(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
無溶媒プロセスによって酸化グラフェン／酸化グラファイト粉末とホスト粉末との複合体を作製する方法であって、
前記酸化グラフェン／酸化グラファイト粉末と前記ホスト粉末との混合物を冷間圧縮して第１のビスケットを形成するステップであって、第１の前記冷間圧縮で少なくとも１ｋＰａの圧力を使用するステップ、
前記第１のビスケットを破砕、粉末化、又は粉砕して第１の粉末化ビスケットにするステップ、
前記第１の粉末化ビスケットを第２のビスケットへと冷間圧縮するステップであって、第２の前記冷間圧縮が１０ｋＰａ以上の圧力で行われるステップ、
前記第２のビスケットを破砕、粉末化、又は粉砕して第２の粉末化ビスケットにするステップ、及び
前記第２の粉末化ビスケットを押出し可能な材料と合わせて、複合体を形成するステップ
を含む、前記方法。
【請求項２】
酸化グラフェン／酸化グラファイト粉末をホスト粉末中に分散させて複合粉末を形成した後、混合物を冷間圧縮するステップ、又は
集塊又は凝集を壊すためにボールベアリングの存在下で酸化グラフェン／酸化グラファイト粉末をホスト粉末中に分散させて複合粉末を形成するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ホスト粉末が、通常のポルトランドセメント、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリカーボネート（ＰＣ）；酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、シリカ、二酸化ケイ素、若しくはそれらの組合せのセラミック粉末；チタン、水素化チタン、タンタル、コバルトクロム、ニオブ、ステンレス鋼、ニッケル、銅、アルミニウム、若しくはそれらの組合せの金属粉末；多結晶材料、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＦ）、若しくはポリ二フッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリウレタン、ポリ（ブチレンテレフタレート）、ナイロン１１、ポリ（エチレンテレフタレート）、ポリ（エーテルエーテルケトン）、ポリ（フェニレンスルフィド）、ポリオレフィン、周期表２ａ、３ａ、４ａ及び４ｂ族の元素の酸化物、炭酸塩若しくはケイ酸塩、ポリ（塩化ビニル）（ＰＶＣ）、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリスチレン、ポリカーボネート／ナイロンアロイ、ポリカーボネート／ポリエステルアロイ、ＡＢＳ、ＡＢＳ／ナイロンアロイ、ＡＢＳ／ＰＶＣアロイ、アクリルコポリマー、ポリスルホン、ポリスルホン／ＡＢＳアロイ、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリアリレート、フルオロポリマー、ポリフェニレンオキシド／ポリスチレンブレンド、及びポリ（フェニレンスルフィド）から選択される、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
粉末化ビスケットを、押出し可能な材料と一緒に、加熱を伴う圧縮成形、ホットプレス、押出又は射出成形して複合体を形成するステップをさらに含む、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
酸化グラフェン／酸化グラファイトフレークを、前記酸化グラフェン／酸化グラファイトフレークの表面積を変えることなく、冷間圧縮成形プロセス中に厚さ１０ｎｍ未満になるように剥離する、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
冷間圧縮成形した粉末から酸化グラフェン／酸化グラファイト複合体を作製する方法であって、
酸化グラフェン／酸化グラファイト粉末とホスト粉末との混合物を冷間圧縮して第１のビスケットを形成するステップであって、第１の前記冷間圧縮で少なくとも１ｋＰａの圧力を使用するステップ、
前記第１のビスケットを破砕、粉末化、又は粉砕して第１の粉末化ビスケットにするステップ、
前記第１の粉末化ビスケットを第２のビスケットへと冷間圧縮するステップであって、第２の前記冷間圧縮が１０ｋＰａ以上の圧力で行われるステップ、
前記第２のビスケットを破砕、粉末化、又は粉砕して第２の粉末化ビスケットにするステップ、及び
前記第２の粉末化ビスケットを、押出し可能な材料と一緒に、加熱を伴う圧縮成形、ホットプレス、押出又は射出成形して前記複合体を形成するステップ
を含む、前記方法。
【請求項７】
