JP2016084264A - Method for forming layered double hydroxide dense film - Google Patents

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宏太 浅井
Kota Asai
宏太 浅井
恵実 藤▲崎▼
Megumi FUJISAKI
恵実 藤▲崎▼
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for forming a highly densified LDH dense film on a surface of a substrate without unevenness uniformly.SOLUTION: There is provided a method for forming layered double hydroxide dense film on a surface of a substrate, where the layered double hydroxide dense film consists of layered double hydroxide represented by the general formula:MM(OH)AmHO, where Mis bivalent cation, Mis trivalent cation, Ais n valent anion, n is an integer of 1 or more and x is 0.1 to 0.4, including (a) a process for preparing the substrate exhibiting a negative zeta potential substantially whole region of pH 5 to 8 and (b) a process for conducting a hydrothermal treatment on the substrate in a raw material solution containing constituent elements of the layered double hydroxide to form the layered double hydroxide dense film on the surface of the substrate.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、層状複水酸化物緻密膜の形成方法、より具体的には基材の表面に層状複水酸化物緻密膜を形成する方法に関する。   The present invention relates to a method for forming a layered double hydroxide dense film, and more specifically to a method for forming a layered double hydroxide dense film on the surface of a substrate.

ハイドロタルサイトに代表される層状複水酸化物(Layered Double Hydroxide)(以下、LDHともいう)は、水酸化物の層と層の間に交換可能な陰イオンを有する物質群であり、その特徴を活かして触媒や吸着剤、耐熱性向上のための高分子中の分散剤等として利用されている。特に、近年、水酸化物イオンを伝導する材料として注目され、アルカリ形燃料電池の電解質や亜鉛空気電池の触媒層への添加についても検討されている。   Layered Double Hydroxide (hereinafter also referred to as LDH) typified by hydrotalcite is a group of substances having anions that can be exchanged between hydroxide layers. It is used as a catalyst, an adsorbent, and a dispersant in a polymer for improving heat resistance. In particular, in recent years, it has been attracting attention as a material that conducts hydroxide ions, and addition to an electrolyte of an alkaline fuel cell or a catalyst layer of a zinc-air cell has also been studied.

従来の適用分野である触媒等を考えた場合、高比表面積が必要であることから粉末状LDHでの合成及び使用で十分であった。一方、アルカリ形燃料電池などの水酸化物イオン伝導性を活かした電解質への応用を考えた場合、燃料ガスの混合を防ぎ、十分な起電力を得るためにも高い緻密性のLDH膜が望まれる。   When considering catalysts and the like which are conventional application fields, synthesis and use in powdered LDH was sufficient because a high specific surface area was required. On the other hand, when considering application to an electrolyte utilizing hydroxide ion conductivity such as an alkaline fuel cell, a highly dense LDH film is desirable in order to prevent mixing of fuel gas and obtain sufficient electromotive force. It is.

特許文献1及び2並びに非特許文献1には配向LDH膜が開示されており、この配向LDH膜は高分子基材の表面を尿素及び金属塩を含有する溶液中に水平に浮かせてLDHを核生成させ配向成長させることにより作製されている。これらの文献で得られた配向LDH薄膜のX線回折結果はいずれも(003)面の強いピークが観察されるものである。   Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Document 1 disclose an oriented LDH film. The oriented LDH film suspends the surface of a polymer base material horizontally in a solution containing urea and a metal salt to nucleate LDH. It is produced by forming and orientation growing. In each of the X-ray diffraction results of the oriented LDH thin films obtained in these documents, a strong peak of (003) plane is observed.

中国登録特許公報CNC1333113号Chinese registered patent gazette CNC 1333113 国際公開第2006/050648号International Publication No. 2006/050648

ZhiLu, Chemical Engineering Science 62, pp.6069-6075(2007),“Microstructure-controlled synthesis of oriented layered double hydroxide thin films: Effect of varying the preparation conditions and a kinetic and mechanistic study of film formation”ZhiLu, Chemical Engineering Science 62, pp. 6069-6075 (2007), “Microstructure-controlled synthesis of oriented layered double hydroxide thin films: Effect of varying the preparation conditions and a kinetic and mechanistic study of film formation”

本発明者らは、LDHの緻密なバルク体(以下、LDH緻密体という)の作製に先だって成功している。また、LDH緻密体について水酸化物イオン伝導度の評価を実施する中で、LDH粒子の層方向にイオンを伝導させることで高い伝導度を示すことを知見している。しかしながら、亜鉛空気電池やニッケル亜鉛電池等のアルカリ二次電池へ固体電解質セパレータとしてLDHの適用を考えた場合、LDH緻密体が高抵抗であるとの問題がある。したがって、LDHの実用化のためには薄膜化による低抵抗化が望まれる。この点、特許文献1及び2並びに非特許文献1に開示される配向LDH膜は配向性及び緻密性において十分なものとはいえない。そこで、高度に緻密化されたLDH膜、好ましくは配向LDH膜が望まれる。しかしながら、基材上にLDH緻密膜を均一に形成することは、必ずしも容易なことではない。特に、基材上にLDH緻密膜の形成を試みた場合、疎密のばらつきが起こりやすく、基材全面にLDH緻密膜を確実かつ均一に成膜する手法が望まれる。   The present inventors have succeeded in producing a dense bulk body of LDH (hereinafter referred to as an LDH dense body). In addition, while conducting evaluation of hydroxide ion conductivity for LDH dense bodies, it has been found that high conductivity is exhibited by conducting ions in the layer direction of LDH particles. However, when considering application of LDH as a solid electrolyte separator to an alkaline secondary battery such as a zinc-air battery or a nickel-zinc battery, there is a problem that the LDH dense body has high resistance. Therefore, for practical use of LDH, it is desired to reduce the resistance by thinning. In this regard, the oriented LDH film disclosed in Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Document 1 cannot be said to be sufficient in terms of orientation and density. Therefore, a highly densified LDH film, preferably an oriented LDH film is desired. However, it is not always easy to uniformly form an LDH dense film on a substrate. In particular, when an attempt is made to form an LDH dense film on a substrate, variations in density are likely to occur, and a technique for reliably and uniformly forming an LDH dense film on the entire surface of the substrate is desired.

本発明者らは、今般、基材として、pH5〜8の略全域において負のゼータ電位を呈するものを用意し、その表面に水熱処理によりLDH緻密膜を形成させることにより、基材の表面に、高度に緻密化されたLDH緻密膜をムラなく均一に形成できるとの知見を得た。   The present inventors have recently prepared a substrate exhibiting a negative zeta potential in a substantially entire range of pH 5 to 8, and by forming an LDH dense film on the surface by hydrothermal treatment, the surface of the substrate is formed. The present inventors have found that a highly densified LDH dense film can be uniformly formed without unevenness.

したがって、本発明の目的は、基材の表面に、高度に緻密化されたLDH緻密膜をムラなく均一に形成する方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for uniformly and uniformly forming a highly densified LDH dense film on the surface of a substrate.

本発明の一態様によれば、基材の表面に層状複水酸化物緻密膜を形成する方法であって、前記層状複水酸化物緻密膜が、一般式:M2+ 1−x3+ (OH)n− x/n・mHO(式中、M2+は2価の陽イオン、M3+は3価の陽イオンであり、An−はn価の陰イオン、nは1以上の整数、xは0.1〜0.4である)で表される層状複水酸化物からなり、
(a)pH5〜8の略全域において負のゼータ電位を呈する基材を用意する工程と、
(b)前記層状複水酸化物の構成元素を含む原料水溶液中で、前記基材に水熱処理を施して、前記層状複水酸化物緻密膜を前記基材の表面に形成させる工程と、
を含む、方法が提供される。
According to one aspect of the present invention, there is provided a method for forming a layered double hydroxide dense film on a surface of a substrate, wherein the layered double hydroxide dense film has the general formula: M 2+ 1-x M 3+ x (OH) in 2 a n- x / n · mH 2 O ( wherein, M 2+ is a divalent cation, M 3+ is a trivalent cation, a n-n-valent anion, n represents An integer of 1 or more, x is 0.1 to 0.4)
(A) a step of preparing a substrate exhibiting a negative zeta potential in a substantially entire range of pH 5 to 8,
(B) in a raw material aqueous solution containing the constituent element of the layered double hydroxide, the substrate is hydrothermally treated to form the layered double hydroxide dense film on the surface of the substrate;
A method is provided comprising:

本発明の方法により得られるLDH含有複合材料の一態様を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows one aspect | mode of the LDH containing composite material obtained by the method of this invention. LDH含有複合材料の他の一態様を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows another one aspect | mode of a LDH containing composite material. 層状複水酸化物(LDH)板状粒子を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows a layered double hydroxide (LDH) plate-like particle. 例A1〜A5において観察された膜試料の表面微構造を示すSEM画像である。It is a SEM image which shows the surface microstructure of the film | membrane sample observed in Examples A1-A5. 例A1及びA2に用いたポリスチレン基材の、各種pHにおけるゼータ電位を示す図である。It is a figure which shows the zeta potential in various pH of the polystyrene base material used for Example A1 and A2. 例A3〜A5に用いた3YSZ基材(例A3及びA4)及びチタニア基材(例A5)の、各種pHにおけるゼータ電位を示す図である。It is a figure which shows the zeta potential in various pH of the 3YSZ base material (Example A3 and A4) and the titania base material (Example A5) used for Examples A3-A5. 例B1においてFT−IRのATR法により測定された、各濃硫酸浸漬時間でスルホン化処理したポリスチレン板の透過スペクトルである。It is a transmission spectrum of the polystyrene board which carried out the sulfonation process by each concentrated sulfuric acid immersion time measured by the ATR method of FT-IR in Example B1. 例B2において試料9の結晶相に対して得られたXRDプロファイルである。It is the XRD profile obtained with respect to the crystal phase of the sample 9 in Example B2. 例B3において観察された試料1〜6の表面微構造を示すSEM画像である。It is a SEM image which shows the surface microstructure of the samples 1-6 observed in Example B3. 例B3において観察された試料9〜16の表面微構造を示すSEM画像である。It is a SEM image which shows the surface microstructure of the samples 9-16 observed in Example B3. 例B3において観察された比較試料18の表面微構造を示すSEM画像である。It is a SEM image which shows the surface microstructure of the comparative sample 18 observed in Example B3. 例B3において観察された試料9の破断断面微構造のSEM画像である。It is a SEM image of the fracture | rupture cross-sectional microstructure of the sample 9 observed in Example B3. 例B3において観察された試料9の研磨断面微構造のSEM画像である。It is a SEM image of the grinding | polishing cross-section microstructure of the sample 9 observed in Example B3. 例B3において観察された試料2の研磨断面微構造のSEM画像である。It is a SEM image of the grinding | polishing cross-section microstructure of the sample 2 observed in Example B3. 緻密性判定試験に用いられる緻密性判別測定系の分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of the density discrimination | determination measurement system used for a density determination test. 緻密性判定試験に用いられる緻密性判別測定系の模式断面図である。It is a schematic cross section of a denseness discrimination measurement system used for a denseness judgment test.

LDH緻密膜の形成方法
本発明は、基材の表面に層状複水酸化物緻密膜(LDH緻密膜)を形成する方法に関する。基材は無孔質基材であってもよいし、多孔質基材であってもよい。多孔質基材の場合における、「基材の表面」は、多孔質基材の概形を板として巨視的に見た場合の板面の最表面を主として指すが、多孔質基材中における微視的に見て板面最表面の近傍に存在する孔の表面をも付随的に包含しうるのはいうまでもない。LDH緻密膜は、一般式:M2+ 1−x3+ (OH)n− x/n・mHO(式中、M2+は2価の陽イオン、M3+は3価の陽イオンであり、An−はn価の陰イオン、nは1以上の整数、xは0.1〜0.4である)で表される層状複水酸化物(LDH)からなる。上記一般式において、M2+は任意の2価の陽イオンでありうるが、好ましい例としてはMg2+、Ca2+及びZn2+が挙げられ、より好ましくはMg2+である。M3+は任意の3価の陽イオンでありうるが、好ましい例としてはAl3+又はCr3+が挙げられ、より好ましくはAl3+である。An−は任意の陰イオンでありうるが、好ましい例としてはOH及びCO 2−が挙げられる。したがって、上記一般式において、M2+がMg2+を含み、M3+がAl3+を含み、An−がOH及び/又はCO 2−を含むのが好ましい。nは1以上の整数であるが、好ましくは1又は2である。xは0.1〜0.4であるが、好ましくは0.2〜0.35である。mは任意の実数である。
Forming method The present invention LDH dense film, a method of forming a layered double hydroxide dense film (LDH dense film) on the surface of the substrate. The substrate may be a nonporous substrate or a porous substrate. In the case of a porous substrate, the “surface of the substrate” mainly refers to the outermost surface of the plate surface when the general shape of the porous substrate is viewed macroscopically as a plate. Needless to say, the surface of the hole existing in the vicinity of the outermost surface of the plate surface can be included incidentally. LDH dense membranes, the general formula: M 2+ 1-x M 3+ x (OH) in 2 A n- x / n · mH 2 O ( wherein, M 2+ is a divalent cation, M 3+ is a trivalent cation It is an ion, and A n− is an n-valent anion, n is an integer of 1 or more, and x is 0.1 to 0.4), and is composed of a layered double hydroxide (LDH). In the above general formula, M 2+ may be any divalent cation, and preferred examples include Mg 2+ , Ca 2+ and Zn 2+ , and more preferably Mg 2+ . M 3+ may be any trivalent cation, but preferred examples include Al 3+ or Cr 3+ , and more preferred is Al 3+ . A n- may be any anion, preferred examples OH - and CO 3 2- and the like. Therefore, in the general formula, M 2+ comprises Mg 2+, M 3+ comprises Al 3+, A n-is OH - and / or CO preferably contains 3 2-. n is an integer of 1 or more, preferably 1 or 2. x is 0.1 to 0.4, preferably 0.2 to 0.35. m is an arbitrary real number.

本発明の方法によるLDH緻密膜の形成は、(a)pH5〜8の略全域において負のゼータ電位を呈する基材を用意し、(b)原料水溶液中で基材に水熱処理を施してLDH緻密膜を形成させることにより行われる。このように、基材として、pH5〜8の略全域において負のゼータ電位を呈するものを用意し、その表面に水熱処理によりLDH緻密膜を形成させることにより、基材の表面に、高度に緻密化されたLDH緻密膜をムラなく均一に形成することができる。前述のとおり、基材(特にセラミックス基材)上にLDH緻密膜の形成を試みた場合、疎密のばらつきが起こりやすく、基材全面にLDH緻密膜を確実かつ均一に成膜する手法が望まれる。この点、本発明の上記手法によれば、(水熱処理によるLDHの成膜過程で原料水溶液が経ることになる主たる液性領域である)pH5〜8の略全域において基材が負のゼータ電位を呈することで、以下のようなメカニズムによりLDHの核形成及び成長が促進されうものと考えられる。すなわち、(i)基材に付着した(LDHの中間層を構成しうる)陰イオン基によって基材の負のゼータ電位がもたらされ、それにより該陰イオン基を中間層として取り込んだ形でLDHの核を形成し、そこからLDHが成長する、(ii)負に帯電した基材表面に正電荷である金属イオン(すなわちMg2+、Al3+等のLDH構成元素の金属イオン)が静電的に吸着し、この吸着された金属イオンがLDHの核を形成し、そこからLDHが成長する、及び/又は(iii)負に帯電した基材表面に正電荷を帯びたLDHの核が吸着し、そこからLDHが成長する、といったメカニズムが想定される。いずれにしても、本発明の上記手法によれば、基材にLDHの結晶成長の起点を均一にもたらし、これらの起点からLDHの結晶成長を均一に促すことができる。その結果、基材の表面に、高度に緻密化されたLDH緻密膜をムラなく均一に形成することができる。 The formation of an LDH dense film by the method of the present invention comprises: (a) preparing a substrate exhibiting a negative zeta potential in substantially the entire pH range of 5 to 8, and (b) subjecting the substrate to hydrothermal treatment in an aqueous raw material solution, This is done by forming a dense film. As described above, a substrate exhibiting a negative zeta potential in a substantially entire range of pH 5 to 8 is prepared, and a highly dense LDH film is formed on the surface by hydrothermal treatment, whereby the surface of the substrate is highly dense. The formed LDH dense film can be uniformly formed without unevenness. As described above, when an attempt is made to form an LDH dense film on a substrate (particularly a ceramic substrate), variation in density is likely to occur, and a technique for reliably and uniformly forming an LDH dense film on the entire surface of the substrate is desired. . In this regard, according to the above-described method of the present invention, the substrate has a negative zeta potential in a substantially entire range of pH 5 to 8 (which is a main liquid region in which the raw material aqueous solution passes through the film formation process of LDH by hydrothermal treatment). It is considered that nucleation and growth of LDH are promoted by the following mechanism. That is, (i) a negative zeta potential of the substrate is brought about by an anionic group (which can constitute an intermediate layer of LDH) attached to the substrate, thereby incorporating the anionic group as an intermediate layer. LDH nuclei are formed from which LDH grows. (Ii) Positively charged metal ions (that is, metal ions of LDH constituent elements such as Mg 2+ and Al 3+ ) are electrostatically charged on the negatively charged substrate surface. The adsorbed metal ions form LDH nuclei from which LDH grows and / or (iii) negatively charged LDH nuclei adsorb on the negatively charged substrate surface Then, a mechanism that LDH grows from there is assumed. In any case, according to the above-described method of the present invention, the starting points of LDH crystal growth can be uniformly provided on the substrate, and LDH crystal growth can be promoted uniformly from these starting points. As a result, a highly densified LDH dense film can be uniformly formed on the surface of the substrate without unevenness.

