KR20180102557A - Graphene-carbon hybrid foams - Google Patents

Graphene-carbon hybrid foams Download PDF

Info

Publication number
KR20180102557A
KR20180102557A KR1020187018783A KR20187018783A KR20180102557A KR 20180102557 A KR20180102557 A KR 20180102557A KR 1020187018783 A KR1020187018783 A KR 1020187018783A KR 20187018783 A KR20187018783 A KR 20187018783A KR 20180102557 A KR20180102557 A KR 20180102557A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
graphene
carbon
foam
polymer
graphite
Prior art date
Application number
KR1020187018783A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR102584293B1 (en
Inventor
아루나 자하무
볼 제트. 장
Original Assignee
나노텍 인스트러먼츠, 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US14/998,357 external-priority patent/US9597657B1/en
Priority claimed from US14/998,356 external-priority patent/US10010859B2/en
Application filed by 나노텍 인스트러먼츠, 인코포레이티드 filed Critical 나노텍 인스트러먼츠, 인코포레이티드
Publication of KR20180102557A publication Critical patent/KR20180102557A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102584293B1 publication Critical patent/KR102584293B1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/52Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbon, e.g. graphite
    • C04B35/522Graphite
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/02Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material
    • B01J20/20Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material comprising free carbon; comprising carbon obtained by carbonising processes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/28Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties
    • B01J20/28002Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties characterised by their physical properties
    • B01J20/28011Other properties, e.g. density, crush strength
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/28Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties
    • B01J20/28014Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties characterised by their form
    • B01J20/28042Shaped bodies; Monolithic structures
    • B01J20/28045Honeycomb or cellular structures; Solid foams or sponges
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/28Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties
    • B01J20/28054Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties characterised by their surface properties or porosity
    • B01J20/28057Surface area, e.g. B.E.T specific surface area
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/30Processes for preparing, regenerating, or reactivating
    • B01J20/3078Thermal treatment, e.g. calcining or pyrolizing
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/30Processes for preparing, regenerating, or reactivating
    • B01J20/32Impregnating or coating ; Solid sorbent compositions obtained from processes involving impregnating or coating
    • B01J20/3202Impregnating or coating ; Solid sorbent compositions obtained from processes involving impregnating or coating characterised by the carrier, support or substrate used for impregnation or coating
    • B01J20/3204Inorganic carriers, supports or substrates
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/30Processes for preparing, regenerating, or reactivating
    • B01J20/32Impregnating or coating ; Solid sorbent compositions obtained from processes involving impregnating or coating
    • B01J20/3231Impregnating or coating ; Solid sorbent compositions obtained from processes involving impregnating or coating characterised by the coating or impregnating layer
    • B01J20/3234Inorganic material layers
    • B01J20/324Inorganic material layers containing free carbon, e.g. activated carbon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/52Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbon, e.g. graphite
    • C04B35/524Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbon, e.g. graphite obtained from polymer precursors, e.g. glass-like carbon material
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/6261Milling
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C04B38/0022Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof obtained by a chemical conversion or reaction other than those relating to the setting or hardening of cement-like material or to the formation of a sol or a gel, e.g. by carbonising or pyrolysing preformed cellular materials based on polymers, organo-metallic or organo-silicon precursors
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00Manufacture or treatment of nanostructures
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00474Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00
    • C04B2111/00793Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00 as filters or diaphragms
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00474Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00
    • C04B2111/00793Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00 as filters or diaphragms
    • C04B2111/00801Membranes; Diaphragms
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/42Non metallic elements added as constituents or additives, e.g. sulfur, phosphor, selenium or tellurium
    • C04B2235/422Carbon
    • C04B2235/425Graphite
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/52Constituents or additives characterised by their shapes
    • C04B2235/5292Flakes, platelets or plates
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/72Products characterised by the absence or the low content of specific components, e.g. alkali metal free alumina ceramics
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance

Abstract

다중 세공 및 세공 벽으로 구성된 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체로서, 세공 벽은 탄소 물질-대-그래핀 중량비가 1/100 내지 1/2인 탄소 물질에 의해 화학적으로 결합된 단일층 또는 소수층 그래핀 시트를 포함하고, 소수층 그래핀 시트는 면간 간격 d002가 0.3354 nm 내지 0.40 nm인 중첩된 그래핀 면 2 내지 10개 층을 가지며, 그래핀 시트는 비탄소 원소가 본질적으로 0%인 순수(pristine) 그래핀 물질, 또는 0.01 중량% 내지 25 중량%의 비탄소 원소를 갖는 비순수(non-pristine) 그래핀 물질을 포함하며, 상기 비순수 그래핀은 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 그래핀 불화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화 그래핀, 질화 그래핀, 도핑된 그래핀, 화학적으로 작용화된 그래핀, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 제공한다. 또한, 하이브리드 발포체를 제조하는 방법, 이 하이브리드 발포체를 포함하는 제품, 및 그 용도를 제공한다.An integrated 3D graphene-carbon hybrid foam comprising multiple pores and pore walls, wherein the pore walls are chemically bonded by a carbon material having a carbon material-to-graphene weight ratio of 1/100 to 1/2, Wherein the minority layer graphene sheet has from 2 to 10 layers of superimposed graphene planes having an interplanar spacing d 002 of 0.3354 nm to 0.40 nm and wherein the graphene sheet comprises pure (0% pristine graphene material, or a non-pristine graphene material having from 0.01 wt% to 25 wt% non-carbon element, wherein the non-pure graphene is selected from the group consisting of graphene oxide, reduced graphene oxide, A 3D graphene-doped layer selected from graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, hydrogenated graphene, nitrided graphene, doped graphene, chemically graphene graphene, Carbon Thereby providing a hybrid foam. Also provided are methods of making hybrid foams, products comprising such hybrid foams, and uses thereof.

Description

그래핀-탄소 하이브리드 발포체Graphene-carbon hybrid foams

관련 출원에 대한 상호 참조Cross-reference to related application

본 출원은 2015년 12월 28일에 각각 출원된 미국 특허 출원 14/998,356호 및 14/998,357호의 우선권을 주장하며, 이는 본원에 참조로서 포함된다.This application claims priority to U.S. Patent Application Serial Nos. 14 / 998,356 and 14 / 998,357, filed December 28, 2015, each of which is incorporated herein by reference.

기술분야Technical field

본 발명은 일반적으로 탄소/흑연 발포체에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 본원에 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체로 언급한 새로운 형태의 다공성 흑연 물질, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 제품, 및 그 제품을 작동시키는 방법에 관한 것이다.The present invention relates generally to carbon / graphite foams and more particularly to novel porous graphite materials referred to herein as integral 3D graphene-carbon hybrid foams, methods of making the same, products containing them, and articles thereof And a method for operating the same.

탄소는 다이아몬드, 풀러렌(0-D 나노 흑연 물질), 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노섬유(1-D 나노 흑연 물질), 그래핀(2-D 나노 흑연 물질), 및 흑연(3-D 흑연 물질)을 비롯하여, 5가지 고유한 결정 구조를 갖는 것으로 알려져 있다. 탄소 나노튜브(CNT)는 단일벽 또는 다중벽을 가지고 성장한 튜브 구조를 말한다. 탄소 나노튜브(CNT) 및 탄소 나노섬유(CNF)는 대략 수 나노미터 내지 수백 나노미터의 직경을 갖는다. 이의 세로 방향으로 속이 빈 구조는 특유의 기계적, 전기적, 화학적 특성을 물질에 부여한다. CNT 또는 CNF는 일차원 나노 카본 또는 1-D 나노 흑연 물질이다. Carbon can be a material selected from the group consisting of diamond, fullerene (0-D nano graphite material), carbon nanotube or carbon nanofiber (1-D nano graphite material), graphene (2-D nano graphite material) , It is known to have five unique crystal structures. Carbon nanotubes (CNTs) refer to a tube structure grown with a single wall or multiple walls. Carbon nanotubes (CNTs) and carbon nanofibers (CNFs) have diameters of from about several nanometers to hundreds of nanometers. The hollow structure in its longitudinal direction imparts unique mechanical, electrical and chemical properties to the material. CNT or CNF is a one-dimensional nano-carbon or 1-D nano graphite material.

본 연구 그룹은 이미 2002년에 그래핀 물질 및 관련된 제조 공정의 개발을 개척하였다: (1) B. Z. Jang and W. C. Huang, "Nano-scaled Graphene Plates," 미국 특허 7,071,258호(2006년 7월 4일), 2002년 10월 21일 출원; (2) B. Z. Jang, et al. "Process for Producing Nano-scaled Graphene Plates," 미국 특허 출원 10/858,814호(2004년 6월 3일); 및 (3) B. Z. Jang, A. Zhamu, and J. Guo, "Process for Producing Nano-scaled Platelets and Nanocomposites," 미국 특허 출원 11/509,424호(2006년 8월 25일).The research group has already pioneered the development of graphene materials and related manufacturing processes in 2002: (1) BZ Jang and WC Huang, "Nano-scaled Graphene Plates," US Patent 7,071,258 (July 4, 2006) Filed October 21, 2002; (2) B. Z. Jang, et al. "Process for Producing Nano-scaled Graphene Plates," U.S. Patent Application 10 / 858,814 (June 3, 2004); And (3) B. Z. Jang, A. Zhamu, and J. Guo, "Process for Producing Nano-scaled Platelets and Nanocomposites," U.S. Patent Application 11 / 509,424 (August 25, 2006).

단일층 그래핀 시트는 2차원 육각형 격자를 점유하는 탄소 원자로 구성된다. 다층(Multi-layer) 그래핀은 하나를 초과하는 그래핀 면으로 구성되는 판상체이다. 개별 단일층 그래핀 시트 및 다층 그래핀 판상체는 본원에서 나노그래핀 판상체(NGP) 또는 그래핀 물질로 총칭된다. NGP는 순수(pristine) 그래핀(본질적으로 탄소 원자 99%), 약간 산화된 그래핀(산소 5 중량% 미만), 그래핀 산화물(산소 5 중량% 이상), 약간 불화된 그래핀(불소 5 중량% 미만), 그래핀 불화물(불소 5 중량% 이상), 기타 할로겐화된 그래핀, 및 화학적으로 작용화된 그래핀을 포함한다.Single-layer graphene sheets consist of carbon atoms occupying a two-dimensional hexagonal lattice. Multi-layer graphene is a plate consisting of more than one graphene surface. Individual single layer graphene sheets and multilayer graphene sheets are collectively referred to herein as nano graphene platelets (NGP) or graphen materials. NGP is a mixture of pristine graphene (essentially 99% carbon atoms), slightly oxidized graphene (less than 5 wt% oxygen), graphene oxide (more than 5 wt% oxygen), slightly fluorinated graphene %), Graphene fluoride (greater than 5 wt% fluorine), other halogenated graphene, and chemically functionalized graphene.

NGP는 특이한 물리적, 화학적, 및 기계적 특성을 다양하게 갖는 것으로 밝혀졌다. 예를 들면, 그래핀은 존재하는 모든 물질 중에 가장 높은 고유 강도(intrinsic strength), 가장 높은 열 전도도를 보이는 것으로 밝혀졌다. 그래핀을 실제 전자장치에 적용하는 것(예를 들어, 트랜지스터의 백본으로서 Si를 대체하는 것)이 향후 5~10년 이내에 실현될 것으로 예상되지는 않지만, 복합재료에서 나노 충전제로서 그리고 에너지 저장 장치에서 전극 물질로서 그래핀을 적용하는 것은 임박해 있다. 복합체, 에너지 및 기타 분야에 그래핀을 성공적으로 활용하기 위해서는 가공 가능한 그래핀 시트를 대량으로 이용할 수 있어야 하는 것이 필수적이다.NGP has been found to have a variety of unique physical, chemical, and mechanical properties. For example, graphene has been found to have the highest intrinsic strength and highest thermal conductivity among all the materials present. Although it is not expected that the application of graphene to real electronic devices (for example, replacing Si as the backbone of transistors) will be realized within the next 5-10 years, The application of graphene as an electrode material is imminent. In order to successfully utilize graphene in composites, energy and other fields, it is essential that large amounts of machinable graphene sheets be available.

본 연구 그룹은 최초로 그래핀을 발견한 그룹 중 하나였다[B. Z. Jang and W. C. Huang, "Nano-scaled Graphene Plates," 미국 특허 출원 10/274,473호(2002년 10월 21일 출원); 현재는 미국 특허 7,071,258호(2006년 7월 4일)]. 본 연구 그룹은 NGP 및 NGP 나노복합체의 제조 공정에 대하여 최근에 검토하였다[Bor Z. Jang and A Zhamu, "Processing of Nano Graphene Platelets (NGPs) and NGP Nanocomposites: A Review," J. Materials Sci. 43 (2008) 5092-5101]. 선행 기술에서는 4가지 주요 접근법을 따라 NGP를 제조하였다. 그 장점 및 단점을 간략하게 요약하면 다음과 같다:The study group was one of the first groups to detect graphene [B. Z. Jang and W. C. Huang, "Nano-scaled Graphene Plates," U.S. Patent Application 10 / 274,473 (filed October 21, 2002); Currently, U.S. Patent No. 7,071,258 (July 4, 2006)]. This study group recently reviewed the manufacturing process of NGP and NGP nanocomposites [Bor Z. Jang and A Zhamu, "Processing of Nano Graphene Platelets (NGPs) and NGP Nanocomposites: A Review," J. Materials Sci. 43 (2008) 5092-5101]. In the prior art, NGP was manufactured according to four main approaches. A summary of the advantages and disadvantages is as follows:

독립된 나노 그래핀 판 또는 시트(NGP)의 제조에 대한 검토A review of the manufacture of an independent nano-graphene plate or sheet (NGP)

접근법 1: 그래핀 산화물(GO)의 화학적 형성 및 환원Approach 1: Chemical formation and reduction of graphene oxide (GO)

첫 번째 접근법(도 1)은, 천연 흑연 분말을 삽입제와 산화제(각각의 예를 들면 진한 황산 및 질산)로 처리하여, 흑연 삽입 화합물(Graphite Intercalation Compound; GIC)을 수득하거나, 또는 실제로는 흑연 산화물(GO)을 수득하는 단계를 수반한다[William S. Hummers, Jr., et al., Preparation of Graphitic Oxide, Journal of the American Chemical Society, 1958, p. 1339]. 삽입 또는 산화 전에 흑연의 그래핀 면간 간격은 약 0.335 ㎚(L d = ½ d 002 = 0.335 ㎚)이다. 삽입 및 산화 처리에 의해, 그래핀간 간격은 통상 0.6 ㎚ 초과의 값으로 증가하게 된다. 이는, 화학적 경로 중 흑연 물질이 겪게 되는 제1 팽창 단계이다. 그 다음, 수득된 GIC 또는 GO는, 열 충격 노출 접근법, 또는 용액 기반 초음파 보조 그래핀 층 박리 접근법 중 어느 하나를 이용하여 추가 팽창(흔히 "박리"라고 함)을 겪게 된다. The first approach (FIG. 1) is to treat natural graphite powders with an intercalating agent and an oxidizing agent (for example, concentrated sulfuric acid and nitric acid, respectively) to obtain a Graphite Intercalation Compound (GIC) Followed by obtaining an oxide (GO) (William S. Hummers, Jr., et al., Preparation of Graphitic Oxide, Journal of the American Chemical Society, 1958, p. 1339]. The intergrain spacing of graphite before insertion or oxidation is about 0.335 nm ( L d = ½ d 002 = 0.335 nm). By the insertion and the oxidation treatment, the gap between the graphenes is usually increased to a value exceeding 0.6 nm. This is the first expansion step that the graphite material undergoes in the chemical pathway. The resulting GIC or GO then undergoes further expansion (often referred to as "peeling ") using either a thermal impact exposure approach or a solution based ultrasound assisted graft layer exfoliation approach.

열 충격 노출 접근법에 있어서, GIC 또는 GO는 고온(통상 800~1,050℃)에 짧은 시간(통상 15초 내지 60초) 동안 노출되어 GIC 또는 GO를 박리시키거나 팽창시켜 박리 또는 추가 팽창된 흑연(통상 여전히 서로 상호 연결되어 있는 흑연 플레이크들로 구성된 "흑연 웜(graphite worm)"의 형태를 가짐)을 형성한다. 이러한 열 충격 방법은 몇몇 분리된 흑연 플레이크들 또는 그래핀 시트들을 제조할 수 있지만, 보통 대부분의 흑연 플레이크들은 상호 연결되어 있는 상태로 남게 된다. 통상적으로, 박리된 흑연 또는 흑연 웜은 이후 에어 밀링, 기계적 전단 또는 수중 초음파 처리를 이용한 플레이크 분리 처리를 거치게 된다. 그러므로 접근법 1은 근본적으로 3개의 별개의 과정들, 즉 1차 팽창(산화 또는 삽입), 추가 팽창(또는 "박리") 및 분리 과정을 수반한다.In a thermal shock exposure approach, a GIC or GO is exposed to a high temperature (typically 800 to 1,050 ° C) for a short period of time (typically 15 seconds to 60 seconds) to peel or expand the GIC or GO to release or further expanded graphite Forming a "graphite worm" consisting of graphite flakes still interconnected with one another. This thermal shock method can produce some separated graphite flakes or graphene sheets, but usually most of the graphite flakes remain interconnected. Typically, the peeled graphite or graphite worm is then subjected to a flake separation process using air milling, mechanical shearing or underwater ultrasonication. Approach 1 therefore involves fundamentally three separate processes: primary expansion (oxidation or insertion), further expansion (or "exfoliation") and separation.

용액 기반 분리 접근법에 있어서, 팽창 또는 박리된 GO 분말은 물이나 알코올 수용액 중에 분산되어 초음파 처리된다. 이 공정들에서 초음파 처리는 흑연의 삽입 및 산화 이후(즉 1차 팽창 이후), 그리고 통상적으로는 생성된 GIC 또는 GO의 열 충격 노출 이후(2차 팽창 이후)에 이용된다는 것을 주목하는 것이 중요하다. 대안적으로, 물에 분산된 GO 분말은 면들 사이의 공간들에 있던 이온들간 반발력이 그래핀간 반데르 발스 힘을 이기는 방식으로 이온 교환 또는 긴 정제 과정을 겪게 되고, 그 결과 그래핀 층이 분리된다.In the solution-based separation approach, the expanded or exfoliated GO powder is dispersed in water or an aqueous alcohol solution and sonicated. It is important to note that in these processes the ultrasonic treatment is used after the insertion and oxidation of the graphite (i.e. after the primary expansion) and usually after the thermal shock exposure of the resulting GIC or GO (after the secondary expansion) . Alternatively, the GO powder dispersed in water undergoes an ion exchange or long purification process in such a way that the repulsive forces between the ions in the spaces between the faces overwhelm the graphene van der Waals force, resulting in the separation of the graphene layer .

이러한 종래의 화학적 제조 공정과 연관된 주요 문제점들이 몇 가지 존재한다:There are several major problems associated with this conventional chemical manufacturing process:

(1) 이 공정은 몇 가지 바람직하지 않은 화학물질, 예컨대 황산, 질산 및 과망간산칼륨 또는 염소산나트륨이 다량으로 사용되어야 한다.(1) This process requires the use of large amounts of some undesirable chemicals such as sulfuric acid, nitric acid and potassium permanganate or sodium chlorate.

(2) 화학적 처리 공정은 삽입 및 산화에 오랜 시간(통상 5시간 내지 5일)이 필요하다.(2) The chemical treatment process requires a long time (typically 5 hours to 5 days) to insert and oxidize.

(3) 이처럼 오랜 시간이 소요되는 삽입 또는 산화 공정 중 강산은 "흑연 안으로 파고들어감"으로써 상당한 양의 흑연을 소모한다(즉 흑연을 이산화탄소로 변환시키고, 이 과정에서 흑연이 소실됨). 강산 및 산화제에 침지된 흑연 물질의 20~50 중량%가 소실되는 것은 일반적이다.(3) During this long insertion or oxidation process, strong acid consumes a significant amount of graphite (ie, converts graphite to carbon dioxide, resulting in graphite loss) by "digging into the graphite". It is common that 20 to 50% by weight of the graphite material immersed in the strong acid and the oxidizing agent is lost.

(4) 열 박리는 고온(통상적으로 800~1,200℃)을 필요로 하므로, 고도의 에너지 집약적 공정이다.(4) Heat peeling is a highly energy intensive process because it requires high temperature (typically 800-1,200 ° C).

(5) 열 유도성 박리 접근법과 용액 유도성 박리 접근법은 둘 다 매우 까다로운 세정 및 정제 단계를 필요로 한다. 예를 들어 1 g의 GIC를 세정 및 회수하기 위해서는 통상 2.5 ㎏의 물이 사용되고, 그 결과 적절하게 처리되어야 할 폐수가 다량 생성된다.(5) Both the thermal inductive detachment approach and the solution inductive detachment approach require a very demanding cleaning and purification step. For example, to clean and recover 1 g of GIC, typically 2.5 kg of water is used, resulting in a large amount of wastewater to be properly treated.

(6) 열 유도성 박리 접근법과 용액 유도성 박리 접근법 둘 다에 있어서, 이로부터 생성되는 생성물은 산소 함량을 감소시키기 위해 추가의 화학적 환원 처리를 거쳐야 하는 GO 판상체이다. 통상적으로 환원 이후에도 GO 판상체의 전기 전도도는 순수 그래핀의 전기 전도도보다 훨씬 낮게 유지된다. 또한, 환원 절차는 종종 히드라진과 같은 독성 화학물질의 사용을 수반한다.(6) In both the thermal inductive release approach and the solution inductive release approach, the resulting product is a GO plate which must undergo further chemical reduction treatment to reduce the oxygen content. Even after reduction, the electrical conductivity of the GO plate remains much lower than the electrical conductivity of the pure graphene. In addition, the reduction procedure often involves the use of toxic chemicals such as hydrazine.

(7) 또한, 배수 후 플레이크들에 남아있는 삽입 용액의 양은 흑연 플레이크 100 중량부를 기준으로, 20 내지 150 중량부(pph), 더욱 통상적으로 약 50 내지 120 pph일 수 있다. 고온 박리 동안, 플레이크에 의해 잔류하게 된 잔여 삽입 종들은 분해되어 바람직하지 않은 다양한 종의 황 화합물 및 질소 화합물(예컨대, NOx 및 SOx)을 생성한다. 환경에 악영향을 미치지 않게 하기 위해서 배출액은 비용이 많이 드는 복원 과정을 필요로 한다.(7) Furthermore, the amount of insoluble solution remaining in the flakes after draining may be 20 to 150 parts by weight (pph), more typically about 50 to 120 pph, based on 100 parts by weight of the graphite flake. During hot stripping, the remaining insert species left by the flake are decomposed to produce a variety of undesirable sulfur compounds and nitrogen compounds (e.g., NO x and SO x ). In order not to adversely affect the environment, emissions require costly restoration processes.

본 발명은 앞서 개략적으로 설명한 한계 또는 문제를 극복하기 위한 것이다.The present invention is intended to overcome the limitations or problems outlined above.

접근법 2: 순수 나노 그래핀 판상체의 직접 형성Approach 2: Direct formation of pure nano-graphen sheet

2002년에 본 연구팀은 중합체 또는 피치 전구체로부터 수득된 부분 탄화 또는 흑연화 중합체 탄소로부터 단일층 및 다층 그래핀 시트를 분리하는 데 성공하였다[B. Z. Jang and W. C. Huang, "Nano-scaled Graphene Plates," 미국 특허 출원 10/274,473호(2002년 10월 21일 출원); 현재 미국 특허 7,071,258호(2006년 7월 4일)]. Mack 등["Chemical manufacture of nanostructured materials" 미국 특허 6,872,330호(2005년 3월 29일)]은, 흑연에 칼륨 용융물을 삽입하고, 이로부터 생성된 K-삽입 흑연을 알코올과 접촉시켜, 거칠게 박리된 흑연 함유 NGP를 제조하는 단계를 수반하는 공정을 개발하였다. 칼륨 및 나트륨과 같은 순수 알칼리 금속은 수분에 극도로 민감하고 폭발의 위험이 있기 때문에, 이 공정은 진공 또는 극도로 건조한 글러브 박스 환경에서 조심스럽게 수행되어야 한다. 이 공정은 NGP의 대량 생산에 적합하지 않다. 본 발명은 앞서 개략적으로 설명한 한계들을 극복하기 위한 것이다.In 2002, the team succeeded in separating monolayer and multilayer graphene sheets from partially carbonized or graphitized polymeric carbons obtained from polymers or pitch precursors [B. Z. Jang and W. C. Huang, "Nano-scaled Graphene Plates," U.S. Patent Application 10 / 274,473 (filed October 21, 2002); U.S. Patent No. 7,071,258 (July 4, 2006)]. Mack et al., "Chemical manufacture of nanostructured materials" U.S. Patent No. 6,872,330 (Mar. 29, 2005) discloses a process for producing a graphite sheet by inserting a potassium melt into graphite, A process involving the step of producing graphite-containing NGP has been developed. Since pure alkali metals such as potassium and sodium are extremely sensitive to moisture and there is a risk of explosion, this process must be carried out carefully in a vacuum or an extremely dry glove box environment. This process is not suitable for mass production of NGP. The present invention is intended to overcome the limitations outlined above.

접근법 3: 무기 결정 표면에서의 나노 그래핀 시트의 에피택셜 성장 및 화학 증착Approach 3: Epitaxial growth and chemical vapor deposition of nano-graphene sheet at the inorganic crystal surface

기판 상에 초박형 그래핀 시트를 소규모로 제조하는 것은 열 분해 기반 에피택셜 성장 및 레이저 탈착-이온화 기술에 의해 달성될 수 있다[Walt A. DeHeer, Claire Berger, Phillip N. First, "Patterned thin film graphite devices and method for making same" 미국 특허 7,327,000 B2호(2003년 6월 12일)]. 하나 또는 소수의 원자 층만을 갖는 흑연의 에피택셜 필름은, 자체의 독특한 특징과 장치 기판으로서의 큰 잠재성으로 인해 기술적, 과학적으로 중요하다. 그러나 이 공정은 복합체 재료 및 에너지 저장 용도를 위한 독립된 그래핀 시트의 대량 생산에 적합하지 않다. 본 발명은 앞서 개략적으로 설명한 한계들을 극복하기 위한 것이다.Small scale fabrication of ultra-thin 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 "US Patent 7,327,000 B2 (June 12, 2003)]. Epitaxial films of graphite with only one or a few atomic layers are technically and scientifically important due to their unique characteristics and their great potential as device substrates. However, this process is not suitable for mass production of separate graphene sheets for composite materials and energy storage applications. The present invention is intended to overcome the limitations outlined above.

박막 형태(통상 2 nm 미만의 두께)로 그래핀을 제조하는 또 다른 공정은 촉매 화학 증착 공정이다. 이 촉매 CVD는 Ni 또는 Cu 표면 상에 탄화수소 기체(예를 들어, C2H4)를 촉매 분해하여 단일층 또는 소수층(few-layer) 그래핀을 형성하는 것을 포함한다. Ni 또는 Cu가 촉매인 경우, 800~1,000℃의 온도에서 탄화수소 기체 분자의 분해를 통해 수득된 탄소 원자는 Cu 호일 표면 상에 직접 증착되거나 Ni-C 고용체 상태로부터 Ni 호일의 표면으로 침전되어 나와 단일층 또는 소수층 그래핀(5층 미만) 시트를 형성한다. Ni-촉매 또는 Cu-촉매 CVD 공정은 밑에 있는 Ni 또는 Cu 층이 더 이상 어떠한 촉매 효과도 제공할 수 없어서 5개 초과의 그래핀 면(통상 2 nm 미만)을 증착하는 데 적합하지 않다. CVD 그래핀 필름은 매우 비싸다.Another process for producing graphene in a thin film form (usually less than 2 nm thick) is the catalytic chemical vapor deposition process. This catalytic CVD involves catalytic cracking of a hydrocarbon gas (e.g., C 2 H 4 ) on a Ni or Cu surface to form a single layer or a few-layer graphene. When Ni or Cu is a catalyst, carbon atoms obtained through decomposition of hydrocarbon gas molecules at a temperature of 800-1,000 ° C are directly deposited on the surface of the Cu foil or precipitated from the Ni-C solid solution state onto the surface of the Ni foil, Layer or a minority layer graphene (less than five layers) sheet. Ni-catalyzed or Cu-catalyzed CVD processes are not suitable for depositing more than 5 graphene planes (typically less than 2 nm) because underlying Ni or Cu layers can no longer provide any catalytic effects. CVD graphene films are very expensive.

접근법 4: 상향식 접근법(소분자로부터의 그래핀 합성)Approach 4: Bottom-up approach (graphene synthesis from small molecules)

Yang 등["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 Suzuki-Miyaura 커플링으로 시작되는 방법을 사용하여, 최대 12 ㎚ 길이의 나노 그래핀 시트를 합성하였다. 생성된 헥사페닐벤젠 유도체는 추가로 유도체화되고 작은 그래핀 시트로 고리 융합되었다. 이는, 지금까지 매우 작은 그래핀 시트를 제조해 왔던 느린 공정이다. 본 발명은 앞서 개략적으로 설명한 한계들을 극복하기 위한 것이다.Yang, "Two-dimensional Graphene Nano-ribbons," J. Am. Chem. Soc. 130 (2008) 4216-17) used a method starting with Suzuki-Miyaura coupling of 1,4-diiodo-2,3,5,6-tetraphenyl-benzene with 4-bromophenylboronic acid To synthesize a nano - graphene sheet with a maximum length of 12 nm. The resulting hexaphenylbenzene derivative was further derivatized and ring fused to a small graphene sheet. This is a slow process that has produced very small graphene sheets so far. The present invention is intended to overcome the limitations outlined above.

그러므로, 바람직하지 않은 화학물질의 양의 감소(또는 이러한 화학물질 모두의 제거), 공정 시간 단축, 더 적은 에너지 소비, 더 낮은 정도의 그래핀 산화, 바람직하지 않은 화학 종의 배수액으로의 배출(예컨대 황산) 또는 공기 중으로의 배출(예컨대 SO2 및 NO2)의 감소 또는 제거를 필요로 하는 그래핀 제조 공정에 대한 요구가 절실한 실정이다. 공정은 더 순수하고(산화가 덜 되고 손상이 더 적고), 전기 전도성이 더 크며, 더 큰/더 넓은 그래핀 시트를 제조할 수 있어야 한다. 또한, 이러한 그래핀 시트를 발포체 구조로 손쉽게 만들 수 있어야 한다.Therefore, there is a need to reduce the amount of undesirable chemicals (or the removal of all of these chemicals), shorten process times, less energy consumption, lower levels of graphene oxidation, the situation is a need for a graphene manufacturing process that requires the reduction or elimination of such as sulfuric acid), or discharge of air into (e.g., SO 2 and NO 2) urgent. The process should be purer (less oxidized and less damaging), more electrically conductive, and able to produce larger / wider graphene sheets. In addition, such a graphene sheet must be easily made into a foam structure.

