微粒子を水や有機溶媒に分散させた“サスペンション”は様々な分野で使用されています。たとえば、Liイオン二次電池の製造現場では、粉体である活物質や導電剤をバインダーと呼ばれる高分子系添加剤とともに有機系溶媒に分散させたのち、電極上への塗布、乾燥などの操作を経て製造されています。その他にも、身近な各種セラミックス製品や、色素増感型太陽電池の酸化チタン膜なども同様に、粉末を原料に分散剤やバインダーと共に溶媒に分散させ、塗布・乾燥などの工程で経て造られています。得られる塗膜の構造は、粉体の添加方法、溶媒への混合方法、分散剤やバインダーの種類、添加量により大きく左右され、最終製品の特性にも多大な影響を及ぼすことが明らかになっています。我々の研究室では、このような粉体を用いた湿式プロセスにおいて、各操作がどのようにサスペンションの特性や塗膜の構造に影響を及ぼしているのかを、ミクロ／マクロの両視点に基づく評価手法を駆使して明らかにしています。この塗膜構造制御法を体系化する事によって、製造プロセスの高信頼性化や最終製品の機能向上に貢献できると考えています。

Publications

1) Y. Nomura, M. Iijima, H. Kamiya, “Hydrophobic Group Functionalization of Polyethyleneimine for Controlling Dispersion Behavior of Silicon Carbide Nanoparticles in Aqueous Suspension”, J. Am. Ceram. Soc.  95(11) (2012) pp.3448-3454
2) M. Nikaido, S. Furuya, S. Kondo, M. Iijima, H. Kamiya, “TiO2 Supported on Porous Aluminosilicate Prepared in Cationic Surfactant Solution for Acetaldehyde Decomposition with a Protection of Organic Base Materials”, J. Am. Ceram. Soc.  93(7) (2010) pp.2048-2054
3) M. Iijima, N. Sato, I. W. Lenggoro, H. Kamiya, “Surface modification of BaTiO3 particles by silane coupling agents in different solvents and their effect on dielectric properties of BaTiO3/epoxy composites”, Colloids and Surf. A  352 (2009) pp.88-93
4) M. Iijima, M. Tsukada, H. Kamiya, “Effect of surface interaction of silica nanoparticles modified by silane coupling agents on viscosity of methylethylketone suspension”, J. Colloid and Interface Sci.  305 (2007) pp.315-323
5) M. Iijima, M. Tsukada, and H. Kamiya, “Effect of particle size on surface modification of silica nanoparticles by using silane coupling agents and their dispersion stability in methylethylketone”, J. Colloid and Interface Sci.  307 (2007) pp.418-424
6) K. Sato, S. Kondo, M. Tsukada, T. Ishigaki, H. Kamiya, “Influence of Solid Fraction on the Optimum Molecular Weight of Polymer Dispersants in Aqueous TiO2 Nanoparticle Suspensions”, J. Am. Ceram. Soc.  90(11) (2007) pp.3401-3406
7) T. Kakui, T. Miyauchi, H. Kamiya, “Analysis of the action mechanism of polymer dispersant on dense ethanol alumina suspension using colloidal probe AFM”, J. Eur. Ceram. Soc.  25 (2005) pp.655-651
8) T. Kakui, H. Kamiya, “Effect of Sodium Aromatic Sulfonate Group in Anionic Polymer Dispersant on the Viscosity of Coal-Water Mixtures”, Energy & Fuels  18(3) (2004) pp.652-658
9) Y. Fukuda, T. Togahi, Y. Suzuki, M. Naito, H. Kamiya, “Influence of additive content of anionic polymer dispersant on dense alumina suspension viscosity”, Chem .Eng. Sci.  56 (2001) pp.3005-3010

粒子径が数～数10nmのナノ粒子は、そのバルクな固体とは異なる特異な機能を発現します。例えば、金や銀などの金属ナノ粒子は、粒子径やその形状に依存した様々な“色＝光学特性”に変化します。このようなナノ粒子特有の機能を使った新しい材料の開発の試みが進んでいますが、十分にナノ粒子の機能を発現させるためには、材料を造るプロセスで常にナノ粒子の分散安定性を制御する必要があります。これは、ナノ粒子が凝集すると、ナノ粒子特有の機能が大きく低下する事があるからです。我々の研究室では、ナノ粒子の材質や、ナノ粒子を分散させたい媒質種に応じてナノ粒子の表面構造を制御する事でナノ粒子を使った材料の調製プロセスにおける粒子凝集現象の解決を目指しています。ナノ粒子の分散性を保ったまま表面修飾を施す方法の開発、新しい表面修飾剤の設計・開発や、粒子表面構造の設計指針を立てるための基礎データを積み上げています。ハンドリングが難しい機能性ナノ粒子の高い凝集性を解決する事で、機能性ナノ粒子を応用した新材料の設計や製造法確立に貢献できると考えています。

Publications

1) M. Iijima, M. Yamazaki, Y. Nomura, H. Kamiya, “Effect of structure of cationic dispersants on stability of carbon black nanoparticles and further processability through layer-by-layer surface modification”, Chem. Eng. Sci.  85 (2013) pp.30-37
2) M. Iijima, S. Takenouchi, I. W. Lenggoro, H. Kamiya, “Effect of additive ratio of mixed silane alkoxides on reactivity with TiO2 nanoparticle surface and their stability in organic solvents”, Adv. Powder Technol.  22(5) (2011) pp.663-668
3) M. Iijima, H. Kamiya, “Layer-by-Layer Surface Modification of Functional Nanoparticles for Dispersion in Organic Solvents”, Langmuir  26(23) (2010) pp.17943-17948
4) M. Iijima, M. Kobayakawa, H. Kamiya, “Tuning the stability of TiO2 nanoparticles in various solvents by mixed silane alkoxides”, J. Colloid and Interface Sci.  337 (2009) pp.61-65
5) M. Iijima, M. Kobayakawa, M. Yamazaki, Y. Ohta, H. Kamiya, “Anionic Surfactant with Hydrophobic and Hydrophilic Chains for Nanoparticle Dispersion and Shape Memory Polymer Nanocomposites”, J. Am. Chem. Soc.  131 (2009) pp.16342-16343
6) M. Iijima, H. Kamiya, “Surface Modification of Silicon Carbide Nanoparticles by Azo Radical Initiators”, J. Phys. Chem. C  112 (2008) pp.11786-11790

