(57)【要約】【課題】本発明は、分散安定性および腐食安定性が確保された酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体及びその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は酸化グラフェンと、前記酸化グラフェンの表面に化学的に結合したナノダイヤモンドと、を含み、前記酸化グラフェン及び前記ナノダイヤモンドは、アルキレン基、シクロアルキレン基、アルケニレン基、２価の芳香環基、−ＣＯ−Ｏ−、−Ｓ−、−Ｏ−、−ＣＯ−、−ＳＯ２−、−Ｎ（Ｒ）−（ただし、Ｒは、水素原子又はアルキル基）、及びこれらの複数を組み合わせた２価の連結基により化学的に結合したことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化グラフェンと、前記酸化グラフェンの表面に化学的に結合したナノダイヤモンドと、を含むことを特徴とする酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体。
【請求項２】
前記酸化グラフェン及び前記ナノダイヤモンドは、アルキレン基、シクロアルキレン基、アルケニレン基、２価の芳香環基、−ＣＯ−Ｏ−、−Ｓ−、−Ｏ−、−ＣＯ−、−ＳＯ２−、−Ｎ（Ｒ）−（ただし、Ｒは、水素原子又はアルキル基）、及びこれらの複数を組み合わせた２価の連結基により化学的に結合したことを特徴とする請求項１に記載の酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体。
【請求項３】
前記酸化グラフェン及び前記ナノダイヤモンドは、−ＣＯ−Ｏ−により化学的に結合したことを特徴とする請求項１に記載の酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体。
【請求項４】
前記酸化グラフェンは、厚さが１〜２ｎｍであり、直径が１〜３μｍであることを特徴とする請求項１に記載の酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体。
【請求項５】
前記ナノダイヤモンドの平均粒径は、３〜１０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体。
【請求項６】
前記酸化グラフェン１００重量部に対して、前記ナノダイヤモンド５０〜１５０重量部が化学的に結合したことを特徴とする請求項１に記載の酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体。
【請求項７】
ナノダイヤモンドを用意する段階と、
前記ナノダイヤモンドを熱処理して表面に官能基を導入する段階と、
前記官能基が導入されたナノダイヤモンドを溶媒に分散させる段階と、
酸化グラフェンが分散した溶液を製造する段階と、
前記ナノダイヤモンドが分散した溶液に前記酸化グラフェンが分散した溶液を混合して結合反応させる段階と、
を含むことを特徴とする酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体の製造方法。
【請求項８】
前記ナノダイヤモンドを用意する段階において、前記ナノダイヤモンドの平均粒径は、３〜１０ｎｍであることを特徴とする請求項７に記載の酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体の製造方法。
【請求項９】
前記ナノダイヤモンドを熱処理して表面に官能基を導入する段階において、４００〜５００℃で１〜３時間熱処理することを特徴とする請求項７に記載の酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体の製造方法。
【請求項１０】
前記ナノダイヤモンドを熱処理して表面に官能基を導入する段階において、前記官能基は、−ＣＯＯＨであることを特徴とする請求項７に記載の酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体の製造方法。
【請求項１１】
前記官能基が導入されたナノダイヤモンドを溶媒に分散させる段階において、前記溶媒に触媒を更に添加することを特徴とする請求項７に記載の酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体の製造方法。
【請求項１２】
