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JP5095288B2 - Polymer / silica composite nanostructure, polymer / metals / silica composite nanostructure, and method for producing silica-based inorganic structure - Google Patents

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JP5095288B2 JP2007190690A JP2007190690A JP5095288B2 JP 5095288 B2 JP5095288 B2 JP 5095288B2 JP 2007190690 A JP2007190690 A JP 2007190690A JP 2007190690 A JP2007190690 A JP 2007190690A JP 5095288 B2 JP5095288 B2 JP 5095288B2
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Description

本発明は、直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーの水性媒体中で形成する結晶性会合体を反応場として用い、それに水ガラスを混合させることによる、該ポリマーとシリカとがナノメートルオーダーで複合された構造体(以下、本発明においてナノ構造体と称す)の製造方法、さらにはそのポリマー/シリカ複合構造体中に金属イオン、数ナノメートルオーダーの金属ナノ粒子(以下、金属イオンと金属ナノ粒子をまとめて金属類と称す。)が含まれるポリマー/金属類/シリカ複合ナノ構造体の製造方法、及びこれらを熱焼成して得られるシリカ系無機構造体の製造方法に関する。   In the present invention, a crystalline aggregate formed in an aqueous medium of a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton is used as a reaction field, and by mixing water glass therewith, the polymer and silica are combined in nanometer order. Method of manufacturing the structure (hereinafter referred to as nanostructure in the present invention), and further, metal ions and metal nanoparticles of the order of several nanometers (hereinafter referred to as metal ions and metal nanoparticles) in the polymer / silica composite structure. The present invention relates to a method for producing a polymer / metal / silica composite nanostructure containing particles) and a method for producing a silica-based inorganic structure obtained by thermally firing these.

珪素は地殻上で酸素に次ぐ第二番目を誇る豊富な存在であり、自然界の石英、水晶、オパール、雲母、珪藻などはよく知られている珪素の酸化物である。規則的な空間構造やパターン構造を有するシリカ材料の創製は、材料科学分野において大きな研究課題であり、これに関する技術開発が大きく進歩している。   Silicon is the second most abundant existence after oxygen on the earth's crust, and natural quartz, quartz, opal, mica, diatoms, etc. are well-known oxides of silicon. The creation of a silica material having a regular spatial structure or pattern structure is a major research subject in the field of material science, and technological development related to this has greatly advanced.

シリカ材料にある種の構造を発現させるための方法としては、分子組織体をテンプレート(鋳型)として用い、その組織体周辺でシリカを固定化する方法が、該分野において広く用いられている。このテンプレートには、界面活性剤(例えば、非特許文献1参照。)、ブロックポリマー(例えば、非特許文献2参照。)、ウイルス、バクテリア(例えば、非特許文献3参照。)などが使用されており、これらをテンプレートとして合成されるナノ空洞を有するシリカ、例えば、MCM−41(メソポーラス)シリーズの材料は、触媒、電子材料、ナノフィルター、バイオ工学などへの応用が可能である。これら材料に関しては、より精密な構造の制御へ向けた研究がなされており、空洞の大きさ、並び方、あるいは球状のシリカ中での空洞制御などが検討されている。   As a method for expressing a certain structure in a silica material, a method in which a molecular organization is used as a template (template) and silica is fixed around the organization is widely used in the field. For this template, a surfactant (for example, see Non-Patent Document 1), a block polymer (for example, see Non-Patent Document 2), a virus, a bacterium (for example, see Non-Patent Document 3), or the like is used. Silica having nano cavities synthesized using these as templates, for example, MCM-41 (mesoporous) series materials, can be applied to catalysts, electronic materials, nanofilters, biotechnology, and the like. With regard to these materials, studies have been conducted for more precise control of the structure, and the size and arrangement of the cavities or the control of cavities in spherical silica are being studied.

一方、このようなナノ空洞の制御と並行して、シリカの形状をナノからミクロンさらにはマクロスケールまでに制御する技術が注目されている。これは生態系でのバイオシリカに啓発されたことに一因がある(例えば、非特許文献4参照。)。自然界のバイオシリカとしては、珪藻類を取りあげることができる。珪藻類は、その体形をシリカで構成し、その上に複雑かつ精密な形状とパターンとを有する。そのシリカの構築には、タンパク質、またはポリペプチドが関わる(例えば、非特許文献5参照。)が、これらは、シリカの固定化反応の触媒として作用したり、シリカ形状成長の足場を提供したりする。このような生体系バイオシリカの形成において、欠かせない化学構造の一つが長鎖ポリアミンである。ポリアミンは、ペプチド構造に組み込まれることで働くか、または独自に一定分子量のポリアミンとしてポリペプチドと共に働くものである(例えば、非特許文献6参照。)。   On the other hand, in parallel with such control of nanocavities, a technique for controlling the shape of silica from nano to micron and even macro scale is attracting attention. This is partly due to the enlightenment of biosilica in ecosystems (see Non-Patent Document 4, for example). Diatoms can be taken up as natural biosilica. Diatoms are composed of silica and have complex and precise shapes and patterns. Proteins or polypeptides are involved in the construction of the silica (see, for example, Non-Patent Document 5), but these act as a catalyst for the silica immobilization reaction or provide a scaffold for silica shape growth. To do. One of the indispensable chemical structures for the formation of such biological biosilica is a long-chain polyamine. The polyamine works by being incorporated into a peptide structure or works together with the polypeptide as a polyamine having a constant molecular weight by itself (see, for example, Non-Patent Document 6).

上記したように、ポリアミンの存在下で、例えば、珪酸、珪酸ナトリウムまたはアルコキシシラン等のシリカソースを、室温でシリカゲルとして固定化できることは、ここ数年広く知られるようになった。しかし、それらは通常ポリアミンを水中溶解させ、その水溶液中でのシリカソースのゾルゲル反応により行われるものであるため、シリカゲルが形成できても、そのシリカゲルの形状を制御することはできず、規則的な構造を有するシリカゲルの実現は困難であった。   As described above, it has been widely known in recent years that a silica source such as silicic acid, sodium silicate or alkoxysilane can be immobilized as silica gel at room temperature in the presence of polyamine. However, since they are usually made by dissolving polyamine in water and sol-gel reaction of silica source in the aqueous solution, even if silica gel can be formed, the shape of the silica gel cannot be controlled, and regular. It was difficult to realize a silica gel having a simple structure.

上記の方法とは異なり、本発明者らは、2級アミンで構成された直鎖状ポリエチレンイミンが水性媒体中で発現する特異な分子会合体をシリカ析出の反応場として用いることにより、シリカナノファイバーに代表されるさまざまな形状を有するシリカ含有ナノ構造体およびその製造法を見いだした(特許文献1〜4参照。)。これらの発明では、直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーを水中にて自発的に会合させた後、その会合体液中にアルコキシシラン類のシラン化合物を混合させると、そのシラン類が選択的にポリマー会合体表面で加水分解的に縮合され、ポリマーとシリカとが複合したナノ構造体が生成することを見出したことにより完成した発明である。このプロセスはシリカ系ナノ構造体の構造制御に高効率であるが、用いるシリカソースとしてはアルコキシシラン類である。従って、アルコキシシラン類が高価であることから、製造するナノ構造体の製造コストが高く、さらにはアルコキシシラン類の加水分解によりアルコール類が生じ、この廃棄処理のために、環境負荷への問題点も避けられない。シリカのナノ構造体を安価で、かつ無炭素の水ガラス等で構築することができれば、工業的には重要な意義を有する。   Unlike the above method, the present inventors have used silica nanofibers by using, as a reaction field for silica precipitation, a unique molecular aggregate in which a linear polyethyleneimine composed of a secondary amine is expressed in an aqueous medium. The present inventors have found silica-containing nanostructures having various shapes typified by (1) and methods for producing the same (see Patent Documents 1 to 4). In these inventions, when a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton is spontaneously associated in water and then mixed with a silane compound of alkoxysilanes in the associated fluid, the silanes are selectively polymerized. The present invention has been completed by finding that a nanostructure in which a polymer and silica are combined is produced by hydrolytic condensation on the surface of the aggregate. This process is highly efficient for controlling the structure of the silica-based nanostructure, but the silica source used is alkoxysilanes. Therefore, since the alkoxysilanes are expensive, the production cost of the nanostructure to be produced is high, and further alcohols are generated by hydrolysis of the alkoxysilanes. Is inevitable. If a silica nanostructure can be constructed with an inexpensive and carbon-free water glass, it has an important industrial significance.

C.T.Kresge et al.,Nature,1992,359,p.710C. T.A. Kresge et al. , Nature, 1992, 359, p. 710 A.Monnier et al.,Science,1993,261,p1299A. Monnier et al. , Science, 1993, 261, p1299 S.A.Davis et al.,Nature,1997,385,p420S. A. Davis et al. , Nature, 1997, 385, p420. W.E.G.Muller Ed.,Silicon Biomineralizattion:Biology−Biotechnology−Molecular Biology−Biotechnology,2003,SpringerW. E. G. Muller Ed. , Silicon Biomineralization: Biology-Biotechnology-Molecular Biology-Biotechnology, 2003, Springer N.Kroger et al.,Science,1999,286,p.1129N. Kroger et al. Science, 1999, 286, p. 1129 N.Kroger et al.,Proc.Natl.Acad.Sci.USA,2000,97,p14133N. Kroger et al. , Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2000, 97, p14133 特開2005−264421号公報JP 2005-264421 A 特開2005−336440号公報JP 2005-336440 A 特開2006−063097号公報JP 2006-063097 A 特開2007−051056号公報JP 2007-051056 A

本発明が解決しようとする課題は、製造コストが低く、有機物質の廃棄物が発生しないプロセスによる、多様な形状を有するポリマー/シリカ複合ナノ構造体、ポリマー/金属類/シリカ複合ナノ構造体及びこれらを熱焼成して得られるシリカ系無機構造体の簡便な製造方法を提供することにある。   The problems to be solved by the present invention include a polymer / silica composite nanostructure having various shapes, a polymer / metals / silica composite nanostructure, and a process that is low in production cost and does not generate organic waste. An object of the present invention is to provide a simple method for producing a silica-based inorganic structure obtained by calcining these.

上記の課題を解決するために、本発明者らは鋭意検討を行ったところ、特定のポリマーが水中で形成する結晶性会合体をテンプレートとし、それが安定に存在する条件下で予めpH調整した水ガラスと混合すると、水ガラスのケイ素が該会合体周辺でシリカとして析出し、有機物の発生がなく、ポリマーとシリカとが複合したナノ構造体が得られることを見出し、本発明を完成した。   In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have conducted intensive studies. As a template, a crystalline aggregate formed by a specific polymer in water was used, and the pH was adjusted in advance under conditions where the polymer was stably present. When mixed with water glass, the silicon of water glass was precipitated as silica around the aggregate, and it was found that a nanostructure in which a polymer and silica were combined without generation of organic substances was completed.

即ち、本発明は、直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a1)を有するポリマー(A)を水性媒体中で結晶性会合体とし、これとpHを8.5以上に調整した水ガラス(B)とを混合して、シリカ(b1)を析出させることを特徴とするポリマー/シリカ複合ナノ構造体の製造方法、更に該ポリマー/シリカ複合ナノ構造体に金属イオン(c1)又は金属ナノ粒子(c2)が含まれるポリマー/金属類/シリカ複合ナノ構造体の製造方法、及びこれらを熱焼成して得られるシリカ系無機構造体の製造方法を提供するものである。   That is, the present invention comprises a polymer (A) having a linear polyethyleneimine skeleton (a1) as a crystalline aggregate in an aqueous medium, and water glass (B) having a pH adjusted to 8.5 or higher. A method of producing a polymer / silica composite nanostructure characterized by mixing to precipitate silica (b1), and further, metal ions (c1) or metal nanoparticles (c2) are added to the polymer / silica composite nanostructure. The present invention provides a method for producing a polymer / metal / silica composite nanostructure contained therein, and a method for producing a silica-based inorganic structure obtained by thermally firing these.

本発明の製造方法は、工業的に最も安く、汎用性の高い水ガラスをシリカソースとして用い、簡便で且つ有機物の廃棄がない方法でポリマー/シリカ複合ナノ構造体およびポリマー/金属類/シリカ複合ナノ構造体を得るものである。この製造方法から得られるナノ構造体は、ナノ次元のファイバー、ラメラのようなユニット構造が3次元空間に大きく広がり、さまざまな複雑形状と構造を有する、シリカを主成分とするシリカ系材料である。   The production method of the present invention uses a water glass which is industrially cheapest and highly versatile as a silica source, and is a simple and non-waste organic matter polymer / silica composite nanostructure and polymer / metals / silica composite. A nanostructure is obtained. The nanostructure obtained from this manufacturing method is a silica-based material mainly composed of silica, in which unit structures such as nano-dimensional fibers and lamellas are widely spread in a three-dimensional space and have various complex shapes and structures. .

本発明で得られるポリマー/シリカ複合ナノ構造体は、シリカ内部に直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーが含まれるので、そのポリマーが固有する機能を生かすことができる。例えば、ポリエチレンイミンは金属イオンとポリマー金属錯体を形成することができるので、本発明のポリマー/シリカ複合ナノ構造体は金属イオンの濃縮・分離、金属錯体の固定に用いることができ、ポリマー/金属類/シリカ複合ナノ構造体を形成する。   Since the polymer / silica composite nanostructure obtained by the present invention contains a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton in the silica, the function inherent to the polymer can be utilized. For example, since polyethyleneimine can form a polymer metal complex with metal ions, the polymer / silica composite nanostructure of the present invention can be used for concentration / separation of metal ions and fixation of metal complexes. A silica / silica composite nanostructure.

また、ポリエチレンイミンは酸性有機化合物や酸性の官能基を有する生体ポリマー等と酸/塩基複合体を形成することができるので、本発明のポリマー/シリカ複合ナノ構造体は多くの酸性物質の分離または固定に用いることができる。   In addition, since polyethyleneimine can form an acid / base complex with an acidic organic compound, a biopolymer having an acidic functional group, or the like, the polymer / silica composite nanostructure of the present invention is capable of separating many acidic substances. Can be used for fixation.

また、ポリエチレンイミンは殺菌、抗ウイルスの機能を有するので、本発明で得られるポリマー/シリカ複合ナノ構造体、ポリマー/金属類/シリカ複合ナノ構造体は、例えば、防菌剤、殺菌剤、抗ウイルス、化粧品添加剤として用いることができる。   In addition, since polyethyleneimine has fungicidal and antiviral functions, the polymer / silica composite nanostructure and the polymer / metals / silica composite nanostructure obtained in the present invention are, for example, antibacterial agents, fungicides, It can be used as a virus or cosmetic additive.

更に、本発明で得られるポリマー/シリカ複合ナノ構造体は、シリカナノファイバーの絡み合いで構成する特徴を有するので、水、空気の浄化用ナノフィルターとして用いることもできる。   Furthermore, since the polymer / silica composite nanostructure obtained by the present invention has a characteristic of being composed of entangled silica nanofibers, it can also be used as a nanofilter for purifying water and air.

