(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３〜３００ｎｍの間の均一な径の微細セラミック粒子材を仮成型し、その後５０００〜４００００気圧の圧力で圧縮して該セラミック粒子相互を立体的に互いに接触させ、該セラミック粒子間に形成される間隙が１〜１００ｎｍの間の所望の均一な径の細孔となるようにしたことを特徴とする細孔多孔体の製造方法。
【請求項２】
前記セラミック粒子間に形成される細孔の径が、前記セラミック粒子材の径の１／３〜１／４程度であることを特徴とする請求項１に記載の細孔多孔体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、吸着剤や分離膜として利用される、微細な細孔を均一に有する細孔多孔体に関する。
【０００２】
【従来技術】
細孔径が１００ｎｍ以下の多孔体は、混合物の分離に用いる吸着剤や、混合気体の分離に用いられる分離膜として有効なことが知られている。これは、気体の平均自由行程が約１００ｎｍであることから、多孔体の細孔の径がこの値以下になると多孔体を通過する気体の流れが壁面との衝突による影響を非常に大きく受けることとなり、分子量の差による透過速度の差が発現するからであり、このような多孔体で分離膜を形成すれば気体を分離できる。また、吸着剤として用いても、分子径の異なる混合物から各成分を分離することが可能である。
【０００３】
このような微細の細孔を有する多孔体においては、いずれの用い方の場合においても、分離能力の向上を図るためには多孔体に形成される細孔径の均一性が要求される。従来かかる細孔多孔体を製造する方法として、次のような方法が実用化あるいは研究されている。
（１）酸に溶解し易い成分を含む多成分系のガラスを熱処理により微細に分相させ、これを酸に浸し、酸に溶解し易い成分のみを溶解させて取り除くことにより微細且つ均一な細孔をガラスに形成する分相法。
（２）アルミニウムを酸に浸し、電圧をかけながらその表面から酸化反応を行なうことにより微細且つ均一な径の細孔を有する酸化アルミニウムを形成させる陽極酸化法。
（３）金属アルコキシドの加水分解及び縮合を経て得られるゲル体を乾燥、焼成することにより微細且つ均一な細孔径を有する金属酸化物を形成するゾルゲル法。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記製造法は、いずれも多くの化学プロセスを伴わなくてはならず、孔径制御には各プロセスにおける試薬、溶媒等の配合比、反応温度、反応時間など多くの要因がかかわっているため品質の管理には非常に複雑な制御技術を必要とする。
【０００５】
また、上記製造法（１）による製品は、酸に溶解する物質の形状を任意に形成できないため細孔の形状が複雑となり、かつ後から表面修飾等の応用が困難であるという問題がある。製造法（２）による製造では、数十ｎｍ以下の細孔径を形成することは困難であり、又製造法（３）による製品においては細孔径の再現性が充分でないといわれている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、その目的は、細孔径が１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲でかつ均一である細孔多孔体を提供することであり、化学プロセスを含まない単純な工程で細孔多孔体を製造する製造方法を提供することである。
【０００７】
上記目的を達成するため、セラミック粒子相互が立体的に密に接触する状態に配置して細孔多孔体を形成し、又、所定の粒径のセラミック粒子材を、セラミック粒子が細密充填に近い状態になる圧力で圧縮し、セラミック粒子間に形成される間隙、すなわち細孔の径を気体の平均自由行程である約１００ｎｍ以下に、しかも均一に形成することとして細孔多孔体の製造方法を構成した。
【０００８】
【作用】
セラミック粒子が相互に立体的に接触した状態であると、セラミック粒子間で形成される細孔はセラミック粒子の径の１／３〜１／４程度になり、セラミック粒子を選択することにより１００ｎｍ以下の所望の径の細孔が均一に形成された細孔多孔体を提供できる。またセラミック粒子材を高圧で圧縮することにより、簡単な工程で１００ｎｍ以下の細孔径を均一に有する細孔多孔体の製造が可能である。更にセラミックの粒径を適宜に選択することにより細孔径の異なる多孔体を形成することができる。
