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機能性粘土素材の最新動向(普及版)

  • Recent Trend of Functional Clay Materials(Popular Edition)
2010年発行『機能性粘土素材の最新動向』の普及版。各種粘土鉱物の特性から入手法、工業応用史なと、粘土の基礎情報を研究者向けに解説。 吸着剤,触媒,ナノコンポジット、ガスバリア材、医薬品、太陽電池と広がり続ける応用研究を紹介!

商品コード: B1167

  • 監修: 小川誠
  • 発行日: 2016年6月8日
  • 価格(税込): 5,616 円
  • 体裁: B5判、320ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-1109-8

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  • 粘土鉱物の構造と性質 / 粘土鉱物の入手 / 市販品 / 機能性粘土素材の工業応用史 / 粘着剤

刊行にあたって

 粘土とは水を含むと粘性を持つ土の総称である。その主体をなすものは層状ケイ酸塩鉱物で、カオリン鉱物、雲母粘土鉱物、スメクタイトおよび混合層鉱物は粘土中に広く産する典型的な粘土鉱物である。層状ケイ酸塩以外にゼオライトやセピオライトなど層状ではないケイ酸塩、アロフェン、イモゴライトなど非晶質または准晶質粘土も粘土鉱物として取り扱われる。
 粘土はセラミックス原料として古くから人類の生活に関わっており現在も土木建築、石油関連で広く用いられ、工業原料としても紙、塗料等に利用されている。粘土鉱物はイオン交換能、膨潤性、触媒活性に加え、様々な無機有機化合物をゲストとした層間化合物を形成することから化学的にも興味深い物質である。粘土鉱物およびその層間化合物は微粒子であり、安定な懸濁液を形成し、さらに懸濁液を基板上に展開することにより膜化できる例もあるため応用の可能性が広い。実際、粘土鉱物は「千の用途を持つ」と言われるほど様々な用途で用いられている素材である。古くからの用途に加え、樹脂添加物、ペット用等次々と新しい用途が見つかっていることから知れるように、まだ新しい可能性を秘めていることは間違いなさそうである。
 本書の構成であるが、第一編に素材としての利用が期待できる粘土鉱物および粘土鉱物ではないが構造類似性を持つ層状結晶についてその特徴を紹介し、またそれらの入手方法(合成方法)について、できるだけ具体的に紹介した。
 第二編には粘土鉱物の工業的な応用を科学史的に紹介していただいた。はじめて粘土に興味を持った方の中にはこんなに広く多彩に使われてきたのか、と驚かれる方もいるのではないかと想像する。応用例が参考になることもあるものと期待する。
 第三編には最近の研究の中から、工業化された訳ではないが、こんな使い道がありそうだという、応用につながりそうな研究についてのトピックをいくつか取り上げその分野をリードする研究者に執筆をお願いした。ここで紹介する研究例が、読者の領域と融合し、本書が今後のこの分野の発展の足場となればこれも幸いである。
 本書はまだ粘土鉱物を使ったことがない、これから使おうとしている技術者への情報を整理し、この素材を使った研究開発への参入を容易にすることを意図して企画したものである。本書がそのような研究者、技術者の一助となって、この魅力的素材を使い、またその中から素材としての粘土鉱物の潜在能力が引き出され、新たな発見につながれば望外の喜びである。
(「はじめに」より一部抜粋)

2010年3月  早稲田大学 小川 誠

<普及版の刊行にあたって>

 本書は2010年に『機能性粘土素材の最新動向』として刊行されました。普及版の刊行にあたり、内容は当時のままであり加筆・訂正などの手は加えておりませんので、ご了承ください。

