JP3025233B2 - Ionic colloid system that reversibly crystallizes due to temperature change and method for producing colloid crystal using the same - Google Patents

Ionic colloid system that reversibly crystallizes due to temperature change and method for producing colloid crystal using the same

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JP3025233B2
JP3025233B2 JP10145095A JP14509598A JP3025233B2 JP 3025233 B2 JP3025233 B2 JP 3025233B2 JP 10145095 A JP10145095 A JP 10145095A JP 14509598 A JP14509598 A JP 14509598A JP 3025233 B2 JP3025233 B2 JP 3025233B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、コロイドの技術分
野に属し、特に、温度変化により可逆的に結晶化するイ
オン性コロイド系およびそれを利用するコロイド結晶の
製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention belongs to the technical field of colloids, and more particularly to an ionic colloid system which reversibly crystallizes due to a change in temperature and a method for producing colloidal crystals using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】コロイドとは、数nmから数μmの大き
さを有するコロイド粒子が媒質中に分散している状態を
指称し、多くの工業的用途を持つ。例えば、シリカなど
の無機微粒子から成るコロイドは、ゴム・プラスチック
の充填剤、複写・感光紙のコーティング剤、インク用マ
イクロフィラー、半導体の研磨剤、耐火物用バインダ
ー、化粧品の顔料などに広く用いられている。また、高
分子ラテックスなどの有機粒子コロイドは、医療検査用
試薬、細胞研究試料、電子顕微鏡用の標準試料などとし
て、さらに、金属微粒子から成るコロイドは磁気材料、
導電性フィラー、および触媒などとして、工業的に重要
である。
2. Description of the Related Art Colloid refers to a state in which colloid particles having a size of several nm to several μm are dispersed in a medium, and has many industrial uses. For example, colloids composed of inorganic fine particles such as silica are widely used as fillers for rubber and plastics, coatings for copying and photosensitive paper, microfillers for inks, abrasives for semiconductors, binders for refractories, and pigments for cosmetics. ing. In addition, colloids of organic particles such as polymer latex are used as medical test reagents, cell research samples, standard samples for electron microscopes, etc.
It is industrially important as a conductive filler and a catalyst.

【0003】これら従来の用途においては、主としてコ
ロイド系の微粒子としての特性が利用されているが、近
年、コロイド粒子が液体中で形成する結晶構造(コロイ
ド結晶)に着目した応用展開が検討されている。コロイ
ド結晶は粒子が三次元的に規則正しく配列した集合体で
あり、1)表面に電荷を持つイオン性コロイド粒子(シ
リカ、イオン性高分子ラテックス等)が水等の極性液体
中において、粒子間の強い静電的相互作用により安定化
され形成する場合と、2)非イオン性コロイド粒子がパ
ッキングして形成する場合があるが、本発明が対象とす
るのは、前者のイオン性コロイド粒子系である。
[0003] In these conventional uses, the properties of colloidal fine particles are mainly used. In recent years, application development focusing on the crystal structure (colloidal crystals) formed by colloidal particles in a liquid has been studied. I have. Colloidal crystals are aggregates in which particles are regularly arranged in a three-dimensional manner. 1) Ionic colloidal particles (silica, ionic polymer latex, etc.) having a charge on the surface are mixed in a polar liquid such as water. There are cases where the particles are formed by being stabilized by strong electrostatic interaction and cases where 2) non-ionic colloid particles are formed by packing. The present invention is directed to the former ionic colloid particle system. is there.

【0004】コロイド結晶の結晶面間隔は、原子・分子
系結晶の場合よりはるかに大きく、しばしば用いられる
実験条件(イオン性粒子系の場合、粒径 0.1〜1μm、
粒子の体積分率10-2〜10-1)において、可視光の波長の
オーダーとなる。このため、コロイド結晶は可視光のBr
agg 回折により、イリデセンスと呼ばれる虹色の光を発
し、また、可視光に対する特異的な吸収帯(フォトニッ
クバンドギャップ)を持つ。これらの特性に基づき、コ
ロイド結晶を用いて新規な特性を持つ光学素子を作製す
る試みが近年盛んに行われている。
The crystal plane spacing of colloidal crystals is much larger than that of atomic and molecular crystals, and is often used under experimental conditions (for ionic particle systems, the particle size is 0.1 to 1 μm,
In the case of the particle volume fraction of 10 -2 to 10 -1 ), it is on the order of the wavelength of visible light. For this reason, colloidal crystals are
It emits iridescent light called iridescence by agg diffraction, and has a specific absorption band (photonic band gap) for visible light. In recent years, attempts have been actively made to produce optical elements having novel characteristics using colloidal crystals based on these characteristics.

