machine. This procedure is similar to a layer of varnish, paint, coating, or ink being coated onto a solid substrate. A roller, "doctor's blade," or wiper is capable of generating shear stress at sufficiently high relative motion velocities as the film is being shaped, or when there is relative motion between the roller/blade/wiper and the supporting substrate. can Quite unexpectedly and remarkably, this shear action causes the planar HA molecules to align well, eg along the shear direction. Even more surprisingly, this state of molecular alignment or preferred orientation is not destroyed when the liquid component of the HA suspension is subsequently removed to form a well-packed layer of at least partially dried, highly ordered, sheet-like HA molecules. The dried HA film has a high birefringence coefficient between the in-plane direction and the normal-to-plane direction.

일 구현예에서, 이러한 HA 층은 이후에, 부산물로서 휘발성 가스를 발생시키기 위해 HA 분자로부터 비-탄소 원소(예를 들어, F, O, 등)를 제거하는 열적으로-유도된 반응 및/또는 발포제를 활성화시키도록 열처리로 처리된다. 이러한 휘발성 가스는 고체 HA 재료 내측에 기공 또는 버블을 발생시켜, 벽 구조내에 시트-유사 HA 분자를 밀어 넣어서, HA 폼을 형성한다. 발포제가 첨가되지 않는 경우에, HA 재료에서 비-탄소 원소는 바람직하게, HA 재료의 적어도 10 중량%(바람직하게, 적어도 20 중량%, 및 더욱 바람직하게, 적어도 30 중량%)를 차지한다. 제1 (초기) 열처리 온도는 전형적으로, 80℃ 초과, 바람직하게, 100℃ 초과, 더욱 바람직하게, 300℃ 초과, 더욱더 바람직하게, 500℃ 초과이고, 1,500℃ 정도로 높을 수 있다. 발포제는 전형적으로, 80℃ 내지 300℃의 온도에서 활성화되지만, 더 높을 수 있다. 발포 절차(기공, 셀 또는 버블의 형성)는 전형적으로, 80 내지 1,500℃의 온도 범위 내에서 완료된다. 매우 놀랍게도, 가장자리-대-가장자리 및 면-대-면 방식으로(도 2) 육각형 탄소 원자 평면들 간의 화학적 연결 또는 병합은 비교적 낮은 열처리 온도(예를 들어, 150 내지 300℃ 정도로 낮음)에서 일어날 수 있다.In one embodiment, this HA layer is then subjected to a thermally-induced reaction to remove non-carbon elements (eg, F, O, etc.) from the HA molecules to generate volatile gases as by-products and/or It is treated with a heat treatment to activate the blowing agent. These volatile gases generate pores or bubbles inside the solid HA material, pushing sheet-like HA molecules into the wall structure, forming the HA foam. When no blowing agent is added, the non-carbon elements in the HA material preferably account for at least 10% by weight (preferably at least 20% by weight, and more preferably at least 30% by weight) of the HA material. The first (initial) heat treatment temperature is typically greater than 80°C, preferably greater than 100°C, more preferably greater than 300°C, even more preferably greater than 500°C, and may be as high as 1,500°C. Blowing agents are typically activated at temperatures from 80° C. to 300° C., but higher may be possible. The foaming procedure (formation of pores, cells or bubbles) is typically completed within a temperature range of 80 to 1,500°C. Quite surprisingly, chemical linking or merging between hexagonal carbon atom planes in an edge-to-edge and face-to-face manner ( FIG. 2 ) can occur at relatively low annealing temperatures (e.g., as low as 150 to 300° C.). there is.

HA-유도 폼은 적어도, 제1 열처리 온도보다 현저하게 높은 제2 온도를 포함하는 추가 열처리로 처리될 수 있다.The HA-derived foam may be subjected to an additional heat treatment comprising at least a second temperature significantly higher than the first heat treatment temperature.

적절하게 프로그래밍된 열처리 절차는 단지 단일 열처리 온도(예를 들어, 단지 제1 열처리 온도), 적어도 2개의 열처리 온도(소정 시간 동안 제1 온도, 및 이후에, 제2 온도까지 상승되고 다른 소정 시간 동안 이러한 제2 온도에서 유지됨), 또는 초기 처리 온도(제1 온도) 및 최종 열처리 온도(HTT)(제2)(제1 온도보다 더 높음)를 포함하는 열처리 온도(HTT)들의 임의의 다른 조합을 포함할 수 있다. 건조된 HA 층이 형성되는 가장 높은 또는 최종 HTT는 4개의 별개의 HTT 방식(regime)으로 분할될 수 있다:A suitably programmed heat treatment procedure may include only a single heat treatment temperature (e.g., only a first heat treatment temperature), at least two heat treatment temperatures (a first temperature for a period of time, and then, a second temperature raised for a predetermined period of time). maintained at this second temperature), or any other combination of heat treatment temperatures (HTT) including an initial treatment temperature (first temperature) and a final heat treatment temperature (HTT) (second) (higher than the first temperature). can include The highest or final HTT over which the dried HA layer is formed can be divided into four distinct HTT regimes:

방식 1(80℃ 내지 300℃): 이 온도 범위(화학적 연결 및 열적 환원 방식, 및 또한, 존재하는 경우, 발포제를 위한 활성화 방식)에서, HA 층은 이웃하는 HA 분자들의 열-유도 화학적 연결을 주로 겪는데, 이는 도 2의 상측 부분에 개략적으로 예시된 바와 같다. 이는 또한 일부 비탄소 원자, 예컨대 O 및 H의 제거를 수반하여, 전형적으로 (HA 중 O의) 20 내지 42% 내지 대략 10 내지 25%의 산소 함량의 환원을 야기한다. 이러한 처리는 대략 0.6 내지 1.2 nm(건조시)에서 대략 0.4 내지 0.6 nm까지 폼 벽에서 평면간 간격의 감소, 및 비중의 단위당 100 W/mK까지의 열 전도도의 증가 및/또는 비중의 단위당 2,000 S/cm까지의 전기 전도도의 증가를 야기시킨다. (그래핀 폼 물질의 다공도의 수준, 및 이에 따라, 비중의 수준을 다양하게 할 수 있고, 동일한 그래핀 재료를 제공하는 경우에, 열 전도도 및 전기 전도도 둘 모두가 비중에 따라 다양하게 하기 때문에, 이러한 성질 값은 공정한 비교를 용이하게 하기 위해 비중에 의해 나뉘어져야 한다). 이러한 낮은 온도 범위에서도, HA 분자들 간에 일부 화학적 연결이 일어난다. 평면간 간격은 비교적 크게 유지된다(0.4 nm 또는 보다 큼). 다수의 O-함유 작용기가 존재한다(예를 들어, -OH 및 -COOH).Mode 1 (80° C. to 300° C.): In this temperature range (chemical linking and thermal reduction mode, and also activation mode for the blowing agent, if present), the HA layer undergoes heat-induced chemical linking of neighboring HA molecules. mainly suffered, as schematically illustrated in the upper part of FIG. 2 . This also involves the removal of some non-carbon atoms, such as O and H, resulting in a reduction of the oxygen content, typically from 20 to 42% (of O in HA) to approximately 10 to 25%. This treatment reduces the interplanar spacing in the foam wall from approximately 0.6 to 1.2 nm (dry) to approximately 0.4 to 0.6 nm, and increases the thermal conductivity to 100 W/mK per unit of specific gravity and/or up to 2,000 S per unit of specific gravity. It causes an increase in electrical conductivity up to /cm. (Because you can vary the level of porosity, and thus the specific gravity, of the graphene foam material, and given the same graphene material, both the thermal and electrical conductivities vary with specific gravity, Values for these properties should be divided by specific gravity to facilitate fair comparisons). Even in this low temperature range, some chemical linkages occur between HA molecules. The interplanar spacing remains relatively large (0.4 nm or greater). A number of O-containing functional groups exist (eg, -OH and -COOH).

방식 2(300℃ 내지 1,500℃): 이러한 화학적 연결 및 병합 방식에서는, 인접한 HA 분자들 또는 연결된 HA 분자들 사이의 광범위한 화합(chemical combination), 중합, 및 가교결합이 일어나서 초기 그래핀-유사 육각형 탄소 원자 평면을 형성하는데, 이는 도 2의 하측 부분에 예시된 바와 같다. 산소 함량은 (예를 들어, 화학적 연결 및 병합 후에) 전형적으로 2% 내지 10%로 감소되며, 그 결과 평면간 간격이 대략 0.345 nm로 감소된다. 이는 전형적으로 흑연을 개시하기 위해 2,500℃ 정도로 높은 온도를 필요로 하는 통상적인 흑연화 가능한 물질(예를 들어, 탄화된 폴리이미드 필름)과는 극히 대조적으로, 일부 초기 흑연화가 이미 이러한 저온에서 개시되었음을 의미한다. 이는 본 발명의 그래핀 폼 및 이의 생산 공정의 다른 별개의 특징이다. 이러한 화학적 연결 반응은 비중의 단위당 250 W/mK 초과까지의 열 전도도의 증가, 및/또는 비중의 단위당 2,500 내지 4,000 S/cm까지의 전기 전도도의 증가를 야기시킨다.Method 2 (300° C. to 1,500° C.): In this chemical linking and merging method, extensive chemical combination, polymerization, and crosslinking between adjacent HA molecules or linked HA molecules occur, resulting in initial graphene-like hexagonal carbon forming an atomic plane, as illustrated in the lower part of FIG. 2 . The oxygen content is typically reduced to between 2% and 10% (eg, after chemical coupling and merging), resulting in a reduced interplanar spacing to approximately 0.345 nm. This is in stark contrast to conventional graphitizable materials (e.g., carbonized polyimide films), which typically require temperatures as high as 2,500°C to initiate graphitization, suggesting that some initial graphitization has already initiated at these low temperatures. it means. This is another distinct feature of the graphene foam of the present invention and its production process. This chemical coupling reaction results in an increase in thermal conductivity up to greater than 250 W/mK per unit of specific gravity, and/or an increase in electrical conductivity up to 2,500 to 4,000 S/cm per unit of specific gravity.

방식 3(1,500 내지 2,500℃): 이러한 정렬 및 흑연화 방식에서, 광범위한 흑연화 또는 그래핀-유사 평면의 병합이 일어나서, 폼 벽에서 개선된 구조적 정렬 정도를 현저하게 개선시킨다. 결과적으로, 산소 함량은 전형적으로 0.1% 내지 2%까지 감소되며, 그래핀간 간격은 대략 0.337 nm까지 감소된다(실제 HTT 및 시간 길이에 따라, 1% 내지 대략 80%의 흑연화도를 달성함). 개선된 정렬 정도는 또한, 비중의 단위당 350 W/mK 초과까지의 열 전도도의 증가, 및/또는 비중의 단위당 3,500 S/cm 초과까지의 전기 전도도의 증가에 의해 반영된다.Mode 3 (1,500 to 2,500° C.): In this alignment and graphitization mode, extensive graphitization or merging of graphene-like planes takes place, significantly improving the degree of improved structural alignment in the foam wall. As a result, the oxygen content is typically reduced by 0.1% to 2%, and the inter-graphene spacing is reduced to approximately 0.337 nm (depending on the actual HTT and time length, achieving a degree of graphitization of 1% to approximately 80%). The improved degree of alignment is also reflected by an increase in thermal conductivity to greater than 350 W/mK per unit of specific gravity, and/or an increase in electrical conductivity to greater than 3,500 S/cm per unit of specific gravity.

방식 4(2,500℃보다 높음): 이러한 재결정화 및 마무리 방식에서, 결정립계 및 다른 결함의 광범위한 이동 및 제거가 일어나서, 폼 벽 중에 거대한 그레인을 갖는 거의 완전한 단결정 또는 다결정질 그래핀-유사 결정의 형성을 야기시키고, 이는 HA 분자의 원래 크기보다 수십배 클 수 있다. 산소 함량은 본질적으로 제거되고, 전형적으로 0% 내지 0.01%이다. 평면간 간격은 대략 0.3354 nm까지 감소되어(80% 내지 거의 100%의 흑연화돠), 완전한 흑연 단결정의 그래핀간 간격에 해당한다. 이에 따라 얻어진 발포된 구조는 비중의 단위당 400 W/mK 초과의 열 전도도, 및 비중의 단위당 4,000 S/cm 초과의 전기 전도도를 나타낸다.Manner 4 (greater than 2,500 °C): In this recrystallization and finishing scheme, extensive migration and removal of grain boundaries and other defects occurs, leading to the formation of nearly complete mono- or polycrystalline graphene-like crystals with large grains in the foam walls. , which can be several orders of magnitude larger than the original size of the HA molecule. The oxygen content is essentially eliminated and is typically between 0% and 0.01%. The interplanar spacing is reduced to approximately 0.3354 nm (80% to nearly 100% graphitization), corresponding to the interplanar spacing of perfect graphite single crystals. The foamed structure thus obtained exhibits a thermal conductivity of greater than 400 W/mK per unit of specific gravity and an electrical conductivity of greater than 4,000 S/cm per unit of specific gravity.

본 발명의 HA-유도 폼 구조는 건조된 HA를, 적어도 제1 방식을 포함하는 온도 프로그램(전형적으로, 온도가 500℃를 초과하지 않는 경우에 이러한 온도 범위에서 1 내지 4시간을 필요로 함), 더욱 전형적으로, 제1의 2개의 방식(1 내지 2시간이 바람직함), 더욱더 전형적으로 제1의 3개의 방식(방식 3에서 바람직하게는 0.5 내지 2.0시간)을 포함하고, 4개 방식 모두(0.2 내지 1시간 동안 방식 4를 포함하고, 이는 가장 높은 전도도를 달성하기 위해 실행될 수 있음)를 포함할 수 있는 온도 프로그램으로 열처리함으로써 얻어질 수 있다.The HA-derived foam structure of the present invention is prepared by adding dried HA to a temperature program comprising at least a first mode, typically requiring 1 to 4 hours in this temperature range if the temperature does not exceed 500°C. , more typically including the first two modalities (preferably 1 to 2 hours), even more typically the first three modalities (preferably 0.5 to 2.0 hours in modality 3), all four modalities (including modality 4 for 0.2 to 1 hour, which can be run to achieve the highest conductivity).

X-선 회절 패턴은 CuKcv 방사선이 장착된 X-선 회절기로 얻어졌다. 회절 피크의 이동 및 확대(broadening)는 규소 분말 표준물을 사용하여 보정되었다. 흑연화도(g)는 메링(Mering)의 방정식, d 002 = 0.3354 g + 0.344 (1 - g)(상기 식에서, d 002는 nm 단위의 흑연- 또는 그래핀-타입 결정의 층간 간격임)를 이용하여 X-선 패턴으로부터 계산되었다. 이러한 방정식은, d 002가 대략 0.3440 nm 이하일 때에만 타당하다. 0.3440 nm보다 높은 d 002를 갖는 HA-유도 폼 벽은 평면간 간격을 증가시키기 위해 스페이서로서 작용하는 산소-함유 작용기(예를 들어, 그래핀-유사 분자 평면 표면 또는 에지 상의 -OH, >0, 및 -COOH)의 존재를 반영한다.X-ray diffraction patterns were obtained with an X-ray diffractometer equipped with CuKcv radiation. Shifts and broadening of the diffraction peaks were corrected using silicon powder standards. The degree of graphitization (g) is calculated using Mering's equation, d 002 = 0.3354 g + 0.344 (1 - g), where d 002 is the interlayer spacing of graphite- or graphene-type crystals in units of nm. was calculated from the X-ray pattern. This equation is valid only when d 002 is approximately 0.3440 nm or less. HA-derived foam walls with d 002 higher than 0.3440 nm have oxygen-containing functional groups acting as spacers to increase the interplanar spacing (e.g., -OH on graphene-like molecular planar surfaces or edges, >0, and -COOH).

HA-유도 그래핀-유사 및 통상적인 흑연 결정의 폼 벽에서 적층되고 결합된 육각형 탄소 원자 평면의 정렬 정도를 특징화하는 데 사용될 수 있는 다른 구조 지수는 "모자이크 분산(mosaic spread)"이며, 이는 (002) 또는 (004) 반사의 록킹 곡선(rocking curve)(X-선 회절 강도)의 최대 반값 폭에 의해 표현된다. 이러한 정렬 정도는 흑연 또는 그래핀 결정 크기(또는 그레인 크기), 결정립계 및 다른 결함의 양, 및 바람직한 그레인 배향 정도를 특징화한다. 흑연의 거의 완전한 단결정은 0.2 내지 0.4의 모자이크 분산 값을 가짐으로써 특징된다. 대부분의 본 발명의 그래핀 벽은 (2,500℃ 이상의 열처리 온도(HTT)로 생산되는 경우) 0.2 내지 0.4의 이러한 범위의 모자이크 분산 값을 갖는다. 그러나, 일부 값은, HTT가 1,500 내지 2,500℃인 경우 0.4 내지 0.7의 범위이고, HTT가 300 내지 1,500℃인 경우 0.7 내지 1.0의 범위이다.Another structural index that can be used to characterize the degree of alignment of the stacked and bonded hexagonal carbon atom planes in the foam walls of HA-derived graphene-like and conventional graphite crystals is the "mosaic spread", which is It is expressed by the full width at half maximum of the rocking curve (X-ray diffraction intensity) of the (002) or (004) reflection. This degree of alignment characterizes the graphite or graphene crystallite size (or grain size), the amount of grain boundaries and other defects, and the degree of preferred grain orientation. Almost perfect monocrystals of graphite are characterized by having mosaic dispersion values between 0.2 and 0.4. Most of the graphene walls of the present invention have mosaic dispersion values in this range of 0.2 to 0.4 (when produced with a heat treatment temperature (HTT) of 2,500° C. or higher). However, some values range from 0.4 to 0.7 for HTT from 1,500 to 2,500 °C and from 0.7 to 1.0 for HTT from 300 to 1,500 °C.

가장 가능성이 높은 화학적 연결 및 병합 메커니즘이 도 2에 예시되어 있는데, 여기서는 단지 2개의 정렬된 HA 분자 세그먼트들이 한 예로서 도시되어 있지만, 다수의 HA 분자가 함께 화학적으로 연결될 수 있으며, 다수의 "연결된 HA 분자"가 화학적으로 병합되어 폼 벽을 형성할 수 있다. 또한, 화학적 연결은 HA 분자 또는 시트에 대하여 단지 가장자리-대-가장자리만이 아니라, 면-대-면으로도 일어날 수 있다. 이들 연결 및 병합 반응은 분자들이 화학적으로 병합되고, 연결되고, 하나의 단일 실체로 일체화되는 방식으로 진행된다. 얻어진 생성물은 개별 HA 시트들의 단순한 응집체가 아니라, 본질적으로는, 본질적으로 무한 분자량을 갖는 상호연결된 거대 분자들의 네트워크인 단일 실체이다. 구성하는 육각형 탄소 평면들 전부는 측방향 치수(길이 및 폭)가 매우 크며, HTT가 충분히 높으면(예를 들어, 1,500℃ 초과 또는 훨씬 더 높음), 이들 평면은 본질적으로 서로 함께 결합된다.The most likely chemical linking and merging mechanism is illustrated in Figure 2, where only two aligned HA molecule segments are shown as an example, but multiple HA molecules can be chemically linked together, and multiple "linked "HA molecules" can be chemically incorporated to form a foam wall. In addition, chemical linking can occur face-to-face, not just edge-to-edge to HA molecules or sheets. These linking and merging reactions proceed in such a way that the molecules are chemically merged, linked, and integrated into one single entity. The resulting product is not a simple aggregate of individual HA sheets, but a single entity that is essentially a network of interconnected macromolecules with essentially infinite molecular weight. All of the constituent hexagonal carbon planes have very large lateral dimensions (length and width), and if the HTT is sufficiently high (eg, above 1,500° C. or even higher), these planes are essentially bonded together.

