JP5759772B2 - 分散性に優れるナノカーボン材料 - Google Patents
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Description
本発明は、水等の分散媒に安定に分散したナノカーボン分散液を得るためのナノカーボン材料に関するものである。
ナノカーボンは、導電性、熱伝導性、機械的強度等の優れた特性を持つことから、多くの分野から注目を集めている新素材である。かかるナノカーボンに関し、単独での利用のみならず、これを他の材料に分散させた複合材料として利用することについても種々の検討が行われている。例えば、導電性塗料や放熱性塗料といった機能性塗料にも使用できる。また、導電性樹脂や放熱性樹脂などに用いれば、高強度かつ付加機能(導電性、放熱性)を持ち合わせた材料が考えられる。さらに電子デバイス、複合材料、センサー等にもこれらの性質を応用して使用され得る。
一般にナノカーボンは、凝集を生じやすい性質を備えているため、多数のナノカーボンが凝集した状態で製造・販売されている。かかる凝集状態にあるナノカーボンは一時的に分散媒中に分散をさせてもすぐに再凝集する性質があるので、分散媒への安定的な分散が困難である。この分散の安定性をより簡単な方法で向上させることができれば、ナノカーボンを利用して上記のような複合材料を開発または製造する上で有効である。
そこで、特許文献１にはナノカーボンの分散方法として、所定の液体とあらかじめ凍結乾燥処理を施したカーボンナノチューブ（以下「ＣＮＴ」という。）との混合液を分散剤および硬球と共に容器に入れ、該容器を振動させる方法が記載され、特許文献２には、ＣＮＴを水性溶媒に分散させるための方法として、界面活性剤として特定のものを選択してなる方法であって、その分散時には超音波処理やビーズミル等が例示されているに過ぎない方法が記載され、特許文献３にはＣＮＴに界面活性剤と水を加えて、超音波処理することにより分散液を得る方法が記載され、特許文献４には、ＣＮＴを水性溶媒と両親媒性を有するトリフェニレン誘導体を含む分散媒とを混合し、これに超音波処理を行ってＣＮＴを水性溶媒に分散させることが記載されているように、ＣＮＴを分散媒に分散させるための各種の方法が知られている。
そこで、特許文献１にはナノカーボンの分散方法として、所定の液体とあらかじめ凍結乾燥処理を施したカーボンナノチューブ（以下「ＣＮＴ」という。）との混合液を分散剤および硬球と共に容器に入れ、該容器を振動させる方法が記載され、特許文献２には、ＣＮＴを水性溶媒に分散させるための方法として、界面活性剤として特定のものを選択してなる方法であって、その分散時には超音波処理やビーズミル等が例示されているに過ぎない方法が記載され、特許文献３にはＣＮＴに界面活性剤と水を加えて、超音波処理することにより分散液を得る方法が記載され、特許文献４には、ＣＮＴを水性溶媒と両親媒性を有するトリフェニレン誘導体を含む分散媒とを混合し、これに超音波処理を行ってＣＮＴを水性溶媒に分散させることが記載されているように、ＣＮＴを分散媒に分散させるための各種の方法が知られている。
また、特許文献５には、シクロデキストリン等をＣＮＴの分散剤として水性分散液を得ることが記載されており、特許文献６にはフラーレンをシクロデキストリンが包接することにより分散媒に分散させることが記載されており、特許文献７には、シクロデキストリンを可溶化剤として水溶液を得ることが記載されている。
さらに非特許文献１には、クラウンエーテル部とピレン部を有する分子からなり、クラウンエーテル部をドナーとしピレン部をアクセプターとする化学センサーが記載されている。
さらに非特許文献１には、クラウンエーテル部とピレン部を有する分子からなり、クラウンエーテル部をドナーとしピレン部をアクセプターとする化学センサーが記載されている。
さらに特許文献８には、カーボンナノファイバーをシルクや寒天により被覆して、かつシルクや寒天中に分散させることが記載されており、特許文献９には、カーボンナノチューブの表面に親水性モノマーを有するポリマーを非可逆的に吸着および／またはグラフトしてなる分散性が良好な複合材料が記載されており、特許文献１０には、蛋白質が被覆してなり、水分散性にすぐれるカーボンナノチューブが記載されており、特許文献１１には、カーボンナノチューブをβ−１，３−グルカンと複合してなる水性媒体中に可溶化された複合体が記載されており、特許文献１２には、カルボキシル基又はアミノ基含有ポリマーで表面修飾されたカーボンナノチューブの水分散液が記載されている。
S.Nishizawa,M.Watanabe,T.Uchida,N.Teramae, J.Chem.Soc.Perkin Trans.2,1999,141-143
上記のように、ナノカーボン分散液はナノカーボン自体の高い熱伝導性を反映して該分散液自体の熱伝導性が明らかに高いという性質を示す。このような性質は発熱体からの放熱を図る必要がある用途の熱媒体としても使用することが可能であるし、固体や液体を問わず他の媒体へのナノカーボンの分散性を向上させることもできる。
ナノカーボン分散液を製造する方法については様々な方法が知られているものの、これらの方法は高温での分散安定性を向上させることを目的としたものではなく、実際に得られた分散液は高温での長期の安定性が不足するものであった。このような安定性のレベルでは、高温下においてナノカーボンが凝集し分散性が著しく低下するために、高温下にての実用に供することができなかった。
また、上記のようにカーボンナノチューブ等を被覆する手段に関しては、たとえ被覆されたカーボンナノチューブが水等に対して分散可能であっても、長時間にわたって分散が可能であることを求めたものではない。
そこで、本発明は高温において長期間安定なナノカーボン分散液を得る方法を提供することを課題としている。
ナノカーボン分散液を製造する方法については様々な方法が知られているものの、これらの方法は高温での分散安定性を向上させることを目的としたものではなく、実際に得られた分散液は高温での長期の安定性が不足するものであった。このような安定性のレベルでは、高温下においてナノカーボンが凝集し分散性が著しく低下するために、高温下にての実用に供することができなかった。
また、上記のようにカーボンナノチューブ等を被覆する手段に関しては、たとえ被覆されたカーボンナノチューブが水等に対して分散可能であっても、長時間にわたって分散が可能であることを求めたものではない。
そこで、本発明は高温において長期間安定なナノカーボン分散液を得る方法を提供することを課題としている。
上記課題の解決のために本発明者は以下の方法を発明した。
１．下記式（１）で表される化合物により表面がコーティングされてなるナノカーボン材料。
Ａｒ‐Ｘ‐Ｙ‐Ｚ 式（１）
式中、Ａｒは、アントラセン、ピレン等の多環式芳香族炭化水素基であり、Ｘは、炭素数１〜２１の炭化水素基、又は直接結合を示し、ＹはＯ、ＮＨ、ＣＯＯ、ＣＯＮＨ、又は直接結合を示し、Ｚはセルロース等の多糖類、ＤＮＡ等の生体高分子又はクラウンエーテル、シクロデキストリン等の環状ホスト分子、又は置換されていてもよいこれらの分子を示し、Ｚは互いに架橋されている。
