JP2015217341A - 複合粒子合成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数種液の混合流路を用いて少なくとも１種類のナノ粒子と他のナノ粒子又はその原料を混合して複合粒子を合成して、単一粒子からなる凝集物の生成を抑制し得る複合粒子合成装置を提供するものである。【解決手段】複数種のナノ粒子を含む混合液に適用される合流点を含む複数種液の混合流路を用いた複合粒子合成装置であって、前記混合流路と、超音波振動源と、前記流路と前記振動源とを自由度をもって結合する治具とを備えてなる、前記合成装置。【選択図】なし

Description

本発明は、複合粒子合成装置に関する。

近年、新素材の分野では、２つ以上の特性を兼ね備えた複合粒子を得ることが必要となり、１つ以上の特性を有するナノ粒子と他の特性を有するナノ粒子又はその原料とを含む複合粒子を得るための混合装置が提案されている。
例えば、特許文献１には、金属塩を含む水溶液が連続的に流されるマイクロチャンネルを有するマイクロリアクタと、超音波発生装置とがウォーターバスの内部に上下に配すべく配置され、前記マイクロチャンネルが超音波の照射方向に対して直交する水路を有し、この水平流路が超音波の干渉によって強め合う部分に位置するように設定されている金属超微粒子の製造装置が記載されている。

また、特許文献２には、複数の流路と、これら複数の流路が合流する合流路と前記複数の流路を流れる流体を前記合流路で合流させて反応させるマイクロリアクタにおいて、前記合流路に超音波を、合流路を流れる流路に対して直角に照射するように配置した超音波発振手段を配置したマイクロリアクタが記載されている。

しかし、特許文献１に記載の製造装置を異種のナノ粒子を含む複合粒子の製造に適用すると、各成分を含む混合液がマイクロリアクタ内を通過する際に、単に液体を介して超音波を与える構造であるためナノ粒子の分散が不十分であり、また、特許文献２に記載のマイクロリアクタにおいては、超音波が液体を媒介してマイクロリアクタに振動を与えていない態様あるいは超音波発振素子がマイクロリアクタに固定されている態様が示されており、いずれによっても単一粒子からなる凝集物の生成を抑制した複合粒子を得ることは困難である。

特開２００５−２６４１９９号公報 特開２００６−０５１４１０号公報

本発明は、複数種液の混合流路を用いて少なくとも１種類のナノ粒子と他のナノ粒子又はその原料を混合して複合粒子を合成して、単一粒子からなる凝集物の生成を抑制し得る複合粒子合成装置を提供するものである。

本発明は、複数種のナノ粒子を含む混合液に適用される合流点を含む複数種液の混合流路を用いた複合粒子合成装置であって、
前記混合流路と、超音波振動源と、前記流路と前記振動源とを自由度をもって結合する治具とを備えてなる、前記合成装置に関する。
本発明において、合流点を含む複数種液の混合流路における合流点とは、混合される複数種の液が合流する点のことをいう。

本発明によれば、マイクロリアクタを用いて少なくとも１種類のナノ粒子と他のナノ粒子又はその原料を混合して複合粒子を合成して、単一粒子からなる凝集物の生成を抑制し得る複合粒子合成装置が得られる。

図１は、本発明の実施態様の複合粒子合成装置の概略図である。 図２は、図１の複合粒子合成装置に用いられている合流点を含む複数種液の混合流路の上面部分拡大模式図である。 図３は、本発明の実施態様の複合粒子合成装置の部分拡大模式図である。 図４は、本発明の実施態様の複合粒子合成装置に用いられている合流点を含む複数種液の混合流路を説明するための部分拡大模式図である。 図５は、本発明の範囲外の複合粒子合成装置に用いられる合流点を含む複数種液の混合流路を説明するための部分拡大模式図である。 図６は、実施例で得られた複合粒子の凝集状態を示すために得られたＴＥＭ像の写しである。 図７は、比較例で得られた複合粒子の凝集状態を示すために得られたＴＥＭ像の写しである。

