メソ細孔を有するシリカ殻からなるナノ中空粒子の製造方法
【課題】１〜１０ｎｍの平均細孔径なるメソ細孔構造を有するシリカ殻からなるナノ中空粒子の簡便でかつ高い生産効率の製造方法を提供する。
【解決手段】界面活性剤水溶液と、ナノサイズに形状制御した炭酸カルシウムを混合することにより、界面活性剤ミセル構造を当該炭酸カルシウム表面に形成し、シリコンアルコキシドの反応により前記ミセル構造に対応したメソ細孔構造を有するシリカ殻からなるナノ中空粒子を製造する。
【解決手段】界面活性剤水溶液と、ナノサイズに形状制御した炭酸カルシウムを混合することにより、界面活性剤ミセル構造を当該炭酸カルシウム表面に形成し、シリコンアルコキシドの反応により前記ミセル構造に対応したメソ細孔構造を有するシリカ殻からなるナノ中空粒子を製造する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メソ細孔構造を有するシリカ殻からなるナノ中空粒子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
多孔性無機粒子は、医薬、農薬、化粧品などへの用途を目的として、キャリヤーとして利用することが知られている。特に、数ｎｍの均一なメソ細孔を持つシリカ殻と、当該シリカ殻の内部に中空構造を有する中空粒子は、前記用途における薬物、農薬、化粧品などの有効成分を、中空構造内に多量に保持することができ、また前記メソ細孔構造を利用して前記有効成分を徐放するという機能を持つ。ナノテクノロジーの発展により、当該中空粒子をナノサイズの中空粒子とすることによって、また当該中空粒子の形状を様々に変化させることによって、前記徐放性能をより精密に制御できるなど、当該中空粒子の応用範囲が広がることが期待できる。前記多孔性無機粒子に関する発明として、特許文献１および２がある。
【０００３】
特許文献１に記載の技術は、ポリメタクリル酸メチルからなる粒子をコアとし、当該コア粒子表面で、カチオン性界面活性剤をミセル化した層を形成し、当該ミセル表面で加水分解、縮合反応させたシリコンアルコキシドを付加させ、加熱処理することによって界面活性剤とコア粒子を除去し、前記界面活性剤のアルキル鎖長に応じたメソ細孔を有するシリカ殻からなるナノ中空粒子を製造する方法である。
【０００４】
特許文献１に記載のメソ細孔を有するシリカ殻からなる中空粒子は、所望の径を有するコア粒子を製造することによって、また界面活性剤の種類や濃度を制御することによって、平均粒子径０．０４〜２μｍ、平均細孔径が１〜５ｎｍのメソ細孔を有する。ところが、コア粒子であるポリメタクリル酸メチル粒子は、その性質により球状形態のみ製造され、また１００ｎｍ以下の粒子径を安定して製造することが困難である。さらに、当該コア粒子表面と前記界面活性剤との相互作用力が小さいため、前処理としてコア粒子表面を改質する必要であるという問題があった。
【０００５】
特許文献２に記載の技術は、シリカを含むメソ細孔構造を有する外殻部と、前記外殻部よりも内側に存在する中空部とを含む中空粒子の製造方法に関するものであり、疎水性有機化合物と界面活性剤と水系溶媒とを含む混合液を高圧乳化法により加圧して、前記疎水性有機化合物を含む乳化滴を含んだ乳濁液を形成する工程と、前記乳濁液にシリカ源を添加し、前記乳化滴表面に、シリカを含むメソ細孔構造を有する外殻部を形成し、前記外殻部と前記外殻部よりも内側に前記乳化滴が含まれた複合シリカ粒子を析出させる工程と、前記複合シリカ粒子から前記乳化滴を除去する工程とを含む、メソ細孔を有するシリカ殻からなる中空粒子の製造方法である。
【０００６】
特許文献２に記載の発明の中空メソポーラスシリカ粒子は、１〜３ｎｍの範囲内の平均細孔径を有し、平均粒子径が０．００５〜０．２μｍであるナノ中空粒子であり、５００〜１５００ｍ２/ｇという大きな比表面積を有することから、当該ナノ中空粒子を触媒や薬物キャリヤーとして用いるためには有効である。ところが、当該構造を形成するためには、界面活性剤と水系溶媒の混合液内で界面活性剤のミセル化を行いながら、当該ミセルと疎水性有機化合物溶液を混合し、水系溶媒中に疎水性有機化合物溶液の球状液滴を形成し、当該疎水性有機化合物溶液の液滴表面に前記ミセルを積層し、さらにシリカ源を添加し前記ミセル表面にシリカ層を形成するという多くの工程が必要である。さらに、前記液滴径を小さくするために、前記ミセル水系溶媒と疎水性有機化合物溶液の混合液を複数回高圧乳化処理させる必要があり、複数回の処理により前記液滴表面に形成した複層ミセル構造が破壊されるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−０３７１５０
【特許文献２】特開２０１１−１３２０４４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、かかる従来技術の不具合を解決すべくなされたものであって、複雑な工程や装置を必要とせず、形態制御が容易で、ナノサイズ化したメソ細孔構造を有するシリカ殻からなる中空粒子を安定して提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らはナノサイズで形状制御した炭酸カルシウムを利用することより、上記課題を解決しうることを見出した。すなわち、本発明によれば、以下の方法が提供される。
