WO2009101974A1 - シリカコロイド粒子及びその製造方法、並びにその有機溶媒分散シリカゾル、重合性化合物分散シリカゾル及びジカルボン酸無水物分散シリカゾル - Google Patents

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silica
dispersed
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Naohiko Suemura
Keiko Yoshitake
Toshiaki Takeyama
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Nissan Chemical Industries, Ltd.
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    • C01P2004/00Particle morphology
    • C01P2004/60Particles characterised by their size
    • C01P2004/64Nanometer sized, i.e. from 1-100 nanometer

Definitions

  • the present invention relates to silica colloidal particles and a production method thereof, and an organic solvent-dispersed silica sol, a polymerizable compound-dispersed silica sol, and a dicarboxylic acid anhydride-dispersed silica sol.
  • Silica sol in which silica colloidal particles of several to about 100 nm are dispersed in a liquid has high transparency.
  • silica colloid particles since silica colloid particles have high hardness, they are mixed with a resin or the like and used as a modifier for the purpose of imparting the hardness or heat resistance of the resin.
  • aqueous silica sol may be used, but it is dispersed in organic solvent-dispersed silica sol or polymerizable compound that can be used as resin raw material in consideration of compatibility and reactivity with resin. In many cases, a sol obtained by dispersing silica colloidal particles in an organic compound is used.
  • Patent Document 1 describes a method for producing an organic solvent-dispersed silica sol in which an aqueous silica sol and an organic solvent are mixed and then dehydrated with an ultrafiltration membrane.
  • Patent Document 2 discloses a methanol silica sol in which metal ions contained in an aqueous silica sol are removed by ion exchange, an organic base is added, and then methanol is mixed, followed by concentration and dehydration by ultrafiltration. A manufacturing method is described.
  • Patent Document 3 describes an organic solvent-dispersed silica sol in which alkaline earth metal ions are bonded to the surface of silica colloidal particles.
  • Patent Document 4 describes an oxide sol in which 80 mol% or more of the dispersion medium is a reactive monomer having a polymerizable unsaturated bond in the molecule.
  • alkali metal ions such as Na ions contained in the aqueous silica sol are previously removed by cation exchange to form an acidic aqueous silica sol.
  • Alkaline aqueous silica sols containing alkali metal ions have poor compatibility with many organic solvents such as alcohols and ethers, and when these organic solvents are mixed, the colloidal silica particles cause aggregation or gelation.
  • the acidic aqueous silica sol obtained by the above method has the property that the pH increases due to the elution of alkali metal ions present in the silica colloidal particles over time, and the viscosity of the silica sol increases and eventually gelation occurs. It is known. Therefore, after cation exchange of the alkaline aqueous silica sol, the obtained sol is aged as it is or in the presence of a small amount of acid to diffuse the alkali metal ions in the silica colloidal particles into the colloidal dispersion medium, and then further A method for stabilizing an acidic aqueous silica sol in which alkali metal ions are removed by cation exchange is disclosed (Patent Document 5).
  • Patent Document 6 A method for producing an acidic aqueous silica sol is disclosed (Patent Document 6). JP 59-8614 A Japanese Patent Laid-Open No. 2-167813 JP 2007-63117 A JP-A-62-95130 US Pat. No. 3,342,747 JP-A-63-123807
  • the organic solvent-dispersed silica sol is obtained by a solvent replacement method, it is desirable to increase the silica concentration of the acidic aqueous silica sol as a raw material as high as possible in order to increase the replacement efficiency of the organic solvent.
  • the stability of the acidic aqueous silica sol is not sufficient as compared with the alkaline silica sol.
  • the acidic aqueous silica sol produced by the method disclosed in Patent Document 6 has a strong electrostatic repulsion between the silica colloid particles due to the presence of the aluminum compound contained in the silica colloid particles, and it is easy to increase the silica concentration.
  • there are many solid acid sites on the surface Due to the presence of this solid acid point, the catalytic action by the solid acid is increased, and when an organic solvent-dispersed silica sol is obtained, an organic solvent such as ketone, ester, amide or the like may decompose or discolor.
  • the present invention does not cause decomposition or coloring of the organic compound, which occurs when the silica colloidal particles as described above are dispersed in the organic compound, and does not cause decomposition or coloring of the resin even when blended with the resin, and Disclosed are silica colloid particles having good dispersion stability in a dispersion medium, a method for producing the same, and organic solvent-dispersed silica sol, polymerizable compound-dispersed silica sol, and dicarboxylic anhydride-dispersed silica sol.
