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JP7645758B2 - Evaluation method for surface treatment fillers - Google Patents
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Description

本発明は、表面処理フィラーの新規な評価方法に関するものである。詳しくは、粒子の表面電位を走査型プローブ顕微鏡により測定することにより、表面処理フィラーの樹脂への充填性を評価する方法に関するものである。 The present invention relates to a new method for evaluating surface-treated fillers. More specifically, the present invention relates to a method for evaluating the filling ability of surface-treated fillers into resins by measuring the surface potential of the particles using a scanning probe microscope.

無機フィラーと樹脂とを複合化した樹脂複合材料は、幅広い分野で使用されている。その際、無機フィラーと樹脂とのなじみを向上させることを目的として、表面処理を行った無機フィラー(表面処理フィラー)を使用することが一般的である。表面処理を行うことにより、無機フィラーの樹脂への充填性が向上し、無機フィラーを樹脂中に均一に分散させた樹脂複合材料を製造することが容易となる。 Resin composite materials, which are made by combining inorganic fillers with resins, are used in a wide range of fields. In order to improve the compatibility between the inorganic filler and the resin, it is common to use inorganic fillers that have been surface-treated (surface-treated fillers). By performing surface treatment, the filling ability of the inorganic filler into the resin is improved, making it easier to manufacture resin composite materials in which the inorganic filler is uniformly dispersed in the resin.

無機フィラーの表面処理は、表面処理がされていない無機フィラー(未処理フィラー)と表面処理剤とを反応させることで、粒子の表面に表面処理剤由来の被覆物が形成されることで得られる。 Surface treatment of inorganic fillers is achieved by reacting untreated inorganic fillers (untreated fillers) with a surface treatment agent, forming a coating derived from the surface treatment agent on the particle surfaces.

ここで、表面処理操作を行った場合でも、適切な表面処理がなされない場合、例えば、被覆物の分布が不均一で、表面処理フィラーの粒子表面に十分な表面処理がされていない部位が存在する場合には、表面処理フィラーの樹脂への充填性が十分向上しない場合がある。そのため、表面処理フィラーの製造においては、得られる表面処理フィラーの表面処理が適切に行われているかどうかを確認すること、特には被覆物の均一性に考慮した評価を行うことが、表面処理条件の検討や品質管理などの場面で重要になる。 Even if a surface treatment operation is performed, if the surface treatment is not performed appropriately, for example, if the distribution of the coating is uneven and there are areas on the particle surface of the surface-treated filler that have not been sufficiently surface-treated, the filling ability of the surface-treated filler into the resin may not be sufficiently improved. Therefore, in the production of surface-treated fillers, it is important to check whether the surface treatment of the resulting surface-treated filler has been performed appropriately, and in particular to evaluate the uniformity of the coating, when considering surface treatment conditions and quality control.

表面処理フィラーの表面処理状態を評価することが方法としては、例えば、特許文献1~3の方法が提案されている。 Methods proposed for evaluating the surface treatment state of surface-treated fillers include those in Patent Documents 1 to 3, for example.

特許文献1では、表面処理フィラーを加熱して有機物である表面処理剤由来の被覆物を燃焼させ、その際の熱的変化を測定することで表面処理フィラーの表面処理状態を評価する方法が開示されている。 Patent document 1 discloses a method for evaluating the surface treatment state of a surface-treated filler by heating the surface-treated filler to burn off the coating derived from the surface treatment agent, which is an organic substance, and measuring the thermal changes that occur during this process.

特許文献2では、表面処理フィラー(水酸化マグネシウム)の懸濁液に酸を滴下した際のpHの変化を観測することにより、表面処理状態を評価する方法が開示されている。この方法では、表面処理が均一で粒子の露出表面が少ないほどpHの低下速度が速くなるため、被覆状態を正確に評価できるとされている。 Patent Document 2 discloses a method for evaluating the surface treatment state by observing the change in pH when acid is dropped into a suspension of a surface-treated filler (magnesium hydroxide). With this method, it is said that the more uniform the surface treatment and the less exposed surface of the particles, the faster the rate of pH decrease, making it possible to accurately evaluate the coating state.

特許文献3では、シランカップリング剤(表面処理剤)による表面処理が施された表面処理フィラーをアルコール中に浸漬することで、シランカップリング剤中のアルコキシ基を有するアルコール生成させ、これをガスクロマトグラフ分析により定量することで、粒子とシランカップリング剤との反応過程・反応率を定量的に精度良く評価することができるとされている。 In Patent Document 3, it is said that by immersing a surface-treated filler that has been surface-treated with a silane coupling agent (surface treatment agent) in alcohol, an alcohol containing the alkoxy group in the silane coupling agent is generated, and by quantifying this through gas chromatographic analysis, it is possible to quantitatively and accurately evaluate the reaction process and reaction rate between the particles and the silane coupling agent.

