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ゾル-ゲル法技術の最新動向

  • New Technology of Sol-Gel Processing
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★ 国内第1線の研究・開発者が執筆!基礎から応用まで詳述!
★ リチウムイオン二次電池,色素増感型太陽電池への応用を解説!

商品コード: T0741

  • 監修: 作花済夫
  • 発行日: 2010年5月
  • 価格(税込): 70,200 円
  • 体裁: B5判,276ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-0227-0

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  • 透明導電膜,発光材料,蛍光材料,レーザー,光触媒,ナノコンポジット,バルクゲル,太陽電池,メソ多孔体

刊行にあたって

 ゾル-ゲル法は光,電子,力学,化学,バイオなどさまざまの機能を持つ材料の合成を通じて情報化社会の発展,健康・環境・エネルギー問題の解決に寄与しつつある。この方法では,溶液から出発してゾル状態,ゲル状態を経て製品が作られるが,その最大の特徴は材料の低温合成が可能なことである。
 ゾル-ゲル法の実用化は1930年代のキスラーによるエアロゲルの製造にまでさかのぼることができる。その後1960年代後半からガラスや無機材料の加工,合成への応用が世界中で始められた。1980年代にはゾル-ゲル法という呼び名が定着するとともに,新たに有機-無機ハイブリッドの合成が注目を浴び,材料の研究者,技術者,各種製造会社に取り上げられ,以来ゾル-ゲル法は著しい発展を続けてきた。
 ゾル-ゲル法に関する最初のシーエムシー出版の単行本は『ゾル-ゲル法応用技術の新展開』で,2000年に出版された。その5年後の2005年にはその間の進歩をカバーするために『ゾル-ゲル法のナノテクノロジーへの応用』が出版された。さらに,その後の発展は目を瞠るばかりであり,そのため,5年後の本年に本書『ゾル-ゲル法技術の最新動向』の出版企画に至ったものである。
 本書では,最新の情報を盛り込むために,上記前書に執筆されていない新しい著者23名にも執筆をお願いした。これは,執筆者合計の5割以上にあたる。前書の両方または一方にご執筆いただいた方の担当された章もゾル-ゲル法の最近の進歩に合わせて書き換えられていることは勿論である。
 さて,本書では,12の章がゾル-ゲル過程の説明にあてられている。ここで注目すべき点は,その半分にあたる6章が有機-無機ハイブリッドおよび関連材料に関している。このことは,この材料の合成にゾル-ゲル法が欠かせないことのほかに,種類,用途,応用の広さからみて,この材料が先端技術の発展にとって極めて重要であることを示している。
 また,本書全体の33章のうち上記12の章を除く21の章がゾル-ゲル法の応用にあてられている。ゾル-ゲル法が応用を目指す技術であるとの観点から本書でも応用を重視した。とくに,スピンオングラス,Liイオン二次電池,銀製品の防錆コーティング,眼鏡用プラスチックのハードコート処理,固定化酵素担体をはじめ多数の新しい応用が記されている。
 本書がゾル-ゲル法技術に関心のある研究者,技術者にとって恰好の参考書となることを期待している。
(「刊行にあたって」より)

