(57)【要約】【課題】            水に分散した状態のままの合成高分子エマルションについて、その粒子の内部構造を観察する方法を提供する。【解決手段】        （１）合成高分子エマルションに保護コロイドを混合させゲル化によって合成高分子エマルションを固定化するステップと、（２）固定化されたエマルション中の水のほとんどを、水と親和性がある有機溶媒で置換するステップと、（３）水が置換された固定化エマルションを硬化樹脂で硬化させるステップと、（４）硬化されたエマルションを薄片化するステップと、（５）薄片化されたサンプルを透過型電子顕微鏡で観察するステップと、を含む合成高分子エマルションの観察方法。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１）合成高分子エマルションに保護コロイドを混合させてゲル化により合成高分子エマルションを固定化するステップと、
（２）固定化されたエマルション中の水のほとんどを、水と親和性がある有機溶媒で置換するステップと、
（３）水が置換された固定化エマルションを硬化樹脂で硬化させるステップと、
（４）硬化されたエマルションを薄片化するステップと、
（５）薄片化されたサンプルを透過型電子顕微鏡で観察するステップと、
を含む合成高分子エマルションの観察方法。
【請求項２】
合成高分子エマルションとして、染色剤によって電子染色された合成高分子エマルションを用いることを特徴とする請求項１に記載の観察方法。
【請求項３】
保護コロイドとして、寒天を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の観察方法。
【請求項４】
水と親和性がある有機溶媒として、炭素数１〜４のアルコール及びアセトンからなる群から選ばれる少なくとも１種の有機溶媒を用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の観察方法。
【請求項５】
合成高分子エマルションとして、シード重合によって得られた合成高分子エマルションを用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の観察方法。
【請求項６】
（１）合成高分子エマルションに保護コロイドを混合させてゲル化により合成高分子エマルションを固定化するステップと、
（２）固定化されたエマルション中の水のほとんどを、水と親和性がある有機溶媒で置換するステップと、
（３）水が置換された固定化エマルションを硬化樹脂で硬化させるステップと、
（４）硬化されたエマルションを薄片化するステップと
を含む合成高分子エマルション含有サンプルの製造方法。
【請求項７】
ステップ（１）の合成高分子エマルションとして、染色された合成高分子エマルションを用いることを特徴とする請求項６に記載の製造方法。
【請求項８】
合成高分子エマルションと、ゲル化された保護コロイドと、硬化樹脂とを含有する硬化物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水に分散している合成高分子エマルションの粒子を観察する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水に分散している合成高分子エマルションの粒子を走査型あるいは透過型電子顕微鏡で観察し、その粒子径を測定するなどの観察方法は、一般的に行われている。
合成高分子エマルションの一種として、エチレン−酢酸ビニル共重合体、スチレン−（メタ）アクリル酸エステル共重合体、ポリエステルなどの重合体粒子などをシード（種）とし、その表面や内部に、乳化重合や懸濁重合によって比較的大きな粒子を形成させて、コア−シェル型と呼ばれるシードに殻を有する構造の水性エマルション粒子や、後から形成された重合体がシードの内部に相分離した状態で存在する水性エマルション粒子などを得る方法は、既に汎用されており、その粒子径を観測するために、走査型あるいは透過型電子顕微鏡を用いる方法も、同様に、数多く報告されている。
