JP4503086B2 - Superhydrophobic powder, structure having superhydrophobic surface using the same, and production method thereof - Google Patents

Superhydrophobic powder, structure having superhydrophobic surface using the same, and production method thereof Download PDF

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本発明は、シリカ系ナノファイバーの会合体を基本構造とするものであって、そのシリカに疎水性基が化学結合されてなる超疎水性粉体、これを用いる超疎水性表面を有する構造体、およびそれらの製造方法に関する。   The present invention has a basic structure of an aggregate of silica-based nanofibers, a superhydrophobic powder in which a hydrophobic group is chemically bonded to silica, and a structure having a superhydrophobic surface using the same , And their manufacturing method.

固体表面に水滴が接触した際、水滴の接触角が150°以上である場合には超疎水性と定義されている。接触角が70〜150°の範囲は、疎水性と定義される。一般に疎水性は表面張力が低い分子残基で表面が被われることで発現するものであるが、超疎水性は表面張力が低い分子残基だけで発現させることは困難である。   It is defined as superhydrophobic when a water droplet contacts with a solid surface and the contact angle of the water droplet is 150 ° or more. The range where the contact angle is 70 to 150 ° is defined as hydrophobic. In general, hydrophobicity is expressed by covering a surface with molecular residues having a low surface tension, but superhydrophobicity is difficult to express only with molecular residues having a low surface tension.

一方、自然界の生物には超疎水性を示すものが多い。例えば、蓮、稲、キャベツなどの葉は水滴を完全に弾く超疎水性(超撥水性)を有する。例えば、蓮の葉の超疎水性は葉の表面構造と深く関係していることが知られている。即ち、ナノファイバーが表面全体に広がりながら表層を形成し、その上にナノファイバーの会合体のようなミクロンサイズの凸起物が一定距離で最表面層を作りあげており、且つこれらのナノファイバーの表面に疎水性ワックスが存在することが知られている。このことは、超疎水性を発現するには表面荒さ、即ち、ナノ次元での表面構造・形状の制御が最重要であることを示唆する。   On the other hand, many organisms in the natural world show superhydrophobicity. For example, leaves such as lotus, rice and cabbage have super hydrophobicity (super water repellency) that completely repels water droplets. For example, it is known that the superhydrophobicity of a lotus leaf is closely related to the surface structure of the leaf. That is, the surface layer is formed while the nanofibers are spread over the entire surface, and micron-sized protrusions such as nanofiber aggregates are formed on the outermost surface layer at a certain distance. It is known that hydrophobic wax exists on the surface. This suggests that the control of the surface roughness, that is, the surface structure / shape in the nano-dimension is the most important for developing the superhydrophobicity.

蓮の効果とも言われる超疎水性発現の構造原理は、多くの人工蓮類似構造設計法の開発の指針となり、ナノ材料の進歩に伴い、この数年、多様な超疎水性材料が数多く開発されてきた。例えば、カーボンナノチューブを基材表面に規則的に配列させることで、接触角を170°以上に持ち上げることが報告されている(例えば、非特許文献1参照)。また、白金コートされたシリコン表面に、電気化学プロセスでポリピロールのナノファイバーを成長させ、表面接触角を170°以上にすることが報告されている(例えば、非特許文献2参照)。また、ガラス基材表面に400℃以上の温度で、酸化亜鉛のナノ結晶シーズ膜を形成させた後、その上でロッド状の酸化亜鉛のナノファイバーを無数に成長させることで、超疎水性を発現している(例えば、非特許文献3参照)。   The structural principle of superhydrophobic expression, also referred to as the effect of lotus, has become a guideline for the development of many artificial lotus-like structural design methods. I came. For example, it has been reported that the contact angle is increased to 170 ° or more by regularly arranging the carbon nanotubes on the surface of the substrate (see, for example, Non-Patent Document 1). In addition, it has been reported that polypyrrole nanofibers are grown on a platinum-coated silicon surface by an electrochemical process to increase the surface contact angle to 170 ° or more (for example, see Non-Patent Document 2). In addition, after forming a zinc oxide nanocrystal seeds film on the surface of the glass substrate at a temperature of 400 ° C. or higher, an infinite number of rod-shaped zinc oxide nanofibers are grown on the glass substrate surface. It is expressed (see, for example, Non-Patent Document 3).

単純な方法としては、例えば、ポリプロピレンの溶液に一定の貧溶剤を加え、それを基材表面にキャストし、温度調整することにより、ポリプロピレンのナノ粒子からなるネットワーク構造を形成させ、それにより接触角を160°まで上げたことが報告されている(例えば、非特許文献4参照)。また、ケイ素、ホウ素、ナトリウムの酸化物からなるガラスに相分離構造を持たせ、それをさらに化学処理でエッチングすることにより、その表面に凹凸構造を誘導した後、最後に、表面にフッ素化合物を反応させることで超疎水性を発現できる(例えば、特許文献1参照。)。さらに、ポリアリールアミンとポリアクリル酸との積層膜を作製したのち、その表面を化学法で処理することで表面ポーラス構造を誘導し、その上にシリカナノ粒子を固定した後、最後にフッ素化アルキル基を有するシランカップリング剤で疎水化させることで、超疎水性界表面を構築することも知られている(例えば、特許文献2参照。)。   As a simple method, for example, a certain poor solvent is added to a solution of polypropylene, and it is cast on the surface of a substrate, and the temperature is adjusted, thereby forming a network structure composed of polypropylene nanoparticles, and thereby a contact angle. Has been reported to be increased to 160 ° (for example, see Non-Patent Document 4). In addition, a glass composed of oxides of silicon, boron, and sodium has a phase separation structure, and it is further etched by chemical treatment to induce a concavo-convex structure on the surface, and finally a fluorine compound is applied to the surface. Superhydrophobicity can be expressed by reacting (see, for example, Patent Document 1). Furthermore, after producing a laminated film of polyarylamine and polyacrylic acid, the surface is treated with a chemical method to induce a surface porous structure, and silica nanoparticles are fixed thereon, and finally a fluorinated alkyl. It is also known to construct a superhydrophobic boundary surface by hydrophobizing with a silane coupling agent having a group (see, for example, Patent Document 2).

多くの公知文献では、超疎水性膜及びそれらの作製法が頻繁に取り上げられているが、それらは基材表面での荒さ(即ち、ラフネス)を加工する手法に相当することが多く、その表面処理加工過程が煩雑になりやすく、コストも高い。また、有機ポリマーをベースにする超疎水性表面の場合、コストは低いが、得られた超疎水性表面の耐溶剤性、耐腐食性が低く、実用上の問題がある。   Many known documents frequently discuss superhydrophobic films and methods for producing them, but they often correspond to techniques for processing roughness on the surface of a substrate (ie, roughness). The processing process tends to be complicated and the cost is high. Further, in the case of a superhydrophobic surface based on an organic polymer, the cost is low, but the solvent resistance and corrosion resistance of the obtained superhydrophobic surface are low, which causes a practical problem.

粉体そのものを超疎水性(超撥水性)にしたり、また、その超疎水性粉体を用いて超疎水性膜を構成したりすることについての研究は極めて稀であるが、最近の1例を挙げると、2−3μmの大きさの酸化鉄(α−Fe)の粉体が、表面に花びら構造を有することで超疎水性を発現するようになることが見出されている(例えば、非特許文献5参照)。しかしながら、前記非特許文献5で提案された技術はその応用範囲が狭く、工業的に簡便な手法によるものではない。 Research on making the powder itself superhydrophobic (superhydrophobic) or using the superhydrophobic powder to form a superhydrophobic film is extremely rare, but a recent example For example, it has been found that a powder of iron oxide (α-Fe 2 0 3 ) having a size of 2-3 μm exhibits superhydrophobicity by having a petal structure on the surface. (For example, refer nonpatent literature 5). However, the technique proposed in Non-Patent Document 5 has a narrow application range and is not based on an industrially simple technique.

一方で、自然界における超疎水性の粉体としては、例えば、アメンボの足が超疎水性粉体の集合体に相当すると理解されている。アメンボの足の構造は超疎水性であり、それに起因して発生する水の浮力と表面張力が加わることで、その足の25倍以上の重さの体を水面に浮かばせることが出来、それに弾力が加わることでアメンボは水面を飛ぶように走ることができる(例えば、非特許文献6参照。)。超疎水性粉体の開発は産業上の利用価値が高く、特に自然界に大量の存在するケイ素化合物を原料とし簡便な製造方法で合成できるということになれば、その応用を更に広げることになり、期待の大きい課題である。   On the other hand, as a superhydrophobic powder in nature, it is understood that, for example, the feet of amembo correspond to an aggregate of superhydrophobic powder. The structure of the leg of Amembo is super-hydrophobic, and by adding the buoyancy and surface tension of the water generated due to it, the body more than 25 times the weight of the leg can be floated on the water surface. By adding elasticity, the Amoebo can run so as to fly over the water surface (see, for example, Non-Patent Document 6). The development of superhydrophobic powder has high industrial utility value, especially if it can be synthesized by a simple manufacturing method using a large amount of silicon compounds existing in nature as a raw material. This is a highly anticipated issue.

Sun et al.,Acc.Chem.Res.,2005,38,644−652Sun et al. , Acc. Chem. Res. 2005, 38, 644-652. Li et al.,J.Mater.Chem.,2008,18,2276−2280Li et al. , J .; Mater. Chem. , 2008, 18, 2276-2280 Feng et al.,J.Am.Chem.Soc.,2004,126,62−63Feng et al. , J .; Am. Chem. Soc. , 2004, 126, 62-63 Erbil et al.,Science,2003,299,1377−1380Erbil et al. , Science, 2003, 299, 1377-1380 Cao et al., Appl. Phys. Lett., 2007, 91. 034102Cao et al. , Appl. Phys. Lett. , 2007, 91. 034102 Gao et al., Nature 2004, 432, 36Gao et al. , Nature 2004, 432, 36 特表2008−508181号公報Special table 2008-508181 米国特許出願公開第2006/029808号明細書US Patent Application Publication No. 2006/029808

本発明が解決しようとする課題は、シリカを主成分とする粉体そのものを超疎水性にすることにある。より詳しくは、直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーのフィラメントにシリカが被覆されてなる有機無機複合ナノファイバーの会合体に、疎水性基が結合されてなることを特徴とする超疎水性粉体、及びその粉体の簡便な製造方法を提供することにある。さらには、上記有機無機複合ナノファイバーから直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーを焼成によって除去して得られる、シリカを主構成成分とするナノファイバーの会合体に疎水性基が結合されてなることを特徴とする超疎水性粉体とその粉体の簡便な製造方法を提供することにある。   The problem to be solved by the present invention is to make the powder containing silica as a main component itself superhydrophobic. More specifically, a superhydrophobic powder characterized in that a hydrophobic group is bonded to an aggregate of organic-inorganic composite nanofibers in which a polymer filament having a linear polyethyleneimine skeleton is coated with silica. And providing a simple method for producing the powder. Furthermore, a hydrophobic group is bonded to an aggregate of nanofibers mainly composed of silica obtained by removing a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton from the organic-inorganic composite nanofiber by baking. Is to provide a superhydrophobic powder characterized by the above and a simple method for producing the powder.

