实现低碳社会的纳米碳材料实用化项目/纳米碳材料实用化技术开发

“碳纳米管（CNT）作为一种梦想材料，20多年来一直受到人们的关注。它们每一种都具有高导电性和导热性，比铝轻，并且具有比钢更高的抗拉强度。虽然它是一种奇妙的材料， “我们使用了强度更高的材料，但当我们实际尝试使用它时，碳纳米管粘在一起，无法发挥其原有的强度。我们开发了一种在保持碳纳米管长度的同时分散碳纳米管的方法。成立了。” 自称为“碳制造商”的 GSI Creos Co., Ltd. 执行董事柳泽隆 (Takashi Yanagisawa) 谈到了开发成果，如下。1990年左右，研究人员发现了碳材料的独特结构，碳材料是细长的圆柱体，直径从几纳米到几十纳米，长度从几微米到几十微米。早在 20 世纪 70 年代就已经开发出了一种有效合成这种自然界中不存在的物质的方法（气相生长法），但由于 CNT 容易相互吸引并变得缠结，因此很难将它们分散。这样做一直是一个长期存在的问题。我们被选为2014年NEDO项目“实现低碳社会的纳米碳材料实际应用项目”，正在推进将CNT聚集体松散并分散在溶剂中的技术的开发。结果，他们成功开发了一种不使用添加剂来分散碳纳米管的方法。现在只需在基材中填充少量的CNT，就可以大大提高基材的机械性能。这一结果已应用于多种产品，例如，当它被用作三菱电机公司汽车扬声器振膜的添加剂时，音质得到了显着改善。我们在 2021 年汽车音响网络大奖赛上获得了铜奖，这是扬声器的最高奖项。的发展之路

碳纳米管是一种理想的材料，但它也很难处理。

碳，或碳，是地球上存在的元素之一。由于其性质，碳原子经常与其他元素结合并以碳分子的形式存在，但作为纯碳原子的集合，熟悉的例子包括铅笔和自动铅笔中使用的铅、石墨（石墨）和金刚石，这是最硬的天然物质，是代表性的例子。

1985年，一种称为纳米碳的纳米级晶态碳引起了人们的关注。发现了由 60 个碳原子组成的类似足球的结构（富勒烯），并于 1996 年将诺贝尔化学奖授予其发现者。这一发现之后，纳米碳的研究开始活跃，纳米碳家族（碳同素异形体）的一员石墨烯随后被发现，其发现者于2010年获得诺贝尔物理学奖。

纤维状碳材料的存在自20世纪60年代以来就为人所知，但在1976年，信州大学远藤守信教授（现名誉教授）开发了一种高效的空心圆柱方法，称为CVD（化学气相沉积），他发明了一种合成碳的方法纤维，即所谓的碳纳米管（CNT），1993年，NEC研究实验室的Sumio Iijima（现任名城大学终身教授）阐明了单壁碳纳米管的结构。从这个意义上说，CNT绝对可以称为“源自日本的纳米材料”。

CNT是仅由碳原子构成的圆柱形结构，直径为几纳米至几十纳米（1纳米：1毫米的百万分之一），长度为几微米至几十微米（1微米：1000纳米） 1毫米），其特点是细且极长（图1）。更重要的是，它是一种梦幻般的材料，具有高导电性和导热性，由于密度比铝低而非常轻，并且具有比钢更高的拉伸强度。

图1 单壁碳纳米管的分子结构

由于其高拉伸强度，太空电梯已成为碳纳米管未来概念的热门话题。这是一个宏伟的计划，将一条电缆从地球静止卫星轨道挂到地面，并用它在地面和太空之间运输货物。即使使用传统已知的材料制造长电缆，电缆也会由于其自重而断裂。然而，如果电缆可以由轻质且坚固的碳纳米管制成，这并非不可能，并且世界各地的研究都在取得进展。

“目前，碳纳米管的长度从几微米到几十微米。不幸的是，无论将多少碳纳米管串在一起，都不可能制造出足够坚固的电缆来承受超长距离电缆的重量。”超过30,000米。有必要合成连续的碳纳米管，这方面的研究在世界范围内都非常先进。如果这成为现实，将有可能将电缆从太空悬挂到地面而不会因自重而断裂。”柳泽隆 (Takashi Yanagisawa)，GSI Creos Co., Ltd. 执行董事兼纳米技术开发办公室主任（照片 1）。

