JP5854379B2 - Nanofiber - Google Patents

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Description

本発明は、窒化ケイ素から成るナノファイバーに係わる。   The present invention relates to nanofibers made of silicon nitride.

耐熱性を有するナノファイバーとして、炭化ケイ素ナノファイバーや窒化ケイ素ナノファイバーが提案されている(例えば、特許文献1及び特許文献2参照)。
この炭化ケイ素ナノファイバーや窒化ケイ素ナノファイバーは、CVD法によって作製することができる。
Silicon carbide nanofibers and silicon nitride nanofibers have been proposed as nanofibers having heat resistance (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).
These silicon carbide nanofibers and silicon nitride nanofibers can be produced by a CVD method.

しかしながら、CVD法によって作製した炭化ケイ素ナノファイバーや窒化ケイ素ナノファイバーは、細く尖った針状となり、生体に及ぼす影響が懸念されたため、製品化が断念された。   However, the silicon carbide nanofibers and silicon nitride nanofibers produced by the CVD method have been formed into thin and sharp needles, and there has been concern about the effects on the living body, so the commercialization has been abandoned.

特開2004−360115号公報([0003])JP 2004-360115 A ([0003]) 特開平10−310500号公報JP 10-310500 A

近年、省エネルギー技術において高温に対する耐熱性を有する材料のニーズが高まっており、耐熱性を有するナノファイバーに対する期待が大きくなっている。
そこで、生体に影響を与えないような形態や、針状のナノファイバーが単離状態で存在しないようにする技術が望まれている。
In recent years, there is an increasing need for materials having heat resistance against high temperatures in energy saving technology, and expectations for nanofibers having heat resistance are increasing.
Therefore, there is a demand for a technique that does not affect the living body and a technique that prevents needle-shaped nanofibers from being present in an isolated state.

上述した問題の解決のために、本発明においては、耐熱性を有し、かつ、生体に影響を与えない構造を有するナノファイバーを提供するものである。   In order to solve the above-described problems, the present invention provides a nanofiber having a heat resistance and a structure that does not affect a living body.

本発明のナノファイバーは、窒化ケイ素から成り、直径(繊維径)が1nm〜100nmであり、ナノファイバーが2本に枝分かれするように分岐しており、さらに分岐したナノファイバーが分岐した先で別のナノファイバーとくっついていることにより網目状構造を有するものである。 The nanofiber of the present invention is made of silicon nitride, has a diameter (fiber diameter) of 1 nm to 100 nm, is branched so that the nanofiber is branched into two, and is further separated at the point where the branched nanofiber is branched. It has a network structure by adhering to the nanofiber .

上述の本発明のナノファイバーの構成によれば、ナノファイバーが窒化ケイ素から成るので、窒化ケイ素の融点(昇華)が1900℃と高温であることから、十分な耐熱性を有する。
また、ナノファイバーが2本に枝分かれするように分岐しており、さらに分岐したナノファイバーが分岐した先で別のナノファイバーとくっついていることにより、ナノファイバーが網目状構造を有するので、生体に影響を与えないようにすることが可能になる。
According to the above-described configuration of the nanofiber of the present invention, since the nanofiber is made of silicon nitride, the melting point (sublimation) of silicon nitride is as high as 1900 ° C., so that it has sufficient heat resistance.
In addition, the nanofibers are branched so as to be branched into two, and the branched nanofibers are attached to other nanofibers at the branch destination, so that the nanofibers have a network structure. It becomes possible not to affect.

上述の本発明によれば、耐熱性を有し、かつ、生体に影響を与えない構造を有するナノファイバーを実現することができる。
従って、本発明のナノファイバーを使用して、安全な耐熱材を構成することができる。
According to the above-described present invention, it is possible to realize a nanofiber having a structure that has heat resistance and does not affect a living body.
Therefore, a safe heat-resistant material can be constituted using the nanofiber of the present invention.