さらには、上記の超疎水性粉体を用いる超疎水性表面を有する構造体とその製造方法を提供することにある。   Furthermore, it is providing the structure which has the superhydrophobic surface using said superhydrophobic powder, and its manufacturing method.

本発明者は、上記の課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、有機物であるポリマーと無機物であるシリカとがナノメートルオーダーで複合化されてなる有機無機複合ナノファイバーの会合体表面にあるシリカを疎水化処理することにより、超疎水性を発現する粉体が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventor is present on the surface of an aggregate of organic-inorganic composite nanofibers in which an organic polymer and an inorganic silica are combined on the nanometer order. It has been found that a powder exhibiting superhydrophobicity can be obtained by hydrophobizing silica, and the present invention has been completed.

即ち、本発明は、有機無機複合ナノファイバーの会合体を含有する超疎水性粉体であって、該ナノファイバーが、直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーのフィラメントが、疎水性基が結合しているシリカで被覆されてなるものであることを特徴とする超疎水性粉体とその簡便な製造方法を提供するものである。   That is, the present invention is a superhydrophobic powder containing an association of organic-inorganic composite nanofibers, wherein the nanofibers are polymer filaments having a linear polyethyleneimine skeleton, and hydrophobic groups are bonded. The present invention provides a superhydrophobic powder characterized by being coated with silica, and a simple production method thereof.

更に本発明は、シリカを主構成成分とするナノファイバーの会合体の該シリカに疎水性基が結合してなることを特徴とする超疎水性粉体とその製造方法を提供するものである。   Furthermore, the present invention provides a superhydrophobic powder characterized in that a hydrophobic group is bonded to the silica of the nanofiber aggregate containing silica as a main constituent, and a method for producing the same.

更に又本発明は、上記で得られた超疎水性粉体を固体基材上に固定してなる、超疎水性表面を有する構造体とその製造方法を提供するものである。   Furthermore, the present invention provides a structure having a superhydrophobic surface obtained by fixing the superhydrophobic powder obtained above on a solid substrate and a method for producing the structure.

本発明の超疎水性粉体は、任意材質、任意形状の基材表面に塗布することで、あらゆる固体表面を超疎水性に変換させることができる。これは水により錆びる、腐る、汚れる可能性がある金属、金属酸化物、繊維、木材、紙、皮革、プラスチックの保護膜に応用出来る。また、もっと具体的には、建築体、車体、船舶体、容器構造体、パッケージ、ガラス製品、陶器製品(便器、風呂場全体)、プール、水道管、電線、電球、各種カーバーなどの構造体の保護膜に応用出来る。さらに、冷蔵庫、電子レンジ、洗濯機などの家電製品およびパソコン、テレビ、携帯電話などの通信用電気製品の表面コーティングにも応用出来る。また、エネルギー変換関連の燃料電池デバイスにも応用可能である。   The superhydrophobic powder of the present invention can convert any solid surface to superhydrophobic by applying it to the surface of a base material of any material and shape. This can be applied to protective films for metals, metal oxides, fibers, wood, paper, leather, and plastics that can rust, rot, and get dirty with water. More specifically, structures such as buildings, car bodies, ship bodies, container structures, packages, glass products, pottery products (toilet bowls, entire bathrooms), pools, water pipes, electric wires, light bulbs, various carvers, etc. It can be applied to the protective film. Furthermore, it can also be applied to the surface coating of household electrical appliances such as refrigerators, microwave ovens and washing machines, and electrical appliances for communication such as personal computers, televisions and mobile phones. It can also be applied to energy conversion-related fuel cell devices.

本発明者らは既に、直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーが水性媒体中で自己組織化的に成長する結晶性会合体を反応場にし、溶液中でその会合体表面にてアルコキシシランを加水分解的に縮合させ、シリカを析出させることで、ナノファイバーを基本ユニットにした複雑形状のシリカ含有ナノ構造体(粉体)及びそれらの製法を提供した(特開2005−264421号公報、特開2005−336440号公報、特開2006−063097号公報、特開2007−051056号公報参照。)。   The present inventors have already used a crystalline aggregate in which a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton grows in an aqueous medium in a self-organizing manner as a reaction field, and hydrolyzes alkoxysilane on the surface of the aggregate in a solution. A silica-containing nanostructure (powder) having a complex shape with nanofibers as a basic unit and a method for producing them were provided by decomposing condensation and precipitating silica (JP 2005-264421, JP 2005-336440, JP-A-2006-063097, and JP-A-2007-051056.)

この技術の基本原理は、溶液中で直鎖状ポリエチレンイミン骨格含有ポリマーの結晶性会合体を自発的に生長させることであり、一旦結晶性会合体ができたら、後は単に該結晶性会合体の分散液中にシリカソースを混合して、結晶性会合体表面上だけでのシリカの析出を自然に任せることになる(いわゆる、ゾルゲル反応)。これで得られるシリカ含有ナノ構造体は基本的にナノファバーを構造形成のユニットとするものであり、それらユニットの空間的配列によって全体の構造体の形状を誘導するため、ナノレベルの隙間が多く、表面積が大きい粉体である。   The basic principle of this technique is to spontaneously grow a crystalline aggregate of a linear polyethyleneimine skeleton-containing polymer in a solution. Once a crystalline aggregate is formed, the crystalline aggregate is simply A silica source is mixed in the dispersion liquid, so that the deposition of silica only on the surface of the crystalline aggregate is naturally left (so-called sol-gel reaction). The silica-containing nanostructure obtained in this way basically has nanofabric as a unit for structure formation, and since the shape of the entire structure is induced by the spatial arrangement of these units, there are many nano-level gaps, It is a powder with a large surface area.

このような粉体は、自然界での超疎水性を発現するに必要とする基本構造、即ち、ナノファイバーが集合して、マイクロメーター次元の大きさを形成することと非常に良く似ている。従って、この粉体表面を表面張力が低い化学残基で修飾さえすれば、超疎水性を発現することは可能であると考えられる。   Such a powder is very similar to the basic structure necessary for developing superhydrophobicity in nature, that is, nanofibers gather to form a micrometer dimension. Therefore, it is considered that superhydrophobicity can be expressed by modifying the powder surface with a chemical residue having a low surface tension.

このような考え方をもとに、本発明者らは、直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーにより誘導されたナノファイバーを基本構造とするマイクロメーターオーダーのシリカ含有ナノ構造体(シリカを含有するナノメートルオーダーの基本単位からなる構造体のことを示す。)である粉体表面に疎水性基を結合させることで、粉体そのものを超疎水性にすることができる事を見出した。以下、本発明について、詳細に記載する。   Based on this concept, the present inventors have developed a silica-containing nanostructure on the order of micrometer (a silica-containing nanostructure) having a basic structure of a nanofiber derived from a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton. It was found that the powder itself can be made superhydrophobic by bonding a hydrophobic group to the powder surface, which is a structure consisting of basic units in the metric order. Hereinafter, the present invention will be described in detail.

なお、本願において、フィラメントとは、本発明で用いる直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマー鎖中にある直鎖状ポリエチレンイミン骨格部分の複数が水分子の存在下で結晶化することにより、ポリマー鎖が相互に会合して繊維状に成長したものである。このフィラメントの表面でゾルゲル反応が起こることによって、該フィラメントがシリカで被覆された有機無機複合ナノファイバーが形成されるが、この反応時に複数の有機無機ナノファイバー間がシリカによって結合されたり、凝集したりすることによって、有機無機ナノファイバーの会合体であるシリカ含有ナノ構造体(粉体)が形成されることになる。   In the present application, a filament is a polymer chain formed by crystallization of a plurality of linear polyethyleneimine skeleton portions in a polymer chain having a linear polyethyleneimine skeleton used in the present invention in the presence of water molecules. Are associated with each other and grow into a fibrous form. When a sol-gel reaction occurs on the surface of the filament, an organic-inorganic composite nanofiber in which the filament is coated with silica is formed. During this reaction, a plurality of organic-inorganic nanofibers are bonded or aggregated by silica. As a result, a silica-containing nanostructure (powder) that is an aggregate of organic-inorganic nanofibers is formed.

[直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a)を有するポリマー(A)]
本発明で用いる直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a)を有するポリマー(A)としては、線状、星状、櫛状構造の単独重合体であっても、他の繰り返し単位を有する共重合体であっても良い。共重合体の場合には、該ポリマー(A)中の直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a)のモル比が20%以上であることが、安定なフィラメントを形成できる点から好ましく、該ポリエチレンイミン骨格(a)の繰り返し単位数が10以上である、ブロック共重合体であることがより好ましい。
[Polymer (A) having linear polyethyleneimine skeleton (a)]
The polymer (A) having a linear polyethyleneimine skeleton (a) used in the present invention may be a homopolymer having a linear, star or comb structure, but may be a copolymer having other repeating units. There may be. In the case of a copolymer, the molar ratio of the linear polyethyleneimine skeleton (a) in the polymer (A) is preferably 20% or more from the viewpoint of forming a stable filament. It is more preferable that it is a block copolymer in which the number of repeating units in (a) is 10 or more.

前記直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a)を有するポリマー(A)としては、結晶性会合体形成能が高いほど好ましい。従って、単独重合体であっても共重合体であっても、直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a)部分に相当する分子量が500〜1,000,000の範囲であることが好ましい。これら直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a)を有するポリマー(A)は市販品または本発明者らがすでに開示した合成法(前記特許文献を参照。)により得ることができる。   As the polymer (A) having the linear polyethyleneimine skeleton (a), the higher the ability to form a crystalline aggregate, the more preferable. Therefore, it is preferable that the molecular weight corresponding to the linear polyethyleneimine skeleton (a) portion is in the range of 500 to 1,000,000, whether it is a homopolymer or a copolymer. The polymer (A) having the linear polyethyleneimine skeleton (a) can be obtained from a commercially available product or a synthesis method already disclosed by the present inventors (see the above-mentioned patent document).

[シリカ(B)]
本発明で提供する超疎水性粉体は、前記直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a)を有するポリマー(A)のフィラメントがシリカ(B)で被覆されてなる有機無機複合ナノファイバー(I)の会合体、又は当該有機無機複合ナノファイバー(I)の会合体から前記ポリマー(A)を焼成により除去して得られるシリカ(B)を主構成成分とするナノファイバー(II)の会合体を基本構造とする。
[Silica (B)]
The superhydrophobic powder provided by the present invention is a group of organic-inorganic composite nanofibers (I) in which the filament of the polymer (A) having the linear polyethyleneimine skeleton (a) is coated with silica (B). The basic structure of the aggregate or the aggregate of nanofibers (II) mainly composed of silica (B) obtained by removing the polymer (A) from the aggregate of the organic-inorganic composite nanofibers (I) by calcination And

前記シリカ(B)は、前記ポリマー(A)のフィラメントの存在下、該フィラメント表面でゾルゲル反応によって得られるものであり、該シリカ(B)の形成に必要なシリカソースとしては、例えば、アルコキシシラン類、水ガラス、ヘキサフルオロシリコンアンモニウム等を用いることができる。   The silica (B) is obtained by a sol-gel reaction on the filament surface in the presence of the filament of the polymer (A). As a silica source necessary for the formation of the silica (B), for example, alkoxysilane , Water glass, hexafluorosilicon ammonium and the like can be used.