２．前記Ａｒが、ピレン基である、１記載のナノカーボン材料。
３．前記Ｘが、主鎖の炭素数が３のアルキル基である、１又は２に記載のナノカーボン材料。
４．前記Ｙが、ＣＯＮＨである、１〜３のいずれかに記載のナノカーボン材料。
５．前記Ｚが、シクロデキストリンである、１〜４のいずれかに記載のナノカーボン材料。
６．１〜５のいずれかに記載の式（１）で表される化合物がナノカーボン表面上で架橋している１〜５のいずれかに記載のナノカーボン材料。
７．ナノカーボン表面上での架橋がエピクロロヒドリンを作用させて形成された架橋である６記載のナノカーボン材料。
８．１〜７のいずれかに記載のナノカーボン材料が分散媒に分散されてなるナノカーボン分散液。
１．下記式（１）で表される化合物により表面がコーティングされてなるナノカーボン材料。
Ａｒ‐Ｘ‐Ｙ‐Ｚ 式（１）
式中、Ａｒは、アントラセン、ピレン等の多環式芳香族炭化水素基であり、Ｘは、炭素数１〜２１の炭化水素基、又は直接結合を示し、ＹはＯ、ＮＨ、ＣＯＯ、ＣＯＮＨ、又は直接結合を示し、Ｚはセルロース等の多糖類、ＤＮＡ等の生体高分子又はクラウンエーテル、シクロデキストリン等の環状ホスト分子、又は置換されていてもよいこれらの分子を示し、Ｚは互いに架橋されている。
２．前記Ａｒが、ピレン基である、１記載のナノカーボン材料。
３．前記Ｘが、主鎖の炭素数が３のアルキル基である、１又は２に記載のナノカーボン材料。
４．前記Ｙが、ＣＯＮＨである、１〜３のいずれかに記載のナノカーボン材料。
５．前記Ｚが、シクロデキストリンである、１〜４のいずれかに記載のナノカーボン材料。
６．１〜５のいずれかに記載の式（１）で表される化合物がナノカーボン表面上で架橋している１〜５のいずれかに記載のナノカーボン材料。
７．ナノカーボン表面上での架橋がエピクロロヒドリンを作用させて形成された架橋である６記載のナノカーボン材料。
８．１〜７のいずれかに記載のナノカーボン材料が分散媒に分散されてなるナノカーボン分散液。
本発明によれば、分散媒中のナノカーボンを安定的に分散させることができるという効果を奏するものである。
本発明のナノカーボン材料は、下記式（１）で表される化合物により表面がコーティングされてなる。
Ａｒ‐Ｘ‐Ｙ‐Ｚ 式（１）
式中、Ａｒは、アントラセン、ピレン等の多環式芳香族炭化水素基であり、Ｘは、炭素数１〜２１の炭化水素基、又は直接結合を示し、Ｙは、Ｏ、ＮＨ、ＣＯＯ、ＣＯＮＨ、又は直接結合を示し、Ｚはセルロース等の多糖類、ＤＮＡ等の生体高分子又はクラウンエーテル、シクロデキストリン等の環状ホスト分子を示し、Ｚは互いに架橋されている。
Ａｒ‐Ｘ‐Ｙ‐Ｚ 式（１）
式中、Ａｒは、アントラセン、ピレン等の多環式芳香族炭化水素基であり、Ｘは、炭素数１〜２１の炭化水素基、又は直接結合を示し、Ｙは、Ｏ、ＮＨ、ＣＯＯ、ＣＯＮＨ、又は直接結合を示し、Ｚはセルロース等の多糖類、ＤＮＡ等の生体高分子又はクラウンエーテル、シクロデキストリン等の環状ホスト分子を示し、Ｚは互いに架橋されている。
以下、具体的に本発明について述べる。
（ナノカーボン粒子）
本発明ナノカーボン材料に使用されるナノカーボン粒子としては、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノコイル、グラフェン及びこれらの誘導体等からなる群から選ばれる少なくとも１種を使用することができる。
カーボンナノ粒子はフラーレンからなる粒子や、フラーレンがグラファイト層により被覆されたフラーレンナノオニオンである。
カーボンナノチューブは内部に金属等の原子を有するものでも良く、カップ状のカーボンが積層されたカップスタック型、カーボンナノチューブ内に炭素鎖が存在するカーボンナノワイヤ等でも良い。また、単層からなるものでも良く、２層以上の層からなるものでも良い。
カーボンナノホーンは一端部から他端部に向けてその径が連続的に大きくなる形状を有する形状であり、カーボンナノコイルは繊維状のカーボンがコイル形状を示している。
（ナノカーボン粒子）
本発明ナノカーボン材料に使用されるナノカーボン粒子としては、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノコイル、グラフェン及びこれらの誘導体等からなる群から選ばれる少なくとも１種を使用することができる。
カーボンナノ粒子はフラーレンからなる粒子や、フラーレンがグラファイト層により被覆されたフラーレンナノオニオンである。
カーボンナノチューブは内部に金属等の原子を有するものでも良く、カップ状のカーボンが積層されたカップスタック型、カーボンナノチューブ内に炭素鎖が存在するカーボンナノワイヤ等でも良い。また、単層からなるものでも良く、２層以上の層からなるものでも良い。
カーボンナノホーンは一端部から他端部に向けてその径が連続的に大きくなる形状を有する形状であり、カーボンナノコイルは繊維状のカーボンがコイル形状を示している。
本発明におけるナノカーボン粒子は公知の方法により製造された粒子であり、特にその製造方法が限定されるものではない。例えば、アーク放電法、レーザーアブレーション法、又はＣＶＤ法により合成されたカーボンナノチューブ、気相成長法により合成されたカーボンナノファイバー、並びにプラズマ法、アーク放電法などで合成されたフラーレンなどは、いずれも本発明のカーボンナノ粒子として使用される。
そして、本発明におけるナノカーボン粒子は、１ｎｍ〜１０μｍ、好ましくは１０〜５００ｎｍの径及び０．５μｍ〜１ｍｍ、好ましくは５〜５００μｍの長さの繊維状、又は０．５〜１０ｎｍ、好ましくは２〜５ｎｍの径の粒子状を呈している。
ナノカーボン粒子としては処理されないものでも良く、何らかの処理がされたものでもよいが、処理されたものであっても、その処理方法は本発明のコーティングによる分散性向上効果を阻害しない処理方法であることが必要である。中でも未処理のナノカーボンを好ましく使用できる。
そして、本発明におけるナノカーボン粒子は、１ｎｍ〜１０μｍ、好ましくは１０〜５００ｎｍの径及び０．５μｍ〜１ｍｍ、好ましくは５〜５００μｍの長さの繊維状、又は０．５〜１０ｎｍ、好ましくは２〜５ｎｍの径の粒子状を呈している。
ナノカーボン粒子としては処理されないものでも良く、何らかの処理がされたものでもよいが、処理されたものであっても、その処理方法は本発明のコーティングによる分散性向上効果を阻害しない処理方法であることが必要である。中でも未処理のナノカーボンを好ましく使用できる。
（コーティング化合物）
本発明のナノカーボン材料は、多環式芳香族炭化水素基を有するセルロース等の多糖類、ＤＮＡ等の生体高分子又はクラウンエーテル、シクロデキストリン等の環状ホスト分子誘導体の環状ホストが互いに架橋されてなる重合体によりナノカーボンをコーティングしてなる材料である。
その、多環式芳香族炭化水素基を有するセルロース等の多糖類、ＤＮＡ等の生体高分子又はクラウンエーテル、シクロデキストリン等の環状ホスト分子誘導体は、下記式（１）にて示される。
Ａｒ‐Ｘ‐Ｙ‐Ｚ 式（１）
