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あいち産業科学技術総合センター 研究報告 2015

研究論文

吸着性・抗菌性を有する機能性材料の開発
吉 元 昭 二 ＊ 1、 杉 本 賢 一 ＊ 2

Synthesis of Functional Materials capable for
Adsorption and Antibacterial Applications
Shoji YOSHIMOTO * 1 and Kenichi SUGIMOTO *2
Industrial Research Center * 1* 2炭素材料である酸化黒鉛と膨張化黒鉛について、アミンと複合化した試料を用いてアセトアルデヒドに対する吸着試験、銀ナノ粒子と複合化した試料を用いて大腸菌に対する抗菌試験を行った。その結果、吸着性能に関しては膨張化黒鉛、酸化黒鉛 ともにアミンと複合化することで 効果を確認することができた。
一方、抗菌性能に関しては膨張化黒鉛では抗菌 効果を確認することはできなかったが、酸化黒鉛においては銀ナノ粒子と複合化することで抗菌効果を確認することができた。

１．はじめに

鉛は酸化黒鉛を 400℃の電気炉で 1 分間加熱することで住宅における居住空間の快適さは、景観、安全、環境合成した 2)。吸着試験に用いる試料は、酸化黒鉛においなど様々な要素から成り立つものである。快適な居住空ては乳鉢中で酸化黒鉛とアミン化合物を乳棒で均一に混間を求め、健康的・衛生的な生活環境づくりへの期待が合することにより、また膨張化黒鉛においてはアミン化高まりつつある現在、樹脂系建材などに利用される化学合物を溶解させた溶液に膨張化黒鉛を浸漬させることに物質などが室内環境汚染の原因のひとつとなっている。

より作製した。抗菌試験に用いる試料は、酸化黒鉛におまた、住宅の高気密化・高断熱化はかびや細菌が増殖しいては乳鉢中で酸化黒鉛と銀ナノ溶液 3) を乳棒で均一にやすい湿度・温度といった室内環境をも作りだしている。

混合することにより、また膨張化黒鉛においては銀ナノ

これら居住空間に存在するかびや細菌、さらには汚染を溶液に膨張化黒鉛を浸漬させることにより作製した。な招く化学物質を除去していくことは重要かつ急務である。

お、実験で用いたアミン化合物は n-オクチルアミン、ド本研究では、黒鉛を出発原料として化学的、熱的に処デシルアミン、オクタデシルアミン、1,8-ジアミノオク理をすることで作製した酸化黒鉛及び膨張化黒鉛を用いタンの 4 種類で、いずれも水溶液への溶解度が大きくなて、そのアセトアルデヒドに対する吸着効果、また大腸いため、酸化黒鉛 10mg と 5～100mg（n-オクチルアミ菌に対する抗菌効果について検討したので報告する。

ンのみ 5～100μl）の範囲で変化させたアミン化合物を乳鉢中で均一に混合することにより酸化黒鉛中への挿入

２．実験方法を行った。銀ナノ溶液は液中プラズマ法により作製した
3)

2.1 試薬および装置。本報告では、酸化黒鉛 10mg に銀ナノ溶液を 500μl、黒鉛はアルドリッチ製のフレーク状のものを、また硫1000μl 添加して作製した試料をそれぞれ試料①、試料酸、過マンガン酸カリウム、硝酸ナトリウム、アンモニ②とする。同様に膨張化黒鉛 10mg に銀ナノ溶液を 500

ア、過酸化水素、アミン化合物は東京化成工業製またはμl、1000μl 添加して作製した試料をそれぞれ試料③、和光純薬工業製の試薬を用いた。吸着試験には 102ppm

試料④とする。

ア セ ト アル デ ヒ ド ガ ス を 、 ま た 抗 菌 試 験 に は 大 腸菌

2.3 吸着試験方法（Escherichia coli NBRC 3301）を使用した。
吸着試験には島津製作所製ガスクロマトグラフ

アセトアルデヒドに対する吸着試験は、2.2 で作製した試料を内径 5mm のガラス管に詰め、その両端をガラ

GC-17A を用いた。

スウールで固定した後、2ppm のアセトアルデヒドガス

2.2 試料の作製を流量 0.25l/min で 30 分間流し、ガラス管の入口、出口

酸化黒鉛は、黒鉛を硫酸、過マンガン酸カリウム、硝酸ナトリウムで処理を施すことで合成した＊1)。膨張化黒の濃度をガスクロマトグラフで測定することにより行った。2ppm のアセトアルデヒドガスは、102ppm のアセ

