JP2014105130A - Silica structure and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、シリカ構造体及びその製造方法に関し、特に、ジブロック共重合体と加水分解性シランの加水分解物とによる複合体を利用したシリカ構造体の製造方法及びこの製造方法で得られるシリカ構造体に関する。 The present invention relates to a silica structure and a method for producing the same, and in particular, a method for producing a silica structure using a composite of a diblock copolymer and a hydrolyzate of hydrolyzable silane, and silica obtained by the production method. Concerning the structure.
無機材料開発において、その構造制御は非常に重要な課題の一つである。一方で、有機材料に関しては、分子鎖や官能基といった一次構造の多様性から、比較的多様な構造の材料を得ることができると考えられている。
無機材料の構造を制御する方法として、有機材料を添加する方法が研究されてきた。その代表例として、有機材料のミセル構造を利用して無機多孔体であるメソポーラス材料を合成する方法が挙げられる。この方法は、一般的に、無機材料の前駆体を溶解した水溶液中に両親媒性の界面活性剤を添加して自己集積したミセル構造を持つ界面活性剤と無機材料の前駆体との複合体を形成させ、次いでこの複合体を高温で加熱することで、無機材料を焼結すると共に界面活性剤を熱分解する。このようにして界面活性剤が分解された部分が規則的な細孔構造となる。このように、この方法においては、水溶液中で無機前駆体が界面活性剤のミセルの周囲を取り囲むので、最終的に得られる無機材料は必ず多孔質構造となる。つまり、細孔である空間を無機材料が取り囲む構造になる。
この方法で使われる界面活性剤として、テトラアルキルアンモニウム系界面活性剤(特許文献1及び非特許文献1など参照。)、ポリエチレンオキシドブロック、ポリプロピレンオキシドブロックなどのポリアルキレンオキシドブロックを少なくとも含むブロック共重合体(特許文献2〜5及び非特許文献2など参照。)が多用されている。なお、ブロック共重合体を界面活性剤として利用する方法は数多く報告されているが、その細孔構造の規則性は数種類に限られ、無機材料の応用範囲を更に広げるためにも多様な構造を作製可能な合成法が望まれている。
In the development of inorganic materials, structural control is one of the most important issues. On the other hand, regarding organic materials, it is considered that materials having relatively various structures can be obtained from the diversity of primary structures such as molecular chains and functional groups.
As a method for controlling the structure of an inorganic material, a method of adding an organic material has been studied. A typical example is a method of synthesizing a mesoporous material that is an inorganic porous body using a micelle structure of an organic material. This method is generally a composite of a surfactant having a micelle structure and an inorganic material precursor, which is self-assembled by adding an amphiphilic surfactant to an aqueous solution in which the precursor of the inorganic material is dissolved. Then, the composite is heated at a high temperature to sinter the inorganic material and thermally decompose the surfactant. Thus, the part where the surfactant is decomposed has a regular pore structure. Thus, in this method, since the inorganic precursor surrounds the micelle of the surfactant in the aqueous solution, the inorganic material finally obtained always has a porous structure. That is, the inorganic material surrounds the space that is the pore.
As a surfactant used in this method, a block copolymer containing at least a polyalkylene oxide block such as a tetraalkylammonium surfactant (see Patent Document 1 and Non-patent Document 1), a polyethylene oxide block, a polypropylene oxide block, and the like. A combination (see Patent Documents 2 to 5, Non-Patent Document 2, etc.) is frequently used. A number of methods using block copolymers as surfactants have been reported, but the regularity of the pore structure is limited to a few types, and various structures can be used to further expand the application range of inorganic materials. Synthetic methods that can be produced are desired.
他にも、ブロック共重合体が持つミクロ相分離による自己組織化した多様な構造を鋳型とする無機材料の製造法が挙げられる。ここで、「ミクロ相分離」とは、互いの性質が異なる非相溶な高分子鎖(ブロック)の一端が繋がったブロック共重合体が、分子鎖の大きさ程度でブロック同士が交じり合わずに相分離する現象をいう。ブロック共重合体のミクロ相分離では、自己組織化によって多様な構造を取ることが、理論的にも実験的にも研究されている。このように、「ミクロ相分離」は、非相溶な高分子鎖が相分離する現象であって、上記メソポーラス材料の製造に使われる界面活性剤のミセル構造とは異なる。
このようなミクロ相分離による自己組織化したブロック共重合体を鋳型として利用して無機材料を製造する方法が挙げられる(特許文献6及び7など)。特許文献6及び7に記載の方法は、基板に塗布されたブロック共重合体のミクロ相分離を利用する方法であって、ミクロ相分離したブロック共重合体の一ブロックを紫外線照射やオゾン分解などで除去した空間に無機材料を充填する方法である。すなわち、これらの方法は、ブロック共重合体のミクロ相分離及び除去工程と無機材料の充填工程とによって、ブロック共重合体と無機材料との有機−無機複合体を形成する方法である。
In addition, a method for producing an inorganic material using a variety of self-organized structures by microphase separation of a block copolymer as a template can be mentioned. Here, “microphase separation” means that a block copolymer in which one ends of incompatible polymer chains (blocks) having different properties are connected to each other, the blocks do not cross each other because of the size of the molecular chain. The phenomenon of phase separation. In the microphase separation of block copolymers, various structures have been studied theoretically and experimentally by self-organization. Thus, “microphase separation” is a phenomenon in which incompatible polymer chains are phase-separated, and is different from the micelle structure of the surfactant used in the production of the mesoporous material.
Examples include a method of producing an inorganic material using such a self-organized block copolymer by microphase separation as a template (Patent Documents 6 and 7, etc.). The methods described in Patent Documents 6 and 7 are methods using microphase separation of a block copolymer applied to a substrate, and one block of the block copolymer subjected to microphase separation is irradiated with ultraviolet rays, ozonolysis, etc. In this method, the inorganic material is filled in the space removed in step (b). That is, these methods are methods for forming an organic-inorganic composite of a block copolymer and an inorganic material by a microphase separation and removal step of the block copolymer and a filling step of the inorganic material.
ところで、近年、ブロック共重合体のミクロ相分離を利用してブロック共重合体と無機原料とのハイブリッド材料を経由して、規則構造を持つ無機材料を一挙に作製する方法が報告されている(特許文献8並びに非特許文献3及び4)。これら方法は、いずれも、ブロック共重合体と無機原料の混合液を基材等に塗布して薄膜状ハイブリッド材料に成膜した後、ブロック共重合体を除去して、規則構造を持つ薄膜状無機材料を得る方法である。このような方法で製造される無機材料は、厚さが100nm以下の極めて薄い薄膜状であって、基材を取り除いて無機材料のみを得にくく、用途等が限定される場合がある。したがって、用途等が限定されない粉末状等のシリカ構造体を製造する方法が望まれていた。 By the way, in recent years, there has been reported a method for producing an inorganic material having a regular structure at once through a hybrid material of a block copolymer and an inorganic raw material by utilizing microphase separation of the block copolymer ( Patent Document 8 and Non-Patent Documents 3 and 4). In any of these methods, a mixed solution of a block copolymer and an inorganic raw material is applied to a base material, etc. to form a thin film hybrid material, and then the block copolymer is removed to form a thin film with a regular structure. This is a method for obtaining an inorganic material. The inorganic material manufactured by such a method is an extremely thin thin film having a thickness of 100 nm or less, and it is difficult to obtain only the inorganic material by removing the base material, which may limit the use and the like. Therefore, there has been a demand for a method for producing a powdery silica structure that is not limited in its application.
本発明は、3次元規則構造を持つ粉末状のシリカ構造体及びその製造方法を提供することを、目的とする。 An object of this invention is to provide the powdery silica structure which has a three-dimensional regular structure, and its manufacturing method.
本発明者等は、ジブロック共重合体の自己組織化と加水分解性シランの加水分解物の縮重合反応とを有機溶媒中で行うことにより、ジブロック共重合体とシリカとの相分離複合体を粉体状で得られることを見出した。また、自己組織化と縮重合反応とを行う有機溶媒として、ジブロック共重合体のどちらか一方のブロックと相溶する有機溶媒を選択的に用いることによって、シリカを連続相又は分散相にできることを見出した。これらの知見に基づき本発明者等はさらに研究を重ね、本発明をなすに至った。 The inventors of the present invention have carried out the phase separation composite of the diblock copolymer and silica by performing the self-assembly of the diblock copolymer and the condensation polymerization reaction of the hydrolyzable silane hydrolyzate in an organic solvent. It has been found that the body can be obtained in powder form. In addition, silica can be made into a continuous phase or a dispersed phase by selectively using an organic solvent that is compatible with either block of the diblock copolymer as an organic solvent that performs self-assembly and polycondensation reaction. I found. Based on these findings, the inventors have further studied and have come to make the present invention.
すなわち、本発明の課題は、以下の技術的手段によって達成された。
(1)有機溶媒中において、加水分解性シランの加水分解物と、溶解度パラメータ(SP値)が22〜25(MPa1/2)である極性ブロック(B)及び該極性ブロック(B)と非相溶性な低極性ブロック(A)を有するジブロック共重合体とを混合して、前記極性ブロック(B)に前記加水分解物が吸着した複合体を形成する工程と、前記有機溶媒中で、前記複合体の自己組織化及び前記加水分解物の縮重合反応を行って前記ジブロック共重合体とシリカとの相分離複合体を得る工程と、得られた前記相分離複合体から前記ジブロック共重合体を除去する工程とを有するシリカ構造体の製造方法。
(2)前記、複合体を形成する工程が、前記ブロック共重合体及び有機溶媒を含む共重合体有機溶液と、前記加水分解性シランを加水分解してなる加水分解物とを混合する工程を有する(1)に記載のシリカ構造体の製造方法。
(3)前記、相分離複合体を得る工程が、前記加水分解物とジブロック共重合体とを含む前記有機溶媒を静置又は撹拌して前記自己組織化及び前記縮重合反応を行う工程である(1)又は(2)に記載のシリカ構造体の製造方法。
(4)前記、複合体を形成する工程及び前記、相分離複合体を得る工程が、連続して実施される(1)〜(3)のいずれか1項に記載のシリカ構造体の製造方法。
(5)前記極性ブロックが、ポリビニルピリジンブロックを有する(1)〜(4)のいずれか1項に記載のシリカ構造体の製造方法。
(6)前記極性ブロックが、ポリアルキレンオキシドブロックを含まない(1)〜(5)のいずれか1項に記載のシリカ構造体の製造方法。
(7)前記低極性ブロックが、ポリスチレンブロックである(1)〜(6)のいずれか1項に記載のシリカ構造体の製造方法。
(8)(1)〜(7)のいずれか1項に記載のシリカ構造体の製造方法で製造され、前記ジブロック共重合体のミクロ相分離構造による3次元規則構造を持つ粉末状のシリカ構造体。
(9)前記ミクロ相分離構造が、共連続構造、ラメラ構造、シリンダー構造又はスフィア構造である(8)に記載のシリカ構造体。
That is, the object of the present invention has been achieved by the following technical means.
(1) In an organic solvent, a hydrolyzate of hydrolyzable silane, a polar block (B) having a solubility parameter (SP value) of 22 to 25 (MPa 1/2 ), and the non-polar block (B) A step of mixing a diblock copolymer having a compatible low polarity block (A) to form a complex in which the hydrolyzate is adsorbed on the polar block (B); Performing a self-assembly of the complex and a condensation polymerization reaction of the hydrolyzate to obtain a phase-separated complex of the diblock copolymer and silica; and the diblock from the obtained phase-separated complex A method for producing a silica structure, comprising a step of removing the copolymer.
(2) The step of forming a complex includes a step of mixing a copolymer organic solution containing the block copolymer and an organic solvent and a hydrolyzate obtained by hydrolyzing the hydrolyzable silane. The manufacturing method of the silica structure as described in (1) which has.
