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ナノ・マイクロ粒子の表面改質による機能化技術と応用

  • Technologies for Surface Modification and Functionalization of Nano/Micro Particles and Their Applications
★ ナノ・マイクロスケール微粒子制御のための表面機能化設計,評価技術,各種表面改質技術を詳述!!
★ 応用編では,顔料,医薬品,複合材,回路・配線形成,化粧品とさまざまな分野における微粒子の表面改質技術を解説!!

商品コード: T0679

  • 監修: 角田光雄
  • 発行日: 2009年5月
  • 価格(税込): 70,200 円
  • 体裁: B5判,339ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-0112-9

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  • 微粒子,粉体,表面処理,表面改質,分散,マイクロカプセル,顔料,フィラー,インク,化粧品

刊行にあたって

 ナノテクノロジーが普遍化した現在ほとんどの製品に何らかの形で粉体がかかわっている。したがって粉体をいかに利用するかについての諸技術を持つかが,特徴的な製品やそのための製造技術の開発に有効な鍵となる。
 粉体微粒子はバルクの容積に比較して表面積が大きい物質形態のため,表面を構成している原子や分子あるいはイオンなどの粒子は非対称なポテンシャルの場に置かれているため表面構造は内部構造から推定される以上のいろいろな“みだれ”がある。さらに粉体は,製造する工程でたとえば粉砕などによりかなりの機械力が加わり,そのために結晶構造の不規則化,各種の欠陥,化学組成の変化などが起きている。あるいは,粉砕などの機械力が化学的なエネルギーの形で表面にたくわえられ,その結果表面の活性が大きくなるというメカノケミカル効果なども考えられる。
 微粒子の集合体である粉体は系として大きな表面積を持っている。したがって系全体としては大きな表面自由エネルギーを持っている。そのために微粒子が凝集した系の表面積を減少させることにより,表面自由エネルギーをなるべく小さくしようとする傾向がある。つまり微粒子同士凝集してかたまりやすくなっている。微粒子の凝集を防ぎ微粒子を一次粒子の形で利用することが望ましい。
 粉体をうまく使いこなすためには,粉体を構成する微粒子の表面を制御する技術や微粒子表面の改質技術は非常に重要である。さらにいろいろな機能を付与する技術の活用は極めて効果的な材料技術である。このような視点で本書は構成されている。
(「はじめに」より)
2009年5月

文化女子大学 名誉教授  角田光雄

著者一覧

角田光雄   文化女子大学 服装学部 名誉教授
小石眞純   東京理科大学 名誉教授
小駒益弘   上智大学 理工学部 物質生命理工学科 教授
本田宏隆   東京理科大学 基礎工学部 准教授
塩見治久   京都工芸繊維大学大学院 工芸科学研究科 物質工学部門 准教授
坪川紀夫   新潟大学 大学院自然科学研究科 教授
上條栄治   龍谷大学 名誉教授(REC顧問)
市川秀喜   神戸学院大学 薬学部 製剤学研究室 准教授
藤 正督   名古屋工業大学 セラミックス基盤工学研究センター 教授
鈴木 昇   宇都宮大学 大学院工学研究科 教授
古澤 毅   宇都宮大学 大学院工学研究科 助教
福井武久   (株)栗本鐵工所 ナノ・材料研究所 副所長
井上義之   ホソカワミクロン(株) 大阪本社 営業本部 営業統括部 営業部 営業第二課 主事
石橋秀夫   日本ペイント(株) R&D本部 色彩技術研究所

目次

【第1編 総論】
第1章 表面改質・表面処理の意義と諸技術
1. 粒子径による粉体の類別と本書で対象とする領域
2. 微粒子の表面と界面
3. 改質技術の体系
3.1 表面改質・処理の対象となる粒子
3.2 固体微粒子の表面改質
3.2.1 無機固体粒子
3.2.2 有機(ポリマー)固体粒子
3.3 表面官能基を利用した改質
3.3.1 シランカップリング剤による改質
3.3.2 グラフト化
4. 表面処理技術
4.1 無機薄膜形成技術
4.2 有機薄膜形成技術(高分子表面処理層の形成)
4.2.1 吸着モノマーの高分子化
4.2.2 メカノケミカル効果の応用
4.2.3 グラフト反応による処理層の形成
4.2.4 相分離現象を利用した処理
5. まとめ