1 産業技術センター 化学材料室、 2 産業技術センター 化学材料室（現防災局 消防保安課 産業保安室）＊

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トアルデヒドガスを 5l/min、純空気を 245l/min 流すこ

n-オクチルアミンと複合化した酸化黒鉛及び膨張化黒とにより濃度調整を行い作製した。測定室内の温度は鉛を試料に用いて吸着試験を行った結果を図１及び図25℃に設定し、アセトアルデヒドガスは流路に加湿器を２に示す。横軸は酸化黒鉛または膨張化黒鉛 10mg に添挿入することで 50%の湿度を保持した。ガスクロマトグ

加した n-オクチルアミンの量である。左側の縦軸は吸着

ラフ測定のキャリアガスには窒素を用い、検出器は FID率（試料を詰めたガラス管に 2ppm のアセトアルデヒドを使用した。カラムは RESTEC 製のキャピラリーカラ

ガスを 30 分間供給したときの供給したアセトアルデヒ

ム Rtx-Wax を用い、カラム温度は 40℃、サンプリング

ド濃度に対する減少したアセトアルデヒド濃度の割合）

量は 200μl とした。

で、図中の棒グラフに対応している。右側の縦軸は供給

2.4 抗菌試験方法

アセトアルデヒド濃度の変化率（2ppm を 1 としている）

大腸菌に対する抗菌試験は、2.2 で作製した試料を用を表しており、図中の◆マークに対応している。図１か

いて①最小発育阻止濃度測定法及び②拡散法の 2 つの方ら酸化黒鉛に添加する n-オクチルアミンの量が増加す法により行った。
それぞれの試験法の手順を以下に示す。

るほどアセトアルデヒドの吸着率も増加していることが大腸菌は普通寒天培地（NA 培地）に接種し、35℃で 18分かる。これは、アセトアルデヒドがアミンに吸着して時間培養した。

いることを示唆している。図２に示した膨張化黒鉛の場①最小発育阻止濃度測定法

合も酸化黒鉛と同様、n-オクチルアミンの量が増加する

2.2 で作製した試料の濃度が 1mg/ml、0.5mg/ml、ほどアセトアルデヒドの吸着率がおおよそ増加しており、0.25mg/ml、0.125mg/ml となるように普通ブイヨン培地

アミンがアセトアルデヒドの吸着に影響を及ぼしている（NB 培地）で希釈しマイクロピペットで 400μl ずつウことが分かる。
酸化黒鉛と膨張化黒鉛を比較した場合は、ェルプレートに分注した。培養した大腸菌を NB 培地に膨張化黒鉛の方が酸化黒鉛よりも吸着率が高い結果とな接種し、2.4×106/ml になるように調製した後、試料を分った。この理由としては、酸化黒鉛と複合化されたアミ注したウェルプレートに 4μl ずつ接種した。35℃で 24ンは層間内という非常に狭い空間に存在しており、アセ時間振とう培養した後、細菌の増殖の有無を目視によりトアルデヒドとこのアミンが接触するためには、この微観察した。

小空間にアセトアルデヒドが侵入していく必要がある。

②拡散法

アセトアルデヒドと試料の接触時間は非常に短い時間でNB 培地に粉末寒天を 0.75%となるように加えることあるため、この短時間内でアミンと接触できるアセトアにより作製したソフトアガー（7ml）に 100 倍に希釈しルデヒドの量には限りがあると推測される。膨張化黒鉛

た大腸菌を 30μl 加えて混合した。この溶液を予めシャでは、その細孔は酸化黒鉛の層間に比較して非常に大きーレ中で放冷し固化させておいた NA 培地上に平らになく、またアミンそのものも膨張化黒鉛の細孔内以外にもるように加えて再度放冷し固化させた。この培地上に試存在している可能性が高いため、アセトアルデヒドとア料を置き、35℃で 24 時間培養した後、大腸菌の発育阻

