JP2017171509A - Method for producing mesoporous silica nanoparticle - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、メソポーラスシリカナノ粒子の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing mesoporous silica nanoparticles.
様々な物質を吸着、貯蔵等するための材料として、細孔直径が2〜50nm程度のメソサイズの細孔(メソ孔)を有するメソポーラスシリカナノ粒子が注目されており、従来より、様々な製造方法が検討されている。 As a material for adsorbing and storing various substances, mesoporous silica nanoparticles having meso-sized pores (mesopores) having a pore diameter of about 2 to 50 nm have been attracting attention. It is being considered.
例えば、非特許文献1(Dengke Shen et al., “Biphase Stratification Approach to Three-Dimensional Dendritic Biodegradable Mesoporous Silica Nanospheres”, NANO LETTERS, American Chemical Society,2014年1月27日発行, Volume 14, Issue 2, pp. 923-932)においては、1−オクタデセン、デカヒドロナフタレン、シクロヘキセン等の疎水性の有機溶媒を溶媒としたテトラエトキシシラン(TEOS)の溶液からなる上層と、テンプレートとしてのカチオン性のセチルトリメチルアンモニウムクロリドと触媒としてのトリエタノールアミンとを含む水溶液からなる下層の二層の界面を利用し、自己組織化(self-assembly)によりメソポーラスシリカナノ粒子を形成する方法が開示されている。 For example, Non-Patent Document 1 (Dengke Shen et al., “Biphase Stratification Approach to Three-Dimensional Dendritic Biodegradable Mesoporous Silica Nanospheres”, NANO LETTERS, American Chemical Society, published January 27, 2014, Volume 14, Issue 2, pp. 923-932), an upper layer composed of a solution of tetraethoxysilane (TEOS) using a hydrophobic organic solvent such as 1-octadecene, decahydronaphthalene, cyclohexene as a solvent, and cationic cetyltrimethylammonium as a template. A method of forming mesoporous silica nanoparticles by self-assembly using a lower layer interface composed of an aqueous solution containing chloride and triethanolamine as a catalyst is disclosed.
しかしながら、このような非特許文献1に記載の方法においては、上層に、1−オクタデセン、デカヒドロナフタレン、シクロヘキセン等の疎水性の有機溶媒を利用したテトラエトキシシランの溶液(疎水性の有機溶媒により希釈されたシラン原料:なお、上記非特許文献1中の表1を参照すると5〜20容量%に希釈されている。)を利用しており、有機溶媒を利用せずにメソポーラスシリカナノ粒子を形成することについては特に記載がない。なお、このような有機溶媒を利用する方法においては、メソポーラスシリカナノ粒子の製造後において、有機溶媒の除去工程(有機溶媒の分離、回収、廃棄等)が必要であり、経済性や効率性の点で必ずしも十分なものではなかった。 However, in such a method described in Non-Patent Document 1, a solution of tetraethoxysilane using a hydrophobic organic solvent such as 1-octadecene, decahydronaphthalene, cyclohexene or the like in the upper layer (with a hydrophobic organic solvent). Diluted silane raw material: In addition, referring to Table 1 in the above Non-Patent Document 1, it is diluted to 5 to 20% by volume.), And mesoporous silica nanoparticles are formed without using an organic solvent. There is no particular description about what to do. In addition, in the method using such an organic solvent, after the production of mesoporous silica nanoparticles, an organic solvent removal step (separation, recovery, disposal, etc. of the organic solvent) is required, which is economical and efficient. It was not always enough.
本発明は、前記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、有機溶媒を利用せずにメソポーラスシリカナノ粒子を製造することができ、有機溶媒の除去工程を不要とすることが可能なメソポーラスシリカナノ粒子の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, can produce mesoporous silica nanoparticles without using an organic solvent, and can eliminate the need for a step of removing the organic solvent. It aims at providing the manufacturing method of a silica nanoparticle.
本発明者らは、前記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、界面活性剤と加水分解触媒とを含む水溶液の水面に、テトラアルコキシシランからなる無希釈のシリカ原料を浮かべた状態で、該シリカ原料を加水分解せしめ、該水溶液中においてメソポーラスシリカナノ粒子を生成させることにより、有機溶媒を利用せずにメソポーラスシリカナノ粒子を製造することができ、有機溶媒の除去工程を不要とすることが可能となることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have floated an undiluted silica raw material composed of tetraalkoxysilane on the water surface of an aqueous solution containing a surfactant and a hydrolysis catalyst. By hydrolyzing the silica raw material and generating mesoporous silica nanoparticles in the aqueous solution, mesoporous silica nanoparticles can be produced without using an organic solvent, and the organic solvent removal step can be eliminated. As a result, the present invention has been completed.
すなわち、本発明のメソポーラスシリカナノ粒子の製造方法は、界面活性剤と加水分解触媒とを含む水溶液の水面に、テトラアルコキシシランからなる無希釈のシリカ原料を浮かべた状態で、該シリカ原料を加水分解せしめ、該水溶液中においてメソポーラスシリカナノ粒子を生成させることを特徴とする方法である。 That is, the method for producing mesoporous silica nanoparticles of the present invention hydrolyzes a silica raw material in a state where an undiluted silica raw material made of tetraalkoxysilane is floated on the water surface of an aqueous solution containing a surfactant and a hydrolysis catalyst. It is a method characterized by forming mesoporous silica nanoparticles in the aqueous solution.
上記本発明のメソポーラスシリカナノ粒子の製造方法においては、前記テトラアルコキシシランの炭素数が8〜16であることが好ましい。 In the method for producing mesoporous silica nanoparticles of the present invention, the tetraalkoxysilane preferably has 8 to 16 carbon atoms.
さらに、上記本発明のメソポーラスシリカナノ粒子の製造方法においては、前記メソポーラスシリカナノ粒子を生成する際の温度条件が20〜95℃であることが好ましい。 Furthermore, in the method for producing mesoporous silica nanoparticles of the present invention, it is preferable that the temperature condition for producing the mesoporous silica nanoparticles is 20 to 95 ° C.
なお、上記本発明のメソポーラスシリカナノ粒子の製造方法によれば、有機溶媒を利用せずにメソポーラスシリカナノ粒子を製造することができ、有機溶媒の除去工程を不要とすることが可能となるばかりか、水面の面積に対する水溶液の量が一定である場合に、反応時間と、得られるナノ粒子の平均粒子径との関係を一義的な数式で求めることが可能であり、反応時間に対するナノ粒子の平均粒子径の拡張の程度を容易に予測でき、目的の大きさとなるように反応時間を制御することで、ナノ粒子の平均粒子径の拡張の程度(自己組織化による粒子の成長の程度)を制御することも可能となる。このような効果が達成される理由は必ずしも定かではないが、本発明者らは以下のように推察する(なお、この点、以下、図面(図1に示す模式図)を参照しながら簡単に説明する。)。 In addition, according to the method for producing mesoporous silica nanoparticles of the present invention, mesoporous silica nanoparticles can be produced without using an organic solvent, and it becomes possible to eliminate the step of removing the organic solvent. When the amount of aqueous solution with respect to the area of the water surface is constant, the relationship between the reaction time and the average particle diameter of the obtained nanoparticles can be determined by a unique mathematical formula, and the average particle of the nanoparticles with respect to the reaction time The degree of expansion of the average particle diameter of the nanoparticles (the degree of particle growth by self-organization) is controlled by controlling the reaction time so that the degree of diameter expansion can be easily predicted and the target size is achieved. It is also possible. The reason why such an effect is achieved is not necessarily clear, but the present inventors speculate as follows (Note that this point will be simply described below with reference to the drawing (schematic diagram shown in FIG. 1)). explain.).
図1は、反応容器1中にシリカ原料2が水溶液3の水面に浮かんでいる状態を模式的に示す図面である。なお、図1中の記号Iは上層(シリカ原料2からなる層)と下層(水溶液3からなる層)の界面を概念的に示すものであり、矢印Aは上層から下層に加水分解されたシリカ原料が導入(添加)される状態(浸透していく状態)を概念的に示すもの、すなわち、加水分解されたシリカ原料が導入される方向を概念的に示すものである。本発明においては、界面活性剤と加水分解触媒とを含む水溶液3の水面に、テトラアルコキシシランからなる無希釈のシリカ原料2を浮かべた状態で、シリカ原料を加水分解せしめる。なお、ここにいう「無希釈のシリカ原料」とは、実質的に有機溶媒により希釈されていないものであってテトラアルコキシシランを90質量%以上含有するもの(例えば、テトラアルコキシシランの原液等)をいう。このように有機溶媒を用いずにテトラアルコキシシランを利用することで、反応液の組成を単純化すると同時に水面と接触するシリカ原料の量の定量的な制御が可能となり、反応速度をより低く抑えることが可能となる。また、このようなテトラアルコキシランは、加水分解される前の段階では水に不溶な液体である。本発明においては、このようなテトラアルコキシシランを無希釈の状態で水面に浮かべて、水溶液3の層と、シリカ原料2の層の界面Iにおいて、水に接触しているテトラアルコキシシランを加水分解する(相分離状態でシリカ原料を加水分解反応せしめる)。このようにして界面Iにおいてテトラアルコキシシランが加水分解されると、加水分解によりシラノール基が生じ、水溶液3中に加水分解されたシリカ原料が浸透していき、加水分解されたシリカ原料が水溶液3中に供給されることとなる(図中の矢印A参照)。なお、本発明においては、上述のように、原料として、反応が比較的ゆっくりと進む無希釈の状態のテトラアルコキシシランを利用しているため、加水分解の反応速度をより低く抑えられ、水溶液3中へのシラン原料(加水分解後の原料)の浸透は、無希釈のシラン原料の層2と水溶液3との界面Iを通じて、ゆっくりと起こる。また、このような加水分解反応は、水との界面Iにおいて生じる反応であるため、水面の面積に比例して一定速度で進行するものと推察され、シリカ原料の水溶液3中への供給はほぼ一定の速度で進行するものと考えられる。一方、水溶液3中では、加水分解されたシリカ原料と界面活性剤との複合化が生じて複合体が形成される(特に加水分解されたシリカ原料からシリカの核が形成された後、シリカ骨格が成長する段階で複合化するものと考えられる)。そして、そのような複合体において、加水分解により生じたシラノール基同士が逐次縮合していくことで自己組織化的にシリカ(ケイ素酸化物)の粒子が成長する。このように、シリカの粒子が成長する際(シリカが形成されていく際)に、前記界面活性剤が存在している部分では、シリカ(ケイ素酸化物)が生成されることがない。このようにして、水溶液3中の界面活性剤が細孔のテンプレートとして機能して、孔の部分に前記界面活性剤が導入されてなるシリカ粒子4が形成されることとなる。また、このような粒子4の成長は、水溶液3中のシリカ原料の量(濃度)に比例することは明らかであることから、水面の面積に対する水溶液の量が一定である場合には、反応時間と得られるナノ粒子4の粒子径の成長の程度(平均粒子径の大きさの程度)が比例し、反応時間と平均粒子径との関係を一義的な数式で求めることも可能である。このように、本発明においては、反応時間と得られるナノ粒子の平均粒子径との関係を一義的に求めることが可能である。そのため、本発明においては、反応時間に対するナノ粒子4の平均粒子径の拡張の程度を容易に予測でき、目的の大きさとなるように反応時間を制御することで、ナノ粒子4の平均粒子径の拡張の程度(自己組織化による粒子の成長の程度)を制御しながらナノ粒子を合成することも可能であるものと本発明者らは推察する。なお、本発明においては、上述のようにして反応が進行するため反応系に有機溶媒を利用する必要がないばかりか、目的の設計に応じて、使用する溶媒(水)の量も少量とすることが可能である。 FIG. 1 is a drawing schematically showing a state in which a silica raw material 2 floats on the water surface of an aqueous solution 3 in a reaction vessel 1. In addition, the symbol I in FIG. 1 conceptually shows the interface between the upper layer (layer consisting of silica raw material 2) and the lower layer (layer consisting of aqueous solution 3), and arrow A is silica hydrolyzed from the upper layer to the lower layer. It conceptually shows the state in which the raw material is introduced (added) (the state of permeation), that is, the direction in which the hydrolyzed silica raw material is introduced. In this invention, a silica raw material is hydrolyzed in the state which floated the undiluted silica raw material 2 which consists of tetraalkoxysilane on the water surface of the aqueous solution 3 containing surfactant and a hydrolysis catalyst. The “undiluted silica raw material” as used herein is substantially not diluted with an organic solvent and contains 90% by mass or more of tetraalkoxysilane (for example, a tetraalkoxysilane stock solution). Say. By using tetraalkoxysilane without using an organic solvent in this way, the composition of the reaction solution is simplified, and at the same time, quantitative control of the amount of silica raw material in contact with the water surface is possible, and the reaction rate is kept lower. It becomes possible. Further, such tetraalkoxylane is a liquid insoluble in water at the stage before hydrolysis. In the present invention, such a tetraalkoxysilane is floated on the water surface in an undiluted state, and the tetraalkoxysilane in contact with water is hydrolyzed at the interface I between the aqueous solution 3 layer and the silica raw material 2 layer. (The silica raw material is hydrolyzed in the phase-separated state). Thus, when the tetraalkoxysilane is hydrolyzed at the interface I, a silanol group is generated by hydrolysis, and the hydrolyzed silica raw material permeates into the aqueous solution 3, and the hydrolyzed silica raw material becomes the aqueous solution 3. (See arrow A in the figure). In the present invention, as described above, since the undiluted tetraalkoxysilane in which the reaction proceeds relatively slowly is used as a raw material, the hydrolysis reaction rate can be further reduced, and the aqueous solution 3 The penetration of the silane raw material (the raw material after hydrolysis) slowly occurs through the interface I between the undiluted silane raw material layer 2 and the aqueous solution 3. In addition, since such a hydrolysis reaction is a reaction that occurs at the interface I with water, it is assumed that the hydrolysis proceeds at a constant rate in proportion to the area of the water surface. It is thought that it proceeds at a constant speed. On the other hand, in the aqueous solution 3, the hydrolyzed silica raw material and the surfactant are combined to form a composite (particularly, after the silica core is formed from the hydrolyzed silica raw material, the silica skeleton is formed). Is considered to be compounded at the stage of growth). In such a composite, silica (silicon oxide) particles grow in a self-organized manner by successive condensation of silanol groups generated by hydrolysis. Thus, when the silica particles grow (when silica is formed), silica (silicon oxide) is not generated in the portion where the surfactant is present. In this way, the surfactant in the aqueous solution 3 functions as a template for the pores, and the silica particles 4 in which the surfactant is introduced into the pore portions are formed. Further, since it is clear that the growth of such particles 4 is proportional to the amount (concentration) of the silica raw material in the aqueous solution 3, the reaction time is determined when the amount of the aqueous solution relative to the surface area is constant. The degree of growth of the particle diameter of the obtained nanoparticles 4 (the degree of the average particle diameter) is proportional, and the relationship between the reaction time and the average particle diameter can be obtained by a unique mathematical formula. Thus, in the present invention, it is possible to uniquely determine the relationship between the reaction time and the average particle diameter of the obtained nanoparticles. Therefore, in the present invention, the degree of expansion of the average particle diameter of the nanoparticles 4 with respect to the reaction time can be easily predicted, and by controlling the reaction time so as to have the target size, the average particle diameter of the nanoparticles 4 can be controlled. The inventors speculate that it is possible to synthesize nanoparticles while controlling the degree of expansion (the degree of particle growth by self-assembly). In the present invention, since the reaction proceeds as described above, it is not necessary to use an organic solvent in the reaction system, and the amount of the solvent (water) to be used is reduced according to the intended design. It is possible.
