超音波処理によるCNTの均一分散
カーボンナノチューブ（CNT）の優れた機能を活用するには、均一に分散させる必要があります。
超音波分散機は、水系および溶媒系の懸濁液中にCNTを分散させるために最も一般的に使用される装置です。
超音波分散技術は、CNTを損傷させずに完全に分離するために十分に高いせん断エネルギーを生み出します。
カーボンナノチューブの超音波分散
カーボンナノチューブ（CNT）は非常に高いアスペクト比を持ち、低密度であるとともに、極めて大きな比表面積（数百m2/g）を有します。このため、非常に高い引張強度、剛性、靭性、ならびに非常に高い電気伝導率および熱伝導率といった独自の特性を備えています。個々のカーボンナノチューブ（CNT）を互いに引き寄せるファンデルワールス力により、CNTは通常、束状または絡み合った状態になります。これらの分子間引力は、隣接するナノチューブ間で生じる、πスタッキングと呼ばれるπ結合の積層現象に基づいています。カーボンナノチューブの利点を最大限に活用するには、これらの凝集体の絡み合いをほぐし、CNTを均一な分散液中にむらなく分布させる必要があります。強力な超音波処理は、液体中に音響キャビテーションを発生させます。これによって生じる局所的なせん断応力がCNTの凝集体を壊し、均一な懸濁液中にむらなく分散させます。超音波分散技術は、CNTを損傷させずに完全に分離するために十分に高いせん断エネルギーを生み出します。損傷しやすいSWNTについても、超音波処理によって個々のチューブの絡み合いをほぐすことに成功しています。超音波処理は、個々のナノチューブに多くの破断を生じさせることなく、SWNTの凝集体を分離するのに十分な応力を与えます（Huang, Terentjev 2012）。
- 個々に分散したCNT
- 均一な分布
- 高い分散効率
- 高いCNT配合量
- CNTの劣化なし
- 迅速な処理
- 精密なプロセス制御
UIP2000hdT – CNT分散液用の強力な2kW超音波装置
CNT分散液用の高性能超音波システム
Hielscher Ultrasonicsは、CNTを効率的に分散させるための強力で信頼性の高い超音波装置を提供しています。分析や研究開発用の少量のCNTサンプルを調製する場合にも、大量の分散液を工業規模の大ロットで製造する場合にも、Hielscherの製品群には、お客様の要件に最適な超音波システムがあります。実験室向けの 50W超音波装置 から、商業生産向けの 16kW産業用超音波装置 まで、Hielscher Ultrasonicsが幅広く対応します。
高品質なカーボンナノチューブ分散液を製造するには、プロセスパラメーターを適切に制御する必要があります。振幅、温度、圧力、滞留時間は、CNTを均一に分布させるための最も重要なパラメーターです。Hielscherの超音波装置では、各パラメーターを精密に制御できるだけでなく、すべてのプロセスパラメーターがHielscherのデジタル超音波システムに内蔵されたSDカードに自動的に記録されます。各超音波処理プロセスの記録は、再現性のある結果と一貫した品質の確保に役立ちます。ブラウザーによる遠隔制御を通じて、ユーザーは超音波システムの設置場所にいなくても、超音波装置を操作し、監視できます。
単層カーボンナノチューブ（SWNT）と多層カーボンナノチューブ（MWNT）、および選択した水系媒体または溶媒媒体は、それぞれに適した処理強度を必要とするため、超音波の振幅は最終製品を左右する重要な要因です。Hielscher Ultrasonicsの産業用超音波プロセッサーは、非常に大きな振幅から非常に小さな振幅まで対応できます。プロセス要件に最適な振幅を設定してください。最大200µmの振幅でも、24/7の連続運転を容易に行えます。さらに大きな振幅には、特注の超音波ソノトロードをご用意しています。Hielscherの超音波装置の堅牢性により、高負荷条件や厳しい環境でも24/7の運転が可能です。
お客様は、Hielscher Ultrasonicのシステムの卓越した堅牢性と信頼性に満足されています。高負荷の用途、厳しい環境、24/7の運転への導入により、効率的で経済的な処理を確保できます。超音波によるプロセス強化は、処理時間を短縮し、より高い品質、より高い収率、革新的な製品といった、より優れた結果をもたらします。
以下の表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力の目安を示しています。
| バッチ容量 | 流量 | 推奨装置 |
|---|---|---|
| 0.5–1.5mL | 該当なし | VialTweeter |
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1–20L | 0.2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| 該当なし | 10–100L/min | UIP16000 |
| 該当なし | さらに大きい流量 | クラスター構成の UIP16000 |
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実験室規模からパイロット規模、産業規模まで対応する高出力超音波プロセッサー。
文献／参考文献
- SOP – Ultrasonic Dispersion of Multi-Walled Carbon-Nanotubes using the UP400ST Sonicator – Hielscher Ultrasonics
- Biver T.; Criscitiello F.; Di Francesco F.; Minichino M.; Swager T.; Pucci A. (2015): MWCNT/Perylene bisimide Water Dispersions for Miniaturized Temperature Sensors. RSC Advances 5: 2015. 65023–65029.
- Chiou K.; Byun S.; Kim J.; Huang J. (2018): Additive-free carbon nanotube dispersions, pastes, gels, and doughs in cresols. PNAS Vol. 115, No. 22, 2018. 5703–5708.
- Huang, Y.Y:; Terentjev E.M. (2012): Dispersion of Carbon Nanotubes: Mixing, Sonication, Stabilization, and Composite Properties. Polymers 2012, 4, 275-295.
