(57)【要約】本発明は、酸化グラフェンの製造法およびその多様な応用に関する。本発明は、酸化グラフェンと不純物との混合物を塩基溶液で処理することを含む酸化グラフェンの調製法を提供する。酸化グラフェン中の不純物としては、酸素含有化学種が挙げられ、これは、酸化グラフェンに結合しているが、グラフェンに共有結合していないものである。本発明に従う酸化グラフェンは、従来法によって調製された、特性の不充分な酸化グラフェンと比較すると、純度が向上している。
2013544740.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化グラフェンの調製法であって：
１）酸化グラフェンと不純物との混合物を塩基の溶液で処理する工程；さらに、
２）塩基性化された不純物から酸化グラフェンを分離する工程；
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
塩基に使用する溶媒は、水およびＣ１〜Ｃ４のアルコールから選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記塩基は、塩基の水溶液であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記塩基は、第Ｉ族金属の炭酸塩、炭酸水素塩、水酸化物塩もしくはアルコキシド、または、第ＩＩ族金属の炭酸塩であることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記水溶性塩基の溶液の濃度が０．００１M〜１０Mの間であることを特徴とする請求項１から請求項４の任意の請求項に記載の方法。
【請求項６】
塩基を用いる処理は、−１０℃〜２００℃の間の温度で行うことを特徴とする請求項１から請求項５の任意の請求項に記載の方法。
【請求項７】
酸化グラフェンは、ハマーズ法を用いて調製することを特徴とする請求項１から請求項６の任意の請求項に記載の方法。
【請求項８】
請求項１に記載した酸化グラフェンの調製法であって、
１）グラファイトを酸化して酸化グラフェンを得る工程；
２）酸化グラフェンと不純物との混合物を単離する工程；
３）該混合物を塩基で処理する工程であり、場合によってはこの工程を１回もしくはそれ以上繰り返して実施する工程；さらに、
４）塩基性化された不純物から酸化グラフェンを分離する工程；
を含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
グラフェンの調製法であって：
１）グラファイトを酸化して酸化グラフェンを得る工程；
２）酸化グラフェンと不純物との混合物を単離する工程；
３）該混合物を塩基で処理する工程；
４）塩基性化された不純物から酸化グラフェンを分離する工程；さらに、
５）還元条件下、精製した酸化グラフェンをグラフェンに変換する工程；
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
化学的に修飾されたグラフェン類の調製法であって：
１）グラファイトを酸化して酸化グラフェンを得る工程；
２）酸化グラフェンと不純物との混合物を単離する工程；
３）該混合物を塩基で処理する工程；
４）塩基性化された不純物から酸化グラフェンを分離する工程；さらに、
５）１種またはそれ以上の化学反応基を反応させることによって、精製された酸化グラフェンを化学的に修飾されたグラフェンに変換する工程；
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
非共有結合している酸素含有化学種を実質的に含まないことを特徴とする酸化グラフェン。
【請求項１２】
重量の少なくとも８０％が共有結合している酸素含有化学種であることを特徴とする請求項１１に記載の酸化グラフェン。
【請求項１３】
重量の少なくとも９５％が共有結合している酸素含有化学種であることを特徴とする請求項１２に記載の酸化グラフェン。
【請求項１４】
酸化グラフェン中のＣ：Ｏの原子比が２０：１〜１：１の間であることを特徴とする請求項１１から請求項１３の任意の請求項に記載の酸化グラフェン。
【請求項１５】
ポリマー系または樹脂系に組み込むことを特徴とする、請求項１から請求項８の任意の請求項に従って調製された酸化グラフェンの使用。
【請求項１６】
請求項１から請求項８の任意の請求項に従って調製された酸化グラフェンを組み込んでいることを特徴とする、ポリマー系または樹脂系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化グラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ  ｏｘｉｄｅ）の製造法およびその多様な応用に関する。
【背景技術】
【０００２】
２００４年に初めて単離されたグラフェンは、特徴的な多くの性質を有する。グラフェンは、人類が知り得る最も強靱かつ最も薄い材料であり、透過性があり、熱および電気の優れた導体である。その産業上の用途は枚挙にいとまがないが、現行の製造法は信頼性と適応性に問題があることから、進展が阻まれている。
【０００３】
酸化グラフェン（ＧＯ）は、安価で大量生産ができ、加工が容易であることから、大量のグラフェンを提供できる見込みがある（パーク（Ｐａｒｋ），Ｓ．，ルオフ（Ｒｕｏｆｆ），Ｒ．Ｓ．，Ｎａｔ．Ｎａｎｏ  ２００９，４，２１７−２２４；ドレーヤー（Ｄｒｅｙｅｒ），Ｄ．Ｒ．，パーク（Ｐａｒｋ），Ｓ．，ビエロースキー（Ｂｉｅｌａｗｓｋｉ），Ｃ．Ｗ．，ルオフ（Ｒｕｏｆｆ），Ｒ．Ｓ．，Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  Ｒｅｖｉｅｗｓ  ２０１０，３９，２２８−２４０）。また、酸化グラフェンは、更なる機能化を目指して、化学的に修飾されたグラフェン（ＣＭＧｓ）を創出するための出発点であり、そのような用途としては、例えば、次のようなものが挙げられる：複合材料（ワン（Ｗａｎｇ），Ｈ．，ハオ（Ｈａｏ），Ｑ．，ヤン（Ｙａｎｇ），Ｘ．，ルー（Ｌｕ），Ｌ．，ワン（Ｗａｎｇ），Ｘ．，ＡＣＳ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ＆Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ  ２０１０，２，８２１−８２８；ラマナサン（Ｒａｍａｎａｔｈａｎ），Ｔ．，アブダラ（Ａｂｄａｌａ），Ａ．Ａ．，スタンコヴィッチ（Ｓｔａｎｋｏｖｉｃｈ），Ｓ．，ディキン（Ｄｉｋｉｎ），Ｄ．Ａ．，ヘレラ−アロンソ（Ｈｅｒｒｅｒａ−Ａｌｏｎｓｏ），Ｍ．，ピナー（Ｐｉｎｅｒ），Ｒ．Ｄ．，アダムソン（Ａｄａｍｓｏｎ），Ｄ．Ｈ．，シュニープ（Ｓｃｈｎｉｅｐｐ），Ｈ．Ｃ．，チェン（Ｃｈｅｎ），Ｘ．，ルオフ（Ｒｕｏｆｆ），Ｒ．Ｓ．，ギュエン（Ｎｇｙｕｙｅｎ），Ｓ．Ｔ．，アクセイ（Ａｋｓａｙ），Ｉ．Ａ．，プルードム（Ｐｒｕｄ‘Ｈｏｍｍｅ），Ｒ．Ｋ．，ブリンソン（Ｂｒｉｎｓｏｎ），Ｌ．Ｃ．，Ｎａｔ  Ｎａｎｏ  ２００８，３，３２７−３３１）、集光（リウ（Ｌｉｕ）、Ｚ．−Ｂ．，スー（Ｘｕ），Ｙ．−Ｆ．，ツァン（Ｚｈａｎｇ），Ｘ．−Ｙ．，ツァン（Ｚｈａｎｇ），Ｘ．−Ｌ．，チェン（Ｃｈｅｎ），Ｙ．−Ｓ．，ティアン（Ｔｉａｎ），Ｊ．−Ｇ．，Ｔｈｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  Ｂ  ２００９，１１３，９６８１−９６８６）またはセンサー（フォウラー（Ｆｏｗｌｅｒ），Ｊ．Ｄ．，アレン（Ａｌｌｅｎ），Ｍ．Ｊ．，トゥン（Ｔｕｎｇ），Ｖ．Ｃ．，ヤン（Ｙａｎｇ），Ｙ．，カナー（Ｋａｎｅｒ），Ｒ．Ｂ．，ウェイラー（Ｗｅｉｌｌｅｒ），Ｂ．Ｈ．，ＡＣＳ  Ｎａｎｏ  ２００９，３，３０１−３０６；ロビンソン（Ｒｏｂｉｎｓｏｎ），Ｊ．Ｔ．，パーキンス（Ｐｅｒｋｉｎｓ），Ｆ．Ｋ．，スノー（Ｓｎｏｗ），Ｅ．Ｓ．，ウェイ（Ｗｅｉ），Ｚ．，シーハン（Ｓｈｅｅｈａｎ），Ｐ．Ｅ．，Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ２００８，３１３７−３１４０）  など。
