[发明专利]粉碎的膨胀石墨聚结体、其制备方法、及其应用

说明书

相关申请

本申请要求于2010年8月11日提交的美国临时申请61/372,479和EP申请号10172468.0的权益，其全部内容合并于此以供参考。

技术领域

本公开涉及用作导电添加剂的粉碎的膨胀石墨聚结体组合物、其制备方法、及其它们在复合材料中（例如聚合物混合物、陶瓷、和无机材料）的用途。

背景技术

石墨粉是用于导热和导电聚合物以及其他复合材料的有前途的填充剂（即，导电添加剂）。

膨胀或者剥离的石墨（expanded or exfoliated graphite）（也称作纳米石墨或者纳米结构石墨），由于其优异的导热和导电性质最近吸引越来越多的关注。在输送到聚合物或者其他材料（例如粘固剂或者石膏类材料）上的导热率方面，膨胀石墨优于非膨胀石墨和其他导电填充剂（例如，氮化硼、碳纤维、碳纳米管）。将膨胀石墨添加到地板材料中用来提高复合材料的导热率是本领域中普遍已知的，并且例如已经在DE-OS-10049230A1中进行描述。

然而，与常规高度结晶的合成和天然石墨相反，将膨胀石墨添加到聚合物物质中的缺点是其可使用性和可加工性的困难、其润滑性能较低、其抗氧化性较低、及其含尘量。此外，在聚合物混合器中处理膨胀石墨可产生流动问题，这使得难以挤出包括膨胀石墨的聚合物。特别地在将膨胀石墨进料到挤出机中期间出现问题。

授权给Grigorian等人的US2009/0189125描述了用于制备导电聚合物复合材料的方法，包括将未预分散的碳与包含处于液体溶剂中的聚合物的乳化液混合，从而获得处于聚合物基质中的碳的分散液，紧接着从分散液中去除溶剂（“溶液混合（solution compounding）”）。Grigorian等人还以比较实施例的形式描述了实验室规模的过程，其中通过机械混合（mixing）（混配（compounding）），紧接着将混合物模制成复合材料薄片来将膨胀石墨与干燥聚丙烯粉末混合。Grigorian等人没有描述针对膨胀石墨观察到的任何可加工性问题，例如与将膨胀石墨进料到挤出机中相关的问题。

此外，授权给SGL Carbon的US2007/031704描述了用于由通过粉碎的石墨薄片制造的压实的膨胀石墨颗粒组成的石膏材料的导电添加剂。首先，将膨胀石墨压缩成具有0.1至3毫米之间厚度以及0.8至1.8g/cm³之间密度的较大二维构造（即石墨薄片），然后在切割机中将其切碎成具有1至5毫米直径以及典型地在0.12至0.25g/cm³之间体积密度的较小颗粒。与本发明相比较得到的颗粒在它们的特性上不同，具体地在颗粒硬度方面，在US2007/031704中描述的颗粒中其显著地更高。特别地，与粉末膨胀石墨相比，US2007/031704中描述的膨胀石墨颗粒的硬度对复合产物的导热性以及对其机械性能具有负作用。

EP0735123A描述了用于制造基于膨胀石墨并且用于化学热泵或者工业气体处理装置的石墨复合材料的方法。在EP0735123A中描述的方法中，通过压缩或者层压将膨胀石墨预致密化成大尺寸基质或者薄板。然后通过注入和随后的干燥，紧接着最终的压缩步骤对该复合坯块进行进一步处理，从而使石墨产品变为其最终希望的形式。EP0735123A没有描述石墨作为导电添加剂的用途，例如用于聚合物产品。

Zhamu等人的US2008/0279710A1描述了制造特别地用作燃料电池双极板的导电复合材料组合物的方法。该方法包括使可膨胀的（与膨胀的相对）石墨粉与不可膨胀的石墨粉和粘合剂混合，接着通过热处理膨胀可膨胀的石墨。随后，将混合物压缩成大尺寸预先成型的复合坯块，例如薄片和块状物，然后对其进行处理从而激活组合物中的粘合剂，得到能够用于燃料电池中的希望的复合板（参见，例如，图2a中的流程图）。本专利申请看起来描述了膨胀包含可膨胀石墨、非可膨胀石墨和粘合剂的混合物的可膨胀石墨部分，并且随后通过结合压缩和粘合剂处理来固化混合物，从而产生具有良好的机械完整性，同时显示较高横向导电率的复合材料。Zhamu等人没有考虑已经膨胀的石墨粉末，而是用粘合剂制备混合物，从而直接生成由于它们的过程导致的希望的复合坯块。尽管US2008/0279710A1提出了膨胀石墨难以处理（可考虑与其他粉末例如非可膨胀石墨混合时），针对这个问题提供的解决方法更适合在可膨胀石墨剥落之前混合两种石墨粉，由此规避由于膨胀石墨的低密度导致的难以处理的问题。