JPWO2007108217A1 - Nanoparticle dispersion manufacturing method, nanoparticle dispersion and nanoparticle dispersion manufacturing apparatus - Google Patents
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Abstract
粒子径が100nm以下のナノ粒子を直接該ポリマーの前駆体である反応性溶媒に均一分散させるナノ粒子分散液の製造方法であって、ビーズを分離するビーズ分離機構13を備えるビーズミル2を使用し、該ビーズに粒子径が1〜50μmの超微小ビーズを使用し、該反応性溶媒は、モノマー、ダイマー、トリマー及びオリゴマから選ばれた1以上の物質を含む分散媒であり、分散過程にて該分散媒分子を該ナノ粒子表面に結合させるための分散剤を添加し、該ビーズミルにて該反応性溶媒中で該ナノ粒子の表面修飾と凝集したナノ粒子を100nm以下一次粒子の大きさまで均一分散させる。A method for producing a nanoparticle dispersion in which nanoparticles having a particle diameter of 100 nm or less are directly dispersed in a reactive solvent that is a precursor of the polymer, and using a bead mill 2 having a bead separation mechanism 13 for separating beads. In addition, ultrafine beads having a particle diameter of 1 to 50 μm are used for the beads, and the reactive solvent is a dispersion medium containing one or more substances selected from monomers, dimers, trimers, and oligomers. Then, a dispersing agent for binding the dispersion medium molecules to the surface of the nanoparticles is added, and the nanoparticles modified with the surface modification of the nanoparticles in the reactive solvent by the bead mill are aggregated to a size of primary particles of 100 nm or less. Disperse uniformly.
Description
本発明は、電子材料、あるいは新規な材料の提供に不可欠なナノ粒子分散液の製造方法、ナノ粒子分散液、ナノ粒子分散液製造装置、ナノ粒子分散液を使用したナノコンポジット材の製造方法及びナノコンポジット材に関する。 The present invention relates to a method for producing an electronic material or a nanoparticle dispersion indispensable for providing a novel material, a nanoparticle dispersion, a nanoparticle dispersion production apparatus, a method for producing a nanocomposite material using the nanoparticle dispersion, and It relates to nanocomposite materials.
現在、電子材料の応用などにおいて、大きさが数十ナノメートル以下まで分散されたナノ粒子材料の要求が強くなっている。ナノ粒子の製造には、種々の方法が開発されているがこれら方法は、塊を壊すことで微粒化を進めるブレークダウン方式と気相法や液相法によりナノ粒子を合成するビルドアップ方式とに大別することができる。ブレークダウン方式、ビルドアップ方式によるナノ粒子の製造方法は、各々長所、短所を有しており、現在も開発が進められている。 Currently, in the application of electronic materials, there is a strong demand for nanoparticle materials dispersed to a size of several tens of nanometers or less. Various methods have been developed for the production of nanoparticles. These methods include a breakdown method that promotes atomization by breaking a lump and a build-up method that synthesizes nanoparticles by a gas phase method or a liquid phase method. Can be broadly classified. Nanoparticle production methods using a breakdown method and a buildup method each have advantages and disadvantages, and are still under development.
ブレークダウン方式及びビルドアップ方式によるナノ粒子の製造方法とも、粒子径が小さくなるに従って粒子の凝集が起こりやすくなり、分散した状態の単一の微細粒子を製造することは容易ではない。このため現在では、湿式下で分散機を使用して粒子の分散を行いつつ、分散媒中にナノ粒子を分散させる方法が多く用いられている。ここで使用される分散機は、容器内で凝集粒子、分散媒、撹拌粒子(メディア)である微小のビーズを撹拌することで、撹拌粒子を通じて凝集粒子に衝突、せん断エネルギを与え、凝集粒子を分散させるもので、ビーズミルなどの名称で呼ばれている。本出願人らは、ビーズミルに関する開発研究を行っており、特許を取得するとともに製品を製造販売している(例えば非特許文献1、特許文献1参照)。
In both the breakdown method and the build-up method for producing nanoparticles, the particles tend to aggregate as the particle diameter decreases, and it is not easy to produce single dispersed particles. Therefore, at present, many methods are used to disperse nanoparticles in a dispersion medium while dispersing particles using a disperser under wet conditions. The disperser used here stirs the agglomerated particles, the dispersion medium, and the fine beads that are the agitated particles (media) in the container, so that they collide with the agglomerated particles through the agitated particles and give shear energy. Dispersed and called by the name of bead mill. The present applicants are conducting developmental research on bead mills, obtaining patents, and manufacturing and selling products (see, for example, Non-Patent
ビーズミルを含め撹拌粒子を使用した従来の湿式粉砕法では、撹拌粒子が磨耗し不純物が混入する、ナノ粒子の分散媒への分散が不十分であるとし、これを解決するために、撹拌粒子の大きさとして、凝集粒子の一次粒子径の200〜10000倍のものを使用し湿式分散する技術が提案されている(例えば特許文献2参照)。このほかナノ粒子に関する発明としては、ナノ粒子をポリマーに分散させたコンポジット材の製造方法に関する技術も開示されている(例えば特許文献3参照)。
特許文献3に記載のナノコンポジット材の製造方法は、無機ナノ粒子を含有する有機相を製造し、これにポリマーを添加し、その後有機相中の溶媒を除去することでナノコンポジット材を製造する方法である。この方法は、製造に多くの工程が必要であり、手間がかかる。ビーズミルは、特許文献1、2及び非特許文献1にも記載されているように優れた湿式分散機であり、これを利用してモノマーにナノ粒子を分散させることができれば、ナノコンポジット材の製造を非常に簡単に行うことができる。しかしながら、湿式分散機は、分散条件を適正に設定しないと所望のナノ粒子を得ることが出来ず、また効率的にナノ粒子の製造を行うことができないことも非特許文献1などに記載の通りである。これらのことから、現状ではアルコールなどにナノ粒子を分散する技術が開示されているにも係わらず、モノマーなどポリマーの原料に直接ナノ粒子を分散させる技術は確立されていない。また、モノマーなどポリマーの原料に直接ナノ粒子を分散させる技術とともに、短時間にまた効率的にナノ粒子分散液を製造可能な装置の開発も待たれている。
In the method for producing a nanocomposite material described in
本発明の目的は、ポリマーの前駆体である反応性溶媒を分散媒とするナノ粒子分散液を簡単に製造可能なナノ粒子分散液の製造方法、ナノ粒子分散液、ナノ粒子分散液を使用したナノコンポジット材の製造方法、ナノコンポジット材を提供することである。また、短時間で効率的にナノ粒子分散液を製造可能なナノ粒子分散液製造装置の提供を目的とする。 An object of the present invention is to use a nanoparticle dispersion production method, a nanoparticle dispersion, and a nanoparticle dispersion that can easily produce a nanoparticle dispersion using a reactive solvent that is a polymer precursor as a dispersion medium. It is providing the manufacturing method of a nanocomposite material, and a nanocomposite material. Moreover, it aims at provision of the nanoparticle dispersion liquid manufacturing apparatus which can manufacture a nanoparticle dispersion liquid efficiently in a short time.
本発明は、粒子径が100nm以下のナノ粒子を含有するポリマーコンポジット材の製造を目的とし、ビーズミルを用いて該ナノ粒子を直接該ポリマーの前駆体である反応性溶媒に均一分散させるナノ粒子分散液の製造方法であって、該ビーズミルにローター、ステータ及び遠心分離により撹拌粒子であるビーズを分離するビーズ分離機構を備えるビーズミルを使用し、該ビーズに粒子径が1〜50μmの超微小ビーズを使用し、該反応性溶媒は、下記の(A)群から選ばれた1以上の物質を含む分散媒であり、分散過程にて該分散媒分子を該ナノ粒子表面に結合させるための分散剤を添加し、該ビーズミルにて該反応性溶媒中で該ナノ粒子の表面修飾と凝集したナノ粒子を100nm以下一次粒子の大きさまで均一分散させることを特徴とするナノ粒子分散液の製造方法である。(A)モノマー、ダイマー、トリマー、オリゴマ The present invention aims to produce a polymer composite material containing nanoparticles having a particle size of 100 nm or less, and uses a bead mill to uniformly disperse the nanoparticles directly in a reactive solvent that is a precursor of the polymer. A method for producing a liquid, wherein a bead mill including a bead mill having a rotor, a stator, and a bead separation mechanism for separating beads as stirring particles by centrifugation is used in the bead mill, and the bead mill has a particle diameter of 1 to 50 μm. And the reactive solvent is a dispersion medium containing one or more substances selected from the following group (A), and the dispersion medium is used for bonding the dispersion medium molecules to the nanoparticle surface in the dispersion process. The agent is added, and the surface modification of the nanoparticles and the aggregated nanoparticles are uniformly dispersed to the size of primary particles of 100 nm or less in the reactive solvent by the bead mill. Runano is a manufacturing method of the particle dispersion. (A) Monomer, dimer, trimer, oligomer
また本発明は、前記ナノ粒子分散液の製造方法において、前記ナノ粒子は、凝集性の強い二酸化ケイ素であって、さらに該二酸化ケイ素の全表面積に対応して、該二酸化ケイ素1gに対し2×10−4〜1×10−2モルの重合禁止剤を前記反応性溶媒に添加し、前記ビーズミルにて前記反応性溶媒中でナノ粒子の表面修飾と凝集したナノ粒子を100nm以下一次粒子の大きさまで均一分散させることを特徴とする。Further, the present invention provides the method for producing a nanoparticle dispersion, wherein the nanoparticle is highly cohesive silicon dioxide, and further corresponds to the total surface area of the silicon dioxide to 2 × with respect to 1 g of the silicon dioxide. 10 −4 to 1 × 10 −2 mol of polymerization inhibitor is added to the reactive solvent, and the surface modification of the nanoparticles and the aggregated nanoparticles are performed in the reactive solvent by the bead mill, and the size of the primary particles is 100 nm or less It is characterized by being uniformly dispersed.
また本発明は、前記ナノ粒子分散液の製造方法において、前記分散剤は、前記ナノ粒子と親和性を有する基と前記分散媒と親和性を有しかつ反応する基とを有することを特徴とする。 Further, the present invention provides the method for producing a nanoparticle dispersion, wherein the dispersant has a group having an affinity for the nanoparticle and a group having an affinity for and reacting with the dispersion medium. To do.
また本発明は、前記ナノ粒子分散液の製造方法において、前記ナノ粒子の前記分散媒中の濃度は、0.1〜50重量%であることを特徴とする。 In the method for producing a nanoparticle dispersion, the present invention is characterized in that the concentration of the nanoparticle in the dispersion medium is 0.1 to 50% by weight.
また本発明は、前記ナノ粒子分散液の製造方法において、前記遠心分離により撹拌粒子であるビーズを分離するビーズ分離機構は、セパレータを有し、セパレータの径をd、ステータの内径をDとすると、d/Dが0.5〜0.9であることを特徴とする。 Further, the present invention provides the method for producing a nanoparticle dispersion, wherein the bead separation mechanism for separating the beads that are stirring particles by the centrifugal separation has a separator, wherein the separator has a diameter d and the stator has an inner diameter D. , D / D is 0.5 to 0.9.
また本発明は、前記ナノ粒子分散液の製造方法において、前記分散剤の前記ナノ粒子に対する重量比は、0.01〜10.0であることを特徴とする。 Moreover, this invention is a manufacturing method of the said nanoparticle dispersion liquid, The weight ratio with respect to the said nanoparticle of the said dispersing agent is 0.01-10.0, It is characterized by the above-mentioned.
また本発明は、ローター、ステータ、及び遠心分離により撹拌粒子であるビーズを分離するビーズ分離機構を備えるビーズミルを使用し、一次粒子径が100nm以下のナノ粒子、分散媒、分散剤、及び粒子径が1〜50μmの撹拌粒子を撹拌し、該ナノ粒子を該分散媒に分散させるとともに、分散液中の粒子の粒子径、分散液の粘度、該ビーズミルの撹拌トルク、該ビーズミルの撹拌動力、分散液の光透過度のうち少なくともいずれか1の値を分散操作中、経時的に測定し、測定値が所定の値になったことを検知すると分散操作を終了することを特徴とするナノ粒子分散液の製造方法である。 Further, the present invention uses a bead mill having a rotor, a stator, and a bead separation mechanism for separating beads that are stirring particles by centrifugation, a nanoparticle having a primary particle size of 100 nm or less, a dispersion medium, a dispersant, and a particle size Stir particles having a particle size of 1 to 50 μm to disperse the nanoparticles in the dispersion medium, and the particle diameter of the particles in the dispersion, the viscosity of the dispersion, the stirring torque of the beads mill, the stirring power of the beads mill, and dispersion Nanoparticle dispersion characterized in that at least one of the light transmittances of the liquid is measured over time during the dispersion operation, and the dispersion operation is terminated when the measured value is detected to be a predetermined value. It is a manufacturing method of a liquid.
また本発明は、前記ナノ粒子分散液の製造方法において、前記分散液中の粒子の粒子径、前記分散液の粘度、前記ビーズミルの撹拌トルク、前記ビーズミルの撹拌動力、前記分散液の光透過度の測定をオンラインで行うことを特徴とする。 Further, the present invention provides the method for producing a nanoparticle dispersion, wherein the particle diameter of the particles in the dispersion, the viscosity of the dispersion, the stirring torque of the beads mill, the stirring power of the beads mill, the light transmittance of the dispersion It is characterized in that the measurement is performed online.
また本発明は、前記ナノ粒子分散液の製造方法において、前記分散操作中に行う測定は、分散液中の粒子の粒子径であり、測定値が粒子の90%通過粒子径であることを特徴とする。 Further, in the method for producing a nanoparticle dispersion according to the present invention, the measurement performed during the dispersion operation is a particle diameter of the particles in the dispersion, and the measured value is a 90% passing particle diameter of the particles. And
また本発明は、前記ナノ粒子分散液の製造方法において、前記分散媒は、モノマー、ダイマー、トリマー、及びオリゴマのうち少なくともいずれか1を含むことを特徴とする。 In the method for producing a nanoparticle dispersion, the dispersion medium includes at least one of a monomer, a dimer, a trimer, and an oligomer.
