JP2015101722A - 三次元網目状材料の生成方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】低密度で軽量で機械的強度等優れた特性を持つ、水に溶け難いエアロゲルを作成する三次元網目状材料の生成方法の提供。
【解決手段】アンモニウムカルボキシメチルセルロースを水、或いは水及びナノ材料のいずれかと混合することで、対応する第一ゲル或いは第二ゲルを形成する工程１、更に前記第一ゲル或いは前記第二ゲルを凍結乾燥工程による昇華を介して、対応する第一産物或いは第二産物を形成する工程２、最後に前記第一産物或いは前記第二産物を低温加熱工程による熟成を介して、対応する第一三次元網目状材料或いは第二三次元網目状材料を形成する工程３を含むエアロゲルの製造方法。
【効果】生成工程が簡単なだけでなく、更に水を溶剤としているため、環境保護と経済的効果とを兼備するだけでなく、且つ生成した前記第一三次元網目状材料或いは前記第二三次元網目状材料は、いずれも吸水が可能な以外に水に溶け難く、幅広い応用範囲を有している。
【選択図】図１Ａ
【解決手段】アンモニウムカルボキシメチルセルロースを水、或いは水及びナノ材料のいずれかと混合することで、対応する第一ゲル或いは第二ゲルを形成する工程１、更に前記第一ゲル或いは前記第二ゲルを凍結乾燥工程による昇華を介して、対応する第一産物或いは第二産物を形成する工程２、最後に前記第一産物或いは前記第二産物を低温加熱工程による熟成を介して、対応する第一三次元網目状材料或いは第二三次元網目状材料を形成する工程３を含むエアロゲルの製造方法。
【効果】生成工程が簡単なだけでなく、更に水を溶剤としているため、環境保護と経済的効果とを兼備するだけでなく、且つ生成した前記第一三次元網目状材料或いは前記第二三次元網目状材料は、いずれも吸水が可能な以外に水に溶け難く、幅広い応用範囲を有している。
【選択図】図１Ａ
Description
本発明は、材料の生成方法であって、特に三次元網目状材料に関するものである。
エアロゲルは、気孔率が９５％以上に上る固体材料であって、低密度且つ軽量にも拘らず、優れた機械的強度及び低熱伝導率、低音域転送速度、低誘電率等の特性を有しており、断熱材料、遮音材料、絶縁材料及び吸着材料等の形成に用いることができ、極めて好ましい潜在的可能性を有することから、多くの関係分野の当該業者が研究に投資してさらなる改良を図っている。
例えば、特許文献１では、エアロゲルの生成方法及びその生物複合材料の応用が開示されており、主に異なる性質を有するイオン溶液を利用してその添加量を制御し、エアロゲルの細孔の大きさと比表面積とを調整することで、有機或いは無機の複合材料と生物エアロゲル複合材料との調製に応用し、吸着、触媒反応、分離、薬物放出材料として用いられている。イオン溶液は、不揮発性、不燃性、調製が簡単、及び分離と再利用が容易等の特性を有しているため、エアロゲルは、生成過程において環境保護という世界的傾向に符合し、従来の超臨界流体工程を用いてエアロゲルを生成することは煩瑣且つ厳酷である上、操作過程において爆発の可能性及び危険性が高いという周知の欠点を防いでいる。
しかし、エアロゲルの安全性は生成に用いる物質の成分によって決まり、組成成分の中に発ガン性物質或いは毒素が含まれていた場合、ゲル体も発ガン性及び毒性を有するため、通常、エアロゲルを生成する際は、高分子材料、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を使用しており、これには顕著な毒性はないものの、ポリビニルアルコールを用いてエアロゲルを生成すると、分子量が小さいポリビニルアルコールを選択して生成したエアロゲルの場合は水に溶けるため、実用性がなく、分子量が大きいポリビニルアルコールを選択した場合は水に溶け難いため、生成過程において有機溶剤を用いることでしか溶解せず、例えば、トルエンを例とした場合、生成上、後から排出する廃液を余計に処理するだけでなく、トルエンの融点（−９５℃）が低いことから、生成工程において冷却する必要があり、且つエネルギーの浪費という問題を有するため、改良の余地がある。
