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JP6746782B2 - 柔軟性グラフェン膜およびその製造方法 - Google Patents
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JP6746782B2 - 柔軟性グラフェン膜およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ナノ材料製造分野に関し、特に柔軟性グラフェン膜を製造する方法に関する。
2010年に、アンドレ・ガイムとコンスタンチン・ノボセロフは、二次元グラフェンの存在を初めて実証し、その優れた性質を研究して、ノーベル物理学賞を受賞した。
グラフェンは、炭素原子がsp22混成軌道からなる二次元単原子層の蜂の巣状に周期的なマトリクス構造結晶体であり、優れた電気的特性(室温での電子移動度が2×1055cm22/Vsに達する)、突出した熱伝導性5000W/(MK)、標準以上の比表面積(2630M22/g)、ヤング率(1100GPa)および破壊強度(125GPa)を有する。グラフェンは、金属を遥かに超えた優れた導電性・熱伝導性を有するとともに、耐高温性や耐食性という利点をも有し、さらに、その優れた機械的性質および低い密度を有することにより、電熱材料の分野で金属の代わりに用いる潜在性を備えている。
グラフェン膜は、グラフェンの巨視的な用途の形式である。しかしながら、現在の柔軟性グラフェン膜は、大部分が、延伸された高分子ベースの収縮に基づきグラフェン膜の巨視的な起伏の皺を制御するか、またはベースの表面構造に基づき対応する構造のグラフェン膜を製造している。これは、グラフェン個片の状態を制御することにより巨視的なグラフェン膜を組み立てるものではなく、こうした皺は自然発生するものではない。
本発明の目的は、先行技術の欠点に対して、柔軟性グラフェン膜の製造方法を提供することにある。
本発明の目的は、以下の技術的解決手段によって実現される。
すなわち、以下のステップを含む、柔軟性酸化グラフェン膜の製造方法である。
(1)酸化グラフェンを良溶媒中に分散させ、濃度が5〜20mg/mLである酸化グラフェン溶液を得て、スクラッチ加工した後、液状酸化グラフェン膜を得る。
(2)液状酸化グラフェン膜を貧溶媒中に2〜24時間含浸し、ゲル化を行う。酸化グラフェンゲル膜を得る。
(3)酸化グラフェンゲル膜を乾燥させ、柔軟性酸化グラフェン膜を得る。
さらに、以下のステップを含む、柔軟性グラフェン膜の製造方法である。
(1)酸化グラフェンを良溶媒中に分散させ、濃度が5〜40mg/mLである酸化グラフェン溶液を得て、スクラッチ加工した後、液状酸化グラフェン膜を得る。
(2)液状酸化グラフェン膜を貧溶媒中に1〜24時間含浸し、ゲル化を行い、酸化グラフェンゲル膜を得る。
(3)酸化グラフェンゲル膜を乾燥させ、柔軟性酸化グラフェン膜を得る。
(4)柔軟性酸化グラフェン膜を還元し、柔軟性グラフェン膜を得る。
さらに、ステップ(1)において、前記良溶媒は、N,N−ジメチルホルムアミド、水,N−メチルピロリドン、アセトン、ジメチルスルホキシド、ピリジン、ジオキサン、N,N−ジメチルアセトアミド、テトラヒドロフランから選ばれる1種以上を任意の配合比率で混合してなる。
さらに、スクラッチの厚みは0.5〜30mm、スクラッチ速度1〜20mm/sである。
さらに、ステップ(2)において、貧溶媒は、酢酸エチル、ジクロロメタン、アルカン類、メタノール、エタノール、1−ブタノール、プロパンジオール、グリセロール、イソブタノール、酢酸メチル、酢酸ブチル、酢酸から選ばれる1種以上を任意の比率で混合してなる。
さらに、5〜24時間、オーブンにおいて50〜100℃で直接乾燥させるか、または懸架乾燥させる。
さらに、ステップ(4)において、還元方式は、化学還元、熱還元、電気還元から選ばれる。