照片1 自称“碳店”的柳泽隆

“目前的碳纳米管比较短，所以不是单独使用碳纳米管，而是通过填充碳纳米管来增强某些功能。例如，将其添加到基材树脂中可以增强基材，或者使其导电。目前，使用最多的是碳纳米管。”全球范围内的应用是作为锂离子电池的导电添加剂。碳纳米管对于提高电池电极间的导电效率起着至关重要的作用。柳泽先生强调，碳纳米管虽然是秘密成分，但现在已经是锂电不可缺少的材料-离子电池。

另一方面，碳纳米管面临着一个主要问题：团聚。柳泽先生说：“纳米尺寸的材料具有当力作用在它们之间时易于粘在一起的特性。此外，细而长的材料具有非常麻烦的倾向，就像纱球一样相互缠绕在一起“它们也有特性。当碳纳米管被添加到液体中并搅拌时，它们看起来是分散的，但它们会重新聚集，使碳纳米管无法展示其真正的潜力。”马苏。

如何分散容易团聚的碳纳米管一直是一个长期存在的问题

柳泽先生解释了碳纳米管分散时和不分散时基材强度的差异（照片2、图2）。

照片2 柳泽先生说明CNT分散的重要性

图2 能量衰减随基材中碳纳米管分散程度的变化示意图。如果碳纳米管是分散的，从X进入的能量在到达Y之前就会衰减（上），但如果碳纳米管是团聚的，它会一直穿透到Y并破坏物体（下）

``这个（图2）是碳纳米管混合到树脂等基材中的图像。当外部冲击等能量施加到X位置时，它会以10的能量沿Y方向穿透并断裂。让我们假设 CNT 很好地分散在基质中（图 2，顶部）。在这种情况下，当能量击中 CNT 时，它会沿着或围绕它们绕行。能量想要从 X 方向移动到 Y 方向，但是碳纳米管成为障碍，10的能量逐渐减少，结果碳纳米管与基材的复合不再破裂，这是一个模型，当碳纳米管聚集时，碳纳米管在能量路径上分布不均匀，换句话说，“有时存在”有时不存在，因此存在能量没有被吸收的地方，复合材料出现裂纹（下图2）。还知道CNT团聚物含有空气，可能不会被浸渍而且，即使分散，即使碳纳米管很短，也很难与能量路径发生碰撞。强化基材的关键是如何适当地分散碳纳米管同时保持它们的长度。”他解释道。

此外，他还解释了向由与碳纳米管混合的树脂制成的复合材料施加拉力时的特性（图3）。

图3 由于材料的脆性和延展性引起的应变和断裂特性的变化

“图表（图3）的纵轴是施加的应力（拉力，承受拉力的能力），横轴是应变（拉伸距离）。对于普通树脂来说，应变是一旦它达到极限，应力减小，缓慢拉伸，最终断裂。对于硬质树脂，应力迅速增加，就像脆性材料（红线）一样，它会在不伸长的情况下断裂。另一方面，延展性树脂材料（蓝色）像橡胶一样具有伸缩性，不易断裂，但应力也较低。我们所针对的CNT与树脂复合材料的特性是硬质材料（脆性材料）的特性，具有伸缩性的形象树脂还具有以下特性

BREAKTHROUGH项目的突破

建立不使用添加剂的分散技术

研究人员使用了各种方法来分散碳纳米管。柳泽先生对分散方法进行了如下说明。

“最常见的方法是与表面活性剂混合。虽然分散性很好，但表面活性剂对于基材来说是‘异物’，会对后续工艺产生负面影响。我不想还有其他方法，比如机械地施加强大的能量来打碎聚集体，类似于用锤子敲打它们来施加能量。但是，这种方法不是很强。即使是最耐用的碳纳米管也会被破坏和破坏。削减，牺牲了它们的长度并失去了增强前面提到的基础材料的能力。为了克服这些权衡的技术挑战，我们研究人员花了很多年的时间研究和开发良好的策略。”

如何分散碳纳米管。此外，必须尽可能保持长度。GSI Creos 已开始致力于开发技术来解决这一问题。

“首先，我们决定不使用表面活性剂等化学物质，尝试了各种方法，最后决定采用机械方法。我们的目标是开发一种不会破坏工艺的加工方法。”柳泽回忆起当时的情况时说道。发展。