しかしながら特許文献1~3のような従来の評価方法では、単一の表面処理粒子における被覆物の分布を評価することは困難であり、被覆物の均一性の評価には不十分であった。そのため、これまでは表面処理フィラーの充填性を高い精度で知るためには、実際に樹脂に充填するしかなく、樹脂を変更した場合には再度評価を行うことが必要になるなど、評価に手間がかかっていた。 However, with conventional evaluation methods such as those described in Patent Documents 1 to 3, it is difficult to evaluate the distribution of the coating on a single surface-treated particle, and they are insufficient for evaluating the uniformity of the coating. Therefore, in the past, the only way to know the filling property of a surface-treated filler with high accuracy was to actually fill it into a resin, and if the resin was changed, it was necessary to perform the evaluation again, which was time-consuming.

特開2001-85806号公報JP 2001-85806 A 特開2003-83950号公報JP 2003-83950 A 特開2004-108932号公報JP 2004-108932 A

前記のように、従来の表面処理フィラーの評価方法では、粒子表面における被覆物の均一性を考慮した充填性の評価を十分に行うことが困難であり、簡便かつ高精度で表面処理フィラーの充填性を評価することは困難であった。そこで本発明では、簡便かつ高精度な表面処理フィラーの評価方法を提供することを課題とする。 As described above, with conventional methods for evaluating surface-treated fillers, it is difficult to adequately evaluate the filling property while taking into account the uniformity of the coating on the particle surface, and it is difficult to evaluate the filling property of surface-treated fillers easily and with high accuracy. Therefore, the objective of the present invention is to provide a method for evaluating surface-treated fillers easily and with high accuracy.

本発明者らは、上記課題を解決すべく、鋭意検討を行った結果、走査型プローブ顕微鏡で表面処理フィラーにおける表面処理粒子の表面電位を測定することにより、被覆物の分布を評価することが可能であり、これにより表面処理フィラーの充填性評価を簡便かつ高精度に行うことが可能であることを見出した。 The inventors conducted intensive research to solve the above problems and discovered that it is possible to evaluate the distribution of coatings by measuring the surface potential of surface-treated particles in a surface-treated filler using a scanning probe microscope, thereby enabling the filling property of the surface-treated filler to be evaluated easily and with high accuracy.

即ち本発明は、走査型プローブ顕微鏡で表面処理フィラー中の表面処理粒子の表面電位を測定する工程を含むことを特徴とする、表面処理フィラーの評価方法である。また、前記表面処理フィラーに対応する未処理フィラー中の未処理粒子の表面電位を測定する工程、および/または、前記表面処理フィラーに対応する表面処理剤の表面電位を測定する工程をさらに含むことが好ましい。 That is, the present invention is a method for evaluating a surface-treated filler, characterized by including a step of measuring the surface potential of surface-treated particles in the surface-treated filler with a scanning probe microscope. It is also preferable that the method further includes a step of measuring the surface potential of untreated particles in an untreated filler corresponding to the surface-treated filler, and/or a step of measuring the surface potential of a surface treatment agent corresponding to the surface-treated filler.

本発明の評価方法によれば、簡便に表面処理フィラーの充填性を評価することが可能となる。これにより、例えば、従来よりも効率的な品質管理が可能となる。 The evaluation method of the present invention makes it possible to easily evaluate the filling property of a surface-treated filler. This allows, for example, more efficient quality control than conventional methods.

本明細書において、表面処理剤によって表面処理をされた無機フィラーを「表面処理フィラー」、前記表面処理フィラーが表面処理される前の無機フィラー、もしくはこれと製造条件が同等の無機フィラーを「表面処理フィラーに対応する未処理フィラー」(単に「未処理フィラー」と称することもある)と称する。また、表面処理フィラー中の粒子を「表面処理粒子」、未処理フィラー中の粒子を「未処理粒子」と称する。表面処理粒子表面に存在する表面処理剤由来の有機物を「被覆物」、該被覆物を形成するための原料を「表面処理フィラーに対応する表面処理剤」(単に「表面処理剤」と称することもある)と称する。 In this specification, inorganic fillers that have been surface-treated with a surface treatment agent are referred to as "surface-treated fillers," and inorganic fillers before the surface treatment of the surface-treated fillers or inorganic fillers with equivalent manufacturing conditions are referred to as "untreated fillers corresponding to the surface-treated fillers" (sometimes simply referred to as "untreated fillers"). Furthermore, particles in surface-treated fillers are referred to as "surface-treated particles," and particles in untreated fillers are referred to as "untreated particles." Organic matter derived from the surface treatment agent present on the surface of surface-treated particles is referred to as a "coating," and the raw material for forming the coating is referred to as a "surface treatment agent corresponding to the surface-treated filler" (sometimes simply referred to as a "surface treatment agent").

本発明の評価方法によって評価する表面処理フィラーは特に限定されず、例えば、表面処理された、シリカ、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素などに対して本発明の評価方法を適用することが可能である。表面処理フィラーの粒径は特に限定されないが、粒径が小さいと評価が難しくなり、粒径が大きいと評価に時間を要することから、粒径は0.5μm~100μmであることが好ましく、1.0μm~10μmであることがより好ましい。 There are no particular limitations on the surface-treated filler to be evaluated by the evaluation method of the present invention, and the evaluation method of the present invention can be applied to, for example, surface-treated silica, alumina, aluminum nitride, boron nitride, and the like. The particle size of the surface-treated filler is not particularly limited, but since a small particle size makes evaluation difficult and a large particle size requires a long time for evaluation, the particle size is preferably 0.5 μm to 100 μm, and more preferably 1.0 μm to 10 μm.

