(57)【要約】【課題】ナノバブルそのものをテンプレートとするポリマーナノ粒子の製造方法、該ポリマーナノ粒子の製造方法により得られるポリマーナノ粒子及び、該ポリマーナノ粒子の製造方法に好適に用いられるナノバブルの形成方法を提供する。【解決手段】モノマー水溶液３１にナノバブル３２を形成させ（Ｉ）、重合開始剤４１を加えて重合させること（II）を特徴とするポリマーナノ粒子３３の製造方法。この製造方法により得られたポリマーナノ粒子３３。モノマー水溶液３１に超音波を照射することを特徴とするナノバブル３２の形成方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モノマー水溶液にナノバブルを形成させ、重合開始剤を加えて重合させることを特徴とするポリマーナノ粒子の製造方法。
【請求項２】
前記ナノバブルの平均粒径が５００ｎｍ以下である、請求項１に記載のポリマーナノ粒子の製造方法。
【請求項３】
前記ナノバブルの数密度が４×１０７／ｍｌ以上である、請求項１又は２に記載のポリマーナノ粒子の製造方法。
【請求項４】
前記モノマー水溶液が、ピロール類、チオフェン類、インドール類、アニリン類、アジン類、ｐ−フェニレンビニレン類、ｐ−フェニレン類、ピレン類、フラン類、セレノフェン類、ピリダジン類、カルバゾール類、アクリラート類、メタクリラート類、アセチレン、及びそれらの誘導体の中から選択される水溶性モノマーの水溶液である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のポリマーナノ粒子の製造方法。
【請求項５】
前記重合開始剤が酸化剤である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のポリマーナノ粒子の製造方法。
【請求項６】
前記酸化剤が塩化鉄（III）である、請求項５に記載のポリマーナノ粒子の製造方法。
【請求項７】
前記ポリマーナノ粒子の平均粒径が９００ｎｍ以下である、請求項１〜６のいずれか一項に記載のポリマーナノ粒子の製造方法。
【請求項８】
ポリマーナノ粒子が中空粒子である、請求項１〜７のいずれか一項に記載のポリマーナノ粒子の製造方法。
【請求項９】
モノマー水溶液に超音波を照射してナノバブルを形成させる、請求項１〜８のいずれか一項に記載のポリマーナノ粒子の製造方法。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載のポリマーナノ粒子の製造方法により得られたポリマーナノ粒子。
【請求項１１】
モノマー水溶液に超音波を照射することを特徴とするナノバブルの形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポリマーナノ粒子の製造方法、ポリマーナノ粒子及びナノバブルの形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ポリマー微粒子や中空粒子は、徐放性を利用したドラッグデリバリーシステム（ＤＤＳ）、光散乱性を利用した白色顔料、ディスプレイ反射防止シート、断熱性を利用した断熱塗料、透明断熱シート、超音波共振特性を利用した超音波診断の造影剤など多様な用途への応用がなされている。
中空粒子の作製は、液体や固体をテンプレートとして用いる方法が一般的である。例えば、乳酸・グリコール酸共重合体（ＰＬＧＡ）粒子をＤＤＳに利用する例が知られている（非特許文献１）。
【０００３】
また、直径１μｍ以下のナノバブルの形成方法として、気液二相流旋回方式／気液混合せん断方式（非特許文献２）や、加圧溶解式／旋回液流式（非特許文献３）が知られている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】辻本「ナノ・微粒子設計によるＤＤＳ製剤，医療デバイス等への応用」、粉砕、２０１０年、Ｎｏ．５３、ｐ．３８−４９
【非特許文献２】西内ら「微細気泡の最新技術ｖｏｌ２」、株式会社エヌ・テイー・エス、２０１４年８月８日、ｐ．３８−３９
