JP2017202940A - Nano diamond production method - Google Patents

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明 劉
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nano diamond production method suitable for obtaining nano diamond with good production efficiency with achieving high dispersibility.SOLUTION: The nano diamond production method include a heat oxidation process S3 for oxygen oxidation treating a powder of nano diamond under a temperature condition of 230 to 320°C. Prior the heat oxidation process S3, a purification process S2 for purifying a nano diamond crude product can be conducted. After the heat oxidation process S3, a pulverization process S4 for pulverizing nano diamond secondary particles to nano diamond primary particles can be conducted.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、ナノダイヤモンドの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing nanodiamonds.

近年、ナノダイヤモンドと呼称される微粒子状のダイヤモンド材料の開発が進められている。ナノダイヤモンドについては、用途によっては、粒径が10nm以下のいわゆる一桁ナノダイヤモンドが求められる場合がある。そのようなナノダイヤモンドの製造に関する技術については、例えば下記の特許文献1〜3および非特許文献1に記載されている。   In recent years, development of fine-grained diamond materials called nanodiamonds has been promoted. As for nanodiamonds, so-called single-digit nanodiamonds having a particle size of 10 nm or less may be required depending on applications. Techniques relating to the production of such nanodiamonds are described in, for example, the following Patent Documents 1 to 3 and Non-Patent Document 1.

特開2005−001983号公報JP-A-2005-001983 特開2006−273704号公報JP 2006-273704 A 特開2010−126669号公報JP 2010-126669 A

O.Shenderovaら,“Modification of detonation nanodiamonds by heat treatment in air”,DIAMIOND AND RELATED MATERIALS,ELSEVIER B.V.,2006年10月13日,第15巻,p.1799-1803O.Shenderova et al., “Modification of detonation nanodiamonds by heat treatment in air”, DIAMIOND AND RELATED MATERIALS, ELSEVIER B.V., October 13, 2006, Vol. 15, p.1799-1803

一次粒子の粒径が10nm以下であるナノダイヤモンドは、バルクダイヤモンドがそうであるように、高い機械的強度や、高い熱伝導性、高い屈折率などを示し得る。微粒子たるナノ粒子は、一般に、表面原子(配位的に不飽和である)の割合が大きいので、隣接粒子の表面原子間で作用し得るファンデルワールス力の総和が大きくて凝集(aggregation)しやすい。これに加えて、ナノダイヤモンド粒子の場合、隣接結晶子の結晶面間クーロン相互作用が寄与して非常に強固に集成する凝着(agglutination)という現象が生じ得る。ナノダイヤモンドは、このように結晶子ないし一次粒子の間が重畳的に相互作用し得る特異な性質を有するところ、ナノダイヤモンドの一次粒子間を解離させて当該一次粒子が例えば溶媒中で分散した状態を創り出すことには、技術的困難を伴う。ナノダイヤモンドは、例えば爆轟法によって得られる生成物にて先ずは、一次粒子間が非常に強く相互作用して集成している凝着体(二次粒子)の形態をとり、二次粒子から一次粒子への解砕や、所望の溶媒中で一次粒子の分散状態を維持させることに、技術的困難を伴うのである。   Nanodiamonds having a primary particle size of 10 nm or less can exhibit high mechanical strength, high thermal conductivity, high refractive index, and the like, as do bulk diamonds. Nanoparticles, which are fine particles, generally have a large proportion of surface atoms (coordinately unsaturated), so that the sum of van der Waals forces that can act between surface atoms of adjacent particles is large and aggregates. Cheap. In addition to this, in the case of nanodiamond particles, a phenomenon called agglutination can be generated in which coulomb interaction between crystal planes of adjacent crystallites contributes and is very strongly assembled. Nanodiamond has such a unique property that crystallites or primary particles can interact with each other in a superimposed manner, and the primary particles are dispersed in, for example, a solvent by dissociating the primary particles of nanodiamond. Creating a technology involves technical difficulties. Nanodiamond is a product obtained by detonation, for example. First, it takes the form of an aggregate (secondary particle) in which primary particles are very strongly interacting and assembled. It is technically difficult to disintegrate into primary particles and maintain the dispersion state of primary particles in a desired solvent.

特許文献2および非特許文献1には、このようなナノダイヤモンドについて水における良分散状態を実現すべく解砕工程より前に空気酸化処理を行う手法が記載されている。特許文献2には、その実施例1〜3において550℃、600℃、または650℃の温度条件でナノダイヤモンド粉体の空気酸化処理が行われた旨の記載がある。非特許文献1には、350〜450℃の範囲内の温度条件でナノダイヤモンド粉体の空気酸化処理が行われた旨の記載がある。   Patent Document 2 and Non-Patent Document 1 describe a technique in which such nanodiamond is subjected to an air oxidation treatment prior to the crushing step so as to realize a good dispersion state in water. Patent Document 2 has a description that air oxidation treatment of nanodiamond powder was performed under the temperature conditions of 550 ° C., 600 ° C., or 650 ° C. in Examples 1 to 3. Non-Patent Document 1 describes that air oxidation treatment of nanodiamond powder was performed under a temperature condition within a range of 350 to 450 ° C.

上述の空気酸化処理においては、ナノダイヤモンド粉体の加熱温度が高いほど、当該処理にて消費されるエネルギー量は増大する傾向にあり、且つ、加熱温度への昇温に要する時間や加熱温度からの降温に要する時間は長くなる傾向にある。空気酸化処理におけるエネルギー消費量の増大や昇温・降温の長時間化は、溶液系での分散化の図られたナノダイヤモンドを効率よく生産するうえで好ましくない。   In the above-described air oxidation treatment, the higher the heating temperature of the nanodiamond powder, the more the amount of energy consumed in the treatment tends to increase, and from the time required for raising the temperature to the heating temperature and the heating temperature. The time required for lowering the temperature tends to be longer. Increasing the energy consumption in air oxidation treatment and increasing the temperature rise / fall time are not preferable for efficiently producing nanodiamonds dispersed in a solution system.

本発明は、以上のような事情の下で考え出されたものであって、ナノダイヤモンドについて溶液系での高い分散性を実現しつつ生産効率よく得るのに適したナノダイヤモンド製造方法を提供することを、目的とする。   The present invention has been conceived under the circumstances as described above, and provides a nanodiamond production method suitable for obtaining high production efficiency while realizing high dispersibility in a solution system for nanodiamonds. That is the purpose.

本発明により提供されるナノダイヤモンド製造方法は、ナノダイヤモンドの粉体を230〜320℃の温度条件で酸素酸化処理するための熱酸化工程を含む。本発明において、酸素酸化処理とは、酸素の存在する雰囲気下にナノダイヤモンドがおかれた状態で酸素酸化反応を生じさせる処理である。   The nanodiamond manufacturing method provided by the present invention includes a thermal oxidation process for subjecting nanodiamond powder to an oxygen oxidation treatment at a temperature of 230 to 320 ° C. In the present invention, the oxygen oxidation treatment is a treatment for causing an oxygen oxidation reaction in a state where nanodiamonds are placed in an atmosphere in which oxygen is present.

ナノダイヤモンドの表面にグラファイトやアモルファス炭素等の非ダイヤモンド炭素が存在している場合においてその非ダイヤモンド炭素に酸素酸化反応が生じると、二酸化炭素が発生して当該非ダイヤモンド炭素はナノダイヤモンド表面から除去されることとなる。ナノダイヤモンド表面に存在するグラファイトやアモルファス炭素等の非ダイヤモンド炭素が多いほど、溶液系での当該ナノダイヤモンド粒子の分散性は低い傾向にあるところ、ナノダイヤモンド表面の非ダイヤモンド炭素が酸素酸化処理によって除去または低減されることは、ナノダイヤモンドについて溶液系での高い分散性を実現するのに資する。一方、ナノダイヤモンド自体の表面にて酸素酸化反応が生じると、ナノダイヤモンド表面は酸素修飾されることとなる。具体的には、酸素原子を含有する官能基や部分構造がナノダイヤモンド表面に生ずることとなる。そのような官能基または部分構造としては、カルボニル基、カルボキシ基、ラクトン構造、酸無水物構造などが挙げられる。酸素原子を含有する官能基や部分構造がナノダイヤモンド表面に多いほど、溶液系での当該ナノダイヤモンド粒子の分散性は高い傾向にあるところ、ナノダイヤモンド表面が酸素酸化処理によって酸素修飾を受けることは、ナノダイヤモンドについて溶液系での高い分散性を実現するのに資する。   When non-diamond carbon such as graphite or amorphous carbon exists on the surface of nano-diamond, if oxygen oxidation reaction occurs on the non-diamond carbon, carbon dioxide is generated and the non-diamond carbon is removed from the nano-diamond surface. The Rukoto. The more non-diamond carbon such as graphite and amorphous carbon present on the nanodiamond surface, the lower the dispersibility of the nanodiamond particles in the solution system. However, the non-diamond carbon on the nanodiamond surface is removed by oxygen oxidation treatment. Alternatively, the reduction contributes to achieving high dispersibility in a solution system for nanodiamonds. On the other hand, when an oxygen oxidation reaction occurs on the surface of the nanodiamond itself, the nanodiamond surface is oxygen-modified. Specifically, functional groups and partial structures containing oxygen atoms are generated on the nanodiamond surface. Examples of such a functional group or partial structure include a carbonyl group, a carboxy group, a lactone structure, and an acid anhydride structure. The more functional groups and partial structures containing oxygen atoms are present on the nanodiamond surface, the higher the dispersibility of the nanodiamond particles in the solution system. However, the nanodiamond surface is subject to oxygen modification by oxygen oxidation treatment. This contributes to the high dispersibility of nanodiamonds in solution systems.

本発明における熱酸化工程では、230〜320℃の温度条件でナノダイヤモンド粉体の酸素酸化処理が行われるところ、酸素酸化処理が例えば350℃以上もの高温条件で行われなくても、製造されるナノダイヤモンドについて溶液系での高い分散性を実現可能である場合があることを、本発明者らは見出した。加えて、酸素酸化処理が200℃という低温条件で行われる場合には、製造されるナノダイヤモンドについて溶液系での高い分散性を実現可能なほど充分には酸素酸化反応が進行しないことも、本発明者らは見出した。これらは、後記の実施例および比較例の示すところである。そして、酸素酸化処理では、ナノダイヤモンド粉体の加熱温度が低いほど当該処理でのエネルギー消費量は抑制され且つ加熱温度への昇温や加熱温度からの降温に要する時間は短くなる傾向にあるところ、熱酸化工程での酸素酸化処理が比較的に低温の230〜320℃で行われる本方法は、同工程におけるエネルギー消費量を抑制するのに適し、また、昇温時間や降温時間を短くするのに適する。ナノダイヤモンド製造過程における熱酸化工程でのエネルギー消費量の抑制や昇温時間・降温時間の短縮化は、溶液系での高い分散性を示すナノダイヤモンドを生産効率よく得るのに資する。   In the thermal oxidation process of the present invention, the nano-diamond powder is subjected to oxygen oxidation treatment at a temperature condition of 230 to 320 ° C., but is manufactured even if the oxygen oxidation treatment is not performed at a high temperature condition of, for example, 350 ° C. or higher. The present inventors have found that high dispersibility in a solution system can be realized for nanodiamonds. In addition, when the oxygen oxidation treatment is performed under a low temperature condition of 200 ° C., the oxygen oxidation reaction does not proceed sufficiently to achieve high dispersibility in the solution system for the manufactured nanodiamond. The inventors have found. These are the examples and comparative examples described later. In the oxygen oxidation treatment, the lower the heating temperature of the nanodiamond powder, the more the energy consumption in the treatment is suppressed, and the time required for the temperature to rise to or fall from the heating temperature tends to be shorter. The method in which the oxygen oxidation treatment in the thermal oxidation process is performed at a relatively low temperature of 230 to 320 ° C. is suitable for suppressing energy consumption in the process, and shortens the temperature rising time and the temperature falling time. Suitable for Suppressing energy consumption in the thermal oxidation process in the nanodiamond manufacturing process and shortening the temperature rise time and temperature fall time contribute to the production efficiency of nanodiamonds exhibiting high dispersibility in a solution system.