本研究室では、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を応用し、ＡＦＭコロイドプローブ法という手法で粒子間に作用する力の直接測定を行っています。この手法は、ＡＦＭ探針先端に１個粒子を固定化したうえで、平板上に固定化された１個粒子間との接近過程や分離過程において作用する斥力や引力を液中や大気中で測定するものです。たとえば、微粒子が分散したサスペンションの流動特性などのように、無数の粒子の間で様々な相互作用が働くことで発現する現象のメカニズム解明に大きな威力を発揮します。これまでに、サスペンションの流動特性を制御するために添加した分散剤が微粒子表面にどのように吸着し、どのような粒子間斥力を付与しているのかを評価したり、ドラッグデリバリーシステム用の薬剤キャリア微粒子と小腸粘膜模擬平板間の相互作用を評価したりする事で、分散剤の構造設計・添加指針や、薬剤キャリア微粒子の設計指針に役立てています。

Publications

1) M. Iijima, M. Yoshimura, T. Tsuchiya, M. Tsukada, H. Ichikawa, Y. Fukumori, H. Kamiya, “Direct Measurement of Interactions between Stimulation-Responsive Drug Delivery Vehicles and Artificial Mucin Layers by Colloid Probe Atomic Force Microscopy”, Langmuir  24(8) (2008) pp.3987-3992
2) T. Kani, M. Tamonoki, T. Suzuki, M. Tsukada, H. Kamiya, “Influence of surface-adhered nanoparticles and nanoporous structure on particle?particle interaction of silica”, Powder Technol.  176 (2007) pp.99-107

私たちの身の回りの大気中には、様々な粒子が浮遊しています。たばこの煙、自動車の黒煙粒子などの人間の活動によって排出される粒子や、花粉、黄砂などの自然に発生する粒子がそれにあたります。中でも、工場や火力発電所など固定発生源由来の排出粒子にはフィルターなどの集塵機を気相状態で通過し、その後粒子化する凝縮性ナノ粒子が含まれている可能性があります。これらの粒子は肺深部まで進入できると予測されているため、環境汚染物質として見逃す訳にはいきません。我々の研究室では実験室レベルでそれらの粒子を模擬的に発生させたり、煙突出口での排出環境を模擬する希釈器と呼ばれる装置を設計したりすることで、気中に浮遊するナノ粒子の粒子径や濃度の測定法確立を目指しています。また、開発した測定法を実プラントに持ち込み、凝縮性ナノ粒子の排出挙動の調査・解明にも力を入れています。この研究が達成されることで固定発生源から排出される粒子の標準的な計測法の確立及び排出量規制の制定に貢献できると考えています。

Publications

1) M. Tsukada, N. Nishikawa, A. Horikawa, M. Wada, Y. Liu, H. Kamiya, “Emission potential of condensable suspended particulate matter from flue gas of solid waste combustion”, Powder Technol.  180 (2008) pp.140-144
2) ISO 13271 (2012). Stationary source emissions -Determination of PM10/PM2.5 mass concentration in flue gas- Measurement at higher concentrations by use of virtual impactors

石炭、バイオマス、廃棄物を用いた燃焼プラントや高効率発電システムでは、燃焼の際に発生する灰粒子が炉壁や配管などに付着する現象によって熱交換部の伝熱阻害や配管閉塞が発生し、プラントの運転停止など長期安定運転を妨げています。一般に、炉壁や配管などに形成した固着物の化学的及び物理的性質は燃料種により大きく異なることが知られています。また、飛灰の付着・固着機構は燃焼形式、燃焼温度や固着物周辺のガス組成などにより異なることも予測されます。このように様々な因子が複雑に絡んでいるために、灰付着層の生成メカニズムは十分に解明されていません。我々の研究室では、高温下における粉体層の引っ張り破断試験やコンピュータコントロールステージ付のFE-SEMに常圧下で高温熱履歴を灰に与えられる別室ユニットを接続した高分解能灰粒子観察システムにより、灰の付着メカニズムの解明や、付着防止法の検討を行っています。

Publications

1) M. Tsukada, K. Kawashima, H. Yamada, Y. Yao, H. Kamiya, “Analysis of adhesion behavior of waste combustion ash at high temperatures and its control by the addition of coarse particles”, Powder Technol.  180 (2008) pp. 259-264
2) M. Tsukada, H. Yamada, H. Kamiya, “Analysis of biomass combustion ash behavior at elevated temperatures”, Adv. Powder Technol.  14 (2003) pp. 707-717
3) H. Kamiya, A. Kimura, T. Yokoyama, M. Naito, G. Jimbo, “Development of a split-type tensile-strength tester and analysis of mechanism of increase of adhesion behavior of inorganic fine powder bed at high-temperature conditions”, Powder Technol.  127 (2002) pp.239-245
4) H. Kamiya, A. Kimura, M. Tsukada, and M. Naito, “Analysis of the High-Temperature Cohesion Behavior of Ash Particles Using Pure Silica Powders Coated with Alkali Metals”, Energy & Fuels.  16(2) (2002) pp.457-461