2016年6月  シーエムシー出版 編集部

著者一覧

小川誠   早稲田大学 教育学部 地球科学教室;大学院 創造理工学研究科 地球・環境資源理工学専攻 教授
坂本尚史   千葉科学大学 危機管理学部 動物・環境システム学科 教授
鈴木正哉   (独)産業技術総合研究所 地圏資源環境研究部門 地圏化学研究グループ 主任研究員
中西亮介   (独)産業技術総合研究所 サステナブルマテリアル研究部門 メソポーラスセラミックス研究グループ 産総研特別研究員
成田榮一   岩手大学 大学院工学研究科 フロンティア材料機能工学専攻 教授
會澤純雄   岩手大学 大学院工学研究科 フロンティア材料機能工学専攻 助教
立山博   (独)産業技術総合研究所 九州センター 所長
中戸晃之   東京農工大学 大学院生物システム応用科学府 准教授
志々目正高   (株)ボルクレイ・ジャパン 執行役員
皆瀬慎   (株)ホージュン 応用粘土科学研究所 課長
伊藤弘志   クニミネ工業(株) いわき研究所 主任研究員
窪田宗弘   クニミネ工業(株) いわき研究所 研究員
斉木博   コープケミカル(株) 新素材部 部長
太田俊一   トピー工業(株) サイエンス事業部 マイカ部 開発グループ 主幹
宮脇律郎   国立科学博物館 地学研究部 研究主幹鳥居一雄   元:(独)産業技術総合研究所 東北センター 統括研究員
岡田友彦   信州大学 工学部 物質工学科 助教
井出裕介   早稲田大学 教育学部 地球科学教室;大学院 創造理工学研究科 地球・環境資源理工学専攻 助手
田村堅志   (独)物質・材料研究機構 光触媒材料センター 主任研究員
山田裕久   (独)物質・材料研究機構 光触媒材料センター グループリーダー
中山尋量   神戸薬科大学 機能性分子化学研究室 教授
佐藤努   北海道大学 大学院工学研究科 環境循環システム専攻 准教授
蛯名武雄   (独)産業技術総合研究所 コンパクト化学プロセス研究センター教授
川俣純   山口大学 大学院医学系研究科 教授
原口和敏   (財)川村理化学研究所 所長
宮元展義   福岡工業大学 工学部 生命環境科学科 講師
内田聡   東京大学 先端科学技術研究センター 特任准教授
瀬川浩司   東京大学 先端科学技術研究センター 教授 材料プロセッシングチーム長
山崎淳司   早稲田大学 理工学術院 創造理工学部 環境資源工学科 

執筆者の所属表記は、2010年当時のものを使用しております。

目次

【第I編 粘土鉱物の構造と性質】
第1章 スメクタイトとバーミキュライト
1. はじめに
2. 構造と分類
3. スメクタイトの評価
3.1 試料調製
3.2 機器分析
3.3 表面と表面積
3.4 イオン交換とイオン交換容量/電荷密度
4. バーミキュライト
5. タルク、パイロフィライト

第2章 1:1層状ケイ酸塩
1. はじめに
2. 構造と特徴
3. インターカレーション

第3章 セピオライト・パリゴルスカイト
1. はじめに
2. セピオライト
2.1 鉱物学的性質
2.1.1 結晶構造
2.1.2 化学組成
2.1.3 X線回折
2.1.4 熱分析と加熱相変化
2.1.5 赤外吸収スペクトル
2.1.6 電子顕微鏡観察
2.2 産状と成因
2.3 化学的処理などによる変化
3. パリゴルスカイト
3.1 鉱物学的性質
3.1.1 結晶構造
3.1.2 化学組成
3.1.3 X線回折
3.1.4 熱分析と加熱構造変化
3.1.5 赤外吸収スペクトル
3.1.6 電子顕微鏡観察
3.2 産状と成因
3.3 化学的処理などによる変化
4. おわりに

第4章 アロフェン・イモゴライト
1. はじめに
2. アロフェン・イモゴライトの構造
2.1 構造モデル
2.2 形態
2.3 化学組成および密度
2.4 X線回折
2.5 熱分析
2.6 分光分析
3. アロフェン・イモゴライトの性質
3.1 分散凝集挙動
3.2 水蒸気吸着特性
4. おわりに