前記触媒は、Ｎ，Ｎ’−ジシクロヘキシルカルボジイミド（Ｎ，Ｎ’−ｄｉｃｙｃｌｏｈｅｘｙｌｃａｒｂｏｄｉｉｍｉｄｅ、ＤＣＣ）、及び４−（ジメチルアミノ）ピリジン（４−（ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ）ｐｙｒｉｄｉｎｅ、ＤＭＡＰ）のうちの１種以上であることを特徴とする請求項１１に記載の酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体の製造方法。
【請求項１３】
前記官能基が導入されたナノダイヤモンドを溶媒に分散させる段階において、前記溶媒は、アミド系溶媒、エーテル系溶媒、及びハロゲン溶媒のうちの１種以上であることを特徴とする請求項７に記載の酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体の製造方法。
【請求項１４】
前記酸化グラフェンが分散した溶液を製造する段階において、前記酸化グラフェンの表面にヒドロキシ基又はアルキル基が導入されることを特徴とする請求項７に記載の酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体の製造方法。
【請求項１５】
前記酸化グラフェンが分散した溶液を製造する段階において、前記酸化グラフェンは、厚さが１〜２ｎｍであり、直径が１〜３μｍであることを特徴とする請求項７に記載の酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体の製造方法。
【請求項１６】
前記結合反応させる段階において、前記酸化グラフェン１００重量部に対して、前記ナノダイヤモンド５０〜１５０重量部を混合することを特徴とする請求項７に記載の酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体の製造方法。
【請求項１７】
前記結合反応させる段階において、前記結合反応は、エステル結合反応であることを特徴とする請求項７に記載の酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体の製造方法。
【請求項１８】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体と、極性流体と、を含むことを特徴とするナノ流体。
【請求項１９】
前記極性流体は、水、エチレングリコール、プロピレングリコール、又はこれらの組み合わせであることを特徴とする請求項１８に記載のナノ流体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体、その製造方法、及びこれを含むナノ流体に係り、より詳しくは、分散安定性及び腐食安定性が確保された酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体、その製造方法、及びこれを含むナノ流体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノ流体は、単一流体が有する熱伝導特性の限界を克服するために、異種の素材をナノレベルに分散させた懸濁液である。ナノ流体は、溶媒と充填剤とから構成されており、一般に、溶媒は、熱伝導度が高く、高温でも安全な水、エチレングリコールなどが使用されている。流体の熱伝導度を高めるためには、熱伝導度に優れたナノ素材を流体に添加する。
【０００３】
現在まで、ナノ流体について活発に研究が進められている応用分野は、自動車冷却分野と電子装置冷却分野である。自動車冷却分野は、自動車のエンジン不凍液にナノ粒子を添加して、熱伝達性能の優れたナノ流体不凍液を製作する研究と、自動車のミッションオイルにナノ粒子を添加して、摩擦力は低減しながら熱伝達性能を向上させようとする研究と、である。自動車冷却分野のナノ流体の商品化において必要な技術は、分散、浮遊特性を維持させる問題が核心技術として台頭している。
【０００４】
また、自動車に適用するためには、従来の冷却水が流れるパイプの材質との反応性がなく、安全な素材を選択しなければならない。
現在、ナノ流体に適用するために、金属、セラミック、及び炭素素材が充填剤として注目されている。充填剤の形状には制限がなく、溶媒における分散安定性のために、主に粒子形態及び繊維形態が使用されている。また、充填剤は、ナノサイズに製造することによって、沈殿を防止し、流体内で効果的に熱を伝達させる。
【０００５】
一般に、金属及びセラミック素材は、比重が高く、実際の長期間使用時に沈殿が発生するという欠点がある。低比重の高熱伝導度のナノ流体素材として最近関心を受けるのが、炭素ナノチューブ、グラフェンのような炭素素材を活用することである（例えば特許文献１を参照）。
