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層状鉱物である黒鉛を剥離することで、グラフェンを量産することに挑戦した。具体的には黒鉛を溶媒に混ぜ、超音波、高速撹拌、圧力式ホモジナイザなど、様々な剥離装置を検討した結果、圧力式ホモジナイザが最も生産能力が高く、高品質なグラフェンができることを実証した。圧力ホモジナイザの内部流路を独自に設計し組み込んだところ、層流領域がより長い流路となる方が層状鉱物の剥離に有効となることを見出した。
しかしながら、圧力ホモジナイザでもラボレベルの生産能力は高々3.6g/L程度であったために、この生産能力を飛躍的に向上させるために、黒鉛との相性のよい溶媒、そして黒鉛構造そのものを剥離しやすい構造とする手法について検討を行った。溶媒の最も重要なパラメータは表面張力であることは知られていたが、我々の研究では表面張力に加えてグラフェン同士の静電反発を高める因子を追加させることで、生産能力が更に10-30%程度向上することを新たに発見した。具体的にはアルコール溶媒にpHをアルカリ側にした水を添加することで、表面張力のみならず静電反発力も制御することができ、グラフェンの生産能力を向上させることができた。
また、黒鉛の構造として粒径、層間距離、結晶径などの因子があるが、粒子径と結晶径を小さくすることで、グラフェン生産能力を10倍程度大きくすることに成功した。さらに、分散性を向上させる化学物質を結合させることで、2-3倍の剥離分散性の向上がみられた。またこの物質は水やアルコールにも分散が可能であり、これらの溶媒では100-1000倍の生産能力の向上がみられた。
以上の研究より、黒鉛からグラフェンへの変換率が大幅に改善され、実用化に大きく前進した。この分散液を用いてナノコンポジットを作製したところ、引張強度は10-20%、伸びは100%の改善がみられた。
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