また、本発明においては、加水分解前のシリカ原料の大半が水層(水溶液3からなる層)とは分離した状態で存在するため(基本的に相分離状態で加水分解反応させるため)、水層中のシラン原料の濃度を比較的低く抑えられ、反応速度を低く抑えることができるものと本発明者らは推察する。そして、本発明においては、水に不溶なテトラアルコキシシランからなる無希釈のシリカ原料2を用いて、シリカ原料2の層と水溶液3の層の界面Iを介してシリカ原料を加水分解させるため、加水分解後のシリカ原料を基本的に一定の速度でゆっくりと水溶液3中に導入することができ、これにより水溶液3中で一定の速度でゆっくりとメソポーラスシリカナノ粒子4を生成させることから、比較的、均一な粒子の成長を促すことも可能である。また、本発明においては、水に不溶なテトラアルコキシシランからなる無希釈のシリカ原料を水に浮かべた状態とすることで、常にほぼ一定の濃度のシリカ原料が水溶液の界面に存在することとなり、水溶液3中への原料の供給速度を反応時間によらずほぼ一定に保つことができる(水中に加水分解された原料が導入されていっても、上層のシリカ原料からなる層が無希釈のものであるため、水面に接している部分において、基本的に原料は同様の濃度が十分に維持されるものと考えられる。例えば、テトラアルコキシシラン100質量%からなるシリカ原料を用いた場合、反応が進行しても、常にテトラアルコキシシラン100質量%からなるシリカ原料の層が水面上に存在することとなり、水溶液3中への原料の供給速度は反応時間によらずほぼ一定に保つことができる。)。この点、非特許文献1に記載のように多量の有機溶剤で希釈したシリカ原料を用いた場合においては、一部のシリカ原料が加水分解されて反応が進行していくと、上層(有機溶媒を含む層)中のシリカ原料の濃度が変化が大きくなり、これに起因して反応速度が変化するものと考えられる。そのため、非特許文献1に記載のような手法では、一定の反応速度で反応させるためには、例えば、有機層を入れ替える等、原料の濃度を管理することが必要となるものと考えられ、粒子径の成長の程度を反応時間等により効率よく管理することは困難であるものと本発明者らは推察する。 In the present invention, since most of the silica raw material before hydrolysis exists in a state separated from the aqueous layer (layer consisting of the aqueous solution 3) (basically, the hydrolysis reaction is performed in a phase separated state), water The present inventors infer that the concentration of the silane raw material in the layer can be kept relatively low and the reaction rate can be kept low. And in this invention, in order to hydrolyze a silica raw material through the interface I of the layer of the silica raw material 2 and the layer of the aqueous solution 3, using the undiluted silica raw material 2 which consists of tetraalkoxysilane insoluble in water, Since the silica raw material after hydrolysis can be slowly slowly introduced into the aqueous solution 3 at a constant rate, and the mesoporous silica nanoparticles 4 are slowly generated in the aqueous solution 3 at a constant rate. It is also possible to promote uniform particle growth. Further, in the present invention, an undiluted silica raw material made of tetraalkoxysilane insoluble in water is floated on water, so that a silica raw material having a substantially constant concentration is always present at the interface of the aqueous solution. The feed rate of the raw material into the aqueous solution 3 can be kept almost constant regardless of the reaction time (even if a hydrolyzed raw material is introduced in the water, the layer made of the upper silica raw material is undiluted) Therefore, it is considered that basically the same concentration of the raw material is sufficiently maintained in the portion in contact with the water surface, for example, when a silica raw material consisting of 100% by mass of tetraalkoxysilane is used, the reaction Even if it progresses, a silica raw material layer consisting of 100% by mass of tetraalkoxysilane always exists on the water surface, and the feed rate of the raw material into the aqueous solution 3 depends on the reaction time. Not can be kept substantially constant.). In this regard, when a silica raw material diluted with a large amount of an organic solvent as described in Non-Patent Document 1 is used, when a part of the silica raw material is hydrolyzed and the reaction proceeds, the upper layer (organic solvent It is considered that the concentration of the silica raw material in the layer) increases greatly, and the reaction rate changes due to this. Therefore, in the method as described in Non-Patent Document 1, in order to react at a constant reaction rate, it is considered necessary to control the concentration of the raw material, for example, by replacing the organic layer. The present inventors speculate that it is difficult to efficiently manage the degree of diameter growth by reaction time or the like.
このように、本発明においては、シリカ原料として、実質的に有機溶媒により希釈されていないものであってテトラアルコキシシランを90質量%以上含有するような、無希釈のシリカ原料を利用することによって、効率よく、一定の速度で反応を進行せしめることを可能とし、これにより反応時間と生成するメソポーラスシリカナノ粒子の粒子径の関係を単純な数式で表すことをも可能とする。なお、本発明においては、シリカ原料を水に浮かべて(相分離状態で)反応させることで、水層に浸透するシリカ原料の濃度を比較的低く抑えることも可能であり、これによりナノ粒子の生成に適した反応速度に制御しながら粒子を生成することも可能となるものと本発明者らは推察する。 Thus, in the present invention, by using an undiluted silica raw material that is not diluted with an organic solvent and contains 90% by mass or more of tetraalkoxysilane as a silica raw material. In addition, it is possible to efficiently advance the reaction at a constant rate, and thus it is possible to express the relationship between the reaction time and the particle diameter of the generated mesoporous silica nanoparticles with a simple mathematical formula. In the present invention, the concentration of the silica raw material penetrating into the aqueous layer can be kept relatively low by allowing the silica raw material to float in water (in a phase-separated state) and reacting it. The present inventors speculate that it is possible to produce particles while controlling the reaction rate to be suitable for production.
以上、説明したように、本発明によれば、反応時間によりナノ粒子の平均粒子径の拡張の程度(自己組織化による粒子の成長の程度)を効率よく制御することも可能であり、目的の設計(大きさ等)のナノ粒子を効率よく製造することが可能となるものと本発明者らは推察する。また、本発明のメソポーラスシリカナノ粒子の製造方法においては、有機溶媒を利用することなく、メソポーラスシリカナノ粒子を効率よく製造できるため、製造後の有機溶媒の除去工程まで不要とすることが可能である。そのため、本発明のメソポーラスシリカナノ粒子の製造方法は、有機溶媒の除去工程を削減でき、効率性及び経済性(コスト)の点においても優れた方法であると本発明者らは推察する。 As described above, according to the present invention, the degree of expansion of the average particle diameter of the nanoparticles (the degree of particle growth by self-organization) can be efficiently controlled by the reaction time. The present inventors speculate that it is possible to efficiently produce designed (size, etc.) nanoparticles. Further, in the method for producing mesoporous silica nanoparticles of the present invention, mesoporous silica nanoparticles can be efficiently produced without using an organic solvent, and therefore it is possible to eliminate the step of removing the organic solvent after the production. Therefore, the present inventors speculate that the method for producing mesoporous silica nanoparticles of the present invention can reduce the organic solvent removal step and is excellent in terms of efficiency and economy (cost).
本発明によれば、有機溶媒を利用せずにメソポーラスシリカナノ粒子を製造することができ、有機溶媒の除去工程を不要とすることが可能なメソポーラスシリカナノ粒子の製造方法を提供することが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the manufacturing method of the mesoporous silica nanoparticle which can manufacture a mesoporous silica nanoparticle without utilizing an organic solvent, and can make the removal process of an organic solvent unnecessary. .
以下、本発明をその好適な実施形態に即して詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to preferred embodiments thereof.
本発明のメソポーラスシリカナノ粒子の製造方法は、界面活性剤と加水分解触媒とを含む水溶液の水面に、テトラアルコキシシランからなる無希釈のシリカ原料を浮かべた状態で、該シリカ原料を加水分解せしめ、該水溶液中においてメソポーラスシリカナノ粒子を生成させることを特徴とする方法である。 The method for producing mesoporous silica nanoparticles of the present invention comprises hydrolyzing the silica raw material in a state where an undiluted silica raw material made of tetraalkoxysilane is floated on the water surface of an aqueous solution containing a surfactant and a hydrolysis catalyst. The method is characterized in that mesoporous silica nanoparticles are produced in the aqueous solution.
本発明にかかる界面活性剤は、ケイ素酸化物を形成する際に細孔を形成するために利用可能なものであればよく、特に制限されず、メソポーラスシリカナノ粒子の製造に利用することが可能な公知の界面活性剤を適宜利用することができる。このような界面活性剤の中でも、シリカ原料との親和性が高いといった観点から、カチオン性界面活性剤が好ましい。また、このようなカチオン性界面活性剤としては、例えば、炭素数8〜26の長鎖アルキル基を有するアルキルアンモニウムハライドを好適に利用することができる。更に、このような界面活性剤の中でも、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、オクタデシルトリメチルアンモニウムハライド等の炭素数9〜26の長鎖アルキル基を有するアルキルトリメチルアンモニウムハライドが好ましく、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がより好ましく、テトラデシルトリメチルアンモニウムクロリド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロリドがより好ましい。 The surfactant according to the present invention is not particularly limited as long as it can be used for forming pores when forming silicon oxide, and can be used for producing mesoporous silica nanoparticles. A known surfactant can be appropriately used. Among such surfactants, a cationic surfactant is preferable from the viewpoint of high affinity with the silica raw material. Moreover, as such a cationic surfactant, for example, an alkyl ammonium halide having a long-chain alkyl group having 8 to 26 carbon atoms can be suitably used. Further, among these surfactants, alkyltrimethylammonium halides having a long-chain alkyl group having 9 to 26 carbon atoms such as tetradecyltrimethylammonium halide, hexadecyltrimethylammonium halide, octadecyltrimethylammonium halide and the like are preferable, and tetradecyl is preferred. Trimethylammonium halide and hexadecyltrimethylammonium halide are more preferable, and tetradecyltrimethylammonium chloride and hexadecyltrimethylammonium chloride are more preferable.
なお、このような界面活性剤は、前述のように、シリカ原料中に導入されて孔形成のためのテンプレートとして機能する。一般に、前記界面活性剤は、反応の際に、水溶液中において、加水分解されたシリカ原料と共に複合体を形成するものと考えられる(シリカの核が形成された後、シリカ骨格が成長する段階で複合化するものと考えられる)。そして、そのような複合体中においてシリカ原料のシラノール基が縮合する反応が進行してケイ素酸化物(シリカ)が形成される。一方、前記複合体中において前記界面活性剤が存在している部分では、ケイ素酸化物が生成されることがない。そのため、前記界面活性剤はシリカ原料中に導入されて孔形成のためのテンプレートとして機能することとなる。なお、このような界面活性剤は、1種類を単独でもしくは2種類以上を組み合わせて用いることが可能であるが、前述のように、シリカ原料の反応生成物に孔を形成させる際のテンプレートとして働くものと考えられ、その種類が多孔体の孔の形状に大きな影響を与えるものであるため、より均一なナノ粒子を得るという観点からは、1種類を単独で用いることが好ましい。 As described above, such a surfactant is introduced into the silica raw material and functions as a template for pore formation. In general, the surfactant is considered to form a composite with a hydrolyzed silica raw material in an aqueous solution during the reaction (after the silica skeleton is formed, the silica skeleton grows). It is thought to be compounded). In such a composite, a reaction in which the silanol group of the silica raw material condenses proceeds to form silicon oxide (silica). On the other hand, silicon oxide is not generated in the part where the surfactant is present in the composite. Therefore, the surfactant is introduced into the silica raw material and functions as a template for pore formation. Such surfactants can be used alone or in combination of two or more, but as described above, as a template for forming pores in the reaction product of the silica raw material. Since it is considered to work and the type greatly affects the shape of the pores of the porous body, it is preferable to use one type alone from the viewpoint of obtaining more uniform nanoparticles.
また、本発明にかかる加水分解触媒は、テトラアルコキシシランの加水分解を促進できるものであれば特に限定されず、公知の加水分解用の触媒を適宜利用することができる。このような加水分解触媒としては、テトラアルコキシシランと水の界面における加水分解反応や重縮合反応の急激な進行を抑制するといった観点から、弱塩基性を示すアミン類が好ましい。そして、このようなアミン類としては、トリエタノールアミン、トリエチルアミン、トリメチルアミン、アンモニアを例示することができる。また、このようなアミン類の中でも、低揮発性の観点からは、トリエタノールアミン、トリエチルアミンがより好ましく、トリエタノールアミンが特に好ましい。このような加水分解触媒は1種類を単独でもしくは2種類以上を組み合わせて用いてもよい。 The hydrolysis catalyst according to the present invention is not particularly limited as long as it can promote hydrolysis of tetraalkoxysilane, and a known hydrolysis catalyst can be appropriately used. As such a hydrolysis catalyst, amines exhibiting weak basicity are preferable from the viewpoint of suppressing rapid progress of hydrolysis reaction or polycondensation reaction at the interface between tetraalkoxysilane and water. Examples of such amines include triethanolamine, triethylamine, trimethylamine, and ammonia. Of these amines, triethanolamine and triethylamine are more preferable, and triethanolamine is particularly preferable from the viewpoint of low volatility. Such hydrolysis catalysts may be used singly or in combination of two or more.
また、本発明にかかる水溶液は、界面活性剤と加水分解触媒とを含むものである。このような水溶液の溶媒として利用される水としては特に制限されず、例えば、イオン交換水を利用してもよい。また、このような水溶液中における界面活性剤の濃度は、特に制限されないが、2〜25質量%であることが好ましく、5〜20質量%であることがより好ましい。このような界面活性剤の濃度が前記下限未満では界面活性剤のミセル形成が阻害され、メソ細孔形成のテンプレート機能が低下する傾向にあり、他方、前記上限を超えると水溶液の粘度が上がることで、加水分解されたシリカ原料の拡散が不均一となる傾向にある。 The aqueous solution according to the present invention contains a surfactant and a hydrolysis catalyst. The water used as the solvent for such an aqueous solution is not particularly limited, and for example, ion exchange water may be used. Further, the concentration of the surfactant in such an aqueous solution is not particularly limited, but is preferably 2 to 25% by mass, and more preferably 5 to 20% by mass. If the concentration of such a surfactant is less than the above lower limit, the micelle formation of the surfactant is inhibited, and the template function of mesopore formation tends to be reduced. On the other hand, if the upper limit is exceeded, the viscosity of the aqueous solution increases. Therefore, the diffusion of the hydrolyzed silica raw material tends to be non-uniform.
また、前記水溶液中における加水分解触媒の濃度は、特に制限されないが、0.01〜5質量%であることが好ましく、0.1〜1質量%であることが特に好ましい。このような加水分解触媒の濃度が前記下限未満では加水分解が進行しにくく、最終的に得られるシリカナノ粒子の収量が低下する傾向にあり、他方、前記上限を超えると加水分解反応が加速されることで粒子直径の制御が困難となる傾向にある。 The concentration of the hydrolysis catalyst in the aqueous solution is not particularly limited, but is preferably 0.01 to 5% by mass, and particularly preferably 0.1 to 1% by mass. If the concentration of the hydrolysis catalyst is less than the lower limit, hydrolysis does not proceed easily, and the yield of finally obtained silica nanoparticles tends to decrease. On the other hand, if the concentration exceeds the upper limit, the hydrolysis reaction is accelerated. This tends to make it difficult to control the particle diameter.