【非特許文献３】丸山ら、「超音波および他の方法によるウルトラファインバブルの脱泡」、第23回ソノケミストリー討論会講演論文集、２０１４年、ｐ．５９−６０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、非特許文献１の方法では多量の熱や有機溶媒を利用してテンプレート物質を除去する必要があり、環境に対する負荷が大きい。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みて為されたものであり、ナノバブルそのものをテンプレートとするポリマーナノ粒子の製造方法、該ポリマーナノ粒子の製造方法により得られるポリマーナノ粒子及び、該ポリマーナノ粒子の製造方法に好適に用いられるナノバブルの形成方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は以下の通りである。
（１）モノマー水溶液にナノバブルを形成させ、重合開始剤を加えて重合させることを特徴とするポリマーナノ粒子の製造方法。
（２）前記ナノバブルの平均粒径が５００ｎｍ以下である、（１）に記載のポリマーナノ粒子の製造方法。
（３）前記ナノバブルの数密度が４×１０７／ｍｌ以上である、（１）又は（２）に記載のポリマーナノ粒子の製造方法。
（４）前記モノマー水溶液が、ピロール類、チオフェン類、インドール類、アニリン類、アジン類、ｐ−フェニレンビニレン類、ｐ−フェニレン類、ピレン類、フラン類、セレノフェン類、ピリダジン類、カルバゾール類、アクリラート類、メタクリラート類、アセチレン、及びそれらの誘導体の中から選択される水溶性モノマーの水溶液である、（１）〜（３）のいずれか一項に記載のポリマーナノ粒子の製造方法。
（５）前記重合開始剤が酸化剤である、（１）〜（４）のいずれか一項に記載のポリマーナノ粒子の製造方法。
（６）前記酸化剤が塩化鉄（III）である、（５）に記載のポリマーナノ粒子の製造方法。
（７）前記ポリマーナノ粒子の平均粒径が９００ｎｍ以下である、（１）〜（６）のいずれか一項に記載のポリマーナノ粒子の製造方法。
（８）ポリマーナノ粒子が中空粒子である、（１）〜（７）のいずれか一項に記載のポリマーナノ粒子の製造方法。
（９）モノマー水溶液に超音波を照射してナノバブルを形成させる、（１）〜（８）のいずれか一項に記載のポリマーナノ粒子の製造方法。
【０００８】
（１０）（１）〜（９）のいずれか一項に記載のポリマーナノ粒子の製造方法により得られたポリマーナノ粒子。
（１１）モノマー水溶液に超音波を照射することを特徴とするナノバブルの形成方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のポリマーナノ粒子の製造方法により、ナノバブルをテンプレートとしてポリマーナノ粒子を製造することができる。本発明のナノバブルの形成方法により、本発明のポリマーナノ粒子の製造方法に好適なナノバブルを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】モノマー水溶液に超音波を照射してナノバブルを形成させる工程（Ｉ）と、重合開始剤を加えて重合させる工程（II）により、ポリマーナノ粒子の製造方法を示した図である。
【図２】モノマー水溶液にタンデム超音波照射してナノバブルを形成する工程を示した図である。
【図３】ポリピロールのポリマーナノ粒子の電界放射型走査型電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）像である。
【図４】ポリピロールのポリマーナノ粒子を模式的に示した断面図である。
【図５】ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）のポリマーナノ粒子の電界放射型走査型電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）像である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
＜ポリマーナノ粒子の製造方法＞
本発明のポリマーナノ粒子の製造方法は、モノマー水溶液にナノバブルを形成させ、重合開始剤を加えて重合させることを特徴とする。本発明のポリマーナノ粒子３３の製造方法は、図１に示すように、モノマー水溶液３１にナノバブル３２を形成させる工程（Ｉ）と、重合開始剤４１を加えて重合させる工程（II）に分けて説明することができる。
【００１２】
（工程（Ｉ））