アルコキシシラン類としては、テトラメトキシシラン、メトキシシラン縮合体のオリゴマー、テトラエトキシシラン、エトキシシラン縮合体のオリゴマーを好適に用いることができる。さらに、アルキル置換アルコキシシラン類の、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、n−プロピルトリメトキシシラン、n−プロピルトリエトキシシラン、iso−プロピルトリメトキシシラン、iso−プロピルトリエトキシシラン等、更に、3−クロロプロピルトリメトキシシラン、3−クロロプロピルトリエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−アミノプロピルトリエトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3−メルカプトトリエトキシシラン、3,3,3−トリフルオロプロピルトリメトキシシラン、3,3,3−トリフルオロプロピルトリエトキシシラン、3−メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン、3−メタクリルオキシプロピルトリエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、p−クロロメチルフェニルトリメトキシシラン、p−クロロメチルフェニルトリエトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、ジエチルジメトキシシラン、ジエチルジエトキシシラン等を、単一で、又は混合して用いることができる。   As the alkoxysilanes, tetramethoxysilane, oligomers of methoxysilane condensates, tetraethoxysilane, oligomers of ethoxysilane condensates can be suitably used. Further, alkyl-substituted alkoxysilanes such as methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, ethyltrimethoxysilane, ethyltriethoxysilane, n-propyltrimethoxysilane, n-propyltriethoxysilane, iso-propyltrimethoxysilane, iso-propyltriethoxysilane, etc., 3-chloropropyltrimethoxysilane, 3-chloropropyltriethoxysilane, vinyltrimethoxysilane, vinyltriethoxysilane, 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane, 3-glycid Xylpropyltriethoxysilane, 3-aminopropyltrimethoxysilane, 3-aminopropyltriethoxysilane, 3-mercaptopropyltrimethoxysilane, 3-mercaptotriethoxysilane, 3,3 -Trifluoropropyltrimethoxysilane, 3,3,3-trifluoropropyltriethoxysilane, 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane, 3-methacryloxypropyltriethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, phenyltriethoxysilane, p -Chloromethylphenyltrimethoxysilane, p-chloromethylphenyltriethoxysilane, dimethyldimethoxysilane, dimethyldiethoxysilane, diethyldimethoxysilane, diethyldiethoxysilane and the like can be used alone or in combination.

また、上記シリカソースに、他のアルコキシ金属化合物を混合して用いることもできる。例えば、テトラブトキシチタン、テトライソプロポキシチタン、または水性媒体中安定なチタニウムビス(アンモニウムラクテート)ジヒドロキシド水溶液、チタニウムビス(ラクテート)の水溶液、チタニウムビス(ラクテート)のプロパノール/水混合液、チタニウム(エチルアセトアセテート)ジイソプロポオキシド、硫酸チタン、ヘキサフルオロチタンアンモニウム等を用いることができる。   In addition, other silica metal compounds may be mixed with the silica source. For example, tetrabutoxytitanium, tetraisopropoxytitanium, or an aqueous solution of titanium bis (ammonium lactate) dihydroxide stable in an aqueous medium, an aqueous solution of titanium bis (lactate), a propanol / water mixture of titanium bis (lactate), titanium (ethyl) Acetoacetate) diisopropoxide, titanium sulfate, hexafluorotitanium ammonium and the like can be used.

[金属イオン]
前記有機無機複合ナノファイバー(I)中には金属イオンを安定に取り込むことができ、従って、金属イオンを含有する超疎水性粉体を得ることもできる。
[Metal ions]
Metal ions can be stably taken into the organic-inorganic composite nanofiber (I), and therefore a superhydrophobic powder containing metal ions can be obtained.

前記ポリマー(A)中の直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a)は金属イオンに対して強い配位能力を有するため、金属イオンは該骨格中のエチレンイミン単位と配位結合して金属イオン錯体を形成する。該金属イオン錯体は金属イオンがエチレンイミン単位に配位されることにより得られるものであり、イオン結合等の過程と異なり、該金属イオンがカチオンでも、またはアニオンでも、エチレンイミン単位への配位により錯体を形成することができる。従って、金属イオンの金属種は、ポリマー(A)中のエチレンイミン単位と配位結合できるものであれば制限されず、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、半金属、ランタン系金属、ポリオキソメタレート類の金属化合物等のいずれでも良く、単独種であっても複数種が混合されていても良い。   Since the linear polyethyleneimine skeleton (a) in the polymer (A) has a strong coordination ability to metal ions, the metal ions coordinate with the ethyleneimine units in the skeleton to form metal ion complexes. Form. The metal ion complex is obtained by coordination of a metal ion to an ethyleneimine unit. Unlike a process such as ionic bonding, the metal ion is coordinated to an ethyleneimine unit regardless of whether the metal ion is a cation or an anion. Can form a complex. Accordingly, the metal species of the metal ion is not limited as long as it can coordinate with the ethyleneimine unit in the polymer (A), and is not limited to alkali metal, alkaline earth metal, transition metal, metalloid, lanthanum metal, poly Any of metal compounds such as oxometalates may be used, and they may be used alone or in combination.

上記アルカリ金属としては、Li,Na,K,Cs等が挙げられ、該アルカリ金属のイオンの対アニオンとしては、Cl,Br,I,NO,SO,PO,ClO,PF,BF,FCSOなどが挙げられる。 Examples of the alkali metal include Li, Na, K, Cs and the like, and examples of counter ions of the alkali metal ions include Cl, Br, I, NO 3 , SO 4 , PO 4 , ClO 4 , PF 6 , Examples thereof include BF 4 and F 3 CSO 3 .

アルカリ土類金属としては、Mg,Ba,Ca等が挙げられる。   Examples of the alkaline earth metal include Mg, Ba, and Ca.

遷移金属系の金属イオンとしては、それが遷移金属カチオン(Mn+)であっても、または遷移金属が酸素との結合からなる酸根アニオン(MO n−)、またはハロゲン類結合からなるアニオン(ML n−)であっても、好適に用いることができる。なお、本明細書において遷移金属とは、周期表第3族のSc,Y、及び、第4〜12族で第4〜6周期にある遷移金属元素を指す。 As a transition metal-based metal ion, even if it is a transition metal cation (M n + ), an acid group anion (MO x n− ) composed of a bond with oxygen, or an anion composed of a halogen bond ( ML x n− ) can also be suitably used. In the present specification, the transition metal refers to Sc, Y in Group 3 of the periodic table, and transition metal elements in Groups 4 to 12 in the 4th to 6th periods.

遷移金属カチオンとしては、各種の遷移金属のカチオン(Mn+)、例えば、Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Y,Zr,Mo,Ru,Rh,Pd,Ag,Cd,W,Os,Ir,Pt,Au,Hgの一価、二価、三価または四価のカチオンなどが挙げられる。これら金属カチオンの対アニオンは、Cl,NO,SO、またはポリオキソメタレート類アニオン、あるいはカルボン酸類の有機アニオンのいずれであってもよい。ただし、Ag,Au,Ptなど、エチレンイミン骨格により還元されやすいものは、pHを酸性条件にする等、還元反応を抑制してイオン錯体を調製することが好ましい。 Examples of transition metal cations include cations of various transition metals (M n + ), such as Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Mo, Ru, Rh, Pd, and Ag. , Cd, W, Os, Ir, Pt, Au, Hg, monovalent, divalent, trivalent or tetravalent cations. The counter anion of these metal cations may be any of Cl, NO 3 , SO 4 , polyoxometalates anions, or organic anions of carboxylic acids. However, for those that are easily reduced by the ethyleneimine skeleton, such as Ag, Au, and Pt, it is preferable to prepare an ionic complex by suppressing the reduction reaction, for example, by adjusting the pH to acidic conditions.

また遷移金属アニオンとしては、各種の遷移金属アニオン(MO n−)、例えば、MnO,MoO,ReO,WO,RuO,CoO,CrO,VO,NiO,UOのアニオン等が挙げられる。 Examples of the transition metal anion include various transition metal anions (MO x n− ) such as MnO 4 , MoO 4 , ReO 4 , WO 3 , RuO 4 , CoO 4 , CrO 4 , VO 3 , NiO 4 , UO 2. Anions and the like.

本発明における金属イオンとしては、前記遷移金属アニオンが、ポリマー(A)中のエチレンイミン単位に配位した金属カチオンを介してシリカ(B)中に固定された、ポリオキソメタレート類の金属化合物の形態であってもよい。該ポリオキソメタレート類の具体例としては、遷移金属カチオンと組み合わせられたモリブデン酸塩、タングステン酸塩、バナジン酸塩類等を挙げることができる。   As the metal ion in the present invention, a metal compound of polyoxometalates in which the transition metal anion is fixed in silica (B) through a metal cation coordinated to an ethyleneimine unit in the polymer (A). It may be a form. Specific examples of the polyoxometalates include molybdate, tungstate and vanadate in combination with a transition metal cation.

さらに、各種の金属が含まれたアニオン(ML n−)、例えば、AuCl,PtCl,RhCl,ReF,NiF,CuF,RuCl,InCl等、金属がハロゲンに配位されたアニオンもイオン錯体形成に好適に用いることができる。 Furthermore, anions (ML x n− ) containing various metals, such as AuCl 4 , PtCl 6 , RhCl 4 , ReF 6 , NiF 6 , CuF 6 , RuCl 6 , In 2 Cl 6, etc. The coordinated anion can also be suitably used for forming an ion complex.

また、半金属系イオンとしては、Al,Ga,In,Tl,Ge,Sn,Pb,Sb,Biのイオンが挙げられ、なかでもAl,Ga,In,Sn,Pb,Tlのイオンが好ましい。   Further, examples of the metalloid ions include ions of Al, Ga, In, Tl, Ge, Sn, Pb, Sb, and Bi. Among them, ions of Al, Ga, In, Sn, Pb, and Tl are preferable.

ランタン系金属イオンとしては、例えば、La,Eu,Gd,Yb,Euなどの3価のカチオンが挙げられる。   Examples of the lanthanum metal ions include trivalent cations such as La, Eu, Gd, Yb, and Eu.

[金属ナノ粒子]
上記した通り、本発明では金属イオンを有機無機複合ナノファイバー(I)に取り込むことができる。従って、これらの金属イオンのなかでも、還元反応により還元されやすい金属イオンは、金属ナノ粒子に変換させることで、金属ナノ粒子を含有した超疎水性粉体を得ることもできる。
[Metal nanoparticles]
As described above, in the present invention, metal ions can be taken into the organic-inorganic composite nanofiber (I). Accordingly, among these metal ions, metal ions that are easily reduced by a reduction reaction can be converted into metal nanoparticles, whereby a superhydrophobic powder containing metal nanoparticles can be obtained.

金属ナノ粒子の金属種としては、例えば、銅、銀、金、白金、パラジウム、マンガン、ニッケル、ロジウム、コバルト、ルテニウム、レニウム、モリブデン、鉄等が挙げられ、超疎水性粉体中の金属ナノ粒子は一種であっても、二種以上であってもよい。これら金属種の中でも、特に、銀、金、白金、パラジウムは、その金属イオンがエチレンイミン単位に配位された後、室温または加熱状態で自発的に還元されるため特に好ましい。   Examples of the metal species of the metal nanoparticles include copper, silver, gold, platinum, palladium, manganese, nickel, rhodium, cobalt, ruthenium, rhenium, molybdenum, iron, and the like. The particles may be one kind or two or more kinds. Among these metal species, silver, gold, platinum, and palladium are particularly preferable because the metal ions are spontaneously reduced at room temperature or in a heated state after being coordinated to the ethyleneimine unit.