式中、Ａｒは、アントラセン、ピレン等の多環式芳香族炭化水素基であり、Ｘは、炭素数１〜２１の炭化水素基、又は直接結合を示し、Ｙは、Ｏ、ＮＨ、ＣＯＯ、ＣＯＮＨ、又は直接結合を示し、Ｚはセルロース等の多糖類、ＤＮＡ等の生体高分子又はクラウンエーテル、シクロデキストリン等の環状ホスト分子を示す。
本発明のナノカーボン材料は、多環式芳香族炭化水素基を有するセルロース等の多糖類、ＤＮＡ等の生体高分子又はクラウンエーテル、シクロデキストリン等の環状ホスト分子誘導体の環状ホストが互いに架橋されてなる重合体によりナノカーボンをコーティングしてなる材料である。
その、多環式芳香族炭化水素基を有するセルロース等の多糖類、ＤＮＡ等の生体高分子又はクラウンエーテル、シクロデキストリン等の環状ホスト分子誘導体は、下記式（１）にて示される。
Ａｒ‐Ｘ‐Ｙ‐Ｚ 式（１）
式中、Ａｒは、アントラセン、ピレン等の多環式芳香族炭化水素基であり、Ｘは、炭素数１〜２１の炭化水素基、又は直接結合を示し、Ｙは、Ｏ、ＮＨ、ＣＯＯ、ＣＯＮＨ、又は直接結合を示し、Ｚはセルロース等の多糖類、ＤＮＡ等の生体高分子又はクラウンエーテル、シクロデキストリン等の環状ホスト分子を示す。
上記Ｘは、炭素数１〜２１の炭化水素基、又は直接結合を示す。
好ましくは、炭素数が１０まで、更に好ましくは炭素数が６までの炭化水素基である。炭素数が２２以上であると、分散剤自体の疎水性が高くなりすぎ、水性媒体への分散性向上効果が低下する。
炭素数１〜２１の炭化水素基としては特に限定されないが、１又は２以上の水素原子を他のアルキル、アリール基で置換してもよい脂肪族炭化水素基又は芳香族炭化水素基であり、その合計炭素数が１〜２１である。
より具体的には、二重／三重結合を含んでもよい直鎖状または分岐状または環状の炭化水素基（アルキレン基、アルケニレン基、シクロアルキレン基、フェニレン基等）が挙げられる。
直鎖状アルキレン基としては、メチレン基、エチレン基、プロピレン基、ブチレン基、ペンチレン基、ヘキシレン基、ヘプチレン基、オクチレン基、ノニレン基、デシレン基、ウンデシレン基、ドデシレン基、トリデシレン基、テトラデシレン基、ペンタデシレン基、ヘキサデシレン基、ヘプタデシレン基、オクタデシレン基、ノナデシレン基、エイコシレン基、ヘンエイコシレン基が挙げられる。直鎖状アルケニレン基としては、ミリストレイレン基、パルミトレイレン基、オレイレン基、リノレイレン基、リノレニレン基、アラキドニレン基、オクタデシジエニレン基が挙げられる。シクロアルキレン基としては、シクロペンチルメチレン基、シクロペンチルエチレン基、シクロペンチルプロピレン基、シクロペンチルブチレン基、シクロペンチルペンチレン基、シクロペンチルヘキシレン基、シクロペンチルヘプチレン基、シクロペンチルオクチレン基、シクロペンチルノニレン基、シクロペンチルデシレン基、シクロペンチルウンデシレン基、シクロペンチルドデシレン基、シクロペンチルトリデシレン基、シクロペンチルテトラデシレン基、シクロペンチルペンタデシレン基、シクロペンチルヘキサデシレン基、シクロヘキシルメチレン基、シクロヘキシルエチレン基、シクロヘキシルプロピレン基、シクロヘキシルブチレン基、シクロヘキシルペンチレン基、シクロヘキシルヘキシレン基、シクロヘキシルヘプチレン基、シクロヘキシルオクチレン基、シクロヘキシルノニレン基、シクロヘキシルデシレン基、シクロヘキシルウンデシレン基、シクロヘキシルドデシレン基、シクロヘキシルトリデシレン基、シクロヘキシルテトラデシレン基、シクロヘキシルペンタデシレン基が挙げられる。その他、アリール基としては、フェニルメチレン基、フェニルエチレン基、フェニルプロピレン基、フェニルブチレン基、フェニルペンチレン基、フェニルヘキシレン基、フェニルヘプチレン基、フェニルオクチレン基、フェニルノニレン基、フェニルデシレン基、フェニルウンデシレン基、フェニルドデシレン基、フェニルトリデシレン基、フェニルテトラデシレン基、フェニルペンタデシレン基、ナフチルメチレン基、ナフチルエチレン基、ナフチルプロピレン基、ナフチルブチレン基、ナフチルペンチレン基、ナフチルヘキシレン基、ナフチルヘプチレン基、ナフチルオクチレン基、ナフチルノニレン基、ナフチルデシレン基、ナフチルウンデシレン基が挙げられる。
好ましくは、炭素数が１０まで、更に好ましくは炭素数が６までの炭化水素基である。炭素数が２２以上であると、分散剤自体の疎水性が高くなりすぎ、水性媒体への分散性向上効果が低下する。
炭素数１〜２１の炭化水素基としては特に限定されないが、１又は２以上の水素原子を他のアルキル、アリール基で置換してもよい脂肪族炭化水素基又は芳香族炭化水素基であり、その合計炭素数が１〜２１である。
より具体的には、二重／三重結合を含んでもよい直鎖状または分岐状または環状の炭化水素基（アルキレン基、アルケニレン基、シクロアルキレン基、フェニレン基等）が挙げられる。
直鎖状アルキレン基としては、メチレン基、エチレン基、プロピレン基、ブチレン基、ペンチレン基、ヘキシレン基、ヘプチレン基、オクチレン基、ノニレン基、デシレン基、ウンデシレン基、ドデシレン基、トリデシレン基、テトラデシレン基、ペンタデシレン基、ヘキサデシレン基、ヘプタデシレン基、オクタデシレン基、ノナデシレン基、エイコシレン基、ヘンエイコシレン基が挙げられる。直鎖状アルケニレン基としては、ミリストレイレン基、パルミトレイレン基、オレイレン基、リノレイレン基、リノレニレン基、アラキドニレン基、オクタデシジエニレン基が挙げられる。シクロアルキレン基としては、シクロペンチルメチレン基、シクロペンチルエチレン基、シクロペンチルプロピレン基、シクロペンチルブチレン基、シクロペンチルペンチレン基、シクロペンチルヘキシレン基、シクロペンチルヘプチレン基、シクロペンチルオクチレン基、シクロペンチルノニレン基、シクロペンチルデシレン基、シクロペンチルウンデシレン基、シクロペンチルドデシレン基、シクロペンチルトリデシレン基、シクロペンチルテトラデシレン基、シクロペンチルペンタデシレン基、シクロペンチルヘキサデシレン基、シクロヘキシルメチレン基、シクロヘキシルエチレン基、シクロヘキシルプロピレン基、シクロヘキシルブチレン基、シクロヘキシルペンチレン基、シクロヘキシルヘキシレン基、シクロヘキシルヘプチレン基、シクロヘキシルオクチレン基、シクロヘキシルノニレン基、シクロヘキシルデシレン基、シクロヘキシルウンデシレン基、シクロヘキシルドデシレン基、シクロヘキシルトリデシレン基、シクロヘキシルテトラデシレン基、シクロヘキシルペンタデシレン基が挙げられる。その他、アリール基としては、フェニルメチレン基、フェニルエチレン基、フェニルプロピレン基、フェニルブチレン基、フェニルペンチレン基、フェニルヘキシレン基、フェニルヘプチレン基、フェニルオクチレン基、フェニルノニレン基、フェニルデシレン基、フェニルウンデシレン基、フェニルドデシレン基、フェニルトリデシレン基、フェニルテトラデシレン基、フェニルペンタデシレン基、ナフチルメチレン基、ナフチルエチレン基、ナフチルプロピレン基、ナフチルブチレン基、ナフチルペンチレン基、ナフチルヘキシレン基、ナフチルヘプチレン基、ナフチルオクチレン基、ナフチルノニレン基、ナフチルデシレン基、ナフチルウンデシレン基が挙げられる。
