WO2010001679A1 - フッ素化ナノダイヤモンドとその分散液、およびその作製方法 - Google Patents

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    • C01P2006/00Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/80Compositional purity

Definitions

  • the present invention relates to a fluorinated nanodiamond, a dispersion thereof, and a production method thereof, which are useful as precision abrasives, lubricants, heat exchange fluid media, and the like.
  • Diamonds obtained by the impact-pressure explosion method (impact method) using oxygen-deficient explosives such as trinitrotoluene (TNT) and hexogen (RDX) are nanodiamonds (primary particles are extremely small, 4-5 nm).
  • ND depends on its nanoscale particle size, abrasive, lubricant, heat exchange fluid medium, resin, composite material with metal, low dielectric constant film, electronic material such as emitter material, DNA carrier, virus capture carrier, etc. It is expected to be used in a wide range of applications other than normal diamond applications such as in the medical field.
  • ND When ND is industrially used for such a purpose, provision as a dispersion liquid in which ND is dispersed in a liquid with fine particles having an ND of less than 100 nm is required.
  • impurity carbon layers such as non-graphitic and graphite films are fused on the surface of ND fine particles, and ND usually has secondary and tertiary particle sizes of 50 to 7500 nm as called cluster diamond (CD). Since it is manufactured as an aggregate, it is necessary to remove the impurity carbon layer and to crush the aggregate. Further, when handling nano-level order particles dispersed in a solution, the smaller the particles, the easier the aggregation of the particles, and the aggregated particles settle, so it is very difficult to obtain a stable dispersion.
  • CD cluster diamond
  • Non-Patent Document 4 This is because the ND lattice pattern by TEM observation is clear, the non-graphitic carbon on the ND surface is removed by the reaction at high temperature, and the CF group on the ND surface is further removed. It is reported that the surface energy is reduced due to the formation of CF 2 group, CF 3 group and the like.
  • the fluorine content is 5 to 8 by fluorine treatment of reaction temperature: 150, 310, 410, 470 ° C., F 2 / H 2 flow rate ratio: 3/1, reaction time: 48 hours. .6 at. % (Analyzed by EDX) of fluorinated ND has been reported to improve the solubility (dispersibility) in polar solvents such as ethanol as compared to ND before fluorine treatment. (See Patent Document 3 and Non-Patent Document 6.)
  • fluorinated ND has improved dispersibility in a polar solvent than ND before fluorination.
  • the fluorinated ND synthesized at a reaction temperature of 410 ° C. or more Differently, it was mixed and stirred in alcohols such as ethanol, but it was hardly dispersed and it was confirmed that the dispersibility was lower than that of ND before fluorination.
  • fluorinated ND was synthesized by the fluorination method used in Non-Patent Document 3, fluorinated ND synthesized at a reaction temperature of 400 ° C.
  • the present invention is stable without causing precipitation over a long period of at least 120 hours and without increasing the average particle diameter from 20 nm even when alcohols such as ethanol are used as a dispersion medium. It is an object to provide a fluorinated ND that can be dispersed in a dispersion medium and a dispersion of the fluorinated ND.
  • the inventors have adjusted the element ratio of the fluorine element and the oxygen element bonded to the surface of the fluorinated ND within a certain range, so that the fluorine content is higher than that of the conventional fluorinated ND.
  • the dispersibility of fluorinated ND in alcohols such as ethanol is improved, and a dispersion of fluorinated ND that is stable for at least 120 hours or more can be provided without increasing the average particle size.
  • the present inventors have found that the dispersion concentration of can be freely adjusted in the range of 0.01 to 15% by mass, and have reached the present invention.
  • a fluorinated nanodiamond for producing a fluorinated nanodiamond dispersion by dispersing in an alcohol-containing dispersion medium, wherein the element ratio of oxygen to fluorine (O / F)
  • the fluorinated nanodiamond is characterized in that the fluorinated nanodiamond is 0.06 to 0.20.
  • a fluorinated nanodiamond dispersion liquid in which the fluorinated nanodiamond is dispersed in a dispersion medium containing alcohols.