(3) In the step of obtaining the phase separation complex, the organic solvent containing the hydrolyzate and the diblock copolymer is allowed to stand or stir to perform the self-organization and the condensation polymerization reaction. A method for producing a silica structure according to (1) or (2).
(4) The method for producing a silica structure according to any one of (1) to (3), wherein the step of forming the complex and the step of obtaining the phase-separated complex are continuously performed. .
(5) The method for producing a silica structure according to any one of (1) to (4), wherein the polar block has a polyvinylpyridine block.
(6) The method for producing a silica structure according to any one of (1) to (5), wherein the polar block does not contain a polyalkylene oxide block.
(7) The method for producing a silica structure according to any one of (1) to (6), wherein the low polarity block is a polystyrene block.
(8) Powdered silica produced by the method for producing a silica structure according to any one of (1) to (7) and having a three-dimensional ordered structure based on a microphase separation structure of the diblock copolymer Structure.
(9) The silica structure according to (8), wherein the microphase separation structure is a co-continuous structure, a lamellar structure, a cylinder structure, or a sphere structure.
本発明によれば、有機溶媒中において、ジブロック共重合体のミクロ相分離と加水分解性シランの加水分解物の縮重合反応とを行うことによって、3次元規則構造を持つ粉末状のシリカ構造体を製造できる。
このようなシリカの規則的な微細構造を持つシリカ構造体は多様な材料素子となる。特に粉体状のシリカ構造体は、適用用途等は限定されず、例えば、吸着剤や触媒担体、センサー、光学材料、リチウムイオン電池、分離膜など、幅広い分野での機能性を持つ材料素子として好適に利用可能となる。
According to the present invention, a powdery silica structure having a three-dimensional ordered structure is obtained by performing microphase separation of a diblock copolymer and polycondensation reaction of a hydrolyzate of hydrolyzable silane in an organic solvent. The body can be manufactured.
Such a silica structure having a regular fine structure of silica becomes various material elements. In particular, the powdered silica structure is not limited in its application, for example, as a material element having functionality in a wide range of fields such as an adsorbent, a catalyst carrier, a sensor, an optical material, a lithium ion battery, and a separation membrane. It can be suitably used.
本発明のシリカ構造体は、3次元規則構造を持つ粉末状のシリカ構造体である。このシリカ構造体は、シリカが後述するジブロック共重合体のミクロ相分離構造に対応する構造に配列した構造を有している。具体的には、シリカ構造体は、ミクロ相分離構造に対応する、体心立方構造等のスフィア構造(微粒子集合体ともいう)、ラメラ構造(球晶ラメラ構造を含む。)、共連続構造(ジャイロイド構造ともいう)及びシリンダー構造のいずれかの構造を有している。
ここで、スフィア構造は球状の粒子又は細孔が連続的に連なった構造であり、共連続構造はシリカ相と空孔相とが共に連続した相を持つ構造であり、シリンダー構造は直線的なチャネル状の細孔を持つ構造である。また、ラメラ構造は平板状のシリカ相が空相を介して積層された構造であり、球晶ラメラ構造はラメラ構造のシリカが放射状に広がった球状構造体である。
スフィア構造における粒径、ラメラ構造における各層の厚さ、球晶ラメラ構造における粒径、シリンダー構造における孔の内径及び間隔等は、用いるジブロック共重合体の分子量、各ブロックを構成する繰り返し単位、例えば、その種類、大きさ等によって、適宜制御できる。
シリカ構造体は、後述するように、ジブロック共重合体の一方のブロックと相溶する有機溶媒の選択、ジブロック共重合体に対する加水分解物の添加量、加水分解性シランの加水分解時間若しくは酸のpH、又は、加水分解性シランに対する、加水分解時の酸の使用量によって、上述のいずれかの構造に製造される。
The silica structure of the present invention is a powdery silica structure having a three-dimensional regular structure. This silica structure has a structure in which silica is arranged in a structure corresponding to a microphase separation structure of a diblock copolymer described later. Specifically, the silica structure corresponds to a microphase separation structure, such as a sphere structure (also referred to as a fine particle aggregate) such as a body-centered cubic structure, a lamellar structure (including a spherulite lamellar structure), a co-continuous structure ( (Also called a gyroidal structure) and a cylinder structure.
Here, the sphere structure is a structure in which spherical particles or pores are continuously connected, the co-continuous structure is a structure in which both a silica phase and a void phase are continuous, and the cylinder structure is linear. It has a structure with channel-like pores. The lamellar structure is a structure in which a flat silica phase is laminated through an air phase, and the spherulite lamellar structure is a spherical structure in which silica of a lamellar structure spreads radially.
The particle size in the sphere structure, the thickness of each layer in the lamella structure, the particle size in the spherulite lamella structure, the inner diameter and the interval of the holes in the cylinder structure, etc. are the molecular weight of the diblock copolymer used, the repeating unit constituting each block, For example, it can be appropriately controlled depending on the type, size, and the like.
As will be described later, the silica structure is selected from an organic solvent compatible with one block of the diblock copolymer, the amount of hydrolyzate added to the diblock copolymer, the hydrolysis time of the hydrolyzable silane, or Depending on the pH of the acid or the amount of acid used during hydrolysis relative to the hydrolyzable silane, it is produced in any of the structures described above.
本発明のシリカ構造体の製造方法は、有機溶媒中において、加水分解性シランの加水分解物と、溶解度パラメータ(SP値)が22〜25(MPa1/2)である極性ブロック(B)及び低極性ブロック(A)を有するジブロック共重合体とを混合して、極性ブロック(B)に加水分解物が吸着した複合体を形成する工程と、有機溶媒中で、複合体の自己組織化及び加水分解物の縮重合反応を行ってジブロック共重合体とシリカとの相分離複合体を得る工程と、得られた相分離複合体からジブロック共重合体を除去する工程とを有する。
すなわち、本発明のシリカ構造体の製造方法は、ジブロック共重合体及び加水分解物の複合体のミクロ相分離並びに加水分解物の縮重合反応を利用した、有機溶媒中で実施されるシリカ構造体の製造方法である。ジブロック共重合体の極性ブロック(B)に加水分解物が吸着した複合体は、単独のブロック共重合体のミクロ相分離による自己組織化と同類の自己組織化して、加水分解物を吸着した状態でミクロ相分離する。本発明のシリカ構造体の製造方法においては、加水分解物が吸着した複合体のミクロ相分離による自己組織化を利用すると共に自己組織化の過程において加水分解物を縮重合反応させて、自己組織化によるミクロ相構造に対応する構造にシリカを配列させる。ここで、加水分解物は、後述するように、縮重合した加水分解物を含んでいる。その後、ジブロック共重合体を除去することによって粉体状のシリカ構造体を製造する。
The method for producing a silica structure of the present invention includes a hydrolyzate of hydrolyzable silane, a polar block (B) having a solubility parameter (SP value) of 22 to 25 (MPa 1/2 ), and an organic solvent. A step of mixing a diblock copolymer having a low polarity block (A) to form a complex in which a hydrolyzate is adsorbed on the polar block (B), and self-assembly of the complex in an organic solvent And a step of performing a condensation polymerization reaction of the hydrolyzate to obtain a phase separation complex of the diblock copolymer and silica, and a step of removing the diblock copolymer from the obtained phase separation complex.
That is, the method for producing a silica structure of the present invention includes a silica structure implemented in an organic solvent utilizing microphase separation of a complex of a diblock copolymer and a hydrolyzate and a condensation polymerization reaction of the hydrolyzate. It is a manufacturing method of a body. The complex in which the hydrolyzate was adsorbed on the polar block (B) of the diblock copolymer adsorbed the hydrolyzate by self-assembly similar to the self-assembly by microphase separation of the single block copolymer. Microphase separation in the state. In the method for producing a silica structure of the present invention, self-organization by microphase separation of a complex on which a hydrolyzate is adsorbed is used, and the hydrolyzate is subjected to a polycondensation reaction in the process of self-assembly, thereby self-organization. Silica is arranged in a structure corresponding to the microphase structure by chemical conversion. Here, as will be described later, the hydrolyzate includes a condensation polymerized hydrolyzate. Thereafter, the diblock copolymer is removed to produce a powdery silica structure.
このように、本発明のシリカ構造体の製造方法は、特許文献1〜5などのように界面活性剤のミセル構造を利用するメソポーラス材料の製造方法とは異なる、ミクロ相分離による自己組織化を利用した製造方法である。したがって、発明のシリカ構造体の製造方法によって製造されるシリカ構造体は、ミクロ相分離による特有の種々の構造、たとえば、スフィア構造、ラメラ構造、共連続構造及びシリンダー構造のいずれかの構造を有している。
また、本発明のシリカ構造体の製造方法は、特許文献6及び7に記載の方法のようにブロック共重合体の一ブロックを除去した空間にシリカ材料を充填することなく、特定構造のシリカ構造体を一挙に製造できる。
さらに、本発明のシリカ構造体の製造方法は、特許文献8に記載の方法のように基材等を用いることなく、有機溶媒中において複合体及び相分離複合体を形成する方法である。したがって、発明のシリカ構造体の製造方法によって製造されるシリカ構造体は、粉体状、粉末状、顆粒状などの形態を有している。
As described above, the method for producing a silica structure of the present invention is different from the method for producing a mesoporous material using a micelle structure of a surfactant as in Patent Documents 1 to 5, and the like. It is a manufacturing method used. Therefore, the silica structure produced by the method for producing a silica structure of the invention has various unique structures by microphase separation, for example, any of a sphere structure, a lamellar structure, a bicontinuous structure, and a cylinder structure. doing.
Further, the method for producing a silica structure of the present invention has a silica structure having a specific structure without filling a space from which one block of the block copolymer is removed, as in the methods described in Patent Documents 6 and 7. The body can be manufactured all at once.
Furthermore, the method for producing a silica structure of the present invention is a method for forming a complex and a phase-separated complex in an organic solvent without using a substrate or the like as in the method described in Patent Document 8. Therefore, the silica structure produced by the method for producing a silica structure of the present invention has forms such as powder, powder, and granule.
このように、本発明のシリカ構造体の製造方法によれば、多様な構造及び形状を制御した粉末状のシリカ構造体を得ることができる。 Thus, according to the method for producing a silica structure of the present invention, a powdery silica structure having various structures and shapes controlled can be obtained.
<ジブロック共重合体>
本発明のシリカ構造体の製造方法に用いるジブロック共重合体は、極性ブロック(B)と該極性ブロック(B)と非相溶な低極性ブロック(A)との2種類のブロックを有するジブロック共重合体である。これら2種のブロック(A)及び(B)の結合様式は特に限定されない。
<Diblock copolymer>
The diblock copolymer used in the method for producing a silica structure of the present invention is a diblock copolymer having two types of blocks, a polar block (B) and a polar block (B) and an incompatible low polarity block (A). It is a block copolymer. The bonding mode of these two types of blocks (A) and (B) is not particularly limited.
ジブロック共重合体における極性ブロック(B)は、22〜25(MPa1/2)の溶解度パラメータ(SP値)を有している。極性ブロック(B)がこの範囲の溶解度パラメータ(SP値)を有していると、有機溶媒中において、22〜30(MPa1/2)の溶解度パラメータ(SP値)を有するシロキサンなどの加水分解物を吸着して、ジブロック共重合体と加水分解物との複合体を形成する。このような極性ブロック(B)としては、ポリ(4−ビニルピリジン)ブロック(P4VP、溶解度パラメータ(SP値):24)、ポリ(2−ビニルピリジン)ブロック(P2VP、溶解度パラメータ(SP値):22)、ポリビニルアルコールブロック(溶解度パラメータ(SP値):25)などが挙げられる。極性ブロック(B)は、これらの中でも、ポリ(4−ビニルピリジン)ブロック及びポリ(2−ビニルピリジン)ブロックが好ましい。極性ブロック(B)は、22〜25(MPa1/2)の溶解度パラメータ(SP値)を有していればよいが、特にポリアルキレンオキシドブロックを含まなくてもよい。 The polar block (B) in the diblock copolymer has a solubility parameter (SP value) of 22 to 25 (MPa 1/2 ). When the polar block (B) has a solubility parameter (SP value) in this range, hydrolysis of siloxane or the like having a solubility parameter (SP value) of 22 to 30 (MPa 1/2 ) in an organic solvent. The product is adsorbed to form a complex of the diblock copolymer and the hydrolyzate. As such polar block (B), poly (4-vinylpyridine) block (P4VP, solubility parameter (SP value): 24), poly (2-vinylpyridine) block (P2VP, solubility parameter (SP value): 22), polyvinyl alcohol block (solubility parameter (SP value): 25) and the like. Among these, the polar block (B) is preferably a poly (4-vinylpyridine) block or a poly (2-vinylpyridine) block. Although the polar block (B) should just have the solubility parameter (SP value) of 22-25 (MPa < 1/2 >), it does not need to contain a polyalkylene oxide block especially.
