JP5257298B2 - Composite particles, colloidal crystals and methods for producing them - Google Patents
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Description
本発明は、複合粒子、コロイド結晶及びこれらの製造方法に関する。 The present invention relates to composite particles, colloidal crystals, and methods for producing them.
ポリ(1,4−フェニレンビニレン)(PPV)が強い電界発光(エレクトロルミネッセンス、EL)を示すことが見出され、そのフラットパネルディスプレイなどへの将来的な応用が期待されている。PPVは、下記式で表わされる繰り返し単位から構成されるπ共役系高分子である。 Poly (1,4-phenylene vinylene) (PPV) has been found to exhibit strong electroluminescence (electroluminescence, EL), and its future application to flat panel displays and the like is expected. PPV is a π-conjugated polymer composed of repeating units represented by the following formula.
例えば、非特許文献1では、メソポーラスシリカの細孔をテトラブチルアンモニウム ヒドロキシドによって処理した後にPPVのモノマーをメソ細孔内に導入する工程を経て、細孔内にPPVを担持させる方法が報告されている。 For example, Non-Patent Document 1 reports a method of supporting PPV in pores through a process of introducing PPV monomer into mesopores after treating the pores of mesoporous silica with tetrabutylammonium hydroxide. ing.
π共役系高分子の発光材料としての実用化のためには、発光の量子効率の更なる向上が求められる。また、π共役系高分子を担持した粒子によって形成されるコロイド結晶は、発光材料としての応用にあたって有用と考えられるが、従来、π共役系高分子を担持した粒子によって規則性の高いコロイド結晶を形成することは困難であった。 In order to put the π-conjugated polymer into practical use as a light-emitting material, further improvement in the quantum efficiency of light emission is required. In addition, colloidal crystals formed by particles carrying π-conjugated polymers are thought to be useful for applications as light-emitting materials. Conventionally, colloidal crystals with high regularity have been produced by particles carrying π-conjugated polymers. It was difficult to form.
そこで、本発明の主な目的は、π共役系高分子による発光の量子効率を更に高めること、更には、π共役系高分子を担持した粒子の規則性の高いコロイド結晶を容易に形成することにある。 Thus, the main object of the present invention is to further increase the quantum efficiency of light emission by the π-conjugated polymer, and to easily form a highly ordered colloidal crystal of particles carrying the π-conjugated polymer. It is in.
一つの側面において、本発明はπ共役系高分子が担持された複合粒子及びその製造方法に関する。本発明に係る製造方法は、アルコキシシラン、界面活性剤、水及びアルコールを含む反応液中で、アルコキシシランの加水分解重縮合物及び界面活性剤を含む前駆体粒子を生成させる工程と、前駆体粒子中の界面活性剤のうち少なくとも一部をイオン性モノマーに置換する工程と、イオン性モノマーからπ共役系高分子を生成させて、加水分解重縮合物の多孔体及び該多孔体の細孔内に担持されたπ共役系高分子を含む複合粒子を得る工程とを備える。 In one aspect, the present invention relates to a composite particle carrying a π-conjugated polymer and a method for producing the same. The production method according to the present invention includes a step of generating precursor particles containing a hydrolyzed polycondensate of alkoxysilane and a surfactant in a reaction solution containing alkoxysilane, a surfactant, water and an alcohol, and a precursor. A step of substituting at least a part of the surfactant in the particles with an ionic monomer, and generating a π-conjugated polymer from the ionic monomer to form a porous body of a hydrolyzed polycondensate and pores of the porous body And a step of obtaining composite particles containing a π-conjugated polymer supported therein.
上記本発明に係る方法によれば、π共役系高分子による発光の量子効率を更に高めることが可能である。係る効果が奏される理由は必ずしも明らかでないが、界面活性剤との交換反応を利用することにより、π共役系高分子を確実に細孔内に導入できること、従来の方法のようにメソポーラスシリカ粒子をアルカリ成分によって処理する必要がないため、細孔の高い規則性が維持されること、さらには、細孔内に残存する界面活性剤の作用によってPPVがより孤立した状態になり易いこと、が考えられる。 According to the method of the present invention, the quantum efficiency of light emission by the π-conjugated polymer can be further increased. The reason why such an effect is exhibited is not necessarily clear, but by utilizing an exchange reaction with a surfactant, a π-conjugated polymer can be reliably introduced into the pores, and mesoporous silica particles as in the conventional method Is not required to be treated with an alkali component, so that the high regularity of the pores is maintained, and further, the PPV tends to be more isolated due to the action of the surfactant remaining in the pores. Conceivable.
別の側面において、本発明はコロイド結晶の製造方法に関する。本発明に係る製造方法は、アルコキシシラン、界面活性剤、水及びアルコールを含む反応液中で、アルコキシシランの加水分解重縮合物及び界面活性剤を含む前駆体粒子を生成させる工程と、前駆体粒子中の界面活性剤のうち少なくとも一部をイオン性モノマーに置換する工程と、イオン性モノマーからπ共役系高分子を生成させて、加水分解重縮合物の多孔体及び該多孔体の細孔内に担持されたπ共役系高分子を含む複合粒子を得る工程と、複合粒子を含む分散液からコロイド結晶を形成させる工程と、を備える。 In another aspect, the present invention relates to a method for producing a colloidal crystal. The production method according to the present invention includes a step of generating precursor particles containing a hydrolyzed polycondensate of alkoxysilane and a surfactant in a reaction solution containing alkoxysilane, a surfactant, water and an alcohol, and a precursor. A step of substituting at least a part of the surfactant in the particles with an ionic monomer, and generating a π-conjugated polymer from the ionic monomer to form a porous body of a hydrolyzed polycondensate and pores of the porous body A step of obtaining composite particles containing a π-conjugated polymer supported therein, and a step of forming colloidal crystals from a dispersion containing the composite particles.
