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JPH0726060B2 - Method for producing organic silicon thin film - Google Patents
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JPH0726060B2 - Method for producing organic silicon thin film - Google Patents

Method for producing organic silicon thin film

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Publication number
JPH0726060B2
JPH0726060B2 JP13147889A JP13147889A JPH0726060B2 JP H0726060 B2 JPH0726060 B2 JP H0726060B2 JP 13147889 A JP13147889 A JP 13147889A JP 13147889 A JP13147889 A JP 13147889A JP H0726060 B2 JPH0726060 B2 JP H0726060B2
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JP
Japan
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thin film
substance
organic silicon
film
silicon thin
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勘治 坂田
豊喜 国武
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  • Manufacture Of Porous Articles, And Recovery And Treatment Of Waste Products (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、分子レベルで構造制御された多孔質の有機け
い素薄膜を製造する方法に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing a porous organic silicon thin film whose structure is controlled at the molecular level.

〔従来の技術〕 従来、物質分離や担体等に使用される物質としては、た
とえばケイ酸ソーダから作られた多孔質のシリカゲル、
ホウケイ酸ガラスの分相性を利用して製造され、或いは
焼結法やゾルーゲル法によって製造された多孔質ガラ
ス、層状ポリケイ酸塩等がある。また、同様な細孔構造
をもつ関連物質として、アルミノケイ酸塩のゼオライト
或いはモンモリロナイ等の層状粘土鉱物を使用した例も
ある。これらの物質は、粉末状であるため、造粒して粒
子状,板状,塊状に成型して使用されている。しかし、
薄膜化し難いため、その取扱いが面倒なものとなる。
[Prior Art] Conventionally, as a substance used for substance separation or a carrier, for example, porous silica gel made of sodium silicate,
There are porous glass, layered polysilicate, etc. manufactured by utilizing the phase separation property of borosilicate glass, or manufactured by a sintering method or a sol-gel method. There is also an example in which aluminosilicate zeolite or a layered clay mineral such as montmorillonite is used as a related substance having a similar pore structure. Since these substances are in the form of powder, they are used by being granulated and formed into particles, plates, or lumps. But,
Since it is difficult to form a thin film, its handling becomes troublesome.

そこで、分子オーダの細孔構造をもつ薄膜を、そのミク
ロ的な構造を利用して、水素,窒素,酸素,一酸化炭
素,二酸化炭素,メタン等の気体分離、アルコール,水
等の液体分離に使用することが研究され、開発されてい
る。また、薄膜の表面水酸基,或いはこの水酸基を化学
修飾して導入された表面活性基を利用して、金属イオン
等の吸着分離,イオン交換体等に薄膜を使用することも
知られている。更には、細孔構造及び表面活性基を利用
して触媒,酵素,微生物等の担体として薄膜を使用した
例も報告されている。
Therefore, a thin film with a pore structure of molecular order is used for gas separation of hydrogen, nitrogen, oxygen, carbon monoxide, carbon dioxide, methane, etc., and liquid separation of alcohol, water, etc. by utilizing its microscopic structure. It has been studied and developed for use. It is also known to use the surface hydroxyl group of the thin film or the surface active group introduced by chemically modifying the hydroxyl group to adsorb and separate metal ions or the like and use the thin film for an ion exchanger or the like. Further, an example in which a thin film is used as a carrier for catalysts, enzymes, microorganisms and the like by utilizing the pore structure and surface active groups has been reported.

これら何れの用途においても、細孔構造に起因した作用
を効果的に発揮させるためには、分子レベルでの微細構
造(形態)や表面活性基の配向を制御することが要求さ
れる。また、物質分離膜においては被分離物質を、触媒
等の担体においては反応物質の透過量を大きくするた
め、膜強度を維持しつつ、且つ膜厚を薄くして膜抵抗を
下げることが要求される。
In any of these applications, it is necessary to control the fine structure (morphology) at the molecular level and the orientation of the surface active groups in order to effectively exert the action resulting from the pore structure. Further, in order to increase the permeation amount of the substance to be separated in the substance separation membrane and the reaction substance in the carrier such as the catalyst, it is required to reduce the membrane resistance by maintaining the membrane strength and reducing the membrane thickness. It

たとえば、ポリジメチルシロキサンポリマーを薄膜化し
気体分離膜として使用することが、「新しい機能膜」
(1984年講談社発行、清水、,斎藤,中川共著)第97〜
100頁で報告されている。しかし、この薄膜は、膜厚が2
5μm以下になるとピンホールが生じ易くなり、膜強度
も低下する。また、ゾルーゲル法により薄膜を製造する
ことも、「ゾルーゲル法の科学」(1988年アグネ承風社
発行、作花済夫著)第85〜153頁で報告されている。こ
の場合、アルコキシシラン物質の加水分解溶液を調製
し、この溶液を基板に塗布して加熱処理によりゲルコー
ティング膜を形成させ、有機けい素薄膜とする。このと
き、分離膜としては、多孔体が基板として使用される。
For example, making a thin film of polydimethylsiloxane polymer and using it as a gas separation membrane is a "new functional membrane".
(Published by Kodansha in 1984, written by Shimizu, Saito and Nakagawa) 97th
Reported on page 100. However, this thin film has a thickness of 2
If the thickness is 5 μm or less, pinholes are likely to be formed and the film strength is also reduced. Further, the production of a thin film by the sol-gel method is also reported in "Science of the sol-gel method" (published by Agne Jofu Co., Ltd., 1988, by Sakuhana Seo), pp. 85-153. In this case, a hydrolysis solution of an alkoxysilane substance is prepared, the solution is applied to a substrate, and a gel coating film is formed by heat treatment to form an organosilicon thin film. At this time, a porous body is used as the substrate as the separation membrane.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be Solved by the Invention]

