特許 6259548 層状複水酸化物を含む機能層及び複合材料

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6259548

(24)【登録日】2017年12月15日

(45)【発行日】2018年1月10日

(54)【発明の名称】層状複水酸化物を含む機能層及び複合材料

(51)【国際特許分類】

   H01M 2/16 20060101AFI20171227BHJP

   H01M 4/24 20060101ALI20171227BHJP

   C01F 7/00 20060101ALI20171227BHJP

   B32B 9/00 20060101ALI20171227BHJP

【ＦＩ】

   H01M2/16 M

   H01M2/16 L

   H01M4/24 H

   H01M2/16 P

   C01F7/00

   B32B9/00 A

【請求項の数】14

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2017-535932(P2017-535932)

(86)(22)【出願日】2017年3月27日

(86)【国際出願番号】JP2017012435

【審査請求日】2017年7月6日

(31)【優先権主張番号】PCT/JP2017/003333

(32)【優先日】2017年1月31日

(33)【優先権主張国】JP

(31)【優先権主張番号】特願2016-125531(P2016-125531)

(32)【優先日】2016年6月24日

(33)【優先権主張国】JP

(31)【優先権主張番号】特願2016-125554(P2016-125554)

(32)【優先日】2016年6月24日

(33)【優先権主張国】JP

(31)【優先権主張番号】特願2016-125562(P2016-125562)

(32)【優先日】2016年6月24日

(33)【優先権主張国】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000004064

【氏名又は名称】日本碍子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100113365

【弁理士】

【氏名又は名称】高村 雅晴

(74)【代理人】

【識別番号】100131842

【弁理士】

【氏名又は名称】加島 広基

(74)【代理人】

【識別番号】100202511

【弁理士】

【氏名又は名称】武石 卓

(72)【発明者】

【氏名】山本 翔

(72)【発明者】

【氏名】横山 昌平

【審査官】 冨士 美香

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１６／０９８５１３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００５−０８９２７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−０９５２８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０５９００５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１５／０９８６１０（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ２／１６

Ｈ０１Ｍ ４／２４

Ｂ３２Ｂ １／００−４３／００

Ｃ０１Ｆ ７／００

Ｃ０１Ｇ ２３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

層状複水酸化物（ＬＤＨ）を含む機能層であって、
直径０．０５μｍ未満のＬＤＨ微粒子で構成される、厚さ０．１０μｍ以上の第一層と、
前記第一層上に設けられる最表面層であって、平均粒子径０.０５μｍ以上のＬＤＨ大粒子で構成される第二層と、
を有する、機能層。

【請求項2】

前記ＬＤＨ微粒子の直径が０．０２５μｍ以下であり、前記第一層の厚さが０．５０〜３．０μｍである、請求項１に記載の機能層。

【請求項3】

前記ＬＤＨ大粒子の平均粒子径が０．１〜５．０μｍであり、前記第二層の厚さが０．１〜１０μｍである、請求項１又は２に記載の機能層。

【請求項4】

前記層状複水酸化物は、０．４ｍｏｌ／Ｌの濃度で酸化亜鉛を含む６ｍｏｌ／Ｌの水酸化カリウム水溶液中に７０℃で３週間浸漬させた場合に、表面微構造及び結晶構造の変化が生じない、請求項１〜３のいずれか一項に記載の機能層。

【請求項5】

前記層状複水酸化物が、
Ｎｉ、Ｔｉ及びＯＨ基で構成される、又はＮｉ、Ｔｉ、ＯＨ基及び不可避不純物で構成される複数の水酸化物基本層と、前記複数の水酸化物基本層間に介在する、陰イオン及びＨ_２Ｏで構成される中間層とから構成される、又は、
Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ及びＯＨ基を含む複数の水酸化物基本層と、前記複数の水酸化物基本層間に介在する、陰イオン及びＨ_２Ｏで構成される中間層とから構成される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の機能層。

【請求項6】

前記第二層を構成する前記層状複水酸化物が複数の板状粒子の集合体を含み、該複数の板状粒子がそれらの板面が前記機能層の層面と垂直に又は斜めに交差するような向きに配向している、請求項１〜５のいずれか一項に記載の機能層。

【請求項7】

前記機能層は、単位面積あたりのＨｅ透過度が１０ｃｍ／ｍｉｎ・ａｔｍ以下である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の機能層。

【請求項8】

前記機能層が１００μｍ以下の厚さを有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の機能層。

【請求項9】

前記機能層が５０μｍ以下の厚さを有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の機能層。

【請求項10】

前記機能層が１５μｍ以下の厚さを有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の機能層。

【請求項11】

多孔質基材と、
前記多孔質基材上に設けられ、且つ／又は前記多孔質基材中にその一部が組み込まれる、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の機能層と、
を含む、複合材料。

【請求項12】

前記多孔質基材が、セラミックス材料、金属材料、及び高分子材料からなる群から選択される少なくとも１種で構成される、請求項１１に記載の複合材料。

【請求項13】

前記複合材料は、単位面積あたりのＨｅ透過度が１０ｃｍ／ｍｉｎ・ａｔｍ以下である、請求項１１又は１２に記載の複合材料。

【請求項14】

請求項１〜１０のいずれか一項に記載の機能層又は請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の複合材料をセパレータとして備えた電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、層状複水酸化物を含む機能層及び複合材料に関する。

【背景技術】

【0002】

層状複水酸化物（以下、ＬＤＨともいう）は、積み重なった水酸化物基本層の間に、中間層として交換可能な陰イオン及びＨ_２Ｏを有する物質であり、その特徴を活かして触媒や吸着剤、耐熱性向上のための高分子中の分散剤等として利用されている。

【0003】

また、ＬＤＨは水酸化物イオンを伝導する材料としても注目され、アルカリ形燃料電池の電解質や亜鉛空気電池の触媒層への添加についても検討されている。特に、近年、ニッケル亜鉛二次電池、亜鉛空気二次電池等のアルカリ二次電池用の固体電解質セパレータとしてのＬＤＨの利用も提案されており、かかるセパレータ用途に適したＬＤＨ含有機能層を備えた複合材料が知られている。例えば、特許文献１（国際公開第２０１５／０９８６１０号）には、多孔質基材と、多孔質基材上及び／又は中に形成される透水性を有しないＬＤＨ含有機能層とを備えた複合材料が開示されており、ＬＤＨ含有機能層が、一般式：Ｍ^２＋_１−ｘＭ^３＋_ｘ（ＯＨ）_２Ａ^ｎ−_ｘ／ｎ・ｍＨ_２Ｏ（式中、Ｍ^２＋はＭｇ^２＋等の２価の陽イオン、Ｍ^３＋はＡｌ^３＋等の３価の陽イオンであり、Ａ^ｎ−はＯＨ⁻、ＣＯ_３^２−等のｎ価の陰イオン、ｎは１以上の整数、ｘは０．１〜０．４であり、ｍは０以上である）で表されるＬＤＨを含むことが記載されている。特許文献１に開示されるＬＤＨ含有機能層は、透水性を有しない程に緻密化されているため、セパレータとして用いた場合に、アルカリ亜鉛二次電池の実用化の障壁となっている亜鉛デンドライト進展や、亜鉛空気電池における空気極からの二酸化炭素の侵入を阻止することができる。

