カーボンナノチューブ（CNT）の超音波分散
カーボンナノチューブは強く柔軟ですが、非常に凝集しやすい性質があります。水、エタノール、油、ポリマー、エポキシ樹脂などの液体に分散させることは困難です。超音波は、個々に分離した – 単独で分散した – カーボンナノチューブを得るための効果的な方法です。
カーボンナノチューブ（CNT）は、接着剤、コーティング、ポリマーに使用されるほか、電気機器や静電塗装が可能な自動車のボディパネルで静電荷を逃がすために、プラスチックの導電性フィラーとして使用されます。ナノチューブを使用することで、ポリマーの温度、強い化学薬品、腐食性環境、極端な圧力、摩耗に対する耐性を高めることができます。カーボンナノチューブには、単層ナノチューブ（SWNT）と多層ナノチューブ（MWNT）の二種類があります。
産業用超音波ホモジナイザーUIP1500hdT は、カーボンナノチューブ（CNT）やその他のナノ材料の分散に使用されます。
カーボンナノチューブは一般に乾燥材料として入手でき、例えば SES Research やCNT Co., Ltd.などの企業が供給しています。ナノチューブの潜在能力を最大限に活用するには、シンプルで信頼性が高く、スケールアップ可能な解凝集プロセスが必要です。最大100,000cPの液体において、超音波は水、油、ポリマー中にナノチューブを低濃度または高濃度で分散させるための非常に効果的な技術です。 超音波キャビテーションによって生じる液体ジェット流は、ナノチューブ間の結合力に打ち勝ち、ナノチューブを分離します。また、超音波によって生じるせん断力と微小な乱流により、超音波はナノチューブの表面コーティングや、ナノチューブと他の材料との化学反応を促進することもできます。
一般に、粗いナノチューブ分散液をまず標準的な撹拌機で予備混合し、その後、超音波フローセル反応器で均質化します。以下の動画は、 UP400Sを用いたバッチ超音波処理によって、多層カーボンナノチューブを低濃度で水中に分散させる実験室での試験を示しています。炭素の化学的性質のため、ナノチューブを水中に分散させることはかなり困難です。動画に示すように、超音波処理によってナノチューブを効果的に分散できることを容易に実証できます。
プローブ型超音波処理を用いて硬化剤中に分散させた各種ナノフィラーの比較）：(a) 0.5 wt%のカーボンナノファイバー（CNF）；(b) 0.5 wt%のCNToxid；(c) 0.5 wt%のカーボンナノチューブ（CNT）；(d) 0.5 wt%の部分的に分散したCNT。
研究および画像：©Zanghellini et al., 2021
長い個々のSWNTの分散
SWNTの加工や操作における大きな問題は、一般的な有機溶媒や水に対してナノチューブが本質的に不溶であることです。SWNTと溶媒との間に適切な界面を形成するためにナノチューブの側壁や開口端を官能基化しても、多くの場合、ロープ状のSWNT束が部分的にほぐれるだけにとどまります。
その結果、SWNTは通常、完全に分離した個々のナノチューブとしてではなく、束として分散します。分散時に過度に厳しい条件を用いると、SWNTは80–200nmの長さに短縮されます。この長さは特定の試験には有用ですが、半導体用途や補強用途のSWNTなど、ほとんどの実用的な用途には短すぎます。制御された穏やかな超音波処理（例えば、 40mmのソノトロードを備えたUP200Htを用いた処理）は、長い個々のSWNTの水系分散液を調製するための効果的な手順です。穏やかな超音波処理を繰り返すことで、短縮を最小限に抑え、構造的特性および電子的特性を最大限に保持できます。
ポリマーを利用した超音波処理によるSWNTの精製
純粋なSWNTを得ることが難しいため、SWNTの化学修飾を分子レベルで研究することは困難です。成長したままのSWNTには、金属粒子や非晶質炭素など、多くの不純物が含まれています。ポリメタクリル酸メチル（PMMA）のモノクロロベンゼン（MCB）溶液中でSWNTを超音波処理し、その後ろ過することは、SWNTを精製する効果的な方法です。このポリマーを利用した精製方法により、成長したままのSWNTから不純物を効果的に除去できます。（Yudasaka et al.）超音波処理の振幅を正確に制御することで、SWNTへの損傷を抑えることができます。
Hielscherの 幅広い超音波装置 およびアクセサリーは、ナノチューブの効率的な分散に使用されます。
- コンパクトな実験室用装置 は、最大 400ワットの超音波出力 で、最大2リットルの少量の液体への分散に使用できます
- UIP500hdT, UIP1000hdT および UIP1500hdT は、より大きな量を処理できる超音波プロセッサーです。
- 出力 2kW（UIP2000hdT） および 4kW（UIP4000hdT） の超音波システムは、生産規模でのカーボンナノチューブの分散に使用できます。 UIP10000（10キロワット） および UIP16000（16キロワット） は、複数の個別ユニットをクラスター化して、カーボンナノチューブの大規模処理に使用できます。”
お問い合わせ・ご質問はこちら！
参考文献
- Koshio, A., Yudasaka, M., Zhang, M., Iijima, S. (2001): A Simple Way to Chemically React Single-Wall Crabon Nanotubes with Organic Materials Using Ultrasonication; in Nano Letters, Vol. 1, No. 7, 2001, p. 361-363.
- Yudasaka, M., Zhang, M., Jabs, C. et al. (2000): Effect of an organic polymer in purification and cutting of single-wall carbon nanotubes. Appl Phys A 71, 449–451 (2000).
- Paredes, J. I., Burghard, M. (2004): Dispersions of Individual Single-Walled Carbon Nanotubes of High Length, in: Langmuir, Vol. 20, No. 12, 2004, 5149-5152, American Chemical Society.
Hielscher Ultrasonicsは、 実験室規模 から 産業規模までの高性能な超音波ホモジナイザーを製造しています。