【０００４】
ＧＯは、酸化グラファイトを剥離することによって得られ、その構造については、１００年以上にわたって研究されてきたにも拘わらず、今だ確定されていない（ビエロースキー（Ｂｉｅｌａｗｓｋｉ），Ｃ．Ｗ．，ルオフ（Ｒｕｏｆｆ），Ｒ．Ｓ．，Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  Ｒｅｖｉｅｗｓ  ２０１０，３９，２２８−２４０；ザボ（Ｓｚａｂｏ），Ｔ．，バーケシ（Ｂｅｒｋｅｓｉ），Ｏ．，フォルゴ（Ｆｏｒｇｏ），Ｐ．，ジョセポヴィッツ（Ｊｏｓｅｐｏｖｉｔｓ），Ｋ．，サナキス（Ｓａｎａｋｉｓ），Ｙ．，ペトリディス（Ｐｅｔｒｉｄｉｓ），Ｄ．，デカニー（Ｄｅｋａｎｙ），Ｉ．，Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ｏｆ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ２００６，１８，２７４０−２７４９）。
【０００５】
ＧＯの化学的および物理的構造を理解することは、ＣＭＧｓに制御可能な機能を持たせ、さらに、完全に還元してグラフェンに戻すためには、必須である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＧＯの出発材料および酸化状態によってＧＯの組成は大きく異なっているが、多方面にわたる研究の結果、多くの特性が確認された（ドライヤー（Ｄｒｅｙｅｒ），Ｄ．Ｒ．，パーク（Ｐａｒｋ），Ｅ．，ビエロースキー（Ｂｉｅｌａｗｓｋｉ），Ｃ．Ｗ．，ルオフ（Ｒｕｏｆｆ），Ｒ．Ｓ．，Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  Ｒｅｖｉｅｗｓ  ２０１０、３９，２２８−２４０）。完全に酸化されたＧＯは、安定な水性懸濁液をつくり、その炭素（Ｃ）と酸素（Ｏ）の原子の比（Ｃ：Ｏ）は約２：１である。表面を占めている主な官能基はエポキシド類とアルコール類であり、カルボン酸およびその他のケト基が端に存在している。ＧＯは熱に対して不安定であり、約８０℃以上に加熱すると組成が変化し、Ｃ：Ｏの比が減少する。最近の高分解能ＳＴＭおよびＴＥＭを用いた研究では、機能化の程度は、ナノメートルのスケールでは非常に不均一であり、不規則なアモルファス領域の間に主要成分として島状のグラファイトが観察されている。ＳＴＭについては、ゴメス−ナヴァロ（Ｇｏｍｅｚ−Ｎａｖａｒｒｏ），Ｃ．，ウェイツ（Ｗｅｉｔｚ），Ｒ．Ｔ．，ビットナー（Ｂｉｔｔｎｅｒ），Ａ．Ｍ．，スコラリ（Ｓｃｏｌａｒｉ），Ｍ．，ミューズ（Ｍｅｗｓ），Ａ．，バーガード（Ｂｕｒｇｈａｒｄ），Ｍ．，カーン（Ｋｅｒｎ），Ｋ．，Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔ．，２００７，７，３４９９−３５０３、ＴＥＭについては、ムコヤン（Ｍｋｈｏｙａｎ），Ｋ．Ａ．，カントリーマン（Ｃｏｕｎｔｒｙｍａｎ），Ａ．Ｗ．，シルコックス（Ｓｉｌｃｏｘ），Ｊ．，スチュワート（Ｓｔｅｗａｒｔ），Ｄ．Ａ．，エダ（Ｅｄａ），Ｇ．，マテヴィ（Ｍａｔｔｅｖｉ），Ｃ．，ミラー（Ｍｉｌｌｅｒ）、Ｓ．，チョワラ（Ｃｈｈｏｗａｌｌａ），Ｍ．，Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔ．，２００９，９，１０５８−１０６３；ゴメス−ナヴァロ（Ｇｏｍｅｚ−Ｎａｖａｒｒｏ），Ｃ．，メーヤー（Ｍｅｙｅｒ），Ｊ．Ｃ．，サンダラム（Ｓｕｎｄａｒａｍ），Ｒ．Ｓ．，チュヴィリン（Ｃｈｕｖｉｌｌｉｎ），Ａ．，クラッシュ（Ｋｕｒａｓｃｈ），Ｓ．，バーガード（Ｂｕｒｇｈａｒｄ），Ｍ．，カーン（Ｋｅｒｎ），Ｋ．，カイザー（Ｋａｉｓｅｒ），Ｕ．，Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔ．，２０１０，１０，１１４４−１１４８；パンテリック（Ｐａｎｔｅｌｉｃ），Ｒ．Ｓ．，メーヤー（Ｍｅｙｅｒ），Ｊ．Ｃ．，カイザー（Ｋａｉｓｅｒ），Ｕ．，バウマイスター（Ｂａｕｍｅｉｓｔｅｒ），Ｗ．，プリツコ（Ｐｌｉｔｚｋｏ），Ｊ．Ｍ．，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ  Ｂｉｏｌｏｇｙ，２０１０，１７０，１５２−１５６などを参照。
【０００７】
「アルカリ条件下で剥離した酸化グラファイトの脱酸素化：グラフェン調製のための環境に配慮した方法（Ｄｅｏｘｙｇｅｎａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｅｘｆｏｌｉｌａｔｅｄ Ｇｒａｐｈｉｔｅ  Ｏｘｉｄｅ  ｕｎｄｅｒ  Ａｌｋａｌｉｎｅ  Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ：  Ａ  Ｇｒｅｅｎ  Ｒｏｕｔｅ  ｔｏ  Ｇｒａｐｈｅｎｅ  Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ）」（Ｘ．ファン（Ｆａｎ）ら、Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２００８，２０，４４９０−４４９３、ＤＯＩ：１０．１００２／ａｄｍａ．２００８０１３０６）では、酸化グラフェンを「脱酸素化」することにより、「グラフェンの安定な水性懸濁液」を得る方法を記述している（４４９０ページ１段目第二パラグラフ）。この文献では、出発物質である酸化グラフェンと得られたグラフェンとは全く異なる構造を有すると明記している。例えば、酸化グラフェンは「多数のエポキシドと水酸基」を有するのに対し、グラフェン系材料は、「多数のｓｐ２炭素原子」を有するなどと記述されている。２つの構造に関する著者の考えは、図１ａに最も良く表されており、該図には、ＧＯ内の酸素含有基が切り離され、結合がアニールしてグラフェンのｓｐ２結合になっている。この考えは、４４９１ページに記載されている次のようなコメントによって裏付けられている：剥離した酸化グラファイトをアルカリ条件下で脱酸素化することは、強酸中でグラファイトを酸化する反応の逆反応だと考えられる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のひとつの態様に従えば、酸化グラフェンの調製法（製造法）であって、次の工程を含む方法が提供される。
１）酸化グラフェンと不純物との混合物を塩基の溶液で処理し；さらに、
２）塩基性化された（ｂａｓｉｆｉｅｄ：塩基で処理された）不純物から酸化グラフェンを分離する。
