JP5247557B2 - INORGANIC NANOPARTICLE-MATRIX MATERIAL FIBER COMPOSITE AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME - Google Patents

INORGANIC NANOPARTICLE-MATRIX MATERIAL FIBER COMPOSITE AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME Download PDF

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本発明は、無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体、及びその製造方法に関する。より詳しくは本発明は、無機ナノ粒子が高度に分散している無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体であって、芯−鞘構造を有する繊維状複合体、及びその製造方法に関する。   The present invention relates to an inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite and a method for producing the same. More specifically, the present invention relates to an inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite in which inorganic nanoparticles are highly dispersed, a fibrous composite having a core-sheath structure, and a method for producing the same.

無機ナノ粒子の合成に関する研究は、めざましい発展を遂げている。そして近年、優れた単分散性を有し、均一な形態からなるナノ粒子の合成法が、次々に報告されている。   Research on the synthesis of inorganic nanoparticles has made remarkable progress. In recent years, methods for synthesizing nanoparticles having excellent monodispersibility and uniform morphology have been reported one after another.

無機ナノ粒子は、サイズ効果や量子効果等により、化学的、物理的、電気的、磁気的、光学的特性が、バルク材料と大きく異なっている。このような無機ナノ粒子の顕著なサイズ効果や量子効果が現れるのは、粒径が非常に小さい場合、例えば粒径が30nm以下である場合に限られている。具体的には、磁性ナノ粒子の高充填率分散による材料の超磁性発現に関して最も期待できる粒径は10nm〜20nmであることが試算されている。しかしながら、粒径が非常に小さい場合、粒子の表面エネルギーが非常に高くなることから、粒子が自発的に互いに凝集してしまい、各々の無機ナノ粒子の優れた特性を材料特性として十分に発揮することができなくなる。   Inorganic nanoparticles are significantly different from bulk materials in chemical, physical, electrical, magnetic, and optical properties due to size effects and quantum effects. The remarkable size effect and quantum effect of such inorganic nanoparticles appear only when the particle size is very small, for example, when the particle size is 30 nm or less. Specifically, it is estimated that the most probable particle size is 10 nm to 20 nm with respect to the supermagnetism of the material due to the high filling rate dispersion of the magnetic nanoparticles. However, when the particle size is very small, the surface energy of the particles becomes very high, so the particles spontaneously aggregate with each other, and the excellent properties of each inorganic nanoparticle are fully exhibited as material properties I can't do that.

したがって、無機ナノ粒子をマトリックス材料中に均一に分散させ、更にその分散状態を制御して、固定化する技術の確立は、無機ナノ粒子の応用研究にとって非常に重要な課題であった。無機ナノ粒子を分散させるためのマトリックス材料としては、電気絶縁性及び成型性等に優れていることから、高分子が最もよく用いられている。   Therefore, establishment of a technique for uniformly dispersing inorganic nanoparticles in a matrix material, further controlling the dispersion state, and immobilizing them was a very important issue for applied research of inorganic nanoparticles. As a matrix material for dispersing inorganic nanoparticles, a polymer is most often used because of its excellent electrical insulation and moldability.

例えば高分子中に無機ナノ粒子を分散させてなる無機ナノ粒子−有機マトリックス複合体(有機・無機ナノコンポジット材料)は、電子材料、光学材料、磁性材料、触媒材料、自動車材料等の分野において既に使用されつつある。また、無機ナノ粒子−有機マトリックス複合体は、電子材料、光学材料、磁性材料、医薬品、化粧品、顔料、環境材料、機械材料、記憶素子材料、超磁性材料等の多くの分野で、その透明性、耐熱性、強度、導電性等の種々の特性に関して期待されている。   For example, inorganic nanoparticle-organic matrix composites (organic / inorganic nanocomposite materials) in which inorganic nanoparticles are dispersed in a polymer have already been used in the fields of electronic materials, optical materials, magnetic materials, catalyst materials, automotive materials, etc. It is being used. In addition, inorganic nanoparticle-organic matrix composites are transparent in many fields such as electronic materials, optical materials, magnetic materials, pharmaceuticals, cosmetics, pigments, environmental materials, mechanical materials, memory element materials, supermagnetic materials, etc. It is expected for various properties such as heat resistance, strength, and conductivity.

無機ナノ粒子−有機マトリックス複合体の製造方法については、大きく分けると下記の3つの方法が知られている。   About the manufacturing method of an inorganic nanoparticle-organic matrix composite, the following three methods are generally known.

無機ナノ粒子−有機マトリックス複合材料を製造する第1の方法は、無機ナノ粒子を直接有機マトリックスに分散させる方法(直接混練法)(特許文献1及び2参照)である。また、無機ナノ粒子−有機マトリックス複合材料を製造する第2の方法は、有機モノマーを無機ナノ粒子と配合し、その後有機モノマーを重合させる方法(in−situ重合法)(特許文献3〜7参照)である。   The first method for producing the inorganic nanoparticle-organic matrix composite material is a method of directly dispersing inorganic nanoparticles in an organic matrix (direct kneading method) (see Patent Documents 1 and 2). Moreover, the 2nd method of manufacturing an inorganic nanoparticle-organic-matrix composite material mix | blends an organic monomer with an inorganic nanoparticle, and polymerizes an organic monomer after that (in-situ polymerization method) (refer patent documents 3-7) ).

しかしながら、これら第1及び第2の方法では、無機ナノ粒子を有機マトリックス中に均一に分散させることは極めて困難であり、多くの場合、無機ナノ粒子は有機マトリックス中で凝集して存在してしまう。このため、たとえ小さなサイズの無機ナノ粒子を用いたとしても、無機ナノ粒子の凝集塊全体としての特性しか示さなくなり、無機ナノ粒子に起因して得られるさまざまな機能を引き出すことが困難となっていた。   However, in the first and second methods, it is extremely difficult to uniformly disperse the inorganic nanoparticles in the organic matrix, and in many cases, the inorganic nanoparticles are aggregated and exist in the organic matrix. . For this reason, even if small-sized inorganic nanoparticles are used, only the properties of the aggregate of inorganic nanoparticles are exhibited, making it difficult to extract various functions obtained from the inorganic nanoparticles. It was.

また、無機ナノ粒子−有機マトリックス複合材料を製造する第3の方法は、イオンドープ還元法(特許文献8参照)である。この方法は、主として金属ナノ粒子の分散に適用されるものであり、具体的には、有機マトリックスに金属イオン又は金属錯体をドープした後、還元ガス中での過熱還元処理により、有機マトリックス中において金属ナノ粒子を析出させる方法である。   Moreover, the 3rd method of manufacturing an inorganic nanoparticle-organic matrix composite material is an ion dope reduction method (refer patent document 8). This method is mainly applied to the dispersion of metal nanoparticles. Specifically, after doping a metal ion or a metal complex into an organic matrix, it is carried out in the organic matrix by a superheat reduction treatment in a reducing gas. This is a method of depositing metal nanoparticles.

このイオンドープ還元法によれば、金属ナノ粒子の均一分散はある程度実現できるものの、ナノ粒子の粒径と分散性を制御することが困難であり、また、還元しきれない残留金属イオンによる材料特性の劣化も発生してしまう。このため、イオンドープ還元法によっても、目標の無機ナノ粒子−有機マトリックス複合体を得ることは困難であった。   According to this ion-doped reduction method, uniform dispersion of metal nanoparticles can be achieved to some extent, but it is difficult to control the particle size and dispersibility of the nanoparticles, and the material characteristics due to residual metal ions that cannot be reduced Degradation will also occur. For this reason, it was difficult to obtain the target inorganic nanoparticle-organic matrix composite also by the ion doping reduction method.

なお、特許文献9は、静電紡糸法に関し、二重ノズルを用いてコア−シェル(芯鞘)異相構造を持つポリマーナノファイバーを作製することを提案している。また、非特許文献1は、二重ノズル静電紡糸を用いて、異種ポリマーの組合せによる芯−鞘構造ナノファイバー作製例を示している。また更に、非特許文献2は、金属イオンを含有しているナノファイバーを用い、適切な反応環境においてナノ粒子をファイバー内に析出させることが可能であることを確認している。   Patent Document 9 proposes to produce a polymer nanofiber having a core-shell (core-sheath) heterophasic structure using a double nozzle with respect to the electrospinning method. Non-Patent Document 1 shows an example of manufacturing a core-sheath nanofiber using a combination of different polymers using double nozzle electrostatic spinning. Furthermore, Non-Patent Document 2 uses nanofibers containing metal ions and confirms that nanoparticles can be deposited in the fibers in an appropriate reaction environment.

特開2000−294441号公報JP 2000-294441 A 特開2007−314667号公報JP 2007-314667 A 特開昭62−84155号公報JP-A-62-84155 特開平10−72552号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-72552 特開2002−179931号公報JP 2002-179931 A 特開2007−56115号公報JP 2007-56115 A 特開2007−239022号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2007-239022 特開2005−139438号公報JP-A-2005-139438 特開2007−197859号公報JP 2007-197859 A

Compound Core−Sell polymer Nanofibers by Co−Electrospinning, Adv.Mater. 2003, 15, No.22, Nov 17Compound Core-Sell polymer Nanofibers by Co-Electrospinning, Adv. Mater. 2003, 15, no. 22, Nov 17 Preparation and characterization of Ag2S nanoparticles embedded in polymer fibre matrices by electrospinning, Nanotechnology 16 (2005) 2233Preparation and charac- terization of Ag2S nanoparticulars embedded in polymer fibers by electrospinning, Nanotechnology 16 (2005) 2233

本発明は、上記の背景技術に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、無機ナノ粒子の凝集が抑制されていることによって無機ナノ粒子が高度に分散している無機ナノ粒子−マトリックス材料複合体、及びその製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the background art described above, and the object of the present invention is inorganic nanoparticles in which inorganic nanoparticles are highly dispersed by suppressing aggregation of inorganic nanoparticles- It is to provide a matrix material composite and a manufacturing method thereof.

無機ナノ粒子が高度に分散している無機ナノ粒子−マトリックス材料複合体に関して、本件発明者らは、ナノ粒子を一次元とみなすことができる空間内に閉じ込めることによって、ナノ粒子を凝集させず、高濃度且つ高分散を達成できることを見出している。具体的には、本件発明者らは、無機ナノ粒子を均一に分散させた分散体溶液を用いて、この分散体溶液から静電紡糸法(エレクトロスピニング法)にて繊維を紡糸を作成することによって、無機ナノ粒子が高度に分散している無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体を得られることを見出している。   For inorganic nanoparticle-matrix material composites in which inorganic nanoparticles are highly dispersed, the inventors do not agglomerate the nanoparticles by confining the nanoparticles in a space that can be considered one-dimensional, It has been found that high concentration and high dispersion can be achieved. Specifically, the present inventors use a dispersion solution in which inorganic nanoparticles are uniformly dispersed, and create a fiber from the dispersion solution by an electrospinning method (electrospinning method). Has found that an inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite in which inorganic nanoparticles are highly dispersed can be obtained.

したがって本発明では、このような無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体を改良すること、及び/又はこのような無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体の適用範囲を拡張することを提案する。   Accordingly, the present invention proposes to improve such inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composites and / or extend the application range of such inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composites.

上記課題を鑑みた鋭意研究の結果、本件発明者らは、無機ナノ粒子を均一に分散させた分散体溶液を用いて、この分散体溶液から静電紡糸法(エレクトロスピニング法)にて繊維を紡糸する際に、この繊維が芯−鞘構造を有するようにすることによって、上記の課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of diligent research in view of the above problems, the inventors of the present invention used a dispersion solution in which inorganic nanoparticles were uniformly dispersed, and used the electrospinning method (electrospinning method) to produce fibers from the dispersion solution. It has been found that the above problems can be solved by spinning the fiber so that the fiber has a core-sheath structure, and the present invention has been completed.

すなわち本発明は下記に示すようなものである:
〈1〉芯部、及び上記芯部の周囲の鞘部を有する繊維の形態であり、
上記鞘部の平均径が50nm以上3μm以下であり、
上記芯部及び鞘部の少なくとも一方が、無機ナノ粒子とマトリックス材料とを含有する無機ナノ粒子−マトリックス材料の複合材料からなり、且つ
上記無機ナノ粒子の平均一次粒径は、100nm以下である、
無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体。
〈2〉上記無機ナノ粒子の平均粒径は、1nm以上20nm以下であり、且つ上記無機ナノ粒子−マトリックス材料複合体において、上記無機ナノ粒子の70%以上が、分散粒径30nm以下の形態で分散している、上記〈1〉項に記載の繊維状複合体。
〈3〉上記無機ナノ粒子−マトリックス材料複合体における上記無機ナノ粒子の含有量が、上記無機ナノ粒子−マトリックス材料の複合材料に対して30質量%以上である、上記〈1〉又は〈2〉項に記載の繊維状複合体。
〈4〉上記芯部及び鞘部の一方が、無機ナノ粒子とマトリックス材料とを含有する無機ナノ粒子−マトリックス材料の複合材料からなり、且つ上記芯部及び鞘部の他方が、繊維形成用有機材料からなる、上記〈1〉〜〈3〉項のいずれかに記載の繊維状複合体。
〈5〉上記鞘部が、無機ナノ粒子とマトリックス材料とを含有する無機ナノ粒子−マトリックス材料の複合材料からなり、且つ上記芯部が空洞である、上記〈1〉〜〈3〉項のいずれかに記載の繊維状複合体。
〈6〉上記芯部及び鞘部の両方が、無機ナノ粒子とマトリックス材料とを含有する無機ナノ粒子−マトリックス材料の複合材料からなる、上記〈1〉〜〈3〉項のいずれかに記載の繊維状複合体。
〈7〉上記〈1〉〜〈6〉項のいずれかに記載の上記繊維状複合体を、上記無機ナノ粒子の分散状態を維持する条件で加圧して成形することを含む、バルク状の複合体の製造方法。
〈8〉上記〈4〉項に記載の上記繊維状複合体の上記芯部及び鞘部のうちの繊維形成用有機材料からなる部分を除去することを含む、繊維状複合体の製造方法。
〈9〉上記〈8〉項に記載の方法によって繊維状複合体を得し、そして得られた上記繊維状複合体を、上記無機ナノ粒子の分散状態を維持する条件で加圧して成形することを含む、バルク状の複合体の製造方法。
〈10〉上記無機ナノ粒子、上記マトリックス材料、及び溶媒を含有する分散体溶液を提供すること、
繊維形成用有機材料及び溶媒を含有する繊維形成溶液を提供すること、
二重ノズルを有する静電紡糸装置を用いて、上記二重ノズルの一方から、上記分散体溶液を紡糸し、且つ上記二重ノズルの他方から、上記繊維形成溶液を紡糸すること、
を含む、上記〈4〉項に記載の繊維状複合体の製造方法。
〈11〉上記〈10〉項に記載の方法において、上記二重ノズルの外側ノズルから、上記分散体溶液を紡糸し、且つ上記二重ノズルの内側ノズルから、繊維形成溶液を紡糸して、上記繊維形成用有機材料からなる芯部、及び上記無機ナノ粒子−マトリックス材料複合体からなる鞘部を有する繊維状複合体を得ること、及び
上記繊維状複合体の芯部を構成する上記繊維形成用有機材料を除去すること、
を含む、上記〈5〉項に記載の繊維状複合体の製造方法。
〈12〉上記無機ナノ粒子、上記マトリックス材料、及び溶媒を含有する分散体溶液を2種類提供すること、
二重ノズルを有する静電紡糸装置を用いて、上記二重ノズルの一方から、上記分散体溶液のうちの一方を紡糸し、且つ上記二重ノズルの他方から、上記分散体溶液のうちの他方を紡糸すること、
を含む、上記〈6〉項に記載の繊維状複合体の製造方法。
That is, the present invention is as follows:
<1> It is a form of a fiber having a core part and a sheath part around the core part,
The average diameter of the sheath part is 50 nm or more and 3 μm or less,
At least one of the core part and the sheath part is composed of a composite material of inorganic nanoparticles and matrix material containing inorganic nanoparticles and a matrix material, and the average primary particle diameter of the inorganic nanoparticles is 100 nm or less.
Inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite.
<2> The average particle size of the inorganic nanoparticles is 1 nm or more and 20 nm or less, and in the inorganic nanoparticle-matrix material composite, 70% or more of the inorganic nanoparticles are in a form of a dispersed particle size of 30 nm or less. The fibrous composite as described in <1> above, which is dispersed.
<3> The <1> or <2>, wherein the content of the inorganic nanoparticles in the inorganic nanoparticle-matrix material composite is 30% by mass or more based on the composite material of the inorganic nanoparticle-matrix material. The fibrous composite according to Item.
<4> One of the core part and the sheath part is made of a composite material of inorganic nanoparticle-matrix material containing inorganic nanoparticles and a matrix material, and the other of the core part and the sheath part is a fiber-forming organic material. The fibrous composite according to any one of <1> to <3>, which is made of a material.
<5> Any of <1> to <3> above, wherein the sheath is made of a composite material of inorganic nanoparticles and matrix material containing inorganic nanoparticles and a matrix material, and the core is hollow. A fibrous composite according to any one of the above.
<6> The above-described <1> to <3>, wherein both the core part and the sheath part are made of a composite material of inorganic nanoparticles and matrix material containing inorganic nanoparticles and a matrix material. Fibrous composite.
<7> Bulk composite including pressing the fibrous composite according to any one of <1> to <6> above under a condition for maintaining a dispersion state of the inorganic nanoparticles. Body manufacturing method.
<8> A method for producing a fibrous composite, comprising removing a portion made of an organic material for fiber formation in the core and the sheath of the fibrous composite according to <4>.
<9> Obtaining a fibrous composite by the method described in <8> above, and molding the obtained fibrous composite under pressure so as to maintain a dispersion state of the inorganic nanoparticles. A method for producing a bulk composite, comprising:
<10> Providing a dispersion solution containing the inorganic nanoparticles, the matrix material, and a solvent,
Providing a fiber forming solution containing an organic material for fiber formation and a solvent;
Spinning the dispersion solution from one of the double nozzles and spinning the fiber-forming solution from the other of the double nozzles using an electrostatic spinning device having a double nozzle;
The manufacturing method of the fibrous composite as described in said <4> item containing.
<11> In the method according to <10>, the dispersion solution is spun from the outer nozzle of the double nozzle, and the fiber-forming solution is spun from the inner nozzle of the double nozzle. Obtaining a fibrous composite having a core made of an organic material for fiber formation and a sheath made of the inorganic nanoparticle-matrix material composite, and for forming the fiber constituting the core of the fibrous composite Removing organic materials,
The manufacturing method of the fibrous composite as described in said <5> item containing.
<12> Providing two types of dispersion solutions containing the inorganic nanoparticles, the matrix material, and a solvent,
Using an electrostatic spinning device having a double nozzle, one of the dispersion solutions is spun from one of the double nozzles, and the other of the dispersion solutions is spun from the other of the double nozzles. Spinning,
The manufacturing method of the fibrous composite as described in said <6> item containing.

本発明の無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体では、芯部及び鞘部の少なくとも一方を構成する無機ナノ粒子−マトリックス材料の複合材料において、無機ナノ粒子の凝集が抑制されていることによって無機ナノ粒子が高度に分散している。   In the inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite of the present invention, the inorganic nanoparticle-matrix material composite material constituting at least one of the core portion and the sheath portion is inorganic because aggregation of inorganic nanoparticles is suppressed. The nanoparticles are highly dispersed.

したがって、本発明の無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体によれば、含有されているナノ粒子に特有の機能を、十分に利用することができる。このような本発明の無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体によれば、ナノ粒子特有の機能を必要とする各種材料、例えば電子材料、光学材料、磁性材料、医薬品、化粧品、顔料、環境材料、機械材料、触媒材料、自動車材料、記憶素子材料、超磁性材料等として幅広く用いることが可能であり、したがって新しい機能性材料として非常に有用である。また、本発明の無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体によれば、無機ナノ粒子とマトリックス材料の組み合わせ、又は複数の無機ナノ粒子の使用、2種以上の高分子の使用等により、要求特性に合わせた種々の機能を有する複合材料の作成を実現することができる。   Therefore, according to the inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite of the present invention, the functions unique to the contained nanoparticles can be fully utilized. According to such an inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite of the present invention, various materials that require functions unique to nanoparticles, such as electronic materials, optical materials, magnetic materials, pharmaceuticals, cosmetics, pigments, and environmental materials. It can be widely used as a mechanical material, a catalyst material, an automobile material, a memory element material, a supermagnetic material, and the like, and is therefore very useful as a new functional material. In addition, according to the inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite of the present invention, the required properties can be obtained by combining inorganic nanoparticles and a matrix material, using a plurality of inorganic nanoparticles, using two or more polymers, and the like. A composite material having various functions can be realized.