酸化グラフェン／酸化グラファイト粉末をホスト粉末中に分散させて複合粉末を形成した後、混合物を冷間圧縮するステップ、又は
集塊又は凝集を壊すためにボールベアリングの存在下で酸化グラフェン／酸化グラファイト粉末をホスト粉末中に分散させて複合粉末を形成するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
ホスト粉末が、通常のポルトランドセメント、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリカーボネート（ＰＣ）；酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、シリカ、二酸化ケイ素、若しくはそれらの組合せのセラミック粉末；チタン、水素化チタン、タンタル、コバルトクロム、ニオブ、ステンレス鋼、ニッケル、銅、アルミニウム、若しくはそれらの組合せの金属粉末；多結晶材料、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＦ）、若しくはポリ二フッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリウレタン、ポリ（ブチレンテレフタレート）、ナイロン１１、ポリ（エチレンテレフタレート）、ポリ（エーテルエーテルケトン）、ポリ（フェニレンスルフィド）、ポリオレフィン、周期表２ａ、３ａ、４ａ及び４ｂ族の元素の酸化物、炭酸塩若しくはケイ酸塩、ポリ（塩化ビニル）（ＰＶＣ）、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリスチレン、ポリカーボネート／ナイロンアロイ、ポリカーボネート／ポリエステルアロイ、ＡＢＳ、ＡＢＳ／ナイロンアロイ、ＡＢＳ／ＰＶＣアロイ、アクリルコポリマー、ポリスルホン、ポリスルホン／ＡＢＳアロイ、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリアリレート、フルオロポリマー、ポリフェニレンオキシド／ポリスチレンブレンド、及びポリ（フェニレンスルフィド）から選択される、請求項６又は７に記載の方法。
【請求項９】
酸化グラフェン／酸化グラファイトフレークを、前記酸化グラフェン／酸化グラファイトフレークの表面積を変えることなく、冷間圧縮成形プロセス中に厚さ１０ｎｍ未満になるように剥離する、請求項６〜８のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して、グラファイトの分野に関し、より詳細には、セメントとアスファルトの複合体中への酸化グラファイトのエントレインメント（entrainment）の組成物及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明の範囲を限定することなく、複合材料に関連してその背景を説明する。
【０００３】
グラフェンは、炭素の同素体である。グラフェンの最も純粋な形態は、ハニカム又は六方晶格子に高密度に充填された、ｓｐ２結合炭素原子の１原子厚の平面シートである。この数年間、多層酸化グラフェン又は数層の酸化グラファイトは、そのままのホストと比較して優れた力学的性質、化学的性質、熱的性質、気体遮断性、電気的性質、難燃性及び他の特性を提供するためのホスト内の添加物として有用であるのに十分な強度及び導電性をもつことが科学者らによって確認されている。ホストの物理化学的性質の改善は、１）グラフェンフレークの均一な分散及びエントレインメント、２）グラフェンフレークとホストマトリックスの間の界面結合の最適化、３）処理中にホスト内にエントレインされたガスの除去、４）添加物の本質的な特性、例えば平坦性の最適化、並びに５）グラフェンフレークの厚み対表面積比及び／又はフレーク／粒子の化学的機能化若しくは装飾の最適化に依存する。
【０００４】
グラフェンは、これまで試験された中で最も強い材料の１つである。種々の研究所は、ホストにカーボンナノチューブ（ＣＮＴ，carbon nanotube）、グラフェンフレーク（ＧＦ，graphene flake）、酸化グラフェン（ＧＯ，graphene oxide）、及び酸化グラファイトなどの炭素同素体を導入し、導入されたホストにおいて引張り強さの増加が最大で２００％見られたが、結果に一貫性がなかった。グラフェンは、破壊強度が鋼鉄の２００倍高く、引張弾性率（剛性）が１ＴＰａ（１５０，０００，０００ｐｓｉ）であることが測定から示された。浮遊（suspended）グラフェンシートの力学的性質を測定するために原子間力顕微鏡（ＡＦＭ，atomic Force Microscope）が使用された。ファンデルワールス力によって結合しているグラフェンシートをＳｉＯ２キャビティ上に浮遊させ、そこをＡＦＭ探針で調べてその力学的性質を試験した。そのバネ定数は１〜５Ｎ／ｍの範囲であり、ヤング率は０．５ＴＰａ（５００ＧＰａ）であり、したがってグラフェンが機械的に非常に強く硬くなり得ることが示された。
