JP7030788B2 - Conductive foams and devices derived from humic acid - Google Patents
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Description
関連出願の相互参照
本出願は、2016年8月30日に出願された米国特許出願第15/251,841号、および2016年8月30日に出願された米国特許出願第15/251,849号(その内容を参照によって本願明細書に組み入れる)に対する優先権を主張する。
Cross-reference to related applications This application is for US Patent Application No. 15 / 251,841 filed August 30, 2016, and US Patent Application No. 15 / 251,849 filed August 30, 2016. Claims priority over the issue (which is incorporated herein by reference).
本発明は一般的に、炭素/黒鉛フォームの分野に関し、より詳しくは、フミン酸に由来する伝導性フォームの新規な形態、このようなフミン酸由来フォームを含有するデバイス、および同デバイスを製造するための方法に関する。 The present invention generally relates to the field of carbon / graphite foams, and more particularly to the production of novel forms of humic acid-derived conductive foams, devices containing such humic acid-derived foams, and devices thereof. Regarding the method for.
炭素は、ダイアモンド、フラーレン(0Dナノ黒鉛材料)、炭素ナノチューブまたは炭素ナノファイバー(1Dナノ黒鉛材料)、グラフェン(2Dナノ黒鉛材料)、および黒鉛(3D黒鉛材料)などの5つの独特の結晶構造を有することが知られている。全てのこれらの材料を発泡構造物に製造することができる。 Carbon has five unique crystal structures such as diamond, fullerene (0D nanographite material), carbon nanotube or carbon nanofiber (1D nanographite material), graphene (2D nanographite material), and graphite (3D graphite material). It is known to have. All these materials can be made into foam structures.
カーボンナノチューブ(CNT)は、単層または多層を有するように成長したチューブ状構造体を意味する。カーボンナノチューブ(CNT)およびカーボンナノファイバー(CNF)は、数ナノメートル~数百ナノメートルのオーダーの直径を有する。それらの長手方向中空構造体は、独特の機械的、電気的および化学的性質を材料に与える。CNTまたはCNFは、1次元ナノカーボンまたは1次元ナノ黒鉛材料である。しかしながら、CNTは製造するのが難しく、きわめて費用がかかる。さらに、CNTは、溶媒または水中に分散させるのが難しく、そして他の材料と混合するのが難しいことが知られている。これらの特性は、それらの適用範囲をひどく限られたものにしている。 Carbon nanotubes (CNTs) mean tubular structures grown to have a single or multi-layered structure. Carbon nanotubes (CNTs) and carbon nanofibers (CNFs) have diameters on the order of nanometers to hundreds of nanometers. Their longitudinal hollow structures give the material unique mechanical, electrical and chemical properties. CNTs or CNFs are one-dimensional nanocarbon or one-dimensional nanographite materials. However, CNTs are difficult to manufacture and extremely expensive. In addition, CNTs are known to be difficult to disperse in solvents or water, and difficult to mix with other materials. These properties severely limit their scope of application.
単一層グラフェンシートは、2次元六方晶格子を占める炭素原子から構成される。複数層グラフェンは、2つ以上のグラフェン面から構成されるプレートリットである。個々の単一層グラフェンシートおよび複数層グラフェンプレートリットは本明細書において一括してナノグラフェンプレートリット(NGP)またはグラフェン材料と呼ばれる。NGPは、純粋なグラフェン(本質的に99%の炭素原子)、わずかに酸化されたグラフェン(<5重量%の酸素)、および酸化グラフェン(≧5重量%の酸素)を含有する。 The single-layer graphene sheet is composed of carbon atoms that occupy a two-dimensional hexagonal lattice. Multi-layer graphene is a plate lit composed of two or more graphene surfaces. The individual single-layer graphene sheets and multi-layer graphene plate lit are collectively referred to herein as nanographene plate lit (NGP) or graphene material. NGP contains pure graphene (essentially 99% carbon atom), slightly oxidized graphene (<5% by weight oxygen), and graphene oxide (≧ 5% by weight oxygen).
NGPは、広範な並外れた物理的、化学的、および機械的性質を有することがわかっている。我々の研究グループは、最初にグラフェンを発見した[B.Z.JangおよびW.C.Huang、“Nano-scaled Graphene Plates”、2002年10月21日に提出された米国特許出願第10/274,473号明細書;現在は米国特許第7,071,258号明細書(07/04/2006)]。NGPおよびNGPナノ複合体を製造するための方法は以前、我々によって検討された[Bor Z.JangおよびA Zhamu、“Processing of Nano Graphene Platelets (NGPs)and NGP Nanocomposites:A Review,”J.Materials Sci.43(2008)5092-5101]。4つの主な先行技術の方法に従い、NGPを製造した。それらの利点および欠点は以下のように簡潔に要約される: NGPs have been found to have a wide range of extraordinary physical, chemical, and mechanical properties. Our research group first discovered graphene [B. Z. Jang and W. C. Huang, "Nano-scaled Graphene Plates", US Patent Application No. 10 / 274,473, filed October 21, 2002; now US Pat. No. 7,071,258 (07/04). / 2006)]. Methods for producing NGP and NGP nanocomposites have been previously investigated by us [Bor Z. Jang and A Zhamu, "Processing of Nano Graphene Platelets (NGPs) and NGP Nanocomposites: A Review," J. Mol. Materials Sci. 43 (2008) 5092-5101]. NGP was manufactured according to four major prior art methods. Their advantages and disadvantages are briefly summarized as follows:
方法1:酸化グラフェン(GO)の化学的形成および還元
第1の方法(図1)は、天然黒鉛粉末をインターカラントおよび酸化体(例えば、それぞれ濃硫酸および硝酸)で処理して黒鉛層間化合物(GIC)または、実際には、酸化黒鉛(GO)を得る工程を必要とする。[William S.Hummers,Jr.,et al.,Preparation of Graphitic Oxide,Journal of the American Chemical Society,1958,p.1339.]インターカレーションまたは酸化の前に、黒鉛は、約0.335nmのグラフェン面間間隔を有する(Ld=1/2d002=0.335nm)。インターカレーションおよび酸化処理によって、グラフェン間間隔は典型的に0.6nmより大きい値に増加する。これは、この化学的経路の間に黒鉛材料が受ける第1の膨張段階である。次に、得られたGICまたはGOは、熱衝撃への暴露または溶液をベースとした、超音波処理補助グラフェン層剥離方法のどちらかを使用して、追加的な膨張(しばしば剥離(exfoliation)と称される)に供せられる。
Method 1: Chemical formation and reduction of graphene oxide (GO) In the first method (FIG. 1), natural graphite powder is treated with intercalant and oxidants (eg, concentrated sulfuric acid and nitric acid, respectively) to form a graphite intercalation compound (eg, concentrated graphite and nitric acid, respectively). GIC) or, in fact, a step of obtaining graphite oxide (GO) is required. [William S. Hummers, Jr. , Et al. , Preparation of Graphite Oxide, Journal of the American Chemical Society, 1958, p. 1339. ] Prior to intercalation or oxidation, graphite has a graphene interplanetary spacing of approximately 0.335 nm (L d = 1 / 2d 002 = 0.335 nm). Intercalation and oxidation treatment typically increase the inter-graphene spacing to a value greater than 0.6 nm. This is the first expansion step that the graphite material undergoes during this chemical pathway. The resulting GIC or GO is then subjected to additional expansion (often exfoliation) using either thermal shock exposure or solution-based sonication-assisted graphene layer exfoliation methods. It is offered to).
熱衝撃への暴露方法において、GICまたはGOを高温(典型的に800~1,050℃)に短時間の間(典型的に15~60分)暴露して、GICまたはGOを剥離または膨張させて、剥離したまたはさらに膨張した黒鉛を形成するが、それは典型的に、互いにまだ相互接続されている黒鉛フレークから構成される「黒鉛ワーム」の形態である。この熱衝撃手順は、若干の分離した黒鉛フレークまたはグラフェンシートを生じることがあるが、通常は黒鉛フレークの大部分は相互接続したままである。典型的に、次に、エアーミリング、機械的剪断、または水中での超音波処理を使用して剥離黒鉛または黒鉛ワームをフレーク分離処理に供する。したがって、方法1は基本的に、3つのはっきり区別できる手順を必要とする:第1の膨張(酸化またはインターカレーション)、さらなる膨張(または「剥離」)、および分離。
In the method of exposure to thermal shock, GIC or GO is exposed to a high temperature (typically 800 to 1,050 ° C.) for a short period of time (typically 15 to 60 minutes) to exfoliate or expand the GIC or GO. To form exfoliated or further expanded graphite, which is typically in the form of a "graphite worm" composed of graphite flakes that are still interconnected with each other. This thermal shock procedure may result in some separated graphite flakes or graphene sheets, but usually most of the graphite flakes remain interconnected. Typically, the exfoliated graphite or graphite worm is then subjected to a flake separation process using air milling, mechanical shearing, or sonication in water. Therefore,
溶液をベースとした分離方法において、膨張または剥離GO粉末を水またはアルコール水溶液中に分散させ、それを超音波処理に供する。これらの方法において、黒鉛のインターカレーションおよび酸化後に(すなわち、第1の膨張後に)および典型的には、得られたGICまたはGOの熱衝撃への暴露後に(第2の膨張後に)超音波処理が使用されることを指摘しておくことは重要である。あるいは、面間空隙に存在するイオン間の反発力がグラフェン間ファンデルワールス力sに打ち勝ち、グラフェン層の分離をもたらすように、水中に分散されたGO粉末をイオン交換または非常に長い精製手順に供する。 In a solution-based separation method, the swollen or exfoliated GO powder is dispersed in water or an aqueous alcohol solution and subjected to sonication. In these methods, ultrasound after intercalation and oxidation of graphite (ie, after the first expansion) and typically after exposure of the resulting GIC or GO to thermal shock (after the second expansion). It is important to note that the process is used. Alternatively, the GO powder dispersed in water can be ion-exchanged or very long purified so that the repulsive force between the ions present in the interplanar voids overcomes the inter-graphene van der Waals force s and results in the separation of the graphene layer. To serve.
従来のこの化学製造プロセスに伴なういくつかの主な問題がある:
(1)プロセスは、多量のいくつかの望ましくない化学物質、例えば硫酸、硝酸、および過マンガン酸カリウムまたは塩素酸ナトリウムを使用することを必要とする。
(2)化学処理プロセスは、典型的に5時間~5日間の長いインターカレーションおよび酸化時間を必要とする。
(3)強酸は、「それらが黒鉛を浸食しながら進む」ことによってこの長いインターカレーションまたは酸化プロセスの間に著しい量の黒鉛を消費する(黒鉛を二酸化炭素に変換し、それはプロセスにおいて失われる)。強酸および酸化剤に浸漬された黒鉛材料の20~50重量%を失うことは珍しいことではない。
(4)熱剥離は高温(典型的に800~1,200℃)を必要とし、したがって、高度にエネルギー集約的なプロセスである。
(5)熱による剥離方法および溶液による剥離方法の両方は、非常に時間のかかる、長たらしい洗浄および精製工程を必要とする。例えば、典型的に2.5kgの水を使用して洗浄して1グラムのGICを回収し、適切に処理される必要があるきわめて多量の廃水を生じる。
(6)熱による剥離方法および溶液による剥離方法の両方において、得られた生成物は、酸素含有量を低減させる追加的な化学還元処理を受けなければならないGOプレートリットである。典型的に還元後でも、GOプレートリットの電気導電率は、純粋グラフェンの電気導電率よりもずっと低いままである。さらに、還元手順はしばしば、例えばヒドラジンなどの毒性化学物質の利用を必要とする。
(7)さらに、排液後にフレーク上に保持されるインターカレーション溶液の量は、黒鉛フレーク100重量部当たり溶液20~150重量部(pph)およびより典型的には約50~120pphの範囲であってもよい。高温剥離する間、フレークによって保持される残留インターカレート種は分解して硫黄および亜硝酸化合物(例えば、NOxおよびSOx)の様々な種を生じるが、それらは望ましくない。廃液は、好ましくない環境影響を与えないために費用がかかる改善手順を必要とする。
There are some major problems with this traditional chemical manufacturing process:
(1) The process requires the use of large amounts of some unwanted chemicals such as sulfuric acid, nitric acid, and potassium permanganate or sodium chlorate.
(2) The chemical treatment process typically requires long intercalation and oxidation times of 5 hours to 5 days.
(3) Strong acids consume a significant amount of graphite during this long intercalation or oxidation process by "progressing as they erode graphite" (converting graphite to carbon dioxide, which is lost in the process). ). It is not uncommon to lose 20-50% by weight of graphite material soaked in strong acids and oxidants.
(4) Thermal delamination requires high temperatures (typically 800-1,200 ° C.) and is therefore a highly energy intensive process.
(5) Both the thermal stripping method and the solution stripping method require very time-consuming, lengthy cleaning and purification steps. For example, typically washing with 2.5 kg of water to recover 1 gram of GIC yields a very large amount of wastewater that needs to be properly treated.
(6) In both the thermal and solution exfoliation methods, the resulting product is a GO plate lit that must undergo an additional chemical reduction treatment to reduce the oxygen content. Typically, even after reduction, the electrical conductivity of GO plate lit remains much lower than that of pure graphene. In addition, reduction procedures often require the use of toxic chemicals such as hydrazine.
(7) Further, the amount of intercalation solution retained on the flakes after drainage ranges from 20 to 150 parts by weight (pph) of solution per 100 parts by weight of graphite flakes and more typically from about 50 to 120 pph. There may be. Residual intercalate species retained by flakes during hot exfoliation decompose to produce various species of sulfur and nitrite compounds (eg NO x and SO x ), which are not desirable. Waste liquid requires costly improvement procedures to avoid adverse environmental impacts.
方法2:純粋なナノグラフェンプレートリットの直接形成
2002年に、我々の研究チームは、ポリマーまたはピッチ前駆体から得られた、部分的に炭化または黒鉛化されたポリマー炭素から単一層および複数層グラフェンシートを単離するのに成功した[B.Z.JangおよびW.C.Huang,“Nano-scaled Graphene Plates”、2002年10月21日に提出された米国特許出願第10/274,473号明細書、今は米国特許第7,071,258号明細書(07/04/2006)]。Mack,etal[“Chemical manufacture of nanostructured materials”米国特許第6,872,330号明細書(2005年3月29日)]は、黒鉛をカリウム溶融体でインターカレートする工程と、得られたKがインターカレートされた黒鉛をアルコールと接触させる工程と、NGPを含有する激しく剥離された黒鉛を製造する工程とを必要とする方法を開発した。この方法は、カリウムおよびナトリウムなどの高純度アルカリ金属は湿気にきわめて影響されやすく爆発の危険があるので、真空中または極度に乾燥したグローブボックス環境中で注意深く行われなければならない。このプロセスは、NGPの大量生産に適さない。
Method 2: Direct formation of pure nanographene platelits In 2002, our research team conducted single-layer and multi-layer graphene sheets from partially carbonized or graphitized polymer carbons obtained from polymers or pitch precursors. Was successfully isolated [B. Z. Jang and W. C. Huang, "Nano-scaled Graphene Plates", US Patent Application No. 10 / 274,473, filed October 21, 2002, now US Pat. No. 7,071,258 (07/04) / 2006)]. Mack, etal [“Chemical manual of nanostructured materials” US Pat. No. 6,872,330 (March 29, 2005)] describes a step of intercalating graphite with a potassium melt and the resulting K. Has developed a method that requires a step of contacting the intercalated graphite with alcohol and a step of producing severely stripped graphite containing NGP. This method must be done carefully in a vacuum or in an extremely dry glove box environment, as high-purity alkali metals such as potassium and sodium are extremely sensitive to moisture and are at risk of explosion. This process is not suitable for mass production of NGP.
方法3:無機結晶表面上のナノグラフェンシートのエピタキシャル成長および化学蒸着
基材上の極薄グラフェンシートの小規模生産は、熱分解によるエピタキシャル成長およびレーザー脱離イオン化技術によって得ることができる。[Walt A. DeHeer,Claire Berger,Phillip N。最初に、“Patterned thin film graphite devices and method for making same”米国特許第7,327,000B2号明細書(2003年6月12日)]ただ1つのまたは少数原子層を有する黒鉛のエピタキシャルフィルムは、デバイス基材としてそれらの独特の特性および大きな可能性のために、技術的および科学的に重要である。しかしながら、これらの方法は、複合材料およびエネルギー蓄積用途のための単離グラフェンシートの大量生産に適していない。
Method 3: Epitaxy Growth and Chemical Vapor Deposition of Nanographene Sheets on Inorganic Crystal Surfaces Small-scale production of ultrathin graphene sheets on substrates can be obtained by pyrolysis epitaxial growth and laser desorption / ionization techniques. [Walt A. DeHeer, Claire Berger, Phillip N. First, "Patterned thin film gravity devices and meter for making same" US Pat. No. 7,327,000 B2 (June 12, 2003)] Graphite epitaxial film having only one or a small number of atomic layers Due to their unique properties and great potential as device substrates, they are technically and scientifically important. However, these methods are not suitable for mass production of isolated graphene sheets for composite materials and energy storage applications.
薄フィルムの形態(典型的に厚さ<2nm)でグラフェンを製造するための別の方法は、触媒化学蒸着法である。この触媒CVDは、炭化水素ガス(例えばC2H4)をNiまたはCu表面上で触媒分解して単一層または数層グラフェンを形成することを必要とする。NiまたはCuが触媒である場合、800~1,000℃の温度で炭化水素ガス分子の分解によって得られた炭素原子はCu箔表面上に直接に堆積されるかまたはNi-C固溶体状態からNi箔の表面に沈殿されて、単一層または数層グラフェン(5層未満)のシートを形成する。NiまたはCu触媒によるCVD法は、それを超えると下にあるNiまたはCu層がもはや触媒効果を全く与えることができない5超のグラフェン面(典型的に<2nm)の堆積に適していない。CVDグラフェンフィルムはきわめて費用がかかる。 Another method for producing graphene in the form of thin films (typically <2 nm thick) is catalytic chemical vapor deposition. This catalytic CVD requires catalytic decomposition of a hydrocarbon gas (eg C 2 H 4 ) on a Ni or Cu surface to form single-layer or multi-layer graphene. When Ni or Cu is the catalyst, the carbon atoms obtained by the decomposition of hydrocarbon gas molecules at a temperature of 800-1,000 ° C. are either deposited directly on the Cu foil surface or from the Ni—C solid solution state to Ni. It precipitates on the surface of the foil to form a sheet of single-layer or multi-layer graphene (less than 5 layers). The Ni or Cu catalytic CVD method is not suitable for the deposition of more than 5 graphene surfaces (typically <2 nm) beyond which the underlying Ni or Cu layer can no longer provide any catalytic effect. CVD graphene film is extremely expensive.
方法4:ボトムアップ方法(小分子からのグラフェンの合成)
Yang,et al.[“Two-dimensional Graphene Nano-ribbons,”J.Am.Chem.Soc.130(2008)4216-17]は、1,4-ジヨード-2,3,5,6-テトラフェニル-ベンゼンと4-ブロモフェニルボロン酸との鈴木・宮浦カップリングから始める方法を使用して12nmまでの長さを有するナノグラフェンシートを合成した。得られたヘキサフェニルベンゼン誘導体はさらに誘導体化され、小さなグラフェンシートに縮環された。これは、非常に小さなグラフェンシートをこれまでのところ製造している緩慢な方法である。
Method 4: Bottom-up method (synthesis of graphene from small molecules)
Yang, et al. ["Two-dimensional Graphene Nano-ribbons," J.M. Am. Chem. Soc. 130 (2008) 4216-17] is 12 nm using a method starting with the Suzuki-Miyaura coupling of 1,4-diiodot-2,3,5,6-tetraphenyl-benzene and 4-bromophenylboronic acid. Nanographene sheets with lengths up to were synthesized. The obtained hexaphenylbenzene derivative was further derivatized and fused into a small graphene sheet. This is a slow method of making very small graphene sheets so far.
したがって、性質に関してグラフェンと同等のまたはよりすぐれているがより費用効果が高く、より速く、よりスケーラブル、およびより環境に優しい方法において製造することができる新しいクラスの炭素ナノ材料を有する必要に迫られている。このような新規な炭素ナノ材料のための製造プロセスは、望ましくない化学物質の量の低減(またはこれらの化学物質を全て一緒に除去)、プロセス所要時間の短縮、エネルギー消費量の低下、望ましくない化学種の排水路への(例えば、硫酸)または空気中への(例えば、SO2およびNO2)廃液の低減または除去を必要とする。さらに、この新しいナノ材料を容易に熱的および電気的に比較的伝導性であるフォーム構造物にすることができるのがよい。 Therefore, there is a need to have a new class of carbon nanomaterials that are as good as or better than graphene in terms of properties but more cost effective, faster, more scalable, and can be manufactured in a more environmentally friendly way. ing. Manufacturing processes for such novel carbon nanomaterials reduce the amount of unwanted chemicals (or remove them all together), reduce process time, reduce energy consumption, and are undesirable. Requires reduction or removal of effluent into the drainage channel of chemical species (eg, sulfuric acid) or into the air (eg, SO 2 and NO 2 ). Moreover, it would be nice if this new nanomaterial could easily be made into a foam structure that is relatively thermally and electrically conductive.
一般的に言えば、フォームまたは発泡材料は、細孔(またはセル)および細孔壁(固体材料)から構成される。例として、細孔は相互接続されて連続気泡フォームを形成することができる。グラフェンフォームはグラフェン材料を含有する細孔および細孔壁から構成される。グラフェンフォームを製造する3つの主な方法があるが、それらは全て単調で、エネルギー集約的であり、かつ時間がかかる: Generally speaking, a foam or foam material is composed of pores (or cells) and pore walls (solid material). As an example, the pores can be interconnected to form open cell foam. Graphene foam is composed of pores and pore walls containing graphene material. There are three main methods of producing graphene foam, all of which are monotonous, energy intensive and time consuming:
第1の方法は、酸化グラフェン(GO)水性懸濁液を高圧オートクレーブ内で封止する工程と、GO懸濁液を高圧(数十または数百気圧)下で典型的に180~300℃の範囲の温度において長時間にわたって(典型的に12~36時間)加熱する工程とを典型的に必要とする酸化グラフェンヒドロゲルの熱水還元である。この方法のための有用な参考文献をここに示す:Y.Xu,et al.、“Self-Assembled Graphene Hydrogel via a One-Step Hydrothermal Process”ACS Nano 2010,4,4324~4330。この問題に伴なういくつかの主要な問題がある:(a)高圧要件によって、それは工業規模の製造のために実用的でない方法になる。1つには、この方法は、連続的に実施することができない。(b)不可能ではないにしても、得られた多孔性構造体の細孔径および多孔度のレベルの制御を行なうことは困難である。(c)得られた還元酸化グラフェン(RGO)材料の形状および大きさを変化させるという観点から柔軟性はない(例えばそれをフィルム形状に製造することはできない)。(d)この方法は、水中に懸濁された超低濃度のGOの使用を必要とする(例えば2mg/mL=2g/L=2kg/kL)。非炭素元素の除去によって(50%まで)、2kg未満のグラフェン材料(RGO)/1000リットルの懸濁液を製造することができるだけである。さらに、高温および高圧の条件に耐えなければならない1000リットル反応器を運転することは実質的に不可能である。明らかに、これは、多孔性グラフェン構造体の大量生産のためのスケーラブルな方法ではない。 The first method is to seal the graphene oxide (GO) aqueous suspension in a high pressure autoclave and the GO suspension under high pressure (tens or hundreds of atmospheres), typically at 180-300 ° C. Hydrothermal reduction of graphene oxide hydrogels, which typically requires a step of heating over a long period of time (typically 12-36 hours) at a temperature in the range. Useful references for this method are presented here: Y. Xu, et al. , "Self-Assembled Graphene Hydrogel via a One-Step Hydrothermal Process" ACS Nano 2010, 4, 4324-4330. There are some major problems with this problem: (a) High pressure requirements make it an impractical method for industrial scale manufacturing. For one thing, this method cannot be performed continuously. (B) It is difficult, if not impossible, to control the pore diameter and porosity level of the resulting porous structure. (C) It is inflexible in terms of varying the shape and size of the resulting reduced graphene oxide (RGO) material (eg, it cannot be made into a film shape). (D) This method requires the use of ultra-low concentrations of GO suspended in water (eg 2 mg / mL = 2 g / L = 2 kg / kL). With the removal of non-carbon elements (up to 50%), less than 2 kg of graphene material (RGO) / 1000 liter suspension can only be produced. Moreover, it is virtually impossible to operate a 1000 liter reactor that must withstand high temperature and high pressure conditions. Obviously, this is not a scalable method for mass production of porous graphene structures.