【0005】イオン性コロイド系由来のコロイド結晶の
生成を制御する手法としては、これまでに、イオン性高
分子ラテックス/水分散系に対して、せん断力を与えた
り [B. J. AckersonおよびN. A. Clark, Phys. Rev. A
30, 906, (1984)]、電場による[T. Palberg, W. Moenc
h, J. SchwarzおよびP. Leiderer, J. Chem. Phys. 10
2, 5082, (1995)]、可逆的な結晶化実験が報告されてい
るが、これらの方法を応用するにあたっては、前者の場
合、せん断場印加のために特殊な装置が必要とされるこ
と、また後者については、電極反応により不純物イオン
が生じ、これが結晶化を妨げること、等の難点があるも
のと思われる。この他に、イオン性コロイド結晶を高分
子ゲルを用いて固定化し、温度変化によるゲルの体積変
化を利用して結晶面間隔を制御した報告 [J. M. Weissm
an, H. B. Sunkara, A. S. Tse andS. A. Asher, Scien
ce, 274, 959, (1996)]があるが、この場合にはコロイ
ド結晶の固定化にあたって煩雑な工程が必要であり、ま
た、無秩序な粒子配列状態からの結晶の生成は試みられ
ていない。
[0005] Colloidal crystals derived from ionic colloidal systems
As a method to control the generation,
Shear force was applied to the molecular latex / water dispersion system
[B. J. Ackerson and N.A. Clark, Phys. Rev. A
30, 906, (1984)] and electric field [T. Palberg, W. Moenc
h, J. Schwarz and P. Leiderer, J. Chem. Phys.Ten
2, 5082, (1995)], reversible crystallization experiments have been reported.
However, in applying these methods, the former
In this case, special equipment is required for applying the shear field.
And for the latter, impurity ions due to the electrode reaction
And there are difficulties such as hindering crystallization.
Seems to be. In addition, ionic colloidal crystals
Volume of the gel due to temperature change
Report on control of crystal plane spacing using crystallization [J. M. Weissm
an, H.B.Sunkara, A.S.Tse andS.A.Asher, Scien
ce,274, 959, (1996)].
Complicated steps are required for immobilization of
Attempts to produce crystals from disordered particle arrays have been attempted.
Not.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】本発明の主目的は、各
種のイオン性コロイド系から、特殊な装置や複雑な工程
を必要とせずに比較的簡単にコロイド結晶を製造するこ
とのできる技術を確立することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION The main object of the present invention is to provide a technique capable of relatively easily producing colloidal crystals from various ionic colloid systems without requiring special equipment or complicated steps. To establish.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明者は、このたび、
イオン性コロイド分散系に特定の電離物質を共存させる
と温度変化によりコロイド結晶が可逆的に形成し得ると
いう事実を発見し、本発明を導き出した。
Means for Solving the Problems The present inventor has now proposed:
The present inventors have found out that colloidal crystals can be reversibly formed by a change in temperature when a specific ionizing substance is coexisted in an ionic colloidal dispersion system, and have derived the present invention.

【0008】かくして、本発明に従えば、上記の目的を
達成するものとして、表面に電荷を有するコロイド粒子
が液体媒質中に分散されているコロイド分散系に、該液
体媒質中における解離度が温度変化とともに変化するよ
うな弱電離物質を添加して、外部からの加熱または冷却
により前記コロイド粒子を結晶化させることを特徴とす
るコロイド結晶の製造方法が提供される。本発明の方法
が適用される特に好ましい例は、コロイド粒子がシリカ
粒子であり、液体媒質が水であり、弱電離物質がピリジ
ンまたはピリジン誘導体である場合である。
Thus, according to the present invention, as a means for achieving the above-mentioned object, a colloidal dispersion system in which colloidal particles having electric charges on the surface are dispersed in a liquid medium has a degree of dissociation in the liquid medium of which temperature is higher. A method for producing colloidal crystals is provided, wherein a weakly ionizing substance that changes with the change is added, and the colloidal particles are crystallized by external heating or cooling. A particularly preferred example to which the method of the present invention is applied is where the colloid particles are silica particles, the liquid medium is water, and the weakly ionizing substance is pyridine or a pyridine derivative.

【0009】さらに、本発明は、上記のコロイド結晶の
製造に利用されるのみならず、各種の機能性材料に応用
することができるコロイド系も対象とする。すなわち、
本発明は、表面に電荷を有するコロイド粒子、該コロイ
ド粒子を分散させる液体媒質、および該液体媒質中にお
いて解離度が温度変化とともに変化する弱電離物質を含
むことを特徴とするコロイド系も提供する。
Further, the present invention is directed to a colloid system which can be applied not only to the production of the above-mentioned colloidal crystals but also to various functional materials. That is,
The present invention also provides a colloid system comprising colloid particles having a charge on the surface, a liquid medium in which the colloid particles are dispersed, and a weakly ionized substance in which the degree of dissociation changes with a change in temperature in the liquid medium. .