超疎水性粉体中の金属ナノ粒子の大きさは、1〜20nmの範囲に制御できる。また、金属ナノ粒子は、ポリマー(A)とシリカ(B)との有機無機複合ナノファイバー(I)の内部、または外表面に固定することができる。   The size of the metal nanoparticles in the superhydrophobic powder can be controlled in the range of 1 to 20 nm. Moreover, a metal nanoparticle can be fixed to the inside of an organic inorganic composite nanofiber (I) of a polymer (A) and silica (B), or an outer surface.

[有機色素分子]
ポリマー(A)中の直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a)はアミノ基、ヒドロキシ基、カルボン酸基、スルホン酸基、リン酸基を有する化合物と、水素結合及び/又は静電気引力により、物理的な結合構造を構成することができる。従って、これらの官能基を有する有機色素分子等を超疎水性粉体中に含有させることが可能である。
[Organic dye molecules]
The linear polyethyleneimine skeleton (a) in the polymer (A) is physically bonded with a compound having an amino group, a hydroxy group, a carboxylic acid group, a sulfonic acid group, or a phosphoric acid group, and hydrogen bonds and / or electrostatic attraction. A bonded structure can be constructed. Therefore, it is possible to contain organic dye molecules having these functional groups in the superhydrophobic powder.

前記有機色素分子としては、単官能酸性化合物、または二官能以上の多官能酸性化合物を好適に用いることができる。   As the organic dye molecule, a monofunctional acidic compound or a bifunctional or higher polyfunctional acidic compound can be suitably used.

具体的には、例えば、テトラフェニルポルフィリンテトラカルボン酸、ピレンジカルボン酸などの芳香族酸類、ナフタレンジスルホン酸、ピレンジスルホン酸、ピレンテトラスルホン酸、アンスラキノンジスルホン酸、テトラフェニルポルフィリンテトラスルホン酸、フタロシアニンテトラスルホン酸、ピペス(PIPES)などの芳香族または脂肪族のスルホン酸類、acid yellow,acid blue,acid red,direct blue,direct yellow,direct red系列のアゾ系染料等を挙げることができる。また、キサンテン骨格を有する色素、例えば、ローダミン、エリスロシン、エオシン系列の色素を用いることができる。   Specifically, for example, aromatic acids such as tetraphenylporphyrin tetracarboxylic acid and pyrene dicarboxylic acid, naphthalene disulfonic acid, pyrene disulfonic acid, pyrene tetrasulfonic acid, anthraquinone disulfonic acid, tetraphenyl porphyrin tetrasulfonic acid, phthalocyanine tetra Aromatic or aliphatic sulfonic acids such as sulfonic acid and pipes (PIPES), acid yellow, acid blue, acid red, direct blue, direct yellow, direct red series azo dyes and the like can be mentioned. In addition, a dye having a xanthene skeleton, for example, rhodamine, erythrosine, and eosin dyes can be used.

[有機無機複合ナノファイバー(I)]
本発明において、有機無機複合ナノファイバー(I)の大きさは、用いるポリマー(A)の分子量、形状、直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a)の含有率等、用いるシリカソースの種類や使用割合等によって調整することが可能であり、特に該有機無機複合ナノファイバー(I)の太さが10〜100nm、アスペクト比が10以上であるものを容易に製造することができる。
[Organic inorganic composite nanofiber (I)]
In the present invention, the size of the organic-inorganic composite nanofiber (I) is the molecular weight and shape of the polymer (A) to be used, the content of the linear polyethyleneimine skeleton (a), and the type and use ratio of the silica source to be used. In particular, the organic-inorganic composite nanofiber (I) having a thickness of 10 to 100 nm and an aspect ratio of 10 or more can be easily produced.

前記有機無機複合ナノファイバー(I)中の前記ポリマー(A)の含有率は5〜30質量%に調整可能であり、該ポリマー(A)は前述の通り、フィラメントの形状として含まれている。   The content of the polymer (A) in the organic-inorganic composite nanofiber (I) can be adjusted to 5 to 30% by mass, and the polymer (A) is included as a filament shape as described above.

前記有機無機複合ナノファイバー(I)はその生成過程(ゾルゲル反応時)において3次元空間でランダム配列し、2〜100μmの大きさの会合体(シリカ含有ナノ構造体)を形成する。このような会合体からなる粉体の表面積は50〜200m/gの範囲になる。 The organic-inorganic composite nanofibers (I) are randomly arranged in a three-dimensional space during the production process (during sol-gel reaction) to form an aggregate (silica-containing nanostructure) having a size of 2 to 100 μm. The surface area of the powder composed of such an aggregate is in the range of 50 to 200 m 2 / g.

有機無機複合ナノファイバー(I)及びその会合体の製造方法については、前記した本発明者がすでに提供した特許文献に記載されたいずれの手法であっても良い。   The method for producing the organic-inorganic composite nanofiber (I) and the aggregate thereof may be any method described in the patent literature already provided by the present inventors.

[シリカを主構成成分とするナノファイバー(II)]
上述した有機無機複合ナノファイバー(I)の会合体を加熱焼成すると、形状を維持したまま、その内部に含まれていたポリマー(B)が除去され、シリカを主構成成分とするナノファイバー(II)の会合体を得ることができる。ここで、シリカを主構成成分とするということは、例えば、焼成が不十分でポリマー(A)、または併用した有機色素分子中の炭素原子等が炭化して含まれていたり、金属イオンや金属ナノ粒子を併用した場合においては、金属原子が含まれていたりすることがあるものの、ナノファイバーの形状はシリカ(B)によって形成されているこというものであり、シリカ(B)の含有率は通常90質量%以上、好ましくは95質量%である。
[Nanofibers (II) mainly composed of silica]
When the aggregate of the organic-inorganic composite nanofiber (I) described above is heated and fired, the polymer (B) contained therein is removed while maintaining the shape, and the nanofiber (II) containing silica as the main constituent (II) ) Can be obtained. Here, silica as a main constituent means that, for example, the polymer (A) or the carbon atom in the organic dye molecule used in combination is carbonized and contained, or the metal ion or metal is not baked. When nanoparticles are used in combination, metal atoms may be contained, but the shape of the nanofiber is formed by silica (B), and the content of silica (B) is Usually, it is 90 mass% or more, preferably 95 mass%.

焼成温度は500℃以上であればよく、焼成時間は温度により適宜に設定することができる。500℃よりもっと高い温度では1時間であればよく、500℃付近では2時間以上焼成することが望まれる。   The baking temperature should just be 500 degreeC or more, and baking time can be suitably set with temperature. The temperature may be 1 hour at a temperature higher than 500 ° C., and it is desired to calcinate for 2 hours or more near 500 ° C.

焼成して得られる会合体の構造は焼成前と変わりがなく、ナノファイバー(II)の太さが10〜100nm、アスペクト比が10以上であり、この太さのナノファイバーが3次元空間でランダム配列してなる会合体は2〜100μmの大きさを保ったままである。焼成後に得られる粉体の比表面積は焼成前より大きく、概ね100〜400m/gである。 The structure of the aggregate obtained by firing is the same as before firing, and the nanofiber (II) has a thickness of 10 to 100 nm and an aspect ratio of 10 or more. The nanofiber of this thickness is random in a three-dimensional space. The aggregate formed by the arrangement still maintains a size of 2 to 100 μm. The specific surface area of the powder obtained after firing is larger than that before firing, and is generally 100 to 400 m 2 / g.

[疎水化処理]
本発明では、超疎水性粉体とするために疎水性基(X)でナノファイバー(I)又はナノファイバー(II)の会合体表面を修飾しなければならない。当該修飾は、疎水性基(X)を有する化合物との接触で容易に行なうことができる。
[Hydrophobic treatment]
In the present invention, the surface of the nanofiber (I) or nanofiber (II) aggregate must be modified with a hydrophobic group (X) in order to obtain a superhydrophobic powder. The modification can be easily performed by contact with a compound having a hydrophobic group (X).

前記疎水性基(X)としては、例えば、炭素数1〜22のアルキル基、置換基を有していても良い芳香族基(置換基としては、炭素数1〜22のアルキル基、フッ素化アルキル基、部分フッ素化アルキル基等の疎水性基)、炭素数1〜22のフッ素化アルキル基、炭素数1〜22の部分フッ素化アルキル基等が挙げられる。   Examples of the hydrophobic group (X) include an alkyl group having 1 to 22 carbon atoms and an aromatic group which may have a substituent (as the substituent, an alkyl group having 1 to 22 carbon atoms, a fluorinated group). And hydrophobic groups such as alkyl groups and partially fluorinated alkyl groups), fluorinated alkyl groups having 1 to 22 carbon atoms, and partially fluorinated alkyl groups having 1 to 22 carbon atoms.

これらの疎水性基(X)を効率的に前記ナノファイバー(I)又はナノファイバー(II)の会合体の表面のシリカ(B)に導入するためには、当該疎水性基(X)を有するシランカップリング剤(x)を単独、又は混合して用いて接触させることが好ましい。このとき、疎水性基(X)を有するシランカップリング剤(x)との接触量を調整することによって、得られる粉体を疎水性〜超疎水性と調整することも可能である。   In order to efficiently introduce the hydrophobic group (X) into the silica (B) on the surface of the nanofiber (I) or the nanofiber (II) aggregate, the hydrophobic group (X) has the hydrophobic group (X). The silane coupling agent (x) is preferably used alone or in combination for contact. At this time, by adjusting the contact amount with the silane coupling agent (x) having the hydrophobic group (X), the obtained powder can be adjusted to be hydrophobic to superhydrophobic.

前記シランカップリング剤(x)として、例えば、メチルトリメトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、n−プロピルトリメトキシシラン、n−プロピルトリエトキシシラン、iso−プロピルトリメトキシシラン、iso−プロピルトリエトキシシラン、ペンチルトリメトキシシラン、ヘキシルトリメトキシシラン等のアルキル基の炭素数が1〜22までのアルキルトリメトキシシランまたはアルキルトリクロロシラン類が挙げられる。   Examples of the silane coupling agent (x) include methyltrimethoxysilane, dimethyldimethoxysilane, ethyltrimethoxysilane, ethyltriethoxysilane, n-propyltrimethoxysilane, n-propyltriethoxysilane, and iso-propyltrimethoxy. Examples include alkyltrimethoxysilanes or alkyltrichlorosilanes having 1 to 22 carbon atoms in the alkyl group such as silane, iso-propyltriethoxysilane, pentyltrimethoxysilane, hexyltrimethoxysilane and the like.

また、表面張力低下に有効なフッ素原子を有するものとして、(部分)フッ素化アルキル基を有するシランカップリング剤、例えば、3,3,3−トリフルオロプロピルトリメトキシシラン、トリデカフルオロ−1,1,2,2−テトラヒドロオクチル)トリクロロシラン等を用いることもできる。   Further, as having a fluorine atom effective for lowering the surface tension, a (partially) silane coupling agent having a fluorinated alkyl group, such as 3,3,3-trifluoropropyltrimethoxysilane, tridecafluoro-1, 1,2,2-tetrahydrooctyl) trichlorosilane and the like can also be used.

