(57)【要約】一実施形態において、膨張六方晶窒化ホウ素を調製するための方法は、有機溶媒中でホウ素化合物とカーボンテンプレートとを混合することと、有機溶媒を除去してホウ素化合物とカーボンテンプレートとの乾燥混合物を得ることと、六方晶窒化ホウ素を含む粗生成物を得るのに有効な条件下で乾燥混合物を窒素含有ガスに曝露することと、粗生成物からカーボンテンプレートを除去して膨張六方晶窒化ホウ素を得ることと、を含む。
2019536717.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膨張六方晶窒化ホウ素を調製するための方法であって、前記方法は、
ホウ素化合物とカーボンテンプレートとを有機溶媒中で混合することと、
有機溶媒を除去してホウ素化合物とカーボンテンプレートとの乾燥混合物を得ることと、
六方晶窒化ホウ素を含む粗生成物を得るのに有効な条件下で前記乾燥混合物を窒素含有ガスに曝露することと、
前記粗生成物から前記カーボンテンプレートを除去して、膨張六方晶窒化ホウ素を得ることと、
を含む方法。
【請求項２】
前記ホウ素化合物が、五ホウ酸アミン、ホウ酸エステル、ホウ砂、ホウ酸またはその塩、ピロホウ酸またはその塩、四ホウ酸またはその塩、酸化ホウ素、またはこれらのうちの１つ以上を含む組合せ、を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記カーボンテンプレートが、ヒドロキシル官能基およびカルボキシル官能基のうちの複数の一方または両方を含む表面処理カーボンテンプレートを含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記有機溶媒が、エタノール、メタノール、グリセリン、ポリエーテル、またはこれらのうちの１つ以上を含む組合せ、を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記混合することが、分散剤、好ましくはアニオン性界面活性剤、より好ましくはドデシル硫酸ナトリウムの存在下で行われる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記混合することが０．５〜１０時間行われるか、または前記混合することが０〜６０℃の温度で行われるか、またはその両方である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記混合することが、２時間以上混合すること、混合時に超音波振動することおよび湿式ボール混合のうちの少なくとも１つを含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記混合物が、前記ホウ素化合物および前記カーボンテンプレートの合計の１ｇあたり、５〜２００ｍＬ、または５〜２５ｍＬ、または５〜１５ｍＬ、または２５〜２００ｍＬの有機溶媒を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記有機溶媒を除去することが、混合物を加熱すること、混合物に真空圧力を加えること、混合物を凍結乾燥すること、またはこれらのうちの１つ以上の組合せ、を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記乾燥混合物が、前記ホウ素化合物および前記カーボンテンプレートの合計の１ｇあたり、１ｍＬ以下、または０〜０．１ｍＬの有機溶媒を含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記混合物中のカーボンテンプレートとホウ素化合物とのモル比が１：０．２〜１：２である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記曝露する前に、前記乾燥混合物を黒鉛るつぼに広げることをさらに含む、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記曝露することが１〜１０時間行われる、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記曝露することが、４０〜１０００ｍＬ／分、または６０〜２００ｍＬ／分の流速で窒素ガスを流すことを含む、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記曝露することは、
前記乾燥混合物を３〜１０℃／分の速度で１００〜５００℃の第１の温度に加熱することと、
前記第１の温度を０．５〜３時間維持することと、
３〜１０℃／分の速度で７００〜１１００℃の第２の温度に加熱することと、
前記第２の温度を０．５〜３時間維持することと、
３〜１０℃の速度で１２００〜１７００℃の第３の温度に加熱することと、
前記第３の温度を０．５〜３時間維持することと、
を含む、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記粗生成物からカーボンテンプレートを除去して膨張六方晶窒化ホウ素を得ることは、酸素の存在下で加熱することを含む、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記膨張六方晶窒化ホウ素をポリマーと混合してポリマー複合材料を形成することをさらに含む、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれか一項によって調製された膨張六方晶窒化ホウ素。
【請求項１９】
請求項１〜１８のいずれか一項によって調製された２０〜１００ｍ２／ｇの比表面積を有する膨張六方晶窒化ホウ素。
【請求項２０】
請求項１〜１９のいずれか一項によって調製された１００〜２００ｍＬ／ｇの膨張容積を有する膨張六方晶窒化ホウ素。
【請求項２１】
ポリマーマトリックスと、
前記ポリマーマトリックス中に分散されている、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の膨張六方晶窒化ホウ素と、
を含む複合材料。
【請求項２２】
前記複合材料が第１および第２の熱伝達面を有する、請求項２１に記載の複合材料。
【請求項２３】
前記複合材料の総重量に基づいて、１〜９０重量％、または５〜８０重量％、または１〜２０重量％の膨張六方晶窒化ホウ素を含む、請求項２１〜２２のいずれか一項に記載の複合材料。
【請求項２４】
前記複合材料は、０．１〜２５ミリメートルの平均厚さを有する、請求項２１〜２３のいずれか一項に記載の複合材料。
【請求項２５】
前記ポリマーマトリックスが、ポリウレタン、シリコーンポリマー、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリアミド、フッ素化ポリマー、ポリアルキレンオキシド、ポリビニルアルコール、アイオノマー、セルロースアセテート、ポリスチレン、またはこれらの少なくとも１つを含む組合せ、を含む、請求項２１〜２４のいずれか一項に記載の複合材料。
【請求項２６】
前記ポリマーマトリックスが圧縮性フォームである、請求項２１〜２５のいずれか一項に記載の複合材料。
【請求項２７】
前記複合材料が少なくとも１つの外部熱伝達面と接触して前記少なくとも１つの外部熱伝達面から熱を逃がす、請求項２１〜２６のいずれか一項に記載の複合材料を含む熱管理アセンブリ。
【請求項２８】
前記複合材料が、発熱部材の外面と放熱部材の外面との間に配置されて、それらの間に熱伝導性転写を提供する、請求項２７に記載の熱管理アセンブリ。
