CN117794857A - 纳米金刚石水分散液 - Google Patents
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Abstract
本发明提供能使纳米金刚石粒子以高分散状态存在于水中的纳米金刚石水分散液。一种纳米金刚石水分散液,其包含水和分散在水中的纳米金刚石粒子,所述纳米金刚石水分散液中,重金属的含量相对于纳米金刚石粒子100质量份为1质量份以下,根据低温电子显微镜法的分析图像计算出的纳米金刚石粒子的水平投影面积满足选自由以下的(a)~(d)构成的组中的至少一个条件。(a)100nm2以上的比例为20%以下;(b)80nm2以上的比例为24%以下;(c)50nm2以上的比例为30%以下;(d)30nm2以上的比例为39%以下。
Description
技术领域
本公开涉及包含水和分散在水中的纳米金刚石粒子的纳米金刚石水分散液。本申请主张2021年8月20日在日本申请的日本特愿2021-135080号的优先权,将其内容援引于此。
背景技术
已知纳米碳材料等纳米尺寸的微细物质具有在大尺寸状态下无法体现的新特性。例如,在纳米碳材料中,石墨(石墨烯重叠为层状而成的物质)在具有大比表面积的二维结构物质中示出优异的电导率和对低分子的优异的灵敏度,因此能用于多种电极材料。但是,已知纳米碳材料通常表面原子的比例大,因此,能在邻接粒子的表面原子间产生作用的范德华力的总和大,容易凝聚(aggregation)。因此,使纳米金刚石粒子稳定地分散于水、有机溶剂等分散介质中是非常困难的。
近年来,出于抑制纳米金刚石的凝聚,提高在水中的分散性的目的,报告了在纳米金刚石粒子的表面引入包含聚甘油链的修饰基团的方法(专利文献1和2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2010-248023号公报
专利文献2:日本特开2012-82103号公报
发明内容
发明所要解决的问题
作为在纳米金刚石水分散液中对分散性进行评价的方法,已知DLS(DynamicLight Scattering:动态光散射)法。对以往的纳米金刚石水分散液通过DLS法进行评价的情况下,有时能得到纳米金刚石粒子的分散粒径小、具备高分散性的结果。然而,即使在这样的纳米金刚石水分散液中,有时也存在纳米金刚石粒子的团簇化、链(chain)。因此,要求纳米金刚石粒子比以往进一步高分散的纳米金刚石水分散液。
因此,本公开的目的在于,提供能使纳米金刚石粒子以高分散状态存在于水中的纳米金刚石水分散液。
用于解决问题的方案
即,本公开提供一种纳米金刚石水分散液,其包含水和分散在水中的纳米金刚石粒子,所述纳米金刚石水分散液中,重金属的含量相对于纳米金刚石粒子100质量份为1质量份以下,根据低温电子显微镜法的分析图像计算出的纳米金刚石粒子的水平投影面积满足选自由以下的(a)~(d)构成的组中的至少一个条件。
(a)100nm2以上的比例为20%以下。
(b)80nm2以上的比例为24%以下。
(c)50nm2以上的比例为30%以下。
(d)30nm2以上的比例为39%以下。
优选的是,所述纳米金刚石水分散液进一步包含金属盐。
优选的是,所述金属盐是轻金属盐。
优选的是,所述金属盐是碱金属盐。
优选的是,所述纳米金刚石粒子具备包含亲水性聚合物链的表面修饰基团。
优选的是,所述亲水性聚合物链是聚甘油链。
优选的是,所述纳米金刚石粒子的Zeta电位是-12~+20mV。
优选的是,所述纳米金刚石粒子的Zeta电位为超过0mV且+20mV以下。
发明效果
本公开的纳米金刚石水分散液能使纳米金刚石粒子以高分散状态稳定地存在于水中。因此,在本公开的纳米金刚石水分散液中,即使在通过低温电子显微镜法对分散性进行了评价的情况下,也能使不存在纳米金刚石粒子的团簇化、链且具有高分散性的纳米金刚石粒子稳定地存在于水中。
附图说明
图1是表示实施例1的纳米金刚石水分散液中的、通过低温电子显微镜法得到的纳米金刚石粒子的(a)TEM图像的图和(b)二值化处理图像的图。
图2是表示实施例1的纳米金刚石水分散液中的、通过低温电子显微镜法得到的纳米金刚石粒子的水平投影面积的分布(粒度分布)的图。
图3是表示比较例1的纳米金刚石水分散液中的、通过低温电子显微镜法得到的纳米金刚石粒子的(a)TEM图像的图和(b)二值化处理图像的图。
图4是表示比较例1的纳米金刚石水分散液中的、通过低温电子显微镜法得到的纳米金刚石粒子的水平投影面积的分布(粒度分布)的图。
图5是表示比较例2的纳米金刚石水分散液中的、通过低温电子显微镜法得到的纳米金刚石粒子的(a)TEM图像的图和(b)二值化处理图像的图。
图6是表示比较例2的纳米金刚石水分散液中的、通过低温电子显微镜法得到的纳米金刚石粒子的水平投影面积的分布(粒度分布)的图。
具体实施方式
[纳米金刚石水分散液]