上記本発明に係る方法によれば、π共役系高分子を担持した粒子の規則性の高いコロイド結晶を容易に形成することが可能である。π共役系高分子を担持した従来の粒子は、その表面を覆うπ共役系高分子の膜を有している場合が多かった。そのため、コロイド結晶作製のために用いられる粒子の分散液を安定して得ることが困難であった。一方、本発明にように界面活性剤との交換反応を利用してπ共役系高分子をシリカ系多孔体に担持させることにより、実質的に細孔内にのみπ共役系高分子が担持された、滑らかな表面を有する複合粒子を得ることができる。そのため、複合粒子の水等の分散媒への分散性が大きく改善され、分散液を用いたコロイド結晶を容易に形成させることが可能になった。 According to the method of the present invention, it is possible to easily form colloidal crystals with high regularity of particles carrying a π-conjugated polymer. Conventional particles carrying a π-conjugated polymer often have a π-conjugated polymer film covering the surface. For this reason, it has been difficult to stably obtain a dispersion of particles used for colloidal crystal production. On the other hand, the π-conjugated polymer is supported substantially only in the pores by supporting the π-conjugated polymer on the silica-based porous material using the exchange reaction with the surfactant as in the present invention. In addition, composite particles having a smooth surface can be obtained. Therefore, the dispersibility of the composite particles in a dispersion medium such as water has been greatly improved, and colloidal crystals using the dispersion can be easily formed.
本発明によれば、π共役系高分子による発光の量子効率を更に高めること、更には、π共役系高分子を担持した粒子の規則性の高いコロイド結晶を容易に形成することが可能である。 According to the present invention, it is possible to further increase the quantum efficiency of light emission by a π-conjugated polymer, and to easily form colloidal crystals with high regularity of particles carrying the π-conjugated polymer. .
以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited to the following embodiments.
本実施形態に係る複合粒子の製造方法は、アルコキシシラン、界面活性剤、水及びアルコールを含む反応液中でアルコキシシランを加水分解重縮合させて、アルコキシシランの加水分解重縮合物及び界面活性剤を含む前駆体粒子を生成させる工程と、前駆体粒子中の界面活性剤のうち少なくとも一部をイオン性モノマーに置換する工程と、イオン性モノマーからπ共役系高分子を生成させて、加水分解重縮合物の多孔体及び該多孔体の細孔内に担持されたπ共役系高分子を有する複合粒子を含む工程とを備える。 The method for producing composite particles according to the present embodiment includes hydrolyzing polycondensation of alkoxysilane in a reaction solution containing alkoxysilane, surfactant, water and alcohol, and hydrolyzing polycondensate of alkoxysilane and surfactant. A step of generating precursor particles containing, a step of substituting at least a part of the surfactant in the precursor particles with an ionic monomer, and generating a π-conjugated polymer from the ionic monomer for hydrolysis. And a step of including a composite particle having a porous body of polycondensate and a π-conjugated polymer supported in pores of the porous body.
アルコキシシラン及び界面活性剤を、水及びアルコールを含む混合溶媒中で混合すると、界面活性剤が多孔体のテンプレートとして機能し、細孔内に界面活性剤を取り込みながら、アルコキシシランの加水分解重縮合物の球状多孔体が生成する。アルコキシシランの加水分解重縮合物はケイ素酸化物を主成分として含む。すなわち、アルコキシシランの加水分解重縮合物(ケイ素酸化物)の多孔体及び該多孔体の細孔内に担持された界面活性剤から構成される球状の前駆体粒子が形成される。 When alkoxysilane and surfactant are mixed in a mixed solvent containing water and alcohol, the surfactant functions as a template for the porous body, and the hydrolytic polycondensation of alkoxysilane while incorporating the surfactant into the pores. A spherical porous body is formed. The hydrolysis polycondensate of alkoxysilane contains silicon oxide as a main component. That is, spherical precursor particles composed of a porous body of alkoxysilane hydrolyzed polycondensate (silicon oxide) and a surfactant supported in the pores of the porous body are formed.
アルコキシシランは、ケイ素原子に結合したアルコキシ基を4個有するテトラアルコキシシラン、及びケイ素原子に結合したアルコキシ基を3個有するトリアルコキシシランのうち少なくとも一方を含む。これらアルコキシ基の種類は特に制限されないが、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基及びブトキシ基のようにアルコキシ基中の炭素原子の数が比較的少ないもの(炭素数1〜4程度のもの)が反応性の点から有利である。アルコキシ基はヒドロキシ基(−OH)で置換されていてもよい。トリアルコキシシラン中のケイ素原子には有機基、水酸基等が結合していてもよく、当該有機基はアミノ基及びメルカプト基等の置換基で置換されていてもよい。 The alkoxysilane includes at least one of a tetraalkoxysilane having four alkoxy groups bonded to silicon atoms and a trialkoxysilane having three alkoxy groups bonded to silicon atoms. The types of these alkoxy groups are not particularly limited, but those having a relatively small number of carbon atoms in the alkoxy group (such as those having about 1 to 4 carbon atoms) such as methoxy group, ethoxy group, propoxy group and butoxy group are reacted. It is advantageous in terms of sex. The alkoxy group may be substituted with a hydroxy group (—OH). An organic group, a hydroxyl group or the like may be bonded to the silicon atom in the trialkoxysilane, and the organic group may be substituted with a substituent such as an amino group or a mercapto group.
テトラアルコキシシランとしては、例えば、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトライソプロポキシシラン、テトラブトキシシラン及びジメトキシジエトキシシランがある。トリアルコキシシランとしては、例えば、メトキシシラノール、トリエトキシシラノール、トリメトキシメチルシラン、トリメトキシビニルシラン、トリエトキシビニルシラン、3−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3−クロロプロピルトリメトキシシラン、3−(2−アミノエチル)アミノプロピルトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、γ−(メタクリロキシプロピル)トリメトキシシラン及びβ−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシランがある。ヒドロキシアルコキシシランとしては、例えば、テトラキス(2−ヒドロキシエトキシ)シラン、テトラキス(3−ヒドロキシプロポキシ)シラン、テトラキス(2−ヒドロキシプロポキシ)シラン及びテトラキス(2,3−ジヒドロキシプロポキシ)シランがある。これらアルコキシシランは、単独で又は2種類以上を組み合わせて用いられる。 Examples of the tetraalkoxysilane include tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetraisopropoxysilane, tetrabutoxysilane, and dimethoxydiethoxysilane. Examples of the trialkoxysilane include methoxysilanol, triethoxysilanol, trimethoxymethylsilane, trimethoxyvinylsilane, triethoxyvinylsilane, 3-glycidoxypropyltriethoxysilane, 3-mercaptopropyltrimethoxysilane, and 3-chloropropyl. Trimethoxysilane, 3- (2-aminoethyl) aminopropyltrimethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, phenyltriethoxysilane, γ- (methacryloxypropyl) trimethoxysilane and β- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyl There is trimethoxysilane. Examples of the hydroxyalkoxysilane include tetrakis (2-hydroxyethoxy) silane, tetrakis (3-hydroxypropoxy) silane, tetrakis (2-hydroxypropoxy) silane, and tetrakis (2,3-dihydroxypropoxy) silane. These alkoxysilanes are used alone or in combination of two or more.