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】本発明のコロイド結晶の製造方法
に従えば、温度変化とともに解離度(電離度)が変化す
るような弱電離物質(弱電解質)をイオン性コロイド分
散系に添加するだけで、外部からの加熱または冷却によ
り熱可逆的にイオン性コロイド分散系を結晶化させるこ
とができる。前述のように、イオン性コロイド系におい
ては粒子間静電的相互作用の増加に伴って結晶化が起こ
り、ここで、静電的相互作用の大きさは、粒子の有効表
面電荷密度(σe ) の増加、粒子の体積分率(φ)の増
加、または添加塩濃度(Cs )の減少により増加するこ
とが本発明者らにより見出されている〔例えば、J. Yam
anaka, T. Koga, N. Ise およびT. Hashimoto,Phys. R
ev. E 53, R 4314, (1996) 〕。本発明に従い、温度変
化とともに解離度が変化するような弱電離物質を添加、
共存させると、コロイド粒子のσe (有効表面電荷密
度)が温度に依存して変化し、したがって、温度変化に
よりイオン性コロイド系の結晶化を制御できるものと理
解される。
According to the method for producing colloidal crystals of the present invention, a weakly ionized substance (weakly electrolyte) whose degree of dissociation (degree of ionization) changes with a change in temperature is simply added to the ionic colloidal dispersion system. Thus, the ionic colloidal dispersion can be crystallized thermoreversibly by external heating or cooling. As described above, in an ionic colloid system, crystallization occurs with an increase in electrostatic interaction between particles, where the magnitude of the electrostatic interaction is determined by the effective surface charge density (σ e) of the particles. ), Increased volume fraction of particles (φ), or decreased added salt concentration (C s ) has been found by the present inventors [eg J. Yam
anaka, T. Koga, N. Ise and T. Hashimoto, Phys. R
ev. E 53, R 4314, (1996)]. According to the present invention, a weakly ionized substance whose dissociation degree changes with temperature change is added,
It is understood that the coexistence changes the σ e (effective surface charge density) of the colloid particles depending on the temperature, and therefore, the crystallization of the ionic colloid system can be controlled by the temperature change.

【0011】これまでσe 値の制御は、コロイド粒子の
表面電荷密度を積極的に変化させるべきとの考えから、
コロイド分散系に専ら強電離物質(強電解質)を添加す
ることにより行われていた。例えば、本発明者らも、以
前の実験では、シリカコロイド系に水酸化ナトリウムN
aOHを添加し、シリカ粒子表面の弱酸性シラノール基
(Si−OH)の解離度を変化させるように試みた〔上
述の論文Phys. Rev. E53, R 4314, (1996) 〕。NaO
Hは強塩基であり、その解離(NaOH→Na+ +OH
- )は温度によらずほぼ完全であると見なせる。
Until now, the control of the σ e value should be positively changed by changing the surface charge density of the colloid particles.
It has been performed by adding a strong ionizing substance (strong electrolyte) exclusively to the colloidal dispersion system. For example, we have also shown in previous experiments that sodium hydroxide N
An attempt was made to change the degree of dissociation of the weakly acidic silanol groups (Si-OH) on the surface of the silica particles by adding aOH [Phys. Rev. E 53, R 4314, (1996) mentioned above]. NaO
H is a strong base and its dissociation (NaOH → Na + + OH
- ) Can be considered almost perfect regardless of the temperature.

【0012】本発明者は、このたび、そのような従来の
考え方とは異なり、弱電離物質の解離度が温度に依存す
ることに注目し、これをイオン性コロイドの結晶化に利
用した。例えば、弱塩基であるピリジン(Py;水溶液
中でPy+H2 O→PyH+ +OH- と解離)の解離度
は昇温と共に増加する(電気伝導度測定により決定し
た、ピリジンの無塩水溶液におけるpKb 値は、10およ
び50℃において9.28および8.53であり、温度と共に直線
的に減少した)。従って、Py(ピリジン)をシリカコ
ロイド分散系のようなコロイド分散系に共存させた場
合、昇温に伴いコロイド粒子のσe 値が増加すると考え
られる。しかも、種々の温度における上記の解離は、通
常の使用条件において系の温度変化に要する時間よりも
はるかに短時間で平衡状態となる。すなわち、σe 値は
試料温度により一義的に決まり、それまでの温度履歴等
に依らないため、結晶化が熱可逆的に起こる。
The present inventor has noticed that the degree of dissociation of a weakly ionized substance depends on the temperature, which is different from the conventional idea, and utilized this for crystallization of an ionic colloid. For example, the degree of dissociation of pyridine (Py; dissociated with Py + H 2 O → PyH + + OH − in an aqueous solution), which is a weak base, increases with increasing temperature (pK b in a salt-free aqueous solution of pyridine determined by electric conductivity measurement ). The values were 9.28 and 8.53 at 10 and 50 ° C. and decreased linearly with temperature). Therefore, when Py (pyridine) is allowed to coexist in a colloidal dispersion system such as a silica colloidal dispersion system, it is considered that the σ e value of the colloidal particles increases as the temperature rises. Moreover, the above-mentioned dissociation at various temperatures reaches an equilibrium state in a much shorter time than the time required for the temperature change of the system under normal use conditions. That is, the σ e value is uniquely determined by the sample temperature and does not depend on the temperature history or the like up to that point, so that crystallization occurs thermoreversibly.

【0013】弱電離物質 本発明においては、温度変化により解離度が変化(増加
または減少)するような各種の弱塩基、弱酸または塩を
弱電離物質として使用することができる。以下、本発明
において使用され得る弱塩基、弱酸および塩を例示する
が、本発明において使用される弱電離物質はこれらに限
定されるものではない。
[0013] In the weakly ionized substance present invention may be used various weak base such as dissociation degree changes (increases or decreases), the weak acid or salt as the weak ionization material due to temperature changes. Hereinafter, the weak base, the weak acid, and the salt that can be used in the present invention are exemplified, but the weakly ionized substance used in the present invention is not limited to these.