(a)基材の用意
この(a)工程においては、pH5〜8、好ましくはpH4〜8、さらに好ましくはpH3〜8の略全域において負のゼータ電位を呈する基材を用意する。基材は、固有の性質として負のゼータ電位を呈するものであってもよいし、そのようなゼータ電位をもともと有してないが表面処理を施して事後的に負のゼータ電位を付与した基材であってもよい。基材は、セラミックス材料、金属材料、及び高分子材料からなる群から選択される少なくとも1種で構成されるのが好ましい。セラミックス材料の好ましい例としては、アルミナ、ジルコニア、チタニア、マグネシア、スピネル、カルシア、コージライト、ゼオライト、ムライト、フェライト、酸化亜鉛、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、及びそれらの任意の組合せが挙げられ、より好ましくは、アルミナ、ジルコニア、チタニア、及びそれらの任意の組合せであり、特に好ましくはアルミナ、ジルコニア(例えばイットリア安定化ジルコニア(YSZ))、及びその組合せである。これらのセラミックスを用いるとLDH緻密膜の緻密性を向上しやすい。金属材料の好ましい例としては、アルミニウム及び亜鉛が挙げられる。高分子材料の好ましい例としては、ポリスチレン、ポリエーテルサルフォン、ポリプロピレン、エポキシ樹脂、ポリフェニレンサルファイド、及びそれらの任意の組合せが挙げられる。上述した各種の好ましい材料はいずれも電池の電解液に対する耐性として耐アルカリ性を有するものである。基材を用いる場合、超音波洗浄、イオン交換水での洗浄等を基材に施すのが好ましい。
(A) Preparation of Substrate In this step (a), a substrate exhibiting a negative zeta potential is prepared over a substantially entire range of pH 5 to 8, preferably pH 4 to 8, and more preferably pH 3 to 8. The base material may exhibit a negative zeta potential as an inherent property, or a group that does not originally have such a zeta potential but has been subjected to a surface treatment and subsequently given a negative zeta potential. It may be a material. The base material is preferably composed of at least one selected from the group consisting of ceramic materials, metal materials, and polymer materials. Preferred examples of ceramic materials include alumina, zirconia, titania, magnesia, spinel, calcia, cordierite, zeolite, mullite, ferrite, zinc oxide, silicon carbide, aluminum nitride, silicon nitride, and any combination thereof. More preferred are alumina, zirconia, titania, and any combination thereof, and particularly preferred are alumina, zirconia (eg, yttria stabilized zirconia (YSZ)), and combinations thereof. When these ceramics are used, it is easy to improve the denseness of the LDH dense film. Preferable examples of the metal material include aluminum and zinc. Preferred examples of the polymer material include polystyrene, polyethersulfone, polypropylene, epoxy resin, polyphenylene sulfide, and any combination thereof. Any of the various preferred materials described above has alkali resistance as resistance to the electrolyte of the battery. When using a base material, it is preferable to perform ultrasonic cleaning, cleaning with ion-exchanged water, or the like on the base material.

基材に事後的に負のゼータ電位を付与する場合、工程(a)は、(a1)pH5〜8(好ましくはpH4〜8、さらに好ましくはpH3〜8)の少なくとも一部のpH域において正のゼータ電位を呈する基材を用意する工程と、(a2)基材の表面に、該表面がpH5〜8(好ましくはpH4〜8、さらに好ましくはpH3〜8)の略全域において負のゼータ電位を呈するように表面処理を行う工程とを含むこととなる。工程(a2)における表面処理は、上記負のゼータ電位を付与することができる手法であればいかなる手法であってもよく特に限定されないが、(i)基材の表面をスルホン化すること、(ii)基材の表面を界面活性剤で処理すること、基材の表面をプラズマ処理すること、(iii)基材の表面を酸又はアルカリで処理することからなる群から選択される少なくとも1つにより行われるのが好ましい。   When a negative zeta potential is subsequently applied to the substrate, the step (a) is positive in at least part of the pH range of (a1) pH 5-8 (preferably pH 4-8, more preferably pH 3-8). A step of preparing a substrate exhibiting a zeta potential of (a2) on the surface of the substrate, the surface having a negative zeta potential in substantially the entire region of pH 5 to 8 (preferably pH 4 to 8, more preferably pH 3 to 8). And a step of performing a surface treatment so as to exhibit. The surface treatment in the step (a2) is not particularly limited as long as it is a technique capable of applying the negative zeta potential, but (i) sulfonating the surface of the base material, ii) at least one selected from the group consisting of treating the surface of the substrate with a surfactant, treating the surface of the substrate with plasma, and (iii) treating the surface of the substrate with acid or alkali. Is preferably performed.

(i)基材表面のスルホン化
上記(a2)工程における基材表面のスルホン化は、基材に負のゼータ電位を付与することができるかぎり、いかなる方法によって行ってもよい。例えば、スルホン化処理は、スルホン化可能な基材又はスルホン化可能に表面処理された基材を、硫酸(例えば濃硫酸)、発煙硫酸、クロロスルホン酸、無水硫酸等のスルホン化可能な酸に浸漬すればよく、他のスルホン化技術を用いてもよい。スルホン化可能な酸への浸漬は室温又は高温(例えば50〜150℃)で行えばよく、浸漬時間は特に限定されないが、例えば1〜14日間である。スルホン化可能な基材の好ましい例としては高分子基材が挙げられる。スルホン化可能な高分子基材は、ポリスチレン、ポリエーテルサルフォン、ポリプロピレン、エポキシ樹脂、及びポリフェニレンサルファイドからなる群から選択される少なくとも一種からなるのが好ましい。特に、芳香族系高分子基材がスルホン化しやすい点で好ましく、そのような芳香族系高分子基材は、例えば、ポリスチレン、ポリエーテルサルフォン、エポキシ樹脂、及びポリフェニレンサルファイドからなる群から選択される少なくとも一種からなり、最も好ましくはポリスチレンからなる。あるいは、スルホン化可能でない又はスルホン化に適さない基材であってもスルホン化が可能となるように表面処理すれば、上記スルホン化可能な基材と同様にしてスルホン化を行うことができる。そのような表面処理は基材へのポリマーの付着により行われるのが好ましく、そのようなポリマーとしては上述したスルホン化可能な高分子基材と同様の高分子材料を用いるのが好ましい。また、基材へのポリマーへの付着は、ポリマーを溶解させた溶液(以下、ポリマー溶液という)を基材の表面に塗布することにより行われるのが好ましい。ポリマー溶液は、例えば、ポリマー固形物(例えばポリスチレン基板)を有機溶媒(例えばキシレン溶液)に溶解することにより容易に作製することができる。基材が多孔質の場合、ポリマー溶液は多孔質基材の内部にまで浸透させないようにするのが、均一な塗布を実現しやすい点で好ましい。この点、ポリマー溶液の付着ないし塗布はスピンコートにより行うのが極めて均一に塗布できる点で好ましい。
(I) Sulfonation of substrate surface Sulfonation of the substrate surface in the step (a2) may be performed by any method as long as a negative zeta potential can be applied to the substrate. For example, the sulfonation treatment may be carried out by converting a sulfonateable substrate or a sulfonateable surface-treated substrate into a sulfonateable acid such as sulfuric acid (for example, concentrated sulfuric acid), fuming sulfuric acid, chlorosulfonic acid, and anhydrous sulfuric acid. What is necessary is just to immerse and you may use another sulfonation technique. The immersion in the sulfonateable acid may be performed at room temperature or high temperature (for example, 50 to 150 ° C.), and the immersion time is not particularly limited, but is, for example, 1 to 14 days. Preferable examples of the substrate capable of being sulfonated include a polymer substrate. The polymer substrate capable of being sulfonated is preferably composed of at least one selected from the group consisting of polystyrene, polyethersulfone, polypropylene, epoxy resin, and polyphenylene sulfide. In particular, the aromatic polymer base material is preferable in that it is easily sulfonated, and such an aromatic polymer base material is selected from the group consisting of polystyrene, polyethersulfone, epoxy resin, and polyphenylene sulfide, for example. Most preferably, it consists of polystyrene. Alternatively, sulfonation can be carried out in the same manner as the above-described sulfonateable substrate, if surface treatment is performed so that sulfonation is possible even if the substrate is not sulfonateable or is not suitable for sulfonation. Such surface treatment is preferably performed by attaching a polymer to the substrate, and as such a polymer, it is preferable to use a polymer material similar to the above-described sulfonateable polymer substrate. Further, the polymer is preferably attached to the substrate by applying a solution in which the polymer is dissolved (hereinafter referred to as a polymer solution) to the surface of the substrate. The polymer solution can be easily prepared, for example, by dissolving a polymer solid (for example, a polystyrene substrate) in an organic solvent (for example, a xylene solution). When the substrate is porous, it is preferable to prevent the polymer solution from penetrating into the porous substrate because it is easy to achieve uniform coating. In this respect, the polymer solution is preferably attached or applied by spin coating because it can be applied uniformly.

(ii)基材表面の界面活性剤処理
上記(a2)工程における基材表面の界面活性剤処理は、基材に負のゼータ電位を付与することができるかぎり、いかなる方法によって行ってもよい。界面活性剤は基材の表面に負のゼータ電位を付与できるものであれば特に限定されないが、陰イオン界面活性剤が好ましい。このような界面活性剤は、LDHの構造の一部となりうる陰イオンを与える親水基(例えば−SOHやO−SOH)を含むものであってもよいし、LDHの構造の一部とならない陰イオンを与える親水基(例えば−COOHやO−P(OH))を含むものであってもよい。陰イオン界面活性剤の好ましい例としては、スルホン酸型陰イオン界面活性剤、硫酸エステル型陰イオン界面活性剤、リン酸エステル型陰イオン界面活性剤、カルボン酸型陰イオン界面活性剤、及びそれらの任意の組合せが挙げられる。スルホン酸型陰イオン界面活性剤の例としては、ナフタレンスルホン酸Naホルマリン縮合物、ポリオキシエチレンスルホコハク酸アルキル2Na、ポリスチレンスルホン酸Na、ジオクチルスルホコハク酸Na、ポリオキシエチレンラウリルエーテル硫酸トリエタノールアミンが挙げられる。硫酸エステル型陰イオン界面活性剤の例としては、ポリオキシエチレンラウリルエーテル硫酸エステルNaが挙げられる。カルボン酸型陰イオン界面活性剤の例としては、ポリカルボン酸型アニオン界面活性剤、及びポリオキシエチレンラウリルエーテル酢酸Naが挙げられる。基材の界面活性剤での処理は、基材の表面に界面活性剤の陰イオン性親水基又はそれに由来する陰イオンを付着させることができる手法であれば特に限定されず、界面活性剤を含む溶液を基材に塗布する、又は界面活性剤を含む溶液に基材を浸漬することにより行うのが好ましい。この処理は界面活性剤を含む溶液に基材を浸漬することにより行うのがより好ましい。この場合、界面活性剤を含む溶液への基材の浸漬は、溶液を撹拌しながら室温又はそれよりも高温(例えば40〜80℃)で行えばよく、浸漬時間は特に限定されないが、例えば1〜7日間である。
(Ii) Surfactant treatment on substrate surface The surfactant treatment on the substrate surface in the step (a2) may be performed by any method as long as a negative zeta potential can be imparted to the substrate. The surfactant is not particularly limited as long as it can give a negative zeta potential to the surface of the substrate, but an anionic surfactant is preferable. Such a surfactant may contain a hydrophilic group (for example, —SO 3 H or O—SO 3 H) that gives an anion that can be a part of the LDH structure. It may contain a hydrophilic group (for example, —COOH or O—P (OH) 3 ) that gives an anion that does not become a part. Preferable examples of the anionic surfactant include a sulfonic acid type anionic surfactant, a sulfate ester type anionic surfactant, a phosphate ester type anionic surfactant, a carboxylic acid type anionic surfactant, and the like. Any combination of these may be mentioned. Examples of the sulfonic acid type anionic surfactant include naphthalene sulfonic acid Na formalin condensate, polyoxyethylene sulfosuccinic acid alkyl 2Na, polystyrene sulfonic acid Na, dioctyl sulfosuccinic acid Na, polyoxyethylene lauryl ether sulfate triethanolamine. It is done. Examples of the sulfate ester type anionic surfactant include polyoxyethylene lauryl ether sulfate Na. Examples of carboxylic acid type anionic surfactants include polycarboxylic acid type anionic surfactants and polyoxyethylene lauryl ether acetate Na. The treatment of the substrate with the surfactant is not particularly limited as long as it is a technique capable of attaching the anionic hydrophilic group of the surfactant or the anion derived therefrom to the surface of the substrate. It is preferable to carry out by applying the solution containing the solution to the substrate or immersing the substrate in a solution containing the surfactant. This treatment is more preferably performed by immersing the substrate in a solution containing a surfactant. In this case, the immersion of the base material in the solution containing the surfactant may be performed at room temperature or higher temperature (for example, 40 to 80 ° C.) while stirring the solution, and the immersion time is not particularly limited. ~ 7 days.

(iii)基材表面の酸又はアルカリ処理
上記(a2)工程における基材表面の酸又はアルカリ処理は、基材に負のゼータ電位を付与することができるかぎり、いかなる方法によって行ってもよい。そのような酸の好ましい例としては、硫酸、塩酸、及び硝酸が挙げられる。そのようなアルカリの好ましい例としては、アンモニア水、水酸化ナトリウム、及び炭酸ナトリウムが挙げられる。
(Iii) Acid or alkali treatment of the substrate surface The acid or alkali treatment of the substrate surface in the step (a2) may be performed by any method as long as a negative zeta potential can be imparted to the substrate. Preferred examples of such acids include sulfuric acid, hydrochloric acid, and nitric acid. Preferred examples of such an alkali include aqueous ammonia, sodium hydroxide, and sodium carbonate.

ところで、基材は多孔質基材であってもよい。LDH膜を支持する基材が多孔質であることで、固体電解質セパレータとしてLDH膜の適用を考えた場合、電解液中の水酸化物イオンがLDH膜を通して移動させることができる。多孔質基材はその表面に所望のLDH緻密膜を形成できるものであればよく、その材質や多孔構造は特に限定されない。いずれにしても、多孔質基材は透水性を有する多孔構造を有するのが、電池用セパレータとして電池に組み込まれた場合に電解液をLDH膜に到達可能に構成できる点で好ましい。多孔質基材は、セラミックス材料で構成されるのがより好ましい。セラミックス材料製の多孔質基材は、市販品であってもよいし、公知の手法に従って作製したものであってもよく、特に限定されない。例えば、セラミックス粉末(例えばジルコニア粉末(例えばYSZ粉末)、ベーマイト粉末、チタニア粉末等)、メチルセルロース、及びイオン交換水を所望の配合比で混練し、得られた混練物を押出成形に付し、得られた成形体を70〜200℃で10〜40時間乾燥した後、900〜1300℃で1〜5時間焼成することによりセラミックス材料製の多孔質基材を作製することができる。メチルセルロースの配合割合はセラミックス粉末100重量部に対して、1〜20重量部とするのが好ましい。また、イオン交換水の配合割合はセラミックス粉末100重量部に対して、10〜100重量部とするのが好ましい。   By the way, the substrate may be a porous substrate. Since the substrate supporting the LDH film is porous, hydroxide ions in the electrolytic solution can be moved through the LDH film when the application of the LDH film as a solid electrolyte separator is considered. The porous base material is not particularly limited as long as it can form a desired LDH dense film on the surface thereof. In any case, it is preferable that the porous base material has a porous structure having water permeability in that the electrolyte solution can reach the LDH film when incorporated into a battery as a battery separator. More preferably, the porous substrate is made of a ceramic material. The porous substrate made of a ceramic material may be a commercially available product or may be prepared according to a known technique, and is not particularly limited. For example, ceramic powder (for example, zirconia powder (for example, YSZ powder), boehmite powder, titania powder, etc.), methylcellulose, and ion-exchanged water are kneaded at a desired blending ratio, and the obtained kneaded product is subjected to extrusion molding to obtain The obtained molded body is dried at 70 to 200 ° C. for 10 to 40 hours, and then fired at 900 to 1300 ° C. for 1 to 5 hours, whereby a porous substrate made of a ceramic material can be produced. The blending ratio of methylcellulose is preferably 1 to 20 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the ceramic powder. Further, the blending ratio of the ion exchange water is preferably 10 to 100 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the ceramic powder.