【請求項２９】
前記発熱部材は電子部品または回路基板であり、前記放熱部材はヒートシンクまたは回路基板である、請求項２８に記載の熱管理アセンブリ。
【請求項３０】
請求項１〜２９のいずれか一項に記載の膨張六方晶窒化ホウ素を含む物品。
【請求項３１】
前記物品が下水処理用途、軍事用途、または航空用途で使用するためのものである、請求項３０に記載の物品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テンプレート法により膨張六方晶窒化ホウ素を調製する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
膨張黒鉛は、天然の黒鉛スケールを高温膨張させることによって得られる、緩い多孔質の物質である。天然黒鉛それ自体の優れた特性を有すると同時に、膨張黒鉛はまた、柔らかさ、圧縮弾性、吸着性、生態環境との調和性、生体適合性、および耐放射線性など、天然黒鉛にはない特性も有する。これらの有益な特性のために、膨張黒鉛は、高エネルギー電池材料、シール材料、生物医学、相変化蓄熱材料、環境保護のような分野において徐々に多くの重要な用途を見出している。しかしながら、黒鉛は優れた電気伝導体であるため、マイクロ電子カプセル化などの絶縁を必要とする多くの用途では使用できない。
【０００３】
六方晶窒化ホウ素の結晶構造は黒鉛に類似しており、両方とも六方晶系と分子結合によって結合された複数の層を有する層状構造を有する。六方晶窒化ホウ素は非常に良好な潤滑効果を有し、しばしば「ホワイトグラファイト」と称される。六方晶窒化ホウ素は、黒鉛材料と同様の構造および特性を有するのみならず、黒鉛が欠くいくつかの優れた特性、例えば電気絶縁性、耐腐食性および良好な高温性能も有する。仮に膨張黒鉛の構造的特徴と類似する構造的特徴を有する膨張六方晶窒化ホウ素を調製することができれば、それは、電子工学、機械、環境保護、および原子力などの分野において広い用途における見込みを有することになるであろう。しかしながら、六方晶窒化ホウ素の層を結合する分子結合は、黒鉛の層を結合する分子結合よりもはるかに強いので、膨張黒鉛を調製するために一般に使用される方法、すなわち、インターカレーション、水中での洗浄、乾燥、および高温膨張、を用いて六方晶窒化ホウ素の層を接合する分子結合を開けることは極めて困難である。したがって、現時点では、膨張六方晶窒化ホウ素生成物は存在しておらず、膨張六方晶窒化ホウ素の調製に関する報告もないように思われる。
【０００４】
従って、六方晶膨張窒化ホウ素を成功裏に製造する方法が存在する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書に開示されているのは、六方晶膨張窒化ホウ素を調製する方法およびそれから作製された六方晶膨張窒化ホウ素である。
一実施形態において、膨張六方晶窒化ホウ素（ｅｘｐａｎｄｅｄ  ｈｅｘａｇｏｎａｌ  ｂｏｒｏｎ  ｎｉｔｒｉｄｅ）を調製するための方法は、有機溶媒中でホウ素化合物とカーボンテンプレートとを混合することと、有機溶媒を除去して、ホウ素化合物とカーボンテンプレートとの乾燥混合物を得ることと、六方晶窒化ホウ素を含む粗生成物を得るのに有効な条件下で、乾燥混合物を窒素含有ガスに曝露することと、粗生成物からカーボンテンプレートを除去して、膨張六方晶窒化ホウ素を得ることと、を含む。
【０００６】
膨張六方晶窒化ホウ素もまた本明細書に開示される。
膨張六方晶窒化ホウ素とポリマーとを含む複合材料がさらに開示されている。
膨張六方晶窒化ホウ素を含む熱管理アセンブリがさらに開示されている。
【０００７】
さらにまた、膨張六方晶窒化ホウ素を含む物品が開示されている。
上記した特徴および他の特徴は、以下の図面および詳細な説明によって例示される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例１で合成した膨張六方晶窒化ホウ素についてのＸ線回折スペクトルのグラフ図である。
【図２】実施例１で合成した膨張六方晶窒化ホウ素の微細構造の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。
【図３】実施例２で合成した膨張六方晶窒化ホウ素についてのＸ線回折スペクトルのグラフ図である。
【図４】実施例４で合成した膨張六方晶窒化ホウ素についてのＸ線回折スペクトルのグラフ図である。
【図５】実施例４で合成した膨張六方晶窒化ホウ素の形態の走査型電子顕微鏡画像である。
【図６】実施例４で合成した膨張六方晶窒化ホウ素の形態の走査型電子顕微鏡画像である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下の図面は例示的な実施形態であり、それは六方晶膨張窒化ホウ素を作製する方法およびそれから作製される六方晶膨張窒化ホウ素を説明するために提供される。図面は実施例を例示するものであり、本開示に従って作製されたデバイスを本明細書に記載の材料、条件、またはプロセスパラメータに限定することを意図するものではない。
【００１０】
驚くべきことに、六方晶膨張窒化ホウ素は、カーボンテンプレートから六方晶膨張窒化ホウ素をテンプレート法によって（ｂｙ  ｔｅｍｐｌａｔｉｎｇ  ｔｈｅ  ｈｅｘａｇｏｎａｌ  ｅｘｐａｎｄｅｄ  ｂｏｒｏｎ  ｎｉｔｒｉｄｅ  ｏｆｆ  ｏｆ  ａ  ｃａｒｂｏｎ  ｔｅｍｐｌａｔｅ）調製できることが発見された。具体的には、同方法は、有機溶媒中でホウ素化合物とカーボンテンプレートとを混合することと、有機溶媒を除去してホウ素化合物とカーボンテンプレートとの乾燥混合物を得ることと、六方晶窒化ホウ素を含む粗生成物を得るのに有効な条件下で乾燥混合物を窒素含有ガスに曝露することと、粗生成物からカーボンテンプレートを除去して膨張六方晶窒化ホウ素を得ることと、を含む。窒化ホウ素の六方晶構造の直接鋳型（ｄｉｒｅｃｔ  ｔｅｍｐｌａｔｅ）としてカーボンテンプレートを使用するため、本発明の方法は、カーボンテンプレートの形態のコピーである窒化ホウ素形態を有益に提供することができ、例えば、粒子状の形態およびナノシートの形態といった異なる形態を形成することを可能にする。
【００１１】
本方法は、例えば、膨張六方晶窒化ホウ素の総重量に基づいて９５〜１００重量パーセント（ｗｔ％）または９９〜１００ｗｔ％の高純度を有する大量の膨張六方晶窒化ホウ素を製造するために使用できるという利点を有する。本方法は、環境に優しいホウ素源および炭素源を使用することができるので環境に優しいものとすることができ、黒鉛の炭素源は分解しやすいので、酸洗浄および水洗浄の工程を回避することができる。
【００１２】