本発明におけるＺ基としては、上記Ｙで示される基と結合できる部分を有するセルロース等の多糖類、ＤＮＡ等の生体高分子又はクラウンエーテル、シクロデキストリン等の環状ホスト分子、又は任意の基により置換されたこれらの分子であればよい。水酸基又はその他の官能基を有するこれらの分子が、Ａｒ‐Ｘ基を有する分子と結合してＹで示される基を形成するものであっても良い。
（多環式芳香族炭化水素）
本発明における多環式芳香族炭化水素基としては、縮合環を含む２環以上のものであれば使用することができる。そして例えば、ナフタレン、フェナントレン、アントラセン、ベンゾピレン、ピレン、ナフタセン、トリフェニレン等の基を使用することが可能である。
（多環式芳香族炭化水素）
本発明における多環式芳香族炭化水素基としては、縮合環を含む２環以上のものであれば使用することができる。そして例えば、ナフタレン、フェナントレン、アントラセン、ベンゾピレン、ピレン、ナフタセン、トリフェニレン等の基を使用することが可能である。
（多糖類）
多糖類としては、セルロース、デンプン、ペクチン、キチン、デキストリン等を採用することができ、中でもセルロースやデキストリンが好ましい。
多糖類としては、セルロース、デンプン、ペクチン、キチン、デキストリン等を採用することができ、中でもセルロースやデキストリンが好ましい。
（生体高分子）
生体高分子としては、生体を構成する蛋白質、ＤＮＡ、ＲＮＡ、多糖類等を使用することができる。また、生体高分子と類似する構造を有するポリペプチド等も使用することが可能である。
生体高分子としては、生体を構成する蛋白質、ＤＮＡ、ＲＮＡ、多糖類等を使用することができる。また、生体高分子と類似する構造を有するポリペプチド等も使用することが可能である。
（環状ホスト分子）
環状ホスト分子としては、以下に示すような各種のシクロデキストリン、クラウンエーテル、クリプタンド、シクロファン等を採用することができる。
これらの架橋前の環状ホスト分子は、単量体であっても良く予め２量体以上の重合体であっても良い。
前記シクロデキストリンは環状オリゴ糖であり、グルコースがα−１，４結合により環状に結合してなる化合物である。結合するグルコースの数により、α−、β−、γ−がある。
これらのホスト分子は、求めるナノカーボンの分散性や分散媒の種類に応じて選択することができるが、好ましくはβ−シクロデキストリンの多量体である。
環状ホスト分子としては、以下に示すような各種のシクロデキストリン、クラウンエーテル、クリプタンド、シクロファン等を採用することができる。
これらの架橋前の環状ホスト分子は、単量体であっても良く予め２量体以上の重合体であっても良い。
前記シクロデキストリンは環状オリゴ糖であり、グルコースがα−１，４結合により環状に結合してなる化合物である。結合するグルコースの数により、α−、β−、γ−がある。
これらのホスト分子は、求めるナノカーボンの分散性や分散媒の種類に応じて選択することができるが、好ましくはβ−シクロデキストリンの多量体である。
クラウンエーテル
１２−クラウン−４、１５−クラウン−５、１８−クラウン−６等のクラウンエーテルを使用することができる。
１２−クラウン−４、１５−クラウン−５、１８−クラウン−６等のクラウンエーテルを使用することができる。
クリプタンドとしては、クリプタンド[2,2,2]等を使用することができる。
シクロファンとしては、下記のシクロファン等を使用することができる。
シクロファン チアシクロファン アザシクロファン
シクロファン チアシクロファン アザシクロファン
（上記式（１）で示される化合物の製造方法）
本発明における上記式（１）で示される化合物は、以下の方法により合成される。
上記式（１）においてＹがＯである場合の化合物は、例えば下記のようにシクロデキストリンエーテル化剤によるエーテル化により合成される。
シクロデキストリンのエーテル化剤としては、有利には末端に多環式芳香族炭化水素基を有する分枝状または非分枝状のＣ4〜Ｃ12−アルキルエポキシド、例えばω位に多環式芳香族炭化水素基を有する１−ヘキセンオキシド、１−オクテンオキシド、１−デセンオキシド、環状Ｃ6〜Ｃ10−エポキシド、例えばシクロヘキセンオキシドまたはシクロオクテンオキシドまたは分枝状または非分枝状のＣ4〜Ｃ12−アルキル−グリシジルエーテル、例えばｎ−ブチルグリシジルエーテル、ｎ−ヘキシルグリシジルエーテル、ｎ−オクチルグリシジルエーテル、２−エチルヘキシルグリシジルエーテル、またはＣ6〜Ｃ15−アリールまたはアラルキルグリシジルエーテル、例えばフェニルグリシジルエーテル、クレシルグリシジルエーテル、または上記の物質の混合物が使用される。
本発明における上記式（１）で示される化合物は、以下の方法により合成される。
上記式（１）においてＹがＯである場合の化合物は、例えば下記のようにシクロデキストリンエーテル化剤によるエーテル化により合成される。
シクロデキストリンのエーテル化剤としては、有利には末端に多環式芳香族炭化水素基を有する分枝状または非分枝状のＣ4〜Ｃ12−アルキルエポキシド、例えばω位に多環式芳香族炭化水素基を有する１−ヘキセンオキシド、１−オクテンオキシド、１−デセンオキシド、環状Ｃ6〜Ｃ10−エポキシド、例えばシクロヘキセンオキシドまたはシクロオクテンオキシドまたは分枝状または非分枝状のＣ4〜Ｃ12−アルキル−グリシジルエーテル、例えばｎ−ブチルグリシジルエーテル、ｎ−ヘキシルグリシジルエーテル、ｎ−オクチルグリシジルエーテル、２−エチルヘキシルグリシジルエーテル、またはＣ6〜Ｃ15−アリールまたはアラルキルグリシジルエーテル、例えばフェニルグリシジルエーテル、クレシルグリシジルエーテル、または上記の物質の混合物が使用される。
中でも、ω位に多環式芳香族炭化水素基を有する１−ヘキセンオキシド、１−オクテンオキシド、１−デセンオキシド、シクロヘキセンオキシド、シクロオクテンオキシド、ｎ−ブチルグリシジルエーテル、ｎ−ヘキシルグリシジルエーテル、ｎ−オクチルグリシジルエーテル、２−エチルヘキシルグリシジルエーテル、フェニルグリシジルエーテルまたはクレシルグリシジルエーテルを用いるとさらに有利である。
上記式（１）においてＹがＮＨである場合の化合物は、例えば下記のように合成される。
シクロデキストリンにニトロベンゼンスルホニルクロリドを反応させてノシル化シクロデキストリンを合成し、これにハロゲン原子を有する多環式芳香族炭化水素、あるいはハロゲン原子を有する炭化水素基により置換された多環式芳香族炭化水素を反応させて、多環式芳香族炭化水素又は多環式芳香族炭化水素基により置換された炭化水素と、シクロデキストリンがアミノ基により結合されてなる化合物が合成される。
シクロデキストリンにニトロベンゼンスルホニルクロリドを反応させてノシル化シクロデキストリンを合成し、これにハロゲン原子を有する多環式芳香族炭化水素、あるいはハロゲン原子を有する炭化水素基により置換された多環式芳香族炭化水素を反応させて、多環式芳香族炭化水素又は多環式芳香族炭化水素基により置換された炭化水素と、シクロデキストリンがアミノ基により結合されてなる化合物が合成される。
上記式（１）においてＹがＣＯＯである場合の化合物は、下記のようにトシル化シクロデキストリンを経て合成される。