본 연구 그룹의 최근 연구 결과 앞서 개략적으로 설명한 나노 그래핀 판의 제조를 위한 종래의 방법들을 따르지 않는다는 점에서 신규한, 독립된 나노 그래핀 판상체를 화학물질 없이 제조하는 방법이 개발되었다. 또한, 본 방법은 비용 효과적이고, 환경에 미치는 영향을 상당히 저감하면서 신규한 그래핀 물질을 제공한다는 점에서 효용성이 강화되었다. 또한, 본원에 개시한 바와 같이, 화학물질 없는 그래핀 제조와 그래핀-탄소 하이브리드 발포체의 형성을 하나의 단일 공정으로 통합하였다.Recent research in this group has resulted in the development of a new, independent, nano-graphene sheet without chemicals in that it does not follow the conventional methods for making nanograffin plates outlined above. In addition, the method is cost effective and has enhanced utility in providing novel graphene materials with significantly reduced environmental impact. In addition, as disclosed herein, the incorporation of chemical-free graphene production and graphene-carbon hybrid foam formation into a single process.

본 출원의 청구범위를 정의하기 위해, NGP 또는 그래핀 물질은 단일층 및 다층 (통상적으로 10개 미만의 층) 순수 그래핀, 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물(RGO), 그래핀 불화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화 그래핀, 질화 그래핀, 화학적으로 작용화된 그래핀, (예를 들어 B 또는 N으로 도핑된) 도핑된 그래핀의 이산된 시트/판상체를 포함한다. 순수 그래핀은 본질적으로 0%의 산소를 갖는다. RGO는 통상적으로 0.001 중량% 내지 5 중량%의 산소 함량을 갖는다. 그래핀 산화물(RGO를 포함함)은 0.001 중량% 내지 50 중량%의 산소를 가질 수 있다. 순수 그래핀 외에, 모든 그래핀 물질은 0.001 중량% 내지 50 중량%의 비탄소 원소(예를 들어 O, H, N, B, F, Cl, Br, I 등)를 갖는다. 이들 물질은 본원에서 비순수(non-pristine) 그래핀 물질로 지칭된다. 본 발명의 그래핀-탄소 발포체는 순수 또는 비순수 그래핀을 포함할 수 있고 본 발명의 방법은 이러한 유연성을 허용한다.In order to define the claims of the present application, the NGP or graphene material may comprise a single layer and multiple layers (typically less than 10 layers) of pure graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide (RGO), graphene fluoride, Graphene chloride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, hydrogenated graphene, nitrided graphene, chemically graphene graphene, discrete sheets / layers of doped graphene (doped with B or N, And includes a platelet. Pure graphene has essentially 0% oxygen. The RGO typically has an oxygen content of from 0.001% to 5% by weight. The graphene oxide (including RGO) may have 0.001 wt% to 50 wt% oxygen. In addition to pure graphene, all graphene materials have 0.001 wt% to 50 wt% non-carbon elements (e.g., O, H, N, B, F, Cl, Br, These materials are referred to herein as non-pristine graphene materials. The graphene-carbon foam of the present invention may comprise pure or non-pure graphene and the process of the present invention allows this flexibility.

그래핀 발포체 제조에 대한 검토Review of manufacturing of graphene foams

일반적으로 말해서, 발포체 또는 발포 물질은 세공(또는 셀(cell)) 및 세공 벽(pore wall, 고체 물질)로 구성된다. 세공은 상호 연결되어 개방형-셀 발포체를 형성할 수 있다. 그래핀 발포체는 그래핀 물질을 포함하는 세공 벽 및 세공으로 구성된다. 그래핀 발포체를 제조하는 세 가지 주요 방법이 있다:Generally speaking, the foam or foam material consists of pores (or cells) and pore walls (solid materials). The pores may be interconnected to form an open-cell foam. The graphene foam consists of pore walls and pores containing graphene material. There are three main ways to make graphene foams:

첫 번째 방법은 통상적으로 그래핀 산화물(GO) 수성 현탁액을 고압 오토클레이브에서 밀봉하고 GO 현탁액을 고압(수십 또는 수백 기압) 및 통상적으로 180~300℃의 범위에서 장시간(통상 12~36시간)동안 가열하는 것을 포함하는 그래핀 산화물 하이드로겔의 열수 환원(hydrothermal reduction)이다. 이 방법에 대한 유용한 참고 문헌은 다음과 같다: Y. Xu, et al. "Self-Assembled Graphene Hydrogel via a One-Step Hydrothermal Process," ACS Nano 2010, 4, 4324-4330. 이 방법과 관련된 몇 가지 주요한 문제가 있다. (a) 고압을 요구하므로 산업 규모 제조에서는 비현실적인 방법이다. 우선, 이 방법은 연속으로 수행될 수 없다. (b) 이 방법으로 제조된 세공 구조의 세공 크기 및 다공성 수준을 제어하는 것이 불가능한 것은 아니지만 어렵다. (c) 이 방법으로 제조된 환원된 그래핀 산화물(RGO) 물질의 형태 및 크기의 다양성 측면에서 유연성이 없다(예를 들어, 필름 형태로 만들 수 없다). (d) 이 방법은 물에 현탁된 매우 낮은 농도(예를 들어, 2 mg/mL = 2 g/L = 2 kg/kL)의 GO의 사용을 포함한다. 비탄소 원소를 제거(최대 50%까지)하여 현탁액 1000 리터당 2 kg 미만의 그래핀 물질(RGO)을 제조할 수 있을 뿐이다. 또한, 고온 및 고압의 조건을 견뎌야 하는 1000 리터 반응기를 가동하는 것은 현실적으로 불가능하다. 분명히, 이 방법은 다공성 그래핀 구조의 대량 생산용으로 확장할 수 있는 방법이 아니다.The first method typically involves sealing the graphene oxide (GO) aqueous suspension in a high pressure autoclave and heating the GO suspension at high pressure (tens or hundreds of atmospheres) and typically at a temperature in the range of 180 to 300 DEG C for an extended period of time (usually 12 to 36 hours) And hydrothermal reduction of the graphene oxide hydrogel, including heating. A useful reference for this method is as follows: 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) It is an unrealistic method for industrial scale manufacture because it requires high pressure. First of all, this method can not be performed continuously. (b) It is not impossible, but difficult, to control the pore size and porosity level of the pore structure produced by this method. (c) is not flexible in terms of the variety and variety of shapes and sizes of reduced graphene oxide (RGO) materials produced by this process (e.g., can not be made into a film form). (d) This method involves the use of a very low concentration of GO suspended in water (for example, 2 mg / mL = 2 g / L = 2 kg / kL). It can only produce less than 2 kg of graphene material (RGO) per 1000 liters of suspension by removing non-carbon elements (up to 50%). It is also practically impossible to operate a 1000 liter reactor which must withstand high temperature and high pressure conditions. Obviously, this method is not a scalable method for mass production of porous graphene structures.

두 번째 방법은 템플레이트-보조(template-assisted) 촉매 CVD 공정에 기반한 것으로 희생 템플레이트(예를 들어, Ni 발포체) 상에 그래핀을 CVD 증착하는 것을 포함한다. 이 그래핀 물질은 Ni 발포체 구조의 형태 및 치수를 따른다. 이어서, Ni 발포체는 에칭제를 사용하여 에칭 제거되고, 본질적으로 개방형 셀 발포체인 그래핀 골격의 단일체를 남긴다. 이 방법에 대한 유용한 참고 문헌은 다음과 같다: Zongping Chen, et al., "Three-dimensional flexible and conductive interconnected graphene networks grown by chemical vapour deposition," Nature Materials, 10 (June 2011) 424-428. 이러한 방법과 관련된 몇 가지 문제가 있다: (a) 촉매 CVD는 본질적으로 매우 느리고, 고도로 에너지 집약적이며 고비용인 방법이다; (b) 에칭제는 통상적으로 매우 바람직하지 않은 화학물질이고 생성된 Ni-함유 에칭 용액은 오염원이다. 에칭 용액으로부터 용해된 Ni 금속을 회수하거나 재활용하는 것은 매우 어렵고 비싸다. (c) Ni 발포체가 에칭 제거될 때 그래핀 발포체의 형태 및 치수를 셀 벽의 손상 없이 유지하는 것이 어렵다. 생성된 그래핀 발포체는 통상적으로 매우 취성이고 취약하다. (d) 희생 금속 발포체 내부의 특정 지점은 CVD 전구체 기체에 접근하지 못할 수 있기 때문에 CVD 전구체 기체(예를 들어, 탄화수소)를 금속 발포체 내부로 수송하는 것이 어려워 불균일한 구조를 초래할 수 있다.The second method is based on a template-assisted catalytic CVD process and involves CVD deposition of a graphene on a sacrificial template (e.g. Ni foil). This graphen material follows the shape and dimensions of the Ni foam structure. The Ni foams are then etched away using an etchant, leaving a monolith of graphene skeleton that is essentially an open cell foam. A useful reference for this method is as follows: 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 method: (a) catalytic CVD is an inherently very slow, highly energy-intensive and costly process; (b) The etchant is typically a highly undesirable chemical and the resulting Ni-containing etch solution is a source of contaminants. It is very difficult and expensive to recover or recycle the dissolved Ni metal from the etching solution. (c) When the Ni foam is etched away, it is difficult to maintain the shape and dimensions of the graphene foam without damaging the cell walls. The resulting graphene foams are typically very brittle and fragile. (d) it may be difficult to transport CVD precursor gases (e.g., hydrocarbons) into the metal foam because certain points within the sacrificial metal foam may not be accessible to the CVD precursor gas, resulting in a non-uniform structure.

그래핀 발포체를 제조하는 세 번째 방법도 자기조립 접근법을 사용하여 그래핀 산화물 시트로 코팅된 희생 금속(예를 들어, 콜로이드 폴리스티렌 입자, PS)을 이용한다. 예를 들어, Choi 등은 화학적으로 개질된 그래핀(CMG) 종이를 두 단계로 제조했다: CMG 및 PS(2.0 ㎛ PS 구)의 혼합 수성 콜로이드 현탁액을 진공 여과하여 독립형(free-standing) PS/CMG 필름을 제조하고, 이어서 PS 비드를 제거하여 3D 거시적 세공(macro-pores)을 생성한다[B. G. Choi, et al., "3D Macroporous Graphene Frameworks for Supercapacitors with High Energy and Power Densities," ACS Nano, 6 (2012) 4020-4028.] Choi 등은 잘 정렬된 독립형 PS/CMG 종이를 여과에 의해 제조했는데, 이는 음으로 하전된 CMG 콜로이드와 양으로 하전된 PS 현탁액을 별도로 제조하는 것으로 시작되었다. CMG 콜로이드와 PS 현탁액의 혼합물은 제어된 pH(=2) 하에서 용액에 분산되었고, 두 화합물은 동일한 표면 전하(CMG에 대해 +13 ± 2.4 mV 및 PS에 대해 +68 ± 5.6 mV의 제타 전위값)를 가졌다. pH가 6으로 상승하면, CMG(제타 전위 = -29 ± 3.7 mV) 및 PS 구(제타 전위 = +51 ± 2.5 mV)는 서로 간에 작용하는 정전기적 상호작용 및 소수성으로 인해 모이게 되고, 그 후에 여과 공정을 통하여 PS/CMG 복합체 종이로 통합되었다. 이 방법 또한 몇 가지 단점이 있다: (a) 이 방법은 그래핀 산화물과 PS 입자 모두 매우 까다로운 화학적 처리를 요구한다. (b) 또한, PS를 톨루엔으로 제거하는 것은 거시적 다공성 구조의 약화를 초래한다. (c) 톨루엔은 규제가 엄격한 화학물질이고 매우 조심해서 취급되어야 한다. (d) 세공 크기가 통상적으로 과도하게 크고(예를 들어 수 ㎛), 많은 유용한 용도에 있어 너무 크다. The third method of making graphene foams also uses a sacrificial metal (e. G., Colloidal polystyrene particles, PS) coated with a graphene oxide sheet using a self-assembly approach. For example, Choi et al. Prepared chemically modified graphene (CMG) paper in two stages: a mixed aqueous colloidal suspension of CMG and PS (2.0 占 퐉 PS spheres) was vacuum filtered to form free-standing PS / CMG films are prepared, and then the PS beads are removed to produce 3D macroscopic pores (B. Choi, et al., "3D Macroporous Graphene Frameworks for Supercapacitors with High Energy and Power Densities," ACS Nano, 6 (2012) 4020-4028. , Which began with the preparation of separately positively charged PS suspensions of negatively charged CMG colloids. The mixture of CMG colloid and PS suspension was dispersed in the solution under controlled pH (= 2) and both compounds had the same surface charge (+13 ± 2.4 mV for CMG and +68 ± 5.6 mV for PS) Respectively. When the pH is increased to 6, CMG (zeta potential = -29 ± 3.7 mV) and PS spheres (zeta potential = +5 ± 2.5 mV) are collected due to electrostatic interactions and hydrophobicity acting on each other, The process was integrated into PS / CMG composite paper. This method also has several disadvantages: (a) this method requires very severe chemical treatments for both graphene oxide and PS particles. (b) In addition, the removal of PS with toluene results in a weakening of the macroporous structure. (c) Toluene is a strictly regulated chemical and should be handled very carefully. (d) the pore size is usually too large (e.g., a few microns) and too large for many useful applications.

상술한 바와 같이, 그래핀 발포체를 제조하는 모든 선행 기술의 방법 또는 공정이 주요 결함을 갖는다는 것은 분명하다. 그러므로, 본 발명의 목적은 고 전도성이고 기계적으로 강한 물성의 그래핀-기반 발포체(구체적으로, 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체)를 대량으로 제조하는 비용 효율적인 방법을 제공하는 것이다. 본 방법은 환경 친화적이지 않은 화학물질의 사용을 포함하지 않는다. 본 방법은 다공성 수준 및 세공 크기를 유연하게 설계하고 제어할 수 있다. As noted above, it is clear that all prior art methods or processes for producing graphene foams have major deficiencies. It is therefore an object of the present invention to provide a cost-effective process for the mass production of graphene-based foams (specifically, integral 3D graphene-carbon hybrid foams) of high conductivity and mechanically strong properties. This method does not involve the use of chemicals that are not environmentally friendly. The method can flexibly design and control porosity level and pore size.

본 발명의 다른 목적은 종래의 흑연 또는 탄소 발포체와 동등하거나 더 큰 열 전도도, 전기 전도도, 탄성률, 및/또는 강도를 나타내는 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a process for producing a graphene-carbon hybrid foam exhibiting thermal conductivity, electrical conductivity, elastic modulus, and / or strength equal to or greater than conventional graphite or carbon foam.

본 발명의 또 다른 목적은 (a) 본질적으로 모두 탄소만을 포함하고, 바람직하게는 중간 크기의(meso-scaled) 세공 크기 범위(2~50 nm)를 갖는 순수 그래핀-기반 하이브리드 발포체; 및 (b) 광범위한 용도에 사용될 수 있는 적어도 0.001 중량%(통상적으로 0.01 중량% 내지 25 중량% 및 가장 통상적으로 0.1% 내지 20%)의 비탄소 원소를 포함하는 비순수 그래핀 발포체(그래핀 불화물, 그래핀 염화물, 질화 그래핀 등)를 제공하는 것이다.Yet another object of the present invention is to provide a process for preparing a graft-based hybrid foam comprising: (a) a pure graphene-based hybrid foam comprising essentially only carbon and preferably having a meso-scaled pore size range (2 to 50 nm); And (b) a non-pure graphene foam comprising at least 0.001% by weight (typically from 0.01% to 25% by weight and most typically from 0.1% to 20%) of non-carbon elements, , Graphene chloride, graphene nitride, etc.).

본 발명의 또 다른 목적은 본 발명의 그래핀-탄소 발포체를 포함하는 제품(예를 들어, 장치) 및 이런 제품을 작동시키는 방법을 제공하는 것이다.It is yet another object of the present invention to provide a product (e.g., a device) comprising the graphene-carbon foam of the present invention and a method of operating such a product.

본 발명은, 흑연 물질 입자 및 중합체 입자로부터 직접 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 제조하는 방법을 제공한다. 이 방법은 놀랍도록 간단하다. 이 방법은,The present invention provides a method for making integral 3D graphene-carbon hybrid foams directly from graphite material particles and polymer particles. This method is incredibly simple. In this method,

(a) 흑연 물질의 다중 입자 및 고체 중합체 캐리어 물질의 다중 입자를 혼합하여 에너지 충격 장치(energy impacting apparatus)의 충격 챔버(impacting chamber)에서 혼합물을 형성하는 단계;(a) mixing multiple particles of graphite material and multiple particles of a solid polymeric carrier material to form a mixture in an impacting chamber of an energy impacting apparatus;

(b) 이 에너지 충격 장치를 흑연 물질로부터 그래핀 시트를 박리시키기에 충분한 주파수와 강도로 긴 시간 동안 가동하고, 그래핀 시트를 고체 중합체 캐리어 물질 입자의 표면으로 이동시켜 그래핀-코팅 또는 그래핀-삽입 중합체 입자를 충격 챔버 내에서 제조하는 단계; (예를 들어, 충격 장치는 가동할 때, 중합체 입자에 운동에너지를 공급하고, 결국 흑연 입자 표면/가장자리에 충돌하고 충격을 받은 흑연 입자로부터 그래핀 시트를 박리시킨다. 이 박리된 그래핀 시트는 이 중합체 입자에 달라붙는다. 이것을 본원에서 "직접 이동"과정이라 지칭하는데, 이는 그래핀 시트가 흑연 입자로부터 중합체 입자의 표면으로 어떤 제3자의 중개 없이 직접 이동하는 것을 의미한다.)(b) the energy impacting device is operated for a long time at a frequency and intensity sufficient to strip the graphene sheet from the graphite material and the graphene sheet is transferred to the surface of the solid polymeric carrier material particles to form graphene- - fabricating the insert polymer particles in the impact chamber; (For example, when the impact device is operating, it supplies kinetic energy to the polymer particles, and eventually collides with the surface / edge of the graphite particles and peels off the graphene sheet from the impacted graphite particles. This is referred to herein as a "direct transfer" process, which means that the graphene sheet is transferred directly from the graphite particles to the surface of the polymer particles without intermediation of any third party.)

(c) 그래핀-코팅 또는 그래핀-삽입 중합체 입자를 충격 챔버로부터 회수하고, 이 그래핀-코팅 또는 그래핀-삽입 중합체 입자를 원하는 형태의 그래핀-중합체 하이브리드 구조로 통합하는 단계(이 통합 단계는 단지 그래핀-코팅 또는 삽입 입자를 원하는 형태로 압축하는 압축 단계만큼 간단할 수 있다); 및(c) recovering the graphene-coated or graphene-inserted polymer particles from the impact chamber and incorporating the graphene-coated or graphene-embedded polymer particles into a graphene-polymer hybrid structure of the desired shape, The step may be as simple as just compressing the graphene-coated or intercalated particles into the desired shape); And

(d) 이러한 형태의 그래핀-중합체 복합체 구조를 열분해하여 이 중합체를 세공 및 그래핀 시트를 결합시키는 탄소 또는 흑연으로 열변환하여 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 형성하는 단계를 포함한다.(d) pyrolyzing this type of graphene-polymer composite structure and thermally converting the polymer into carbon or graphite binding pores and graphene sheets to form an integral 3D graphene-carbon hybrid foam.

특정 대체 구현예에서, 복수의 충격 볼 또는 매개체가 에너지 충격 장치의 충격 챔버에 추가된다. 충격 장치에 의해 가속되는 이 충격 볼은 흑연 입자의 표면/가장자리에 충격을 가하고 그로부터 그래핀 시트를 박리시킨다. 이 그래핀 시트는 일시적으로 이 충격 볼의 표면으로 이동된다. 이 그래핀-지지 충격 볼은 이어서 중합체 입자에 충돌하고 지지된 그래핀 시트를 이 중합체 입자의 표면으로 이동시킨다. 이러한 일련의 사건을 본원에서 "간접 이동"과정이라 지칭한다. 간접 이동 과정의 일부 구현예에서, 단계 (c)는 자석을 작동시켜 그래핀-코팅 또는 그래핀-삽입 중합체 입자로부터 충격 볼 또는 매개체를 분리하는 것을 포함한다.In certain alternative embodiments, a plurality of impact balls or media are added to the impact chamber of the energy impact device. This impact ball, which is accelerated by the impact device, impacts the surface / edges of the graphite particles and peels off the graphene sheet therefrom. This graphen sheet is temporarily moved to the surface of the impact ball. This graphene-supported impact ball then impinges on the polymer particles and moves the supported graphene sheet to the surface of the polymer particles. This series of events is referred to herein as the "indirect movement" process. In some embodiments of the indirect transfer process, step (c) comprises operating the magnet to separate the impact ball or medium from the graphene-coated or graphene-inserted polymer particles.

고체 중합체 물질 입자는 직경 또는 두께가 10 nm 내지 10 mm인, 플라스틱 또는 고무 비드, 펠릿, 구, 와이어, 섬유, 필라멘트, 디스크, 리본, 또는 막대를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 직경 또는 두께가 100 nm 내지 1 mm이고, 보다 바람직하게는 200 nm 또는 200 ㎛이다. 고체 중합체는 열가소성, 열경화성 수지, 고무, 반침투(semi-penetrating) 망상 중합체, 침투 망상 중합체, 천연 고분자, 또는 이들의 조합의 고체 입자로부터 선택될 수 있다. 일 구현예에서, 고체 중합체는 단계 (d) 이전에 용융, 에칭, 또는 용매에 용해함으로써 부분적으로 제거된다.The solid polymeric material particles may include plastic or rubber beads, pellets, spheres, wires, fibers, filaments, discs, ribbons, or rods having diameters or thicknesses between 10 nm and 10 mm. Preferably, the diameter or thickness is 100 nm to 1 mm, more preferably 200 nm or 200 占 퐉. The solid polymer can be selected from solid particles of thermoplastic, thermosetting resin, rubber, semi-penetrating reticulated polymer, penetrating reticulated polymer, natural polymer, or a combination thereof. In one embodiment, the solid polymer is partially removed by melting, etching, or dissolving in a solvent prior to step (d).

특정 구현예에서, 흑연 물질은 천연 흑연, 합성 흑연, 고배향 열분해 흑연(highly oriented pyrolytic graphite), 흑연 섬유, 흑연 나노섬유, 흑연 불화물, 산화 흑연, 화학적으로 개질된 흑연, 박리 흑연, 재압축 박리 흑연, 팽창 흑연, 메소 탄소 마이크로비드, 또는 이들의 조합으로부터 선택된다. 바람직하게, 흑연 물질은 혼합 단계 (a) 이전에, 화학 또는 산화 처리에 노출된 적이 없는 비-삽입 및 비-산화 흑연 물질을 포함한다.In certain embodiments, the graphite material is selected from the group consisting of natural graphite, synthetic graphite, highly oriented pyrolytic graphite, graphite fibers, graphite nanofibers, graphite fluoride, graphite oxide, chemically modified graphite, Graphite, expanded graphite, meso carbon microbeads, or combinations thereof. Preferably, the graphite material comprises non-intercalated and non-oxidized graphite materials which have not been exposed to chemical or oxidative treatment prior to the mixing step (a).

본 연구 그룹은 놀랍게도 본 발명의 실시를 위하여 광범위한 충격 장치가 사용될 수 있음을 관찰했다. 예를 들면, 에너지 충격 장치는 진동 볼 밀, 유성형 볼 밀, 고에너지 밀, 바스켓 밀, 교반기(agitator) 볼 밀, 극저온 볼 밀(cryo ball mill), 마이크로 볼 밀, 텀블러 볼 밀, 연속 볼 밀, 교반식(stirred) 볼 밀, 가압 볼 밀, 동결 밀(freezer mill), 진동 체, 비드 밀, 나노 비드 밀, 초음파 균질기 밀, 원심 유성형 혼합기, 진공 볼 밀, 또는 공진 음향 믹서(resonant acoustic mixer)일 수 있다.The present study group surprisingly observed that a wide range of impact devices could be used for the practice of the present invention. For example, the energy impacting device may be a vibrating ball mill, a planetary ball mill, a high energy mill, a basket mill, an agitator ball mill, a cryo ball mill, a microball mill, a tumbler ball mill, A free ball mill, a vibrator, a bead mill, a nano-bead mill, an ultrasonic homogenizer, a centrifugal oil mixer, a vacuum ball mill, or a resonant acoustic mixer mixer).

생성된 그래핀-탄소 하이브리드 발포체의 탄소 성분의 형성을 위하여, 높은 탄소 수율 또는 촤(char) 수율(예를 들어 30 중량% 초과)을 갖는 중합체 입자를 선택할 수 있다. 탄소 수율은 휘발성 기체의 일부가 되기 보다는 열에 의해 고체 탄소상(carbon phase)으로 변환되는 중합체 구조의 중량%이다. 탄소 수율이 높은 중합체는 페놀 수지, 폴리 푸르푸릴 알코올, 폴리아크릴로니트릴, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리옥사디아졸, 폴리벤즈옥사졸, 폴리벤조비스옥사졸, 폴리티아졸, 폴리벤조티아졸, 폴리벤조비스티아졸, 폴리(p-페닐렌 비닐렌), 폴리벤즈이미다졸, 폴리벤조비스이미다졸, 이들의 공중합체, 이들의 중합체 블렌드, 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다.For the formation of the carbon component of the resulting graphene-carbon hybrid foam, polymer particles having a high carbon yield or a char yield (e.g., greater than 30 weight percent) can be selected. The carbon yield is the weight percent of the polymer structure that is converted to a solid carbon phase by heat rather than being part of the volatile gas. The polymer having a high carbon yield may be at least one selected from the group consisting of phenol resin, polyfurfuryl alcohol, polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, polyoxadiazole, polybenzoxazole, polybenzobisoxazole, polythiazole, polybenzothiazole, Poly (p-phenylenevinylene), polybenzimidazole, polybenzobisimidazole, copolymers thereof, polymer blends thereof, or combinations thereof.

보다 낮은 탄소 함량(보다 높은 그래핀 함량)이 그래핀-탄소 하이브리드 발포체에서 요구되는 경우, 중합체는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리염화비닐, 폴리카보네이트, 아크릴로니트릴-부타디엔(ABS), 폴리에스터, 폴리비닐 알코올, 폴리플루오르화비닐리덴(PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리메타크릴산메틸(PMMA), 이들의 공중합체, 이들의 중합체 블렌드, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 탄소 수율이 낮은 중합체를 포함할 수 있다. When a lower carbon content (higher graphene content) is required in the graphene-carbon hybrid foam, the polymer may be selected from the group consisting of polyethylene, polypropylene, polybutylene, polyvinyl chloride, polycarbonate, acrylonitrile-butadiene (ABS) (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyphenylene oxide (PPO), polymethyl methacrylate (PMMA), copolymers thereof, and polymers thereof Blends, or combinations thereof. ≪ / RTI >

이러한 중합체(높은 탄소 수율 및 낮은 탄소 수율 모두)가 300~2,500℃ 온도에서 가열될 때, 그래핀 시트 가장자리 근처에서 우선적으로 핵 생성되는 탄소 물질로 변환된다는 것을 주목할 수 있다. 이러한 탄소 물질은 그래핀 시트 사이의 틈(gap)을 가교하는 역할을 하여 상호 연결된 전자 전도성 통로를 형성한다. 즉, 생성된 그래핀-탄소 하이브리드 발포체는 탄소 결합 그래핀 시트의 일체형 3D 망상구조로 이루어져, 중단 없이 그래핀 시트 또는 도메인 사이에 전자 및 포논(양자화된 격자 진동)의 연속적인 이동을 가능하게 한다. 2,500℃ 보다 높은 온도에서 추가로 가열되면, 그래핀을 결합시키는 탄소상은 탄소상이 "연질 탄소" 이거나 흑연화 가능한 경우에 흑연화될 수 있다. 이러한 상황에서, 전자 전도성 및 열 전도성은 모두 더 증가된다.It can be noted that when such polymers (both high carbon yields and low carbon yields) are heated at temperatures of 300-2,500 ° C, they are converted to carbon materials that preferentially nucleate near the edges of the graphene sheet. These carbon materials serve to bridge the gaps between the graphene sheets to form interconnected electronically conductive paths. That is, the resulting graphene-carbon hybrid foams consist of an integral 3D network of carbon-bonded graphene sheets, allowing continuous transfer of electrons and phonons (quantized lattice vibration) between graphene sheets or domains without interruption . Upon further heating at temperatures higher than 2,500 ° C, the carbon phase joining graphene can be graphitized if the carbon phase is "soft carbon" or graphitizable. In this situation, both the electronic conductivity and the thermal conductivity are further increased.

따라서, 특정 구현예에서, 열분해 단계는 200℃ 내지 2,500℃ 온도에서 중합체를 탄화하여 탄소 결합 그래핀 시트를 수득하는 것을 포함한다. 선택적으로, 이어서 탄소 결합 그래핀 시트는 2,500℃ 내지 3,200℃의 온도에서 흑연화되어 흑연 결합 그래핀 시트를 수득할 수 있다.Thus, in certain embodiments, the pyrolysis step comprises carbonizing the polymer at a temperature of from 200 ° C to 2500 ° C to obtain a carbon-bonded graft sheet. Optionally, the carbon-bonded graphene sheet can then be graphitized at a temperature of from 2,500 ° C to 3,200 ° C to obtain a graphite-bound graphene sheet.

CO2 및 H2O와 같은 휘발성 기체 분자의 발생으로 인해 중합체의 열분해가 생성된 중합체 탄소상 내에 세공을 형성하는 경향이 있다는 것을 주목할 수 있다. 하지만, 이러한 세공은 중합체가 탄화될 때 구속(constrained)되지 않으면 붕괴될 경향성이 크다. 본 연구 그룹은 놀랍게도 중합체 입자 주위를 감싸는 그래핀 시트가 세공 벽이 수축되고 붕괴되는 것을 막을 수 있는 한편, 일부 탄소종은 또한 그래핀 시트 사이의 틈에 침투하여 그래핀 시트를 서로 결합시키는 것을 발견했다. 생성된 3D 일체형 그래핀 발포체의 세공 크기 및 세공 체적(다공성 수준)은 개시 중합체 크기 및 중합체의 탄소 수율에 달려있고, 그보다 정도는 덜하지만 열분해 온도에 달려있다. It is noted that the thermal decomposition of the polymer due to the generation of volatile gas molecules such as CO 2 and H 2 O tends to form pores in the resulting polymeric carbon phase. However, such pores tend to collapse unless the polymer is constrained when carbonized. The study group surprisingly found that a graphene sheet wrapping around polymer particles can prevent the pore wall from shrinking and collapsing while some carbon species also penetrate into the gaps between the graphene sheets to bond the graphene sheets together did. The pore size and pore volume (porosity level) of the resulting 3D monolithic graphene foam depends on the starting polymer size and the carbon yield of the polymer and, to a lesser extent, on the pyrolysis temperature.