以上のように、本発明のナノダイヤモンド製造方法は、ナノダイヤモンドについて溶液系での高い分散性を実現しつつ生産効率よく得るのに適するのである。   As described above, the nanodiamond production method of the present invention is suitable for obtaining high production efficiency while realizing high dispersibility in a solution system for nanodiamonds.

好ましくは、熱酸化工程は、不活性ガスと酸素とを含む混合ガスの雰囲気下で行われる。不活性ガスは、好ましくは窒素である。このような混合ガスの酸素含有率は、好ましくは1〜10体積%である。これらの構成は、比較的に低温の230〜320℃の温度条件で酸素酸化処理を適切に行ううえで好適である。   Preferably, the thermal oxidation step is performed in an atmosphere of a mixed gas containing an inert gas and oxygen. The inert gas is preferably nitrogen. The oxygen content of such a mixed gas is preferably 1 to 10% by volume. These configurations are suitable for appropriately performing the oxygen oxidation treatment at a relatively low temperature of 230 to 320 ° C.

本発明のナノダイヤモンド製造方法は、ナノダイヤモンド粗生成物を精製するための精製工程を、熱酸化工程より前に含んでもよい。この精製工程は、ナノダイヤモンドに酸化剤を作用させる溶液酸化処理を含んでもよい。当該溶液酸化処理によると、ナノダイヤモンド表面に存在するグラファイトやアモルファス炭素等の非ダイヤモンド炭素は低減される。酸化剤は、硫酸および硝酸を含有するのが好ましい。これらの構成は、熱酸化工程に供されるナノダイヤモンドの精製の度合いを高めるうえで好適である。熱酸化工程に供されるナノダイヤモンドの精製の度合いが高いほど、即ち、熱酸化工程に供されるナノダイヤモンドの表面に存在するグラファイトやアモルファス炭素等の非ダイヤモンド炭素が少ないほど、当該工程の酸素酸化処理では、ナノダイヤモンド自体の表面に作用する酸素量は多くなる傾向にあり、従って、ナノダイヤモンド表面は酸素修飾を受けやすくなる。   The nanodiamond production method of the present invention may include a purification step for purifying the nanodiamond crude product before the thermal oxidation step. This purification step may include a solution oxidation treatment in which an oxidizing agent is allowed to act on the nanodiamond. According to the solution oxidation treatment, non-diamond carbon such as graphite and amorphous carbon existing on the nanodiamond surface is reduced. The oxidizing agent preferably contains sulfuric acid and nitric acid. These structures are suitable for increasing the degree of purification of the nanodiamond used for the thermal oxidation process. The higher the degree of purification of the nanodiamond subjected to the thermal oxidation process, that is, the less non-diamond carbon such as graphite and amorphous carbon present on the surface of the nanodiamond subjected to the thermal oxidation process, In the oxidation treatment, the amount of oxygen acting on the surface of the nanodiamond itself tends to increase, and thus the nanodiamond surface is susceptible to oxygen modification.

本発明のナノダイヤモンド製造方法は、ナノダイヤモンド二次粒子をナノダイヤモンド一次粒子に解砕するための解砕工程を、熱酸化工程より後に含んでもよい。このような解砕工程は、ナノダイヤモンドを溶液系で適切に分散させるうえで好ましい。   The nanodiamond production method of the present invention may include a crushing step for crushing the nanodiamond secondary particles into nanodiamond primary particles after the thermal oxidation step. Such a crushing step is preferable for appropriately dispersing the nanodiamond in a solution system.

好ましくは、ナノダイヤモンドは、爆轟法によって生成したナノダイヤモンド(爆轟法ナノダイヤモンド)である。爆轟法によると、一次粒子の粒径が10nm以下のナノダイヤモンドを適切に生じさせることが可能である。   Preferably, the nano diamond is a nano diamond (detonation nano diamond) generated by a detonation method. According to the detonation method, it is possible to appropriately generate nanodiamond having a primary particle size of 10 nm or less.

本発明のナノダイヤモンド製造方法の一例の工程図である。It is process drawing of an example of the nano diamond manufacturing method of this invention. 本発明のナノダイヤモンド製造方法によって得られるナノダイヤモンドの分散する溶液(ナノダイヤモンド分散液)の拡大模式図である。It is an expansion schematic diagram of the solution (nanodiamond dispersion liquid) which the nanodiamond disperse | distributed by the nanodiamond manufacturing method of this invention.

図1は、本発明の一の実施形態たるナノダイヤモンド製造方法の工程図である。本製造方法は、例えばナノダイヤモンド分散液の調製に用いられ得るナノダイヤモンドを製造するための方法であり、本実施形態では、生成工程S1と、精製工程S2と、熱酸化工程S3とを少なくとも含む。   FIG. 1 is a process diagram of a nanodiamond manufacturing method according to an embodiment of the present invention. This production method is a method for producing nanodiamonds that can be used, for example, in the preparation of a nanodiamond dispersion. In this embodiment, the production method includes at least a generation step S1, a purification step S2, and a thermal oxidation step S3. .

生成工程S1では、例えば爆轟法によって、ナノダイヤモンドを生成させる。具体的には、まず、成形された爆薬に電気雷管が装着されたものを爆轟用の耐圧性容器の内部に設置し、容器内において所定組成の気体と使用爆薬とが共存する状態で、容器を密閉する。容器は例えば鉄製で、容器の容積は、例えば0.5〜40m3である。爆薬としては、トリニトロトルエン(TNT)とシクロトリメチレントリニトロアミンすなわちヘキソーゲン(RDX)との混合物を使用することができる。TNTとRDXの質量比(TNT/RDX)は、例えば40/60〜60/40の範囲とされる。爆薬の使用量は、例えば0.05〜2.0kgである。 In the production step S1, nanodiamonds are produced, for example, by detonation. Specifically, first, a molded explosive equipped with an electric detonator is installed inside a pressure-resistant container for detonation, and in a state where a predetermined composition of gas and a used explosive coexist in the container, Seal the container. The container is made of, for example, iron, and the volume of the container is, for example, 0.5 to 40 m 3 . As the explosive, a mixture of trinitrotoluene (TNT) and cyclotrimethylenetrinitroamine, ie hexogen (RDX), can be used. The mass ratio (TNT / RDX) between TNT and RDX is, for example, in the range of 40/60 to 60/40. The amount of explosive used is, for example, 0.05 to 2.0 kg.

生成工程S1では、次に、電気雷管を起爆させ、容器内で爆薬を爆轟させる。爆轟とは、化学反応に伴う爆発のうち反応の生じる火炎面が音速を超えた高速で移動するものをいう。爆轟の際、使用爆薬が部分的に不完全燃焼を起こして遊離した炭素を原料として、爆発で生じた衝撃波の圧力とエネルギーの作用によってナノダイヤモンドが生成する。爆轟法によると、一次粒子の粒径が10nm以下のナノダイヤモンドを適切に生じさせることが可能である。ナノダイヤモンドは、爆轟法により得られる生成物にて先ずは、隣接する一次粒子ないし結晶子の間がファンデルワールス力の作用に加えて結晶面間クーロン相互作用が寄与して非常に強固に集成し、凝着体をなす。   Next, in the generation step S1, the electric detonator is detonated, and the explosive is detonated in the container. Detonation refers to an explosion associated with a chemical reaction in which the reaction flame surface moves at a speed exceeding the speed of sound. At the time of detonation, the diamond used is generated by the action of the pressure and energy of the shock wave generated by the explosion, using the carbon that is liberated due to partial incomplete combustion of the explosive used. According to the detonation method, it is possible to appropriately generate nanodiamond having a primary particle size of 10 nm or less. Nanodiamond is a product obtained by the detonation method. First, the adjacent primary particles or crystallites are very strong due to the coulomb interaction between crystal planes in addition to the action of van der Waals force. Gather and form a cohesive.

生成工程S1では、次に、室温での例えば24時間の放置により、容器およびその内部を降温させる。この放冷の後、容器の内壁に付着しているナノダイヤモンド粗生成物(上述のようにして生成したナノダイヤモンドの凝着体と煤を含む)をヘラで掻き取る作業を行い、ナノダイヤモンド粗生成物を回収する。以上のような爆轟法によって、ナノダイヤモンド粒子の粗生成物を得ることができる。また、以上のような生成工程S1を必要回数行うことによって、所望量のナノダイヤモンド粗生成物を取得することが可能である。   In the production step S1, the temperature of the container and its interior is then lowered by leaving it at room temperature, for example, for 24 hours. After this cooling, the nanodiamond coarse product (including the nanodiamond adherends and wrinkles produced as described above) adhering to the inner wall of the container is scraped off with a spatula, and the nanodiamond coarse product is scraped off. The product is recovered. A crude product of nanodiamond particles can be obtained by the detonation method as described above. Moreover, it is possible to obtain a desired amount of the nanodiamond crude product by performing the generation step S1 as described above as many times as necessary.

精製工程S2は、本実施形態では、原料たるナノダイヤモンド粗生成物に例えば水溶媒中で強酸を作用させる酸処理を含む。爆轟法で得られるナノダイヤモンド粗生成物には金属酸化物が含まれやすいところ、この金属酸化物は、爆轟法に使用される容器等に由来するFe,Co,Ni等の酸化物である。例えば水溶媒中で所定の強酸を作用させることにより、ナノダイヤモンド粗生成物から金属酸化物を溶解・除去することができる(酸処理)。この酸処理に用いられる強酸としては、鉱酸が好ましく、例えば、塩酸、フッ化水素酸、硫酸、硝酸、および王水が挙げられる。酸処理では、一種類の強酸を用いてもよいし、二種類以上の強酸を用いてもよい。酸処理で使用される強酸の濃度は例えば1〜50質量%である。酸処理温度は例えば70〜150℃である。酸処理時間は例えば0.1〜24時間である。また、酸処理は、減圧下、常圧下、または加圧下で行うことが可能である。このような酸処理の後、例えばデカンテーションにより、固形分(ナノダイヤモンド凝着体を含む)の水洗を行う。沈殿液のpHが例えば2〜3に至るまで、デカンテーションによる当該固形分の水洗を反復して行うのが好ましい。爆轟法で得られるナノダイヤモンド粗生成物における金属酸化物の含有量が少ない場合には、以上のような酸処理を省略してもよい。   In the present embodiment, the purification step S2 includes an acid treatment in which a strong acid is allowed to act on the raw nanodiamond product as a raw material in, for example, an aqueous solvent. The nano-diamond crude product obtained by the detonation method is likely to contain a metal oxide. This metal oxide is an oxide such as Fe, Co, Ni, etc. derived from the container used for the detonation method. is there. For example, by applying a predetermined strong acid in an aqueous solvent, the metal oxide can be dissolved and removed from the nanodiamond crude product (acid treatment). The strong acid used for this acid treatment is preferably a mineral acid, and examples thereof include hydrochloric acid, hydrofluoric acid, sulfuric acid, nitric acid, and aqua regia. In the acid treatment, one type of strong acid may be used, or two or more types of strong acid may be used. The concentration of the strong acid used in the acid treatment is, for example, 1 to 50% by mass. The acid treatment temperature is, for example, 70 to 150 ° C. The acid treatment time is, for example, 0.1 to 24 hours. The acid treatment can be performed under reduced pressure, normal pressure, or increased pressure. After such an acid treatment, the solid content (including the nanodiamond adherend) is washed with water, for example, by decantation. It is preferable to repeat the washing of the solid content by decantation until the pH of the precipitation liquid reaches, for example, 2 to 3. When the content of the metal oxide in the nanodiamond crude product obtained by the detonation method is small, the above acid treatment may be omitted.