- Krause B.; Mende M.; Petzold G.; Pötschke P. (2010): Characterization on carbon nanotubes’ dispersability using centrifugal sedimentation analysis in aqueous surfactant dispersions. Conference paper ANTEC 2010, Orlando, USA, May 16-20 2010.
- Paredes J.I.; Burghard M. (2004): Dispersions of Individual Single-Walled Carbon Nanotubes of High Length. Langmuir 2004, 20, 5149-5152.
- Santos A.; Amorim L.; Nunes J.P.; Rocha L.A.; Ferreira Silva A.; Viana J.C. (2019): A Comparative Study between Knocked-Down Aligned Carbon Nanotubes and Buckypaper-Based Strain Sensors. Materials 2019, 12, 2013.
- Szelag M. (2017): Mechano-Physical Properties and Microstructure of Carbon Nanotube Reinforced Cement Paste after Thermal Load. Nanomaterials 7(9), 2017. 267.
知っておきたい知識
カーボンナノチューブとは
カーボンナノチューブ（CNT）は、一次元炭素材料の特殊な一群に属し、優れた機械的、電気的、熱的、光学的特性を示します。ナノ複合材料や強化ポリマーなどの先進的なナノ材料の開発・製造に使用される主要な構成要素であり、最先端技術に利用されています。CNTは、非常に高い引張強度、優れた熱伝達特性、小さなバンドギャップ、最適な化学的・物理的安定性を示すため、多種多様な材料への有望な添加剤となります。
構造に応じて、CNTSは単層カーボンナノチューブ（SWNT）、二層カーボンナノチューブ（DWCNT）、多層カーボンナノチューブ（MWNT）に分類されます。
SWNTは、厚さが原子一個分の炭素壁からなる、中空で長い円筒状のチューブです。炭素の原子シートは、ハニカム格子状に配列しています。概念的には、単層のグラファイトまたはグラフェンのシートを巻いたものによく例えられます。
DWCNTは、二本の単層ナノチューブからなり、一方がもう一方の内部に入れ子状に収まっています。
MWNTは、複数の単層カーボンナノチューブが互いに入れ子状に収まったCNTの形態です。直径は3–30 nmで、長さは数cmに達することがあるため、アスペクト比は10–一千万の範囲で変化し得ます。カーボンナノファイバーと比べて、MWNTは壁構造が異なり、外径が小さく、内部が中空です。工業的に入手可能なMWNTのうち、一般的に使用される種類には、Baytubes® C150P、Nanocyl® NC7000、Arkema Graphistrength® C100、FutureCarbon CNT-MWなどがあります。
CNTの合成：CNTは、プラズマを用いた合成法、アーク放電蒸発法、レーザーアブレーション法、熱合成プロセス、化学気相成長法（CVD）、またはプラズマ支援化学気相成長法によって製造できます。
CNTの機能化：カーボンナノチューブの特性を改善し、特定の用途により適したものにするため、CNTには、例えばカルボン酸基（-COOH）やヒドロキシ基（-OH）を付加するなどの機能化がよく施されます。
CNT分散用添加剤
超強酸、イオン液体、N-cyclohexyl-2-pyrrolidnoneなどの一部の溶媒では、比較的高濃度のCNT分散液を調製できます。一方、ナノチューブ用として最も一般的な溶媒であるN-methyl-2-pyrrolidone（NMP）、ジメチルホルムアミド（DMF）、1,2-dichrolobenzeneなどでは、ナノチューブを非常に低い濃度でしか分散できません（例えば、単層CNTでは通常<0.02 wt%）。最も一般的な分散剤は、ポリビニルピロリドン（PVP）、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム（SDBS）、Triton 100、またはドデシルスルホン酸ナトリウム（SDS）です。
クレゾール類は、最大で数十重量パーセントの濃度でCNTを処理できる工業用化学物質の一群です。CNTの配合量が増えるにつれて、希薄な分散液から、粘度の高いペースト、自立性ゲルを経て、これまでにない遊び用粘土のような状態へと連続的に移行します。これらの状態は、他の一般的な溶媒では実現できない、ポリマーのようなレオロジー特性と粘弾性特性を示し、ナノチューブが実際にクレゾール類中で解凝集され、微細に分散していることを示唆しています。クレゾール類は、CNTの表面を変化させることなく、処理後に加熱または洗浄によって除去できます。 [Chiou et al. 2018]
CNT分散液の用途
CNTの利点を活用するには、ポリマーなどの液体中に分散させる必要があります。均一に分散したCNTは、導電性プラスチック、液晶ディスプレイ、有機発光ダイオード、タッチスクリーン、フレキシブルディスプレイ、太陽電池、導電性インク、フィルム・発泡体・繊維・布地を含む静電気制御材料、ポリマーコーティングおよび接着剤、卓越した機械的強度と靭性を持つ高性能ポリマー複合材料、ポリマー／CNT複合繊維、さらに軽量材料や帯電防止材料の製造に使用されます。
炭素にはどのような形態があるのでしょうか？
炭素には、以下を含む複数の同素体があります。
- 結晶質の形態：ダイヤモンド、グラファイト、グラフェン、カーボンナノチューブ（CNT）、フラーレン（例えば、 C₆₀).
- 非晶質の形態：木炭、すす、カーボンブラック、ガラス状炭素、ダイヤモンドライクカーボン（DLC）、 単層非晶質炭素（MAC）.
- ハイブリッドナノ構造：ナノダイヤモンド、カーボンオニオン、カーボンエアロゲル、ナノカーボンと金属のハイブリッドなどの複合材料。
各形態は、材料科学、エレクトロニクス、エネルギー貯蔵の用途に関わる、それぞれ異なる物理化学的特性を示します。