−新技術紹介−●層状無機化合物を用いた新しい徐放技術の開発
Development of a New Controlled Release Technique using Designed Inorganic Nanosheets───────────────────────────────────────────────────────────―-熊谷 伸哉、橋本 真由子、北村 昭憲
Shinya Kumagai, Mayuko Hashimoto, Akinori Kitamura
Key Word : Controlled Release, Nanosheets, Heat-resistance, Weather-resistance, Water-resistance, Intercalation,
Interlayer modification, Bioactivity, Smell, Long life

１ はじめに

２ 実験

層状無機化合物（ホスト化合物）の層間へ、生理活性等を有1)

２．１ 層間修飾ホスト化合物とモデルゲスト分子の複合化、ゲスト分子に耐候モデルゲスト分子として低分子量の複素環化合物である性や耐熱性等を持たせつつ、徐々に放出（徐放）することで2-メチル-2-チアゾリン（2MT）、ホスト化合物として 2MT との効能を長期間持続させる材料がいくつかの分野で実用化され相互作用が期待される相互作用基Ａを導入したホスト化合物する機能分子（ゲスト分子）を挿入し2-4)。しかし、従来技術ではホスト化合物とゲスト分子Ａを用いて混合し、固形分をろ取することで黄色ろう状固体の有効な組み合わせは限られており、実用化される用途は限の 2MT−ホスト化合物Ａ複合体（以後、2MT 複合体Ａと称す）定的であった。

を得た（図２）。このろう状固体を適切な溶媒中に分散させて、筆者らは、ゲスト分子に合わせた相互作用基を共有結合をかき混ぜた後、ろ取をして白色粉末状の複合体を得た。ている

介してホスト化合物の層間に導入することにより、ホスト―ゲスト間の相互作用を制御し、所望のゲスト分子を自在に挿入・放出する技術の開発を目指している（図１）。

図１

層間修飾による機能分子の挿入・放出制御

今回筆者らは、種々の相互作用基で層状無機化合物の層間を修飾することによって、従来の技術では挿入・複合化が困難であった分子の挿入に成功し、相互作用基の種類によってその放出速度を変えられることを明らかにした。

図２2MT 複合体Ａの調製方法

本稿では、層間修飾ホスト化合物とモデルゲスト分子を用いたユニークな挿入・複合化と徐放のモデル実験、および一２．２ ２ＭＴ複合体Ａの分析

般的に用いられる防カビ剤を挿入した場合の耐熱・耐水・徐２．２．１ 粉末Ｘ線回折による（001）面間距離の確認

放試験から、我々の新しい技術のコンセプトを確認し、有効ホスト化合物Ａおよび 2MT 複合体Ａを粉末Ｘ線回折（XRD）分析した結果、複合化の前後で（001）面間距離が 1.69 nm かであることを明らかにしたので報告する。

ら 2.31 nm に著しく拡大した（図３）。CHN 元素分析（データ非記載）および熱重量分析（TGA、後述）の結果と合わせ、ホスト化合物の層間に 2MT が挿入されていることが確認された。

東亞合成株式会社

Ｒ＆Ｄ総合センター

応用研究所

Applied Research Laboratory, General Center of R&D, TOAGOSEI CO., LTD.
東亞合成グループ研究年報 3-1 TREND 2019 第 22 号

図３2MT 複合体Ａの粉末 X 線回折パターン

比較のため、従来技術であるイオン交換によってドデシルトリメチルアンモニウム（DTMA）基で層間を有機修飾したホスト化合物Ｂを用いて同様の複合化を行い、XRD によって（001）面間距離の変化を確認した。その結果、複合化前の（001）
面間距離が 2.86 nm、複合化後のそれが 2.89 nm とほとんど変化がなく、CHN 元素分析および TGA（いずれもデータ非記

図４

2MT 複合体Ａの熱重量測定（上）
各温度での重量減少率（下）載）の結果と合わせて 2MT はホスト化合物の層間にほとんどークを有するグラフを示し、３種類の異なる相互作用状態の挿入されていないことが確認された。

存在を示唆している。

以上から、適切な相互作用基で修飾したホスト化合物を使2MT（図４下、橙破線）と複合体３種を比較すると、2MT は用することで従来技術では層間への挿入が困難な分子を挿揮発性が非常に高く、100 ℃程度までに全て揮発してしまう入・複合化できることが明らかになった。のに対し、複合体では 2MT の 重量減少（揮発）領域が高温側

DTMA 基を導入したホスト化合物Ｂを用いた複合体は、溶媒洗浄後でも褐色に着色している。これはイオン結合で導入さにシフトしており、複合化によって約 200℃もの耐熱性の向上が認められた。

