(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリマーマトリックスと、
表面積３００ｍ２／ｇ〜２６００ｍ２／ｇを有する官能性グラフェンとを含む、ガス拡散バリア。
【請求項２】
前記官能性グラフェンが、４０ｋｇ／ｍ３〜０．１ｋｇ／ｍ３の嵩密度を有する、請求項１に記載のガス拡散バリア。
【請求項３】
前記官能性グラフェンが、６０／４０〜９５／５のＣ／Ｏ酸素比を有する、請求項１に記載のガス拡散バリア。
【請求項４】
前記組成物の総重量に対して、０．１重量％〜９０重量％の前記官能性グラフェンを含む、請求項１に記載のガス拡散バリア。
【請求項５】
前記官能性グラフェンが、
（ａ）グラファイトのインターカレーションおよび酸化を行い、グラファイト酸化物を得ること、
（ｂ）前記グラファイト酸化物を３００〜２０００℃の温度で加熱することにより、表面積３００ｍ２／ｇ〜２６００ｍ２／ｇを有する官能性グラフェンを得ることを含む方法によって生成される、請求項１に記載のガス拡散バリア。
【請求項６】
前記ポリマーマトリックスがエラストマーを含む、請求項１に記載のガス拡散バリア。
【請求項７】
前記ポリマーマトリックスが、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレンおよびプロピレンのコポリマー、ポリエステル、ナイロン、ポリスチレン、酢酸ポリビニル、ポリカーボネート、塩化ポリビニル、ポリメチルメタクリレート、ポリメチルアクリレート、ポリカプロラクトン、ポリカプロラクタム、フッ素化エチレン、ポリスチレン、スチレンアクリロニトリル、ポリイミド、エポキシ、ポリウレタンおよびこれらの混合物からなる群から選択される少なくとも一種を含む、請求項１に記載のガス拡散バリア。
【請求項８】
前記ポリマーマトリックスが、加硫天然ゴム、スチレン−ブタジエンゴム、ポリスチレン−ポリイソプレン−ポリスチレン、ポリシロキサンおよびこれらの混合物からなる群から選択されるエラストマーを含む、請求項１に記載のガス拡散バリア。
【請求項９】
電気伝導性である、請求項１に記載のガス拡散バリア。
【請求項１０】
前記官能性グラフェンがナノ小板の形状である、請求項１に記載のガス拡散バリア。
【請求項１１】
前記官能性グラフェンが、１００を超えるアスペクト比を有する、請求項１０に記載のガス拡散バリア。
【請求項１２】
ガス拡散バリアを製造する方法であって、
表面積３００ｍ２／ｇ〜２６００ｍ２／ｇを有する官能性グラフェンをポリマーマトリックスに添加することを含む、方法。
【請求項１３】
前記ポリマーマトリックス中で前記官能性グラフェンを配向させることを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記官能性グラフェンが、４０ｋｇ／ｍ３〜０．１ｋｇ／ｍ３の嵩密度を有する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記官能性グラフェンが、６０／４０〜９５／５のＣ／Ｏ酸素比を有する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
０．１重量％〜９０重量％の前記官能性グラフェンを添加することを含む、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、官能性グラフェンおよびポリマーを含有するナノ複合材料、ならびに、特にガス拡散膜などのバリア膜のために該ナノ複合材料を製造および使用する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
過去５０年にわたって、工業規模の「複合材料」は、多数の鉱物および金属を、熱硬化性ポリマー、熱可塑性ポリマーおよびエラストマーポリマーに添加することにより製造されてきた(Donnet, J.B., Nano and microcomposites of polymers elastomers and their reinforcement, Composites Science and Technology 2003, 63, (8), 1085-1088)。バルクポリマーと比較すると、これらの複合材料は、ヤング率、引張強度、耐摩耗性および貯蔵弾性率などの特性において緩やかな機械的性能の向上が見られる。しかしながら、ナノスケール粒子の合成における最近の進歩は、複合材料産業の成長を劇的に促進している。原子レベルの粒子を合成し、特徴付ける能力により、高性能な充填材が新たに創出された。「ナノ複合材料」と呼ばれるサブミクロン充填材をポリマーに配合すると、初期の試みを容易に凌駕する比類なき性能向上が見られた。ナノ複合材料に対する商業的な需要が高まっている。このような材料についての可能な用途は、食品包装、ガスケット材、自動車用途、携帯型電子デバイスなどの広範な産業に及ぶ。
【０００３】
この成長は、熱可塑性物質の研究に偏っていたが、最近では、エラストマーナノ複合材料に対する関心が高まっている。タイヤのインナーチューブ、エアスプリングおよびキュアブラダー(cure bladders)などの工業用途を対象として、一般的に使用される多くのゴムの引張特性およびバリア特性を向上させる努力がなされている。その研究自体は、ハロゲン化ブチルゴムなどの一般的な特殊ゴムの安価な代替物を見出すために始まった。その中で、多数の充填材材料が調査された。伝統的な選択肢としては、様々な鉱物、カーボンブラックおよびケイ酸塩などが挙げられる。しかしながら、合成技術の進歩に伴って、多数の有望な新材料が出現した。
【０００４】
ナノ粒子が、ポリマー鎖の寸法に匹敵する寸法を有し、１００を超える高いアスペクト比を有し、ポリマーマトリックス中に均一に分散しているナノ粒子充填ポリマー複合材料（ＮＣ）の分野に、特に注目されている。ポリマー複合材料、例えば、フラクタル凝集ナノ粒子（シリカおよびカーボンブラック）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、無機クレイおよびアルミナシリケートナノプレートの機械的特性、電気伝導性および熱伝導性の向上のために広範に研究されている充填材材料がいくつかある。
【０００５】
ナノ粒子充填ポリマー複合材料を製造する最初の試みでは、ナノ粒子の分散が不十分であり、機械的特性が低下した材料しか得られないことが多かった。工業用途には実用的でないことが多かったが、溶媒またはモノマーを用いた処理を伴う小規模な分散方法により、多機能性能を備え、機械的特性が改善されたＮＣを生じることがあった。現実の世界的用途に使用できる一貫した特性を有するＮＣの開発に影響を及ぼすいくつかの問題として、（１）使用するナノ粒子の多くは高価である（例えば、ＣＮＴ）、（２）良好な分散を達成するために、大規模な商業的生産には実用的でない化学的または機械的操作を頻繁に行う必要がある、（３）炭化水素ポリマーマトリックス相と無機ナノ充填材との界面エネルギーのミスマッチの問題により、処理および機械的特性に関する困難が生じる、ことが挙げられる。
【０００６】
かなりの量の研究がナノクレイを用いて行われている。ナノクレイ強化複合材料は、さまざまなポリマー系において、剛性、ガラス転移温度、バリア耐性および耐燃焼性を高めている。ナノクレイはまた、高アスペクト比のナノプレートであり、グラフェンと同様、安価な商品材料（クレイ）から得られるので、本発明の計画されたグラフェンポリマー複合材料との比較に適している。クレイの面内弾性率（modulus）は、雲母の面内弾性率〜１７８ＧＰａと同様であり、これはグラフェンの１０６０ＧＰａという値（グラファイトの面内値）よりも著しく低い。最近の研究によれば、クレイはその親水性により、疎水性である大半のポリマーと相溶しないことが指摘されている。１つの手法は、多様な手法によりクレイを有機親和性にすること（アミノ酸、有機アンモニウム塩、テトラ有機ホスホニウム）である。このようなクレイは「有機クレイ」と呼ばれる。これらの材料は、添加される界面改質剤の費用や、処理条件下で不安定性なことが難点である。さらに、ポリマーマトリックス中にこれら有機クレイを均質に分散させることは困難であった。
【０００７】
カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）も、ナノフィラーとしてかなりの関心を持たれている。これらの材料は、良好な機械的特性および高アスペクト比を有し、それらの表面はクレイ系ナノフィラーよりも炭化水素ポリマーとの相溶性が高いはずである。ナノフィラーとして、ＣＮＴはいくつかの制約があり、そのうちの１つがそれらの製造費用である。ＣＮＴは気相プロセスにおいて作製されるので、製造費用は、高密度で作用する溶液系の製法よりも高価である。単一壁カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）の製造は金属触媒の添加を必要とするが、純粋なＳＷＣＮＴ材料を生成するためにはこれらの金属触媒を除去しなければならず、除去しない場合、最終材料中に重金属汚染物質が存在することになる。
【０００８】
グラファイトは「半金属」であり、最近の研究により、高配向熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ）から得られたきわめて薄い（２〜３層の厚さ）ナノプレートが安定であり、半金属性であり、金属性トランジスタ用途にとりわけ優れた特性を有することが証明されている。
【０００９】
グラフェンシートがカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）と同じｓｐ２炭素ハニカム構造を有するとしても、今までのところ、特にガスバリア用途のためにポリマーナノ複合材料においてグラフェンを適用するのに必要な高分散薄シートを効果的に製造することは不可能であった。
【発明の概要】
【００１０】
したがって、本発明の目的は、ポリマーナノ複合材料に好適なナノフィラー材料である官能性グラフェンシート（ＦＧＳ）を提供することである。
【００１１】
本発明の別の目的は、ポリマー材料のガスバリア特性を向上させる修飾グラファイトを基材とするナノフィラー材料を提供することである。
【００１２】
本発明の別の目的は、ポリマー材料のガスバリア特性だけでなく、同時にポリマー複合材料の機械的（強度、靭性、弾性率）および熱安定性を向上させる修飾グラファイトを基材とするナノフィラー材料を提供することである。
【００１３】
本発明の別の目的は、ポリマー材料のガスバリア特性だけでなく、同時にポリマー複合材料の電気伝導性を向上させる修飾グラファイトを基材とするナノフィラー材料を提供することである。
【００１４】
この目的および他の目的は、本発明により達成されており、本発明の第一実施形態は、ガス拡散バリアを包含し、このガス拡散バリアは、
ポリマーマトリックスと、
Ｘ線回析により測定したときに、グラファイトおよび／またはグラファイト酸化物の痕跡を全く示さない官能性グラフェンと
を含む。
【００１５】
別の実施形態においては、本発明は、ガス拡散バリアを製造するための方法に関し、この方法は、
Ｘ線回析により測定したときに、グラファイトおよび／またはグラファイト酸化物の痕跡を全く示さない官能性グラフェンをポリマーマトリックスに添加する
ことを含む。
【００１６】
本発明およびその付随する利点の多くは、以下の詳細な説明を添付図面と共に検討して参照することによってよりよく理解されるので、それらについてのより完全な理解は容易に得られるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】グラファイトと、異なる期間酸化を行うことによって調製されたグラファイト酸化物とのＸＲＤパターンを示す。
【図２】９６時間酸化されたＧＯの制限視野電子回折（ＳＡＥＤ）パターンと、ＧＯの積み重ね間隔(stack spacing)からの回折リング内の構造を示す。
【図３】ＧＯの固体１３Ｃ−ＮＭＲスペクトルを例証し、この試料は９６時間酸化されている。
【図４】ＦＧＳと、９６時間および２４時間酸化し、１０５０℃で急速に膨張させることによって調製されたＧＯ試料とのＸＲＤパターンを例証する。図４ｂにおける不完全に酸化したＧＯは、熱処理後、２θ≒２６．５°により顕著なピークを表す。
【図５】完全に酸化したＧＯ（９６時間）から製造したＦＧＳの、回折リング内に構造がない制限視野電子回折（ＳＡＥＤ）パターンを示す。ＦＧＳの構造は、図４ａおよび図４ｂのＸＲＤ情報に相応して完全に無秩序であることが分かる。
【図６】ＧＯ試料を異なる温度で３０分間加熱することにより調製されたＦＧＳ試料のＢＥＴ表面積を示す。
【図７】しわのある薄い小板構造を例証する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）画像を示す。画像に重なっているのは、示したラインスキャンに沿った高さプロファイルである。平均高さは〜２．８ｎｍである。
【図８】純粋ＮＲ、１ｐｈｒのＦＧ、３ｐｈｒのＦＧおよび２０ｐｈｒのＣＢを充填したＮＲに関する、ａ）応力−歪み曲線と、ｂ）正規化ヤング率および引張強度を示す。
【図９】従来の拡散セルを例示したものである。
【図１０】ポリマー膜からの拡散に関する典型的な時間−圧力グラフを示す。
【図１１】Ｖｅｃｔｏｒコポリマー内にＦＧＳを分散させるように設計された混合装置を示す。混合は、ガラスビーズ充填ベッドにより補助される。
【図１２】Ｈａａｋｅ  Ｍｉｎｉｌａｂ押出機においてエラストマーナノ複合材料を製造する際に使用する共回転スクリューを撮影した写真である。装置全体が示されている。
【図１３】薄いＰＤＭＳナノ複合材料試料をキャストし、硬化させるのに使用される鋼製鋳型を示す。
【図１４】透過性を測定するように構築された拡散セルを示す。
【図１５】ＶＣＲ接続金具と、更なる下流容量の取り付けのためのオプションとを組み込んだ好ましい設計を例証する。
【図１６】ＮＲおよびＰＤＭＳに関する、ＦＧＳ充填量(loading)の関数としてのヤング率の増加を例証する。充填量が０％では、ＰＤＭＳおよびＮＲのヤング率は、それぞれ０．９ＭＰａおよび１．６７ＭＰａであることが判明した。
【図１７】ＮＲおよびＰＤＭＳ／ＦＧＳナノ複合材料に関する引張強度の増加を示す。充填量が０％では、ＰＤＭＳおよびＮＲの引張強度は、それぞれ０．３３ＭＰａおよび２．７２ＭＰａであることが判明した。
【図１８】ＣＢおよびＦＧＳの両方が充填されたＮＲを比較する。ＦＧＳゴムは、引張強度は増加するが、全伸長は犠牲になっていることに留意されたい。一番上のグラフはＦＧＳであり、真ん中のグラフはＣＢであり、一番下のグラフはＮＲである。
【図１９】ＣＢおよびＦＧＳが充填されたＰＤＭＳの差異を示す。ＦＧＳ試料に見られる降伏挙動に留意されたい。一番上のグラフはＦＧＳであり、真ん中のグラフはＣＢであり、一番下のグラフはＰＤＭＳである。
【図２０】純ＰＤＭＳフィルム（５１０μｍ厚）に関する典型的な時間対圧力プロットである。
【図２１】ＰＤＭＳ（Ａ）およびＮＲ（Ｂ）に関する透過測定を示す。
【図２２】ＮＲ（Ｂ）に関する透過測定を示す。
【図２３】Ｖｅｃｔｏｒ（Ｃ）に関する透過測定を示す。
【図２４】（Ｄ）ＰＤＭＳ／ＦＧＳ（０．５重量％充填）に関する透過測定を示す。
【図２５】（Ｅ）ＰＤＭＳ／ＦＧＳ（１重量％充填）に関する透過測定を示す。
【図２６】（Ｆ）ＰＤＭＳ／ＦＧＳ（２．５重量％充填）に関する透過測定を示す。
【図２７】（Ｇ）ＰＤＭＳ／ＦＧＳ（５．０重量％充填）に関する透過測定を示す。
【図２８】（Ｈ）ＮＲ／ＦＧＳ（１重量％充填）に関する透過測定を示す。
【図２９】（Ｉ）ＮＲ／ＦＧＳ（２重量％充填）に関する透過測定を示す。
【図３０】（Ｊ）ＮＲ／ＦＧＳ（４重量％充填）に関する透過測定を示す。
【図３１】（Ｋ）Ｖｅｃｔｏｒ／ＦＧＳ（１重量％充填）に関する透過測定を示す。
【図３２】（Ｌ）Ｖｅｃｔｏｒ／ＦＧＳ（２．５重量％充填）に関する透過測定を示す。
【図３３】（Ｍ）Ｖｅｃｔｏｒ／ＦＧＳ（５重量％充填）に関する透過測定を示す。
【図３４】（Ｎ）低アスペクト比ＦＧＳ／ＰＤＭＳ（１重量％充填）に関する透過測定を示す。
【図３５】（Ｏ）低アスペクト比ＦＧＳ／ＰＤＭＳ（２．５重量％充填）に関する透過測定を示す。
【図３６】（Ｐ）低アスペクト比ＦＧＳ／ＰＤＭＳ（５重量％充填）に関する透過測定を示す。
【図３７】（Ｑ）ＮＲ／ＦＧＳ（押出成形）（１重量％充填）に関する透過測定を示す。
【図３８】（Ｒ）ＮＲ／ＦＧＳ（押出成形）（２重量％充填）に関する透過測定を示す。
【図３９】文献の値と比較したときの、ＰＤＭＳ用拡散セルにより算出された透過性、拡散性および溶解度パラメーターを例証する。棒グラフは左から右へ、２６０、２６０、５１０μｍ、文献値である。
【図４０】天然ゴムに関する比較を示す。棒グラフは左から右へ、２６０、２６０、３７０μｍ、文献値である。
【図４１】コポリマーＶｅｃｔｏｒ  Ｖ４１１１に関する比較を示す。棒グラフは左から右へ、２００、２００、４６５μｍ、文献値である。
【図４２】倍率２，０１０倍で純天然ゴムを撮影したＳＥＭ画像を示す。
【図４３】（ａ）は押出混合により製造された２重量％のＮＲ／ＦＧＳ複合材料を撮影したＳＥＭ写真である。大きな塊状のＦＧＳ顆粒に留意されたい。（ｂ）は、溶液法により混合された２重量％のＮＲ／ＦＧＳ複合材料を撮影したＳＥＭ写真である。大きな不規則部がないのは、ナノフィラー分散度がより高いことを示唆している。
【図４４】（ａ）純ＰＤＭＳおよび（ｂ）２．５重量％のＰＤＭＳ／ＦＧＳ複合材料を表すＳＥＭ画像を示す。複合材料内には小さな構造体が見えるが、それでもやはり凝集の兆候を示していない。
【図４５】純粋Ｖｅｃｔｏｒ（ａ）と、５重量％のＦＧＳ／Ｖｅｃｔｏｒ複合材料（ｂ）とを比較するＳＥＭ画像を示す。高コントラスト領域は、おそらくはＦＧＳシートの押出に起因する大きな組織分布的な変動を示唆している。
【図４６】電気伝導性およびＦＧＳ充填量の関係を例証する。２．５％充填時の３つの試料においてパーコレーション（浸透）が見られる。ＮＲ（押出）試料では、電気伝導性はほぼ認められなかった。
【図４７】低レベルのＦＧＳ充填量で測定された相対的透過性を例証する。ＰＤＭＳおよびＶｅｃｔｏｒについては、５％充填時に５倍の低下が見られた。１標準偏差のエラーバーは、各試料について示されている。
【図４８】ナノフィラー分散が増大するときの透過性の低下を例証する。
【図４９】フィラーのアスペクト比が増大すると、ＰＤＭＳ／ＦＧＳ試料の透過性が如何に大幅に低下するかを例証する。
【発明の詳細な説明】
【００１８】
本発明者らは、グラフェン充填されたポリマーナノ複合材料の機械的特性、熱的特性、電気的特性およびガスバリア特性を調べた。１つの実施形態において、表面積の大きい（＞６００ｍ２／ｇ）単一グラフェンシートは、酸化プロセスに続くグラファイトの急速な剥離により得られる。このプロセスにより、グラフェンシートは、主にエポキシド、カルボン酸およびヒドロキシル基で修飾され、したがって、カーボンナノチューブとは異なり、ポリマーマトリックス内でのグラフェン充填材の分散を向上させるための表面の官能化は必要ない。