【0014】好ましい弱塩基としては、例えば、ピリジ
ンおよびピリジン誘導体(モノメチルピリジン、ジメチ
ルピリジン、トリメチルピリジン等)が挙げられ、これ
らは温度上昇とともに解離度が増加する。これらのピリ
ジンまたはピリジン誘導体は、シリカ粒子の結晶化に対
して好適なpKb 値を有し、またpKb 値の温度による
変化が充分に大きいという理由から本発明において用い
られるのに特に好ましい。弱塩基としては、この他に、
ウラシル、キノリン、トルイジン、アニリン(およびそ
の誘導体)等も使用することができ、これらも昇温とと
もに解離度が増加する。
Preferred weak bases include, for example, pyridine and pyridine derivatives (monomethylpyridine, dimethylpyridine, trimethylpyridine, etc.), which increase in the degree of dissociation with increasing temperature. These pyridines or pyridine derivatives have a pK b value suitable for crystallization of silica particles, and are particularly preferred for use in the present invention because the change in pK b value with temperature is sufficiently large. In addition, as a weak base,
Uracil, quinoline, toluidine, aniline (and derivatives thereof) and the like can also be used, and these also increase in the degree of dissociation with increasing temperature.

【0015】本発明において使用される弱酸としては、
水溶液中で温度上昇とともに解離度が減少する酸、例え
ば、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、クロル酢酸、リ
ン酸、シュウ酸、マロン酸等を挙げることができる。一
方、ホウ酸や炭酸のように、昇温とともに解離度が増加
するような酸を用いることもできる。さらに、上記のご
とき弱塩基と弱酸の中和により得られる塩も解離度に温
度依存性があり、本発明における弱電離物質として使用
できる。温度に依存して解離度が増加するか減少するか
は、当該酸と塩基の強さの大小関係に依る。
The weak acids used in the present invention include:
Acids whose degree of dissociation decreases with increasing temperature in an aqueous solution, for example, formic acid, acetic acid, propionic acid, butyric acid, chloroacetic acid, phosphoric acid, oxalic acid, malonic acid and the like can be mentioned. On the other hand, an acid such as boric acid or carbonic acid whose dissociation degree increases with increasing temperature can also be used. Further, the salts obtained by neutralization of the weak base and the weak acid as described above also have a temperature dependence in the degree of dissociation, and can be used as the weakly ionized substance in the present invention. Whether the degree of dissociation increases or decreases depending on the temperature depends on the magnitude relationship between the acid and the base.

【0016】コロイド分散系 本発明のコロイド結晶の製造方法が適用されるのに特に
好ましいコロイド分散系の例は、シリカ微粒子が水に分
散された系である。このシリカ微粒子は、水中に分散さ
れると、その表面を覆っている弱酸性のシラノール基
(Si−OH)のOHが一部解離してマイナスの電荷
(O- )をもつとともに、その周囲に対イオンと呼ばれ
るブラスイオン(H+ )が分布している。ここで、この
系に前述したようなピリジンのような電離物質を添加す
るとシラノール基の解離度が変化し、粒子の電荷密度
(単位表面積あたりの電荷量)が変化する。このように
電荷密度が比較的容易に制御できるという特性はシリカ
粒子のメリットであり、これを利用してコロイド結晶を
調製することができる。
Colloidal Dispersion System A particularly preferred example of a colloidal dispersion system to which the method for producing a colloidal crystal of the present invention is applied is a system in which fine silica particles are dispersed in water. When these silica fine particles are dispersed in water, the OH of the weakly acidic silanol group (Si-OH) covering the surface thereof is partially dissociated, and has a negative charge (O ). Brass ions (H + ) called counter ions are distributed. Here, when an ionizing substance such as pyridine as described above is added to this system, the dissociation degree of the silanol group changes, and the charge density (charge amount per unit surface area) of the particles changes. Such a property that the charge density can be relatively easily controlled is an advantage of silica particles, and a colloid crystal can be prepared by using the same.

【0017】しかしながら、本発明のコロイド結晶の製
造方法は、シリカ−水系に限られず、表面に弱酸または
弱塩基に由来する電荷を有するコロイド粒子が液体媒質
に分散され、上述したような弱電離物質を添加すると該
電離物質が液体媒質中で解離(電離)するとともに、コ
ロイド粒子表面の電荷が変化し得るようなその他のイオ
ン性コロイド分散系にも適用できる。
However, the method for producing a colloidal crystal of the present invention is not limited to the silica-water system, and the colloidal particles having a charge derived from a weak acid or a weak base on the surface are dispersed in a liquid medium, and the above-described weakly ionized material is dispersed. Is added, the ionized substance dissociates (ionizes) in the liquid medium, and the present invention can be applied to other ionic colloidal dispersion systems in which the charge on the surface of the colloidal particles can be changed.