また本発明は、ローター、ステータ、及び遠心分離により撹拌粒子であるビーズを分離するビーズ分離機構を備えるビーズミルを使用し、一次粒子径が100nm以下のナノ粒子、分散媒、分散剤、及び粒子径が1〜50μmの撹拌粒子を撹拌し、該ナノ粒子を該分散媒に分散させるとともに、分散液中の粒子の粒子径、分散液の粘度、該ビーズミルの撹拌トルク、該ビーズミルの撹拌動力、分散液の光透過度のうち少なくともいずれか1の値を分散操作中、経時的に測定し、測定値の時間当たりの変化量が所定の値となったことを検知すると分散操作を終了することを特徴とするナノ粒子分散液の製造方法である。 Further, the present invention uses a bead mill having a rotor, a stator, and a bead separation mechanism for separating beads that are stirring particles by centrifugation, a nanoparticle having a primary particle size of 100 nm or less, a dispersion medium, a dispersant, and a particle size Stir particles having a particle size of 1 to 50 μm to disperse the nanoparticles in the dispersion medium, and the particle diameter of the particles in the dispersion, the viscosity of the dispersion, the stirring torque of the beads mill, the stirring power of the beads mill, and dispersion Measuring at least one of the light transmittances of the liquid over time during the dispersion operation, and ending the dispersion operation when it is detected that the amount of change in the measured value per time has reached a predetermined value. It is the manufacturing method of the nanoparticle dispersion liquid characterized.
また本発明は、前記ナノ粒子分散液の製造方法において、前記分散媒は、モノマー、ダイマー、トリマー、及びオリゴマのうち少なくともいずれか1を含むことを特徴とする。 In the method for producing a nanoparticle dispersion, the dispersion medium includes at least one of a monomer, a dimer, a trimer, and an oligomer.
また本発明は、請求項1の方法で製造されたナノ粒子分散液である。
Moreover, this invention is a nanoparticle dispersion liquid manufactured by the method of
また本発明は、ローター、ステータ及び遠心分離により撹拌粒子であるビーズを分離するビーズ分離機構を備えるビーズミルと、粒子径が1〜50μmの撹拌粒子と、少なくとも粒子の粒度分布測定手段、分散液の粘度測定手段、該ビーズミルの撹拌トルク測定手段、該ビーズミルの撹拌動力測定手段、及び分散液の光透過度測定手段のいずれか1の手段と、を含むことを特徴とするナノ粒子分散液製造装置である。 The present invention also provides a bead mill having a rotor, a stator, and a bead separation mechanism for separating beads as stirring particles by centrifugation, stirring particles having a particle diameter of 1 to 50 μm, at least a particle size distribution measuring means, and a dispersion liquid. Any one of a viscosity measuring means, a stirring torque measuring means for the bead mill, a stirring power measuring means for the bead mill, and a light transmittance measuring means for the dispersion, It is.
また本発明は、前記ナノ粒子分散液製造装置において、さらに前記ビーズミルの外部に配設される原料調整装置と、該原料調整装置と前記ビーズミルとに連結し、分散液を圧送するポンプと、を含むことを特徴とする。 Further, the present invention provides the nanoparticle dispersion production apparatus further comprising: a raw material adjustment device disposed outside the bead mill; and a pump connected to the raw material adjustment device and the bead mill to pump the dispersion. It is characterized by including.
また本発明は、前記ナノ粒子分散液製造装置において、さらに、前記粒子の粒度分布測定手段、前記分散液の粘度測定手段、前記ビーズミルの撹拌トルク測定手段、前記ビーズミルの撹拌動力測定手段、及び前記分散液の光透過度測定手段の少なくともいずれか1の手段が測定する測定値の時間当たりの変化量を算出可能なデータ処理手段と、を含むことを特徴とする。 In the nanoparticle dispersion production apparatus, the present invention further includes a particle size distribution measuring unit for the particles, a viscosity measuring unit for the dispersion, a stirring torque measuring unit for the bead mill, a stirring power measuring unit for the bead mill, and the Data processing means capable of calculating the amount of change per hour of the measured value measured by at least one of the means for measuring the light transmittance of the dispersion.
また本発明は、請求項1に記載の方法で製造されたナノ粒子分散液を重合させ、又は請求項1に記載の方法で製造されたナノ粒子分散液に重合開始剤を添加した後、該溶液を重合させナノコンポジット材を製造することを特徴とするナノコンポジット材の製造方法である。
In addition, the present invention polymerizes the nanoparticle dispersion produced by the method according to
また本発明は、請求項17の方法で製造されたナノコンポジット材である。 Moreover, this invention is the nanocomposite material manufactured by the method of Claim 17.
また本発明は、透明性を有し、かつ難燃性、耐熱性、耐溶剤性、ガスバリア性、紫外線遮断性のうちいずれか1以上の特性を有する請求項17の方法で得られるナノコンポジット材を含有する自動車用材料、化粧材、光学材料である。 Furthermore, the present invention provides a nanocomposite material obtained by the method of claim 17, which has transparency and has one or more properties of flame retardancy, heat resistance, solvent resistance, gas barrier properties, and ultraviolet blocking properties. Materials for automobiles, cosmetics, and optical materials.
本発明のナノ粒子分散液の製造方法を用いることにより、ポリマーの前駆体である反応性溶媒を分散媒とするナノ粒子分散液を簡単に製造することができる。またナノコンポジット材を簡単に製造することができる。また本発明のナノ粒子分散液製造装置を用いることにより、短時間で効率的にナノ粒子分散液を製造することができる。 By using the method for producing a nanoparticle dispersion of the present invention, a nanoparticle dispersion using a reactive solvent that is a polymer precursor as a dispersion medium can be easily produced. Moreover, a nanocomposite material can be easily manufactured. Moreover, a nanoparticle dispersion can be efficiently produced in a short time by using the nanoparticle dispersion production apparatus of the present invention.
本発明のナノ粒子分散液の製造方法の開発過程において、モノマーなどポリマーの前駆体である反応性溶媒を分散媒としナノ粒子の分散スラリーをビーズミルを用いて製造する際、この分散過程において、ナノ粒子がモノマーなどポリマーの前駆体である反応性溶媒を包含した状態で凝集し、ナノ粒子を十分に分散させることができないことを見出し、この現象を解決するためにローター、ステータ、及び遠心分離により撹拌粒子であるビーズを分離するビーズ分離機構を備えるビーズミルを使用して、ナノ粒子分散液の製造方法を検討した。その結果、一次粒子径が100nm以下のナノ粒子、モノマー、ダイマー、トリマー、及びオリゴマから選ばれた1以上の物質を含む反応性溶媒である分散媒、分散過程にて分散媒分子をナノ粒子表面に結合させるための分散剤、及び粒子径が1〜50μmの撹拌粒子を撹拌し、ナノ粒子を分散させるとともに分散したナノ粒子に分散媒を反応させて表面修飾することで、ナノ粒子が十分に分散した分散液を得ることができることが分かった。さらに凝集性の強いナノ粒子にあっては、反応性溶媒である分散媒に重合禁止剤を添加し、ナノ粒子を分散させるとともに分散したナノ粒子に分散媒を反応させて表面修飾することで、ナノ粒子が十分に分散した分散液を得ることができることが分かった。 In the development process of the method for producing a nanoparticle dispersion according to the present invention, a nanoparticle dispersion slurry is produced using a reactive solvent that is a polymer precursor, such as a monomer, as a dispersion medium using a bead mill. In order to solve this phenomenon, it was found that the particles were aggregated in a state including a reactive solvent that is a polymer precursor such as a monomer, and the nanoparticles could not be sufficiently dispersed. Using a bead mill equipped with a bead separation mechanism for separating beads that are stirring particles, a method for producing a nanoparticle dispersion was studied. As a result, a dispersion medium, which is a reactive solvent containing one or more substances selected from nanoparticles, monomers, dimers, trimers, and oligomers having a primary particle size of 100 nm or less, and the dispersion medium molecules in the dispersion process By dispersing the dispersing agent for binding to and the stirring particles having a particle diameter of 1 to 50 μm to disperse the nanoparticles and reacting the dispersed nanoparticles with the dispersion medium to modify the surface, the nanoparticles are sufficiently It was found that a dispersed dispersion can be obtained. In addition, for nanoparticles with strong cohesive properties, by adding a polymerization inhibitor to the dispersion medium that is a reactive solvent, the nanoparticles are dispersed and the dispersed nanoparticles are reacted with the dispersion medium to modify the surface. It was found that a dispersion liquid in which nanoparticles are sufficiently dispersed can be obtained.
本発明のナノ粒子分散液の製造では、粒子径が1〜50μmの撹拌粒子を使用し、ナノ粒子分散液を製造するので、この撹拌粒子を原料スラリーから分離することが可能で分散性能に優れたビーズミルである必要がある。これを満足する媒体撹拌式ミルであれば種類は特に限定されないけれども、ローター、ステータ、及び遠心分離により撹拌粒子であるビーズを分離するビーズ分離機構を備えるビーズミルは、上記条件を満たすものであり好適に使用することができる。さらにビーズミルは、撹拌粒子であるビーズを分離するセパレータを有し、セパレータの径をd、ステータの内径をDとしたとき、d/Dが0.5〜0.9であればより好ましい。このような形状を有するビーズミルであれば、短時間でより効率的にナノ粒子分散液を製造することできる。ここで原料スラリーとは、凝集粒子、分散した粒子など粒子と分散媒、又は粒子と分散媒及び分散剤の混合物を言う。 In the production of the nanoparticle dispersion according to the present invention, a stirring particle having a particle diameter of 1 to 50 μm is used to manufacture the nanoparticle dispersion, and therefore, the stirring particle can be separated from the raw material slurry and has excellent dispersion performance. Must be a bead mill. The type is not particularly limited as long as it is a medium agitating mill that satisfies this requirement, but a bead mill that includes a rotor, a stator, and a bead separation mechanism that separates beads that are agitated particles by centrifugal separation satisfies the above conditions and is preferable. Can be used for Further, the bead mill has a separator that separates beads that are stirring particles, and when the diameter of the separator is d and the inner diameter of the stator is D, d / D is more preferably 0.5 to 0.9. If it is a bead mill which has such a shape, a nanoparticle dispersion liquid can be manufactured more efficiently in a short time. Here, the raw material slurry means particles and a dispersion medium such as aggregated particles and dispersed particles, or a mixture of particles, a dispersion medium and a dispersant.
本発明のナノ粒子分散液の製造方法に使用可能な原料粉は、一次粒子径が100nm以下のナノ粒子であればよく、特定の原料粉に限定されるものではない。原料粉を一次粒子径が100nm以下のナノ粒子に限定するのは、本発明のナノ粒子分散液の製造では、微細なナノ粒子は、塊を粉砕しナノ粒子を得るのではないことによる。本発明に適用可能な原料粉としては、以下のものが例示される。金属酸化物として、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、二酸化珪素、酸化チタン、酸化バナジウム、酸化クロム、二酸化マンガン、酸化鉄、マグネタイト、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化銅、酸化亜鉛、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化インジウム、酸化スズ、酸化ハフニウム、酸化タングステン、酸化セリウム、酸化ニオビウム、酸化インジウムスズが例示される。その他チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、酸化インジウム−酸化スズ、窒化ボロン、窒化珪素、炭化珪素、硫化亜鉛、硫化カドミウム、カドミウムセレナイド、酸化アンチモンー酸化スズ、(LaAlO3)0.3−(Sr2AlTaO8)0.7、LaAlO3、SrTiO3、SrLaAlO4、YVO4、MgAlO4が例示される。The raw material powder that can be used in the method for producing a nanoparticle dispersion of the present invention is not limited to a specific raw material powder, as long as the primary particle diameter is nanoparticles having a size of 100 nm or less. The reason why the raw material powder is limited to nanoparticles having a primary particle diameter of 100 nm or less is that in the production of the nanoparticle dispersion of the present invention, fine nanoparticles do not pulverize a mass to obtain nanoparticles. Examples of the raw material powder applicable to the present invention include the following. As metal oxides, magnesium oxide, aluminum oxide, silicon dioxide, titanium oxide, vanadium oxide, chromium oxide, manganese dioxide, iron oxide, magnetite, cobalt oxide, nickel oxide, copper oxide, zinc oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, oxidation Examples include indium, tin oxide, hafnium oxide, tungsten oxide, cerium oxide, niobium oxide, and indium tin oxide. In addition, barium titanate, strontium titanate, indium oxide-tin oxide, boron nitride, silicon nitride, silicon carbide, zinc sulfide, cadmium sulfide, cadmium selenide, antimony oxide-tin oxide, (LaAlO 3 ) 0.3- (Sr 2 AlTaO 8 ) 0.7, LaAlO 3 , SrTiO 3, SrLaAlO 4, YVO 4 , MgAlO 4 are exemplified.
原料粉の分散媒中の濃度は、0.1〜50重量%であることが好ましい。原料粉の分散媒中の濃度が0.1重量%を下回ると、分散媒中の粒子濃度(固形分濃度)が小さく分散液の製造方法として効率的ではない。一方、原料粉の分散媒中の濃度が50重量%を上回ると、粒子濃度が高すぎて、粘度の増大により粒子の分散が不十分となりやすい。また、粒子の分散に時間を要する。 The concentration of the raw material powder in the dispersion medium is preferably 0.1 to 50% by weight. When the concentration of the raw material powder in the dispersion medium is less than 0.1% by weight, the particle concentration (solid content concentration) in the dispersion medium is small, which is not efficient as a method for producing a dispersion. On the other hand, if the concentration of the raw material powder in the dispersion medium exceeds 50% by weight, the particle concentration is too high and the dispersion of the particles tends to be insufficient due to the increase in viscosity. In addition, it takes time to disperse the particles.