【００１９】
官能性グラフェンシート
剥離グラファイトは、クレイ充填材に相当するＣＮＴの機械的性能を付与する。剥離グラファイトは、新規なクラスの低価格で高性能なナノ複合材料を生成する可能性を有する。
【００２０】
グラファイトは、化学的または熱的方法を使用して剥離することができる。これらの方法において、弱く結合したグラフェンシートが分離する。各方法の根幹をなすプロセスは、主にＳｔａｕｄｅｎｍａｉｅｒまたはＨｕｍｍｅｒｓ (Staudenmaier, L., Verfahrenzurdarstellung der graphitsaure. Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft 1898, 31, 1481; Hummers, W.S.; Offeman. R.E., preparation of Graphite Oxide. Journal of the American Chemical Society 1958, 80, (6), 1339-1339)が提案したプロセスなどによるグラファイトの酸処理である。
【００２１】
ＧＯの剥離は、化学的手段を用いて室温で達成することができる。例えば、ＧＯにＭｏＣｌ５をインターカレートし、これに、ヒドラジン一水和物（Ｎ２Ｈ４・Ｈ２Ｏ）を過剰に添加することができる。
【００２２】
別の剥離機構は、ＧＯを急速に加熱して、グラフェンシートを急速に膨張させて、熱的に剥離したＧＯ（ＦＧＳ）を得ることである。
【００２３】
剥離手順により、小さい分子を個々のグラフェンシート間にインターカレートすることができる。シート同士がより弱いファンデルワールス力で一つに保持されている場合、このような分子が炭素層を押し離し、これにより、グラファイトシートが容易に酸化される。過剰なインターカラントを洗浄して除去した後、グラファイト酸化物（ＧＯ）のみが残る。この新規な材料は、面間隔が０．３４ｎｍ（天然グラファイト）から０．７１ｎｍ（ＧＯ）に増大するときのＸ線回折（ＸＲＤ）によって特徴付けることができる。
【００２４】
従来のポリマーナノ複合材料において、カーボンブラックまたはクレイは、工業的に使用される主な種類の充填材である。カーボンブラックは、球状の凝集構造を有するので、ガス透過特性を有意に改善しない。クレイ小板はガスバリア特性においていくらかの改善を示すが、機械的強度および電気伝導性などの他の特性を欠く。さらに、その無機特性により、有機ポリマーマトリックス中のクレイ小板の分散は、決定的な障害であった。しかしながら、本発明によれば、ガス透過特性に加え、ポリマー複合材料の機械的強度および導電性はいずれも、そのシート様構造に起因して、グラフェン充填材の充填量が低くても（＞０．１重量％）改善され得る。
【００２５】
ＣＮＴと比べてグラファイトは比較的安価であるので、剥離グラファイトは魅力的な材料となる。グラファイトナノ小板（ＧＮＰ）の使用は、クレイナノプレートと比べて、グラフェンおよびグラフェン様シートの化学的性質のために有利である。本発明者らは、炭素のきわめて豊かな化学的性質を、複合材料における界面操作に、また、ナノエレクトロニクスおよびセンサーにおけるグラフェンプレートの使用などのその他多くの可能な応用分野に利用できることを見出した。グラフェンおよびグラフェン様プレートは疎水性であるので、広範なポリマー、および、タンパク質やＤＮＡを含む他の有機物質と適合性がある。さらに、官能基との化学的結合によりグラフェンシートの湿潤性を「調整する」ことが可能である。
【００２６】
グラファイトまたはグラフェンシートはファンデルワールス力により相互作用して、層状または積層構造を形成する。理論的には、グラフェンシートは、原子的に厚い層からなるので、２，６００ｍ２／ｇもの表面積を有する。グラファイトは異方性の機械的特性および構造を有する。各層内の強いｓｐ２共有結合と異なり、グラフェン層は、比較的弱いファンデルワールス力により一つに保持されている。この異方性により、グラファイトは、面内およびｃ軸方向に異なる特性を有する。
【００２７】
グラファイトの化学的修飾による、グラフェンシートのインターカレーションおよび酸化は文献に記載されている。インターカレーションは、ゲスト材料をホストの層状材料の「ギャラリー」に挿入するプロセスであり、これらのシートは、天然グラファイトの０．３４ｎｍ間隔よりも大きく分離する。インターカレーション化合物を形成する層状材料としては、グラファイト、窒化ホウ素、アルカリ金属酸化物およびケイ酸クレイなどが挙げられる。これらの材料の中で、グラファイトおよび窒化ホウ素は唯一の固体層状材料であり、これらは原子的に薄い原子のシートからなり、「ステージ」を形成する能力の点で独特である。「ステージ」では、ゲストであるインターカラントの単層が、ｎ（複数）層のホストによって分離されて、「ｎステージ」化合物を形成する。インターカレーションプロセスは通常、層状ホスト材料および試薬間の化学反応および電荷移動の結果、新たな原子または分子のインターカラント層が挿入されることを含む。その両性的性質により、グラファイトは、還元剤または酸化剤と反応して、供与体型または受容体型のグラファイトインターカレーション化合物（ＧＩＣ）を形成することができる。供与体ＧＩＣの場合、インターカラント（アニオン）は電子をホスト層に供与し、一方、受容体ＧＩＣの場合、インターカラント（カチオン）はホスト層から電子を抽出する。本発明の方法は、実質的に完全なグラファイトのインターカレーションによりステージｎ＝１のグラファイト酸化物を形成することから始まり、これに依存する。
【００２８】
結合している層の炭素原子の結合長に対するインターカレーションの効果も、供与体が考慮されているのか、あるいは受容体が考慮されているのかに応じて変化する。さらに、アルカリを用いると、初期値１．４２０Åを超える小さな膨張があり、この値は概ね原子価に比例し、金属の段階指数およびイオン半径に反比例する。インターカレーションプロセスの結果として、インターカラントによる炭素層の変形または乱れが生じ得る。炭素層の局部座屈も生じ得る。
【００２９】
グラファイトの部分的酸化の結果、グラファイト酸化物（ＧＯ）が生成される。多くのモデルが、グラファイト酸化物の構造を説明するために提案されている。しかしながら、ＧＯの正確な構造は、依然として積極的な研究の一分野である。
【００３０】
アコーディオンまたは「虫様（worm-like）」構造を有する膨張グラファイト材料を作製する方法が提案されている。これらの材料は、電磁波干渉シールド、油流出改善および生物医学的液体の収着などの多くの用途を有する。これらの部分的に剥離したグラファイト材料の大半は、発煙硝酸の存在下でグラファイトに硫酸をインターカレートして膨張グラファイト材料を形成することによって作製される。次いで、これらの膨張材料を加熱してｃ軸方向に伸長させる。これらの材料は「膨張グラファイト」または「剥離グラファイト」と呼ばれることもあるが、本発明のＦＧＳとは別個のものである。これらの「虫様」膨張グラファイト酸化物材料に関して、個々のグラファイトまたはＧＯシートは、一部分だけが分離されて、「アコーディオン」構造を形成している。加熱した結果、ｃ軸方向に膨張するが、このような材料の典型的な表面積は、１０〜６０ｍ２／ｇのオーダーである。２００ｍ２／ｇ未満の表面積、および０．３４ｍｎのｄ間隔に相当する元のグラファイトの０００２ピークの存在はいずれも、グラフェンシートが完全に分離または剥離していないことを示す。「グラフェン」という用語は、グラファイト積層構造の個々の層を表すのに使用されるが、グラファイト酸化物が個々のグラフェンシートが酸化されている高度に酸化した形態のグラファイトを表すのに対し、グラフェンは、天然グラフェンとグラファイト酸化物との中間の、部分的に酸化された状態であってよい層状シート構造を表すのに使用される。
【００３１】
本発明は、例えば、ポリマー複合材料用ナノフィラーとして、複合材料用の伝導性充填材として、バッテリーおよびウルトラキャパシタ用電極材料として、ポリマーの拡散バリア特性を改善する充填材として、ならびに水素貯蔵材料として好適な修飾グラファイトを基材とする材料に関する。グラファイトナノ小板（ＧＮＰ）材料は、効果的なナノフィラーに必要な属性の１つ以上が欠けている従前のグラファイト材料とは別個のものである。また、本発明は、電気伝導性であり、ポリマー複合材料と配合されると、導電性を付与し得る修飾グラファイトを基材とする材料に関する。本発明はさらに、ポリマー複合材料に配合されると拡散バリアとして機能し得るようなアスペクト比が高い修飾グラファイトを基材とする材料に関する。
【００３２】
より詳細には、本発明は、新規なプロセスにより酸化されたグラファイトを剥離させることにより得られる新規な材料に関する。本方法の第一の工程は、天然グラファイトのインターカレーションおよび酸化により、酸化したグラファイトまたはグラファイト酸化物（ＧＯ）を形成することである。第一の工程により、グラフェン層の間隔が、天然の０．３４ｎｍの間隔を失って膨張する。膨張プロセス中、ＸＲＤパターンに見られるような０．３４ｎｍの間隔と関連するピークは消失し、同時に、０．７１ｎｍの間隔と関連するピークが現われる。実質的に完全なグラファイトのインターカレーションおよび酸化を行うための最良の方策は、０．３４ｎｍの回折ピークの消失および０．７１のピークのみへの置換である。今までのところ、このような完全なグラファイトのインターカレーションおよび酸化については、何れの文献にも報告されていない。実質的に完全なインターカレーションは、例えば、図４および図５に示されている。結果として生じたＧＯ上の官能基（例えば、ヒドロキシル基、エポキシ基およびカルボン酸基）は、単独でまたは組み合わさって、ＧＯ層間のギャラリー内での水分子の保持を促進する。ＧＯを急速に加熱する（０．３４ｎｍのＸＲＤピークが完全に０．７１ｎｍのピークに完全に置き換わった後）と、インターカラント、吸収溶媒（水および水と水溶性溶媒との混合物など）の過熱および揮発が生じ、グラファイト酸化物中の酸素含有種の化学分解から、ＣＯ２などのガスが発生する。これらのプロセスは、個別に、および集合的に、ＧＯシートを分離または剥離する圧力を生じる。本発明との関連では、「剥離」という用語は、層状または積み重ね構造から、実質的に層分離（de-laminated）した、無秩序な（disordered）、もはや積み重ねられていない構造へと変化させるプロセスを示す。この手順により、無秩序なＧＯシートが生成され、これらのシートは、表面積が大きく毛羽立ったきわめて低密度な材料として出現する。無秩序なＧＯは、Ｘ線回折パターンに０．７１ｎｍに相当するピークを示さない。不活性雰囲気中での急速な加熱の間、ＧＯは部分的に還元され、電気伝導性になる。加熱速度は、少なくとも約２０００℃／分であり、２０００℃／分よりも高いことが好ましい。不活性雰囲気は、ガスまたはガス混合物が不活性である限り、特に限定されない。好ましくは、窒素、アルゴンまたはこれらの混合物が使用される。さらに、一酸化炭素、メタンまたはこれらの混合物などの還元雰囲気を使用してもよい。ＦＧＳは、極性溶媒およびポリマー中に容易に分散することができ、例えば、ナノフィラーとして複合材料中で、ウルトラキャパシタにおいて、分散剤として、および水素貯蔵材料として使用できる。
【００３３】
水は、極性酸素官能基およびイオン性インターカラントとの相互作用により導入される。しかしながら、水はインターカラントではない。
【００３４】
水分子間のギャラリー内での水保持率は、ＧＯの総重量に対して、１重量％〜５００重量％、好ましくは１重量％〜３００重量％、および最も好ましくは１重量％〜１００重量％であってもよい。水保持率は、ＧＯの総重量に対して、特に５、１０、２０、４０、６０、８０、１００、１５０、２００、２５０、３００、３５０、４００、４５０重量％を含む、それらの間の全ての数値および小数値を包含する。使用する水は脱イオン水であるのが好ましく、１００〜０．２ＭΩ／ｃｍ、より好ましくは５０〜０．２ＭΩ／ｃｍ、最も好ましくは１８〜０．２ＭΩ／ｃｍの抵抗率を有する水であるのが好ましい。抵抗率は、特に０．５、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６および１７ＭΩ／ｃｍを含む、それらの間の全ての数値および少数値を包含する。
【００３５】
グラファイトの酸化を行ってグラファイト酸化物を生成するための溶媒は、特に制限されない。好ましい媒質は水であるが、疎水性グラファイトフレークの湿潤性を増大させるために、共溶媒または添加物を使用することができる。溶媒および／または添加物は単独でまたは組み合わせて使用してもよい。好ましい添加物としては、メタノール、エタノール、ブタノール、プロパノール、グリコールなどのアルコール、水溶性エステルおよびエーテル、非イオン性エチレンオキシド、プロピレンオキシドおよびこれらのコポリマーなどの界面活性剤、Ｔｅｒｇｉｔｏｌ群の界面活性剤またはＴｒｉｔｏｎ群の界面活性剤などのアルキル界面活性剤、またはエチレンオキシドおよびプロピレンオキシドまたはブチレンオキシド単位を有する界面活性剤などの界面活性剤が挙げられる。これらの例としては、ＰｌｕｒｏｎｉｃまたはＴｅｔｒｏｎｉｃ系界面活性剤が挙げられる。共溶媒および界面活性剤は、溶液相の０．０００１〜１０重量％のレベルで使用できる。共溶媒および界面活性剤の量としては、溶液相に対して、特に０．０００５、０．００１、０．００５、０．０１．０．０５、０．１、０．５、１、１．５、２、２．５、３、３．５、４、４．５、５、５．５、６、６．５、７、７．５、８、８．５、９および９．５重量％を含む、それらの間の全ての数値および少数値を包含する。
【００３６】
ＦＧＳ上の極性官能基は、好ましくは、ヒドロキシル基、エポキシ基およびカルボン酸基またはそれらの誘導体である。これらの極性基は、これらの極性官能基に対して反応性である分子を使用して官能化することができる。二種以上の官能基を含み得る。例えば、アルキルアミンおよびジアルキルアミンを使用して、エポキシドに対する反応によって表面に疎水性を付加したり、ＦＧＳ表面を共有結合で架橋することができる。酸塩化物は、ヒドロキシルと反応してアルキル基を付加することができる。アミンまたはヒドロキシルの、カルボン酸との反応を使用して、アルキル基を添加することにより表面をより疎水性にする基を付着させることができる。この表面は、例えば、先に列挙した化学物質を用いて、エチレンオキシド、第一および第二アミンならびに酸官能基を添加することにより、さらに疎水性にすることができる。重要なクラスの改質としては、表面上の種をグラフトして、充填材表面とポリマーマトリックスとの粘着(cohesive)相互作用を増大させることが挙げられる。これらのグラフト化剤としては、ポリマーマトリックス相の低分子類似体、または反応性官能基を有するマトリックス相と同じ組成を有するポリマーが挙げられる。これらの材料には、ＦＧＳとオレフィンポリマーとの間の適合性を誘導するための、酢酸ビニルもしくはマレイン酸無水物またはそれらの混合物のポリエチレンまたはポリプロピレンコポリマーが挙げられる。
【００３７】
インターカラントとしては、単独でまたは組み合わせて使用される無機酸またはそれらの塩、好ましくはＨＮＯ３、Ｈ２ＳＯ４、ＨＣｌＯ４、ＫＣｌＯ４が挙げられるが、これらに限定されない。
【００３８】
加熱中に発生するガスとしては、ＧＯ層間に結合した水からの水蒸気、インターカレートされ洗浄により除去されなかった硫酸塩からの硫黄酸化物ＳＯｘやＨ２Ｓ、硝酸塩がインターカラントとして使用される場合には窒素酸化物ＮＯｘ、ＧＯ前駆体由来の酸素化種の部分的還元および排除から得られるＣＯ２、ＣＯおよびＣｎＨｍＯｏ種が挙げられる。Ｘ、ｍ、ｎおよびｏは数字であり、好ましくは整数である。加熱中に、二種以上のガスが発生することもある。１つの実施形態においては、剥離している間、気相中の分解生成物のＩＲスペクトルは、洗浄していないＧＯ試料中にはＳＯ２、ＣＯ２および水が存在し、洗浄した試料中にはＣＯ２および水のみが存在することを示している。ＳＯ２は、インターカレートされた硫酸イオンの分解から生じ、ＣＯ２はＧＯ上の酸素化種の分解によって生じる。より大きい炭素数の気体発生成物が少量発生することもある。硝酸塩インターカラントが使用される場合、ＮＯｘ種が放出されることもある。
【００３９】
不活性ガス雰囲気下での急速な加熱は、以下のように行われる。ＧＯ前駆体の急速な加熱は、ＦＧＳを効果的に生成するために必要である。昇温が緩慢すぎると、発生したガスがＧＯを剥離するのに十分な大きさの圧力を蓄積することなく、ＧＯシート間の横方向通路から逃げる可能性がある。試料と加熱炉との温度勾配が低すぎるか、温度勾配が非常に緩慢に適用されるか、または、あまりにも多くの試料が同時に処理されるために、ＧＯ床内部の熱伝導抵抗が試料床内部の加熱を緩慢にする、という理由で、加熱速度が不十分となることがある。２０００℃／分のオーダーの温度勾配が、１５００ｍ２／ｇもの大きい表面積を有するＦＧＳ材料を生成する。これは、１０５０℃の管状炉内での３０分の加熱時間に相当する。１２０℃／分の加熱速度では、わずか５００ｍ２／ｇのＦＧＳ試料しか生成されなかった。勾配が急であるほど大きく剥離するが、理論的な最大値である２６００ｍ２／ｇが限界値であろう。最大表面積を達成するには、極性溶媒中にＦＧＳをコロイド分散させ、溶液中で吸着方法によって表面積を測定することが必要になるであろう。これにより、コロイド分散により全ての表面積が確実に利用できる。昇温速度に加え、最終温度は、水の核沸騰ならびにＧＯ酸化物およびインターカレートされたイオンの分解に十分な程大きいものである必要がある。熱重量研究によれば、揮発性成分の複合蒸発には２５０℃よりも高い温度が必要である。ＧＯが３０００℃よりも高い温度に曝されると、ＧＯ構造の過剰な分解が生じ得る。しかしながら、その温度は、ＧＯが暴露される温度である。火炎バーナー中で剥離されるＧＯ試料は、３０００℃を超える火炎温度に曝されるが、火炎中の滞留時間が短いか、または溶媒もしくは発生ガスの揮発という冷却効果により、火炎温度がそれ以上に高くても、粒子が暴露される温度は３０００℃未満に保たれ得る。
【００４０】
ＦＧＳが分散し得る極性溶媒としては、水、ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、アルコール、エチレングリコール、プロピレングリコールおよびブチレングリコールなどのグリコール、脂肪族および芳香族エステル、ジブチルフタレートなどのフタレート、塩化メチレンなどの塩素系溶媒、酢酸エステル、アルデヒド、グリコールエーテル、プロピオン酸エステルなどが挙げられる。所望されるクラスの代表的な溶媒は、Ｄｏｗ  Ｃｈｅｍｉｃａｌのウェブサイト（http://www.dow.com/oxysolvents/prod/index.htm）において見出すことができる。極性溶媒は、単独でまたは組み合わせて使用してもよい。非極性溶媒との混合物も可能である。