また、表面処理剤も特に限定されず、公知のものが利用可能であり、例えば、シランカップリング剤などを挙げることが出来る。前記表面処理剤は、表面処理剤の表面電位と、未処理無機フィラーの表面電位の差が、100mV以上であるものが好ましく、120mV以上であるものがより好ましい。後述するように、表面処理剤と未処理無機フィラーとの表面電位の差が大きいほど、表面処理フィラーの評価を高精度に行うことが容易となる。 The surface treatment agent is not particularly limited, and known agents can be used, such as silane coupling agents. The difference between the surface potential of the surface treatment agent and the surface potential of the untreated inorganic filler is preferably 100 mV or more, and more preferably 120 mV or more. As described later, the greater the difference in surface potential between the surface treatment agent and the untreated inorganic filler, the easier it is to evaluate the surface-treated filler with high accuracy.

走査型プローブ顕微鏡は、探針を測定対象の表面をなぞるように動かしながら走査させ、探針と測定対象の相互作用を検出することによって、測定対象の表面状態を評価する装置である。走査型プローブ顕微鏡による表面電位の測定は、測定試料に直流電圧を印加して帯電させた後、探針に交流電圧を印加し試料表面を走査しながら試料と探針の間に働く静電気力を検出することで、測定対象の各位置における表面電位を測定するものである。 表面処理粒子においては被覆物が存在する部分と被覆物が存在しない部分では通常は表面電位が異なるため、このような走査型プローブ顕微鏡により粒子の表面電位を測定することで、粒子表面における被覆物が存在する部分と存在しない部分を区別することが可能となる。これにより、粒子表面における被覆物の状態を評価することが可能となる。表面処理フィラーの表面電位は、表面処理フィラー中の表面処理粒子を適宜ピックアップして測定することで評価する。ピックアップする表面処理粒子の数は特に限定されないが、多くの粒子を測定した方が評価精度を高めることができることから、フィラー500gあたり5個以上であることが好ましく、10個以上であることがより好ましい。 A scanning probe microscope is a device that evaluates the surface condition of a measurement object by scanning a probe along the surface of the measurement object and detecting the interaction between the probe and the measurement object. The measurement of the surface potential using a scanning probe microscope involves applying a DC voltage to the measurement sample to charge it, then applying an AC voltage to the probe to scan the sample surface and detect the electrostatic force acting between the sample and the probe, thereby measuring the surface potential at each position of the measurement object. Since the surface potential of a surface-treated particle is usually different between the part where a coating is present and the part where no coating is present, by measuring the surface potential of the particle using such a scanning probe microscope, it becomes possible to distinguish between the part where a coating is present and the part where no coating is present on the particle surface. This makes it possible to evaluate the state of the coating on the particle surface. The surface potential of the surface-treated filler is evaluated by appropriately picking up and measuring the surface-treated particles in the surface-treated filler. There is no particular limit to the number of surface-treated particles to be picked up, but since the evaluation accuracy can be improved by measuring a larger number of particles, it is preferable to pick up 5 or more particles per 500 g of filler, and more preferably 10 or more particles.

本発明の評価方法で使用する走査型プローブ顕微鏡は、粒子の表面電位を測定することが可能であれば特に限定されない。 The scanning probe microscope used in the evaluation method of the present invention is not particularly limited as long as it is capable of measuring the surface potential of particles.

本発明の評価方法で使用する探針の種類は、粒子の表面電位を測定することが出来れば特に限定されないが、高い分解能を得るために、探針先端の曲率半径が5~100nmであることが好ましい。また、先端に導電性のコーティングが施された探針を使用することが好ましく、導電性のコーティングとしては、例えば、Auコーティング、Ptコーティング、PtIrコーティング、PtSiコーティング、ダイヤモンドコーティングなどが挙げられる。 The type of probe used in the evaluation method of the present invention is not particularly limited as long as it can measure the surface potential of the particles, but in order to obtain high resolution, it is preferable that the radius of curvature of the probe tip is 5 to 100 nm. It is also preferable to use a probe with a conductive coating on the tip. Examples of conductive coatings include Au coating, Pt coating, PtIr coating, PtSi coating, and diamond coating.