第2章 粉体表面機能化設計の総論
1. はじめに
2. 機能性粉体をめぐる動き
3. 界面構築の考え方と表面・界面設計
3.1 ナノコーティング技術の開発(R&D for Nanostructured Coating Technology)
3.2 ナノ粒子の合成と機能化技術
3.3 ナノ粒子の合成、ナノ粒子の配列・複合化
4. 界面構築の設計と表面処理(改質)
5. 表面改質を利用する界面構築のとらえ方
6. 機能性粉体のもつ可能性と展開―製造技術における課題と求める機能―
7. おわりに

第3章 改質・機能化表面の評価
1. 微粉体表面の評価
1.1 表面積
1.2 多孔性
1.3 表面極性
1.4 表面均一性
1.5 表面の結晶性
1.6 表面の化学構造
1.6.1 表面と内部との化学構造の差
1.6.2 表面に組成の異なった層が存在する
1.6.3 表面官能基
1.6.4 酸・塩基特性
1.7 表面化学構造の評価
1.8 官能基の利用
1.9 微粒子表面のぬれについて
2. 表面処理剤の界面および処理層の状態解析
2.1 界面化学的な方法による解析
2.2 分光学的な方法
2.3 微粒子と微粉体の相手物質樹脂界面
3. 微粒子の分散性の評価
3.1 分散度
3.1.1 つぶケージ法
3.1.2 沈降法
3.1.3 ろ過速度法
3.1.4 塗料中の粒子の直接観察
3.2 微粒子の凝集構造
3.3 粒子、ポリマー、溶剤系における粒子分散性の評価

【第2編 表面改質技術】
第4章 プラズマによる表面改質技術
1. はじめに
2. プラズマ表面改質装置
3. 化学修飾法
4. 結果と考察
4.1 O2/Heプラズマ酸化
4.2 NH3/Heによる窒化処理 
4.3 CH2Br2/He、CHBr3/Heプラズマによる表面臭素化

第5章 高速気流中衝撃法による表面改質
1. 高速気流中衝撃法とは
2. 高速気流中衝撃法による複合化粒子の調製
3. 高速気流中衝撃法によるカプセル化粒子の調製
4. 多孔性粒子を用いたカプセル化粒子の調製
5. ナノ粒子を用いたカプセル化粒子の調製
6. 粒子間相互作用の理論的検討

第6章 メカノケミカル反応利用改質技術
1. はじめに 
2. メカノケミカル現象と固体の活性化
2.1 メカノケミカル現象の発現要因
2.1.1 高温、高圧の発生
2.1.2 機械適応力と固体の活性化
2.2 機械適応力による構造および物性変化
2.2.1 格子不整および格子欠陥
2.2.2 ラジカル、固体酸・塩基の生成
2.2.3 エキソエレクトロン
3. メカノケミカル現象を利用した表面改質例
3.1 SiO2の粉砕時に起こる有機物との直接反応
3.2 SiO2の粉砕による表面疎水化
3.3 各種アルコール中での粉砕によるAl2O3の表面処理
4. まとめ

第7章 カップリング剤による表面処理技術
1. カップリング剤を応用することの意義
2. 界面における相互作用とカップリング剤処理
3. いろいろなカップリング剤
3.1 シランカップリング剤
3.2 カチオニックシラン
3.3 Si官能形シリルイソシアネート
3.4 チタネート系、アルミニウム系、その他
3.5 ジルコニウム系カップリング剤
4. カップリング剤の使い方
4.1 処理の基本的な方法
4.2 処理量
4.3 微粉体表面の水

第8章 ポリマー表面改質層形成技術
1. はじめに
2. Grafting onto法による表面グラフト
3. Grafting from法による表面グラフト
3.1 ラジカルグラフト重合
3.2 カチオングラフト重合
3.3 アニオングラフト重合
3.4 ナノ粒子表面で開始されるリビング重合
4. 高分子反応による表面グラフト化
4.1 表面官能基と末端反応性ポリマーとのグラフト反応
4.2 表面官能基とリビングポリマーとの反応 
5. ナノ粒子表面への多分岐ポリマーのグラフト化
6. グラフト反応点としての炭素材料の縮合芳香族環
6.1 縮合芳香族環のラジカル捕捉性の利用
6.2 縮合芳香族環とフェロセンとの配位子交換反応
7. ポリマーグラフトナノ粒子の分散性 
7.1 溶媒中への分散性
7.2 ポリマー中への分散性
7.3 pHによる分散性制御
7.4 温度による分散性制御 
8. ポリマーグラフトナノ粒子表面への機能付与
8.1 カプサイシンの固定化
8.2 難燃性の固定化
8.3 紫外線吸収剤の固定化
8.4 酸化防止剤の固定化
8.5 抗菌性ポリマーのグラフト化
9. おわりに