【００４１】
ＦＧＳ表面上のヒドロキシル基は、制御されたフリーラジカル重合（ＲＡＦＴ、ＡＴＲ、ＮＭＰまたはＭＡＤＩＸ重合）スキームを用いてポリマー鎖が成長できる開始部位となり得る。重合可能ないずれのモノマーも使用できる。好ましいモノマーは、スチレン、メタクリレート、アクリレート、ブタジエンおよびそれらの誘導体などの芳香族モノマーである。モノマーは、単独でまたは混合物として使用してもよい。
【００４２】
本発明は、（ａ）グラファイト試料を酸化および／またはインターカレートして、膨張した中間層を有するグラファイト酸化物を得ること、（ｂ）グラファイト酸化物を加熱して、過熱させ、インターカレートされた水および／または溶媒、すなわちインターカラントからガスを発生させ、グラファイト酸化物を分解することを含む方法により製造される官能性グラフェン（ＦＧＳ）に関する。圧力が急激に高くなると、ＧＯの層の積層構造が剥離または無秩序化する。
【００４３】
ＦＧＳの実質的な剥離は、図４ａ中のＦＧＳについてのＸＲＤパターンと、図１中の純グラファイトについての元のＸＲＤパターンとの比較により示されるように、２θ〜２６．５°（グラフェンシート間の分離距離は０．３４ｎｍ）での元のグラファイトのピークからＸ線回折ピークが存在しないことにより規定される。２θが１０°〜２０°の広範なＦＧＳピークの面積に対して、２θが２４°〜２９°の範囲のピーク面積は１％未満である。剥離が不適切または不完全であると、グラファイトピークおよび広範なＦＧＳピークの存在を示す、図４ｂに示す材料が得られる。この材料は、本発明においてＦＧＳと呼ばれる材料ではない。本発明のＦＧＳ材料に関し、元のＧＯシート（図４ａを参照）由来の、２θ＝１２．５°〜１４．５°での回折ピーク下の面積は、２θ＝９°〜２１°でのＦＧＳピーク下の総面積の１５％未満である。
【００４４】
本発明は、さらに上述の工程を含むＦＧＳ製造方法に関する。工程ｂ）での加熱は、３００℃〜２０００℃、好ましくは８００℃〜１２００℃、および最も好ましくは約１０００℃の温度にて炉内で行ってもよい。温度は、特に４００、５００、６００、７００、８００、９００、１０００、１１００、１２００、１３００、１４００、１５００、１６００、１７００、１８００および１９００℃を含む、それらの間の全ての数値および小数値を含む。温度が高いほど加熱時間は短くなる。また、加熱温度は、試料の容量や熱伝導についての起こりうるあらゆる制約に応じて変化する。容量がより大きい試料は、より長い加熱時間を必要とする。加熱時間は、１秒〜５分であるのが好ましい。加熱時間は、特に５、１０、２０、３０、４０、５０秒、１分、１．５、２、２．５、３、３．５、４、４．５分を含む、それらの間の全ての数値および小数値を含む。
【００４５】
別の実施形態においては、工程ｂ）は、約２５００℃の温度で火炎噴霧により行ってもよい。この場合の滞留時間は、一瞬〜約１秒のオーダーである。工程ｂ）における過熱は、シート間の水を１００℃よりも高い温度まで局部加熱することを指す。
【００４６】
好ましい実施形態においては、本方法はさらに、グラファイト酸化物を加熱する前に、グラフェン中間層から酸および塩を除去する工程、ならびに、グラファイト酸化物を加熱する前に、グラファイト酸化物を乾燥させて、インターカレートされる種ならびに剥離に十分な水および溶媒を残しつつも、過剰な水および溶媒を除去する工程を含む。除去される塩は、最初の酸化およびインターカレーションに関与するイオン種である。これらとしては、Ｈ＋、Ｋ＋、塩素酸イオン、硝酸イオン、硫酸イオンおよびグラファイト構造の分解から生じ得る有機酸が挙げられる。
【００４７】
本発明との関連で、「十分な水」という句は以下のことを指す。剥離ＦＧＳを生成するために加熱している際に、表面水、すなわち、酸化したＧＯシートの表面上の水、を除去しなければならない。これは「予備乾燥」工程で行い、含水量を５００重量％〜０．５重量％（乾燥ＧＯの重量に対する水の重量）に低減することができる。ＧＯ顆粒状粉末の加熱を伴う方法にとって好ましい水分含量は、７５％〜２％の水、および最も好ましい範囲は２０％〜５％である。その後、これらの粉末は、炉、火炎、流動床またはマイクロ波加熱装置内で加熱されて、剥離を誘導する。加熱はまた、より大きなチューブにおいて、またはＧＯの水性スラリー中に噴霧することができる火炎プロセスにより生じ得る。火炎プロセスでは、過剰な（表面）水は、剥離を引き起こすことなく蒸発する。表面水が蒸発している間、蒸発によって溶媒の沸点付近の温度（すなわち、約１００℃）が保たれる。表面水が蒸発すると、次いで、部分的に乾燥されたＧＯは非常に高い温度に曝され、剥離する。
【００４８】
ＧＯを加熱して急速に膨張させてＦＧＳとする他の方法は、バルク水溶液中にＧＯを溶かしたスラリーを加熱装置内に射出することを含む。これらのスラリーは、ＧＯをスラリーの総重量に対して１〜８５重量％の濃度で含有してもよい。ＧＯの量は、特に５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５および８０重量％を含む、それらの間の全ての数値および小数値を含む。スラリーを炉内に直接射出してもよく、この炉は、管状炉、流動床加熱器、還元領域を有する火炎バーナーまたはマイクロ波チャンバであってもよい。表面水または溶媒を最初に蒸発させ、次いで、インターカレートされた水性溶媒を含むＧＯを過熱し、ＧＯを剥離する。
【００４９】
本発明により製造されるＦＧＳは、約３００ｍ２／ｇ〜２６００ｍ２／ｇ、好ましくは３００ｍ２／ｇ〜２４００ｍ２／ｇ、より好ましくは３００ｍ２／ｇ〜１１００ｍ２／ｇの表面積と、約４０ｋｇ／ｍ３〜０．１ｋｇ／ｍ３の嵩密度と、約６０／４０〜９５／５、特に好ましくは６５／３５〜８５／１５の範囲内にある高温膨張後のＣ／Ｏ酸素比とを有する。算出される最大表面積は、単一のグラファイトシートの表面積を基準として、２６００ｍ２／ｇである。表面積は、特に４００、５００、６００、７００、８００、９００、１００、１１０、１２００、１３００、１４００、１５００、１６００、１７００、１８００、１９００、２０００、２１００、２２００、２３００、２４００および２５００ｍ２／ｇを含む、それらの間の全ての数値および小数値を含む。嵩密度は、特に０．５、１、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５ｋｇ／ｍ３を含む、それらの間の全ての数値および小数値を含む。Ｃ／Ｏ酸素比は、特に６５／３５、７０／３０、７５／２５、８０／２０、８５／１５および９０／１０を含む、それらの間の全ての数値および小数値を含む。高温膨張は、２５０℃以上、好ましくは２５０℃〜３０００℃の範囲で行われる。
【００５０】
本発明のＦＧＳは、ＸＲＤにより測定したときに元のグラファイトおよび／またはグラファイト酸化物の痕跡を本質的には全く示さず、例えば、硫酸、硝酸、過酸化水素、過塩素酸塩、または酸化剤などの塩酸から選択される材料を使用して、層状グラファイトを酸化してグラファイト酸化物を生成する方法により製造される。酸化剤は特に制限されない。好ましい酸化剤としては、ＫＣｌＯ４、ＨＮＯ３＋ＫＣｌＯ３、ＫＭＮＯ４＋ＮａＮＯ３、Ｋ２Ｓ２Ｏ８＋Ｐ２Ｏ５＋ＫＭＮＯ４、ＫＭＮＯ４＋ＨＮＯ３、ＨＮＯ３が挙げられる。別の好ましい方法は、電気化学的酸化によるグラファイト電極での分極である。これら酸化剤の混合物または組み合わせを使用してもよい。結果生じた官能性グラフェンはナノフィラーとして機能する。ＦＧＳ材料は、ＸＲＤにより測定したときに、元のＧＯの積層構造の痕跡を本質的に全く示さない。２θ＝１０°〜１５°でのＸ線ピークの高さは、Ｘ線測定値を、絶対散乱強度について較正したとき、元のＧＯ材料における２θ＝２２°〜３０°でのピークの高さの２０％未満である。ポリマー複合材料の機械的特性、電気伝導性および熱伝導性を改善するために、ナノフィラーのアスペクト比は１００より高く、フィラーのマイナー寸法はポリマー鎖の寸法に匹敵するようなサイズであり、フィラーは高分子網目中に均一に分散している必要がある。
【００５１】
ＸＲＤパターンでもＳＡＥＤパターンでもグラファイト材料を特徴付けるものではない００２ピーク（０．３４ｎｍまたは０．７１ｎｍの面間分離距離）が、本発明の官能性グラフェン（ＦＧＳ）では目に見える兆候を全く示さない。本発明の好ましい実施形態においては、ＦＧＳの調製に関与するいくつかの工程がある。一番目の工程は、グラファイトの完全なインターカレーションおよび酸化である。これは、ロンドン−ファンデルワールス力を妨害し、積層構造に水または他の揮発性溶媒分子を配合させるのに必要である。次いで、酸および塩をグラフェン中間層から除去する。その後、ＧＯを適切に乾燥させて、剥離を行うに十分な溶媒およびインターカラントを残しつつ、過剰な水または溶媒を除去する。乾燥方法は、特に制限されない。乾燥は、室温で、室温〜１００℃の温度で、または真空オーブン内で行ってもよい。水または他の溶媒含有量がＧＯの総重量に対して１重量％〜５００重量％、好ましくは１重量％〜３００重量％、および最も好ましくは１重量％〜２０重量％になるまで、ＧＯを乾燥させる。水または他の溶媒の量としては、特に１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１５０、２００、２５０、３００、３５０、４００および４５０重量％を含む、それらの間の全ての数値および小数値が含まれる。最後に、ＧＯを急速に加熱してインターカレートされた水の過熱およびインターカラントの分解を引き起こす。これにより、インターカレートされた水およびインターカラントは、層間隔から拡散し得るよりも速く揮発または分解して、グラファイト酸化物層を引き離す大きな局部圧力を生じ得る。その結果、ナノフィラー特有の特性を有する高度に膨張したＦＧＳ構造が生じる。
【００５２】
ＦＧＳ表面の極性を改変して、液体またはポリマーマトリックス中のＦＧＳの分散を調節することができる。この改変は、剥離中の還元の程度を制御することによって処理中に達成することができる。これは、試料の時間および温度履歴を制御することによって達成される。最初の剥離後、試料を高温で放置すると、結果として極性官能性が低下する。還元を助けるガス組成物を含んだ雰囲気下での剥離は、還元が高まり（ＣＯまたはＣＨ４など）、より高い酸化力を有するガス組成物は極性官能性を高める（不活性ガスおよび酸素ガスの混合物など）。ＦＧＳ表面上のＯＨ、エポキシドおよびカルボン酸基を介した化学反応による生成後、ＦＧＳ表面の極性を変化させることができる。
【００５３】
ＡＦＭなどの方法によるＦＧＳの特徴付けに関する更なる情報は、Schnieppら, Journal of Physical Chemistry B, Letters, 2006, 110, 8535-8539, 04/11/06に記載されている。この文献は、引用されることにより本明細書の開示の一部とされる。
【００５４】
グラファイトのインターカレーションおよび膨張に関する１５０年近くにもわたる広範な研究にもかかわらず、グラファイトを完全に剥離して個々のグラフェンシートとすることは達成されていない。これまでのところ、グラファイトの熱的または化学的膨張および剥離では、完全に剥離された(delaminated)グラフェンシートについて予測される理論値〜２，６００ｍ２／ｇを大きく下回る＜６００ｍ２／ｇの表面積を有する材料しか生成されていない。
【００５５】
本発明のＧＯの急速な熱膨張により、非常に薄いナノプレートがポリマーマトリックス中でナノスケールの強化剤として使用される独特の機会が付与される。本発明中でＦＧＳと称されるものの表面上に極性酸素官能基が存在するため、ＦＧＳで強化された極性側基または潜在的に反応性の側基を有するポリマーは、単一壁カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）および伝統的なＥＧを含有する同様に処理されたナノ複合材料と比較して、優れた特性を有する。
【００５６】
ＦＧＳは、ポリマー複合材料、特に、伝導性ポリマー複合材料中で、エラストマー材料の添加物として、エラストマー拡散バリア中で、水素貯蔵在地として、スーパーキャパシタ用材料として、フレキシブル電極中で、吸着材料として、分散剤として、潤滑剤として、コーティング中で、特に、ＵＶ安定性を必要とするコーティング中で使用してもよい。さらに、ＦＧＳは、ガラスまたはセラミック複合材料中で、熱電複合体材料中で、インクの顔料としてまたは複合材料中のＵＶ防止用充填材として使用することができる。ＦＧＳは、電磁波シールドおよび油流出改善のためにも使用することができる。
【００５７】
ポリマーマトリックス
本発明のナノ複合材料のポリマーマトリックスは、好ましくは、熱可塑性ポリマーおよびエラストマーポリマー、ならびにこれらの混合物を含有する。
【００５８】
ＦＧＳが分散できるポリマーとしては、ポリエチレン、ポリプロピレンおよびこれらのコポリマー、ポリエステル、ナイロン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリカプロラクトン、ポリカプロラクタム、フッ素化エチレン、酢酸ポリビニルおよびそのコポリマー、塩化ポリビニル、ポリメチルメタクリレートおよびアクリレートコポリマー、耐衝撃性ポリスチレン、スチレンシート成形用化合物、ポリカプロラクトン、ポリカプロラクタム、フッ素化エチレン、スチレンアクリロニトリル、ポリイミド、エポキシ、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）およびポリウレタンが挙げられるが、これらに限定されない。ＦＧＳと化合できるエラストマーとしては、ポリ［４，４’−メチレンビス（イソシアン酸フェニル）−ａｌｔ−１，４−ブタンジオール／ポリ（アジピン酸ブチレン）］、ポリ［４，４’−メチレンビス（イソシアン酸フェニル）−ａｌｔ−１，４−ブタンジオール／ポリ（アジピン酸ブチレン）］、ポリ［４，４’−メチレンビス（イソシアン酸フェニル）−ａｌｔ−１，４−ブタンジオール／ポリ（アジピン酸ブチレン）］、ポリ［４，４’−メチレンビス（イソシアン酸フェニル）−ａｌｔ−１，４−ブタンジオール／ジ（プロピレングリコール）／ポリカプロラクトン］、ポリ［４，４’−メチレンビス（イソシアン酸フェニル）−ａｌｔ−１，４−ブタンジオール／ポリテトラヒドロフラン、ＨＹＣＡＲ  ＡＴＢ２０００Ｘ１７３などのアミン末端ポリブタジエン、ＨＹＣＡＲ  ＣＴＢ２０００Ｘ１６２などのカルボキシル末端ポリブタジエン、ジカルボキシ末端ブチルゴム、スチレン／ブタジエンコポリマー、ポリイソプレン、ポリ（スチレン−コ−ブタジエン）、ポリジメチルシロキサンおよび天然ラテックスゴムが挙げられるが、これらに限定されない。これらのポリマーは単独で、または組み合わせて使用してもよい。
【００５９】
これらポリマーのモノマー前駆体中にＦＧＳを化合し、ＦＧＳナノフィラーの存在下で重合を行うことができる。ポリマーおよび／またはそれらの前駆体は、単独でまたは組み合わせて使用してもよい。
【００６０】
好適な熱可塑性ポリマーとしては、ポリイミド、ポリウレタン、ポリメチルメタクリレートなどの（メタ）クリレート、エポキシ、ポリプロピレンなどのポリオレフィン、ポリスチレンおよびポリ（ε−カプロラクトン）が挙げられるが、これらに限定されない。
【００６１】
好適なエラストマーポリマーとしては、アクリロニトリル−ブタジエンコポリマー、トリブロックコポリマー構造を有するエラストマー、ポリ（スチレン−ｂ−ブタジエン）コポリマー、ＢＲおよびスチレン−ブタジエンコポリマー（ＳＢＲ）加硫物、天然および合成ゴム、ブタジエンおよびアクリロニトリルのコポリマー（ＮＢＲ）、ポリブタジエン、ポリエステルアミド、クロロプレンゴム（ＣＲ）およびこれらの混合物が挙げられるが、これらに限定されない。
【００６２】
１つの実施形態においては、ＰＭＭＡおよびＰＥなどの非晶性および結晶性プラスチックがポリマーマトリックスとして使用される。
【００６３】
好ましい実施形態においては、加硫処理した天然（ＮＲ）およびスチレン−ブタジエン（ＳＢＲ）ゴム、ポリスチレン−ポリイソプレン−ポリスチレン（ＰＳ−ＰＩ−ＰＳ）、ならびにＰＤＭＳなどのポリシロキサンが、ポリマーマトリックスとして使用される。
【００６４】
ナノ複合材料
本発明の官能性グラフェン−ポリマーナノ複合材料は、先に定義したようなポリマーマトリックスと、充填材としての官能性グラフェンシートとを含有する。
【００６５】
一般に使用されるゴム添加物を添加することができる。ＮＲ中のタンパク質などの添加物は、マトリックス中にＦＧＳを分散させる上で有用である。さらに、ＦＧＳの界面特性は、マトリックス中の分散および界面強度を向上させる界面活性剤で制御することができる。また、これら界面活性剤はバリア特性を改善する。界面活性剤としては、アニオン性、カチオン性および非イオン性界面活性剤、ならびにこれらの混合物が挙げられるが、これらに限定されない。
【００６６】
官能性グラフェン−ポリマーナノ複合材料は、タイヤや包装などの、ポリマー（プラスチック、ゴム、エラストマーなど）がガスバリア用途に使用される全ての分野において利用することができる。官能性グラフェン−ポリマーナノ複合材料は、タイヤ、ブラダー、包装材料などの、伝統的な複合材料およびナノ複合材料の両方が使用される多くの分野、ならびに、良好なガス透過、機械的および電気的特性が要求される他の分野において使用することができる。材料は、複合材料に使用される他のナノサイズの充填材と比較して製造するのが比較的容易であり、天然に入手できる（グラファイト）。産業上利用できる他の充填材（カーボンナノチューブ、クレイ、カーボンブラック）と異なり、電気伝導性、低ガス透過性、高強度および高弾性率などの特性は、グラフェンの板状構造により、同材料で全て得られる。
【００６７】
ＦＧＳは、その充填量がポリマー複合材料またはインク処方物の重量に対して０．１重量％〜２０重量％、好ましくは１．５重量％〜５重量％の範囲であるときに、１０１１〜１０１８のファクターだけポリマーマトリックスの導電率を増大させる。充填材の量としては、特に０．５、１、１．５、２、２．５、３、３．５、４および４．５重量％を含む、それらの間の全ての数値および小数値が含まれる。これは、ＰＭＭＡ中のＦＧＳ充填量が１．５重量％〜５重量％である場合に、導電率が１０−１９Ｓ／ｍから１０−８〜１０−１Ｓ／ｍに増大することに相当する。０．０１〜１０００Ｓ／ｍよりも高い導電率は、より多く充填された複合材料またはインク処方物において達成可能である。個々のＦＧＳシートの基本的な伝導率は、純粋なｓｐ２グラファイト構造を乱す酸素の百分率を基準として、グラファイトの導電率の１／２〜１／１０のオーダーである。純グラファイトシートの面内導電率について一般に報告されている値は、２〜５×１０５Ｓ／ｍである。