【００１０】
[１] 平均細孔径が１〜１０ｎｍのメソ細孔構造を有するシリカ殻からなるナノ中空粒子とその製造方法であって、界面活性剤と水系溶媒とを含む混合液と、炭酸カルシウム粒子を有機溶媒に分散させた分散液を混合し、さらにシリコンアルコキシド及び塩基触媒を混合して、前記炭酸カルシウム粒子表面にシリカコーティングを行い、その後、当該シリカコーティング粒子の内部における前記炭酸カルシウム粒子と前記界面活性剤を除去することを特徴とする、シリカ殻からなるナノ中空粒子の製造方法。
【００１１】
[２] 前記シリカ殻からなるナノ中空粒子の形状が、球状、回転楕円体状、円筒状、あるいは立方体状である前記［１］に記載のナノ中空粒子の製造方法。
【００１２】
[３] 前記シリカ殻からなるナノ中空粒子が、３０〜３００ｎｍの平均粒子径である前記［１］または［２］に記載のナノ中空粒子の製造方法。
【００１３】
[４] 前記シリカ殻の殻厚が、３〜２０ｎｍである前記［１］〜［３］のいずれかに記載のナノ中空粒子の製造方法。
【００１４】
[５] 前記界面活性剤が、下記一般式（１）及び一般式（２）で表わされる第四級アンモニウム塩から選ばれる１種以上の界面活性剤である前記［１］〜［４］のいずれかに記載のナノ中空粒子の製造方法。
［Ｒ１（ＣＨ３）３Ｎ］＋Ｘ− ・・・（１）
［Ｒ１Ｒ２（ＣＨ３）２Ｎ］＋Ｘ− ・・・（２）
(式中、Ｒ１及びＲ２は、それぞれ独立に炭素数４〜２２の直鎖状または分岐状アルキル基を示し、Ｘは１価陰イオンを示す。)
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、メソ細孔構造を有するシリカ殻からなるナノ中空粒子を、界面活性剤と水系溶媒とを含む混合液と、炭酸カルシウム粒子を有機溶媒に分散させた分散液を混合し、さらにシリコンアルコキシド及び塩基触媒を混合し、前記炭酸カルシウム粒子と前記界面活性剤を加熱により除去させることによって、容易にメソ細孔構造を有するシリカ殻からなるナノ中空粒子を提供することができる。
【００１６】
当該炭酸カルシウム粒子は、球状、回転楕円体状、円筒状、あるいは立方体状のいずれかの形態で、しかも５００ｎｍ以下のナノサイズ粒子を容易に安定して製造することが可能である。かかる様々な形状の炭酸カルシウム粒子をコア粒子として用いることにより、複雑な工程を必要とせず、コア粒子の形状を反映したナノ中空粒子の製造が可能となる。
【００１７】
さらに、炭酸カルシウム粒子表面と前記界面活性剤の相互作用力が大きいため、炭酸カルシウム粒子表面にミセル化した界面活性剤層が容易に形成され、ミセル化表面に加水分解したシリコンアルコキシドが付加することができる。したがって、コア粒子表面に前処理を必要とせず、前記界面活性剤のアルキル鎖長に応じたメソ細孔を有するシリカ殻の製造が高効率で行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施例１に係るナノ中空粒子のＴＥＭ写真である。
【図２】本発明の実施例２に係るナノ中空粒子のＴＥＭ写真である。
【図３】本発明の実施例３に係るナノ中空粒子のＴＥＭ写真である。
【図４】本発明の実施例４に係るナノ中空粒子のＴＥＭ写真である。
【図５】本発明の実施例６に係るナノ中空粒子のＴＥＭ写真である。
【図６】本発明の実施例８に係るナノ中空粒子のＴＥＭ写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。
【００２０】
本発明によって得られるメソ細孔構造を有するシリカ殻からなるナノ中空粒子は、シリカを含むメソ細孔構造を有する外殻部と、前記外殻部よりも内側の中空部とを含む中空メソポーラスシリカ粒子である。シリカ殻のメソ細孔構造が、小角Ｘ線散乱法で求めた平均細孔径が１〜１０ｎｍ、好ましくは１〜３ｎｍである。そして「メソ細孔構造」とは、細孔径が１〜１０ｎｍであって、規則的に配列された複数の細孔を有する構造である。メソ細孔構造は、例えば、カチオン性界面活性剤のミセル化と当該ミセル表面にシリカ源が自己組織化することにより形成される。
【００２１】
メソ細孔構造を有するシリカ殻からなるナノ中空粒子の形状は、球状、回転楕円体状、円筒状、または立方体状の形態であるものである。ここで、「球状」とは、球に限らず面で囲まれた球に似た形状をいい、「回転楕円体状」とは、回転楕円体に限らず面で囲まれた回転楕円体に似た形状をいい、「円筒状」とは、円筒に限らず円筒に似た形状をいい、「立方体状」とは、立方体に限らず面で囲まれた立方体に似た形状をいう。そして、このような球状、回転楕円体状、円筒状、または立方体状形態を有するシリカ殻からなる中空粒子は、例えば、乾燥粉末状態で球状、回転楕円体状、円筒状、または立方体状の形態の炭酸カルシウム粒子を用いることによって製造される。なお、中空粒子の平均粒子径は、回転楕円体状の場合は、長径と短径の平均、円筒状の場合は円筒底面の径と長さの平均、立方体状の場合は、一辺の長さを言う。
【００２２】
