DE10393067T5

DE10393067T5 - Method for intercalating and flaking graphite

Info

Publication number: DE10393067T5
Application number: DE10393067T
Authority: DE
Inventors: David M. Olmsted Falls Kaschak; Robert A. Bay Village Reynolds; Daniel W. Columbia Station Krassowski
Original assignee: Advanced Energy Technology Inc
Current assignee: Advanced Energy Technology Inc
Priority date: 2002-08-15
Filing date: 2003-08-13
Publication date: 2005-09-08
Also published as: AU2003304185A1; WO2004108997A2; AU2003304185A8; WO2004108997A3

Abstract

Verfahren zum Modifizieren von Graphit, umfassend:
Einführen einer interkalierenden Substanz in mindestens einen Zwischenraum mindestens eines Graphit-Plättchens; und
Einführen eines Fluids in den genannten mindestens einen Zwischenraum des Plättchens, wobei das Fluid mindestens eines von einem unterkritischen Fluid, Fluid nahe dem kritischen Punkt oder einem überkritischen Fluid umfasst.A method of modifying graphite, comprising:
Introducing an intercalating substance into at least one gap of at least one graphite plate; and
Introducing a fluid into said at least one gap of the platelet, wherein the fluid comprises at least one of a subcritical fluid, fluid near the critical point, or a supercritical fluid.

Description

Technisches Gebiettechnical area

Diese Erfindung bezieht sich auf Graphit und im Besonderen auf ein Verfahren zum Modifizieren von Graphit und Erzeugen neuer Graphit-Verbundstoffe.These This invention relates to graphite and, more particularly, to a method for modifying graphite and producing new graphite composites.

Stand der TechnikState of technology

Graphite sind aus geschichteten Ebenen hexagonaler Reihen oder Netzwerke von Kohlenstoffatomen aufgebaut. Diese geschichteten Ebenen aus hexagonal angeordneten Kohlenstoffatomen sind im Wesentlichen flach, kovalent in den flachen geschichteten Ebenen gebunden, und sind so orientiert oder geordnet, dass sie im Wesentlichen parallel und in gleichem Abstand zueinander sind. Die im Wesentlichen flachen, parallelen, gleich weit entfernten Bahnen oder Schichten von Kohlenstoffatomen, gewöhnlich als Graphenschichten oder Basalebenen bezeichnet, sind miteinander verknüpft oder verbunden, und Gruppen davon sind in Kristalliten angeordnet. Hoch geordnete Graphite bestehen aus Kristalliten beträchtlicher Größe, wobei die Kristallite zueinander in hohem Maße ausgerichtet oder orientiert sind und gut angeordnete Kohlenstoffschichten aufweisen. Mit anderen Worten, hoch geordnete Graphite weisen einen hohen Grad einer bevorzugten Kristallitorientierung auf. Es sollte erwähnt werden, dass Graphit diagonal isotrope Strukturen hat, und hergestellter flexibler Graphit somit zahlreiche anisotrope Eigenschaften, die stark gerichtet sind, zeigt oder hat, z. B. thermische und elektrische Leitfähigkeit und Flüssigkeitsdiffusion. Kurz, Graphite können als laminierte Strukturen aus Kohlenstoff charakterisiert werden, welche Strukturen sind, die aus überlagerten Schichten oder Plättchen aus Kohlenstoffatomen bestehen, die durch schwache van-der-Waals-Kräfte verbunden werden. Wenn man die Graphitstruktur betrachtet, werden gewöhnlich zwei Achsen oder Richtungen angegeben, nämlich die "c"-Achse oder -Richtung und die "a"-Achse oder -Richtung. Der Einfachheit halber kann die "c"-Achse oder -Richtung als die Richtung senkrecht zu den Kohlenstoffschichten betrachtet werden. Die "a"-Achsen oder -Richtungen können als die Richtungen parallel zu den Kohlenstoffschichten oder die Richtung senkrecht zur "c"-Richtung betrachtet werden. Die natürlichen Graphite, die zur Herstellung flexiblen Graphits geeignet sind, weisen einen sehr hohen Orientierungsgrad auf.Graphite are layered layers of hexagonal rows or networks built up of carbon atoms. These layered layers are hexagonal arranged carbon atoms are substantially flat, covalent bound in the flat layered layers, and are so oriented or ordered that they are essentially parallel and equidistant to each other. The essentially flat, parallel, equal distant or layers of carbon atoms, usually as Graphene layers or basal planes, are linked or and groups thereof are arranged in crystallites. High ordered graphites consist of crystallites considerably Size, being the crystallites are highly aligned or oriented to each other are and have well-disposed carbon layers. With others Words, highly ordered graphites have a high degree of preferred Crystallite orientation on. It should be noted that graphite is diagonal has isotropic structures, and thus manufactured flexible graphite shows numerous anisotropic properties that are highly directional or has, for. B. thermal and electrical conductivity and liquid diffusion. In short, graphites can be characterized as laminated carbon structures, which Structures are superimposed from Layers or platelets consist of carbon atoms connected by weak van der Waals forces become. When looking at the graphite structure, usually two Axes or directions specified, namely the "c" axis or direction and the "a" axis or direction. For simplicity, the "c" axis or direction as the direction perpendicular to the carbon layers become. The "a" axes or directions can be used as the directions parallel to the carbon layers or the direction considered perpendicular to the "c" direction become. The natural ones Graphites suitable for producing flexible graphite have a very high degree of orientation.

Wie vorstehend erwähnt, sind die Bindungskräfte, die parallele Schichten von Kohlenstoffatomen zusammen halten schwache van-der-Waals-Kräfte, verglichen mit den kovalenten Bindungen innerhalb der geschichteten Ebenen. Bestimmte Graphite können derart behandelt werden, dass der Zwischenraum zwischen den überlagerten Kohlenstoffschichten oder Plättchen merklich aufgeweitet werden kann, um eine deutliche Ausdehnung in der Richtung senkrecht zu den Schichten zur Verfügung zu stellen, das heißt in der "c"-Richtung, und somit eine expandierte oder gequollene Graphitstruktur zu bilden, in der die Schichteigenschaft der Kohlenstoffschichten im Wesentlichen erhalten bleibt.As mentioned above, are the binding forces, the parallel layers of carbon atoms hold together weak van der Waals forces compared with the covalent bonds within the layered planes. Certain graphites can be treated such that the gap between the superimposed carbon layers or platelets can be significantly widened to a significant extent in the direction perpendicular to the layers to provide, that is in the "c" direction, and thus an expanded or to form a swollen graphite structure in which the layer property the carbon layers is substantially retained.

Bezüglich der vorstehend erwähnten Behandlung von Graphit, wie zum Beispiel natürliche Graphit-Plättchen, mit einer interkalierenden Substanz, z. B. einer Lösung von Schwefel- und Salpetersäure, reagiert die Kristallstruktur des Graphits, um eine Verbindung aus Graphit und der interkalierenden Substanz zu bilden. Auf die behandelten Graphitteilchen kann nachstehend als "Teilchen aus interkaliertem Graphit" verwiesen werden. Bei Aussetzen an hohe Temperaturen expandieren die Teilchen aus interkaliertem Graphit in der Abmessung bis auf das 80-fache oder mehr ihres ursprünglichen Volumens in der Art einer Ziehharmonika in der "c"-Richtung, d. h. in der Richtung senkrecht zu den kristallinen Ebenen des Graphits. Die aufgeblätterten Graphitteilchen sind in ihrer Erscheinung wurmförmig und werden daher gewöhnlich als Würmer bezeichnet. Die Würmer können in flexible Bahnen zusammengepresst werden, die, anders als die ursprünglichen Graphit-Plättchen, in verschiedene Gestalten geformt und geschnitten werden können und mit kleinen diagonalen Öffnungen durch deformierenden mechanischen Druck versehen werden können.Regarding the mentioned above Treatment of graphite, such as natural graphite platelets, with an intercalating substance, e.g. B. a solution of Sulfuric and nitric acid, the crystal structure of graphite reacts to make a connection Graphite and the intercalating substance. On the treated Graphite particles may be referred to hereinafter as "particles of intercalated graphite". Upon exposure to high temperatures, the particles expand intercalated graphite in size up to 80 times or more of her original Volume in the manner of an accordion in the "c" direction, d. H. in the direction perpendicular to the crystalline planes of the graphite. The exfoliated Graphite particles are worm-shaped in appearance and are therefore commonly referred to as worms designated. The worms can be squeezed in flexible webs that, unlike the original Graphite flakes, can be shaped and cut into different shapes and with small diagonal openings can be provided by deforming mechanical pressure.

Ein allgemeines Verfahren zur Herstellung von Graphitbahnen, z. B. einer Folie aus flexiblem Graphit, wird von Shane et al. in U.S. Patent Nr. 3,404,061 beschrieben, dessen Offenbarung hier durch Bezugnahme aufgenommen ist. Wie in 1 gezeigt, werden in der typischen Praxis des Verfahrens nach Shane et al. natürliche Graphit-Plättchen 12 interkaliert 14 durch dispergieren der Plättchen in einer ein Gemisch aus Salpeter- und Schwefelsäure enthaltenden Lösung. Die Interkalationslösung kann saure Komponenten und andere im Fachgebiet bekannte interkalierende Mittel enthalten. Beispiele saurer Komponenten schließen Lösungen ein, enthaltend Salpetersäure Kaliumchlorat, Chromsäure, Kaliumpermanganat, Kaliumchromat, Kaliumdichromat, Perchlorsäure und dergleichen, oder Gemische, so wie zum Beispiel konzentrierte Salpetersäure und Chlorat, Chromsäure und Phosphorsäure, Schwefelsäure und Salpetersäure, oder Gemische einer starken organischen Säure, z. B. Trifluoressigsäure.A general process for producing graphite webs, e.g. B. a sheet of flexible graphite, is described by Shane et al. in US Pat. No. 3,404,061, the disclosure of which is incorporated herein by reference. As in 1 are shown in the typical practice of the method according to Shane et al. natural graphite platelets 12 intercalated 14 by dispersing the platelets in a solution containing a mixture of nitric and sulfuric acid. The intercalation solution may contain acidic components and other intercalating agents known in the art. Examples of acidic components include solutions containing nitric acid, potassium chlorate, chromic acid, potassium permanganate, potassium chromate, potassium dichromate, perchloric acid and the like, or mixtures such as concentrated nitric acid and chlorate, chromic acid and phosphoric acid, sulfuric acid and nitric acid, or mixtures of a strong organic acid. z. B. trifluoroacetic acid.

Nach dem Interkalieren der Plättchen wird jegliche überschüssige Lösung von den Plättchen abgelassen und die Plättchen werden mit Wasser gewaschen. Die Menge an Interkalationslösung, die nach dem Ablassen auf den Plättchen zurückbleibt, kann von 20 bis 150 Gewichtsteile Lösung auf 100 Gewichtsteile Graphitplättchen (pph) reichen, typischerweise etwa 50 bis 120 pph.After intercalating the platelets, any excess solution is drained from the platelets and the platelets are washed with water. The amount of intercalation solution that After draining on the platelets, from 20 to 150 parts by weight solution to 100 parts by weight of graphite platelets (pph) can range, typically about 50 to 120 pph.