又、前記ポリマー/シリカ複合ナノ構造体又はポリマー/金属類/シリカ複合ナノ構造体を焼成して得られるシリカ系無機構造体は、高い比表面積を有するためフィルター、触媒支持体、フィラー等に好適に用いることができるものである。   In addition, the silica-based inorganic structure obtained by firing the polymer / silica composite nanostructure or the polymer / metals / silica composite nanostructure has a high specific surface area and is suitable for filters, catalyst supports, fillers, and the like. It can be used for.

本発明は、直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a1)を有するポリマー(A)を水性媒体中で結晶性会合体とし、これをテンプレートとして用いて、pHを8.5以上に調整した水ガラス(B)からシリカ(b1)を該会合体周辺に析出させることにより、ポリマー(A)とシリカ(b1)とを複合させ、ナノ構造体を得ることを特徴とする。   In the present invention, a water glass (B) having a pH of 8.5 or more adjusted by using a polymer (A) having a linear polyethyleneimine skeleton (a1) as a crystalline aggregate in an aqueous medium and using this as a template. ) To precipitate the silica (b1) around the aggregate, thereby combining the polymer (A) and silica (b1) to obtain a nanostructure.

シリカを含有する構造体の製造において、有機物質の環境への廃棄をなくすには、アルコキシシラン類を用いない反応を実現しなければならない。三次元空間で一定の形状と構造を有するシリカ含有ナノ構造体を構築するには、これは非常に困難である。   In the production of a structure containing silica, a reaction without using alkoxysilanes must be realized in order to eliminate disposal of organic substances into the environment. This is very difficult to construct silica-containing nanostructures that have a certain shape and structure in three-dimensional space.

ポリマーとシリカとが複合しているナノ構造体は、基本的にはポリマーが媒体中で形成する特定の構造が、シリカを析出させるテンプレートとして機能することによって生成するものである。そのポリマーテンプレートの形状が安定であれば安定であるほど、得られるポリマー/シリカ複合ナノ構造体は明確なナノ構造を有することになる。   A nanostructure in which a polymer and silica are composited is basically generated by a specific structure formed by a polymer in a medium functioning as a template for depositing silica. The more stable the shape of the polymer template, the more stable the resulting polymer / silica composite nanostructure will have a distinct nanostructure.

具体的に言えば、シリカをある特定形状に作り上げるためには、下記の三つの条件、(1)形状を誘導するポリマーテンプレートが安定に形成すること、(2)そのテンプレートがシリカソースを濃縮できること、(3)そのテンプレートがシリカソースの重合を促進させること、などをそろえる必要がある。この時、アルコキシシランをシリカソースに用いた場合には、比較的広範なポリマーに対してこの条件を満たすため、構造が制御された複合ナノ構造体を得るには好都合であった。アルコキシシランの代わりのシリカソースとしては、水溶性ケイ酸塩(珪酸ナトリウム、珪酸カリウムなど)または水分散シリカコロイド粒子といったものしかない。このようなシリカソースを用いると、アルコキシシランの加水分解によって生じるアルコール類の環境への廃棄問題は解決できると考えられる。しかしながら、水溶性ケイ酸塩類を用いる場合、特に濃厚溶液である水ガラスは水溶性であるが、水性媒体の微小な変化(例えば、pHの変動や添加物の混入等)により不安定化し、自発的に無規則なシリカの固まりとして析出してしまうため、ポリマーテンプレートと水ガラスとが安定に混合できない限り、該テンプレート表面にケイ酸塩を濃縮してシリカを析出させ、ポリマー/シリカ複合ナノ構造体を得ることは不可能である。   Specifically, in order to make silica into a specific shape, the following three conditions are required: (1) the polymer template that induces the shape is stably formed, and (2) the template can concentrate the silica source. (3) The template needs to promote the polymerization of the silica source. At this time, when alkoxysilane was used for the silica source, this condition was satisfied for a relatively wide range of polymers, which was advantageous for obtaining a composite nanostructure having a controlled structure. Silica sources in place of alkoxysilanes are only water-soluble silicates (sodium silicate, potassium silicate, etc.) or water-dispersed silica colloidal particles. When such a silica source is used, it is considered that the problem of disposal of alcohols caused by hydrolysis of alkoxysilane into the environment can be solved. However, when water-soluble silicates are used, water glass, which is a concentrated solution, is water-soluble, but it becomes unstable due to minute changes in the aqueous medium (for example, changes in pH, mixing of additives, etc.), and spontaneous As long as the polymer template and water glass cannot be stably mixed, the silica is precipitated by concentrating the silicate on the template surface, so that the polymer / silica composite nanostructure is deposited. It is impossible to get a body.

本発明においては、上記の課題を解決するため、直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a1)を有するポリマー(A)が水性媒体中で形成する結晶性会合体をテンプレートとして使用する。直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a1)を有するポリマー(A)は水中可溶であるが、室温では結晶性の分子会合体として存在する。ここにpHを8.5以上に調整した水ガラス(B)が混合されたときにも、この結晶性会合体の安定性が維持され、且つ該結晶性会合体を含有する水性媒体中におけるケイ酸塩自身の沈殿を防ぐことが可能であり、ケイ酸塩はこの結晶性会合体をテンプレートとして、選択的に該テンプレート周辺でシリカ(酸化ケイ素)(b1)として析出することを見出したことにより、本発明を完成するに至った。   In the present invention, in order to solve the above-described problems, a crystalline aggregate formed in an aqueous medium by a polymer (A) having a linear polyethyleneimine skeleton (a1) is used as a template. The polymer (A) having a linear polyethyleneimine skeleton (a1) is soluble in water, but exists as a crystalline molecular aggregate at room temperature. When the water glass (B) whose pH is adjusted to 8.5 or more is mixed here, the stability of the crystalline aggregate is maintained and the silica in the aqueous medium containing the crystalline aggregate is maintained. It is possible to prevent precipitation of the silicate itself, and the silicate has been found to selectively precipitate as silica (silicon oxide) (b1) around the template using this crystalline aggregate as a template. The present invention has been completed.

本発明で得られるナノ構造体は、直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマー(A)とシリカ(b1)とが複合されたものであり、シリカ(b1)の固さにより、ナノ構造が空間に広がるさまざまな形状を有する。   The nanostructure obtained in the present invention is a composite of a polymer (A) having a linear polyethyleneimine skeleton and silica (b1), and the nanostructure becomes a space depending on the hardness of silica (b1). Has a wide variety of shapes.

[直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマー]
本発明でいう直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a1)とは、二級アミンのエチレンイミン単位を主たる構造単位とするポリマー骨格である。該骨格(a1)中においては、エチレンイミン単位以外の構造単位が存在していてもよいが、結晶性会合体を形成させるためには、該ポリマー骨格(a1)中の一定鎖長が連続的なエチレンイミン単位であることが好ましい。該直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a1)の長さは、該骨格を有するポリマー(A)が結晶を形成できる範囲であれば特に制限されないが、好適に結晶を形成するためには、該骨格(a1)部分のエチレンイミン単位の繰り返し単位数が10以上であることが好ましく、20〜10,000の範囲であることが特に好ましい。
[Polymer having linear polyethyleneimine skeleton]
The linear polyethyleneimine skeleton (a1) referred to in the present invention is a polymer skeleton having an ethyleneimine unit of a secondary amine as a main structural unit. In the skeleton (a1), structural units other than the ethyleneimine unit may be present, but in order to form a crystalline aggregate, a constant chain length in the polymer skeleton (a1) is continuous. Preferably, the ethyleneimine unit. The length of the linear polyethyleneimine skeleton (a1) is not particularly limited as long as the polymer (A) having the skeleton can form a crystal, but in order to form a crystal suitably, the skeleton ( The number of repeating units of the ethyleneimine unit in the a1) part is preferably 10 or more, particularly preferably in the range of 20 to 10,000.

本発明において使用するポリマー(A)は、その構造中に直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a1)を有するものであればよく、ポリマー(A)全体の形状が線状、星状または櫛状であっても、水または水と親水性有機溶媒との混合溶媒である水性媒体(以下、両者を併せて水性媒体という)中で結晶性会合体を与えることができる。   The polymer (A) used in the present invention is not particularly limited as long as it has a linear polyethyleneimine skeleton (a1) in its structure, and the overall shape of the polymer (A) is linear, star-shaped or comb-shaped. Even in such a case, the crystalline aggregate can be provided in water or an aqueous medium that is a mixed solvent of water and a hydrophilic organic solvent (hereinafter, both are collectively referred to as an aqueous medium).

また、これら線状、星状または櫛状のポリマーは、直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a1)のみからなるものであっても、直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a1)からなるブロック(以下、ポリエチレンイミンブロックと略記する。)と他のポリマーブロックとのブロックコポリマーからなるものであってもよい。他のポリマーブロックとしては、例えば、ポリエチレングリコール、ポリプロピオニルエチレンイミン、ポリアクリルアミドなどの水溶性のポリマーブロック、あるいは、ポリスチレン、ポリオキサゾリン類のポリフェニルオキサゾリン、ポリオクチルオキサゾリン、ポリドデシルオキサゾリン、ポリアクリレート類のポリメチルメタクリレート、ポリブチルメタクリレートなどの疎水性のポリマーブロック等を挙げることができる。これら他のポリマーブロックとのブロックコポリマーとすることで、ポリマーから形成する結晶性会合体の形状や得られるナノ構造体の特性を調整することができる。   In addition, these linear, star-like or comb-like polymers may be composed of only a linear polyethyleneimine skeleton (a1) or a block composed of a linear polyethyleneimine skeleton (a1) (hereinafter referred to as polyethyleneimine). It may be composed of a block copolymer of abbreviated as a block) and other polymer blocks. Other polymer blocks include, for example, water-soluble polymer blocks such as polyethylene glycol, polypropionylethyleneimine, polyacrylamide, or polystyrene, polyoxazoline polyphenyloxazoline, polyoctyloxazoline, polydodecyloxazoline, polyacrylates And hydrophobic polymer blocks such as polymethyl methacrylate and polybutyl methacrylate. By using a block copolymer with these other polymer blocks, the shape of the crystalline aggregate formed from the polymer and the characteristics of the resulting nanostructure can be adjusted.

直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマー(A)が、ブロックコポリマーである場合の該ポリマー(A)中における直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a1)の割合は、結晶性会合体を形成できる範囲であれば特に制限されないが、好適に該会合体を形成するためには、ポリマー(A)中の直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a1)の割合が40モル%以上であることが好ましく、50モル%以上であることがさらに好ましい。   When the polymer (A) having a linear polyethyleneimine skeleton is a block copolymer, the proportion of the linear polyethyleneimine skeleton (a1) in the polymer (A) is within a range where a crystalline aggregate can be formed. Although not particularly limited, in order to suitably form the aggregate, the proportion of the linear polyethyleneimine skeleton (a1) in the polymer (A) is preferably 40 mol% or more, and 50 mol% or more. More preferably.

上記直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a1)を有するポリマー(A)は、その前駆体となるポリオキサゾリン類からなる直鎖状の骨格を有するポリマー(以下、前駆体ポリマーと略記する。)を、酸性条件下またはアルカリ条件下で加水分解することで容易に得ることができる。従って、直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a1)を有するポリマー(A)の線状、星状、または櫛状などの形状は、この前駆体ポリマーの形状を制御することで容易に設計することができる。また、重合度や末端構造も、前駆体ポリマーの重合度や末端機能団を制御することで容易に調整できる。さらに、直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a1)を有するブロックコポリマーを形成する場合には、前駆体ポリマーをブロックコポリマーとし、該前駆体中のポリオキサゾリン類からなる直鎖状の骨格を選択的に加水分解することで得ることができる。   The polymer (A) having the linear polyethyleneimine skeleton (a1) is an acidic polymer (hereinafter abbreviated as precursor polymer) having a linear skeleton composed of polyoxazolines serving as a precursor. It can be easily obtained by hydrolysis under the conditions or alkaline conditions. Accordingly, the shape of the polymer (A) having the linear polyethyleneimine skeleton (a1) such as a linear shape, a star shape, or a comb shape can be easily designed by controlling the shape of the precursor polymer. . Further, the degree of polymerization and the terminal structure can be easily adjusted by controlling the degree of polymerization and the terminal functional group of the precursor polymer. Further, when forming a block copolymer having a linear polyethyleneimine skeleton (a1), the precursor polymer is used as a block copolymer, and the linear skeleton composed of polyoxazolines in the precursor is selectively hydrolyzed. It can be obtained by decomposing.

前駆体ポリマーは、オキサゾリン類のモノマーを使用して、カチオン型の重合法、あるいは、マクロモノマー法などの合成方法により合成が可能であり、合成方法や開始剤を適宜選択することにより、線状、星状、あるいは櫛状などの各種形状の前駆体ポリマーを合成できる。   The precursor polymer can be synthesized by a cationic polymerization method or a synthesis method such as a macromonomer method using an oxazoline monomer. By selecting an appropriate synthesis method and initiator, a linear polymer can be obtained. It is possible to synthesize precursor polymers having various shapes such as a star shape or a comb shape.

ポリオキサゾリン類からなる直鎖状の骨格を形成するモノマーとしては、メチルオキサゾリン、エチルオキサゾリン、メチルビニルオキサゾリン、フェニルオキサゾリンなどのオキサゾリンモノマーを使用できる。   Oxazoline monomers such as methyl oxazoline, ethyl oxazoline, methyl vinyl oxazoline, and phenyl oxazoline can be used as the monomer that forms a linear skeleton composed of polyoxazolines.

重合開始剤としては、分子中に塩化アルキル基、臭化アルキル基、ヨウ化アルキル基、トルエンスルホニルオキシ基、あるいはトリフルオロメチルスルホニルオキシ基などの官能基を有する化合物を使用できる。これら重合開始剤は、多くのアルコール類化合物の水酸基を他の官能基に変換させることで得られる。なかでも、官能基変換として、臭素化、ヨウ素化、トルエンスルホン酸化、およびトリフルオロメチルスルホン酸化されたものは重合開始効率が高いため好ましく、特に臭化アルキル基、トルエンスルホン酸アルキル基とすることが好ましい。   As the polymerization initiator, a compound having a functional group such as an alkyl chloride group, an alkyl bromide group, an alkyl iodide group, a toluenesulfonyloxy group, or a trifluoromethylsulfonyloxy group in the molecule can be used. These polymerization initiators can be obtained by converting the hydroxyl groups of many alcohol compounds into other functional groups. Of these, brominated, iodinated, toluene sulfonated, and trifluoromethyl sulfonated compounds are preferred as functional group conversion because of their high polymerization initiation efficiency, especially alkyl bromide groups and toluene sulfonate alkyl groups. Is preferred.

また、ポリ(エチレングリコール)の末端水酸基を臭素あるいはヨウ素に変換したもの、またはトルエンスルホニル基に変換したものを重合開始剤として使用することもできる。その場合、ポリ(エチレングリコール)の重合度は5〜100の範囲であることが好ましく、10〜50の範囲であれば特に好ましい。   Moreover, what converted the terminal hydroxyl group of poly (ethylene glycol) into bromine or iodine, or converted into a toluenesulfonyl group can also be used as a polymerization initiator. In that case, the degree of polymerization of poly (ethylene glycol) is preferably in the range of 5 to 100, particularly preferably in the range of 10 to 50.