本発明のシリカ殻からなるナノ中空粒子は、メソ細孔構造を有するシリカ殻からなるナノ中空粒子であって、界面活性剤と水系溶媒とを含む混合液と、炭酸カルシウム粒子を有機溶媒に分散させた分散液を混合し、さらにシリコンアルコキシド及び塩基触媒を混合し、前記炭酸カルシウム粒子と前記界面活性剤を加熱により除去させて得られるメソ細孔構造のシリカ殻からなるナノ中空粒子である。
【００２３】
ここで、「有機溶媒」としては、シリコンアルコキシドと水に対して溶解性があり、さらにシリコンアルコキシドの加水分解を促進可能なものであればよく、例えばアルコール類、グリコール類、グリコールエステル類、アセトン等のケトン類、脂肪族炭素、芳香族炭化水素等の単体溶媒もしくはこれら２種類以上の混合溶媒が挙げられるが、中でもアルコール類が望ましい。
【００２４】
「シリコンアルコキシド」としては、その加水分解によりシリカを析出させることができるものであればよく、例えばテトラエトキシシラン、トリメトキシシラン、テトラメトキシシラン、トリエトキシシラン、トリプロポキシシラン、テトラプロポキシシラン、トリブトキシシラン、トリブトキシシラン等を用いることができる。加えて、「塩基触媒」としては、例えば、アンモニア、アミン類等が挙げられる。
【００２５】
また界面活性剤は下記一般式（１）及び一般式（２）で表わされる第四級アンモニウム塩から選ばれる１種以上の界面活性剤が好ましい。
［Ｒ１（ＣＨ３）３Ｎ］＋Ｘ− ・・・（１）
［Ｒ１Ｒ２（ＣＨ３）２Ｎ］＋Ｘ− ・・・（２）
(式中、Ｒ１及びＲ２は、それぞれ独立に炭素数４〜２２の直鎖状または分岐状アルキル基を示し、Ｘは１価陰イオンを示す。)
【００２６】
なお、特許文献２に記載の製造方法では、上記のとおり、メソ細孔構造を有するシリカ殻からなるナノ中空粒子の製造が容易でないことがわかった。本願の発明者らによって、前記の理由が、ナノサイズの中空粒子を得るために必要な複数回の高圧乳化処理によって、メソ細孔構造が破壊されるためであるとわかった。
【００２７】
本発明のメソ細孔構造を有するシリカ殻からなるナノ中空粒子の製造方法（以下「本発明の製造方法」と略する場合もある。）について説明する。本発明の製造方法によれば、例えば、平均細孔径が１〜１０ｎｍ、好ましくは１〜３ｎｍ、平均粒子径が５〜２００ｎｍのナノ中空粒子を容易に製造できる。
【００２８】
［混合液の調整］
本発明の製造方法では、まず、界面活性剤と水系媒体とを含む混合液を調整する。混合液の調整は、例えば、界面活性剤を水系媒体へ添加することで行う。撹拌中の混合液の温度は、水系媒体の蒸発を防いで、混合液中の界面活性剤の濃度の変動を抑制する観点から、０〜９０℃に保たれていると好ましい。
【００２９】
［炭酸カルシウムを含む分散液の調製］
乾燥粉体の炭酸カルシウムを有機溶媒中に分散させた分散液を調整する。分散液の調整は、例えば有機溶媒に炭酸カルシウムを添加して撹拌することで行える。上記撹拌に使用される撹拌機の種類について特に制限はない。撹拌機としては、例えば、ホモミキサー、ホモジナイザー、超音波分散機等が挙げられる。市販の撹拌機としては、例えば、ディスパー（ＰＲＩＭＩＸ社製）、クリアミクス（Ｍ−テクニック社製）、キャビトロン（太平洋機工社製）等が使用できる。撹拌中の混合液の温度は、水系媒体の蒸発を防いで、混合液中の界面活性剤の濃度の変動を抑制する観点から、０〜９０℃に保たれていると好ましい。
【００３０】
本発明の製造方法で用いられる界面活性剤としては、下記一般式（１）及び一般式（２）で表される第四級アンモニウム塩から選ばれる１種以上の界面活性剤が好ましい。
［Ｒ１（ＣＨ３）３Ｎ］+Ｘ− （１）
［Ｒ１Ｒ２（ＣＨ３）３Ｎ］+Ｘ− （２）
（式中、Ｒ１及びＲ２は、それぞれ独立に炭素数４〜２２の直鎖状又は分岐状アルキル基を示し、Ｘは１価陰イオンを示す。）
【００３１】
上記一般式（１）及び一般式（２）におけるＲ１及びＲ２は、疎水性有機化合物の利用率の向上の観点から、それぞれ独立して、好ましくは炭素数６〜１８、さらに好ましくは炭素数８〜１６の直鎖状又は分岐状アルキル基である。炭素数４〜２２のアルキル基としては、各種ブチル基、各種ペンチル基、各種ヘキシル基、各種ヘプチル基、各種オクチル基、各種ノニル基、各種デシル基、各種ドデシル基、各種テトラデシル基、各種ヘキサデシル基、各種オクタデシル基、各種エイコシル基等が挙げられる。
【００３２】
一般式（１）及び一般式（２）におけるＸは、規則性の高いメソ細孔を形成させるという観点から好ましくはハロゲンイオン、水酸化物イオン、硝酸化物イオン、硫酸化物イオン等の１価陰イオンから選ばれる１種以上である。Ｘとしては、より好ましくはハロゲンイオンであり、さらに好ましくは塩素イオン又は臭素イオンであり、より一層好ましくは臭素イオンである。
【００３３】
一般式（１）で表されるアルキルトリメチルアンモニウム塩としては、ブチルトリメチルアンモニウムクロリド、ヘキシルトリメチルアンモニウムクロリド、オクチルトリメチルアンモニウムクロリド、デシルトリメチルアンモニウムクロリド、ドデシルトリメチルアンモニウムクロリド、テトラデシルトリメチルアンモニウムクロリド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロリド、ステアリルトリメチルアンモニウムクロリド、ブチルトリメチルアンモニウムブロミド、ヘキシルトリメチルアンモニウムブロミド、オクチルトリメチルアンモニウムブロミド、デシルトリメチルアンモニウムブロミド、ドデシルトリメチルアンモニウムブロミド、テトラデシルトリメチルアンモニウムブロミド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド、ステアリルトリメチルアンモニウムブロミド、臭化セチルトリメチルアンモニウム（ＣＴＡＢ）等が挙げられる。