第5章 層状複水酸化物(ハイドロタルサイト様化合物)
1. はじめに
2. 層状複水酸化物の組成・構造と合成
2.1 組成・構造
2.2 合成
3. 層状複水酸化物への陰イオンのインターカレーション(取り込み)
3.1 無機陰イオン
3.2 有機陰イオン
3.3 生体関連物質
4. 医薬への応用
4.1 薬物の取り込み
4.2 ドラッグ・デリバリー・システム(DDS)への応用
5. おわりに

第6章 雲母
1. はじめに
2. 雲母の結晶構造
3. 雲母の構造式
4. ポリタイプ
5. 雲母の基本的構造特性
6. 層間イオンの種類による構造特性
7. 雲母のイオン交換による構造特性
8. 膨潤性雲母の膨潤特性
9. 雲母のコロイド化学的特性
10. 雲母の熱的特性

第7章 粘土鉱物類似層状結晶
1. はじめに
2. 粘土鉱物類似層状結晶の概観
3. 層状ケイ酸塩―粘土類縁物質からシリカナノ部品へ
4. 層状リン酸塩・ホスホン酸塩―非粘土系の開拓者
5. 層状ニオブ・チタン酸塩―光機能への期待
6. ペロブスカイト型ニオブ・チタン酸塩―光機能性ナノ部品
7. 層状マンガン酸塩―酸化還元活性
8. 層状コバルト酸塩―リチウム電池
9. 層間反応からみた粘土鉱物類似層状結晶の特徴
10. おわりに

第8章 有機修飾
1. はじめに
2. イオン交換
2.1 イオン交換の方法と評価
2.2 有機アンモニウムでイオン交換した粘土(有機修飾粘土)へのインターカレーション
2.3 スメクタイト以外の層状結晶のイオン交換
3. 高分子のインターカレーション
4. 構造中の水酸基の利用
5. まとめ

第9章 粘土鉱物の入手
1. はじめに
2. 粘土鉱物の合成
2.1 スメクタイト
2.2 雲母
2.3 カオリナイト
2.4 その他のケイ酸塩鉱物
2.5 ケイ酸塩以外の層状結晶
3. 評価
4. 粘土鉱物の購入

第10章 市販品
1. (株)ボルクレイ・ジャパン
1.1 ボルクレイ・ベントナイト
1.1.1 ボルクレイ・ベントナイトの概要
1.1.2 鋳型用粘結材としてのボルクレイ・ベントナイト
1.1.3 ボルクレイ・ベントナイトの起源
1.1.4 ボルクレイ・ベントナイト原鉱石の供給社
1.2 ナチュラル・ホワイトスメクタイト
1.2.1 ナチュラル・ホワイトスメクタイトの概要
1.2.2 ナチュラル・ホワイトスメクタイトの用途
1.2.3 チキソトロピー性
1.3 ナノマー(ナノコンポジット用モンモリロナイト)
1.3.1 表面処理
1.3.2 ポリマークレイ・ナノコンポジット
1.3.3 バリア性に与えるナノクレイの効果
1.3.4 難燃性へのナノマー添加効果
1.4 有機ベントナイト クラリオンPM100吸着剤

2. (株)ホージュン
2.1 はじめに
2.2 精製ベントナイト
2.3 有機変成処理モンモリロナイト
2.3.1 有機ベントナイト
2.3.2 アニオン系ポリマー複合モンモリロナイト
2.3.3 シラン処理モンモリロナイト
2.3.4 プロピレンカーボネート複合モンモリロナイト
2.4 有機ベントナイトの新規用途分野

3. クニミネ工業(株)
3.1 はじめに
3.2 製造方法
3.2.1 天然スメクタイト―クニピアF―
3.2.2 合成スメクタイト―スメクトンSA―
3.3 クニピアFとスメクトンSAの特性比較
3.3.1 物理化学特性
3.3.2 流動特性
3.4 おわりに

4. コープケミカル(株)
4.1 はじめに
4.2 合成雲母
4.2.1 インターカレーション法による合成雲母
4.2.2 合成雲母の物性と用途
4.3 合成スメクタイト
4.3.1 水熱合成によるスメクタイト
4.3.2 合成スメクタイトの物性と用途
4.4 有機クレイとしての応用
4.4.1 有機マイカ
4.4.2 有機スメクタイト
4.5 おわりに