【０００５】
それらが単層ＣＮＴ（ＳＷＣＮＴ，single walled CNT）であるか多層ＣＮＴ（ＭＷＣＮＴ，multi-walled CNT）であるかに応じて、一般に、ＳＷＣＮＴの直径は１〜３ｎｍであり、ＭＷＣＮＴの直径は５〜５０ｎｍである。ＣＮＴの長さは数センチメートルまで可能であり、それによりアスペクト比が１０００を超える。ＣＮＴはまた、並外れた強度を示し、Ｔｐａ程度の弾性率及びＧＰａの範囲の引張り強さを有する。表面積に対するアスペクト比が高いという利点と同時に、ＣＮＴ及びＭＷＣＮＴは、ホスト材料の電気的、力学的及び熱的性質を改善することが分かっている。しかしながら、複合体へのＣＮＴの取り込みは複雑であり、一貫性のない結果をもたらすことが証明されている。ＣＮＴの添加は、強度の変化をほとんどもたらさず、又はさらには複合体の劣化をもたらすことが研究者らによって判明している。粒子間の強力な引力のために、ＣＮＴは、凝集体を形成する傾向があり、カーボンブラックで見られるものに類似した自己引力（self-attraction）又は自己集合により複合体中に欠陥部位を生じる。ＣＮＴの束の不均一な分布／分散が、ホストの特性の劣化の原因である。
【０００６】
グラフェン、酸化グラフェン、及びカーボンナノチューブなどの黒鉛状ナノ材料は、現在、多機能性ポリマー充填材として研究されている。これらの材料の信じられないほどの強度、化学安定性、導電性及び熱伝導性のために、ポリマーマトリックス中へのそれらの取り込みは、材料強度を増大させ、そうでなければ絶縁性及び断熱性のポリマーにより金属様特性をもたせる。グラフェンの効率的及び効果的な分散の最大の難しさは、グラフェン自体へのその引力に起因し、適合性のあるポリマーを発見するために研究者にどんなことでもさせる。これは通常、黒鉛状表面の化学的機能化によって行われ、適合性のためにグラフェンの特性を犠牲にする。
【０００７】
酸化グラフェン及び酸化グラファイトを、ポリマー、金属、又はセラミックなどのホスト中に分散させる最近の方法は、溶媒支援方法又は溶融コンパウンディングに集中している。グラフェンの溶媒支援分散では、最初に、可溶性であるか又は標的ホストを溶解させる溶媒中にグラフェンを分散させる。溶媒は、多くの場合引火性であり、その後取り除かなければならない。プロセスから溶媒を除去することにより、プロセスがより安価でより安全になる。
【０００８】
溶融コンパウンディング原料化合物材料は、通常小さいビーズ又は粉末の形態であり、ホッパーから押出機のバレル（barrel）又はホットプレスに供給される。押出機の場合には、添加物及び充填材、例えばグラフェンは、材料をホッパー内に置く前は混合粉末の形態である。混合材料は、バレルの後部の近くに入れられ、スクリューと接触し、そのスクリューが混合材料をバレルを通って前方に移動させる。次いで混合材料は、バレルの加熱区間を通って移動させ、それにより混合材料がバレルを通って押されるにつれて徐々に溶融することが可能になる。バレル内部の強烈な圧力及び摩擦から追加の熱が発生する。しかしながら、溶融コンパウンディングプロセスは、特に添加物が数パーセント未満の場合に、不均一な分散をもたらすことが多い。ホットプレスの場合には、粉末を容器内に置き、その容器はホスト材料を高温及び高圧の両方に同時に曝露する。現在まで、従来の分散技術の難しさにより、ポリマー、複合体における酸化グラフェン及び酸化グラファイトの使用が制限され、一般に実験室規模の計画に限られている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、ホスト中にグラフェンを分散させる、簡単でスケーラブル（scalable）な方法を扱う。一実施形態では、本発明は、機械的−熱的−配合（mechanical-thermal-compounding）を用いたグラフェン複合体の大規模生産の方法を含む。ホストに導入されたグラフェンは、力学的性質を改善でき、熱伝導性及び導電性である。本発明は、ジャー混合方法（jar mixing method）を利用して、ホスト粉末中に酸化グラフェン／酸化グラファイト粉末を分散させて複合粉末を形成する。次いで複合粉末をコールドプレス内に置いて、酸化グラフェン／酸化グラファイトフレークの機械的剥離と、緩く結合した構造を形成する複合粉末の成分間のメカノケミカル相互作用を誘発する。機械的−熱的−配合は、コールドプレスを用いて圧力を加え、混合粉末から緩く結合した固体構造を形成する。圧縮プロセスは、酸化グラフェン／酸化グラファイトフレークの機械的剥離と粉末の成分間のメカノケミカル相互作用を誘発し、緩く結合した固体構造をもたらす。