界面活性剤としては、カチオン性界面活性剤が好ましく、アルキルアンモニウムハライドが特に好ましい。好ましいアルキルアンモニウムハライドは、テトラデシルトリメチルアンモニウムハライド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムハライド、及びオクタデシルトリメチルアンモニウムハライドからなる群より選ばれる少なくとも1種である。アルキルアンモニウムハライドを構成するハロゲン原子の種類は特に制限されないが、入手の容易さの観点から塩素原子及び臭素原子が好ましい。界面活性剤は1種又は2種類以上を組み合わせて用いられる。ただし、その種類は生成する多孔体の孔の形状に大きな影響を与えるため、より均一な細孔を形成する球状多孔体を得るためには、界面活性剤として1種類のみを用いることが好ましい。 As the surfactant, a cationic surfactant is preferable, and an alkylammonium halide is particularly preferable. A preferred alkyl ammonium halide is at least one selected from the group consisting of tetradecyltrimethylammonium halide, hexadecyltrimethylammonium halide, and octadecyltrimethylammonium halide. The kind of halogen atom constituting the alkylammonium halide is not particularly limited, but a chlorine atom and a bromine atom are preferable from the viewpoint of availability. Surfactant is used 1 type or in combination of 2 or more types. However, since the type greatly affects the shape of the pores of the generated porous body, it is preferable to use only one type as the surfactant in order to obtain a spherical porous body that forms more uniform pores.
前駆体粒子の生成に用いられる混合溶媒は、水及びアルコールを含む。アルコールとしては、例えば、メタノール、エタノール、イソプロパノール、n−プロパノール、エチレングリコール、グリセリン又はこれらの混合物が用いられる。 The mixed solvent used for the production of the precursor particles includes water and alcohol. As the alcohol, for example, methanol, ethanol, isopropanol, n-propanol, ethylene glycol, glycerin or a mixture thereof is used.
上記混合溶媒に含まれるアルコールの量は、好ましくは20〜55容量%、より好ましくは35〜50容量%である。このような混合溶媒を使用することにより、実質的に単分散の球状の前駆体粒子を特に容易に生成させることができる。 The amount of alcohol contained in the mixed solvent is preferably 20 to 55% by volume, more preferably 35 to 50% by volume. By using such a mixed solvent, substantially monodispersed spherical precursor particles can be produced particularly easily.
混合溶媒に含まれる界面活性剤の濃度は、アルコキシシラン、界面活性剤及びこの混合溶媒を含む反応液の全容量を基準として好ましくは0.003〜0.03mol/L、より好ましくは0.01〜0.02mol/Lである。アルコキシランの濃度は反応液の全容量を基準として好ましくは0.005〜0.03mol/L、より好ましくは、0.007〜0.012mol/Lである。これらの濃度範囲に設定することにより、より均一性の高い球状の前駆体粒子を得ることができる。 The concentration of the surfactant contained in the mixed solvent is preferably 0.003 to 0.03 mol / L, more preferably 0.01 based on the total volume of the alkoxysilane, the surfactant and the reaction solution containing the mixed solvent. -0.02 mol / L. The concentration of alkoxylane is preferably 0.005 to 0.03 mol / L, more preferably 0.007 to 0.012 mol / L, based on the total volume of the reaction solution. By setting these concentration ranges, spherical precursor particles with higher uniformity can be obtained.
アルコキシシラン、界面活性剤及び混合溶媒を含む反応液は、塩基性であることが好ましい。そのため、反応液は水酸化ナトリウム等の塩基性物質を更に含むことが好ましい。 The reaction liquid containing alkoxysilane, surfactant and mixed solvent is preferably basic. For this reason, the reaction solution preferably further contains a basic substance such as sodium hydroxide.
生成した前駆体粒子中の界面活性剤のうち少なくとも一部が、テンプレートイオン交換反応によってイオン性モノマーに置換される。例えば、イオン性モノマーの溶液に前駆体粒子を必要により加熱しながら接触させる方法によって、テンプレートイオン交換反応を進行させることができる。通常、テンプレートイオン交換反応後の前駆体粒子中に界面活性剤が残存する可能性が高い。 At least a part of the surfactant in the generated precursor particles is replaced with an ionic monomer by a template ion exchange reaction. For example, the template ion exchange reaction can be advanced by a method in which precursor particles are brought into contact with a solution of an ionic monomer as necessary. Usually, there is a high possibility that the surfactant remains in the precursor particles after the template ion exchange reaction.
イオン性モノマーとしては、重合を含む反応によりπ共役系高分子を生成するイオン性の化合物が用いられる。例えば、下記化学式(1)で表わされる、キシレン ビス(テトラヒドロチオフェニウム クロライド)及びその誘導体が好適である。下記式中、R1及びR2はそれぞれ独立に水素原子、アルキル基又はアルコキシ基を示す。式(1)において、例えば、R1及びR2が水素原子であってもよいし、R1がメトキシ基でR2がドデシロキシ基であってもよい。 As the ionic monomer, an ionic compound that forms a π-conjugated polymer by a reaction including polymerization is used. For example, xylene bis (tetrahydrothiophenium chloride) and its derivatives represented by the following chemical formula (1) are suitable. In the following formulae, R 1 and R 2 each independently represent a hydrogen atom, an alkyl group or an alkoxy group. In the formula (1), for example, R 1 and R 2 may be a hydrogen atom, R 1 may be a methoxy group, and R 2 may be a dodecyloxy group.
