JP4386061B2 - 固形複合材料及びその製造方法 - Google Patents
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Description
そこで、金属炭酸塩と無機材料及び/又は有機材料とを組み合わせることにより,優れた強度を有すると共に、靱性にも優れた複合材料の開発が期待されている。
また、有機マトリックスを表面に被覆した基材と、炭酸塩原料及び有機高分子を含有する原料液とを圧力容器内に配置し、該圧力容器内にCO2ガスを導入することにより、有機マトリックス上に炭酸塩膜を析出させる方法が提案されている(特許文献1参照)。
水中でゲル化する親水性の非イオン性ポリマーと、水中でCaイオン、Mgイオン、Feイオン、Cuイオン、Coイオン、Mnイオン、及びNiイオンから選ばれる1種以上の金属イオンを供給する金属イオン源とを水中で混合することにより、混合液を作製する混合工程と、
上記混合液中の上記非イオン性ポリマーをゲル化させることにより、該非イオン性ポリマーゲルからなる有機マトリックスに上記金属イオンが分散されたゲル溶媒を作製するゲル化工程と、
上記ゲル溶媒に、水中で炭酸イオンを供給する炭酸源を加えて上記有機マトリックス中で金属炭酸塩の結晶からなる上記微粒子を析出させることにより、上記有機マトリックス中に平均粒径30nm以下の上記微粒子が分散された上記固形複合材料を作製する反応析出工程とを有し、
上記金属イオン源としては、上記金属イオンの酢酸塩、塩化物(塩酸塩)、硝酸塩、カルボン酸塩、硫酸塩、金属アルコキシド、金属アセチルアセトナート、又はその誘導体を採用することを特徴とする固形複合材料の製造方法にある(請求項1)。
上記混合工程においては、水中でゲル化する親水性の非イオン性ポリマーと、水中でCaイオン、Mgイオン、Feイオン、Cuイオン、Coイオン、Mnイオン、及びNiイオンから選ばれる1種以上の金属イオンを供給する金属イオン源とを水中で混合することにより、混合液を作製する。上記混合工程においては、親水性の上記非イオン性ポリマーを用いているため、該非イオン性ポリマーと上記金属イオンとが均一に分散した上記混合液を得ることができる。
このようにして、上記第1の発明によれば、非イオン性ポリマーからなる有機高分子が集合してなる有機マトリックス中に、金属炭酸塩の結晶からなる平均粒径30nm以下の上記微粒子が分散された上記固形複合材料を得ることができる。
該固形複合材料において、上記微粒子は平均粒径30nm以下で分散されており、
上記有機高分子は、親水性の非イオン性ポリマーからなると共に、上記微粒子間に分散されていることを特徴とする固形複合材料にある(請求項7)。
上記固形複合材料においては、上記有機マトリックス中に上記微粒子が平均粒径30nm以下で分散されている。上記固形複合材料は、粒径30nmを超える上記微粒子を部分的に含んでいてもよいが、この場合においても平均粒径は30nm以下である。
上記微粒子の平均粒径は、例えばX線回折法により測定することができる。具体的には、例えばX線回折を行って得られる上記固形複合材料のX線回折パターンにおいて、金属炭酸塩のピークの半値幅から算出することができる。
この場合には、上記ゲル化工程で上記非イオン性ポリマーを簡単にゲル化させることができる。また、金属イオンの存在下においても塩析による上記非イオン性ポリマーの凝集をより一層防止することができる。その結果、所望の形状の複合材料を得ることができる。
上記非イオン性ポリマーとしては、具体的には、ポリエチレンオキシド、ポリアルクリアミド、ポリエチレングリコール、及びポリプロピレンオキシド等から選ばれる1種以上を用いることができる。また、ポリビニルメチルエーテル及び/又はポリセルロースエーテル等を用いることもできる。
上記混合工程において、上記金属イオン源としては、例えばCa、Mg、Fe、Cu、Co、Mn、及びNiから選ばれる1種以上の金属の塩を用いることができる。これらの塩としては、例えば酢酸塩、塩化物(塩酸塩)、硝酸塩、カルボン酸塩、硫酸塩、金属アルコキシド、金属アセチルアセトナート、及びその誘導体等を用いることできる。このような塩を用いることにより、上記混合工程において、金属イオンを簡単に供給することができる。