本発明のナノ粒子分散液の製造方法に使用可能な分散媒は、ポリマーの前駆体であるモノマー、ダイマー、トリマー、オリゴマの中から選ばれた1以上の物質を含む反応性溶媒を分散媒として使用することができる。これにより本発明のナノ粒子分散液を使用して簡単にポリマーを分散媒とするナノコンポジット材を得ることができる。分散媒は、モノマー、又はダイマーなど単一成分であってもよく、モノマーとダイマー、又はダイマーとトリマーとオリゴマなど複数の成分が混合したものであってもよい。さらにモノマーに他の分散媒が混合していてもよい。 A dispersion medium that can be used in the method for producing a nanoparticle dispersion of the present invention is a reactive solvent containing one or more substances selected from monomers, dimers, trimers, and oligomers that are polymer precursors. Can be used. Thus, a nanocomposite material using a polymer as a dispersion medium can be easily obtained using the nanoparticle dispersion liquid of the present invention. The dispersion medium may be a single component such as a monomer or a dimer, or may be a mixture of a plurality of components such as a monomer and a dimer, or a dimer, a trimer, and an oligomer. Further, another dispersion medium may be mixed with the monomer.
本発明に適応可能な分散媒としては、以下のものが例示される。ビニル系のモノマーには、スチレン、アクリル酸エステル、(メタ)メタクリレート系、アクリルアミド誘導体、その他の不飽和化合物が含まれ、アクリル酸エステルとしては、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸ブチル、アクリル酸2エチルヘキシル、アクリル酸イソブチル、2−メトキシエチルアクリレート、2−ヒドロキシエチルアクリレート、エチレンカーボネートが例示される。 Examples of the dispersion medium applicable to the present invention include the following. Vinyl monomers include styrene, acrylates, (meth) methacrylates, acrylamide derivatives, and other unsaturated compounds. Examples of acrylates include methyl acrylate, ethyl acrylate, butyl acrylate, acrylic Examples include 2-ethylhexyl acid, isobutyl acrylate, 2-methoxyethyl acrylate, 2-hydroxyethyl acrylate, and ethylene carbonate.
(メタ)メタクリレート系のビニルモノマーとしては、メタアクリル酸、メタアクリル酸メチル、メタクリル酸、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸イソブチル、メタクリル酸ターチャリーブチル、メタクリル酸2−エチルヘキシル、メタクリル酸2−ヒドロキシエチル、メタクリル酸4−ヒドロキシブチル、メタクリル酸2−ヒドロキシプロピル、メタクリル酸シクロヘキシル、メタクリル酸アリル、メタクリル酸イソデシル、メタクリル酸エチルアクリル酸メチル共重合体、メタクリル酸エチル樹脂、メタクリル酸オクタデシル、メタクリル酸ジエチルアミノエチル、メタクリル酸ステアリル、メタクリル酸2,2,3,3−テトラフルオロプロピル、メタクリル酸トリデシル、メタクリル酸グリシジル、メタクリル酸ベルジル、メタクリル酸2−フェノキシメチル、トリメチロールプロパントリメタクリレート、(メタ)アクリル酸イソボニル、ジシクロペンタニルメタクリレート、ジシクロペンテニルオキシエチル(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトール(ペンタ)ヘキサアクリレート、トリプロピレングリコールジアクレリート、ポリエチレングリコールジアクリレートが例示される。 Examples of the (meth) methacrylate vinyl monomer include methacrylic acid, methyl methacrylate, methacrylic acid, methyl methacrylate, ethyl methacrylate, isobutyl methacrylate, tertiary butyl methacrylate, 2-ethylhexyl methacrylate, methacrylic acid 2 -Hydroxyethyl, 4-hydroxybutyl methacrylate, 2-hydroxypropyl methacrylate, cyclohexyl methacrylate, allyl methacrylate, isodecyl methacrylate, ethyl methacrylate methyl methacrylate copolymer, ethyl methacrylate resin, octadecyl methacrylate, methacryl Diethylaminoethyl acid, stearyl methacrylate, 2,2,3,3-tetrafluoropropyl methacrylate, tridecyl methacrylate, glycidyl methacrylate, methacrylate Versyl acid, 2-phenoxymethyl methacrylate, trimethylolpropane trimethacrylate, isobornyl (meth) acrylate, dicyclopentanyl methacrylate, dicyclopentenyloxyethyl (meth) acrylate, dipentaerythritol (penta) hexaacrylate, tripropylene Examples include glycol diacrylate and polyethylene glycol diacrylate.
アクリルアミド誘導体のビニルモノマーとしては、メタクリアミド、アクロイルモホリン、N−イソプロピルアクリルアミド、N,N―ジメリルアクリルアミド、N,N−ジメチルアミノプロピルアクリルアミドが例示される。 Examples of the vinyl monomer of the acrylamide derivative include methacrylamide, acroyl morpholine, N-isopropylacrylamide, N, N-dimethylylacrylamide, and N, N-dimethylaminopropylacrylamide.
その他の不飽和化合物としてのビニルモノマーとしては、イソプレンスルホン酸ソーダ、N−ビニルアセトアミド、N−ビニルホルムアミド、(ポリ)アリルアミン、(ポリ)p−ビニルフェニルが例示される。 Examples of vinyl monomers as other unsaturated compounds include isoprene sulfonic acid soda, N-vinylacetamide, N-vinylformamide, (poly) allylamine, and (poly) p-vinylphenyl.
非ビニル系のモノマーには、多価カルボン酸、多価アルコール、多価アミン含まれ、多価カルボン酸としては、1,4−シクロヘキサンカルボン酸、CIC酸/Bis−CIC酸、2,6−ナフタレンジカルボン酸(ジメチル)が例示される。 Non-vinyl monomers include polyvalent carboxylic acids, polyhydric alcohols, and polyamines. Examples of polyvalent carboxylic acids include 1,4-cyclohexanecarboxylic acid, CIC acid / Bis-CIC acid, 2,6- An example is naphthalenedicarboxylic acid (dimethyl).
多価アルコールとしては、1,4−シクロヘキサンジメタノール、4,4´−ジホドロキシビフェニル、ジメチロールブタン酸、水素化ビスフェノールA、ネオペンチグリコール、1,3−プロパジオールが例示される。 Examples of the polyhydric alcohol include 1,4-cyclohexanedimethanol, 4,4′-dihydroxybiphenyl, dimethylolbutanoic acid, hydrogenated bisphenol A, neopentyglycol, and 1,3-propadiol.
多価アミンとしては、m−キシリレンジアミン、1,4−ジアミノブタン、ノルボルナンジアミン、1,3−ビス(アミノメチル)シクロへサンが例示される。その他の非ビニル系のモノマーには、2,2−ビス(p−シアナトフェニル)プロパンが例示される。 Examples of the polyvalent amine include m-xylylenediamine, 1,4-diaminobutane, norbornanediamine, and 1,3-bis (aminomethyl) cyclohexane. Other non-vinyl monomers include 2,2-bis (p-cyanatophenyl) propane.
分散剤は、分散過程にて分散媒分子をナノ粒子表面に結合させる機能を有すればよく、ナノ粒子と親和性を有する基と分散媒と親和性を有しかつ反応する基とを有する分散剤を好適に使用することができる。分散剤は、予め原料粉に添加、混合した後、分散媒に投入してもよく、分散媒に分散剤を添加、混合した後に原料粉を投入してもよい。このような分散剤は、上述の条件を満たすものであれば、特に限定されるものではないが、例えば付与するべき官能基を有するシランカップリング剤、チタネート系カップリング剤及び有機クロム系カップリング剤を挙げることができる。例えばナノ粒子の分散剤として粒子表面処理のためにカップリング剤を用いるが、カップリング剤に付与すべき官能基がアミノ基の場合、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、N−β−(アミノエチル)−γ−アミノプロピル−トリメトキシシラン、n(ジメトキシメチルシリルプロピル)−エチレンジアミンなどのアミノ基を有するシランカップリング剤、イソプロピルトリ(N−アミドエチル・アミノエチル)チタネートなどのアミノ基を有するチタネート系カップリング剤、クロミッククロリド系化合物などのアミノ基を有する有機クロム系カップリング剤を用いることができる。 The dispersant only needs to have a function of binding the dispersion medium molecules to the surface of the nanoparticles during the dispersion process, and the dispersion has a group having affinity with the nanoparticles and a group having affinity and reaction with the dispersion medium. An agent can be preferably used. The dispersant may be added to and mixed with the raw material powder in advance and then added to the dispersion medium, or the raw material powder may be added after the dispersant is added and mixed with the dispersion medium. Such a dispersant is not particularly limited as long as it satisfies the above-mentioned conditions. For example, a silane coupling agent having a functional group to be imparted, a titanate coupling agent, and an organic chromium coupling. An agent can be mentioned. For example, when a coupling agent is used for particle surface treatment as a nanoparticle dispersant, and the functional group to be imparted to the coupling agent is an amino group, γ-aminopropyltriethoxysilane, N-β- (aminoethyl) ) -Γ-aminopropyl-trimethoxysilane, n (dimethoxymethylsilylpropyl) -silane coupling agent having an amino group such as ethylenediamine, titanate type having an amino group such as isopropyltri (N-amidoethylaminoethyl) titanate An organic chromium coupling agent having an amino group such as a coupling agent or a chromic chloride compound can be used.
その他ビニル系のシランカップリング剤としては、アリルトリクロロシラン、アリルトリエトキシシラン、アリルトリメトキシシラン、ジエトキシメチルビニルシラン、トリクロロビニルシラン、ビニルトリクロルシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリス(2−メトキシエトキシ)シランが例示される。 Other vinyl-based silane coupling agents include allyltrichlorosilane, allyltriethoxysilane, allyltrimethoxysilane, diethoxymethylvinylsilane, trichlorovinylsilane, vinyltrichlorosilane, vinyltrimethoxysilane, vinyltriethoxysilane, vinyltris (2 -Methoxyethoxy) silane is exemplified.
エポキシ系のシランカップリング剤としては、ジエトキシ(グリシディルオキシプロピル)メチルシラン、2−(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、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−ブリシドキシプロピルトリエトキシシランが例示される。スチレン系のシランカップリング剤としては、p−スチリルトリメトキシシランが例示される。 Epoxy-based silane coupling agents include diethoxy (glycidyloxypropyl) methylsilane, 2- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane, 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane, and 3-glycidoxypropylmethyl. Examples include diethoxysilane and 3-bridoxypropyl triethoxysilane. Examples of the styrene-based silane coupling agent include p-styryltrimethoxysilane.
メタクリロキシ系のシランカップリング剤としては、3−メタクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルトリエトキシシランが例示される。アクリロキシ系のシランカップリング剤としては、3−アクリロキシプロピルトリメトキシシランが例示される。 Examples of the methacryloxy-based silane coupling agent include 3-methacryloxypropylmethyldimethoxysilane, 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane, 3-methacryloxypropylmethyldiethoxysilane, and 3-methacryloxypropyltriethoxysilane. . Examples of the acryloxy silane coupling agent include 3-acryloxypropyltrimethoxysilane.
アミノ系のシランカップリング剤としては、N−2(アミノエチル)3−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、N−2(アミノエチル)3−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−2(アミノエチル)3−アミノプロピルトリエトキシシラン、3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−アミノプロピルトリエトキシシラン、3−トリエトキシシリル−N−(1、3−ジメチル−ブチリデン)プロピルアミン、N−フェニル−3−アミノプロピルトリメトキシシランが例示される。 As amino-based silane coupling agents, N-2 (aminoethyl) 3-aminopropylmethyldimethoxysilane, N-2 (aminoethyl) 3-aminopropyltrimethoxysilane, N-2 (aminoethyl) 3-amino Propyltriethoxysilane, 3-aminopropyltrimethoxysilane, 3-aminopropyltriethoxysilane, 3-triethoxysilyl-N- (1,3-dimethyl-butylidene) propylamine, N-phenyl-3-aminopropyltri An example is methoxysilane.
ウレイド系のシランカップリング剤としては、3−ウレイドプロピルトリエトキシシランが例示される。クロロプロピル系のシランカップリング剤としては、3−クロロプロピルトリメトキシシランが例示される。メルカプト系のシランカップリング剤としては、3−メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリメトキンシランが例示される。スルフィド系のシランカップリング剤としては、ビス(トリエトキシシリルプロピル)テトラスルファイドが例示される。イソシアネート系のシランカップリング剤としては、3−イソシアネートプロピルトリエトキシシランが例示される。アルミニウム系カップリング剤としては、アセトアルコキシアルミニウムジイソプロピレートが例示される。 Examples of the ureido silane coupling agent include 3-ureidopropyltriethoxysilane. Examples of the chloropropyl-based silane coupling agent include 3-chloropropyltrimethoxysilane. Examples of mercapto-based silane coupling agents include 3-mercaptopropylmethyldimethoxysilane and 3-mercaptopropyltrimethinesilane. Examples of the sulfide-based silane coupling agent include bis (triethoxysilylpropyl) tetrasulfide. Examples of the isocyanate-based silane coupling agent include 3-isocyanatopropyltriethoxysilane. Examples of the aluminum coupling agent include acetoalkoxyaluminum diisopropylate.
分散剤の原料粉(ナノ粒子)に対する割合は、重量比で0.01〜10.0とすることができる。分散剤の原料粉に対する割合が、重量比で0.01を下回ると分散剤が不足し、ナノ粒子の分散が不十分となる。一方、分散剤の原料粉に対する割合が、重量比で10.0を上回ると逆に粒子の凝集が起こりやすい。分散剤の原料粉に対する重量比が0.5〜3.0であれば好ましい。 The ratio of the dispersant to the raw material powder (nanoparticles) can be 0.01 to 10.0 by weight ratio. When the ratio of the dispersant to the raw material powder is less than 0.01 by weight, the dispersant is insufficient and the dispersion of the nanoparticles becomes insufficient. On the other hand, when the ratio of the dispersant to the raw material powder exceeds 10.0 by weight, the particles tend to aggregate. The weight ratio of the dispersant to the raw material powder is preferably 0.5 to 3.0.