【0018】すなわち、コロイド粒子として、表面に弱
酸を有するものであればシリカと同様に使用可能であ
り、例えば、酸化チタン微粒子やカルボキシ変成ラテッ
クス(表面にカルボキシル基を有するラテックス)等を
使用することができる。さらに、表面に弱塩基を持つも
のであれば、弱酸を添加することにより、シリカ+ピリ
ジン系と類似の機能を発現されることもでき、これに該
当するコロイド粒子としては酸化アルミニウムやアミノ
基を有するラテックス等を挙げることができる。
That is, as long as the colloidal particles have a weak acid on the surface, they can be used in the same manner as silica. For example, fine particles of titanium oxide or carboxy-modified latex (latex having a carboxyl group on the surface) or the like can be used. Can be. Further, if the surface has a weak base, by adding a weak acid, a function similar to that of the silica + pyridine system can be exhibited. As the corresponding colloidal particles, aluminum oxide and amino groups are used. Latex and the like.

【0019】また、弱酸と弱塩基の両方をもつ球状タン
パク質や粘度鉱物から成るコロイド系にも適用可能であ
る。さらに、アミノ基を有するシランカップリング剤を
用いてシリカ粒子表面に弱塩基を導入するなどの表面修
飾法により、種々の弱酸や弱塩基が粒子表面に導入され
た各種のコロイド粒子を含む系にも本発明は適用でき
る。
The present invention is also applicable to colloidal systems composed of globular proteins having both weak acids and weak bases and clay minerals. Furthermore, by a surface modification method such as introducing a weak base to the silica particle surface using a silane coupling agent having an amino group, a system containing various colloidal particles in which various weak acids and weak bases are introduced to the particle surface. The present invention can also be applied.

【0020】また、液体媒質に関しては、コロイド粒子
表面の解離基(電荷付与基)、および添加した弱電離物
質(弱酸、弱塩基、塩)が解離できるような高い誘電率
を呈することができれば、水以外の液体も使用可能であ
る。例えば、フォルムアミド類(例えば、ジメチルフォ
ルムアミド)やアルコール類(例えば、エチレングリコ
ール類)を使用することができる。これらはコロイド粒
子および添加する弱電離物質の組合せによってはそのま
ま使用することもできるが、一般的には水との混合物と
して使用するのが好ましい。
As for the liquid medium, if the dissociation group (charge-providing group) on the surface of the colloidal particles and the high dielectric constant capable of dissociating the weakly ionized substance (weak acid, weak base, salt) added can be exhibited, Liquids other than water can also be used. For example, formamides (eg, dimethylformamide) and alcohols (eg, ethylene glycols) can be used. These can be used as they are depending on the combination of the colloidal particles and the weak ionizing substance to be added, but are generally preferably used as a mixture with water.

【0021】結晶化方法 本発明の方法に従いコロイド結晶を生成させるには、上
述したようなコロイド粒子と液体媒質とから成るコロイ
ド分散系に弱電離物質(弱塩基、弱酸、塩)を添加し
て、系を外部から加熱または冷却すればよい。すなわ
ち、温度上昇とともに解離度が増加するような弱電離物
質を用いる場合には加熱することによりコロイド結晶が
生成し、他方、温度上昇とともに解離度が減少するよう
な弱電離物質を用いる場合には冷却することによりコロ
イド結晶が生成する。
Crystallization Method In order to form colloidal crystals according to the method of the present invention, a weakly ionized substance (weak base, weak acid, salt) is added to a colloidal dispersion system comprising colloidal particles and a liquid medium as described above. The system may be externally heated or cooled. In other words, when a weakly ionized substance whose degree of dissociation increases with increasing temperature is used, a colloidal crystal is generated by heating, while when a weakly ionized substance whose dissociation degree decreases with increasing temperature is used. Cooling produces colloidal crystals.

【0022】弱電離物質を添加するコロイド分散系は、
市販のコロイド用粒子を水などの適当な液体媒質に分散
させたり、ゾル−ゲル法などにより合成したものを用い
ればよいが、一般に、コロイド結晶は微量の塩(イオン
性不純物)の存在によってその生成が阻害されるため、
コロイド分散系の調製にあたっては充分な脱塩が必要で
ある。例えば、水を用いる場合には、まず精製水に対し
て、用いた水の電気伝導度が使用前の値と同程度になる
まで透析を行い、次に充分に洗浄したイオン交換樹脂
(陽イオンおよび陰イオン交換樹脂の混床)を試料に共
存して少なくとも1週間保つことにより、脱塩精製を行
う。
The colloidal dispersion system to which the weakly ionized substance is added is as follows:
Commercially available colloidal particles may be dispersed in an appropriate liquid medium such as water, or those synthesized by a sol-gel method or the like may be used. Generally, colloidal crystals are formed by the presence of a trace amount of salt (ionic impurity). Production is inhibited,
In preparing a colloidal dispersion system, sufficient desalting is required. For example, in the case of using water, first, dialysis is performed on purified water until the electric conductivity of the used water becomes substantially the same as the value before use, and then a sufficiently washed ion exchange resin (cationic resin) is used. And a mixed bed of an anion exchange resin) coexisting in the sample for at least one week to perform desalination purification.

【0023】さらに、コロイド粒子の粒径およびその分
布にも注意を払う必要がある。例えば、シリカ粒子の場
合、粒径が数1000Å以上のシリカ粒子は、沈降が著しい
ため不適であり、1000Å程度以下の粒子を用いることが
望ましい。また粒径分布が広い試料は結晶を生じにく
く、分布が10%程度以下の粒子を用いることが望まし
い。
In addition, attention must be paid to the size and distribution of the colloid particles. For example, in the case of silica particles, silica particles having a particle size of several thousand mm or more are not suitable because of remarkable sedimentation. A sample having a wide particle size distribution is unlikely to produce crystals, and it is desirable to use particles having a distribution of about 10% or less.