また、芳香族基を有するシランカップリング剤として、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、p−クロロメチルフェニルトリメトキシシラン、p−クロロメチルフェニルトリエトキシシラン等を、取り上げることができる。   Moreover, as a silane coupling agent having an aromatic group, phenyltrimethoxysilane, phenyltriethoxysilane, p-chloromethylphenyltrimethoxysilane, p-chloromethylphenyltriethoxysilane, and the like can be taken up.

[反応性官能基の導入]
本発明の超疎水性粉体は、これを任意形状・任意材質の固体基材上に固定することで、超疎水性表面を有する構造物を得ることができる。このとき、当該粉体を固体基材上に固定する方法としては特に制限されるものではないが、後述するようなポリマー溶液又はシリカゾル中に分散し、該分散液を塗布し乾燥する方法によることが、簡便であり又工業的に有用性が高い。
[Introduction of reactive functional groups]
The superhydrophobic powder of the present invention can be fixed on a solid substrate of any shape / material to obtain a structure having a superhydrophobic surface. At this time, the method for fixing the powder on the solid substrate is not particularly limited, but is a method in which the powder is dispersed in a polymer solution or silica sol as described later, and the dispersion is applied and dried. However, it is simple and industrially useful.

このとき、本発明の超疎水性粉体をより固定しやすくするためには、当該超疎水性粉体に反応性官能基(Y)を導入することが好ましい。この反応性官能基(Y)の導入は、前記した疎水性基(X)の導入と同様の手法、即ち、反応性官能基(Y)を有するシランカップリング剤(y)との接触による手法が好ましい。   At this time, in order to more easily fix the superhydrophobic powder of the present invention, it is preferable to introduce a reactive functional group (Y) into the superhydrophobic powder. The introduction of the reactive functional group (Y) is the same method as the introduction of the hydrophobic group (X), that is, the method by contact with the silane coupling agent (y) having the reactive functional group (Y). Is preferred.

反応性官能基(Y)を有するシランカップリング剤(y)としては、例えば、γ−メタクリロイルプロピルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−(2−アミノエチル)アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−(2−ヒドロキシルエチル)アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−(2−アミノエチル)アミノプロピルトリエトキシシラン、γ−(2−ヒドロキシルエチル)アミノプロピルトリエトキシシラン、γ−(2−アミノエチル)アミノプロピルメチルジメトキシシラン、γ−(2−アミノエチル)アミノプロピルメチルジエトキシシラン、γ−(2−ヒドロキシルエチル)アミノプロピルメチルジメトキシシラン、γ−(2−ヒドロキシルエチル)アミノプロピルメチルジエトキシシランまたはγ−(N,N−ジ−2−ヒドロキシルエチル)アミノプロピルトリエトキシシラン、γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、γ−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、γ−アミノプロピルメチルジエトキシシランまたはγ−(N−フェニル)アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、γ−メルカプトフェニルトリメトキシシランなどの、(メタ)アクリロイル基、グリシジル基、アミノ基、ヒドロキシ基、メルカプト基を有すシランカップリング剤が挙げられ、単独でも、2種以上を併用しても良い。   Examples of the silane coupling agent (y) having a reactive functional group (Y) include γ-methacryloylpropyltrimethoxysilane, γ-glycidoxypropyltrimethoxysilane, γ- (2-aminoethyl) aminopropyltri Methoxysilane, γ- (2-hydroxylethyl) aminopropyltrimethoxysilane, γ- (2-aminoethyl) aminopropyltriethoxysilane, γ- (2-hydroxylethyl) aminopropyltriethoxysilane, γ- (2- Aminoethyl) aminopropylmethyldimethoxysilane, γ- (2-aminoethyl) aminopropylmethyldiethoxysilane, γ- (2-hydroxylethyl) aminopropylmethyldimethoxysilane, γ- (2-hydroxylethyl) aminopropylmethyldi Ethoxysilane or γ- ( N, N-di-2-hydroxylethyl) aminopropyltriethoxysilane, γ-aminopropyltrimethoxysilane, γ-aminopropyltriethoxysilane, γ-aminopropylmethyldimethoxysilane, γ-aminopropylmethyldiethoxysilane or Has (meth) acryloyl group, glycidyl group, amino group, hydroxy group, mercapto group, such as γ- (N-phenyl) aminopropyltrimethoxysilane, γ-mercaptopropyltrimethoxysilane, γ-mercaptophenyltrimethoxysilane The silane coupling agent may be mentioned, and may be used alone or in combination of two or more.

反応性官能基(Y)の導入割合としては特に限定されるものではないが、固体基材上に固定しやすい点と、超疎水性を保つこととのバランスを取る観点から、シリカ(B)に結合している疎水性基(X)と反応性官能基(Y)とのモル比(X)/(X+Y)が0.2〜1の範囲であることが好ましい。   The introduction ratio of the reactive functional group (Y) is not particularly limited, but from the viewpoint of balancing the point of being easily fixed on the solid substrate and maintaining superhydrophobicity, the silica (B) It is preferable that the molar ratio (X) / (X + Y) of the hydrophobic group (X) bonded to the reactive functional group (Y) is in the range of 0.2-1.

[超疎水性粉体の製造方法]
本発明の超疎水性粉体の製造方法は、前記有機無機複合ナノファイバー(I)の会合体又はナノファイバー(II)の会合体を溶剤中に分散し、疎水性基(X)を有するシランカップリング剤(x)の溶液、又は疎水性基(X)を有するシランカップリング剤(x)と反応性官能基(Y)を有するシランカップリング剤(y)とを含有する溶液と混合する方法である。
[Production method of superhydrophobic powder]
In the method for producing a superhydrophobic powder of the present invention, the organic-inorganic composite nanofiber (I) aggregate or nanofiber (II) aggregate is dispersed in a solvent, and a silane having a hydrophobic group (X) Mix with a solution of a coupling agent (x) or a solution containing a silane coupling agent (x) having a hydrophobic group (X) and a silane coupling agent (y) having a reactive functional group (Y). Is the method.

疎水性基(X)を有するシランカップリング剤(x)、反応性官能基(Y)を有するシランカップリング剤(y)はクロロホルム、塩化メチレン、シクロヘキサノン、キシレン、トルエン、エタノール、メタノールなどの溶剤に溶解させて用いることができる。これらの溶剤は単独または混合して用いることもできる。   Silane coupling agent (x) having hydrophobic group (X) and silane coupling agent (y) having reactive functional group (Y) are solvents such as chloroform, methylene chloride, cyclohexanone, xylene, toluene, ethanol and methanol. It can be dissolved in These solvents can be used alone or in combination.

上記溶液中、シランカップリング剤(x)及び(y)の合計の濃度は1〜5質量%であれば好適に用いることができ、特に1〜5質量%アンモニア水のエタノール溶液と混合して用いることがより好ましい。混合する際の体積比としては、シランカップリング剤の溶液に対し、アンモニア水エタノール溶液は5〜10倍量であれば好適である。   In the said solution, if the total density | concentration of silane coupling agent (x) and (y) is 1-5 mass%, it can use suitably, especially it mixes with the ethanol solution of 1-5 mass% ammonia water. More preferably, it is used. The volume ratio when mixing is preferably 5 to 10 times the amount of the ammonia water ethanol solution with respect to the solution of the silane coupling agent.

疎水性基(X)を有するシランカップリング剤(x)と反応性官能基(Y)を有するシランカップリング剤(y)とを用いる場合には、得られる超疎水性粉体に導入される疎水性基(X)と反応性官能基(Y)とのモル比を前述の好ましい範囲にするため、モル比(x)/(x+y)が0.2〜1の範囲であることが好ましい。   When a silane coupling agent (x) having a hydrophobic group (X) and a silane coupling agent (y) having a reactive functional group (Y) are used, they are introduced into the resulting superhydrophobic powder. In order to make the molar ratio of the hydrophobic group (X) and the reactive functional group (Y) within the above-mentioned preferable range, the molar ratio (x) / (x + y) is preferably in the range of 0.2-1.

ナノファイバー(I)又は(II)の会合体からなる粉体の分散液を上記混合溶液と混合することで、シランカップリング剤のシランが会合体表面にあるシリカ(B)にSi−O−Si結合で導入され、超疎水性粉体とすることができる。   By mixing a dispersion of a powder composed of an aggregate of nanofibers (I) or (II) with the above mixed solution, Si—O— is added to silica (B) having a silane coupling agent silane on the surface of the aggregate. Introduced by Si bonding, a superhydrophobic powder can be obtained.

粉体中にポリマー(A)が含まれている、有機無機複合ナノファイバー(I)からなる会合体を用いる場合、上記溶液と混合する時間は、10〜24時間であることが好ましい。又、ポリマー(A)を含まないナノファイバー(II)からなる会合体である粉末を用いる場合には、混合時間は2時間以上であれば、容易に疎水性基(X)を導入することができる。   When using the aggregate | assembly which consists of organic-inorganic composite nanofiber (I) in which polymer (A) is contained in powder, it is preferable that the time mixed with the said solution is 10 to 24 hours. In addition, in the case of using a powder that is an aggregate composed of nanofiber (II) not containing polymer (A), the hydrophobic group (X) can be easily introduced if the mixing time is 2 hours or longer. it can.

上記の手法で得られる超疎水性粉体は、水の濡れ性が全くなく、水に分散しても粉体として水面に浮かぶことしかできない。これは疎水性残基(X)の導入前では、水中に完全に沈むことと全く異なるものである。   The superhydrophobic powder obtained by the above method has no water wettability and can only float on the water surface as a powder even when dispersed in water. This is completely different from completely sinking in water before the introduction of the hydrophobic residue (X).

[超撥水性粉体を用いる超疎水性表面]
本発明の超疎水性粉体を固体基材表面に接着固定することで超疎水性表面を有する構造体を得ることができる。接着固定は、該粉体をポリマー溶液、シリカゾル液、または市販の塗料、接着剤などと混合し、その混合液を基材表面に塗布し、必要に応じて乾燥等を行なうことで容易に実現できる。
[Superhydrophobic surface using super water-repellent powder]
A structure having a superhydrophobic surface can be obtained by bonding and fixing the superhydrophobic powder of the present invention to the surface of a solid substrate. Adhesion fixation is easily achieved by mixing the powder with a polymer solution, silica sol solution, or commercially available paint, adhesive, etc., applying the mixture to the surface of the substrate, and drying it as necessary. it can.

上記超疎水性表面は、超疎水性粉体が塗膜表面に固定された状態である。即ち、ポリマーまたはシリカゾル等がバインダーとして連続膜を形成し、その連続膜表面に本発明の超疎水性粉体に由来する構造が一定間隔で分布していることを特徴とする。   The superhydrophobic surface is a state in which the superhydrophobic powder is fixed to the coating surface. That is, it is characterized in that a polymer or silica sol or the like forms a continuous film as a binder, and structures derived from the superhydrophobic powder of the present invention are distributed at regular intervals on the surface of the continuous film.

また、上記バインダー層に用いることができるポリマーは、疎水性のポリマーであれば特に限定せず用いることができる。疎水性ポリマーとしては、例えば、ポリスチレン、ポリビニルクロライド、ポリメタクリレート、ポリアクリレート、ポリカーボネート、ポリエステル、エポキシ樹脂などを取り上げることができる。   The polymer that can be used in the binder layer is not particularly limited as long as it is a hydrophobic polymer. Examples of the hydrophobic polymer include polystyrene, polyvinyl chloride, polymethacrylate, polyacrylate, polycarbonate, polyester, and epoxy resin.