この場合には、上記有機マトリックス中に炭酸カルシウムの結晶からなる微粒子が分散された上記固形複合材料を製造することができる。そしてこの場合には、硬さと靱性とをより高いレベルで兼ね備えた固形複合材料を得ることができる。
この場合には、上記混合工程において、上記カルシウム塩を水に混合することにより、簡単にカルシウムイオンを供給することができる。
上記炭酸源としては、水中で炭酸イオンを生成する物質を用いることができる。具体的には、例えば炭酸塩、及びCO2ガス等を用いることができる。炭酸塩としては、例えば炭酸ナトリウム、炭酸リチウム、及び炭酸カリウム等を用いることができる。
この場合には、副生成物の発生を防止しつつ、金属炭酸塩を析出させることができる。
この場合には、所望の形状の上記固形複合材料を作製することができる。上記ゲル溶媒の成形は、例えば所望の形状の成形型内で、上記ゲル化工程及び/又は上記反応析出工程を行うことにより実現できる。
この場合には、上記固形複合材料の硬さ及び靱性をより向上させることができる。
上記微粒子同士の平均間隔が30nmを越える場合には、上記固形複合材料の硬度が低下するおそれがある。上記微粒子同士の平均間隔は、例えば透過型電子顕微鏡によって観察することにより測定することができる。
上記微粒子の含有量が20wt%未満の場合には、上記固形複合材料の硬度が低下するおそれがある。一方、99wt%を超える場合には、靱性が低下するおそれがある。より好ましくは、上記微粒子の含有量は40wt%〜95wt%がよい。
次に、本発明の実施例につき、図1及び図2を用いて説明する。
本例においては、図1及び図2に示すごとく、固形複合材料として、瓶2のキャップ1を作製する。固形複合材料1は、有機高分子が集合してなる有機マトリックス中に炭酸カルシウムの結晶からなる微粒子が分散されてなる。固形複合材料1において、微粒子は平均粒径30nm以下で分散されている。また、固形複合材料1において、有機高分子は、親水性の非イオン性ポリマーからなると共に、微粒子間に分散されている。
混合工程においては、水中でゲル化する親水性の非イオン性ポリマーと、水中でカルシウムイオンを供給するカルシウムイオン源とを水中で混合することにより、混合液を作製する。本例の混合工程においては、非イオン性ポリマーとして、ポリエチレンオキシドを用い、カルシウムイオン源として酢酸カルシウムを用いる。
まず、濃度1.42Mの酢酸カルシウム水溶液を作製した。この酢酸カルシウム水溶液500mLにポリエチレンオキシド30gを加えて室温で10分間撹拌することにより混合液を得た(混合工程)。
次いで、混合液を温度90℃で3時間保持することにより、混合液中のポリエチレンオキシドをゲル化させた。これにより、ポリエチレンオキシドゲルからなる有機マトリックスにカルシウムイオンが分散されたゲル溶媒を得た(ゲル化工程)。
このようにして、成形型の形状(瓶のキャップ)を反映した形状の固形複合材料1を得た(図1及び図2参照)。これを試料E1とする。
本例は、実施例1とは異なる製造方法によって、固形複合材料(試料E2)を作製する例である。
本例においても、実施例1と同様に固形複合材料として、瓶のキャップを作製する(図1及び図2参照)。また、本例の固形複合材料(試料E2)は、実施例1の上記試料E1と同様に、有機高分子が集合してなる有機マトリックス中に炭酸カルシウムの結晶からなる微粒子が分散されてなる。また、固形複合材料において、微粒子は平均粒径30nm以下で分散されており、有機高分子は、親水性の非イオン性ポリマーからなると共に、微粒子間に分散されている。
次いで、実施例1と同様の瓶のキャップ形状の成形型内に流し込み、室温で60分間放置することにより、ポリアクリルアミドをゲル化させた。これにより、ポリアクリルアミドゲルからなる有機マトリックスにカルシウムイオンが分散されたゲル溶媒を得た(ゲル化工程)。
このようにして、成形型の形状を反映した形状の固形複合材料を得た。これを試料E2とする。
