窒化ホウ素ナノチューブ – 超音波処理による剥離と分散

超音波処理は、窒化ホウ素ナノチューブ（BNNTs）の加工と分散に有効に用いられています。高強度の超音波処理は、さまざまな溶液中で絡まりを均一に解きほぐし、均一に分布させるため、BNNTsを溶液やマトリックスに組み込むうえで重要な加工技術です。

窒化ホウ素ナノチューブの超音波加工

窒化ホウ素ナノチューブ（BNNTs）や、ナノシート、ナノリボンなどの窒化ホウ素ナノ構造体（BNNs）を液体溶液や高分子マトリックスに組み込むには、効率的で信頼性の高い分散技術が必要です。超音波分散は、窒化ホウ素ナノチューブや窒化ホウ素ナノ構造体の剥離、絡まりの解消、分散、機能化を高効率で行うために必要なエネルギーを供給します。高強度超音波の加工パラメーター（エネルギー、振幅、時間、温度、圧力）を精密に制御できるため、目的とするプロセス目標に合わせて加工条件を個別に調整できます。つまり、具体的な配合条件（BNNTsの品質、溶媒、固液濃度など）に応じて超音波強度を調整し、最適な結果を得ることができます。

BNNTおよびBNNの超音波加工の用途は、二次元窒化ホウ素ナノ構造体（2D-BNNs）の均一分散から、その機能化、単層六方晶窒化ホウ素の化学的剥離まで、幅広い範囲を網羅しています。以下では、BNNTsおよびBNNsの超音波分散、剥離、機能化について詳しく紹介します。

窒化ホウ素ナノチューブの超音波分散

窒化ホウ素ナノチューブ（BNNTs）を高分子の補強や新材料の合成に使用する場合、マトリックス内に均一かつ確実に分散させる必要があります。超音波分散装置は、CNTs、金属ナノ粒子、コアシェル粒子、その他の種類のナノ粒子などのナノ材料を第二相に分散させるために広く使用されています。
超音波分散は、エタノール、PVPを含むエタノール、TX100を含むエタノールなどの水系および非水系溶液や、さまざまな高分子（例えばポリウレタン）中で、BNNTsの絡まりを解きほぐし、均一に分布させるために有効に用いられています。
超音波で調製したBNNT分散液を安定化するために一般的に使用される界面活性剤は、1%wtのドデシル硫酸ナトリウム（SDS）溶液です。例えば、5 mLの1%wt. SDS溶液を入れたバイアル中で5 mgのBNNTsを超音波分散させるには、次のような超音波プローブ型分散装置を使用します： UP200St (26kHz, 200W).

超音波によるBNNTsの水系分散

窒化ホウ素ナノチューブは、強いファンデルワールス相互作用と疎水性表面のため、水系溶液には分散しにくい材料です。これらの問題を解決するため、Jeon et al. (2019)は、親水基と疎水基の両方を持つPluronic P85とF127を使用し、超音波処理下でBNNTを機能化しました。

超音波処理による界面活性剤を使用しない窒化ホウ素ナノシートの剥離

Lin et al. (2011)は、六方晶窒化ホウ素（h-BN）のクリーンな剥離・分散方法を紹介しています。六方晶窒化ホウ素は、従来、水に不溶と考えられてきました。しかし、この研究では、超音波処理によって層状h-BN構造を剥離する際に水が有効であり、界面活性剤や有機的な機能化を用いずに、h-BNナノシートの「クリーンな」水系分散液を形成できることが実証されました。この超音波剥離プロセスにより、数層のh-BNナノシートに加えて、単層ナノシートおよびナノリボンが生成されました。ほとんどのナノシートでは面内寸法が小さくなっており、これは、超音波処理によって促進された加水分解が元のh-BNシートの切断を引き起こしたためとされました（アンモニア試験および分光分析の結果によって裏付けられています）。超音波によって誘起された加水分解は、溶媒の極性効果を補助して、h-BNナノシートの剥離も促進しました。これらの「クリーンな」水系分散液中のh-BNナノシートは、物理的特性を保持したまま、溶液法による良好な加工性を示しました。水中に分散したh-BNナノシートは、フェリチンなどのタンパク質に対しても強い親和性を示し、ナノシート表面がさらなるバイオコンジュゲーションに利用できることが示唆されました。

超音波キャビテーションとせん断力を利用する超音波機械的分散法は、純粋に物理的な混合手法です。BNNTsの完全性と固有の特性を維持しながら、その束を解きほぐし、個々のBNNTsを安定化できることが実証されています。適切な超音波エネルギー（Ws/mL）、すなわち調整した振幅と超音波処理時間を適用することで、超音波分散はBNNTSの絡まりを解きほぐし、均一に分散させることができます。窒化ホウ素ナノチューブの長さを短くする必要がある場合は、より高い振幅とより長い超音波処理時間を適用できます。BNNTsの超音波によるサイズ低減と長さ方向の切断については、次の節で詳しく説明します。

窒化ホウ素ナノチューブの超音波によるサイズ低減と切断

窒化ホウ素ナノチューブの長さは、BNNTsを高分子やその他の機能化材料に加工する後続工程で重要な役割を果たします。したがって、溶媒中でBNNTsを超音波処理することで、BNNTsを個々に分離するだけでなく、制御された条件下で竹状構造のBNNTsを短くすることもできるという点は重要です。短くなったBNNTsは、複合材料の調製中に束になる可能性が大幅に低下します。Lee at al. (2012)は、機能化したBNNTsの長さを、超音波処理によって>10µmから∼500nmへ効率的に短縮できることを実証しました。この実験は、こうしたBNNTのサイズ低減と切断には、溶液中でBNNTを効果的に超音波分散させる必要があることを示唆しています。

BNNT加工用の高性能超音波処理装置

Hielscherの超音波処理装置のスマート機能は、信頼性の高い運転、再現性のある結果、使いやすさを保証するように設計されています。デジタルカラータッチディスプレイやブラウザーによる遠隔操作から利用できる直感的なメニューを通じて、運転設定に簡単にアクセスし、調整できます。そのため、正味エネルギー、総エネルギー、振幅、時間、圧力、温度などのすべての加工条件が、内蔵SDカードに自動的に記録されます。これにより、過去の超音波処理を見直して比較し、窒化ホウ素ナノチューブやナノ材料の剥離・分散プロセスを最高の効率に向けて最適化できます。
Hielscher Ultrasonicsのシステムは、高品質のBNNTsの製造に世界中で使用されています。Hielscherの工業用超音波処理装置は、連続運転（24/7/365）で高振幅を容易に維持できます。標準ソノトロード（超音波プローブ／ホーン）で、最大200µmの振幅を容易に連続生成できます。さらに高い振幅には、特注の超音波ソノトロードを利用できます。当社の超音波剥離・分散システムは、堅牢性が高く保守の必要性が低いため、高負荷用途や厳しい環境に広く設置されています。
Hielscher Ultrasonicsの工業用超音波プロセッサーは、非常に高い振幅を供給できます。最大200µmの振幅で、24/7運転を容易に連続して行えます。さらに高い振幅には、特注の超音波ソノトロードを利用できます。
窒化ホウ素ナノチューブに加え、CNTsやグラフェンの分散・剥離用のHielscher超音波プロセッサーは、すでに世界中で商業規模で設置されています。BNNT製造プロセスについて、今すぐお問い合わせください。経験豊富なスタッフが、剥離プロセス、超音波システム、価格に関する詳しい情報をご案内します。
下表は、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力を示しています。