【0004】

さらに、特許文献２（国際公開第２０１６／０７６０４７号）には、多孔質基材と複合化されたＬＤＨセパレータを備えたセパレータ構造体が開示されており、ＬＤＨセパレータがガス不透過性及び／又は水不透過性を有する程の高い緻密性を有することが開示されている。この文献には、ＬＤＨセパレータは単位面積あたりのＨｅ透過度で１０ｃｍ／ｍｉｎ・ａｔｍ以下と評価される高い緻密性を有しうることも記載されている。

【0005】

ところで、ＬＤＨが適用されるアルカリ二次電池（例えば金属空気電池やニッケル亜鉛電池）の電解液には、高い水酸化物イオン伝導度が要求され、それ故、ｐＨが１４程度で強アルカリ性のＫＯＨ水溶液が用いられることが望まれる。このため、ＬＤＨにはこのような強アルカリ性電解液中においても殆ど劣化しないといった高度な耐アルカリ性が望まれる。この点、特許文献３（国際公開第２０１６／０５１９３４号）には、上述した一般式のＭ^２＋及び／又はＭ^３＋に対応する金属元素（例えばＡｌ）を含む金属化合物を電解液に溶解させておくことでＬＤＨの電解液による浸食が抑制されるように構成された、ＬＤＨ含有電池が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】国際公開第２０１５／０９８６１０号

【特許文献2】国際公開第２０１６／０７６０４７号

【特許文献3】国際公開第２０１６／０５１９３４号

【発明の概要】

【0007】

本発明者らは、今般、ＬＤＨ微粒子で構成される緻密なＬＤＨ含有層の表面を直径０.０５μｍ以上のＬＤＨ大粒子で覆うことで、ＬＤＨ含有層の耐アルカリ性が有意に向上するとの知見を得た。

【0008】

したがって、本発明の目的は、耐アルカリ性が有意に向上されたＬＤＨ含有機能層、及びそれを含む複合材料を提供することにある。

【0009】

本発明の一態様によれば、層状複水酸化物（ＬＤＨ）を含む機能層であって、
直径０．０５μｍ未満のＬＤＨ微粒子で構成される、厚さ０．１０μｍ以上の第一層と、
前記第一層上に設けられる最表面層であって、平均粒子径０.０５μｍ以上のＬＤＨ大粒子で構成される第二層と、
を有する、機能層が提供される。

【0010】

本発明の他の一態様によれば、多孔質基材と、
前記多孔質基材上に設けられ、且つ／又は前記多孔質基材中にその一部が組み込まれる、前記機能層と、
を含む、複合材料が提供される。

【0011】

本発明の他の一態様によれば、前記機能層又は前記複合材料をセパレータとして備えた電池が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明のＬＤＨ含有複合材料の一態様を示す模式断面図である。

【図2】例１（比較）において作製された機能層の表面ＳＥＭ像である。

【図3】例３において作製された機能層の表面ＳＥＭ像である。

【図4】例３において作製された機能層の断面ＳＥＭ像である。

【図5】例４において作製された機能層の表面ＳＥＭ像である。

【図6】例４において作製された機能層の断面ＳＥＭ像である。

【図7】例４において作製された機能層における第一層のＢＦ−ＳＴＥＭ像である。

【図8A】例１〜５で使用されたＨｅ透過度測定系の一例を示す概念図である。

【図8B】図８Ａに示される測定系に用いられる試料ホルダ及びその周辺構成の模式断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

ＬＤＨ含有機能層及び複合材料
図１に模式的に示されるように、本発明の機能層１４は、層状複水酸化物（ＬＤＨ）を含む層であり、第一層１４ａ、第二層１４ｂ、及び所望により第三層１４ｃを有する。すなわち、第一層１４ａ、第二層１４ｂ及び所望により第三層１４ｃはいずれもＬＤＨを含む。第一層１４ａは、直径０．０５μｍ未満のＬＤＨ微粒子で構成される、厚さ０．１０μｍ以上の層である。第二層１４ｂは、第一層１４ａ上に設けられる最表面層であって、平均粒子径０.０５μｍ以上のＬＤＨ大粒子で構成される層である。このように、ＬＤＨ微粒子で構成される緻密なＬＤＨ含有層の表面を直径０.０５μｍ以上のＬＤＨ大粒子で覆うことで、ＬＤＨ含有層の耐アルカリ性を有意に向上することができる。

【0014】

すなわち、第一層１４ａは、直径０．０５μｍ未満のＬＤＨ微粒子で充填されているため、緻密な層であるといえ、それ故ＬＤＨセパレータとしての機能を呈することができる。しかし、前述のとおり、アルカリ二次電池用ＬＤＨには強アルカリ性電解液中においても殆ど劣化しないといった高度な耐アルカリ性が望まれる。この点、本発明の機能層１４においては、ＬＤＨ微粒子で構成される緻密な第一層１４ａの表面が平均粒子径０.０５μｍ以上のＬＤＨ大粒子で覆われることで耐アルカリ性が有意に向上する。これは、第二層１４ｂを構成するＬＤＨ大粒子は化学的に安定な傾向があり、そのようなＬＤＨ大粒子が第一層１４ａの表面を覆うことで第一層１４ａの劣化による緻密性の低下が抑制されるためと考えられる。例えば、本発明者らの知見によれば、最表面層を構成するＬＤＨ粒子の平均粒子径が０．０５μｍより小さいと、ＬＤＨ含有機能層は所定濃度の水酸化カリウム水溶液中に７０℃で３週間浸漬させた場合に緻密性が低下するが、最表面層を構成するＬＤＨ粒子の平均粒子径が０．０５μｍより大きい場合には、ＬＤＨ含有機能層を所定濃度の水酸化カリウム水溶液中に７０℃で３週間浸漬させても緻密性は変化しない。

【0015】

第一層１４ａはＬＤＨ微粒子で構成される層である。ＬＤＨ微粒子は主にＬＤＨからなり、チタニア等の他の微量成分を含みうる。すなわち、第一層１４ａは主にＬＤＨからなる層であり、他の部材に組み込まれた複合層ではない。したがって、図１に示されるように機能層１４の一部が多孔質基材１２に組み込まれた複合材料１０の場合、多孔質基材１２に組み込まれた機能層の一部は、第一層１４ａではなく、別の第三層１４ｃとしてみなされるものとする。すなわち、第一層１４ａは多孔質基材１２の（主面ともいうべき）最表面上に形成される層であって、ＬＤＨ粒子が多孔質基材１２に組み込まれた第三層１４ｃとは区別される。換言すれば、第一層１４ａは多孔質基材１２等の他の部材を含まない層であるといえる。第一層１４ａを構成するＬＤＨ微粒子の直径は０．０５μｍ未満であり、好ましくは０．０２５μｍ以下である。ＬＤＨ微粒子は小さければ小さい方が良いため、その直径の下限値は特に限定されないが、ＬＤＨ微粒子の直径は典型的には０．００１μｍ以上であり、より典型的には０．００３μｍ以上である。ＬＤＨ微粒子の直径は、イオンミリング装置を用いて機能層１４の断面研磨面を得た後に、この断面研磨面の微構造を走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）で観察することにより行うことができる。第一層１４ａの厚さは０．１０μｍ以上であり、好ましくは０．１０〜４．５μｍ、より好ましくは０．５０〜３．０μｍ、さらに好ましくは１．０〜２．５μｍである。このように第一層１４ａの厚さはＬＤＨ微粒子の直径の２倍以上である。このことは、第一層１４ａはＬＤＨ微粒子が層厚方向に複数個積み上った緻密性の高い構造であることを意味し、複数個のＬＤＨ微粒子が単に平面的に連結した構造ではないことを意味する。したがって、多数のＬＤＨ微粒子が三次元的に互いに連結して全体として一つの第一層１４ａを構成しているといえる。