式(1)のイオン性モノマーから、下記化学式(2)で表されるポリ(1,4−フェニレンビニレン)(PPV)を生成させることができる。 Poly (1,4-phenylene vinylene) (PPV) represented by the following chemical formula (2) can be generated from the ionic monomer of the formula (1).
テンプレートイオン交換反応の後、細孔内に導入されたイオン性モノマーからπ共役系高分子を生成させることにより、シリカ系多孔体及び該シリカ系多孔体の細孔内に担持されたπ共役系高分子を有する複合粒子が形成される。加熱温度などの条件によっては、テンプレート交換反応が進行するのと同時に、導入されたイオン性モノマーからπ共役系高分子が生成する反応が進行することもある。複合粒子は界面活性剤を更に含む場合が多い。キシレン ビス(テトラヒドロチオフェニウム クロライド)は、細孔内での重合及びそれに続く脱離反応を経てPPVを生成する。キシレン ビス(テトラヒドロチオフェニウム クロライド)は、例えば、減圧雰囲気下で200〜225℃の加熱によりPPVを生成することができる。 After the template ion exchange reaction, by generating a π-conjugated polymer from the ionic monomer introduced into the pores, the silica-based porous body and the π-conjugated system supported in the pores of the silica-based porous body Composite particles having a polymer are formed. Depending on the conditions such as the heating temperature, the template exchange reaction may proceed, and at the same time, the reaction for producing a π-conjugated polymer from the introduced ionic monomer may proceed. The composite particles often further contain a surfactant. Xylene bis (tetrahydrothiophenium chloride) produces PPV through polymerization in the pores and subsequent elimination reaction. Xylene bis (tetrahydrothiophenium chloride) can generate PPV by heating at 200 to 225 ° C. in a reduced pressure atmosphere, for example.
イオン性モノマーからPPV等のπ共役系高分子を生成させるための加熱時間を長くすることにより、より優れた発光特性を有する複合粒子を得ることができる。具体的には、加熱時間は好ましくは0.5時間以上、より好ましくは2時間以上である。加熱時間の上限は特に制限はないが、通常は50時間以下程度で十分である。 By increasing the heating time for producing a π-conjugated polymer such as PPV from an ionic monomer, composite particles having more excellent light emission characteristics can be obtained. Specifically, the heating time is preferably 0.5 hours or more, more preferably 2 hours or more. The upper limit of the heating time is not particularly limited, but usually about 50 hours or less is sufficient.
以上の方法から得られた複合粒子から、通常の方法により、高い結晶性を有するコロイド結晶を容易に形成させることができる。具体的には、例えば、複合粒子を水、アルコール等の分散媒に分散させた分散液を膜状の空間に充填し、充填された分散液から分散媒を除去する方法、または、熱対流を利用するヴァーティカル デポジション(vertical deposition)法によってコロイド結晶を形成することができる。ヴァーティカル デポジション法は、分散液中の複合粒子を熱対流によって分散液界面に移動させることにより、分散液界面にコロイド結晶を形成させる。いずれの方法の場合も、複合粒子が分散媒への高い分散性を有することが好ましい。 From the composite particles obtained by the above method, colloidal crystals having high crystallinity can be easily formed by an ordinary method. Specifically, for example, a method in which a dispersion liquid in which composite particles are dispersed in a dispersion medium such as water or alcohol is filled in a film-like space and the dispersion medium is removed from the filled dispersion liquid, or heat convection is performed. Colloidal crystals can be formed by the vertical deposition method utilized. In the vertical deposition method, the composite particles in the dispersion are moved to the dispersion interface by thermal convection to form colloidal crystals at the dispersion interface. In any method, it is preferable that the composite particles have high dispersibility in the dispersion medium.
以下、実施例を挙げて本発明についてさらに具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.
前駆体粒子の合成1
水3326gとメタノール4610gの混合溶媒に、オクタデシルトリメチルアンモニウムクロリド(界面活性剤)38.3g及び1規定水酸化ナトリウム34.2gを添加し、室温で攪拌を行った。そこにテトラメトキシシランとメタノールの混合溶液(26.4g/30.0g)を加えて、更に攪拌を続けたところ、テトラメトキシシランが完全に溶解し、白色粉末が析出した。反応液を室温で更に8時間攪拌し、一晩放置した。その後、濾過によって取り出した粉末を脱イオン水によって3回洗浄し、乾燥して、19.22gの前駆体粒子を得た。得られた前駆体粒子は、SEM観察から、平均粒子径850nmの単分散球状粒子であることが確認された(図1)。
Synthesis of precursor particles 1
To a mixed solvent of 3326 g of water and 4610 g of methanol, 38.3 g of octadecyltrimethylammonium chloride (surfactant) and 34.2 g of 1N sodium hydroxide were added and stirred at room temperature. A mixed solution of tetramethoxysilane and methanol (26.4 g / 30.0 g) was added thereto, and stirring was continued. Tetramethoxysilane was completely dissolved and a white powder was precipitated. The reaction was stirred at room temperature for a further 8 hours and left overnight. Thereafter, the powder taken out by filtration was washed with deionized water three times and dried to obtain 19.22 g of precursor particles. The obtained precursor particles were confirmed by SEM observation to be monodispersed spherical particles having an average particle diameter of 850 nm (FIG. 1).