【0024】次に、弱電離物質を添加、共存させ、これ
に温度変化を起こさせることによりコロイド結晶を生成
させることができる。この場合、前述したように、イオ
ン性コロイド系における結晶化を支配するコロイド粒子
間の静電的相互作用は、該粒子の有効表面電荷密度(σ
e )に加えて、粒子の体積分率(φ)および添加塩濃度
(Cs )によっても影響される。したがって、結晶化が
生じる温度や弱電離物質の添加量は、当初のコロイド分
散系のφやCs によって異なる。例えば、ピリジン(P
y)を添加する場合、一定温度およびφ条件下で比較し
たとき、一般に、Cs 値が高いほどPy濃度の高い条件
で結晶化が起こる。
Next, a colloidal crystal can be formed by adding and coexisting a weakly ionized substance and causing a temperature change in the substance. In this case, as described above, the electrostatic interaction between the colloid particles that governs crystallization in the ionic colloid system depends on the effective surface charge density (σ) of the particles.
In addition to e ), it is also affected by the volume fraction (φ) of the particles and the added salt concentration (C s ). Therefore, the amount of the temperature and the weakly ionized substance that crystallization occurs depends φ and C s of the original colloidal dispersion system. For example, pyridine (P
When adding y), when compared at a constant temperature and φ conditions, generally, crystallization occurs at a higher Py concentration as C s value is higher condition.

【0025】一般的には、φ(コロイド粒子の体積分
率)として0.01〜0.05程度、またCs(添加塩濃度)と
して2〜10μM程度のコロイド分散系を調製し、これに
弱電離物質を添加する。このためには、コロイド粒子の
比重をピクメーター法などにより求め、この値を用いて
精製したコロイド分散系のφ値を絶乾法により決定す
る。これを精製した水などの液体媒質で希釈することに
より、所定のφ値を有する分散系を調製する。φ値は、
コロイド結晶が望まれる特性に応じた結晶面間隔を有す
るように算出する。また、必要に応じ、NaClなどの
低分子塩水溶液を添加してCs 値を制御する。
In general, a colloidal dispersion system having φ (volume fraction of colloidal particles) of about 0.01 to 0.05 and C s (addition salt concentration) of about 2 to 10 μM is prepared, and a weakly ionized substance is added thereto. Added. To this end, the specific gravity of the colloid particles is determined by a picometer method or the like, and the φ value of the purified colloidal dispersion system is determined by the absolute drying method using this value. This is diluted with a liquid medium such as purified water to prepare a dispersion having a predetermined φ value. φ value is
The calculation is performed so that the colloidal crystal has a crystal plane spacing according to the desired characteristics. Further, if necessary, to control the C s value by adding a low molecular salt solution such as NaCl.

【0026】以上の試料調製にあたっては、イオン性不
純物による汚染を可能な限り避ける必要がある。この
点、ガラスからは塩基性不純物が水中に溶出し、粒子の
σe 値を増加させるため、ガラス製の容器および器具の
使用は避ける。また空気中の二酸化炭素は水に溶解して
炭酸を生じるため、窒素等の雰囲気下で調製を行うこと
が望ましい。さらに、容器、器具類は精製水(電気伝導
度 0.6μS/cm以下)で充分洗浄したのち使用する。
In the above sample preparation, it is necessary to avoid contamination by ionic impurities as much as possible. In this regard, the use of glass containers and equipment is avoided because basic impurities elute from the glass into the water and increase the σ e value of the particles. Since carbon dioxide in the air is dissolved in water to generate carbonic acid, it is desirable to perform the preparation under an atmosphere such as nitrogen. Further, containers and equipment should be thoroughly washed with purified water (electrical conductivity 0.6 μS / cm or less) before use.

【0027】以上のように調製したコロイド系を加熱ま
たは冷却し、結晶の有無を確認し、結晶化温度を評価す
ればよい。結晶生成の確認には、イリデセンスの観察の
他、X線散乱法、光学顕微鏡法および分光光度法(反射
または透過スペクトル測定)等が適用できる。
The colloid system prepared as described above may be heated or cooled, the presence or absence of crystals may be confirmed, and the crystallization temperature may be evaluated. For confirmation of crystal formation, X-ray scattering, optical microscopy, spectrophotometry (reflection or transmission spectrum measurement) and the like can be applied in addition to observing iridescence.