  • a fluorination step of producing fluorinated nanodiamond by reacting nanodiamond with a fluorinating agent, and oxygen and fluorine by oxidizing the fluorinated nanodiamond obtained in the fluorination step The suspension is obtained by mixing an oxidation step of adjusting the element ratio (O / F) to 0.06 to 0.20, a fluorinated nanodiamond obtained in the oxidation step, and a dispersion medium containing alcohols.
  • a method for producing a fluorinated nanodiamond dispersion which is produced by a suspension step to be produced and a classification step for classifying the suspension obtained in the suspension step.
  • the fluorinated ND of the present invention is produced by reacting ND with a fluorinating agent (fluorination step), and the element ratio O / F of oxygen to fluorine is 0.06 or more and 0.20 or less. It is characterized by being.
  • Fluorinating agents include fluorine gas, or gas obtained by diluting fluorine gas with nitrogen, hydrogen, etc., nitrogen trifluoride, dinitrogen tetrafluoride, chlorine trifluoride, bromine trifluoride, iodine pentafluoride, tetrafluoride Carbon, metal fluorides, etc. are selected.
  • the fluorinated ND is generated by a direct reaction with the fluorinating agent or a reaction by fluorine plasma generated from the fluorinating agent.
  • the fluorination reaction of diamond occurs only on the outermost surface of the primary diamond particles, and generates a fluorinated diamond whose surface is covered with fluorine atoms.
  • oxygen-containing functional groups such as oxygen atoms, hydroxyl groups and carboxyl groups.
  • the element ratio O / F of the fluorinated ND is a value calculated by the integrated intensity ratio of the peaks attributed to oxygen and fluorine obtained by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) measurement.
  • XPS X-ray photoelectron spectroscopy
  • the fluorine content of fluorinated ND depends on the primary particle size of ND, so it cannot be generally stated.
  • the primary particle size is all 4 nm and the crystal structure of diamond is an octahedral single crystal.
  • the maximum fluorine content is about 30% by mass relative to the total mass of the diamond particles, and is calculated to be 25% by mass when the particle size is 5 nm.
  • at least about 20% of the surface is preferably fluorinated, and the fluorine content is preferably at least 5% by mass or more.
  • the element ratio O / F and fluorine content of fluorinated ND vary depending on the reaction method and reaction conditions (reaction temperature, reaction time, fluorine gas concentration, etc.), the production conditions cannot be generally specified.
  • reaction temperature is preferably 250 ° C. or higher.
  • the reaction temperature is lower than 250 ° C., only fluorinated ND having an element ratio O / F of 0.20 or more may be obtained. Further, since the reaction time affects the purity of the obtained fluorinated ND, the reaction time is preferably at least 50 hours or more. Since the element ratio O / F decreases as the reaction temperature increases and the reaction time increases, the element ratio O / F of the fluorinated ND obtained by fluorination becomes less than 0.06 (or the element ratio O / F is a value lower than a predetermined value), the element ratio O / F can be adjusted by performing an oxidation treatment after fluorination.
  • oxidation treatment examples include heat treatment in an oxygen-containing atmosphere (for example, dry air), hot water treatment, ultrasonic treatment in an oxidizing agent such as hydrogen peroxide, and the like. It is not specified in order to obtain the effects of the present invention.
  • an oxygen-containing atmosphere for example, dry air
  • hot water treatment hot water treatment
  • ultrasonic treatment in an oxidizing agent such as hydrogen peroxide, and the like.
  • an oxidizing agent such as hydrogen peroxide, and the like.
  • alcohols may be used alone, but they may be used by mixing alcohols as main components with other dispersion media.
  • the effect of the present invention is not limited by the type of alcohol used as a dispersion medium for fluorinated ND.
  • the alcohol selected is preferably liquid at room temperature, and an alcohol having a viscosity at 20 ° C. of 4 cP or less is particularly preferable.
  • a lower alcohol having 5 or less carbon atoms is selected.
  • the lower alcohol having 5 or less carbon atoms include methanol, ethanol, isopropyl alcohol, butanol and the like, and fluorine-containing alcohols such as tetrafluoropropanol. These alcohols can be used alone or in combination of two or more.
  • the dispersion of fluorinated ND can be prepared by a mixing process in which fluorinated ND and alcohol are mixed and subjected to ultrasonic irradiation with an ultrasonic homogenizer. Depending on the fluorination conditions, aggregates contained in ND before fluorination may not be completely removed, which causes an increase in the average particle size. In this case, fluorinated ND and alcohol are mixed, A dispersion can be prepared by preparing a suspension (suspension step) by mixing by ultrasonic irradiation with an ultrasonic homogenizer, and then classifying (classifying step) by centrifugation or the like.
