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ナノ微粒子の調製および
分散・凝集コントロールとその評価

〜事例に基づくトラブル・問題点とその解決策への手引き〜


Distribution, Aggregation Control and Evaluation for preparation of nanoparticles
【目  次】(執筆者敬称略)

 

第1章 ナノ粒子生成・合成プロセスにおける
     トラブル・問題点と解決方法


第1節 気相法、液相法の現状と指針および最近の取り組み

    広島大学大学院 工学研究科 奥山 喜久夫,中曽 浩一

 主旨: 今世紀に花開くと期待されるナノテクノロジーのキー材料であるナノ微粒子について、特に球形で、サイズが均一で、化学組成および結構性が調整された粒子が求められており、現在活発に研究報告がなされている。本章では、このようなナノ微粒子の製造に関して、代表的な製法である、気相法と液相法を紹介し、現状とそれに対する指針や最近の取り組みを中心に解説する。

 1.ナノ微粒子生成プロセス

    ナノ微粒子の製法として期待されている液相法と気相法を紹介、特徴と問題点を述べる。

 2.気相法によるナノ微粒子合成プロセス

    ガス中で粒子を合成する気相法を紹介し、プロセス中で生じる現象について述べる。

  2−1.粒子性状を支配する因子

    気相法による微粒子の発声・成長に影響する因子を述べ、大きさのそろった単分散ナノ微粒子が合成される条件について解説する。

  2−2.最近の単分散ナノ微粒子合成への試み

    最近報告されている気相法による単分散ナノ微粒子の合成の試みを紹介する。

 3.液相法によるナノ微粒子の合成法を紹介し、現状と問   題点を述べる。

  3−1.プロセスの制御方法

    ナノ微粒子合成のためのプロセス制御の方法と最近の取り組みについて紹介する。

 4.まとめ

    本章のまとめと今後の展望について述べる。



第2節 熱分解法による金属ナノ粒子の合成

          大阪市立工業研究所 研究副主幹 中許 昌美

 主旨: 金属ナノ粒子を合成するための前駆体として最適な金属錯体を分子設計し、還元剤、保護剤、溶媒を使用することなく熱分解の条件を適切に選ぶことによって簡便かつ大量に金属ナノ粒子を合成する方法について述べる。

 1.金属ナノ粒子と熱分解で合成する戦略

 2.銀ナノ粒子の合成と性質

 3.金ナノ粒子の合成と性質
   
金ナノ粒子の合成、金ナノ粒子の性質、
    反応機構と反応制御



第3節 ナノ粒子合成プロセスにおける課題と解決へ向けて

  三菱化学(株) 科学技術研究センター
               ナノテクノロジー研究所長  神谷 格

 主旨: ナノ粒子の応用を電子材料・デバイスと想定した場合に問題となる点を明らかにして、それに対して現在どのような策が講じられており、また、今後それを改善するためにどのようなことが考えられるかを論じた。

 1.序

 2.ナノ粒子の電子材料・デバイス応用への課題

 3.液相合成への期待と問題点

 4.無機ナノ粒子結晶の液相合成

 5.課題との取り組み

 6.まとめ



第4節 高分子ナノ微粒子の各種合成法と問題点

     山形大学 工学部 機能高分子工学科 教授 長井勝利

 1. はじめに

 2. 重合法による微粒子の合成

  2−1.乳化重合法

  2−2.ソープフリー乳化重合

  2−3.マイクロエマルション重合

  2−4.ミニエマルション重合法

  2−5.分散重合法

  2−6.シード重合法

  2−7.懸濁重合法

 3. 高分子の自己組織化による微粒子の形成

 4. おわりに

 