【００３４】
一般式（２）で表されるジアルキルジメチルアンモニウム塩としては、ジブチルジメチルアンモニウムクロリド、ジヘキシルジメチルアンモニウムクロリド、ジオクチルジメチルアンモニウムクロリド、ジヘキシルジメチルアンモニウムブロミド、ジオクチルジメチルアンモニウムブロミド、ジドデシルジメチルアンモニウムブロミド、ジテトラデシルジメチルアンモニウムブロミド等が挙げられる。
【００３５】
これらの第四級アンモニウム塩の中でも、規則的なメソ細孔を形成させる観点から、特に一般式（１）で表されるアルキルトリメチルアンモニウム塩が好ましく、アルキルトリメチルアンモニウムブロミドまたはアルキルトリメチルアンモニウムクロリドがより好ましい。
【００３６】
これらの界面活性剤は、単独で又は２種以上を任意の割合で混合して使用してもよい。炭酸カルシウムを含む混合液における界面活性剤の含有量は、混合液中の炭酸カルシウムの表面積等に応じて適宜調製すればよいが、メソ細孔構造を有するシリカ殻からなるナノ中空粒子の収率および分散性を向上させる観点から、０．１〜１００ミリモル／Ｌであると好ましい。１０〜８５ミリモル／Ｌであるとより好ましい。
【００３７】
［シリカを含むメソ細孔構造を有する外殻部の形成と炭酸カルシウムの除去］
本発明の製造方法では、以上のようにして調整された炭酸カルシウムを含む混合液にシリカ源を添加し、炭酸カルシウム表面に、シリカを含むメソ細孔構造を有する外殻部を形成して、外殻部と外殻部よりも内側に存在する炭酸カルシウムとを含む複合シリカ粒子を析出させる。シリカ殻の殻厚は、シリコンアルコキシドと炭酸カルシウムの添加割合（シリコンアルコキシド／ＣａＣＯ３）によって変化させることができる。そして、炭酸カルシウム粒子と前記界面活性剤を加熱により除去させてメソ細孔構造のシリカ殻からなるナノ中空粒子を得る。
【００３８】
臭化セチルトリメチルアンモニウム（ＣＴＡＢ）を濃度が１０〜８５ミリモル／Ｌとなるように蒸留水と混合して界面活性剤水溶液を調製する。一方、立方体状炭酸カルシウム粒子をコア粒子としてエタノール中に分散させ、前記ＣＴＡＢ水溶液と混合する。テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）、２８％アンモニア水溶液（ＮＨ４ＯＨ）を前記混合液に添加し、ゾル−ゲル法により炭酸カルシウム表面にＣＴＡＢ皮膜とシリカコーティングを施してコアシェル粒子を得た。前記コアシェル粒子を蒸留水中に分散させ、３規定の塩酸水溶液を用いてコア粒子を溶解除去し、メソ細孔を有するシリカ殻からなるナノ中空粒子を得た。各種試薬の配合量、反応条件、製造したシリカ殻なるナノ中空粒子の殻厚、シリカ殻の平均細孔径、中空粒子の比表面積は、下記表１に示すとおりである。シリカ殻厚はＴＥＭ観察結果から計測し、シリカ殻の平均細孔径はＸ線小角散乱により算出、比表面積はＢＥＴ式を用いて算出した。
【００３９】
【表１】
【００４０】
図１〜６に、実施例１、２、３、４、６、８の条件で製造したナノ中空粒子のＴＥＭ写真を示す。シリカ殻にメソ細孔構造が形成されていることがわかる。炭酸カルシウム分散液に臭化セチルトリメチルアンモニウム（ＣＴＡＢ）を加えるとシリカ殻にメソ細孔が形成されるが、ＣＴＡＢを加えない条件では、シリカ殻にメソ細孔は形成されなかった（比較例１）。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メソ細孔構造を有するシリカ殻からなるナノ中空粒子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
多孔性無機粒子は、医薬、農薬、化粧品などへの用途を目的として、キャリヤーとして利用することが知られている。特に、数ｎｍの均一なメソ細孔を持つシリカ殻と、当該シリカ殻の内部に中空構造を有する中空粒子は、前記用途における薬物、農薬、化粧品などの有効成分を、中空構造内に多量に保持することができ、また前記メソ細孔構造を利用して前記有効成分を徐放するという機能を持つ。ナノテクノロジーの発展により、当該中空粒子をナノサイズの中空粒子とすることによって、また当該中空粒子の形状を様々に変化させることによって、前記徐放性能をより精密に制御できるなど、当該中空粒子の応用範囲が広がることが期待できる。前記多孔性無機粒子に関する発明として、特許文献１および２がある。
【０００３】
特許文献１に記載の技術は、ポリメタクリル酸メチルからなる粒子をコアとし、当該コア粒子表面で、カチオン性界面活性剤をミセル化した層を形成し、当該ミセル表面で加水分解、縮合反応させたシリコンアルコキシドを付加させ、加熱処理することによって界面活性剤とコア粒子を除去し、前記界面活性剤のアルキル鎖長に応じたメソ細孔を有するシリカ殻からなるナノ中空粒子を製造する方法である。
【０００４】