本発明の評価方法において、測定試料を走査型プローブ顕微鏡に設置する方法は上記測定を行うことが出来れば特に限定されないが、例えば、揮発性溶媒に粒子を分散させて分散液を調整した後、導電性基板上に前記分散液を滴下し、揮発性溶媒を揮発させることで作製した測定用基板を、導電性ペーストを使用して走査型プローブ顕微鏡の試料台に固定することで行うことが出来る。前記揮発性溶媒は、測定対象となる粒子を分散させることが可能であり、且つ前記粒子と反応することがなければ特に限定されず、例えばメタノール、エタノール、プロパノール、イソプロピルアルコール、ブタノールなどのアルコール、アセトン、メチルエチルケトン、ジエチルケトン、メチルイソブチルケトンなどのケトン、ジエチルエーテル、ジオキサン、エチレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、テトラヒドロフランなどのエーテル、ヘキサン、2-メチルペンタン、ヘプタン、シクロヘキサン、オクタン、2,2,4-トリメチルペンタン、石油エーテルなどのアルカン、ギ酸エチル、ギ酸ブチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチルなどのエステル、ベンゼン、トルエン、キシレン、ナフタレンなどを使用することが出来る。前記導電性基板としては、例えば、高配向性熱分解グラファイト(HOPG)基板、導電コートされたマイカ基板などを使用することが出来る。前記導電性ペーストは、樹脂に導電性粒子を分散させたものを使用することが可能であり、例えば、エポキシ樹脂に銀粒子、金粒子、白金粒子などを分散させたものが挙げられる。 In the evaluation method of the present invention, the method of placing the measurement sample on the scanning probe microscope is not particularly limited as long as the above measurement can be performed. For example, the measurement can be performed by dispersing particles in a volatile solvent to prepare a dispersion, dropping the dispersion on a conductive substrate, and volatilizing the volatile solvent to prepare a measurement substrate, and then fixing the measurement substrate to the sample stage of the scanning probe microscope using a conductive paste. The volatile solvent is not particularly limited as long as it can disperse the particles to be measured and does not react with the particles. For example, alcohols such as methanol, ethanol, propanol, isopropyl alcohol, and butanol, ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, diethyl ketone, and methyl isobutyl ketone, ethers such as diethyl ether, dioxane, ethylene glycol monomethyl ether, propylene glycol monomethyl ether, and tetrahydrofuran, alkanes such as hexane, 2-methylpentane, heptane, cyclohexane, octane, 2,2,4-trimethylpentane, and petroleum ether, esters such as ethyl formate, butyl formate, ethyl acetate, propyl acetate, and butyl acetate, benzene, toluene, xylene, and naphthalene can be used. The conductive substrate may be, for example, a highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) substrate or a conductively coated mica substrate. The conductive paste may be a resin having conductive particles dispersed therein, such as an epoxy resin having silver particles, gold particles, platinum particles, or the like dispersed therein.

本発明の評価方法では、測定試料となる粒子に直流電圧を印加して帯電させた後、探針に交流電圧を印加させながら試料表面を走査し、試料と探針の間に働く静電気力を検出する。そのためには、先ず、測定対象となる粒子の表面を探針で走査することによって、粒子の凹凸像(高さ像)を得る必要がある。凹凸像を得る方法は特に限定されないが、例えば、探針を振動させ試料表面を走査するタッピングモード等の方法で行うことが出来る。 In the evaluation method of the present invention, a DC voltage is applied to the particles to be measured to charge them, and then an AC voltage is applied to the probe while scanning the sample surface to detect the electrostatic force acting between the sample and the probe. To do this, it is first necessary to obtain a topography image (height image) of the particle by scanning the surface of the particle to be measured with the probe. There are no particular limitations on the method for obtaining the topography image, but it can be performed, for example, by a method such as tapping mode in which the probe is vibrated to scan the sample surface.

タッピングモードは、先端に探針を取り付けたカンチレバーを共振周波数で加振させながら粒子表面を走査する方法である。タッピングモードで測定することで、凹凸像の他、粒子表面の位相像も得ることが可能である。位相像により、被覆物の分布を推定することも可能と考えられ、表面電位測定と組み合わせることで、表面処理フィラーに関する多くの情報を得ることが期待されるため、凹凸像を得る方法として好ましい方法の一つとして挙げることが出来る。 Tapping mode is a method in which a cantilever with a probe attached to the tip is vibrated at the resonant frequency while scanning the particle surface. Measurements in tapping mode can obtain not only a topographical image, but also a phase image of the particle surface. It is believed that the phase image can also be used to estimate the distribution of coatings, and by combining it with surface potential measurements, it is expected that a wealth of information on surface-treated fillers can be obtained, making it one of the preferred methods for obtaining topographical images.

次いで、測定対象となる粒子に直流電圧を印加することで帯電させる。直流電圧の印加条件は特に限定されず、良好な観察像が得られる条件で行えば良く、例えば、印加電圧を100~1000mVとすれば良い。 Next, the particles to be measured are charged by applying a DC voltage. There are no particular restrictions on the conditions for applying the DC voltage, and it is sufficient to apply the voltage under conditions that provide a good observation image; for example, the applied voltage may be 100 to 1000 mV.

その後、探針に交流電圧を印加させながら、測定対象となる粒子の凹凸像のデータを基に走査位置を決定し、表面電位像が得られるように試料台と探針が電気的に接続された状態で探針を走査し、試料と探針の間に働く静電気力を検出することで、粒子の表面電位を測定することが可能である。走査位置は、探針と粒子が接触せず、且つ試料と探針の間に電気的な接続が得られる位置で行うことが出来れば特に限定されないが、探針と粒子の距離が短いほど感度が向上する一方で探針位置の調整が難しくなるため、本発明の場合は探針の位置が粒子の表面から5nm~300nmに制御することが好ましく、50nm~200nmに制御することがより好ましい。 Then, while applying an AC voltage to the probe, the scanning position is determined based on the data of the topography image of the particle to be measured, and the probe is scanned while electrically connected to the sample stage so that a surface potential image is obtained, and the electrostatic force acting between the sample and the probe is detected, making it possible to measure the surface potential of the particle. The scanning position is not particularly limited as long as it is a position where the probe and the particle do not come into contact and an electrical connection can be obtained between the sample and the probe, but the shorter the distance between the probe and the particle, the higher the sensitivity is, but the more difficult it is to adjust the probe position, so in the present invention, it is preferable to control the probe position to 5 nm to 300 nm from the surface of the particle, and more preferably to control it to 50 nm to 200 nm.