특정 바람직한 구현예에서, 통합 단계는 이 다량의 그래핀-코팅 중합체 입자를 원하는 형태로 압축하는 것을 포함한다. 예를 들면, 다량의 그래핀-코팅 입자를 금형 캐비티에 넣고 압착 및 압축함으로써 손쉽게 단단한 성형체를 형성할 수 있다. 중합체를 빠르게 가열하고 용융시키고, 성형체를 약간 압축하여 열에 의해 중합체 입자를 서로 약간 융합시키고, 빠르게 냉각시켜 성형체를 응고시킬 수 있다. 그런 다음 이 통합된 성형체는 열분해 처리(중합체 탄화 및 선택적으로, 흑연화)를 받게 된다.In certain preferred embodiments, the step of incorporating comprises compressing this large amount of graphene-coated polymer particles into the desired shape. For example, a large amount of graphene-coated particles can be put into a mold cavity and compressed and compressed to easily form a hard molded body. The polymer is rapidly heated and melted, the molded body is slightly compressed, the polymer particles are slightly fused with each other by heat, and the formed body can be solidified by rapid cooling. The integrated compact is then subjected to pyrolysis treatment (polymer carbonization and, optionally, graphitization).

일부 대체 구현예에서, 통합 단계는 중합체 입자를 용융시켜 그 안에 분산된 그래핀 시트와 중합체 용융 혼합물을 형성하고, 중합체 용융 혼합물을 원하는 형태로 성형하여 그 형태를 그래핀-중합체 복합체 구조로 응고시키는 것을 포함한다. 이러한 형태는 막대, 필름(얇거나 두꺼운 필름, 넓거나 좁은, 단일 시트 또는 롤 형태임), 섬유(짧은 필라멘트 또는 연속적인 긴 필라멘트), 판, 잉곳, 임의의 보통 형태나 이상한 형태일 수 있다. 이후에, 이 그래핀-중합체 복합체 형태는 열분해된다.In some alternative embodiments, the step of integrating comprises melting the polymer particles to form a polymer melt mixture with the graphene sheet dispersed therein, shaping the polymer melt mixture into the desired shape, and solidifying the shape into a graphene-polymer composite structure . Such forms may be rods, films (thin or thick film, wide or narrow, in the form of a single sheet or roll), fibers (short filaments or continuous long filaments), plates, ingots, any ordinary or strange shape. This graphene-polymer composite form is then pyrolyzed.

대안적으로, 통합 단계는 중합체 입자를 용매에 용해시켜 그 안에 분산된 그래핀 시트와 중합체 용액 혼합물을 형성하고, 중합체 용액 혼합물을 원하는 형태로 성형하고, 용매를 제거하여 그 형태를 그래핀-중합체 복합체 구조로 응고시키는 것을 포함할 수 있다. 그런 다음 이 복합체 구조는 열분해되어 다공질 구조를 형성한다.Alternatively, the step of incorporating may include dissolving the polymer particles in a solvent to form a mixture of the polymer solution and the graphene sheet dispersed therein, shaping the polymer solution mixture into the desired shape, removing the solvent, ≪ / RTI > complex structure. This composite structure is then pyrolyzed to form a porous structure.

통합 단계는 중합체 입자를 용융시켜 그 안에 분산된 그래핀 시트와 중합체 용융 혼합물을 형성하고, 이 혼합물을 막대 형태나 시트 형태로 압출하거나, 이 혼합물을 섬유 형태로 스피닝하거나, 이 혼합물을 분말 형태로 분무하거나, 이 혼합물을 잉곳 형태로 주조하는 것을 포함할 수 있다.The step of incorporation comprises melting the polymer particles to form a polymer melt mixture with the graphene sheet dispersed therein, extruding the mixture into a rod or sheet form, spinning the mixture into a fiber form or spinning the mixture into a powder form Spraying, or casting the mixture into ingot form.

일부 구현예에서, 통합 단계는 중합체 입자를 용매에 용해시켜 그 안에 분산된 그래핀 시트와 중합체 용액 혼합물을 형성하고, 이 용액 혼합물을 막대 형태나 시트 형태로 압출하거나, 이 용액 혼합물을 섬유 형태로 스피닝하거나, 이 용액 혼합물을 분말 형태로 분무하거나, 이 용액 혼합물을 잉곳 형태로 주조하고 용매를 제거하는 것을 포함할 수 있다.In some embodiments, the step of incorporating comprises dissolving the polymer particles in a solvent to form a mixture of the polymer solution and the graphene sheet dispersed therein, extruding the solution mixture into a rod form or a sheet form, Spinning, spraying the solution mixture in powder form, casting the solution mixture into an ingot form and removing the solvent.

특정 구현예에서, 중합체 용액 혼합물은 분무되어 그래핀-중합체 복합체 코팅 또는 필름을 생성한 후 열분해(탄화 또는 탄화 및 흑연화)된다.In certain embodiments, the polymer solution mixture is sprayed to produce a graphene-polymer composite coating or film followed by pyrolysis (carbonization or carbonization and graphitization).

바람직하게, 통합 단계는 거시적 세공을 갖는 다공질 성형체에 그래핀-코팅 중합체 입자를 압축한 후, 석유 피치, 콜타르 피치, 방향족 유기 물질(예를 들어, 나프탈렌 또는 기타 피치 유도체), 단량체, 유기 중합체, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 추가적인 탄소 원료 물질을 세공에 침투 또는 함침시키는 것을 포함할 수 있다. 유기 중합체는 페놀 수지, 폴리 푸르푸릴 알코올, 폴리아크릴로니트릴, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리옥사디아졸, 폴리벤즈옥사졸, 폴리벤조비스옥사졸, 폴리티아졸, 폴리벤조티아졸, 폴리벤조비스티아졸, 폴리(p-페닐렌 비닐렌), 폴리벤즈이미다졸, 폴리벤조비스이미다졸, 이들의 공중합체, 이들의 중합체 블렌드, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 탄소 수율이 높은 중합체를 포함할 수 있다. 침투된 그래핀-코팅 중합체 입자의 성형체가 열분해될 때, 하이브리드 발포체 내에 보다 많은 탄소량이 요구되는 경우, 이 종은 추가적인 탄소원이 된다. Preferably, the step of consolidating comprises compressing the graphene-coated polymer particles into a porous formed body having macropores and then compressing the graphene-coated polymer particles into a mixture of a petroleum pitch, a coal tar pitch, an aromatic organic material (e.g. naphthalene or other pitch derivative), a monomer, Or a combination thereof, into the pores. The organic polymer may be selected from the group consisting of phenolic resin, polyfurfuryl alcohol, polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, polyoxadiazole, polybenzoxazole, polybenzobisoxazole, polythiazole, polybenzothiazole, A high carbon yield polymer selected from azoles, poly (p-phenylenevinylene), polybenzimidazoles, polybenzobisimidazoles, copolymers thereof, polymer blends thereof, or combinations thereof . When the molded body of the impregnated graphene-coated polymer particle is pyrolyzed, when the amount of carbon in the hybrid foam is required, the species becomes an additional carbon source.

또한, 본 발명은 다중 세공 및 세공 벽으로 구성된 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 제공하고, 세공 벽은 탄소 물질-대-그래핀 중량비가 1/200 내지 1/2인 탄소 물질에 의해 화학적으로 결합된 단일층 또는 소수층 그래핀 시트를 포함하고, 소수층 그래핀 시트는 X선 회절에 의해 측정된 면간 간격 d002가 0.3354 nm 내지 0.36 nm인 중첩된 그래핀 면 2 내지 10개 층을 가지며, 단일층 또는 소수층 그래핀 시트는 비탄소 원소가 본질적으로 0%인 순수 그래핀 물질 또는 0.001 중량% 내지 35 중량%(바람직하게는 0.01% 내지 25%)의 비탄소 원소를 갖는 비순수 그래핀 물질을 포함하며, 이 비순수 그래핀은 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 그래핀 불화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화 그래핀, 질화 그래핀, 화학적으로 작용화된 그래핀, 또는 이들의 조합으로부터 선택된다. 하층에 있는 중합체 입자를 수용하는 복수의 단일층 또는 소수층 그래핀은 서로 겹쳐져서 그래핀 시트 스택을 형성할 수 있다. 이러한 스택은 두께가 5 nm 초과일 수 있고, 몇몇 경우에 10 nm 초과, 또는 심지어 100 nm 초과일 수 있다.The present invention also provides an integral 3D graphene-carbon hybrid foam comprising multiple pores and pore walls, wherein the pore walls are chemically modified by a carbon material having a weight ratio of carbon material to graphene of 1/200 to 1/2 Wherein the hydrophobic graphene sheet has from 2 to 10 layers of superimposed graphene faces having an interplanar spacing d 002 as measured by X-ray diffraction of from 0.3354 nm to 0.36 nm, Layer or hydrophobic graphene sheet comprises a pure graphene material that is essentially 0% non-carbon element or a non-pure graphene material having 0.001 wt% to 35 wt% (preferably 0.01% to 25%) non-carbon elements Wherein the non-pure graphene is selected from the group consisting of graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, hydrogenated graphene, nitrided graphene, chemically functionalized Graphene, or a combination thereof. A plurality of monolayer or hydrophobic graphenes containing polymer particles in the lower layer may overlap to form a graphene sheet stack. Such a stack may be more than 5 nm in thickness and, in some cases, more than 10 nm, or even more than 100 nm.

일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체는 통상적으로 밀도가 0.001 내지 1.7 g/㎤이고, 비표면적이 50 내지 3,000 ㎡/g이다. 바람직한 구현예에서, 세공 벽은 X선 회절에 의해 측정된 면간 간격 d002가 0.3354 nm 내지 0.40 nm인 중첩된 그래핀 면을 포함한다.The integral 3D graphene-carbon hybrid foam typically has a density of 0.001 to 1.7 g / cm 3 and a specific surface area of 50 to 3,000 m 2 / g. In a preferred embodiment, the pore walls comprise superimposed graphene planes with an interplanar spacing d 002 of 0.3354 nm to 0.40 nm as measured by X-ray diffraction.

(예를 들어, 물로부터 기름을 분리하는) 기름 회수 장치에 있어서, 그래핀-탄소는 바람직하게는 1 중량% 내지 25 중량%(보다 바람직하게는 1~15% 및 가장 바람직하게는 1~10%)의 산소 함량을 갖는다. 이것은 개시 물질이 산화 흑연인 경우, 또는 300~1,500℃(바람직하게는 1,000℃ 이하) 온도의 약한 산화 환경에서 탄화 처리가 수행되고 이후에 흑연화를 수행하지 않는 경우에 달성될 수 있다. 본 연구 그룹은 놀랍게도 이러한 특성의 고도의 다공성 그래핀-탄소 발포체가 기름-물 혼합물로부터 자기 중량의 500%까지 기름을 흡수할 수 있음을 발견했다.(For example, separating oil from water), the graphene-carbon is preferably present in an amount of from 1% to 25% by weight (more preferably from 1 to 15% and most preferably from 1 to 10% %). ≪ / RTI > This can be achieved when the starting material is oxidized graphite or when the carbonization treatment is carried out in a weak oxidizing environment at a temperature of 300 to 1,500 ° C (preferably not more than 1,000 ° C) and thereafter no graphitization is carried out. The present study group surprisingly found that highly porous, graphene-carbon foams of this nature can absorb up to 500% of their weight of oil from the oil-water mixture.

열 관리 용도에 있어서, 그래핀-탄소 하이브리드 발포체는 바람직하게는 (탄화 후) 탄소 결합 그래핀 시트를 압축 응력 하에서 흑연화 처리함으로써 제조된다. 이것은 그래핀 시트 또는 그래핀 도메인의 배향 및 재조직(병합, 성장 등)을 용이하게 한다. 그 결과, 그래핀-탄소 발포체 시트 또는 필름은 단위 비중당 적어도 200 W/mK의 열 전도도, 및/또는 단위 비중당 2,000 S/㎝ 이상의 전기 전도도를 나타낸다.For thermal management applications, graphene-carbon hybrid foams are preferably produced by graphitizing carbon bond graft sheets (after carbonization) under compressive stress. This facilitates the orientation and reorganization (merging, growth, etc.) of graphene sheets or graphene domains. As a result, the graphene-carbon foam sheet or film exhibits a thermal conductivity of at least 200 W / mK per unit specific gravity, and / or an electrical conductivity of 2,000 S / cm or more per unit gravity.

일 구현예에서, 세공 벽은 순수 그래핀을 포함하고, 3D 고체 그래핀-탄소 발포체는 0.001 내지 1.7 g/㎤의 밀도 또는 2 nm 내지 50 nm의 평균 세공 크기를 갖는다. 일 구현예에서, 세공 벽은 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 그래핀 불화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화 그래핀, 질화 그래핀, 화학적으로 작용화된 그래핀, 및 이들의 조합으로부터 구성된 군으로부터 선택되는 비순수 그래핀 물질을 포함하고, 고체 그래핀 발포체는 0.01 중량% 내지 20 중량% 범위의 비탄소 원소 함량을 포함한다. 즉, 비탄소 원소는 산소, 불소, 염소, 브롬, 요오드, 질소, 수소, 또는 붕소로부터 선택되는 원소를 포함할 수 있다. 특정 구현예에서, 세공 벽은 그래핀 불화물을 포함하고, 고체 그래핀 발포체는 0.01 중량% 내지 20 중량%의 불소 함량을 포함한다. 또 다른 구현예에서, 세공 벽은 그래핀 산화물을 포함하고, 상기 고체 그래핀 발포체는 0.01 중량% 내지 20 중량%의 산소 함량을 포함한다. 일 구현예에서, 고체 그래핀-탄소 하이브리드 발포체는 200 내지 2,000 ㎡/g의 비표면적 또는 0.01 내지 1.5 g/㎤의 밀도를 갖는다.In one embodiment, the pore wall comprises pure graphene and the 3D solid graphene-carbon foam has a density of 0.001 to 1.7 g / cm3 or an average pore size of 2 nm to 50 nm. In one embodiment, the pore wall is formed of a material selected from the group consisting of graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, hydrogenated graphene, Pin, and combinations thereof, wherein the solid graphene foam comprises a non-carbon element content in the range of 0.01 wt% to 20 wt%. That is, the non-carbon element may include an element selected from oxygen, fluorine, chlorine, bromine, iodine, nitrogen, hydrogen, or boron. In certain embodiments, the pore wall comprises graphene fluoride and the solid graphene foam comprises a fluorine content of from 0.01% to 20% by weight. In another embodiment, the pore wall comprises graphene oxide, and the solid graphene foam comprises an oxygen content of from 0.01% to 20% by weight. In one embodiment, the solid graphene-carbon hybrid foam has a specific surface area of 200 to 2,000 m < 2 > / g or a density of 0.01 to 1.5 g / cm < 3 >.

본 발명의 그래핀-탄소 하이브리드 발포체의 형태나 치수에는 제한사항이 없음을 주목할 수 있다. 바람직한 구현예에서, 고체 그래핀-탄소 하이브리드 발포체는 두께가 100 nm 이상 10 ㎝ 이하이고, 길이가 적어도 1 미터, 바람직하게는 적어도 2 미터, 보다 바람직하게는 적어도 10 미터, 가장 바람직하게는 100 미터인 연속적인 길이의 롤 시트 형태(연속 발포체 시트의 롤)로 만들어진다. 이 시트 롤은 롤-투-롤 공정으로 제조된다. 시트 롤 형태로 만들어진 그래핀-기반 발포체에 관한 선행기술은 없었다. 롤-투-롤 공정으로 순수 또는 비순수 기반의 연속적인 길이의 그래핀 발포체를 제조할 수 있다는 것에 대해서는 이전에 발견되거나 제안된 적이 없다.It is noted that the shape and dimensions of the graphene-carbon hybrid foam of the present invention are not limited. In a preferred embodiment, the solid graphene-carbon hybrid foam has a thickness of 100 nm or more and 10 cm or less and a length of at least 1 meter, preferably at least 2 meters, more preferably at least 10 meters, and most preferably 100 meters (Roll of continuous foam sheet). This sheet roll is produced by a roll-to-roll process. There have been no prior arts on graphene-based foams made in sheet roll form. It has not been found or suggested previously that a roll-to-roll process can produce a continuous or grained continuous length of graphene foam.

열 관리 또는 전기 전도도-기반 용도에 있어서, 그래핀-탄소 발포체는 바람직하게는 산소 함량 또는 비탄소 함량이 1 중량% 미만이고, 세공 벽은 0.35 nm 미만의 그래핀간 간격, 단위 비중당 적어도 250 W/mK의 열 전도도, 및/또는 단위 비중당 2,500 S/㎝ 이상의 전기 전도도를 갖는 중첩된 그래핀 면을 갖는다. For thermal management or electrical conductivity-based applications, the graphene-carbon foam preferably has an oxygen content or a non-carbon content of less than 1 wt% and the pore wall has an intergranular spacing of less than 0.35 nm, at least 250 W / mK, and / or an electrical conductivity of at least 2,500 S / cm per unit specific gravity.

추가로 바람직한 구현예에서, 그래핀-탄소 하이브리드 발포체는 산소 함량 또는 비탄소 함량이 0.01 중량% 미만이고, 세공 벽은 0.34 nm 미만의 그래핀간 간격, 단위 비중당 적어도 300 W/mK의 열 전도도, 및/또는 단위 비중당 3,000 S/㎝ 이상의 전기 전도도를 갖는 중첩된 그래핀 면을 포함한다. In a further preferred embodiment, the graphene-carbon hybrid foam has an oxygen content or a non-carbon content of less than 0.01% by weight, the pore wall has an intergranular spacing of less than 0.34 nm, a thermal conductivity of at least 300 W / And / or an overlapped graphene surface having an electrical conductivity of 3,000 S / cm or more per unit gravity.

또 다른 바람직한 구현예에서, 그래핀-탄소 하이브리드 발포체는 산소 함량 또는 비탄소 함량이 0.01 중량% 이하이고, 상기 세공 벽은 0.336 nm 미만의 그래핀간 간격, 0.7 이하의 모자이크 분산값(mosaic spread value), 단위 비중당 적어도 350 W/mK의 열 전도도, 및/또는 단위 비중당 3,500 S/㎝ 이상의 전기 전도도를 갖는 중첩된 그래핀 면을 포함한다.In another preferred embodiment, the graphene-carbon hybrid foam has an oxygen content or a non-carbon content of 0.01% by weight or less, the pore wall has a graphene spacing of less than 0.336 nm, a mosaic spread value of less than 0.7, , Thermal conductivity of at least 350 W / mK per unit specific gravity, and / or overlapping graphene face having electrical conductivity of at least 3,500 S / cm per unit gravity.

또 다른 바람직한 구현예에서, 그래핀 발포체는 0.336 nm 미만의 그래핀간 간격, 0.4 이하의 모자이크 분산값, 단위 비중당 400 W/mK 초과의 열 전도도, 및/또는 단위 비중당 4,000 S/㎝ 초과의 전기 전도도를 갖는 중첩된 그래핀 면을 포함하는 세공 벽을 갖는다.In another preferred embodiment, the graphene foam has a graphene spacing of less than 0.336 nm, a mosaic dispersion value of less than 0.4, a thermal conductivity of greater than 400 W / mK per unit gravity, and / or a thermal conductivity of greater than 4,000 S / And has a pore wall containing superimposed graphene surfaces having electrical conductivity.

바람직한 구현예에서, 세공 벽은 0.337 nm 미만의 그래핀간 간격, 1.0 미만의 모자이크 분산값을 갖는 중첩된 그래핀 면을 포함한다. 바람직한 구현예에서, 그래핀 발포체는 80% 이상(바람직하게는 90% 이상)의 흑연화도 및/또는 0.4 미만의 모자이크 분산값을 나타낸다. 바람직한 구현예에서, 세공 벽은 상호 연결된 그래핀 면의 3D 망상구조를 포함한다. In a preferred embodiment, the pore walls comprise overlapping graphene surfaces with a graphene spacing of less than 0.337 nm and a mosaic dispersion value of less than 1.0. In a preferred embodiment, the graphene foam exhibits a degree of graphitization of 80% or more (preferably 90% or more) and / or a mosaic dispersion value of less than 0.4. In a preferred embodiment, the pore wall comprises a 3D network of interconnected graphene planes.

바람직한 구현예에서, 고체 그래핀-탄소 하이브리드 발포체는 세공 크기가 2 nm 내지 50 nm인 중간 크기의 세공을 포함한다. 고체 그래핀 발포체는 마이크론 크기의 세공(1~500 ㎛)을 포함하도록 제조될 수도 있다.In a preferred embodiment, the solid graphene-carbon hybrid foam comprises medium-sized pores having a pore size between 2 nm and 50 nm. The solid graphene foam may be made to include micron-sized pores (1 to 500 mu m).

또한, 본 발명은 기름-제거 또는 기름-분리 장치를 제공하는데, 이는 본 발명의 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 기름-흡수 요소로서 포함한다. 또한, 용매-흡수 요소로서 이 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 포함하는 용매-제거 또는 용매-분리 장치가 제공된다.The present invention also provides an oil-removing or oil-separating apparatus, which comprises the 3D graphene-carbon hybrid foam of the present invention as an oil-absorbing element. In addition, there is provided a solvent-removing or solvent-separating apparatus comprising this 3D graphene-carbon hybrid foam as a solvent-absorbing element.

또한, 본 발명은 기름-물 혼합물(예를 들어, 기름이 유출된 물 또는 오일 샌드(oil sand)로부터 나온 폐수)로부터 기름을 분리하는 방법을 제공한다. 이 방법은, (a) 일체형 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 포함하는 기름-흡수 요소를 제공하는 단계; (b) 기름-물 혼합물을 상기 요소와 접촉시켜 혼합물로부터 기름을 흡수하는 단계; (c) 혼합물로부터 상기 요소를 빼내고 상기 요소로부터 기름을 추출하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 본 방법은 상기 요소를 재사용하는 (d) 단계를 추가로 포함한다.The present invention also provides a method of separating oil from an oil-water mixture (e.g., wastewater from oil spilled water or an oil sand). The method comprises the steps of: (a) providing an oil-absorbing element comprising an integral graphene-carbon hybrid foam; (b) contacting the oil-water mixture with the element to absorb oil from the mixture; (c) withdrawing said element from the mixture and extracting oil from said element. Preferably, the method further comprises the step of (d) reusing said element.

추가적으로, 본 발명은 용매-물 혼합물 또는 다중-용매(multiple-solvent) 혼합물로부터 유기 용매를 분리하는 방법을 제공한다. 이 방법은 (a) 일체형 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 포함하는 유기 용매-흡수 요소를 제공하는 단계; (b) 상기 요소를 제1 용매 및 적어도 제2 용매를 포함하는 유기 용매-물 혼합물 또는 다중-용매 혼합물과 접촉시키는 단계; (c) 상기 요소가 혼합물로부터 유기 용매를 흡수하거나 적어도 제2 용매로부터 제1 용매를 흡수하도록 허용하는 단계; 및 (d) 혼합물로부터 상기 요소를 빼내고 상기 요소로부터 유기 용매 또는 제1 용매를 추출하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 이 방법은 상기 요소를 재사용하는 (e) 단계를 추가로 포함한다.Additionally, the present invention provides a process for separating an organic solvent from a solvent-water mixture or a multiple-solvent mixture. The method comprises the steps of: (a) providing an organic solvent-absorbing element comprising an integral graphene-carbon hybrid foam; (b) contacting the element with an organic solvent-water mixture or multi-solvent mixture comprising a first solvent and at least a second solvent; (c) allowing the element to absorb the organic solvent from the mixture or to at least absorb the first solvent from the second solvent; And (d) withdrawing said element from the mixture and extracting an organic solvent or a first solvent from said element. Preferably, the method further comprises the step of (e) reusing said element.

도 1은 까다로운 화학적 산화/삽입, 세척, 및 고온 박리 과정을 수반하는 고도로 산화된 NGP를 제조하는 방법 중 가장 통상적으로 사용되는 선행 기술을 도시한 흐름도이다.
도 2a는 본 발명의 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체 제조 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2b는 중합체를 그래핀 시트를 서로 결합시켜 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 형성하는 탄소로 열-유도 변환하는 것을 도시한 개략도이다. 그래핀-코팅 중합체 입자의 압축된 구조가 고도의 다공성 구조로 변환된다.
도 3a는 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체의 내부 구조의 SEM 이미지이다.
도 3b는 다른 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체의 내부 구조의 SEM 이미지이다.
도 4a는 본 발명의 방법에 의해 제조된 3D 일체형 그래핀-탄소 발포체, 메소상 피치 유도 흑연 발포체, 및 Ni 발포체 템플레이트 보조 CVD 그래핀 발포체의 열 전도도 값 대 비중을 나타낸 도표이다.
도 4b는 3D 그래핀-탄소 발포체 및 열수 환원된 GO 그래핀 발포체의 열 전도도 값을 나타낸 도표이다.
도 5는 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체 및 순수 그래핀 발포체(발포제와 함께 주조 후 가열 처리하여 제조)의 열 전도도 값을 최종(최고) 열처리 온도와의 함수로서 나타낸 도표이다.
도 6은 3D 그래핀-탄소 발포체 및 열수 환원된 GO 그래핀 발포체의 전기 전도도 값을 나타낸 도표이다.
도 7은 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체의 그램당 흡수된 기름의 양을 대략 98%의 다공성 수준을 갖는 발포체 내 산소 함량의 함수로서 도시한 것이다(기름-물 혼합물로부터 기름의 분리).
도 8은 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체의 그램당 흡수된 기름의 양을 다공성 수준(산소 함량은 동일함)의 함수로서 도시한 것이다.
도 9는 클로로포름-물 혼합물에서 흡수된 클로로포름의 양을 불화도의 함수로서 도시한 것이다.
도 10은 히트 싱크 구조의 개략도이다(두 가지 예).
Figure 1 is a flow chart illustrating the prior art of the most commonly used method of making highly oxidized NGPs involving severe chemical oxidation / insertion, cleaning, and hot stripping processes.
Figure 2a is a flow chart illustrating a method of making an integral 3D graphene-carbon hybrid foam of the present invention.
Figure 2b is a schematic diagram showing the polymer thermally-induced conversion of carbon into graphene sheets bonded together to form a 3D graphene-carbon hybrid foam. The compressed structure of graphene-coated polymer particles is converted to a highly porous structure.
Figure 3a is an SEM image of the internal structure of a 3D graphene-carbon hybrid foam.
Figure 3b is a SEM image of the internal structure of another 3D graphene-carbon hybrid foam.
FIG. 4A is a plot of the thermal conductivity values versus specific gravity of 3D integrated graphene-carbon foam, mesophase pitch induced graphite foam, and Ni foamed cell template assisted CVD graphene foam prepared by the method of the present invention.
Figure 4b is a plot of the thermal conductivity values of 3D graphene-carbon foam and hot reduced, GO graphene foam.
Figure 5 is a plot of the thermal conductivity values of 3D graphene-carbon hybrid foams and pure graphene foams (prepared by heat treatment after casting with blowing agent) as a function of final (maximum) heat treatment temperature.
Figure 6 is a plot showing the electrical conductivity values of 3D graphene-carbon foam and hot reduced, GO graphene foam.
Figure 7 shows the amount of oil absorbed per gram of the integral 3D graphene-carbon hybrid foam as a function of oxygen content in the foam with a porosity level of about 98% (separation of oil from the oil-water mixture).
Figure 8 shows the amount of oil absorbed per gram of integral 3D graphene-carbon hybrid foam as a function of porosity level (oxygen content is the same).
Figure 9 shows the amount of chloroform absorbed in the chloroform-water mixture as a function of fluorination.
10 is a schematic view of a heat sink structure (two examples).

본 발명은 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 흑연 물질 입자 및 중합체 입자로부터 직접 제조하는 방법을 제공한다.The present invention provides a method for making integral 3D graphene-carbon hybrid foams directly from graphite material particles and polymer particles.

도 2a에 개략적으로 도시된 바와 같이, 본 방법은 흑연 물질의 다중 입자 및 고체 중합체 캐리어 물질의 다중 입자를 혼합하여 혼합물을 형성함으로써 시작되고, 혼합물은 에너지 충격 장치(예를 들어, 진동 볼 밀, 유성형 볼 밀, 고에너지 밀, 바스켓 밀, 교반기 볼 밀, 극저온 볼 밀, 마이크로 볼 밀, 텀블러 볼 밀, 연속 볼 밀, 교반식 볼 밀, 가압 볼 밀, 동결 밀, 진동 체, 비드 밀, 나노 비드 밀, 초음파 균질기 밀, 원심 유성형 교반기, 진공 볼 밀, 또는 공진 음향 믹서)의 충격 챔버 내에 넣어진다. 가동 중일 때, 이 에너지 충격 장치는 그 안에 들어있는 고체 입자에 운동에너지를 부여하여 중합체 입자가 흑연 입자에 고강도 및 고빈도로 충돌하게 한다. As shown schematically in Figure 2A, the method begins by mixing multiparticulates of graphite material and multiparticulates of solid polymeric carrier material to form a mixture and the mixture is introduced into an energy impacting device (e. G., A vibrating ball mill, Ball mill, high energy mill, basket mill, stirrer ball mill, cryogenic ball mill, micro ball mill, tumbler ball mill, continuous ball mill, agitated ball mill, pressurized ball mill, freezing mill, vibrator, Bead mill, ultrasonic homogenizer, centrifugal oil agitator, vacuum ball mill, or resonant acoustic mixer). When in operation, the energy impacting device imparts kinetic energy to the solid particles contained therein, causing polymer particles to collide with graphite particles at high intensity and high frequency.

통상적인 가동 조건에서, 이러한 충격은 흑연 물질에서부터 그래핀 시트를 박리시켜 그래핀 시트를 고체 중합체 캐리어 물질의 표면으로 이동시키게 된다. 이러한 그래핀 시트는 중합체 입자 주위를 감싸서 그래핀-코팅 또는 그래핀-삽입 중합체 입자를 충격 챔버 내에서 형성한다. 이것을 본원에서"직접 이동"과정이라 지칭하는데, 이는 그래핀 시트가 흑연 입자로부터 중합체 입자의 표면으로 어떤 제3자의 중개 없이 직접 이동하는 것을 의미한다.Under normal operating conditions, this impact will strip the graphene sheet from the graphite material to move the graphene sheet to the surface of the solid polymeric carrier material. These graphene sheets wrap around the polymer particles to form graphene-coated or graphene-inserted polymer particles in the impact chamber. This is referred to herein as the "direct transfer" process, which means that the graphene sheet migrates directly from the graphite particles to the surface of the polymer particles without intermediation of any third party.