多孔質基材は0.001〜1.5μmの平均気孔径を有するのが好ましく、より好ましくは0.001〜1.25μm、さらに好ましくは0.001〜1.0μm、特に好ましくは0.001〜0.75μm、最も好ましくは0.001〜0.5μmである。これらの範囲内とすることで多孔質基材に所望の透水性を確保しながら、透水性(望ましくは透水性及び通気性)を有しない程に緻密なLDH緻密膜を形成することができる。なお、本明細書において「透水性を有しない」とは、次段落で述べる緻密性判定試験又はそれに準ずる手法ないし構成で透水性を評価した場合に、測定対象物(すなわちLDH緻密膜及び/又は多孔質基材)の一面側に接触した水が他面側に透過しないことを意味する。本発明において、平均気孔径の測定は多孔質基材の表面の電子顕微鏡画像をもとに気孔の最長距離を測長することにより行うことができる。この測定に用いる電子顕微鏡画像の倍率は20000倍以上であり、得られた全ての気孔径をサイズ順に並べて、その平均値から上位15点及び下位15点、合わせて1視野あたり30点で2視野分の平均値を算出して、平均気孔径を得ることができる。測長には、SEMのソフトウェアの測長機能や画像解析ソフト(例えば、Photoshop、Adobe社製)等を用いることができる。   The porous substrate preferably has an average pore diameter of 0.001 to 1.5 μm, more preferably 0.001 to 1.25 μm, still more preferably 0.001 to 1.0 μm, and particularly preferably 0.001. It is -0.75 micrometer, Most preferably, it is 0.001-0.5 micrometer. By setting it within these ranges, it is possible to form an LDH dense membrane that is so dense that it does not have water permeability (desirably water permeability and air permeability) while ensuring the desired water permeability in the porous substrate. In the present specification, “not having water permeability” means a measurement object (that is, an LDH dense film and / or an LDH dense film and / or an object when the water permeability is evaluated by a denseness determination test described in the next paragraph or a method or configuration according thereto. It means that the water contacted to one surface side of the porous substrate) does not permeate the other surface side. In the present invention, the average pore diameter can be measured by measuring the longest distance of the pores based on the electron microscope image of the surface of the porous substrate. The magnification of the electron microscope image used for this measurement is 20000 times or more, and all obtained pore diameters are arranged in the order of size, and the upper 15 points and the lower 15 points from the average value. The average pore size can be obtained by calculating the average value of minutes. For the length measurement, a length measurement function of SEM software, image analysis software (for example, Photoshop, manufactured by Adobe) or the like can be used.

なお、膜試料が透水性を有しない程の緻密性を有することを確認するための、緻密性判定試験の手順の一例は以下のとおりである。まず、図15Aに示されるように、複合材料試料(すなわちLDH緻密膜及び/又は多孔質基材)120(1cm×1cm平方に切り出されたもの)の膜試料側に、中央に0.5cm×0.5cm平方の開口部122aを備えたシリコンゴム122を接着し、得られた積層物を2つのアクリル製容器124,126で挟んで接着する。シリコンゴム122側に配置されるアクリル製容器124は底が抜けており、それによりシリコンゴム122はその開口部122aが開放された状態でアクリル製容器124と接着される。一方、複合材料試料120の多孔質基材側に配置されるアクリル製容器126は底を有しており、その容器126内にはイオン交換水128が入っている。すなわち、組み立て後に上下逆さにすることで、複合材料試料120の多孔質基材側にイオン交換水128が接するように各構成部材が配置されてなる。これらの構成部材等を組み立て後、総重量を測定する。なお、容器126には閉栓された通気穴(図示せず)が形成されており、上下逆さにした後に開栓されることはいうまでもない。図15Bに示されるように組み立て体を上下逆さに配置して25℃で1週間保持した後、総重量を再度測定する。このとき、アクリル製容器124の内側側面に水滴が付着している場合には、その水滴を拭き取る。そして、試験前後の総重量の差を算出することにより緻密度を判定する。25℃で1週間保持した後においても、イオン交換水の重量に変化は見られなかった場合に、膜試料は透水性を有しない程に高い緻密性を有するものと判定する。   In addition, an example of the procedure of the denseness determination test for confirming that the film sample has a denseness that does not have water permeability is as follows. First, as shown in FIG. 15A, a composite material sample (that is, an LDH dense film and / or a porous substrate) 120 (cut into a 1 cm × 1 cm square) 120 cm in the center is 0.5 cm × Silicone rubber 122 having a 0.5 cm square opening 122a is bonded, and the resulting laminate is bonded between two acrylic containers 124 and 126. The bottom of the acrylic container 124 disposed on the silicon rubber 122 side is pulled out, whereby the silicon rubber 122 is bonded to the acrylic container 124 with the opening 122a open. On the other hand, the acrylic container 126 disposed on the porous substrate side of the composite material sample 120 has a bottom, and ion-exchanged water 128 is contained in the container 126. That is, by assembling the components upside down after assembly, the constituent members are arranged so that the ion exchange water 128 is in contact with the porous substrate side of the composite material sample 120. After assembling these components, the total weight is measured. Needless to say, the container 126 has a closed vent hole (not shown) and is opened after being turned upside down. As shown in FIG. 15B, the assembly is placed upside down and held at 25 ° C. for 1 week, after which the total weight is measured again. At this time, if water droplets adhere to the inner side surface of the acrylic container 124, the water droplets are wiped off. Then, the density is determined by calculating the difference in the total weight before and after the test. If no change is observed in the weight of the ion-exchanged water even after holding at 25 ° C. for 1 week, the membrane sample is judged to have high density so as not to have water permeability.

多孔質基材の表面は、10〜60%の気孔率を有するのが好ましく、より好ましくは15〜55%、さらに好ましくは20〜50%である。これらの範囲内とすることで多孔質基材に所望の透水性を確保しながら、透水性(望ましくは透水性及び通気性)を有しない程に緻密なLDH緻密膜を形成することができる。ここで、多孔質基材の表面の気孔率を採用しているのは、以下に述べる画像処理を用いた気孔率の測定がしやすいことによるものであり、多孔質基材の表面の気孔率は多孔質基材内部の気孔率を概ね表しているといえるからである。すなわち、多孔質基材の表面が緻密であれば多孔質基材の内部もまた同様に緻密であるといえる。本発明において、多孔質基材の表面の気孔率は画像処理を用いた手法により以下のようにして測定することができる。すなわち、1)多孔質基材の表面の電子顕微鏡(SEM)画像(倍率10000倍以上)を取得し、2)Photoshop(Adobe社製)等の画像解析ソフトを用いてグレースケールのSEM画像を読み込み、3)[イメージ]→[色調補正]→[2階調化]の手順で白黒の2値画像を作成し、4)黒い部分が占めるピクセル数を画像の全ピクセル数で割った値を気孔率(%)とする。なお、この画像処理による気孔率の測定は多孔質基材表面の6μm×6μmの領域について行われるのが好ましく、より客観的な指標とするためには、任意に選択された3箇所の領域について得られた気孔率の平均値を採用するのがより好ましい。   The surface of the porous substrate preferably has a porosity of 10 to 60%, more preferably 15 to 55%, and still more preferably 20 to 50%. By setting it within these ranges, it is possible to form an LDH dense membrane that is so dense that it does not have water permeability (desirably water permeability and air permeability) while ensuring the desired water permeability in the porous substrate. Here, the porosity of the surface of the porous substrate is adopted because it is easy to measure the porosity using the image processing described below, and the porosity of the surface of the porous substrate. This is because it can be said that it generally represents the porosity inside the porous substrate. That is, if the surface of the porous substrate is dense, the inside of the porous substrate can be said to be dense as well. In the present invention, the porosity of the surface of the porous substrate can be measured as follows by a technique using image processing. That is, 1) An electron microscope (SEM) image of the surface of the porous substrate (acquisition of 10,000 times or more) is obtained, and 2) a grayscale SEM image is read using image analysis software such as Photoshop (manufactured by Adobe). 3) Create a black-and-white binary image by the procedure of [Image] → [Tonal Correction] → [Turn Tone], and 4) The value obtained by dividing the number of pixels occupied by the black part by the total number of pixels in the image Rate (%). The porosity measurement by this image processing is preferably performed for a 6 μm × 6 μm region on the surface of the porous substrate. In order to obtain a more objective index, three arbitrarily selected regions are used. It is more preferable to employ the average value of the obtained porosity.

(b)水熱処理
この(b)工程においては、LDHの構成元素を含む原料水溶液中で、基材に水熱処理を施して、LDH緻密膜を基材の表面に形成させる。工程(a)を経ることでpH5〜8の略全域において基材が負のゼータ電位を呈するため、上述したメカニズムにより、基材の表面に、高度に緻密化されたLDH緻密膜をムラなく均一に形成することができる。
(B) Hydrothermal treatment In this step (b), the substrate is subjected to hydrothermal treatment in a raw material aqueous solution containing the constituent elements of LDH to form an LDH dense film on the surface of the substrate. By passing through the step (a), the base material exhibits a negative zeta potential in almost the entire pH range of 5 to 8. Therefore, a highly densified LDH dense film is evenly and uniformly distributed on the surface of the base material by the mechanism described above. Can be formed.

好ましい原料水溶液は、マグネシウムイオン(Mg2+)及びアルミニウムイオン(Al3+)を所定の合計濃度で含み、かつ、尿素を含んでなる。尿素が存在することで尿素の加水分解を利用してアンモニアが溶液中に発生することによりpH値が上昇し、共存する金属イオンが水酸化物を形成することによりLDHを得ることができる。また、加水分解に二酸化炭素の発生を伴うため、陰イオンが炭酸イオン型のLDHを得ることができる。原料水溶液に含まれるマグネシウムイオン及びアルミニウムイオンの合計濃度(Mg2++Al3+)は0.20〜0.40mol/Lが好ましく、より好ましくは0.22〜0.38mol/Lであり、さらに好ましくは0.24〜0.36mol/L、特に好ましくは0.26〜0.34mol/Lである。このような範囲内の濃度であると核生成と結晶成長をバランスよく進行させることができ、配向性のみならず緻密性にも優れたLDH緻密膜を得ることが可能となる。すなわち、マグネシウムイオン及びアルミニウムイオンの合計濃度が低いと核生成に比べて結晶成長が支配的となり、粒子数が減少して粒子サイズが増大する一方、この合計濃度が高いと結晶成長に比べて核生成が支配的となり、粒子数が増大して粒子サイズが減少するものと考えられる。 A preferable raw material aqueous solution contains magnesium ions (Mg 2+ ) and aluminum ions (Al 3+ ) at a predetermined total concentration, and contains urea. By the presence of urea, ammonia is generated in the solution by utilizing hydrolysis of urea, so that the pH value increases, and the coexisting metal ions form hydroxides to obtain LDH. Further, since carbon dioxide is generated in the hydrolysis, LDH in which the anion is carbonate ion type can be obtained. The total concentration (Mg 2+ + Al 3+ ) of magnesium ions and aluminum ions contained in the raw material aqueous solution is preferably 0.20 to 0.40 mol / L, more preferably 0.22 to 0.38 mol / L, still more preferably 0.24 to 0.36 mol / L, particularly preferably 0.26 to 0.34 mol / L. When the concentration is within such a range, nucleation and crystal growth can proceed in a balanced manner, and an LDH dense film excellent not only in orientation but also in denseness can be obtained. That is, when the total concentration of magnesium ions and aluminum ions is low, crystal growth becomes dominant compared to nucleation, and the number of particles decreases and particle size increases. It is considered that the generation becomes dominant, the number of particles increases, and the particle size decreases.

好ましくは、原料水溶液に硝酸マグネシウム及び硝酸アルミニウムが溶解されており、それにより原料水溶液がマグネシウムイオン及びアルミニウムイオンに加えて硝酸イオンを含んでなる。そして、この場合、原料水溶液における、尿素の硝酸イオン(NO )に対するモル比(尿素/NO )が、2〜6が好ましく、より好ましくは4〜5である。 Preferably, magnesium nitrate and aluminum nitrate are dissolved in the raw material aqueous solution, so that the raw material aqueous solution contains nitrate ions in addition to magnesium ions and aluminum ions. In this case, the molar ratio (urea / NO 3 ) of urea to nitrate ions (NO 3 ) in the raw material aqueous solution is preferably 2 to 6, and more preferably 4 to 5.

基材は原料水溶液に所望の向きで(例えば水平又は垂直に)浸漬させればよい。基材を水平に保持する場合は、吊るす、浮かせる、容器の底に接するように基材を配置すればよく、例えば、容器の底から原料水溶液中に浮かせた状態で基材を固定としてもよい。基材を垂直に保持する場合は、容器の底に基材を垂直に設置できるような冶具を置けばよい。いずれにしても、基材にLDHを略垂直方向又はそれに近い方向(すなわちLDH板状粒子がそれらの板面が基材の表面(基材面)と略垂直に又は斜めに交差するような向きに)に成長させる構成ないし配置とするのが好ましい。   The substrate may be immersed in the raw material aqueous solution in a desired direction (for example, horizontally or vertically). When the substrate is held horizontally, it is only necessary to suspend, float, or place the substrate so as to contact the bottom of the container. For example, the substrate may be fixed in a state of floating in the raw material aqueous solution from the bottom of the container. . In the case where the substrate is held vertically, a jig that can vertically set the substrate may be placed on the bottom of the container. In any case, the LDH is substantially perpendicular to or close to the substrate (ie, the direction in which the LDH plate-like particles intersect the surface of the substrate (substrate surface) substantially perpendicularly or obliquely). It is preferable to adopt a configuration or arrangement that allows growth to (i).

原料水溶液中で、基材に水熱処理を施して、LDH緻密膜を基材の表面に形成させる。この水熱処理は密閉容器(好ましくはオートクレーブ)の中、60〜150℃で行われるのが好ましく、より好ましくは65〜120℃であり、さらに好ましくは65〜100℃であり、特に好ましくは70〜90℃である。水熱処理の上限温度は基材(例えば高分子基材)が熱で変形しない程度の温度を選択すればよい。水熱処理時の昇温速度は特に限定されず、例えば10〜200℃/hであってよいが、好ましくは100〜200℃/hである、より好ましくは100〜150℃/hである。水熱処理の時間はLDH緻密膜の目的とする密度と厚さに応じて適宜決定すればよい。   In the raw material aqueous solution, the substrate is subjected to hydrothermal treatment to form an LDH dense film on the surface of the substrate. This hydrothermal treatment is preferably carried out in a sealed container (preferably an autoclave) at 60 to 150 ° C., more preferably 65 to 120 ° C., further preferably 65 to 100 ° C., particularly preferably 70 to 90 ° C. The upper limit temperature of the hydrothermal treatment may be selected so that the base material (for example, the polymer base material) is not deformed by heat. The rate of temperature increase during the hydrothermal treatment is not particularly limited and may be, for example, 10 to 200 ° C./h, preferably 100 to 200 ° C./h, more preferably 100 to 150 ° C./h. The hydrothermal treatment time may be appropriately determined according to the target density and thickness of the LDH dense film.

水熱処理後、密閉容器から基材を取り出し、イオン交換水で洗浄するのが好ましい。   After the hydrothermal treatment, the substrate is preferably taken out from the sealed container and washed with ion exchange water.

