コアシェル型BNF–SQモノリスゲル

coreshellgel

低密度のモノリス型多孔体をより簡単に作製するためにさまざまな研究が行われています。ベーマイトナノファイバー(AlOOH、BNF)を分散させた酢酸水溶液にメチルトリメトキシシラン(MTMS)など3官能ケイ素アルコキシドを加えるだけでコアシェル型のモノリス型多孔体が形成されることがわかりました。

BNF-PMSQ_TEMこれまでモノリス型多孔体の作製には、界面活性剤やポリマーなど添加剤で相分離を制御する方法が多くとられていました。添加剤はゲル化後に不要となるため洗浄除去する必要があり、大きなモノリスになればなるほど手間を要するプロセスになります。BNF-ポリメチルシルセスキオキサン(PMSQ)ゲル形成過程においては、BNF表面をPMSQが被覆すると同時に骨格同士が接着します。この過程には分散剤や相分離誘起剤などの添加が不要です。ゲル化後に表面修飾処理を行うわけではなく1段階で反応が終了します。

BNFエアロゲルの光学特性からもわかる通り、BNFはゲル化まで高い液中分散性をたもちます。定量化はできていませんが、このゲルも均質に分散した構造をもっているはずです。コアとなるBNFの量を増やすことによって骨格の割合を増やせば細孔径が小さく、シェルとなるPMSQの量を増やすことによって骨格径を太くするなど、微細構造制御が容易です。MTMS以外のケイ素アルコキシドを出発組成に用いることで、PMSQ以外のシルセスキオキサンをシェルにすることも可能です。このゲルは柔軟性をもつため、わずか数十ナノメートル径しかない骨格を保ったまま蒸発乾燥させることができます。

PMSQ-BNF_ed

応用としては断熱用途が考えられます。熱伝導率測定を行ったところ、大気圧で30 mW m−1 K−1の値を得ました。市販の高性能断熱材に比べて特段よいものではありませんが、低真空中では約12 mW m−1 K−1に下がることがわかりました。これはシリカエアロゲル同等の値であり、水蒸気吸着量の少なさを生かした簡易な真空断熱材としての可能性があります。

BNF–PMSQゲル作製は市販のBNF分散液とMTMSを混ぜるだけなので、誰にでも再現可能です。ナノファイバーを用いたモノリス型ポリマー多孔体の構造制御例はほとんど報告されておらず、異なるナノファイバーやポリマーの組み合わせによってさまざまな組成への展開が考えられます。

論文

  • Gen Hayase, Kazuya Nonomura, Kazuyoshi Kanamori, Ayaka Maeno, Hironori Kaji and Kazuki Nakanishi, “Boehmite Nanofiber–Polymethylsilsesquioxane Core–Shell Porous Monoliths for a Thermal Insulator under Low Vacuum Conditions”, Chem. Mater., published online.
    doi:10.1021/acs.chemmater.6b01010

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