本発明の主要な目的は、周知技術の高分子材料を利用して生成するエアロゲルは、水に溶け易く、実用性がない、又は、生成過程において、有機溶剤を使用しなければならず、余計な有機廃液の処理及びエネルギーの浪費が発生するという問題を解決することにある。
上述の目的を達成するため、本発明は、三次元網目状材料の生成方法を提供しており、
アンモニウムカルボキシメチルセルロースを水と混合して第一ゲルを生成する工程１と、
前記第一ゲルに対して凍結乾燥工程を行い、前記第一ゲルを昇華させることで水分を取除き、第一産物を得る工程２と、
前記第一産物に対して５０℃から３８０℃の間に介する低温加熱工程を行い、前記第一産物を熟成させることで第一三次元網目状材料を得る工程３とを包括している。
アンモニウムカルボキシメチルセルロースを水と混合して第一ゲルを生成する工程１と、
前記第一ゲルに対して凍結乾燥工程を行い、前記第一ゲルを昇華させることで水分を取除き、第一産物を得る工程２と、
前記第一産物に対して５０℃から３８０℃の間に介する低温加熱工程を行い、前記第一産物を熟成させることで第一三次元網目状材料を得る工程３とを包括している。
上述の目的を達成するため、本発明は、もう一つの三次元網目状材料の生成方法を提供しており、
ナノ材料をアンモニウムカルボキシメチルセルロースと水とに混合して第二ゲルを生成する工程Ａと、
前記第二ゲルに対して凍結乾燥工程を行い、前記第二ゲルを昇華させることで水分を取除き、第二産物を得る工程Ｂと、
前記第二産物に対して５０℃から３８０℃の間に介する低温加熱工程を行い、前記第二産物を熟成させることで第二三次元網目状材料を得る工程Ｃとを包括している。
ナノ材料をアンモニウムカルボキシメチルセルロースと水とに混合して第二ゲルを生成する工程Ａと、
前記第二ゲルに対して凍結乾燥工程を行い、前記第二ゲルを昇華させることで水分を取除き、第二産物を得る工程Ｂと、
前記第二産物に対して５０℃から３８０℃の間に介する低温加熱工程を行い、前記第二産物を熟成させることで第二三次元網目状材料を得る工程Ｃとを包括している。
このようにすることで、本発明は、アンモニウムカルボキシメチルセルロースを水、或いは水及びナノ材料のいずれかと混合することで、前記第一ゲル或いは前記第二ゲルを形成し、さらに前記凍結乾燥工程及び前記低温加熱工程を介するだけで前記第一三次元網目状材料或いは前記第二三次元網目状材料を形成することができ、生成工程が簡単なだけでなく、さらに水を溶剤として有機溶剤を使用することで発生する有機廃液の処理及びエネルギーの浪費という問題を防げるため、環境保護と経済的効果とを兼備し、且つ生成した前記第一三次元網目状材料或いは前記第二三次元網目状材料は、吸水が可能な以外に水に溶け難く、幅広い応用範囲を有している。
本発明に関する詳細な説明及び技術的内容について、図面を参照しつつ以下において説明する。
図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、図１Ａは、本発明に係る第一実施例の工程を示すフローチャートであって、図１Ｂは、本発明に係る第一実施例の三次元網目状材料を示す斜視図であって、図示されているとおり、本発明は、三次元網目状材料の生成方法を提供しており、以下の工程を包括している。
アンモニウムカルボキシメチルセルロースを水と混合して第一ゲルを生成する工程１。第一実施例では、アンモニウムカルボキシメチルセルロースを水とともに機械的攪拌を介してゲル状にすることで、前記第一ゲルを形成し、そのうち、アンモニウムカルボキシメチルセルロースと水との重量比は、０．１：１００から５０：１００の間に介し、また、前記第一ゲルを生成する際、第一界面活性剤をさらに加えることができ、前記第一界面活性剤は、ドデシル硫酸ナトリウム或いはドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムとすることができ、この状況下において、加えた第一界面活性剤と水との重量比は、０．０１：１００から５０：１００の間に介し、アンモニウムカルボキシメチルセルロースと水との重量比は、０．１：１００から８０：１００の間に介するように調整することができる。