精製工程S2は、本実施形態では、酸化剤を用いてナノダイヤモンド粗生成物(精製終了前のナノダイヤモンド凝着体)からグラファイトやアモルファス炭素等の非ダイヤモンド炭素を除去するための溶液酸化処理を含む。爆轟法で得られるナノダイヤモンド粗生成物にはグラファイト(黒鉛)やアモルファス炭素等の非ダイヤモンド炭素が含まれているところ、この非ダイヤモンド炭素は、使用爆薬が部分的に不完全燃焼を起こして遊離した炭素のうちナノダイヤモンド結晶を形成しなかった炭素に由来する。例えば上記の酸処理を経た後に、例えば水溶媒中で所定の酸化剤を作用させることにより、ナノダイヤモンド粗生成物から非ダイヤモンド炭素を除去することができる(溶液酸化処理)。この溶液酸化処理に用いられる酸化剤としては、例えば、クロム酸、無水クロム酸、二クロム酸、過マンガン酸、過塩素酸、及びこれらの塩、硝酸、並びに混酸(硫酸と硝酸の混合物)が挙げられる。混酸を調製するための濃硫酸と濃硝酸の比率は、例えば1:1〜10:1(体積比)である。溶液酸化処理では、一種類の酸化剤を用いてもよいし、二種類以上の酸化剤を用いてもよい。溶液酸化処理で使用される酸化剤の濃度は例えば3〜50質量%である。溶液酸化処理における酸化剤の使用量は、溶液酸化処理に付されるナノダイヤモンド粗生成物100質量部に対して例えば300〜2000質量部である。溶液酸化処理温度は例えば50〜250℃である。溶液酸化処理時間は例えば1〜72時間である。溶液酸化処理は、減圧下、常圧下、または加圧下で行うことが可能である。このような溶液酸化処理の後、例えばデカンテーションにより、固形分(ナノダイヤモンド凝着体を含む)の水洗を行う。水洗当初の上澄み液は着色しているところ、上澄み液が目視で透明になるまで、デカンテーションによる当該固形分の水洗を反復して行うのが好ましい。   In the present embodiment, the purification step S2 is a solution oxidation treatment for removing non-diamond carbon such as graphite and amorphous carbon from a crude nanodiamond product (nanodiamond aggregate before purification is finished) using an oxidizing agent. Including. The nano-diamond crude product obtained by the detonation method contains non-diamond carbon such as graphite and amorphous carbon. This non-diamond carbon causes partial incomplete combustion of the explosive used. It originates from the carbon which did not form the nano diamond crystal among the free carbon. For example, after the acid treatment described above, non-diamond carbon can be removed from the nanodiamond crude product by applying a predetermined oxidizing agent in an aqueous solvent, for example (solution oxidation treatment). Examples of the oxidizing agent used in the solution oxidation treatment include chromic acid, chromic anhydride, dichromic acid, permanganic acid, perchloric acid, and salts thereof, nitric acid, and mixed acid (a mixture of sulfuric acid and nitric acid). Can be mentioned. The ratio of concentrated sulfuric acid and concentrated nitric acid for preparing the mixed acid is, for example, 1: 1 to 10: 1 (volume ratio). In the solution oxidation treatment, one kind of oxidizing agent may be used, or two or more kinds of oxidizing agents may be used. The concentration of the oxidizing agent used in the solution oxidation treatment is, for example, 3 to 50% by mass. The usage-amount of the oxidizing agent in a solution oxidation process is 300-2000 mass parts with respect to 100 mass parts of nano diamond rough products attached | subjected to a solution oxidation process, for example. The solution oxidation treatment temperature is, for example, 50 to 250 ° C. The solution oxidation treatment time is, for example, 1 to 72 hours. The solution oxidation treatment can be performed under reduced pressure, normal pressure, or increased pressure. After such solution oxidation treatment, the solid content (including the nanodiamond adherend) is washed with water, for example, by decantation. When the supernatant liquid at the beginning of water washing is colored, it is preferable to repeat the washing of the solid content by decantation until the supernatant liquid becomes transparent visually.

以上のような酸処理および溶液酸化処理を経た後であっても、爆轟法ナノダイヤモンドは、一次粒子間が非常に強く相互作用して集成している凝着体(二次粒子)の形態をとる。この凝着体からの一次粒子の分離を促すために、本実施形態では、次に、ナノダイヤモンドに対して水溶媒中で所定のアルカリおよび過酸化水素を作用させてもよい。これにより、例えば、上述の酸処理によっても除去しきれなかった金属酸化物がナノダイヤモンドに残存する場合に当該金属酸化物を除去することができ、そして、ナノダイヤモンド凝着体からのナノダイヤモンド一次粒子の分離が促される(アルカリ過水処理)。この処理に用いられるアルカリとしては、例えば、水酸化ナトリウム、アンモニア、水酸化カリウム等が挙げられる。本処理において、アルカリの濃度は例えば0.1〜10質量%であり、過酸化水素の濃度は例えば1〜15質量%であり、処理温度は例えば40〜100℃であり、処理時間は例えば0.5〜5時間である。また、本処理は、減圧下、常圧下、または加圧下で行うことが可能である。本処理を経たナノダイヤモンド含有溶液から例えばデカンテーションによって上澄みが除かれた後、残留画分について乾燥処理に付して乾燥粉体を得る。乾燥処理の手法としては、例えば、噴霧乾燥装置を使用して行う噴霧乾燥や、エバポレーターを使用して行う蒸発乾固が挙げられる。   Even after the acid treatment and solution oxidation treatment as described above, detonation nanodiamonds are in the form of aggregates (secondary particles) in which the primary particles are assembled with very strong interactions. Take. In this embodiment, in order to promote separation of the primary particles from the adherend, a predetermined alkali and hydrogen peroxide may be allowed to act on the nanodiamond in an aqueous solvent. Thereby, for example, when the metal oxide that could not be removed even by the above-mentioned acid treatment remains in the nanodiamond, the metal oxide can be removed, and the primary nanodiamond from the nanodiamond adherend is removed. Separation of particles is promoted (alkaline overwater treatment). Examples of the alkali used for this treatment include sodium hydroxide, ammonia, potassium hydroxide and the like. In this treatment, the alkali concentration is, for example, 0.1 to 10% by mass, the hydrogen peroxide concentration is, for example, 1 to 15% by mass, the treatment temperature is, for example, 40 to 100 ° C., and the treatment time is, for example, 0. .5-5 hours. In addition, this treatment can be performed under reduced pressure, normal pressure, or increased pressure. After the supernatant is removed from the nanodiamond-containing solution that has undergone this treatment, for example, by decantation, the residual fraction is subjected to a drying treatment to obtain a dry powder. Examples of the drying treatment include spray drying performed using a spray drying apparatus and evaporation to dryness performed using an evaporator.

本方法においては、次に、熱酸化工程S3が行われる。熱酸化工程S3は、ナノダイヤモンドについて溶液系での高い分散性を実現するためにナノダイヤモンドを酸素酸化処理するための工程である。本工程では、精製工程S2を経たナノダイヤモンドの粉体について、ガス雰囲気炉を使用して、酸素を含有する所定組成のガス雰囲気下にて加熱する。具体的には、ガス雰囲気炉内にナノダイヤモンド粉体が配され、当該炉に対して酸素含有ガスが供給ないし通流され、加熱温度として設定された温度条件まで当該炉内が昇温されて酸素酸化処理が実施される。この酸素酸化処理の温度条件は230〜320℃である。酸素酸化処理の温度条件の下限は、好ましくは240℃、より好ましくは245℃、より好ましくは250℃である。酸素酸化処理の温度条件の上限は、好ましくは310℃、より好ましくは300℃、より好ましくは290℃、より好ましくは280℃、より好ましくは270℃、より好ましくは260℃である。また、本実施形態では、酸素含有ガスは、不活性ガスと酸素とを含有する混合ガスである。不活性ガスとしては、例えば、窒素、アルゴン、二酸化炭素、およびヘリウムが挙げられる。当該混合ガスの酸素含有率すなわち酸素濃度は、例えば1〜35体積%であり、好ましくは1〜10体積%であり、より好ましくは2〜5体積%である。当該酸素含有率は、比較的に低温の230〜320℃の温度条件でナノダイヤモンドに係る酸素酸化処理を適切に行ううえで好適である。   Next, in this method, a thermal oxidation step S3 is performed. The thermal oxidation step S3 is a step for subjecting nanodiamond to oxygen oxidation treatment in order to realize high dispersibility in a solution system. In this step, the nanodiamond powder that has undergone the purification step S2 is heated in a gas atmosphere having a predetermined composition containing oxygen using a gas atmosphere furnace. Specifically, nano-diamond powder is disposed in a gas atmosphere furnace, oxygen-containing gas is supplied to or passed through the furnace, and the furnace is heated to a temperature condition set as a heating temperature. Oxygen oxidation treatment is performed. The temperature condition of this oxygen oxidation treatment is 230 to 320 ° C. The lower limit of the temperature condition for the oxygen oxidation treatment is preferably 240 ° C, more preferably 245 ° C, and more preferably 250 ° C. The upper limit of the temperature condition of the oxygen oxidation treatment is preferably 310 ° C, more preferably 300 ° C, more preferably 290 ° C, more preferably 280 ° C, more preferably 270 ° C, more preferably 260 ° C. In the present embodiment, the oxygen-containing gas is a mixed gas containing an inert gas and oxygen. Examples of the inert gas include nitrogen, argon, carbon dioxide, and helium. The oxygen content of the mixed gas, that is, the oxygen concentration is, for example, 1 to 35% by volume, preferably 1 to 10% by volume, and more preferably 2 to 5% by volume. The said oxygen content rate is suitable when performing the oxygen oxidation process which concerns on a nano diamond appropriately by comparatively low temperature conditions of 230-320 degreeC.

このような熱酸化工程S3の酸素酸化処理では、酸素の存在する雰囲気下にナノダイヤモンドがおかれた状態で加熱によって酸素酸化反応が進む。ナノダイヤモンドの表面にグラファイトやアモルファス炭素等の非ダイヤモンド炭素が存在している場合においてその非ダイヤモンド炭素に酸素酸化反応が生じると、二酸化炭素が発生して当該非ダイヤモンド炭素はナノダイヤモンド表面から除去されることとなる。ナノダイヤモンド表面に存在するグラファイトやアモルファス炭素等の非ダイヤモンド炭素が多いほど、溶液系での当該ナノダイヤモンド粒子の分散性は低い傾向にあるところ、ナノダイヤモンド表面の非ダイヤモンド炭素が酸素酸化処理によって除去または低減されることは、ナノダイヤモンドについて溶液系での高い分散性を実現するのに資する。一方、ナノダイヤモンド自体の表面にて酸素酸化反応が生じると、ナノダイヤモンド表面は酸素修飾されることとなる。具体的には、酸素原子を含有する官能基や部分構造がナノダイヤモンド表面に生ずることとなる。そのような官能基または部分構造としては、カルボニル基、カルボキシ基、ラクトン構造、酸無水物構造などが挙げられる。酸素原子を含有する官能基や部分構造がナノダイヤモンド表面に多いほど、溶液系での当該ナノダイヤモンド粒子の分散性は高い傾向にあるところ、ナノダイヤモンド表面が酸素酸化処理によって酸素修飾を受けることは、ナノダイヤモンドについて溶液系での高い分散性を実現するのに資する。   In the oxygen oxidation treatment in the thermal oxidation step S3, the oxygen oxidation reaction proceeds by heating in a state where nanodiamonds are placed in an atmosphere in which oxygen exists. When non-diamond carbon such as graphite or amorphous carbon exists on the surface of nano-diamond, if oxygen oxidation reaction occurs on the non-diamond carbon, carbon dioxide is generated and the non-diamond carbon is removed from the nano-diamond surface. The Rukoto. The more non-diamond carbon such as graphite and amorphous carbon present on the nanodiamond surface, the lower the dispersibility of the nanodiamond particles in the solution system. However, the non-diamond carbon on the nanodiamond surface is removed by oxygen oxidation treatment. Alternatively, the reduction contributes to achieving high dispersibility in a solution system for nanodiamonds. On the other hand, when an oxygen oxidation reaction occurs on the surface of the nanodiamond itself, the nanodiamond surface is oxygen-modified. Specifically, functional groups and partial structures containing oxygen atoms are generated on the nanodiamond surface. Examples of such a functional group or partial structure include a carbonyl group, a carboxy group, a lactone structure, and an acid anhydride structure. The more functional groups and partial structures containing oxygen atoms are present on the nanodiamond surface, the higher the dispersibility of the nanodiamond particles in the solution system. However, the nanodiamond surface is subject to oxygen modification by oxygen oxidation treatment. This contributes to the high dispersibility of nanodiamonds in solution systems.