また、本発明にかかる水溶液は、水と界面活性剤と加水分解触媒とからなるものであればよく、本発明の効果を損なわない範囲においては他の成分を含有してもよい。なお、より効率よく反応を進行せしめるとの観点からは、本発明にかかる水溶液は、実質的に水、界面活性剤及び加水分解触媒のみからなるものがより好ましく、水、界面活性剤及び加水分解触媒のみからなるものが特に好ましい。 Moreover, the aqueous solution concerning this invention should just consist of water, surfactant, and a hydrolysis catalyst, and may contain another component in the range which does not impair the effect of this invention. From the viewpoint of allowing the reaction to proceed more efficiently, the aqueous solution according to the present invention is more preferably composed essentially of water, a surfactant and a hydrolysis catalyst, and water, surfactant and hydrolysis are more preferable. Those consisting only of a catalyst are particularly preferred.
また、本発明においては、シリカ原料として、テトラアルコキシシランからなる無希釈のシリカ原料を用いる。ここにおいて、「テトラアルコキシシランからなる無希釈のシリカ原料」とは、実質的に有機溶媒により希釈されていないものであって、テトラアルコキシシランを90質量%(より好ましくは95〜100質量%、更に好ましくは97〜100質量%、特に好ましくは100質量%)以上含有するものをいう。このように、「テトラアルコキシシランからなる無希釈のシリカ原料」は、テトラアルコキシシランを90質量%(より好ましくは95〜100質量%、更に好ましくは97〜100質量%、特に好ましくは100質量%)以上の割合で含有するものである。また、ここにいう「実質的に有機溶媒により希釈されていない」とは、原料中に含有されていたとしても有機溶媒の量が好ましくは10質量%以下(より好ましくは5質量%以下、更に好ましくは3質量%以下、特に好ましくは1質量%以下)となっていることをいう。このように、「無希釈のシリカ原料」は、実質的に有機溶媒により希釈されていないものであり(前述のように、原料中に含有されたとしても有機溶媒の量が10質量%以下となることが好ましい。)、かつ、テトラアルコキシシランを90質量%以上の割合で含有するものであればよいが、中でも、有機溶媒の含有量が0質量%のものが最も好ましい。なお、テトラアルコキシシランは、室温(25℃)において、基本的に液体であることから、前記シリカ原料は基本的に液状の材料となる。 Moreover, in this invention, the undiluted silica raw material which consists of tetraalkoxysilane is used as a silica raw material. Here, the “undiluted silica raw material comprising tetraalkoxysilane” is substantially not diluted with an organic solvent, and 90% by mass of tetraalkoxysilane (more preferably 95 to 100% by mass, More preferably 97-100% by mass, particularly preferably 100% by mass) or more. Thus, “undiluted silica raw material comprising tetraalkoxysilane” is 90% by mass of tetraalkoxysilane (more preferably 95-100% by mass, still more preferably 97-100% by mass, particularly preferably 100% by mass). ) It contains in the above ratio. Further, "substantially not diluted with an organic solvent" here means that the amount of the organic solvent is preferably 10% by mass or less (more preferably 5% by mass or less, even if it is contained in the raw material). It is preferably 3% by mass or less, particularly preferably 1% by mass or less. As described above, the “undiluted silica raw material” is substantially not diluted with an organic solvent (as described above, the amount of the organic solvent is 10% by mass or less even if contained in the raw material). It is preferable that it contains tetraalkoxysilane in a proportion of 90% by mass or more, and among them, the organic solvent content is most preferably 0% by mass. Since tetraalkoxysilane is basically liquid at room temperature (25 ° C.), the silica raw material is basically a liquid material.
本発明においては、メソポーラスシリカナノ粒子の製造(合成)に、上述のようにテトラアルコキシシランからなる無希釈のシリカ原料を用いる。ここで、メソポーラスシリカナノ粒子の合成においては、核生成、シリカ骨格の成長、界面活性剤とシリカの複合化という3つのプロセスが複合的に作用するものと考えられる。そして、良質なナノ粒子を形成するには、核生成を反応の初期で起こし、その後、安定的にシリカ骨格を成長させる必要がある。ここにおいて、シリカ原料の反応性が高すぎると、界面活性剤との複合化が十分に進まず、十分な多孔構造が形成されなくなる。このように、良質な多孔質のナノ粒子を形成するには、核生成よりもシリカ骨格の成長反応のほうが十分速い必要がある一方で、シリカ原料と界面活性剤との複合化も速やかに進行する必要がある。そこで、本発明においては、上述の3つのプロセスがバランスよく生じるように、テトラアルコキシシランからなる無希釈のシリカ原料を利用してメソポーラスシリカナノ粒子を合成する。 In the present invention, undiluted silica raw material composed of tetraalkoxysilane as described above is used for the production (synthesis) of mesoporous silica nanoparticles. Here, in the synthesis of mesoporous silica nanoparticles, it is considered that three processes of nucleation, growth of a silica skeleton, and complexing of a surfactant and silica act in a complex manner. In order to form good quality nanoparticles, it is necessary to cause nucleation at the initial stage of the reaction, and then stably grow the silica skeleton. Here, if the reactivity of the silica raw material is too high, the complexing with the surfactant does not proceed sufficiently and a sufficient porous structure is not formed. As described above, in order to form high-quality porous nanoparticles, the growth reaction of the silica skeleton needs to be sufficiently faster than the nucleation, while the composite of the silica raw material and the surfactant proceeds rapidly. There is a need to. Therefore, in the present invention, mesoporous silica nanoparticles are synthesized using an undiluted silica raw material made of tetraalkoxysilane so that the above three processes occur in a well-balanced manner.
このようなテトラアルコキシシランとしては、特に制限されないが、炭素数が8以上(より好ましくは8〜16、更に好ましくは8〜14、特に好ましくは10〜14)であることが好ましい。このような炭素数が前記下限未満では加水分解反応が速く進行して粒子成長の制御が困難となったり、シリカ原料の層がすぐに水溶液の層と混和してしまう傾向にあり、他方、前記上限を超えると加水分解反応が穏やかな反応条件下では進行せず、ナノ粒子の収量が急激に低下する傾向にある。 Although it does not restrict | limit especially as such a tetraalkoxysilane, It is preferable that carbon number is 8 or more (more preferably 8-16, still more preferably 8-14, especially preferably 10-14). If the number of carbon atoms is less than the lower limit, the hydrolysis reaction proceeds fast and it becomes difficult to control particle growth, or the silica raw material layer tends to be immediately mixed with the aqueous solution layer. When the upper limit is exceeded, the hydrolysis reaction does not proceed under mild reaction conditions, and the yield of nanoparticles tends to decrease rapidly.
また、前記テトラアルコキシシランとしては、下記一般式(1):
Si(OR)4 (1)
(式(1)中、複数のRはそれぞれ独立にアルキル基を示す。)
で表される化合物であることが好ましい。このようなRとして選択されるアルキル基は炭素数が2以上であることが好ましく、2〜4であることがより好ましく、3であることが特に好ましい。このような炭素数が前記下限未満ではシリカ原料がすぐに水溶液の層(水層)中に混和して相分離状態を形成することが困難となる傾向にあり、他方、前記上限を超えると穏やかな反応条件下では加水分解反応を進行させることが困難となる傾向にある。なお、このようなアルキル基は、直鎖状であっても分岐鎖状であってもよい。
Moreover, as said tetraalkoxysilane, following General formula (1):
Si (OR) 4 (1)
(In Formula (1), a plurality of R's each independently represents an alkyl group.)
It is preferable that it is a compound represented by these. Such an alkyl group selected as R preferably has 2 or more carbon atoms, more preferably 2 to 4 carbon atoms, and particularly preferably 3 carbon atoms. If the number of carbon atoms is less than the lower limit, the silica raw material tends to be immediately mixed in the aqueous solution layer (aqueous layer) and it becomes difficult to form a phase-separated state. Under such reaction conditions, it tends to be difficult to proceed with the hydrolysis reaction. Such an alkyl group may be linear or branched.
このようなテトラアルコキシシランとしては、適度な加水分解反応性を有しつつ、大気中の水分とは容易に反応しない程度に活性を制御するといった観点から、テトラプロポキシシラン、テトライソプロポキシシラン、テトラエトキシシランが好ましく、テトラプロポキシシラン、テトライソプロポキシシランがより好ましく、テトラプロポキシシランが特に好ましい。なお、このようなテトラアルコキシシランは1種を単独であるいは2種以上を組み合わせて用いてもよいが、反応速度の制御の観点からは、1種を単独で用いることが好ましい。 As such tetraalkoxysilane, tetrapropoxysilane, tetraisopropoxysilane, tetratetrasilane, from the viewpoint of controlling the activity to such an extent that it has moderate hydrolysis reactivity and does not easily react with moisture in the atmosphere. Ethoxysilane is preferable, tetrapropoxysilane and tetraisopropoxysilane are more preferable, and tetrapropoxysilane is particularly preferable. Such tetraalkoxysilanes may be used alone or in combination of two or more, but it is preferable to use one alone from the viewpoint of controlling the reaction rate.
また、前記無希釈のシリカ原料は、前述のように、テトラアルコキシシランの濃度(純度)が90質量%以上であればよく、テトラアルコキシシラン以外のシリカの製造に利用可能な他の成分を適宜含有してもよい。このような他の成分としては、トリアルコキシシラン、ジアルコキシシラン、モノアルコキシシランが挙げられる。 Further, as described above, the undiluted silica raw material only needs to have a tetraalkoxysilane concentration (purity) of 90% by mass or more. You may contain. Examples of such other components include trialkoxysilane, dialkoxysilane, and monoalkoxysilane.
また、このような無希釈のシリカ原料はテトラアルコキシシランの濃度が90質量%以上のものであればよいが、反応速度をより均一なものとするといった観点から、実質的にテトラアルコキシシランのみからなるもの(テトラアルコキシシランの濃度が95質量%以上(より好ましくは97質量%以上、更に好ましくは98質量%以上、特に好ましくは99質量%以上)のもの)がより好ましく、テトラアルコキシシランのみからなるもの(テトラアルコキシシランの濃度(純度)が100質量%以上のもの)が最も好ましい。なお、このようなシリカ原料は無希釈のものであるため、実質的に有機溶媒を含有していない(原料中に含有されたとしても有機溶媒の量は10質量%以下であることが好ましい。)。このようなテトラアルコキシシランからなる無希釈のシリカ原料としては、市販のテトラアルコキシシラン(例えば、東京化成工業社製の商品名「Tetrapropyl Orthosilicate」、テトラプロポキシシランの濃度98質量%等)を原液のまま利用することも可能である。 Further, such an undiluted silica raw material may be one having a tetraalkoxysilane concentration of 90% by mass or more, but from the viewpoint of making the reaction rate more uniform, it is substantially only from tetraalkoxysilane. (A concentration of tetraalkoxysilane of 95% by mass or more (more preferably 97% by mass or more, more preferably 98% by mass or more, particularly preferably 99% by mass or more)) is more preferable. (A concentration (purity) of tetraalkoxysilane of 100% by mass or more) is most preferable. In addition, since such a silica raw material is an undiluted thing, it does not contain an organic solvent substantially (even if it contains in a raw material, it is preferable that the quantity of an organic solvent is 10 mass% or less. ). As an undiluted silica raw material comprising such a tetraalkoxysilane, a commercially available tetraalkoxysilane (for example, trade name “Tetrapropyl Orthosilicate” manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd., tetrapropoxysilane concentration of 98% by mass, etc.) It is also possible to use it as it is.
本発明においては、前記水溶液の水面に、前記テトラアルコキシシランからなる無希釈のシリカ原料(以下、場合により単に「無希釈のシリカ原料」と称する。)を浮かべた状態で、該シリカ原料を加水分解せしめ、該水溶液中においてメソポーラスシリカナノ粒子を生成させる。 In the present invention, the silica raw material is added to the water surface of the aqueous solution in a state where the undiluted silica raw material composed of the tetraalkoxysilane (hereinafter, simply referred to as “undiluted silica raw material”) is floated. Decompose to form mesoporous silica nanoparticles in the aqueous solution.
ここにおいて、前記水溶液の水面に無希釈のシリカ原料を浮かべる方法としては、特に制限されないが、基本的に、テトラアルコキシシランが水に不溶であることから、水中にエマルジョンが形成されないように、前記水溶液の水面上にゆっくりとしずかに前記無希釈のシリカ原料を添加する方法(ゆっくりとしずかに前記無希釈のシリカ原料を水面に展開させる方法)を採用することが好ましい。 Here, the method of floating undiluted silica raw material on the water surface of the aqueous solution is not particularly limited, but basically, tetraalkoxysilane is insoluble in water, so that an emulsion is not formed in water. It is preferable to employ a method in which the undiluted silica raw material is slowly and slowly added onto the water surface of the aqueous solution (a method in which the undiluted silica raw material is slowly and slowly developed on the water surface).
また、前記水溶液の水面に前記無希釈のシリカ原料を浮かべた状態とすると、前記無希釈のシリカ原料からなる層(上層)と、前記水溶液からなる層(下層)との界面において、前記シリカ原料の加水分解反応を進行せしめることが可能となり、加水分解されたシリカ原料を前記水溶液中に添加すること(浸透させていくこと)が可能となる。そして、このように加水分解されたシリカ原料が前記水溶液中に添加されると、水溶液中においては、シリカ原料同士によりシリカの核が形成され、その核に基づいてシリカ骨格を成長させながら界面活性剤との複合化が生じ、複合体が形成されるとともに、その複合体中においてシリカ原料のシラノール基の縮合が進んで、細孔の部分に界面活性剤が導入されてなるシリカナノ粒子が形成(合成)され、前記メソポーラスシリカナノ粒子を得ることが可能となる。このように、前記シリカ原料が加水分解される反応(前記加水分解反応)が起こり、これにより加水分解されたシリカ原料が供給されて水溶液中でメソポーラスシリカナノ粒子が生成されることから、本発明においては、前記加水分解反応と共に前記メソポーラスシリカナノ粒子の生成反応(粒子の合成反応)が進行していくこととなる。 Further, when the undiluted silica raw material is floated on the water surface of the aqueous solution, the silica raw material at the interface between the layer made of the undiluted silica raw material (upper layer) and the layer made of the aqueous solution (lower layer) It is possible to proceed with the hydrolysis reaction of this, and it is possible to add (permeate) the hydrolyzed silica raw material to the aqueous solution. When the hydrolyzed silica raw material is added to the aqueous solution, silica nuclei are formed by the silica raw materials in the aqueous solution, and the silica skeleton is grown on the basis of the surface activity. As the composite with the agent occurs, the composite is formed, and the condensation of the silanol group of the silica raw material proceeds in the composite to form silica nanoparticles in which the surfactant is introduced into the pores ( Synthesized) and the mesoporous silica nanoparticles can be obtained. In this way, since the reaction of the silica raw material is hydrolyzed (the hydrolysis reaction), and the hydrolyzed silica raw material is supplied to produce mesoporous silica nanoparticles in an aqueous solution. That is, the production reaction of the mesoporous silica nanoparticles (particle synthesis reaction) proceeds with the hydrolysis reaction.