本発明の評価方法では、前記方法により粒子の表面全体にわたって探針を走査させて各位置での表面電位を測定することにより、粒子の表面における表面電位の分布を測定することが出来る。この表面電位の分布から、被覆物の分布を評価することができる。 In the evaluation method of the present invention, the distribution of surface potential on the surface of the particle can be measured by scanning the probe over the entire surface of the particle using the above-mentioned method and measuring the surface potential at each position. From this distribution of surface potential, the distribution of the coating can be evaluated.

本発明の評価方法で粒子の表面処理状態を評価できる理由は明らかではないが、本発明者らは以下のように推測している。すなわち、未処理粒子における表面電位と、表面処理剤の表面電位は通常異なるため、表面処理粒子において表面処理剤の被覆物が存在する部位の表面電位は未処理粒子と異なることになる。そのため、表面電位により粒子表面における被覆物の状態を評価することが可能になると推定される。 Although it is not clear why the surface treatment state of particles can be evaluated using the evaluation method of the present invention, the inventors speculate as follows. That is, since the surface potential of untreated particles and the surface potential of a surface treatment agent are usually different, the surface potential of the part of a surface-treated particle where a coating of the surface treatment agent is present will be different from that of an untreated particle. Therefore, it is presumed that it becomes possible to evaluate the state of the coating on the particle surface from the surface potential.

表面電位による表面処理フィラーの充填性の評価は、例えば、表面電位の頻度を示したヒストグラムから行うことが出来る。具体的には、例えばヒストグラムにおける表面電位の最頻値などにより評価することが可能である。 The filling property of the surface-treated filler can be evaluated based on the surface potential, for example, from a histogram showing the frequency of the surface potential. Specifically, it can be evaluated based on, for example, the most frequent value of the surface potential in the histogram.

表面電位の最頻値で評価する場合、未処理フィラーと表面処理剤の種類が同一であれば、充填性と表面電位の最頻値に相関があると言えるので、これより評価することが出来る。例えば、充填性が判明している表面処理フィラーの表面電位をあらかじめ測定して、高い充填性が得られる表面電位の最頻値を把握しておけば、新たに製造した表面処理フィラーについて表面電位を測定し、その最頻値を求めることで、該フィラーの充填性を簡便に予測することが可能である。 When evaluating using the most frequent value of the surface potential, if the untreated filler and the type of surface treatment agent are the same, it can be said that there is a correlation between the filling property and the most frequent value of the surface potential, and this can be used for evaluation. For example, if the surface potential of a surface-treated filler whose filling property is known is measured in advance and the most frequent value of the surface potential that gives high filling property is identified, then it is possible to easily predict the filling property of the filler by measuring the surface potential of a newly manufactured surface-treated filler and determining the most frequent value.

表面処理フィラーに対応する未処理フィラーの表面電位の測定も行った場合には、更に詳しく情報を得ることが可能であるため、好ましい形態である。例えば、未処理フィラーと表面処理剤が同一の表面処理フィラー同士で比較した場合、表面処理フィラーの表面電位の最頻値と、未処理フィラーの表面電位の最頻値の差が大きいほど、表面処理が十分に行われて被覆物の分布が均一に近く、充填性が良好であると評価できる。 If the surface potential of the untreated filler corresponding to the surface-treated filler is also measured, this is a preferred form since it is possible to obtain more detailed information. For example, when comparing untreated filler and surface-treated filler using the same surface treatment agent, the greater the difference between the mode of the surface potential of the surface-treated filler and the mode of the surface potential of the untreated filler, the more sufficiently the surface treatment has been performed, the more uniform the distribution of the coating is, and the better the filling properties can be evaluated.

表面未処理フィラーの表面電位の測定は、前記の粒子の表面電位の測定方法に従って測定すれば良い。
また、表面処理剤の表面電位を測定も行った場合には、表面処理剤の表面電位の最頻値と、表面処理フィラーの表面電位の最頻値とを比較することで充填性を評価することも可能である。例えば、未処理フィラーと表面処理剤が同一の表面処理フィラー同士で比較した場合、表面処理フィラーの表面電位の最頻値と、表面処理剤の表面電位の最頻値の差が近いほど、表面処理が十分に行われて被覆物の分布が均一に近く、充填性が良好であると評価できる。
The surface potential of the surface-untreated filler may be measured according to the above-mentioned method for measuring the surface potential of particles.
In addition, when the surface potential of the surface treatment agent is also measured, it is also possible to evaluate the filling property by comparing the mode of the surface potential of the surface treatment agent with the mode of the surface potential of the surface treatment filler. For example, when comparing an untreated filler with a surface-treated filler using the same surface treatment agent, the closer the difference between the mode of the surface potential of the surface-treated filler and the mode of the surface potential of the surface treatment agent is, the more sufficiently the surface treatment is performed, the more uniform the distribution of the coating is, and the better the filling property can be evaluated.