【０００９】
【実施例】
以下本発明について詳細に説明する。
【００１０】
セラミック粒子としては粒径が３ｎｍ〜３００ｎｍで、その粒径分布がそれぞれ数％〜数１０％の範囲で均一なものを用いる。セラミック粒子が溶液中に分散されたコロイド状であればまず乾燥させ、その後数千気圧で加圧し、まず円柱状に仮成型する。そして、この仮成型したセラミック粒子を高圧加圧機に掛け数万気圧の圧力で加圧して細孔多孔体を得た。
【００１１】
このようにして得られた細孔多孔体は、セラミック粒子が立体的に相互に密接した状態となっており、セラミック粒子間に形成される間隙（円形と仮定する）は、図１に示すように、セラミック粒子の粒子半径をａとしたとき、細密充填状態での孔径、つまり１／４ａ〜１／３ａに非常に近い値になっている。しかも、均一に粒子が密接しているため粒子間に形成される細孔の孔径が上記値の範囲内で均一に形成されている。
【００１２】
次に上記細孔多孔体の実施例１〜８について説明する。
【００１３】
（実施例１）
平均粒径１５ｎｍのシリカ粒子のコロイド液（触媒化成工業製：カタロイドＳＮ）をシヤーレ上で乾燥させ、乾燥したシリカ粒子を０．２ｇとり、アルミ箔で包む。アルミ箔で包んだシリカ粒子を加圧機にて５０００気圧の圧力で加圧し、円柱状に仮成型する。この仮成型したシリカ粒子を、次に高圧加圧機に掛け、室温において２５０００気圧の圧力で２時間加圧した。このようにして得られた細孔多孔体の細孔径を求めた結果を図２に示す。図２に示すグラフは、横軸に細孔直径（単位ｎｍ）を表し、縦軸に細孔容積（単位ｃｍ３  ／ｇ）を表す。細孔容積の計測はＢＥＴ法による計測である。又、図中の実線は加圧を行なわないシリカ粒子材であり、細点線は５０００気圧による仮成型のみのもの、粗点線は仮成型品を２５０００気圧まで加圧したものを示す。この図２から明らかなように、２５０００気圧に加圧することにより、細孔径が小さくなり、その値は粒径の１／４程度の細密充填値に近づいていることがわかる。しかも、その値においてシャープなピークを有し、細孔径が均一の値であることがわかる。
【００１４】
図８に、上記粒子を２５０００気圧で加圧して得られた多孔体の電子顕微鏡写真を示す。この電子顕微鏡写真は、多孔体表面を５００００倍の倍率に拡大した写真であり、この図からもシリカ粒子が相互に密接した状態で接触していることがわかる。
【００１５】
（実施例２）
実施例１と同様にして仮成型したシリカ粒子を、高圧加圧機により、室温において３５０００気圧の圧力で２時間の加圧をおこない、細孔多孔体を形成した。その結果を図３の細点線で示す。
【００１６】
（実施例３）
実施例１と同様にして仮成型したシリカ粒子を、高圧加圧機により、室温において４００００気圧の圧力で２時間の加圧をおこない、細孔多孔体を形成した。その結果を図３の粗点線で示す。
【００１７】
（実施例４）
実施例１と同様にして仮成型したシリカ粒子を、高圧加圧機により、室温において５００００気圧の圧力で２時間の加圧をおこない、細孔多孔体を形成した。その結果を図３の一点鎖線で示す。図３における横軸及び縦軸の表すものは図２におけるものと同様である。以下図４〜図７も同様である。
【００１８】
図３からは、加圧の程度により細孔分布の均一性は変化し、細密充填させるには最適な圧力が存在することが判明した。すなわち、必要以上の加圧を行なうと細孔の総体積が減少し、より微細な細孔が相対的に増加している。これは、シリカ粒子が圧力により破壊され、粒子間の空隙の緻密化が進行しているためと判断される。
【００１９】
（実施例５）
平均粒径８ｎｍのシリカ粒子のコロイド液（触媒化成工業製：カタロイドＳＩ−３５０）をシヤーレ上で乾燥させ、乾燥したシリカ粒子を０．２ｇとり、アルミ箔で包む。アルミ箔で包んだシリカ粒子を加圧機にて５０００気圧の圧力で加圧し、円柱状に仮成型する。この仮成型したシリカ粒子を高圧加圧機に掛け、室温において２５０００気圧の圧力で２時間加圧した。このようにして得られた細孔多孔体の細孔径を求めた結果を図４に示す。
【００２０】
（実施例６）
平均粒径１２ｎｍのシリカ粒子のコロイド液（触媒化成工業製：カタロイドＳＩ−３０）をシヤーレ上で乾燥させ、乾燥したシリカ粒子を０．２ｇとり、アルミ箔で包む。アルミ箔で包んだシリカ粒子を加圧機にて５０００気圧の圧力で加圧し、円柱状に仮成型する。この仮成型したシリカ粒子を高圧加圧機に掛け、室温において２５０００気圧の圧力で２時間加圧した。このようにして得られた細孔多孔体の細孔径を求めた結果を図５に示す。