2010年5月  京都大学 名誉教授 作花済夫

著者一覧

作花済夫   京都大学名誉教授
郡司天博   東京理科大学 理工学部 工業化学科 准教授
安盛敦雄   東京理科大学 基礎工学部 材料工学科 教授
野上正行   名古屋工業大学 大学院工学研究科 未来材料創成工学専攻 教授
牧島亮男   北陸先端科学技術大学院大学 特別学長顧問・教授
髙橋雅英   大阪府立大学 大学院工学研究科 マテリアル工学分野 教授
余語利信   名古屋大学 エコトピア科学研究所 教授
下嶋 敦   東京大学 大学院工学系研究科 化学システム工学専攻 准教授
若林隆太郎   早稲田大学 大学院先進理工学研究科 応用化学専攻 博士後期課程;早稲田大学 各務記念材料技術研究所 助手
浦田千尋   早稲田大学 大学院先進理工学研究科 応用化学専攻 博士後期課程
黒田一幸   早稲田大学 理工学術院 教授
平島 碩   慶應義塾大学名誉教授
片桐清文   名古屋大学 大学院工学研究科 化学・生物工学専攻 応用化学分野 助教幸塚広光   関西大学 化学生命工学部 化学・物質工学科 教授
中西和樹   京都大学 大学院理学研究科 化学専攻 准教授
酒井正年   扶桑化学工業(株) 電子材料本部 顧問
高橋亮治   愛媛大学 理工学研究科 教授
柴田修一   東京工業大学 大学院理工学研究科 教授
阿部啓介   旭硝子(株) 中央研究所 主幹研究員
公文創一   セントラル硝子(株) 硝子研究所 主任研究員
神谷和孝   日本板硝子(株) BP研究開発部 グループリーダー
松田厚範   豊橋技術科学大学 電気・電子情報工学系 教授
下岡弘和   九州工業大学 大学院工学研究院 物質工学研究系 助教
桑原 誠   東京大学名誉教授
永井順一   NSSエンジニアリング(株) 開発部 部長
大崎 壽   (独)産業技術総合研究所 エレクトロニクス研究部門 招聘研究員
吉田知也   (独)産業技術総合研究所 エレクトロニクス研究部門 研究員
長尾昌善   (独)産業技術総合研究所 エレクトロニクス研究部門 主任研究員
皆合哲男   日本板硝子(株) BP研究開発部 グループリーダー
加藤一実   (独)産業技術総合研究所 先進製造プロセス研究部門 テーラードリキッド集積研究グループ 研究グループ長
伊藤省吾   兵庫県立大学 大学院工学研究科 准教授
森口 勇   長崎大学 工学部 物質工学講座 教授
山田博俊   長崎大学 工学部 物質工学講座 准教授
田淵智美   (独)造幣局 貨幣部 管理環境課 企画調整官
忠永清治   大阪府立大学 大学院工学研究科 応用化学分野 准教授
清水武洋   伊藤光学工業(株) 技術部 技術課 マネージャー
城﨑由紀   岡山大学 大学院自然科学研究科 機能分子化学専攻 助教
都留寛治   九州大学 大学院歯学研究院 口腔機能修復学講座 准教授
早川 聡   岡山大学 大学院自然科学研究科 機能分子化学専攻 准教授
尾坂明義   岡山大学 大学院自然科学研究科 機能分子化学専攻 教授
宇山 浩   大阪大学 大学院工学研究科 応用化学専攻 教授

目次

【ゾル-ゲル過程編】
第1章 ゾル-ゲル法の現状
1. はじめに
2. ゾル-ゲル法で作られる材料の微細構造
3. ゾル-ゲル法の研究動向
4. ゾル-ゲル法によって合成される材料の現状
4.1 透明導電膜
4.2 発光材料(ルミネッセンス材料)
4.2.1 蛍光材料
4.2.2 レーザー
4.2.3 りん光材料(長時間光る材料)
4.2.4 シンチレーション材料
4.3 光触媒
4.3.1 TiO2光触媒の応用
4.3.2 作用表面積の増大
4.3.3 ドーピングの効果
4.3.4 可視光応答光触媒
4.3.5 プラスチック上の光触媒膜
4.4 エアロゲル
4.4.1 サブクリティカル乾燥でつくられるシリカエアロゲル
4.4.2 シリカ以外の物質のエアロゲル
4.4.3 有機-無機ハイブリッドエアロゲル
5. おわりに

第2章 新しいゾル-ゲル法の原料
1. はじめに
2. 一次元ゾル-ゲル法の原料
3. 二次元ゾル-ゲル法の原料
4. 三次元ゾル-ゲル法の原料
5. おわりに

第3章 ゲル化と無機バルク体の形成
1. はじめに
2. ゾル-ゲル法によるシリカゲルの作製プロセス
2.1 反応に影響する因子
2.2 ゲルの細孔構造に影響する因子
2.3 添加物のゲルの構造に及ぼす影響
3. 多成分系バルクガラスの作製
3.1 高融点酸化物を含むケイ酸塩ガラスの作製
3.2 アルカリ金属・アルカリ土類金属酸化物などを含む多成分ケイ酸塩ガラスの作製
4. ゾル-ゲル法を用いた機能性バルクガラスの作製
4.1 CdS微粒子分散光学ガラスの作製
4.2 屈折率分布ガラスの作製
4.3 磁性体微粒子分散ガラスの作製
5. おわりに