最近、ポリエステルをコアとし、スチレンなどを乳化重合させたコア−シェル型エマルション粒子を形成させたのち、この粒子に酸化チタン微粉などの顔料を混合させてトナー粒子を作成し、エポキシ樹脂中に該トナー粒子を分散させ、硬化させた後、四酸化ルテニウム及び／又は四酸化オスニウムで電子染色し、ミクロトームで超薄切片とし透過型電子顕微鏡で観察するとコア−シェル型構造が観察できることが特許文献１に報告されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−４３７４７号公報（［００９７］、実施例９〜１４、比較例３及び４、［表３］）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明者らが、エチレン−酢酸ビニル共重合体水性エマルションをシードとし、スチレンをさらに共重合させた合成高分子エマルションを得、水に分散している合成高分子エマルション粒子の内部構造を観察するために、これをネガティブ染色したところ、エマルション粒子の内部を観察することができなかった。
そこで、水に分散させた合成高分子エマルションの薄片化サンプルを作成するために、該エマルションを室温で乾燥させたところ、ガラス転移温度が低かったため、粉末状とはならず、エマルション粒子同士が融着し、エマルション粒子の内部構造を観察することができなかった。
本発明の目的は、水に分散した状態のままの合成高分子エマルションについて、その粒子の内部構造を観察する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、（１）合成高分子エマルションに保護コロイドを混合させゲル化によって合成高分子エマルションを固定化するステップと、（２）固定化されたエマルション中の水のほとんどを、水と親和性がある有機溶媒で置換するステップと、（３）水が置換された固定化エマルションを硬化樹脂で硬化させるステップと、（４）硬化されたエマルションを薄片化するステップと、（５）薄片化されたサンプルを透過型電子顕微鏡で観察するステップと、を含む合成高分子エマルションの観察方法である。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、水に分散された合成高分子エマルションについても、その内部構造を容易に観察することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明に用いられる合成高分子エマルションは、単量体を重合して得られた重合体が水に分散したものであり、単量体を乳化重合又は懸濁重合して得られたものや、合成高分子を水に乳化させたものなどが挙げられる。
前者の合成高分子としては、例えば、ポリ酢酸ビニル、ポリ塩化ビニル、エチレン・ビニルエステル共重合体、エチレン・ビニルエステル・（メタ）アクリル酸共重合体、エチレン・（メタ）アクリル酸共重合体、エチレン・（メタ）アクリル酸エステル共重合体、エチレン・ビニルエステル・（メタ）アクリル酸エステル共重合体、エチレン・ビニルエステル・塩化ビニル共重合体、エチレン・塩化ビニル共重合体、塩化ビニリデン・塩化ビニル共重合体、スチレン・ブタジエンラテックス、イソプレンゴムラテックス、ニトリルゴムラテックス、クロロプレンゴムラテックス、アクリロニトリル・ブタジエンラテックス、ポリ（メタ）アクリル酸エステル・ブタジエンラテックス、ポリ（メタ）アクリル酸エステル重合体、ポリ（メタ）アクリル酸などが挙げられる。
後者の合成高分子としては、例えば、ポリウレタン、クロロスルホン化ポリエチレンラテックス、ブチルゴムラテックスなどが挙げられる。
【０００８】
合成高分子エマルションが、粒子が相分離構造を有する内部構造や、コア（種：シード）とシェル層を有する内部構造などの複雑な合成高分子エマルションであっても、本発明の方法によって、その内部構造を観察することができる。
シード重合によって得られた合成高分子エマルションとしては、例えば、シリカなどの粒子の表面エネルギーを利用してその表面に重合させて得られる合成高分子エマルション、乳化重合又は懸濁重合して得られた合成高分子エマルションをシードとして、さらに、重合して得られた合成高分子エマルションなどが挙げられる。
合成高分子エマルションとして、異なる２種以上の合成高分子エマルションの混合物であっても、本発明によって観察することができる。
【０００９】
本発明の第１ステップは、観察対象となる合成高分子エマルションを保護コロイドのゲル化によって固定化するステップである。このことにより、ガラス転移点以上の温度において合成高分子エマルションの薄片化サンプルを調製することができるのである。
合成高分子エマルションの固形分としては、通常、サンプル調整時に水で１重量％以下程度に希釈する。
【００１０】