また、本発明の無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体は、芯部及びこの芯部の周囲の鞘部を有し、且つ芯部及び鞘部の少なくとも一方が、無機ナノ粒子とマトリックス材料とを含有する無機ナノ粒子−マトリックス材料の複合材料からなることによって、芯部と鞘部とに異なる役割を持たせることができる。   Moreover, the inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite of the present invention has a core part and a sheath part around the core part, and at least one of the core part and the sheath part is composed of inorganic nanoparticles and a matrix material. By comprising the composite material of inorganic nanoparticle-matrix material containing, the core portion and the sheath portion can have different roles.

例えば、芯部及び鞘部の一方が、無機ナノ粒子とマトリックス材料とを含有する無機ナノ粒子−マトリックス材料の複合材料からなり、且つ芯部及び鞘部の他方が、繊維形成用有機材料からなる場合、繊維形成用有機材料からなる芯部又は鞘部によって、繊維の安定的な形成を可能にしつつ、無機ナノ粒子−マトリックス材料の複合材料からなる芯部又は鞘部を細く形成し、ナノ粒子の分散に適切な擬一次元空間を提供して、無機ナノ粒子の凝集を抑制することができる。すなわち、この場合には、マトリックス材料に対する曳糸性の要求を小さくすること又は実質的になくすことが可能になる。したがってこの場合には、マトリックス材料の選択の幅を広げることができ、例えばこのマトリックス材料を、無機ナノ粒子の分散に関して好ましい材料にすることができる。   For example, one of the core part and the sheath part is made of a composite material of inorganic nanoparticle-matrix material containing inorganic nanoparticles and a matrix material, and the other of the core part and the sheath part is made of an organic material for fiber formation. In this case, the core or sheath made of the fiber-forming organic material enables the stable formation of the fiber, while the core or sheath made of the composite material of the inorganic nanoparticle-matrix material is thinly formed to form the nanoparticle. By providing a quasi-one-dimensional space suitable for the dispersion of the inorganic nanoparticles, aggregation of inorganic nanoparticles can be suppressed. That is, in this case, it is possible to reduce or substantially eliminate the requirement of spinnability for the matrix material. In this case, therefore, the choice of matrix material can be expanded, for example, making this matrix material a preferred material for the dispersion of inorganic nanoparticles.

また例えば、芯部及び鞘部の両方が、無機ナノ粒子とマトリックス材料とを含有する無機ナノ粒子−マトリックス材料の複合材料からなる場合、芯部及び鞘部において互いに異なる無機ナノ粒子とマトリックス材料との組み合わせを用いることができ、したがって材料設計の自由度が大きくなる。   Further, for example, when both the core and the sheath are made of a composite material of inorganic nanoparticle-matrix material containing inorganic nanoparticles and a matrix material, the inorganic nanoparticles and the matrix material different from each other in the core and the sheath Thus, the degree of freedom in material design is increased.

なお、本発明の無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体を、無機ナノ粒子の分散状態を維持する条件で加圧して成形すること等によってバルク状の形態にすることによって、含有されているナノ粒子に特有の機能を、バルクの形態で、特に成形されたバルクの形態で利用することができる。ここで、本発明に関して「バルク」は、複合体が三次元的な拡がりを有し、それによって表面の効果が無視でき、且つ特定の形状を有する材料としての特性を発揮できる状態にある複合体を意味している。すなわち、本発明に関して「バルク」は、微細繊維、微細粉末等とは反対の意味で用いられる概念である。   The inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite according to the present invention is contained in a bulk form by pressurizing and molding under the conditions for maintaining the dispersed state of the inorganic nanoparticles. The unique functions of the particles can be utilized in bulk form, especially in shaped bulk form. Here, “bulk” in the context of the present invention is a composite in which the composite has a three-dimensional extension, so that the effect of the surface can be ignored and the properties as a material having a specific shape can be exhibited. Means. That is, “bulk” in the present invention is a concept used in the opposite sense to fine fibers, fine powders and the like.

図1は、本発明の無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体を製造するための静電紡糸法のイメージである。FIG. 1 is an image of an electrospinning method for producing the inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite of the present invention. 図2は、実施例1の無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体の光学顕微鏡写真(3000倍)である。2 is an optical micrograph (magnification 3000 times) of the inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite of Example 1. FIG. 図3は、実施例1の無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体のTEM観察写真(左:横断面、右:長さ方向断面)である。FIG. 3 is a TEM observation photograph (left: cross section, right: cross section in the length direction) of the inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite of Example 1. 図4は、実施例1の無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体のTEM観察写真である。FIG. 4 is a TEM observation photograph of the inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite of Example 1. 図5は、実施例2の無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体の光学顕微鏡写真(5000倍透過)である。FIG. 5 is an optical micrograph (5000 times transmission) of the inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite of Example 2. 図6は、実施例2の無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体のTEM写真(左:横断面、右:長さ方向断面)である。6 is a TEM photograph (left: cross section, right: cross section in the length direction) of the inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite of Example 2. FIG. 図7は、実施例3の無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体のTEM写真(左:横断面、右:長さ方向断面)である。FIG. 7 is a TEM photograph (left: cross section, right: cross section in length direction) of the inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite of Example 3. 図8は、実施例4の無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体のTEM写真(左:横断面、右:長さ方向断面)である。8 is a TEM photograph (left: cross section, right: cross section in length direction) of the inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite of Example 4. FIG. 図9は、実施例4の無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体のTEM写真である。FIG. 9 is a TEM photograph of the inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite of Example 4. 図10は、実施例5の無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体の光学顕微鏡写真(3000倍)である。10 is an optical micrograph (magnification 3000 times) of the inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite of Example 5. FIG. 図11は、実施例5の無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体のTEM写真(横断面)である。FIG. 11 is a TEM photograph (cross section) of the inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite of Example 5. 参考例1で得られたFeナノ粒子分散PVB繊維の堆積物の光学顕微鏡写真(3000倍)である。 4 is an optical micrograph (magnification 3000 times) of a deposit of Fe 3 O 4 nanoparticle-dispersed PVB fibers obtained in Reference Example 1. 参考例1で得られたFeナノ粒子分散PVB繊維の堆積物の透過電子顕微鏡(TEM)写真である(36万倍)。It is a transmission electron microscope (TEM) photograph of the obtained Fe 3 O 4 nanoparticles dispersed PVB fibers deposit in Reference Example 1 (360,000-fold). 参考例2で得られたFeナノ粒子分散PVBバルクサンプルの透過電子顕微鏡写真である。 4 is a transmission electron micrograph of a Fe 3 O 4 nanoparticle-dispersed PVB bulk sample obtained in Reference Example 2.

《無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体》
本発明の無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体は、芯部、及び芯部の周囲の鞘部を有する繊維の形態であり、鞘部の平均径が50nm以上3μm以下であり、芯部及び鞘部の少なくとも一方が、無機ナノ粒子とマトリックス材料とを含有する無機ナノ粒子−マトリックス材料の複合材料からなり、且つ無機ナノ粒子の平均一次粒径が、100nm以下である。ここで例えば、無機ナノ粒子の平均一次粒径は、1nm以上20nm以下であり、且つ無機ナノ粒子−マトリックス材料複合体において、無機ナノ粒子の70%以上が、分散粒径30nm以下の形態で分散していてよい。また例えば、無機ナノ粒子−マトリックス材料複合体における無機ナノ粒子の含有量は、無機ナノ粒子−マトリックス材料の複合材料に対して30質量%以上であってよい。
<< Inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite >>
The inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite of the present invention is in the form of a fiber having a core part and a sheath part around the core part, the average diameter of the sheath part is 50 nm or more and 3 μm or less, and the core part and At least one of the sheath parts is composed of a composite material of inorganic nanoparticles and matrix material containing inorganic nanoparticles and a matrix material, and the average primary particle size of the inorganic nanoparticles is 100 nm or less. Here, for example, the average primary particle size of the inorganic nanoparticles is 1 nm or more and 20 nm or less, and in the inorganic nanoparticle-matrix material composite, 70% or more of the inorganic nanoparticles are dispersed in the form of a dispersed particle size of 30 nm or less. You can do it. For example, the content of the inorganic nanoparticles in the inorganic nanoparticle-matrix material composite may be 30% by mass or more based on the composite material of the inorganic nanoparticle-matrix material.

(無機ナノ粒子の一次粒径)
なお、本発明の無機ナノ粒子−マトリックス材料複合体で用いられる無機ナノ粒子は、無機ナノ粒子−マトリックス材料複合体に分散させる前に、100nm以下、50nm以下、30nm以下、20nm以下、又は10nm以下の平均一次粒径を有することができる。また、無機ナノ粒子の平均一次粒径は、1nm以上であってよい。平均一次粒径が充分に小さいことは、ナノ粒子に特有の特性を効果的に発現することができる点、光散乱を抑制でき、それによって光学材料への応用展開を行える点で好ましい。
(Primary particle size of inorganic nanoparticles)
The inorganic nanoparticles used in the inorganic nanoparticle-matrix material composite of the present invention are 100 nm or less, 50 nm or less, 30 nm or less, 20 nm or less, or 10 nm or less before being dispersed in the inorganic nanoparticle-matrix material composite. Average primary particle size. The average primary particle size of the inorganic nanoparticles may be 1 nm or more. It is preferable that the average primary particle size is sufficiently small in that the characteristics specific to the nanoparticles can be effectively expressed, light scattering can be suppressed, and application development to optical materials can be thereby performed.

なお、無機ナノ粒子を無機ナノ粒子−マトリックス材料複合体に分散させる前の「平均一次粒径」は、無機ナノ粒子の分散液を乾燥させ、得られた乾燥物を透過電子顕微鏡(TEM)により撮影(75万倍)し、取得した画像について画像解析ソフト(NEXUS NEW QUBE)を用いて、100個の一次粒子について、画像上で同一の面積をもつ円の径を求める画像解析を行い、この径の平均値として得られる値である。   The “average primary particle size” before the inorganic nanoparticles are dispersed in the inorganic nanoparticle-matrix material composite is obtained by drying the dispersion of the inorganic nanoparticles and using a transmission electron microscope (TEM) to obtain the dried product. Taking an image (750,000 times), and using the image analysis software (NEXUS NEW QUABE) for the acquired image, image analysis is performed to obtain the diameter of a circle having the same area on the image for 100 primary particles. It is a value obtained as an average value of diameters.

(複合体における無機ナノ粒子の分散状態(分散粒径分布))
本発明の無機ナノ粒子−マトリックス材料複合体では、複合体中に分散している無機ナノ粒子の70%以上、80%以上、90%以上、又は実質的に全てが、分散粒径30nm以下、例えば20nm以下又は10nm以下の形態で分散している。また特に、本発明の無機ナノ粒子−マトリックス材料複合体では、分散粒径が50nm以上の凝集粒子が実質的に存在しない。
(Dispersion state of inorganic nanoparticles in the composite (dispersed particle size distribution))
In the inorganic nanoparticle-matrix material composite of the present invention, 70% or more, 80% or more, 90% or more, or substantially all of the inorganic nanoparticles dispersed in the composite have a dispersed particle size of 30 nm or less, For example, it is dispersed in a form of 20 nm or less or 10 nm or less. In particular, the inorganic nanoparticle-matrix material composite of the present invention is substantially free of aggregated particles having a dispersed particle size of 50 nm or more.

本発明の無機ナノ粒子−マトリックス材料複合体中において無機ナノ粒子が高度に分散している場合、光散乱が抑えられることから、光学材料への応用展開が可能となる。また、ナノ粒子の表面積が大きくなるため、当該ナノ粒子が有する機能特性をより明確に発現することができる。更に、無機ナノ粒子が特に高度に分散している場合、例えば無機ナノ粒子の70%以上が30nm以下の形態で分散している場合、ナノ粒子特有の量子効果等に基づく機能を、複合体にも発現させることができ、より応用展開を広げることができる。   When inorganic nanoparticles are highly dispersed in the inorganic nanoparticle-matrix material composite of the present invention, light scattering can be suppressed, so that application to optical materials can be developed. Moreover, since the surface area of a nanoparticle becomes large, the functional characteristic which the said nanoparticle has can be expressed more clearly. Furthermore, when the inorganic nanoparticles are particularly highly dispersed, for example, when 70% or more of the inorganic nanoparticles are dispersed in a form of 30 nm or less, the function based on the quantum effect peculiar to the nanoparticles is added to the composite. Can be expressed, and the application development can be further expanded.

なお、所定の分散粒径(例えば30nm)以下の形態で分散している粒子(すなわち凝集粒子又は一次粒子)の割合は、透過型電子顕微鏡(FEI社製、商品名:TECNAI G2)を用いて加速電圧120kVにて、無機ナノ粒子−マトリックス材料複合体の観察及び撮影を実施し、その後、取得した画像につき、画像解析ソフト(NEXUS NEW QUBE)を用いて、複合体中において孤立分散している各々の凝集粒子又は一次粒子に関して、画像上で同一の面積をもつ円の径を求める画像解析を行って、分散粒径分布を求め、そしてこの分布に基づいて、下記の式によって求められる値である:
{所定の分散粒径(例えば30nm)以下の形態で分散している粒子の数}/{全粒子の数}×100(%)
In addition, the ratio of the particles (that is, aggregated particles or primary particles) dispersed in a form having a predetermined dispersed particle size (for example, 30 nm) or less is determined using a transmission electron microscope (trade name: TECNAI G2 manufactured by FEI). Observation and photographing of the inorganic nanoparticle-matrix material composite were performed at an acceleration voltage of 120 kV, and then the obtained images were isolated and dispersed in the composite using image analysis software (NEXUS NEW QUEBE). For each agglomerated particle or primary particle, perform image analysis to obtain the diameter of a circle having the same area on the image, obtain a dispersed particle size distribution, and based on this distribution, obtain a value obtained by the following formula: is there:
{Number of particles dispersed in a form having a predetermined dispersed particle size (for example, 30 nm) or less} / {Number of all particles} × 100 (%)

(無機ナノ粒子の含有量)
本発明の無機ナノ粒子−マトリックス材料複合体における金属ナノ粒子の含有量(充填率)は好ましくは、無機ナノ粒子−マトリックス材料の複合材料に対して、5質量%以上、9質量%以上、10質量%以上、15質量%以上、20質量%以上25質量%以上、30質量%以上、又は50質量%以上である。また、本発明の無機ナノ粒子−マトリックス材料複合体における無機ナノ粒子の含有量(充填率)は好ましくは、体積分率で、無機ナノ粒子−マトリックス材料の複合材料に対して、0.5体積%以上、0.8体積%以上、1.0体積%以上、1.5体積%以上、3体積%以上、4体積%以上、5体積%以上、又は8体積%以上である。
(Content of inorganic nanoparticles)
The content (filling rate) of the metal nanoparticles in the inorganic nanoparticle-matrix material composite of the present invention is preferably 5% by mass or more, 9% by mass or more, and 10% by mass or more with respect to the composite material of the inorganic nanoparticle / matrix material. It is more than mass%, more than 15 mass%, more than 20 mass%, more than 25 mass%, more than 30 mass%, or more than 50 mass%. Further, the content (filling rate) of the inorganic nanoparticles in the inorganic nanoparticle-matrix material composite of the present invention is preferably a volume fraction of 0.5 volume with respect to the composite material of the inorganic nanoparticle-matrix material. % Or more, 0.8 volume% or more, 1.0 volume% or more, 1.5 volume% or more, 3 volume% or more, 4 volume% or more, 5 volume% or more, or 8 volume% or more.

なお、本発明の無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体における金属ナノ粒子の含有量(充填率)は例えば、無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体全体に対して、上記の量の1/5又は1/10であってよい。   In addition, the content (filling rate) of the metal nanoparticles in the inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite of the present invention is, for example, 1 / of the above amount with respect to the entire inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite. It may be 5 or 1/10.

含有量(充填率)が充分に大きい場合には、ナノ粒子の機能を十分発揮することができ、得られる複合体の応用可能性を更に広げることができる。例えば含有量(充填率)が充分に大きい場合には、高密度記録媒体の記録密度等のマクロな材料特性を、効率的に発現させることができる。   When the content (filling ratio) is sufficiently large, the function of the nanoparticles can be sufficiently exerted, and the applicability of the resulting composite can be further expanded. For example, when the content (filling rate) is sufficiently large, macroscopic material properties such as the recording density of a high-density recording medium can be efficiently expressed.

なお、無機ナノ粒子の含有量(充填率)は、仕込み量から算出される値である。したがって無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体全体に対する含有量(充填率)は、この繊維状複合体の熱重量天秤(TGA)(理学電機社製、商品名:TGA8120)解析により測定できる。また、無機ナノ粒子−マトリックス材料の複合材料に対する含有量(充填率)は、無機ナノ粒子とマトリックス材料とを含有する無機ナノ粒子−マトリックス材料の複合材料以外の部分を除去した後で、熱重量天秤(TGA)(理学電機社製、商品名:TGA8120)解析を行うことによって測定できる。   In addition, content (filling rate) of an inorganic nanoparticle is a value calculated from preparation amount. Therefore, the content (filling rate) of the inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite as a whole can be measured by thermogravimetric balance (TGA) (trade name: TGA8120, manufactured by Rigaku Corporation) of the fibrous composite. In addition, the content (filling ratio) of the inorganic nanoparticle-matrix material with respect to the composite material is determined by thermogravimetry after removing portions other than the inorganic nanoparticle-matrix material composite material containing the inorganic nanoparticles and the matrix material. It can be measured by analyzing a balance (TGA) (manufactured by Rigaku Corporation, trade name: TGA8120).

〈無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体の平均繊維径〉
本発明の無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体の平均繊維径、すなわち鞘部の繊維径は、50nm以上、100nm以上、又は200nm以上であって、3μm以下、1μm以下、又は800nm以下であってよい。また、本発明の無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体の芯部の平均繊維径は、30nm以上、50nm以上、又は100nm以上であって、800nm以下、500nm以下、又は400nm以下であってよい。ここで、芯部の平均繊維径は、無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体を溶解することによって求めることができる。したがって例えば、鞘部が水溶性高分子でできている場合、繊維状複合体を水に浸漬させ、随意に超音波を照射して、鞘部分を溶解して除去した後で、繊維径を測定することによって、芯部の平均繊維径を求めることができる。
<Inorganic nanoparticles-average fiber diameter of matrix material fibrous composite>
The average fiber diameter of the inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite of the present invention, that is, the fiber diameter of the sheath part is 50 nm or more, 100 nm or more, or 200 nm or more, and is 3 μm or less, 1 μm or less, or 800 nm or less. It's okay. Moreover, the average fiber diameter of the core part of the inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite of the present invention is 30 nm or more, 50 nm or more, or 100 nm or more, and may be 800 nm or less, 500 nm or less, or 400 nm or less. . Here, the average fiber diameter of the core can be determined by dissolving the inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite. Thus, for example, when the sheath is made of a water-soluble polymer, the fiber composite is immersed in water, and optionally irradiated with ultrasonic waves to dissolve and remove the sheath, and then the fiber diameter is measured. By doing, the average fiber diameter of a core part can be calculated | required.

平均繊維径が充分に小さい場合であれば、繊維内に分散しているナノ粒子の凝集可能な空間が三次元から一次元に制限されたとみなされ、その結果、キャスト法等によって得られるフィルムと比較して、物理的にナノ粒子の凝集を防ぐことができる。また、平均繊維径が小さくなるに伴って、繊維の表面積が大幅に増大するため、静電紡糸法によって溶液をノズルから噴射する際に、高速延伸によって多くの溶媒を一瞬に蒸発させることが可能となり、その結果、ナノ粒子が凝集を起こす前に極細繊維内に固定することができる。すなわち、本発明においては、これら二つの相乗効果によって、マトリックス材料におけるナノ粒子の凝集確率を大幅に低減し、ナノ粒子をほぼ一次粒子の状態で高度に分散させることを実現できる。   If the average fiber diameter is sufficiently small, it is considered that the space in which the nanoparticles dispersed in the fibers can be aggregated is limited from three dimensions to one dimension, and as a result, a film obtained by a casting method or the like In comparison, aggregation of nanoparticles can be physically prevented. In addition, as the average fiber diameter decreases, the surface area of the fiber increases significantly, so when the solution is sprayed from the nozzle by the electrospinning method, a large amount of solvent can be instantly evaporated by high-speed stretching. As a result, the nanoparticles can be fixed in the ultrafine fibers before aggregation occurs. In other words, in the present invention, by these two synergistic effects, it is possible to greatly reduce the probability of aggregation of nanoparticles in the matrix material and to highly disperse the nanoparticles substantially in the state of primary particles.

一方で、平均繊維径が小さすぎる場合には、ナノ粒子を含有する繊維を安定に製造することが困難となる。また、繊維の長さ方向への強烈な延伸力により、ナノ粒子の応力凝集の恐れがある。   On the other hand, when the average fiber diameter is too small, it becomes difficult to stably produce fibers containing nanoparticles. Moreover, there is a risk of stress aggregation of the nanoparticles due to an intense drawing force in the fiber length direction.