第5節は著作権の都合上、掲載しておりません


第6節 無機-無機及び無機-有機複合化による
                微粒子凝集制御とその諸特性

東北大学大学院 工学研究科 今野 幹男,小林 芳雄,顧 順超

 1. はじめに

 2. カプセル化による微粒子凝集制御

  2−1.シリカカプセル化コバルトナノ粒子

  2−2.シリカカプセル化金ナノ粒子

  2−3.金/シリカ/PSt多層単核カプセル化粒子

 3. ナノ粒子分散複合化による
      微粒子凝集制御−磁性ポリマー粒子の合成

 4. まとめ




第2章 ナノ粒子(高機能化への)調製と

トラブル・問題点と解決手法


第1節 マイクロカプセル化とトラブル・問題点と解決手法

 [1]マイクロカプセル化とトラブル・問題点と解決手法

                   トッパンフォームズ(株) 江藤 桂

 主旨: マイクロカプセルの様々なアプリケーションで要求性能を満たすために「トラブル・問題点と解決手法」をマイクロカプセルインキ、ねずみ忌避剤マイクロカプセル、殺菌剤マイクロカプセル、マイクロカプセル研磨剤などの実例を挙げて紹介する。

 1.UV硬化型マイクロカプセルインキ(「CB−MCインキ」)

  1−1.「CB−MCインキ」とその要求特性

  1−2.インキ化工程におけるトラブル・問題点と解決手法

  1−3.印刷工程におけるトラブル・問題点と解決手法

   1−3−1.マイクロカプセル粒子径の制御

   1−3−2.インキの流動性の制御

 2.ねずみ忌避剤マイクロカプセル
                (ナラマイシンマイクロカプセル)

  2−1.ナラマイシンマイクロカプセルとその要求特性

  2−2.カプセル化工程におけるトラブル・問題点と解決手法

   2−2−1.芯物質の乳化分散法

   2−2−2.壁材の選定

 3.塗工紙製造用殺菌剤マイクロカプセル

  3−1.殺菌剤マイクロカプセルとその要求特性

  3−2.カプセル化工程におけるトラブル・問題点と解決手法

   3−2−1.CMITのマイクロカプセル

   3−2−2.マイクロバン86のマイクロカプセル化

 4.マイクロカプセル研磨剤

  4−1.マイクロカプセル研磨剤

  4−2.カプセル化工程におけるトラブル・問題点と解決手法

   4−2−1.芯物質用溶媒の選定

   4−2−2.ホットプレス法による砥石成形


 [2]は著作権の都合上、掲載しておりません



第2節 表面改質・処理とトラブル・問題点と解決手法


[1]ナノ・微粒子を用いた機械的手法による表面改質

              大阪大学 接合科学研究所 内藤 牧男
             (財)ファインセラミックスセンター 堀田 禎

 1. 表面改質手法

 2. ナノ粒子の核粒子表面への改質過程

 3. ナノ粒子の繰り返し添加による

                 付着率向上への取り組み

 4. 核粒子表面でのナノ粒子改質層の

                  均質性向上の取り組み

 5. まとめ



 [2]ナノ粒子表面改質による絶縁性及び導電性付与

                 大同工業大学 副学長 岩間 三郎

 主旨: ナノ粒子の表面を改質して絶縁性あるいは導電性を高める技術、酸化膜、窒化膜等の化合物で被膜してナノ粒子の特性を変えるために、ガス蒸発法にマイクロ波プラズマを併用する技術を述べ、幾つかの事例を紹介する。また、マイクロ波プラズマの併用が、ナノ粒子に与える熱処理効果についても述べ、その実例についても紹介する。

 1. 表面改質の必要性

 2. 表面改質処理の方法

  2−1.マイクロ波プラズマを用いたAlナノ粒子の表面窒化

  2−2.Fe−C系複合ナノ粒子の形成

  2−3.Geナノ粒子への絶縁被膜

 3. 問題点

  3−1.低温プラズマ併用の利点と欠点

   3−1−1.反応性に富むラジカルの生成

   3−1−2.ナノ粒子の温度上昇




第3節 界面吸着制御、ぬれ制御とその評価
             及びとトラブル・問題点と解決手法


                     神戸大学 工学部 西野 孝
 主旨: 有機媒体中におけるシリカ上での高分子の吸着層の厚みを表面間力測定により評価した。一方、シリカ微粒子の分散性をレオロジー測定から評価し、吸着層の分子鎖形態と分散性の関連性について検討を行った。

