石墨烯包覆的基材和所得的復(fù)合材料的制作方法
【專利說明】石墨稀包覆的基材和所得的復(fù)合材料
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求在2012年6月5日提交的美國臨時專利申請?zhí)?1/655, 712和在2013 年3月13日提交的美國臨時專利申請?zhí)?1/779,208的優(yōu)先權(quán)，將它們各自的公開內(nèi)容W 其整體通過引用結(jié)合于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[000引用于用石墨締包覆基材（substrate)的方法。被包覆的基材隨后可W用于多種用 途，如聚合物復(fù)合材料中的填料。
【背景技術(shù)】
[0004] 石墨締是一種碳的同素異形體，其理論上體現(xiàn)為單一平面的碳原子。在文獻中，石 墨締通常表示為具有sp2-鍵合的碳原子的二維蜂窩晶格。在實踐中，本領(lǐng)域技術(shù)人員經(jīng)常 將石墨締稱為不僅表示為單一平面而且表示為多層單一碳平面的碳材料。由于它獨特的結(jié) 構(gòu)，石墨締具有出色的電遷移率，或電荷傳輸性質(zhì)，但是展示很少的光學吸收。所提到的石 墨締的特性使得它在某些應(yīng)用如半導(dǎo)體和光伏制品中是非常需要的。
[0005] 已經(jīng)通過常規(guī)方法形成了熱力學穩(wěn)定的石墨締溶液。在某些方法中，使常見的石 墨片狀剝落并隨后溶解到石墨締的單層片材中。石墨締可W能夠在它的應(yīng)用中提供非常需 要的機械、熱學、化學和電學性質(zhì)。然而，石墨締的溶液遞送變得有問題，因為與石墨締一起 存在相對大體積的溶劑。為了使利用此形式的石墨締的遞送切實可行，必須解決溶液的去 除。
[0006] 導(dǎo)電材料可W用作聚合物基質(zhì)中的填料。將常規(guī)的導(dǎo)電填料如炭黑W通常15-25 重量％的相當大的加載水平添加至聚合物組合物，導(dǎo)致脆化和耐沖擊性損失。碳納米管在 與炭黑相比的較低加載水平，具體地，小于5重量％時是類似有效的。然而，碳納米管是昂 貴的，提供差的結(jié)構(gòu)補強，并且產(chǎn)生貫穿它們的操作和使用的工業(yè)衛(wèi)生的顧慮。解決導(dǎo)電性 同時不對聚合物復(fù)合材料的其他性質(zhì)產(chǎn)生負面影響的進展將使導(dǎo)電聚合物領(lǐng)域獲益。
[0007] 概述
[000引含有可溶石墨締的溶液可W進行處理W允許在將各種基材浸入在液體介質(zhì)中的 同時將該可溶石墨締轉(zhuǎn)移到基材上。通過各種導(dǎo)致在液體介質(zhì)中石墨締的溶解度改變的技 術(shù)實現(xiàn)石墨締的沉積。溶解度改變使得石墨締能夠沉積到基材上。一旦石墨締沉積到基材 上，就可W將至少部分被包覆的基材從液體介質(zhì)中分離。該基材隨后充當用來將石墨締遞 送至所需應(yīng)用的載體。該種方式消除了當試圖在最終用途應(yīng)用中直接施用基于溶液的石墨 締時對過量溶劑的處理。該方法也適合用于在單批或連續(xù)過程中適時地將石墨締施加至多 個基材。
[0009] 在一個實施方案中，將基材浸入在具有石墨締溶質(zhì)的溶液中。改變石墨締溶質(zhì)的 溶解度W使石墨締包覆基材的至少一部分。溶解度的改變可W通過多種技術(shù)完成。所采用 的技術(shù)允許至少某種形式的石墨締沉積到基材。在某些實施方案中并且利用特定的基材， 石墨締粘附或結(jié)合至基材同時沒有隨后從基材上的剝落或任何非故意釋放。此外，基材可 W進行處理W增強石墨締從溶液的沉積。
[0010] 石墨締作為單層石墨締或若干層石墨締從溶液沉積到基材上，同時不形成石墨的 聚集體。該使得被包覆的基材能夠具有石墨締的所需物理和化學性質(zhì)。
[0011] 所得的在其表面的至少一部分被石墨締包覆的基材可W在應(yīng)用中提供某些性質(zhì)。 例如，通過將被包覆的基材包括或使用在裝置、制品、化學品或使用領(lǐng)域中，可W提供機械 補強、導(dǎo)熱性、化學強化和導(dǎo)電性。在某些實施方案中，石墨締包覆的基材應(yīng)用于聚合物中。 例如，可W在烙融加工（melt processing)期間將石墨締包覆的基材包含在聚合物基質(zhì)中。