例えば、反応性官能基(Y)としてグリシジル基やアミノ基を有する超疎水性粉体を用いる場合には、エポキシ樹脂をバインダー樹脂とすることによって、得られる塗膜表面に強固に固定することが可能となる。また、(メタ)アクリロイル基を有する超疎水性粉体を用いる場合には、(メタ)アクリロイル基を有するモノマーを併用することによって、UV硬化によって強固に固定することができる。そのほか、超疎水性粉体表面に導入した反応性官能基(Y)の種類に応じて、バインダー樹脂を選択することで、安定性の高い超疎水性表面を有する構造体を得ることが可能となる。   For example, when using a superhydrophobic powder having a glycidyl group or an amino group as the reactive functional group (Y), the epoxy resin can be used as a binder resin to firmly fix the resultant coating film surface. It becomes possible. Moreover, when using the superhydrophobic powder which has a (meth) acryloyl group, it can fix firmly by UV hardening by using together the monomer which has a (meth) acryloyl group. In addition, it is possible to obtain a highly stable structure having a superhydrophobic surface by selecting a binder resin according to the type of reactive functional group (Y) introduced on the surface of the superhydrophobic powder. Become.

さらに、上記バインダー層としては、アルコールに分散された状態のシリカゾル、金属酸化物ゾルなどを用いることができる。この際、アルコール類としては、メタノール、エタノール、イソプロパノールなどを取り上げることが出来る。   Furthermore, as the binder layer, silica sol, metal oxide sol or the like dispersed in alcohol can be used. In this case, methanol, ethanol, isopropanol, etc. can be taken up as alcohols.

また、上記塗膜のバインダー層としては、通常市販の塗料、または市販の接着剤を用いることもできる。   Moreover, as a binder layer of the said coating film, a commercially available coating material or a commercially available adhesive agent can also be used normally.

上記で得られる超疎水性表面の接触角は150〜179°の範囲で変えることができる。表面における超疎水性粉体の密度が高ければ高いほど、接触角は向上する。目的とする疎水性のレベルがこれよりも低い、例えば、一般的な疎水性レベルである接触角70〜150°の表面を得るためには、本発明の超疎水性粉体の使用割合を下げ、該粉体の密度を下げれば良いことは勿論である。   The contact angle of the superhydrophobic surface obtained above can be varied in the range of 150-179 °. The higher the density of superhydrophobic powder on the surface, the better the contact angle. In order to obtain a surface having a target hydrophobicity level lower than this, for example, a contact angle of 70 to 150 ° which is a general hydrophobicity level, the use ratio of the superhydrophobic powder of the present invention is decreased. Of course, the density of the powder may be lowered.

上記固体基材としては、バインダー層に用いる材料に応じて選択可能であり、例えば、ガラス、金属、金属酸化物、木材、紙、繊維、プラスチック、ゴム、皮革等が挙げられ、その形状としても特に限定されるものではなく、ポリマー溶液やシリカゾルが塗布できる形状のものであれば良い。   The solid substrate can be selected according to the material used for the binder layer, and examples thereof include glass, metal, metal oxide, wood, paper, fiber, plastic, rubber, leather, etc. There is no particular limitation, and any shape that can be applied with a polymer solution or silica sol may be used.

超疎水性粉体を固体基材表面に固定接着する方法としても、特に限定することがなく、該粉体を含む塗液をスピンコーター、バーコーター、ブラシング、スプレーなどの通常の塗布方法で適宜塗布すればよい。   The method for fixing and adhering the superhydrophobic powder to the surface of the solid substrate is not particularly limited, and the coating liquid containing the powder is appropriately applied by a usual coating method such as a spin coater, bar coater, brushing, spray or the like. What is necessary is just to apply.

また、塗膜を形成するバインダー層の性質に合わせ、塗布して得られる膜をUV硬化、熱硬化、自然乾燥などの工程で硬化することもできる。   Further, in accordance with the properties of the binder layer forming the coating film, the film obtained by coating can be cured by a process such as UV curing, heat curing, or natural drying.

本発明の超疎水性粉体は水以外の有機溶剤には濡れやすく、容易に分散できる。従って、バインダーを溶解または分散できる媒体としては、水以外の溶剤類であればよく、有機溶剤と水との混合媒体でも用いることができる。   The superhydrophobic powder of the present invention is easily wetted by organic solvents other than water and can be easily dispersed. Accordingly, the medium that can dissolve or disperse the binder may be any solvent other than water, and a mixed medium of an organic solvent and water can also be used.

表面作製用の塗液中、バインダー構成部分と超疎水性粉体部分との割合としては、バインダー/粉体=60/50〜99/1(質量比)の範囲であればよく、その組成比の範囲で塗液の固形分濃度を適宜に決めることができる。   In the coating liquid for surface preparation, the ratio of the binder constituent part and the superhydrophobic powder part may be in the range of binder / powder = 60/50 to 99/1 (mass ratio), and the composition ratio. In this range, the solid content concentration of the coating liquid can be appropriately determined.

特に、疎水性表面を作製する際、超疎水性粉体は塗膜の表面に一定に露出状態にしなければならない。そのため、塗膜の厚さを一定範囲、例えば、0.1〜20μmにすることが望ましい。塗膜が薄いほど、粉体が塗膜表面で突起することになり、水の接触角を大きくすることができる。   In particular, when preparing a hydrophobic surface, the superhydrophobic powder must be exposed to the surface of the coating film. Therefore, it is desirable that the thickness of the coating film is within a certain range, for example, 0.1 to 20 μm. The thinner the coating film, the more the powder will protrude on the surface of the coating film, and the contact angle of water can be increased.

また、塗膜表面に露出する粉体同士の水平距離は膜全体の超疎水性発現にとっては重要な構造要素である。粉体構造同士の水平距離は1〜20μmであれば超疎水性を充分発現できるが、それ以上の距離でも水の接触角を150°程度まで高くすることもでき、目的とする用途によって、適宜調整することが好ましい。   In addition, the horizontal distance between the powders exposed on the coating film surface is an important structural element for the expression of superhydrophobicity of the entire film. Superhydrophobicity can be sufficiently expressed if the horizontal distance between the powder structures is 1 to 20 μm, but the contact angle of water can be increased to about 150 ° even if the distance is longer than that, depending on the intended use. It is preferable to adjust.

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明する。なお、特に断わりがない限り、「%」は「質量%」を表わす。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. Unless otherwise specified, “%” represents “mass%”.

[走査電子顕微鏡によるナノファイバーの会合体や粉体の形状分析]
単離乾燥した会合体や粉体を両面テープにてサンプル支持台に固定し、それをキーエンス製表面観察装置VE−9800にて観察した。
[Shape analysis of nanofiber aggregates and powders by scanning electron microscope]
The isolated and dried aggregates and powders were fixed to a sample support with a double-sided tape, and observed with a surface observation apparatus VE-9800 manufactured by Keyence.

[接触角測定]
接触角は自動接触角計Contact Angle System OCA (Dataphysics社製)により測定した。
[Contact angle measurement]
The contact angle was measured with an automatic contact angle meter Contact Angle System OCA (manufactured by Dataphysics).

合成例1
[有機無機複合ナノファイバー(I)の会合体からなる粉体1の作製]
特許文献(特開2005−264421号公報、特開2005−336440号公報、特開2006−063097号公報、特開2007−051056号公報)に開示した方法により、形状が異なる粉体を作製した。
Synthesis example 1
[Preparation of Powder 1 Composed of Aggregates of Organic-Inorganic Composite Nanofiber (I)]
Powders having different shapes were produced by the methods disclosed in patent documents (Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2005-264421, 2005-336440, 2006-063097, and 2007-051056).

<線状のポリエチレンイミン(P5K)の合成>
市販のポリエチルオキサゾリン(数平均分子量500,000、平均重合度5,000、Aldrich社製)5gを、5Mの塩酸水溶液20mLに溶解させた。その溶液をオイルバスにて90℃に加熱し、その温度で10時間攪拌した。反応液にアセトン50mLを加え、ポリマーを完全に沈殿させ、それを濾過し、メタノールで3回洗浄し、白色のポリエチレンイミンの粉末を得た。得られた粉末をH−NMR(重水)にて同定したところ、ポリエチルオキサゾリンの側鎖エチル基に由来したピーク1.2ppm(CH)と2.3ppm(CH)が完全に消失していることが確認された。即ち、ポリエチルオキサゾリンが完全に加水分解され、ポリエチレンイミンに変換されたことが示された。
<Synthesis of linear polyethyleneimine (P5K)>
5 g of commercially available polyethyloxazoline (number average molecular weight 500,000, average polymerization degree 5,000, manufactured by Aldrich) was dissolved in 20 mL of 5 M aqueous hydrochloric acid solution. The solution was heated to 90 ° C. in an oil bath and stirred at that temperature for 10 hours. Acetone 50 mL was added to the reaction solution to completely precipitate the polymer, which was filtered and washed three times with methanol to obtain a white polyethyleneimine powder. When the obtained powder was identified by 1 H-NMR (heavy water), peaks 1.2 ppm (CH 3 ) and 2.3 ppm (CH 2 ) derived from the side chain ethyl group of polyethyloxazoline completely disappeared. It was confirmed that That is, it was shown that polyethyloxazoline was completely hydrolyzed and converted to polyethyleneimine.

その粉末を5mLの蒸留水に溶解し、攪拌しながら、その溶液に15%のアンモニア水50mLを滴下した。その混合液を一晩放置した後、沈殿した粉末を濾過し、その粉末を冷水で3回洗浄した。洗浄後の粉末をデシケータ中で室温(25℃)乾燥し、線状のポリエチレンイミン(P5K)を得た。収量は4.5g(結晶水含有)であった。ポリオキサゾリンの加水分解により得られるポリエチレンイミンは、側鎖だけが反応し、主鎖には変化がない。従って、P5Kの重合度は加水分解前の5,000と同様である。   The powder was dissolved in 5 mL of distilled water, and 50 mL of 15% aqueous ammonia was added dropwise to the solution while stirring. The mixture was allowed to stand overnight, the precipitated powder was filtered, and the powder was washed 3 times with cold water. The washed powder was dried in a desiccator at room temperature (25 ° C.) to obtain linear polyethyleneimine (P5K). The yield was 4.5 g (containing crystallization water). In polyethyleneimine obtained by hydrolysis of polyoxazoline, only the side chain reacts and the main chain does not change. Therefore, the polymerization degree of P5K is the same as 5,000 before hydrolysis.

<有機無機複合ナノファイバー(I)の会合体の合成>
一定量のP5Kを蒸留水中に混合し、それを90℃に加熱し透明溶液を得た後、全体3%の水溶液に調製した。該水溶液を室温で自然冷却し、真っ白のP5Kの会合体液を得た。攪拌しながら、その会合体液100mL中に、70mLのTMOS(テトラメトキシシラン)のエタノール溶液(体積濃度50%)を加え、室温で1時間攪拌続けた。析出した沈殿物をろ過し、それをエタノールで3回洗浄した後、40℃で加熱下乾燥することにより、粉体15gを得た。図1に得られた粉体のSEM写真を示す。ナノファイバーの会合体であることを確認した。
<Synthesis of organic-inorganic composite nanofiber (I) aggregate>
A certain amount of P5K was mixed in distilled water, heated to 90 ° C. to obtain a clear solution, and then prepared into a total 3% aqueous solution. The aqueous solution was naturally cooled at room temperature to obtain a pure white P5K aggregate solution. While stirring, 70 mL of an ethanol solution (volume concentration 50%) of TMOS (tetramethoxysilane) was added to 100 mL of the aggregated body solution, and stirring was continued at room temperature for 1 hour. The deposited precipitate was filtered, washed with ethanol three times, and dried under heating at 40 ° C. to obtain 15 g of powder. FIG. 1 shows an SEM photograph of the obtained powder. It was confirmed to be an assembly of nanofibers.