【0016】

第二層１４ｂはＬＤＨ大粒子で構成される層である。ＬＤＨ大粒子は主にＬＤＨからなり、チタニア等の他の微量成分を含みうる。第二層１４ｂは第一層１４ａ上に設けられる最表面層であるため、第一層１４ａと同様、多孔質基材１２等の他の部材に組み込まれてない、主にＬＤＨからなる層である。第二層１４ｂを構成するＬＤＨ大粒子の平均粒子径は０.０５μｍ以上であり、好ましくは０．０５〜５．０μｍ、より好ましくは０．１〜５．０μｍである。ＬＤＨ大粒子の平均粒子径の測定は第二層１４ｂの表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し、得られた画像をもとに粒子サイズの最長距離を測長することにより行うことができる。具体的には、電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像の倍率を１００００倍以上とし、得られた全ての粒子サイズを順に並べて、その平均値から近い順に上位１５点及び下位１５点、合わせて１視野あたり３０点で２視野分の平均値を算出して、平均粒子径を得ることができる。測長には、ＳＥＭのソフトウェアの測長機能を用いればよい。第二層１４ｂの厚さは特に限定されないが、好ましくは０．１〜１０μｍである。第二層１４ｂの厚さはＬＤＨ大粒子１個分の高さに相当するのが典型的ではあるが、局所的又は全体的に２個以上のＬＤＨ大粒子が積み重なっていてもよい。

【0017】

機能層１４（すなわち第一層１４ａ、第二層１４ｂ及び所望により第三層１４ｃ）は、層状複水酸化物（ＬＤＨ）を含む。一般的に知られているように、ＬＤＨは、複数の水酸化物基本層と、これら複数の水酸化物基本層間に介在する中間層とから構成される。水酸化物基本層は主として金属元素（典型的には金属イオン）とＯＨ基で構成される。機能層に含まれるＬＤＨの中間層は、陰イオン及びＨ_２Ｏで構成される。陰イオンは１価以上の陰イオン、好ましくは１価又は２価のイオンである。好ましくは、ＬＤＨ中の陰イオンはＯＨ⁻及び／又はＣＯ_３^２−を含む。ところで、ＬＤＨが適用されるアルカリ二次電池（例えば金属空気電池やニッケル亜鉛電池）の電解液には、高い水酸化物イオン伝導度が要求され、それ故、ｐＨが１４程度で強アルカリ性のＫＯＨ水溶液が用いられることが望まれる。このため、ＬＤＨにはこのような強アルカリ性電解液中においても殆ど劣化しないといった高度な耐アルカリ性が望まれる。したがって、本発明におけるＬＤＨは後述するような耐アルカリ性評価により表面微構造及び結晶構造の変化が生じないものであるのが好ましく、その組成は特に限定されない。また、上述したとおり、ＬＤＨはその固有の性質に起因して優れたイオン伝導性を有する。

【0018】

具体的には、機能層１４に含まれるＬＤＨは、０．４ｍｏｌ／Ｌの濃度で酸化亜鉛を含む６ｍｏｌ／Ｌの水酸化カリウム水溶液中に７０℃で３週間（すなわち５０４時間）浸漬させた場合に、表面微構造及び結晶構造の変化が生じないものが、耐アルカリ性に優れる点で好ましい。表面微構造の変化の有無はＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いた表面微構造により、結晶構造の変化の有無はＸＲＤ（Ｘ線回折）を用いた結晶構造解析（例えばＬＤＨ由来の（００３）ピークのシフトの有無）により、好ましく行うことができる。水酸化カリウムは代表的な強アルカリ物質であり、上記水酸化カリウム水溶液の組成はアルカリ二次電池の代表的な強アルカリ電解液に相当するものである。したがって、かかる強アルカリ電解液に７０℃もの高温で３週間もの長期間浸漬させるという上記評価手法は、過酷な耐アルカリ性試験であるといえる。アルカリ二次電池用ＬＤＨには強アルカリ性電解液中においても殆ど劣化しないといった高度な耐アルカリ性が望まれる。この点、本態様の機能層は、かかる過酷な耐アルカリ性試験によっても表面微構造及び結晶構造の変化が生じないという、優れた耐アルカリ性を有するものである。そうでありながらも、本態様の機能層は、ＬＤＨ固有の性質に起因して、アルカリ二次電池用セパレータとしての使用に適した高いイオン伝導性も呈することができる。すなわち、本態様によれば、イオン伝導性のみならず耐アルカリ性にも優れたＬＤＨ含有機能層を提供することができる。

【0019】

本発明の好ましい態様によれば、ＬＤＨの水酸化物基本層は、Ｎｉ、Ｔｉ、ＯＨ基、及び場合により不可避不純物で構成される。ＬＤＨの中間層は、上述のとおり、陰イオン及びＨ_２Ｏで構成される。水酸化物基本層と中間層の交互積層構造自体は一般的に知られるＬＤＨの交互積層構造と基本的に同じであるが、本態様の機能層は、ＬＤＨの水酸化物基本層を主としてＮｉ、Ｔｉ及びＯＨ基で構成することで、優れた耐アルカリ性を呈することができる。その理由は必ずしも定かではないが、本態様のＬＤＨにはアルカリ溶液に溶出しやすいと考えられる元素（例えばＡｌ）が意図的又は積極的に添加されていないためと考えられる。そうでありながらも、本態様の機能層は、アルカリ二次電池用セパレータとしての使用に適した高いイオン伝導性も呈することができる。ＬＤＨ中のＮｉはニッケルイオンの形態を採りうる。ＬＤＨ中のニッケルイオンは典型的にはＮｉ^２＋であると考えられるが、Ｎｉ^３＋等の他の価数もありうるため、特に限定されない。ＬＤＨ中のＴｉはチタンイオンの形態を採りうる。ＬＤＨ中のチタンイオンは典型的にはＴｉ^４＋であると考えられるが、Ｔｉ^３＋等の他の価数もありうるため、特に限定されない。不可避不純物は製法上不可避的に混入されうる任意元素であり、例えば原料や基材に由来してＬＤＨ中に混入しうる。上記のとおり、Ｎｉ及びＴｉの価数は必ずしも定かではないため、ＬＤＨを一般式で厳密に特定することは非実際的又は不可能である。仮に水酸化物基本層が主としてＮｉ^２＋、Ｔｉ^４＋及びＯＨ基で構成されるものと想定した場合には、対応するＬＤＨは、一般式：Ｎｉ^２＋_１−ｘＴｉ^４＋_ｘ（ＯＨ）_２Ａ^ｎ−_２ｘ／ｎ・ｍＨ_２Ｏ（式中、Ａ^ｎ−はｎ価の陰イオン、ｎは１以上の整数、好ましくは１又は２であり、０＜ｘ＜１、好ましくは０．０１≦ｘ≦０．５、ｍは０以上、典型的には０を超える又は１以上の実数である）なる基本組成で表すことができる。もっとも、上記一般式はあくまで「基本組成」と解されるべきであり、Ｎｉ^２＋やＴｉ^４＋等の元素がＬＤＨの基本的特性を損なわない程度に他の元素又はイオン（同じ元素の他の価数の元素又はイオンや製法上不可避的に混入されうる元素又はイオンを含む）で置き換え可能なものとして解されるべきである。