通过反复研究，我们发现，通过适当施加能量，可以打散碳纳米管聚集体，同时保持其长度相对完整。

“然而，尽管我们在实验室（初步实验）中取得了成功，但说实话，我们并没有信心能够将其商业化并进行工业规模的大规模生产，”柳泽回忆道。当时，我申请了2014年NEDO项目“纳米碳材料的实际应用以实现低碳社会”并被选中。因此，到2016年度为止的三年内，在NEDO的支持下，我们将能够进行高分散CNT的量产技术的研究和开发。

柳泽先生说：“压力很大，因为结果是预期的。研究和开发像我们这样的创新分散方法不可避免地要花钱。我们只是希望一切都能按照我们的设想进行。”然而，有很多案例失败的可能性很大，所以我很犹豫是否只用公司的研究预算来进行研究。我非常感谢在我的研究过程中得到了NEDO三年来的支持。事实上，在开发资金的支持下，我们取得了快速的进展。 “在开发一种破碎和分散 CNT 团聚物的方法方面取得了进展。能够与 NEDO 进行技术讨论也非常高兴。”

在NEDO项目之前，我们进行了小批量的初步实验，但当我们加强技术以量产产品时，我们面临着另一个艰巨的挑战。该网站的负责人之一、纳米碳开发室的石井伸之对该项目的看法如下（图3）。

照片3 石井伸之手握已开发的经过松散分散处理的碳纳米管，回顾量产技术的发展历程。

“在分布式技术被 NEDO 项目采用之前，我们已经考虑了大约两年的时间。在 NEDO 项目的三年期间，我们更深入地研究了迄今为止一直在开发的分布式技术，并使大规模生产成为可能原型制作过程中出现了很多意想不到的麻烦和故障，随着量产的进行，加工过程中难免会出现冲击、发热、振动等情况，产生了一些安全问题，针对这些问题我们与开发成员讨论了解决方案并进行了后续工作通过反复试验来发展。”

碳纳米管分散的机械方法有很多种，似乎是经过不懈努力才找到的，但这种超高分散技术到底是什么？柳泽先生将其比作方便面。

“我们设计了一种方法，将能量施加到碳纳米管上，并小心地分散它们，使它们尽可能长时间地保留。这是一个需要清楚解释的极端例子，但方便面是干燥的，如果你对碳纳米管施加力，它们就会但是，如果你把热水倒在上面，等几分钟，即使用力，它们也不会断裂，而且面条会保持长而分散。把热水倒在碳纳米管上。我开玩笑的，但考虑到这种形象，我们正在尝试松开碳纳米管团聚物，并施加适量的能量来“解开”碳纳米管而不切割它们。考虑到未来的工业化，我们的技术挑战是处理大量的碳纳米管。在短时间内”。

在对使用该技术分散的碳纳米管与未使用该技术分散的碳纳米管进行比较的样品中，差异很明显。

“这是未经处理的CNT和经过我们开发的松散和分散处理的CNT的结果，在水中搅拌并放置约1分钟（照片4）。未经处理的CNT立即沉淀。但是，如果材料是经过松散和分散处理后，可以在数天内保持分散状态，如图所示。在这两种情况下，CNT的添加量均为1%，且不添加分散剂。纳米技术开发办公室团队负责人Akiko Anzo解释道（照片） 5）。

照片4：将未处理的CNT(左)和经过松散分散处理的CNT(右)放入浓度1％的水中，搅拌，放置约1分钟。可以看出，未经处理的CNT有沉淀，而经过松散分散处理的CNT则分散良好（材料由GSI Creos Co., Ltd.提供）

照片5 纳米技术开发室组长Akiko Azura正在督导团队。

针对内部制造的杯状碳纳米管优化的分散方法

这种分散技术的优点在于处理前后碳纳米管的长度几乎没有变化。此外，电子显微照片证实处理后几乎没有观察到冷凝物（图4）。

图4：松散和分散处理之前（左）和之后（右）CNT的长度和数量，以及电子显微镜照片。图表的纵轴是CNT的数量，横轴是长度。由于在松散和分散过程之前和之后图的形状几乎保持不变，所以可以看出即使在该过程之后，碳纳米管的长度也没有太大变化。此外，处理前后碳纳米管在相同放大倍数下拍摄的电子显微照片表明，处理后聚集体得到了很好的松散。