A〜C カーボンブラックの種類を変えた各試料の生成物のSEM写真である。It is a SEM photograph of the product of each sample which changed the kind of AC carbon black. 使用したカーボンブラック及び各試料反応生成物の細孔径の度数分布である。It is the frequency distribution of the pore diameter of the carbon black used and each sample reaction product. A〜C PMSQの混合比を変えた各試料の生成物のSEM写真である。It is a SEM photograph of the product of each sample which changed the mixture ratio of AC PMSQ. A〜C PMSQの混合比を変えた各試料の生成物のTEM写真である。It is the TEM photograph of the product of each sample which changed the mixing ratio of AC PMSQ. PMSQの混合比を変えた各試料の粉末X線回折の測定結果である。It is a measurement result of the powder X-ray diffraction of each sample which changed the mixing ratio of PMSQ. A〜C PMSQの混合比を変えた各試料の1本のナノファイバーを拡大したTEM写真である。It is the TEM photograph which expanded one nanofiber of each sample which changed the mixing ratio of AC PMSQ. A〜D 添加量50%の試料の網目状構造のナノファイバーのTEM写真である。AD is a TEM photograph of a nanofiber having a network structure of a sample with an addition amount of 50%. A〜C 添加量50%の試料の網目状構造のナノファイバーのTEM写真である。It is a TEM photograph of the nanofiber of the network structure of the sample of AC addition amount 50%. 添加量50%の試料の網目状構造のナノファイバーのTEM写真である。It is a TEM photograph of the nanofiber of the network structure of a sample with an addition amount of 50%. A、B 添加量10%の試料の生成物のSEM写真である。It is a SEM photograph of the product of the sample of A and B addition amount 10%. A、B 添加量20%の試料の生成物のSEM写真である。It is a SEM photograph of the product of the sample of A and B addition amount 20%. A、B 添加量30%の試料の生成物のSEM写真である。It is a SEM photograph of the product of the sample of A and B addition amount 30%. A、B 添加量40%の試料の生成物のSEM写真である。It is a SEM photograph of the product of the sample of A and B addition amount 40%. A、B 添加量50%の試料の生成物のSEM写真である。It is a SEM photograph of the product of the sample of A and B addition amount 50%. A、B 添加量60%の試料の生成物のSEM写真である。It is a SEM photograph of the product of the sample of A and B addition amount 60%. A、B 二段の反応セルの上段の生成物のSEM写真及びTEM写真である。A and B are an SEM photograph and a TEM photograph of the upper product of the two-stage reaction cell. 質量分析の結果の温度と重量変化との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the temperature of the result of mass spectrometry, and a weight change. 従来の炭化ケイ素ナノファイバーの写真である。It is a photograph of the conventional silicon carbide nanofiber.

以下、発明を実施するための最良の形態(以下、実施の形態とする)について説明する。
なお、説明は以下の順序で行う。
1.本発明の概要
2.実験
Hereinafter, the best mode for carrying out the invention (hereinafter referred to as an embodiment) will be described.
The description will be given in the following order.
1. 1. Outline of the present invention Experiment

<1.本発明の概要>
まず、本発明の概要を説明する。
耐熱性材料の一種として、炭化ケイ素ナノファイバーや窒化ケイ素ナノファイバーが提案されている。
しかしながら、前述したように、従来提案されている炭化ケイ素ナノファイバーや窒化ケイ素ナノファイバーは、細く尖った針状であることから、生体に及ぼす影響が懸念される。
<1. Summary of the present invention>
First, the outline of the present invention will be described.
Silicon carbide nanofibers and silicon nitride nanofibers have been proposed as a kind of heat resistant material.
However, as described above, the conventionally proposed silicon carbide nanofibers and silicon nitride nanofibers are thin and pointed needles, and there is a concern about the influence on the living body.

従来の炭化ケイ素ナノファイバーの写真を、図18に示す。
図18に示すように、微細な針状のナノファイバーが形成されているため、生体に影響を及ぼすと考えられる。
A photograph of a conventional silicon carbide nanofiber is shown in FIG.
As shown in FIG. 18, since fine needle-like nanofibers are formed, it is considered to affect the living body.

そこで、耐熱性を有し、かつ、生体に影響を与えない構造を有するナノファイバーを実現することを目的として、鋭意研究の結果、本発明に至った。
本発明は、窒化ケイ素から成る、網目状構造を有するナノファイバーを提供する。本発明のナノファイバーの直径(繊維径)は、1nm〜100nmの範囲内である。
本発明のナノファイバーの網目状構造は、ナノファイバーが2本に枝分かれするように分岐しており、さらに分岐した先でまた別のナノファイバーとの2本のナノファイバーがくっついていることにより、網目状となっている構造である。
Therefore, as a result of intensive studies aimed at realizing a nanofiber having a heat resistance and a structure that does not affect the living body, the present invention has been achieved.
The present invention provides a nanofiber having a network structure made of silicon nitride. The diameter (fiber diameter) of the nanofiber of the present invention is in the range of 1 nm to 100 nm.
The network structure of the nanofiber of the present invention is branched so that the nanofiber branches into two, and further, the two nanofibers with another nanofiber are attached at the branched end, It is a net-like structure.

上述の本発明のナノファイバーの構成によれば、ナノファイバーが窒化ケイ素から成るので、窒化ケイ素の融点(昇華)が1900℃と高温であることから、十分な耐熱性を有する。
また、ナノファイバーが網目状構造を有するので、生体に影響を与えないようにすることが可能になる。
従って、本発明のナノファイバーを使用して、安全な耐熱材を構成することができる。
According to the above-described configuration of the nanofiber of the present invention, since the nanofiber is made of silicon nitride, the melting point (sublimation) of silicon nitride is as high as 1900 ° C., so that it has sufficient heat resistance.
In addition, since the nanofiber has a network structure, it is possible to prevent the living body from being affected.
Therefore, a safe heat-resistant material can be constituted using the nanofiber of the present invention.