特許文献１に記載のメソ細孔を有するシリカ殻からなる中空粒子は、所望の径を有するコア粒子を製造することによって、また界面活性剤の種類や濃度を制御することによって、平均粒子径０．０４〜２μｍ、平均細孔径が１〜５ｎｍのメソ細孔を有する。ところが、コア粒子であるポリメタクリル酸メチル粒子は、その性質により球状形態のみ製造され、また１００ｎｍ以下の粒子径を安定して製造することが困難である。さらに、当該コア粒子表面と前記界面活性剤との相互作用力が小さいため、前処理としてコア粒子表面を改質する必要であるという問題があった。
【０００５】
特許文献２に記載の技術は、シリカを含むメソ細孔構造を有する外殻部と、前記外殻部よりも内側に存在する中空部とを含む中空粒子の製造方法に関するものであり、疎水性有機化合物と界面活性剤と水系溶媒とを含む混合液を高圧乳化法により加圧して、前記疎水性有機化合物を含む乳化滴を含んだ乳濁液を形成する工程と、前記乳濁液にシリカ源を添加し、前記乳化滴表面に、シリカを含むメソ細孔構造を有する外殻部を形成し、前記外殻部と前記外殻部よりも内側に前記乳化滴が含まれた複合シリカ粒子を析出させる工程と、前記複合シリカ粒子から前記乳化滴を除去する工程とを含む、メソ細孔を有するシリカ殻からなる中空粒子の製造方法である。
【０００６】
特許文献２に記載の発明の中空メソポーラスシリカ粒子は、１〜３ｎｍの範囲内の平均細孔径を有し、平均粒子径が０．００５〜０．２μｍであるナノ中空粒子であり、５００〜１５００ｍ２/ｇという大きな比表面積を有することから、当該ナノ中空粒子を触媒や薬物キャリヤーとして用いるためには有効である。ところが、当該構造を形成するためには、界面活性剤と水系溶媒の混合液内で界面活性剤のミセル化を行いながら、当該ミセルと疎水性有機化合物溶液を混合し、水系溶媒中に疎水性有機化合物溶液の球状液滴を形成し、当該疎水性有機化合物溶液の液滴表面に前記ミセルを積層し、さらにシリカ源を添加し前記ミセル表面にシリカ層を形成するという多くの工程が必要である。さらに、前記液滴径を小さくするために、前記ミセル水系溶媒と疎水性有機化合物溶液の混合液を複数回高圧乳化処理させる必要があり、複数回の処理により前記液滴表面に形成した複層ミセル構造が破壊されるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−０３７１５０
【特許文献２】特開２０１１−１３２０４４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、かかる従来技術の不具合を解決すべくなされたものであって、複雑な工程や装置を必要とせず、形態制御が容易で、ナノサイズ化したメソ細孔構造を有するシリカ殻からなる中空粒子を安定して提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らはナノサイズで形状制御した炭酸カルシウムを利用することより、上記課題を解決しうることを見出した。すなわち、本発明によれば、以下の方法が提供される。
【００１０】
[１] 平均細孔径が１〜１０ｎｍのメソ細孔構造を有するシリカ殻からなるナノ中空粒子とその製造方法であって、界面活性剤と水系溶媒とを含む混合液と、炭酸カルシウム粒子を有機溶媒に分散させた分散液を混合し、さらにシリコンアルコキシド及び塩基触媒を混合して、前記炭酸カルシウム粒子表面にシリカコーティングを行い、その後、当該シリカコーティング粒子の内部における前記炭酸カルシウム粒子と前記界面活性剤を除去することを特徴とする、シリカ殻からなるナノ中空粒子の製造方法。
【００１１】
[２] 前記シリカ殻からなるナノ中空粒子の形状が、球状、回転楕円体状、円筒状、あるいは立方体状である前記［１］に記載のナノ中空粒子の製造方法。
【００１２】
[３] 前記シリカ殻からなるナノ中空粒子が、３０〜３００ｎｍの平均粒子径である前記［１］または［２］に記載のナノ中空粒子の製造方法。
【００１３】
[４] 前記シリカ殻の殻厚が、３〜２０ｎｍである前記［１］〜［３］のいずれかに記載のナノ中空粒子の製造方法。
【００１４】
[５] 前記界面活性剤が、下記一般式（１）及び一般式（２）で表わされる第四級アンモニウム塩から選ばれる１種以上の界面活性剤である前記［１］〜［４］のいずれかに記載のナノ中空粒子の製造方法。
［Ｒ１（ＣＨ３）３Ｎ］＋Ｘ− ・・・（１）
［Ｒ１Ｒ２（ＣＨ３）２Ｎ］＋Ｘ− ・・・（２）
(式中、Ｒ１及びＲ２は、それぞれ独立に炭素数４〜２２の直鎖状または分岐状アルキル基を示し、Ｘは１価陰イオンを示す。)
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、メソ細孔構造を有するシリカ殻からなるナノ中空粒子を、界面活性剤と水系溶媒とを含む混合液と、炭酸カルシウム粒子を有機溶媒に分散させた分散液を混合し、さらにシリコンアルコキシド及び塩基触媒を混合し、前記炭酸カルシウム粒子と前記界面活性剤を加熱により除去させることによって、容易にメソ細孔構造を有するシリカ殻からなるナノ中空粒子を提供することができる。
【００１６】
当該炭酸カルシウム粒子は、球状、回転楕円体状、円筒状、あるいは立方体状のいずれかの形態で、しかも５００ｎｍ以下のナノサイズ粒子を容易に安定して製造することが可能である。かかる様々な形状の炭酸カルシウム粒子をコア粒子として用いることにより、複雑な工程を必要とせず、コア粒子の形状を反映したナノ中空粒子の製造が可能となる。