本公开是下述纳米金刚石水分散液,其包含水和分散在水中的纳米金刚石粒子,所述纳米金刚石水分散液中,重金属的含量相对于纳米金刚石粒子100质量份为1质量份以下,根据低温电子显微镜法的分析图像计算出的纳米金刚石粒子的水平投影面积满足选自由以下的(a)~(d)构成的组中的至少一个条件。
(a)100nm2以上的比例为20%以下。
(b)80nm2以上的比例为24%以下。
(c)50nm2以上的比例为30%以下。
(d)30nm2以上的比例为39%以下。
本公开的纳米金刚石水分散液通过根据低温电子显微镜法的分析图像计算出的纳米金刚石粒子的水平投影面积满足由上述(a)~(d)构成的组中的至少一个,能使在水中不存在纳米金刚石粒子的团簇化、链且具有高分散性的纳米金刚石粒子稳定地存在于水中。
从对纳米金刚石粒子赋予高分散性的观点考虑,本公开的纳米金刚石水分散液优选满足选自由所述(a)~(d)构成的组中的至少两个条件(例如,((a)和(b)、(a)和(c)、(a)和(d)、(b)和(c)、(b)和(d)、(c)和(d)),更优选满足选自由所述(a)~(d)构成的组中的至少三个条件(例如,(a)、(b)以及(c);(a)、(b)以及(d);(b)、(c)以及(d)),进一步优选满足所述(a)~(d)的全部条件。
关于所述(a),只要水平投影面积为100nm2以上的纳米金刚石粒子的比例为20%以下就没有特别限定,例如,优选为15%以下,更优选为12%以下,进一步优选为10%以下,进一步优选为5%以下,特别优选为2%以下。关于所述(b),只要水平投影面积为80nm2以上的纳米金刚石粒子的比例为24%以下就没有特别限定,例如,优选为16%以下,更优选为12%以下,进一步优选为8%以下,特别优选为4%以下。关于所述(c),只要水平投影面积为50nm2以上的纳米金刚石粒子的比例为30%以下就没有特别限定,例如,优选为20%以下,更优选为15%以下,进一步优选为10%以下,特别优选为7%以下。关于所述(d),只要水平投影面积为30nm2以上的纳米金刚石粒子的比例为39%以下就没有特别限定,例如,优选为35%以下,更优选为30%以下,进一步优选为25%以下,特别优选为20%以下。通过所述(a)~(d)在上述范围内,存在能使具有高分散性的纳米金刚石粒子稳定地存在于水中的倾向。
本公开的纳米金刚石水分散液中的纳米金刚石粒子的含量没有特别限定,例如,优选为0.1质量ppm~10质量%,更优选为0.5质量ppm~5质量%,进一步优选为1.0质量ppm~3质量%。纳米金刚石粒子的含有比例可以根据350nm下的吸光度来计算出。需要说明的是,在纳米金刚石粒子的含有比例为低浓度(例如2000质量ppm以下)的情况下,也可以通过高频电感耦合等离子体发射光谱分析法(ICP发射光谱分析法)检测对纳米金刚石粒子进行了表面修饰的化合物,基于其检测量求出。
本公开的纳米金刚石水分散液以高分散状态含有纳米金刚石粒子。本公开的纳米金刚石水分散液中的纳米金刚石粒子的中位径(粒径D50)例如为100nm以下,优选为60nm以下,更优选为50nm以下,进一步优选为30nm以下。所述纳米金刚石粒子的中位径的下限例如为5nm。
在本公开的纳米金刚石水分散液中,所述纳米金刚石粒子的Zeta电位例如优选为-15~+20mV,更优选为-12~+20mV,进一步优选为-10~+15mV,特别优选为-5~+10mV。通过所述纳米金刚石粒子的Zeta电位在上述范围内,存在能使具有高分散性的纳米金刚石粒子稳定地存在于水中的倾向。特别是,在所述纳米金刚石粒子的Zeta电位为正的情况下,更具体而言,在为超过0mV且+20mV以下的情况下,在本公开的纳米金刚石水分散液中,存在纳米金刚石粒子以高分散状态存在于水中的倾向。以往,在纳米金刚石水分散液中,认为Zeta电位高与纳米金刚石粒子的高分散化相关联。然而,令人惊讶的是,可知即使在Zeta电位取接近0的值的情况下,纳米金刚石粒子也不凝聚,发挥高分散性。这被认为可能起因于纳米金刚石粒子的表面修饰。纳米金刚石粒子的Zeta电位例如可以通过激光多普勒电泳法来测定。
(纳米金刚石粒子)
本公开的纳米金刚石水分散液中的纳米金刚石粒子优选包含纳米金刚石粒子的一次粒子。此外,也可以包含多个所述一次粒子凝聚(凝集)而成的二次粒子。
作为所述纳米金刚石粒子,例如,可以使用爆轰法纳米金刚石(即,利用爆轰法生成的纳米金刚石)、高温高压法纳米金刚石(即,利用高温高压法生成的纳米金刚石)。其中,在分散介质中的分散性更优异的方面,即在一次粒子的粒径为一位数纳米的方面考虑,优选爆轰法纳米金刚石。
所述爆轰法纳米金刚石包括空冷式爆轰法纳米金刚石(即,利用空冷式爆轰法生成的纳米金刚石)和水冷式爆轰法纳米金刚石(即,利用水冷式爆轰法生成的纳米金刚石)。其中,从与水冷式爆轰法纳米金刚石相比一次粒子小的方面考虑,优选空冷式爆轰法纳米金刚石。