第4章 無機イオン・ナノ粒子分散材料の形成
1. はじめに
2. 希土類イオン分散ガラス
3. ナノ粒子分散ガラス
4. ナノ粒子-希土類イオン共ドープガラス

第5章 有機・無機ナノコンポジットの形成
1. はじめに
2. 有機・無機コンポジット、有機・無機ハイブリッドの例
2.1 光関連材料
2.2 バイオ関連材料
2.3 光、バイオ関連以外の材料
3. 化学結合を考慮した有機・無機ナノハイブリッドの実例
3.1 有機色素・ケイ酸塩ナノハイブリッド材料
3.2 ビタミンB12を酸化チタンと複合化した材料

第6章 無溶媒縮合法による有機-無機ハイブリッドの合成と応用
1. 有機修飾無機系ポリマー材料
2. 酸塩基反応を利用した有機-無機ハイブリッド材料の合成と応用
2.1 リン酸と塩化ケイ素の反応性
2.2 有機修飾ケイリン酸系材料による再書き込み可能なフォログラフィックメモリー材料
3. おわりに

第7章 透明機能性ナノ結晶粒子/ポリマーハイブリッド材料
1. はじめに
2. 透明ハイブリッド材料
3. ペロブスカイトナノ結晶粒子/ポリマーハイブリッド
4. 磁性ナノ粒子/ポリマーハイブリッド
5. おわりに

第8章 自己組織化によるシリカ系有機・無機ハイブリッドの合成
1. はじめに
2. R'-Si(OR)3型分子からのハイブリッド合成
3. (RO)3Si-R'-Si(OR)3型分子からのハイブリッド合成
4. 形態制御―薄膜化―
5. 形態制御―ベシクル形成―
6. シロキサン部の設計によるメソ構造制御
7. おわりに

第9章 メソ多孔体の作製
1. はじめに
2. 組成制御
2.1 修飾剤を用いた表面組成設計
2.2 異種金属の導入
3. メソ構造制御
3.1 メソ構造制御
3.2 メソ構造解析
4. 形態制御
4.1 メソ多孔体微粒子
4.2 メソ多孔体薄膜の合成およびメソ孔の配向制御
5. おわりに

第10章 バルクゲルの焼結
1. はじめに
2. 焼結の理論
2.1 粘性流動焼結
2.2 拡散焼結
3. ゲル焼結の実際
4. ホットプレス焼結
5. おわりに

第11章 静電相互作用による分子組織体を利用したナノハイブリッドの作製と応用
1. はじめに
2. 静電相互作用を利用したハイブリッド超薄膜作製法としての交互積層法
3. 交互積層膜を利用したナノハイブリッドコーティング薄膜
4. コロイド粒子への交互積層によるコア-シェル粒子の作製とプロトン伝導体への応用
5. コロイドをテンプレートとした中空カプセルの作製と外部刺激応答性材料への応用
6. おわりに

第12章 膜の形成―スピンコーティング膜表面の放射状凹凸―
1. はじめに
2. 触針式表面粗さ計によるストライエーションの定量的評価
3. 回転基板上に供給するゾルの量、ゾルの粘度、基板回転速度の効果
4. 静止基板上に作製されるゲル膜におけるストライエーションの形成
5. 静止基板上に作製されるゲル膜におけるその場観察
6. ストライエーションの形成機構
7. ストライエーションの形成を抑制するために:溶媒の揮発性の効果
8. おわりに

【ゾル-ゲル法の応用編】
<多孔質モノリス>
第13章 多孔質シリカによるモノリス型液体クロマトグラフィーカラム
1. はじめに
2. 液体クロマトグラフィーの発展と課題
3. シリカ系モノリス型カラム
4. モノリス型カラムの利点と課題
5. バイオ分析、医療関連デバイスへの展開
6. おわりに