そして、本発明のナノファイバーは、網目状構造を有するので、例えば、網目の開口の大きさを制御することができれば、開口を通過する物質と通過しない物質とを分離する、耐熱性フィルターを構成することが可能になる。
本発明のナノファイバーの直径(繊維径)は、試料中10視野を観察し、90〜150本の繊維を抽出し直径を測定した結果、1nm〜100nmの範囲を有していた。
And since the nanofiber of the present invention has a network structure, for example, if the size of the opening of the network can be controlled, a heat-resistant filter that separates a substance that passes through the opening and a substance that does not pass through the opening is configured. It becomes possible to do.
The diameter (fiber diameter) of the nanofiber of the present invention was in the range of 1 nm to 100 nm as a result of observing 10 visual fields in the sample, extracting 90 to 150 fibers, and measuring the diameter.

本発明のナノファイバーは、例えば、以下のようにして製造することができる。
まず、カーボンブラックと、ケイ素を含む化合物(以下、「ケイ素系化合物」と呼ぶ)を混合して、カーボンブラックにケイ素系化合物を含浸させる。
カーボンブラックとしては、詳細を後述するように、半径(細孔径)が30nm以上の細孔が多いものが好ましい。
ケイ素系化合物としては、ケイ素を含有する有機化合物を使用することが好ましく、例えば、ポリメチルシルセスキオキサン(PMSQ)を使用することができる。
カーボンブラックとケイ素系化合物とを混合する際には、必要に応じて、ケイ素系化合物を溶媒に溶解又は分散させる溶媒を使用する。そして、カーボンブラックと混合してカーボンブラックにケイ素系化合物を含浸させた後に、溶媒を加熱除去する。
The nanofiber of the present invention can be produced, for example, as follows.
First, carbon black and a compound containing silicon (hereinafter referred to as “silicon compound”) are mixed, and carbon black is impregnated with the silicon compound.
As the carbon black, those having many pores having a radius (pore diameter) of 30 nm or more are preferable, as will be described in detail later.
As the silicon-based compound, an organic compound containing silicon is preferably used. For example, polymethylsilsesquioxane (PMSQ) can be used.
When mixing carbon black and a silicon compound, a solvent that dissolves or disperses the silicon compound in a solvent is used as necessary. Then, after mixing with carbon black and impregnating carbon black with a silicon-based compound, the solvent is removed by heating.

そして、窒素雰囲気中で、ケイ素系化合物を含浸させたカーボンブラックを熱処理することにより、窒素とケイ素とを反応させて、窒化ケイ素から成るナノファイバーを形成することができる。
熱処理の温度は、使用するケイ素系化合物にもよるが、例えば、前述したポリメチルシルセスキオキサン(PMSQ)を使用する場合、1000〜1300℃とする。
Then, by heating the carbon black impregnated with the silicon compound in a nitrogen atmosphere, nitrogen and silicon can be reacted to form nanofibers made of silicon nitride.
Although the temperature of heat processing is based also on the silicon type compound to be used, when using the polymethylsilsesquioxane (PMSQ) mentioned above, it shall be 1000-1300 degreeC, for example.

カーボンブラックとケイ素系化合物との混合量は、使用するケイ素系化合物にもよるが、例えば、前述したポリメチルシルセスキオキサン(PMSQ)を使用する場合、全体に対するPMSQの量(質量比)を50%〜60%とすることが望ましい。   The mixing amount of carbon black and silicon compound depends on the silicon compound to be used. For example, when polymethylsilsesquioxane (PMSQ) is used, the amount (mass ratio) of PMSQ with respect to the whole is used. 50% to 60% is desirable.

なお、上述のようにして、ナノファイバーを製造した場合、窒化ケイ素から成るナノファイバーが生成すると共に、カーボンブラックが残る。
この残ったカーボンブラックは、例えば空気中等の酸化雰囲気、もしくは水素中等の還元雰囲気下で反応させることにより、分解除去させることが可能である。
When nanofibers are manufactured as described above, nanofibers made of silicon nitride are generated and carbon black remains.
The remaining carbon black can be decomposed and removed by reacting in an oxidizing atmosphere such as air or a reducing atmosphere such as hydrogen.

<2.実験>
実際に各種の作製条件を変えて、本発明のナノファイバーが形成されるための作製条件について調べた。
<2. Experiment>
Various production conditions were actually changed, and production conditions for forming the nanofiber of the present invention were examined.