本方法は、有機溶媒中でホウ素化合物とカーボンテンプレートとを混合することを含む。ホウ素化合物は、後述の炭素熱還元および窒化条件下で窒化ホウ素を生成する任意のホウ素含有化合物を含み得る。様々な塩および水和物を含む酸素含有ホウ素化合物を使用することができる。酸素含有ホウ素化合物は、五ホウ酸アミン、ホウ酸エステル、ホウ砂（Ｎａ２Ｂ４Ｏ７・１０Ｈ２ＯまたはＮａ２［Ｂ４Ｏ５（ＯＨ）４］・８Ｈ２Ｏ）、ホウ酸（Ｈ３ＢＯ３）またはその塩、ピロホウ酸（Ｂ４Ｈ２Ｏ７）またはその塩、四ホウ酸（Ｈ２Ｂ４Ｏ７）またはその塩、酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）、または上記のものの１つまたは複数を含む組合せであり得る。五ホウ酸アミンとしては、任意のアミン塩、例えば、式、Ｂ５Ｏ８−ＮＲ４＋またはＢ５Ｏ６（ＯＨ）４−ＮＲ４＋（式中、各Ｒは同一又は異なっていてもよく、水素または有機配位子、例えば、Ｃ１−８アルキル基またはＣ４−８シクロアルキル基である）のアミン塩が挙げられる。五ホウ酸アンモニウム（Ｂ５Ｏ８−ＮＲ４＋）を使用することができる。ホウ酸エステルは、ホウ酸の任意のエステル、例えば式Ｂ（ＯＲ）３（式中、各Ｒは同一でも異なっていてもよく、有機配位子、例えば、Ｃ１−１２アルキル基有機配位子、例えば、Ｃ１−１２アルキル基である）のエステルであってもよい。様々な酸の対応する塩は、任意の対イオン（例えば、アンモニウム、ホスホニウム、アルカリ金属、アルカリ土類金属、またはこれらのうちの１つまたは複数を含む組合せ）を有していてもよい。ホウ素化合物は、ホウ酸、ピロホウ酸、酸化ホウ素、またはこれらのうちの１つまたは複数を含む組合せ、を含み得る。ホウ素化合物は酸化ホウ素を含み得る。
【００１３】
カーボンテンプレートは、膨張黒鉛（膨張カーボン、膨張性黒鉛、またはインターカレート黒鉛としても知られる）、カーボンファイバー、黒鉛フィルム、グラフェン、活性炭、カーボンナノチューブ、またはこれらの少なくとも１つを含む組合せ、を含み得る。カーボンテンプレートは膨張黒鉛を含んでいてもよく、黒鉛テンプレートと称されてもよい。膨張黒鉛は、それぞれのグラフェン層の間に層間材料（ｉｎｔｅｒｃａｌａｎｔ  ｍａｔｅｒｉａｌ）を挿入し、層間材料を加熱してそれぞれのグラフェン層を互いに分離させることによって調製することができる。得られた膨張黒鉛は、アコーディオンのような形態をとることができる。カーボンテンプレートは、ホウ素化合物がカーボンテンプレート上に吸収する能力を高めるために表面処理カーボンテンプレートを含み得る。例えば、カーボンテンプレートは、ヒドロキシル官能基およびカルボキシル官能基の一方または両方を含むように表面処理することができる。
【００１４】
有機溶媒は、Ｃ１−６アルカノール（例えば、エタノール、メタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、およびヘキサノール）、ポリオール（例えば、グリセリン、ペンタエリスリトール、エチレングリコールおよびスクロース）、ポリエーテル（例えば、ポリエチレングリコールおよびポリプロピレングリコール）またはこれらのうちの１つまたは複数を含む組合せ、を含み得る。有機溶媒は、エタノール、メタノール、グリセリン、ポリエチレングリコール、またはこれらのうちの１つまたは複数を含む組合せ、を含み得る。
【００１５】
混合物は、ホウ素化合物とカーボンテンプレートとの合計の１グラム（ｇ）あたり５〜２００ミリリットル（ｍＬ）、または５〜２５ｍＬ、または５〜１５ｍＬ、または２５〜２００ｍＬの有機溶媒を含み得る。
【００１６】
混合物は、ホウ素化合物とカーボンテンプレートとの分散を改善するために分散剤をさらに含み得る。分散剤の種類は、ホウ素化合物の種類およびカーボンテンプレートの種類に依存し得る。分散剤は界面活性剤であってもよい。界面活性剤は、アニオン性、非イオン性、カチオン性、または双性イオン性であり得る。好ましくは、界面活性剤はアニオン性である。
【００１７】
使用することができるアニオン性界面活性剤の中には、それらの分子構造中にＣ８−３６またはＣ８−２２、アルキルまたはアシル基およびスルホン酸または硫酸エステル基を有する有機硫酸反応生成物のアルカリ金属、アルカリ土類金属、アンモニウムおよびアミン塩がある。一実施形態において、分散剤は、ドデシル硫酸ナトリウム、ラウリル硫酸ナトリウム、ラウレス硫酸ナトリウム、ジオクチルスルホコハク酸ナトリウム、ジヘキシルスルホコハク酸ナトリウム、ペルフルオロオクタンスルホン酸、ペルフルオロオクタン酸、またはドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムを含む。一実施形態において、分散剤はドデシル硫酸ナトリウムである。
【００１８】
非イオン性界面活性剤を使用することができ、そして約１〜約２５モルのエチレンオキシドを有し、そして狭い範囲のエチレンオキシドの同族体分布（ｈｏｍｏｌｏｇ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）（「狭い範囲のエトキシレート」）または広い範囲のエチレンオキシド同族体分布（「広い範囲のエトキシレート」）を有するＣ８−２２脂肪族アルコールエトキシレート、好ましくは、約２〜約１８モルのエチレンオキシドを有するＣ１０−２０脂肪族アルコールエトキシレート、を含み得る。この種の市販の非イオン性界面活性剤の例は、ダウ（Ｄｏｗ）からの、狭い分子量分布を有する、ＴＥＲＧＩＴＯＬ１５−Ｓ−９（９モルのエチレンオキシドを有するＣ１１−１５直鎖第二級アルコールの縮合生成物）、ＴＥＲＧＩＴＯＬ２４−Ｌ−ＮＭＷ（６モルのエチレンオキシドを有するＣ１２−１４直鎖第一級アルコールの縮合生成物）である。使用できる他の非イオン性界面活性剤としては、Ｃ６−１２アルキルフェノールのポリエチレン、ポリプロピレン、およびポリブチレンオキシド縮合物、例えばＣ６−１２アルキルフェノール１モル当たり４〜２５モルのエチレンオキシド、好ましくはＣ６−１２アルキルフェノール１モル当たり５〜１８モルのエチレンオキシドを有する化合物が挙げられる。この種の市販の界面活性剤には、Ｉｇｅｐａｌ  ＣＯ−６３０、ＴＲＩＴＯＮ  Ｘ−４５、Ｘ−１１４、Ｘ−１００およびＸ１０２、ダウからの、ＴＥＲＧＩＴＯＬ  ＴＭＮ−１０、ＴＥＲＧＩＴＯＬ  ＴＭＮ−１００ＸおよびＴＥＲＧＩＴＯＬ  ＴＭＮ−６（すべてポリエトキシル化２，６，８−トリメチル−ノニルフェノールまたはその混合物）が含まれる。
【００１９】
混合物は、ホウ素化合物とカーボンテンプレートの総重量に基づいて、０．０１〜１０重量％または０．１〜５重量％の分散剤を含み得る。
混合物は、１：０．２〜１：２のカーボンテンプレート対ホウ素化合物のモル比を有し得る。
【００２０】
混合は、０〜６０℃、または１０〜５０℃、または１５〜３５℃の温度で起こり得る。混合は、０．５〜１０時間、または０．５〜５時間、または０．５〜１．５時間、または２時間〜１０時間、または５〜９時間の間、行うことができる。混合時間は、膨張六方晶窒化ホウ素の得られる形態に影響を及ぼし得る。例えば、そして理論に束縛されるものではないが、仮に粒状形態のカーボンテンプレートが激しく混合される、および／または（例えば２時間以上の）より長い混合時間にわたって混合される場合、混合により黒鉛粒子を分断して黒鉛ナノシートを形成し得る。したがって、黒鉛ナノシートからテンプレート化された膨張六方晶窒化ホウ素は、膨張六方晶窒化ホウ素ナノシートの形成をもたらす。仮に混合が穏やかである、および／または、仮に時間が短縮されれば（例えば、２時間未満）、粒状黒鉛形態は比較的乱されないままであり得、そして得られる膨張六方晶窒化ホウ素は粒状となるであろう。
【００２１】
混合は湿式ボール混合を含み得る。混合は、例えば磁気攪拌子を用いて攪拌することを含み得る。混合は、混合物を超音波振動させることを含み得る。混合物は、１〜５時間、または１〜３時間超音波振動させてもよい。２時間以上攪拌すること、混合時に超音波振動すること、および湿式ボール混合すること、のような方法を使用して、粒状黒鉛の粒状形態を破壊し、テンプレート法に利用可能な粒状黒鉛の表面積を増大させ、また、黒鉛ナノシートの形成をもたらす。