保護コロイドとしては、透過型電子顕微鏡で観察可能であり、水に分散している合成高分子エマルションを観察可能とするため、水に分散し得る有機物であって、観察対象の合成高分子を溶解させることなく、かつ、ゲル化後に流動性が低下する物質が用いられる。具体的には、寒天、カラゲナン、カルボキシメチルセルロースナトリウム、ヒドロキシエチルセルロース、メチルセルロース、デキストリン、サポニン、アラビアゴムなどの多糖類、部分ケン化ポリビニルアルコール、完全ケン化ポリビニルアルコール等のポリビニルアルコール類、ポリビニルピロリドン、ゼラチン、アルブミン、カゼイン酸ナトリウム、スチレン・マレイン酸共重合体の塩などが挙げられる。
中でも、観察時に流動性が乏しいことが好ましく、具体的には、１０℃以上、好ましくは２０℃以上でも流動性が乏しい保護コロイドが好ましい。とりわけ、寒天は入手が容易であり、ほとんどの合成高分子エマルションを溶解しないことから好ましい。
保護コロイドの使用量としては、通常、希釈後の合成高分子エマルションの固形分１００重量部に対して保護コロイドの固形分５０重量部〜２００重量部程度である。５０重量部以上であると溶媒を置換する時にエマルション粒子の分散を抑止できることから好ましく、２００重量部以下であると、粒子間の空間的分布が、本方法で観察しやすい傾向があることから好ましい。
【００１１】
透過型電子顕微鏡で粒子の構造を観察する方法には、例えば、染色剤によって電子染色したサンプルを透過型電子顕微鏡で観察する方法（ポジティブ染色法、ネガティブ染色法）、サンプルを、クロム、白金、白金・パラジウム合金、金・パラジウム合金などを斜め方向から金属蒸着したのち観察するシャドウイング法などが挙げられる。中でもポジティブ染色法は、特定の化学構造を選択的に可視化できることから、粒子の相分離構造を観察することが目的である場合に好ましい。
透過型電子顕微鏡による観察をポジティブ染色法で実施する場合には、保護コロイドで固定化する第１ステップを実施する前に合成高分子エマルションを染色する方法が、染色が容易なことから好ましい。
ポジティブ染色する前に、サンプルをホルムアルデヒドやグルタルアルデヒドといったアルデヒド類の溶液に浸漬し化学固定すると、分子構造にアミノ基などを含有しない限り固定化することはない。また、アルデヒドと合成高分子が反応する場合がしばしばあり、アルデヒド類による化学固定の方法は好ましくない。
【００１２】
染色法に用いる染色剤としては、例えば、周期律表の３Ａ族、５Ａ族、６Ａ族、７Ａ族、８族、１Ｂ族、２Ｂ族、３Ｂ族、４Ｂ族及び７Ｂ族の元素の化合物が用いられる。具体的には、例えば、硝酸ランタンの如きランタン化合物、酢酸ウラニル、ギ酸ウラニル、硝酸ウラニル、酢酸マグネシウムウラニルの如きウラニル化合物、硫酸バナジル、硫酸バナジウムの如きバナジウム化合物、硝酸タリウムの如きタリウム化合物、リンモリブデン酸、モリブデン酸アンモンの如きモリブデン化合物、リンタングステン酸、タングステン酸メチルアミン、タングステン酸ナトリウムの如きタングステン化合物、過マンガン酸カリウムの如きマンガン化合物、塩化第二鉄、赤血カリ、黄血カリウムの如き鉄化合物、四酸化ルテニウム、ルテニウムレッドの如きルテニウム化合物、四酸化オスミウムの如きオスミウム化合物、硝酸銀、アンモニア銀、プロテイン銀の如き銀化合物、クロロ金酸ナトリウムの如き金化合物、ヨウ化カドミウムの如きカドミウム化合物、酸化第二水銀の如き水銀化合物、塩化インジウムの如きインジウム化合物、酢酸鉛、クエン酸鉛、硝酸鉛、酒石酸鉛の如き鉛化合物、ヨウ素、過ヨウ素酸、ヨウ化カリウムの如きヨウ素化合物を挙げられる。中でも、四酸化オスミウム、四酸化ルテニウム、リンタングステン酸、ヨウ素／ヨウ化カリウムの混合物が好ましい。
【００１３】
染色剤が四酸化ルテニウムの場合を例にすると、通常、０．０１〜０．５重量％程度の四酸化ルテニウムを含有する水溶液を調製したのち、合成高分子エマルションと該水溶液を１分〜２４時間程度混合して染色し、濾過あるいは遠心分離によって、過剰の水分を除去したのち、第１ステップに供せられる。遠心分離の方が簡便であることから好ましいが、合成高分子エマルションの粒子の状態が変化しないように、遠心加速度は、適宜、制御される。
【００１４】
第１ステップの具体例として、保護コロイドに寒天を使用した場合について例示する。まず、水１００重量部に対し、寒天の粉末１〜５重量部を混合し、８０℃以上、好ましくは８５〜９５℃程度に昇温したのち７０〜８０℃程度に冷却し寒天溶液を調製する。該寒天溶液と（必要に応じて染色された）合成高分子エマルションとを混合したのち、さらに０〜３０℃程度に冷却することにより、寒天がゲル化して合成高分子エマルションを固定化させることができる。