(実験1:カーボンブラックの特性の生成物への影響)
カーボンブラックの特性を変えて、生成物を調べた。具体的には、以下のようにして、反応を行った。
まず、ポリメチルシルセスキオキサン(PMSQ)1gを、100mlのエタノールに溶解させた。
次に、ポリメチルシルセスキオキサン(PMSQ)とカーボンブラック(CB)との混合比が、PMSQ50%−CB50%(質量比)となるように、カーボンブラックを投入して、マグネチックスターラーにより攪拌した。このようにして、カーボンブラックにPMSQを含浸させた。
その後、80℃に設定した湯浴上で、ロータリーエバポレーターにより溶媒を留去し、得られた固形物を80℃に加熱したオーブン中で終夜乾燥した。
続いて、赤外線高温加熱炉(MR39−H/D、ULVAC製)を用いて、窒素雰囲気中、1200℃で2時間熱処理を行った。なお、昇温速度は10℃/分とした。
このようにして、反応を行って、生成物を調べた。
(Experiment 1: Effect of carbon black properties on the product)
The product was examined by changing the properties of carbon black. Specifically, the reaction was performed as follows.
First, 1 g of polymethylsilsesquioxane (PMSQ) was dissolved in 100 ml of ethanol.
Next, carbon black was added so that the mixing ratio of polymethylsilsesquioxane (PMSQ) and carbon black (CB) would be PMSQ50% -CB50% (mass ratio), and stirred by a magnetic stirrer. did. In this way, carbon black was impregnated with PMSQ.
Thereafter, the solvent was removed by a rotary evaporator on a hot water bath set at 80 ° C., and the obtained solid was dried in an oven heated to 80 ° C. overnight.
Subsequently, heat treatment was performed at 1200 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere using an infrared high-temperature heating furnace (MR39-H / D, manufactured by ULVAC). The temperature rising rate was 10 ° C./min.
In this way, the reaction was carried out and the product was examined.

カーボンブラックとしては、特性の異なる3種類のカーボンブラック(いずれも東海カーボン製)を使用した。
以下、使用した3種類のカーボンブラックを、CB1,CB2,CB3と呼ぶこととする。カーボンブラックCB1,CB2,CB3の特性をまとめて、表1に示す。
As carbon black, three types of carbon black (all made by Tokai Carbon) with different characteristics were used.
Hereinafter, the three types of carbon black used are referred to as CB1, CB2, and CB3. Table 1 summarizes the characteristics of the carbon blacks CB1, CB2, and CB3.

表1において、DBP吸油量は、DBP(ジブチルフタレート)を使用して測定した吸油量である。メソ孔は直径2nm〜50nmとし、ミクロ孔は直径2nm未満とした。
なお、DBP(ジブチルフタレート)の化学構造は、下記の通りである。
In Table 1, the DBP oil absorption is an oil absorption measured using DBP (dibutyl phthalate). Mesopores were 2 nm to 50 nm in diameter, and micropores were less than 2 nm in diameter.
The chemical structure of DBP (dibutyl phthalate) is as follows.

CB1は、標準的なカーボンブラックである。
CB2は、DBP吸油量はCB1と同程度であるが、BET比表面積がCB1よりも小さい。
CB3は、BET比表面積はCB1と同程度であるが、DBP吸油量がCB1よりも小さい。
ミクロ孔の量が多いと、BET比表面積は大きくなる。CB2はBET比表面積が小さく、メソ孔容積及びミクロ孔容積が、CB1やCB3よりも小さくなっている。
DBP吸油量は、カーボンブラックのストラクチャと正の相関がある。
即ち、CB2は、ストラクチャはCB1と同程度であるが、細孔が少なくなっている。CB3は、CB1よりもストラクチャが小さくなっている。
CB1 is standard carbon black.
CB2 has the same amount of DBP oil absorption as CB1, but its BET specific surface area is smaller than CB1.
CB3 has the same BET specific surface area as CB1, but the DBP oil absorption is smaller than CB1.
When the amount of micropores is large, the BET specific surface area becomes large. CB2 has a small BET specific surface area, and its mesopore volume and micropore volume are smaller than those of CB1 and CB3.
The DBP oil absorption has a positive correlation with the structure of carbon black.
That is, CB2 has the same structure as CB1, but has fewer pores. CB3 has a smaller structure than CB1.

それぞれの窒素雰囲気中で反応させた試料を、SEM(走査型電子顕微鏡)で観察した。得られた写真を、図1A〜図1Cに示す。
図1AはCB1を使用した場合を示し、図1BはCB2を使用した場合を示し、図1CはCB3を使用した場合を示す。
The sample reacted in each nitrogen atmosphere was observed with SEM (scanning electron microscope). The obtained photograph is shown to FIG. 1A-FIG. 1C.
1A shows a case where CB1 is used, FIG. 1B shows a case where CB2 is used, and FIG. 1C shows a case where CB3 is used.

CB1を使用した場合には、図1Aに示すように、網目状のナノファイバーが形成されている。
CB2を使用した場合には、図1Bに示すように、凝集体の内部にナノファイバーが形成されている。
CB3を使用した場合には、図1Cに示すように、塊状のカーボンブラックの間に、窒化ケイ素の六角柱状結晶が形成されている。
When CB1 is used, network-like nanofibers are formed as shown in FIG. 1A.
When CB2 is used, nanofibers are formed inside the aggregate as shown in FIG. 1B.
When CB3 is used, as shown in FIG. 1C, hexagonal columnar crystals of silicon nitride are formed between massive carbon blacks.

また、それぞれのカーボンブラック単体(CB1,CB2,CB3)と、PMSQとカーボンブラックとを50%ずつ混合した後窒素雰囲気中で反応させた試料(50%−CB1,50%−CB2,50%−CB3)について、細孔径の度数分布を測定した。
測定結果を、図2に示す。図2の横軸は、細孔径(半径)rを示し、縦軸は体積分布で各細孔径毎の度数分布を示している。
In addition, each carbon black simple substance (CB1, CB2, CB3), PMSQ and carbon black were mixed 50% each and then reacted in a nitrogen atmosphere (50% -CB1, 50% -CB2, 50%- For CB3), the frequency distribution of the pore diameter was measured.
The measurement results are shown in FIG. The horizontal axis of FIG. 2 shows the pore size (radius) r p, the vertical axis represents the frequency distribution of each pore each diameter in volume distribution.