低極性ブロック(A)は、極性ブロック(B)と非相溶なブロックであればよい。ここで、「極性ブロック(B)と非相溶」とは、ブロック共重合体がミクロ相分離する程度に極性ブロック(B)と非相溶であることを意味する。22〜25(MPa1/2)の溶解度パラメータ(SP値)を有する極性ブロック(B)に対して非相溶な低極性ブロック(A)は、例えば、20(MPa1/2)以下の溶解度パラメータ(SP値)を有しているのが好ましい。低極性ブロック(A)が20(MPa1/2)以下の溶解度パラメータ(SP値)を有しているとジブロック共重合体と加水分解物との複合体がミクロ相分離をする。低極性ブロック(A)の溶解度パラメータ(SP値)は、溶解度という点から、実質的には15(MPa1/2)以上であるのが好ましい。このような低極性ブロック(A)としては、ポリスチレンブロック(PS、溶解度パラメータ(SP値):約18)、ポリイソプレンブロック(溶解度パラメータ(SP値):17)、ポリイソブチレンブロック(溶解度パラメータ(SP値):16)、ポリプロピレンブロック(溶解度パラメータ(SP値):17)、ポリエチレンブロック(溶解度パラメータ(SP値):16)、などが挙げられる。低極性ブロック(A)は、これらの中でも、ポリスチレンブロックが好ましい。 The low polarity block (A) may be a block that is incompatible with the polar block (B). Here, “incompatible with the polar block (B)” means that the block copolymer is incompatible with the polar block (B) to such an extent that microphase separation occurs. The low polarity block (A) incompatible with the polar block (B) having a solubility parameter (SP value) of 22 to 25 (MPa 1/2 ) is, for example, a solubility of 20 (MPa 1/2 ) or less. It preferably has a parameter (SP value). When the low polarity block (A) has a solubility parameter (SP value) of 20 (MPa 1/2 ) or less, the complex of the diblock copolymer and the hydrolyzate undergoes microphase separation. The solubility parameter (SP value) of the low polarity block (A) is preferably substantially 15 (MPa 1/2 ) or more from the viewpoint of solubility. As such a low polarity block (A), polystyrene block (PS, solubility parameter (SP value): about 18), polyisoprene block (solubility parameter (SP value): 17), polyisobutylene block (solubility parameter (SP) Value): 16), polypropylene block (solubility parameter (SP value): 17), polyethylene block (solubility parameter (SP value): 16), and the like. Among these, the low polarity block (A) is preferably a polystyrene block.
この発明において、ブロック共重合体の各ブロック、および使用する溶媒の特性を表す指標として、溶解度パラメータ(SP値)を使用し、そのSP値はヒルデブランドのSP値を示し、文献値並びにFedorsの推算法による値を採用する。 In the present invention, a solubility parameter (SP value) is used as an index representing the characteristics of each block of the block copolymer and the solvent to be used. The SP value indicates the Hildebrand SP value, the literature value and Fedors's value. The value by the estimation method is adopted.
このような極性ブロック(B)及び低極性ブロック(A)を有するジブロック共重合体は、ポリ(4−ビニルピリジン)ブロック又はポリ(2−ビニルピリジン)ブロックとポリスチレンブロックとを有するジブロック共重合体であるのが特に好ましい。 A diblock copolymer having such a polar block (B) and a low polarity block (A) is a poly (4-vinylpyridine) block or a diblock copolymer having a poly (2-vinylpyridine) block and a polystyrene block. Particularly preferred is a polymer.
ジブロック共重合体における低極性ブロック(A)及び極性ブロック(B)の割合は、ジブロック共重合体がミクロ相分離するのであれば、特に限定されないが、例えば、数平均分子量の比(低極性ブロック(A):極性ブロック(B))が1:0.2〜1:5であるのが好ましく、1:0.5〜1:3であるのがより好ましく、1:0.7〜1:2であるのがさらに好ましく、1:1であるのが特に好ましい。
ジブロック共重合体並びに極性ブロック(B)及び低極性ブロック(A)の数平均分子量は、ぞれぞれ、特に限定されず、シリカ構造体における、例えば、上述の、粒径、厚さ、孔の内径及び間隔などに応じて、適宜に選択される。ジブロック共重合体の分子量分布も特に限定されないが、シリカ構造体において、規則的な構造が均一にできる点で、狭いのが好ましい。
The ratio of the low polar block (A) and the polar block (B) in the diblock copolymer is not particularly limited as long as the diblock copolymer is microphase-separated. For example, the ratio of the number average molecular weight (low The polar block (A): polar block (B)) is preferably 1: 0.2 to 1: 5, more preferably 1: 0.5 to 1: 3, and 1: 0.7 to It is more preferably 1: 2, and particularly preferably 1: 1.
The number average molecular weights of the diblock copolymer and the polar block (B) and the low polarity block (A) are not particularly limited, respectively. For example, in the silica structure, the above-described particle size, thickness, It is appropriately selected according to the inner diameter and interval of the holes. The molecular weight distribution of the diblock copolymer is not particularly limited, but is preferably narrow in that a regular structure can be made uniform in the silica structure.
<加水分解性シランの加水分解物>
本発明のシリカ構造体の製造方法に用いる加水分解物は、加水分解性シランの全部又は一部を加水分解して得られる加水分解物である。加水分解される加水分解性シランは、加水分解性基を有するシランであればよく、例えば、ハロゲン原子、アルコキシ基等の加水分解性基を有するシラン化合物が挙げられる。この加水分解性シランは、加水分解性が高い点で、加水分解性基を4つ有するものが好ましく、4つのアルコキシ基を有するアルコキシシランが特に好ましい。4つのアルコキシ基を有するアルコキシシランとしては、例えば、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン(TEOSともいう。)、テトラ(n−プロポキシ)シラン、テトラ(i−プロポキシ)シラン、テトラ(n−ブトキシ)シラン、テトラ(t−ブトキシ)シランが挙げられ、中でも、テトラエトキシシランが好ましい。
<Hydrolyzable silane hydrolyzate>
The hydrolyzate used in the method for producing a silica structure of the present invention is a hydrolyzate obtained by hydrolyzing all or part of the hydrolyzable silane. The hydrolyzable silane to be hydrolyzed may be a silane having a hydrolyzable group, and examples thereof include a silane compound having a hydrolyzable group such as a halogen atom or an alkoxy group. The hydrolyzable silane is preferably one having four hydrolyzable groups in terms of high hydrolyzability, and particularly preferably an alkoxysilane having four alkoxy groups. Examples of the alkoxysilane having four alkoxy groups include tetramethoxysilane, tetraethoxysilane (also referred to as TEOS), tetra (n-propoxy) silane, tetra (i-propoxy) silane, and tetra (n-butoxy) silane. And tetra (t-butoxy) silane. Among them, tetraethoxysilane is preferable.
加水分解性シランの加水分解は、公知の方法、例えば、アルコール又はDMF等の溶媒中、塩酸等の無機酸又は酢酸等の有機酸及び水の存在下、常温又は加熱下で、実施される。したがって、加水分解性シランの加水分解物は、加水分解性シランの加水分解物に加えて、溶媒、酸及び水並びにこれらに由来する物質を含有していてもよい。加水分解性シランが加水分解し、部分的に縮重合した後でブロック共重合体と吸着することで、目的とするシリカ構造体を形成しやすくなる点で、加水分解性シランは、加熱下、例えば30〜60℃で、加水分解されることが、好ましい。
また、この発明において、加水分解性シランの加水分解物は、加水分解性シランが完全に加水分解されていなくてもよく、加水分解性基の一部又は加水分解性シランの一部が残存していてもよい。この加水分解性シランの加水分解工程中では、加水分解性シランの加水分解に加えて、加水分解された加水分解物の縮重合反応も部分的に進行する。したがって、この加水分解物には、ある程度分子鎖がある加水分解物が存在している。ここで、縮重合反応が進行する程度は、分解温度、分解時間、無機酸若しくは有機酸の使用量、及び/又は、溶媒等によって、制御でき、例えば、後述するように目的とするシリカ構造体に応じて適宜に設定される。
Hydrolysis of the hydrolyzable silane is carried out in a known manner, for example, in a solvent such as alcohol or DMF, in the presence of an inorganic acid such as hydrochloric acid or an organic acid such as acetic acid, and water, at room temperature or under heating. Therefore, the hydrolyzate of hydrolyzable silane may contain a solvent, an acid, water, and a substance derived therefrom, in addition to the hydrolyzate of hydrolyzable silane. The hydrolyzable silane is hydrolyzed, partially adsorbed with a block copolymer after being partially polymerized, so that the target silica structure can be easily formed. For example, it is preferably hydrolyzed at 30 to 60 ° C.
In this invention, the hydrolyzate of the hydrolyzable silane may not be completely hydrolyzed, and a part of the hydrolyzable group or a part of the hydrolyzable silane remains. It may be. In the hydrolysis step of the hydrolyzable silane, in addition to the hydrolysis of the hydrolyzable silane, the condensation polymerization reaction of the hydrolyzed hydrolyzate partially proceeds. Therefore, this hydrolyzate has a hydrolyzate having a molecular chain to some extent. Here, the degree to which the polycondensation reaction proceeds can be controlled by the decomposition temperature, decomposition time, amount of inorganic acid or organic acid used, and / or solvent, for example, the target silica structure as described later. It is set appropriately according to.
<有機溶媒>
本発明のシリカ構造体の製造方法に用いる有機溶媒は、ジブロック共重合体を溶解させる一方で、複合体、特に相分離複合体を溶解させないものであって、ジブロック共重合体をミクロ相分離させ、また加水分解物を縮重合させて、相分離複合体を得るのに用いられる。前述したように、有機溶媒は、目的とするシリカ構造体に応じて、極性有機溶媒又は非極性有機溶媒が選択される。この発明において、極性有機溶媒は22〜25(MPa1/2)の溶解度パラメータ(SP値)を有する有機溶媒であり、非極性有機溶媒は19(MPa1/2)以下の溶解度パラメータ(SP値)を有する有機溶媒である。
<Organic solvent>
The organic solvent used in the method for producing a silica structure of the present invention dissolves a diblock copolymer, but does not dissolve a complex, particularly a phase-separated complex. It is used for separation and condensation polymerization of the hydrolyzate to obtain a phase separation complex. As described above, as the organic solvent, a polar organic solvent or a nonpolar organic solvent is selected according to the target silica structure. In the present invention, the polar organic solvent is an organic solvent having a solubility parameter (SP value) of 22 to 25 (MPa 1/2 ), and the nonpolar organic solvent is a solubility parameter (SP value) of 19 (MPa 1/2 ) or less. ).
