先進細孔測定によるカーボンナノチューブ材料と複合材の最適化

背景

細孔含有媒質は先進材料に不可欠、細孔サイズIUPAC分類：マイクロポア（<2 nm）、メソポア（2–50 nm）、マクロポア（>50 nm）。カーボンナノチューブ（CNT）は高アスペクト比と比表面積で知られ、束化・絡合で凝集体形成時天然多孔質構造生成。多孔質CNT集合体は優秀吸着、分離、伝導特性示し、電極材料、フィルター、担体、構造部材として魅力的。

従来N₂吸着法はマイクロポアとメソポア効果的探査もマクロポア（>50 nm）捕捉不能。水銀押入細孔測定は水銀高表面張力活用、数ナノメートルから数百µm細孔径測定、メソ・マクロポア両方包含。水銀細孔測定は様々炭素材料–炭素繊維、黒鉛、活性炭–適用されてきたが、CNT凝集体この全細孔範囲系統的特性評価未実施。

水銀細孔測定CNT凝集体価値確立へ、(1)多様CNTタイプ、(2)複数凝集体形態、(3)異種溶媒分散、(4)様々分散技術検討。これらパラメータ細孔構造影響、最終的材料性能決定。本研究で細孔測定が細孔分布確実定量、凝集体形態識別、CNT‑ゴム複合材電気伝導度等機能特性予測可能実証。

実験方法

CNT合成

スーパーグロース単層CNT（SG SWNT）水助CVDでFe‑Ni‑Cr合金箔上合成、He/H₂キャリアガス1 atm、750 °C。結果CNTフォレスト高さ100 µm–1 mm範囲。

材料

市販HiPco SWNT、CoMoCAT SWNT、Bayer MWNT、VGCF、フッ素ゴム（ダイキン・ダイエルG912）定評サプライヤー調達。

CNT分散

分散液0.03 wt%でMIBK、DMF、エタノール、水調製、60 MPa高圧ジェットミル（単通過）使用。長CNT保持しつつ均一懸濁達成。

バックペーパー調製

0.01 wt%懸濁液0.2–0.4 µmメンブレンろ過、180 °C真空乾燥、直径4 cm、~50 µm厚シート切出。

CNT凝集体細孔測定

水銀押入（Quantachrome PoreMaster 60）で細孔径（D）と容積測定、ウォッシュバーン式：D = (–4γ cos θ)/P、γ = 0.48 N m⁻¹、θ = 140°。バックペーパー（~50–100 mg）~5 mm²片断片化し分析。

CNTゴム複合材シート調製

SG SWNT/MIBK分散（0.125 wt%）とフッ素ゴム/MIBK溶液混合、直径4 cmディスク鋳造、25 °C 16時間溶媒蒸発後80 °C真空乾燥6時間。最終複合材~150 µm厚。

CNT凝集体構造観察

走査電子顕微鏡（FE‑SEM S‑4800）でSi基板スピンコートCNTネットワーク観察。

CNTゴム複合材シート電気伝導度測定

四点プローブ（MCP‑T610）10点表面抵抗測定、平均伝導度と標準偏差算出。

結果と考察

様々CNTタイプ細孔特性

水銀細孔測定で異なるCNT作製バックペーパー明確細孔径分布差示す。小径CNT（CoMoCAT、HiPco、SG SWNT）数十nmピーク、大径MWNTとVGCF約1 µmまで広がる広ピーク生成。SEMで大径CNT疎ネットワーク大細孔形成確認。CNT直径と壁数直接細孔幅と容積影響実証。

凝集体形態影響

疎SWNTフォレスト、バンドルネットワークバックペーパー、配向密充填SWNT三凝集体形態比較。細孔測定でフォレスト（0.03 g cm⁻³）からバンドルネットワーク（0.4 g cm⁻³）へ、密充填（0.6 g cm⁻³）へ細孔容積減少。最密構造最小細孔示し、バルク密度と細孔構造相関確認。SEM像裏付け。

溶媒依存分散性と細孔サイズ

DMF、MIBK、エタノール、水調製分散液で明確傾向：良溶媒（DMF）最小細孔（最大細孔容積22 nm）、不良溶媒（水）最大細孔（95 nm）。総細孔容積も溶媒品質低下で増加。スピンコートネットワークSEM像細孔測定データ整合、溶媒選択がCNTバンドルサイズと細孔サイズ支配確認。

分散技術細孔構造と複合材伝導度影響

SG SWNTを乱流（ナノマイザー、スターバースト）、空化（プローブソニケーター）、機械力（ボールミル、ビーズミル、スピンミキサー等）分散で異なる細孔分布生成。乱流最微細バンドル生成、細孔ピーク~60–70 nm、最高電気伝導度33 S cm⁻¹。空化やや大細孔（~56 nm）、中程度伝導度20 S cm⁻¹。機械力法最大細孔（90 nm–10 µm）、最低伝導度（<16 S cm⁻¹）。データで微細細孔ネットワーク、緩やか高せん断分散達成、ゴム複合材電子輸送強化確認。

結論

水銀押入細孔測定をCNT凝集体メソ・マクロポア包括的定量手法確立。本法でCNTタイプ、充填密度、溶媒依存分散性識別、CNT‑ゴム複合材電気伝導度等機能特性予測可能。水銀環境懸念あるも独自細孔サイズ分解能提供で使用正当化。本細孔測定プラットフォーム高性能CNTベース材料複合材設計強固基盤提供。