ここで、図2において、特に30nm以上の細孔に注目する。
図2より、CB2は、30nm以上の細孔がCB1よりも減少している。CB3は、30nm以上の細孔がCB1よりも大幅に少なくなっている。
また、PMSQと混合して窒素雰囲気中で反応させた試料では、CB1とCB2については原料のカーボンブラックと似た特徴を示しているが、CB3では、元のカーボンブラックCB3と比較して、メソ孔が大幅に減少している。
Here, in FIG. 2, attention is particularly paid to pores of 30 nm or more.
From FIG. 2, CB2 has pores of 30 nm or more smaller than CB1. CB3 has significantly fewer pores of 30 nm or more than CB1.
The sample mixed with PMSQ and reacted in a nitrogen atmosphere shows characteristics similar to those of the raw material carbon black for CB1 and CB2. However, CB3 has a mesomorphic property compared to the original carbon black CB3. The pores are greatly reduced.

以上の結果から、カーボンブラックのストラクチャや細孔の量により生成物が変わり、特に、半径(細孔径)30nm以上の細孔の分布が生成物の形状を支配していると考えられる。
半径(細孔径)30nm以上の細孔の割合が多いと、網目状のナノファイバーが形成される。
また、半径(細孔径)30nm以上の細孔の割合の減少に伴い、ナノファイバーが内部に形成されるようになり、ほとんどなくなると、カーボンブラックの表面で窒化ケイ素の結晶が形成される。
From the above results, the product varies depending on the structure of carbon black and the amount of pores, and in particular, the distribution of pores having a radius (pore diameter) of 30 nm or more is considered to dominate the shape of the product.
When the ratio of pores having a radius (pore diameter) of 30 nm or more is large, mesh-like nanofibers are formed.
Further, as the proportion of pores having a radius (pore diameter) of 30 nm or more is reduced, nanofibers are formed inside, and when almost no, a silicon nitride crystal is formed on the surface of carbon black.

なお、以上の結果を考慮すると、カーボンブラック以外の炭素系材料でも、半径(細孔径)30nm以上の細孔の量が十分にあれば、窒化ケイ素ナノファイバーを生成する可能性があると考えられる。   In consideration of the above results, it is considered that even a carbon-based material other than carbon black may generate silicon nitride nanofibers if the amount of pores having a radius (pore diameter) of 30 nm or more is sufficient. .

(実験2:混合比の生成物への影響1)
次に、使用するカーボンブラックはCB1として、PMSQの混合比(全体に対するPMSQの割合)を、50%,67%,80%と変えて、それぞれ窒素雰囲気中、1200℃で反応を行って、生成物を調べた。
(Experiment 2: Effect of mixing ratio on product 1)
Next, the carbon black to be used is CB1, and the PMSQ mixing ratio (ratio of PMSQ to the whole) is changed to 50%, 67%, and 80%, respectively, and the reaction is performed at 1200 ° C. in a nitrogen atmosphere. I checked things.

それぞれの生成物の走査型電子顕微鏡(SEM)による写真を、図3A〜図3Cに示す。
図3AはPMSQが50%の場合を示し、図3BはPMSQが67%の場合を示し、図3CはPMSQが80%の場合を示す。
また、それぞれの生成物の透過型電子顕微鏡(TEM)による写真を、図4A〜図4Cに示す。
図4AはPMSQが50%の場合を示し、図4BはPMSQが67%の場合を示し、図4CはPMSQが80%の場合を示す。
The scanning electron microscope (SEM) photograph of each product is shown to FIG. 3A-FIG. 3C.
3A shows a case where PMSQ is 50%, FIG. 3B shows a case where PMSQ is 67%, and FIG. 3C shows a case where PMSQ is 80%.
Moreover, the photograph by the transmission electron microscope (TEM) of each product is shown to FIG. 4A-FIG. 4C.
4A shows a case where PMSQ is 50%, FIG. 4B shows a case where PMSQ is 67%, and FIG. 4C shows a case where PMSQ is 80%.

