Development of extremely facile method for surface modification and coating

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K05011
• Research Institution: Utsunomiya University
• Principal Investigator: 鈴木 昇 宇都宮大学, 工学部, 教授 (40134259)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 粉体材料 / 表面改質 / シランカップリング剤 / ロータリーエバポレーター法 / 迅速処理

Outline of Annual Research Achievements

セラミックス等の酸化物の粉体材料の有機液体・高分子への分散性向上，化粧品顔料としてのナノ酸化チタン等の光触媒活性の抑制など，固体・粉体材料の高機能化のための表面改質・コーティング技術が多くの分野で実施されている。これらの技術の一般的手法では，実験条件の最適化のための因子が多く，手順が複雑であり，洗浄・乾燥などの工程も必要であるといった課題がある。本研究では，粉体の迅速・簡便な表面改質・コーティング方法（究極的には“まぜるだけ＆ワンポット”）を目指し，試料表面を被覆する必要最低限の量の処理剤を用い，処理粉体を浸す程度の有機溶媒に溶解し，粉体とともにナスフラスコに入れ，ロータリーエバポレーター法（RE法）で溶媒を留去（真空蒸留）する方法を検討する。
2019年度には，鉄微粒子（CFe）のオクタデシルトリエトキシシラン（ODTES）処理，酸化亜鉛粉体（ZnO）のODTES処理，酸化チタン粉体（TiO2）のオクタデシルトリメトキシシラン（ODTMS）処理およびオクタデシルホスホン酸処理による表面改質において，必要最低限の処理剤量での表面改質（疎水化処理）が可能であることを明らかにした。2020年度は以下の結果を得た。１）ZnOのODTES処理における再現性を，BET法比表面積および赤外分光測定（IR）等による精密評価を行い，最適投入量に関する知見を得た。２）金属ナノ粒子として銅ナノ粒子を選択し，テトラエトキシシラン（TEOS）によるシリカコーティングを検討し，RE法では単独シリカ粒子が多く生成し，RE法の有効性を確認できなかった。3）シリカゲルのRE法ODTES処理の有効性について検討した。4）連続処理システムの構築では，装置の購入とセッティングをほぼ完了し2021年度推進する。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

コロナ禍により，非常勤の技術補佐員の採用を控えたために，研究の進展が遅れた。その中でも以下の成果を得ることができた。１）ZnOのODTES処理：ロータリーエバポレーター（RE）法によるZnOのODTES処理の再現性および処理試料の比表面積測定からの表面基数の検討を行った。その結果，平方ナノメートル当たりの表面基数が2.5程度で十分な疎水化が可能であることが確認された。これは従来法による表面改質結果と一致する。また，一部の試料において，処理後に洗浄工程を入れることで，疎水化の程度が向上することが見出された。これは処理剤の投入量が多く，表面修飾膜が単分子膜ではなく，一部親水基を表面に向けた二分子膜の構造になっていることが示唆された。これらの結果から処理剤の最適投入量に関する知見を得た。２）シリカコーティング：RE法による銅金属ナノ粒子のテトラエトキシシランを用いたゾル－ゲル法シリカコーティングを検討し，その走査型および透過型顕微鏡観察結果から，2019年度のTiO2の結果と同様に銅粒子のコーティングが十分でなく，かつシリカ単独粒子が多く生成し，RE法の有効性を確認できなかった。３）シリカゲルのシランカップリング剤処理と細孔構造への影響：ミクロおよびメソポア（細孔径がnm以下～50nm）を有するシリカゲルのODTES処理をRE法および従来の撹拌法（後洗浄有り）で行い比較検討した。その結果，シリカゲルの比表面積から計算した必要量を用いても表面疎水化が達成できなかった。また密度汎関数理論による細孔径分布解析では，RE法においてミクロ孔（細孔径2nm以下）が消失し，BET比表面積も極端に減少したため，RE法では細孔内にシランカップリング剤が埋め込まれてしまうことが示唆された。４）2021年度に向けて連続処理システムに必要な物品を購入し，システムの製作を行い，動作検証中である。

Strategy for Future Research Activity

2021年度は，本研究の最終目標である連続システムの構築および2020年度からの継続であるシリカゲルのRE法処理を検討する。
１）連続処理システムの製作とその有効性の確認：ロータリーエバポレーター（RE）法はバッチ法であり，工業的応用を考慮すると連続法（流通法）が優位である。本研究の最終目標である連続処理システムを完成させ，ZnOを主に用いシランカップリング剤ODTESを用いた連続処理を検討する。検討因子は，ODTES濃度，反応時間（テフロンもしくはシリコンチューブ反応管内滞在時間），反応温度（水浴あるいはリボンヒーターを利用），出口に設置する真空デシケータ内で処理懸濁液からの溶媒と反応生成物であるアルコール（ODTESの場合はエタノール）の排気速度などであり，最適処理条件を決定する。
２）シリカゲルのRE法処理：2020年度に実施したODTESを用いた改質処理実験において表面疎水化が達成できなかったので，反応性の高いODTMS，あるいはミクロ孔の閉塞を避ける方法として炭素鎖の短いシランカップリグ剤での検討を行う。
なお，2021年度は研究の進展を早めるために技術補佐員を採用（現在公募中）する。これによりコロナ禍での雇用面で貢献できれば幸いと考える。また，リモートでの学会発表を行っていくとともに，これまでの成果を投稿予定である。

Causes of Carryover

コロナ禍により，2020年度における実験補助員の採用を控えることとした。一方，2021年度は，実験補助員の採用に向けて現在労働基準監督署に依頼しており，研究の推進を格段に進展させる予定である。また，秋の学会等では研究成果を発表する予定である。