酸化グラフェン中の不純物としては、酸素含有化学種が挙げられ、これは、酸化グラフェンに結合してはいるが、グラフェンに共有結合していないものである。このような材料は、酸化性デブリスまたは酸素含有フラグメントとしても知られており、共有結合している酸素含有化学種であって、塩基での洗浄後もグラフェン内に残存しているものとは区別されている。
【０００９】
本発明に従う酸化グラフェンは、従来法によって生産される特性の不充分な酸化グラフェンよりも純度が高いことが示されている。ＧＯは、フラスコなどの適切な容器内で塩基溶液を用いて洗浄する。洗浄中、何らかの保護雰囲気を準備する必要はない。
【００１０】
望ましくは、塩基は水性塩基である。これにより、吸着していた酸素含有化学種、すなわち、酸化性デブリス（ｏｘｉｄａｔｉｖｅ  ｄｅｂｒｉｓ）を酸化グラフェンの表面から除去でき、該酸化性デブリスは、共有結合している酸素含有化学種を実質的に妨害することなく当初から生成されたものである。吸着していた酸素含有化学種は、ファン・デル・ワールス力結合またはそれに類似した吸引力を介して酸化グラフェンの表面に結合していたものであり、直接的に化学結合しているものではない。これらの化学種は、生産された酸化グラフェン中の酸素のかなりの部分を占めており、生成当初の粗酸化グラフェン中の２０〜２５重量％にものぼる場合がある一方で、１０重量％未満の場合もある。
【００１１】
次に、精製された材料（物質）は、任意の適切な方法を用いて塩基溶液から固体の状態で回収する。通常は、少量の固体材料（物質）を回収するための方法を用い、好ましいのは遠心分離である。得られた固体材料（物質）は、清浄な溶媒で洗浄し、更に精製することもでき、このときに使用する溶媒としては、例えば、蒸留水ならびに、メタノール、エタノールもしくはイソプロパノールなどのアルコールなどが挙げられる。
【００１２】
次に、回収した固体材料を乾燥させる。乾燥は、周囲温度または４０〜１００℃の高温で行うことができる。また、乾燥は周囲圧、または回転式エバポレーターもしくは減圧装置などの従来から使用されている装置を用い、１〜５０ｍｍＨｇに減圧して行うことができる。
【００１３】
ひとつの実施形態においては、塩基に使用する溶媒は、水および炭素数が１〜６個（Ｃ１〜Ｃ６）のアルコールから選択する。望ましくは、溶媒は、単なる水ではない場合は、Ｃ１〜Ｃ４のアルコールであり、好ましくは、エタノールもしくはプロパノールを単独または一般的には水と混合して使用する。しかしながら、その他の極性溶媒も使用でき、そのようなものとしては、ＴＨＦ、ジオキサン、Ｃ１〜Ｃ６のジアルキルエーテル類、フェノール類、ならびに、Ｃ１〜Ｃ６のジアルキルケトン類およびＣ１〜Ｃ６アルキルアリールケトン類などのケトン類などが挙げられる。
【００１４】
本発明に従うＧＯは、従来法によって生産された特性の不充分な材料と比較して不純物含量が少ない。ひとつの実施形態においては、本発明に従うＧＯは、従来法によって生産されたＧＯよりも少なくとも１０％は不純物が少ない。ひとつの実施形態においては、本発明のＧＯ中の不純物の減少率は、少なくとも２０％、より好ましくは少なくとも５０％、最も好ましくは少なくとも９０％である（すなわち、従来法によって生産されたＧＯ中に存在する不純物が、本発明に従うＧＯ中には１０％未満しか含まれていない）。ひとつの実施形態においては、不純物の含有率は、従来法によって生産されたＧＯと比較して９５％減少している。
【００１５】
本発明に従うＧＯは、酸化性デブリスを殆ど含有せず、非共有結合している酸素含有化学種の割合は３重量％未満である。好ましくは、本発明に従うＧＯは、非共有結合している酸素含有化学種を２または１重量％未満しか含まない。最も好ましい実施形態においては、非共有結合している酸素含有化学種の割合は０．５重量％未満であり、場合によっては、０．２または０．１重量％未満まで下げられる。ファン（Ｆａｎ）らによって記述された材料は、本発明において呈示されている酸化グラフェンとは異なるものであり、最終材料の共有結合の性質が初期材料のそれと比べると変化しているという点で区別できる。ファン（Ｆａｎ）らの方法は、「ハマーズ法（Ｈｕｍｍｅｒｓ’  ｍｅｔｈｏｄ）によって調製および精製したＧＯ」を「固体グラフェンサンプル」に変えるものである（４４９２〜４４９３ページ、実験の項）。上で参照したグラフェンの構造についての彼らの理解から、この記述は、脱酸素過程により、ＧＯのｓｐ３状態がｓｐ２状態に変換した、すなわち、炭素結合の数を減じたという彼らの考えを示すものである。一方、本発明においては、物理的に吸着されている低分子量の芳香族性化学種を単に除去するだけであり、ＧＯ片（ＧＯの構造）の基本と成る共有結合は変化させない。
【００１６】
ひとつの実施形態においては、塩基は、第Ｉ族金属の炭酸塩、炭酸水素塩、水酸化物またはアルコキシドである。
【００１７】
別の実施形態においては、塩基は第ＩＩ族金属の炭酸塩である。
【００１８】
好ましい実施形態においては、塩基は第Ｉ族金属の水酸化物である。第ＩＩ族金属の水溶性の水酸化物も使用できる。
【００１９】
更なる実施態様においては、塩基はＮａＯＨまたはＫＯＨであり、好ましいのはＮａＯＨである。
【００２０】
ひとつの実施形態においては、塩基は塩基水溶液である。別の場合には、塩基溶液は、水／アルコールの混合溶液である。
【００２１】
また別の場合には、塩基は、Ｃ１〜Ｃ６のアルコールのアルカリ金属アルコキシドとすることができる。
【００２２】
ひとつの実施形態においては、水溶性塩基の溶液の濃度は、０．００１〜１０Ｍの間である。
【００２３】
ひとつの実施形態においては、水溶性塩基の溶液の濃度は、０．０１〜２Ｍの間であり、より好ましくは、０．５〜１．０Ｍの間である。
【００２４】
ひとつの実施形態においては、塩基を用いる処理は−１０〜２００℃の間で行う。
【００２５】
ひとつの実施形態においては、塩基を用いる処理は室温で行う。
【００２６】
別の実施態様においては、塩基を用いた処理は、溶液が還流する温度で行う。
【００２７】
ひとつの実施形態においては、塩基の濃度は０．０１Ｍであり、塩基を用いる処理は、溶液が還流する温度で行う。
【００２８】
ひとつの実施形態においては、塩基の濃度は１Ｍであり、塩基を用いる処理は室温で行う。
【００２９】
ひとつの実施形態においては、本発明に従って形成された酸化グラフェンは、Ｃ：Ｏが２０：１〜１：１の間であり、より好ましくは１０：１〜１：１の間であり、最も好ましくは８：１〜４：１の間である。
【００３０】
特に好ましい実施形態においては、本発明に従って形成された酸化グラフェンは、Ｃ：Ｏが６：１〜４：１であり、理想的には約４：１である。
【００３１】
ひとつの実施形態においては、酸化グラフェンの調製法（製造法）であって、次のような工程を含む方法が提供される。
１）グラファイトを酸化し；
２）酸化グラフェンと不純物との混合物を単離し；
３）該混合物を塩基で処理し；さらに、
４）塩基性化された（塩基で処理された）不純物から酸化グラフェンを分離する。
【００３２】
回収した酸化グラフェンは、洗浄、乾燥するか、または単に乾燥する。
【００３３】