 1.シリカ上での高分子鎖の吸着形態―表面間力測定―

 2.シリカ微粒子の分散性―レオロジー的評価―




第4節 帯電制御とトラブル・問題点と解決手法

                   物質材料研究機構 打越 哲郎

 1. 窒化けい素の表面修飾

 2. イットリアの表面修飾

 3. ナノ粒子の分散における問題点と解決手法




第5節 形態制御とトラブル・問題点と解決手法


 [1]複雑流体中でのナノ粒子の粒子径および形態制御

関西大学 工学部 三宅 義和
 主旨: 複雑流体(界面活性剤溶液)は、ナノサイズの分子集合体を形成する。この分子集合体は、極性の異なるミクロな場を与え、反応場および分離場機能が注目できる。この複雑流体中でナノサイズ粒子を調整する方法について、粒子径、粒子形態制御に焦点を当て述べる。

 1.複雑流体の微細構造と反応場特性

 2.マイクロエマルション重合反応による
                    高分子ナノ粒子の調製

 3.複雑流体中でのナノ粒子の形態制御



 [2]エアロゾル法による
             微粒子形態制御の諸要因とノウハウ

(株)ホソカワ粉体技術研究所 福井 武久

 1.噴霧熱分解法による微粒子合成
    
噴霧熱分解法の装置概要と構造上諸注意、
     一般的合成微粒子構造、形態制御要因

 2.微粒子形態制御

  2−1.La(Sr)MnO3-Y2O3安定化ZrO2(YSZ)複合微粒子
        複合酸化物同士の内部分散形態制御への
        液+固の混合相利用

  2−2.NiO-YSZ複合微粒子
        複合構造制御の原料種類選定の重要性を紹介

  2−3.TiO2-Ag系複合粒子
        形態制御と反応温度と分布、粒子同士特性の関係

  2−4.ZnO:Eu2O3微粒子
        合成雰囲気と形態制御の関係を紹介




第6節 グラフト化とトラブル・問題点と解決手法

新潟大学 工学部 坪川 紀夫

 主旨: ナノ粒子表面へのポリマーのグラフト化反応を行う際に問題点となる非グラフトポリマーの生成抑制法や、非グラフトポリマーの除去法について述べる。また、従来まで困難といわれたポリマーグラフトかナノ粒子の環境に優しい大量合成について詳細に解説した。

 1.グラフト重合における
         非グラフトポリマーの生成に関する問題点

 2.グラフト化ナノ粒子と非グラフトポリマーとの
                     分離におけるトラブル

 3.グラフト化ナノ粒子の大量合成における
                      問題点とその解決法

 4.ナノ粒子表面のぬれ性に基づくトラブル

 5.カーボンブラックがビニルモノマーの重合に及ぼす影響

 6.グラフト反応開始時における分散状態に関するトラブル




第7節 複合化(有機無機ハイブリッド)と
              トラブル・問題点と解決手法


[1] 次世代スーパーキャパシタ用有機・無期ナノコンポジット

◆次世代スーパーキャパシタ用無機・有機ナノコンポジット

     東京農工大学大学院 工学研究科 直井 勝彦,町田 健治

 主旨: 次世代スーパーキャパシタの電極材料となる無機金属酸化物や有機高分子(超分子)材料の問題点を解決するものとして著者らは無機有機ナノコンポジット材料を提案してきた。本稿では著者らが検討してきた物理科学的手法を用いたナノコンポジットの調整法を紹介し、得られた電気化学特性について述べる。

 1.酸化ルテニウムナノ粒子/導電性高分子ナノ薄膜
                            ナノコンポジット

    酸化ルテニウムの問題点として、レート特性の低さが挙げられる。その問題を解決する手法の1つが、導電性高分子ナノ薄膜との複合化である。著者らが試みてきた物理化学的手法を用いた複合化の手法、合成法などを紹介する。