【００６８】
好ましくは、官能性グラフェン−ポリマーナノ複合材料は、ポリマーマトリックスおよび官能化グラフェンシートの溶液処理または溶融処理のいずれかにより作製される。
【００６９】
好ましくは、混合は、−２０℃〜約５００℃、好ましくは室温〜３００℃、より好ましくは８０℃〜１５０℃の温度で行われる。好ましくは、押出機が使用される。処理は、１秒〜１日、好ましくは１分〜１２時間、より好ましくは５分〜１時間継続することができる。好ましくは、複合材料は、毎分回転数１００〜２００（ｒｐｍ）で１時間未満処理される。溶液処理の場合、全ての工程は室温で行われるのが好ましい。混合は、好ましくは磁気攪拌棒を用いて行われる。
【００７０】
ナノ複合材料用成分を混合および溶融する装置を使用することができる。２軸押出機などの押出機が好ましい。溶融処理は、３本ロールミルを使用して行うこともできる。化合温度は、ポリマー材料の軟化点と融点との間であるのが好ましい。化合は、８０℃で行うのが好ましい。
【００７１】
これら材料の溶融処理の場合、２軸押出機またはロールミルを使用するのが好ましい。溶液処理の場合、溶媒は、蒸発または沈殿のいずれかにより除去される。ポリマーを溶解するいかなる溶媒を使用してもよく、これには極性溶媒および非極性溶媒が含まれ、ＴＨＦが好ましい。これら分散工程の後、化合された材料は、高温で溶融プレスされる、および／または加硫処理される。加硫処理および溶融プレスは、天然ゴム試料の場合、室温〜３００℃、好ましくは１５０℃で２０分間行われる。
【００７２】
複合材料の形状は限定されない。複合材料は、フィルムまたはシートの形状であってよい。厚さは、１μｍ〜５ｃｍ、好ましくは５μｍ〜１ｃｍ、より好ましくは１００μｍ〜１ｍｍであってよい。厚さ０．５ｍｍの薄いシートが好ましい。しかしながら、シートの厚さについて特に制限はない。
【００７３】
ＦＧＳナノフィラーをポリマーマトリックスに添加してポリマー複合材料を調製する際、ナノシートのアスペクト（縦横）比が高く、ポリマーマトリックスと相互作用する表面積が非常に大きいので、機械的特性が改善された複合材料が得られる。１００を超えるアスペクト比が好ましく、これにより、３％と低い充填量レベルでも引張係数が増大する。表面改質クレイナノシートに関する研究は、機械的特性の向上を示している。しかしながら、有機炭素マトリックスとクレイシートとの誘電性不整合のため、複合材料中でのクレイの分散に問題が生じている。さらに、クレイに対するグラフェンシートの弾性率は、複合材料の弾性特性をより高い剛性値に調節する上で付加的な利点を与える。ＦＧＳの有機組成およびその表面官能基により、ＦＧＳは、広範な表面官能化を行うことなく、容易に分散して複合材料に配合され得る。ＦＧＳナノフィラーと化合し得るポリマーは、ポリエチレン、ポリプロピレンおよびこれらのコポリマー、ポリエステル、ナイロン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリカプロラクトン、ポリカプロラクタム、フッ素化エチレン、酢酸ポリビニルおよびそのコポリマー、塩化ポリビニル、ポリメチルメタクリレートおよびアクリレートコポリマー、耐衝撃性ポリスチレン、スチレンシート成形用化合物、ポリカプロラクトン、ポリカプロラクタム、フッ素化エチレン、スチレンアクリロニトリル、ポリイミド、エポキシならびにポリウレタンを含むが、これらに限定されない上述のものである。ＦＧＳと化合できるエラストマーとしては、ポリ［４，４’−メチレンビス（イソシアン酸フェニル）−ａｌｔ−１，４−ブタンジオール／ポリ（アジピン酸ブチレン）］、ポリ［４，４’−メチレンビス（イソシアン酸フェニル）−ａｌｔ−１，４−ブタンジオール／ポリ（アジピン酸ブチレン）］、ポリ［４，４’−メチレンビス（イソシアン酸フェニル）−ａｌｔ−１，４−ブタンジオール／ポリ（アジピン酸ブチレン）］、ポリ［４，４’−メチレンビス（イソシアン酸フェニル）−ａｌｔ−１，４−ブタンジオール／ジ（プロピレングリコール）／ポリカプロラクトン］、ポリ［４，４’−メチレンビス（イソシアン酸フェニル）−ａｌｔ−１，４−ブタンジオール／ポリテトラヒドロフラン、ＨＹＣＡＲ  ＡＴＢ２０００Ｘ１７３などのアミン末端ポリブタジエン、ＨＹＣＡＲ  ＣＴＢ２０００Ｘ１６２などのカルボキシル末端ポリブタジエン、ポリブタジエン、ジカルボキシ末端ブチルゴム、スチレン／ブタジエンコポリマー、ポリイソプレン、ポリ（スチレン−コ−ブタジエン）、ポリジメチルシロキサンおよび天然ラテックスゴムが挙げられるが、これらに限定されない。ＦＧＳ−ポリマー複合材料は、建築材用強化材、ワイヤーコーティング、自動車部品（ボディーパネルを含む）などとして適用可能である。
【００７４】
低い充填量レベルでの導電性ＦＧＳ充填材により付与される導電率は、伝導性複合材料の調製を可能にする。低充填量での導電性の利点は、複合材料の機械的特性、特に破砕特性を低下させないことである。ポリマー複合材料中のＦＧＳの量は、複合材料の総重量に対して、０．１〜９０重量％、好ましくは１〜８０重量％、より好ましくは５〜５０重量％である。別の好ましい範囲は、複合材料の総重量に対して、０．１〜５重量％、好ましくは０．５〜２重量％である。導電性ポリマー複合材料は、ポリマー部品の静電スプレー塗料の分野にその大きな有用性を見出している。ＦＧＳによって付与される導電性レベルが低いと、荷電エアロゾル滴から電荷が解離する。静電スプレーは、「過剰噴霧」（すなわち、的を外した噴霧）を排除し、エアロゾル噴霧および溶媒と関連する環境的な危険性を最小限に抑える。ＦＧＳの伝導性により、コンピューターハウジング用などに電気シールドを適用することができる。これは熱的過負荷保護デバイスの作製に使用することができ、このデバイスでは、ＦＧＳシートはもはやパーコレートしないので、導電性複合材料を流れる熱または過剰な電流がマトリックスの膨張および導電性の低下を引き起こす。導電性のレベルおよび加熱による導電性の低下を調節して、電流制限装置または熱スイッチのいずれかを作製することができる。導電性が非常に高いＦＧＳ−ポリマー複合材料は、導電性インクとして、および導電性電気回路を作製するために使用することができる。ポリマー−ＦＧＳ−溶媒流体をその後乾燥させて適用することにより、回路または導電性機構をパターン化することができる。導電性複合材料を製造する際に使用できるポリマーは、ポリエチレン、ポリプロピレンおよびそれらのコポリマー、ポリエステル、ナイロン、ポリスチレン、酢酸ポリビニルおよびそのコポリマー、ポリカーボネート、塩化ポリビニル、ポリメチルメタクリレートおよびアクリレートコポリマー、ポリカプロラクトン、ポリカプロラクタム、フッ素化エチレン、耐衝撃性ポリスチレン、スチレンシート成形用化合物、スチレンアクリロニトリル、ポリイミド、エポキシならびにポリウレタンなどの上述のものを含むが、これらに限定されない上述のものである。ＦＧＳと化合できるエラストマーとしては、ポリ［４，４’−メチレンビス（イソシアン酸フェニル）−ａｌｔ−１，４−ブタンジオール／ポリ（アジピン酸ブチレン）］、ポリ［４，４’−メチレンビス（イソシアン酸フェニル）−ａｌｔ−１，４−ブタンジオール／ポリ（アジピン酸ブチレン）］、ポリ［４，４’−メチレンビス（イソシアン酸フェニル）−ａｌｔ−１，４−ブタンジオール／ポリ（アジピン酸ブチレン）］、ポリ［４，４’−メチレンビス（イソシアン酸フェニル）−ａｌｔ−１，４−ブタンジオール／ジ（プロピレングリコール）／ポリカプロラクトン］、ポリ［４，４’−メチレンビス（イソシアン酸フェニル）−ａｌｔ−１，４−ブタンジオール／ポリテトラヒドロフラン、ＨＹＣＡＲ  ＡＴＢ２０００Ｘ１７３などのアミン末端ポリブタジエン、ＨＹＣＡＲ  ＣＴＢ２０００Ｘ１６２などのカルボキシル末端ポリブタジエン、ポリブタジエン、ブチルゴム、ジカルボキシ末端スチレン／ブタジエン��ポリマー、ポリイソプレン、ポリ（スチレン−コ−ブタジエン）、ポリジメチルシロキサンならびに天然ラテックスゴムが挙げられるが、これらに限定されない。
【００７５】
現在は、カーボンブラックにエラストマーを添加して、所望の機械的特性を付与している。最も重要なことに、カーボンブラックは歪みと共に弾性率を増加させる。この非線形性は、大きな変形の際にゴムを損傷から保護する。ＦＧＳ充填材は、エラストマーの非線形歪み硬化を同様に改善する。その界面は、カーボンブラックの界面に類似しているが、ＦＧＳナノシートの可撓性により、低歪みでの変形や、高変形での硬化が可能になる。ＦＧＳは、以下の２つの理由で、これらの用途に検討されている他のクレイナノ小板よりも優れている。（１）ＦＧＳの炭素構造は、無機クレイシートよりも、エラストマーマトリックスとより良好な界面適合性を有する、（２）クレイと比較して、ＦＧＳシートの可撓性が高いので、界面疲労および剥離が低下する。弾性率および靭性が改善されたエラストマーを製造するために化合することができるポリマーは、ポリ［４，４’−メチレンビス（イソシアン酸フェニル）−ａｌｔ−１，４−ブタンジオール／ポリ（アジピン酸ブチレン）］、ポリ［４，４’−メチレンビス（イソシアン酸フェニル）−ａｌｔ−１，４−ブタンジオール／ポリ（アジピン酸ブチレン）］、ポリ［４，４’−メチレンビス（イソシアン酸フェニル）−ａｌｔ−１，４−ブタンジオール／ポリ（アジピン酸ブチレン）］、ポリ［４，４’−メチレンビス（イソシアン酸フェニル）−ａｌｔ−１，４−ブタンジオール／ジ（プロピレングリコール）／ポリカプロラクトン］、ポリ［４，４’−メチレンビス（イソシアン酸フェニル）−ａｌｔ−１，４−ブタンジオール／ポリテトラヒドロフラン、ＨＹＣＡＲ  ＡＴＢ２０００Ｘ１７３などのアミン末端ポリブタジエン、ＨＹＣＡＲ  ＣＴＢ２０００Ｘ１６２などのカルボキシル末端ポリブタジエン、ブチルゴム、ポリブタジエン、ジカルボキシ末端スチレン／ブタジエンコポリマー、ポリイソプレン、ポリ（スチレン−コ−ブタジエン）、ポリジメチルシロキサンならびに天然ラテックスゴムが挙げられるが、これらに限定されない上述のものである。
【００７６】
ブチルゴムは、優れたガス拡散バリア特性を有し、したがって、チューブレスタイヤ用およびインナーチューブ用のライニング材として使用される。しかしながら、ブチルゴムは、他のエラストマーよりもかなり高価である。タイヤ用途に使用されるゴムおよびエラストマーは、ブチルゴムライニング層無しにはタイヤ用途において機能するのに十分なガス拡散バリア特性を有さない。１０００〜１０，０００のアスペクト比を有するＦＧＳナノ小板は、従来のゴムおよびエラストマーに添加され、ガス拡散方向に対して垂直に配向すると、優れたバリア特性が付与される。無充填ゴムよりも最大で１０００倍大きいバリア特性が可能である。バリア特性が向上した材料を製造するために化合することができるエラストマーは、ポリ［４，４’−メチレンビス（イソシアン酸フェニル）−ａｌｔ−１，４−ブタンジオール／ポリ（アジピン酸ブチレン）］、ポリ［４，４’−メチレンビス（イソシアン酸フェニル）−ａｌｔ−１，４−ブタンジオール／ポリ（アジピン酸ブチレン）］、ポリ［４，４’−メチレンビス（イソシアン酸フェニル）−ａｌｔ−１，４−ブタンジオール／ポリ（アジピン酸ブチレン）］、ポリ［４，４’−メチレンビス（イソシアン酸フェニル）−ａｌｔ−１，４−ブタンジオール／ジ（プロピレングリコール）／ポリカプロラクトン］、ポリ［４，４’−メチレンビス（イソシアン酸フェニル）−ａｌｔ−１，４−ブタンジオール／ポリテトラヒドロフラン、ＨＹＣＡＲ  ＡＴＢ２０００Ｘ１７３などのアミン末端ポリブタジエン、ＨＹＣＡＲ  ＣＴＢ２０００Ｘ１６２などのカルボキシル末端ポリブタジエン、ブチルゴム、ポリブタジエン、ジカルボキシ末端スチレン／ブタジエンコポリマー、ポリイソプレン、ポリ（スチレン−コ−ブタジエン）、ポリジメチルシロキサンおよび天然ラテックスゴムを含むが、これらに限定されない上述のものである。
【００７７】
医療用途のためのポリマーフィルム、包装材料、フレキシブルチューブに添加されるＦＧＳは、化学および生物兵器、化学防護用手袋に適しており、改善されたバリア特性を必要とする他の用途も達成可能である。また、ガラスまたはカーボンファイバー包装された高圧ガス貯蔵シリンダーにおいてガス拡散バリアとして使用される金属ライナーは、余分な重量を付加するためシリンダーのサイクル寿命を短縮する。ＦＧＳ充填ガス拡散バリア複合材料を金属ライナーの代わりに使用して、高圧ガス貯蔵シリンダーの性能を改善することができる。
【００７８】
水素貯蔵用材料に対する関心もかなり大きい。ＦＧＳは、従来の材料またはカーボンナノチューブよりも穏やかな圧力および温度で動作する水素貯蔵媒体として魅力的な３つの独特な特徴を有する。（１）二価の鎖を用いてＦＧＳまたはグラファイト酸化物層を共有結合的に「縫合(stitch)」する能力により、およそ１〜１．４ｎｍの層間隔を有するＦＧＳまたはグラファイト酸化物シートの調製が可能になる。これは、グラファイトシート間の水素貯蔵を最大にすると予測される間隔である。縫合は、例えば、ＦＧＳ表面上の表面エポキシドと反応するアルキルジアミンにより達成可能である。層間隔は、アルキル鎖長により決定される。（２）酸化によりグラフェンシートにもたらされるＳｔｏｎｅ−Ｗａｌｅｓ欠陥は、純グラファイトシートへの結合と比べて、水素結合が改善される。（３）ＦＧＳ上の極性官能基を使用して表面上の金属クラスタを局在化させることができ、これら金属クラスタは、二原子水素を解離させて分子状水素とするように作用し、ＦＧＳナノシートを飽和させる速度および空にする速度を増大させる。この現象は、水素貯蔵に関する文献では、「スピルオーバー」と呼ばれる。ＦＧＳおよびグラファイト酸化物のみが、効果的な水素貯蔵材料となるこれら複数の特徴を有する。
【００７９】
スーパーキャパシタは、ハイブリッドエネルギー源においてかなり重要な役割を果たしている。市販される全てのスーパーキャパシタにおいて選択されている材料は、カーボンエアロゲルまたは膨張グラファイトのいずれかとしての高表面積炭素である。ＦＧＳは、その表面積が大きく、平面構造であるために、両材料を超える利点を付与する。
【００８０】
導電性ＦＧＳ分散物およびペーストならびに導電性ポリマー複合材料を作製する能力により、バッテリー、センサーおよび電子デバイス用電極としての用途への道が開かれる。ＦＧＳグラファイトシートは、変形可能であると共に比較的不活性であるために、電極用途のための魅力的な候補となる。ＦＧＳは、その平面構造のため、平面用途のための非常に薄い電極を作製する魅力的な材料となる。
【００８１】
ＦＧＳの高表面積および達成可能な層状構造により、ＦＧＳは活性炭に匹敵する魅力的な吸着材料となる。層間ギャラリーのサイズは、（上述の）「縫合」により適切に調整して、７．１ｎｍ〜１５ｎｍの層間隔を有する試料を製造することができる。したがって、吸着作用を適切に調整して、特定サイズを有する種同士の結合を最適化することができる。このサイズ選択性、ＦＧＳ表面上の極性部位、ＦＧＳ表面を官能化する能力により、独特のサイズ選択性および化学的特異性を有する吸着剤を作製することが可能になる。このサイズ特異性は、１ｎｍ〜５０ｎｍ、好ましくは１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲にわたる分子間で示される。このサイズは、特に５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０および４５ｎｍを含む、その間にある全ての数値および小数値を含む。これは特に、たんぱく質の分離において有用である。
【００８２】
タンパク質およびＤＮＡ断片を分離するための、現在使用されている吸収剤および吸収性媒質は、サイズが１０〜１０００ミクロンの範囲にあるシリカまたはセルロース粒子系であることが多い。これらの基材は、リガンドおよび官能基を粒子表面に連結するのに使用される機械的な支持および反応基を付与する。シリカ系媒体の欠点は、ｐＨが８よりも高くなると、粒子および表面連結が比較的不安定になるということである。セルロース系支持体は、リガンドおよび官能基をセルロース表面上のヒドロキシル基に結合するのが比較的困難であるということである。
【００８３】
ＦＧＳ材料は、高表面積であり、ＦＧＳ表面上のエポキシドおよびカルボン酸基を容易に官能化できるという利点を合わせ持つ。本発明では、ＦＧＳの表面は、アミン官能基を有する反応物質を含有するカルボン酸および／またはスルホン酸の反応によりアニオン性になる。エタノール中での還流状態の温和な条件下でＦＧＳのエポキシドと容易に反応することにより、表面が改質される。アニオン性表面を付与するために、ジアミンとの反応によりアミン表面官能基が得られ、これをさらに四級化して、永続的なカチオン電荷を創製することができる。セルロース媒体を官能化するために一般に使用されている反応を使用して官能化を行い、これにより、ＦＧＳ表面の水酸化物を介して官能化することができる。表面は、イオン交換部分または親和性標識リガンドで官能化されると、ＰＥＧまたはデキストラン官能性試薬でさらに官能化されて不動態化され、タンパク質吸着または変性に対して耐性を有するようになる。このようにして官能化されたＦＧＳは、クロマトグラフィーカラム用バルク充填材として使用するか、または、プレスもしくは凝集させて、クロマトグラフィーパッキング材サイズとして使用できる１０〜５０００ミクロンの範囲にあるマクロ−粒子状媒体を作製することができる。
【００８４】
天然ＦＧＳおよび官能化ＦＧＳは、気相分離用の吸着媒質としても使用できる。上述の官能化ＦＧＳは、ガスクロマトグラフィー用のパッキング材として直接使用できる。
【００８５】
ＦＧＳ表面上の極性基および非極性基に起因して親水性および疎水性が独特に混ざること、そして小板サイズが大きいことにより、ＦＧＳは、水中油および油中水エマルション用の効果的な分散剤となる。油としては、アルカン、芳香族炭化水素、塩素化炭化水素、複素環式化合物、軽質炭化水素（Ｃ４−Ｃ８）から重質真空残留物（Ｃ１８−Ｃ４０＋）までの石油蒸留物、トウモロコシ、ベニバナ、アマニ、オリーブ、グレープシードなどの天然油、シリコーン流体および油、脂肪酸および脂肪酸エステルなどが挙げられる。ＦＧＳの極性は、剥離条件によって調整できる。高温処理中の還元度は、酸化表面基（極性）と還元されたグラファイト部位（非極性）とのバランスを決定する。さらに、表面のエポキシド、アミンおよびヒドロキシル基を介した後反応により、極性をさらに調整または改変することができる。これらの材料は、水エマルション中に原油を分散させる上で特に効果的であり、水エマルションは、石油・ガス生産における掘削流体として、およびタールサンドから油を回収する際の移動度制御剤として使用される（カナダ国特許（Ｅｘｘｏｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ）第２０６７１７７号）。それらは、舗装用コンパウンドおよびシーリングコンパウンドなどの用途におけるタールやアスファルトの乳化に特に好ましい。