特に、炭素ナノチューブの場合、熱伝導度が約２０００Ｗ／ｍＫと非常に高いため、ナノ流体として適用の可能性が大きかったが、表面疎水性、低い分散性、低いサスペンション安定性のため、ナノ流体の充填剤としての使用には非常に制限的であった。
【０００６】
他の炭素系の充填剤としてグラフェンが挙げられるが、グラフェンは、炭素の単分子層であって、非常に優れた電気的、熱的、機械的特性があり、特に、熱伝導度が約３０００Ｗ／ｍＫ以上と炭素ナノチューブより優れた熱伝導度特性を有する。しかし、グラフェンは、六角形炭素構造で連結された安定した２次平面構造を有していて、冷却に使用される水とエチレングリコールのような溶媒と親和性がない。
【０００７】
したがって、流体内の分散性向上のために、極性溶媒との親和性がある酸化グラフェンを選定する。酸化グラフェンがナノ流体の素材として選択される理由は、グラフェンの表面に多様な官能基が導入されていて、グラフェンより高い分散性を有するからである。酸化グラフェンの単層面にはエポキシ（ＣＯＣ）基とヒドロキシ基（ＯＨ）が主に存在し、グラフェンの周縁にはカルボキシル基（ＣＯＯＨ）などが存在する。官能基はほとんど極性を呈するため、一般に使用される流体の水とエチレングリコールとよく混ざる。
【０００８】
しかし、酸化グラフェンが高い熱伝達特性を有するとしても、実際に使用するナノ流体はほとんど移動管、つまり、通路となるチューブを通して動くことになるが、高温の流体と低温の流体が熱伝達する管の大部分は金属からなる。自動車を例に挙げると、自動車の不凍液が通る内部に多様な種類の金属が存在するが、アルミニウム、鉄、鋼、黄銅、銅などがそれである。ところが、炭素素材のほとんどがこのような金属とガルバニック腐食を起こす。
【０００９】
ガルバニック腐食とは、２つの互いに異なる金属が対（ｃｏｕｐｌｅ）をなした状態で腐食溶液中に置かれると、１方の金属が優先的に腐食され、もう１方の金属は腐食から保護される。
ガルバニック腐食の有無は、金属固有の電位値Ａｎｏｄｉｃ  Ｉｎｄｅｘの差が大きければ大きいほどガルバニック腐食が激しくなる。炭素系のグラファイトは、一般的な金属と比較した時、最も高いｃａｔｈｏｄｅに属し、これは、他の金属と一緒の時、自身は還元され、周囲の金属を酸化させ得ることを表す。
【００１０】
このような金属腐食の欠点を克服し、酸化グラフェンの優れた熱伝導性及び分散安定性を維持するためには、酸化グラフェンの金属との直接的な接触を最小にしながら熱伝導性を維持し、分散に対して安定した処理が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００７−２９７２６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の一実施例は、分散安定性および腐食安定性が確保された酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体及びその製造方法を提供する。
本発明の他の実施例は、分散安定性及び腐食安定性が確保されたナノ流体を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一実施例による酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体は、酸化グラフェンと、酸化グラフェンの表面に化学的に結合したナノダイヤモンドと、を含む。
酸化グラフェン及びナノダイヤモンドは、アルキレン基、シクロアルキレン基、アルケニレン基、２価の芳香環基、−ＣＯ−Ｏ−、−Ｓ−、−Ｏ−、−ＣＯ−、−ＳＯ２−、−Ｎ（Ｒ）−（ただし、Ｒは、水素原子又はアルキル基）、及びこれらの複数を組み合わせた２価の連結基により化学的に結合することができる。
【００１４】
酸化グラフェン及びナノダイヤモンドは、−ＣＯ−Ｏ−により化学的に結合することができる。
酸化グラフェンは、厚さが１〜２ｎｍであり、直径が１〜３μｍであってもよい。
ナノダイヤモンドの平均粒径は、３〜１０ｎｍであってもよい。
【００１５】
酸化グラフェン１００重量部に対して、ナノダイヤモンド５０〜１５０重量部が化学的に結合することができる。
本発明の他の実施例による酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体の製造方法は、ナノダイヤモンドを用意する段階と、ナノダイヤモンドを熱処理して表面に官能基を導入する段階と、官能基が導入されたナノダイヤモンドを溶媒に分散させる段階と、酸化グラフェンが分散した溶液を製造する段階と、ナノダイヤモンドが分散した溶液に酸化グラフェンが分散した溶液を混合して結合反応させる段階とを含む。