れている DTMA 基が複合化処理中に脱離することに起因する複合体の溶媒洗浄前後（図４下、赤線および青線）を比較と推測される。一方、2MT 複合体Ａは図２に示す通り溶媒洗すると 100℃付近までの揮発成分が消失しており、ホスト化浄後に白色である。相互作用基が共有結合を介してホスト化合物の表面に付着し、弱く相互作用している 2MT が洗い流さ合物に導入されていることでホスト化合物からの脱離が起これたと推測される。っていないためと考えられる。ホスト化合物の安定性（＝共さらに、複合体の良溶媒洗浄前後（図４下、青線および緑有結合によって相互作用基が脱離しない）の面でも、本技術

線）を比較すると、200℃付近までの揮発成分が著しく減少しは従来技術よりも有用と言える。ている。洗浄後の良溶媒中に 2MT が含まれていることをガスクロマトグラフィー（GC）によって確認したことから、この２．２．２ 熱重量分析による耐熱性向上の確認
2MT、ホスト化合物Ａおよび 2MT 複合体Ａの TGA（窒素雰囲

200℃付近までの揮発成分は良溶媒によって抽出できる、中程度の相互作用で複合化されている 2MT と推測される。

気下、昇温速度：20℃/min）を行い、それぞれ重量減少温度250℃以上の揮発成分は、良溶媒洗浄によってもほとんどおよび減少率を確認した。複合体は前述の溶媒洗浄前のもの減少しなかったこと、および熱分解ガスクロマトグラフ質量と溶媒洗浄後のものおよび溶媒洗浄後にさらに 2MT の良溶媒分析の結果から、変質せずにホスト化合物と強固な相互作用を用いて洗浄したものの計３種を測定した（図４上）。

を形成している 2MT と考えられる。

さらに重量減少率を温度で微分し、温度ごとの重量減少率を示すように変換したものを図４下に示す。

２．２．３ ２ＭＴとホスト化合物 A の相互作用イメージ

ホスト化合物Ａおよび 2MT 複合体Ａの重量減少率の差分よ

前述の 2MT の揮発挙動、溶媒への溶出挙動、およびホストり計算した 2MT 含有率は、溶媒洗浄前（図４、赤線）：32.4%、化合物に導入されている相互作用基Ａと 2MT（相互作用：弱、溶媒洗浄後（図４、青線）：19.6%、良溶媒洗浄後（図４、緑中、強）とのモル比から、2MT とホスト化合物Ａとの相互作線）：14.7%であった。
ここで、溶媒洗浄前の複合体（図４下、赤線）は３つのピ用イメージを考察した（図５）。

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表1

複合体Ａ、B、C の 2MT 含有率および面間距離て機能を発現させることを想定し、疎水性溶媒であるオクタンを用いた。
オクタン４ mL に対し各複合体 40 mg を加えて室温でかき混ぜ、経時的に上澄み液をサンプリングし、GC 分析を行うことでオクタン中の 2MT 濃度を測定し、複合体から溶媒中への2MT の放出挙動を確認した（図６）。放出割合は、各複合体に
図５

2MT とホスト化合物 A の相互作用イメージ

ホスト化合物Ａは、相互作用基を導入可能な反応点のうち含まれる 2MT 量を分母とし、そのうちオクタン中へ放出された 2MT 量の割合を百分率で表したものである。

およそ 50%に相互作用基Ａが導入されている。複合体中の相互作用基Ａと中程度の相互作用で複合化されている 2MT のモル比がほぼ１：１であり、相互作用基Ａと強固に相互作用している 2MT のモル比がほぼ１：２である。このことから、層間の１つの相互作用基Ａの近傍に２分子の 2MT が存在して強く相互作用している一方、相互作用基Ａが導入されていない空間に１分子の 2MT が存在し、中程度の相互作用で挿入されていると推測される。これが揮発挙動や溶媒への溶出挙動の違いを生み出していると考えられる。

図６

このように、適切な相互作用基を選択して層間修飾することにより、相互作用：中、強という２種類の挿入状態と層の外側に弱く付着している状態を合わせた３種類の複合状態が混在するユニークな複合化を生み出すことができた。

２．３ 相互作用基による挿入・放出挙動の違い
ホスト化合物Ａに加え、2MT との相互作用が相互作用基Ａよりも弱いと推定される相互作用基Ｃを導入したホスト化合物Ｃを合成した。従来技術のイオン交換によって DTMA 基を導入したホスト化合物Ｂも合わせた３種のホスト化合物に対して 2MT を複合化させ 2MT 複合体Ａ、ＢおよびＣを調製した。
前述と同様の方法で複合体の分析を行ったところ、2MT 複合体Ａが最も多くの 2MT を含有しており、複合体Ｂはわずかしか 2MT を含有していなかった（表 1）。この結果から、2MTとホスト化合物に導入した相互作用基との相互作用の強弱と、複合体中の 2MT 含有率との間に正の相関があることが示唆される。
次に、2MT 複合体Ａ、ＢおよびＣからの 2MT の放出挙動を確認するためのモデル実験として溶媒中への放出試験を行っ