【００８６】
グラファイトは、グラフェンシート同士が互いに滑り合いやすいために、特に高温用途における優れた潤滑剤である。グラフェンシート間の相互作用が、グラファイトと比べるとかなり弱められているため、ＦＧＳは優れた潤滑特性を示すものと予想される。
【００８７】
ＦＧＳの紫外線吸収能により、太陽光に曝されても安定性を維持する必要のあるコーティングへの魅力的な添加物となる。コーティングとしては、好ましくは黒色被膜が挙げられる。ＦＧＳは、屋根用シーラー、コーク、エラストマー屋根用膜および接着剤用添加物として使用できる。
【００８８】
ＦＧＳは紫外線放射を吸収するので、ＵＶ保護性を与え、屋外用途におけるプラスチック部品、例えばホース、ワイヤーコーティング、プラスチックパイプおよびチューブの寿命を延ばすのに使用することができる。
【００８９】
ＦＧＳをセラミックマトリックスに添加して、材料の導電性および破壊靱性を向上させることができる。ＦＧＳの部分的に酸化した表面は、セラミックマトリックスと、特に金属酸化物（とりわけ、酸化ケイ素）と、より強い相互作用を生じる。例えば、ＦＧＳをケイ素アルコキシド材料と混合することができ、次いで、ケイ素アルコキシドを縮合して、良好に分散したＦＧＳナノ小板を含有する非晶性材料である酸化ケイ素材料を形成することができる。ＦＧＳ表面上のヒドロキシル基およびエポキシド基はケイ素アルコキシドと縮合して、マトリックスとＦＧＳ充填材との間に強い共有結合を形成する。このような材料中のＦＧＳ充填量が低いので、破壊強度と導電性とが向上する。ＦＧＳ−ガラスおよびＦＧＳ−セラミック複合材料は、熱電材料として適用もできる。同様の技術はまた、紫外線保護等級の着色ガラスを作製するのにも使用することができる。ＦＧＳはまた、セメントを強化するために、および他の建築材料用途において使用することができる。
【００９０】
非導電性のマトリックスに導電性を付与するのに必要なＦＧＳの充填量が非常に低いので、ＦＧＳは、大幅に向上した導電性を有するが、熱伝導性はマトリックス材料とほぼ同じである複合材料を形成することができる。この組み合わせにより、熱電性能指数が向上したＦＧＳ複合材料が得られる。この用途のためのマトリックス材料は、有機材料または無機材料のいずれでもあってもよく、上述のように、ＦＧＳ−シリカ複合材料から優れた熱電特性が期待される。材料中のキャリア（すなわち、正孔対電子）の導電性および性質は、ＦＧＳフィラーの表面の化学的性質を改変することにより、またはマトリックス材料を修飾することにより調整することができる。
【００９１】
カーボンブラックおよび他の炭素材料は、インク中の顔料として頻繁に使用される。ＦＧＳナノ小板のサイズは非常に小さいので、非常に高光沢（すなわち、乾燥インクの表面粗度が低い）のインクが得られる。ＦＧＳの表面の化学的特性は、異なる色、色調および色合いを生じさせるべく容易に改変することもできる。
【００９２】
ＦＧＳの導電特性により、ＦＧＳを電磁波シールドに使用することができる。コンピューターハウジング用筐体、コンピュータースクリーン、医療診断装置などの電子デバイスおよび家庭用電化製品などの用途は、電磁信号を装置の中に閉じこめ、電磁信号が装置外に逃げ出して他の装置と干渉しないように、または、外部場が筐体内部の電子部品と干渉するのを防ぐために、スクリーニングを必要とする場合が多い。現在、これらの用途には、伝導性カーボンブラック充填材または導電性の膨張グラファイト充填材を使用することが多い。ＦＧＳ伝導性充填材は、より低い充填量レベルで、ポリマーマトリックスの機械的特性に対して有害な影響をそれほど与えることなく、これらの用途で使用することができる。ＦＧＳは、これらの用途で使用される構造ポリマーに添加されることに加え、結合剤と共に溶媒相系に配合して導電性塗料を作製し、ハウジング内部に塗布して、電磁波シールドを付与することができる。
【００９３】
現在、膨張グラファイトは、油流出改善用および他の有害な有機流出液を浄化するための吸収剤として使用されている。疎水性表面を油で湿らせ、これにより油を結合して保持する。流出改善に使用される他の化合物はクレイであるが、これらは、表面処理により有機液体を結合するのに十分な疎水性を付与する必要がある。ＦＧＳおよびその炭化水素表面の表面積が大きいので、ＦＧＳは、油および有機液体用の優れた吸収材料となる。ＦＧＳは、ポリプロピレンまたはポリエチレン布帛または多孔性フィルムから作製された大きな多孔性の袋内に収容することができる。ＦＧＳは、その低い嵩密度のために、吸収できる液体の重量基準の量が多いという点で魅力的である。油：ＦＧＳが１００：１０，０００（ｗｔ：ｗｔ）の液体充填量が達成できる。別の実施形態においては、ＦＧＳは、発泡シート形状のポリマー結合剤で共処理される。発泡体のこれら開放セル構造により、油とＦＧＳ表面との接触が可能になる。このシステムの利点は、吸収材系をロール巻きにして保存することができるということである。
【００９４】
本発明は、剥離グラフェン表面積に関する高い値は、Ｎ２吸着によって示しているが、これは、グラフェンシートをポリマーマトリックスなどに分散させる能力の最も適切な尺度 ではない可能性がある。吸着測定は、三次元構造および粉末の気孔率および表面積を反映するが、グラフェンは、２次元のフレキシブルシートを含む。乾燥固体状態では、グラフェンシート同士は接触していなければならず、接触領域は吸着測定における窒素の侵入を妨げる。グラフェンにとってより適切な類似の尺度は、それを二次元ポリマーとして捉えることである。ポリマーマトリックスにグラフェンを配合する用途にとって重要な問題は、分散した状態での分散度または有効表面積である。本発明のＦＧＳ材料は、ＴＨＦなどの極性有機溶媒中に容易に分散し、均一な分散液を形成する。
【００９５】
好ましい実施形態
ＮＲ−ＦＧナノ複合材料の機械的特性を、引張測定により特徴付けた。図８は、異なる充填量でＦＧおよびカーボンブラック（ＣＢ）を充填した純粋ＮＲ複合材料に関する応力歪み曲線を示す。２０ｐｈｒ（ゴムの重量を１００とした場合の重量部）の純粋ＣＢと比較すると、ＦＧ充填ＮＲは、より改善された機械的特性を示すことが分かる。３ｐｈｒのＦＧ充填量では、ヤング率および４００％伸長での応力のいずれも、純粋ＮＲと比べると７倍を超えて増大している。２０ｐｈｒのＣＢ充填量では、ヤング率は２倍にしか増大せず、これは、わずか１ｐｈｒのＦＧ充填量で達成できる。この強化レベルは、クレイおよびＳＷＣＮＴ充填エラストマーと比較すると、きわめて優れている。１つの実施形態においては、ＦＧの表面積が大きく、その表面上に官能基が存在するために、ナノ複合材料の機械的性能が改善されている。
【００９６】
好ましい実施形態においては、ＳＢＲおよびＰＳ−ＰＩ−ＰＳもまた向上した機械的特性を示す。例えば、２０ｐｈｒのＣＢを充填したＳＢＲと比較すると、２ｐｈｒのＦＧ充填量では、加硫処理したＳＢＲの弾性率はほぼ２００％増大する。充填材表面上の官能基の有効性もＮＲの硬化速度を改変する。等温ＤＳＣ測定は、ＮＲの加硫反応速度がＦＧの存在によって速くなることを示す。この挙動は、天然ゴム鎖が物理吸着によるだけでなく、化学的架橋によっても充填材表面に付着することを示唆している。
【００９７】
機械的特性の改善に加え、ナノ複合材料は、グラフェンシートの高い導電性および低いパーコレーション濃度につながる高いアスペクト比のため、低いＦＧ濃度でも電気伝導性になる。４ｐｈｒのＦＧを用いると、ＮＲナノ複合材料の導電率は約０．０２Ｓ／ｃｍになる。ＳＷＣＮＴ−ＰＭＭＡナノ複合材料は、同様の充填材量で、１０４Ｓ／ｃｍのオーダーの導電率値を有することが示されている。しかしながら、導電性ＣＢ充填ゴム複合材料においてこのレベルの導電性に到達するには、さらに高い濃度（＞１０重量％）が必要になる。
【００９８】
純粋ＮＲおよび充填ＮＲの応力誘導結晶化を、２Ｄ  ＣＣＤカメラを使用してＸ線シンクロトロン線で試験した。この技術により、伸長中に試料の結晶化度の変化および配向をリアルタイムで獲得することが可能になった。予備分析によれば、天然ゴムの結晶化は、純粋ＮＲと比較すると、ＦＧ充填試料においてより低い歪みで生じ始めることが示される。弾性率の有意な増大およびこの改変された結晶化挙動は、鎖が、ＦＧの架橋密度の増大およびその非常に高い面内弾性率のために、バルクと比べて高い歪みを受けることを示している。
【００９９】
ポリマーマトリックス中のＦＧの分散およびその結果として得られる最終材料特性に対する効果を研究するために、ナノ複合材料をミニ２軸押出機を用いた溶融処理によっても調製した。この押出機により、少量の試料を所望の温度で化合することが可能になった。好ましい実施形態においては、ポリマーマトリックス中でのＦＧの分散、したがって、ナノ複合材料の機械的特性の向上は、押出機中の混合速度および時間と直接関連している。ＮＲの場合、未硬化状態での比較的高い粘度で、溶液処理は、溶融処理と比べて良好な機械的特性をもたらす。さらに、ＳＥＭ画像は、溶液処理の方が、マトリックス内部でのＦＧの凝集が少ないことを示している。しかしながら、室温でも粘度が比較的低い未架橋のＰＤＭＳに対する比較実験は、ナノ複合材料のレオロジー特性が処理方法によりそれほど影響を受けないことを示す。これは、溶融状態での処理条件（混合温度、ポリマーのＭＷ）を改変してマトリックスの粘度を低下させると、充填材の分散が向上し、複合材料を調製する際に溶媒が不要となることを示している。
【０１００】
ＦＧ−ポリマーナノ複合材料のガスバリア特性は、拡散セルを使用して測定された。ＮＲ、ＰＤＭＳおよびＰＳ−ＰＩ−ＰＳフィルムの透過性は、他の種類の充填材について文献に開示された結果と比較して実質的に低下している。例えば、ＰＤＭＳ／ＦＧナノ複合材料では、空気透過性は、１重量％および５重量％のＦＧでは、それぞれ約５０％および８０％低下する。これらの試料は溶液キャスティングまたは溶融プレス加工のいずれかを用いて調製されたので、ＦＧシートがマトリックス内で整列していないことに留意すべきである。好ましい実施形態においては、ＦＧシートは、ポリマーフィルム表面に対して平行に整列しており、これによりポリマーマトリックスの透過性をさらに低下させている。
【０１０１】
ガスバリア特性についての上述の結果を、文献に開示された結果と比較する。以下の表は、官能性グラフェンシート（本発明による）またはクレイナノ小板を充填した種々のポリマーナノ複合材料のガスバリア特性の比較を示したものである。いずれの場合も、ＦＧＳはその対抗物よりも優れた性能を示す。
【表１】
0005421110.tif 000002
1)Chemistry of Materials 2001, 13, (10), 3760-3765。
2)Polymer 2005, 46, (3), 719-724。
3)Polymer International 2003, 52, (8), 1359-1364。
【０１０２】
エラストマーに加え、非晶性および結晶性プラスチックをＦＧナノ複合材料用マトリックスとして使用した。２軸押出機を使用して、ＦＧ充填ＰＭＭＡおよびＰＥの線維を溶融物から延伸した。予備分極したラマン散乱の結果によれば、ＦＧは繊維中で延伸方向に沿って整列し得ることを示している。機械的特性および導電特性はいずれも、延伸比によって変動し得る整列度の関数として有意に変化する。
【０１０３】
本発明のナノ粒子充填材である官能性グラフェンシート（ＦＧＳ）を、市販されている三種のゴム、即ち、ポリ（ジメチルシロキサン）（ＰＤＭＳ）、Ｖｅｃｔｏｒ  Ｖ４１１１（スチレン−イソプレントリブロックコポリマー）および天然ゴム（ＮＲ）に、溶融混合およびせん断混合により導入した。走査電子顕微鏡法（ＳＥＭ）および導電率分析により、ＦＧＳシートが各複合材料内に十分に分散していることを示唆した。これらの材料のバリア特性は、小板のアスペクト比および充填材の分散度の変動に影響を受け、優れた性能は高いアスペクト比および十分に混合した複合材料から得られている。引張強度およびヤング率は、ＰＤＭＳおよびＮＲ／ＦＧＳ複合材料において著しく向上した。ＮＲおよびＰＤＭＳ／ＦＧＳ複合材料のヤング率は、ＦＧＳの充填量が５重量％未満の場合、それぞれ６倍および１２倍上昇した。一定歪み下での引張強度も向上し、いずれのゴムについても６倍の上昇が見られた。これらの性能向上は、文献において精査される全ての他のナノフィラーからＦＧＳが際だっている。
【０１０４】
ナノ粒子である官能性グラフェンシートは、エラストマー用、具体的にはバリア膜用途のための新規な充填材としての使用に優れている。
【０１０５】
小板の配向は、せん断整列および歪み整列などの方法により改善できる。特に好ましいのは、せん断力を放射状に拡散させることにより、ゴム試料を二次元的に伸長させることである。このようにして、小板の配向は、膜の表面に対して平行になるように変化し得る。
【０１０６】
好ましくは、せん断整列は、溶液粘度、スピン速度および硬化条件などを適宜調節しつつ、スピンコーティングにより達成される。
【０１０７】
本発明のＦＧＳ−ポリマーナノ複合材料は、１〜２０ＭＰａのオーダーのヤング率、１〜１００ＭＰａのオーダーの引張強度、１０−１０〜１０−１２ｍ２／ｓ  ａｔｍの透過率、１０−９〜１０−１１ｍ２／ｓのオーダーの拡散率、１０−１〜１０−３ａｔｍ−１のオーダーの溶解度、１０−１３〜１０１Ｓ／ｍの伝導率および１００〜１００００のオーダーのアスペクト比を有するのが好ましい。
【０１０８】
ヤング率は、特に２、４、６、８、１０、１２、１４、１６、１８ＭＰａを含む、それらの間にある全ての数値および小数値を包含する。引張強度は、特に１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０および９０ＭＰａを含む、それらの間にある全ての数値および小数値を包含する。透過率は、特に５×１０−１０、１×１０−１１、５×１０−１１ｍ２／ｓ  ａｔｍを含む、それらの間にある全ての数値および小数値を包含する。拡散率は、特に１０−９、５×１０−９、１０−１０、５×１０−１０および１０−１１ｍ２／ｓを含む、それらの間にある全ての数値および小数値を包含する。溶解度は、特に１０−１、５×１０−１、１０−２、５×１０−２および１０−３ａｔｍ−１を含む、それらの間にある全ての数値および小数値を包含する。伝導率は、特に１０−１３、５×１０−１２、１０−１２、５×１０−１１、１０−１１、５×１０−１０、１０−１０、５×１０−９、１０−９、５×１０−８、１０−８、５×１０−７、１０−７、５×１０−６、１０−６、５×１０−５、１０−５、５×１０−４、１０−４、５×１０−３、１０−３、５×１０−２、１０−２、５×１０−１、１０−１、１、５、１０Ｓ／ｍを含む、それらの間にある全ての数値および小数値を包含し、アスペクト比は、特に２５０、３００、３５０、４００、４５０、５００、５５０、６００、６５０、７００、７５０、８００、８５０、９００、９５０および１００００を含む、それらの間にある全ての数値および小数値を包含する。
【０１０９】
本発明を概説したが、いくつかの特定実施例を参照すれば更なる理解が得られる。実施例は、例証のために本明細書中に記載されており、特記しない限り、本発明を制限することを意図するものではない。
【実施例】
【０１１０】
第１章：ＦＧＳの調製および特徴付け
材料および方法
Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ（米国、テキサス）から入手したＳＷＣＮＴ（ＢｕｃｋｙＰｅａｒｌｓ、ロット番号ＣＴＵ３−２００５Ｂ−２）；Ｐｏｌｙｓｃｉｅｎｃｅｓ（米国ペンシルバニア州、ワリントン）から入手したＰＭＭＡ（Ｍｗ＝３５００００、ＰＤＩ＝２．７）；およびＦｉｓｈｅｒ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｓ（米国イリノイ州、ハノーバーパーク）から入手した有機溶媒（全てＨＰＬＣ等級）を受け取ったまま使用した。Ｆｒａｋｅ  １  Ｇｒａｐｈｉｔｅは、Ａｓｂｕｒｙ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｃｏ．（米国ニュージャージー州、アスベリー）から入手した。
【０１１１】
グラファイト酸化物（ＧＯ）の調製
グラファイト酸化物は、Ｓｔａｕｄｅｎｍａｉｎｅｒ(L. Staudenmainer, Ber. Dtsh. Chem. Ges, 31, 1481, (1898))の方法に従って、Ｆｌａｋｅ１グラファイトから調製した。グラファイト（１ｇ）を、濃硫酸および硝酸の攪拌冷却（０℃）混合物（２：１ｖ／ｖ、２７ｍｌ）を含有する５００ｍｌの丸底フラスコに添加した。次いで、塩素酸カリウム（１１ｇ）を少量ずつ徐々に添加し、反応混合物の温度が３０℃を超えないようにした。塩素酸カリウムを添加した後、混合物を室温に達するまで放置し、９６時間攪拌を続けた。次に、混合物を脱イオン水（１１）に注ぎ、６０ｍｌのフリット漏斗（粗い）で濾過した。硫酸塩がもはや検出されなくなるまで（５ｍｌの水性濾液が、一滴の飽和水性ＢａＣｌ２の存在下で濁らなくなるとき）生成物を漏斗上で５％水性ＨＣｌにより洗浄し、次いで脱イオン水（２×５０ｍｌ）で洗浄した。結果生じたグラファイト酸化物を、１００℃のオーブン内で２４時間乾燥させた。元素分析（Ａｔｌａｎｔｉｃ  Ｍｉｃｒｏｌａｂ、ジョージア州ノークロス）：Ｃ５３．３７％、Ｏ３９．４５％、Ｈ１．６２％、Ｎ０．１４％。
【０１１２】
ＦＧＳの調製
グラファイト酸化物（０．２ｇ）をアルミナボートに載せ、一端を封止した２５ｍｍＩＤ、１．３ｍ長の石英管に挿入した。石英管の他端をゴムストッパーで閉止した。その後、アルゴン（Ａｒ）インレットおよび熱電対を、ゴムストッパーを通して挿入した。試料を１０分間Ａｒでフラッシュし、１０５０℃に予熱したＬｉｎｄｂｅｒｇ管炉に石英管を素早く挿入し、炉内で３０秒間保持した。９６時間酸化させた試料の元素分析では、Ｃ／Ｈ／Ｏ比が５４／２５／２１（モルによる）であるが、ＦＧＳの元素分析では、ＧＯでのＣ／Ｏ比は６／４から８／２に上昇している。
【０１１３】
有機溶媒中でのＦＧＳの分散
Ｆｉｓｈｅｒ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  ＦＳ６超音波浴洗浄装置（電力４０ワット）において特定溶媒（２０ｍｌ）中で５時間ＦＧＳ（方法Ｂにより調製、５ｍｇ）を超音波処理することにより、０．２５ｍｇ／ｍｌ濃度でＦＧＳの分散を行った。次いで、周囲条件下で分散液を放置した。
【０１１４】
以下のことが観察された。塩化メチレン、ジオキサン、ＤＭＳＯおよびポリプロピレンカーボネート中でのＦＧＳ分散液は、超音波分解から８時間以内に沈殿した、。ニトロベンゼン中の分散液はより安定していたが、２４時間後には、ＦＧＳの沈殿が完了した。ＴＨＦ中では、２４時間後、かなり十分な沈殿を伴って、穏やかに安定した分散が観察された。しかしながら、ＴＨＦ分散液は、一週間後も依然として黒っぽいままであった。ＤＭＦ、ＮＭＰ、１，２−ジクロロベンゼンおよびニトロメタン中では、より安定した分散が得られるが、それらは、少量の沈降であったにもかかわらず、一週間後も依然として黒色のままであった。