極性有機溶媒が22〜25(MPa1/2)の溶解度パラメータ(SP値)を有していると、加水分解物を吸着した極性ブロック(B)とよく相溶する。したがって、極性有機溶媒中において、加水分解物が吸着した極性ブロック(B)が低極性ブロック(A)を取り囲むように極性ブロック(B)に加水分解物を吸着した複合体がミクロ相分離して、加水分解物すなわちシリカが連続相となるシリカ構造体が得られる。
一方、非極性有機溶媒が19(MPa1/2)以下の溶解度パラメータ(SP値)を有していると、ジブロック共重合体の低極性ブロック(A)とよく相溶する。したがって、非極性有機溶媒中において、加水分解物が吸着した極性ブロック(B)を低極性ブロック(A)が取り囲むように極性ブロック(B)に加水分解物を吸着した複合体がミクロ相分離して、加水分解物すなわちシリカが分散相となるシリカ構造体が得られる。非極性有機溶媒の溶解度パラメータ(SP値)は、ジブロック体の溶解性の観点から、実質的には15(MPa1/2)以上であるのが好ましい。
このように、複合体の自己組織化及び加水分解物の縮重合反応の場となる有機溶媒を選択することによって、ジブロック共重合体のミクロ相分離における極性ブロック(B)及び低極性ブロック(A)の相が逆転し、シリカ構造体の連続相及び分散相を制御することができる。また、これによりシリカ構造体の形状を変化させることができる。
When the polar organic solvent has a solubility parameter (SP value) of 22 to 25 (MPa 1/2 ), it is well compatible with the polar block (B) that has adsorbed the hydrolyzate. Therefore, in the polar organic solvent, the complex in which the hydrolyzate is adsorbed on the polar block (B) is microphase-separated so that the polar block (B) on which the hydrolyzate is adsorbed surrounds the low polarity block (A). A hydrolyzate, that is, a silica structure in which silica becomes a continuous phase is obtained.
On the other hand, when the nonpolar organic solvent has a solubility parameter (SP value) of 19 (MPa 1/2 ) or less, it is well compatible with the low polarity block (A) of the diblock copolymer. Therefore, in the nonpolar organic solvent, the complex in which the hydrolyzate is adsorbed on the polar block (B) is microphase-separated so that the polar block (B) is surrounded by the polar block (B) on which the hydrolyzate is adsorbed. Thus, a hydrolyzate, that is, a silica structure in which silica becomes a dispersed phase is obtained. The solubility parameter (SP value) of the nonpolar organic solvent is preferably substantially 15 (MPa 1/2 ) or more from the viewpoint of the solubility of the diblock body.
Thus, the polar block (B) and the low polarity block (in the microphase separation of the diblock copolymer) are selected by selecting the organic solvent that is the field for the self-assembly of the composite and the condensation polymerization reaction of the hydrolyzate. The phase of A) is reversed, and the continuous phase and dispersed phase of the silica structure can be controlled. Moreover, the shape of a silica structure can be changed by this.
極性有機溶媒としては、例えば、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF、溶解度パラメータ(理論SP値):24.5MPa1/2)、イソプロパノール(SP値:23.5MPa1/2)、1−ブタノール(溶解度パラメータ(SP値):23.1MPa1/2)等が挙げられる。この極性有機溶媒は、ジブロック体の溶解性の観点から、DMF、イソプロパノール、1-ブタノール等が特に好ましい。この極性有機溶媒は1種単独で用いても、2種以上を混合溶媒として用いてもよい。
非極性有機溶媒としては、例えば、ベンゼン(溶解度パラメータ(SP値):18.8MPa1/2)、トルエン(溶解度パラメータ(SP値):18.2MPa1/2)、キシレン(溶解度パラメータ(SP値):18.0MPa1/2)、テトラヒドロフラン(溶解度パラメータ(SP値):18.6MPa1/2)、クロロホルム(溶解度パラメータ(SP値):19.0)等が挙げられる。この非極性有機溶媒は、ジブロック体の溶解性の観点から、溶解度パラメータ(SP値)は15〜19MPa1/2であるのが好ましく、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレン、テトラヒドロフラン等が好適に挙げられる。この非極性有機溶媒は1種単独で用いても、2種以上を混合溶媒として用いてもよい。
Examples of the polar organic solvent include N, N-dimethylformamide (DMF, solubility parameter (theoretical SP value): 24.5 MPa 1/2 ), isopropanol (SP value: 23.5 MPa 1/2 ), 1-butanol ( Solubility parameter (SP value): 23.1 MPa 1/2 ) and the like. The polar organic solvent is particularly preferably DMF, isopropanol, 1-butanol or the like from the viewpoint of the solubility of the diblock body. These polar organic solvents may be used alone or in combination of two or more.
Examples of the nonpolar organic solvent include benzene (solubility parameter (SP value): 18.8 MPa 1/2 ), toluene (solubility parameter (SP value): 18.2 MPa 1/2 ), xylene (solubility parameter (SP value) ): 18.0 MPa 1/2 ), tetrahydrofuran (solubility parameter (SP value): 18.6 MPa 1/2 ), chloroform (solubility parameter (SP value): 19.0) and the like. The nonpolar organic solvent preferably has a solubility parameter (SP value) of 15 to 19 MPa 1/2 from the viewpoint of the solubility of the diblock body, and examples thereof include benzene, toluene, xylene, and tetrahydrofuran. It is done. These nonpolar organic solvents may be used alone or in combination of two or more.
有機溶媒の使用量は、特に制限されない。 The amount of the organic solvent used is not particularly limited.
次に、本発明のシリカ構造体の製造方法を具体的に説明する。本発明のシリカ構造体の製造方法は、有機溶媒中において、加水分解性シランの加水分解物とジブロック共重合体とを混合して、極性ブロック(B)に加水分解物が吸着した複合体を形成する工程と、有機溶媒中で、複合体の自己組織化及び加水分解物の縮重合反応を行ってジブロック共重合体とシリカとの相分離複合体を得る工程と、得られた相分離複合体からジブロック共重合体を除去する工程とを有する。 Next, the method for producing the silica structure of the present invention will be specifically described. In the method for producing a silica structure of the present invention, a hydrolyzable silane hydrolyzate and a diblock copolymer are mixed in an organic solvent, and the hydrolyzate is adsorbed on the polar block (B). A step of obtaining a phase-separated complex of a diblock copolymer and silica by performing self-assembly of the complex and condensation polymerization of the hydrolyzate in an organic solvent, and a phase obtained Removing the diblock copolymer from the separation complex.
複合体を形成する工程は、有機溶媒中において、加水分解性シランの加水分解物とジブロック共重合体とを混合する。そうすると、ジブロック共重合体の極性ブロック(B)に加水分解物が吸着して、複合体が形成される。ここで、「極性ブロック(B)に加水分解物が吸着する」とは、例えば、静電引力によって極性ブロック(B)又はその近傍に加水分解物が存在する状態、極性ブロック(B)に加水分解物が取り囲まれている状態、場合によっては極性ブロック(B)と加水分解物とが化学的に結合している状態なども含む。このときの混合条件は、特に限定されず、常温又は加熱下、好ましくはジブロック共重合体に加水分解物を添加し、その後、撹拌又は静置等する条件が挙げられる。撹拌又は静置は、例えば、0.5時間〜7日間にすることができる。
この工程は、ブロック共重合体及び有機溶媒を含む共重合体有機溶液と、加水分解性シランを加水分解してなる加水分解物とを混合する工程を有するのが、加水分解性シランの加水分解物を加水分解工程で得られた溶液のまま使用することができる点で、好ましい。 この溶液には加水分解性シランの加水分解触媒として酸水溶液を含有しているが、酸水溶液の添加量および強度によって複合体の形状が変化する場合がある。具体的には、酸水溶液の添加量および強度の変化によって、溶媒全体の極性が変化する点、および極性ブロック(B)が部分的にプロトン化することによって、加水分解物との静電的作用が変化する点の、以上2点より複合体の構造が変化する場合がある。
加水分解性シランの加水分解は、前記の通りであり、加水分解物を溶液として得る。この加水分解の過程では、加水分解された加水分解性シランが部分的に縮重合して、加水分解物には縮重合した加水分解物が共存している。加水分解性シランの加水分解工程において、加水分解された加水分解性シランを縮重合させておくと、複合体を形成する工程において、加水分解物の縮重合を速やかに進行させることができ、シリカ構造体の形状を制御できる。しかし、加水分解性シランの加水分解工程において加水分解性シランの縮重合度が過剰である場合、複合体を形成する工程において複合体が急速に形成されるため、シリカ構造体の形状制御が困難となることがある。
なお、加水分解物が均一に溶解・分散できるのであれば、アルコール又はDMF以外の有機溶媒、例えば、共重合体溶液の有機溶媒と同じ有機溶媒を用いて、加水分解性シランを加水分解することができる。
In the step of forming the composite, the hydrolyzable silane hydrolyzate and the diblock copolymer are mixed in an organic solvent. If it does so, a hydrolyzate will adsorb | suck to the polar block (B) of a diblock copolymer, and a composite_body | complex will be formed. Here, “the hydrolyzate is adsorbed to the polar block (B)” means, for example, a state in which the hydrolyzate exists in or near the polar block (B) due to electrostatic attraction, It includes a state in which the decomposition product is surrounded, and in some cases, a state in which the polar block (B) and the hydrolysis product are chemically bonded. The mixing conditions at this time are not particularly limited, and examples include conditions where the hydrolyzate is added to the diblock copolymer under normal temperature or heating, and then stirred or allowed to stand. Stirring or standing can be performed, for example, for 0.5 hour to 7 days.
This step has a step of mixing a copolymer organic solution containing a block copolymer and an organic solvent and a hydrolyzate obtained by hydrolyzing the hydrolyzable silane. It is preferable at the point which can use a product with the solution obtained at the hydrolysis process. This solution contains an aqueous acid solution as a hydrolysis catalyst for hydrolyzable silane, but the shape of the composite may change depending on the amount and strength of the aqueous acid solution added. Specifically, the polarity of the whole solvent changes due to the addition amount and strength of the acid aqueous solution, and the polar block (B) is partially protonated, thereby causing electrostatic action with the hydrolyzate. The structure of the composite may change from the above two points.
Hydrolysis of the hydrolyzable silane is as described above, and a hydrolyzate is obtained as a solution. In this hydrolysis process, the hydrolyzed hydrolyzable silane partially undergoes condensation polymerization, and the hydrolyzed product coexists with the condensation product. In the hydrolysis step of the hydrolyzable silane, if the hydrolyzed hydrolyzable silane is subjected to condensation polymerization, the condensation polymerization of the hydrolyzate can proceed rapidly in the step of forming a composite, The shape of the structure can be controlled. However, if the degree of polycondensation of hydrolyzable silane is excessive in the hydrolysis process of hydrolyzable silane, it is difficult to control the shape of the silica structure because the complex is rapidly formed in the process of forming the complex. It may become.
If the hydrolyzate can be dissolved and dispersed uniformly, the hydrolyzable silane can be hydrolyzed using an organic solvent other than alcohol or DMF, for example, the same organic solvent as the organic solvent of the copolymer solution. Can do.
複合体を形成する工程において、ジブロック共重合体の有機溶媒中の濃度は、溶解度と複合体の収量という点で、加水分解物を添加する前の時点で3〜200mg/mLであるのが好ましく、5〜100mg/mLであるのがより好ましい。ジブロック共重合体の濃度は、極性有機溶媒中では、10〜100mg/mLであるのがより好ましく、50mg/mLであるのが特に好ましく、非極性有機溶媒中では、5〜100mg/mLであるのがより好ましく、10mg/mLであるのがさらに好ましい。
また、加水分解物の使用量は、極性ブロック(B)に加水分解物が一定の割合で吸着するため、ジブロック共重合体の極性ブロック(B)100質量部に対して、30〜600質量部の加水分解物を供給量であるのが好ましく、50〜300質量部であるのがさらに好ましい。ここで、加水分解物の使用量は、加水分解物に酸及び溶媒等が含有されている場合には、加水分解物中のシリカ成分(Si換算)の使用量をいう。なお、この加水分解物に水および酸が含有される場合には、水の含有量は、加水分解物の全質量に対して、溶媒の混合均一性の点で、5〜30質量%であるのが好ましく、10〜25質量%であるのがさらに好ましく、酸の含有量(強度)は、添加する酸水溶液中のpHが、−0.3〜4であるのが好ましく、−0.3〜3であるのがさらに好ましい。更に、加水分解物に溶媒が含有される場合には、溶媒の含有量は、混合均一性の点で、加水分解物の全質量に対して、60〜90質量%あるのが好ましく、70〜80質量%であるのがさらに好ましい。
In the step of forming the complex, the concentration of the diblock copolymer in the organic solvent is 3 to 200 mg / mL before adding the hydrolyzate in terms of solubility and yield of the complex. Preferably, it is 5-100 mg / mL. The concentration of the diblock copolymer is more preferably 10 to 100 mg / mL in a polar organic solvent, particularly preferably 50 mg / mL, and 5 to 100 mg / mL in a nonpolar organic solvent. More preferably, it is more preferably 10 mg / mL.