【００２２】
混合後、有機溶媒を除去して、カーボンテンプレートとホウ素化合物との乾燥混合物を形成することができる。乾燥混合物は、混合物を１回以上加熱し、混合物に真空圧力を加え、そして混合物を凍結乾燥することにより形成することができる。混合物を凍結乾燥することは、有機溶媒の除去中にカーボンテンプレートから分離したホウ素化合物の量を減らすという利点を有し得る。乾燥混合物は、ホウ素化合物とカーボンテンプレートの合計の１ｇあたり、１ｍＬ以下、または０〜０．１ｍＬの有機溶媒を含み得る。
【００２３】
次いで、乾燥混合物を、六方晶窒化ホウ素を膨張形態で形成するのに有効な条件にさらす。理論に束縛されるものではないが、有効な条件は炭素熱還元プロセスであると考えられている。酸化ホウ素から始めて、そのような炭素熱還元および窒化反応は次式に従って進行することができる：
Ｂ２Ｏ３＋３Ｃ＋Ｎ２→２ＢＮ＋３ＣＯ
やはり理論に束縛されるものではないが、窒化ホウ素はカーボンテンプレート上に形成されて物理的に膨張した形態を提供すると考えられる。
【００２４】
炭素熱還元および窒化反応（本明細書において簡単にするためまたは参照のために反応とも称される）は、粗生成物を得るために、乾燥混合物に窒素ガスを１〜１０時間流すことによって乾燥混合物に対して行うことができる。反応時間は、１〜１５時間、または１〜１０時間、または３〜１０時間、または５〜１５時間であり得る。窒素ガスの流速は、曝露中、毎分４０〜１０００ミリリットル（ｍＬ／分）、または６０〜２００ｍＬ／分であり得る。
【００２５】
反応は無酸素環境下で行うことができる。例えば、無酸素環境は、１００ｐｐｍ以下、または１０ｐｐｍ以下の体積の酸素を含み得る。反応は、反応室中、例えばるつぼ（例えば、黒鉛るつぼまたは粘土るつぼ）中で起こり得る。乾燥混合物を広げて反応室内に薄層を形成することができる。薄層は、１ミリメートル（ｍｍ）以下、または０．１〜０．５ｍｍの層厚を有し得る。反応室は、曝露中に炉内、例えば管状炉内に配置することができる。
【００２６】
曝露することは、昇温にて、例えば４００〜１６００℃または６００〜１５００℃の温度にて起こり得る。適切な加熱システムの使用は、炭素熱還元および窒化反応以外の反応をホウ素化合物が受けるのを防ぐことができ、それによって膨張六方晶窒化ホウ素の生産量の減少を回避することができる。昇温は、１つ以上、または２つ以上、または３つ以上の加熱段階で達成することができる。加熱段階は、毎分１〜１５℃（℃／分）または５〜１２℃／分の速度で温度を上昇させることができる。単一の加熱段階が使用される場合、加熱速度は５℃／分以下、または１℃／分以下であり得る。各加熱段階の後、温度は、後続の加熱段階が開始される前に、例えば１〜５時間、または１〜３時間の量の時間にわたって維持することができる。
【００２７】
例示的な加熱は、３〜１０℃／分の速度で１００〜５００℃の第１の温度まで乾燥混合物を加熱することと、第１の温度を０．５〜３時間維持することと、３〜１０℃／分の速度で７００〜１１００℃の第２の温度に加熱することと、第２の温度を０．５〜３時間維持することと、３〜１０℃／分の速度で１２００〜１７００℃の第３の温度に加熱することと、第３の温度を０．５〜３時間維持することと、を含み得る。
【００２８】
反応後、カーボンテンプレートを粗生成物から除去して、例えば加熱によって膨張六方晶窒化ホウ素を得ることができる。カーボンテンプレートを除去するための加熱は、酸素または空気中で起こり得る。カーボンテンプレートを除去するための加熱は、存在する場合、例えばホウ素化合物が酸化ホウ素を含む場合、ホウ素化合物中の酸素と反応させることを含み得る。カーボンテンプレートを除去するための加熱は、５００〜１０００℃、または６００〜９００℃、または７００〜８００℃の温度で起こり得る。カーボンテンプレートを除去するための加熱は、１〜１５時間、または３〜１０時間、または３〜８時間の期間にわたって起こり得る。
【００２９】
膨張六方晶窒化ホウ素は、１グラム当たり２０〜１００平方メートル（ｍ２／ｇ）、または７０〜１００ｍ２／ｇ、または２０〜９０ｍ２／ｇの比表面積を有し得る。膨張六方晶窒化ホウ素は、１グラムあたり１００〜２００ミリリットル（ｍＬ／ｇ）、または１４０〜２００ｍＬ／ｇ、または９０〜２００ｍＬ／ｇの膨張比容積（ｅｘｐａｎｄｅｄ  ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｖｏｌｕｍｅ）を有し得る。これらの値は、ブルナウアーエメット−テラー（ＢＥＴ）法を用いて決定することができる。
【００３０】
膨張六方晶窒化ホウ素は、ＡＳＴＭ  Ｅ１２２５−１３に従って、１〜２０００ワット／メートル・ケルビン（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上、または１〜２０００Ｗ／ｍ・Ｋ、または、１０〜１８００Ｗ／ｍ・Ｋ、または１００〜１６００Ｗ／ｍ・Ｋ、または１５００〜２０００Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率を有し得る。膨張六方晶窒化ホウ素はまた、室温（例えば２５℃）にて、５〜１５オーム−センチメートル（Ω−ｃｍ）、または８〜１２Ω−ｃｍの電気抵抗率、例えば、室温および５．７５ｘ１０９ヘルツ（Ｈｚ）にて３．０１〜３．３６のような３〜４の誘電率、および、室温および５．７５ｘ１０９Ｈｚにて０．０００１〜０．００１または０．０００３〜０．０００８の誘電正接（ｌｏｓｓ  ｔａｎｇｅｎｔ）または０．０００３〜０．０００８、を有し得る。
【００３１】
本発明の方法は、二次元六方晶膨張窒化ホウ素ナノシートまたは三次元膨張六方晶窒化ホウ素粒子の品質および産出（ｏｕｔｐｕｔ）のさらなる改善のための新たな近道を切り開くための、効率的で低コストの膨張六方晶窒化ホウ素の調製をもたらし得るものであり、それは、高い熱伝導率を有する等方性の絶縁複合材料の製造のための強力な基礎を築くことができる。複合材料は、膨張六方晶窒化ホウ素およびポリマーを含み得る。ポリマーは、熱硬化性ポリマーまたは熱可塑性ポリマーを含み得る。ポリマーはフォーム（ｆｏａｍ）であり得る。
【００３２】
熱硬化性ポリマーは、不可逆的に硬化し、重合または硬化によって不溶性になり得る熱硬化性モノマーまたはプレポリマー（樹脂）に由来し、それは熱または放射線（例えば、紫外線、可視光線、赤外線または電子線（電子ビーム）放射）への曝露によって誘発され得る。熱硬化性ポリマーは、アルキド、ビスマレイミドポリマー、ビスマレイミドトリアジンポリマー、シアネートエステルポリマー、ベンゾシクロブテンポリマー、ベンゾオキサジンポリマー、ジアリルフタレートポリマー、エポキシ、ヒドロキシメチルフランポリマー、メラミン−ホルムアルデヒドポリマー、フェノール類（ノボラックおよびレゾールなどのフェノール−ホルムアルデヒドポリマーを含む）、ベンゾオキサジン、ポリブタジエンなどのポリジエン（それらのホモポリマーおよびコポリマー、例えばポリ（ブタジエン−イソプレン）を含む）、ポリイソシアネート、ポリウレア、ポリウレタン、トリアリルシアヌレートポリマー、トリアリルイソシアヌレートポリマー、ある種のシリコーンポリマー、および重合性プレポリマー（例えば、エチレン性不飽和（例えば不飽和ポリエステル、ポリイミド）を有するプレポリマー）など、を含む。プレポリマーは、例えばスチレン、α−メチルスチレン、ビニルトルエン、クロロスチレン、アクリル酸、（メタ）アクリル酸、（Ｃ１−６アルキル）アクリレート、（Ｃ１−６アルキル）メタクリレート、アクリロニトリル、酢酸ビニル、酢酸アリル、トリアリルシアヌレート、トリアリルイソシアヌレート、またはアクリルアミドのような反応性モノマーと、例えば、重合、共重合または架橋されてもよい。プレポリマーの重量平均分子量は、４００〜１００００ダルトンであり得る。