  • the ultrasonic irradiation output is preferably 400 W or more. Although it is considered possible to disperse or suspend fluorinated ND even when the irradiation power is less than 400 W, it is necessary to lengthen the treatment time when the irradiation power is reduced. In order not to cause precipitation, it is necessary to irradiate for 10 hours or more, and for an irradiation output of 80 W, irradiation for 48 hours is required. In addition, if the processing time of an ultrasonic wave is 400 W or more of irradiation output, the objective of this invention can fully be achieved by ultrasonic processing for 1 hour.
  • the suspension after ultrasonic irradiation is classified by centrifugation at a relative centrifugal acceleration of 3500 G to 6000 G. Is preferred.
  • the relative centrifugal acceleration is less than 3500 G, the aggregate of fluorinated ND cannot be completely removed, and the average particle size may increase.
  • fluorinated ND having a particle size of 20 nm or less is also precipitated and removed, which may reduce the dispersion concentration of fluorinated ND.
  • the processing time for centrifugation varies depending on the relative centrifugal acceleration, the capacity of the centrifuge tube to be used, and the like. However, for example, when a 50 ml centrifuge tube is used, the relative centrifugal acceleration is 4500G and the relative centrifugal speed is 0.5 h. An acceleration of 6000 G is sufficient for 0.1 h.
  • Heated ND manufactured by Gansu Lingyun Material Co., Ltd., nano diamond refined powder, particle size: 3-20 nm, distributor: New Metals End Chemicals Corporation
  • the water contained in was removed.
  • 20 g of ND that had been subjected to the drying treatment was placed in a nickel reaction tube, and fluorine gas was supplied at a flow rate of 20 ml / min and argon gas at a flow rate of 380 ml / min.
  • the sample was heated to a target temperature, and the circulation of argon gas and fluorine gas was continued for a certain time, and ND and fluorine gas were reacted to produce fluorinated ND.
  • the O / F of the produced fluorinated ND was measured using an X-ray photoelectron spectrometer (JPS-9010, manufactured by JEOL Ltd., X-ray source: MgK ⁇ , acceleration voltage: 10 kV, emission current: 10 mA) and oxygen (527 to 543 eV) and fluorine (677 to 695 eV), and the fluorine content was measured by elemental analysis.
  • Table 1 shows the conditions for the fluorination treatment, the element ratio O / F of the fluorinated ND, and the fluorine content.
  • VCX-750 homogenizer
  • the obtained suspension was allowed to stand for 48 hours, and then subjected to a classification treatment with a centrifuge (CN-2060, manufactured by HSIANGTAI) at a rotation speed of 4000 rpm for 20 minutes, and the supernatant after centrifugation was collected and dispersed. A liquid was obtained.
  • a centrifuge CN-2060, manufactured by HSIANGTAI
  • ⁇ Performance evaluation> The obtained dispersion was allowed to stand for 120 hours, and then particle size distribution measurement and concentration measurement were performed.
  • Table 2 shows the measurement results of the average particle diameter and the dispersion particle concentration of the dispersion.
  • the average particle size is measured using a particle size distribution measuring instrument (FPAR1000, manufactured by Otsuka Electronics Co., Ltd.) by a dynamic light scattering method, and the frequency for each particle size is converted from the mass converted particle size distribution converted by the mass of the dispersed particles.
  • the calculated value was adopted, and the dispersion particle concentration was measured by weighing 10 g of the dispersion, drying at 50 ° C. with a dryer to remove the dispersion medium, and then weighing the mass of the remaining particles to calculate the dispersion particle concentration.
  • the element ratio O / F of the fluorinated ND is 0.06 or more and 0.20 or less, and even in the dispersion liquid after standing for 120 hours.
  • the average particle diameter of the fluorinated ND was 20 nm or less, and the content was in the range of 0.01 to 15% by mass. Therefore, it can be said that the fluorinated NDs of Examples 1 to 5 were stably dispersed in ethanol at a dispersion concentration of 0.01 to 15% by mass without impairing the characteristics as a nanoscale material due to an increase in the average particle diameter. .