また、カチオン開環リビング重合開始能を有する官能基を有し、かつ光による発光機能、エネルギー移動機能、電子移動機能を有するポルフィリン骨格、フタロシアニン骨格、またはピレン骨格のいずれかの骨格を有する色素類は、得られるポリマー(A)及びナノ構造体に特殊な機能を付与することができる。   Also, dyes having a functional group having the ability to initiate cationic ring-opening living polymerization and having a skeleton of any of a porphyrin skeleton, a phthalocyanine skeleton, or a pyrene skeleton having a light emission function, an energy transfer function, and an electron transfer function by light Can impart a special function to the resulting polymer (A) and nanostructure.

線状の前駆体ポリマーは、上記オキサゾリンモノマーを1価または2価の官能基を有する重合開始剤により重合することで得られる。このような重合開始剤としては、例えば、塩化メチルベンゼン、臭化メチルベンゼン、ヨウ化メチルベンゼン、トルエンスルホン酸メチルベンゼン、トリフルオロメチルスルホン酸メチルベンゼン、臭化メタン、ヨウ化メタン、トルエンスルホン酸メタンまたはトルエンスルホン酸無水物、トリフルオロメチルスルホン酸無水物、5−(4−ブロモメチルフェニル)−10,15,20−トリ(フェニル)ポルフィリン、またはブロモメチルピレンなどの1価のもの、ジブロモメチルベンゼン、ジヨウ化メチルベンゼン、ジブロモメチルビフェニレン、またはジブロモメチルアゾベンゼンなどの2価のものが挙げられる。また、ポリ(メチルオキサゾリン)、ポリ(エチルオキサゾリン)、または、ポリ(メチルビニルオキサゾリン)などの工業的に使用されている線状のポリオキサゾリンを、そのまま前駆体ポリマーとして使用することもできる。   The linear precursor polymer is obtained by polymerizing the oxazoline monomer with a polymerization initiator having a monovalent or divalent functional group. Examples of such a polymerization initiator include methyl benzene, methyl benzene bromide, methyl benzene iodide, methyl benzene toluene sulfonate, methyl benzene trifluoromethyl sulfonate, methane bromide, methane iodide, toluene sulfonic acid. Monovalent ones such as methane or toluenesulfonic anhydride, trifluoromethylsulfonic anhydride, 5- (4-bromomethylphenyl) -10,15,20-tri (phenyl) porphyrin, or bromomethylpyrene, dibromo Divalent ones such as methylbenzene, diiodomethylbenzene, dibromomethylbiphenylene, or dibromomethylazobenzene can be mentioned. In addition, linear polyoxazolines that are industrially used such as poly (methyloxazoline), poly (ethyloxazoline), or poly (methylvinyloxazoline) can be used as a precursor polymer as they are.

星状の前駆体ポリマーは、上記したようなオキサゾリンモノマーを3価以上の官能基を有する重合開始剤により重合することで得られる。3価以上の重合開始剤としては、例えば、トリブロモメチルベンゼンなどの3価のもの、テトラブロモメチルベンゼン、テトラ(4−クロロメチルフェニル)ポルフィリン、テトラブロモエトキシフタロシアニンなどの4価のもの、ヘキサブロモメチルベンゼン、テトラ(3,5−ジトシリルエチルオキシフェニル)ポルフィリンなどの5価以上のものが挙げられる。   The star-shaped precursor polymer is obtained by polymerizing the oxazoline monomer as described above with a polymerization initiator having a trivalent or higher functional group. Examples of the trivalent or higher polymerization initiator include trivalent compounds such as tribromomethylbenzene, tetravalent compounds such as tetrabromomethylbenzene, tetra (4-chloromethylphenyl) porphyrin, tetrabromoethoxyphthalocyanine, hexa Examples thereof include pentavalent or higher valent compounds such as bromomethylbenzene and tetra (3,5-ditosilylethyloxyphenyl) porphyrin.

櫛状の前駆体ポリマーを得るためには、多価の重合開始基を有する線状のポリマーを用いて、該重合開始基からオキサゾリンモノマーを重合させることにより得られるが、例えば、線状のエポキシ樹脂やポリビニルアルコールなどの側鎖に水酸基を複数有するポリマーの水酸基を、臭素やヨウ素等でハロゲン化するか、あるいはトルエンスルホニル基に変換させた後、該変換部分を重合開始基として用いることでも得ることができる。   In order to obtain a comb-like precursor polymer, it is obtained by polymerizing an oxazoline monomer from the polymerization initiating group using a linear polymer having a polyvalent polymerization initiating group. It can also be obtained by halogenating a hydroxyl group of a polymer having a plurality of hydroxyl groups in a side chain such as a resin or polyvinyl alcohol with bromine or iodine, or converting it to a toluenesulfonyl group and then using the converted moiety as a polymerization initiating group. be able to.

また、櫛状の前駆体ポリマーを得る方法として、ポリアミン型重合停止剤を用いることもできる。例えば、一価の重合開始剤を用い、オキサゾリンを重合させ、そのポリオキサゾリンの末端をポリエチレンイミン、ポリビニルアミン、ポリプロピルアミンなどのポリアミンのアミノ基に結合させることで、櫛状のポリオキサゾリンを得ることができる。   As a method for obtaining a comb-like precursor polymer, a polyamine type polymerization terminator can also be used. For example, a monovalent polymerization initiator is used to polymerize oxazoline, and the end of the polyoxazoline is bonded to the amino group of a polyamine such as polyethyleneimine, polyvinylamine, or polypropylamine to obtain a comb-shaped polyoxazoline. Can do.

上記により得られる前駆体ポリマーのポリオキサゾリン類からなる直鎖状の骨格部分の加水分解は、酸性条件下またはアルカリ条件下のいずれの条件下でもよい。酸性条件下での加水分解は、例えば、塩酸水溶液中で前駆体ポリマーを加熱下で攪拌することにより、ポリエチレンイミンの塩酸塩を得ることができる。得られた塩酸塩を過剰のアンモニウム水で処理することで、塩基性のポリエチレンイミン骨格を有するポリマーの結晶粉末を得ることができる。用いる塩酸水溶液は、濃塩酸でも、1mol/L程度の水溶液でもよいが、加水分解を効率的に行うには、5mol/Lの塩酸水溶液を用いることが望ましい。また、反応温度は80℃前後が望ましい。   Hydrolysis of the linear skeleton portion composed of the polyoxazolines of the precursor polymer obtained as described above may be performed under any of acidic conditions or alkaline conditions. Hydrolysis under acidic conditions can obtain polyethyleneimine hydrochloride by, for example, stirring the precursor polymer under heating in an aqueous hydrochloric acid solution. By treating the obtained hydrochloride with excess ammonium water, a crystalline polymer powder having a basic polyethyleneimine skeleton can be obtained. The hydrochloric acid aqueous solution used may be concentrated hydrochloric acid or an aqueous solution of about 1 mol / L, but it is desirable to use a 5 mol / L aqueous hydrochloric acid solution for efficient hydrolysis. The reaction temperature is preferably around 80 ° C.

アルカリ条件下での加水分解は、例えば、水酸化ナトリウム水溶液を用いることで、ポリオキサゾリン類からなる骨格をポリエチレンイミン骨格に変換させることができる。アルカリ条件下で反応させた後、反応液を透析膜にて洗浄することで、過剰な水酸化ナトリウムを除去し、ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーの結晶粉末を得ることができる。用いる水酸化ナトリウムの濃度は1〜10mol/Lの範囲であればよく、より効率的な反応を行うには3〜5mol/Lの範囲であることが好ましい。また、反応温度は80℃前後が好ましい。   For hydrolysis under alkaline conditions, for example, by using an aqueous sodium hydroxide solution, a skeleton composed of polyoxazolines can be converted into a polyethyleneimine skeleton. After reacting under alkaline conditions, the reaction solution is washed with a dialysis membrane to remove excess sodium hydroxide and to obtain a polymer crystal powder having a polyethyleneimine skeleton. The concentration of sodium hydroxide to be used may be in the range of 1 to 10 mol / L, and is preferably in the range of 3 to 5 mol / L in order to perform a more efficient reaction. The reaction temperature is preferably around 80 ° C.

酸性条件下またはアルカリ条件下での加水分解における、酸またはアルカリの使用量としては、前駆体ポリマー中のオキサゾリン単位に対し、1〜10当量でよく、反応効率の向上と後処理の簡便化のためには、3当量程度とすることが好ましい。   The amount of acid or alkali used in hydrolysis under acidic conditions or alkaline conditions may be 1 to 10 equivalents relative to the oxazoline unit in the precursor polymer, which improves reaction efficiency and simplifies post-treatment. Therefore, it is preferable to set it as about 3 equivalents.

上記加水分解により、前駆体ポリマー中のポリオキサゾリン類からなる直鎖状の骨格が、直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a1)となり、該ポリエチレンイミン骨格(a1)を有するポリマー(A)が得られる。   By the hydrolysis, a linear skeleton composed of polyoxazolines in the precursor polymer becomes a linear polyethyleneimine skeleton (a1), and a polymer (A) having the polyethyleneimine skeleton (a1) is obtained.

また、直鎖状ポリエチレンイミンブロックと他のポリマーブロックとのブロックコポリマーを形成する場合には、前駆体ポリマーをポリオキサゾリン類からなる直鎖状のポリマーブロックと、他のポリマーブロックとからなるブロックコポリマーとし、該前駆体ポリマー中のポリオキサゾリン類からなる直鎖状のブロックを選択的に加水分解することで得ることができる。   In the case of forming a block copolymer of a linear polyethyleneimine block and another polymer block, the precursor polymer is a block copolymer composed of a linear polymer block composed of polyoxazolines and another polymer block. And a linear block composed of polyoxazolines in the precursor polymer can be selectively hydrolyzed.

他のポリマーブロックが、ポリ(N−プロピオニルエチレンイミン)などの水溶性ポリマーブロックである場合には、ポリ(N−プロピオニルエチレンイミン)が、ポリ(N−ホルミルエチレンイミン)やポリ(N−アセチルエチレンイミン)に比べて、有機溶媒への溶解性が高いことを利用してブロックコポリマーを形成することができる。即ち、2−オキサゾリンまたは2−メチル−2−オキサゾリンを、前記した重合開始化合物の存在下でカチオン開環リビング重合した後、得られたリビングポリマーに、さらに2−エチル−2−オキサゾリンを重合させることによって、ポリ(N−ホルミルエチレンイミン)ブロックまたはポリ(N−アセチルエチレンイミン)ブロックと、ポリ(N−プロピオニルエチレンイミン)ブロックとからなる前駆体ポリマーを得る。該前駆体ポリマーを水に溶解させ、該水溶液にポリ(N−プロピオニルエチレンイミン)ブロックを溶解する水とは非相溶の有機溶媒を混合して攪拌することによりエマルジョンを形成する。該エマルジョンの水相に、酸またはアルカリを添加することによりポリ(N−ホルミルエチレンイミン)ブロックまたはポリ(N−アセチルエチレンイミン)ブロックを優先的に加水分解させることにより、直鎖状ポリエチレンイミンブロックと、ポリ(N−プロピオニルエチレンイミン)ブロックとを有するブロックコポリマーを形成できる。   When the other polymer block is a water-soluble polymer block such as poly (N-propionylethyleneimine), poly (N-propionylethyleneimine) is converted to poly (N-formylethyleneimine) or poly (N-acetyl). A block copolymer can be formed by taking advantage of its higher solubility in organic solvents than ethyleneimine). That is, 2-oxazoline or 2-methyl-2-oxazoline is subjected to cationic ring-opening living polymerization in the presence of the above-described polymerization initiating compound, and then 2-ethyl-2-oxazoline is further polymerized to the obtained living polymer. Thus, a precursor polymer composed of a poly (N-formylethyleneimine) block or a poly (N-acetylethyleneimine) block and a poly (N-propionylethyleneimine) block is obtained. The precursor polymer is dissolved in water, and an emulsion is formed by mixing and stirring an organic solvent incompatible with water in which the poly (N-propionylethyleneimine) block is dissolved in the aqueous solution. A linear polyethyleneimine block is obtained by preferentially hydrolyzing a poly (N-formylethyleneimine) block or a poly (N-acetylethyleneimine) block by adding an acid or an alkali to the aqueous phase of the emulsion. And a block copolymer having a poly (N-propionylethyleneimine) block.

ここで使用する重合開始化合物の価数が1および2の場合には、直鎖状のブロックコポリマーとなり、それ以上の価数であれば星型のブロックコポリマーが得られる。また、前駆体ポリマーを多段のブロックコポリマーとすることで、得られるポリマーも多段のブロック構造とすることも可能である。   When the valence of the polymerization initiating compound used here is 1 or 2, a linear block copolymer is obtained. When the valence is higher than that, a star-shaped block copolymer is obtained. Further, by making the precursor polymer a multistage block copolymer, the resulting polymer can also have a multistage block structure.

[結晶性会合体]
上記直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a1)を有するポリマー(A)は、一次構造中の直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a1)が、水性媒体中で結晶性を発現することにより該ポリマー(A)の結晶を誘導する。該ポリマー結晶は、水性媒体の存在下でのポリマー結晶同士の物理的な結合により三次元網目構造を有するヒドロゲルを形成することもでき、さらにポリマー結晶同士を架橋剤で架橋することにより化学的な架橋結合を有する架橋ヒドロゲルを形成することもできる。
[Crystalline aggregate]
The polymer (A) having the linear polyethyleneimine skeleton (a1) has a structure in which the linear polyethyleneimine skeleton (a1) in the primary structure exhibits crystallinity in an aqueous medium. Induces crystals. The polymer crystals can also form a hydrogel having a three-dimensional network structure by physical bonding between the polymer crystals in the presence of an aqueous medium, and can be chemically obtained by crosslinking the polymer crystals with a crosslinking agent. Crosslinked hydrogels having crosslinks can also be formed.