【００１５】
本発明の第２ステップは、固定化されたエマルション中の水のほとんどを水と親和性がある有機溶媒（以下、置換溶媒という場合がある）で置換するステップである。
合成高分子エマルションの水や固定化に用いた保護コロイドが持ち込む水は硬化樹脂による硬化を阻害することから、置換溶媒によって水のほとんどを置き換える。
【００１６】
本発明で用いられる置換溶媒としては、観察対象の合成高分子エマルション及び用いられる保護コロイドを溶解することなく、かつ水を置換させるために水との親和性に優れる溶媒が用いられる。具体的には、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコールなどの炭素数１〜３程度のアルコール、アセトンなどが例示される。
具体的な置換方法としては、置換溶媒の濃度を徐々に挙げて置換する方法が、水と置換溶媒が相互に溶解しやすいことから推奨される。水の含有量が低下した溶媒置換の後半ではｔ−ブチルアルコールなど炭素数４程度のアルコールを用いてもよい。
第２ステップの具体例を説明する。第１ステップで保護コロイドにより固定化された合成高分子エマルションを０．５ｍｍ□〜５ｍｍ□程度の大きさに切り出し、切り出されたサンプルを５０重量％程度のアルコール水に浸漬させ、次いで、ピペット、デカンテーション、濾過又は遠心分離によりアルコール水を除去する。続いて、同様に７５重量％程度のアルコール水、９０重量％アルコール水、９９．５重量％アルコール水と順番に浸漬、除去を繰り返し、最後にモレキュラーシーブスや金属ナトリウムなどで完全に脱水されたアルコールに浸漬、除去を行い、水がほとんど置換されたサンプルを得ることができる。
【００１７】
置換溶媒との浸漬時間は、置換溶媒が低濃度である場合には、１〜３０分程度で十分であるが、９９重量％以上の高濃度の置換溶媒では、３０分〜２時間程度浸漬させれば、少ない置換溶媒で十分に脱水させることができる。
もちろん、同じ濃度の置換溶媒を繰り返し、浸漬させてもよい。
浸漬１回あたりの置換溶媒の使用量としては、保護コロイドにより固定化された合成高分子エマルションが十分に浸漬できる量を用いればよい。
【００１８】
本発明の第３ステップは、第２ステップで得られた、水が置換された固定化エマルションを硬化樹脂で硬化させるステップである。
本発明で用いられる硬化樹脂としては、観察対象の合成高分子エマルション及び用いられる保護コロイドと反応しないものが好ましく、具体的には、グリセロールグリシジルエーテルと酸無水物とからなる硬化樹脂などのエポキシ樹脂、グリコールメタクリレートと重合開始剤とからなる硬化樹脂などの（メタ）アクリル樹脂等が挙げられる。
硬化させる方法についてエポキシ樹脂を用いる場合で詳細に説明すると、水が置換された固定化エマルションをエポキシ樹脂のグリシジルエーテル基を有する成分と酸無水物などの硬化剤成分とを含む混合物に浸漬させたのち、必要に応じて硬化触媒を加え、通常は４０〜９０℃程度に加熱する方法などが挙げられる。
【００１９】
かくして得られた合成高分子エマルションと、ゲル化された保護コロイドと、硬化樹脂とを含有する硬化物は、合成高分子エマルション粒子の内部構造を観察するための透過型電子顕微鏡用サンプルとして有用である。
【００２０】
本発明の第４ステップは、第３ステップで得られた、硬化されたエマルションを薄片化するステップである。
通常は、ミクロトームなどの超薄切片作成機器により薄片化すればよく、その厚さは電子線に印加される電圧およびサンプルの大部分を構成する保護コロイドと硬化樹脂の種類によって適宜設定する必要があるが、たとえば、１００ｋＶの透過型電子顕微鏡の場合は、１５０ｎｍ未満、好ましくは、１００ｎｍ以下程度である。
【００２１】
本発明の第５ステップは、第４ステップで得られた、薄片化されたサンプルを透過型電子顕微鏡で観察するステップである。
透過型電子顕微鏡の具体的な観察方法としては、コロジオン、ポリビニルホルマール等のプラスチックの薄膜を張った銅メッシュなどの上に、染色及び薄片化されたサンプルを載せて観察する。
倍率としては、合成高分子エマルションの粒子径や内部構造によっても異なるが、通常、１０００〜１０万倍程度である。
【実施例】
【００２２】
次に、実施例等を挙げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの例により限定されるものではない。部、％は特に断りがない限り、重量部、重量％を表す。