The amount of the hydrolyzate used is 30 to 600 masses per 100 parts by mass of the polar block (B) of the diblock copolymer because the hydrolyzate is adsorbed to the polar block (B) at a certain ratio. It is preferable that the amount of hydrolyzate in parts is a supply amount, and more preferably 50 to 300 parts by mass. Here, the usage-amount of a hydrolyzate means the usage-amount of the silica component (Si conversion) in a hydrolyzate, when an acid, a solvent, etc. contain in a hydrolyzate. In addition, when water and an acid are contained in this hydrolyzate, the content of water is 5 to 30% by mass in terms of the mixing uniformity of the solvent with respect to the total mass of the hydrolyzate. The acid content (strength) is preferably such that the pH in the acid aqueous solution to be added is -0.3 to 4, and -0.3 is preferred. More preferably, it is ~ 3. Further, when the hydrolyzate contains a solvent, the content of the solvent is preferably 60 to 90% by mass with respect to the total mass of the hydrolyzate in terms of mixing uniformity, and is preferably 70 to 90%. More preferably, it is 80 mass%.
有機溶媒は、前記の通り、目的とするシリカ構造体に応じて極性有機溶媒又は非極性有機溶媒が用いられる。
具体的には、図1に示されるように、ジブロック共重合体の低極性ブロック(A)と加水分解物が吸着した極性ブロック(B’)との非相溶性によって、これらがミクロ相分離して、シリカ構造体の構造が決定される。このとき、有機溶媒として非極性有機溶媒を使用する場合は、有機溶媒中で低極性ブロック(A)が極性ブロック(B’)を取り囲み、低極性ブロック(A)が連続相になり、加水分解物が吸着した極性ブロック(B’)が分散相となる。一方、有機溶媒として極性有機溶媒を使用する場合は、低極性ブロック(A)及び加水分解物が吸着した極性ブロック(B’)が逆転し、低極性ブロック(A)が分散相になり、加水分解物が吸着した極性ブロック(B’)が連続相となる。このように、有機溶媒を選択することによって、シリカ構造体の構造を作り分けることができる。
As described above, a polar organic solvent or a nonpolar organic solvent is used as the organic solvent depending on the target silica structure.
Specifically, as shown in FIG. 1, microphase separation is caused by the incompatibility between the low polarity block (A) of the diblock copolymer and the polar block (B ′) on which the hydrolyzate is adsorbed. Thus, the structure of the silica structure is determined. At this time, when a nonpolar organic solvent is used as the organic solvent, the low polarity block (A) surrounds the polar block (B ′) in the organic solvent, and the low polarity block (A) becomes a continuous phase, thereby hydrolyzing. The polar block (B ′) on which the substance is adsorbed becomes the dispersed phase. On the other hand, when a polar organic solvent is used as the organic solvent, the low polarity block (A) and the polar block (B ′) to which the hydrolyzate has been adsorbed are reversed, and the low polarity block (A) becomes a dispersed phase. The polar block (B ′) on which the decomposition product is adsorbed becomes a continuous phase. Thus, by selecting an organic solvent, the structure of the silica structure can be made differently.
有機溶媒として極性有機溶媒を用いる場合に製造されるシリカ構造体について詳細に説明する。
有機溶媒として極性有機溶媒を用いる場合には、加水分解物に含まれる水と極性有機溶媒とを均一に混合できるのであれば、加水分解性シランの加水分解にはどのような溶媒を使用してもよく、複合体を形成する工程における極性有機溶媒と同一の溶媒を使用してもよい。ブロック共重合体を極性有機溶媒に溶解した共重合体有機溶液に、加水分解物を添加すると複合体が得られる。このとき、図2に示されるように、加水分解性シランを加水分解する際に用いる酸水溶液の使用量を加水分解性シランに対して変化させると、得られるシリカ構造体の構造を作り分けることができる。すなわち、加水分解性シランに対する酸水溶液の使用量を、上述の範囲内で、少なくすると、シリカ構造体はシリンダー構造を取り、加水分解性シランに対する酸の使用量を、上述の範囲内で、増やしていくと、シリンダー構造から共連続構造を経てスフィア構造に変化する。一方、共重合体有機溶液中のブロック共重合体の濃度及び加水分解物に対する、加水分解性シランの使用量(混合量)を変化させても、得られるシリカ構造体に大きな構造の変化はみられない。
The silica structure produced when a polar organic solvent is used as the organic solvent will be described in detail.
When a polar organic solvent is used as the organic solvent, any solvent can be used for hydrolysis of the hydrolyzable silane as long as the water contained in the hydrolyzate and the polar organic solvent can be mixed uniformly. Alternatively, the same solvent as the polar organic solvent in the step of forming the complex may be used. When a hydrolyzate is added to an organic copolymer solution obtained by dissolving a block copolymer in a polar organic solvent, a composite is obtained. At this time, as shown in FIG. 2, when the amount of the acid aqueous solution used for hydrolyzing the hydrolyzable silane is changed with respect to the hydrolyzable silane, the structure of the silica structure to be obtained is made separately. Can do. That is, if the amount of the acid aqueous solution used for the hydrolyzable silane is reduced within the above range, the silica structure takes a cylinder structure, and the amount of the acid used for the hydrolyzable silane is increased within the above range. As it goes on, it changes from a cylinder structure to a sphere structure through a co-continuous structure. On the other hand, even if the amount (mixing amount) of hydrolyzable silane with respect to the concentration of the block copolymer in the organic solution of the copolymer and the hydrolyzate is changed (mixed amount), there is no significant structural change in the resulting silica structure. I can't.
次に、有機溶媒として非極性有機溶媒を用いる場合に製造されるシリカ構造体の構造について具体的には説明する。
有機溶媒として非極性有機溶媒を用いる場合には、加水分解に必要な水と非極性有機溶媒とを均一に混合できる点で、加水分解性シランの加水分解にはアルコール等の両親媒性溶媒中で行うのが好ましい。得られた加水分解物を、ブロック共重合体を非極性有機溶媒に溶解した共重合体有機溶液に添加すると複合体が得られる。このとき、図3に示されるように、ジブロック共重合体に対する加水分解物の添加量を変化させると、得られるシリカ構造体の構造を作り分けることができる。すなわち、ジブロック共重合体に対する加水分解物の添加量を、上述の範囲内で、多くすると、スフィア構造から球晶ラメラ構造およびラメラ構造まで変化する。ラメラ構造にする場合は、加水分解時の撹拌時間などの加水分解条件によって、異なる折りたたみ部を持つことができる。具体的には、加水分解性シランの加水分解の撹拌時間、すなわち加水分解時間が短い(加水分解の反応度が小さい)と、共重合体溶液に添加したときにまず透明溶液になり、ある時間経過後、白濁して複合体が形成される。この場合、得られるシリカ構造体は、粒子状の形体を持つラメラ構造である球晶ラメラ構造になる。一方、加水分解性シランの加水分解の撹拌時間が長い(加水分解の反応度が大きい)と、共重合体溶液に添加したときに白濁して複合体が得られる。この場合、得られるシリカ構造体は、一般的なラメラ構造になる。このラメラ構造は層の厚さが均一になるものの、形体(モルフォルジー)や折りたたみ構造に規則性はない。
また、加水分解性シリカの加水分解触媒として用いる酸の水溶液のpHを変更すると、具体的には、酸の強度を変更すると、シリカ構造体の構造を作り分けることができる。具体的には、酸の強度である水溶液のpHを大きくすると、例えばpH1.7、あるいはpH2.6にするとシリカ構造体はラメラ構造を取る。一方、水溶液のpHを小さくすると、例えばpH−0.3(2規定塩酸)にするとシリカ構造体は共連続構造を取る。
Next, the structure of the silica structure produced when a nonpolar organic solvent is used as the organic solvent will be specifically described.
When a nonpolar organic solvent is used as the organic solvent, water required for hydrolysis and the nonpolar organic solvent can be mixed uniformly. It is preferable to carry out. When the obtained hydrolyzate is added to a copolymer organic solution in which a block copolymer is dissolved in a nonpolar organic solvent, a composite is obtained. At this time, as shown in FIG. 3, when the amount of the hydrolyzate added to the diblock copolymer is changed, the structure of the resulting silica structure can be made differently. That is, if the addition amount of the hydrolyzate with respect to the diblock copolymer is increased within the above range, the sphere structure changes to the spherulite lamella structure and the lamella structure. In the case of a lamella structure, it can have different folding parts depending on hydrolysis conditions such as stirring time during hydrolysis. Specifically, when the hydrolysis time of the hydrolyzable silane is short, that is, when the hydrolysis time is short (hydrolysis reactivity is small), when it is added to the copolymer solution, it first becomes a transparent solution, and for a certain period of time. After the elapse of time, it becomes cloudy and a complex is formed. In this case, the obtained silica structure becomes a spherulite lamellar structure which is a lamellar structure having a particulate shape. On the other hand, if the stirring time of hydrolysis of the hydrolyzable silane is long (the degree of hydrolysis reactivity is large), it becomes cloudy when added to the copolymer solution and a composite is obtained. In this case, the obtained silica structure has a general lamellar structure. Although this lamellar structure has a uniform layer thickness, there is no regularity in the shape (morphology) and folding structure.
Moreover, when the pH of the aqueous solution of the acid used as the hydrolysis catalyst of hydrolyzable silica is changed, specifically, the structure of the silica structure can be made differently by changing the strength of the acid. Specifically, when the pH of the aqueous solution, which is the strength of the acid, is increased, for example, when the pH is 1.7 or 2.6, the silica structure takes a lamellar structure. On the other hand, when the pH of the aqueous solution is reduced, for example, when it is adjusted to pH-0.3 (2N hydrochloric acid), the silica structure takes a co-continuous structure.
このように、非極性有機溶媒を用いる場合には、ジブロック共重合体に対する加水分解物の添加量及び加水分解時間並びに加水分解触媒のpHを変更することで、スフィア構造から球晶ラメラ構造及びラメラ構造を経て共連続構造まで作り分けることができる。 Thus, when using a nonpolar organic solvent, the amount of hydrolyzate added to the diblock copolymer, the hydrolysis time, and the pH of the hydrolysis catalyst are changed to change the sphere structure to the spherulite lamellar structure and Through the lamellar structure, it can be made up to a co-continuous structure.