【０１１５】
ＡＦＭ撮像のための実験手順
ＡＦＭ画像は、ＡｕｔｏＰｒｏｂｅ  ＣＰ／ＭＴ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＭｕｌｔｉＴａｓｋ）（Ｖｅｅｃｏ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）で撮影した。ＦＧＳを超音波処理（上記参照）により１，２−ジクロロベンゼン中に分散させ、分散液を、新たにへき開した雲母表面上に堆積させた。画像撮影は、Ｖ字型「Ｕｌｔｒａｌｅｖｅｒ」プローブＢ（Ｐａｒｋ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ、ＢドープしたＳｉ、周波数ｆｃ＝７８．６ｋＨｚ、バネ定数ｋ＝２．０〜３．８Ｎ／ｍおよび公称先端半径(nominal tip radius)ｒ＝１０ｎｍ）を使用して、非接触モードで行った。相対湿度５０％および２３℃の周囲条件下、１Ｈｚのラスタ走査速度で全ての画像を収集した。図８のＡＦＭ画像は、ＦＧＳナノスタックの積み重ねの厚さが〜２ｎｍであることを示す。
【０１１６】
Ｘ線回折（ＸＲＤ）測定
グラファイト、ＧＯおよびＦＧＳのＸＲＤパターンを、Ｃｕ  Ｋα線を用いて、Ｒｉｇａｋｕ  ＭＩにＦｌｅｘ回折計にて記録した。初期、最終およびステップ角度は、それぞれ５°、３０°および０．０２°であった。
【０１１７】
実施例１
酸化およびインターカレーションのプロセス（Ｓｔａｕｄｅｎｍａｉｅｒ法と呼ばれる）により、グラファイトからグラファイト酸化物を調製した。この方法では、制御された温度条件下で、酸化剤およびインターカラント、即ち硫酸、硝酸および塩素酸カリウムの組合せを使用する。グラファイトの塩素酸カリウムに対する比は、１：８〜１：２０（ｗｔ／ｗｔ）であるのが好ましい。硫酸の硝酸に対する比は、５：１〜１：１であるのが好ましい。Ｓｔａｕｄｅｎｍａｉｅｒ法は、好ましい酸化手順である。
【０１１８】
本実施例では、４００μｍの平均フレークサイズを有するグラファイトフレーク５ｇ（Ａｓｂｕｒｙ  Ｃａｒｂｏｎ、ニュージャージー州アスベリー）を、８５ｍｌの硫酸および４５ｍｌの硝酸を含有する氷冷溶液に添加した。この後、温度が２０℃を超えないように、５５ｇの塩素酸カリウムを２０分かけて添加した。この酸化／インターカレーションプロセスを９６時間進めた後、反応混合物を７ｌの脱イオン水に注ぎ、吸引器を使用して濾過した。次いで、塩化バリウム試験を用いて、濾液中に硫酸イオンが検出されなくなるまで、酸化したグラファイトを５％ＨＣｌで洗浄した。次いで、濾液のｐＨが５以上になるまで、酸化したグラファイトをＤＩ水で洗浄した。グラファイトの元のシャープな回折ピークの消失によって完全に酸化されたことを実証するために、ＸＲＤにより試料を調べた。
【０１１９】
実施例２
熱的に剥離されたグラファイト酸化物（ＦＧＳ）を調製するにあたり、グラファイト酸化物（０．２ｇ）をセラミックボートに載せ、一端を封止した２５ｍｍＩＤ、１．３ｍ長の石英管に挿入した。石英管の他端をゴムストッパーで閉止した。その後、アルゴン（Ａｒ）インレットおよび熱電対を、ゴムストッパーを通して挿入した。試料を１０分間Ａｒで掃気し、予熱したＬｉｎｄｂｅｒｇ管炉に素早く石英管を挿入し、炉内で３０秒間加熱した。
【０１２０】
実施例３
グラファイト、ＧＯおよびＦＧＳのＸＲＤパターンを、Ｃｕ  Ｋα線を用いて、Ｒｉｇａｋｕ  Ｍｉｎｉ  Ｆｌｅｘ回折計にて記録した。初期、最終およびステップ角度は、それぞれ５°、３０°および０．０２°であった。キャリアガスとしてＮ２およびＨｅの３０／７０（容量による）混合物を含むＭｉｃｒｏｍｅｒｉｔｉｃｓ  ＦｌｏｗＳｏｒｂ装置を使用して、７７Ｋでの窒素吸着を行うことにより、ＦＧＳの表面積を測定した。Ｏｍｉｃｒｏｎ  ＥＳＣＡ  Ｐｒｏｂｅ（ドイツ）を使用して、高分解能ＸＰＳスペクトルを得た。試料の分析の前に、ＸＰＳチャンバ（１０〜３ｍｂａｒ）内で一晩、試料の脱気を行った。１５ｋＶおよび２０ｍＡ電力を用いて、１０〜９ｍｂａｒ真空でデータを収集した。未加工のＸＰＳデータを分析して、実験データに最もよく適合する特定の結合エネルギーに関して、ピークの位置および面積を決定した。２８６．１ｅＶでの主なＣ−Ｃピーク（Ｃ１５）を観察した。２８６．１ｅＶでのより高い結合エネルギーピークに存在する更なる光子放出は、−Ｃ−ＯまたはＣ−Ｏ−Ｃ結合を表した。
【０１２１】
実施例４
炭素周波数５０ＭＨｚ、プロトン周波数２００ＭＨｚのＣｈｅｍａｇｎｅｔｉｃｓ  ＣＭＸ−ＩＩ  ２００分光計と、４０００Ｈｚで回転する７．５ｍｍ径のジルコニアローターとを使用して、グラファイト酸化物の固体マジック角回転（ＭＡＳ）１３Ｃ  ＮＭＲスペクトルを得た。固体ＧＯ試料の炭素ピークの分離を可能にするために、いわゆる「Ｂｌｏｃｋパルスシーケンス」を使用した。これは、パルス角４５°の減衰パルスシーケンス２．２５ｍｓ、ハイパワープロトンデカップリング（〜５０ｋＨｚ）およびパルス間の遅延２０秒を採用する。スペクトルを室温で測定し(run)、４Ｋデータ点を各々有する５１２０スキャンを獲得した。１７．４ｐｐｍでのヘキサメチルベンゼンメチルピークの外部参照から、化学シフトを得た（単位：ｐｐｍ）。
【０１２２】
実施例５
図１は、４８、９６、１２０および２４０時間の酸化を行った後のグラファイトフレークのＸＲＤ回折パターンを示す。酸化が進むにしたがい、ｄ間隔（格子面間隔）が約０．７ｎｍのところにＧＯの新たなピーク特性が現れ（２θ＝１２．２°）、天然グラファイトの００２ピーク（２θ＝２６．７°）の強度が有意に低下することに留意されたい。また、９６時間以上酸化させた後、グラファイトの００２ピークが本質的に消失することにも留意されたい。この時点で、グラフェン層同士の間隔はもはや約０．３４ｎｍ（初期）ではなく約０．７１ｎｍであるので、インターカレーションは達成されているといえる。ｄ間隔が約０．７１ｎｍであるグラファイト酸化物試料は、約１２％の水吸着に相当する。
【０１２３】
実施例６
酸化されたが剥離されていない試料の制限視野電子回折（ＳＡＥＤ）パターンを図２に示す。選択区域に光線を集めて、物体の構造に関する電子回折情報を得ることにより、ＳＡＥＤパターンを観察する。
【０１２４】
ＳＡＥＤは、広域にわたって取得されるので、多くのＧＯ粒子からの情報を含む。典型的なはっきりとした多結晶性リングパターンが得られる。第一リング２１は、（１１００）面を起点とし、第二リング２２は（１１２０）面から生じている。さらに、強い回折点がリング上に見られた。リング内の（１１００）反射に相当する明るい点は、［０００１］回折パターンの六方対称を保持する。したがって、ＧＯシートは熱処理前には互いに対してランダムに配向されておらず、層間凝集性がこの段階では破壊されていないことが想定される。
【０１２５】
実施例７
さらに、ＧＯは、全体的にsp２炭素結合から構成される芳香族領域と、ヒドロキシル、エポキシおよびカルボン酸基を含有する脂肪族ｓｐ３領域とからなることが想定される。９６時間酸化させた試料の元素分析は、Ｃ／Ｈ／Ｏ比が５４／２５／２１（モルによる）であることを示す。９６時間酸化させた試料の１３Ｃ−ＮＭＲスペクトルを図３に示す。スペクトルは、化学シフト（δ）が約６０〜７０、１３３および２１０〜２２０ｐｐｍのところに３つの識別可能なピークを含む。６０〜７０ｐｐｍのピークは、ヒドロキシルおよびエポキシ基に由来する２つのピークからなるものと予想される。１３３ｐｐｍのピークは芳香族炭素に相当し、２１０〜２２０ｐｐｍの３番目のピークはカルボニル酸素に結合する炭素に由来する。
【０１２６】
実施例８
代表的な実施形態においては、ＦＧＳを形成するために、９６時間酸化させたグラファイト酸化物試料をアルゴン下で異なる温度にて３０秒間加熱する。膨張ＧＯの２００℃での加熱は部分的な剥離には十分であることが判明した。しかしながら、剥離の度合いは、温度が上昇するにしたがい高くなる。剥離すると、大きな見かけの容量増加（元の容量の約２００〜４００倍）が生じる。完全に酸化した試料から調製されたＦＧＳは、毛羽立った「薄氷(black ice)様」構造を有する。図４ａおよび図４ｂは、グラファイト、９６時間酸化させたＧＯ、およびＧＯ試料の急速な加熱により調製されたＦＧＳ試料のＸＲＤスペクトルを示す。ＦＧＳ試料は、グラファイト酸化物（２θ＝１２．２°）の場合も、元のグラファイト（２θ≒２６．５°）の場合も００２ピークの兆候を全く示さない。対照的に、部分的に酸化した試料を加熱すると、図４ｂに示すような、元のグラファイトの００２ピークを含むＸＲＤ回折パターンが得られる。
【０１２７】
実施例９
広域ＳＡＥＤパターン（図５）は、層剥離が増大したことを実証する。回折リング（５１および５２）は非常に弱く、広がっている。無秩序な、または無定型の物質で典型的に観察されるこれらの弱く広がった回折リングは、シート間の整列およびｃ方向に沿った長距離コヒーレンスが熱的剥離の間に本質的に失われることを示唆する。
【０１２８】
急速加熱工程中に水およびいくつかの酸素官能基が除去されるため、ＦＧＳの構造は、親ＧＯよりも高いＣ／Ｏ比を有する。元素分析は、Ｃ／Ｏ比がＧＯの６／４からＦＧＳの８／２に上昇することを示す。
【０１２９】
１２０時間酸化させ、３０秒間異なる温度で加熱したＧＯ試料から調製されたＦＧＳ試料の表面積を図６に示す（「●」は、６０℃で１２時間真空オーブン内で乾燥させた試料を表し、「黒四角」は、剥離前に周囲温度および相対湿度で平衡化した試料を表す）。
【０１３０】
加熱温度が上昇するにしたがって表面積が大きくなることに留意されたい。１５００ｍ２／ｇの表面積は、１０３０℃で試料を加熱することによって達成される。この値は、原子的に厚いグラフェンシートの理論的な上部表面積（典型的には２，６００ｍ２／ｇ）よりも低い。バルクＦＧＳ試料上で吸着実験を行うので、グラフェンシートの一部は重なり合い、したがって、Ｎ２分子への到達が阻止され、その結果、表面積値が低くなる。ポリマーマトリックス内にグラフェンを含む用途にとっての重要な態様は、分散した状態での分散度または有効表面積である。ＦＧＳ材料は、ＴＨＦなどの極性有機溶媒中に容易に分散して均一な分散液を形成する。約２５０℃〜２５００℃の加熱温度を採用してもよく、約５００℃〜１５００℃の温度範囲が好ましい。
【０１３１】
８００ｍ２／ｇの表面積を有するＦＧＳ試料の嵩密度を重量測定法で測定すると、４．１ｋｇ／ｍ３であった。測定表面積が１１６４ｍ２／ｇである別の試料の嵩密度は、１．８３ｋｇ／ｍ３であった。
【０１３２】
第２章：ＦＧＳおよびＦＧＳ−ポリマーナノ複合材料の調製および特徴付け
実験方法
＜透過係数の算出＞
透過係数を実験により決定するために、Ｒａｂｅｋ（１９８０年）(Rabek, J.F., Experimental methods in polymer chemistry: physical principles and applications. Wiley: Chichester [Eng.]; New York, 1980; p xxv, 861 p)により提供された、図９に概略的に示す透過セルを構築することができる。
【０１３３】
この図は比較的雑であるが、その基本的特徴が重要である。ポリマーを、透過セル内に保持し、圧力勾配に供する（ΔＰ＝ｐ１−ｐ２）。時間と共に、ガスが膜を通って拡散する。この増加を測定し、時間の関数として真空計により記録する。この装置を用いて、下流側（ｐ２）の圧力増加を時間の関数として測定することができる。この情報をプロットし、図１０に示すようなΔｐ／Δｔの定常値を決定することができる。傾斜を使用して、以下の式から、厚さ「ｌ」および面積「Ａ」のフィルムについての透過係数を算出することができる。
【数１】
0005421110.tif 000003
（式中、「Ｖ」は下流容量であり、Ｔは温度（Ｋ）であり、ｐ１は高圧（測定単位：ｔｏｒｒ）である。したがって、ｄｐ/ｄｔは、ｔｏｒｒ・ｓ−１の単位である。この式において、量（ｐ１−ｐ２）≒ｐ１であると仮定する。）
【０１３４】
＜拡散係数の算出＞
拡散係数を算出するにあたり、図１０に例証されるプロットに戻ることができる。Ｒａｂｅｋは、圧力−時間グラフの定常領域の外挿から求めた時間差定数「τ」の使用を提案する。この値から、拡散係数は、
【数２】
0005421110.tif 000004
（「ｌ」は、膜厚である）であることが分かる。したがって、拡散係数が大きい場合、素早く定常状態に達し、τは小さい。他方の極限においては、Ｒａｂｅｋは、τが２０分を超える場合、拡散係数は、１０％以内までしか正確ではない。これらの式を使用すれば、ポリマー膜を通るあらゆるガスの拡散を完全に特徴付けるＰ、ＤおよびＳ値を算出することができるはずである。
【０１３５】
試料の調製
ＦＧＳナノ複合材料を生成するために、３種の異なるポリマーを使用した。これら３種のうちの一番目は天然ゴム（ＮＲ）であるポリ（ｃｉｓ−１，４イソプレン）であった。使用する二番目のポリマーはＶｅｃｔｏｒ４１１１、すなわち、Ｄｅｘｃｏ  Ｐｏｌｙｍｅｒｓ  Ｃｏ．（テキサス州ヒューストン）から市販される、Ｍｗが１２８，０００ｇｍｏｌ−１であるポリスチレン−ポリイソプレントリブロックコポリマー（ＰＳ−ＰＩ−ＰＳ）であった(Mykhaylyk, T.A.; Collins, S.; Hamley, I.W.; Evans, S.D.; Hnderson. J.R., Ordered structures and phase transitions in thin films of polystyrene/polyisoprene block copolymer and blends with the corresponding homopolymers. Journal of Materials Science 2004, 39, (6), 2249-2252)。使用する三番目のポリマーは、Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｓｉｌｉｃｏｎｅｓが供給するポリジメチルシロキサンＲＴＶ  ６１５（ＰＤＭＳ）であった。いずれの場合も、これらのポリマーを最初にＦＧＳと混合し、次いでキャストまたはプレスして、機械的試験用の薄いシートを形成した。以下の章は、これらの各プロセスを例証する。
【０１３６】
ＦＧＳ合成
上述のように、天然グラファイトのＦＧＳへの転換は、酸化プロセスから開始する。平均サイズが４０μｍであるグラファイトフレーク（Ａｓｂｕｒｙ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｃｏｍｐａｎｙ（ニュージャージー州アスベリー）により提供）を、Ｓｔａｕｄｅｎｍａｉｅｒ法のように、硫酸、硝酸および塩素酸カリウムを使用して最低で９６時間酸化させた(Prud’homme, R.K.; Brinson, L.C.; Ramanathan, T.; Abdala, A.; Stankovich, S.; Herrera-Alonso, M.; Piner, R.; Adamson, D.H.; Liu, J.; Ruoff, R.S.; Nguyen, S.T.; Aksay, I., Beyond Carbon Nanotubes: FGS Nanoplates for Polymer Nanocomposites. In Princeton University: 2006; p. 23, Staudenmaier, L.. Verfahren zur darstellung der graphitsaure. Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft 1898, 31, 1481)。次に、生成物をＨＣｌおよび水で広範囲にわたって洗浄して、グラファイト酸化物のみを残して過剰なインターカラントを除去する。その後、結果生じたＧＯを真空オーブン内で乾燥させて、系内に存在するあらゆる過剰な水を除去する。残留水は剥離プロセスに有害な影響を及ぼすので、このプロセスは重要である。乾燥させたら、少量（〜１５０ｍｇ）のＧＯを石英管内に置き、アルゴンでパージした。次いで、急速加熱により剥離を行うときに、管を１０５０℃の炉内に３０秒間挿入する。試料を冷却した後、ＦＧＳを除去し、ＢＥＴ、ＡＦＭおよび透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって特徴付けることができる。
【０１３７】
ポリマー／ＦＧＳの混合
ポリマーマトリックス中にＦＧＳを分散させるために、３種の異なる混合方法、即ち、（ａ）溶液混合、（ｂ）押出混合および（ｃ）せん断混合、を使用した。
【０１３８】
ａ）溶液混合
ＮＲ／ＦＧＳ複合材料およびＶｅｃｔｏｒ／ＦＧＳ複合材料の場合に、この技術を使用した。ＮＲの場合、初めに、ゴムを、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）（Ａｌｄｒｉｃｈ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｐａｎｙ、９９％＋純度）に、ＮＲ  １ｇ／ＴＨＦ  ５０ｍＬの比で溶解させた。次いで、ＦＧＳを、別の１０ｍｌのＴＨＦに超音波処理によって懸濁させた。その後、２つの溶液を組み合わせ、一晩混合した。次いで、混合物を大気に開放することにより、過剰なＴＨＦ溶媒を除去した。Ｖｅｃｔｏｒの場合、ポリマーをトルエン（Ａｌｄｒｉｃｈ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｐａｎｙ）に１ｇ／３０ｍＬの比で溶解させた。次いで、チップ超音波処理を用いて、ＦＧＳを２０ｍｇ／１０ｍＬでＮＭＰに懸濁させた（Niyogi, S.; Hamon, M.A.; Perea, D.E.; Kang, C.B.; Zhao, B.; Pal, S.K.; Wyant, A.E.; Itkis, M.E.; Haddon, R.C., Ultrasonic dispersions of signle-walled carbon nanotubes. Journal of Physical Chemistry B 2003, 107, (34), 8799-8804）。次いで、攪拌しながら、懸濁液をＶｅｃｔｏｒ溶液に滴下し、２４時間攪拌した。その後、結果生じた溶液を冷メタノール（Ａｌｄｒｉｃｈ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｐａｎｙ）にゆっくりと添加することにより、いずれもこの溶媒に溶解しないＶｅｃｔｏｒ／ＦＧＳ混合物を沈殿させた。
【０１３９】