【００２３】
（製造例１：合成高分子エマルションの製造例）
反応容器に、水３５部とエチレン―酢酸ビニル系共重合体含有水性エマルション  スミカフレックスＳ−５００（住友化学工業（株）製、固形分５５％）１００部およびスチレン２３部を導入した。次いで反応容器内を窒素ガスで置換し、容器内を５０℃まで昇温した後、１時間攪拌し、内容物を充分混合した。次に過硫酸アンモニウム０．２部と、ホルムアルデヒド重亜硫酸ナトリウム（ロンガリット）０．５部のそれぞれを水で希釈して、３時間にわたり滴下した。重合中反応容器内の温度はジャケットの温度を制御することにより５０℃に保ち、滴下終了後さらに１時間熟成させた。
かくしてエチレン―酢酸ビニル系共重合体をシードとし、スチレンを重合させた水性エマルション（固形分４５％）を得た。
【００２４】
（実施例１）
上記製造例１で得たエマルションを水で希釈し１００倍希釈液を得た。この希釈液０．７mLに四酸化ルテニウム０．５％溶液（ＳＴＲＥＭ社製）０．７ｍＬを加えてガラス容器中で５分間放置した。次いで混合液を遠沈管に移し遠心分離装置（ＴＯＭＹ社製、ＭＣ−１５０型）で５０００ｒｐｍで１５分間遠心分離し上澄み液を取り除いてポリマー微粒子の沈殿物を得た。沈殿物に純水を１．４ｍＬ注ぎよく分散させたのち、上記条件で再度遠心分離し余分な四酸化ルテニウムを洗浄した。この洗浄は２回繰り返した。２回目の洗浄では上澄み液を０．１ｍＬ残し、エマルションの粒子が分散した分散液を得た。
【００２５】
別途寒天粉末（関東化学、鹿１級）の１ｇを水約５０ｍＬと混合し９０℃以上に昇温した後、８０℃で保温し寒天溶液を作成した。前記分散液に０．２ｍＬの寒天溶液を混合しよく攪拌したのち、２５℃まで冷却し、固定化されたエマルションを得た。該エマルションを１ｍｍ□、５個を切り出してサンプルとした。
【００２６】
該サンプル５個が完全に浸漬するように、５０％エタノール溶液１０ｍＬで浸漬し２０分間放置した。次に液を捨て７５％エタノール１０ｍＬに２０分浸漬した。同様な操作を９０％エタノールで行なった後、９９．５％エタノールを用いて１時間浸漬、液を除去し、最後にモエキュラーシーブスで脱水したエタノールで１時間の浸漬及び液の除去を２回繰り返した。
【００２７】
エタノールで置換されたサンプルをグリセロールグリシジルエーテル：ドデセニルこはく酸無水物：メチル−５−ノルボルネン−２，３−ジカルボン酸無水物＝１：０．４：０．７の体積比率で配合した液に３０分間浸漬したのちサンプルを取り出した。次に、同組成の配合液４．２ｍＬに２，４，６−トリス（ジメチルアミノメチル）フェノール［ＤＭＰ−３０］を０．０７ｍＬ加えよく攪拌させたのち、再びサンプルを浸漬し、包埋容器に移した後、６０℃で１５時間硬化させた。
【００２８】
硬化した合成高分子エマルションはダイヤモンドナイフを装着したウルトラミクロトーム（Ｒｅｉｃｈｅｒｔ−Ｎｉｓｓｅｉ製、ＵＬＴＲＡＣＵＴ  Ｎ）を使用して約９０ｎｍの厚さの切片に薄片化した。ポリビニルホルマール膜を張った銅のメッシュ上に、薄片化されたサンプルを取り上げ、透過型電子顕微鏡（日本電子製、ＪＥＭ２０００ＦＸ型）で加速電圧を１００ｋＶとし、３万倍で観察した（図１）。
図１からも明らかなように、四酸化ルテニウムによってスチレンが染色され、エチレン―酢酸ビニル系共重合体の中にポリスチレンが分散している様子が良好に観察できた。
【００２９】
（比較例１）
上記製造例１で得たエマルションを水で希釈し１０００倍希釈液を得た。別途リンタングステン酸（ＴＡＡＢ社製）の２％水溶液を１Ｎ水酸化ナトリウム水溶液で中和しておいた（ＰＴＡ溶液）。エマルションの希釈液１００μＬとＰＴＡ溶液５０μＬをスライドグラス上で混合し１分間放置したのち、ポリビニルホルマール膜を張った銅のメッシュ上に混合液を５０μＬ添着し３０秒放置した。これを実施例１と同様の条件で透過型電子顕微鏡で観察したところエチレン―酢酸ビニル系共重合体の周囲に存在するリンタングステン酸に由来する輪郭は観察されたが、ポリスチレンの存在は観察できなかった（図２）。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】実施例１の透過型電子顕微鏡写真である。
【図２】比較例１の透過型電子顕微鏡写真である。
【図１】
2006010602.tif 000003
【図２】
2006010602.tif 000004