所述纳米金刚石粒子可以是未修饰的纳米金刚石粒子,也可以是具备表面修饰基团的纳米金刚石粒子(有时称为“表面修饰纳米金刚石(粒子)”)。在所述纳米金刚石粒子是表面修饰纳米金刚石粒子的情况下,从提高纳米金刚石粒子在水中的分散性的观点考虑,优选具备包含亲水性聚合物链的表面修饰基团。此外,所述纳米金刚石粒子也可以具有一种或两种以上除了包含亲水性聚合物链的表面修饰基团以外的官能团。作为所述官能团,例如可列举出:氨基、羟基以及羧基。
作为所述亲水性聚合物链,可列举出包含源自亲水性基团的单体的结构单元的聚合物链,例如可列举出:聚醚链(聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、它们的共聚物等)、聚甘油链(C3H6O(CH2CH(OH)CH2O)n-H等)。其中,从在水中的分散稳定性的观点考虑,优选为聚甘油链。即,所述亲水性聚合物链优选为聚甘油链。需要说明的是,本公开的纳米金刚石粒子可以仅包含一种所述亲水性聚合物链作为表面修饰基团,也可以包含两种以上所述亲水性聚合物链作为表面修饰基团。
所述聚甘油链优选为下述式(1)所示的聚甘油链。
-(X1C3H5)-(OC3H5)p-(X2R1)q(1)
[式(1)中,p表示1以上的整数,q表示满足q=p+2的整数。X1表示二价基团,[X1C3H5]中的从X1向左伸出的键合键与纳米金刚石粒子键合。[X2R1]表示聚甘油链的末端,X2表示单键或二价基团,R1表示氢原子或一价有机基团]
所述式(1)中的[X1C3H5]由[-X1-CH2-C(-)H-CH2-]表示。所述[X1C3H5]中的X1与纳米金刚石粒子键合,两个C分别与[OC3H5]中的O或[X2R1]中的X2键合。所述[X1C3H5]中的X1表示二价基团。
作为X1中的所述二价基团,例如可列举出:氨基(-NRa-)、酰胺基(-NRa-C(=O)-)、醚键(-O-)、酯键(-O-C(=O)-)、次膦酸基(-PH(=O)O-)、膦酸基(-P(-OH)(=O)O-)、磷酸酯(-O-P(=O)(OH)-O-)、硫醚键(-S-)、羰基(-C(=O)-)、氨基甲酸酯键(-RaN-C(=O)-O-)、酰亚胺键(-C(=O)-NRa-C(=O)-)、硫羰基(-C(=S)-)、硅氧烷键(-Si-O-)、硫酸酯基(-O-S(=O)2-O-)、磺酰基(-S(=O)2-O-)、砜基(-S(=O)2-)、亚砜(-S(=O)-)、它们中的两个以上键合而成的基团等。在不对称的二价基团中,二价基团相对于纳米金刚石粒子侧和R侧的方向没有特别限制。此外,所述Ra表示氢原子或一价有机基团。作为所述二价基团,其中,优选为-NRa-、-O-、-C(=O)O-、-NRa-C(=O)-、-PH(=O)O-、-S-,更优选为-NRa-、-O-、-NRa-C(=O)-或-C(=O)O-。
所述式(1)中的带p的[OC3H5]为[-O-CH2-C(-)H-CH2-]所示的源自甘油的结构,与[X1C3H5]一起形成聚甘油链。p表示[OC3H5]的重复单元,为1以上的整数,优选为3~2000,更优选为5~500,进一步优选为10~200。p在所述多个包含聚甘油链的基团中任选地相同或不同。
所述式(1)中,[X2R1]表示聚甘油链的末端,与[X1C3H5]中的C或[OC3H5]中的C键合。R1表示氢原子或一价有机基团。
所述[X2R1]中的X2表示单键或二价基团。作为所述二价基团,可列举出作为上述的[X1C3H5]中的X1所举例示出并说明的二价基团。此外,X2中的Ra与R1任选地键合而形成环。其中,X2优选为-NRa--NRaC(=O)-、-O-、-C(=O)O-、-O-C(=O)-、-PH(=O)O-、-O-P(=O)(OH)-O-、-S-、-O-S(=O)2-O-、-O-S(=O)2-,更优选为-NRa-或-O-。所述[X1C3H5]中的X1与所述[X2R1]中的X2任选地相同或不同。所述多个[X2R1]任选地相同或不同。此外,所述[X2R1]中的X2在所述多个包含聚甘油链的基团中任选地相同或不同。q表示3以上的整数,其值依赖于p的值,满足q=p+2。q在所述多个包含聚甘油链的基团中任选地相同或不同。
作为R1中的所述一价有机基团,例如可列举出:取代或未取代的烃基(一价烃基,特别是一价脂肪族或芳香族烃基);取代或未取代的杂环式基团(一价杂环式基团);所述一价烃基和/或所述一价杂环式基团中的两个以上键合而成的基团等。所述键合而成的基团可以直接键合,也可以经由连接基团键合。作为所述连接基团,例如可列举出:氨基、醚键、酯键、次膦酸基、硫醚键、羰基、有机基团取代酰胺基、有机基团取代氨基甲酸酯键、有机基团取代酰亚胺键、硫羰基、硅氧烷键、它们中的两个以上键合而成的基团等。在所述R1为一价有机基团的情况下,所述式(1)中的多个R1任选地相同或不同。