比較例1
上記前駆体粒子を540℃で6時間焼成して、界面活性剤を除去して、シリカ系多孔体(メソポーラスシリカ)粒子を得た。このシリカ系多孔体粒子の粉末を真空下100℃で乾燥し、さらに窒素雰囲気下で1Mのテトラブチルアンモニウム溶液によって処理した。その後、キシレン ビス(テトラヒドロチオフェニウム クロライド)の脱水エタノール溶液(10〜20%w/w)に粉末を24時間浸漬した。浸漬後、余分なモノマーとアルカリ成分を除去するために、エタノール及び水で粉末を洗浄した。洗浄後の粉末を室温で真空乾燥し、さらに10−2Torrの雰囲気下、200℃で6時間熱処理して、PPVを細孔内に担持した複合粒子を得た。図2は得られた複合粒子のSEM写真である。粒子表面が薄いPPVの膜で覆われている様子が確認された。
Comparative Example 1
The precursor particles were fired at 540 ° C. for 6 hours to remove the surfactant and obtain silica-based porous (mesoporous silica) particles. The silica-based porous particles were dried at 100 ° C. under vacuum, and further treated with a 1M tetrabutylammonium solution under a nitrogen atmosphere. Thereafter, the powder was immersed in a dehydrated ethanol solution (10 to 20% w / w) of xylene bis (tetrahydrothiophenium chloride) for 24 hours. After immersion, the powder was washed with ethanol and water to remove excess monomer and alkali components. The washed powder was vacuum-dried at room temperature and further heat-treated at 200 ° C. for 6 hours in an atmosphere of 10 −2 Torr to obtain composite particles carrying PPV in the pores. FIG. 2 is an SEM photograph of the obtained composite particles. It was confirmed that the particle surface was covered with a thin PPV film.
比較例2
上記前駆体粒子を550℃で6時間焼成し、界面活性剤を除去して、シリカ系多孔体(メソポーラスシリカ)粒子を得た。このシリカ系多孔体粒子の粉末を、キシレン ビス(テトラヒドロチオフェニウム クロライド)の脱水エタノール溶液(10〜20%w/w)中に分散させた。得られた分散液から、エバポレータを用いてエタノールを留去して白色粉末を得た。この白色粉末を、10−2Torrの雰囲気下、200℃で6時間加熱した。加熱後、粉末は白色のままであり、そこに光を照射しても全く発光しなかった。すなわち、ゲスト分子の溶液をメソポーラスシリカ粒子に接触させた後、溶媒を留去する方法では、目的とする細孔中にポリマーが取り込まれた複合粒子を得ることができなかった。
Comparative Example 2
The precursor particles were calcined at 550 ° C. for 6 hours, and the surfactant was removed to obtain silica-based porous (mesoporous silica) particles. The silica-based porous particle powder was dispersed in a dehydrated ethanol solution (10 to 20% w / w) of xylene bis (tetrahydrothiophenium chloride). Ethanol was distilled off from the obtained dispersion using an evaporator to obtain a white powder. This white powder was heated at 200 ° C. for 6 hours in an atmosphere of 10 −2 Torr. After heating, the powder remained white and did not emit light at all even when irradiated with light. That is, by bringing the guest molecule solution into contact with the mesoporous silica particles and then distilling off the solvent, composite particles in which the polymer is incorporated into the target pores cannot be obtained.
実施例1
乾燥後の上記前駆体粒子をキシレン ビス(テトラヒドロチオフェニウム クロライド)のメタノール溶液(10〜20%w/w)中に投入し、60℃のオイルバスで4時間加熱して、前駆体粒子を構成するシリカ系多孔体のメソ細孔中の界面活性剤とPPVモノマーとを交換するテンプレート交換反応を行った。反応後の粉末から余分なモノマーをメタノールを用いた洗浄によって除去した。洗浄後の粉末を室温で真空乾燥し、さらに10−2Torrの雰囲気下、200〜225℃で6時間熱処理して、PPVを細孔内に担持した球状の複合粒子を得た。得られた複合粒子は黄色を呈した。図3は得られた複合粒子のSEM写真である。比較例1(図2)とは異なり、粒子表面はPPVの膜によって覆われることなく、非常に滑らかであることが確認された。
Example 1
The precursor particles after drying are put into a methanol solution (10 to 20% w / w) of xylene bis (tetrahydrothiophenium chloride) and heated in an oil bath at 60 ° C. for 4 hours. A template exchange reaction for exchanging the surfactant and the PPV monomer in the mesopores of the silica-based porous material was performed. Excess monomer was removed from the powder after the reaction by washing with methanol. The washed powder was vacuum-dried at room temperature and further heat-treated at 200 to 225 ° C. for 6 hours in an atmosphere of 10 −2 Torr to obtain spherical composite particles carrying PPV in the pores. The obtained composite particles were yellow. FIG. 3 is an SEM photograph of the obtained composite particles. Unlike Comparative Example 1 (FIG. 2), the particle surface was confirmed to be very smooth without being covered by the PPV film.
発光の量子収率
比較例1及び実施例1で得た複合粒子をエタノールに分散した分散液を用いて、これら粒子による発光の量子収率を測定したところ、比較例1は0.53、実施例1は0.98であった。これら量子収率は励起光から蛍光への変換効率であり、この値が大きいほど変換効率が高く、エネルギーの無駄が少ないことを意味する。多孔体に担持されていないPPVの発光量子収率は通常0.15〜0.25程度であるのに比較して、比較例1による方法でシリカ系多孔体粒子の細孔内にPPVを担持させることにより量子収率が向上した。これは細孔内にPPV鎖が存在することにより、エネルギー移動や酸素によるPPV鎖の分解が阻害されることに起因すると考えられる。実施例1では、量子収率が更に向上して極めて高い値に達した。
Quantum yield of light emission Using a dispersion obtained by dispersing the composite particles obtained in Comparative Example 1 and Example 1 in ethanol, the quantum yield of light emission by these particles was measured. Example 1 was 0.98. These quantum yields are the conversion efficiencies from excitation light to fluorescence. The larger this value, the higher the conversion efficiency and the less waste of energy. The light emission quantum yield of PPV not supported on the porous body is usually about 0.15 to 0.25, and PPV is supported in the pores of the silica-based porous particles by the method of Comparative Example 1. The quantum yield was improved. This is presumably because the presence of PPV chains in the pores inhibits energy transfer and decomposition of the PPV chains by oxygen. In Example 1, the quantum yield was further improved and reached an extremely high value.