대안적으로, 복수의 충격 볼 또는 매개체가 에너지 충격 장치의 충격 챔버에 추가될 수 있다. 충격 장치에 의해 가속되는, 이 충격 볼은 높은 운동에너지를 가지고 양호한 각도로 흑연 입자의 표면/가장자리에 충돌하여 흑연 입자로부터 그래핀 시트를 박리시킨다. 이 그래핀 시트는 일시적으로 이 충격 볼의 표면으로 이동된다. 이 그래핀-지지 충격 볼은 이어서 중합체 입자와 충돌하고 이 지지된 그래핀 시트를 이 중합체 입자의 표면으로 이동시킨다. 이러한 일련의 사건을 본원에서 "간접 이동"과정이라 지칭한다. 이 사건은 매우 높은 빈도로 일어나므로 대부분의 중합체 입자는 통상적으로 1시간 미만 내에 그래핀 시트에 의해 덮인다. 간접 이동 과정의 일부 구현예에서, 단계 (c)는 자석을 작동시켜 그래핀-코팅 또는 그래핀-삽입 중합체 입자로부터 충격 볼 또는 매개체를 분리하는 것을 포함한다.Alternatively, a plurality of impact balls or media may be added to the impact chamber of the energy impact device. Accelerated by the impact device, this impact ball has a high kinetic energy and collides with the surface / edge of the graphite particle at a good angle to peel off the graphene sheet from the graphite particle. This graphen sheet is temporarily moved to the surface of the impact ball. This graphen-supported impact ball then impinges on the polymer particles and moves the supported graphene sheet to the surface of the polymer particles. This series of events is referred to herein as the "indirect movement" process. Since this event occurs at a very high frequency, most polymer particles are usually covered by graphene sheets in less than one hour. In some embodiments of the indirect transfer process, step (c) comprises operating the magnet to separate the impact ball or medium from the graphene-coated or graphene-inserted polymer particles.

본 방법은 이어서 충격 챔버로부터 그래핀-코팅 또는 그래핀-삽입 중합체 입자를 회수하고, 그래핀-코팅 또는 그래핀-삽입 중합체 입자를 원하는 형태의 그래핀-중합체 복합체 구조로 통합하는 것을 포함한다. 이 통합 단계는 그래핀-코팅 또는 삽입 입자를 원하는 형태로 단지 기계적으로 압축하는 압축 단계만큼 간단할 수 있다. 대안적으로, 이 통합 단계는 중합체 입자를 용융시켜 그 안에 분산된 그래핀 시트와 중합체 매트릭스를 형성하는 것을 수반할 수 있다. 이러한 그래핀-중합체 구조는 임의의 실제 형태나 치수(섬유, 막대, 판, 원통, 또는 임의의 보통 형태 또는 이상한 형태)일 수 있다.The method then involves recovering the graphene-coated or graphene-inserted polymer particles from the impact chamber and incorporating the graphene-coated or graphene-impregnated polymer particles into the desired form of graphene-polymer composite structure. This integration step may be as simple as compressing the graphene-coated or intercalated particles into a desired shape only mechanically. Alternatively, this integration step may involve melting the polymer particles to form a polymer matrix with the graphene sheet dispersed therein. This graphene-polymer structure may be of any practical form or dimension (fibers, rods, plates, cylinders, or any ordinary or strange shape).

이후에 그래핀-중합체 콤팩트 또는 복합체 구조는 열분해되어 중합체를 그래핀 시트를 결합시키는 탄소 또는 흑연으로 열 변환시켜 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 형성한다.The graphene-polymer compact or composite structure is then thermally cracked to thermally convert the polymer to carbon or graphite binding graphene sheets to form an integral 3D graphene-carbon hybrid foam, as shown in Figures 3a and 3b .

생성된 그래핀-탄소 하이브리드 발포체의 탄소 성분의 형성을 위하여 높은 탄소 수율 또는 촤(char) 수율(예를 들어, 휘발성 기체의 일부가 되는 대신, 고체 탄소상으로 변환되는 중합체의 30 중량% 초과)을 갖는 중합체 입자를 선택할 수 있다. 탄소 수율이 높은 중합체는 페놀 수지, 폴리 푸르푸릴 알코올, 폴리아크릴로니트릴, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리옥사디아졸, 폴리벤즈옥사졸, 폴리벤조비스옥사졸, 폴리티아졸, 폴리벤조티아졸, 폴리벤조비스티아졸, 폴리(p-페닐렌 비닐렌), 폴리벤즈이미다졸, 폴리벤조비스이미다졸, 이들의 공중합체, 이들의 중합체 블렌드, 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 열분해될 때, 도 2b의 하단에 도시된 바와 같이, 이들 중합체의 입자가 다공질이 된다.(E.g., greater than 30% by weight of the polymer converted to the solid carbon phase, instead of being part of the volatile gas) for the formation of the carbon component of the resulting graphene-carbon hybrid foam. Can be selected. The polymer having a high carbon yield may be at least one selected from the group consisting of phenol resin, polyfurfuryl alcohol, polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, polyoxadiazole, polybenzoxazole, polybenzobisoxazole, polythiazole, polybenzothiazole, Poly (p-phenylenevinylene), polybenzimidazole, polybenzobisimidazole, copolymers thereof, polymer blends thereof, or combinations thereof. When pyrolyzed, the particles of these polymers become porous, as shown at the bottom of Figure 2b.

보다 낮은 탄소 함량(탄소 비율에 비하여 보다 높은 그래핀 비율) 및 보다 낮은 발포체 밀도가 그래핀-탄소 하이브리드 발포체에서 요구되는 경우, 중합체는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리염화비닐, 폴리카보네이트, 아크릴로니트릴-부타디엔(ABS), 폴리에스터, 폴리비닐 알코올, 폴리플루오르화비닐리덴(PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리메타크릴산메틸(PMMA), 이들의 공중합체, 이들의 중합체 블렌드, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 탄소 수율이 낮은 중합체를 포함할 수 있다. 열분해될 때, 도 2b의 중간에 도시된 바와 같이, 이들 중합체의 입자가 다공질이 된다.When a lower carbon content (higher graphene ratio relative to the carbon ratio) and lower foam density are required in the graphene-carbon hybrid foam, the polymer may be a polyethylene, polypropylene, polybutylene, polyvinyl chloride, polycarbonate, Polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyphenylene oxide (PPO), polymethylmethacrylate (PMMA), polyacrylonitrile- , Copolymers thereof, polymer blends thereof, or combinations thereof. When pyrolyzed, the particles of these polymers become porous, as shown in the middle of Figure 2b.

이러한 중합체(높은 탄소 수율 및 낮은 탄소 수율 모두)가 300~2,500℃의 온도에서 가열될 때, 그래핀 시트 가장자리 근처에서 우선적으로 핵 생성되는 탄소 물질로 변환된다. 이러한 탄소 물질은 자연스럽게 그래핀 시트들 사이의 틈을 가교하여, 상호 연결된 전자 전도성 통로를 형성한다. 실제로, 생성된 그래핀-탄소 하이브리드 발포체는 탄소 결합 그래핀 시트의 일체형 3D 망상구조로 이루어져, 중단 없이 그래핀 시트 또는 도메인 사이에 전자 및 포논(양자화된 격자 진동)의 연속적인 이동을 가능하게 한다. 2,500℃ 보다 높은 온도에서 추가로 가열되면, 탄소상은 흑연화되어 전기 전도도 및 열 전도도 모두 더 향상될 수 있다. 흑연화 시간이 1시간을 초과하는 경우, 비탄소 원소의 양도 통상적으로 1 중량% 미만으로 감소된다.When these polymers (both high carbon yields and low carbon yields) are heated at temperatures of 300-2,500 ° C, they are converted to carbon materials that preferentially nucleate near the edges of the graphene sheet. These carbon materials naturally bridge the gaps between the graphene sheets to form interconnected electronically conductive paths. In practice, the resulting graphene-carbon hybrid foam consists of an integral 3D network of carbon-bonded graphene sheets, allowing continuous transfer of electrons and phonons (quantized lattice vibration) between graphene sheets or domains without interruption . When further heated at a temperature higher than 2,500 ° C, the carbon phase can be graphitized to further improve both electrical and thermal conductivity. When the graphitization time exceeds 1 hour, the amount of the non-carbon element is usually reduced to less than 1% by weight.

유기 중합체는 통상적으로 열처리를 통해 감소되거나 제거될 수 있는 상당량의 비탄소 원소를 포함한다는 것을 주목할 수 있다. 이와 같이, 중합체의 열분해는 CO2 및 H2O와 같은 휘발성 기체 분자를 형성하고 방출하고 그 결과 생성된 중합체 탄소상에 세공을 형성하게 된다. 하지만, 이러한 세공은 중합체가 탄화될 때 구속되지 않으면 붕괴될 경향성이 크다(탄소 구조는 비탄소 원소가 방출되면서 수축할 수 있다). 본 연구 그룹은 놀랍게도 중합체 입자 주위를 감싸는 그래핀 시트가 세공 벽이 붕괴되는 것을 막을 수 있다는 것을 발견했다. 한편, 일부 탄소종은 또한 그래핀 시트 사이의 틈에 침투하여 그래핀 시트를 서로 결합시킨다. 생성된 3D 일체형 그래핀 발포체의 세공 크기 및 세공 체적(다공성 수준)은 주로 개시 중합체 크기 및 중합체의 탄소 수율에 달려있다. It can be noted that the organic polymer typically contains a significant amount of non-carbon elements that can be reduced or eliminated through heat treatment. As such, pyrolysis of the polymer will form and release volatile gas molecules such as CO 2 and H 2 O and form pores on the resulting polymeric carbon. However, such pores tend to collapse if the polymer is not constrained when carbonized (the carbon structure can shrink as the non-carbon element is released). The research group surprisingly found that a graphene sheet wrapping around polymer particles could prevent the pore wall from collapsing. On the other hand, some carbon species also penetrate into the gaps between the graphene sheets to bond the graphene sheets together. The pore size and pore volume (porosity level) of the resulting 3D monolithic graphene foams largely depends on the starting polymer size and the carbon yield of the polymer.

그래핀 시트의 원료 물질로서, 흑연 물질은 천연 흑연, 합성 흑연, 고배향 열분해 흑연, 흑연 섬유, 흑연 나노섬유, 흑연 불화물, 산화 흑연, 화학적으로 개질된 흑연, 박리 흑연, 재압축 박리 흑연, 팽창 흑연, 메소 탄소 마이크로비드, 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 이와 관련하여, 본 발명의 방법과 관련해서 몇 가지 추가적인 놀라운 요소가 있다:As a raw material of a graphene sheet, graphite materials are natural graphite, synthetic graphite, highly oriented pyrolytic graphite, graphite fiber, graphite nanofiber, graphite fluoride, graphite oxide, chemically modified graphite, peeled graphite, Graphite, meso carbon microbeads, or combinations thereof. In this regard, there are several additional surprising factors associated with the method of the present invention:

(1) 그래핀 시트는 더 무겁고 더 단단한 충격 볼(예를 들어, 볼 밀에서 일반적으로 사용되는 지르코늄디옥사이드 또는 스틸 볼)을 사용하지 않고 단지 중합체 입자만 사용해서 천연 흑연으로부터 박리될 수 있다. 박리된 그래핀 시트는 중합체 입자 표면으로 직접 이동되어 중합체 입자 주위를 단단하게 감싸게 된다. (1) Graphene sheets can be stripped from natural graphite using only polymer particles, without using heavier and harder impact balls (such as zirconium dioxide or steel balls commonly used in ball mills). The peeled graphene sheet is transferred directly to the polymer particle surface to tightly wrap around the polymer particles.

(2) 충격 중합체 입자가, 비정질 탄소의 외피층을 갖는 것으로 알려진 메소 탄소 마이크로비드(MCMB)와 같은 인공 흑연으로부터 그래핀 시트를 박리시킬 수 있다는 것 또한 놀랍다.(2) It is also surprising that impact polymer particles can peel off graphene sheets from artificial graphite such as meso carbon microbeads (MCMB), which are known to have an outer layer of amorphous carbon.

(3) 더 단단한 충격 볼의 도움으로, 탄소 또는 흑연 섬유의 내부 구조를 구성하는 탄소 입자의 그래핀-유사 면 또한 박리되어 중합체 입자 표면으로 이동될 수 있다. 이는 선행 기술에서 교시되거나 제안된 적이 없는 것이다.(3) With the help of a stiffer impingement ball, the graphene-like surface of the carbon particles constituting the internal structure of the carbon or graphite fibers can also be peeled and moved to the polymer particle surface. This has never been taught or suggested in the prior art.

(4) 본 발명은 그래핀 시트를 제조하는 종래 공정과 관련된 모든 결함을 근본적으로 피하면서, 놀랍도록 간단하고 빠르고 확장 가능하고, 환경 친화적이며 비용 효율적인 방법을 제공한다. 그래핀 시트는 중합체 입자로 즉시 이동하여 중합체 입자 주위를 감싼 후에 용이하게 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체로 변환된다.(4) The present invention provides a surprisingly simple, fast, scalable, environmentally friendly and cost-effective method, while fundamentally avoiding all deficiencies associated with conventional processes for producing graphene sheets. The graphene sheets are readily transferred to the polymer particles and wrapped around the polymer particles, after which they are readily converted into integral 3D graphene-carbon hybrid foams.

개시 흑연이 의도적으로 어느 정도(예를 들어, 2~15 중량%의 산소를 포함하도록) 산화되는 경우, 그래핀-탄소 하이브리드 발포체의 세공 벽에 소정의 바람직한 친수성 정도가 부여될 수 있음을 주목할 수 있다. 대안적으로, 탄화 처리가 약한 산화 환경에서 일어나도록 허용되는 경우, 산소 함유 작용기를 탄소상에 부착시킬 수 있다. 이러한 특징은 기름-물 혼합물로부터 기름을 선택적으로 흡수함으로써 물로부터 기름을 분리시킬 수 있다. 즉, 이러한 그래핀-탄소 하이브리드 발포체 물질은 물로부터 기름을 회수할 수 있어, 기름이 유출된 강, 호수, 또는 바다를 정화시키는 데 도움을 줄 수 있다. 기름 흡수능은 통상적으로 발포체 자기 중량의 50% 내지 500%이다. 이것은 환경 보호 목적을 위해 굉장히 유용한 물질이다.It can be noted that when the starting graphite is intentionally oxidized to some extent (for example, to contain 2 to 15% by weight of oxygen), a desired desirable degree of hydrophilicity may be imparted to the pore walls of the graphene-carbon hybrid foam have. Alternatively, if the carbonization treatment is allowed to take place in a weak oxidizing environment, the oxygen containing functionalities may be attached onto the carbon. This feature can separate oil from water by selectively absorbing oil from the oil-water mixture. That is, these graphene-carbon hybrid foam materials can recover oil from water, which can help to purify oil, runoff lakes, or oceans. The oil absorption capacity is typically 50% to 500% of the foam weight. This is a very useful material for environmental protection purposes.

높은 전기 전도도 또는 열 전도도가 요구되는 경우, 흑연 물질은 충격 챔버에 놓여지기 전에 화학 또는 산화 처리에 노출된 적이 없는 비-삽입 및 비-산화 흑연 물질로부터 선택될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 그래핀-탄소 발포체는 2,500℃ 보다 높은 온도에서 흑연화 처리를 받을 수 있다. 생성된 물질은 열 관리 용도(예를 들어, 핀형 히트 싱크(finned heat sink), 열 교환기, 또는 히트 스프레더의 제조용)에 특히 유용하다. If high electrical conductivity or thermal conductivity is desired, the graphite material may be selected from non-intercalated and non-oxidized graphite materials that have not been exposed to chemical or oxidative treatment prior to being placed in the impact chamber. Alternatively or additionally, the graphene-carbon foam may undergo a graphitization treatment at temperatures higher than 2,500 ° C. The resulting material is particularly useful for thermal management applications (e.g., for the manufacture of finned heat sinks, heat exchangers, or heat spreaders).

그래핀-탄소 발포체는 흑연화 처리 동안 및/또는 후에 압축될 수 있다는 것을 주목할 수 있다. 이 공정은 그래핀 시트의 배향 및 다공도를 조정할 수 있게 한다.It can be noted that the graphene-carbon foam can be compressed during and / or after the graphitization treatment. This process makes it possible to adjust the orientation and porosity of the graphene sheet.

X선 회절 패턴은 CuKcv 방사선이 장착된 X선 회절계로 얻었다. 회절 피크의 시프트 및 브로드닝은 실리콘 분말 표준을 사용하여 보정되었다. 흑연화도 g는 X선 패턴으로부터 메링 방정식(Mering's Eq), d 002 = 0.3354 g + 0.344 (1 - g)을 사용하여 계산하였고, 여기서 d 002는 흑연 또는 그래핀 결정의 층간 간격(nm 단위)이다. 이 방정식은 d 002가 대략 0.3440 nm와 이하일 때만 유효하다. d 002가 0.3440 nm 초과인 그래핀 발포체 벽은 그래핀간 간격을 증가시키는 스페이서(spacer)로 작용하는 산소-함유 또는 불소-함유 작용기(예를 들어, 그래핀 분자면 표면 또는 가장자리 상의 -F, -OH, >O, 및 -COOH)의 존재를 반영한다.The X-ray diffraction pattern was obtained by an X-ray diffractometer equipped with CuKcv radiation. The shift and broadening of diffraction peaks were calibrated using a silicon powder standard. The graphitization degree g was calculated from the X-ray pattern using the Mering equation (Mering's Eq), d 002 = 0.3354 g + 0.344 (1-g), where d 002 is the interlayer spacing (in nanometers) of graphite or graphene crystals . This equation is valid only when d 002 is approximately 0.3440 nm or less. A graphene foam wall with d 002 greater than 0.3440 nm may be coated with an oxygen-containing or fluorine-containing functional group (e.g., a graphene particle surface or an edge -F, OH, > O, and -COOH).

그래핀 및 종래 흑연 결정의 발포체 벽에서 중첩되고 결합된 그래핀 면의 정렬도를 특징짓는 데 사용될 수 있는 다른 구조 지표(structural index)는 "모자이크 분산(mosaic spread)"으로, 이는 (002) 또는 (004) 반사의 로킹 곡선(rocking curve)(X선 회절 강도)의 반값 전폭(the full width at half maximum)에 의해 표현된다. 이 정렬도는 흑연 또는 그래핀 결정 크기(또는 결정 입도), 결정립계 및 기타 결함의 양, 및 우선 결정 배향도를 특성화 한다. 흑연의 거의 완전한 단결정은 0.2~0.4의 모자이크 분산값을 갖는 것이 특징이다. 본 발명의 그래핀 벽 대부분은 이러한 0.2~0.4 범위의 모자이크 분산값을 가진다(열처리 온도(HTT)를 2,500℃ 이상으로 하여 제조된 경우). 하지만, 일부 값들은 HTT가 1,500 내지 2,500℃인 경우 0.4~0.7의 범위이고, HTT가 300 내지 1,500℃인 경우 0.7~1.0의 범위이다. Another structural index that can be used to characterize the degree of alignment of the graphene plane superimposed and bonded at the foam wall of graphene and of conventional graphite crystals is the "mosaic spread" Is expressed by the full width at half maximum of the rocking curve (X-ray diffraction intensity) of the (004) reflection. This alignment chart characterizes graphite or graphene crystal size (or grain size), grain size and other defects, and preferential crystal orientation. Almost complete single crystal of graphite is characterized by having a mosaic dispersion value of 0.2 to 0.4. Most of the graphene wall of the present invention has such a mosaic dispersion value in the range of 0.2 to 0.4 (when manufactured by setting the heat treatment temperature (HTT) at 2,500 DEG C or higher). However, some values range from 0.4 to 0.7 when HTT is from 1,500 to 2,500 ° C and from 0.7 to 1.0 when HTT is from 300 to 1,500 ° C.

SEM, TEM, 제한 시야 회절, X선 회절, AFM, 라만 분광법 및 FTIR의 조합을 이용한 면밀한 연구는 그래핀 발포체 벽이 몇몇 거대한 그래핀 면(길이/폭이 통상적으로는 >> 20 nm, 보다 통상적으로는 >> 100 nm, 종종 >> 1 ㎛, 및 많은 경우 >> 10 ㎛, 또는 심지어 >> 100 ㎛)으로 구성됨을 나타낸다. 이런 거대 그래핀 면은 최종 열처리 온도가 2,500℃ 미만인 경우, 두께 방향(c-결정축 방향)을 따라 중첩되고 결합되며, 이는 종종 단지 반 데르 발스 힘(종래 흑연 미세결정에서처럼)뿐 아니라, 공유 결합에 의해서도 이루어진다. 이러한 경우에, 이론적으로 제한되지 않기를 바라지만, 라만 및 FTIR 분광법 연구는 단지 종래의 흑연에서의 sp2 만이 아니라, sp2(우세) 및 sp3(약하지만 존재) 전자 배치가 공존함을 나타낸다. Careful studies using a combination of SEM, TEM, limited field diffraction, X-ray diffraction, AFM, Raman spectroscopy and FTIR have shown that the graphene foam wall has some gigantic graphene surfaces (length / width typically &≫ 100 nm, often > 1 mu m, and in many cases > 10 mu m, or even > 100 mu m). Such a large graphene plane is superimposed and bonded along the thickness direction (c-crystal axis direction) when the final heat treatment temperature is less than 2,500 ° C, which is often combined with not only van der Waals force (as in conventional graphite microcrystals) . In this case, while not wishing to be bound by theory, Raman and FTIR spectroscopy studies show that not only sp 2 in conventional graphite but sp 2 (dominant) and sp 3 (weakly present) electron configurations coexist.

일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체는 다중 세공 및 세공 벽으로 구성되고, 세공 벽은 탄소 물질-대-그래핀 중량비가 1/100 내지 1/2인 탄소 물질에 의해 화학적으로 결합된 단일층 또는 소수층 그래핀 시트를 포함하고, 소수층 그래핀 시트는 X선 회절에 의해 측정된 면간 간격 d002가 0.3354 nm 내지 0.36 nm인 중첩된 그래핀 면 2 내지 10개 층을 가지며, 단일층 또는 소수층 그래핀 시트는 비탄소 원소가 본질적으로 0%인 순수 그래핀 물질 또는 0.01 중량% 내지 25 중량%(보다 통상적으로는 15% 미만)의 비탄소 원소를 갖는 비순수 그래핀 물질을 포함하며, 비순수 그래핀은 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 그래핀 불화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화 그래핀, 질화 그래핀, 화학적으로 작용화된 그래핀, 또는 이들의 조합으로부터 선택된다. 하층에 있는 중합체 입자를 수용하는 복수의 단일층 또는 소수층 그래핀은 서로 겹쳐져서 그래핀 시트 스택을 형성할 수 있다. 이러한 스택은 두께가 5 nm 초과일 수 있고, 몇몇 경우에 10 nm 초과, 또는 심지어 100 nm 초과일 수 있다.The integral 3D graphene-carbon hybrid foam is comprised of multiple pores and pore walls, and the pore walls comprise a single layer or a hydrophobic layer chemically bonded by a carbon material having a carbon material-to-graphene weight ratio of 1/100 to 1/2. And the minority layer graphene sheet has 2 to 10 layers of superimposed graphene planes having an interplanar spacing d 002 measured by X-ray diffraction of 0.3354 nm to 0.36 nm, and the single layer or the minority layer graphene sheet Pure graphene material that is essentially 0% non-carbon, or a non-pure graphene material that has from 0.01% to 25% (more typically less than 15%) non-carbon elements, Is selected from the group consisting of graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, hydrogenated graphene, nitrided graphene, chemically functionalized graphene, It is selected from. A plurality of monolayer or hydrophobic graphenes containing polymer particles in the lower layer may overlap to form a graphene sheet stack. Such a stack may be more than 5 nm in thickness and, in some cases, more than 10 nm, or even more than 100 nm.

일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체는 통상적으로 0.001 내지 1.7 g/㎤의 밀도, 50 내지 3,000 ㎡/g의 비표면적, 단위 비중당 적어도 200 W/mK의 열 전도도, 및/또는 단위 비중당 2,000 S/㎝이상의 전기 전도도를 갖는다. 바람직한 구현예에서, 세공 벽은 X선 회절에 의해 측정된 면간 간격 d002가 0.3354 nm 내지 0.40 nm인 중첩된 그래핀 면을 포함한다.The integral 3D graphene-carbon hybrid foams typically have a density of 0.001 to 1.7 g / cm3, a specific surface area of 50 to 3,000 m2 / g, a thermal conductivity of at least 200 W / mK per unit weight, and / / Cm. ≪ / RTI > In a preferred embodiment, the pore walls comprise superimposed graphene planes with an interplanar spacing d 002 of 0.3354 nm to 0.40 nm as measured by X-ray diffraction.

다수의 그래핀 시트가 가장자리끼리 서로 공유결합을 통해 하나의 통합된 그래핀 개체로 병합될 수 있다. 비병합 시트 또는 더 짧은 병합 시트의 자유 말단 사이의 틈이 중합체로부터 변환된 탄소상에 의해 결합된다. 이러한 독특한 화학 조성(산소 또는 불소 함량 등을 포함), 형태, 결정 구조(그래핀간 간격 포함), 및 구조적 특징(예를 들어, 정렬도, 결함이 거의 없는 것, 화학적 결합 및 그래핀 시트 사이의 틈이 없는 것, 및 그래핀 면 방향을 따라 실질적으로 단절이 없는 것) 때문에, 그래핀-탄소 하이브리드 발포체는 뛰어난 열 전도도, 전기 전도도, 기계적 강도 및 강성도(탄성률)의 독특한 조합을 갖는다.A plurality of graphen sheets can be merged into one integrated graphene body through covalent bonding of the edges to each other. A gap between the free ends of the non-merged sheet or the shorter merged sheet is bonded by the carbon phase converted from the polymer. It is believed that these unique chemical compositions (including oxygen or fluorine content), morphology, crystal structure (including spacing between graphenes), and structural features (e.g., alignment, fewer defects, chemical bonds, Gravel-free, and substantially free from disconnection along the grain plane direction), the graphene-carbon hybrid foams have a unique combination of excellent thermal conductivity, electrical conductivity, mechanical strength and stiffness (modulus of elasticity).

열 관리 용도Heat Management Purpose

앞서 언급한 특징 및 특성들은 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 광범위한 공학 및 생의학적 적용을 위한 이상적인 요소로 만든다. 예를 들면, 열 관리 목적만을 위한다면, 그래핀-탄소 발포체는 아래와 같은 용도로 사용될 수 있다. The aforementioned features and characteristics make the integral 3D graphene-carbon hybrid foam ideal for a wide range of engineering and biomedical applications. For example, for thermal management purposes only, graphene-carbon foams can be used for:

a) 압축성과 높은 열 전도도가 있는 그래핀-탄소 하이브리드 발포체는 열원과 히트 스프레더 사이 또는 열원과 히트 싱크 사이에 구현될 수 있는 열 전달 물질(thermal interface material; TIM)로서 사용하기에 더할 나위 없이 적합하다.a) The graphene-carbon hybrid foam with compressibility and high thermal conductivity is 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. Do.

b) 하이브리드 발포체는 높은 열 전도도 때문에 그 자체로 히트 스프레더로 사용될 수 있다.b) Hybrid foams can themselves be used as heat spreaders due to their high thermal conductivity.

c) 하이브리드 발포체는 높은 열 확산 능력(높은 열 전도도) 및 높은 방열 능력(거대한 공기 대류 마이크로 또는 나노 채널을 유도하는 다수의 표면 세공)으로 인해 히트 싱크 또는 방열 물질로서 사용될 수 있다.c) Hybrid foams can be used as heat sinks or heat sinks due to their high thermal diffusivity (high thermal conductivity) and their high heat dissipation capability (a large number of surface pores inducing huge air convection micro- or nano channels).

d) 경량(0.001 내지 1.8 g/㎤ 에서 조절 가능한 낮은 밀도), 단위비중당 또는 단위 물리적 밀도당 높은 열 전도도, 및 높은 구조적 완전성(탄소에 의해 결합된 그래핀 시트)은 이 하이브리드 발포체를 내구성이 있는 열 교환기를 위한 이상적인 물질로 만들어준다.d) high thermal conductivity per unit specific gravity or per unit physical density, and high structural integrity (graphene sheet bonded by carbon), lightweight (low density, adjustable from 0.001 to 1.8 g / cm3), makes this hybrid foam durable Making it the ideal material for a heat exchanger.

그래핀-탄소 하이브리드 발포체 기반 열 관리 장치 또는 방열 장치는 열 교환기, 히트 싱크(예를 들어, 핀형 히트 싱크), 히트 파이프, 고 전도성 인서트(insert), (히트 싱크와 열원 사이의) 얇거나 두꺼운 전도성 판, 열 전달 매체(또는 열 전달 물질, TIM), 또는 열전 냉각판 또는 펠티에(Peltier) 냉각판 등을 포함한다.Graphene-carbon hybrid foam-based thermal management devices or heat dissipation devices include heat exchangers, heat sinks (eg, pin heat sinks), heatpipes, high conductivity inserts, thin or thick (between the heat sink and the heat source) A conductive plate, a heat transfer medium (or heat transfer material, TIM), or a thermoelectric cooling plate or a Peltier cooling plate.

열 교환기는 하나 이상의 유체(예를 들어, 상이한 채널에 개별적으로로 흐르는 기체와 액체) 사이에 열을 전달하는데 사용되는 장치이다. 유체는 통상적으로 혼합을 막아주는 고체 벽에 의해 분리된다. 본 발명의 그래핀-탄소 하이브리드 발포체 물질은 발포체가 유체를 혼합시킬 수 있는 완전 개방형 셀 발포체가 아니라면 이러한 벽에 이상적인 물질이다. 본 발명의 방법은 개방형 셀 및 폐쇄형 셀 발포체 구조를 모두 제조할 수 있다. 넓은 표면 세공 면적으로 인해 두 개 유체 사이 혹은 다수의 유체 사이에서 열 교환을 극적으로 더 빠르게 할 수 있다.Heat exchangers are devices that are used to transfer heat between one or more fluids (e.g., gases and liquids that flow individually into different channels). The fluid is typically separated by a solid wall that prevents mixing. The graphene-carbon hybrid foam material of the present invention is an ideal material for such a wall unless the foam is a fully open cell foam capable of mixing fluids. The method of the present invention can produce both open cell and closed cell foam structures. Due to the large surface area, heat exchange can be dramatically faster between two fluids or between multiple fluids.