5. トピー工業(株)
5.1 合成マイカ
5.2 マイカの種類と特徴
5.3 合成マイカの用途
5.3.1 ガスバリア性フィラー
5.3.2 樹脂充填材
5.3.3 化粧品用体質顔料
5.3.4 パールマイカ顔料
5.3.5 その他

第11章 日本粘土学会標準粘土

【第II編 機能性粘土素材の工業応用史】
1. はじめに
2. フラース・アース、ベントナイト、酸性白土などの膨潤性粘土の歴史
3. 酸性白土の工業応用史
3.1 小林久平博士の酸性白土の研究
3.2 黎明期の石油業界で利用された酸性白土
3.3 小倉石油の興亡
3.4 酸性白土から生まれた早稲田大学の石油工学科
3.5 スメクタイト研究の伝統を築いた早稲田大学
4. 活性白土の工業応用史
4.1 活性白土の登場
4.2 日本における活性白土の企業化の歴史
4.3 活性白土、活性アルミナおよび活性炭の脱色能の比較
4.4 活性白土の応用例
4.4.1 石油精製
4.4.2 油脂工業
4.4.3 石油化学工業
4.5 これから重要性が増す活性白土
5. ベントナイトの工業応用史
5.1 ベントナイトの生産量および使用量
5.2 日米両国におけるベントナイト用途の比較
5.3 鉄鉱石ペレット粘結剤としてのベントナイトの用途
5.4 鋳物用鋳型粘結剤としてのベントナイトの用途
5.5 土木・建築基礎工事用泥水としてのベントナイトの用途
5.6 ボーリング泥水としてのベントナイトの用途
5.7 猫砂としてのベントナイトの用途
5.8 有機ベントナイトの誕生の逸話
5.9 自動車用材料として開発されたナイロン-粘土ハイブリッド
5.10 身の回りで意外に多く使用されているスメクタイト
5.11 ベントナイトは戦略物資
6. 合成ヘクトライトの工業応用史
6.1 プロローグ
6.2 近藤三二名誉会員の一言
6.3 ヘクトライトの工業的合成法の比較
6.4 合成ヘクトライトの実用化の経緯
6.5 17年後の竣工式
6.6 合成ヘクトライトの構造を巧みに修飾して可能としたキラル分子の分割
6.7 エピローグ
7. その他の粘土素材の工業応用史
7.1 FCC触媒に使用されている粘土
7.2 カオリナイトの配向性を巧みに応用した自動車排ガス浄化用ハニカムセラミックス
7.3 自動車の塗料に使用される合成スメクタイトと雲母
7.4 ハイドロタルサイトの誕生
8. おわりに

【第III編 素材としての粘土鉱物応用】
第1章 吸着剤から検出へ
1. はじめに
2. 検出を意識した吸着剤の構造設計
3. 吸着剤から検出へ
3.1 粘土修飾電極による電気化学的検出
3.1.1 電極反応
3.1.2 QCMセンサー
3.2 光学的検出
3.2.1 呈色反応
3.2.2 発光と消光
3.2.3 粘土膜の周期構造の変化
4. まとめ

第2章 触媒担体
1. はじめに
2. イオン担持粘土における構造―触媒機能相関
3. 金属、金属カルコゲン化物微粒子担持粘土
3.1 層間への固定(ピラー化)
3.2 粒子表面への固定
4. 粘土の基材への固定
5. まとめ

第3章 樹脂添加物
1. はじめに
2. 層状珪酸塩・ナノハイブリッド材料への応用
3. 粘土系ポリマーナノコンポジットとその課題
3.1 機械的性質
3.2 ガスバリア性
3.3 難燃性
4. 新しい層状珪酸塩系ポリマーナノコンポジット
4.1 非膨潤性マイカ系ナノコンポジット
4.2 混合層珪酸塩系ナノコンポジット
5. 今後の展望