シクロデキストリンにｐ−トルエンスルホニルクロリドを反応させてトシル化シクロデキストリンを合成し、これにカルボキシ基を有する多環式芳香族炭化水素、あるいはカルボキシ基を有する炭化水素基により置換された多環式芳香族炭化水素を反応させて、多環式芳香族炭化水素又は多環式芳香族炭化水素基により置換された炭化水素と、シクロデキストリンがエステル基により結合されてなる化合物が合成される。
シクロデキストリンにｐ−トルエンスルホニルクロリドを反応させてトシル化シクロデキストリンを合成し、これにカルボキシ基を有する多環式芳香族炭化水素、あるいはカルボキシ基を有する炭化水素基により置換された多環式芳香族炭化水素を反応させて、多環式芳香族炭化水素又は多環式芳香族炭化水素基により置換された炭化水素と、シクロデキストリンがエステル基により結合されてなる化合物が合成される。
上記式（１）においてＹがＣＯＮＨである場合の化合物は、下記のようにアミノ化シクロデキストリンを経て合成される。
アミノ化シクロデキストリン合成方法１
モノ-６-トシル-β-シクロデキストリンとアジ化ナトリウムを反応させ、モノ-６-アジド-６-デオキシ-β-シクロデキストリンを合成し、これをトリフェニルホスフィンと共にＤＭＦに溶解し、アンモニア水を加え、モノ-６-アミノ-６-デオキシ-β-シクロデキストリンを合成する。
アミノ化シクロデキストリン合成方法１
モノ-６-トシル-β-シクロデキストリンとアジ化ナトリウムを反応させ、モノ-６-アジド-６-デオキシ-β-シクロデキストリンを合成し、これをトリフェニルホスフィンと共にＤＭＦに溶解し、アンモニア水を加え、モノ-６-アミノ-６-デオキシ-β-シクロデキストリンを合成する。
アミノ化シクロデキストリン合成方法２
Ｄ(+)-グルコピラノース単位が６〜１６からなるシクロデキストリンの水酸基のうち少なくとも一つの水酸基が、スルホン酸エステル化されてなる公知方法で製造されたシクロデキストリン誘導体を、公知方法によりアミノ化合物と反応させることにより、スルホン酸エステル基をアミノ基に置換してアミノ化シクロデキストリンを合成する方法も採用できる。
いずれの方法によっても、合成した化合物はイオン交換樹脂を用いたカラムクロマトグラフィーで精製することが好ましい。
これらの方法により得たモノ-６-アミノ-６-デオキシ-β-シクロデキストリンやアミノ化シクロデキストリンとピレン酪酸とを、ジシクロヘキシルカルボジイミド（ＤＣＣ）によるカップリング反応で縮合し、上記式（１）においてＹがＣＯＮＨである場合の本発明における化合物を得る。
Ｄ(+)-グルコピラノース単位が６〜１６からなるシクロデキストリンの水酸基のうち少なくとも一つの水酸基が、スルホン酸エステル化されてなる公知方法で製造されたシクロデキストリン誘導体を、公知方法によりアミノ化合物と反応させることにより、スルホン酸エステル基をアミノ基に置換してアミノ化シクロデキストリンを合成する方法も採用できる。
いずれの方法によっても、合成した化合物はイオン交換樹脂を用いたカラムクロマトグラフィーで精製することが好ましい。
これらの方法により得たモノ-６-アミノ-６-デオキシ-β-シクロデキストリンやアミノ化シクロデキストリンとピレン酪酸とを、ジシクロヘキシルカルボジイミド（ＤＣＣ）によるカップリング反応で縮合し、上記式（１）においてＹがＣＯＮＨである場合の本発明における化合物を得る。
（環状ホスト化合物重合体の合成方法）
ここでは、環状ホスト化合物として本発明におけるＺがシクロデキストリン及びクラウンエーテルである場合を例に、本発明において式（１）で示される化合物を架橋することによる重合体の合成方法を述べる。
Ｚがシクロデキストリンである重合体はエピクロロヒドリンを架橋剤として反応させて得られるが、他にジエポキシ化合物、ジイソシアネート、アクリルアミド誘導体等を架橋剤として使用できる。ただし、操作の容易さおよび得られたシクロデキストリン重合体の熱、アルカリ等に対する安定性を考慮するとエピクロロヒドリンが特に好ましい。
ここでは、環状ホスト化合物として本発明におけるＺがシクロデキストリン及びクラウンエーテルである場合を例に、本発明において式（１）で示される化合物を架橋することによる重合体の合成方法を述べる。
Ｚがシクロデキストリンである重合体はエピクロロヒドリンを架橋剤として反応させて得られるが、他にジエポキシ化合物、ジイソシアネート、アクリルアミド誘導体等を架橋剤として使用できる。ただし、操作の容易さおよび得られたシクロデキストリン重合体の熱、アルカリ等に対する安定性を考慮するとエピクロロヒドリンが特に好ましい。
反応に用いるエピクロロヒドリンはシクロデキストリン１モルに対して１〜４００モルの範囲にて使用することができる。エピクロロヒドリンの使用量によって得られるシクロデキストリンの分子量を制御することも可能であり、使用量が多い程得られるシクロデキストリン重合体の分子量は大きくなる。
本発明におけるシクロデキストリン重合体はシクロデキストリン単位を２つ以上有する化合物である。本発明においては分散安定性を考慮して重合体中のシクロデキストリン単位の数は２〜５である。この範囲であれば、加熱下における分散安定性に優れるナノカーボンコーティング化合物を得ることが可能となる。
本発明におけるシクロデキストリン重合体はシクロデキストリン単位を２つ以上有する化合物である。本発明においては分散安定性を考慮して重合体中のシクロデキストリン単位の数は２〜５である。この範囲であれば、加熱下における分散安定性に優れるナノカーボンコーティング化合物を得ることが可能となる。
シクロデキストリンとエピクロロヒドリンの反応は、例えば、ＮａＯＨ水溶液にシクロデキストリンを溶解し、ここにエピクロロヒドリンを添加し、室温で3時間攪拌した後、室温にて中和処理を行い、再沈殿を行って未反応物質を除去することにより、求めるシクロデキストリン重合体を得ることができる。
Ｚがクラウンエーテルである重合体は、クラウンエーテルとジスルフィド結合を有する二官能性のアンモニウム塩とを、チオールの存在下でチオール・ジスルフィド交換反応によってロタキサン構造による結合で架橋する方法等により得ることができる。この場合においてもクラウンエーテルとジスルフィド結合を有する二官能性のアンモニウム塩の使用量の比によって、得られる重合体の分子量を調整することができる。
Ｚがクラウンエーテルである重合体は、クラウンエーテルとジスルフィド結合を有する二官能性のアンモニウム塩とを、チオールの存在下でチオール・ジスルフィド交換反応によってロタキサン構造による結合で架橋する方法等により得ることができる。この場合においてもクラウンエーテルとジスルフィド結合を有する二官能性のアンモニウム塩の使用量の比によって、得られる重合体の分子量を調整することができる。
（分散媒）
本発明の分散液にて使用できる分散媒としては、ナノカーボンと反応せずに、分散剤と共に安定した溶媒である。
具体的には、水、水溶性有機溶媒のいずれか一種、若しくは二種以上からなる混合溶媒でも良い。
