[发明专利]一种用于合成碳珠的方法

说明书

本发明提供了一种合成包括亚微米尺寸、微米尺寸或毫米尺寸的碳珠的方法。该方法可以调节粘性浆料，以合成具有更好的物理化学特性的碳珠。该方法提高了碳珠对极端pH和高温的耐受能力。本发明还提供了一种用于合成碳珠的组合物。本发明还提供了一种用于合成碳珠的微流体液滴发生器。本发明合成的碳珠适用于分离、过滤、净化、电线和电缆、电极、传感器、复合材料和添加剂制造、药物递送应用。

最早优先权日：

本申请要求于2020年3月2日提交的美国临时专利申请(专利申请号为62983863，名称为“一种用于合成碳珠的方法及其产品”)的优先权。

技术领域

本发明的实施方案涉及亚微米、微米和毫米结构，尤其涉及亚微米、微米或毫米尺寸的碳珠的合成方法。

背景技术

纺丝沥青精炼过程中产生的尺寸范围在1-80微米的球形碳颗粒被称为碳珠。碳珠有三种纯度等级，如绿色、碳化和石墨化粉末。利用导电性、导热性和其他特性，它们被用作具有新功能的复合材料。碳珠也被称为仲炭微珠、球形碳细粒、球形碳粉、碳球、球形碳颗粒、球形圆球等。

传统上，具有亚微米、微米或毫米尺寸碳珠结构的碳珠使用选自原始碳材料(例如，炭黑、活性炭、热解或天然石墨、金刚石、石墨烯、单壁或多壁碳纳米管、富勒烯或金属富勒烯)或用分子或聚合物功能化的碳材料的起始材料组装而成。

在过去的四十年里，人们探索了各种合成碳微珠的方法。美国专利US4263268A公开了一种合成碳微珠的方法，其中公开内容讨论了使用富碳聚合物源沉积在牺牲性无机模板中然后去除模板并热解来合成多孔石墨碳复合物。煤焦油、重油渣油和沥青等芳香烃已显示在液相碳化过程中形成中间相碳珠(参见Lü,Y.等人，《从煤焦油制备中间相碳微珠》，材料科学杂志，34，1999)。热解石墨壳是通过火焰热解工艺合成的。然而，这些方法中的每一种都涉及苛刻的条件(例如，升高的温度)，并且提供次优控制或无控制来定制珠尺寸。

Lalwani等人2016年在《生物医学工程年鉴》杂志上发表的《用于组织工程和再生医学的二维和三维全碳纳米材料组件》的论文中，披露了一种使用碳纳米管和石墨烯的三维微米级和毫米级结构的组装，其中公开内容讨论了使用碳纳米管和石墨烯通过“自下而上”(例如，化学气相沉积)或“自上而下”(例如，毛细管诱导的自组装)方法成功组装三维微米级和毫米级结构。然而，这些结构很脆，并且结构完整性不足以用于需要高机械强度或在动态机械加载和卸载力下的应用中。生物医学植入物在体内或者用于过滤和/或分离的固定相材料在体外会经历这些状况。由组织(例如骨骼)中或(色谱柱中的)流体流动下的恒定加载和卸载循环引起的动态应力会导致疲劳并松动三维结构，从而导致其崩溃或碎裂。此外，注意到碳微米和毫米结构的孔隙率和孔径有显著批次间差异。然而，尚未证明使用这些碳材料-粘合剂组合以受控方式合成各种尺寸的微球形式的所有碳微米和毫米结构。

Choi,A.等人2017年在《工程微粒的最新进展及其在生物医学递送和诊断应用中的新生应用》中公开了一种微球的合成方法，该公开内容解释了主要使用不饱和聚合物通过采用传统乳液自由基聚合以手动或机械(使用超声波仪和均质器)搅拌来合成微球。申请号为WO2014070987A1的专利申请公开了上述方法的调整和使用碳材料如炭黑、碳纳米管和石墨烯作为被称为皮克林乳液的水/油球形液滴中的稳定剂。Shah,R.K.等人2008年在他们的发表在《今日材料》杂志11期上的论文《使用微流体的设计乳液》披露了问题包括多分散性，这些传统方法的重现性差，导致开发了复杂的乳化方法，如膜挤出、粘弹性剪切和微丝生成。喷雾装置(也称为雾化器、施加器、喷雾器或喷嘴)，将液体高速排放到气相中(通常是缓慢移动的空气)，或利用电或超声波压力产生液滴，已用于材料合成(如D'Addio等人2013年的论文、Taksima,T.等人2015年的论文、以及美国专利US7131597B2中所述)。中国专利CN104525070A公开了采用雾化技术的微珠，其采用羧酸官能化碳纳米管和其他添加剂的混合物。然而，这些技术对微滴的尺寸控制不足。