第9章 CVD法による超薄膜形成技術
1. はじめに
2. CVD法の概要
3. CVD反応の素過程とプロセスパラメーター
4. 超薄膜形成技術
5. ナノ・マイクロ粒子の表面改質の例
5.1 セラミックスコーティング電極ペーストの開発
5.2 パルスCVD法による炭素電極の表面改質
5.3 再循環式高速流動床化学気相成長(RFFBCVD)法
6. まとめ

第10章 無機薄膜形成による表面改質技術
1. はじめに
2. セラミックス製品を例にした無機薄膜形成技術
2.1 成形性の改善
2.2 焼結性の改善
2.3 焼結後のグレーンの高機能化
2.4 表面の高機能化
2.5 他の材料との複合化
3. 湿式法による無機薄膜の形成
4. 乾式法による薄膜形成
4.1 真空蒸着
4.2 イオンプレーティング
4.3 スパッタリング
4.4 乾式法と湿式法(メッキ)の比較
4.5 乾式法間の比較
4.6 その他
5. マイクロカプセル化技術の応用
5.1 付着法
5.2 沈積法
5.3 界面反応法による中空粒子の作製と中空部に目的物質を作製する方法
6. メッキによる金属薄膜の形成
6.1 メッキについて
6.2 プラスチックスへのメッキの例
6.2.1 ポリプロピレン
6.2.2 ポリエチレン
6.2.3 アクリル樹脂
6.2.4 ポリアミド樹脂
6.2.5 ポリアセタール
6.2.6 ポリカーボネート
6.2.7 ポリスルフォン
6.2.8 ノニル樹脂
6.2.9 ガラス繊維プラスチック
7. おわりに

第11章 ナノ粒子コーティングによる微粒子表面への機能層の形成
1. はじめに
2. コーティングプロセス
3. コーティング基材としてのナノ粒子
3.1 ナノ粒子の調製例
3.2 凝集と成膜
4. ナノ粒子コーティングによるミクロ粒子への機能層形成の実施例
4.1 徐放性多層構造膜
4.2 長時間遅延放出制御膜
4.3 温度応答性放出制御膜
5. おわりに

第12章 表面改質技術の微粒子分散への応用
1. はじめに
2. 分散に必要な努力
3. 水系における粒子の分散・凝集
4. 非水系における粒子の分散・凝集
5. 粒子の分散凝集評価
5.1 トラディショナルな方法概観
5.2 直接観察法による評価
5.3 スラリーろ過特性から見る新たな評価法
6. おわりに

第13章 マイクロカプセル化技術の応用
1. はじめに
2. マイクロカプセル化技術開発の背景
2.1 マイクロカプセル化技術の主な流れ
2.2 マイクロカプセル化技術の分類と概要
2.3 マイクロカプセルとナノカプセルの接点とは
3. マイクロカプセル化技術の現状と課題
3.1 カプセルテクノロジーの機能化における流れ
3.2 カプセルテクノロジーの機能化における課題
3.2.1 環境配慮型新材料
3.3 カプセルテクノロジーの機能化と関連研究の動向
4. おわりに

第14章 超臨界およびマイクロ波の応用
1. はじめに
2. 超臨界の応用
2.1 scCO2を利用した技術の紹介
2.2 酸化チタン微粒子の表面改質
2.3 scCO2を溶媒とする酸化チタン微粒子の直鎖アルコールによる表面改質
2.3.1 超臨界表面改質およびキャラクタリゼーションの方法
2.3.2 改質試料の評価
2.3.3 超臨界法のまとめ
3. マイクロ波の応用
3.1 酸化物微粉体材料表面の超薄膜シリカコーティング
3.1.1 チタニアナノ粒子のシリカコーティング
3.1.2 酸化亜鉛および酸化セリウムのシリカコーティング
3.2 マイクロ波加熱法のまとめ