従来のゾルーゲル法によって有機けい素薄膜を製造する
場合、膜形成時に溶媒の蒸発やシロキサン結合(Si−O
−Si)の生成による架橋反応に伴って体積の収縮が起き
る。そのため、クラックが発生し易く、脆い構造とな
り、均一な組織及び膜厚をもつ薄膜を作ることが難し
い。この点から、ゾルーゲル法によるフィルム状膜の製
造は不可能とされている。
When an organic silicon thin film is manufactured by a conventional sol-gel method, solvent evaporation or siloxane bond (Si-O
The contraction of the volume occurs along with the crosslinking reaction due to the formation of -Si). Therefore, cracks are likely to occur, the structure becomes brittle, and it is difficult to form a thin film having a uniform structure and film thickness. From this point, it is considered impossible to manufacture a film-like film by the sol-gel method.

また、基板や支持膜を使用するため、コーティング膜と
基板との密着性や、膜形成時の体積収縮に耐える機械的
強度が基板に要求されること等から、基板や支持膜の材
質に制約が生じる。また、コーティング膜の膜厚も、厚
い場合で10〜20μm,薄い場合で0.1μm程度で限度があ
る。このような厚膜では、分子レベルで構造制御ができ
る薄膜とすることはできない。
In addition, since the substrate and the support film are used, the adhesion between the coating film and the substrate and the mechanical strength required to withstand the volume shrinkage during film formation are required for the substrate. Occurs. The thickness of the coating film is limited to 10 to 20 μm when it is thick and about 0.1 μm when it is thin. Such a thick film cannot be a thin film whose structure can be controlled at the molecular level.

しかも、ゾルーゲル法によって形成される有機けい素薄
膜は、三次元架橋体であるため、細孔径が10〜200Å程
度でしかも無定形の細孔構造を持ったものとなる。細孔
径をこれ以上大きくすることは難しく、そのため触媒等
の担体としては不適である。また、表面活性基の配向性
を制御することもできない。
Moreover, since the organic silicon thin film formed by the sol-gel method is a three-dimensional crosslinked body, it has a pore size of about 10 to 200Å and an amorphous pore structure. It is difficult to increase the pore size beyond this, and therefore it is not suitable as a carrier for catalysts and the like. Further, it is not possible to control the orientation of the surface active groups.

このように、従来のゾルーゲル法では、有機けい素薄膜
の膜厚,細孔構造,表面活性基の配向性等を分子レベル
で制御することは不可能である。
As described above, in the conventional sol-gel method, it is impossible to control the film thickness of the organic silicon thin film, the pore structure, the orientation of the surface active groups, etc. at the molecular level.

そこで、本発明は、溶媒中に存在する両親媒性物質の集
合状態を利用し、この両親媒性物質と薄膜前駆体として
のアルコキシシラン物質とを含有する液体から展開法で
製膜することにより、分子レベルでの構造制御が可能な
有機けい素薄膜を製造することを目的とする。
Therefore, the present invention utilizes the aggregated state of the amphipathic substance present in the solvent and forms a film from a liquid containing this amphipathic substance and an alkoxysilane substance as a thin film precursor by a developing method. The purpose of the present invention is to produce an organic silicon thin film capable of controlling the structure at the molecular level.

〔課題を解決するための手段〕[Means for Solving the Problems]

本発明では、分子の両端に極性基及び疎水基が付加され
た両親媒性物質とアルコキシシラン物質とを含有する展
開液を調製し、該展開液を基板の表面に展開し、基板上
に形成された液膜から溶媒を除去することによって、両
親媒性物質を含む有機けい素薄膜を作る。この有機けい
素薄膜は、そのままで、或いは化学的処理を施した後、
両親媒性物質を抽出することによって使用される。
In the present invention, a developing solution containing an amphipathic substance in which a polar group and a hydrophobic group are added to both ends of a molecule and an alkoxysilane substance is prepared, and the developing solution is spread on the surface of the substrate and formed on the substrate. By removing the solvent from the formed liquid film, an organic silicon thin film containing an amphipathic substance is prepared. This organic silicon thin film is, as it is, or after being subjected to a chemical treatment,
Used by extracting amphiphiles.

本発明で使用される両親媒性物質は、同一分子内に極性
基と疎水基の両方を同時に持つ化合物である。極性基と
しては、スルホン酸塩,硫酸塩,アンモニウム塩,ポリ
アミン塩,カルボン酸塩,スルホニル塩,リン酸塩,ホ
スホン酸塩,ホスホニウム塩,ホリエーテル類,アルコ
ール類,糖残基類等を含めたポリオール類及びこれらの
基の組合わせを使用することができる。他方、疎水基と
しては、アルキル基,アルキルアリル基,脂環基,縮合
多環基及びこれらの基の組合わせを使用することができ
る。
The amphipathic substance used in the present invention is a compound having both a polar group and a hydrophobic group in the same molecule at the same time. Examples of polar groups include sulfonates, sulfates, ammonium salts, polyamine salts, carboxylates, sulfonyl salts, phosphates, phosphonates, phosphonium salts, polyethers, alcohols, sugar residues, etc. Polyols and combinations of these groups can be used. On the other hand, as the hydrophobic group, an alkyl group, an alkylallyl group, an alicyclic group, a condensed polycyclic group and a combination of these groups can be used.