以下、本発明の実施態様について図面を参照して詳説する。
本発明の第１の実施態様の複合粒子合成装置１は、図１、２に示すように、Ａ液およびＢ液の混合液に適用される、液体２中に配置されている合流点を含む複数種液の混合流路３と、該合流点を含む複数種液の混合流路３に対して液体２を介して振動４を与える超音波振動源５とを備え、合流点を含む複数種液の混合流路３が、治具６を介して、超音波振動源５の振動に対して自由度をもって連結されていて、複合粒子を形成するために、前記合流点を含む複数種液の混合流路３内の流路７で少なくとも１種のナノ粒子と他のナノ粒子又はその原料とが混合される、合成装置である。
前記の超音波振動源５の振動に対して自由度をもって連結されている態様は、例えば、図３に示すように、流路と流路固定治具との間に隙間を設けることにより、流路が上下方向に揺れることによりなし得る。
本発明の実施態様によれば、前記の合流点に振動を与えることにより、凝集前のナノ粒子に振動が作用し、高分散な状態を作ることができる。これに対して、従来の複合粒子合成装置によれば、合流点においてナノ粒子の凝集が起こることが分ったのである。
本発明の実施態様の複合粒子合成装置として、マイクロリアクタやミリリアクタ、好適にはマイクロリアクタが挙げられる。

本発明の実施態様において、合流点を含む複数種液の混合流路を配置する流体としては、特に制限はないが、例えば水タンクに入れた水が挙げられる。
本発明の実施態様においては、前記構成を有することによって、流路と超音振動源との間に液体（媒体）が設置されていることにより発熱抑制が可能となり、流路合流部と超音波振動源の中央部とを合せて流路と超音波振動源とが物理的に連結されているため液体を介した振動と固定治具からの直接的な振動との２種を伝えることが可能であり、流路が自由度を持って振動するため流路が不規則に振動し、流路内の液に対する混合を高めることが可能となり、複数種類のナノ粒子が均等分散され得る。

本発明の実施態様において、混合液としては、１種のナノ粒子および他のナノ粒子又はその原料を含むＡ液と、還元剤、酸化剤、アルカリ又は酸である反応剤を含むＢ液との混合スラリーが挙げられる。
前記の１種のナノ粒子および他のナノ粒子又はその原料としては、特に制限はなく任意の組み合わせが挙げられる。
例えば、前記の１種のナノ粒子として、粒径が２００ｎｍ以下、例えば１００ｎｍ以下、例えば５０ｎｍ以下、特に０．１〜１０ｎｍの範囲の絶縁ナノ粒子が挙げられる。

前記の絶縁ナノ粒子として、無機の絶縁材料、例えばアルミナ、ジルコニア、チタニア、マグネシア、シリカおよびこれらを含む複合酸化物、炭化珪素、窒化アルミ、窒化ケイ素等を、特に熱伝導率が低いことから、シリカ、ジルコニア、チタニアからなるナノ粒子が好適に挙げられる。

本発明の実施態様において他のナノ粒子又はその原料としては、特に制限はなく、例えばＢｉ、Ｓｂ、Ａｇ、Ｐｂ、Ｇｅ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｓｉから選択される少なくとも２種以上の元素を含む材料、例えばＢｉＴｅ系あるいはＣｏおよびＳｂを主成分とするＣｏＳｂ_３化合物の結晶がＣｏ、Ｓｂ以外の元素、例えば遷移金属を含むものが挙げられる。前記の遷移金属としては、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｃｕなどが挙げられる。

前記材料の原料である塩としては、例えば、Ｂｉ、Ｓｂ、Ａｇ、Ｐｂ、Ｇｅ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｓｉから選択される少なくとも１種以上の元素の塩、例えば前記元素のハロゲン化物、例えば塩化物、フッ化物、臭素化物、好適には塩化物や、硫酸塩、硝酸塩などが挙げられ、前記熱電材料の他の塩としては、前記元素以外の元素、例えばＳｂの塩、例えば前記元素のハロゲン化物、例えば塩化物、フッ化物、臭素化物、好適には塩化物や、硫酸塩、硝酸塩などが挙げられる。

また、前記のスラリーを与える溶媒としては、前記材料を均一に分散し得るもの、特に溶解し得るものであれば特に制限はなく、例えばメタノール、エタノール、イソプロパノール、ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチルピロリドン、好適にはメタノール、エタノールなどのアルコールが挙げられる。