これで得た粉体の熱重量損失分析(SII Nano Technology Inc社製のTG/DTA6300)から、ポリマー含有量が7%であることを確認した。また、比表面積測定(Micrometrics社製 Flow Sorb II 2300)を行なった結果、105m/gであった。 From the thermogravimetric loss analysis (TG / DTA6300 made by SII Nano Technology Inc.) of the powder thus obtained, it was confirmed that the polymer content was 7%. In addition, the specific surface area was measured (Flow Sorb II 2300 manufactured by Micrometrics), and as a result, it was 105 m 2 / g.

合成例2
[シリカを主構成成分とするナノファイバー(II)の会合体からなる粉体2の作製]
合成例1で得た粉体1 5gを空気導入条件下、電気炉にて600℃、2時間加熱し、粉体1に含まれたポリエチレンイミンを除去し、白い粉体2を得た。比表面積は187m/gであった。図2に粉末(II)のSEM写真を示した。焼成後のナノファイバー構造には変化がないことが示唆された。
Synthesis example 2
[Preparation of Powder 2 Consisting of Nanofiber (II) Containing Silica as Main Component]
15 g of the powder 15 obtained in Synthesis Example 1 was heated in an electric furnace at 600 ° C. for 2 hours under air introduction conditions to remove polyethyleneimine contained in the powder 1 to obtain a white powder 2. The specific surface area was 187 m 2 / g. FIG. 2 shows an SEM photograph of powder (II). It was suggested that there was no change in the nanofiber structure after firing.

実施例1
[超疎水性粉体1の合成]
2%アンモニアのエタノール溶液50mLと20%デシルトリメトキシシラン(DTMS)のクロロホルム溶液5mLとを混合し、その混合液に0.5gの粉体1を加え、室温で24時間攪拌した。反応液をろ過後、得られた粉末をエタノールで3回洗浄した。乾燥後の粉末は水中では全く沈むことなく、水面で浮かぶ状態であった。これは疎水化処理前の粉体1が水中に完全に沈む傾向と全く異なった。
Example 1
[Synthesis of superhydrophobic powder 1]
50 mL of 2% ammonia in ethanol and 5 mL of 20% decyltrimethoxysilane (DTMS) in chloroform were mixed, 0.5 g of Powder 1 was added to the mixture, and the mixture was stirred at room temperature for 24 hours. After filtering the reaction solution, the obtained powder was washed with ethanol three times. The dried powder did not sink at all in the water and floated on the water surface. This was completely different from the tendency of the powder 1 before hydrophobization treatment to completely sink in water.

得られた粉末を両面テープに接着させ、粉体からなる表面を形成させた後、それの接触角を測定したところ、水の接触角は177.5°であった。粉末の膜状態で、超疎水性であることが強く示唆された。これを超疎水性粉体1とする。   After the obtained powder was adhered to a double-sided tape to form a surface made of powder, the contact angle of water was measured, and the contact angle of water was 177.5 °. It was strongly suggested that the membrane state of the powder was superhydrophobic. This is designated as superhydrophobic powder 1.

実施例2
[超撥水性粉体2の合成]
2%アンモニアのエタノール溶液50mLと20wt%デシルトリメトキシシラン(DTMS)のクロロホルム溶液5mL混合し、その混合液に0.5gの粉体2を加え、室温で24時間攪拌した。反応液をろ過後、得られた粉末をエタノールで3回洗浄した。乾燥後の粉末の(150〜800℃間)熱重量損失は8.4%であった。これは、シランカップリング剤導入による有機残基の量に相当する。この粉末は水中では全く沈むことなく、水面で浮かぶ状態であった。このことは疎水化処理前の粉体2が水中に完全に沈む傾向であったことと全く異なった。図3に粉末のSEM写真を示した。
Example 2
[Synthesis of super water-repellent powder 2]
50 mL of an ethanol solution of 2% ammonia and 5 mL of a chloroform solution of 20 wt% decyltrimethoxysilane (DTMS) were mixed, 0.5 g of powder 2 was added to the mixture, and the mixture was stirred at room temperature for 24 hours. After filtering the reaction solution, the obtained powder was washed with ethanol three times. The thermogravimetric loss of the powder after drying (between 150 and 800 ° C.) was 8.4%. This corresponds to the amount of organic residues due to introduction of the silane coupling agent. This powder did not sink at all in the water and floated on the water surface. This was completely different from the fact that the powder 2 before the hydrophobization treatment tended to completely sink in water. FIG. 3 shows an SEM photograph of the powder.

得られた粉末を両面テープに接着させ、粉体からなる表面を形成させた後、それの接触角を測定したところ、水の接触角は179°を超えた。粉体の膜状態で、超疎水性であることが強く示唆された。これを超疎水性粉体2とする。   After the obtained powder was adhered to a double-sided tape to form a surface made of powder, the contact angle of water was measured, and the contact angle of water exceeded 179 °. It was strongly suggested that the membrane state of the powder was superhydrophobic. This is designated as superhydrophobic powder 2.

実施例3
[超撥水性粉体3の合成]
2%アンモニアのエタノール溶液50mLと6%シランカップリング剤[5%デシルトリメトキシシラン(DTMS)と1%のアミノプロピルトリメトキシシラン(ATMS)]が含まれたクロロホルム溶液5mL混合し、その混合液に0.5gの粉体2を加え、室温で24時間攪拌した。反応液をろ過後、得られた粉末をエタノールで3回洗浄した。乾燥後の粉末の(150〜800℃間)熱重量損失は7.5%であった。該粉末は水中では全く沈むことなく、水面で浮かぶ状態であった。
Example 3
[Synthesis of super water-repellent powder 3]
Mix 50 mL of ethanol solution of 2% ammonia and 5 mL of chloroform solution containing 6% silane coupling agent [5% decyltrimethoxysilane (DTMS) and 1% aminopropyltrimethoxysilane (ATMS)]. 0.5 g of the powder 2 was added to the mixture and stirred at room temperature for 24 hours. After filtering the reaction solution, the obtained powder was washed with ethanol three times. The thermogravimetric loss of the powder after drying (between 150 and 800 ° C.) was 7.5%. The powder floated on the surface of the water without sinking at all.

得られた粉末を両面テープに接着させ、粉体からなる表面を形成させた後、それの接触角を測定したところ、水の接触角は168°であった。粉体の膜状態で、超疎水性であることが強く示唆された。これを超疎水性粉体3とする。   After the obtained powder was adhered to a double-sided tape to form a surface made of powder, the contact angle of water was measured, and the contact angle of water was 168 °. It was strongly suggested that the membrane state of the powder was superhydrophobic. This is designated as superhydrophobic powder 3.

実施例4
[超撥水性粉体4の合成]
2%アンモニアのエタノール溶液50mLと6%シランカップリング剤[5%デシルトリメトキシシラン(DTMS)と1%のメタクリロイルプロピルトリメトキシシラン(ATMS)]が含まれたクロロホルム溶液5mL混合し、その混合液に0.5gの粉体2を加え、室温で24時間攪拌した。反応液をろ過後、得られた粉末をエタノールで3回洗浄した。乾燥後の粉末の(150〜800℃間)熱重量損失は8.3%であった。乾燥後の粉末は水中では全く沈むことなく、水面で浮かぶ状態であった。
Example 4
[Synthesis of super water-repellent powder 4]
Mix 50 mL of 2% ammonia in ethanol and 5 mL of chloroform solution containing 6% silane coupling agent [5% decyltrimethoxysilane (DTMS) and 1% methacryloylpropyltrimethoxysilane (ATMS)] 0.5 g of the powder 2 was added to the mixture and stirred at room temperature for 24 hours. After filtering the reaction solution, the obtained powder was washed with ethanol three times. The thermogravimetric loss of the powder after drying (between 150 and 800 ° C.) was 8.3%. The dried powder did not sink at all in the water and floated on the water surface.

得られた粉体を両面テープに接着させ、粉体からなる表面を形成させた後、それの接触角を測定したところ、水の接触角は176°であった。粉体の膜状態で、超疎水性であることが強く示唆された。これを超疎水性粉体4とする。   After the obtained powder was adhered to a double-sided tape to form a surface made of powder, the contact angle of water was measured, and the contact angle of water was 176 °. It was strongly suggested that the membrane state of the powder was superhydrophobic. This is designated as superhydrophobic powder 4.

実施例5
[超疎水性粉体2を用いたろ紙上での超疎水性膜(浸漬法)]
市販のポリスチレン(Aldrich社製、Mw = 45,000)を用い、1%のトルエン溶液を調製した。0.5mLの該溶液中に、10mgの粉体2を加え、均一に分散した後、その分散液にろ紙を15分間浸漬した。ろ紙を取り出し、室温乾燥後、ろ紙の上に水滴を落としたが、水滴は完全に弾けた。接触角は165.5°であった。図4に塗膜と接触イメージを示した。
Example 5
[Superhydrophobic membrane on filter paper using superhydrophobic powder 2 (dipping method)]
A commercially available polystyrene (manufactured by Aldrich, Mw = 45,000) was used to prepare a 1% toluene solution. 10 mg of the powder 2 was added to 0.5 mL of the solution and dispersed uniformly, and then the filter paper was immersed in the dispersion for 15 minutes. After removing the filter paper and drying at room temperature, water drops were dropped on the filter paper, but the water drops blew completely. The contact angle was 165.5 °. FIG. 4 shows the contact image with the coating film.

実施例6
[超疎水性粉体2を用いたろ紙上での超疎水性膜(ブラシ法)]
実施例5で用いた同様な分散液をろ紙上にブラシで塗った。それを室温乾燥した後、表面接触角を測定したところ、接触角は178°であった。ろ紙は水にぬれることがなかった。
Example 6
[Superhydrophobic membrane on filter paper using superhydrophobic powder 2 (brush method)]
The same dispersion used in Example 5 was brushed on the filter paper. When the surface contact angle was measured after drying it at room temperature, the contact angle was 178 °. The filter paper did not get wet.

実施例7
[超疎水性粉体2を用いたガラス上での超疎水性膜(キャスト法)]
実施例5と同様な分散液を、バーコーターを用い、ガラススライド上にキャストした。これで得たキャスト膜を室温乾燥した後、表面接触角を測定したところ、接触角は179.6°(15μL水滴)であった(図5)。
Example 7
[Superhydrophobic film on glass using superhydrophobic powder 2 (casting method)]
A dispersion similar to that in Example 5 was cast on a glass slide using a bar coater. The cast film thus obtained was dried at room temperature and then the surface contact angle was measured. The contact angle was 179.6 ° (15 μL water droplets) (FIG. 5).

