JP4803630B2 - 高純度疎水性有機溶媒分散シリカゾルの製造方法 - Google Patents
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Description
尚、本発明における高純度とは、シリカゾル固形分中の二酸化ケイ素含有量が99.9999%以上、金属不純物含有量が1ppm以下のことである。
またアルコキシシラン類を出発原料とするコロイダルシリカは、珪酸ナトリウムを原料とするコロイダルシリカと比較して、高濃度まで濃縮すると凝集、ゲル化しやすく、疎水性の強い有機溶媒中ではその傾向が高いため、膜材料などの配合時に不具合が生じていた。また、このゾルを様々な素材の原料として供給する場合、長期の保存安定性が必要となった。尚、凝集とは光子相関法にて測定されたシリカ微粒子の粒子径が初期の測定値の150%以上になったとき、または粘度が初期の測定値の2倍以上になったときのことをいう。
(a)アルコキシシランを原料由来とする高純度親水性有機溶媒分散シリカゾルの親水性有機溶媒を沸点が100℃以上の両親媒性有機溶媒で置換する第一の工程
(b)第一の工程で得られたシリカゾルを酸性下、シランカップリング剤で表面改質する第二の工程
(c)第二の工程で得られたシリカゾルの沸点が100℃以上の両親媒性有機溶媒を疎水性有機溶媒で置換する第三の工程
(e)第三の工程で得られたシリカゾル中のシリカ濃度が20重量%を超えるように調整する第四の工程
請求項3に係る発明は、前記シランカップリング剤の添加量が、数1の関係を充足することを特徴とする請求項1又は2に記載の高純度疎水性有機溶媒分散シリカゾルの製造方法に関する。
本発明における高純度疎水性有機溶媒分散シリカゾルは、疎水性有機溶媒にシリカ微粒子が高濃度であっても長期間安定に分散し、且つ高純度であるので、電子材料や膜材料、有機面の研磨材などの素材として好適に使用することができる。
本発明において、高純度疎水性有機溶媒分散シリカゾルは、アルコキシシランを原料由来とする高純度親水性有機溶媒分散シリカゾルの分散媒を沸点が100℃以上の両親媒性有機溶媒で置換する第一の工程、第一の工程で得られたシリカゾルを酸性下、シランカップリング剤で表面改質する第二の工程、第二の工程で得られたシリカゾルの分散媒を疎水性有機溶媒で置換する第三の工程を含む方法によって製造することができる。
親水性有機溶媒は特に限定されないが、例えば、メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノールなどの炭素数1〜3の直鎖又は分岐のアルコール類などを例示することができる。
特に本発明では、沸点が100〜200℃の両親媒性有機溶媒が好ましく、沸点が100〜150℃の両親媒性有機溶媒がより好ましい。
また、親水性有機溶媒分散シリカゾルを沈殿・分離、遠心分離等により親水性有機溶媒より分離した後に、沸点が100℃以上の両親媒性有機溶媒に再分散させる方法を例示することができる。
第一の工程で得られたシリカゾルをシランカップリング剤で表面改質するには、第一の工程で得られたシリカゾルに酸を添加して酸性に調整した後、シランカップリング剤を加え加熱還流を行うか又は両親媒性有機溶媒の沸点以下の温度、好ましくは100〜200℃程度に加熱することにより、表面改質を行うことができる。
酸・塩基を添加することで、表面改質処理を確実且つ速やかに行うことができる。ただし、塩基性下で処理すると粘度が上昇し、且つシリカ固形分濃度を20重量%以上に上げると不安定になるために、酸を使用することが望ましい。
酸は特に限定されないが、例えば、ギ酸、酢酸等の有機酸や、硫酸、塩酸などの無機酸、強酸性イオン交換樹脂等を例示することができ、酸の添加量は特に限定されないが、好ましくはシリカゾルに対して1〜30重量%が望ましい。またpH領域は特に限定されないが、pH4以下に調整することが望ましい。本発明では酢酸を用いることが工業的に好ましい。
第一の工程で得られたシリカゾルをシランカップリング剤で表面改質することにより、親水性であったシリカゾルを疎水性有機溶媒中で安定に分散させることができる。
RaMXb
(但し、Rはアルキル基、フルオロ基等の疎水基であり、MはSiであり、Xはハロゲン、アルコキシル基等の官能基であり、aは1〜3の整数であり、bは3〜1の整数である。)
第二の工程で得られたシリカゾルの沸点が100℃以上の両親媒性有機溶媒を疎水性有機溶媒で置換する方法は特に限定されず、例えば、第二の工程で得られたシリカゾルを加熱しながら疎水性有機溶媒を一定量ずつ滴下する方法を例示することができる。
この際、置換操作は液温及び塔頂温が置換する疎水性有機溶媒の沸点に達するまで行うことが好ましい。