【0028】本発明のコロイド結晶製造方法の効果 本発明の方法では、単に外部から系を加熱または冷却す
るという簡単な手段により、熱可逆的にコロイド粒子の
結晶化を生じさせることができる。この結晶化は、ピリ
ジン等の弱電離物質の濃度を変化させることにより、制
御できるが、その際、弱電離物質の濃度はNaOHのよ
うな強塩基を添加する場合のように厳密である必要もな
い。すなわち、添加した弱電離物質の濃度に比べその解
離種の濃度がごく少量であるため、弱電離物質濃度に対
するコロイド粒子の表面電荷密度(σe )の変化が強塩
基を添加した場合より緩やかであり、ある程度の濃度範
囲が許容されることも利点である。
Effects of the Method for Producing Colloidal Crystals of the Present Invention In the method of the present invention, crystallization of colloidal particles can be caused thermoreversibly by simple means of simply heating or cooling the system from the outside. This crystallization can be controlled by changing the concentration of a weakly ionized substance such as pyridine, but in this case, the concentration of the weakly ionized substance needs to be strict as in the case where a strong base such as NaOH is added. Absent. That is, since the concentration of the dissociated species is very small compared to the concentration of the weakly ionized substance added, the change in the surface charge density (σ e ) of the colloidal particles with respect to the concentration of the weakly ionized substance is more gradual than when a strong base is added. It is also an advantage that a certain concentration range is allowed.

【0029】また、本発明においては系を密閉系に保つ
ことができるため、イオン性不純物による汚染を防いで
高性能のコロイド結晶を得ることができる。かくして、
本発明は、光応答特性を制御できる光学素子などの製造
に、広範な応用が期待される。
Further, in the present invention, since the system can be maintained in a closed system, a high-performance colloidal crystal can be obtained by preventing contamination by ionic impurities. Thus,
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is expected to be widely applied to the manufacture of optical elements and the like whose light response characteristics can be controlled.

【0030】弱電離物質含有コロイド系のその他の用途 叙上のように、本発明のコロイド結晶の製造方法は、表
面に電荷を有するコロイド粒子、該コロイド粒子を分散
させる液体媒質、および該液体媒質中において解離度が
温度変化とともに変化する弱電離物質を含むコロイド系
を利用し、これに外部から温度変化を与えてコロイド結
晶を生成させることに基づくものである。このような弱
電離物質含有コロイド系は温度変化により可逆的に結晶
化し物性が変化するので、この性質を利用して、コロイ
ド結晶の製造以外にも応用することが可能である。
Other Uses of Weakly Ionized Substance-Containing Colloidal System As described above, the method for producing a colloidal crystal of the present invention comprises a colloidal particle having a charge on its surface, a liquid medium in which the colloidal particle is dispersed, and the liquid medium. It is based on using a colloidal system containing a weakly ionized substance whose degree of dissociation changes with temperature change, and applying a temperature change to the outside to generate colloidal crystals. Such a weakly ionized substance-containing colloidal system reversibly crystallizes due to a change in temperature and changes its physical properties. By utilizing this property, it is possible to apply the present invention to applications other than the production of colloidal crystals.

【0031】例えば、温度変化により物性が変わること
を利用した新規な感熱性材料(感熱性塗料、温度センサ
ーなど)の開発が可能となる。また、昇温によりコロイ
ド系が結晶化するような系を用いれば、系の粘性は温度
とともに増加することが期待される。一方、通常の単純
液体においては、一般に粘性は温度増加にともない単調
に減少する。このような特異な粘性−温度特性を利用し
て、例えば従来の応力伝達系に用いられる液体(クラッ
チ用のオイルなど)の温度特性の改善などへの応用も期
待される。
For example, it is possible to develop a novel heat-sensitive material (heat-sensitive paint, temperature sensor, etc.) utilizing the fact that the physical property changes due to a temperature change. Also, if a system in which the colloid system is crystallized by increasing the temperature is used, the viscosity of the system is expected to increase with temperature. On the other hand, in ordinary simple liquids, the viscosity generally decreases monotonically as the temperature increases. Utilization of such a unique viscosity-temperature characteristic is expected to be applied to, for example, improvement of the temperature characteristic of a liquid (oil for clutch, etc.) used in a conventional stress transmission system.

【0032】これらの用途に適用される場合の弱電離物
質含有コロイド系におけるコロイド粒子、液体媒質およ
び弱電離物質の内容は、コロイド結晶の製造方法に関連
して説明したのと本質的には同じである。但し、これら
の用途においては、弱電離物質含有コロイド系は、コロ
イド結晶を製造する場合のようなコロイド溶液(ゾル)
のみならず、必要に応じてゲル状態をとることもある。
したがって、この場合のコロイド系とは、ゾル状態およ
びゲル状態の両方を指称するものとする。
The contents of the colloidal particles, the liquid medium and the weakly ionized material in the weakly ionized material-containing colloidal system when applied to these applications are essentially the same as those described in connection with the method for producing a colloidal crystal. It is. However, in these applications, the colloidal system containing a weakly ionized substance is a colloidal solution (sol) as in the case of producing colloidal crystals.
In addition, it may take a gel state as needed.
Therefore, the colloid system in this case refers to both the sol state and the gel state.