 2.ナノカーボンファイバー/π−スタック
                        超分子ナノコンポジット

    著者らがスーパーキャパシタ用有機材料として提案してきたπ−スタック超分子の問題点を解決するものとしてナノカーボンとの複合が挙げられる。超音波ナノ重合法を用いた複合体の調整法、電気化学的特性等を紹介する。


                     長崎大学 工学部 森口 勇

 主旨: 無機ナノ物質の配列・集積による有機無機ナノ複合膜およびそれを前駆体とした無機ナノ構造体の作成に対する方法論を幾つか取り上げ、その考え方や特徴ならびに研究遂行上の問題解決点を紹介した。

 1.有機無機ナノ複合膜の創製

  1−1.分子膜を利用した有機無機ナノ積層膜の作製

   1−1−1.in−situでの無機物合成

   1−1−2.静電的相互作用による
                 有機無機ナノ物質の集積・複合化

   1−1−3.SILAR法による無機ナノ薄膜の作製と
                     機能性有機分子との積層化

 2.有機無機複合前駆体からの無機ナノ構造制御

  2−1.二次元ゾル−ゲル法による金属酸化物超薄膜の作製

  2−2.無機多孔体の合成

   2−2−1.ミセルテンプレート法による
                        メゾポーラス体の合成

   2−2−2.中間層マイクロエマルションを利用した
                  bicontinuousメゾ多孔体の合成

   2−2−3.コロイド結晶テンプレート法による
                         マクロ多孔体の合成

 [2]高分子微粒子と銀微粒子の複合方法とその問題点

           東京工業大学大学院 理工学研究科 斎藤 礼子

 主旨: 高分子微粒子と銀微粒子の簡便な複合方法とその問題点を、導入される銀微粒子の形態及び導入量の観点から論じる。あわせて、複合体の解析方法とその問題点についても解説を加えた。

 1.高分子微粒子と銀微粒子との複合方法

 2.含浸法

  2−1.合成方法

  2−2.複合体の解析

 3.一段法

 4.複合化微粒子の光散乱測定


 



第8節 薄膜化及びコーティングとトラブル・問題点と解決手法

 

 [1] 透明性光触媒コート液
      〜光触媒ナノ粒子の分散安定化、光触媒膜特性〜

              三菱マテリアル(株) 総合研究所 平田寛樹

 主旨: 光触媒微粒子を高分散させることにより、透明性に優れた光触媒膜を形成できる光触媒コート液を開発した。

 1.はじめに

 2.開発目標

 3.光触媒コート液

 4.アンダーコート剤

 5.今後の展開 ソフトプロセスの意義


 [2]は著作権の都合上、掲載しておりません



第9節 粒径制御・測定・分布とトラブル・問題点と解決手法

 

 ◆レーザ回折・散乱法による
      ナノ粒子の粒度分布測定における問題点と解決手法

              (株)島津製作所 分析計測事業部 木下 健

 主旨: レーザ回折式粒度分布測定装置を使用して、ナノサイズ粒子を測定する際に予測される幾つかの難所について、それぞれに解決方法を示した。一般論でなく、経験に基づく事実を多く織り込んで、可能な限り丁寧に解説した。

 1.測定に入る前に

 2.分散条件の決定

  2−1.分散媒の決定

  2−2.分散剤の決定

  2−3.分散方法の決定

  2−4.分散状態の確認方法

  2−5.実際の分散条件決定手順

   2−5−1.試料がサスペンジョンまたはスラリーの場合

   2−5−2.試料がエマルジョンまたはクリームの場合

   2−5−3.試料が乾燥状態の粉体の場合

 3試料屈折率の設定


 ◆ミニエマルション重合による
             複合ナノパーティクルに基づく粒径制御

                       新潟大学 工学部 田中 眞人

 主旨: ミニエマルション重合法により染料・顔料との複合化ナノパーティカル調製を例として、粒径に及ぼす操作条件の影響について解説した。

 1.ミニエマルション重合による複合ナノパーティクルの調整

 2.界面活性剤の影響

 3.機械的エネルギーの影響

 4.芯物質の分散状態の影響



 ◆FGE法による生成に基づくナノ粒子の粒径制御

                    大同工業大学 副学長 岩間 三郎

 主旨: 従来から用いられているガス中蒸発法と、筆者らの開発したガス流中蒸発法(FGE法)の違いを述べ、FGE法による生成例を示す。その実験因子を制御することにより、ナノ粒子の粒径制御が可能となることを述べる。