上記の方法によって、皺のよった酸化グラフェンシートを互いに繋ぎ合わせてなるか、または皺のよったグラフェンシートを互いに繋ぎ合わせてなり、膜の結晶度が60%未満である、柔軟性グラフェン膜が形成される。
本発明の有益な効果は以下の通りである。本発明は、良溶媒および貧溶媒の相互作用を用いて、微視的、巨視的な多段皺を有するグラフェン膜を構築し、極めて良好な柔軟性を有し、一定の引張および曲げに耐えられる。測定の結果、その結晶度は60%未満であり、30%以下に達する場合もある。この膜は、極めて良好な柔軟性を有し、酸化グラフェン膜の破断伸び20〜50%、還元後のグラフェン膜の破断伸び15〜50%であり、かつ還元後のグラフェン膜の導電率10000〜80000s/mであり、柔軟性グラフェン薄膜および柔軟性電子機器などの分野において大きな用途を有する。
結晶および非晶質酸化グラフェン膜と、結晶および非晶質高分子の類比図である。 柔軟性酸化グラフェン膜と結晶性酸化グラフェン膜のXRD回折対比図である。 柔軟性酸化グラフェン膜の機械引張曲線である。 グラフェン膜の表面走査電子顕微鏡図(A)および断面走査電子顕微鏡図(B)である。 柔軟性グラフェン膜と結晶性グラフェン膜のXRD回折対比図である。 柔軟性膜の機械引張曲線(A)と柔軟性膜を曲げた状態での電気抵抗変化曲線図(B)である。
本発明は、高濃度の個片酸化グラフェンからなる液状GO膜を貧溶媒中に置いて含浸処理し、液状GO膜の良溶媒が貧溶媒によって置換され、酸化グラフェンシートに収縮落盤が生じ、GOシートに皺が生じる。互いに繋ぎ合わせ、高分子を架橋したような架橋ネットワークを形成することにより、アモルファス状態(非晶質)のGO膜を構築する(図1に示す通り)。さらに、乾燥過程において、貧溶媒が揮発し、毛細管作用の下で、巨視的な形態にさらに皺がよる。こうした微視的および巨視的な多段の皺は、グラフェン膜に極めて良好な柔軟性を与え、一定の引張および曲げに耐えられるようにする。測定の結果、その結晶度は60%未満であり、30%以下に達する場合もあり、破断伸び20〜50%であり、さらに還元によって、超柔軟性グラフェン膜が得られる。
以下、図面および実施例を合わせ、本発明についてさらに説明する。これらの実施例は、本発明についてのさらなる説明のみに用いられ、本発明の保護範囲を限定するものではない。当業者が詳細な説明内容に基づいて成した非本質的な変更および調整は、本発明の保護範囲内にある。
<実施例1>
1、濃度が5mg/mLである酸化グラフェンDMF溶液を、スクレーパでスクラッチ加工し、厚みを30mmとし、液状の酸化グラフェン膜を得た。
2、ステップ1において得られた液状酸化グラフェン膜を貧溶媒である酢酸エチル中に含浸し、6時間含浸した後に、自立した酸化グラフェンゲル膜を生成した。
3、ステップ2における酸化グラフェンゲル膜をオーブン中に懸架して置き、70℃で10時間乾燥させ、柔軟性酸化グラフェン膜を得た。
比較:ステップ1において得られた液状酸化グラフェンを直接入れ、70℃で10時間乾燥させ、結晶性酸化グラフェン膜を得た。
図2のXRD回折対比図は、貧溶媒により含浸処理した酸化グラフェン膜は結晶性が低いことをはっきりと説明している。貧溶媒中の酸化グラフェンシートの収縮皺、およびゲル膜の乾燥中に溶媒が揮発することにより引き起こされる収縮のため、酸化グラフェン膜の巨視的な収縮がもたらされる。貧溶媒により含浸処理していない場合、規則的な酸化グラフェン膜が積み重ねられ、高い結晶ピークを有し、結晶性高分子に類似している。
<実施例2>
1、濃度が10mg/mLである酸化グラフェンDMF溶液を、スクレーパでスクラッチ加工し、厚みを1mmとし、液状の酸化グラフェン膜を得た。
2、1において得られた液状酸化グラフェン膜を貧溶媒である酢酸エチル中に含浸し、24時間含浸した後に、自立した酸化グラフェンゲル膜を生成した。