また、第二の工程で得られたシリカゾルを沈殿・分離、遠心分離等により沸点が100℃以上の両親媒性有機溶媒より分離した後に、疎水性有機溶媒に再分散させる方法を例示することができる。
具体的には、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、ウンデカン、ドデカンなどの飽和脂肪族炭化水素類、ヘキセン、ヘプテン、オクテンなどの不飽和脂肪族炭化水素類、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、デカリンなどの脂環式炭化水素類、ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、ドデシルベンゼン、メチルナフタレンなどの芳香族炭化水素類、メチレンクロライド、クロロホルム、エチレンクロライド、クロロベンゼンなどのハロゲン化物、ジブチルエーテル、ジペンチルエーテル、ジヘキシルエーテル、ジヘプチルエーテル、ジオクチルエーテルなどのエーテル類、酢酸エチル、酢酸ブチル、アクリル酸ブチル、メタクリル酸メチル、ヘキサメチレンジアクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート等のエステル類、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類、ナフサ、白灯油などの石油留分類などを例示することができる。
特に本発明では、これらの疎水性有機溶媒のうち、n−ヘプタン、トルエン、キシレン、メシチレンを用いることが好ましい。
第三の工程で得られたシリカゾルのシリカ濃度を20重量%超となるように調整する方法は特に限定されず、例えば、このシリカゾルを常圧下又は減圧下で加熱濃縮すればよい。
シリカゾル中のシリカ濃度は20重量%以上であれば特に限定されず、好ましくは40重量%以上、より好ましくは40〜50重量%程度とされる。
本発明における高純度疎水性有機溶媒分散シリカゾルは、沸点が100℃以上の両親媒性有機溶媒の存在下、シランカップリング剤で表面改質されたシリカ微粒子が疎水性有機溶媒に分散しているから、シリカ微粒子の含有量を20重量%超に調整しても、凝集やゲル化が起らず、長期保存安定に優れる。
またアルコシキシランの加水分解によって製造されたコロイダルシリカを原料とする本発明における高純度疎水性有機溶媒分散シリカゾルは、ナトリウム等の金属不純物の含有量が極めて少なく、具体的には、金属不純物含有量が1ppm以下の高純度の疎水性有機溶媒分散シリカゾルを得ることができる。
(試料の調製;実施例1)
高純度メタノール分散シリカゾル(扶桑化学工業株式会社製、PL−7−MA、シリカ濃度15%、比表面積40m2/g、比表面積換算の粒径70nm)1500gを常圧下で加熱蒸留しつつ、1−ブタノールの容量を一定に保ちながら滴下し、液温及び塔頂温が置換する溶媒の沸点に達した時点で終了して、1−ブタノール分散ゾルを得た。
このゾルに酢酸を300g添加して、しばらく攪拌した後、メチルトリメトキシシランを100g添加し、加熱還流を行った。このゾルに、常圧下で加熱蒸留しつつ、トルエンを容量を一定に保ちながら滴下し、液温及び塔頂温がトルエンの沸点で安定するところまでトルエン置換を行い、トルエン分散ゾルを得た。
このトルエン分散シリカゾルを、シリカ濃度が40%となるまで加熱濃縮を行い、高濃度シリカゾルを得た。
実施例1のトルエンをキシレンにかえて、その他は同条件でシリカ濃度40%キシレン分散シリカゾルを得た。
実施例1のトルエンをメシチレンにかえて、その他は同条件でシリカ濃度40%メシチレン分散シリカゾルを得た。
実施例1の1−ブタノールを1−メトキシ−2−プロパノ−ルにかえて、その他は同条件でシリカ濃度40%トルエン分散シリカゾルを得た。
実施例4のトルエンをキシレンにかえて、その他は同条件でシリカ濃度40%キシレン分散シリカゾルを得た。
実施例4のトルエンをメシチレンにかえて、その他は同条件でシリカ濃度40%メシチレン分散シリカゾルを得た。
実施例1の1−ブタノールをエチレングリコールにかえて、その他は同条件でシリカ濃度40%トルエン分散シリカゾルを得た。
実施例7のトルエンをキシレンにかえて、その他は同条件でシリカ濃度40%キシレン分散シリカゾルを得た。
実施例7のトルエンをメシチレンにかえて、その他は同条件でシリカ濃度40%メシチレン分散シリカゾルを得た。
高純度メタノール分散シリカゾル(扶桑化学工業株式会社製、PL−10−MA、シリカ濃度15%、比表面積25m2/g、比表面積換算の粒径110nm)1000gを常圧下で加熱蒸留しつつ、1−ブタノールの容量を一定に保ちながら滴下した。液温及び塔頂温が置換する溶媒の沸点に達した時点で加熱蒸留を終了して、1−ブタノール分散ゾルを得た。