In einer anderen Ausführungsform kann die Menge an Interkalationslösung auf zwischen 10 bis 50 Teile Lösung auf 100 Gewichtsteile (pph) Graphit eingeschränkt werden, wodurch der Schritt des Waschens eliminiert wird, wie in U.S. Patent Nr. 4,895,713 berichtet und beschrieben, dessen Offenbarung hier ebenfalls durch Bezugnahme aufgenommen ist. Nach dem Aussetzen 16 an hohe Temperaturen, z. B. 700 °C bis 1000 °C, expandieren die Teilchen aus interkaliertem Graphit bis auf das 80 bis 1000-fache ihres ursprünglichen Volumens in der Art einer Ziehharmonika in der c-Richtung, d. h. in der Richtung senkrecht zu den kristallinen Ebenen des Graphitteilchen-Bestandteils. Wie vorstehend vermerkt, ist der expandierte Graphit 18 von wurmförmiger Erscheinung und wird daher gewöhnlich als Würmer bezeichnet. Die Würmer können in flexible Bahnen zusammengepresst werden, die, anders als die ursprünglichen Graphit-Plättchen, in verschiedene Gestalten geformt und geschnitten werden können und mit kleinen diagonalen Öffnungen durch deformierenden mechanischen Druck versehen werden können, wie nachstehend beschrieben.In another embodiment, the amount of intercalation solution may be limited to between 10 to 50 parts solution to 100 parts by weight (pph) graphite, thereby eliminating the washing step as reported and described in US Patent No. 4,895,713, the disclosure of which is also incorporated herein by reference Reference is incorporated. After exposure 16 to high temperatures, eg. B. 700 ° C to 1000 ° C, expand the particles of intercalated graphite to 80 to 1000 times their original volume in the manner of a concertina in the c-direction, ie in the direction perpendicular to the crystalline planes of graphite particles. ingredient. As noted above, the expanded graphite is 18 of worm-like appearance and is therefore commonly referred to as worms. The worms may be compressed into flexible sheets which, unlike the original graphite sheets, may be formed and cut into various shapes and provided with small diagonal openings by deforming mechanical pressure, as described below.

Ein Nachteil des vorstehenden Interkalationsverfahrens ist, dass es ein beträchtliches Abführen der während des Prozesses gebildeten ausströmenden Stoffe erfordert. Das Verfahren erzeugt verschiedene Spezies an schwefel- und stickstoffhaltigen Verbindungen sowohl in flüssigem als auch in gasförmigem Zustand, welche abgeführt werden müssen. Es besteht ein Bedarf, ein Interkalationsverfahren zu entwickeln, welches die Erzeugung der umweltschädlichen Schwefel- und/oder Stickstoffspezies verringert, und bevorzugt ausschließt, und ebenso die Verwendung chemischer Verbindungen zur Behandlung der umweltschädlichen Schwefel- und/oder Stickstoffspezies verringert, und bevorzugt ausschließt.One Disadvantage of the above intercalation method is that it a considerable one lead away while the process formed effluent Substances required. The method produces different species sulfuric and nitrogen containing compounds in both liquid and also in gaseous State, which dissipated Need to become. There is a need to develop an intercalation method which is the generation of polluting sulfur and / or nitrogen species reduced, and preferably excludes, and also the use chemical compounds for the treatment of environmentally harmful Sulfur and / or nitrogen species reduced, and preferably excludes.

Ein weiterer Nachteil des herkömmlichen Verfahrens zum Interkalieren und Aufblättern besteht darin, dass es nicht angewendet werden kann, um das Ausmaß des Aufblätterns zu regulieren oder um Graphit-Plättchen im Nanogrößenbereich herzustellen. Folglich wird das durch das Verfahren hergestellte expandierte Graphit-Plättchen eine Dicke von mindestens 10 μm oder mehr aufweisen, typischerweise mindestens 50 μm oder mehr. Es besteht daher auch der Bedarf, das Ausmaß des Aufblätterns regulieren zu können und Graphitteilchen im Nanogrößenbereich herstellen zu können.One Another disadvantage of the conventional method for intercalating and paging is that it can not be applied to the extent of paging regulate or around graphite platelets in the nano-size range manufacture. Consequently, the process produced by the process expanded graphite platelets a thickness of at least 10 microns or more, typically at least 50 microns or more. There is therefore also the need to be able to regulate the extent of paging and Nano-sized graphite particles to be able to produce.

Offenbarung der Erfindungepiphany the invention

Eine erste Ausführungsform der Erfindung schließt ein Verfahren zur Modifizierung von Graphit ein. Das Verfahren schließt den Schritt des Einführens einer interkalierenden Substanz in mindestens ein natürliches Graphit-Plättchen ein. Im besonderen umfasst das Verfahren das zur Verfügung stellen mindestens eines interkalierten Graphitplättchens und das Einführen eines Fluids in mindestens einen von einer Mehrzahl an Zwischenräumen des Plättchens, wobei das Fluid mindestens eines von einem unterkritischen Fluid, Fluid nahe dem kritischen Punkt oder einem überkritischen Fluid umfasst.A first embodiment the invention concludes a method for modifying graphite. The procedure concludes the step of introduction an intercalating substance into at least one natural one Graphite flake one. In particular, the method includes providing at least an intercalated graphite plate and the introduction a fluid in at least one of a plurality of clearances of the plate, wherein the fluid is at least one of a subcritical fluid, Fluid near the critical point or a supercritical fluid comprises.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung schließt ein Verfahren zur Herstellung mindestens eines Graphitteilchens im Nanogrößenbereich ein. Die Schritte des Verfahrens schließen das Interkalieren mindestens eines Plättchens natürlichen Graphits mit einer interkalierenden Substanz, und gegebenenfalls einem Oxidationsmittel, ein, und das Einführen eines Fluids in mindestens einen von einer Mehrzahl an Zwischenräumen des Plättchens. Bevorzugt umfasst das Fluid mindestens eines von einem unterkritischen Fluid, Fluid nahe dem kritischen Punkt oder einem überkritischen Fluid.A other embodiment the invention concludes a process for producing at least one graphite particle in the nano-size range one. The steps of the procedure include intercalating at least a slide natural Graphites with an intercalating substance, and optionally one Oxidizing agent, a, and the introduction of a fluid in at least one of a plurality of interstices of the platelet. Preferably, this includes Fluid at least one of a subcritical fluid, fluid near the critical point or a supercritical one Fluid.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Graphit-Verbundstoffes. Das Verfahren zur Herstellung des Graphit-Verbundstoffes schließt den Interkalationsschritt mindestens eines Plättchens natürlichen Graphits mit einer interkalierenden Substanz, mit oder ohne Oxidationsmittel ein. Das Verfahren schließt auch den Schritt des Einführens eines Fluids in mindestens einen von einer Mehrzahl an Zwischenräumen des Plättchens ein. Bevorzugt umfasst das Fluid mindestens eines von einem unterkritischen Fluid, Fluid nahe dem kritischen Punkt oder einem überkritischen Fluid. Das Verfahren schließt weiterhin Aufblättern des Graphit-Plättchens ein, wodurch expandierter Graphit gebildet wird, und Mischen einer wirksamen Menge an expandiertem Graphit mit einem polymeren Material, wodurch ein Graphit-Polymer-Verbundstoff gebildet wird.A another embodiment The invention is a method for producing a graphite composite. The Method for producing the graphite composite at least closes the intercalation step a slide natural Graphites with an intercalating substance, with or without oxidizing agent one. The procedure concludes also the step of introducing a fluid in at least one of a plurality of interstices of the platelet one. Preferably, the fluid comprises at least one of a subcritical Fluid, fluid near the critical point or a supercritical fluid. The process continues to close Exploding the Graphite flake a, whereby expanded graphite is formed, and mixing a effective amount of expanded graphite with a polymeric material, whereby a graphite-polymer composite is formed.

Darüber hinaus schließen die Ausführungsformen der Erfindung einen Graphit-Polymer-Verbundstoff ein. Ein Verbundstoff schließt ein polymeres Material und eine wirksame Menge einer Mehrzahl von Graphitteilchen derart ein, dass ein Beladungsverhältnis an Graphitteilchen im Verbundstoff weniger als etwa 20 % umfasst. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung schließt einen zweiten Graphit-Polymer-Verbundstoff ein. Dieser Verbundstoff schließt ein polymeres Material und eine wirksame Menge einer Mehrzahl an Graphitteilchen derart ein, dass ein Beladungsverhältnis der Graphitteilchen in dem Verbundstoff mindestens etwa 70 % umfasst. Bevorzugt weist mindestens eines der Graphitteilchen eine Oberfläche von mindestens etwa 100 m²/g oder ein Seitenverhältnis von mindestens etwa 100.000 : 1 auf.In addition, embodiments of the invention include a graphite-polymer composite. A composite includes a polymeric material and an effective amount of a plurality of graphite particles such that a loading ratio of graphite particles in the composite comprises less than about 20%. Another embodiment of the invention includes a second graphite-polymer composite. This composite includes a polymeric material and an effective amount of a plurality of graphite particles such that a loading ratio of the graphite particles in the composite comprises at least about 70%. Preferably, at least one of the graphite particles has a surface area of at least about 100 m ² / g or an aspect ratio of at least about 100,000: 1.

Ausführungsformen der Erfindung schließen auch ein Verfahren zur Bildung eines Graphitverbundstoffes ein. Das Verfahren schließt das Einführen einer interkalierenden Substanz in mindestens einen Zwischenraum mindestens eines Plättchens natürlichen Graphits ein. Das Verfahren schließt ferner das Einführen eines Fluids in diesen mindestens einen Zwischenraum des Plättchens ein. Das Fluid umfasst mindestens eines von einem unterkritischen Fluid, Fluid nahe dem kritischen Punkt oder einem überkritischen Fluid. Das Verfahren schließt ferner Mischen des Plättchens mit einem Polymer ein, wobei der Graphit-Polymer-Verbundstoff gebildet wird.embodiments The invention also includes a method of forming a graphite composite. The procedure includes the introduction an intercalating substance in at least one space at least one tile natural Graphite. The method further includes introducing a Fluids in these at least one space of the plate one. The fluid comprises at least one of a subcritical fluid, Fluid near the critical point or a supercritical fluid. The procedure includes further mixing the platelet with a polymer forming the graphite-polymer composite becomes.

Ein Vorteil der Erfindung ist, dass die vorstehend erwähnten Verfahren verwendet werden können, um Graphit in einer Form herzustellen, die eine Dicke von weniger als etwa 10 μm aufweist, bevorzugt weniger als etwa 1 μm, stärker bevorzugt weniger als etwa 100 nm, noch stärker bevorzugt weniger als etwa 10 nm, und am meisten bevorzugt weniger als etwa 1 nm. Die erfindungsgemäßen Verfahren können auch verwendet werden, um die Volumenexpansion des Graphitteilchens während der Verarbeitung zu steigern, verglichen mit der Volumenexpansion, die aus dem herkömmlichen Verfahren zum Interkalieren-Aufblättern resultiert. Die erfindungsgemäßen Verfahren können eine Volumenexpansion eines einzelnen Graphitteilchens von mehr als etwa 1000-fach ergeben. Es wird angenommen, dass die Volumenexpansion eines nach den erfindungsgemäßen Verfahren verarbeiteten Teilchens mindestens etwa eine zehnfache (10) Zunahme umfasst, wie im Vergleich zu der Volumenexpansion eines gemäß dem herkömmlichen Verfahren behandelten Teilchens.One Advantage of the invention is that the above-mentioned methods can be used to produce graphite in a mold having a thickness of less than about 10 μm preferably less than about 1 μm, more preferably less than about 100 nm, even stronger preferably less than about 10 nm, and most preferably less than about 1 nm. The inventive methods can also used to control the volume expansion of the graphite particle during the To increase processing, compared to the volume expansion, the from the conventional Procedure for intercalating-paging results. The inventive method can a volume expansion of a single graphite particle of more than about 1000 times. It is believed that the volume expansion one according to the inventive method processed particle at least about a ten-fold (10) increase comprises, as compared to the volume expansion, one according to the conventional one Method of treated particle.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass sie ein neues Verfahren zur Verarbeitung natürlichen Graphits in neue Formen pulverförmigen Graphits einschließt, welche zur Anwendung in Superkondensatoren, Batterien, Katalysatorträgermaterialien und Polymer/Graphit-Verbundstoffen kommen.One Another advantage of the invention is that it is a new process for processing natural graphite powdery in new forms Includes graphite, which for use in supercapacitors, batteries, catalyst support materials and polymer / graphite composites come.