SEM, TEM, 선택된 영역 회절, X-선 회절, AFM, 라만 분광법 및 FTIR의 조합을 이용한 심층 연구에서는, HA-유도 폼 벽이 여러 거대한 육각형 탄소 원자 평면으로 이루어짐을 명시하고 있다(전형적으로 >> 20 nm, 더욱 전형적으로, >> 100 nm, 종종 >> 1 ㎛, 및 여러 경우에, >> 10 ㎛, 또는 심지어 >> 100 ㎛의 길이/폭을 가짐). 이러한 자이언트 그래핀-유사 평면들은 종종, 최종 열처리 온도가 2,500℃보다 낮은 경우에, 공유 결합뿐만 아니라 반 데르 발스력(통상적인 흑연 결정자에서와 같음)을 통해 두께 방향(결정학적 c-축 방향)을 따라 적층되고 결합된다. 이러한 경우에, 이론에 의해 제한하고자 하는 것은 아니지만, 라만 및 FTIR 분광법 연구는 흑연에서 통상적인 sp2가 아닌, sp2(지배적) 및 sp3(존재하지만 약함) 전자 구성의 공존을 지시하는 것으로 나타낸다.In-depth studies using a combination of SEM, TEM, selected area diffraction, X-ray diffraction, AFM, Raman spectroscopy and FTIR have revealed that HA-derived foam walls are composed of several large hexagonal carbon atom planes (typically >> 20 nm, more typically, >> 100 nm, often >> 1 μm, and in many cases, >> 10 μm, or even >> 100 μm). These giant graphene-like planes are often formed in the thickness direction (crystallographic c-axis direction) via van der Waals forces (as in conventional graphite crystallites) as well as covalent bonds, when the final heat treatment temperature is lower than 2,500 °C. are laminated and combined along In this case, without wishing to be bound by theory, Raman and FTIR spectroscopy studies appear to indicate the coexistence of sp 2 (dominant) and sp 3 (present but weak) electronic configurations, rather than the usual sp 2 in graphite. .

(1) 이러한 HA-유도 흑연 폼 벽은 별개의 박편/판을 수지 결합제, 링커, 또는 접착제와 함께 접착 또는 결합시킴으로써 이루어지지 않는다. 대신에, HA 분자는 임의의 외부적으로 첨가된 링커 또는 결합제 분자 또는 폴리머를 사용하지 않으면서, 서로 공유 결합의 연결 또는 형성을 통해 통합된 그래핀-유사 결정 실체로 병합된다.(1) These HA-derived graphite foam walls are not made by gluing or bonding separate flakes/plates together with a resin binder, linker, or adhesive. Instead, the HA molecules are incorporated into integrated graphene-like crystalline entities via linkage or formation of covalent bonds with each other, without the use of any externally added linker or binder molecules or polymers.

(2) 폼 벽은 전형적으로, 불완전한 입계(grain boundary)를 갖는 큰 입자로 구성된 다결정이다. 이 실체는 다수의 HA 분자로부터 유도되며, 이들 방향족 HA 분자는 그들의 원래의 정체를 상실하였다. 현탁액으로부터 액체 성분의 제거 시에, 얻어지는 HA 분자는 본질적으로 비정질 구조를 형성한다. 열처리 시에, 이들 HA 분자는 화학적으로 병합 및 연결되어, 폼 벽을 구성하는 단일형 또는 일체형 흑연 실체를 형성한다. 이 폼 벽은 고도로 질서정연한(ordered) 상태이다.(2) Foam walls are typically polycrystalline, composed of large grains with imperfect grain boundaries. This entity is derived from multiple HA molecules, and these aromatic HA molecules have lost their original identity. Upon removal of the liquid component from the suspension, the resulting HA molecules essentially form an amorphous structure. Upon heat treatment, these HA molecules are chemically merged and linked to form monolithic or monolithic graphite entities that make up the foam walls. This foam wall is highly ordered.

(3) 이들 특유의 화학적 조성(산소 또는 비탄소 함량을 포함함), 모폴로지, 결정 구조(평면간 간격을 포함함), 및 구조적 특징(예를 들어, 고배향도, 매우 적은 결함, 불완전한 입계, 화학 결합, 및 그래핀 시트들 사이의 갭(gap)의 부재, 및 육각형 탄소 평면 내에 실질적으로 중단이 없음)으로 인해, HA-유도 폼은 현저한 열 전도도, 전기 전도도, 기계적 강도, 및 강성(탄성 모듈러스)의 특유의 조합을 갖는다.(3) their distinctive chemical composition (including oxygen or non-carbon content), morphology, crystal structure (including interplanar spacing), and structural characteristics (e.g., high degree of orientation, very few defects, imperfect grain boundaries, Due to the chemical bonding and the absence of gaps between the graphene sheets, and virtually no breaks in the hexagonal carbon plane), the HA-derived foam exhibits remarkable thermal conductivity, electrical conductivity, mechanical strength, and stiffness (elasticity). modulus).

비탄소 원소 함량(H 및 O)이 2 내지 20 중량%인 경우, 소정의 원하는 친수도가 부식산-유도 폼의 기공벽에 부여될 수 있음이 추가로 언급될 수 있다. 이들 특징은 오일-물 혼합물로부터 오일을 선택적으로 흡수함으로써 물로부터의 오일의 분리를 가능하게 한다. 다시 말하면, 그러한 HA-유도 폼 재료는 물로부터 오일을 회수할 수 있으며, 이는 오일-유출된 강, 호수, 또는 해양을 청소하는 데 도움이 된다. 오일 흡수 능력은 전형적으로 폼 자체 중량의 50% 내지 500%이다. 이는 환경 보호 목적상 매우 유용한 재료이다.It may be further mentioned that certain desired hydrophilicities can be imparted to the pore walls of humic acid-derived foams when the content of non-carbon elements (H and O) is between 2 and 20% by weight. These features enable separation of oil from water by selectively absorbing oil from an oil-water mixture. In other words, such HA-derived foam materials can recover oil from water, which helps clean up oil-spill rivers, lakes, or oceans. The oil absorption capacity is typically 50% to 500% of the foam's own weight. It is a very useful material for environmental protection purposes.

높은 전기 전도도 또는 열 전도도가 요구되는 경우, HA-탄소 폼은 2,500℃보다 더 높은 온도에서 흑연화 처리를 거칠 수 있다. 얻어진 재료는 열 관리 응용에 (예를 들어, 핀부착(finned) 히트 싱크, 열 교환기, 또는 열 확산기를 제조하는 데 있어서의 용도에) 특히 유용하다.If high electrical or thermal conductivity is required, the HA-carbon foam can be subjected to a graphitization treatment at temperatures higher than 2,500 °C. The resulting material is particularly useful for thermal management applications (eg, for use in making finned heat sinks, heat exchangers, or heat spreaders).

HA-탄소 폼은 흑연화 처리 동안 그리고/또는 후에 압축을 거칠 수 있는 것으로 언급될 수 있다. 이러한 작업은 그래핀 시트 배향 및 다공도를 조정할 수 있게 한다.It may be said that the HA-carbon foam may undergo compression during and/or after the graphitization process. This operation allows tuning of the graphene sheet orientation and porosity.

생성된 흑연 재료의 구조를 특성화하기 위하여, CuKcv 방사선이 구비된 X-선 회절계를 사용하여 X-선 회절 패턴을 획득하였다. 규소 분말 표준물을 사용하여 회절 피크의 이동(shift) 및 확대(broadening)를 보정하였다. 메링 방정식(Mering's Eq), d 002 = 0.3354 g + 0.344 (1 - g)(여기서, d 002는 흑연 또는 그래핀 결정의 층간 간격(단위: nm))를 사용하여 X-선 패턴으로부터 흑연화도, g를 계산하였다. 이 방정식은 d 002가 대략 0.3440 nm 이하일 때에만 유효하다. 본 연구에서, d 002가 0.3440 nm 초과인 그래핀-유사(HA 또는 RHA) 폼 벽은 산소-함유 작용기(예컨대, 그래핀 분자 평면 표면 또는 가장자리 상의 -OH, >O, 및 -COOH)의 존재를 반영하는데, 이러한 산소-함유 작용기는 스페이서(spacer)로서 작용하여 그래핀간 간격을 증가시킨다.In order to characterize the structure of the resulting graphite material, an X-ray diffraction pattern was obtained using an X-ray diffractometer equipped with CuKcv radiation. Silicon powder standards were used to correct the shift and broadening of the diffraction peaks. Degree of graphitization from the X-ray pattern using Mering's Eq, d 002 = 0.3354 g + 0.344 (1 - g ), where d 002 is the interlayer spacing of graphite or graphene crystals (unit: nm), g was calculated. This equation is valid only when d 002 is approximately 0.3440 nm or less. In this study, graphene-like (HA or RHA) foam walls with d 002 greater than 0.3440 nm have oxygen-containing functional groups (e.g., -OH, >O, and -COOH on graphene molecular planar surfaces or edges). , these oxygen-containing functional groups act as spacers to increase the spacing between graphenes.

그래핀 및 통상적인 흑연 결정의 폼 벽에서의 적층되고 결합된 RHA 평면들의 질서도를 특성화하는 데 사용될 수 있는 또 다른 구조 지수는 "모자이크 분산 (mosaic spread)"으로, 이는 (002) 또는 (004) 반사의 요동 곡선(rocking curve; X-선 회절 세기)의 반치전폭에 의해 표현된다. 이러한 질서도는 흑연 또는 그래핀 결정 크기(또는 입자 크기), 입계 및 다른 결함의 양, 및 바람직한 입자 배향의 정도를 특징짓는다. 흑연의 거의 완전한 단결정은 모자이크 분산 값이 0.2 내지 0.4인 것에 의해 특징지어진다. 본 발명의 RHA 벽의 대부분은 (2,500℃ 이상의 열처리 온도(HTT)로 생성되는 경우) 모자이크 분산 값이 이러한 0.2 내지 0.4의 범위 내에 있다. 그러나, 일부 값은, HTT가 1,500 내지 2,500℃인 경우 0.4 내지 0.7의 범위 내에, 그리고 HTT가 300 내지 1,500℃인 경우 0.7 내지 1.0의 범위 내에 있다.Another structural index that can be used to characterize the degree of order of the stacked and bonded RHA planes in the foam walls of graphene and conventional graphite crystals is the "mosaic spread", which is either (002) or (004). ) expressed by the full width at half maximum of the rocking curve (X-ray diffraction intensity) of the reflection. This degree of order characterizes the graphite or graphene crystallite size (or grain size), the amount of grain boundaries and other defects, and the degree of preferred grain orientation. Almost perfect single crystals of graphite are characterized by mosaic dispersion values of 0.2 to 0.4. Most of the RHA walls of the present invention (when produced with a heat treatment temperature (HTT) of 2,500° C. or higher) have mosaic dispersion values within this range of 0.2 to 0.4. However, some values are in the range of 0.4 to 0.7 for HTT of 1,500 to 2,500 °C, and in the range of 0.7 to 1.0 for HTT of 300 to 1,500 °C.

SEM, TEM, 제한 시야 회절(selected area diffraction), X-선 회절, AFM, 라만 분광법, 및 FTIR의 조합을 사용한 철저한 연구는 부식산-탄소 폼 벽이 몇몇 큰 그래픽 평면(길이/폭이 전형적으로 >> 20 nm, 더 전형적으로는 >> 100 nm, 종종 >> 1 μm, 많은 경우에는 >> 10 μm)으로 구성됨을 나타낸다. 이는 매우 예기치 않은 일인데, 그 이유는 열처리 전의 원래의 부식산 시트 또는 분자의 측방향 치수(길이 및 폭)는 전형적으로 20 nm 미만, 더 전형적으로는 10 nm 미만이기 때문이다. 이는 복수의 HA 시트 또는 분자가 서로 공유 결합을 통해 가장자리-대-가장자리로 병합되어 더 큰(더 긴 또는 더 넓은) 시트를 형성할 수 있음을 내포한다.Thorough studies using a combination of SEM, TEM, selected area diffraction, X-ray diffraction, AFM, Raman spectroscopy, and FTIR have shown that the humic acid-carbon foam walls have several large graphic planes (length/width typically >> 20 nm, more typically >> 100 nm, often >> 1 μm, and in many cases >> 10 μm). This is very unexpected, since the lateral dimensions (length and width) of the pristine humic acid sheet or molecule before heat treatment are typically less than 20 nm, more typically less than 10 nm. This implies that multiple HA sheets or molecules can be merged edge-to-edge through covalent bonds with each other to form larger (longer or wider) sheets.

이들 큰 그래핀-유사 평면은 또한 두께 방향(결정학적 c-축 방향)을 따라 적층 및 결합될 수 있는데, 이는 종종, (통상적인 흑연 미결정에서와 같이) 반데르발스 힘뿐만 아니라, 최종 열처리 온도가 2,500℃ 미만인 경우 공유 결합을 통해서도 이루어진다. 이들 경우에, 이론에 의해 제한되고자 하지 않지만, 라만 및 FTIR 분광법 연구는 흑연에서의 통상적인 sp2뿐만 아니라, sp2(우세함)와 sp3(약하지만 존재함) 전자 배치의 공존을 나타내는 것으로 보인다.These large graphene-like planes can also be stacked and bonded along the thickness direction (crystallographic c- axis direction), which is often due to the final heat treatment temperature, as well as van der Waals forces (as in conventional graphite crystallites). is also achieved through covalent bonding if is less than 2,500 °C. In these cases, without wishing to be limited by theory, Raman and FTIR spectroscopy studies indicate the coexistence of sp 2 (predominant) and sp 3 (weak but present) electron configurations, as well as the usual sp 2 in graphite. see.

일체형 HA-유도 폼은 다수의 기공 및 기공벽으로 구성되며, 기공벽은, 함께 화학적으로 결합된 단일층 또는 여러층 HA 시트를 함유하며, 여기서 여러층 HA 시트는, X-선 회절에 의해 측정될 때, 평면간 간격 d002가 0.3354 nm 내지 0.36 nm인 2 내지 10개 층의 적층된 그래핀-유사 병합된 HA 평면을 가지며, 단일층 또는 여러층 그래핀-유사 HA 시트는 0.01 중량% 내지 25 중량%의 비탄소 원소(더 전형적으로는 15% 미만)를 함유한다.Integral HA-derived foams are composed of multiple pores and pore walls, and the pore walls contain single- or multi-layer HA sheets chemically bonded together, wherein the multi-layer HA sheets are determined by X-ray diffraction. 2 to 10 layers of stacked graphene-like merged HA planes with an interplanar spacing d 002 of 0.3354 nm to 0.36 nm, and the single-layer or multi-layer graphene-like HA sheet has 0.01 wt. It contains 25% by weight of non-carbon elements (more typically less than 15%).

전형적으로, 일체형 HA-유도 폼은 밀도가 0.001 내지 1.7 g/cm3이고/이거나, 비표면적이 50 내지 3,000 m2/g이고/이거나, 비중의 단위당 열 전도도가 적어도 200 W/mK이고/이거나, 비중의 단위당 전기 전도도가 2,000 S/cm 이상이다. 바람직한 구현예에서, 기공벽은 X-선 회절에 의해 측정될 때 평면간 간격 d002가 0.3354 nm 내지 0.40 nm인 적층된 그래핀-유사 RHA 평면을 함유한다.Typically, the integral HA-derived foam has a density of 0.001 to 1.7 g/cm 3 , a specific surface area of 50 to 3,000 m 2 /g, and/or a thermal conductivity per unit of specific gravity of at least 200 W/mK and/or , the electrical conductivity per unit of specific gravity is 2,000 S/cm or more. In a preferred embodiment, the pore walls contain stacked graphene-like RHA planes with an interplanar spacing d 002 of 0.3354 nm to 0.40 nm as measured by X-ray diffraction.

HA 시트들 중 대부분은 서로 공유 결합을 통해 가장자리-대-가장자리로 병합되어 일체화된 환원된 HA(RHA) 실체를 형성할 수 있다. 이들 특유의 화학적 조성(산소 또는 수소 함량 등을 포함함), 모폴로지, 결정 구조(평면간 간격을 포함함), 및 구조적 특징(예를 들어, 배향도, 매우 적은 결함, 화학 결합, 및 그래핀-유사 시트들 사이의 갭의 부재, 및 육각형 평면 방향을 따라 실질적으로 중단이 없음)으로 인해, HA-유도 폼은 현저한 열 전도도, 전기 전도도, 기계적 강도, 및 강성(탄성 모듈러스)의 특유의 조합을 갖는다.Most of the HA sheets can merge edge-to-edge through covalent bonds with each other to form a unified reduced HA (RHA) entity. Their distinctive chemical composition (including oxygen or hydrogen content, etc.), morphology, crystal structure (including interplanar spacing), and structural characteristics (eg, degree of orientation, very few defects, chemical bonding, and graphene- Due to the absence of gaps between like sheets, and virtually no breaks along the hexagonal planar direction), HA-derived foams exhibit a unique combination of remarkable thermal conductivity, electrical conductivity, mechanical strength, and stiffness (elastic modulus). have

열 관리 응용thermal management applications

상기 언급된 특징 및 특성은 일체형 HA-유도 폼을 폭넓은 엔지니어링 및 생의학 응용을 위한 이상적인 요소가 되게 한다. 예를 들어, 열 관리만을 목적으로 하는 경우, 폼은 하기 응용에 사용될 수 있다:The above mentioned features and properties make integral HA-derived foams an ideal component for a wide range of engineering and biomedical applications. For example, for thermal management only purposes, the foam can be used in the following applications:

a) 압축가능하고 높은 열 전도도를 갖는 HA-유도 폼이 열원과 열 확산기 사이 또는 열원과 히트 싱크 사이에서 구현될 수 있는 열 계면 재료(TIM)로서 사용하기에 이상적으로 적합하다.a) HA-derived foams that are compressible and have high thermal conductivity are ideally suited for use as a thermal interface material (TIM) that can be implemented between a heat source and a heat spreader or between a heat source and a heat sink.

b) HA-유도 폼은 이의 높은 열 전도도로 인해 열 확산기 자체로 사용될 수 있다.b) HA-derived foam can be used as a heat spreader itself due to its high thermal conductivity.

c) HA-유도 폼은 이의 높은 열-확산 능력(높은 열 전도도) 및 높은 열-방산 능력(다수의 표면 기공이 거대한 공기-대류 마이크로 또는 나노 채널을 유도함)으로 인해 히트 싱크 또는 열 방산 재료로서 사용될 수 있다.c) HA-derived foam as a heat sink or heat dissipation material due to its high heat-diffusion ability (high thermal conductivity) and high heat-dissipation ability (many surface pores lead to huge air-convection micro- or nano-channels) can be used

d) 경량(0.001 내지 1.8 g/cm3 사이에서 조정가능한 저밀도), 비중의 단위당 또는 물리적 밀도의 단위당 높은 열 전도도, 및 높은 구조적 완전성(HA 시트들이 함께 병합되어 긴 전자-전도성 경로를 형성함)은 이러한 HA-유도 폼이 내구적인 열 교환기를 위한 이상적인 재료가 되게 한다.d) light weight (low density adjustable between 0.001 and 1.8 g/cm 3 ), high thermal conductivity per unit of specific gravity or per unit of physical density, and high structural integrity (HA sheets are merged together to form long electron-conducting pathways) makes these HA-derived foams ideal materials for durable heat exchangers.