有機けい素薄膜の前駆体となるアルコキシシラン物質と
しては、SiOR基(RO:アルコキシ基或いはアシロキシ
基)を含む化合物が使用される。このSiOR基が加水分解
反応を受けてシラノール基SiOHを生成し、SiOH同士或い
はSiOHとSiOR間の重縮合反応によるシロキサン結合Si−
O−Siの生成によって架橋し薄膜を形成する。
As the alkoxysilane substance serving as a precursor of the organic silicon thin film, a compound containing a SiOR group (RO: alkoxy group or acyloxy group) is used. This SiOR group undergoes a hydrolysis reaction to form a silanol group SiOH, and a siloxane bond Si- is formed by a polycondensation reaction between SiOHs or between SiOHs and SiORs.
The formation of O-Si crosslinks to form a thin film.

このときの反応を式で表せば、たとえば次の通りであ
る。
The reaction at this time can be represented by an equation, for example, as follows.

加水分解反応 重縮合反応 したがって、薄膜を形成するためには、前駆体となるア
ルコキシシラン物質は、Si原子に結合した少なくとも3
個以上のアルコキシ基ORが一分子中にあることが必要で
ある。これを一般式で表すと、次の通りである。
Hydrolysis reaction Polycondensation reaction Therefore, in order to form a thin film, the precursor alkoxysilane material should be at least 3
It is necessary that at least one alkoxy group OR is present in one molecule. This can be expressed by a general formula as follows.

R1mSi(OR)4-m(m:0或いは1) (n=2,p=1或いはn=3,p=0) 及びこれらの加水分解重縮合物 なお、上式のRは、加水分解を受けてシラノール基を生
成する必要があり、具体的にはメチル,エチル,プロピ
ル,ブチル,アセトキシ,アセチルアセトナト等があ
る。
R 1 mSi (OR) 4- m (m: 0 or 1) (N = 2, p = 1 or n = 3, p = 0) and their hydrolyzed polycondensates Note that R in the above formula must be hydrolyzed to generate a silanol group. Are methyl, ethyl, propyl, butyl, acetoxy, acetylacetonato, etc.

上記のアルコキシシラン化合物は、単独でも或いは2種
以上の組合わせでも使用することができる。また、有機
鎖による変性,架橋密度を下げることによる多孔性の増
加,残留SiOH,SiORの封止等を目的として、前述のアル
コキシシランに対して架橋性の低いアルコキシシラン化
合物を添加することも可能である。使用される架橋性の
低いアルコキシシラン化合物としては、次のようなもの
がある。
The above alkoxysilane compounds may be used alone or in combination of two or more. It is also possible to add an alkoxysilane compound with low crosslinkability to the above-mentioned alkoxysilane for the purpose of modification by organic chains, increase in porosity by decreasing crosslink density, sealing of residual SiOH, SiOR, etc. Is. Examples of the low-crosslinking alkoxysilane compound used include the following.

ただし、R4,R5,R6は、同種又は異種の何れでもよく、R1
と同様の基の中から選ぶことができる。この場合、R4R5
SiCl2,R4R5R6SiCl等のクロロシラン類でも良い。
However, R 4 , R 5 and R 6 may be the same or different and R 1
You can choose from the same groups as. In this case, R 4 R 5
Chlorosilanes such as SiCl 2 , R 4 R 5 R 6 SiCl may be used.

なお、以上の式におけるR1には、メチル,エチル,プロ
ピル,ブチル,オクチル,オクタデシル,フェニル,ナ
フチル,フルオロアルキル,ビニル,アリル,γ−クロ
ロプロピル,γ−アミノプロピル,N−(β−アミノエチ
ル)−γ−アミノプロピル,γ−メルカプトプロピル,
γ−グリシドキシプロピル,γ−メタクリロキシプロピ
ル等がある。
In addition, R 1 in the above formula is methyl, ethyl, propyl, butyl, octyl, octadecyl, phenyl, naphthyl, fluoroalkyl, vinyl, allyl, γ-chloropropyl, γ-aminopropyl, N- (β-amino. Ethyl) -γ-aminopropyl, γ-mercaptopropyl,
γ-glycidoxypropyl, γ-methacryloxypropyl and the like.

また、R2としては、次のようなものがある。Further, R 2 includes the following.

−CH2CH2−,−CH2CH2CH2−,−CH2CH2CH2CH2−, −CH2CH2OCH2CH2−,−CH2CH2CH2OCH2CH2CH2−, アルコキシシラン物質に対して、けい素以外の金属元素
Mのアルコキシ化合物,カルボキシ化合物,ハロゲン化
合物,硝酸化合物等を添加することもできる。
-CH 2 CH 2 -, - CH 2 CH 2 CH 2 -, - CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 -, -CH 2 CH 2 OCH 2 CH 2 -, - CH 2 CH 2 CH 2 OCH 2 CH 2 CH 2- , It is also possible to add an alkoxy compound of a metal element M other than silicon, a carboxy compound, a halogen compound, a nitric acid compound or the like to the alkoxysilane substance.