第2の方法はテンプレート支援触媒CVD法に基づいており、それは、犠牲テンプレート(例えばNiフォーム)上のグラフェンのCVD堆積を必要とする。グラフェン材料は、Niフォーム構造体の形状および寸法に合致する。それ故、エッチング剤を使用してNiフォームをエッチングにより除去し、本質的に連続気泡フォームであるグラフェン骨格のモノリスを後に残す。この方法のための有用な参考文献をここに示す:Zongping Chen,et al.、“Three-dimensional flexible and conductive interconnected graphene networks grown by chemical vapour deposition,”Nature Materials,10(June 2011)424-428。このような方法に伴なういくつかの問題がある:(a)触媒CVDは本質的に、非常に緩慢な、高度にエネルギー集約的な、且つ費用がかかる方法である。(b)エッチング剤は典型的に非常に望ましくない化学物質であり、得られたNi含有エッチング溶液は汚染源である。溶解されたNi金属をエッチング剤溶液から回収または再循環させることは非常に難しく且つ費用がかかる。(c)Niフォームがエッチングにより除去されているときにセル壁に損傷を与えずにグラフェンフォームの形状および寸法を維持することは難題である。得られたグラフェンフォームは典型的に非常に脆く壊れやすい。(d)犠牲金属フォーム内の特定の箇所はCVD前駆体ガスに接触可能でない場合があるので、金属フォームの内部へのCVD前駆体ガス(例えば炭化水素)の輸送は難しいことがあり、不均一な構造体をもたらすことがある。 The second method is based on a template-assisted catalytic CVD method, which requires a CVD deposition of graphene on a sacrificial template (eg, Ni foam). The graphene material matches the shape and dimensions of the Ni foam structure. Therefore, an etching agent is used to remove the Ni foam by etching, leaving behind a monolith of graphene skeleton, which is essentially an open cell foam. Useful references for this method are presented here: Zongping Chen, et al. , "Three-dimensional flexible and connected intensive graphene networks green by chemical vapor deposition," Nature24,10.10. There are some problems with such methods: (a) Catalyzed CVD is essentially a very slow, highly energy intensive and costly method. (B) The etching agent is typically a highly undesirable chemical and the resulting Ni-containing etching solution is a source of contamination. Recovering or recirculating the melted Ni metal from the etchant solution is very difficult and costly. (C) Maintaining the shape and dimensions of graphene foam without damaging the cell wall when the Ni foam is removed by etching is a challenge. The resulting graphene foam is typically very brittle and fragile. (D) Transport of CVD precursor gas (eg, hydrocarbons) inside the metal foam can be difficult and non-uniform because certain locations within the sacrificial metal foam may not be accessible to the CVD precursor gas. Structure may result.
また、グラフェンフォームを製造する第3の方法は、自己集合法を使用して酸化グラフェンシートでコートされる犠牲材料(例えばコロイドポリスチレン粒子、PS)を利用する。例えば、Choiらは、化学的に改質したグラフェン(CMG)紙を2つの工程において作製した:CMGとPS(2.0μmのPS球)との混合水性コロイド懸濁液の真空濾過によって自立PS/CMGフィルムを製造し、その後に、PSビードを除去して3Dマクロ細孔を生成する。[B. G. Choi,et al.、“3D Macroporous Graphene Frameworks for Supercapacitors with High Energy and Power Densities,”ACS Nano,6(2012)4020-4028.]Choiらは、濾過によって整列自立PS/CMG紙を製造し、それは負に帯電したCMGコロイド懸濁液および正に帯電したPS懸濁液を別々に調製することから開始した。CMGコロイド懸濁液とPS懸濁液との混合物を制御されたpH(=2)下で溶液中に分散させ、そこで2つの化合物は同じ表面電荷を有した(CMGについては+13±2.4mVおよびPSについては+68±5.6mVのゼータ電位値)。pHが6に上昇するとき、それらの間の静電相互作用および疎水性特性のためにCMG(ゼータ電位=-29±3.7mV)およびPS球(ゼータ電位=+51±2.5mV)が集められ、これらはその後、濾過プロセスによってPS/CMG複合紙に統合された。また、この方法はいくつかの欠点を有する:(a)この方法は、酸化グラフェンおよびPS粒子の両方の非常に時間のかかる化学処理を必要とする。(b)トルエンによるPSの除去はまた、弱化したマクロ多孔性構造体をもたらす。(c)トルエンは高度に調節された化学物質であり、非常に注意して処理されなければならない。(d)細孔径は典型的に過度に大きく(例えば数μm)、多くの有用な用途のために大きすぎる。 Also, a third method of producing graphene foam utilizes a sacrificial material (eg, colloidal polystyrene particles, PS) coated with a graphene oxide sheet using a self-assembling method. For example, Choi et al. Produced chemically modified graphene (CMG) paper in two steps: self-sustaining PS by vacuum filtration of a mixed aqueous colloidal suspension of CMG and PS (2.0 μm PS spheres). / CMG film is produced and then the PS beads are removed to create 3D macropores. [B. G. Choi, et al. , "3D Macropores Graphene Frameworks for Supercapacitors with High Energy and Power Dentishes," ACS Nano, 6 (2012) 4020-4028. Choi et al. Produced aligned self-contained PS / CMG paper by filtration, which began by separately preparing a negatively charged CMG colloidal suspension and a positively charged PS suspension. A mixture of CMG colloid suspension and PS suspension was dispersed in solution under controlled pH (= 2), where the two compounds had the same surface charge (+13 ± 2.4 mV for CMG). And for PS, the zeta potential value of +68 ± 5.6 mV). When the pH rises to 6, CMG (Zeta potential = -29 ± 3.7 mV) and PS spheres (Zeta potential = + 51 ± 2.5 mV) are collected due to the electrostatic interaction and hydrophobic properties between them. These were then integrated into the PS / CMG composite paper by a filtration process. This method also has some drawbacks: (a) This method requires very time consuming chemical treatment of both graphene oxide and PS particles. (B) Removal of PS with toluene also results in a weakened macroporous structure. (C) Toluene is a highly regulated chemical and must be treated with great care. (D) The pore size is typically excessively large (eg, a few μm) and is too large for many useful applications.
上記の考察は明らかに、グラフェンおよびグラフェンフォームを製造するためのあらゆる先行技術の方法またはプロセスは大きな欠陥を有することを示す。したがって、本発明の目的は、熱伝導性および電気導電性であり機械的に強靭である新しいクラスのフォーム材料を提供することおよびこのクラスのフォームを製造する費用効果が高い方法を提供することである。 The above considerations clearly show that any prior art method or process for producing graphene and graphene foam has major imperfections. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a new class of foam material that is thermally and electrically conductive and mechanically tough, and to provide a cost effective method of producing this class of foam. be.
フミン酸(HA)は土壌に一般的に見出される有機物であり、塩基(例えばKOH)を使用して土壌から抽出することができる。HAはまた、亜炭石炭の高度に酸化された別形態である、レオナルダイトと呼ばれる或るタイプの石炭から高収率で抽出することができる。レオナルダイトから抽出されたHAは、グラフェンのような分子中心(六方晶炭素構造物のSP2コア)のエッジの周りに配置された多数の酸素化基(例えばカルボキシル基)を含有する。この材料は、天然黒鉛の強酸酸化によって製造される酸化グラフェン(GO)と少し似ている。HAは、5重量%~42重量%の典型的な酸素含有量を有する(他の主な元素は炭素および水素である)。HAは、化学還元または熱還元の後、0.01重量%~5重量%の酸素含有量を有する。本願における請求の範囲の定義のために、フミン酸(HA)は、0.01重量%~42重量%の酸素含有量の全範囲を基準とする。還元フミン酸(RHA)は、0.01重量%~5重量%の酸素含有量を有する特殊なタイプのHAである。 Humic acid (HA) is an organic substance commonly found in soil and can be extracted from soil using a base (eg KOH). HA can also be extracted in high yield from a type of coal called leonaldite, another highly oxidized form of lignite coal. HA extracted from leonaldite contains a large number of oxygenating groups (eg, carboxyl groups) located around the edges of a molecular center (SP 2 core of hexagonal carbon structure) such as graphene. This material is a bit like graphene oxide (GO) produced by strong acid oxidation of natural graphite. HA has a typical oxygen content of 5% to 42% by weight (other major elements are carbon and hydrogen). HA has an oxygen content of 0.01% by weight to 5% by weight after chemical or thermal reduction. For the definition of claims in the present application, humic acid (HA) is based on the entire range of oxygen content of 0.01% by weight to 42% by weight. Reduced humic acid (RHA) is a special type of HA with an oxygen content of 0.01% by weight to 5% by weight.
本発明は、高い構造統合性の発泡構造物に変換することが驚くべきことにできる新しいクラスのグラフェン状2D材料(すなわちフミン酸)を目的としている。したがって、別の目的は、このようなナノ炭素フォーム(具体的には、フミン酸由来フォーム)を大量に製造するための費用効果が高い方法を提供することである。この方法は、環境に優しくない化学物質の使用を必要としない。この方法は、柔軟な設計を可能にし、多孔度レベルおよび細孔径の制御を可能にする。 The present invention is directed to a new class of graphene-like 2D materials (ie, humic acid) that can be surprisingly converted into highly structurally integrated foamed structures. Therefore, another object is to provide a cost effective method for producing such nanocarbon foams (specifically, humic acid-derived foams) in large quantities. This method does not require the use of non-environmentally friendly chemicals. This method allows for flexible design and allows control of porosity level and pore size.
本発明の別の目的は、従来の黒鉛フォーム、炭素フォーム、またはグラフェンフォームの熱伝導率、電気導電率、弾性率、および/または強度と同等以上のそれらを示すフミン酸由来フォームを提供することである。本発明のさらに別の目的は、メソスケールの細孔径範囲(2~50nm)を好ましくは有するフミン酸由来フォームを提供することである。 Another object of the present invention is to provide a humic acid-derived foam exhibiting thermal conductivity, electric conductivity, elastic modulus, and / or strength equal to or higher than that of conventional graphite foam, carbon foam, or graphene foam. Is. Yet another object of the present invention is to provide a humic acid-derived foam preferably having a mesoscale pore size range (2-50 nm).
本発明の別の目的は、本発明のフミン酸由来フォームを含有する製品(例えばデバイス)およびこれらの製品を作動させる方法を提供することである。 Another object of the present invention is to provide a product (eg, a device) containing the humic acid-derived foam of the present invention and a method for operating these products.
本発明は、複数の細孔および細孔壁から構成されるフミン酸由来フォームを提供し、細孔壁は単一層または数層フミン酸由来六方晶炭素シートを含有し、数層六方晶炭素シートは、X線回折によって測定されるとき0.3354nm~0.60nm(好ましくは0.40nm以下)の面間間隔d002を有する2~10積層六方晶炭素原子面を有する。単一層または数層六方晶炭素シートは、非炭素元素0.01重量%~25重量%を含有する。フミン酸(HA)は、酸化フミン酸、還元フミン酸、フッ素化フミン酸、塩素化フミン酸、臭素化フミン酸、ヨウ化フミン酸、水素化フミン酸、窒素化フミン酸、ドープトフミン酸、化学的に官能化されたフミン酸、またはそれらの組合せから選択される。 The present invention provides a humic acid-derived foam composed of a plurality of pores and pore walls, the pore walls containing a single-layer or multi-layer humic acid-derived hexagonal carbon sheet, and a multi-layer hexagonal carbon sheet. Has 2 to 10 laminated hexagonal carbon atomic planes with an interplane spacing d 002 of 0.3354 nm to 0.60 nm (preferably 0.40 nm or less) as measured by X-ray diffraction. The single-layer or multi-layer hexagonal carbon sheet contains 0.01% by weight to 25% by weight of non-carbon elements. Humic acid (HA) is humic acid oxide, reduced humic acid, fluorinated humic acid, chlorinated humic acid, brominated humic acid, humic acid iodide, hydrided humic acid, nitrogenized humic acid, dope tohumic acid, chemical. It is selected from humic acid functionalized in, or a combination thereof.
ここに発明されたフミン酸由来フォームは、3つのタイプに分けることができる:(a)広範囲の適用のために使用され得る非炭素元素少なくとも10重量%(典型的に10重量%~42重量%および最も典型的に10%~25%)を含有するフミン酸(HA)フォーム(そこで元のフミン酸分子は実質的に同じままであるがHA分子間に或る化学連結が起こった)、(b)化学的同化され、還元フミン酸をベースとしたフォーム、そこで元のHA分子間の広範な連結および同化が生じて、細孔壁を構成する初期グラフェン状六方晶炭素シートを形成し、最初はHA分子に付着した非炭素元素を含有する化学種の発生をもたらす(したがって、非炭素元素含有量は一般的に2重量%~10重量%の間に低減される)、および(c)本質的に全て炭素だけを含有するフミン酸由来黒鉛フォーム(<2重量%の非炭素含有量、好ましくは<1%、さらに好ましくは<0.1%)、そこで細孔壁は、六方晶炭素原子面である単一層または数層(2~10)グラフェン状シートを含有する。 The fumic acid-derived foams invented herein can be divided into three types: (a) at least 10% by weight (typically 10% to 42% by weight) of non-carbon elements that can be used for a wide range of applications. And most typically 10% -25%) of fumic acid (HA) foam, where the original fumic acid molecules remain substantially the same, but some chemical linkage occurs between the HA molecules), ( b) Chemically assimilated, reduced fumic acid-based foam, where extensive ligation and assimilation between the original HA molecules occurs to form the initial graphene hexagonal carbon sheet that constitutes the pore wall, initially Causes the generation of chemical species containing non-carbon elements attached to HA molecules (thus, non-carbon element content is generally reduced between 2% by weight and 10% by weight), and (c) essence. Fumic acid-derived graphite foam containing only carbon (<2% by weight, preferably <1%, more preferably <0.1%), where the pore walls are hexagonal carbon atoms. Contains a single layer or several layers (2-10) graphene-like sheets that are faces.
好ましくはおよび典型的に、HA由来フォームは、0.005~1.7g/cm3の密度、50~3,200m2/gの比表面積、単位比重当たり少なくとも100W/mKの熱伝導率、および/または単位比重当たり500S/cm以上の電気導電率を有する。より典型的に、フミン酸由来フォームは、0.01~1.5g/cm3の密度または2nm~50nmの平均細孔径を有する。実施形態において、フォームは、200~2,000m2/gの比表面積または0.1~1.3g/cm3の密度を有する。 Preferably and typically, HA-derived foams have 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 100 W / mK per unit specific weight, and / Or has an electric conductivity of 500 S / cm or more per unit specific surface area. More typically, the humic acid-derived foam has a density of 0.01-1.5 g / cm 3 or an average pore diameter of 2 nm-50 nm. In embodiments, the foam has a specific surface area of 200-2,000 m 2 / g or a density of 0.1-1.3 g / cm 3 .
典型的に、HA由来フォームが300℃より高い熱処理温度(HTT)を含まない方法から製造される場合、フォームは、10重量%~42重量%の範囲の非炭素元素の含有量を有する。細孔壁は、シート状六方晶炭素原子構造物である特定可能なフミン酸分子をまだ含有することができる。非炭素元素には、酸素、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、窒素、水素、またはホウ素から選択される元素が含まれ得る。特定の実施形態において、細孔壁は、フッ素化フミン酸を含有し、フォームは、0.01重量%~25重量%のフッ素含有量を含有する。別の実施形態において、フォームは0.01重量%~25重量%の酸素含有量を含有する。 Typically, when the HA-derived foam is produced from a method that does not include a heat treatment temperature (HTT) above 300 ° C., the foam has a non-carbon element content in the range of 10% to 42% by weight. The pore walls can still contain identifiable humic acid molecules, which are sheet-like hexagonal carbon atomic structures. Non-carbon elements can include elements selected from oxygen, fluorine, chlorine, bromine, iodine, nitrogen, hydrogen, or boron. In certain embodiments, the pore walls contain fluorinated humic acid and the foam contains a fluorinated content of 0.01% to 25% by weight. In another embodiment, the foam contains an oxygen content of 0.01% to 25% by weight.
300℃より高いHTTを使用して、最密充填されてよく整列される隣接するHA分子が一緒に化学的に連結されて、初期グラフェン状六方晶炭素原子構造物に似ている複数環芳香族構造物を形成することができる。熱処理が継続するにつれて、これらの高芳香族分子がエッジからエッジまでの方法で一緒に同化されてグラフェン状六方晶面の長さおよび幅を増加させ、同時に、いくつかの六方晶炭素面が一緒に積層されて、数層グラフェン構造物と同様な、複数層炭素原子構造物を形成することができる。面間間隔は典型的に、<<0.60nm、より典型的に<0.40nmに低減される。HTTが300℃から1,500℃までである場合、典型的に、化学的同化され、還元フミン酸をベースとしたフォームが製造され、そこで元のHA分子間の広範な連結および同化が生じて、細孔壁を構成する初期グラフェン状六方晶炭素シートを形成する。フォーム中の非炭素含有量は典型的に2%~10%に低減される。 Using HTTs above 300 ° C., the close-packed and well-aligned adjacent HA molecules are chemically linked together to form a multi-ring aromatic that resembles an early graphene-like hexagonal carbon atomic structure. Structures can be formed. As the heat treatment continues, these highly aromatic molecules are assimilated together in an edge-to-edge manner, increasing the length and width of the graphene-like hexagonal planes, while at the same time several hexagonal carbon planes together. It can be laminated to form a multi-layer carbon atomic structure similar to a multi-layer graphene structure. The interplane spacing is typically reduced to << 0.60 nm, more typically <0.40 nm. When the HTT is from 300 ° C to 1,500 ° C, it is typically chemically assimilated to produce a foam based on reduced humic acid, where extensive linkage and assimilation between the original HA molecules occurs. , Form an early graphene-like hexagonal carbon sheet that constitutes the pore wall. The non-carbon content in the foam is typically reduced to 2% -10%.
HTTが1,500℃~3,200℃である場合、フォームは本質的に黒鉛フォームになることができ、そこで細孔壁は単一層または数層グラフェン状六方晶炭素面を含有し、非炭素含有量は2重量%未満に低減される。 When the HTT is between 1,500 ° C and 3,200 ° C, the foam can be essentially graphite foam, where the pore walls contain single or multi-layer graphene-like hexagonal carbon planes and are non-carbon. The content is reduced to less than 2% by weight.
好ましい実施形態において、フォームは、200μm以下の厚さおよび長さ少なくとも1メートル、好ましくは少なくとも2メートル、さらに好ましくは少なくとも10メートル、最も好ましくは少なくとも100メートルの長さを有する連続長ロールシートの形態(連続したフォームシートのロール)に製造される。このシートロールは、ロールツーロール法によって製造される。シートロールの形態に製造される先行技術のHA由来グラフェン状フォームはなかった。 In a preferred embodiment, the foam is in the form of a continuous length roll sheet having a thickness of 200 μm or less and a length of at least 1 meter, preferably at least 2 meters, more preferably at least 10 meters, most preferably at least 100 meters. Manufactured into (continuous foam sheet rolls). This sheet roll is manufactured by the roll-to-roll method. There was no prior art HA-derived graphene-like foam manufactured in the form of sheet rolls.
好ましい実施形態において、HA由来フォームは1重量%未満の酸素含有量または非炭素含有量を有し、細孔壁は、0.35nm未満の面間間隔を有する積層グラフェン状面、単位比重当たり少なくとも200W/mKの熱伝導率、および/または単位比重当たり1,000S/cm以上の電気導電率を有する。 In a preferred embodiment, the HA-derived foam has an oxygen or non-carbon content of less than 1% by weight and the pore walls are laminated graphene-like surfaces with interplane spacing of less than 0.35 nm, at least per unit weight. It has a thermal conductivity of 200 W / mK and / or an electrical conductivity of 1,000 S / cm or more per unit specific weight.
さらに好ましい実施形態において、HA由来フォームは0.1重量%未満の酸素含有量または非炭素含有量を有し、前記細孔壁は、0.34nm未満の面間間隔を有する積層グラフェン状六方晶炭素原子面、単位比重当たり少なくとも250W/mKの熱伝導率、および/または単位比重当たり1,500S/cm以上の電気導電率を含む。 In a more preferred embodiment, the HA-derived foam has an oxygen content or non-carbon content of less than 0.1% by weight, and the pore walls are laminated graphene-like hexagons with interplane spacing of less than 0.34 nm. It contains a carbon atomic surface, a thermal conductivity of at least 250 W / mK per unit specific gravity, and / or an electrical conductivity of at least 1,500 S / cm per unit specific gravity.
さらに別の好ましい実施形態において、グラフェンフォームは、0.01重量%以下の酸素含有量または非炭素含有量を有し、前記細孔壁は、0.336nm未満のグラフェン間の間隔を有する積層グラフェン状面、0.7以下のモザイクスプレッド値、単位比重当たり少なくとも300W/mKの熱伝導率、および/または単位比重当たり2,000S/cm以上の電気導電率を有する。 In yet another preferred embodiment, graphene foam has an oxygen content or non-carbon content of 0.01% by weight or less, and the pore walls are laminated graphene with spacing between graphenes of less than 0.336 nm. It has a surface, a mosaic spread value of 0.7 or less, a thermal conductivity of at least 300 W / mK per unit specific weight, and / or an electrical conductivity of 2,000 S / cm or more per unit specific weight.
さらに別の好ましい実施形態において、グラフェンフォームは、0.336nm未満の面間間隔を有する積層グラフェン状六方晶炭素原子面を含有する細孔壁、0.4以下のモザイクスプレッド値、単位比重当たり400W/mK超の熱伝導率、および/または単位比重当たり4,000S/cm超の電気導電率を有する。 In yet another preferred embodiment, the graphene foam has a pore wall containing laminated graphene-like hexagonal carbon atomic planes with interplane spacing of less than 0.336 nm, a mosaic spread value of 0.4 or less, and 400 W per unit weight. It has a thermal conductivity of over / mK and / or an electrical conductivity of over 4,000 S / cm per unit weight.
好ましい実施形態において、細孔壁は、0.337nm未満の面間間隔を有する積層グラフェン状六方晶炭素原子面および1.0未満のモザイクスプレッド値を有する。好ましい実施形態において、フォームは、80%以上の黒鉛化度(好ましくは90%以上)および/または0.4未満のモザイクスプレッド値を示す。好ましい実施形態において、細孔壁が、相互接続グラフェン状六方晶炭素原子面の3次元網目構造を含有する。 In a preferred embodiment, the pore wall has a laminated graphene-like hexagonal carbon atomic plane with an interplane spacing of less than 0.337 nm and a mosaic spread value of less than 1.0. In a preferred embodiment, the foam exhibits a graphitization degree of 80% or higher (preferably 90% or higher) and / or a mosaic spread value of less than 0.4. In a preferred embodiment, the pore walls contain a three-dimensional network structure of interconnected graphene-like hexagonal carbon atom planes.
好ましい実施形態において、固体フォームは、2nm~50nmの細孔径を有するメソスケールの細孔を含有する。また、固体フォームは、ミクロンスケールの細孔(1~500μm)を含有するように製造され得る。 In a preferred embodiment, the solid foam contains mesoscale pores with a pore size of 2 nm to 50 nm. Also, solid foams can be made to contain micron-scale pores (1-500 μm).
本発明のHA由来フォームは、(a)複数のフミン酸分子またはシートが液体媒体中に分散されたフミン酸分散体を調製する工程において、フミン酸が酸化フミン酸、還元フミン酸、フッ素化フミン酸、塩素化フミン酸、臭素化フミン酸、ヨウ化フミン酸、水素化フミン酸、窒素化フミン酸、ドープトフミン酸、化学的に官能化されたフミン酸、またはそれらの組合せから選択され、分散体が、0/1.0~1.0/1.0の発泡剤対フミン酸重量比を有する任意選択の発泡剤を含有する工程と、(b)グラフェン分散体を支持基材(例えばプラスチックフィルム、ゴムシート、金属箔、ガラスシート、紙シート等々)の表面上に分配および堆積してフミン酸の湿潤層を形成する工程と、(c)フミン酸の湿潤層から液体媒体を部分的にまたは完全に除去して、フミン酸の乾燥された層を形成する工程と、(d)フミン酸の乾燥された層を非炭素元素(例えばO、H、N、B、F、Cl、Br、I等々)からの揮発性ガス分子の形成および放出を誘導するためにまたは発泡剤を活性化するために十分な所望の加熱速度において80℃~3,200℃の第1の熱処理温度で熱処理してフミン酸由来フォームを製造する工程とを含む方法によって製造されてもよい。好ましくは、分配および堆積手順は、フミン酸分散体を配向誘起応力に供する工程を含む。 In the HA-derived foam of the present invention, (a) humic acid is oxidized humic acid, reduced humic acid, and fluorinated humic acid in the step of preparing a humic acid dispersion in which a plurality of humic acid molecules or sheets are dispersed in a liquid medium. A dispersion selected from acid, chlorinated humic acid, brominated humic acid, iodide humic acid, hydride humic acid, nitrogenized humic acid, doped humic acid, chemically functionalized humic acid, or a combination thereof. A step of containing an optional foaming agent having a foaming agent to humic acid weight ratio of 0 / 1.0 to 1.0 / 1.0, and (b) a substrate supporting the graphene dispersion (for example, a plastic film). , Rubber sheet, metal foil, glass sheet, paper sheet, etc.) to form a wet layer of humic acid by distributing and depositing on the surface, and (c) partially or a liquid medium from the wet layer of humic acid. The step of completely removing to form a dried layer of humic acid and (d) the dried layer of humic acid are non-carbon elements (eg O, H, N, B, F, Cl, Br, I). Heat treatment at a first heat treatment temperature of 80 ° C. to 3,200 ° C. at a desired heating rate sufficient to induce the formation and release of volatile gas molecules from (etc.) or to activate the effervescent agent. It may be produced by a method including a step of producing a humic acid-derived foam. Preferably, the partitioning and deposition procedure comprises subjecting the humic acid dispersion to an orientation-induced stress.
HA材料が5重量%以上の非炭素元素(例えばO、H、N、B、F、Cl、Br、I等々)の含有量(好ましくは10%以上、さらに好ましくは20%以上、さらにより好ましくは30%)を有する場合、この任意選択の発泡剤は必要とされない。後続の高温処理は、これらの非炭素元素の大部分をHA分子のエッジから除去し、細孔またはセルを固体フォーム構造体内に製造する揮発性ガス種を生成するのに役立つ。言い換えれば、非常に驚くべきことに、これらの非炭素元素は発泡剤の役割を果たす。したがって、外部から添加される発泡剤は任意選択である(必要とされない)。しかしながら、発泡剤の使用は、所望の用途のために多孔度のレベルおよび細孔径を調節または調整する際の付加的な柔軟性を提供することができる。フミン酸中の非炭素元素含有量が5%未満である場合、発泡剤が典型的に必要とされる。 The HA material contains 5% by weight or more of non-carbon elements (for example, O, H, N, B, F, Cl, Br, I, etc.) (preferably 10% or more, more preferably 20% or more, still more preferably. 30%), this optional foaming agent is not required. Subsequent high temperature treatments help remove most of these non-carbon elements from the edges of the HA molecules and produce volatile gas species that produce pores or cells within the solid foam structure. In other words, very surprisingly, these non-carbon elements act as foaming agents. Therefore, the externally added foaming agent is optional (not required). However, the use of foaming agents can provide additional flexibility in adjusting or adjusting the level of porosity and pore size for the desired application. If the non-carbon element content in humic acid is less than 5%, a foaming agent is typically required.