従来広く使用されてきたポリエチレンイミンは、環状エチレンイミンの開環重合により得られる分岐状ポリマーであり、その一次構造には一級アミン、二級アミン、三級アミンが存在する。従って、分岐状ポリエチレンイミンは水溶性であるが、結晶性は持たないため、分岐状ポリエチレンイミンを用いてヒドロゲルを作るためには、架橋剤による共有結合により網目構造を与えなくてはならない。しかしながら本発明に使用するポリマーが骨格として有する直鎖状ポリエチレンイミンは、二級アミンだけで構成されており、該二級アミン型の直鎖状ポリエチレンイミンは水溶性でありながら、優れた結晶性を有する。   Polyethyleneimine that has been widely used heretofore is a branched polymer obtained by ring-opening polymerization of cyclic ethyleneimine, and has primary amine, secondary amine, and tertiary amine in its primary structure. Therefore, branched polyethyleneimine is water-soluble, but has no crystallinity. Therefore, in order to make a hydrogel using branched polyethyleneimine, a network structure must be provided by covalent bonding with a crosslinking agent. However, the linear polyethyleneimine that the polymer used in the present invention has as a skeleton is composed only of a secondary amine, and the secondary amine type linear polyethyleneimine is water-soluble and has excellent crystallinity. Have

このような、直鎖状ポリエチレンイミンの結晶は、そのポリマーのエチレンイミン単位に含まれる結晶水数により、ポリマー結晶構造が大きく異なることが知られている(Y.Chatani et al.、Macromolecules、1981年、第14巻、p.315−321参照)。無水のポリエチレンイミンは二重螺旋構造を特徴とする結晶構造を優先するが、モノマー単位に2分子の水が含まれると、ポリマーはzigzag構造を特徴とする結晶体に成長することが知られている。実際、水中から得られる直鎖状ポリエチレンイミンの結晶は一つのモノマー単位に2分子水を含む結晶であり、その結晶は室温状態では水中不溶である。   Such linear polyethyleneimine crystals are known to vary greatly in polymer crystal structure depending on the number of water of crystallization contained in the ethyleneimine unit of the polymer (Y. Chatani et al., Macromolecules, 1981). Year, Vol. 14, pages 315-321). Anhydrous polyethylenimine prefers a crystal structure characterized by a double helix structure, but if the monomer unit contains two molecules of water, the polymer is known to grow into a crystal characterized by a zigzag structure. Yes. Actually, the crystal of linear polyethyleneimine obtained from water is a crystal containing bimolecular water in one monomer unit, and the crystal is insoluble in water at room temperature.

本発明における直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a1)を有するポリマー(A)の結晶性会合体は、上記の場合と同様に直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a1)の結晶発現により形成されるものであり、ポリマー形状が線状、星状、または櫛状などの形状であっても、一次構造に直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a1)を有していれば、ポリマー(A)の結晶性会合体が得られる。   The crystalline aggregate of the polymer (A) having a linear polyethyleneimine skeleton (a1) in the present invention is formed by crystal expression of the linear polyethyleneimine skeleton (a1) as in the above case. Even if the polymer shape is a linear shape, a star shape, a comb shape or the like, if the linear structure has a linear polyethyleneimine skeleton (a1), the crystalline aggregate of the polymer (A) is can get.

本発明におけるポリマー(A)の結晶性会合体の存在は、例えば、X線散乱により確認でき、広角X線回折計(WAXS)における2θ角度値で20°,27°,28°にて散乱ピークを示す。   The presence of the crystalline aggregate of the polymer (A) in the present invention can be confirmed by, for example, X-ray scattering, and a scattering peak at 20 °, 27 °, and 28 ° in terms of 2θ angle in a wide angle X-ray diffractometer (WAXS). Indicates.

また、本発明におけるポリマー(A)の結晶の示差走査熱量計(DSC)における融点は、該直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a1)を有するポリマー(A)の構造にも依存するが、概ねその融点が45〜90℃で現れる。   In addition, the melting point in the differential scanning calorimeter (DSC) of the polymer (A) crystal in the present invention depends on the structure of the polymer (A) having the linear polyethyleneimine skeleton (a1). Appears at 45-90 ° C.

本発明におけるポリマー(A)の結晶性会合体は、その結晶を構成するポリマー(A)の幾何学的構造や、分子量、一次構造中に導入する非エチレンイミン部分、さらにはポリマー結晶の形成条件などの影響により各種形状を取り得ることができ、例えば束状、ブラシ状、星状などの形状を有する。   The crystalline aggregate of the polymer (A) in the present invention includes the geometric structure of the polymer (A) constituting the crystal, the molecular weight, the non-ethyleneimine moiety introduced into the primary structure, and the conditions for forming the polymer crystal. Various shapes can be taken due to the influence of the above, and for example, it has a shape such as a bundle, a brush, or a star.

上記結晶性会合体は、5〜30nm程度のナノメートルオーダーの繊維状構造を基本ユニットとするものであり、該繊維状構造表面に存在するフリーなエチレンイミン鎖により、繊維状構造同士が水素結合による物理的な結合で繋がれて空間に配置され、上記したような三次元形状に成長する。   The crystalline aggregate has a fibrous structure of nanometer order of about 5 to 30 nm as a basic unit, and the fibrous structures are hydrogen-bonded by free ethyleneimine chains existing on the surface of the fibrous structure. They are connected to each other by physical coupling and are grown in a three-dimensional shape as described above.

本発明の結晶性会合体は、直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a1)を有するポリマー(A)が室温の水に不溶である性質を利用し、該直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a1)を有するポリマー(A)の水中での溶解−結晶変換により得ることができる。   The crystalline aggregate of the present invention uses the property that the polymer (A) having a linear polyethyleneimine skeleton (a1) is insoluble in water at room temperature, and the polymer having the linear polyethyleneimine skeleton (a1) It can be obtained by dissolving (A) in water-crystal conversion.

例えば、まず直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a1)を有するポリマー(A)を一定量水性媒体中に分散し、該分散液を加熱することにより、ポリマー(A)の透明な溶液を得る。次いで、加熱状態のポリマー(A)の水性溶液を室温に冷やすことにより結晶性会合体が得られる。この際、ポリマー濃度が高いほど、結晶性会合体はアイスクリームのような状態を有し、多様な形状に造形させることが可能である。   For example, a polymer (A) having a linear polyethyleneimine skeleton (a1) is first dispersed in an aqueous medium, and the dispersion is heated to obtain a transparent solution of the polymer (A). Subsequently, a crystalline aggregate is obtained by cooling the aqueous solution of the polymer (A) in a heated state to room temperature. At this time, as the polymer concentration is higher, the crystalline aggregate has a state like an ice cream and can be formed into various shapes.

上記ポリマーの水性溶液の加熱温度は100℃以下が好ましく、90〜95℃の範囲であることがより好ましい。また、ポリマーの水性溶液中のポリマー含有量(濃度)は、特に限定されないが、0.01〜20質量%の範囲であることが好ましく、安定形状の結晶体からなる結晶性会合体を得るためには0.1〜10質量%の範囲がさらに好ましい。このように、本発明においては、直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a1)を有するポリマー(A)を使用すると、ごく少量のポリマー濃度でも結晶性会合体を形成することができる。   The heating temperature of the aqueous polymer solution is preferably 100 ° C. or less, and more preferably in the range of 90 to 95 ° C. Further, the polymer content (concentration) in the aqueous solution of the polymer is not particularly limited, but is preferably in the range of 0.01 to 20% by mass, in order to obtain a crystalline aggregate composed of a crystal of a stable shape. Is more preferably in the range of 0.1 to 10% by mass. Thus, in the present invention, when the polymer (A) having the linear polyethyleneimine skeleton (a1) is used, a crystalline aggregate can be formed even with a very small polymer concentration.

上記ポリマーの水性溶液の温度を室温(25℃)まで低下させる過程により、得られる結晶性会合体中の結晶形状を調整することができる。例えば、該水性溶液を80℃に1時間保持した後、1時間かけて60℃にし、該温度でさらに1時間保持する。その後1時間かけて40℃まで低下させた後、自然に室温まで下げることで、水溶液の水が流動性をなくした状態のヒドロゲル結晶体を得ることができる。また、上記ポリマーの水性溶液を一気に氷点の氷り水、または氷点下のメタノール/ドライアイス、あるいはアセトン/ドライアイスの冷媒液にて冷却させた後、その状態のものを室温(25℃)の恒温槽にて保持させることで結晶性会合体を得ることができる。さらには、上記のポリマーの水性溶液を室温の恒温槽または室温の空気環境にて、室温まで温度を低下させることでも、結晶性会合体を得ることができる。   The crystal shape in the resulting crystalline aggregate can be adjusted by the process of lowering the temperature of the aqueous polymer solution to room temperature (25 ° C.). For example, the aqueous solution is held at 80 ° C. for 1 hour, then brought to 60 ° C. over 1 hour and held at the temperature for an additional hour. Thereafter, the temperature is lowered to 40 ° C. over 1 hour, and then naturally lowered to room temperature, whereby a hydrogel crystal in which the water of the aqueous solution has lost its fluidity can be obtained. Also, after the aqueous solution of the polymer is cooled at once with freezing water at a freezing point, or with a refrigerant liquid of methanol / dry ice or acetone / dry ice at a temperature below freezing point, the water in that state is kept in a constant temperature bath at room temperature (25 ° C.). A crystalline aggregate can be obtained by holding at. Furthermore, the crystalline aggregate can also be obtained by lowering the temperature of the above aqueous polymer solution to room temperature in a constant temperature bath or room temperature air environment.

上記ポリマーの水性溶液の温度を低下させる工程は、得られる結晶性会合体の形状に強く影響を与えるため、上記異なる工程により得られる結晶性会合体の形態は同一ではない。   Since the step of lowering the temperature of the aqueous polymer solution strongly affects the shape of the resulting crystalline aggregate, the form of the crystalline aggregate obtained by the different steps is not the same.

上記により得られる結晶性会合体は、室温中では不溶状態を保つが、結晶融点以上に加熱すると結晶が解離し、透明な溶液に変化してしまう。それを室温に戻すと再び結晶性会合体になる。従って、会合体を可逆的に変化させることが可能である。   The crystalline aggregate obtained as described above remains insoluble at room temperature, but when heated to a temperature higher than the crystal melting point, the crystal dissociates and changes to a transparent solution. When it is returned to room temperature, it becomes a crystalline aggregate again. Therefore, it is possible to reversibly change the aggregate.

結晶性会合体の調整時に、他の水溶性ポリマーを加えることで、水溶性ポリマーを含有する結晶性会合体が得られる。該水溶性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリアクリルアミド、ポリ(N−イソプロピルアクリルアミド)、ポリヒドロキシエチルアクリレート、ポリメチルオキサゾリン、ポリエチルオキサゾリンなどをあげることができる。   By adding another water-soluble polymer at the time of adjusting the crystalline aggregate, a crystalline aggregate containing the water-soluble polymer can be obtained. Examples of the water-soluble polymer include polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, polyvinyl pyrrolidone, polyacrylamide, poly (N-isopropylacrylamide), polyhydroxyethyl acrylate, polymethyloxazoline, polyethyloxazoline and the like.

水溶性ポリマーの含有量は、直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a1)を有するポリマー(A)の質量に対し、0.1〜5倍の範囲であることが好ましく、0.5〜2倍の範囲であればより好ましい。   The content of the water-soluble polymer is preferably in the range of 0.1 to 5 times, and in the range of 0.5 to 2 times the mass of the polymer (A) having the linear polyethyleneimine skeleton (a1). Is more preferable.

上記水溶性ポリマーを含有させることによっても、結晶会合体の形態を変えることができ、単純な系と異なる形態の結晶会合体を与えることができる。   By containing the water-soluble polymer, the form of the crystal aggregate can be changed, and a crystal aggregate having a form different from that of a simple system can be provided.

上記方法で得られた結晶性会合体を、ポリエチレンイミンのアミノ基と反応する官能基を2個以上を含む化合物で処理することで、会合体中のポリマー同士を化学結合でリンクさせて架橋化させることができる。   By treating the crystalline aggregate obtained by the above method with a compound containing two or more functional groups that react with the amino group of polyethyleneimine, the polymers in the aggregate are linked by chemical bonds to crosslink. Can be made.

前記アミノ基と室温状態で反応できる官能基を2個以上を含む化合物としては、アルデヒド類架橋剤、エポキシ類架橋剤、酸クロリド類、酸無水物、エステル類架橋剤を挙げることができる。アルデヒド類架橋剤としては、例えば、マロニルアルデヒド、スクシニルアルデヒド、グルタリルアルデヒド、フタロイルアルデヒド、イソフタロイルアルデヒド、テレフタロイルアルデヒドなどがあげられる。また、エポキシ類架橋剤としては、例えば、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル、ビスフェノールAジグリシジルエーテル、グリシジルクロライド、グリシジルブロマイドなどがあげられる。酸クロリド類としては、例えば、マロニル酸クロリド、スクシニル酸クロリド、グルタリル酸クロリド、フタロイル酸クロリド、イソフタロイル酸クロリド、テレフタロイル酸クロリドなどがあげられる。また、酸無水物としては、例えば、フタル酸無水物、スクシニル酸無水物、グルタリル酸無水物などがあげられる。また、エステル類架橋剤としては、マロニル酸メチルエステル、スクシニル酸メチルエステル、グルタリル酸メチルエステル、フタロイル酸メチルエステル、ポリエチレングリコールカルボン酸メチルエステルなどがあげられる。   Examples of the compound containing two or more functional groups capable of reacting with the amino group at room temperature include aldehyde crosslinking agents, epoxy crosslinking agents, acid chlorides, acid anhydrides, and ester crosslinking agents. Examples of the aldehyde crosslinking agent include malonyl aldehyde, succinyl aldehyde, glutaryl aldehyde, phthaloyl aldehyde, isophthaloyl aldehyde, terephthaloyl aldehyde, and the like. Examples of the epoxy crosslinking agent include polyethylene glycol diglycidyl ether, bisphenol A diglycidyl ether, glycidyl chloride, and glycidyl bromide. Examples of the acid chlorides include malonyl chloride, succinyl chloride, glutaryl chloride, phthaloyl chloride, isophthaloyl chloride, terephthaloyl chloride, and the like. Examples of the acid anhydride include phthalic anhydride, succinic anhydride, and glutaric anhydride. Examples of the ester crosslinking agent include malonic acid methyl ester, succinic acid methyl ester, glutaric acid methyl ester, phthaloyl acid methyl ester, and polyethylene glycol carboxylic acid methyl ester.

架橋反応は、得られた結晶性会合体を架橋剤の溶液に浸す方法にでも、架橋剤溶液を結晶性会合体中に加える方法でも可能である。この際、架橋剤は系内での浸透圧変化と共に、会合体内部へも浸透し、そこでポリマー(A)同士を水素結合で繋いだり、エチレンイミンの窒素原子との化学反応を引き起こしたりする。   The cross-linking reaction can be performed by a method of immersing the obtained crystalline aggregate in a solution of a cross-linking agent or a method of adding a cross-linking agent solution into the crystalline aggregate. At this time, the cross-linking agent permeates into the aggregate as well as changes in the osmotic pressure in the system, where the polymers (A) are connected by hydrogen bonds or cause a chemical reaction with the nitrogen atom of ethyleneimine.

架橋反応は、結晶性会合体表面のフリーなエチレンイミンとの反応でも進行するが、それを保つためには、結晶性会合体の融点以下の温度で反応を行うことが望ましく、さらには架橋反応を室温で行うことが最も望ましい。   The cross-linking reaction proceeds even with the reaction with free ethyleneimine on the surface of the crystalline aggregate, but in order to keep it, it is desirable to carry out the reaction at a temperature below the melting point of the crystalline aggregate, and further the cross-linking reaction. It is most desirable to carry out at room temperature.

架橋反応を室温で進行させる場合には、結晶性会合体を架橋剤溶液と混合した状態で放置しておくことで、架橋ヒドロゲルを得ることができる。架橋反応させる時間は、数分から数日でよく、概ね一晩放置することで好適に架橋が進行する。   When the crosslinking reaction is allowed to proceed at room temperature, a crosslinked hydrogel can be obtained by leaving the crystalline aggregate in a mixed state with the crosslinking agent solution. The time for the crosslinking reaction may be from a few minutes to a few days, and the crosslinking proceeds suitably by leaving it to stand overnight.