3、2におけるグラフェンゲル膜をオーブン中に懸架して置き、70℃で10時間乾燥させ、柔軟性酸化グラフェン膜を得た。その結晶度は21%、機械引張試験における破断伸びは35%であり、図3に示すように、10万回以上繰り返し折り曲げても、折り目が残らなかった。図4は、酸化グラフェン膜の表面走査電子顕微鏡図であり、酸化グラフェン膜表面に豊富な皺構造を有するとともに、断面図の湾曲起伏も、酸化グラフェンシートが規則的に積み重なったものではないことを説明しており、これにより、酸化グラフェン膜が内側から外側に向かって全面的に皺がよっていることがわかる。
<実施例3>
1、濃度が15mg/mLである酸化グラフェン(N−メチル基ピロリドン)溶液を、スクレーパでスクラッチ加工し、厚みを2mmとし、液状の酸化グラフェン膜を得た。
2、ステップ1において得られた液状酸化グラフェン膜を貧溶媒である酢酸エチル中に含浸し、6時間含浸した後に、自立した酸化グラフェンゲル膜を生成した。
3、ステップ2における酸化グラフェンゲル膜をオーブン中に懸架して置き、80℃で15時間乾燥させ、柔軟性酸化グラフェン膜を得た。その結晶度は15%、機械引張試験における破断伸びは40%であり、10万回以上繰り返し折り曲げても、折り目が残らなかった。
<実施例4>
1、濃度が20mg/mLである酸化グラフェン(N,N−ジメチルアセトアミド)溶液を、スクレーパでスクラッチ加工し、厚みを3mmとし、液状酸化グラフェン膜を得た。
2、ステップ1において得られた液状酸化グラフェン膜を貧溶媒である酢酸エチル中に含浸し、15時間含浸した後に、自立した酸化グラフェンゲル膜を生成した。
3、ステップ2における酸化グラフェンゲル膜をオーブン中に懸架して置き、90℃で10時間乾燥させ、柔軟性酸化グラフェン膜を得た。その結晶度は16%、機械引張試験における破断伸びは50%であり、10万回以上繰り返し折り曲げても、折り目が残らなかった。
<実施例5>
1、濃度が8mg/mLである酸化グラフェンDMF溶液を、スクレーパでスクラッチ加工し、厚みを0.5mmとし、液状の酸化グラフェン膜を得た。
2、ステップ1において得られた液状酸化グラフェン膜を貧溶媒である酢酸エチル中に含浸し、2時間含浸した後に、自立した酸化グラフェンゲル膜を生成した。
3、ステップ2における酸化グラフェンゲル膜をオーブン中に懸架して置き、66℃で5時間乾燥させ、柔軟性酸化グラフェン膜を得た。その結晶度は14%、機械引張試験における破断伸びは27%であり、10万回以上繰り返し折り曲げても、折り目が残らなかった。
<実施例6>
1.濃度が14mg/mLである酸化グラフェンピリジン溶液を、スクレーパでスクラッチ加工し、厚みを1mmとし、液状の酸化グラフェン膜を得た。
2.液状酸化グラフェン膜をメタノール中に2時間含浸し、ゲル化を行い、酸化グラフェンゲル膜を得た。
3.酸化グラフェンゲル膜をオーブン中に懸架して置き、66℃で5時間乾燥させ、柔軟性酸化グラフェン膜を得た。その結晶度は59.7%、機械引張試験における破断伸びは20%であり、10万回以上繰り返し折り曲げても、折り目が残らなかった。
<実施例7>
1、濃度が8mg/mLである酸化グラフェンDMF溶液を、スクレーパでスクラッチ加工し、厚みを2mmとし、液状のグラフェン膜を得た。
2、ステップ1において得られた液状酸化グラフェン膜を貧溶媒である酢酸エチル中に含浸し、6時間含浸した後に、自立した酸化グラフェンゲル膜を生成した。
3、ステップ2におけるグラフェンゲル膜をオーブン中に懸架して置き、70℃で10時間乾燥させ、柔軟性酸化グラフェン膜を得た。
4、ステップ3において得られた柔軟性酸化グラフェン膜をよう化水素酸水溶液中に置き、85℃で6時間加熱した。
5、ステップ4における還元後のグラフェン膜を60℃エタノール中に30分間置き、グラフェン膜中に残留したよう化水素酸を洗浄した後、自然乾燥させ、柔軟性のグラフェン膜を得た。
比較:ステップ1において得られた液状酸化グラフェンを直接入れ、70℃で10時間乾燥させ、酸化グラフェン膜を得た。その還元過程は、ステップ4、5におけるものと同じである。