該水溶性有機溶媒としては、アルコール類（メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール、イソブタノール、セカンダリーブタノール、ターシャリーブタノール、ベンジルアルコールなど）、多価アルコール類（エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、ポリプロピレングリコール、ブチレングリコール、ヘキサンジオール、ペンタンジオール、グリセリン、ヘキサントリオール、チオジグリコールなど）、多価アルコールエーテル類（例えば、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコールモノエチルエーテル、トリエチレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールモノフェニルエーテル、プロピレングリコールモノフェニルエーテルなど）、アミン類（エタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、Ｎ−メチルジエタノールアミン、Ｎ−エチルジエタノールアミン、モルホリン、Ｎ−エチルモルホリン、エチレンジアミン、ジエチレンジアミン、トリエチレンテトラミン、テトラエチレンペンタミン、ポリエチレンイミン、ペンタメチルジエチレントリアミン、テトラメチルプロピレンジアミンなど）、アミド類（ホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミドなど）、複素環類（２−ピロリドン、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、シクロヘキシルピロリドン、２−オキサゾリドン、１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノンなど）、スルホキシド類（ジメチルスルホキシドなど）、スルホン類（スルホランなど）、低級ケトン類（アセトン、メチルエチルケトンなど）、その他、テトラヒドロフラン、尿素、アセトニトリルなどを使用することができる。
本発明の分散液にて使用できる分散媒としては、ナノカーボンと反応せずに、分散剤と共に安定した溶媒である。
具体的には、水、水溶性有機溶媒のいずれか一種、若しくは二種以上からなる混合溶媒でも良い。
該水溶性有機溶媒としては、アルコール類（メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール、イソブタノール、セカンダリーブタノール、ターシャリーブタノール、ベンジルアルコールなど）、多価アルコール類（エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、ポリプロピレングリコール、ブチレングリコール、ヘキサンジオール、ペンタンジオール、グリセリン、ヘキサントリオール、チオジグリコールなど）、多価アルコールエーテル類（例えば、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコールモノエチルエーテル、トリエチレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールモノフェニルエーテル、プロピレングリコールモノフェニルエーテルなど）、アミン類（エタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、Ｎ−メチルジエタノールアミン、Ｎ−エチルジエタノールアミン、モルホリン、Ｎ−エチルモルホリン、エチレンジアミン、ジエチレンジアミン、トリエチレンテトラミン、テトラエチレンペンタミン、ポリエチレンイミン、ペンタメチルジエチレントリアミン、テトラメチルプロピレンジアミンなど）、アミド類（ホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミドなど）、複素環類（２−ピロリドン、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、シクロヘキシルピロリドン、２−オキサゾリドン、１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノンなど）、スルホキシド類（ジメチルスルホキシドなど）、スルホン類（スルホランなど）、低級ケトン類（アセトン、メチルエチルケトンなど）、その他、テトラヒドロフラン、尿素、アセトニトリルなどを使用することができる。
ナノカーボンのコーティングに使用する式（１）で示される化合物の量は、ナノカーボン分散液の分散媒の種類によっても異なるが、ナノカーボンが溶媒に充分になじむ程度の量でコーティングすることが必要である。このような式（１）で示される化合物の量としては、ナノカーボン１００重量部に対して、５００〜１重量部、好ましくは２００〜２０重量部、より好ましくは１５０〜５０重量部である。このような範囲であれば、分散媒中においてナノカーボンを充分に分散することが可能となり、分散できない状態となることはない。
（分散剤）
本発明の分散液において、ナノカーボン粒子の分散性を損なわない限り、併用可能な分散剤としては、アニオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤、ノニオン性界面活性剤、両性界面活性剤等の分散性向上作用を有する公知の分散剤を使用できる。
本発明の分散液において、ナノカーボン粒子の分散性を損なわない限り、併用可能な分散剤としては、アニオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤、ノニオン性界面活性剤、両性界面活性剤等の分散性向上作用を有する公知の分散剤を使用できる。
アニオン性界面活性剤としては、芳香族スルホン酸系界面活性剤（ドデシルベンゼンスルホン酸等のアルキルベンゼンスルホン酸塩、ドデシルフェニルエーテルスルホン酸塩等）、モノソープ系アニオン性界面活性剤、エーテルサルフェート系界面活性剤、フォスフェート系界面活性剤、カルボン酸系界面活性剤などである。コール酸、オレイン酸なども好適に使用でき、アニオン性官能基を有する糖類であるアルギン酸、コンドロイチン硫酸、ヒアルロン酸等はそのまま好適に使用でき、シクロデキストリンなどはアニオン性官能基で修飾することによって使用することが可能である。
エステル基を有するポリマー、オリゴマーはエステル部分を加水分解してアニオン性官能基に変換して使用することも可能である。
エステル基を有するポリマー、オリゴマーはエステル部分を加水分解してアニオン性官能基に変換して使用することも可能である。
カチオン性界面活性剤としては、第４級アルキルアンモニウム塩、アルキルピリジニウム塩、アルキルアミン塩等のカチオン性界面活性剤、ポリエチレンイミン、ポリビニルアミン、ポリアリルアミン、ポリビニルピリジン、ポリアクリルアミド等のカチオン性基を有する化合物である。