以上のような生成工程S1、精製工程S2、および熱酸化工程S3を含む一連の過程を経ることによって、ナノダイヤモンド分散液の調製に用いられ得るナノダイヤモンドを製造することができる。   By going through a series of processes including the production step S1, the purification step S2, and the thermal oxidation step S3 as described above, nanodiamonds that can be used for the preparation of the nanodiamond dispersion can be manufactured.

以上のような一連の過程を経て精製等された後であっても、爆轟法ナノダイヤモンドは、一次粒子間が非常に強く相互作用して集成している凝着体(二次粒子)の形態をとる。この凝着体から多くの一次粒子を分離させるため、上述の熱酸化工程S3の後に解砕工程S4を行ってもよい。解砕工程S4の前には、熱酸化工程S3を経たナノダイヤモンドは純水に懸濁され、その懸濁液のpHが例えば8〜12に調整される。このようにして、ナノダイヤモンドを含有するスラリーが調製される。そして、解砕工程S4では、当該スラリーが解砕処理に付される。解砕処理は、例えば、高剪断ミキサー、ハイシアーミキサー、ホモミキサー、ボールミル、ビーズミル、高圧ホモジナイザー、超音波ホモジナイザー、またはコロイドミルを使用して行うことができる。これらを組み合わせて解砕処理を実施してもよい。効率性の観点からはビーズミルを使用するのが好ましい。   Even after being refined through a series of processes as described above, detonation nanodiamonds are formed of aggregates (secondary particles) in which the primary particles are assembled with very strong interactions. Takes form. In order to separate many primary particles from the adherend, a crushing step S4 may be performed after the thermal oxidation step S3. Prior to the crushing step S4, the nano diamond that has undergone the thermal oxidation step S3 is suspended in pure water, and the pH of the suspension is adjusted to 8 to 12, for example. In this way, a slurry containing nanodiamond is prepared. And in crushing process S4, the said slurry is attached | subjected to a crushing process. The crushing treatment can be performed using, for example, a high shear mixer, a high shear mixer, a homomixer, a ball mill, a bead mill, a high-pressure homogenizer, an ultrasonic homogenizer, or a colloid mill. You may implement a crushing process combining these. From the viewpoint of efficiency, it is preferable to use a bead mill.

粉砕装置ないし分散機たるビーズミルは、例えば、円筒形状のミル容器と、ローターピンと、遠心分離機構と、原料タンクと、ポンプとを具備する。ローターピンは、ミル容器と共通の軸心を有してミル容器内部で高速回転可能に構成されている。遠心分離機構は、ミル容器内の上部に配されている。解砕工程S4におけるビーズミルによるビーズミリングでは、ミル容器内に所定量のビーズが充填され且つローターピンが当該ビーズを撹拌している状態で、ポンプの作用によって原料タンクからミル容器の下部に原料としての上記スラリー(ナノダイヤモンド凝着体を含む)が投入される。スラリーは、ミル容器内でビーズが高速撹拌されている中を通ってミル容器内の上部に到達する。この過程で、スラリーに含まれているナノダイヤモンド凝着体は、激しく運動しているビーズとの接触によって粉砕ないし分散化の作用を受ける。これにより、ナノダイヤモンドの凝着体(二次粒子)から一次粒子への解砕が進む。ミル容器内の上部の遠心分離機構に到達したスラリーとビーズは、稼働する遠心分離機構によって比重差を利用した遠心分離がなされ、ビーズはミル容器内に留まり、スラリーは、遠心分離機構に対して摺動可能に連結された中空ラインを経由してミル容器外に排出される。排出されたスラリーは、原料タンクに戻され、その後、ポンプの作用によって再びミル容器に投入される(循環運転)。このようなビーズミリングにおいて、使用される解砕メディアは例えばジルコニアビーズであり、ビーズの直径は例えば15〜500μmである。ミル容器内に充填されるビーズの量(見掛け体積)は、ミル容器の容積に対して例えば50〜80%である。ローターピンの周速は例えば8〜12m/分である。循環させるスラリーの量は例えば200〜600mlであり、スラリーの流速は例えば5〜15L/時間である。また、処理時間(循環運転時間)は例えば30〜300分間である。本実施形態においては、以上のような連続式のビーズミルに代えてバッチ式のビーズミルを使用してもよい。   A bead mill as a pulverizer or a disperser includes, for example, a cylindrical mill container, a rotor pin, a centrifugal separation mechanism, a raw material tank, and a pump. The rotor pin has a common axis with the mill container and is configured to be rotatable at high speed inside the mill container. The centrifugal separation mechanism is arranged at the upper part in the mill container. In the bead milling by the bead mill in the crushing step S4, a predetermined amount of beads are filled in the mill container and the rotor pin is stirring the beads, and the raw material tank is used as a raw material from the raw material tank to the lower part of the mill container by the action of the pump. The above slurry (including nano-diamond adherends) is charged. The slurry reaches the upper part in the mill container through the bead being rapidly stirred in the mill container. In this process, the nanodiamond aggregate contained in the slurry is subjected to the action of pulverization or dispersion by contact with the beads moving vigorously. Thereby, the crushing from the nanodiamond adherend (secondary particles) to the primary particles proceeds. The slurry and beads that have reached the centrifuge mechanism in the upper part of the mill container are centrifuged using the specific gravity difference by the operating centrifuge mechanism, the beads remain in the mill container, and the slurry is in contact with the centrifuge mechanism. It is discharged out of the mill container via a slidably connected hollow line. The discharged slurry is returned to the raw material tank, and then charged again into the mill container by the action of the pump (circulation operation). In such bead milling, the crushing medium used is, for example, zirconia beads, and the diameter of the beads is, for example, 15 to 500 μm. The amount (apparent volume) of beads filled in the mill container is, for example, 50 to 80% with respect to the volume of the mill container. The peripheral speed of the rotor pin is, for example, 8 to 12 m / min. The amount of the slurry to be circulated is, for example, 200 to 600 ml, and the flow rate of the slurry is, for example, 5 to 15 L / hour. The processing time (circulation operation time) is, for example, 30 to 300 minutes. In the present embodiment, a batch type bead mill may be used instead of the continuous bead mill as described above.

このような解砕工程S4を経ることによって、コロイド粒子として分散するナノダイヤモンドの一次粒子を含有するナノダイヤモンド分散液を得ることができる。   By passing through such a crushing step S4, a nanodiamond dispersion containing primary particles of nanodiamond dispersed as colloidal particles can be obtained.

解砕工程S4を経たスラリーについては、粗大粒子を除去するための分級操作を行ってもよい。例えば分級装置を使用して、遠心分離を利用した分級操作によってスラリーから粗大粒子を除去することができる。これにより、ナノダイヤモンドの一次粒子がコロイド粒子として分散する黒色透明のナノダイヤモンド分散液が得られる。   About the slurry which passed through crushing process S4, you may perform classification operation for removing a coarse particle. For example, using a classifier, coarse particles can be removed from the slurry by a classification operation utilizing centrifugation. Thereby, a black transparent nanodiamond dispersion liquid in which primary particles of nanodiamond are dispersed as colloidal particles is obtained.

解砕工程S4を経たナノダイヤモンド、または、解砕工程S4と分級操作を経たナノダイヤモンドについては、乾燥工程を行ってもよい。当該乾燥工程では、具体的には、ナノダイヤモンドを含有する上記分散液を乾燥処理に付して、ナノダイヤモンドの乾燥粉体を得る。乾燥処理の手法としては、例えば、噴霧乾燥装置を使用して行う噴霧乾燥や、エバポレーターを使用して行う蒸発乾固が挙げられる。   About the nano diamond which passed through crushing process S4, or the nano diamond which passed through crushing process S4 and classification operation, you may perform a drying process. In the drying step, specifically, the dispersion containing nanodiamond is subjected to a drying treatment to obtain a dry powder of nanodiamond. Examples of the drying treatment include spray drying performed using a spray drying apparatus and evaporation to dryness performed using an evaporator.

図2は、上述のようにして製造されるナノダイヤモンドを含有するナノダイヤモンド分散液たるND分散液10の拡大模式図である。ND分散液10は、ND粒子11および分散媒12を含有する。   FIG. 2 is an enlarged schematic view of the ND dispersion 10 which is a nanodiamond dispersion containing nanodiamonds manufactured as described above. The ND dispersion 10 contains ND particles 11 and a dispersion medium 12.

ND分散液10に含有されるND粒子11は、上述のようにして製造されるナノダイヤモンドに由来するナノダイヤモンド一次粒子またはナノダイヤモンド二次粒子であり、分散媒12中にて互いに離隔してコロイド粒子として分散している。ND粒子11の粒径D50(メディアン径)は、例えば60nm以下であり、好ましくは30nm以下、より好ましくは28nm以下、より好ましくは25nm以下、より好ましくは22nm以下、より好ましくは20nm以下である。また、ND粒子11をなすナノダイヤモンド一次粒子の粒径D50(メディアン径)は、例えば10nm以下であり、好ましくは8nm以下、より好ましくは6nm以下である。例えば、ナノダイヤモンド含有透明部材を形成する際に透明樹脂等にナノダイヤモンドを添加ないし供給するための材料としてND分散液10を用いる場合、ND粒子11の粒径D50が小さいほど、当該透明部材において高い透明性を実現するうえで好ましい傾向にある。一方、ND粒子11の粒径D50の下限は、例えば1nmである。本明細書では、分散液中の粒径D50は、いわゆる動的光散乱法によって測定される値とする。   The ND particles 11 contained in the ND dispersion 10 are nanodiamond primary particles or nanodiamond secondary particles derived from nanodiamonds produced as described above, and are separated from each other in the dispersion medium 12 to form a colloid. Dispersed as particles. The particle size D50 (median diameter) of the ND particles 11 is, for example, 60 nm or less, preferably 30 nm or less, more preferably 28 nm or less, more preferably 25 nm or less, more preferably 22 nm or less, and more preferably 20 nm or less. Moreover, the particle diameter D50 (median diameter) of the nanodiamond primary particles forming the ND particle 11 is, for example, 10 nm or less, preferably 8 nm or less, more preferably 6 nm or less. For example, when the ND dispersion 10 is used as a material for adding or supplying nanodiamonds to a transparent resin or the like when forming a nanodiamond-containing transparent member, the smaller the particle diameter D50 of the ND particles 11 is, It tends to be favorable in realizing high transparency. On the other hand, the lower limit of the particle size D50 of the ND particles 11 is, for example, 1 nm. In this specification, the particle size D50 in the dispersion is a value measured by a so-called dynamic light scattering method.