【００３３】
本明細書で使用されるとき、用語「熱可塑性」は、プラスチックまたは変形可能であり、加熱されると液体に融解し、十分に冷却されると脆いガラス状の状態に凍結する材料を指す。使用できる熱可塑性ポリマーの例は、環状オレフィンポリマー（ポリノルボルネンおよびノルボルネニル単位を含むコポリマー、例えばノルボルネンなどの環状ポリマーとエチレンまたはプロピレンなどの非環状オレフィンとのコポリマー）、フルオロポリマー（例えばポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、フッ素化エチレン−プロピレン（ＦＥＰ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリ（エチレン−テトラフルオロエチレン（ＰＥＴＦＥ）、ペルフルオロアルコキシ（ＰＦＡ））、ポリアセタール（例えば、ポリオキシエチレンおよびポリオキシメチレン）、ポリ（Ｃ１−６アルキル）アクリレート、ポリアクリルアミド（非置換およびモノ−Ｎ−およびジ−Ｎ−（Ｃ１−８アルキル）アクリルアミドを含む）、ポリアクリロニトリル、ポリアミド（例えば脂肪族ポリアミド、ポリフタルアミド、およびポリアラミド）、ポリアミドイミド、ポリ無水物、ポリアリーレンエーテル（例えば、ポリフェニレンエーテル）、ポリアリーレンエーテルケトン（例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）およびポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリアリーレンケトン、ポリアリーレンスルフィド（例えば、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）））、ポリアリーレンスルホン（例えば、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリフェニレンスルホン（ＰＰＳ）など）、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンズイミダゾール、ポリカーボネート（ホモポリカーボネート、ポリカーボネート−シロキサン、ポリカーボネート−エステル、およびポリカーボネート−エステル−シロキサンのようなポリカーボネートコポリマーを含む。）、ポリエステル（例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリアリレート、およびポリエステル−エーテルなどのポリエステルコポリマー）、ポリエーテルイミド（ポリエーテルイミド−シロキサンコポリマーなどのコポリマーを含む）、ポリイミド（ポリイミド−シロキサンコポリマーなどのコポリマーを含む）、ポリ（Ｃ１−６アルキル）メタクリレート、ポリメタクリルアミド（非置換およびモノ−Ｎ−およびジ−Ｎ−（Ｃ１−８アルキル）アクリルアミドを含む）、ポリオレフィン（例えば、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、および直鎖状低密度ポリエチレン（ＬＬＤＰＥ）、ポリプロピレンなどのポリエチレン、それらのハロゲン化誘導体（例えばポリテトラフルオロエチレン）、およびそれらのコポリマー、例えば、エチレン−α−オレフィンコポリマー、ポリオキサジアゾール、ポリオキシメチレン、ポリフタリド、ポリシラザン、ポリシロキサン（シリコーン）、ポリスチレン（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）などのコポリマーを含む）およびメタクリル酸メチル−ブタジエン−スチレン（ＭＢＳ））、ポリスルフィド、ポリスルホンアミド、ポリスルホン酸塩、ポリスルホン、ポリチオエステル、ポリトリアジン、ポリウレア、ポリウレ���ン、ビニルポリマー（ポリビニルアルコール、ポリビニルエステル、ポリビニルエーテル、ポリビニルハライド（例えばポリフッ化ビニル）、ポリビニルケトン、ポリビニルニトリル、ポリビニルチオエーテル、およびポリフッ化ビニリデン）などを含む。前述の熱可塑性ポリマーのうちの少なくとも１つを含む組合せを使用することができる。
【００３４】
膨張六方晶窒化ホウ素は、複合材料に適切な熱伝導率、誘電率および機械的特性を提供するのに十分な量で同複合材料中に含有させることができる。膨張六方晶窒化ホウ素は、複合材料の総重量に基づいて、１〜９０重量％、または１〜８５重量％、または５〜８０重量％、または１〜２０重量％の量で同複合材料中に存在していてもよい。複合材料は、ＡＳＴＭ  Ｄ５４７０−１２従って測定される、１Ｗ／ｍＫ以上、または２Ｗ／ｍＫ以上、または４Ｗ／ｍＫ以上、または１〜５０Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有し得る。複合材料は、例えば室温かつ５．７５ｘ１０９Ｈｚで測定して、１．５〜１５、または３〜１２、または４〜１０の誘電率を有し得る。複合材料は、摂氏あたり１〜５０ｐｐｍ（ｐｐｍ／℃）、または２〜４０ｐｐｍ／℃、または４〜３０ｐｐｍ／℃の熱膨張係数を有し得る。
【００３５】
複合材料は、追加の充填材、例えば、複合材料の誘電特性を調整するための充填材をさらに含み得る。低膨張係数の充填材、例えばガラスビーズ、シリカ、または粉砕された微小ガラス繊維を使用することができる。熱安定性繊維、例えば芳香族ポリアミド、またはポリアクリロニトリルを使用することができる。代表的な充填材には、二酸化チタン（ルチルおよびアナターゼ）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、Ｂａ２Ｔｉ９Ｏ２０、チタン酸ストロンチウム、溶融非晶質シリカ、コランダム、ウォラストナイト、アラミド繊維（例えばデュポンのＫＥＶＬＡＲ（登録商標））、ガラス繊維、石英、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、ベリリア、アルミナ、マグネシア、マイカ、タルク、ナノクレイ、アルミノケイ酸塩（天然および合成）およびヒュームド二酸化ケイ素（例えば、Ｃａｂｏｔ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なＣａｂ−Ｏ−Ｓｉｌ（登録商標））を含み、それらの各々は単独でまたは組み合わせて使用することができる。
【００３６】
膨張六方晶窒化ホウ素は、熱管理用途、例えば熱管理アセンブリにおいて使用することができる。熱管理アセンブリは複合材料を含むことができ、複合材料は少なくとも１つの外部熱伝達面と接触して、少なくとも１つの外部熱伝達面から熱を逃がす。複合材料は、発熱部材の外面と放熱部材の外面との間に配置され、それらの間に熱伝導性転写を提供することができる。発熱部材は電子部品または回路基板とすることができ、放熱部材はヒートシンクまたは回路基板とすることができる。
【００３７】
物品は、膨張六方晶窒化ホウ素を含み得る。物品は、下水処理用途、軍事用途、または航空用途に使用することができる。