  • Comparative Example 1 the elemental ratio O / F of fluorinated ND was as large as 0.38, aggregation of fluorinated ND occurred, and the average particle size of fluorinated ND in the dispersion after standing for 120 hours was 285 nm. The content was 0.05% by mass.
  • Comparative Example 2 the element ratio O / F of the fluorinated ND is as small as 0.02, the fluorinated ND is not dispersed in ethanol, and the average particles of the fluorinated ND in the dispersion after standing for 120 hours Neither diameter nor content was detectable.
  • the fluorinated ND can convert alcohols over a long period of at least 120 hours.
  • a dispersion liquid stably dispersed in the contained dispersion medium can be prepared and stored, and the content of fluorinated ND in the dispersion liquid can be freely adjusted in the range of 0.01 to 15% by mass.

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Abstract

 本発明によれば、酸素とフッ素との元素比(O/F)が0.06~0.20であることを特徴とするフッ素化ナノダイヤモンド、そのフッ素化ナノダイヤモンドをアルコール類を含有する分散媒に分散させたフッ素化ナノダイヤモンド分散液、およびそのフッ素化ナノダイヤモンド分散液の作製方法が提供される。

Description

フッ素化ナノダイヤモンドとその分散液、およびその作製方法
 本発明は、精密研磨剤、潤滑剤、熱交換流動媒体などとして有用な、フッ素化ナノダイヤモンドとその分散液、およびその作製方法に関する。
 トリニトロトルエン(TNT)、ヘキソゲン(RDX)などの酸素欠乏型爆薬を用いた衝撃加圧の爆射法(衝撃法)により得られたダイヤモンドは、一次粒子が4~5nmと極めて小さいためナノダイヤモンド(ND)と呼ばれている。NDはそのナノスケールの粒子径により、研磨剤、潤滑剤、熱交換流動媒体、樹脂、金属などとの複合材料、低誘電率膜、エミッター材などの電子材料、DNA担体、ウイルス捕捉用担体などの医療分野など、通常のダイヤモンドの用途以外にも広範囲な用途での利用が期待されている。NDを、このような用途を目的として工業的に利用する場合に、NDが100nm未満の微細な粒子で液体中に分散した分散液としての提供が求められる。しかし、ND微粒子表面には、非黒鉛質、黒鉛質皮膜などの不純物炭素層が融着し、クラスターダイヤモンド(CD)とも呼ばれるように、NDは通常、粒子径が50~7500nmの二次、三次凝集体として製造されているため、不純物炭素層の除去、凝集体の解砕を行う必要がある。また、ナノレベルオーダーの粒子を溶液中に分散して取り扱う場合、粒子が小さいほど粒子同士の凝集が起こりやすく、凝集した粒子が沈降するため、安定な分散液を得ることは非常に難しい。
 そのため、これらの問題の解決策として、ビーズミル湿式解砕機や超音波ホモジナイザーなどで、液体中に一次粒子のNDのまま安定に分散させる方法が種々検討されている。(特許文献1、特許文献2参照。)