発泡剤は、物理的発泡剤、化学発泡剤、それらの混合物、溶解および浸出剤、または機械的に導入された発泡剤であり得る。 The foaming agent can be a physical foaming agent, a chemical foaming agent, a mixture thereof, a dissolving and leaching agent, or a mechanically introduced foaming agent.
方法はさらに、グラフェン状フォームを得るために十分な時間の間、固体フォームを第1の熱処理温度よりも高い第2の熱処理温度において熱処理する工程を含んでもよく、そこで細孔壁は、0.3354nm~0.40nmの面間間隔d002を有する積層六方晶炭素原子面および5重量%未満(典型的に0.001%~2%)の非炭素元素の含有量を含有する。得られた非炭素元素含有量が0.1%~2.0%であるとき、面間間隔d002は典型的に0.337nm~0.40nmである。 The method may further include the step of heat treating the solid foam at a second heat treatment temperature higher than the first heat treatment temperature for a time sufficient to obtain the graphene-like foam, wherein the pore walls are 0. It contains a laminated hexagonal carbon atomic plane with an interplane spacing d 002 of 3354 nm to 0.40 nm and a content of less than 5% by weight (typically 0.001% to 2%) of non-carbon elements. When the obtained non-carbon element content is 0.1% to 2.0%, the interplanar spacing d 002 is typically 0.337 nm to 0.40 nm.
分散体中の元のHA分子が、5重量%よりも高い非炭素元素含有量を含有する場合、(熱処理後の)固体フォーム中の六方晶炭素原子面は、熱処理の工程(d)の間に生じる構造欠陥を含有する。液体媒体は単に水および/またはアルコールであり得るが、それは環境に優しい。 If the original HA molecule in the dispersion contains a non-carbon element content greater than 5% by weight, the hexagonal carbon atomic plane in the solid foam (after heat treatment) will be during the heat treatment step (d). Contains structural defects that occur in. The liquid medium can simply be water and / or alcohol, but it is environmentally friendly.
好ましい実施形態において、方法は、工程(b)および(c)が、支持基材をフィーダーローラーから堆積領域に供給する工程と、HA分散体を支持基材の表面上に連続的にまたは不連続に堆積させてHA材料の湿潤層をその上に形成する工程と、HA材料の湿潤層を乾燥させてHA材料の乾燥された層を形成する工程と、支持基材上に堆積されたHA材料の乾燥された層をコレクターローラー上に集める工程とを含む、ロールツーロール法である。このようなロールツーロールまたはリールツーリール法は、自動化され得る真に工業規模の、大規模製造法である。 In a preferred embodiment, the method is such that steps (b) and (c) supply the supporting substrate from the feeder roller to the deposition area and the HA dispersion continuously or discontinuously on the surface of the supporting substrate. A step of forming a wet layer of HA material on it, a step of drying a wet layer of HA material to form a dried layer of HA material, and a step of forming a dry layer of HA material on the supporting substrate. It is a roll-to-roll method including a step of collecting the dried layers of the above on a collector roller. Such a roll-to-roll or reel-to-reel method is a truly industrial-scale, large-scale manufacturing method that can be automated.
一実施形態において、第1の熱処理温度は100℃~1,500℃である。別の実施形態において、第2の熱処理温度には、少なくとも、(A)300~1,500℃、(B)1,500~2,100℃、および/または(C)2,100~3,200℃から選択される温度が含まれる。特定の実施形態において、第2の熱処理温度には、少なくとも1時間の間300~1,500℃の範囲の温度そして次に少なくとも1時間の間1,500~3,200℃の範囲の温度が含まれる。 In one embodiment, the first heat treatment temperature is 100 ° C to 1,500 ° C. In another embodiment, the second heat treatment temperature is at least (A) 300 to 1,500 ° C., (B) 1,500 to 2,100 ° C., and / or (C) 2,100 to 3, A temperature selected from 200 ° C. is included. In certain embodiments, the second heat treatment temperature includes a temperature in the range of 300 to 1,500 ° C. for at least 1 hour and then a temperature in the range of 1,500 to 3,200 ° C. for at least 1 hour. included.
第1および/または第2の熱処理を乾燥されたHA層に行なうことのいくつかの驚くべき結果があり、異なった熱処理温度範囲によって異なった目的を達成することができ、例えば(a)HA材料から非炭素元素を除去して(例えばフッ素化フミン酸を熱還元して還元フッ化フミン酸を得る)揮発性ガスを生成し、細孔またはセルをHAフォーム内に生じさせる、(b)化学的または物理的発泡剤を活性化して細孔またはセルを製造する、(c)フミン酸分子を高芳香族分子へと化学連結または同化すると共に芳香環構造物または六方晶炭素面をエッジからエッジまで同化して、フォーム壁(フォームの固体部分)内のグラフェン状六方晶炭素シートの横方向寸法(長さおよび幅)を著しく増加させる、(d)HA中に天然に存在しているかまたはフミン酸分子のフッ素化、酸化、または窒化の間に生じた欠陥部の回復、および(e)黒鉛ドメインまたは黒鉛結晶の再組織化および完成など。これらの異なった目的または機能は、異なった温度範囲内で異なった程度に達成される。非炭素元素は典型的に、酸素、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、窒素、水素、またはホウ素から選択される元素を含む。非常に驚くべきことに、低温発泡条件下でも、熱処理は、しばしばエッジからエッジまでの方法で(一部は面から面までの方法で)シート状HA分子間の化学連結、同化、または化学結合を引き起こす。 There are some surprising results of performing the first and / or second heat treatment on the dried HA layer, which can achieve different purposes with different heat treatment temperature ranges, eg (a) HA material. Removes non-carbon elements from (eg, heat-reduces fluorinated fumic acid to give reduced fumic acid) to produce volatile gas, creating pores or cells in HA foam, (b) chemistry. Activate target or physical foaming agents to produce pores or cells, (c) chemically link or assimilate fumic acid molecules to highly aromatic molecules and edge-to-edge aromatic ring structures or hexagonal carbon planes. Assimilate to significantly increase the lateral dimensions (length and width) of the graphene hexagonal carbon sheet within the foam wall (solid portion of foam), (d) naturally present in HA or fumin Recovery of defects that occur during fluorination, oxidation, or nitridation of acid molecules, and (e) reorganization and completion of graphite domains or crystals. These different purposes or functions are achieved to different degrees within different temperature ranges. Non-carbon elements typically include elements selected from oxygen, fluorine, chlorine, bromine, iodine, nitrogen, hydrogen, or boron. Very surprisingly, even under low temperature foaming conditions, heat treatments are often chemical linkages, assimilation, or chemical bonds between sheet HA molecules in an edge-to-edge manner (some in a face-to-face manner). cause.
一実施形態において、HA由来フォームは200~2,000m2/gの比表面積を有する。一実施形態において、固体フォームは、0.1~1.5g/cm3の密度を有する。実施形態において、第1の熱処理温度においてグラフェン材料の層を熱処理する工程(d)は、圧縮応力下で行われる。別の実施形態において、方法は、HA由来フォームのフィルムの厚さ、細孔径、または多孔度のレベルを低減する圧縮工程を含む。いくつかの適用において、フォームは200μm以下の厚さを有する。 In one embodiment, the HA-derived foam has a specific surface area of 200-2,000 m 2 / g. In one embodiment, the solid foam has a density of 0.1-1.5 g / cm 3 . In the embodiment, the step (d) of heat-treating the layer of graphene material at the first heat treatment temperature is performed under compressive stress. In another embodiment, the method comprises a compression step that reduces the level of film thickness, pore size, or porosity of the HA-derived foam. In some applications, the foam has a thickness of 200 μm or less.
実施形態において、HA分散体は、液体媒体中に分散されたHA少なくとも5重量%を有し、液晶相を形成する。実施形態において、第1の熱処理温度は80℃~300℃の範囲の温度を含み、結果として、HAフォームは、5%未満の酸素含有量または非炭素元素含有量を有し、細孔壁は、0.40nm未満の面間間隔、単位比重当たり少なくとも150W/mK(より典型的には少なくとも200W/mk)の熱伝導率、および/または単位比重当たり1,000S/cm以上の電気導電率を有する。 In embodiments, the HA dispersion has at least 5% by weight of HA dispersed in the liquid medium and forms a liquid crystal phase. In embodiments, the first heat treatment temperature comprises a temperature in the range of 80 ° C to 300 ° C, resulting in HA foam having an oxygen content or non-carbon element content of less than 5% and a pore wall. , Interplane spacing less than 0.40 nm, thermal conductivity of at least 150 W / mK (more typically at least 200 W / mk) per unit specific weight, and / or electrical conductivity of at least 1,000 S / cm per unit specific weight. Have.
好ましい実施形態において、第1のおよび/または第2の熱処理温度は300℃~1,500℃の範囲の温度を含み、結果として、HA由来フォームは、2%未満の酸素含有量または非炭素含有量を有し、細孔壁は、0.35nm未満の面間間隔、単位比重当たり少なくとも250W/mKの熱伝導率、および/または単位比重当たり1,500S/cm以上の電気導電率を有する。 In a preferred embodiment, the first and / or second heat treatment temperature comprises a temperature in the range of 300 ° C to 1,500 ° C, and as a result, the HA-derived foam contains less than 2% oxygen or non-carbon. With a quantity, the pore walls have an interplanetary spacing of less than 0.35 nm, a thermal conductivity of at least 250 W / mK per unit density, and / or an electrical conductivity of at least 1,500 S / cm per unit density.
第1のおよび/または第2の熱処理温度が1,500℃~2,100℃の範囲の温度を含むとき、HA由来フォームは、1%未満の酸素含有量または非炭素含有量を有し、細孔壁は、0.34nm未満のグラフェン間の間隔、単位比重当たり少なくとも300W/mKの熱伝導率、および/または単位比重当たり3,000S/cm以上の電気導電率を有する。 When the first and / or second heat treatment temperature comprises a temperature in the range of 1,500 ° C to 2,100 ° C, the HA-derived foam has an oxygen content or non-carbon content of less than 1%. The pore walls have a spacing between graphenes less than 0.34 nm, a thermal conductivity of at least 300 W / mK per unit density, and / or an electrical conductivity of 3,000 S / cm or more per unit density.
第1のおよび/または第2の熱処理温度が2,100℃を超える温度を含むとき、HA由来フォームは、0.1%以下の酸素含有量または非炭素含有量を有し、細孔壁は、0.336nm未満の面間間隔、0.7以下のモザイクスプレッド値、単位比重当たり少なくとも350W/mKの熱伝導率、および/または単位比重当たり3,500S/cm以上の電気導電率を有する。 When the first and / or second heat treatment temperature comprises a temperature above 2,100 ° C., the HA-derived foam has an oxygen content or non-carbon content of 0.1% or less and the pore walls , Interplane spacing of less than 0.336 nm, mosaic spread value of 0.7 or less, thermal conductivity of at least 350 W / mK per unit weight, and / or electrical conductivity of 3,500 S / cm or more per unit weight.
第1のおよび/または第2の熱処理温度が2,500℃以上の温度を含む場合、HA由来フォームは、0.336nm未満の面間間隔を有する積層グラフェン状六方晶炭素面を含有する細孔壁、0.4以下のモザイクスプレッド値、および単位比重当たり400W/mK超の熱伝導率、および/または単位比重当たり4,000S/cm超の電気導電率を有する。 When the first and / or second heat treatment temperature comprises a temperature of 2,500 ° C. or higher, the HA-derived foam contains pores containing laminated graphene-like hexagonal carbon planes with interplane spacing of less than 0.336 nm. It has a wall, a mosaic spread value of 0.4 or less, and a thermal conductivity of> 400 W / mK per unit weight and / or an electrical conductivity of> 4,000 S / cm per unit density.
一実施形態において、細孔壁は、0.337nm未満の面間間隔を有する積層グラフェン状六方晶炭素面および1.0未満のモザイクスプレッド値を有する。別の実施形態において、HA由来フォームの固体壁部分は、80%以上の黒鉛化度および/または0.4未満のモザイクスプレッド値を示す。さらに別の実施形態において、HA由来フォームの固体壁部分は、90%以上の黒鉛化度および/または0.4以下のモザイクスプレッド値を示す。 In one embodiment, the pore wall has a laminated graphene-like hexagonal carbon plane with an interplane spacing of less than 0.337 nm and a mosaic spread value of less than 1.0. In another embodiment, the solid wall portion of the HA-derived foam exhibits a graphitization degree of 80% or higher and / or a mosaic spread value of less than 0.4. In yet another embodiment, the solid wall portion of the HA-derived foam exhibits a graphitization degree of 90% or higher and / or a mosaic spread value of 0.4 or lower.
典型的に、2,500℃より高いHTTで熱処理した後に、HA由来黒鉛フォーム内の細孔壁は、電子伝導経路である相互接続された六方晶炭素原子面の3次元網目構造を含有する。セル壁は、20nm以上、より典型的にはおよび好ましくは40nm以上、さらにより典型的にはおよび好ましくは100nm以上、さらにより典型的にはおよび好ましくは500nm以上、しばしば1μm超、そして時には10μm超の横方向寸法(La、長さまたは幅)を有する黒鉛ドメインまたは黒鉛結晶を含有する。黒鉛ドメインは典型的に、1nm~20nm、より典型的には1nm~10nm、さらにより典型的には1nm~4nmの厚さを有する。 Typically, after heat treatment at HTT above 2,500 ° C., the pore walls within the HA-derived graphite foam contain a three-dimensional network structure of interconnected hexagonal carbon atom planes that are electron conduction paths. The cell wall is 20 nm or more, more typically and preferably 40 nm or more, even more typically and preferably 100 nm or more, even more typically and preferably 500 nm or more, often greater than 1 μm, and sometimes greater than 10 μm. Contains graphite domains or graphite crystals having the lateral dimensions ( La , length or width) of. Graphite domains typically have a thickness of 1 nm to 20 nm, more typically 1 nm to 10 nm, and even more typically 1 nm to 4 nm.
好ましくは、HA由来フォームが、2nm~50nm(好ましくは2nm~25nm)の細孔径を有するメソスケールの細孔を含有する。 Preferably, the HA-derived foam contains mesoscale pores with a pore diameter of 2 nm to 50 nm (preferably 2 nm to 25 nm).
好ましい実施形態において、本発明は、複数の細孔および細孔壁から構成される固体HAフォームまたはHA由来フォームを製造するためのロールツーロール法を提供する。この方法は、(a)複数のフミン酸分子またはシートが液体媒体中に分散されたフミン酸分散体を調製する工程において、フミン酸が酸化フミン酸、還元フミン酸、フッ素化フミン酸、塩素化フミン酸、臭素化フミン酸、ヨウ化フミン酸、水素化フミン酸、窒素化フミン酸、ドープトフミン酸、化学的に官能化されたフミン酸、またはそれらの組合せから選択され、分散体が、0/1.0~1.0/1.0の発泡剤対フミン酸重量比を有する任意選択の発泡剤を含有する工程と、(b)HA分散体を支持基材の表面上に連続的にまたは不連続に分配および堆積してHA材料の湿潤層を形成する工程において、支持基材が、フィーダーローラーから供給されコレクターローラー上で集められた連続した薄いフィルムである工程と、(c)フミン酸の湿潤層から液体媒体を部分的にまたは完全に除去して、フミン酸の乾燥された層を加熱領域または複数の加熱領域において形成する工程と、(d)フミン酸の乾燥された層を発泡剤を活性化するために十分な所望の加熱速度で80℃~500℃の加熱温度を含むこれらの加熱領域の1つにおいて熱処理して、0.01~1.7g/cm3の密度または50~3,000m2/gの比表面積を有するフミン酸由来フォームを製造する工程とを含む。この方法において、熱処理は、ロールツーロール手順の間にin situ行われる。これは、出荷および取扱が容易であり、その後、カッティングおよびスリッチングが容易であるようにローラー上に巻き付けられるHA由来黒鉛フォームシートの大量生産に適している非常に費用効果が高い方法である。 In a preferred embodiment, the present invention provides a roll-to-roll method for producing a solid HA foam or HA-derived foam composed of a plurality of pores and pore walls. In this method, (a) in the step of preparing a humic acid dispersion in which a plurality of humic acid molecules or sheets are dispersed in a liquid medium, humic acid is oxidized humic acid, reduced humic acid, fluorinated humic acid, and chlorinated. The dispersion is selected from humic acid, brominated humic acid, iodide humic acid, hydride humic acid, nitrated humic acid, doped humic acid, chemically functionalized humic acid, or a combination thereof, and the dispersion is 0 /. Steps containing an optional foaming agent having a foaming agent to humic acid weight ratio of 1.0 to 1.0 / 1.0 and (b) the HA dispersion continuously or continuously on the surface of the supporting substrate. In the process of discontinuously distributing and depositing to form a wet layer of HA material, the supporting substrate is a continuous thin film supplied from a feeder roller and collected on a collector roller, and (c) humic acid. Partially or completely removing the liquid medium from the wet layer of humic acid to form a dry layer of humic acid in the heated region or multiple heated regions, and (d) foaming the dried layer of humic acid. Heat treatment is performed in one of these heating regions containing a heating temperature of 80 ° C. to 500 ° C. at a desired heating rate sufficient to activate the agent to a density of 0.01 to 1.7 g / cm 3 or 50. Includes a step of producing a humic acid-derived foam having a specific surface area of ~ 3,000 m 2 / g. In this method, the heat treatment is performed in situ during the roll-to-roll procedure. This is a very cost effective method suitable for mass production of HA-derived graphite foam sheets that are easy to ship and handle and then wound on rollers for easy cutting and slitching.
配向誘起応力は剪断応力であってもよい。例として、手作業の流延プロセスの間に十分に高い剪断速度でプラスチックまたはガラス表面の上でのHA分散体の拡散を誘導する「ドクターブレード」と同じぐらい簡単な状態で剪断応力は生じ得る。別の例として、「ナイフ・オン・ロール」構成がプラスチックフィルムなどの移動固体基材の上にグラフェン分散体を分配する自動化ロールツーロールコーティング法において有効な配向誘起応力が生じる。この移動フィルムとコーティングナイフとの間の相対運動は、剪断応力方向に沿うグラフェンシートの配向をもたらすように作用する。コンマコーティングおよびスロットダイコーティングがこの機能のために特に有効な方法である。 The orientation-induced stress may be shear stress. As an example, shear stress can occur as simple as a "doctor blade" that induces the diffusion of HA dispersions on a plastic or glass surface at a sufficiently high shear rate during a manual casting process. .. As another example, a "knife-on-roll" configuration produces an orientation-induced stress that is effective in an automated roll-to-roll coating method that distributes a graphene dispersion over a moving solid substrate such as a plastic film. The relative motion between this moving film and the coating knife acts to result in the orientation of the graphene sheet along the direction of shear stress. Comma coating and slot die coating are particularly effective methods for this function.
剪断応力によってHA分子またはシートを特定の方向(例えばX-方向または長さ-方向)に沿って整列して、好ましい配向を生じさせることができ、そしてフォーム壁に沿ってHA分子またはシート間の接触を容易にすることができるという驚くべき観察のために、この配向誘起応力は、本発明のHA由来フォームの製造における極めて重要な工程である。さらに驚くべきことに、これらの好ましい配向および改良されたHA間の接触は、乾燥されたHA層の後続の熱処理中にHA分子またはシート間の化学的同化または連結を容易にする。このような好ましい配向および改良された接触は、得られたHA由来フォームの非常に高い熱伝導率、電気導電率、弾性率、および機械的強度の最終的な達成に不可欠である。一般的には、これらの大きな性質は、このような剪断応力によって誘起された配向の制御なしに達成することができない。 Shear stress can align HA molecules or sheets along a particular direction (eg, X-direction or length-direction) to produce a favorable orientation, and between HA molecules or sheets along the foam wall. Due to the surprising observation that contact can be facilitated, this orientation-induced stress is a crucial step in the production of HA-derived foams of the present invention. Even more surprisingly, these favorable orientations and improved contact between HAs facilitate chemical assimilation or linkage between HA molecules or sheets during subsequent heat treatment of the dried HA layer. Such favorable orientation and improved contact are essential for the final achievement of the very high thermal conductivity, electrical conductivity, modulus, and mechanical strength of the resulting HA-derived foam. In general, these great properties cannot be achieved without the control of orientation induced by such shear stresses.
また、本発明は、油吸収要素としてフミン酸由来フォームを含有する油除去または油分離デバイスを提供する。また、溶媒吸収または溶媒分離要素としてフミン酸由来フォームを含有する溶媒除去または溶媒分離デバイスが提供される。 The present invention also provides an oil removing or oil separating device containing humic acid-derived foam as an oil absorbing element. Also provided are solvent removal or solvent separation devices containing humic acid-derived foam as a solvent absorption or solvent separation element.
また、本発明は、油を水から分離する方法を提供する。方法は、(a)完全フミン酸由来フォームを含む油吸収要素を提供する工程と、(b)油-水混合物を混合物から油を吸収する要素と接触させる工程と、(c)要素を混合物から取り出して油を要素から抽出する工程と、(d)要素を再使用する工程とを含む。 The present invention also provides a method for separating oil from water. The methods include (a) providing an oil absorbing element containing a foam derived from complete fumic acid, (b) contacting the oil-water mixture with an element that absorbs oil from the mixture, and (c) element from the mixture. It includes a step of taking out and extracting the oil from the element, and (d) a step of reusing the element.
さらに、本発明は、有機溶媒を溶媒-水混合物からまたは複数溶媒混合物から分離する方法を提供する。方法は、(a)完全フミン酸由来フォームを含む有機溶媒吸収または溶媒分離要素を提供する工程と、(b)要素を有機溶媒-水混合物と、または第1の溶媒および少なくとも第2の溶媒を含有する複数溶媒混合物と接触させる工程と、(c)要素が有機溶媒を混合物から吸収するようにするかまたは第1の溶媒を少なくとも第2の溶媒から分離するようにする工程と、(d)要素を混合物から取り出して有機溶媒または第1の溶媒を要素から抽出する工程と、(e)要素を再使用する工程とを含む。 Furthermore, the present invention provides a method of separating an organic solvent from a solvent-water mixture or from a multi-solvent mixture. The method comprises (a) providing an organic solvent absorbing or solvent separating element comprising a foam derived from complete fumic acid, and (b) using the element with an organic solvent-water mixture, or with a first solvent and at least a second solvent. A step of contacting the mixture with a plurality of solvents contained therein, a step of allowing the element to absorb the organic solvent from the mixture, or a step of separating the first solvent from at least the second solvent, and (d). It comprises the steps of removing the element from the mixture and extracting the organic solvent or the first solvent from the element, and (e) reusing the element.
また、熱拡散または放熱要素としてフミン酸由来フォームを含有する熱管理デバイスが提供される。熱管理デバイスは、熱交換器、ヒートシンク、ヒートパイプ、高伝導性インサート、ヒートシンクと熱源との間の伝導性プレート、熱拡散成分、放熱成分、熱インターフェース媒体、または熱電またはペルチェ冷却装置から選択されるデバイスを備えてもよい。 Also provided are heat management devices containing humic acid-derived foam as a heat diffusion or heat dissipation element. The heat management device is selected from heat exchangers, heat sinks, heat pipes, high conductive inserts, conductive plates between heat sinks and heat sources, heat diffusion components, heat dissipation components, thermal interface media, or thermoelectric or Pelche cooling devices. Devices may be provided.
フミン酸(HA)は土壌に一般的に見出される有機物であり、塩基(例えばKOH)を使用して土壌から抽出することができる。HAはまた、亜炭石炭の高度に酸化された別形態である、レオナルダイトと呼ばれる或るタイプの石炭から抽出することができる。レオナルダイトから抽出されたHAは、グラフェンのような分子中心(六方晶炭素構造物のSP2コア)のエッジの周りに配置された多数の酸素化基(例えばカルボキシル基)を含有する。この材料は、天然黒鉛の強酸酸化によって製造される酸化グラフェン(GO)と少し似ている。HAは、5重量%~42重量%の典型的な酸素含有量を有する(他の主な元素は炭素、水素、および窒素である)。キノン、フェノール、カテコールおよび糖部分などの様々な成分を有するフミン酸の分子構造の例は、以下の図式1に示される(情報源:Stevenson F.J.“Humus Chemistry:Genesis,Composition,Reactions,”John Wiley&Sons,New York 1994)。
Humic acid (HA) is an organic substance commonly found in soil and can be extracted from soil using a base (eg KOH). HA can also be extracted from a type of coal called leonaldite, another highly oxidized form of lignite coal. HA extracted from leonaldite contains a large number of oxygenating groups (eg, carboxyl groups) located around the edges of a molecular center (SP 2 core of hexagonal carbon structure) such as graphene. This material is a bit like graphene oxide (GO) produced by strong acid oxidation of natural graphite. HA has a typical oxygen content of 5% to 42% by weight (other major elements are carbon, hydrogen, and nitrogen). Examples of the molecular structure of humic acid with various components such as quinones, phenols, catechols and sugar moieties are shown in
フミン酸のための非水溶媒には、ポリエチレングリコール、エチレングリコール、プロピレングリコール、アルコール、糖アルコール、ポリグリセロール、グリコールエーテル、アミン系溶媒、アミド系溶媒、アルキレンカーボネート、有機酸、または無機酸が含まれる。 Non-aqueous solvents for fumic acid include polyethylene glycol, ethylene glycol, propylene glycol, alcohols, sugar alcohols, polyglycerols, glycol ethers, amine solvents, amide solvents, alkylene carbonates, organic acids, or inorganic acids. Is done.