前記第一ゲルに対して凍結乾燥工程を行い、前記第一ゲルを昇華させることで水分を取除き、第一産物を得る工程２。前記凍結乾燥工程は、前記第一ゲルを凍結乾燥機に置き、０℃から−２００℃の間に介する凍結温度で前記第一ゲルを昇華させ、含まれている水分を取除くことで、内部に第一細孔構成を構成しており、工程１においては、アンモニウムカルボキシメチルセルロースと水との間の重量比、或いは添加する前記第一界面活性剤の量は、いずれも前記第一細孔構成にある孔隙の大きさを調整するために用いられる。
前記第一産物に対して５０℃から３８０℃の間に介する低温加熱工程を行い、前記第一産物を熟成させることで第一三次元網目状材料を得る工程３。前記低温加熱工程は、前記第一産物を窯に置き、８０℃から３５０℃の間に介する好ましい加熱温度及び１分から１０時間の間に介する好ましい加熱時間で加熱を行い、前記低温加熱工程で前記第一産物を熟成させて水に溶け難くしており、この実施例では、前記加熱温度は１４０℃で、前記第一産物を熟成させて前記第一三次元網目状材料を形成している。
また、工程１において、前記第一ゲルを生成する際に、グリセリンをさらに加えることで、前記第一三次元網目状材料の機械的性質を強化することができ、前記グリセリンとアンモニウムカルボキシメチルセルロースとの重量比は、０．０１：１から５：１の間に介することができる。
次に、図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、図２Ａは、本発明に係る第二実施例の工程を示すフローチャートであって、図２Ｂは、本発明に係る第二実施例の三次元網目状材料を示す斜視図であって、図示されているとおり、本発明は、第二実施例において、もう一つの三次元網目状材料の生成方法を提供し、工程Ａ、工程Ｂ及び工程Ｃを包括しており、第二実施例は第一実施例と比較すると、その特徴は工程Ａが工程１と異なり、工程Ｂ及び工程Ｃについては工程２及び工程３に相似しており、これに関する工程は以下のとおりである。
ナノ材料をアンモニウムカルボキシメチルセルロースと水とに混合して第二ゲルを生成する工程Ａ。ここでは、前記ナノ材料をカーボンナノチューブ、グラフィン及びカーボンナノリボンのいずれかとしているが、これに限定するものではなく、前記第二ゲルは、以下の三つの方法のいずれかを使用して形成することができる。
一つ目の方法は、まず、前記ナノ材料を水と混合して水性分散液を形成し、さらにアンモニウムカルボキシメチルセルロースを前記水性分散液に加えて一緒に機械的拡散を介して混合し、前記第二ゲルを形成するものであって、このような方法において、前記ナノ材料と水との重量比は、０．０１：１００から５０：１００の間に介することができ、アンモニウムカルボキシメチルセルロースと前記水性分散液との重量比は、０．１：１００から５０：１００の間に介することができる。
二つ目の方法は、まず、前記ナノ材料の酸化を行い、さらに酸化した前記ナノ材料をアンモニウムカルボキシメチルセルロース及び水と機械的拡散を介して混合し、前記第二ゲルを形成するものであって、このような方法において、前記ナノ材料と水との重量比は、０．０１：１００から５０：１００の間に介することができ、アンモニウムカルボキシメチルセルロースと水との重量比は、０．１：１００から８０：１００の間に介することができる。
三つ目の方法は、前記ナノ材料、アンモニウムカルボキシメチルセルロース、水及び第二界面活性剤を一緒に機械的拡散を介して混合し、前記第二ゲルを形成するものであって、前記第二界面活性剤は、ドデシル硫酸ナトリウム或いはドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムとすることができ、このような状況下において、加えた前記第二界面活性剤と水との重量比は、０．０１：１００から５０：１００の間に介することができ、アンモニウムカルボキシメチルセルロースと水との重量比は、０．１：１００から８０：１００の間に介することができ、前記ナノ材料と水との重量比は、０．０１：１００から５０：１００の間に介することができる。