这里使用的碳纳米管有一种叫做“杯状碳纳米管”（CSCNT）的结构，它是由GSI Creos合成的，其结构看起来像两个重叠的碳网杯，底部是空心的（我明白了，参见基础知识）。通过拉出这个碳网杯，可以相对容易地调整长度并进行分散的表面处理，而不会破坏CNT结构。对于新开发的超高色散量产方法，加工设备是专门为CSCNT设计的，加工条件也进行了巧妙的定制。

另一方面，纳米技术开发办公室的Ayumu Toyama表示，这项技术也可能适用于其他碳纳米管。

Toyama先生说：“我们相信这项技术最适合直径为70纳米至80纳米、长度为几微米至几十微米的碳纳米管。当涉及极薄或极厚的碳纳米管时，我们需要调整加工条件，需要考虑和优化，目前我们还没有和其他CNT进行充分的验证，所以还不确定，但是基本的想法是正确的，所以我认为这个分散技术可以应用于其他碳纳米管。”（照片6）。

照片6 纳米技术开发室的远山步与石井先生一起在现场进行研究开发。

FOR THE FUTURE 发展的现在与未来

参与NEDO项目赢得客户信任

经过松散和分散处理的CSCNT是NEDO项目历时三年的成果，已在多种产品中采用，并已实际商业化。一个例子是涂料“Nanotect®”，它显着提高了漆膜的强度和耐久性。通过将其应用于螺栓等，可以保护被涂装物体不生锈和腐蚀，而且漆膜的韧性使其不易破裂或剥落，从而有效提高恶劣环境下的耐久性（照片）。 7). 此外，与热固性树脂环氧树脂的复合材料还被用于自行车车架和球拍，并被用于许多工业领域。

照片7 涂有Nanotect®的螺栓和弹簧（材料由GSI Creos Co., Ltd.提供）

柳泽先生表示，参与NEDO项目对这些产品的开发起到了很大的推动作用。

“NEDO项目不仅在研发进展方面产生了巨大影响，而且在培养我们客户之间的信任感方面也产生了巨大影响。特别是因为我们的许多客户都是大公司，信任非常重要。事实上，当我们向客户解释我们的产品时，我们经常提到这个开发是NEDO补贴项目的结果。，我觉得我们获得了很大的信任感。而且，即使在项目期结束后，我们还在NEDO上展出连续五年在纳米技术展览会（国际纳米技术综合展览和技术大会）上展位。我们能够为此做出有效的案例。我们希望未来继续瞄准工业上的重要用途和应用。”

客户对基材类型、材质、粘度等的要求各不相同，因此需要考虑每种应用的适当条件。即使在NEDO项目结束后，我们仍将继续致力于量产的研究开发和改进开发。即使在经历了所有这些尝试和错误之后，柳泽先生表示，三菱电机公司在汽车扬声器中使用该技术的案例研究让他相信自己正在做的事情是正确的（照片8）。 ）。

照片8 三菱电机DIATONE汽车扬声器“DS-G400”（数据由三菱电机株式会社提供）

“当我们将采用这种超高色散技术的 CSCNT 混合到三菱电机车载扬声器的振膜中时，我们创造了一种理想的扬声器，可以提高声音传播的速度（声速）并减少混响（高衰减）。从雷达图来看，这款音箱高音清晰，低音解析度、失真度、临场感等方面都有很大的提升（图5），我实际听了一下，不过声音出奇的美妙，甚至作为一款业余爱好者，我可以清楚地听到差异。声学可能看起来很直观，但声音是一种能量传输的现象。从这个意义上说，CNT我很惊讶地发现能量传输的方式存在差异，而在其他方面换句话说，声音，取决于碳纳米管的状态。因此，很高兴我们能够从声音的角度证明碳纳米管的机械性能。”

图5 DIATONE音箱音质对比。经过新开发的松散分散处理的新开发的CSCNT（蓝色）的音质甚至比未经过传统的松散分散处理的CSCNT（绿色）的音质更好（材料提供）作者：GSI Creos Co., Ltd.）

该音箱还荣获 2021 年 Autosound Web Grand Prix 铜奖。这是对演讲者的最高奖项。

即使含量很少，基材的机械性能也大大提高。

柳泽先生表示，除了前面提到的Nanotect®之外，另一种涂膜也取得了很好的效果。

“涂层薄膜通常非常薄，因此当施加一些力时，特别是冲击时，它们很容易破裂。但是，当填充我们高度分散的 CSCNT 时，它们显然不太容易破裂。分散的 CSCNT 填充显示出类似的结果即使CNT的绝对量减少，仍具有良好的抗冲击性，虽然CSCNT的量仅为材料的1/10,000，这意味着CSCNT的量很少，但仍然不易断裂.该现象已被证实具有良好的重现性，其原因如图2所示。我们认为这是由于上面给出的解释，但我们尚未能够在纳米水平上观察到这种现象。