一実施形態において、本発明の方法は、炭素熱還元および窒化反応によって膨張六方晶窒化ホウ素を調製する方法、特に、無機非金属粉体材料の分野において、テンプレート法を使用して一段階反応で膨張六方晶窒化ホウ素を調製するプロセスである。同方法は、（１）ホウ素化合物とカーボンテンプレートと有機溶媒とを所定の比率で混合して攪拌した後、蒸発により乾燥してホウ素化合物と膨張黒鉛または膨張可能な黒鉛との混合物を得ることと、（２）（１）で得られた混合物を黒鉛るつぼに入れて、流通する窒素中で１〜１０時間の炭素熱還元により窒化反応を行うことと、（３）（２）で得られた生成物から余剰の炭素を除去し、最終的に比表面積が２０〜１００ｍ２／ｇ、膨張比容積が３０〜２００ｍＬ／ｇまたは１００〜２００ｍＬ／ｇの純粋な膨張六方晶窒化ホウ素を得ることと、を含む。
【００３８】
本開示の革新的な特徴は、膨張黒鉛をテンプレートおよび反応物質（ｒｅａｃｔａｎｔ）として使用することができ、そして適切な分散剤および合理的な加熱プロセスの助けを借りて、炭素熱還元および窒化反応を使用して純粋な膨張六方晶窒化ホウ素を一反応工程で効率的に調製できることである。適切な分散剤を使用すると、ホウ素化合物の高い溶解度を確保し、黒鉛の良好な分散を維持することができ、それによってホウ素化合物と黒鉛を均一に混合することを可能にする一方で両者間に良好な浸透を維持することができる。カーボンテンプレートを出発材料として使用することができ、これは、炭素熱還元および窒化反応のための炭素源として供することができるのみならず、同カーボンテンプレートは六方晶窒化ホウ素を製造するための炭素熱還元によるその場（ｉｎ−ｓｉｔｕ）の窒化反応のためのテンプレートとしても使用することができる。
【００３９】
本発明の方法は、安価な出発原料を用いた簡単かつ効率的な方法である。調製された膨張六方晶窒化ホウ素は、膨張しており、かつ多孔性であり得、大きな比表面積を有する。混合時の分散剤として有機溶媒を使用することは、ホウ素化合物とカーボンテンプレートとの均一な混合を確実にすることができるのみならず、低温オーブン中で加熱することによってその有機溶媒を除去することができ、それにより、他の調製方法で使用される不純物の単離および除去のための複雑な下流側でのプロセスの必要性を排除することができる。
【００４０】
本発明の方法は、粗生成物中に残留ホウ素化合物が存在しないことを確実にするために過剰のカーボンテンプレートを使用することができ、そして高純度の六方晶窒化ホウ素を生成するために、余剰のカーボンテンプレートは、加熱により炭素を除去するための簡単な一段階プロセスにより完全に除去できる。
【００４１】
本方法は、炭素熱還元および窒化反応時に適切な加熱システムを使用することができ、それによりホウ素化合物がカーボンテンプレートおよび窒素と直接かつ完全に反応し得ることを確実にし、結果として生成物変換率は高い。
【００４２】
使用される出発材料、例えば、カーボンテンプレート、ホウ素化合物、および有機溶媒は、すべて容易に入手可能であり、そして安価であるので、工業生産のコストを低減することができ、純粋な膨張窒化ホウ素の大量工業生産を容易にする。
【００４３】
本方法によって製造された膨張窒化ホウ素は緩く（ｌｏｏｓｅ）、そのシートを容易に剥がすことができるので、二次元六方晶窒化ホウ素の大型シートを効率的に製造するその後の研究において近道を提供することができる。
【００４４】
以下の実施例は、向上した熱的能力を有する物品を説明するために提供される。実施例は単に例示的なものであり、本開示に従って製造されたデバイスをそこに記載された材料、条件、またはプロセスパラメータに限定することを意図するものではない。明らかに、説明された実施例は、本開示の実施例のうちのいくつかであり、すべてではない。本開示の実施例に基づいて当業者が発明的努力を発揮することなく取得した他のすべての実施例は、本開示の保護の範囲に含まれる。以下の実施例および同実施例中の特徴は、矛盾が生じない限り互いに組み合わせることができる。
【実施例】
【００４５】
実施例において、Ｘ線回折装置を用いて膨張六方晶窒化ホウ素を分析し、走査型電子顕微鏡を用いて膨張六方晶窒化ホウ素の形態を観察した。
実施例１：膨張六方晶窒化ホウ素の調製
５ｇのホウ酸を７５ｍＬのエタノールに溶解し、次いで１ｇの膨張黒鉛を添加することによって混合物を形成した。混合物を磁気撹拌子を用いて８時間撹拌した。攪拌後、攪拌した粘稠液体混合物を９０℃のオーブンに入れて乾燥させ、ホウ素化合物と膨張黒鉛との乾燥混合物を得た。乾燥した混合物を次いで黒鉛るつぼに平らに広げ、そして管状炉に入れた。１００ｍＬ／分のＮ２の流速で、管状炉を１０℃／分の速度で４００℃の第１の温度に加熱し、この第１の温度で２時間保持し、次いで１０℃／分の速度で８００℃の第２の温度に加熱し、この第２の温度で２時間保持し、次いで５℃／分の速度で１４００℃の第３の温度に加熱し、この第３の温度に２．５時間保持し、そして最後に室温に冷却した。反応が完了したら、得られた粗生成物をマッフル炉に入れ、６２０℃の温度で５時間保持して余剰の炭素を除去し、最終的に７３ｍ２／ｇの比表面積および１４８ｍＬ／ｇの膨張比容積を有する白色粉末の形態の膨張六方晶窒化ホウ素を得た。膨張六方晶窒化ホウ素のＸ線回折スペクトルを図１に示す。ＳＥＭ画像を図２に示す。
【００４６】
実施例２：膨張六方晶窒化ホウ素の調製
７５ｇのエタノールに９ｇのホウ酸を溶解し、次いで１ｇの膨張黒鉛を添加することによって混合物を形成した。混合物を磁気撹拌子を用いて８時間撹拌した。撹拌後、撹拌した粘稠液体混合物を９０℃のオーブンに入れて乾燥させ、ホウ素化合物と膨張黒鉛との乾燥混合物を得た。乾燥した混合物を次いで黒鉛るつぼに平らに広げ、そして管状炉に入れた。１００ｍＬ／分のＮ２の流速で、管状炉を１０℃／分の速度で４００℃の第１の温度に加熱し、この第１の温度で２時間保持し、次いで１０℃／分の速度で８００℃の第２の温度に加熱し、この第２の温度で２時間保持し、次いで５℃／分の速度で１４００℃の第３の温度に加熱し、この第３の温度に２．５時間保持し、そして最後に室温に冷却した。反応が完了したら、得られた粗生成物をマッフル炉に入れ、６２０℃の温度で５時間保持して余剰の炭素を除去し、最終的に３０ｍ２／ｇの比表面積および９４ｍＬ／ｇの膨張比容積を有する白色粉末の形態の膨張六方晶窒化ホウ素を得た。
【００４７】
膨張六方晶窒化ホウ素のＸ線回折スペクトルを図３に示す。
実施例３：反応時の単一加熱工程の使用
７５ｇのメタノール中に５ｇの酸化ホウ素を溶解し、次いで１ｇの膨張黒鉛を添加することによって混合物を形成した。混合物を磁気攪拌子を用いて１時間攪拌した。攪拌後、攪拌した粘稠液体混合物を９０℃のオーブンに入れて乾燥させ、ホウ素化合物と膨張黒鉛との乾燥混合物を得た。乾燥した混合物を次いで黒鉛るつぼに平らに広げ、そして管状炉に入れた。１００ｍＬ／分のＮ２の流速で、管状炉を５℃／分の速度で１４００℃の温度に加熱し、この温度にて２．５時間保持し、そして最後に室温に冷却した。反応が完了したら、得られた粗生成物をマッフル炉に入れ、７５０℃の温度で５時間保持して余剰の炭素を除去したが、最終的に膨張白色粉末は得られない。
【００４８】
実施例４：混合中の攪拌時間短縮の効果