前記第二ゲルに対して凍結乾燥工程を行い、前記第二ゲルを昇華させることで水分を取除き、第二産物を得る工程Ｂ。前記凍結乾燥工程は、前記第二ゲルを凍結乾燥機に置き、０℃から−２００℃の間に介する凍結温度で前記第二ゲルを昇華させ、含まれている水分を取除くことで、内部に第二細孔構成を構成しており、工程Ａにおいては、アンモニウムカルボキシメチルセルロースと水との間の重量比、或いは添加する前記第二界面活性剤の量は、いずれも前記第二細孔構成にある孔隙の大きさを調整するために用いられる。
前記第二産物に対して５０℃から３８０℃の間に介する低温加熱工程を行い、前記第二産物を熟成させることで第二三次元網目状材料を得る工程Ｃ。前記低温加熱工程は、前記第二産物を窯に置き、８０℃から３５０℃の間に介する好ましい加熱温度及び１分から１０時間の間に介する好ましい加熱時間で加熱を行い、前記低温加熱工程で前記第二産物を熟成させて水に溶け難くしており、この実施例では、前記加熱温度は１４０℃で、前記第二産物を熟成させて前記第二三次元網目状材料を形成している。
また、同じように、工程Ａにおいて、前記第二ゲルを生成する際に、グリセリンをさらに加えることで、前記第二三次元網目状材料の機械的性質を強化することができ、前記グリセリンとアンモニウムカルボキシメチルセルロースとの重量比は、０．０１：１から５：１の間に介することができる。
最後に、前記第一三次元網目状材料及び前記第二三次元網目状材料は、上述の前記第一細孔構成及び前記第二細孔構成のように、いずれも細孔構成であって、支持構成体が小さく、通常の材料ではこの支持構成体の中に充填することはできないが、前記ナノ材料を加えることで前記支持構成体を充填することができ、支持強度を提供するため、前記第二三次元網目状材料は前記第一三次元網目状材料と比べてより好ましい機械的性質を有し、且つ選択した前記ナノ材料がカーボンナノチューブ、グラフィン及びカーボンナノリボンのいずれかの場合、前記第二三次元網目状材料は、良好な導電性と、耐候性及び耐腐食性とをさらに有している。
以上のことから、本発明は、アンモニウムカルボキシメチルセルロースを水と混合することで、前記第一ゲルを形成し、さらに前記凍結乾燥工程による昇華及び前記低温加熱工程による熟成を介するだけで、前記第一三次元網目状材料を形成することができ、生成工程が簡単なだけでなく、さらに水を溶剤として有機溶剤を使用することで発生する有機廃液の処理及びエネルギーの浪費という問題を防げるため、環境保護と経済的効果とを兼備し、且つ生成した前記第一三次元網目状材料は、吸水が可能な以外に水に溶け難く、幅広い応用範囲を有しており、また、本発明は、さらに前記ナノ材料を加えて前記第二三次元網目状材料を生成することで、前記第二三次元網目状材料はより好ましい機械的性質、耐候性、び耐腐食性及び良好な導電性をさらに有している。
１ 工程
２ 工程
３ 工程
Ａ 工程
Ｂ 工程
Ｃ 工程
２ 工程
３ 工程
Ａ 工程
Ｂ 工程
Ｃ 工程
Claims (18)
- 三次元網目状材料の生成方法であって、
アンモニウムカルボキシメチルセルロースを水と混合して第一ゲルを生成する工程１と、
前記第一ゲルに対して凍結乾燥工程を行い、前記第一ゲルを昇華させることで水分を取除き、第一産物を得る工程２と、
前記第一産物に対して５０℃から３８０℃の間に介する低温加熱工程を行い、前記第一産物を熟成させることで第一三次元網目状材料を得る工程３とを包括することを特徴とする三次元網目状材料の生成方法。 - 工程１において、アンモニウムカルボキシメチルセルロースと水との重量比が、０．１：１００から５０：１００の間に介することを特徴とする請求項１に記載の三次元網目状材料の生成方法。
- 前記凍結乾燥工程の凍結温度が、０℃から−２００℃の間に介することを特徴とする請求項１に記載の三次元網目状材料の生成方法。
- 前記低温加熱工程の加熱温度が、８０℃から３５０℃の間に介し、前記低温加熱工程の加熱時間が、１分から１０時間の間に介することを特徴とする請求項１に記載の三次元網目状材料の生成方法。