迄今为止，碳纳米管作为一种改善基材性能的添加剂而引起人们的关注，但如果必须大量使用，成本可能会相当高。如果即使少量也能表现出足够的性能，它可以成为一种低成本材料并用于多种行业。

柳泽说：“这些结果催生了不同的研究课题，例如不仅改变碳纳米管的数量，还改变基材、改变碳纳米管的长度以及组合不同的碳纳米管。我说过，碳纳米管的长度越长， CNT，越好，但如果涂膜的厚度在30μm左右，可能会有适合厚度和应用的CNT长度，而最佳填充量也取决于应用。“我想是这样的，”他”说着，表达了他对未来研究的渴望。

了解微观现象通向未来

柳泽先生表示，CNT研究永无止境，有很多东西需要理解。

“从现在开始，我认为从更广泛的角度理解碳纳米管非常重要，不仅是在纳米水平上，而且还要在更大的微观水平上。例如，在含有CSCNT的复合材料中，树脂和CSCNT粘合在一起。然而，这种相互作用还没有被很好地理解，在微观和宏观层面上真实观察的例子也很少。我们正在研究强度等评估结果，但效果是纳米级的，目前还无法确认如何微观和宏观的视角是相连的。从纳米、微观和宏观层面理解树脂和CNT接触的表面（界面）的状态很重要。通过联系和理解这一点，就可以理解为什么近年来，电子显微镜技术、利用人工智能的材料信息学等技术取得了显着的性能提升，利用机器学习开发碳纳米管已经成为可能。开始与相关组织讨论利用这些方法来加速我们的碳纳米管研究和开发。”

柳泽说，当将产品作为材料销售给各个行业时，这种微观层面的分析也很重要。

“确保安全将是其在未来广泛应用中的一个重要因素。随着我们朝着汽车、飞机和航空航天等庞大行业的部署迈进，我们不仅从工业领域开展工作，我想从这个角度加深对碳纳米管的基本理解，并推进研究和开发。”

石井先生谈到了当前的形势以及他扩大市场的愿望。

“目前，我们正在对项目中已完成的内容进行进一步改进。我们为锂离子二次电池等电池应用提供各种等级的产品，并且我们正在根据客户反馈不断改进材料。我们还在调查碳纳米管的特性，我们目前还无法完全解决，也在努力扩大数量。我们种下了很多种子，所以我们正在努力，相信未来会开出很多花朵。”

这个 NEDO 项目解决了碳纳米管团聚这一长期存在的问题。如果继续以创造更好的填料为目标进行研究和开发，它可能会成为在不久的将来彻底改变我们生活的催化剂。

开发者简介

未来10年，世界可能会变得完全不同。

柳泽先生致力于碳研究，目前担任执行官。“最初，我们对金刚石的合成进行研究和应用开发，金刚石也是由碳制成的。在碳纳米管出现之前，使用 CVD 方法合成的金刚石作为理想的碳材料而受到关注。金刚石是一种导热材料它是一种碳材料，尽管其碳含量非常高，但具有绝缘的独特性能。另一方面，碳纳米管也是一种碳材料，具有良好的电导体的优异性能碳材料的种类繁多。“因为它可以呈现不同的晶体结构，所以它是一种非常深刻的物质，可以具有完全不同的特性，”他在谈到自己漫长的研究生涯时说道。

柳泽先生20多年前就开始了碳纳米管的全面研究和应用开发。这一发展的推动者是远藤盛信博士，他是纳米碳科学的先驱，也是世界上第一个使用上述CVD方法合成CNT的发明者，发现并阐明了它具有独特的结构。此后，我们持续进行与CNT相关的各种研究和开发。

“现在的我看起来像一个碳纳米管专家，但我本来是一个碳专家。碳是一种人们很早就知道的材料，但碳材料仍然有各种各样的研究主题，每年都会进行许多研究项目今年，一篇论文发表了，虽然我仍然关心钻石，但现在我觉得分析、研究、开发和应用碳纳米管是我的使命。未来，通过充分利用人工智能技术，阐明“看不见的东西” “我相信，未来10年，一个完全不同的地平线将变得‘可见’。也许会开发出更多新的碳材料。一个令人难以置信的世界可能会诞生。”他表达了对下一代的希望。