上記のようにして製造されたLDH緻密膜は、LDH板状粒子が高度に緻密化したものであり、しかも伝導に有利な略垂直方向に配向したものである。すなわち、LDH緻密膜は、典型的には、高度な緻密性に起因して透水性(望ましくは透水性及び通気性)を有しない。具体的には、LDH緻密膜は80%以上の表面膜密度を有するのが好ましく、より好ましくは85%以上、さらに好ましくは90%以上、特に好ましくは93%以上である(表面膜密度の測定方法は後述するものとする)。また、LDH緻密膜を構成するLDHが複数の板状粒子の集合体で構成され、該複数の板状粒子がそれらの板面が基材の表面と略垂直に又は斜めに交差するような向きに配向してなるのが典型的である。したがって、十分なガスタイト性を有する緻密性を有するLDH緻密膜を亜鉛空気電池等の電池に用いた場合、発電性能の向上が見込めると共に、従来適用できなかった電解液を用いる亜鉛空気電池の二次電池化の大きな障壁となっている亜鉛デンドライト進展阻止及び二酸化炭素侵入防止用セパレータ等への新たな適用が期待される。また、同様に亜鉛デンドライト進展が実用化の大きな障壁となっているニッケル亜鉛電池にも適用が期待される。   The LDH dense film produced as described above is one in which LDH plate-like particles are highly densified and oriented in a substantially vertical direction advantageous for conduction. That is, the LDH dense film typically does not have water permeability (desirably, water permeability and air permeability) due to high density. Specifically, the LDH dense film preferably has a surface film density of 80% or more, more preferably 85% or more, still more preferably 90% or more, and particularly preferably 93% or more (measurement of surface film density). The method shall be described later). The LDH constituting the LDH dense film is composed of an aggregate of a plurality of plate-like particles, and the plurality of plate-like particles are oriented so that their plate surfaces intersect the surface of the substrate substantially perpendicularly or obliquely. Typically, it is oriented in the direction. Therefore, when a dense LDH film having sufficient gas tightness is used for a battery such as a zinc-air battery, an improvement in power generation performance can be expected, and a secondary of a zinc-air battery using an electrolytic solution that has not been conventionally applicable can be expected. It is expected to be applied to new separators for zinc dendrite progress prevention and carbon dioxide invasion prevention, which have become a major barrier to battery use. Similarly, it is expected to be applied to a nickel-zinc battery in which the progress of zinc dendrite is a major barrier to practical use.

ところで、上記製造方法により得られるLDH緻密膜は基材の両面に形成されうる。このため、LDH緻密膜を多孔質基材上に形成してセパレータとして好適に使用可能な形態とするためには、成膜後に多孔質基材の片面のLDH緻密膜を機械的に削るか、あるいは成膜時に片面にはLDH緻密膜が成膜できないような措置を講ずるのが望ましい。   By the way, the LDH dense film obtained by the manufacturing method can be formed on both surfaces of the substrate. For this reason, in order to form an LDH dense film on a porous substrate and to make it suitable for use as a separator, the LDH dense film on one side of the porous substrate is mechanically shaved after film formation, Alternatively, it is desirable to take measures so that an LDH dense film cannot be formed on one surface during film formation.

LDH緻密膜及びLDH含有複合材料
本発明の方法を用いて、LDH緻密膜及びそれを備えたLDH含有複合材料を製造することができる。本発明の好ましい態様によるLDH含有複合材料は、多孔質基材と、この多孔質基材上及び/又は多孔質基材中に形成される機能層(典型的にはLDH緻密膜)とを備えてなる。機能層は、一般式:M2+ 1−x3+ (OH)n− x/n・mHO(式中、M2+は2価の陽イオン、M3+は3価の陽イオンであり、An−はn価の陰イオン、nは1以上の整数、xは0.1〜0.4である)で表される層状複水酸化物(LDH)を含んでなり、透水性(望ましくは透水性及び通気性)を有しない。すなわち、多孔質材料は孔の存在により透水性を有しうるが、機能層は典型的には透水性を有しない程にまでLDHで緻密化されている。機能層は多孔質基材上に形成されるのが好ましい。例えば、図1に示されるように、LDH含有複合材料10は、多孔質基材12上に機能層14がLDH緻密膜として形成されるのが好ましい。この場合、多孔質基材12の性質上、図1に示されるように多孔質基材12の表面及びその近傍の孔内にもLDHが形成されてよいのはいうまでもない。あるいは、図2に示されるLDH複合材料10’のように、多孔質基材12中(例えば多孔質基材12の表面及びその近傍の孔内)にLDHが緻密に形成され、それにより多孔質基材12の少なくとも一部が機能層14’を構成するものであってもよい。この点、図2に示される複合材料10’は図1に示される複合材料10の機能層14における膜相当部分を除去した構成となっているが、これに限定されず、多孔性基材12の表面と平行に機能層が存在していればよい。いずれにせよ、本態様のLDH含有複合材料において、機能層は透水性を有しない程にまでLDHで緻密化されているため、水酸化物イオン伝導性を有するが透水性を有しないという特有の機能を有することができる。
LDH dense film and LDH-containing composite material The method of the present invention can be used to produce an LDH dense film and an LDH-containing composite material comprising the LDH dense film. An LDH-containing composite material according to a preferred embodiment of the present invention includes a porous substrate and a functional layer (typically an LDH dense film) formed on and / or in the porous substrate. It becomes. The functional layer has a general formula: M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 A n− x / n · mH 2 O (wherein M 2+ is a divalent cation and M 3+ is a trivalent cation) A n− is an n-valent anion, n is an integer of 1 or more, and x is 0.1 to 0.4), and includes a layered double hydroxide (LDH). (Preferably water permeability and breathability). That is, the porous material can have water permeability due to the presence of pores, but the functional layer is typically densified with LDH to such an extent that it does not have water permeability. The functional layer is preferably formed on a porous substrate. For example, as shown in FIG. 1, in the LDH-containing composite material 10, the functional layer 14 is preferably formed on the porous substrate 12 as an LDH dense film. In this case, needless to say, LDH may be formed on the surface of the porous substrate 12 and in the pores in the vicinity thereof as shown in FIG. 1 due to the nature of the porous substrate 12. Alternatively, as in the LDH composite material 10 ′ shown in FIG. 2, LDH is densely formed in the porous substrate 12 (for example, in the surface of the porous substrate 12 and in the pores in the vicinity thereof). At least a part of the substrate 12 may constitute the functional layer 14 ′. In this regard, the composite material 10 ′ shown in FIG. 2 has a structure in which the film-corresponding portion in the functional layer 14 of the composite material 10 shown in FIG. It suffices if the functional layer exists in parallel with the surface. In any case, in the LDH-containing composite material of this embodiment, since the functional layer is densified with LDH to such an extent that it does not have water permeability, it has a unique characteristic of having hydroxide ion conductivity but not water permeability. Can have functions.

このように、本態様のLDH含有複合材料においては、透水性を有しうる多孔質基材を用いるにもかかわらず、透水性(望ましくは透水性及び通気性)を有しない程に緻密な機能層が形成されたものである。その結果、本態様のLDH含有複合材料は、全体として、水酸化物イオン伝導性を有するが透水性を有しないものとなり、電池用セパレータとしての機能を呈することができる。前述したとおり、電池用固体電解質セパレータとしてLDHの適用を考えた場合、バルク形態のLDH緻密体では高抵抗であるとの問題があったが、本態様の複合材料においては、多孔質基材により強度を付与できるため、LDH含有機能層を薄くして低抵抗化を図ることができる。その上、多孔質基材は透水性を有しうるため、電池用固体電解質セパレータとして使用された際に電解液がLDH含有機能層に到達可能な構成となりうる。すなわち、本態様のLDH含有複合材料は、金属空気電池(例えば亜鉛空気電池)及びその他各種亜鉛二次電池(例えばニッケル亜鉛電池)等の各種電池用途に適用可能な固体電解質セパレータとして、極めて有用な材料となりうる。   As described above, in the LDH-containing composite material of this aspect, the function is so dense that it does not have water permeability (preferably water permeability and air permeability) despite the use of a porous substrate that can have water permeability. A layer is formed. As a result, the LDH-containing composite material of the present embodiment as a whole has hydroxide ion conductivity but does not have water permeability, and can exhibit a function as a battery separator. As described above, when considering application of LDH as a solid electrolyte separator for a battery, there was a problem that a bulk LDH dense body had high resistance, but in the composite material of this embodiment, a porous substrate is used. Since strength can be imparted, the LDH-containing functional layer can be thinned to reduce resistance. In addition, since the porous substrate can have water permeability, the electrolyte can reach the LDH-containing functional layer when used as a solid electrolyte separator for a battery. That is, the LDH-containing composite material of this embodiment is extremely useful as a solid electrolyte separator applicable to various battery applications such as metal-air batteries (for example, zinc-air batteries) and other various zinc secondary batteries (for example, nickel-zinc batteries). Can be a material.

本態様の複合材料における機能層は、一般式:M2+ 1−x3+ (OH)n− x/n・mHO(式中、M2+は2価の陽イオン、M3+は3価の陽イオンであり、An−はn価の陰イオン、nは1以上の整数、xは0.1〜0.4である)で表される層状複水酸化物(LDH)を含んでなり、透水性を有しない。上記一般式において、M2+は任意の2価の陽イオンでありうるが、好ましい例としてはMg2+、Ca2+及びZn2+が挙げられ、より好ましくはMg2+である。M3+は任意の3価の陽イオンでありうるが、好ましい例としてはAl3+又はCr3+が挙げられ、より好ましくはAl3+である。An−は任意の陰イオンでありうるが、好ましい例としてはOH及びCO 2−が挙げられる。したがって、上記一般式は、少なくともM2+にMg2+を、M3+にAl3+を含み、An−にOH及び/又はCO 2−を含むのが好ましい。nは1以上の整数であるが、好ましくは1又は2である。xは0.1〜0.4であるが、好ましくは0.2〜0.35である。mは任意の実数である。 The functional layer in the composite material of this embodiment has a general formula: M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 A n− x / n · mH 2 O (wherein M 2+ is a divalent cation, M 3+ is a trivalent cation, a n-n-valent anion, n is an integer of 1 or more, layered double hydroxides x is represented by a is) 0.1 to 0.4 (LDH) It does not have water permeability. In the above general formula, M 2+ may be any divalent cation, and preferred examples include Mg 2+ , Ca 2+ and Zn 2+ , and more preferably Mg 2+ . M 3+ may be any trivalent cation, but preferred examples include Al 3+ or Cr 3+ , and more preferred is Al 3+ . A n- may be any anion, preferred examples OH - and CO 3 2- and the like. Accordingly, the general formula is an Mg 2+ at least M 2+, include Al 3+ in M 3+, to A n-OH - and / or CO preferably contains 3 2-. n is an integer of 1 or more, preferably 1 or 2. x is 0.1 to 0.4, preferably 0.2 to 0.35. m is an arbitrary real number.

機能層は、多孔質基材上及び/又は多孔質基材中、好ましくは多孔質基材上に形成される。例えば、図1に示されるように機能層14が多孔質基材12上に形成される場合には、機能層14はLDH緻密膜の形態であり、このLDH緻密膜は典型的にはLDHからなる。また、図2に示されるように機能層14’が多孔質基材12中に形成される場合には、多孔質基材12中(典型的には多孔質基材12の表面及びその近傍の孔内)にLDHが緻密に形成されることから、機能層14’は典型的には多孔質基材12の少なくとも一部及びLDHからなる。図2に示される複合材料10’及び機能層14’は、図1に示される複合材料10から機能層14における膜相当部分を研磨、切削等の公知の手法により除去することにより得ることができる。   The functional layer is formed on the porous substrate and / or in the porous substrate, preferably on the porous substrate. For example, when the functional layer 14 is formed on the porous substrate 12 as shown in FIG. 1, the functional layer 14 is in the form of an LDH dense film, which is typically formed from LDH. Become. Further, when the functional layer 14 ′ is formed in the porous substrate 12 as shown in FIG. 2, the surface of the porous substrate 12 (typically the surface of the porous substrate 12 and the vicinity thereof). Since the LDH is densely formed in the pores), the functional layer 14 ′ is typically composed of at least a part of the porous substrate 12 and LDH. The composite material 10 ′ and the functional layer 14 ′ shown in FIG. 2 can be obtained by removing a portion corresponding to the film in the functional layer 14 from the composite material 10 shown in FIG. 1 by a known method such as polishing or cutting. .

機能層は透水性(望ましくは透水性及び通気性)を有しない。例えば、機能層はその片面を25℃で1週間水と接触させても水を透過させない。すなわち、機能層は透水性を有しない程にまでLDHで緻密化されている。もっとも、局所的且つ/又は偶発的に透水性を有する欠陥が機能膜に存在する場合には、当該欠陥を適当な補修剤(例えばエポキシ樹脂等)で埋めて補修することで水不透性を確保してもよく、そのような補修剤は必ずしも水酸化物イオン伝導性を有する必要はない。いずれにしても、機能層(典型的にはLDH緻密膜)の表面が20%以下の気孔率を有するのが好ましく、より好ましくは15%以下、さらに好ましくは10%以下、特に好ましくは7%以下である。換言すれば、機能層(典型的にはLDH緻密膜)は80%以上の表面膜密度を有するのが好ましく、より好ましくは85%以上、さらに好ましくは90%以上、特に好ましくは93%以上である。機能層の表面の気孔率が低ければ低いほど、機能層(典型的にはLDH緻密膜)の緻密性が高いことを意味し、好ましいといえる。緻密性の高い機能層は水酸化物イオン伝導体として電池用セパレータ等の機能膜の用途(例えば亜鉛空気電池用の水酸化物イオン伝導性セパレータ)等の用途に有用なものとなる。ここで、機能層の表面の気孔率を採用しているのは、以下に述べる画像処理を用いた気孔率の測定がしやすいことによるものであり、機能層の表面の気孔率は機能層内部の気孔率を概ね表しているといえるからである。すなわち、機能層の表面が緻密であれば機能層の内部もまた同様に緻密であるといえる。本態様において、機能層の表面の気孔率及び表面膜密度は画像処理を用いた手法により以下のようにして測定することができる。すなわち、1)機能層の表面の電子顕微鏡(SEM)画像(倍率10000倍以上)を取得し、2)Photoshop(Adobe社製)等の画像解析ソフトを用いてグレースケールのSEM画像を読み込み、3)[イメージ]→[色調補正]→[2階調化]の手順で白黒の2値画像を作成し、4)黒い部分が占めるピクセル数を画像の全ピクセル数で割った値を気孔率(%)とする。なお、この画像処理による気孔率の測定は機能層表面の6μm×6μmの領域について行われるのが好ましく、より客観的な指標とするためには、任意に選択された3箇所の領域について得られた気孔率の平均値を採用するのがより好ましい。また、この膜表面の気孔率を用いて、膜表面から見たときの密度D(以下、表面膜密度という)をD=100%−(膜表面の気孔率)により算出することができる。   The functional layer does not have water permeability (preferably water permeability and air permeability). For example, the functional layer does not allow water to pass through even if one side of the functional layer is contacted with water at 25 ° C. for one week. That is, the functional layer is densified with LDH to such an extent that it does not have water permeability. However, when a defect having water permeability locally and / or accidentally exists in the functional film, water impermeableness can be improved by filling the defect with an appropriate repair agent (for example, epoxy resin) and repairing the defect. Such a repair agent need not necessarily have hydroxide ion conductivity. In any case, the surface of the functional layer (typically the LDH dense film) preferably has a porosity of 20% or less, more preferably 15% or less, still more preferably 10% or less, particularly preferably 7%. It is as follows. In other words, the functional layer (typically the LDH dense film) preferably has a surface film density of 80% or more, more preferably 85% or more, still more preferably 90% or more, and particularly preferably 93% or more. is there. It means that the lower the porosity of the surface of the functional layer, the higher the density of the functional layer (typically the LDH dense film), which is preferable. The dense functional layer is useful as a hydroxide ion conductor in applications such as functional membranes such as battery separators (eg, hydroxide ion conductive separators for zinc-air batteries). Here, the porosity of the surface of the functional layer is used because it is easy to measure the porosity using the image processing described below. It is because it can be said that the porosity of is generally expressed. That is, if the surface of the functional layer is dense, the inside of the functional layer can be said to be dense as well. In this embodiment, the porosity and surface film density on the surface of the functional layer can be measured as follows by a technique using image processing. That is, 1) an electron microscope (SEM) image of the surface of the functional layer (magnification of 10,000 times or more) is acquired, and 2) a grayscale SEM image is read using image analysis software such as Photoshop (manufactured by Adobe). ) Create a black-and-white binary image by the procedure of [Image] → [Tone Correction] → [2 Gradation], and 4) Porosity (the value obtained by dividing the number of pixels occupied by the black part by the total number of pixels in the image) %). Note that the porosity measurement by this image processing is preferably performed for a 6 μm × 6 μm region on the surface of the functional layer. In order to obtain a more objective index, the porosity is obtained for three regions selected arbitrarily. It is more preferable to adopt the average value of the porosity. Further, by using the porosity of the film surface, the density D when viewed from the film surface (hereinafter referred to as surface film density) can be calculated by D = 100% − (porosity of the film surface).