Das Umsetzen der Erfindung in die Praxis wird den Vorteil der Reduktion, bevorzugt der Vermeidung, der Erzeugung von umweltschädlichen schwefelhaltigen und/oder stickstoffhaltigen Spezies während des Interkalierungsverfahrens ergeben. Ebenso kann das Umsetzen der Erfindung in die Praxis den Vorteil der Reduktion, bevorzugt der Vermeidung, des Verbrauchs an chemischen Verbindungen zur Behandlung der umweltschädlichen schwefelhaltigen und/oder stickstoffhaltigen Spezies, die während des Interkalierungsverfahrens erzeugt werden, ergeben.The Putting the invention into practice will have the advantage of reducing, prefers to avoid the generation of environmentally harmful sulfur-containing and / or nitrogen-containing species during the Intercalierungsverfahrens. Likewise, the implementation of the Invention in practice the advantage of reduction, preferably the Avoidance of the consumption of chemical compounds for treatment the environmentally harmful sulfur-containing and / or nitrogen-containing species during the intercalation process be produced arise.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass eine Ausführungsform der Erfindung durchgeführt werden kann, um ein aufgeblättertes Graphitteilchen herzustellen, welches das vorstehend erwähnte Erwärmen des interkalierten Graphits auf eine Temperatur von 700 °C bis 1200 °C nicht erfordert. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die Erfindung durchgeführt werden kann, um einen Graphitgegenstand herzustellen, der die vorstehend erwähnten schwefelhaltigen Spezies und/oder stickstoffhaltigen Spezies im Wesentlichen nicht aufweist. Darüber hinaus schließen die Vorteile der Erfindung ein, dass die Verwendung einer gänzlich neuen Klasse chemischer Verbindungen als interkalierende Substanzen, im Vergleich zu den bislang als interkalierende Substanzen zur Verfügung stehenden, ermöglicht wird.One Another advantage of the invention is that an embodiment of the invention can be an exfoliated Produce graphite particles, the above-mentioned heating of the intercalated graphite to a temperature of 700 ° C to 1200 ° C is not required. Another advantage of the invention is that the invention is carried out can to produce a graphite article, the above mentioned sulfuric Essentially, species and / or nitrogen-containing species are not having. About that close out the advantages of the invention that the use of a completely new Class of chemical compounds as intercalating substances, in Compared to those available so far as intercalating substances, allows becomes.

Zusätzlich wird die Umsetzung der Erfindung in die Praxis den Vorteil ergeben, dass expandierter Graphit hergestellt werden kann, ohne herkömmliche Interkalierungsverfahren durchführen zu müssen. Die Vorteile der Erfindung schließen auch die Fähigkeit ein, das Fluid wiederzuverwenden, wodurch sich die Vorteile des Verminderns des Bedarfs an Abfallbeseitigung und Verminderns der Materialkosten ergeben.In addition will the implementation of the invention in practice, the advantage that expanded graphite can be made without conventional intercalation carry out to have to. The To close advantages of the invention also the ability to reuse the fluid, thereby taking advantage of the Reduce the need for waste disposal and reduce the Material costs result.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die Erfindung ausgeführt werden kann, um benachbarte Graphenschichten zu trennen, welche keine Defekte zwischen den benachbarten Schichten aufweisen, oder Defekte innerhalb der kristallinen Schicht. Defekte wird hier verwendet, um Unregelmäßigkeiten in der Struktur des Graphit-Plättchens zu beschreiben, wie zum Beispiel Kristallversetzungen, atomare Fehlstellen, Bruchebenen, polykristalline Korngrenzen oder andere kristalline strukturelle Unregelmäßigkeiten, sowie Verunreinigungen zwischen den Graphenschichten, wie zum Beispiel die Anwesenheit von Silizium, Magnesium, Kalium, Natrium, Aluminium, Eisen oder Phosphorelementen zwischen den Graphenschichten.One Another advantage of the invention is that the invention be carried out can separate adjacent graphene layers, which are not defects between the adjacent layers, or defects within the crystalline layer. Defects are used here to irregularities in the structure of the graphite plate too describe, for example, crystal dislocations, atomic imperfections, Fracture planes, polycrystalline grain boundaries or other crystalline structural irregularities, and impurities between the graphene layers, such as the presence of silicon, magnesium, potassium, sodium, aluminum, Iron or phosphorus elements between the graphene layers.

Darüber hinaus schließen die Vorteile der Erfindung die Befähigung zur Regulierung der Trennung des Abstandes zwischen den jeweiligen Graphenschichten des Graphit-Plättchens durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Interkalieren und Aufblättern ein. Diese Verfahren können verwendet werden, um ein Graphitteilchen im Nanogrößenbereich herzustellen. Partikel im Nanogrößenbereich weisen vorteilhafte Anwendungen auf dem Gebiet der elektrisch leitfähigen Polymerverbundstoffe, thermisch leitfähigen Polymerverbundstoffe, Superkondensatoren, Katalysator- und/oder Metallträgermaterialien, Batterien und der Mikroelektronik auf. Die Graphitteilchen im Nanogrößenbereich können zu polymeren Materialien gegeben werden, um Verbundstoffe mit verbesserten elektrischen Eigenschaften, mechanischen Festigkeitseigenschaften, thermischem Expansionskoeffizienten und/oder Barriereleistung herzustellen.Moreover, the advantages of the invention include the ability to regulate the separation of the spacing between the respective graphene layers of the graphite wafer by the intercalation and paging method of the invention. These methods can be used to prepare a nanosized graphite particle. Nanosized particles have advantageous applications in the field of electrically conductive polymer composites, thermally conductive polymer composites, supercapacitors, catalyst and / or metal substrates, batteries, and microelectronics. The nano-sized graphite particles may become too polymeric materials to produce composites with improved electrical properties, mechanical strength properties, thermal expansion coefficient and / or barrier performance.

Die Vorteile der Erfindung schließen auch ein, dass die erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden können, um Graphit-Plättchen zu verarbeiten, welche in einer Abmessung etwa 50 μm oder weniger aufweisen, sogar Graphit-Plättchen, die in einer Abmessung etwa 10 μm oder weniger aufweisen.The To close advantages of the invention also, that the inventive method can be used around graphite platelets to process, which in a dimension about 50 microns or less even graphite platelets, in a dimension of about 10 microns or less.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden ausführlichen Beschreibung bekannt gemacht, in den Ansprüchen sowie auch in den anhängenden Zeichnungen. Es sollte selbstverständlich sein, dass sowohl die allgemeine Beschreibung als auch die folgende ausführliche Beschreibung Ausführungsformen der Erfindung darstellen und dazu gedacht sind, einen Überblick oder einen Rahmen zum Verständnis des Wesens und des Charakters der Erfindung zur Verfügung zu stellen, so wie sie beansprucht wird. Die anhängenden Zeichnungen sind mit eingeschlossen, um weiteres Verständnis der Erfindung zur Verfügung zu stellen, und sind in diese Beschreibung eingeschlossen und stellen einen Teil derselben dar. Die Zeichnungen veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung, und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Grundlagen und Arbeitsvorgänge der Erfindung zu erklären.Further Features and advantages of the invention will become more apparent in the following Description made known in the claims as well as in the appended Drawings. It should be understood that both the general description as well as the following detailed Description of embodiments represent the invention and are intended to provide an overview or a framework for understanding of the nature and character of the invention as it is claimed. The attached drawings are with included in order to provide further understanding of the invention and are included in this description a part of the same. The drawings illustrate various embodiments of the invention, and together with the description, serve Basics and work processes to explain the invention.

1 stellt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung aufgeblätterten Graphits dar, entsprechend einem herkömmlichen Verfahren zum Interkalieren und Aufblättern. 1 FIG. 12 is a schematic representation of a process for producing exfoliated graphite according to a conventional intercalation and paging method. FIG.

2 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung aufgeblätterten Graphits. 2 is a schematic representation of a process according to the invention for the production of exfoliated graphite.

3 ist eine schematische zerlegte Darstellung des erfindungsgemäßen Einführens eines überkritischen Fluids in die in Zwischenräumen gelegenen Galerien eines Stückes eines natürlichen Graphit-Plättchens. 3 Figure 3 is a schematic exploded view of the introduction of supercritical fluid into the interstitial galleries of a piece of natural graphite plate according to the present invention.

4 ist ein Blockdiagramm zweier verschiedener Stufen des Interkalierens. 4 is a block diagram of two different stages of intercalation.

5 stellt ein Phasendiagramm für ein Fluid in willkürlichen Einheiten dar und zeigt Bedingungen zum Einführen der interkalierenden Substanz und Aufblättern des Graphits, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 5 FIG. 12 illustrates a phase diagram for a fluid in arbitrary units and shows conditions for introducing the intercalating substance and flaring graphite, according to an embodiment of the invention. FIG.

Bevorzugte Ausführungsform der Erfindungpreferred embodiment the invention

Die Erfindung wird weiter hinsichtlich der anhängenden Zeichnungen beschrieben. Wann möglich, können ähnliche oder gleiche Referenzzahlen verwendet werden, um ähnliche oder gleiche Elemente zu beschreiben. In 2 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Modifizierung von Graphit gezeichnet, allgemein als 20 bezeichnet.The invention will be further described with reference to the attached drawings. Whenever possible, similar or like reference numbers may be used to describe similar or similar elements. In 2 is a schematic representation of an embodiment of a method according to the invention for the modification of graphite drawn, generally as 20 designated.

Für die Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignete Graphit-Ausgangsmaterialien schließen hoch-graphitartige kohlenstoffartige Materialien ein, die in der Lage sind, organische und anorganische Säuren sowie Halogene zu interkalieren und anschließend beim Aussetzen gegenüber Wärme zu expandieren. Diese hoch-graphitartigen kohlenstoffartigen Materialien weisen bevorzugt einen Graphitisierungsgrad von etwa 1,0 auf. Wie in dieser Offenbarung verwendet, bezieht sich der Begriff " Graphitisierungsgrad" auf den Wert g gemäß der Formel: g = 3,45 – d(002)0,095 wobei d(002) der Abstand zwischen den graphitartigen Schichten der Kohlenstoffe in der Kristallstruktur in Angstrom gemessen ist. Der Abstand d zwischen den Graphitschichten wird durch Standard-Röntgenbeugungsmethoden gemessen. Die Positionen der Beugungssignale entsprechend der Miller-Indices (002), (004) und (006) werden gemessen, und Standard-Methoden der kleinsten Quadrate werden angewendet, um den Abstand abzuleiten, wodurch der Gesamtfehler für all diese Signale minimiert wird. Beispiele für hoch-graphitartige kohlenstoffartige Materialien schließen natürliche Graphite aus verschiedenen Quellen ein, sowie andere kohlenstoffartige Materialien, wie Graphit hergestellt durch chemische Dampfphasenabscheidung, Hochtemperaturpyrolyse von Polymeren oder Kristallisation aus geschmolzenen Metalllösungen, und dergleichen. Natürlicher Graphit wird am meisten bevorzugt.Suitable graphite starting materials for use in the present invention include high graphitic carbonaceous materials capable of intercalating organic and inorganic acids as well as halogens and then expanding upon exposure to heat. These high-graphitic carbonaceous materials preferably have a degree of graphitization of about 1.0. As used in this disclosure, the term "degree of graphitization" refers to the value g according to the formula: g = 3,45 - d (002) 0,095 where d (002) is the distance between the graphitic layers of carbons in the crystal structure in Angstroms. The distance d between the graphite layers is measured by standard X-ray diffraction methods. The positions of the diffraction signals corresponding to Miller indices (002), (004) and (006) are measured, and standard least squares methods are used to derive the distance, thereby minimizing the overall error for all of these signals. Examples of high graphitic carbonaceous materials include natural graphites from various sources, as well as other carbonaceous materials such as graphite made by chemical vapor deposition, high temperature pyrolysis of polymers or crystallization from molten metal solutions, and the like. Natural graphite is most preferred.

