(57)【要約】  本開示は、極性流体媒体と、官能基化カーボンナノ材料と、を含む、ナノ流体を説明する。本開示は、官能基化ナノカーボン材料を提供することと、極性流体媒体を提供することと、官能基化カーボンナノ材料を、超音波処理によって、極性流体媒体中に分散させることと、を含む、ナノ流体を調製するためのプロセスをさらに説明する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
極性流体媒体と、
官能基化カーボンナノ材料と、を含む、ナノ流体。
【請求項２】
前記極性流体媒体が、グリコール、水、有機塩、またはこれらの組み合わせを含む、請求項１に記載のナノ流体。
【請求項３】
前記官能基化カーボンナノ材料が、アルカノールアミン化形態のカーボンナノ材料を含む、請求項１に記載のナノ流体。
【請求項４】
前記ナノ流体が、前記極性流体媒体単独と比較して、改善された熱伝導率を有する、請求項１に記載のナノ流体。
【請求項５】
前記官能基化カーボンナノ材料を含有する前記ナノ流体が、非官能基化カーボンナノ材料を含有するナノ流体と比較して、改善された分散安定性を有する、請求項１に記載のナノ流体。
【請求項６】
前記アルカノールアミン化形態の前記カーボンナノ材料が、カルボジイミド活性化カーボンナノ材料をアルカノールアミンと反応させることによって調製される、請求項３に記載のナノ流体。
【請求項７】
前記カーボンナノ材料が、グラフェン、グラフェン酸化物、グラファイト、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、カーボンナノダイヤモンド、カーボンナノリボン、及びフラーレンのうちの１つ以上を含む、請求項３に記載のナノ流体。
【請求項８】
前記グラフェンが、単一のグラフェンシートまたは複数のグラフェンシートを含む、請求項７に記載のナノ流体。
【請求項９】
前記アルカノールアミンが、直鎖アルカノールアミン、分岐鎖アルカノールアミン、ポリエーテルアミン、環状アルカノールアミン、芳香族アルカノールアミン、及びピペラジン誘導体のうちの１つ以上を含む、請求項６に記載のナノ流体。
【請求項１０】
前記グリコールが、直鎖モノグリコール、分岐鎖モノグリコール、直鎖ジグリコール、及び分岐鎖ジグリコールのうちの１つ以上を含む、請求項２に記載のナノ流体。
【請求項１１】
腐食防止剤をさらに含む、請求項１に記載のナノ流体。
【請求項１２】
前記官能基化カーボンナノ材料が、前記ナノ流体の０．００１〜１０重量パーセントを構成する、請求項１に記載のナノ流体。
【請求項１３】
ナノ流体を調製するためのプロセスであって、
官能基化カーボンナノ材料を提供することと、
極性流体媒体を提供することと、
前記官能基化カーボンナノ材料を、超音波処理によって、前記極性流体媒体中に分散させることと、を含む、プロセス。
【請求項１４】
前記官能基化カーボンナノ材料が、アルカノールアミン化形態のカーボンナノ材料を含む、請求項１３に記載のプロセス。
【請求項１５】
前記極性流体媒体が、グリコール、水、有機塩、またはこれらの組み合わせを含む、請求項１３に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
従来の熱伝導流体、例えば水、鉱物油、及びエチレングリコールなどは、発電、化学製品製造、空気調節、輸送、及びマイクロエレクトロニクスを含む多くの産業において、重要な役割を果たす。しかしながら、それらの本質的に低い熱伝導性は、過多の熱伝導用途において必要とされている、エネルギー効率のよい熱伝導流体の開発を妨げてきた。これらの従来の流体の熱伝導特性は、ナノメートルサイズ（少なくとも１つの次元において約１〜１００ｎｍ）の固体粒子及び繊維（すなわちナノ粒子）を、流体中に分散または懸濁することによって、有意に高め得ることが最近実証された。これらの分散液及び懸濁液は、ナノ流体と称される。ナノ粒子は、典型的には、化学的に安定な金属、金属酸化物、または炭素から作製される。いくつかのナノ流体は、ベース流体に比べて、熱伝導流体の熱伝導特性を実質的に増加させることが示されている。
【０００２】
改善された熱伝導特性を有するナノ流体が要望されている。
【発明の概要】
【０００３】
本開示は、極性流体媒体と、官能基化カーボンナノ材料と、を含む、ナノ流体を説明する。本開示は、官能基化カーボンナノ材料を提供することと、極性流体媒体を提供することと、官能基化カーボンナノ材料を、超音波処理によって、極性流体媒体中に分散させることと、を含む、ナノ流体を調製するためのプロセスをさらに説明する。