Takashi Yanagisawa 先生，GSI Co., Ltd.
Creos 纳米技术开发办公室执行董事兼总经理

通过深入的实验形成团队团结感

Anzo先生原在Creos理化设备部负责技术销售（销售的专业技术支持、设备发货前数据收集、药品检测试剂盒发货前检验等）。在NEDO项目中，他们通过测量CSCNT的长度并用电子显微镜观察它们，对项目条件研究中采样的许多样品进行分析和收集数据。

“测量CSCNT的长度是我们实验室开发的一种独特的测量方法。使用电子显微镜拍摄每个分散状态的CSCNT后，我们对这400个CSCNT的长度进行统计分析。该方法需要很大的耐心，因为它涉及追踪、测量和计算不止一本书。但是，根据条件，结果是显着的，因此可以与其他致力于分散和松散技术开发的研究人员共享结果。当时，我有一种感觉我们团结一致，共同致力于发展并朝着我们的目标前进。”

他表示，展望未来，“我们希望通过开发和构建其他公司不具备的制造、测量和评估技术，进一步使自己与其他公司区分开来。”

Akiko Azura，GSI Creos
纳米碳开发中心纳米技术开发办公室团队负责人

我是从一个完全不同的领域跳入这个世界的。

Ishii先生于2012年加入GSI Creos，但他的大学专业是与CNT不同领域的研究。

“在大学时，我正在研究生物基因领域，而我大学的一位学长恰好在这家公司工作，所以我有机会和他交谈。我对相关材料和产品产生了兴趣，决定加入公司。入职后，我还没进公司就来到了公司，被允许参与碳纳米管的研发，所以我每天都在学习。一开始，我在一家公司工作。完全不同的领域。作为一名研究和开发人员，我迫切需要获得基础知识，但我花了很长时间才理解，”石井先生说。

“在为期三年的NEDO项目中，我们能够获得良好的CNT分散性，这是我们的发展目标，也带动了我自己的成长。即使在项目结束后，我们仍继续与与我们合作的公司保持关系我们正在与他们合作。目前，除了研发之外，我们还进行技术销售，但我们也在从接触材料的工人的角度提出我们材料的好处。NEDO项目通过开发CNT 的应用以及所获得的知识和经验，材料本身的质量得到了提高，而且我也获得了作为工程师的信心。”继续研究和开发 CNT 分散体的 Ishii 先生说道。

Nobuyuki Ishii，GSI Creos
纳米碳开发中心有限公司纳米技术开发部

加入公司后的第一个项目是NEDO项目。

Toyama 先生加入 GSI Creos 是因为他对 CNT 产生了浓厚的兴趣，CNT 被用于网球拍、羽毛球拍和钓鱼竿等日常用品中，并希望掌握其物理特性。加入公司后，我被分配到纳米技术开发室，与石井先生一起进行实际松动工作、偏光显微镜、SEM观察等。最初，我们会前往与我们有共同开发关系的信州大学和长野国立工业大学出差，进行各种显微镜观察并评估原型。

富山先生说：“在我们进行原型量产时，出现了软管脱落、大量处理液散落的问题。后来我发现是生产方式存在问题。”软管是固定的或者它的材料。每当出现问题或意外情况时，我们立即在我们的办公室内分享，每个人都发表意见，我认为我们能够审查设计设备的整体配置并改进它一个能够顺利处理事情的机制。研发项目中经常会发生意外事件，但全体员工齐心协力解决问题是一次很好的经历。这个NEDO项目是我刚加入公司的一个项目，所以它仍然存在我记得很清楚。“我在这里，”他说。

未来，他们希望利用松散分散技术开发新材料和新产品。

Ayumu Sotoyama， GSI Creos纳米
碳开发中心有限公司纳米技术开发办公室

明白了，基础知识

用于超高色散量产方法的杯堆叠碳纳米管（CSCNT）

碳纳米管有多种结构。这取决于碳纳米管的合成方法，但从广义上讲，有两种类型：单壁碳纳米管（SWCNT），由圆柱形二维材料石墨烯制成，以及多壁碳纳米管（MWCNT），这是石墨烯的嵌套层。后者主要采用前述远藤守信教授发明的CVD法生产，是目前世界各地使用的锂二次电池导电添加剂，因为其在成本和产量方面均较优越，大多为MWCNT。