架橋剤量は、用いるポリエチレンイミン骨格(a1)を有するポリマー(A)中のエチレンイミンユニットのモル数に対し、0.05〜20モル%であればよく、それが1〜10モル%であればもっと好適である。   The amount of the crosslinking agent may be 0.05 to 20 mol% with respect to the number of moles of the ethyleneimine unit in the polymer (A) having the polyethyleneimine skeleton (a1) to be used, and it may be 1 to 10 mol%. More preferred.

[シリカソース]
本発明ではシリカソースとして、水ガラス(B)を用いる。水ガラス(ケイ酸ナトリウムまたはケイ酸リチウム)としては、一般式NaO・xSiOまたはLiO・xSiOで示されるものであればよく、特に式中x=1,2,3であれば好適に用いることができる。
[Silica sauce]
In the present invention, water glass (B) is used as the silica source. The water glass (sodium silicate or lithium silicate) is not particularly limited as long as it is represented by the general formula Na 2 O.xSiO 2 or Li 2 O.xSiO 2. Can be suitably used.

上の式で示される水ガラス(B)は通常水溶性であるが、その安定性はpHに敏感に依存し、非常に狭いpH値の範囲でしか安定溶液にならない。例えば、珪酸ナトリウムの水溶液は、その水溶液のpHが6.5以上8.5未満では急速に固まり、構造上無規則のシリカゲルになる可能性が高い。本発明の製造方法では、水ガラス(B)を安定化させた状態で用いなければならない。そのためには、水ガラス(B)又は水ガラス(B)の水溶液のpHを8.5以上にすることを必須とする。高度な構造制御のためには、水ガラス(B)又は水ガラスの水溶液のpHを9〜11にすることがさらに好ましい。   The water glass (B) represented by the above formula is usually water-soluble, but its stability is sensitive to pH and can only be a stable solution within a very narrow pH range. For example, an aqueous solution of sodium silicate hardens rapidly when the pH of the aqueous solution is 6.5 or more and less than 8.5, and there is a high possibility that the silica gel is structurally irregular. In the production method of the present invention, the water glass (B) must be used in a stabilized state. For that purpose, it is essential that the pH of the aqueous solution of water glass (B) or water glass (B) is 8.5 or more. For advanced structural control, it is more preferable that the pH of the water glass (B) or the aqueous solution of water glass is 9 to 11.

また、本発明の製造方法では、水ガラス(B)を予め0.01〜2.0モル/Lの範囲に希釈した水溶液として用いることが好ましく、特にポリマー(A)の結晶性会合体と混合した際の安定性を保持しやすい点から、0.1〜1.0モル/Lにすることが好ましい。   In the production method of the present invention, it is preferable to use water glass (B) as an aqueous solution previously diluted to a range of 0.01 to 2.0 mol / L, and in particular, mixed with a crystalline aggregate of polymer (A). It is preferable to make it 0.1-1.0 mol / L from the point which is easy to maintain the stability at the time of doing.

[ポリマー/シリカ複合ナノ構造体、ポリマー/金属類/シリカ複合ナノ構造体]
本発明で得られるポリマー/シリカ複合ナノ構造体は、上記のポリマー(A)の結晶性会合体の水性分散液またはヒドロゲル中に、予めpH調整をしておいた、シリカソースである水ガラス(B)又はその水溶液を混合し、その混合物を室温〜50℃の条件下で放置することにより容易に得ることができる。
[Polymer / silica composite nanostructure, polymer / metals / silica composite nanostructure]
The polymer / silica composite nanostructure obtained in the present invention is a silica glass source water glass (pH) adjusted in advance in an aqueous dispersion or hydrogel of the crystalline aggregate of the polymer (A). It can be easily obtained by mixing B) or an aqueous solution thereof and allowing the mixture to stand at room temperature to 50 ° C.

該ナノ構造体を与える上記混合物中、水ガラス(B)がシリカ(b1)へ変換するゾルゲル反応は、ポリマー(A)が形成する結晶性会合体が解いてない状態で進行させなければならない。即ち、シリカ析出反応は水性媒体中の任意の場所では起こらず、結晶性会合体の表面にて選択的に進行させる。これを満たす前提であれば、ナノ構造体生成の反応条件を任意に設定することができる。   The sol-gel reaction in which water glass (B) is converted to silica (b1) in the above-mentioned mixture that gives the nanostructure must proceed in a state where the crystalline aggregate formed by the polymer (A) is not unraveled. That is, the silica precipitation reaction does not occur at any place in the aqueous medium, but proceeds selectively on the surface of the crystalline aggregate. If it is a premise satisfying this, the reaction conditions for producing the nanostructure can be arbitrarily set.

結晶性会合体の水性分散液またはヒドロゲルと、水ガラス(B)又はその水溶液を混合する工程において、水ガラス(B)又はその水溶液のpH、および濃度を調整することで、結晶性会合体を不溶状態に維持することができる。該pHは前述のように8.5以上にすることが必須であり、9〜11の範囲に調整することがより好ましい。濃度は0.1〜1.0モル/Lの範囲であることがより好ましい。   In the step of mixing the aqueous dispersion or hydrogel of the crystalline aggregate with the water glass (B) or an aqueous solution thereof, the pH and concentration of the water glass (B) or the aqueous solution thereof are adjusted, thereby adjusting the crystalline aggregate. It can be maintained in an insoluble state. As described above, it is essential that the pH is 8.5 or more, and it is more preferable to adjust the pH to a range of 9 to 11. The concentration is more preferably in the range of 0.1 to 1.0 mol / L.

また、上記混合工程において、用いるポリマー(A)中のエチレンイミンユニットに対し、シリカソースのケイ素の量を過剰とすれば好適にナノ構造体を形成できる。過剰の範囲として、エチレンイミンユニットに対しケイ素が10〜1000倍当量の範囲であることが好ましい。   Moreover, in the said mixing process, if the quantity of the silicon of a silica source is made excessive with respect to the ethyleneimine unit in the polymer (A) to be used, a nanostructure can be suitably formed. As an excessive range, it is preferable that silicon is in the range of 10 to 1000 times equivalent to the ethyleneimine unit.

また、結晶会合体を形成する際、水性媒体中のポリマー(A)の濃度は、該ポリマー(A)中に含まれる直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a1)の量を基準に、0.1〜30質量%にすることが好ましく、複合ナノ構造体の構造をもっとも有効に制御するためには、その濃度を0.5〜10質量%にすることが望ましい。   Further, when the crystal aggregate is formed, the concentration of the polymer (A) in the aqueous medium is 0.1 to 0.1 on the basis of the amount of the linear polyethyleneimine skeleton (a1) contained in the polymer (A). The concentration is preferably 30% by mass, and in order to most effectively control the structure of the composite nanostructure, the concentration is desirably 0.5 to 10% by mass.

シリカ(b1)の析出反応の時間は数分から数十時間まで様々であるが、基本的に10分〜10時間でよく、反応効率を上げることから、反応時間を30分〜5時間に設定すればさらに好適である。また、析出反応時の温度としては、結晶性会合体の融点以下の温度であれば好ましく設定できるが、基本的には70℃以下の温度で反応を行うことが望ましい。   The time for the precipitation reaction of silica (b1) varies from several minutes to several tens of hours. Basically, it may be 10 minutes to 10 hours, and the reaction time is set to 30 minutes to 5 hours in order to increase the reaction efficiency. It is more preferable. Further, the temperature at the time of the precipitation reaction can be preferably set as long as it is not higher than the melting point of the crystalline aggregate, but it is basically desirable to carry out the reaction at a temperature not higher than 70 ° C.

本発明で得られるポリマー/シリカ複合ナノ構造体は、多様な形状を有することが大きな特徴であるが、その形状は結晶性会合体の形状の拡大的な複写である。従って、シリカ(b1)の析出前に、水性媒体中でポリマー(A)の結晶を成長させ、結晶性会合体の形状を調整することにより得られるナノ構造体の形状を制御できる。   The polymer / silica composite nanostructure obtained by the present invention is greatly characterized by having various shapes, but the shape is an enlarged copy of the shape of the crystalline aggregate. Accordingly, before the silica (b1) is precipitated, the shape of the nanostructure obtained by growing the crystal of the polymer (A) in an aqueous medium and adjusting the shape of the crystalline aggregate can be controlled.

得られるポリマー/シリカ複合ナノ構造体の形状は、マクロ構造的には様々な三次元形状に調整できる。これら複合体の大きさは数μm〜数mm程度の大きさとすることができるが、この大きさの形状は、基本ユニットと見られる20〜50nm太さの繊維状またはラメラ状複合体の会合と空間配置から形成された三次元形状である。この基本ユニットとなる20〜50nm太さの繊維状またはラメラ状複合体には数ナノ大きさの結晶性会合体が含まれる。   The shape of the resulting polymer / silica composite nanostructure can be adjusted to various three-dimensional shapes macroscopically. The size of these composites can be as small as several μm to several mm, but the shape of this size is related to the association of fibrous or lamellar composites with a thickness of 20 to 50 nm, which are regarded as basic units. It is a three-dimensional shape formed from a spatial arrangement. The fibrous or lamellar composite having a thickness of 20 to 50 nm serving as the basic unit includes a crystalline aggregate having a size of several nanometers.

これらの形状は、上記したようにポリマー(A)の幾何学構造や、分子量、一次構造中に導入できる非エチレンイミン部分、さらにはポリマー(A)の濃度、結晶化温度、後述するポリマー結晶形成時の金属イオンの添加など各種条件等により調整できる。   As described above, the shape of the polymer (A) includes the geometric structure, the molecular weight, the non-ethyleneimine moiety that can be introduced into the primary structure, the concentration of the polymer (A), the crystallization temperature, and the polymer crystal formation described later. It can be adjusted according to various conditions such as the addition of metal ions.

例えば、直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a1)を有するポリマー(A)として、重合度が300以上の直鎖状ポリエチレンイミンを使用し、80℃以上に加熱し、完全透明溶液を得た後、その溶液の温度を自然に常温まで低下させて結晶性会合体の水性分散液を得る。その後、該分散液にpH調整した水ガラス(B)の水溶液を加え、シリカ(b1)析出反応を進行させることにより、ナノファイバーのスポンジ状の構造体が得られる。   For example, as a polymer (A) having a linear polyethyleneimine skeleton (a1), a linear polyethyleneimine having a polymerization degree of 300 or more is used and heated to 80 ° C. or higher to obtain a completely transparent solution. The temperature of the solution is naturally lowered to room temperature to obtain an aqueous dispersion of crystalline aggregates. Thereafter, an aqueous solution of water glass (B) adjusted in pH is added to the dispersion, and a silica (b1) precipitation reaction is allowed to proceed, whereby a nanofiber sponge-like structure is obtained.

また、直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a1)を有するポリマー(A)として、ベンゼン環コアに4〜6本のポリエチレンイミンアームが結合した星型のポリマー(A)を使用すると、上記と同様な操作で、扇子形状のナノ構造体を得ることができる。   When a star-shaped polymer (A) having 4 to 6 polyethyleneimine arms bonded to a benzene ring core is used as the polymer (A) having a linear polyethyleneimine skeleton (a1), the same operation as above Thus, a fan-shaped nanostructure can be obtained.

さらに前記した結晶性会合体が化学結合で架橋された架橋ヒドロゲルを用いることにより、複合ナノ構造体のマクロな形状を制御して、該構造体を各種形状の成形体とすることもできる。その形状や大きさは、架橋ヒドロゲル調整時に用いた容器の大きさ及び形状と同一なものにすることができ、例えば、円盤状、円柱状、プレート状、球状などの任意の形状に調整できる。さらに、架橋ヒドロゲルを切断したり、削ったりすることにより、目的の形に成形することもできる。このように成形した架橋ヒドロゲルをシリカソースである水ガラス(B)の水溶液に浸せきさせることにより、ポリマー/シリカ複合ナノ構造体からなる成形体が簡単に得られる。この時、水ガラス(B)の水溶液に浸せきする時間としては、使用する水ガラス(B)水溶液の濃度、該水溶液のpHにより1時間〜1週間と様々であるため適宜調整する必要があるが、1〜48時間程度であれば好適である。   Furthermore, by using a crosslinked hydrogel in which the above-described crystalline aggregate is crosslinked by a chemical bond, the macro shape of the composite nanostructure can be controlled, and the structure can be formed into various shapes. The shape and size can be made the same as the size and shape of the container used at the time of adjusting the crosslinked hydrogel, and can be adjusted to any shape such as a disk shape, a column shape, a plate shape, and a spherical shape. Further, the crosslinked hydrogel can be cut or scraped to be formed into a desired shape. By immersing the crosslinked hydrogel thus formed in an aqueous solution of water glass (B), which is a silica source, a molded body composed of a polymer / silica composite nanostructure can be easily obtained. At this time, the time for immersing in the aqueous solution of water glass (B) varies from 1 hour to 1 week depending on the concentration of the aqueous solution of water glass (B) used and the pH of the aqueous solution. 1 to 48 hours is preferable.

本発明で得られるポリマー/シリカ複合ナノ構造体は、ポリマー(A)からなる結晶性会合体とシリカ(b1)とから構成され、複合ナノ構造体中のシリカ(b1)の含有量は、反応条件などにより調整可能であるが、ナノ構造体全体の30〜90質量%の範囲のものを得ることができる。該シリカ(b1)の含有率は、用いるポリマー(A)の濃度を高くしたり、また反応時間を長くしたりする事により高めることができる。   The polymer / silica composite nanostructure obtained in the present invention is composed of a crystalline aggregate comprising polymer (A) and silica (b1), and the content of silica (b1) in the composite nanostructure is determined by the reaction. Although it can be adjusted according to conditions and the like, a material in the range of 30 to 90% by mass of the whole nanostructure can be obtained. The content of the silica (b1) can be increased by increasing the concentration of the polymer (A) used or increasing the reaction time.

また、ポリマー(A)を用いて、水性媒体中で結晶性会合体を形成させる際に、金属イオン(c1)を予め該水性媒体中に存在させておくことにより、該ポリマー(A)中の直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a1)と金属イオン(c1)とが錯体を形成することから、金属イオン(c1)を含有する結晶性会合体の水性分散液を得ることができる。この分散液を用いて前述と同様にしてシリカ(b1)の析出反応を行うことにより、ポリマー/金属イオン/シリカ複合ナノ構造体を得ることができる。   Further, when the crystalline aggregate is formed in the aqueous medium using the polymer (A), the metal ion (c1) is previously present in the aqueous medium, whereby the polymer (A) Since the linear polyethyleneimine skeleton (a1) and the metal ion (c1) form a complex, an aqueous dispersion of a crystalline aggregate containing the metal ion (c1) can be obtained. A polymer / metal ion / silica composite nanostructure can be obtained by conducting a precipitation reaction of silica (b1) using this dispersion in the same manner as described above.