【発明を実施するための形態】
【０００４】
本明細書で使用される「カーボンナノ材料」という用語は、主に炭素を含有するナノ材料、例えばナノダイヤモンド、グラファイト、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンファイバ、及びこれらの組み合わせを指す。
【０００５】
本明細書で使用される「官能基化カーボンナノ材料」という用語は、アルカノールアミン化形態のカーボンナノ材料を指す。
【０００６】
本明細書で使用される「アルカノールアミン化」という用語は、材料を１つ以上のアルカノールアミンまたはアルカノールアミン誘導体を用いて官能基化することを指す。
【０００７】
本明細書で使用される「アルカノールアミン」は、それぞれ別個の炭素に結合している水酸基及びアミン基の両方を含有する炭化水素を指す。アルカノールアミンは、第一級、第二級、または第三級アミンであってもよい。アルカノールアミンは、直鎖、分岐鎖、環状、脂肪族アルカノールアミン、または芳香族アルカノールアミンであってもよい。
【０００８】
本開示は、極性流体媒体と、官能基化カーボンナノ材料と、を含む、熱伝導流体を説明する。一例において、熱伝導流体は、極性流体媒体中の官能基化カーボンナノ材料の懸濁液として特徴付けられる。一例において、熱伝導流体は、冷却液配合物において使用されることが既知である染料を含有する。一例において、熱伝導流体は、冷却液配合物において使用されることが既知である腐食防止剤を含有する。
【０００９】
一例において、極性流体媒体は、極性である流体を含む。一例において、極性流体媒体は、水において相溶性である流体を含む。一例において、極性流体媒体は、１つ以上のグリコールまたはジグリコールを含む。グリコールとは、２個以上の炭素原子を有するジオールを指し、本明細書では「モノグリコール」と称される。「ジグリコール」はまた、ジオールを指し、一般に、２モルの酸化物、例えばエチレンオキシド、プロピレンオキシド、及びブチレンオキシドに由来する。本明細書で使用される包括的な「グリコール」は、モノグリコールまたはジグリコールのいずれかを指す。一例において、グリコールは、分岐炭素鎖を含む。一例において、グリコールは、直鎖炭素鎖を含む。一例において、極性流体媒体は、水、直鎖モノグリコール、分岐鎖モノグリコール、直鎖ジグリコール、及び分岐鎖ジグリコール、またはこれらの組み合わせを含む。一例において、極性流体媒体は、水と有機塩、例えばプロピオン酸カリウムとの溶液を含む。好適な極性流体媒体の例としては、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、グリセロールが挙げられる。
【００１０】
一例において、カーボンナノ材料は、当該技術分野において既知であるように、１、２、または３次元材料である。一例において、カーボンナノ材料は、グラフェン、グラフェン酸化物、還元グラフェン酸化物、単一のグラフェンもしくはグラフェン酸化物シートまたは積層のグラフェンもしくはグラフェン酸化物シート、グラファイト、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、カーボンナノダイヤモンド、カーボンナノリボン、フラーレン、または他の既知のカーボンナノ材料のうちの１つ以上である。一例において、カーボンナノ材料は、少なくとも１つの次元において、１〜１００ｎｍの大きさである。グラフェンは、官能基を含むことになる。一例において、グラフェンの官能基は、カルボキシル基である。
【００１１】
一例において、カーボンナノ材料の官能基は、反応して官能基化カーボンナノ材料を形成する。一例において、官能基化カーボンナノ材料は、１つ以上のアルカノールアミンを使用して調製されるアルカノールアミン化形態のカーボンナノ材料である。アルカノールアミン化形態のカーボンナノ材料は、カルボジイミド活性化カーボンナノ材料をアルカノールアミンと反応させることによって調製される。一例において、アルカノールアミン化形態のカーボンナノ材料は、ジイソプロピルカルボジイミド（ＤＩＣ）、ジメチルアミノプロパノール（ＤＭＡＰ）、ヒドロキシベンゾトリアゾール（ＨＯＢｔ）、及びアルカノールアミンを、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）中で、例えば超音波処理を用いる反応によって調製される。一例において、カルボジイミドは、ジシクロヘキシルカルボジイミド（ＤＣＣ）、またはエチル−（Ｎ’，Ｎ’−ジメチルアミノ）プロピルカルボジイミド塩酸塩（ＥＤＣ）であってもよい。