作为Ra中的所述一价有机基团,可列举出作为所述R1中的一价有机基团所举例示出并说明的一价有机基团。其中,可列举出:取代或未取代的烃基(一价烃基)、取代或未取代的杂环式基团(一价杂环式基团)、以及它们中的两个以上键合而成的基团等。此外,所述一价有机基团也可以具有离子的形态。所述键合而成的基团可以直接键合,也可以经由连接基团键合。所述取代或未取代的烃基中的烃基优选为烷基,更优选为碳原子数1~18的烷基,进一步优选为碳原子数1~6的烷基,特别优选为乙基、丙基、丁基或己基。
作为[X2R1]的具体例子,可列举出:OH、NH2、CH3、烷氧基、酰基、单或二烷基氨基、单或二烯基氨基、烷基酰胺基、烯基酰胺基、季铵取代烷氧基、氯代烷氧基、聚环氧烷基、环状酰亚胺基、羧基取代烷基氨基、羧基取代烷基氧基等。两个以上所述[X2R1]任选地经由R1而形成环。其中,从表面修饰纳米金刚石的水分散性更优异的观点考虑,优选为OH、环状酰亚胺基、羧基取代烷基氨基。
所述聚甘油链中的甘油的数均聚合度为3~2000,更优选为5~500,进一步优选为10~200。若所述数均聚合度大,则纳米金刚石间相互的回弹力充分发挥作用,能使纳米金刚石粒子的分散性更进一步提高。若所述数均聚合度为5000以下,则抑制纳米金刚石间聚甘油链彼此缠结,能使水中的纳米金刚石粒子的分散性进一步提高。需要说明的是,所述数均聚合度由与一个原料纳米金刚石的表面官能团键合的基团中的构成聚甘油链的缩水甘油单元的数量来定义,该原料纳米金刚石的表面官能团数量可以通过原料纳米金刚石的元素分析值测定或酸值的测定、或者组合这两者进行测定来求出。
在所述纳米金刚石粒子具有表面修饰基团的情况下,纳米金刚石粒子与表面修饰基团的质量比[纳米金刚石粒子/表面修饰基团]没有特别限定,优选为0.5~1.0,更优选为0.6~0.8。若所述质量比为0.5以上(特别是0.6以上),则不易损害作为纳米金刚石材料的特性。若所述质量比为1.0以下(特别是0.8以下),则表面修饰基团的修饰度变得充分,水中的分散性更优异。所述质量比基于通过热重分析测定的重量减少率,求出减少的重量作为含聚甘油链的表面修饰基团的质量。
在所述纳米金刚石粒子具备包含聚甘油链的表面修饰基团的情况下,所述纳米金刚石粒子可以通过使缩水甘油直接与纳米金刚石粒子进行开环聚合来得到。纳米金刚石粒子原本具有在制造过程中产生的羧基、羟基,通过使这些官能团与缩水甘油反应,能利用聚甘油链对纳米金刚石的表面进行修饰。
纳米金刚石粒子与缩水甘油的反应(开环聚合)例如可以通过下述方式进行:在惰性气体气氛下向纳米金刚石粒子添加缩水甘油和催化剂,并加热至50~100℃。作为催化剂,可以使用酸性催化剂也可以使用碱性催化剂。作为酸性催化剂,可列举出:三氟化硼乙醚、乙酸、磷酸等。作为碱性催化剂,可列举出:三乙胺、吡啶、二甲基氨基吡啶、三苯基膦等。
关于缩水甘油的开环聚合条件,可以适当参照S.R.Sandler等的J.Polym.Sci.,Polym.Chem.Ed.,Vol.4,1253(1966)、E.J.Vanderberg的J.Polym.Sci.,Polym.Chem.Ed.,vol.23,915(1985),此外G.R.Newcome等的Dendritic Macromolecules:Concepts,Syntheses,Perspectives,VCH,Weinheim(1996)等。
表面修饰纳米金刚石此外还可以通过使缩水甘油与表面引入了包含活性氢的官能团的纳米金刚石粒子进行开环聚合来得到。作为包含活性氢的官能团,没有特别限定,例如可列举出:氨基、羟基、羧基、巯基(硫醇基)、次膦酸基等。作为向纳米金刚石粒子引入所述包含活性氢的官能团的方法,可以参照日本特开2012-82103号公报、日本特开2010-248023号公报等。缩水甘油与所述表面引入了包含活性氢的官能团的纳米金刚石粒子的开环聚合可以与上述的缩水甘油与纳米金刚石粒子的开环聚合同样地进行。
(金属盐)
本公开的纳米金刚石水分散液只要包含水和分散在水中的纳米金刚石粒子就没有特别限定,还可以包含金属盐(例如轻金属盐和/或重金属盐)。所述金属盐可以单独使用,也可以混合两种以上使用。
作为构成所述金属盐的金属元素,没有特别限定,例如可列举出:铝、镁、铍、碱金属以及碱土金属等轻金属元素;铁、铅、金、银、铜、铬、锌、锰、镍、钼以及锡等重金属元素。作为所述金属盐,具体而言,可列举出:包含上述金属元素的硫化物、氢氧化物、卤化物(氟化物、氯化物、溴化物、碘化物等)、硫酸盐、有机酸盐(乙酸盐等)等。其中,作为所述金属盐,优选为轻金属盐,更优选为碱金属盐和碱土金属盐,进一步优选为碱金属盐。
作为所述碱金属盐,例如可列举出:氯化钠、氯化钾、硝酸钠、硝酸钾、乙酸钠,从在水中的分散稳定性的观点和操作容易性的观点考虑,特别优选为氯化钠。
所述金属盐的浓度没有特别限定,例如,优选为1.0×10-6~2.0M,更优选为5.0×10-5~1.0M,进一步优选为1.0×10-5~5.0×10-1M。通过金属盐的浓度在上述范围内,在水中的分散稳定性提高,即使在通过低温电子显微镜法对分散性进行了评价的情况下,也存在纳米金刚石粒子的分散性提高到看不到团簇、链的程度的倾向。其中,本公开的纳米金刚石水分散液中的重金属的含量相对于纳米金刚石粒子100质量份为1质量份以下,优选为0.1质量份以下,更优选为0.01质量份以下。