【００１７】
さらに、炭酸カルシウム粒子表面と前記界面活性剤の相互作用力が大きいため、炭酸カルシウム粒子表面にミセル化した界面活性剤層が容易に形成され、ミセル化表面に加水分解したシリコンアルコキシドが付加することができる。したがって、コア粒子表面に前処理を必要とせず、前記界面活性剤のアルキル鎖長に応じたメソ細孔を有するシリカ殻の製造が高効率で行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施例１に係るナノ中空粒子のＴＥＭ写真である。
【図２】本発明の実施例２に係るナノ中空粒子のＴＥＭ写真である。
【図３】本発明の実施例３に係るナノ中空粒子のＴＥＭ写真である。
【図４】本発明の実施例４に係るナノ中空粒子のＴＥＭ写真である。
【図５】本発明の実施例６に係るナノ中空粒子のＴＥＭ写真である。
【図６】本発明の実施例８に係るナノ中空粒子のＴＥＭ写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。
【００２０】
本発明によって得られるメソ細孔構造を有するシリカ殻からなるナノ中空粒子は、シリカを含むメソ細孔構造を有する外殻部と、前記外殻部よりも内側の中空部とを含む中空メソポーラスシリカ粒子である。シリカ殻のメソ細孔構造が、小角Ｘ線散乱法で求めた平均細孔径が１〜１０ｎｍ、好ましくは１〜３ｎｍである。そして「メソ細孔構造」とは、細孔径が１〜１０ｎｍであって、規則的に配列された複数の細孔を有する構造である。メソ細孔構造は、例えば、カチオン性界面活性剤のミセル化と当該ミセル表面にシリカ源が自己組織化することにより形成される。
【００２１】
メソ細孔構造を有するシリカ殻からなるナノ中空粒子の形状は、球状、回転楕円体状、円筒状、または立方体状の形態であるものである。ここで、「球状」とは、球に限らず面で囲まれた球に似た形状をいい、「回転楕円体状」とは、回転楕円体に限らず面で囲まれた回転楕円体に似た形状をいい、「円筒状」とは、円筒に限らず円筒に似た形状をいい、「立方体状」とは、立方体に限らず面で囲まれた立方体に似た形状をいう。そして、このような球状、回転楕円体状、円筒状、または立方体状形態を有するシリカ殻からなる中空粒子は、例えば、乾燥粉末状態で球状、回転楕円体状、円筒状、または立方体状の形態の炭酸カルシウム粒子を用いることによって製造される。なお、中空粒子の平均粒子径は、回転楕円体状の場合は、長径と短径の平均、円筒状の場合は円筒底面の径と長さの平均、立方体状の場合は、一辺の長さを言う。
【００２２】
本発明のシリカ殻からなるナノ中空粒子は、メソ細孔構造を有するシリカ殻からなるナノ中空粒子であって、界面活性剤と水系溶媒とを含む混合液と、炭酸カルシウム粒子を有機溶媒に分散させた分散液を混合し、さらにシリコンアルコキシド及び塩基触媒を混合し、前記炭酸カルシウム粒子と前記界面活性剤を加熱により除去させて得られるメソ細孔構造のシリカ殻からなるナノ中空粒子である。
【００２３】
ここで、「有機溶媒」としては、シリコンアルコキシドと水に対して溶解性があり、さらにシリコンアルコキシドの加水分解を促進可能なものであればよく、例えばアルコール類、グリコール類、グリコールエステル類、アセトン等のケトン類、脂肪族炭素、芳香族炭化水素等の単体溶媒もしくはこれら２種類以上の混合溶媒が挙げられるが、中でもアルコール類が望ましい。
【００２４】
「シリコンアルコキシド」としては、その加水分解によりシリカを析出させることができるものであればよく、例えばテトラエトキシシラン、トリメトキシシラン、テトラメトキシシラン、トリエトキシシラン、トリプロポキシシラン、テトラプロポキシシラン、トリブトキシシラン、トリブトキシシラン等を用いることができる。加えて、「塩基触媒」としては、例えば、アンモニア、アミン類等が挙げられる。
【００２５】
また界面活性剤は下記一般式（１）及び一般式（２）で表わされる第四級アンモニウム塩から選ばれる１種以上の界面活性剤が好ましい。
［Ｒ１（ＣＨ３）３Ｎ］＋Ｘ− ・・・（１）
［Ｒ１Ｒ２（ＣＨ３）２Ｎ］＋Ｘ− ・・・（２）
(式中、Ｒ１及びＲ２は、それぞれ独立に炭素数４〜２２の直鎖状または分岐状アルキル基を示し、Ｘは１価陰イオンを示す。)
【００２６】
なお、特許文献２に記載の製造方法では、上記のとおり、メソ細孔構造を有するシリカ殻からなるナノ中空粒子の製造が容易でないことがわかった。本願の発明者らによって、前記の理由が、ナノサイズの中空粒子を得るために必要な複数回の高圧乳化処理によって、メソ細孔構造が破壊されるためであるとわかった。
【００２７】
本発明のメソ細孔構造を有するシリカ殻からなるナノ中空粒子の製造方法（以下「本発明の製造方法」と略する場合もある。）について説明する。本発明の製造方法によれば、例えば、平均細孔径が１〜１０ｎｍ、好ましくは１〜３ｎｍ、平均粒子径が５〜２００ｎｍのナノ中空粒子を容易に製造できる。
【００２８】
［混合液の調整］
本発明の製造方法では、まず、界面活性剤と水系媒体とを含む混合液を調整する。混合液の調整は、例えば、界面活性剤を水系媒体へ添加することで行う。撹拌中の混合液の温度は、水系媒体の蒸発を防いで、混合液中の界面活性剤の濃度の変動を抑制する観点から、０〜９０℃に保たれていると好ましい。