エラストマー中でのＦＧＳの混合および分散を改善するために、単純な混合装置を図１１に示すように設計した。このシステムでは、ゴム溶液およびＦＧＳ懸濁液はいずれも、２つの対になったＢｉｍｂａ（登録商標）空気圧作動シリンジを通じてミキサー内に注入することができた。ミキサーの後段にはガラスビーズ充填床があり、これはポリマー中でのＦＧＳの分散をさらに増大させる。このようにして、ＦＧＳ凝集物がほとんど存在しない均一なナノ複合材料を達成しようと考えた。
【０１４０】
しかしながら、Ｂｉｍｂａ（登録商標）ピストンのＯリングに問題があったため、この装置を使用して生成物を作製することができなかった。元のＯリングは、もはやシリンダー内を真空に保持できず、交換する必要があった。これらのシリンダーはカスタムメイドであったので、新たなＯリングを注文したが、このプロジェクトの終了後に配達される予定であった。そのため、二番目の方法、すなわち押出混合を使用して、ポリマーと充填材とを混合した。
【０１４１】
ｂ）押出
図１２の写真に示すＨａａｋｅ  Ｍｉｎｉｌａｂ  Ｔｗｉｎ  Ｓｃｒｅｗ  Ｃｏｍｐｏｕｎｄｅｒ／Ｅｘｔｒｕｄｅｒ（Ｔｈｅｒｍｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、マサチューセッツ州ウォルサム）を使用して、Ｖｅｃｔｏｒ／ＦＧＳ複合材料を調製した。Ｖｅｃｔｏｒ／ＦＧＳ複合材料を１７０℃で処理し、円錐形の共回転スクリューを使用して１００ｒｐｍの速度で２０分間混合した。続いてまた、ＮＲおよびＦＧＳを使用して、ナノ複合材料を作製した。この熱硬化性材料について、１５０℃の加硫温度を十分に下回る９０℃で化合を行い、１００ｒｐｍで２０分間混合した。
【０１４２】
ｃ）溶液せん断混合
ＦＧＳを分散させるために使用する最後の方法は、ＰＤＭＳ複合材料を作製する間に適用した。使用するＧＥ  ＲＴＶ６１５ゴムは、シリコーン液体ベースおよび硬化剤を１０：１の比で混合したものからなる２成分系である。シリコーン液の高粘度特性により、押出および溶液流延はいずれもきわめて困難であった。したがって、標準のツイストドリルビットを有するドリルを使用して、せん断力によりＰＤＭＳおよびＦＧＳを混合した。充填材濃度が低い（＜１重量％）場合、ＰＤＭＳ中でのＦＧＳの十分な分散を確保するには、３０分間混合すれば十分であった。しかしながら、それよりも濃度が高くなると、ＦＧＳ／ＰＤＭＳ複合材料の粘性が高すぎて、ドリルだけでは混合することができなかった。これらの混合物には、パテナイフを使用して、さらに１５分間、充填材を手で拡げて分散させた。ＦＧＳが分散した後、硬化剤をさらに５分間かけて混合した。
【０１４３】
ナノ複合材料フィルム
混合が完了すると、２００〜４００μｍ厚の薄いフィルムを生成して、機械的試験を開始した。これを達成するために、３つの方法、即ち、ｉ）溶融プレス、ｉｉ）金型キャストおよびｉｉｉ）回転成形、を使用した。ＶｅｃｔｏｒおよびＮＲフィルムを、ホットメルトプレスを使用して、それぞれ１７０℃および１５０℃で作製した。約３ｇの各試料を、３０００〜４０００ｐｓｉで２０分間プレスした。Ｍｙｌａｒスペーサーを使用して、得られる試料の厚さを制御した。一方、図１３に示す特製の鋼製金型を使用してＰＤＭＳフィルムを生成した。１．４ｍＬのＰＤＭＳ／ＦＧＳ混合物を金型内に広げた後、試料を真空下で２時間脱気し、次いで、さらに２時間１００℃に加熱することにより硬化させた。これにより、ＰＤＭＳ／ＦＧＳ複合材料のインサイチュ重合を行った。
【０１４４】
第一の２つの方法の各々によって均一なフィルムを生成したが、それらの方法は試料中でのＦＧＳ小板の配向には役に立たなかった。したがって、充填材は、ホットプレス法または溶液流延法により作製された各フィルム内でランダムに配置されていたと推定できる。各試料中で小板をある程度整列させる作業において、スピンキャスティング手法を採用した。この方法は、使用するいずれかのエラストマーを用いて試料を作製するために使用することができるが、本試験では、ＮＲ複合材料をキャスティングした。したがって、初めに、上述の溶液混合により、ＮＲおよびＦＧＳを混合した。次いで、結果生じた溶液を、５００〜５０００ｒｐｍの速度でシリコーンウェーハ上に一層ずつスピンコーティングした。各々の層を適用した後、ウェーハを１７０℃に加熱して、複合材料の加硫を促進した。この工程は、先に塗布された層をＴＨＦにより溶解するのを防ぐ上で重要である。合計で、１０〜１２層を塗布して、厚さ〜２００μｍのフィルムを形成した。
【０１４５】
機械的特性の測定
使用する各ポリマーに対するナノフィラーの効果を定量化するために、異なる機械的試験を行った。第一に、ヤング率および引張強度のあらゆる変化を評価するために、各複合材料について試験を行った。Ｉｎｓｔｒｏｎ１１２２を使用して、２’’／分の一定歪み速度でこれらの測定を行った。材料のバリア特性を評価するため、拡散セルを構築した。
【０１４６】
拡散セルの設計
本発明者らの研究室で構築したセルの略図が、上述の図１４に示されている。いくつかの設計特徴は以下の通りである。（ｉ）複合材料フィルムを固定し、収容するために、４７ｍｍのＭｉｌｌｉｐｏｒｅ（登録商標）膜ホルダーを使用した。測定精度を向上させるために、標準のシリコーンＯリングを、透過性が低いＶｉｔｏｎ（登録商標）フルオロポリマーシールと交換した。（ｉｉ）ステンレス鋼配管をＧＥ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ粗引きポンプに接続し、システムからポンプで排気して〜２ｍＴｏｒｒまで低下させ、Ｖａｒｉａｎ（登録商標）熱電対により測定した。この圧力変換器の読み取り値は１〜２０００ｍＴｏｒｒであった。（ｉｉｉ）バルブ２および３は、開放時にはシステム全体の初期排気を行わせ、次いで閉鎖時には下流側の単離を行わせるために組み込んだ。このようにして、バルブ１を開放する前に、定常真空を達成することができ、測定を行う。（ｉｖ）ＮＲの透過性を基準として用いて、式２．５を使用して、この設計についてのｄｐ／ｄｔを算出した。「合理的な」圧力増加速度である１ｍＴｏｒｒ・ｓ−１を達成するために（１ｍＴｏｒｒ・ｓ−１の速度は、変換器の出力の分解能限界に基づいて提案された）、およそ５０ｃｍ３の下流容量を算出した。排気側により大きい１／２”配管を組み込むことによって、この容量を達成した。好ましい実施形態において、別の追加物を組み込んだ。広範なバリアを測定する際に、可撓性がより高いセルを提供するために、下流容量を可変にする作業を行った。ｄｐ／ｄｔ∝１／Ｖであるので、容量を調節することにより、使用者はｄｐ／ｄｔを広範なナノ複合材料について調節することができ、ここで、透過係数は、３〜４桁分も変動し得る。下記の図１５は、更なる容量のための付属品を備える好ましい実施形態を例証する。
【０１４７】
この設置の組立構造を支援するために、別の漏れ点検方法、即ち、２−プロパノールの検出を行った。２−プロパノールを不完全な接続部に適用すると、少量の液体が揮発し、システム内に吸い込まれて、圧力ジャンプが観察できる。この方法は、システムが真空化にある間に行うことができるために、発泡試験よりも優れていた。したがって、漏れを点検するときにシステム変更を行う必要がなく、潜在的な漏れの原因の数が低減した。ＶＣＲ（登録商標）接続金具および２−プロパノールによる漏れ点検方法を用いて、好ましい設計を組み立て、漏れを０．０２ｍＴｏｒｒ・ｓ−１まで減少させた。この値はＮＲについてのｄｐ／ｄｔ算出値の１％であるので、好ましい実施形態では、不確実度がごく僅かな透過測定値が得られる。
【０１４８】
結果および検討
＜引張特性＞
２つのエラストマーのヤング率および引張強度の双方に対するＦＧＳ充填材の効果を調べた。これらの試験のために、０．２５重量％〜５．０重量％のＦＧＳ充填量で、天然ゴムおよびＰＤＭＳの両方を評価した。続いて、ゴムに使用される一般的な充填材であるカーボンブラックとの比較で、引張試験を行った。
【０１４９】
＜ヤング率および引張強度＞
ＮＲおよびＰＤＭＳのヤング率
図１６に提示されるように、一定歪み試験を使用して、以下の結果が観察された。いずれの場合も、ヤング率は、伸長し始めてから最初の２秒間に得られた測定値から決定した。
【０１５０】
この図に見られるように、ＦＧＳの添加により、ＮＲおよびＰＤＭＳの各々において、ヤング率が８倍および１２倍増加したことが観察されたので、ゴム内部で実質的な剛性が生じている。
【０１５１】
両方のナノ複合材料についての引張強度を定量化するために、同様の試験を行った。これらの結果を図１７に例証する。この図には、ＰＤＭＳおよびＮＲそれぞれの５０％伸長および４００％伸長時の強度が列挙されている。
【０１５２】
公表されているデータと比較すると、これらの結果は驚異的である。以下の表２は、クレイ／ゴムナノ複合材料から得られた引張特性の増大について比較したものである。いずれの場合も、ＦＧＳにより、文献の結果を超える有意な改善が見られる。
【０１５３】
表２  この表では、ＰＤＭＳおよびＮＲ試料の結果を、クレイナノ小板を使用した、最近発表された結果と比較している。いずれの場合も、ＦＧＳはその対照物よりも優れた性能である。
【表２】
0005421110.tif 000005
1 LeBaron, P.C.; Pinnavaia, T.J., Clay nanolayer reinforcement of a silicone elastomer. Chemistry of Materials 2001, 13, (10), 3760-3765.
2 Wang, Y.Q.; Zhang, H.F,; Wu, Y. P.; Yang. J.; Zhang, L.Q., Structure and properties of strain-induced crystallization rubber-clay nannocomposites by co-coagulating the rubber latex and clay aqueous suspension. Journal of Applied Polymer Science 2005, 96, (2), 318-323.
【０１５４】
＜カーボンブラックとの比較＞
商業的用途で今日使用されている充填材と比較するために、引張強度をＣＢ充填ゴムとも比較した。この充填材は現在、ゴム複合材料産業においてシェアの大半を占めるため、ＦＧＳ複合材料がいかに異なるかを知ることは重要である。図１８自体は、ＮＲ複合材料の比較を示し、一方、図１９はＰＤＭＳ複合材料を例証する。
【０１５５】
これらのグラフから、ＣＢ充填材とＦＧＳ充填材との間の差異に即座に気付く。グラファイトの面内弾性率が大きいために、ＦＧＳは、ＮＲ複合材料のあらゆる歪みレベルで、より大きな引張強度を示す。靭性も、ＣＢの４，１９０ＭＰａから、ＦＧＳの５，４２６Ｍｐａに向上し、これは２９％の増加である。しかしながら、この改善は、全伸長の低下におけるように、弾性率の低下を犠牲にして得られる。ＰＤＭＳにおいて、ＦＧＳは、７０％伸長未満では同様に引張強度を増加させる。しかしながら、この時点以降、試料は降伏挙動を示し始めるが、一方、ＣＢ試料は歪み硬化し始める。それにもかかわらず、ＦＧＳは靭性をわずかに増大させ、ＣＢの２９９Ｍｐａと比較すると３２４ＭＰａに上昇させ、これは８％の増加である。
【０１５６】
＜バリア特性＞
ＦＧＳ充填エラストマーの透過を、前述の拡散セルにおいて測定した。
【０１５７】
＜拡散セル評価＞
ナノ複合材料の測定を始める前に、拡散セルの性能を評価した。拡散セルの好ましい実施形態を使用して、３種の純粋ゴム、即ちＰＤＭＳ、ＮＲおよびＶｅｃｔｏｒ  Ｖ４１１１をプレスまたはキャストしてフィルムを形成し、それらを分析した。３ｇのバルクポリマーを、それぞれ１５０℃および１７０℃で２０分間、３０００ｐｓｉでプレスすることにより、ＮＲおよびＶｅｃｔｏｒを調製した。
【０１５８】
上述のキャスト技術を使用してＰＤＭＳフィルムを生成し、２時間脱気し、１００℃になるまで２時間加熱した。各ポリマーを評価すると、上述のものと同様の圧力対時間プロット（図２０）が得られた。その他全ての試料についての結果を、図２１〜図３８に示す。一連の図面は、３つのエラストマー各々ならびに３つのＦＧＳ複合材料について得られた透過測定のための代表的な試料を例証する。
【０１５９】
表３は、各ポリマーおよび複合材料に関する透過性、拡散性および溶解性値の概要である。正規化した値を以下に示す。
【表３】
0005421110.tif 000006
【０１６０】
【表４】
0005421110.tif 000007
【０１６１】
定常傾斜およびｘ切片を計算した後、式２．５および２．６を使用して、各ポリマーの透過性および拡散性を決定した。各ゴムの溶解性を、以下の原理に基づいて算出した。
【０１６２】
ポリマー膜を通じたガス移送プロセスは、以下の３つの工程、即ち、収着、拡散および脱着により説明することができる。このように、ガスはポリマーフィルムの一面で吸収され、フィルムを通じて拡散し、他方の側で蒸発する。このプロセスを支える駆動力は、フィルムのいずれかの側におけるガスの濃度または圧力勾配にある。勾配が一定のままである場合、この質量作用は、Ｆｉｃｋの第一法則により説明することができる。
【数３】
0005421110.tif 000008
（式中、Ｊは流量（すなわち、単位フィルム面積、単位時間あたりのガス拡散量）であり、Ｄは拡散計数であり、∂ｃ／∂ｘは厚さ「ｘ」全体のガス濃度勾配である。）
【０１６３】
この式中、「ｃ」は、いずれかの所与の時間でのガス濃度として定義することができる。この値は、Ｈｅｎｒｙの法則を用いて決定することができる：
ｃ＝Ｓｐ                                                （２．２）
（式中、「ｐ」はガス圧力であり、「Ｓ」は所与のポリマー中のガス溶解度である。次いで、溶解度を拡散係数と共に使用して、所与のポリマーの透過率「Ｐ」自体を特徴付けることができる。
Ｐ＝ＤＳ                                                （２．３）
【０１６４】
定常拡散であると仮定すると、式２．１〜２．３を組み合わせて、以下の式が得られる。
【数４】
0005421110.tif 000009
（式中、「ｌ」は膜厚であり、ｐ１およびｐ２は、それぞれ上流圧力および下流圧力である。）
【０１６５】
以下の算出表を使用して、このような計算を行った。以下の表は、式２．３、２．４および２．６に基づいて、透過性、拡散性および溶解性パラメーターを決定するのに使用する係数算出表を示す。また、漏れ率を使用して、如何に測定値を補正したかが分かる。ここでのデータは、２．５重量％のＦＧＳ／ＰＤＭＳ試料について提示する。
【０１６６】
【表５】
0005421110.tif 000010
【０１６７】
【表６】
0005421110.tif 000011
【０１６８】
【表７】
0005421110.tif 000012
【０１６９】
【表８】
0005421110.tif 000013
【０１７０】
続いて、これらの各値を報告されている文献値と比較した。セルの一貫性を試験するために、２つの異なるフィルム厚さならびに２つの異なる面積を使用した。それぞれの試験が同じ結果を生じるものと予測する。試料の上にアルミニウムカバーを載せ、複合材料の表面積を４８％低減することによって、面積を縮小した試料を試験した。図３９〜図４１はその結果を例証する。
【０１７１】
図３８〜図４１のそれぞれについて、多数の文献情報源を調べて、比較するのに適当な値を決定した(Van Amerongen, G.J., The Permeability of Different Rubbers to Gases and Its Relation to Diffusivity and Selectivity. Journal of Applied Physics 1946, 17, 972-986, Massey, L.K.; Plastics Design Library.; Knovel (Film) Permeability properties of plastics and elastomers: a guide to packaging and barrier materials. http://www.knovel.com/knovel2/Toc.jsp?BookID=752, Plastics Design Library., Permeability and other film properties of plastics and elastomers. Plastics Design Library: Norwich, NR, 1995; p x, 706 p., Brandrup, J.; Immergut, E.H.; Grulke, E.A., Polymer handbook. 4th ed.; John Wiley & Sons: New York, 1999; p l v. (various pagings), Singh, A.; Freeman, B.D.; Pinnau, I., Pure and mixed gas acetone/nitrogen permeation properties of polydimethylsiloxane [PDMS]. Journal of Polymer Science Part B-Polymer Physics 1998, 36, (2), 289-301, Suh, K.Y.; Kim, P.; Lee, H.H., Capillary kinetics of thin polymer films in permeable microcavities. Applie
d Physics Letters 2004, 85, (18), 4019-4021, Yang, J.M.; Hsiue, G.H., Modified Styrene-Diene-Styrene Triblock Copolymers for Oxygen Permeation. Angewandte Makromolekulare Chemie 1995, 231, 1-14)。
【０１７２】
しかしながら、ＰＤＭＳおよびＮＲのいずれについても、透過データは、３０℃および３５℃それぞれの空気に関してしか見つからなかった。実験室で使用した透過物質(permeant)が２２℃の空気であったとき、この温度上昇は、文献と実験結果との間にわずかな差しかもたらさない。差異は大きくはないようであるが、真の透過値は、上述の値よりもわずかに低いものであると考える必要がある。結果として、ＮＲおよびＰＤＭＳの誤差は、上で報告したものよりもわずかに小さいものであると予想することができる。これを考慮すると、拡散セルは、およそ１０％以内の精度の透過係数、１５％以内の拡散係数および２０％以内の溶解性を報告ことができると結論付けることができる。
【０１７３】