<粒子および粉末>
第14章 高純度コロイダルシリカの製法、特性とその応用例
1. はじめに
2. 高純度コロイダルシリカの製造方法
3. 高純度コロイダルシリカの特性
4. 高純度コロイダルシリカの応用例

第15章 固体触媒
1. 固体触媒とその調製
2. 固体触媒のゾル-ゲル法による調製の概略
3. シリカ担持金属触媒における高分散化
4. 階層細孔構造を有する固体触媒
5. おわりに

第16章 ガラス微小球レーザー
1. 球状光共振器の原理
2. 微小球レーザーの研究の歴史
3. テラス微小球の作製とレーザー発振
4. 光ファイバーカプラの作製と励起実験
5. おわりに

<膜およびコーティング>
第17章 光反射防止膜
1. はじめに
2. 膜設計
2.1 透明性
2.2 低反射特性
2.3 光入射角と膜厚設計
3. 膜構成
3.1 単層低反射膜
3.2 多層低反射膜
3.3 多層膜間の界面強度
4. 膜特性
4.1 実用特性
4.2 低反射性
5. おわりに

第18章 自動車用赤外線カットガラス
1. はじめに
2. 赤外線カットガラスの構成
3. 赤外線カット膜
4. おわりに

第19章 自動車窓ガラス用撥水性膜
1. はじめに
2. 持続的な自動車用撥水ガラス
3. 撥水剤および膜構成
4. 高耐久撥水コート
5. PFOA問題
6. おわりに

第20章 ゾル-ゲルマイクロ・ナノパターニング
1. はじめに
2. エンボス法・インプリント法
3. フォトリソグラフィー法
4. ソフトリソグラフィー法
5. 固体表面のエネルギー差を利用する方法
6. チタニアの光触媒作用を利用する方法
7. 電気泳動堆積と撥水-親水パターンを利用する方法
8. 電気流体力学的不安定性を利用したパターニング
9. 光誘起自己組織化を利用したパターニング
10. おわりに

第21章 高誘電率ナノ結晶膜
1. はじめに
2. 高濃度アルコキシド溶液を用いるゾル-ゲル法(高濃度ゾル-ゲル法)
3. BaTiO3ナノ結晶自立膜の作製とその誘電特性
4. おわりに

第22章 エレクトロクロミック膜
1. はじめに
2. ゾル-ゲル法によるエレクトロクロミック膜の作製
2.1 金属アルコキシドを用いるゾル-ゲル法の一般論
2.2 タングステンアルコキシドを用いるゾル-ゲル法によるWO3膜
2.3 タングステンアルコキシドの合成法
2.3.1 W(OR)6の合成
2.3.2 WO(OR)4の合成
2.4 アルコキシド以外を出発原料とするゾル-ゲル法によるWO3膜
2.5 WO3以外のゾル-ゲル法によるEC薄膜
3. おわりに

第23章 スピンオングラス(SOG)
1. はじめに
2. SOGの用途と組成
3. 拡散源としてのSOG
4. 平坦化SOG
5. 低誘電率SOG
6. プラズマ処理によるSOG膜形成

第24章 光触媒膜の窓ガラスへの適用
1. はじめに
2. 光触媒の特徴
2.1 ガラスの汚れ
2.2 光触媒クリーニングガラス(セルフクリーニングガラス)の特性
2.3 その他の特性(空気浄化、抗菌・抗ウィルス性など)
3. 光触媒クリーニングガラスの製造技術
3.1 溶液
3.1.1 光触媒
3.1.2 シリコーンレジン
3.1.3 フィラー
3.1.4 その他固形分
3.1.5 溶媒
3.1.6 溶液に関する留意点
3.2 コーティング
3.2.1 コーティング方法の検討
3.2.2 スプレー法での留意点
3.3 焼成
3.3.1 焼成
3.3.2 冷却時の割れ
4. おわりに