工程（Ｉ）では、モノマー水溶液にナノバブルを形成させる。ナノバブルの形成方法としては、気液二相流旋回方式／気液混合せん断方式（非特許文献２）や、加圧溶解式／旋回液流式（非特許文献３）を採用することができるが、好ましくは、超音波を照射してナノバブルをより高密度に形成させることができる。モノマー水溶液に超音波を照射すると、水面の攪拌により生じたバブルが、その後、継続的に照射された超音波により生じる剪断力、あるいはキャビテーション効果によって分断されることによりナノバブルが形成すると考えられる。
【００１３】
超音波としては、２０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの単独の周波数の超音波を照射する方法を採用することができ、２０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの単独の周波数の超音波を照射した後、０．５〜２．０ＭＨｚの周波数の超音波を照射するタンデム超音波照射方法を採用することができ、２０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの単独の周波数の超音波を照射した後、０．５〜２．０ＭＨｚの周波数の超音波を照射し、その後、さらに、２．０〜３．０ＭＨｚの周波数の超音波を照射するタンデム超音波照射法を採用することもできる。
２０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの周波数の超音波の照射時間としては、５〜２０分間、好ましくは７〜１５分間、より好ましくは９〜１２分間を採用することができる。
０．５〜２．０ＭＨｚの周波数の超音波の照射時間としては、２〜１５分間、好ましくは３〜１０分間、より好ましくは４〜８分間を採用することができる。
【００１４】
例えば、図２に示すように、モノマー水溶液２１に超音波発振装置の破砕ホーン１１により２０ｋＨｚの周波数の超音波を照射してナノバブル２２を発生させ、１．６ＭＨｚの超音波発振装置１２により、より小さなナノバブル２３を形成させ、２．４ＭＨｚの超音波発振装置１３により、更に小さなナノバブル２４を形成させることができる。
【００１５】
モノマーとしては、ピロール類、チオフェン類、インドール類、アニリン類、アジン類、ｐ−フェニレンビニレン類、ｐ−フェニレン類、ピレン類、フラン類、セレノフェン類、ピリダジン類、カルバゾール類、アクリラート類、メタクリラート類、アセチレン、及びそれらの誘導体の中から選択される水溶性のモノマーを用いることができ、これらのモノマーを用いて、本発明により、ナノバブルの界面で好適に重合させることができる。
【００１６】
工程（Ｉ）では、平均粒径５００ｎｍ以下のナノバブルを形成させることができ、平均粒径４００ｎｍ以下のナノバブルを形成させることができ、平均粒径３００ｎｍ以下のナノバブルを形成させることができる。上限値以下の平均粒径とすることによりナノバブルの上昇速度を抑えることができ、モノマー水溶液中で安定なナノバブルが形成できる。
【００１７】
工程（Ｉ）では、０．４×１０８／ｍｌ以上（４×１０７／ｍｌ以上）の数密度のナノバブルを形成させることができ、０．６×１０８／ｍｌ以上の数密度のナノバブルを形成させることができ、０．８×１０８／ｍｌ以上の数密度のナノバブルを形成させることができ、１．０×１０８／ｍｌ以上の数密度のナノバブルを形成させることができ、２．０×１０８／ｍｌ以上の数密度のナノバブルを形成させることができる。
【００１８】
工程（Ｉ）において、モノマー水溶液の濃度としては、０．１ｍＭ〜１０．０ｍＭとすることができ、０．２ｍＭ〜６．０ｍＭとすることができ、０．４ｍＭ〜４．０ｍＭとすることができ、０．６ｍＭ〜３．０ｍＭとすることができ、０．８ｍＭ〜２．０ｍＭとすることができる。
【００１９】
工程（Ｉ）で形成できるナノバブルのゼータ電位の絶対値は、３０ｍＶよりも大きくすることができ、モノマー水溶液への溶解が起こりづらく、モノマー水溶液中で非常に安定して長く存在することができ、ポリマーナノ粒子を製造するに際してのテンプレートとして好適に利用することができる。
【００２０】
（工程（II））