(其他成分)
本公开的纳米金刚石水分散液也可以进一步含有除了水、纳米金刚石粒子、以及轻金属盐以外的成分。作为这样的成分(以下,有时也称为“其他成分”),例如可列举出:水以外的分散介质、表面活性剂、增粘剂、偶联剂、分散剂、防锈剂、防腐蚀剂、凝固点降低剂、消泡剂、耐磨耗添加剂、防腐剂、着色料等。
作为所述水以外的分散介质,可列举出有机溶剂、离子液体等。这样的分散介质可以仅使用一种,也可以使用两种以上。作为所述有机溶剂,例如可列举出:己烷、庚烷、辛烷等脂肪族烃(特别是,直链状饱和脂肪族烃);苯、甲苯、二甲苯等芳香族烃;环己烷、甲基环己烷等脂环式烃;二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜等非质子性极性溶剂;甲醇等醇;氯仿、二氯甲烷、二氯乙烷、四氯化碳、氯苯、三氟甲基苯等卤代烃;二乙基醚、二异丙基醚、二甲氧基乙烷、四氢呋喃(THF)、二噁烷等链状或环状醚;乙酸乙酯、乙酸丁酯等酯;甲基乙基酮(MEK)、甲基异丁基酮等链状酮;乙腈等腈等。
在本公开的纳米金刚石水分散液中,水的含量相对于分散介质100质量%的没有特别限定,优选为90质量%以上,更优选为95质量%以上,进一步优选为99质量%以上,特别优选为99.9质量%以上。
作为在纳米金刚石水分散液中对分散性进行评价的方法,已知DLS法、低温电子显微镜法。对以往的纳米金刚石水分散液通过DLS法进行评价的情况下,有时能得到纳米金刚石粒子的分散粒径小、具备高分散性的结果。然而,在通过低温电子显微镜法对以往的纳米金刚石水分散液的分散性进行评价的情况下,有时存在纳米金刚石粒子的团簇化、链。就是说,通过低温电子显微镜法得到的评价启示了,在以往的纳米金刚石水分散液中,虽然在使用了DLS法的评价中看起来具有高分散性,但实际上可能不具备所希望的高分散性。
在DLS法和低温电子显微镜法中,纳米金刚石粒子的分散性的评价不同的理由尚未确定,但从纳米金刚石粒子的分散性评价观点的考虑,可以说低温电子显微镜法具有高可靠性,因此可以说以往的纳米金刚石水分散液中的纳米金刚石粒子的水分散性不充分。本公开的纳米金刚石水分散液即使在通过低温电子显微镜法得到的评价中也不存在纳米金刚石粒子的团簇化、链,能使纳米金刚石粒子以高分散状态存在于水中。
本公开的纳米金刚石水分散液例如可以优选用作对树脂等(例如,热或光固化性树脂、热塑性树脂等)赋予微细的纳米金刚石粒子所具有的特性(例如,机械强度、高折射率、导热性、绝缘性、抗氧化性、结晶化促进作用、枝晶抑制作用等)的复合材料的添加剂。并且,将本公开的纳米金刚石水分散液添加至树脂而得到的组合物例如可以优选用作下述材料:功能性复合材料、热功能(耐热、蓄热、热电导、绝热等)材料、光子学(有机EL元件、LED、液晶显示器、光盘等)材料、生物/生物体适合性材料、涂布材料、膜(触摸面板、各种显示器等的硬涂膜、隔热膜等)材料、片材料、屏幕(透射型透明屏幕等)材料、填料(散热用填料、机械特性提高用填料等)材料、耐热性塑料基板(柔性显示器用基板等)材料、锂离子电池等。此外,本公开的纳米金刚石水分散液此外还能优选用作应用于医疗用途、机械部件(例如,汽车、航空器等)的滑动部等的减磨剂或润滑剂。
本说明书所公开的各种方案可以与本说明书所公开的其他任何特征组合。各实施方式中的各构成和各构成的组合等是一个例子,可以在不脱离本公开的主旨的范围内进行适当的构成的附加、省略、置换以及其他变更。此外,本公开的各发明不由实施方式、以下实施例限定,仅由专利权利要求限定。
实施例
以下,基于实施例对本公开的一个实施方式更详细地进行说明。
[实施例1]
经过下述工序,制造出纳米金刚石水分散液。
(纳米金刚石的制作)
首先,进行了基于爆轰法的纳米金刚石的生成工序。在本工序中,首先,将成型后的炸药装接有电雷管而成的物体设置于爆轰用的耐压性容器的内部,将容器密闭。容器为铁制,容器的容积为15m3。作为炸药,使用了TNT与RDX的混合物0.50kg。该炸药中的TNT与RDX的质量比(TNT/RDX)为50/50。接着,使电雷管起爆,在容器内使炸药爆轰(基于爆轰法的纳米金刚石的生成)。接着,通过在室温下放置24小时使容器及其内部降温。在该放冷之后,进行用刮刀刮取凝集于容器的内壁的纳米金刚石粗产物(包含通过上述爆轰法生成的纳米金刚石粒子的凝集体和煤)的作业,回收纳米金刚石粗产物。
接着,对通过进行多次如上所述的生成工序而获取到的纳米金刚石粗产物进行了酸处理工序。具体而言,对向该纳米金刚石粗产物200g中加入6L的10质量%盐酸而得到的浆料,在常压条件下的回流下进行了1小时的加热处理。该酸处理中的加热温度为85~100℃。接着,冷却后,通过倾析,进行了固体成分(包含纳米金刚石凝集体和煤)的水洗。反复进行了基于倾析的该固体成分的水洗直至沉淀液的pH从低pH侧达到2为止。