本発明は、複数の細孔および細孔壁から構成されるフミン酸由来フォームおよび同フォームを製造するための方法を提供する。シート状フミン酸分子を(1)典型的に100~1,500℃の温度で(エッジからエッジまでおよび/または面から面まで)一緒に化学連結/同化しておよび/または(2)高温(典型的に>2,100℃およびより典型的には>2,500℃)で細孔壁に沿ってより大きな黒鉛結晶またはドメインに組織化する(本明細書において再黒鉛化と称される)間、または後にフォーム中の細孔が形成される。 The present invention provides a humic acid-derived foam composed of a plurality of pores and pore walls and a method for producing the same foam. Sheet-like humic acid molecules are (1) chemically linked / assimilated together (edge-to-edge and / or face-to-face) typically at a temperature of 100 to 1,500 ° C. and / or (2) high temperature (2). Organizes into larger graphite crystals or domains along the pore walls (typically> 2,100 ° C. and more typically> 2,500 ° C.) (referred to herein as regraphitization). During or after the formation of pores in the foam.
また、本発明は、(a)複数のフミン酸分子またはシートが液体媒体中に分散されたフミン酸分散体を調製する工程において、フミン酸が酸化フミン酸、還元フミン酸、フッ素化フミン酸、塩素化フミン酸、臭素化フミン酸、ヨウ化フミン酸、水素化フミン酸、窒素化フミン酸、ドープトフミン酸、化学的に官能化されたフミン酸、またはそれらの組合せから選択され、分散体が、0/1.0~1.0/1.0の発泡剤対フミン酸重量比を有する任意選択の発泡剤を含有する工程と、(b)グラフェン分散体を支持基材(例えばプラスチックフィルム、ゴムシート、金属箔、ガラスシート、紙シート等々)の表面上に分配および堆積してフミン酸の湿潤層を形成する工程と、(c)フミン酸の湿潤層から液体媒体を部分的にまたは完全に除去して、フミン酸の乾燥された層を形成する工程と、(d)フミン酸の乾燥された層を揮発性ガス分子を非炭素元素(例えばO、H、N、B、F、Cl、Br、I等々)から誘導するためにまたは発泡剤を活性化するために十分な所望の加熱速度で80℃~3,200℃の第1の熱処理温度で熱処理してフミン酸由来フォームを製造する工程とを含む製造方法を提供する。好ましくは、分配および堆積手順は、フミン酸分散体を配向誘起応力に供する工程を含む。これらの非炭素元素は、熱誘導分解によって除去されるとき、フォーミング剤または発泡剤として作用する揮発性ガスを生じる。 Further, according to the present invention, (a) in the step of preparing a humic acid dispersion in which a plurality of humic acid molecules or sheets are dispersed in a liquid medium, humic acid is humic acid oxide, reduced humic acid, or fluorinated humic acid. A dispersion can be selected from chlorinated humic acid, brominated humic acid, iodide humic acid, hydride humic acid, nitrogenized humic acid, doped humic acid, chemically functionalized humic acid, or a combination thereof. A step of containing an optional foaming agent having a foaming agent to humic acid weight ratio of 0 / 1.0 to 1.0 / 1.0, and (b) a substrate supporting the graphene dispersion (for example, plastic film, rubber). The steps of distributing and depositing on the surface of a sheet, metal foil, glass sheet, paper sheet, etc.) to form a wet layer of humic acid, and (c) partially or completely remove the liquid medium from the wet layer of humic acid. The step of removing the dried layer of humic acid to form a dried layer of humic acid, and (d) the dried layer of humic acid with volatile gas molecules as non-carbon elements (eg, O, H, N, B, F, Cl, A humic acid-derived foam is produced by heat-treating at a first heat treatment temperature of 80 ° C. to 3,200 ° C. at a desired heating rate sufficient to derive from Br, I, etc.) or to activate the effervescent agent. Provided is a manufacturing method including a process. Preferably, the partitioning and deposition procedure comprises subjecting the humic acid dispersion to an orientation-induced stress. These non-carbon elements produce volatile gases that act as forming agents or foaming agents when removed by heat-induced decomposition.
得られたフミン酸由来フォームは典型的に、0.005~1.7g/cm3(より典型的に0.01~1.5g/cm3、さらにより典型的に0.1~1.0g/cm3、最も典型的に0.2~0.75g/cm3)の密度、または50~3,000m2/g(より典型的に200~2,000m2/g、最も典型的に500~1,500m2/g)の比表面積を有する。 The resulting fumic acid-derived foam is typically 0.005-1.7 g / cm 3 (more typically 0.01-1.5 g / cm 3 and even more typically 0.1-1.0 g). / Cm 3 , most typically 0.2-0.75 g / cm 3 ), or 50-3,000 m 2 / g (more typically 200-2,000 m 2 / g, most typically 500). It has a specific surface area of ~ 1,500 m 2 / g).
発泡剤またはフォーミング剤は、ポリマー(プラスチックおよびゴム)、ガラス、および金属など、固化または相転移を受ける様々な材料中に発泡法によってセルまたは発泡構造体を生じ得る物質である。それらは典型的に、発泡される材料が液体状態であるときに適用される。発泡剤は、固体状態である間に発泡材料を作るために使用できることはこれまで知られていなかった。それ以上に重要なことは、フミン酸の集合体を発泡剤によってグラフェン状フォームに変換することができることはこれまでに教示も示唆もされていない。母材中のセル構造体は典型的に、元のポリマーの厚さおよび相対的な剛性を増加させながら、密度を低減し、耐熱性および防音を高める目的で作られる。 Foaming agents or forming agents are substances that can form cells or foamed structures by foaming methods in a variety of materials that undergo solidification or phase transition, such as polymers (plastics and rubbers), glass, and metals. They are typically applied when the material to be foamed is in a liquid state. It has not been previously known that foaming agents can be used to make foaming materials while in the solid state. More importantly, no teaching or suggestion has been made so far that aggregates of humic acid can be converted into graphene-like foams by foaming agents. Cell structures in the base metal are typically made to reduce density and increase heat resistance and sound insulation while increasing the thickness and relative stiffness of the original polymer.
発泡またはセル状材料を製造するために母材中に細孔またはセル(気泡)を作る発泡剤または関連の発泡機構は、以下の群に分類され得る:
(a)物理的発泡剤:例えば炭化水素(例えばペンタン、イソペンタン、シクロペンタン)、クロロフルオロカーボン(CFC)、ヒドロクロロフルオロカーボン(HCFC)、および液体CO2。気泡/フォーム製造プロセスは吸熱性であり、すなわちそれは、液体発泡剤を気化させるための、(例えば溶融プロセスまたは架橋による化学発熱からの)熱を必要とする。
(b)化学発泡剤:例えばイソシアネート、アゾ-、ヒドラジンおよびその他の窒素系材料(熱可塑性およびエラストマーフォーム用)、重炭酸ナトリウム(熱可塑性フォームにおいて使用される、例えば重曹)。ここでガス生成物およびその他の副生成物が化学反応によって形成され、プロセスによってまたは反応ポリマーの発熱によって促進される。ブローイング反応は、吹込ガスとして作用する低分子量化合物を形成する工程を必要とするので、付加的な発熱も出る。粉末水素化チタンが金属フォームの製造においてフォーミング剤として使用され、それが分解して高温でチタンおよび水素ガスを形成する。水素化ジルコニウム(II)が同じ目的のために使用される。形成されると低分子量化合物は決して元の発泡剤に戻らず、すなわち反応は不可逆的である。
(c)混合物理/化学発泡剤:例えば、非常に低い密度を有する可撓性ポリウレタン(PU)フォームを製造するために使用される。化学的および物理的ブローイングの両方を直列に使用して、放出/吸収される熱エネルギーに対して互いに相殺する;したがって、温度上昇を最小にする。例えば、マットレスのための非常に低密度の可撓性PUフォームの製造においてイソシアネートと水(反応してCO2を形成する)を液体CO2(沸騰して気体形態を生じる)と組み合わせる。
(d)機械的注入される薬剤:機械的に製造されるフォームは、気泡を液体重合性母材(例えば液体ラテックスの形態の未加硫エラストマー)中に導入する方法を必要とする。方法は、空気または他のガスまたは低沸点揮発性液体を低粘度ラチス中で泡立てる工程、または押出機バレルまたはダイ内への、または射出成形バレルまたはノズル内へのガスの注入、およびスクリューの剪断/混合作用によってガスを均一に分散させて溶融体中に非常に微細な気泡またはガスの溶液を形成する工程を含む。溶融体が成形または押し出されて加工品が大気圧にあるとき、ガスが溶液から出て凝固の直前にポリマー溶融体を膨張させる。
(e)可溶性および浸出性剤:可溶性充填剤、例えば、液体ウレタン系に混合される固体塩化ナトリウム結晶であり、次いでそれを固体ポリマー加工品に造形し、塩化ナトリウムは、固体成形品をしばらくの間水中に浸漬することによって後で洗浄除去され、小さな相互接続孔を比較的高密度のポリマー製品中に残す。
(f)上記の5つの機構を全て使用して固体状態である間にHA由来材料中に細孔を作ることができることを我々は見出した。HA材料中に細孔を製造する別の機構は、それらの非炭素元素を高温環境において除去することによって揮発性ガスを発生および気化することによる。これは、これまで決して教示も示唆もされていない独特の自己発泡法である。
Foaming agents or related foaming mechanisms that create pores or cells (air bubbles) in the matrix to produce foamed or cellular materials can be classified into the following groups:
(A) Physical foaming agents: eg hydrocarbons (eg pentane, isopentane, cyclopentane), chlorofluorocarbons (CFCs), hydrochlorofluorocarbons (HCFCs), and liquid CO 2 . The bubble / foam manufacturing process is endothermic, i.e. it requires heat (eg from chemical heat generation due to a melting process or cross-linking) to vaporize the liquid foaming agent.
(B) Chemical foaming agents: eg isocyanates, azo-, hydrazines and other nitrogen-based materials (for thermoplastic and elastomer foams), sodium bicarbonate (used in thermoplastic foams, eg baking soda). Here gas products and other by-products are formed by chemical reactions and are facilitated by the process or by the exotherm of the reactive polymer. Since the blowing reaction requires a step of forming a low molecular weight compound that acts as a blown gas, additional heat generation is also generated. Powdered titanium hydride is used as a forming agent in the production of metal foam, which decomposes to form titanium and hydrogen gas at high temperatures. Zirconium hydride (II) is used for the same purpose. Once formed, the low molecular weight compound never reverts to the original foaming agent, i.e. the reaction is irreversible.
(C) Mixed Physical / Chemical Foaming Agents: Used, for example, to produce flexible polyurethane (PU) foams with very low densities. Both chemical and physical blowing are used in series to offset each other against the heat energy released / absorbed; thus minimizing the temperature rise. For example, in the production of very low density flexible PU foams for mattresses, isocyanates and water (reacting to form CO 2 ) are combined with liquid CO 2 (boiling to produce a gaseous form).
(D) Mechanically Infused Agents: Mechanically produced foams require a method of introducing air bubbles into a liquid polymerizable base material (eg, an unvulcanized elastomer in the form of a liquid latex). Methods include whipping air or other gas or low boiling volatile liquids in a low viscosity lattice, or injecting gas into an extruder barrel or die, or into an injection molded barrel or nozzle, and screw shearing. / Includes the step of uniformly dispersing the gas by mixing action to form a very fine bubble or gas solution in the melt. When the melt is molded or extruded and the work piece is at atmospheric pressure, the gas exits the solution and causes the polymer melt to expand shortly before solidification.
(E) Soluble and leachable agents: Soluble fillers, for example solid sodium chloride crystals mixed in a liquid urethane system, which are then shaped into solid polymer processed products, where sodium chloride is used to form solid molded products for some time. It is later washed and removed by immersion in water, leaving small interconnect holes in the relatively dense polymer product.
(F) We have found that all of the above five mechanisms can be used to create pores in HA-derived materials while in the solid state. Another mechanism for producing pores in HA materials is by generating and vaporizing volatile gases by removing those non-carbon elements in a high temperature environment. This is a unique self-foaming method that has never been taught or suggested.
本発明のフォーム中の細孔壁(セル壁)は、化学結合および同化したグラフェン状六方晶炭素原子面を含有する。これらの平面芳香族分子または六方晶構造炭素原子は物理的におよび化学的に十分に相互接続される。これらの面の横方向寸法(長さまたは幅)は非常に大きく(20nm~>10μm)、出発フミン酸分子の最大長さ/幅よりも典型的に数倍またはさらに数桁大きい。六方晶炭素原子面は本質的に相互接続されて、低い抵抗を有する長い電子伝導経路を形成する。これは、これまで発見されたり、開発されたり、またはおそらく存在することが示唆されていない独自で新規なクラスの材料である。 The pore walls (cell walls) in the foam of the present invention contain chemically bonded and assimilated graphene-like hexagonal carbon atomic planes. These planar aromatic molecules or hexagonal carbon atoms are fully interconnected physically and chemically. The lateral dimensions (length or width) of these surfaces are very large (20 nm to> 10 μm), typically several times or even orders of magnitude larger than the maximum length / width of the starting humic acid molecule. Hexagonal carbon atomic planes are essentially interconnected to form long electron conduction paths with low resistance. This is a unique and novel class of material that has not been previously discovered, developed, or perhaps suggested to exist.
工程(b)において、HA懸濁液を好ましくは剪断応力の影響下で固体基材表面(例えばPETフィルムまたはガラス)上に湿潤層に形成する。このような剪断手順の一例は、コーティング機を使用するHA懸濁液の薄いフィルムの流延またはコーティングである。この手順は、固体基材上にコートされるワニス、ペイント、コーティング、またはインクの層に似ている。十分に高い相対運動速度で、フィルムが造形されるときかまたはローラー/ブレード/ワイパーと支持基材との間に相対運動があるときにローラー、「ドクターブレード」、またはワイパーは剪断応力を生じ得る。極めて予想外にそして重要なことに、このような剪断作用によって、平面HA分子を例えば、剪断方向に沿って十分に整列させることができる。さらに驚くべきことに、HA懸濁液中の液体成分をその後に除去して少なくとも部分的に乾燥される高整列化シート状HA分子の十分に充填された層を形成するときにこのような分子整列状態または好ましい配向は破損されない。乾燥されたHAフィルムは、平面内の方向と平面に垂直な方向との間の高い複屈折係数を有する。 In step (b), the HA suspension is formed into a wet layer on the surface of a solid substrate (eg PET film or glass), preferably under the influence of shear stress. An example of such a shearing procedure is the casting or coating of a thin film of HA suspension using a coating machine. This procedure resembles a layer of varnish, paint, coating, or ink coated on a solid substrate. Rollers, "doctor blades", or wipers can generate shear stress when the film is formed at a sufficiently high relative motion rate or when there is relative motion between the roller / blade / wiper and the supporting substrate. .. Quite unexpectedly and importantly, such shearing action allows planar HA molecules to be well aligned, for example, along the shear direction. Even more surprising, such molecules when the liquid component in the HA suspension is subsequently removed to form a fully packed layer of highly aligned sheet-like HA molecules that are at least partially dried. Alignment or preferred orientation is not broken. The dried HA film has a high birefringence coefficient between the direction in the plane and the direction perpendicular to the plane.
実施形態において、このHA層を次に、発泡剤を活性化する熱処理および/または非炭素元素(例えばF、O等々)をHA分子から除去して副生成物として揮発性ガスを生成する熱的誘起反応に供する。これらの揮発性ガスは、固体HA材料中に細孔または気泡を生成し、シート状HA分子を壁構造体中に押し込み、HAフォームを形成する。発泡剤が添加されない場合、HA材料中の非炭素元素は好ましくは、HA材料の少なくとも10重量%(好ましくは少なくとも20%、さらに好ましくは少なくとも30%)を占める。第1の(初期)熱処理温度は典型的に80℃超、好ましくは100℃超、より好ましくは300℃超、さらにより好ましくは500℃超であり、1,500℃もの高い温度であり得る。発泡剤は典型的に、80℃~300℃の温度で活性化されるが、より高くなり得る。フォーミング手順(細孔、セル、または気泡の形成)は典型的に、80~1,500℃の温度範囲内で完了される。非常に驚くべきことに、エッジからエッジまでおよび面から面までの方法(図2)での六方晶炭素原子面間の化学連結または同化は、比較的低い熱処理温度(例えば150~300℃しかない)で起こり得る。 In embodiments, the HA layer is then thermally treated to activate the foaming agent and / or remove non-carbon elements (eg F, O, etc.) from the HA molecule to produce a volatile gas as a by-product. It is used for the induced reaction. These volatile gases create pores or bubbles in the solid HA material and push sheet-like HA molecules into the wall structure to form HA foam. When no foaming agent is added, the non-carbon elements in the HA material preferably make up at least 10% by weight (preferably at least 20%, more preferably at least 30%) of the HA material. The first (initial) heat treatment temperature is typically> 80 ° C, preferably> 100 ° C, more preferably> 300 ° C, even more preferably> 500 ° C, and can be as high as 1,500 ° C. The foaming agent is typically activated at a temperature of 80 ° C to 300 ° C, but can be higher. The forming procedure (formation of pores, cells, or bubbles) is typically completed within the temperature range of 80-1,500 ° C. Very surprisingly, chemical ligation or assimilation between hexagonal carbon atom planes in edge-to-edge and plane-to-plane methods (FIG. 2) is only at relatively low heat treatment temperatures (eg 150-300 ° C.). ) Can occur.
HA由来フォームは、第1の熱処理温度よりも著しく高い少なくとも第2の温度を必要とするさらなる熱処理に供されてもよい。 The HA-derived foam may be subjected to further heat treatment requiring at least a second temperature significantly higher than the first heat treatment temperature.
適切にプログラムされた熱処理手順は、単に単一熱処理温度(例えば第1の熱処理温度だけ)、少なくとも2つの熱処理温度(一定時間の間第1の温度、そして次に第2の温度に上げ、さらに別の一定時間の間この第2の温度に維持する)、または初期処理温度(第1の温度)と、第1の温度よりも高い、最終HTT(第2の温度)とを含む熱処理温度(HTT)の任意の他の組合せを含むことができる。乾燥されたHA層が受ける最も高いまたは最終HTTは、4つの異なったHTTレジームに分けられてもよい: A well-programmed heat treatment procedure is simply a single heat treatment temperature (eg, only the first heat treatment temperature), at least two heat treatment temperatures (a first temperature for a period of time, then a second temperature, and then an additional temperature. A heat treatment temperature (maintaining at this second temperature for another period of time), or a heat treatment temperature including an initial treatment temperature (first temperature) and a final HTT (second temperature) higher than the first temperature. Any other combination of HTT) can be included. The highest or final HTT received by the dried HA layer may be divided into four different HTT regimes:
レジーム1(80℃~300℃):この温度範囲において(化学連結および熱還元レジームと、また、存在する場合、発泡剤のための活性化レジーム)、図2の上部分に図解的に示されるように、HA層は第一に、隣接するHA分子の熱誘導化学連結を受ける。これはまた、OおよびHなどの或る非炭素原子の除去を必要とし、典型的に(HA中のOの)20~42%から約10~25%への酸素含有量の低減をもたらす。この処理は、フォーム壁内の面間間隔の、約0.6~1.2nm(乾燥されたとき)から約0.4~0.6nmへの低減、および単位比重当たり100W/mKまでの熱伝導率の増加および/または単位比重当たり2,000S/cmまでの電気導電率の増加をもたらす。(グラフェンフォーム材料の多孔度のレベル、したがって、比重を変えることができ、同じグラフェン材料が与えられれば、熱伝導率および電気導電率の両方の値が比重と共に変化するので、これらの特性値を比重によって分けて公正な比較を助けなければならない。)このような低温範囲を使用しても、HA分子間の若干の化学連結が起こる。面間間隔は比較的大きいままである(0.4nm以上)。多くのO含有官能基は残る(例えば、-OHおよび-COOH)。 Regime 1 (80 ° C to 300 ° C): Illustrated in the upper part of FIG. 2 in this temperature range (chemical linkage and heat reduction regime and, if present, activation regime for foaming agents). As such, the HA layer first undergoes heat-induced chemical linkage of adjacent HA molecules. This also requires the removal of certain non-carbon atoms such as O and H, typically resulting in a reduction in oxygen content from 20-42% (of O in HA) to about 10-25%. This process reduces the interplanetary spacing within the foam wall from about 0.6-1.2 nm (when dried) to about 0.4-0.6 nm, and heats up to 100 W / mK per unit weight. It results in an increase in conductivity and / or an increase in electrical conductivity up to 2,000 S / cm per unit weight. (The level of porosity of the graphene foam material, and therefore the density, can be varied, and given the same graphene material, both thermal and electrical conductivity values change with the density, so these characteristic values It must be separated by specific gravity to aid in fair comparison.) Even with such a low temperature range, some chemical ligation between HA molecules occurs. The interplane spacing remains relatively large (0.4 nm and above). Many O-containing functional groups remain (eg, -OH and -COOH).
レジーム2(300℃~1,500℃):この化学連結および同化レジームにおいて、図2の下部分に示されるように、隣接したHA分子または連結HA分子間の広範な化合、重合、および架橋が生じて初期グラフェン状六方晶炭素原子面を形成する。(例えば化学連結および同化後に)酸素含有量が典型的に2%~10%に低減され、面間間隔を約0.345nmに低減するという結果をもたらす。黒鉛化を開始するために2,500℃もの温度を典型的に必要とする従来の黒鉛化可能な材料(炭化ポリイミドフィルムなど)と著しい対照をなして、若干の初期黒鉛化がこのような低温においてすでに始まっていることをこれは意味する。これは、本発明のグラフェンフォームおよびその製造プロセスの別の異なった特徴である。これらの化学連結反応は、単位比重当たり250W/mKまで熱伝導率の増加、および/または単位比重当たり2,500~4,000S/cmまで電気導電率の増加をもたらす。 Regime 2 (300 ° C to 1,500 ° C): In this chemical linkage and assimilation regime, extensive compounding, polymerization, and cross-linking between adjacent HA molecules or linked HA molecules, as shown in the lower part of FIG. It arises to form an early graphene-like hexagonal carbon atom plane. Oxygen content is typically reduced to 2% to 10% (eg after chemical ligation and assimilation), resulting in a reduction in interplanetary spacing to about 0.345 nm. Some initial graphitization is such a low temperature, in sharp contrast to conventional graphitizable materials (such as polyimide carbide films) that typically require temperatures as high as 2,500 ° C to initiate graphitization. This means that it has already begun in. This is another distinct feature of the graphene foam of the present invention and its manufacturing process. These chemical linkage reactions result in an increase in thermal conductivity up to 250 W / mK per unit specific density and / or an increase in electrical conductivity up to 2,500 to 4,000 S / cm per unit specific gravity.
レジーム3(1,500~2,500℃):この秩序化および黒鉛化のレジームにおいて、広範な黒鉛化またはグラフェン状面の同化が起こる、フォーム壁内の著しく改良された程度の構造秩序化をもたらす。結果として、酸素含有量は典型的に0.1~2%に低減され、グラフェン間の間隔は約0.337nmに低減される(実際のHTTおよび時間に応じて1%~約80%の黒鉛化度を達成する)。また、改良された秩序化度は、単位比重当たり>350W/mKまで熱伝導率の増加、および/または単位比重当たり>3,500S/cmまで電気導電率の増加によって反映される。 Regime 3 (1,500-2,500 ° C.): In this ordering and graphitization regime, a significantly improved degree of structural ordering within the foam wall where extensive graphitization or graphene-like surface assimilation occurs. Bring. As a result, the oxygen content is typically reduced to 0.1-2% and the spacing between graphenes is reduced to about 0.337 nm (1% to about 80% graphite depending on the actual HTT and time). Achieve the degree of conversion). Also, the improved degree of order is reflected by an increase in thermal conductivity up to> 350 W / mK per unit density and / or an increase in electrical conductivity up to> 3,500 S / cm per unit density.
レジーム4(2,500℃よりも高い):この再結晶化および完全レジームにおいて、粒界およびその他の欠陥の広範な移動および除去が行われ、HA分子の元の粒径よりも数桁大きい場合がある、非常に大きい結晶粒を有するほぼ完全な単結晶または多結晶グラフェン状結晶をフォーム壁内に形成するという結果をもたらす。酸素含有量は本質的に除去され、典型的に0%~0.01%である。面間間隔は約0.3354nmまで低減され(80%~ほぼ100%の黒鉛化度)、それは完全な黒鉛単結晶の黒鉛化度に相当する。このように得られた発泡構造体は、単位比重当たり>400W/mKの熱伝導率、および単位比重当たり>4,000S/cmの電気導電率を示す。 Regime 4 (higher than 2,500 ° C): Extensive migration and removal of grain boundaries and other defects in this recrystallization and complete regime, several orders of magnitude larger than the original grain size of the HA molecule. The result is the formation of near-complete single or polycrystalline graphene-like crystals with very large grains within the foam walls. The oxygen content is essentially eliminated, typically 0% to 0.01%. The interplanetary spacing is reduced to about 0.3354 nm (80% to almost 100% graphitization), which corresponds to the complete graphitization of a graphite single crystal. The foamed structure thus obtained exhibits a thermal conductivity of> 400 W / mK per unit specific gravity and an electric conductivity of> 4,000 S / cm per unit specific gravity.
本発明のHA由来フォーム構造体は、少なくとも第1のレジーム(温度が500℃を決して超えない場合この温度範囲において1~4時間を典型的に必要とする)にわたる、より一般的には最初の2つのレジーム(1~2時間が好ましい)、さらにより一般的には最初の3つのレジーム(レジーム3において好ましくは0.5~2.0時間)にわたる、そして全ての4つのレジーム(0.2~1時間のレジーム4を含めて、最も高い導電率を達成するために実施されてもよい)にわたり得る温度プログラムを使用して、乾燥されたHAを熱処理することにより得ることができる。 The HA-derived foam structures of the present invention are more generally the first, spanning at least the first regime, which typically requires 1 to 4 hours in this temperature range if the temperature never exceeds 500 ° C. Over two regimes (preferably 1-2 hours), and more generally the first three regimes (preferably 0.5-2.0 hours in regime 3), and all four regimes (0.2). It can be obtained by heat-treating the dried HA using a temperature program that can be carried out over (may be carried out to achieve the highest conductivity), including regime 4 for ~ 1 hour.