後述するように、展開液は、水溶液を主として使用する
ため、これら化合物の内には加水分解性が高くて展開液
調製時に沈殿が生成するものもある。したがって、その
添加量は、使用する化合物によって異なり、一義的に定
めることは難しい。また、難加水分解性でSi−O−M結
合が生成しないものも使用できない。この点、アルコキ
シシラン物質に対しては、一般に相溶性が高い金属アル
コキシ化合物M(OR)nが適している。しかしながら、
けい素以外の金属アルコキシ化合物は、加水分解性が高
いため、金属アルコキシ化合物を単独で展開液に添加す
ると、沈殿を生成する場合がある。その場合には、展開
液調製に先立って、予めアルコキシシラン物質と金属ア
ルコキシ化合物を所定量混合して付加物を調製し、これ
を原料とすることが良い。なお。Siに添加することがで
きる金属元素Mに関する制約はなく、大部分の金属元素
Mについてアルコキシ化合物がある。
As will be described later, since the developing solution is mainly an aqueous solution, some of these compounds are highly hydrolyzable and precipitate during the preparation of the developing solution. Therefore, the added amount varies depending on the compound used and is difficult to uniquely determine. Further, those which are hardly hydrolyzable and do not form Si-OM bonds cannot be used. In this respect, the metal alkoxy compound M (OR) n, which is generally highly compatible, is suitable for the alkoxysilane substance. However,
Since metal alkoxy compounds other than silicon have high hydrolyzability, when a metal alkoxy compound alone is added to a developing solution, a precipitate may be generated. In that case, prior to the preparation of the developing solution, it is preferable that the alkoxysilane substance and the metal alkoxy compound are mixed in a predetermined amount to prepare an adduct, which is used as a raw material. Incidentally. There are no restrictions on the metal element M that can be added to Si, and there are alkoxy compounds for most of the metal element M.

加水分解性を抑える点から、R(M(OR)n)は、一般
に炭素数が多いほうが好ましい。また、以下に示す各種
のカルボキシル化合物M(OOCR′)も好適な化合物であ
る。
From the viewpoint of suppressing hydrolyzability, R (M (OR) n) generally preferably has a large number of carbon atoms. Further, various carboxyl compounds M (OOCR ') shown below are also preferable compounds.

Ti(OC4H94,Ti(OC3H7)(OOCC17H353, Ti(OC3H7)(OC(CH3)CHCOCH32,Zr(OC4H94, ZrO(OOCCH32,ZrOCl2,VO(OC4H93, Al(OOCH)3,Al(OOCCH33,Al(OC3H73, Al(OC(CH3)CHCOOC2H5 展開液は、所定量の両親媒性物質とアルコキシシラン物
質を溶媒に溶解或いは分散して調製される。溶媒として
は、多くの場合、水が使用されるが、有機溶媒の添加も
可能である。ただし、SiORを加水分解するための、最低
限の水は必要である。アルコキシシラン物質は、一部を
除いて難水溶性であり、水溶液の場合はSiOR基の加水分
解によるSiOHの生成に伴って、展開液中に均一に溶解或
いは分散する。そこで、SiOR基の加水分解を促進するた
めに、少量の酸性物質或いは塩基性物質を添加しても良
い。
Ti (OC 4 H 9 ) 4 , Ti (OC 3 H 7 ) (OOCC 17 H 35 ) 3 , Ti (OC 3 H 7 ) (OC (CH 3 ) CHCOCH 3 ) 2 , Zr (OC 4 H 9 ) 4 , ZrO (OOCCH 3) 2, ZrOCl 2, VO (OC 4 H 9) 3, Al (OOCH) 3, Al (OOCCH 3) 3, Al (OC 3 H 7) 3, Al (OC (CH 3) CHCOOC The 2 H 5 ) 3 developing solution is prepared by dissolving or dispersing a predetermined amount of an amphipathic substance and an alkoxysilane substance in a solvent. Water is often used as the solvent, but it is also possible to add an organic solvent. However, a minimum amount of water is required to hydrolyze SiOR. Alkoxysilane substances are poorly water-soluble except for a part thereof, and in the case of an aqueous solution, they are uniformly dissolved or dispersed in a developing solution as SiOH is generated by hydrolysis of SiOR groups. Therefore, a small amount of an acidic substance or a basic substance may be added to accelerate the hydrolysis of the SiOR group.

展開液が展開される基板には、ガラス基板,石英板,フ
ロロポア,グラファイト板,シリコン基板,緻密ポリマ
ーフィルム,多孔質ポリマーフィルム等がある。基板の
表面には、展開液の種類に応じて親水化処理或いは疎水
化処理しても良い。たとえば、展開液が基板表面上の所
定面積に展開されるように、基板表面の一部を親水化処
理し、残りの表面部分を疎水化処理することも有効であ
る。
The substrate on which the developing solution is spread includes a glass substrate, a quartz plate, a fluoropore, a graphite plate, a silicon substrate, a dense polymer film, a porous polymer film and the like. The surface of the substrate may be hydrophilized or hydrophobized depending on the type of developing solution. For example, it is also effective to hydrophilize a part of the substrate surface and hydrophobize the remaining surface part so that the developing solution is spread on a predetermined area on the substrate surface.

基板上に展開された展開液から溶媒が除去されて、シロ
キサン結合の成長によって、有機けい素薄膜が形成され
る。このとき、シロキサン結合の成長が均一に進行する
ために、また両親媒性物質の分子集合体の規則性を確保
するために、溶媒の除去は徐々に行うことが好ましい。
The solvent is removed from the developing solution spread on the substrate, and the growth of siloxane bonds forms an organic silicon thin film. At this time, it is preferable to gradually remove the solvent in order to uniformly promote the growth of siloxane bonds and to ensure the regularity of the molecular assembly of the amphipathic substance.

