カーボンナノチューブ活用の最大の壁“凝集塊”を解消する超高分散量産法

NEDOプロジェクトへの参画が顧客の信頼獲得につながる

3年間のNEDOプロジェクトの成果であるほぐし分散処理を施したCSCNTはいくつかの製品に採用され、実際に商品化されています。例として、塗膜の強度と耐久性を大幅に向上させた塗料「ナノテクト®」があります。これはボルトなどに塗ることで、被塗装物をサビ、腐食から守ると共に、塗膜の強靭化により破壊や剥離が起こりづらくなるため、厳しい環境での耐久性向上に効果を発揮します（写真7）。ほかにも、熱硬化樹脂であるエポキシ樹脂との複合体では、自転車のフレームやラケットなどへの利用が進んでおり、あらゆる工業分野への展開が数多く進められています。

写真7　「ナノテクト®」を塗布したボルトやスプリング（資料提供：株式会社ＧＳＩクレオス）

柳澤さんは、こうした商品の展開に向けて、NEDOプロジェクトへの参画が大きな後押しになったと語ります。

「NEDOプロジェクトにより研究開発が進んだという側面だけではなく、お客さまの信頼感の醸成という側面でも大きな影響がありました。国の機関であるNEDOさんの支援で開発したという事実は、われわれにとって大きなことです。特に顧客であるユーザー企業は大企業が多いため、信頼感はとても重要になります。実際に、お客さまへの商品説明においても、本開発がNEDOさんの助成事業の成果ということで、大きな信頼感を得ていることを実感しています。また事業期間終了後も、nano tech展（国際ナノテクノロジー総合展・技術会議）のNEDOブースに5年連続で出展させていただき、来場者に対し有効なアピールもできました。今後も産業的に重要な用途、アプリケーションを狙っていきたいですね」

母材の種類や材料、粘度などの要望は顧客によって異なるため、用途ごとに適切な条件を検討する必要があります。NEDOプロジェクト終了後の現在も、量産化に向けて継続的な研究開発、改良開発に取り組んでいます。このような試行錯誤を重ねてきた中でも、自分たちが取り組んできたことが正しかったと自信になったのが、三菱電機株式会社の車載用スピーカーへの採用事例だと柳澤さんは言います（写真8）。

写真8　三菱電機のDIATONE車載スピーカー「DS-G400」（資料提供：三菱電機株式会社）

「三菱電機の車載用スピーカーの振動板に、今回の超高分散技術を用いたCSCNTを混ぜたところ、音の伝わる速度（音速）が増しながら、残響音が少ない（高い減衰）理想的なスピーカーができたのです。このスピーカーはレーダーチャートの通り、高音がクリアで、低音の分解能やゆがみ感、臨場感などの面でも大きく性能が向上しました（図5）。実際に聴いてみましたが、驚くほど素晴らしい音で、素人の私が聴いても違いが良くわかります。『音響』は何となく感覚的に思われるかもしれませんが、音響とはエネルギーが伝わる現象です。その意味でCNTの状態によってエネルギーの伝わり方、つまり音に違いが出たことに驚きました。従って音の面からもCNTの力学的な性質を証明できた、と理解できたのは大きいですね」

図5　DIATONEスピーカー音質の比較。従来のほぐし分散処理を施していないCSCNT（緑）よりもさらに、新開発のほぐし分散処理を施したCSCNT（青）のほうが音質面での向上が見られる（資料提供：株式会社ＧＳＩクレオス）

このスピーカーはオートサウンドウェブグランプリ2021のブロンズアワードも受賞しています。これはスピーカーとしては最高位の賞です。

わずかな含有量でも母材の力学的性質が大きく向上

もう一つ、先ほどのナノテクト®とは別の塗膜で大きな成果があると柳澤さんは語ります。

「塗膜は、一般的にとても薄いので何か力が加わる、特に衝撃に対してはとても割れやすいものです。しかし、われわれの高分散CSCNTを充填すると明確に割れにくくなります。しかも、この高分散CSCNT充填ではCNTの絶対量を減らしても同様に良好な耐衝撃性が確認されました。ある母材では、CNTの充填量は母材の量に対してわずか0.01%でした。つまり母材に対してたった1万分の1の量ですから、本当に少量しかCSCNTが入っていないことになりますが、それでも割れにくくなりました。現象としては再現性良く確認しており、その要因は図2での説明によるものと考えていますが、まだその現象をナノレベルでは観察できていません」

これまで、母材の性能を高める添加材としてCNTが注目されてきましたが、大量に使わなければならないとなると、相当なコストがかかってしまいます。それがごくわずかな量でも十分性能を発揮できるのであれば、コストの小さい材料となり、さまざまな産業で採用されると考えられます。

柳澤さんは、「こうした結果から、CNTの量だけではなく母材を変えてみたりCNTの長さを変えてみたり、異なるCNTを組み合わせたりと、また違った研究課題が生まれてきました。CNTは長いほうがいいと言ってきましたが、塗膜の厚みが30μm程度の場合は、厚みや用途に合ったCNTの長さがあるのではないかとか、最適充填量も用途によるのではないかと考えています」と今後の研究への意欲を語りました。

ミクロレベルの現象を理解することが未来へつながる

CNTの研究には終わりがなく、理解しなければならないことがさまざまある、と柳澤さんは語ります。

「これからはCNTをナノレベルだけでなく、さらに大きなミクロレベルも含め、大局的に理解していくことが重要だと考えています。例えば、CSCNTを混ぜた複合材料では、樹脂とCSCNTが結合していると考えられますが、その相互作用はまだよくわかっておらず、ミクロ、マクロレベルでリアル観察した例はほとんどありません。われわれは強度などの評価結果を見ていますが、その効果がナノ、ミクロ、マクロな視点それぞれがどうつながっているのかは確認できているわけではないのです。樹脂とCNTが接している面（界面）の状態が本当にどうなっているかをナノ、ミクロ、マクロレベルで紐付けして理解することで、なぜごく少量の充填量でも性能を上げられるのかを理解できると考えられます。近年、電子顕微鏡技術の大幅な性能向上や、AIなどを活用したマテリアルズ・インフォマティクスによる機械学習での開発ができるようになってきました。これらの手法を駆使して、われわれのCNTの研究開発を加速すべく、すでに関係機関と検討を開始しています」

こうしたミクロレベルでの解析は、材料としてさまざまな業界へ売り込むときにも重要だと柳澤さんは話します。

「今後、広範囲な用途に展開されていくためには安全性を担保することが重要な要素です。自動車や航空機、宇宙といった巨大産業への展開に向けて、工業的観点だけではなく、やはりアカデミックな観点からもCNTへの基本的理解を深めて研究開発を進めていきたいですね」

石井さんは、現在の状況と市場拡大に向けた意欲をこう語ります。

「現在はプロジェクトで完成したものからさらに改良を加えています。リチウムイオン二次電池などの電池用途向けにもさまざまなグレードを提供し、お客さまからのフィードバックもいただいて、日夜材料の改良を行っています。これまで取り組みきれなかったCNTの特性も調査し、数量の拡大も目指しています。たくさん『種』をまいていますので、今後、いくつも花が開くことを信じてがんばっています」

長年抱えてきたCNTの凝集塊という課題を、今回のNEDOプロジェクトが解決に導きました。さらに優れた充填材になることを目指して研究開発が進んでいけば、近い将来、私たちの生活が一変するきっかけになるかもしれません。