X線回折パターンは、CuKcv放射線を備えたX線回折計を使用して得られた。回折ピークのシフトおよび広幅化は、ケイ素粉末標準を使用して較正された。黒鉛化度、gは、メーリング(Mering)の式d002=0.3354g+0.344(1-g)(式中、d002は、nm単位の黒鉛またはグラフェンタイプの結晶の中間層間隔である)を使用して、X線パターンから計算された。この式は、d002が約0.3440nm以下であるときにだけ有効である。0.3440nmよりも高いd002を有するグラフェンフォーム壁は、スペーサーとして作用して面間間隔を増加させる酸素含有官能基(例えば、グラフェン状分子平面の表面またはエッジ上の-OH、>O、および-COOHなど)の存在を反映する。 The X-ray diffraction pattern was obtained using an X-ray diffractometer equipped with CuKcv radiation. Diffraction peak shifts and widening were calibrated using a silicon powder standard. Graphitization degree, g is the formula d 002 = 0.3354 g + 0.344 (1-g) of mailing (in the formula, d 002 is the interval between intermediate layers of graphite or graphene type crystals in nm units). Was calculated from the X-ray pattern using. This equation is valid only when d 002 is about 0.3440 nm or less. Graphene foam walls with d 002 above 0.3440 nm act as spacers to increase the interplanetary spacing of oxygen-containing functional groups (eg, -OH,> O, and on the surface or edges of the graphene-like molecular plane). -Reflects the presence of (COOH, etc.).
HA由来グラフェン状および従来の黒鉛結晶のフォーム壁内の積層および接着六方晶炭素原子面の秩序化度を特性決定するために使用できる別の構造指数は、(002)または(004)反射のロッキング曲線(X線回折強度)の半値全幅によって表わされる、「モザイクスプレッド」である。この秩序化度は、黒鉛またはグラフェン結晶サイズ(または結晶粒径)、粒界およびその他の欠陥の量、および好ましい結晶粒配向度を特性決定する。黒鉛のほぼ完全な単結晶は、0.2~0.4のモザイクスプレッド値を有することを特性とする。我々のグラフェン壁の大部分は、0.2~0.4のこの範囲のモザイクスプレッド値を有する(2,500℃以上の熱処理温度(HTT)を使用して製造される場合)。しかしながら、HTTが1,500~2,500℃の間である場合いくつかの値は0.4~0.7の範囲であり、HTTが300~1,500℃の間である場合0.7~1.0の範囲である。 Another structural index that can be used to characterize the degree of ordering of the laminated and bonded hexagonal carbon atom planes of HA-derived graphene-like and conventional graphite crystals in the foam wall is the locking of the (002) or (004) reflections. It is a "mosaic spread" represented by the half-value full width of a curve (X-ray diffraction intensity). This degree of order characterizes the graphite or graphene crystal size (or grain size), the amount of grain boundaries and other defects, and the preferred degree of grain orientation. A nearly perfect single crystal of graphite is characterized by having a mosaic spread value of 0.2-0.4. Most of our graphene walls have a mosaic spread value in this range of 0.2-0.4 (if manufactured using a heat treatment temperature (HTT) of 2,500 ° C or higher). However, some values range from 0.4 to 0.7 when the HTT is between 1,500 and 2,500 ° C, and 0.7 when the HTT is between 300 and 1,500 ° C. It is in the range of ~ 1.0.
図2において説明されるのは、妥当な化学連結および同化機構であり、そこで2つだけの整列されたHA分子セグメントが例として示されるが、多数のHA分子が一緒に化学的に連結されることができ、複数の「連結HA分子)が化学的同化されてフォーム壁を形成することができる。さらに、HA分子またはシートについて化学連結はまた、エッジからエッジまでだけでなく、面から面まで生じ得る。分子が化学的に同化され、連結され、単一実体に統合されるようにこれらの連結および同化反応が進む。得られた生成物は、単独HAシートの単純な集合体ではなく、本質的に無数の分子量を有する相互接続巨大分子の本質的に網目構造である単一実体である。全ての構成六方晶炭素面は横方向寸法(長さおよび幅)において非常に大きく、HTTが十分に高い場合(例えば>1,500℃またはもっと高い)、これらの面は互いに一緒に本質的に接着される。 Explained in FIG. 2 is a reasonable chemical linkage and assimilation mechanism, in which only two aligned HA molecule segments are shown as an example, but many HA molecules are chemically linked together. Multiple "linkage HA molecules" can be chemically assimilated to form a foam wall. In addition, for HA molecules or sheets, chemical linkages can also be made edge-to-edge as well as face-to-face. It can occur. These ligation and assimilation reactions proceed so that the molecules are chemically assimilated, linked and integrated into a single entity. The resulting product is not a simple assembly of single HA sheets. It is a single entity that is essentially a network structure of interconnected macromolecules with essentially innumerable molecular weights. All constituent hexagonal carbon planes are very large in lateral dimensions (length and width) and have an HTT. If high enough (eg> 1,500 ° C or higher), these surfaces are essentially bonded together.
SEM、TEM、制限視野回折、X線回折、AFM、ラマン分光学、およびFTIRの組合せを使用する綿密な研究は、HA由来フォーム壁はいくつかの非常に大きい六方晶炭素原子面(典型的に>>20nm、より典型的には>>100nm、しばしば>>1μm、そして、多くの場合、>>10μm、またはさらに>>100μmの長さ/幅を有する)から構成されることを示す。最終熱処理温度が2,500℃よりも低い場合、これらの巨大グラフェン状面は、しばしばファンデルワールス力(従来の黒鉛微結晶におけるように)だけでなく、共有結合によっても厚さ方向(c軸結晶方向)に沿って積層および接合される。これらの場合、理論によって限定されることを望まないが、ラマンおよびFTIR分光法研究は、黒鉛中における従来のsp2だけでなくsp2(支配的)およびsp3(弱いが存在している)電子配置の共存を示すと思われる。 In-depth studies using combinations of SEM, TEM, selected area diffraction, X-ray diffraction, AFM, Raman spectroscopy, and FTIR have shown that HA-derived foam walls have several very large hexagonal carbon atomic planes (typically). It is shown to be composed of >> 20 nm, more typically >> 100 nm, often >> 1 μm, and often >> 10 μm, or even >> 100 μm in length / width). When the final heat treatment temperature is lower than 2,500 ° C, these giant graphene-like surfaces are often in the thickness direction (c-axis) not only by van der Waals forces (as in conventional graphite crystallites) but also by covalent bonds. It is laminated and bonded along the crystal direction). In these cases, although not limited by theory, Raman and FTIR spectroscopy studies have shown that sp 2 (dominant) and sp 3 (weak but present) as well as conventional sp 2 in graphite. It seems to indicate the coexistence of electron configurations.
(1)このHA由来フォーム壁は、樹脂結合剤、リンカー、または接着剤を使用して離散フレーク/プレートリットを接着または接合することによって製造されない。代わりに、外部から添加されるリンカーまたは結合剤分子またはポリマーを全く使用せずにHA分子を、互いの共有結合の接合または形成によって同化して、統合されたグラフェン状結晶実体にする。 (1) This HA-derived foam wall is not manufactured by adhering or adhering discrete flakes / plate lits using resin binders, linkers, or adhesives. Instead, HA molecules are assimilated by bonding or forming covalent bonds with each other into integrated graphene-like crystalline entities without the use of any externally added linker or binder molecules or polymers.
(2)このフォーム壁は典型的に、不完全な粒界を有する大きな結晶粒から構成される多結晶である。この実体は複数のHA分子から得られ、これらの芳香族HA分子はそれらの元の本性を失っている。液体成分を懸濁液から除去するときに、得られたHA分子は、本質的非晶質構造体を形成する。熱処理時に、これらのHA分子は、フォーム壁を構成する単体またはモノリシック黒鉛実体に化学的に同化および連結される。このフォーム壁は、高度に秩序化されている。 (2) This foam wall is typically a polycrystal composed of large crystal grains with incomplete grain boundaries. This entity is obtained from multiple HA molecules, and these aromatic HA molecules have lost their original nature. When the liquid component is removed from the suspension, the resulting HA molecules form an essentially amorphous structure. During heat treatment, these HA molecules are chemically assimilated and linked to the simple substances or monolithic graphite entities that make up the foam wall. This foam wall is highly ordered.
(3)これらの独特の化学組成(酸素または非炭素含有量を含む)のために、モルホロジー、結晶構造(面間間隔を含む)、および構造特徴(例えば高い配向度、わずかな欠陥、不完全な粒界、化学結合およびグラフェンシート間の間隙がないこと、ならびに六方晶炭素面の割り込みがほとんどないこと)、HA由来フォームは、著しい熱伝導率、電気導電率、機械的強度、および剛性(弾性率)の独特の組合せを有する。 (3) Due to these unique chemical compositions (including oxygen or non-carbon content), morphology, crystal structure (including interplane spacing), and structural features (eg, high orientation, slight defects, imperfections). No grain boundaries, no gaps between chemical bonds and graphene sheets, and few interruptions in the hexagonal carbon plane), HA-derived foams have significant thermal conductivity, electrical conductivity, mechanical strength, and rigidity ( It has a unique combination of (elasticity).
非炭素元素含有量(HおよびO)が2~20重量%である場合フミン酸由来フォームの細孔壁に特定の所望の親水性度を与えることができることをさらに指摘しておいてもよいだろう。これらの特徴は、油を油-水混合物から選択的に吸収することによって油を水から分離することを可能にする。換言すれば、このようなHA由来フォーム材料は、油を水から回収することができ、油が流出した川、湖、または海を清浄化するのに役立つ。油の吸収度は典型的に、フォーム自体の重量の50%~500%である。これは、環境保護目的のために素晴らしく有用な材料である。 It may be further pointed out that when the non-carbon element content (H and O) is 2-20% by weight, the pore walls of the humic acid-derived foam can be given a particular desired degree of hydrophilicity. Let's go. These features allow the oil to be separated from the water by selectively absorbing the oil from the oil-water mixture. In other words, such HA-derived foam materials can recover oil from water and help cleanse rivers, lakes, or seas where oil has spilled. Oil absorption is typically 50% to 500% of the weight of the foam itself. This is a wonderfully useful material for environmental protection purposes.
高い電気導電率または熱伝導率が望ましい場合、HA-炭素フォームを2,500℃より高い温度で黒鉛化処理に供することができる。得られた材料は、熱管理用途のために(例えば、フィン付きヒートシンク、熱交換器、またはヒートスプレダーを製造するために使用するために)特に有用である。 If high electrical or thermal conductivity is desired, the HA-carbon foam can be subjected to graphitization at temperatures above 2,500 ° C. The resulting material is particularly useful for thermal management applications (eg, for use in making finned heat sinks, heat exchangers, or heat spreaders).
HA-炭素フォームは、黒鉛化処理の間および/または後に圧縮に供せられてもよいことを指摘しておいてもよいだろう。この作業は、グラフェンシートの配向および多孔度を調節することを可能にする。 It may be pointed out that the HA-carbon foam may be subjected to compression during and / or after the graphitization process. This work makes it possible to adjust the orientation and porosity of the graphene sheet.
製造された黒鉛材料の構造を特性決定するために、X線回折パターンは、CuKcv放射線を備えたX線回折計を使用して得られた。回折ピークのシフトおよび広幅化は、ケイ素粉末標準を使用して較正された。黒鉛化度、gは、メーリング(Mering)の式d002=0.3354g+0.344(1-g)(式中、d002は、nm単位の黒鉛またはグラフェン結晶の中間層間隔である)を使用して、X線パターンから計算された。この式は、d002が約0.3440nm以下であるときにだけ有効である。本研究において、0.3440nmよりも高いd002を有するグラフェン状(HAまたはRHA)フォーム壁は、スペーサーとして作用してグラフェン間の間隔を増加させる酸素含有官能基(例えば、グラフェン分子平面の表面またはエッジ上の-OH、>O、および-COOHなど)の存在を反映する。 To characterize the structure of the graphite material produced, the X-ray diffraction pattern was obtained using an X-ray diffractometer equipped with CuKcv radiation. Diffraction peak shifts and widening were calibrated using a silicon powder standard. Graphitization degree, g uses the formula d 002 = 0.3354 g + 0.344 (1-g) of mailing (in the formula, d 002 is the intermediate layer spacing of graphite or graphene crystals in nm units). Then, it was calculated from the X-ray pattern. This equation is valid only when d 002 is about 0.3440 nm or less. In this study, graphene-like (HA or RHA) foam walls with d 002 above 0.3440 nm act as spacers to increase the spacing between graphenes (eg, the surface of the graphene molecular plane or Reflects the presence of -OH,> O, and -COOH, etc. on the edge.
グラフェンおよび従来の黒鉛結晶のフォーム壁内の積層および接着RHA面の秩序化度を特性決定するために使用できる別の構造指数は、(002)または(004)反射のロッキング曲線(X線回折強度)の半値全幅によって表わされる、「モザイクスプレッド」である。この秩序化度は、黒鉛またはグラフェン結晶サイズ(または結晶粒径)、粒界およびその他の欠陥の量、および好ましい結晶粒配向度を特性決定する。黒鉛のほぼ完全な単結晶は、0.2~0.4のモザイクスプレッド値を有することを特性とする。我々のRHA壁の大部分は、0.2~0.4のこの範囲のモザイクスプレッド値を有する(2,500℃以上の熱処理温度(HTT)を使用して製造される場合)。しかしながら、HTTが1,500~2,500℃の間である場合いくつかの値は0.4~0.7の範囲であり、HTTが300~1,500℃の間である場合0.7~1.0の範囲である。 Another structural index that can be used to characterize the degree of ordering of the laminated and bonded RHA surfaces in the foam wall of graphene and conventional graphite crystals is the locking curve of the (002) or (004) reflection (X-ray diffraction intensity). ) Is a "mosaic spread" represented by the full width at half maximum. This degree of order characterizes the graphite or graphene crystal size (or grain size), the amount of grain boundaries and other defects, and the preferred degree of grain orientation. A nearly perfect single crystal of graphite is characterized by having a mosaic spread value of 0.2-0.4. Most of our RHA walls have a mosaic spread value in this range of 0.2-0.4 (if manufactured using a heat treatment temperature (HTT) of 2,500 ° C or higher). However, some values range from 0.4 to 0.7 when the HTT is between 1,500 and 2,500 ° C, and 0.7 when the HTT is between 300 and 1,500 ° C. It is in the range of ~ 1.0.
SEM、TEM、制限視野回折、X線回折、AFM、ラマン分光学、およびFTIRの組合せを使用する綿密な研究は、フミン酸-炭素フォーム壁はいくつかの大きいグラフェン面(典型的に>>20nm、より典型的には>>100nm、しばしば>>1μm、そして、多くの場合、>>10μmの長さ/幅を有する)から構成されることを示す。元のフミン酸シートまたは分子の横方向寸法(長さおよび幅)は、熱処理される前、典型的に<20nmおよびより典型的に<10nmであるので、これは全く予想外である。これは、複数のHAシートまたは分子が互いに共有結合によってエッジからエッジまで同化されて、より大きい(より長いまたはより幅が広い)シートに形成することができることを意味する。 In-depth studies using a combination of SEM, TEM, selected area diffraction, X-ray diffraction, AFM, Raman spectroscopy, and FTIR have shown that the fumic acid-carbon foam wall has several large graphene surfaces (typically >> 20 nm). , More typically >> 100 nm, often >> 1 μm, and often >> 10 μm in length / width). This is quite unexpected as the lateral dimensions (length and width) of the original humic acid sheet or molecule are typically <20 nm and more typically <10 nm before heat treatment. This means that multiple HA sheets or molecules can be covalently assimilated to each other from edge to edge to form larger (longer or wider) sheets.
最終熱処理温度が2,500℃よりも低い場合、これらの大きいグラフェン状面はまた、しばしばファンデルワールス力(従来の黒鉛微結晶におけるように)だけでなく、共有結合によっても厚さ方向(c軸結晶方向)に沿って積層および接合され得る。これらの場合、理論によって限定されることを望まないが、ラマンおよびFTIR分光法研究は、黒鉛中における従来のsp2だけでなくsp2(支配的)およびsp3(弱いが存在している)電子配置の共存を示すと思われる。 When the final heat treatment temperature is below 2,500 ° C, these large graphene-like surfaces are also often in the thickness direction (c) by covalent bonds as well as by van der Waals forces (as in conventional graphite crystallites). Can be laminated and bonded along the axial crystallographic direction). In these cases, although not limited by theory, Raman and FTIR spectroscopy studies have shown that sp 2 (dominant) and sp 3 (weak but present) as well as conventional sp 2 in graphite. It seems to indicate the coexistence of electron configurations.
一体HA由来フォームは複数の細孔および細孔壁から構成され、そこで細孔壁は、一緒に化学的に接合された単一層または数層HAシートを含有し、そこで数層HAシートは、X線回折によって測定されるとき0.3354nm~0.36nmの面間間隔d002を有する積層されたグラフェン状同化HA面の2~10層を有し、単一層または数層グラフェン状HAシートは、非炭素元素0.01重量%~25重量%(より典型的に<15%)を含有する。 The one-piece HA-derived foam is composed of multiple pores and pore walls, where the pore walls contain a single-layer or multi-layer HA sheet that is chemically bonded together, where the multi-layer HA sheet is X. A single-layer or multi-layer graphene-like HA sheet has 2 to 10 layers of laminated graphene-like assimilated HA surfaces with an interplanetary spacing d 002 of 0.3354 nm to 0.36 nm as measured by linear diffraction. It contains 0.01% to 25% by weight of non-carbon elements (more typically <15%).
一体HA由来フォームは典型的に、0.001~1.7g/cm3の密度、50~3,000m2/gの比表面積、単位比重当たり少なくとも200W/mKの熱伝導率、および/または単位比重当たり2,000S/cm以上の電気導電率を有する。好ましい実施形態において、細孔壁は、X線回折によって測定されるとき0.3354nm~0.40nmの面間間隔d002を有する積層グラフェン状RHA面を含有する。 The one-piece HA-derived foam typically has a density of 0.001 to 1.7 g / cm 3 , a specific surface area of 50 to 3,000 m 2 / g, a thermal conductivity of at least 200 W / mK per unit specific weight, and / or a unit. It has an electric conductivity of 2,000 S / cm or more per specific surface area. In a preferred embodiment, the pore wall contains a laminated graphene-like RHA surface with an interplane spacing d 002 of 0.3354 nm to 0.40 nm as measured by X-ray diffraction.
HAシートの多くは、互いに共有結合によってエッジからエッジまで同化されて、統合された還元HA(RHA)実体を形成することができる。これらの独特の化学組成(酸素または水素含有量などを含む)、モルホロジー、結晶構造(面間間隔を含む)、および構造特徴(例えば配向度、わずかな欠陥、化学結合およびグラフェン状シート間の間隙がないこと、ならびに六方晶面方向に沿う割り込みがほとんどないこと)のために、HA由来フォームは、著しい熱伝導率、電気導電率、機械的強度、および剛性(弾性率)の独特の組合せを有する。 Many of the HA sheets can be covalently assimilated with each other from edge to edge to form an integrated reduced HA (RHA) entity. These unique chemical compositions (including oxygen or hydrogen content, etc.), morphology, crystal structure (including interplane spacing), and structural features (eg, orientation, slight defects, chemical bonds and gaps between graphene-like sheets). Due to the lack of, and few interruptions along the hexagonal plane direction), HA-derived foams have a unique combination of significant thermal conductivity, electrical conductivity, mechanical strength, and rigidity (elasticity). Have.
熱管理用途
前述の特徴および特性は、一体HA由来フォームを広範囲の工学用途および医用用途のための理想的な要素にする。例えば、熱管理目的だけのために、フォームを以下の用途において使用することができる:
a)HA由来フォームは、圧縮可能であり高い熱伝導率を有するので、熱源とヒートスプレダーとの間または熱源とヒートシンクとの間に導入され得る熱インターフェース材料(TIM)として使用するために理想的に適している。
b)HA由来フォームは、その高い熱伝導率のためにそのままでヒートスプレダーとして使用することができる。
c)HA由来フォームは、この高い熱拡散能力(高い熱伝導率)および高い放熱能力(塊状空気対流ミクロチャネルまたはナノチャネルを誘導する多数の表面細孔)のためにヒートシンクまたは放熱材料として使用することができる。
d)軽量(0.001~1.8g/cm3の間で調節可能な低密度)、単位比重当たりまたは単位物理的密度当たり高い熱伝導率、および高い構造統合性(HAシートが一緒に同化されて長い電子伝導路を形成する)は、このHA由来フォームを耐久性熱交換器のための理想的な材料にする。
Thermal management applications The aforementioned features and properties make the integrated HA-derived foam an ideal element for a wide range of engineering and medical applications. For example, the foam can be used in the following applications for thermal management purposes only:
a) HA-derived foam is compressible and has high thermal conductivity, making it ideal for use as a thermal interface material (TIM) that can be introduced between a heat source and a heat spreader or between a heat source and a heat sink. Suitable for
b) The HA-derived foam can be used as it is as a heat spreader due to its high thermal conductivity.
c) HA-derived foam is used as a heat sink or heat dissipation material due to its high heat diffusion capacity (high thermal conductivity) and high heat dissipation capacity (many surface pores that induce massive air convection microchannels or nanochannels). be able to.
d) Light weight (low density adjustable between 0.001 to 1.8 g / cm 3 ), high thermal conductivity per unit specific weight or unit physical density, and high structural integrity (HA sheet assimilated together) (To form a long electron conduction path) makes this HA-derived foam an ideal material for durable heat exchangers.
HA由来フォームのフォームをベースとした熱管理または放熱デバイスには、熱交換器、ヒートシンク(例えばフィン付きヒートシンク)、ヒートパイプ、高伝導性インサート、(ヒートシンクと熱源との間の)薄いまたは厚い伝導性プレート、熱インターフェース媒体(または熱インターフェース材料、TIM)、熱電またはペルチェ冷却プレート等が含まれる。 Foam-based heat management or heat dissipation devices for HA-derived foam include heat exchangers, heat sinks (eg, heat sinks with fins), heat pipes, high conductive inserts, and thin or thick conduction (between the heat sink and the heat source). Includes sex plates, thermal interface media (or thermal interface materials, TIM), thermoelectric or Pelche cooling plates, and the like.
熱交換器は、1つまたは複数の流体、例えば、異なったチャネルに別々に流れるガスと液体との間で熱を移動させるために使用されるデバイスである。流体は典型的に固体壁によって隔てられ、混合を防ぐ。本発明のHA由来フォーム材料は、フォームが流体の混合を可能にする完全連続気泡フォームではないならばこのような壁のための理想的な材料である。本発明の方法は、連続気泡構造物および独立気泡フォーム構造物の両方の製造を可能にする。細孔の高表面積は、2つのまたは複数の流体の間の熱の劇的にいっそう速い交換を可能にする。 A heat exchanger is a device used to transfer heat between one or more fluids, eg, a gas and a liquid that flow separately in different channels. The fluid is typically separated by a solid wall to prevent mixing. The HA-derived foam material of the present invention is an ideal material for such walls if the foam is not a fully open cell foam that allows fluid mixing. The method of the present invention allows the production of both open cell and closed cell foam structures. The high surface area of the pores allows for dramatically faster exchange of heat between two or more fluids.
熱交換器は、冷蔵システム、空調装置、ヒーター、発電所、化学プラント、石油化学プラント、石油精製所、天然ガス処理、および下水処理において広範囲に使用される。熱交換器の公知の例は、冷却剤を冷却すると共に流入空気を加熱する、ラジエータコイルを空気が流れ過ぎる間に循環エンジン冷却剤がコイルを通って流れる内燃機関に見出される。(例えばラジエータコイルを構成する)固体壁は通常、CuおよびAlなどの高熱伝導性材料から製造される。より高い熱伝導率またはより高い比表面積のどちらかを有する本発明のHA由来フォームは、例えばCuおよびAlに代わるすぐれた選択肢である。 Heat exchangers are widely used in refrigeration systems, air conditioners, heaters, power plants, chemical plants, petrochemical plants, petroleum refineries, natural gas processing, and sewage treatment. Known examples of heat exchangers are found in internal combustion engines where circulating engine coolant flows through the coil while the air flows too far through the radiator coil, which cools the coolant and heats the inflow air. Solid walls (eg, making up a radiator coil) are usually made from high thermal conductivity materials such as Cu and Al. The HA-derived foams of the present invention, which have either higher thermal conductivity or higher specific surface area, are excellent alternatives to, for example, Cu and Al.
市販の多くのタイプの熱交換器がある:管形熱交換器、プレート熱交換器、プレート&シェル熱交換器、断熱ホイール熱交換器、プレートフィン熱交換器、ピロープレート熱交換器、流体熱交換器、廃熱回収装置、動的かき取り表面熱交換器、相変化熱交換器、直接接触熱交換器、およびミクロチャネル熱交換器。これらのタイプの熱交換器のいずれも、本発明のフォーム材料の並外れた高い熱伝導率および比表面積を利用することができる。 There are many types of heat exchangers on the market: tube heat exchangers, plate heat exchangers, plate & shell heat exchangers, adiabatic wheel heat exchangers, plate fin heat exchangers, pillow plate heat exchangers, fluid heat. Exchangers, waste heat recovery equipment, dynamic scraping surface heat exchangers, phase change heat exchangers, direct contact heat exchangers, and microchannel heat exchangers. All of these types of heat exchangers can take advantage of the exceptionally high thermal conductivity and specific surface area of the foam materials of the present invention.