上記の方法に従って生成したＧＯを塩基で洗浄する工程では、１回またはそれ以上、例えば、２回、３回もしくは４回洗浄することを含む。もし塩基による洗浄を複数回行う場合には、各洗浄操作は逐次的に行うか、または、水での洗浄および／もしくは乾燥などのその他の工程を間に挟んで行う。各工程で使用する塩基は、同じものであっても別異のものであってもよい。
【００３４】
出発材料のグラファイトは、容易に入手でき、既知の方法で調製する。ハマーズ法（Ｈｕｍｍｅｒｓ’  ｍｅｔｈｏｄ）は、ＧＯの調製法としてよく知られている（ａ）ハマーズ（Ｈｕｍｍｅｒｓ），Ｗ．Ｓ．，オッフェマン（Ｏｆｆｅｍａｎ），Ｒ．Ｅ．，ＪＡＣＳ  １９５８，８０，１３３９；；ｂ）エダ（Ｅｄａ），Ｇ．，ファンチーニ（Ｆａｎｃｈｉｎｉ），Ｇ．，チョワラ（Ｃｈｈｏｗａｌｌａ），Ｍ．，
【００３５】
Ｎａｔ  Ｎａｎｏ  ２００８，３，２７０；ｃ）ウィルソン（Ｗｉｌｓｏｎ），Ｎ．Ｒ．，パンデイ（Ｐａｎｄｅｙ），Ｐ．Ａ．，ビーンランド（Ｂｅａｎｌａｎｄ），Ｒ．，ヤング（Ｙｏｕｎｇ），Ｒ．Ｊ．，キンロッホ（Ｋｉｎｌｏｃｈ），Ｉ．Ａ．，
【００３６】
ゴング（Ｇｏｎｇ），Ｌ．，リウ（Ｌｉｕ），Ｚ．，スエナガ（Ｓｕｅｎａｇａ），Ｋ．，ロウルケ（Ｒｏｕｒｋｅ），Ｊ．Ｐ．，ヨーク（Ｙｏｒｋ），Ｓ．Ｊ．，スローン（Ｓｌｏａｎ），Ｊ．，ＡＣＳ  Ｎａｎｏ  ２００９，３，２５４７）。
【００３７】
ひとつの実施形態においては、グラファイトの酸化は、改良ハマーズ法（ｍｏｄｉｆｉｅｄ  Ｈｕｍｍｅｒｓ  ｍｅｔｈｏｄ）を用いて行う。
【００３８】
ひとつの実施形態においては、グラファイトの酸化は、ハマーズ法（Ｈｕｍｍｅｒｓ  ｍｅｔｈｏｄ）を用いて行う。
【００３９】
ひとつの実施形態においては、グラファイトの酸化は、スタウデンマイアー法（Ｓｔａｕｄｅｎｍａｉｅｒ  ｍｅｔｈｏｄ）を用いて行う。
【００４０】
本発明の別の態様に従えば、グラフェンの調製法（製造法）であって、次の工程を含む方法が提供される：
１）グラファイトを酸化し；
２）酸化グラフェンと不純物との混合物を単離し；
３）該混合物を塩基で処理し；
４）塩基性化された（塩基で処理された）不純物から酸化グラフェンを分離し；さらに、
５）還元条件下、精製した酸化グラフェンをグラフェンに変換する。
【００４１】
ＧＯの還元には、従来から使用されているＨ２を用いるなどの任意の還元条件、または、例えば、Ｈ２／ＣＯなどのその他の還元雰囲気下で実施できる。
【００４２】
本発明に従って洗浄、精製した酸化グラフェン（ＧＯ）は、その資質から、新規な材料（物質）である。この材料（物質）は、酸素原子に対する炭素原子の比が１：１〜１０：１であることによって特徴づけられ、既知の方法によって製造されたＧＯを、上述のように塩基を用いて処理することによって得られる。本材料は、水溶液（例えば、１．０ＭのＮａＯＨなど）で処理しても、実質的に質量の減少が観察されないという事実で特徴づけられる。これは、ＧＯに緩やかに結合している酸化性デブリス、すなわち共有結合していない化学種の更なる消失が起こらないためである。従って、本材料は、共有結合している炭素と酸素から構成される材料の占める割合が、少なくとも約８０重量％、より一般的には少なくとも約９０％であることによっても特徴づけられる。好ましい実施形態においては、共有結合している炭素と酸素から構成される材料は、少なくとも９５重量％、より好ましくは少なくとも９６、９８、または９９重量％を占めている。好ましくは、少なくとも９９．５重量％が共有結合している材料である。最も好ましくは、それらの割合は、９９．８重量％、場合によっては９９．９重量％である。従って、本材料の酸素含有部分は、ほぼ、１，２−エポキシド類、水酸化物類、ケトン類およびカルボン酸基のみを含有する。これらは、グラフェンの構成組織（フレームワーク）に共有結合しているか、および／または、互いに通常の化学結合をしている。
【００４３】
かくして、本発明の別の態様において、非共有結合している酸素含有化学種を実質的に含まないＧＯが提供される。この態様においては、「実質的に含まない」とは、炭素−酸素含有化学種のうちの少なくとも９０重量％が共有結合しているものであり、残り部分（酸化デブリスに代表される）は、非共有結合している酸素含有化学種の１０重量％未満であることを意味する。
【００４４】
本発明に従うＧＯは、グラフェンのその他の誘導体の出発材料としても使用できる。つまり、ＧＯをフッ素またはフッ素源で処理し、フルオログラフェン（ＦＧ）を生成できる。同様に、本発明に従うＧＯを適切な反応試薬と反応させることにより、その他の誘導体を調製できる。それぞれの場合において、得られた物質の収率は良好であることから、グラフェン誘導体の実用性のある合成法が示されたことになる。
【００４５】
本発明の別の態様に従えば、化学修飾されたグラフェンの調製法（製造法）であって、次の工程を含む方法が提供される。
１）グラファイトを酸化し；
２）酸化グラフェンと不純物との混合物を単離し；
３）該混合物を塩基で処理し；
４）塩基性化された（塩基で処理された）不純物から酸化グラフェンを分離し；さらに、
５）精製された酸化グラフェンに、１種またはそれ以上の化学反応基を反応させることによって化学修飾されたグラフェンに変換する。
【００４６】
別の実施形態においては、化学修飾されたグラフェンは、複合材料用、集光用、またはセンサーとして使用できる。
【００４７】
本発明の別の態様においては、グラフェンを直接分散させるために有効な界面活性剤の調製法（製造法）であって、次の工程を含む方法が提供される。
１）グラファイトを酸化し；
２）酸化グラフェンと不純物との混合物を単離し；
３）該混合物を塩基で処理し；
４）塩基性化された（塩基で処理された）不純物から酸化グラフェンを分離し；さらに、
５）塩基性化された不純物を酸性化し単離して、グラフェンの直接分散に有効な界面活性剤を得る。
【００４８】
本発明の実施形態を添付の図面を参照にしながら更に詳細に記述する。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】ＮａＯＨ（濃度は図中に記載）中にＧＯを０．５ｍｇ／mlとなるように懸濁した時の写真。上段は、ＮａＯＨに添加して３０秒後、下段は３時間後である。
【図２】生成されたＧＯ（ａＧＯ、上段）、ならびに塩基洗浄後に得られた２つの成分である、黒色沈殿物（ｂｗＧＯ、中段）および残った水溶性画分（ＯＤ、下段）について、空気中で熱重量分析を行った結果を示す。
【図３】生成されたＧＯ（ａＧＯ、上の線）、ｂｗＧＯ（真ん中の線）およびＯＤ（下の線）についてのＦＴＩＲスペクトルを示す。
【図４】（ａ）ａＧＯ（上の線）およびＯＤ（下の線）についてのＣ  １ｓのＸＰＳスペクトルを示す。（ｂ）励起光の波長を６３３ｎｍとした時のａＧＯ（上の線）およびＯＤ（下の線）についてのラマンスペクトルを示す。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
本出願の明細書および請求項を通して、「を含む」および「を含有する」ならびにそれらに類似する語句は、「を含むがそれらに限定されるわけではない」という意味であり、その他の部位、付加物、構成成分、物質もしくは工程を除外することを意図してはいない。本出願の明細書および請求項を通して、特に記載していない限り、ひとつの事象は複数の事象を包含する。特に、曖昧な表現を用いている場合、特に記載していない限り、単一の事柄はもちろん、複数の事柄も包含していると理解されたい。
【００５１】