열 교환기는 냉동 시스템, 공기 조절 유닛, 히터, 발전소, 화학 플랜트, 석유화학 플랜트, 정유소, 천연 가스 처리, 및 하수 처리에서 널리 사용된다. 열 교환기의 잘 알려진 예는 내연 기관에서 발견되며, 여기서 순환하는 엔진 냉각수는 라디에이터 코일을 통하여 흐르는 한편 공기는 이 코일을 지나 흐르며, 냉각수를 냉각시키고 입기(incoming air)를 가열한다. (예를 들어, 라디에이터 코일을 구성하는) 고체 벽은 보통 Cu 및 Al과 같은 높은 열 전도도 물질로 제조된다. 보다 높은 열 전도도 또는 보다 높은 비표면적을 갖는 본 발명의 그래핀 발포체는 예를 들어 Cu 및 Al의 우수한 대체재이다.Heat exchangers are widely used in refrigeration systems, air conditioning units, heaters, power plants, chemical plants, petrochemical plants, refineries, natural gas processing, and sewage treatment. A well-known example of a heat exchanger is found in an internal combustion engine where circulating engine coolant flows through the radiator coil while air flows through the coil to cool the coolant and heat the incoming air. Solid walls (e.g., constituting radiator coils) are usually made of a high thermal conductivity material such as Cu and Al. The graphene foams of the present invention with higher thermal conductivity or higher specific surface area are excellent substitutes for example Cu and Al.

상업적으로 이용가능한 많은 유형의 열 교환기가 있다: 쉘 앤 튜브 열교환기(shell and tube heat exchanger), 판형 열교환기, 판각형 열교환기(plate and shell heat exchanger), 단열 휠 열교환기(adiabatic wheel heat exchanger), 플레이트핀 열교환기, 베개형 판 열교환기(pillow plate heat exchanger), 유체 열교환기(fluid heat exchanger), 폐열 회수 유닛, 역학적 표면 긁기 열교환기(dynamic scraped surface heat exchanger), 상 변화 열교환기, 직접 접촉식 열교환기, 및 마이크로 채널 열교환기. 이러한 유형의 열교환기는 모두 본 발명의 발포체 물질의 매우 큰 열 전도도 및 비표면적을 이용할 수 있다.There are many types of commercially available heat exchangers: shell and tube heat exchangers, plate heat exchangers, plate and shell heat exchangers, adiabatic wheel heat exchangers A plate heat exchanger, a pillow plate heat exchanger, a fluid heat exchanger, a waste heat recovery unit, a dynamic scraped surface heat exchanger, a phase change heat exchanger, Direct contact heat exchangers, and microchannel heat exchangers. All of these types of heat exchangers can utilize a very large thermal conductivity and specific surface area of the foam material of the present invention.

본 발명의 고체 그래핀 발포체는 히트 싱크에서도 사용될 수 있다. 히트 싱크는 방열 목적으로 전자 장치에서 널리 사용된다. 휴대용 소형 전자 장치(예를 들어 노트북 컴퓨터, 태블릿 및 스마트폰)에서 중앙처리장치(CPU)와 배터리는 잘 알려진 열원이다. 통상적으로, 금속 또는 흑연 물체(예를 들어 Cu 호일 또는 흑연 호일)는 뜨거운 표면에 접촉되며 이 물체는 외부 표면 또는 외부 공기(주로 전도와 대류에 의해서 그리고 보다 적은 정도로 복사에 의해)로 열을 확산하는 것을 돕는다. 대부분의 경우, 얇은 열 전달 물질(TIM)은 열원의 뜨거운 표면과 히트 스프레더 또는 히트 싱크의 열 확산 표면 사이에서 열을 전달한다.The solid graphene foams of the present invention may also be used in heat sinks. Heat sinks are widely used in electronic devices for heat dissipation purposes. In portable small electronic devices (eg, notebook computers, tablets and smart phones), the central processing unit (CPU) and battery are well known heat sources. Typically, a metal or graphite object (such as a Cu foil or graphite foil) is brought into contact with a hot surface which diffuses heat to the exterior surface or to the outside air (mainly by conduction and convection and to a lesser extent by radiation) . In most cases, a thin heat transfer material (TIM) transfers heat between the hot surface of a heat source and the heat spreader or the heat spreading surface of the heat sink.

히트 싱크는 보통 냉각될 부품과의 양호한 열 접촉을 보장하기 위한 하나 이상의 평평한 표면, 및 공기와의 표면 접촉을 증가시켜 방열 속도를 높이기 위한 빗 또는 핀 형상의 돌출부를 갖는 고 전도성 물질 구조로 구성된다. 히트 싱크는 히트 싱크 위의 공기 유량을 증가시키기 위해 팬(fan)과 함께 사용될 수 있다. 히트 싱크는 열 전달을 향상시키기 위해 다수의 핀(연장되거나 돌출된 표면)을 가질 수 있다. 제한된 공간을 가진 전자 장치에서, 핀의 형태/배열은 열 전달 밀도가 최대가 되도록 최적화되어야 한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 인접한 핀들 사이에 형성된 영역에 캐비티(반전 핀)가 삽입될 수 있다. 이러한 캐비티는 다양한 발열체로부터 히트 싱크로 열을 추출하기에 효과적이다. The heat sink is usually constructed of a highly conductive material structure having one or more flat surfaces to ensure good thermal contact with the part to be cooled, and a comb or pin shaped protrusion to increase surface contact with air to increase the heat dissipation rate . The heat sink can be used with a fan to increase the air flow rate on the heat sink. The heat sink may have multiple fins (extended or protruded surfaces) to enhance heat transfer. In electronic devices with limited space, the pin shape / arrangement must be optimized to maximize the heat transfer density. Alternatively or additionally, a cavity (inverting pin) may be inserted in an area formed between adjacent fins. These cavities are effective for extracting heat from various heating elements to a heat sink.

통상적으로, 일체형 히트 싱크는 열 수집 부재(코어 또는 베이스) 및 열 수집 부재(베이스)에 내장된 적어도 하나의 방열 부재(예를 들어, 하나의 핀 또는 다수의 핀)를 포함하여 핀형 히트 싱크를 형성한다. 핀을 코어에 연결하기 위해 외부에서 접착제를 바르거나 기계적 고정 수단을 사용하지 않고, 핀과 코어는 자연스럽게 연결되거나 서로 일체화되어 통합된 몸체를 이룬다. 열 수집 베이스는 열원(예를 들어, LED)과 열 접촉하는 표면을 갖고, 이 열원으로부터 열을 모아서 핀을 통해 공기 중으로 방열한다.Typically, the integral heat sink includes at least one heat dissipating member (e.g., a single pin or multiple pins) embedded in a heat collecting member (core or base) and a heat collecting member (base) . The pin and core are naturally connected or integrated together to form an integrated body, without external glue or mechanical fastening to connect the pin to the core. The heat collection base has a surface in thermal contact with a heat source (e.g., an LED), collecting heat from the heat source and dissipating heat into the air through the fin.

예시적인 예로서, 도 10은 2개의 히트 싱크(300302)의 개략도를 제공한다. 첫 번째 히트 싱크는 열 수집 부재(또는 베이스 부재)(304) 및 베이스 부재(304)에 연결된 다수의 핀 또는 방열 부재(예를 들어, 핀(306))를 포함한다. 베이스 부재(304)는 열원과 열 접촉하기 위한 열 수집 표면(314)을 갖는 것으로 도시되어 있다. 방열 부재 또는 핀(306)은 적어도 방열 표면(320)을 갖는 것으로 도시되어 있다. As an illustrative example, FIG. 10 provides a schematic view of two heat sinks 300 and 302 . The first heat sink includes a heat collecting member (or base member) 304 and a plurality of fins or heat dissipating members (e.g., pins 306 ) coupled to the base member 304 . The base member 304 is shown having a heat collecting surface 314 for thermal contact with a heat source. The heat dissipating member or fin 306 is shown having at least a heat dissipating surface 320 .

특히 유용한 구현예는, (a) 열 수집 표면(318)을 포함하는 베이스(308); 및 (b) 베이스(308)와 일체형이거나 베이스(308)에 의해 지지된 복수의 이격된 평행한 평면 핀 부재(예를 들어, 2개의 예로서 310, 312)를 포함하는 방사상 핀형 히트 싱크 조립체를 포함하는 일체형 방사상 히트 싱크(302)이며, 이 평면형 핀 부재(예를 들어 310)는 적어도 하나의 방열 표면(322)을 포함한다. 바람직하게는 다수의 평행 평면 핀 부재가 같은 간격으로 이격된다.Particularly useful embodiments include (a) a base 308 comprising a heat collecting surface 318 ; And (b) the radial pin-shaped heat sink assembly including a base 308 and a one-piece or base 308, a plurality of spaced-apart parallel planes pin member supported by the (for example, as two examples 310 and 312) ( E.g. , 310 ) includes at least one heat dissipating surface 322. In one embodiment, Preferably, a plurality of parallel planar pin members are spaced at equal intervals.

탄성 및 복원성이 높은 본 발명의 그래핀-탄소 하이브리드 발포체는 그 자체로 좋은 열 전달 물질이며 또한 고효율의 열 확산 요소이다. 또한, 이 고 전도성 발포체는 전자 냉각용 인서트 및 작은 칩으로부터 히트 싱크로의 열 제거를 향상시키기 위한 인서트로서 사용될 수 있다. 고 전도성 물질로 점유된 공간은 중요한 부분이므로, 발열체 내로 삽입될 수 있는 고 전도성 통로를 이용하는 것이 보다 효율적인 설계이다. 본원에 개시된 탄성이 있는 고 전도성의 고체 그래핀 발포체는 이러한 요구를 완벽하게 만족시킨다. The highly elastic and resilient graphene-carbon hybrid foams of the present invention are good heat transfer materials in themselves and also highly efficient heat diffusion elements. The high-conductivity foam can also be used as an insert for improving the heat removal from an electronic cooling insert and a small chip to a heat sink. Since the space occupied by the highly conductive material is an important part, it is a more efficient design to use a highly conductive pathway that can be inserted into the heating element. The elastic, highly conductive, solid graphene foams disclosed herein fully satisfy this need.

높은 탄성과 높은 열 전도성으로 인해 본 발명의 고체 그래핀-탄소 하이브리드 발포체는 열원과 냉각 흐름 유체(또는 다른 히트 싱크) 사이에 열 전달 계면으로서 놓여지는 전도성이 우수한 두꺼운 판이 되어, 냉각 성능을 향상시킨다. 이러한 배치에서, 열원은 냉각 유체와 직접 접촉하여 냉각되는 대신 두꺼운 그래핀 발포체 판 하에서 냉각된다. 그래핀 발포체의 두꺼운 판은 최적의 방식으로 열류를 전달함으로써 열원과 냉각 유체 사이의 열 전달을 상당히 향상시킬 수 있다. 추가 펌핑 동력과 추가 열 전달 표면적이 필요하지 않다.Because of its high elasticity and high thermal conductivity, the solid graphene-carbon hybrid foams of the present invention are a thick conductive sheet that is placed as a heat transfer interface between a heat source and a cooling flow fluid (or other heat sink), thereby improving cooling performance . In this arrangement, the heat source is cooled under thick graphene foam plates instead of being cooled in direct contact with the cooling fluid. The thick plates of the graphene foam can significantly improve the heat transfer between the heat source and the cooling fluid by delivering the heat flow in an optimal manner. No additional pumping power and no additional heat transfer surface area is required.

또한, 고체 그래핀 발포체는 히트 파이프를 구성하는 데 훌륭한 물질이다. 히트 파이프는 2개 상으로 작동하는 유체 또는 냉각수의 증발과 응결을 이용하여 뜨거운 계면과 차가운 계면 사이의 아주 작은 온도차로 많은 양의 열을 전달하는 열 전달 장치이다. 종래의 히트 파이프는 Cu 또는 Al과 같은 열 전도성 물질로 만들어진 밀봉된 중공형 튜브, 및 작동 유체를 증발기로부터 응축기로 돌려 보내는 심지(wick)로 구성된다. 파이프는 (물, 메탄올, 또는 암모니아와 같은) 작동 유체의 증기 및 포화된 액체 모두를 포함하고 모든 다른 기체는 차단한다. 하지만, Cu와 Al 모두 산화되거나 부식되기 쉬우므로 시간이 지남에 따라 비교적 빠르게 성능이 저하된다. 반면에, 고체 그래핀 발포체는 화학적으로 비활성이고 이러한 산화나 부식의 문제가 없다. 전자 열 관리를 위한 히트 파이프는 작동 유체로서의 물과 함께, 고체 그래핀 발포체로 된 외피와 심지를 가질 수 있다. 히트 파이프가 물의 어는점 아래에서 작동할 필요가 있는 경우 그래핀/메탄올을 사용할 수 있고, 그래핀/암모니아 히트 파이프는 우주에서 전자장치 냉각을 위해 사용될 수 있다. In addition, solid graphene foams are an excellent material for constructing heatpipes. A heat pipe is a heat transfer device that transfers a large amount of heat to a very small temperature difference between a hot interface and a cold interface by utilizing evaporation and condensation of fluid or cooling water operating in two phases. Conventional heat pipes consist of a sealed hollow tube made of a thermally conductive material such as Cu or Al, and a wick that returns the working fluid from the evaporator to the condenser. The pipe contains both the vapor and the saturated liquid of the working fluid (such as water, methanol, or ammonia) and blocks all other gases. However, both Cu and Al tend to be oxidized or corroded, so performance deteriorates relatively quickly over time. On the other hand, solid graphene foams are chemically inert and have no such problems of oxidation or corrosion. A heat pipe for electronic thermal management can have a shell and a wick of solid graphene foam together with water as a working fluid. Graphene / methanol can be used if the heat pipe needs to operate below the freezing point of water, and graphene / ammonia heat pipes can be used for electronic device cooling in space.

펠티에 냉각판은 펠티에 효과로 작동하는데, 전류를 인가함으로써 2개의 다른 전기 전도체의 접합부 사이에 열 유속을 만들어낸다. 이 효과는 보통 전자 부품과 작은 기기를 냉각시키는 데 사용된다. 실제로, 이러한 많은 접합부가 연속으로 배열되어 요구되는 발열 또는 냉각 양까지 이 효과를 향상시킬 수 있다. 이 고체 그래핀 발포체는 열 전달 효율을 향상시키는 데 사용될 수 있다.The Peltier cooling plate acts as a Peltier effect, which creates a heat flux between the junctions of two different electrical conductors by applying current. This effect is usually used to cool electronic components and small appliances. In practice, many such joints can be arranged in series to improve this effect up to the required amount of heat or cooling. This solid graphene foam can be used to improve heat transfer efficiency.

여과 및 유체 흡수 용도Filtration and fluid absorption applications

고체 그래핀 발포체는 미세세공(2 nm 미만) 또는 세공 크기가 2 nm 내지 5 nm인 중간 크기의 세공을 포함하도록 제조될 수 있다. 고체 그래핀-탄소 하이브리드 발포체는 또한 마이크론 크기의 세공(1~500 ㎛)을 포함하도록 제조될 수 있다. 잘 제어된 세공 크기만으로도, 본 발명의 그래핀-탄소 발포체는 공기 또는 물 여과용으로 매우 우수한 필터 물질일 수 있다. Solid graphene foams may be prepared to include micropores (less than 2 nm) or medium size pores having a pore size between 2 nm and 5 nm. Solid graphene-carbon hybrid foams may also be prepared to include micron-sized pores (1 to 500 mu m). Even with a well controlled pore size, the graphene-carbon foam of the present invention can be a very good filter material for air or water filtration.

또한, 그래핀 세공 벽의 화학적 성질과 탄소상의 화학적 성질은 (예를 들어, 발포체 내 O, F, N, H 등의 %로 반영되는 바와 같이) 그래핀 시트와 탄소 결합제 상 모두나 둘 중 하나에 상이한 양의 작용기 및/또는 상이한 종류의 작용기를 부여하도록 독립적으로 제어될 수 있다. 즉, 세공 크기와 화학적 작용기 모두를 내부 구조의 상이한 위치에서 동시에 혹은 각각 제어하여 많은 예상치 못한 특성, 시너지 효과, 및 보통 상호 배타적이라고 여겨지는 특성의 몇몇 독특한 조합(예를 들어, 구조의 일부는 소수성이고 다른 부분은 친수성이거나, 발포체 구조가 소수성 및 친유성을 둘 다 갖는 경우)을 나타내는 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 설계하고 제조하는 데 가장 높은 자유도 또는 전례 없는 유연성을 제공한다. 물이 어떤 물질이나 표면에 배지 않는다면, 이러한 표면 또는 물질을 소수성이라고 하며 소수성 표면이나 물질 위에 놓여진 물방울은 큰 접촉각을 형성하게 된다. 어떤 표면이나 물질이 친유성이라 함은 물이 아니라 기름에 강한 친화력을 갖고 있다는 것이다. 본 발명의 방법은 소수성, 친수성, 및 친유성에 대한 정확한 제어를 가능하게 한다.In addition, the chemical nature of the graphene wall and the chemical properties on the carbon (e.g., as reflected in% O, F, N, H, etc. in the foam) May be independently controlled to impart different amounts of functional groups and / or different types of functional groups to the substrate. That is, it is possible to control both pore size and chemical functional groups simultaneously or individually at different locations of the internal structure, to obtain some unique combinations of properties that are often considered unexpected, synergistic, and usually mutually exclusive (e.g., And the other part is hydrophilic or the foam structure has both hydrophobic and lipophilic properties), it provides the highest degree of freedom or unprecedented flexibility in designing and manufacturing graphene-carbon hybrid foams. If water does not migrate to any material or surface, such surface or material is referred to as hydrophobic and water droplets placed on hydrophobic surfaces or materials will form a large contact angle. Some surfaces or substances are lipophilic, which means they have a strong affinity for oil, not water. The method of the present invention enables precise control over hydrophobicity, hydrophilicity, and lipophilicity.

또한, 본 발명은 기름-제거, 기름-분리, 또는 기름-회수 장치를 제공하고 이는 본 발명의 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 기름-흡수 요소 또는 기름-분리 요소로서 포함한다. 또한, 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 용매-흡수 요소로서 포함하는 용매-제거 또는 용매-분리 장치가 제공된다.The present invention also provides an oil-removing, oil-separating, or oil-recovering device, which comprises the 3D graphene-carbon hybrid foam of the present invention as an oil-absorbing element or oil-separating element. There is also provided a solvent-removing or solvent-separating apparatus comprising a 3D graphene-carbon hybrid foam as a solvent-absorbing element.

본 발명의 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 기름-흡수 요소로 사용하는 것의 주요 이점은 구조적 완전성에 있다. 그래핀 시트가 탄소 물질에 의해 화학적으로 결합된다는 개념 때문에, 생성된 발포체는 반복되는 기름 흡수 작업시 분해되지 않게 된다. 반면에, 본 연구 그룹은 열수 환원, 진공-보조 여과, 또는 동결 건조에 의해 제조된 그래핀-기반 기름-흡수 요소가 2회 또는 3회 기름 흡수를 한 후 분해됨을 발견했다. 이러한 달리 분리된 그래핀 시트를 서로 결합시키는 것은 (기름과 최초에 접촉하기 전에 존재하는 약한 반 데르 발스 힘을 제외하고는) 아무것도 없다. 일단 이 그래핀 시트가 기름에 젖게 되면, 더 이상 기름-흡수 요소의 원래 형태로 돌아갈 수 없다.The main advantage of using the graphene-carbon hybrid foams of the present invention as an oil-absorbing element lies in its structural integrity. Due to the concept that the graphene sheet is chemically bonded by the carbon material, the resulting foam is not decomposed during repeated oil absorption operations. On the other hand, the group found that the graphene-based oil-absorbing element produced by hydrothermal reduction, vacuum-assisted filtration, or freeze-drying decomposes after two or three oil uptakes. Bonding these otherwise separated graphene sheets together (with the exception of the weak van der Waals forces that existed before the initial contact with oil) is nothing. Once this graphene sheet is oiled, it can no longer go back to its original form of oil-absorbing element.

본 기술의 또 다른 주요 이점은 기름-흡수 요소의 구조적 형태를 여전히 유지하면서(크게 팽창되지 않고) 자기 중량의 400배나 많은 양까지 기름을 흡수할 수 있는 기름-흡수 요소를 설계하고 제조함에 있어서의 유연성이다. 기름 흡수 양은 발포체의 구체적인 세공 체적에 달려 있는데, 이는 열 처리 전에 그래핀 시트의 양과 원래 캐리어 중합체 입자의 양 간의 비율에 의해 주로 제어될 수 있다. Another major advantage of the present technology is that it can be used in the design and manufacture of oil-absorbing elements capable of absorbing oil up to 400 times its own weight while still retaining the structural form of the oil- It is flexible. The amount of oil absorption depends on the specific pore volume of the foam, which can be controlled primarily by the ratio between the amount of graphene sheet and the amount of original carrier polymer particles before heat treatment.

또한, 본 발명은 기름-물 혼합물(예를 들어, 기름이 유출된 물 또는 오일 샌드로부터 나온 폐수)로부터 기름을 분리/회수하는 방법을 제공한다. 이 방법은, (a) 일체형 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 포함하는 기름-흡수 요소를 제공하는 단계; (b) 기름-물 혼합물을 상기 요소와 접촉시켜 혼합물로부터 기름을 흡수하는 단계; (c) 혼합물로부터 기름-흡수 요소를 빼내고 상기 요소로부터 기름을 추출하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 본 방법은 상기 요소를 재사용하는 (d) 단계를 추가로 포함한다.The present invention also provides a method for separating / recovering oil from an oil-water mixture (e.g., wastewater from oil spilled water or oil sand). The method comprises the steps of: (a) providing an oil-absorbing element comprising an integral graphene-carbon hybrid foam; (b) contacting the oil-water mixture with the element to absorb oil from the mixture; (c) withdrawing the oil-absorbing element from the mixture and extracting oil from the element. Preferably, the method further comprises the step of (d) reusing said element.

추가적으로, 용매-물 혼합물 또는 다중-용매 혼합물로부터 유기 용매를 분리하는 방법을 제공한다. 이 방법은 (a) 일체형 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 포함하는 유기 용매-흡수 요소를 제공하는 단계; (b) 상기 요소를 제1 용매 및 적어도 제2 용매를 포함하는 유기 용매-물 혼합물 또는 다중-용매 혼합물과 접촉시키는 단계; (c) 상기 요소가 혼합물로부터 유기 용매를 흡수하거나 적어도 제2용 매로부터 제1 용매를 흡수하도록 허용하는 단계; 및 (d) 혼합물로부터 상기 요소를 빼내고 상기 요소로부터 유기 용매 또는 제1 용매를 추출하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 이 방법은 용매-흡수 요소를 재사용하는 (e) 단계를 추가로 포함한다.In addition, there is provided a process for separating an organic solvent from a solvent-water mixture or a multi-solvent mixture. The method comprises the steps of: (a) providing an organic solvent-absorbing element comprising an integral graphene-carbon hybrid foam; (b) contacting the element with an organic solvent-water mixture or multi-solvent mixture comprising a first solvent and at least a second solvent; (c) allowing the element to absorb the organic solvent from the mixture or absorb at least the first solvent from the second solvent; And (d) withdrawing said element from the mixture and extracting an organic solvent or a first solvent from said element. Preferably, the method further comprises the step of (e) reusing the solvent-absorbing element.

다음의 실시예들은 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태를 상세히 설명하기 위해 예시로 사용되고 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.The following examples are used to illustrate the best mode for carrying out the present invention and should not be construed as limiting the scope of the present invention.

실시예 1: 폴리프로필렌 분말-기반 고체 중합체 캐리어를 통해 플레이크 흑연으로부터 그래핀-탄소 발포체의 제조 Example 1 : Preparation of a graphene-carbon foam from flake graphite through a polypropylene powder-based solid polymer carrier

실험에서, 폴리프로필렌(PP) 펠릿 1kg, 플레이크 흑연 50 그램, 50 메쉬(평균 입자 크기 0.18 mm; Asbury Carbons, Asbury NJ), 및 자성 스틸 볼 250 그램을 고에너지 볼 밀 용기에 넣었다. 볼 밀을 300 rpm으로 2시간 동안 가동시켰다. 용기 뚜껑을 제거하고 자석을 통해 스테인리스 스틸 볼을 제거하였다. 중합체 캐리어 물질이 다크 그래핀 층으로 코팅되었음을 확인하였다. 캐리어 물질을 50 메쉬 체에 올려 놓고 소량의 미처리된 플레이크 흑연을 제거하였다.In the experiment, 1 kg of polypropylene (PP) pellets, 50 grams of flake graphite, 50 mesh (average particle size 0.18 mm; Asbury Carbons, Asbury NJ) and 250 grams of magnetic steel balls were placed in a high energy ball mill vessel. The ball mill was run at 300 rpm for 2 hours. The container lid was removed and the stainless steel ball was removed through a magnet. It was confirmed that the polymer carrier material was coated with a dark graphene layer. The carrier material was placed on a 50 mesh sieve and a small amount of untreated flake graphite was removed.

그런 다음, 코팅된 캐리어 물질의 샘플을 테트라클로로에틸렌에 80℃에서 24시간 동안 침지시켜 PP를 용해시키고 그래핀 시트가 유기 용매에 분산되도록 하였다. 용매 제거 후에, 독립된 그래핀 시트 분말을 회수하였다(대부분 소수층 그래핀). 이후에, 남은 코팅된 캐리어 물질을 금형 캐비티에서 압축하여 성형체를 형성한 후, 이를 밀봉된 도가니(crucible)에서 350℃로 열처리한 후 600℃에서 2시간 동안 열처리하여 그래핀-탄소 발포체를 제조하였다.A sample of the coated carrier material was then immersed in tetrachlorethylene at 80 DEG C for 24 hours to dissolve the PP and allow the graphene sheet to disperse in the organic solvent. After removal of the solvent, the separate graphene sheet powder was recovered (mostly hydrophobic graphene). Thereafter, the remaining coated carrier material was compressed in a mold cavity to form a molded body. The molded body was heat-treated in a sealed crucible at 350 ° C and then heat-treated at 600 ° C for 2 hours to prepare a graphene-carbon foam .

별도의 실험에서, PP 펠릿과 플레이크 흑연 입자의 동일한 배치(batch)(충격 스틸 볼 없이)를 동일한 고에너지 볼 밀 용기에 넣고 볼 밀을 동일한 조건에서 동일한 시간 동안 가동시켰다. 결과를 충격 볼-보조 가동으로부터 얻은 결과와 비교하였다. PP 용해시 PP 입자로부터 독립된 그래핀 시트는 대부분 단일층 그래핀이다. 이 방법으로 제조한 그래핀-탄소 발포체가 더 높은 수준의 다공성(보다 낮은 물리 밀도)을 갖는다.In a separate experiment, the same batch of PP pellets and flake graphite particles (without impact steel balls) was placed in the same high energy ball mill vessel and the ball mill was run for the same time under the same conditions. The results were compared with those obtained from impact ball-assisted operation. In the case of PP dissolution, the graphene sheets independent of the PP particles are mostly single layer graphene. The graphene-carbon foam produced by this method has a higher level of porosity (lower physical density).

본원에서 폴리프로필렌(PP)을 예시로 사용하였지만, 그래핀-탄소 하이브리드 발포체 제조를 위한 캐리어 물질이 PP에 제한되는 것은 아니다. 미립자 형태로 제조될 수 있는 중합체라면 어떠한 중합체(열가소성 수지, 열경화성 수지, 고무, 왁스, 유향수지, 검, 유기 수지 등)도 가능하다. 경화되지 않거나 부분적으로 경화된 열경화성 수지(예를 들어 에폭시드 및 이미드계 올리고머 또는 고무)가 실온 이하(예를 들어 극저온)에서 입자 형태로 제조될 수 있다는 것을 주목할 수 있다. 그러므로, 부분적으로 경화된 열경화성 수지 입자도 중합체 캐리어로 사용할 수 있다.Although polypropylene (PP) is used herein by way of example, the carrier material for the production of graphene-carbon hybrid foams is not limited to PP. Any polymers (thermoplastic resins, thermosetting resins, rubbers, waxes, mica resins, gums, organic resins, etc.) can be used as long as they can be produced in particulate form. It is noted that uncured or partially cured thermosetting resins (such as epoxide and imide oligomers or rubbers) may be prepared in particulate form at room temperature or below (e.g., cryogenic temperature). Therefore, partially cured thermoset resin particles can also be used as the polymer carrier.

실시예 2: 팽창 흑연(100 nm 초과의 두께)을 그래핀 원료로서 사용하고 ABS를 중합체 고체 캐리어 입자로서 사용하는 그래핀-탄소 하이브리드 발포체 Example 2 : A graphene-carbon hybrid foam with expanded graphite (thickness greater than 100 nm) as graphene feedstock and ABS as polymer solid carrier particles

실험에서, 고체 캐리어 물질 입자로서 ABS 펠릿 100 그램을 팽창 흑연 5 그램과 함께 16 온스 플라스틱 용기에 넣었다. 이 용기를 음향 혼합기(Resodyn Acoustic mixer)에 넣고 30분간 처리하였다. 처리 후에, 캐리어 물질이 얇은 탄소층으로 코팅된 것을 확인하였다. 소량의 캐리어 물질 샘플을 아세톤에 넣고 초음파 에너지를 가하여 ABS의 용해를 가속하였다. 용액을 적절한 필터로 여과하고 추가 아세톤으로 4번 세척하였다. 세척한 후에, 여과액은 진공 오븐 세트 안에서 60℃에서 2시간 동안 건조시켰다. 이 샘플을 광학 현미경으로 조사하여 그래핀임을 확인하였다. 남은 펠릿을 압출하여 그래핀-중합체 시트(1mm 두께)를 만든 후 탄화시켜, 다른 온도 및 압축 조건하에서 그래핀-탄소 발포체 샘플을 제조하였다.In the experiment, 100 grams of ABS pellets as solid carrier material particles were loaded into a 16 ounce plastic container with 5 grams of expanded graphite. The container was placed in a Resodyn Acoustic mixer for 30 minutes. After the treatment, it was confirmed that the carrier material was coated with a thin carbon layer. A small sample of carrier material was placed in acetone and ultrasonic energy was applied to accelerate the dissolution of ABS. The solution was filtered through an appropriate filter and washed 4 more times with additional acetone. After washing, the filtrate was dried in a vacuum oven set at 60 DEG C for 2 hours. The sample was irradiated with an optical microscope to confirm that it was graphene. The remaining pellets were extruded to form a graphene-polymer sheet (1 mm thick) and carbonized to produce graphene-carbon foam samples under different temperature and compression conditions.