溶媒を除去した後に得られる両親媒性物質を含む有機け
い素薄膜(以下、これを単に薄膜という)は、そのまま
の状態でも使用可能な自己支持性を持っている。しか
し、更に引き続き化学的処理又は熱処理することも可能
である。この化学的処理には、残留しているSiORやSiOH
の加水分解重縮合反応を更に進めるために、酸性物質や
塩基性物質を使用した処理が掲げられる。
The organic silicon thin film containing an amphipathic substance obtained after removing the solvent (hereinafter, simply referred to as a thin film) has a self-supporting property that can be used as it is. However, it is also possible to carry out further chemical treatment or heat treatment. This chemical treatment involves residual SiOR and SiOH.
In order to further promote the hydrolysis polycondensation reaction of, the treatment using an acidic substance or a basic substance is listed.

塩酸,硝酸,硫酸,酢酸,アンモニア,アミン,水酸化
ナトリウム等の液体或いは溶液に薄膜を直接浸漬処理す
ることによって、薄膜が処理される。また、密閉容器等
を使用して、これら酸性或いは塩基性物質の蒸気に薄膜
を晒す方法も有効である。また、薄膜中にある未反応の
SiORやSiOHを不活性化するため、R4R5R6Si(OR),R4R5R
6SiCl或いはヘキサメチルジシラザン等のシラザン化合
物の液体,溶液或いは蒸気で同様に処理することもあ
る。
The thin film is treated by directly immersing the thin film in a liquid or solution of hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, acetic acid, ammonia, amine, sodium hydroxide or the like. A method of exposing the thin film to the vapor of these acidic or basic substances using a closed container is also effective. In addition, unreacted in the thin film
R 4 R 5 R 6 Si (OR), R 4 R 5 R to deactivate SiOR and SiOH
Liquid 6 SiCl or hexamethyldisilazane silazane compounds, also treated in the same manner with a solution or vapor.

両親媒性物質を抽出剤で抽出した後、前述の処理を行う
ことも可能であるが、両親媒性物質の規則構造を十分に
有機けい素薄膜に反映させるためには、両親媒性物質を
含む状態での処理が効果的である。
It is possible to perform the above-mentioned treatment after extracting the amphipathic substance with an extractant, but in order to sufficiently reflect the ordered structure of the amphipathic substance in the organic silicon thin film, the amphipathic substance is The processing in the state of including is effective.

このようにして作製された薄膜は、両親媒性物質の種類
によって選択された抽出剤で両親媒性物質が抽出除去さ
れて、分子レベルで構造制御された有機けい素薄膜とな
る。
The thin film produced in this manner becomes an organic silicon thin film whose structure is controlled at the molecular level by extracting and removing the amphipathic substance with an extractant selected according to the type of the amphipathic substance.

〔作用〕[Action]

本発明者等は、多様な分子組織体を形成する両親媒性物
質に着目し、この両親媒性物質が形成する規則的な分子
組織体を反応場としてゾルーゲル法を適用するとき、分
子レベルで構造制御された有機けい素薄膜を製造するこ
とが可能であると考え、鋭意研究を進めた結果、本発明
を完成するに至った。
The present inventors have focused on amphipathic substances forming various molecular assemblies, and when applying the sol-gel method with a regular molecular assembly formed by these amphiphiles as a reaction field, at the molecular level. The present invention has been completed as a result of earnest research, considering that it is possible to manufacture an organic silicon thin film having a controlled structure.

分子の両末端に極性基及び疎水基を有する両親媒性化合
物は、水溶液等の媒体中に溶解或いは分散したときに、
球状,円盤状,棒状,筒状或いはラメラ状の分子集合体
を形成することが知られている(たとえば、1983年学会
出版センター発行 日本化学会編「分子集合体−その組
織化と機能」第106頁参照)。また、ある種の両親媒性
物質は、生体膜と同様の二分子膜構造を有した分子集合
体を形成する。二分子膜を形成する両親媒性物質は、水
分媒体として得られるだけではなく、固体基板上に展開
した後で、水を徐々に除くことによって透明な自己支持
性を持つキャストフィルムに成型できる。そして、得ら
れたキャストフィルム内においても、規則的な二分子膜
構造が維持されている。これに対し、二分子膜形成能を
持たない両親媒性物質、いわゆる一般の界面活性剤で
は、自己支持性のキャストフィルムを成型することは困
難である。
An amphipathic compound having a polar group and a hydrophobic group at both ends of the molecule, when dissolved or dispersed in a medium such as an aqueous solution,
It is known to form spherical, disc-shaped, rod-shaped, cylindrical, or lamellar molecular aggregates (for example, "Molecular aggregates-its organization and function", edited by The Chemical Society of Japan, 1983, Ed. See page 106). Further, some kind of amphipathic substance forms a molecular assembly having a bilayer membrane structure similar to that of a biological membrane. The amphipathic substance forming the bilayer membrane can be obtained not only as a water medium, but can also be cast on a transparent self-supporting cast film by gradually removing water after being spread on a solid substrate. The regular bilayer film structure is maintained even in the obtained cast film. On the other hand, it is difficult to mold a self-supporting cast film with an amphipathic substance having no ability to form a bilayer film, a so-called general surfactant.

有機けい素薄膜の形成能は、使用する両親媒性物質の種
類によって差がある。すなわち、二分子膜形成能を持た
ない一般の界面活性剤では、両親媒性物質に対してアル
コキシシラン物質の量が少ない(たとえば、3倍モル以
下)と、展開しても脆く割れ易く、自己支持性のある薄
膜にはなりにくい。
The ability to form an organic silicon thin film varies depending on the type of amphipathic substance used. That is, in a general surfactant having no ability to form a bilayer film, when the amount of the alkoxysilane substance is small with respect to the amphipathic substance (for example, 3 times or less mol), it is brittle and easily cracked even if it is developed, and the self It does not easily become a thin film with supportive properties.