- 工程１において、前記第一ゲルの生成の際、第一界面活性剤をさらに加え、前記第一界面活性剤は、ドデシル硫酸ナトリウム或いはドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムとすることを特徴とする請求項１に記載の三次元網目状材料の生成方法。
- アンモニウムカルボキシメチルセルロースと水との重量比が、０．１：１００から８０：１００の間に介し、前記第一界面活性剤と水との重量比は、０．０１：１００から５０：１００の間に介することを特徴とする請求項５に記載の三次元網目状材料の生成方法。
- 工程１において、前記第一ゲルの生成の際、グリセリンをさらに加え、前記グリセリンとアンモニウムカルボキシメチルセルロースとの重量比が、０．０１：１から５：１の間に介することを特徴とする請求項１に記載の三次元網目状材料の生成方法。
- 三次元網目状材料の生成方法であって、
ナノ材料をアンモニウムカルボキシメチルセルロースと水とに混合して第二ゲルを生成する工程Ａと、
前記第二ゲルに対して凍結乾燥工程を行い、前記第二ゲルを昇華させることで水分を取除き、第二産物を得る工程Ｂと、
前記第二産物に対して５０℃から３８０℃の間に介する低温加熱工程を行い、前記第二産物を熟成させることで第二三次元網目状材料を得る工程Ｃとを包括することを特徴とする三次元網目状材料の生成方法。 - 工程Ａにおいて、まず、前記ナノ材料を水と混合して水性分散液を形成し、さらにアンモニウムカルボキシメチルセルロースを前記水性分散液に加えて前記第二ゲルを形成することを特徴とする請求項８に記載の三次元網目状材料の生成方法。
- 工程Ａにおいて、前記ナノ材料と水との重量比が、０．０１：１００から５０：１００の間に介し、アンモニウムカルボキシメチルセルロースと前記水性分散液との重量比が、０．１：１００から５０：１００の間に介することを特徴とする請求項９に記載の三次元網目状材料の生成方法。
- 工程Ａにおいて、まず、前記ナノ材料の酸化を行い、さらに酸化した前記ナノ材料をアンモニウムカルボキシメチルセルロース及び水と混合し、前記第二ゲルを形成することを特徴とする請求項８に記載の三次元網目状材料の生成方法。
- 工程Ａにおいて、前記ナノ材料と水との重量比が、０．０１：１００から５０：１００の間に介氏、アンモニウムカルボキシメチルセルロースと水との重量比が、０．１：１００から８０：１００の間に介することを特徴とする請求項１１に記載の三次元網目状材料の生成方法。
- 工程Ａにおいて、前記第二ゲルの生成の際、第二界面活性剤をさらに加え、前記第二界面活性剤は、ドデシル硫酸ナトリウム或いはドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムとすることを特徴とする請求項８に記載の三次元網目状材料の生成方法。
- 工程Ａにおいて、前記ナノ材料と水との重量比が、０．０１：１００から５０：１００の間に介し、アンモニウムカルボキシメチルセルロースと水との重量比が、０．１：１００から８０：１００の間に介し、前記第二界面活性剤と水との重量比が、０．０１：１００から５０：１００の間に介することを特徴とする請求項１３に記載の三次元網目状材料の生成方法。
- 前記凍結乾燥工程の凍結温度が、０℃から−２００℃の間に介することを特徴とする請求項８に記載の三次元網目状材料の生成方法。
- 前記低温加熱工程の加熱温度が、８０℃から３５０℃の間に介し、前記低温加熱工程の加熱時間が、１分から１０時間の間に介することを特徴とする請求項８に記載の三次元網目状材料の生成方法。
- 工程Ａにおいて、前記第二ゲルの生成の際、グリセリンをさらに加え、前記グリセリンとアンモニウムカルボキシメチルセルロースとの重量比が、０．０１：１から５：１の間に介することを特徴とする請求項８に記載の三次元網目状材料の生成方法。
- 前記ナノ材料が、カーボンナノチューブ、グラフィン及びカーボンナノリボンからなる群のいずれか一つであることを特徴とする請求項８に記載の三次元網目状材料の生成方法。
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