[发明专利]鉴别和表征物料溶剂和复合基质的方法和装置及其使用方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求了以下优先权：在先的美国临时专利申请，其申请号为 61/019,428，名称为“用于鉴别和表征物料溶剂和复合基质的方法和装置”，申请日 为2008年1月7日；在先的美国临时专利申请，其申请号为61/051,758，名称为 “原始的碳同素异形体和大分子平衡溶液的处理方法”，申请日为2008年5月9 日；在先的美国临时专利申请，其申请号为61/098,419，名称为“石墨烯的应用”， 申请日为2008年9月19日；和在先的美国临时专利申请，其申请号为61/201,055， 名称为“电学连续的石墨烯片和涂层的制造方法”，申请日为2008年12月5日， 其每个在此全文引入作为参考。

关于联邦赞助的研究或开发的声明

背景技术

本发明涉及鉴别和表征大分子和纳米粒子溶质，包括，例如，碳纳米管或 石墨烯溶质的最佳溶剂的方法和装置，以及利用这些溶剂制备产品和材料的方法。

现在对于发现某些类型的大分子的有效溶剂相当感兴趣。上述溶剂可以用 于促进大分子的均一分散，例如，分离那些趋向于团聚为“束”、“绳”、或团聚体 的碳纳米管。大分子的进一步均一分散体可以改善使用这些大分子的复合材料或 表面涂层。有效的溶剂也可以用于从大块上剥离大分子，例如，从大块石墨上除 去个别的石墨烯片。有效的溶剂可以用于分离大分子，例如，不同分子量的大分 子的分级沉淀。由有效溶剂激活的真正的溶液，可以为大分子提供运载工具，其 维持着大分子的悬浮液，同时使各种新的制备工艺成为可能。

许多有价值的大分子的有效溶剂是未知的。例如，原始的单壁碳纳米管 (SWCNT或SWNT)，象大多数碳的同素异形体，普遍认为其是不溶于有机或水 溶剂中的。在此，“原始的”意思是，非官能化的或未与其它元素，例如氧气，发 生化学反应的。现在，基于溶剂的SWNT的分散依赖于在SWNT中添加材料， 例如，利用SWNT的共价官能化或利用向SWNT的表面添加表面活性剂和/或分 散剂。一部分液体通常宽泛地定义为“溶剂”，而不说明溶质的状态。一些溶液是 胶体或分散体。在这个方面，文献曾经论述了碳纳米管悬浮在溶剂中，然而，本 领域技术人员可以理解这些不是热力学稳定的溶质/溶剂体系，在其中大分子的浓 聚物处于不确定的混悬状态。

现在，有许多技术用于鉴别给定溶质的溶剂，包括溶解度参数和表面能。 汉森(Hansen)溶解度参数利用检测溶剂和溶质的固有性质——键能来推算溶剂 的有效性。当溶剂和溶质的相应键能彼此接近时，被推算出是有效溶解作用。希 尔德布兰德(Hildebrand)溶解度参数是“内聚能密度”参数，其为物料的内在性质， 可测量完全分离该物料的分子所需要的能量。同理，溶剂的希尔德布兰德参数接 近于目标溶质的希尔德布兰德参数时，认为是溶质的有效溶剂。

用于推断溶剂的有效性的这两项技术具有的优点是，仅依赖于溶质和溶剂 材料的固有性质。由于这个原因，它们可以通过简单搜索出版的文献中的溶剂和 溶质的固有性质来实现各自独立地测量。

然而，这些技术有缺点，包括，例如，很难精确的测量汉森参数，以及该 技术未能说明一些溶解性影响参数，例如分子形状和大小。

通常情况下，这些技术中的每一个都会由经验测量进行补充，即对包含溶 剂和溶质的真实溶液进行经验测量来确定饱和时的溶质浓度。上述的经验测量对 那些能形成胶体状的悬浮液的大分子很难做出，胶体状的悬浮液妨碍了对其溶解 性的测定。

发明内容

本发明的发明人开发了一种仪器，其可以鉴别给定的溶质的溶剂性质。使 用该仪器他们发现，事实上，以前被认为是以其原始状态很难溶解的许多大分子 的真实溶剂是存在的。这些大分子包括碳纳米管、石墨烯和纤维素纳米晶体(纳 米纤维素)。然而，本发明并不局限于少数这些物质，可预见的还包括氮化硼纳米 管和硫化钼以及其它薄片状材料如石墨和其它纳米管材料。可以认为那些以前没 有被认识的纳米材料的普通原理已经被本发明公开，且许多不溶材料可以被“溶 解”的。这个发现，接着导致开发出许多热力学稳定的由这些大分子组合成的液态、 固态或凝胶基质材料。关于石墨烯，发明人已经发现该溶剂可以用于生成薄的透 光导电层和电学持续的石墨烯片。

溶剂表征仪器