 また、NDの二次、三次凝集体(CD)の解砕を目的に、CDとフッ素ガスとを反応させる方法も報告されている。例えば、CDを反応温度:300~500℃、フッ素ガス圧:0.1MPa、反応時間:5~10日にてフッ素と接触させると、ダイヤモンド構造を保持したままで、F/Cモル比が0.2程度(XPS、元素分析)のフッ素化CDが得られる。(非特許文献3参照)このフッ素処理により、二次粒子径が約40μmのCDは、その凝集が部分的に解けて200nm程度になることがTEMにより観測されている。また、CDの摩擦係数は、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)との混合粉末での回転式摩擦試験により、著しく低下することが確認されている。(非特許文献4参照。)これは、TEM観察によるNDの格子模様が明瞭になっていることから、高温での反応によりND表面の非黒鉛質炭素が除去され、更にND表面のCF基、CF2基、CF3基等の形成により表面エネルギーが低下したためと報告されている。(非特許文献5参照。)また、反応温度:150、310、410、470℃、F2/H2流量比:3/1、反応時間:48時間のフッ素処理により、フッ素含有量5~8.6at.%(EDXによる分析)のフッ素化NDを合成したことにより、フッ素処理前のNDよりもエタノールなどの極性溶媒に対する溶解性(分散性)が向上する結果も報告されている。(特許文献3、非特許文献6参照。)
特開2005-1983号公報 特開2005-97375号公報 US2005/0158549A1号明細書
大澤映二:砥粒加工学会誌,47,414(2003) 「ナノカーボンハンドブック」、株式会社エヌ・ティー・エス発行、p.716-726 大井辰巳、米本暁子、川崎晋司、沖野不二雄、東原秀和:第26回フッ素化学討論会要旨集(2002年11月)、p.24-25 米本暁子、大井辰巳、川崎晋司、沖野不二雄、片岡文昭、大澤映二、東原秀和:日本化学会第83回春季年会予稿集(2003年3月)、p.101 H.Touhara, K.Komatsu, T.Ohi,A.Yonemoto, S.Kawasaki, F.Okino and H.Kataura: Third French-Japanese Seminar on Fluorine in Inorganic Chemistry and Electrochemistry(April,2003) Y.Liu, Z.Gu, J.L.Margrave, and V.Khabashesku; Chem. Mater. 16, 3924(2004)
 上記背景技術で記したように、フッ素化NDは極性溶媒への分散性がフッ素化前のNDよりも向上することが報告されている。しかし、本発明者らは、特許文献3及び非特許文献6に記載されている条件でフッ素化NDを合成したところ、410℃以上の反応温度で合成したフッ素化NDは、これらの報告とは異なり、エタノールなどアルコール類へ混合、攪拌したが、ほとんど分散せず、分散性がフッ素化前のNDよりも低下していることを確認した。非特許文献3で用いられているフッ素化方法でフッ素化NDを合成した場合でも、400℃以上の反応温度で合成したフッ素化NDはアルコールへ混合、攪拌したが、フッ素化NDが沈殿し、アルコールに分散した分散液を得られず、分散性がフッ素化前のNDよりも低下していることを確認した。一方、200℃未満のフッ素化温度で合成したフッ素化NDは、エタノールなどのアルコール類には分散するものの、フッ素化NDが凝集体の状態で分散し、得られる分散液の平均粒径が数百nm以上と非常に大きくなるため、ナノレベルオーダーの材料としての特徴を活かせない。
 上記に鑑み、本発明は、エタノールなどのアルコール類を分散媒として用いても、少なくとも120時間以上の長期に渡って沈殿を生じることなく、また平均粒子径を20nmより増大させることなく、安定に分散媒中に分散できるフッ素化NDおよびそのフッ素化NDの分散液を提供することを目的とする。
 本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、フッ素化NDの表面に結合しているフッ素元素と酸素元素の元素比を一定の範囲で調整することで、従来のフッ素化NDに比べ、フッ素化NDのエタノールなどのアルコール類への分散性が向上し、平均粒子径を増大させることなく、少なくとも120時間以上の長期に渡って安定なフッ素化NDの分散液を提供でき、またフッ素化NDの分散濃度を0.01~15質量%の範囲で自由に調整可能であることを見出し、本発明に至ったものである。
 すなわち、本発明によれば、アルコール類を含有する分散媒に分散させてフッ素化ナノダイヤモンド分散液を作製するためのフッ素化ナノダイヤモンドであって、酸素とフッ素との元素比(O/F)が0.06~0.20であることを特徴とするフッ素化ナノダイヤモンドが提供される。