これは、圧縮成形と類似している。冷間圧縮成形又は冷間成形は、プラスチック、製薬及びセラミックス業界において、溶融鋳込の焼結押出し前にニアネットシェイプ構造（near net shape structures）を形成するための錠剤又は予め成形された「ビスケット（biscuit）」を形成するために使用される。圧縮成形した複合粉末は、機械的に処理して粉末に戻す。その後の複合粉末の冷間圧縮成形は、酸化グラフェン／酸化グラファイトの剥離と複合粉末の成分間のメカノケミカル相互作用を改善する。粉末に対する最後の冷間圧縮成形及び機械的処理の後、粉末は、複合構造のための原材料として使用することができる。熱処理は、それだけには限らないが、加熱を伴う圧縮成形、ホットプレス、押出又は射出成形を含む、従来のプロセスによって行うことができ、それは所望の物理的特性を有する複合体をもたらす。得られた複合体は、酸化グラフェン及び酸化グラファイトによって付与された利点を維持しながら、有用な形状及びサイズに成形することができる。
【００１０】
一実施形態では、本発明は、無溶媒プロセスによって酸化グラフェン／酸化グラファイト粉末とホスト粉末との複合体を作製する方法であって、酸化グラフェン／酸化グラファイト粉末とホスト粉末との混合物を冷間圧縮してビスケット（biscuit）を形成するステップ；ビスケットを破砕（crushing）、粉末化（powderizing）、又は粉砕（grounding）して粉末化ビスケットにするステップ；及び粉末化ビスケットを押出し可能な材料と合わせて、複合体を形成するステップを含む、方法を含む。一態様では、方法は、第２の圧縮成形及び第２の粉末化ステップをさらに含む。別の態様では、方法は、酸化グラフェン／酸化グラファイト粉末をホスト粉末中に分散させて複合粉末を形成した後、混合物を冷間圧縮するステップをさらに含む。別の態様では、方法は、集塊（clump）又は凝集（agglomeration）を壊すためにボールベアリングの存在下で酸化グラフェン／酸化グラファイト粉末をホスト粉末中に分散させて複合粉末を形成するステップをさらに含む。別の態様では、方法は、第１及び第２の冷間圧縮成形ステップをさらに含み、第１の冷間圧縮で少なくとも１ｋＰａの圧力を使用し、第２の冷間圧縮成形が１０ｋＰａ以上の圧力で行われる。別の態様では、第２の冷間圧縮で第２のビスケットを形成し、第２のビスケットをさらに破砕、粉末化、又は粉砕して第２の粉末化ビスケットにした後、押出材料と混合して複合体を形成する。別の態様では、ホスト粉末は、通常のポルトランドセメント、ポリプロピレン（ＰＰ，polypropylene）、ポリエチレン（ＰＥ，polyethylene）、ポリカーボネート（ＰＣ，polycarbonate）、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、シリカ、二酸化ケイ素、若しくはそれらの組合せのセラミック粉末、チタン、水素化チタン、タンタル、コバルトクロム、ニオブ、ステンレス鋼、ニッケル、銅、アルミニウム、若しくはそれらの組合せの金属粉末、多結晶材料、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＦ，polyvinylidene fluoride）、若しくはポリ二フッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ，polyvinylidene difluoride）、ポリウレタン、ポリ（ブチレンテレフタレート）、ナイロン１１、ポリ（エチレンテレフタレート）、ポリ（エーテルエーテルケトン）、ポリ（フェニレンスルフィド）、ポリオレフィン、周期表２ａ、３ａ、４ａ及び４ｂ族の元素の酸化物、炭酸塩若しくはケイ酸塩、ポリ（塩化ビニル）（ＰＶＣ，poly(vinyl chloride)）、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリスチレン、ポリカーボネート／ナイロンアロイ、ポリカーボネート／ポリエステルアロイ、ＡＢＳ、ＡＢＳ／ナイロンアロイ、ＡＢＳ／ＰＶＣアロイ、アクリルコポリマー、ポリスルホン、ポリスルホン／ＡＢＳアロイ、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリアリレート（polyarylate）、フルオロポリマー、ポリフェニレンオキシド／ポリスチレンブレンド、又はポリ（フェニレンスルフィド）から選択される。別の態様では、方法は、粉末化ビスケットを、押出し可能な材料と一緒に、加熱を伴う圧縮成形、ホットプレス、押出又は射出成形して複合体を形成するステップをさらに含む。別の態様では、酸化グラフェン／酸化グラファイトフレークは、酸化グラフェン／酸化グラファイトフレークの表面積を変えることなく、冷間圧縮成形プロセス中に１０ｎｍ未満にな���ように剥離する。