これに対して、水分散系で生体膜と類似の二分子膜構造
をとる自己組織性を有する両親媒性物質を使用すると、
分子レベルの膜厚で有機けい素薄膜の製造が可能とな
る。
On the other hand, when an amphipathic substance having a self-organizing property that takes a bilayer membrane structure similar to a biological membrane in an aqueous dispersion system is used,
It is possible to manufacture an organic silicon thin film with a film thickness at the molecular level.

二分子膜構造をとる両親媒性物質の特徴及びこれによる
薄膜形成能が高いことの理由等については、特願平1−
58889号に詳しく説明しているので、ここでは省略する
が、端的にいうと、生体膜と類似して二分子膜構造の安
定性,規則性がその原因と考えられる。
Regarding the characteristics of the amphipathic substance having a bilayer structure and the reason why the ability to form a thin film is high, Japanese Patent Application No.
Since it is described in detail in No. 58889, it is omitted here, but in short, it is considered that the stability and regularity of the bilayer membrane structure are similar to the biological membrane.

両親媒性化合物は、水溶液等の媒体中に溶解,分散した
ときに、球状,円盤状,棒状,筒状,ラメラ状等の分子
集合体を形成する。この分子集合体の集合様式或いは集
合形態は、両親媒性物質を構成する極性基や疎水性基の
媒体との親和性、そして疎水性基の分子構造に基づくと
ころの分子配向性によって決まる。これはアルコキシシ
ラン物質を添加すると、アルコキシシラン物質は、加水
分解して媒体中に分散して、分子集合体を鋳型にする方
式で橋掛け固定化していく。
The amphipathic compound forms a molecular aggregate such as a sphere, a disc, a rod, a cylinder, or a lamella when dissolved or dispersed in a medium such as an aqueous solution. The assembly mode or assembly form of this molecular assembly is determined by the affinity of the polar group or hydrophobic group constituting the amphipathic substance with the medium, and the molecular orientation based on the molecular structure of the hydrophobic group. This is because when an alkoxysilane substance is added, the alkoxysilane substance is hydrolyzed and dispersed in the medium, and is crosslinked and immobilized by a method in which a molecular assembly is used as a template.

したがって、本発明の方法で製造される有機けい素薄膜
の細孔構造は、両親媒性物質の形成する分子集合体の形
態を反映し、分子レベルの精密さを有する。そこで、両
親媒性物質を適当に選択することによって、細孔の形態
や大きさを制御することが可能となる。
Therefore, the pore structure of the organic silicon thin film produced by the method of the present invention reflects the morphology of the molecular aggregate formed by the amphipathic substance and has molecular level precision. Therefore, it is possible to control the morphology and size of the pores by appropriately selecting the amphipathic substance.

特に、二次元平面性の高いラメラ構造をとる自己組織性
の両親媒性物質を使用すると、分子レベルでの超薄膜化
が可能になる。また、R1Si等で導入される表面活性基も
分子集合体との相互作用によって規則的な配向性を持
つ。
In particular, the use of a self-organizing amphipathic substance having a lamellar structure with high two-dimensional flatness makes it possible to form an ultrathin film at the molecular level. Further, the surface active group introduced by R 1 Si or the like also has a regular orientation due to the interaction with the molecular assembly.

以下、実施例によって、本発明を具体的に説明する。Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples.

〔実施例1〕 −実施例1− 各種の両親媒性物質50mM及びアルコキシシラン物質とし
てCH3Si(OCH3の所定量を純水に分散させて、各種
展開液を調製した。この展開液を基板である酢酸セルロ
ースフィルム枠で囲まれたフロロポア(以下、これを単
にフロロポアという)或いはガラスシャーレに滴下し、
これを温度25℃,湿度60%の雰囲気に3日間保持して、
展開液の水分を蒸発させた。その後、水分除去した液膜
を密閉容器内にアンモニアガスと共に封入して、温度20
℃で1週間放置し、最終的にクロロホルム或いはメタノ
ールで両親媒性物質を抽出して、有機けい素薄膜を得
た。
Example 1 - by dispersing a predetermined amount of CH 3 Si (OCH 3) 3 as Example 1 various amphiphiles 50mM and alkoxysilane material in pure water, and the various developing solution was prepared. This developing solution is dropped on a fluoropore surrounded by a cellulose acetate film frame as a substrate (hereinafter, simply referred to as fluoropore) or a glass petri dish,
Keep this in an atmosphere of temperature 25 ℃ and humidity 60% for 3 days,
The water content of the developing solution was evaporated. Then, the liquid film from which water was removed was sealed with ammonia gas in a closed container, and the temperature was adjusted to 20
The mixture was allowed to stand at ℃ for 1 week, and finally the amphipathic substance was extracted with chloroform or methanol to obtain an organic silicon thin film.

得られた薄膜を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察したと
ころ、両親媒性物質の種類や製造条件に応じて独立気泡
を持つ構造(第1図),細孔を持つ膜が層状に重なった
もの(第2図),織布状に絡み合ったもの(第3図),
毛管孔が三次元的或いは膜面方向にが延びた構造等,各
種形態の細孔構造を持つものが得られた。
Observation of the obtained thin film with a scanning electron microscope (SEM) revealed that the structure with closed cells (Fig. 1) and the film with pores were layered in layers depending on the type of amphiphile and manufacturing conditions. Stuff (Fig. 2), woven fabric-entangled stuff (Fig. 3),
Various pore structures were obtained, such as a structure in which the capillary holes were three-dimensional or extended in the film surface direction.