HA-유도 폼-기반 열 관리 또는 열 방산 장치는 열 교환기, 히트 싱크(예를 들어, 핀부착 히트 싱크), 히트 파이프, 고전도도 삽입물, 박형 또는 후형(thick) 전도성 플레이트(히트 싱크와 열원 사이), 열 계면 매체(또는 열 계면 재료, TIM), 열전 또는 펠티에 냉각 플레이트 등을 포함한다.HA-derived foam-based thermal management or heat dissipation devices include heat exchangers, heat sinks (e.g., finned heat sinks), heat pipes, high-conductivity inserts, thin or thick conductive plates (heat sinks and heat sources). between), thermal interface media (or thermal interface materials, TIMs), thermoelectric or Peltier cooling plates, and the like.

열 교환기는 하나 이상의 유체 사이에서 열을 전달하는 데 사용되는 장치이며; 예를 들어, 가스 및 액체가 상이한 채널들 내에서 별개로 유동한다. 유체들은 전형적으로 고체 벽에 의해 분리되어 혼합을 방지한다. 본 발명의 HA-유도 폼 재료는, 폼이 유체들의 혼합을 허용하는 완전한 개방셀 폼이 아니라면, 그러한 벽을 위한 이상적인 재료이다. 본 발명의 방법은 개방셀 폼 구조 및 폐쇄셀 폼 구조 둘 모두의 생성을 가능하게 한다. 높은 표면 기공 면적은 2개 또는 다수의 유체들 사이의 매우 신속한 열 교환을 가능하게 한다.A heat exchanger is a device used to transfer heat between one or more fluids; For example, gas and liquid flow separately in different channels. Fluids are typically separated by solid walls to prevent mixing. The HA-derived foam material of the present invention is an ideal material for such a wall, unless the foam is a fully open cell foam allowing the mixing of fluids. The method of the present invention enables the creation of both open cell foam structures and closed cell foam structures. A high surface pore area enables very rapid heat exchange between two or multiple fluids.

열 교환기는 냉장 시스템, 공조 유닛, 히터, 발전소, 화학 공장, 석유화학 공장, 석유 정제, 천연-가스 가공, 및 오수 처리에 널리 사용된다. 열 교환기의 잘 알려진 예는 내연 기관에서 발견되는데, 여기서는 순환 엔진 냉각제가 라디에이터 코일을 통해 유동하며, 이 동안에 공기가 코일을 지나서 유동하고, 이는 냉각제를 냉각시키고, 유입하는 공기를 가열한다. 고체 벽(예를 들어, 라디에이터 코일을 구성하는 것)은 통상적으로 높은 열 전도도 재료, 예컨대 Cu 및 Al로 제조된다. 더 높은 열 전도도 또는 더 높은 비표면적을 갖는 본 발명의 HA-유도 폼은, 예를 들어 Cu 및 Al의 월등한 대체물이다.Heat exchangers are widely used in refrigeration systems, air conditioning units, heaters, power plants, chemical plants, petrochemical plants, petroleum refineries, natural-gas processing, and sewage treatment. A well-known example of a heat exchanger is found in internal combustion engines, where circulating engine coolant flows through radiator coils while air flows past the coils, which cools the coolant and heats the incoming air. The solid walls (eg those that make up the radiator coils) are typically made of high thermal conductivity materials such as Cu and Al. HA-derived foams of the present invention with higher thermal conductivity or higher specific surface area are excellent replacements for Cu and Al, for example.

구매가능한 많은 유형의 열 교환기가 있다: 셸 앤드 튜브 열 교환기(shell and tube heat exchanger), 플레이트 열 교환기(plate heat exchanger), 플레이트 앤드 셸 열 교환기(plate and shell heat exchanger), 단열 휠 열 교환기(adiabatic wheel heat exchanger), 플레이트 핀 열 교환기(plate fin heat exchanger), 필로우 플레이트 열 교환기(pillow plate heat exchanger), 유체 열 교환기, 폐열 회수 유닛, 다이나믹 스크레이프 표면 열 교환기(dynamic scraped surface heat exchanger), 상변화 열 교환기, 직접 접촉 열 교환기, 및 마이크로채널 열 교환기. 이들 유형의 열 교환기 모두는 본 발명의 폼 재료의 이례적인 높은 열 전도도 및 비표면적을 이용할 수 있다.There are many types of heat exchangers available commercially: shell and tube heat exchanger, plate heat exchanger, plate and shell heat exchanger, adiabatic wheel heat exchanger ( adiabatic wheel heat exchanger), plate fin heat exchanger, pillow plate heat exchanger, fluid heat exchanger, waste heat recovery unit, dynamic scraped surface heat exchanger, Phase change heat exchangers, direct contact heat exchangers, and microchannel heat exchangers. All of these types of heat exchangers can take advantage of the exceptionally high thermal conductivity and specific surface area of the foam material of the present invention.

본 발명의 고체 HA-유도 폼은 또한 히트 싱크에서 사용될 수 있다. 히트 싱크는 열 방산 목적으로 전자 디바이스에 널리 사용된다. 휴대용 마이크로전자 디바이스(예컨대, 노트북 컴퓨터, 태블릿, 및 스마트 폰)에서의 중앙 처리 장치(CPU) 및 배터리는 잘 알려진 열원이다. 전형적으로, 금속 또는 흑연 물체(예를 들어, Cu 포일 또는 흑연 포일)이 고온 표면과 접촉되게 되고, 이러한 물체는 열을 (주로 전도 및 대류에 의해 그리고 더 적은 정도로는 복사에 의해) 외측 표면 또는 외부 공기로 확산시키는 것을 돕는다. 대부분의 경우에, 박형 열 계면 재료(TIM)는 열원의 고온 표면과 열 확산기 또는 히트 싱크의 열-확산 표면 사이를 매개한다. (본 발명의 HA-유도 폼은 또한 TIM으로서 사용될 수 있다.)The solid HA-derived foams of the present invention can also be used in heat sinks. Heat sinks are widely used in electronic devices for heat dissipation purposes. Central processing units (CPUs) and batteries in portable microelectronic devices (eg, notebook computers, tablets, and smart phones) are well-known sources of heat. Typically, a metal or graphite object (eg Cu foil or graphite foil) is brought into contact with a hot surface, and such object transfers heat (mainly by conduction and convection and to a lesser extent by radiation) to an outer surface or It helps diffuse into the outside air. In most cases, a thin thermal interface material (TIM) mediates between the hot surface of the heat source and the heat-spreading surface of the heat spreader or heat sink. (The HA-derived foam of the present invention can also be used as a TIM.)

히트 싱크는, 냉각시키고자 하는 구성요소들과의 우수한 열 접촉을 보장하기 위하여 하나 이상의 편평한 표면을 갖는 고전도도 재료 구조물, 및 공기와의 표면 접촉, 및 이에 따른 열 방산 속도를 증가시키기 위한 콤(comb) 또는 핀(fin) 유사 돌출부들의 어레이로 통상 이루어진다. 히트 싱크는 팬과 함께 사용되어 히크 싱크 위로의 기류의 속도를 증가시킬 수 있다. 히트 싱크는 열 전달을 개선하기 위하여 다수의 핀(연장되거나 돌출된 표면)을 가질 수 있다. 제한된 양의 공간을 갖는 전자 디바이스에서, 핀들의 형상/배열은 열 전달 밀도가 최대가 되도록 최적화되어야 한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 공동(cavity)(역전된 핀)이 인접한 핀들 사이에 형성된 영역 내에 매설될 수 있다. 이들 공동은 다양한 열 발생 몸체로부터 히트 싱크로 열을 추출하는 데 효과적이다.A heat sink is a structure of highly conductive material having one or more flat surfaces to ensure good thermal contact with the components to be cooled, and a comb to increase the surface contact with air and thus the rate of heat dissipation. It usually consists of an array of comb or fin-like protrusions. A heat sink may be used in conjunction with a fan to increase the speed of airflow over the heat sink. Heat sinks may have multiple fins (extended or raised surfaces) to improve heat transfer. In an electronic device with a limited amount of space, the shape/arrangement of fins must be optimized to maximize heat transfer density. Alternatively or additionally, a cavity (inverted fin) may be embedded in the region formed between adjacent fins. These cavities are effective in extracting heat from the various heat generating bodies to the heat sink.

전형적으로, 일체화된 히트 싱크는 열 수집 부재(코어 또는 베이스) 및 열 수집 부재(베이스)에 일체화된 적어도 하나의 열 방산 부재(예를 들어, 핀 또는 다수의 핀)를 포함하여 핀부착 히트 싱크를 형성한다. 핀을 코어에 연결하기 위하여 외부적으로 적용되는 접착제 또는 기계적 체결 수단을 사용하지 않고서, 핀과 코어는 함께 자연스럽게 연결되거나 일체화되어 통합된 몸체를 형성한다. 열 수집 베이스는 열원(예를 들어, LED)과 열 접촉 상태에 있는 표면을 갖고, 이러한 열원으로부터 열을 수집하고, 핀을 통해 공기 중으로 열을 방산한다.Typically, an integrated heat sink includes a heat collection member (core or base) and at least one heat dissipation member (eg, fin or plurality of fins) integral to the heat collection member (base) to be a finned heat sink. form Without the use of externally applied adhesives or mechanical fastening means to connect the pins to the core, the pins and cores are naturally connected or integrated together to form an integrated body. The heat collection base has a surface in thermal contact with a heat source (eg, an LED), collects heat from this heat source, and dissipates the heat through fins into the air.

예시적인 예로서, 도 10은 2가지 히트 싱크(300, 302)의 개략도를 제공한다. 첫 번째 것은 열 수집 부재(또는 베이스 부재)(304) 및 베이스 부재(304)에 연결된 다수의 핀 또는 열 방산 부재(예를 들어, 핀(306))를 수용하고 있다. 베이스 부재(304)는 열원과 열 접촉 상태에 있도록 의도된 열 수집 표면(314)을 갖는 것으로 도시되어 있다. 열 방산 부재 또는 핀(306)은 적어도 열 방산 표면(320)을 갖는 것으로 도시되어 있다.As an illustrative example, FIG. 10 provides schematic diagrams of two heat sinks 300 and 302 . The first one houses a heat collecting member (or base member) 304 and a number of fins or heat dissipating members (eg, fins 306 ) connected to the base member 304 . Base member 304 is shown having a heat collection surface 314 intended to be in thermal contact with a heat source. A heat dissipating member or fin 306 is shown having at least a heat dissipating surface 320 .

특히 유용한 구현예는 하기를 포함하는 방사상 핀부착 히트 싱크 조립체를 포함하는 일체형 방사상 히트 싱크(302)이다: (a) 열 수집 표면(318)을 포함하는 베이스(308); 및 (b) 베이스(308)에 의해 지지되거나 이와 일체로 된 복수의 이격된 평행 평면 핀 부재(예를 들어, 2개의 예로서 310, 312)(여기서, 평면 핀 부재(예를 들어, 310)는 적어도 하나의 열 방산 표면(322)을 포함함). 다수의 평행 평면 핀 부재는 바람직하게는 동일하게 이격되어 있다.A particularly useful embodiment is an integral radial heat sink 302 comprising a radially finned heat sink assembly comprising: (a) a base 308 comprising a heat collection surface 318 ; and (b) a plurality of spaced apart parallel planar fin members (eg, 310 , 312 , as two examples) supported by or integral with base 308 , wherein planar fin members (eg 310 ) includes at least one heat dissipating surface ( 322 ). The plurality of parallel plane fin members are preferably equally spaced.

고도로 탄성이고 탄력있는 본 발명의 HA-유도 폼은 그 자체가 우수한 열 계면 재료이고 마찬가지로 매우 효과적인 열 확산 요소이다. 게다가, 이러한 고전도도 폼은 또한 전자 냉각을 위한 그리고 소형 칩으로부터의 히트 싱크로의 열 제거를 향상시키기 위한 삽입물로서 사용될 수 있다. 고전도도 재료에 의해 점유된 공간은 주요 관심사이기 때문에, 열 발생 몸체 내로 매설될 수 있는 고전도도 경로를 사용하는 것이 더 효율적인 설계이다. 본 명세서에 개시된 탄성이고 고전도성인 고체 그래핀 폼은 이들 요건을 완전히 만족시킨다.The HA-derived foam of the present invention, which is highly resilient and resilient, is itself an excellent thermal interface material and likewise a very effective heat spreading element. Additionally, these highly conductive foams can also be used as inserts for electronic cooling and to enhance heat removal from small chips to heat sinks. Since the space occupied by the high-conductivity material is a major concern, it is a more efficient design to use a high-conductivity pathway that can be embedded into the heat generating body. The elastic and highly conductive solid graphene foam disclosed herein fully meets these requirements.

높은 탄성 및 높은 열 전도도는, 본 발명의 고체 HA-유도 폼이, 냉각 성능을 개선하기 위해 열원과 저온 유동 유체(또는 임의의 다른 히트 싱크) 사이에 열 전달 계면으로서 배치되기에 우수한 전도성의 후형 플레이트가 되게 한다. 그러한 배열에서, 열원은 냉각 유체와 직접 접촉 상태에서 냉각되는 대신에 후형 HA-유도 폼 플레이트 하에서 냉각된다. HA-유도 폼의 후형 플레이트는 최적의 방식으로 열류(heat current)를 전도함으로써 열원과 냉각 유체 사이의 열 전달을 상당히 개선할 수 있다. 추가의 펌핑 파워(pumping power) 및 여분의 열 전달 표면 면적이 요구되지 않는다.The high elasticity and high thermal conductivity make the solid HA-derived foam of the present invention an excellent conductive thick layer for placement as a heat transfer interface between a heat source and a cold-flowing fluid (or any other heat sink) to improve cooling performance. make it a plate In such an arrangement, the heat source is cooled under a thick HA-derived foam plate instead of being cooled in direct contact with the cooling fluid. A thick plate of HA-derived foam can significantly improve the heat transfer between the heat source and the cooling fluid by conducting the heat current in an optimal way. No additional pumping power and no extra heat transfer surface area is required.

HA-유도 폼은 또한 히트 파이프를 구성하기에 뛰어난 재료이다. 히트 파이프는, 2상 작동 유체 또는 냉각제의 증발 및 응축을 사용하여, 고온 계면과 저온 계면 사이의 온도에 있어서의 매우 작은 차이로 대량의 열을 수송하는 열 전달 디바이스이다. 통상적인 히트 파이프는 열 전도성 금속, 예컨대 Cu 또는 Al로 제조된 밀봉된 중공 튜브, 및 증발기로부터의 작동 유체를 응축기로 복귀시키는 위크(wick)로 이루어진다. 파이프는 작동 유체(예컨대 물, 메탄올 또는 암모니아)의 포화 액체 및 증기 둘 모두를 수용하고 있으며, 모든 다른 가스는 배제된다. 그러나, Cu 및 Al 둘 모두는 산화 또는 부식이 일어나기 쉬우며, 이에 따라, 이들의 성능은 시간 경과에 따라 비교적 빠르게 저하된다. 대조적으로, HA-유도 폼은 화학적으로 불활성이고, 이러한 산화 또는 부식 문제를 갖지 않는다. 전자장치의 열 관리를 위한 히트 파이프는 폼 외피(foam envelope) 및 위크를 가질 수 있으며, 이때 물이 작동 유체로서 사용된다. 히트 파이프가 물의 빙점보다 낮은 온도에서 작동될 필요가 있는 경우에는 HA-유도 폼/메탄올이 사용될 수 있고, 공간에서의 전자장치 냉각에는 HA-유도 폼/암모니아 히트 파이프가 사용될 수 있다.HA-derived foam is also an excellent material for constructing heat pipes. A heat pipe is a heat transfer device that uses the evaporation and condensation of a two-phase working fluid or coolant to transport large amounts of heat with a very small difference in temperature between a hot interface and a cold interface. A typical heat pipe consists of a sealed hollow tube made of a thermally conductive metal, such as Cu or Al, and a wick that returns the working fluid from the evaporator to the condenser. The pipe contains both vapor and a saturated liquid of the working fluid (eg water, methanol or ammonia), all other gases being excluded. However, both Cu and Al are prone to oxidation or corrosion, and thus their performance degrades relatively quickly over time. In contrast, HA-derived foams are chemically inert and do not have these oxidation or corrosion problems. A heat pipe for thermal management of an electronic device may have a foam envelope and a wick, wherein water is used as a working fluid. HA-derived foam/methanol can be used if the heat pipe needs to operate at temperatures below the freezing point of water, and HA-derived foam/ammonia heat pipes can be used for cooling electronics in space.

펠티에 냉각 플레이트는 전류를 인가함으로써 2개의 상이한 전기 전도체의 접합부 사이에 열 플럭스를 생성하도록 펠티에 효과로 작동된다. 이러한 효과는 전자 구성요소 및 소형 기기를 냉각시키는 데 일반적으로 사용된다. 실제로, 다수의 그러한 접합부는 필요한 가열 또는 냉각의 양에 대해 효과를 증가시키도록 직렬로 배열될 수 있다. HA-유도 폼은 열 전달 효율을 개선하기 위해 사용될 수 있다.Peltier cooling plates operate in the Peltier effect to create a heat flux between the junctions of two dissimilar electrical conductors by applying an electrical current. This effect is commonly used to cool electronic components and small appliances. In practice, multiple such junctions can be arranged in series to increase the effect on the amount of heating or cooling required. HA-derived foams can be used to improve heat transfer efficiency.

여과 및 유체 흡수 응용Filtration and fluid absorption applications

HA-유도 폼은 미시적 기공(2 nm 미만) 또는 기공 크기가 2 nm 내지 50 nm인 메소규모 기공을 함유하도록 제조될 수 있다. HA-유도 폼은 또한 마이크로규모 기공(1 내지 500 μm)을 함유하도록 제조될 수 있다. 충분히 제어된 기공 크기에만 기초하여, 본 HA-유도 폼은 공기 또는 물 여과를 위한 이례적인 필터 재료일 수 있다.HA-derived foams can be prepared to contain microscopic pores (less than 2 nm) or mesoscale pores with a pore size of 2 nm to 50 nm. HA-derived foams can also be made to contain microscale pores (1 to 500 μm). Based solely on sufficiently controlled pore size, the present HA-derived foam may be an exceptional filter material for air or water filtration.

또한, 부식산(HA) 기공벽 화학은 (예를 들어, 폼 중의 O, F, N, H 등의 백분율에 의해 반영된 바와 같이) 기공벽에 상이한 양 및/또는 유형의 작용기를 부여하도록 제어될 수 있다. 다시 말하면, 내부 구조의 상이한 부위에서의 기공 크기 및 화학적 작용기 둘 모두의 병행적 또는 독립적 제어는 많은 예기치 않은 특성, 상승적 효과, 및 상호 배타적인 것으로 통상 고려되는 특성들의 어떠한 특유의 조합(예를 들어, 구조물의 일부 부분은 소수성이고 다른 부분은 친수성이거나; 또는 폼 구조물은 소수성 및 친유성 둘 모두임)을 나타내는 HA-유도 폼을 설계 및 제조하는 데 있어서의 전례 없는 유연성 또는 최고의 자유도를 제공한다. 표면 또는 재료는, 물이 이러한 재료 또는 표면으로부터 반발되고, 소수성 표면 또는 재료 상에 놓인 물방울이 큰 접촉각을 형성하게 되면, 소수성이라고 한다. 표면 또는 재료는, 이것이 오일에 대해 강한 친화성을 갖고 물에 대해서는 그렇지 않으면 친유성이라고 한다. 본 방법은 소수성, 친수성, 및 친유성에 대한 정밀한 제어를 가능하게 한다.In addition, the humic acid (HA) pore wall chemistry can be controlled to impart different amounts and/or types of functional groups to the pore walls (e.g., as reflected by the percentages of O, F, N, H, etc. in the foam). can In other words, the parallel or independent control of both pore size and chemical functionality at different sites of the internal structure has many unexpected properties, synergistic effects, and any unique combination of properties normally considered mutually exclusive (e.g. , providing unprecedented flexibility or ultimate freedom in designing and manufacturing HA-derived foams that exhibit some portions of the structure being hydrophobic and others being hydrophilic; or the foam structure being both hydrophobic and lipophilic. A surface or material is said to be hydrophobic if water is repelled from the material or surface and water droplets lying on the hydrophobic surface or material form a large contact angle. A surface or material is said to be lipophilic if it has a strong affinity for oil and otherwise for water. This method allows precise control over hydrophobicity, hydrophilicity, and lipophilicity.