本発明のナノ粒子分散液の製造方法におけるビーズミルの操作条件は、以下の通りである。撹拌粒子には、粒子径が1〜50μmの撹拌粒子が好ましい。粒子径が1μmよりも小さいと、原料粉に対する衝撃力が小さく、分散に時間を要する。一方、撹拌粒子の粒子径が50μmを超えると原料粉に対する衝撃力が大きくなりすぎ、分散された粒子の表面エネルギが増大し再凝集が発生しやすい。さらに撹拌粒子は、十分に研磨したものを使用することが望ましい。研磨不十分な撹拌粒子を使用すると、粒子の解粒、分散に与える影響は殆どないものの、分散液の光透過度を低下させる。本発明に適応可能な撹拌粒子としては、ジルコニア、アルミナ、シリカ、ガラス、炭化珪素、窒化珪素が例示される。 The operating conditions of the bead mill in the method for producing a nanoparticle dispersion of the present invention are as follows. The stirring particles are preferably stirring particles having a particle diameter of 1 to 50 μm. When the particle diameter is smaller than 1 μm, the impact force against the raw material powder is small, and it takes time for dispersion. On the other hand, when the particle diameter of the stirring particles exceeds 50 μm, the impact force against the raw material powder becomes too large, the surface energy of the dispersed particles increases, and reaggregation tends to occur. Further, it is desirable to use the agitated particles that have been sufficiently polished. When stirring particles that are not sufficiently polished are used, the light transmittance of the dispersion liquid is lowered, although there is almost no influence on the pulverization and dispersion of the particles. Examples of the stirring particles applicable to the present invention include zirconia, alumina, silica, glass, silicon carbide, and silicon nitride.
また、原料粉を分散媒に分散させるにはビーズミルのローターの周速を3〜17m/sの速度で撹拌することが好ましい。ビーズミルのローターの周速が3m/sよりも小さいと、原料粉に対する衝撃力が小さく、分散に時間を要する。一方、ビーズミルのローターの周速が17m/sを超えると、原料粉に対する衝撃力が大きくなりすぎ、分散された粒子の表面エネルギが増大し再凝集が発生しやすい。 In order to disperse the raw material powder in the dispersion medium, it is preferable to stir the peripheral speed of the bead mill rotor at a speed of 3 to 17 m / s. If the peripheral speed of the bead mill rotor is less than 3 m / s, the impact force on the raw material powder is small, and dispersion takes time. On the other hand, if the peripheral speed of the rotor of the bead mill exceeds 17 m / s, the impact force on the raw material powder becomes too large, the surface energy of the dispersed particles increases, and reaggregation tends to occur.
上記の方法により、凝集したナノ粒子を一次粒子に分散させる際に、ナノ粒子表面に分散剤とともに分散媒を結合させた表面修飾を行い、分散安定化させることが可能となる。すなわち分散媒にモノマー、ダイマー、トリマー、オリゴマなどポリマーの前駆体を使用すると、これらには重合禁止剤が予め添加され、重合開始剤を添加していないにもかかわらず、ナノ粒子表面に結合した分散剤とモノマー等とが反応する。この反応は、撹拌粒子つまり微小ビーズによりメカノケミカルに行われる。撹拌粒子の衝突・せん断エネルギは大きくないため、ナノ粒子表面での反応がある程度進むと、ナノ粒子表面に結合した分散剤とモノマー等との反応は停止する。この間、ナノ粒子間で表面修飾剤である分散剤同士も重合し、凝集を起こすが、この凝集体は、撹拌粒子の長時間の衝突・せん断作用で分散される。このように分散媒の一部がナノ粒子と反応することで、ナノ粒子同士が近接した状態となっても、分散媒との親和性が保たれるため安定したナノ粒子分散液を製造することができる。 When the aggregated nanoparticles are dispersed in the primary particles by the above method, it is possible to stabilize the dispersion by performing a surface modification in which a dispersion medium is combined with a dispersant on the nanoparticle surface. In other words, when polymer precursors such as monomers, dimers, trimers, and oligomers are used as the dispersion medium, they are pre-added with a polymerization inhibitor and bonded to the nanoparticle surface even though no polymerization initiator is added. The dispersant reacts with the monomer. This reaction is carried out mechanochemically by stirring particles, that is, microbeads. Since the collision / shear energy of the stirring particles is not large, when the reaction on the nanoparticle surface proceeds to some extent, the reaction between the dispersing agent bonded to the nanoparticle surface and the monomer stops. During this time, the dispersants, which are surface modifiers, also polymerize between the nanoparticles and cause aggregation, but the aggregates are dispersed by the long-time collision / shearing action of the stirring particles. In this way, a part of the dispersion medium reacts with the nanoparticles, so that even when the nanoparticles are in close proximity, the affinity with the dispersion medium is maintained, so that a stable nanoparticle dispersion is produced. Can do.
この際、強い凝集性を有する酸化物などナノ粒子のもつ表面特性によっては、ナノ粒子表面とモノマー、ダイマー、トリマー、オリゴマとの重合反応による強い結合が形成されてできたナノ粒子再凝集体については、ビーズミル分散を長時間行うことによっても再分散できないケースが生じること分かった。一般に二酸化ケイ素ナノ粒子は多くの分散系で見られるように、ストラクチャーを形成して安定な分散化が難しいことが知られている。モノマーやオリゴマなどを含む分散媒中でもストラクチャー形成が起り易いと考えられる。実験、検討を重ねた結果、このようなナノ粒子の場合、予めモノマーやオリゴマなどを含む分散媒中へ、モノマーやオリゴマなどの重合反応を禁止させる重合禁止剤を十分に添加することによって、ビーズミル分散中にナノ粒子表面でのモノマーやオリゴマなどの重合反応の開始を抑制し、ナノ粒子を分散させることで、ナノ粒子を十分に分散させることができることが分かった。一方、二酸化ケイ素ナノ粒子であっても、凝集性の弱い二酸化ケイ素ナノ粒子の場合、重合禁止剤を添加することなくモノマーなどに分散させることができる。 At this time, depending on the surface properties of the nanoparticles, such as oxides with strong agglomeration properties, nanoparticle reagglomerates formed by the formation of strong bonds by the polymerization reaction between the nanoparticle surface and monomers, dimers, trimers, and oligomers It was found that there was a case where re-dispersion could not be achieved even by performing bead mill dispersion for a long time. In general, it is known that silicon dioxide nanoparticles are difficult to form and stably disperse as seen in many dispersion systems. It is considered that structure formation is likely to occur even in a dispersion medium containing monomers and oligomers. As a result of repeated experiments and examinations, in the case of such nanoparticles, a bead mill is prepared by sufficiently adding a polymerization inhibitor that inhibits the polymerization reaction of monomers and oligomers into a dispersion medium containing monomers and oligomers in advance. It was found that the nanoparticles can be sufficiently dispersed by suppressing the start of the polymerization reaction of monomers and oligomers on the surface of the nanoparticles during dispersion and dispersing the nanoparticles. On the other hand, even silicon dioxide nanoparticles can be dispersed in a monomer or the like without adding a polymerization inhibitor in the case of silicon dioxide nanoparticles with weak cohesion.
ナノ粒子が強い凝集性を有する二酸化ケイ素の場合、重合禁止剤の添加量は、二酸化ケイ素の全表面積に対応して、二酸化ケイ素1gに対し2×10−4〜1×10−2モルであり、好ましくは、二酸化ケイ素1gに対し3×10−4〜2×10−3モル、より好ましくは、二酸化ケイ素1gに対し4×10−4〜1×10−3モルである。重合禁止剤の添加量をこの範囲とすることで、二酸化ケイ素を十分に分散媒に分散させることができる。ここで重合禁止剤の添加量を二酸化ケイ素の全表面積に対応してと規定するのは次ぎの理由による。重合禁止剤の添加量は、分散する二酸化ケイ素ナノ粒子の全表面積に対して添加すべき必要な量が決まり、モノマーやオリゴマなどに加える重合禁止剤の濃度の規定では、分散させる二酸化ケイ素の粒子径や分散濃度がそれぞれ一定ではないため、限定し難いことによる。ビーズミル運転中に重合をするモノマーやオリゴマなどは、二酸化ケイ素ナノ粒子表面上でのみメカノケミカルな作用によって重合が起るためである。二酸化ケイ素ナノ粒子の全表面積は、二酸化ケイ素ナノ粒子の大きさとモノマーやオリゴマなどへの分散される全重量によって決まってくる。後述の実施例の場合、二酸化ケイ素ナノ粒子の一次粒子径は12nmであり、また、メタクリル酸メチル分子が二酸化ケイ素ナノ粒子表面に付着する際、分子が占有する断面積を50Åと仮定すると、950ppmの濃度、即ち、二酸化ケイ素ナノ粒子1gに対し約8×10−4モルの濃度でモノレイヤー被覆することとなる。その量に対応した重合禁止剤を加えることにより、計算上では二酸化ケイ素ナノ粒子表面でのメタクリル酸メチルの重合反応をほぼ完全に抑制することができる。In the case of silicon dioxide in which the nanoparticles have strong cohesiveness, the addition amount of the polymerization inhibitor is 2 × 10 −4 to 1 × 10 −2 mol per 1 g of silicon dioxide corresponding to the total surface area of silicon dioxide. The amount is preferably 3 × 10 −4 to 2 × 10 −3 mol based on 1 g of silicon dioxide, and more preferably 4 × 10 −4 to 1 × 10 −3 mol based on 1 g of silicon dioxide. By setting the addition amount of the polymerization inhibitor within this range, silicon dioxide can be sufficiently dispersed in the dispersion medium. Here, the reason why the addition amount of the polymerization inhibitor is defined as corresponding to the total surface area of silicon dioxide is as follows. The amount of the polymerization inhibitor added is determined based on the total amount of the surface area of the silicon dioxide nanoparticles to be dispersed, and the concentration of the polymerization inhibitor added to the monomer, oligomer, etc. This is because the diameter and the dispersion concentration are not constant and are difficult to limit. This is because the monomers and oligomers that polymerize during the bead mill operation are polymerized by mechanochemical action only on the surface of the silicon dioxide nanoparticles. The total surface area of the silicon dioxide nanoparticles is determined by the size of the silicon dioxide nanoparticles and the total weight dispersed in the monomer or oligomer. In the case of the examples described later, the primary particle diameter of the silicon dioxide nanoparticles is 12 nm, and when the methyl methacrylate molecules adhere to the silicon dioxide nanoparticle surface, assuming that the cross-sectional area occupied by the molecules is 50 mm, 950 ppm That is, the monolayer coating is performed at a concentration of about 8 × 10 −4 mol per 1 g of silicon dioxide nanoparticles. By adding a polymerization inhibitor corresponding to the amount, the polymerization reaction of methyl methacrylate on the surface of the silicon dioxide nanoparticles can be almost completely suppressed in calculation.
重合禁止剤としては、メタクリル酸メチルなどのビニル系モノマーやそれらのダイマー、トリマー、オリゴマに対しては、ニトロソアミン系では、N−ニトロソフェニールヒドロキシアミンやN−ニトロソフェニールヒドロキシアミンアルミニウム塩、また、ヒドロキシキノン系ではヒドロキシキノンや2、5−ビス(1,1,3,3テトラメチルブチル)ヒドロキノンなどが例示される。 As a polymerization inhibitor, for vinyl monomers such as methyl methacrylate and dimers, trimers and oligomers thereof, for nitrosamines, N-nitrosophenylhydroxyamine, N-nitrosophenylhydroxyamine aluminum salt, and hydroxy Examples of the quinone type include hydroxyquinone and 2,5-bis (1,1,3,3 tetramethylbutyl) hydroquinone.
上記の本発明のナノ粒子分散液の製造方法は、図1に示すナノ粒子分散液製造装置1を用いて短時間に効率的に製造することができる。図1は、本発明の実施の一形態としてのナノ粒子分散液製造装置1の概略的構成を示す図である。ナノ粒子分散液製造装置1は、流通系のナノ粒子分散液製造装置1であって、分散機であるビーズミル2と、ビーズミル2に原料スラリーを供給する原料スラリー供給ポンプ3、原料スラリーを調整する原料スラリータンク4、分散液中の粒子の粒子径を測定する粒度分布測定装置5、及び粒度分布測定装置5で測定された粒子径データを処理するデータ処理装置6を主に構成される。
The method for producing a nanoparticle dispersion liquid of the present invention can be efficiently produced in a short time using the nanoparticle dispersion
ビーズミル2は、冷却用のジャケット11を取付けたステータ12と、上部に遠心分離方式のビーズセパレータ13を有し、その下部にビーズを撹拌するためのローターピン14を同軸上に有するローター15、ローター15を駆動するモータ7を含み構成される。ローター15とステータ12とは軸封16によりシールされ、機内が密閉化されている。ビーズミル2は、このほかローターピン14とビーズセパレータ13とがそれぞれ独立して駆動されるタイプ、ビーズセパレータがビーズ分離とビーズ撹拌を兼用するタイプのもであってもよい。ビーズミル2の形状は特に限定されないけれども、表1に示す形状のものを好適に使用することができる。表1は、ステータ内径を1.0とし、各部の長さを示したものである。表1においてタイプAは、ローターピンとビーズミルセパレータとが同軸上に取付けられているビーズミル、タイプBは、ローターピンとビーズミルセパレータとがそれぞれ独立して駆動されるビーズミル、タイプCは、ビーズセパレータがビーズ分離とビーズ撹拌を兼用するタイプのビーズミルである。
原料スラリータンク4は、撹拌機18を備え、原料スラリー供給ポンプ3は、原料スラリー(分散液)を定量的にビーズミル2へ供給する。ビーズミル2に供給された原料スラリーは、ステータ12内で撹拌粒子と衝突し、凝集した原料粉は分散される。ビーズセパレータ13により撹拌粒子が分離された原料スラリーは、戻りライン19を通じて原料スラリータンク4へ戻る。
The raw material slurry tank 4 includes a
上記の構成は、従来からある流通系のナノ粒子分散液製造装置の構成と類似する。本実施形態に示すナノ粒子分散液製造装置1は、原料スラリーの戻りライン19に分岐を設け、原料スラリー(分散液)中の粒子の粒子径を測定可能な粒度分布測定装置5を設けた点に特徴がある。これにより、連続的に又は断続的に原料スラリー中の粒子径を測定することができる。さらに本実施形態では、粒度分布測定装置5で測定された粒子径データを処理するデータ処理装置6を備えるので所望のデータを出力することができる。
The above configuration is similar to the configuration of a conventional distribution-type nanoparticle dispersion production apparatus. The nanoparticle
凝集した粒子を分散媒中で分散させるには、微細な撹拌粒子を分離可能なビーズミルを用いて、所定の大きさの撹拌粒子を所定の速度で原料粉に衝突させることが必要なことは既に述べた通りである。適切なビーズミルを適切な操作条件で操作することで、微細なナノ粒子が分散した分散液を得ることはできるけれども、効率的に分散性のよいナノ粒子分散液を得るには、分散した粒子の再凝集、モノマーなどポリマーの前駆体を分散媒に使用した場合にあっては、分散媒の反応に伴う粒子の凝集に留意する必要がある。 In order to disperse the agglomerated particles in the dispersion medium, it has already been necessary to use a bead mill capable of separating fine stirring particles to cause the stirring particles of a predetermined size to collide with the raw material powder at a predetermined speed. As stated. Although it is possible to obtain a dispersion in which fine nanoparticles are dispersed by operating an appropriate bead mill under appropriate operating conditions, in order to obtain a nanoparticle dispersion with good dispersibility efficiently, When a polymer precursor such as re-agglomeration or monomer is used as a dispersion medium, it is necessary to pay attention to the aggregation of particles accompanying the reaction of the dispersion medium.