表面処理剤の表面電位の測定は、走査型プローブ顕微鏡に表面処理剤測定試料を設置して、粒子と同様に測定すれば良い。前記表面処理剤測定試料は、例えば、揮発性溶媒に表面処理剤を溶解させて調整した溶液を導電性基板上に滴下し、揮発性溶媒を揮発させることで作製することが出来る。前記揮発性溶媒は表面処理剤の表面電位を測定することが出来れば特に限定されず、例えばメタノール、エタノール、プロパノール、イソプロピルアルコール、ブタノールなどのアルコール、アセトン、メチルエチルケトン、ジエチルケトン、メチルイソブチルケトンなどのケトン、ジエチルエーテル、ジオキサン、エチレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、テトラヒドロフランなどのエーテル、ヘキサン、2-メチルペンタン、ヘプタン、シクロヘキサン、オクタン、2,2,4-トリメチルペンタン、石油エーテルなどのアルカン、ギ酸エチル、ギ酸ブチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチルなどのエステル、ベンゼン、トルエン、キシレン、ナフタレンなどを使用することが出来る。前記導電性基板としては、粒子を測定する際に使用するものと同等の導電性基板を使用すれば良い。 The surface potential of the surface treatment agent can be measured by placing a surface treatment agent measurement sample on a scanning probe microscope and measuring it in the same way as for particles. The surface treatment agent measurement sample can be prepared, for example, by dissolving the surface treatment agent in a volatile solvent, dropping a solution prepared by dissolving the surface treatment agent in a volatile solvent onto a conductive substrate, and volatilizing the volatile solvent. The volatile solvent is not particularly limited as long as it can measure the surface potential of the surface treatment agent, and examples of the volatile solvent include alcohols such as methanol, ethanol, propanol, isopropyl alcohol, and butanol, ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, diethyl ketone, and methyl isobutyl ketone, ethers such as diethyl ether, dioxane, ethylene glycol monomethyl ether, propylene glycol monomethyl ether, and tetrahydrofuran, alkanes such as hexane, 2-methylpentane, heptane, cyclohexane, octane, 2,2,4-trimethylpentane, and petroleum ether, esters such as ethyl formate, butyl formate, ethyl acetate, propyl acetate, and butyl acetate, benzene, toluene, xylene, and naphthalene. The conductive substrate can be a conductive substrate equivalent to that used when measuring particles.

本発明の評価方法により、実際に樹脂に充填することなく表面処理フィラーの充填性を評価することが可能となる。そのため、本発明の評価方法を使用することで、製造された表面処理フィラーの評価を簡便に行うことが可能となり、検査の簡便化に寄与する。 The evaluation method of the present invention makes it possible to evaluate the filling property of a surface-treated filler without actually filling it into a resin. Therefore, by using the evaluation method of the present invention, it becomes possible to easily evaluate the manufactured surface-treated filler, which contributes to simplifying the inspection.

以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に制限されるものではない。評価に使用した試料は以下のとおりである。 The present invention will be specifically described below using examples, but the present invention is not limited to these examples. The samples used for evaluation are as follows.

窒化アルミニウム粉末
・A1:窒化アルミニウム粉末(表面処理されていない窒化アルミニウム粉末、平均粒子径1μm、株式会社トクヤマ製)
・B1~3:下記の表面処理方法に従ってアルキル系シランカップリング剤S1でA1を処理したもの。なお、B1~3は、表面処理に使用したシランカップリング剤の量がそれぞれ異なる。
・C1~3:下記の処理方法に従ってメタクリル系シランカップリング剤S2でA1を処理したもの。なお、C1~3は、表面処理に使用したシランカップリング剤の量がそれぞれ異なる。
・D1~3:下記の処理方法に従ってエポキシ系シランカップリング剤S3でA1を処理したもの。なお、D1~3は、表面処理に使用したシランカップリング剤の量がそれぞれ異なる。
・E1~3:下記の処理方法に従ってフェニル系シランカップリング剤S4でA1を処理したもの。なお、E1~3は、表面処理に使用したシランカップリング剤の量がそれぞれ異なる。
Aluminum nitride powder A1: Aluminum nitride powder (non-surface-treated aluminum nitride powder, average particle size 1 μm, manufactured by Tokuyama Corporation)
B1 to B3: A1 treated with an alkyl silane coupling agent S1 according to the following surface treatment method. Note that B1 to B3 differ in the amount of silane coupling agent used in the surface treatment.
C1 to C3: A1 treated with a methacrylic silane coupling agent S2 according to the following treatment method. Note that C1 to C3 differ in the amount of silane coupling agent used in the surface treatment.
D1 to D3: A1 treated with an epoxy-based silane coupling agent S3 according to the following treatment method. Note that D1 to D3 differ in the amount of silane coupling agent used in the surface treatment.
E1 to E3: A1 treated with a phenyl-based silane coupling agent S4 according to the following treatment method. Note that E1 to E3 differ in the amount of silane coupling agent used in the surface treatment.