当然ながら、得られる繊維の繊維径にはバラつきがあってもよい。しかしながら、上記の平均繊維径の範囲であれば、繊維に分散しているナノ粒子の分散性には大きく影響しない。なお、ここでいう「鞘部の平均径」とは、極細繊維の堆積物をサンプルとした光学顕微鏡写真から、無作為に選んだ25本の繊維の直径の平均値とする。   Of course, the fiber diameter of the obtained fiber may vary. However, within the above average fiber diameter range, the dispersibility of the nanoparticles dispersed in the fiber is not greatly affected. Here, the “average diameter of the sheath portion” is an average value of the diameters of 25 fibers randomly selected from an optical microscope photograph using a deposit of ultrafine fibers as a sample.

《無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体の調製工程》
以下に、本発明の無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体の製造方法について説明する。本発明の無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体は、無機ナノ粒子、マトリックス材料、及び溶媒を含有する分散体溶液を、繊維形成用有機材料及び溶媒を含む繊維形成溶液と合わせて用いて、静電紡糸法にて芯−鞘構造マイクロ繊維を作成することにより得られる。
<< Preparation process of inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite >>
Below, the manufacturing method of the inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite of this invention is demonstrated. The inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite of the present invention uses a dispersion solution containing inorganic nanoparticles, a matrix material, and a solvent in combination with a fiber-forming solution containing an organic material for fiber formation and a solvent. It can be obtained by producing core-sheath microfibers by an electrostatic spinning method.

したがって例えば本発明においては、無機ナノ粒子を分散体溶液に予め高度に分散し、当該ナノ粒子が分散した分散体溶液と曳糸性のある繊維形成用有機材料溶液をそれぞれ、同軸二重ノズルの芯側と鞘側に導入させ、静電紡糸法に適用することにより、芯−鞘構造をもつ極細繊維を形成する。この場合には、芯−鞘構造繊維が形成されることにより、ナノ粒子の分散空間を確実に擬一次元に抑えて、ナノ粒子の凝集確率を大幅に低減させ、ナノ粒子の分散性を向上させることができる。また、繊維の形成を、優れた曳糸性を有する繊維形成用有機材料に担ってもらうことによって、ナノ粒子の分散性とナノ粒子の分散空間を提供するマイクロ繊維の形成をそれぞれ制御できることになり、無機ナノ粒子とマトリックス材料の組合せの自由度を高め、ナノコンポジット(ナノ複合材料)の機能設計に幅広く対応できる。また更に、ナノ構造が制御された芯−鞘構造空間に選択的に分散させた異種ナノ粒子の相乗効果によって、マイクロ繊維自体も機能素子としての期待が高い。   Thus, for example, in the present invention, inorganic nanoparticles are highly dispersed in a dispersion solution in advance, and the dispersion solution in which the nanoparticles are dispersed and the organic material solution for fiber formation having a spinnability are respectively formed in a coaxial double nozzle. By introducing into the core side and the sheath side and applying to the electrospinning method, ultrafine fibers having a core-sheath structure are formed. In this case, by forming the core-sheath structure fiber, the dispersion space of the nanoparticles is surely suppressed to quasi-one dimension, the probability of aggregation of the nanoparticles is greatly reduced, and the dispersibility of the nanoparticles is improved. Can be made. Moreover, by having the fiber forming organic material with excellent spinnability responsible for the fiber formation, it is possible to control the dispersibility of the nanoparticles and the formation of the microfibers that provide the nanoparticle dispersion space, respectively. , Increase the degree of freedom of the combination of inorganic nanoparticles and matrix materials, and can support a wide range of functional design of nanocomposites (nanocomposites). Furthermore, due to the synergistic effect of different kinds of nanoparticles selectively dispersed in the core-sheath structure space in which the nanostructure is controlled, the microfiber itself is highly expected as a functional element.

具体的には例えば、本発明の無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体の製造方法は、以下の「分散体溶液の調製」、「繊維形成溶液の調製」、及び「静電紡糸」を含むものである。   Specifically, for example, the method for producing an inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite of the present invention includes the following “preparation of dispersion solution”, “preparation of fiber-forming solution”, and “electrostatic spinning”. It is a waste.

〈分散体溶液の調製〉
分散体溶液の調製においては例えば、まず、無機ナノ粒子を溶媒A中に攪拌しながら展開し、続いて、必要に応じて表面修飾分子を添加する。この場合、溶媒Aとしては、表面修飾分子が溶解するものであれば特に限定されるものではない。単一な溶媒であっても、あるいは、複数の溶媒による混合溶媒系であってもよい。また、表面修飾分子の添加量は、粒子表面全体を一層被覆する量よりも過剰量とすることが望ましい。
<Preparation of dispersion solution>
In preparing the dispersion solution, for example, first, the inorganic nanoparticles are developed in the solvent A while stirring, and then surface modifying molecules are added as necessary. In this case, the solvent A is not particularly limited as long as the surface modification molecule can be dissolved. A single solvent or a mixed solvent system using a plurality of solvents may be used. Further, it is desirable that the amount of the surface modifying molecule added is excessive as compared with the amount that further covers the entire particle surface.

続いて、マトリックス材料を溶媒Bに溶解し、必要に応じて分散助剤も同時に展開する。溶媒Bとしては、溶媒Aの存在下であってもマトリックス材料を完全に溶解することができ、かつ、無機ナノ粒子を沈殿させたり、凝集させたりしないものであれば、特に限定されるものではない。溶媒Bは、単一な溶媒であっても、又は複数の溶媒による混合溶媒系であってもよい。   Subsequently, the matrix material is dissolved in the solvent B, and a dispersion aid is simultaneously developed as necessary. The solvent B is not particularly limited as long as it can completely dissolve the matrix material even in the presence of the solvent A and does not precipitate or aggregate the inorganic nanoparticles. Absent. The solvent B may be a single solvent or a mixed solvent system using a plurality of solvents.

次に、調製した溶媒Aと溶媒Bとを混合し、攪拌等の公知の分散装置(例えば機械振動式のチューブミキサー)を用いて、マトリックス材料に無機ナノ粒子を分散させることにより、分散体溶液を得る。分散処理は、通常、室温下において、0.2〜2時間程度で行うことができるが、必要に応じて加熱することも可能である。さらに、高濃度、高分散性を実現させたい場合には、分散処理において、超音波照射を行ったり、ビーズミル等の分散補助装置を使用したりすることが好ましい。   Next, the prepared solvent A and solvent B are mixed, and the dispersion solution is prepared by dispersing inorganic nanoparticles in the matrix material using a known dispersion device such as stirring (for example, a mechanical vibration type tube mixer). Get. The dispersion treatment can usually be performed at room temperature in about 0.2 to 2 hours, but can be heated as necessary. Furthermore, when it is desired to realize high concentration and high dispersibility, it is preferable to perform ultrasonic irradiation or use a dispersion assist device such as a bead mill in the dispersion treatment.

最後に、一緒に使用する繊維形成溶液又は他の分散体溶液の粘度にあわせ、安定紡糸条件に従い、溶媒の蒸発速度の微調整も含め、適切な溶媒を用い、最適な紡糸濃度まで調整することが望ましい。   Finally, according to the viscosity of the fiber-forming solution or other dispersion solution used together, according to the stable spinning conditions, use a suitable solvent, including fine adjustment of the evaporation rate of the solvent, and adjust to the optimum spinning concentration. Is desirable.

特に曳糸性が良好な繊維形成用有機材料と共に使用する場合、無機ナノ粒子を分散させるマトリックス材料は、無機ナノ粒子に対する分散性さえよければ、曳糸性の有無には問わない。   In particular, when used with a fiber-forming organic material having good spinnability, the matrix material for dispersing inorganic nanoparticles may be spinnable or not as long as it is dispersible with respect to inorganic nanoparticles.

〈繊維形成溶液の調製〉
繊維形成溶液は例えば、従来の静電紡糸法で知られているようにして調製することができる。したがって例えば、繊維形成溶液は静電紡糸において安定な紡糸が可能な溶液として得ることができる。なお、繊維形成溶液は、静電紡糸法において紡糸が可能な任意の溶液とすることができ、必ずしも曳糸性が良好な溶液でなくてもよく、例えば紡糸して繊維状複合体を得た後で溶解等により除去が可能な材料として選択してもよい。
<Preparation of fiber forming solution>
The fiber forming solution can be prepared, for example, as known in conventional electrospinning methods. Therefore, for example, the fiber-forming solution can be obtained as a solution that can be stably spun in electrospinning. The fiber-forming solution can be any solution that can be spun in the electrospinning method, and does not necessarily have a good spinnability. For example, a fiber composite was obtained by spinning. You may select as a material which can be removed by melt | dissolution etc. later.

〈静電紡糸〉
静電紡糸工程は例えば、二重ノズルを装着している静電紡糸装置にて、分散体溶液と繊維形成溶液又は他の分散体溶液とをそれぞれ、二重ノズルに導入し、所定な電場強度と吐出速度において噴出させることにより、芯−鞘構造繊維を得る工程である。以下に、静電紡糸工程における紡糸方法および紡糸装置について説明する。
<Electrostatic spinning>
In the electrospinning process, for example, in an electrospinning apparatus equipped with a double nozzle, the dispersion solution and the fiber forming solution or other dispersion solution are respectively introduced into the double nozzle, and a predetermined electric field strength is obtained. And a core-sheath structure fiber by ejecting at a discharge speed. The spinning method and spinning device in the electrostatic spinning process will be described below.

(紡糸方法)
紡糸方法としては、静電紡糸法を用いる。ここで、「静電紡糸法」とは、繊維形成性の基質等を含む溶液又は分散液を、電極間で形成された静電場中に吐出し、溶液又は分散液を電極に向けて曳糸することにより、繊維状物質を形成する方法である。なお、紡糸により得られる繊維状物質は、通常、捕集基板である電極上に積層される。
(Spinning method)
As the spinning method, an electrostatic spinning method is used. Here, the “electrostatic spinning method” means that a solution or dispersion containing a fiber-forming substrate or the like is discharged into an electrostatic field formed between the electrodes, and the solution or dispersion is directed toward the electrodes. This is a method for forming a fibrous substance. The fibrous material obtained by spinning is usually laminated on an electrode that is a collection substrate.

また、形成される繊維状複合体は、分散体溶液及び/又は繊維形成溶液に含まれていた溶媒等が完全に留去した状態のみならず、これらが繊維状物質に含まれたまま残留する状態も含む。   Further, the fibrous composite formed is not only in a state in which the solvent and the like contained in the dispersion solution and / or the fiber forming solution are completely distilled off, but also remains in the fibrous substance. Including state.

なお、通常の静電紡糸は室温で行われるが、本発明においては、溶媒等の揮発が不十分な場合等には、必要に応じて紡糸環境の温度と雰囲気を制御したり、あるいは、捕集基板の温度を制御したりすることも可能である。   Note that normal electrostatic spinning is performed at room temperature. However, in the present invention, when the volatilization of the solvent or the like is insufficient, the temperature and atmosphere of the spinning environment are controlled or trapped as necessary. It is also possible to control the temperature of the collector substrate.

(紡糸装置)
次いで、紡糸工程において用いる装置について説明する。
(Spinning equipment)
Next, an apparatus used in the spinning process will be described.

図1は、二重ノズル装着静電紡糸法に用いられる装置の一態様を示す図である。図1に示される静電紡糸装置においては、シリンジ2及び3の先端部に、高電圧発生器6にて電圧をかけた注射針状の噴出ノズル1を設置し、シリンジ2内の芯部用の溶液、及びシリンジ3内の鞘部用の溶液を、噴出ノズル1の先端部まで導く。なお、図1に示される装置おいては、高電圧発生器6を用いているが、適宜の手段を用いることが可能である。   FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of an apparatus used for a double nozzle-mounted electrostatic spinning method. In the electrostatic spinning device shown in FIG. 1, an injection needle-like ejection nozzle 1 to which a voltage is applied by a high voltage generator 6 is installed at the tip of syringes 2 and 3, and the core for the core in syringe 2 is used. And the solution for the sheath in the syringe 3 are guided to the tip of the ejection nozzle 1. In the apparatus shown in FIG. 1, the high voltage generator 6 is used, but any appropriate means can be used.

次に、噴出ノズル1の先端を、繊維捕集電極4から適切な距離をとって配置し、シリンジ2内の芯部用の溶液、及びシリンジ3内の鞘部用の溶液を、噴出ノズル1の先端部から噴出させることにより、噴出ノズル1の先端部分と繊維捕集電極4との間で、繊維状物質を形成させることができる。   Next, the tip of the ejection nozzle 1 is disposed at an appropriate distance from the fiber collecting electrode 4, and the solution for the core in the syringe 2 and the solution for the sheath in the syringe 3 are ejected from the ejection nozzle 1. The fibrous substance can be formed between the distal end portion of the ejection nozzle 1 and the fiber collecting electrode 4 by ejecting from the distal end portion.

静電場を形成するための電極は、導電性を示しさえすれば、金属、無機物、又は有機物等のいかなるものであってもよい。また、絶縁物上に導電性を示す金属、無機物、又は有機物等の薄膜を設けたものであってもよい。   The electrode for forming the electrostatic field may be any material such as a metal, an inorganic material, or an organic material as long as it exhibits conductivity. Alternatively, a thin film made of a metal, an inorganic material, an organic material, or the like having conductivity may be provided on an insulator.

また、静電場は一対又は複数の電極間で形成されるものであり、静電場を形成するいずれの電極に高電圧を印加してもよい。これは、例えば、電圧値が異なる高電圧の電極2つ(例えば15kVと10kV)と、アースにつながった電極1つの合計3つの電極を用いる場合をも含み、又は3つを超える数の電極を用いる場合も含むものとする。   The electrostatic field is formed between a pair or a plurality of electrodes, and a high voltage may be applied to any electrode that forms the electrostatic field. This includes, for example, the case of using two high-voltage electrodes with different voltage values (for example, 15 kV and 10 kV) and one electrode connected to the ground, or a total of more than three electrodes. Including the case where it is used.

また、芯部用の溶液及び鞘部用の溶液を静電場中に吐出する方法としては、任意の方法を採用することができ、図1においては、芯部用の溶液及び鞘部用の溶液をノズルに供給し、当該ノズルからこれらの溶液を電界によって曳糸して、繊維化している。   Moreover, as a method for discharging the core solution and the sheath solution into the electrostatic field, any method can be adopted. In FIG. 1, the core solution and the sheath solution are used. Is supplied to a nozzle, and these solutions are spun by an electric field from the nozzle to be fiberized.

なお、溶液を噴出するためのノズルの形状は、先端が鋭角を形成していることが好ましい。噴出ノズルの先端が鋭角を形成している場合には、ノズルの先端における液滴形成の制御が容易となる。ノズルの材質については、特に制限されるものではないが、通常、ガラスと金属製のものが多い。ガラスの場合には、ノズル内に白金等の導線を固定し、これを電極として用いる。   In addition, as for the shape of the nozzle for ejecting a solution, it is preferable that the front-end | tip forms an acute angle. When the tip of the ejection nozzle forms an acute angle, it is easy to control droplet formation at the tip of the nozzle. The material of the nozzle is not particularly limited, but usually glass and metal are often used. In the case of glass, a conducting wire such as platinum is fixed in a nozzle and used as an electrode.

芯−鞘構造繊維の作製に必要な二重ノズルの適切なノズルの口径は、用いる溶液によって異なるが、芯部を形成するための内側のノズルの内径は、好ましくは0.05〜1mmの範囲である。ノズル口径が細すぎる場合には、ナノ粒子がノズル内に詰まったり、噴射が不連続となったりする場合があり、安定紡糸が困難となる。一方、ノズル口径が太すぎる場合には、ノズル先端から液滴がボッタ落ちやすく、安定紡糸を妨げる。また、作製する繊維径が太くなることから、本発明の効果を十分に発現することができなくなる。繊維の細さの確保と操作性を考慮すると、0.1〜0.5mmとすることがさらに好ましい。   The appropriate nozzle diameter of the double nozzle required for the production of the core-sheath structure fiber varies depending on the solution used, but the inner diameter of the inner nozzle for forming the core is preferably in the range of 0.05 to 1 mm. It is. When the nozzle diameter is too small, the nanoparticles may be clogged in the nozzle or the injection may be discontinuous, which makes stable spinning difficult. On the other hand, if the nozzle diameter is too large, droplets are likely to drop off from the nozzle tip, preventing stable spinning. Moreover, since the fiber diameter to be produced becomes thick, the effect of the present invention cannot be sufficiently exhibited. In consideration of securing the fineness of the fiber and operability, the thickness is more preferably 0.1 to 0.5 mm.

また、鞘部を形成するための外側のノズルの内径は、同様な理由で、好ましくは0.5〜2.5mm、更に好ましくは1.0〜2.0mmである。   The inner diameter of the outer nozzle for forming the sheath is preferably 0.5 to 2.5 mm, more preferably 1.0 to 2.0 mm for the same reason.

噴出ノズルと繊維捕集電極との距離は、帯電量、ノズル寸法、繊維形成溶液のノズルからの噴出量、繊維形成溶液の溶液濃度等に依存するが、印加する電圧が15kV程度の場合には10〜30cmの範囲が好ましい。距離が短すぎる場合には、溶媒が完全に蒸発されず、紡糸から得た繊維が互いに融合して形状が崩れ、また、繊維内の残留溶媒が多いことから、ナノ粒子の凝集を十分に抑制できなくなる場合がある。一方で、距離が長すぎる場合には、十分な延伸力が得られなくなることから、曳糸性が悪くなったり、作製した繊維径のバラつきが大きくなったり、また、繊維の回収率が低い等の問題が生じる場合がある。   The distance between the ejection nozzle and the fiber collecting electrode depends on the charge amount, the nozzle size, the ejection amount of the fiber forming solution from the nozzle, the solution concentration of the fiber forming solution, etc., but when the applied voltage is about 15 kV A range of 10 to 30 cm is preferred. If the distance is too short, the solvent will not evaporate completely, the fibers from spinning will be fused together and the shape will be lost, and there will be a lot of residual solvent in the fiber, so the aggregation of nanoparticles will be sufficiently suppressed It may not be possible. On the other hand, if the distance is too long, a sufficient drawing force cannot be obtained, so that the spinnability is deteriorated, the variation of the produced fiber diameter is increased, and the fiber recovery rate is low. May cause problems.

また、印加する静電気電位は、5〜30kVの範囲とすることが好ましい。印加電圧が高すぎる場合には、異常放電が起こる恐れがあり、安定な繊維作製ができなくなる。一方で印加電圧が低すぎる場合には、十分な静電反発を引き起こすことができないことから、繊維径が太くなり、その結果、ナノ粒子の凝集を十分に抑制することができなくなる。ここで、所望の電位は、従来公知の任意の適切な方法によって作製すればよい。   The applied electrostatic potential is preferably in the range of 5 to 30 kV. If the applied voltage is too high, abnormal discharge may occur, and stable fiber production cannot be performed. On the other hand, when the applied voltage is too low, sufficient electrostatic repulsion cannot be caused, so that the fiber diameter is increased, and as a result, aggregation of nanoparticles cannot be sufficiently suppressed. Here, the desired potential may be produced by any appropriate method known in the art.

繊維形成溶液の吐出量を調整するシリンジボンプの制御精度は、0.1μl/min程度とすることが好ましい。また、繊維形成溶液の吐出量は、用いる繊維形成溶液によって異なるが、速すぎる場合、紡糸安定性と芯−鞘構造の形成に悪影響があり、逆に遅すぎる場合、ノズル詰まりが生じやすく、連続的な芯−鞘構造繊維を得にくいおそれがある。10〜100μl/minの範囲とすることが好ましい。また、芯鞘形成成分の特性に合わせ、芯鞘の吐出速度を精密に調整することによって、紡糸パラメーターを最適化した上、芯−鞘構造(芯と鞘部分の厚み)の精密制御が可能と分かった。   The control accuracy of the syringe pump that adjusts the discharge amount of the fiber forming solution is preferably about 0.1 μl / min. Further, the discharge amount of the fiber forming solution varies depending on the fiber forming solution to be used, but if it is too fast, there is an adverse effect on the spinning stability and the formation of the core-sheath structure. It may be difficult to obtain a typical core-sheath fiber. A range of 10 to 100 μl / min is preferable. In addition, by precisely adjusting the discharge speed of the core sheath in accordance with the characteristics of the core-sheath forming component, the spinning parameters can be optimized and the core-sheath structure (the thickness of the core and the sheath portion) can be precisely controlled. I understood.