ミンは酸化黒鉛よりも容易に接触しやすい環境にあった止帯（阻止円）の形成を目視により観察した。

ことが考えられる。これらの理由から膨張化黒鉛の方が３．実験結果及び考察
酸化黒鉛はその構造に酸素や水酸基を多く有しているため、水になじみやすい親水性の化合物である 4)。酸化
黒鉛と有機化合物との親和性を向上させるためには、酸化黒鉛の層間内にアミン化合物を挿入する方法が一般的に用いられる 5)。酸化黒鉛の層間内にアミン化合物を挿入すると、層間内を疎水化できるとともに層間をアミン化合物の鎖長に伴って拡張することが可能となる。挿入する物質が水溶性であれば水溶液中で酸化黒鉛と混合することで層間に物質を挿入することができ、疎水性の有機物質の場合は、乳鉢などの中で混合することで挿入することができる 5)。本研究では、アミン化合物を酸化黒鉛の層間に挿入することで有機化合物であるアセトアルデヒドに対する吸着性能を高めることを検討した。

図１

n-オクチルアミンと複合化した酸化黒鉛のアセトアルデヒド吸着量

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あいち産業科学技術総合センター 研究報告 2015
ジアミノオクタンの順に大きくなることが分かった。アセトアルデヒドはアミンと相互作用を起こしていることが推測され、厳密にはアミンの中にあるアミノ基と相互作用を起こすことでアセトルデヒドを吸着していることが推測できる。ドデシルアミンとオクタデシルアミンはアミノ基が一つであるが、1,8-ジアミノオクタンはアミノ基を二つ有している。ドデシルアミン、オクタデシル
ア ミ ン 、 1,8- ジ ア ミ ノ オ ク タ ン の 分 子 量 は そ れ ぞ れ
185.35、269.51、144.26 であり、同重量を膨張化黒鉛に添加した場合、分子数では分子量が最も小さい 1,8-ジアミノオクタンが最も多くなる。次に分子量が小さいドデシルアミンの分子数が多くなり、オクタデシルアミンの図２n-オクチルアミンと複合化した膨張化黒鉛のアセトアルデヒド吸着量分子数が最も少なくなる。すなわち膨張化黒鉛中に含まれるアミンの分子数の順はオクタデシルアミン＜ドデシ
ルアミン＜1,8-ジアミノオクタンであり、したがって、酸化黒鉛よりも吸着率が高い結果になったと推測できる。

膨張化黒鉛中に含まれるアミノ基の順もオクタデシルア

図中で、試料によっては供給したアセトアルデヒド濃度

ミン＜ドデシルアミン＜1,8-ジアミノオクタンであり、が減少する現象がみられるが、これは試料中に含まれるその上 1,8-ジアミノオクタンは一分子あたり 2 つのアミn-オクチルアミンが揮発し、ガスクロマトグラフまでのノ基を有しているため、1,8-ジアミノオクタンと複合化流路壁に付着し、その付着した n-オクチルアミンがアセされた膨張化黒鉛中にはさらに多くのアミノ基が存在しトアルデヒドを吸着しているためと考えられる。実際、ていることになる。このアミノ基の数が多いほどアセト揮発しにくい炭素数の大きなドデシルアミンを添加し吸アルデヒドを吸着しやすくなるため、図３のような結果着試験を行ったところ、供給したアセトアルデヒド濃度が得られたと推測される。に変化は生じずほぼ一定の値を示した。吸着率が高かっ

アルデヒドのカルボニル基（C=O）は反応性に富んでた膨張化黒鉛を用いてドデシルアミン、オクタデシルアおり、アミン類と容易に付加反応が起こり、ついで脱水-ミン、1,8-ジアミノオクタンを複合化した試料（膨張化縮合反応により炭素-窒素（C=N）結合を持つ化合物を生

黒鉛 10mg にそれぞれのアミンを 20mg）を用いて吸着成する 6)。膨張化黒鉛と複合化しているアミンが吸着し試験を行い、アセトアルデヒド吸着におけるアミンの影たアセトアルデヒドと上記の反応を起こしていると仮定

響について検討した。結果を図３に示す。

すると、一度吸着したアセトアルデヒドは脱離できない

図３の結果から本研究でのアセトアルデヒドに対することになる。しかし、試料に十分にアセトアルデヒドを吸着率は、オクタデシルアミン＜ドデシルアミン＜1,8-吸着させた後、純空気のみを流したところ、吸着したアセトアルデヒドを脱離できることが分かった。すなわち、
本実験でのアセトアルデヒドとアミンの相互作用は付加及び縮合反応による化学的結合ではなく、何らかの弱い相互作用である吸着によるものと推測できる。
酸化黒鉛及び膨張化黒鉛に銀ナノ溶液を添加した試料における最小発育阻止濃度測定法による結果を図４及び図５に示す。この測定法では、大腸菌の増殖が認められる場合には培地は濁り、認められない場合には透明な澄んだ培地となる。図４から分かるように、酸化黒鉛を1mg/ml、0.5mg/ml、0.25mg/ml の濃度で NB 培地に添加した場合では大腸菌の増殖が確認され、抗菌効果は見ドデシルアミン