ノニオン性界面活性剤としては、エーテル系（ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンドデシルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルアリルエーテル、ポリオキシエチレンオレイルエーテル、ポリオキシエチレンラウリルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシアルキレンアルキルエーテル等）およびエステル系（ポリオキシエチレンオレエート、ポリオキシエチレンジステアレート、ソルビタンラウレート、ソルビタンモノステアレート、ソルビタンモノオレエート、ソルビタンセスキオレエート、ポリオキシエチレンモノオレエート、ポリオキシエチレンステアレート等）、ソルビトールおよびグリセリン等の多価アルコール脂肪酸のアルキルエーテルおよびアルキルエステル、アミノアルコール脂肪酸アミド等を使用できる。
両性界面活性剤としてはアルキルベタイン系界面活性剤（ラウリルジメチルアミノ酢酸ベタイン、２−アルキル−Ｎ−カルボキシメチル−Ｎ−ヒドロキシエチルイミダゾリウムベタイン、プロピルジメチルアミノ酢酸ベタイン）、スルホベタイン系界面活性剤、アミンオキサイド系界面活性剤を使用することができる。
（ナノカーボン）
本発明にて用いるナノカーボンとしては、単層のナノカーボン、多層のナノカーボンのいずれでも良く、分散液の用途に応じて選択することができる。またナノカーボンの製造方法に関しても特に制限されるものではなく、炭素含有ガスを触媒と接触させる熱分解法、炭素棒間にてアーク放電を発生させてなるアーク放電法、カーボンターゲットにレーザーを照射するレーザー蒸発法、金属微粒子の存在下で炭素源のガスを高温で反応させるＣＶＤ法、一酸化炭素を高圧下で分解するＨｉＰｃｏ法等のいずれでも良い。
また、金属原子がドープされてなるナノカーボンであっても良い。
本発明における分散媒中のナノカーボンの濃度は、０．１〜１０．０ｗｔ％であり、好ましくは０．３〜５．０ｗｔ％、更に好ましくは０．５〜３．０ｗｔ％である。濃度が低すぎると分散されたナノカーボンを得る効率が悪く、高すぎるとナノカーボンの分散性が低下する。
本発明にて用いるナノカーボンとしては、単層のナノカーボン、多層のナノカーボンのいずれでも良く、分散液の用途に応じて選択することができる。またナノカーボンの製造方法に関しても特に制限されるものではなく、炭素含有ガスを触媒と接触させる熱分解法、炭素棒間にてアーク放電を発生させてなるアーク放電法、カーボンターゲットにレーザーを照射するレーザー蒸発法、金属微粒子の存在下で炭素源のガスを高温で反応させるＣＶＤ法、一酸化炭素を高圧下で分解するＨｉＰｃｏ法等のいずれでも良い。
また、金属原子がドープされてなるナノカーボンであっても良い。
本発明における分散媒中のナノカーボンの濃度は、０．１〜１０．０ｗｔ％であり、好ましくは０．３〜５．０ｗｔ％、更に好ましくは０．５〜３．０ｗｔ％である。濃度が低すぎると分散されたナノカーボンを得る効率が悪く、高すぎるとナノカーボンの分散性が低下する。
（その他成分）
本発明における分散液に配合が可能な他の成分としては、各種の水溶性樹脂や水分散性樹脂、タンパク質等の生体内の高分子等、ナノカーボン及び分散液の用途に応じて必要な成分を配合することが可能である。
ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルピロリドン、ポリアクリル酸アルカリ金属塩等の水溶性樹脂、これらの水溶性樹脂を採用する場合には、他の分散剤を併用することも可能である。
本発明における分散液に配合が可能な他の成分としては、各種の水溶性樹脂や水分散性樹脂、タンパク質等の生体内の高分子等、ナノカーボン及び分散液の用途に応じて必要な成分を配合することが可能である。
ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルピロリドン、ポリアクリル酸アルカリ金属塩等の水溶性樹脂、これらの水溶性樹脂を採用する場合には、他の分散剤を併用することも可能である。
（ナノカーボン材料及び分散液の製造方法及び装置）
本発明のナノカーボン材料及び分散液を得るために使用可能な装置は、分散媒、式（１）に示す化合物及びナノカーボンを十分に混合・分散できる装置であれば特に限定されない。
このような装置としては、例えばナノマイザー、アルティマイザー、超音波分散機などによるメディアを使用しない分散方法、ボールミル、サンドグラインダー、ダイノミル、スパイクミル、ＤＣＰミル、バスケットミル、ペイントコンディショナー、高速攪拌装置等が挙げられる。
中でも、好ましくは分散装置のなかでも超音波を用いてナノカーボン材料を分散する装置であり、超音波を分散媒中のナノカーボンに照射することによって、ナノカーボン粒子の凝集が破壊されて一次粒子の分散体となる。その状態において本発明の分散剤が該一次粒子に付着することにより、ナノカーボンが均一に分散される。この場合、複数種の周波数の超音波を照射することもできる。
本発明のナノカーボン材料及び分散液を得るために使用可能な装置は、分散媒、式（１）に示す化合物及びナノカーボンを十分に混合・分散できる装置であれば特に限定されない。
このような装置としては、例えばナノマイザー、アルティマイザー、超音波分散機などによるメディアを使用しない分散方法、ボールミル、サンドグラインダー、ダイノミル、スパイクミル、ＤＣＰミル、バスケットミル、ペイントコンディショナー、高速攪拌装置等が挙げられる。
中でも、好ましくは分散装置のなかでも超音波を用いてナノカーボン材料を分散する装置であり、超音波を分散媒中のナノカーボンに照射することによって、ナノカーボン粒子の凝集が破壊されて一次粒子の分散体となる。その状態において本発明の分散剤が該一次粒子に付着することにより、ナノカーボンが均一に分散される。この場合、複数種の周波数の超音波を照射することもできる。
例えば、本発明のナノカーボン材料及びナノカーボン分散液の製造に用いる製造装置の模式図である図１に示すように、タンクと超音波装置を管路で接続し、タンクと超音波装置の下流にはポンプを接続して、この系内にナノカーボン材料を含有した原料液を供給し、ポンプを稼働させて系内を循環させる。そして、循環しながら超音波装置を稼働させて、系内を循環するナノカーボン分散液に対して超音波装置内にて超音波を照射して処理を行う。
これら上記のナノマイザー、ボールミル、超音波装置等の装置を使用し、周波数、メディア粒子径、時間、流量、回転数、圧、温度などの分散条件を適宜選択することにより、粒子径を調節することができ、また分散処理後の分散液をろ過、遠心分離等することによって粗大な粒子を除去して、粒子径を一定の範囲内とすることもできる。
これら上記のナノマイザー、ボールミル、超音波装置等の装置を使用し、周波数、メディア粒子径、時間、流量、回転数、圧、温度などの分散条件を適宜選択することにより、粒子径を調節することができ、また分散処理後の分散液をろ過、遠心分離等することによって粗大な粒子を除去して、粒子径を一定の範囲内とすることもできる。
本発明は、ナノカーボン表面を被覆する化合物が、上記式（１）で示す化合物である。