【００２１】
（実施例７）
平均粒径３３ｎｍのシリカ粒子のコロイド液（触媒化成工業製：カタロイドＳＩ−４５Ｐ）をシヤーレ上で乾燥させ、乾燥したシリカ粒子を０．２ｇとり、アルミ箔で包む。アルミ箔で包んだシリカ粒子を加圧機にて５０００気圧の圧力で加圧し、円柱状に仮成型する。この仮成型したシリカ粒子を高圧加圧機に掛け、室温において２５０００気圧の圧力で２時間加圧した。このようにして得られた細孔多孔体の細孔径を求めた結果を図６に示す。
【００２２】
（実施例８）
平均粒径８０ｎｍのシリカ粒子のコロイド液（触媒化成工業製：カタロイドＳＩ−８０Ｐ）をシヤーレ上で乾燥させ、乾燥したシリカ粒子を０．２ｇとり、アルミ箔で包む。アルミ箔で包んだシリカ粒子を加圧機にて５０００気圧の圧力で加圧し、円柱状に仮成型する。この仮成型したシリカ粒子を高圧加圧機に掛け、室温において２５０００気圧の圧力で２時間加圧した。このようにして得られた細孔多孔体の細孔径を求めた結果を図７に示す。
【００２３】
実施例５〜８の結果からシリカ粒子の直径を適宜に選択することにより、成型された細孔多孔体の細孔径を制御することができることが判明した。
【００２４】
以上述べたように、かかる細孔多孔体を吸着剤や分離膜として用いた場合には、細孔多孔体に形成された細孔が、気体の平均自由行程以下であるので、気体の分離等に良好な結果を得ることができる吸着剤等に形成できる。
【００２５】
尚、シリカ微粒子のコロイド液を用いた理由は、シリカコロイド液中に粒径数ｎｍ〜数十ｎｍの範囲内の所望の径の球形のシリカ微粒子が、水溶液、有機溶媒、あるいはその混合物などの液体に分散しており、その粒径分布は数％〜数十％の範囲で均一なものが市販されて容易に入手できるからである。しかも、その径の均一性は電子顕微鏡観察やレーザによる粒度分布測定により容易に確認が可能であるからである。
【００２６】
しかしながら、これらの粒子は極めて小さくまたその表面が帯電しているために凝集や沈降が起こらず液体中に均一に分散している。したがって、これらシリカ微粒子のコロイド液をただ乾燥したり弱い加圧をしただけでは微粒子の表面の反発により細密には充填せずその乾燥物、成型物の細孔径分布は広くなってしまう。そこで、本発明のように充分な圧力で加圧することにより、かかるシリカ粒子を凝集させることが初めて可能となり、気体の平均自由行程程度の径の細孔を均一に有する多孔体を確実且つ容易に得ることが可能となった。なお、当初から均一な径のシリカ粒子が得られれば、シリカ粒子はコロイドに限らず粉末状であってもよい。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の、細孔多孔体は、気体の平均自由行程程度の径の細孔を均一に有し、良好な分離膜等として利用可能であり、また、かかる細孔多孔体の製造方法によれば、容易に且つ確実に気体の平均自由行程程度の径の細孔を均一に有した細孔多孔体を形成でき、これにより分離膜等を形成できる。更に、シリカ粒子の粒径を適宜に選択することにより形成される細孔を所望の径にすることができ、これにより分離膜等を形成した場合には所望の性能を備えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミック粒子間の細孔径を示す図である。
【図２】本発明にかかる細孔多孔体の一実施例の細孔径分布を示すグラフである。
【図３】本発明にかかる細孔多孔体の他の実施例の細孔径分布を示すグラフである。
【図４】本発明にかかる細孔多孔体の他の実施例の細孔径分布を示すグラフである。
【図５】本発明にかかる細孔多孔体の他の実施例の細孔径分布を示すグラフである。
【図６】本発明にかかる細孔多孔体の他の実施例の細孔径分布を示すグラフである。
【図７】本発明にかかる細孔多孔体の他の実施例の細孔径分布を示すグラフである。
【図８】本発明にかかる細孔多孔体の粒子構造を示す電子顕微鏡写真である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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