第4章 光機能
1. はじめに
2. イオン色素の凝集と会合
3. 界面活性剤でイオン交換した粘土への色素の固定
4. 機能
4.1 光吸収特性
4.2 発光
4.3 光化学反応
5. まとめ

第5章 バイオハイブリッド
1. はじめに
1.1 粘土鉱物を含むバイオハイブリッド
1.2 生物由来低分子化合物と粘土鉱物とのハイブリッド(層間化合物)
2. 生物由来高分子とのハイブリッド
2.1 酵素固定とセンサー
2.2 バイオマスとのハイブリッド
3. まとめ

第6章 医薬品への応用
1. はじめに
2. ハイドロタルサイトの医薬品としての利用
3. 医薬品との複合化
3.1 ビスフォスフォネート
3.2 核酸
3.3 アミノ酸およびペプチド
3.4 その他の医薬品
4. まとめ

第7章 環境浄化と汚染防止
1. はじめに
2. 水・土壌浄化材としての粘土
3. 廃棄物処分場における汚染防止のための粘土
4. おわりに

第8章 ガスバリア材
1. はじめに
2. ガスバリアの原理
2.1 他のガスバリア方法との比較
2.2 成膜メカニズム
2.3 利点・欠点
3. 粘土ガスバリア材構成と製膜方法
3.1 無機層(粘土)
3.1.1 種類
3.1.2 粘土の成膜性
3.2 有機層(バインダー)
3.3 溶媒と分散法
3.4 製膜
3.5 剥離
3.6 後加工
4. 性能
4.1 ドライガスバリア性
4.2 水蒸気バリア性
4.3 耐熱性
4.4 光透過性
4.5 柔軟性
4.6 熱膨張
4.7 耐化学薬品性
4.8 機械的強度・伸び
4.9 アンチクラック性
5. おわりに

第9章 高機能性建築材料における粘土鉱物利用
1. 建築材料への要求
2. 建材原料としての粘土鉱物
3. 機能性付与剤としての粘土鉱物利用
4. バーミキュライト複合化建材の特性
4.1 力学的性質
4.2 室内湿度調整機能
4.3 加工性
4.4 防かび性
5. 意匠および廃棄

第10章 精密設計薄膜
1. はじめに
2. 薄膜の作製法
2.1 粘土鉱物-有機化合物ハイブリッド・ラングミュアーブロジェット(LB)膜
2.2 ろ過転写膜
3. 膜中の有機化合物の状態
4. 精密設計薄膜の応用
5. おわりに

第11章 高分子ゲルハイブリッド
1. はじめに
2. 粘土鉱物の分散性とin-situ重合特性
3. ポリマー/クレイネットワーク構造の構築とNCゲルの特性
4. おわりに

第12章 粘土コロイドが形成する液晶とゲル
1. はじめに
2. 異方性粒子コロイドとしての粘土コロイド
2.1 層状結晶の剥離によるコロイドの形成と剥離ナノシートのコロイド粒子としての特徴
2.2 異方性粒子コロイドの相転移とOnsager理論
2.3 異方性粒子コロイドの粘性
2.4 粘土コロイドの実際
3. 層状結晶の剥離ナノシートのコロイドが形成する液晶相
3.1 研究史
3.2 粘土コロイドの液晶相転移
3.3 粘土鉱物類似層状結晶の剥離ナノシートのコロイドが形成する液晶
3.3.1 層状リン酸塩
3.3.2 層状ニオブ・チタン酸塩
3.3.3 層状水酸化物
4. 粘土コロイドのゲル化とそのメカニズム
4.1 粘土コロイドの異常な粘弾性挙動とそのモデル
4.1.1 カードハウスモデル
4.1.2 コロイドガラスモデル
4.2 散乱法によるコロイド構造の検討
4.3 粘土コロイドの粘弾性に対する共存物質の影響
5. おわりに

第13章 ナノクレイ電解質を用いた色素増感太陽電池
1. はじめに
2. 色素増感太陽電池の固体化研究
3. 粘土を電解質に使った色素増感太陽電池
4. ナノクレイ電解質の太陽電池特性
5. おわりに
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