〈芯−鞘構造繊維の後処理〉
例えば、上記の手法により作製した芯−鞘構造繊維の芯又は鞘の片側のみを、溶解又は分解して除去することにより、無機ナノ粒子の高充填且つ高分散を実現した無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体を得ることができる。例えば、芯部と鞘部との耐熱性の差を利用し、焼成により片側を取り除くことによって、触媒、担体などの用途に有効であるナノ粒子分散焼結体を得ることができる。また、芯部と鞘部との溶解性の差を利用し、片側のみ溶解できる溶媒に浸漬して、片側を取り除くことによって、ワンステップで作製できない極細繊維又は構造制御と機能設計に有用である中空タイプのマイクロ繊維を作製することができる。ここでは、ナノ粒子の分散に悪い影響を与えずに芯部又は鞘部を選択的に除去することができれば、任意の方法を用いることができる。当然に、片側を取り除いた無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体を掻き集め、真空熱プレスなどの後処理を行うことによって、ナノ粒子の優れた特性を材料特性として発現できるバルク材料の作製も可能である。
<Post-treatment of core-sheath fiber>
For example, an inorganic nanoparticle-matrix material that achieves high filling and high dispersion of inorganic nanoparticles by dissolving or decomposing and removing only one side of the core or sheath of the core-sheath structure fiber produced by the above method A fibrous composite can be obtained. For example, by utilizing the difference in heat resistance between the core portion and the sheath portion and removing one side by firing, a nanoparticle-dispersed sintered body effective for applications such as a catalyst and a carrier can be obtained. Also, by utilizing the difference in solubility between the core and the sheath, immersing in a solvent that can be dissolved only on one side, and removing one side is useful for ultrafine fibers that cannot be produced in one step or structural control and functional design Hollow type microfibers can be produced. Here, any method can be used as long as the core portion or the sheath portion can be selectively removed without adversely affecting the dispersion of the nanoparticles. Naturally, the inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite from which one side is removed is scraped and post-treatment such as vacuum hot press can be used to produce a bulk material that can express the excellent properties of nanoparticles as material properties. It is.

《無機ナノ粒子−マトリックス材料複合体の用途》
本発明の無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体は、高濃度且つ均一に分散しているナノ粒子の優れた光・電・磁性などの特性を生かし、芯−鞘構造マイクロ繊維そのものを機能素子として作動することが期待されるが、機能性ナノ粒子とマトリックス材料の組合せ、複数の無機ナノ粒子の使用、2種以上のマトリックス材料の使用、さらに精密制御されたナノ構造に種々の機能性を有するコンポジットの高度な組織化等により、所望な材料特性を持つ複合材料の創製も期待できる。
<< Use of inorganic nanoparticle-matrix material composite >>
The inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite of the present invention utilizes the excellent properties of light, electricity, magnetism, etc. of nanoparticles dispersed at high concentration and uniformity, and the core-sheath microfiber itself is a functional element. Is expected to work as a combination of functional nanoparticles and matrix materials, the use of multiple inorganic nanoparticles, the use of two or more matrix materials, and various functionalities for precisely controlled nanostructures. Creation of a composite material having desired material characteristics can be expected due to the advanced organization of the composite.

また、本発明の無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体は、無機ナノ粒子の分散状態を維持する条件で加圧して成形することを含む方法によって、バルクの形態にすることができる。ここで、この成形において、高温が高すぎる場合又は加える圧力が大きすぎる場合、マトリックス材料の分子鎖の運動性が高くなり、ナノ粒子に対する保持力が低下して、繊維中のナノ粒子の分散状態が維持できなくなることがある。一方で、適切な温度及び圧力で成形を行う場合、ナノ粒子を保持しながら、マトリックス材料の分子鎖の運動性を増加させて繊維間の融着を行わせ、それによって繊維内の無機ナノ粒子の分散状態を維持しつつ、バルク機能性材料に成形できる。すなわち、無機ナノ粒子の分散状態を維持しつつ、加圧によって成形できる条件は、マトリックス材料が無機ナノ粒子の分散状態を維持し、且つマトリックス材料が充分な成形性を有する条件である。   Moreover, the inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite of the present invention can be made into a bulk form by a method including pressurizing and molding under the condition of maintaining the dispersed state of the inorganic nanoparticles. Here, in this molding, when the high temperature is too high or the applied pressure is too large, the mobility of the molecular chain of the matrix material becomes high, the holding power to the nanoparticles decreases, and the dispersed state of the nanoparticles in the fiber May not be maintained. On the other hand, when molding is performed at an appropriate temperature and pressure, while maintaining the nanoparticles, the mobility of the molecular chains of the matrix material is increased to cause fusion between the fibers, thereby causing inorganic nanoparticles in the fibers. Thus, it can be formed into a bulk functional material while maintaining the dispersion state. That is, the conditions under which pressure can be formed while maintaining the dispersed state of the inorganic nanoparticles are the conditions in which the matrix material maintains the dispersed state of the inorganic nanoparticles and the matrix material has sufficient formability.

例えば繊維状のマトリックス材料が単一な非結晶性高分子である場合、このような繊維状の無機ナノ粒子−マトリックス材料複合体は、マトリックス材料のガラス転移温度付近の温度、例えばマトリックス材料のガラス転移温度±10℃の範囲において、加圧して成形することができる。また、例えば繊維状の本発明のマトリックス材料が、結晶性高分子から実質的に構成されている場合又は結晶性高分子成分を主成分とする場合、このような繊維状の無機ナノ粒子−マトリックス材料複合体は、その軟化点付近の温度、例えばこの軟化点±10℃の範囲において、加圧して成形することができる。また更に、例えば繊維状の本発明のマトリックス材料が、結晶性高分子成分と非結晶性高分子のブレンドである場合、このような繊維状の無機ナノ粒子−マトリックス材料複合体は、結晶性高分子に由来する融点と高分子構成成分中の非結晶性高分子に由来するガラス転移温度との間の適切な温度範囲において、加圧して成形することができる。ここで、繊維状の無機ナノ粒子−マトリックス材料複合体の加圧は、随意に、雰囲気の減圧を伴って行って、繊維間の空隙の減少を促進することができる。なお、繊維状の無機ナノ粒子−マトリックス材料複合体の成形は一般に、高分子の融点よりも低い温度において行うことが好ましい。これは、マトリックス材料の融点よりも高い温度においては、マトリックス材料中に分散していたナノ粒子が再凝集する可能性があることによる。   For example, if the fibrous matrix material is a single non-crystalline polymer, such fibrous inorganic nanoparticle-matrix material composites may have a temperature near the glass transition temperature of the matrix material, such as the glass of the matrix material. It can be molded by pressurization in the range of transition temperature ± 10 ° C. In addition, for example, when the fibrous matrix material of the present invention is substantially composed of a crystalline polymer, or has a crystalline polymer component as a main component, such a fibrous inorganic nanoparticle-matrix The material composite can be molded by pressing at a temperature near the softening point, for example, within the range of the softening point ± 10 ° C. Furthermore, for example, when the fibrous matrix material of the present invention is a blend of a crystalline polymer component and an amorphous polymer, such a fibrous inorganic nanoparticle-matrix material composite has a high crystalline property. Molding can be performed by applying pressure in an appropriate temperature range between the melting point derived from the molecule and the glass transition temperature derived from the amorphous polymer in the polymer constituent. Here, the pressurization of the fibrous inorganic nanoparticle-matrix material composite can be optionally accompanied by a reduced pressure of the atmosphere to promote the reduction of voids between the fibers. In general, it is preferable to form the fibrous inorganic nanoparticle-matrix material composite at a temperature lower than the melting point of the polymer. This is because the nanoparticles dispersed in the matrix material may reaggregate at a temperature higher than the melting point of the matrix material.

したがって例えば、本発明の無機ナノ粒子−マトリックス材料複合体からなる繊維は、得られた繊維の堆積物を用いて、表面にコーティングを施し、又は真空吸引により繊維間の空隙を減らして薄膜とし、得られた薄膜を重なり合わせて、用いた高分子のガラス転移点(Tg)以下の温度において熱プレスすることにより、バルク材料に展開することが可能である。この場合には、ナノ粒子の機能特性をバルク材料特性として発現することができる。   Thus, for example, the fiber comprising the inorganic nanoparticle-matrix material composite of the present invention is coated on the surface using the obtained fiber deposit, or the gap between the fibers is reduced by vacuum suction to form a thin film. The obtained thin films are overlapped and can be developed into a bulk material by hot pressing at a temperature below the glass transition point (Tg) of the polymer used. In this case, the functional characteristics of the nanoparticles can be expressed as bulk material characteristics.

また、芯部及び鞘部を有する本発明の無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体では、鞘部及び芯部のいずれを除去した後で、上記の方法によって繊維状複合体からバルク材料を形成することもできる。この場合には例えば、芯部及び鞘部のいずれかを水溶性の材料で形成して、無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体を得、得られた繊維状複合体を水洗し、遠心分離し、そして乾燥することによって、水溶性の材料で形成された芯部及び鞘部のいずれかを除去し、その後で、この繊維状複合体からバルク材料を作成することができる。   In addition, in the inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite of the present invention having a core and a sheath, after removing either the sheath or the core, a bulk material is formed from the fibrous composite by the above method. You can also In this case, for example, either the core portion or the sheath portion is formed of a water-soluble material to obtain an inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite, and the resulting fibrous composite is washed with water and centrifuged. And drying to remove either the core or the sheath formed of the water soluble material, after which a bulk material can be made from the fibrous composite.

《無機ナノ粒子》
本発明に記載している「無機ナノ粒子」は、特にある種に制限されているものではない。
<Inorganic nanoparticles>
The “inorganic nanoparticles” described in the present invention are not particularly limited to certain types.

具体的には、「無機ナノ粒子」として、導体ナノ粒子、半導体ナノ粒子、絶縁体ナノ粒子、磁性ナノ粒子、蛍光体ナノ粒子、光吸収ナノ粒子、光透過ナノ粒子、顔料ナノ粒子など挙げられる。一部「有機−無機ハイブリッドナノ粒子」として、DDS(Drug Delivery System)用薬物微粒子、化粧用微粒子、有機−無機ハイブリッド顔料微粒子等にも適用可能である。   Specifically, examples of the “inorganic nanoparticles” include conductor nanoparticles, semiconductor nanoparticles, insulator nanoparticles, magnetic nanoparticles, phosphor nanoparticles, light absorbing nanoparticles, light transmitting nanoparticles, and pigment nanoparticles. . Some “organic-inorganic hybrid nanoparticles” can also be applied to drug fine particles for DDS (Drug Delivery System), cosmetic fine particles, organic-inorganic hybrid pigment fine particles, and the like.

本発明に用いられる無機ナノ粒子は、得られる無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体又はバルク複合材料の用途に応じて適宜選択されるものであり、具体的には、反射防止や赤外線反射等の光学用途として、SiO、TiO、Ta、ZrO、SnO、In等が挙げられる。また、高密度メモリ用途として、各種磁性材料、例えば、Fe、Co、Ni等の鉄族元素又は遷移金属元素から選ばれる金属単体、又はこれら元素のうち少なくとも一種類を含む合金や金属間化合物又は金属酸化物、具体的には、Fe、Fe、γ−Fe、CrO、Co−γ−Fe、Co−Ni、Co−Ni−P、Co−Cr、Baフェライト等が挙げられる。 The inorganic nanoparticles used in the present invention are appropriately selected according to the use of the obtained inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite or bulk composite material. Specifically, antireflection, infrared reflection, etc. Examples of optical applications include SiO 2 , TiO 2 , Ta 2 O 5 , ZrO 2 , SnO 2 , and In 2 O 3 . For high-density memory applications, various magnetic materials, for example, simple metals selected from iron group elements or transition metal elements such as Fe, Co, Ni, or alloys or intermetallic compounds containing at least one of these elements or metal oxides, specifically, Fe, Fe 3 O 4, γ-Fe 2 O 3, CrO 2, Co-γ-Fe 2 O 3, Co-Ni, Co-Ni-P, Co-Cr, Ba Examples thereof include ferrite.

さらに、高密度メモリや発光表示体の用途として、各種蛍光材料、例えば、無機酸化物やハロゲン化物、もしくはこれらを母材として希土類元素等を導入した化合物、具体的には例えばの下記の材料を挙げることができる(以下、:の左側が母材、右側が導入した元素を表す):BaSi:Pb、Sr:Eu、BaMaAl1627:Eu、MgWO、3Ca(POCa(F,Cl):Sb,Mn、MgGa:Mn、ZnSiO、(Ce,Tb)MgAl1119、YSiO:Ce,Tb、YSiO:Ce、YSiO:Eu、Y:Eu、YVO:Eu、(Sr,Mg,Ba)(PO:Sn、3.5MgO・5MgF・GeO:Mn、ZnS:Cu、ZnS:Mn、ZnS:TbF、ZnS:Ag、ZnS:Cu,Al、ZnS:Cu,Au,Al、ZnO:Zn。 Furthermore, as applications for high-density memories and light-emitting displays, various fluorescent materials such as inorganic oxides and halides, or compounds in which rare earth elements and the like are introduced using these as base materials, specifically, the following materials are used. (Hereinafter, the left side of: represents the base material and the right side represents the introduced element): BaSi 2 O 5 : Pb, Sr 2 P 2 O 7 : Eu, BaMa 2 Al 16 O 27 : Eu, MgWO 4 3Ca 3 (PO 4 ) 2 Ca (F, Cl) 2 : Sb, Mn, MgGa 2 O 4 : Mn, Zn 2 SiO 4 , (Ce, Tb) MgAl 11 O 19 , Y 2 SiO 5 : Ce, Tb , Y 2 SiO 5: Ce, Y 2 SiO 5: Eu, Y 2 O 3: Eu, YVO 4: Eu, (Sr, Mg, Ba) 3 (PO 4) 2: Sn, 3.5MgO · 5MgF · GeO 2: Mn, ZnS: Cu, ZnS: Mn, ZnS: TbF 3, ZnS: Ag, ZnS: Cu, Al, ZnS: Cu, Au, Al, ZnO: Zn.

なお、本発明に用いられる無機ナノ粒子は、マトリックス材料中における分散性さえよければ、1種単独であっても、あるいは、複数種を同時に用いてもよい。ナノ粒子の組成からみれば、均質であっても、コアシェル型でも、中空型でもよい。   In addition, the inorganic nanoparticle used for this invention may be single 1 type, or may use multiple types simultaneously, as long as the dispersibility in a matrix material is good. From the viewpoint of the composition of the nanoparticles, it may be homogeneous, core-shell type, or hollow type.

本発明に用いられる無機ナノ粒子は、無機ナノ粒子そのままであってもよいが、ナノ粒子の均質な分散を達成、その分散状態を安定に持続させるため、ナノ粒子表面に無機ナノ粒子との親和性、配位性および結合性等を有する表面修飾分子による保護されていることが好ましい。表面修飾分子によって被覆された無機ナノ粒子を用いることにより、ナノ粒子同士間の凝集を抑え、分散溶媒におけるほぼ一次粒子の状態で安定に存在させることができる。その結果、最終的にナノ粒子の高濃度且つ高分散を実現した無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体の作製に繋がる。   The inorganic nanoparticles used in the present invention may be the inorganic nanoparticles as they are, but in order to achieve uniform dispersion of the nanoparticles and to maintain the dispersion state stably, the affinity for the inorganic nanoparticles on the nanoparticle surface is sufficient. It is preferably protected by a surface modifying molecule having a property, a coordination property, a binding property and the like. By using the inorganic nanoparticles coated with the surface modifying molecules, aggregation between the nanoparticles can be suppressed, and the nanoparticles can stably exist in a state of almost primary particles in the dispersion solvent. As a result, it finally leads to production of inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite that realizes high concentration and high dispersion of nanoparticles.

ナノ粒子表面に吸着可能な官能基としては、例えば、有機系硫黄基(−S=O、−SH)等の硫黄を含むもの、アミド基、アミノ基(−NH)等の窒素原子を含むもの、水酸基、カルボキシル基、カチオン性基、例えば、アンモニウム基(ヒドロキシ基/又は炭素数1−6の直鎖もしくは分岐状アルキル基によって置換されていてもよい)、ピリジニウム基およびホスホニウム基、アニオン性基、例えば、カルボキシル基、スルホン酸基、燐酸基、およびホスホン酸基およびその塩化合物等が挙げられる。 Examples of functional groups that can be adsorbed on the nanoparticle surface include those containing sulfur such as organic sulfur groups (—S═O, —SH), and nitrogen atoms such as amide groups and amino groups (—NH 2 ). Thing, a hydroxyl group, a carboxyl group, a cationic group, for example, an ammonium group (which may be substituted by a hydroxy group or a linear or branched alkyl group having 1 to 6 carbon atoms), a pyridinium group and a phosphonium group, anionic Examples thereof include a carboxyl group, a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, and a phosphonic acid group and a salt compound thereof.

なお、本発明の効果を損なわない限り、表面修飾分子は、一種のみの使用でもよいし、2種類以上の配合物の使用であってもよい。また、表面修飾分子の添加量は、無機ナノ粒子の表面全体を一層被覆する量よりも過剰量とすることが望ましい。   As long as the effects of the present invention are not impaired, the surface modifying molecule may be used alone or in combination of two or more kinds. Moreover, it is desirable that the amount of the surface-modifying molecule added is excessive as compared with the amount that further covers the entire surface of the inorganic nanoparticles.

最後に、本発明に記載している無機ナノ粒子は、分散溶媒に安定分散している形態として用いられる。その分散溶媒について特に制限されるものではない。分散マトリックスに合わせ、水中或いは有機溶媒中に分散しているナノ粒子両方とも用いられる。場合によって、芯部及び鞘部の形成成分にそれぞれ水分散ナノ粒子と有機溶媒分散ナノ粒子を同時に用いられることも可能である。溶媒を選択する際、安定したナノ粒子の高濃度分散が可能であることを前提とするが、紡糸環境と安定紡糸条件に合わせて蒸発速度も重要なパラメーターの一つである。   Finally, the inorganic nanoparticles described in the present invention are used as a form stably dispersed in a dispersion solvent. The dispersion solvent is not particularly limited. Depending on the dispersion matrix, both nanoparticles dispersed in water or organic solvents can be used. In some cases, water-dispersed nanoparticles and organic solvent-dispersed nanoparticles can be used simultaneously for the core and sheath forming components, respectively. When selecting a solvent, it is premised that stable concentration of nanoparticles can be dispersed at a high concentration, but the evaporation rate is one of the important parameters according to the spinning environment and stable spinning conditions.

《マトリックス材料》
マトリックス材料、すなわち無機ナノ粒子のための分散マトリックスとして用いられる材料は、選択された無機ナノ粒子に対し、安定した高濃度分散状態さえ達成できれば、特に限定されるものではなく、例えば高分子又はオリゴマーであってよい。分散安定性、形態制御と加工性を考慮すれば、高分子、反応性オリゴマーおよびナノ粒子の作製法の一つであるゾル−ゲル法に適用できる化合物が望ましい。ここで、マトリックス材料として用いられる高分子又はオリゴマーは、アルキルポリマーのような有機マトリックス材料、ポリシロキサンのような無機マトリックス材料、又はポリシルセスキオキサンのような有機−無機ハイブリットマトリックス材料であってよい。
《Matrix material》
The matrix material, that is, the material used as the dispersion matrix for the inorganic nanoparticles is not particularly limited as long as a stable high concentration dispersion state can be achieved for the selected inorganic nanoparticles, for example, a polymer or an oligomer. It may be. In view of dispersion stability, morphology control and processability, a compound that can be applied to a sol-gel method, which is one of methods for producing polymers, reactive oligomers, and nanoparticles, is desirable. Here, the polymer or oligomer used as the matrix material is an organic matrix material such as an alkyl polymer, an inorganic matrix material such as polysiloxane, or an organic-inorganic hybrid matrix material such as polysilsesquioxane. Good.

マトリックス材料として高分子又はオリゴマーを用いる場合、無機ナノ粒子に対する捕獲性官能基を有する高分子又はオリゴマーがナノ粒子をより高濃度分散させることができるため好ましい。このような無機ナノ粒子捕獲性官能基としては、無機ナノ粒子に対する捕獲能を有するものであれば特に限定されるものではない。本発明においては、用いる無機ナノ粒子の種類によって、好適な捕獲性官能基を選択することができる。   When a polymer or oligomer is used as the matrix material, a polymer or oligomer having a capturing functional group for inorganic nanoparticles is preferable because the nanoparticles can be dispersed at a higher concentration. Such an inorganic nanoparticle-capturing functional group is not particularly limited as long as it has a capturing ability for inorganic nanoparticles. In the present invention, a suitable capturing functional group can be selected depending on the type of inorganic nanoparticles used.