ND分散液10に含有される分散媒12は、ND分散液10においてND粒子11を適切に分散させるための媒体である。分散媒12としては、ナノダイヤモンドが溶解性を示し得る溶媒が好ましく、例えば、水、メタノール、エタノール、エチレングリコール、ジメチルスルホキシド、およびN-メチルピロリドンが挙げられる。分散媒12としては、一種類の分散媒を用いてもよいし、二種類以上の分散媒を用いてもよい。ND粒子11の分散性の観点からは、分散媒12は、水、または、水を50質量%以上含む水系分散媒であるのが好ましい。   The dispersion medium 12 contained in the ND dispersion liquid 10 is a medium for appropriately dispersing the ND particles 11 in the ND dispersion liquid 10. The dispersion medium 12 is preferably a solvent in which nanodiamonds can exhibit solubility, and examples thereof include water, methanol, ethanol, ethylene glycol, dimethyl sulfoxide, and N-methylpyrrolidone. As the dispersion medium 12, one type of dispersion medium may be used, or two or more types of dispersion media may be used. From the viewpoint of dispersibility of the ND particles 11, the dispersion medium 12 is preferably water or an aqueous dispersion medium containing 50% by mass or more of water.

以上のような構成のND分散液10は、ナノダイヤモンドを含有する複合材料を作製する際のナノダイヤモンド供給材料として使用することができる。そして、上記のナノダイヤモンド製造方法は、例えばこのようなND分散液10の調製に用いることが可能なND粒子11を製造することができるのである。   The ND dispersion 10 having the above-described configuration can be used as a nanodiamond supply material when producing a composite material containing nanodiamonds. And the above-mentioned nanodiamond production method can produce ND particles 11 that can be used for the preparation of such an ND dispersion 10, for example.

上記のナノダイヤモンド製造方法における熱酸化工程S3の酸素酸化処理では、上述のように、ナノダイヤモンド表面にグラファイトやアモルファス炭素等の非ダイヤモンド炭素が存在している場合にはその非ダイヤモンド炭素は酸素酸化反応によってナノダイヤモンド表面から除去される。ナノダイヤモンド表面の非ダイヤモンド炭素が酸素酸化処理によって除去または低減されることは、上述のように、ナノダイヤモンドについて溶液系での高い分散性を実現するのに資する。加えて、熱酸化工程S3の酸素酸化処理では、上述のように、ナノダイヤモンド表面が酸素酸化反応によって酸素修飾され、酸素原子を含有する官能基や部分構造(カルボニル基、カルボキシ基、ラクトン構造、酸無水物構造など)がナノダイヤモンド表面に生ずる。酸素原子を含有する官能基や部分構造がナノダイヤモンド表面に多いほど、溶液系での当該ナノダイヤモンド粒子の分散性は高い傾向にあるところ、上述のように、ナノダイヤモンド表面が酸素酸化処理によって酸素修飾を受けることは、ナノダイヤモンドについて溶液系での高い分散性を実現するのに資する。   In the oxygen oxidation treatment in the thermal oxidation step S3 in the nanodiamond manufacturing method, as described above, when non-diamond carbon such as graphite or amorphous carbon exists on the nanodiamond surface, the non-diamond carbon is oxidized by oxygen. It is removed from the nanodiamond surface by reaction. The removal or reduction of non-diamond carbon on the nanodiamond surface by the oxygen oxidation treatment contributes to achieving high dispersibility in the solution system of nanodiamond as described above. In addition, in the oxygen oxidation treatment of the thermal oxidation step S3, as described above, the nanodiamond surface is oxygen-modified by an oxygen oxidation reaction, and a functional group or partial structure containing an oxygen atom (carbonyl group, carboxy group, lactone structure, An acid anhydride structure, etc.) occurs on the nanodiamond surface. As the number of functional groups and partial structures containing oxygen atoms increases on the nanodiamond surface, the dispersibility of the nanodiamond particles in a solution system tends to be higher. The modification contributes to achieving high dispersibility in a solution system for nanodiamonds.

そして、熱酸化工程S3では、230〜320℃の温度条件でナノダイヤモンド粉体の酸素酸化処理が行われるところ、酸素酸化処理が例えば350℃以上もの高温条件で行われなくても、製造されるナノダイヤモンドについて溶液系での高い分散性を実現可能である場合があることを、本発明者らは見出した。加えて、酸素酸化処理が200℃という低温条件で行われる場合には、製造されるナノダイヤモンドについて溶液系での高い分散性を実現可能なほど充分には酸素酸化反応が進行しないことも、本発明者らは見出した。これらは、後記の実施例および比較例の示すところである。そして、酸素酸化処理では、ナノダイヤモンド粉体の加熱温度が低いほど当該処理でのエネルギー消費量は抑制され且つ加熱温度への昇温や加熱温度からの降温に要する時間は短くなる傾向にあるところ、熱酸化工程S3での酸素酸化処理が比較的に低温の230〜320℃で行われる上述のナノダイヤモンド製造方法は、熱酸化工程S3におけるエネルギー消費量を抑制するのに適し、また、昇温時間や降温時間を短くするのに適する。ナノダイヤモンド製造過程における熱酸化工程S3でのエネルギー消費量の抑制や昇温時間・降温時間の短縮化は、溶液系での高い分散性を示すナノダイヤモンドを生産効率よく得るのに資する。   In the thermal oxidation step S3, the nano-diamond powder is subjected to oxygen oxidation treatment at a temperature condition of 230 to 320 ° C., and manufactured even if the oxygen oxidation treatment is not performed at a high temperature condition of, for example, 350 ° C. or higher. The present inventors have found that high dispersibility in a solution system can be realized for nanodiamonds. In addition, when the oxygen oxidation treatment is performed under a low temperature condition of 200 ° C., the oxygen oxidation reaction does not proceed sufficiently to achieve high dispersibility in the solution system for the manufactured nanodiamond. The inventors have found. These are the examples and comparative examples described later. In the oxygen oxidation treatment, the lower the heating temperature of the nanodiamond powder, the more the energy consumption in the treatment is suppressed, and the time required for the temperature to rise to or fall from the heating temperature tends to be shorter. The above-described nanodiamond manufacturing method in which the oxygen oxidation treatment in the thermal oxidation step S3 is performed at a relatively low temperature of 230 to 320 ° C. is suitable for suppressing the energy consumption in the thermal oxidation step S3. Suitable for shortening time and cooling time. The suppression of energy consumption in the thermal oxidation step S3 in the nanodiamond manufacturing process and the shortening of the temperature rise time and temperature fall time contribute to the production efficiency of nanodiamonds exhibiting high dispersibility in a solution system.

以上のように、図1を参照して上述したナノダイヤモンド製造方法は、ナノダイヤモンドについて溶液系での高い分散性を実現しつつ生産効率よく得るのに適するのである。   As described above, the nanodiamond manufacturing method described above with reference to FIG. 1 is suitable for obtaining high production efficiency while realizing high dispersibility in a solution system for nanodiamond.

上述のナノダイヤモンド製造方法は、ナノダイヤモンド粗生成物を精製するための精製工程S2を、熱酸化工程S3より前に含むところ、このような構成は、熱酸化工程S3に供されるナノダイヤモンドの精製の度合いを高めるうえで好適である。熱酸化工程S3に供されるナノダイヤモンドの精製の度合いが高いほど、即ち、熱酸化工程S3に供されるナノダイヤモンドの表面に存在するグラファイトやアモルファス炭素等の非ダイヤモンド炭素が少ないほど、熱酸化工程S3の酸素酸化処理では、ナノダイヤモンド自体の表面に作用する酸素量は多くなる傾向にあり、従って、ナノダイヤモンド表面は酸素修飾を受けやすくなる。   The above-described nanodiamond manufacturing method includes a purification step S2 for purifying a nanodiamond crude product before the thermal oxidation step S3, and such a configuration is used for the nanodiamond to be subjected to the thermal oxidation step S3. It is suitable for increasing the degree of purification. The higher the degree of purification of the nanodiamond used for the thermal oxidation step S3, that is, the less non-diamond carbon such as graphite or amorphous carbon present on the surface of the nanodiamond used for the thermal oxidation step S3, In the oxygen oxidation treatment in step S3, the amount of oxygen acting on the surface of the nanodiamond itself tends to increase, and therefore the nanodiamond surface is easily subjected to oxygen modification.

〔実施例1〕
爆轟法によって得られたナノダイヤモンド粗生成物に対し、精製工程の酸処理を行った。具体的には、当該ナノダイヤモンド粗生成物200gに6Lの10質量%塩酸を加えて得られたスラリーに対し、常圧条件での還流下で1時間の加熱処理を行った。この酸処理における加熱温度は85〜100℃である。次に、冷却後、デカンテーションにより、固形分(ナノダイヤモンド凝着体と煤を含む)の水洗を行った。沈殿液のpHが低pH側から2に至るまで、デカンテーションによる当該固形分の水洗を反復して行った。
[Example 1]
The nanodiamond crude product obtained by the detonation method was subjected to an acid treatment in the purification process. Specifically, the slurry obtained by adding 6 L of 10 mass% hydrochloric acid to 200 g of the nanodiamond crude product was subjected to a heat treatment for 1 hour under reflux under normal pressure conditions. The heating temperature in this acid treatment is 85 to 100 ° C. Next, after cooling, the solid content (including the nanodiamond adherend and soot) was washed with water by decantation. The solid content was washed repeatedly with decantation until the pH of the precipitate reached 2 from the low pH side.

次に、精製工程の溶液酸化処理ないし混酸処理を行った。具体的には、酸処理後のデカンテーションを経て得た沈殿液(ナノダイヤモンド凝着体を含む)に、3Lの98質量%硫酸水溶液と1Lの69質量%硝酸水溶液とを加えてスラリーとした後、このスラリーに対し、常圧条件での還流下で5時間の加熱処理を行った。この酸化処理における加熱温度は120〜140℃である。次に、冷却後、デカンテーションにより、固形分(ナノダイヤモンド凝着体を含む)の水洗を行った。水洗当初の上澄み液は着色しているところ、上澄み液が目視で透明になるまで、デカンテーションによる当該固形分の水洗を反復して行った。   Next, solution oxidation treatment or mixed acid treatment in the purification step was performed. Specifically, 3 L of 98 mass% sulfuric acid aqueous solution and 1 L of 69 mass% nitric acid aqueous solution were added to a precipitation liquid (including nanodiamond adherend) obtained through decantation after acid treatment to form a slurry. Thereafter, the slurry was subjected to a heat treatment for 5 hours under reflux under normal pressure conditions. The heating temperature in this oxidation treatment is 120 to 140 ° C. Next, after cooling, the solid content (including the nanodiamond adherend) was washed with water by decantation. The supernatant liquid at the beginning of water washing was colored, and the solid contents were washed repeatedly by decantation until the supernatant liquid became transparent visually.

次に、溶液酸化処理後のデカンテーションを経て得た沈殿液(ナノダイヤモンド凝着体を含む)に対して1Lの10質量%水酸化ナトリウム水溶液と1Lの30質量%過酸化水素水溶液とを加えてスラリーとした後、このスラリーに対し、常圧条件での還流下で1時間の加熱処理を行った(アルカリ過水処理)。この処理における加熱温度は50〜105℃である。次に、冷却後、デカンテーションによって上澄みを除いた。そして、残留画分について乾燥処理に付して乾燥粉体を得た。乾燥処理の手法としては、エバポレーターを使用して行う蒸発乾固を採用した。   Next, 1 L of a 10% by mass sodium hydroxide aqueous solution and 1 L of a 30% by mass hydrogen peroxide aqueous solution are added to the precipitate (including the nanodiamond adherend) obtained through decantation after the solution oxidation treatment. Then, the slurry was subjected to heat treatment for 1 hour under reflux under normal pressure conditions (alkaline overwater treatment). The heating temperature in this treatment is 50 to 105 ° C. Next, after cooling, the supernatant was removed by decantation. The residual fraction was subjected to a drying treatment to obtain a dry powder. As a drying process, evaporation to dryness using an evaporator was employed.

