概要

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　非常に薄い二次元形状のナノカーボンであるグラフェンは、熱伝導性、電気伝導性、潤滑性、強度向上、電磁波吸収性など多彩な特性を有すると言われています。一方、長時間かけて少量ずつ作製することが多く、低コストで簡易な製法が望まれていました。

　ナノカーボン全体の課題として、分散性の低さが挙げられます。均一に分散することで、ナノカーボンはその高い物性を発揮できます。

　大阪ガスでは、黒鉛を水中で高濃度短時間、かつ一工程で剥離する製法を開発しました。酸化・還元などの化学的な変化を加えることがないため熱伝導性や導電性に優れた多層グラフェンを、効率的に作製することに成功しました。

　また、凝集を防止し、分散を促進する表面処理を行うことで、添加する材料に合った分散性を付与し、本来有する特性を発揮することができます。

非常に薄い二次元形状である多層グラフェン（TEM画像）

多層グラフェンの製法と特徴

　黒鉛を水中で特殊な処理により剥離します。一段階で酸化・還元を行わずに製造するため、簡易で低コストです。

　また、酸素を含まず、グラフェン構造の欠陥も少ないため、本来の熱伝導性や電気伝導性を保持します。

　製造と同時に表面処理を行い、非常に凝集しやすい多層グラフェンの凝集を防止し、添加対象に合わせて分散性を向上させます。

　①水系塗料などに分散しやすい水分散液、もしくは②樹脂、ゴム、オイル、有機溶媒に分散しやすいパウダーで供給することができます。　

多層グラフェンのサイズと主要特性

　厚さ１～数10nmと非常に薄い材料です。直径は2～10μmのものを多く含みます。
　このため、少ない重量で多くの枚数を添加し、ナノカーボン特有の高い物性を付与することができます。

  特に下記の物性に特徴を有します。

１）熱伝導性・放熱性：高い熱伝導率と輻射率の相乗効果で、熱を素早く拡散し、系外に放出します。
２）電気伝導性：多層グラフェン同士の面接触を実現できれば、ナノカーボンの中でもトップクラスの導電性を実現できます。
３）潤滑性：少ない添加量で摩擦・摩耗を低減します。
４）強度：熱可塑性樹脂、ゴムから無機物まで、様々な材料の強度を少量の添加で向上させます。
５）電磁波吸収：電磁波を反射せず吸収することが可能です。

 図3. 多層グラフェンの電子顕微鏡写真(SEM/STEM/TEM)

物性１：熱伝導性・放熱性

物性２：潤滑性（摩擦・摩耗低減）

少量の添加で摩擦・摩耗を低減します。

特に荷重が大きくなった時にも潤滑性を維持します。

　また、化学的にも熱的にも安定です。

図10.グリース添加時の摩擦力

図11.グリース添加時の摩耗量

図12.オイル添加時の摩擦係数（SRV：振動摩擦摩耗試験）

図13.オイル添加時の摩耗量（シェル四球試験：WEAR）

図14.エラストマーの摩擦抵抗試験

図15.エラストマーの摩耗量比較

物性３：強度（樹脂・ゴムの強化）

　多層グラフェン自体は高強度ですが、非常に薄いため柔軟性も併せ持ち、下記のような特徴を有します。

・表面処理を選ぶことで分散性が向上し、少量の添加で、強度・弾性率を向上します。

・伸び・衝撃強度・引裂強度を損ないにくいです。

・硬度や耐摩耗性を改善します。

図16.HDPE（高密度ポリエチレン）添加時の強化効果

図17.エラストマー添加時の引張強度試験（イメージ）

図18.SBR少量添加時の引張初期応力

物性４：電磁波吸収特性

図19.電磁波吸収特性

供給形態と使用形態

    熱可塑性樹脂・熱硬化性樹脂に分散するだけではなく、塗料への添加、繊維への吸着、オイルやグリースへの添加も可能です。
    特に水系塗料には、水分散液が使用でき、分散にかかる手間や添加剤を軽減することが期待できます。

    種類を選びますが、繊維や粒子と水分散液を混合することで、多層グラフェンがそれらに吸着される特性もあります。

図20.供給形態と使用形態

図21.既存塗料への添加例（塗布性と導電性）

今後の展開

添加対象、使用形態、用途に合った多層グラフェンを開発するとともに量産化を進め、

①放熱性（熱伝導・輻射）向上による省エネ・性能向上・長寿命化・安全性向上

（特にAI時代における半導体、電気自動車、LED照明、通信などの熱マネジメント）

②摩擦低減によるエネルギーロス低減と省エネ、摩耗低減による長寿命化

③高強度化による軽量化、それに伴うCO2排出削減

④電磁波吸収による安全性向上や性能の安定化への寄与を目指します。