Die in der vorliegenden Erfindung verwendeten Graphit-Ausgangsmaterialien können nicht-graphitartige Komponenten enthalten, solange die Kristallstruktur der Ausgangsmaterialien den erforderlichen Graphitisierungsgrad erhält und sie in der Lage sind aufzublättern. Im allgemeinen ist jedes kohlenstoffhaltige Material, dessen Kristallstruktur den erforderlichen Graphitisierungsgrad aufweist und das aufgeblättert werden kann, zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet. Derartiger Graphit hat bevorzugt einen Aschegehalt von weniger als etwa 20 Gew. %. Stärker bevorzugt weist der für die vorliegende Erfindung verwendete Graphit eine Reinheit von mindestens etwa 94 % auf. In der am stärksten bevorzugten Ausführungsform hat der verwendete Graphit eine Reinheit von mindestens etwa 98 %.The graphite starting materials used in the present invention may contain non-graphitic components so long as the crystal structure of the starting materials has the required degree of graphitization and is able to flake. In general, any carbonaceous material whose crystal structure has the required degree of graphitization and which can be exfoliated is suitable for use in the present invention. Such graphite preferably has an ash content of less than about 20% by weight. More preferably, the graphite used in the present invention has a purity of at least about 94%. In the most preferred embodiment, it has been used Graphite has a purity of at least about 98%.

Das erfindungsgemäße Verfahren schließt einen Schritt 24 ein, der ein interkaliertes Graphit-Plättchen zur Verfügung stellt. In einer vorteilhaften Ausführungsform kann dieser Schritt Interkalieren von mindestens einem Plättchen natürlichen Graphits 22 mit einer interkalierenden Substanz und, gegebenenfalls, einem Oxidationsmittel umfassen. In einer Ausführungsform werden die natürlichen Graphit-Plättchen interkaliert durch Dispergieren der Plättchen in einer Lösung, die ein Gemisch aus Salpetersäure (Oxidationsmittel) und Schwefelsäure (interkalierende Substanz) enthält. Die Interkalationslösung kann andere saure Komponenten und interkalierende Substanzen anstatt von oder zusätzlich zu Schwefelsäure enthalten. Beispiele anderer saurer Verbindungen schließen Lösungen ein, enthaltend organische Säuren, z. B. Essigsäure, Salpetersäure, Kaliumchlorat, Chromsäure, Kaliumpermanganat, Kaliumchromat, Kaliumdichromat, Perchlorsäure und dergleichen, oder Gemische, so wie zum Beispiel konzentrierte Salpetersäure und Chlorat, Chromsäure und Phosphorsäure, Schwefelsäure und Salpetersäure, oder Gemische einer starken organischen Säure, z. B. Trifluoressigsäure. Gegebenenfalls kann das Oxidationsmittel Salpetersäure, Ozonsauerstoff, Wasserstoffperoxid, Bisulfatsalze, Carbonate, Hexafluorophosphate, Tetrafluoroborate, Perchlorate und Kombinationen davon umfassen.The method according to the invention includes a step 24 a, which provides an intercalated graphite plate. In an advantageous embodiment, this step may involve intercalating at least one platelet of natural graphite 22 with an intercalating substance and, optionally, an oxidizing agent. In one embodiment, the natural graphite platelets are intercalated by dispersing the platelets in a solution containing a mixture of nitric acid (oxidizer) and sulfuric acid (intercalating substance). The intercalation solution may contain other acidic components and intercalating substances instead of or in addition to sulfuric acid. Examples of other acidic compounds include solutions containing organic acids, e.g. Acetic acid, nitric acid, potassium chlorate, chromic acid, potassium permanganate, potassium chromate, potassium dichromate, perchloric acid and the like, or mixtures such as concentrated nitric acid and chlorate, chromic acid and phosphoric acid, sulfuric acid and nitric acid, or mixtures of a strong organic acid, e.g. B. trifluoroacetic acid. Optionally, the oxidizing agent may include nitric acid, ozone oxygen, hydrogen peroxide, bisulfate salts, carbonates, hexafluorophosphates, tetrafluoroborates, perchlorates, and combinations thereof.

In einer anderen Ausführungsform, kann elektrolytische Oxidation statt oder zusammen mit dem Oxidationsmittel verwendet werden. Zur weiteren Beschreibung bezüglich der Verwendung elektrolytischer Oxidation ist die Beschreibung aus U.S. Patent 6,406,612 hier durch Bezugnahme aufgenommen.In another embodiment, Can electrolytic oxidation take place or together with the oxidant be used. For further description regarding the use of electrolytic Oxidation is the description of U.S. Pat. Patent 6,406,612 hereby Reference incorporated.

Bevorzugte Ausführungsformen des interkalierenden Mittels umfassen eine Lösung eines Gemisches aus Schwefelsäure, oder Schwefelsäure und Phosphorsäure, und eine andere Komponente, d. h. Salpetersäure, Perchlorsäure, Chromsäure, Kaliumpermanganat, Wasserstoffperoxid, Iod- oder Periodsäuren, oder dergleichen. Obwohl weniger bevorzugt, kann die Interkalationslösung Metallhalogenide, wie zum Beispiel Eisenchlorid und Eisenchlorid vermischt mit Schwefelsäure, oder Halogene, wie zum Beispiel Brom in einer Lösung aus Brom und Schwefelsäure oder Brom in einem organischen Lösungsmittel, enthalten.preferred embodiments of the intercalating agent comprise a solution of a mixture of sulfuric acid, or sulfuric acid and phosphoric acid, and another component, d. H. Nitric acid, perchloric acid, chromic acid, potassium permanganate, Hydrogen peroxide, iodic or periodic acids, or the like. Even though less preferred, the intercalation solution may be metal halides, such as for example, ferric chloride and ferric chloride mixed with sulfuric acid, or Halogens, such as bromine in a solution of bromine and sulfuric acid or Bromine in an organic solvent, contain.

Bevorzugt umfasst das Interkalieren Stufe 5 oder darunter, womit jedweder der Interkalationsschritte 1 bis 5 gemeint ist. Ein Interkalationsschritt bezieht sich auf den Grad der Trennung zwischen den Graphenschichten und ist weiter in 4 dargestellt, im Allgemeinen mit 50 bezeichnet. 4 stellt das Interkalieren eines Stückes eines natürlichen Graphit-Plättchens 52 auf entweder Stufe 3 oder Stufe 1 des Interkalierens dar. Wie in Stufe 3 des Interkalierens 54 gezeigt, ist die interkalierende Substanz 60 zwischen jede dritte Graphenschicht 58 eingefügt. Bezüglich Stufe 1 des Interkalierens 56, ist die interkalierende Substanz 60 zwischen jedes Paar benachbarter Graphenschichten 58 eingefügt. Somit deutet die bevorzugte Stufe des Interkalierens (Stufe 5 oder darunter) an, dass ein gewisses Ausmaß der Trennung zwischen etwa jeder fünften Graphenschicht bis zu etwa jeder benachbarten Graphenschicht besteht.Preferably, the intercalation comprises step 5 or below, meaning any of the intercalation steps 1 to 5. An intercalation step refers to the degree of separation between the graphene layers and is further in 4 represented generally at 50. 4 represents the intercalation of a piece of a natural graphite tile 52 at either level 3 or level 1 of the intercalation. As in level 3 of intercalation 54 shown is the intercalating substance 60 between every third graphene layer 58 inserted. Regarding level 1 of intercalation 56 , is the intercalating substance 60 between each pair of adjacent graphene layers 58 inserted. Thus, the preferred level of intercalation (stage 5 or below) implies that there is some separation between about every fifth graphene layer to about every adjacent graphene layer.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst Einführen eines Fluids in mindestens einen von einer Mehrzahl von Zwischenräumen des interkalierten Graphit-Plättchens, dargestellt als Schritt 24 in 2. Ein Fluid wird hier verwendet, um eine Verbindung zu definieren, die eine Flüssigkeit, ein Gas oder eine Substanz nahe oder über ihrem kritischen Punkt sein kann. Am meisten bevorzugt umfasst das Fluid mindestens eines von einem unterkritischen Fluid, Fluid nahe dem kritischen Punkt oder einem überkritischen Fluid.The method of the invention comprises introducing a fluid into at least one of a plurality of interstices of the intercalated graphite plate, shown as a step 24 in 2 , A fluid is used herein to define a compound which may be a liquid, gas or substance near or above its critical point. Most preferably, the fluid comprises at least one of a subcritical fluid, fluid near the critical point, or a supercritical fluid.

Ein unterkritisches Fluid ist ein Fluid, wobei mindestens dessen Temperatur oder dessen Druck (und am meisten bevorzugt beide) geringer als ein kritischer Punkt des Fluids ist, bevorzugt beide. Unter Bezugnahme auf 5, die ein veranschaulichendes Phasendiagramm eines Fluids darstellt, umfasst mindestens Temperatur oder Druck weniger als die jeweiligen mit dem kritischen Punkt 74 assoziierten Werte, bevorzugt sowohl die Temperatur als auch der Druck.A subcritical fluid is a fluid wherein at least its temperature or pressure (and most preferably both) is less than a critical point of the fluid, preferably both. With reference to 5 , which is an illustrative phase diagram of a fluid, includes at least one of temperature and pressure less than the respective ones with the critical point 74 associated values, preferably both the temperature and the pressure.

Ein Fluid nahe dem kritischen Punkt ist ein Fluid, das eine Temperatur aufweist, die mindestens die Temperatur des Tripelpunkts für das spezielle Fluid umfasst, und einen Druck, der mindestens den mit dem Tripelpunkt für das Fluid assoziierten Druck umfasst. In der Kombination aus Druck und Temperatur beträgt jedoch mindestens Druck oder Temperatur nicht mehr als etwa der kritische Punkt des Fluids. Bezüglich 5 liegt mindestens Druck oder Temperatur auf mindestens Punkt 72 für den Tripelpunkt und nicht höher als Punkt 74 für den kritischen Punkt.A fluid near the critical point is a fluid having a temperature at least the temperature of the triple point for the particular fluid and a pressure including at least the pressure associated with the triple point for the fluid. However, in the combination of pressure and temperature, at least pressure or temperature is not more than about the critical point of the fluid. In terms of 5 at least pressure or temperature is at least point 72 for the triple point and not higher than point 74 for the critical point.

Ein superkritisches Fluid wird gewöhnlich definiert als eine Flüssigkeit mit den Eigenschaften eines Gases oder umgekehrt. Die Eigenschaften eines superkritischen Fluids sind eine Kombination der beobachteten Eigenschaften, wenn das Fluid sich im Gaszustand und Flüssigkeitszustand befindet. Mit anderen Worten, einige der Eigenschaften des Fluids werden dem Fluid im Flüssigkeitszustand entsprechen, während andere dem Fluid im Gaszustand entsprechen werden. Bezüglich 5 umfassen Temperatur und Druck des Fluids mindestens eine Temperatur oder einen Druck, der mit dem kritischen Punkt 74 assoziiert ist, oder darüber.A supercritical fluid is usually defined as a liquid having the properties of a gas or vice versa. The properties of a supercritical fluid are a combination of the observed properties when the fluid is in the gas and liquid states. In other words, some of the properties of the fluid will correspond to the fluid in the fluid state while others will correspond to the fluid in the gas state. In terms of 5 For example, temperature and pressure of the fluid include at least one temperature or pressure that is critical Point 74 associated or above.

Bevorzugte Arten von Fluiden sind Wasser, Helium und Kohlendioxid. Der kritische Punkt (auch als überkritischer Punkt bezeichnet) von Wasser umfasst eine Temperatur von mindestens etwa 374 °C und einen Druck von mindestens etwa 22,1 MPa. Bei oder um den kritischen Punkt sinken Dichte und Viskosität von Wasser, wodurch das Diffusionsvermögen der Wassermoleküle und die Beweglichkeit anderer im Wasser gelöster chemischer Spezies steigt. Es wird folglich eine Verbesserung im Massentransfer erreicht.preferred Types of fluids are water, helium and carbon dioxide. The critical Point (also as supercritical Point) of water includes a temperature of at least about 374 ° C and a pressure of at least about 22.1 MPa. At or around the critical Point density and viscosity decrease of water, whereby the diffusibility of the water molecules and the Agility of other chemical species dissolved in the water increases. It Consequently, an improvement in mass transfer is achieved.