本発明に用いられる高分子又はオリゴマーが有する好ましい官能基としては、例えば、カルボン酸基(酸無水物、カルボン酸塩も含める)、アミノ基、イミド基、アミド基、ピリジン基、リン酸基、スルホン酸基、アルコール性水酸基、チオール基、ジスルフィド基、ニトリル基、イソニトリル基、アルキン等を挙げることができる。   Examples of preferred functional groups possessed by the polymer or oligomer used in the present invention include carboxylic acid groups (including acid anhydrides and carboxylates), amino groups, imide groups, amide groups, pyridine groups, phosphoric acid groups, Examples include sulfonic acid groups, alcoholic hydroxyl groups, thiol groups, disulfide groups, nitrile groups, isonitrile groups, alkynes, and the like.

本発明において分散させる粒子が金属ナノ粒子の場合には、用いられる高分子又はオリゴマーが有する官能基としては、金属と容易に配位できることから、酸素、窒素、硫黄、およびリンからなる群から選択される少なくとも1種の元素を含む官能基が好ましい。このような官能基としては、例えば、水酸基(−OH)、カルボニル基(−C=O)、アミド基、アミノ基(−NH)、イソシアネート(−CN)、ピリジン基、ピロリドン基、有機系リン酸基(−P=O)、有機系硫黄基(−S=O、−SH)等を挙げることができる。これらの基は、1種単独であっても、あるいは、2種以上が存在する状態であってもよい。これらの中では、金属ナノ粒子との相互作用が比較的強いことから、アミノ基、有機系硫黄基、有機系リン酸基が好ましく、さらに、金属ナノ粒子との相互作用が最も強いことから有機系硫黄基が最も好ましい。 When the particles to be dispersed in the present invention are metal nanoparticles, the functional group of the polymer or oligomer used is selected from the group consisting of oxygen, nitrogen, sulfur, and phosphorus because it can be easily coordinated with the metal. A functional group containing at least one element is preferred. Examples of such a functional group include a hydroxyl group (—OH), a carbonyl group (—C═O), an amide group, an amino group (—NH 2 ), an isocyanate (—CN), a pyridine group, a pyrrolidone group, and an organic system. A phosphoric acid group (-P = O), an organic sulfur group (-S = O, -SH), etc. can be mentioned. These groups may be used singly or in a state where two or more kinds are present. Of these, amino groups, organic sulfur groups, and organic phosphate groups are preferred because of their relatively strong interaction with metal nanoparticles, and organic compounds have the strongest interaction with metal nanoparticles. Most preferred is a sulfur group.

無機ナノ粒子捕獲性官能基を有する高分子としては、ポリビニルブチラール(PVB)を挙げることができる。ポリビニルブチラールであれば、主鎖のビニル構造と、側鎖のOH基およびアセタール基の2種類の官能基の存在率を所定の割合で制御することにより、ナノ粒子の分散性をより高度に制御することができる。   An example of the polymer having an inorganic nanoparticle-capturing functional group is polyvinyl butyral (PVB). With polyvinyl butyral, the dispersibility of the nanoparticles can be controlled to a higher degree by controlling the vinyl structure of the main chain and the presence of two types of functional groups, the OH group and acetal group of the side chain, at a predetermined ratio. can do.

マトリックス材料は、ナノ粒子の分散性さえよければ、曳糸性の有無に問わないが、ナノ粒子を分散させるマトリックス材料溶液の流動性後および静電紡糸した後のナノ分散組織体の成型条件などを考慮すると、マトリックス材料が高分子である場合には、1〜150万の分子量をもつ高分子が望ましい。ナノ粒子含有マトリックス材料溶液の流動性、ナノ粒子の分散安定性および静電紡糸の安定性から考え、マトリックス材料が高分子である場合には、5〜50万の分子量を有する高分子が更に好ましい。   As long as the dispersibility of the nanoparticles is good, the matrix material may be spinnable or not. However, after the fluidity of the matrix material solution in which the nanoparticles are dispersed and the molding conditions of the nanodispersed tissue after electrospinning, etc. When the matrix material is a polymer, a polymer having a molecular weight of 1 to 1.5 million is desirable. Considering the fluidity of the nanoparticle-containing matrix material solution, the dispersion stability of the nanoparticles and the stability of electrospinning, when the matrix material is a polymer, a polymer having a molecular weight of 5 to 500,000 is more preferable. .

分散マトリックスをオリゴマー、特に反応性オリゴマーにする目的は、静電紡糸によりナノ粒子と反応性オリゴマーを極細繊維に閉じ込ませながら、熱などの後処理によってナノ粒子の高分散状態をオリゴマーの成長によりしっかり固めることにある。高分子と比べ、溶液の粘度が低いため、ナノ粒子の高濃度分散に有利と考えられる。ナノ粒子を反応性オリゴマーに容易分散させることができ、ナノ粒子表面に修飾した反応性オリゴマーがナノ粒子の間の凝集を抑制し、熱処理、UV照射などの後処理過程によって、反応性オリゴマーの間に反応を素早く進行させ、ナノ粒子の分散状態を維持しながらネットワークに成長し、ナノ粒子の高濃度且つ高分散の特徴を達成した無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体の作製に大きく期待される。   The purpose of making the dispersion matrix into oligomers, especially reactive oligomers, is that the nanoparticles and reactive oligomers are trapped in ultrafine fibers by electrospinning, and the highly dispersed state of the nanoparticles is grown by growing the oligomers by post-treatment such as heat. It is to solidify. Since the viscosity of the solution is lower than that of the polymer, it is considered advantageous for high concentration dispersion of the nanoparticles. The nanoparticles can be easily dispersed in the reactive oligomer, and the reactive oligomer modified on the surface of the nanoparticle suppresses the aggregation between the nanoparticles, and the post-treatment process such as heat treatment and UV irradiation causes the reactive oligomer to It is highly anticipated for the production of fibrous composites of inorganic nanoparticle-matrix materials that have grown rapidly into a network while maintaining the dispersed state of the nanoparticles, and achieved high concentration and high dispersion characteristics of the nanoparticles. The

本発明のマトリックス材料に用いられるオリゴマーは、選択された無機ナノ粒子に対し、安定した高濃度分散状態さえ達成できれば、特に限定されるものではない。熱硬化と紫外線硬化特性を持ち合わせた(メタ)多官能アクリレート系オリゴマー、ポリシルセスキオキサン系などが好ましい。特にポリシルセスキオキサンの場合、ナノ粒子の形で市販されているものがあり、多数の無機ナノ粒子と混じり合わせ、優れた分散性を示しており、好適に用いられる。   The oligomer used for the matrix material of the present invention is not particularly limited as long as it can achieve a stable and highly dispersed state with respect to the selected inorganic nanoparticles. (Meth) polyfunctional acrylate oligomers, polysilsesquioxanes, etc. having both thermosetting and ultraviolet curing properties are preferred. In particular, in the case of polysilsesquioxane, some are commercially available in the form of nanoparticles, are mixed with a large number of inorganic nanoparticles, exhibit excellent dispersibility, and are preferably used.

ナノ粒子の作製法としてゾル−ゲル法が古くから知られている。緻密な焼結多結晶体が得られ、高度均質性を容易に達成できる特徴から、本発明で用いられるマトリックス材料にも適合すると考えられる。今までのゾル−ゲル法の原料は金属アルコキシドを中心とし、分散目的とする機能性無機ナノ粒子が金属酸化物であれば、ナノ粒子のin situの合成と分散も考えられる。そうではない場合、分散目的とするナノ粒子の分散と機能性に悪影響がなければ、ゾル−ゲル反応による分散しているナノ粒子との多結晶式バルク体あるいは分散状態の固定場としての取り扱いも考えられる。   The sol-gel method has long been known as a method for producing nanoparticles. It is considered that a dense sintered polycrystalline body can be obtained, and it can be easily applied to the matrix material used in the present invention because it can easily achieve high homogeneity. So far, the raw material of the sol-gel method is mainly a metal alkoxide, and if the functional inorganic nanoparticles to be dispersed are metal oxides, synthesis and dispersion of nanoparticles in situ can be considered. Otherwise, if the dispersion and functionality of the nanoparticles intended for dispersion are not adversely affected, it can be handled as a polycrystalline bulk body or a fixed state in a dispersed state with the dispersed nanoparticles by the sol-gel reaction. Conceivable.

珪素、チタニウムおよびアルミニウム元素を含有するヒドロキシル基含有高分子は、適切な方法、例えば、アルコキシおよび/又はオルガノアルコキシシランを使用するアルミニウムアルコキシドの加水分解および(共)縮合によって得られる。そのようなヘテロ縮合物の製造も一例として、「Sol−Gel Science」、J.Brinker,1990に記載されている。   Hydroxyl group-containing polymers containing silicon, titanium and aluminum elements are obtained by suitable methods such as hydrolysis and (co) condensation of aluminum alkoxides using alkoxy and / or organoalkoxysilanes. An example of the production of such a heterocondensate is “Sol-Gel Science”, J. Org. Brinker, 1990.

このようなモノマー、オリゴマーおよびポリマーの加水分解および縮合に使用しうる触媒は、酸、塩基、金属錯体および有機金属化合物である。例示しうる酸は、例えば、p−トルエンスルホン酸、塩酸、蟻酸および酢酸である。使用しうる塩基は、例えば、アルカリ金属(Li、Na、K)およびアルカリ土類金属(Mg、Ca、Ba)水酸化物である。特に0.1N〜1.5N水溶液の形態の酸の使用が好ましい。   Catalysts that can be used for the hydrolysis and condensation of such monomers, oligomers and polymers are acids, bases, metal complexes and organometallic compounds. Illustrative acids are, for example, p-toluenesulfonic acid, hydrochloric acid, formic acid and acetic acid. Bases that can be used are, for example, alkali metal (Li, Na, K) and alkaline earth metal (Mg, Ca, Ba) hydroxides. In particular, it is preferable to use an acid in the form of a 0.1N to 1.5N aqueous solution.

ゾル−ゲル法に適用できる原材料を分散マトリックスにする場合、最終的なナノ粒子分散体のバルク材料をえるため、焼結を経由しなければいけない。焼結環境について還元ガス或いは他の反応性ガスの雰囲気に制御すれば、場合によって最終的に金属、合金ナノ粒子或いは多元系多結晶質のバルク状態が得られる可能性もある。   When a raw material applicable to the sol-gel method is used as a dispersion matrix, in order to obtain a final bulk material of the nanoparticle dispersion, it must pass through sintering. If the sintering environment is controlled to be an atmosphere of a reducing gas or other reactive gas, in some cases, a metal, alloy nanoparticle, or multi-component polycrystalline bulk state may be finally obtained.

《繊維形成用有機材料》
繊維形成用有機材料、すなわち無機ナノ粒子と組み合わせずに用いられる有機材料としては、静電紡糸法で紡糸できる任意の有機材料、特に高分子材料を挙げることができる。
《Organic material for fiber formation》
As an organic material for fiber formation, that is, an organic material used without being combined with inorganic nanoparticles, any organic material that can be spun by an electrostatic spinning method, particularly a polymer material can be exemplified.

《繊維形成用有機材料−曳糸性》
繊維形成用有機材料は例えば、曳糸性の良い材料、特に曳糸性の良い高分子として選択できる。
<Organic material for fiber formation-spinnability>
The organic material for fiber formation can be selected, for example, as a material with good spinnability, particularly as a polymer with good spinnability.

この場合、曳糸性の観点で好ましい高分子としては、例えば、ポリエチレンオキシド、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセタール、ポリビニルエステル、ポリビニルエーテル、ポリビニルピリジン、ポリアクリルアミド、エーテルセルロース、ペクチン、澱粉、ポリ塩化ビニル、ポリアクリロニトリル、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、ポリ乳酸−ポリグリコール酸共重合体、ポリカプロラクトン、ポリブチレンサクシネート、ポリエチレンサクシネート、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリヘキサメチレンカーボネート、ポリアリレート、ポリビニルイソシアネート、ポリブチルイソシアネート、ポリメチルメタクリレート、ポリエチルメタクリレート、ポリノルマルプロピルメタクリレート、ポリノルマルブチルメタクリレート、ポリメチルアクリレート、ポリエチルアクリレート、ポリブチルアクリレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリトリメチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリパラフェニレンテレフタラミド、ポリパラフェニレンテレフタラミド−3,4′―オキシジフェニレンテレフタラミド共重合体、ポリメタフェニレンイソフタラミド、セルロースジアセテート、セルローストリアセテート、メチルセルロース、プロピルセルロース、ベンジルセルロース、フィブロイン、天然ゴム、ポリビニルアセテート、ポリビニルメチルエーテル、ポリビニルエチルエーテル、ポリビニルノルマルプロピルエーテル、ポリビニルイソプロピルエーテル、ポリビニルノルマルブチルエーテル、ポリビニルイソブチルエーテル、ポリビニルターシャリーブチルエーテル、ポリビニリデンクロリド、ポリ(N−ビニルピロリドン)、ポリ(N−ビニルカルバゾル)、ポリ(4−ビニルピリジン)、ポリビニルメチルケトン、ポリメチルイソプロペニルケトン、ポリプロピレンオキシド、ポリシクロペンテンオキシド、ポリスチレンサルホン、ナイロン6、ナイロン66、ナイロン11、ナイロン12、ナイロン610、ナイロン612、並びにこれらの共重合体等が挙げられる。   In this case, preferred polymers from the viewpoint of spinnability include, for example, polyethylene oxide, polyvinyl alcohol, polyvinyl acetal, polyvinyl ester, polyvinyl ether, polyvinyl pyridine, polyacrylamide, ether cellulose, pectin, starch, polyvinyl chloride, poly Acrylonitrile, polylactic acid, polyglycolic acid, polylactic acid-polyglycolic acid copolymer, polycaprolactone, polybutylene succinate, polyethylene succinate, polystyrene, polycarbonate, polyhexamethylene carbonate, polyarylate, polyvinyl isocyanate, polybutyl isocyanate, Polymethyl methacrylate, polyethyl methacrylate, polynormal propyl methacrylate, polynormal butyl methacrylate, Limethyl acrylate, polyethyl acrylate, polybutyl acrylate, polyethylene terephthalate, polytrimethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polyparaphenylene terephthalamide, polyparaphenylene terephthalamide-3,4'-oxydiphenylene terephthalamide Polymer, polymetaphenylene isophthalamide, cellulose diacetate, cellulose triacetate, methyl cellulose, propyl cellulose, benzyl cellulose, fibroin, natural rubber, polyvinyl acetate, polyvinyl methyl ether, polyvinyl ethyl ether, polyvinyl normal propyl ether, polyvinyl isopropyl ether, Polyvinyl normal butyl ether, polyvinyl isobutyl ether, polyvinyl tar Libutyl ether, polyvinylidene chloride, poly (N-vinyl pyrrolidone), poly (N-vinyl carbazole), poly (4-vinyl pyridine), polyvinyl methyl ketone, polymethyl isopropenyl ketone, polypropylene oxide, polycyclopentene oxide, polystyrene Examples include sulfone, nylon 6, nylon 66, nylon 11, nylon 12, nylon 610, nylon 612, and copolymers thereof.

《繊維形成用有機材料−除去性》
また、繊維形成用有機材料は例えば、繊維の形成後に除去が容易な材料として選択できる。
<< Organic material for fiber formation-removability >>
Moreover, the organic material for fiber formation can be selected as a material that can be easily removed after the fiber is formed, for example.

この場合、繊維の形成後に除去が容易な材料として、ミネラルオイルを選択することができる。特に繊維の形成後に除去が容易な材料は、芯部を形成する材料として用いることができる。この場合には、芯−鞘構造を有する複合体繊維の形成後に、芯−鞘構造を有する複合体繊維を溶媒に浸漬することによって、繊維形成用有機材料で形成されている芯部を除去することができる。   In this case, mineral oil can be selected as a material that can be easily removed after fiber formation. In particular, a material that can be easily removed after forming the fiber can be used as a material for forming the core. In this case, after the formation of the composite fiber having the core-sheath structure, the core part formed of the fiber-forming organic material is removed by immersing the composite fiber having the core-sheath structure in a solvent. be able to.

《分散助剤》
ナノ粒子の分散性を向上させるため或いは高濃度に分散させるために、本発明に用いられる無機ナノ粒子とマトリックス材料の間に分散助剤を使用することが望ましい。分散助剤を用いることで、無機ナノ粒子とマトリックス材料との結合を、マトリックス材料の無機ナノ粒子捕獲性官能基以外の部分でも行うことができるようになり、あるいはマトリックス材料の官能基部分に分散助剤が結合することにより、より強い粒子捕獲基ができるようになり、その結果、無機ナノ粒子の分散性をより向上させることができる。
《Dispersing aid》
In order to improve the dispersibility of the nanoparticles or to disperse them at a high concentration, it is desirable to use a dispersion aid between the inorganic nanoparticles used in the present invention and the matrix material. By using a dispersion aid, it becomes possible to bond inorganic nanoparticles to the matrix material at a portion other than the inorganic nanoparticle-capturing functional group of the matrix material, or to disperse the functional group portion of the matrix material. By binding the auxiliary agent, a stronger particle capturing group can be formed, and as a result, the dispersibility of the inorganic nanoparticles can be further improved.

分散助剤としては、無機ナノ粒子の分散性を向上するものであれば、特に限定されるものではないが、一端に、マトリックス材料と親和性のいい疎水基あるいは高分子に親和性、配位性、結合性を有する(架橋)官能基を有し、もう一端に、ナノ粒子捕獲性を有する窒素、硫黄、リン等の元素を含む官能基あるいはナノ粒子の表面修飾分子と反応する官能基を有する両親媒性化合物であることが好ましい。   The dispersion aid is not particularly limited as long as it improves the dispersibility of the inorganic nanoparticles, but at one end, affinity and coordination with a hydrophobic group or polymer having good affinity with the matrix material. And a functional group that reacts with the surface modification molecule of the nanoparticle or a functional group containing elements such as nitrogen, sulfur, and phosphorus that have nanoparticle capture properties. It is preferable that it is an amphiphilic compound.

分散助剤としては、例えば、炭素数6〜22のカルボン酸、スルホン酸、スルフィン酸、ホスホン酸等の酸、あるいは、炭素数6〜22のアミン等の塩基性有機化合物等が挙げられる。本発明においては、なかでも、アルコキシ基を有し、ケイ素を骨格に含むシランカップリング剤を好ましく用いることができる。特に、本発明において無機ナノ粒子として金属ナノ粒子を用いる場合には、アミノ基、メルカプト基等の金属との相互作用の強い基を有するシランカップリング剤を用いることが好ましい。   Examples of the dispersion aid include acids such as carboxylic acids having 6 to 22 carbon atoms, sulfonic acids, sulfinic acids, and phosphonic acids, and basic organic compounds such as amines having 6 to 22 carbon atoms. In the present invention, among these, a silane coupling agent having an alkoxy group and containing silicon in the skeleton can be preferably used. In particular, when metal nanoparticles are used as the inorganic nanoparticles in the present invention, it is preferable to use a silane coupling agent having a group having a strong interaction with a metal such as an amino group or a mercapto group.

無機ナノ粒子が金属或いは金属酸化物ナノ粒子である場合、下記の式に示されたシランカップリング剤が好適に用いられる。ここではRがOCH、OC、Cl、CH、R‘がSH、NH、CH、NCOなど挙げられる。 When the inorganic nanoparticles are metal or metal oxide nanoparticles, a silane coupling agent represented by the following formula is preferably used. Here, R is OCH 3 , OC 2 H 5 , Cl, CH 3 , R ′ is SH, NH 2 , CH 3 , NCO, and the like.

《その他の添加剤等》
また、本発明の効果が損なわれない範囲であれば、無機ナノ粒子とマトリックス材料の間には、目的に応じた添加剤等が含まれていてもよい。例えば、無機有機電解質、酸化防止剤、凍結防止剤、pH調整剤、隠蔽剤、着色剤、増塑剤、界面活性剤、特殊機能剤等の添加剤、あるいは、エラストマーや樹脂等が含まれていてもよい。
<Other additives>
Moreover, as long as the effect of the present invention is not impaired, an additive or the like according to the purpose may be included between the inorganic nanoparticles and the matrix material. For example, inorganic organic electrolytes, antioxidants, antifreeze agents, pH adjusters, hiding agents, colorants, plasticizers, surfactants, special functional agents and other additives, or elastomers and resins are included. May be.

任意の添加剤等の添加方法は、ナノ粒子の分散状態に悪影響がなければ、特に限定されるものではなく、用いるマトリックス材料、無機ナノ粒子の分散媒、又は分散体溶液のいずれに添加してもよい。   The method of adding an optional additive is not particularly limited as long as the dispersion state of the nanoparticles is not adversely affected, and it is added to any of the matrix material to be used, the dispersion medium of the inorganic nanoparticles, or the dispersion solution. Also good.

以下、実施例等に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの例により何等制限を受けるものではない。また、特に断らない限り、実施例および比較例に使用した溶媒は、無水試薬である。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in detail based on an Example etc., this invention does not receive a restriction | limiting at all by these examples. Unless otherwise specified, the solvents used in Examples and Comparative Examples are anhydrous reagents.