본 발명은 또한, 오일-흡수 또는 오일-분리 요소로서 본 발명의 HA-유도 폼을 수용하고 있는 오일-제거, 오일-분리, 또는 오일-회수 장치를 제공한다. 용매-흡수 요소로서 HA-유도 폼을 수용하고 있는 용매-제거 또는 용매-분리 장치가 또한 제공된다.The present invention also provides an oil-removing, oil-separating, or oil-recovery device containing the HA-derived foam of the present invention as an oil-absorbing or oil-separating element. A solvent-removal or solvent-separation device containing an HA-derived foam as a solvent-absorbing element is also provided.

오일-흡수 요소로서 본 HA-유도 폼을 사용하는 것의 주요 이점은 이의 구조적 완전성이다. HA 시트들이 화학적으로 병합되고, 이에 따라 높은 구조적 완전성을 갖는다는 개념으로 인해, 얻어진 폼은 반복된 오일 흡수 작업 시에 붕해되지 않을 것이다. 대조적으로, 열수 환원(hydrothermal reduction), 진공-보조 여과, 또는 냉동-건조에 의해 제조된 그래핀-기반 오일-흡수 요소는 2회 또는 3회 동안 오일을 흡수한 후에 붕해된다는 것을 알아내었다. (오일과 최초로 접촉하기 전에 존재한 약한 반데르발스 힘 이외에) 이들 달리 분리된 그래핀 시트들을 함께 유지할 어떠한 것도 없다. 일단 이들 그래핀 시트가 오일에 의해 습윤되면, 이들은 더 이상 오일-흡수 요소의 원래의 형상으로 복귀될 수 없다.A major advantage of using the present HA-derived foam as an oil-absorbing component is its structural integrity. Due to the concept that HA sheets are chemically incorporated and thus have high structural integrity, the resulting foam will not disintegrate upon repeated oil soaking operations. In contrast, it was found that graphene-based oil-absorbing elements prepared by hydrothermal reduction, vacuum-assisted filtration, or freeze-drying disintegrated after absorbing oil for two or three times. There is nothing to hold these otherwise separated graphene sheets together (other than the weak van der Waals forces that existed before initial contact with the oil). Once these graphene sheets are wetted by oil, they can no longer return to the original shape of the oil-absorbing element.

본 기술의 또 다른 주요 이점은 오일-흡수 요소를 설계 및 제조하는 데 있어서, (상당한 팽창 없이) 이의 구조 형상을 여전히 유지하면서 그 자체의 중량의 400배만큼 높은 양까지 오일을 흡수할 수 있는 유연성이다. 이 양은 폼의 비기공부피(specific pore volume)에 좌우되는데, 비기공부피는 원래의 캐리어 중합체 입자의 양과 열처리 전의 HA 분자 또는 시트의 양 사이의 비에 의해 주로 제어될 수 있다.Another major advantage of the present technology is the flexibility in designing and manufacturing the oil-absorbing element to absorb oil in amounts as high as 400 times its own weight while still maintaining its structural shape (without significant swelling). am. This amount depends on the specific pore volume of the foam, which can be mainly controlled by the ratio between the amount of original carrier polymer particles and the amount of HA molecules or sheets before heat treatment.

본 발명은 또한 오일-물 혼합물(예를 들어, 오일-유출된 물 또는 오일 샌드로부터의 폐수)로부터 오일을 분리/회수하는 방법을 제공한다. 본 방법은 하기 단계를 포함한다: (a) 일체형 HA-유도 폼을 포함하는 오일-흡수 요소를 제공하는 단계; (b) 오일-물 혼합물을 요소와 접촉시켜, 혼합물로부터 오일을 흡수하는 단계; 및 (c) 혼합물로부터 오일-흡수 요소를 재처리하고 요소로부터 오일을 추출하는 단계. 바람직하게는, 본 방법은 (d) 요소를 재사용하는 단계인 추가의 단계를 포함한다.The present invention also provides a method for separating/recovering oil from an oil-water mixture (eg, oil-spill water or wastewater from oil sands). The method includes the following steps: (a) providing an oil-absorbing element comprising integral HA-derived foam; (b) contacting the oil-water mixture with urea to absorb oil from the mixture; and (c) reprocessing the oil-absorbing component from the mixture and extracting the oil from the component. Preferably, the method includes the additional step of (d) reusing the element.

추가적으로, 본 발명은 용매-물 혼합물로부터 또는 다중-용매 혼합물로부터 유기 용매를 분리하기 위한 방법을 제공한다. 본 방법은 하기 단계를 포함한다: (a) 일체형 HA-유도 폼을 포함하는 유기 용매-흡수 요소를 제공하는 단계; (b) 요소를 유기 용매-물 혼합물 또는 제1 용매 및 적어도 제2 용매를 함유하는 다중-용매 혼합물과 접촉시키는 단계; (c) 이 요소가 혼합물로부터 유기 용매를 흡수할 수 있게 하거나 적어도 제2 용매로부터 제1 용매를 흡수할 수 있게 하는 단계; 및 (d) 혼합물로부터 요소를 재처리하고 요소로부터 유기 용매 또는 제1 용매를 추출하는 단계. 바람직하게는, 본 방법은 (e) 용매-흡수 요소를 재사용하는 단계인 추가의 단계를 포함한다.Additionally, the present invention provides methods for separating organic solvents from solvent-water mixtures or from multi-solvent mixtures. The method includes the following steps: (a) providing an organic solvent-absorbing element comprising an integral HA-derived foam; (b) contacting the urea with an organic solvent-water mixture or a multi-solvent mixture containing a first solvent and at least a second solvent; (c) enabling the element to absorb an organic solvent from the mixture or at least a first solvent from a second solvent; and (d) reprocessing the urea from the mixture and extracting the organic solvent or first solvent from the urea. Preferably, the method includes the additional step of (e) reusing the solvent-absorbing element.

도 1은 천연 흑연 입자로부터 그래핀 시트를 생성하기 위한 공정을 예시하는 개략도이다.
도 2는 부식산 분자들 사이 및 "연결된 HA 분자들" 사이의 화학적 연결 및 병합의 가능한 메커니즘이다. 2개 또는 3개의 원래의 HA 분자들은 함께 화학적으로 연결되어 "연결된 HA 분자"로 불리는 더 긴 또는 더 넓은 HA 분자를 형성할 수 있다. 다수의 "연결된 HA 분자"는 병합되어 그래핀-유사 육각형 탄소 원자 평면을 형성할 수 있다.
도 3a는 본 발명의 공정에 의해 생성된 HA-유도 폼, 메소상 피치-유도된 흑연 폼, 및 Ni 폼-주형 보조된 CVD 그래핀 폼의 비중에 대한 열 전도도 값이다.
도 3b는 HA-유도 폼, 희생 플라스틱 비드-주형화된 GO 폼, 및 열수 환원된 GO 그래핀 폼의 열 전도도 값이다.
도 4는 본 발명의 공정에 의해 생성된 HA-유도 폼 및 열수 환원된 GO 그래핀 폼의 전기 전도도 데이터이다.
도 5는 HA 및 불소화된 HA로부터 유도된 폼 샘플의 열 전도도 값을 비중의 함수로서 도표로 나타낸 것이다.
도 6은 최종(최대) 열처리 온도의 함수로서의 HA 및 프리스틴 그래핀으로부터 유도된 폼 샘플의 열 전도도 값이다.
도 7은 HA-유도 폼의 그램당 흡수된 오일의 양을, 다공도 수준이 대략 98%인 폼 내의 산소 함량의 함수로서 도표로 나타낸 것이다(오일-물 혼합물로부터의 오일 분리).
도 8은 일체형 HA-유도 폼의 그램당 흡수된 오일의 양을 (동일 산소 함량을 가정하여) 다공도 수준의 함수로서 도표로 나타낸 것이다.
도 9는 클로로포름-물 혼합물로부터 흡수된 클로로포름의 양을 불소화도(degree of fluorination)의 함수로서 도표로 나타낸 것이다.
도 10은 히트 싱크 구조물(2개의 실시예)의 개략도이다.
1 is a schematic diagram illustrating a process for producing graphene sheets from natural graphite particles.
Figure 2 is a possible mechanism of chemical linkage and coalescence between humic acid molecules and between "linked HA molecules". Two or three original HA molecules can be chemically linked together to form a longer or wider HA molecule called a “linked HA molecule”. Multiple "linked HA molecules" can merge to form graphene-like hexagonal carbon atom planes.
Figure 3a is a thermal conductivity value versus specific gravity of HA-derived foam, mesophase pitch-derived graphite foam, and Ni foam-cast assisted CVD graphene foam produced by the process of the present invention.
Figure 3b is the thermal conductivity values of HA-derived foam, sacrificial plastic bead-templated GO foam, and hydrothermal reduced GO graphene foam.
4 is electrical conductivity data of HA-derived foam and hydrothermal reduced GO graphene foam produced by the process of the present invention.
5 graphically plots the thermal conductivity values of foam samples derived from HA and fluorinated HA as a function of specific gravity.
6 is the thermal conductivity values of foam samples derived from HA and pristine graphene as a function of final (maximum) heat treatment temperature.
Figure 7 plots the amount of oil absorbed per gram of HA-derived foam as a function of oxygen content in the foam at a porosity level of approximately 98% (separation of oil from oil-water mixture).
8 plots the amount of oil absorbed per gram of monolithic HA-derived foam as a function of porosity level (assuming equal oxygen content).
Figure 9 graphically plots the amount of chloroform absorbed from a chloroform-water mixture as a function of degree of fluorination.
10 is a schematic diagram of a heat sink structure (two embodiments).

하기 실시예는 본 발명을 실시하는 최상의 모드에 대한 일부 구체적인 세부사항을 예시하는 데 사용되며, 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.The following examples are used to illustrate some specific details of the best mode of practicing the invention and should not be construed as limiting the scope of the invention.

실시예 1: 연갈탄으로부터의 부식산 및 환원된 부식산 Example 1: Humic acid from soft coal and reduced humic acid

연갈탄을 염기성 수용액(pH 10) 중에 분산시킴으로써 (75% 범위의) 매우 높은 수율로 연갈탄으로부터 부식산이 추출될 수 있다. 이 용액의 후속 산성화는 부식산 분말의 침전으로 이어진다. 실험에서는, 자석 교반 하에서 1M KOH(또는 NH4OH)를 함유하는 이중 탈이온수(double deionized water) 용액 300 ml로 3 g의 연갈탄을 용해시켰다. pH 값을 10으로 조정하였다. 이어서, 용액을 여과하여 임의의 큰 입자 또는 임의의 잔류 불순물을 제거하였다. 단독으로 또는 발포제의 존재 하에서 HC를 함유하는, 얻어진 부식산 분산물을 유리 기재 상에 캐스팅하여 후속 열처리를 위한 필름의 시리즈를 형성하였다.Humic acid can be extracted from soft brown coal in very high yields (in the range of 75%) by dispersing the soft brown coal in a basic aqueous solution (pH 10). Subsequent acidification of this solution leads to precipitation of humic acid powder. In the experiment, 3 g of soft coal was dissolved in 300 ml of double deionized water solution containing 1 M KOH (or NH 4 OH) under magnetic stirring. The pH value was adjusted to 10. The solution was then filtered to remove any large particles or any residual impurities. The resulting humic acid dispersion, containing HC alone or in the presence of a blowing agent, was cast onto a glass substrate to form a series of films for subsequent heat treatment.

일부 샘플에서는, 화학적 발포제(하이드라조디카르본아미드)를 캐스팅 직전에 현탁액에 첨가하였다. 이어서, 얻어진 현탁액을 독터 블레이드를 사용하여 유리 표면 상에 캐스팅하여 전단 응력을 발휘시켜, HA 분자 배향을 유도하였다. 액체의 제거 후에 얻어진 HA 코팅 필름은 대략 10 nm 내지 500 μm(바람직하게는 그리고 전형적으로는 1 μm 내지 50 μm)로 변동될 수 있는 두께를 갖는다.In some samples, a chemical blowing agent (hydrazodicarbonamide) was added to the suspension just prior to casting. Then, the resulting suspension was cast on a glass surface using a doctor blade to exert shear stress to induce orientation of the HA molecules. The HA coating film obtained after removal of the liquid has a thickness that can vary from approximately 10 nm to 500 μm (preferably and typically 1 μm to 50 μm).

HA 폼 시편을 제조하기 위하여, 이어서 HA 코팅 필름에 열처리를 거쳤는데, 이러한 열처리는 전형적으로 1 내지 8시간 동안 80 내지 350℃의 초기 열 환원 온도에 이어서, 0.5 내지 5시간 동안 1,500 내지 2,850℃의 제2 온도에서의 열-처리를 수반한다. 제1 열처리를 거치는 동안에 코팅 필름 샘플에 압축 응력을 인가하는 것이 필수적이라는 것을 확인하였다는 점이 주목될 수 있다. 이러한 압축 응력은 HA 분자들 또는 시트들 사이에 우수한 접촉을 유지하여, 기공이 형성되고 있는 동안에 HA 분자들 또는 시트들 사이의 화학적 병합 및 연결이 일어날 수 있도록 하는 데 도움이 된 것으로 여겨진다. 그러한 압축 응력 없이, 열-처리된 필름은 전형적으로 과도하게 다공성이며, 아울러 기공벽에서의 구성하는 육각형 탄소 원자 평면이 매우 불량하게 배향되고/위치설정되고, 서로 화학적 병합 및 연결이 불가능할 수 있다. 결과적으로, 그래핀 폼의 열 전도도, 전기 전도도, 및 기계적 강도가 심각하게 손상된다.To prepare the HA foam specimens, the HA coated film was then subjected to heat treatment, which typically includes an initial thermal reduction temperature of 80 to 350 °C for 1 to 8 hours, followed by a heat treatment of 1,500 to 2,850 °C for 0.5 to 5 hours. followed by a heat-treatment at a second temperature. It may be noted that it was confirmed that it was necessary to apply compressive stress to the coated film sample during the first heat treatment. It is believed that this compressive stress helped to maintain good contact between the HA molecules or sheets, allowing chemical merging and linking between the HA molecules or sheets to occur while the pores were being formed. Without such compressive stress, heat-treated films are typically excessively porous, with the constituent hexagonal carbon atom planes in the pore walls being very poorly oriented/positioned and may be unable to chemically merge and link together. As a result, the thermal conductivity, electrical conductivity, and mechanical strength of the graphene foam are severely impaired.

실시예 2: 다양한 발포제 및 기공-형성(버블-생성) 공정 Example 2: Various blowing agents and pore-forming (bubble-creating) processes

플라스틱 가공 분야에서, 화학적 발포제를 분말 또는 펠렛 형태의 플라스틱 펠렛내에 혼합시키고, 더 높은 온도에서 용해시켰다. 발포제 용해를 위한 특이적인 특정 온도 이상에서, 가스상 반응 생성물(대개, 질소 또는 CO2)이 발생되며, 이는 발포제로서 작용한다. 그러나, 액체가 아니고 고체인 화학적 발포제는 그래핀 재료에 용해될 수 없다. 이는 그래핀 재료에 기공 또는 셀을 발생시키기 위해 화학적 발포제를 사용하는 데 문제점을 나타낸다.In the field of plastics processing, chemical blowing agents are mixed into plastic pellets in powder or pellet form and dissolved at higher temperatures. Above a certain temperature specific for dissolution of the blowing agent, gaseous reaction products (usually nitrogen or CO 2 ) are evolved, which act as blowing agents. However, chemical blowing agents that are solid rather than liquid cannot be dissolved in the graphene material. This represents a problem in using chemical blowing agents to create pores or cells in graphene materials.

광범위한 실험 후에, 본 발명자는 실제적으로 임의의 화학적 발포제(예를 들어, 분말 또는 펠렛 형태)가 제1 열처리 온도가 발포 반응을 활성화시키는 데 충분할 때 그래핀의 건조된 층에 기공 또는 버블을 생성시키기 위해 사용될 수 있다는 것을 발견하였다. 화학적 발포제(분말 또는 펠렛)는 현탁액에 제2의 구성성분이 되게 하기 위해 액체 매질 중에 분산될 수 있으며, 이는 습윤층을 형성시키기 위해 고체 지지 기판 상에 증착될 수 있다. 이러한 HA 재료의 습윤층은 이후에, 화학적 발포제를 활성화시키기 위해 건조되고 열처리될 수 있다. 화학적 발포제가 활성화되고 버블이 발생된 후에, 얻어진 발포된 HA 구조는 후속하여 더 높은 열처리 온도가 구조에 적용될 때에도 거의 유지된다. 이는 실제로, 매우 예상치 못한 것이다.After extensive experimentation, the inventors found that virtually any chemical blowing agent (e.g., in powder or pellet form) can be used to create pores or bubbles in the dried layer of graphene when the temperature of the first heat treatment is sufficient to activate the blowing reaction. It was found that it can be used for A chemical blowing agent (powder or pellets) can be dispersed in a liquid medium to become a second component in the suspension, which can be deposited on a solid support substrate to form a wet layer. This wet layer of HA material can then be dried and heat treated to activate the chemical blowing agent. After the chemical blowing agent is activated and bubbles are generated, the resulting foamed HA structure is substantially maintained even when a higher heat treatment temperature is subsequently applied to the structure. This is actually very unexpected.

화학적 포밍제(CFAs)는 열 분해 시에 가스를 방출시키는 유기 또는 무기 화합물일 수 있다. CFAs는 전형적으로 중간- 내지 높은-밀도 폼을 수득하기 위해 사용되고, 종종 낮은-밀도 폼을 수득하기 위해 물리적 발포제와 함께 사용된다. CFAs는 흡열성 또는 발열성 중 어느 하나로서 카테고리화될 수 있는데, 이는 이러한 것에서 일어나는 분해 타입을 지칭하는 것이다. 흡열 타입은 에너지를 흡수하고, 전형적으로 분해 시에 이산화탄소 및 수분을 방출하며, 발열 타입은 에너지를 방출하고, 대개 분해될 때 질소를 발생시킨다. 발열 포밍제에 의한 전체 가스 수율 및 방출되는 가스의 압력은 종종 흡열 타입보다 더 높다. 흡열성 CFAs는 일반적으로 130 내지 230℃(266 내지 446℉)의 범위에서 분해하는 것으로 알려져 있으며, 더욱 일반적인 발열 포밍제 중 일부는 대략 200℃(392℉)에서 분해한다. 그러나, 대부분의 발열성 CFAs의 분해 범위는 특정 화합물의 첨가에 의해 감소될 수 있다. CFAs의 활성화(분해) 온도는 이러한 열처리 온도 범위에 속한다. 적합한 화학적 발포제의 예는 소듐 바이카르보네이트(베이킹 소다), 하이드라진, 하이드라지드, 아조디카본아미드(발열성 화학적 발포제), 니트로소 화합물(예를 들어, N,N-디니트로소 펜타메틸렌 테트라민), 하이드라진 유도체(예를 들어, 4,4'-옥시비스(벤젠설포닐 하이드라지드) 및 하이드라조 디카본아미드), 및 탄산수소(예를 들어, 탄산수소나트륨)을 포함한다. 이러한 것은 모두 플라스틱 산업에서 상업적으로 입수 가능하다.Chemical foaming agents (CFAs) can be organic or inorganic compounds that release gases upon thermal decomposition. CFAs are typically used to obtain medium- to high-density foams, and are often used in conjunction with physical blowing agents to obtain low-density foams. CFAs can be categorized as either endothermic or exothermic, which refers to the type of degradation that occurs in them. The endothermic type absorbs energy and typically releases carbon dioxide and moisture upon decomposition, while the exothermic type releases energy and usually releases nitrogen upon decomposition. The total gas yield and the pressure of the released gas with the exothermic foaming agent are often higher than with the endothermic type. Endothermic CFAs are known to decompose generally in the range of 130 to 230°C (266 to 446°F), and some of the more common exothermic foaming agents decompose at approximately 200°C (392°F). However, the extent of degradation of most pyrogenic CFAs can be reduced by the addition of certain compounds. The activation (decomposition) temperature of CFAs falls within this heat treatment temperature range. Examples of suitable chemical blowing agents are sodium bicarbonate (baking soda), hydrazine, hydrazide, azodicarbonamide (exothermic chemical blowing agent), nitroso compounds (e.g. N,N-dinitroso pentamethylene tetramine), hydrazine derivatives (eg 4,4'-oxybis(benzenesulfonyl hydrazide) and hydrazo dicarbonamide), and hydrogen carbonate (eg sodium hydrogen carbonate). All of these are commercially available in the plastics industry.