Im überkritischen Zustand ändert sich auch das saure Produkt und die dielektrische Umgebung und die Oxidationskraft des Mediums wird verstärkt. All diese Eigenschaften tragen dazu bei, dass überkritisches Wasser ein hervorragendes Reaktionsmedium wird. Die dielektrische Konstante von überkritischem Wasser sinkt von 78 auf 5. Die vorstehend erwähnte dielektrische Konstante stellt einen typischen Wert für polare Konstanten dar, womit Wasser ein gutes Lösungsmittel für Gase und organische Verbindungen wird. In Anbetracht der vorstehenden Eigenschaftsänderungen hat sich gezeigt, dass überkritisches Wasser sehr leicht eine poröse Struktur durchdringt. Der kritische Punkt von Kohlendioxid umfasst eine Temperatur von mindestens etwa 31 °C und einen Druck von mindestens etwa 7,4 MPa. Überkritisches Kohlendioxid weist ein ähnliches Verhalten auf wie überkritisches Wasser und es hat sich auch gezeigt, dass es sehr leicht eine poröse Struktur durchdringt. Zusätzlich zu überkritischem Wasser und überkritischem Kohlendioxid schließen andere geeignete überkritische Fluids überkritisches Helium und überkritische Wasseroxidation ein. Überkritische Wasseroxidation wird gewöhnlich als Wasser mit hohem Sauerstoffgehalt beschrieben. Der kritische Punkt von überkritischer Wasseroxidation beträgt etwa 500 °C und etwa 700 bar Druck.In the supercritical State changes also the acidic product and the dielectric environment and the Oxidizing power of the medium is enhanced. All these properties contribute to the supercritical Water becomes an excellent reaction medium. The dielectric Constant of supercritical Water decreases from 78 to 5. The above-mentioned dielectric constant represents a typical value for polar constants, which makes water a good solvent for gases and organic compounds becomes. In view of the above property changes has been shown to be supercritical Water very easily a porous one Structure permeates. The critical point of carbon dioxide includes one Temperature of at least about 31 ° C and a pressure of at least about 7.4 MPa. Supercritical Carbon dioxide has a similar Behavior on how supercritical Water and it has also been shown that it is very easily a porous structure penetrates. additionally too supercritical Water and supercritical Close carbon dioxide other suitable supercritical Fluids supercritical Helium and supercritical Water oxidation. Supercritical water oxidation becomes ordinary described as water with high oxygen content. The critical point from more critical Water oxidation is about 500 ° C and about 700 bar pressure.

Es wird bevorzugt, dass die interkalierende Substanz und das Oxidationsmittel in dem Fluid löslich sind, aber die Eigenschaften von interkalierender Substanz und Oxidationsmittel können an mehrstufige Verfahren angepasst werden. Mehrstufiges Verfahren wird hier verwendet, um mindestens zu beschreiben, wenn das Interkalieren und Aufblättern nicht dieselben Temperatur- und Druckbedingungen haben, wie in 5 gezeigt. Jedwede Kombination aus Temperaturen und Drücken für Interkalieren-Aufblättern kann bei der praktischen Anwendung der Erfindung verwendet werden. Zum Beispiel kann das Einführen der interkalierenden Substanz bei einer Temperatur und einem Druck im unterkritischen Bereich erfolgen. Temperatur und Druck können anschließend über den kritischen Punkt verändert und das Plättchen aufgeblättert werden.It is preferred that the intercalating substance and the oxidizing agent be soluble in the fluid, but the properties of intercalating substance and oxidizing agent can be adapted to multi-step processes. Multi-step method is used here to at least describe when the intercalating and paging do not have the same temperature and pressure conditions as in 5 shown. Any combination of temperatures and pressures for intercalating paging may be used in the practice of the invention. For example, introduction of the intercalating substance may be at a subcritical temperature and pressure. Temperature and pressure can then be changed over the critical point and the platelets are exfoliated.

Zwei Beispiele, wie das Fluid in das Plättchen eingeführt werden kann, werden nachstehend beschrieben. Die Beispiele sind nur als Veranschaulichung gedacht, und sind nicht gedacht, um die Erfindung einzuschränken. In einem Beispiel wird das Fluid in ein das Plättchen enthaltendes Gefäß eingeführt. Das Gefäß wird anschließend auf Bedingungen etwa nahe dem kritischen Punkt oder auf überkritische Bedingungen erwärmt und unter Druck gesetzt. Anschließend werden die interkalierende Substanz und das Oxidationsmittel in das Gefäß gegeben. In einem zweiten Beispiel wird das Plättchen in ein Gefäß eingeführt, welches das Fluid bereits im Wesentlichen bei oder nahe bei überkritischen Bedingungen enthält. Nachdem das Plättchen in das Gefäß eingeführt wurde, können die interkalierende Substanz und das Oxidationsmittel in das Gefäß gefüllt werden.Two Examples of how the fluid is introduced into the plate can be described below. The examples are only as Illustrated, and are not meant to be the invention limit. In one example, the fluid is introduced into a vessel containing the platelet. The Vessel is subsequently opened Conditions close to the critical point or supercritical Conditions heated and put pressure. Subsequently, the intercalating Substance and the oxidizing agent added to the vessel. In a second Example becomes the tile introduced into a vessel, which the fluid already substantially at or near supercritical Contains conditions. After the slide was introduced into the vessel, can the intercalating substance and the oxidizing agent are filled into the vessel.

Ein Vorteil des Interkalierens von natürlichem Graphit und Einführens des Fluids in den Graphit ist, dass das Fluid in nicht-defekte Bereiche der Zwischenräume des Graphits eingeführt wird. Dies bedeutet, dass sich das Fluid zwischen den Graphitschichten befinden kann, die nicht die vorstehend erwähnten Defekte in der Zusammensetzung oder Struktur zwischen den Graphenschichten einschließen.One Advantage of intercalating natural graphite and introducing the Fluids in the graphite is that the fluid is in non-defective areas the spaces between of graphite becomes. This means that the fluid between the graphite layers which may not have the aforementioned defects in the composition or structure between the graphene layers.

Bezüglich des Zeitpunkts der Schritte des Einführens der interkalierenden Substanz und des Fluids, können die beiden Schritte gegebenenfalls zur selben Zeit begonnen werden. In einer anderen Ausführungsform kann der Schritt des Einführens des Fluids nach Beginn des Schrittes des Einführens der interkalierenden Substanz begonnen werden. In einer dritten Ausführungsform kann der Schritt des Einführens des Fluids begonnen werden, nachdem das Einführen der interkalierenden Substanz im Wesentlichen abgeschlossen ist. In einer vierten Ausführungsform kann der Schritt des Einführens des Fluids vor dem Schritt des Einführens der interkalierenden Substanz eingeleitet werden.Regarding the Timing of the steps of insertion the intercalating substance and the fluid, the two steps may be used to be started at the same time. In another embodiment may be the step of introducing the Fluids after the beginning of the step of introducing the intercalating Substance be started. In a third embodiment, the step of introduction of the fluid to be started after introducing the intercalating substance is essentially completed. In a fourth embodiment may be the step of introducing of the fluid prior to the step of introducing the intercalating substance be initiated.

Ein Beispiel für die Einführung des Fluids in das Graphit-Plättchen ist in 3 dargestellt. 3 ist eine schematische zerlegte Darstellung des erfindungsgemäßen Einführens eines überkritischen Fluids in die in den Zwischenräumen gelegenen Galerien eines Stücks eines natürlichen Graphit-Plättchens, allgemein als 40 bezeichnet. Dargestellt in 3 sind eine Mehrzahl geschichteter Ebenen aus Kohlenstoffatomen 42, die ein Graphit-Plättchen 41 bilden. Plättchen 41 schließt ein Kohlenstoffatom an jeder Kreuzung 43 ein, an der sich zwei Linien treffen. Die in den Zwischenräumen gelegenen Galerien des Plättchens 41 sind durch die Fläche zwischen den geschichteten Ebenen 42 in der c-Richtung des Plättchens 41 dargestellt. Weiter dargestellt ist in 3 das Einführen eines Fluids 46 in die in den Zwischenräumen gelegenen Galerien (Zwischenräume) 48 des Graphitplättchens 41 unter Verwendung eines Einführungselements 44.An example of the introduction of the fluid into the graphite wafer is in 3 shown. 3 Figure 3 is a schematic exploded view of the supercritical fluid introducing into the interstitial galleries of a piece of natural graphite platelet, generally as shown 40 designated. Shown in 3 are a plurality of layered layers of carbon atoms 42 containing a graphite plate 41 form. Tile 41 includes a carbon atom at each intersection 43 on, where two lines meet. The in-between galleries of the slide 41 are by the area between the layered levels 42 in the c direction of the slide 41 shown. Further shown in 3 the introduction of a fluid 46 in the galleries located in the interstices 48 of the graphite plate 41 using an introduction element 44 ,

Bezüglich der Wirkungsweise erreicht die Verwendung der interkalierenden Substanz und des Oxidationsmittels nicht dasselbe Endergebnis wie das Fluid. Das Oxidationsmittel, falls verwendet, und die interkalierende Substanz reagieren im Wesentlichen gemeinsam, um die Graphenschichten des Graphit-Plättchens zu erschließen. Das Fluid durchdringt die in den Zwischenräumen gelegenen Galerien des Plättchens. Eine Hauptfunktion des Fluids ist nicht, im Wesentlichen mit dem Plättchen zu reagieren, sondern im Wesentlichen den Abstand zwischen den Graphenschichten während des anschließenden Aufblätterns zu erweitern.Regarding the Mode of action achieves the use of the intercalating substance and the oxidizer does not have the same end result as the fluid. The oxidizing agent, if used, and the intercalating substance In essence, they react in common to the graphene layers of the graphite wafer to open up. The fluid penetrates the interstitial galleries of the Platelet. A major function of the fluid is not, essentially with the Tile but essentially the distance between the graphene layers while of the subsequent paging expand.

Ein Unterschied zwischen der Erfindung und dem herkömmlichen Verfahren kann im Vergleich der 1 und 2 erkannt werden. In 1 wird Graphit 12 interkaliert 14 und aufgeblättert 16, um zum expandierten Graphit 18 zu gelangen. Wie in 2 gezeigt, hat Graphit 22, der mit dem Fluid interkaliert wird 24 und aufgeblättert wird 26, eine größeres Expansionsvermögen. Wie in 2 dargestellt, kann Graphit 22 in die einzelnen Graphenschichten 28 durch das erfindungsgemäße Verfahren expandiert werden.A difference between the invention and the conventional method can be compared with the 1 and 2 be recognized. In 1 becomes graphite 12 intercalated 14 and exfoliated 16 to expand to graphite 18 to get. As in 2 shown has graphite 22 which is intercalated with the fluid 24 and is exfoliated 26 , a greater capacity for expansion. As in 2 represented graphite 22 into the individual graphene layers 28 be expanded by the method according to the invention.