【００１６】
ナノダイヤモンドを用意する段階において、ナノダイヤモンドの平均粒径は、３〜１０ｎｍであってもよい。
ナノダイヤモンドを熱処理して表面に官能基を導入する段階において、４００〜５００℃で１〜３時間熱処理することができる。
ナノダイヤモンドを熱処理して表面に官能基を導入する段階において、官能基は、−ＣＯＯＨであってもよい。
【００１７】
官能基が導入されたナノダイヤモンドを溶媒に分散させる段階において、溶媒に触媒を更に添加することができる。具体的には、触媒は、Ｎ，Ｎ’−ジシクロヘキシルカルボジイミド（Ｎ，Ｎ’−ｄｉｃｙｃｌｏｈｅｘｙｌｃａｒｂｏｄｉｉｍｉｄｅ、ＤＣＣ）及び４−（ジメチルアミノ）ピリジン（４−（ｄｉｍｅｔｈｙｌ  ａｍｉｎｏ）ｐｙｒｉｄｉｎｅ、ＤＭＡＰ）のうちの１種以上であってもよい。
【００１８】
官能基が導入されたナノダイヤモンドを溶媒に分散させる段階において、溶媒は、アミド系溶媒、エーテル系溶媒、及びハロゲン系溶媒のうちの１種以上であってもよい。
酸化グラフェンが分散した溶液を製造する段階において、酸化グラフェンの表面にヒドロキシル基又はアルキル基が導入されてもよい。
【００１９】
酸化グラフェンが分散した溶液を製造する段階において、酸化グラフェンは、厚さが１〜２ｎｍであり、直径が１〜３μｍであることができる。
結合反応させる段階において、酸化グラフェン１００重量部に対して、ナノダイヤモンド５０〜１５０重量部を混合することができる。
【００２０】
結合反応させる段階において、結合反応は、エステル結合反応であってもよい。
本発明の更に他の実施例によるナノ流体は、酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体と、極性流体とを含む。
極性流体は、水、エチレングリコール、プロピレングリコール、又はこれらの組み合わせであってもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の一実施例による酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体は、分散安定性と金属腐食安定性を同時に満足させながら、熱伝導度が大きいナノ流体を製造できるナノ素材として使用可能である。
【００２２】
本発明の一実施例による酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体は、グラフェンが、平面構造を立体化して（立体障害による）平面グラフェン間の接触を制限し、ナノダイヤモンド粒子が、広い平面のグラフェン表面に結合して、流体の内部で沈殿に対する抵抗性が大きくなって安定して分散する。
【００２３】
本発明の一実施例によるナノ流体は、熱伝導度が大きく、自動車及び熱管理システム、並びに熱伝導性に優れた流体が必要な多様な機器及びシステムに応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施例による酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体の模式図である。
【図２】本発明の一実施例による酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体の製造方法のフローチャートである。
【図３】実施例における熱処理前のナノダイヤモンドの赤外線分光分析（ＦＴ−ＩＲ）結果である。
【図４】実施例における熱処理後のナノダイヤモンドの赤外線分光分析（ＦＴ−ＩＲ）結果である。
【図５】実施例で製造された酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体の赤外線分光分析（ＦＴ−ＩＲ）結果である。
【図６】実施例で製造された酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図７】実験例で行ったナノ流体の金属腐食性テスト結果である。
【図８】実験例で製造したナノ流体の写真である。