このガラス表面をSEMにて観察した(図6)。SEM写真イメージから、膜表面には粉体由来の粒粒が固定された状態で広がっていることがわかる。拡大イメージからは、粉体は5μm以上の間隔で分散していることがわかる。   This glass surface was observed by SEM (FIG. 6). From the SEM photograph image, it can be seen that the particles derived from the powder spread on the film surface in a fixed state. From the enlarged image, it can be seen that the powder is dispersed at intervals of 5 μm or more.

実施例8
[超疎水性粉体2を用いた木材上での超疎水性膜(ブラシ法)]
実施例5で用いた同様な分散液を表面処理されていない木の板にブラシで塗った。それを室温乾燥した後、水滴を落としたところ、水は完全に弾かれ、木材表面は濡れなかった。
Example 8
[Superhydrophobic membrane on wood using superhydrophobic powder 2 (brush method)]
The same dispersion used in Example 5 was brushed onto a wooden board that had not been surface-treated. After drying it at room temperature and dropping water drops, the water was completely repelled and the wood surface did not get wet.

実施例9
[超疎水性粉体2を用いた牛革上での超疎水性膜(浸漬法)]
市販のポリメチルメタクリレート(Aldrich社製、Mw=120,000 メーカー・品番)を用い、1%のクロロホルム溶液を調製した。0.5mLの該溶液中に、10mgの粉体2を加え、均一に分散した後、その分散液に表面処理されていない牛革の切り落としを1時間浸漬した。牛革を取り出し、室温乾燥後、その上に水滴を落としたが、水滴は完全に弾け、濡れ性はなくなった。
Example 9
[Superhydrophobic film on cowhide using superhydrophobic powder 2 (dipping method)]
A commercially available polymethyl methacrylate (manufactured by Aldrich, Mw = 120,000, manufacturer, product number) was used to prepare a 1% chloroform solution. In 0.5 mL of the solution, 10 mg of the powder 2 was added and uniformly dispersed, and then the cut-off of cowhide not surface-treated was immersed in the dispersion for 1 hour. After removing the cowhide and drying at room temperature, water droplets were dropped on it, but the water droplets completely repelled and the wettability was lost.

実施例10
[超疎水性粉体2を用いたステンレス板上での超疎水性膜(ブラシ法)]
実施例9で用いた同様な分散液をステンレスシャーレ(タキザワ理化製、50×50×0.6mm)にブラシで塗った。それを室温乾燥した後、水滴を落としたところ、水は完全に弾かれ、金属表面は濡れなかった。
Example 10
[Superhydrophobic film (brush method) on stainless steel plate using superhydrophobic powder 2]
The same dispersion used in Example 9 was applied to a stainless steel petri dish (Takizawa Rika, 50 × 50 × 0.6 mm) with a brush. After drying it at room temperature and dropping water drops, the water was completely repelled and the metal surface did not get wet.

実施例11
[超疎水性粉体2を用いたガラス管内壁での超疎水性膜(浸漬法)]
実施例9で用いた同様な分散液をガラスピペット(内径6mm、長さ8cm)に吸い取り、それを2時間保持した後、液を押し出した。ガラスピペットを室温で乾燥後、それに水を吸い取って、再び水を押し出すテストを行なった。ガラス壁には水滴が全く付着せず、吸い取った水は重さ低下なしに他の容器に完全移動できた。
Example 11
[Superhydrophobic membrane on the inner wall of glass tube using superhydrophobic powder 2 (dipping method)]
The same dispersion used in Example 9 was sucked into a glass pipette (inner diameter 6 mm, length 8 cm), held for 2 hours, and then the liquid was extruded. After the glass pipette was dried at room temperature, water was sucked into the glass pipette and the test was performed to push out the water again. No water droplets adhered to the glass wall, and the absorbed water could be completely transferred to another container without reducing its weight.

比較として、処理していないガラスピペットを用いたときでは、水を吸い取った後、水を押し出すと必ず壁に水滴が付着していることを確認した。   For comparison, when an untreated glass pipette was used, it was confirmed that water droplets adhered to the wall whenever water was pushed out after sucking out water.

合成例1で得たシリカ粉末の走査型電子顕微鏡写真である。粉体はナノファイバーから構成された束状構造である。2 is a scanning electron micrograph of the silica powder obtained in Synthesis Example 1. The powder is a bundle structure composed of nanofibers. 合成例2で得た焼成後のシリカ粉末の走査型電子顕微鏡写真である。焼成後でもナノファイバーから構成された束状構造が維持されている。4 is a scanning electron micrograph of the fired silica powder obtained in Synthesis Example 2. FIG. Even after firing, a bundle structure composed of nanofibers is maintained. 実施例2で得られた超疎水性粉体2の走査型電子顕微鏡写真である。2 is a scanning electron micrograph of superhydrophobic powder 2 obtained in Example 2. FIG. 実施例5でのろ紙上での超疎水性膜(上図)、とその膜表面で形成した水滴の接触イメージである。It is a contact image of the superhydrophobic film | membrane (upper figure) on the filter paper in Example 5, and the water droplet formed on the film | membrane surface. 実施例7で作製した膜表面で形成した水滴の接触イメージである。7 is a contact image of water droplets formed on the surface of a film produced in Example 7. 実施例7で作製した膜表面の走査型電子顕微鏡写真である。左図は大面積範囲での写真であり、右図は左図の円に囲まれた部分の拡大写真である。6 is a scanning electron micrograph of the film surface produced in Example 7. FIG. The left figure is a photograph in a large area range, and the right figure is an enlarged photograph of a portion surrounded by a circle in the left figure.

Claims (11)

直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a)を有するポリマー(A)のフィラメントがシリカ(B)で被覆されてなる有機無機複合ナノファイバー(I)の会合体からなる粉末を溶剤中に分散し、該分散液に疎水性基(X)を有するシランカップリング剤(x)を混合する工程と、乾燥する工程とを有することを特徴とする超疎水性粉体の製造方法。 A powder composed of an association of an organic-inorganic composite nanofiber (I) in which a filament of a polymer (A) having a linear polyethyleneimine skeleton (a) is coated with silica (B) is dispersed in a solvent. A method for producing a superhydrophobic powder , comprising: a step of mixing a silane coupling agent (x) having a hydrophobic group (X) in a liquid; and a step of drying . (1)直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a)を有するポリマー(A)のフィラメントがシリカ(B)で被覆されてなる有機無機複合ナノファイバー(I)の会合体を焼成する工程と、
(2)(1)で得られたシリカ(B)を主構成成分とするナノファイバー(II)の会合体からなる粉末を溶剤中に分散し、該分散液に疎水性基(X)を有するシランカップリング剤(x)を混合する工程と、乾燥する工程と、
を有することを特徴とする超疎水性粉体の製造方法。
(1) firing an aggregate of organic-inorganic composite nanofibers (I) in which a filament of a polymer (A) having a linear polyethyleneimine skeleton (a) is coated with silica (B);
(2) A powder composed of an aggregate of nanofibers (II) containing silica (B) obtained in (1) as a main constituent is dispersed in a solvent, and the dispersion has a hydrophobic group (X). A step of mixing the silane coupling agent (x), a step of drying,
A process for producing a superhydrophobic powder characterized by comprising:
疎水性基(X)を有するシランカップリング剤(x)と共に、反応性官能基(Y)を有するシランカップリング剤(y)を併用する請求項1又は2記載の超疎水性粉体の製造方法。 The superhydrophobic powder production according to claim 1 or 2, wherein the silane coupling agent (y) having a reactive functional group (Y) is used in combination with the silane coupling agent (x) having a hydrophobic group (X). Method. 前記疎水性基(X)を有するシランカップリング剤(x)と前記反応性官能基(Y)を有するシランカップリング剤(y)との使用割合が、(x)/(x+y)で表されるモル比として0.2〜1の範囲である請求項3記載の超疎水性粉体の製造方法。The use ratio of the silane coupling agent (x) having the hydrophobic group (X) and the silane coupling agent (y) having the reactive functional group (Y) is represented by (x) / (x + y). The method for producing a superhydrophobic powder according to claim 3, wherein the molar ratio is in the range of 0.2 to 1. 前記疎水性基(X)が、炭素数1〜22のアルキル基、炭素数1〜22のフッ素化アルキル基、炭素数1〜22の部分フッ素化アルキル基、又は置換基を有していても良い芳香族基(但し、置換基は炭素数1〜22のアルキル基、炭素数1〜22のフッ素化アルキル基、又は炭素数1〜22の部分フッ素化アルキル基である。)である請求項1〜4の何れか1項記載の超疎水性粉体の製造方法。The hydrophobic group (X) may have an alkyl group having 1 to 22 carbon atoms, a fluorinated alkyl group having 1 to 22 carbon atoms, a partially fluorinated alkyl group having 1 to 22 carbon atoms, or a substituent. A good aromatic group (wherein the substituent is an alkyl group having 1 to 22 carbon atoms, a fluorinated alkyl group having 1 to 22 carbon atoms, or a partially fluorinated alkyl group having 1 to 22 carbon atoms). The manufacturing method of the super-hydrophobic powder in any one of 1-4. 前記反応性官能基(Y)が、(メタ)アクリロイル基、グリシジル基、アミノ基、ヒドロキシ基、又はメルカプト基である請求項1〜5の何れか1項記載の超疎水性粉体の製造方法。The method for producing a superhydrophobic powder according to any one of claims 1 to 5, wherein the reactive functional group (Y) is a (meth) acryloyl group, a glycidyl group, an amino group, a hydroxy group, or a mercapto group. . 前記有機無機複合ナノファイバー(I)の太さが10〜100nm、アスペクト比が10以上であり、且つ該有機無機複合ナノファイバー(I)の会合体の大きさが2〜100μmの範囲である請求項1〜6の何れか1項記載の超疎水性粉体の製造方法。 The thickness of the organic-inorganic composite nanofiber (I) is 10 to 100 nm, the aspect ratio is 10 or more, and the size of the aggregate of the organic-inorganic composite nanofiber (I) is in the range of 2 to 100 μm. Item 7. A method for producing a superhydrophobic powder according to any one of Items 1 to 6. 前記ナノファイバー(II)の太さが10〜100nm、アスペクト比が10以上であり、且つ該ナノファイバー(II)の会合体の大きさが2〜100μmの範囲である請求項2〜6の何れか1項記載の超疎水性粉体の製造方法。 Any wherein the thickness of the nanofiber (II) is 10 to 100 nm, and an aspect ratio of 10 or more and the size of the aggregates of the nanofibers (II) is according to claim 2-6 in the range of 2~100μm A method for producing the superhydrophobic powder according to claim 1. 請求項1〜8の何れか1項記載の製造方法で得られることを特徴とする超疎水性粉体。A superhydrophobic powder obtained by the production method according to claim 1. 請求項9記載の超疎水性粉体が固体基材に固定されてなることを特徴とする超疎水性表面を有する構造体。 A structure having a superhydrophobic surface, wherein the superhydrophobic powder according to claim 9 is fixed to a solid substrate. 請求項9記載の超疎水性粉体をポリマー溶液又はシリカゾル中に分散し、該分散液を塗布し乾燥することを特徴とする超疎水性表面を有する構造体の製造方法。 A method for producing a structure having a superhydrophobic surface, wherein the superhydrophobic powder according to claim 9 is dispersed in a polymer solution or silica sol, and the dispersion is applied and dried.
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