前記の還元剤として、例えば、前記熱電材料の塩を還元し得るもの、例えば第三級ホスフィン、第二級ホスフィンおよび第一級ホスフィン、ヒドラジン、ヒドロキシフェニル化合物、水素、水素化物、ボラン、アルデヒド、還元性ハロゲン化物、多官能性還元体などが挙げられ、その中でも水素化ホウ素アルカリ、例えば水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム、水素化ホウ素リチウム等の物質の１種類以上が挙げられる。
また、前記の酸化剤としては過塩素酸カリウムなど、前記アルカリとしてはＮａＯＨ、ＫＯＨなど、酸としてはＨＣｌ、Ｈ_２ＳＯ_４などが挙げられる。

本発明の実施態様によれば、合流点を含む複数種液の混合流路が液体を媒介して伝わる超音波振動と、固定治具を伝播介して伝わる振動源自体の振動との双方を受けて各々の振動の相乗効果により、複数種類のナノ粒子が均等分散された複合粒子を合成し得る。

以下、本発明の実施例を示す。
以下に示す例は、本発明の合成装置を確認するためのものであって、本発明を限定するものではない。

実施例１
下記の混合液を用いて、複合粒子は図１、図３および図４に模式図を示す実験装置を用いて混合し、複合粒子を得た。
１．混合液組成
Ａ液：エタノール５００ｍｌに対し、ＢｉＣｌ_３を２．７６７ｇ、ＴｅＣｌ_４を３．３６９ｇ、ＳｅＣｌ_４を３．６１ｇ混合した混合液に対し、さらに粒径５ｎｍのＳｉＯ_２がＰＧＭ溶液に分散している単分散スラリー（５ｖｏｌ％）を３．７４ｇ混合した。
Ｂ液：エタノール５００ｍｌに対し、ＮａＢＨ_４を３．６１ｇ混合した。
２．実験条件
混合装置構成：図１
流路詳細：図４、セラミック（３０ｘ３０ｘ２．５ｍｍ）内に幅１．５ｘ深さ０．８ｍｍの流路を設計
流速：Ａ液１０ｍＬ／分、Ｂ液１０ｍＬ／分
超音波洗浄機：株式会社ＶＥＬＶＯ ＣＬＥＡＲ ＶＳ−１５０、１５０Ｗによる振動印加
３．実験結果
得られた複合粒子のＴＥＭ像を図６に示す。
図６から、Ｂｉ、Ｔｅ、Ｓｅ（黒色）とＳｉＯ_２（白いモヤがかかった部分）とが万遍なく混合され、均一混合が達成されたことが確認された。

比較例１
図１、図４において図５に模式図を示す治具を用いた実験装置を用いた他は実施例１と同様に混合して、複合粒子を得た。
なお、この実験装置では、図５に示すように、流路と流路固定治具に隙間がなく流路が上下方向に揺れない。
得られた複合粒子のＴＥＭ像を図７に示す。
図７から、ＳｉＯ_２ナノ粒子（粒径：５ｎｍ）が凝集しており、均一混合が達成されていないことが確認された。
このように、流路が自由度を持たずに固定治具に連結されていると混合力が不十分でＳｉＯ_２ナノ粒子の凝集を生じさせる。

比較例２
比較例１で用いた装置において、流路が超音波振動源と切り離されている装置を用いた他は比較例１と同様に実施した。
その結果、均一混合は達成されなかったことが確認された。

本発明の複合粒子合成装置によって、複数種類のナノ粒子が均等分散された複合粒子を合成し得る。

１ 本発明の実施態様の複合粒子合成装置
２ 液体
３ 合流点を含む複数種液の混合流路
４ 振動
５ 超音波振動源
６ 治具
７ 流路
１０ 本発明の範囲外の複合粒子合成装置

Claims (1)

1. 複数種のナノ粒子を含む混合液に適用される合流点を含む複数種液の混合流路を用いた複合粒子合成装置であって、
   前記混合流路と、超音波振動源と、前記流路と前記振動源とを自由度をもって結合する治具とを備えてなる、前記合成装置。