後述の実施例4からもわかるように、大略的には分散液中の粒子の平均粒子径は時間経過ととも小さくなる。平均粒子径の減少速度は、粒子径が大きい段階では比較的大きく、平均粒子径が粒子の一次粒子径に近づくに従って小さくなる。また後述の実施例3からも分かるように、分散粒子の平均粒子径、特に90%通過粒子径が、粒子の一次粒子径とほぼ同じ値になった後もさらに分散操作を継続すると、分散粒子の平均粒子径、90%通過粒子径とも逆に増大する。これは、分散粒子の再凝集、又はモノマーの反応に伴う分散粒子の凝集によるものと推察される。これらのことから、微細なナノ粒子分散液を得るには、分散操作時間を単純に長くすればよいと言うものではなく、適当な時間に分散操作を終了することが重要なことがわかる。しかしながら、最適な分散時間は、対象する原料粉の性状、大きさ、分散媒の種類、分散剤の種類と濃度、目標とする分散粒子の粒子径、ビーズミルの操作条件などによって異なるため、最適な分散時間を把握することは容易ではない。さらに分散媒にモノマーなど反応しやすい物質を使用する場合は、モノマーの反応に伴う分散粒子の凝集も発生するため、分散時間が平均粒子径に与える影響は大きい。 As can be seen from Example 4 to be described later, the average particle diameter of the particles in the dispersion generally decreases with time. The reduction rate of the average particle size is relatively large when the particle size is large, and decreases as the average particle size approaches the primary particle size of the particles. Further, as can be seen from Example 3 described later, when the dispersion operation is continued even after the average particle diameter of the dispersed particles, in particular, the 90% passing particle diameter is substantially the same as the primary particle diameter of the particles, On the contrary, the average particle diameter and the 90% passing particle diameter increase. This is presumably due to the reaggregation of the dispersed particles or the aggregation of the dispersed particles accompanying the monomer reaction. From these, it can be seen that in order to obtain a fine nanoparticle dispersion, it is not necessary to simply increase the dispersion operation time, but it is important to complete the dispersion operation at an appropriate time. However, the optimum dispersion time varies depending on the properties and size of the target raw material powder, the type of dispersion medium, the type and concentration of the dispersant, the target dispersed particle size, the bead mill operating conditions, etc. It is not easy to grasp the dispersion time. In addition, when a substance that easily reacts, such as a monomer, is used as the dispersion medium, the dispersion particles are agglomerated due to the reaction of the monomer, so that the influence of the dispersion time on the average particle size is large.
本実施形態に示すナノ粒子分散液製造装置1は、従来の分散装置と異なり、原料スラリー(分散液)中の粒子の粒子径を測定可能な粒度分布測定装置5を備えるので、連続的に又は断続的に原料スラリー(分散液)中の粒子径を測定することができる。連続的に又は断続的に原料スラリー(分散液)中の粒子径を測定することで、分散粒子の粒子径の動きを把握することが可能となり、分散した粒子が再凝集する前に分散操作を終了することができる。これにより微細な粒子が分散した分散液を短時間内に得ることができる。分散液中の粒子の平均粒子径が一次粒子径に近づくと、平均粒子径の値は殆ど変化しなくなるが、90%通過粒子径は比較的大きく変化するので、90%通過粒子径を分散操作の終点の判断に好適に使用することができる。
Unlike the conventional dispersion apparatus, the nanoparticle dispersion
またナノ粒子分散液製造装置1は、粒度分布測定装置5で測定された粒子径データを処理するデータ処理装置6を備えるのでこれを用いて、分散粒子の平均粒子径、90%通過粒子径の減少速度を算出することができる。これにより、例えば分散粒子の平均粒子径、又は90%通過粒子径の減少速度が所定の値となった時点を分散操作の終了とすることで、ナノ粒子分散液を効率的に製造することができる。分散粒子の平均粒子径、90%通過粒子径は、粒子の凝集、粒度分布測定装置5の測定精度などの点からばらつきが生じることは避けがたい。このため分散操作の終点を、分散粒子の平均粒子径、又は90%通過粒子径が所定の値となったときとすると、データのばらつきにより所望の分散粒子を得ることが出来ない場合もあるが、平均粒子径又は90%通過粒子径の減少速度を算出し、この値から分散操作の終点を判断することで、データのばらつきによる品質のばらつきを防止することができる。データ処理装置6には、コンピュータを使用することが可能であり、計算手順をプログラミングし予めインストールしておくことで簡単に所定のデータを得ることができる。
Moreover, since the nanoparticle dispersion
本実施形態では、オンラインで原料スラリー(分散液)中の分散粒子の粒子径を測定し分散操作の終点を判断する方法を示したけれども、分散操作の終点を決定するために測定する値は、粒子径に限定されるものではない。一般的に、粒子を分散媒に分散させた分散液の光透過度は、分散粒子の粒子径で大きく異なる。予め分散液中の粒子の粒子径と分散液の光透過度との関係を把握しておくことで、分散液の光透過度を測定しこれに基づき分散操作の終点を決定することもできる。さらに粒子の分散状態によって分散液の粘度も異なるため、予め分散液中の粒子の粒子径と分散液の粘度との関係を測定し、分散液の粘度に基づき分散操作の終点を決定することもできる。 In the present embodiment, the method of measuring the particle diameter of the dispersed particles in the raw slurry (dispersion liquid) online and determining the end point of the dispersion operation is shown online, but the value measured to determine the end point of the dispersion operation is It is not limited to the particle size. In general, the light transmittance of a dispersion in which particles are dispersed in a dispersion medium varies greatly depending on the particle diameter of the dispersed particles. By grasping the relationship between the particle diameter of the particles in the dispersion and the light transmittance of the dispersion in advance, the light transmittance of the dispersion can be measured, and the end point of the dispersion operation can be determined based on this. Furthermore, since the viscosity of the dispersion varies depending on the dispersion state of the particles, the relationship between the particle diameter of the particles in the dispersion and the viscosity of the dispersion can be measured in advance, and the end point of the dispersion operation can be determined based on the viscosity of the dispersion. it can.
同様に、分散液中の分散粒子の粒子径、又は分散液の粘度が変化すると、ビーズミルのローターの駆動動力も異なるので、駆動モータ7の電流、又は電力を電流計または電力計で測定し、この値から分散操作の終点を決定することもできる。また撹拌動力は撹拌トルクと回転数を乗ずることでも算出することができので、撹拌トルクを測定してもよい。このほか、分散液中の分散粒子の平均粒子径と所定の関係が成立する分散液の物性値、又は物理量を測定し、これに基づき分散操作の終点を決定してもよい。この分散液の物性値、物理量は、精度の点から変化の大きいものであることが望ましい。さらにこれらの値が簡単にまた短時間に測定できるものであればより好ましい。上記実施形態では、流通系のナノ粒子分散液製造装置を示したけれども、回分式のナノ粒子分散液製造装置であってもよい。さらに平均粒子径の測定も必ずしもオンラインでなくてもよい。 Similarly, when the particle size of the dispersed particles in the dispersion liquid or the viscosity of the dispersion liquid changes, the driving power of the rotor of the bead mill also changes, so the current or power of the driving motor 7 is measured with an ammeter or wattmeter, The end point of the dispersion operation can also be determined from this value. Further, since the stirring power can be calculated by multiplying the stirring torque and the rotation speed, the stirring torque may be measured. In addition, the physical property value or physical quantity of the dispersion liquid having a predetermined relationship with the average particle diameter of the dispersed particles in the dispersion liquid may be measured, and the end point of the dispersion operation may be determined based on this. It is desirable that the physical property values and physical quantities of the dispersion liquid have large changes from the viewpoint of accuracy. Furthermore, it is more preferable if these values can be measured easily and in a short time. In the above embodiment, a flow-through nanoparticle dispersion production apparatus is shown, but a batch-type nanoparticle dispersion production apparatus may be used. Furthermore, the measurement of the average particle size is not necessarily online.
ポリマーの前駆体であるモノマー、オリゴマなどを分散媒とするナノ粒子が均一分散したナノ粒子分散液は、温度を上昇させるなど既知の方法を用いて重合させ、ナノコンポジット材を得ることができる。ナノ粒子が均一分散したナノコンポジット材は、ナノ粒子を含まないポリマーに比較して、優れた特性を示すことが多い。例えばポリメタクリル酸メチルに酸化チタンを均一分散させたナノコンポジット材は、透明であり、紫外線吸収力を有することから、これで容器を製造すれば、従来アルミ箔又はアルミ蒸着により紫外線をカットしていた容器に換わり、内容物を視認することが可能でかつ紫外線をカットした容器とすることができる。もちろん、ナノ粒子分散液を透明な容器にコーティングし、その後重合させることで、ナノコンポジット材をコーティングした容器とすることもできる。さらに、ナノコンポジット材で透明フィルムを製造し、これを利用することもできる。この他、ナノ粒子が均一分散したナノコンポジット材は、難燃性、耐熱性が上昇する。さらに耐溶剤性、ガスバリア性に優れた材料として本発明のナノコンポジット材を使用することができる。 A nanoparticle dispersion in which nanoparticles having a polymer precursor such as a monomer or an oligomer as a dispersion medium are uniformly dispersed can be polymerized using a known method such as raising the temperature to obtain a nanocomposite material. Nanocomposite materials in which nanoparticles are uniformly dispersed often exhibit superior properties compared to polymers that do not contain nanoparticles. For example, a nanocomposite material in which titanium oxide is uniformly dispersed in polymethyl methacrylate is transparent and has an ability to absorb ultraviolet rays. Therefore, if a container is manufactured with this, ultraviolet rays are conventionally cut by aluminum foil or aluminum vapor deposition. In place of the container, the contents can be visually confirmed, and the container can be made to have ultraviolet rays cut. Of course, the nanoparticle dispersion can be coated on a transparent container and then polymerized to form a container coated with the nanocomposite material. Furthermore, a transparent film can be manufactured with a nanocomposite material and used. In addition, the nanocomposite material in which the nanoparticles are uniformly dispersed has increased flame resistance and heat resistance. Furthermore, the nanocomposite material of the present invention can be used as a material excellent in solvent resistance and gas barrier properties.
容器、透明フィルム以外の用途としては、自動車用材料、化粧品、光学材料などとしての利用が考えられる。自動車用材料としては、機械的強度が強い、透明である、耐溶剤性に優れる、軽い、耐熱性に優れるなどの点を活かし、窓ガラスの代替品、ヘッドライトのカバーなどに利用することができる。また酸化チタンの紫外線遮断性を活かしサンルーフ材としても利用することができる。また、傷に強い仕上げ塗装としても利用することができる。化粧品としては、紫外線遮断性、透明性、耐溶剤性などを活かしガラス球の代わりに樹脂球として利用することができる。また、光学材料としては、機械的強度が強い、透明である、高屈折率又は低屈折率特性を活かし、ガラスに代わるレンズ、反射防止膜機能を備えるディスプレイとして利用することができる。 Uses other than containers and transparent films can be used as materials for automobiles, cosmetics, optical materials, and the like. As a material for automobiles, it can be used for window glass substitutes, headlight covers, etc., taking advantage of its strong mechanical strength, transparency, excellent solvent resistance, light weight, and excellent heat resistance. it can. Further, it can be used as a sunroof material by taking advantage of the ultraviolet blocking property of titanium oxide. It can also be used as a finish paint that is resistant to scratches. Cosmetics can be used as resin spheres instead of glass spheres, taking advantage of UV blocking properties, transparency and solvent resistance. In addition, as an optical material, it can be used as a lens having a high mechanical strength, transparent, a high refractive index or a low refractive index characteristic, a lens replacing glass, and a display having an antireflection film function.
