(57)【要約】【課題】非常に低いコストで簡便に、かつ、地球環境にも優しいグラフェン分散液の製造方法、グラフェン分散液製造装置及びグラフェン分散液を提供すること。【解決手段】グラフェン分散液製造装置１に分散ユニット１０は、グラファイトが分散媒に混入された溶液Ｌが対向して流れて互いに衝突される一直線状に形成された導入側溝状通路（第一流路）２１と、導入側溝状通路２１とは異なる方向に対向衝突した溶液Ｌが流れる第三貫通孔（第二流路）１８Ａと、第三貫通孔１８Ａとは異なる方向に溶液Ｌが分離して流れる排出側溝状通路（第三流路）２２と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
グラファイトを分散媒に混入した溶液を対向衝突させる第一工程と、
衝突した前記溶液を前記第一工程における方向とは異なる方向に流す第二工程と、
前記溶液を分離して流す第三工程と、
を備えるグラフェン分散液の製造方法。
【請求項２】
前記第一工程から前記第三工程を複数回繰り返すとともに、前記第二工程における前記溶液の流路径を漸次狭める請求項１に記載のグラフェン分散液の製造方法。
【請求項３】
前記第一工程における前記溶液が一直線上で対向衝突され、
前記第二工程では、前記一直線と垂直方向に前記溶液が流れ、
前記第三工程では、前記第二工程における方向と垂直方向に前記溶液が分離される請求項１又は２に記載のグラフェン分散液の製造方法。
【請求項４】
前記第一工程における前記溶液の流路を第一流路としたときの該第一流路の断面積をＡ１、前記第二工程における前記溶液の流路を第二流路としたときの該第二流路の断面積をＡ２、前記第三工程における前記溶液の流路を第三流路としたときの該第三流路の断面積をＡ３としたとき、断面積の関係がＡ１＜Ａ２＜Ａ３を満たす請求項１から３の何れか一つに記載のグラフェン分散液の製造方法。
【請求項５】
グラファイトが分散媒に混入された溶液が対向して流れて互いに衝突される一直線状に形成された第一流路と、
該第一流路とは異なる方向に対向衝突した前記溶液が流れる第二流路と、
該第二流路とは異なる方向に前記溶液が分離して流れる第三流路と、
を備えるグラフェン分散液製造装置。
【請求項６】
前記第二流路が交換可能又は前記第二流路の内径が可変とされる請求項４に記載のグラフェン分散液製造装置。
【請求項７】
前記第一流路が直線状に配され、
前記第二流路が、前記第一流路に対して垂直方向に配され、
前記第三流路が、前記第二流路に対して垂直方向に配される請求項５又は６に記載のグラフェン分散液製造装置。
【請求項８】
前記第一流路の断面積をＡ１、前記第二流路の断面積をＡ２、前記第三流路の断面積をＡ３としたとき、断面積の関係がＡ１＜Ａ２＜Ａ３を満たす請求項５から７の何れか一つに記載のグラフェン分散液製造装置。
【請求項９】
請求項５から８の何れか一つのグラフェン分散液製造装置によって製造されたグラフェン分散液。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、グラフェン分散液の製造方法、グラフェン分散液製造装置、及びグラフェン分散液に関する。
【背景技術】
【０００２】
グラフェンは炭素原子が六角形格子構造に配列したシート状の物質であり、電子材料や電極材料として注目を集めている。このようなグラフェンシートの製造には、積層構造を持つグラファイトをセロテープ（登録商標）など粘着テープで剥す方法（非特許文献１参照）や、化学的に酸化処理しグラフェンシートを剥がす方法（非特許文献２参照）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）の表面を熱分解する方法（非特許文献３参照）、ＣＶＤ法などの方法（非特許文献４、非特許文献５参照）等、様々な方法が提案されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】K.S. Novoselov， D. Jiang， F. Schedin， T.J. Booth， V.V. Khotkevich， S.V. Morozov， and A.K. Geim， Two-dimensional atomic crystals, Proc. Natl. Acad. Sci. 102, No 30, (2005) 10451-10453
【非特許文献２】S. Stankovich， D.A. Dikin， G.H.B. Dommett， K.M. Kohlhaas， E.J.Zimney， E.A. Stach， R.D. Piner， S.T. Nguyen， and R.S. Ruoff， Graphene-based composite materials, Nature 442 (2006) 282-286