《測定方法》
実施例および比較例においては、以下の項目について、以下の方法によって測定・評価を実施した。
"Measuring method"
In Examples and Comparative Examples, the following items were measured and evaluated by the following methods.

(1)繊維の平均繊維径および繊維におけるナノ粒子凝集体の確認
極細繊維の堆積物を採取し、DIGITALMICROSCOPY(KEYENCE製、商品名:VHX−200)により、透過写真(5000倍)を撮影した。得られた写真から無作為に測定エリア5つを選定し、1つのエリアから5本の繊維を無作為に抽出し、トータル25本の繊維につき、繊維径を測定した。すべての測定結果(n=25)の平均値を求めて、得られた値を繊維の平均繊維径とした。
(1) Confirmation of average fiber diameter of fiber and nanoparticle aggregate in fiber A deposit of ultrafine fibers was collected, and a transmission photograph (5000 times) was taken with DIGITALMICROSCOCOPY (trade name: VHX-200, manufactured by KEYENCE). Five measurement areas were randomly selected from the obtained photographs, five fibers were randomly extracted from one area, and the fiber diameter was measured for a total of 25 fibers. An average value of all measurement results (n = 25) was obtained, and the obtained value was defined as an average fiber diameter of the fibers.

また、得られた透過写真(5000倍)において、ナノ粒子の凝集スポットの有無について、評価を実施した。   Moreover, in the obtained transmission photograph (5000 times), the presence or absence of the aggregation spot of a nanoparticle was evaluated.

(2)繊維におけるナノ粒子の分散粒径(分散性評価)
極細繊維の堆積物を採取し、包埋法による透過型電子顕微鏡(TEM)観察用サンプルを作製した。引き続き、ミクロトーム(ライカ社製、商品名:ULTRACUT−S)を用いて90nmの薄片とし、透過型電子顕微鏡(FEI社製、商品名:TECNAI G2)によって、加速電圧120kVで、TEM観察および撮影(75万倍)を実施した。
(2) Dispersion particle size of nanoparticles in fiber (dispersibility evaluation)
A deposit of ultrafine fibers was collected, and a transmission electron microscope (TEM) observation sample by an embedding method was prepared. Subsequently, a 90-nm thin piece was formed using a microtome (Leica, trade name: ULTRACUT-S), and transmission electron microscope (FEI, trade name: TECNAI G2) was used for TEM observation and photographing (acceleration voltage 120 kV). 750,000 times).

得られたTEM像をさらに4倍拡大した写真における150nm×150nmのエリアに存在するすべての粒子を対象に、目視にて、コントラスト差により粒子の堺を判断してマーキングを行い、コンピューターに認識させた。続いて、解析ソフト(NEXUS NEW QUBE)を用いて画像解析し、平均粒径と最大粒径を求めた。   The obtained TEM image is further magnified four times, and all particles present in the 150 nm x 150 nm area are visually marked by judging the wrinkle of the particles based on the difference in contrast and allowing the computer to recognize them. It was. Subsequently, image analysis was performed using analysis software (NEXUS NEW CUBE) to obtain an average particle size and a maximum particle size.

このとき、TEM写真で観察された粒子の形状(平面状)が円状でない場合には、観察された無機ナノ粒子の面積と同じ面積を有する円形を想定し、想定した円の直径を粒径とした。   At this time, when the shape (planar shape) of the particles observed in the TEM photograph is not circular, a circular shape having the same area as that of the observed inorganic nanoparticles is assumed, and the diameter of the assumed circle is determined as the particle size. It was.

また、ナノ粒子の独立性が目視で分かり難い場合には、3D−TEM観察によって判断を行った。3D−TEM観察にあたっては、150nm×150nmのエリアにある粒子の総数に対して、孤立分散している(平面上で重なりがない)粒子の割合を、ナノ粒子の凝集度合の一つ指標として評価した。   Moreover, when the independence of the nanoparticles was difficult to understand visually, the determination was made by 3D-TEM observation. In 3D-TEM observation, the ratio of isolated and dispersed particles (no overlap on a plane) to the total number of particles in an area of 150 nm × 150 nm is evaluated as one index of the degree of aggregation of nanoparticles. did.

なお、TEM観察用サンプルの作製に使用した包埋樹脂(エポキシ樹脂:日新EM社製)の具体的な配合比は、以下の通りである。   In addition, the specific compounding ratio of the embedding resin (epoxy resin: Nisshin EM Co.) used for preparation of the sample for TEM observation is as follows.

主剤 :Quetol812 77.2
軟性硬化剤:DDSA 60
硬性硬化剤:MNA 35.6
重合促進剤:DMP−30 2.6
Main agent: Quetol 812 77.2
Soft curing agent: DDSA 60
Hard curing agent: MNA 35.6
Polymerization accelerator: DMP-30 2.6

(3)繊維における無機ナノ粒子の凝集状態
上記(2)で撮影した写真画像において、画像解析ソフト(NEXUS NEW QUBE)を用いて得られた粒径分布から、20nm以下の粒子の数/全粒子の数x100(%)を求めた。
(3) Aggregation state of inorganic nanoparticles in fiber In the photographic image taken in (2) above, from the particle size distribution obtained using image analysis software (NEXT US QUEBE), the number of particles of 20 nm or less / total particles The number x100 (%) was obtained.

《実施例1》PVB/Ag(35質量%)//PS
ここで、「PVB/Ag(35質量%)//PS」は、ポリビニルブチラール(「PVB」)中に銀のナノ粒子(Ag)が35質量%分散している分散体を芯部分として有し、且つポリスチレン(「PS」)を鞘部分として有する繊維状複合体を意味する。以下の例についても同様な表現を用いる。
Example 1 PVB / Ag (35% by mass) // PS
Here, “PVB / Ag (35% by mass) // PS” has, as a core part, a dispersion in which 35% by mass of silver nanoparticles (Ag) are dispersed in polyvinyl butyral (“PVB”). And a fibrous composite having polystyrene (“PS”) as a sheath portion. Similar expressions are used for the following examples.

〈分散体溶液(芯形成用溶液)の調製〉
70℃において一週間乾燥を行ったポリビニルブチラール(「PVB」)(和光社製、商品名:ポリビニルブチラール一級、平均重合度:2400)1gを、ジクロロメタン19gに完全に溶解し、PVB溶液を得た。
<Preparation of dispersion solution (core forming solution)>
1 g of polyvinyl butyral (“PVB”) (trade name: polyvinyl butyral first grade, average degree of polymerization: 2400), which was dried at 70 ° C. for one week, was completely dissolved in 19 g of dichloromethane to obtain a PVB solution. .

上記のPVB溶液10gを用い、界面活性剤としてアルキルアミンを含むAgナノ粒子のコロイド溶液(戸田工業社製、商品名:ナノシルバー分散体、分散液:トルエン、Agナノ粒子含有量:53質量%、Agナノ粒子平均粒径:6〜8nm、アルキルアミン含有量:11質量%)0.6gを添加し、1時間攪拌することにより、Agナノ粒子−PVB分散体溶液を得た。   Using 10 g of the above PVB solution, a colloidal solution of Ag nanoparticles containing alkylamine as a surfactant (manufactured by Toda Kogyo Co., Ltd., trade name: nanosilver dispersion, dispersion: toluene, Ag nanoparticle content: 53 mass% , Ag nanoparticle average particle diameter: 6 to 8 nm, alkylamine content: 11 mass%) was added and stirred for 1 hour to obtain an Ag nanoparticle-PVB dispersion solution.

〈繊維形成溶液(鞘形成用溶液)の調製〉
70℃において一週間乾燥を行ったポリスチレン(「PS」)(Aldrich社製、Mw約280000)2gを、N,N’−ジメチルホルムアミド(和光社製、脱水溶媒、「DMF」)とテトラヒドロフラン(和光社製、脱水溶媒、安定剤を含まない、「THF」)の混合溶媒(体積比1:1)18gに完全に溶解させ、イオン性界面活性剤であるテトラブチルアンモニウムクロリド(「TBAC」)が5mMになるように調製し、PS溶液を得た。
<Preparation of fiber forming solution (sheath forming solution)>
2 g of polystyrene (“PS”) (manufactured by Aldrich, Mw of about 280000) dried at 70 ° C. for one week was mixed with N, N′-dimethylformamide (manufactured by Wako, dehydrated solvent, “DMF”) and tetrahydrofuran (Wako). Tetrabutylammonium chloride (“TBAC”), which is an ionic surfactant, is completely dissolved in 18 g of a mixed solvent (volume ratio of 1: 1) of “THF”, which does not include a dehydrating solvent and a stabilizer. The solution was adjusted to 5 mM to obtain a PS solution.

〈二重ノズルを用いる静電紡糸〉
実施例に使用している二重ノズルは、鞘部形成ノズルとして用いるステンレス製筒状体(内径1.5mm)と、芯部形成ノズルとして用いる23G(内径0.4mm、外径0.65mm)の注射針からなる。各自の溶媒による粘度の微調整をした後で、Agナノ粒子−PVB分散体溶液を芯部形成ノズルに、PS溶液を鞘部形成ノズルにそれぞれ導入させ、静電紡糸装置にセットした。シリンジポンプより芯形成溶液と鞘形成溶液の吐出量それぞれ0.5ml/hrと4.0ml/hrに調整し、印加電圧を16kV、飛行距離を20cmにすると、ステンレス製捕集電極を敷いた粘着防止PETフィルムの上に安定な紡糸が行われた。ノズル先端の液滴の色と得られた静電紡糸繊維の色調から、芯−鞘構造が出来ていると推測された。
<Electrostatic spinning using double nozzle>
The double nozzle used in the examples is a stainless steel tubular body (inner diameter 1.5 mm) used as a sheath forming nozzle and 23G (inner diameter 0.4 mm, outer diameter 0.65 mm) used as a core forming nozzle. Consisting of a needle. After finely adjusting the viscosity with each solvent, the Ag nanoparticle-PVB dispersion solution was introduced into the core forming nozzle and the PS solution was introduced into the sheath forming nozzle, and set in an electrostatic spinning apparatus. Adjusting the discharge rate of the core-forming solution and sheath-forming solution from the syringe pump to 0.5 ml / hr and 4.0 ml / hr, applying voltage of 16 kV and flight distance of 20 cm, adhesive with stainless steel collecting electrode Stable spinning was performed on the prevention PET film. From the color of the droplet at the tip of the nozzle and the color tone of the obtained electrospun fiber, it was estimated that a core-sheath structure was formed.

PETフィルムの上に作製した繊維を用い、光学顕微鏡にて繊維の形状観察を行い、平均繊維径が0.89μmと求めた。5000倍の透過写真(図2)から、繊維内に分散されているナノ粒子の200nm以上の凝集体がないことは確認された。   Using the fiber produced on the PET film, the shape of the fiber was observed with an optical microscope, and the average fiber diameter was determined to be 0.89 μm. From a 5000 × transmission photograph (FIG. 2), it was confirmed that there was no aggregate of 200 nm or more of nanoparticles dispersed in the fiber.

上記の繊維を窓(1.0×0.5mm)を開けたPETフィルムの上に採集し、両面Pt蒸着後、エポキシ樹脂に包埋、硬化させた後、ミクロトームより薄く切片し、TEM観察用サンプルとした。   The above fibers are collected on a PET film with a window (1.0 x 0.5 mm), and after Pt deposition on both sides, embedded in epoxy resin and cured, sliced thinly from a microtome for TEM observation A sample was used.

TEM観察写真(図3及び4)から、作製した繊維の芯−鞘構造は確認され、Agナノ粒子の30nm以上の凝集体はなく、マイクロ繊維におけるナノ粒子の高濃度充填且つ高分散は達成されたことが理解される。   From the TEM observation photographs (FIGS. 3 and 4), the core-sheath structure of the prepared fiber was confirmed, there was no aggregate of Ag nanoparticles of 30 nm or more, and high concentration packing and high dispersion of nanoparticles in the microfiber were achieved. It is understood that

《実施例2》PVB(MPTMS)/Ag(50質量%)//PS
〈分散体溶液(芯形成用溶液)の調製〉
70℃において一週間乾燥を行ったポリビニルブチラール(「PVB」とする)(和光社製、商品名:ポリビニルブチラール一級、平均重合度:700)1gを、ジクロロメタン19gに完全に溶解し、PVB溶液を得た。
Example 2 PVB (MPTMS) / Ag (50% by mass) // PS
<Preparation of dispersion solution (core forming solution)>
1 g of polyvinyl butyral (referred to as “PVB”) (trade name: polyvinyl butyral first grade, average degree of polymerization: 700) dried for one week at 70 ° C. was completely dissolved in 19 g of dichloromethane, and the PVB solution was dissolved. Obtained.

上記で得られたPVB溶液を10g取って、分散助剤としてガンマメルカプトプロピルトリメトキシシラン(「MPTMS」、チッソ社製)0.1g(Agナノ粒子表面修飾剤の2倍に相当する)を添加し、30分間攪拌してカップリング反応を実施することにより、MPTMSカップリングPVB(「PVB(MPTMS)」とする)溶液を得た。   Take 10 g of the PVB solution obtained above and add 0.1 g of gamma mercaptopropyltrimethoxysilane (“MPTMS”, manufactured by Chisso Corporation) as a dispersion aid (corresponding to twice the surface modifier of Ag nanoparticles). Then, the MPTMS coupling PVB (referred to as “PVB (MPTMS)”) solution was obtained by carrying out the coupling reaction by stirring for 30 minutes.

引き続き、得られたカップリングPVB溶液に、界面活性剤としてアルキルアミンを含むAgナノ粒子のコロイド溶液(戸田工業株式会社製、商品名:ナノシルバー分散体、トルエン分散、Agナノ粒子含有量:53質量%、Agナノ粒子平均粒径:6〜8nm、アルキルアミン含有量:11質量%)1.0gを添加し、1時間攪拌することにより、Agナノ粒子−PVB分散体溶液を得た。   Subsequently, a colloidal solution of Ag nanoparticles containing alkylamine as a surfactant (trade name: Nanosilver dispersion, toluene dispersion, Ag nanoparticle content: 53, manufactured by Toda Kogyo Co., Ltd.) in the obtained coupling PVB solution. 1.0% by mass, Ag nanoparticle average particle diameter: 6 to 8 nm, alkylamine content: 11% by mass) was added and stirred for 1 hour to obtain an Ag nanoparticle-PVB dispersion solution.

〈繊維形成溶液(鞘形成用溶液)の調製〉
70℃において一週間乾燥を行ったポリスチレン(「PS」)(Aldrich社製、Mw約280000)2gを、N,N‘−ジメチルホルムアミド(和光社製、脱水溶媒、「DMF」)とテトラヒドロフラン(和光社製、脱水溶媒、安定剤を含まない、「THF」)の混合溶媒(体積比1:1)18gに完全に溶解させ、TBAcが5mMになるように調製し、PS溶液を得た。
<Preparation of fiber forming solution (sheath forming solution)>
2 g of polystyrene (“PS”) (manufactured by Aldrich, Mw of about 280000) dried at 70 ° C. for one week was mixed with N, N′-dimethylformamide (manufactured by Wako, dehydrated solvent, “DMF”) and tetrahydrofuran (Wako). It was completely dissolved in 18 g of a mixed solvent (volume ratio 1: 1) of “THF”, which does not include a dehydrated solvent and a stabilizer, and was prepared so that TBAc was 5 mM to obtain a PS solution.

〈二重ノズルを用いる静電紡糸〉
実施例に使用している二重ノズルは、鞘部形成ノズルとして用いるステンレス製筒状体(内径1.5mm)と、芯部形成ノズルとして用いる23G(内径0.4mm、外径0.65mm)の注射針からなる。各自の溶媒による粘度の微調整をした後で、Agナノ粒子−PVB分散体溶液を芯部形成ノズルに、PS溶液を鞘部形成ノズルにそれぞれ導入させ、静電紡糸装置にセットした。シリンジポンプより芯形成溶液と鞘形成溶液の吐出量それぞれ0.5ml/hrと3.0ml/hrに調整し、印加電圧を15kV、飛行距離を20cmすると、ステンレス製捕集電極を敷いた粘着防止PETフィルムの上に安定な紡糸は得られた。ノズル先端の液滴の色と得られた静電紡糸繊維の色調から、芯−鞘構造が出来ていると推測された。
<Electrostatic spinning using double nozzle>
The double nozzle used in the examples is a stainless steel tubular body (inner diameter 1.5 mm) used as a sheath forming nozzle and 23G (inner diameter 0.4 mm, outer diameter 0.65 mm) used as a core forming nozzle. Consisting of a needle. After finely adjusting the viscosity with each solvent, the Ag nanoparticle-PVB dispersion solution was introduced into the core forming nozzle and the PS solution was introduced into the sheath forming nozzle, and set in an electrostatic spinning apparatus. Adjust the discharge rate of the core-forming solution and sheath-forming solution from the syringe pump to 0.5 ml / hr and 3.0 ml / hr, respectively, when the applied voltage is 15 kV and the flight distance is 20 cm. Stable spinning on PET film was obtained. From the color of the droplet at the tip of the nozzle and the color tone of the obtained electrospun fiber, it was estimated that a core-sheath structure was formed.

PETフィルムの上に作製した繊維を用い、光学顕微鏡にて繊維の形状観察と平均繊維径(0.92μm)と求めた上、5000倍の透過写真(図5)から、繊維内に分散されているナノ粒子の200nm以上の凝集体がないことは確認された。   Using fibers prepared on a PET film, the shape of the fibers was observed with an optical microscope and the average fiber diameter (0.92 μm) was determined. From the 5000 × transmission photograph (FIG. 5), the fibers were dispersed in the fibers. It was confirmed that there was no aggregate of 200 nm or more of the nanoparticles.

上記のファイバーを窓(1.0×0.5mm)を開けたPETフィルムの上に採集し、両面Pt蒸着後、エポキシ樹脂に包埋、硬化乾燥させた後、ミクロトームより薄く切片し、TEM観察用サンプルとした。   The above fiber is collected on a PET film with a window (1.0 x 0.5 mm), deposited on both sides of Pt, embedded in epoxy resin, cured and dried, sliced thinly from a microtome, and observed by TEM A sample was used.

TEM観察写真(図6)から、作製した繊維の芯−鞘構造は確認され、Agナノ粒子の30nm以上の凝集体はなく、マイクロ繊維におけるナノ粒子の高濃度充填且つ高分散は達成されたことが理解される。   From the TEM observation photograph (FIG. 6), the core-sheath structure of the produced fiber was confirmed, there was no aggregate of Ag nanoparticles of 30 nm or more, and high concentration packing and high dispersion of nanoparticles in the microfiber were achieved. Is understood.

《実施例3》PVB(MPTMS)/Fe(50質量%)//PS
〈分散体溶液(芯形成用溶液)の調製〉
70℃において一週間乾燥を行ったポリビニルブチラール(「PVB」)(和光社製、商品名:ポリビニルブチラール一級、平均重合度:2400)1gを、ジクロロメタン19gに完全に溶解し、PVB溶液を得た。
Example 3 PVB (MPTMS) / Fe 3 O 4 (50% by mass) // PS
<Preparation of dispersion solution (core forming solution)>
1 g of polyvinyl butyral (“PVB”) (trade name: polyvinyl butyral first grade, average degree of polymerization: 2400), which was dried at 70 ° C. for one week, was completely dissolved in 19 g of dichloromethane to obtain a PVB solution. .

上記で得られたPVB溶液を10g取って、分散助剤としてガンマメルカプトプロピルトリメトキシシラン(「MPTMS」、チッソ社製)0.05g(PVBに対し10質量%相当する)を添加し、30分間攪拌してカップリング反応を実施することにより、MPTMSカップリングPVB溶(「PVB(MPTMS)」)液を得た。   10 g of the PVB solution obtained above was taken, and 0.05 g (corresponding to 10% by mass of PVB) of gamma mercaptopropyltrimethoxysilane (“MPTMS”, manufactured by Chisso Corporation) was added as a dispersion aid, and 30 minutes An MPTMS coupling PVB solution (“PVB (MPTMS)”) solution was obtained by carrying out the coupling reaction with stirring.

引き続き、得られたカップリングPVB溶液に、界面活性剤開示されないFeナノ粒子のコロイド溶液(戸田工業社製、商品名:磁性ナノ粒子分散体、分散液:トルエン、Feナノ粒子含有量:16質量%、Feナノ粒子平均粒径:15nm、界面活性剤の含有量:不明)3.2gを添加し、チューブミキサーに15分間当て続けて、Feナノ粒子−PVB分散体溶液を得た。 Subsequently, a colloidal solution of Fe 3 O 4 nanoparticles not disclosed in the surfactant (trade name: magnetic nano particle dispersion, dispersion: toluene, Fe 3 O 4 nano, manufactured by Toda Kogyo Co., Ltd.) was not added to the obtained coupling PVB solution. Particle content: 16% by mass, Fe 3 O 4 nanoparticle average particle size: 15 nm, surfactant content: unknown) 3.2 g was added and kept on a tube mixer for 15 minutes, Fe 3 O 4 nano A particle-PVB dispersion solution was obtained.