 また、本発明によれば、該フッ素化ナノダイヤモンドを、アルコール類を含有する分散媒に分散させたフッ素化ナノダイヤモンド分散液が提供される。
 さらに、本発明によれば、ナノダイヤモンドとフッ素化剤を反応させてフッ素化ナノダイヤモンドを作製するフッ素化工程と、該フッ素化工程で得られるフッ素化ナノダイヤモンドを酸化処理することにより酸素とフッ素との元素比(O/F)を0.06~0.20に調整する酸化工程と、該酸化工程で得られるフッ素化ナノダイヤモンドとアルコール類を含有する分散媒を混合して懸濁液を作製する懸濁工程と、該懸濁工程で得られる懸濁液を分級する分級工程で作製されることを特徴とする、フッ素化ナノダイヤモンド分散液の作製方法が提供される。
 以下、本発明について詳細に説明する。
 本発明のフッ素化NDは、NDとフッ素化剤を反応させてフッ素化すること(フッ素化工程)により生成され、酸素とフッ素との元素比O/Fが0.06以上、0.20以下であることを特徴とする。
 フッ素化剤としてはフッ素ガス、あるいはフッ素ガスを窒素や水素などで希釈したガス、三フッ化窒素、四フッ化二窒素、三フッ化塩素、三フッ化臭素、五フッ化ヨウ素、四フッ化炭素、金属のフッ化物などが選択される。フッ素化NDは、フッ素化剤との直接反応、あるいはフッ素化剤から発生したフッ素プラズマによる反応などにより生成される。一般的にダイヤモンドのフッ素化反応はダイヤモンド一次粒子の最表面のみで起こり、表面がフッ素原子で覆われたフッ素化ダイヤモンドを生成する。得られるフッ素化ダイヤモンドの表面において、フッ素原子で覆われていない表面の一部は、酸素原子や、ヒドロキシル基やカルボキシル基などの酸素含有官能基で覆われている。
 本発明において、フッ素化NDの元素比O/Fは、X線光電子分光(XPS)測定によって得られる酸素、フッ素に帰属されるピークの、積分強度比によって算出される値とする。フッ素化NDはアルコールに分散する際、溶媒和した状態で分散するが、フッ素化NDの元素比O/Fが0.06未満では、フッ素化NDとアルコールとの親和性の低下により、溶媒和が形成されず、フッ素化NDの分散液が得られない。一方、フッ素化NDの元素比O/Fが0.20を超える場合、フッ素化ND粒子同士の凝集力が高くなり、フッ素化ND粒子が再凝集し、最悪の場合、沈殿を発生させるため、長時間安定な分散液を得ることが出来ない。
 フッ素化NDのフッ素含有量は、NDの一次粒子の粒径によるため、一概にはいえないが、例えば一次粒子の粒径がすべて4nmで、ダイヤモンドの結晶構造が、八面体型の単結晶であると仮定した場合、最大フッ素含有量はダイヤモンド粒子の全質量に対して約30質量%となり、粒径が5nmでは25質量%と算出される。フッ素化による分散効果を得るためには、少なくとも表面の20%程度がフッ素化されていることが好ましく、フッ素含有量は少なくとも5質量%以上であることが好ましい。
 フッ素化NDの元素比O/F、フッ素含有量は、反応方法や反応条件(反応温度、反応時間、フッ素ガス濃度など)によって変化するため、その作製条件を一概に特定は出来ないが、例えば希釈フッ素ガス(5体積%、希釈ガス:アルゴン)とNDとの直接反応の場合、反応温度400℃で140時間反応することにより、元素比O/F:0.06、フッ素含有量:12質量%のフッ素化NDが得られる。このようなフッ素ガスとの直接反応によるNDのフッ素化方法においては、反応温度は250℃以上が好ましい。反応温度が250℃より低いと元素比O/Fが0.20以上のフッ素化NDしか得られない可能性がある。また反応時間は得られるフッ素化NDの純度に影響するため、反応時間は少なくとも50時間以上が好ましい。反応温度の上昇、反応時間の増大と共に元素比O/Fが低下するため、フッ素化によって得られたフッ素化NDの元素比O/Fが0.06未満となった場合(あるいは、元素比O/Fが所定の値より低い値の場合)、フッ素化後に酸化処理を行うことにより元素比O/Fを調整することができる。この酸化処理としては酸素含有雰囲気下(例えば乾燥空気など)での熱処理、熱水処理、過酸化水素水などの酸化剤中での超音波処理などが挙げられるが、酸化処理の方法自体は、本発明の効果を得るために特定されるものではない。例えば、上記反応条件によるフッ素化方法で得られるフッ素化NDの元素比O/F(この場合、0.06)を調整するため、酸化処理方法として酸素含有雰囲気下での熱処理する場合、窒素/空気流量比:5/1、温度:400℃、時間:12時間で処理すると元素比O/F:0.15のフッ素化NDが得られる。