図5のXRD回折対比図は、貧溶媒により含浸処理したグラフェン膜は結晶性が低いことをはっきりと説明している。貧溶媒中のグラフェンシートの収縮皺、およびゲル膜の乾燥中に溶媒が揮発することにより引き起こされる収縮のため、グラフェン膜の巨視的な収縮がもたらされる。貧溶媒により含浸処理していない場合、規則的なグラフェン膜が積み重ねられ、高い結晶ピークを有し、結晶性高分子に類似している。
<実施例8>
1、濃度が5mg/mLである酸化グラフェンDMF溶液を、スクレーパでスクラッチ加工し、厚みを1mmとし、液状の酸化グラフェン膜を得た。
2、ステップ1において得られた液状酸化グラフェン膜を貧溶媒である酢酸エチル中に含浸し、4時間含浸した後に、自立した酸化グラフェンゲル膜を生成した。
3、ステップ2におけるグラフェンゲル膜をオーブン中に懸架して置き、70℃で10時間乾燥させ、柔軟性酸化グラフェン膜を得た。
4、ステップ3において得られた柔軟性酸化グラフェン膜をよう化水素酸水溶液中に置き、85℃で6時間加熱した。
5、還元後のグラフェン膜を60℃エタノール中に30分間置き、グラフェン膜中に残留したよう化水素酸を洗浄した後、自然乾燥させ、柔軟性のグラフェン膜を得た。グラフェン膜表面に豊富な皺構造を有するとともに、断面図の湾曲起伏も、グラフェンシートが規則的に積み重なったものではないことを説明しており、これにより、グラフェン膜が内側から外側に向かって全面的に皺がよっていることがわかる。その膜の結晶度は23%、破断伸びは18%(図6Aに示す通り)であり、10万回以上繰り返し折り曲げても、折り目が残らなかった。このグラフェン膜は、曲げ過程において、その電気抵抗の変化が小さく、図6Bに示すように、その導電率は41000s/mであった。
<実施例9>
1、濃度が15mg/mLである酸化グラフェン(N−メチル基ピロリドン)溶液を、スクレーパでスクラッチ加工し、厚みを2mmとし、液状の酸化グラフェン膜を得た。
2、ステップ1において得られた液状酸化グラフェン膜を貧溶媒である酢酸エチル中に含浸し、6時間含浸した後に、自立した酸化グラフェンゲル膜を生成した。
3、ステップ2における酸化グラフェンゲル膜をオーブン中に懸架して置き、80℃で15時間乾燥させ、柔軟性酸化グラフェン膜を得た。
4、ステップ3において得られた柔軟性酸化グラフェン膜をよう化水素酸水溶液中に置き、80℃で7時間加熱した。
5、還元後のグラフェン膜を60℃エタノール中に30分間置き、グラフェン膜中に残留したよう化水素酸を洗浄した後、自然乾燥させ、柔軟性のグラフェン膜を得た。その結晶度は17%、破断伸びは31%であり、10万回以上繰り返し折り曲げても、折り目が残らなかった。このグラフェン膜は、曲げ過程において、その電気抵抗の変化が小さく、その導電率は35000s/mであった。
<実施例10>
1、濃度が40mg/mLである酸化グラフェン(N,N−ジメチルアセトアミド)溶液を、スクレーパでスクラッチ加工し、厚みを30mmとし、液状酸化グラフェン膜を得た。
2、ステップ1において得られた液状酸化グラフェン膜を貧溶媒である酢酸エチル中に含浸し、24時間含浸した後に、自立した酸化グラフェンゲル膜を生成した。
3、ステップ2における酸化グラフェンゲル膜をオーブン中に懸架して置き、90℃で10時間乾燥させ、柔軟性酸化グラフェン膜を得た。
4、ステップ3において得られた柔軟性酸化グラフェン膜をよう化水素酸水溶液中に置き、85℃で8時間加熱した。
5、還元後のグラフェン膜を60℃エタノール中に30分間置き、グラフェン膜中に残留したよう化水素酸を洗浄した後、自然乾燥させ、柔軟性のグラフェン膜を得た。その結晶度は18%、破断伸びは50%であり、10万回以上繰り返し折り曲げても、折り目が残らなかった。このグラフェン膜は、曲げ過程において、その電気抵抗の変化が小さく、柔軟性、結晶度、その導電率は30000s/mであった。
<実施例11>
1、濃度が8mg/mLである酸化グラフェンDMF溶液を、スクレーパでスクラッチ加工し、厚みを0.5mmとし、液状の酸化グラフェン膜を得た。