Nochmals bezüglich der Einführung der interkalierenden Substanz, kann die Temperatur des Schrittes des Interkalierens eine Temperatur umfassen, die mit einem unterkritischen Punkt assoziiert ist, und bis zu oder über eine Temperatur, die mit dem überkritischen Punkt (auch als kritischer Punkt bezeichnet) des Fluids assoziiert ist sowie irgendwo dazwischen. Der Druck des Schrittes des Interkalierens kann mindestens einen Druck umfassen, der mit einem unterkritischen Fluid assoziiert ist, und bis zu oder über einen Druck, der mit einem überkritischen Punkt des Fluids assoziiert ist, sowie irgendwo dazwischen. Jede Kombination aus Temperatur- und Druckbedingungen kann für den Schritt des Einführens der interkalierenden Substanz verwendet werden. Wie in 5 gezeigt, können bevorzugte Temperatur- und Druckbedingungen für das Interkalieren das Interkalieren des Plättchens unterhalb der Bedingungen nahe am kritischen Punkt einschließen, z. B. etwa Tripelpunkt bis etwa überkritischer Punkt, zwischen den Punkten 72 und 74.Again with respect to the introduction of the intercalating substance, the temperature of the intercalating step may include a temperature associated with a subcritical point and up to or above a temperature associated with the supercritical point (also called the critical point) of the fluid is as well as somewhere in between. The pressure of the intercalating step may include at least one pressure associated with a subcritical fluid and up to or above a pressure associated with a supercritical point of the fluid and anywhere in between. Any combination of temperature and pressure conditions may be used for the step of introducing the intercalating substance. As in 5 For example, preferred intercalation temperature and pressure conditions may include intercalating the plate below conditions near the critical point, e.g. B. about triple point to about supercritical point, between the points 72 and 74 ,

Gegebenenfalls kann das erfindungsgemäße Verfahren ferner den Schritt des Aufblätterns des Graphits umfassen. Bevorzugt wird das Aufblättern eine weitere Trennung der Graphenschichten 28 ergeben. In einer Ausführungsform umfasst der Schritt des Aufblätterns Erwärmen des Plättchens auf mindestens etwa 700 °C und bevorzugt nicht mehr als etwa 1200 °C. Eine weitere Ausführungsform des Schritts des Aufblätterns 26 umfasst den Schritt des Einführens, der in einem unter Druck befindlichen Gefäß stattfindet mit einem inneren Druck über Atmosphärendruck, und der Schritt des Aufblätterns umfasst Reduzieren des internen Drucks des Gefäßes. Bevorzugt wird der Druck im Gefäß auf Atmosphärendruck reduziert. Darüber hinaus kann der Schritt des Aufblätterns 26 Reduzieren des Drucks im Gefäß durch Entnehmen des Plättchens mit dem Fluid aus dem Gefäß umfassen. Sprühen des Plättchens aus dem Gefäß ist eine Methode, die zum Entnehmen des Plättchens aus dem Kessel verwendet werden kann.Optionally, the method of the invention may further comprise the step of flaking the graphite. The paging is preferably a further separation of the graphene layers 28 result. In one embodiment, the flattening step comprises heating the flake to at least about 700 ° C, and preferably not more than about 1200 ° C. Another embodiment of the paging step 26 comprises the step of introducing, which takes place in a pressurized vessel with an internal pressure above atmospheric pressure, and the step of opening comprises reducing the internal pressure of the vessel. Preferably, the pressure in the vessel is reduced to atmospheric pressure. In addition, the step of unfolding 26 Reduce the pressure in the vessel by removing the platelet with the fluid from the vessel. Spraying the wafer out of the vessel is a method that can be used to remove the wafer from the kettle.

Gegebenenfalls kann das Plättchen auf ein Substrat gesprüht werden, in ein zweites Gefäß oder in dasselbe Gefäß zurückgeführt werden.Possibly can the tile sprayed on a substrate be in a second vessel or in the same vessel be returned.

In einer anderen Ausführungsform des Schrittes des Aufblätterns 26 wird bevorzugt, dass Schritt 26 das Aufblättern des Plättchens bei einer maximalen Temperatur des Plättchens von weniger als etwa 700 °C umfasst; stärker bevorzugt findet das Aufblättern bei einer Temperatur statt, sodass das Plättchen nicht eine mit einem überkritischen Punkt des Fluids assoziierte Temperatur erreicht. Bevorzugt schließt diese Ausführungsform des Schrittes des Aufblätterns 26 das Erwärmen des Plättchens auf eine Temperatur über den vorliegenden Verarbeitungsbedingungen des vorstehend erwähnten Verfahrens nicht ein. In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Schritt des Aufblätterns 26 Erhöhen des Volumens des Fluids in den Zwischenräumen des Plättchens. Bevorzugt wird das Volumen des Fluids rasch erhöht, so dass die Expansion des Fluids in den Zwischenräumen ähnlich einem Fluid fungiert, das in den Zwischenräumen siedet, und eine weitere Trennung der zum Fluid benachbarten Graphenschichten ergibt.In another embodiment of the paging step 26 is preferred that step 26 flattening the platelet at a platelet maximum temperature of less than about 700 ° C; more preferably, the puffing occurs at a temperature such that the platelet does not reach a temperature associated with a supercritical point of the fluid. Preferably, this embodiment includes the step of paging 26 heating the platelet to a temperature above the present processing conditions of the above-mentioned process. In a further embodiment, the step of paging comprises 26 Increasing the volume of fluid in the interstices of the platelet. Preferably, the volume of the fluid is rapidly increased so that expansion of the fluid in the interstices acts like a fluid boiling in the interstices and provides further separation of the graphene layers adjacent to the fluid.

Wie in 5 gezeigt, ist eine bevorzugte Ausführungsform des Schrittes des Aufblätterns 26 das Aufblättern des Plättchens bei Temperatur- und Druckbedingungen, die am oder über dem überkritischen Punkt des Fluids liegen. Dies ist eine Temperatur und ein Druck am Punkt 74 in 5 oder darüber. Bevorzugt finden die Schritte des Einführens der interkalierenden Substanz und des Fluids 24 sowie das Aufblättern 26 alle in demselben Reaktionsgefäß statt. Es wird auch bevorzugt, dass das Aufblättern in einem einzelnen Arbeitsgang vollständig ausgeführt wird, das heißt, dass die aufgeblätterten Teilchen nicht gesammelt und in mehr als einem Schritt des Aufblätterns verarbeitet werden müssen. In einer Ausführungsform finden die Schritte des Einführens der interkalierenden Substanz und des Fluids 24 sowie das Aufblättern 26 im Wesentlichen gleichzeitig statt. Eine Methode, um dies zu erreichen ist, dass alle drei Schritte an der Spitze eines Sprühgerätes stattfinden. Dieses Verfahren kann ferner das Rezirkulieren des Plättchens oder des Fluids in ein anderes Gefäß oder in dasselbe Gefäß einschließen.As in 5 is a preferred embodiment of the paging step 26 flaking the platelet at temperature and pressure conditions that are at or above the supercritical point of the fluid. This is a temperature and a pressure at the point 74 in 5 or above. Preferably, the steps of introducing the intercalating substance and the fluid find 24 as well as the paging 26 all in the same reaction vessel. It is also preferred that flaking be completed in a single operation, that is, the flaked particles need not be collected and processed in more than one flattening step. In one embodiment, the steps of introducing the intercalating substance and the fluid find 24 as well as the paging 26 essentially simultaneously. One way to accomplish this is to have all three steps at the tip of a sprayer. This method may further include recirculating the platelet or fluid into one or the other res vessel or in the same vessel.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch einen Recyclingschritt des Fluids zur Verwendung in nachfolgenden Schritten des Einführens einschließen. Bevorzugt umfasst der Recyclingschritt Sammeln des Fluids nach dem Aufblättern und Verwenden des gesammelten Fluids mit nicht-gesammeltem Fluid für einen nachfolgenden Schritt des Einführens. Gegebenenfalls kann das Recycling Lagern des gesammelten Fluids einschließen. Das Verfahren kann auch Waschen des Plättchens mit Wasser einschließen, bevorzugt vor dem Schritt des Aufblätterns.The inventive method may also include a recycling step of the fluid for use in subsequent ones Steps of introduction lock in. Preferably, the recycling step comprises collecting the fluid after the delamination and using the collected fluid with uncollected fluid for a subsequent step of introduction. Possibly recycling may include storing the collected fluid. The Method may also include washing the plate with water, preferably before the step of unfolding.

Die Erfindung schließt ferner ein anderes Verfahren zur Bildung des erfindungsgemäßen Graphits ein. Das Verfahren schließt den Schritt des Erhöhens der Länge von mindestens einem Zwischenraum zwischen mindestens zwei benachbarten Schichten mindestens eines Plättchens natürlichen Graphits durch einen Oxidations-Reduktionsprozess ein. Das Verfahren schließt ferner Einführen des Fluids in den mindestens einen Zwischenraum des Plättchens und Expandieren eines Volumens des Fluids im Zwischenraum ein.The Invention includes Further, another method for forming the graphite according to the invention one. The procedure concludes the step of increasing the length at least one gap between at least two adjacent layers at least one tile natural graphite through an oxidation-reduction process. The method further includes Introduce of the fluid into the at least one gap of the platelet and expanding a volume of the fluid in the space.

Die vorstehenden erfindungsgemäßen Verfahren können verwendet werden, um expandierte Graphitteilchen im Nanogrößenbereich zu bilden. Ein Teilchen im Nanogrößenbereich weist mindestens eine Dimension auf, die weniger als etwa 1 μm beträgt. Bevorzugt hat das Teilchen im Nanogrößenbereich mindestens eine Dimension von weniger als etwa 100 nm, stärker bevorzugt weniger als etwa 50 nm. In bevorzugten Ausführungsformen des teilchenförmigen Graphits im Nanogrößenbereich beträgt die Dicke des Teilchens bevorzugt weniger als etwa 10 nm, stärker bevorzugt weniger als etwa 5 nm, noch stärker bevorzugt weniger als etwa 1 nm, und am stärksten bevorzugt weniger als etwa 0,5 nm. Zum Beispiel kann das Teilchen eine einzelne Graphenschicht umfassen. Es ist auch bevorzugt, dass das Graphitteilchen eine Oberfläche von mindestens etwa 100 m²/g, stärker bevorzugt mindestens etwa 500 m²/g, noch stärker bevorzugt mindestens etwa 1000 m²/g, am stärksten bevorzugt mindestens etwa 2000 m²/g aufweist. Bezüglich eines Seitenverhältnisses umfassen bevorzugte Seitenverhältnisse mindestens etwa 20.000 : 1, bevorzugt mindestens etwa 100.000 : 1, und am stärksten bevorzugt mindestens etwa 200.000 : 1.The above methods of the invention can be used to form nanoscale expanded graphite particles. A nanosized particle has at least one dimension that is less than about 1 μm. Preferably, the nanosize particle has at least one dimension of less than about 100 nm, more preferably less than about 50 nm. In preferred embodiments of the nanosized particulate graphite, the thickness of the particle is preferably less than about 10 nm, more preferably less than about 5 more preferably less than about 1 nm, and most preferably less than about 0.5 nm. For example, the particle may comprise a single graphene layer. It is also preferred that the graphite particle have a surface area of at least about 100 m ² / g, more preferably at least about 500 m ² / g, even more preferably at least about 1000 m ² / g, most preferably at least about 2000 m ² / g having. In terms of aspect ratio, preferred aspect ratios include at least about 20,000: 1, preferably at least about 100,000: 1, and most preferably at least about 200,000: 1.

Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) und Rasterelektronenmikroskopie (SEM) können verwendet werden, um das Seitenverhältnis der erzeugten Graphitteilchen zu bestätigen. Dichtemessungen können einen Hinweis auf die Eigenschaften des Aufblätterns geben, Röntgenstreuung (XRD) kann auch verwendet werden, um das Ausmaß der Trennung der Graphenschichten anzugeben.High-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) and Scanning Electron Microscopy (SEM) can be used to obtain the aspect ratio confirm the generated graphite particles. Density measurements can be one Indicate the flaking properties, X-ray scattering (XRD) can also be used to indicate the extent of graphene layer separation.

Der aufgeblätterte Graphit kann verwendet werden, um verschiedene Arten an Verbundstoffen herzustellen. Mit dem erfindungsgemäßen Graphit hergestellte Verbundstoffe weisen verbesserte mechanische Festigkeit, Modul, Barriereeigenschaften, thermische Ausdehnung, elektrostatische Ableitung (ESD) (spezifischer Oberflächen/Volumenwiderstand von etwa 10⁵ bis etwa 10¹² Ohm/sq.), Abschirmung gegen elektromagnetische Störung (EMI) (spezifischer Oberflächen- zu Volumenwiderstand von etwa 1 bis etwa 10⁵ Ohm/sq.) und Eigenschaften des elektronischen thermischen Managements (ETM), flexible Substrate mit hoher Elektronen- oder Lochbeweglichkeit und eine Gewichtsreduktion auf. In den nachstehenden Verbundstoffen können die erfindungsgemäßen Graphitteilchen in Form eines Pulvers vorliegen. Ein Pulver wird hier hinsichtlich ASTM B 243 (95) verwendet und bedeutet, dass das Teilchen mindestens eine Dimension von etwa 1000 μm oder weniger aufweist.The exfoliated graphite can be used to make various types of composites. Composites made with graphite of the invention have improved mechanical strength, modulus, barrier properties, thermal expansion, electrostatic dissipation (ESD) (surface area / volume resistivity of from about 10 ⁵ to about 10 ¹² ohms / sq.), Electromagnetic interference (EMI) shielding ( specific surface to volume resistivity of about 1 to about 10 ⁵ ohms / sq.) and electronic thermal management (ETM) properties, flexible substrates with high electron or hole mobility, and weight reduction. In the following composites, the graphite particles of the present invention may be in the form of a powder. A powder is used herein in terms of ASTM B 243 (95) and means that the particle has at least a dimension of about 1000 μm or less.