GSI Creos 合成的杯堆碳纳米管 (CSCNT) 在学术上被认为是多壁碳纳米管的一种。它的形状像一个由碳网（石墨烯片）制成的半球形杯，碳网杯的底部被切掉，并且这些杯彼此堆叠（图6）。与多壁碳纳米管相比，多壁碳纳米管中的碳原子以强共价键结合在碳网络中，形成石墨烯片堆叠的力被认为是范德华键（由分子间作用的弱吸引力引起的键）。通过在杯子之间施加力将杯子分开。由于组成CNT的碳网络是紧密结合的，因此很难切割它们并调整其长度，但是对于CSCNT来说，即使在合成后，也可以通过拉出碳网络来在一定程度上调整长度杯子，可以调节。此外，由于它的内部是中空的，因此它可以包含其他原子和分子。

图6 CSCNT的结构计算机图形（材料由GSI Creos Co., Ltd.提供）

这种超高分散量产方法采用原本就比其他碳纳米管具有更高分散性的CSCNT，并通过相应调整分散技术而开发出来。它还具有对基材的良好附着力、表面活性调节功能以及负载其他纳米颗粒的能力，例如利用还原沉淀法将铂细颗粒固定在碳网杯边缘的能力。

NEDO的作用

“实现低碳社会的纳米碳材料实际应用项目”
2010-2016

NEDO内负责部门：材料·纳米技术部

碳纳米管、石墨烯、富勒烯等纳米碳材料具有“轻质”、“高强度”、“高导电性”、“高导热性”等特点，适用于结构件、导电材料、散热材料等多种用途，有望得到应用。日本在纳米碳材料的开发方面处于世界领先地位。

在该项目中，NEDO将通过开发纳米碳材料量产技术、安全性/分散性评价技术等共性基础技术作为委托项目，加速整个行业的实际应用，并将支持20多个资助项目。向个别公司介绍其商业化主题。此外，我们还将与独立行政法人产业技术综合研究所合作，在幕后搭建信息发布网站和联盟等平台，以便各企业在本项目开发的安全性和分散性评估技术能够使用。项目结束了。我们提供了支持。

碳纳米管复合材料研究中心是利用碳纳米管联盟联盟联合体建立的开放式创新平台，已取得多项成果，包括高强度O型圈和抗静电树脂复合材料的商业化。GSI Creos的实际应用也是通过本次资助项目支持个别企业的丰硕成果之一。

当时 NEDO 负责人的评论（Ken Kokubo）

我最初在大学研究纳米碳的一种富勒烯，但作为NEDO首次与大学交叉任命的职位，我被邀请担任“实现低碳社会的实用纳米碳材料项目”的项目经理。我做到了。在与各公司人员的交往中，我曾多次向GSI Creos的柳泽先生请教，通过进度检查和现场检查来确保预算和系统得到适当和更有效的使用，我记得很清楚。

富勒烯是日本人预言的，碳纳米管是日本人发现的，因此日本在纳米碳材料的研发方面相对于其他国家来说特别先进，这也是该领域已经开展的研究之一柳泽先生和我都有强烈的愿望，基于我们作为专业人士的自豪感，将这些技术付诸实践，为社会做出一些小小的贡献。

我们认为，通过该项目开发出纳米碳安全性、分散性评价技术等共性基础技术，对于各企业后续产品开发具有重要意义。此外，项目结束后，其成果由产业技术综合研究所（AIST）等公共研究机构继承，项目结束后也可以通过CNT联盟等企业联盟进行利用。和石墨烯联盟。我想事情就是这样。

当我支持纳米碳相关的公司时，我开始觉得我不仅要在一段时间内扮演一个管理角色，还要作为一个实施者并实现实际应用。纳米碳实际应用的研发中心。我们再次与柳泽先生等多家企业跨界合作，2020年在纳米科技展上举办了第一届纳米碳开放解决方案博览会，汇聚了25家纳米碳相关企业。市场上的碳纳米管产品数量已经在一点一点地增加，我们愿意继续以力所能及的小方式支持它们，让它们能够继续一一增长。

Ken Kokubo，日本产业技术综合
研究所纳米碳器件研究中心
首席研究员兼材料功能新兴研究组组长
（前NEDO材料纳米技术部首席研究员/项目经理）