層状複水酸化物は複数の板状粒子(すなわちLDH板状粒子)の集合体で構成され、当該複数の板状粒子がそれらの板面が多孔質基材の表面(基材面)と略垂直に又は斜めに交差するような向きに配向してなるのが好ましい。この態様は、図1に示されるように、LDH含有複合材料10が、多孔質基材12上に機能層14がLDH緻密膜として形成される場合に特に好ましく実現可能な態様であるが、図2に示されるLDH複合材料10’のように、多孔質基材12中(典型的には多孔質基材12の表面及びその近傍の孔内)にLDHが緻密に形成され、それにより多孔質基材12の少なくとも一部が機能層14’を構成する場合においても実現可能である。   The layered double hydroxide is composed of an aggregate of a plurality of plate-like particles (that is, LDH plate-like particles), and the plurality of plate-like particles are substantially the same as the surface of the porous substrate (substrate surface). It is preferably oriented in a direction that intersects perpendicularly or diagonally. As shown in FIG. 1, this embodiment is an embodiment that can be realized particularly preferably when the LDH-containing composite material 10 is formed on the porous substrate 12 as the functional layer 14 as an LDH dense film. As in the LDH composite material 10 ′ shown in FIG. 2, LDH is densely formed in the porous substrate 12 (typically in the surface of the porous substrate 12 and in the pores in the vicinity thereof). This can be realized even when at least a part of the substrate 12 forms the functional layer 14 '.

すなわち、LDH結晶は図3に示されるような層状構造を持った板状粒子の形態を有することが知られているが、上記略垂直又は斜めの配向は、LDH含有機能層(例えばLDH緻密膜)にとって極めて有利な特性である。というのも、配向されたLDH含有機能層
(例えば配向LDH緻密膜)には、LDH板状粒子が配向する方向(即ちLDHの層と平行方向)の水酸化物イオン伝導度が、これと垂直方向の伝導度よりも格段に高いという伝導度異方性があるためである。実際、本発明者らは、LDHの配向バルク体において、配向方向における伝導度(S/cm)が配向方向と垂直な方向の伝導度(S/cm)と比べて1桁高いとの知見を得ている。すなわち、本態様のLDH含有機能層における上記略垂直又は斜めの配向は、LDH配向体が持ちうる伝導度異方性を層厚方向(すなわち機能層又は多孔質基材の表面に対して垂直方向)に最大限または有意に引き出すものであり、その結果、層厚方向への伝導度を最大限又は有意に高めることができる。その上、LDH含有機能層は層形態を有するため、バルク形態のLDHよりも低抵抗を実現することができる。このような配向性を備えたLDH含有機能層は、層厚方向に水酸化物イオンを伝導させやすくなる。その上、緻密化されているため、層厚方向への高い伝導度及び緻密性が望まれる電池用セパレータ等の機能膜の用途(例えば亜鉛空気電池用の水酸化物イオン伝導性セパレータ)に極めて適する。
That is, the LDH crystal is known to have the form of a plate-like particle having a layered structure as shown in FIG. 3, but the above-mentioned substantially vertical or oblique orientation has an LDH-containing functional layer (for example, an LDH dense film). This is a very advantageous property. This is because an oriented LDH-containing functional layer (eg, an oriented LDH dense film) has a hydroxide ion conductivity perpendicular to this in the direction in which the LDH plate-like particles are oriented (ie, in a direction parallel to the LDH layer). This is because there is a conductivity anisotropy that is much higher than the conductivity in the direction. In fact, the present inventors have found that in an LDH oriented bulk body, the conductivity (S / cm) in the orientation direction is an order of magnitude higher than the conductivity (S / cm) in the direction perpendicular to the orientation direction. It has gained. That is, the substantially vertical or oblique orientation in the LDH-containing functional layer of the present embodiment indicates the conductivity anisotropy that the LDH oriented body can have in the layer thickness direction (that is, the direction perpendicular to the surface of the functional layer or the porous substrate). As a result, the conductivity in the layer thickness direction can be maximized or significantly increased. In addition, since the LDH-containing functional layer has a layer form, lower resistance than that of the bulk form LDH can be realized. The LDH-containing functional layer having such an orientation is easy to conduct hydroxide ions in the layer thickness direction. In addition, since it is densified, it is extremely suitable for use in functional membranes such as battery separators (eg, hydroxide ion conductive separators for zinc-air batteries) where high conductivity in the layer thickness direction and denseness are desired. Suitable.

特に好ましくは、LDH含有機能層(典型的にはLDH緻密膜)においてLDH板状粒子が略垂直方向に高度に配向してなる。この高度な配向は、機能層の表面をX線回折法により測定した場合に、(003)面のピークが実質的に検出されないか又は(012)面のピークよりも小さく検出されることで確認可能なものである(但し、(012)面に起因するピークと同位置に回折ピークが観察される多孔質基材を用いた場合には、LDH板状粒子に起因する(012)面のピークを特定できないことから、この限りでない)。この特徴的なピーク特性は、機能層を構成するLDH板状粒子が機能層に対して略垂直方向(すなわち垂直方向又はそれに類する斜め方向、好ましくは垂直方向)に配向していることを示す。すなわち、(003)面のピークは無配向のLDH粉末をX線回折した場合に観察される最も強いピークとして知られているが、配向LDH含有機能層にあっては、LDH板状粒子が機能層に対して略垂直方向に配向していることで(003)面のピークが実質的に検出されないか又は(012)面のピークよりも小さく検出される。これは、(003)面が属するc軸方向(00l)面(lは3及び6である)がLDH板状粒子の層状構造と平行な面であるため、このLDH板状粒子が機能層に対して略垂直方向に配向しているとLDH層状構造も略垂直方向を向くこととなる結果、機能層表面をX線回折法により測定した場合に(00l)面(lは3及び6である)のピークが現れないか又は現れにくくなるからである。特に(003)面のピークは、それが存在する場合、(006)面のピークよりも強く出る傾向があるから、(006)面のピークよりも略垂直方向の配向の有無を評価しやすいといえる。したがって、配向LDH含有機能層は、(003)面のピークが実質的に検出されないか又は(012)面のピークよりも小さく検出されるのが、垂直方向への高度な配向を示唆することから好ましいといえる。この点、特許文献1及び2並びに非特許文献1にも開示されるLDH配向膜は(003)面のピークが強く検出されるものであり、略垂直方向への配向性に劣るものと考えられ、その上、高い緻密性も有してないものと見受けられる。   Particularly preferably, the LDH plate-like particles are highly oriented in a substantially vertical direction in the LDH-containing functional layer (typically an LDH dense film). This high degree of orientation is confirmed by the fact that when the surface of the functional layer is measured by the X-ray diffraction method, the peak of the (003) plane is not substantially detected or smaller than the peak of the (012) plane. (However, when a porous substrate in which a diffraction peak is observed at the same position as the peak due to the (012) plane is used, the peak of the (012) plane due to the LDH plate-like particle is used. This is not the case). This characteristic peak characteristic indicates that the LDH plate-like particles constituting the functional layer are oriented in a direction substantially perpendicular to the functional layer (that is, a vertical direction or an oblique direction similar thereto, preferably a vertical direction). In other words, the (003) plane peak is known as the strongest peak observed when X-ray diffraction is performed on non-oriented LDH powder. In an oriented LDH-containing functional layer, LDH plate-like particles function. By being oriented in a direction substantially perpendicular to the layer, the peak of the (003) plane is not substantially detected or detected smaller than the peak of the (012) plane. This is because the c-axis direction (00l) plane (l is 3 and 6) to which the (003) plane belongs is a plane parallel to the layered structure of the LDH plate-like particles. On the other hand, when oriented in a substantially vertical direction, the LDH layered structure also faces in the substantially vertical direction. As a result, when the surface of the functional layer is measured by X-ray diffraction, the (00l) plane (l is 3 and 6). This is because the peak of) does not appear or becomes difficult to appear. In particular, the peak of the (003) plane tends to be stronger than the peak of the (006) plane when it is present. I can say that. Therefore, in the oriented LDH-containing functional layer, the (003) plane peak is substantially not detected or smaller than the (012) plane peak, suggesting a high degree of vertical orientation. It can be said that it is preferable. In this regard, the LDH alignment films disclosed in Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Document 1 are those in which the peak of the (003) plane is detected strongly, and are considered to be inferior in alignment in the substantially vertical direction. Moreover, it seems that it does not have high density.

機能層は100μm以下の厚さを有するのが好ましく、より好ましくは75μm以下、さらに好ましくは50μm以下、特に好ましくは25μm以下、最も好ましくは5μm以下である。このように薄いことで機能層の低抵抗化を実現できる。機能層が多孔質基材上にLDH緻密膜として形成されるのが好ましく、この場合、機能層の厚さはLDH緻密膜の厚さに相当する。また、機能層が多孔質基材中に形成される場合には、機能層の厚さは多孔質基材の少なくとも一部及びLDHからなる複合層の厚さに相当し、機能層が多孔質基材上及び中にまたがって形成される場合にはLDH緻密膜と上記複合層の合計厚さに相当する。いずれにしても、上記のような厚さであると、電池用途等への実用化に適した所望の低抵抗を実現することができる。LDH配向膜の厚さの下限値は用途に応じて異なるため特に限定されないが、セパレータ等の機能膜として望まれるある程度の堅さを確保するためには厚さ1μm以上であるのが好ましく、より好ましくは2μm以上である。   The functional layer preferably has a thickness of 100 μm or less, more preferably 75 μm or less, still more preferably 50 μm or less, particularly preferably 25 μm or less, and most preferably 5 μm or less. Such thinness can reduce the resistance of the functional layer. The functional layer is preferably formed as an LDH dense film on the porous substrate, and in this case, the thickness of the functional layer corresponds to the thickness of the LDH dense film. Further, when the functional layer is formed in the porous substrate, the thickness of the functional layer corresponds to the thickness of the composite layer composed of at least part of the porous substrate and LDH, and the functional layer is porous. When formed over and in the substrate, this corresponds to the total thickness of the LDH dense film and the composite layer. In any case, when the thickness is as described above, a desired low resistance suitable for practical use in battery applications and the like can be realized. The lower limit of the thickness of the LDH alignment film is not particularly limited because it varies depending on the application, but in order to ensure a certain degree of hardness desired as a functional film such as a separator, the thickness is preferably 1 μm or more. Preferably it is 2 micrometers or more.

本発明を以下の例によってさらに具体的に説明する。   The present invention is more specifically described by the following examples.

例A1〜A5
以下、基材上に層状複水酸化物配向膜の作製を試みた例を示す。なお、以下の例で基材又は膜試料の評価方法は以下のとおりとした。
Examples A1 to A5
Hereinafter, an example in which a layered double hydroxide alignment film is prepared on a substrate will be described. In the following examples, the evaluation method of the substrate or the film sample was as follows.

評価1:ゼータ電位測定
基材のゼータ電位はゼータ電位測定システム(大塚電子社製 ELS−Z)を用いて室温にて測定した。具体的には、基材(15mm×15mm×35mm)を平板試料用セルにセットし、大塚電子社製の標準モニター粒子を数滴分散させた10mMのNaCl水溶液を用いて、電気泳動法により測定した。pHを3から11まで1ずつpHタイトレータによって変化させた時の値を測定した。
Evaluation 1 : Zeta potential measurement The zeta potential of the substrate was measured at room temperature using a zeta potential measurement system (ELS-Z manufactured by Otsuka Electronics Co., Ltd.). Specifically, a substrate (15 mm × 15 mm × 35 mm) is set in a plate sample cell, and measured by electrophoresis using a 10 mM NaCl aqueous solution in which several drops of standard monitor particles manufactured by Otsuka Electronics Co., Ltd. are dispersed. did. The value when the pH was changed from 3 to 11 by 1 with a pH titrator was measured.

評価2:膜試料の同定
X線回折装置(リガク社製 RINT TTR III)にて、電圧:50kV、電流値:300mA、測定範囲:10〜70°の測定条件で、膜試料の結晶相を測定してXRDプロファイルを得る。得られたXRDプロファイルについて、JCPDSカードNO.35−0964に記載される層状複水酸化物(ハイドロタルサイト類化合物)の回折ピークを用いて同定を行った。
Evaluation 2 : Identification of the film sample The crystal phase of the film sample was measured with an X-ray diffractometer (RINT TTR III manufactured by Rigaku Corporation) under the measurement conditions of voltage: 50 kV, current value: 300 mA, measurement range: 10 to 70 °. To obtain an XRD profile. About the obtained XRD profile, JCPDS card NO. Identification was performed using a diffraction peak of a layered double hydroxide (hydrotalcite compound) described in 35-0964.

評価3:微構造の観察
膜試料の表面微構造を走査型電子顕微鏡(SEM、JSM−6610LV、JEOL社製)を用いて10kVの加速電圧で観察した。
Evaluation 3 : Observation of microstructure The surface microstructure of the film sample was observed using a scanning electron microscope (SEM, JSM-6610LV, manufactured by JEOL) at an acceleration voltage of 10 kV.

評価4:気孔率及び膜密度の測定
膜試料について、画像処理を用いた手法により、膜の表面の気孔率を測定した。この気孔率の測定は、1)評価2に示される手順に従い膜の表面の電子顕微鏡(SEM)画像(倍率10000倍以上)を取得し、2)Photoshop(Adobe社製)等の画像解析ソフトを用いてグレースケールのSEM画像を読み込み、3)[イメージ]→[色調補正]→[2階調化]の手順で白黒の2値画像を作成し、4)黒い部分が占めるピクセル数を画像の全ピクセル数で割った値を気孔率(%)とすることにより行った。この気孔率の測定は膜試料表面の6μm×6μmの領域について行われた。また、この膜表面の気孔率を用いて、膜表面から見たときの密度D(以下、表面膜密度という)をD=100%−(膜表面の気孔率)により算出した。測定された表面の膜密度に基づいて膜の緻密性を以下の2段階で評価した。
<緻密性の評価基準>
A:表面膜密度が80%以上
B:表面膜密度が80%未満
Evaluation 4 : Measurement of Porosity and Membrane Density For the membrane sample, the porosity of the membrane surface was measured by a technique using image processing. The porosity is measured by 1) obtaining an electron microscope (SEM) image (magnification of 10,000 times or more) of the surface of the membrane according to the procedure shown in Evaluation 2, and 2) using image analysis software such as Photoshop (manufactured by Adobe). 3) Read a grayscale SEM image, and 3) Create a black and white binary image by the procedure of [Image] → [Tone correction] → [2 gradation]. 4) The number of pixels occupied by the black part The value divided by the total number of pixels was used as the porosity (%). This porosity measurement was performed on a 6 μm × 6 μm region of the membrane sample surface. Further, using the porosity of the film surface, the density D (hereinafter referred to as surface film density) when viewed from the film surface was calculated by D = 100% − (porosity of the film surface). Based on the measured film density on the surface, the film density was evaluated in the following two stages.
<Evaluation criteria for compactness>
A: Surface film density is 80% or more B: Surface film density is less than 80%

例A1及びA2:ポリスチレン基材を用いた例
(1)基材の用意
基材としてポリスチレン板(26.5mm×30mm×1.845mm)を用意し、エタノールで拭き洗浄を行った。例A1においては、この洗浄された基材のゼータ電位を前述の評価1に記載の手法により測定したところ、図5に示される結果が得られた。
Examples A1 and A2 : Example using a polystyrene base material (1) Preparation of base material A polystyrene plate (26.5 mm × 30 mm × 1.845 mm) was prepared as a base material and wiped and washed with ethanol. In Example A1, the zeta potential of the washed substrate was measured by the method described in Evaluation 1 above, and the result shown in FIG. 5 was obtained.

(2)スルホン化処理(例A2のみ実施)
例A2においては、上記洗浄されたポリスチレン板にさらにスルホン化処理を行った。具体的には、そのポリスチレン板を密閉容器内で市販の濃硫酸(関東化学株式会社製、含有量95.0%以上)に室温中で浸漬させた。12日間の浸漬後、濃硫酸中からポリスチレン板を取り出し、イオン交換水で洗浄し、40℃で6時間乾燥させた。こうして用意された例A2の基材のゼータ電位を前述の評価1に記載の手法により測定したところ、図5に示される結果が得られた。
(2) Sulfonation treatment (implemented only in Example A2)
In Example A2, the washed polystyrene plate was further sulfonated. Specifically, the polystyrene plate was immersed in a commercially available concentrated sulfuric acid (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc., content 95.0% or more) in a sealed container at room temperature. After immersion for 12 days, the polystyrene plate was taken out from the concentrated sulfuric acid, washed with ion-exchanged water, and dried at 40 ° C. for 6 hours. When the zeta potential of the base material of Example A2 prepared in this way was measured by the method described in Evaluation 1 above, the result shown in FIG. 5 was obtained.