【0020】

本発明の別の好ましい態様によれば、ＬＤＨの水酸化物基本層は、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ及びＯＨ基を含む。中間層は、上述のとおり、陰イオン及びＨ_２Ｏで構成される。水酸化物基本層と中間層の交互積層構造自体は一般的に知られるＬＤＨの交互積層構造と基本的に同じであるが、本態様の機能層は、ＬＤＨの水酸化物基本層をＮｉ、Ａｌ、Ｔｉ及びＯＨ基を含む所定の元素ないしイオンで構成することで、優れた耐アルカリ性を呈することができる。その理由は必ずしも定かではないが、本態様のＬＤＨは、従来はアルカリ溶液に溶出しやすいと考えられていたＡｌが、Ｎｉ及びＴｉとの何らかの相互作用によりアルカリ溶液に溶出しにくくなるためと考えられる。そうでありながらも、本態様の機能層は、アルカリ二次電池用セパレータとしての使用に適した高いイオン伝導性も呈することができる。ＬＤＨ中のＮｉはニッケルイオンの形態を採りうる。ＬＤＨ中のニッケルイオンは典型的にはＮｉ^２＋であると考えられるが、Ｎｉ^３＋等の他の価数もありうるため、特に限定されない。ＬＤＨ中のＡｌはアルミニウムイオンの形態を採りうる。ＬＤＨ中のアルミニウムイオンは典型的にはＡｌ^３＋であると考えられるが、他の価数もありうるため、特に限定されない。ＬＤＨ中のＴｉはチタンイオンの形態を採りうる。ＬＤＨ中のチタンイオンは典型的にはＴｉ^４＋であると考えられるが、Ｔｉ^３＋等の他の価数もありうるため、特に限定されない。水酸化物基本層は、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ及びＯＨ基を含んでいさえすれば、他の元素ないしイオンを含んでいてもよい。もっとも、水酸化物基本層は、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ及びＯＨ基を主要構成要素として含むのが好ましい。すなわち、水酸化物基本層は、主としてＮｉ、Ａｌ、Ｔｉ及びＯＨ基からなるのが好ましい。したがって、水酸化物基本層は、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ、ＯＨ基及び場合により不可避不純物で構成されるのが典型的である。不可避不純物は製法上不可避的に混入されうる任意元素であり、例えば原料や基材に由来してＬＤＨ中に混入しうる。上記のとおり、Ｎｉ、Ａｌ及びＴｉの価数は必ずしも定かではないため、ＬＤＨを一般式で厳密に特定することは非実際的又は不可能である。仮に水酸化物基本層が主としてＮｉ^２＋、Ａｌ^３＋、Ｔｉ^４＋及びＯＨ基で構成されるものと想定した場合には、対応するＬＤＨは、一般式：Ｎｉ^２＋_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ^３＋_ｘＴｉ^４＋_ｙ（ＯＨ）_２Ａ^ｎ−_{（ｘ＋２ｙ）／ｎ}・ｍＨ_２Ｏ（式中、Ａ^ｎ−はｎ価の陰イオン、ｎは１以上の整数、好ましくは１又は２であり、０＜ｘ＜１、好ましくは０．０１≦ｘ≦０．５、０＜ｙ＜１、好ましくは０．０１≦ｙ≦０．５、０＜ｘ＋ｙ＜１、ｍは０以上、典型的には０を超える又は１以上の実数である）なる基本組成で表すことができる。もっとも、上記一般式はあくまで「基本組成」と解されるべきであり、Ｎｉ^２＋、Ａｌ^３＋、Ｔｉ^４＋等の元素がＬＤＨの基本的特性を損なわない程度に他の元素又はイオン（同じ元素の他の価数の元素又はイオンや製法上不可避的に混入されうる元素又はイオンを含む）で置き換え可能なものとして解されるべきである。

【0021】

機能層１４（特に機能層１４に含まれるＬＤＨ）は水酸化物イオン伝導性を有するのが好ましい。特に、機能層は０．１ｍＳ／ｃｍ以上のイオン伝導率を有するのが好ましく、より好ましくは０．５ｍＳ／ｃｍ以上、より好ましくは１．０ｍＳ／ｃｍ以上である。イオン伝導率が高ければ高い方が良く、その上限値は特に限定されないが、例えば１０ｍＳ／ｃｍである。このように高いイオン伝導率であると電池用途に特に適する。例えば、ＬＤＨの実用化のためには薄膜化による低抵抗化が望まれるが、本態様によれば望ましく低抵抗なＬＤＨ含有機能層を提供できるので、亜鉛空気電池やニッケル亜鉛電池等のアルカリ二次電池へ固体電解質セパレータとしてＬＤＨの適用においてとりわけ有利となる。

【0022】

好ましくは、機能層１４は、多孔質基材１２上に設けられ、且つ／又は多孔質基材１２中にその一部が組み込まれる。すなわち、本発明の好ましい態様によれば、多孔質基材１２と、多孔質基材１２上に設けられ且つ／又は多孔質基材１２中にその一部が組み込まれる機能層１４とを含む、複合材料１０が提供される。例えば、図１に示される複合材料１０のように、機能層１４は、その一部が多孔質基材１２中に組み込まれ、残りの部分が多孔質基材１２上に設けられてもよい。このとき、機能層１４のうち多孔質基材１２上の部分が第一層１４ａ及び第二層１４ｂであり、機能層１４のうち多孔質基材１２に組み込まれる部分（複合層）が第三層１４ｃである。第三層１４ｃは、典型的には、多孔質基材１２の孔内がＬＤＨで充填された形態となる。

【0023】

本発明の複合材料１０における多孔質基材１２は、その上及び／又は中にＬＤＨ含有機能層を形成できるものが好ましく、その材質や多孔構造は特に限定されない。多孔質基材上及び／又は中にＬＤＨ含有機能層を形成するのが典型的ではあるが、無孔質基材上にＬＤＨ含有機能層を成膜し、その後公知の種々の手法により無孔質基材を多孔化してもよい。いずれにしても、多孔質基材は透水性を有する多孔構造を有するのが、電池用セパレータとして電池に組み込まれた場合に電解液を機能層に到達可能に構成できる点で好ましい。

