(57)【要約】【課題】本発明の目的は、容易にかつ高い効率でシリコンナノ粒子を水に分散することができる、シリコンナノ粒子の分散方法を提供する。【解決手段】シリコンナノ粒子を水以外の分散媒に分散させシリコンナノ粒子の分散液を得る第一の工程と、前記シリコンナノ粒子の分散液に水を加えてシリコンナノ粒子の溶液を得る第二の工程と、前記シリコンナノ粒子の溶液から、前記分散媒を除去する第三の工程と、を含む、シリコンナノ粒子の水への分散方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンナノ粒子を水以外の分散媒に分散させシリコンナノ粒子の分散液を得る第一の工程と、前記シリコンナノ粒子の分散液に水を加えてシリコンナノ粒子の溶液を得る第二の工程と、前記シリコンナノ粒子の溶液から、前記分散媒を除去する第三の工程と、を含む、シリコンナノ粒子の水への分散方法。
【請求項２】
前記分散媒が１００℃以下の沸点を有する溶媒である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第三の工程において、前記シリコンナノ粒子の溶液から、水と分散液の沸点差によって分散媒を除去する、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記シリコンナノ粒子が２００ｎｍ未満の一次粒径を有するナノ粒子である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記分散媒が炭素数１〜３のアルコールである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
シリコンナノ粒子を水以外の分散媒に分散させシリコンナノ粒子の分散液を得る第一の工程と、前記シリコンナノ粒子の分散液に水を加えてシリコンナノ粒子の溶液を得る第二の工程と、前記シリコンナノ粒子の溶液から、分散媒を除去してシリコンナノ粒子の水分散液を得る第三の工程と、を含む、シリコンナノ粒子の水分散液を製造する方法。
【請求項７】
水と分散媒とからなる水分散液の全体を１００質量％としたとき、９５質量％以上の水を含む水分散液に一次粒径２００ｎｍ以下のシリコンナノ粒子が分散したシリコンナノ粒子の水分散液であって、シリコンナノ粒子からなる凝集物が実質的に存在しないことを特徴とするシリコンナノ粒子の水分散液。
【請求項８】
前記分散媒が、前記シリコンナノ粒子の表面に吸着している、請求項７に記載のシリコンナノ粒子の水分散液。
【請求項９】
前記シリコンナノ粒子を前記分散媒に分散させシリコンナノ粒子の分散液を得、ついで、最終的に前記シリコンナノ粒子の分散液に水を加えてから２４時間経過後、シリコンナノ粒子からなる凝集物が実質的に存在しない請求項７または８に記載のシリコンナノ粒子の水分散液。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコンナノ粒子の水への分散方法に関する。また本発明は、シリコンナノ粒子の水分散液を製造する方法、及びシリコンナノ粒子の水分散液に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、シリコンナノ粒子を水に分散する方法がいくつか知られている。
例えば、特許文献１はアルキルカルボン酸塩又はアルキルアミン塩類を、特許文献２はアリル化合物を、それぞれシリコンナノ粒子表面に修飾して水に分散させる方法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３１６２３７号公報
【特許文献２】特開２００９−９１１６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の方法による分散方法は、シリコンナノ粒子の表面修飾のために複雑な化学反応や分離工程を要する。そのために、水分散液の製造効率が低く、かつ大量生産をすることが極めて難しい。