このようなメソポーラスシリカナノ粒子を生成する際(前記加水分解反応及び粒子の合成反応の一連の反応の際)の温度条件としては、20〜95℃であることが好ましく、25〜80℃であることがより好ましい。このような温度条件が前記下限未満では反応速度が遅くなり過ぎて、十分な量のシリカナノ粒子を効率よく回収することが困難となる傾向にあり、他方、前記上限を超えると水の蒸発あるいは沸騰により反応速度を一定に保つことができず、均質なナノ粒子を得ることが困難となる傾向にある。 The temperature condition for producing such mesoporous silica nanoparticles (in the series of hydrolysis reaction and particle synthesis reaction) is preferably 20 to 95 ° C, and preferably 25 to 80 ° C. Is more preferable. If the temperature condition is less than the lower limit, the reaction rate becomes too slow, and it tends to be difficult to efficiently recover a sufficient amount of silica nanoparticles. On the other hand, if the upper limit is exceeded, water evaporation or boiling occurs. Therefore, the reaction rate cannot be kept constant, and it tends to be difficult to obtain homogeneous nanoparticles.
また、メソポーラスシリカナノ粒子を生成する際(前記加水分解反応及び粒子の合成反応の一連の反応の際)においては、水溶液中において粒子の成長等、シリカを生成する反応がより均一に進行するように、撹拌しながら反応を進行せしめることが好ましい。このような撹拌の条件は特に制限されないが、前記水溶液の水面に前記無希釈のシリカ原料を浮かべた状態を維持することが可能で、かつ、水溶液中に前記無希釈のシリカ原料のエマルジョンが形成されないように、ゆっくりと撹拌することが好ましく、例えば、水溶液の量が10〜100mL程度である場合、直径3〜10mm程度、長さ10〜20mm程度の大きさの撹拌子を用いてマグネチックスターラーで100〜250rpm(より好ましくは120〜200rpm)程度の回転数で撹拌(低速で回転)することが好ましい。このような回転数が前記下限未満では水溶液の層(水層)中に浸透したシリカ原料を、該水層中に均一に拡散することが困難となる傾向にあり、他方、前記上限を超えるとシリカ原料の層と水溶液の層(水層)との界面が乱れて反応系を均質に保つことができなくなったり、エマルジョンが生成されてしまう傾向にある。なお、このような回転数等は設備に応じて、水溶液中に前記無希釈のシリカ原料のエマルジョンが形成されないようにゆっくりと撹拌するような条件に適宜変更すればよい。 Further, when producing mesoporous silica nanoparticles (in the series of reactions of the hydrolysis reaction and the particle synthesis reaction), the reaction for producing silica such as particle growth in an aqueous solution proceeds more uniformly. The reaction is preferably allowed to proceed while stirring. The stirring conditions are not particularly limited, but the undiluted silica raw material can be kept floating on the water surface of the aqueous solution, and an emulsion of the undiluted silica raw material is formed in the aqueous solution. For example, when the amount of the aqueous solution is about 10 to 100 mL, a magnetic stirrer is used with a stirring bar having a diameter of about 3 to 10 mm and a length of about 10 to 20 mm. It is preferable to stir (rotate at low speed) at a rotation speed of about 100 to 250 rpm (more preferably 120 to 200 rpm). If the number of rotations is less than the lower limit, the silica raw material that has penetrated into the aqueous solution layer (water layer) tends to be difficult to diffuse uniformly into the water layer. There is a tendency that the interface between the silica raw material layer and the aqueous solution layer (water layer) is disturbed so that the reaction system cannot be kept homogeneous or an emulsion is produced. It should be noted that the number of revolutions and the like may be appropriately changed depending on the equipment so as to slowly agitate so that the undiluted silica raw material emulsion is not formed in the aqueous solution.
このように、本発明においては、前記加水分解反応、前記粒子の合成反応が進行する条件(温度等の条件下)において反応を進行せしめることで、前記メソポーラスシリカナノ粒子を得ることが可能である。なお、本発明においては、前記無希釈のシラン原料を前記水溶液の水面に浮かべた状態で反応を引き起こすため、前述のように、水面を介したシラン原料の供給速度は反応時間によらずほぼ一定に保たれると考えられる(水面に接しているシラン原料の濃度が基本的に変化しないためである。)。このように、前記無希釈のシラン原料を用いて、水中に供給されるシリカ原料の量が反応時間にほぼ比例する場合、その原料がナノ粒子の形成にすべて使われれば、生成するナノ粒子の体積も時間にほぼ比例することとなる。そのため、反応時間と得られるメソポーラスシリカナノ粒子の粒子径の関係を簡単な数式で予測することができる(ナノ粒子の体積も時間にほぼ比例するため、ナノ粒子の直径は反応時間の1/3乗に比例するものとなると考えられる。)。 As described above, in the present invention, the mesoporous silica nanoparticles can be obtained by allowing the reaction to proceed under conditions (such as temperature) where the hydrolysis reaction and the particle synthesis reaction proceed. In the present invention, the reaction is caused in a state where the undiluted silane raw material floats on the water surface of the aqueous solution. Therefore, as described above, the supply rate of the silane raw material through the water surface is almost constant regardless of the reaction time. (This is because the concentration of the silane raw material in contact with the water surface basically does not change.). As described above, when the undiluted silane raw material is used and the amount of the silica raw material supplied to the water is substantially proportional to the reaction time, if the raw material is all used for the formation of the nanoparticles, The volume is also almost proportional to time. Therefore, the relationship between the reaction time and the particle diameter of the obtained mesoporous silica nanoparticles can be predicted with a simple formula (the volume of the nanoparticles is almost proportional to the time, so the diameter of the nanoparticles is the 1/3 power of the reaction time). It is considered to be proportional to.
なお、このようにして水溶液中に形成されるメソポーラスシリカナノ粒子は細孔中に界面活性剤が導入されたものとなる。このような界面活性剤を除去するために、例えば、前記水溶液から形成されたメソポーラスシリカナノ粒子を回収した後、界面活性剤を除去する工程を適宜施してもよい。このような界面活性剤を除去する工程としては、例えば、有機溶媒で処理する方法、焼成による方法等を挙げることができる。このような有機溶媒で処理する方法としては、細孔中の有機成分に対する溶解度が高い良溶媒中にメソポーラスシリカナノ粒子を浸漬して界面活性剤を抽出して除去する方法を採用することができる。また、前記焼成による方法においては、前記メソポーラスシリカナノ粒子を300〜1000℃、好ましくは400〜700℃で加熱する方法が挙げられる。このような加熱時間は30分程度でもよいが、完全に界面活性剤を除去するという観点から、1時間以上加熱することがより好ましい。また、焼成は空気中で行うことが可能であるが、多量の燃焼ガスが発生するため、窒素等の不活性ガスを導入して行ってもよい。 Note that the mesoporous silica nanoparticles formed in the aqueous solution in this manner are those in which a surfactant is introduced into the pores. In order to remove such a surfactant, for example, after recovering mesoporous silica nanoparticles formed from the aqueous solution, a step of removing the surfactant may be appropriately performed. Examples of the step of removing such a surfactant include a method of treating with an organic solvent and a method of firing. As a method of treating with such an organic solvent, a method of extracting and removing the surfactant by immersing mesoporous silica nanoparticles in a good solvent having high solubility in the organic component in the pores can be employed. Moreover, in the method by the said baking, the method of heating the said mesoporous silica nanoparticle at 300-1000 degreeC, Preferably it is 400-700 degreeC. Although such heating time may be about 30 minutes, it is more preferable to heat for 1 hour or more from the viewpoint of completely removing the surfactant. The firing can be performed in the air, but since a large amount of combustion gas is generated, it may be performed by introducing an inert gas such as nitrogen.
このようにして、本発明においては、メソポーラスシリカナノ粒子を得ることができる。なお、このようなメソポーラスシリカナノ粒子は、いわゆるメソサイズ(2〜50nm)の細孔直径の細孔を有するものである。また、本発明にいう「ナノ粒子」とは、平均粒子径が20〜500nmの範囲にある粒子であればよい。 Thus, in the present invention, mesoporous silica nanoparticles can be obtained. Such mesoporous silica nanoparticles have pores having a so-called mesosize (2 to 50 nm) pore diameter. Moreover, the “nanoparticles” referred to in the present invention may be particles having an average particle diameter in the range of 20 to 500 nm.
なお、本発明においては、前記界面活性剤を用いることにより、得られるメソポーラスシリカナノ粒子の細孔直径を2〜10nm(より好ましくは3〜7nm)とすることが可能である。このような細孔直径が前記下限未満ではメソポーラスシリカナノ粒子を吸着材等に利用した場合において細孔内に吸着可能なナノ粒子や化合物の種類が限定される傾向にあり、他方、前記上限を超えると細孔直径の均一性が低下し、粒子が脆弱になる傾向にある。なお、このような細孔直径は窒素吸脱着等温線に基づいて密度汎関数法により求めることができる。すなわち、窒素吸脱着等温線に基づいて、密度汎関数法により細孔径分布曲線を求めて、該細孔径分布曲線から最大ピークにおける細孔直径を測定し、かかる最大ピークにおける細孔直径をナノ粒子の細孔直径として測定することができる。ここにおいて、窒素吸脱着等温線は、メソポーラスシリカナノ粒子を液体窒素温度(−196℃)に冷却して窒素ガスを導入し、定容量法あるいは重量法により窒素ガスの吸着量を求め、次いで、導入する窒素ガスの圧力を徐々に増加させ、各平衡圧に対する窒素ガスの吸着量をプロットすることにより求めることができる(例えば、窒素吸脱着等温線は、測定装置としてQuantachrome社製の商品名「Autosorb−1」を用いて、液体窒素温度(−196℃)でガス吸着法(定容量法を採用)により窒素ガスの吸着量を求めることにより測定することができる。)。 In the present invention, by using the surfactant, the mesoporous silica nanoparticles obtained can have a pore diameter of 2 to 10 nm (more preferably 3 to 7 nm). If the pore diameter is less than the lower limit, the types of nanoparticles and compounds that can be adsorbed in the pores tend to be limited when mesoporous silica nanoparticles are used as an adsorbent, and on the other hand, exceed the upper limit. As a result, the uniformity of the pore diameter decreases, and the particles tend to be brittle. In addition, such a pore diameter can be obtained by a density functional method based on a nitrogen adsorption / desorption isotherm. That is, based on the nitrogen adsorption / desorption isotherm, a pore size distribution curve is obtained by a density functional method, the pore diameter at the maximum peak is measured from the pore size distribution curve, and the pore diameter at the maximum peak is determined as the nanoparticle. It can be measured as the pore diameter. Here, the nitrogen adsorption / desorption isotherm is obtained by cooling the mesoporous silica nanoparticles to a liquid nitrogen temperature (-196 ° C.) and introducing nitrogen gas, obtaining the nitrogen gas adsorption amount by a constant volume method or a gravimetric method, and then introducing the nitrogen gas. The nitrogen gas pressure is gradually increased, and the adsorption amount of nitrogen gas against each equilibrium pressure can be plotted (for example, the nitrogen adsorption / desorption isotherm is a product name “Autosorb” manufactured by Quantachrome). -1 "can be used to determine the amount of nitrogen gas adsorbed by a gas adsorption method (adopting a constant volume method) at a liquid nitrogen temperature (-196 ° C).
また、このようにして得られるメソポーラスシリカナノ粒子としては、平均粒子径が25〜300nm(より好ましくは30〜200nm)のものが好ましい。このような平均粒子径が前記下限未満ではろ過や遠心分離によるナノ粒子の回収が困難となる傾向にあり、他方、前記上限を超えると強い光散乱を生じたり、粒子内部の均一な化学修飾が困難となることで、用途が吸着材等に限定される傾向にある。このような平均粒子径は、走査型電子顕微鏡(例えば日立ハイテクノロジーズ社製の商品名「SU3500」)により任意の200個以上の粒子の粒子径(直径)を測定し、その平均値を計算することにより求めることができる。なお、粒子が真の球体ではない場合には、粒子の最小の外接円の直径と、粒子の最大の外接円の直径との平均値を、各粒子の「粒子径」として採用する。また、任意の200個以上の各粒子の粒子径は、走査型電子顕微鏡により得られる画像に基づいて各々の粒子の粒子径を測定することで算出できる。なお、このようなメソポーラスシリカナノ粒子の平均粒子径は、用いる原料の種類に応じて反応時間を適宜制御することで容易に前記範囲内のものとすることが可能である。 Further, the mesoporous silica nanoparticles thus obtained preferably have an average particle diameter of 25 to 300 nm (more preferably 30 to 200 nm). If the average particle size is less than the lower limit, it tends to be difficult to collect the nanoparticles by filtration or centrifugation. On the other hand, if the average particle size exceeds the upper limit, strong light scattering may occur or uniform chemical modification inside the particles may occur. By becoming difficult, the application tends to be limited to adsorbents and the like. Such an average particle size is obtained by measuring the particle size (diameter) of any 200 or more particles with a scanning electron microscope (for example, trade name “SU3500” manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation), and calculating the average value. Can be obtained. If the particle is not a true sphere, the average value of the diameter of the smallest circumscribed circle of the particle and the diameter of the largest circumscribed circle of the particle is adopted as the “particle diameter” of each particle. In addition, the particle diameter of any 200 or more particles can be calculated by measuring the particle diameter of each particle based on an image obtained by a scanning electron microscope. In addition, the average particle diameter of such mesoporous silica nanoparticles can be easily within the above range by appropriately controlling the reaction time according to the type of raw material used.
また、本発明によって得られるメソポーラスシリカナノ粒子としては、粒子径の標準偏差が30nm以下のものが好ましく、15nm以下のものがより好ましい。このような粒子径の標準偏差が前記上限を超えると個々のメソポーラスシリカナノ粒子の構造特性(表面積、外表面積、メソ細孔長等)の差が大きくなり、物性の制御が困難となる傾向にある。なお、このような標準偏差は、上述の平均粒子径の測定と同様に、走査型電子顕微鏡(例えば日立ハイテクノロジーズ社製の商品名「SU3500」)により任意の200個以上の粒子の粒子径を測定したデータを利用して求めることができる。このような標準偏差は、用いる原料の種類に応じて水溶液の容積や反応時の撹拌の条件等を適宜変更することで容易に前記範囲内のものとすることが可能である。 Further, the mesoporous silica nanoparticles obtained by the present invention preferably have a standard deviation of particle diameter of 30 nm or less, more preferably 15 nm or less. When the standard deviation of the particle diameter exceeds the upper limit, the difference in the structural characteristics (surface area, outer surface area, mesopore length, etc.) of individual mesoporous silica nanoparticles tends to be large, and the control of physical properties tends to be difficult. . In addition, such a standard deviation is the same as the above-mentioned measurement of the average particle size, and the particle size of any 200 or more particles can be determined by a scanning electron microscope (for example, trade name “SU3500” manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation). It can be obtained using the measured data. Such a standard deviation can be easily within the above range by appropriately changing the volume of the aqueous solution, the conditions of stirring during the reaction, and the like according to the type of raw material used.