７５ｇのメタノール中に５ｇの酸化ホウ素を溶解し、次いで１ｇの膨張黒鉛を添加することによって混合物を形成した。混合物を磁気攪拌子を用いて１時間攪拌した。攪拌後、攪拌した粘稠液体混合物を９０℃のオーブンに入れて乾燥させ、ホウ素化合物と膨張黒鉛との乾燥混合物を得た。乾燥した混合物を次いで黒鉛るつぼに平らに広げ、そして管状炉に入れた。１００ｍＬ／分のＮ２の流速で、管状炉を１０℃／分の速度で４００℃の第１の温度に加熱し、この第１の温度で１時間保持し、次いで５℃／分の速度で８００℃の第２の温度に加熱し、この第２の温度で２時間保持し、次いで５℃／分の速度で１４００℃の第３の温度に加熱し、この第３の温度に２．５時間保持し、そして最後に室温に冷却した。反応が完了したら、得られた粗生成物をマッフル炉に入れ、７５０℃の温度で５時間保持して余剰の炭素を除去し、最終的に８１ｍ２／ｇの比表面積および１９３ｍＬ／ｇの膨張比容積を有する白色粉末の形態の膨張六方晶窒化ホウ素を得た。
【００４９】
膨張六方晶窒化ホウ素のＸ線回折スペクトルを図４に示す。ＳＥＭ画像を図５および図６に示す。
結果
図１における実施例１のＸＲＤの結果は、膨張六方晶窒化ホウ素が形成され、そして驚くべきことに膨張六方晶窒化ホウ素中に残留ホウ酸が存在しないことを示している。理論に束縛されるものではないが、この結果は、炭素熱還元および窒化反応において膨張黒鉛が過剰に存在することによる可能性が高いと考えられる。図１はさらに、膨張六方晶窒化ホウ素が残留膨張黒鉛を含まないことも示し、膨張黒鉛の完全除去が可能であることを示している。言い換えれば、わずかに過剰の膨張黒鉛を用いると、膨張黒鉛の完全な除去が一段階の炭素除去プロセスによって可能になるので、得られる膨張六方晶窒化ホウ素は、残留ホウ素化合物および残留膨張黒鉛の両方を含んでいない。
【００５０】
図３における実施例２のＸＲＤの結果はまた、膨張六方晶窒化ホウ素が形成されることを示しているが、膨張六方晶窒化ホウ素中に一定量の残留ホウ酸が存在することも示している。理論に拘束されるものではないが、この結果は、炭素熱還元および窒化反応においてホウ酸が過剰に存在しているためであると考えられる。遠心分離などの引き続く処理によって残留ホウ素化合物を除去することができるが、これらのプロセスは複雑であり、残留ホウ素化合物のすべてを除去することは困難である。
【００５１】
実施例２と実施例１とを比較すると、膨張黒鉛に対するホウ素化合物の初期量を増加させることによって比表面積および膨張比容積を増加させることができることが分かる。これらの増加した値は、膨張六方晶窒化ホウ素中に残留ホウ素化合物が存在することによる可能性が高い。
【００５２】
実施例３と実施例４とを比較することにより、炭素熱還元および窒化反応中の加熱方法は、膨張六方晶窒化ホウ素が形成されるかどうかを決定することができることが分かる。例えば、実施例３は、加熱方法が複数の加熱段階を含まない場合、膨張六方晶窒化ホウ素が形成されないことを示し、段階的な加熱が膨張六方晶窒化ホウ素の製造において重要な役割を果たすことができることを示している。対照的に、同量の酸化ホウ素および膨張黒鉛を用いて、図４における実施例４のＸＲＤ結果は、純粋な六方晶窒化ホウ素が生成されたことを示している。
【００５３】
図５および図６は、異なる倍率で撮影された実施例４の膨張六方晶窒化ホウ素のＳＥＭ画像である。図５から分かるように、加熱が段階的に行われると、膨張カーボンテンプレートの元の外観は、膨張六方晶窒化ホウ素にて再現される。図６から、顕微鏡シート間にくさび型空洞タイプの交差（ｗｅｄｇｅｄ−ｃａｖｉｔｙ−ｔｙｐｅ  ｉｎｔｅｒｓｅｃｔｉｏｎ）が存在することが分かる。この交差タイプは、膨張六方晶窒化ホウ素を含む複合材料の長手方向の熱伝導率を改善するという点で好ましい効果をもたらすことができる。
【００５４】
実施例１および実施例４で形成された膨張六方晶窒化ホウ素の形態をそれぞれ図２および図５で比較すると、実施例１の膨張六方晶窒化ホウ素はナノシートの形態で存在するが、実施例４の膨張六方晶窒化ホウ素は粒子状である。理論に束縛されるものではないが、異なる形態は混合物の異なる撹拌時間に起因すると考えられる。実施例１における磁気撹拌の期間の増加は膨張黒鉛を単離されたシートに砕き、その結果、得られる再生された膨張六方晶窒化ホウ素がシート状に分布し、そして膨潤効果は顕著ではないと考えられる。逆に、わずか１時間の実施例４の短時間の磁気攪拌は、膨張黒鉛粒子を粉砕するのに十分ではなく、膨張黒鉛粒子からテンプレート化された得られた膨張六方晶窒化ホウ素は、粒子形態を帯びた。
【００５５】
以下に記載するのは、本開示の非限定的な実施形態である。
実施形態１：膨張六方晶窒化ホウ素を調製するための方法であって、同方法は、ホウ素化合物とカーボンテンプレートとを有機溶媒中で混合することと、有機溶媒を除去して、ホウ素化合物とカーボンテンプレートとの乾燥混合物を得ることと、六方晶窒化ホウ素を含む粗生成物を得るのに有効な条件下で乾燥混合物を窒素含有ガスに曝露することと、粗生成物からカーボンテンプレートを除去して膨張六方晶窒化ホウ素を得ることと、を含む方法。
【００５６】
実施形態２：ホウ素化合物が、五ホウ酸アミン、ホウ酸エステル、ホウ砂、ホウ酸またはその塩、ピロホウ酸またはその塩、四ホウ酸またはその塩、酸化ホウ素、または前述のものの１つまたは複数を含む組合せ、を含む、前述の実施形態のいずれか１つまたは複数の方法。
【００５７】
実施形態３：カーボンテンプレートが、ヒドロキシル官能基およびカルボキシル官能基の複数の一方または両方を含む表面処理カーボンテンプレートを含む、前述の実施形態のいずれか１つまたは複数の方法。
【００５８】
実施形態４：有機溶媒が、エタノール、メタノール、グリセリン、ポリエーテル、ポリプロパノール、または前述のものの１つまたは複数を含む組合せ、を含む、前述の実施形態のいずれか１つまたは複数の方法。
【００５９】
実施形態５：混合が０〜６０℃の温度で行われる、前述の実施形態のいずれか１つまたは複数の方法。
実施形態６：混合が０．５〜１０時間行われる、前述の実施形態のいずれか１つまたは複数の方法。
【００６０】
実施形態７：混合が、２時間以上の混合、混合中の超音波振動、および湿式ボール混合のうちの少なくとも１つを含む、前述の実施形態のいずれか１つまたは複数の方法。
実施形態８：混合物が、ホウ素化合物およびカーボンテンプレートの合計の１ｇあたり、５〜２００ｍＬ、または５〜２５ｍＬ、または５〜１５ｍＬ、または２５〜２００ｍＬの有機溶媒を含む、前述の実施形態のいずれか１つまたは複数の方法。
【００６１】
実施形態９：有機溶媒を除去することが、混合物を加熱すること、混合物に真空圧力を加えること、混合物を凍結乾燥すること、または前述のものの１つまたは複数を含む組合せを含む、前述の実施形態のいずれか１つまたは複数の方法。
【００６２】
実施形態１０：乾燥混合物が、ホウ素化合物およびカーボンテンプレートの合計の１ｇあたり、１ｍＬ以下、または０〜０．１ｍＬの有機溶媒を含む、前述の実施形態のいずれか１つまたは複数の方法。
【００６３】
実施形態１１：混合物中のカーボンテンプレート対ホウ素化合物のモル比が１：０．２〜１：２である、前述の実施形態のいずれか１つまたは複数の方法。
実施形態１２：曝露する前に乾燥混合物を黒鉛るつぼに広げることをさらに含む、前述の実施形態のいずれか１つまたは複数の方法。
【００６４】
実施形態１３：曝露が１〜１０時間行われる、前述の実施形態のいずれか１つまたは複数の方法。
実施形態１４：曝露することは、窒素ガスを４０〜１０００ｍＬ／分、または６０〜２００ｍＬ／分の流速で流すことを含む、前述の実施形態のいずれか１つまたは複数の方法。
【００６５】