ポリマー(A)と金属イオン(c1)との混合液を調整する際、ポリマー(A)中のエチレンイミンユニットと金属イオン(c1)とのモル比が1/1〜100/1の範囲で任意に設定することができ、このモル比を調整することによって、得られるポリマー/金属イオン/シリカ複合ナノ構造体中のそれぞれの含有率を調整することが可能である。   When adjusting the mixed liquid of the polymer (A) and the metal ion (c1), the molar ratio of the ethyleneimine unit and the metal ion (c1) in the polymer (A) is arbitrary within the range of 1/1 to 100/1. By adjusting this molar ratio, it is possible to adjust the respective contents in the resulting polymer / metal ion / silica composite nanostructure.

前記金属イオン(c1)の金属種としては、特に限定されるものではなく、例えば、アルカリ金属のNa,Li,K,Csなど、アルカリ土類金属のCa,Mgなど、遷移金属のFe,Mn,Co,Cr,Cu,Ru,Rh,V,Pd,Mo,Ti,Zr,Eu,Gd,Zn,Cdなど、半金属のAl,Ga,Sn,In,Pbなどを好適に用いることができる。   The metal species of the metal ion (c1) is not particularly limited, and examples thereof include transition metals such as Na, Li, K, and Cs such as alkali metals, Ca and Mg as alkaline earth metals, and Fe and Mn as transition metals. , Co, Cr, Cu, Ru, Rh, V, Pd, Mo, Ti, Zr, Eu, Gd, Zn, Cd, and the like, semimetals such as Al, Ga, Sn, In, and Pb can be suitably used. .

前記で得られたポリマー/金属イオン/シリカ複合ナノ構造体中の金属イオン(c1)は、還元剤(D)を加えることで還元し、ナノメートルオーダーの金属ナノ粒子(c2)が含まれたポリマー/金属ナノ粒子/シリカ複合ナノ構造体とすることもできる。   The metal ion (c1) in the polymer / metal ion / silica composite nanostructure obtained above was reduced by adding a reducing agent (D), and nanometer-order metal nanoparticles (c2) were included. It can also be a polymer / metal nanoparticle / silica composite nanostructure.

前記複合ナノ構造体中の金属イオン(c1)を金属ナノ粒子(c2)に還元する際に用いることができる還元剤(D)としては、低分子量の還元剤であることが好ましく、例えば、アスコルビン酸、クエン酸ナトリウム、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素アンモニウム、水素、ヒドラジン、アルデヒドなどを挙げることができる。   The reducing agent (D) that can be used for reducing the metal ion (c1) in the composite nanostructure to the metal nanoparticle (c2) is preferably a low molecular weight reducing agent, such as ascorbine. Examples include acid, sodium citrate, sodium borohydride, ammonium borohydride, hydrogen, hydrazine, and aldehyde.

上記還元剤(D)の水溶液またはアルコール溶液とポリマー/金属イオン/シリカ複合ナノ構造体とを混合し、その混合物を室温〜60℃で0.5〜24時間撹拌することで、構造体中の金属イオン(c1)を金属ナノ粒子(c2)へ容易に還元できる。   The aqueous solution or alcohol solution of the reducing agent (D) and the polymer / metal ion / silica composite nanostructure are mixed, and the mixture is stirred at room temperature to 60 ° C. for 0.5 to 24 hours. Metal ions (c1) can be easily reduced to metal nanoparticles (c2).

また、還元剤を使わず、前述のポリマー/シリカ複合ナノ構造体を、金、銀及び白金からなる群から選ばれる1種以上の金属イオン(c1’)を含有する溶液と混合することで、ポリマー(A)中の直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a1)の還元作用及び自発還元によって、ポリマー/金属ナノ粒子/シリカ複合ナノ構造体を得ることもできる。金、銀、白金のイオンとして、例えば、塩化金酸、塩化金酸ナトリウム、硝酸銀、塩化白金酸、塩化白金酸ナトリウムの水溶液が挙げられ、これらの水溶液とポリマー/シリカ複合ナノ構造体とを混合し、それを室温〜60℃以下で撹拌することで、それぞれの金属のナノ粒子(c2’)が含まれたポリマー/金属ナノ粒子/シリカの複合ナノ構造体を得ることができる。この時、金属イオン(c1’)が金属ナノ粒子(c2’)と還元する途中では、金属イオン(c1’)と金属ナノ粒子(c2’)とが共存することになるが、本発明のポリマー/金属類/シリカ複合ナノ構造体は、この共存した状態のものも含む。   Further, without using a reducing agent, the polymer / silica composite nanostructure is mixed with a solution containing one or more metal ions (c1 ′) selected from the group consisting of gold, silver, and platinum, A polymer / metal nanoparticle / silica composite nanostructure can also be obtained by the reducing action and spontaneous reduction of the linear polyethyleneimine skeleton (a1) in the polymer (A). Examples of gold, silver, and platinum ions include aqueous solutions of chloroauric acid, sodium chloroaurate, silver nitrate, chloroplatinic acid, and sodium chloroplatinate, and these aqueous solutions and polymer / silica composite nanostructures are mixed. Then, the polymer / metal nanoparticle / silica composite nanostructure containing each metal nanoparticle (c2 ′) can be obtained by stirring it at room temperature to 60 ° C. or less. At this time, the metal ion (c1 ′) and the metal nanoparticle (c2 ′) coexist in the middle of the reduction of the metal ion (c1 ′) and the metal nanoparticle (c2 ′). The / metals / silica composite nanostructure includes this coexisting state.

[シリカ系無機構造体]
前述で得られたポリマー/シリカ複合ナノ構造体、ポリマー/金属イオン/シリカ複合ナノ構造体、ポリマー/金属ナノ粒子/シリカ複合ナノ構造体を加熱焼成することで、それぞれ、ポリマーが除去されたシリカ構造体、金属酸化物/シリカ複合体、金属ナノ粒子/シリカ複合体(本発明では、これらを総称してシリカ系無機構造体という。)を得ることができる。
[Silica-based inorganic structure]
Silica from which the polymer has been removed by heating and baking the polymer / silica composite nanostructure, polymer / metal ion / silica composite nanostructure, and polymer / metal nanoparticle / silica composite nanostructure obtained above. A structure, a metal oxide / silica composite, and a metal nanoparticle / silica composite (in the present invention, these are collectively referred to as a silica-based inorganic structure) can be obtained.

加熱焼成を行う際には、前述の複合ナノ構造体の粉末を電気炉中に放置し、炉内温度を500℃まで上昇させ、その温度で1〜3時間維持した後、自然に温度を室温まで降下させる方法が好ましい。この操作により、ポリマー(A)が除去されたシリカ系無機構造体を容易に得ることができる。得られる構造体は、それぞれ原料として用いたナノ構造体の中からポリマー(A)のみが除去された構造であり、基本ユニットと見られる20〜50nm太さの繊維状またはラメラ状の空間配置から形成された三次元形状であり、高い比表面積を有するものである。   When performing the firing, the powder of the composite nanostructure described above is left in an electric furnace, the furnace temperature is raised to 500 ° C., maintained at that temperature for 1 to 3 hours, and then the temperature is naturally raised to room temperature. A method of lowering to a lower limit is preferable. By this operation, a silica-based inorganic structure from which the polymer (A) has been removed can be easily obtained. The resulting structure is a structure in which only the polymer (A) is removed from the nanostructures used as raw materials, respectively, from a 20-50 nm thick fibrous or lamellar spatial arrangement seen as a basic unit. The formed three-dimensional shape has a high specific surface area.

以下、合成例、実施例によって本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。特に断らない限り、「%」は「質量%」を表す。   EXAMPLES Hereinafter, although a synthesis example and an Example demonstrate this invention further more concretely, this invention is not limited to these. Unless otherwise specified, “%” represents “mass%”.

[X線回折法によるナノ構造体の分析]
単離乾燥したナノ構造体を測定試料用ホルダーにのせ、それを株式会社リガク製広角X線回折装置「Rint−Ultma」にセットし、Cu/Kα線、40kV/30mA、スキャンスピード1.0°/分、走査範囲10〜40°の条件で測定を行った。
[Analysis of nanostructures by X-ray diffraction]
The isolated and dried nanostructure is placed on a measurement sample holder, which is set on a wide-angle X-ray diffractometer “Rint-Ultma” manufactured by Rigaku Co., Ltd., Cu / Kα ray, 40 kV / 30 mA, scan speed 1.0 °. The measurement was performed under the conditions of / min and scanning range of 10 to 40 °.

[TG−DTA(差動形示差熱天秤)によるナノ構造体の熱重量分析]
単離乾燥したナノ構造体を測定パッチにより秤量し、それをSIIナノテクノロジー株式会社製「TG−DTA 6300」にセットし、昇温速度を10℃/分として、50℃から500℃の温度範囲にて測定を行った。
[Thermogravimetric analysis of nanostructures by TG-DTA (differential differential thermal balance)]
The isolated and dried nanostructure is weighed with a measurement patch, and is set in “TG-DTA 6300” manufactured by SII Nanotechnology Co., Ltd., and the temperature rise rate is 10 ° C./min. Measurements were made at

[X線蛍光分析によるナノ構造体の元素分析]
元素組成分析は株式会社リガク製X線蛍光分析にて行った。
[Elemental analysis of nanostructures by X-ray fluorescence analysis]
Elemental composition analysis was performed by X-ray fluorescence analysis manufactured by Rigaku Corporation.

[固体29Si−NMRによるナノ構造体のケイ素分析]
ナノ構造体粉末を日本電子株式会社製NMR 「JNM−ECA600」にてCP/MAS方法で測定した。測定の際の外部標準物として、ポリジメチルシラン(−33.8ppm)を用いた。
[Silicon analysis of nanostructures by solid-state 29 Si-NMR]
The nanostructure powder was measured by the CP / MAS method using NMR “JNM-ECA600” manufactured by JEOL Ltd. Polydimethylsilane (-33.8 ppm) was used as an external standard for the measurement.

[走査電子顕微鏡によるナノ構造体の形状分析]
単離乾燥したナノ構造体をガラススライドに乗せ、それをキーエンス製表面観察装置VE−9800にて観察した。
[Shape analysis of nanostructures by scanning electron microscope]
The isolated and dried nanostructure was placed on a glass slide and observed with a surface observation apparatus VE-9800 manufactured by Keyence.

[透過電子顕微鏡によるナノ構造体の観察]
単離乾燥したナノ構造体を炭素蒸着された銅グリッドに乗せ、それを日本電子株式会社製透過型電子顕微鏡「JEM−2200FS」にて観察した。
[Observation of nanostructures by transmission electron microscope]
The isolated and dried nanostructure was placed on a carbon-deposited copper grid and observed with a transmission electron microscope “JEM-2200FS” manufactured by JEOL Ltd.

合成例1
<直鎖状のポリエチレンイミン(L−PEI)の合成>
市販のポリエチルオキサゾリン(数平均分子量500,000、平均重合度5,000、Aldrich社製)5gを、5モル/Lの塩酸20mLに溶解させた。その溶液をオイルバスにて90℃に加熱し、その温度で10時間攪拌した。反応液にアセトン50mLを加え、ポリマーを完全に沈殿させ、それを濾過し、メタノールで3回洗浄し、白色のポリエチレンイミンの粉末を得た。得られた粉末をH−NMR(重水)にて同定したところ、ポリエチルオキサゾリンの側鎖エチル基に由来したピーク1.2ppm(CH)と2.3ppm(CH)が完全に消失していることが確認された。即ち、ポリエチルオキサゾリンが完全に加水分解され、ポリエチレンイミンに変換されたことが示された。
Synthesis example 1
<Synthesis of linear polyethyleneimine (L-PEI)>
5 g of commercially available polyethyloxazoline (number average molecular weight 500,000, average polymerization degree 5,000, manufactured by Aldrich) was dissolved in 20 mL of 5 mol / L hydrochloric acid. The solution was heated to 90 ° C. in an oil bath and stirred at that temperature for 10 hours. Acetone 50 mL was added to the reaction solution to completely precipitate the polymer, which was filtered and washed three times with methanol to obtain a white polyethyleneimine powder. When the obtained powder was identified by 1 H-NMR (heavy water), peaks 1.2 ppm (CH 3 ) and 2.3 ppm (CH 2 ) derived from the side chain ethyl group of polyethyloxazoline completely disappeared. It was confirmed that That is, it was shown that polyethyloxazoline was completely hydrolyzed and converted to polyethyleneimine.

その粉末を5mLの蒸留水に溶解し、攪拌しながら、その溶液に15%のアンモニア水50mLを滴下した。その混合液を一晩放置した後、沈殿した結晶粉末を濾過し、その結晶粉末を冷水で3回洗浄した。洗浄後の結晶粉末をデシケータ中で室温(25℃)乾燥し、直鎖状のポリエチレンイミン(L−PEI)を得た。収量は4.2g(結晶水含有)であった。ポリオキサゾリンの加水分解により得られるポリエチレンイミンは、側鎖だけが反応し、主鎖には変化がない。従って、L−PEIの重合度は加水分解前の5,000と同じである。   The powder was dissolved in 5 mL of distilled water, and 50 mL of 15% aqueous ammonia was added dropwise to the solution while stirring. The mixture was allowed to stand overnight, and then the precipitated crystal powder was filtered, and the crystal powder was washed three times with cold water. The crystal powder after washing was dried in a desiccator at room temperature (25 ° C.) to obtain linear polyethyleneimine (L-PEI). The yield was 4.2 g (including crystal water). In polyethyleneimine obtained by hydrolysis of polyoxazoline, only the side chain reacts and the main chain does not change. Therefore, the polymerization degree of L-PEI is the same as 5,000 before hydrolysis.

合成例2
<ベンゼン環中心の星状ポリエチレンイミン(B−PEI)合成>
Jin,J.Mater.Chem.,13,672−675(2003)に示された方法に従い、前駆体ポリマーであるベンゼン環中心に6本のポリメチルオキサゾリンのアームが結合した星状ポリメチルオキサゾリンの合成を次の通り行った。
Synthesis example 2
<Synthesis of star-shaped polyethyleneimine (B-PEI) centered on benzene ring>
Jin, J .; Mater. Chem. , 13, 672-675 (2003), a star-shaped polymethyloxazoline in which six polymethyloxazoline arms were bonded to the center of the benzene ring as a precursor polymer was synthesized as follows.