【図９】比較例で行ったナノ流体の金属腐食性テスト結果である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の利点及び特徴、そしてそれらを達成する方法は、添付する図面と共に、詳細に後述する実施例を参照すれば明確になる。しかし、本発明は、以下に開示される実施例に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で実現可能であり、単に本実施例は本発明の開示が完全になるようにし、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は請求項の範疇によってのみ定義される。明細書全体にわたって同一の参照符号は同一の構成要素を指し示す。
【００２６】
したがって、いくつかの実施例において、よく知られた技術は、本発明があいまいに解釈されることを避けるために具体的に説明されない。別の定義がなければ、本明細書で使われる全ての用語（技術的用語及び科学的用語を含む）は、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に共通に理解できる意味で使われるはずである。明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」とする時、これは、特に反対となる記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素を更に包含できることを意味する。
【００２７】
また、単数形は文章で特別に言及しない限り複数形も含む。
本明細書における「平均粒径」は、別の定義がない限り、集合をなす粒子において、各粒子の最も長い直径の平均値を意味する。
【００２８】
本明細書において、「置換」とは、別途の定義がない限り、Ｃ１〜Ｃ３０のアルキル基、Ｃ１〜Ｃ１０のアルキルシリル基、Ｃ３〜Ｃ３０のシクロアルキル基、Ｃ６〜Ｃ３０のアリール基、Ｃ２〜Ｃ３０のヘテロアリール基、Ｃ１〜Ｃ１０のアルコキシ基、フルオロ基やトリフルオロメチル基などのＣ１〜Ｃ１０のトリフルオロアルキル基、又はシアノ基で置換されていることを意味する。
【００２９】
本明細書において、「アルキル（ａｌｋｙｌ）基」とは、別途の定義がない限り、いずれのアルケン基やアルキン基を含んでいない「飽和アルキル（ｓａｔｕｒａｔｅｄ  ａｌｋｙｌ）基」、又は少なくとも１つのアルケン（ａｌｋｅｎｅ）基又はアルキン（ａｌｋｙｎｅ）基を含んでいる「不飽和アルキル（ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ  ａｌｋｙｌ）基」を全て含むものを意味する。前記「アルケン基」は、少なくとも２個の炭素原子が少なくとも１個の炭素−炭素二重結合からなる置換基を意味し、「アルキン基」は、少なくとも２個の炭素原子が少なくとも１個の炭素−炭素三重結合からなる置換基を意味する。
前記アルキル基は、分枝状、直鎖状又は環状であってもよい。
【００３０】
アルキル基は、Ｃ１〜Ｃ２０のアルキル基であってもよいし、より具体的には、Ｃ１〜Ｃ６の低級アルキル基、Ｃ７〜Ｃ１０の中級アルキル基、又はＣ１１〜Ｃ２０の高級アルキル基であってもよい。
【００３１】
例えば、Ｃ１〜Ｃ４のアルキル基は、アルキル鎖に１〜４個の炭素原子が存在するものを意味し、これは、メチル、エチル、プロピル、イソ−プロピル、ｎ−ブチル、イソ−ブチル、ｓｅｃ−ブチル、及びｔ−ブチルからなる群より選択されるものを表す。
【００３２】
典型的なアルキル基には、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、ｔ−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、エテニル基、プロペニル基、ブテニル基、シクロプロピル基、シクロブチル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基などがある。
【００３３】
本発明の一実施例による酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体は、酸化グラフェンと、酸化グラフェンの表面に化学的に結合したナノダイヤモンドと、を含む。
本発明の一実施例では、極性溶液に対する分散性が高くて熱伝導度が大きいものの、金属に対する腐食安定性が低い酸化グラフェンと、金属腐食安定性が高くて熱伝導度が大きいものの、極性溶液に対する分散安定性が低いナノダイヤモンドと、の２つのナノ素材を化学的に結合した酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体を提供する。本発明の一実施例による酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体は、分散安定性と金属腐食安定性とを同時に満足させながら、熱伝導度が大きいナノ流体を製造できるナノ素材として使用可能である。