接着,进行了氧化处理工序。具体而言,向经过酸处理后的倾析而得到的沉淀液(包含纳米金刚石凝集体)中加入6L的98质量%硫酸和1L的69质量%硝酸制成浆料后,对该浆料在常压条件下的回流下进行了48小时的加热处理。该氧化处理中的加热温度为140~160℃。接着,冷却后,通过倾析,进行了固体成分(包含纳米金刚石凝集体)的水洗。水洗最初的上清液被着色,但反复进行了基于倾析的该固体成分的水洗,直至上清液通过目视观察变得透明。
接着,对经过上述的水洗处理而得到的沉淀液(含有纳米金刚石凝集体的液体)进行干燥工序,得到了干燥粉体(纳米金刚石凝集体)。作为干燥工序中的干燥处理的方法,采用了使用蒸发器进行的蒸干。
接着,对于经过上述的干燥工序而得到的干燥粉体(纳米金刚石凝集体)4.5g,静置于气氛炉(商品名“气氛管式炉KTF045N1”,Koyo Thermo System株式会社制)的炉心管内,在炉心管内以流速1L/分钟持续流通30分钟氮气后,将流通气体从氮气切换成氧气与氮气的混合气体,在炉心管内以流速1L/分钟持续流通该混合气体。混合气体中的氧气浓度为4体积%。在切换成混合气体之后,使炉内升温至加热设定温度即400℃。就升温速度而言,直至比加热设定温度低20℃的380℃为止设为10℃/分钟,然后从380℃起至400℃为止设为1℃/分钟。然后,将炉内的温度条件维持为400℃,并且对炉内纳米金刚石粉体进行了氧气氧化处理。处理时间设为3小时。
接着,继续使用上述气氛炉进行了氢化工序。具体而言,在内部配置有经过了氧气氧化工序的纳米金刚石粉体的气氛炉中以流速1L/分钟持续流通30分钟氮气后,将流通气体从氮气切换成氢气与氮气的混合气体,在炉心管内以流速1L/分钟持续流通该混合气体。混合气体中的氢气浓度为2体积%。切换成混合气体后,使炉内升温至加热设定温度600℃。升温速度设为10℃/分钟。然后,将炉内的温度条件维持为600℃,并且对炉内的纳米金刚石粉体进行了氢化处理。处理时间设为5小时。如上所述地得到了经过了氢化处理的纳米金刚石粉体。
接着,进行了破碎工序。具体而言,首先,将上述的经过了氢化工序的纳米金刚石粉体0.9g和纯水29.1ml加入至50ml的样品瓶中并混合,得到了浆料约30ml。使用1当量的盐酸将pH调整为4后,对该浆料实施了超声波处理。在超声波处理中,使用超声波照射器(商品名“超声波清洗机AS-3”,亚速旺(AS ONE)公司制)对该浆料进行了2小时的超声波照射。然后,使用珠磨装置(商品名“并联四筒式砂磨机LSG-4U-2L型”,IMEX株式会社制)进行了珠磨。具体而言,向100ml的作为研磨容器的容量瓶(IMEX株式会社制)中投入超声波照射后的浆料30ml和直径30μm的氧化锆珠并封入,驱动装置而执行了珠磨。在该珠磨中,氧化锆珠的投入量相对于研磨容器的容积例如为33体积%,研磨容器的转速为2570rpm,研磨时间为2小时。
接着,对经过了如上所述的破碎工序的浆料使用离心分离装置进行了离心分离处理(分级操作)。该离心分离处理中的离心力设为20000×g,离心时间设为10分钟。接着,回收到经过了该离心分离处理的含纳米金刚石溶液的上清液10mL。如此,得到了纳米金刚石分散于纯水中的纳米金刚石水分散液。关于该纳米金刚石水分散液,固体成分浓度为2.1质量%,pH为5.40。如上所述地得到的纳米金刚石水分散液(后述的比较例2中的“纳米金刚石水分散液”)的中位径(粒径D50)为5.0nm。
接着,使用蒸发器使经过上述的破碎工序而得到的纳米金刚石水分散液干燥,得到了黑色的干燥粉体。将所得到的干燥粉体(100mg)添加至加入至玻璃制反应器的12mL的缩水甘油中,利用超声波清洗器(商品名“BRANSON2510”,Marshall Scientific公司制),在室温下进行2小时超声波处理,使其溶解。在氮气气氛下对其进行搅拌并在140℃下使其反应20小时。将反应混合液冷却后,加入120mL的甲醇,进行超声波处理后,以50400×g进行2小时离心分离,得到了沉淀物。向该沉淀物中添加120mL的甲醇,同样地反复进行5次清洗-离心分离工序,最后使用透析膜(Spectra/Prodialysis membrane,MWCO:12-14kDa)对沉淀物进行纯水透析,将残留甲醇置换成水,进行冷冻干燥,得到了由聚甘油进行了修饰的纳米金刚石粒子(PG-ND粒子)的灰色粉体。通过TG-DTA热分析对纳米金刚石粒子与表面修饰基团的比率进行了测定,其结果是,纳米金刚石粒子∶表面修饰基团=1∶1.39。