【００１１】
本発明のさらに別の実施形態は、酸化グラフェン／酸化グラファイト粉末とホスト粉末との混合物を冷間圧縮してビスケットを形成するステップ；ビスケットを破砕、粉末化、又は粉砕して粉末化ビスケットにするステップ；及び粉末化ビスケットを、押出し可能な材料と一緒に、加熱を伴う圧縮成形、ホットプレス、押出又は射出成形して複合体を形成するステップを含む、冷間圧縮成形した粉末から酸化グラフェン／酸化グラファイト複合体を作製する方法を含む。一態様では、方法は、第２の圧縮成形及び第２の粉末化ステップをさらに含む。別の態様では、方法は、酸化グラフェン／酸化グラファイト粉末をホスト粉末中に分散させて複合粉末を形成した後、混合物を冷間圧縮するステップをさらに含む。別の態様では、方法は、集塊又は凝集を壊すためにボールベアリングの存在下で酸化グラフェン／酸化グラファイト粉末をホスト粉末中に分散させて複合粉末を形成するステップをさらに含む。別の態様では、方法は、第１及び第２の冷間圧縮成形ステップをさらに含み、第１の冷間圧縮で少なくとも１ｋＰａの圧力を使用し、第２の冷間圧縮成形が１０ｋＰａ以上の圧力で行われる。別の態様では、第２の冷間圧縮で第２のビスケットを形成し、第２のビスケットをさらに破砕、粉末化、又は粉砕して第２の粉末化ビスケットにした後、押出材料と混合して複合体を形成する。別の態様では、ホスト粉末は、通常のポルトランドセメント、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、シリカ、二酸化ケイ素、若しくはそれらの組合せのセラミック粉末、チタン、水素化チタン、タンタル、コバルトクロム、ニオブ、ステンレス鋼、ニッケル、銅、アルミニウム、若しくはそれらの組合せの金属粉末、多結晶材料、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＦ）、若しくはポリ二フッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリウレタン、ポリ（ブチレンテレフタレート）、ナイロン１１、ポリ（エチレンテレフタレート）、ポリ（エーテルエーテルケトン）、ポリ（フェニレンスルフィド）、ポリオレフィン、周期表２ａ、３ａ、４ａ及び４ｂ族の元素の酸化物、炭酸塩若しくはケイ酸塩、ポリ（塩化ビニル）（ＰＶＣ）、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリスチレン、ポリカーボネート／ナイロンアロイ、ポリカーボネート／ポリエステルアロイ、ＡＢＳ、ＡＢＳ／ナイロンアロイ、ＡＢＳ／ＰＶＣアロイ、アクリルコポリマー、ポリスルホン、ポリスルホン／ＡＢＳアロイ、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリアリレート、フルオロポリマー、ポリフェニレンオキシド／ポリスチレンブレンド、又はポリ（フェニレンスルフィド）から選択される。別の態様では、酸化グラフェン／酸化グラファイトフレークは、酸化グラフェン／酸化グラファイトフレークの表面積を変えることなく、冷間圧縮成形プロセス中に１０ｎｍ未満になるように剥離する。
【００１２】
本発明の別の実施形態は、無溶媒プロセスによってホスト粉末中の酸化グラフェン／酸化グラファイト粉末の複合粉末を作製する方法であって、酸化グラフェン／酸化グラファイト粉末をホスト粉末中に分散させて複合粉末を形成するステップ；複合粉末を第１の冷間圧縮成形してビスケットを形成するステップ；ビスケットを破砕、粉末化、又は粉砕して粉末化ビスケットにするステップ；及び粉末化ビスケットを押出し可能な材料中に押出して複合体を形成するステップを含み、複合体中の酸化グラフェン／酸化グラファイトフレークの分散及び剥離を改善する、方法を含む。一態様では、ホスト粉末は、通常のポルトランドセメント、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、シリカ、二酸化ケイ素、若しくはそれらの組合せのセラミック粉末、チタン、水素化チタン、タンタル、コバルトクロム、ニオブ、ステンレス鋼、ニッケル、銅、アルミニウム、若しくはそれらの組合せの金属粉末、多結晶材料、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＦ）、若しくはポリ二フッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリウレタン、ポリ（ブチレンテレフタレート）、ナイロン１１、ポリ（エチレンテレフタレート）、ポリ（エーテルエーテルケトン）、ポリ（フェニレンスルフィド）、ポリオレフィン、周期表２ａ、３ａ、４ａ及び４ｂ族の元素の酸化物、炭酸塩若しくはケイ酸塩、ポリ（塩化ビニル）（ＰＶＣ）、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリスチレン、ポリカーボネート／ナイロンアロイ、ポリカーボネート／ポリエステルアロイ、ＡＢＳ、ＡＢＳ／ナイロンアロイ、ＡＢＳ／ＰＶＣアロイ、アクリルコポリマー、ポリスルホン、ポリスルホン／ＡＢＳアロイ、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリアリレート、フルオロポリマー、ポリフェニレンオキシド／ポリスチレンブレンド、又はポリ（フェニレンスルフィド）から選択される。別の態様では、酸化グラフェン／酸化グラファイトフレークは、酸化グラフェン／酸化グラファイトフレークの表面積を変えることなく、冷間圧縮成形プロセス中に１０ｎｍ未満になるように剥離する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
本発明の特質及び利点をより完全に理解するために、次に、添付の図と共に、本発明の詳細な説明を参照する。
【図１】２種の異なるプラスチックＰＶＤＦ及びポリウレタンにおける本発明の電気的性能を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の種々の実施形態の製造及び使用が以下に詳細に論じられているが、本発明は、多種多様な特定の状況において具体化され得る多くの適用可能な本発明の概念を提供するものであると理解されたい。本明細書で論じた特定の実施形態は、本発明を製造及び使用するための特定の方法の例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。
【００１５】
本発明の理解を容易にするため、いくつかの用語が以下に定義されている。本明細書で定義されている用語は、本発明に関連する分野の当業者によって一般的に理解される意味を有する。「a」、「an」及び「the」などの用語は、単数の物だけを指すものではなく、例示のために具体例を使用できる全般的な類を含む。本明細書の専門用語は、本発明の特定の実施形態を説明するのに使用されているが、それらの使用は、特許請求の範囲に概説されているものを除いて、本発明の範囲を定めるものではない。
【００１６】
本発明は、混合ステップ（例えば、ジャー（jar）中での混合又はジャー混合）を使用して、ホスト粉末中に酸化グラフェン／酸化グラファイト粉末を分散させて複合粉末を形成する。次いで複合粉末を冷間圧縮成形のためのプレス内に置いて、酸化グラフェン／酸化グラファイトフレークの強化された剥離及び酸化グラフェン／酸化グラファイトとホスト粉末の間のメカノケミカル誘発相互作用を有するビスケットを形成する。冷間圧縮成形は、酸化グラフェン／酸化グラファイトフレークの剥離及びメカノケミカル相互作用を達成するために、少なくとも１ｋＰａの圧力を必要とする。次いで得られたビスケットは、破砕又は粉砕して出発粉末混合物に対してより均質な複合粉末にする。次いで粉末化ビスケットを、１ｋＰａ超、好ましくは１０ｋＰａの圧力での第２の冷間圧縮成形のためのコールドプレス内に置いて、酸化グラフェン／酸化グラファイトフレークのさらなる機械的剥離とメカノケミカル相互作用を誘発し、第２のビスケット構造を形成する。冷間圧縮成形及びビスケットの粉末化を数回繰り返す。それぞれの冷間圧縮成形及びビスケットの粉末化の反復は、ホスト粉末中の酸化グラフェン／酸化グラファイトフレークの分散及び剥離を改善する。粉末に対する最後の冷間圧縮成形及び機械的処理の後、粉末は、複合構造のための原材料として使用することができる。複合構造は、物理的性質が向上している。図１から分かるように、本発明により他の材料及び分散技術と比較して導電率の劇的な向上が得られた。導電率の向上は、他の材料やＰＶＤＦ及びポリウレタンにおける分散技術の１００倍をはるかに超える。熱処理は、それだけには限らないが、加熱を伴う圧縮成形、ホットプレス、押出又は射出成形を含む、従来のプロセスによって行うことができ、所望の物理的特性を有する複合体をもたらす。得られた複合体は、酸化グラフェン及び酸化グラファイトによって付与された利点を維持しながら、有用な形状及びサイズのものである。
【００１７】