本発明に従う特定の態様、実施形態または実施例と共に記載されている特徴、精通、性質、化合物、化学部位もしくは基は、特に不都合がない限りは、任意の態様、実施形態または実施例に適用できると理解されたい。本明細書（請求項、要約書および図面を含む）に開示されている特徴の全て、ならびに／または、開示されている任意の方法またはプロセス中の全ての工程は、そのような特徴および／もしくは段階のいくつかが、互いに背反する場合を除いては、任意に組み合わせてよい。本発明は、既述の実施形態に制限されるわけではない。本発明は、本明細書（請求項、要約書および図面を含む）に開示されている特徴について、任意の新規な特徴もしくはそれらの任意の新規な組合せに拡張でき、または、開示されている任意の方法もしくはプロセス中の工程について、任意の新規な工程もしくはそれらの任意の新規な組合せに拡張できる。
【００５２】
発明者らは、本明細書において、改良ハマーズ法によって生成されたＧＯは、酸化性デブリスに覆われた官能化（官能基含有：ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚｅｄ）グラフェンシートの準安定混合物であり、ここで、酸化性デブリスは、ＧＯの水性懸濁液を安定化させる界面活性剤の役割をしていることを示す。また、発明者らは、ＧＯを塩基洗浄することにより、２つの構成成分を分離できることを示す。質量の大きい方の構成成分は、酸化により官能化されてＣ：Ｏが約４：１であるグラフェン様シートであり、伝導性を有し、水に再懸濁されにくい。もうひとつの構成成分は、水溶性の酸化性デブリスであり、大分子の含酸素有機化合物（例えばフルボ酸）からなる。
【実施例】
【００５３】
酸化グラフェンは、改良ハマーズ法１８によって調製し、得られた材料について、ＡＦＭおよびＴＥＭによって評価したところ、完全な剥離を示した。このＧＯを濃度の異なる多数のＮａＯＨ溶液で処理した効果を図１に示す。
【００５４】
高濃度（１ＭのＮａＯＨ）では、最初に褐色透明であった懸濁液が速やかに黒い沈殿物と基本的に無色の上澄み液とに分離した。低濃度（例えば、０．０１Ｍなど）では、ＧＯは時間の経過と共に色が濃くなり、安定な黒色懸濁液になった。低濃度のＮａＯＨを加えてＧＯを１時間還流させることにより、凝集が起こって黒色の構成成分が分離し、高濃度のＮａＯＨで処理した場合に生成したものと類似した混合物が得られた。特筆すべきことに、純水または酸性溶液中で還流させたＧＯでは、ＧＯに対してはっきり確認できる影響が観察されなかった。黒色凝集物は遠心分離によって分離し、ＨＣｌを用いて再プロトン化し、蒸留水で洗浄後、減圧乾燥した。得られた黒色粉末（以後ｂｗＧＯと称する）は、激しく撹拌または超音波照射しても、水に再懸濁することはなかった。上清液にも同様に再プロトン化し、乾燥させた（これをＯＤと称する）。２つの構成成分について注意深く質量分析を行ったところ、質量収支は、ｂｗＧＯについては、添加されたＧＯの質量の（６５±５）％、ＯＤについては、（３５±５）％であった。
【００５５】
本発明に従って調製されたＧＯ（ａＧＯ）、ｂｗＧＯおよびＯＤの熱重量分析（ＴＧＡ）の結果を図２に示す。ａＧＯは、約２００℃で質量消失が起こっているが、これは、これまでのように官能基の分解に起因するものであり、さらに約６００℃では、このおよそ２倍の大きさの質量損失が起こっているが、これは、損傷を受けたグラファイト状領域が昇華または燃焼したことに起因するものとされている１９。ｂｗＧＯのＴＧＡは、約２００℃で著しく質量が減少し、約６００℃で完全に質量が消失したことを示している。ＯＤでは、約２００℃で著しい質量の低下が観察されたが、約６００℃では何も起こらなかったことから、この画分にはグラファイト状領域は存在しないことが示唆される。
【００５６】
ａＧＯのＦＴＩＲ吸収スペクトルは、３０００〜３８００ｃｍ−１にυ（Ｃ−ＯＨ、ＣＯＯＨ、Ｈ２Ｏ）に由来する特徴的な幅広い吸収、１０００〜１８００ｃｍ−１にいくつかの鋭い吸収が見られた。これらの低周波吸収ピークは、エポキシド、水酸基、炭酸基、ケトン類およびｓｐ２−混成Ｃ−Ｃ結合などの多様な結合に帰するものである。ＯＤは、ａＧＯと同様のＦＴＩＲ吸収スペクトルを示したが、ｂｗＧＯのスペクトルは、１６３０ｃｍ−１付近以外には目立った特徴がなく、この吸収ピークは、ａＧＯとｂｗＧＯには観察されたものの、ＯＤには見られなかった。発明者らは、このピークは、ｓｐ２−混成Ｃ−Ｃ結合の平面振動によるものと推察する。このＩＲデータから、ＯＤは、ａＧＯと同様に官能化されているが、その度合いはｂｗＧＯの方が少ないと結論づけた。
【００５７】
酸化グラファイトに塩基を加えることで色が変化すること、および、酸性化することで、変化した色は元に戻らない（むしろ凝集する）ことは知られていたが、塩基が酸化グラファイトを成分分解するという説明は、既に剥離したＧＯに対しては当てはまらない。ＧＯに存在しているとみなされている官能基（アルコール類、エポキシド類、ケトン類およびカルボキシル基）のことを考慮すると、緩和な塩基条件下で還流させた時に不可逆化学反応が起こることについては予測がつかない。そこで、本発明者らは、実際には、ＧＯは２種類の異なる構成成分を有するのではないかと考えた。すなわち、質量の大部分を占めるのは、官能化された大きなグラフェン様シート（ｂｗＧＯ）であり、それと共に、小さくより高度に酸化されたフラグメントまたはデブリス（ＯＤ）があるのではないかということである。酸性または中性条件下においては、デブリスは、π−πスタッキングと水素結合との組合せによって比較的強固な非共有結合を形成して、ＧＯのグラフェン様シートに接合している。塩基で処理することにより、酸化性デブリスとその下に存在する官能化グラフェンシートとの間の相互作用は、脱プロトン化したデブリス上の負の電荷の影響で反発するようになる。一旦分離すると、２つの構成成分は再結合できないと考えられ、このように、当初の混合物は準安定である。本発明において興味深い材料は、酸化デブリスをほとんどまたは全く含まないｂｗＧＯである。
【００５８】
ＯＤ材料の溶液は、０．２２μｍのフィルター膜を通過し、残渣が全くなかったことから、この構成成分には大きなグラフェン様シートはないことが示唆された。ＯＤの質量スペクトルから、高度に酸化された小フラグメントの存在が確認された。
【００５９】
ｂｗＧＯは水に不溶性ではあるが、超音波を利用すればＮ−メチルピロリジノン（ＮＭＰ）に分散させることで不安定な懸濁液を調製できる。この懸濁液から分取したサンプルのＡＦＭおよびＴＥＭ分析では、直径がμｍ単位にもなる大きなシートの存在が示され、これは、ａＧＯ中で確認されたものと同程度の大きさであった。ａＧＯとｂｗＧＯのＸＰＳ分析の結果を図４ａに示す。ａＧＯのＣ  １ｓでのＸＰＳスペクトルは、従前の文献と一致している。２８４．５eV付近のピークは、ＣがＣに結合していることによるものであり、一方、より結合エネルギーの高い成分（ｂｗＧＯでは大きく減少している）は、ＣがＯに結合していることによるものである。（データの完全な同定および考察については、補助情報（Ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）を参照）。これは、Ｏ  １ｓスペクトルと一致し、Ｃ：Ｏの比が計算できる。すなわち、ａＧＯはＣ：Ｏ＝２：１、ｂｗＧＯについては、Ｃ：Ｏ＝４：１であった。酸化性の官能基の割合は、ａＧＯと比較してｂｗＧＯでは明らかに減少していたが、まだかなり存在していた。