 1.蒸発法ナノ粒子の粒径を決める諸因子

 2.FGE法の特徴と粒径制御・粒度分布

  2−1.GET法とFGE法

  2−2.FGE法による粒径制御・粒度分布

 3.問題点


第3章 ナノ粒子付着・凝集制御と

分散安定化及びレオロジー評価

〜分散安定技術を手中にするコツとポイントとは?〜


第1節 気中、液中、樹脂中における
                    付着・凝集制御と分散安定化


 ◆気中、液中、樹脂中における付着・凝集制御と分散安定化

  東京農工大学大学院 生物システム応用科学研究科 神谷 秀博

 主旨: 微粒子の凝集分散挙動の制御と分散安定化は、粒子の材質にもよるが、サブミクロンさらには100nm以下の所謂ナノ粒子になるにつれて極端に困難となる。ナノ粒子の合成は比較的容易になってきたが、その実用化が進まないのは付着・凝集制御法が確立できてないためである。本節では、分散性制御がある程度可能となっているものの、ロットのばらつきなどによる付着・凝集トラブルが起き易いサブミクロン粒子と、合成・分散同時操作など従来に無い新しい特殊手法を用いないと一般に凝集制御が困難な100nm以下のナノ粒子に分けて、その気中、液中、樹脂中での凝集・分散挙動の評価、制御手法の基礎とその応用例を紹介する。

 1. はじめに

 2. 気中における制御

  2−1.気中での付着・凝集制御の概略

  2−2.気中での付着・凝集挙動を支配する
                     粒子間相互作用とその制御方法

   2−2−1.London van der Waals 力の機構と制御方法

   2−2−2.液架橋力の発現機構とその低減法

   2−2−3.静電気力とその制御

   2−2−4.焼結、析出による接触面積増加による付着性増大

  2−3.粒子表面の分子・ナノ構造設計による付着・凝集性制御

   2−3−1.化学的手法による表面改質

   2−3−2.物理的手法による表面改質

  2−4.気相合成したナノ粒子の付着・凝集防止法

 3. 液中における制御

  3−1.DLVO的手法による凝集制御

   3−1−1.DLVO理論による粒子凝集・分散条件の決定法

   3−1−2.表面電位の制御法

  3−2.非DLVO相互作用、特に高分子分散剤を用いた
                              凝集挙動制御

   3−2−1.高分子分散剤構造、分子量などの影響と

                       材質、溶媒の組み合わせ

   3−2−2.添加条件
        (粒子濃度、添加量、pH、対イオン濃度等)による影響

  3−3.ナノ粒子の液中分散法

 4. 樹脂中における制御

  4−1.カップリング処理による粒子の表面改質

  4−2.微粒子の樹脂中への分散方法



第2節 分散状態の測定とその評価

              〜上手く分散できているのか否か?〜

 

 ◆無機微粒子のアルコール中における分散安定化とその評価

                      山形大学 工学部 木俣 光正

 主旨: 非水溶媒系における微粒子の吸着特性は、粒子表面と溶媒との相互作用が複雑であり、また分散剤の作用機構などが不明なこともあり、水溶媒系に比べて複雑であるといわれている。そこでエタノール溶媒中でのマグネタイトの分散性および吸着特性に関して、陰イオン性界面活性剤および分散安定化に及ぼす諸因子の影響およびその評価について調べた結果について述べる。