この1−ブタノール分散ゾルに酢酸を300g添加して、しばらく攪拌した後、メチルトリメトキシシランを100g添加し、加熱還流を行った。このゾルに、常圧下で加熱蒸留しつつ、トルエンの容量を一定に保ちながら滴下した。液温及び塔頂温がトルエンの沸点で安定したところまでトルエン置換を行い、トルエン分散ゾルを得た。
このトルエン分散シリカゾルを、シリカ濃度が40%となるまで加熱濃縮を行い、高濃度シリカゾルを得た。
実施例10のトルエンをキシレンにかえて、その他は同条件でシリカ濃度40%キシレン分散シリカゾルを得た。
実施例10のトルエンをメシチレンにかえて、その他は同条件でシリカ濃度40%メシチレン分散シリカゾルを得た。
実施例10の1−ブタノールを1−メトキシ−2−プロパノールにかえて、その他は同条件でシリカ濃度40%トルエン分散シリカゾルを得た。
実施例13のトルエンをキシレンにかえて、その他は同条件でシリカ濃度40%キシレン分散シリカゾルを得た。
実施例13のトルエンをメシチレンにかえて、その他は同条件でシリカ濃度40%メシチレン分散シリカゾルを得た。
実施例10の1−ブタノールをエチレングリコールにかえて、その他は同条件でシリカ濃度40%トルエン分散シリカゾルを得た。
実施例16のトルエンをキシレンにかえて、その他は同条件でシリカ濃度40%キシレン分散シリカゾルを得た。
実施例16のトルエンをメシチレンにかえて、その他は同条件でシリカ濃度40%メシチレン分散シリカゾルを得た。
実施例1の酢酸を添加せずに表面処理を行い、トルエン置換を行った。しかし、途中で粘度が急激に上昇し、最終的にゾルが凝集してゲル化した。
実施例1〜18の疎水性有機溶媒分散シリカゾルのシリカ粒子の比表面積、粒子径、シリカ濃度、粘度、水分、1ヶ月後及び1年後の凝集の有無、不純物量をそれぞれ測定した。結果を表1及び表2に記載する。
尚、比表面積はシリカゾルを乾燥後、焼成した粉末をBET法で測定した。またシリカゾルの粒子径はBET法で測定した比表面積から換算したものと、光子相関法によるものの2種類で測定した。特に、光子相関法で測定した数値および粘度は、得られたシリカゾルが凝集しているか否かの指標になるために重要である。尚、凝集とは光子相関法にて測定されたシリカ微粒子の粒子径が初期の測定値の150%以上になったとき、または粘度が初期の測定値に比べて2倍以上増加したときのことをいう。
1年後の凝集の有無については、測定の結果、1ヶ月を経過した時点で光子相関法にて測定されたシリカ微粒子の粒子径が初期の測定値の150%以上にならなければ、または粘度が初期の測定値の2倍以上にならなければ、1年後についても粒子は凝集しないことが判明した。
水分はカールフィッシャー水分計を用いて測定した。金属不純物量は原子吸光測定装置を用いて測定した。
実施例1の原料であるメタノール分散シリカゾルと、実施例1のトルエン分散シリカゾルのSi CP/MAS NMR分析を行った。結果を表3に記載する。
実施例1〜18で得られた疎水性有機溶媒分散シリカゾルに、シリカゾルと等量の水を添加して1分間激しく混合した後、静置した。実施例1〜18の疎水性有機溶媒分散シリカゾルは、約1時間で水層と有機層の二層に完全に分離した。しかしながらシリカ微粒子の析出は確認されなかった。水層にはシリカ微粒子は全く存在しなかった。
Claims (4)
- 少なくとも以下の(a)〜(c)の各工程を含むことを特徴とする高純度疎水性有機溶媒分散シリカゾルの製造方法。
(a)アルコキシシランを原料由来とする高純度親水性有機溶媒分散シリカゾルの親水性有機溶媒を沸点が100℃以上の両親媒性有機溶媒で置換する第一の工程
(b)第一の工程で得られたシリカゾルを酸性下、シランカップリング剤で表面改質する第二の工程
(c)第二の工程で得られたシリカゾルの沸点が100℃以上の両親媒性有機溶媒を疎水性有機溶媒で置換する第三の工程 - 以下の(e)工程を含むことを特徴とする請求項1に記載の高純度疎水性有機溶媒分散シリカゾルの製造方法。
(e)第三の工程で得られたシリカゾル中のシリカ濃度が20重量%を超えるように調整する第四の工程 - 前記疎水性有機溶媒が、飽和脂肪族炭化水素類、不飽和脂肪族炭化水素類、脂環式炭化水素類、芳香族炭化水素類及び該芳香族炭化水素類のハロゲン化物、エーテル類から選ばれる1種以上である請求項1乃至3いずれかに記載の高純度疎水性有機溶媒分散シリカゾルの製造方法。
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