そこで、本発明は、容易にかつ高い効率でシリコンナノ粒子を水に分散することができる、シリコンナノ粒子の分散方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、鋭意検討したところ、以下の手段により上記課題を解決できることを見出した。すなわち、本発明は以下の通りである：
【０００６】
<<態様１>>
シリコンナノ粒子を水以外の分散媒に分散させシリコンナノ粒子の分散液を得る第一の工程と、前記シリコンナノ粒子の分散液に水を加えてシリコンナノ粒子の溶液を得る第二の工程と、前記シリコンナノ粒子の溶液から、前記分散媒を除去する第三の工程と、を含む、シリコンナノ粒子の水への分散方法。
<<態様２>>
前記分散媒が１００℃以下の沸点を有する溶媒である、態様１に記載の方法。
<<態様３>>
前記第三の工程において、前記シリコンナノ粒子の溶液から、水と分散液の沸点差によって分散液を除去する、態様１又は２に記載の方法。
<<態様４>>
前記シリコンナノ粒子が２００ｎｍ未満の一次粒径を有するナノ粒子である、態様１〜３のいずれか一項に記載の方法。
<<態様５>>
前記分散媒が炭素数１〜３のアルコールである、態様１〜４のいずれか一項に記載の方法。
<<態様６>>
シリコンナノ粒子を水以外の分散媒に分散させシリコンナノ粒子の分散液を得る第一の工程と、前記シリコンナノ粒子の分散液に水を加えてシリコンナノ粒子の溶液を得る第二の工程と、前記シリコンナノ粒子の溶液から、分散媒を除去してシリコンナノ粒子の水分散液を得る第三の工程と、を含む、シリコンナノ粒子の水分散液を製造する方法。
<<態様７>>
水と分散媒とからなる水分散液の全体を１００質量％としたとき、９５質量％以上の水を含む水分散液に一次粒径２００ｎｍ以下のシリコンナノ粒子が分散したシリコンナノ粒子の水分散液であって、シリコンナノ粒子からなる凝集物が実質的に存在しないことを特徴とするシリコンナノ粒子の水分散液。
<<態様８>>
前記分散媒が、前記シリコンナノ粒子の表面に吸着している、態様７に記載のシリコンナノ粒子の水分散液。
<<態様９>>
前記シリコンナノ粒子を前記分散媒に分散させシリコンナノ粒子の分散液を得、ついで、最終的に前記シリコンナノ粒子の分散液に水を加えてから２４時間経過後、シリコンナノ粒子からなる凝集物が実質的に存在しない態様７または８に記載のシリコンナノ粒子の水分散液。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の方法によれば、容易にかつ収率を落とすことなく高い収量（効率）でシリコンナノ粒子を分散することができる。そのような水に分散したシリコンナノ粒子は、例えば生体への応用が期待できる。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明のシリコンナノ粒子の水への分散方法は、シリコンナノ粒子を分散媒（単に溶媒ということもある）に分散し、その分散液に水を添加して、そして前記分散液中の溶媒を相対的に又は絶対的に除去することを含む。
特許文献１又は２に記載の方法では、化学反応を用いてシリコンナノ粒子表面に親水性の置換基を結合した後に未反応の原料とシリコンナノ粒子を分離する工程が必要であるのに対して、本発明の方法によればそのような化学反応や分離工程が不要であるため、シリコンナノ粒子の水分散液を容易にかつ高収率で得ることができる。
【０００９】
本発明の第一の工程において、水以外に用いる分散媒（溶媒）は、沸点が水の沸点である１００℃よりも低い溶媒を用いることができる。そのなかでも分子内に極性を有する炭素原子数１〜４のアルコール類が好ましい。具体的には、メタノール、エタノール、１−プロパノール、イソプロピルアルコール、ｔｅｒｔ−ブチルアルコールなどの脂肪族アルコール、又はこれらの混合溶媒を使用できる。このような本発明の方法によれば、分散液中のシリコンナノ粒子表面には好ましくはアルコール以外の化学物質が結合又は吸着していないので、毒性や環境負荷が極めて低い。
【００１０】
シリコンナノ粒子を分散媒（溶媒）に分散させる濃度としては、例えば０．０００１質量（ｗｔ）％以上、０．００１ｗｔ％以上、０．０１ｗｔ％以上、０．１ｗｔ％以上、１ｗｔ％以上の濃度を用いることができ、５０ｗｔ％以下、４０ｗｔ％以下、３０ｗｔ％以下、２０ｗｔ％以下又は１０ｗｔ％以下の濃度を用いることができる。