工程（II）では、ナノバブルを含むモノマー水溶液に重合開始剤を加えて重合させる。ナノバブルを含むモノマー水溶液に重合開始剤を加えると、ナノバブルの界面で重合が進行することによって、ポリマーナノ粒子が形成する。工程（II）の重合反応では、易水溶性のモノマーから難水溶性のポリマーに変化するか、又は、モノマーよりもポリマーの方が水溶性が低下するので、ナノバブルの界面で重合反応が起こり易く、好適にポリマーナノ粒子を形成することができる。
【００２１】
重合開始剤としては、使用するモノマー水溶液に合わせて公知の重合開始剤を用いることができる。酸化剤を用いることにより酸化重合させることができ、酸化剤として塩化鉄（III）を塩化鉄（III）水溶液として用いることができる。また、ラジカル重合開始剤を用いることにより、ラジカル重合させることができる。重合開始剤として酸化剤水溶液を用いる際には、重合反応液中の重合開始剤濃度が、０．１〜１０ｍＭの濃度とすることができ、０．４〜５ｍＭの濃度とすることができ、１．０〜４．０ｍＭの濃度とすることができ、１．５〜３ｍＭの濃度とすることができる。上限値以下の重合開始剤濃度とすることにより、好適にポリマーナノ粒子を形成することができ、ナノバブルの界面以外のモノマー水溶液全体で重合が生じて膜状乃至塊状の重合体が形成することを防ぐことができる。
【００２２】
工程（II）により、平均粒径が、９００ｎｍ以下のポリマーナノ粒子を製造でき、７００ｎｍ以下のポリマーナノ粒子を製造でき、６００ｎｍ以下のポリマーナノ粒子を製造できる。
【００２３】
工程（II）により、製造できるポリマーナノ粒子を中空粒子とすることができる。中空粒子は、内部に空洞を有する粒子のことであり、その特殊な構造から、特異的な光学特性や伝導特性、力学特性をもつため、医療分野、情報分野、塗工分野など様々な分野に応用可能である。中でもドラックデリバリーシステムや白色顔料がその代表例である。
【実施例】
【００２４】
以下、具体的実施例により、本発明についてさらに詳しく説明する。ただし、本発明は、以下に示す実施例に何ら限定されるものではない。
【００２５】
具体的実施例において、各種測定に用いた機器、および、超音波照射に用いた超音波発振装置を説明する。
（ナノバブルの平均直径、ゼータ電位）
非接触後方散乱光学系（ＮＩＢＳ）を使用したゼータサイザー ナノ ＺＳ（マルバーン  インスツルメンツ社製）を用いて測定した。
（ナノバブルの数密度）
ブラウン運動トラッキング型粒子サイズ解析装置（マルバーン インスツルメンツ社製、Ｎａｎｏｓｉｇｈｔ（ＬＭ１０））を用いて測定した。
（超音波発振装置）
２０ｋＨｚの超音波の照射には、ＢＲＡＮＳＯＮ  ＳＯＮＩＦＩＥＲ−４５０Ｄ（Ｂｒａｎｓｏｎ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ社製）を用い、破砕ホーンの先端にマイクロチップ（φ0.32 cm）を付けて使用した。
１．６ＭＨｚ、２．４ＭＨｚの超音波の照射には、Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ（本田電子株式会社製）を用い、直径24mm、長さ75mmの耐熱ガラス製の円筒形管の振動子を繋げて使用した。
【００２６】
＜ナノバブルの製造実験１＞
純水10ｍｌに対し単独の超音波照射（20 kHz, 250 W cm-2, 10 min）を行った。超音波を照射する前の純水にレーザー光を当てても光路は確認されなかったが、超音波照射（20 kHz）の後は、くっきりとした緑の光路が見られた。発生させたナノバブルの平均直径、ゼータ電位、および数密度を測定した。評価結果を表１に示した。
【００２７】
＜ナノバブルの製造実験２＞
純水10ｍｌに対しタンデム超音波照射（20 kHz (250 W cm-2,10 min)→1.6 MHz (16 W cm-2, 5 min)）を行った。超音波を照射する前の純水にレーザー光を当てても光路は確認されなかったが、超音波照射（20 kHz→1.6 MHz）の後は、くっきりとした緑の光路が見られた。発生させたナノバブルの平均直径、ゼータ電位、および数密度を測定した。評価結果を表１に示した。
【００２８】
＜ナノバブルの製造実験３＞