(3)原料水溶液の作製
原料として、硝酸マグネシウム六水和物(Mg(NO・6HO、関東化学株式会社製)、硝酸アルミニウム九水和物(Al(NO・9HO、関東化学株式会社製)、及び尿素((NH2)2CO、シグマアルドリッチ製)を用意した。カチオン比(Mg2+/Al3+)が2となり且つ全金属イオンモル濃度(Mg2++Al3+)が0.280mol/Lとなるように、硝酸マグネシウム六水和物と硝酸アルミニウム九水和物を秤量してビーカーに入れ、そこにイオン交換水を加えて全量を75mlとした。得られた溶液を攪拌した後、溶液中に尿素/NO3−=4の割合で秤量した尿素を加え、更に攪拌して原料水溶液を得た。
(3) As the manufacturing raw material of the raw aqueous solution, magnesium nitrate hexahydrate (Mg (NO 3) 2 · 6H 2 O, manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.), aluminum nitrate nonahydrate (Al (NO 3) 3 · 9H 2 O, manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) and urea ((NH 2) 2 CO, manufactured by Sigma-Aldrich) were prepared. Weigh magnesium nitrate hexahydrate and aluminum nitrate nonahydrate so that the cation ratio (Mg 2+ / Al 3+ ) is 2 and the total metal ion molarity (Mg 2+ + Al 3+ ) is 0.280 mol / L. In a beaker, ion exchange water was added to make a total volume of 75 ml. After stirring the obtained solution, urea weighed at a ratio of urea / NO 3 = 4 was added to the solution and further stirred to obtain a raw material aqueous solution.

(4)水熱処理による成膜
テフロン(登録商標)製密閉容器(内容量100ml、外側がステンレス製ジャケット)に上記(3)で作製した原料水溶液と、上記(1)で洗浄した基材(例A1)又は上記(2)でスルホン化された基材(例A2)とを封入した。このとき、基材は溶液中に自然に浮かしている状態である。その後、水熱温度70℃で168時間(7日間)水熱処理を施すことにより基材表面に層状複水酸化物配向膜(機能層)の形成を行った。168時間経過後、基材を密閉容器から取り出し、イオン交換水で洗浄して、層状複水酸化物の膜を基材上に得た。得られた膜試料の厚さは約2.0μmであった。
(4) Film formation by hydrothermal treatment A Teflon (registered trademark) sealed container (with an internal volume of 100 ml, the outside is a stainless steel jacket) and the raw material aqueous solution prepared in (3) above and the substrate washed in (1) above (example) A1) or the substrate sulfonated in (2) above (Example A2) was encapsulated. At this time, the base material is naturally floating in the solution. Thereafter, a hydrothermal treatment was performed at a hydrothermal temperature of 70 ° C. for 168 hours (7 days) to form a layered double hydroxide alignment film (functional layer) on the substrate surface. After 168 hours, the substrate was taken out from the sealed container and washed with ion-exchanged water to obtain a layered double hydroxide film on the substrate. The thickness of the obtained film sample was about 2.0 μm.

(5)評価結果
得られたLDH試料に対して評価2〜4を行った。それらの結果を評価1の結果とともに以下に示す。
‐評価1:図5に示されるように、スルホン化していない例A1のポリスチレン基材と比較して、スルホン化した例A2のポリスチレン基材は、表面のスルホン酸基により負に帯電し、ゼータ電位が全体的に下がっていることが分かった。具体的には、pH3〜8の略全域におけるゼータ電位が、例A1の基材では大部分で正である一方、例A2の基材では負であった。スルホン化していない例A1のポリスチレン基材はほとんどのpH領域において正に帯電しており、LDHが付きにくいことが示唆された。
‐評価2:XRDプロファイルから、膜試料はLDH(ハイドロタルサイト類化合物)であることが同定された。
‐評価3:膜試料の表面微構造のSEM画像は図4に示されるとおりであった。スルホン化処理していない例A1のポリスチレン基材上にはほとんどLDHは生成しなかったが、スルホン化処理を施しゼータ電位が強く負に帯電した例A2のポリスチレン基材上では緻密なLDH膜が得られた。
‐評価4:膜試料の表面の表面膜密度に基づく緻密性の評価は、例A1が評価B、例A2が評価Aであった。
(5) Evaluation result Evaluation 2-4 was performed with respect to the obtained LDH sample. The results are shown below together with the result of Evaluation 1.
-Evaluation 1: As shown in FIG. 5, the sulfonated polystyrene substrate of Example A2 is negatively charged by the sulfonic acid group on the surface as compared to the unsulfonated polystyrene substrate of Example A1, and the zeta It turned out that the electric potential fell overall. Specifically, the zeta potential over substantially the entire pH range of 3 to 8 was mostly positive for the base material of Example A1, but negative for the base material of Example A2. The non-sulfonated Example A1 polystyrene substrate was positively charged in most pH regions, suggesting that it is difficult to attach LDH.
-Evaluation 2: From the XRD profile, it was identified that the film sample was LDH (hydrotalcite compound).
-Evaluation 3: The SEM image of the surface microstructure of the film sample was as shown in FIG. Almost no LDH was formed on the polystyrene substrate of Example A1 which was not sulfonated, but a dense LDH film was formed on the polystyrene substrate of Example A2 which was sulfonated and had a strong negative zeta potential and was negatively charged. Obtained.
-Evaluation 4: Regarding the evaluation of the denseness based on the surface film density on the surface of the film sample, Example A1 was Evaluation B and Example A2 was Evaluation A.

例A3及びA4:ジルコニア(3YSZ)基材を用いた例
(1)基材の用意
2cm角のジルコニア基材(3YSZ、Y:3mol%)を用意した。得られた基材(2cm角)をビーカーに入れ、アセトン25ml中で5分間超音波洗浄し、エタノール25ml中で2分間超音波洗浄、その後、イオン交換水25ml中で1分間超音波洗浄した。
Examples A3 and A4: zirconia (3YSZ) example using a base material (1) Zirconia group prepared 2cm square of substrate material (3YSZ, Y 2 O 3: 3mol%) was prepared. The obtained base material (2 cm square) was put into a beaker, ultrasonically washed in 25 ml of acetone for 5 minutes, ultrasonically washed in 25 ml of ethanol for 2 minutes, and then ultrasonically washed in 25 ml of ion-exchanged water for 1 minute.

(2)界面活性剤の作製(例A4のみ実施)
例A4においては、市販の陰イオン性界面活性剤溶液(ナフタレンスルホン酸Naホルマリン縮合物、デモールSS−L、花王株式会社製)をイオン交換水と、(界面活性剤溶液):(イオン交換水)の重量比が2:100となるように混合して、基材の界面活性剤処理に用いるための希釈された界面活性剤溶液を作製した。
(2) Preparation of surfactant (implemented only in Example A4)
In Example A4, a commercially available anionic surfactant solution (Naphthalenesulfonic acid Na formalin condensate, demole SS-L, manufactured by Kao Corporation) and ion-exchanged water and (surfactant solution): (ion-exchanged water) ) Was mixed at a weight ratio of 2: 100 to prepare a diluted surfactant solution for use in the surfactant treatment of the substrate.

(3)界面活性剤での処理(例A4のみ実施)
例A4においては、上記希釈された界面活性剤溶液25mlを含むビーカーに、上記(1)で洗浄した基材を回転子と共に互いに接触しないように入れ、ホットスターラー上にて500rpmの回転数で攪拌しながら温度40℃で1日浸漬させた。
(3) Treatment with surfactant (implemented only in Example A4)
In Example A4, the substrates cleaned in (1) above were placed in a beaker containing 25 ml of the diluted surfactant solution so as not to contact each other together with the rotor, and stirred at 500 rpm on a hot stirrer. The film was immersed for 1 day at a temperature of 40 ° C.

(4)原料水溶液の作製
原料として、硝酸マグネシウム六水和物(Mg(NO・6HO、関東化学株式会社製)、硝酸アルミニウム九水和物(Al(NO・9HO、関東化学株式会社製)、及び尿素((NHCO、シグマアルドリッチ製)を用意した。カチオン比(Mg2+/Al3+)が2となり且つ全金属イオンモル濃度(Mg2++Al3+)が0.320mol/Lとなるように、硝酸マグネシウム六水和物と硝酸アルミニウム九水和物を秤量してビーカーに入れ、そこにイオン交換水を加えて全量を75mlとした。得られた溶液を攪拌した後、溶液中に尿素/NO =4の割合で秤量した尿素を加え、更に攪拌して原料水溶液を得た。
(4) As the manufacturing raw material of the raw aqueous solution, magnesium nitrate hexahydrate (Mg (NO 3) 2 · 6H 2 O, manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.), aluminum nitrate nonahydrate (Al (NO 3) 3 · 9H 2 O, manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) and urea ((NH 2 ) 2 CO, manufactured by Sigma-Aldrich) were prepared. Weigh magnesium nitrate hexahydrate and aluminum nitrate nonahydrate so that the cation ratio (Mg 2+ / Al 3+ ) is 2 and the total metal ion molar concentration (Mg 2+ + Al 3+ ) is 0.320 mol / L. In a beaker, ion exchange water was added to make a total volume of 75 ml. After stirring the obtained solution, urea weighed at a ratio of urea / NO 3 = 4 was added to the solution, and further stirred to obtain a raw material aqueous solution.

(5)水熱処理による成膜
テフロン(登録商標)製密閉容器(内容量100ml、外側がステンレス製ジャケット)に上記(4)で作製した原料水溶液と、上記(1)で洗浄した基材(例A3)又は上記(3)で界面活性剤処理した基材(例A4)とを封入した。このとき、基材はテフロン(登録商標)製密閉容器の底から浮かせて固定し、基材両面に溶液が接するように水平に設置した。その後、水熱温度70℃で168時間(7日間)水熱処理を施すことにより基材表面に層状複水酸化物配向膜(機能層)の形成を行った。168時間経過後、基材を密閉容器から取り出し、イオン交換水で洗浄して、層状複水酸化物の膜を基材上に得た。
(5) Film formation by hydrothermal treatment A Teflon (registered trademark) sealed container (with an internal volume of 100 ml, the outside is a stainless steel jacket) and the raw material aqueous solution prepared in (4) above and the substrate washed in (1) above (example) A3) or the substrate treated with the surfactant in (3) above (Example A4) was encapsulated. At this time, the base material was fixed by being floated from the bottom of a Teflon (registered trademark) sealed container, and placed horizontally so that the solution was in contact with both surfaces of the base material. Thereafter, a hydrothermal treatment was performed at a hydrothermal temperature of 70 ° C. for 168 hours (7 days) to form a layered double hydroxide alignment film (functional layer) on the substrate surface. After 168 hours, the substrate was taken out from the sealed container and washed with ion-exchanged water to obtain a layered double hydroxide film on the substrate.

(6)評価結果
得られたLDH膜試料に対して評価2〜4を行った。それらの結果を評価1の結果とともに以下に示す。
‐評価1:図6に示されるように、pH5〜8の略全域におけるゼータ電位は例A3及びA4のいずれの基材も負であったが、界面活性剤処理されていない例A3の基材と、界面活性剤処理された例A4の基材との比較から、緻密3YSZ基材をアニオン性界面活性剤処理することにより、ゼータ電位が下がっている様子がみられた。界面活性剤処理されていない例A3の基材と比較して、界面活性剤処理された例A4の基材はLDHが付きやすくなっていることが示唆された。
‐評価2:XRDプロファイルから、例A3及びA4のいずれの膜試料もLDH(ハイドロタルサイト類化合物)であることが同定された。
‐評価3:膜試料の表面微構造のSEM画像は図4に示されるとおりであった。例A4では緻密3YSZ基材を界面活性剤処理することにより、全面的にLDH膜が生成した。例A3の前処理なしの3YSZ基材でも負に帯電しているため、ある程度はLDHが生成した(緻密性もある程度は高い)が、例A4よりは緻密性が低いものであった。緻密3YSZ基材を界面活性剤処理することにより、より強く負に帯電したため、LDHが付き易くなったと考えられた。
‐評価4:膜試料の表面の表面膜密度に基づく緻密性の評価は、例A3及びA4のいずれも評価Aであった。
(6) Evaluation results Evaluations 2 to 4 were performed on the obtained LDH film samples. The results are shown below together with the result of Evaluation 1.
-Evaluation 1: As shown in FIG. 6, the zeta potential in substantially the entire region of pH 5 to 8 was negative in both the base materials of Examples A3 and A4, but the base material of Example A3 not treated with the surfactant From the comparison with the surfactant-treated example A4 substrate, it was found that the zeta potential was lowered by treating the dense 3YSZ substrate with an anionic surfactant. It was suggested that the substrate of Example A4 treated with the surfactant is more likely to have LDH as compared to the substrate of Example A3 not treated with the surfactant.
-Evaluation 2: From the XRD profile, it was identified that both of the film samples of Examples A3 and A4 were LDH (hydrotalcite compound).
-Evaluation 3: The SEM image of the surface microstructure of the film sample was as shown in FIG. In Example A4, a dense 3YSZ substrate was treated with a surfactant to form an LDH film entirely. Since the 3YSZ base material without pretreatment of Example A3 was also negatively charged, LDH was generated to some extent (the density was high to some extent), but the density was lower than that of Example A4. By treating the dense 3YSZ substrate with a surfactant, it was more strongly negatively charged, so it was considered that LDH was easily attached.
-Evaluation 4: Evaluation of the denseness based on the surface film density on the surface of the film sample was Evaluation A in both Examples A3 and A4.

例A5:チタニア多孔質基材を用いた例
(1)多孔質基材の作製
チタニア(石原産業株式会社製、CR−EL)、メチルセルロース、及びイオン交換水を、(チタニア):(メチルセルロース):(イオン交換水)の質量比が10:1:5となるように秤量した後、混練した。得られた混練物を、ハンドプレスを用いた押出成形に付し、2.5cm×10cm×厚さ0.5cmの大きさに成形した。得られた成形体を80℃で12時間乾燥した後、900℃で3時間焼成し、その後、2cm×2cm×0.3cmに加工してチタニア製多孔質基材を得た。
Example A5 : Example using titania porous substrate (1) Production of porous substrate Titania (manufactured by Ishihara Sangyo Co., Ltd., CR-EL), methylcellulose, and ion-exchanged water, (titania): (methylcellulose): After weighing so that the mass ratio of (ion-exchanged water) was 10: 1: 5, it was kneaded. The obtained kneaded product was subjected to extrusion molding using a hand press and molded into a size of 2.5 cm × 10 cm × thickness 0.5 cm. The obtained molded body was dried at 80 ° C. for 12 hours, then fired at 900 ° C. for 3 hours, and then processed into 2 cm × 2 cm × 0.3 cm to obtain a titania porous substrate.

得られた多孔質基材について、画像処理を用いた手法により、多孔質基材表面の気孔率を測定したところ、46%であった。この気孔率の測定は、1)表面微構造を走査型電子顕微鏡(SEM、JSM−6610LV、JEOL社製)を用いて10〜20kVの加速電圧で観察して多孔質基材表面の電子顕微鏡(SEM)画像(倍率10000倍以上)を取得し、2)Photoshop(Adobe社製)等の画像解析ソフトを用いてグレースケールのSEM画像を読み込み、3)[イメージ]→[色調補正]→[2階調化]の手順で白黒の2値画像を作成し、4)黒い部分が占めるピクセル数を画像の全ピクセル数で割った値を気孔率(%)とすることにより行った。この気孔率の測定は多孔質基材表面の6μm×6μmの領域について行われた。   With respect to the obtained porous substrate, the porosity on the surface of the porous substrate was measured by a technique using image processing, and it was 46%. The porosity is measured by 1) observing the surface microstructure using a scanning electron microscope (SEM, JSM-6610LV, manufactured by JEOL) at an acceleration voltage of 10 to 20 kV, and an electron microscope on the surface of the porous substrate ( SEM) image (magnification of 10,000 times or more) is obtained, 2) a grayscale SEM image is read using image analysis software such as Photoshop (manufactured by Adobe), etc. 3) [Image] → [Tone Correction] → [2 A monochrome binary image was created by the procedure of [gradation], and 4) the porosity (%) was obtained by dividing the number of pixels occupied by the black portion by the total number of pixels in the image. This porosity measurement was performed on a 6 μm × 6 μm region on the surface of the porous substrate.