本例は、実施例1及び実施例2において作製した2種類の固形複合材料(試料E1及び試料E2)について、構造及び力学的特性を調べた例である。
まず、上記試料E1及び試料E2について、Cu−Kα線を用いたX線回折装置((株)リガク製「RINT2100」)によりX線回折測定を行った。そして、得られるX線回折パターンにおけるCaCO3結晶に相当するピークの半値幅から、CaCO3結晶よりなる微粒子の平均粒子径を算出した。その結果、試料E1においては、微粒子の平均粒径は2.6nmであり、試料E2においては、微粒子の平均粒径は5.3nmであった。また、CaCO3結晶に相当するピークの位置から、微粒子は、アラゴナイト型のCaCO3結晶からなることがわかった。
曲げ強度(MPa)は、JISK7055に準拠する方法により測定した。その結果を図5に示す。
なお、試料Cとしては、市販の石灰石(白石カルシウム社製)を、曲げ強度測定用の上記試料E1及び試料E2と同形状に加工したものを用いた。
以上のように、実施例1及び実施例2において作製した固形複合材料(試料E1及び試料E2)は、硬さと靱性とを兼ね備えた材料であることがわかる。
Claims (10)
- 有機高分子が集合してなる有機マトリックス中に、Ca、Mg、Fe、Cu、Co、Mn、及びNiから選ばれる1種以上の金属の炭酸塩である金属炭酸塩の結晶からなる微粒子が分散された固形複合材料の製造方法であって、
水中でゲル化する親水性の非イオン性ポリマーと、水中でCaイオン、Mgイオン、Feイオン、Cuイオン、Coイオン、Mnイオン、及びNiイオンから選ばれる1種以上の金属イオンを供給する金属イオン源とを水中で混合することにより、混合液を作製する混合工程と、
上記混合液中の上記非イオン性ポリマーをゲル化させることにより、該非イオン性ポリマーゲルからなる有機マトリックスに上記金属イオンが分散されたゲル溶媒を作製するゲル化工程と、
上記ゲル溶媒に、水中で炭酸イオンを供給する炭酸源を加えて上記有機マトリックス中で金属炭酸塩の結晶からなる上記微粒子を析出させることにより、上記有機マトリックス中に平均粒径30nm以下の上記微粒子が分散された上記固形複合材料を作製する反応析出工程とを有し、
上記金属イオン源としては、上記金属イオンの酢酸塩、塩化物(塩酸塩)、硝酸塩、カルボン酸塩、硫酸塩、金属アルコキシド、金属アセチルアセトナート、又はその誘導体を採用することを特徴とする固形複合材料の製造方法。 - 請求項1において、上記非イオン性ポリマーとしては、ポリエーテルを用いることを特徴とする固形複合材料の製造方法。
- 請求項1又は2において、上記金属炭酸塩は、炭酸カルシウムであり、上記金属イオン源は、水中でカルシウムイオンを供給するカルシウムイオン源であることを特徴とする固形複合材料の製造方法。
- 請求項3において、上記カルシウムイオン源としては、カルシウム塩を用いることを特徴とする固形複合材料の製造方法。
- 請求項1〜4のいずれか一項において、上記反応析出工程においては、上記炭酸源としてCO2ガスを上記ゲル溶媒に導入することを特徴とする固形複合材料の製造方法。
- 請求項1〜5のいずれか一項において、上記ゲル溶媒を成形する成形工程を有することを特徴とする固形複合材料の製造方法。
- 有機高分子が集合してなる有機マトリックス中に、Ca、Mg、Fe、Cu、Co、Mn、及びNiから選ばれる1種以上の金属の炭酸塩である金属炭酸塩の結晶からなる微粒子が分散された固形複合材料であって、
該固形複合材料において、上記微粒子は平均粒径30nm以下で分散されており、
上記有機高分子は、親水性の非イオン性ポリマーからなると共に、上記微粒子間に分散されていることを特徴とする固形複合材料。 - 請求項7において、上記金属炭酸塩は、炭酸カルシウムであることを特徴とする固形複合材料。
- 請求項7又は8において、上記微粒子は、平均30nm以下の間隔で分散されていることを特徴とする固形複合材料。
- 請求項7〜9のいずれか一項において、上記微粒子の含有量は、上記固形複合材料中20wt%〜99wt%であることを特徴とする固形複合材料。
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