【0033】[0033]

【実施例】本発明の特徴を一層明らかにするため、シリ
カ−水コロイド系にピリジン(Py)を添加して結晶化
の相図を求めた例を示すが、本発明はこの実施例によっ
て限定されるものではない。日本触媒社製シリカコロイ
ド粒子KE−P10W(直径0.12±0.01μm、比重2.24)
を透析法およびイオン交換法により充分に精製し、実験
に用いた。電気伝導度測定により決定したPy無添加時
におけるσe 値は、約 0.1μC/cm2 であった。Cs
は添加した塩(NaCl)の濃度と、用いた水中のイオ
ン性不純物濃度(2μM)の和として決定した。
EXAMPLES In order to further clarify the features of the present invention, an example is shown in which pyridine (Py) was added to a silica-water colloid system to obtain a crystallization phase diagram. However, the present invention is not limited by this example. It is not something to be done. Nippon Shokubai Co., Ltd. silica colloid particles KE-P10W (diameter 0.12 ± 0.01 μm, specific gravity 2.24)
Was sufficiently purified by a dialysis method and an ion exchange method and used for the experiment. The e value without Py determined by electrical conductivity measurement was about 0.1 μC / cm 2 . The C s value was determined as the sum of the concentration of the added salt (NaCl) and the concentration of ionic impurities (2 μM) in the water used.

【0034】φ=0.03、Cs =7μMの条件下で、種々
のPy濃度においてイリデセンス観察により結晶化の相
図を決定した。結果を図1に示す。白および黒丸は、イ
リデセンスが観察された条件および認められなかった条
件を示し、それぞれ結晶相、無秩序相に対応する。本実
施例の場合、10-4MオーダーのPyを共存することによ
り、約0〜50℃の温度範囲において、加熱により結晶化
するシリカコロイド分散系を得ることができた。結晶化
は熱可逆的であり、加熱により結晶化した試料を冷却す
ると、系は無秩序状態となった。
Under the conditions of φ = 0.03 and C s = 7 μM, the crystallization phase diagram was determined by observing iridesense at various Py concentrations. The results are shown in FIG. White and black circles indicate conditions under which iridescence was observed and those under which iridescence was not observed, and correspond to a crystalline phase and a disordered phase, respectively. In the case of this example, by coexisting Py of the order of 10 −4 M, it was possible to obtain a silica colloid dispersion system that crystallized by heating in a temperature range of about 0 to 50 ° C. The crystallization was thermoreversible, and upon cooling the sample crystallized by heating, the system became disordered.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に従いシリカ−水コロイド分散系にピリ
ジンを添加してコロイド結晶が生成される条件を示す相
図である。
FIG. 1 is a phase diagram showing conditions under which pyridine is added to a silica-water colloidal dispersion system to form colloidal crystals according to the present invention.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 橋本 竹治 京都府京都市左京区吉田中大路町19 (56)参考文献 特開 昭62−7430(JP,A) 特開 平9−913(JP,A) 特表 平3−504462(JP,A) J.Chem.Phys.Vol. 94,No.7,PP.5222−5225 株式会社培風館 コロイド化学 初版 昭和42年5月30日 第257頁 創造科学技術推進事業 1997 創造科 学技術研究報告(東京)第4部講演要旨 集 Colloid Polym Sc i,Vol.266,No.2,pp.173 −179(1988) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B01J 13/00 B01D 9/02 611 C01B 33/14 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Takeharu Hashimoto 19, Yoshida-Nakaoji-cho, Sakyo-ku, Kyoto-shi, Kyoto (56) References JP-A-62-7430 (JP, A) JP-A-9-913 (JP, A) JP-T3-504462 (JP, A) Chem. Phys. Vol. 94, No. 7, PP. 5222-5225 Baifukan Co., Ltd. Colloid Chemistry First Edition May 30, 1967 Page 257 Creative Science and Technology Promotion Project 1997 Creative Science and Technology Research Report (Tokyo) Part 4 Abstracts Collection of Colloid Polym Sci, Vol. 266, no. 2, pp. 173-179 (1988) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) B01J 13/00 B01D 9/02 611 C01B 33/14

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 表面に電荷を有するコロイド粒子が液体
媒質中に分散されコロイド粒子の体積分率が0.01〜
0.05であるコロイド分散系に、該液体媒質中におけ
る解離度が温度変化とともに変化するような弱電離物質
を添加して、外部からの加熱または冷却により前記コロ
イド粒子を結晶化させることを特徴とするコロイド結晶
の製造方法。
1. A colloidal particle having a charge on its surface is dispersed in a liquid medium, and the volume fraction of the colloidal particle is from 0.01 to 0.01.
Adding a weakly ionizing substance whose dissociation degree in the liquid medium changes with a temperature change to a colloidal dispersion system of 0.05 and crystallizing the colloidal particles by external heating or cooling. A method for producing a colloidal crystal.
【請求項2】 コロイド粒子がシリカ粒子であり、液体
媒質が水であり、弱電離物質がピリジンまたはピリジン
誘導体であることを特徴とする請求項2のコロイド結晶
の製造方法。
2. The method according to claim 2, wherein the colloidal particles are silica particles, the liquid medium is water, and the weakly ionizing substance is pyridine or a pyridine derivative.
【請求項3】 表面に電荷を有し体積分率が0.01〜
0.05であるコロイド粒子、該コロイド粒子を分散さ
せる液体媒質、および該液体媒質中において解離度が温
度変化とともに変化する弱電離物質を含み温度変化によ
り可逆的に結晶化し得ることを特徴とするコロイド系。
3. The method according to claim 1, wherein the surface has a charge and a volume fraction of 0.01 to
A colloidal particle of 0.05, a liquid medium in which the colloidal particle is dispersed, and a weakly ionized substance in which the degree of dissociation changes with the temperature change.
A colloid system characterized by reversible crystallization .
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