【0024】

多孔質基材１２は、セラミックス材料、金属材料、及び高分子材料からなる群から選択される少なくとも１種で構成されるのが好ましく、より好ましくはセラミックス材料及び高分子材料からなる群から選択される少なくとも１種で構成される。多孔質基材は、セラミックス材料で構成されるのがより好ましい。この場合、セラミックス材料の好ましい例としては、アルミナ、ジルコニア、チタニア、マグネシア、スピネル、カルシア、コージライト、ゼオライト、ムライト、フェライト、酸化亜鉛、炭化ケイ素、及びそれらの任意の組合せが挙げられ、より好ましくは、アルミナ、ジルコニア、チタニア、及びそれらの任意の組合せであり、特に好ましくはアルミナ、ジルコニア（例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ））、及びその組合せである。これらの多孔質セラミックスを用いると緻密性に優れたＬＤＨ含有機能層を形成しやすい。金属材料の好ましい例としては、アルミニウム、亜鉛、及びニッケルが挙げられる。高分子材料の好ましい例としては、ポリスチレン、ポリエーテルサルフォン、ポリプロピレン、エポキシ樹脂、ポリフェニレンサルファイド、親水化したフッ素樹脂（四フッ素化樹脂：ＰＴＦＥ等）、セルロース、ナイロン、ポリエチレン及びそれらの任意の組合せが挙げられる。上述した各種の好ましい材料はいずれも電池の電解液に対する耐性として耐アルカリ性を有するものである。

【0025】

多孔質基材１２は、最大１００μｍ以下の平均気孔径を有するのが好ましく、より好ましくは最大５０μｍ以下であり、例えば、典型的には０．００１〜１．５μｍ、より典型的には０．００１〜１．２５μｍ、さらに典型的には０．００１〜１．０μｍ、特に典型的には０．００１〜０．７５μｍ、最も典型的には０．００１〜０．５μｍである。これらの範囲内とすることで多孔質基材に所望の透水性、及び支持体としての強度を確保しながら、透水性を有しない程に緻密なＬＤＨ含有機能層を形成することができる。本発明において、平均気孔径の測定は多孔質基材の表面の電子顕微鏡画像をもとに気孔の最長距離を測長することにより行うことができる。この測定に用いる電子顕微鏡画像の倍率は２００００倍以上であり、得られた全ての気孔径をサイズ順に並べて、その平均値から近い順に上位１５点及び下位１５点、合わせて１視野あたり３０点で２視野分の平均値を算出して、平均気孔径を得ることができる。測長には、ＳＥＭのソフトウェアの測長機能や画像解析ソフト（例えば、Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ、Ａｄｏｂｅ社製）等を用いることができる。

【0026】

多孔質基材１２は、１０〜６０％の気孔率を有するのが好ましく、より好ましくは１５〜５５％、さらに好ましくは２０〜５０％である。これらの範囲内とすることで多孔質基材に所望の透水性、及び支持体としての強度を確保しながら、透水性を有しない程に緻密なＬＤＨ含有機能層を形成することができる。多孔質基材の気孔率はアルキメデス法により好ましく測定することができる。

【0027】

機能層１４は通気性を有しないのが好ましい。すなわち、機能層は通気性を有しない程にまでＬＤＨで緻密化されているのが好ましい。なお、本明細書において「通気性を有しない」とは、特許文献２（国際公開第２０１６／０７６０４７号）に記載されるように、水中で測定対象物（すなわち機能層ないし複合材料）の一面側にヘリウムガスを０．５ａｔｍの差圧で接触させても他面側からヘリウムガスに起因する泡の発生がみられないことを意味する。こうすることで、機能層又は複合材料は、全体として、その水酸化物イオン伝導性に起因して水酸化物イオンのみを選択的に通すものとなり、電池用セパレータとしての機能を呈することができる。電池用固体電解質セパレータとしてＬＤＨの適用を考えた場合、バルク形態のＬＤＨ緻密体では高抵抗であるとの問題があったが、本発明の好ましい態様においては、多孔質基材により強度を付与できるため、ＬＤＨ含有機能層を薄くして低抵抗化を図ることができる。その上、多孔質基材は透水性及び通気性を有しうるため、電池用固体電解質セパレータとして使用された際に電解液がＬＤＨ含有機能層に到達可能な構成となりうる。すなわち、本発明のＬＤＨ含有機能層及び複合材料は、金属空気電池（例えば亜鉛空気電池）及びその他各種亜鉛二次電池（例えばニッケル亜鉛電池）等の各種電池用途に適用可能な固体電解質セパレータとして、極めて有用な材料となりうる。

【0028】

機能層１４又はそれを備えた複合材料１０は、単位面積あたりのＨｅ透過度が１０ｃｍ／ｍｉｎ・ａｔｍ以下であるのが好ましく、より好ましくは５．０ｃｍ／ｍｉｎ・ａｔｍ以下、さらに好ましくは１．０ｃｍ／ｍｉｎ・ａｔｍ以下である。このような範囲内のＨｅ透過度を有する機能層は緻密性が極めて高いといえる。したがって、Ｈｅ透過度が１０ｃｍ／ｍｉｎ・ａｔｍ以下である機能層は、アルカリ二次電池においてセパレータとして適用した場合に、水酸化物イオン以外の物質の通過を高いレベルを阻止することができる。例えば、亜鉛二次電池の場合、電解液中において亜鉛イオン又は亜鉛酸イオンの透過を極めて効果的に抑制することができる。こうしてＺｎ透過が顕著に抑制されることで、亜鉛二次電池に用いた場合に亜鉛デンドライトの成長を効果的に抑制できるものと原理的に考えられる。Ｈｅ透過度は、機能層の一方の面にＨｅガスを供給して機能層にＨｅガスを透過させる工程と、Ｈｅ透過度を算出して機能層の緻密性を評価する工程とを経て測定される。Ｈｅ透過度は、単位時間あたりのＨｅガスの透過量Ｆ、Ｈｅガス透過時に機能層に加わる差圧Ｐ、及びＨｅガスが透過する膜面積Ｓを用いて、Ｆ／（Ｐ×Ｓ）の式により算出する。このようにＨｅガスを用いてガス透過性の評価を行うことにより、極めて高いレベルでの緻密性の有無を評価することができ、その結果、水酸化物イオン以外の物質（特に亜鉛デンドライト成長を引き起こすＺｎ）を極力透過させない（極微量しか透過させない）といった高度な緻密性を効果的に評価することができる。これは、Ｈｅガスが、ガスを構成しうる多種多様な原子ないし分子の中でも最も小さい構成単位を有しており、しかも反応性が極めて低いためである。すなわち、Ｈｅは、分子を形成することなく、Ｈｅ原子単体でＨｅガスを構成する。この点、水素ガスはＨ_２分子により構成されるため、ガス構成単位としてはＨｅ原子単体の方がより小さい。そもそもＨ_２ガスは可燃性ガスのため危険である。そして、上述した式により定義されるＨｅガス透過度という指標を採用することで、様々な試料サイズや測定条件の相違を問わず、緻密性に関する客観的な評価を簡便に行うことができる。こうして、機能層が亜鉛二次電池用セパレータに適した十分に高い緻密性を有するのか否かを簡便、安全かつ効果的に評価することができる。Ｈｅ透過度の測定は、後述する実施例の評価４に示される手順に従って好ましく行うことができる。

