強化複合材料の超音波による配合

• 複合材料は、熱安定性、弾性率、引張強度、破壊強度の大幅な向上など、独自の材料特性を示すため、多種多様な製品の製造に広く使用されています。
• 超音波処理により、CNTやグラフェンなどが高度に分散した高品質のナノ複合材料を製造できることが実証されています。
• 強化複合材料の配合に使用する超音波装置は、工業規模でも利用できます。

ナノ複合材料

ナノ複合材料は、機械的、電気的、熱的、光学的、電気化学的特性、および／または触媒特性に優れています。
強化相の表面積対体積比が極めて高いこと、および／またはアスペクト比が極めて高いことにより、ナノ複合材料は従来の複合材料よりも大幅に高い性能を発揮します。強化には、球状シリカなどのナノ粒子、剥離グラフェンや粘土などの鉱物シート、カーボンナノチューブや電界紡糸繊維などのナノ繊維が頻繁に使用されます。
例えば、カーボンナノチューブは電気伝導性と熱伝導性を向上させるために添加され、ナノシリカは機械的特性、熱的特性、耐水性を向上させるために使用されます。その他の種類のナノ粒子は、光学的特性、誘電特性、耐熱性、または剛性、強度、耐食性、耐損傷性などの機械的特性を向上させます。

超音波で配合したナノ複合材料の例：

• ビニルエステルマトリックス中のカーボンナノチューブ（CNT）
• ニッケル金属マトリックス中のCNT／カーボンオニオン／ナノダイヤモンド
• マグネシウム合金マトリックス中のCNT
• ポリビニルアルコール（PVA）マトリックス中のCNT
• エポキシ樹脂マトリックス中の多層カーボンナノチューブ（MWCNT）（硬化剤としてメチルテトラヒドロ無水フタル酸（MTHPA）を使用）
• ポリ（ビニルアルコール）（PVA）マトリックス中の酸化グラフェン
• マグネシウムマトリックス中のSiCナノ粒子
• ポリスチレンマトリックス中のナノシリカ（Aerosil）
• 軟質ポリウレタン（PU）マトリックス中の磁性酸化鉄
• グラファイト／ポリ（塩化ビニル）中の酸化ニッケル
• 乳酸・グリコール酸共重合体（PLGA）マトリックス中の酸化チタンナノ粒子
• 乳酸・グリコール酸共重合体（PLGA）マトリックス中のナノヒドロキシアパタイト

超音波分散

超音波プロセスのパラメーターは正確に制御でき、材料組成と求める最終品質に最適に適合させることができます。超音波分散は、CNTやグラフェンなどのナノ粒子をナノ複合材料に組み込むために推奨される技術です。ナノ複合材料の超音波分散と配合は、科学的に長年検証され、多くの工業生産設備に導入されている、十分に確立された方法です。Hielscherは、ナノ材料の超音波処理に関する長年の経験により、専門的なコンサルティング、適切な超音波装置構成の提案、プロセス開発と最適化における支援を確実に提供します。
通常、強化用ナノ粒子は処理中にマトリックスへ分散されます。添加するナノ材料の重量百分率（質量分率）は、例えば0.5% – 5%と低い範囲にあります。これは、超音波処理によって達成される均一な分散により、強化充填材の使用量を削減しながら、より高い強化性能を得られるためです。
製造における超音波の代表的な用途は、ナノ粒子・樹脂複合材料の配合です。CNT強化ビニルエステルを製造するために、超音波処理を使用してCNTを分散させ、機能化します。これらのCNT・ビニルエステル複合材料は、電気的特性と機械的特性の向上を特徴としています。
CNTの分散について詳しくはこちらをご覧ください！