磁気攪拌子がセットされたスリ口試験管中に、重合開始剤としてヘキサキス(ブロモメチル)ベンゼン0.021g(0.033mmol)を入れ、試験管の口に三方コックをつけた後、真空状態にしてから窒素置換を行った。窒素気流下で三方コックの導入口からシリンジを用いて2−メチル−2−オキサゾリン2.0ml(24mmol)、N,N−ジメチルアセトアミド4.0mlを順次加えた。試験管をオイルバス上で60℃まで加熱し、30分間保ったところ、混合液は透明になった。透明混合液をさらに100℃まで加熱し、その温度で20時間攪拌して、前駆体ポリマーを得た。この混合液のH−NMR測定から、モノマーの転化率は98モル%、収量は1.8gであった。この転化率によりポリマーの平均重合度を見積もったところ、各アームの平均重合度は115であった。また、GPCによる分子量測定では、ポリマーの質量平均分子量は22,700であり、分子量分布は1.6であった。 Put 0.021 g (0.033 mmol) of hexakis (bromomethyl) benzene as a polymerization initiator in a test tube set with a magnetic stirrer, attach a three-way cock to the test tube, and then put it in a vacuum state. Was replaced with nitrogen. Under a nitrogen stream, 2.0 ml (24 mmol) of 2-methyl-2-oxazoline and 4.0 ml of N, N-dimethylacetamide were sequentially added from the inlet of the three-way cock using a syringe. When the test tube was heated to 60 ° C. on an oil bath and kept for 30 minutes, the mixture became transparent. The transparent mixture was further heated to 100 ° C. and stirred at that temperature for 20 hours to obtain a precursor polymer. From the 1 H-NMR measurement of this mixture, the monomer conversion was 98 mol% and the yield was 1.8 g. When the average degree of polymerization of the polymer was estimated based on this conversion, the average degree of polymerization of each arm was 115. Moreover, in the molecular weight measurement by GPC, the mass average molecular weight of the polymer was 22,700, and the molecular weight distribution was 1.6.

この前駆体ポリマーを用い、上記合成例1と同様な方法によりポリメチルオキサゾリンを加水分解し、6本のポリエチレンイミンがベンゼン環コアに結合した星状ポリエチレンイミンB−PEIを得た。H−NMR(TMS外部標準、重水中)測定の結果、加水分解前の前駆体ポリマーの側鎖メチルに由来した1.98ppmのピークは完全に消失したことが確認された。 Using this precursor polymer, polymethyloxazoline was hydrolyzed in the same manner as in Synthesis Example 1 to obtain star-shaped polyethyleneimine B-PEI in which 6 polyethyleneimines were bonded to the benzene ring core. As a result of 1 H-NMR (TMS external standard, heavy water) measurement, it was confirmed that the peak of 1.98 ppm derived from the side chain methyl of the precursor polymer before hydrolysis completely disappeared.

その粉末を5mLの蒸留水に溶解し、攪拌しながら、その溶液に15%のアンモニア水50mLを滴下した。その混合液を一晩放置した後、沈殿した結晶粉末を濾過し、その結晶粉末を冷水で3回洗浄した。洗浄後の結晶粉末をデシケータ中で室温(25℃)乾燥し、6本のポリエチレンイミンがベンゼン環コアに結合した星状ポリエチレンイミン(B−PEI)を得た。収量は1.3g(結晶水含有)であった。   The powder was dissolved in 5 mL of distilled water, and 50 mL of 15% aqueous ammonia was added dropwise to the solution while stirring. The mixture was allowed to stand overnight, and then the precipitated crystal powder was filtered, and the crystal powder was washed three times with cold water. The washed crystal powder was dried in a desiccator at room temperature (25 ° C.) to obtain star-shaped polyethyleneimine (B-PEI) in which six polyethyleneimines were bonded to the benzene ring core. The yield was 1.3 g (including crystal water).

合成例3
<ブロック共重合体PEG−b−PEIの合成>
数平均分子量が4,000のポリエチレングリコール(PEG)の片末端にトシレートが結合したポリマーを重合開始剤(PEG−I)として用い、前駆体ブロックポリマーであるPEGとポリオキサゾリンのブロック共重合体の合成を次の通り行った。
Synthesis example 3
<Synthesis of block copolymer PEG-b-PEI>
A block copolymer of PEG and polyoxazoline, which is a precursor block polymer, uses a polymer in which tosylate is bonded to one end of polyethylene glycol (PEG) having a number average molecular weight of 4,000 as a polymerization initiator (PEG-I). The synthesis was performed as follows.

磁気攪拌子がセットされたスリ口試験管中に、重合開始剤としてPEG−Iを1.5g(0.033mmol)取り入れ、試験管の口に三方コックをつけた後、真空状態にしてから窒素置換を行った。窒素気流下で三方コックの導入口からシリンジを用いて2−メチル−2−オキサゾリン6.0ml(72mmol)、N,N−ジメチルアセトアミド20.0mlを順次加えた。試験管をオイルバス上で100℃まで加熱し、その温度で24時間攪拌して前駆体ブロックポリマーを得た。得られた混合液のH−NMR測定から、モノマーの転化率は100モル%であることがわかった。 PEG-I 1.5 g (0.033 mmol) as a polymerization initiator is introduced into a test tube set with a magnetic stirrer, a three-way cock is attached to the test tube port, and then the state is evacuated before nitrogen. Replacement was performed. Under a nitrogen stream, 6.0 ml (72 mmol) of 2-methyl-2-oxazoline and 20.0 ml of N, N-dimethylacetamide were sequentially added from the inlet of the three-way cock using a syringe. The test tube was heated to 100 ° C. on an oil bath and stirred at that temperature for 24 hours to obtain a precursor block polymer. From the 1 H-NMR measurement of the obtained liquid mixture, it was found that the monomer conversion was 100 mol%.

精製後の前駆体ブロックポリマーの収率は93%であった。また、H−NMR測定において、ポリマー末端トシル基を基準とした各積分比を求めたが、PEGの重合度は45、ポリオキサゾリンの重合度は93であった。即ち、ブロックポリマーの平均重合度は138であった。また、GPCによる分子量測定では、ポリマーの数平均分子量は12,000であり、分子量分布は1.27であった。 The yield of the precursor block polymer after purification was 93%. Further, in the 1 H-NMR measurement, each integration ratio based on the polymer terminal tosyl group was determined. The degree of polymerization of PEG was 45 and the degree of polymerization of polyoxazoline was 93. That is, the average degree of polymerization of the block polymer was 138. Moreover, in the molecular weight measurement by GPC, the number average molecular weight of the polymer was 12,000, and the molecular weight distribution was 1.27.

この前駆体ブロックポリマーを用い、上記合成例1と同様の方法によりポリオキサゾリンブロックを加水分解し、PEGにポリエチレンイミンが結合したブロック共重合体(PEG−b−PEI)を得た。H−NMR(TMS外部標準、重水中)測定の結果、加水分解前の前駆体ポリマーの側鎖メチルに由来した1.98ppmのピークは完全に消失した。 Using this precursor block polymer, the polyoxazoline block was hydrolyzed in the same manner as in Synthesis Example 1 to obtain a block copolymer (PEG-b-PEI) in which polyethyleneimine was bonded to PEG. As a result of 1 H-NMR (TMS external standard, heavy water) measurement, the 1.98 ppm peak derived from the side chain methyl of the precursor polymer before hydrolysis completely disappeared.

実施例1−1〜1−3、及び比較例1〜3
<直鎖状ポリエチレンイミンからのナノ構造体の製造>
合成例1で得られたL−PEI粉末を用い、蒸留水中に分散させた後、オイルバスにて90℃に加熱し、完全透明な水溶液を得た。その水溶液を室温に放置し、自然に室温までに冷やし、1%の不透明な結晶性会合体を得た。一方、水ガラス3号(キシダ化学株式会社製、pH=11.3)を用い、pH値が9.4(実施例1−1)、9.8(実施例1−2)、10(実施例1−3)、及びpHが2(比較例1)、4(比較例2)、6(比較例3)の0.2モル/Lの水ガラス水溶液を調整した。水ガラス水溶液のpH値調整には1モル/Lの塩酸と25%アンモニア水を用いた。
Examples 1-1 to 1-3 and Comparative Examples 1 to 3
<Production of nanostructures from linear polyethyleneimine>
The L-PEI powder obtained in Synthesis Example 1 was used and dispersed in distilled water, and then heated to 90 ° C. in an oil bath to obtain a completely transparent aqueous solution. The aqueous solution was allowed to stand at room temperature and naturally cooled to room temperature to obtain 1% of an opaque crystalline aggregate. On the other hand, water glass No. 3 (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd., pH = 11.3) was used, and the pH value was 9.4 (Example 1-1), 9.8 (Example 1-2), 10 (implemented) A 0.2 mol / L water glass aqueous solution of Example 1-3) and pH 2 (Comparative Example 1), 4 (Comparative Example 2), and 6 (Comparative Example 3) was prepared. For adjusting the pH value of the water glass aqueous solution, 1 mol / L hydrochloric acid and 25% aqueous ammonia were used.

上記で得られた濃度1%の結晶性会合体の水分散液10gと、0.2モル/Lの水ガラス水溶液20mlとを混合し、5分間撹拌した後、静置状態で50℃下2時間析出反応させ、白色の沈殿物を得た。反応液中の上澄みを除去し、沈殿物を蒸留水で洗浄した後、遠心分離にて3回繰り返し洗浄した。得られた固形物を室温で乾燥後、真空乾燥機にて60℃下12時間乾燥し、ナノ構造体(1−1)〜(1−3)及び比較例1〜3を得た。得られた粉末の収量を表1に示す。   10 g of the aqueous dispersion of the crystalline aggregate having a concentration of 1% obtained above and 20 ml of a 0.2 mol / L water glass aqueous solution were mixed, stirred for 5 minutes, and then allowed to stand at 50 ° C. Precipitation reaction was performed for a time, and a white precipitate was obtained. The supernatant in the reaction solution was removed, and the precipitate was washed with distilled water and then repeatedly washed three times by centrifugation. The obtained solid was dried at room temperature and then dried in a vacuum dryer at 60 ° C. for 12 hours to obtain nanostructures (1-1) to (1-3) and Comparative Examples 1 to 3. The yield of the obtained powder is shown in Table 1.

得られたナノ構造体の走査型顕微鏡写真(SEM)観察の結果を図1〜6に示した。pH値2〜6の水ガラス水溶液から得た構造体(1)〜(3)は、基本的にバルキーの固まりであったが、pH値を9.4〜10に調整した水ガラス水溶液から得たナノ構造体(1−1)〜(1−3)はファイバー状ネットワーク構造を有するスポンジであった。   The results of scanning micrograph (SEM) observation of the obtained nanostructure are shown in FIGS. The structures (1) to (3) obtained from the aqueous water glass solution having a pH value of 2 to 6 were basically bulky lumps, but obtained from the aqueous water glass solution having a pH value adjusted to 9.4 to 10. Nanostructures (1-1) to (1-3) were sponges having a fiber network structure.

実施例1−3で得られたナノ構造体(1−3)の透過型電子顕微鏡(TEM)写真を図7に示した。非常に薄いラメラ状シリカ(左図)中には、一定的な陰(右図)のイメージが観察された。その陰はポリマーとシリカとが数ナノレベルで複合された部分によるコントラストであると推測される。   A transmission electron microscope (TEM) photograph of the nanostructure (1-3) obtained in Example 1-3 is shown in FIG. In very thin lamellar silica (left), a constant shadow (right) was observed. The shade is presumed to be a contrast due to a portion where the polymer and silica are combined at a level of several nanometers.

実施例1−3で得られたナノ構造体(1−3)の固体29Si−NMR(CP/MAS)測定から、シリカ結合構造を示すQ4シグナルが−110ppm、Q3シグナルが−101ppmに現れ、Q4/Q3の積分比は1.00/0.68であった(図8参照)。Q2結合シグナルは現れなかった。このことは、ファイバー状ネットワークを形成しているシリカは高度なSi(0Si)結合ユニットを有することを強く示唆する。 From the solid 29 Si-NMR (CP / MAS) measurement of the nanostructure (1-3) obtained in Example 1-3, a Q4 signal indicating a silica bond structure appears at −110 ppm, and a Q3 signal appears at −101 ppm. The integration ratio of Q4 / Q3 was 1.00 / 0.68 (see FIG. 8). No Q2 binding signal appeared. This strongly suggests that the silica forming the fibrous network has a high degree of Si (0Si) 4 bonding units.

さらに、実施例1−3で得られたナノ構造体(1−3)の元素分析の結果、Si:30%、C:15%、H:4.1%、N:8.2%、Na:0.8%であった。このことは、ナノ構造体(1−3)には、ケイ素以外の、直鎖状ポリエチレンイミンが複合され、その含有率が約27%であることが示唆された。即ち、得られたナノ構造体はシリカとポリマーとが複合された構造体である。   Furthermore, as a result of elemental analysis of the nanostructure (1-3) obtained in Example 1-3, Si: 30%, C: 15%, H: 4.1%, N: 8.2%, Na : 0.8%. This suggested that the nanostructure (1-3) was complexed with linear polyethyleneimine other than silicon, and its content was about 27%. That is, the obtained nanostructure is a structure in which silica and a polymer are combined.

実施例2
実施例1−3で得られたナノ構造体(1−3)0.1gアルミナ坩堝中に入れ、電気炉中にて500℃まで加熱し、その温度下1時間焼成した。収量は0.07gであった。を500℃にて1時間焼成して、シリカ系無機構造体を得た。SEM観察の結果、ファイバー構造には変わりがなく(図9参照)、29Si−NMR(CP/MAS)ではQ4/Q3の積分比は1.00/0.52であった(図10参照)。即ち、Q4構造成分がやや増える傾向であった。
Example 2
The nanostructure (1-3) obtained in Example 1-3 was put in a 0.1 g alumina crucible, heated to 500 ° C. in an electric furnace, and fired at that temperature for 1 hour. The yield was 0.07g. Was fired at 500 ° C. for 1 hour to obtain a silica-based inorganic structure. As a result of SEM observation, there was no change in the fiber structure (see FIG. 9), and in 29 Si-NMR (CP / MAS), the integration ratio of Q4 / Q3 was 1.00 / 0.52 (see FIG. 10). . That is, the Q4 structural component tended to increase slightly.

さらに、熱焼成前後の構造体の比表面積をN/He 混合ガス(3/7体積比)の吸着−脱着実験法でFlow Sorb II 2300(Micromeritics)を用いて測定した結果、焼成前の149m/gから焼成後の315m/gまで2倍ほど大きく増大した。焼成によるポリマー除去が表面積を増大させることが示唆された。 Furthermore, as a result of measuring the specific surface area of the structure before and after thermal firing using Flow Sorb II 2300 (Micromeritics) in an N 2 / He mixed gas (3/7 volume ratio) adsorption-desorption experiment method, it was 149 m before firing. From 2 / g to 315 m 2 / g after firing, there was a large increase of about 2 times. It was suggested that polymer removal by calcination increases the surface area.

実施例3−1
<金ナノ粒子が含まれるナノ構造体>
実施例1−3で得られたナノ構造体(1−3)0.05gを2mLの0.1モル/L NaAuCl溶液中に加え、室温(25℃)下で5分間撹拌後、そのまま25分間静置させた。得られた固形分を蒸留水で洗浄した後、室温乾燥した。これで得られた粉末のXRD測定から、金の結晶の存在を示す散乱ピーク(2θ)が38.1°、44.4°、64.5°、77.6°で確認された。また、TEM観察から、2〜3nmの大きさの金のナノ粒子がシリカ中に閉じ込まれていることが観測された(図11)。これは金属ナノ粒子が含まれてない図7のイメージと大きく異なるものであった。
Example 3-1
<Nanostructures containing gold nanoparticles>
0.05 g of the nanostructure (1-3) obtained in Example 1-3 was added to 2 mL of a 0.1 mol / L NaAuCl 4 solution, stirred for 5 minutes at room temperature (25 ° C.), and then 25 Let sit for a minute. The obtained solid was washed with distilled water and then dried at room temperature. From the XRD measurement of the powder thus obtained, scattering peaks (2θ) indicating the presence of gold crystals were confirmed at 38.1 °, 44.4 °, 64.5 °, and 77.6 °. From TEM observation, it was observed that gold nanoparticles having a size of 2 to 3 nm were confined in silica (FIG. 11). This was very different from the image of FIG. 7 in which no metal nanoparticles were included.

