(以下は説明用の参考情報で、予告なく変更する場合があります。最新情報はお問合せ下さい。)

超臨界流体 超臨界二酸化炭素(CO2)利用技術


超臨界 LIVE配信 セミナーの案内  2024年12月3日(火曜) 13時30分 ~ 16時30分  [ ZOOM オンラインセミナー ]

 「食材・生体適合材から太陽電池・半導体分野などでの高機能素材の創出手段」と称してオンラインセミナー(有料)を開催します (予定)。  ご興味のある方は、
  主催セミナー会社の 講師割引(≧2割引き) を送付しますので、こちらのお問合せ よりご連絡ください。   通算21回目 ❗   詳細内容はこちらを参照下さい。

 タイトル:超臨界二酸化炭素(CO₂)と工業的利用 ~基礎から適用技術の実際まで~ 何ができ何が必要か?

スポーツフットウェアの世界的企業ナイキ社NIKEが、”製造革命”:「アスリートと地球環境の両方に貢献する」ためと称し、自然溶媒の超臨界二酸化炭素による新規染色技術 “ColorDry” を台湾で実用化展開したと発表し、アディタス社、イケア社も展開しています。
 新規高機能素材の創出を目的とした研究開発が、食品・医薬品・生体適合性分野、導電性付与・太陽電池・半導体なども含め樹脂・無機物・金属などの幅広い産業素材分野を対象に行われています。自然溶媒で環境に優しいユニークな超臨界CO₂流体の基礎特性と特異性を紹介し、海外で進んでいる実用化事例も含め、利用・適用分野を俯瞰します。神戸製鋼グループでの25年以上のプロセス開発・実用化開発での蓄積から、具体的な自社開発・適用事例を示し、実践経験に基づいた工業的利用時のプロセス開発の実際とポイントを紹介すると共に、新しい高機能素材創出のシーズ・ヒントを紹介します。
 ホームページで紹介している内容も含め、約三千倍のスケールアップ設計・プロセス実証・商業化の経験を踏まえ、実用化・工業化するために必要な構成技術、チェック項目に言及し、超臨界CO₂で何ができるか、何が必要かを紹介します。

    ・高機能素材創出のための新規技術を探している方(食材、高分子材、化成品、無機材 他)     こちらを参照下さい
・新たな機能・付加価値を付与する技術を探している方(生体適合、導電、ホール材、コンポジット 他)
・環境負荷低減、脱有機溶媒化を検討している方(NIKE社推進の無水染色、皮革なめし 他)
・超臨界二酸化炭素とは何か、何ができるのか知りたい方 (自然界に多量に存在するユニークな溶媒)
・超臨界二酸化炭素の研究・開発を検討・推進している方(「想定外」でないプロセス構築 他)

超臨界二酸化炭素 CO₂

   適用分野とプロセス : 微粒子
複合化粉体

光制御で美しい素肌感を再現する複合粉体 : 母粒子と子粒子の
①凝集が無く、②均一コーティング膜からなる複合化粉体の調整を実現


超臨界流体の溶解度制御性による結晶粒子の新規な単離・精製が可能
結晶粒子の特性をデザインし、制御する事が可能:形状、サイズ、形態、微粒不純物
ガス中、液中と異なる粒子運動挙動を実現する事が可能
シングルステツプでの生成が可能
溶媒を用いないプロセスが可能(RESS法)

微粒子製造法

【用途】樹脂、漢方、医薬品(DDS)、顔料、化粧品、トナー粒子への帯電防止剤コーティング(Ex:JP2005-301250) 他


 溶媒の組成を変えることなく、圧力と温度の制御のみで溶解度を広範囲にしかも急速に変化させる事が可能で、結晶粒子の形状、サイズ、形態、微量不純物などを制御する事が可能な新規な結晶粒子の形成方法です。 密閉系で且つシングルステップでの微粒子の生成が可能で、分散性に優れた(含有物の均一性確保)、或いは、マイクロカプセル化などが可能です。
 超臨界流体を利用した微粒子の生成方法としては、以下のものがあります。


急速膨張法:RESS(Rapid Expansion of Supercritical Solutions)
SC-CO₂に目的物資を溶解、ノズルを介して急速減圧する。有機溶媒を使用しない。CO₂は無極性であり、目的物質の溶解度が小さいのが難点