【非特許文献３】C. Berger, Z. Song, T. Li, X. Li, A.Y. Ogabazghi, R. Feng, A. Dai, A.N. Marchenkov, E.H. Conrad, P.N. First, and W.A. de Heer, Ultrathin Epitaxial Graphite: 2D Electron Gas Properties and a Route toward Graphene-based Nanoelectronics, J. Phys. Chem., B108 (2004) 19912-19916
【非特許文献４】Y. Wu, P. Qiao, T. Chong, and Z. Shen, Carbon Nanowalls Grown byMicrowave Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, Adv. Mater. 14, No.1, (2002), 64-67
【非特許文献５】N. G. Shang, F. C. K. Au, X. M. Meng, C. S. Lee, I. Bello, S. T.Lee, Uniform Carbon Nanoflake Films and Their Field Emissions, Chem. Phys. Lett. 358 (2002) 187-191
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ＣＶＤ法では、例えば、アルカリ性脱脂剤（ノンシリケート系、シリケート系等）、酸性脱脂剤（フッ素系、ノンフッ素系等）、溶剤系脱脂剤（パラフィン系、ケトン系溶媒、エーテル系溶媒、アルコール類、ハロゲン系溶媒、界面活性剤分散水溶液等）等、有害かつ危険な溶液を扱う必要がある。
【０００５】
また、粘着テープで剥がす方法は、再現性や量産性に問題がある。化学的に酸化する方法では、一層から数層のグラフェンシートを製造することが困難であり、グラファイトを原材料とすることから複雑になる。ＳｉＣを熱分解する方法では、ＳｉＣ基板を使用する必要があり、しかも基板を１０００℃以上に加熱しなければならない。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、非常に低いコストで簡便に、かつ、地球環境にも優しいグラフェン分散液の製造方法、グラフェン分散液製造装置及びグラフェン分散液を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係るグラフェン分散液の製造方法は、グラファイトを分散媒に混入した溶液を対向衝突させる第一工程と、衝突した前記溶液を前記第一工程における方向とは異なる方向に流す第二工程と、前記溶液を分離して流す第三工程と、を備える。
【０００８】
また、本発明に係るグラフェン分散液の製造方法は、前記グラフェン分散液の製造方法に加えて、前記第一工程から前記第三工程を複数回繰り返すとともに、前記第二工程における前記溶液の流路径を漸次狭める。
【０００９】
さらに、本発明に係るグラフェン分散液の製造方法は、前記グラフェン分散液の製造方法に加えて、前記第一工程における前記溶液が一直線上で対向衝突され、前記第二工程では、前記一直線と垂直方向に前記溶液が流れ、前記第三工程では、前記第二工程における方向と垂直方向に前記溶液が分離される。
【００１０】
さらに、本発明に係るグラフェン分散液の製造方法は、前記グラフェン分散液の製造方法に加えて、前記第一工程における前記溶液の流路を第一流路としたときの該第一流路の断面積をＡ１、前記第二工程における前記溶液の流路を第二流路としたときの該第二流路の断面積をＡ２、前記第三工程における前記溶液の流路を第三流路としたときの該第三流路の断面積をＡ３としたとき、断面積の関係がＡ１＜Ａ２＜Ａ３を満たす。
【００１１】
また、本発明に係るグラフェン分散液製造装置は、グラファイトが分散媒に混入された溶液が対向して流れて互いに衝突される一直線状に形成された第一流路と、該第一流路とは異なる方向に対向衝突した前記溶液が流れる第二流路と、該第二流路とは異なる方向に前記溶液が分離して流れる第三流路と、を備える。
【００１２】
また、本発明に係るグラフェン分散液製造装置は、前記グラフェン分散液製造装置に加えて、前記第二流路が交換可能又は前記第二流路の内径が可変とされる。
【００１３】
さらに、本発明に係るグラフェン分散液製造装置は、前記グラフェン分散液製造装置に加えて、前記第一流路が直線状に配され、前記第二流路が、前記第一流路に対して垂直方向に配され、前記第三流路が、前記第二流路に対して垂直方向に配される。
【００１４】
さらに、本発明に係るグラフェン分散液製造装置は、前記グラフェン分散液製造装置に加えて、前記第一流路の断面積をＡ１、前記第二流路の断面積をＡ２、前記第三流路の断面積をＡ３としたとき、断面積の関係がＡ１＜Ａ２＜Ａ３を満たす。
【００１５】