【0029】

第二層１４ｂを構成するＬＤＨは複数の板状粒子（すなわちＬＤＨ板状粒子）の集合体を含み、当該複数の板状粒子がそれらの板面が機能層の層面（機能層の微細凹凸を無視できる程度に巨視的に観察した場合の層面）と垂直に又は斜めに交差するような向きに配向しているのが好ましい。ＬＤＨ結晶は層状構造を持った板状粒子の形態を有することが知られているが、上記垂直又は斜めの配向は、ＬＤＨ含有機能層（例えばＬＤＨ緻密膜）にとって極めて有利な特性である。というのも、配向されたＬＤＨ含有機能層（例えば配向ＬＤＨ緻密膜）には、ＬＤＨ板状粒子が配向する方向（即ちＬＤＨの層と平行方向）の水酸化物イオン伝導度が、これと垂直方向の伝導度よりも格段に高いという伝導度異方性があるためである。実際、ＬＤＨの配向バルク体において、配向方向における伝導度（Ｓ／ｃｍ）が配向方向と垂直な方向の伝導度（Ｓ／ｃｍ）と比べて１桁高いことが既に知られている。すなわち、ＬＤＨ含有機能層における上記垂直又は斜めの配向は、ＬＤＨ配向体が持ちうる伝導度異方性を層厚方向（すなわち機能層又は多孔質基材の表面に対して垂直方向）に最大限または有意に引き出すものであり、その結果、層厚方向への伝導度を最大限又は有意に高めることができる。その上、ＬＤＨ含有機能層は層形態を有するため、バルク形態のＬＤＨよりも低抵抗を実現することができる。このような配向性を備えたＬＤＨ含有機能層は、層厚方向に水酸化物イオンを伝導させやすくなる。その上、緻密化されているため、層厚方向への高い伝導度及び緻密性が望まれる電池用セパレータ等の機能膜の用途（例えば亜鉛空気電池用の水酸化物イオン伝導性セパレータ）に極めて適する。

【0030】

機能層１４は１００μｍ以下の厚さを有するのが好ましく、より好ましくは７５μｍ以下、さらに好ましくは５０μｍ以下、特に好ましくは２５μｍ以下、最も好ましくは１５μｍ以下である。このように薄いことで機能層の低抵抗化を実現できる。機能層１４が多孔質基材１２上にＬＤＨ膜として形成される場合、機能層１４の厚さは第一層１４ａ及び第二層１４ｂの合計厚さに相当する。また、機能層１４が多孔質基材１２上及び中にまたがって形成される場合には第一層１４ａ、第二層１４ｂ及び第三層１４ｃの合計厚さに相当する。いずれにしても、上記のような厚さであると、電池用途等への実用化に適した所望の低抵抗を実現することができる。ＬＤＨ配向膜の厚さの下限値は用途に応じて異なるため特に限定されないが、セパレータ等の機能膜として望まれるある程度の堅さを確保するためには厚さ１μｍ以上であるのが好ましく、より好ましくは２μｍ以上である。

【0031】

ＬＤＨ含有機能層及び複合材料の製造方法は特に限定されず、既に知られるＬＤＨ含有機能層及び複合材料の製造方法（例えば特許文献１〜３を参照）の諸条件を適宜変更することにより作製することができる。例えば、（１）多孔質基材を用意し、（２）多孔質基材に酸化チタンゾル或いはアルミナ及びチタニアの混合ゾルを塗布して熱処理することで酸化チタン層或いはアルミナ・チタニア層を形成させ、（３）ニッケルイオン（Ｎｉ^２＋）及び尿素を含む原料水溶液に多孔質基材を浸漬させ、（４）原料水溶液中で多孔質基材を水熱処理して、ＬＤＨ含有機能層を多孔質基材上及び／又は多孔質基材中に形成させることにより、ＬＤＨ含有機能層及び複合材料を製造することができる。特に、上記工程（２）において酸化チタン層或いはアルミナ・チタニア層を多孔質基材に形成することで、ＬＤＨの原料を与えるのみならず、ＬＤＨ結晶成長の起点として機能させて多孔質基材の表面に高度に緻密化されたＬＤＨ含有機能層をムラなく均一に形成することができる。また、上記工程（３）において尿素が存在することで、尿素の加水分解を利用してアンモニアが溶液中に発生することによりｐＨ値が上昇し、共存する金属イオンが水酸化物を形成することによりＬＤＨを得ることができる。また、加水分解に二酸化炭素の発生を伴うため、陰イオンが炭酸イオン型のＬＤＨを得ることができる。

【0032】

特に好ましいＬＤＨ含有機能層及び複合材料の製造方法は以下の特徴を有しており、これらの特徴が本発明の機能層の諸特性の実現に寄与するものと考えられる。
ａ）上記工程（２）において用いるアルミナ及びチタニアの混合ゾルとして、ある種の混合ゾル（例えば無定形アルミナ溶液（Ａｌ−ＭＬ１５、多木化学株式会社製）と酸化チタンゾル溶液（Ｍ６、多木化学株式会社製）を含む混合ゾル）を用いること、
ｂ）上記工程（２）において、多孔質基材に塗布したゾルの熱処理温度を比較的低く、好ましくは７０〜３００℃（例えば１５０℃）とすること、
ｃ）上記工程（２）において、ゾルの塗布をスピンコートにより複数回行ってスピンコート層を厚くすること（例えばスピンコート層厚５μｍ）、
ｄ）上記工程（３）において、ニッケルイオン（Ｎｉ^２＋）を硝酸ニッケルの形態で供給し、その際、尿素／ＮＯ_３⁻のモル比が比較的高くなるように、好ましくは８〜３２（例えば１６）となるように尿素を添加すること、
ｅ）上記工程（４）における水熱処理を比較的低温、好ましくは７０〜１５０℃（例えば１１０℃）とし、かつ、水熱処理時間を比較的長時間、好ましくは６時間以上、より好ましくは８〜４５時間とすること、及び／又は
ｆ）上記工程（４）の後に機能層をイオン交換水で洗浄し、その後の機能層の乾燥を比較的低温、好ましくは室温〜７０℃（例えば室温）で行うこと。

【実施例】

【0033】

本発明を以下の例によってさらに具体的に説明する。

【0034】

例１（比較）
Ｎｉ、Ａｌ及びＴｉ含有ＬＤＨを含む各種機能層及び複合材料を以下の手順により作製し、評価した。

【0035】

（１）多孔質基材の作製
ジルコニア粉末（東ソー社製、ＴＺ−８ＹＳ）１００重量部に対して、分散媒（キシレン：ブタノール＝１：１）７０重量部、バインダー（ポリビニルブチラール：積水化学工業株式会社製ＢＭ−２）１１．１重量部、可塑剤（ＤＯＰ：黒金化成株式会社製）５．５重量部、及び分散剤（花王株式会社製レオドールＳＰ−Ｏ３０）２．９重量部を混合し、この混合物を減圧下で攪拌して脱泡することにより、スラリーを得た。このスラリーを、テープ成型機を用いてＰＥＴフィルム上に、乾燥後膜厚が２２０μｍとなるようにシート状に成型してシート成形体を得た。得られた成形体を２．０ｃｍ×２．０ｃｍ×厚さ０．０２２ｃｍの大きさになるよう切り出し、１１００℃で２時間焼成して、ジルコニア製多孔質基材を得た。