PMSQ添加量が50%の場合には、網目状構造のナノファイバーが形成される。そして、ナノファイバーの形態は、PMSQ添加量の増加に伴い、網目状構造から直線的構造へと変化していく。80%添加したときには、ナノファイバー以外に、カーボンブラックをコートしたものも形成される。
図4Aと図4Bを比較してわかるように、網目状構造のナノファイバーと、直線的構造のナノファイバーとは、直径が異なり、直線的構造のナノファイバーよりも、網目状ナノファイバーの方が細くなっている。
そこで、TEMによる写真を用いて、PMSQが50%と67%の各試料中10視野を観察し、90〜150本の繊維を抽出し直径を測定した。
測定した結果、50%の試料は、1nm〜100nmの範囲を有し、平均23nmであった。また、67%の試料は、10nm〜300nmの範囲を有し、平均62nmであった。
When the amount of PMSQ added is 50%, a nanofiber having a network structure is formed. And the form of a nanofiber changes from a network structure to a linear structure with the increase in PMSQ addition amount. When 80% is added, in addition to nanofibers, those coated with carbon black are also formed.
As can be seen by comparing FIG. 4A and FIG. 4B, the nanofibers having a network structure and the nanofibers having a linear structure have different diameters, and the network nanofibers are more than the nanofibers having a linear structure. It is getting thinner.
Therefore, using TEM photographs, 10 visual fields were observed in each sample having PMSQ of 50% and 67%, 90 to 150 fibers were extracted, and the diameter was measured.
As a result of the measurement, 50% of the samples had a range of 1 nm to 100 nm and averaged 23 nm. In addition, 67% of the samples had a range of 10 nm to 300 nm and averaged 62 nm.

また、それぞれの添加量の試料の粉末X線回折測定(JIS1640に準じる)を行った。測定結果を、図5に示す。図5には、比較対照として、Siの結晶の測定結果も示している(標準データを使用)。
図5より、いずれの添加量でも、Siの結晶と一致するピークが見られる。このことから、雰囲気の窒素とPMSQのケイ素とから、窒化ケイ素が生成していると考えられる。
また、PMSQの添加量によって、結晶性が異なることがわかる。添加量67%の場合、比較的結晶性が高いが、添加量50%と添加量80%では結晶性が低くなっている。
なお、2θ=39°のピークを用いて結晶子径を算出したところ、どの試料も700Å前後で大きな差が見られなかった。
Further, powder X-ray diffraction measurement (according to JIS 1640) of each added amount of the sample was performed. The measurement results are shown in FIG. FIG. 5 also shows the measurement results of Si 3 N 4 crystals as a comparative control (using standard data).
From FIG. 5, a peak consistent with the crystal of Si 3 N 4 can be seen at any addition amount. From this, it is considered that silicon nitride is produced from nitrogen in the atmosphere and silicon of PMSQ.
Moreover, it turns out that crystallinity changes with the addition amount of PMSQ. When the addition amount is 67%, the crystallinity is relatively high, but when the addition amount is 50% and the addition amount is 80%, the crystallinity is low.
When the crystallite diameter was calculated using the peak at 2θ = 39 °, no significant difference was observed at around 700 mm for any sample.

さらに、それぞれの添加量の試料の1本のナノファイバーを拡大した、透過型電子顕微鏡(TEM)による写真を、図6A〜図6Cに示す。
図6AはPMSQが50%の場合を示し、図6BはPMSQが67%の場合を示し、図6CはPMSQが80%の場合を示す。
図6Bの67%の場合、結晶質を示す干渉縞が観察された。一方、図6Aの50%の場合及び図6Cの80%の場合は、無定形であった。
Furthermore, the photograph by the transmission electron microscope (TEM) which expanded one nanofiber of the sample of each addition amount is shown to FIG. 6A-FIG. 6C.
6A shows a case where PMSQ is 50%, FIG. 6B shows a case where PMSQ is 67%, and FIG. 6C shows a case where PMSQ is 80%.
In the case of 67% in FIG. 6B, interference fringes indicating crystalline were observed. On the other hand, the case of 50% in FIG. 6A and the case of 80% in FIG. 6C were amorphous.

さらに、添加量50%の試料の網目状構造のナノファイバーの透過型電子顕微鏡(TEM)による写真を、図7A〜図7D、図8A〜図8C、図9に示す。
図7Bは、図7Aの長方形で囲った部分の拡大図を示し、図7Dは、図7Cの長方形で囲った部分の拡大図を示す。
図8Bは、図8Aの長方形で囲った部分の拡大図を示し、図8Cは、図8Bの長方形で囲った部分の拡大図を示す。
Furthermore, the photograph by the transmission electron microscope (TEM) of the nanofiber of the network structure of the sample of addition amount 50% is shown to FIG. 7A-7D, FIG. 8A-8C, and FIG.
FIG. 7B shows an enlarged view of the part enclosed by the rectangle in FIG. 7A, and FIG. 7D shows an enlarged view of the part enclosed by the rectangle in FIG. 7C.
8B shows an enlarged view of a portion surrounded by a rectangle in FIG. 8A, and FIG. 8C shows an enlarged view of a portion surrounded by the rectangle in FIG. 8B.

これらのTEM写真の拡大図から、網目状のナノファイバーの分岐点では、複数本のナノファイバーが重なっているのではなく、1本のナノファイバーから2本に枝分かれしていると考えられる。
例えば、図7Dでは、1本のナノファイバーから上方に枝分かれした2本のナノファイバーが、分岐点付近で一部重なっている。即ち、別々の2本のナノファイバーが上下に重なっている状態ではないことがわかる。
From the enlarged views of these TEM photographs, it is considered that a plurality of nanofibers do not overlap at the branching point of the mesh-like nanofibers, but branch from one nanofiber into two.
For example, in FIG. 7D, two nanofibers branched upward from one nanofiber partially overlap in the vicinity of the branch point. That is, it can be seen that the two separate nanofibers are not in a state of overlapping each other.