실시예 3: 메소 탄소 마이크로비드(MCMB, 그래핀 원료 물질) 및 폴리아클릴로니트릴(PAN) 섬유(고체 캐리어 입자)로부터 그래핀-탄소 하이브리드 발포체의 제조 Example 3 : Preparation of graphene-carbon hybrid foams from meso carbon microbeads (MCMB, graphene raw material) and polyacrylonitrile (PAN) fibers (solid carrier particles)

일 실시예에서, (캐리어 입자로서 2 mm 길이의) PAN 섬유 세그먼트(segments) 100 그램, MCMB(China Steel Chemical Co., 대만) 5 그램 및 지르코니아 비드 50 그램을 진동 볼 밀에 넣고 2시간 동안 처리하였다. 처리가 완료된 후에, 진동 밀을 열어 캐리어 물질이 그래핀 시트의 다크 코팅으로 코팅되었음을 확인하였다. 뚜렸하게 다른 크기와 색을 갖는 지르코니아 입자는 수동으로 제거하였다. 이어서, 그래핀-코팅 PAN 섬유를 압축하여 함께 용융시켜 여러 복합체 필름을 형성하였다. 이 필름을 250℃에서 1시간 동안(실내 공기에서), 350℃에서 2시간 동안, 및 1,000℃에서 2시간 동안(아르곤 기체 분위기하에서) 열처리하여 그래핀-탄소 발포체 층을 수득하였다. 이어서, 탄화 발포체 층의 절반을 2,850℃까지 가열하고 이 온도에서 0.5시간 동안 유지하였다.In one embodiment, 100 grams of PAN fiber segments (2 mm in length as carrier particles), 5 grams of MCMB (China Steel Chemical Co., Taiwan) and 50 grams of zirconia beads were placed in a vibrating ball mill and treated for 2 hours Respectively. After the treatment was completed, the vibration mill was opened to confirm that the carrier material was coated with the dark coating of the graphene sheet. Zirconia particles with distinctly different sizes and colors were manually removed. The graphene-coated PAN fibers were then compressed and melted together to form various composite films. The film was heat treated at 250 占 폚 for 1 hour (in room air), 350 占 폚 for 2 hours, and 1,000 占 폚 for 2 hours (under argon gas atmosphere) to obtain a graphene-carbon foam layer. Next, half of the carbonized foam layer was heated to 2,850 占 폚 and held at this temperature for 0.5 hour.

실시예 4: 동결 밀에서 중합체 캐리어 물질로서 경화된 페놀 수지 입자 Example 4 : Cured phenolic resin particles as a polymeric carrier material in a freeze mill

한 실험에서, 페놀 수지 입자 10 그램을 흑연화 폴리이미드로부터 유도된 HOPG 분말 0.25그램 및 자성 스테인리스 스틸 임팩터와 함께 SPEX 밀 샘플 홀더(SPEX Sample Prep, 메터친, 뉴저지)에 넣었다. 동일 실험을 실시하였지만, 샘플 홀더에는 어떠한 임팩터 볼도 들어 있지 않았다. 완성된 생성물 상에 물이 응축되는 것을 줄이기 위해 이러한 공정을 1% 습도의 "건조실"에서 수행하였다. SPEX 밀을 10~120분 동안 가동하였다. 가동 후에, 샘플 홀더의 내용물을 분류하고 HOPG 분말 잔여물과 임팩터 볼(사용했을 때)을 제거하여 그래핀-코팅 수지 입자를 회수하였다.In one experiment, 10 grams of phenolic resin particles were placed in a SPEX mill sample holder (SPEX Sample Prep, Meter Chin, NJ) with 0.25 grams of HOPG powder derived from graphitized polyimide and a magnetic stainless steel impactor. Although the same experiment was carried out, no impact balls were contained in the sample holder. This process was performed in a "dry room " at 1% humidity to reduce the condensation of water on the finished product. The SPEX mill was run for 10 to 120 minutes. After operation, the contents of the sample holder were sorted and the HOPG powder residue and the impact ball (when used) were removed to recover the graphene-coated resin particles.

(임팩터 볼이 있거나 없는) 두 가지 경우 모두, 생성된 그래핀-코팅 수지 입자를 디지털 광학 현미경 및 주사 전자 현미경(SEM) 모두를 사용하여 조사하였다. 수지 입자 주위를 감싸는 그래핀 시트의 두께가 밀링 가동 시간에 따라 증가하고, 주어진 동일한 가동 시간 동안, 임팩터 보조 가동이 더 두꺼운 그래핀 코팅을 하는 것으로 관찰되었다. In both cases (with or without impact balls), the resulting graphene-coated resin particles were examined using both a digital optical microscope and a scanning electron microscope (SEM). The thickness of the graphene sheet wrapping around the resin particles increased with milling run time, and for the same given run time, impactor assisted movement was observed to make a thicker graphene coating.

다량의 그래핀-코팅 수지 입자를 압축하여 성형체를 형성한 후 소량의 석유 피치로 침투시켰다. 이와 별개로, 그래핀-코팅 수지 입자의 다른 성형체를 유사한 조건하에서 제조하였지만, 피치 침투는 시도하지 않았다. 이후 두 성형체를 동일한 열분해 처리하였다.A large amount of graphene-coated resin particles were compressed to form a compact, which was then impregnated with a small amount of petroleum pitch. Separately, although other shaped bodies of graphene-coated resin particles were produced under similar conditions, pitch penetration was not attempted. The two compacts were then subjected to the same pyrolysis treatment.

실시예 5: 그래핀 원료로서 천연 흑연 입자, 고체 캐리어 입자로서 폴리에틸렌(PE) 또는 나일론6/6 비드, 및 추가된 충격 볼로서 세라믹 또는 글래스 비드 Example 5 : Natural graphite particles as graphene material, polyethylene (PE) or nylon 6/6 beads as solid carrier particles, and ceramic or glass beads as added impact balls

실험에서, (고체 캐리어 물질로서) PE 또는 나일론 비드 0.5 kg, 천연 흑연(그래핀 시트 원료) 50 그램, 및 지르코니아 분말(충격 볼) 250 그램을 유성형 볼 밀의 용기에 넣었다. 볼 밀을 300 rpm으로 4시간 동안 가동하였다. 용기 뚜껑을 제거하고, 지르코니아 비드(그래핀-코팅 PE 비드와 다른 크기 및 중량)를 진동 스크린을 통해 제거하였다. 중합체 캐리어 물질 입자가 다크 그래핀 층으로 코팅되었음을 확인하였다. 캐리어 물질을 50 메쉬 체 위에 놓고 소량의 미처리 플레이크 흑연을 제거하였다. 별도의 실험에서, 글래스 비드를 충격 볼로 사용하였고; 다른 볼-밀링 가동 조건은 동일하게 유지하였다.In the experiment, 0.5 kg of PE or nylon beads (as a solid carrier material), 50 grams of natural graphite (graphene sheet stock), and 250 grams of zirconia powder (impact balls) were placed in a planetary ball mill. The ball mill was operated at 300 rpm for 4 hours. The vessel lid was removed and zirconia beads (different size and weight from graphene-coated PE beads) were removed through a vibrating screen. It was confirmed that the polymer carrier material particles were coated with a dark graphene layer. The carrier material was placed on a 50 mesh sieve and a small amount of untreated flake graphite was removed. In a separate experiment, glass beads were used as impact balls; Other ball-milling operating conditions remained the same.

다량의 그래핀-코팅 PE 펠릿 및 다량의 그래핀-코팅 나일론 비드를 각각 몰드 캐비티에서 압축하고, PE 또는 나일론의 용융점보다 높게 잠시 가열한 후에 급냉하여 두 개의 성형체를 형성하였다. 비교를 위하여, 다량의 비코팅 PE 펠릿과 다량의 비코팅 나일론 비드로부터 두 개의 상응하는 성형체를 제조하였다. 이후에, 이 4개의 성형체를 열분해하였다(성형체를 100℃ 에서 650℃까지 챔버에서 가열함으로써). 결과는 매우 놀라웠다. 그래핀-코팅 중합체 입자의 성형체가 원래 성형체의 치수(3 ㎝ x 3 ㎝ x 0.5㎝)과 유사한 치수를 갖는 그래핀-탄소 하이브리드 발포체 구조로 변환된 것을 확인하였다. 이 구조를 SEM으로 조사한 결과, 탄소상이 그래핀 시트의 가장자리 근처에 존재하고 이러한 탄소상이 그래핀 시트를 서로 결합시키는 역할을 하는 것으로 나타났다. 도 2a에 개략적으로 도시된 바와 같이, 탄소 결합 그래핀 시트는 원래의 중합체 입자에 의해 점유된 공간이었던 곳에 존재하는 세공을 갖는 그래핀-탄소 하이브리드 세공 벽의 골격을 형성한다.A large amount of graphene-coated PE pellets and a large amount of graphene-coated nylon beads were each pressed in a mold cavity, heated briefly above the melting point of PE or nylon, and quenched to form two shaped bodies. For comparison, two corresponding shaped bodies were prepared from a large amount of uncoated PE pellets and a large amount of uncoated nylon beads. Thereafter, these four formed bodies were pyrolyzed (by heating the molded body in a chamber from 100 캜 to 650 캜). The result was very surprising. It was confirmed that the molded body of graphene-coated polymer particles was converted into a graphene-carbon hybrid foam structure having dimensions similar to those of the original molded body (3 cm x 3 cm x 0.5 cm). As a result of SEM examination of this structure, it was found that the carbon phase was present near the edge of the graphene sheet, and this carbon phase serves to bond the graphene sheets to each other. As schematically depicted in FIG. 2A, the carbon-bonded graft sheet forms the framework of a graphene-carbon hybrid pore wall having pores present where it was the space occupied by the original polymer particles.

반면에, 비코팅 펠릿 또는 비드로부터 얻은 2개의 성형체는 수축하여 원래 성형체 체적의 대략 15%~20%의 체적을 갖는 본질적으로 2개의 고체 덩어리 탄소가 되었다. 이렇게 고도로 수축된 고체 덩어리는 실질적으로 세공이 없는 탄소 물질이다; 이는 발포체 물질이 아니다.On the other hand, the two compacts obtained from uncoated pellets or beads contracted to essentially two solid lumps of carbon with a volume of approximately 15% to 20% of the original compact volume. This highly shrunk solid mass is a substantially pore-free carbon material; This is not a foam material.

실시예 6: 고체 중합체 캐리어 입자로서의 마이크론 크기 고무 입자 Example 6 : Micron size rubber particles as solid polymer carrier particles

마이크론 크기 고무 입자의 제조로 실험을 시작했다. 대기 조건하에서 1분간 균질기를 사용하여 메틸하이드로 디메틸-실록산 중합체(20 g)와 폴리디메틸실록산, 비닐디메틸 말단화 중합체(30 g)의 혼합물을 수득하였다. 트윈(Tween) 80 (4.6 g)을 첨가하고 혼합물을 20초간 균질화하였다. 백금-디비닐테트라메틸디실록산 복합물(15 g 메탄올 중의 0.5 g)을 첨가하고 10초 동안 혼합하였다. 이 혼합물을 증류수 350 g에 첨가하고 15분간 균질화하여 안정한 라텍스를 수득하였다. 이 라텍스를 60℃로 15시간 동안 가열하였다. 이어서, 이 라텍스를 무수 황산 나트륨(20 g)으로 탈유화하고, 진공하에 여과하고 증류수로 세척하고 25℃ 진공하에 건조함으로써 실리콘 고무 입자를 수득하였다. 생성된 고무 입자의 입자 크기 분포는 3~11 ㎛였다.The experiment began with the production of micron sized rubber particles. A mixture of methylhydrodimethyl-siloxane polymer (20 g) and polydimethylsiloxane, vinyl dimethyl terminated polymer (30 g) was obtained using a homogenizer under atmospheric conditions for 1 minute. Tween 80 (4.6 g) was added and the mixture was homogenized for 20 seconds. A platinum-divinyltetramethyldisiloxane complex (0.5 g in 15 g methanol) was added and mixed for 10 seconds. This mixture was added to 350 g of distilled water and homogenized for 15 minutes to obtain a stable latex. The latex was heated to 60 占 폚 for 15 hours. The latex was then de-emulsified with anhydrous sodium sulfate (20 g), filtered under vacuum, washed with distilled water and dried under vacuum at 25 캜 to give silicone rubber particles. The particle size distribution of the produced rubber particles was 3 to 11 탆.

일 실시예에서, 고무 입자 10 그램, 천연 흑연 2 그램, 및 지르코니아 비드 5 그램을 진동 볼 밀에 넣고 2시간 동안 처리하였다. 처리를 완료한 후에, 진동 밀을 열고 고무 입자가 그래핀 시트의 다크 코팅으로 코팅된 것을 확인하였다. 지르코니아 입자는 수동으로 제거하였다. 이어서, 그래핀-코팅 고무 입자를 (결합제로서의) 석유 피치 5 중량%와 혼합하고 함께 기계적으로 압축하여 여러 복합체 시트를 형성하였다. 그런 다음, 복합체 시트를 관상로에서 350℃에서 1시간 동안, 650℃에서 2시간 동안, 및 1,000℃에서 1시간 동안 열처리하여 그래핀-탄소 발포체 층을 수득하였다.In one embodiment, 10 grams of rubber particles, 2 grams of natural graphite, and 5 grams of zirconia beads were placed in a vibrating ball mill and processed for 2 hours. After the treatment was completed, it was confirmed that the vibration mill was opened and the rubber particles were coated with the dark coating of the graphene sheet. The zirconia particles were removed manually. The graphene-coated rubber particles were then mixed with 5 wt% petroleum pitch (as binder) and mechanically compressed together to form various composite sheets. The composite sheet was then heat treated in a tubular furnace at 350 DEG C for 1 hour, 650 DEG C for 2 hours, and 1,000 DEG C for 1 hour to obtain a graphene-carbon foam layer.

실시예 7: 그래핀 불화물 발포체의 제조 Example 7 Preparation of Graphene Fluoride Foam

통상적인 방법에서, 그래핀-탄소 하이브리드 시트를 밀봉된 오토클레이브 반응기에서 삼플루오르화염소의 증기로 불화시켜 불화 그래핀-탄소 하이브리드 필름을 얻었다. 다양한 불화도를 달성하기 위해 불화 지속 시간을 달리 하였다. 이어서, 불화 그래핀-탄소 발포체 시트를 개별적으로 클로로포름-물 혼합물을 담고 있는 각각의 용기에 침지하였다. 이러한 발포체 시트는 물로부터 클로로포름을 선택적으로 흡수하고 흡수된 클로로포름의 양은 불소 함량이 7.3 중량%에 이를 때까지 불화도에 따라 증가하는 것을 관찰하였다(도 9).In a conventional method, a graphene-carbon hybrid sheet was fluorinated with steam of chlorine trifluoride in a sealed autoclave reactor to obtain a fluorinated graphene-carbon hybrid film. The duration of fluoridation was varied to achieve various degrees of fluoridation. The sheets of fluorinated graphene-carbon foam were then individually immersed in each vessel containing the chloroform-water mixture. This foam sheet selectively absorbed chloroform from water and observed that the amount of chloroform absorbed increased with fluorination until the fluorine content reached 7.3 wt% (FIG. 9).

실시예 8: 그래핀 산화물 발포체 및 질화 그래핀 발포체의 제조 Example 8 : Preparation of graphene oxide foams and nitrided graphene foams

실시예 3에서 제조한 여러 개의 그래핀-탄소 발포체를 30% H2O2-물 용액에 2~48시간 동안 침지시켜 2~25 중량%의 산소 함량를 갖는 그래핀 산화물(GO) 발포체를 수득하였다.Several graphene-carbon foams prepared in Example 3 were immersed in a 30% H 2 O 2 -water solution for 2 to 48 hours to obtain a graft oxide (GO) foam having an oxygen content of 2 to 25 wt% .

일부 GO 발포체 샘플을 상이한 비율의 우레아와 혼합하고 혼합물을 마이크로파 반응기(900 W)에서 0.5 내지 5분 동안 가열하였다. 생성물을 탈이온수로 여러 번 세척하고 진공 건조시켰다. 수득한 생성물은 질화 그래핀 발포체였다. 원소 분석으로 측정한 질소 함량은 3% 내지 17.5 중량%였다.Some GO 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 vacuum dried. The obtained product was a graphene nitride foam. The nitrogen content measured by elemental analysis was 3% to 17.5% by weight.

그래핀-탄소 하이브리드 발포체의 상이한 작용화 처리는 상이한 목적을 위한 것임을 주목할 수 있다. 예를 들면, 산화된 그래핀-탄소 하이브리드 발포체 구조는 기름-물 혼합물(즉, 기름을 물 위에 쏟고 함께 혼합된 것)로부터의 기름 흡수제로서 특히 효과적이다. 이러한 경우에, 일체형 3D 그래핀(산소 0~15 중량%)-탄소 발포체 구조는 소수성 및 친유성을 둘 다 갖는다(도 7 및 도 8). 물이 어떤 물질이나 표면에 배지 않는다면, 이러한 표면 또는 물질을 소수성이라고 하며 소수성 표면이나 물질 위에 놓여진 물방울은 큰 접촉각을 형성하게 된다. 어떤 표면이나 물질이 친유성이라 함은 물이 아니라 기름에 강한 친화력을 갖고 있다는 것이다.It can be noted that the different functionalization treatments of the graphene-carbon hybrid foams are for different purposes. For example, the oxidized graphene-carbon hybrid foam structure is particularly effective as an oil-absorbing agent from an oil-water mixture (i.e., pouring oil into water and mixing together). In this case, the integral 3D graphene (oxygen 0-15 wt%) -carbon foam structure has both hydrophobicity and oleophilicity (FIGS. 7 and 8). If water does not migrate to any material or surface, such surface or material is referred to as hydrophobic and water droplets placed on hydrophobic surfaces or materials will form a large contact angle. Some surfaces or substances are lipophilic, which means they have a strong affinity for oil, not water.

또한, O, F, 및/또는 N의 상이한 함량은 본 발명의 그래핀-탄소 하이브리드 발포체가 물에서 여러 가지 유기 용매를 흡수하거나, 다수의 용매들의 혼합물로부터 하나의 유기 용매를 분리할 수 있도록 한다.The different contents of O, F, and / or N also allow the graphene-carbon hybrid foams of the present invention to absorb various organic solvents in water or to separate one organic solvent from a mixture of multiple solvents .

비교예 1: 허머스 공정(Hummer's Process)을 통한 그래핀과 그래핀-중합체 복합체의 탄화 Comparative Example 1 : Carbonization of graphene and graphene-polymer composites via Hummer's process

허머스(Hummers)의 방법을 따라 황산, 질산염, 과망간산염으로 흑연 플레이크를 산화시켜 흑연 산화물을 제조하였다[미국 특허 번호 2,798,878호, 1957년 7월 9일]. 반응이 완료된 즉시, 혼합물을 탈이온수에 붓고 여과했다. 흑연 산화물을 5% HCl 용액에서 반복적으로 세척하여 대부분의 황산이온을 제거하였다. 이어서, 여과액의 pH가 중성이 될 때까지 샘플을 탈이온수로 반복하여 세척하였다. 슬러리를 분무 건조시키고 60℃의 진공 오븐에 24시간 동안 보관하였다. 생성된 층상 흑연 산화물의 층간 간격은 디바이 셰러(Debey-Scherrer) X선 기술에 의해 약 0.73 nm(7.3 A)로 측정되었다. 이 물질의 샘플을 이어서 미리 설정된 노(furnace)로 옮겨서 650℃에서 4분 동안 박리시키고 불활성 분위기의 노에서 1200℃로 4시간 동안 가열하여 소수층의 환원된 그래핀 산화물(RGO)로 구성된 저밀도 분말을 생성하였다. 표면적은 질소 흡수 BET를 통해 측정하였다. 이어서, 이 분말을 ABS, PE, PP 및 나일론 펠릿과 각각 1%~25% 부하량 수준으로 건조 혼합하고, 25 mm 이축 압출기를 이용해 배합하여 복합 시트를 형성하였다. 이어서, 이 복합 시트를 열분해하였다.According to the method of Hummers, graphite flakes were oxidized with sulfuric acid, nitrate and permanganate to produce graphite oxides (U.S. Patent No. 2,798,878, July 9, 1957). As soon as the reaction was complete, the mixture was poured into deionized water and filtered. The graphite oxide was washed repeatedly in a 5% HCl solution to remove most of the sulfate ions. The sample was then repeatedly washed with deionized water until the pH of the filtrate was neutral. The slurry was spray dried and stored in a vacuum oven at 60 DEG C for 24 hours. The interlayer spacing of the resultant layered graphite oxide was measured at about 0.73 nm (7.3 A) by the Debey-Scherrer X-ray technique. A sample of this material was then transferred to a pre-set furnace, stripped at 650 ° C for 4 minutes and heated in an inert atmosphere oven at 1200 ° C for 4 hours to form a low density powder consisting of a reduced layer of reduced graphene oxide (RGO) Respectively. The surface area was measured by nitrogen absorption BET. The powder was then dry mixed with ABS, PE, PP and nylon pellets at 1% to 25% loading levels, respectively, and blended using a 25 mm twin screw extruder to form a composite sheet. Then, this composite sheet was pyrolyzed.

비교예 2: 메소 탄소 마이크로비드(MCMB)로부터 단일층 그래핀 산화물(GO) 시트의 제조 후 이어서 GO 시트로부터 그래핀 발포체 층의 제조 Comparative Example 2 : Preparation of single-layer graphene oxide (GO) sheet from meso carbon microbead (MCMB) followed by preparation of graphene foam layer from GO sheet

메소 탄소 마이크로비드(MCMB)는 대만의 가오슝에 소재한 China Steel Chemical Co.로부터 공급되었다. 이 물질은 약 2.24 g/㎤의 밀도 및 약 16 ㎛의 중간 입자 크기를 갖는다. MCMB(10 그램)를 48 내지 96시간 동안 산 용액(4:1:0.05 비의 황산, 질산, 및 과망간산칼륨)으로 삽입하였다. 반응이 완료되면, 혼합물을 탈이온수에 붓고 여과하였다. 삽입된 MCMB를 5% HCl 용액에서 반복적으로 세척하여 대부분의 황산 이온을 제거하였다. 이어서, 여과액의 pH가 4.5 이상이 될 때까지 샘플을 탈이온수로 반복적으로 세척하였다. 이어서 슬러리를 10 내지 100분 동안 초음파 처리하여 GO 현탁액을 제조하였다. TEM과 원자력 현미경 연구는, 산화 처리가 72시간을 초과하면 GO 시트의 대부분이 단일층 그래핀이었고 산화 시간이 48 내지 72시간이면 GO 시트의 대부분이 2 또는 3층 그래핀이었음을 시사한다.Meso carbon microbeads (MCMB) were supplied by China Steel Chemical Co., Kaohsiung, Taiwan. This material has a density of about 2.24 g / cm3 and a median particle size of about 16 microns. MCMB (10 grams) was inserted into the acid solution (4: 1: 0.05 ratio of sulfuric acid, nitric acid, and potassium permanganate) for 48 to 96 hours. When the reaction was complete, the mixture was poured into deionized water and filtered. The inserted MCMB was washed repeatedly in 5% HCl solution to remove most of the sulfate ions. The sample was then repeatedly washed with deionized water until the pH of the filtrate was at least 4.5. The slurry was then sonicated for 10 to 100 minutes to prepare a GO suspension. TEM and atomic force microscopy studies suggest that most of the GO sheet was a single layer graphene when the oxidation treatment lasted more than 72 hours and that most of the GO sheet was graphene in two or three layers at oxidation times of 48 to 72 hours.

GO 시트는 48 내지 96시간의 산화 처리 시간 동안 대략 35 중량% 내지 47 중량%의 산소 비율을 함유한다. GO 시트를 물에 현탁시켰다. 화학적 발포제로서 베이킹 소다(5~20 중량%)를 주조 직전에 현탁액에 첨가하였다. 이어서, 이 현탁액을 유리 표면 상에 주조하였다. 몇 가지 샘플을 주조하였고, 일부는 발포제를 포함했고 일부는 포함하지 않았다. 생성된 GO 필름은 액체를 제거한 후, 두께가 대략 10 내지 500 ㎛로 다양할 수 있다. 이어서, 발포제를 포함하거나 포함하지 않는 GO 필름 몇 장을 가열 온도 80~500℃로 1~5시간 동안 열처리하여 그래핀 발포체 구조를 생성하였다.The GO sheet contains an oxygen ratio of approximately 35% to 47% by weight for an oxidation treatment time of 48 to 96 hours. The GO sheet was suspended in water. Baking soda (5-20% by weight) as a chemical blowing agent was added to the suspension just before casting. This suspension was then cast onto a glass surface. Several samples were cast, some containing blowing agent and some not. The resulting GO film may vary in thickness from approximately 10 to 500 mu m after removal of the liquid. Then, several GO films with or without a blowing agent were heat-treated at a heating temperature of 80 to 500 DEG C for 1 to 5 hours to form a graphene foam structure.

비교예 3: 순수 그래핀 발포체(산소 0%)의 제조 Comparative Example 3 : Preparation of pure graphene foam (0% oxygen)

개별적인 그래핀 면의 전도도를 감소시키는 작용을 하는 GO 시트에서의 많은 결함 개수의 가능성을 인식하여, 순수 그래핀 시트(비-산화 및 산소-비함유, 비할로겐화 및 할로겐-비함유 등)의 사용이 열 전도도가 더 높은 그래핀 발포체를 초래할 수 있는지를 연구하기로 결정하였다. 직접 초음파 처리(당업계에 액체-상 박리로 알려진) 공정을 사용하여 순수 그래핀 시트를 제조하였다.Recognizing the possibility of many defect counts in GO sheets that act to reduce the conductivity of individual graphene faces, the use of pure graphene sheets (non-oxidized and oxygen-free, non-halogenated and halogen-free) It was decided to study whether this thermal conductivity could lead to higher graphene foams. A pure graphene sheet was prepared using direct sonication (known in the art as liquid-phase exfoliation) process.

통상의 방법에서, 대략 20 ㎛ 이하의 크기로 분쇄된 5 g의 흑연 플레이크를 1,000 mL의 탈이온수(DuPont으로부터의 Zonyl® FSO인 분산 제제 0.1 중량%를 함유함)에 분산시켜 현탁액을 수득하였다. 85 W의 초음파 에너지 수준(Branson S450 초음파기)을 사용하여 그래핀 시트를 15분 내지 2시간의 기간 동안 박리, 분리, 및 분쇄(size reduction)시켰다. 생성된 그래핀 시트는 산화되지 않았고 산소가 없고 상대적으로 결함이 없는 순수 그래핀이다. 순수 그래핀은 어떠한 비탄소 원소도 함유하지 않는다. In a conventional method, 5 g of graphite flakes milled to a size of about 20 탆 or less were dispersed in 1,000 mL of deionized water (containing 0.1 wt% of Zonyl® FSO dispersion formulation from DuPont) to obtain a suspension. The graphene sheet was stripped, separated, and size reduced using an ultrasonic energy level of 85 W (Branson S450 ultrasonic) for a period of 15 minutes to 2 hours. The resulting graphene sheet is pure graphene which is unoxidized, oxygen free and relatively defect free. Pure graphene contains no non-carbon elements.

다양한 양(그래핀 물질에 대해 1 중량% 내지 30 중량%)의 화학적 발포제(N,N-디니트로소 펜타메틸렌 테트라민 또는 4,4'-옥시비스(벤젠술포닐 하이드라지드))를 순수 그래핀 시트 및 계면활성제를 포함하는 현탁액에 첨가하였다. 이어서, 이 현탁액을 유리 표면 상에 주조하였다. 몇 가지 샘플을 주조하였고, 하나는 주조 직전에 CO2를 물리적 발포제로서 현탁액에 주입하여 제조하였다. 생성된 그래핀 필름은 액체를 제거한 후, 두께가 대략 10 내지 100 ㎛로 다양할 수 있다. 이어서, 그래핀 필름을 온도 80~1,500℃로 1~5시간 동안 열처리하여 그래핀 발포체를 생성하였다.(N, N-dinitrosopentamethylenetetramine or 4,4'-oxybis (benzenesulfonylhydrazide)) in various amounts (1% to 30% by weight with respect to the graphene material) And then added to the suspension containing the graphene sheet and the surfactant. This suspension was then cast onto a glass surface. Several samples were cast and one was prepared by injecting CO 2 as a physical blowing agent into the suspension just before casting. The resulting graphene film may vary in thickness from approximately 10 to 100 mu m after removal of the liquid. Then, the graphene film was heat-treated at a temperature of 80 to 1,500 占 폚 for 1 to 5 hours to produce a graphene foam.

비교예 4: Ni 발포체 템플레이트 상의 CVD 그래핀 발포체 Comparative Example 4 : CVD Graphene foam on Ni foam template

본 방법은 공개 문헌[Chen, Z. et al. "Three-dimensional flexible and conductive interconnected graphene networks grown by chemical vapor deposition," Nat. Mater. 10, 424-428 (2011)]에 기재된 방법으로부터 조정되었다. 니켈의 상호 연결된 3D 스캐폴드를 갖춘 다공질 구조체인 니켈 발포체는 그래핀 발포체의 성장을 위한 템플레이트로서 선택되었다. 간단하게, CH4를 상압하에 1,000℃에서 분해함으로써 탄소를 니켈 발포체로 도입하고, 이어서 그래핀 필름을 니켈 발포체의 표면 상에 침착시켰다. 니켈과 그래핀 사이의 열 팽창 계수의 차이로 인해, 그래핀 필름 상에 잔물결(ripples)과 주름(wrinkles)이 형성되었다. 그래핀 발포체를 회수(분리)하기 위하여, Ni 프레임을 에칭 제거해야 한다. 뜨거운 HCl(또는 FeCl3)용액으로 니켈 골격을 에칭 제거하기 전에, 니켈 에칭을 하는 동안 그래핀 망상구조의 붕괴를 막기 위한 지지체로서 그래핀 필름의 표면 상에 폴리(메타크릴산메틸)(PMMA)의 얇은 층을 침착시켰다. PMMA 층을 뜨거운 아세톤으로 조심스럽게 제거하고 약한 그래핀 발포체 샘플을 수득하였다. PMMA 지지체 층의 사용은 그래핀 발포체의 독립형 필름을 제조하는 데 중요하다; PMMA 지지제 층이 없이는 오로지 심하게 왜곡되고 변형된 그래핀 발포체 샘플만 수득하였다. 이것은 환경 친화적이지 않고 확장 가능성이 없는 까다로운 공정이다.This method is disclosed in Chen, Z. et al. "Three-dimensional flexible and conductive interconnected graphene networks grown by chemical vapor deposition," Nat. Mater. 10, 424-428 (2011). Nickel foam, a porous structure with nickel interconnected 3D scaffolds, was selected as the template for the growth of the graphene foam. In short, by decomposition it was at 1,000 ℃ for CH 4 at atmospheric pressure introducing carbon into the nickel foam, and then depositing a pin Yes film 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. In order to recover (separate) the graphene foam, the Ni frame must be etched away. (Methyl methacrylate) (PMMA) on the surface of the graphene film as a support to prevent collapse of the graphene network structure during nickel etching, prior to etching away the nickel skeleton with hot HCl (or FeCl 3 ) solution. Lt; / RTI > The PMMA layer was carefully removed with hot acetone and a weak graphene foam sample was obtained. The use of a PMMA support layer is important in making a stand-alone film of a graphene foam; Without the PMMA backing layer, only severely distorted and deformed graphene foam samples were obtained. This is a tricky process that is not environmentally friendly and scalable.