발포된 플라스틱의 생산에서, 물리적 발포제는 폼 압출 또는 사출 성형 발포 동안 플라스틱 용융물에 계량되거나, 폴리우레탄 발포 동안 전구체 물질들 중 하나에 공급된다. 이전에는, 물리적 발포제가 고체 상태인(용융물이 아님) HA 재료에서 기공을 생성시키기 위해 사용될 수 있다는 것이 알려지지 않았다. 본 발명자는 놀랍게도, 물리적 발포제(예를 들어, CO2 또는 N2)가 지지 기판 상에 코팅되거나 캐스팅되기 전에 HA 현탁액의 스트림내에 주입될 수 있다는 것을 관찰하였다. 이는, 액체 매질(예를 들어, 물 및/또는 알코올)이 제거될 때에도 발포된 구조를 야기시킬 것이다. 그래핀 재료의 건조된 층은 액체 제거 및 후속 열처리 동안 조절된 양의 기공 또는 버블을 유지시킬 수 있다.In the production of foamed plastics, physical blowing agents are metered into the plastic melt during foam extrusion or injection molding foaming, or supplied to one of the precursor materials during polyurethane foaming. Previously, it was not known that physical blowing agents could be used to create pores in solid state (not melt) HA materials. The inventors have surprisingly observed that a physical blowing agent (eg, CO 2 or N 2 ) can be injected into the stream of HA suspension before being coated or cast onto a supporting substrate. This will result in a foamed structure even when the liquid medium (eg water and/or alcohol) is removed. The dried layer of graphene material can retain a controlled amount of pores or bubbles during liquid removal and subsequent thermal treatment.

기술적으로 실행 가능한 발포제는 이산화탄소(CO2), 질소(N2), 이소부탄(C4H10), 사이클로펜탄(C5H10), 이소펜탄(C5H12), CFC-11(CFCI3), HCFC-22(CHF2CI), HCFC-142b(CF2CICH3), 및 HCFC-134a(CH2FCF3)를 포함한다. 그러나, 발포제를 선택함에 있어서, 환경 안전성은 고려하는 데 중요한 인자이다. 몬트리올 프로토콜(Montreal Protocol) 및 중대한 합의에 대한 이의 영향은 폼의 생산업체에게 큰 도전이 된다. 이전에 적용된 클로로플루오로카본의 효과적인 성질 및 취급 용이성에도 불구하고, 이의 오존 파괴 지수(ozone depletion potential; ODP)로 인해 이를 금지하는 전 세계적인 합의가 존재하였다. 일부 할로겐화된 클로로플루오로카본은 또한, 환경적으로 안전하지 않고, 이에 따라, 많은 국가에서 이미 금지되어 있다. 대체물은 탄화수소, 예를 들어, 이소부탄 및 펜탄, 및 CO2 및 질소와 같은 가스이다.Technically viable blowing agents are carbon dioxide (CO 2 ), nitrogen (N 2 ), isobutane (C 4 H 10 ), cyclopentane (C 5 H 10 ), isopentane (C 5 H 12 ), CFC-11 (CFCI) 3 ), HCFC-22 (CHF 2 CI), HCFC-142b (CF 2 CICH 3 ), and HCFC-134a (CH 2 FCF 3 ). However, in selecting a blowing agent, environmental safety is an important factor to consider. Its impact on the Montreal Protocol and critical agreements poses a major challenge to the foam's producers. Despite the previously applied chlorofluorocarbons' effective properties and ease of handling, there is a worldwide consensus to ban them due to their ozone depletion potential (ODP). Some halogenated chlorofluorocarbons are also environmentally unsafe and, as such, have already been banned in many countries. Substitutes are hydrocarbons, such as isobutane and pentane, and gases such as CO 2 and nitrogen.

그러한 규제된 물질을 제외하고, 상기에 인용된 모든 발포제는 본 실험에서 시험되었다. 물리적 발포제 및 화학적 발포제 둘 모두에 대하여, 현탁액내에 도입된 발포제 양은 전형적으로, 0/1.0 내지 1.0/1.0인 발포제-대-HA 재료 중량비율로서 규정된다.Except for those regulated substances, all blowing agents cited above were tested in this experiment. For both physical and chemical blowing agents, the amount of blowing agent introduced into the suspension is typically defined as a blowing agent-to-HA material weight ratio, which is from 0/1.0 to 1.0/1.0.

실시예 3: 석탄으로부터의 부식산의 제조 Example 3: Preparation of humic acid from coal

전형적인 절차에서는, 300 mg의 석탄을 진한 황산(60 ml) 및 질산(20 ml) 중에 현탁시킨 후, 2시간 동안 컵 초음파 처리를 수행하였다. 이어서, 반응물을 교반하고, 유조(oil bath)에서 100 또는 120℃에서 24시간 동안 가열하였다. 용액을 실온까지 냉각시키고, 100 ml의 얼음이 담긴 비커 내로 부은 후, pH 값이 7에 도달할 때까지 NaOH(3M)를 첨가하는 단계를 수행하였다.In a typical procedure, 300 mg of coal was suspended in concentrated sulfuric acid (60 ml) and nitric acid (20 ml) followed by cup sonication for 2 hours. The reaction was then stirred and heated in an oil bath at 100 or 120° C. for 24 hours. The solution was cooled to room temperature, poured into a beaker with 100 ml ice, followed by adding NaOH (3M) until a pH value of 7 was reached.

하나의 실험에서는, 이어서 중성 혼합물을 0.45 mm 폴리테트라플루오로에틸렌 막을 통해 여과하고, 여과액을 1,000 Da 투석 백 중에서 5일 동안 투석하였다. 더 큰 부식산 시트의 경우, 횡류 한외여과(cross-flow ultrafiltration)를 사용하여 1 내지 2시간까지 시간이 단축될 수 있다. 정제 후에, 회전 증발을 사용하여 용액을 농축시켜 고체 부식산 시트를 수득하였다. 이들 부식산 시트 단독 및 발포제와의 이들의 혼합물을 용매(개별적으로 에틸렌 글리콜 및 알코올) 중에 재분산시켜 후속 캐스팅 또는 코팅을 위한 몇몇 분산물 샘플을 수득하였다.In one experiment, the neutral mixture was then filtered through a 0.45 mm polytetrafluoroethylene membrane and the filtrate was dialyzed in a 1,000 Da dialysis bag for 5 days. For larger sheets of humic acid, times can be reduced to 1 to 2 hours using cross-flow ultrafiltration. After purification, the solution was concentrated using rotary evaporation to obtain a solid sheet of humic acid. These humic acid sheets alone and their mixtures with blowing agents were redispersed in solvents (ethylene glycol and alcohol, respectively) to obtain several dispersion samples for subsequent casting or coating.

다양한 양(HA 재료에 대해 1 중량% 내지 30 중량%)의 화학적 발포제(N, N-디니트로소 펜타메틸렌 테트라민 또는 4,4'-옥시비스 (벤젠설포닐 하이드라지드))를 HA 시트를 함유하는 현탁액에 첨가하였다. 이어서, 현탁액을 독터 블레이드를 사용하여 유리 표면 상에 캐스팅하여 전단 응력을 발휘시켜, HA 분자 또는 시트의 배향 및 적절한 위치설정을 유도하였다. 캐스팅 직전에 현탁액내에 도입된 물리적 발포제로서 CO2를 사용하여 제조된 것을 포함하는 수 개의 샘플을 캐스팅하였다. 얻어진 HA 필름은, 액체의 제거 후에, 대략 1 내지 100 ㎛에서 달라질 수 있는 두께를 갖는다.A chemical blowing agent (N, N-dinitroso pentamethylene tetramine or 4,4'-oxybis (benzenesulfonyl hydrazide)) in varying amounts (1% to 30% by weight relative to the HA material) was added to the HA sheet. was added to the suspension containing The suspension was then cast onto a glass surface using a doctor blade to exert shear stress to induce orientation and proper positioning of the HA molecules or sheets. Several samples were cast, including one prepared using CO 2 as a physical blowing agent introduced into the suspension immediately prior to casting. The resulting HA film, after removal of the liquid, has a thickness that can vary from approximately 1 to 100 μm.

HA 필름을 이후에, 1 내지 5시간 동안 80 내지 1,500℃의 초기 (제1) 열적 환원 온도를 포함하는 열처리로 처리하였다. 이러한 제1 열처리는 HA 폼(HTT가 300℃ 미만인 경우) 및 기공벽에서의 육각형 탄소 원자 평면의 큰 시트-유사 HA 분자 또는 도메인의 폼(HTT가 300 내지 1,500℃인 경우)을 발생시켰다. 이어서, 폼 샘플들 중 일부를 1,500 내지 2,850℃의 제2 온도에 노출시켜, 폼 벽에서의 육각형 탄소 원자 평면의 그래핀-유사 도메인이 추가로 완전해질 수 있는지(흑연화되어 더 질서정연해지거나 더 높은 결정도를 가질 수 있는지)를 결정하였다.The HA film was then subjected to a heat treatment comprising an initial (first) thermal reduction temperature of 80 to 1,500° C. for 1 to 5 hours. This first heat treatment gave rise to HA foam (for HTT less than 300°C) and foams of large sheet-like HA molecules or domains of hexagonal carbon atom planes in the pore walls (for HTT of 300 to 1,500°C). Some of the foam samples were then exposed to a second temperature of 1,500 to 2,850° C. to see if the graphene-like domains of the hexagonal carbon atom planes in the foam walls could be further perfected (graphitized to become more ordered or more ordered). whether it can have high crystallinity) was determined.

비교예 3-a: Ni 폼 주형 상에서의 CVD 그래핀 폼 Comparative Example 3-a : CVD graphene foam on Ni foam mold

절차는 하기 공개된 문헌에 개시된 것으로부터 구성되었다: Chen, Z. 등,. "Three-dimensional flexible and conductive interconnected graphene networks grown by chemical vapor deposition," Nat. Mater. 10, 424-428 (2011). 니켈 폼, 즉 상호 연결된 3D 스캐폴드의 니켈을 갖는 다공성 구조를 그래핀 폼의 성장을 위한 주형으로서 선택하였다. 간단하게, CH4를 주변 압력 하, 1,000℃에서 분해시킴으로써 탄소를 니켈 폼내에 도입하고, 이후에, 그래핀 필름을 니켈 폼의 표면 상에 증착하였다. 니켈과 그래핀의 열팽창 계수의 차이로 인하여, 그래핀 필름 상에 잔물결(ripple) 및 주름(wrinkle)이 형성되었다. (별도의) 그래핀 폼을 회수하기 위하여, Ni 프레임은 에칭되어야 한다. 고온 HCl(또는 FeCl3) 용액에 의해 니켈 골격을 에칭시키기 전에, 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA)의 얇은 층을 니켈 에칭 동안 붕괴로부터 그래핀 네트워크를 보호하기 위한 지지체로서 그래핀 필름의 표면 상에 증착하였다. PMMA 층이 고온 아세톤에 의해 조심스럽게 제거된 후에, 깨지기 쉬운 그래핀 폼 샘플을 수득하였다. PMMA 지지층의 사용은 그래핀 폼의 독립형 필름을 제조하는 데 중요하고, PMMA 지지체 층이 없는 경우 단지 심각하게 왜곡되고 변형된 그래핀 폼 샘플을 수득하였다. 이는 환경친화적이지 않고 확장성이 없는 지루한 공정이다.The procedure was adapted from that disclosed in the following published literature: Chen, Z. et al. "Three-dimensional flexible and conductive interconnected graphene networks grown by chemical vapor deposition," Nat. Mater. 10, 424-428 (2011). A nickel foam, i.e., a porous structure with nickel in an interconnected 3D scaffold, was chosen as a template for the growth of the graphene foam. Briefly, carbon was introduced into the nickel foam by decomposing CH 4 at 1,000° C. under ambient pressure, and then a graphene film was deposited on the surface of the nickel foam. Due to the difference in thermal expansion coefficient between nickel and graphene, ripples and wrinkles were formed on the graphene film. To recover the (separate) graphene form, the Ni frame must be etched. Prior to etching the nickel backbone by a hot HCl (or FeCl 3 ) solution, a thin layer of poly(methyl methacrylate) (PMMA) was applied to the surface of the graphene film as a support to protect the graphene network from collapse during nickel etching. deposited on it. After the PMMA layer was carefully removed by hot acetone, a brittle graphene foam sample was obtained. The use of a PMMA support layer is important for preparing free-standing films of graphene foam, and only severely distorted and deformed graphene foam samples were obtained in the absence of the PMMA support layer. This is a tedious process that is neither environmentally friendly nor scalable.

비교예 3-b: 피치-기반 탄소 폼으로부터의 통상적인 흑연 폼 Comparative Example 3-b : Conventional Graphite Foam from Pitch-Based Carbon Foam

피치 분말, 과립, 또는 펠렛을 요망되는 최종 폼 형상을 갖는 알루미늄 모울드에 배치시켰다. Mitsubishi ARA-24 메소상 피치를 사용하였다. 샘플을 1 torr 미만까지 배기시키고, 이후에, 대략 300℃의 온도까지 가열하였다. 이러한 포인트에서, 진공을 질소 블랭켓으로 해제시키고, 이후에, 1,000 psi이하의 압력을 가하였다. 이후에, 시스템의 온도를 800℃까지 상승시켰다. 이를 2℃/분의 속도로 수행하였다. 온도를 적어도 15분 동안 유지시켜 액침을 달성하고, 이후에, 로 전력(furnace power)을 끄고, 대략 2 psi/분의 속도로 압력을 배출시키면서 대략 1.5℃/분의 속도로 실온까지 냉각시켰다. 최종 폼 온도는 630℃ 및 800℃이었다. 냉각 사이클 동안, 압력은 대기 조건까지 점차적으로 방출된다. 폼을 이후에, 질소 블랭켓 하에서 1050℃까지 열처리하고, 이후에, 아르곤 중에서 2500℃ 및 2800℃까지 흑연 도가니에서 별도 진행으로 열처리하였다.Pitch powder, granules, or pellets were placed in an aluminum mold with the desired final foam shape. Mitsubishi ARA-24 mesophase pitch was used. The sample was evacuated to less than 1 torr and then heated to a temperature of approximately 300°C. At this point, the vacuum was broken with a nitrogen blanket, after which a pressure of up to 1,000 psi was applied. Afterwards, the temperature of the system was raised to 800 °C. This was done at a rate of 2°C/min. The temperature was held for at least 15 minutes to achieve immersion, after which the furnace power was turned off and cooled to room temperature at a rate of approximately 1.5° C./minute while releasing the pressure at a rate of approximately 2 psi/minute. Final foam temperatures were 630°C and 800°C. During the cooling cycle, the pressure is gradually released to atmospheric conditions. The foam was then heat treated to 1050° C. under a nitrogen blanket and then to 2500° C. and 2800° C. in argon in separate runs in a graphite crucible.

열 전도도를 측정하기 위해 폼으로부터의 샘플을 시편으로 기계처리하였다. 벌크 열 전도도는 67 W/mK 내지 151 W/mK의 범위이었다. 샘플의 밀도는 0.31 내지 0.61 g/㎤이었다. 중량이 고려될 때, 피치 유도된 폼의 비 열 전도도는 대략 비중 당(또는 물리적 밀도당) 67/0.31 = 216 및 151/0.61 = 247.5 W/mK이다.Samples from the foam were machined into specimens to measure thermal conductivity. Bulk thermal conductivities ranged from 67 W/mK to 151 W/mK. The density of the samples ranged from 0.31 to 0.61 g/cm 3 . When weight is taken into account, the specific thermal conductivity of the pitch derived foam is approximately 67/0.31 = 216 and 151/0.61 = 247.5 W/mK per specific gravity (or per physical density).

0.51 g/㎤의 평균 밀도를 갖는 샘플의 압축 강도는 3.6 MPa인 것으로 측정되었으며, 압축률은 74 MPa인 것으로 측정되었다. 대조적으로, 유사한 물리적 밀도를 갖는 HA-유도 흑연 폼의 압축 강도 및 압축 계수는 각각 5.7 MPa 및 103 MPa이다.The compressive strength of the sample having an average density of 0.51 g/cm 3 was measured to be 3.6 MPa, and the compressibility was measured to be 74 MPa. In contrast, the compressive strength and compressive modulus of HA-derived graphite foams with similar physical densities are 5.7 MPa and 103 MPa, respectively.

도 3a에는 HA-유도 폼, 메소상 피치-유도된 흑연 폼, 및 Ni 폼 주형-보조된 CVD 그래핀 폼의 비중에 대한 열 전도도 값이다. 이러한 데이터는 명확하게 하기 예상치 못한 결과를 입증한다:Figure 3a shows the thermal conductivity values for specific gravity of HA-derived foam, mesophase pitch-derived graphite foam, and Ni foam mold-assisted CVD graphene foam. These data clearly demonstrate the following unexpected results:

1) 본 발명의 공정에 의해 생산된 HA-유도 폼은 동일한 물리적 밀도를 제공하는 경우, 메소상 피치-유도된 흑연 폼 및 Ni 폼 주형-보조된 CVD 그래핀 둘 모두와 비교하여 현저하게 더 높은 열 전도도를 나타낸다.1) HA-derived foams produced by the process of the present invention have significantly higher CVD graphene compared to both mesophase pitch-derived graphite foams and Ni foam template-assisted CVD graphene, given the same physical density. Indicates thermal conductivity.

2) 이는, CVD 그래핀이 본질적으로 프리스틴 그래핀이라는 개념의 관점에서 매우 놀라운 일인데, 프리스틴 그래핀의 경우, 결코 산화에 노출된 적이 없어서, 산소-함유 작용기가 통상적인 열적 또는 화학적 환원 방법을 통해 제거된 후에 고도로 결함을 나타내는(높은 결함 집단 및 이에 따른 낮은 전도도를 갖는) HA-유도 육각형 탄소 원자 평면과 비교하여, 훨씬 더 높은 열 전도도를 나타내었어야 한다. 여기서 생성된 HA-유도 흑연 폼에 대해 관찰된 이러한 이례적으로 높은 열 전도도 값은 매우 놀랄만한 일이다.2) This is very surprising from the point of view of the concept that CVD graphene is essentially pristine graphene, which has never been exposed to oxidation, so that oxygen-containing functional groups can be used for conventional thermal or chemical reduction methods. Compared to HA-derived hexagonal carbon atom planes, which are highly defective (with high defect populations and thus low conductivity) after removal via These exceptionally high thermal conductivity values observed for the HA-derived graphite foam produced here are quite surprising.