第25章 強誘電体薄膜
1. はじめに
2. 最近の研究例
2.1 高誘電率誘電体薄膜:チタン酸バリウム(BaTiO3)
2.2 非鉛系圧電体薄膜:ビスマス系層状強誘電体(CaBi4Ti4O15)
2.3 マルチフェロイック薄膜:ビスマスフェライト(BiFeO3)
3. おわりに

第26章 ゾル-ゲル法での分散・凝集のコントロールによる色素増感型太陽電池用ナノ結晶多孔質TiO2膜の作製
1. はじめに
2. 光散乱粒子による変換効率の向上
3. TiO2ゾルの乾燥粉末によるナノ粒子凝集とその色素増感太陽電池光電特性変化に関する研究
3.1 TiO2粉末からのTiO2ペーストの準備
3.2 TiO2ゾルからのTiO2ペーストの準備
3.3 調製したペーストの状態
3.4 スクリーン印刷したTiO2透明層の表面
3.5 ペーストから作製した色素増感太陽電池の光電特性
4. 二次粒子から作製するメソ・マクロポーラスTiO2薄膜による色素増感型湿式太陽電池
5. 単分散P-25ペースト重ね塗りによるメソ・マクロポーラス膜の構造制御
6. おわりに

第27章 燃料電池へのゾル-ゲル法の応用
1. はじめに
2. 電解質を作製するためのゾル-ゲル法のポイント
3. プロトン伝導体への応用
4. プロトン伝導性薄膜ガラスの作製
5. イオン液体をプロトン伝導パスにした電解質
6. おわりに

第28章 キャパシタおよびLiイオン二次電池電極材料の開発
1. はじめに
2. カーボンナノ多孔構造制御と電気二重層キャパシタ特性
3. Liイオン二次電池電極材料のナノ構造制御と高速充放電特性
3.1 TiO2/カーボンナノチューブ(CNT)ナノ複合多孔体の合成と充放電特性
3.2 V2O5/多孔カーボンナノ複合体の合成と充放電特性
4. おわりに

<その他の応用>
第29章 銀製品の防錆コーティング
1. はじめに
2. 銀製品の保護膜に要求される特性
3. 有機高分子・無機ハイブリッド塗料
4. ハイブリッド膜の特性
4.1 アルコキシシランの種類と耐溶剤性
4.2 アルコキシシランの種類と耐摩擦性
4.3 アルコキシシランの種類と密着性
4.4 コーティング膜としての硬さ、耐候性
5. おわりに

第30章 ガスバリアコーティング膜
1. はじめに
2. 高分子フィルムへの有機-無機ハイブリッド膜の直接コーティング
2.1 基板の前処理の影響
2.2 耐摩耗性とガスバリア性を兼ね備えた有機-無機ハイブリッドコーティング
2.3 マイクロ波処理による低温緻密化
2.4 生分解性プラスチックへの応用
2.5 その他の例
3. 気相法による無機膜形成と有機-無機ハイブリッドを組み合わせたガスバリアコーティング
3.1 気相法によりSiO2がコーティングされた高分子フィルムへの有機-無機ハイブリッド膜のコーティング
3.2 中間層として有機-無機ハイブリッド膜を用いる場合
4. おわりに

第31章 眼鏡レンズ用ハードコート材料
1. はじめに
2. ゾル-ゲル法によるハードコート材料
3. 眼鏡レンズ用ハードコート材料の構成
4. ハードコート液の調合の注意点
5. ハードコートの塗布方法
6. 塗布条件、塗布環境
7. 高屈折率ハードコート材料
8. 耐衝撃性付与コート材料

第32章 有機-無機ハイブリッド材料の合成と細胞・組織適合性評価
1. はじめに
1.1 ハイブリッドとコンポジット
1.2 有機-無機ハイブリッドの歴史
1.3 医用応用を目指す生体適合ハイブリッドの設計指針
2. オーモシル型ハイブリッド
3. ゼラチン-シロキサン型ハイブリッド
4. キトサン-シロキサン型ハイブリッド
5. おわりに

第33章 固定化酵素担体への応用
1. はじめに
2. 酵素法によるバイオディーゼルの製造
3. シリカモノリスを担体とする固定化リパーゼの開発
4. おわりに
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