カーボンナノチューブ技術でよりスマートで安全な世界に
29 Nov 2019
強力な物質は多くの場合、小さなパッケージに入っている状態で届きます。最小物質の一部はナノサイズの微粒子です。カーボンナノチューブやグラフェン系の材料の需要は上昇傾向にあり、これらの材料は、電子機器、スマートクロージング、環境（特に水）安全面など、さまざまな用途において、高度に特化された付加価値のある役割を担っています・
カーボンナノチューブとグラフェンは、その摩損性と凝集傾向を考えると、分解して使用可能なチェーンに再編することは難しい物質です。しかしこれを実現できれば、非常に優れた電気特性、温度特性、機械特性が得られます。私たちは、GEA イタリアのプロセス技術均質化部門統括責任者シルビア・グラッセリ博士と膝を交えて、GEA テクノロジーが既存の材料の市場投入にどう役立っているのか、需要を推進しているものは何か、2025年までに売り上げ予測の28億6000万米ドルを達成できるのはどれか、などについて話し合いました。
カーボンナノチューブとグラフェンの特徴とその使用方法とは
SG：一歩離れてみると、「ナノ」とはギリシャ語で「小人」という意味です。「ナノメートル」は10億分の1メートルで、人間の髪の毛の太さの1000分の1に相当し、これらの粒子は肉眼では確認できません。カーボンナノチューブは、グラフェンのシート、基本的には六方格子構造の炭素で、円筒形で発生し、単層または二層のいずれかになります。グラフェンは二次元単層のグラファイトで、亀甲模様に配列された単層または単原子層の炭素原子で構成されています。グラフェンは、カーボンナノチューブの基本構成要素であり、最も持続性の高い素材として有名です。可鍛性と弾力性にも非常に優れています。原子1つ分の厚さしかないことを考えると、透明に近く、導電・熱導体です。
抗張力がスチールの50倍であるカーボンナノチューブ（CNT）は、極めて強度が高いにもかかわらず超軽量です。CNT とグラフェンは同じ特性を数多く持ち合わせており（例：電気と熱の伝導性が高い）、そのため、コンピューターや携帯電話のような電子機器など、類似する多くの用途で相互に競合します。このような電子機器には、その部品に、CNT やグラフェン、または両方の組み合わせが含まれている可能性があります。これらのナノ素材は、自動車、飛行機、バイク/自転車、テニスラケットの構造補強にも役立ちます。ナノ素材の優れた吸着性は、流出した石油の除去に有効であることが証明されています。このようにナノ素材は、マイクロプラスチックを環境にやさしい要素にまで分解する時に効果を発揮しています。
CNT 製造における GEA の役割とは
SG：CNT とグラフェンはここ数年間で世界中に知れ渡りましたが、その潜在力があまり活かされていません。その理由の一部として、摩擦作用があるために凝集して絡まる傾向があり、その結果、分解と再構成が困難になります。分解と再構成を実現するために、GEA は、独自ののホモジナイザ構成と組み合わせたプロセスの特許を取得しました。このプロセスでは高圧を利用してナノ分子を傷つけることなく分解します。その際に製造休止時間は発生しません。
このプロセスの初期段階には、ほぼ水である液体を含んだ混合物中でその粉末を分散させる工程があります。この粉末はそこからホモジナイザに入り、ホモジナイザによって凝集体が分解されて分離し、ナノチューブが順々に配置されて線形構造を形成します。その結果、表面面積が拡大するので、例えば電子機器などにおいて透過率や絶縁性の促進に役立ちます。これはクラスタを分散させて単層に分解するための最も効率的な方法です。この方法を用いると、高品質で整合的な製品を獲得できる堅牢で拡張可能な製造プロセスを実現できます。次のステップとして、通常は液体や樹脂への埋め込みが行われます。
GEA ホモジナイザ Ariete シリーズは、産業用の CNT とグラフェンを効率的に得るために必要な高圧を供給します。
これらの材料の安全性
Sg：CNT やグラフェンは、電子機器や衣類内装型などの製品への統合により、エンドユーザーは電子機器や衣類内装型などの製品に統合されるため、エンドユーザーが CNT やグラフェンにより危険にさらされるということはありません。ただし粉末の場合、炭素粒子を取り扱う際には吸入しないように注意する必要があります。個別のプロセスをさらに接続すれば、これらの粉末の取り扱いを最小限に抑える、または排除することができます。2006年から2010年まで実施されていた EU Consortium（欧州における先行研究）では、GEA と22社のパートナーが、ナノ粒子のより安全な組み立て方法とより高度な開発方法を追求しました。この研究から、GEA の噴霧乾燥技術の使用により、これらの粉末の安全な取り扱いを大幅に改善できる可能性があることが分かりました。この加工ステップでナノ粒子がより大きい微粒子に変わり、その微粒子のサイズを考えると空中で浮遊しないためです。なおかつ、その後もその固有の特性が失われませんでした。
お客様とともに数年間に渡って実施したプロセス調査に加え、当社はイタリア技術研究所とも提携し、当社の研究施設のうちの1つを利用して検査を実施して、さまざまな用途における CNT とグラフェンの安全な使用の開発を重ねました。その結果、我々が得た教訓を直接反映させることができたおかげで、プロセスが非常に効率的になり、お客様にとってはこれが大きな利点となっています。
CNT とグラフェンの使用の増加を推進する重要な要素とは
SG：これらの素材はいずれもすでに高く評価されており、今後はさらに高い評価を受けることになるでしょう。特に、工業規模の生産が増加していることを考えると、商業的な価値がさらに高まるはずです。同様に、この技術を使用した水中の油の除去とプラスチックの分解において、環境への強い注目と非常に肯定的な成果は重要な推進要素になると考えられますが、これらの応用はまだ初期段階にあります。
これらの素材は、プラスチック、建設、自動車、バッテリー、エネルギー、航空宇宙、金属などの業界において、塗料と複合材料への使用が増えています。例えばカーボンナノチューブ製の電極は、非晶質炭素電極と比較すると、厚さが10分の1、伝導性は約100倍です。電気自動車の高伝導性リチウムイオン電池の需要の高まりによって、カーボンナノチューブ市場の成長への新しい道が切り開かれることも考えられます。そしてもちろん、効率的なデータ転送に関連する用途には、これらの素材の構成と特性が最適であるため、電子機器やさまざまなデバイスの使用の増加に合わせて、今後も引き続きこれらの素材の需要が高まると思われます。そして企業と消費者はこれがあっという間に実現されることを期待しています。
不導体や絶縁体としての特性も考慮すると、CNT とグラフェンのおかげで、当社のデバイスと技術センターの設置面積が縮小されています。「例えばサーバーについては、部屋全体に換気扇を設置する必要はなく、基本的には小さなボックスに収まります。」– GEA イタリアのプロセス技術均質化部門統括責任者シルビア・グラッセリ博士
– GEA イタリアのプロセス技術均質化部門統括責任者シルビア・グラッセリ博士
GEA のお客様によるこれらの素材の使用方法と、これらの素材に関連する産業と用途
SG：先ほど申し上げた通り、当社はイタリア技術研究所と連携しています。同研究所では、さまざまな用途に向けたナノチューブの開発をさらに効果的で安全なものにするために、GEA 均質化技術を使用して試験が行われています。先日、当社は、プラスチックと金属から作られた基材の高持続性代用品としての、機能性ナノカーボン紙基材の構築について、総合所見を公表しました。これは、電子機器や電子廃棄物に可能な限り対処するための重要なステップです。
欧州とアジアには、電子機器業界向けに CNT やグラフェンから作った製品（バッテリーを含む）を提供されているお客様がいらっしゃいます。これらの素材は、その技術特性により、データ転送の高速化と、サーバー室とデバイスのサイズの縮小も可能にします。絶縁性能が極めて高く、伝熱を最小限に抑えることができるので、発熱による破損も最小限に抑えることができます。私たちはパートナーシップのおかげで、自社の均質化設備・プロセスを改良し調整することができます。中には GEA の重要な特許につながる結果があり、より優れた機械と製品はお客様にウィンウィンの利益をもたらすのです。
化学工業関連のお客様の中には、グラフェンから作られる複数の製品を開発された企業があります。これらの製品には、例えば、塗装膜と塗料向けのバリア特性があるもの、潤滑剤の高性能添加物として機能するもの、合成物やプラスチックの熱伝導性を向上させるものなどがあります。また、鋳造や3D印刷においてパッケージングに使用される製品もあります。GEA の別のお客様で、グラフェンナノプレートレットを衣料品（動きやすい服や靴）に組み込むプロセスを開発された企業もあります。人体には過剰な熱を発する部位があり、この熱は衣服の周辺に分散されます。体の他の部位を温かく保つことで熱利用を効率化し、同時に静電気と摩擦を最小限に抑えるのです。前述のとおり、グラフェン素材は、流出した石油の除去や廃水処理に使用されています。実際にこの技術によって、吸収された炭化水素と吸着油の再利用が可能になります。
均質化、および CNT とグラフェンの製造に関して、業界が GEA に期待できることとは
SG：GEA は、CNT とグラフェンの製造に関して、ホモジナイザの設計と耐久性を強化することで所有権の総コストの引き下げに貢献しました。これは容易ではありませんでした。この素材のせいでホモジナイザのバルブがほぼ瞬時（24時間以内）に崩壊したのです。現在、これらの素材の開発と製造を効率化するため、当社はさまざまな業界のお客様と提携し、それらのお客様を支援することができます。
イタリアのパルマにある当社の均等化プロセス技術センターで、お客様に、実験室での試験、パイロット試験、製品開発に役立つ専門知識（コスト分析、スケーラビリティを含む）を提供することができます。これにお客様の現場での支援を組み合わせると、顧客の投資リスクを最小限に抑えると同時に事業の開始を成功させることができます。