本発明のシリカ構造体の製造方法においては、次いで、有機溶媒中、すなわち共重合体溶液と加水分解性シランの加水分解物とを混合した有機溶媒中で、複合体の自己組織化及び加水分解物の縮重合反応を行って、ジブロック共重合体とシリカとの相分離複合体を得る工程を実施する。この工程は、好ましくは、共重合体溶液と加水分解性シランの加水分解物とを混合した後に、加水分解物とジブロック共重合体とを含む有機溶媒を常温又は加熱下で撹拌又は静置等、好ましくは静置することによって、実施される。このとき、撹拌又は静置等される時間は、自己組織化及び縮重合反応が進行する時間であればよく、例えば、混合物が十分に白濁又は十分な粉体状の沈殿が生じる時間であり、より具体的には、例えば常温では0.5時間〜7日である。混合物の加熱時間は、特に限定されず、有機溶媒の沸点以下、例えば、常温以上60℃以下に設定できる。このようにして、複合体を自己組織化させ、また加水分解物をさらに縮重合させて、相分離複合体が得られる。
この工程は、上述のように、加水分解物と有機溶媒との混合物を撹拌又は静置等によって、実施されるから、複合体を形成する工程とシリカ構造体を得る工程とは、別個に又は連続して実施でき、好ましくは連続して実施する。このように、複合体を形成する工程において得られた有機溶媒中の複合体をそのままの状態及び濃度で相分離複合体を得る工程を実施できる。したがって、この相分離複合体を得る工程では、有機溶媒を新たに加えてもよいが、加えることなく、複合体を形成する工程で得られた複合体の濃度及び状態で自己組織化及び縮重合反応を実施するのが好ましい。
この工程において、複合体の自己組織化及び加水分解物の縮重合反応は、常温又は加熱下で撹拌又は静置等することによって行われ、自己組織化及び縮重合反応が制御される。この工程において、加水分解性シランの加水分解物を上述の加水分解工程で得られた溶液として用いる場合には、加水分解性シランの加水分解時に進行した加水分解物の縮重合をさらに進行させる。複合体の自己組織化及び加水分解物の縮重合反応が進行すると、混合物が白濁して分散状態になり、又は粉体状の沈殿が生成する。したがって、この工程においては、混合物が十分に白濁又は十分な粉体状の沈殿が生じるまで複合体の自己組織化及び加水分解物の縮重合反応を進行させる。
In the method for producing a silica structure of the present invention, the self-assembly and hydrolysis of the composite are then performed in an organic solvent, that is, in an organic solvent in which a copolymer solution and a hydrolyzate of hydrolyzable silane are mixed. A step of performing a polycondensation reaction of the product to obtain a phase separation composite of the diblock copolymer and silica is carried out. In this step, preferably, after the copolymer solution and the hydrolyzate of hydrolyzable silane are mixed, the organic solvent containing the hydrolyzate and the diblock copolymer is stirred or allowed to stand at room temperature or under heating. Etc., preferably by standing. At this time, the time to be stirred or allowed to stand may be a time during which the self-organization and the condensation polymerization reaction proceed, for example, the time when the mixture is sufficiently cloudy or sufficient powdery precipitate is formed, More specifically, for example, it is 0.5 hours to 7 days at room temperature. The heating time of the mixture is not particularly limited, and can be set to the boiling point of the organic solvent or less, for example, from room temperature to 60 ° C. In this way, the composite is self-assembled, and the hydrolyzate is further polycondensed to obtain a phase-separated composite.
As described above, this step is performed by stirring or standing the mixture of the hydrolyzate and the organic solvent, so that the step of forming the composite and the step of obtaining the silica structure are performed separately or It can be carried out continuously, preferably continuously. Thus, the process of obtaining a phase-separated complex in the state and density | concentration as it is can be implemented in the complex in the organic solvent obtained in the process of forming a complex. Therefore, in the step of obtaining this phase separation complex, an organic solvent may be newly added, but without addition, self-organization and polycondensation are performed at the concentration and state of the complex obtained in the step of forming the complex. It is preferred to carry out the reaction.
In this step, the self-assembly of the complex and the condensation polymerization reaction of the hydrolyzate are performed by stirring or standing at room temperature or under heating, and the self-assembly and the condensation polymerization reaction are controlled. In this step, when the hydrolyzate of hydrolyzable silane is used as the solution obtained in the above-described hydrolysis step, the condensation polymerization of the hydrolyzate that has progressed during the hydrolysis of the hydrolyzable silane is further advanced. When the self-assembly of the composite and the condensation polymerization reaction of the hydrolyzate proceed, the mixture becomes cloudy and becomes a dispersed state, or a powdery precipitate is generated. Therefore, in this step, the self-assembly of the composite and the polycondensation reaction of the hydrolyzate are allowed to proceed until the mixture is sufficiently cloudy or has a sufficient powdery precipitate.
本発明のシリカ構造体の製造方法においては、次いで、得られた相分離複合体をろ過等の固液分離手段で採取し、所望により乾燥した後に、相分離複合体中に含まれるジブロック共重合体を除去する工程を実施する。この工程は、例えば、ジブロック共重合体が焼失する温度以上の温度、例えば500℃以上の温度に相分離複合体を加熱する工程が挙げられる。なお、加熱時間は適宜に設定される。相分離複合体を加熱するとジブロック共重合体、すなわち極性ブロック(B)及び低極性ブロック(A)が共に熱分解され、ジブロック共重合体の存在領域が孔又は空隙になり、シリカが残存してシリカ構造体が製造される。 In the method for producing a silica structure of the present invention, the obtained phase separation composite is then collected by a solid-liquid separation means such as filtration and dried if desired, and then the diblock copolymer contained in the phase separation composite is contained. A step of removing the polymer is performed. This process includes, for example, a process of heating the phase-separated complex to a temperature equal to or higher than the temperature at which the diblock copolymer is burned out, for example, 500 ° C. or higher. The heating time is appropriately set. When the phase-separated composite is heated, both the diblock copolymer, that is, the polar block (B) and the low polarity block (A) are pyrolyzed, and the existing region of the diblock copolymer becomes pores or voids, and silica remains. Thus, a silica structure is manufactured.
このようにして、例えば、20nm〜30μmの粒径を有する粉末状のシリカ構造体を製造できる。粒径の測定方法は、電子顕微鏡観察による測定結果による。 In this way, for example, a powdery silica structure having a particle size of 20 nm to 30 μm can be produced. The measuring method of the particle size is based on the measurement result by observation with an electron microscope.
本発明のシリカ構造体の製造方法は、ジブロック共重合体及び加水分解物の複合体のミクロ相分離及び加水分解物の縮重合反応を利用した、有機溶媒中で実施される製造方法である。そして、有機溶媒の選択、ジブロック体に対する加水分解物の添加量、加水分解性シリカの加水分解時間若しくは酸のpH、又は、加水分解性シランに対する、加水分解時の酸の使用量によって、シリカ構造体の構造を共連続構造、ラメラ構造、シリンダー構造又はスフィア構造に作り分けることができる。 The method for producing a silica structure of the present invention is a production method carried out in an organic solvent using microphase separation of a complex of a diblock copolymer and a hydrolyzate and a condensation polymerization reaction of the hydrolyzate. . Depending on the selection of the organic solvent, the amount of hydrolyzate added to the diblock body, the hydrolysis time or pH of the hydrolyzable silica, or the amount of acid used during hydrolysis with respect to the hydrolyzable silane The structure can be divided into a bicontinuous structure, a lamellar structure, a cylinder structure, or a sphere structure.
以下に、実施例によって本発明を具体的に説明するが、これによって本発明が限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.
<ジブロック共重合体>
ポリスチレン−ポリ(4−ビニルピリジン)ブロック共重合体(以下、PS−P4VPと略す。)として、Polymer Source社製のPSブロックの数平均分子量が11,800(重合数が約113)、P4VPブロックの数平均分子量11,500(重合数が約109)のものを使用した。このPS−P4VPは予め下記の溶媒に溶解して共重合体溶液として用いた。
また、予め塩酸を純水で希釈して、2規定の塩酸、及び、pH2.6に調整した希塩酸水を準備した。
<Diblock copolymer>
As a polystyrene-poly (4-vinylpyridine) block copolymer (hereinafter abbreviated as PS-P4VP), the number average molecular weight of a PS block manufactured by Polymer Source is 11,800 (the number of polymerization is about 113), and a P4VP block. The number average molecular weight of 11,500 (the number of polymerization is about 109) was used. This PS-P4VP was previously dissolved in the following solvent and used as a copolymer solution.
Moreover, hydrochloric acid was diluted with pure water in advance to prepare 2N hydrochloric acid and dilute hydrochloric acid adjusted to pH 2.6.
<実施例1>
加水分解性シランとしてテトラエトキシシラン(TEOS)0.50g、希塩酸水0.4g、エタノール2.5mLをビーカーに取り、60℃で2時間撹拌して、加水分解性シランの加水分解物を調製した。溶媒としてトルエン(2.5mL)に、PS−P4VP(0.025g)を溶かした共重合体溶液を調製した。加水分解物3mLを共重合体溶液に添加し、25℃で1時間撹拌した。このようにして複合体を形成する工程を実施した。この工程において、加水分解物を添加するとPS−P4VPのポリ(4−ビニルピリジン)ブロックに加水分解物が吸着して加水分解物とブロック共重合体の複合体が形成され、白濁した。
有機溶媒すなわち加水分解物と共重合体溶液との混合物の撹拌を止めて、25℃で1日以上静置することで、複合体の自己組織化及び加水分解物の縮重合反応を進行させて、相分離複合体を粉体状集合体として形成させた。このようにして相分離複合体を得る工程を実施した。
得られた相分離複合体(混合物中の凝集物及び沈殿物)をろ過により捕集した。捕集した相分離複合体を、乾燥した後、550℃で4時間加熱して、ブロック共重合体を除去した。このようにしてジブロック共重合体を除去する工程を実施して、粉末のシリカ構造体(0.0970g)を得た。得られたシリカ構造体を、走査型電子顕微鏡(SEM)で観察したところ、シリカ構造体は、図5に示されるように、厚さ約15nmのラメラ構造を持つシリカ構造体であることが分かった。得られたシリカ構造体は、有機高分子材料特有の折りたたみ部を持つラメラ構造を持ち、シリカ構造体としてこのような折りたたみ構造を持つ材料はこれまで報告されていない。このような構造を持つシリカ構造体は、特有の複屈折の性質を有し、上述した幅広い適用用途等に適用でき、例えば、光学材料素子等の用途に有用である。
<Example 1>
As hydrolyzable silane, 0.50 g of tetraethoxysilane (TEOS), 0.4 g of dilute hydrochloric acid water, and 2.5 mL of ethanol were placed in a beaker and stirred at 60 ° C. for 2 hours to prepare a hydrolyzate of hydrolyzable silane. . A copolymer solution in which PS-P4VP (0.025 g) was dissolved in toluene (2.5 mL) as a solvent was prepared. 3 mL of the hydrolyzate was added to the copolymer solution and stirred at 25 ° C. for 1 hour. Thus, the process of forming a composite was implemented. In this step, when a hydrolyzate was added, the hydrolyzate was adsorbed on the poly (4-vinylpyridine) block of PS-P4VP to form a complex of the hydrolyzate and block copolymer, which became cloudy.
The stirring of the organic solvent, that is, the mixture of the hydrolyzate and the copolymer solution is stopped, and the mixture is allowed to stand at 25 ° C. for 1 day or longer to advance the self-assembly of the complex and the condensation polymerization reaction of the hydrolyzate. The phase-separated composite was formed as a powdery aggregate. Thus, the process of obtaining a phase-separation composite_body | complex was implemented.
The resulting phase separation complex (aggregates and precipitates in the mixture) was collected by filtration. The collected phase separation composite was dried and then heated at 550 ° C. for 4 hours to remove the block copolymer. Thus, the process of removing a diblock copolymer was implemented, and the powdery silica structure (0.0970g) was obtained. When the obtained silica structure was observed with a scanning electron microscope (SEM), it was found that the silica structure was a silica structure having a lamellar structure with a thickness of about 15 nm as shown in FIG. It was. The obtained silica structure has a lamellar structure having a fold part peculiar to organic polymer materials, and no material having such a fold structure as a silica structure has been reported so far. The silica structure having such a structure has characteristic birefringence and can be applied to a wide range of applications as described above, and is useful for applications such as optical material elements.