【００１２】
一例において、アルカノールアミンは、２０個以下の炭素原子を含有する。一例において、アルカノールアミンは、２個以上の炭素原子を含有する。一例において、アルカノールアミンは、直鎖炭素鎖を有する。一例において、アルカノールアミンは、分岐鎖炭素鎖を有する。アルカノールアミンは、極性流体媒体において可溶性であるように選択される。一例において、アルカノールアミンは、ポリエーテルアミン、例えばＪｅｆｆａｍｉｎｅモノアミン（Ｈｕｎｔｓｍａｎ  Ｃｏｒｐから入手可能、最大２０００として報告される分子量）の商標名で市販されているものなどである。一例において、アルカノールアミンは、ピペラジン誘導体、例えばヒドロキシエチルピペラジンである。一例において、アルカノールアミンは、環状アルカノールアミン、または芳香族アルカノールアミンである。好適なアルカノールアミンの例としては、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、モノイソプロパノールアミン、及びアミノ−メチル−プロパノール、例えば２−アミノ−２−メチル−１−プロパノールが挙げられるが、これらに限定されない。
【００１３】
一例において、ナノ流体は、極性流体媒体単独と比較して、熱伝導率を改善した。一例において、ナノ流体の熱伝導率は、極性流体媒体よりも２〜１５０パーセント高い。一例において、ナノ流体は、極性流体媒体単独と比較して、増加した粘度を有する。一例において、熱伝導流体の粘度は、極性流体媒体よりも２〜２００パーセント高い。官能基化カーボンナノ材料を含有するナノ流体は、非官能基化カーボンナノ材料を含有するナノ流体と比較して、例えば、不安定インデックスによって測定される、分散安定性が改善した。一例において、ＬＵＭｉＳｉｚｅｒ（ＬＵＭ  ＧｍｂＨから入手可能）を使用して測定した、ナノ流体の不安定インデックスは、０〜０．７である。分散液の安定性は、分散不安定性がゼロに近づくにつれて、増加する。
【００１４】
一例において、ナノ流体は、１つ以上の添加剤、例えば分散剤、界面活性剤、腐食防止剤、または染料などをさらに含む。
【００１５】
一例において、熱伝導流体は、０〜１００重量パーセントのグリコールを含有する。一例において、熱伝導流体は、３０〜７０体積パーセントのグリコールを含有する。一例において、熱伝導流体は、０〜１００重量パーセントの水を含有する。一例において、熱伝導流体は、３０〜７０体積パーセントの水を含有する。一例において、熱伝導流体中のグリコールと水との組み合わせは、熱伝導流体の９０〜９９．９９重量パーセントである。一例において、熱伝導流体は、０〜１００重量パーセントの水及び有機塩を含有する。一例において、熱伝導流体は、０．００１〜１０重量パーセントの官能基化カーボンナノ材料を含有する。一例において、熱伝導流体は、１重量パーセント未満の腐食防止剤を含有する。一例において、熱伝導流体は、１重量パーセント未満の染料を含有する。一例において、熱伝導流体は、４０〜６０重量パーセントのグリコール、４０〜６０重量パーセントの水、及び０．００１〜１重量パーセントの官能基化カーボンナノ材料を含有する。
【００１６】
一例において、熱伝導流体は、当該技術分野において既知であるように、超音波処理によって調製される。例えば、超音波処理は、＞２０ｋＨｚの超音波を使用して、流体中でキャビテーションを作り出し、混合及び解凝集をもたらす。一例において、熱伝導流体は、高せん断混合によって調製される。例えば、高せん断混合は、高度のせん断を流体に提供して、ナノ粒子を流体媒体中に分散する混合機を使用する。超音波処理は、低粘度流体に対して好ましく、一方で高せん断混合は、高粘度流体に対して好ましい。一例において、熱伝導流体は、室温及び室内圧力下で調製される。
【００１７】
比較例１
エチレングリコール及び水の５０−５０ｖｏｌ％溶液中に分散した、０．１ｗｔ％のグラフェンＣ−７５０（ＸＧ−Ｓｃｉｅｎｃｅｓから入手可能）を有するナノ流体配合物。４０００ｒｐｍ、２０℃で、８時間ＬＵＭｉＳｉｚｅｒ（登録商標）を使用して測定した分散不安定性は、０．５０である。
【００１８】
実施例１
【００１９】
【化１】
2018536607.tif 000002
【００２０】