純水10ｍｌに対しタンデム超音波照射（20 kHz (250 W cm-2,10 min)→1.6 MHz (16 W cm-2, 5 min)→2.4 MHz (7 W cm-2, 5 min)）を行った。超音波を照射する前の純水にレーザー光を当てても光路は確認されなかったが、超音波照射（20 kHz→1.6 MHz→2.4 MHz）の後は、くっきりとした緑の光路が見られた。発生させたナノバブルの平均直径、ゼータ電位、および数密度を測定した。評価結果を表１に示した。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
表１に示したとおり、20 kHzの超音波照射において143 nmであったナノバブルの平均直径は、タンデム超音波照射により1.6 MHz照射後は119 nm，2.4 MHz照射後は110 nmと小さくなっていくことが確認された。また、それぞれのナノバブルのゼータ電位は、一般的な粒子の分散安定性の指標とされている絶対値として30 mV以上の大きさを有しており、十分安定であると言える。さらに、気泡の数密度はいずれも108 ｍｌ-1以上と、従来の気液二相流旋回方式／気液混合せん断方式（非特許文献２）で、２．３×１０７ｍｌ-1、加圧溶解式／旋回液流式（非特許文献３）で、３．１×１０７ｍｌ-1程度であったナノバブルの形成方法と比較して、１０〜１００倍程度の濃度を有するものであることが確認された。
これは、20 kHzの超音波照射によって気液界面での激しい剪断により生じた気泡が、超音波によって水中で分断されることにより、ナノバブルが生成したと考えられる。さらに、タンデム超音波照射時には、1.6 MHz、2.4 MHzの超音波照射の大きな加速度およびキャビテーション効果によってナノバブルがより細分化され、気泡径がさらに小さくなったと考えられる。
【００３１】
［実施例１］
＜ナノバブルの製造実験４＞
1.2ｍＭのピロール水溶液（10ｍｌ）に対し遮光して単独の超音波照射（20 kHz, 250 W cm-2, 10 min）を行い、発生させたナノバブルの平均直径を、測定した。評価結果を表２に示した。
【００３２】
［実施例２］
＜ナノバブルの製造実験５＞
1.2ｍＭのピロール水溶液（10ｍｌ）に対し遮光してタンデム超音波照射（20 kHz (250 W cm-2,10 min)→1.6 MHz (16 W cm-2, 5 min)）を行い、発生させたナノバブルの平均直径を、測定した。評価結果を表２に示した。
【００３３】
［実施例３］
＜ナノバブルの製造実験６＞
1.2ｍＭのピロール水溶液（10ｍｌ）に対し遮光して超音波照射（20 kHz (250 W cm-2,10 min)→1.6 MHz (16 W cm-2, 5 min)→2.4 MHz (7 W cm-2, 5 min)）を行い発生させたナノバブルの平均直径を、測定した。評価結果を表２に示した。
【００３４】
【表２】
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【００３５】
［実施例４］
＜ポリマーナノ粒子の製造１＞
モノマーであるピロール水溶液（1.2 mM、10 ml）に対し、単独の超音波照射（20 kHz, 250 W cm-2, 10 min）を行い、水溶液内にナノバブルを発生させた（Ｉ）。続いて、この溶液に酸化剤としてFeCl3水溶液（15 mM、2 ml）を滴下して加え、反応液中の重合開始剤濃度を2.5 ｍMとし、ナノバブルをテンプレートとして、室温条件下、静置し遮光して30分間、酸化重合させた（II）。ナノバブル界面での酸化重合によって得られたポリピロールナノ粒子分散液を、ろ過して不純物を除いた後、エバポレータにより濃縮し、純水2 ｍｌに再度分散させた後、インジウム／スズ酸化物（ＩＴＯ）基板上にキャスト・乾燥して電界放射型走査型電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）により観察した。
【００３６】
図３（ａ）には合成したポリピロールナノ粒子のＦＥ−ＳＥＭ像を示した。合成されたポリピロールナノ粒子の平均粒径は600 nm程度であった。さらに、一部殻が欠けた形状をしているものも確認され（図３（ｂ））、これらのポリピロールナノ粒子が中空であると推定できる。ポリピロールナノ粒子の平均粒径が600 nm、ピロール水溶液中のナノバブルの平均直径が282 nmであったことから、図４に示すように、ポリピロールナノ粒子の殻の厚さは160 nm程度と考えられる。