2、ステップ1において得られた液状酸化グラフェン膜を貧溶媒である酢酸エチル中に含浸し、1時間含浸した後に、自立した酸化グラフェンゲル膜を生成した。
3、ステップ2における酸化グラフェンゲル膜をオーブン中に懸架して置き、65℃で5時間乾燥させ、柔軟性酸化グラフェン膜を得た。
4、ステップ3において得られた柔軟性酸化グラフェン膜をよう化水素酸水溶液中に置き、75℃で4時間加熱した。
5、還元後のグラフェン膜を60℃エタノール中に30分間置き、グラフェン膜中に残留したよう化水素酸を洗浄した後、自然乾燥させ、柔軟性のグラフェン膜を得た。その結晶度は15%、破断伸びは26%であり、10万回以上繰り返し折り曲げても、折り目が残らなかった。このグラフェン膜は、曲げ過程において、その電気抵抗の変化が小さく、その導電率は540000s/mであった。
<実施例12>
1.濃度が14mg/mLである酸化グラフェンピリジン溶液を、スクレーパでスクラッチ加工し、厚みを1mmとし、液状の酸化グラフェン膜を得た。
2.液状酸化グラフェン膜をメタノール中に2時間含浸し、ゲル化を行い、酸化グラフェンゲル膜を得た。
3.酸化グラフェンゲル膜をオーブン中に懸架して置き、65℃で5時間乾燥させ、柔軟性酸化グラフェン膜を得た。
4.ステップ3において得られた柔軟性酸化グラフェン膜を電気還元した。その結晶度は59.7%、機械引張試験における破断伸びは15%であり、10万回以上繰り返し折り曲げても、折り目が残らなかった。

Claims (7)

  1. (1)酸化グラフェンを良溶媒中に分散させ、濃度が5〜20mg/mLである酸化グラフェン溶液を得て、スクラッチ加工した後、液状酸化グラフェン膜を得るステップと、
    (2)液状酸化グラフェン膜を貧溶媒中に2〜24時間含浸し、ゲル化を行う、酸化グラフェンゲル膜を得るステップと、
    (3)酸化グラフェンゲル膜を乾燥させ、柔軟性酸化グラフェン膜を得るステップとを含むことを特徴とする、柔軟性酸化グラフェン膜の製造方法。
  2. (1)酸化グラフェンを良溶媒中に分散させ、濃度が5〜40mg/mLである酸化グラフェン溶液を得て、スクラッチ加工した後、液状酸化グラフェン膜を得るステップと、
    (2)液状酸化グラフェン膜を貧溶媒中に1〜24時間含浸し、ゲル化を行い、酸化グラフェンゲル膜を得るステップと、
    (3)酸化グラフェンゲル膜を乾燥させ、柔軟性酸化グラフェン膜を得るステップと、
    (4)柔軟性酸化グラフェン膜を還元し、柔軟性グラフェン膜を得るステップとを含むことを特徴とする、柔軟性グラフェン膜の製造方法。
  3. ステップ(1)において、前記良溶媒は、N,N−ジメチルホルムアミド、水,N−メチルピロリドン、アセトン、ジメチルスルホキシド、ピリジン、ジオキサン、N,N−ジメチルアセトアミド、テトラヒドロフランから選ばれる1種以上を任意の配合比率で混合してなることを特徴とする、請求項1または2に記載の柔軟性グラフェン膜の製造方法。
  4. スクラッチの厚みが0.5〜30mm、スクラッチ速度1〜20mm/sであることを特徴とする、請求項1または2に記載の柔軟性グラフェン膜の製造方法。
  5. ステップ(2)において、貧溶媒は、酢酸エチル、ジクロロメタン、アルカン類、メタノール、エタノール、1−ブタノール、プロパンジオール、グリセロール、イソブタノール、酢酸メチル、酢酸ブチル、酢酸から選ばれる1種以上を任意の比率で混合してなることを特徴とする、請求項1または2に記載の柔軟性グラフェン膜の製造方法。
  6. 5〜24時間、オーブンにおいて50〜100℃で直接乾燥させるか、または懸架乾燥させることを特徴とする、請求項1または2に記載の柔軟性グラフェン膜の製造方法。
  7. ステップ(4)において、還元方式は、化学還元、熱還元、電気還元から選ばれることを特徴とする、請求項に記載の柔軟性グラフェン膜の製造方法。
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