<実施例2>
実施例2は、加水分解触媒が実施例1よりも少なく、テトラエトキシシランの加水分解時間が実施例1よりも短い実験例である。
実施例1と同様に、テトラエトキシシラン(TEOS)0.5g、希塩酸水0.2g、エタノール2.5mLをビーカーに取り、60℃で15分撹拌して、加水分解性シランの加水分解物を調製した。溶媒としてトルエン(2.5mL)に、PS−P4VP(0.025g)を溶かした共重合体溶液を調製した。加水分解物3mLを共重合体溶液に添加した。添加直後では、混合液は無色透明の溶液であり、更に25℃で1時間撹拌することでシリカとブロック共重合体の複合体が形成されて白濁した。
加水分解物と共重合体溶液との混合物の撹拌を止めて、25℃で1日以上静置することで、複合体の自己組織化及び加水分解物の縮重合反応を進行させて、相分離複合体を粉体状集合体として形成させた。
得られた相分離複合体をろ過により捕集した。捕集した相分離複合体を、乾燥した後、550℃で4時間加熱して、ブロック共重合体を除去した。このようにして粉末のシリカ構造体(0.0137g)を得た。得られたシリカ構造体のSEM観察により、このシリカ構造体は、図6に示されるように、厚さ約15nmのラメラ構造を持つ球状のシリカ構造体であることが分かった。得られた1μmから5μmの粒子は、ラメラ構造が放射状に広がるように配列している。これは、有機高分子材料特有の球晶ラメラ構造であり、シリカ構造体としてこのような材料はこれまで報告されていない。このような構造を持つシリカ構造体は、特有の複屈折の性質を有し、上述した幅広い適用用途等に適用でき、例えば、光学材料素子等の用途に有用である。
<Example 2>
Example 2 is an experimental example in which the hydrolysis catalyst is less than in Example 1 and the hydrolysis time of tetraethoxysilane is shorter than in Example 1.
In the same manner as in Example 1, 0.5 g of tetraethoxysilane (TEOS), 0.2 g of dilute hydrochloric acid water, and 2.5 mL of ethanol were placed in a beaker and stirred at 60 ° C. for 15 minutes to obtain a hydrolyzate of hydrolyzable silane. Prepared. A copolymer solution in which PS-P4VP (0.025 g) was dissolved in toluene (2.5 mL) as a solvent was prepared. 3 mL of hydrolyzate was added to the copolymer solution. Immediately after the addition, the mixed solution was a colorless and transparent solution, and further agitated at 25 ° C. for 1 hour to form a complex of silica and a block copolymer, which became cloudy.
Stirring of the mixture of hydrolyzate and copolymer solution is stopped, and the mixture is allowed to stand at 25 ° C. for 1 day or more, so that the self-assembly of the complex and the polycondensation reaction of the hydrolyzate proceed, and phase separation is performed. The composite was formed as a powdery aggregate.
The resulting phase separation complex was collected by filtration. The collected phase separation composite was dried and then heated at 550 ° C. for 4 hours to remove the block copolymer. In this way, a powdery silica structure (0.0137 g) was obtained. SEM observation of the obtained silica structure revealed that this silica structure was a spherical silica structure having a lamellar structure with a thickness of about 15 nm, as shown in FIG. The obtained particles of 1 μm to 5 μm are arranged so that the lamellar structure spreads radially. This is a spherulite lamellar structure peculiar to organic polymer materials, and no such material has been reported as a silica structure. The silica structure having such a structure has characteristic birefringence and can be applied to a wide range of applications as described above, and is useful for applications such as optical material elements.
<実施例3>
実施例3は、実施例1よりも加水分解物の添加量が少ない実験例である。
テトラエトキシシラン(TEOS)0.5g、希塩酸水0.4g、エタノール2.5mLをビーカーに取り、60℃で30分撹拌して、加水分解性シランの加水分解物を調製した。溶媒としてトルエン(2.5mL)にPS−P4VP(0.025g)を溶かした共重合体溶液を調製した。共重合体溶液を60℃に保温して、加水分解物1.5mLをゆっくり添加して、25℃で1時間撹拌した。このとき、シリカとブロック共重合体の複合体が形成されて、2つの溶液を混合した直後に白濁した。
加水分解物と共重合体溶液との混合物の撹拌を止めて、25℃で1日以上静置することで、複合体の自己組織化及び加水分解物の縮重合反応を進行させて、相分離複合体を粉体状集合体として形成させた。
得られた相分離複合体をろ過により捕集した。捕集した相分離複合体を、乾燥した後、550℃で4時間加熱して、ブロック共重合体を除去した。このようにして粉末のシリカ構造体(0.0700g)を得た。得られたシリカ構造体のSEM観察により、このシリカ構造体は、図7に示されるように、約30nmのシリカナノ粒子が、一定間隔を持ち、3次元的に規則的に配列した構造を持つことが分かった。このシリカ構造体は、シリカ相がスフィア構造(体心立法(BBC)構造)を持っていた。すなわち、このスフィア構造は、相分離複合体が、ジブロック共重合体の極性ブロック(B)であるP4VPに吸着したシリカの周囲を、もう一つの低極性ブロック(A)であるPSが覆うような形態を取ることに起因する。このようなスフィア構造をもつシリカ構造体は、界面活性剤のミセル構造を利用したメソポーラス材料の製造方法では製造することはできず、スフィア構造は、有機溶媒中で複合体のミクロ相分離及び加水分解物の縮重合反応を利用する本発明のシリカ構造体の製法方法によって形成できる特有の構造である。このような構造を持つシリカ構造体は、大きな表面積を持つため、上述した幅広い適用用途等に適用でき、例えば、センサーの高感度化等の用途に有用である。
<Example 3>
Example 3 is an experimental example in which the amount of hydrolyzate added is smaller than that in Example 1.
Tetraethoxysilane (TEOS) 0.5 g, dilute hydrochloric acid water 0.4 g, and ethanol 2.5 mL were placed in a beaker and stirred at 60 ° C. for 30 minutes to prepare a hydrolyzate of hydrolyzable silane. A copolymer solution in which PS-P4VP (0.025 g) was dissolved in toluene (2.5 mL) as a solvent was prepared. The copolymer solution was kept at 60 ° C., 1.5 mL of the hydrolyzate was slowly added, and the mixture was stirred at 25 ° C. for 1 hour. At this time, a composite of silica and a block copolymer was formed and became cloudy immediately after mixing the two solutions.
Stirring of the mixture of hydrolyzate and copolymer solution is stopped, and the mixture is allowed to stand at 25 ° C. for 1 day or more, so that the self-assembly of the complex and the polycondensation reaction of the hydrolyzate proceed, and phase separation The composite was formed as a powdery aggregate.
The resulting phase separation complex was collected by filtration. The collected phase separation composite was dried and then heated at 550 ° C. for 4 hours to remove the block copolymer. In this way, a powdered silica structure (0.0700 g) was obtained. According to SEM observation of the obtained silica structure, this silica structure has a structure in which silica nanoparticles of about 30 nm are regularly arranged in a three-dimensional manner at regular intervals, as shown in FIG. I understood. In this silica structure, the silica phase had a sphere structure (body-centered legislation (BBC) structure). That is, this sphere structure is such that the phase-separated complex covers the silica adsorbed by P4VP, which is the polar block (B) of the diblock copolymer, with PS, which is another low-polar block (A). This is caused by taking various forms. A silica structure having such a sphere structure cannot be produced by a method for producing a mesoporous material using a micelle structure of a surfactant, and the sphere structure is obtained by microphase separation and hydrolysis of a composite in an organic solvent. It is a unique structure that can be formed by the method for producing a silica structure of the present invention using a condensation polymerization reaction of a decomposition product. Since the silica structure having such a structure has a large surface area, it can be applied to a wide range of applications as described above. For example, it is useful for applications such as increasing the sensitivity of a sensor.
<実施例4>
実施例4は、加水分解触媒として用いる酸水溶液の使用量が実施例1よりも高濃度である実験例である。
加水分解性シランとしてテトラエトキシシラン(TEOS)0.5g、2規定塩酸0.2g、エタノール2.5mLをビーカーに取り、60℃で30分撹拌して、加水分解性シランの加水分解物を調製した。トルエン(2.5mL)にPS−P4VP(0.025g)を溶かした共重合体溶液を調製した。加水分解物3mLを共重合体溶液にゆっくり添加して、25℃で1時間撹拌した。混合液を撹拌後すぐにシリカとブロック共重合体の複合体が形成されて白濁した。
加水分解物と共重合体溶液との混合物の撹拌を止めて、25℃で1日以上静置することで、複合体の自己組織化及び加水分解物の縮重合反応を進行させて、相分離複合体を粉体状シリカ複合体として形成させた。
得られた相分離複合体をろ過により捕集した。捕集した相分離複合体を、乾燥した後、550℃で4時間加熱して、ブロック共重合体を除去した。このようにして粉末のシリカ構造体(0.0105g)を得た。得られたシリカ構造体のSEM観察により、このシリカ構造体は、図8に示されるように、共連続構造(ジャイロイド構造)を持つことが分かった。このような構造を持つシリカ構造体は、細孔内の物質異動が容易であるため、上述した幅広い適用用途等に適用でき、例えば、吸着材や触媒担体等の用途に有用である。
<Example 4>
Example 4 is an experimental example in which the amount of the acid aqueous solution used as the hydrolysis catalyst is higher than that in Example 1.
Prepare hydrolyzate of hydrolyzable silane by taking 0.5g of tetraethoxysilane (TEOS) as hydrolyzable silane, 0.2g of 2N hydrochloric acid and 2.5mL of ethanol in a beaker and stirring at 60 ° C for 30 minutes. did. A copolymer solution in which PS-P4VP (0.025 g) was dissolved in toluene (2.5 mL) was prepared. 3 mL of the hydrolyzate was slowly added to the copolymer solution and stirred at 25 ° C. for 1 hour. Immediately after stirring the mixed solution, a complex of silica and a block copolymer was formed and became cloudy.
Stirring of the mixture of hydrolyzate and copolymer solution is stopped, and the mixture is allowed to stand at 25 ° C. for 1 day or more, so that the self-assembly of the complex and the polycondensation reaction of the hydrolyzate proceed, and phase separation is performed. The composite was formed as a powdery silica composite.
The resulting phase separation complex was collected by filtration. The collected phase separation composite was dried and then heated at 550 ° C. for 4 hours to remove the block copolymer. In this way, a powdery silica structure (0.0105 g) was obtained. SEM observation of the obtained silica structure revealed that this silica structure had a co-continuous structure (gyroidal structure) as shown in FIG. The silica structure having such a structure can be easily applied to a wide range of applications as described above because it is easy to change the substance in the pores. For example, it is useful for applications such as adsorbents and catalyst carriers.
<実施例5>
実施例5は、実施例1から4で使用した非極性溶媒であるトルエンとは異なり、極性溶媒であるジメチルホルムアミド(DMF)を使用した実験例である。
加水分解性シランの加水分解物としてテトラエトキシシラン(TEOS)0.25g、予めpH2.6に調整した希塩酸水0.4g、ジメチルホルムアミド(DMF)2.5mLをビーカーに取り、60℃で1時間撹拌して、加水分解性シランの加水分解物を調製した。溶媒としてDMF(2.5mL)に、PS−P4VP(0.125g)を溶かした共重合体溶液を調製した。加水分解物3.2mLを25℃で共重合体溶液に添加すると混合液は無色透明であった。その後、25℃で1時間撹拌した。
加水分解物と共重合体溶液との混合物の撹拌を止めて、25℃で3日以上静置することで、複合体の自己組織化及び加水分解物の縮重合反応を進行させて、相分離複合体を粉体状集合体として形成させた。
得られた相分離複合体をろ過により採取した。捕集した相分離複合体を、乾燥した後、550℃で4時間加熱して、ブロック共重合体を除去した。このようにして粉末のシリカ構造体(0.0701g)を得た。得られたシリカ構造体のSEM観察により、このシリカ構造体は、図9に示されるように、六角柱の形状を持つ微粒子であった。それぞれの粒子は、約10nmの内径を有する直線的なチャネル状を持つ細孔が、ヘキサゴナル構造と呼ばれる六方対称のシリンダー構造を持っていることが分かった。粒子径は400〜800nmであり、すべての粒子が同様の構造を持っていることが分かった。なお、粒子径は、SEM観察による画像を基にして測定した値である。このような構造を持つシリカ構造体は、均一な細孔径を有する多孔質材料の性質を有し、上述した幅広い適用用途等に適用でき、例えば、吸着材、分離膜、触媒担体等の用途に有用である。
<Example 5>
Example 5 is an experimental example using dimethylformamide (DMF), which is a polar solvent, different from toluene, which is a nonpolar solvent used in Examples 1 to 4.