【００３４】
ナノダイヤモンドは、一般に、グラファイトの爆発反応によって生成され、数ナノの微細粒子から構成される。このようなナノダイヤモンドは、一般的なダイヤモンドとは異なり、表面に多様な官能基を有している。
【００３５】
一般に、ナノダイヤモンドは、完璧なＳＰ３構造を持っておらず、表面に多様な官能基を含むことができる。特に、爆発反応の条件に応じて官能基が多様化される。一般に、ナノダイヤモンドの表面には、アルキル基、シクロアルキル基、アルケニル基、−ＣＯＯＨ、−ＳＨ、−ＯＨ、−ＣＯＨ、−ＳＯ２Ｈ、−Ｎ（Ｒ）Ｈ（ただし、Ｒは、水素原子又はアルキル基）などの官能基があり得る。しかし、選択的な化学反応のためには、表面反応基のうち１つの官能基が優位となるように変化させ、該官能基と酸化グラフェンの表面に形成された官能基との化学的反応を通してナノダイヤモンドと酸化グラフェンとが化学的に結合することができる。
【００３６】
具体的には、酸化グラフェン及びナノダイヤモンドは、アルキレン基、シクロアルキレン基、アルケニレン基、２価の芳香環基、−ＣＯ−Ｏ−、−Ｓ−、−Ｏ−、−ＣＯ−、−ＳＯ２−、−Ｎ（Ｒ）−（ただし、Ｒは、水素原子又はアルキル基）、及びこれらの複数を組み合わせた２価の連結基により化学的に結合することができる。より具体的には、酸化グラフェン及びナノダイヤモンドは、−ＣＯ−Ｏ−により化学的に結合することができる。
【００３７】
図１では、本発明の一実施例による酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体の模式図を示す。図１では、ナノダイヤモンドの表面に導入された−ＣＯＯＨ官能基と酸化グラフェンの表面に導入された−ＯＨ官能基とのエステル化反応を通して−ＣＯ−Ｏ−により化学的に結合した例を示す。ただし、本発明はこれに限定されず、多様な２価の連結基により結合することができる。
【００３８】
酸化グラフェン（Ｇｒａｐｈｅｎｅ  Ｏｘｉｄｅ、ＧＯ）は、平面の形態を有していて、丸い粒子形態のナノダイヤモンドが結合可能な十分な空間を提供する。酸化グラフェンは、厚さ方向にはナノであるものの、マイクロ単位の長さに展開された平面であるので、複数のナノダイヤモンドと表面反応することができる。この点は、酸化グラフェンの表面反応基に複数のナノダイヤモンドが入って酸化グラフェンの表面を覆うことができるということである。
【００３９】
酸化グラフェンの下と上の表面にナノダイヤモンドが結合すると、酸化グラフェンの表面の実際の金属との直接的な付着が困難になり、ナノダイヤモンドが金属表面に当たるようになる。その結果として酸化グラフェンによる金属腐食に対する問題が解決される。また、酸化グラフェンに熱伝導度の高いナノダイヤモンドが付着して熱伝導度の減少が起こらず、酸化グラフェンの表面に結合したナノダイヤモンドによって酸化グラフェン間の固まり現象も更に低減される。
【００４０】
酸化グラフェンは、極性溶媒に対する分散性が高いが、ナノダイヤモンドによってグラフェン間の接触が立体障害として作用して長期分散安定性が更に高まる。
酸化グラフェンは、厚さが１〜２ｎｍであり、直径が１〜３μｍであってもよい。当該範囲でナノダイヤモンドと結合可能な十分な空間を確保することができる。
【００４１】
酸化グラフェン１００重量部に対して、ナノダイヤモンド５０〜１５０重量部が化学的に結合することができる。ナノダイヤモンドの結合が過度に少なくなるると、金属腐食安定性の面で問題が生じ得る。逆に、ナノダイヤモンドが過度に多く結合すると、分散安定性の面で問題が生じ得る。
【００４２】
図２は、本発明の一実施例による酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体の製造方法のフローチャートを概略的に示す。図２の酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体の製造方法のフローチャートは、単に本発明を例示するためであり、本発明がこれに限定されるものではない。したがって、酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体の製造方法を多様に変形することができる。
【００４３】