<窒化アルミニウム粉末の表面処理方法>
窒化アルミニウム粉末A1を500g、シランカップリング剤を所定量、イソプロピルアルコール600gをガラス製ナスフラスコに入れ、フッ素樹脂製攪拌羽根で30分攪拌した。ロータリーエバポレータにてイソプロピルアルコールを減圧除去した後、100℃で減圧乾燥し、表面処理窒化アルミニウム粉末を得た。得られた表面処理窒化アルミニウム粉末は500g程度であった。
<Surface treatment method for aluminum nitride powder>
500 g of aluminum nitride powder A1, a predetermined amount of silane coupling agent, and 600 g of isopropyl alcohol were placed in a glass eggplant flask and stirred with a fluororesin stirring blade for 30 minutes. After removing the isopropyl alcohol under reduced pressure with a rotary evaporator, the mixture was dried under reduced pressure at 100° C. to obtain a surface-treated aluminum nitride powder. The obtained surface-treated aluminum nitride powder weighed about 500 g.

<フィラーの表面電位測定>
フィラーを0.005gと、エタノールを10gとを、50mLスクリュー管瓶に入れ、超音波バスで15分間超音波を照射し、試料分散液を作製した。作製した試料分散液をスポイトで採取し、10mm角のHOPG基板に1滴滴下した後、80℃で乾燥させてエタノールを除去して測定用基板を得た。得られた測定用基板を、走査型プローブ顕微鏡(Bruker社製:Dimension Icon)の試料台に、導電性ペースト(エポキシ樹脂に銀粒子を分散させたもの)を使用して固定した。次いで、粒径1μm~10μmの粒子を選択し、タッピングモードにより粒子の凹凸像を得た。次いで、印加電圧500mV,探針と粒子の距離を100nmに設定し、前記粒子の表面電位を測定した。なお、探針は、先端曲率半径が25nmで、Pt-Irコーティングされた物を用いた。同様の操作を20個の粒子について行い、測定した全粒子の結果から、横軸を表面電位、縦軸を頻度とするヒストグラムを得て、表面電位の最頻値を求めた。
<Measurement of the surface potential of the filler>
0.005 g of filler and 10 g of ethanol were placed in a 50 mL screw tube bottle and irradiated with ultrasonic waves for 15 minutes in an ultrasonic bath to prepare a sample dispersion. The prepared sample dispersion was collected with a dropper, dropped on a 10 mm square HOPG substrate, and then dried at 80°C to remove the ethanol to obtain a measurement substrate. The obtained measurement substrate was fixed to the sample stage of a scanning probe microscope (Bruker's Dimension Icon) using a conductive paste (silver particles dispersed in epoxy resin). Next, particles with a particle size of 1 μm to 10 μm were selected, and a roughness image of the particles was obtained by tapping mode. Next, the applied voltage was set to 500 mV, the distance between the probe and the particle was set to 100 nm, and the surface potential of the particles was measured. The probe used had a tip curvature radius of 25 nm and was coated with Pt-Ir. The same procedure was carried out for 20 particles, and from the results of all the measured particles, a histogram was obtained with the horizontal axis representing the surface potential and the vertical axis representing the frequency, and the most frequent value of the surface potential was determined.

<表面処理剤の表面電位測定>
シランカップリング剤をスポイトで採取し、10mm角のHOPG基板に1滴滴下した後、100℃で加熱して測定用基板を得た。得られた測定用基板を、走査型プローブ顕微鏡(Bruker社製:Dimension Icon)の試料台に導電性ペーストで固定した。次いで、凹凸像が得られるように、振動させた探針の振幅、ゲインを調整した。次いで、印加電圧500mV,探針と粒子の距離を100nmに設定し、前記粒子の表面電位を測定した。なお、探針は、先端曲率半径が25nmで、Pt-Irコーティングされた物を用いた。測定した測定結果から、横軸を表面電位、縦軸を頻度とするヒストグラムを得て表面電位の最頻値を求めた。
<Measurement of surface potential of surface treatment agent>
A drop of the silane coupling agent was collected with a dropper, dropped onto a 10 mm square HOPG substrate, and heated at 100°C to obtain a measurement substrate. The measurement substrate obtained was fixed to the sample stage of a scanning probe microscope (Bruker: Dimension Icon) with conductive paste. Next, the amplitude and gain of the vibrated probe were adjusted so that a roughness image could be obtained. Next, the applied voltage was set to 500 mV, the distance between the probe and the particle was set to 100 nm, and the surface potential of the particle was measured. The probe used had a tip curvature radius of 25 nm and was coated with Pt-Ir. From the measurement results, a histogram was obtained with the horizontal axis representing the surface potential and the vertical axis representing the frequency, and the most frequent value of the surface potential was obtained.

<フィラーの充填性評価>
2液付加反応型のシリコーン樹脂とフィラーとを、あわとり練郎(株式会社シンキー製)を用いて混練しフィラーの最大充填量を確認することで、フィラーの充填性を評価した。評価結果は、フィラーの最大充填量が多い順に順位を付けて示した。
<Evaluation of Filler Filling Properties>
The two-liquid addition reaction type silicone resin and the filler were kneaded using a foam remover (manufactured by Thinky Corporation) and the maximum amount of filler was confirmed to evaluate the filler filling property. The evaluation results are shown in order of the maximum amount of filler filled.