(実験3:混合比の生成物への影響2)
次に、網目状構造のナノファイバーが生成される、PMSQとカーボンブラックとの混合比の範囲を調べるために、混合比を変えて反応を行い、生成物を調べた。
CB1へのPMSQの混合比(全体に対するPMSQの割合)を、10%,20%,30%,40%,50%,60%と変えて、それぞれ窒素雰囲気中、1200℃で反応を行って、生成物を調べた。
(Experiment 3: Effect of mixing ratio on product 2)
Next, in order to investigate the range of the mixing ratio of PMSQ and carbon black in which a nanofiber having a network structure was produced, the reaction was performed while changing the mixing ratio, and the product was examined.
The mixture ratio of PMSQ to CB1 (ratio of PMSQ with respect to the whole) was changed to 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, respectively, and the reaction was performed at 1200 ° C. in a nitrogen atmosphere, The product was examined.

それぞれの生成物の走査型電子顕微鏡(SEM)による写真を、図10〜図15に示す。
図10A及び図10BはPMSQが10%の場合を示し、図11A及び図11BはPMSQが20%の場合を示し、図12A及び図12BはPMSQが30%の場合を示し、図13A及び図13BはPMSQが40%の場合を示し、図14A及び図14BはPMSQが50%の場合を示し、図15A及び図15BはPMSQが60%の場合を示す。
A photograph of each product by a scanning electron microscope (SEM) is shown in FIGS.
10A and 10B show the case where the PMSQ is 10%, FIGS. 11A and 11B show the case where the PMSQ is 20%, FIGS. 12A and 12B show the case where the PMSQ is 30%, and FIGS. Indicates a case where PMSQ is 40%, FIGS. 14A and 14B show a case where PMSQ is 50%, and FIGS. 15A and 15B show a case where PMSQ is 60%.

図10A及び図10Bより、PMSQ10%の場合、ほぼナノファイバーの生成がない。
図11A及び図11Bより、PMSQ20%の場合、少量のナノファイバーが生成している。また、その他六角柱構造が見られる。
図12A及び図12Bより、PMSQ30%の場合、局所的にナノファイバーが生成している。
図13A及び図13Bより、PMSQ40%の場合、局所的にナノファイバーが生成している。30%の場合よりもナノファイバーが多い。
図14A及び図14Bより、PMSQ50%の場合、全体的にナノファイバーが生成している。
図15A及び図15Bより、PMSQ60%の場合、全体的にナノファイバーが生成している。一部直線的に遷移しつつあるような形状のナノファイバーが見られる。
From FIG. 10A and FIG. 10B, in the case of PMSQ 10%, there is almost no formation of nanofibers.
From FIG. 11A and FIG. 11B, in the case of PMSQ 20%, a small amount of nanofibers are generated. In addition, other hexagonal column structures can be seen.
From FIG. 12A and FIG. 12B, in the case of PMSQ 30%, nanofibers are locally generated.
From FIG. 13A and FIG. 13B, when PMSQ is 40%, nanofibers are locally generated. There are more nanofibers than 30%.
From FIG. 14A and FIG. 14B, in the case of PMSQ 50%, nanofibers are generated as a whole.
From FIG. 15A and FIG. 15B, in the case of PMSQ 60%, nanofibers are generated as a whole. Some nanofibers can be seen that are partially transitioning linearly.

これらの結果をまとめると、PMSQが10〜40%の場合には、ナノファイバーが生成しない、またあったとしても、網目状構造を取るほどには成長していない。
また、PMSQが50〜60%の場合には、カーボンブラック表面を覆う網目状のナノファイバーの形成が見られる。
PMSQが67%以上では、前述した80%の場合と同様に、剛直なナノファイバーへと変化している。
従って、網目状構造のナノファイバーが生成する、PMSQの添加量の範囲は、50〜60%と非常に狭い範囲である。
When these results are put together, when PMSQ is 10 to 40%, nanofibers are not formed, and even if they do not grow to take a network structure.
Moreover, when PMSQ is 50 to 60%, formation of a network-like nanofiber covering the carbon black surface is observed.
When the PMSQ is 67% or more, it is changed to a rigid nanofiber as in the case of 80% described above.
Therefore, the range of the amount of PMSQ added that the nanofibers having a network structure are generated is a very narrow range of 50 to 60%.

(実験4:反応機構の検討)
本発明のナノファイバーは、窒化ケイ素から成り、PMSQのケイ素と雰囲気の窒素とが反応して生成していることから、このナノファイバーが生成される反応は、気相反応であると考えられる。
そこで、ナノファイバーが生成される反応機構を調べるための実験を行った。
(Experiment 4: Investigation of reaction mechanism)
The nanofibers of the present invention are made of silicon nitride, and are produced by the reaction of PMSQ silicon and the nitrogen in the atmosphere. Therefore, the reaction for producing the nanofibers is considered to be a gas phase reaction.
Therefore, an experiment was conducted to investigate the reaction mechanism of nanofiber formation.