グラフェン

グラフェンは、卓越した物理的特性、高いアスペクト比、低密度を備えています。軽量で高強度のポリマーを得るために、グラフェンと酸化グラフェンを複合材料のマトリックスに組み込みます。機械的な強化を達成するには、グラフェンシート／板状粒子を非常に微細に分散させる必要があります。凝集したグラフェンシートは、強化効果を大幅に制限するためです。
科学的研究により、改善の程度は主にマトリックス中のグラフェンシートの分散度に依存することが示されています。均一に分散したグラフェンだけが、望ましい効果をもたらします。グラフェンは強い疎水性とファンデルワールス引力により、集合・凝集して、相互作用の弱い単層シートからなるフレークを形成しやすい性質があります。
一般的な分散技術では、グラフェンを損傷させずに均一な分散液を製造できないことが多い一方、高出力の超音波処理装置は高品質のグラフェン分散液を製造します。Hielscherの超音波処理装置は、未修飾グラフェン、酸化グラフェン、還元型酸化グラフェンを、低濃度から高濃度、少量から大量まで、問題なく処理します。一般的に使用される溶媒はN-methyl-2-pyrrolidone（NMP）ですが、高出力超音波を使用すると、アセトン、クロロホルム、IPA、シクロヘキサノンなどの低沸点の貧溶媒にもグラフェンを分散させることができます。
グラフェンの大量剥離について詳しくはこちらをご覧ください！

カーボンナノチューブとその他のナノ材料

高出力超音波により、カーボンナノチューブ（CNT）、SWNT、MWNT、フラーレン、シリカ（SiO₂）、二酸化チタン（TiO₂）、銀（Ag）、酸化亜鉛（ZnO）、ナノフィブリル化セルロースなど、多種多様なナノ材料を微細に分散できることが実証されています。一般に、超音波処理は従来の分散装置を上回る性能を発揮し、独自の結果を達成できます。
ナノ粒子の粉砕と分散に加えて、超音波沈殿（ボトムアップ合成）によるナノ粒子の合成でも優れた結果が得られます。例えば、超音波で合成したマグネタイト、モリブデン酸亜鉛ナトリウムなどの粒子径は、従来の方法で得られたものより小さいことが観察されています。この粒子径の減少は、超音波キャビテーションによって生じるせん断と乱流がもたらす、核生成速度の向上と混合状態の改善によるものです。
超音波によるボトムアップ沈殿について詳しくはこちらをご覧ください！

超音波による粒子の機能化

粒子の比表面積は、粒子径が小さくなるにつれて増加します。特にナノテクノロジーでは、粒子の表面積が増加することにより、材料特性の発現が大幅に増強されます。粒子表面に適切な機能性分子を付着させることで、超音波により表面積を増加させ、表面を修飾できます。ナノ材料の応用と使用において、表面特性は粒子内部の特性と同じくらい重要です。
超音波で機能化した粒子は、ポリマー、複合材料およびバイオ複合材料、ナノ流体、組立型デバイス、ナノ医薬品などに広く使用されています。粒子の機能化により、安定性、強度と剛性、溶解性、多分散性、蛍光、磁性、超常磁性、光吸収、高い電子密度、フォトルミネッセンスなどの特性が大幅に改善されます。
Hielscherの超音波システムで商業的に機能化される一般的な粒子には、CNT、SWNT、MWNT、グラフェン、グラファイト、シリカ（SiO₂）、ナノダイヤモンド、マグネタイト（酸化鉄、Fe₃O₄）、銀ナノ粒子、金ナノ粒子、多孔質およびメソ多孔質ナノ粒子などがあります。
超音波粒子処理のアプリケーションノートの一部はこちらをご覧ください！

超音波分散装置

Hielscherの超音波分散装置は、実験室、卓上での使用、工業生産向けに提供されています。Hielscherの超音波処理装置は、信頼性が高く、堅牢で、操作と洗浄が容易です。装置は、過酷な条件下で24時間・週7日稼働するように設計されています。超音波システムはバッチ処理とインライン処理に使用でき、柔軟性が高く、お客様のプロセスと要件に容易に適合させることができます。

超音波によるバッチ処理とインライン処理の能力