第1表は、このときの製造条件及び得られた有機けい素
薄膜の形態的な特徴を示す。なお、第1表中における化
合物を、以下に構造式で示す。このうち、化合物1及び
2は通常の界面活性剤、化合物3〜5が二分子膜形成能
を持った両親媒性物質である。
Table 1 shows the manufacturing conditions at this time and the morphological characteristics of the obtained organic silicon thin film. The compounds in Table 1 are shown below by structural formulas. Of these, compounds 1 and 2 are ordinary surfactants, and compounds 3 to 5 are amphipathic substances capable of forming a bilayer.

化合物1 化合物2 CH3(CH210O(CH2CH2O)9H 化合物3 化合物4 化合物5 また、両親媒性物質無添加の例として、CH3Si(OCH3
の5重量%水溶液にアンモニア水を0.1重量%添加し
たものを使用し、同様な方法によって液膜を乾燥させ
た。この場合には、乾燥後の状態は微薄片状であり、細
孔が認められなかった。
Compound 1 Compound 2 CH 3 (CH 2 ) 10 O (CH 2 CH 2 O) 9 H Compound 3 Compound 4 Compound 5 In addition, as an example of no addition of amphiphile, CH 3 Si (OCH 3 )
A solution obtained by adding 0.1% by weight of ammonia water to the 5% by weight aqueous solution of 3 was used to dry the liquid film by the same method. In this case, the state after drying was in the form of flakes and no pores were observed.

このように使用する両親媒性物質の種類や製造条件に応
じて、得られる薄膜の細孔構造を変えることができるた
め、種々の目的に対応した機能を持つ有機けい素薄膜と
なる。
Since the pore structure of the obtained thin film can be changed according to the kind of the amphipathic substance used and the production conditions in this way, the organic silicon thin film has a function corresponding to various purposes.

たとえば、第1図に示した独立気泡を持つものにあって
は、気泡内に色素等の機能物質を入れるとき、機能物質
の分散形態が分子レベルであるため、優れた蛍光特性,
光吸収特性或いは光ホールバーニング効果を有する光学
材料等として使用される。また、第2図の層状に配列さ
れた細孔構造を持つ薄膜では、1層の膜厚が分子厚みで
あるために、膜抵抗が小さくて物質透過量が大きく、ま
た活性基の表面配向性が高いために、選択的な気体分離
やイオン交換、吸脱着等の物質分離材料として使用され
る。また、第3図のように細孔が織布状に配列された薄
膜では、μmオーダー以上の大口径空間を有するため、
触媒ばかりでなく酵素や微生物の固定用担体として使用
される。更に、分子サイズの毛管孔が延びた薄膜では、
分子或いは分子集合体,細菌類等を対象とした濾過材料
として、或いはこれに触媒を担持させ、反応基質や反応
生成物の透過選択性を利用して反応を制御するメンブレ
ンリアクターとして使用される。
For example, in the case of having the closed cells shown in FIG. 1, when the functional substance such as a dye is put in the bubbles, the dispersion form of the functional substance is at the molecular level, so that the excellent fluorescent characteristics,
It is used as an optical material having a light absorbing property or a light hole burning effect. In addition, in the thin film having the pore structure arranged in layers as shown in FIG. 2, the film thickness of one layer is the molecular thickness, so that the film resistance is small and the substance permeation amount is large, and the surface orientation of the active groups is large. Therefore, it is used as a material separation material for selective gas separation, ion exchange, adsorption / desorption, etc. Further, in the thin film in which the pores are arranged in a woven fabric shape as shown in FIG. 3, since it has a large-diameter space of the order of μm or more,
It is used not only as a catalyst but also as a carrier for immobilizing enzymes and microorganisms. Furthermore, in thin films with extended molecular size capillary pores,
It is used as a filtration material for molecules or molecular aggregates, bacteria, etc., or as a membrane reactor in which a catalyst is supported and the reaction is controlled by utilizing the permeation selectivity of the reaction substrate or reaction product.

−実施例2− 両親媒性物質として、前掲の化合物4を使用した。そし
て、50mMの化合物4に対して3倍モル等量にアルコキシ
シラン物質を添加して、展開液を調製した。ここで使用
したアルコキシシラン物質としては、次のとおりであ
る。
-Example 2-The above-mentioned compound 4 was used as an amphipathic substance. Then, a developing solution was prepared by adding an alkoxysilane substance in a 3-fold molar equivalent amount to 50 mM of Compound 4. The alkoxysilane materials used here are as follows.

NH2CH2CH2CH2Si(OCH3 CH3(CH217Si(OCH3 CF3(CF27CH2CH2Si(OC2H5 Si(OC2H5 これら展開液を実施例1と同様の方法で展開して、有機
けい素薄膜を得た。いずれの場合も、得られた有機けい
素薄膜はフィルム状であり、SEMによって観察された細
孔構造は、多層膜状であった。
NH 2 CH 2 CH 2 CH 2 Si (OCH 3 ) 3 CH 3 (CH 2) 17 Si (OCH 3) 3 CF 3 (CF 2) 7 CH 2 CH 2 Si (OC 2 H 5) 3 Si (OC 2 H 5) 4 in the same manner these developing solution as in Example 1 The method was applied to obtain an organic silicon thin film. In each case, the obtained organic silicon thin film was in the form of a film, and the pore structure observed by SEM was in the form of a multilayer film.

−実施例3− CH3Si(OCH3に1/10重量部のTi(OC4H9を添加
し、攪拌混合して僅かに黄色の透明液体を得た。この液
体を、化合物3の両親媒性物質50mMに対してSi換算で3
倍モル量の割合で、純水に分散させて展開液を調製し
た。そして、実施例1と同様に展開して水分を蒸発さ
せ、アンモニア処理し、次いでクロロホルムで両親媒性
物質を抽出して白色のフィルムを得た。また、Zr(OC4H
9についても、CH3Si(OCH3)に対して1/10重量部を
添加した系で、同様にして白色フィルムを得た。
- addition of Example 3- CH 3 Si (OCH 3) 3 1/10 parts by weight of Ti (OC 4 H 9) 4 , to yield a clear slightly yellow liquid with stirring and mixing. This liquid was converted to Si in terms of Si for 50 mM of the amphipathic substance of compound 3.
A developing solution was prepared by dispersing it in pure water at a double molar ratio. Then, it was developed in the same manner as in Example 1 to evaporate water, treated with ammonia, and then extracted with amphiphile with chloroform to obtain a white film. In addition, Zr (OC 4 H
9 ) For 4 as well, a white film was similarly obtained in a system in which 1/10 parts by weight was added to CH 3 Si (OCH 3 ).

このようにして得られた有機けい素薄膜は、いずれもSE
M観察の結果、層状の細孔構造を持つものであった。
The organic silicon thin films thus obtained are all SE
As a result of M observation, it had a layered pore structure.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上に説明したように、本発明においては、両親媒性物
質を含有する液体を基板上に展開したときに形成される
規則的な分子組織体を反応場として使用し、前駆体であ
るアルコキシシラン化合物から有機けい素薄膜を作製し
ている。この方法によるとき、配向性が高く、しかも分
子レベルで構造制御が可能な薄膜が得られる。このよう
にして得られた薄膜は、その構造から物質分離膜,各種
担体等として優れた機能を発揮する。
As described above, in the present invention, a regular molecular assembly formed when a liquid containing an amphipathic substance is spread on a substrate is used as a reaction field, and the precursor alkoxysilane is used. An organic silicon thin film is made from a compound. According to this method, a thin film having high orientation and capable of controlling the structure at the molecular level can be obtained. The thin film thus obtained exerts an excellent function as a substance separation membrane, various carriers and the like due to its structure.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

図はいずれも本発明によって製造された薄膜の結晶構造
を顕微鏡で観察した組織写真であり、第1図は独立気泡
を持つ薄膜、第2図は細孔が層状に配列された薄膜、第
3図は細孔が織布状になった薄膜を示す。
Each of the figures is a microstructure photograph of the crystal structure of the thin film produced according to the present invention. FIG. 1 is a thin film having closed cells, FIG. 2 is a thin film in which pores are arranged in layers, and FIG. The figure shows a thin film in which the pores are woven.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C09D 183/02 PMP 183/14 // C08L 83:04 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Internal reference number FI technical display location C09D 183/02 PMP 183/14 // C08L 83:04

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】スルホン酸塩,硫酸塩,アンモニウム塩,
ポリアミン塩,カルボン酸塩,スルホニル塩,リン酸
塩,ホスホン酸塩,ホスホニウム塩,ポリエーテル酸,
アルコール類,糖残基類を含むポリオール類及びこれら
の組合せから選ばれた極性基と炭素数8〜22のアルキル
基,アルキルアリル基,脂環基,縮合多環基及びこれら
の組合せから選ばれた疎水基が分子の両端に付加された
両親媒性物質と、Si原子に結合した少なくとも3個以上
のアルコキシ基を1分子中にもつアルコキシシラン物質
とを含有する展開液を調製し、該展開液を基板表面に展
開した後、前記基板上の液膜から溶媒を除去することを
特徴とする有機けい素薄膜の製造方法。
1. A sulfonate, a sulfate, an ammonium salt,
Polyamine salt, carboxylate, sulfonyl salt, phosphate, phosphonate, phosphonium salt, polyether acid,
A polar group selected from alcohols, polyols containing sugar residues, and combinations thereof, and an alkyl group having 8 to 22 carbon atoms, an alkylallyl group, an alicyclic group, a condensed polycyclic group, and combinations thereof. A developing solution containing an amphipathic substance having hydrophobic groups added to both ends of the molecule and an alkoxysilane substance having at least three or more alkoxy groups bonded to Si atoms in one molecule is prepared. A method for producing an organic silicon thin film, comprising: spreading a liquid on a substrate surface and then removing a solvent from the liquid film on the substrate.
【請求項2】請求項1記載の溶媒を除去した後の液膜に
対して、残留しているSiOR,SiOH等の加水分解重縮合反
応を促進させる化学的処理又は熱的処理を施した後で両
親媒性物質を抽出することを特徴とする有機けい素薄膜
の製造方法。
2. A liquid film after removing the solvent according to claim 1, after being subjected to a chemical treatment or a thermal treatment for accelerating the hydrolytic polycondensation reaction of residual SiOR, SiOH, etc. A method for producing an organic silicon thin film, which comprises extracting an amphipathic substance with.
【請求項3】請求項1記載の展開液として、更にメタロ
キサン結合を生成し得るけい素以外の金属アルコキシ物
質を含有させたものを使用することを特徴とする有機け
い素薄膜の製造方法。
3. A method for producing an organic silicon thin film, wherein the developing solution according to claim 1 further contains a metal alkoxy substance other than silicon capable of forming a metalloxane bond.
【請求項4】請求項1記載の両親媒性物質が二分子膜形
成能を持つものであることを特徴とする有機けい素薄膜
の製造方法。
4. A method for producing an organic silicon thin film, wherein the amphipathic substance according to claim 1 is capable of forming a bilayer film.
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