[发明专利]纳米片分散体、其生产方法及其用途

说明书

发明背景

发明领域

本发明涉及纳米片分散体、用于生产纳米片分散体的方法和这类分散体的用途。本发明特别地但不必排他地应用于石墨烯纳米片的分散体。术语“分散体”包括预分散体，预分散体是意图被添加到其他组分诸如油墨系统、涂料系统、粘合剂制剂或聚合物制剂的分散体。

相关技术

诸如炭黑、石墨、碳纳米管(CNT)等的碳材料被广泛用作用于印刷电子设备的导电油墨系统中的导电元素[1]、以及用作复合材料系统的填料以增强它们的电、热或机械性能[2]-[4]。然而，每一种类型的碳都具有缺点。炭黑对于用于许多应用的导电油墨来说导电性不足，并且因此需要使用其他导电油墨(诸如银油墨)的格栅或边界的额外印刷[5]。同时，石墨颗粒通常太大以致于不可用于印刷或涂覆技术诸如喷墨印刷[5]。同时，炭黑和石墨两者在油墨和复合材料中通常需要高负载量(通常>20wt.％)以实现合理的性能诸如导电性。填料的高负载量可以降低印刷油墨和复合材料的机械性能诸如强度、刚度等。尽管当用作纳米填料时CNT对于油墨应用产生相对高的导电性并且增强了复合材料的诸如导电性和导热性的性能，但是它们在油墨和复合材料中的实际工业应用受到高生产成本和低收率的阻碍。

石墨烯是碳的另一种同素异形体，其中原子在平面内共价键合并且通过范德华力在平面外堆叠。由于出色的电学、光学和机械性能，通过低收率方法生产的石墨烯已经成为用于未来应用的有前景的材料，并且已在功能性油墨[6]、[7]、[8]和复合材料[9]中被广泛地证明了。以低的生产成本和工业生产为目的，已经提出了各种类型的实现大规模生产化学官能化/非官能化的GNP的方法[10]-[16]。目前存在来自市场上可获得的许多来源的GNP，其用于石墨烯的潜在实际应用。然而，将GNP应用在功能性油墨和复合材料中仍然具有挑战性。

发明概述

与大量配制GNP功能性油墨有关的现有技术的策略需要大规模生产GNP和合适的溶剂，并且可能需要分散剂[5]、[17]，诸如合适的表面活性剂和聚合物。这导致了若干关键的挑战：

(1)GNP功能性油墨通常由特定的GNP类型来配制。这些被提出的油墨配制策略是否适合于其他类型的GNP，包括市场上可获得的GNP，经常是不清楚的。当以工业生产为目标时，使通用的GNP功能性油墨配制策略适用于宽范围的可商购的GNP将是优选的。

(2)对GNP的溶液处理的先前研究揭示，合适的溶剂通常是昂贵的、侵蚀性的和有毒的(例如氯仿、二氯苯、甲苯等)[5]、[17]。严苛的溶剂(harsh solvent)可能与某些基材诸如塑料不相容。另外，溶剂性质可能会呈现后处理问题，经常需要高温后退火(high temperature post annealing)过程和长时间干燥过程[18]。这些问题可能限制实际的工业应用。期望的是从便宜、无毒和环境友好的溶剂或溶剂共混物产生GNP功能性油墨，该溶剂或溶剂共混物不需要特别的后处理并且可以在室温固化。

(3)虽然诸如表面活性剂和聚合物的分散剂可以允许其他不适合的溶剂诸如水使GNP分散[5]、[17]，但是在干燥的膜中分散剂的存在可以降低GNP的电性能。从干燥的膜除去这些分散剂所需的高温退火或重复洗涤限制了应用的范围[8]。

已经设计了本发明以便解决上述问题中的至少一个。优选地，本发明减少、改善、避免或克服了上述问题中的至少一个。

因此，在第一优选的方面，本发明提供了一种悬浮在载体液体中的纳米片的分散体，该纳米片衍生自层状材料，其中分散体中的纳米片的负载量为每1ml分散体至少20mg纳米片。

在第二优选的方面，本发明提供了一种制造根据第一方面的分散体的方法，该方法包括在高剪切条件下混合载体液体和纳米片的步骤。

在第三优选的方面，本发明提供了根据第一方面的分散体作为油墨系统的用途。

在第四优选的方面，本发明提供了根据第一方面的分散体作为油墨、涂料或粘合剂制剂中的功能性添加剂的用途。

在第五优选的方面，本发明提供了根据第一方面的分散体在制造纳米片-聚合物复合材料中的用途，该用途包括将分散体与聚合物前体混合以形成混合物，并且允许混合物固化的步骤。

本发明的第一、第二、第三、第四和/或第五方面可以具有以下任选特征中的任一个或者在它们是相容的这方面来说具有以下任选特征的任何组合。