ＤＭＳＯ１５ｍＬを、１００ｍＬ丸底フラスコに添加する。ＤＩＣ（Ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈから入手可能）２５２．４ｍｇ、ＨＯＢｔ１３０ｍｇ、ＤＭＡＰ（Ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈから入手可能）７０ｍｇを、ＤＭＳＯ（Ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈから入手可能）中で溶解する。混合物を、室温で、１５分間撹拌する。グラフェンナノプレートレット［Ｃ−７５０（ＸＧ−Ｓｃｉｅｎｃｅｓから入手可能）］４５０ｍｇを、フラスコ（Ｇは、グラフェンナノプレートレットのカーボン構造を表す）に添加し、１０分間撹拌する。フラスコの内容物を、Ｂｒａｎｓｏｎプローブ超音波発生装置を使用して、最大可能振幅の１０％で、室温及び室内圧力下で、１時間超音波処理を行う。モノエタノールアミン（ＭＥＡ）（Ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈから入手可能）４５０ｍｇを、フラスコに添加する。フラスコの内容物を、６時間、超音波処理を行う。フラスコの内容物を、７８００ｒｐｍ、２５〜３０℃で、２０分間、遠心分離処理を行う。グラフェン分散液の上澄み溶液を、フラスコから除去し、ＰＴＦＥ膜（０．４５μｍカットオフ）（Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅから入手可能）を用いた真空濾過を使用して、溶媒を分離する。黒色の固体を、フィルタ上で、ジクロロメタン（ＤＣＭ、Ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈから入手可能）を用いて３回洗浄し、ＭｅＯＨ（Ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈから入手可能）を用いて３回洗浄し、６０℃で、１日真空オーブン内で乾燥させる。Ｘ線光電子分光法は、グラフェンが、ＭＥＡのアミドとして官能基化されていることを示す。乾燥させたアミド官能基化Ｃ−７５０グラフェンナノプレートレットを、０．１ｗｔ％添加で、室温及び室内圧力下で、２０分間超音波処理を使用して、５０−５０ｖｏｌ％のエチレングリコール（Ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈから入手可能）とＤＩ水との混合物中に分散し、グラフェンナノ流体を作製する。４０００ｒｐｍ、２０℃で、２４時間ＬＵＭｉＳｉｚｅｒ（登録商標）（ＬＵＭ  ＧｍｂＨにより製造）を使用して測定した、このナノ流体の分散不安定性は、０．１１（参考のため、不安定性１は、非常に不安定な分散液を指し、不安定性０は、非常に安定な分散液を指す）である。
【００２１】
実施例２
ＤＭＳＯ（Ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈから入手可能）１５ｍＬを、１００ｍＬ丸底フラスコに添加する。ＤＩＣ（Ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈから入手可能）２５２．４ｍｇ、ＨＯＢｔ（Ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈから入手可能）１３０ｍｇ、ＤＭＡＰ（Ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈから入手可能）７０ｍｇを、ＤＭＳＯ中で溶解する。混合物を、室温で、１５分間撹拌する。グラフェンナノプレートレット４５０ｍｇを、フラスコに添加し（Ｒ１０、ＸＧ  Ｓｃｉｅｎｃｅｓから入手可能、Ｇは、グラフェンナノプレートレットのカーボン構造を表す）、１０分間撹拌する。フラスコの内容物を、Ｂｒａｎｓｏｎプローブ超音波発生装置を使用して、最大可能振幅の１０％で、室温及び室内圧力下で、１時間超音波処理を行う。モノエタノールアミン（ＭＥＡ）（Ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈから入手可能）４５０ｍｇを、フラスコに添加する。フラスコの内容物を、６時間、超音波処理を行う。フラスコの内容物を、７８００ｒｐｍ、２５〜３０℃で、２０分間、遠心分離処理を行う。グラフェン分散液の上澄み溶液を、フラスコから除去し、ＰＴＦＥ膜（０．４５μｍカットオフ）を用いた真空濾過を使用して、溶媒を分離する。