貧溶媒化法:Anti-Solvent
目的物資の溶解している極性有機溶媒にSC-CO₂を吹込む事で、極性有機溶媒のもつ溶解力を低下させ、溶質を析出させる方法
GAS (Gas Anti-Solvent) 法、SAS (Supercritical fluid Anti-Solvent) 法:
粒子サイズの制御は貧溶媒化の圧力変化速度による
ASES (Aerosol Solvent Extraction System) 法、SEDS (Solution Enhanced Dispersion by Supercritical Fluids)法:
 ミクロン、ナノサイズ粒子を製造する場合に用いられる名称。SC-CO₂中に目的物質の溶解した有機溶媒が吹込まれ、基質としての目的物質が微粒子化

ガス飽和・懸濁溶液法: PGSS (Particles from Gas-Saturated Solutions)
SC-CO₂を液体としての基質或いは基質が溶解、懸濁している溶媒に供給し、次いでノズルを介して固体微粒子或いは液滴を生成させる

CPF法 :Concentrated Powder Form
多孔質粉体に急速減圧により生成する微滴(香料・色素等のSCF溶解機能性物資)を吸収させる5μ~2mm粒子に~80%含液の粉体形成が可能
例:単体粒子(澱粉、珪酸、セルロース、砂糖、乳化剤他)に香料/植物抽出物(パプリカ、ストロベリー、ウコン、セロリ、タイム他)を含浸


ポリスチレン微粒子
 
ポリスチレン微粒子
 
CPF法フロー図

反応晶析  導電性高分子サブミクロン微粒子       from 特開2009-215,424 東京理科大学出願より
ポリ・チオフェン : 導電性微粒子X = S
   超臨界CO₂に溶解させた重合開始剤(酸化剤) (Ex:[ビス(トリフルオロアセトキシ)ヨード]ベンゼン:BTI、M.W.=430.04、C₆H₅I(OCOF₃)₂) 中にπ共役二重結合を有するモノマー(Ex:3,4-エチレンジオキシ・チオフェン:EDOT、 M.W.=142.17、C₆H₆O₂S、ρ= 1.34g/cc@20℃)を導入し、撹拌・混合する事により、重合体(ポリ3,4-エチレンジオキシチオフェン:PEDOT)が得られます。右図に40℃で圧力を変化させた場合の平均一次粒子径を示します。 CO₂密度が小さくなると、即ち、圧力が低くなると、粒子径が大きくなり、導電率は、約3.3 x 10-2S/cmとの事です。
ポリピロール : 導電性微粒子X = NH
   超臨界CO₂に溶解させた重合開始剤/酸化剤 (Ex:[ビス(トリフルオロアセトキシ)ヨード]ベンゼン:BTI) 中にπ共役二重結合を有するモノマー(Ex:ピロール:Py、M.W.=67.09、C₄H₅N)を導入し、 撹拌・混合する事により、重合体(ポリピロール:PPy)が得られます。右図に40℃で圧力を変化させた場合、20MPaで温度を50℃の平均一次粒子径を示します。 ポリ・チオフェンと同様にCO₂密度が小さくなると粒子径が大きくなります。酸化剤の濃度で平均粒子径はほとんど影響を受けないが、モノマーのピロール濃度が高くなると平均粒子径は大きくなった、 導電率は、約2.1 x 10-1S/cmとの事です。

超臨界CO₂中でのサブミクロン微粒子の挙動
   サブμm微粒子の挙動は、水中の微粒子と比較すると、超臨界CO₂の密度が小さく、粘度が一桁以上小さいため、流体中の挙動が大きく異なります。右図に、粒子密度が2.5g/mlの時の、各流体中のa) 終末沈降速度、b)ブラウン運動による粒子の運動変位を示します。
 超臨界CO₂中の微粒子の運動挙動は、水等の溶媒中よりは、どちらかというと大気中に近く、特にサブμ微粒子以下では、ブラウン運動が活発になります。このため、臨界粒子径(終末沈降速度=ブラウン運動変位時粒子径:右図実線:2.5g/ml、 破線:10g/ml粒子密度)よりも小さい粒子は超臨界CO₂中では沈降しなくなります。
空気:大気圧、20℃ → 1.2 kg-Air/m³ 、0.18 E-6 Pa・s
CO₂:15MPa、80℃  → 431 kg-CO₂/m³ 、33 E-6 Pa・s
CO₂:25MPa、40℃ → 876 kg-CO₂/m³ 、86 E-6 Pa・s
水  :大気圧、20℃ → 1,000 kg-H₂O/m³ 、1,010 E-6 Pa・s

 また、超臨界CO₂中では、界面張力フリー乾燥が可能なため、乾燥時に粒子間で働く界面張力が緩和され、凝集しにくくなります。

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