【００６０】
ラマンスペクトルは、グラフェンなどのようなグラファイト様材料の分析に重要な分析手段である。それらの強力なラマン応答は、Ｃ−Ｃ結合のπ状態による共鳴の増強に起因するものであり、構造がより不規則な炭素系材料では応答が弱い。混合サンプルのラマン応答は、無定形状態の（アモルファス）材料よりも、秩序構造のグラファイト材料によるものが強く表れる。グラファイト様サンプルの「特質」は、約１３００ｃｍ−１の「Ｄ」ピーク、すなわち、Ｃ−Ｃ環構造中の振動モードに起因し欠陥を示唆するピーク、および、約１６００ｃｍ−１の「Ｇ」ピーク、すなわち、ｓｐ２−混成Ｃ−Ｃ結合の伸縮に起因するピークを解析することによって調べることが多い。図４ｂは、ａＧＯとｂｗＧＯのこの領域について、６３３ｎｍのレーザーを照射して励起した時のラマンスペクトルを示す。予測していたように、ａＧＯは幅の広いＤおよびＧピークを示し、積算ピーク強度の比はＤ／Ｇ＝１．９であった。ｂｗＧＯは、Ｄ／Ｇ＝１．９というほぼ同等の反応を示した。ＸＰＳおよびＴＥＭの結果と合わせて考えると、ｂｗＧＯは酸化により官能化されたグラフェン様シートから構成されており、このシート自身は塩基を用いた洗浄によってほとんど変化しないことが示唆された。
【００６１】
アルミニウムフィルター膜上にＮＭＰ懸濁液からｂｗＧＯを吸引ろ取することにより、光沢のある黒色の薄膜が得られた。厚さ０．５〜１μｍの薄膜に関してこれまでに明らかになっている結果から、電気伝導率は１０１Ｓ・ｍ―１レベルであることが示された。これは、ａＧＯよりも伝導性が約５桁大きく、ＧＯを化学的または低温熱処理により還元したものについて報告されている値よりも１桁低いだけである。酸化性デブリスを除去することによって、伝導率がこのように劇的に増強されたことは驚きである。デブリスとＧＯシートとの間の比較的強い非共有相互作用は、デブリス上の電気的に陰性度が非常に高い官能基と単一元素分の厚さのグラフェン格子とが組み合わさったものに由来しているからこそ、電気的構造を改変するのに十分な強度を有していると考えられる。
【００６２】
発明者らの知識に照らし合わせると、生成されたＧＯの重要な構成成分としては、酸化性デブリス以外は考えられない。ＧＯの画像採取に先立って行う高分解能ＴＥＭ試験では、典型的には、ＧＯを加熱することにより、グラフェン様格子を覆っているアモルファス材料を除去／減少する。加熱後であっても、アモルファス領域はかなりの部分を覆っており、ナノメートル単位の「きれいな」領域が残っているのみである。予め加熱せずに行ったＧＯについての電子回折試験から、六角形のグラフェン様格子が残っていることが示された（ウィルソン（Ｗｉｌｓｏｎ），Ｎ，Ｒ．，パンデイ（Ｐａｎｄｅｙ），Ｐ．Ａ．，ビーンランド（Ｂｅａｎｌａｎｄ），Ｒ．，ヤング（Ｙｏｕｎｇ），Ｒ．Ｊ．，キンロッホ（Ｋｉｎｌｏｃｈ），Ｉ．Ａ．，ゴン（Ｇｏｎｇ），Ｌ．，リウ（Ｌｉｕ），Ｚ．，スエナガ（Ｓｕｅｎａｇａ），Ｋ．，ロウルケ（Ｒｏｕｒｋｅ），Ｊ．Ｐ．，ヨーク（Ｙｏｒｋ），Ｓ．Ｊ．，スローン（Ｓｌｏａｎ），Ｊ．ＡＣＳ  Ｎａｎｏ  ２００９，３，２５４７−２５５６）。このことは、無定形領域は、主として、ＧＯシートに結合している酸化性デブリスに因るという考えを支持している。明らかに、酸化性デブリスは、ＧＯのグラフェン様シートに強い親和性を有しており、界面活性剤として有効である。もし大量に精製できるならば、グラフェンを直接分散させるのに効果的な界面活性剤として作用することが期待される。
【００６３】
故に、結論として、これらの結果は、本発明に従って生成されたＧＯは、官能化されたグラフェン様シートとそれに非共有結合している酸化性デブリスとの混合物であることを示唆している。グラフェン様シートは酸化されているが、その割合は、従来型のＧＯよりもはるかに低い。逆に、酸化性デブリスははるかに高度に官能化されている。この混合物は、水中での安定性は不明確であるが、酸化性デブリスは、緩和な塩基を用いて洗浄することで非常に容易に除去でき、より高度に官能化されたデブリスは水に溶けてしまい、官能化されたシートの懸濁液が残る。本発明者らは、デブリスとグラフェン様シートとを再結合させる方法を見出したことから、元当初の混合物は準安定であると考えている。
【００６４】
本発明者らによる結果から、酸化グラフェンの構造モデルを再考する必要性が示唆されている。生成されたＧＯ中に酸化性デブリスが存在することは、ＣＭＧの合成および用途と重要な影響があり、特に、グラフェン格子に対する直接的な共有結合性官能化が必要である場合にこのことが該当する。かくして、本発明に従って精製したＧＯ材料は、将来の研究用および小型電子部品用として新規かつ有望な材料である。
【００６５】
酸化グラフェンは、その特性故に多数の用途が考えられる。酸化グラフェンは、その化学的官能性（機能性）が多様であり複雑な（更に、より反応性に富んだ）ものである点、伝導性がより低く、多様で／制御可能であり、機械的特性が幾分低いものの、強度としては十分である点でグラフェンとは異なっている。該伝導率は、酸化グラフェンの組成は、Ｃ：Ｏ比および酸素を含有する多様な官能基の割合に応じて、変化する。このことにより、伝導率など目的に合わせて特性の調整が可能になる。官能基の反応性は大きな長所となり得るが、これはそれらが多様なポリマーおよび樹脂系と共有または非共有結合するからである。官能基は、表面修飾反応の出発点としても利用でき、制御可能な特性、ならびに樹脂およびポリマーとの親和性を有する別の形態の官能化（機能化）グラフェンを生成できる。
【００６６】
本発明に従う材料における重要な効果は、酸化性デブリスからＧＯのプレートレット（小板）を分離したことであり、このことにより、最終用途に必要とされる特性が明確に実現できる。ＧＯのプレートレットの大きさは、ＮａＯＨを用いて処理する前のＧＯの原料および製造法によって決まることが多い。
【００６７】
ポリマー系または樹脂系中にＧＯを組み込むことにより、次のような特性が増強されることが期待できる：強度、弾性係数、亀裂抵抗、耐疲労性能、強破壊靱性、摩耗およびひっかきに対する抵抗性、ガラス転移温度、高温における弾性係数、耐化学薬品性、紫外線照射に対する抵抗性、耐火性、気体遮蔽能、気体遮蔽選択性、熱膨張係数の制御、熱および電気の伝導性、熱および電気の伝導性の制御、赤外線吸収、レオロジー特性（例えば、伸長方向の流動特性など）など。Ｃ：Ｏを調節することにより、電気伝導率などの特性を微調整できる。このことにより、抵抗性を厳密に制御でき、より伝導率の高い充填剤を用いれば、充填剤含量をわずかに変化させるだけで抵抗性が大きく変化するような状況に応じることができる。
【００６８】