[0012] 為了本公開內(nèi)容的目的，在本申請中所用的W下術(shù)語定義如下；
[0013] "包覆"或"涂覆"表示粘附、結(jié)合（包括化學鍵合）、鍛覆或附著。
[0014] "分散的"表示分布在整個聚合物基質(zhì)中。
[0015] "石墨締"表示單個的SP2-鍵合的碳原子面和多至多個層的SP2-鍵合的碳原子面， 在某些實施方案中，可W有1-20個面，且在其他實施方案中有2-5個面。
[0016] "可烙融加工的組合物"表示被烙融加工的制劑，典型地在升高的溫度下，借助常 規(guī)聚合物加工技術(shù)如例如擠出或注射成型；
[0017] "烙融加工技術(shù)"表示擠出、注射成型、吹塑或滾塑分批混合；
[0018] "聚合物復(fù)合材料"表示聚合物材料和添加劑或填料（包括本公開內(nèi)容的石墨締包 覆的基材）的混合物。
[0019] "聚合物基質(zhì)"表示一種可烙融加工的聚合物材料或多種材料的組合。
[0020] W上概述不意在描述每一個公開的實施方案或要求保護的主題的每一種實現(xiàn)。W 下的詳細描述更具體地舉例說明實施方案。
[0021] 附圖簡述
[0022] 圖1是包覆到玻璃纖維上的石墨締的掃描電子顯微鏡圖。
[0023] 圖2是包覆到火山灰的粒子上的石墨締的掃描電子顯微鏡圖。
[0024] 圖3是包覆到纖維素上的石墨締的掃描電子顯微鏡圖。
[0025] 詳細描述
[0026] 可W將溶解的石墨締轉(zhuǎn)移至在液體介質(zhì)中的基材上。在基材處于液體介質(zhì)中的同 時，引發(fā)轉(zhuǎn)移并且通過改變石墨締的溶解度進行。在一個實施方案中，用于用石墨締包覆基 材的方法包括；提供具有石墨締溶質(zhì)的溶液，將基材的至少一部分浸入所述溶液中，和改變 所述石墨締溶質(zhì)的溶解度W使石墨締包覆所述基材的至少一部分。在某些實施方案中，石 墨締的覆層可W是石墨締的單個層或多個層，但是足夠充分實現(xiàn)電子遷移率W及可能地其 他物理和化學性質(zhì)。
[0027] 典型地，W在溶液中的可溶材料的形式提供石墨締。用于形成在溶液中的可溶石 墨締的方法的一個實例公開于美國專利申請公開2011/0117361A1( '361)中，其通過引用 W其整體結(jié)合于此。該'361公開描述了對于多種溶劑，在溶劑質(zhì)量和表面張力的固有性 質(zhì)之間的關(guān)系。該關(guān)系確定了能夠用可溶石墨締形成熱力學穩(wěn)定的溶液的操作窗口。如 果沒有獲得熱力學穩(wěn)定的石墨締溶液，則可W認為該混合物是分散體。分散體通常是具有 一種物質(zhì)狀態(tài)的粒子W分開的物質(zhì)相在連續(xù)相的異種材料中的混合物。然而，對于本公 開內(nèi)容的目的，可溶石墨締和不可溶石墨締或石墨可W存在于溶劑中。例如，石墨締可W 超過溶劑的溶解度極限。可溶石墨締的存在將仍然使得石墨締能夠包覆到基材上。對于 想要的最終用途應(yīng)用，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠確定產(chǎn)生含有石墨締的熱力學穩(wěn)定的溶液的 合適溶劑。在某些實施方案中，合適的溶劑可W包括N-甲基化咯燒酬、環(huán)己基化咯燒酬 (pyrrolidinone)、己締基R比咯燒酬（pyrrolidinone)受阻叔胺或醇。在溶劑中的可溶石墨 締的濃度可W包括0. 25重量％直至2重量％，且在某些實施方案中為0. 4重量％至1重 量％。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在更高濃度和形成石墨而非石墨締的肯能之間可W進行折 〇
[002引多種基材可W適合于接收或接受石墨締，因為石墨締從在溶劑中的可溶相轉(zhuǎn)變?yōu)?較不可溶相并轉(zhuǎn)移到基材上。例如，石墨締能夠鍛覆或包覆到多種基材上。在某些實施方案