向100ml的PG-ND水分散液中,以NaCl的最终浓度成为0.01M的方式添加1M的NaCl水溶液1ml,进行10分钟的超声波处理,由此得到了作为目标的纳米金刚石水分散液。需要说明的是,纳米金刚石粒子的含量为1质量%。纳米金刚石粒子的含量通过对纳米金刚石水分散液进行干燥,回收固体成分,利用TG-DTA对该固体成分进行分析来计算出。所述纳米金刚石水分散液中的Zeta电位为4.89mV。对于该纳米金刚石水分散液,通过低温电子显微镜法(Cryo-TEM法、CRYO电子显微镜法)计算出水平投影面积。作为具体的操作,将上述纳米金刚石水分散液用液氮冻结,使用电子显微镜(Krios G4,Thermo Fisher Scientific公司制)得到了TEM图像(图1的(a))。用Image J(粒径分析软件)对所得到的TEM图像进行解析,根据二值化处理图像(图1的(b))计算出水平投影面积(图2)。将以下的结果汇总于表1。
[比较例1]
不使用1M的NaCl水溶液,除此以外,对于与实施例1同样地制备而得到的纳米金刚石水分散液,通过低温电子显微镜法得到TEM图像(图3的(a)),根据其二值化处理图像(图3的(b))计算出水平投影面积(图4)。将以下的结果汇总于表1。
[比较例2]
制备实施例1中记载的(聚甘油未修饰的)纳米金刚石水分散液,通过低温电子显微镜法得到TEM图像(图5的(a)),根据其二值化处理图像(图5的(b))计算出水平投影面积(图6)。将以下的结果汇总于表1。
[表1]
<粒径D50>
如上所述地得到的实施例和比较例的纳米金刚石水分散液中的纳米金刚石粒子的中位径(粒径D50)根据通过动态光散射法而得到的纳米金刚石的粒度分布测定出。就上述粒度分布而言,具体而言使用Malvern公司制的装置(商品名“Zetasizer Nano ZS”),通过动态光散射法(非接触后向散射法)对纳米金刚石的粒度分布进行了测定。其结果是,实施例1中的纳米金刚石粒子的中位径(粒径D50)为26.95nm。
作为以上的总结,以下附记本公开的构成及其变化。
[1]一种纳米金刚石水分散液,其包含水和分散在水中的纳米金刚石粒子,所述纳米金刚石水分散液中,重金属的含量相对于纳米金刚石粒子100质量份为1质量份以下,根据低温电子显微镜法的分析图像计算出的纳米金刚石粒子的水平投影面积满足选自由以下的(a)~(d)构成的组中的至少一个条件。
(a)100nm2以上的比例为20%以下。
(b)80nm2以上的比例为24%以下。
(c)50nm2以上的比例为30%以下。
(d)30nm2以上的比例为39%以下。
[2]根据[1]所述的纳米金刚石水分散液,其中,满足上述(a)和(b)的条件;(a)和(c)的条件;(a)和(d)的条件;(b)和(c)的条件;(b)和(d)的条件;(c)和(d)的条件;(a)、(b)以及(c)的条件;(a)、(b)以及(d)的条件;(b)、(c)以及(d)的条件;或(a)、(b)、(c)以及(d)的条件。
[3]根据[1]或[2]所述的纳米金刚石水分散液,其中,在上述(a)中,水平投影面积为100nm2以上的纳米金刚石粒子的比例为15%以下、12%以下、10%以下、5%以下或2%以下。
[4]根据[1]~[3]中任一项所述的纳米金刚石水分散液,其中,在上述(b)中,水平投影面积为80nm2以上的纳米金刚石粒子的比例为16%以下、12%以下、8%以下或4%以下。
[5]根据[1]~[4]中任一项所述的纳米金刚石水分散液,其中,在上述(c)中,水平投影面积为50nm2以上的纳米金刚石粒子的比例为20%以下、15%以下、10%以下或7%以下。
[6]根据[1]~[5]中任一项所述的纳米金刚石水分散液,其中,在上述(d)中,水平投影面积为30nm2以上的纳米金刚石粒子的比例为35%以下、30%以下、25%以下或20%以下。
[7]根据[1]~[6]中任一项所述的纳米金刚石水分散液,其中,纳米金刚石粒子的含量为0.1质量ppm~10质量、0.5质量ppm~5质量%或1.0质量ppm~3质量%。
[8]根据[1]~[7]中任一项所述的纳米金刚石水分散液,其中,上述纳米金刚石粒子的中位径(粒径D50)为100nm以下、60nm以下、50nm以下或30nm以下、或其下限5nm。
[9]根据[1]~[8]中任一项所述的纳米金刚石水分散液,其中,上述纳米金刚石粒子的Zeta电位为-15~+20mV、-12~+20mV、-10~+15mV或-5~+10mV。
[10]根据[1]~[9]中任一项所述的纳米金刚石水分散液,其中,上述纳米金刚石粒子的Zeta电位为超过0mV且+20mV以下。
[11]根据[1]~[10]中任一项所述的纳米金刚石水分散液,其中,上述纳米金刚石粒子包含纳米金刚石粒子的一次粒子或包含多个上述一次粒子凝聚(凝集)而成的二次粒子。
[12]根据[1]~[11]中任一项所述的纳米金刚石水分散液,其中,上述纳米金刚石粒子是爆轰法纳米金刚石。
[13]根据[12]所述的纳米金刚石水分散液,其中,上述爆轰法纳米金刚石是空冷式爆轰法纳米金刚石或水冷式爆轰法纳米金刚石。
[14]根据[1]~[13]中任一项所述的纳米金刚石水分散液,其中,上述纳米金刚石粒子是未修饰的纳米金刚石粒子或具备表面修饰基团的纳米金刚石粒子(表面修饰纳米金刚石)。
[15]根据[1]~[14]中任一项所述的纳米金刚石水分散液,其中,上述纳米金刚石粒子具备包含亲水性聚合物链的表面修饰基团。