【0036】

得られた多孔質基材について、多孔質基材の気孔率をアルキメデス法により測定したところ、４０％であった。

【0037】

また、多孔質基材の平均気孔径を測定したところ０．２μｍであった。この平均気孔径の測定は多孔質基材の表面の電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像をもとに気孔の最長距離を測長することにより行った。この測定に用いた電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像の倍率は２００００倍であり、得られた全ての気孔径をサイズ順に並べて、その平均値から近い順に上位１５点及び下位１５点、合わせて１視野あたり３０点で２視野分の平均値を算出して、平均気孔径を得た。測長には、ＳＥＭのソフトウェアの測長機能を用いた。

【0038】

（２）多孔質基材へのアルミナ・チタニアゾルコート
無定形アルミナ溶液（Ａｌ−ＭＬ１５、多木化学株式会社製）と酸化チタンゾル溶液（Ｍ６、多木化学株式会社製）を溶液の重量比が１：１となるように混合して混合ゾルを作製した。混合ゾル０．２ｍｌを上記（１）で得られたジルコニア製多孔質基材上へスピンコートにより塗布した。スピンコートは、回転数８０００ｒｐｍで回転した基材へ混合ゾルを滴下してから５秒後に回転を止め、１００℃に加熱したホットプレートへ基材を静置し、１分間乾燥させた。その後、電気炉にて１５０℃で熱処理を行った。こうして形成された層の厚さは１μｍ程度であった。

【0039】

（３）原料水溶液の作製
原料として、硝酸ニッケル六水和物（Ｎｉ（ＮＯ_３）_２・６Ｈ_２Ｏ、関東化学株式会社製、及び尿素（（ＮＨ_２）_２ＣＯ、シグマアルドリッチ製）を用意した。０．０１５ｍｏｌ／Ｌとなるように、硝酸ニッケル六水和物を秤量してビーカーに入れ、そこにイオン交換水を加えて全量を７５ｍｌとした。得られた溶液を攪拌した後、溶液中に尿素／ＮＯ_３⁻（モル比）＝１６の割合で秤量した尿素を加え、更に攪拌して原料水溶液を得た。

【0040】

（４）水熱処理による成膜
テフロン（登録商標）製密閉容器（オートクレーブ容器、内容量１００ｍｌ、外側がステンレス製ジャケット）に上記（３）で作製した原料水溶液と上記（２）で作製した基材を共に封入した。このとき、基材はテフロン（登録商標）製密閉容器の底から浮かせて固定し、基材両面に溶液が接するように水平に設置した。その後、水熱温度１１０℃で３時間水熱処理を施すことにより基材表面と内部にＬＤＨの形成を行った。所定時間の経過後、基材を密閉容器から取り出し、イオン交換水で洗浄し、室温で１２時間放置し、乾燥させて、ＬＤＨを含む機能層を、その一部が多孔質基材中に組み込まれた形で得た。得られた機能層の厚さは（多孔質基材に組み込まれた部分の厚さを含めて）約５μｍであった。

【0041】

例２
水熱処理による成膜工程の水熱処理時間を８時間としたこと以外は、例１と同様の手順で機能層及び複合材料を作製した。

【0042】

例３
水熱処理による成膜工程の水熱処理時間を１６時間としたこと以外は、例１と同様の手順で機能層及び複合材料を作製した。

【0043】

例４
水熱処理による成膜工程の水熱処理時間を３０時間としたこと以外は、例１と同様の手順で機能層及び複合材料を作製した。

【0044】

例５
アルミナ・チタニアゾルコート工程においてスピンコートを４０００ｒｐｍの回転数で行い、同様のスピンコートを３回繰り返してスピンコート層を厚くしたこと、及び水熱処理による成膜工程の水熱処理時間を４５時間としたこと以外は、例１と同様の手順で機能層及び複合材料を作製した。なお、上記スピンコート層の厚さは５μｍであり、得られた機能層の厚さは約１０μｍであった。

【0045】

＜評価＞
得られた機能層ないし複合材料に対して以下の各種評価を行った。

【0046】

評価１：表面微構造の観察及び大粒子の平均粒子径の測定
機能層の表面微構造を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ、ＪＳＭ−６６１０ＬＶ、ＪＥＯＬ社製）を用いて１０〜２０ｋＶの加速電圧で観察した。その結果、例２〜５の機能層については、直径０.０５μｍ以上の大粒子で構成される第二層が確認される一方、例１（比較）の機能層についてはそのような層は確認されなかった。参考までに、図２、３及び５に例１（比較）、例３及び例４の機能層の表面ＳＥＭ像をそれぞれ示す。そこで、例２〜５の機能層について、以下の手順により平均粒子径サイズの測定を行った。第二層を構成する大粒子の平均粒子径の測定は機能層の表面電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像をもとに粒子サイズの最長距離を測長することにより行った。この測定に用いた電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像の倍率は１００００倍以上であり、得られた全ての粒子サイズを順に並べて、その平均値から近い順に上位１５点及び下位１５点、合わせて１視野あたり３０点で２視野分の平均値を算出して、平均粒子径を得た。測長には、ＳＥＭのソフトウェアの測長機能を用いた。結果は、表１に示されるとおりであった。

【0047】

評価２：断面微構造観察及び厚さの測定
イオンミリング装置（日立ハイテクノロジーズ社製、ＩＭ４０００によって、機能層の断面研磨面を得た後に、この断面研磨面の微構造を表面微構造の観察と同様の条件でＳＥＭにより観察した。その結果、例２〜５の機能層については、微粒子で構成され且つ多孔質基材に組み込まれていない（すなわち多孔質基材の最表面上に形成される）第一層と、大粒子で構成される第二層、及び粒子が多孔質基材に組み込まれた（すなわち多孔質基材の内部に形成される）第三層が確認される一方、例１（比較）の機能層については微粒子で構成される第一層と粒子が多孔質基材に組み込まれた第三層のみが観察された。参考までに、図４及び６に例３及び４の機能層１４（すなわち第一層１４ａ、第二層１４ｂ及び第三層１４ｃ）の断面ＳＥＭ像をそれぞれ示す。得られた断面ＳＥＭ像をもとに第一層の厚さと第二層の厚さをそれぞれ測定した。その結果、第一層の厚さは１．０μｍ（例１）、０．８μｍ（例２）、０．７μｍ（例３）、０．８μｍ（例４）、０．８μｍ（例５）であった。また、第二層の厚さは表１に示されるとおりであった。

【0048】

評価３：ＳＴＥＭによる微粒子観察及び微粒子径の測定
機能層の第一層に含まれる微粒子の粒径を測定すべく、原子分解能透過走査型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）による測定を行った。具体的には、イオンミリング装置（ＧＡＴＡＮ社製、Ｄｕａｌ Ｍｉｌｌ６００型）を用いて機能層の断面研磨面を得た後に、この断面研磨面の微構造を原子分解能透過走査型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ、ＪＥＯＬ社製、ＪＥＭ−ＡＲＭ２００Ｆ）を用いて２００ｋＶの加速電圧で観察した。得られたＢＦ−ＳＴＥＭ像から、例１〜５のいずれにおいても、第一層に含まれる個々の微粒子の直径が０．０２５μｍ以下の範囲内であることを確認した。図７に例４で得られた機能層における第一層の断面研磨面のＳＴＥＭ像を示す。