また、多孔質基材の平均気孔径を測定したところ0.5μmであった。本発明において、平均気孔径の測定は多孔質基材の表面の電子顕微鏡(SEM)画像をもとに気孔の最長距離を測長することにより行った。この測定に用いた電子顕微鏡(SEM)画像の倍率は20000倍であり、得られた全ての気孔径をサイズ順に並べて、その平均値から上位15点及び下位15点、合わせて1視野あたり30点で2視野分の平均値を算出して、平均気孔径を得た。測長には、SEMのソフトウェアの測長機能を用いた。   Moreover, it was 0.5 micrometer when the average pore diameter of the porous base material was measured. In the present invention, the average pore diameter was measured by measuring the longest distance of the pores based on an electron microscope (SEM) image of the surface of the porous substrate. The magnification of the electron microscope (SEM) image used for this measurement is 20000 times, and all the obtained pore diameters are arranged in order of size, and the top 15 points and the bottom 15 points from the average value, and 30 points per visual field in total. The average value for two visual fields was calculated to obtain the average pore diameter. For length measurement, the length measurement function of SEM software was used.

得られた多孔質基材をビーカーに入れ、アセトン25ml中で5分間超音波洗浄し、エタノール25ml中で2分間超音波洗浄、その後、イオン交換水25ml中で1分間超音波洗浄した。   The obtained porous substrate was placed in a beaker, ultrasonically washed in 25 ml of acetone for 5 minutes, ultrasonically washed in 25 ml of ethanol for 2 minutes, and then ultrasonically washed in 25 ml of ion-exchanged water for 1 minute.

(2)原料水溶液の作製
原料として、硝酸マグネシウム六水和物(Mg(NO・6HO、関東化学株式会社製)、硝酸アルミニウム九水和物(Al(NO・9HO、関東化学株式会社製)、及び尿素((NHCO、シグマアルドリッチ製)を用意した。カチオン比(Mg2+/Al3+)が2となり且つ全金属イオンモル濃度(Mg2++Al3+)が0.320mol/Lとなるように、硝酸マグネシウム六水和物と硝酸アルミニウム九水和物を秤量してビーカーに入れ、そこにイオン交換水を加えて全量を75mlとした。得られた溶液を攪拌した後、溶液中に尿素/NO =4の割合で秤量した尿素を加え、更に攪拌して原料水溶液を得た。
(2) Preparation raw material for the raw solution, magnesium nitrate hexahydrate (Mg (NO 3) 2 · 6H 2 O, manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.), aluminum nitrate nonahydrate (Al (NO 3) 3 · 9H 2 O, manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) and urea ((NH 2 ) 2 CO, manufactured by Sigma-Aldrich) were prepared. Weigh magnesium nitrate hexahydrate and aluminum nitrate nonahydrate so that the cation ratio (Mg 2+ / Al 3+ ) is 2 and the total metal ion molar concentration (Mg 2+ + Al 3+ ) is 0.320 mol / L. In a beaker, ion exchange water was added to make a total volume of 75 ml. After stirring the obtained solution, urea weighed at a ratio of urea / NO 3 = 4 was added to the solution, and further stirred to obtain a raw material aqueous solution.

(3)水熱処理による成膜
テフロン(登録商標)製密閉容器(内容量100ml、外側がステンレス製ジャケット)に上記(2)で作製した原料水溶液と、上記(1)で洗浄したチタニア製多孔質基材とを封入した。このとき、基材はテフロン(登録商標)製密閉容器の底から浮かせて固定し、基材両面に溶液が接するように水平に設置した。その後、水熱温度70℃で168時間(7日間)水熱処理を施すことにより基材表面に層状複水酸化物配向膜(機能層)の形成を行った。168時間経過後、基材を密閉容器から取り出し、イオン交換水で洗浄して、層状複水酸化物の膜を基材上に得た。
(3) Film formation by hydrothermal treatment A Teflon (registered trademark) sealed container (with an internal volume of 100 ml, the outside is a stainless steel jacket) and the raw material aqueous solution prepared in (2) above and the titania porous material washed in (1) above The substrate was encapsulated. At this time, the base material was fixed by being floated from the bottom of a Teflon (registered trademark) sealed container, and placed horizontally so that the solution was in contact with both surfaces of the base material. Thereafter, a hydrothermal treatment was performed at a hydrothermal temperature of 70 ° C. for 168 hours (7 days) to form a layered double hydroxide alignment film (functional layer) on the substrate surface. After 168 hours, the substrate was taken out from the sealed container and washed with ion-exchanged water to obtain a layered double hydroxide film on the substrate.

(4)評価結果
得られたLDH膜試料に対して評価2〜4を行った。それらの結果を評価1の結果とともに以下に示す。
‐評価1:図6に示されるように、多孔チタニア基材は例A1のポリスチレン基材同様、ほとんどのpH領域で正に帯電しており、LDHが付きにくいと考えられた。
‐評価2:XRDプロファイルから、試料はLDH(ハイドロタルサイト類化合物)であることが同定された。
‐評価3:膜試料の表面微構造のSEM画像は図4に示されるとおりであった。前処理なしのセラミックス基材を用いた例A3と例A5で比較してみると、ゼータ電位がより負側に帯電している例A3の緻密3YSZ基材の方が例A5の多孔チタニア基材よりもLDHは付きやすくなっている(基材の露出が少ない)ことが分かった。このことから、基材表面の電荷がLDHの成膜性に影響を及ぼすことが示唆された。特に、成膜過程(例えばpH5〜8程度、場合によっては3〜8程度まで変化)において負に帯電していることが、LDHの成膜性に効果があると考えられる。
‐評価4:膜試料の表面の表面膜密度に基づく緻密性の評価は、評価Bであった。
(4) Evaluation results Evaluations 2 to 4 were performed on the obtained LDH film samples. The results are shown below together with the result of Evaluation 1.
-Evaluation 1: As shown in FIG. 6, the porous titania substrate was positively charged in most pH regions like the polystyrene substrate of Example A1, and it was considered that LDH was not easily attached.
-Evaluation 2: From the XRD profile, it was identified that the sample was LDH (hydrotalcite compound).
-Evaluation 3: The SEM image of the surface microstructure of the film sample was as shown in FIG. Comparing Example A3 and Example A5 using a ceramic substrate without pretreatment, the dense 3YSZ substrate of Example A3 in which the zeta potential is more negatively charged is more porous titania substrate of Example A5 It was found that LDH is more easily attached (the substrate is less exposed). From this, it was suggested that the charge on the substrate surface affects the film formability of LDH. In particular, it is considered that the negative charge in the film forming process (for example, pH of about 5 to 8, in some cases changing to about 3 to 8) is effective in the film forming property of LDH.
-Evaluation 4: Evaluation of the density based on the surface film density on the surface of the film sample was evaluation B.

例A1〜A5の結果をまとめて表1に示す。
The results of Examples A1 to A5 are summarized in Table 1.

例B1〜B4(参考)
以下、無孔質基材上に層状複水酸化物配向膜を作製した例を示す。これらの例は基材のゼータ電位を測定していない点で参考例として位置づけられるものである。
Examples B1-B4 (reference)
Hereinafter, an example in which a layered double hydroxide alignment film is produced on a nonporous substrate will be shown. These examples are positioned as reference examples in that the zeta potential of the substrate is not measured.

例B1(参考):層状複水酸化物配向膜の作製
(1)基材のスルホン化処理
表面をスルホン化可能な芳香族系高分子基材として、26.5mm×30.0mm×1.85mmの寸法のポリスチレン板を用意した。このポリスチレン板の表面をエタノールで拭いて洗浄した。このポリスチレン板を密閉容器内で市販の濃硫酸(関東化学株式会社製、濃度:95.0質量%以上)に室温中で浸漬させた。表2に示される浸漬時間の経過後、濃硫酸中からポリスチレン板を取り出し、イオン交換水で洗浄した。洗浄したポリスチレン板を40℃で6時間乾燥させて、表面がスルホン化されたポリスチレン板を、試料1〜17を作製するための基材として得た。また、上記スルホン化処理を行わないポリスチレン板も、比較例態様の試料18を作製するため基材として用意した。
Example B1 (Reference): Preparation of layered double hydroxide alignment film (1) Sulfonation treatment of substrate As an aromatic polymer substrate capable of sulfonating the surface, 26.5 mm × 30.0 mm × 1.85 mm The polystyrene board of the dimension of was prepared. The surface of the polystyrene plate was wiped with ethanol and washed. This polystyrene plate was immersed in a commercially available concentrated sulfuric acid (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc., concentration: 95.0% by mass or more) in a sealed container at room temperature. After the elapse of the immersion time shown in Table 2, the polystyrene plate was taken out from the concentrated sulfuric acid and washed with ion exchange water. The washed polystyrene plate was dried at 40 ° C. for 6 hours to obtain a polystyrene plate having a sulfonated surface as a base material for preparing Samples 1 to 17. Moreover, the polystyrene board which does not perform the said sulfonation process was also prepared as a base material in order to produce the sample 18 of a comparative example aspect.

上記スルホン化処理の前後において、ポリスチレン板の透過スペクトルをフーリエ変換型赤外分光(FT−IR)のATR法(Attenuated Total Reflection(全反射測定法))により測定し、スルホン酸基由来のピークの検出を行った。この測定は、FT−IR装置において水平ATR装置を用いて、試料とバックグラウンドに対してそれぞれ積算回数64回、測定範囲4000〜400cm−1の条件で透過スペクトルを得ることにより行った。各濃硫酸浸漬時間でスルホン化処理したポリスチレン板の透過スペクトルを図7に示す。図7に示されるように、スルホン化処理を行ったポリスチレン板では、スルホン化処理を行わなかった板では現れない波数1127cm−1にスルホン酸基由来のピークが確認され、濃硫酸浸漬時間が長くなるほどそのピークの大きさが増大していることが分かる。各測定における測定面積が同じことを踏まえると、濃硫酸浸漬時間が長いほどスルホン酸基の量(密度)が増大しているものと考えられる。ATR法で得た透過スペクトルより、スルホン化処理前後で変化しない、フェニル基CC伸縮
(ベンゼン環骨格)振動由来の1601cm−1での透過率ピークの値(T1601)の、スルホン酸基に由来する1127cm−1での透過率ピークの値(T1127)に対する比(T1601/T1127)を算出した。その結果は表2に示されるとおりであり、濃硫酸浸漬時間が長いほど、スルホン酸基の割合が増大していることが示唆された。
Before and after the sulfonation treatment, the transmission spectrum of the polystyrene plate was measured by Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) ATR method (Attenuated Total Reflection), and the sulfonic acid group-derived peak was measured. Detection was performed. This measurement was performed by using a horizontal ATR apparatus in the FT-IR apparatus and obtaining a transmission spectrum under the conditions of a measurement range of 4000 to 400 cm −1 with respect to the sample and the background, respectively, 64 times. FIG. 7 shows the transmission spectrum of the polystyrene plate subjected to sulfonation treatment in each concentrated sulfuric acid immersion time. As shown in FIG. 7, in the polystyrene plate subjected to the sulfonation treatment, a peak derived from a sulfonic acid group was confirmed at a wave number of 1127 cm −1 which does not appear in the plate not subjected to the sulfonation treatment, and the concentrated sulfuric acid immersion time was long. It can be seen that the size of the peak increases. Considering that the measurement area in each measurement is the same, it is considered that the amount (density) of the sulfonic acid group increases as the concentrated sulfuric acid immersion time increases. From the transmission spectrum obtained by the ATR method, derived from the sulfonic acid group of the transmittance peak value (T 1601 ) at 1601 cm −1 derived from phenyl group CC stretching (benzene ring skeleton) vibration, which does not change before and after the sulfonation treatment. The ratio (T 1601 / T 1127 ) to the transmittance peak value (T 1127 ) at 1127 cm −1 was calculated. The results are as shown in Table 2. It was suggested that the longer the concentrated sulfuric acid immersion time, the higher the ratio of sulfonic acid groups.

(2)原料水溶液の作製
原料として、硝酸マグネシウム六水和物(Mg(NO・6HO、関東化学株式会社製)、硝酸アルミニウム九水和物(Al(NO・9HO、関東化学株式会社製)、及び尿素((NHCO、シグマアルドリッチ製)を用意した。表3に示されるカチオン比(Mg2+/Al3+)及び全金属イオンモル濃度(Mg2++Al3+)となるように、硝酸マグネシウム六水和物と硝酸アルミニウム九水和物を秤量してビーカーに入れ、そこにイオン交換水を加えて全量を75mlとした。得られた溶液を攪拌した後、溶液中に表3に示される割合で秤量した尿素を加え、更に攪拌して原料水溶液を得た。
(2) Preparation raw material for the raw solution, magnesium nitrate hexahydrate (Mg (NO 3) 2 · 6H 2 O, manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.), aluminum nitrate nonahydrate (Al (NO 3) 3 · 9H 2 O, manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) and urea ((NH 2 ) 2 CO, manufactured by Sigma-Aldrich) were prepared. Weigh magnesium nitrate hexahydrate and aluminum nitrate nonahydrate in a beaker so that the cation ratio (Mg 2+ / Al 3+ ) and total metal ion molarity (Mg 2+ + Al 3+ ) shown in Table 3 are obtained. Then, ion exchange water was added thereto to make the total volume 75 ml. After stirring the obtained solution, urea weighed in the ratio shown in Table 3 was added to the solution and further stirred to obtain a raw material aqueous solution.

(3)水熱処理による成膜
テフロン(登録商標)製密閉容器(内容量100ml、外側がステンレス製ジャケット)に上記(2)で作製した原料水溶液と上記(1)で用意したスルホン化された基材を共に封入した。このとき、基材は溶液中に自然に水平に浮かしている状態とした。その後、表3に示される水熱温度、水熱時間及び昇温速度の条件で水熱処理を施すことにより基材表面に層状複水酸化物配向膜の形成を行った。所定時間の経過後、基材を密閉容器から取り出し、イオン交換水で洗浄し、70℃で10時間乾燥させて、試料1〜18として層状複水酸化物(以下、LDHという)を基材上に得た。試料1〜17は膜形態を有しており、その厚さはいずれも約2μmであった。一方、試料18は成膜できなかった。
(3) Film formation by hydrothermal treatment A Teflon (registered trademark) sealed container (with an internal volume of 100 ml, the outside is a stainless steel jacket) and the sulfonated base prepared in (1) above and the raw material aqueous solution prepared in (2) above. Both materials were enclosed. At this time, the base material was naturally floated horizontally in the solution. Then, the layered double hydroxide alignment film was formed on the substrate surface by performing hydrothermal treatment under the conditions of hydrothermal temperature, hydrothermal time and heating rate shown in Table 3. After elapse of a predetermined time, the substrate is taken out from the sealed container, washed with ion-exchanged water, dried at 70 ° C. for 10 hours, and layered double hydroxide (hereinafter referred to as LDH) as samples 1 to 18 is formed on the substrate. I got it. Samples 1 to 17 had a film form, and the thickness thereof was about 2 μm. On the other hand, Sample 18 could not be formed.

例B2(参考):配向性の評価
X線回折装置(D8 ADVANCE、Bulker AXS社製)にて、電圧:40kV、電流値:40mA、測定範囲:5〜70°の測定条件で、試料1〜18の結晶相を測定した。得られたXRDプロファイルについて、JCPDSカードNO.35−0964に記載される層状複水酸化物(ハイドロタルサイト類化合物)の回折ピークを用いて同定した。その結果、試料1〜17はいずれも層状複水酸化物(ハイドロタルサイト類化合物)であることが確認された。
Example B2 (Reference): Evaluation of orientation Samples 1 to 1 were measured with an X-ray diffractometer (D8 ADVANCE, manufactured by Bulker AXS) under the measurement conditions of voltage: 40 kV, current value: 40 mA, measurement range: 5-70 °. 18 crystal phases were measured. About the obtained XRD profile, JCPDS card NO. It identified using the diffraction peak of the layered double hydroxide (hydrotalcite compound) described in 35-0964. As a result, it was confirmed that Samples 1 to 17 were all layered double hydroxides (hydrotalcite compounds).