次に、ガス雰囲気炉(商品名「ガス雰囲気チューブ炉 KTF045N1」,光洋サーモシステム株式会社製)を使用して熱酸化工程を行った。具体的には、上述のようにして得られたナノダイヤモンド粉体4.5gをガス雰囲気炉の炉心管内に静置し、炉心管に窒素ガスを流速1L/分で30分間通流させ続けた後、通流ガスを窒素から酸素と窒素との混合ガスへと切り替えて当該混合ガスを流速1L/分で炉心管に通流させ続けた。混合ガス中の酸素濃度は4体積%である。混合ガスへの切り替えの後、炉内を加熱設定温度250℃まで昇温させた。昇温速度については、加熱設定温度より20℃低い230℃までは10℃/分とし、その後、230℃からは加熱設定温度までは1℃/分とした。そして、炉内の温度条件を250℃に維持しつつ、炉内のナノダイヤモンド粉体について酸素酸化処理を行った。処理時間は1時間とした。以上のようにして、熱酸化工程ないし酸素酸化処理を経た実施例1のナノダイヤモンド粉体を得た。また、熱酸化工程ないし酸素酸化処理に付される前のナノダイヤモンド粉体の量に対する熱酸化工程ないし酸素酸化処理を経た後のナノダイヤモンド粉体の量の割合(収率)を求めたところ、97%であった。この値は、表1に掲げる(後記の実施例および比較例についても同様である)。   Next, a thermal oxidation process was performed using a gas atmosphere furnace (trade name “Gas Atmosphere Tube Furnace KTF045N1”, manufactured by Koyo Thermo System Co., Ltd.). Specifically, 4.5 g of the nanodiamond powder obtained as described above was placed in the core tube of a gas atmosphere furnace, and nitrogen gas was continuously passed through the core tube at a flow rate of 1 L / min for 30 minutes. Thereafter, the flow gas was switched from nitrogen to a mixed gas of oxygen and nitrogen, and the mixed gas was continuously passed through the reactor core tube at a flow rate of 1 L / min. The oxygen concentration in the mixed gas is 4% by volume. After switching to the mixed gas, the temperature in the furnace was raised to a heating set temperature of 250 ° C. The rate of temperature increase was 10 ° C./min up to 230 ° C., which is 20 ° C. lower than the heating set temperature. And the oxygen oxidation process was performed about the nano diamond powder in a furnace, maintaining the temperature conditions in a furnace at 250 degreeC. The processing time was 1 hour. As described above, the nanodiamond powder of Example 1 that had undergone the thermal oxidation process or oxygen oxidation treatment was obtained. Further, when the ratio (yield) of the amount of nanodiamond powder after undergoing the thermal oxidation step or oxygen oxidation treatment to the amount of nanodiamond powder before being subjected to the thermal oxidation step or oxygen oxidation treatment, 97%. This value is listed in Table 1 (the same applies to Examples and Comparative Examples described later).

次に、解砕工程を行った。具体的には、まず、上述の熱酸化工程を経たナノダイヤモンド粉体0.3gと純水29.7mlとを50mlのサンプル瓶に加えて混合し、スラリーを得た。次に、3mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液を用いて当該スラリーのpHを11に調整した。これによって、1質量%の固形分を含有してpHが11のスラリー30mlを調製した。次に、超音波照射器(商品名「超音波洗浄機 AS−3」,アズワン(AS ONE)社製)を使用して、当該スラリーに対して1時間の超音波照射を行った。この後、ビーズミリング装置(商品名「並列四筒式サンドグラインダー LSG−4U−2L型」,アイメックス株式会社製)を使用してビーズミリングを行った。具体的には、100mlのミル容器たるベッセル(アイメックス株式会社製)に対して超音波照射後のスラリー30mlと直径30μmのジルコニアビーズとを投入して封入し、装置を駆動させてビーズミリングを実行した。このビーズミリングにおいて、ジルコニアビーズの投入量はミル容器の容積に対して例えば33%であり、ミル容器の回転速度は2570rpmであり、ミリング時間は1時間である。   Next, the crushing process was performed. Specifically, first, 0.3 g of nanodiamond powder that had undergone the above-described thermal oxidation step and 29.7 ml of pure water were added to a 50 ml sample bottle and mixed to obtain a slurry. Next, the pH of the slurry was adjusted to 11 using a 3 mol / L aqueous sodium hydroxide solution. As a result, 30 ml of a slurry containing 1% by mass of solid and having a pH of 11 was prepared. Next, ultrasonic irradiation for 1 hour was performed with respect to the said slurry using the ultrasonic irradiation apparatus (Brand name "ultrasonic cleaning machine AS-3", the product made by AS ONE). Then, bead milling was performed using a bead milling device (trade name “parallel four-cylinder sand grinder LSG-4U-2L type”, manufactured by Imex Corporation). Specifically, 30 ml of slurry after ultrasonic irradiation and zirconia beads with a diameter of 30 μm are placed in a 100 ml mill vessel (Imex Co., Ltd.) and sealed, and the apparatus is driven to perform bead milling. did. In this bead milling, the input amount of zirconia beads is, for example, 33% with respect to the volume of the mill container, the rotation speed of the mill container is 2570 rpm, and the milling time is 1 hour.

次に、上述のような解砕工程を経たスラリーないし懸濁液について、遠心分離装置を使用して遠心分離処理を行った。この遠心分離処理における遠心力は20000×gとし、遠心時間は10分間とした。次に、当該遠心分離処理を経たナノダイヤモンド含有溶液の上清10mlを回収した。このようにして、ナノダイヤモンドが純水に分散する実施例1のナノダイヤモンド分散液を得た。そして、上記遠心分離処理を経たナノダイヤモンド含有溶液の上清10gを秤量し、ロータリーエバポレーターを使用して行う蒸発乾固操作によって当該上清液を乾燥させた後、乾燥残留物たるナノダイヤモンド粉体の秤量を行った。秤量した上清液10gの当該秤量値と、当該秤量上清液から加熱によって水分を蒸発させた後に残留する乾燥物の秤量値とに基づき、遠心分離処理を経たナノダイヤモンド含有上清液の固形分濃度は0.95質量%であると算出された。   Next, the centrifuge process was performed about the slurry thru | or suspension which passed through the above crushing processes using the centrifuge. The centrifugal force in this centrifugation treatment was 20000 × g, and the centrifugation time was 10 minutes. Next, 10 ml of the supernatant of the nanodiamond-containing solution that had undergone the centrifugation treatment was collected. In this way, a nanodiamond dispersion liquid of Example 1 in which nanodiamonds are dispersed in pure water was obtained. Then, 10 g of the supernatant of the nanodiamond-containing solution that has undergone the above centrifugation treatment is weighed, and the supernatant liquid is dried by an evaporation to dryness operation using a rotary evaporator, and then the nanodiamond powder that is a dry residue Were weighed. Based on the weighed value of 10 g of the weighed supernatant liquid and the weighed value of the dried product remaining after the moisture was evaporated from the weighed supernatant liquid by heating, the solid of the nanodiamond-containing supernatant liquid subjected to the centrifugal separation treatment The partial concentration was calculated to be 0.95% by mass.

〈粒径D50〉
実施例1のナノダイヤモンド分散液について、動的光散乱法によって当該回収溶液内のナノダイヤモンドの粒度分布を測定した。具体的には、Malvern社製の装置(商品名「ゼータサイザー ナノZS」)を使用して、当該回収液内のナノダイヤモンドの粒度分布を動的光散乱法(非接触後方散乱法)によって測定した。測定に付されたナノダイヤモンド分散液は、固形分濃度ないしナノダイヤモンド濃度が0.5〜2.0質量%となるように超純水で希釈した後に、超音波洗浄機による超音波照射を経たものである。測定の結果、ナノダイヤモンドの粒径D50(メディアン径)は18.4nmであった。その結果を表1に掲げる(後記の実施例および比較例についても同様である)。
<Particle size D50>
About the nano diamond dispersion liquid of Example 1, the particle size distribution of the nano diamond in the said recovery solution was measured by the dynamic light scattering method. Specifically, using a device made by Malvern (trade name “Zetasizer Nano ZS”), the particle size distribution of nanodiamond in the recovered liquid is measured by a dynamic light scattering method (non-contact backscattering method). did. The nanodiamond dispersion subjected to the measurement was diluted with ultrapure water so that the solid content concentration or the nanodiamond concentration was 0.5 to 2.0 mass%, and then subjected to ultrasonic irradiation with an ultrasonic cleaner. Is. As a result of the measurement, the particle diameter D50 (median diameter) of the nanodiamond was 18.4 nm. The results are listed in Table 1 (the same applies to Examples and Comparative Examples described later).

〈ゼータ電位〉
実施例1のナノダイヤモンド分散液に含まれるナノダイヤモンド粒子に関するゼータ電位について、Malvern社製の装置(商品名「ゼータサイザー ナノZS」)を使用して、レーザードップラー式電気泳動法によって測定した。測定に付された実施例1のナノダイヤモンド分散液について、固形分濃度ないしナノダイヤモンド濃度は0.5〜2.0質量%の範囲内に調整されており、pHは8.38である。ゼータ電位測定温度は25℃である。本測定の結果、実施例1のナノダイヤモンド分散液のゼータ電位は−36.0mVであった。この結果を表1に掲げる(後記の実施例および比較例についても同様である)。
<Zeta potential>
The zeta potential of the nanodiamond particles contained in the nanodiamond dispersion liquid of Example 1 was measured by laser Doppler electrophoresis using a device (trade name “Zetasizer Nano ZS”) manufactured by Malvern. With respect to the nanodiamond dispersion liquid of Example 1 subjected to the measurement, the solid content concentration or the nanodiamond concentration is adjusted within the range of 0.5 to 2.0 mass%, and the pH is 8.38. The zeta potential measurement temperature is 25 ° C. As a result of the measurement, the zeta potential of the nanodiamond dispersion liquid of Example 1 was −36.0 mV. The results are listed in Table 1 (the same applies to Examples and Comparative Examples described later).

〈FT-IR分析〉
上述の熱酸化工程を経た実施例1のナノダイヤモンド粉体について、FT-IR装置(商品名「FT−720」,株式会社堀場製作所製)を使用してフーリエ変換赤外分光分析(FT-IR)を行ったところ、カルボニル基(C=O)に帰属されるピークは1747cm-1に確認された。この結果を表1に掲げる(後記の実施例および比較例についても同様である)。
<FT-IR analysis>
About the nano diamond powder of Example 1 which passed through the above-mentioned thermal oxidation process, Fourier transform infrared spectroscopic analysis (FT-IR) using an FT-IR apparatus (trade name “FT-720”, manufactured by Horiba, Ltd.) ), A peak attributed to the carbonyl group (C═O) was confirmed at 1747 cm −1 . The results are listed in Table 1 (the same applies to Examples and Comparative Examples described later).

〈元素分析〉
上述の熱酸化工程を経た実施例1のナノダイヤモンド粉体について、元素分析装置(商品名「JM10」,株式会社ジェイ・サイエンス製)を使用して元素分析を行ったところ、炭素元素、水素元素、窒素元素、および酸素元素の総量に占める割合について、炭素元素は88.99%、水素元素は0.56%、窒素元素は2.29%、酸素元素は8.16%であった。当該酸素元素の割合については表1に掲げる(後記の実施例および比較例についても同様である)。
<Elemental analysis>
About the nanodiamond powder of Example 1 which passed through the above-mentioned thermal oxidation process, when elemental analysis was performed using an elemental analyzer (trade name “JM10”, manufactured by J Science Co., Ltd.), carbon element, hydrogen element Regarding the ratio of the total amount of nitrogen element and oxygen element, carbon element was 88.9%, hydrogen element was 0.56%, nitrogen element was 2.29%, and oxygen element was 8.16%. The ratio of the oxygen element is listed in Table 1 (the same applies to Examples and Comparative Examples described later).