【００１１】
分散媒中に分散させるシリコンナノ粒子の一次粒径は１０００ｎｍ以下、５００ｎｍ以下、２００ｎｍ以下、１００ｎｍ以下、５０ｎｍ以下、又は３０ｎｍ以下であってもよく、０．１ｎｍ以上、１ｎｍ以上、５ｎｍ以上、１０ｎｍ以上、２０ｎｍ以上、３０ｎｍ以上、又は５０ｎｍ以上であってもよい。また、この範囲の中で２種類以上の一次粒径を含んでいてもよく、その個数平均一次粒径は、５００ｎｍ以下、２００ｎｍ以下、１００ｎｍ以下、５０ｎｍ以下、３０ｎｍ以下、又は２０ｎｍ以下であってもよく、０．１ｎｍ以上、１ｎｍ以上、５ｎｍ以上、１０ｎｍ以上、２０ｎｍ以上、３０ｎｍ以上、又は５０ｎｍ以上であってもよい。
【００１２】
分散媒中に分散させるシリコンナノ粒子としては、特にその種類は限定されないが、好ましくはレーザー熱分解法によって得られるシリコン粒子を挙げることができる。このようなシリコン粒子としては、例えば特表２０１０−５１４５８５号公報等に記載の粒子を用いることができる。
このような種類の粒子を単一で用いてもよく、例えば２種類以上の粒径の粒子を組み合わせて用いてもよい。また分布を有していてもよい。
【００１３】
分散媒（溶媒）に分散した後のシリコンナノ粒子の表面は、溶媒の分子と化学的あるいは物理的に結合又は吸着していてもよい。アルコールのような極性を有する分子で修飾されたシリコンナノ粒子表面は、水分子との親和性が向上し、シリコンナノ粒子水分散液の安定性が良くなるため、有用である。化学結合としては共有結合のような修飾タイプではなく、分子間結合や水素結合のような吸着タイプがよい。
【００１４】
本発明の第二の工程では、前記シリコンナノ粒子の分散液に水を加えてシリコンナノ粒子の溶液を得る工程を含む。
ここで、シリコンナノ粒子の分散液に水を加える前に、完全に乾固しない範囲で分散媒（溶媒）を気化または揮発などの方法により分散液全体の液量を減らしても良い。
【００１５】
水を加えた後のシリコンナノ粒子の濃度としては、シリコンナノ粒子の溶液すなわち分散媒と水との合計量を基準として、例えば０．０００１質量（ｗｔ）％以上、０．００１ｗｔ％以上、０．０１ｗｔ％以上、０．１ｗｔ％以上、１ｗｔ％以上の濃度を用いることができ、５０ｗｔ％以下、４０ｗｔ％以下、３０ｗｔ％以下、２０ｗｔ％以下又は１０ｗｔ％以下の濃度を用いることができる。
【００１６】
水を加える方法としては特に制限はないが、シリコンナノ粒子の分散液の液量を減らした場合、撹拌または振とうしながら水を加えると濃縮によって凝集したシリコンナノ粒子を再分散させやすいので好ましい。
【００１７】
本発明の第三の工程は、前記シリコンナノ粒子の溶液から、分散液を除去する工程である。
前記分散液を除去する方法としては、特に限定されないが、例えば水と分散液の沸点差を利用する方法が簡便であり好ましい。
【００１８】
水を加えた後のシリコンナノ粒子の溶液を完全に乾固しない範囲で濃縮することで、水よりも低沸点を有する溶媒を除去することが可能である。この時、濃縮は例えば、常温乾燥、加熱乾燥、減圧乾燥などの公知の手法を用いることができる。
【００１９】
シリコンナノ粒子の溶液中に含まれる溶媒の割合を減らすために、上記第二の工程と第三の工程とを繰り返し行ってもよい。すなわち、一旦ある程度溶液を濃縮させた後、再度水を加えて溶媒を濃縮する工程を行ってもよい。この操作は、繰り返し行うのが好ましい。繰り返し行うことによって、徐々にシリコンナノ粒子の溶液中の溶媒の割合を減らし、水の含有割合を増やしていくとシリコンナノ粒子の凝集が起こりにくいのでよい。水を加える方法としては特に制限はないが、撹拌または振とうしながら水を加えると濃縮によって凝集したシリコンナノ粒子を再分散させやすいので好ましい。
【００２０】
前記第三の工程によって最終的に得られるシリコンナノ粒子の水分散液中の濃度としては、例えば０．０００１質量（ｗｔ）％以上、０．００１ｗｔ％以上、０．０１ｗｔ％以上、０．１ｗｔ％以上、１ｗｔ％以上の濃度を用いることができ、５０ｗｔ％以下、４０ｗｔ％以下、３０ｗｔ％以下、２０ｗｔ％以下又は１０ｗｔ％以下の濃度を用いることができる。ここで、シリコンナノ粒子の水分散液中の濃度とは、水と分散媒との合計量を基準とする。