また、経時的および様々な試料調製条件にわたる算出表の矛盾性を決定するために、拡散セルを評価した。そのようにして、３つの各試料（薄い、厚いおよび面積が小さい）を５回試験して統計的な変動を決定した。以下の表は、３つの各エラストマーについて決定した標準偏差を列挙している。
【０１７４】
【表９】
0005421110.tif 000014
【０１７５】
上述の表は、厚い、薄いおよび面積が小さい試料を使用した試験全体の、各エラストマーについての平均標準偏差を列挙する。この図はまた、対応する文献値の百分率として表されている。この表から、透過性の計算については、ほぼ一貫した結果が得られたことが分かる。この値は、少なくとも３０秒間にわたる、多数のデータ点から算出した定常圧力の増加ｄｐ／ｄｔに純粋に基づいて決定される。しかしながら、拡散性は、ｘ切片に基づいて決定される。セルを加圧した瞬間とデータ収集が正確に一致していないと、この値は容易にずれる可能性がある。この事象を手で制御すると、人的誤差に左右される。この誤差はまた、Ｐ／Ｄの値から決定されるので、溶解性パラメーターに持ち越される。結果として、拡散セルでは、透過係数は拡散性または溶解性よりもはるかに一貫して測定されると結論付けることができる。１つの試験から次の試験への変動は、透過性については６％、拡散性については１４％および溶解性については１０％よりも小さいものであると予想される。
【０１７６】
透過変数
ナノ複合材料における透過低減には５つの重要な要因がある。エラストマー複合材料の透過を評価する前に、各試料がこれらの基準をどれくらい満たすかを評価するのが有用である。
【０１７７】
０．２５〜５．０重量％の範囲でＦＧＳを含有する各種のゴムを使用して複合材料を作製した。これら小板が占める対応容量画分を決定するために、ＦＧＳシートの密度を算出した。グラファイトの格子パラメーターならびにｐｉグループのファンデルワールス力を考慮すると、ＦＧＳシートの密度がフレークグラファイトの密度と非常に近いこと−すなわち２．２３ｇ／ｃｍ３であることが判明した。しかしながら、ポリマーマトリックスとの分子相互作用が、シートが占める「真の容量」を改変し得る場合、この値は本質的に多少の不確実性を伴う。容量画分を算出するために、この不確実性は無視できるものと仮定し、２．２３ｇ／ｃｍ３の密度を使用した。結果として、使用するＦＧＳの容量画分は、各エラストマー中２．２×１０−２〜４．３×１０−２の範囲にあることが判明した。
【０１７８】
各複合材料において、Ｄａｖｉｄ  Ｍｉｌｉｕｍ（プリンストン大学、ニュージャージー州プリンストン）により生成されたＢａｔｃｈ１１からのＦＧＳを充填材材料として使用した。ＢＥＴにより測定すると、このバッチの表面積は５２５ｍ２／ｇであることが判明した。このバッチからのグラフェンフレークは明確には測定しなかったが、他のＦＧＳ試料についてＡＦＭ測定を行い、個々のシートサイズを特徴付けた。Ｓｃｈｎｉｅｐｐらが報告するように、個々のシートの測定値は、長さが数１００ナノメートルおよび高さが１．８１±０．３６ｍｍであることが判明した(Schniepp, H.C.; Li, J; McAllister, M.; Sai, H.; Herrera-Alonso, M.; Adamson, D.H.; Prud’homme, R.K.; Car, R.;Saville, D.A.; Aksay, I., Functionalized Single Graphene Sheets derived from Splitting Graphite Oxide. In Princeton University: 2006, p 13)。したがって、ＦＧＳ小板は５０〜５００のアスペクト比を有するものと予想し得る。ＳｃｈｎｉｅｐｐらがＦＧＳを評価したのと同じ方法を使用してＢａｔｃｈ１１を生成した場合、このサイズおよびアスペクト比分布はナノ複合材料に使用した小板にも当てはまることが仮定できる。
【０１７９】
ｃ）配向
しかしながら、粒子の配向は、観察した透過の減少をＢａｒａｄｗａｊ（２００１年）が提案したモデルに当てはめることによって予測することができる。このようにして、Ｓ（θ）パラメーターを概算し、角度θについての近似値を推定することができる。この計算は、以下の４．２．３章で行う。
【０１８０】
ｄ）小板の分散
２つの方法、すなわち走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）測定および伝導性測定により、Ｖｅｃｔｏｒ、ＮＲおよびＰＤＭＳにおいて小板の分散を測定した。使用する(helped)これらの各方法により、ポリマーマトリックス内のＦＧＳ小板の分散についての推量が得られる。
【０１８１】
ＳＥＭ用の試料を調製するために、各複合材料の断片を液体窒素に浸漬し、伝導性を増大させるためにインジウムで被覆した。次いで、これらの断片をＴｅｓｃａｎ  Ｖｅｇａ  ＴＳ５１３０  Ｃｏｌｕｍｎ  ＳＥＭ（ペンシルバニア州クランベリー）において１０００〜２０００倍の倍率で観察した。まず、ＮＲで調製した試料を見た。溶液混合ならびに押出の両方によって調製した複合材料を観察し、図４３（ａ）および（ｂ）において比較した。純粋ＮＲを図４２に示す。この純粋ＮＲのＳＥＭ画像はおおむね均一な構造を特徴とし、この構造は初期の試料破砕から生じた可能性が最も高い小さな隆起を伴う。この倍率では、大きな構造は見られない。
【０１８２】
図４３（ａ）および（ｂ）を比較すると、１つの差異が即座に明らかになる。押出混合により調製した２重量％の試料には、ＦＧＳの大きな依然として見られ、これは充填材の分散が不十分であることを示している。一方、溶液混合により調製した２重量％の試料ははるかに微細な構造を示し、これはＦＧＳの分散がより大きな証拠である。これらの画像は、溶液混合が、天然ゴムマトリックス中にＦＧＳ充填材を均一に拡散するための、より良好な経路を提供することを示唆している。
【０１８３】
ＰＤＭＳ／ＦＧＳ複合材料について、同様の画像を撮影した。図４４（ａ）および（ｂ）に示した図で、２．５重量％の複合材料と純粋ＰＤＭＳポリマーを比較することができる。このＰＤＭＳ／ＦＧＳの画像を慎重に観察すると、小さいが目で見える構造の存在に気付く。これらの小板様構造は、ＮＲ／ＦＧＳの画像には認められないほど微細ではないようであるが、それらの構造は、凝集塊の大きな証拠を示していない。したがって、この場合、充填材の分散度を特定するのは困難である。そのようにして、第二の伝導性試験が、より決定的な証拠を得る助けとなる。
【０１８４】
最後に、Ｖｅｃｔｏｒ／ＦＧＳ複合材料について、ＳＥＭ画像を撮影した。これらの画像は図４５に示されており、この図は５重量％ＦＧＳ複合材料と純粋Ｖｅｃｔｏｒを比較する。（ｂ）において、ＰＤＭＳ／ＦＧＳ画像に見られるものと同様の小さなフレーク状構造の起伏を再び見ることができる。しかしながら、この写真は、広い面積の凝集塊の証拠を示していない。その代わりに、（ｂ）に見られる著しいコントラストが、この破面に沿った組織分布的差異の結果として生じると提案し得る。ＦＧＳ濃度がかなり高い（５重量％）と、これらの起伏は、Ｖｅｃｔｏｒから突出する単一のまたは小さなグラフェンシート群に起因すると考えることができる。これらの起伏は複合材料の表面に沿って均一に分布しているようであるため、ＦＧＳは試料に沿って均一に分布したことが示唆され得る。したがって、この推論は、ＰＤＭＳ試料に見られる構造にも当てはめることができる。しかしながら、これらの構造はＦＧＳであり、単に不規則なクラックだけではないと確信できないので、小板の分散を特徴付けるには、更なる試験が必要である。
【０１８５】
したがって、小板の分散を評価する第二の手段に着手した。この方法では、４点技術による充填材量の関数として、各複合材料の伝導性を測定した。伝導性は、良好に分散した複合材料（＜５％の低充填量レベルで）でしか測定できないので、これらの測定は、各複合材料におけるＦＧＳ分散度についての推定となる。
【０１８６】
ＰＭＭＳ／ＦＧＳ複合材料による試験から分かるように、パーコレーションは、良好に分散した試料において２重量％の充填量で達成された（Prud’homme, R.K.; Brinson, L.C.; Ramanathan, T.; Abdala, A.; Stankovich, S.; Dikin, D.; Herrera-Alonso, M.; Piner, R.; Adamson, D.H.; Liu, J.; Ruoff, R.S.; Nguyen, S.T.; Aksay, I., Beyond Carbon Nanotubes: FGS Nanoplates for Polymer Nanocomposites. In Princeton University: 2006; p 23）。図４６に示すように、各エラストマー試料を用いて同様の調査を行った。分かるように、パーコレーションは、ＮＲ（溶液法）、ＰＤＭＳおよびＶｅｃｔｏｒにおいて〜２．５重量％で達成された。実際、ＶｅｃｔｏｒおよびＰＤＭＳの両試料について測定した伝導性は、ｐｒｕｄ’ｈｏｍｍｅらが発表したＰＭＭＡの結果よりも実質的に高かった。ＰＤＭＳおよびＶｅｃｔｏｒ／ＦＧＳ試料を、それぞれ１３．２および５．１Ｓ／ｍで測定し、ＰＭＭＡ／ＦＧＳで見られる１０−２Ｓ／ｍと比較した。ＳＥＭ分析から分かる証拠と組み合わせると、図４６の傾向は、ＦＧＳは、ＰＤＭＳ中に非常に良好に分散し、Ｖｅｃｔｏｒ試料中に良好に分散し、ＮＲには適度に良好に混合される（溶液法）ことを示唆する。一方、ＦＧＳは凝集し、ほとんど伝導性がないことが判明したので、ＮＲ複合材料を生成するための押出法は、混合性能が低いことを明確に示す。
【０１８７】
ｅ）分子相互作用
ナノ複合材料における透過の減少に影響を及ぼす最後の重要な要因は、ポリマーマトリックスと充填材材料との分子相互作用である。ｐｒｕｄ’ｈｏｍｍｅらが観察した、ＰＭＭＳにおけるＦＧＳ充填量が０．０５重量％であるときの３５℃の大きなガラス転移（Ｔｇ）の変化は、これらの相互作用がＦＧＳ複合材料についてはまさに現実であることを示唆する。Prud’homme, R.K.; Brinson, L.C.; Ramanathan, T.; Abdala, A.; Stankovich, S.; Dikin, D.; Herrera-Alonso, M.; Piner, R.; Adamson, D.H.; Liu, J.; Ruoff, R.S.; Nguyen, S.T.; Aksay, I., Beyond Carbon Nanotubes: FGS Nanoplates for Polymer Nanocomposites. In Princeton University: 2006; p23)。局部的な分子相互作用がバリア特性に及ぼす影響はこの報告には含まれていないが、それらは定量化可能であると考えられる。２つの方法を提案することができる。一番目に、エラストマーのＴｇに近い温度範囲にわたって透過試験を行い、それによりこのような相互作用の規模を測定する手段を提供することができる。多くのエラストマーのＴｇは非常に低く、拡散試験には実用的ではないために、これはいくらか困難となり得る。小板の配向が分かる場合、このような試験により、使用者は分子相互作用の影響から、ねじれの影響を分離することができる。これらの測定は、小板の配向における不規則に非常に影響を受けやすいために、やはり困難である。これはＬｕｓｔｉらが見出した結論を強調する。−これらの相互作用は、依然として定量化するのが困難であり、まだ完全には理解されていない(Lusti, H.R.; Gusev, A.A.; Guseva, O., The influence of platelet disorientation on the barrier properties of composites: a numerical study. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering 2004, 12, (6), 1201-1207)。まだ今のところ、これらの相互作用の役割を定量化する試みは文献中ではほとんど行われていない。
【０１８８】
ナノ複合材料の透過特性
ａ）ＦＧＳの性能
０．２５重量％〜５重量％のＦＧＳ充填量で、ＮＲ（溶液法）、ＶｅｃｔｏｒおよびＰＤＭＳにより作製した複合材を、拡散セルを使用して評価した。結果を図４７に例証する。この図は、ＦＧＳ小板が所与のポリマー試料の相対透過性（Ｐ／ＰＯ）を低下させるという原理の証拠を示す。これはＰＤＭＳにおいて最も効果的に達成され、ＮＲ複合材料において最も非効果的に達成されることが、グラフから推察できる。驚くべきことに、ＰＤＭＳ複合材料中にＦＧＳを１重量％追加しただけで、５０％の低下が達成される。さらに、ＰＤＭＳおよびＶｅｃｔｏｒ試料に関して、５重量％の充填量レベルでは８０％の低下が達成された。
【０１８９】
次いで、これらの結果を、試験で使用したポリマーマトリックスと同じものを使用した文献(publications)と比較することができる。各文献は、充填材としてクレイナノ複合材料を使用し、知る限りでは、各種について報告されたエラストマーの透過性の低下が最も大きかった。表６に示すこれらの結果を見ると、ＦＧＳが以前の各研究よりも優れていることが分かる。したがって、熱可塑性ポリマーを使用すると、より大きく低下することが判明した（ポリイミドの１０倍）が、これらの結果に基づいて、ＦＧＳはエラストマーにおいて優れた性能を示すと結論付けることができる。
【０１９０】
【表１０】
0005421110.tif 000015
1 LeBaron, P.C.; Pinnavaia, T.J., Clay nanolayer reinforcement of a silicone elastomer. Chemistry of materials 2001, 13, (10), 3760-3765.
2. Wang, Z.F.; Wang, B.; Qi, N.; Zhang, H.F.; Zhang, L.Q., Influence of fillers on free volume and gas barrier properties in styrene-butadiene rubber studied by positrons. Polymer 2005, 46, (3), 719-724
3 Wang, W.Q.; Zhang, H.F.; Wu, Y.P.; Yang, J.; Zhang, L.Q., Structure and properties of strain-induced crystallization rubber-clay nanocomposites by co-coagulating the rubber latex and clay aqueous suspension. Journal of Applied Polymer Science 2005, 96, (2), 318-323
【０１９１】
ｂ）小板のアスペクト比および分散度の役割
行った透過試験を通じて、複合材料のバリア特性に影響を及ぼす分散および小板のアスペクト比が如何に変動するかを評価することができる。まず、透過の低下における分散の役割を調べる。調べるために、単純な試験を行い、押出により調製したＮＲ複合材料のバリア特性を、溶液法により調製したＮＲと比較した。４．２．２章から得られたＳＥＭおよび伝導性の結果から分かるように、これら２つの試料は、分散レベルにかなりの差異を示す。結果は図４８に見られる。
【０１９２】
これらの結果により、バリア特性が、充填材の分散性の差異に大きく影響されることが視覚的に確認できる。今度はこの証拠を、図４８に認められる差異を説明するために使用した。ＳＥＭ画像および伝導性試験は、ＦＧＳ充填材がＰＤＭＳ試料中ではより良好に分散し、ＮＲ（溶液法）およびＶｅｃｔｏｒ試料中ではそれほど良好に分散しないことを示唆した。したがって、より良好に充填材が分散したそれらの試料は、優れたバリア特性を示すことに気づく。
【０１９３】
同様に、小板のアスペクト比の役割を定量化することができる。二番目の試験において、２つの異なるＦＧＳバッチを使用して、ＰＤＭＳ／ＦＧＳ試料を調製した。一番目は、表面積が５２５ｍ２／ｇであるＢａｔｃｈ１１を使用して作製し、二番目は、表面積が〜３２０ｍ２／ｇである部分的に剥離したバッチを使用した。この表面積が小さいことは、このバッチがより大きなＦＧＳ粒子を含有しており、個々のシートはほとんどないことを示している。したがって、このバッチから得られたＦＧＳ小板のアスペクト比は、平均でより小さいものであると予想される。この試験結果を図４９に示す。各データ組を、適当なアスペクト比（α）の値を有するＮｉｅｌｓｅｎのモデルに当てはめる。
【０１９４】
このグラフから、αが３倍増加した結果、透過が２０％低下するときに、アスペクト比の増加がどのようにバリア特性を向上させるかが分かる。シート間隔が０．７１ｎｍであると仮定すると、Ｂａｔｃｈ１１についての予測アスペクト比α＝９０は、１０枚の個々のＦＧＳシートのオーダーの積み重ね体に相当し、一方、α＝３５は、表面積が小さいＦＧＳの〜２５枚のシートの積み重ね体に相当する。これによって、やはり、バリア特性に影響を及ぼす５つの要因のうちの１つの重要性について確認できる。
【０１９５】
小板の配向の増大
先の結論により、配向したＦＧＳ試料を生成する研究を行った。これを達成するために、２種の方法、（ｉ）試料の伸張による歪み誘発型再配向および（ｉｉ）スピンコーティングによるせん断誘発型再配向、を使用した。
【０１９６】
米国特許出願番号１１／２４９，４０４（２００５年１０月１４日出願）および上述の全ての特許および文献は、引用されることにより本明細書の開示の一部とされる。
【０１９７】
明らかに、先の教示を鑑みて、本発明の多数の修正および変形が可能である。したがって、添付した請求の範囲内で、本発明は、本明細書に特定的に記載されたもの以外の方法で実施してもよいことを理解すべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３ａ】
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【図４３ｂ】
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【図４４ａ】
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【図４４ｂ】
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【図４５ａ】
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【図４５ｂ】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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