<実施例1>
上記フィラー及び表面処理剤の表面電位の測定に従って、フィラーA1、B1~B3、表面処理剤S1の表面電位を求めた。また、B1~B3の充填性評価を行った。結果は表1に示すとおり、表面処理フィラーの表面電位の最頻値が、未処理フィラー(A1)の表面電位の最頻値から離れ、シランカップリング剤(S1)の表面電位の最頻値に近づくほど、高い充填性であることが示された。
Example 1
According to the measurements of the surface potentials of the above fillers and surface treatment agents, the surface potentials of fillers A1, B1 to B3, and surface treatment agent S1 were determined. In addition, the loading property of B1 to B3 was evaluated. As shown in Table 1, the results indicate that the loading property is higher as the mode of the surface potential of the surface-treated filler moves away from the mode of the surface potential of the untreated filler (A1) and approaches the mode of the surface potential of the silane coupling agent (S1).

Figure 0007645758000001
Figure 0007645758000001

<実施例2>
上記フィラー及び表面処理剤の表面電位の測定に従って、フィラーA1、C1~C3、表面処理剤S2の表面電位を求めた。また、C1~C3の充填性評価を行った。結果は表1に示すとおり、表面処理フィラーの表面電位の最頻値が、未処理フィラー(A1)の表面電位の最頻値から離れ、シランカップリング剤(S2)の表面電位の最頻値に近づくほど、高い充填性であることが示された。
Example 2
According to the measurements of the surface potential of the above fillers and surface treatment agents, the surface potentials of fillers A1, C1 to C3, and surface treatment agent S2 were determined. In addition, the filling property of C1 to C3 was evaluated. The results are shown in Table 1. It was shown that the higher the filling property, the more the mode of the surface potential of the surface-treated filler moves away from the mode of the surface potential of the untreated filler (A1) and approaches the mode of the surface potential of the silane coupling agent (S2).

Figure 0007645758000002
Figure 0007645758000002

<実施例3>
上記フィラー及び表面処理剤の表面電位の測定に従って、フィラーA1、D1~D3、表面処理剤S3の表面電位を求めた。また、D1~D3の充填性評価を行った。結果は表1に示すとおり、表面処理フィラーの表面電位の最頻値が、未処理フィラー(A1)の表面電位の最頻値から離れ、シランカップリング剤(S3)の表面電位の最頻値に近づくほど、高い充填性であることが示された。
Example 3
According to the measurements of the surface potential of the above fillers and surface treatment agents, the surface potentials of fillers A1, D1 to D3, and surface treatment agent S3 were determined. In addition, the filling property of D1 to D3 was evaluated. The results are shown in Table 1. It was shown that the more the mode of the surface potential of the surface-treated filler moves away from the mode of the surface potential of the untreated filler (A1) and approaches the mode of the surface potential of the silane coupling agent (S3), the higher the filling property.

Figure 0007645758000003
Figure 0007645758000003

<実施例4>
上記フィラー及び表面処理剤の表面電位の測定に従って、フィラーA1、E1~E3、表面処理剤S4の表面電位を求めた。また、E1~E3の充填性評価を行った。結果は表1に示すとおり、表面処理フィラーの表面電位の最頻値が、未処理フィラー(A1)の表面電位の最頻値から離れ、シランカップリング剤(S4)の表面電位の最頻値に近づくほど、高い充填性であることが示された。
Example 4
According to the measurements of the surface potential of the above fillers and surface treatment agents, the surface potentials of fillers A1, E1 to E3, and surface treatment agent S4 were determined. In addition, the filling property of E1 to E3 was evaluated. The results are shown in Table 1. It was shown that the more the mode of the surface potential of the surface-treated filler moves away from the mode of the surface potential of the untreated filler (A1) and approaches the mode of the surface potential of the silane coupling agent (S4), the higher the filling property.

Figure 0007645758000004
Figure 0007645758000004

以上より、表面処理フィラーの表面電位と、表面処理フィラーの樹脂への充填性には相関があり、走査型プローブ顕微鏡で前記表面処理フィラーの表面電位を測定することによって、フィラーの充填性を評価できることが示された。 The above results show that there is a correlation between the surface potential of the surface-treated filler and its ability to fill into resin, and that the filling ability of the filler can be evaluated by measuring the surface potential of the surface-treated filler using a scanning probe microscope.

Claims (1)

表面処理フィラーの樹脂への充填性を評価する方法であって、走査型プローブ顕微鏡で前記表面処理フィラーの粒子並びに前記表面処理フィラーに対応する、未処理フィラーの粒子及び/又は表面処理剤の表面電位を測定する工程を含み、前記表面処理フィラーの粒子並びに前記表面処理フィラーに対応する、未処理フィラーの粒子及び/又は表面処理剤の表面電位の頻度を示したヒストグラムにおける、前記表面電位の最頻値を比較することを特徴とする、表面処理フィラーの評価方法。 A method for evaluating the filling property of a surface-treated filler into a resin, comprising a step of measuring the surface potential of particles of the surface -treated filler and particles of an untreated filler and/or a surface treatment agent corresponding to the surface-treated filler using a scanning probe microscope, and is characterized by comparing the most frequent values of the surface potential in a histogram showing the frequency of the surface potential of the particles of the surface-treated filler and particles of an untreated filler and/or a surface treatment agent corresponding to the surface-treated filler.
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