비교예 5: 피치 기반 탄소 발포체로부터의 종래의 흑연 발포체 Comparative Example 5 : Conventional graphite foams from pitch-based carbon foams

피치 분말, 과립, 또는 펠릿을 발포체의 원하는 최종 형상을 가진 알루미늄 금형에 넣는다. Mitsubishi ARA-24 메소상 피치를 활용하였다. 샘플을 1 torr 미만으로 배기한 다음 대략 300℃의 온도로 가열하였다. 이 시점에서, 진공을 질소 블랭킷(blanket)으로 방출하고 이어서 1,000 psi 이하의 압력을 가하였다. 이어서 시스템의 온도를 800℃로 상승시켰다. 이를 2℃/분의 속도로 수행하였다. 이 온도를 적어도 15분 동안 유지하여 침액(soak)을 달성한 다음 노 전원(furnace power)을 차단하고, 대략 2 psi/분의 속도로 압력을 해제하면서 대략 1.5℃/분의 속도로 실온까지 냉각시켰다. 최종 발포체 온도는 630℃ 및 800℃였다. 냉각 사이클 동안, 압력은 점차적으로 대기 상태로 해제하였다. 이어서 발포체를 질소 블랭킷하에 1050℃로 열처리하고(탄화) 이어서 별도의 실시로 아르곤하에 흑연 도가니에서 2500℃ 및 2800℃로 열처리하였다(흑연화). The pitch powder, granules, or pellets are placed in an aluminum mold having the desired final shape of the foam. The Mitsubishi ARA-24 meso phase pitch was utilized. The sample was evacuated to less than 1 torr and then heated to a temperature of approximately 300 캜. At this point, the vacuum was released into a nitrogen blanket and then a pressure of 1,000 psi or less was applied. The temperature of the system was then raised to 800 占 폚. This was carried out at a rate of 2 [deg.] C / min. This temperature is maintained for at least 15 minutes to achieve a soak, then the furnace power is shut off and the furnace is cooled to room temperature at a rate of approximately 1.5 [deg.] C / min while relieving pressure at a rate of approximately 2 psi / . The final foam temperatures were 630 ° C and 800 ° C. During the cooling cycle, the pressure was gradually released to the atmospheric state. The foams were then heat-treated (carbonized) at 1050 ° C under a nitrogen blanket and subsequently heat-treated (graphitized) at 2500 ° C and 2800 ° C in a separate graphite crucible under argon.

비교예 6: 열수 환원 그래핀 산화물로부터의 그래핀 발포체 Comparative Example 6 : Graphene foam from hydrothermal reduction graphene oxide

비교를 위해, 자기조립 그래핀 하이드로겔(SGH) 샘플을 1단계 열수 방법으로 제조하였다. 통상의 방법에서, SGH는 테프론-라이닝 오토클레이브(Teflon-lined autoclave)에서 밀봉된 균질 그래핀 산화물(GO) 수성 분산액 2 mg/mL를 180℃로 12시간 동안 가열함으로써 용이하게 제조할 수 있다. 대략 2.6 중량%의 그래핀 시트와 97.4%의 물을 포함하는 SGH는 대략 5 x 10-3 S/㎝의 전기 전도도를 갖는다. 건조 및 1,500℃에서의 열처리시, 생성된 그래핀 발포체는 대략 1.5 x 10-1 S/㎝의 전기 전도도를 나타내고, 이것은 같은 온도에서 열 처리하여 제조한 본 발명의 그래핀 발포체보다 2배 낮은 것이다. For comparison, samples of self-assembled graphene hydrogel (SGH) were prepared by a one-step hydrothermal method. In a conventional method, SGH can be easily prepared by heating 2 mg / mL of a homogeneous graphene oxide (GO) aqueous dispersion sealed in a Teflon-lined autoclave at 180 DEG C for 12 hours. SGH containing approximately 2.6 wt% graphene sheet and 97.4 wt% water has an electrical conductivity of approximately 5 x 10-3 S / cm. Upon drying and heat treatment at 1,500 ° C., the resulting graphene foam exhibits an electrical conductivity of approximately 1.5 × 10 -1 S / cm 2, which is twice as low as the inventive graphene foam produced by heat treatment at the same temperature .

실시예 9: 다양한 그래핀 발포체와 종래 흑연 발포체의 열 및 기계 시험 Example 9 : Thermal and mechanical testing of various graphene foams and conventional graphite foams

다양한 종래 탄소 또는 그래핀 발포체 물질의 샘플을 열 전도도 측정을 위한 시편으로 가공하였다. 메소상 피치 유도 발포체의 벌크 열 전도도는 67 W/mK 내지 151 W/mK의 범위였다. 샘플의 밀도는 0.31~0.61 g/㎤이었다. 무게를 고려할 때, 피치 유도 발포체의 비 열 전도도(specific thermal conductivity)는 비중(또는 물리적 밀도) 당 대략 67/0.31 = 216 및 151/0.61 = 247.5 W/mK이다.Samples of various conventional carbon or graphene foam materials were processed into specimens for thermal conductivity measurements. The bulk thermal conductivity of the mesophase pitch inducing foams ranged from 67 W / mK to 151 W / mK. The density of the sample was 0.31 to 0.61 g / cm3. Given the weight, the specific thermal conductivity of the pitch-induced foam is approximately 67 / 0.31 = 216 and 151 / 0.61 = 247.5 W / mK per specific gravity (or physical density).

평균 밀도가 0.51 g/㎤인 샘플의 압축 강도는 3.6 MPa로 측정되었고, 압축 탄성률은 74 MPa로 측정되었다. 대조적으로, 유사한 물리적 밀도를 갖는 본 발명의 그래핀-탄소 발포체 샘플의 압축 강도 및 압축 탄성률은 각각 6.2 MPa 및 113 MPa이다.The compressive strength of the sample with an average density of 0.51 g / cm3 was measured at 3.6 MPa and the compressive modulus at 74 MPa. In contrast, the compressive strength and compressive modulus of the graphene-carbon foam samples of the present invention having similar physical densities are 6.2 MPa and 113 MPa, respectively.

도 4a는 3D 일체형 그래핀-탄소 발포체, 메소상 피치 유도 흑연 발포체, 및 Ni 발포체 템플레이트 보조 CVD 그래핀 발포체의 열 전도도 값 대 비중을 도시한 것이다. 이 데이터는 하기의 예상치 못한 결과를 명확하게 설명한다:Figure 4a shows the thermal conductivity values versus specific gravity of 3D integrated graphene-carbon foam, mesophase pitch induced graphite foam, and Ni foam template assisted CVD graphene foam. This data clearly illustrates the following unexpected results:

1) 본 발명의 방법에 의해 제조된 3D 일체형 그래핀-탄소 발포체는 동일한 물리적 밀도가 주어지면, 메소상 피치 유도 흑연 발포체 및 Ni 발포체 템플레이트 보조 CVD 그래핀과 비교하여 현저히 높은 열 전도도를 나타낸다.1) The 3D monolithic graphene-carbon foams produced by the process of the present invention exhibit significantly higher thermal conductivities compared to mesophase pitch induction graphite foams and Ni foam template assisted CVD grains given the same physical density.

2) CVD 그래핀은 산화에 노출된 적 없는 본질적으로 순수한 그래핀이고, 본 발명의 그래핀-탄소 하이브리드 발포체에 비해 높은 열 전도도를 나타냈어야 한다는 개념에서 볼 때, 이것은 매우 놀랍다. 하이브리드 발포체의 탄소상은 일반적으로 결정도가 낮으므로(일부는 비정질 탄소), 그래핀 단독에 비해 열 전도도 또는 전기 전도도가 훨씬 낮다. 하지만, 탄소상을 그래핀 시트와 결합시켜 본 발명의 방법에 의해 제조된 일체형 구조를 형성하는 경우, 생성된 하이브리드 발포체는 완전 순수한 그래핀 발포체와 유사한 열 전도도를 나타낸다. 본원에서 제조된 그래핀-탄소 하이브리드 발포체에서 관찰된 이러한 매우 높은 열 전도도 값은 놀라운 것이다. 이것은 달리 독립된 그래핀 시트가 이제 탄소상에 의해 결합되어 전자와 포논의 중단 없는 이동을 위한 가교 역할을 한다는 관찰에 기인한 것 같다.2) This is very surprising in the concept that CVD graphene is essentially pure graphene that has never been exposed to oxidation and should have exhibited a higher thermal conductivity than the graphene-carbon hybrid foams of the present invention. The carbon phase of the hybrid foam is generally lower in crystallinity (some amorphous carbon), so thermal conductivity or electrical conductivity is much lower than that of graphene alone. However, when the carbon phase is combined with a graphene sheet to form an integral structure made by the process of the present invention, the resulting hybrid foam exhibits thermal conductivity similar to that of a fully pure graphene foam. This very high thermal conductivity value observed in the graphene-carbon hybrid foams produced here is surprising. This may be due to the observation that the independent graphene sheet is now bound by the carbon phase and serves as a bridge for uninterrupted movement of electrons and phonons.

3) 본 발명의 하이브리드 발포체 물질의 비전도율 값은 단위 비중당 250 내지 500 W/mK의 값을 나타내지만; 다른 유형의 발포체 물질의 비전도율 값은 통상적으로 단위 비중당 250 W/mK 미만이다.3) The non-conductivity value of the hybrid foam material of the present invention exhibits a value of 250 to 500 W / mK per unit weight; The nonconductivity values of other types of foam materials are typically less than 250 W / mK per unit weight.

4) 일련의 3D 그래핀-탄소 발포체 및 일련의 순수 그래핀 유도 발포체에 대한 열 전도도 데이터를 모두 최종(최대) 열처리 온도에 대해 도시하여 도 5에 요약하였다. 두 유형의 물질 모두에서 열 전도도는 최종 HTT에 따라 단조 증가한다. 하지만, 본 발명의 방법은 순수 그래핀 발포체를 능가하는 그래핀-탄소 발포체를 비용 효과적이고 환경 친화적으로 제조 가능하게 한다. 이것은 또 다른 예상치 않은 결과이다.4) The thermal conductivity data for a series of 3D graphene-carbon foams and a series of pure graphene-derived foams are summarized in FIG. 5 for the final (maximum) heat treatment temperature. In both types of materials, the thermal conductivity increases monotonically with the final HTT. However, the process of the present invention makes it possible to produce graphene-carbon foams that are superior to pure graphene foams in a cost effective and environmentally friendly manner. This is another unexpected result.

5) 도 4b는 본 발명의 하이브리드 발포체 및 열수 환원된 GO 그래핀 발포체의 열 전도도 값을 도시한다. 3D 그래핀-탄소 발포체 및 열수 환원된 GO 그래핀 발포체의 전기 전도도 값은 도 6에 도시한다. 이 데이터는 동일한 양의 고체 물질이 주어지면, 본 발명의 그래핀-탄소 발포체가 본질적으로 가장 전도성이 있어, 전자 및 포논 이동 경로에서의 연속성의 중요성을 반영한다는 개념을 추가로 지지한다. 탄소상은 그래핀 시트 사이의 틈이나 중단된 곳을 가교한다.5) Figure 4b shows the thermal conductivity values of the hybrid foams of the present invention and the hot-reduced GO blend foams. The electrical conductivity values of 3D graphene-carbon foam and hot-reduced GO slabbing foam are shown in FIG. This data further supports the notion that given the same amount of solid material, the graphene-carbon foam of the present invention is inherently the most conductive and reflects the importance of continuity in electron and phonon migration paths. The carbon phase bridges gaps or breaks between graphene sheets.

실시예 10: 다양한 그래핀 발포체 및 종래 흑연 발포체의 특성 Example 10 : Properties of various graphene foams and conventional graphite foams

몇몇 일련의 그래핀-탄소 발포체 물질의 내부 구조(결정 구조 및 배향)를 X선 회절을 이용하여 조사하였다. 천연 흑연의 X선 회절 곡선은 통상적으로 약 2θ = 26°에서 피크를 나타내며, 이는 약 0.3345 nm의 그래핀간 간격(d002)에 상응한다. 하이브리드 발포체 물질의 그래핀 벽은 통상적으로 0.3345 nm 내지 0.40 nm, 그러나 보다 통상적으로는 최대 0.34 nm의 그래핀간 간격(d002)을 나타낸다.The internal structure (crystal structure and orientation) of several series of graphene-carbon foam materials was investigated using X-ray diffraction. The X-ray diffraction curve of natural graphite typically shows a peak at about 2? = 26 °, corresponding to a graphene spacing (d 002 ) of about 0.3345 nm. The graphene wall of the hybrid foam material typically exhibits a graphene spacing (d 002 ) of 0.3345 nm to 0.40 nm, but more typically a maximum of 0.34 nm.

발포체 구조를 2,750℃의 열처리 온도로 1시간 동안 압축하면, d002 간격은 흑연 단결정의 d002 간격과 동일한 0.3354 nm 정도로 감소한다. 또한, (004)면으로부터의 X선 회절에 해당하는 2θ = 55°에서 높은 강도로 제2 회절 피크가 나타난다. 동일한 회절 곡선에서의 (002) 강도에 대한 (004) 피크 강도, 또는 I(004)/I(002) 비는 결정의 완전성 정도와 그래핀 면의 우선 배향을 나타내는 좋은 지표이다. 2,800℃ 보다 낮은 온도에서 열처리된 모든 흑연 물질에 대해 I(004)/I(002) 비는 0.1 미만으로, (004) 피크는 존재하지 않거나 상대적으로 약하다. 3,000~3,250℃에서 열처리된 흑연 물질(예를 들어, 고도로 배향된 열분해 흑연, HOPG)에 대한 I(004)/I(002) 비는 0.2~0.5의 범위이다. 대조적으로, 2,750℃의 최종 HTT로 1시간 동안 제조한 그래핀 발포체는 0.78의 I(004)/I(002) 비 및 0.21의 모자이크 분산값을 나타내며, 이는 세공 벽이 양호한 정도의 우선 배향을 갖는 실질적으로 완전한 그래핀 단결정임을 나타낸다(압축력 하에서 제조되는 경우).When the foam structure compression for one hour in a heat treatment temperature of 2,750 ℃, d 002 spacing is reduced to the same as 0.3354 nm d 002 spacing of graphite monocrystal. Further, the second diffraction peak appears at a high intensity at 2? = 55 corresponding to the X-ray diffraction from the (004) plane. The (004) peak intensity or the I (004) / I (002) ratio for the (002) intensity in the same diffraction curve is a good indicator of the degree of completeness of the crystal and the preferred orientation of the graphene plane. I (004) / I (002) ratio is less than 0.1 and (004) peak is absent or relatively weak for all graphite materials heat treated at a temperature lower than 2,800 ° C. I (004) / I (002) ratios for graphite materials heat treated at 3,000 to 3,250 ° C (for example, highly oriented pyrolytic graphite, HOPG) range from 0.2 to 0.5. In contrast, the graphene foam produced for 1 hour with a final HTT of 2,750 ° C exhibited a mosaic dispersion value of I (004) / I (002) ratio of 0.78 and a mosaic dispersion value of 0.21, indicating that the pore wall had a preferred orientation Indicating that it is a substantially complete graphene single crystal (when manufactured under compressive force).

"모자이크 분산"값은 X선 회절 강도 곡선에서의 (002) 반사의 반값 전폭으로부터 얻는다. 정렬도에 대한 이 지표는 흑연 또는 그래핀 결정 크기(또는 결정 입도), 결정립계 및 기타 결함의 양, 및 우선 결정 배향도를 특성화 한다. 흑연의 거의 완전한 단결정은 0.2~0.4의 모자이크 분산값을 갖는 것이 특징이다. 본 발명의 그래핀 발포체 일부는 2,500℃ 이상의 최종 열처리 온도를 사용하여 제조한 경우 0.3~0.6의 범위의 모자이크 분산값을 갖는다.The "mosaic dispersion" value is obtained from the full width at half maximum of the (002) reflection in the X-ray diffraction intensity curve. This index for the degree of alignment characterizes graphite or graphene crystal size (or grain size), grain size and other defects, and preference orientation degree. Almost complete single crystal of graphite is characterized by having a mosaic dispersion value of 0.2 to 0.4. Some of the graphene foams of the present invention have a mosaic dispersion value in the range of 0.3 to 0.6 when prepared using a final heat treatment temperature of at least 2,500 占 폚.

다음은 몇 가지 더 중요한 결과에 대한 요약이다:Here is a summary of some of the more important results:

1) 일반적으로, 충격 볼을 첨가하면 흑연 입자로부터 그래핀 시트를 박리시키는 과정을 가속하는 것을 돕는다. 하지만, 이 옵션은 그래핀-코팅 중합체 입자를 제조한 후에 충격 볼의 분리를 요한다.1) In general, the addition of impingement balls helps accelerate the process of stripping graphene sheets from graphite particles. However, this option requires separation of the impact balls after producing the graphene-coated polymer particles.

2) 충격 볼(예를 들어 세라믹, 유리, 금속 볼 등)을 사용하지 않는 경우, 보다 경질의 중합체 입자(예를 들어, PE, PP, 나일론, ABS, 폴리스티렌, 고 충격 폴리스티렌 등 및 이들의 충전제 보강 형태)는 보다 연질의 중합체 입자(예를 들어, 고무, PVC, 폴리비닐 알코올, 라텍스 입자)와 비교할 때, 흑연 입자로부터 그래핀 시트를 더 잘 박리시킬 수 있다.2) In the case where impact balls (for example, ceramics, glass, metal balls, etc.) are not used, more rigid polymer particles (for example, PE, PP, nylon, ABS, polystyrene, high impact polystyrene, Reinforced form) can better delaminate the graphene sheet from the graphite particles as compared to the more flexible polymer particles (e.g., rubber, PVC, polyvinyl alcohol, latex particles).

3) 충격 볼을 외부에서 추가하지 않으면, 동일한 1시간의 가동 시간이 주어진 경우, 보다 연질의 중합체 입자는 0.001 중량% 내지 5 중량%의 그래핀(주로 단일층 그래핀 시트)을 갖는 그래핀-코팅 또는 삽입 입자를 생성하는 경향이 있고, 보다 경질의 중합체 볼은 0.01 중량% 내지 30 중량%의 그래핀(주로 단일층 및 소수층 그래핀 시트)을 갖는 그래핀-코팅 입자를 생성하는 경향이 있다.3) If the impact ball is not added externally, given the same 1 hour of run time, the softer polymer particles will have a graphene-like structure with 0.001 wt% to 5 wt% graphene (predominantly monolayer graphene sheet) Coating or insert particles, and the harder polymer balls tend to produce graphene-coated particles with from 0.01% to 30% by weight of graphene (mainly monolayer and hydrophobic graphene sheets) .

4) 외부에서 충격 볼을 추가하면, 모든 중합체 볼은 0.001 중량% 내지 약 80 중량%의 그래핀 시트(30 중량% 초과의 그래핀 시트의 경우, 주로 10층 미만의 소수층 그래핀)를 지지할 수 있다.4) By adding impact balls from the outside, all polymer balls will support from 0.001% to 80% by weight of graphene sheet (less than 10 layers of minority graphene in the case of more than 30% by weight graphene sheet) .

5) 본 발명의 그래핀-탄소 하이브리드 발포체 물질은 통상적으로 종래의 선행 기술 방법에 의해 제조된 대응물과 비교하여 현저히 높은 구조적 완전성(예를 들어, 압축 강도, 탄성, 및 복원성) 및 보다 높은 열 전도도 및 전기 전도도를 나타낸다.5) The graphene-carbon hybrid foam materials of the present invention typically exhibit significantly higher structural integrity (e.g., compressive strength, resilience, and resilience) and higher heat (as compared to the counterparts produced by conventional prior art processes) Conductivity and electrical conductivity.

6) 흑연 발포체 또는 그래핀 발포체를 제조하기 위한 모든 선행 기술 공정은 약 0.2 내지 0.6 g/㎤ 범위의 물리적 밀도를 갖는 단지 거시적 다공성 발포체를 제공하는 것으로 보이며, 세공 크기는 대부분의 의도된 용도로는 통상적으로 너무 크다(예를 들어, 20 내지 300 ㎛). 대조적으로, 본 발명은 0.001 g/㎤만큼 낮은 밀도 및 1.7 g/㎤만큼 높은 밀도를 가질 수 있는 그래핀 발포체를 생성하는 방법을 제공한다. 세공 크기는 미세(2 nm 미만)에서 중간 크기(2~50 nm), 거시적 크기(예를 들어 1 내지 500 ㎛)까지 다양할 수 있다. 다양한 유형의 그래핀-탄소 발포체를 설계할 때 이러한 수준의 유연성과 다기능성은 전례가 없고 어떤 선행 기술의 방법과도 비교가 되지 않는다.6) All prior art processes for producing graphite foams or graphene foams appear to provide only macroscopically porous foams having physical densities in the range of about 0.2 to 0.6 g / cm < 3 >, and pore sizes for most intended applications (For example, 20 to 300 mu m). In contrast, the present invention provides a method of producing a graphene foam which can have a density as low as 0.001 g / cm < 3 > and a density as high as 1.7 g / cm < 3 >. The pore size can vary from fine (less than 2 nm) to medium (2 to 50 nm), macroscopic (eg, 1 to 500 μm). This level of flexibility and versatility in designing various types of graphene-carbon foam is unprecedented and not comparable to any prior art method.

7) 본 발명의 방법은 또한 다양한 적용 요구(예를 들어, 기름으로 오염된 물로부터 기름의 회수, 물 또는 기타 용매로부터 유기 용매의 분리, 방열 등)에 대응하여 화학 조성(예를 들어, F, O 및 N 함량 등)에 대한 편리하고 유연한 제어를 가능하게 한다.7) The method of the present invention may also be used to determine the chemical composition (e. G., F < RTI ID = 0.0 > , O and N content, etc.).

결론적으로, 완전히 새롭고, 신규하고, 예상을 넘어서는, 명백하게 다른 종류의 고도의 전도성을 가진 그래핀-탄소 하이브리드 발포체 물질, 장치, 및 이와 관련된 제조 공정을 성공적으로 개발하였다. 이 새로운 종류의 발포체 물질의 화학 조성(산소, 불소, 및 기타 비탄소 원소의 %), 구조(결정 완전성, 결정 입도, 결함 개수 등), 결정 배향, 형태, 제조 방법, 및 특성은 메소상 피치 유도 흑연 발포체, CVD 그래핀 유도 발포체, 및 GO의 열수 환원으로부터의 그래핀 발포체와는 근본적으로 다르고 명백하게 구별되는 것이다.In conclusion, we have successfully developed graphene-carbon hybrid foam materials, devices, and associated manufacturing processes that are entirely new, novel, and beyond expectations, apparently of a different kind of high conductivity. The chemical composition of this new type of foam material (oxygen, fluorine, and other non-carbon elements), structure (crystal integrity, crystal size, number of defects, etc.), crystal orientation, Which is fundamentally different from, and distinct from, graphene foams from leaded graphite foams, CVD graphene-derived foams, and GO hot water reductions.

Claims (41)