図２に示すように、本発明の一実施例による酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体の製造方法は、ナノダイヤモンドを用意する段階Ｓ１０と、ナノダイヤモンドを熱処理して表面に官能基を導入する段階Ｓ２０と、官能基が導入されたナノダイヤモンドを溶媒に分散させる段階Ｓ３０と、酸化グラフェンが分散した溶液を製造する段階Ｓ４０と、ナノダイヤモンドが分散した溶液に酸化グラフェンが分散した溶液を混合して結合反応させる段階Ｓ５０とを含む。
【００４４】
以下、各段階別に具体的に説明する。
まず、段階Ｓ１０では、ナノダイヤモンドを用意する。ナノダイヤモンドについては上述したので、重複する説明を省略する。
【００４５】
次に、段階Ｓ２０では、ナノダイヤモンドを熱処理して表面に官能基を導入する。選択的な化学反応のためには、ナノダイヤモンドに存在する表面反応基のうち１つの官能基が優位となるように変化させる必要がある。そのための１つの方法で熱処理をすれば、ナノダイヤモンドの表面にある官能基のうち不安定な一部が酸化してカルボキシ基（−ＣＯＯＨ）に変化できる。具体的には、空気中で、４００〜５００℃で１〜３時間熱処理することができる。
【００４６】
熱処理温度が低すぎると、官能基の導入が十分に行われず、熱処理温度が高すぎると、ナノダイヤモンドが炭化し得る。反応時間が短すぎると、反応が十分に起こらず、長すぎると、ナノダイヤモンドが炭化し得る。
【００４７】
次に、段階Ｓ３０では、官能基が導入されたナノダイヤモンドを溶媒に分散させる。この時、酸化グラフェンと円滑に反応を進行させるために、触媒を更に添加することができる。具体的には、触媒は、Ｎ，Ｎ’−ジシクロヘキシルカルボジイミド（Ｎ，Ｎ’−ｄｉｃｙｃｌｏｈｅｘｙｌｃａｒｂｏｄｉｉｍｉｄｅ、ＤＣＣ）及び４−（ジメチルアミノ）ピリジン（４−（ｄｉｍｅｔｈｙｌ  ａｍｉｎｏ）ｐｙｒｉｄｉｎｅ、ＤＭＡＰ）のうちの１種以上になってもよい。
【００４８】
例えば、触媒としてＤＣＣを用いる場合、下記反応式１のように、ナノダイヤモンドの表面に形成された−ＣＯＯＨ官能基が活性化され、酸化グラフェンと反応する。結局、ナノダイヤモンドと酸化グラフェンとが−ＣＯ−Ｏ−基により化学的に結合される。
【００４９】
【化１】
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【００５０】
溶媒は、ナノダイヤモンドを適切に分散させることが可能な溶媒であれば特に制限されず、アミド系溶媒、エーテル系溶媒、及びハロゲン化溶媒のうちの１種以上になってもよい。具体的には、アミド系溶媒は、ジメチルホルムアミド（ｄｉｍｅｔｈｙｌｆｏｒｍａｍｉｄｅ、ＤＭＦ）、ジメチルアセトアミド（ｄｉｍｅｔｈｙｌａｃｅｔａｍｉｄｅ、ＤＭＡｃ）、又はＮ−メチル−２−ピロリドン（Ｎ−ｍｅｔｈｙｌ−２−ｐｙｒｒｏｌｉｄｏｎｅ、ＮＭＰ）であってもよい。エーテル系溶媒は、テトラヒドロフラン（ｔｅｔｒａｈｙｄｒｏｆｕｒａｎ、ＴＨＦ）又はジオキサン（ｄｉｏｘａｎｅ）であってもよい。ハロゲン化溶媒は、クロロホルム（ｃｈｌｏｒｏｆｏｒｍ）、又はメチレンクロライド（ｍｅｔｈｙｌｅｎｅ  ｃｈｌｏｒｉｄｅ）であってもよい。
【００５１】
次に、段階Ｓ４０では、酸化グラフェンが分散した溶液を製造する。酸化グラフェンに関する説明は上述したのと同一であるので、繰り返しの説明を省略する。段階Ｓ４０において、酸化グラフェンの表面にヒドロキシ基又はアルキル基が導入されてもよい。
次に、段階Ｓ５０では、ナノダイヤモンドが分散した溶液に酸化グラフェンが分散した溶液を混合して結合反応させる。
【００５２】
酸化グラフェン１００重量部に対して、ナノダイヤモンド５０〜１５０重量部を混合することができる。ナノダイヤモンドが過度に少なく混合されると、製造される結合体の金属腐食安定性の面で問題が生じ得る。逆に、ナノダイヤモンドが過度に多く混合されると、製造される結合体の分散安定性の面で問題が生じ得る。
結合反応は、上述した反応式１のようにエステル結合反応になってもよい。その他の結合反応も可能である。
【００５３】
本発明の一実施例によるナノ流体は、酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体と、極性流体とを含む。酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体を含むナノ流体は、流体が通過する金属との腐食安定性、ナノ粒子間の固まり現象を防止しながら、熱伝導度が高い２つの素材が結合されているため、特性の低下に対する問題も解決することができる。
極性流体は、水、エチレングリコール、プロピレングリコール、又はこれらの組み合わせであってもよい。