ＧＯは、多くのポリマーおよび樹脂系において有用であると考えられる。繰り返すが、これは、本発明に従うＧＯの特別な性質、およびこれらの特性はＣ：Ｏ比を変えることによって制御できるという事実によるものである。表面をさらに官能（機能）化する能力により、特定のポリマー系における使用に合わせて特性を変化させられる。例えば、Ｃ：Ｏ比を制御することにより（さらに、反応性基を用いて別の表面化学的性質を付与することにより）、多様なポリマーにおいて相互作用の強さを制御できる。そのようなポリマーとしては、以下のようなポリマーおよびそれらのコポリマーが挙げられるが、これらに限定されるわけではない：ポリオレフィン類、ポリカーボネート類、ポリアクリレート類、ポリアミド類、ポリエステル類、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、ポリアセタール、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセテート、ポリエーテル類、ポリアリレート類、ポリラクチド類、ポリカプロラクトン類、ポリスチレン、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレンポリマー類、ポリアクリルアミド類、酢酸ビニルポリマー類、セルロース性ポリマー類、ポリウレタン類、ポリエーテルスルホン類、ポリエーテルイミド類、ポリフタルイミド類、ポリフェニレンスルフィド類、ポリアリールエーテルケトン類、ポリアミドイミド類、ポリイミド類、ポリベンズイミダゾール類、液晶ポリエステル類、フッ素系ポリマー類、ポリアクリロニトリル、エラストマー類およびゴム類など。
【００６９】
ある種の樹脂系では、非共有相互作用によって結合が強固になると考えられる。別の場合には、反応性樹脂との直接共有結合が形成される。そのような例としては、例えば、エポキシ樹脂、イソシアナート類およびイミド類、または、ポリエステル類のエステル転位を介する場合などが挙げられる。このことにより、機械的特性が向上し、より小さな強化プレートレットが得られるが、これらは、界面にかかるストレスを移動させる性質が改善されたからである。化学物質に対する耐性などのその他の特性も向上すると考えられる。熱硬化性樹脂などの硬化性樹脂におけるＧＯの用途に関しては、大きな可能性がある。反応の進行は、樹脂の最終的な硬化および／または架橋反応中またはそれらの前に起こると考えられる。そのようなＧＯ修飾樹脂は、その他の強化材料、例えば、ガラス、炭素およびケブラー繊維、無機系充填剤およびカーボンナノチューブなどと組み合わせて使用できる。ＧＯ表面とポリマー、樹脂および／または補強繊維の両方に結合できる親和剤も使用できる。これらの物質は、低分子（例えば、無水マレイン酸など）もしくはオリゴマー類もしくは機能化ポリマー類、ならびに／またはブロックコポリマー類の状態である。ＧＯ酸化物も炭素繊維の前駆材料（例えば、ピッチ、ポリアクリロニトリルまたはアラミド溶液など）に添加でき、生成した繊維の特性を改良することができる。ＧＯは高強度繊維、低クリープ繊維、高弾性係数繊維などに組み込むことができ、それらは、天幕、コンベヤー用ベルト、剥離性繊維、高性能ロープ、防護服、保護組紐などへの使用が考えられる。
【００７０】
さらに、反応性酸素を含有する官能基は、対応する活性または不活性の側基を有する広範な他の化学種に転換できる。これらの例としては、エステル類およびアミド類が挙げられる。表面の酸素はフッ素に転換されることができる。このように、本発明に従うＧＯは、多数の誘導体化グラフェン化合物をの有用な出発物質である。
【００７１】
本発明に従うＧＯに基づいて、特性、ポリマー類、樹脂類および化学的性質が向上したことにより、非常に幅広い用途において性能を向上させられる可能性がある。そのような例としては、例えば、食品包装、医薬品包装、ゴムおよびエラストマー製ホース、タイヤおよびその内部チューブ、タンクのホースならびに燃料、気体および化学物質用の容器、香料の包装、環境変化に敏感な化学物質の包装、電子デバイスのカプセル封入、手袋、防護装置、化学兵器戦闘用服などの遮蔽手段が挙げられる。遮蔽手段は、静電気消散特性と組み合わせることができ、そのような例としては、例えば、引火性液体用のホースおよびタンク、ならびに電気用デバイスのハウジングなどが挙げられる。機械的性質が強化されたことにより、例えば、耐久性の向上、または構成材料の重量減少による費用削減などが見込める点に関しても有利である。このような材料は、医療現場での滅菌および輸送容器、カテーテルおよび腹腔鏡チューブ等にも取り入れることができ、ここでは、材料の剛性が役立っている。
【００７２】
本発明に従うＧＯには、静電気消散、電気伝導または帯電防止特性の制御を必要とする次のような系における用途も考えられる：電子機器のハウジングおよびコネクター；シリコン製造において使用するデバイスおよび装置、電導性ポリマーを利用した集積回路（例えば、シリコンウェファーキャリヤ、ロボットワンド、ソケット内での試験および燃焼など）；静電スプレー技術によって塗装された部品；遮蔽された医療機器；電導性、帯電防止性または静電消散性のコーティング、塗料ならびにインク；電導性があり、印刷可能な電子機器に使用するインク調製物；印刷可能なＲＦＩＤ部品；泡状物質；ＵＶ耐性部品；熱制御デバイス；電導性、帯電防止性もしくは静電消散性のフォーム（発泡体）；伸長方向の粘度が増すような方法で製造されるフォーム、フィルムおよび繊維；電導性、帯電防止性または静電消散性の繊維など。
【００７３】
本発明に従うＧＯは、電気製品にも使用でき、つぎのような例が挙げられる：電極、電池電極、燃料電池リブ付きセパレータ、超コンデンサ、プリント回路基盤、可撓性電子部品回路基盤、赤外線吸収添加剤（たとえば、褐色瓶などに使用）および熱成形ポリマー調製物など。
【００７４】
本発明に従うＧＯの機械的特性により、熱可塑性樹脂ならびに熱硬化性ポリマーおよび樹脂、さらに、それらに関連する短繊維および長繊維で強化した化合物ならびに複合材料を機械的に強化するのにも適している。そのような材料には、次のような広範な用途がある：機械的動作性が高められており、重量が減少し、耐火性があるという特性を利用する大量輸送装置など。ＧＯに基づく複合材料のその他の用途としては、次のようなものが挙げられる：航空機の翼および胴体などの主要構造部分；フロアパネル、座席、旅客サービスユニット、機体ドアおよびエンジンフェアリングなどの二次構造など。
【００７５】
本発明に従うＧＯの機械的強度、ならびにそれらを取り込んだポリマーもしくは合金に及ぼす効果によって有用な特性がもたらされ、それらをつぎのような機械部品に活用できる：エンジンおよびトランスミッション部品；シールリング；スラストワッシャ；ベアリング；ガスケット；摩擦ワッシャ；ブッシング；フォークパッド；センサハウジング；コネクタライニング；タンク；パイプ；タンクおよびパイプのライニング；燃料輸送経路；燃料フィルターハウジング；燃料タンク；燃料タンクマンホールカバー；燃料タンクライニング；真空ポンプの羽根先；バックアップリング；ピストンリング；スリーブ；潤滑剤不要のすり板；Ｏ−リング；軸封；サーモスタットハウジング；ヒューズホルダ；排出ガス循環部品；空気取込用マニホルド；油圧制御ピストン；スロットルチャンバ；点火部品；ベアリング保持器およびゲージ；ギア；真空ポンプの羽根；測定プローブなど。
【００７６】