また、本発明の固体HA由来フォームは、ヒートシンクにおいて使用することができる。ヒートシンクは、放熱目的のために電子デバイスにおいて広範囲に使用される。ポータブルミクロ電子デバイス(ノートブックコンピュータ、タブレット、およびスマートフォンなど)の中央処理装置(CPU)およびバッテリーは、公知の熱源である。典型的に、金属または黒鉛物体(例えばCu箔または黒鉛箔)は、高温表面と接触させられ、この物体は熱を(主に伝導および対流によっておよび程度は低くなるが放射によって)外表面または外気に拡散させるのに役立つ。多くの場合、薄い熱インターフェース材料(TIM)は、熱源の高温表面とヒートシンクのヒートスプレダーまたは熱拡散表面との間に介在する。(また、本発明のHA由来フォームはTIMとして使用することができる)。 Further, the solid HA-derived foam of the present invention can be used in a heat sink. Heat sinks are widely used in electronic devices for heat dissipation purposes. Central processing units (CPUs) and batteries of portable microelectronic devices (such as notebook computers, tablets, and smartphones) are known heat sources. Typically, a metal or graphite object (eg Cu foil or graphite foil) is brought into contact with a hot surface, which conducts heat (mainly by conduction and convection and, to a lesser extent, by radiation) to the outer surface or outside air. Helps to spread to. Often, a thin thermal interface material (TIM) intervenes between the hot surface of the heat source and the heat spreader or thermal diffusion surface of the heat sink. (Also, the HA-derived foam of the present invention can be used as TIM).
ヒートシンクは通常、冷却される成分との良い熱接触を確実にする1つまたは複数の平らな表面と、空気との表面接触を増加させる、したがって放熱速度を増加させる多数のコームまたはフィン状突起とを有する高伝導性材料構造物からなる。ヒートシンクをファンと共に使用して、ヒートシンク上の空気流の速度を増加させてもよい。ヒートシンクは、複数のフィン(拡大または突出表面)を有して熱伝達を改良することができる。スペースの量が限られている電子デバイスにおいて、フィンの形状/配列は、伝熱密度が最大にされるように最適にされなければならない。代わりにまたはさらに、キャビティ(逆フィン)が隣接したフィン間に形成された領域に埋め込まれてもよい。これらのキャビティは、様々な熱発生体からの熱をヒートシンクに抽出するのに有効である。 Heat sinks typically have one or more flat surfaces that ensure good thermal contact with the components to be cooled, and numerous combs or fins that increase surface contact with air and thus increase heat dissipation rates. It consists of a highly conductive material structure having. A heatsink may be used with a fan to increase the speed of airflow over the heatsink. The heat sink can have multiple fins (enlarged or protruding surface) to improve heat transfer. In electronic devices where the amount of space is limited, the shape / arrangement of the fins must be optimized for maximum heat transfer density. Alternatively or further, cavities (reverse fins) may be embedded in the area formed between adjacent fins. These cavities are effective in extracting heat from various heat generators to the heat sink.
典型的に、統合ヒートシンクは、集熱部材(コアまたは基材)と、フィン付きヒートシンクを形成するために集熱部材(基材)に必須の少なくとも1つの放熱部材(例えばフィンまたは複数のフィン)とを含む。外部から適用される接着剤またはフィンをコアに接続するための機械的固定手段を使用せずにフィンとコアとが自然に接続されるかまたは一緒に統合されて統一体を形成する。集熱基材は、熱源(例えばLED)と熱接触している表面を有し、熱をこの熱源から集めて、フィンを通って空気中に熱を放熱させる。 Typically, an integrated heat sink is a heat collector (core or substrate) and at least one heat dissipation member (eg, fins or fins) essential to the heat collector (base) to form a finned heat sink. And include. The fins and core are naturally connected or integrated together to form a unity without the use of externally applied adhesives or mechanical fixing means to connect the fins to the core. The heat collecting substrate has a surface that is in thermal contact with a heat source (eg, an LED), collects heat from this heat source, and dissipates heat into the air through the fins.
例示的な実施例として、図10は、2つのヒートシンク:300および302の略図を提供する。第1のヒートシンクは、集熱部材(または基材部材)304と、基材部材304に接続された複数のフィンまたは放熱部材(例えばフィン306)とを備える。基材部材304は、熱源と熱接触していることが意図される集熱表面314を有するように示される。放熱部材またはフィン306は、少なくとも放熱表面320を有するように示される。
As an exemplary embodiment, FIG. 10 provides schematics of two heat sinks: 300 and 302. The first heat sink includes a heat collecting member (or base material member) 304 and a plurality of fins or heat radiating members (for example, fin 306) connected to the
特に有用な実施形態は、(a)集熱表面318を含む基材308と、(b)基材308によって支持されるかまたはそれと一体化されている複数の離隔された平行な平面フィン部材(例えば、2つの実施例として310、312)とを含む放射状フィン付きヒートシンク組立体を含む統合放射状ヒートシンク302であり、そこで平面フィン部材(例えば310)が、少なくとも1つの放熱表面322を含む。複数の平行な平面フィン部材は好ましくは等しく離隔される。
Particularly useful embodiments are (a) a
本発明のHA由来フォームは、高度に弾性およびレジリエントであり、それ自体良い熱インターフェース材料であると共に非常に有効な熱拡散要素でもある。さらに、この高伝導性フォームはまた、電子冷却のためのおよび小さなチップからヒートシンクへの熱除去を促進するためのインサートとして使用することができる。高伝導性材料によって占められるスペースが主な関心事であるので、それは、熱発生体に埋め込まれ得る高伝導性経路を利用するいっそう効率的な設計である。本明細書において開示される弾性および高伝導性固体グラフェンフォームは、これらの要件を完全に満たす。 The HA-derived foams of the present invention are highly elastic and resilient, and are themselves good thermal interface materials as well as very effective thermal diffusion elements. In addition, this highly conductive foam can also be used as an insert for electronic cooling and to facilitate heat removal from small chips to the heat sink. Since the space occupied by the highly conductive material is of primary concern, it is a more efficient design that utilizes the highly conductive pathways that can be embedded in the heat generator. The elastic and highly conductive solid graphene foams disclosed herein fully meet these requirements.
高弾性および高熱伝導性によって、本発明の固体HA由来フォームは、熱源と低温流動流体(または任意の他のヒートシンク)との間の熱伝達インターフェースとして置かれて冷却性能を改良する良伝導性の厚いプレートにされる。このような配列において、熱源は、冷却剤と直接接触して冷却される代わりに厚いHA由来フォームのプレート下で冷却される。HA由来フォームの厚いプレートは、最適な方法で熱流を伝導することによって熱源と冷却剤との間の熱伝達を著しく改良することができる。付加的なポンピング力および特別の伝熱面積は必要とされない。 Due to its high elasticity and high thermal conductivity, the solid HA-derived foams of the present invention are placed as a heat transfer interface between the heat source and the cold flow fluid (or any other heat sink) to improve cooling performance. It is made into a thick plate. In such an arrangement, the heat source is cooled under a plate of thick HA-derived foam instead of being cooled in direct contact with the coolant. Thick plates of HA-derived foam can significantly improve heat transfer between the heat source and the coolant by conducting the heat flow in an optimal manner. No additional pumping force or special heat transfer area is required.
また、HA由来フォームは、ヒートパイプを作るための傑出した材料である。ヒートパイプは、高温および低温インターフェースの間の温度の非常に小さな差を使用して大量の熱を輸送する2相作動流体または冷却剤の蒸発および凝縮を使用する熱伝達デバイスである。従来のヒートパイプは、CuまたはAlなどの熱伝導性金属から製造される封止中空管と、蒸発器から冷却器に作動流体を戻すウイックとからなる。パイプは、作動流体(水、メタノールまたはアンモニアなど)の飽和液および蒸気の両方を含有し、全ての他のガスは取り除かれる。しかしながら、CuおよびAlの両方とも酸化または腐蝕しやすく、したがって、それらの性能は時間が経つにつれて比較的速く劣化する。対照的に、HA由来フォームは化学的に不活性であり、これらの酸化または腐蝕問題を有さない。エレクトロニクス熱管理用のヒートパイプは、フォームエンベロープとウイックとを有することができ、作動流体として水を使用する。ヒートパイプが水の凍結点未満で作動する必要がある場合、HA由来フォーム/メタノールが使用されてもよく、HA由来フォーム/アンモニアヒートパイプは空間でのエレクトロニクス冷却のために使用されてもよい。 HA-derived foam is also an outstanding material for making heat pipes. A heat pipe is a heat transfer device that uses the evaporation and condensation of a two-phase working fluid or coolant that transports large amounts of heat using very small differences in temperature between hot and cold interfaces. Conventional heat pipes consist of a sealed hollow tube made of a thermally conductive metal such as Cu or Al and a wick that returns the working fluid from the evaporator to the cooler. The pipe contains both saturated fluid and vapor of working fluid (such as water, methanol or ammonia) and all other gases are removed. However, both Cu and Al are susceptible to oxidation or corrosion and therefore their performance deteriorates relatively quickly over time. In contrast, HA-derived foams are chemically inert and do not have these oxidation or corrosion problems. Heat pipes for electronic heat management can have a foam envelope and a wick and use water as the working fluid. If the heat pipe needs to operate below the freezing point of water, HA-derived foam / methanol may be used, and HA-derived foam / ammonia heat pipes may be used for electronics cooling in space.
ペルチェ冷却プレートは、電流を印加することによって電気の2つの異なった導体の接合部の間に熱流束を生じさせるペルチェ効果に基づいて作動する。この効果は、電子部品および小さな機器を冷却するために一般的に使用される。実際において、多くのこのような接合部は直列に配置されて、必要とされる加熱または冷却の量への効果を増加させてもよい。HA由来フォームを使用して伝熱効率を改良してもよい。 The Pelche cooling plate operates on the basis of the Pelche effect, which creates a heat flux between the junctions of two different conductors of electricity by applying an electric current. This effect is commonly used to cool electronic components and small devices. In practice, many such joints may be arranged in series to increase the effect on the amount of heating or cooling required. HA-derived foam may be used to improve thermal efficiency.
濾過および流体吸収用途
HA由来フォームは、微視的細孔(<2nm)または2nm~50nmの細孔径を有するメソスケールの細孔を含有するようにすることができる。また、HA由来フォームは、ミクロンスケールの細孔(1~500μm)を含有するようにすることができる。よく制御された細孔径だけに基づいて、当該HA由来フォームは、空気または水の濾過のための並外れたフィルター材料であり得る。
Filtration and Fluid Absorption Applications HA-derived foams can be made to contain microscopic pores (<2 nm) or mesoscale pores with pore diameters of 2 nm to 50 nm. In addition, the HA-derived foam can be made to contain micron-scale pores (1 to 500 μm). Based solely on well-controlled pore size, the HA-derived foam can be an extraordinary filter material for air or water filtration.
さらに、(例えば、フォーム中のO、F、N、H等々のパーセンテージによって反映されるように)フミン酸(HA)細孔壁の化学的性質を制御して、異なった量および/またはタイプの官能基を細孔壁に与えることができる。換言すれば、内部構造の異なった部位での細孔径および化学官能基の両方の同時または単独制御は、多くの予想外の性質、相乗効果の他、通常は相互に排他的であると考えられる性質の或る独自の組合せを示すHA由来フォームを設計および製造する際の前例がない柔軟性または最も高い自由度を提供する(例えば、構造物の或る部分が疎水性でありその他の部分が親水性であるか、またはフォーム構造物は疎水性および親油性の両方である)。表面または材料は、水がこの材料または表面からはじかれ、しかも疎水性表面または材料上に置かれた水滴が大きい接触角を形成する場合に疎水性であると言われる。表面または材料は、水に対してではなく油に対して強い親和力を有する場合に親油性であると言われる。本方法は、疎水性、親水性、および親油性の正確な制御を可能にする。 In addition, different amounts and / or types of humic acid (HA) pore walls are controlled by controlling the chemistry of the humic acid (HA) pore wall (eg, as reflected by the percentage of O, F, N, H, etc. in the foam). Functional groups can be donated to the pore walls. In other words, simultaneous or single control of both pore size and chemical functional groups at different sites of internal structure is considered to be usually mutually exclusive, as well as many unexpected properties, synergistic effects. It offers unprecedented flexibility or the highest degree of freedom in designing and manufacturing HA-derived foams that exhibit a unique combination of properties (eg, some parts of the structure are hydrophobic and others). It is hydrophilic or the foam structure is both hydrophobic and lipophilic). A surface or material is said to be hydrophobic when water is repelled from this material or surface and the hydrophobic surface or water droplets placed on the material form a large contact angle. A surface or material is said to be lipophilic if it has a strong affinity for oil rather than water. The method allows precise control of hydrophobicity, hydrophilicity, and lipophilicity.
また、本発明は、油吸収または油分離要素として本発明のHA由来フォームを含有する、油除去、油分離、または油回収デバイスを提供する。また、溶媒吸収要素としてHA由来フォームを含有する溶媒除去または溶媒分離デバイスが提供される。 The invention also provides an oil removal, oil separation, or oil recovery device that contains the HA-derived foam of the invention as an oil absorbing or oil separating element. Also provided are solvent removal or solvent separation devices containing HA-derived foam as a solvent absorbing element.
油吸収要素として当該HA由来フォームを使用する主な利点は、その構造統合性である。HAシートが化学的同化され、したがって高い構造統合性であるために、得られたフォームは、油吸収操作を繰り返す時に崩れない。対照的に、熱水還元、真空補助濾過、または凍結乾燥によって作製されるグラフェンフィルム油吸収要素は、2回または3回油を吸収した後に崩れることを我々は発見した。これらの他の場合なら分離されるグラフェンシートを一緒に保持するものは(最初に油と接触する前に存在している弱いファンデルワールス力以外)何もない。これらのグラフェンシートが油によって湿潤されると、それらはもはや油吸収要素の元の形状に戻ることができない。 The main advantage of using the HA-derived foam as an oil absorbing element is its structural integrity. Due to the chemical assimilation of the HA sheet and thus the high structural integrity, the resulting foam does not crumble over repeated oil absorption operations. In contrast, we have found that graphene film oil-absorbing elements made by hot water reduction, vacuum auxiliary filtration, or lyophilization collapse after absorbing oil two or three times. There is nothing to hold together these otherwise separated graphene sheets (other than the weak van der Waals forces that exist before the first contact with the oil). When these graphene sheets are wetted with oil, they can no longer return to their original shape of the oil absorbing element.
本技術の別の主な利点は、(著しい膨張なしに)その構造形状をまだ維持しながらそれ自体の重量の400倍もの量まで油を吸収することができる油吸収要素を設計および製造する際の柔軟性である。この量は、フォームの細孔の比体積に左右され、それは、主に、元のキャリアポリマー粒子の量と熱処理前のHA分子またはシートの量との比によって制御され得る。 Another major advantage of the technology is in designing and manufacturing oil absorbing elements that can absorb oil up to 400 times their own weight while still maintaining their structural shape (without significant expansion). Flexibility. This amount depends on the specific volume of the pores of the foam, which can be controlled primarily by the ratio of the amount of the original carrier polymer particles to the amount of HA molecules or sheets before heat treatment.
また、本発明は、油を油-水混合物から(例えば油が流出した水または廃水を油砂から)分離する/回収する方法を提供する。方法は、(a)一体HA由来フォームを含む油吸収要素を提供する工程と、(b)油-水混合物を混合物から油を吸収する要素と接触させる工程と、(c)油吸収要素を混合物から取り出して油を要素から抽出する工程とを含む。好ましくは、方法は、(d)要素を再使用する追加的な工程を含む。 The invention also provides a method of separating / recovering oil from an oil-water mixture (eg, spilled water or waste water from oil sands). The methods include (a) providing an oil absorbing element containing an integral HA-derived foam, (b) contacting the oil-water mixture with an element that absorbs oil from the mixture, and (c) mixing the oil absorbing element. Includes a step of removing from the element and extracting the oil from the element. Preferably, the method comprises (d) an additional step of reusing the element.
さらに、本発明は、有機溶媒を溶媒-水混合物からまたは複数溶媒混合物から分離する方法を提供する。方法は、(a)一体HA由来フォームを含む有機溶媒吸収要素を提供する工程と、(b)要素を有機溶媒-水混合物と、または第1の溶媒および少なくとも第2の溶媒を含有する複数溶媒混合物と接触させる工程と、(c)この要素が有機溶媒を混合物から吸収するようにするかまたは第1の溶媒を少なくとも第2の溶媒から吸収するようにする工程と、(d)要素を混合物から取り出して有機溶媒または第1の溶媒を要素から抽出する工程とを含む。好ましくは、方法は、溶媒吸収要素を再使用する付加的な工程(e)を含む。 Furthermore, the present invention provides a method of separating an organic solvent from a solvent-water mixture or from a multi-solvent mixture. The method comprises (a) providing an organic solvent absorbing element containing an integrated HA-derived foam, and (b) the element being an organic solvent-water mixture or a plurality of solvents containing a first solvent and at least a second solvent. The step of contacting with the mixture, (c) allowing this element to absorb the organic solvent from the mixture, or the step of allowing the first solvent to be absorbed from at least the second solvent, and (d) mixing the elements. Includes a step of removing from the element and extracting an organic solvent or a first solvent from the element. Preferably, the method comprises an additional step (e) of reusing the solvent absorbing element.
以下の実施例は、本発明を実施する最良の方式についていくつかの具体的な詳細を説明するために使用され、本発明の範囲を制限すると解釈されるべきではない。 The following examples are used to illustrate some specific details about the best practices of the invention and should not be construed as limiting the scope of the invention.
実施例1:レオナルダイトからのフミン酸および還元フミン酸
フミン酸は、レオナルダイトを塩基性水溶液(pH10)中に分散させることによって非常に高収率(75%の範囲)でレオナルダイトから抽出され得る。溶液の後続の酸性化によってフミン酸粉末の沈殿が得られる。実験において、3gのレオナルダイトを磁気撹拌下で1M KOH(またはNH4OH)溶液を含有する二重脱イオン水300mlによって溶解した。pH値を10に調節した。次に、溶液を濾過して一切の大きな粒子または一切の残留不純物を除去した。HCを単独でまたは発泡剤の存在と共に含有する、得られたフミン酸分散体をガラス基材上に流延して、一連のフィルムを形成して後続の熱処理を実施した。
Example 1: humic acid from leonaldite and reduced humic acid humic acid can be extracted from leonaldite in very high yield (range 75%) by dispersing leonaldite in a basic aqueous solution (pH 10). Subsequent acidification of the solution gives a precipitate of humic acid powder. In the experiment, 3 g of leonaldite was dissolved under 300 ml of double deionized water containing a 1 M KOH (or NH 4 OH) solution under magnetic agitation. The pH value was adjusted to 10. The solution was then filtered to remove any large particles or any residual impurities. The resulting humic acid dispersion containing HC alone or in the presence of a foaming agent was cast on a glass substrate to form a series of films for subsequent heat treatment.
いくつかの試料において、流延の直前に化学発泡剤(ヒドラゾジカルボンアミド)を懸濁液に添加した。次に、ドクターブレードを使用して、得られた懸濁液をガラス表面上に流延して、剪断応力を加え、HA分子配向を誘導した。得られたHAコーティングフィルムは、液体の除去後に、約10nm~500μm(好ましくはおよび典型的に1μm~50μmで変化し得る厚さを有する)。 In some samples, a chemical foaming agent (hydrazodicarbonamide) was added to the suspension immediately prior to casting. Next, a doctor blade was used to cast the resulting suspension onto the glass surface and apply shear stress to induce HA molecular orientation. The resulting HA coated film has a thickness that can vary from about 10 nm to 500 μm (preferably and typically 1 μm to 50 μm) after removal of the liquid.
HAフォーム試験片を製造するために、次に、HAコーティングフィルムは、1~8時間の間80~350℃の初期熱還元温度を典型的に必要とする熱処理、その後に、0.5~5時間の間1,500~2,850℃の第2の温度での熱処理に供される。第1の熱処理に供される間に圧縮応力をコーティングフィルム試料に適用することが不可欠であることがわかったことを指摘しておいてもよいだろう。この圧縮応力は、細孔が形成されている間にHA分子またはシート間の化学的同化および連結が起こるためにHA分子またはシート間の良い接触を維持するのに役立ったと思われる。このような圧縮応力がなければ、熱処理されたフィルムは典型的に、過度に多孔性であり、細孔壁内の構成六方晶炭素原子面は非常に不完全に配向/配置され、互いに化学的同化および連結することができない。結果として、グラフェンフォームの熱伝導率、電気導電率、および機械的強度はひどく損なわれる。 To produce HA foam test pieces, the HA coating film is then heat treated for 1-8 hours, typically requiring an initial heat reduction temperature of 80-350 ° C., followed by 0.5-5. It is subjected to heat treatment at a second temperature of 1,500 to 2,850 ° C. for hours. It may be pointed out that it has been found essential to apply compressive stress to the coated film sample during the first heat treatment. This compressive stress appears to have helped maintain good contact between HA molecules or sheets due to chemical assimilation and ligation between HA molecules or sheets during the formation of pores. Without such compressive stresses, the heat-treated films are typically over-porosity, and the constituent hexagonal carbon atomic planes within the pore walls are very imperfectly oriented / aligned and chemically chemical to each other. Cannot be assimilated and linked. As a result, the thermal conductivity, electrical conductivity, and mechanical strength of graphene foam are severely compromised.
実施例2:様々な発泡剤および細孔形成(気泡製造)方法
プラスチック加工の分野において、化学発泡剤を粉末またはペレットの形態でプラスチックペレット中に混合し、高めの温度で溶解させる。発泡剤の溶解のために特定される特定の温度を超えると、ガス反応生成物(通常窒素またはCO2)が生成され、それは発泡剤として作用する。しかしながら、化学発泡剤を液体でなく、固体である、グラフェン材料に溶解させることはできない。これは、化学発泡剤を利用して細孔またはセルをグラフェン材料中に生成する課題をもたらす。
Example 2: Various Foaming Agents and Pore Formation (Bubble Production) Methods In the field of plastic processing, chemical foaming agents are mixed in plastic pellets in the form of powders or pellets and dissolved at higher temperatures. Above certain temperatures specified for the dissolution of the foaming agent, a gas reaction product (usually nitrogen or CO 2 ) is produced, which acts as a foaming agent. However, the chemical foaming agent cannot be dissolved in the graphene material, which is a solid rather than a liquid. This poses the challenge of utilizing chemical foaming agents to create pores or cells in the graphene material.
広範な実験の後、第1の熱処理温度がブローイング反応を活性化するのに十分であるときにほとんど任意の化学発泡剤(例えば粉末またはペレット形態の)を使用して、細孔または気泡をグラフェンの乾燥された層中に作ることができることを我々は発見した。化学発泡剤(粉末またはペレット)が液体媒体中に分散されて懸濁液中の第2の成分になり、それを固体支持基材上に堆積させて湿潤層を形成することができる。次に、HA材料のこの湿潤層を乾燥させ、熱処理して化学発泡剤を活性化させてもよい。化学発泡剤が活性化されて気泡が生成された後、得られた発泡HA構造体は一般に、その後にもっと高い熱処理温度が構造体に適用されるときにでも維持される。これは本当に、全く予想外である。 After extensive experimentation, graphene pores or bubbles using almost any chemical foaming agent (eg in powder or pellet form) when the first heat treatment temperature is sufficient to activate the blowing reaction. We have found that it can be made in a dry layer of. The chemical foaming agent (powder or pellet) can be dispersed in a liquid medium to become a second component in the suspension, which can be deposited on a solid supporting substrate to form a wet layer. This wet layer of HA material may then be dried and heat treated to activate the chemical foaming agent. After the chemical foaming agent is activated to generate bubbles, the resulting foamed HA structure is generally maintained even when higher heat treatment temperatures are subsequently applied to the structure. This is really totally unexpected.
化学発泡剤(CFA)は、熱分解したときにガスを放出する有機または無機化合物であり得る。中~高密度フォームを得るためにCFAが典型的に使用され、低密度フォームを得るために物理的発泡剤と共にしばしば使用される。CFAは、吸熱性または発熱性のどちらかに類別することができ、それはそれらが受ける分解のタイプを意味する。吸熱性タイプは分解したときにエネルギーを吸収し、典型的に二酸化炭素および湿分を放出し、他方、発熱性タイプは、分解したときにエネルギーを放出し、通常は窒素を生成する。発熱性発泡剤によって放出される全ガス発生量およびガス圧力はしばしば、吸熱性タイプの全ガス発生量およびガス圧力よりも高い。吸熱性CFAは一般的に、130~230℃(266~446°F)の範囲で分解することが知られており、他方、より一般的な発熱性発泡剤のいくつかは約200℃(392°F)で分解する。しかしながら、大抵の発熱性CFAの分解範囲は、特定の化合物の添加によって低下させることができる。CFAの活性化(分解)温度が我々の熱処理温度の範囲になる。適した化学発泡剤の例には、重炭酸ナトリウム(重曹)、ヒドラジン、ヒドラジド、アゾジカルボンアミド(発熱性化学発泡剤)、ニトロソ化合物(例えばN,N-ジニトロソペンタメチレンテトラミン)、ヒドラジン誘導体(例えば4,4’-オキシビス(ベンゼンスルホニルヒドラジド)およびヒドラゾジカルボンアミド)、および炭酸水素(例えば炭酸水素ナトリウム)が含まれる。これらは全てプラスチック工業において商業的に入手可能である。 The chemical foaming agent (CFA) can be an organic or inorganic compound that releases a gas when thermally decomposed. CFA is typically used to obtain medium to high density foams and is often used with physical foaming agents to obtain low density foams. CFA can be categorized as either endothermic or exothermic, which means the type of degradation they undergo. The endothermic type absorbs energy when decomposed, typically releasing carbon dioxide and moisture, while the exothermic type releases energy when decomposed, usually producing nitrogen. The total gas generation and gas pressure released by the exothermic foaming agent is often higher than the total gas generation and gas pressure of the endothermic type. Endothermic CFA is generally known to decompose in the range 130-230 ° C (266-446 ° F), while some of the more common exothermic foaming agents are at about 200 ° C (392). Decompose at ° F). However, the extent of decomposition of most exothermic CFA can be reduced by the addition of certain compounds. The CFA activation (decomposition) temperature is in the range of our heat treatment temperature. Examples of suitable chemical foaming agents include sodium bicarbonate (baking soda), hydrazine, hydrazide, azodicarbonamide (exothermic chemical foaming agent), nitroso compounds (eg N, N-dinitrosopentamethylenetetramine), hydrazine derivatives (eg, N, N-dinitrosopentamethylenetetramine). For example, 4,4'-oxybis (benzenesulfonylhydrazide) and hydrazodicarbonamide), and hydrogen carbonate (eg, sodium hydrogencarbonate) are included. All of these are commercially available in the plastics industry.