黒色の固体を、フィルタ上で、ジクロロメタン（ＤＣＭ、Ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈから入手可能）を用いて３回洗浄し、ＭｅＯＨ（Ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈから入手可能）を用いて３回洗浄し、６０℃で、１日真空オーブン内で乾燥させる。Ｘ線光電子分光法は、グラフェンが、ＭＥＡのアミドとして官能基化されていることを示す。乾燥させたアミド官能基化Ｒ１０グラフェンナノプレートレットを、２ｗｔ％添加で、室温及び室内圧力下で、２０分間超音波処理を使用して、５０−５０ｖｏｌ％のエチレングリコール（Ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈから入手可能）とＤＩ水との混合物中に分散し、グラフェンナノ流体を作製する。４０００ｒｐｍ、２５℃で、８時間ＬＵＭｉＳｉｚｅｒ（登録商標）を使用して測定した、グラフェンナノ流体の分散不安定性は、０．４３である。５０−５０ｖｏｌ％のエチレングリコール＋ＤＩ水に関して、３０℃で、Ｔｈｅｒｍｔｅｓｔ  Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  Ｈｏｔ  Ｗｉｒｅ装置で測定した熱伝導率の増加率は、３１．３％である。
【００２２】
この実施例中に説明される同じ手順を使用して、入手したままのＲ１０グラフェンナノプレートレット（ＸＧ  Ｓｃｉｅｎｃｅｓから入手可能）を、２ｗｔ％添加で、５０−５０ｖｏｌ％のエチレングリコールとＤＩ水との混合物中に分散する。４０００ｒｐｍ、２５℃で、８時間ＬＵＭｉＳｉｚｅｒ（登録商標）を使用して測定した、分散不安定性は、０．８８である。５０−５０ｖｏｌ％のエチレングリコール＋ＤＩ水に関して、３０℃で、Ｔｈｅｒｍｔｅｓｔ  Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  Ｈｏｔ  Ｗｉｒｅ装置で測定した熱伝導率の増加率は、３９．９％である。
【手続補正書】
【提出日】平成29年2月17日(2017.2.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
極性流体媒体と、
官能基化カーボンナノ材料であって、前記官能基化カーボンナノ材料が、アルカノールアミン化形態のカーボンナノ材料を含み、前記アルカノールアミン化形態の前記カーボンナノ材料が、カルボジイミド活性化カーボンナノ材料をアルカノールアミンと反応させることによって調製され、前記カーボンナノ材料が、単一のグラフェンシートまたは複数のグラフェンシートを含む、官能基化カーボンナノ材料と、を含む、ナノ流体。
【請求項２】
前記極性流体媒体が、グリコール、水、有機塩、またはこれらの組み合わせを含む、請求項１に記載のナノ流体。
【請求項３】
前記ナノ流体が、前記極性流体媒体単独と比較して、改善された熱伝導率を有する、請求項１に記載のナノ流体。
【請求項４】
前記官能基化カーボンナノ材料を含有する前記ナノ流体が、非官能基化カーボンナノ材料を含有するナノ流体と比較して、改善された分散安定性を有する、請求項１に記載のナノ流体。
【請求項５】
前記アルカノールアミンが、直鎖アルカノールアミン、分岐鎖アルカノールアミン、ポリエーテルアミン、環状アルカノールアミン、芳香族アルカノールアミン、及びピペラジン誘導体のうちの１つ以上を含む、請求項１に記載のナノ流体。
【請求項６】
前記グリコールが、直鎖モノグリコール、分岐鎖モノグリコール、直鎖ジグリコール、及び分岐鎖ジグリコールのうちの１つ以上を含む、請求項２に記載のナノ流体。
【請求項７】
腐食防止剤をさらに含む、請求項１に記載のナノ流体。
【請求項８】
前記官能基化カーボンナノ材料が、前記ナノ流体の０．００１〜１０重量パーセントを構成する、請求項１に記載のナノ流体。
【請求項９】
ナノ流体を調製するためのプロセスであって、
官能基化カーボンナノ材料を提供することと、
極性流体媒体を提供することと、
前記官能基化カーボンナノ材料を、超音波処理によって、前記極性流体媒体中に分散させることと、を含む、プロセス。
【請求項１０】
前記官能基化カーボンナノ材料が、アルカノールアミン化形態のカーボンナノ材料を含む、請求項９に記載のプロセス。
【請求項１１】
前記極性流体媒体が、グリコール、水、有機塩、またはこれらの組み合わせを含む、請求項９に記載のプロセス。
【国際調査報告】
2018536607.tif 000003
2018536607.tif 000004
2018536607.tif 000005