オクタン中への 2MT 放出試験注）ホスト化合物の外に付着していると推定される 2MT 量は補正してある。

2MT との強い相互作用が推定される相互作用基Ａを有する
2MT 複合体Ａは、弱い相互作用が推定される 2MT 複合体Ｃと比較して、放出割合の上昇が遅く、相互作用基Ａとの強い相互作用によって 2MT の放出が抑制されていることが確認された。また、従来技術の 2MT 複合体Ｂではほとんど放出されなかった。
これらのことから、適切な相互作用基をホスト化合物に導入することによって従来挿入が困難であった 2MT を挿入できることを明らかにした。さらに、ホスト化合物に導入する相互作用基の種類によってホスト―ゲスト相互作用の強さを変化させ、ゲスト分子の含有量や放出速度を変更できることが明らかとなった。

２．４ 防カビ剤複合体を用いた耐熱・徐放試験
ゲスト分子に 2MT と類似の構造を持ち、防カビ剤として一般的に使用されているオクチルイソチアゾリノン（OIT）（図７）を用いて徐放性防カビ剤複合体を調製した。これを樹脂に練り込んだ試験片を用いて防カビ試験を実施して複合体のた。溶媒は、複合体をポリオレフィンなどの樹脂中に混合し東亞合成グループ研究年報 3-3 TREND 2019 第 22 号

図７ オクチルイソチアゾリノン（OIT）
性能評価を行った。
ホスト化合物としては相互作用基Ａ、および OIT との相互作用調節のための相互作用基Ｄを導入したホスト化合物Ｄを用いた。
OIT 複合体Ｄは OIT とホスト化合物Ｄを１：９（重量比）で複合化して調製した。
試験片は、ポリエチレン樹脂（UBE ポリエチレン J3519）に対し、OIT が 1000 ppm の割合となるよう OIT および OIT 複合体Ｄをそれぞれ添加し、140℃で混錬・成形して作製したものを用いた。
防カビ試験は文献 5）に従い、下記の通り実施した。
試験方法：ハロー試験

試験カビ：黒カビ（C.cladosporioides）

図８

耐熱・防カビ試験結果

注）写真右下の数字は試験片中のおよその残存 OIT 濃度（参考値）

青カビ（P.citrinum）
黒麹カビ（A.niger）
胞子懸濁液：胞子数約 105 /mL
JIS Z2911 無機塩溶液 150 μL
寒天培地：９ cm ポテトデキストロース寒天培地

培養条件：温度約 25℃、湿度 90%以上、３日間①試験片の成形直後と、②80℃で 96 時間加熱した直後および③80℃で 96 時間加熱したのち 25℃で 17 日間放置したものの防カビ試験結果を図８に示す。
図８中の各写真の右下に記載の数値は、それぞれの試験片を細かく裁断した後にトルエンに浸漬し、溶出した OIT を GC分析することによって試験片中（樹脂中および複合体中の総図９

試験片中の OIT 濃度と放出イメージ和）のおよその残存 OIT 濃度を簡易的に算出したものであり、樹脂中の OIT 濃度の推移の傾向を見積もった参考値である。
また、試験片中の OIT 濃度と OIT の放出イメージを図９にに含まれる全 OIT のうちの一部で、樹脂中の OIT 濃度が相対的に低いためと考えられる。
②80℃で 96 時間加熱した直後（図８c, d）では、OIT をその示す。
①成形直後（図８a, b）はいずれの試験片においても防カビ効果を発現しているが、OIT をそのまま添加した試験片（図８a）は仕込みの２割程度 OIT が減少している。これは 140℃での混錬・成形時の揮発によるものと考えられる。これに対し、OIT 複合体Ｄを添加した試験片（図８b）は OIT の減少が仕込みの１割程度に留まっており、複合化による耐熱性の向まま添加した試験片中の残存 OIT 濃度が 20 ppm でも小さなカビ発育阻止円が確認できた（図８c）。一方、OIT 複合体Ｄを添加した試験片中の残存 OIT 濃度は 280 ppm と図８c より多いにもかかわらず、カビ発育阻止円が確認できなかった（図８d）。複合体を添加した試験片では、加熱前の樹脂中 OIT濃度が OIT をそのまま添加したものより低く、加熱によりそのほとんどが揮発したと考えられる。その結果、加熱後の残上が確認できた。
OIT 複合体Ｄを添加した試験片（図８b）の方が図８a よりもカビ発育阻止円（カビの発育が認められなかった幅）が小さ
いのは、複合体から樹脂中へ放出されている OIT が試験片中