次に、上記得られたXRDプロファイルに基づいて、LDH膜における結晶配向の程度を評価した。説明の便宜のため、最も高い膜密度が得られた試料9の結晶相に対して得られたXRDプロファイルを図8に示す。図8の一番上に示されるプロファイルがポリスチレン基材の結晶相に対応し、真ん中に示されるプロファイルがLDH膜付きポリスチレン基材の結晶相に対応し、一番下に示されるプロファイルがLDH粉末の結晶相に対応する。LDH粉末では(003)面のピークが最強線であるが、LDH配向膜では、(00l)面(lは3及び6である)のピークが減少し、(012)面や(110)面といったピークが観測された。このことから、(00l)面のピークが検出できなくなることで、板状粒子が基材に対して略垂直方向(すなわち垂直方向又はそれに類する斜め方向)に配向しているということが示唆された。   Next, the degree of crystal orientation in the LDH film was evaluated based on the obtained XRD profile. For convenience of explanation, FIG. 8 shows the XRD profile obtained for the crystal phase of Sample 9 where the highest film density was obtained. The profile shown at the top of FIG. 8 corresponds to the crystal phase of the polystyrene substrate, the profile shown in the middle corresponds to the crystal phase of the polystyrene substrate with the LDH film, and the profile shown at the bottom is the LDH powder. Corresponds to the crystalline phase of. In the LDH powder, the peak of the (003) plane is the strongest line, but in the LDH alignment film, the peak of the (00l) plane (l is 3 and 6) is reduced, such as the (012) plane and the (110) plane. A peak was observed. From this, it was suggested that the peak of the (00l) plane could not be detected, so that the plate-like particles were oriented in a substantially vertical direction (that is, a vertical direction or an oblique direction similar thereto) with respect to the base material. .

試料9と同様にして結晶配向性の評価を他の試料1〜8及び10〜18についても行い、以下の3段階で評価した。結果は表3に示されるとおりであった。
<結晶配向性の評価基準>
A:(003)面のピークが検出されない又は(003)面のピークが(012)面のピークの大きさの1/2倍未満
B:(003)面のピークが(012)面のピークの大きさの1/2倍以上1倍以下
C:(003)面のピークが(012)面のピークの大きさよりも大きい
The crystal orientation was evaluated for the other samples 1 to 8 and 10 to 18 in the same manner as for the sample 9 and evaluated in the following three stages. The results were as shown in Table 3.
<Evaluation criteria for crystal orientation>
A: (003) plane peak is not detected or (003) plane peak is less than half the size of (012) plane peak B: (003) plane peak is (012) plane peak C: The peak of the (003) plane is larger than the peak size of the (012) plane

例B3(参考):微構造の観察
試料1〜6及び9〜16及び18の表面微構造を走査型電子顕微鏡(SEM、JSM−6610LV、JEOL社製)を用いて10〜20kVの加速電圧で観察した。得られた試料1〜6及び9〜16及び18の表面微構造のSEM画像(二次電子像)を図9〜11に示す。これらの図に示される画像から、最も隙間が小さい(すなわち最も密度が高い)試料は試料9であった。また、比較試料18については膜の形態を有していなかった。
Example B3 (Reference): Observation of microstructure The surface microstructure of Samples 1-6, 9-16, and 18 was measured using a scanning electron microscope (SEM, JSM-6610LV, manufactured by JEOL) at an acceleration voltage of 10-20 kV. Observed. SEM images (secondary electron images) of the surface microstructures of the obtained samples 1 to 6, 9 to 16, and 18 are shown in FIGS. From the images shown in these figures, the sample with the smallest gap (that is, the highest density) was Sample 9. Further, Comparative Sample 18 did not have a film form.

試料9の断面微構造を以下のようにして観察した。まず、試料9の破断した断面(以下、破断断面という)の微構造を走査型電子顕微鏡(SEM、JSM−6610LV、JEOL社製)を用いて10〜20kVの加速電圧で観察した。こうして得られた試料9の破断断面微構造のSEM画像を図12に示す。   The cross-sectional microstructure of sample 9 was observed as follows. First, the microstructure of the broken section (hereinafter referred to as a broken section) of Sample 9 was observed with a scanning electron microscope (SEM, JSM-6610LV, manufactured by JEOL) at an acceleration voltage of 10 to 20 kV. An SEM image of the fracture cross-sectional microstructure of Sample 9 obtained in this way is shown in FIG.

次に、試料9の破断断面をFIB研磨やクライオミリングによって研磨して研磨断面を形成し、この研磨断面の微構造を電界放出型走査型電子顕微鏡(FE−SEM)を用いて1.5kV〜3kVの加速電圧で観察した。こうして得られた試料9の研磨断面微構造のSEM画像を図13に示す。また、試料2についても上記同様にして研磨断面の微構造を観察したところ、図14に示されるSEM画像が得られた。   Next, the fractured cross-section of the sample 9 is polished by FIB polishing or cryomilling to form a polished cross-section, and the microstructure of the polished cross-section is measured from 1.5 kV to 1.5 kV using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM). Observation was made at an acceleration voltage of 3 kV. FIG. 13 shows an SEM image of the polished cross-sectional microstructure of Sample 9 obtained in this way. Further, when the microstructure of the polished cross section of sample 2 was observed in the same manner as described above, the SEM image shown in FIG. 14 was obtained.

例B4(参考):気孔率及び膜密度の測定
試料1〜6及び9〜16及び18について、画像処理を用いた手法により、膜の表面の気孔率を測定した。この気孔率の測定は、1)例B3に示される手順に従い膜の表面の電子顕微鏡(SEM)画像(倍率10000倍以上)を取得し、2)Photoshop(Adobe社製)等の画像解析ソフトを用いてグレースケールのSEM画像を読み込み、3)[イメージ]→[色調補正]→[2階調化]の手順でヒストグラムのしきい値を調整して白黒の2値画像を作成し、4)黒い部分が占めるピクセル数を画像の全ピクセル数で割った値を気孔率(%)とすることにより行った。この気孔率の測定は配向膜表面の6μm×6μmの領域について行われた。
Example B4 (Reference): Measurement of Porosity and Membrane Density For samples 1 to 6 and 9 to 16 and 18, the porosity of the membrane surface was measured by a technique using image processing. The porosity is measured by 1) acquiring an electron microscope (SEM) image (magnification of 10,000 times or more) of the surface of the membrane according to the procedure shown in Example B3, and 2) using image analysis software such as Photoshop (manufactured by Adobe). 3) Read the grayscale SEM image, and 3) Create a monochrome binary image by adjusting the threshold value of the histogram in the order of [Image] → [Tone correction] → [2 gradation] 4) The value obtained by dividing the number of pixels occupied by the black portion by the total number of pixels in the image was taken as the porosity (%). This porosity measurement was performed on a 6 μm × 6 μm region of the alignment film surface.

また、上記得られた膜表面の気孔率を用いて、膜表面から見たときの密度D(以下、表面膜密度という)をD=100%−(膜表面の気孔率)により算出したところ、表3に示される結果が得られた。また、測定された表面の膜密度に基づいて膜の緻密性を以下の4段階で評価したところ、表3に示されるとおりであった。
<緻密性の評価基準>
A:表面膜密度が90%以上
B:表面膜密度が80%以上90%未満
C:表面膜密度が50%以上80%未満
D:表面膜密度が50%未満
Moreover, when the density D when viewed from the film surface (hereinafter referred to as surface film density) was calculated by D = 100% − (porosity of the film surface) using the porosity of the obtained film surface, The results shown in Table 3 were obtained. Further, when the film density was evaluated based on the measured film density of the surface in the following four stages, it was as shown in Table 3.
<Evaluation criteria for compactness>
A: Surface film density is 90% or more B: Surface film density is 80% or more and less than 90% C: Surface film density is 50% or more and less than 80% D: Surface film density is less than 50%

また、試料2及び9については、研磨断面の気孔率についても測定した。この研磨断面の気孔率についても測定は、例B3に示される手順に従い膜の厚み方向における断面研磨面の電子顕微鏡(SEM)画像(倍率10000倍以上)を取得したこと以外は、上述の膜表面の気孔率と同様にして行った。この気孔率の測定は配向膜断面の2μm×4μmの領域について行われた。こうして試料9の断面研磨面から算出した気孔率は平均で4.8%(2箇所の断面研磨面の平均値)であり、高密度な膜が形成されていることが確認された。また、試料9よりも密度の低い試料2についても研磨断面の気孔率を算出したところ平均で22.9%(2箇所の断面研磨面の平均値)であった。表3に示される結果のとおり、表面気孔率と断面気孔率は概ね対応している。このことから、表面気孔率に基づき算出された上述の表面膜密度、さらにはそれに基づいてなされた膜の緻密性の評価は膜表面のみならず膜の厚さ方向を含む膜全体の特性を概ね反映していることが分かる。   For samples 2 and 9, the porosity of the polished cross section was also measured. The porosity of this polished cross section is also measured by the above-described film surface except that an electron microscope (SEM) image (magnification of 10,000 times or more) of the cross-section polished surface in the thickness direction of the film was obtained according to the procedure shown in Example B3. This was carried out in the same manner as the porosity. This porosity measurement was performed on a 2 μm × 4 μm region of the alignment film cross section. Thus, the porosity calculated from the cross-sectional polished surface of Sample 9 was 4.8% on average (average value of two cross-sectional polished surfaces), and it was confirmed that a high-density film was formed. Further, the porosity of the polished cross section of Sample 2 having a density lower than that of Sample 9 was calculated to be 22.9% on average (average value of two cross-section polished surfaces). As the results shown in Table 3, the surface porosity and the cross-sectional porosity generally correspond. From this, the above-mentioned surface film density calculated based on the surface porosity, and further, the evaluation of the film density based on the above-mentioned film density generally includes not only the film surface but also the characteristics of the entire film including the film thickness direction. You can see that it reflects.

表3に示されるように、試料1〜17の全てにおいて所望の結晶配向性を有する概ね緻密な膜が得られた。特に、スルホン化処理条件で濃硫酸浸漬時間を長くしてスルホン基の量(密度)を多くした試料5〜10においては高い結晶配向性のみならず緻密性にも優れた膜が得られた。一方、スルホン化していないポリスチレン基材を用いた試料18はLDHの核が生成されず、LDH膜は形成されなかった。   As shown in Table 3, in all of Samples 1 to 17, almost dense films having the desired crystal orientation were obtained. In particular, in Samples 5 to 10 in which the concentrated sulfuric acid immersion time was increased under the sulfonation treatment conditions to increase the amount (density) of the sulfone group, a film excellent in not only high crystal orientation but also denseness was obtained. On the other hand, in Sample 18 using a polystyrene substrate that was not sulfonated, LDH nuclei were not generated, and an LDH film was not formed.

10,10’ LDH含有複合材料
12 多孔質基材
14,14’ 機能層
10, 10 'LDH-containing composite material 12 Porous substrate 14, 14' Functional layer

Claims (14)

基材の表面に層状複水酸化物緻密膜を形成する方法であって、前記層状複水酸化物緻密膜が、一般式:M2+ 1−x3+ (OH)n− x/n・mHO(式中、M2+は2価の陽イオン、M3+は3価の陽イオンであり、An−はn価の陰イオン、nは1以上の整数、xは0.1〜0.4である)で表される層状複水酸化物からなり、
(a)pH5〜8の略全域において負のゼータ電位を呈する基材を用意する工程と、
(b)前記層状複水酸化物の構成元素を含む原料水溶液中で、前記基材に水熱処理を施して、前記層状複水酸化物緻密膜を前記基材の表面に形成させる工程と、
を含む、方法。
A method of forming a layered double hydroxide dense film on the surface of the substrate, the layered double hydroxide dense film, the general formula: M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 A n- x / n · mH 2 O (wherein, M 2+ is a divalent cation, M 3+ is a trivalent cation, a n-n-valent anion, n represents an integer of 1 or more, x is 0. 1 to 0.4), and a layered double hydroxide represented by
(A) a step of preparing a substrate exhibiting a negative zeta potential in a substantially entire range of pH 5 to 8,
(B) in a raw material aqueous solution containing the constituent element of the layered double hydroxide, the substrate is hydrothermally treated to form the layered double hydroxide dense film on the surface of the substrate;
Including a method.
前記工程(a)において、前記基材が固有の性質として前記負のゼータ電位を呈する、請求項1に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein in the step (a), the substrate exhibits the negative zeta potential as an intrinsic property. 前記工程(a)が、(a1)pH5〜8の少なくとも一部のpH域において正のゼータ電位を呈する基材を用意する工程と、(a2)前記基材の表面に、該表面がpH5〜8の略全域において負のゼータ電位を呈するように表面処理を行う工程とを含む、請求項1に記載の方法。   The step (a) comprises (a1) preparing a substrate exhibiting a positive zeta potential in at least a part of the pH range of pH 5 to 8, and (a2) the surface of the substrate having a pH of 5 to 5. A surface treatment so as to exhibit a negative zeta potential in substantially the entire region of 8. 前記工程(a2)における表面処理が、前記基材の表面をスルホン化すること、前記基材の表面を界面活性剤で処理すること、前記基材の表面をプラズマ処理すること、及び前記基材の表面を酸又はアルカリで処理することからなる群から選択される少なくとも1つにより行われる、請求項3に記載の方法。   The surface treatment in the step (a2) includes sulfonating the surface of the base material, treating the surface of the base material with a surfactant, treating the surface of the base material with plasma, and the base material. The method according to claim 3, wherein the method is carried out by at least one selected from the group consisting of treating the surface with acid or alkali. 前記工程(b)における水熱処理が、密閉容器中、60〜150℃で行われる、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the hydrothermal treatment in the step (b) is performed at 60 to 150 ° C in a sealed container. 前記一般式において、M2+がMg2+を含み、M3+がAl3+を含み、An−がOH及び/又はCO 2−を含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。 In the general formula, M 2+ comprises Mg 2+, include M 3+ is Al 3+, A n-is OH - and / or CO containing 3 2-, according to any one of claims 1 to 5 Method. 前記工程(b)で用いられる前記原料水溶液が、マグネシウムイオン(Mg2+)及びアルミニウムイオン(Al3+)を0.20〜0.40mol/Lの合計濃度で含み、かつ、尿素を含んでなる、請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。 The raw material aqueous solution used in the step (b) contains magnesium ions (Mg 2+ ) and aluminum ions (Al 3+ ) at a total concentration of 0.20 to 0.40 mol / L, and contains urea. The method according to any one of claims 1 to 6. 前記工程(b)で用いられる前記原料水溶液に硝酸マグネシウム及び硝酸アルミニウムが溶解されており、それにより該原料水溶液がマグネシウムイオン及びアルミニウムイオンに加えて硝酸イオンを含む、請求項7に記載の方法。   The method according to claim 7, wherein magnesium nitrate and aluminum nitrate are dissolved in the raw material aqueous solution used in the step (b), so that the raw material aqueous solution contains nitrate ions in addition to magnesium ions and aluminum ions. 前記工程(b)で用いられる前記原料水溶液における、前記尿素の前記硝酸イオン(NO )に対するモル比が、4〜5である、請求項8に記載の方法。 The method according to claim 8, wherein a molar ratio of the urea to the nitrate ion (NO 3 ) in the raw material aqueous solution used in the step (b) is 4 to 5. 前記基材が、セラミックス材料、金属材料、及び高分子材料からなる群から選択される少なくとも1種で構成される、請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 9, wherein the substrate is composed of at least one selected from the group consisting of a ceramic material, a metal material, and a polymer material. 前記基材が、セラミックス材料であり、該セラミックス材料が、アルミナ、ジルコニア、チタニア、マグネシア、スピネル、カルシア、コージライト、ゼオライト、ムライト、フェライト、酸化亜鉛、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、及び窒化ケイ素からなる群から選択される少なくとも1種である、請求項10に記載の方法。   The base material is a ceramic material, and the ceramic material is made of alumina, zirconia, titania, magnesia, spinel, calcia, cordierite, zeolite, mullite, ferrite, zinc oxide, silicon carbide, aluminum nitride, and silicon nitride. The method according to claim 10, wherein the method is at least one selected from the group. 前記基材が多孔質基材である、請求項1〜11のいずれか一項に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the substrate is a porous substrate. 前記層状複水酸化物緻密膜を構成する前記層状複水酸化物が複数の板状粒子の集合体で構成され、該複数の板状粒子がそれらの板面が前記基材の表面と略垂直に又は斜めに交差するような向きに配向してなる、請求項1〜12のいずれか一項に記載の方法。   The layered double hydroxide constituting the layered double hydroxide dense membrane is composed of an aggregate of a plurality of plate-like particles, and the plate-like particles have their plate surfaces substantially perpendicular to the surface of the substrate. The method according to any one of claims 1 to 12, which is oriented in such a direction as to cross each other diagonally or diagonally. 前記層状複水酸化物緻密膜が80%以上の表面膜密度を有する、請求項1〜13のいずれか一項に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the layered double hydroxide dense film has a surface film density of 80% or more.
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