【００２９】
［炭酸カルシウムを含む分散液の調製］
乾燥粉体の炭酸カルシウムを有機溶媒中に分散させた分散液を調整する。分散液の調整は、例えば有機溶媒に炭酸カルシウムを添加して撹拌することで行える。上記撹拌に使用される撹拌機の種類について特に制限はない。撹拌機としては、例えば、ホモミキサー、ホモジナイザー、超音波分散機等が挙げられる。市販の撹拌機としては、例えば、ディスパー（ＰＲＩＭＩＸ社製）、クリアミクス（Ｍ−テクニック社製）、キャビトロン（太平洋機工社製）等が使用できる。撹拌中の混合液の温度は、水系媒体の蒸発を防いで、混合液中の界面活性剤の濃度の変動を抑制する観点から、０〜９０℃に保たれていると好ましい。
【００３０】
本発明の製造方法で用いられる界面活性剤としては、下記一般式（１）及び一般式（２）で表される第四級アンモニウム塩から選ばれる１種以上の界面活性剤が好ましい。
［Ｒ１（ＣＨ３）３Ｎ］+Ｘ− （１）
［Ｒ１Ｒ２（ＣＨ３）３Ｎ］+Ｘ− （２）
（式中、Ｒ１及びＲ２は、それぞれ独立に炭素数４〜２２の直鎖状又は分岐状アルキル基を示し、Ｘは１価陰イオンを示す。）
【００３１】
上記一般式（１）及び一般式（２）におけるＲ１及びＲ２は、疎水性有機化合物の利用率の向上の観点から、それぞれ独立して、好ましくは炭素数６〜１８、さらに好ましくは炭素数８〜１６の直鎖状又は分岐状アルキル基である。炭素数４〜２２のアルキル基としては、各種ブチル基、各種ペンチル基、各種ヘキシル基、各種ヘプチル基、各種オクチル基、各種ノニル基、各種デシル基、各種ドデシル基、各種テトラデシル基、各種ヘキサデシル基、各種オクタデシル基、各種エイコシル基等が挙げられる。
【００３２】
一般式（１）及び一般式（２）におけるＸは、規則性の高いメソ細孔を形成させるという観点から好ましくはハロゲンイオン、水酸化物イオン、硝酸化物イオン、硫酸化物イオン等の１価陰イオンから選ばれる１種以上である。Ｘとしては、より好ましくはハロゲンイオンであり、さらに好ましくは塩素イオン又は臭素イオンであり、より一層好ましくは臭素イオンである。
【００３３】
一般式（１）で表されるアルキルトリメチルアンモニウム塩としては、ブチルトリメチルアンモニウムクロリド、ヘキシルトリメチルアンモニウムクロリド、オクチルトリメチルアンモニウムクロリド、デシルトリメチルアンモニウムクロリド、ドデシルトリメチルアンモニウムクロリド、テトラデシルトリメチルアンモニウムクロリド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロリド、ステアリルトリメチルアンモニウムクロリド、ブチルトリメチルアンモニウムブロミド、ヘキシルトリメチルアンモニウムブロミド、オクチルトリメチルアンモニウムブロミド、デシルトリメチルアンモニウムブロミド、ドデシルトリメチルアンモニウムブロミド、テトラデシルトリメチルアンモニウムブロミド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド、ステアリルトリメチルアンモニウムブロミド、臭化セチルトリメチルアンモニウム（ＣＴＡＢ）等が挙げられる。
【００３４】
一般式（２）で表されるジアルキルジメチルアンモニウム塩としては、ジブチルジメチルアンモニウムクロリド、ジヘキシルジメチルアンモニウムクロリド、ジオクチルジメチルアンモニウムクロリド、ジヘキシルジメチルアンモニウムブロミド、ジオクチルジメチルアンモニウムブロミド、ジドデシルジメチルアンモニウムブロミド、ジテトラデシルジメチルアンモニウムブロミド等が挙げられる。
【００３５】
これらの第四級アンモニウム塩の中でも、規則的なメソ細孔を形成させる観点から、特に一般式（１）で表されるアルキルトリメチルアンモニウム塩が好ましく、アルキルトリメチルアンモニウムブロミドまたはアルキルトリメチルアンモニウムクロリドがより好ましい。
【００３６】
これらの界面活性剤は、単独で又は２種以上を任意の割合で混合して使用してもよい。炭酸カルシウムを含む混合液における界面活性剤の含有量は、混合液中の炭酸カルシウムの表面積等に応じて適宜調製すればよいが、メソ細孔構造を有するシリカ殻からなるナノ中空粒子の収率および分散性を向上させる観点から、０．１〜１００ミリモル／Ｌであると好ましい。１０〜８５ミリモル／Ｌであるとより好ましい。
【００３７】
［シリカを含むメソ細孔構造を有する外殻部の形成と炭酸カルシウムの除去］
本発明の製造方法では、以上のようにして調整された炭酸カルシウムを含む混合液にシリカ源を添加し、炭酸カルシウム表面に、シリカを含むメソ細孔構造を有する外殻部を形成して、外殻部と外殻部よりも内側に存在する炭酸カルシウムとを含む複合シリカ粒子を析出させる。シリカ殻の殻厚は、シリコンアルコキシドと炭酸カルシウムの添加割合（シリコンアルコキシド／ＣａＣＯ３）によって変化させることができる。そして、炭酸カルシウム粒子と前記界面活性剤を加熱により除去させてメソ細孔構造のシリカ殻からなるナノ中空粒子を得る。
【００３８】
