研究開発された技術紹介

ナノマテリアルの製造方法として、各種用途向けのものが開発されているが、生産量が産業応用には不十分であり、不安定品質、高コストなどの問題点がある。多相交流アークプラズマ法は機能性材料の大量合成に好適で、粒子成分組成に制限が少ないなどのメリットがある。本提案では、新規開発した多相交流アークの発生方法や電極構造の革新により、電池材料などのニーズの大きな産業用ナノ材料の生産プロセス確立を目指す。

本研究の結果、エネルギー効率の高い多相交流アークプラズマのナノマテリアル量産化装置の実現に向けた装置の生産能力向上、連続運転の目標を達成した。
また、生成したナノマテリアルの品質向上においては品質向上のための環境測定方法の確立や環境温度把握による歩留り率の向上、トーチの改良による電極由来の不純物の削減について、目標を達成することが出来た。

・高効率な製造プロセスの実現
-高温領域拡大のための多段炉などの設計・政策を実施し、プラズマ領域を200%に向上させた。
-長時間運転に対応した消耗低減化トーチの設計・製作を行い連続運転(150分運転)及び電極消耗量の評価を実施した。
-ナノ粒子生成及びデータ収集及び生成した粒子の観察(評価・分析)を行い生成プロセスの条件を変更する事で目標値である20g/分の生産量を達成した。

・品質保証のための技術向上
-開発装置においての温度計測を実施した結果、測定温度の基準を9000Kとした場合に9000K~10000Kの範囲で2%(200K以下)、10000~11000Kで3%以下、11000~12000Kで7%以下の誤差となった。
・幾つかの条件下で20g/分の生産量での50％部留り、従来型の電極由来の不純物量を1/5に低減、10～100nmのナノ粒子サイズ(70%生成)を達成した。

・省エネルギーの実現に向けた技術の高度化
-出力電力に対してのエネルギー効率は、供給量(50-60g/min)において12%(入力電力に対しては8%)という高い数値が得られた。
-シリコン供給量(42.6g/min)のキロジュール辺りの生産量は4.31㎎/kJの結果が得られ、ホウ物供給量(9.62g/min)は0.97mg/kJとなった。

論文・学会発表多数

次世代電池、導電性インクなどの業界において、酸化物、還元物、ホウ化物のナノマテリアルを使用した研究開発や製品製造に利用できる。

目標達成の為の課題やその他に生産機としての新な課題も見えて来ており、これらの課題を可決する事でナノマテリアル量産化に向けた多相交流アークプラズマ装置が完成出来るものと考えている。引き続き追加研究開発(特に多相交流アークプラズマ装置に関わる部分)を実施し完成に向けて活動して行く。

多相交流アークプラズマ装置により、高周波プラズマ装置の生産量の2倍である20g/分を達成し、エネルギー効率は約3~4倍である12%への向上を実現している。

ナノ粒子製造のプロセス開発を将来に見据えながら現存する顧客向けの装置のカスタマイズ化を実施し装置販売の事業化を図る。
先ずは2022年度~2023年度で中断していたプラズマ処理(球状化等)の委託実験を再開する。既に3社引合があり、その内、1社は4月から実施する予定である。
又、今までにプラズマ処理を依頼された川下企業を中心に営業を掛けて当該事業で蓄積したノウハウを基に再度、生成試験を請負、評価頂く。最終的には各川下企業向けのカスタマイズを実施する事でテストプラント機の販売は充分可能と考えている。テストプラント機の導入は2022年度に1台、2023年度に3台の装置販売を想定している。川下ユーザーにおいての量産化プラントによる生産開始を2025年度以降として将来的には1社あたりに10台以上の装置生産販売を計画している。

ナノマテリアル量産化に向けた多相交流アークプラズマ装置は最終的には生産のシステム化(全自動化)が必要である。
そのために、以下のような課題の解決が必要となる。
・生成したナノマテリアル回収方法の確立(バッチ式では無く連続式)
・大量供給に対応した装置内部構造の検討(トーチへの堆積防止)
・原料蒸発後の粒径制御用冷却機構の確立
・周辺設備(原料投入・ナノ粒子生成後のハンドリング・ガスの循環装置)

当社に設置されている試験装置で、材料の溶融・球状化、ナノマテリアルの生成等といったような委託実験を受け付けておりますので、お問い合わせください。