発泡プラスチックの製造において、フォーム押出または射出成形発泡の間に物理的発泡剤をプラスチック溶融液中に計量しながら供給するか、またはポリウレタンの発泡中に前駆体材料の1つに供給する。物理的発泡剤を使用して、固体状態である(溶融されない)、HA材料中に細孔を作ることができることはこれまで知られていない。支持基材上にコートまたは流延される前に物理的発泡剤(例えばCO2またはN2)をHA懸濁液のストリーム中に注入することができることを驚くべきことに我々は観察した。これは、液体媒体(例えば水および/またはアルコール)が除去されるときでも発泡構造体をもたらす。グラフェン材料の乾燥された層は、液体の除去および後続の熱処理の間に細孔または気泡の制御された量を維持することができる。 In the production of foamed plastics, a physical foaming agent is weighed into the plastic melt during foam extrusion or injection molding foaming, or supplied to one of the precursor materials during the foaming of polyurethane. It has not been previously known that physical foaming agents can be used to create pores in HA materials that are in a solid state (not melted). Surprisingly, we have observed that a physical foaming agent (eg, CO 2 or N 2 ) can be injected into a stream of HA suspension prior to being coated or cast onto a supporting substrate. This results in a foam structure even when the liquid medium (eg water and / or alcohol) is removed. The dried layer of graphene material can maintain a controlled amount of pores or bubbles during liquid removal and subsequent heat treatment.
技術的に実行可能な発泡剤には、二酸化炭素(CO2)、窒素(N2)、イソブタン(C4H10)、シクロペンタン(C5H10)、イソペンタン(C5H12)、CFC-11(CFCI3)、HCFC-22(CHF2CI)、HCFC-142b(CF2CICH3)、およびHCFC-134a(CH2FCF3)が含まれる。しかしながら、発泡剤を選択するときに、環境安全は考慮すべき主要因である。モントリオール議定書および帰結される合意へのその影響は、フォームの製造業者に大きな課題を提起する。以前に適用されたクロロフルオロカーボンの有効な性質および簡単な取扱いにもかかわらず、それらのオゾン破壊係数(ODP)のためにこれらを禁止する世界的な合意があった。部分ハロゲン化クロロフルオロカーボンもまた環境上安全ではなく、このため多くの国々においてすでに禁止されている。別の選択肢はイソブタンおよびペンタンなどの炭化水素、ならびにCO2および窒素などのガスである。 Technically viable foaming agents include carbon dioxide (CO 2 ), nitrogen (N 2 ), isobutane (C 4 H 10 ), cyclopentane (C 5 H 10 ), isopentane (C 5 H 12 ), CFC. -11 (CFCI 3 ), HCFC-22 (CHF 2 CI), HCFC-142b (CF 2 CICH 3 ), and HCFC-134a (CH 2 FCF 3 ) are included. However, environmental safety is a major factor to consider when choosing a foaming agent. Its impact on the Montreal Protocol and the resulting agreement poses significant challenges for foam manufacturers. Despite the effective properties and simple handling of chlorofluorocarbons previously applied, there was a global agreement banning them due to their ozone depletion potential (ODP). Partially halogenated chlorofluorocarbons are also not environmentally safe and are therefore already banned in many countries. Another option is hydrocarbons such as isobutane and pentane, as well as gases such as CO 2 and nitrogen.
それらの規制された物質以外、上に列挙された全ての発泡剤が我々の実験において試験された。物理的発泡剤および化学発泡剤の両方について、懸濁液中に導入される発泡剤の量は、発泡剤対HA材料の重量比として定義され、それは、典型的に0/1.0~1.0/1.0である。 Except for those regulated substances, all foaming agents listed above were tested in our experiments. For both physical and chemical foaming agents, the amount of foaming agent introduced into the suspension is defined as the weight ratio of foaming agent to HA material, which is typically 0 / 1.0-1. It is 0.0 / 1.0.
実施例3:石炭からのフミン酸の調製
典型的な手順において、300mgの石炭を濃硫酸(60ml)および硝酸(20ml)中に懸濁し、そしてその後に、2時間カップ音波処理した。次に、反応物を撹拌し、100℃または120℃の油槽内で24時間加熱した。溶液を室温に冷却し、100mlの氷を保有するビーカーに流し込み、その後に、pH値が7に達するまでNaOH(3M)を添加する工程が続いた。
Example 3: Preparation of humic acid from coal In a typical procedure, 300 mg of coal was suspended in concentrated sulfuric acid (60 ml) and nitric acid (20 ml), followed by cup sonication for 2 hours. The reaction was then stirred and heated in an oil bath at 100 ° C. or 120 ° C. for 24 hours. The solution was cooled to room temperature, poured into a beaker carrying 100 ml of ice, followed by the addition of NaOH (3M) until the pH value reached 7.
1つの実験において、次に、中和混合物を0.45mmのポリテトラフルオロエチレン膜を通して濾過し、濾液を5日間1,000Da透析バッグ内で透析した。より大きいフミン酸シートのために、クロスフロー限外濾過を使用して時間を1~2時間に短縮することができる。精製後に、回転蒸発を使用して溶液を濃縮して、固体フミン酸シートを得た。これらのフミン酸シートだけおよびそれらと発泡剤との混合物を溶媒(エチレングリコールとアルコール、別々に)中に再分散させて、後続の流延またはコーティングのためのいくつかの分散体試料を得た。 In one experiment, the neutralizing mixture was then filtered through a 0.45 mm polytetrafluoroethylene membrane and the filtrate was dialyzed in a 1,000 Da dialysis bag for 5 days. Due to the larger humic acid sheet, cross-flow extrafiltration can be used to reduce the time to 1-2 hours. After purification, the solution was concentrated using rotary evaporation to give a solid humic acid sheet. Only these humic acid sheets and their mixtures with foaming agents were redispersed in solvents (ethylene glycol and alcohol, separately) to give several dispersion samples for subsequent casting or coating. ..
様々な量(HA材料に対して1重量%~30重量%)の化学発泡剤(N、N-ジニトロソペンタメチレンテトラミンまたは4,4’-オキシビス(ベンゼンスルホニルヒドラジド)をHAシートを含有する懸濁液に添加した。次に、懸濁液をドクターブレードを使用してガラス表面上に流延して剪断応力を加え、HA分子またはシートの配向および適切な配置を誘導した。流延の直前に懸濁液に導入される物理的発泡剤としてCO2を使用して製造された試料を含めて、いくつかの試料を流延した。液体を除去した後、得られたHAフィルムは、約1~100μmに変化し得る厚さを有する。 Suspension containing various amounts (1% to 30% by weight) of chemical foaming agent (N, N-dinitrosopentamethylenetetramine or 4,4'-oxybis (benzenesulfonyl hydrazide)) in the HA sheet. It was added to the turbid liquid. Then, the suspension was cast on the glass surface using a doctor blade and shear stress was applied to induce the orientation and proper placement of the HA molecule or sheet. Immediately before casting. Several samples were cast, including samples made using CO 2 as the physical foaming agent introduced into the suspension. After removing the liquid, the resulting HA film was about It has a thickness that can vary from 1 to 100 μm.
次に、HAフィルムを1~5時間の間80~1,500℃の初期(第1の)熱還元温度を必要とする熱処理に供した。この第1の熱処理は、HAフォーム(HTTが<300℃である場合)および大きいシート状HA分子のフォームまたは細孔壁内の六方晶炭素原子面のドメインを生成した(HTTが300~1,500℃である場合)。次に、フォーム試料のいくつかを1,500~2,850℃の第2の温度に供して、フォーム壁内の六方晶炭素原子面のグラフェン状ドメインがさらに改善され得る(黒鉛化されてより秩序化されるかまたはより高い結晶化度を有する)かどうか調べた。 The HA film was then subjected to a heat treatment requiring an initial (first) heat reduction temperature of 80-1,500 ° C. for 1-5 hours. This first heat treatment generated the domain of the hexagonal carbon atom plane in the foam or pore walls of HA foam (when HTT is <300 ° C.) and large sheet HA molecules (HTT 300-1, 1. When it is 500 ° C.). Next, some of the foam samples can be exposed to a second temperature of 1,500-2,850 ° C. to further improve the graphene-like domain of the hexagonal carbon atom plane in the foam wall (more graphitized). It was examined whether it was ordered or had a higher degree of crystallinity).
比較例3-a:Niフォームテンプレート上のCVDグラフェンフォーム
手順は、公開文献:Chen,Z.et al.,“Three-dimensional flexible and conductive interconnected graphene networks grown by chemical vapor deposition,”Nat. Mater. 10, 424-428(2011)に開示された手順から転用された。ニッケルフォーム、ニッケルの相互接続3D足場を有する多孔性構造体が、グラフェンフォームの成長のためのテンプレートとして選択された。簡単に言えば、周囲圧力下で1,000℃においてCH4を分解することによって炭素をニッケルフォーム中に導入し、次に、グラフェンフィルムをニッケルフォームの表面上に堆積させた。ニッケルとグラフェンとの間の熱膨脹率の差のために、波皺および皺がグラフェンフィルム上に形成された。グラフェンフォームを回収する(分離する)ために、Niフレームをエッチングにより除去しなければならない。高温HCl(またはFeCl3)溶液によってニッケル骨格をエッチングにより除去する前に、ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)の薄層を支持体としてグラフェンフィルムの表面上に堆積させてニッケルエッチングの間にグラフェン網目構造が潰れないようにした。高温アセトンによってPMMA層を注意深く除去した後、脆いグラフェンフォーム試料が得られた。PMMA支持体層の使用は、グラフェンフォームの自立フィルムを作製するために重要である。PMMA支持体層を使用しない場合ひどく歪んだ変形したグラフェンフォーム試料だけが得られた。これは、環境に優しくなくスケーラブルでない時間のかかる方法である。
Comparative Example 3-a: CVD graphene foam procedure on Ni foam template is described in Publication: Chen, Z. et al. et al. , "Three-dimensional flexible and concave intensive integrated graphene networks green by chemical vapor deposition," Nat. Mater. 10, 424-428 (2011) was diverted from the procedure disclosed. Nickel foam, a porous structure with nickel interconnected 3D scaffolds was selected as the template for the growth of graphene foam. Briefly, carbon was introduced into the nickel foam by decomposing CH 4 at 1,000 ° C. under ambient pressure, and then a graphene film was deposited on the surface of the nickel foam. Wrinkles and wrinkles were formed on the graphene film due to the difference in thermal expansion rates between nickel and graphene. In order to recover (separate) the graphene foam, the Ni frame must be removed by etching. Before removing the nickel skeleton by etching with a hot HCl (or FeCl 3 ) solution, a thin layer of poly (methylmethacrylate) (PMMA) is deposited on the surface of the graphene film as a support and a graphene network during nickel etching. The structure was prevented from being crushed. After careful removal of the PMMA layer with hot acetone, a brittle graphene foam sample was obtained. The use of the PMMA support layer is important for making self-supporting films of graphene foam. Only severely distorted and deformed graphene foam samples were obtained without the PMMA support layer. This is a time-consuming, non-environmentally friendly and non-scalable method.
比較例3-b:ピッチ系炭素フォームからの従来の黒鉛フォーム
ピッチ粉末、粒体、またはペレットをフォームの所望の最終形状を有するアルミニウム型内に置く。三菱ARA-24メソフェーズピッチを利用した。試料を1トール未満に脱気し、次に約300℃の温度に加熱した。この時点で、真空を窒素ブランケットに解放し、次に1,000psiまでの圧力を適用した。次に、システムの温度を800℃に上げた。これは、2℃/分の速度で行われた。温度を少なくとも15分間保持して浸漬を達成し、次に炉の電源を切り、約2psi/分の速度で圧力を解放しながら約1.5℃/分の速度で室温に冷却した。最終フォーム温度は630℃および800℃であった。冷却サイクルの間に、圧力を大気条件まで徐々に解放した。次に、フォームを窒素ブランケット下で1050℃に熱処理し、そして次に、別個の送りでアルゴン中黒鉛るつぼ内で2500℃および2800℃に加熱処理した。
Comparative Example 3-b: Conventional Graphite Foam from Pitch-based Carbon Foam Pitch powder, granules, or pellets are placed in an aluminum mold having the desired final shape of the foam. The Mitsubishi ARA-24 mesophase pitch was used. The sample was degassed to less than 1 torr and then heated to a temperature of about 300 ° C. At this point, the vacuum was released into the nitrogen blanket and then a pressure of up to 1,000 psi was applied. Next, the temperature of the system was raised to 800 ° C. This was done at a rate of 2 ° C./min. The temperature was maintained for at least 15 minutes to achieve immersion, then the furnace was turned off and cooled to room temperature at a rate of about 1.5 ° C./min while releasing pressure at a rate of about 2 psi / min. The final foam temperatures were 630 ° C and 800 ° C. During the cooling cycle, the pressure was gradually released to atmospheric conditions. The foam was then heat treated to 1050 ° C. under a nitrogen blanket and then heat treated to 2500 ° C. and 2800 ° C. in a graphite crucible in argon with separate feeds.
フォームからの試料を熱伝導率を測定するための試料に機械加工した。バルク熱伝導率は、67W/mK~151W/mKの範囲であった。試料の密度は0.31~0.61g/cm3であった。重量が考慮されるとき、ピッチ由来のフォームの特定の熱伝導率は、約67/0.31=216および151/0.61=247.5W/mK/比重(または/物理的密度)である。 The sample from the foam was machined into a sample for measuring thermal conductivity. The bulk thermal conductivity was in the range of 67 W / mK to 151 W / mK. The sample density was 0.31 to 0.61 g / cm 3 . When weight is taken into account, the specific thermal conductivity of the pitch-derived foam is about 67 / 0.31 = 216 and 151 / 0.61 = 247.5 W / mK / specific gravity (or / physical density). ..
0.51g/cm3の平均密度を有する試料の圧縮強さは測定すると3.6Mpaであり、圧縮弾性率は測定すると74MPaであった。それと対照して、同等の物理的密度を有する本発明のHA由来黒鉛フォームの圧縮強さおよび圧縮弾性率はそれぞれ5.7MPaおよび103Mpaである。 The compressive strength of the sample having an average density of 0.51 g / cm 3 was 3.6 MPa as measured, and the compressive modulus was 74 MPa as measured. In contrast, the HA-derived graphite foams of the present invention with comparable physical densities have compressive strength and compressive modulus of 5.7 MPa and 103 MPa, respectively.
図3(A)に示されるのは、HA由来フォーム、メソフェーズピッチ由来の黒鉛フォーム、およびNiフォームテンプレート支援CVDグラフェンフォームの熱伝導率の値対比重である。これらのデータは明らかに、以下の予想外の結果を実証する:
1)本発明の方法によって製造された、HA由来フォームは、同じ物理的密度が与えられたとすると、メソフェーズピッチ由来の黒鉛フォームおよびNiフォームテンプレート支援CVDグラフェンの両方と比較したとき著しく高い熱伝導率を示す。
2)CVDグラフェンは、決して酸化を受けず且つ従来の熱還元または化学還元方法によって酸素含有官能基が除去された後に非常に欠陥がある(高い欠陥群、したがって、低い伝導率を有する)HA由来六方晶炭素原子面と比較してもっと高い熱伝導率を示した本質的に純粋なグラフェンであるという見解を考慮して、これは全く驚くべきことである。ここにおいて製造されたHA由来の黒鉛フォームを使用して観察されたこれらの非常に高い熱伝導率の値は、我々には非常に驚くべきものである。
3)固体材料の同じ量が与えられたとすると、HTT>1,500℃で熱処理した後の本発明のHA由来フォームは本質的に、最も伝導性であることを示し、高レベルの黒鉛結晶完成(より大きな結晶寸法、より少ない粒界およびその他の欠陥、より良い結晶配向等々)を反映する。これもまた予想外である。
4)本発明のHA由来フォームおよびフッ素化HA由来フォームの比伝導率の値(図5)は、単位比重当たり250~490W/mKの値を示すが、他の2つのフォーム材料の比伝導率の値は典型的に単位比重当たり250W/mKよりも低い。
Shown in FIG. 3 (A) is the value-to-weight ratio of thermal conductivity of HA-derived foam, mesophase pitch-derived graphite foam, and Ni foam template-assisted CVD graphene foam. These data clearly demonstrate the following unexpected results:
1) HA-derived foams produced by the method of the present invention have significantly higher thermal conductivity when compared to both mesophase pitch-derived graphite foams and Ni foam template-assisted CVD graphene, given the same physical density. Is shown.
2) CVD graphene is derived from HA which is never oxidized and is very defective (high defect group and therefore low conductivity) after oxygen-containing functional groups have been removed by conventional thermal or chemical reduction methods. This is quite surprising given the view that it is essentially pure graphene with higher thermal conductivity compared to the hexagonal carbon atomic plane. These very high thermal conductivity values observed using the HA-derived graphite foam produced here are very surprising to us.
3) Given the same amount of solid material, the HA-derived foam of the present invention after heat treatment at HTT> 1,500 ° C. shows that it is essentially the most conductive and completes high level graphite crystals. Reflects (larger crystal size, less grain boundaries and other defects, better crystal orientation, etc.). This is also unexpected.
4) The values of the specific conductivity of the HA-derived foam and the fluorinated HA-derived foam of the present invention (FIG. 5) show a value of 250 to 490 W / mK per unit specific weight, but the specific conductivity of the other two foam materials. The value of is typically lower than 250 W / mK per unit weight.
比較例3-c:純粋なグラフェンフォーム(0%の酸素)の調製
個々のグラフェン面の伝導率を低減するように作用するHAシート内に高い欠陥群がある可能性を認識して、純粋なグラフェンシート(酸化されないおよび酸素を含有しない、ハロゲン化されないおよびハロゲンを含有しない等)の使用がより高い熱伝導率を有するグラフェンフォームをもたらし得るかどうか調べることにした。純粋なグラフェンシートは、直接超音波処理方法を使用して製造された(本技術分野において液相剥離としても公知である)。
Comparative Example 3-c: Preparation of Pure Graphene Foam (0% Oxygen) Pure, recognizing the possibility of high defects in the HA sheet acting to reduce the conductivity of individual graphene surfaces. We decided to investigate whether the use of graphene sheets (non-oxidized and oxygen-free, non-halogenated and halogen-free, etc.) could result in graphene foam with higher thermal conductivity. Pure graphene sheets were manufactured using direct sonication methods (also known in the art as liquid phase desquamation).
典型的な手順において、約20μm以下のサイズに微粉砕された5グラムの黒鉛フレークを1,000mLの脱イオン水(DuPont製のZonyl(登録商標)FSO、分散助剤0.1重量%を含有する)中に分散させて懸濁液を得た。85Wの超音波エネルギーレベル(Branson S450ウルトラソニケーター)を15分~2時間にわたってグラフェンシートの剥離、分離、および粉砕のために使用した。得られたグラフェンシートは、少しも酸化されておらず酸素を含有せず比較的欠陥がない純粋なグラフェンである。他の非炭素元素は存在しない。 In a typical procedure, 5 grams of graphite flakes finely ground to a size of about 20 μm or less contain 1,000 mL of deionized water (Zonyl® FSO from DuPont, 0.1% by weight of dispersion aid). ) To obtain a suspension. An ultrasonic energy level of 85 W (Branson S450 Ultrasonicator) was used for peeling, separating and grinding graphene sheets for 15 minutes to 2 hours. The obtained graphene sheet is pure graphene that is not oxidized at all, contains no oxygen, and is relatively free of defects. There are no other non-carbon elements.
様々な量(グラフェン材料に対して1重量%~30重量%)の化学発泡剤(N、N-ジニトロソペンタメチレンテトラミンまたは4,4’-オキシビス(ベンゼンスルホニルヒドラジド)を純粋なグラフェンシートと界面活性剤とを含有する懸濁液に添加した。次に、懸濁液をガラス表面上に流延した。流延の直前に懸濁液中に導入される物理的発泡剤としてCO2を使用して製造されたものを含めて、いくつかの試料を流延した。得られたグラフェンフィルムは、液体の除去後に、約10~100μmで変化し得る厚さを有する。次に、グラフェンフィルムを1~5時間の間80~1,500℃の温度の熱処理に供し、それはグラフェンフォームを生成した。 Surfactant various amounts (1% to 30% by weight relative to graphene material) of chemical foaming agent (N, N-dinitrosopentamethylenetetramine or 4,4'-oxybis (benzenesulfonyl hydrazide) with pure graphene sheet Added to the suspension containing the activator. Next, the suspension was cast onto the glass surface. CO 2 was used as the physical foaming agent to be introduced into the suspension immediately prior to casting. Several samples were cast, including those produced in. The resulting graphene film has a thickness that can vary from about 10 to 100 μm after removal of the liquid. It was subjected to a heat treatment at a temperature of 80-1,500 ° C. for 1-5 hours, which produced graphene foam.
図6に記載されるのは、一連のHA由来フォームおよび一連の純粋なグラフェン由来のフォームの熱伝導率のデータであり、両方とも同じ最終(最高)熱処理温度についてプロットされる。これらのデータは、HA由来フォームの熱伝導率は最終熱処理温度(HTT)に非常に影響されやすいことを示す。HTTが非常に低いときでも、明らかにいくつかのタイプのHA分子の結合および同化または結晶完成反応がすでに活性化されている。熱伝導率は最終HTTと共に単調に増加する。対照的に、約2,500℃の最終HTTが達せられるまで純粋なグラフェンフォームの熱伝導率が比較的一定のままであり、黒鉛結晶の再結晶化の開始および完成の信号を送る。比較的低いHTTで分子の化学連結を可能にする、HA中の-COOHおよび-OHなど、純粋なグラフェン中の官能基はない。1,250℃しかないHTTを使用して、HA分子および得られた六方晶炭素原子面が同化して、粒界が低減され電子輸送路の割り込みが少なくなった著しくより大きなグラフェン状六方晶炭素シートを形成することがえきる。HA由来シートは純粋なグラフェンよりも本質的に欠陥があるけれども、本発明の方法は、HA分子が純粋なグラフェンフォームよりも優れている黒鉛フォームを形成することを可能にする。これは別の予想外の結果である。 Shown are thermal conductivity data for a series of HA-derived foams and a series of pure graphene-derived foams, both plotted for the same final (highest) heat treatment temperature. These data show that the thermal conductivity of HA-derived foam is very sensitive to the final heat treatment temperature (HTT). Even when the HTT is very low, apparently some types of HA molecule binding and assimilation or crystallization completion reactions are already activated. Thermal conductivity increases monotonically with the final HTT. In contrast, the thermal conductivity of pure graphene foam remains relatively constant until a final HTT of about 2,500 ° C is reached, signaling the start and completion of recrystallization of graphite crystals. There are no functional groups in pure graphene, such as -COOH and -OH in HA, that allow chemical ligation of molecules with relatively low HTT. Using HTT at only 1,250 ° C, the HA molecule and the resulting hexagonal carbon atomic plane are assimilated, resulting in significantly larger graphene-like hexagonal carbon with reduced grain boundaries and less interruption of electron transport paths. It is possible to form a sheet. Although HA-derived sheets are inherently more defective than pure graphene, the methods of the invention allow HA molecules to form graphite foam that is superior to pure graphene foam. This is another unexpected result.
比較例3-d:天然黒鉛からの酸化グラフェン(GO)懸濁液および熱水還元酸化グラフェンからのグラフェンフォームの調製
黒鉛酸化物は、黒鉛フレークを4:1:0.05の比の硫酸、硝酸ナトリウム、および過マンガン酸カリウムからなる酸化剤液体で30℃で酸化することによって調製された。天然黒鉛フレーク(14μmの粒度)が48時間にわたって酸化剤混合物液体中に浸漬および分散されるとき、懸濁液またはスラリーは光学的に不透明且つ暗くみえ、そのままである。48時間後に、反応塊を水で3回洗浄してpH価を少なくとも3.0に調節した。次に、最終的な量の水を添加して一連のGO-水懸濁液を調製した。GOシートが>3%および典型的に5%~15%の重量分率を占めるとき、GOシートが液晶相を形成することを我々は観察した。
Comparative Example 3-d: Preparation of Graphene Oxide (GO) Suspension from Natural Graphene and Graphene Foam from Hydrothermally Reduced Graphene Oxide Graphene Oxide contains graphite flakes in a ratio of 4: 1: 0.05 nitric acid. It was prepared by oxidizing at 30 ° C. with an oxidizing agent liquid consisting of sodium nitrate and potassium permanganate. When the natural graphite flakes (14 μm particle size) are immersed and dispersed in the oxidant mixture liquid for 48 hours, the suspension or slurry appears optically opaque and dark and remains intact. After 48 hours, the reaction mass was washed 3 times with water to adjust the pH value to at least 3.0. The final amount of water was then added to prepare a series of GO-aqueous suspensions. We have observed that the GO sheet forms a liquid crystal phase when the GO sheet occupies a weight fraction of> 3% and typically 5% -15%.