Ein derartiger Verbundstoff ist ein Graphit-Polymer-Verbundstoff Der Verbundstoff wird durch Mischen einer wirksamen Menge des Graphits mit einem polymeren Material hergestellt, wodurch der Graphit-Polymer-Verbundstoff gebildet wird. Bevorzugt umfasst das Beladungsverhältnis des Verbundstoffs weniger als 20 %. Bevorzugt umfasst das Beladungsverhältnis etwa 15 % oder weniger, stärker bevorzugt etwa 10 % oder weniger, sogar noch stärker bevorzugt weniger als etwa 5 %, und am meisten bevorzugt weniger als etwa 3 %. Das Beladungsverhältnis wird hier derart beschrieben, dass es die Gew.-% der Menge an Graphit im Verbundstoff bedeutet. Beispiele geeigneter Polymere für den Verbundstoff umfassen Nylons, Polyvinylchloride, Poly(methyl)methacrylate, Polystyrole, Polyethylene, Polypropylene, Polystyrole, Polycarbonate, Epoxys, polyfluorierte Kohlenwasserstoffe, z. B. perfluorierte Kohlenwasserstoffe, Polyimide, Polyamide, fluorierte Polymere, Acryloide, Polyacrylate, Polyester, Cyanatester, Bismaleimide, hydrophobe Polymere und Kombinationen davon. Bevorzugt weist mindestens eines der Graphitteilchen im Verbundstoff ein Seitenverhältnis von mindestens etwa 100.000 : 1 auf, stärker bevorzugt mindestens etwa 200.000 : 1. Es wird stärker bevorzugt, dass eine Mehrzahl der Teilchen, die den Verbundstoff bilden, die vorgenannten Seitenverhältnisse aufweist.One such composite is a graphite-polymer composite The Composite is obtained by mixing an effective amount of the graphite made of a polymeric material, whereby the graphite-polymer composite is formed. Preferably, the loading ratio of the Composite less than 20%. Preferably, the loading ratio comprises approximately 15% or less, more preferred about 10% or less, even more preferably less than about 5%, and most preferably less than about 3%. The loading ratio is herein described as being the weight percent of the amount of graphite in the composite means. Examples of suitable polymers for the composite include nylons, polyvinyl chlorides, poly (methyl) methacrylates, polystyrenes, Polyethylenes, polypropylenes, polystyrenes, polycarbonates, epoxys, polyfluorinated Hydrocarbons, eg. As perfluorinated hydrocarbons, polyimides, Polyamides, fluorinated polymers, acryloids, polyacrylates, polyesters, Cyanate esters, bismaleimides, hydrophobic polymers and combinations from that. Preferably, at least one of the graphite particles is in the composite an aspect ratio of at least about 100,000: 1, more preferably at least about 200,000: 1. It's getting stronger preferred that a majority of the particles containing the composite form, having the aforementioned aspect ratios.

Erfindungsgemäß hergestellte Graphitteilchen können auch in einem Verbundstoff verwendet werden, um einen Kondensator zu bilden, bevorzugt einen Doppelschichtkondensator. Bevorzugt umfasst der Kondensatorverbundstoff eine Mehrzahl an expandierten Graphit-Plättchen und ein polymeres Material. Ein bevorzugtes Beladungsverhältnis des Graphits beträgt mindestens etwa 70 %, stärker bevorzugt mindestens etwa 80 %, noch stärker bevorzugt mindestens etwa 90 %, und am stärksten bevorzugt mindestens etwa 95 %. Bevorzugt umfasst der Verbundstoff mindestens ein Graphitteilchen mit einer Oberfläche von mindestens etwa 1000 m²/g. Stärker bevorzugt umfasst die Oberfläche etwa 2000 m²/g. Es wird ferner bevorzugt, dass mindestens etwa ein Viertel der Teilchen im Verbundmaterial die vorstehende genannte Oberfläche aufweist, stärker bevorzugt mindestens etwa die Hälfte. Ein bevorzugtes polymeres Material für den Verbundstoff umfasst Poly(vinylidenfluorid) und verwandte Polymere, wie zum Beispiel Block-Copolymere, wobei Poly(vinylidenfluorid) einen oder mehrere der Blocks umfasst. Bevorzugte Lösungen für den Doppelschichtkondensator umfassen organische Lösungen, welche Carbonate umfassen, z. B. acetonitril- oder wasserbasierte Lösungen mit Schwefelsäure oder Kaliumhydroxid. Eine bevorzugte Lösung ist ein Gemisch aus Tetraethylammonium und Tetrafluoroborat. Typische Anforderungen an die Spannung für einen Doppelschichtkondensator umfassen mindestens etwa 1 V, stärker bevorzugt mindestens etwa 2 V. Es wird auch bevorzugt, wenn der Doppelschichtkondensator eine nutzbare Energiedichte von etwa 1 Wh/kg und eine Leistungsstoßdichte von mindestens etwa 1 kW/kg aufweist. Für eine weitere Beschreibung bezüglich Kondensatoren ist hier die Beschreibung der U.S. Patentanmeldung 10/022.596, angemeldet an oder um den 12/31/2001, durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen.Graphite particles prepared according to the invention can also be used in a composite to form a capacitor, preferably a double layer capacitor. Preferably, the capacitor composite comprises a plurality of expanded graphite platelets and a polymeric material. A preferred loading ratio of the graphite is at least about 70%, more likely at least about 80%, more preferably at least about 90%, and most preferably at least about 95%. Preferably, the composite comprises at least one graphite particle having a surface area of at least about 1000 m ² / g. More preferably, the surface comprises about 2000 m ² / g. It is further preferred that at least about one quarter of the particles in the composite have the aforesaid surface, more preferably at least about half. A preferred polymeric material for the composite includes poly (vinylidene fluoride) and related polymers, such as block copolymers, wherein poly (vinylidene fluoride) comprises one or more of the blocks. Preferred solutions for the double layer capacitor include organic solutions comprising carbonates, e.g. As acetonitrile or water-based solutions with sulfuric acid or potassium hydroxide. A preferred solution is a mixture of tetraethylammonium and tetrafluoroborate. Typical voltage requirements for a double-layer capacitor include at least about 1 V, more preferably at least about 2 V. It is also preferred that the double-layer capacitor have a usable energy density of about 1 Wh / kg and a power impact density of at least about 1 kW / kg. For a further description regarding capacitors, the disclosure of US Patent Application 10 / 022,596, filed on or about 12/31/2001, is hereby incorporated by reference in its entirety.

Erfindungsgemäß hergestellte Graphitteilchen können auch in einem Farbverbundstoff verwendet werden. Bevorzugt wird eine wirksame Menge der aufgeblätterten Graphitteilchen mit einer Farbe vermischt, um einen Verbundstoff zu bilden, wobei der Farbverbundstoff genügend elektrische Leitfähigkeit und Viskosität zur Verwendung in einer Anstrichsprühdose aufweist.Produced according to the invention Graphite particles can also be used in a color composite. It is preferred an effective amount of the exfoliated Graphite particles mixed with a paint to form a composite to form, wherein the color composite has sufficient electrical conductivity and viscosity for use in a paint spray can.

Der erfindungsgemäße Graphit kann auch in Form eines Katalysatorträgerverbundstoffes zur Abfallstoffbeseitigung verwendet werden. Der Katalysatorträgerverbundstoff kann durch Mischen einer wirksamen Menge der aufgeblätterten Graphitteilchen mit einem hydrophoben Polymer gebildet werden, um den Verbundstoff zu bilden. In einer Ausführungsform des Verbundstoffes wird Ruß in den Verbundstoff gemischt. Gegebenenfalls kann ein Metall auf einer Oberfläche des Verbundstoffes abgeschieden werden. Eine bevorzugte Methode zur Abscheidung des Metalls ist stromlose Abscheidung oder Dampfphasenabscheidung. Bevorzugte Metalle schließen Eisen, Nickel, Platin, korrosionsbeständigen Stahl und Titan ein. Der Katalysatorträger kann an einem Katalysator angebracht werden. Bevorzugte Katalysatoren schließen Übergangsmetalle ein, wobei binäre und tertiäre Legierungen derartiger Übergangsmetalle eingeschlossen sind. Bevorzugte Metalle schließen Platin, Osmium, Ruthenium und Kombinationen davon ein. Der Katalysatorträger kommt in den Bereichen der Hydrierungsreaktionen und der Mineralölraffination zur Anwendung.Of the graphite according to the invention may also be in the form of a catalyst carrier composite for waste removal be used. The catalyst carrier composite can by Mixing an effective amount of the exfoliated graphite particles a hydrophobic polymer are formed to the composite form. In one embodiment of the composite becomes soot in mixed the composite. Optionally, a metal on a surface of the composite are deposited. A preferred method for deposition of the metal is electroless deposition or vapor deposition. Close preferred metals Iron, nickel, platinum, corrosion-resistant steel and titanium. The catalyst carrier can be attached to a catalytic converter. Preferred catalysts close transition metals one, being binary and tertiary Alloys of such transition metals are included. Preferred metals include platinum, osmium, ruthenium and combinations thereof. The catalyst carrier comes in the areas hydrogenation reactions and mineral oil refining.

Der erfindungsgemäß hergestellte Graphit kann auch in einer Batterie verwendet werden.Of the produced according to the invention Graphite can also be used in a battery.

Der erfindungsgemäße Graphit kann verwendet werden, um die Leitfähigkeit und die Verbindung der internen Komponenten der Batterie zu verbessern, wodurch die Lebensdauer der Batterie verbessert wird. Im Falle einer Alkalibatterie können die erfindungsgemäßen Graphitpartikel an die Kathode angebracht werden. Im Falle einer Lithium-Ionenbatterie können die erfindungsgemäßen Graphitpartikel an die Anode angebracht werden.Of the graphite according to the invention Can be used to control the conductivity and the connection to improve the internal components of the battery, causing the Battery life is improved. In the case of an alkaline battery can the graphite particles according to the invention attached to the cathode. In the case of a lithium-ion battery can the graphite particles according to the invention the anode will be attached.

Der erfindungsgemäße Graphit hat auch Anwendungen im Bereich der Mikroelektronik, in einem Bereich wie dünne Folien. Ein Beispiel einer dünnen Folie ist eine Polyimidfolie mit einer Dicke von etwa 200 μm. Bevorzugt umfasst die Polyimidfolie ferner eine wirksame Menge eines Polymers, so dass die Folie hervorragende Biegsamkeitseigenschaften für die Anwendung der Folie aufweist. Bevorzugte Polymere schließen Polyimide, Polykohlenwasserstoffe, z. B. Polyethylen und polyfluorierte Kohlenwasserstoffe, perfluorierte Kohlenwasserstoffe ein. Es wird auch bevorzugt, dass die Folie eine wirksame Menge des erfindungsgemäßen Graphits umfasst. Ein Faktor bei der Bestimmung der wirksamen Menge des Graphits ist die gewünschte Elektronen- oder Lochbeweglichkeit der Folie.Of the graphite according to the invention also has applications in the field of microelectronics, in one area like thin ones Films. An example of a thin foil is a polyimide film having a thickness of about 200 μm. Prefers the polyimide film further comprises an effective amount of a polymer, so that the film has excellent flexibility properties for the application the film has. Preferred polymers include polyimides, polyhydrocarbons, e.g. As polyethylene and polyfluorinated hydrocarbons, perfluorinated Hydrocarbons. It is also preferred that the film has a effective amount of graphite according to the invention includes. A factor in determining the effective amount of graphite is the desired one Electron or hole mobility of the film.