第15章 表面改質技術の粒子形態制御への応用
1. 粒子形態制御とは
2. 粉体装置による粒子形態制御
2.1 粉砕機
2.2 粒子複合化装置
2.3 混練機
2.4 造粒機
2.5 粒子合成装置
3. 粒子形態制御への応用
3.1 二軸混練機(ニーダー)による薬剤粒子の形態制御
3.2 粒子複合化装置による粒子形態制御
3.3 噴霧熱分解法による粒子形態制御
4. おわりに

【第3編 応用】
第16章 顔料の表面処理
1. いろいろな顔料
1.1 酸化チタン
1.2 酸化亜鉛
1.3 亜酸化銅
1.4 複合酸化物顔料
1.5 金属粉顔料
1.6 パール顔料
1.7 無機蛍光・蓄光顔料
2. 分散技術
2.1 粒子分散の基本
2.2 分散のメカニズム
2.2.1 分散のプロセス
2.2.2 分散に関する要素技術
3. 表面処理技術
3.1 無機顔料の表面処理
3.1.1 酸化チタン
3.1.2 酸化鉄
3.1.3 アルミニウム顔料
3.1.4 パール顔料
3.1.5 薄片状ガラス顔料
3.1.6 カーボンブラック 
3.2 有機顔料の表面処理
3.2.1 ロジン処理
3.2.2 界面活性剤による処理
3.2.3 溶剤処理
3.2.4 高分子による処理

第17章 医薬品への応用
1. はじめに
2. 多機能型流動層造粒機による表面改質の例
2.1 アグロマスタAGM-SD-CSとは何か
2.2 使用例:コーティング 
3. 乾式粒子複合化による表面改質の例
3.1 粒子複合化技術とは何か
3.2 機械的粒子複合化とは何か
3.3 装置の原理・構造
4. 粒子複合化装置の適用例
4.1 薬物または賦形剤粒子の流動性・打錠性の向上
4.2 薬物の濡れ性の向上による溶解性改善
4.3 粉末吸入製剤のための表面改質
4.4 DDSのための表面改質
4.5 医薬用ナノサイズ顔料の精密分散
5. おわりに

第18章 複合材料への応用
1. 複合材料におけるいろいろな界面
2. フィラー(微粒子)について
2.1 フィラーの種類
2.2 フィラーの機能
3. フィラーの効果
3.1 形状がかかわる効果
3.2 表面の効果
3.3 粒子径と複合材料の特性
4. フィラーの表面処理(シラン系、チタネート系を例として)
4.1 シラン系カップリング剤
4.2 チタネート系カップリング剤
4.2.1 乾式処理
4.2.2 湿式処理
4.2.3 水溶性化処理
4.2.4 プライマーへの利用
5. いろいろなフィラーの効果とその実際
5.1 炭素材料
5.1.1 カーボンブラック
5.1.2 カーボンナノチューブ
5.2 シリカ
5.2.1 フュームドシリカ
5.2.2 マトリックス中でシリカを合成しそのまま複合材として用いる
5.2.3 マイカ
5.2.4 炭酸カルシウム
5.2.5 その他(水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム)

第19章 金属ナノ粒子の調製と回路・配線パターン形成への応用
1. はじめに
2. 安定な金属ナノ粒子インクの調製
3. 金属ナノ粒子の特性
4. 印刷材料としての金、銀ナノ粒子インクの応用
5. 金属ナノ粒子インクの導電材料としての性能
5.1 銀ナノ粒子インクの導電性特性
5.2 金属ナノ粒子インクによる銅配線パターンの形成
6. おわりに

第20章 化粧品への応用
1. 表面処理の意義
2. 化粧品の種類
3. 微粒子の表面処理の目的と材料
3.1 一般的な処理剤
3.2 ファンデーション用粉体微粒子の表面処理剤と表面処理
3.2.1 シリコーン処理
3.2.2 フッ素化合物処理
3.2.3 グリセリン基の導入による親水化
3.2.4 ヒアルロン酸による親水化
3.2.5 金属石けん処理による水分散性の向上
4. 顔料粒子の表面処理
4.1 一般的な方法
4.2 化粧品への応用を考えた表面処理
4.3 基本的な材料による処理
4.3.1 ポリシロキサン(シリコン)処理
4.3.2 フッ素化合物処理
4.3.3 ラウロイルリジン処理
4.3.4 アクリルシリコン樹脂処理
4.3.5 複合化処理 
5. 疎水性粉体の応用技術
6. まとめ
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