また、本発明に係るグラフェン分散液は、上記グラフェン分散液製造装置によって製造されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、非常に低いコストで簡便に、かつ、地球環境にも優しいグラフェン分散液を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係るグラフェン分散液製造装置を示す全体概念図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るグラフェン分散液製造装置の構成の一部を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るグラフェン分散液製造装置の導入側ディスクの平面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るグラフェン分散液製造装置の中間ディスクの平面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るグラフェン分散液製造装置の排出側ディスクの平面図である。
【図６】本発明の一実施形態に係るグラフェン分散液の製造方法を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明に係る一実施形態について、図１から図５を参照して説明する。
本実施形態に係るグラフェン分散液製造装置１は、図１に示すように、分散ユニット１０と、グラファイトが分散媒に混入された溶液Ｌが貯留される試料部１１と、溶液Ｌを押圧する高圧部１２と、これらを接続する配管１３と、を備えている。
【００１９】
溶液Ｌは、例えば分散媒として水若しくはＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）等の有機溶媒にグラファイトが混入されてなる。
【００２０】
分散ユニット１０は、図２に示すように、溶液Ｌを通過させる筒部１５と、筒部１５の中心軸線Ｃ１方向に沿って筒部１５内に嵌入して配された流路形成部１６と、を備えている。
【００２１】
流路形成部１６は、略同一径の円板状に形成された導入側ディスク１７と、中間ディスク１８と、排出側ディスク２０と、を備えている。中間ディスク１８は、導入側ディスク１７の下流側に中心軸線Ｃ１方向に密着して配されている。また、排出側ディスク２０は、中間ディスク１８の下流側に中心軸線Ｃ１方向に密着して配されている。
【００２２】
各ディスク１７，１８，２０は、セラミックス、超硬合金、ダイヤモンド等の耐摩耗性部材から構成され、略同一径にて形成されている。導入側ディスク１７と排出側ディスク２０とは略同一の板厚にて形成され、中間ディスク１８は、導入側ディスク１７及び排出側ディスク２０の板厚よりも薄い板厚にて形成されている。
【００２３】
導入側ディスク１７には、図３に示すように、第一貫通孔１７Ａ及び第二貫通孔１７Ｂが配されている。第一貫通孔１７Ａ及び第二貫通孔１７Ｂは略同一径に形成されて導入側ディスク１７の中心部に対して略対称位置に配されている。
【００２４】
第一貫通孔１７Ａ及び第二貫通孔１７Ｂの各孔径よりも小さい幅にて形成された導入側溝状通路（第一流路）２１が中間ディスク１８と対向する導入側ディスク１７の表面に一直線状に配されている。そして、導入側溝状通路２１を介して第一貫通孔１７Ａ及び第二貫通孔１７Ｂが連通されている。なお、導入側溝状通路２１は、導入側ディスク１７ではなく、第一貫通孔１７Ａ及び第二貫通孔１７Ｂが対向する中間ディスク１８側の表面に配されていてもよい。
【００２５】
中間ディスク１８には、図４に示すように、第三貫通孔（第二流路）１８Ａが中心部に配されている。
【００２６】
排出側ディスク２０には、図５に示すように、第四貫通孔２０Ａ及び第五貫通孔２０Ｂが、略同一径にて排出側ディスク２０の中心部を挟んで対称位置に配されている。
【００２７】
第四貫通孔２０Ａ及び第五貫通孔２０Ｂの各孔径よりも小さい幅にて形成された排出側溝状通路（第三流路）２２が、中間ディスク１８と対向する排出側ディスク２０の表面に配されている。そして、排出側溝状通路２２を介して第四貫通孔２０Ａ及び第五貫通孔２０Ｂが連通されている。なお、排出側溝状通路２２は、排出側ディスク２０ではなく、第四貫通孔２０Ａ及び第五貫通孔２０Ｂが対向する中間ディスク１８側の表面に配されていてもよい。
【００２８】
ここで、導入側溝状通路２１の断面積をＡ１、第三貫通孔１８Ａの断面積をＡ２、排出側溝状通路２２の断面積をＡ３とするとき、各断面積の関係はＡ１＜Ａ２＜Ａ３となっている。また、導入側溝状通路２１及び排出側溝状通路２２の各断面形状は丸溝又はＵ字溝となっている。
【００２９】
分散ユニット１０と試料部１１との間には逆止弁２３が配されている。逆止弁２３は、試料部１１から溶液Ｌが流出するときに挿通可能な向きとなっている。高圧部１２は、内部に溶液Ｌを引き込み、かつ、加圧して排出可能な構成となっている。
【００３０】