非限定的な一例では、ホスト粉末は、通常のポルトランドセメント、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、シリカ、二酸化ケイ素、若しくはそれらの組合せのセラミック粉末、チタン、水素化チタン、タンタル、コバルトクロム、ニオブ、ステンレス鋼、ニッケル、銅、アルミニウム、若しくはそれらの組合せの金属粉末、多結晶材料、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＦ）、若しくはポリ二フッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリウレタン、ポリ（ブチレンテレフタレート）、ナイロン１１、ポリ（エチレンテレフタレート）、ポリ（エーテルエーテルケトン）、ポリ（フェニレンスルフィド）、ポリオレフィン、周期表２ａ、３ａ、４ａ及び４ｂ族の元素の酸化物、炭酸塩若しくはケイ酸塩、ポリ（塩化ビニル）（ＰＶＣ）、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリスチレン、ポリカーボネート／ナイロンアロイ、ポリカーボネート／ポリエステルアロイ、ＡＢＳ、ＡＢＳ／ナイロンアロイ、ＡＢＳ／ＰＶＣアロイ、アクリルコポリマー、ポリスルホン、ポリスルホン／ＡＢＳアロイ、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリアリレート、フルオロポリマー、ポリフェニレンオキシド／ポリスチレンブレンド、又はポリ（フェニレンスルフィド）から選択される。これら及び他の材料は、冷間圧縮ステップで使用して、酸化グラフェン／酸化グラファイトフレークを捕捉し、酸化グラフェン／酸化グラファイトフレークが分散されている粉末又はビスケットを形成することができ、先行技術に関連するチャージ問題が排除されることを当業者は認識するであろう。
【００１８】
本発明及びその利点が詳細に記載されてきたが、添付の特許請求の範囲によって定義された本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、本明細書において種々の修正、置換及び改変を行うことができることを理解されたい。さらに、本出願の範囲は、本明細書に記載されたプロセス、機械、製造、物の組成物、手段、方法及びステップの特定の実施形態に限定されるものではない。当業者が本発明の開示から容易に理解するように、本明細書に記載された実施形態に対応するものと実質的に同じ機能を果たすか又は実質的に同じ結果を達成する、現在ある又はその後開発される、プロセス、機械、製造、物の組成物、手段、方法、又はステップは、本発明に基づいて利用することができる。したがって、添付の特許請求の範囲は、それらの範囲内にそのようなプロセス、機械、製造、物の組成物、手段、方法、又はステップを含むものである。
【００１９】
本明細書中で論じられたいかなる実施形態も、本発明のいかなる方法、キット、試薬、又は組成物に関して実施可能であり、逆の場合も同様であると考えられる。さらに、本発明の組成物は、本発明の方法の達成に使用することができる。
【００２０】
本明細書に記載された特定の実施形態は、例示として示されており、本発明を限定するものとして示されていないことを理解されたい。本発明の主要な特質は、本発明の範囲から逸脱することなく種々の実施形態で使用することができる。当業者は、ただルーチン実験を使用することによって、本明細書に記載された特定の手順に対する多くの均等形態を認識、又は確認することができるであろう。このような均等形態は、本発明の範囲内であると考えられ、特許請求の範囲に包含される。
【００２１】
本明細書で言及した全ての刊行物及び特許出願は、本発明が関連する技術分野の当業者の技術レベルを示すものである。全ての刊行物及び特許出願は、個々の刊行物又は特許出願が具体的及び個別に参照により組み込まれていることが示されているのと同程度まで、参照により本明細書に組み込まれる。
【００２２】
特許請求の範囲及び／又は本明細書において用語「含む（comprising）」と併用する場合、単語「a」又は「an」の使用は、「１つ」を意味することができるが、「１又は２以上」、「少なくとも１つ」、及び「１又は１超」の意味にも一致する。特許請求の範囲における用語「又は（or）」の使用は、選択肢のみを指すことが明確に示されていない限り、又は選択肢が相互排他的でない限り、「及び／又は（and／or）」を意味するのに使用されるが、本開示は選択肢のみ及び「及び／又は」を指す定義を支持する。本出願の全体にわたって、用語「約」は、値に、デバイス、その値を決定するのに使用される方法の誤差の固有のばらつき、又は研究対象間に存在するばらつきが含まれることを示すのに用いられる。
【００２３】