また、前記メソポーラスシリカナノ粒子の比表面積は特に制限されるものではないが、50m2/g以上であることが好ましく、70〜1500m2/gであることがより好ましい。このような比表面積は、窒素吸脱着等温線から相対圧0.05〜0.2の範囲の吸着等温線を利用して、BET(Brunauer−Emmett−Teller)の吸着等温式を用いてBET比表面積として算出することができる。 Further, the but are not particularly limited specific surface area of mesoporous silica nanoparticles, preferably at 50 m 2 / g or more, more preferably 70~1500m 2 / g. Such a specific surface area is obtained by using a BET (Brunauer-Emmett-Teller) adsorption isotherm using an adsorption isotherm in a range of 0.05 to 0.2 relative pressure from the nitrogen adsorption / desorption isotherm. It can be calculated as a surface area.
さらに、前記メソポーラスシリカナノ粒子の細孔容量は特に制限されないが0.2cm3/g以上であることが好ましく、0.3cm3/g以上であることがより好ましい。このような細孔容量が前記下限未満では、細孔内に吸着可能なナノ粒子や化合物の量が不十分となる傾向にある。このような細孔容積は、窒素吸脱着等温線からt−プロット検定により算出することができる。 Furthermore, the pore volume of the mesoporous silica nanoparticles is not particularly limited, but is preferably 0.2 cm 3 / g or more, and more preferably 0.3 cm 3 / g or more. If the pore volume is less than the lower limit, the amount of nanoparticles or compounds that can be adsorbed in the pores tends to be insufficient. Such a pore volume can be calculated from a nitrogen adsorption / desorption isotherm by a t-plot test.
また、このようなメソポーラスシリカナノ粒子としては、シリカ骨格の密度を2g/cm3(シリカ骨格が占める体積を0.5cm3/g)と仮定した場合における空隙率が20〜75%であることが好ましく、40〜65%であることがより好ましい。このような空隙率が前記下限未満では細孔の内部や表面を物性制御に活用できなくなる傾向にあり、他方、前記上限を超えると粒子の力学的強度が低下することで用途が限定される傾向にある。 In addition, such mesoporous silica nanoparticles have a porosity of 20 to 75% when the density of the silica skeleton is assumed to be 2 g / cm 3 (the volume occupied by the silica skeleton is 0.5 cm 3 / g). Preferably, it is 40 to 65%. If the porosity is less than the lower limit, the inside and surface of the pores tend not to be used for physical property control. On the other hand, if the upper limit is exceeded, the mechanical strength of the particles tends to decrease, and the application tends to be limited. It is in.
以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely based on an Example, this invention is not limited to a following example.
先ず、各実施例で得られた粒子の特性の評価方法について説明する。 First, a method for evaluating the characteristics of the particles obtained in each example will be described.
<粒子の平均粒子径および標準偏差の測定>
各実施例で得られた粒子の平均粒子径および標準偏差は、走査型電子顕微鏡(SEM)観察により測定した。なお、このような測定には、走査型電子顕微鏡(SEM)としてHITACHI社製の商品名「SU3500」を用いた。また、このような測定に際しては、各実施例で得られた粒子の走査型電子顕微鏡(SEM)像(観察像)から、任意(ランダム)に200個の粒子を選択し、該200個の粒子の粒子径(直径)を測定することで、ナノ粒子の平均粒子径および粒子径の標準偏差を求めた。なお、選択された粒子が真の球体ではない場合には、粒子の最小の外接円の直径と、粒子の最大の外接円の直径との平均値を、各粒子の「粒子径」として採用する。
<Measurement of average particle diameter and standard deviation of particles>
The average particle size and standard deviation of the particles obtained in each example were measured by observation with a scanning electron microscope (SEM). For such measurement, a trade name “SU3500” manufactured by HITACHI was used as a scanning electron microscope (SEM). In such measurement, 200 particles are selected arbitrarily (randomly) from a scanning electron microscope (SEM) image (observed image) of the particles obtained in each example, and the 200 particles The average particle diameter of the nanoparticles and the standard deviation of the particle diameter were determined by measuring the particle diameter (diameter). When the selected particle is not a true sphere, the average value of the diameter of the smallest circumscribed circle of the particle and the diameter of the largest circumscribed circle of the particle is adopted as the “particle diameter” of each particle. .
<比表面積の測定>
各実施例で得られた粒子の比表面積は、以下のようにして測定した。先ず、カンタクローム(Quantachrome)社製のガス吸着量測定装置(商品名「Autosorb−1」)を用いて窒素吸脱着等温線を測定した。なお、このような窒素吸脱着等温線は、液体窒素温度(−196℃)でガス吸着法(定容量法を採用)により窒素ガスの吸着量を求めることにより測定した(以下の平均細孔径等の各特性の測定時においても、窒素吸脱着等温線としては、かかる方法により測定された窒素吸脱着等温線を利用した。)。そして、得られた窒素吸脱着等温線から、相対圧0.05〜0.2の範囲の吸着等温線を利用して、BET(Brunauer−Emmett−Teller)法により比表面積を求めた。
<Measurement of specific surface area>
The specific surface area of the particles obtained in each example was measured as follows. First, the nitrogen adsorption / desorption isotherm was measured using a gas adsorption amount measuring device (trade name “Autosorb-1”) manufactured by Quantachrome. Such nitrogen adsorption / desorption isotherm was measured by determining the amount of nitrogen gas adsorbed by a gas adsorption method (adopting a constant volume method) at a liquid nitrogen temperature (−196 ° C.) (the following average pore diameter and the like). The nitrogen adsorption / desorption isotherm measured by such a method was also used as the nitrogen adsorption / desorption isotherm in the measurement of each characteristic. And the specific surface area was calculated | required by BET (Brunauer-Emmett-Teller) method using the adsorption isotherm of the range of 0.05-0.2 of relative pressure from the obtained nitrogen adsorption-desorption isotherm.
<細孔直径の測定>
各実施例で得られた粒子の細孔直径は、以下のようにして求めた。すなわち、上述のようにして測定された窒素吸脱着等温線から、窒素の吸着等温線を用いて密度汎関数法(平衡吸着モデルに基づく密度汎関数法)により細孔径分布曲線を求め、細孔径分布曲線の最大ピークにおける細孔径(細孔直径)を、各実施例で得られた粒子の細孔直径として測定することにより求めた。
<Measurement of pore diameter>
The pore diameter of the particles obtained in each example was determined as follows. That is, from the nitrogen adsorption / desorption isotherm measured as described above, a pore size distribution curve is obtained by the density functional method (density functional method based on the equilibrium adsorption model) using the nitrogen adsorption isotherm. The pore diameter (pore diameter) at the maximum peak of the distribution curve was determined by measuring the pore diameter of the particles obtained in each example.
<細孔容量および空隙率の測定>
各実施例で得られた粒子の細孔容量は、以下のようにして求めた。すなわち、先ず、上述のようにして測定された窒素吸脱着等温線から、相対圧0.6〜0.8の範囲の吸着等温線を利用して、t−プロット法により算出することにより、各実施例で得られた粒子の細孔容量を求めた。また、上述のようにして求めた細孔容量の値から、シリカ骨格の密度を2g/cm3(すなわちシリカ骨格が占める体積を0.5cm3/g)とした場合の各粒子の空隙率(粒子間の空隙は含めない。なお、かかる空隙率はメソポーラス構造に由来した空隙率となる。)を算出して、空隙率を求めた。
<Measurement of pore volume and porosity>
The pore volume of the particles obtained in each example was determined as follows. That is, first, from the nitrogen adsorption / desorption isotherm measured as described above, by using an adsorption isotherm in the range of relative pressure 0.6 to 0.8, by calculating by the t-plot method, The pore volume of the particles obtained in the examples was determined. Further, from the pore volume value obtained as described above, the porosity of each particle when the density of the silica skeleton is 2 g / cm 3 (that is, the volume occupied by the silica skeleton is 0.5 cm 3 / g) ( The voids between the particles are not included, and the void ratio is a void ratio derived from the mesoporous structure.
(実施例1)
100mLナスフラスコに、撹拌子(直径7mm、長さ20mm:なお、以下の各実施例においては同様のサイズの撹拌子を利用した。)、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)を10質量%の割合で含有する水溶液(60mL)および加水分解触媒としてのトリエタノールアミン(0.18g)を添加して、界面活性剤と加水分解触媒とを含む水溶液を得た。次いで、該水溶液を50℃に加熱した後、水溶液の温度を50℃に維持できるように加温しながら、該水溶液の水面上に、テトラプロポキシシラン(4mL:東京化成工業社製の商品名「Tetrapropyl Orthosilicate」、純度98質量%の原液(有機溶媒の含有量0質量%)を有機溶媒で希釈することなく、そのまま利用した。なお、後述の実施例3〜6および8〜10においても同様のテトラプロポキシシランを使用した。)を、エマルジョンが生成しないようにゆっくりと添加して浮かべた後(ゆっくりと展開した後)、50℃の温度条件を維持しながらマグネチックスターラーを用いて150rpmの速さで10時間撹拌して、水溶液中にナノ粒子を形成せしめた。なお、このような撹拌中、前記水溶液の水面上にテトラプロポキシシランが浮かんだ状態は維持された。
Example 1
In a 100 mL eggplant flask, a stirrer (diameter 7 mm, length 20 mm: a stirrer of the same size was used in each of the following examples), hexadecyltrimethylammonium chloride (surfactant) 10% by mass. An aqueous solution (60 mL) and a triethanolamine (0.18 g) as a hydrolysis catalyst were added to obtain an aqueous solution containing a surfactant and a hydrolysis catalyst. Next, after heating the aqueous solution to 50 ° C., while heating the aqueous solution so that the temperature of the aqueous solution can be maintained at 50 ° C., tetrapropoxysilane (4 mL: trade name “manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.” “Tetrapropyl Orthosilicate”, a stock solution having a purity of 98% by mass (content of organic solvent: 0% by mass) was used as it was without being diluted with an organic solvent. The same applies to Examples 3 to 6 and 8 to 10 described later. Tetrapropoxysilane was used.) Was slowly added and floated so as not to form an emulsion (after slowly developing), and then at a speed of 150 rpm using a magnetic stirrer while maintaining a temperature condition of 50 ° C. The mixture was then stirred for 10 hours to form nanoparticles in the aqueous solution. During such stirring, the state in which tetrapropoxysilane floated on the water surface of the aqueous solution was maintained.
このようにして生成されたナノ粒子を遠心分離(4000rpm、1時間)により回収した。その後、エタノールと濃塩酸の混合液([エタノール]/[濃塩酸]の体積比が200/1)60mL中に再分散させ、遠心分離で回収する操作を2回繰り返して施した(界面活性剤の除去処理)。次いで、遠心分離後のナノ粒子をエタノール10mLに分散させて、最終的に分散液(溶媒:エタノール)としてナノ粒子を回収した。なお、得られたナノ粒子の総量は0.44gであった。 The nanoparticles thus produced were collected by centrifugation (4000 rpm, 1 hour). Thereafter, an operation of redispersing in 60 mL of a mixed solution of ethanol and concentrated hydrochloric acid (volume ratio of [ethanol] / [concentrated hydrochloric acid] of 200/1) and collecting by centrifugation was repeated twice (surfactant) Removal process). Subsequently, the nanoparticles after centrifugation were dispersed in 10 mL of ethanol, and finally the nanoparticles were collected as a dispersion (solvent: ethanol). The total amount of nanoparticles obtained was 0.44 g.
このようにして得られた分散液中のナノ粒子を走査型電子顕微鏡(SEM)により観測して、平均粒子径及び標準偏差を求めた。このようなナノ粒子の走査型電子顕微鏡写真を図2に示す。このような走査型電子顕微鏡(SEM)による測定の結果、得られたナノ粒子の平均粒子径は89nmであり、また、粒子径の標準偏差は9.9nmであることが確認された。また、図2に示す走査型電子顕微鏡写真からも明らかなように、走査型電子顕微鏡(SEM)による測定の結果、得られた粒子は球状のものであることも確認された。 The nanoparticles in the dispersion thus obtained were observed with a scanning electron microscope (SEM), and the average particle size and standard deviation were determined. A scanning electron micrograph of such nanoparticles is shown in FIG. As a result of measurement by such a scanning electron microscope (SEM), it was confirmed that the average particle diameter of the obtained nanoparticles was 89 nm, and the standard deviation of the particle diameter was 9.9 nm. Further, as apparent from the scanning electron micrograph shown in FIG. 2, as a result of measurement using a scanning electron microscope (SEM), it was confirmed that the obtained particles were spherical.
また、前記分散液中のナノ粒子を、エタノール分散媒を加熱留去することで回収し、乾燥させた後、窒素吸脱着等温線を求めた。得られた窒素吸脱着等温線を図3に示す。図3に示す結果からも明らかなように、窒素吸脱着等温線においてIV型のヒステリスが確認された。また、前記窒素吸脱着等温線から、ナノ粒子のBET比表面積は974m2/g、細孔直径が4.3nm、細孔容量が0.63cm3/g、空隙率が56%であることが確認された。このような結果と用いた原料の種類等から、得られた粒子はメソポーラスシリカナノ粒子であることが確認された。 Further, the nanoparticles in the dispersion were recovered by heating and distilling off the ethanol dispersion medium and dried, and then a nitrogen adsorption / desorption isotherm was determined. The obtained nitrogen adsorption / desorption isotherm is shown in FIG. As is apparent from the results shown in FIG. 3, type IV hysteris was confirmed in the nitrogen adsorption / desorption isotherm. Further, from the nitrogen adsorption / desorption isotherm, the nanoparticles have a BET specific surface area of 974 m 2 / g, a pore diameter of 4.3 nm, a pore volume of 0.63 cm 3 / g, and a porosity of 56%. confirmed. From these results and the types of raw materials used, it was confirmed that the obtained particles were mesoporous silica nanoparticles.
(実施例2)
100mLナスフラスコに、撹拌子、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)を10質量%の割合で含有する水溶液(60mL)および加水分解触媒としてのトリエタノールアミン(0.18g)を添加して、界面活性剤と加水分解触媒とを含む水溶液を得た。次いで、該水溶液を80℃に加熱した後、水溶液の温度を80℃に維持できるように加温しながら、該水溶液の水面上に、テトライソプロポキシシラン(4mL:東京化成工業社製の商品名「Tetraisopropyl Orthosilicate」、純度99質量%の原液(有機溶媒の含有量0質量%)を有機溶媒で希釈することなく、そのまま利用した。)をエマルジョンが生成しないようにゆっくりと添加して浮かべた後(ゆっくりと展開した後)、80℃の温度条件を維持しながらマグネチックスターラーを用いて150rpmの速さで10時間撹拌して、水溶液中にナノ粒子を形成せしめた。なお、このような撹拌中、前記水溶液の水面上にテトラプロポキシシランが浮かんだ状態は維持された。
(Example 2)
To a 100 mL eggplant flask, a stirring bar, an aqueous solution (60 mL) containing hexadecyltrimethylammonium chloride (surfactant) in a proportion of 10% by mass and triethanolamine (0.18 g) as a hydrolysis catalyst were added, An aqueous solution containing a surfactant and a hydrolysis catalyst was obtained. Next, after the aqueous solution is heated to 80 ° C., tetraisopropoxysilane (4 mL: trade name manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) is placed on the water surface of the aqueous solution while being heated so that the temperature of the aqueous solution can be maintained at 80 ° C. After slowly adding “Tetraisopropyl Orthosilicate”, a stock solution with a purity of 99% by mass (organic solvent content: 0% by mass) without diluting with an organic solvent, so as not to produce an emulsion. (After slowly developing), the mixture was stirred for 10 hours at a speed of 150 rpm using a magnetic stirrer while maintaining the temperature condition of 80 ° C. to form nanoparticles in the aqueous solution. During such stirring, the state in which tetrapropoxysilane floated on the water surface of the aqueous solution was maintained.