実施例3−2
<白金ナノ粒子が含まれるナノ構造体>
実施例1−3で得られたナノ構造体(1−3)0.05gを2mLの0.1モル/L NaPtCl溶液中に加え、室温下5分間撹拌後、そのまま25分間静置させた。得られた固形分を蒸留水で洗浄した後、室温乾燥した。これで得られた粉末のXRD測定から、白金の結晶の存在を示す散乱ピーク(2θ)が40.0°、46.4°、67.7°で観測された。また、TEM観察から、2〜3nm大きさの白金のナノ粒子がシリカ中に閉じ込まれていることが観測された(図12)。これは金属ナノ粒子が含まれてない図7のイメージと大きく異なるものであった。
Example 3-2
<Nanostructures containing platinum nanoparticles>
0.05 g of the nanostructure (1-3) obtained in Example 1-3 was added to 2 mL of a 0.1 mol / L Na 2 PtCl 4 solution, stirred at room temperature for 5 minutes, and then allowed to stand for 25 minutes. I let you. The obtained solid was washed with distilled water and then dried at room temperature. From the XRD measurement of the powder thus obtained, scattering peaks (2θ) indicating the presence of platinum crystals were observed at 40.0 °, 46.4 °, and 67.7 °. From TEM observation, it was observed that platinum nanoparticles having a size of 2 to 3 nm were confined in silica (FIG. 12). This was very different from the image of FIG. 7 in which no metal nanoparticles were included.

実施例4
<ベンゼン環中心のポリエチレンイミンからのナノ構造体>
合成例2で合成したB−PEIを使用し、実施例1と同様な方法により、2%のポリマーの結晶性会合体の分散液を調整した。この分散液10gに、pH値が9.6の0.2モル/L水ガラス水溶液20mLを加え、室温(25℃)で1時間放置した。上澄みを取り出し、固形物を蒸留水で洗浄した後、遠心分離機にて3回繰り返し洗浄した。得られた固形物を室温で乾燥後、真空乾燥機にて60℃下12時間乾燥し、白色のナノ構造体(4)を得た。収量は0.53gであった。
Example 4
<Nanostructures from polyethyleneimine with benzene ring center>
Using B-PEI synthesized in Synthesis Example 2, a dispersion of a crystalline aggregate of 2% polymer was prepared in the same manner as in Example 1. To 10 g of this dispersion, 20 mL of a 0.2 mol / L water glass aqueous solution having a pH value of 9.6 was added and allowed to stand at room temperature (25 ° C.) for 1 hour. The supernatant was taken out and the solid was washed with distilled water and then repeatedly washed three times with a centrifuge. The obtained solid was dried at room temperature and then dried in a vacuum dryer at 60 ° C. for 12 hours to obtain a white nanostructure (4). The yield was 0.53g.

上記で得られたナノ構造体(4)のSEM観察写真、TEM観察写真を図13と図14に示し。扇子状の複合ナノ構造体のイメージが明確に現れた。また、ナノ構造体(4)のXRD測定では、ポリマー結晶由来の散乱ピークが20.3°、27.3°、28.2°で確認された。   The SEM observation photograph and TEM observation photograph of the nanostructure (4) obtained above are shown in FIG. 13 and FIG. The image of a fan-shaped composite nanostructure appeared clearly. In addition, in the XRD measurement of the nanostructure (4), scattering peaks derived from polymer crystals were confirmed at 20.3 °, 27.3 °, and 28.2 °.

実施例5−1〜5−4
<ブロック共重合体からのナノ構造体>
合成例3で得られたブロック共重合体(PEG−b−PEI)を用い、90℃に加温下、硝酸ナトリウム、硝酸銅、硝酸アルミニウムを含む2%のポリマー溶液3種類と金属イオンを含まないポリマー溶液を調整した。溶液中の各金属イオンとポリマー中のエチレンイミンユニット(EI)とのモル比を表2に示す。これら溶液を室温に6時間静置し、結晶性会合体を得た。それぞれの結晶性会合体の分散液10gに、pH値が9.6の0.2モル/L水ガラス水溶液20mLを加え、5分間撹拌後、室温で1時間静置した。析出した固形分を蒸留水で洗浄し、さらに遠心分離機にて3回繰り返し洗浄した。得られた固形物を室温で乾燥後、真空乾燥機にて60℃下12時間乾燥し、ポリマー/金属イオン/シリカ複合ナノ構造体(5−1)〜(5−4)を得た。収量は表2に示した。
Examples 5-1 to 5-4
<Nanostructures from block copolymers>
Using the block copolymer (PEG-b-PEI) obtained in Synthesis Example 3 and containing 3 kinds of 2% polymer solution containing sodium nitrate, copper nitrate and aluminum nitrate and metal ions under heating at 90 ° C No polymer solution was prepared. Table 2 shows the molar ratio between each metal ion in the solution and the ethyleneimine unit (EI) in the polymer. These solutions were allowed to stand at room temperature for 6 hours to obtain crystalline aggregates. 20 mL of a 0.2 mol / L water glass aqueous solution having a pH value of 9.6 was added to 10 g of the dispersion of each crystalline aggregate, and the mixture was stirred for 5 minutes and allowed to stand at room temperature for 1 hour. The precipitated solid was washed with distilled water and further washed three times with a centrifuge. The obtained solid was dried at room temperature and then dried at 60 ° C. for 12 hours in a vacuum dryer to obtain polymer / metal ion / silica composite nanostructures (5-1) to (5-4). Yields are shown in Table 2.

実施例5−1〜5−4で得られたナノ構造体(5−1)〜(5−4)のSEM観察写真を、図15〜図18に示す。金属イオンの存在により、得られた構造体の形状に大きな変化が起こることが示唆された。   SEM observation photographs of the nanostructures (5-1) to (5-4) obtained in Examples 5-1 to 5-4 are shown in FIGS. It was suggested that a large change occurred in the shape of the resulting structure due to the presence of metal ions.

実施例6
実施例5−3の銅イオンが含まれたナノ構造体(5−3)のサンプル0.3gを10mLの0.1モル/Lの水素化ホウ素アンモニウム水溶液と混合し、窒素雰囲気下、40℃で1時間撹拌した。窒素雰囲気下、エタノールで洗浄し、窒素雰囲気下乾燥させた。これで得た粉末は元の青色が完全に消え、薄い銅色を示した。粉末XRD測定から、ゼロ価銅の存在を示す散乱ピーク2θ(°)が43.4,50.5,74.1が観測され、還元反応が起きたことを確認した。
Example 6
A sample of 0.3 g of the nanostructure (5-3) containing copper ions of Example 5-3 was mixed with 10 mL of a 0.1 mol / L aqueous solution of ammonium borohydride, and 40 ° C. under a nitrogen atmosphere. For 1 hour. The resultant was washed with ethanol under a nitrogen atmosphere and dried under a nitrogen atmosphere. The powder thus obtained completely disappeared from the original blue color and showed a light copper color. From the powder XRD measurement, scattering peaks 2θ (°) indicating the presence of zerovalent copper were observed as 43.4, 50.5, and 74.1, confirming that the reduction reaction occurred.

比較例1で得た構造体(1)の走査型電子顕微鏡写真である。2 is a scanning electron micrograph of the structure (1) obtained in Comparative Example 1. 比較例2で得た構造体(2)の走査型電子顕微鏡写真である。4 is a scanning electron micrograph of the structure (2) obtained in Comparative Example 2. 比較例3で得た構造体(3)の走査型電子顕微鏡写真である。4 is a scanning electron micrograph of the structure (3) obtained in Comparative Example 3. 実施例1−1で得たナノ構造体(1−1)の走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning electron micrograph of the nanostructure (1-1) obtained in Example 1-1. 実施例1−2で得たナノ構造体(1−2)の走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning electron micrograph of the nanostructure (1-2) obtained in Example 1-2. 実施例1−3で得たナノ構造体(1−3)の走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning electron micrograph of the nanostructure (1-3) obtained in Example 1-3. 実施例1−3で得たナノ構造体(1−3)の透過型電子顕微鏡写真である。右図は左図円形部分の高分解能イメージである。It is a transmission electron micrograph of the nanostructure (1-3) obtained in Example 1-3. The right figure is a high resolution image of the circular part of the left figure. 実施例1−3で得たナノ構造体(1−3)の固体29Si−NMR(CP/MAS)スペクトルである。It is a solid-state 29 Si-NMR (CP / MAS) spectrum of the nanostructure (1-3) obtained in Example 1-3. 実施例1−3で得たナノ構造体(1−3)の熱焼成前後の走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning electron micrograph before and behind thermal baking of the nanostructure (1-3) obtained in Example 1-3. 実施例1−3で得たナノ構造体(1−3)の熱焼成後の固体29Si−NMR(CP/MAS)スペクトルである。It is a solid-state 29 Si-NMR (CP / MAS) spectrum after the heat calcination of the nanostructure (1-3) obtained in Example 1-3. 実施例3−1で得た金ナノ粒子を含むナノ構造体(3−1)の透過型電子顕微鏡写真である。右図は左図円形部分の拡大イメージである。黒い斑点は2nm程度の金ナノ粒子の写真である。It is a transmission electron micrograph of the nanostructure (3-1) containing the gold nanoparticle obtained in Example 3-1. The right figure is an enlarged image of the circular part of the left figure. Black spots are photographs of gold nanoparticles of about 2 nm. 実施例3−2で得た白金ナノ粒子を含むナノ構造体(3−2)の透過型電子顕微鏡写真である。右図は左図円形部分の拡大イメージである。黒い斑点は2nm程度の白金ナノ粒子の写真である。It is a transmission electron micrograph of the nanostructure (3-2) containing the platinum nanoparticles obtained in Example 3-2. The right figure is an enlarged image of the circular part of the left figure. Black spots are photographs of platinum nanoparticles of about 2 nm. 実施例4で得たナノ構造体(4)の走査型電子顕微鏡写真である。4 is a scanning electron micrograph of the nanostructure (4) obtained in Example 4. 実施例4で得たナノ構造体(4)の透過型電子顕微鏡写真である。右図は左図の拡大図である。4 is a transmission electron micrograph of the nanostructure (4) obtained in Example 4. FIG. The right figure is an enlarged view of the left figure. 実施例5−1で得たナノ構造体(5−1)の走査型電子顕微鏡写真である。右図は左図の拡大図である。It is a scanning electron micrograph of the nanostructure (5-1) obtained in Example 5-1. The right figure is an enlarged view of the left figure. 実施例5−2で得たナノ構造体(5−2)の走査型電子顕微鏡写真である。右図は左図の拡大図である。It is a scanning electron micrograph of the nanostructure (5-2) obtained in Example 5-2. The right figure is an enlarged view of the left figure. 実施例5−3で得たナノ構造体(5−3)の走査型電子顕微鏡写真である。右図は左図の拡大図である。It is a scanning electron micrograph of the nanostructure (5-3) obtained in Example 5-3. The right figure is an enlarged view of the left figure. 実施例5−4で得たナノ構造体(5−4)の走査型電子顕微鏡写真である。右図は左図の拡大図である。It is a scanning electron micrograph of the nanostructure (5-4) obtained in Example 5-4. The right figure is an enlarged view of the left figure.

Claims (5)

直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a1)を有するポリマー(A)を水性媒体中で結晶性会合体とし、これとpHを8.5以上に調整した水ガラス(B)とを混合してシリカ(b1)を析出させることを特徴とするポリマー/シリカ複合ナノ構造体の製造方法。 A polymer (A) having a linear polyethyleneimine skeleton (a1) is made into a crystalline aggregate in an aqueous medium, and this is mixed with water glass (B) whose pH is adjusted to 8.5 or higher to obtain silica (b1 ) Is precipitated. A method for producing a polymer / silica composite nanostructure. 直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a1)を有するポリマー(A)と金属イオン(c1)とを水性媒体中で混合して金属イオン(c1)を含有する結晶性会合体とし、これとpHを8.5以上に調整した水ガラス(B)とを混合してシリカ(b1)を析出させることを特徴とするポリマー/金属イオン/シリカ複合ナノ構造体の製造方法。 The polymer (A) having a linear polyethyleneimine skeleton (a1) and the metal ion (c1) are mixed in an aqueous medium to form a crystalline aggregate containing the metal ion (c1), and the pH is adjusted to 8. A method for producing a polymer / metal ion / silica composite nanostructure, wherein silica (b1) is precipitated by mixing water glass (B) adjusted to 5 or more. 直鎖状ポリエチレンイミン骨格(a1)を有するポリマー(A)と金属イオン(c1)とを水性媒体中で混合して金属イオン(c1)を含有する結晶性会合体とし、これとpHを8.5以上に調整した水ガラス(B)とを混合してシリカ(b1)を析出させ、更に金属イオン(c1)を還元剤(D)で還元して金属ナノ粒子(c2)とすることを特徴とするポリマー/金属ナノ粒子/シリカ複合ナノ構造体の製造方法。 The polymer (A) having a linear polyethyleneimine skeleton (a1) and the metal ion (c1) are mixed in an aqueous medium to form a crystalline aggregate containing the metal ion (c1), and the pH is adjusted to 8. Mixing with water glass (B) adjusted to 5 or more to precipitate silica (b1), and further reducing metal ions (c1) with a reducing agent (D) to form metal nanoparticles (c2). A method for producing a polymer / metal nanoparticle / silica composite nanostructure. 請求項1で得られるポリマー/シリカ複合ナノ構造体を、金、銀及び白金からなる群から選ばれる1種以上の金属イオン(c1’)を含有する水溶液と混合することにより、該金属イオン(c1’)をナノ構造体中のポリマー(A)に濃縮させながら、かつ自発的還元により金属ナノ粒子(c2’)とすることを特徴とするポリマー/金属ナノ粒子/シリカ複合ナノ構造体の製造方法。 By mixing the polymer / silica composite nanostructure obtained in claim 1 with an aqueous solution containing at least one metal ion (c1 ′) selected from the group consisting of gold, silver and platinum, the metal ion ( Production of polymer / metal nanoparticle / silica composite nanostructure characterized in that c1 ′) is concentrated to the polymer (A) in the nanostructure and converted into metal nanoparticles (c2 ′) by spontaneous reduction. Method. 請求項1〜4の何れか1項記載の方法により得られたナノ構造体を、更に熱焼成させることを特徴とするシリカ系無機構造体の製造方法。 A method for producing a silica-based inorganic structure, wherein the nanostructure obtained by the method according to any one of claims 1 to 4 is further thermally calcined.
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