3) 동일한 양의 고체 재료를 고려해볼 때, HTT가 1,500℃를 초과하는 HTT에서의 열처리 후의 본 발명의 HA-유도 폼은 본질적으로 가장 큰 전도성을 나타내며, 이는 고수준의 흑연 결정 완전성(더 큰 결정 치수, 더 적은 입계 및 다른 결함, 더 우수한 결정 배향 등)을 반영한다. 이 또한 예기치 않은 것이다.3) Considering the same amount of solid material, the HA-derived foam of the present invention after heat treatment at HTT where the HTT exceeds 1,500 °C exhibits essentially the greatest conductivity, which is due to the high level of graphite crystalline integrity (larger crystalline dimensions, fewer grain boundaries and other defects, better crystal orientation, etc.). This is also unexpected.

4) 본 발명의 HA-유도 폼 및 불소화된 HA-유도 폼의 비전도도 값(도 5)은 비중의 단위당 250 내지 490 W/mK의 값을 나타내지만; 다른 2개의 폼 재료의 것들은 전형적으로 비중의 단위당 250 W/mK 미만이다.4) the specific conductivity values of the HA-derived foam and the fluorinated HA-derived foam of the present invention (FIG. 5) show values of 250 to 490 W/mK per unit of specific gravity; Those of the other two foam materials are typically less than 250 W/mK per unit of specific gravity.

비교예 3-c: 프리스틴 그래핀 폼(0% 산소)의 제조 Comparative Example 3-c : Preparation of pristine graphene foam (0% oxygen)

개별 그래핀 평면들의 전도도를 감소시키도록 작용하는 HA 시트에서의 높은 결함 집단의 가능성을 인식하여, 프리스틴 그래핀 시트(비산화 및 무산소, 비할로겐화 및 무할로겐 등)의 사용이 더 높은 열 전도도를 갖는 그래핀 폼으로 이어질 수 있는지를 연구하기로 결정하였다. 직접 초음파 가공(당업계에 액체상 박리로도 알려짐)을 사용함으로써 프리스틴 그래핀 시트를 생성하였다.Recognizing the potential for high defect populations in the HA sheet that act to reduce the conductivity of the individual graphene planes, the use of pristine graphene sheets (non-oxidized and oxygen-free, non-halogenated and halogen-free, etc.) leads to higher thermal conductivity. It was decided to investigate whether it could lead to a graphene form with Pristine graphene sheets were created by using direct ultrasonic processing (also known in the art as liquid phase exfoliation).

전형적인 절차에서는, 대략 20 μm 이하의 크기로 그라인딩된 5 g의 흑연 플레이크를 (분산제인 DuPont의 Zonyl® FSO를 0.1 중량% 함유하는) 1,000 mL의 탈이온수 중에 분산시켜 현탁액을 수득하였다. 85 W의 초음파 에너지 레벨(Branson S450 초음파기(Ultrasonicator))을 15분 내지 2시간 동안 그래핀 시트의 박리, 분리, 및 크기 감소를 위해 사용하였다. 얻어진 그래핀 시트는, 결코 산화된 적이 없고 무산소이고 비교적 무결함인 프리스틴 그래핀이다. 다른 비탄소 원소는 없다.In a typical procedure, 5 g of graphite flakes ground to a size of approximately 20 μm or less were dispersed in 1,000 mL of deionized water (containing 0.1% by weight of DuPont's Zonyl® FSO as a dispersant) to obtain a suspension. An ultrasonic energy level of 85 W (Branson S450 Ultrasonicator) was used for exfoliation, separation, and size reduction of the graphene sheets for 15 minutes to 2 hours. The resulting graphene sheet is pristine graphene that has never been oxidized, is oxygen-free and relatively defect-free. There are no other non-carbon elements.

다양한 양(그래핀 재료에 대해 1 중량% 내지 30 중량%)의 화학적 발포제(N, N-디니트로소 펜타메틸렌 테트라민 또는 4,4'-옥시비스 (벤젠설포닐 하이드라지드))를 프리스틴 그래핀 시트 및 계면활성제를 함유하는 현탁액에 첨가하였다. 이어서, 현탁액을 유리 표면 상에 캐스팅하였다. 캐스팅 직전에 현탁액 내로 도입된 물리적 발포제로서 CO2를 사용하여 제조된 것을 포함하여, 몇몇 샘플을 캐스팅하였다. 액체의 제거 후에 얻어진 그래핀 필름은 대략 10 내지 100 μm로 변동될 수 있는 두께를 갖는다. 이어서, 그래핀 필름에 80 내지 1,500℃의 온도에서 1 내지 5시간 동안 열 처리를 거쳤으며, 이는 그래핀 폼을 발생시켰다.A chemical blowing agent (N, N-dinitroso pentamethylene tetramine or 4,4'-oxybis (benzenesulfonyl hydrazide)) in various amounts (from 1% to 30% by weight relative to the graphene material) was added to pristine. It was added to the suspension containing graphene sheets and surfactant. The suspension was then cast onto a glass surface. Several samples were cast, including one prepared using CO 2 as a physical blowing agent introduced into the suspension immediately prior to casting. The resulting graphene film after removal of the liquid has a thickness that can vary from approximately 10 to 100 μm. Then, the graphene film was subjected to heat treatment at a temperature of 80 to 1,500 ° C. for 1 to 5 hours, which generated a graphene form.

도 6에서는 HA-유도 폼의 시리즈 및 초기 그래핀 유도된 폼의 시리즈에 대한 열 전도도 데이터가 요약되어 있으며, 둘 모두는 동일한 최종(최대) 열처리 온도에 대해 플롯팅된 것이다. 이러한 데이터는 HA-유도 폼의 열 전도도가 최종 열처리 온도(HTT)에 대해 매우 민감함을 지시한다. 심지어 HTT가 매우 낮을 때에도, 명확하게 일부 타입의 HA 분자 연결 및 병합 또는 결정 완전화 반응은 이미 활성화되었다. 열 전도도는 최종 HTT와 함께 모놀리식으로 증가한다. 대조적으로, 초기 그래핀 폼의 열 전도도는 대략 2,500℃의 최종 HTT에 도달할 때까지 비교적 일정하게 유지하며, 이는 흑연 결정의 재결정화 및 완전화의 개시를 시사하는 것이다. 프리스틴 그래핀에는, HA에서의 -COOH 및 -OH와 같이, 비교적 낮은 HTTs에서 분자들의 화학적 연결을 가능하게 하는 작용기가 없다. 1,250℃ 정도로 낮은 HTT에 대해, HA 분자 및 얻어진 육각형 탄소 원자 평면은 병합되어, 감소된 입계 및 더 적은 수의 전자 수송 경로 중단을 갖는 상당히 더 큰 그래핀-유사 육각형 탄소 시트를 형성할 수 있다. HA-유도 시트가 본질적으로 프리스틴 그래핀보다 더 많은 결함을 나타낼지라도, 본 발명의 공정은 HA 분자가 프리스틴 그래핀 폼을 능가하는 흑연 폼을 형성할 수 있게 한다. 이는 또 다른 예기치 않은 결과이다.Figure 6 summarizes the thermal conductivity data for a series of HA-derived foams and a series of pristine graphene-derived foams, both plotted against the same final (maximum) heat treatment temperature. These data indicate that the thermal conductivity of HA-derived foams is very sensitive to the final heat treatment temperature (HTT). Even when the HTT is very low, apparently some type of HA molecular concatenation and consolidation or crystal perfecting reactions are already activated. The thermal conductivity increases monolithically with the final HTT. In contrast, the thermal conductivity of the pristine graphene foam remains relatively constant until reaching a final HTT of approximately 2,500 °C, indicating the onset of recrystallization and perfecting of the graphite crystals. Pristine graphene lacks functional groups that enable chemical linkage of molecules at relatively low HTTs, such as -COOH and -OH in HA. For HTTs as low as 1,250 °C, the HA molecules and resulting hexagonal carbon atomic planes can coalesce to form significantly larger graphene-like hexagonal carbon sheets with reduced grain boundaries and fewer electron transport path interruptions. Although HA-derived sheets inherently exhibit more defects than pristine graphene, the process of the present invention allows HA molecules to form graphite foams that outperform pristine graphene foams. This is another unexpected result.

비교예 3-d: 천연 흑연으로부터의 산화그래핀(GO) 현탁액 및 열수적으로 환원된 산화그래핀으로부터의 그래핀 폼의 제조 Comparative Example 3-d : Preparation of graphene oxide (GO) suspension from natural graphite and graphene foam from hydrothermally reduced graphene oxide

30℃에서 4:1:0.05의 비의 흑연 박편을 황산, 소듐 니트레이트, 및 포타슘 퍼망가네이트로 이루어진 산화제 액체로 산화시킴으로써 흑연 산화물을 제조하였다. 천연 흑연 박편(14 ㎛의 입자 크기)을 48시간 동안 산화제 혼합물 액체 중에 침지시키고 분산시켰을 때, 현탁액 또는 슬러리는 광학적으로 불투명하고 진한 것으로 보이고 잔류한다. 48시간 후에, 반응하는 매스를 물로 3회 세정하여 pH 값을 적어도 3.0으로 조정하였다. 이후에, 최종 양의 물을 첨가하여 GO-물 현탁액의 시리즈를 제조하였다. 본 발명자는, GO 시트가 3% 초과, 및 전형적으로 5% 내지 15%의 중량 분율을 차지할 때, GO 시트가 액정상을 형성한다는 것을 관찰하였다.Graphite oxide was prepared by oxidizing graphite flakes at 30° C. in a ratio of 4:1:0.05 with an oxidizing agent liquid consisting of sulfuric acid, sodium nitrate, and potassium permanganate. When natural graphite flakes (particle size of 14 μm) are immersed and dispersed in an oxidizer mixture liquid for 48 hours, the suspension or slurry appears and remains optically opaque and thick. After 48 hours, the reaction mass was washed with water three times to adjust the pH value to at least 3.0. Afterwards, a series of GO-water suspensions were prepared by adding a final amount of water. We observed that GO sheets form a liquid crystalline phase when the GO sheets account for a weight fraction greater than 3%, and typically between 5% and 15%.

이어서 자가-조립된 그래핀 하이드로겔(SGH) 샘플을 열수 방법에 의해 제조하였다. 통상적인 절차에서, SGH는 180℃에서 12시간 동안 테플론-라이닝된 오토클레이브에서 시일링된 2 mg/mL의 균질한 산화그래핀(GO) 수성 분산액을 가열함으로써 용이하게 제조될 수 있다. 약 2.6%(중량 기준) 그래핀 시트 및 97.4% 물을 함유한 SGH는 대략 5 Х 10-3 S/cm의 전기 전도도를 갖는다. 1,500℃에서 건조 및 열처리 시에, 얻어진 그래핀 폼은 대략 1.5 Х 10-1 S/cm의 전기 전도도를 나타내는데, 이는 동일한 온도에서 열처리함으로써 생성된 본 발명의 HA-유도 폼의 전기 전도도보다 2배 낮은 것이다.Self-assembled graphene hydrogel (SGH) samples were then prepared by hydrothermal method. In a conventional procedure, SGH can be readily prepared by heating a sealed 2 mg/mL homogenous graphene oxide (GO) aqueous dispersion in a Teflon-lined autoclave at 180° C. for 12 hours. SGH containing about 2.6% (by weight) graphene sheets and 97.4% water has an electrical conductivity of approximately 5 Х 10 -3 S/cm. Upon drying and heat treatment at 1,500 °C, the obtained graphene foam exhibits an electrical conductivity of approximately 1.5 Х 10 -1 S/cm, which is twice that of the HA-derived foam of the present invention produced by heat treatment at the same temperature. it is low

비교예 3-e: 환원된 산화그래핀 폼의 플라스틱 비드 주형-보조 형성 Comparative Example 3-e : Plastic Bead Mold-Assisted Formation of Reduced Graphene Oxide Foam

마크로다공성 버블링된 그래핀 필름(MGF)을 위한 경질 주형-지향 정렬된 어셈블리를 제조하였다. 모노-분산 폴리메틸 메타클리레이트(PMMA) 라텍스 구체를 경질 주형으로서 사용하였다. 상기 비교예 3-d에서 제조된 GO 액정을 PMMA 구체 현탁액과 혼합하였다. 후속 진공 여과를 이후에 수행하여 PMMA 구체 및 GO 시트의 어셈블리를 제조하였으며, GO 시트는 PMMA 비드 둘레에 랩핑되었다. 복합 필름을 필터로부터 박리시키고, 공기 건조시키고, 800℃에서 소성시켜 PMMA 주형을 제거하고, GO를 RGO로 동시에 열적으로 환원시켰다. 회색의 독립형 PMMA/GO 필름은 소성 후에 검정색으로 변하였으며, 그래핀 필름은 다공성을 유지하였다.A rigid template-directed ordered assembly for macroporous bubbled graphene films (MGF) was fabricated. Mono-disperse polymethyl methacrylate (PMMA) latex spheres were used as hard templates. The GO liquid crystal prepared in Comparative Example 3-d was mixed with the PMMA sphere suspension. Subsequent vacuum filtration was then performed to produce an assembly of PMMA spheres and GO sheets, which were wrapped around PMMA beads. The composite film was peeled from the filter, air dried and fired at 800 °C to remove the PMMA mold and simultaneously thermally reduced GO to RGO. The gray free-standing PMMA/GO film turned black after firing, and the graphene film maintained its porosity.

도 3b는 본 발명의 HA-유도 폼, 희생 플라스틱 비드 주형-보조 공정을 통해 생성된 GO 폼, 및 열수 환원된 GO 그래핀 폼의 열 전도도 값을 도시한 것이다. 가장 놀랍게도, 동일한 HTT를 제공하는 경우에, HA-유도 폼은 가장 높은 열 전도도를 나타낸다. 도 4에서 요약된 전기 전도도 데이터는 또한, 이러한 결과와 일치한다. 이러한 데이터는 동일한 양의 고체 물질을 제공하는 경우에, 본 발명의 HA 현탁액 증착(응력-유도된 배향을 가짐) 및 후속 열처리가 본질적으로 가장 전도성인 HA-유도 폼을 생성시켜 가장 높은 수준의 흑연질 결정 완전화(더 큰 결정 치수, 더 적은 결정립계 및 다른 결함, 기공벽을 따르는 더 양호한 결정 배향, 등)를 반영한다는 개념을 추가로 지지한다.Figure 3b shows the thermal conductivity values of the HA-derived foam of the present invention, the GO foam produced through the sacrificial plastic bead mold-assisted process, and the hydrothermally reduced GO graphene foam. Most surprisingly, given the same HTT, the HA-derived foam exhibits the highest thermal conductivity. The electrical conductivity data summarized in FIG. 4 are also consistent with these results. These data show that, given the same amount of solid material, the HA suspension deposition of the present invention (with stress-induced orientation) and subsequent heat treatment produces the HA-derived foam that is essentially the most conductive, resulting in the highest level of graphite. Further support is given to the notion that quality reflects perfect crystal perfection (larger crystal dimensions, fewer grain boundaries and other defects, better crystal orientation along the pore walls, etc.).

흑연 폼 또는 그래핀 폼을 생산하는 모든 종래 기술 공정이 대부분의 의도된 적용에 대하여 전형적으로 너무 큰(예를 들어, 20 내지 300 ㎛) 기공 크기를 갖는 대략 0.2 내지 0.6 g/㎤ 범위의 물리적 밀도를 갖는 마크로다공성 폼을 제공하는 것으로 나타난다는 것이 중요하다. 대조적으로, 본 발명은 0.01 g/㎤ 정도로 낮고 1.7 g/㎤ 정도 높을 수 있는 밀도를 갖는 HA-유도 폼을 생성시키는 공정을 제공한다. 기공 크기는 비-탄소 원소의 함량 및 사용되는 발포제의 양/타입에 따라 메소규모(2 내지 50 nm) 내지 최대 마크로규모(1 내지 500 ㎛)로 달라질 수 있다. 다양한 타입의 흑연 폼을 설계할 수 있는 이러한 유연성 및 다양성의 수준은 전례가 없고 임의의 종래 기술 공정에 의해 매칭되지 않는다.All prior art processes for producing graphite foams or graphene foams have physical densities in the range of approximately 0.2 to 0.6 g/cm3 with pore sizes typically too large (e.g., 20 to 300 μm) for most intended applications. It is important to note that it appears to provide a macroporous foam having In contrast, the present invention provides a process for producing HA-derived foams with densities that can be as low as 0.01 g/cm3 and as high as 1.7 g/cm3. The pore size can vary from mesoscale (2 to 50 nm) up to macroscale (1 to 500 μm) depending on the content of non-carbon elements and the amount/type of blowing agent used. This level of flexibility and versatility with which various types of graphite foam can be designed is unprecedented and unmatched by any prior art process.

실시예 4: 불소화된 HA 폼의 제조 Example 4: Preparation of Fluorinated HA Foam

전형적인 절차에서는, 밀봉된 오토클레이브 반응기 내에서 삼불화염소의 증기에 의해 HA-유도 폼의 시트를 불소화하여 불소화된 HA-탄소 하이브리드 필름을 수득하였다. 불소화 시간의 상이한 지속시간은 상이한 불소화도의 달성을 가능하게 하였다. 이어서, 불소화된 HA-유도 폼의 시트들을 클로로포름-물 혼합물이 각각 담긴 용기들 중에 개별적으로 침지하였다. 이들 폼 시트는 물로부터 클로로포름을 선택적으로 흡수하고, 흡수된 클로로포름의 양은 불소 함량이 7.2 중량%에 도달할 때까지 불소화도에 따라 증가하는 것으로 관찰되었는데, 이는 도 9에 나타낸 바와 같다.In a typical procedure, sheets of HA-derived foam were fluorinated by vapor of chlorine trifluoride in a sealed autoclave reactor to obtain a fluorinated HA-carbon hybrid film. Different durations of fluorination time made it possible to achieve different degrees of fluorination. The sheets of fluorinated HA-derived foam were then individually immersed in containers each containing a chloroform-water mixture. It was observed that these foam sheets selectively absorbed chloroform from water, and the amount of absorbed chloroform increased with the degree of fluorination until the fluorine content reached 7.2% by weight, as shown in FIG. 9 .

실시예 5: 질소화된 HA 폼의 제조 Example 5: Preparation of Nitrogenated HA Foam

실시예 3에서 제조된 HA-유도 폼의 몇몇 조각을 2 내지 48시간의 기간 동안 30% H2O2-물 용액 중에 침지하여, 2 내지 25 중량%의 제어된 산소 함량을 갖는 산화된 HA-유도 폼을 수득하였다.Several pieces of the HA-derived foam prepared in Example 3 were immersed in a 30% H 2 O 2 -water solution for a period of 2 to 48 hours to oxidize HA- with a controlled oxygen content of 2 to 25% by weight. An induction foam was obtained.