このようにして生成されたナノ粒子を遠心分離(4000rpm、1時間)により回収した。その後、エタノールと濃塩酸の混合液([エタノール]/[濃塩酸]の体積比が200/1)60mL中に再分散させ、遠心分離で回収する操作を2回繰り返して施した(界面活性剤の除去処理)。次いで、遠心分離後のナノ粒子をエタノール10mLに分散させて、最終的に分散液(溶媒:エタノール)としてナノ粒子を回収した。なお、得られたナノ粒子の総量は0.11gであった。 The nanoparticles thus produced were collected by centrifugation (4000 rpm, 1 hour). Thereafter, an operation of redispersing in 60 mL of a mixed solution of ethanol and concentrated hydrochloric acid (volume ratio of [ethanol] / [concentrated hydrochloric acid] of 200/1) and collecting by centrifugation was repeated twice (surfactant) Removal process). Subsequently, the nanoparticles after centrifugation were dispersed in 10 mL of ethanol, and finally the nanoparticles were collected as a dispersion (solvent: ethanol). The total amount of nanoparticles obtained was 0.11 g.
このようにして得られた分散液中のナノ粒子を走査型電子顕微鏡(SEM)により観測して、平均粒子径及び標準偏差を求めた。このようなナノ粒子の走査型電子顕微鏡写真を図4に示す。このような走査型電子顕微鏡(SEM)による測定の結果、得られたナノ粒子の平均粒子径は137nmであり、かつ、粒子径の標準偏差は28.3nmであることが確認された。また、図4に示す走査型電子顕微鏡写真からも明らかなように、走査型電子顕微鏡(SEM)による測定の結果、得られた粒子は球状のものであることも確認された。 The nanoparticles in the dispersion thus obtained were observed with a scanning electron microscope (SEM), and the average particle size and standard deviation were determined. A scanning electron micrograph of such nanoparticles is shown in FIG. As a result of measurement by such a scanning electron microscope (SEM), it was confirmed that the average particle diameter of the obtained nanoparticles was 137 nm, and the standard deviation of the particle diameter was 28.3 nm. Further, as apparent from the scanning electron micrograph shown in FIG. 4, as a result of measurement by a scanning electron microscope (SEM), it was confirmed that the obtained particles were spherical.
また、前記分散液中のナノ粒子を、エタノール分散媒を加熱留去することで回収し、乾燥させた後、窒素吸脱着等温線を求めた。得られた窒素吸脱着等温線を図5に示す。図5に示す結果からも明らかなように、窒素吸脱着等温線においてIV型のヒステリスが確認された。また、前記窒素吸脱着等温線から、ナノ粒子のBET比表面積が1053m2/g、細孔直径が5.1nm、細孔容量が0.97cm3/g、空隙率が66%であることが確認された。このような結果と用いた原料の種類等から、得られた粒子はメソポーラスシリカナノ粒子であることが確認された。 Further, the nanoparticles in the dispersion were recovered by heating and distilling off the ethanol dispersion medium and dried, and then a nitrogen adsorption / desorption isotherm was determined. The obtained nitrogen adsorption / desorption isotherm is shown in FIG. As is apparent from the results shown in FIG. 5, type IV hysteris was confirmed in the nitrogen adsorption / desorption isotherm. From the nitrogen adsorption / desorption isotherm, the BET specific surface area of the nanoparticles is 1053 m 2 / g, the pore diameter is 5.1 nm, the pore volume is 0.97 cm 3 / g, and the porosity is 66%. confirmed. From these results and the types of raw materials used, it was confirmed that the obtained particles were mesoporous silica nanoparticles.
(実施例3)
100mLナスフラスコに、撹拌子、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)を10質量%の割合で含有する水溶液(60mL)および加水分解触媒としてのトリエタノールアミン(0.18g)を添加して、界面活性剤と加水分解触媒とを含む水溶液を得た。次いで、室温(25℃)条件下において、該水溶液の水面上に、テトラプロポキシシラン(4mL)をエマルジョンが生成しないようにゆっくりと添加して浮かべた後(ゆっくりと展開した後)、室温(25℃)条件のままで、マグネチックスターラーを用いて150rpmの速さで48時間撹拌して、水溶液中にナノ粒子を形成せしめた。なお、このような撹拌中、前記水溶液の水面上にテトラプロポキシシランが浮かんだ状態は維持された。
(Example 3)
To a 100 mL eggplant flask, a stirring bar, an aqueous solution (60 mL) containing hexadecyltrimethylammonium chloride (surfactant) in a proportion of 10% by mass and triethanolamine (0.18 g) as a hydrolysis catalyst were added, An aqueous solution containing a surfactant and a hydrolysis catalyst was obtained. Then, under room temperature (25 ° C.) conditions, tetrapropoxysilane (4 mL) was slowly added and floated on the water surface of the aqueous solution so as not to form an emulsion (after slowly developing), and then at room temperature (25 The mixture was stirred for 48 hours at a speed of 150 rpm using a magnetic stirrer under the conditions of (° C.) to form nanoparticles in the aqueous solution. During such stirring, the state in which tetrapropoxysilane floated on the water surface of the aqueous solution was maintained.
このようにして生成されたナノ粒子を遠心分離(4000rpm、1時間)により回収した。その後、エタノールと濃塩酸の混合液([エタノール]/[濃塩酸]の体積比が200/1)60mL中に再分散させ、遠心分離で回収する操作を2回繰り返して施した(界面活性剤の除去処理)。次いで、遠心分離後のナノ粒子をエタノール10mLに分散させて、最終的に分散液(溶媒:エタノール)としてナノ粒子を回収した。なお、得られたナノ粒子の総量は0.11gであった。 The nanoparticles thus produced were collected by centrifugation (4000 rpm, 1 hour). Thereafter, an operation of redispersing in 60 mL of a mixed solution of ethanol and concentrated hydrochloric acid (volume ratio of [ethanol] / [concentrated hydrochloric acid] of 200/1) and collecting by centrifugation was repeated twice (surfactant) Removal process). Subsequently, the nanoparticles after centrifugation were dispersed in 10 mL of ethanol, and finally the nanoparticles were collected as a dispersion (solvent: ethanol). The total amount of nanoparticles obtained was 0.11 g.
このようにして得られた分散液中のナノ粒子を走査型電子顕微鏡(SEM)により観測して、平均粒子径及び標準偏差を求めた。このようなナノ粒子の走査型電子顕微鏡写真を図6に示す。このような走査型電子顕微鏡(SEM)による測定の結果、得られたナノ粒子の平均粒子径は52nmであり、かつ、粒子径の標準偏差は8.2nmであることが確認された。また、図6に示す走査型電子顕微鏡写真からも明らかなように、走査型電子顕微鏡(SEM)による測定の結果、得られた粒子は球状のものであることも確認された。 The nanoparticles in the dispersion thus obtained were observed with a scanning electron microscope (SEM), and the average particle size and standard deviation were determined. A scanning electron micrograph of such nanoparticles is shown in FIG. As a result of measurement by such a scanning electron microscope (SEM), it was confirmed that the average particle diameter of the obtained nanoparticles was 52 nm, and the standard deviation of the particle diameter was 8.2 nm. Further, as apparent from the scanning electron micrograph shown in FIG. 6, as a result of measurement by a scanning electron microscope (SEM), it was confirmed that the obtained particles were spherical.
また、前記分散液中のナノ粒子を、エタノール分散媒を加熱留去することで回収し、乾燥させた後、窒素吸脱着等温線を求めた。得られた窒素吸脱着等温線を図7に示す。図7に示す結果からも明らかなように、窒素吸脱着等温線においてIV型のヒステリスが確認された。また、前記窒素吸脱着等温線から、ナノ粒子のBET比表面積が1482m2/g、細孔直径が4.3nm、細孔容量が0.82cm3/g、空隙率が62%であることが確認された。このような結果と用いた原料の種類等から、得られた粒子はメソポーラスシリカナノ粒子であることが確認された。 Further, the nanoparticles in the dispersion were recovered by heating and distilling off the ethanol dispersion medium and dried, and then a nitrogen adsorption / desorption isotherm was determined. The obtained nitrogen adsorption / desorption isotherm is shown in FIG. As is clear from the results shown in FIG. 7, type IV hysteris was confirmed in the nitrogen adsorption / desorption isotherm. From the nitrogen adsorption / desorption isotherm, the BET specific surface area of the nanoparticles is 1482 m 2 / g, the pore diameter is 4.3 nm, the pore volume is 0.82 cm 3 / g, and the porosity is 62%. confirmed. From these results and the types of raw materials used, it was confirmed that the obtained particles were mesoporous silica nanoparticles.
(実施例4)
100mLナスフラスコに、撹拌子、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)を10質量%の割合で含有する水溶液(60mL)および加水分解触媒としてのトリエタノールアミン(0.18g)を添加して、界面活性剤と加水分解触媒とを含む水溶液を得た。次いで、該水溶液を50℃に加熱した後、水溶液の温度を50℃に維持できるように加温しながら、該水溶液の水面上に、テトラプロポキシシラン(8mL)をエマルジョンが生成しないようにゆっくりと添加して浮かべた後(ゆっくりと展開した後)、50℃の温度条件を維持しながらマグネチックスターラーを用いて150rpmの速さで5時間撹拌して、水溶液中にナノ粒子を形成せしめた。なお、このような撹拌中、前記水溶液の水面上にテトラプロポキシシランが浮かんだ状態は維持された。
Example 4
To a 100 mL eggplant flask, a stirring bar, an aqueous solution (60 mL) containing hexadecyltrimethylammonium chloride (surfactant) in a proportion of 10% by mass and triethanolamine (0.18 g) as a hydrolysis catalyst were added, An aqueous solution containing a surfactant and a hydrolysis catalyst was obtained. Next, after heating the aqueous solution to 50 ° C., while slowly heating the aqueous solution so that the temperature of the aqueous solution can be maintained at 50 ° C., tetrapropoxysilane (8 mL) is slowly formed on the water surface of the aqueous solution so as not to form an emulsion. After adding and floating (after slowly developing), the mixture was stirred for 5 hours at a speed of 150 rpm using a magnetic stirrer while maintaining a temperature condition of 50 ° C. to form nanoparticles in the aqueous solution. During such stirring, the state in which tetrapropoxysilane floated on the water surface of the aqueous solution was maintained.
このようにして生成されたナノ粒子を遠心分離(4000rpm、1時間)により回収した。その後、エタノールと濃塩酸の混合液([エタノール]/[濃塩酸]の体積比が200/1)60mL中に再分散させ、遠心分離で回収する操作を2回繰り返して施した(界面活性剤の除去処理)。次いで、遠心分離後のナノ粒子をエタノール10mLに分散させて、最終的に、分散液(溶媒:エタノール)としてナノ粒子を回収した。なお、得られたナノ粒子の総量は0.14gであった。 The nanoparticles thus produced were collected by centrifugation (4000 rpm, 1 hour). Thereafter, an operation of redispersing in 60 mL of a mixed solution of ethanol and concentrated hydrochloric acid (volume ratio of [ethanol] / [concentrated hydrochloric acid] of 200/1) and collecting by centrifugation was repeated twice (surfactant) Removal process). Subsequently, the nanoparticles after centrifugation were dispersed in 10 mL of ethanol, and finally the nanoparticles were collected as a dispersion (solvent: ethanol). The total amount of nanoparticles obtained was 0.14 g.
このようにして得られた分散液中のナノ粒子を走査型電子顕微鏡(SEM)により観測して、平均粒子径及び標準偏差を求めた。このようなナノ粒子の走査型電子顕微鏡写真を図8に示す。このような走査型電子顕微鏡(SEM)による測定の結果、得られたナノ粒子の平均粒子径は64nmであり、また、粒子径の標準偏差は8.7nmであることが確認された。また、図8に示す走査型電子顕微鏡写真からも明らかなように、走査型電子顕微鏡(SEM)による測定の結果、得られた粒子は球状のものであることも確認された。 The nanoparticles in the dispersion thus obtained were observed with a scanning electron microscope (SEM), and the average particle size and standard deviation were determined. A scanning electron micrograph of such nanoparticles is shown in FIG. As a result of measurement by such a scanning electron microscope (SEM), it was confirmed that the average particle diameter of the obtained nanoparticles was 64 nm, and the standard deviation of the particle diameter was 8.7 nm. Further, as apparent from the scanning electron micrograph shown in FIG. 8, as a result of measurement using a scanning electron microscope (SEM), it was confirmed that the obtained particles were spherical.
また、前記分散液中のナノ粒子を、エタノール分散媒を加熱留去することで回収し、乾燥させた後、窒素吸脱着等温線を求めた。得られた窒素吸脱着等温線を図9に示す。図9に示す結果からも明らかなように、窒素吸脱着等温線においてIV型のヒステリスが確認された。また、前記窒素吸脱着等温線から、ナノ粒子のBET比表面積は935m2/g、細孔直径が4.3nm、細孔容量が0.57cm3/g、空隙率が53%であることが確認された。このような結果と用いた原料の種類等から、得られた粒子はメソポーラスシリカナノ粒子であることが確認された。 Further, the nanoparticles in the dispersion were recovered by heating and distilling off the ethanol dispersion medium and dried, and then a nitrogen adsorption / desorption isotherm was determined. The obtained nitrogen adsorption / desorption isotherm is shown in FIG. As is clear from the results shown in FIG. 9, type IV hysteris was confirmed in the nitrogen adsorption / desorption isotherm. From the nitrogen adsorption / desorption isotherm, the nanoparticles have a BET specific surface area of 935 m 2 / g, a pore diameter of 4.3 nm, a pore volume of 0.57 cm 3 / g, and a porosity of 53%. confirmed. From these results and the types of raw materials used, it was confirmed that the obtained particles were mesoporous silica nanoparticles.
(実施例5)
水溶液を撹拌する時間を5時間から10時間に変更した以外は実施例4と同様にして、分散液(溶媒:エタノール)としてナノ粒子を回収し、ナノ粒子を得た。なお、得られたナノ粒子の総量は0.29gであった。
(Example 5)
Nanoparticles were collected as a dispersion (solvent: ethanol) in the same manner as in Example 4 except that the time for stirring the aqueous solution was changed from 5 hours to 10 hours, to obtain nanoparticles. The total amount of nanoparticles obtained was 0.29 g.