次に、本実施形態に係るグラフェン分散液製造装置１の作用について、グラフェン分散液の製造方法と合わせて説明する。本実施形態に係る微粒化方法は、図６に示すように、グラファイトを分散媒に混入した溶液Ｌを作成する準備工程（Ｓ００）と、溶液Ｌを対向衝突させる第一工程（Ｓ０１）と、衝突した溶液Ｌを第一工程（Ｓ０１）における方向とは異なる方向に流す第二工程（Ｓ０２）と、溶液Ｌを分離して流す第三工程（Ｓ０３）と、中間ディスク１８を交換する交換工程（Ｓ０４）と、を備える。
【００３１】
まず、準備工程（Ｓ００）では、例えば分散媒として水若しくはＮＭＰ等の有機溶媒にグラファイトを混入して溶液Ｌを生成し、試料部１１内に貯留する。このとき、グラファイトの濃度は、溶液Ｌの１０重量％程度が望ましい。
【００３２】
次に、第一工程（Ｓ０１）に移行する。ここでは、試料部１１内に貯留された溶液Ｌを高圧部１２によって試料部１１から排出するとともに加圧して超高速流体として分散ユニット１０内に導入する。この際、１００ＭＰａ以上２５０ＭＰａ以下の圧力にて加圧することが好ましい。
【００３３】
導入された溶液Ｌは、筒部１５内で導入側ディスク１７に到達したところで、第一貫通孔１７Ａと第二貫通孔１７Ｂとを分岐して流れる。分岐された溶液Ｌは、第一貫通孔１７Ａと第二貫通孔１７Ｂとのそれぞれを通過した後、中間ディスク１８に衝突しながら導入側溝状通路２１内を導入側ディスク１７の中心部に向けて強制的に方向が変えられる。そして、互いが一直線上を対向する方向に加速されて流れて互いに衝突する。
【００３４】
第二工程（Ｓ０２）では、衝突して再び合流した溶液Ｌの流れる向きが略垂直方向に変化され、溶液Ｌが中間ディスク１８の第三貫通孔１８Ａに案内される。このとき、衝突エネルギーが一部開放されるとともに、導入側ディスク１７の導入側溝状通路２１の中心部分にて発生する摩耗を軽減させる。そして、衝突によって生じた乱流はその状態が維持される。
【００３５】
第三工程（Ｓ０３）では、第三貫通孔１８Ａを通過した溶液Ｌの流れる向きが略垂直方向に変化され、溶液Ｌがさらに排出側ディスク２０に衝突しながら排出側溝状通路２２内を排出側ディスク２０の外周側に向かって再び分岐して流れる。こうして、第四貫通孔２０Ａ及び第五貫通孔２０Ｂを通過した溶液Ｌは、排出側ディスク２０から筒部１５内に排出され、再び合流して分散ユニット１０から排出される。
【００３６】
ここで、繰り返しの有無を判断し、繰り返す場合には、交換工程（Ｓ０４）に移行して中間ディスク１８を分散ユニット１０から取出し、第三貫通孔１８Ａの内径がより小さいものと交換する。ただし、導入側溝状通路２１の断面積をＡ１、第三貫通孔１８Ａの断面積をＡ２、排出側溝状通路２２の断面積をＡ３とするとき、各断面積の関係はＡ１＜Ａ２＜Ａ３となるように維持する。そして、第一工程（Ｓ０１）から第三工程（Ｓ０３）までを複数回、好ましくは３回以上１０回以下繰り返し実施する。
【００３７】
一方、これ以上繰り返さない場合には、交換工程（Ｓ０４）に移行せずに製造を終了する。こうして取出した溶液は、積層されたグラファイト層の多くが剥離されて数層からなるグラフェン分散液となる。
【００３８】
このグラフェン分散液製造装置１及びグラフェン分散液の製造方法によれば、溶液Ｌが高圧で押し出され、各流路内にてグラファイト同士の衝突により剥離が行われることによって、危険かつ有害な薬品を大量に使用しなくてもグラフェン分散液を非常に低いコストで簡便に生成することができる。
【００３９】
特に、第一工程（Ｓ０１）から第三工程（Ｓ０３）までを複数回繰り返すので、グラファイト層をより多く剥離させることができる。また、溶液Ｌを一直線上で対向衝突させ、その後垂直方向に向きを変えたあと、再び垂直方向に向きを変えつつ分岐させることによって、剥離の効率を高めることができる。
【００４０】
さらに、導入側溝状通路２１の断面積をＡ１、第三貫通孔１８Ａの断面積をＡ２、排出側溝状通路２２の断面積をＡ３とするとき、各断面積の関係がＡ１＜Ａ２＜Ａ３である。このため、溶液Ｌが各ディスク１７，１８，２０を通過する毎に圧力差を受けながら衝突し、剥離が行われることになる。また、中間ディスク１８に形成されている第三貫通孔１８Ａの径を調整すれば、導入側溝状通路２１内の流速を調整することができる。
【００４１】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、交換工程（Ｓ０４）にて中間ディスク１８そのものを交換するとしているが、これに限らず、第三貫通孔１８Ａの孔径を可変させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１  グラフェン分散液製造装置
１８Ａ  第三貫通孔（第二流路）
２１  導入側溝状通路（第一流路）
２２  排出側溝状通路（第三流路）
Ｌ    溶液
Ｓ０１  第一工程
Ｓ０２  第二工程
Ｓ０３  第三工程
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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