Elektronen- oder Lochbeweglichkeit ist hier definiert als die Fähigkeit, Elektronen oder Löcher (das Fehlen von Elektronen) in der Folie zu bewegen. Die erfindungsgemäße Folie wird Anwendungen in Produkten wie Flüssigkristalldisplaygeräten, Transistor, Speicherelemente und logische Elemente zur Signalverarbeitung haben.electron- or hole mobility is defined here as the ability Electrons or holes (the Lack of electrons) in the slide. The film of the invention is used in applications such as liquid crystal display devices, transistor, Have memory elements and logic elements for signal processing.

Bezüglich der vorstehend erwähnten Graphit-Verbundstoffe kann der Graphit in das polymere Material zu jedem Zeitpunkt des Herstellungsprozesses gemischt werden. Zum Beispiel kann der Graphit in das polymere Material nach dem Aufblättern gemischt werden. In einer anderen Ausführungsform kann der Graphit in das polymere Material vor dem Aufblättern gemischt werden, wobei das Aufblättern des Graphits ausgeführt wird, wenn die Graphit-Plättchen im polymeren Materialgemisch vorliegen. Diese Flexibilität in der Verarbeitung kann zu einem in-situ Polymerisationsverfahren führen.Regarding the mentioned above Graphite composites can be the graphite in the polymeric material be mixed at any point in the manufacturing process. To the For example, the graphite may be mixed into the polymeric material after flaking become. In another embodiment may the graphite is mixed into the polymeric material before flaking be with the paging of the Graphits executed when the graphite platelets present in the polymeric material mixture. This flexibility in the Processing can become an in situ polymerization process to lead.

In den vorstehend genannte Verbundstoffen sollte es selbstverständlich sein, dass die Verbundstoffe bevorzugt mindestens etwa ein Viertel erfindungsgemäß hergestellte Graphitteilchen umfassen, stärker bevorzugt mindestens etwa ein Drittel, noch stärker bevorzugt mindestens etwa die Hälfte, und am stärksten bevorzugt im Wesentlichen zur Gänze.In the above composites, it should be understood that the composites preferably comprise at least about one quarter graphite particles made according to the invention, more preferably at least about one third, even more preferably at least about half, and most preferably substantially entirely.

Es wird dem Fachmann ersichtlich, dass zahlreiche Modifikationen und Variationen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Sinn und Bereich der Erfindung abzuweichen. Es ist daher beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung die Modifikationen und Variationen der Erfindung umfasst, mit der Maßgabe, dass sie im Bereich der anhängenden Ansprüche und deren Äquivalenz liegen.It It will be apparent to those skilled in the art that numerous modifications and Variations on the present invention can be made without deviate from the spirit and scope of the invention. It is therefore intended that the present invention, the modifications and variations of the invention, with the proviso that they are in the field the attached claims and their equivalence lie.

ZusammenfassungSummary

Die Erfindung betrifft geblähten Graphit und Verfahren zur Herstellung des Graphits und Gegenstände, die mit dem mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Graphit hergestellt werden können. Die Erfindung schließt den Schritt des Einführens eines Fluids in mindestens einen einer Mehrzahl von Zwischenräumen eines Graphitplättchens ein, wobei das Fluid mindestens eines von einem unterkritischen Fluid, einem Fluid nahe dem kritischen Punkt oder einem überkritischen Fluid umfasst. Das Graphitplättchen ist auch von einer interkalierenden Substanz und gegebenenfalls von einem Oxidationsmittel interkaliert. Die Erfindung kann weiterhin neue Techniken zum Aufblättern des Graphits einschließen. Die Erfindung kann zur Herstellung von Graphitteilchen im Nanogrößenbereich und auch von Graphitverbundstoffen ausgeführt werden. Bevorzugte Verbundstoffe, die erfindungsgemäß hergestellt werden können, schließen leitfähige Polymerverbundstoffe (thermisch oder elektrisch), Anstrichmittelverbundstoffe, Batterieverbundstoffe, Kondensatorverbundstoffe und Verbundstoffträger für Katalysatoren zur Verschmutzungsbekämpfung ein.The Invention relates to expanded Graphite and process for the production of graphite and articles which with the method according to the invention produced graphite can be produced. The invention concludes the step of introduction a fluid in at least one of a plurality of interstices of a Graphite plate, wherein the fluid is at least one of a subcritical fluid, a fluid near the critical point or a supercritical one Fluid includes. The graphite plate is also of an intercalating substance and possibly intercalated by an oxidizing agent. The invention may further new techniques to unfold of graphite. The invention can be used to produce nanosized graphite particles and also of graphite composites. Preferred composites, produced according to the invention can be shut down conductive Polymer composites (thermal or electrical), paint composites, Battery composites, capacitor composites and composite supports for catalysts for pollution control one.

Claims

A method of modifying graphite, comprising: Introduce one intercalating substance in at least one space at least a graphite plate; and Introduce a fluid in said at least one space of the plate, wherein the fluid is at least one of a subcritical fluid, fluid includes near the critical point or a supercritical fluid.

The method of claim 1, wherein the fluid is at least one of carbon dioxide, water and helium.

The method of claim 1, wherein inserting the intercalating substance further introducing an oxidizing agent includes.

The method of claim 1, further comprising heating the lamina to a temperature of about 700 ° C up to about 1200 ° C.

The method of claim 1, wherein inserting the Fluids in a pressurized vessel with an internal pressure, the greater than atmospheric pressure is, and the method further reducing the internal pressure of the vessel.

The method of claim 1, further comprising paging the lamina at a maximum temperature of less than about 700 ° C.

The method of claim 1, wherein the fluid in the interspaces of the slide occupy a predetermined volume within the spaces, and the method further comprising increasing the occupied by the fluid Volume includes.

The method of claim 1, wherein a temperature of introduction the intercalating substance at least one temperature with is associated with a triple point of the fluid, and a non-higher temperature as the one with a supercritical Point of the fluid is associated.

The method of claim 1, wherein a pressure of introducing the intercalating substance at least one pressure with one Triple point of the fluid is associated, and not higher than the one with a supercritical Point of the fluid is associated.

The method of claim 1, wherein a temperature of introduction the intercalating substance at least one temperature with a supercritical Point of the fluid is associated, and a pressure associated with the supercritical Point of the fluid is associated.

The method of claim 5, wherein the removing comprises spraying the lamina and the fluid from the vessel.

The method of claim 1, further comprising paging the lamina and taking the steps of introducing the intercalating substance, the introduction of the fluid and the opening in the Essentially done at about the same time.

The method of claim 3, wherein the oxidizing agent Ozone includes.

The method of claim 1, wherein the fluid is a supercritical Fluid includes.

The method of claim 5, wherein decreasing of the pressure recirculating the platelet and the fluid into the vessel.

The method of claim 1, further comprising mixing an effective amount of the platelet with a polymeric material, creating a graphite-polymer composite with a loading ratio is formed by less than about 20%.

The method of claim 1, wherein the intercalation step not more than about level 5 or less.

The method of claim 1, further comprising washing of graphite.

Method for producing at least one graphite wafer in the nano-size range, full: Introduce an intercalating substance in at least one graphite plate; and Introduce a fluid in at least one of a plurality of spaces of the plate, wherein the fluid is at least one of a subcritical fluid, Fluid near the critical point or a supercritical fluid comprises.

The method of claim 19, wherein the fluid is at least one of supercritical Water oxidation, supercritical Carbon dioxide, supercritical helium and supercritical Water includes.

The method of claim 19, further comprising heating the lamina to a temperature of about 700 ° C up to about 1200 ° C.

The method of claim 19, wherein inserting the Fluids in a pressurized vessel with an internal pressure, the greater than atmospheric pressure is, and the method further reducing the internal pressure of the vessel.

The method of claim 19, further comprising paging the lamina at a maximum temperature of less than about 700 ° C.

The method of claim 19, wherein the fluid is in the interspaces of the slide occupy a predetermined volume within the spaces, and the method further comprising increasing the occupied by the fluid Volume includes.

The method of claim 19, wherein a temperature of introduction the intercalating substance at least one temperature with is associated with a triple point of the fluid.

A method according to claim 25, wherein a pressure of the introducing the intercalating substance more than atmospheric pressure and up to a pressure that is associated with a triple point of the fluid.

The method of claim 22, wherein decreasing of the pressure Remove the plate and the fluid from the vessel.

The method of claim 19, further comprising mixing an effective amount of the platelet with a polymeric material, creating a graphite-polymer composite with a loading ratio is formed by less than about 20%.

The method of claim 1, further comprising mixing an effective amount of the platelet with a polymeric material, creating a graphite-polymer composite with a loading ratio is formed by at least about 70%.

The method of claim 19, further comprising mixing an effective amount of the platelet with a polymeric material, creating a graphite-polymer composite with a loading ratio is formed by at least about 70%.

Method for forming a graphite composite, full: Introduce an intercalating substance in at least one space at least one graphite plate; Introduce one Fluids in said at least one interstice of the platelet, wherein the fluid is at least one of a subcritical fluid, fluid includes near the critical point or a supercritical fluid; and Mixing the plate with a polymer, thereby forming a graphite-polymer composite becomes.

A method according to claim 31, wherein a loading ratio of the Compound less than about 20%.

A method according to claim 31, wherein a loading ratio of the Composite comprises at least about 70%.

The method of claim 31, wherein the polymer is a Paint and such amount of platelet comprises the composite enough electric conductivity and viscosity for use in a paint spray can.

The method of claim 31, further comprising paging the Platelet.

The method of claim 31, further comprising paging the lamina after formation of the composite.

The method of claim 31, wherein the polymer comprises at least one of nylon, polyvinyl chlorides, poly (methyl) methacrylates, polyethylenes, polypropylenes, polystyrenes, polycarbonates, epoxies, polyfluorinated hydrocarbons, polyimides, polyamides, fluorinated polymers, acryloids, polyacrylates, polyesters, cyanate esters, bismaleimides, hydrophobic polymers, and combinations thereof.

The method of claim 31, wherein the polymer is poly (vinylidene fluoride) includes.

The method of claim 38, further comprising Introducing the composite into an organic solvent, the solvent at least one of a carbonate or water.

The method of claim 31, wherein the polymer is polyimide, Polycarbohydrocarbons and polyfluorinated hydrocarbons includes.

The method of claim 40, wherein the polyfluorinated Hydrocarbon comprises a perfluorinated hydrocarbon.

The method of claim 31, wherein the polymer is a hydrophobic material.

The method of claim 42, further comprising mixing from soot in the composite.

The method of claim 42, further comprising molds of the composite into a mold having at least one surface and Depositing at least one metal on the surface, wherein the metal of at least one of iron, nickel, platinum, corrosion-resistant steel and titanium.

The method of claim 42, further comprising attaching a catalyst on the composite, wherein the catalyst is at least a transition metal includes.

Method for forming a graphite composite, full: Introduce an intercalating substance in at least one space at least one graphite plate; Introduce one Fluids in said at least one interstice of the platelet, wherein the fluid is at least one of a subcritical fluid, fluid includes near the critical point or a supercritical fluid; Mix of the slide with a polymer in a vessel, thereby formed a graphite-polymer composite becomes; and Remove the composite from the vessel.

The method of claim 46, wherein the removing Reducing an internal pressure of the vessel from a first pressure to a second pressure, wherein the second pressure less as the first pressure covers.

The method of claim 46, wherein the fluid of a from a fluid near the critical point or a supercritical one Fluid includes.

Method for forming a graphite composite, full: Introduce an intercalating substance in at least one space at least one graphite plate; Introduce one Fluids in said at least one interstice of the platelet, wherein the fluid is at least one of a subcritical fluid, fluid includes near the critical point or a supercritical fluid; Exploding the lamina in a blurred Tile; and Mix the bloated lamina with a polymer, thereby forming a graphite-polymer composite.

The method of claim 49, wherein the fluid of a from a fluid near the critical point or a supercritical one Fluid includes.