本明細書及び請求項で用いられているように、単語「含む（comprising）」（と「comprise」及び「comprises」などの「comprising」のいかなる形態）、「有する（having）」（と「have」及び「has」などの「having」のいかなる形態）、「含む（including）」（と「includes」及び「include」などの「including」のいかなる形態）又は「含有する（containing）」（と「contains」及び「contain」などの「containing」のいかなる形態）は、包括的又は開放的であり、列挙されていないさらなる要素又は方法ステップを除外するものではない。本明細書で提供される組成物及び方法のいずれかの実施形態では、「含む（comprising）」は、「から本質的になる（consisting essentially of）」又は「からなる（consisting of）」で置き換えることができる。本明細書では、句「から本質的になる（consisting essentially of）」は、指定された必須のもの（integer）（複数可）又はステップ並びに特許請求した発明の特徴又は機能に著しくは影響を及ぼさないものを要求する。本明細書では、用語「なる（consisting）」は、列挙された必須のもの（例えば、特質、要素、特徴、性質、方法／プロセスステップ又は制限）又は必須のもののグループ（例えば、各特質、各要素、各特徴、各性質、各方法／各プロセスステップ又は各制限）だけの存在を示すのに用いられる。
【００２４】
用語「又はそれらの組合せ（or combinations thereof）」は、本明細書では、この用語に先立って列挙された項目の全ての順列及び組合せを指す。例えば、「Ａ、Ｂ、Ｃ又はそれらの組合せ」は、Ａ、Ｂ、Ｃ、ＡＢ、ＡＣ、ＢＣ、又はＡＢＣ、及び特定の状況において順序が重要である場合には、さらにＢＡ、ＣＡ、ＣＢ、ＣＢＡ、ＢＣＡ、ＡＣＢ、ＢＡＣ、又はＣＡＢの少なくとも１つを含むものである。この例に続いて、明確に含まれているのは、１つ又は２つ以上の項目又は用語の繰り返し、例えばＢＢ、ＡＡＡ、ＡＢ、ＢＢＣ、ＡＡＡＢＣＣＣＣ、ＣＢＢＡＡＡ、ＣＡＢＡＢＢなどを含有する組合せである。当業者は、特に文脈から明らかでない限り、いかなる組合せの項目又は用語の数に通常制限がないことを理解されよう。
【００２５】
本明細書では、それだけには限らないが、「約」、「実質的な」又は「実質的に」などの近似を示す単語は、そのように修飾された場合、必ずしも絶対でも完全でもないと理解される条件であるが、その条件が存在すると指定することを当業者が保証するのに十分近いと考えられる条件を指す。説明が変化し得る範囲は、どれほど大きな変化が起こり得るかによって決まり、修飾された特質が、修飾前の特質に必要とされる特徴及び能力を依然としてもつことを当業者にさらに認識させる。一般に、前述の議論の対象となるが、「約」などの近似の単語で修飾される本明細書の数値は、記載された値から少なくとも±１、２、３、４、５、６、７、１０、１２又は１５％変化し得る。
【００２６】
さらに、本明細書におけるセクションの見出しは、37 CFR 1.77に基づく提案との一貫性のために、又はそうでなければ構成上の手がかりが得られるように設けられている。これらの見出しは、本開示から生じ得るいかなる請求項に定められた本発明を制限しない又は特徴付けないものとする。具体的に、且つ一例として、見出しは「技術分野」を示しているが、請求項は、いわゆる技術分野を説明するためにこの見出しの言語によって制限されるべきではない。さらに、「背景技術」セクションにおける技術の説明は、技術が本開示におけるいかなる発明の先行技術であると認められた事実として受け取るべきではない。「発明の概要」も、生じた請求項に記載されている本発明の特徴付けと考えるべきではない。その上、本開示における単数での「発明」へのいかなる言及も、本開示に単一点のみの新規性があることを主張するために使用すべきではない。複数の発明は、本開示から生じる複数の請求項の制限に従って記載されていることがあり、そのような請求項は、したがって、本発明、及びそれによって保護されるそれらの等価物を定義する。全ての例において、そのような請求項の範囲は、本開示に照らしてそれら自体のメリットについて考慮すべきであるが、本明細書に記載されている見出しによって制約されるべきではない。
【００２７】
本明細書に開示され、特許請求された全ての組成物及び／又は方法は、本開示に照らして過度の実験を行わずに製造及び実施することができる。本発明の組成物及び方法を好ましい実施形態に関して説明してきたが、本発明の概念、精神及び範囲から逸脱することなく、本明細書に記載された、組成物及び／又は方法、並びに方法のステップ又は一連のステップに変更を加えてもよいことは、当業者には明らかであろう。当業者に明らかなそのような同様の置換形態及び変更形態は全て、添付の特許請求の範囲によって定義された本発明の精神、範囲及び概念の範囲内にあると考えられる。
【図１】
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