更に期待されるＧＯの用途としては、次のようなものが挙げられる：フィルム；粘着テープ、編組繊維；耐熱、防音および難燃絶縁体；耐火障壁；結束バンド；管；カテーテル；ボルト；ナット；差し込み金具およびブラケット；気体分離膜；熱交換器部品；分析機器部品；食品加工装置；調理器具；ポンプ、バルブおよび羽根車のハウジングならびにライニング；弁板；送風機；ライニング管；ボールおよびローラーベアリングの部品；ベアリングフィルム；滑り軸受のパッド；伸縮継手；被覆金属部品；オーバーブレードホース；実験器具；コンベヤーベルト；ロールカバー；熱融着材料；波形のついた管；油田の穴で使用する機械、パイプおよびホース；パイプおよびホースのライニング；油田の立ち上がり管のライニング；ドリルビットシール；導管のライニング；化学処理用機材；化学処理用機材のハウジングおよびシール；ラビリンスシール；コンプレッサー部品；送気管；ワイヤガイド；ヤーン／スレッドガイド；金属処理化フィルム；剥離フィルム；熱融着管材、収縮性管材；押出し成形し光照射を行った熱収縮性管材；コーティング；外部および内部の被膜（例えば、パイプ、タンク、ダクト、ベアリング、すり板、保護スリーブ、産業用ローラー、複写機のローラー、スプリットフィンガー、加工処理用ベルト、ポンプ、バルブ、医療機器、ドリルビット、食品加工装置、調理器具、焦げ付き防止加工された調理用具など）；保護および装飾用コーティング；ＵＶ抵抗性コーティング；ならびにコーティング加工した織物など。
【００７７】
酸化グラフェン（ＧＯ）の合成
ＧＯは、上で言及したように、改良ハマーズ法によって調製した。天然由来の薄片状グラファイトＧｒａｐｈｉｔｅ  Ｔｒａｄｉｎｇ  Ｃｏｍｐａｎｙ、５ｇ）およびＫＮＯ３（４．５ｇ）を濃硫酸（１６９ｍｌ）中で撹拌しながら懸濁した。混合物を氷冷し、ＫＭｎＯ４（２２．５ｇ）を７０分以上かけて添加した。次に、得られた混合物を撹拌しながら温度を室温まで戻し、その後７日間撹拌を続けた。混合物は時間の経過と共に濃厚になり、撹拌開始３日後には撹拌できなくなってしまった。得られた暗色混合物は、５重量％のＨ２ＳＯ４水溶液５５０ｍｌ中にゆっくりと（約１時間）分散させ、更に３時間撹拌した。過酸化水素（１５ｇ、３０％）を５分以上かけて添加したところ、多少の泡立ちが観察された。混合物は、黄色／金色に輝く懸濁液に変わり、これを更に２時間撹拌した。次に、３重量％のＨ２ＳＯ４／０．５重量％のＨ２Ｏ２の溶液５００ｍｌ中にこの混合物を加えて更に希釈し、撹拌しながら一晩放置した。混合物を８，０００ｒｐｍで２０分間遠心分離すると、ほぼ等量の２つの部分に分離し、少量の非常に色の濃いペレットが生成した（これは廃棄した）。ひとつの部分は清明な上清液体（これを傾瀉して廃棄した）であり、もう一方は粘性の強い暗黄色の粘性液体であった。該粘性液体を３重量％のＨ２ＳＯ４／０．５重量％のＨ２Ｏ２の溶液５００ｍｌに加え、激しく振とうしながら（５〜１０分間）再度分散させた。この洗浄工程を１２回繰り返したところ、粘性の画分は、次第に輝きを失い、かつ次第に色が濃くなっていき、４回目の洗浄時には輝きがなくなっていた。次に、該混合物を純水（５００ｍｌ）で洗浄し、遠心分離によって濃縮（無色の上清は傾瀉した）する操作を、上清が中性（ｐＨ７）になるまで繰り返したところ、５サイクル目で中性となった。この結果、暗橙褐色の粘性液体（ａＧＯ）が得られ、これは、ＧＯの水性懸濁液として直接使用でき（濃度は約３ｍｇ／ｍｌ）、あるいは、高速遠心分離（２０，０００ｒｐｍ、３０分間）後に真空乾燥することによって残っている水を除去することができる。
【００７８】
塩基を用いたる洗浄
ａＧＯの水性懸濁液（５０ｍｌ、乾燥ａＧＯの量は約１５０ｍｇ）を純水で希釈して容量を２５０ｍｌにし、２４時間撹拌した。この溶液に１ｇの固体ＮａＯＨ（０．０２５ｍｏｌ、正確に計量する）をゆっくりと加え、完全に溶解したところ（ＮａＯＨの有効濃度は０．１ｍｏｌ／ｄｍ３）、この間に該混合物はかなり色が濃くなった。次に、該混合物を還流させたところ、非常に色の薄い液体と黒色の凝集した粒子とに分離した。該混合物を室温まで戻した後、１１，０００ｒｐｍで３０分間遠心分離し、黒色のペレットとほとんど無色の液体とを得た。上清の液体を傾瀉して集め、とっておいた（ＯＤ）。黒色のペレットは、１ＭのＨＣｌを２５０ｍｌ加えて再び酸性化し、１時間還流させた。１１，０００ｒｐｍで３０分間遠心分離することにより、無色の上清（これは、上記の上清と合わせてとっておいた）から黒色の物質を分取した。該黒色ペレットを純水（２５０ｍｌ）で洗浄し、２０，０００ｒｐｍで３０分間遠心分離した。この最終洗浄によって得られた黒色ペレットを真空乾燥し、計量した（ｂｗＧＯ粉末）。
【００７９】
ｂｗＧＯとＯＤの収量
各塩基洗浄に供したａＧＯの正確な重量を求めることを目的として、同一のａＧＯ懸濁液から２つの等容量の画分を正確に測り取って、それぞれフラスコに入れた。このうちひとつは上述に従ってＮａＯＨ、ＨＣｌ、水を用いて処理し、もう一方は、単に水中で還流させ、これを対照とした。この対照から遠心分離（２０，０００ｒｐｍ、３０分間）によって水を除去し、ＧＯを真空乾燥した。生成したｂｗＧＯの割合は、単に、回収されたｂｗＧＯの重量をＧＯの重量で割ることによって計算した。酸化性デブリスの収量の直接計量も行った。酸化性デブリスの量を確定することを目的として、ＮａＯＨ、ＨＣｌおよび水を用いた処理から傾瀉して得られた上清をひとつにまとめ、ｐＨが酸性であることを確認し、吸引ろ過することで水を除去した。集めた酸化性デブリスには、ＧＯの洗浄に使用したＮａＯＨを中和したことによって生成したＮａＣｌが混入しているが、添加したＮａＯＨの量は正確に計量していたことから、生成したＮａＣｌ量は計算できる。酸化性デブリス＋ＮａＣｌの収量から生成したＮａＣｌ量を差し引くことにより、酸化性デブリスの正確な重量が求められた。発明者らは、４回に分けてｂｗＧＯの収量を計測したが、ＯＤの収量は３回しか計量しなかった。
【００８０】
【表１】
2013544740.tif 000003
【００８１】
ＯＤおよびｂｗＧＯの収量はそれぞれ別に測定したが、実験誤差の範囲内でこれら２つの構成成分の物質収支は釣り合っていた。
【００８２】
熱重量分析（ＴＧＡ）
ａＧＯ、ｂｗＧＯおよびＯＤの粉末を減圧乾燥した後、メトラー−トレド（Ｍｅｔｌｅｒ−Ｔｏｌｅｄｏ）ＴＧＡ／ＤＳＣ１システム内でＴＧＡ分析を行った。分析は空気中で、１分間に１０℃ずつ温度を上昇させて行った。乾燥させたＯＤ粉末の大部分はＮａＣｌ塩であった。ＧＯについては、０．１ＭのＮａＯＨ溶液２５０ｍｌを用いて塩基洗浄を行ったことから、ＯＤ粉末は１．４６１ｇのＮａＣｌを含有していると考えた。生成したＯＤの重量が０．０２８１ｇであるとすると、これは重量の９８．８％に相当し、一方、生成したＯＤの重量が０．０６１１ｇの場合、これは重量の９６％に相当する。そのような分析を用い、図３の測定に使用したサンプル中のＮａＣｌの割合は９７．４％であると考えた。７００℃において残存していた重量（発明者らは、これはＮａＣｌのみであるはずだと考えている）はこの値よりわずかに低かったことから（９６％）、この不一致は、得られたＯＤ中の不確定要素および操作誤差によるものだと考えている。図２（下）の酸化性デブリスにおいて観察された質量の若干の上昇は、人為的なもののようであり、これは恐らく、対照のスキャン（記録データから差し引くベースラインを与えるために行った）と分析スキャンとの間のベースラインのずれに起因すると考えられる。
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図１】
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【国際調査報告】
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