反応セルを二段に分けて、下段は、石英セル内に、PMSQを担持したカーボンブラックCB1(PMSQ添加量80%)を収容した。
この石英セルの上を石英メッシュで覆って、石英メッシュ上に石英管を載置して、上段の反応セルとした。
そして、上段の石英管内に未担持のカーボンブラックCB1を収容した。
このようにして作製した、二段の反応セルに対して、窒素雰囲気中で熱処理を行った。
その結果、上段の反応セルにおいて、ナノファイバーが生成した。
The reaction cell was divided into two stages, and the lower stage accommodated carbon black CB1 (PMSQ addition amount 80%) carrying PMSQ in a quartz cell.
This quartz cell was covered with a quartz mesh, and a quartz tube was placed on the quartz mesh to obtain an upper reaction cell.
And unsupported carbon black CB1 was accommodated in the upper quartz tube.
The two-stage reaction cell thus produced was heat-treated in a nitrogen atmosphere.
As a result, nanofibers were produced in the upper reaction cell.

上段の反応セルの生成物の走査型電子顕微鏡(SEM)及び透過型電子顕微鏡(TEM)による写真を、それぞれ図16A及び図16Bに示す。
図16A及び図16Bから、カーボンブラックの塊の他に、ナノファイバーが生成していることがわかる。
即ち、PMSQから遊離したケイ素成分が石英メッシュを通過して、カーボンブラックのみが収容された上段においても、遊離したケイ素と雰囲気の窒素とから窒化ケイ素ナノファイバーが生成したことがわかる。
この結果から、気相成分の移動がナノファイバーの形成に関与していることがわかる。
16A and 16B show photographs taken by a scanning electron microscope (SEM) and a transmission electron microscope (TEM) of the product in the upper reaction cell, respectively.
From FIG. 16A and FIG. 16B, it turns out that the nanofiber is producing | generating other than the lump of carbon black.
That is, it can be seen that silicon nitride nanofibers were produced from the free silicon and nitrogen in the atmosphere even in the upper stage where the silicon component liberated from PMSQ passed through the quartz mesh and only carbon black was accommodated.
From this result, it can be seen that the movement of the gas phase component is involved in the formation of nanofibers.

また、同じくPMSQの添加量を80%とした試料について、質量分析を行った。
質量分析の結果として、温度と重量変化(%)との関係を、図17に示す。
Similarly, mass spectrometry was performed on a sample in which the amount of PMSQ added was 80%.
FIG. 17 shows the relationship between temperature and weight change (%) as a result of mass spectrometry.

図17中、分子量44に相当する質量減少はSiO(酸化シリコン)による質量減少であり、分子量16に相当する質量減少はCHによる質量減少であると考えられる。
質量分析の結果、PMSQよりSiO(300〜1000℃)とCH(620〜940℃)の生成が認められた。
SiOの原料となるSiOは、300〜1000℃の間でPMSQより生成する。一方、CHは620〜940℃で生成する。
また、前述した、空間的に隔離した二段セルを用いた実験より、気相成分の輸送が重要であることが判明した。
以上の結果から、還元窒化法のメカニズムで、SiOナノファイバーが形成され、さらにCHが還元剤として働いて、Siを形成すると考えられる。
In FIG. 17, it is considered that the mass reduction corresponding to the molecular weight 44 is a mass reduction due to SiO (silicon oxide), and the mass reduction corresponding to the molecular weight 16 is a mass reduction due to CH 4 .
As a result of mass spectrometry, generation of SiO (300 to 1000 ° C.) and CH 4 (620 to 940 ° C.) was observed from PMSQ.
SiO which is a raw material of SiO 2 is generated from PMSQ between 300-1000 ° C. On the other hand, CH 4 is produced at 620 to 940 ° C.
Moreover, it was found from the above-described experiment using a spatially isolated two-stage cell that the transport of gas phase components is important.
From the above results, it is considered that SiO 2 nanofibers are formed by the mechanism of the reductive nitriding method, and further CH 4 works as a reducing agent to form Si 3 N 4 .

本発明は、上述の実験例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。   The present invention is not limited to the experimental examples described above, and various other configurations can be employed without departing from the gist of the present invention.

以上の通り、本発明に係るナノファイバーは、生体へ影響が少ない耐熱性材料として、産業上の利用可能性がある。   As described above, the nanofiber according to the present invention has industrial applicability as a heat-resistant material having little influence on a living body.

Claims (1)

窒化ケイ素から成り、直径(繊維径)が1nm〜100nmであり、ナノファイバーが2本に枝分かれするように分岐しており、さらに分岐したナノファイバーが分岐した先で別のナノファイバーとくっついていることにより網目状構造を有する
ナノファイバー。
It is made of silicon nitride, has a diameter (fiber diameter) of 1 nm to 100 nm, is branched so that the nanofiber is branched into two, and the branched nanofiber is attached to another nanofiber at the branch destination. nanofibers having a network structure by.
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