【0049】

評価４：耐アルカリ性評価Ｉ
６ｍｏｌ／Ｌの水酸化カリウム水溶液に酸化亜鉛を溶解させて、０．４ｍｏｌ／Ｌの濃度で酸化亜鉛を含む６ｍｏｌ／Ｌの水酸化カリウム水溶液を得た。こうして得られた水酸化カリウム水溶液１５ｍｌをテフロン（登録商標）製密閉容器に入れた。２ｃｍ×２ｃｍ四方の複合材料を機能層が上を向くように密閉容器の底に設置し、蓋を閉めた。その後、７０℃で１週間（すなわち１６８時間）又は３週間（すなわち５０４時間）保持した後、複合材料を密閉容器から取り出した。取り出した複合材料を室温で１晩乾燥させた。

【0050】

得られた試料に対して、Ｈｅ透過性の観点から機能層の緻密性を評価すべくＨｅ透過試験を以下のとおり行った。まず、図８Ａ及び図８Ｂに示されるＨｅ透過度測定系３１０を構築した。Ｈｅ透過度測定系３１０は、Ｈｅガスを充填したガスボンベからのＨｅガスが圧力計３１２及び流量計３１４（デジタルフローメーター）を介して試料ホルダ３１６に供給され、この試料ホルダ３１６に保持された機能層３１８の一方の面から他方の面に透過させて排出させるように構成した。

【0051】

試料ホルダ３１６は、ガス供給口３１６ａ、密閉空間３１６ｂ及びガス排出口３１６ｃを備えた構造を有するものであり、次のようにして組み立てた。まず、機能層３１８の外周に沿って接着剤３２２を塗布して、中央に開口部を有する治具３２４（ＡＢＳ樹脂製）に取り付けた。この治具３２４の上端及び下端に密封部材３２６ａ，３２６ｂとしてブチルゴム製のパッキンを配設し、さらに密封部材３２６ａ，３２６ｂの外側から、フランジからなる開口部を備えた支持部材３２８ａ，３２８ｂ（ＰＴＦＥ製）で挟持した。こうして、機能層３１８、治具３２４、密封部材３２６ａ及び支持部材３２８ａにより密閉空間３１６ｂを区画した。なお、機能層３１８は多孔質基材３２０上に形成された複合材料の形態であるが、機能層３１８側がガス供給口３１６ａに向くように配置した。支持部材３２８ａ，３２８ｂを、ガス排出口３１６ｃ以外の部分からＨｅガスの漏れが生じないように、ネジを用いた締結手段３３０で互いに堅く締め付けた。こうして組み立てられた試料ホルダ３１６のガス供給口３１６ａに、継手３３２を介してガス供給管３４を接続した。

【0052】

次いで、Ｈｅ透過度測定系３１０にガス供給管３３４を経てＨｅガスを供給し、試料ホルダ３１６内に保持された機能層３１８に透過させた。このとき、圧力計３１２及び流量計３１４によりガス供給圧と流量をモニタリングした。Ｈｅガスの透過を１〜３０分間行った後、Ｈｅ透過度を算出した。Ｈｅ透過度の算出は、単位時間あたりのＨｅガスの透過量Ｆ（ｃｍ^３／ｍｉｎ）、Ｈｅガス透過時に機能層に加わる差圧Ｐ（ａｔｍ）、及びＨｅガスが透過する膜面積Ｓ（ｃｍ^２）を用いて、Ｆ／（Ｐ×Ｓ）の式により算出した。Ｈｅガスの透過量Ｆ（ｃｍ^３／ｍｉｎ）は流量計３１４から直接読み取った。また、差圧Ｐは圧力計３１２から読み取ったゲージ圧を用いた。なお、Ｈｅガスは差圧Ｐが０．０５〜０．９０ａｔｍの範囲内となるように供給された。結果は表１に示されるとおりであった。

【0053】

評価５：機能層の同定
Ｘ線回折装置（リガク社製 ＲＩＮＴ ＴＴＲ ＩＩＩ）にて、電圧：５０ｋＶ、電流値：３００ｍＡ、測定範囲：１０〜７０°の測定条件で、機能層の結晶相を測定してＸＲＤプロファイルを得た。得られたＸＲＤプロファイルについて、ＪＣＰＤＳカードＮＯ．３５−０９６４に記載されるＬＤＨ（ハイドロタルサイト類化合物）の回折ピークを用いて同定を行った。その結果、例１〜５で得られた機能層はいずれもＬＤＨ（ハイドロタルサイト類化合物）であることが同定された。

【0054】

評価６：耐アルカリ性評価ＩＩ
６ｍｏｌ／Ｌの水酸化カリウム水溶液に酸化亜鉛を溶解させて、０．４ｍｏｌ／Ｌの濃度で酸化亜鉛を含む６ｍｏｌ／Ｌの水酸化カリウム水溶液を得た。こうして得られた水酸化カリウム水溶液１５ｍｌをテフロン（登録商標）製密閉容器に入れた。１ｃｍ×０．６ｃｍのサイズの複合材料を機能層が上を向くように密閉容器の底に設置し、蓋を閉めた。その後、７０℃で３週間（すなわち５０４時間）保持した後、複合材料を密閉容器から取り出した。取り出した複合材料に対して、室温で１晩乾燥させた。得られた試料をＳＥＭによる微構造観察およびＸＲＤによる結晶構造観察を行った。このとき、結晶構造の変化を、ＸＲＤプロファイルにおいてＬＤＨ由来の（００３）ピークのシフトの有無により判定した。その結果、例１〜５のいずれにおいても、表面微構造及び結晶構造に変化はみられなかった。

【0055】

評価７：元素分析評価（ＥＤＳ）
クロスセクションポリッシャ（ＣＰ）により、機能層を断面研磨した。ＦＥ−ＳＥＭ（ＵＬＴＲＡ５５、カールツァイス製）により、機能層の断面イメージを１００００倍の倍率で１視野取得した。この断面イメージの基材表面のＬＤＨ膜と基材内部のＬＤＨ部分（点分析）についてＥＤＳ分析装置（ＮＯＲＡＮ Ｓｙｓｔｅｍ ＳＩＸ、サーモフィッシャーサイエンティフィック製）により、加速電圧１５ｋＶの条件にて、元素分析を行った。その結果、例１〜５で得られた機能層に含まれるＬＤＨから、ＬＤＨ構成元素であるＣ、Ａｌ、Ｔｉ及びＮｉが検出された。すなわち、Ａｌ、Ｔｉ及びＮｉは水酸化物基本層の構成元素である一方、ＣはＬＤＨの中間層を構成する陰イオンであるＣＯ_３^２−に対応する。

【0056】

【表1】

【要約】

耐アルカリ性が有意に向上されたＬＤＨ含有機能層、及びそれを含む複合材料が提供される。この機能層は、層状複水酸化物（ＬＤＨ）を含む機能層であって、直径０．０５μｍ未満のＬＤＨ微粒子で構成され、厚さ０．１０μｍ以上の第一層と、第一層上に設けられる最表面層であって、平均粒子径０.０５μｍ以上のＬＤＨ大粒子で構成される第二層とを有する。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8A】

【図8B】