コロイド結晶の作製とそのキャラクタリゼーション
図4はコロイド結晶の作製方法を示す模式図である。硫酸処理によって清浄化した2枚のガラス板11を厚さ10μmの2本のスペーサー15を挟んで貼り合わせてガラスセル10を準備し、そこに分散導入管としてのキャピラリ21(φ4mm)を取り付けた。実施例1で得た複合粒子の1質量%水分散液20をガラスのサンプル瓶22内に調製し、分散液に超音波処理を施した。その後、分散液20をマグネチックスターラーの攪拌子25で攪拌しながら、ガラスセル10内に分散液20を導入した。実施例1の複合粒子の分散液は高い安定性を有しており、キャピラリ21を通じてガラスセル10中に分散液を連続的に導入することができた。導入後、スペーサー部分から水を蒸発させることにより、コロイド結晶が形成された。得られたコロイド結晶はPPV由来の薄い黄色を呈しており、結晶の規則性の指標となる構造色も観察された。図5は得られたコロイド結晶のSEM写真である。SEM写真から、コロイド結晶が規則性の高い細密充填構造を有していることが確認された。
Production and Characterization of Colloidal Crystal FIG. 4 is a schematic diagram showing a method for producing a colloidal crystal. A glass cell 10 was prepared by bonding two glass plates 11 cleaned by sulfuric acid treatment with two spacers 15 having a thickness of 10 μm interposed therebetween, and a capillary 21 (φ4 mm) as a dispersion introducing tube was attached thereto. . A 1% by mass aqueous dispersion 20 of the composite particles obtained in Example 1 was prepared in a glass sample bottle 22, and the dispersion was subjected to ultrasonic treatment. Thereafter, the dispersion 20 was introduced into the glass cell 10 while stirring the dispersion 20 with a magnetic stirrer 25. The composite particle dispersion of Example 1 had high stability, and the dispersion could be continuously introduced into the glass cell 10 through the capillary 21. After introduction, colloidal crystals were formed by evaporating water from the spacer portion. The obtained colloidal crystal had a pale yellow color derived from PPV, and a structural color serving as an index of crystal regularity was also observed. FIG. 5 is an SEM photograph of the obtained colloidal crystal. From the SEM photograph, it was confirmed that the colloidal crystal has a highly regular and closely packed structure.
一方、比較例1の複合粒子を用いて同様の方法でコロイド結晶の作製を試みたところ、長時間の超音波処理を行っても安定な分散液を得ることができず、攪拌を止めると複合粒子が即座に沈殿するような状態であった。また、攪拌下であってもキャピラリ中で複合粒子が水から分離したために、ガラスセル中に複合粒子を導入することができなかった。 On the other hand, when an attempt was made to produce a colloidal crystal by the same method using the composite particles of Comparative Example 1, a stable dispersion could not be obtained even after long-time ultrasonic treatment, and the composite was stopped when stirring was stopped. The particles seemed to settle immediately. Even under stirring, the composite particles could not be introduced into the glass cell because the composite particles separated from the water in the capillary.
図6及び図7はそれぞれ、実施例1の複合粒子から得たコロイド結晶の発光スペクトル及び透過スペクトルである。図6の発光スペクトルに示されるように、コロイド結晶は500nmを中心とするPPV由来の強い発光を示した。図6中、440nmのピークは励起光によるものである。図7の透過スペクトルに示されるように、1700nm付近に非常にシャープなdipが観測された。このdipの位置は、複合粒子の粒子径から予想される、コロイド結晶のブラッグ反射による波長と一致する。このことから、コロイド結晶の規則性が高いことが示唆された。 6 and 7 are the emission spectrum and transmission spectrum of the colloidal crystal obtained from the composite particles of Example 1, respectively. As shown in the emission spectrum of FIG. 6, the colloidal crystal showed strong emission derived from PPV centered at 500 nm. In FIG. 6, the peak at 440 nm is due to excitation light. As shown in the transmission spectrum of FIG. 7, a very sharp dip was observed around 1700 nm. The position of the dip coincides with the wavelength due to Bragg reflection of the colloidal crystal, which is expected from the particle diameter of the composite particle. From this, it was suggested that the regularity of the colloidal crystal is high.
前駆体粒子の合成2
水4126gとメタノール3810gの混合溶媒に、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロリド(界面活性剤)38.2g及び1規定水酸化ナトリウム34.2gを添加し、室温で攪拌を行った。そこにテトラメトキシシランとメタノールの混合溶液(26.4g/30.0g)を加えて、更に攪拌を続けたところ、テトラメトキシシランが完全に溶解し、白色粉末が析出した。反応液を室温で更に8時間攪拌し、一晩放置した。その後、濾過によって取り出した粉末を脱イオン水によって3回洗浄し、乾燥して、18.29gの前駆体粒子を得た。得られた前駆体粒子は、SEM観察から、平均粒子径480nmの単分散球状粒子であることが確認された(図8)。
Synthesis of precursor particles 2
To a mixed solvent of 4126 g of water and 3810 g of methanol, 38.2 g of hexadecyltrimethylammonium chloride (surfactant) and 34.2 g of 1N sodium hydroxide were added and stirred at room temperature. A mixed solution of tetramethoxysilane and methanol (26.4 g / 30.0 g) was added thereto, and stirring was continued. Tetramethoxysilane was completely dissolved and a white powder was precipitated. The reaction was stirred at room temperature for a further 8 hours and left overnight. Thereafter, the powder taken out by filtration was washed three times with deionized water and dried to obtain 18.29 g of precursor particles. The obtained precursor particles were confirmed by SEM observation to be monodispersed spherical particles having an average particle diameter of 480 nm (FIG. 8).
実施例2
乾燥後の前駆体粒子を用いて、実施例1と同様の手順で、PPVを細孔内に担持した球状の複合粒子を得た。図9は得られた複合粒子のSEM写真である。実施例1と同様に、粒子表面を覆うPPVの膜は認められず、非常に滑らかな表面が確認された。
Example 2
Using the precursor particles after drying, spherical composite particles carrying PPV in the pores were obtained in the same procedure as in Example 1. FIG. 9 is an SEM photograph of the obtained composite particles. As in Example 1, no PPV film covering the particle surface was observed, and a very smooth surface was confirmed.