다중 세공(multiple pores) 및 세공 벽(pore walls)으로 구성되는 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체로서, 상기 세공 벽은 탄소 물질-대-그래핀 중량비가 1/200 내지 1/2인 탄소 물질에 의해 화학적으로 결합된 단일층 또는 소수층 그래핀 시트를 포함하고, 상기 소수층 그래핀 시트는 X선 회절에 의해 측정된 면간 간격 d002가 0.3354 nm 내지 0.40 nm인 중첩된 그래핀 면(graphene planes) 2 내지 10개 층을 가지며, 상기 단일층 또는 소수층 그래핀 시트는 비탄소(non-carbon) 원소가 본질적으로 0%인 순수(pristine) 그래핀 물질, 또는 0.001 중량% 내지 25 중량%의 비탄소 원소를 갖는 비순수(non-pristine) 그래핀 물질을 포함하며, 상기 비순수 그래핀은 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 그래핀 불화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화 그래핀, 질화 그래핀, 도핑된 그래핀, 화학적으로 작용화된 그래핀, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는, 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체.An integrated 3D graphene-carbon hybrid foam comprising multiple pores and pore walls, said pore wall having a carbon material-to-graphene weight ratio of 1/200 to 1/2 carbon material Wherein the minor grained graphene sheet comprises graphene planes 2 with an interplanar spacing d 002 of 0.3354 nm to 0.40 nm as measured by X-ray diffraction To 10 layers, wherein the single layer or the hydrophobic graphene sheet comprises a pristine graphene material with essentially 0% non-carbon elements, or from 0.001 wt% to 25 wt% non-carbon elements Wherein the non-pure graphene material is selected from the group consisting of graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, Hydrogenated graphene, nitrided Graphene, doped graphene, chemically functionalized graphene, or a combination thereof. 제1항에 있어서, 상기 3D 그래핀 발포체는 0.005 내지 1.7 g/㎤의 밀도, 50 내지 3,200 ㎡/g의 비표면적, 단위 비중당 적어도 200 W/mK의 열 전도도, 및/또는 단위 비중당 2,000 S/㎝ 이상의 전기 전도도를 갖는, 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체.The 3D graphene foam of claim 1, wherein the 3D graphene 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 of at least 200 W / mK per unit weight, and / An integral 3D graphene-carbon hybrid foam having an electrical conductivity of S / cm or greater. 제1항에 있어서, 상기 세공 벽은 순수 그래핀을 포함하고, 상기 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체는 0.01 내지 1.7 g/㎤의 밀도, 또는 2 nm 내지 50 nm의 평균 세공 크기를 갖는, 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체.The 3D graphene-carbon hybrid foam of claim 1 wherein said pore wall comprises pure graphene and said 3D graphene-carbon hybrid foam has a density of from 0.01 to 1.7 g / cm3, or an integral 3D Graphene-carbon hybrid foam. 제1항에 있어서, 상기 세공 벽은 비순수 그래핀 물질을 포함하고, 상기 발포체는 0.01 중량% 내지 20 중량%의 범위의 비탄소 원소 함량을 포함하고, 상기 비탄소 원소는 산소, 불소, 염소, 브롬, 요오드, 질소, 수소, 또는 붕소로부터 선택되는 원소를 포함하는, 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체.2. The method of claim 1, wherein the pore wall comprises a non-pure graphene material, wherein the foam comprises a non-carbon element content in the range of 0.01 wt% to 20 wt% , Bromine, iodine, nitrogen, hydrogen, or boron. 제1항에 있어서, 상기 세공 벽은 그래핀 불화물을 포함하고, 상기 고체 그래핀 발포체는 0.01 중량% 내지 15 중량%의 불소 함량을 포함하는, 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체.The integral 3D graphene-carbon hybrid foam of claim 1, wherein the pore wall comprises graphene fluoride and the solid graphene foam comprises a fluorine content of from 0.01% to 15% by weight. 제1항에 있어서, 상기 세공 벽은 그래핀 산화물을 포함하고, 상기 고체 그래핀 발포체는 0.01 중량% 내지 20 중량%의 산소 함량을 포함하는, 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체.2. The 3D graphene-carbon hybrid foam of claim 1, wherein the pore wall comprises graphene oxide, and wherein the solid graphene foam comprises an oxygen content of from about 0.01% to about 20% by weight. 제1항에 있어서, 상기 발포체는 200 내지 3,000 ㎡/g의 비표면적, 또는 0.1 내지 1.2 g/㎤의 밀도를 갖는, 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체.The 3D graphene-carbon hybrid 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, 100 nm 내지 10 ㎝의 두께 및 적어도 2 미터의 길이를 갖는 연속적인 길이의 롤 시트 형태이고, 롤-투-롤 공정으로 제조되는, 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체.The 3D graphene-carbon hybrid foam according to claim 1, in the form of a roll sheet of continuous length having a thickness of 100 nm to 10 cm and a length of at least 2 meters, and being produced by a roll-to-roll process. 제1항에 있어서, 상기 발포체는 1 중량% 미만의 산소 함량 또는 비탄소 함량을 갖고, 상기 세공 벽은 0.35 nm 미만의 그래핀간 간격, 단위 비중당 적어도 250 W/mK의 열 전도도, 및/또는 단위 비중당 2,500 S/㎝ 이상의 전기 전도도를 갖는, 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체.The foam of claim 1, wherein the foam has an oxygen content or a non-carbon content of less than 1 wt%, the pore walls have a graphene spacing of less than 0.35 nm, a thermal conductivity of at least 250 W / mK per unit weight, and / A 3D graphene-carbon hybrid foam having an electrical conductivity of at least 2,500 S / cm per unit specific gravity. 제1항에 있어서, 상기 발포체는 0.01 중량% 미만의 산소 함량 또는 비탄소 함량을 갖고, 상기 세공 벽은 0.34 nm 미만의 그래핀간 간격, 단위 비중당 적어도 300 W/mK의 열 전도도, 및/또는 단위 비중당 3,000 S/㎝ 이상의 전기 전도도를 갖는 중첩된 그래핀 면을 포함하는, 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체.2. The method of claim 1, wherein the foam has an oxygen content or a non-carbon content of less than 0.01 wt%, the pore wall has a graphene spacing of less than 0.34 nm, a thermal conductivity of at least 300 W / mK per unit weight, and / A 3D graphene-carbon hybrid foam comprising an overlaid graphene face having an electrical conductivity of at least 3,000 S / cm per unit weight. 제1항에 있어서, 상기 발포체는 0.01 중량% 이하의 산소 함량 또는 비탄소 함량을 갖고, 상기 세공 벽은 0.336 nm 미만의 그래핀간 간격, 단위 비중당 적어도 350 W/mK의 열 전도도, 및/또는 단위 비중당 3,500 S/㎝ 이상의 전기 전도도를 갖는 중첩된 그래핀 면을 포함하는, 3D 그래핀 발포체.The foam of claim 1, wherein the foam has an oxygen content or a non-carbon content of less than or equal to 0.01 percent by weight, the pore wall having a graphene spacing of less than 0.336 nm, a thermal conductivity of at least 350 W / mK per unit weight, and / And a superimposed graphene face having an electrical conductivity of at least 3,500 S / cm per unit gravity. 제1항에 있어서, 상기 발포체는 0.336 nm 미만의 그래핀간 간격, 단위 비중당 400 W/mK 초과의 열 전도도, 및/또는 단위 비중당 4,000 S/㎝ 초과의 전기 전도도를 갖는 중첩된 그래핀 면을 포함하는 세공 벽을 갖는, 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체.The foam of claim 1, wherein the foam has a graphene spacing of less than 0.336 nm, a thermal conductivity of greater than 400 W / mK per unit weight, and / or an electrical conductivity of greater than 4,000 S / ≪ RTI ID = 0.0 > 3D < / RTI > graphene-carbon hybrid foam. 제1항에 있어서, 세공 벽은 0.337 nm 미만의 그래핀간 간격 및 1.0 미만의 모자이크 분산값을 갖는 중첩된 그래핀 면을 포함하는, 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체.2. The 3D graphene-carbon hybrid foam of claim 1, wherein the pore wall comprises a superposed graphene surface having a graphene spacing of less than 0.337 nm and a mosaic dispersion value of less than 1.0. 제1항에 있어서, 상기 세공 벽은 상호 연결된 그래핀 면의 3D 망상구조를 포함하는, 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체.2. The 3D graphene-carbon hybrid foam of claim 1, wherein the pore walls comprise a 3D network of interconnected graphene facets. 제1항에 있어서, 상기 발포체는 2 nm 내지 50 nm의 세공 크기를 갖는 중간 크기의(meso-scaled) 세공을 포함하는, 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체.The 3D graphene-carbon hybrid foam of claim 1, wherein the foam comprises meso-scaled pores having a pore size of 2 nm to 50 nm. 기름-흡수 요소로서 제1항의 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 포함하는 기름-제거 또는 기름-분리 장치.An oil-removing or oil-separating device comprising the 3D graphene-carbon hybrid foam of claim 1 as an oil-absorbing element. 용매-흡수 또는 용매-분리 요소로서 제1항의 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 포함하는 용매-제거 또는 용매-분리 장치.A solvent-removing or solvent-separating device comprising the 3D graphene-carbon hybrid foam of claim 1 as a solvent-absorbing or solvent-separating element. 물로부터 기름을 분리하는 방법으로서,
a. 제1항의 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 포함하는 기름-흡수 요소를 제공하는 단계;
b. 기름-물 혼합물을 상기 요소와 접촉시켜 혼합물로부터 기름을 흡수하는 단계;
c. 혼합물로부터 상기 요소를 빼내고 상기 요소로부터 기름을 추출하는 단계; 및
d. 상기 요소를 재사용하는 단계
를 포함하는 방법.
As a method for separating oil from water,
a. Providing an oil-absorbing element comprising the integral 3D graphene-carbon hybrid foam of claim 1;
b. Contacting the oil-water mixture with the element to absorb oil from the mixture;
c. Withdrawing said element from the mixture and extracting oil from said element; And
d. The step of reusing the element
≪ / RTI >
용매-물 혼합물 또는 다중-용매 혼합물로부터 유기 용매를 분리하는 방법으로서,
a. 제1항의 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 포함하는 유기 용매-흡수 또는 용매-분리 요소를 제공하는 단계;
b. 상기 요소를 제1 용매 및 적어도 제2 용매를 포함하는 유기 용매-물 혼합물 또는 다중-용매 혼합물과 접촉시키는 단계;
c. 상기 요소가 혼합물로부터 유기 용매를 흡수하거나 상기 적어도 제 2용매로부터 상기 제1 용매를 분리하도록 허용하는 단계; 및
d. 혼합물로부터 상기 요소를 빼내고 상기 요소로부터 유기 용매 또는 제 1용매를 추출하는 단계; 및
e. 상기 요소를 재사용하는 단계
를 포함하는 방법.
A method for separating an organic solvent from a solvent-water mixture or a multi-solvent mixture,
a. Providing an organic solvent-absorbing or solvent-separating element comprising the integral 3D graphene-carbon hybrid foam of claim 1;
b. Contacting said element with an organic solvent-water or multi-solvent mixture comprising a first solvent and at least a second solvent;
c. Allowing the element to absorb the organic solvent from the mixture or to separate the first solvent from the at least second solvent; And
d. Withdrawing the element from the mixture and extracting an organic solvent or a first solvent from the element; And
e. The step of reusing the element
≪ / RTI >
제1항의 3D 일체형 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 열 확산 또는 방열 요소로서 포함하는 열 관리 장치.A thermal management device comprising the 3D monolithic graphene-carbon hybrid foam of claim 1 as a thermal diffusion or heat dissipation element. 제20항에 있어서, 열 교환기, 히트 싱크, 히트 파이프, 고 전도성 인서트(insert), 히트 싱크와 열원 사이의 전도성 판, 열-확산 부품, 방열 부품, 열 전달 매체(thermal interface medium), 또는 열전 냉각 장치나 펠티에(Peltier) 냉각 장치로부터 선택되는 장치를 포함하는, 열 관리 장치.21. The method of claim 20, further comprising the steps of: providing a heat exchanger, a heat sink, a heat pipe, a high conductive insert, a conductive plate between the heat sink and the heat source, a heat- A device selected from a cooling device or a Peltier cooling device. 흑연 물질로부터 직접 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 제조하는 방법으로서,
(a) 흑연 물질의 다중 입자와 고체 중합체 캐리어 물질의 다중 입자를 혼합하여 에너지 충격 장치(energy impacting apparatus)의 충격 챔버(impacting chamber)에서 혼합물을 형성하는 단계;
(b) 상기 에너지 충격 장치를 상기 흑연 물질로부터 그래핀 시트를 박리시키기에 충분한 주파수와 강도로 긴 시간 동안 가동하고 상기 그래핀 시트를 상기 고체 중합체 캐리어 물질 입자의 표면으로 이동시켜 그래핀-코팅 또는 그래핀-삽입 중합체 입자를 상기 충격 챔버 내에서 제조하는 단계;
(c) 상기 그래핀-코팅 또는 그래핀-삽입 중합체 입자를 상기 충격 챔버로부터 회수하고, 상기 그래핀-코팅 또는 그래핀-삽입 중합체 입자를 원하는 형태의 그래핀-중합체 복합체 구조로 통합하는 단계; 및
(d) 상기 형태의 그래핀-중합체 복합체 구조를 열분해하여 상기 중합체를 세공 및 상기 그래핀 시트를 결합시키는 탄소 또는 흑연으로 열변환하여 상기 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 형성하는 단계
를 포함하는, 방법
A method of making an integral 3D graphene-carbon hybrid foam directly from a graphite material,
(a) mixing multiple particles of graphite material with multiple particles of a solid polymeric carrier material to form a mixture in an impacting chamber of an energy impacting apparatus;
(b) moving said energy impacting device to a surface of said solid polymeric carrier material particle for a long period of time and at a frequency and intensity sufficient to release said graphene sheet from said graphite material and graphen- Producing graft-insertion polymer particles in the impact chamber;
(c) recovering the graphene-coated or graphene-inserted polymer particles from the impact chamber and integrating the graphene-coated or graphene-embedded polymer particles into a graphene-polymer composite structure of the desired type; And
(d) thermally decomposing the graphene-polymer composite structure of the above form to thermally convert the polymer into pores and carbon or graphite binding the graphene sheet to form the integral 3D graphene-carbon hybrid foam
≪ / RTI >
제22항에 있어서, 상기 에너지 충격 장치의 충격 챔버에 복수의 충격 볼 또는 매개체를 추가하는, 방법.23. The method of claim 22, further comprising adding a plurality of impact balls or media to the impact chamber of the energy bombardment device. 제23항에 있어서, 단계 (c)는 자석을 작동시켜 그래핀-코팅 또는 그래핀-삽입 중합체 입자로부터 충격 볼 또는 매개체를 분리하는 것을 포함하는, 방법.24. The method of claim 23, wherein step (c) comprises operating the magnet to separate the impact ball or medium from the graphene-coated or graphene-inserted polymer particles. 제22항에 있어서, 상기 고체 중합체 물질 입자는 10 nm 내지 10 mm의 직경 또는 두께를 갖는 플라스틱 또는 고무 비드, 펠릿, 구, 와이어, 섬유, 필라멘트, 디스크, 리본, 또는 막대인, 방법.23. The method of claim 22, wherein the solid polymeric material particles are plastic or rubber beads, pellets, spheres, wires, fibers, filaments, discs, ribbons, or rods having a diameter or thickness of from 10 nm to 10 mm. 제25항에 있어서, 상기 직경 또는 두께가 100 nm 내지 1 mm인, 방법.26. The method of claim 25, wherein the diameter or thickness is 100 nm to 1 mm. 제22항에 있어서, 상기 고체 중합체는 열가소성, 열경화성 수지, 고무, 반침투(semi-penetrating) 망상 중합체, 침투 망상 중합체, 천연 고분자, 또는 이들의 조합의 고체 입자로부터 선택되는, 방법.23. The method of claim 22, wherein the solid polymer is selected from solid particles of a thermoplastic, thermosetting resin, rubber, semi-penetrating reticulated polymer, penetrating reticulated polymer, natural polymer, or combinations thereof. 제22항에 있어서, 상기 고체 중합체는 단계 (d) 이전에 용융, 에칭, 또는 용매에 용해함으로써 부분적으로 제거되는, 방법.23. The method of claim 22, wherein the solid polymer is partially removed by melting, etching, or dissolving in a solvent prior to step (d). 제22항에 있어서, 상기 흑연 물질은 천연 흑연, 합성 흑연, 고배향 열분해 흑연(highly oriented pyrolytic graphite), 흑연 섬유, 흑연 나노섬유, 흑연 불화물, 산화 흑연, 화학적으로 개질된 흑연, 박리 흑연, 재압축 박리 흑연, 팽창 흑연, 메소 탄소 마이크로비드, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는, 방법.23. The method of claim 22, wherein the graphite material is selected from the group consisting of natural graphite, synthetic graphite, highly oriented pyrolytic graphite, graphite fiber, graphite nanofiber, graphite fluoride, graphite oxide, chemically modified graphite, Compressively exfoliated graphite, expanded graphite, meso carbon microbeads, or combinations thereof. 제22항에 있어서, 에너지 충격 장치는 진동 볼 밀, 유성형 볼 밀, 고에너지 밀, 바스켓 밀, 교반기(agitator) 볼 밀, 극저온 볼 밀(cryo ball mill), 마이크로 볼 밀, 텀블러 볼 밀, 연속 볼 밀, 교반식(stirred) 볼 밀, 가압 볼 밀, 동결 밀(freezer mill), 진동 체, 비드 밀, 나노 비드 밀, 초음파 균질기 밀, 원심 유성형 혼합기, 진공 볼 밀, 또는 공진 음향 믹서(resonant acoustic mixer)인, 방법.23. The method of claim 22, wherein the energy impacting device is selected from the group consisting of a vibrating ball mill, planetary ball mill, high energy mill, basket mill, agitator ball mill, cryo ball mill, micro ball mill, tumbler ball mill, A ball mill, a stirred ball mill, a pressurized ball mill, a freezer mill, a vibrating body, a bead mill, a nano-bead mill, an ultrasonic homogenizer, a centrifugal oil mixer, a vacuum ball mill or a resonance acoustic mixer resonant acoustic mixer. 제22항에 있어서, 상기 흑연 물질은 상기 혼합 단계 이전에 화학 또는 산화 처리에 노출된 적이 없는 비-삽입 및 비-산화 흑연 물질을 포함하는, 방법.23. The method of claim 22, wherein the graphite material comprises non-intercalated and non-oxidized graphite material that has not been exposed to a chemical or oxidation treatment prior to the mixing step. 제22항에 있어서, 상기 고체 중합체는 페놀 수지, 폴리 푸르푸릴 알코올, 폴리아크릴로니트릴, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리옥사디아졸, 폴리벤즈옥사졸, 폴리벤조비스옥사졸, 폴리티아졸, 폴리벤조티아졸, 폴리벤조비스티아졸, 폴리(p-페닐렌 비닐렌), 폴리벤즈이미다졸, 폴리벤조비스이미다졸, 이들의 공중합체, 이들의 중합체 블렌드, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 탄소 수율이 높은 중합체를 포함하는, 방법.23. The method of claim 22, wherein the solid polymer is selected from the group consisting of a phenolic resin, poly furfuryl alcohol, polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, polyoxadiazole, polybenzoxazole, polybenzobisoxazole, polythiazole, poly The carbon yields selected from benzothiazole, polybenzobisthiazole, poly (p-phenylenevinylene), polybenzimidazole, polybenzobisimidazole, copolymers thereof, polymer blends thereof, ≪ / RTI > high polymer. 제22항에 있어서, 상기 고체 중합체는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리염화비닐, 폴리카보네이트, 아크릴로니트릴-부타디엔(ABS), 폴리에스터, 폴리비닐 알코올, 폴리플루오르화비닐리덴(PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리메타크릴산메틸(PMMA), 이들의 공중합체, 이들의 중합체 블렌드, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 탄소 수율이 낮은 중합체를 포함하는, 방법.23. The method of claim 22 wherein the solid polymer is selected from the group consisting of polyethylene, polypropylene, polybutylene, polyvinyl chloride, polycarbonate, acrylonitrile-butadiene (ABS), polyester, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride (PVDF) , A polymer having a low carbon yield selected from polytetrafluoroethylene (PTFE), polyphenylene oxide (PPO), polymethyl methacrylate (PMMA), copolymers thereof, polymer blends thereof, / RTI > 제22항에 있어서, 상기 열분해 단계는 상기 중합체를 200℃ 내지 2,500℃의 온도에서 탄화하여 그래핀-탄소 발포체를 수득하거나, 상기 중합체를 200℃ 내지 2,500℃의 온도에서 탄화하여 그래핀-탄소 발포체를 수득한 후, 상기 그래핀-탄소 발포체를 2,500℃ 내지 3,200℃에서 흑연화하여 흑연화된 그래핀-탄소 발포체를 수득하는 것을 포함하는, 방법.23. The method of claim 22, wherein the pyrolysis step comprises carbonizing the polymer at a temperature of from 200 DEG C to 2,500 DEG C to obtain a graphene-carbon foam, or carbonizing the polymer at a temperature of from 200 DEG C to 2,500 DEG C to form a graphene- And graphitizing said graphene-carbon foam at 2,500 ° C to 3,200 ° C to obtain graphitized graphene-carbon foam. 제22항에 있어서, 상기 통합 단계는 상기 중합체 입자를 용융시켜 그 안에 분산된 그래핀 시트와 중합체 용융 혼합물을 형성하고, 상기 중합체 용융 혼합물을 원하는 형태로 성형하여 상기 형태를 그래핀-중합체 복합체 구조로 응고시키는 것을 포함하는, 방법.23. The method of claim 22, wherein said integrating step comprises melting said polymer particles to form a polymer melt mixture with a graphene sheet dispersed therein, shaping said polymer melt mixture into a desired shape, ≪ / RTI > 제22항에 있어서, 상기 통합 단계는 상기 중합체 입자를 용매에 용해시켜 그 안에 분산된 그래핀 시트와 중합체 용액 혼합물을 형성하고, 상기 중합체 용액 혼합물을 원하는 형태로 성형하고, 상기 용매를 제거하여 상기 형태를 상기 그래핀-중합체 복합체 구조로 응고시키는 것을 포함하는, 방법.The method of claim 22, wherein the step of integrating comprises the steps of: dissolving the polymer particles in a solvent to form a mixture of the polymer solution and the graphene sheet dispersed therein; molding the polymer solution mixture into a desired shape; Lt; RTI ID = 0.0 > graphen-polymer < / RTI > 제22항에 있어서, 상기 통합 단계는 상기 그래핀-코팅 중합체 입자를 막대, 시트, 필름, 섬유, 분말, 잉곳, 또는 블록 형태로부터 선택되는 복합체 형태로 성형하는 것을 포함하는, 방법.23. The method of claim 22, wherein said integrating step comprises shaping said graphene-coated polymer particles into a composite form selected from a rod, sheet, film, fiber, powder, ingot, or block form. 제22항에 있어서, 상기 통합 단계는 거시적 세공을 갖는 다공질 성형체에 상기 그래핀-코팅 중합체 입자를 압축한 후, 석유 피치, 콜타르 피치, 방향족 유기 물질, 단량체, 유기 중합체, 또는 이들의 조합에서 선택되는 추가적인 탄소 원료 물질을 상기 세공에 침투 또는 함침시키는 것을 포함하는, 방법.23. The method of claim 22, wherein the step of consolidating comprises compressing the graphene-coated polymer particles in a porous molding having macropores and then selecting from petroleum pitch, coal tar pitch, aromatic organic material, monomer, organic polymer, Lt; RTI ID = 0.0 > pore < / RTI > into the pores. 제38항에 있어서, 상기 유기 중합체는 페놀 수지, 폴리 푸르푸릴 알코올, 폴리아크릴로니트릴, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리옥사디아졸, 폴리벤즈옥사졸, 폴리벤조비스옥사졸, 폴리티아졸, 폴리벤조티아졸, 폴리벤조비스티아졸, 폴리(p-페닐렌 비닐렌), 폴리벤즈이미다졸, 폴리벤조비스이미다졸, 이들의 공중합체, 이들의 중합체 블렌드, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 탄소 수율이 높은 중합체를 포함하는, 방법39. The method of claim 38, wherein the organic polymer is selected from the group consisting of a phenolic resin, poly furfuryl alcohol, polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, polyoxadiazole, polybenzoxazole, polybenzobisoxazole, polythiazole, poly The carbon yields selected from benzothiazole, polybenzobisthiazole, poly (p-phenylenevinylene), polybenzimidazole, polybenzobisimidazole, copolymers thereof, polymer blends thereof, A method, comprising a high polymer 제22항에 있어서, 상기 통합 단계는 다량의 상기 그래핀-코팅 또는 그래핀-삽입 중합체 입자를 압축물로 성형하는 것을 포함하는, 방법.24. The method of claim 22, wherein said integrating step comprises shaping a large amount of said graphene-coated or graphene-inserted polymer particles into a compact. 제40항에 있어서, 상기 압축물은 막대, 시트, 필름, 섬유, 분말, 잉곳, 또는 블록으로부터 선택되는 형태인, 방법.41. The method of claim 40, wherein the compact is in a form selected from a rod, a sheet, a film, a fiber, a powder, an ingot, or a block.
KR1020187018783A 2015-12-28 2016-12-09 Graphene-carbon hybrid foam KR102584293B1 (en)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/998,357 US9597657B1 (en) 2015-12-28 2015-12-28 Chemical-free production of 3D graphene-carbon hybrid foam
US14/998,357 2015-12-28
US14/998,356 2015-12-28
US14/998,356 US10010859B2 (en) 2015-12-28 2015-12-28 Integral 3D graphene-carbon hybrid foam and devices containing same
PCT/US2016/065929 WO2017116657A1 (en) 2015-12-28 2016-12-09 Graphene-Carbon Hybrid Foam

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180102557A true KR20180102557A (en) 2018-09-17
KR102584293B1 KR102584293B1 (en) 2023-10-05

Family

ID=59225530

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020187018783A KR102584293B1 (en) 2015-12-28 2016-12-09 Graphene-carbon hybrid foam

Country Status (4)

Country Link
JP (1) JP7038659B2 (en)
KR (1) KR102584293B1 (en)
CN (1) CN108602046B (en)
WO (1) WO2017116657A1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200076565A (en) * 2018-12-19 2020-06-29 베스트그래핀(주) Compositer sheet for shielding electromagnetic and radiating heat including graphene sheet
WO2022065839A1 (en) * 2020-09-23 2022-03-31 주식회사 지에버 Method for fabricating dry/wet graphene flakes and graphene flakes fabricated thereby

Families Citing this family (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107311271A (en) * 2017-07-13 2017-11-03 胜利油田森诺胜利工程有限公司 A kind of graphene film filter method for oily waste water treatment
CN107903394B (en) * 2017-11-16 2019-06-07 厦门大学 High polymer/graphene@magnetic nano-particle foamed composite synthetic method
CN110028329B (en) * 2018-01-11 2021-10-29 航天特种材料及工艺技术研究所 High-thermal-conductivity ceramic matrix composite and preparation method thereof
CN110294469A (en) * 2018-03-22 2019-10-01 中国科学院上海硅酸盐研究所 A kind of three-dimensional graphene composite material and preparation method thereof
CN108630638A (en) * 2018-03-30 2018-10-09 北京绿能芯创电子科技有限公司 Power device heat dissipating method and power device
CN109205607B (en) * 2018-11-06 2020-03-17 西安交通大学 Method for forming graphene film by horizontally tiling and self-assembling graphene
WO2020105598A1 (en) * 2018-11-19 2020-05-28 昭和電工株式会社 Composite carbon particles, method for producing same, and lithium ion secondary battery
CN109250707B (en) * 2018-11-30 2020-05-05 浙江农林大学 Graphene material prepared from waste tires and preparation method thereof
CN109679140B (en) * 2018-12-26 2020-10-13 哈尔滨工大泰铭科技有限公司 Micro-nano composite particle and kinetic energy embedding preparation process thereof
CN109679144B (en) * 2018-12-26 2020-10-20 哈尔滨工大泰铭科技有限公司 Micro-nano composite particle and multi-rotor physical continuous modification preparation process thereof
CN109603787B (en) * 2018-12-26 2021-03-02 哈尔滨工大泰铭科技有限公司 Micro-nano composite particle and liquid phase insertion preparation process thereof
CN109437215B (en) * 2018-12-26 2020-10-27 哈尔滨工大泰铭科技有限公司 Micro-nano composite particle and vacuum negative pressure embedding preparation process thereof
CN110101882B (en) * 2019-05-06 2024-02-20 浙江大学 High-temperature steam sterilization device
US20210253431A1 (en) * 2019-05-06 2021-08-19 Zhejiang University Photothermal evaporation material integrating light absorption and thermal insulation, preparation application thereof, use thereof
CN110180510B (en) * 2019-06-03 2021-05-11 河海大学 Nano thin film and device for slowing down reservoir overturning phenomenon
CN110342954A (en) * 2019-06-28 2019-10-18 西安工程大学 A kind of preparation method of high strength carbon foamed material
CN110429249B (en) * 2019-07-16 2022-01-28 河北工业大学 Preparation method of rubber-stripped graphene composite electrode material
JP7418165B2 (en) * 2019-07-30 2024-01-19 三菱鉛筆株式会社 liquid absorption
WO2021177244A1 (en) * 2020-03-05 2021-09-10 株式会社寿ホールディングス Carbon material and method for manufacturing carbon material
CN111686478B (en) * 2020-06-30 2022-05-24 成都大学 Carbon foam membrane material for oil-water emulsion separation, preparation method and application
CN112275273B (en) * 2020-11-30 2023-07-07 陕西龙成新材料有限公司 Graphene oxide-carbon rod composite material
CN112661146B (en) * 2020-12-23 2022-07-05 湘潭大学 Preparation method of laminated fluorinated graphene for positive electrode of lithium battery
CN114314567B (en) * 2021-12-15 2023-02-03 广东省科学院化工研究所 Graphene material and preparation method and application thereof
CN114853451B (en) * 2022-05-25 2023-07-25 潍坊职业学院 Core-shell type nano ceramic powder based on graphene coating and preparation method thereof
CN115282950B (en) * 2022-08-05 2023-05-26 西南交通大学 Preparation method and application of carbon-based hybrid sponge for in-situ catalytic growth
CN115364811A (en) * 2022-08-24 2022-11-22 榆林学院 Petroleum asphalt nano sponge base macroporous carbon and preparation method and application thereof

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110101668A (en) * 2010-03-09 2011-09-16 울산대학교 산학협력단 Manufacturing method of graphene compound with excellent dispersability in organic solvents
KR20140031485A (en) * 2012-09-03 2014-03-13 포항공과대학교 산학협력단 The production method of the self-assembled foam-like graphine networks using nucleate boiling and the self-assembled foam-like graphine networks of using this
JP2014507365A (en) * 2010-12-29 2014-03-27 ▲海▼洋王照明科技股▲ふん▼有限公司 Porous graphene material, production method thereof, and application as electrode material
US20150284253A1 (en) * 2014-04-03 2015-10-08 Aruna Zhamu Process for producing highly conducting graphitic films from graphene liquid crystals

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6248691B1 (en) * 1998-02-10 2001-06-19 Corning Incorporated Method of making mesoporous carbon
DE10322182A1 (en) * 2003-05-16 2004-12-02 Blue Membranes Gmbh Process for the production of porous, carbon-based material
US9991391B2 (en) * 2008-07-25 2018-06-05 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Pristine and functionalized graphene materials
US8615812B2 (en) * 2009-03-31 2013-12-31 Advanced Fuel Research, Inc. High-strength porous carbon and its multifunctional applications
CN101704520B (en) * 2009-11-05 2012-05-23 华侨大学 Method for producing graphene
CN101717081B (en) * 2009-11-20 2011-06-22 哈尔滨工程大学 Carbon/carbon composite material based on nano graphite sheet and preparation method thereof
US8652687B2 (en) * 2009-12-24 2014-02-18 Nanotek Instruments, Inc. Conductive graphene polymer binder for electrochemical cell electrodes
CN101817516A (en) * 2010-05-21 2010-09-01 哈尔滨工业大学 Method for preparing graphene or graphene oxide by using high-efficiency and low-cost mechanical stripping
KR101555414B1 (en) * 2010-10-15 2015-09-25 셀라네세 아세테이트 앨앨씨 Methods and systems for forming porous masses for smoke filter
CN102906015B (en) 2011-02-09 2015-04-08 创业发展联盟技术有限公司 Method for producing multilayer graphene coated substrate
CN102730680B (en) * 2012-07-23 2014-12-03 清华大学深圳研究生院 High-density high-rigidity graphene porous carbon material as well as preparation method and applications thereof
US20140030590A1 (en) * 2012-07-25 2014-01-30 Mingchao Wang Solvent-free process based graphene electrode for energy storage devices
EP2888202B1 (en) * 2012-08-23 2019-06-12 Monash University Graphene-based materials
US9533889B2 (en) * 2012-11-26 2017-01-03 Nanotek Instruments, Inc. Unitary graphene layer or graphene single crystal
CN103724869A (en) * 2013-12-03 2014-04-16 华侨大学 Preparation method for mixture of polymer and graphene
CN103738953B (en) * 2013-12-23 2016-04-13 大连理工大学 A kind of preparation method of carbon nano tube-graphene composite foam
US9193132B2 (en) * 2014-02-06 2015-11-24 Nanotek Instruments, Inc. Highly oriented graphene structures and process for producing same
US9315388B2 (en) * 2014-02-21 2016-04-19 Nanotek Instruments, Inc. Production of graphene materials in a cavitating fluid
US10583407B2 (en) 2014-03-28 2020-03-10 The University Of Manchester Reduced graphene oxide barrier materials
CN104211051A (en) * 2014-08-25 2014-12-17 鸿纳(东莞)新材料科技有限公司 Graphene composite material and preparation method thereof
CN104525120B (en) * 2015-01-04 2017-02-22 哈尔滨工程大学 Preparation method of carbon nano-tube and graphene-based oil absorption foam material
US9597657B1 (en) * 2015-12-28 2017-03-21 Nanotek Instruments, Inc. Chemical-free production of 3D graphene-carbon hybrid foam

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110101668A (en) * 2010-03-09 2011-09-16 울산대학교 산학협력단 Manufacturing method of graphene compound with excellent dispersability in organic solvents
JP2014507365A (en) * 2010-12-29 2014-03-27 ▲海▼洋王照明科技股▲ふん▼有限公司 Porous graphene material, production method thereof, and application as electrode material
KR20140031485A (en) * 2012-09-03 2014-03-13 포항공과대학교 산학협력단 The production method of the self-assembled foam-like graphine networks using nucleate boiling and the self-assembled foam-like graphine networks of using this
US20150284253A1 (en) * 2014-04-03 2015-10-08 Aruna Zhamu Process for producing highly conducting graphitic films from graphene liquid crystals

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Nieto et al., Advanced Functional Materials, Vol. 25, No. 25, 2015, pp. 3916-3924. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200076565A (en) * 2018-12-19 2020-06-29 베스트그래핀(주) Compositer sheet for shielding electromagnetic and radiating heat including graphene sheet
WO2022065839A1 (en) * 2020-09-23 2022-03-31 주식회사 지에버 Method for fabricating dry/wet graphene flakes and graphene flakes fabricated thereby

Also Published As

Publication number Publication date
CN108602046A (en) 2018-09-28
JP7038659B2 (en) 2022-03-18
CN108602046B (en) 2023-02-17
JP2019507715A (en) 2019-03-22
KR102584293B1 (en) 2023-10-05
WO2017116657A1 (en) 2017-07-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102584293B1 (en) Graphene-carbon hybrid foam
US10058842B1 (en) Integral 3D graphene-carbon hybrid foam separation device
US9597657B1 (en) Chemical-free production of 3D graphene-carbon hybrid foam
JP7113818B2 (en) Lithium ion battery anode containing in situ grown silicon nanowires within pores of graphene foam and method of manufacture
KR102613400B1 (en) Supercapacitors with integrated 3D graphene-carbon hybrid foam-based electrodes
US10748672B2 (en) Highly conductive graphene foams and process for producing same
US9742001B2 (en) Graphene foam-protected anode active materials for lithium batteries
US11254616B2 (en) Method of producing integral 3D humic acid-carbon hybrid foam
US20080279756A1 (en) Method of producing exfoliated graphite, flexible graphite, and nano-scaled graphene platelets
US20160059444A1 (en) Production of highly conductive graphitic films from polymer films
US11401164B2 (en) Process for producing graphene foam-based sealing materials
WO2020023578A1 (en) Chemical-free production of hollow graphene balls
US20200009846A1 (en) Process for producing graphene foam laminate-based sealing materials
US11420872B2 (en) Graphene foam-based sealing materials
US9878303B1 (en) Integral 3D humic acid-carbon hybrid foam and devices containing same
US10647595B2 (en) Humic acid-derived conductive foams and devices
WO2019232124A1 (en) Graphene foam-based sealing materials
US11021371B2 (en) Hollow graphene balls and devices containing same
US11603316B2 (en) Chemical-free production of hollow graphene balls
US10584216B2 (en) Process for producing humic acid-derived conductive foams
WO2018026545A1 (en) Integral 3d humic acid-carbon hybrid foam and devices containing same
KR102493369B1 (en) Humic Acid-Derived Conductive Foams and Devices
Li et al. Modified Molten Salt Assisted Exfoliation of Large‐Size 2D Materials

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant