環境にやさしい超音波オゾン分解プロセスを用いたカーボンナノ材料の機能化と分散

この超音波オゾン分解および電気泳動堆積プロセスの最終的な目的は、カーボンナノ材料の安定した分散を実現し、それを用いて階層的複合材料を作製することです。この手法は、マイクロファイバー生地にカーボンナノ材料を制御可能にコーティングするための簡便な方法を提供することで、階層的複合材料分野における重要な課題を解決できます。

この手法の主な利点は、ナノチューブやナノプレートレットなどのカーボンナノ材料を、刺激の強い化学物質を使用せずに機能化し、ポリマー樹脂系に適合させることができる点にあります。この手順を開始するには、必要なすべての材料を、HEPAフィルター付きドラフトチャンバー内のグローブボックスに移します。目的量のナノ材料をボトルに量り取り、最終的なナノ粒子の濃度が1 g/Lになるように水を加えます。

ボトルに蓋をして密閉します。CNTとGNPを分散させるため、43 kHz、60 Wで30分間超音波処理を行います。次に、ナノ粒子懸濁液を、マグネチックスターラーバーの入った反応フラスコに注意深く注ぎます。

テキストプロトコルに詳述されている通りに実験装置を組み立てます。その後、オゾンバブラーを挿入し、オゾン発生器に接続します。次に、反応フラスコを冷却バスに入れます。

CNTが懸濁液から沈殿するのを防ぐため、溶液を撹拌します。冷却水再循環装置を起動し、オゾンリアクターと超音波セルを冷却します。その後、オゾン発生器への酸素供給を開始します。

流量を0.5 L/minに調整します。オゾン発生装置を起動し、30〜60分間作動させます。オゾン分解装置の反対側にバブラーを使用することで、オゾン発生装置が適切に接続され、正常に流れているかを迅速に確認できます。

その後、ペリスタルティックポンプを起動し、0.67 Hzに調整します。超音波ホーンを起動し、出力を60 Wに調整します。ポンプと超音波ホーンの動作が安定していることを確認するため、少なくとも30分間、超音波処理のプロセスを観察します。

所定の超音波処理付きオゾノリシス処理時間が経過した後、オゾン発生器、ソニケーター、およびポンプの電源を切ります。オゾンと溶液を分解させるため、カーボンナノ材料分散液を1時間攪拌します。超音波処理付きオゾノリシス処理から24時間以内に電気泳動を行わない場合は、まずナノ材料懸濁液にソニケーションを行ってください。

次に、テキストプロトコルに記載されている手順に従って、3本のステンレス電極を準備します。P1000の酸化アルミニウムサンドペーパーを使用して、電極を研磨します。研磨した電極を、超純水を用いた超音波洗浄機で10分間洗浄します。

電極を清潔なオーブンに入れ、100 °Cで10分間乾燥させます。その後、電極をデシケーターに移して冷却します。冷却後、陽極電析に使用する電極を4桁分析天秤で計量します。

次に、テキストプロトコルに記載されている通りに電極を組み立てます。50 mLのビーカーに35 mLのカーボンナノ材料分散液を移します。電極固定具をレトルトスタンドに固定します。

その後、電極をゆっくりとビーカーの底まで下げます。DC電源の正極を中央のアノードに接続します。次に、負極を外側のカソードのいずれか一方に接続します。

ワニ口クリップ付きの蓋を使用して、2つの外側カソードを接続します。電源を切った状態で、電流を最大設定に調整します。電圧を、目的の研究に必要な値に調整します。

次に、ストップウォッチを用意し、規定のコーディング時間分だけ電源をオンにします。その後、電源を切ります。膜が乱れないように注意しながら、電極固定具を分散液からゆっくりと引き上げます。

電極から端子を取り外します。次に、電極固定具をゆっくりと回転させ、水平方向にします。陽極上のフィルムを均一に乾燥させてください。

その後、固定具を分解し、陽極をオーブンで100 °Cにて1時間乾燥させます。乾燥させた陽極をデシケーターに入れて冷却します。分析天秤を用いて、重量を小数点以下4桁まで記録してください。

コードを記入したアノードを撮影し、各電析時間についてコーディングと計量の手順を繰り返します。その後、テキストプロトコルに記載されている通りにキャラクタリゼーションと分析を行います。本研究では、水系環境においてカーボンナノ材料を機能化し、安定して分散させるための新しい手法を用いています。

X線光電子分光法のワイドスキャン分析により、USO処理を施していないCNTには酸素がほとんど含まれていないことが示されました。しかし、USO処理時間が長くなるにつれて、表面の酸素レベルが上昇することがわかります。また、ラマン分光スペクトルから、USO処理前からCNTに欠陥が存在していたことが明らかになりました。

USO時間が長くなるにつれて、Gバンドは波数1, 576から1, 582へとシフトし、波数1, 618にある第2成分がより顕著になることがわかります。また、波数2, 698にある2つのDバンドの強度にも顕著な差が見られます。さらに、USO時間の増加に伴い、波数2, 941におけるDバンドおよびGバンドにも変化が見られます。

これらの変化はすべて、CNTの酸化レベルの上昇に対応しています。走査電子顕微鏡による観察では、未処理のCNTは高度に凝集していますが、USO処理を施したCNTは表面にわたってより均一に分散していることがわかります。これは、USO処理が、入手時の材料に存在する凝集体の減少に寄与したことを示しています。

USO処理を施したCNTをさまざまな条件下で電気泳動堆積させると、電気泳動時間が長くなるにつれてより厚い膜が形成されます。また、CNT濃度を高めることでも、より厚い膜が得られます。この手法の開発により、階層的複合材料分野の研究者が、超音波オゾノリシスを用いて他のナノ材料を機能化し、電気泳動堆積に利用できるかを探る道が開かれました。

カーボンナノ材料のコーティングレベルの違いは、強度や靭性などのマクロスケールの複合材料特性に大きな影響を及ぼす可能性があります。機能化後の手法は水ベースであるため、オゾンは無害な酸素に分解されます。また、ナノ材料を使用する前に分散液から化学物質を除去する必要はありません。

ペリスタポンプを起動する前に、1時間オゾン処理を行うことを忘れないでください。そうしないと、チューブ内でナノ材料の凝集が発生します。