発光の量子収率
実施例2で得た複合粒子による発光の量子収率を、複合粒子のエタノール分散液を用いて測定したところ0.92であり、実施例1と同様に非常に高い値であった。
Quantum yield of light emission The quantum yield of light emission by the composite particles obtained in Example 2 was 0.92 when measured using an ethanol dispersion of the composite particles, which was very high as in Example 1. there were.
コロイド結晶の作製とそのキャラクタリゼーション
図4のガラスセルを用いた方法により、実施例2の複合粒子を用いて構造色を呈するコロイド結晶を得ることができた(図10)。さらに、実施例2の複合粒子を用いて、熱対流現象を利用する以下のvertical deposition法によってもコロイド結晶を形成させることができた(図11)。実施例1の複合粒子の場合、粒子自体の分散性は優れているものの、粒径が大きいために沈殿を生じ易く、無攪拌で行うvertical deposition法によるコロイド結晶の作製は困難であった。
(1)1質量%の濃度で粒子をエタノール中に分散させてエタノール分散液を調製し、これに超音波処理を施す。
(2)硫酸によって親水化処理したガラス板をエタノール分散液に浸漬し、無攪拌の状態で50℃に保持する。
(3)熱対流によって粒子を分散液界面(ガラス板表面)に移動させて、ガラス板表面にコロイド結晶を形成させる。
Production and Characterization of Colloidal Crystal By the method using the glass cell of FIG. 4, a colloidal crystal exhibiting a structural color could be obtained using the composite particles of Example 2 (FIG. 10). Furthermore, colloidal crystals could be formed by the following vertical deposition method using the thermal convection phenomenon using the composite particles of Example 2 (FIG. 11). In the case of the composite particles of Example 1, although the dispersibility of the particles themselves was excellent, precipitation was likely to occur due to the large particle size, and it was difficult to produce colloidal crystals by the vertical deposition method performed without stirring.
(1) Disperse particles in ethanol at a concentration of 1% by mass to prepare an ethanol dispersion, which is subjected to ultrasonic treatment.
(2) A glass plate hydrophilized with sulfuric acid is immersed in an ethanol dispersion and kept at 50 ° C. without stirring.
(3) The particles are moved to the dispersion liquid interface (glass plate surface) by thermal convection to form colloidal crystals on the glass plate surface.
コロイド結晶のSEMによる観察と、発光スペクトル及び透過スペクトルの測定を行った。図12及び図13はそれぞれ、ガラスセルの方法によって得たコロイド結晶の発光スペクトル及び透過スペクトルである。図12の発光スペクトルに示されるように、コロイド結晶は500nmを中心とするPPV由来の強い発光を示した。図12中、440nmのピークは励起光によるものである。図13の透過スペクトルに示されるように、960nm付近に非常にシャープなdipが観測された。このdipの位置は、複合粒子の粒子径から予想される、コロイド結晶のブラッグ反射による波長と一致する。このことから、コロイド結晶の規則性が高いことが示唆された。 Observation of the colloidal crystal by SEM and measurement of emission spectrum and transmission spectrum were performed. 12 and 13 are an emission spectrum and a transmission spectrum of a colloidal crystal obtained by the glass cell method, respectively. As shown in the emission spectrum of FIG. 12, the colloidal crystal showed strong emission derived from PPV centered at 500 nm. In FIG. 12, the peak at 440 nm is due to excitation light. As shown in the transmission spectrum of FIG. 13, a very sharp dip was observed near 960 nm. The position of the dip coincides with the wavelength due to Bragg reflection of the colloidal crystal, which is expected from the particle diameter of the composite particle. From this, it was suggested that the regularity of the colloidal crystal is high.
前駆体粒子の合成3
水873.2g、メタノール624g及びエタノール96gの混合溶媒に、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロリド(界面活性剤)7.04g及び1規定水酸化ナトリウム6.84gを添加し、室温で攪拌を行った。そこにシリカ源としてテトラメトキシシランと3−アミノプロピルトリメトキシシランの混合溶液(5.02g/0.31g)を加えて、更に攪拌を続けたところ、シリカ源が完全に溶解し、白色粉末が析出した。反応液を室温で更に8時間攪拌し、一晩放置した。その後、濾過によって取り出した粉末を脱イオン水によって3回洗浄し、乾燥して、3.11gの前駆体粒子を得た。得られた前駆体粒子は、SEM観察から、平均粒子径330nmの単分散球状粒子であることが確認された(図8)。
Synthesis of precursor particles 3
To a mixed solvent of 873.2 g of water, 624 g of methanol and 96 g of ethanol, 7.04 g of hexadecyltrimethylammonium chloride (surfactant) and 6.84 g of 1N sodium hydroxide were added and stirred at room temperature. Then, a mixed solution of tetramethoxysilane and 3-aminopropyltrimethoxysilane (5.02 g / 0.31 g) was added as a silica source, and the stirring was further continued. As a result, the silica source was completely dissolved and a white powder was obtained. Precipitated. The reaction was stirred at room temperature for a further 8 hours and left overnight. Thereafter, the powder taken out by filtration was washed with deionized water three times and dried to obtain 3.11 g of precursor particles. The obtained precursor particles were confirmed by SEM observation to be monodispersed spherical particles having an average particle diameter of 330 nm (FIG. 8).
実施例3
乾燥後の前駆体粒子を用いて、実施例1と同様の手順で、PPVを細孔内に担持した球状の複合粒子を得た。
Example 3
Using the precursor particles after drying, spherical composite particles carrying PPV in the pores were obtained in the same procedure as in Example 1.
発光の量子収率
実施例2で得た複合粒子による発光の量子収率を、複合粒子のエタノール分散液を用いて測定したところ0.90であり、実施例1と同様に非常に高い値であった。
Quantum yield of light emission The quantum yield of light emission by the composite particles obtained in Example 2 was 0.90 when measured using an ethanol dispersion of the composite particles, which was a very high value as in Example 1. there were.