存 OIT のほぼすべてがホスト化合物Ｄ中に挿入された状態で存在し、樹脂中の OIT 濃度は防カビ効果を発現できる有効成分濃度未満であったと思われる。

東亞合成グループ研究年報 3-4 TREND 2019 第 22 号

③80℃で 96 時間加熱した後、25℃で 17 日間放置したものカビ発育阻止円が確認された。これはホスト化合物Ｄから樹（図８e, f）は②の結果とは逆に、OIT をそのまま添加した試

脂中への OIT 供給速度と樹脂中から高温水中への OIT 溶出速験片（図８e）のカビ発育阻止円が消失し、OIT 複合体Ｄを添度がうまくバランスし、高温水浸漬を経た直後でも防カビ効加した試験片（図８f）に小さなカビ発育阻止円が確認された。

果が発現できる有効濃度以上の OIT 濃度を維持できたためと

OIT をそのまま添加した試験片（図８e）では、試験片中の残考えられる。以上の結果から、ホスト化合物Ｄとの複合化に存 OIT 濃度が減少し、効果を発現する有効濃度を下回っていよる OIT の耐高温水性能の向上が確認された。

ると考えられる。一方で OIT 複合体Ｄを添加した試験片（図高温水にさらされるような使用環境でも、使用条件に合わ８f）では、室温でホスト化合物Ｄが「タンク」として機能し、せて OIT の添加量や相互作用基の最適化を行ってホスト化合その層間から OIT が徐放されて樹脂中に供給され、有効成分物から樹脂中への OIT の供給速度を調節することで、より防濃度以上に達して防カビ効果が再度発現したと考えられる。

カビ効果を高めた耐高温水・徐放性防カビ剤とすることが可以上の結果から、ホスト化合物Ｄとの複合化による OIT の能である。

耐熱性の向上および徐放性の付与が確認された。

３ おわりに今回の防カビ試験ではホスト化合物に挿入した OIT の放出挙動を確認するために、OIT 複合体Ｄを調製する際に OIT 量を 10%に抑えて、複合化した OIT のほぼすべてが層間に存在

本稿では、相互作用基を層間に導入した層状無機化合物をホスト化合物に用いた新しい徐放技術を紹介した。

しているものを用いた。
ホスト化合物Ｄに複合化させる OIT 量を増やすことで、ホ本技術は、相互作用基によって層状無機化合物の層間の環スト化合物の層間への挿入量を増やしつつ外側にも OIT が付境を様々に変化させることができるため、従来技術では層間着している複合体を調製することが可能である。それを用い挿入が困難な機能分子に合わせて層間環境を設計し、挿入・れば加熱処理直後にも防カビ効果を発現する実用的な耐熱・徐放化することが可能であり、幅広い用途への展開が期待で徐放性防カビ剤とすることが可能である。

きる。
これまで耐熱性や耐候性等に問題があり実用化が難しか

２．５ 防カビ剤複合体を用いた耐熱水・徐放試験
２．４と同様にして作製した OIT および OIT 複合体Ｄを添加したポリエチレン樹脂試験片を 60℃の高温水に浸漬した後、った機能分子に対して、本技術が新しい高機能材料創生のブレークスルーになるようにさらなるブラッシュアップを進めていく。

防カビ試験を実施して複合体の耐熱水性能を評価した。

引用文献

１ g の試験片を１ L の熱水に 120 時間浸漬し、浸漬開始から 24 時間および 96 時間後に水換えを行った。熱水から取り出した後、すぐに防カビ試験に供した。防カビ試験は２．４と同様にして実施し、その結果を図 10 に示す。

1) 黒田一幸,

無機ナノシートの科学と応用, 黒田一幸・佐々木高義監修, シーエムシー出版 (2005) pp.1〜6.
2) 大野康晴, 東亞合成グループ研究年報, 5, 48 (2002).
3) 橘美樹, 東亞合成グループ研究年報, 15, 21 (2012).
4) 特開 2010-280655.
5) 高鳥浩介,
ル

一目でわかる図説かび検査・操作マニュア, テクノシステム (1991) p.350.

図 10 耐熱水・防カビ試験結果（高温水浸漬 60℃、120 時間後）
OIT をそのまま添加した試験片（図 10a）ではカビ発育阻止円が確認できなかった。高温水浸漬によってほぼすべてのOIT が高温水中に溶出してしまい、防カビ機能が発現しなかったと考えられる。
一方、OIT 複合体Ｄを添加した試験片（図 10b）には小さな東亞合成グループ研究年報 3-5 TREND 2019 第 22 号