実施例1
実験は次の要領で行った。分散機には、弊社開発の内容積が0.2Lのビーズミル(寿工業株式会社製UAM−02)を使用した。実験装置20の基本的構成を図2に示す。実験装置20の基本的構成は、図1に示すナノ粒子分散液製造装置1と同じであるが、オンラインで原料スラリー(分散液)中の粒子の粒子径を測定可能な粒度分布測定装置5を設けておらず、原料スラリー(分散液)中の粒子の粒子径の測定は、オフラインで行った。図1と同一の部材には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。原料スラリータンク4は、冷却のためのジャケット(図示を省略)を備える。撹拌粒子には、粒子径0.03mmの球形のジルコニア粒子を使用し、ビーズミルへの投入量は0.5kg(約0.13L)とした。またローターの周速は8m/sとした。Example 1
The experiment was performed as follows. As the disperser, a bead mill (UAM-02 manufactured by Kotobuki Industries Co., Ltd.) having an internal volume of 0.2 L developed by us was used. A basic configuration of the
実験は次の要領で行った。原料粉に酸化チタン粉末(日本エアロジル製NTK90)、分散媒にメタクリル酸メチルを使用し、4.0gの原料粉、186gの分散媒、14.0gの分散剤を原料スラリータンク4に投入し、撹拌混合し原料スラリーの調整を行った。ビーズミル2内には予め210gの分散媒を張込み、原料スラリー供給ポンプ3で10kg/hの割合で原料スラリーをビーズミル2に供給し、ビーズミル2内で原料粉の分散を行い、ビーズミルを通過したスラリー溶液は、戻りライン19を通じて原料スラリータンク4に戻した。この循環運転を150分間行った。固形分濃度(分散媒中の原料粉濃度)は1.0重量%である。また、分散剤の原料粉に対する重量比は、3.5である。途中、経時的に分散液をサンプリングし、分散粒子の粒度分布を測定した。日本エアロジル製NTK90は、一次粒子径が10nmで、アルキルシラン表面処理済である。分散剤には、オルガノシラン(信越化学製:KBM−5103)を使用した。また粒度分布測定装置には、日機装株式会社製マイクロトラックUPA150、大塚電子株式会社製FPAR−1000を使用した。
The experiment was performed as follows. Titanium oxide powder (NTK90 manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd.) is used as a raw material powder, methyl methacrylate is used as a dispersion medium, 4.0 g of raw material powder, 186 g of a dispersion medium, and 14.0 g of a dispersant are charged into the raw material slurry tank 4, The raw material slurry was adjusted by stirring and mixing. In the bead mill 2, 210 g of a dispersion medium was put in advance, the raw material slurry was supplied to the bead mill 2 at a rate of 10 kg / h by the raw material
実験の結果、分散液中の分散粒子の平均粒子径は、分散時間とともに減少し、分散操作終了後の平均粒子径(メディアン径)は、19.8nm、90%通過粒子径は33.0nmであった。分散液を目視観察したところ、時間経過とともに透明性は増し、150分では完全に透明化した。分散時間105分以降の分散液は、一日静置後も透明で、かつ粒子の沈殿は見られなかった。 As a result of the experiment, the average particle diameter of the dispersed particles in the dispersion decreased with the dispersion time, the average particle diameter (median diameter) after the dispersion operation was 19.8 nm, and the 90% passing particle diameter was 33.0 nm. there were. When the dispersion was visually observed, the transparency increased with time, and it became completely transparent after 150 minutes. The dispersion after the dispersion time of 105 minutes was transparent after standing for one day and no precipitation of particles was observed.
実施例2
実験装置は、実施例1と同一である。また分散機の操作条件も実施例1と同一である。使用した原料など実験条件も基本的に実施例1と同じである。添加した分散剤の量は、12.0gで分散剤の原料粉に対する重量比は、3.0である。さらに分散時間を180分とした。Example 2
The experimental apparatus is the same as in Example 1. The operating conditions of the dispersing machine are the same as those in the first embodiment. Experimental conditions such as raw materials used are basically the same as those in Example 1. The amount of the added dispersant is 12.0 g, and the weight ratio of the dispersant to the raw material powder is 3.0. Further, the dispersion time was 180 minutes.
実験の結果、分散操作終了後の平均粒子径(メディアン径)は、11.5nm、90%通過粒子径は18.6nmであった。また粒子径分布も図3に示すようにシャープであった。分散液を目視観察したところ、時間経過とともに透明性は増し、150分では完全に透明化した。分散時間90分以降の分散液は、一日静置後も透明で、かつ粒子の沈殿は見られなかった。 As a result of the experiment, the average particle diameter (median diameter) after the dispersion operation was 11.5 nm, and the 90% passing particle diameter was 18.6 nm. The particle size distribution was also sharp as shown in FIG. When the dispersion was visually observed, the transparency increased with time, and it became completely transparent after 150 minutes. The dispersion having a dispersion time of 90 minutes or more was transparent after standing for one day and no precipitation of particles was observed.
実施例3
実験装置の構成は、図1に示す構成と同じであるが、分散機に弊社開発の内容積が0.15Lのビーズミル(寿工業株式会社製αPMill−015)を使用した。撹拌粒子のビーズミルへの投入量が0.4kg(約0.108L)であること以外は、分散機の操作条件は実施例1と同一である。使用した原料など実験条件は、分散剤の原料粉に対する重量比が2.0であること、分散時間が360分であることを除き、実施例1と同一である。Example 3
The configuration of the experimental apparatus is the same as the configuration shown in FIG. The operating conditions of the disperser are the same as in Example 1 except that the amount of the stirred particles charged into the bead mill is 0.4 kg (about 0.108 L). The experimental conditions such as the raw materials used were the same as in Example 1 except that the weight ratio of the dispersant to the raw material powder was 2.0 and the dispersion time was 360 minutes.
実験の結果、分散液中の分散粒子の平均粒子径は、分散時間とともに減少し、分散操作300分の時点で平均粒子径(メディアン径)、90%通過粒子径は最小の値を示した。このときの平均粒子径(メディアン径)は11.8nm、90%通過粒子径は15.2nmであった。その後は分散操作時間ともに平均粒子径(メディアン径)、90%通過粒子径が増加し、分散操作終了時点(分散時間360分)での平均粒子径は、16.0nm、90%通過粒子径は61.0nmであった。分散液を目視観察したところ、時間経過とともに透明性は増し、180分以降透明化した。分散時間180分以降の分散液は、一日静置後も透明で、かつ粒子の沈殿は見られなかった。以降、分散過程での最小粒子径を到達粒子径と記す。
As a result of the experiment, the average particle diameter of the dispersed particles in the dispersion decreased with the dispersion time, and the average particle diameter (median diameter) and 90% passing particle diameter showed the minimum value at the time of
実施例4
分散剤の原料粉に対する重量比が3.0であること、分散時間が240分であることを除き、他の条件は、実施例3と同一である。Example 4
Other conditions are the same as in Example 3 except that the weight ratio of the dispersant to the raw material powder is 3.0 and the dispersion time is 240 minutes.
表2に分散液中の分散粒子の平均粒子径、90%通過粒子径の一次粒子径に対する比を示す。平均粒子径(メディアン径)及び90%通過粒子径とも、分散時間経過に従い減少した。平均粒子径、90%通過粒子とも、粒子径が小さくなると減少速度が低下した。平均粒子径は、分散時間120分で一次粒子径の約1.3倍であり、分散時間240分で1.0倍であり、分散時間120分以降の粒子径の減少速度は小さかった。一方、90%通過粒子径は、分散時間120分で一次粒子径の約7.4倍であり、分散時間240分で約1.3倍であり、平均粒子径に比較して減少速度は大きかった。
分散時間240分の粒子径を実施例3の結果と対比すると、実施例3では、平均粒子径(メディアン径)が12.1nm、90%通過粒子径が44.1nmであるに対し、実施例4では、平均粒子径(メディアン径)が10.0nm、90%通過粒子径が12.6nmと粒子径が小さかった。分散液を目視観察したところ、時間経過とともに透明性は増し、150分以降透明化した。分散時間150分以降の分散液は、一日静置後も透明で、かつ粒子の沈殿は見られなかった。 When the particle size with a dispersion time of 240 minutes is compared with the results of Example 3, in Example 3, the average particle size (median diameter) is 12.1 nm and the 90% passing particle size is 44.1 nm. In No. 4, the average particle diameter (median diameter) was 10.0 nm, the 90% passing particle diameter was 12.6 nm, and the particle diameter was small. When the dispersion was visually observed, the transparency increased with time and became transparent after 150 minutes. The dispersion after the dispersion time of 150 minutes was transparent even after standing for one day, and no precipitation of particles was observed.
実施例5
固形分濃度が5重量%であること、最終的な分散時間が660分であることを除き、他の条件は、実施例3と同一である。Example 5
The other conditions are the same as in Example 3 except that the solid content concentration is 5% by weight and the final dispersion time is 660 minutes.
実験の結果、分散操作終了後の平均粒子径(メディアン径)は、15.7nm、90重量%通過時の粒子径は26.8nmであった。分散操作540分の時点の平均粒子径(メディアン径)は、10.2nmであり、分散時間540分以降、平均粒子径が大きくなった。分散液を目視観察したところ、時間経過とともに透明性は増し、240分以降透明化した。 As a result of the experiment, the average particle diameter (median diameter) after completion of the dispersion operation was 15.7 nm, and the particle diameter when passing through 90% by weight was 26.8 nm. The average particle diameter (median diameter) at the time of the dispersion operation of 540 minutes was 10.2 nm, and the average particle diameter became large after the dispersion time of 540 minutes. When the dispersion was visually observed, the transparency increased with time and became transparent after 240 minutes.
実施例6
原料粉には、テイカ製の酸化チタン(MT150A、表面処理なし)を使用した。また最終的な分散時間を240分とした。その他の条件は、実施例3と同一である。ここでは、分散液の光透過度も併せて測定した。光透過度は、株式会社日立テクノロジーズ製U―2810を使用して行った。Example 6
As the raw material powder, titanium oxide (MT150A, no surface treatment) manufactured by Teika was used. The final dispersion time was 240 minutes. Other conditions are the same as those in Example 3. Here, the light transmittance of the dispersion was also measured. The light transmittance was measured using U-2810 manufactured by Hitachi Technologies, Ltd.
実験の結果、分散時間経過とともに粒子径は減少し、分散操作終了後の平均粒子径(メディアン径)は、12.5nm、90重量%通過時の粒子径は20.1nmであった。分散液を目視観察したところ、時間経過とともに透明性は増し、120分以降透明化した。また分散時間120分以降の分散液は、一日静置後も透明で、かつ粒子の沈殿は見られなかった。図4に光透過度の測定結果を示した。光透過度は、紫外線領域(〜380nm)を吸収し、分散時間の経過と共に可視光領域(380nm〜)が透過するようになった。つまり透明性が増し紫外線を選択的に吸収することができた。 As a result of the experiment, the particle diameter decreased with the lapse of the dispersion time, the average particle diameter (median diameter) after completion of the dispersion operation was 12.5 nm, and the particle diameter when passing through 90% by weight was 20.1 nm. When the dispersion was visually observed, the transparency increased with time and became transparent after 120 minutes. In addition, the dispersion after the dispersion time of 120 minutes was transparent after standing for one day, and no precipitation of particles was observed. FIG. 4 shows the measurement results of light transmittance. The light transmittance absorbed the ultraviolet region (up to 380 nm), and the visible light region (from 380 nm) transmitted through the dispersion time. That is, the transparency was increased and the ultraviolet rays could be selectively absorbed.
実施例7〜10
分散媒の添加量の影響を調べるため次の要領で実験を行った。ビーズミル、実験装置20は実施例3と同じであり、分散時間は異なるものの基本的な実験要領も実施例3と同じである。分散剤の添加量は、原料粉に対する重量比で1.0,0.5,0.1,0.01の4種類とした。Examples 7-10
In order to investigate the influence of the added amount of the dispersion medium, an experiment was conducted as follows. The bead mill and the
実験の結果、到達粒子径D50は、分散剤の添加量が原料粉に対する重量比で1.0,0.01で、各々11.5nm、12.5nmであり、分散剤の原料粉に対する添加割合0.01〜1.0(重量比)の範囲でほぼ同じ大きさとなった。この値は、原料粉に対する分散剤の添加割合(重量比)が2.0,3.0である実施例3及び実施例4の到達粒子径D50の値ともほぼ同じであった。また到達粒子径D90の値も、18.7〜19.9nmの範囲にあり、分散剤の添加量の影響は見られなかった。一方で、到達粒子径に到達する時間は、分散剤の添加量が少ないほど長くなった。到達粒子径に到達するために必要な時間は、原料粉に対する分散剤の添加割合(重量比)が0.01の場合、添加割合(重量比)が2.0の場合の約2倍の時間を要した。 As a result of the experiment, the reached particle diameter D50 is 1.0 and 0.01 in terms of the weight ratio of the dispersant to the raw material powder, 11.5 nm and 12.5 nm, respectively, and the addition ratio of the dispersant to the raw material powder It became substantially the same size in the range of 0.01 to 1.0 (weight ratio). This value was substantially the same as the value of the reached particle diameter D50 of Example 3 and Example 4 in which the addition ratio (weight ratio) of the dispersant to the raw material powder was 2.0, 3.0. Further, the value of the reached particle diameter D90 was also in the range of 18.7 to 19.9 nm, and the influence of the added amount of the dispersant was not observed. On the other hand, the time to reach the ultimate particle size was longer as the amount of dispersant added was smaller. The time required to reach the reached particle diameter is about twice as long as the addition ratio (weight ratio) of the dispersant to the raw material powder is 0.01 when the addition ratio (weight ratio) is 2.0. Cost.
実施例11〜14
固形分濃度の影響を調べるため次の要領で実験を行った。ビーズミル、実験装置20は実施例3と同じであり、分散時間は異なるものの基本的な実験要領も実施例3と同じである。固形分濃度は、10.0,20.0,30.0,40.0重量%の4種類とした。なお、分散剤の原料粉に対する添加割合は、重量比で1.0とした。Examples 11-14
In order to investigate the influence of the solid content concentration, an experiment was conducted as follows. The bead mill and the
実験の結果、到達粒子径D50は、固形分濃度10重量%、40重量%で各々13.5nm、12.8nmであり、固形分濃度10〜40重量%の範囲でほぼ同じ大きさとなった。また到達粒子径D90の値も、20.1〜22.5の範囲にあり、固形分濃度の影響は見られなかった。一方で、到達粒子径に到達する時間は、固形分濃度10重量%、40重量%で各々700分、1700分であり、固形分濃度が高いほど長くなった。 As a result of the experiment, the reached particle diameter D50 was 13.5 nm and 12.8 nm at a solid content concentration of 10% by weight and 40% by weight, respectively, and was almost the same in the range of the solid content concentration of 10 to 40% by weight. Further, the value of the reached particle diameter D90 was also in the range of 20.1 to 22.5, and the influence of the solid content concentration was not observed. On the other hand, the time to reach the ultimate particle size was 700 minutes and 1700 minutes, respectively, at a solid content concentration of 10% by weight and 40% by weight, and became longer as the solid content concentration was higher.