 1.マグネタイトへの陰イオン性界面活性剤SDSの
       吸着特性についてゼータ電位変化と併せて示した。

 2.マグネタイトへの水溶性高分子HPCの
          吸着特性について電位変化と併せて示した。

 3.マグネタイトサスペンジョンの分散性を
       沈降法およびレーザー光による濁度から評価した。

  3−1.濁度50%経過時間に及ぼすSDSおよび
                   HPC吸着量の影響について示した。

 4.エタノール溶媒中における
      マグネタイトの分散性とその評価についてまとめた。



第3節は著作権の都合上、掲載しておりません


第4節 沈降性と制御及びその評価

 

 ◆凝集分散系における粒子間相互作用と沈降挙動

                      千葉大学 工学部 大坪 泰文

 主旨: 液体中に分散した微粒子は、ほとんどの場合、粒子間に働くコロイド化学的引力により結合して凝集体を形成する。分散系における粒子の沈降挙動を理解するには、凝集体の性質について知る必要がある。粒子間相互作用と沈降挙動との関係について概説するとともに、粒子間に非常にやわらかい結合を導入して低粘度で再分散性の高い凝集分散系を調整する方法について提案する。

 1.孤立凝集体の幾何学

 2.粒子表面に対する高分子の親和性と架橋凝集形態の変化

 3.高分子による粒子間相互作用とレオロジー挙動の制御

 4.結晶構造を持つ沈降層

 5.沈降分離しにくい低粘度凝集分散系



 ◆沈降特性の測定と凝集度合いの評価

                     山口大学 工学部 大佐々 邦久

 1. 凝集状態と最終沈降高さ

 2. 固体濃度と沈降様式との関係

 3. 分散性粒子の沈降特性

 4. 凝集性懸濁液の沈降特性

  4−1.希薄濃度域

  4−2.中間濃度域

   4−2−1.最大沈降速度が懸濁液の初高で変わる場合

   4−2−2.最大沈降速度が懸濁液の初高で変化しない場合

  4−3.濃厚濃度域



 ◆沈降性の理論・評価・制御方法

         モンサントカンパニー 技術コンサルタント 佐藤達雄

 1.希薄サスペンション中の粒子の沈降

 2.濃厚サスペンション中の粒子の沈降

 3.沈降と拡散の平衡

 4.沈降の評価

 5.沈降の制御

  5−1.希薄サスペンションの場合

  5−2.濃厚サスペンションの場合

 6.おわりに

 


第5節 レオロジー(静的・動的粘弾性の解析)測定とその評価

 

 ◆マイクロカプセルインキの流動特性

          トッパン・フォームズ(株) 開発研究本部 日暮 久乃

 主旨: オフセット印刷に用いられるマイクロカプセルインキには、高速で回転する印刷機のローラー間で適したレオロジーがあり、印刷されたインキが用紙に浸透せずに表面近傍に留まる性能がある。このマイクロカプセルインキの流動特性を解析した。

 1. CB−MCインキの製造方法とレオロジーの測定

  1−1.CB−MCインキの製造方法

  1−2.レオロジーの測定

 2.CB−MCインキの定常流粘性挙動

  2−1.マイクロカプセル濃度の影響

  2−2.マイクロカプセル粒形の影響

 3.CB−MCインキの動的粘弾性挙動

  3−1.標準品の動的粘弾性挙動

  3−2.マイクロカプセル粒形の影響

  3−3.動的粘弾性のひずみ依存症

  3−4.応力成長測定 凝集構造に基づく
                   分散形のレオロジー測定とその評価

 

 ◆レオロジー測定法とその解釈

                      千葉大学 工学部 大坪 泰文

 主旨: 凝集分散形のレオロジーを評価するためには、凝集構造あるいはメカニズムを直接的に反映するプログラムに基づいて測定しなければならない。凝集・分散性を評価する上でポイントとなるレオロジー測定法とその解釈について概説する。さらに、ナノ粒子分散系においては通常では起こりえないような特異なレオロジー挙動が現れる。ナノ粒子に固有の新しい凝集機構についても触れる。

 1.時間依存性を示す分散系の粘度挙動の測定

 2.降伏挙動の評価

 3.弾性パーコレーション

 4.ナノ粒子分散系の特異なレオロジー挙動