산화된 HA-유도 폼 샘플들 중 일부를 상이한 비율의 우레아와 혼합하고, 혼합물을 마이크로파 반응기(900 W) 내에서 0.5 내지 5분 동안 가열하였다. 생성물을 탈이온수로 수 회 세척하고, 진공 건조시켰다. 수득된 생성물은 질소화된 HA 폼이었다. 질소 함량은 원소 분석에 의해 측정하였을 때 3 중량% 내지 17.5 중량%였다.Some of the oxidized HA-derived foam samples were mixed with different proportions of urea and the mixture was heated in a microwave reactor (900 W) for 0.5 to 5 minutes. The product was washed several times with deionized water and dried under vacuum. The product obtained was a nitrogenated HA foam. The nitrogen content ranged from 3% to 17.5% by weight as determined by elemental analysis.

HA-유도 폼의 상이한 작용화 처리는 상이한 목적을 위한 것임이 언급될 수 있다. 예를 들어, 산화된 HA 폼 구조물은 오일-물 혼합물(즉, 오일이 물에 유출되고 이어서 함께 혼합된 것)로부터의 오일의 흡수제로서 특히 효과적이다(도 7 및 도 8). 이러한 경우에, (0 내지 15 중량%의 산소를 갖는) 일체형 HA-유도 폼 구조물은 소수성 및 친유성 둘 모두를 나타낸다(도 7). 표면 또는 재료는, 물이 이러한 재료 또는 표면으로부터 반발되고, 소수성 표면 또는 재료 상에 놓인 물방울이 큰 접촉각을 형성하게 되면, 소수성이라고 한다. 표면 또는 재료는, 이것이 오일에 대해 강한 친화성을 갖고 물에 대해서는 그렇지 않으면 친유성이라고 한다.It can be mentioned that different functionalization treatments of HA-derived foams are for different purposes. For example, the oxidized HA foam structure is particularly effective as an absorbent of oil from an oil-water mixture (i.e., oil spilled into water and then mixed together) (FIGS. 7 and 8). In this case, the integral HA-derived foam structure (with 0-15 wt% oxygen) is both hydrophobic and lipophilic (FIG. 7). A surface or material is said to be hydrophobic if water is repelled from the material or surface and water droplets lying on the hydrophobic surface or material form a large contact angle. A surface or material is said to be lipophilic if it has a strong affinity for oil and otherwise for water.

O, F, 및/또는 N의 상이한 함량은 또한 본 발명의 HA-유도 폼이 물로부터 상이한 유기 용매를 흡수할 수 있게 하거나, 다수의 용매의 혼합물로부터 하나의 유기 용매를 분리할 수 있게 한다.Different amounts of O, F, and/or N also allow the HA-derived foam of the present invention to absorb different organic solvents from water, or to separate one organic solvent from a mixture of multiple solvents.

실시예 6: 다양한 HA-유도 폼 및 통상적인 흑연 폼의 특성화 Example 6 : Characterization of various HA-derived foams and conventional graphite foams

HA-탄소 폼 재료의 몇몇 시리즈의 내부 구조(결정 구조 및 배향)를 X-선 회절을 사용하여 조사하였다. 천연 흑연의 X-선 회절 곡선은 전형적으로 대략 2θ = 26°에서 피크를 나타내며, 이는 대략 0.3345 nm의 그래핀간 간격(d002)에 상응한다. 하이브리드 폼 재료의 RHA 벽은, 전형적으로 0.3345 nm 내지 0.40 nm, 그러나 더 전형적으로는 최대 0.34 nm인 d002 간격을 나타낸다.The internal structure (crystal structure and orientation) of several series of HA-carbon foam materials was investigated using X-ray diffraction. X-ray diffraction curves of natural graphite typically show a peak at approximately 2θ = 26°, which corresponds to an intergraphene spacing (d 002 ) of approximately 0.3345 nm. The RHA wall of the hybrid foam material exhibits a d 002 spacing, typically between 0.3345 nm and 0.40 nm, but more typically up to 0.34 nm.

1시간 동안의 압축 하에서의 폼 구조물에 대한 2,750℃의 열처리 온도의 경우, d002 간격은 대략 0.3354 nm로 감소되는데, 이는 흑연 단결정의 d002 간격과 동일한 값이다. 또한, 높은 세기를 갖는 제2 회절 피크는 2θ = 55°에서 나타나고, 이는 (004) 면으로부터 X-선 회절에 해당한다. 동일한 회절 곡선 상에서 (002) 세기에 대한 (004) 피크 세기, 또는 I(004)/I(002) 비율은 그래핀-유사 평면의 결정 완전화 정도 및 바람직한 배향의 양호한 지표이다. (004) 피크는 2,800℃ 미만의 온도에서 열처리된 모든 흑연 물질에 대하여, 0.1 미만의 I(004)/I(002) 비율을 갖는 것으로, 존재하지 않거나 비교적 약하다. 3,000 내지 3,250℃에서 열처리된 흑연 물질(예를 들어, 고도로 배향된 열분해 흑연, HOPG)에 대한 I(004)/I(002) 비율은 0.2 내지 0.5의 범위이다. 대조적으로, 1시간 동안 2,750℃의 최종 HTT로 제조된 그래핀 폼은 0.78의 I(004)/I(002) 비 및 0.21의 모자이크 분산 값을 나타내는데, 이는 기공벽이 (압축력 하에서 제조되는 경우) 우수한 바람직한 배향도를 갖는 사실상 완전한 흑연 단결정임을 나타낸다.In the case of a heat treatment temperature of 2,750 °C for the foam structure under compression for 1 hour, the d 002 spacing is reduced to approximately 0.3354 nm, which is the same value as the d 002 spacing of graphite single crystal. Also, a second diffraction peak with high intensity appears at 2θ = 55°, which corresponds to X-ray diffraction from the (004) plane. The (004) peak intensity to (002) intensity, or I (004)/ I (002) ratio, on the same diffraction curve is a good indicator of the degree of crystal perfection and preferred orientation of the graphene-like plane. The (004) peak is absent or relatively weak, with an I (004)/ I (002) ratio of less than 0.1 for all graphitic materials heat treated at temperatures less than 2,800 °C. The I (004) / I (002) ratio for graphitic materials (eg, highly oriented pyrolytic graphite, HOPG) heat treated at 3,000 to 3,250 ° C ranges from 0.2 to 0.5. In contrast, the graphene foam prepared with a final HTT of 2,750 °C for 1 hour exhibits an I (004)/ I (002) ratio of 0.78 and a mosaic dispersion value of 0.21, indicating that the pore walls (when prepared under compressive force) It is shown to be a virtually perfect graphite monocrystal with excellent preferred orientation.

"모자이크 분산" 값은 X-선 회절 강도 곡선에서 (002) 반사의 최대 반값 폭으로부터 얻어진다. 정렬 정도에 대한 이러한 지수는 흑연 또는 그래핀 결정 크기(또는 그레인 크기), 결정립계 및 다른 결함의 양, 및 바람직한 그레인 배향의 정도를 특징으로 한다. 흑연의 거의 완전한 단결정은 0.2 내지 0.4의 모자이크 분산 값을 가짐으로써 특징화된다. 본 발명의 HA-유도 폼 일부는 2,500℃ 이상의 최종 열처리 온도를 사용하여 생성될 때, 0.3 내지 0.6의 이러한 범위에서 모자이크 분산 값을 갖는다.The "mosaic dispersion" value is obtained from the half maximum width of the (002) reflection in the X-ray diffraction intensity curve. This index of degree of alignment characterizes the graphite or graphene crystallite size (or grain size), the amount of grain boundaries and other defects, and the degree of preferred grain orientation. Almost perfect monocrystals of graphite are characterized by having mosaic dispersion values of 0.2 to 0.4. Some of the HA-derived foams of the present invention have mosaic dispersion values in this range of 0.3 to 0.6 when produced using a final heat treatment temperature of at least 2,500°C.

500℃ 정도로 낮은 열처리 온도가, 기공벽을 따른 육각형 탄소 원자 평면들 사이의 평균 평면간 간격이 0.4 nm 미만이 되게 하여, 천연 흑연 또는 흑연 단결정에 더 가깝게 하는 데 충분함을 언급하는 것이 중요하다. 이러한 접근법의 훌륭한 점은 이러한 HA 현탁액 코팅 및 열처리 전략이 평면 HA 분자들을 조직화, 배향/정렬, 그리고 화학적으로 병합하여 통합된 구조물을 형성할 수 있게 하였다는 개념으로, 통합된 구조물의 경우 모든 그래핀-유사 육각형 탄소 원자 평면은 이제 측방향 치수가 더 크다(원래의 HA 분자의 길이 및 폭보다 상당히 더 크다). 잠재적인 화학적 연결 및 병합 메커니즘이 도 3에 예시되어 있다. 이는 이례적인 열 전도도 및 전기 전도도 값을 가져왔다.It is important to note that heat treatment temperatures as low as 500° C. are sufficient to bring the average interplanar spacing between hexagonal carbon atom planes along the pore walls to less than 0.4 nm, closer to natural graphite or graphite single crystals. The beauty of this approach is the concept that this HA suspension coating and thermal treatment strategy allows planar HA molecules to be organized, oriented/aligned, and chemically merged to form integrated structures, in the case of integrated structures, all graphene. -Pseudo-hexagonal carbon atom planes now have larger lateral dimensions (significantly larger than the original HA molecule's length and width). Potential chemical linking and merging mechanisms are illustrated in FIG. 3 . This resulted in exceptional thermal and electrical conductivity values.

결론적으로, 본 발명자는 절대적으로 새롭고, 신규하고, 예상치 못하고, 분명히 구별되는 부류의 HA 폼 또는 HA-유도 흑연 폼 물질 및 관련된 생산 공정을 성공적으로 개발하였다. 이러한 신규한 부류의 폼 물질의 화학적 조성(산소, 불소, 및 다른 비-탄소 원소의 %), 구조(결정 완전화, 그레인 크기, 결함 집단, 등), 결정 배향, 모폴로지, 생산 공정, 및 성질은 메소상 피치-유도된 흑연 폼, CVD 그래핀-유도 폼, 및 GO의 열수 환원으로부터의 그래핀 폼, 및 희생 비드 주형-보조 RGO 폼과 기본적으로 상이하고 확실하게 구별된다. 본 발명의 폼 물질에 의해 나타나는 열 전도도, 전기 전도도, 탄성 계수, 및 굴곡 강도는 종래 기술의 폼 물질보다 훨씬 더 높다.In conclusion, the present inventors have successfully developed an absolutely new, novel, unexpected and distinct class of HA foam or HA-derived graphite foam materials and related production processes. Chemical composition (% of oxygen, fluorine, and other non-carbon elements), structure (crystal perfection, grain size, defect population, etc.), crystal orientation, morphology, production process, and properties of this new class of foam materials. is fundamentally different and distinct from mesophase pitch-derived graphite foams, CVD graphene-derived foams, and graphene foams from hydrothermal reduction of GO, and sacrificial bead mold-assisted RGO foams. The thermal conductivity, electrical conductivity, modulus of elasticity, and flexural strength exhibited by the foam materials of the present invention are much higher than prior art foam materials.

Claims (40)