比較例1
分散剤を添加しなかった以外、他の条件は、実施例2と同一の条件である。実験の結果、到達粒子径は、平均粒子径(メディアン径)で、358.3nm、90%通過粒子径で644.3nmであった。また目視観察の結果、分散液は白濁しており粒子は分散していなかった。Comparative Example 1
Other conditions were the same as those in Example 2 except that the dispersant was not added. As a result of the experiment, the reached particle diameter was 358.3 nm as an average particle diameter (median diameter) and 644.3 nm as a 90% passing particle diameter. As a result of visual observation, the dispersion was cloudy and the particles were not dispersed.
比較例2
分散剤の原料粉に対する添加量が重量比で0.003であること、分散時間が180分であることを除き、他の条件は、実施例3と同一である。実験の結果、到達粒子径は、平均粒子径(メディアン径)で、164.1nm、90%通過粒子径で272.7nmであった。また目視観察の結果、分散液は白濁しており粒子は分散していなかった。Comparative Example 2
Other conditions are the same as those in Example 3 except that the amount of the dispersant added to the raw material powder is 0.003 by weight and the dispersion time is 180 minutes. As a result of the experiment, the reached particle diameter was 164.1 nm as an average particle diameter (median diameter) and 272.7 nm as a 90% passing particle diameter. As a result of visual observation, the dispersion was cloudy and the particles were not dispersed.
比較例3
分散剤の原料粉に対する添加割合が重量比で0.005であること、分散時間が180分であることを除き、他の条件は、実施例3と同一である。実験の結果、到達粒子径は、平均粒子径(メディアン径)で139.0nm、90%通過粒子径で308.9nmであった。また目視観察の結果、分散液は白濁しており粒子は分散していなかった。Comparative Example 3
The other conditions are the same as in Example 3 except that the addition ratio of the dispersant to the raw material powder is 0.005 by weight and the dispersion time is 180 minutes. As a result of the experiment, the average particle diameter (median diameter) was 139.0 nm, and the 90% passing particle diameter was 308.9 nm. As a result of visual observation, the dispersion was cloudy and the particles were not dispersed.
表3に実施例1〜14及び比較例1〜3の実験条件、結果を示した。
実施例15〜実施例23
撹拌粒子の大きさの影響、ローター周速の影響を調べるため次の要領で実験を行った。ビーズミル、実験装置20は実施例1と同じであり、基本的な実験要領も実施例1と同じである。撹拌粒子には、粒子径0.015、0.03、0.05mmの球形のジルコニア粒子を使用し、ビーズミルへの投入量は0.5kg(約0.13L)とした。またローターの周速は8、10、12m/sの3種類とした。原料粉に酸化チタン粉末(テイカ株式会社製MT100−AQ:一次粒子径15nm)、分散媒にメタクリル酸メチルを使用し、固形分濃度は1重量%とした。分散剤には、オルガノシラン(信越化学製:KBM−5103)を使用し、分散剤の原料粉に対する添加量を重量比で1.0とした。Examples 15 to 23
In order to investigate the influence of the size of the stirring particles and the peripheral speed of the rotor, an experiment was conducted as follows. The bead mill and the
結果を表4、図5に示した。なお表4、図5には後述の比較例4〜9の結果も合わせて記載した。到達粒子径D50は、ローター周速が遅いほど小さく、撹拌粒子径が小さいほど分散時間は延びたが小さくなった。ローター周速8m/s、撹拌粒子径0.015mmで到達粒子径は14.7nmであった。
比較例4〜9
撹拌粒子の大きさを0.1mm、0.3mmとした以外は、実施例15〜実施例23と同じ条件である。撹拌粒子0.1mmを使用すると、ローター周速を8m/sとしても、到達粒子径は、58.4nmであった。また撹拌粒子0.3mmを使用すると、ローター周速を8m/sとしても、到達粒子径は147.4nmであった。Comparative Examples 4-9
The conditions are the same as those of Examples 15 to 23 except that the size of the stirring particles is 0.1 mm and 0.3 mm. When stirring particles of 0.1 mm were used, the ultimate particle diameter was 58.4 nm even when the rotor peripheral speed was 8 m / s. When 0.3 mm of stirring particles was used, the ultimate particle diameter was 147.4 nm even when the rotor peripheral speed was 8 m / s.
実施例24
原料粉にシリカを使用し、次の要領で実験を行った。実験装置、分散機の操作条件などは基本的に実施例3と同一である。撹拌粒子には、粒子径0.015mmの球形のジルコニア粒子を使用し、ローター周速は12m/s、スラリー循環量は13kg/hとした。原料粉には、日本アエロジル社製RX300、ヘキサメチルジシラザン処理、一次粒子径7nmの粉末状二酸化ケイ素ナノ粒子を使用した。分散媒にメタクリル酸メチルを使用し、固形分濃度は、4.0重量%とした。分散剤には、オルガノシラン(信越化学製:KBM−5103)を使用し、分散剤の原料粉に対する重量比は、2.0とした。Example 24
Silica was used as the raw material powder, and the experiment was conducted as follows. The experimental apparatus, the operating conditions of the disperser, etc. are basically the same as in Example 3. As stirring particles, spherical zirconia particles having a particle diameter of 0.015 mm were used, the rotor peripheral speed was 12 m / s, and the slurry circulation rate was 13 kg / h. As the raw material powder, RX300 manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd., hexamethyldisilazane treatment, powdered silicon dioxide nanoparticles with a primary particle diameter of 7 nm were used. Methyl methacrylate was used as the dispersion medium, and the solid content concentration was 4.0% by weight. Organosilane (manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd .: KBM-5103) was used as the dispersant, and the weight ratio of the dispersant to the raw material powder was 2.0.
実験の結果、粒子径は分散処理時間と共に小さくなり、分散時間660分で到達粒子径D50は、33.6nm、到達粒子径D90は53.9nmであった。図6に粒子径分布測定結果を示した。図7に、分光光度計にて分散時間660分の分散液の光透過度を測定した結果を示した。 As a result of the experiment, the particle diameter became smaller with the dispersion treatment time. At the dispersion time of 660 minutes, the reached particle diameter D50 was 33.6 nm, and the reached particle diameter D90 was 53.9 nm. FIG. 6 shows the particle size distribution measurement results. FIG. 7 shows the result of measuring the light transmittance of the dispersion with a dispersion time of 660 minutes using a spectrophotometer.
比較例10
分散剤を加えなかった以外、実施例24と同一の条件で実験を行った。実験の結果、900分間分散処理を行っても粒子は分散することなく、到達粒子径D50は、135405nm、到達粒子径D90は383229nmであった。Comparative Example 10
The experiment was performed under the same conditions as in Example 24 except that no dispersant was added. As a result of the experiment, the particles were not dispersed even when the dispersion treatment was performed for 900 minutes, the reaching particle diameter D50 was 135405 nm, and the reaching particle diameter D90 was 383229 nm.
実施例25〜実施例37
凝集性の強いナノ粒子の分散実験を以下の要領で行った。実験装置、分散機の操作条件などは基本的に実施例3と同一であるが、スラリー調製の段階に分散剤を加えたメタクリル酸メチル溶液にさらに重合禁止剤を加えた点が異なる。原料粉には、日本アエロジル社製R7200、一次粒子径12nmの粉末状二酸化ケイ素ナノ粒子を使用した。この原料粉は、表面がメタクリル酸メチルと親和性のあるメタクリロシランで処理されている凝集性の強い粉末粒子ある。分散媒にメタクリル酸メチルを使用し、固形分濃度は、2.0重量%とした。分散剤には、オルガノシラン(信越化学製:KBM−5103)を使用し、分散剤の原料粉に対する重量比は、2.0とした。また、メタクリ酸メチル中に添加する重合禁止剤にはヒドロキノン(関東化学製特級試薬)を用いた。その分子量は110である。ヒドロキノンはメタクリ酸メチルに対して250ppmから2000ppm添加した。即ち、二酸化ケイ素ナノ粒子1gに対しては、それぞれ2.2×10−4モル〜1.8×10−3モルに相当する量である。なお、ここで言う重合禁止剤の添加量には、元々試薬に含まれている数ppmの重合禁止剤の量は含まておらず、新たに添加した重合禁止剤の量を言う。撹拌粒子には、粒子径0.015mm及び0.03mmの球形のジルコニア粒子を使用し、ローター周速は6m/s及び8m/sとした。Example 25 to Example 37
The dispersion experiment of the highly cohesive nanoparticles was performed as follows. The operating conditions of the experimental apparatus and the disperser are basically the same as in Example 3, except that a polymerization inhibitor is further added to the methyl methacrylate solution to which the dispersant has been added in the slurry preparation stage. As the raw material powder, R7200 manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd. and powdered silicon dioxide nanoparticles with a primary particle size of 12 nm were used. This raw material powder is a highly cohesive powder particle whose surface is treated with methacrylosilane having an affinity for methyl methacrylate. Methyl methacrylate was used as the dispersion medium, and the solid content concentration was 2.0% by weight. Organosilane (manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd .: KBM-5103) was used as the dispersant, and the weight ratio of the dispersant to the raw material powder was 2.0. In addition, hydroquinone (special grade reagent manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) was used as a polymerization inhibitor added to methyl methacrylate. Its molecular weight is 110. Hydroquinone was added at 250 ppm to 2000 ppm with respect to methyl methacrylate. That is, it is an amount corresponding to 2.2 × 10 −4 mol to 1.8 × 10 −3 mol for 1 g of silicon dioxide nanoparticles. The amount of polymerization inhibitor added here does not include the amount of several ppm of polymerization inhibitor originally contained in the reagent, but refers to the amount of newly added polymerization inhibitor. As the stirring particles, spherical zirconia particles having a particle diameter of 0.015 mm and 0.03 mm were used, and the rotor peripheral speed was 6 m / s and 8 m / s.
比較例11〜13
重合禁止剤の添加量をメタクリ酸メチルに対して0ppmから125ppmとした。即ち、二酸化ケイ素ナノ粒子1gに対しては、それぞれ0モル〜1.1×10−4モルに相当する量である。さらに100μmの撹拌粒子を使用したケースでは、重合禁止剤の添加量をメタクリ酸メチルに対して1000ppmとした。撹拌粒子には、粒子径15μm、30μmのほか100μmのジルコニア粒子を使用し、ローター周速は、6m/s、8m/s、10m/sとした。他の条件は、実施例25〜実施例37と同一である。なお、ここで言う重合禁止剤の添加量には、元々試薬に含まれている数ppmの重合禁止剤の量は含まておらず、新たに添加した重合禁止剤の量を言う。Comparative Examples 11-13
The addition amount of the polymerization inhibitor was changed from 0 ppm to 125 ppm with respect to methyl methacrylate. That is, the amount corresponds to 0 mol to 1.1 × 10 −4 mol for 1 g of silicon dioxide nanoparticles. Further, in the case where 100 μm stirring particles were used, the addition amount of the polymerization inhibitor was 1000 ppm with respect to methyl methacrylate. As stirring particles, zirconia particles having a particle diameter of 15 μm and 30 μm and 100 μm were used, and the rotor peripheral speed was 6 m / s, 8 m / s, and 10 m / s. The other conditions are the same as those in Example 25 to Example 37. The amount of polymerization inhibitor added here does not include the amount of several ppm of polymerization inhibitor originally contained in the reagent, but refers to the amount of newly added polymerization inhibitor.
結果を表5に示した。実験の結果、二酸化ケイ素ナノ粒子の分散可能な分散条件は、メタクリ酸メチル中へ重合禁止剤であるヒドロキノンを加える必要があり、粒子径15μmの撹拌粒子を用い、ローター周速を6m/s及び8m/sとする条件では、重合禁止剤をメタクリ酸メチルに対して250ppm以上添加する必要があった。また粒子径30μmの撹拌粒子を用い、ローター周速を6m/s及び8m/sとする条件では、重合禁止剤の添加量は、メタクリ酸メチルに対して250ppm以上、好ましくは375ppm以上必要であった。この条件下では、到達粒子径は、26〜87nmであり、十分に分散したナノ粒子が得られた。これに対し、重合禁止剤がメタクリ酸メチルに対して0〜125ppmでは、到達粒子径は、836〜1093nmであった。さらに、撹拌粒子の粒子径を100μmとし、ローター周速を10m/sとすると、重合禁止剤がメタクリ酸メチルに対して1000pmと重合禁止剤が十分に存在していても、到達粒子径は約992nmであり、ナノ粒子の分散が不十分であった。
実施例38
分散剤の種類を換え、次の要領で実験を行った。実験装置、分散機の操作条件などは基本的に実施例3と同一である。原料粉に酸化チタン粉末(テイカ製MT150A:一次粒子径15nm)、分散媒にメタクリル酸メチルを使用し、固形分濃度は、1.0重量%とした。分散剤には、3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン(信越化学製KBM−503)を使用し、分散剤の原料粉に対する重量比は、2.0とした。Example 38
The experiment was conducted in the following manner by changing the type of the dispersant. The experimental apparatus, the operating conditions of the disperser, etc. are basically the same as in Example 3. Titanium oxide powder (MT150A manufactured by Taika:
実験の結果、粒子径は分散時間120分でナノサイズまで分散でき、分散時間180分で最小となり到達粒子径D50は、11.7nm、到達粒子径D90は13.9nmであった。分散液を目視観察したところ、分散時間経過とともに透明性は増し、120分では完全に透明化した。分散時間120分以降の分散液は、一日静置後も透明で、かつ粒子の沈殿は見られなかった。 As a result of the experiment, the particle size was able to be dispersed to a nano size with a dispersion time of 120 minutes, and became the minimum with a dispersion time of 180 minutes. The ultimate particle size D50 was 11.7 nm, and the ultimate particle size D90 was 13.9 nm. When the dispersion was visually observed, the transparency increased with the lapse of the dispersion time, and it became completely transparent in 120 minutes. The dispersion after the dispersion time of 120 minutes was transparent after standing for one day, and no precipitation of particles was observed.