〔実施例2〕
熱酸化工程における酸素酸化処理にて250℃に維持する時間を1時間に代えて3時間とした以外は実施例1と同様にして、実施例2のナノダイヤモンド粉体を得た。熱酸化工程ないし酸素酸化処理に付される前のナノダイヤモンド粉体の量に対する熱酸化工程ないし酸素酸化処理を経た後のナノダイヤモンド粉体の量の割合(収率)は、実施例2のナノダイヤモンド粉体については96%であった。また、実施例1のナノダイヤモンド粉体に代えて上述の実施例2のナノダイヤモンド粉体を用いた以外は実施例1と同様にして、実施例1に関して上述した解砕工程とその後の遠心分離処理を行った。これにより、ナノダイヤモンドが純水に分散する実施例2のナノダイヤモンド分散液を得た。
[Example 2]
A nanodiamond powder of Example 2 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the time for maintaining at 250 ° C. in the oxygen oxidation treatment in the thermal oxidation process was changed to 3 hours instead of 1 hour. The ratio (yield) of the amount of nanodiamond powder after the thermal oxidation step or oxygen oxidation treatment to the amount of nanodiamond powder before being subjected to the thermal oxidation step or oxygen oxidation treatment is the same as that of Example 2. The diamond powder was 96%. Further, the crushing step described above with respect to Example 1 and the subsequent centrifugation are performed in the same manner as Example 1 except that the nanodiamond powder of Example 2 described above is used instead of the nanodiamond powder of Example 1. Processed. This obtained the nano diamond dispersion liquid of Example 2 in which nano diamond is dispersed in pure water.

実施例2のナノダイヤモンド分散液について、実施例1と同様にして動的光散乱法によってナノダイヤモンドの粒度分布を測定したところ、ナノダイヤモンドの粒径D50(メディアン径)は26.7nmであった。実施例2のナノダイヤモンド分散液に含まれるナノダイヤモンド粒子に関するゼータ電位を実施例1と同様にして測定したところ、−40mVであった。ゼータ電位測定に付された実施例2のナノダイヤモンド分散液について、固形分濃度は0.5〜2.0質量%の範囲内に調整されており、pHは9.45である。ゼータ電位測定温度は25℃である。また、実施例2の上記ナノダイヤモンド粉体について、実施例1と同様にしてフーリエ変換赤外分光分析を行ったところ、カルボニル基(C=O)に帰属されるピークは1747cm-1に確認された。加えて、実施例2のナノダイヤモンド粉体について、実施例1と同様にして元素分析を行ったところ、炭素元素、水素元素、窒素元素、および酸素元素の総量に占める割合について、炭素元素は88.60%、水素元素は0.51%、窒素元素は2.25%、酸素元素は8.64%であった。 With respect to the nanodiamond dispersion liquid of Example 2, when the particle size distribution of nanodiamond was measured by the dynamic light scattering method in the same manner as in Example 1, the particle size D50 (median diameter) of nanodiamond was 26.7 nm. . When the zeta potential of the nanodiamond particles contained in the nanodiamond dispersion liquid of Example 2 was measured in the same manner as in Example 1, it was -40 mV. About the nanodiamond dispersion liquid of Example 2 attached | subjected to zeta potential measurement, solid content concentration is adjusted in the range of 0.5-2.0 mass%, and pH is 9.45. The zeta potential measurement temperature is 25 ° C. Further, when the above-described nanodiamond powder of Example 2 was subjected to Fourier transform infrared spectroscopic analysis in the same manner as in Example 1, the peak attributed to the carbonyl group (C═O) was confirmed at 1747 cm −1. It was. In addition, elemental analysis was performed on the nanodiamond powder of Example 2 in the same manner as in Example 1. As a percentage of the total amount of carbon element, hydrogen element, nitrogen element, and oxygen element, carbon element was 88%. It was 0.60%, hydrogen element was 0.51%, nitrogen element was 2.25%, and oxygen element was 8.64%.

〔実施例3〕
熱酸化工程における酸素酸化処理での温度条件を250℃に代えて300℃とした以外は実施例1と同様にして、実施例3のナノダイヤモンド粉体を得た。熱酸化工程ないし酸素酸化処理に付される前のナノダイヤモンド粉体の量に対する熱酸化工程ないし酸素酸化処理を経た後のナノダイヤモンド粉体の量の割合(収率)は、実施例3のナノダイヤモンド粉体については98%であった。また、実施例1のナノダイヤモンド粉体に代えて上述の実施例3のナノダイヤモンド粉体を用いた以外は実施例1と同様にして、実施例1に関して上述した解砕工程とその後の遠心分離処理を行った。これにより、ナノダイヤモンドが純水に分散する実施例3のナノダイヤモンド分散液を得た。
Example 3
A nanodiamond powder of Example 3 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the temperature condition in the oxygen oxidation treatment in the thermal oxidation process was changed to 300 ° C instead of 250 ° C. The ratio (yield) of the amount of nanodiamond powder after undergoing the thermal oxidation step or oxygen oxidation treatment to the amount of nanodiamond powder before being subjected to the thermal oxidation step or oxygen oxidation treatment is the same as that of Example 3. The diamond powder was 98%. Further, in the same manner as in Example 1 except that the nanodiamond powder of Example 3 described above was used instead of the nanodiamond powder of Example 1, the crushing step described above with respect to Example 1 and subsequent centrifugation were performed. Processed. This obtained the nano diamond dispersion liquid of Example 3 in which nano diamond is dispersed in pure water.

実施例3のナノダイヤモンド分散液について、実施例1と同様にして動的光散乱法によってナノダイヤモンドの粒度分布を測定したところ、ナノダイヤモンドの粒径D50(メディアン径)は21.3nmであった。実施例3のナノダイヤモンド分散液に含まれるナノダイヤモンド粒子に関するゼータ電位を実施例1と同様にして測定したところ、−37.3mVであった。ゼータ電位測定に付された実施例3のナノダイヤモンド分散液について、固形分濃度は0.1〜2.0質量%の範囲内に調整されており、pHは8.41である。ゼータ電位測定温度は25℃である。また、実施例3の上記ナノダイヤモンド粉体について、実施例1と同様にしてフーリエ変換赤外分光分析を行ったところ、カルボニル基(C=O)に帰属されるピークは1756cm-1に確認された。加えて、実施例3のナノダイヤモンド粉体について、実施例1と同様にして元素分析を行ったところ、炭素元素、水素元素、窒素元素、および酸素元素の総量に占める割合について、炭素元素88.28%、水素元素は0.42%、窒素元素は2.36%、酸素元素は8.94%であった。 With respect to the nanodiamond dispersion liquid of Example 3, when the particle size distribution of nanodiamond was measured by the dynamic light scattering method in the same manner as in Example 1, the particle size D50 (median diameter) of nanodiamond was 21.3 nm. . When the zeta potential of the nanodiamond particles contained in the nanodiamond dispersion liquid of Example 3 was measured in the same manner as in Example 1, it was -37.3 mV. About the nanodiamond dispersion liquid of Example 3 attached | subjected to zeta potential measurement, solid content concentration is adjusted in the range of 0.1-2.0 mass%, and pH is 8.41. The zeta potential measurement temperature is 25 ° C. Further, when the nanodiamond powder of Example 3 was subjected to Fourier transform infrared spectroscopic analysis in the same manner as in Example 1, the peak attributed to the carbonyl group (C═O) was confirmed at 1756 cm −1. It was. In addition, elemental analysis was performed on the nanodiamond powder of Example 3 in the same manner as in Example 1. As a result, the carbon element was 88.90% of the total amount of carbon element, hydrogen element, nitrogen element, and oxygen element. 28%, hydrogen element 0.42%, nitrogen element 2.36%, oxygen element 8.94%.

〔比較例1〕
熱酸化工程における酸素酸化処理での温度条件を250℃に代えて200℃とした以外は実施例1と同様にして、比較例1のナノダイヤモンド粉体を得た。熱酸化工程ないし酸素酸化処理に付される前のナノダイヤモンド粉体の量に対する熱酸化工程ないし酸素酸化処理を経た後のナノダイヤモンド粉体の量の割合(収率)は、比較例1のナノダイヤモンド粉体については96%であった。また、実施例1のナノダイヤモンド粉体に代えて上述の比較例1のナノダイヤモンド粉体を用いた以外は実施例1と同様にして、実施例1に関して上述した解砕工程とその後の遠心分離処理を行った。しかしながら、当該遠心分離処理によってナノダイヤモンドが沈降してしまい、比較例1の当該ナノダイヤモンドについては、動的光散乱法による粒度分布測定およびゼータ電位測定を行うことが出来なかった。一方、遠心分離処理によって沈降したナノダイヤモンドについて、ロータリーエバポレーターを使用して行う蒸発乾固操作によって乾燥させて、比較例1のナノダイヤモンド粉体を得た。比較例1のこのナノダイヤモンド粉体について、実施例1と同様にしてフーリエ変換赤外分光分析を行ったところ、カルボニル基(C=O)に帰属されるピークは1739cm-1に確認された。また、比較例1のナノダイヤモンド粉体について、実施例1と同様にして元素分析を行ったところ、炭素元素、水素元素、窒素元素、および酸素元素の総量に占める割合について、炭素元素88.98%、水素元素は0.68%、窒素元素は2.30%、酸素元素は8.04%であった。
[Comparative Example 1]
A nanodiamond powder of Comparative Example 1 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the temperature condition in the oxygen oxidation treatment in the thermal oxidation process was changed to 200 ° C instead of 250 ° C. The ratio (yield) of the amount of nanodiamond powder after undergoing the thermal oxidation step or oxygen oxidation treatment to the amount of nanodiamond powder before being subjected to the thermal oxidation step or oxygen oxidation treatment is the nano of Comparative Example 1. The diamond powder was 96%. Moreover, it replaced with the nano diamond powder of Example 1, and the crushing process mentioned above regarding Example 1 and subsequent centrifugation were carried out similarly to Example 1 except having used the nano diamond powder of the above-mentioned comparative example 1. Processed. However, the nanodiamond settled by the centrifugal separation treatment, and the particle size distribution measurement and the zeta potential measurement by the dynamic light scattering method could not be performed for the nanodiamond of Comparative Example 1. On the other hand, the nanodiamond precipitated by the centrifugal separation treatment was dried by an evaporating and drying operation performed using a rotary evaporator to obtain a nanodiamond powder of Comparative Example 1. When this nanodiamond powder of Comparative Example 1 was subjected to Fourier transform infrared spectroscopic analysis in the same manner as in Example 1, the peak attributed to the carbonyl group (C═O) was confirmed at 1739 cm −1 . The elemental analysis of the nanodiamond powder of Comparative Example 1 was performed in the same manner as in Example 1. As a result, the carbon element 88.98 was in proportion to the total amount of carbon element, hydrogen element, nitrogen element, and oxygen element. %, Hydrogen element 0.68%, nitrogen element 2.30%, oxygen element 8.04%.