[16]根据[15]所述的纳米金刚石水分散液,其中,上述亲水性聚合物链是聚醚链(聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、它们的共聚物等)或聚甘油链(C3H6O(CH2CH(OH)CH2O)n-H等)。
[17]根据[16]所述的纳米金刚石水分散液,其中,上述聚甘油链是下述式(1)所示的聚甘油链。
-(X1C3H5)-(OC3H5)p-(X2R1)q(1)
[式(1)中,p表示1以上的整数,q表示满足q=p+2的整数。X1表示二价基团,[X1C3H5]中的从X1向左伸出的键合键与纳米金刚石粒子键合。[X2R1]表示聚甘油链的末端,X2表示单键或二价基团,R1表示氢原子或一价有机基团]
[18]根据[16]或[17]所述的纳米金刚石水分散液,其中,上述聚甘油链中的甘油的数均聚合度为3~2000、5~500或10~200。
[19]根据[1]~[18]中任一项所述的纳米金刚石水分散液,其中,在上述纳米金刚石粒子具有表面修饰基团的情况下,纳米金刚石粒子与表面修饰基团的质量比[纳米金刚石粒子/表面修饰基团]为0.5~1.0或0.6~0.8。
[20]根据[1]~[19]中任一项所述的纳米金刚石水分散液,其中,在上述纳米金刚石粒子具备包含聚甘油链的表面修饰基团的情况下,上述纳米金刚石粒子可以通过使缩水甘油直接与纳米金刚石粒子进行开环聚合来得到。
[21]根据[1]~[20]中任一项所述的纳米金刚石水分散液,其中,所述纳米金刚石水分散液进一步包含金属盐。
[22]根据[21]所述的纳米金刚石水分散液,其中,构成上述金属盐的金属元素为选自铝、镁、铍、碱金属以及碱土金属中的至少一种轻金属元素;或选自铁、铅、金、银、铜、铬、锌、锰、镍、钼以及锡中的至少一种重金属元素。
[23]根据[22]所述的纳米金刚石水分散液,其中,上述金属盐为选自包含上述金属元素的硫化物、氢氧化物、卤化物(氟化物、氯化物、溴化物、碘化物等)、硫酸盐以及有机酸盐(乙酸盐等)中的至少一种。
[24]根据[21]~[23]中任一项所述的纳米金刚石水分散液,其中,上述金属盐是轻金属盐。
[25]根据[21]~[24]中任一项所述的纳米金刚石水分散液,其中,上述金属盐是碱金属盐或碱土金属盐。
[26]根据[25]所述的纳米金刚石水分散液,其中,上述碱金属盐是氯化钠、氯化钾、硝酸钠、硝酸钾或乙酸钠。
[27]根据[21]~[26]中任一项所述的纳米金刚石水分散液,其中,上述金属盐的浓度为1.0×10-6~2.0M、5.0×10-5~1.0M或1.0×10-5~5.0×10-1M。
[28]根据[1]~[27]中任一项所述的纳米金刚石水分散液,其中,上述纳米金刚石水分散液中的重金属的含量相对于纳米金刚石粒子100质量份为0.1质量份以下或0.01质量份以下。
[29]根据[1]~[28]中任一项所述的纳米金刚石水分散液,其中,在上述纳米金刚石水分散液中,水的含量相对于分散介质100质量%为90质量%以上、95质量%以上、99质量%以上或99.9质量%以上。
工业上的可利用性
本公开的纳米金刚石水分散液能使纳米金刚石粒子以高分散状态稳定地存在于水中。因此,在本公开的纳米金刚石水分散液中,即使在通过低温电子显微镜法对分散性进行了评价的情况下,也能使不存在纳米金刚石粒子的团簇化、链且具有高分散性的纳米金刚石粒子稳定地存在于水中。
Claims (8)
1.一种纳米金刚石水分散液,其包含水和分散在水中的纳米金刚石粒子,所述纳米金刚石水分散液中,
重金属的含量相对于纳米金刚石粒子100质量份为1质量份以下,
根据低温电子显微镜法的分析图像计算出的纳米金刚石粒子的水平投影面积满足选自由以下的(a)~(d)构成的组中的至少一个条件,
(a)100nm2以上的比例为20%以下;
(b)80nm2以上的比例为24%以下;
(c)50nm2以上的比例为30%以下;
(d)30nm2以上的比例为39%以下。
2.根据权利要求1所述的纳米金刚石水分散液,其中,
所述纳米金刚石水分散液进一步包含金属盐。
3.根据权利要求2所述的纳米金刚石水分散液,其中,
所述金属盐是轻金属盐。
4.根据权利要求2或3所述的纳米金刚石水分散液,其中,
所述金属盐是碱金属盐。
5.根据权利要求1或2所述的纳米金刚石水分散液,其中,
所述纳米金刚石粒子具备包含亲水性聚合物链的表面修饰基团。
6.根据权利要求5所述的纳米金刚石水分散液,其中,
所述亲水性聚合物链是聚甘油链。
7.根据权利要求1或2所述的纳米金刚石水分散液,其中,
所述纳米金刚石粒子的Zeta电位为-12~+20mV。
8.根据权利要求1或2所述的纳米金刚石水分散液,其中,
所述纳米金刚石粒子的Zeta电位为超过0mV且+20mV以下。
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