このようにして得られた分散液中のナノ粒子を走査型電子顕微鏡(SEM)により観測して、平均粒子径及び標準偏差を求めた。このようなナノ粒子の走査型電子顕微鏡写真を図10に示す。このような走査型電子顕微鏡(SEM)による測定の結果、得られたナノ粒子の平均粒子径は89nmであり、また、粒子径の標準偏差は7.0nmであることが確認された。また、図10に示す走査型電子顕微鏡写真からも明らかなように、走査型電子顕微鏡(SEM)による測定の結果、得られた粒子は球状のものであることも確認された。 The nanoparticles in the dispersion thus obtained were observed with a scanning electron microscope (SEM), and the average particle size and standard deviation were determined. A scanning electron micrograph of such nanoparticles is shown in FIG. As a result of measurement by such a scanning electron microscope (SEM), it was confirmed that the average particle diameter of the obtained nanoparticles was 89 nm, and the standard deviation of the particle diameter was 7.0 nm. Further, as is apparent from the scanning electron micrograph shown in FIG. 10, as a result of measurement by a scanning electron microscope (SEM), it was confirmed that the obtained particles were spherical.
また、前記分散液中のナノ粒子を、エタノール分散媒を加熱留去することで回収し、乾燥させた後、窒素吸脱着等温線を求めた。得られた窒素吸脱着等温線を図11に示す。図11に示す結果からも明らかなように、窒素吸脱着等温線においてIV型のヒステリスが確認された。また、前記窒素吸脱着等温線から、ナノ粒子のBET比表面積は1023m2/g、細孔直径が4.3nm、細孔容量が0.68cm3/g、空隙率が58%であることが確認された。このような結果と用いた原料の種類等から、得られた粒子はメソポーラスシリカナノ粒子であることが確認された。 Further, the nanoparticles in the dispersion were recovered by heating and distilling off the ethanol dispersion medium and dried, and then a nitrogen adsorption / desorption isotherm was determined. The obtained nitrogen adsorption / desorption isotherm is shown in FIG. As is clear from the results shown in FIG. 11, type IV hysteris was confirmed in the nitrogen adsorption / desorption isotherm. Further, from the nitrogen adsorption / desorption isotherm, the BET specific surface area of the nanoparticles is 1023 m 2 / g, the pore diameter is 4.3 nm, the pore volume is 0.68 cm 3 / g, and the porosity is 58%. confirmed. From these results and the types of raw materials used, it was confirmed that the obtained particles were mesoporous silica nanoparticles.
(実施例6)
水溶液を撹拌する時間を5時間から24時間に変更した以外は実施例4と同様にして、分散液(溶媒:エタノール)としてナノ粒子を回収し、ナノ粒子を得た。なお、得られたナノ粒子の総量は0.78gであった。
(Example 6)
Nanoparticles were collected as a dispersion (solvent: ethanol) in the same manner as in Example 4 except that the time for stirring the aqueous solution was changed from 5 hours to 24 hours, and nanoparticles were obtained. The total amount of nanoparticles obtained was 0.78 g.
このようにして得られた分散液中のナノ粒子を走査型電子顕微鏡(SEM)により観測して、平均粒子径及び標準偏差を求めた。このようなナノ粒子の走査型電子顕微鏡写真を図12に示す。このような走査型電子顕微鏡(SEM)による測定の結果、得られたナノ粒子の平均粒子径は115nmであり、また、粒子径の標準偏差は10.4nmであることが確認された。また、図12に示す走査型電子顕微鏡写真からも明らかなように、走査型電子顕微鏡(SEM)による測定の結果、得られた粒子は球状のものであることも確認された。 The nanoparticles in the dispersion thus obtained were observed with a scanning electron microscope (SEM), and the average particle size and standard deviation were determined. A scanning electron micrograph of such nanoparticles is shown in FIG. As a result of measurement by such a scanning electron microscope (SEM), it was confirmed that the average particle diameter of the obtained nanoparticles was 115 nm, and the standard deviation of the particle diameter was 10.4 nm. Further, as apparent from the scanning electron micrograph shown in FIG. 12, as a result of measurement by a scanning electron microscope (SEM), it was confirmed that the obtained particles were spherical.
また、前記分散液中のナノ粒子を、エタノール分散媒を加熱留去することで回収し、乾燥させた後、窒素吸脱着等温線を求めた。得られた窒素吸脱着等温線を図13に示す。図13に示す結果からも明らかなように、窒素吸脱着等温線においてIV型のヒステリスが確認された。また、前記窒素吸脱着等温線から、ナノ粒子のBET比表面積は829m2/g、細孔直径が4.3nm、細孔容量が0.52cm3/g、空隙率が51%であることが確認された。このような結果と用いた原料の種類等から、得られた粒子はメソポーラスシリカナノ粒子であることが確認された。 Further, the nanoparticles in the dispersion were recovered by heating and distilling off the ethanol dispersion medium and dried, and then a nitrogen adsorption / desorption isotherm was determined. The obtained nitrogen adsorption / desorption isotherm is shown in FIG. As is apparent from the results shown in FIG. 13, type IV hysteris was confirmed in the nitrogen adsorption / desorption isotherm. From the nitrogen adsorption / desorption isotherm, the nanoparticles have a BET specific surface area of 829 m 2 / g, a pore diameter of 4.3 nm, a pore volume of 0.52 cm 3 / g, and a porosity of 51%. confirmed. From these results and the types of raw materials used, it was confirmed that the obtained particles were mesoporous silica nanoparticles.
(実施例7)
テトラプロポキシシラン(4mL)を用いる代わりにテトラエトキシシラン(4mL:東京化成工業社製の商品名「Tetraethyl Orthosilicate」、純度96質量%の原液(有機溶媒の含有量0質量%)を有機溶媒で希釈することなく、そのまま利用した。)を用いた以外は実施例1と同様にして、分散液(溶媒:エタノール)としてナノ粒子を回収し、ナノ粒子を得た。なお、得られたナノ粒子の総量は0.99gであった。
(Example 7)
Instead of using tetrapropoxysilane (4 mL), tetraethoxysilane (4 mL: trade name “Tetraethyl Orthosilicate” manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.), dilute a stock solution of 96 mass% purity (content of organic solvent 0 mass%) with organic solvent The nanoparticle was recovered as a dispersion (solvent: ethanol) in the same manner as in Example 1 except that it was used as is. The total amount of nanoparticles obtained was 0.99 g.
このようにして得られた分散液中のナノ粒子を走査型電子顕微鏡(SEM)により観測して、平均粒子径及び標準偏差を求めた。このようなナノ粒子の走査型電子顕微鏡写真を図14に示す。このような走査型電子顕微鏡(SEM)による測定の結果、得られたナノ粒子の平均粒子径は90nmであり、また、粒子径の標準偏差は10.7nmであることが確認された。また、図14に示す走査型電子顕微鏡写真からも明らかなように、走査型電子顕微鏡(SEM)による測定の結果、得られた粒子は球状のものであることも確認された。 The nanoparticles in the dispersion thus obtained were observed with a scanning electron microscope (SEM), and the average particle size and standard deviation were determined. A scanning electron micrograph of such nanoparticles is shown in FIG. As a result of measurement by such a scanning electron microscope (SEM), it was confirmed that the average particle diameter of the obtained nanoparticles was 90 nm, and the standard deviation of the particle diameter was 10.7 nm. Further, as apparent from the scanning electron micrograph shown in FIG. 14, as a result of measurement by a scanning electron microscope (SEM), it was confirmed that the obtained particles were spherical.
また、前記分散液中のナノ粒子を、エタノール分散媒を加熱留去することで回収し、乾燥させた後、窒素吸脱着等温線を求めた。得られた窒素吸脱着等温線を図15に示す。図15に示す結果からも明らかなように、窒素吸脱着等温線においてIV型のヒステリスが確認された。また、前記窒素吸脱着等温線から、ナノ粒子のBET比表面積は449m2/g、細孔直径が3.5nm、細孔容量が0.21cm3/g、空隙率が29%であることが確認された。このような結果と用いた原料の種類等から、得られた粒子はメソポーラスシリカナノ粒子であることが確認された。 Further, the nanoparticles in the dispersion were recovered by heating and distilling off the ethanol dispersion medium and dried, and then a nitrogen adsorption / desorption isotherm was determined. The obtained nitrogen adsorption / desorption isotherm is shown in FIG. As is apparent from the results shown in FIG. 15, type IV hysteris was confirmed in the nitrogen adsorption / desorption isotherm. From the nitrogen adsorption / desorption isotherm, the nanoparticles have a BET specific surface area of 449 m 2 / g, a pore diameter of 3.5 nm, a pore volume of 0.21 cm 3 / g, and a porosity of 29%. confirmed. From these results and the types of raw materials used, it was confirmed that the obtained particles were mesoporous silica nanoparticles.
(実施例8)
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)を10質量%の割合で含有する水溶液の使用量を60mLから20mLに変更した以外は実施例4と同様にして、分散液(溶媒:エタノール)としてナノ粒子を回収し、ナノ粒子を得た。なお、得られたナノ粒子の総量は0.15gであった。
(Example 8)
Nanoparticles as a dispersion (solvent: ethanol) in the same manner as in Example 4 except that the amount of aqueous solution containing hexadecyltrimethylammonium chloride (surfactant) in a proportion of 10% by mass was changed from 60 mL to 20 mL. Were collected to obtain nanoparticles. The total amount of nanoparticles obtained was 0.15 g.
このようにして得られた分散液中のナノ粒子を走査型電子顕微鏡(SEM)により観測して、平均粒子径及び標準偏差を求めた。このようなナノ粒子の走査型電子顕微鏡写真を図16に示す。このような走査型電子顕微鏡(SEM)による測定の結果、得られたナノ粒子の平均粒子径は91nmであり、また、粒子径の標準偏差は9.4nmであることが確認された。また、図16に示す走査型電子顕微鏡写真からも明らかなように、走査型電子顕微鏡(SEM)による測定の結果、得られた粒子は球状のものであることも確認された。 The nanoparticles in the dispersion thus obtained were observed with a scanning electron microscope (SEM), and the average particle size and standard deviation were determined. A scanning electron micrograph of such nanoparticles is shown in FIG. As a result of measurement by such a scanning electron microscope (SEM), it was confirmed that the average particle diameter of the obtained nanoparticles was 91 nm, and the standard deviation of the particle diameter was 9.4 nm. Further, as apparent from the scanning electron micrograph shown in FIG. 16, as a result of measurement by a scanning electron microscope (SEM), it was confirmed that the obtained particles were spherical.
また、前記分散液中のナノ粒子を、エタノール分散媒を加熱留去することで回収し、乾燥させた後、窒素吸脱着等温線を求めた。得られた窒素吸脱着等温線を図17に示す。図17に示す結果からも明らかなように、窒素吸脱着等温線においてIV型のヒステリスが確認された。また、前記窒素吸脱着等温線から、ナノ粒子のBET比表面積は1322m2/g、細孔直径が4.3nm、細孔容量が0.91cm3/g、空隙率が65%であることが確認された。このような結果と用いた原料の種類等から、得られた粒子はメソポーラスシリカナノ粒子であることが確認された。 Further, the nanoparticles in the dispersion were recovered by heating and distilling off the ethanol dispersion medium and dried, and then a nitrogen adsorption / desorption isotherm was determined. The obtained nitrogen adsorption / desorption isotherm is shown in FIG. As is apparent from the results shown in FIG. 17, type IV hysteris was confirmed in the nitrogen adsorption / desorption isotherm. From the nitrogen adsorption / desorption isotherm, the BET specific surface area of the nanoparticles is 1322 m 2 / g, the pore diameter is 4.3 nm, the pore volume is 0.91 cm 3 / g, and the porosity is 65%. confirmed. From these results and the types of raw materials used, it was confirmed that the obtained particles were mesoporous silica nanoparticles.
(実施例9)
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)を10質量%の割合で含有する水溶液の使用量を60mLから20mLに変更した以外は実施例5と同様にして、分散液(溶媒:エタノール)としてナノ粒子を回収し、ナノ粒子を得た。なお、得られたナノ粒子の総量は0.39gであった。
Example 9
Nanoparticles as a dispersion (solvent: ethanol) in the same manner as in Example 5 except that the amount of aqueous solution containing hexadecyltrimethylammonium chloride (surfactant) in a proportion of 10% by mass was changed from 60 mL to 20 mL. Were collected to obtain nanoparticles. The total amount of nanoparticles obtained was 0.39 g.
このようにして得られた分散液中のナノ粒子を走査型電子顕微鏡(SEM)により観測して、平均粒子径及び標準偏差を求めた。このようなナノ粒子の走査型電子顕微鏡写真を図18に示す。このような走査型電子顕微鏡(SEM)による測定の結果、得られたナノ粒子の平均粒子径は126nmであり、また、粒子径の標準偏差は10.2nmであることが確認された。また、図18に示す走査型電子顕微鏡写真からも明らかなように、走査型電子顕微鏡(SEM)による測定の結果、得られた粒子は球状のものであることも確認された。 The nanoparticles in the dispersion thus obtained were observed with a scanning electron microscope (SEM), and the average particle size and standard deviation were determined. A scanning electron micrograph of such nanoparticles is shown in FIG. As a result of measurement by such a scanning electron microscope (SEM), it was confirmed that the average particle diameter of the obtained nanoparticles was 126 nm, and the standard deviation of the particle diameter was 10.2 nm. Further, as apparent from the scanning electron micrograph shown in FIG. 18, as a result of measurement by a scanning electron microscope (SEM), it was confirmed that the obtained particles were spherical.
また、前記分散液中のナノ粒子を、エタノール分散媒を加熱留去することで回収し、乾燥させた後、窒素吸脱着等温線を求めた。得られた窒素吸脱着等温線を図19に示す。図19に示す結果からも明らかなように、窒素吸脱着等温線においてIV型のヒステリスが確認された。また、前記窒素吸脱着等温線から、ナノ粒子のBET比表面積は943m2/g、細孔直径が4.3nm、細孔容量が0.66cm3/g、空隙率が57%であることが確認された。このような結果と用いた原料の種類等から、得られた粒子はメソポーラスシリカナノ粒子であることが確認された。 Further, the nanoparticles in the dispersion were recovered by heating and distilling off the ethanol dispersion medium and dried, and then a nitrogen adsorption / desorption isotherm was determined. The obtained nitrogen adsorption / desorption isotherm is shown in FIG. As is clear from the results shown in FIG. 19, type IV hysteris was confirmed in the nitrogen adsorption / desorption isotherm. From the nitrogen adsorption / desorption isotherm, the nanoparticles have a BET specific surface area of 943 m 2 / g, a pore diameter of 4.3 nm, a pore volume of 0.66 cm 3 / g, and a porosity of 57%. confirmed. From these results and the types of raw materials used, it was confirmed that the obtained particles were mesoporous silica nanoparticles.
(実施例10)
60mLの円筒型サンプル瓶(直径35mm)に、撹拌子、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)を20質量%の割合で含有する水溶液(10mL)および加水分解触媒としてのトリエタノールアミン(0.10g)を添加して、界面活性剤と加水分解触媒とを含む水溶液を得た。次いで、該水溶液を50℃に加熱した後、水溶液の温度を50℃に維持できるように加温しながら、水面上にテトラプロポキシシラン(8mL)をエマルジョンが生成しないようにゆっくりと添加して浮かべた後(ゆっくりと展開した後)、50℃の温度条件のまま、マグネチックスターラーを用いて150rpmの速さで10時間撹拌して、水溶液中にナノ粒子を形成せしめた。なお、このような撹拌中、前記水溶液の水面上にテトラプロポキシシランが浮かんだ状態は維持された。
(Example 10)
In a 60 mL cylindrical sample bottle (35 mm in diameter), a stirring bar, an aqueous solution (10 mL) containing hexadecyltrimethylammonium chloride (surfactant) in a proportion of 20% by mass, and triethanolamine (0. 10 g) was added to obtain an aqueous solution containing a surfactant and a hydrolysis catalyst. Next, the aqueous solution is heated to 50 ° C., and while being heated so that the temperature of the aqueous solution can be maintained at 50 ° C., tetrapropoxysilane (8 mL) is slowly added on the water surface so as not to form an emulsion and floated. (After slowly developing), the mixture was stirred for 10 hours at a speed of 150 rpm using a magnetic stirrer while maintaining the temperature at 50 ° C. to form nanoparticles in the aqueous solution. During such stirring, the state in which tetrapropoxysilane floated on the water surface of the aqueous solution was maintained.
このようにして生成されたナノ粒子を遠心分離(4000rpm、1時間)により回収した。その後、エタノールと濃塩酸の混合液([エタノール]/[濃塩酸]の体積比が200/1)60mL中に再分散させ、遠心分離で回収する操作を2回繰り返して施した(界面活性剤の除去処理)。次いで、遠心分離後のナノ粒子をエタノール10mLに分散させて、最終的に分散液(溶媒:エタノール)としてナノ粒子を回収した。なお、得られたナノ粒子の総量は0.17gであった。 The nanoparticles thus produced were collected by centrifugation (4000 rpm, 1 hour). Thereafter, an operation of redispersing in 60 mL of a mixed solution of ethanol and concentrated hydrochloric acid (volume ratio of [ethanol] / [concentrated hydrochloric acid] of 200/1) and collecting by centrifugation was repeated twice (surfactant) Removal process). Subsequently, the nanoparticles after centrifugation were dispersed in 10 mL of ethanol, and finally the nanoparticles were collected as a dispersion (solvent: ethanol). The total amount of nanoparticles obtained was 0.17 g.
このようにして得られた分散液中のナノ粒子を走査型電子顕微鏡(SEM)により観測して、平均粒子径及び標準偏差を求めた。このようなナノ粒子の走査型電子顕微鏡写真を図20に示す。このような走査型電子顕微鏡(SEM)による測定の結果、得られたナノ粒子の平均粒子径は178nmであり、また、粒子径の標準偏差は15.0nmであることが確認された。また、図20に示す走査型電子顕微鏡写真からも明らかなように、走査型電子顕微鏡(SEM)による測定の結果、得られた粒子は球状のものであることも確認された。 The nanoparticles in the dispersion thus obtained were observed with a scanning electron microscope (SEM), and the average particle size and standard deviation were determined. A scanning electron micrograph of such nanoparticles is shown in FIG. As a result of measurement by such a scanning electron microscope (SEM), it was confirmed that the average particle diameter of the obtained nanoparticles was 178 nm, and the standard deviation of the particle diameter was 15.0 nm. Further, as apparent from the scanning electron micrograph shown in FIG. 20, as a result of measurement using a scanning electron microscope (SEM), it was confirmed that the obtained particles were spherical.
また、前記分散液中のナノ粒子を、エタノール分散媒を加熱留去することで回収し、乾燥させた後、窒素吸脱着等温線を求めた。得られた窒素吸脱着等温線を図21に示す。図21に示す結果からも明らかなように、窒素吸脱着等温線においてIV型のヒステリスが確認された。また、前記窒素吸脱着等温線から、ナノ粒子のBET比表面積は1145m2/g、細孔直径が4.0nm、細孔容量が0.79cm3/g、空隙率が61%であることが確認された。このような結果と用いた原料の種類等から、得られた粒子はメソポーラスシリカナノ粒子であることが確認された。 Further, the nanoparticles in the dispersion were recovered by heating and distilling off the ethanol dispersion medium and dried, and then a nitrogen adsorption / desorption isotherm was determined. The nitrogen adsorption / desorption isotherm obtained is shown in FIG. As is clear from the results shown in FIG. 21, type IV hysteris was confirmed in the nitrogen adsorption / desorption isotherm. From the nitrogen adsorption / desorption isotherm, the nanoparticles have a BET specific surface area of 1145 m 2 / g, a pore diameter of 4.0 nm, a pore volume of 0.79 cm 3 / g, and a porosity of 61%. confirmed. From these results and the types of raw materials used, it was confirmed that the obtained particles were mesoporous silica nanoparticles.
[実施例1〜10で得られた各ナノ粒子について]
各実施例で得られたナノ粒子の特性等を表1に示す。なお、表1中、TPOSはテトラプロポキシシランを示し、TIPOSはテトライソプロポキシシランを示し、TEOSはテトラエトキシシランを示す。また、実施例4〜6で得られたナノ粒子の粒子直径と反応時間との関係を示すグラフを図22に示す。
[About each nanoparticle obtained in Examples 1-10]
The properties of the nanoparticles obtained in each example are shown in Table 1. In Table 1, TPOS represents tetrapropoxysilane, TIPOS represents tetraisopropoxysilane, and TEOS represents tetraethoxysilane. Moreover, the graph which shows the relationship between the particle diameter of the nanoparticle obtained in Examples 4-6 and reaction time is shown in FIG.
表1に示す結果からも明らかなように、本発明のメソポーラスシリカナノ粒子の製造方法(実施例1〜10)においては、いずれも有機溶媒を利用することなくメソポーラスシリカナノ粒子を製造できることが確認された。 As is clear from the results shown in Table 1, it was confirmed that in the method for producing mesoporous silica nanoparticles (Examples 1 to 10) of the present invention, mesoporous silica nanoparticles can be produced without using an organic solvent. .
また、表1の記載からも明らかなように、実施例1と実施例3とを比較すると、撹拌時の温度条件(反応温度)と撹拌時間(反応時間)が異なるが、反応温度を50℃とした場合(実施例1)には、室温で反応させた場合(実施例3)と比較して、より効率よく粒子を成長させることが可能であることが確認された。さらに、表1の記載からも明らかなように、実施例1と実施例5とを比較すると用いたテトラプロポキシシランの量が異なっているが、実施例1と実施例5とにおいて得られたナノ粒子の構造特性を対比すると、ほぼ同等のものとなっていることが明らかであり、本発明のように、水面に無希釈のシラン原料(無希釈のテトラプロポキシシラン)を浮かべた状態で(展開した状態で)反応させる場合には、温度や水量等の条件が一定であれば、反応速度がシラン原料の添加量にほとんど依存しないことが分かった。このような結果は、水面に無希釈のシラン原料(無希釈のテトラプロポキシシラン)を浮かべた状態で(展開した状態で)反応させる場合には、水面の面積が同じ場合、水層へのシラン原料の供給がシリカ原料の使用量によらず、ほぼ一定となるためと考えられる。このように、温度等が一定の場合に水層へのシラン原料の供給がほぼ一定となるのは、加水分解の反応速度が水面の面積に依存するためであると推察される。 Further, as is clear from the description in Table 1, when Example 1 and Example 3 are compared, the temperature conditions (reaction temperature) during stirring and the stirring time (reaction time) are different, but the reaction temperature is 50 ° C. In the case of (Example 1), it was confirmed that it was possible to grow particles more efficiently than in the case of reacting at room temperature (Example 3). Furthermore, as is clear from the description in Table 1, when Example 1 and Example 5 are compared, the amount of tetrapropoxysilane used is different, but the nano-particles obtained in Example 1 and Example 5 are different. When comparing the structural characteristics of the particles, it is clear that they are almost equivalent, and as in the present invention, an undiluted silane raw material (undiluted tetrapropoxysilane) is floated on the water surface (development). It was found that the reaction rate hardly depends on the addition amount of the silane raw material if the conditions such as temperature and water amount are constant. Such a result shows that when the undiluted silane raw material (undiluted tetrapropoxysilane) is floated on the water surface (in an unfolded state), if the water surface area is the same, the silane to the water layer This is probably because the supply of the raw material is almost constant regardless of the amount of silica raw material used. As described above, it is assumed that the supply of the silane raw material to the water layer becomes almost constant when the temperature or the like is constant because the hydrolysis reaction rate depends on the area of the water surface.
さらに、表1及び図22に示す結果からも明らかなように、反応液の組成を同じにして反応時間のみを変えた実施例4〜6について、反応時間と粒径(粒子直径)の関係を調べてプロットした結果、得られたグラフ(図22)から、粒子直径をdとし、反応時間をtとすると、下記関係式:
d=39.9×(t)1/3
で近似できること(反応時間の1/3乗に比例する関係式でほぼ近似できること)が分かった。このような結果は、水面に無希釈のシラン原料(無希釈のテトラプロポキシシラン)を浮かべた状態で(展開した状態で)反応させる場合には、水層へのシラン原料の供給が反応時間によらず、ほぼ一定となるためと考えられる。なお、水溶液中へのシラン原料の供給がほぼ一定となるのは、加水分解の反応速度が水面の面積に依存するためであると推察される。また、このような結果から、水溶液の水面上にテトラアルコキシシランからなる無希釈のシリカ原料を浮かべて反応を進行せしめることで、反応時間を管理するのみで、メソポーラスシリカナノ粒子の粒径を精密に制御(又は予測)することが可能となることは明らかである。なお、このような結果から、水溶液の水面上にテトラアルコキシシランからなる無希釈のシリカ原料を浮かべて反応せしめることで、反応時間を管理するのみで、水溶液中において所望のメソポーラスシリカナノ粒子を合成することが可能であることから、かかる方法によれば、例えば、水溶液中のシリカ原料の濃度を管理して粒径を制御したり、pHの管理等をする必要もなく、効率よく所望の粒径のナノ粒子を製造できるものと本発明者らは推察する。
Furthermore, as is clear from the results shown in Table 1 and FIG. 22, the relationship between the reaction time and the particle diameter (particle diameter) was obtained for Examples 4 to 6 in which the reaction liquid composition was the same and only the reaction time was changed. As a result of examining and plotting, from the obtained graph (FIG. 22), assuming that the particle diameter is d and the reaction time is t, the following relational expression:
d = 39.9 × (t) 1/3
(It can be approximated by a relational expression proportional to the 1/3 power of the reaction time). Such a result shows that when the undiluted silane raw material (undiluted tetrapropoxysilane) is floated on the surface of the water (in the expanded state), the supply of the silane raw material to the water layer takes time to react. Regardless, it is thought to be almost constant. The reason why the supply of the silane raw material into the aqueous solution is almost constant is presumed to be because the reaction rate of hydrolysis depends on the area of the water surface. In addition, from these results, the particle size of the mesoporous silica nanoparticles can be precisely controlled only by controlling the reaction time by floating the undiluted silica raw material consisting of tetraalkoxysilane on the water surface of the aqueous solution and allowing the reaction to proceed. Obviously, it is possible to control (or predict). From these results, it is possible to synthesize desired mesoporous silica nanoparticles in an aqueous solution only by managing the reaction time by floating and reacting an undiluted silica raw material made of tetraalkoxysilane on the water surface of the aqueous solution. Therefore, according to such a method, for example, it is not necessary to control the particle size by controlling the concentration of the silica raw material in the aqueous solution, or to control the pH, etc., and the desired particle size can be efficiently obtained. The present inventors speculate that these nanoparticles can be produced.
また、表1に示す結果からも明らかなように、実施例4と実施例8の結果から、水溶液(水層)の量によって、同じ反応条件、反応時間であっても、形成される粒子の平均粒子径が異なり、実施例4で得られたナノ粒子の平均粒子径に対して、実施例8で得られたナノ粒子の平均粒子径は、多孔性といった特性は維持したまま、約1.4倍に拡張されていることが分かった。同様に、実施例5と実施例9の結果から、水溶液(水層)の量によって、同じ反応条件、反応時間であっても、形成される粒子の平均粒子径が異なり、実施例5で得られたナノ粒子の平均粒子径に対して、実施例9で得られたナノ粒子の平均粒子径は、多孔性といった特性は維持したまま、約1.4倍に拡張されていることが分かった。なお、実施例8及び9においては、実施例4及び5と比較すると、基本的に、水溶液中に導入されたシリカ原料(加水分解されたシリカ原料)の濃度がより高くなる条件で反応が進行するものと考えられる。このような実施例8及び9の結果等から、本発明によれば、水溶液中に導入されるシリカ原料(加水分解されたシリカ原料)の濃度をより高い濃度として、ナノ粒子をより効率よく成長させることも可能であることが明らかとなった。 Further, as is clear from the results shown in Table 1, from the results of Example 4 and Example 8, the amount of the formed particles was determined depending on the amount of the aqueous solution (aqueous layer) even under the same reaction conditions and reaction time. The average particle size is different, and the average particle size of the nanoparticles obtained in Example 8 is about 1. with respect to the average particle size of the nanoparticles obtained in Example 4 while maintaining the properties such as porosity. It was found that it was expanded 4 times. Similarly, from the results of Example 5 and Example 9, the average particle diameter of the formed particles differs depending on the amount of the aqueous solution (aqueous layer) even under the same reaction conditions and reaction time. It was found that the average particle size of the nanoparticles obtained in Example 9 was expanded to about 1.4 times while maintaining the properties such as the porosity with respect to the average particle size of the obtained nanoparticles. . In Examples 8 and 9, as compared with Examples 4 and 5, the reaction basically proceeds under the condition that the concentration of the silica raw material (hydrolyzed silica raw material) introduced into the aqueous solution is higher. It is thought to do. From the results of Examples 8 and 9 and the like, according to the present invention, the concentration of the silica raw material (hydrolyzed silica raw material) introduced into the aqueous solution is set to a higher concentration, and the nanoparticles are grown more efficiently. It became clear that it was possible to make it.
以上説明したように、本発明によれば、有機溶媒を利用せずにメソポーラスシリカナノ粒子を製造することができ、有機溶媒の除去工程を不要とすることが可能なメソポーラスシリカナノ粒子の製造方法を提供することが可能となる。 As described above, according to the present invention, it is possible to produce mesoporous silica nanoparticles without using an organic solvent, and to provide a method for producing mesoporous silica nanoparticles that can eliminate the step of removing the organic solvent. It becomes possible to do.
このように、本発明のメソポーラスシリカナノ粒子の製造方法は、有機溶剤を利用することなく、メソポーラスシリカナノ粒子を製造することが可能であるため、例えば、吸着剤や触媒担体などに利用するメソポーラスシリカナノ粒子を製造するための方法等として特に有用である。 Thus, since the method for producing mesoporous silica nanoparticles of the present invention can produce mesoporous silica nanoparticles without using an organic solvent, for example, mesoporous silica nanoparticles used for adsorbents, catalyst carriers, etc. It is particularly useful as a method for producing
1…反応容器、2…シリカ原料、3…水溶液、4…シリカ粒子、I…上層と下層の界面、A…上層から下層に加水分解されたシリカ原料が導入される方向。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Reaction container, 2 ... Silica raw material, 3 ... Aqueous solution, 4 ... Silica particle, I ... Interface of upper layer and lower layer, A ... Direction where the silica raw material hydrolyzed from upper layer to lower layer is introduced.
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