実施形態１５：曝露することが、乾燥混合物を１００〜５００℃の第１の温度に３〜１０℃／分の速度で加熱することと、第１の温度を０．５〜３時間維持することと、７００〜１１００℃の第２の温度に３〜１０℃／分の速度で加熱することと、第２の温度を０．５〜３時間維持することと、１２００〜１７００℃の第３の温度に３〜１０℃／分の速度で加熱することと、第３の温度を０．５〜３時間維持することと、を含む、前述の実施形態のいずれか１つまたは複数の方法。
【００６６】
実施形態１６：粗生成物からカーボンテンプレートを除去して膨張六方晶窒化ホウ素を提供することが、酸素の存在下で加熱することを含む、前述の実施形態のいずれか１つまたは複数の方法。
【００６７】
実施形態１７：膨張六方晶窒化ホウ素をポリマーと混合してポリマー複合材料を形成することをさらに含む、前述の実施形態のいずれか１つまたは複数の方法。
実施形態１８：前述の実施形態のうちの任意の１つまたは複数によって調製された膨張六方晶窒化ホウ素。
【００６８】
実施形態１９：前述の実施形態のうちの任意の１つまたは複数によって調製することができる、２０〜１００ｍ２／ｇの比表面積を有する膨張六方晶窒化ホウ素。
実施形態２０：前述の実施形態のうちの任意の１つまたは複数によって調製することができる、１００〜２００ｍＬ／ｇの膨張体積を有する膨張六方晶窒化ホウ素。
【００６９】
実施形態２１：ポリマーマトリックスと、同ポリマーマトリックス中に分散された、前述の実施形態のうちの任意の１つまたは複数の膨張六方晶窒化ホウ素と、を含む複合材料。
【００７０】
実施形態２２：複合材料が第１および第２の熱伝達面を有する、実施形態２１に記載の複合材料。
実施形態２３：実施形態２１〜２２のいずれか１つまたは複数の複合材料であって、複合材料の総重量に基づいて、１〜９０重量パーセント、または５〜８０重量パーセント、または１〜２０重量パーセントの膨張窒化ホウ素充填材を含む複合材料。
【００７１】
実施形態２４：複合材料は、０．１〜２５ミリメートルの平均厚さを有する、実施形態２１〜２３のいずれか１つまたは複数の複合材料。
実施形態２５：ポリマーマトリックスが、ポリウレタン、シリコーン、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリアミド、フッ素化ポリマー、ポリアルキレンオキシド、ポリビニルアルコール、アイオノマー、酢酸セルロース、ポリスチレン、または前述のものの少なくとも１つを含む組合せ、を含む、実施形態２１〜２４のいずれか１つまたは複数の複合材料。
【００７２】
実施形態２６：ポリマーマトリックスが圧縮性フォームである、実施形態２１〜２５のいずれか１つまたは複数の複合材料。
実施形態２７：複合材料が少なくとも１つの外部熱伝達面と接触して、少なくとも１つの外部熱伝達面から熱を逃がす、実施形態２１〜２６の１つまたは複数の複合材料を含む熱管理アセンブリ。
【００７３】
実施形態２８：複合材料が、発熱部材の外面と放熱部材の外面との間に配置されて、それらの間に熱伝導性転写を提供する、実施形態２７に記載の熱管理アセンブリ。
実施形態２９：前記発熱部材は電子部品または回路基板であり、前記放熱部材はヒートシンクまたは回路基板である、実施形態２８の熱管理アセンブリ。
【００７４】
実施形態３０：前述の実施形態のうちのいずれか１つまたは複数の膨張六方晶窒化ホウ素を含む物品。
実施形態３１：物品が下水処理用途、軍事用途、または航空用途で使用するためのものである、実施形態３０に記載の物品。
【００７５】
実施形態３２：混合が分散剤、好ましくはアニオン性界面活性剤、より好ましくはドデシル硫酸ナトリウムの存在下で行われる、前述のもののいずれか１つまたは複数の方法。
組成物、方法、および物品は、代替的に、本明細書に開示されている任意の適切な材料、工程、または構成要素を、含む、のみからなる、または本質的にそれらからなることができる。組成物、方法、および物品は、付随的または代替的に、そうでなければ、組成物、方法、および物品の機能または目的の達成に必要ではない任意の材料（または種）、工程、または構成要素を含まない、または実質的に含まないように処方され得る。
【００７６】
用語「ａ」および「ａｎ」は数量の制限を意味するのではなく、むしろ言及された品目の少なくとも１つの存在を意味する。文脈によって他に明確に示されない限り、用語「または」は「および／または」を意味する。明細書を通して「ある実施形態」、「別の実施形態」、「いくつかの実施形態」などへの言及は、その実施形態に関連して説明された特定の要素（例えば、特徴、構造、工程、または特性）が、本明細書に記載の少なくとも１つの実施形態において含まれるが、他の実施形態において存在してもしなくてもよいことを意味する。さらに、記載された要素は、様々な実施形態において任意の適切な方法で組み合わされてもよいことを理解されたい。
【００７７】
一般に、組成物、方法、および物品は、本明細書に開示されている任意の成分、工程、または構成要素を代替的に、含む、のみからなる、または本質的にそれらからなることができる。組成物、方法、および物品は、付随的または代替的に、本願のクレームの機能または目的を達成するのに必要ではない任意の成分、工程、または構成要素を含まない、または実質的に含まないように処方化されるか、実施されるか、または製造されてもよい。
【００７８】
本明細書において別段の定めがない限り、すべての試験規格は、本出願の出願日時点で、または優先権が主張される場合は試験規格が現れる最も早い優先権の出願日時点での有効な最新の規格である。
【００７９】
同じ構成要素または特性を対象とするすべての範囲の端点は端点を含み、独立して組み合わせることができ、すべての中間点および範囲を含む。例えば、「最大２５重量％、または５〜２０重量％」の範囲は端点および「５〜２５重量％」の範囲のすべての中間値（例えば１０〜２３重量％など）を含む。
【００８０】
用語「組合せ（ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）」は、ブレンド、混合物、合金、反応生成物などを含む。また、「前述のものの少なくとも１つを含む組合せ」とは、リストの各要素を個別に含むこと、ならびにリストの２つ以上の要素の組合せを含むこと、およびリストの少なくとも１つの要素と命名されていない同様の要素との組合せを含むこと、を意味する。
【００８１】
他に定義されない限り、本明細書で使用される技術的および科学的用語は、本開示が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。
引用された特許、特許出願、および他の参考文献はすべて、その全体が参照により本明細書に組み入れられる。しかしながら、本出願の用語が、組み入れられた参考文献の用語と矛盾するかまたは反対する場合、本出願からの用語は、組み入れられた参考文献からの反対する用語よりも優先される。
【００８２】
特定の実施形態を説明してきたが、現在予想されていない、または現在予想され得ない代替、修正、変形、改良、および実質的な均等物は、出願人または他の当業者にとって生じ得る。したがって、提出されたような、そしてそれらが補正されうる添付の特許請求の範囲は、全てのそのような代替、修正、変形、改良、および実質的な均等物を包含することを意図している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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