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材料製造プロセス

ナノマテリアルの産業応用は各方面で活発化しているが、量産性などの課題が残されている。本研究開発では熱プラズマの中でも,材料プロセシングに適した多相交流アークを利用したナノマテリアル量産化装置の実現を目指す

石川県

タマダ株式会社

2022年1月25日更新

プロジェクトの基本情報

プロジェクト名 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の開発
基盤技術分野 材料製造プロセス
対象となる産業分野 電池、高機能材料
産業分野でのニーズ対応 高機能化(新たな機能の付与・追加)、高性能化(精度向上)、高性能化(高融点材料の球状化、金属材料の合成)、高効率化(生産性増加)、低コスト化
キーワード 球状化、ナノ粒子、材料合成、プラズマ、高機能材料
事業化状況 実用化に成功し事業化に向けて取り組み中
事業実施年度 平成30年度~令和2年度

プロジェクトの詳細

事業概要

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。

多相交流アークブラズマ
開発した技術のポイント

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。

プラズマ処理
具体的な成果

・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。

温度測定風景
知財出願や広報活動等の状況

論文・学会発表多数

研究開発成果の利用シーン

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。

実用化・事業化の状況

事業化状況の詳細

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。

提携可能な製品・サービス内容

製品製造、共同研究・共同開発

製品・サービスのPRポイント

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。

今後の実用化・事業化の見通し

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。

実用化・事業化にあたっての課題

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)

事業化に向けた提携や連携の希望

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。

プロジェクトの実施体制

サポイン事業者 タマダ株式会社
福伸工業株式会社
事業管理機関 公益財団法人石川県産業創出支援機構
研究等実施機関 国立大学法人九州大学
アドバイザー 産業技術総合研究所

サポイン事業者 企業情報

企業名 タマダ株式会社(法人番号:5220001004205)
事業内容 タンクの設計・製造・販売、危険物施設の設計・施工、危険物施設のメンテナンス・管理
社員数 294 名
生産拠点 北陸工場(石川県)関東工場(栃木県)九州工場(熊本県)海外(ベトナム)
本社所在地 〒920-0332 石川県金沢市無量寺町ハ61-1
ホームページ https://www.tamada.co.jp/
連絡先窓口 製造本部 東崎英樹
メールアドレス tousaki@tamada.co.jp
電話番号 0289-71-3336