実施例39
分散剤にメチルトリメトキシシラン(信越化学製KBM−13)を使用した以外、他の実験条件は、実施例38と同一である。実験の結果、粒子径は分散時間300分で到達粒子径D50が、10.8nm、到達粒子径D90は16.2nmであった。分散液を目視観察したところ、分散時間経過とともに透明性は増し、300分では完全に透明化した。分散時間300分以降の分散液は、一日静置後も透明で、かつ粒子の沈殿は見られなかった。Example 39
The other experimental conditions were the same as in Example 38, except that methyltrimethoxysilane (KBM-13 manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) was used as the dispersant. As a result of the experiment, the particle size was a dispersion time of 300 minutes, the ultimate particle size D50 was 10.8 nm, and the ultimate particle size D90 was 16.2 nm. When the dispersion was visually observed, the transparency increased with the lapse of the dispersion time, and it became completely transparent after 300 minutes. The dispersion after the dispersion time of 300 minutes was transparent even after standing for one day, and no precipitation of particles was observed.
実施例40
分散剤にヘキシルトリメトキシシラン(信越化学製KBM−3063)を使用した以外、他の実験条件は、実施例38と同一である。実験の結果、粒子径は分散時間360分で到達粒子径D50が、10.8nm、到達粒子径D90は16.3nmであった。分散液を目視観察したところ、分散時間経過とともに透明性は増し、360分では完全に透明化した。分散時間360分以降の分散液は、一日静置後も透明で、かつ粒子の沈殿は見られなかった。Example 40
Other experimental conditions were the same as in Example 38, except that hexyltrimethoxysilane (KBM-3063 manufactured by Shin-Etsu Chemical) was used as the dispersant. As a result of the experiment, the particle size was a dispersion time of 360 minutes, the ultimate particle size D50 was 10.8 nm, and the ultimate particle size D90 was 16.3 nm. When the dispersion was visually observed, the transparency increased with the lapse of the dispersion time, and it became completely transparent at 360 minutes. The dispersion after the dispersion time of 360 minutes was transparent even after standing for one day, and no precipitation of particles was observed.
実施例41
分散剤にジメチルジメトキシシラン(信越化学製KBM−22)を使用した以外、他の実験条件は、実施例38と同一である。実験の結果、粒子径は分散時間300分で到達粒子径D50が、11.0nm、到達粒子径D90は15.8nmであった。分散液を目視観察したところ、分散時間経過とともに透明性は増し、300分では完全に透明化した。分散時間300分以降の分散液は、一日静置後も透明で、かつ粒子の沈殿は見られなかった。Example 41
Other experimental conditions were the same as in Example 38, except that dimethyldimethoxysilane (KBE-22 manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) was used as the dispersant. As a result of the experiment, the particle diameter was a dispersion time of 300 minutes, the ultimate particle diameter D50 was 11.0 nm, and the ultimate particle diameter D90 was 15.8 nm. When the dispersion was visually observed, the transparency increased with the lapse of the dispersion time, and it became completely transparent after 300 minutes. The dispersion after the dispersion time of 300 minutes was transparent even after standing for one day, and no precipitation of particles was observed.
実施例38から実施例41の結果を表6に示した。
実施例42
分散媒にスチレンモノマーを使用した。実験装置、分散条件は実施例38と同一である。原料粉に酸化チタン粉末(テイカ製MT150A:一次粒子径15nm)を使用し、固形分濃度は、1.0重量%とした。分散剤には、スチレン系のカップリング剤である信越化学製KBM−1403を使用し、分散剤の原料粉に対する重量比は、2.0とした。実験の結果、粒子径は分散時間240分で到達粒子径D50が、9.8nm、到達粒子径D90は13.0nmであった。粒子径分布の測定結果を図8に示した。分散液を目視観察したところ、分散時間経過とともに透明性は増し、120分から透明性が見られ、240分でよりクリアになった。また120分以降の分散液は、一日放置後も透明であった。図9は、分光光度計にて、分散時間240分の分散液の光透過度を測定した結果である。酸化チタンの効果により、紫外線領域は透過率が0となった。Example 42
Styrene monomer was used as a dispersion medium. The experimental apparatus and dispersion conditions are the same as in Example 38. Titanium oxide powder (Taika MT150A:
実施例43
以下の要領でナノコンポジット材の製造を行った。実施例2の分散時間180分の分散液を使用した。このときの分散液中の固形分濃度は1重量%、平均粒子径(メディアン径)は11.5nmであった。この分散液に重合開始剤であるアゾビスイソブチロニトリル(AIBN、大塚化学株式会社)を0.1重量%添加し、均一に混合した。このサンプルをディスポカップ(材質PP)に仕込んだ。このときの液の深さは約3mmであった。真空乾燥器内を十分に窒素ガスで置換した後、サンプルの入ったディスポカップを真空乾燥器に入れ、真空乾燥器へ窒素ガスを供給しながら温度60℃、圧力0.01MPaの状態でサンプルを3時間保持した。3時間後サンプルは、透明な状態で固化していた。固化したサンプルを10.5ポイントの大きさの文字を印刷した印刷物の上に置き、サンプルを介して文字を確認したところ、非常に鮮明に文字を読取ることができた。Example 43
The nanocomposite material was manufactured as follows. The dispersion liquid of Example 2 with a dispersion time of 180 minutes was used. The solid content concentration in the dispersion at this time was 1% by weight, and the average particle size (median size) was 11.5 nm. 0.1 wt% of azobisisobutyronitrile (AIBN, Otsuka Chemical Co., Ltd.), which is a polymerization initiator, was added to this dispersion and mixed uniformly. This sample was charged into a disposable cup (material PP). The depth of the liquid at this time was about 3 mm. After fully replacing the inside of the vacuum dryer with nitrogen gas, place the disposable cup containing the sample in the vacuum dryer, and supply the nitrogen gas to the vacuum dryer while the sample is at a temperature of 60 ° C and a pressure of 0.01 MPa. Hold for 3 hours. After 3 hours, the sample had solidified in a transparent state. The solidified sample was placed on a printed matter on which characters of 10.5 points were printed, and when the characters were confirmed through the sample, the characters could be read very clearly.
耐溶剤性評価試験
酸化チタン/PMMA(ポリメタクリル酸メチル)ナノコンポジット材の耐溶剤性を次の要領で測定した。なお、比較例として同じ要領でPMMAポリマーを製造した。酸化チタン/PMMAナノコンポジット材の製造条件は、次の通りである。固形分濃度は1重量%、5重量%、10重量%の3種類、分散剤にはKBM−5103を使用し、分散剤の原料粉に対する割合は、重量比で2.0である。ナノ分散液の製造方法、ナノコンポジット材の製造方法は、基本的に実施例38及び実施例43と同一である。Solvent Resistance Evaluation Test The solvent resistance of the titanium oxide / PMMA (polymethyl methacrylate) nanocomposite material was measured as follows. A PMMA polymer was produced in the same manner as a comparative example. The production conditions of the titanium oxide / PMMA nanocomposite material are as follows. Three solid content concentrations of 1% by weight, 5% by weight, and 10% by weight are used, and KBM-5103 is used as the dispersant, and the ratio of the dispersant to the raw material powder is 2.0 by weight. The method for producing the nano-dispersion and the method for producing the nanocomposite material are basically the same as in Example 38 and Example 43.
溶剤には、アセトン、メタノール(MeOH)、ジメチルホルムアミド(DMF)、テトラヒドロフラン(THF)、トルエンを使用した。酸化チタン/PMMAナノコンポジット材及びPMMAポリマーの破片500mgを秤量し、上記5種類の各々の有機溶剤100mlの入ったガラス容器に投入し、溶剤による浸漬を調べるため、室温下で24時間放置した。24時間経過後、破片サンプルを観察すると、一部が溶解するもの(×)、ゲル化するもの(×、△あるいは○)、殆ど変化しないものに分類された。酸化チタン/PMMAナノコンポジット材及びPMMAポリマーの溶剤による浸漬による重量増加分は、サンプルを取り出した後、サンプルに付着した溶剤を化学実験で一般的によく使用される紙ウエスで拭取り、サンプルの重量を調べることで求めた。 As the solvent, acetone, methanol (MeOH), dimethylformamide (DMF), tetrahydrofuran (THF), and toluene were used. 500 mg of titanium oxide / PMMA nanocomposite material and PMMA polymer fragments were weighed and placed in a glass container containing 100 ml of each of the above five organic solvents, and left for 24 hours at room temperature in order to examine immersion by the solvent. When the debris samples were observed after the lapse of 24 hours, they were classified into those in which some were dissolved (×), those that gelled (×, Δ, or ◯), and those that hardly changed. The weight increase due to the immersion of the titanium oxide / PMMA nanocomposite material and the PMMA polymer with the solvent was determined by wiping off the solvent adhering to the sample with a paper waste generally used in chemical experiments. It was determined by examining the weight.
結果を表7に示した。表7の判定の記号のうち、二重丸は全く変化せず良好な状態、丸は一部膨潤するものの良好な状態、三角は膨潤する状態、バツは一部溶解又はゲル化し不良な状態を示す。酸化チタン/PMMAナノコンポジット材は、一部膨潤するものの溶解することなく安定であった。酸化チタン含有率が10重量%のナノコンポジット材は、特に安定であることが確認された。一方、PMMAポリマーは、メタノール以外の有機溶剤には不安定であった。酸化チタンナノコンポジット材では、単官能のアクリル基をもつモノマーからの反応でナノ粒子表面が架橋点を形成し、強い3次元ネットワークを形成することがこの耐溶剤性から確認される。
Claims (19)
該ビーズミルにローター、ステータ及び遠心分離により撹拌粒子であるビーズを分離するビーズ分離機構を備えるビーズミルを使用し、該ビーズに粒子径が1〜50μmの超微小ビーズを使用し、該反応性溶媒は、下記の(A)群から選ばれた1以上の物質を含む分散媒であり、分散過程にて該分散媒分子を該ナノ粒子表面に結合させるための分散剤を添加し、該ビーズミルにて該反応性溶媒中で該ナノ粒子の表面修飾と凝集したナノ粒子を100nm以下一次粒子の大きさまで均一分散させることを特徴とするナノ粒子分散液の製造方法。
(A)モノマー、ダイマー、トリマー、オリゴマA method for producing a nanoparticle dispersion for the purpose of producing a polymer composite material containing nanoparticles having a particle size of 100 nm or less and uniformly dispersing the nanoparticles directly in a reactive solvent that is a precursor of the polymer using a bead mill Because
A bead mill having a rotor, a stator, and a bead separation mechanism that separates beads as stirring particles by centrifugation is used for the bead mill, ultra-fine beads having a particle diameter of 1 to 50 μm are used for the beads, and the reactive solvent Is a dispersion medium containing one or more substances selected from the following group (A), and a dispersant for binding the dispersion medium molecules to the surface of the nanoparticles in the dispersion process is added to the bead mill. Then, the nanoparticle dispersion is characterized in that the surface modification of the nanoparticles and the aggregated nanoparticles are uniformly dispersed in the reactive solvent to the size of primary particles of 100 nm or less.
(A) Monomer, dimer, trimer, oligomer
さらに該二酸化ケイ素の全表面積に対応して、該二酸化ケイ素1gに対し2×10−4〜1×10−2モルの重合禁止剤を前記反応性溶媒に添加し、前記ビーズミルにて前記反応性溶媒中でナノ粒子の表面修飾と凝集したナノ粒子を100nm以下一次粒子の大きさまで均一分散させることを特徴とする請求項1に記載のナノ粒子分散液の製造方法。The nanoparticles are highly cohesive silicon dioxide,
Furthermore, 2 × 10 −4 to 1 × 10 −2 mol of a polymerization inhibitor is added to the reactive solvent with respect to 1 g of the silicon dioxide corresponding to the total surface area of the silicon dioxide, and the reactivity is measured by the bead mill. The method for producing a nanoparticle dispersion liquid according to claim 1, wherein the nanoparticles modified with the surface modification of the nanoparticles in a solvent are uniformly dispersed to a size of primary particles of 100 nm or less.
粒子径が1〜50μmの撹拌粒子と、
少なくとも粒子の粒度分布測定手段、分散液の粘度測定手段、該ビーズミルの撹拌トルク測定手段、該ビーズミルの撹拌動力測定手段、及び分散液の光透過度測定手段のいずれか1の手段と、
を含むことを特徴とするナノ粒子分散液製造装置。A bead mill including a rotor, a stator, and a bead separation mechanism for separating beads as stirring particles by centrifugation;
Stirring particles having a particle size of 1 to 50 μm;
At least one of particle size distribution measuring means, dispersion viscosity measuring means, bead mill stirring torque measuring means, bead mill stirring power measuring means, and dispersion light transmittance measuring means;
The nanoparticle dispersion liquid manufacturing apparatus characterized by including.
該原料調整装置と前記ビーズミルとに連結し、分散液を圧送するポンプと、
を含むことを特徴とする請求項14に記載のナノ粒子分散液製造装置。Furthermore, a raw material adjusting device disposed outside the bead mill,
A pump connected to the raw material adjusting device and the bead mill and pumping the dispersion;
The nanoparticle dispersion liquid production apparatus according to claim 14, comprising:
を含むことを特徴とする請求項14に記載のナノ粒子分散液製造装置。Further, at least one of the particle size distribution measuring means for the particles, the viscosity measuring means for the dispersion, the stirring torque measuring means for the beads mill, the stirring power measuring means for the beads mill, and the light transmittance measuring means for the dispersion. Data processing means capable of calculating the amount of change per hour of the measured value measured by the means;
The nanoparticle dispersion liquid production apparatus according to claim 14, comprising:
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