ナノコンポジット

ナノコンポジットは、少なくとも1つの相がナノスケールである複合材料です。通常、ナノ粒子、ナノファイバー、またはナノプレートが連続的なマトリックス内に分散しています。マトリックスは、ポリマー、金属、またはセラミックである場合があります。ナノスケールの割合は、ほとんどの場合、体積で数パーセント以下ですが、材料特性に非常に大きな影響を与えます。

ナノコンポジットの優れた特性は、主にマトリックスとナノスケールの相との大きな界面によって生じます。機械的、熱的、電気的、またはバリア効果のある特性は、材料自体によって生じるのではなく、その均質な分散と界面の品質によって生じます。

これにより、混合が材料開発の中心的な課題となります。プロセス技術上の中心的な課題は、異なる成分を混合することではなく、ナノ粒子を完全に解砕し、マトリックスに安定的に埋め込むことです。

ナノ粒子は、初期状態ではほとんどの場合、凝集塊として存在します。これらの凝集塊は、粒子合成時または保管中に発生します。それらは、ファンデルワールス力、静電効果、または焼結ブリッジによって安定化されているため、内部結合エネルギーが高くなっています。高性能のナノコンポジットを製造するには、これらの凝集塊を完全に、あるいは少なくとも大部分を分解する必要があります。

このために必要な凝集分解作業は、表面エネルギーと密接に関連しています。分離に必要な最小エネルギーは、おおよそ次の式で表すことができます。

E ≈ γ · ΔA

ここで、γ は比表面エネルギー、ΔA は新たに生成された表面積です。ナノ粒子では ΔA が非常に大きいため、真の一次粒子分散には多大なエネルギーが必要となります。ここで重要なのは、総エネルギーではなく、混合プロセスにおける局所的に作用するエネルギー密度です。

ナノコンポジットの場合、これは、従来の重力による混合メカニズムでは不十分であることを意味します。効果的なのは、高い局所的なせん断、圧縮応力、または衝撃エネルギーを発生させるプロセスだけです。その例としては、強力なせん断流、加圧下での固体間接触、壁面にせん断勾配を意図的に印加することなどが挙げられます。

マトリックスによるナノ粒子の濡れ性は非常に重要です。濡れ性が不完全だと、凝集塊が安定化し、界面での力および電荷の伝達が妨げられます。濡れ性は、ナノ粒子の表面化学、マトリックスの極性、およびプロセス状態によって決定されます。多くの場合、表面改質または分散助剤の使用が必要となります。

混合技術の観点からは、プロセスステップの順序が重要です。多くの場合、凝集塊を分解し、均質な予備混合物を調製するため、乾式予備混合が有効です。

これは、ポリマー系ナノコンポジットだけでなく、セラミック系および金属系システムにも当てはまります。ポリマー系ナノコンポジットの場合、マトリックスの粘度も分散プロセスに影響を与えます。粘度が高くなると、せん断伝達が大きくなりますが、同時に脱気が困難になります。閉じ込められた空気は追加の界面として作用し、再凝集を促進する可能性があります。そのため、多くの場合真空下で行われる、制御されたプロセス管理が重要な品質基準となります。

ナノコンポジットの特性は、分散の品質に大きく依存します。わずかな凝集物の残留でも、ワークピースの欠陥箇所として作用する可能性があります。