ナノ流体は、ナノダイヤモンドと極性流体とを混合及び分散して製造できる。
【００５４】
以下、本発明の好ましい実施例及び比較例を記載する。しかし、下記の実施例は本発明の好ましい一実施例に過ぎず、本発明が下記の実施例に限定されるものではない。
【００５５】
［実施例］酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体の製造
ナノダイヤモンド（製造会社：ＨｅＹｕａｎ  ＺｈｏｎｇＬｉａｎ  Ｎａｎｏｔｅｃｈ  Ｃｏ．ＬＴＤ）０．１ｇを用意した。これをジェットミル粉砕して平均粒径を２０ｎｍに粉砕した。ナノダイヤモンド粉末を、空気中で、５００℃、１時間熱処理した。熱処理前後のナノダイヤモンドの赤外線分光分析結果をそれぞれ図３及び図４に示した。図４に示すように、１７６４ｃｍ−１付近でピークが観察され、ＣＯＯＨのＣ＝Ｏ官能基が生成されたことを確認した。
【００５６】
熱処理したナノダイヤモンドをＴＨＦ（Ｔｅｔｒａｈｙｄｒｏｆｕｒａｎ）１００ｍｌに入れて、超音波で２時間分散させ、ＤＣＣ（Ｎ，Ｎ’−Ｄｉｃｙｃｌｏｈｅｘｙｌｃａｒｂｏｄｉｉｍｉｄｅ）５ｇを５０ｍｌのＴＨＦ（Ｔｅｔｒａｈｙｄｒｏｆｕｒａｎ）溶液に入れて溶かした後、ナノダイヤモンド分散溶液にＤＣＣ溶液を入れて混合した。
酸化グラフェン（厚さ１ｎｍ、直径２μｍ）０．１ｇをＴＨＦ溶液に入れて、超音波で２時間分散させ、ナノダイヤモンド、ＤＣＣ混合溶液に添加して、１２時間エステル結合反応を行った。
【００５７】
反応後、沈殿物をろ取し洗浄した後、乾燥して、酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体を得た。
製造された酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体の赤外線分光分析結果を図５に示す。図５に示すように、Ｃ＝Ｏ  ｐｅａｋが弱くなって、酸化グラフェンとナノダイヤモンドとの間に化学的結合が形成されたことを確認することができる。
【００５８】
製造された酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を図６に示す。図６に示すように、平板のグラフェン上にナノダイヤモンド粒子が結合していることを確認することができた。
【００５９】
［実験例］ナノ流体の製造及び評価
実施例で製造した酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体５重量部を、水、エチレングリコール１：１混合溶媒９５重量部に添加して、超音波で分散させてナノ流体を製造した。
製造されたナノ流体の金属腐食性をテストするために、金属試片としてアルミニウム、鋳鉄、鋼、黄銅、ハンダ、銅を用意し、ナノ流体に浸漬した。金属試片を取り出して、その写真を図７に示した。
【００６０】
金属試片の腐食の有無を肉眼で判別して、下記表１にまとめた。
また、製造されたナノ流体を放置した後の写真を図８に示した。図８に示すように、長期間放置しても分散性に優れていることを確認することができた。
【００６１】
［比較例］
酸化グラフェンを、水、エチレングリコール１：１混合溶媒９５重量部に添加して、超音波で分散させてナノ流体を製造した。
上述した実験例と同一の腐食テストを行い、金属試片を取り出して、その写真を図９に示した。
金属試片の腐食の有無を肉眼で判別して、下記表１にまとめた。
【表１】
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【００６２】
表１に示すように、本発明の一実施例による酸化グラフェン−ナノダイヤモンド結合体を含むナノ流体は、腐食安定性の面で優れていることを確認することができる。
【００６３】
本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で製造可能であり、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者は、本発明の技術的な思想や必須の特徴を変更することなく他の具体的な形態で実施可能であることを理解することができる。そのため、以上に述べた実施例は全ての面で例示的であり限定的ではないと理解しなければならない。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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