As a hydrolyzate of hydrolyzable silane, 0.25 g of tetraethoxysilane (TEOS), 0.4 g of dilute hydrochloric acid water adjusted to pH 2.6 in advance, and 2.5 mL of dimethylformamide (DMF) are placed in a beaker and heated at 60 ° C. for 1 hour. A hydrolyzate of hydrolyzable silane was prepared by stirring. A copolymer solution in which PS-P4VP (0.125 g) was dissolved in DMF (2.5 mL) as a solvent was prepared. When 3.2 mL of the hydrolyzate was added to the copolymer solution at 25 ° C., the mixed solution was colorless and transparent. Then, it stirred at 25 degreeC for 1 hour.
Stirring of the mixture of hydrolyzate and copolymer solution is stopped, and the mixture is allowed to stand at 25 ° C. for 3 days or more, so that the self-assembly of the complex and the polycondensation reaction of the hydrolyzate proceed, and phase separation The composite was formed as a powdery aggregate.
The resulting phase separation complex was collected by filtration. The collected phase separation composite was dried and then heated at 550 ° C. for 4 hours to remove the block copolymer. In this way, a powdered silica structure (0.0701 g) was obtained. According to SEM observation of the obtained silica structure, this silica structure was a fine particle having a hexagonal column shape as shown in FIG. Each particle was found to have a hexagonal symmetric cylinder structure called a hexagonal structure in which pores having a linear channel shape having an inner diameter of about 10 nm. The particle size was 400 to 800 nm, and it was found that all particles had the same structure. The particle diameter is a value measured based on an image obtained by SEM observation. The silica structure having such a structure has the properties of a porous material having a uniform pore diameter, and can be applied to the wide range of applications described above, for example, for applications such as adsorbents, separation membranes, and catalyst carriers. Useful.
<実施例6>
実施例6は、極性溶媒DMFで行った実験例のうち、全体として、加水分解触媒である酸水溶液の使用量が実施例5よりも多い実験例である。
実施例5と同様に、テトラエトキシシラン(TEOS)0.5g、希塩酸水0.8g、ジメチルホルムアミド(DMF)2.5mLをビーカーに取り、60℃で30分撹拌して、加水分解性シランの加水分解物を調製した。溶媒としてDMF(2.5mL)に、PS−P4VP(0.125g)を溶かした共重合体溶液を調製した。加水分解物3.2mLを25℃で共重合体溶液に添加すると混合液は無色透明であった。その後、25℃で1時間撹拌した。
加水分解物と共重合体溶液との混合物の撹拌を止めて、25℃で3日以上静置することで、複合体の自己組織化及び加水分解物の縮重合反応を進行させて、相分離複合体を粉体状集合体として形成させた。
得られた相分離複合体をろ過により採取した。捕集した相分離複合体を、乾燥した後、550℃で4時間加熱して、ブロック共重合体を除去した。このようにして粉末のシリカ構造体(0.0724g)を得た。得られたシリカ構造体のSEM観察により、このシリカ構造体は、図10に示されるように、内径が約20nmの球状の細孔が連続的に連なったスフィア構造(体心立法(BBC)構造)を持っていることが分かった。これは、実施例3のシリカ相のスフィア構造の逆相である。すなわち、このスフィア構造は、相分離複合体が、ジブロック共重合体のP4VPブロックに吸着した加水分解物がPSブロックの周囲を覆うような形態を取っていることに起因する。このような構造を持つシリカ構造体は、均一な細孔径を持つ多孔質材料の性質を有し、上述した幅広い適用用途等に適用でき、例えば、精密合成用の触媒担体等の用途に有用である。
<Example 6>
Example 6 is an experimental example in which the amount of the acid aqueous solution used as the hydrolysis catalyst is larger than that of Example 5 among the experimental examples performed with the polar solvent DMF.
In the same manner as in Example 5, 0.5 g of tetraethoxysilane (TEOS), 0.8 g of dilute hydrochloric acid water and 2.5 mL of dimethylformamide (DMF) were placed in a beaker and stirred at 60 ° C. for 30 minutes. A hydrolyzate was prepared. A copolymer solution in which PS-P4VP (0.125 g) was dissolved in DMF (2.5 mL) as a solvent was prepared. When 3.2 mL of the hydrolyzate was added to the copolymer solution at 25 ° C., the mixed solution was colorless and transparent. Then, it stirred at 25 degreeC for 1 hour.
Stirring of the mixture of hydrolyzate and copolymer solution is stopped, and the mixture is allowed to stand at 25 ° C. for 3 days or more, so that the self-assembly of the complex and the polycondensation reaction of the hydrolyzate proceed, and phase separation The composite was formed as a powdery aggregate.
The resulting phase separation complex was collected by filtration. The collected phase separation composite was dried and then heated at 550 ° C. for 4 hours to remove the block copolymer. In this way, a powdery silica structure (0.0724 g) was obtained. As a result of SEM observation of the obtained silica structure, as shown in FIG. 10, this silica structure has a sphere structure (body-centered (BBC) structure in which spherical pores having an inner diameter of about 20 nm are continuously connected). ) This is a reverse phase of the sphere structure of the silica phase of Example 3. That is, this sphere structure is due to the fact that the phase-separated complex is in such a form that the hydrolyzate adsorbed on the P4VP block of the diblock copolymer covers the periphery of the PS block. A silica structure having such a structure has the properties of a porous material having a uniform pore diameter, and can be applied to a wide range of applications as described above. For example, it is useful for applications such as a catalyst carrier for precision synthesis. is there.
<参考例1>
本発明のシリカ構造体の製造方法における複合体を形成する工程において、加水分解物がジブロック体の極性ブロック(B)であるP4VPブロックに吸着することをIRスペクトルによって、確認した。
PS−P4VP単独のスペクトルも測定した。その結果、単独のPS−P4VPには、5つの特徴あるピークがあり、それぞれPSブロックに起因する2ピーク(1452cm−1及び1493cm−1)と、P4VPに起因する3ピーク(1415cm−1、1556cm−1及び1597cm−1)とが見られる。
実施例1(トルエン溶媒使用)及び実施例6(DMF溶媒使用)と同様にして複合体を調製し、洗浄・乾燥した後に赤外吸収スペクトルを測定した。そのスペクトルチャートを図4に示す。両溶媒中で調製した複合体は、共に、P4VPに起因するピークのみが短波長側にシフトしていた。これはP4VPブロックに加水分解物が吸着したことを示唆している。
<Reference Example 1>
In the step of forming a complex in the method for producing a silica structure of the present invention, it was confirmed by IR spectrum that the hydrolyzate was adsorbed on the P4VP block which is the polar block (B) of the diblock body.
The spectrum of PS-P4VP alone was also measured. As a result, a single PS-P4VP has five characteristic peaks, each having 2 peaks (1452 cm −1 and 1493 cm −1 ) due to the PS block and 3 peaks (1415 cm −1 , 1556 cm) due to P4VP. −1 and 1597 cm −1 ).
A composite was prepared in the same manner as in Example 1 (using toluene solvent) and Example 6 (using DMF solvent), and after washing and drying, an infrared absorption spectrum was measured. The spectrum chart is shown in FIG. In the complexes prepared in both solvents, only the peak due to P4VP was shifted to the short wavelength side. This suggests that the hydrolyzate was adsorbed on the P4VP block.
Claims (9)
前記有機溶媒中で、前記複合体の自己組織化及び前記加水分解物の縮重合反応を行ってジブロック共重合体とシリカとの相分離複合体を得る工程と、
得られた前記相分離複合体から前記ジブロック共重合体を除去する工程とを有するシリカ構造体の製造方法。 In an organic solvent, it is incompatible with the hydrolyzate of hydrolyzable silane, the polar block (B) having a solubility parameter (SP value) of 22 to 25 (MPa 1/2 ), and the polar block (B). Mixing a diblock copolymer having a low polarity block (A) to form a complex in which the hydrolyzate is adsorbed on the polar block (B);
In the organic solvent, performing a self-assembly of the complex and a condensation polymerization reaction of the hydrolyzate to obtain a phase-separated complex of the diblock copolymer and silica;
And a step of removing the diblock copolymer from the obtained phase-separated composite.
The silica structure according to claim 8, wherein the microphase separation structure is a co-continuous structure, a lamellar structure, a cylinder structure, or a sphere structure.
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016159596A (en) * | 2015-03-04 | 2016-09-05 | 株式会社M&T | Fine uneven structure |
KR20170103049A (en) * | 2016-03-02 | 2017-09-13 | 한양대학교 산학협력단 | Lithium secondary battery and method for manufacturing same |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH10226514A (en) * | 1997-02-13 | 1998-08-25 | Max Planck Ges Foerderung Wissenschaft Ev | Production of mesoporous solid, said solid and its use |
JP2005022881A (en) * | 2003-06-30 | 2005-01-27 | Japan Science & Technology Agency | Mesoporous silica having bimodal type pore structure, and method of preparing the same |
JP2005047722A (en) * | 2003-07-29 | 2005-02-24 | Tokuyama Corp | Production method for particulate mesoporous silica |
JP2006189426A (en) * | 2004-12-08 | 2006-07-20 | Canon Inc | Particle, sensor using particle, and method for producing porous structure unit |
JP2006206419A (en) * | 2005-01-28 | 2006-08-10 | Tsubone Kazuyuki | Mesoporous silica and method for producing the same |
JP2009269767A (en) * | 2008-04-30 | 2009-11-19 | Kao Corp | Production method of mesoporous silica particle |
WO2010103856A1 (en) * | 2009-03-12 | 2010-09-16 | 三井化学株式会社 | Novel porous metal oxide, process for producing same, and use of same |
-
2012
- 2012-11-28 JP JP2012259545A patent/JP6004435B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH10226514A (en) * | 1997-02-13 | 1998-08-25 | Max Planck Ges Foerderung Wissenschaft Ev | Production of mesoporous solid, said solid and its use |
JP2005022881A (en) * | 2003-06-30 | 2005-01-27 | Japan Science & Technology Agency | Mesoporous silica having bimodal type pore structure, and method of preparing the same |
JP2005047722A (en) * | 2003-07-29 | 2005-02-24 | Tokuyama Corp | Production method for particulate mesoporous silica |
JP2006189426A (en) * | 2004-12-08 | 2006-07-20 | Canon Inc | Particle, sensor using particle, and method for producing porous structure unit |
JP2006206419A (en) * | 2005-01-28 | 2006-08-10 | Tsubone Kazuyuki | Mesoporous silica and method for producing the same |
JP2009269767A (en) * | 2008-04-30 | 2009-11-19 | Kao Corp | Production method of mesoporous silica particle |
WO2010103856A1 (en) * | 2009-03-12 | 2010-09-16 | 三井化学株式会社 | Novel porous metal oxide, process for producing same, and use of same |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
JPN6016019261; BLOCH Emily, et al.: 'On Defining a Simple Empirical Relationship to Predict the Pore Size of Mesoporous Silicas Prepared' Chem Mater Vol.21, No.1, 20090113, p.48-55 * |
JPN6016019263; DENG Yonghui et al.: 'Ordered Mesoporous Silicas and Carbons with Large Accessible Pores Templated from Amphiphilic Dibloc' J Am Chem Soc Vol.129, No.6, 20070214, p.1690-1697 * |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016159596A (en) * | 2015-03-04 | 2016-09-05 | 株式会社M&T | Fine uneven structure |
KR20170103049A (en) * | 2016-03-02 | 2017-09-13 | 한양대학교 산학협력단 | Lithium secondary battery and method for manufacturing same |
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