この場合には、一旦分散媒にナノカーボンと上記（１）で示す化合物の架橋前のものを、架橋剤等の上記式（１）で示される化合物を多量体、あるいはポリマーとするに必要な、例えば上記のエピクロロヒドリンのような添加剤と共に分散させ、この架橋剤等を上記（１）で示す化合物と反応させて、上記（１）で示す化合物を架橋等されて重合体とすることにより、本発明のナノカーボン材料及びナノカーボン分散液を得る。
さらに必要であれば、得られたナノカーボン分散液をろ過等することにより、架橋等されて重合体となった上記（１）で示す化合物で被覆されてなるナノカーボン材料を得ることもできる。
この場合には、一旦分散媒にナノカーボンと上記（１）で示す化合物の架橋前のものを、架橋剤等の上記式（１）で示される化合物を多量体、あるいはポリマーとするに必要な、例えば上記のエピクロロヒドリンのような添加剤と共に分散させ、この架橋剤等を上記（１）で示す化合物と反応させて、上記（１）で示す化合物を架橋等されて重合体とすることにより、本発明のナノカーボン材料及びナノカーボン分散液を得る。
さらに必要であれば、得られたナノカーボン分散液をろ過等することにより、架橋等されて重合体となった上記（１）で示す化合物で被覆されてなるナノカーボン材料を得ることもできる。
本発明のナノカーボン材料を得るために、式（１）で示される化合物において、Ｚである環状ホスト分子が予め架橋等により多量体とした後に、その多量体とＣＮＴを分散媒中にて混合させてコーティング材料とするよりも、分散媒中にＣＮＴ、Ｚで示される環状ホスト分子が架橋されておらず、単量体である式（１）で示される化合物、及び／又は架橋されて多量体となった式（１）で示す化合物、及びエピクロロヒドリン等の架橋剤を存在させた後に、該環状ホスト分子を架橋して多量体とすることにより、ＣＮＴ表面に架橋されて多量体となった環状ホスト分子がコーティングしてなるコーティング材料としたほうが、より安定な分散液を得ることができる。
本発明のナノカーボン材料に使用される上記式（１）で表される化合物はピレン部位を有するπ共役化合物であり、好ましい形態のものは、以下の化学反応式のようにして合成する。
モノ-６-トシル-β-シクロデキストリンとアジ化ナトリウムを反応させ、モノ-６-アジド-６-デオキシ-β-シクロデキストリンを合成する。
モノ-６-アジド-６-デオキシ-β-シクロデキストリンとトリフェニルホスフィンをＤＭＦに溶解し、アンモニア水を加え、モノ-６-アミノ-６-デオキシ-β-シクロデキストリンを合成する。合成した化合物はイオン交換樹脂を用いたカラムクロマトグラフィーで精製することが好ましい。
モノ-６-アミノ-６-デオキシ-β-シクロデキストリンとピレン酪酸とをジシクロヘキシルカルボジイミド（ＤＣＣ）によるカップリング反応で縮合して、ピレン化シクロデキストリンを得た。
モノ-６-トシル-β-シクロデキストリンとアジ化ナトリウムを反応させ、モノ-６-アジド-６-デオキシ-β-シクロデキストリンを合成する。
モノ-６-アジド-６-デオキシ-β-シクロデキストリンとトリフェニルホスフィンをＤＭＦに溶解し、アンモニア水を加え、モノ-６-アミノ-６-デオキシ-β-シクロデキストリンを合成する。合成した化合物はイオン交換樹脂を用いたカラムクロマトグラフィーで精製することが好ましい。
モノ-６-アミノ-６-デオキシ-β-シクロデキストリンとピレン酪酸とをジシクロヘキシルカルボジイミド（ＤＣＣ）によるカップリング反応で縮合して、ピレン化シクロデキストリンを得た。
(比較例１：未処理ＣＮＴでのＣＮＴ分散液の作製)
イオン交換水に未処理ＣＮＴを１ｗｔ％添加し、超音波洗浄機(BRANSON製、型番2510J-MT)にて５分間超音波照射し、分散液を得た。
イオン交換水に未処理ＣＮＴを１ｗｔ％添加し、超音波洗浄機(BRANSON製、型番2510J-MT)にて５分間超音波照射し、分散液を得た。
(実施例１：ピレン化シクロデキストリンをＣＮＴ表面で架橋させてコーティングしたＣＮＴによる分散液の作製)
ＮａＯＨ水溶液に上記のピレン化シクロデキストリンを溶解し、ここにＣＮＴを添加した。この溶液を、超音波装置(BRANSON製、型番SONIFIER 450)により、１０分間超音波を照射した後、エピクロロヒドリンを添加し、室温で３時間攪拌した。この溶液をメンブランフィルターでろ過し、ＣＮＴを回収した。ろ過により得られたＣＮＴをイオン交換水に１ｗｔ％添加し、超音波洗浄機(BRANSON製、型番2510J-MT)にて5分間超音波照射し、分散液を得た。
ＮａＯＨ水溶液に上記のピレン化シクロデキストリンを溶解し、ここにＣＮＴを添加した。この溶液を、超音波装置(BRANSON製、型番SONIFIER 450)により、１０分間超音波を照射した後、エピクロロヒドリンを添加し、室温で３時間攪拌した。この溶液をメンブランフィルターでろ過し、ＣＮＴを回収した。ろ過により得られたＣＮＴをイオン交換水に１ｗｔ％添加し、超音波洗浄機(BRANSON製、型番2510J-MT)にて5分間超音波照射し、分散液を得た。
上記の実施例１及び比較例１により得られた分散液について、２３℃で所定時間静置して、分散液の凝集及び沈殿の状況を目視にて評価を行った。
下記の表１に示すように、実施例１によると、４日経過してもＣＮＴは均一に分散されることを確認できるが、比較例１によれば、分散液を得るための超音波処理を行っても、１日経過後にはＣＮＴと分散液が分離して、容器内面に付着した凝集物が認められる結果になった。これらの結果によると、ＣＮＴを水性溶媒表面においてピレン化シクロデキストリンを架橋させて、重合体となったピレン化シクロデキストリンの状態にてコーティングされたＣＮＴとすると、水に対する分散性が向上することが理解できる。
下記の表１に示すように、実施例１によると、４日経過してもＣＮＴは均一に分散されることを確認できるが、比較例１によれば、分散液を得るための超音波処理を行っても、１日経過後にはＣＮＴと分散液が分離して、容器内面に付着した凝集物が認められる結果になった。これらの結果によると、ＣＮＴを水性溶媒表面においてピレン化シクロデキストリンを架橋させて、重合体となったピレン化シクロデキストリンの状態にてコーティングされたＣＮＴとすると、水に対する分散性が向上することが理解できる。
Claims (6)
- 架橋した下記式（１）で表される化合物により表面がコーティングされてなるナノカーボン材料。
Ａｒ‐Ｘ‐Ｙ‐Ｚ 式（１）
式中、Ａｒは、アントラセン、ピレン等の多環式芳香族炭化水素基であり、Ｘは、炭素数１〜２１の炭化水素基、又は直接結合を示し、ＹはＯ、ＮＨ、ＣＯＯ、ＣＯＮＨ、又は直接結合を示し、Ｚは置換されていてもよく互いに架橋したシクロデキストリンを示している。 - 前記Ａｒが、ピレン基である、請求項１記載のナノカーボン材料。
- 前記Ｘが、主鎖の炭素数が３のアルキル基である、請求項１又は２に記載のナノカーボン材料。
- 前記Ｙが、ＣＯＮＨである、請求項１〜３のいずれかに記載のナノカーボン材料。
- ナノカーボン表面上での架橋がエピクロロヒドリンを作用させて形成された架橋である請求項１記載のナノカーボン材料。
- 請求項１〜５のいずれかに記載のナノカーボン材料が分散媒に分散されてなるナノカーボン分散液。
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