従来のテンプレート法では、粒子やエマルション液滴をテンプレートとして、その外側に殻を形成させ、その後にコアつまりテンプレート物質を除去することで、中空粒子を製造している。
本願発明の方法による中空粒子の製造方法では、従来のテンプレート法とは異なり、ナノバブルをテンプレートとして利用できるため、後処理として大量の熱や酸などの溶媒を使用したコア物質の除去プロセスが不要となり、廃棄物の低減化を図ることができる。そのため、本願発明のポリマーナノ粒子の製造方法は、環境負荷が少なく、生産コストが低い、非常に理想的な中空粒子合成法として期待できる。
【００３７】
ＩＴＯ基板上のポリピロールナノ粒子をＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分光法）により元素分析した。結果を表３に示す。なお、ＩＴＯ基板由来のＩｎのピーク等は除いている。ポリピロールナノ粒子由来のＣ元素及びＮ元素のＫ線と、塩化鉄（III）由来のＣｌ元素のＫ線が検出された。ただし、空気中のＮ元素も検出するため、定量的ではない。
【００３８】
【表３】
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【００３９】
［実施例５］
＜ポリマーナノ粒子の製造２＞
モノマーである３，４−エチレンジオキシチオフェン水溶液（1.2 mM、10 ml）に対し、単独の超音波照射（20 kHz, 250 W cm-2, 10 min）を行い、水溶液内にナノバブルを発生させた（Ｉ）。続いて、この溶液に酸化剤としてFeCl3水溶液（15 mM、2 ml）を滴下して加え、重合反応液中の重合開始剤濃度を2.5 ｍMとし、ナノバブルをテンプレートとして、室温条件下、静置し遮光して30分間、酸化重合させた（II）。ナノバブル界面での酸化重合によって得られたポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）ナノ粒子分散液を、ろ過して不純物を除いた後、エバポレータにより濃縮し、純水2 ｍｌに再度分散させた後、ＩＴＯ基板上にキャスト・乾燥して電界放射型走査型電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）により観察した。
【００４０】
また、図５には合成したポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）ナノ粒子のＦＥ−ＳＥＭ像を示した。合成されたポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）ナノ粒子の平均粒径は600 nm程度であった。
【００４１】
ＩＴＯ基板上のポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）ナノ粒子をＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分光法）により元素分析した。結果を表４に示す。ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）ナノ粒子由来のＣ元素、Ｏ元素及びＳ元素のＫ線と、塩化鉄（III）由来のＣｌ元素のＫ線が検出された。ただし、空気中のＯ元素も検出するため、定量的ではない。
【００４２】
【表４】
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【符号の説明】
【００４３】
１１・・・超音波発振装置の破砕ホーン、１２・・・超音波発振装置、１３・・・超音波発振装置、１４・・・容器、１５・・・外容器、１６・・・水、２１・・・モノマー水溶液、２２・・・ナノバブル、２３・・・ナノバブル、２４・・・ナノバブル、３１・・・モノマー水溶液、３２・・・ナノバブル、３３・・・ポリマーナノ粒子、４１・・・重合開始剤
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図３】
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【図５】
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