自己組織化グラフェンヒドロゲル(SGH)試料を次に熱水法によって調製した。典型的な手順において、SGHは、12時間にわたって180℃のテフロン内張りオートクレーブ内に封止された2mg/mLの均質な酸化グラフェン(GO)水性分散体を加熱することによって容易に調製することができる。約2.6%(重量による)のグラフェンシートと97.4%の水とを含有するSGHは、約5×10-3S/cmの電気導電率を有する。乾燥させて1,500℃で熱処理したとき、得られたグラフェンフォームは約1.5×10-1S/cmの電気導電率を示し、それは同じ温度で熱処理することによって製造された本発明のHA由来フォームの電気導電率の1/2未満である。 Self-assembled graphene hydrogel (SGH) samples were then prepared by the hydrothermal method. In a typical procedure, SGH can be readily prepared by heating a 2 mg / mL homogeneous graphene oxide (GO) aqueous dispersion sealed in a 180 ° C. Teflon-lined autoclave over 12 hours. .. SGH containing about 2.6% (by weight) graphene sheet and 97.4% water has an electrical conductivity of about 5 × 10 -3 S / cm. When dried and heat treated at 1,500 ° C., the resulting graphene foam exhibited an electrical conductivity of about 1.5 × 10 -1 S / cm, which was produced by heat treatment at the same temperature of the present invention. It is less than 1/2 of the electrical conductivity of HA-derived foam.
比較例3-e:還元酸化グラフェンフォームのプラスチックビードテンプレート支援形成
マクロ多孔性気泡発生グラフェンフィルム(MGF)のための硬質テンプレート指示された秩序化組立体が作製された。単一分散ポリメチルメタクリレート(PMMA)ラテックス球が硬質テンプレートとして使用された。比較例3-dにおいて作製されたGO液晶はPMMA球懸濁液と混合された。次に、後続の真空濾過を実施してPMMA球とGOシートとの組立体を作製するが、GOシートはPMMAビードの周りに巻き付けられている。複合フィルムをフィルターから剥離し、空気乾燥させ、800℃においてか焼してPMMAテンプレートを除去し、同時にGOをRGOに熱還元した。灰色の自立PMMA/GOフィルムはか焼後に黒くなったが、グラフェンフィルムは多孔性のままだった。
Comparative Example 3-e: Plastic bead template assisted formation of reduced graphene oxide foam Rigid template for macroporous bubble-generating graphene film (MGF) The indicated ordered assembly was made. Unidisperse polymethylmethacrylate (PMMA) latex spheres were used as the rigid template. The GO liquid crystal produced in Comparative Example 3-d was mixed with the PMMA sphere suspension. Subsequent vacuum filtration is then performed to create an assembly of PMMA spheres and GO sheet, which is wrapped around the PMMA bead. The composite film was stripped from the filter, air dried and baked at 800 ° C. to remove the PMMA template, while at the same time heat reducing GO to RGO. The gray self-supporting PMMA / GO film turned black after calcination, but the graphene film remained porous.
図3(B)は、本発明のHA由来のフォーム、犠牲プラスチックビードテンプレート支援法によって製造されたGOフォーム、および熱水還元GOグラフェンフォームの熱伝導率の値を示す。最も驚くべきことに、同じHTTが与えられたとすると、本発明のHA由来フォームは、最も高い熱伝導率を示す。また、図4にまとめられた電気導電率データは、この結論と一致している。固体材料の同じ量が与えられたとすると、(応力誘起配向を有する)本発明のHA懸濁液の堆積および後続の熱処理は、本質的に最も伝導性であり、最も高レベルの黒鉛結晶完成(細孔壁に沿って、より大きな結晶寸法、より少ない粒界およびその他の欠陥、より良い結晶配向等々。)を反映するHA由来フォームを生じるという見解をこれらのデータはさらに支持する。 FIG. 3B shows the thermal conductivity values of the HA-derived foam of the present invention, the GO foam produced by the sacrificial plastic bead template support method, and the hydrothermally reduced GO graphene foam. Most surprisingly, given the same HTT, the HA-derived foams of the present invention show the highest thermal conductivity. Also, the electrical conductivity data summarized in FIG. 4 is consistent with this conclusion. Given the same amount of solid material, the deposition of the HA suspension of the present invention (with stress-induced orientation) and subsequent heat treatment is essentially the most conductive and the highest level of graphite crystal completion (with stress-induced orientation). These data further support the view that along the pore walls, HA-derived foams that reflect larger crystal dimensions, fewer grain boundaries and other defects, better crystal orientation, etc.) are produced.
黒鉛フォームまたはグラフェンフォームを製造する全ての先行技術の方法は、所期の用途の大部分のためにわずか約0.2~0.6g/cm3の範囲の物理的密度を有し、細孔径が典型的に非常に大きい(例えば20~300μm)マクロ多孔性フォームを提供すると思われることを指摘しておくべきである。対照的に、本発明は、最低0.01g/cm3および最高1.7g/cm3もあり得る密度を有するHA由来フォームを生成する方法を提供する。細孔径は、非炭素元素の含有量および使用される発泡剤の量/タイプに応じて中規模(2~50nm)~巨視的規模(1~500μm)までの間で変化し得る。様々なタイプの黒鉛フォームを設計する際のこのレベルの柔軟性および多角性は、先行技術のいずれの方法によっても前例がなく、他に並ぶものがない。 All prior art methods for producing graphite foam or graphene foam have a physical density in the range of only about 0.2-0.6 g / cm 3 for most of the intended use and a pore size. It should be pointed out that is typically likely to provide a very large (eg 20-300 μm) macroporous foam. In contrast, the present invention provides a method of producing HA-derived foams with densities that can be as low as 0.01 g / cm 3 and as high as 1.7 g / cm 3 . The pore size can vary from medium scale (2-50 nm) to macroscopic scale (1-5 μm) depending on the content of non-carbon elements and the amount / type of foaming agent used. This level of flexibility and versatility in designing various types of graphite foam is unprecedented and unmatched by any of the prior art methods.
実施例4:フッ素化HAフォームの調製
典型的な手順において、HA由来フォームのシートを封止オートクレーブ反応器内で三フッ化塩素の蒸気によってフッ素化して、フッ素化HA-炭素ハイブリッドフィルムを生じた。異なった時間のフッ素化時間が異なったフッ素化度を達成するために考慮された。次に、フッ素化HA由来フォームのシートをクロロホルム-水混合物をそれぞれ含有する容器内に別々に浸漬した。これらのフォームシートはクロロホルムを水から選択的に吸収し、図9に示されるように、吸収されたクロロホルムの量はフッ素含有量が7.2重量%に達するまでフッ素化度と共に増加することを我々は観察する。
Example 4: Preparation of Fluorinated HA Foam In a typical procedure, a sheet of HA-derived foam was fluorinated in an autoclave reactor with the vapor of chlorine trifluoride to give a fluorinated HA-carbon hybrid film. .. Fluorination times at different times were considered to achieve different degrees of fluorination. Next, a sheet of fluorinated HA-derived foam was separately immersed in a container containing each of the chloroform-water mixture. These foam sheets selectively absorb chloroform from water, and as shown in FIG. 9, the amount of absorbed chloroform increases with the degree of fluorination until the fluorine content reaches 7.2% by weight. We observe.
実施例5:窒素化HAフォームの調製
実施例3において調製された数個のHA由来フォームを2~48時間の間30%H2O2水溶液中に浸漬して、2~25重量%の制御された酸素含有量を有する酸化されたHA由来フォームを得た。
Example 5: Preparation of Nitrogenized HA Foam Several HA-derived foams prepared in Example 3 are immersed in a 30% H 2 O 2 aqueous solution for 2 to 48 hours to control 2 to 25% by weight. Oxidized HA-derived foam with oxygen content was obtained.
いくつかの酸化されたHA由来フォーム試料を異なった比率の尿素と混合し、および混合物を0.5~5分間の間マイクロ波反応器(900W)内で加熱した。生成物を脱イオン水で数回洗浄し、真空乾燥させた。得られた生成物は窒素化HAフォームであった。窒素含有量は、元素分析によって測定されるとき3重量%~17.5重量%であった。 Several oxidized HA-derived foam samples were mixed with different proportions of urea, and the mixture was heated in a microwave reactor (900 W) for 0.5-5 minutes. The product was washed several times with deionized water and vacuum dried. The product obtained was nitrogenized HA foam. Nitrogen content was 3% to 17.5% by weight as measured by elemental analysis.
HA由来フォームの異なった官能化処理は異なった目的のためであることを指摘しておいてもよいだろう。例えば、酸化されたHAフォーム構造物は、油-水混合物(すなわち油が水に流出し、次に一緒に混合される)からの油の吸収体として特に有効である、図7および図8。この場合、一体HA由来フォーム構造物(0~15重量%の酸素を有する)は疎水性および親油性の両方である(図7)。表面または材料は、水がこの材料または表面からはじかれ、しかも疎水性表面または材料上に置かれた水滴は大きい接触角を形成する場合に疎水性であると言われる。表面または材料は、水に対してではなく油に対して強い親和力を有する場合に親油性であると言われる。 It may be pointed out that the different functionalization treatments of HA-derived foams are for different purposes. For example, oxidized HA foam structures are particularly effective as oil absorbers from oil-water mixtures (ie, oil spills into water and then mixed together), FIGS. 7 and 8. In this case, the monolithic HA-derived foam structure (having 0-15 wt% oxygen) is both hydrophobic and lipophilic (FIG. 7). A surface or material is said to be hydrophobic when water is repelled from this material or surface and water droplets placed on the hydrophobic surface or material form a large contact angle. A surface or material is said to be lipophilic if it has a strong affinity for oil rather than water.
また、O、F、および/またはNの異なった含有量は、本発明のHA由来フォームが異なった有機溶媒を水から吸収するか、または1つの有機溶媒を複数の溶媒の混合物から分離することを可能にする。 Also, different contents of O, F, and / or N are such that the HA-derived foams of the invention absorb different organic solvents from water or separate one organic solvent from a mixture of multiple solvents. Enables.
実施例6:様々なHA由来フォームおよび従来の黒鉛フォームの特性決定
いくつかの一連のHA-炭素フォーム材料の内部構造(結晶構造および配向)がX線回折を使用して調査された。天然黒鉛のX線回折曲線は典型的に、約2θ=26°のピークを示し、約0.3345nmのグラフェン間の間隔(d002)に相当する。ハイブリッドフォーム材料のRHA壁は、典型的に0.3345nm~0.40nm、しかしより典型的に0.34nmまでのd002間隔を示す。
Example 6: characterization of various HA-derived foams and conventional graphite foams The internal structure (crystal structure and orientation) of several series of HA-carbon foam materials was investigated using X-ray diffraction. The X-ray diffraction curve of natural graphite typically shows a peak of about 2θ = 26 °, which corresponds to the spacing (d 002 ) between graphenes at about 0.3345 nm. The RHA walls of the hybrid foam material typically show d 002 spacing from 0.3345 nm to 0.40 nm, but more typically up to 0.34 nm.
1時間にわたる圧縮下のフォーム構造物のための2,750℃の熱処理温度によって、d002間隔は、黒鉛単結晶のd002間隔に等しい、約0.3354nmに減少する。さらに、高強度を有する第2の回折ピークは、(004)面からのX線回折に相当する2θ=55°に出現する。同じ回折曲線上の(002)強度に対する(004)ピーク強度、またはI(004)/I(002)比は、グラフェン状面の結晶完成度および好ましい配向の良い表示である。2,800℃よりも低い温度で熱処理された全ての黒鉛材料について(004)ピークは存在していないかまたは比較的弱いかどちらかであり、I(004)/I(002)比<0.1である。3,000~3,250℃で熱処理された黒鉛材料(例えば、高度配向熱分解黒鉛、HOPG)のI(004)/I(002)比は、0.2~0.5の範囲である。対照的に、1時間にわたって2,750℃の最終HTTで調製されたグラフェンフォームは、0.78のI(004)/I(002)比および0.21のモザイクスプレッド値を示し、細孔壁が、(圧縮力下で調製される場合)良い程度の好ましい配向を有するほぼ完全な黒鉛単結晶であることを示す。 The heat treatment temperature of 2,750 ° C. for the foam structure under compression over 1 hour reduces the d002 spacing to about 0.3354 nm, which is equal to the d002 spacing of the graphite single crystal. Further, the second diffraction peak having high intensity appears at 2θ = 55 °, which corresponds to the X-ray diffraction from the (004) plane. The (004) peak intensity, or I (004) / I (002) ratio to the (002) intensity on the same diffraction curve is a good indication of the crystal perfection of the graphene-like surface and the preferred orientation. For all graphite materials heat treated at temperatures below 2,800 ° C., the (004) peak is either absent or relatively weak, with an I (004) / I (002) ratio <0. It is 1. The I (004) / I (002) ratio of graphite material heat-treated at 3,000 to 3,250 ° C. (eg, highly oriented pyrolytic graphite, HOPG) is in the range of 0.2 to 0.5. In contrast, graphene foam prepared in the final HTT at 2,750 ° C. over 1 hour showed an I (004) / I (002) ratio of 0.78 and a mosaic spread value of 0.21 and a pore wall. Indicates that it is a nearly perfect graphite single crystal with a good degree of favorable orientation (when prepared under compressive force).
「モザイクスプレッド」値は、X線回折強度曲線の(002)反射の半値全幅から得られる。秩序化度のためのこの指標は、黒鉛またはグラフェン結晶サイズ(または結晶粒径)、粒界およびその他の欠陥の量、および好ましい結晶粒配向度を特性決定する。黒鉛のほぼ完全な単結晶は、0.3~0.6のモザイクスプレッド値を有することを特性とする。我々のHA由来フォームのいくつかは、2,500℃以上の最終熱処理温度を使用して製造されるときに0.2~0.4のこの範囲のモザイクスプレッド値を有する。 The "mosaic spread" value is obtained from the full width at half maximum of the (002) reflection of the X-ray diffraction intensity curve. This indicator for degree of order characterizes the graphite or graphene crystal size (or grain size), the amount of grain boundaries and other defects, and the preferred grain orientation. A nearly perfect single crystal of graphite is characterized by having a mosaic spread value of 0.3-0.6. Some of our HA-derived foams have a mosaic spread value in this range of 0.2-0.4 when manufactured using a final heat treatment temperature of 2,500 ° C or higher.
500℃しかない熱処理温度は細孔壁に沿う六方晶炭素原子面間の平均面間間隔を0.4nm未満にするのに十分であり、天然黒鉛の平均面間間隔または黒鉛単結晶の平均面間間隔にますます近づいていることを指摘しておくべきである。この方法の長所は、このHA液晶懸濁液コーティングおよび熱処理法によって、平面HA分子を組織化、配向/整列、および化学的同化して、全てのグラフェン状六方晶炭素原子面がいま横方向寸法においてより大きい(元のHA分子の長さおよび幅よりも著しく大きい)統一構造物を形成できたということである。起こり得る化学連結および同化機構が図3に説明される。これは、並外れた熱伝導率および電気導電率の値を生じた。 A heat treatment temperature of only 500 ° C. is sufficient to keep the average interplanetary spacing between hexagonal carbon atom planes along the pore walls below 0.4 nm, the average interplanetary spacing of natural graphite or the average surface of graphite single crystals. It should be pointed out that we are getting closer and closer to the interval. The advantage of this method is that by this HA liquid crystal suspension coating and heat treatment method, planar HA molecules are organized, oriented / aligned, and chemically assimilated so that all graphene-like hexagonal carbon atomic planes are now laterally dimensioned. It means that a larger unified structure (significantly larger than the length and width of the original HA molecule) could be formed in. Possible chemical linkage and assimilation mechanisms are illustrated in FIG. This resulted in extraordinary thermal and electrical conductivity values.
結論として、絶対的に新しい、新規な、予想外の、そして明らかに異なったクラスのHAフォームまたはHA由来黒鉛フォーム材料および関連した製造方法を良好に開発した。化学組成(酸素、フッ素、およびその他の非炭素元素の%)、構造(結晶完成、結晶粒径、欠陥群等々)、結晶配向、モルホロジー、製造法、およびこの新しいクラスのフォーム材料の性質は、メソフェーズピッチ由来の黒鉛フォーム、CVDグラフェン由来のフォーム、およびGOの熱水還元からのグラフェンフォーム、ならびに犠牲ビードテンプレート支援RGOフォームとは根本的に異なっており且つ明らかに区別される。本発明のフォーム材料によって示される熱伝導率、電気導電率、弾性率、および曲げ強さは、先行技術のフォーム材料のものよりももっと高い。 In conclusion, we have successfully developed absolutely new, novel, unexpected and distinctly different classes of HA foam or HA-derived graphite foam materials and related manufacturing methods. Chemical composition (% of oxygen, fluorine, and other non-carbon elements), structure (crystal completion, crystal grain size, defect group, etc.), crystal orientation, morphology, manufacturing process, and properties of this new class of foam material It is fundamentally different and distinct from graphite foam derived from mesophase pitch, foam derived from CVD graphene, and graphene foam from hydrothermal reduction of GO, as well as sacrificial bead template-assisted RGO foam. The thermal conductivity, electrical conductivity, elastic modulus, and flexural strength exhibited by the foam materials of the present invention are much higher than those of the prior art foam materials.
Claims (35)
(a)複数のフミン酸分子またはシートが液体媒体中に分散されたフミン酸分散体を調製する工程において、前記フミン酸が、酸化フミン酸、還元フミン酸、フッ素化フミン酸、塩素化フミン酸、臭素化フミン酸、ヨウ化フミン酸、水素化フミン酸、窒素化フミン酸、ドープトフミン酸、化学的に官能化されたフミン酸、およびそれらの組合せからなる群から選択され、前記分散体が、0/1.0~1.0/1.0の発泡剤対フミン酸重量比を有する任意選択の発泡剤を含有する工程と、(A) In the step of preparing a humic acid dispersion in which a plurality of humic acid molecules or sheets are dispersed in a liquid medium, the humic acid is humic acid oxide, reduced humic acid, fluorinated humic acid, or chlorinated humic acid. , Brominated humic acid, iodide humic acid, hydride humic acid, nitrogenized humic acid, doped humic acid, chemically functionalized humic acid, and combinations thereof. A step of containing an optional foaming agent having a humic acid to humic acid weight ratio of 0 / 1.0 to 1.0 / 1.0, and a step of containing the foaming agent.
(b)前記フミン酸分散体を支持基材の表面上に分配および堆積してフミン酸の湿潤層を形成する工程と、(B) A step of distributing and depositing the humic acid dispersion on the surface of the supporting substrate to form a wet layer of humic acid.
(c)前記液体媒体をフミン酸の前記湿潤層から部分的にまたは完全に除去してフミン酸の乾燥された層を形成する工程と、(C) A step of partially or completely removing the liquid medium from the wet layer of humic acid to form a dry layer of humic acid.
(d)フミン酸の前記乾燥された層を前記非炭素元素から揮発性ガス分子を誘導するためにまたは前記発泡剤を活性化するために十分な所望の加熱速度において80℃~3,200℃の第1の熱処理温度で熱処理して、複数の細孔および細孔壁から構成される、前記フミン酸由来の炭素/黒鉛フォームを製造する工程において、前記細孔壁が単一層または数層フミン酸由来六方晶炭素原子面またはシートを含有し、前記数層六方晶炭素原子面またはシートが、X線回折によって測定されるとき0.3354nm~0.60nmの面間間隔d(D) 80 ° C. to 3,200 ° C. at a desired heating rate sufficient to induce volatile gas molecules from the non-carbon element in the dried layer of humic acid or to activate the effervescent agent. In the step of producing the carbon / graphite foam derived from humic acid, which is composed of a plurality of pores and pore walls by heat treatment at the first heat treatment temperature of humic acid, the pore walls are single layer or several layers of humic acid. It contains an acid-derived hexagonal carbon atomic plane or sheet, and the interplanetary spacing d of 0.3354 nm to 0.60 nm when the multi-layer hexagonal carbon atomic surface or sheet is measured by X-ray diffraction. 002002 を有する積層六方晶炭素原子面の2~10層を有し、前記単一層または数層六方晶炭素原子面が非炭素元素0.01重量%~25重量%を含有する工程とを含むことを特徴とする方法。It comprises a step of having 2 to 10 layers of a laminated hexagonal carbon atomic surface having, and the single layer or several layers hexagonal carbon atomic surface containing 0.01% by weight to 25% by weight of non-carbon elements. How to feature.
(a)フミン酸分子が液体媒体中に分散されたフミン酸分散体を調製する工程において、前記分散体が発泡剤を含有する工程と、(A) In the step of preparing a humic acid dispersion in which humic acid molecules are dispersed in a liquid medium, a step of the dispersion containing a foaming agent and a step of preparing the humic acid dispersion.
(b)前記フミン酸分散体を支持基材の表面上に連続的にまたは不連続に分配および堆積してフミン酸の湿潤層を形成する工程において、前記支持基材が、フィーダーローラーから供給されコレクターローラー上で集められた連続した薄いフィルムである工程と、(B) In the step of continuously or discontinuously distributing and depositing the humic acid dispersion on the surface of the supporting base material to form a wet layer of humic acid, the supporting base material is supplied from a feeder roller. The process of being a continuous thin film collected on a collector roller,
(c)前記液体媒体をフミン酸の前記湿潤層から部分的にまたは完全に除去してフミン酸の乾燥された層を加熱領域または複数の加熱領域において形成する工程と、(C) A step of partially or completely removing the liquid medium from the wet layer of humic acid to form a dried layer of humic acid in a heated region or a plurality of heated regions.
(d)フミン酸の前記乾燥された層を前記発泡剤を活性化するために十分な所望の加熱速度で80℃~500℃の加熱温度を含む前記加熱領域の1つにおいて熱処理して、複数の細孔および細孔壁から構成される、前記フミン酸由来の炭素/黒鉛フォームを製造する工程において、前記細孔壁が単一層または数層フミン酸由来六方晶炭素原子面またはシートを含有し、前記数層六方晶炭素原子面またはシートが、X線回折によって測定されるとき0.3354nm~0.60nmの面間間隔d(D) The dried layer of humic acid is heat-treated in one of the heating regions comprising a heating temperature of 80 ° C. to 500 ° C. at a desired heating rate sufficient to activate the effervescent agent. In the step of producing the humic acid-derived carbon / graphite foam composed of the pores and pore walls of the above, the pore walls contain a single layer or several layers of humic acid-derived hexagonal carbon atomic planes or sheets. , Interplane spacing d of 0.3354 nm to 0.60 nm when the multi-layer hexagonal carbon atomic plane or sheet is measured by X-ray diffraction. 002002 を有する積層六方晶炭素原子面の2~10層を有し、前記単一層または数層六方晶炭素原子面が非炭素元素0.01重量%~25重量%を含有する工程とを含むことを特徴とする方法。It comprises a step of having 2 to 10 layers of a laminated hexagonal carbon atomic surface having, and the single layer or several layers of the hexagonal carbon atomic surface containing 0.01% by weight to 25% by weight of non-carbon elements. How to feature.
a.請求項1に記載の方法で製造されたフミン酸由来の炭素/黒鉛フォームを含む油吸収要素を提供する工程と、a. A step of providing an oil absorbing element containing a carbon / graphite foam derived from humic acid produced by the method according to claim 1.
b.油-水混合物を前記混合物から前記油を吸収する前記要素と接触させる工程と、b. The step of bringing the oil-water mixture into contact with the element that absorbs the oil from the mixture.
c.前記要素を前記混合物から取り出して前記油を前記要素から抽出する工程と、c. A step of removing the element from the mixture and extracting the oil from the element.
d.前記要素を再使用する工程とを含むことを特徴とする方法。d. A method comprising a step of reusing the element.
a.請求項1に記載の方法で製造されたフミン酸由来の炭素/黒鉛フォームを含む有機溶媒吸収または溶媒分離要素を提供する工程と、a. A step of providing an organic solvent absorbing or solvent separating element containing a carbon / graphite foam derived from humic acid produced by the method according to claim 1.
b.前記要素を有機溶媒-水混合物と、または第1の溶媒および少なくとも第2の溶媒を含有する複数溶媒混合物と接触させる工程と、b. A step of contacting the element with an organic solvent-water mixture or with a plurality of solvent mixtures containing a first solvent and at least a second solvent.
c.前記要素が前記有機溶媒を前記混合物から吸収するようにするかまたは前記第1の溶媒を前記少なくとも第2の溶媒から分離するようにする工程と、c. A step of allowing the element to absorb the organic solvent from the mixture or separating the first solvent from at least the second solvent.
d.前記要素を前記混合物から取り出して前記有機溶媒または第1の溶媒を前記要素から抽出する工程と、d. A step of removing the element from the mixture and extracting the organic solvent or the first solvent from the element.
e.前記要素を再使用する工程とを含むことを特徴とする方法。e. A method comprising a step of reusing the element.
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Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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Family Cites Families (5)
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|---|---|---|---|---|
| US4532260A (en) * | 1984-10-18 | 1985-07-30 | Alfred D. Lobo Co., L.P.A. | Elastomer compositions containing humates |
| US5688999A (en) * | 1996-01-26 | 1997-11-18 | Lignotech Usa, Inc. | Production of oxidized humic acids by an oxygen-alkali process |
| US9017756B2 (en) * | 2010-01-07 | 2015-04-28 | Nanotek Instruments, Inc. | Continuous process for producing spacer-modified nano graphene electrodes for supercapacitors |
| EP2523903A4 (en) * | 2010-01-12 | 2013-05-01 | Nat Nanomaterials Inc | Method and system for producing graphene and graphenol |
| US9605193B2 (en) * | 2012-10-19 | 2017-03-28 | The Hong Kong University Of Science And Technology | Three dimensional interconnected porous graphene-based thermal interface materials |
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20150259212A1 (en) | 2012-08-23 | 2015-09-17 | Monash University | Graphene-based materials |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Powell,C et al,Graphene oxide and graphene from low grade coal: Synthesis characterization and applications,Current Opinion in Co;;oid & interface Science,2015年,Vol.20,No.5 |
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