〈繊維形成溶液(鞘形成用溶液)の調製〉
70℃において一週間乾燥を行ったポリスチレン(「PS」)(Aldrich社製、Mw約280000)2gを、N,N‘−ジメチルホルムアミド(和光社製、脱水溶媒、「DMF」)とテトラヒドロフラン(和光社製、脱水溶媒、安定剤を含まない、「THF」)の混合溶媒(体積比1:1)18gに完全に溶解させ、TBAcが5mMになるように調整し、PS溶液を得た。
<Preparation of fiber forming solution (sheath forming solution)>
2 g of polystyrene (“PS”) (manufactured by Aldrich, Mw of about 280000) dried at 70 ° C. for one week was mixed with N, N′-dimethylformamide (manufactured by Wako, dehydrated solvent, “DMF”) and tetrahydrofuran (Wako). A PS solution was obtained by completely dissolving in 18 g of a mixed solvent (volume ratio of 1: 1) of “THF” without dehydration solvent and stabilizer, and adjusting the TBAc to 5 mM.

〈二重ノズルを用いる静電紡糸〉
実施例に使用している二重ノズルは、鞘部形成ノズルとして用いるステンレス製筒状体(内径1.5mm)と、芯部形成ノズルとして用いる23G(内径0.4mm、外径0.65mm)の注射針からなる。各自の溶媒による粘度の微調整をした後で、Feナノ粒子−PVB分散体溶液を芯部形成ノズルに、PS溶液を鞘部形成ノズルにそれぞれ導入させ、静電紡糸装置にセットした。シリンジポンプより芯形成溶液と鞘形成溶液の吐出量それぞれ0.5ml/hrと3.0ml/hrに調整し、印加電圧を15kV、飛行距離を20cmとすると、ステンレス製捕集電極に敷いた粘着防止PETフィルムの上に安定な紡糸は得られた。ノズル先端の液滴の色と得られた静電紡糸繊維の色調から、芯−鞘構造が出来ていると推測された。
<Electrostatic spinning using double nozzle>
The double nozzle used in the examples is a stainless steel tubular body (inner diameter 1.5 mm) used as a sheath forming nozzle and 23G (inner diameter 0.4 mm, outer diameter 0.65 mm) used as a core forming nozzle. Consisting of a needle. After finely adjusting the viscosity with each solvent, the Fe 3 O 4 nanoparticle-PVB dispersion solution was introduced into the core forming nozzle and the PS solution was introduced into the sheath forming nozzle, and set in the electrostatic spinning apparatus. . Adhesives spread on a stainless steel collection electrode by adjusting the discharge rates of the core-forming solution and sheath-forming solution from a syringe pump to 0.5 ml / hr and 3.0 ml / hr, respectively, with an applied voltage of 15 kV and a flight distance of 20 cm. Stable spinning was obtained on the prevention PET film. From the color of the droplet at the tip of the nozzle and the color tone of the obtained electrospun fiber, it was estimated that a core-sheath structure was formed.

PETフィルムの上に作製した繊維を用い、光学顕微鏡にて繊維の形状観察を行い、平均繊維径が0.93μmと求めた。5000倍の透過写真から、繊維内に分散されているナノ粒子の200nm以上の凝集体がないことは確認された。   Using the fiber produced on the PET film, the shape of the fiber was observed with an optical microscope, and the average fiber diameter was determined to be 0.93 μm. From a 5000 × transmission photograph, it was confirmed that there were no aggregates of 200 nm or more of nanoparticles dispersed in the fiber.

上記のファイバーを窓(1.0×0.5mm)を開けたPETフィルムの上に採集し、両面Pt蒸着後、エポキシ樹脂に包埋、硬化乾燥させた後、ミクロトームより薄く切片し、TEM観察用サンプルとした。   The above fiber is collected on a PET film with a window (1.0 x 0.5 mm), deposited on both sides of Pt, embedded in epoxy resin, cured and dried, sliced thinly from a microtome, and observed by TEM A sample was used.

TEM観察写真(図7)から、作製した繊維の芯−鞘構造は確認され、Feナノ粒子の30nm以上の凝集体はなく、マイクロ繊維におけるナノ粒子の高濃度充填且つ高分散は達成されたことが理解される。 From the TEM observation photograph (FIG. 7), the core-sheath structure of the prepared fiber was confirmed, there was no aggregate of Fe 3 O 4 nanoparticles of 30 nm or more, and high concentration packing and high dispersion of nanoparticles in the microfiber were achieved. It is understood that

《実施例4》PVB(MPTMS)/Fe(50質量%)//PEG
〈分散体溶液(芯形成用溶液)の調製〉
70℃において一週間乾燥を行ったポリビニルブチラール(「PVB」)(和光社製、商品名:ポリビニルブチラール一級、平均重合度:2400)1gを、ジクロロメタン19gに完全に溶解し、PVB溶液を得た。
Example 4 PVB (MPTMS) / Fe 3 O 4 (50% by mass) // PEG
<Preparation of dispersion solution (core forming solution)>
1 g of polyvinyl butyral (“PVB”) (trade name: polyvinyl butyral first grade, average degree of polymerization: 2400), which was dried at 70 ° C. for one week, was completely dissolved in 19 g of dichloromethane to obtain a PVB solution. .

上記で得られたPVB溶液10gを取って、分散助剤としてガンマメルカプトプロピルトリメトキシシラン(「MPTMS」、チッソ社製)0.1g(PVBに対し10質量%相当する)を添加し、30分間攪拌してカップリング反応を実施することにより、MPTMSカップリングPVB(「PVB(MPTMS)」)溶液を得た。   Taking 10 g of the PVB solution obtained above, 0.1 g of gamma mercaptopropyltrimethoxysilane (“MPTMS”, manufactured by Chisso Corporation) as a dispersion aid (corresponding to 10% by mass with respect to PVB) is added, and 30 minutes An MPTMS coupling PVB (“PVB (MPTMS)”) solution was obtained by carrying out the coupling reaction with stirring.

引き続き、得られたカップリングPVB溶液に、表面修飾剤に関する情報開示されないFeナノ粒子のコロイド溶液(戸田工業社製、商品名:磁性ナノ粒子分散体、分散液:トルエン、Feナノ粒子含有量:16質量%、Feナノ粒子平均粒径:15nm)3.2gを添加し、チューブミキサー(井内盛栄堂株式会社製、NS−80)に15分間当て続けて、Feナノ粒子−PVB分散体溶液を得た。 Subsequently, a colloidal solution of Fe 3 O 4 nanoparticles (trade name: magnetic nanoparticle dispersion, dispersion: toluene, Fe 3 O, manufactured by Toda Kogyo Co., Ltd.), which does not disclose information on the surface modifier, was added to the obtained coupling PVB solution. 4 nanoparticle content: 16% by mass, Fe 3 O 4 nanoparticle average particle diameter: 15 nm) 3.2 g was added and kept on a tube mixer (NS-80, manufactured by Inoue Seieido Co., Ltd.) for 15 minutes. An Fe 3 O 4 nanoparticle-PVB dispersion solution was obtained.

〈繊維形成溶液(鞘形成用溶液)の調製〉
ポリエチレングリコール(「PEG」、Aldrich社製、Mw約300000〜500000)1.4gを、エタノール(和光純薬工業社製、無水溶媒)と純水(イオン交換水)の混合溶媒(体積比1:1)18.6gに完全に溶解し、PEG溶液を得た。
<Preparation of fiber forming solution (sheath forming solution)>
1.4 g of polyethylene glycol (“PEG”, manufactured by Aldrich, Mw of about 300,000 to 500,000) is mixed with ethanol (made by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., anhydrous solvent) and pure water (ion exchange water) (volume ratio 1: 1) It completely dissolved in 18.6 g to obtain a PEG solution.

〈二重ノズルを用いる静電紡糸〉
実施例に使用している二重ノズルは、鞘部形成ノズルとして用いるステンレス製筒状体(内径1.5mm)と、芯部形成ノズルとして用いる23G(内径0.4mm、外径0.65mm)の注射針からなる。各自の溶媒による粘度の微調整をした後で、Feナノ粒子−PVB分散体溶液を芯部形成ノズルに、PEG溶液を鞘部形成ノズルにそれぞれ導入させ、シリンジポンプより芯と鞘生成成分の吐出量それぞれ0.5ml/hrと2.5ml/hrに調整し、印加電圧を12kV、飛行距離を18cmとすると、ステンレス製捕集電極を敷いた粘着防止PETフィルムの上に安定な紡糸は得られた。ノズル先端の液滴の色と得られた静電紡糸繊維の色調から、芯−鞘構造が出来ていると推測された。
<Electrostatic spinning using double nozzle>
The double nozzle used in the examples is a stainless steel tubular body (inner diameter 1.5 mm) used as a sheath forming nozzle and 23G (inner diameter 0.4 mm, outer diameter 0.65 mm) used as a core forming nozzle. Consisting of a needle. After fine-tuning the viscosity with the respective solvent, the Fe 3 O 4 nanoparticle-PVB dispersion solution is introduced into the core forming nozzle and the PEG solution is introduced into the sheath forming nozzle, and the core and the sheath are generated from the syringe pump. Stable spinning on an anti-adhesive PET film with a stainless steel collection electrode when the component discharge rate is adjusted to 0.5 ml / hr and 2.5 ml / hr, the applied voltage is 12 kV and the flight distance is 18 cm. Was obtained. From the color of the droplet at the tip of the nozzle and the color tone of the obtained electrospun fiber, it was estimated that a core-sheath structure was formed.

PETフィルムの上に作製した繊維を用い、光学顕微鏡にて繊維の形状観察を行い、平均繊維径が0.95μmと求めた。5000倍の透過写真から、繊維内に分散されているナノ粒子の200nm以上の凝集体がないことは確認された。   Using the fiber produced on the PET film, the shape of the fiber was observed with an optical microscope, and the average fiber diameter was determined to be 0.95 μm. From a 5000 × transmission photograph, it was confirmed that there were no aggregates of 200 nm or more of nanoparticles dispersed in the fiber.

上記の作製した繊維を窓(1.0×0.5mm)を開けたPETフィルムの上に採集し、両面Pt蒸着後、エポキシ樹脂に包埋、硬化させた後、ミクロトームより薄く切片し、TEM観察用サンプルとした。   The above-prepared fibers are collected on a PET film with a window (1.0 × 0.5 mm), and after double-sided Pt deposition, embedded in an epoxy resin and cured, then sliced thinly from a microtome, TEM It was set as the sample for observation.

TEM観察写真(図8及び9)から、作製した繊維の芯−鞘構造は確認され、Feナノ粒子の30nm以上の凝集体はなく、マイクロ繊維におけるナノ粒子の高濃度充填且つ高分散は達成されたことが理解される。 From the TEM observation photographs (FIGS. 8 and 9), the core-sheath structure of the produced fiber was confirmed, there was no aggregate of Fe 3 O 4 nanoparticles of 30 nm or more, and the nanofibers were highly packed and highly dispersed in the microfibers. It is understood that has been achieved.

《実施例5》PSQ/Ag50質量%//PS
〈分散体溶液(芯形成用溶液)の調製〉
単独使用時の曳糸性の無い有機−無機ハイブリッドオリゴマーであるポリシルセスキオキサン(小西化学株式会社製、「PSQ」)SR20(Mw約6400)とSR23(Mw約910)混合物(SR20/SR23=1:2(重量比))を3g計量、トルエンとジクロロメタン(1:1重量比)の混合溶媒10gに完全に溶かし、Agナノ粒子のコロイド溶液(戸田工業株式会社製、商品名:ナノシルバー分散体、トルエン分散、Agナノ粒子含有量:53質量%、Agナノ粒子平均粒径:6〜8nm、アルキルアミン含有量:11質量%)5gを添加し、チューブミキサーに15分間当てて分散させ、Agナノ粒子−PSQ分散体溶液を得た。
Example 5 PSQ / Ag 50% by mass // PS
<Preparation of dispersion solution (core forming solution)>
Polysilsesquioxane (“PSQ”, manufactured by Konishi Chemical Co., Ltd.) SR20 (Mw about 6400) and SR23 (Mw about 910) mixture (SR20 / SR23), which is an organic-inorganic hybrid oligomer without spinnability when used alone = 1: 2 (weight ratio)) is weighed 3 g, completely dissolved in 10 g of a mixed solvent of toluene and dichloromethane (1: 1 weight ratio), and a colloidal solution of Ag nanoparticles (manufactured by Toda Kogyo Co., Ltd., trade name: Nano Silver) 5 g of dispersion, toluene dispersion, Ag nanoparticle content: 53 mass%, Ag nanoparticle average particle size: 6-8 nm, alkylamine content: 11 mass%) are added and dispersed by applying to a tube mixer for 15 minutes. , Ag nanoparticle-PSQ dispersion solution was obtained.

〈繊維形成溶液(鞘形成用溶液)の調製〉
70℃において一週間乾燥を行ったポリスチレン(「PS」)(Aldrich社製、Mw約280000)2gを、N,N‘−ジメチルホルムアミド(和光純薬工業社製、脱水溶媒、「DMF」)とテトラヒドロフラン(和光純薬工業社製、脱水溶媒、安定剤を含まない、「THF」)の混合溶媒(DMF/THF=1:1、体積比)18gに完全に溶解させ、TBAcが5mMになるように調整し、PS溶液を得た。
<Preparation of fiber forming solution (sheath forming solution)>
2 g of polystyrene (“PS”) (manufactured by Aldrich, Mw about 280000) dried for one week at 70 ° C. was added to N, N′-dimethylformamide (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., dehydrated solvent, “DMF”). It is completely dissolved in 18 g of a mixed solvent (DMF / THF = 1: 1, volume ratio) of tetrahydrofuran (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., dehydrated solvent, does not contain stabilizer, “THF”) so that TBAc becomes 5 mM. To obtain a PS solution.

〈二重ノズルを用いる静電紡糸〉
実施例に使用している二重ノズルは、鞘部形成ノズルとして用いるステンレス製筒状体(内径1.5mm)と、芯部形成ノズルとして用いる23G(内径0.4mm、外径0.65mm)の注射針からなる。各自の溶媒による粘度の微調整をした後で、Agナノ粒子−PSQ分散体溶液を芯部形成ノズルに、PS溶液を鞘部形成ノズルにそれぞれ導入させ、シリンジポンプより芯と鞘生成成分の吐出量それぞれ0.4ml/hrと4.0ml/hrに調整し、印加電圧を15kV、飛行距離を18cmとすると、ステンレス製捕集電極を敷いた粘着防止PETフィルムの上に安定な紡糸は得られた。ノズル先端の液滴の色と得られた静電紡糸繊維の色調から、芯−鞘構造が出来ていると推測された。
<Electrostatic spinning using double nozzle>
The double nozzle used in the examples is a stainless steel tubular body (inner diameter 1.5 mm) used as a sheath forming nozzle and 23G (inner diameter 0.4 mm, outer diameter 0.65 mm) used as a core forming nozzle. Consisting of a needle. After fine-tuning the viscosity with each solvent, the Ag nanoparticle-PSQ dispersion solution is introduced into the core forming nozzle and the PS solution is introduced into the sheath forming nozzle, and the core and sheath generating components are discharged from the syringe pump. When the amount is adjusted to 0.4 ml / hr and 4.0 ml / hr, the applied voltage is 15 kV and the flight distance is 18 cm, stable spinning can be obtained on an anti-adhesive PET film with a stainless steel collecting electrode. It was. From the color of the droplet at the tip of the nozzle and the color tone of the obtained electrospun fiber, it was estimated that a core-sheath structure was formed.

PETフィルムの上に作製した繊維を用い、光学顕微鏡写真(図10)にて繊維の形状観察を行い、平均繊維径が0.87μmと求めた。透過写真(図11)から、繊維内に分散されているナノ粒子の200nm以上の凝集体がないことは確認された。   Using the fiber produced on the PET film, the shape of the fiber was observed with an optical micrograph (FIG. 10), and the average fiber diameter was determined to be 0.87 μm. From the transmission photograph (FIG. 11), it was confirmed that there was no aggregate of 200 nm or more of nanoparticles dispersed in the fiber.

《実施例6》オイル//PVB(MPTMS)/Fe(40質量%)
〈分散体溶液(鞘形成用溶液)の調製〉
70℃において一週間乾燥を行ったポリビニルブチラール(「PVB」)(和光純薬工業社製、商品名:ポリビニルブチラール一級、平均重合度:2400)1gを、ジクロロメタン19gに完全に溶解し、PVB溶液を得た。そのPVB溶液を10g取って、分散助剤としてガンマメルカプトプロピルトリメトキシシラン(「MPTMS」、チッソ社製)0.05g(PVBに対し10質量%相当する)を添加し、30分間攪拌してMPTMSカップリング反応を実施することにより、MPTMSカップリングPVB(「PVB(MPTMS)」)溶液を得た。
Example 6 Oil // PVB (MPTMS) / Fe 3 O 4 (40% by mass)
<Preparation of dispersion solution (sheath forming solution)>
1 g of polyvinyl butyral (“PVB”) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., trade name: polyvinyl butyral first grade, average degree of polymerization: 2400) dried at 70 ° C. for one week was completely dissolved in 19 g of dichloromethane to obtain a PVB solution. Got. 10 g of the PVB solution was taken, 0.05 g of gamma mercaptopropyltrimethoxysilane (“MPTMS”, manufactured by Chisso Corporation) as a dispersion aid was added and stirred for 30 minutes to MPTMS By performing the coupling reaction, an MPTMS coupled PVB (“PVB (MPTMS)”) solution was obtained.

得られたカップリングPVB溶液に、表面修飾剤に関する情報開示されないFeナノ粒子のコロイド溶液(戸田工業株式会社製、商品名:磁性ナノ粒子分散体、トルエン分散、ナノ粒子含有量:16質量%、ナノ粒子平均粒径:15nm)2.5gを添加し、チューブミキサー(井内盛栄堂株式会社製、NS−80)に15分間当て続けて、Feナノ粒子−PVB分散体溶液を得た。 In the obtained coupling PVB solution, a colloidal solution of Fe 3 O 4 nanoparticles not disclosed for the surface modifier (trade name: magnetic nanoparticle dispersion, toluene dispersion, nanoparticle content: 16 manufactured by Toda Kogyo Co., Ltd.) Add 2.5 g of mass%, nanoparticle average particle size: 15 nm), and continue to apply to a tube mixer (NS-80, manufactured by Inoue Seieido Co., Ltd.) for 15 minutes to obtain a Fe 3 O 4 nanoparticle-PVB dispersion solution. Got.

〈繊維形成溶液(芯形成用溶液)の調製〉
ミネラルオイル(シグマ・アルドリッチ製、white heavy)を芯形成用溶液として用いた。
<Preparation of fiber forming solution (core forming solution)>
Mineral oil (manufactured by Sigma Aldrich, white heavy) was used as the core forming solution.

〈二重ノズルを用いる静電紡糸〉
実施例に使用している二重ノズルは、鞘部形成ノズルとして用いるステンレス製筒状体(内径2.0mm)と、芯部形成ノズルとして用いる22G(内径0.48mm、外径0.70mm)の注射針からなる。この二重ノズル装着している静電紡糸装置に、ミネラルオイルとFeナノ粒子−PVB分散体溶液をそれぞれ芯形成溶液と鞘形成溶液としてセットし、シリンジポンプにより吐出量を0.3ml/hrと2.4ml/hrに制御し、印加電圧を14kV、ノズル・捕集電極間の紡糸距離を170mmとすると、アルミホイル被覆ステンレス製電極の上に安定紡糸ができた。
<Electrostatic spinning using double nozzle>
The double nozzle used in the examples is a stainless steel cylindrical body (inner diameter 2.0 mm) used as a sheath part forming nozzle and 22G (inner diameter 0.48 mm, outer diameter 0.70 mm) used as a core part forming nozzle. Consisting of a needle. Mineral oil and Fe 3 O 4 nanoparticle-PVB dispersion solution are set as a core forming solution and a sheath forming solution, respectively, in this electrostatic spinning device equipped with a double nozzle, and the discharge amount is 0.3 ml by a syringe pump. / Hr and 2.4 ml / hr, an applied voltage of 14 kV and a spinning distance between the nozzle and the collecting electrode of 170 mm, stable spinning was performed on the aluminum foil-coated stainless steel electrode.

回収した繊維をオクタン(和光純薬工業社製)に一晩浸け込み、オイル抽出を行った後、乾燥させ、粘着テープに固定し、液体窒素中に投げ込み、テープを折って、Pt蒸着後FE−SEM(日立製作所製)の観察用サンプルとした。   The collected fibers are immersed in octane (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) overnight, extracted with oil, dried, fixed to adhesive tape, thrown into liquid nitrogen, folded tape, Pt deposited, and FE -It was set as the sample for observation of SEM (made by Hitachi, Ltd.).