【００２１】
本発明によれば、上記説明から明らかなように、下記実施の形態、すなわち、
シリコンナノ粒子を水以外の分散媒に分散させシリコンナノ粒子の分散液を得る第一の工程と、前記シリコンナノ粒子の分散液に水を加えてシリコンナノ粒子の溶液を得る第二の工程と、前記シリコンナノ粒子の溶液から、分散媒を除去してシリコンナノ粒子の水分散液を得る第三の工程とを含む、シリコンナノ粒子の水分散液を製造する方法、が達成される。この本発明を実施するための形態は、前記で説明したことと同様である。
【００２２】
さらに本発明によれば、上記説明から明らかなように、下記実施の形態、すなわち、
水と分散媒とからなる水分散液の全体を１００質量％としたとき、９５質量％以上の水を含む水分散液に直径２００ｎｍ以下のシリコンナノ粒子が分散したシリコンナノ粒子の水分散液であって、シリコンナノ粒子からなる凝集物が実質的に存在しないシリコンナノ粒子の水分散液、が達成される。
【００２３】
上記発明は、前記の方法の発明で説明した方法によって得ることができる。本発明は、例えば生体への適用、応用が期待されるシリコンナノ粒子の水分散液が与えられる。
ここで、シリコンナノ粒子の水分散液は、シリコンナノ粒子と水分散液との組成全体を基準として、シリコンナノ粒子が、５０質量％以下、好ましくは５〜４０質量％、より好ましくは１０〜３０質量％である。５０質量％以下の範囲であることにより、シリコンナノ粒子同士の距離を確保できるため、分散性が向上するので好適である。
【００２４】
シリコンナノ粒子の水分散液において、水と分散媒との組成比としては、水が９９．９質量％以下、９９質量％以下、９５質量％以下が好ましい。水の組成が９９．９質量％を超えると、シリコンナノ粒子表面に吸着した分散媒が脱離しやすくなる観点で問題となる。
【００２５】
本発明のシリコンナノ粒子の水分散液は、前記シリコンナノ粒子の水分散液を得てから例えば２４時間、１２時間、６時間、３時間、１時間、好ましくは攪拌、振とう直後に時間が経過しても、シリコンナノ粒子の凝集物が実質的に存在しない。ここで、シリコンナノ粒子の凝集物とは、シリコンナノ粒子の凝集に伴う沈殿、浮遊物、分離などをいう。また、実質的に存在しないとは、シリコンナノ粒子の凝集が目視で確認、観察されないことを指す。また、水分散液を得てからとは、前記第二の工程と前記第三の工程とを繰り返し行い、最後に水を加えた最終の溶液（水分散液）の濃縮工程が終わったシリコンナノ粒子が入った容器にシリコンナノ粒子が２０質量％となるように水を加えて攪拌・振とうし、撹拌・振とうを止めてからの時間をいう。
【００２６】
以下、本発明の好ましい実施形態を実施例に基づいて説明するが、本発明は、下記実施例により限定されるものではない。
【実施例】
【００２７】
<<実施例１>>
レーザー熱分解法で作製した一次粒径１０〜７０ｎｍ、平均一次粒径２０ｎｍのシリコンナノ粒子を５質量％の濃度でイソプロピルアルコールに分散させて、シリコンナノ粒子のイソプロピルアルコール分散液を得た。
次に、シリコンナノ粒子のイソプロピルアルコール分散液を大気中に室温で放置して、ゲル状になるまで乾燥させた。イソプロピルアルコールの濃度は全体の約５質量％であった。その後、シリコンナノ粒子濃度が２０質量％程度になるように水を加えて、再びゲル状になるまで大気中、室温で乾燥させた。このときのイソプロピルアルコールの濃度は全体の約３質量％であった。この工程をさらに２回繰り返して、シリコンナノ粒子の水分散液を得た。このときのシリコンナノ粒子の水分散液は、水の組成が７９質量％、イソプロピルアルコールの組成が１質量％、シリコンナノ粒子の分散液中の濃度は２０質量％であった。得られたシリコンナノ粒子の水分散液は、攪拌後２４時間経過しても、凝集物は観察されなかった。
【００２８】
<<比較例>>
実施例１と同じ作製法でかつ、粒径のシリコンナノ粒子に何も処理することなく水を添加した場合、シリコンナノ粒子の凝集物が見られ分散液が得られなかった。