 フッ素化NDの分散媒としては、アルコール類を単独で使用してもよいが、アルコール類を主成分として他の分散媒と混合して使用してもよい。本発明の効果はフッ素化NDの分散媒として用いるアルコール類の種類によって限定されることはない。しかし、常温で分散液を作製し、その分散液を使用する場合、選択されるアルコール類が常温で液体であり、また20℃における粘度が4cP以下のアルコールを用いることが好ましく、特に好ましくは、炭素数5以下の低級アルコール類が選択される。炭素数5以下の低級アルコール類として、具体的には、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ブタノールなどの他、テトラフルオロプロパノールなどの含フッ素系アルコール類なども挙げられる。これらアルコール類は単独であるいは2種類以上を組み合わせて用いることができる。
 フッ素化NDの分散液は、フッ素化NDとアルコールを混ぜ、超音波ホモジナイザーによる超音波照射等を行う混合処理により作製できる。フッ素化条件によっては、フッ素化前のNDに含有される凝集体が完全に除去できていない場合があり、平均粒子径を増大させる原因となるため、この場合、フッ素化NDとアルコールを混ぜ、超音波ホモジナイザーによる超音波照射等により混合することにより懸濁液を作製(懸濁工程)した後、遠心分離等により分級(分級工程)することにより分散液を作製できる。
 混合処理あるいは懸濁工程において、超音波の照射出力は400W以上であることが好ましい。照射出力が400W未満でも、フッ素化NDを分散あるいは懸濁することは可能であると考えられるが、照射出力が低下すると処理時間を長くする必要があり、例えば照射出力200Wでは、フッ素化NDの沈殿を生じさせないためには10時間以上照射する必要があり、照射出力80Wでは48時間の照射が必要となる。なお、超音波の処理時間は、照射出力400W以上であれば1時間の超音波処理で本発明の目的を十分に達成できる。
 遠心分離による分級工程において、平均粒子径20nm以下のフッ素化NDからなる分散液を得るには、超音波照射後の懸濁液を相対遠心加速度が3500G~6000Gの遠心分離による分級処理を行うことが好ましい。相対遠心加速度が3500G未満の場合、フッ素化NDの凝集体が完全に除去できず、平均粒子径を増大する可能性がある。また、6000Gより高い相対遠心加速度で処理した場合、粒径20nm以下のフッ素化NDも沈殿して除去され、フッ素化NDの分散濃度が低下する可能性がある。なお、遠心分離の処理時間は、相対遠心加速度、使用する遠沈管の容量などによって異なるため、限定できないが、例えば、50mlの遠沈管を用いた場合、相対遠心加速度4500Gで0.5h、相対遠心加速度6000Gで0.1hで十分である。
 以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
 下記の手順により、フッ素化NDの分散液(実施例1~5、比較例1、2)を作製し、その性能を評価した。
 <フッ素化>
 ND(甘粛凌云納米材料有限公司製、ナノダイヤモンド精製粉、粒径:3~20nm、販売代理店:(株)ニューメタルス エンド ケミカルス コーポレーション)を圧力1kPaで3時間、400℃に加熱して、NDに含まれる水分を除去した。乾燥処理を行ったNDを20g、ニッケル製の反応管に入れ、これに20℃で、フッ素ガスを流量20ml/min、アルゴンガスを流量380ml/minで流通した。そして、試料を目的の温度に加熱し、一定時間アルゴンガスとフッ素ガスの流通を継続し、NDとフッ素ガスを反応させ、フッ素化NDを作製した。作製したフッ素化NDのO/Fは、X線光電子分光装置(JPS-9010、日本電子株式会社製、X線源:MgKα、加速電圧:10kV、エミッション電流:10mA)を用い、酸素(527~543eV)、フッ素(677~695eV)に出現するピークの積分強度比により算出し、フッ素含有量は元素分析により測定した。フッ素化処理の条件及び、フッ素化NDの元素比O/F、フッ素含有量を表1に示す。
 <熱処理>
 元素比O/Fを調整するため、高温電気炉(ETR-11K、いすゞ製作所社製)で実施例2、3、5の試料に熱処理を施した。熱処理は、窒素を流量3L/min、空気を流量0.6L/minでフローさせ、処理温度:400℃(実施例2、3)及び450℃(実施例5)、処理時間:12時間で行った。熱処理後のフッ素化NDの元素比O/F及びフッ素含有量を表1に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 <分散液の作製>