1,8-ジアミノオクタン

オクタデシルアミン

られなかった。一方、試料①を 1mg/ml の濃度で NB 培
地に添加した場合では培地に濁りがなく澄んだ様子が観図３

アセトアルデヒド吸着率に対する膨張化黒察できる。これは大腸菌の増殖がなく抗菌効果があるこ

鉛中のアミンの影響とを示している。

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酸化黒鉛及び膨張化黒鉛に銀ナノ溶液を添加した試料における拡散法による結果を図６に示す。酸化黒鉛、膨酸化黒鉛のみ

張化黒鉛ともに銀ナノ溶液を添加していない試料では抗菌効果は確認することができなかった。しかし、酸化黒試料①

鉛に銀ナノ溶液を添加した試料においては、図６から明らかなように発育阻止帯（阻止円）の形成が確認できた。
一方で、膨張化黒鉛に銀ナノ溶液を添加した試料に関し試料②ては阻止円は形成せず、拡散法においても抗菌効果は確認できなかった。拡散法による阻止円は、試料から遊離した銀ナノ粒子が培地中を拡散することで形成される。

図４

酸化黒鉛に銀ナノ溶液を添加した試料の最酸化黒鉛では試料中の銀ナノ粒子は酸化黒鉛の層間内よ小発育阻止濃度測定法による結果りも酸化黒鉛表面に存在していると考えられるため、銀ナノ粒子は培地中では酸化黒鉛から遊離しやすい。一方で膨張化黒鉛では、その細孔の大きさは数百 nm2)もある

膨張化黒鉛のみため、銀ナノ粒子は細孔内にも多く存在し、この細孔中に閉じ込められた銀ナノ粒子は培地中でも容易には遊離しにくいと考えられる。そのため、試料中には同量の銀試料③が存在しているにもかかわらず、酸化黒鉛でのみ抗菌効果が確認できたのではないかと推測される。

４．結び

試料④

本研究では、酸化黒鉛と膨張化黒鉛の吸着性能および
図５膨張化黒鉛に銀ナノ溶液を添加した試料の抗菌性能について評価した。その結果、酸化黒鉛及び膨最小発育阻止濃度測定法による結果

張化黒鉛をアミノ化合物と複合化することによりアセトアルデヒドに対する吸着性能を確認することができ、また、液中プラズマ法で作製した銀ナノ粒子と酸化黒鉛を酸化黒鉛複合化することにより大腸菌の増殖を抑制する抗菌性能を発現できることが確認できた。

付記

膨張化黒鉛

本研究は、公益財団法人 LIXIL 住生活財団の調査研究
図６

酸化黒鉛及び膨張化黒鉛に銀ナノ溶液を添加助成として行ったものである。

した試料の拡散法による結果
0.5mg/ml、0.25mg/ml 及びそれ以下の添加量では抗菌効果は見られなかった。試料②では NB 培地への添加量が 1mg/ml 及び 0.5mg/ml の時には抗菌効果があることが確認できたが、添加量が 0.25mg/ml 以下の試料では培地は濁り、抗菌効果は見られなかった。1mg/ml の割合で試料①を添加した場合と 0.5mg/ml の割合で試料②を添加した場合では、どちらも NB 培地中に含まれる銀の濃度は同じであるため、この濃度以上の銀が含まれていれば抗菌効果が見られると考えられる。膨張化黒鉛を用いた試料においては、図５から分かるように、膨張化黒鉛のみ、試料③及び試料④全てにおいて培地は濁り、抗菌効果は見られなかった。

文献
1）W. S. Hummers Jr., R. E. Offeman：J. Am. Chem.

Soc.，80，1339(1958)
2）吉元，行木：愛知県産業技術研究所研究報告，7，6(2008)3）行木，中西：あいち産業科学技術総合センター研究
報告，1，38(2012)4）吉元，村井：あいち産業科学技術総合センター研究
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