〔比較例2〕
熱酸化工程における酸素酸化処理での温度条件を250℃に代えて200℃とし且つ処理時間を1時間に代えて3時間とした以外は実施例1と同様にして、比較例2のナノダイヤモンド粉体を得た。熱酸化工程ないし酸素酸化処理に付される前のナノダイヤモンド粉体の量に対する熱酸化工程ないし酸素酸化処理を経た後のナノダイヤモンド粉体の量の割合(収率)は、比較例2のナノダイヤモンド粉体については95%であった。また、実施例1のナノダイヤモンド粉体に代えて上述の比較例2のナノダイヤモンド粉体を用いた以外は実施例1と同様にして、実施例1に関して上述した解砕工程とその後の遠心分離処理を行った。しかしながら、当該遠心分離処理によってナノダイヤモンドが沈降してしまい、比較例2の当該ナノダイヤモンドについては、動的光散乱法による粒度分布測定およびゼータ電位測定を行うことが出来なかった。一方、遠心分離処理によって沈降したナノダイヤモンドについて、ロータリーエバポレーターを使用して行う蒸発乾固操作によって乾燥させて、比較例2のナノダイヤモンド粉体を得た。比較例2のこのナノダイヤモンド粉体について、実施例1と同様にしてフーリエ変換赤外分光分析を行ったところ、カルボニル基(C=O)に帰属されるピークは1747cm-1に確認された。また、比較例2のナノダイヤモンド粉体について、実施例1と同様にして元素分析を行ったところ、炭素元素、水素元素、窒素元素、および酸素元素の総量に占める割合について、炭素元素89.31%、水素元素は0.75%、窒素元素は2.31%、酸素元素は7.63%であった。
[Comparative Example 2]
Nanodiamond powder of Comparative Example 2 in the same manner as in Example 1 except that the temperature condition in the oxygen oxidation treatment in the thermal oxidation process was changed to 200 ° C. instead of 250 ° C. and the treatment time was changed to 3 hours instead of 1 hour. Got the body. The ratio (yield) of the amount of nanodiamond powder after the thermal oxidation step or oxygen oxidation treatment to the amount of nanodiamond powder before being subjected to the thermal oxidation step or oxygen oxidation treatment is the nano of Comparative Example 2. The diamond powder was 95%. Moreover, it replaced with the nano diamond powder of Example 1, and the crushing process mentioned above regarding Example 1 and the subsequent centrifugation were carried out similarly to Example 1 except having used the nano diamond powder of the above-mentioned comparative example 2. Processed. However, the nanodiamond settled by the centrifugal separation treatment, and the particle size distribution measurement and the zeta potential measurement by the dynamic light scattering method could not be performed for the nanodiamond of Comparative Example 2. On the other hand, the nanodiamond precipitated by the centrifugal separation treatment was dried by an evaporating and drying operation performed using a rotary evaporator to obtain a nanodiamond powder of Comparative Example 2. When this nanodiamond powder of Comparative Example 2 was subjected to Fourier transform infrared spectroscopic analysis in the same manner as in Example 1, a peak attributed to the carbonyl group (C═O) was confirmed at 1747 cm −1 . Further, when the elemental analysis was performed on the nanodiamond powder of Comparative Example 2 in the same manner as in Example 1, the proportion of the carbon element, hydrogen element, nitrogen element, and oxygen element in the total amount of carbon element 89.31 %, Hydrogen element was 0.75%, nitrogen element was 2.31%, and oxygen element was 7.63%.

〔比較例3〕
熱酸化工程における酸素酸化処理での温度条件を250℃に代えて425℃とした以外は実施例1と同様にして、比較例3のナノダイヤモンド粉体を得た。熱酸化工程ないし酸素酸化処理に付される前のナノダイヤモンド粉体の量に対する熱酸化工程ないし酸素酸化処理を経た後のナノダイヤモンド粉体の量の割合(収率)は、比較例3のナノダイヤモンド粉体については22%であった。また、実施例1のナノダイヤモンド粉体に代えて上述の比較例3のナノダイヤモンド粉体を用いた以外は実施例1と同様にして、実施例1に関して上述した解砕工程とその後の遠心分離処理を行った。これにより、ナノダイヤモンドが純水に分散する比較例3のナノダイヤモンド分散液を得た。
[Comparative Example 3]
A nanodiamond powder of Comparative Example 3 was obtained in the same manner as in Example 1, except that the temperature condition in the oxygen oxidation treatment in the thermal oxidation process was changed to 425 ° C instead of 250 ° C. The ratio (yield) of the amount of nanodiamond powder after the thermal oxidation step or oxygen oxidation treatment to the amount of nanodiamond powder before being subjected to the thermal oxidation step or oxygen oxidation treatment is the nano of Comparative Example 3. The diamond powder was 22%. Further, the crushing step described above with respect to Example 1 and the subsequent centrifugation are performed in the same manner as Example 1 except that the nanodiamond powder of Comparative Example 3 described above is used instead of the nanodiamond powder of Example 1. Processed. Thus, a nanodiamond dispersion liquid of Comparative Example 3 in which nanodiamonds are dispersed in pure water was obtained.

比較例3のナノダイヤモンド分散液について、実施例1と同様にして動的光散乱法によってナノダイヤモンドの粒度分布を測定したところ、ナノダイヤモンドの粒径D50(メディアン径)は11.4nmであった。比較例3のナノダイヤモンド分散液に含まれるナノダイヤモンド粒子に関するゼータ電位を実施例1と同様にして測定したところ、−45.8mVであった。ゼータ電位測定に付された比較例3のナノダイヤモンド分散液について、固形分濃度は0.5〜3質量%であり、pHは9.88である。ゼータ電位測定温度は25℃である。また、比較例3の上記ナノダイヤモンド粉体について、実施例1と同様にしてフーリエ変換赤外分光分析を行ったところ、カルボニル基(C=O)に帰属されるピークは1783cm-1に確認された。加えて、比較例3のナノダイヤモンド粉体について、実施例1と同様にして元素分析を行ったところ、炭素元素、水素元素、窒素元素、および酸素元素の総量に占める割合としての量について、炭素元素は81.62%、水素元素は0.36%、窒素元素は2.12%、酸素元素は15.9%であった。 When the nanodiamond particle size distribution of the nanodiamond dispersion liquid of Comparative Example 3 was measured by the dynamic light scattering method in the same manner as in Example 1, the particle size D50 (median diameter) of the nanodiamond was 11.4 nm. . When the zeta potential of the nanodiamond particles contained in the nanodiamond dispersion liquid of Comparative Example 3 was measured in the same manner as in Example 1, it was -45.8 mV. The nanodiamond dispersion liquid of Comparative Example 3 subjected to zeta potential measurement has a solid content concentration of 0.5 to 3% by mass and a pH of 9.88. The zeta potential measurement temperature is 25 ° C. Further, when the nanodiamond powder of Comparative Example 3 was subjected to Fourier transform infrared spectroscopic analysis in the same manner as in Example 1, the peak attributed to the carbonyl group (C═O) was confirmed at 1783 cm −1. It was. In addition, the nanodiamond powder of Comparative Example 3 was subjected to elemental analysis in the same manner as in Example 1. As a result, the amount of carbon as a proportion of the total amount of carbon, hydrogen, nitrogen, and oxygen was The element was 81.62%, the hydrogen element was 0.36%, the nitrogen element was 2.12%, and the oxygen element was 15.9%.

[評価]
比較例3のナノダイヤモンドが水において高い分散性を示したのと同様に、実施例1〜3のナノダイヤモンドも水において高い分散性を示した。具体的には、実施例1〜3のナノダイヤモンドは、分散媒としての水中にて比較的に小さな粒径D50(メディアン径)での粒度分布を示した。これは、実施例1〜3のナノダイヤモンドが熱酸化工程の酸素酸化処理にて充分な酸素酸化反応を受けたためであると考えられる。元素分析結果の一部として表1に示されている各実施例および各比較例の酸素量(%)は、酸素酸化処理の温度条件がより高温であるほど増加する傾向にあるところ、これは、酸素酸化処理の温度条件がより高温であるほどナノダイヤモンド表面での酸素酸化反応が進行していることを意味する。また、FT-IR分析の一部として表1に示されている各実施例および各比較例のカルボニル基帰属ピークの位置は、酸素酸化処理の温度条件がより高温であるほど高波数側にシフトする傾向にあるところ、これも、酸素酸化処理の温度条件がより高温であるほどナノダイヤモンド表面での酸素酸化反応が進行していることを示唆するものである。具体的には、カルボニル基帰属ピークの位置が高波数側にシフトするほど、ナノダイヤモンド表面のカルボキシ基や、カルボニル基、ラクトン構造、酸無水物構造が増加していると考えられるのである。これに対し、熱酸化工程の酸素酸化処理の温度条件が200℃とされた比較例1,2のナノダイヤモンドは、上述のように、分散しなかった。
[Evaluation]
Just as the nanodiamond of Comparative Example 3 showed high dispersibility in water, the nanodiamonds of Examples 1 to 3 also showed high dispersibility in water. Specifically, the nanodiamonds of Examples 1 to 3 exhibited a particle size distribution with a relatively small particle size D50 (median diameter) in water as a dispersion medium. This is considered to be because the nanodiamonds of Examples 1 to 3 were subjected to sufficient oxygen oxidation reaction in the oxygen oxidation treatment of the thermal oxidation process. The oxygen amount (%) of each Example and each Comparative Example shown in Table 1 as a part of the elemental analysis result tends to increase as the temperature condition of the oxygen oxidation treatment increases. The higher the temperature condition of the oxygen oxidation treatment, the more the oxygen oxidation reaction on the nanodiamond surface proceeds. In addition, the positions of the carbonyl group-assigned peaks in Examples 1 and Comparative Examples shown in Table 1 as part of FT-IR analysis are shifted to higher wavenumbers as the temperature condition of the oxygen oxidation treatment is higher. This also suggests that the oxygen oxidation reaction on the nanodiamond surface proceeds as the temperature condition of the oxygen oxidation treatment is higher. Specifically, the carboxy group, the carbonyl group, the lactone structure, and the acid anhydride structure on the surface of the nanodiamond are considered to increase as the position of the carbonyl group-affected peak shifts to the higher wavenumber side. In contrast, the nanodiamonds of Comparative Examples 1 and 2 in which the temperature condition of the oxygen oxidation treatment in the thermal oxidation process was 200 ° C. were not dispersed as described above.

Figure 2017202940
Figure 2017202940

10 ND分散液
11 ND粒子
12 分散媒
S1 生成工程
S2 精製工程
S3 熱酸化工程
S4 解砕工程
10 ND dispersion 11 ND particles 12 Dispersion medium S1 Production process S2 Purification process S3 Thermal oxidation process S4 Crushing process

Claims (9)

ナノダイヤモンドの粉体を230〜320℃の温度条件で酸素酸化処理するための熱酸化工程を含む、ナノダイヤモンド製造方法。   A method for producing nanodiamond, comprising a thermal oxidation step for subjecting nanodiamond powder to an oxygen oxidation treatment at a temperature of 230 to 320 ° C. 前記熱酸化工程は、不活性ガスと酸素とを含む混合ガスの雰囲気下で行われる、請求項1に記載のナノダイヤモンド製造方法。   The nano-diamond manufacturing method according to claim 1, wherein the thermal oxidation step is performed in an atmosphere of a mixed gas containing an inert gas and oxygen. 前記不活性ガスは窒素である、請求項2に記載のナノダイヤモンド製造方法。   The nanodiamond manufacturing method according to claim 2, wherein the inert gas is nitrogen. 前記混合ガスの酸素含有率は1〜10体積%である、請求項2または3に記載のナノダイヤモンド製造方法。   The method for producing nanodiamond according to claim 2 or 3, wherein the mixed gas has an oxygen content of 1 to 10% by volume. ナノダイヤモンド粗生成物を精製するための精製工程を前記熱酸化工程より前に含む、請求項1から4のいずれか一つに記載のナノダイヤモンド製造方法。   The method for producing nanodiamond according to any one of claims 1 to 4, further comprising a purification step for purifying the crude nanodiamond product before the thermal oxidation step. 前記精製工程は、ナノダイヤモンドに酸化剤を作用させる溶液酸化処理を含む、請求項5に記載のナノダイヤモンド製造方法。   The said refinement | purification process is a nano diamond manufacturing method of Claim 5 including the solution oxidation process which makes an oxidizing agent act on nano diamond. 前記酸化剤は、硫酸および硝酸を含有する、請求項6に記載のナノダイヤモンド製造方法。   The nano-diamond manufacturing method according to claim 6, wherein the oxidizing agent contains sulfuric acid and nitric acid. ナノダイヤモンド二次粒子をナノダイヤモンド一次粒子に解砕するための解砕工程を前記熱酸化工程より後に含む、請求項1から7のいずれか一つに記載のナノダイヤモンド製造方法。   The nanodiamond manufacturing method according to any one of claims 1 to 7, further comprising a crushing step for crushing the nanodiamond secondary particles into nanodiamond primary particles after the thermal oxidation step. 前記ナノダイヤモンドは、爆轟法ナノダイヤモンドである、請求項1から8のいずれか一つに記載のナノダイヤモンド製造方法。   The nanodiamond manufacturing method according to any one of claims 1 to 8, wherein the nanodiamond is a detonation nanodiamond.
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