다수의 기공 및 기공벽으로 구성된 부식산-유도 폼(humic acid-derived foam)으로서,
상기 기공벽은 단일층 또는 여러층(few-layer) 부식산-유도 육각형 탄소 원자 평면 또는 시트를 함유하며, 상기 여러층 육각형 탄소 원자 평면 또는 시트는, X-선 회절에 의해 측정될 때, 평면간 간격 d002가 0.3354 nm 내지 0.60 nm인 2 내지 10개 층의 적층된 육각형 탄소 원자 평면을 가지며, 상기 단일층 또는 여러층 육각형 탄소 원자 평면은 7 중량% 내지 25 중량%의 비탄소 원소를 함유하며, 상기 부식산은 산화된 부식산, 환원된 부식산, 불소화된 부식산, 염소화된 부식산, 브롬화된 부식산, 요오드화된 부식산, 수소화된 부식산, 질소화된 부식산, 도핑된 부식산, 화학적으로 작용화된 부식산, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 부식산-유도 폼.
As a humic acid-derived foam composed of a large number of pores and pore walls,
The pore walls contain single-layer or few-layer humic acid-derived hexagonal carbon atom planes or sheets, the multi-layer hexagonal carbon atom planes or sheets, as measured by X-ray diffraction, planar It has 2 to 10 layers of stacked hexagonal carbon atom planes with interspacing d 002 of 0.3354 nm to 0.60 nm, wherein the single-layer or multi-layer hexagonal carbon atom planes contain 7% to 25% by weight of non-carbon elements. The humic acid is oxidized humic acid, reduced humic acid, fluorinated humic acid, chlorinated humic acid, brominated humic acid, iodinated humic acid, hydrogenated humic acid, nitrogenated humic acid, doped humic acid A humic acid-derived foam selected from the group consisting of chemically functionalized humic acids, and combinations thereof.
제1항에 있어서, 상기 폼은 밀도가 0.005 내지 1.7 g/cm3이고, 비표면적이 50 내지 3,200 m2/g이고, 비중의 단위당 열 전도도가 적어도 100 W/mK이고, 비중의 단위당 전기 전도도가 500 S/cm 이상인, 부식산-유도 폼.The foam according to claim 1, wherein the foam has a density of 0.005 to 1.7 g/cm 3 , a specific surface area of 50 to 3,200 m 2 /g, a thermal conductivity per unit of specific gravity of at least 100 W/mK, and an electrical conductivity per unit of specific gravity. A humic acid-derived foam having greater than 500 S/cm. 제1항에 있어서, 상기 폼은 밀도가 0.01 내지 1.5 g/cm3이거나, 평균 기공 크기가 2 nm 내지 50 nm인, 부식산-유도 폼.The humic acid-derived foam of claim 1 , wherein the foam has a density of 0.01 to 1.5 g/cm 3 or an average pore size of 2 nm to 50 nm. 제1항에 있어서, 상기 폼은 10 중량% 내지 20 중량% 범위의 비탄소 원소의 함량을 가지며, 상기 비탄소 원소는 산소, 불소, 염소, 브롬, 요오드, 질소, 수소, 또는 붕소로부터 선택되는 원소를 포함하는, 부식산-유도 폼.The method of claim 1, wherein the foam has a content of non-carbon elements ranging from 10% to 20% by weight, wherein the non-carbon elements are selected from oxygen, fluorine, chlorine, bromine, iodine, nitrogen, hydrogen, or boron. A humic acid-derived foam comprising elemental. 제1항에 있어서, 상기 부식산은 불소화된 부식산이며, 상기 폼은 10 중량% 내지 20 중량%의 불소 함량을 갖는, 부식산-유도 폼.The humic acid-derived foam of claim 1 , wherein the humic acid is a fluorinated humic acid and the foam has a fluorine content of 10% to 20% by weight. 제1항에 있어서, 상기 부식산은 산화된 부식산이며, 상기 폼은 10 중량% 내지 20 중량%의 산소 함량을 갖는, 부식산-유도 폼.The humic acid-derived foam of claim 1 , wherein the humic acid is an oxidized humic acid and the foam has an oxygen content of 10% to 20% by weight. 제1항에 있어서, 상기 폼은 비표면적이 200 내지 3,000 m2/g이거나, 밀도가 0.1 내지 1.2 g/cm3인, 부식산-유도 폼.The humic acid-derived foam of claim 1, wherein the foam has a specific surface area of 200 to 3,000 m 2 /g or a density of 0.1 to 1.2 g/cm 3 . 제1항에 있어서, 두께가 100 nm 내지 10 cm이고 길이가 적어도 2 미터인 연속-길이 롤 시트 형태이고, 롤-투-롤 공정(roll-to-roll process)으로부터 생성되는, 부식산-유도 폼.The humic acid-derived method of claim 1 in the form of a continuous-length roll sheet having a thickness of 100 nm to 10 cm and a length of at least 2 meters, resulting from a roll-to-roll process. form. 제1항에 있어서, 상기 폼은, 평면간 간격이 0.35 nm 미만이고, 비중의 단위당 열 전도도가 적어도 200 W/mK이고, 비중의 단위당 전기 전도도가 1,000 S/cm 이상인 적층된 육각형 탄소 원자 평면을 함유하는 기공벽을 갖는, 부식산-유도 폼.The method of claim 1 , wherein the foam comprises stacked hexagonal carbon atom planes having an interplanar spacing of less than 0.35 nm, a thermal conductivity per unit of specific gravity of at least 200 W/mK, and an electrical conductivity per unit of specific gravity of at least 1,000 S/cm. A humic acid-derived foam having a pore wall containing 제1항에 있어서, 상기 폼은, 평면간 간격이 0.34 nm 미만이고, 비중의 단위당 열 전도도가 적어도 300 W/mK이고, 비중의 단위당 전기 전도도가 1,500 S/cm 이상인 적층된 육각형 탄소 원자 평면을 함유하는 기공벽을 갖는, 부식산-유도 폼.The method of claim 1 , wherein the foam comprises stacked hexagonal carbon atom planes having an interplanar spacing of less than 0.34 nm, a thermal conductivity per unit of specific gravity of at least 300 W/mK, and an electrical conductivity per unit of specific gravity of at least 1,500 S/cm. A humic acid-derived foam having a pore wall containing 제1항에 있어서, 상기 폼은, 평면간 간격이 0.336 nm 미만이고, 비중의 단위당 열 전도도가 적어도 350 W/mK이고, 비중의 단위당 전기 전도도가 2,000 S/cm 이상인 적층된 육각형 탄소 원자 평면을 함유하는 기공벽을 갖는, 부식산-유도 폼.2. The method of claim 1, wherein the foam comprises stacked hexagonal carbon atom planes having an interplanar spacing of less than 0.336 nm, a thermal conductivity per unit of specific gravity of at least 350 W/mK, and an electrical conductivity per unit of specific gravity of at least 2,000 S/cm. A humic acid-derived foam having a pore wall containing 제1항에 있어서, 상기 폼은, 평면간 간격이 0.336 nm 미만이고, 비중의 단위당 열 전도도가 400 W/mK 초과이고, 비중의 단위당 전기 전도도가 3,000 S/cm 초과인 적층된 육각형 탄소 원자 평면을 함유하는 기공벽을 갖는, 부식산-유도 폼.The foam according to claim 1 , wherein the foam has a plane-to-planar spacing of less than 0.336 nm, a thermal conductivity per unit of specific gravity of greater than 400 W/mK, and an electrical conductivity per unit of specific gravity of greater than 3,000 S/cm. A humic acid-derived foam having pore walls containing 제1항에 있어서, 기공벽은, 평면간 간격이 0.337 nm 미만이고 모자이크 분산 값(mosaic spread value)이 1.0 미만인 적층된 육각형 탄소 원자 평면을 함유하는, 부식산-유도 폼.The humic acid-derived foam of claim 1 , wherein the pore walls contain stacked hexagonal carbon atom planes with an interplanar spacing of less than 0.337 nm and a mosaic spread value of less than 1.0. 제1항에 있어서, 상기 기공벽은 상호연결된 육각형 탄소 원자 평면의 3D 네트워크를 함유하는, 부식산-유도 폼.The humic acid-derived foam of claim 1 , wherein the pore walls contain a 3D network of interconnected hexagonal carbon atom planes. 제1항에 있어서, 상기 폼은 기공 크기가 2 nm 내지 50 nm인 메소규모 기공을 함유하는, 부식산-유도 폼.The humic acid-derived foam of claim 1 , wherein the foam contains mesoscale pores with a pore size of 2 nm to 50 nm. 오일-흡수 요소로서 제1항의 부식산-유도 폼을 수용하고 있는 오일-제거 장치(device) 또는 오일-분리 장치.An oil-removing device or oil-separating device containing the humic acid-derived foam of claim 1 as an oil-absorbing element. 용매-흡수 또는 용매-분리 요소로서 제1항의 부식산-유도 폼을 수용하고 있는 용매-제거 장치 또는 용매-분리 장치. A solvent-removing device or solvent-separating device containing the humic acid-derived foam of claim 1 as a solvent-absorbing or solvent-separating element. 물로부터 오일을 분리하기 위한 방법으로서,
a. 제1항의 부식산-유도 폼을 포함하는 오일-흡수 요소를 제공하는 단계;
b. 오일-물 혼합물을 상기 요소와 접촉시켜, 혼합물로부터 오일을 흡수하는 단계;
c. 혼합물로부터 요소를 재처리하고 요소로부터 오일을 추출하는 단계; 및
d. 요소를 재사용하는 단계
를 포함하는, 방법.
As a method for separating oil from water,
a. providing an oil-absorbing element comprising the humic acid-derived foam of claim 1;
b. contacting an oil-water mixture with the element to absorb oil from the mixture;
c. reprocessing urea from the mixture and extracting oil from the urea; and
d. Steps to Reuse Elements
Including, method.
용매-물 혼합물로부터 또는 다중-용매 혼합물로부터 유기 용매를 분리하기 위한 방법으로서,
a. 제1항의 부식산-유도 폼을 포함하는 유기 용매-흡수 또는 용매-분리 요소를 제공하는 단계;
b. 상기 요소를 유기 용매-물 혼합물 또는 제1 용매 및 적어도 제2 용매를 함유하는 다중-용매 혼합물과 접촉시키는 단계;
c. 상기 요소가 혼합물로부터 유기 용매를 흡수할 수 있게 하거나 상기 적어도 제2 용매로부터 상기 제1 용매를 분리할 수 있게 하는 단계;
d. 혼합물로부터 요소를 재처리하고 요소로부터 유기 용매 또는 제1 용매를 추출하는 단계; 및
e. 요소를 재사용하는 단계
를 포함하는, 방법.
As a method for separating an organic solvent from a solvent-water mixture or from a multi-solvent mixture,
a. providing an organic solvent-absorbing or solvent-separating element comprising the humic acid-derived foam of claim 1;
b. contacting the component with an organic solvent-water mixture or multi-solvent mixture containing a first solvent and at least a second solvent;
c. enabling the component to absorb an organic solvent from the mixture or to separate the first solvent from the at least second solvent;
d. reprocessing the urea from the mixture and extracting the organic solvent or the first solvent from the urea; and
e. Steps to Reuse Elements
Including, method.
열 확산 또는 열 방산 요소로서 제1항의 부식산-유도 폼을 수용하고 있는 열 관리 장치.A thermal management device containing the humic acid-derived foam of claim 1 as a heat spreading or heat dissipating element. 제20항에 있어서, 열 교환기, 히트 싱크, 히트 파이프, 고전도도 삽입물, 히트 싱크와 열원 사이의 전도성 플레이트, 열-확산 구성요소, 열-방산 구성요소, 열 계면 매체, 및 열전(thermoelectric) 또는 펠티에(Peltier) 냉각 장치로 이루어진 군으로부터 선택되는 장치를 포함하는, 열 관리 장치.21. The heat exchanger, heat sink, heat pipe, high-conductivity insert, conductive plate between the heat sink and heat source, heat-spreading component, heat-dissipating component, thermal interface medium, and thermoelectric or a Peltier cooling device. 부식산-유도 폼의 생성 공정으로서,
(a) 액체 매체 중에 분산된 다수의 부식산 분자 또는 시트를 갖는 부식산 분산물을 제조하는 단계로서, 상기 부식산은 산화된 부식산, 환원된 부식산, 불소화된 부식산, 염소화된 부식산, 브롬화된 부식산, 요오드화된 부식산, 수소화된 부식산, 질소화된 부식산, 도핑된 부식산, 화학적으로 작용화된 부식산, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되고, 상기 분산물은 발포제(blowing agent)를 함유하며, 발포제 대 부식산 중량비가 0/1.0 내지 1.0/1.0인, 단계;
(b) 상기 부식산 분산물을 지지 기재의 표면 상에 분배하고 증착시켜 부식산의 습윤층을 형성하는 단계;
(c) 상기 액체 매체를 부식산의 습윤층으로부터 부분적으로 또는 완전히 제거하여 부식산의 건조층을 형성하는 단계; 및
(d) 상기 부식산-유도 폼을 생성하기 위하여 비탄소 원소로부터 휘발성 가스 분자를 유도하거나 상기 발포제를 활성화하기에 충분한 원하는 가열 속도로 80℃ 내지 3,200℃의 제1 열처리 온도에서 부식산의 건조층을 열처리하는 단계를 포함하며, 상기 부식산-유도 폼은 다수의 기공 및 기공벽으로 구성되며, 상기 기공벽은 단일층 또는 여러층 부식산-유도 육각형 탄소 원자 평면 또는 시트를 함유하며, 상기 여러층 육각형 탄소 원자 평면 또는 시트는, X-선 회절에 의해 측정될 때, 평면간 간격 d002가 0.3354 nm 내지 0.60 nm인 2 내지 10개 층의 적층된 육각형 탄소 원자 평면을 가지며, 상기 단일층 또는 여러층 육각형 탄소 원자 평면은 7 중량% 내지 25 중량%의 비탄소 원소를 함유하는, 공정.
As a process for producing humic acid-induced foam,
(a) preparing a humic acid dispersion having a plurality of humic acid molecules or sheets dispersed in a liquid medium, wherein the humic acid is oxidized humic acid, reduced humic acid, fluorinated humic acid, chlorinated humic acid, selected from the group consisting of brominated humic acids, iodinated humic acids, hydrogenated humic acids, nitrogenated humic acids, doped humic acids, chemically functionalized humic acids, and combinations thereof, wherein the dispersion is a blowing agent (blowing agent), and the foaming agent to humic acid weight ratio is 0/1.0 to 1.0/1.0, step;
(b) dispensing and depositing the humic acid dispersion onto the surface of a supporting substrate to form a wet layer of humic acid;
(c) partially or completely removing the liquid medium from the wet layer of humic acid to form a dry layer of humic acid; and
(d) a dry layer of humic acid at a first heat treatment temperature of from 80° C. to 3,200° C. at a desired heating rate sufficient to activate the blowing agent or induce volatile gas molecules from non-carbon elements to produce the humic acid-derived foam. heat-treating, wherein the humic acid-derived foam is composed of a plurality of pores and pore walls, wherein the pore walls contain single-layer or multi-layer humic acid-derived hexagonal carbon atom planes or sheets; The layered hexagonal carbon atom plane or sheet has from 2 to 10 layers of stacked hexagonal carbon atom planes with an interplanar spacing d 002 of 0.3354 nm to 0.60 nm, as measured by X-ray diffraction, wherein the single layer or wherein the multi-layered hexagonal carbon atomic planes contain from 7% to 25% by weight of non-carbon elements.
제22항에 있어서, 상기 분배 및 증착 절차는 상기 부식산 분산물을 배향-유도 응력 하에 두는 단계를 포함하는, 공정.23. The process of claim 22, wherein the dispensing and deposition procedure includes subjecting the humic acid dispersion to an orientation-induced stress. 제22항에 있어서, 흑연 폼을 수득하기에 충분한 시간 동안 상기 제1 열처리 온도보다 더 높은 제2 열처리 온도에서 부식산-유도 폼을 열-처리하는 단계를 추가로 포함하며, 상기 기공벽은, 평면간 간격 d002가 0.3354 nm 내지 0.36 nm이고 비탄소 원소의 함량이 2 중량% 미만인 적층된 육각형 탄소 원자 평면을 함유하는, 공정.23. The method of claim 22, further comprising heat-treating the humic acid-derived foam at a second heat treatment temperature higher than the first heat treatment temperature for a time sufficient to obtain a graphite foam, wherein the pore walls are: A process comprising layered hexagonal carbon atom planes with an interplanar spacing d 002 of 0.3354 nm to 0.36 nm and a content of non-carbon elements of less than 2% by weight. 제22항에 있어서, 상기 발포제는 물리적 발포제, 화학적 발포제, 이들의 혼합물, 용해-및-침출제, 또는 기계적으로 도입된 발포제인, 공정.23. The process according to claim 22, wherein the blowing agent is a physical blowing agent, a chemical blowing agent, mixtures thereof, a dissolve-and-leach agent, or a mechanically introduced blowing agent. 제22항에 있어서, 롤-투-롤 공정이며, 여기서 상기 단계 (b) 및 단계 (c)는 공급 롤러로부터의 상기 지지 기재를 증착 구역에 공급하는 단계, 상기 부식산 분산물을 상기 지지 기재의 표면 상에 연속적으로 또는 간헐적으로 증착시켜 상기 부식산의 습윤층을 그 위에 형성하는 단계, 상기 부식산의 습윤층을 건조시켜 부식산의 건조층을 형성하는 단계, 및 상기 지지 기재 상에 증착된 상기 부식산의 건조층을 수집 롤러 상에 수집하는 단계를 포함하는, 공정.23. The process of claim 22, wherein steps (b) and (c) are a roll-to-roll process, wherein steps (b) and (c) include feeding the supporting substrate from a supply roller to a deposition zone; Depositing continuously or intermittently on the surface of the humic acid to form a wet layer of humic acid thereon, drying the wet layer of humic acid to form a dry layer of humic acid, and depositing on the supporting substrate and collecting the dried layer of humic acid on a collecting roller. 제22항에 있어서, 상기 제1 열처리 온도는 100℃ 내지 1,500℃인, 공정.23. The process of claim 22, wherein the first heat treatment temperature is from 100 °C to 1,500 °C. 제24항에 있어서, 상기 제2 열처리 온도는 (A) 300 내지 1,500℃, (B) 1,500 내지 2,100℃, 및 (C) 2,100 내지 3,200℃로 이루어진 군으로부터 선택되는 온도를 적어도 포함하는, 공정.25. The process of claim 24, wherein the second heat treatment temperature comprises at least a temperature selected from the group consisting of (A) 300 to 1,500 °C, (B) 1,500 to 2,100 °C, and (C) 2,100 to 3,200 °C. 제24항에 있어서, 상기 제2 열처리 온도는 적어도 1시간 동안 300 내지 1,500℃ 범위의 온도 및 이어서 적어도 1시간 동안 1,500 내지 3,200℃ 범위의 온도를 포함하는, 공정.25. The process of claim 24, wherein the second heat treatment temperature comprises a temperature in the range of 300 to 1,500°C for at least 1 hour followed by a temperature in the range of 1,500 to 3,200°C for at least 1 hour. 제24항에 있어서, 상기 비탄소 원소는 산소, 불소, 염소, 브롬, 요오드, 질소, 수소, 및 붕소로 이루어진 군으로부터 선택되는 원소를 포함하는, 공정.25. The process of claim 24, wherein the non-carbon element comprises an element selected from the group consisting of oxygen, fluorine, chlorine, bromine, iodine, nitrogen, hydrogen, and boron. 제24항에 있어서, 제1 열처리 온도에서 부식산의 건조층을 열처리하는 상기 단계 (d)는 압축 응력 하에서 수행되는, 공정.25. The process of claim 24, wherein step (d) of heat treating the dry layer of humic acid at the first heat treatment temperature is performed under compressive stress. 제22항에 있어서, 상기 폼의 두께, 기공 크기, 또는 다공도 수준을 감소시키기 위한 압축 단계를 추가로 포함하는, 공정.23. The process of claim 22, further comprising a compression step to reduce the thickness, pore size, or porosity level of the foam. 제24항에 있어서, 상기 제1 및 제2 열처리 온도는 300℃ 내지 1,500℃ 범위의 온도를 포함하고, 폼은 산소 함량 또는 비탄소 함량이 1% 미만이고, 기공벽은, 평면간 간격이 0.35 nm 미만이고, 비중의 단위당 열 전도도가 적어도 250 W/mK이고, 비중의 단위당 전기 전도도가 2,500 S/cm 이상인, 공정.25. The method of claim 24, wherein the first and second heat treatment temperatures include temperatures in the range of 300 ° C to 1,500 ° C, the foam has an oxygen content or a non-carbon content of less than 1%, and the pore walls have an interplanar spacing of 0.35 nm, a thermal conductivity per unit of specific gravity of at least 250 W/mK, and an electrical conductivity per unit of specific gravity of at least 2,500 S/cm. 제24항에 있어서, 상기 제1 및 제2 열처리 온도는 1,500℃ 내지 2,100℃ 범위의 온도를 포함하고, 폼은 산소 함량 또는 비탄소 함량이 0.01% 미만이고, 기공벽은, 평면간 간격이 0.34 nm 미만이고, 비중의 단위당 열 전도도가 적어도 300 W/mK이고, 비중의 단위당 전기 전도도가 3,000 S/cm 이상인, 공정.25. The method of claim 24, wherein the first and second heat treatment temperatures include a temperature in the range of 1,500 ° C to 2,100 ° C, the foam has an oxygen content or a specific carbon content of less than 0.01%, and the pore walls have an interplanar spacing of 0.34 nm, a thermal conductivity per unit of specific gravity of at least 300 W/mK, and an electrical conductivity per unit of specific gravity of at least 3,000 S/cm. 제24항에 있어서, 상기 제1 및 제2 열처리 온도는 2,100℃ 초과의 온도를 포함하고, 폼은 산소 함량 또는 비탄소 함량이 0.001% 이하이고, 기공벽은, 평면간 간격이 0.336 nm 미만이고, 모자이크 분산 값이 0.7 이하이고, 비중의 단위당 열 전도도가 적어도 350 W/mK이고, 비중의 단위당 전기 전도도가 3,500 S/cm 이상인, 공정.25. The method of claim 24, wherein the first and second heat treatment temperatures include a temperature greater than 2,100 ° C, the foam has an oxygen content or a specific carbon content of 0.001% or less, and the pore walls have an interplanar spacing of less than 0.336 nm , a mosaic dispersion value of 0.7 or less, a thermal conductivity per unit of specific gravity of at least 350 W/mK, and an electrical conductivity per unit of specific gravity of at least 3,500 S/cm. 제24항에 있어서, 상기 제1 및 제2 열처리 온도는 2,500℃ 이상의 온도를 포함하고, 폼은 평면간 간격이 0.336 nm 이고, 모자이크 분산 값이 0.4 이하이고, 비중의 단위당 열 전도도가 400 W/mK 초과이고, 비중의 단위당 전기 전도도가 4,000 S/cm 초과인 적층된 육각형 탄소 평면을 함유하는 기공벽을 갖는, 공정.The method of claim 24, wherein the first and second heat treatment temperatures include a temperature of 2,500 ° C. or higher, the foam has an interplanar spacing of 0.336 nm, a mosaic dispersion value of 0.4 or less, and a thermal conductivity per unit of specific gravity of 400 W/ mK and having a pore wall containing layered hexagonal carbon planes having an electrical conductivity per unit of specific gravity greater than 4,000 S/cm. 부식산-유도 폼의 연속-길이 시트를 생성하기 위한 롤-투-롤 공정으로서,
(a) 부식산 분자가 액체 매체 중에 분산되고, 발포제를 함유하는 부식산 분산물을 제조하는 단계;
(b) 상기 부식산 분산물을 지지 기재의 표면 상에 연속적으로 또는 간헐적으로 분배하고 증착시켜 부식산의 습윤층을 형성하는 단계로서, 상기 지지 기재는 공급 롤러로부터 공급되며 수집 롤러 상에 수집되는 연속 박형 필름인, 단계;
(c) 하나의 가열 구역 또는 다수의 가열 구역 내에서 상기 액체 매체를 부식산의 습윤층으로부터 부분적으로 또는 완전히 제거하여 부식산의 건조층을 형성하는 단계; 및
(d) 상기 부식산-유도 폼을 생성하기 위하여 상기 발포제를 활성화하기에 충분한 원하는 가열 속도로 80℃ 내지 500℃의 가열 온도를 포함하는 상기 가열 구역들 중 하나의 가열 구역 내에서 부식산의 건조층을 열처리하는 단계를 포함하며, 상기 부식산-유도 폼은 다수의 기공 및 기공벽으로 구성되며, 상기 기공벽은 단일층 또는 여러층 부식산-유도 육각형 탄소 원자 평면 또는 시트를 함유하며, 상기 여러층 육각형 탄소 원자 평면 또는 시트는, X-선 회절에 의해 측정될 때, 평면간 간격 d002가 0.3354 nm 내지 0.60 nm인 2 내지 10개 층의 적층된 육각형 탄소 원자 평면을 가지며, 상기 단일층 또는 여러층 육각형 탄소 원자 평면은 7 중량% 내지 25 중량%의 비탄소 원소를 함유하는, 공정.
A roll-to-roll process for producing continuous-length sheets of humic acid-derived foam comprising:
(a) preparing a humic acid dispersion wherein humic acid molecules are dispersed in a liquid medium and contain a blowing agent;
(b) dispensing and depositing the humic acid dispersion continuously or intermittently on the surface of a support substrate to form a wet layer of humic acid, wherein the support substrate is supplied from a supply roller and collected on a collection roller. which is a continuous thin film;
(c) partially or completely removing the liquid medium from the wet layer of humic acid in one or more heating zones to form a dry layer of humic acid; and
(d) drying humic acid in one of the heating zones comprising a heating temperature of 80° C. to 500° C. at a desired heating rate sufficient to activate the blowing agent to produce the humic acid-derived foam. heat treating the layer, wherein the humic acid-derived foam is composed of a plurality of pores and pore walls, wherein the pore walls contain single-layer or multi-layer humic acid-derived hexagonal carbon atom planes or sheets; A multilayer hexagonal carbon atom plane or sheet has 2 to 10 layers of stacked hexagonal carbon atom planes with an interplanar spacing d 002 of 0.3354 nm to 0.60 nm, as measured by X-ray diffraction, wherein the single layer or the multi-layered hexagonal carbon atom planes contain from 7% to 25% by weight of non-carbon elements.
제22항에 있어서, 상기 부식산-유도 폼은 밀도가 0.005 내지 1.7 g/cm3이고, 비표면적이 50 내지 3,200 m2/g이고, 비중의 단위당 열 전도도가 적어도 100 W/mK이고, 비중의 단위당 전기 전도도가 500 S/cm 이상인, 공정.23. The method of claim 22, wherein the humic acid-derived foam has a density of 0.005 to 1.7 g/cm 3 , a specific surface area of 50 to 3,200 m 2 /g, a thermal conductivity per unit of specific gravity of at least 100 W/mK, and a specific gravity of claim 22 . wherein the electrical conductivity per unit of is greater than or equal to 500 S/cm. 제24항에 있어서, 상기 부식산-유도 폼은 밀도가 0.005 내지 1.7 g/cm3이고, 비표면적이 50 내지 3,200 m2/g이고, 비중의 단위당 열 전도도가 적어도 100 W/mK이고, 비중의 단위당 전기 전도도가 500 S/cm 이상인, 공정.25. The method of claim 24, wherein the humic acid-derived foam has a density of 0.005 to 1.7 g/cm 3 , a specific surface area of 50 to 3,200 m 2 /g, and a thermal conductivity per unit of specific gravity of at least 100 W/mK, specific gravity wherein the electrical conductivity per unit of is greater than or equal to 500 S/cm. 제37항에 있어서, 상기 부식산-유도 폼은 밀도가 0.005 내지 1.7 g/cm3이고, 비표면적이 50 내지 3,200 m2/g이고, 비중의 단위당 열 전도도가 적어도 100 W/mK이고, 비중의 단위당 전기 전도도가 500 S/cm 이상인, 공정.38. The method of claim 37, wherein the humic acid-derived foam has a density of 0.005 to 1.7 g/cm 3 , a specific surface area of 50 to 3,200 m 2 /g, and a thermal conductivity per unit of specific gravity of at least 100 W/mK, specific gravity wherein the electrical conductivity per unit of is greater than or equal to 500 S/cm.
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