コロイド結晶の作製とそのキャラクタリゼーション
実施例3の複合粒子を用いて、実施例2と同様のvertical deposition法によって非常に規則性の高い構造を有するコロイド結晶を得ることができた。図14及び図15はそれぞれ、得られたコロイド結晶の発光スペクトル及び透過スペクトルである。図14の発光スペクトルに示されるように、コロイド結晶は500nmを中心とするPPV由来の強い発光を示した。図14中、400nmのピークは励起光によるものである。図15の透過スペクトルに示されるように、610nm付近に非常にシャープなdipが観測された。このdipの位置は、複合粒子の粒子径から予想される、コロイド結晶のブラッグ反射による波長と一致する。このことから、コロイド結晶の規則性が高いことが示唆された。
Production and Characterization of Colloidal Crystal Using the composite particles of Example 3, a colloidal crystal having a very regular structure could be obtained by the vertical deposition method similar to that of Example 2. 14 and 15 are the emission spectrum and transmission spectrum of the obtained colloidal crystal, respectively. As shown in the emission spectrum of FIG. 14, the colloidal crystal showed strong emission derived from PPV centered at 500 nm. In FIG. 14, the peak at 400 nm is due to excitation light. As shown in the transmission spectrum of FIG. 15, a very sharp dip was observed around 610 nm. The position of the dip coincides with the wavelength due to Bragg reflection of the colloidal crystal, which is expected from the particle diameter of the composite particle. From this, it was suggested that the regularity of the colloidal crystal is high.
実施例4
「前駆体粒子の合成1」で合成した前駆体粒子をキシレン ビス(テトラヒドロチオフェニウム クロライド)のエタノール溶液(10〜20%w/w)中に投入し、80℃のオイルバスで6時間加熱した。加熱により前駆体粒子を構成するシリカ系多孔体のメソ細孔中の界面活性剤とPPVモノマーとを交換するテンプレート交換反応が進行し、それと同時にPPVモノマーの重合が進行して、黄色を呈する球状の複合粒子を得た。余剰のモノマーを洗浄により除去して、PPVを細孔内に担持した球状の複合粒子を得た。図16は得られた複合粒子の発光スペクトルである。
Example 4
Precursor particles synthesized in “Precursor Particle Synthesis 1” are put into xylene bis (tetrahydrothiophenium chloride) ethanol solution (10-20% w / w) and heated in an oil bath at 80 ° C. for 6 hours. did. The template exchange reaction for exchanging the surfactant and the PPV monomer in the mesopores of the silica-based porous material constituting the precursor particles by heating proceeds, and at the same time, the polymerization of the PPV monomer proceeds to form a spherical yellow color Of composite particles were obtained. Excess monomer was removed by washing to obtain spherical composite particles carrying PPV in the pores. FIG. 16 is an emission spectrum of the obtained composite particles.
実施例5
「前駆体粒子の合成2」で合成した前駆体粒子をキシレン ビス(テトラヒドロチオフェニウム クロライド)のエチレングリコール溶液(10〜20%w/w)中に投入し、100℃のオイルバスで6時間加熱した。加熱により前駆体粒子を構成するシリカ系多孔体のメソ細孔中の界面活性剤とPPVモノマーとを交換するテンプレート交換反応が進行し、それと同時にPPVモノマーの重合が進行して、黄色を呈する球状の複合粒子を得た。余剰のモノマーを洗浄により除去して、PPVを細孔内に担持した球状の複合粒子を得た。図17は得られた複合粒子の発光スペクトルである。
Example 5
Precursor particles synthesized in “Precursor Particle Synthesis 2” are put into an ethylene glycol solution (10-20% w / w) of xylene bis (tetrahydrothiophenium chloride) for 6 hours in an oil bath at 100 ° C. Heated. The template exchange reaction for exchanging the surfactant and the PPV monomer in the mesopores of the silica-based porous material constituting the precursor particles by heating proceeds, and at the same time, the polymerization of the PPV monomer proceeds to form a spherical yellow color Of composite particles were obtained. Excess monomer was removed by washing to obtain spherical composite particles carrying PPV in the pores. FIG. 17 is an emission spectrum of the obtained composite particles.
10…ガラスセル、11…ガラス板、15…スペーサー、20…分散液、21…キャピラリ、22…サンプル瓶、25…攪拌子。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Glass cell, 11 ... Glass plate, 15 ... Spacer, 20 ... Dispersion liquid, 21 ... Capillary, 22 ... Sample bottle, 25 ... Stirrer.
Claims (4)
前記前駆体粒子中の前記界面活性剤のうち少なくとも一部をイオン性モノマーに置換する工程と、
前記イオン性モノマーからπ共役系高分子を生成させて、前記加水分解重縮合物の多孔体及び該多孔体の細孔内に担持された前記π共役系高分子を含む複合粒子を得る工程と、
を備える複合粒子の製造方法。 Producing a precursor particle containing the hydrolyzed polycondensate of alkoxysilane and the surfactant in a reaction solution containing alkoxysilane, a surfactant, water and alcohol;
Replacing at least a portion of the surfactant in the precursor particles with an ionic monomer;
Producing a π-conjugated polymer from the ionic monomer to obtain a composite particle containing the hydrolyzed polycondensate porous body and the π-conjugated polymer supported in the pores of the porous body; ,
A method for producing composite particles.
前記前駆体粒子中の前記界面活性剤のうち少なくとも一部をイオン性モノマーに置換する工程と、
前記イオン性モノマーからπ共役系高分子を生成させて、前記加水分解重縮合物の多孔体及び該多孔体の細孔内に担持された前記π共役系高分子を含む複合粒子を得る工程と、
前記複合粒子を含む分散液から前記複合粒子のコロイド結晶を形成させる工程と、
を備えるコロイド結晶の製造方法。 Producing a precursor particle containing the hydrolyzed polycondensate of alkoxysilane and the surfactant in a reaction solution containing alkoxysilane, a surfactant, water and alcohol;
Replacing at least a portion of the surfactant in the precursor particles with an ionic monomer;
Producing a π-conjugated polymer from the ionic monomer to obtain a composite particle containing the hydrolyzed polycondensate porous body and the π-conjugated polymer supported in the pores of the porous body; ,
Forming a colloidal crystal of the composite particles from a dispersion containing the composite particles;
A method for producing a colloidal crystal.
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