 フッ素化後の試料(実施例1、4、比較例1、2)及びフッ素化後に熱処理を行った試料(実施例2、3、5)をそれぞれ、エタノール300mlに2.4g投入し、超音波ホモジナイザー(VCX-750、Sonics&materials社製)によって、出力700Wの超音波照射を0.5時間行い、フッ素化NDが分散した懸濁液を作製した。次に、得られた懸濁液を48時間静置した後、遠心機(CN-2060、HSIANGTAI社製)により、回転数4000rpmで20min分級処理し、遠心分離後の上澄み液を採取して分散液を得た。
 <性能評価>
 得られた分散液を120時間静置した後、粒度分布測定と濃度測定を行った。分散液の平均粒子径および、分散粒子濃度の測定結果を表2に示す。なお、平均粒子径は、動的光散乱法による粒度分布測定器(FPAR1000、大塚電子製)を用いて測定を行い、粒子径毎の頻度を分散粒子の質量によって換算した質量換算粒度分布から、算出される値を採用し、分散粒子濃度は、分散液を10g秤量し、乾燥機により50℃で乾燥して分散媒を除去後、残存した粒子の質量を秤量し分散粒子濃度を算出した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 表1および表2に示されるように、実施例1~5では、フッ素化NDの元素比O/Fが0.06以上、0.20以下であり、120時間静置後においても分散液中におけるフッ素化NDの平均粒子径は20nm以下、含有量は0.01~15質量%の範囲にあった。従って、実施例1~5のフッ素化NDは、平均粒子径の増大によりナノスケール材料としての特徴を損なうことなく、0.01~15質量%の分散濃度でエタノール中に安定に分散したと言える。一方、比較例1では、フッ素化NDの元素比O/Fが0.38と大きく、フッ素化NDの凝集が起こり、120時間静置後の分散液中におけるフッ素化NDの平均粒子径は285nm、含有量は0.05質量%となった。また、比較例2では、フッ素化NDの元素比O/Fが0.02と小さく、フッ素化NDはエタノール中に分散せず、120時間静置後の分散液中におけるフッ素化NDの平均粒子径、含有量は何れも検出不能であった。
 以上より、本発明によれば、フッ素化NDの元素比O/Fを0.06以上、0.20以下に調整することにより、少なくとも120時間以上の長期に渡ってフッ素化NDがアルコール類を含有する分散媒中に安定に分散した分散液を作製・保存することができ、分散液中のフッ素化NDの含有量を0.01~15質量%の範囲で自由に調整することができる。
 本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形・変更を含むものである。

Claims (6)

  1. アルコール類を含有する分散媒に分散させてフッ素化ナノダイヤモンド分散液を作製するためのフッ素化ナノダイヤモンドであって、酸素とフッ素との元素比(O/F)が0.06~0.20であることを特徴とするフッ素化ナノダイヤモンド。
  2. 請求項1に記載のフッ素化ナノダイヤモンドを、アルコール類を含有する分散媒に分散させたフッ素化ナノダイヤモンド分散液。
  3. 分散媒はアルコール類単独であることを特徴とする請求項2に記載のフッ素化ナノダイヤモンド分散液。
  4. アルコール類は、常温で液体であり、20℃における粘度が4cP以下である、炭素数5以下の低級アルコール類及び/又は含フッ素系アルコール類であることを特徴とする、請求項2又は3に記載のフッ素化ナノダイヤモンド分散液。
  5. ナノダイヤモンドとフッ素化剤を反応させてフッ素化ナノダイヤモンドを作製するフッ素化工程と、該フッ素化工程で得られるフッ素化ナノダイヤモンドを酸化処理することにより酸素とフッ素との元素比(O/F)を0.06~0.20に調整する酸化工程と、該酸化工程で得られるフッ素化ナノダイヤモンドとアルコール類を含有する分散媒を混合して懸濁液を作製する懸濁工程と、該懸濁工程で得られる懸濁液を分級する分級工程で作製されることを特徴とする、請求項2に記載のフッ素化ナノダイヤモンド分散液の作製方法。
  6. 酸化処理は、酸素含有雰囲気下での熱処理、熱水処理、酸化剤中での超音波処理のいずれかであることを特徴とする、請求項5に記載のフッ素化ナノダイヤモンド分散液の作製方法。
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