SEM写真から作製した繊維の平均径が2.8μmと求められ、オイル抽出後の中空構造が確認できた。これによれば、芯形成溶液と鞘形成溶液の吐出量の最適化と調整によって、中空部分の径と壁の厚みも調整可能であることが理解される。   The average diameter of the fiber produced from the SEM photograph was determined to be 2.8 μm, and the hollow structure after oil extraction was confirmed. According to this, it is understood that the diameter of the hollow portion and the thickness of the wall can be adjusted by optimizing and adjusting the discharge amount of the core forming solution and the sheath forming solution.

《実施例7》PVB(MPTMS)/Fe(40質量%)//PVP/TiO(30質量%)
〈分散体溶液(芯形成用溶液)の調製〉
70℃において一週間乾燥を行ったポリビニルブチラール(「PVB」)(和光純薬工業社製、商品名:ポリビニルブチラール一級、平均重合度:2400)1gを、ジクロロメタン19gに完全に溶解し、PVB溶液を得た。そのPVB溶液を10g取って、分散助剤としてガンマメルカプトプロピルトリメトキシシラン(「MPTMS」、チッソ社製)0.75g(PVBに対し15質量%相当する)を添加し、30分間攪拌してカップリング反応を実施することにより、MPTMSカップリングPVB(「PVB(MPTMS)」)溶液を得た。
Example 7 PVB (MPTMS) / Fe 3 O 4 (40% by mass) // PVP / TiO 2 (30% by mass)
<Preparation of dispersion solution (core forming solution)>
1 g of polyvinyl butyral (“PVB”) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., trade name: polyvinyl butyral first grade, average degree of polymerization: 2400) dried at 70 ° C. for one week was completely dissolved in 19 g of dichloromethane to obtain a PVB solution. Got. Take 10 g of the PVB solution, add 0.75 g of gamma mercaptopropyltrimethoxysilane (“MPTMS”, manufactured by Chisso Corporation) as a dispersion aid (corresponding to 15% by mass with respect to PVB), and stir for 30 minutes. By carrying out the ring reaction, an MPTMS coupled PVB (“PVB (MPTMS)”) solution was obtained.

得られたカップリングPVB溶液に、表面修飾剤に関する情報開示されないFeナノ粒子のコロイド溶液(戸田工業社製、商品名:磁性ナノ粒子分散体、トルエン分散、ナノ粒子含有量:16質量%、ナノ粒子平均粒径:15nm)2.5gを添加し、チューブミキサー(井内盛栄堂株式会社製、NS−80)に15分間当て続けて、Feナノ粒子−PVB分散体溶液を得た。 In the obtained coupling PVB solution, a colloidal solution of Fe 3 O 4 nanoparticles not disclosed for the surface modifier (trade name: magnetic nanoparticle dispersion, toluene dispersion, nanoparticle content: 16 masses, manufactured by Toda Kogyo Co., Ltd.) %, Average particle size of nanoparticle: 15 nm) was added, and the mixture was continuously applied to a tube mixer (NS-80, manufactured by Inoue Seieido Co., Ltd.) for 15 minutes, and the Fe 3 O 4 nanoparticle-PVB dispersion solution was added. Obtained.

〈分散体溶液(鞘形成用溶液)の調製〉
ポリビニルピロリドン(Alderich社製、Mw約1300000)を1.4g計量、エタノールと水の混合溶媒(エタノール:水=1:2、重量比)18.6gに完全に溶け、PVP溶液を得た。
<Preparation of dispersion solution (sheath forming solution)>
Polyvinylpyrrolidone (manufactured by Alderich, Mw about 1300000) was weighed in 1.4 g and completely dissolved in 18.6 g of a mixed solvent of ethanol and water (ethanol: water = 1: 2, weight ratio) to obtain a PVP solution.

上記10gPVP溶液に、酸化チタンスラリー(シーアイ化成株式会社製、TiO含有量15質量%アルコール分散、平均粒径:20nm未満)2gを添加し、チューブミキサーに15分間当てて続けて、TiOナノ粒子−PVP分散体溶液を得た。 2 g of titanium oxide slurry (manufactured by C-I Kasei Co., Ltd., TiO 2 content 15 mass% alcohol dispersion, average particle size: less than 20 nm) was added to the 10 g PVP solution, and the mixture was applied to a tube mixer for 15 minutes, followed by TiO 2 A particle-PVP dispersion solution was obtained.

〈二重ノズルを用いる静電紡糸〉
実施例に使用している二重ノズルは、鞘部形成ノズルとして用いるステンレス製筒状体(内径1.5mm)と、芯部形成ノズルとして用いる22G(内径0.48mm、外径0.70mm)の注射針からなる。上記のFeナノ粒子−PVB分散体溶液とTiOナノ粒子−PVP分散体溶液それぞれ芯・鞘形成ノズルに導入させ、シリンジポンプより芯形成溶液と鞘形成溶液の吐出量を0.4ml/hrと3.0ml/hrに制御し、印加電圧を8.5kV、ノズル・捕集電極間の紡糸距離を170mmとすると、アルミホイル被覆ステンレス製電極の上に安定紡糸ができた。
<Electrostatic spinning using double nozzle>
The double nozzle used in the examples is a stainless steel cylindrical body (inner diameter 1.5 mm) used as a sheath part forming nozzle and 22G (inner diameter 0.48 mm, outer diameter 0.70 mm) used as a core part forming nozzle. Consisting of a needle. The Fe 3 O 4 nanoparticle-PVB dispersion solution and the TiO 2 nanoparticle-PVP dispersion solution are respectively introduced into the core / sheath forming nozzle, and the discharge amount of the core forming solution and the sheath forming solution is 0.4 ml from the syringe pump. / Hr and 3.0 ml / hr, an applied voltage of 8.5 kV and a spinning distance between the nozzle and the collecting electrode of 170 mm, stable spinning was performed on the aluminum foil-coated stainless steel electrode.

光学顕微鏡の写真から繊維平均径は約1.26μmと求めた。   The average fiber diameter was determined to be about 1.26 μm from an optical microscope photograph.

〈参考例1〉PVB2400/Fe(33.3質量%)
70℃において一週間乾燥を行ったポリビニルブチラール(以下では「PVB」として言及)(和光純薬製、商品名:ポリビニルブチラール一級、平均重合度:2400)1gを、DCM19gに完全に溶解し、PVB溶液を得た。
<Reference Example 1> PVB2400 / Fe 3 O 4 (33.3 mass%)
1 g of polyvinyl butyral (hereinafter referred to as “PVB”) dried at 70 ° C. for one week (trade name: polyvinyl butyral first grade, average polymerization degree: 2400) manufactured by Wako Pure Chemical Industries, completely dissolved in 19 g of DCM, A solution was obtained.

得られたPVB溶液に、界面活性剤としてアルキルアミンを含むFeナノ粒子のコロイド溶液(戸田工業社製、商品名:磁性ナノ粒子分散体、分散液:トルエン、Feナノ粒子含有量:16質量%、ナノ粒子平均粒径:15±3nm)を3.25g添加し、チューブミキサーで15分間にわたって撹拌して、Feナノ粒子−PVB複合体溶液を調製した。 To the obtained PVB solution, a colloidal solution of Fe 3 O 4 nanoparticles containing alkylamine as a surfactant (manufactured by Toda Kogyo Co., Ltd., trade name: magnetic nanoparticle dispersion, dispersion: toluene, Fe 3 O 4 nanoparticles) 3.25 g of content: 16% by mass, average particle size of nanoparticles: 15 ± 3 nm) was added, and the mixture was stirred for 15 minutes with a tube mixer to prepare a Fe 3 O 4 nanoparticle-PVB composite solution.

この時点で、得られたFeナノ粒子−PVB複合体溶液には、Feナノ粒子の凝集による色調変化は確認されず、また、ガラス容器の壁にFeナノ粒子の析出は確認されなかった。 At this time, in the obtained Fe 3 O 4 nanoparticle-PVB composite solution, no color tone change due to aggregation of the Fe 3 O 4 nanoparticles is confirmed, and the Fe 3 O 4 nanoparticles are formed on the wall of the glass container. The precipitation of was not confirmed.

更に、得られたFeナノ粒子−PVB複合体溶液10gを、ジクロロメタン(以下では「DCM」として言及)とクロロホルム(70質量%/30質量%)の混合溶媒を用いて、静電紡糸に適切な濃度まで希釈することにより、繊維形成用組成物を調製した。 Furthermore, 10 g of the obtained Fe 3 O 4 nanoparticle-PVB complex solution was electrospun using a mixed solvent of dichloromethane (hereinafter referred to as “DCM”) and chloroform (70% by mass / 30% by mass). The composition for fiber formation was prepared by diluting to an appropriate concentration.

[紡糸工程]
上記で得られた繊維形成用組成物(紡糸溶液)を用いて、静電紡糸装置により繊維形成用組成物を噴出し、連続的に紡糸を行うことにより繊維を蓄積させて、繊維堆積物を製造した。
[Spinning process]
Using the fiber-forming composition (spinning solution) obtained above, the fiber-forming composition is ejected by an electrostatic spinning device, and the fibers are accumulated by continuously spinning, thereby forming a fiber deposit. Manufactured.

このときの噴出ノズルの内径は0.4mm(注射針:23G)、シリンジの容量は10ml、電圧は16.5kV、噴出ノズルから繊維捕集電極(ステンレス板)までの距離は20cmであった。シリンジポンプ(BioanalyticalSystemsInc社製、商品名:MD−1020)により繊維形成用組成物の吐出量を50μl/minに制御しながら、繊維形成用組成物を噴射し、捕集電極に貼りつけたPETフィルムの上に堆積させた。   The inner diameter of the ejection nozzle at this time was 0.4 mm (injection needle: 23 G), the capacity of the syringe was 10 ml, the voltage was 16.5 kV, and the distance from the ejection nozzle to the fiber collection electrode (stainless steel plate) was 20 cm. PET film in which the fiber-forming composition is jetted and attached to the collecting electrode while controlling the discharge amount of the fiber-forming composition to 50 μl / min by a syringe pump (trade name: MD-1020, manufactured by Bioanalytical Systems Inc.) Deposited on top of.

[測定評価]
得られたFeナノ粒子−PVB複合体繊維の堆積物を採取し、光学顕微鏡にて撮影した透過写真(3000倍)を図12に、また、透過型電子顕微鏡(TEM)による写真(観察倍率36万倍)を図13に示す。得られた繊維の平均繊維径が3.24μmであり、TEM観察からFeナノ粒子が均一に分散し、50nm以上の凝集は確認されなかった。Feの充填率がTGA測定により30.7質量%となった。
[Measurement evaluation]
The obtained Fe 3 O 4 nanoparticle-PVB composite fiber deposit was collected, and a transmission photograph (magnified 3000 times) taken with an optical microscope is shown in FIG. 12, and a transmission electron microscope (TEM) photograph ( FIG. 13 shows the observation magnification (360,000 times). The average fiber diameter of the obtained fiber was 3.24 μm, and Fe 3 O 4 nanoparticles were uniformly dispersed by TEM observation, and aggregation of 50 nm or more was not confirmed. The filling rate of Fe 3 O 4 was 30.7% by mass by TGA measurement.

〈参考例2〉PVB2400/Fe(33.3質量%)(バルク)
参考例1で製造したFeナノ粒子分散繊維堆積物を掻き集めて、80℃のオープンで1時間熱処理を行ったIR測定錠剤製造用ペレット(SPACAC製、直径13mm)に入れて、真空を引きながら、300kg/cmの圧力において、15分間成型を行った。成型した円盤状の塊(直径13×1〜2mm)を取り出し、光学顕微鏡にて表面の繊維模様を確認し、80℃×50kg/cmの条件において熱プレスを1分間ずつ5回行った。なお、繊維堆積物を構成する高分子(PVB)のガラス転移温度(Tg)は、70〜80℃であった。
<Reference Example 2> PVB2400 / Fe 3 O 4 (33.3 mass%) (bulk)
The Fe 3 O 4 nanoparticle-dispersed fiber deposit produced in Reference Example 1 was scraped and placed in pellets for IR measurement tablet production (made by PACAC, diameter 13 mm) that had been heat-treated at 80 ° C. for 1 hour. While pulling, molding was performed at a pressure of 300 kg / cm 2 for 15 minutes. The molded disk-shaped lump (diameter 13 × 1 to 2 mm) was taken out, the surface fiber pattern was confirmed with an optical microscope, and hot pressing was performed 5 times per minute under the condition of 80 ° C. × 50 kg / cm 2 . In addition, the glass transition temperature (Tg) of the polymer (PVB) constituting the fiber deposit was 70 to 80 ° C.

一分間毎にサンプル表面を光学顕微鏡で確認し、繊維模様が完全になくなった後、ステンレス板に挟まれたまま80℃のオーブンで1時間熱処理を行い、ナノ粒子分散繊維堆積物からなるバルク成型体サンプルを得た。   The surface of the sample is checked with an optical microscope every minute, and after the fiber pattern has completely disappeared, it is heat-treated in an oven at 80 ° C. for 1 hour while being sandwiched between stainless steel plates, and bulk molding is made of nanoparticle-dispersed fiber deposits. A body sample was obtained.

製造したバルク成型体サンプルをエポキシ樹脂に包埋、ミクロトーム(ULTRACUT−S、ライカ製)より薄切し、バルクサンプル断面のTEM観察を行った。繊維中におけるナノ粒子の高分散性を維持したまま、空隙もなく繊維模様も無くなることは確認された(図14に示す)。   The manufactured bulk molded body sample was embedded in an epoxy resin, sliced from a microtome (ULTRACUT-S, manufactured by Leica), and a TEM observation of a cross section of the bulk sample was performed. It was confirmed that there was no void and no fiber pattern while maintaining the high dispersibility of the nanoparticles in the fiber (shown in FIG. 14).

Claims (12)

芯部、及び前記芯部の周囲の鞘部を有する繊維の形態であり、
前記鞘部の平均径が50nm以上3μm以下であり、
前記芯部及び鞘部の少なくとも一方が、無機ナノ粒子とマトリックス材料とを含有する無機ナノ粒子−マトリックス材料の複合材料からなり、且つ
前記無機ナノ粒子の平均一次粒径は、100nm以下である、
無機ナノ粒子−マトリックス材料繊維状複合体。
It is in the form of a fiber having a core part and a sheath part around the core part,
The average diameter of the sheath is 50 nm or more and 3 μm or less,
At least one of the core part and the sheath part is composed of a composite material of inorganic nanoparticles and matrix material containing inorganic nanoparticles and a matrix material, and the average primary particle diameter of the inorganic nanoparticles is 100 nm or less.
Inorganic nanoparticle-matrix material fibrous composite.
前記無機ナノ粒子の平均粒径は、1nm以上20nm以下であり、且つ前記無機ナノ粒子−マトリックス材料複合体において、前記無機ナノ粒子の70%以上が、分散粒径30nm以下の形態で分散している、請求項1に記載の繊維状複合体。   The average particle size of the inorganic nanoparticles is 1 nm or more and 20 nm or less, and in the inorganic nanoparticle-matrix material composite, 70% or more of the inorganic nanoparticles are dispersed in the form of a dispersed particle size of 30 nm or less. The fibrous composite according to claim 1. 前記無機ナノ粒子−マトリックス材料複合体における前記無機ナノ粒子の含有量が、前記無機ナノ粒子−マトリックス材料の複合材料に対して30質量%以上である、請求項1又は2に記載の繊維状複合体。   The fibrous composite according to claim 1 or 2, wherein a content of the inorganic nanoparticle in the inorganic nanoparticle-matrix material composite is 30% by mass or more with respect to the composite material of the inorganic nanoparticle-matrix material. body. 前記芯部及び鞘部の一方が、無機ナノ粒子とマトリックス材料とを含有する無機ナノ粒子−マトリックス材料の複合材料からなり、且つ前記芯部及び鞘部の他方が、繊維形成用有機材料からなる、請求項1〜3のいずれかに記載の繊維状複合体。   One of the core part and the sheath part is made of an inorganic nanoparticle-matrix material composite material containing inorganic nanoparticles and a matrix material, and the other of the core part and the sheath part is made of a fiber-forming organic material. The fibrous composite according to any one of claims 1 to 3. 前記鞘部が、無機ナノ粒子とマトリックス材料とを含有する無機ナノ粒子−マトリックス材料の複合材料からなり、且つ前記芯部が空洞である、請求項1〜3のいずれかに記載の繊維状複合体。   The fibrous composite according to any one of claims 1 to 3, wherein the sheath portion is composed of a composite material of inorganic nanoparticles and matrix material containing inorganic nanoparticles and a matrix material, and the core portion is a cavity. body. 前記芯部及び鞘部の両方が、無機ナノ粒子とマトリックス材料とを含有する無機ナノ粒子−マトリックス材料の複合材料からなる、請求項1〜3のいずれかに記載の繊維状複合体。   The fibrous composite according to any one of claims 1 to 3, wherein both the core part and the sheath part are made of a composite material of inorganic nanoparticle-matrix material containing inorganic nanoparticles and a matrix material. 請求項1〜6のいずれかに記載の前記繊維状複合体を、前記無機ナノ粒子の分散状態を維持する条件で加圧して成形することを含む、バルク状の複合体の製造方法。   A method for producing a bulk composite, comprising pressing and molding the fibrous composite according to any one of claims 1 to 6 under conditions for maintaining the dispersed state of the inorganic nanoparticles. 請求項4に記載の前記繊維状複合体の前記芯部及び鞘部のうちの繊維形成用有機材料からなる部分を除去することを含む、繊維状複合体の製造方法。   The manufacturing method of a fibrous composite including removing the part which consists of the organic material for fiber formation of the said core part and sheath part of the said fibrous composite of Claim 4. 請求項8に記載の方法によって繊維状複合体を得し、そして得られた前記繊維状複合体を、前記無機ナノ粒子の分散状態を維持する条件で加圧して成形することを含む、バルク状の複合体の製造方法。   A bulk composite comprising: obtaining a fibrous composite by the method according to claim 8; and pressing and molding the obtained fibrous composite under a condition that maintains a dispersion state of the inorganic nanoparticles. A method for producing the composite. 前記無機ナノ粒子、前記マトリックス材料、及び溶媒を含有する分散体溶液を提供すること、
繊維形成用有機材料及び溶媒を含有する繊維形成溶液を提供すること、
二重ノズルを有する静電紡糸装置を用いて、前記二重ノズルの一方から、前記分散体溶液を紡糸し、且つ前記二重ノズルの他方から、前記繊維形成溶液を紡糸すること、
を含む、請求項4に記載の繊維状複合体の製造方法。
Providing a dispersion solution containing the inorganic nanoparticles, the matrix material, and a solvent;
Providing a fiber forming solution containing an organic material for fiber formation and a solvent;
Using an electrospinning apparatus having a double nozzle, spinning the dispersion solution from one of the double nozzles, and spinning the fiber-forming solution from the other of the double nozzles;
The manufacturing method of the fibrous composite of Claim 4 containing this.
請求項10に記載の方法において、前記二重ノズルの外側ノズルから、前記分散体溶液を紡糸し、且つ前記二重ノズルの内側ノズルから、繊維形成溶液を紡糸して、前記繊維形成用有機材料からなる芯部、及び前記無機ナノ粒子−マトリックス材料複合体からなる鞘部を有する繊維状複合体を得ること、及び
前記繊維状複合体の芯部を構成する前記繊維形成用有機材料を除去すること、
を含む、請求項5に記載の繊維状複合体の製造方法。
The method according to claim 10, wherein the dispersion forming solution is spun from an outer nozzle of the double nozzle, and a fiber forming solution is spun from the inner nozzle of the double nozzle, whereby the organic material for fiber formation is used. And a fibrous composite having a sheath made of the inorganic nanoparticle-matrix material composite, and the fiber-forming organic material constituting the core of the fibrous composite is removed. about,
The manufacturing method of the fibrous composite of Claim 5 containing this.
前記無機ナノ粒子、前記マトリックス材料、及び溶媒を含有する分散体溶液を2種類提供すること、
二重ノズルを有する静電紡糸装置を用いて、前記二重ノズルの一方から、前記分散体溶液のうちの一方を紡糸し、且つ前記二重ノズルの他方から、前記分散体溶液のうちの他方を紡糸すること、
を含む、請求項6に記載の繊維状複合体の製造方法。
Providing two types of dispersion solutions containing the inorganic nanoparticles, the matrix material, and a solvent;
Using an electrostatic spinning device having a double nozzle, one of the dispersion solutions is spun from one of the double nozzles, and the other of the dispersion solutions is spun from the other of the double nozzles. Spinning,
The manufacturing method of the fibrous composite of Claim 6 containing this.
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