臭化セチルトリメチルアンモニウム（ＣＴＡＢ）を濃度が１０〜８５ミリモル／Ｌとなるように蒸留水と混合して界面活性剤水溶液を調製する。一方、立方体状炭酸カルシウム粒子をコア粒子としてエタノール中に分散させ、前記ＣＴＡＢ水溶液と混合する。テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）、２８％アンモニア水溶液（ＮＨ４ＯＨ）を前記混合液に添加し、ゾル−ゲル法により炭酸カルシウム表面にＣＴＡＢ皮膜とシリカコーティングを施してコアシェル粒子を得た。前記コアシェル粒子を蒸留水中に分散させ、３規定の塩酸水溶液を用いてコア粒子を溶解除去し、メソ細孔を有するシリカ殻からなるナノ中空粒子を得た。各種試薬の配合量、反応条件、製造したシリカ殻なるナノ中空粒子の殻厚、シリカ殻の平均細孔径、中空粒子の比表面積は、下記表１に示すとおりである。シリカ殻厚はＴＥＭ観察結果から計測し、シリカ殻の平均細孔径はＸ線小角散乱により算出、比表面積はＢＥＴ式を用いて算出した。
【００３９】
【表１】
【００４０】
図１〜６に、実施例１、２、３、４、６、８の条件で製造したナノ中空粒子のＴＥＭ写真を示す。シリカ殻にメソ細孔構造が形成されていることがわかる。炭酸カルシウム分散液に臭化セチルトリメチルアンモニウム（ＣＴＡＢ）を加えるとシリカ殻にメソ細孔が形成されるが、ＣＴＡＢを加えない条件では、シリカ殻にメソ細孔は形成されなかった（比較例１）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１〜１０ｎｍの平均細孔径を持つメソ細孔構造を有するシリカ殻からなるナノ中空粒子とその製造方法であって、界面活性剤と水系溶媒とを含む混合液と、炭酸カルシウム粒子を有機溶媒に分散させた分散液を混合し、さらにシリコンアルコキシド及び塩基触媒を混合し、前記炭酸カルシウム粒子表面にシリカコーティングを施し、その後、当該シリカコーティング粒子の内部における前記炭酸カルシウム粒子と前記界面活性剤を除去させてなることを特徴とするメソ細孔構造を有するシリカ殻からなるナノ中空粒子の製造方法。
【請求項２】
前記シリカ殻からなるナノ中空粒子の形状が、球状、回転楕円体状、円筒状、あるいは立方体状である請求項１に記載のナノ中空粒子の製造方法
【請求項３】
前記メソ細孔構造を有するシリカ殻からなるナノ中空粒子が、３０〜３００ｎｍの平均粒子径を有する請求項１または２に記載のナノ中空粒子。
【請求項４】
前記メソ細孔構造を有するシリカ殻の殻厚が、３〜２０ｎｍである請求項１〜３のいずれかに記載のナノ中空粒子の製造方法。
【請求項５】
前記界面活性剤が、下記一般式（１）及び一般式（２）で表わされる第四級アンモニウム塩から選ばれる１種以上の界面活性剤である請求項１〜４のいずれかに記載のナノ中空粒子の製造方法。
［Ｒ１（ＣＨ３）３Ｎ］＋Ｘ− ・・・（１）
［Ｒ１Ｒ２（ＣＨ３）２Ｎ］＋Ｘ− ・・・（２）
(式中、Ｒ１及びＲ２は、それぞれ独立に炭素数４〜２２の直鎖状または分岐状アルキル基を示し、Ｘは１価陰イオンを示す。)
【請求項１】
１〜１０ｎｍの平均細孔径を持つメソ細孔構造を有するシリカ殻からなるナノ中空粒子とその製造方法であって、界面活性剤と水系溶媒とを含む混合液と、炭酸カルシウム粒子を有機溶媒に分散させた分散液を混合し、さらにシリコンアルコキシド及び塩基触媒を混合し、前記炭酸カルシウム粒子表面にシリカコーティングを施し、その後、当該シリカコーティング粒子の内部における前記炭酸カルシウム粒子と前記界面活性剤を除去させてなることを特徴とするメソ細孔構造を有するシリカ殻からなるナノ中空粒子の製造方法。
【請求項２】
前記シリカ殻からなるナノ中空粒子の形状が、球状、回転楕円体状、円筒状、あるいは立方体状である請求項１に記載のナノ中空粒子の製造方法
【請求項３】
前記メソ細孔構造を有するシリカ殻からなるナノ中空粒子が、３０〜３００ｎｍの平均粒子径を有する請求項１または２に記載のナノ中空粒子。
【請求項４】
前記メソ細孔構造を有するシリカ殻の殻厚が、３〜２０ｎｍである請求項１〜３のいずれかに記載のナノ中空粒子の製造方法。
【請求項５】
前記界面活性剤が、下記一般式（１）及び一般式（２）で表わされる第四級アンモニウム塩から選ばれる１種以上の界面活性剤である請求項１〜４のいずれかに記載のナノ中空粒子の製造方法。
［Ｒ１（ＣＨ３）３Ｎ］＋Ｘ− ・・・（１）
［Ｒ１Ｒ２（ＣＨ３）２Ｎ］＋Ｘ− ・・・（２）
(式中、Ｒ１及びＲ２は、それぞれ独立に炭素数４〜２２の直鎖状または分岐状アルキル基を示し、Ｘは１価陰イオンを示す。)
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−１０３８６０（Ｐ２０１３−１０３８６０Ａ）
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４９２１１（Ｐ２０１１−２４９２１１）
【出願日】平成２３年１１月１５日（２０１１．１１．１５）
【出願人】（３０４０２１２７７）国立大学法人 名古屋工業大学 (784)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１５日（２０１１．１１．１５）
【出願人】（３０４０２１２７７）国立大学法人 名古屋工業大学 (784)
【Ｆターム（参考）】
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