  • the average content of the polyvalent metal element M which is at least one selected from the group consisting of iron, aluminum, zinc, zirconium, titanium, tin and lead, is 0.
  • Silica colloidal particles having an average primary particle diameter of 5 to 40 nm, which is 001 to 0.02, wherein the content of the polyvalent metal element M present in the outermost layer of the colloidal particles is per 1 nm 2 of the surface area of the colloidal particles.
  • silica colloidal particles As a second aspect, an organic solvent-dispersed silica sol in which the silica colloidal particles described in the first aspect are dispersed in an organic solvent, As a third aspect, the organic solvent according to the third aspect, wherein the organic solvent is at least one selected from the group consisting of alcohols, ethers, ketones, esters, amides, hydrocarbons, and nitriles.
  • the silica colloidal particles described in the first aspect are a polymerizable compound having an ethylenically unsaturated bond, a polymerizable compound having an epoxy ring, a polymerizable compound having an oxetane ring, and a polymerizable compound having a vinyl ether structure
  • the polymerizable compound having an epoxy ring is represented by the formula (1): (Where R 1 and R 2 each independently represents an alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, an aryl group, an aralkyl group, a heterocyclic group, or a halogenated, aminated, or nitrated derivative thereof.
  • the polymerizable compound-dispersed silica sol according to the fourth aspect which is an ester-modified epoxy compound containing the compound (i) having a functional group represented by (ii) in the molecule and the compound (ii) having a glycidyl group in the molecule
  • the compound (i) is represented by the formula (1) wherein 1 or more and n or less of n (where n is an integer of 2 to 16) glycidyl groups in the molecule is represented.
  • the polymerizable compound-dispersed silica sol according to the fifth aspect which is a compound substituted with a functional group
  • the polymerizable compound-dispersed silica sol according to the fifth aspect wherein the compound (ii) is a compound having n glycidyl groups in the molecule (where n is an integer of 2 to 16).
  • the polymerizable compound-dispersed silica sol according to the fifth aspect wherein the molar ratio of compound (i): compound (ii) is 1: 0.3 to 1.5
  • the compound (i) is obtained by replacing the glycidyl group of tris- (2,3-epoxypropyl) -isocyanate with a functional group represented by the formula (1).
  • the polymerizable compound-dispersed silica sol according to any one of the eighth aspect As a tenth aspect, the polymerizable compound-dispersed silica sol according to any one of the fifth, seventh, and eighth aspects, wherein the compound (ii) is tris- (2,3-epoxypropyl) -isocyanate ,
  • a dicarboxylic acid anhydride-dispersed silica sol in which the silica colloidal particles described in the first aspect are dispersed in a liquid dicarboxylic acid anhydride at 30 ° C. As a twelfth aspect, according to the eleventh aspect, the dicarboxylic acid anhydride includes at least one selected from the group consisting of methylhexahydrophthalic anhydride, hydrogenated methylnadic acid anhydride, and hydrogenated trimellitic acid anhydride.
  • Dicarboxylic anhydride-dispersed silica sol As a thirteenth aspect, the method for producing silica colloidal particles according to the first aspect including the following steps (I) and (II): (I): The average content of the polyvalent metal element M, which is at least one selected from the group consisting of iron, aluminum, zinc, zirconium, titanium, tin, and lead, is 0.001 to 0.00 as the M / Si molar ratio. A step of aging at 0 to 40 ° C.
  • the average content of the polyvalent metal element M which is at least one selected from the group consisting of iron, aluminum, zinc, zirconium, titanium, tin and lead, is 0.
  • the silica colloid particles of the present invention are silica colloid particles having a small action of solid acid on the surface of the silica colloid particles and a large electrostatic repulsion, such as various organic solvents, polymerizable compounds, dicarboxylic acid anhydrides, etc.
  • Silica sol stably dispersed in an organic compound is obtained, and even when contacted with these organic compounds, decomposition, alteration, discoloration, etc. of the organic compounds hardly occur.
  • the organic solvent-dispersed silica sol of the present invention comprises the colloidal silica particles of the present invention dispersed in an organic solvent such as alcohols, ethers, ketones, esters, amides, hydrocarbons, and nitriles. It is a stable silica sol that is unlikely to be decomposed, altered, or discolored.
  • the polymerizable compound-dispersed silica sol of the present invention is a polymerizable compound such as a polymerizable compound having an ethylenically unsaturated bond, a polymerizable compound having an epoxy ring, a polymerizable compound having an oxetane ring, or a polymerizable compound having a vinyl ether structure.
  • the silica colloidal particles of the present invention are dispersed, and it is a stable silica sol in which the polymerizable compound is hardly decomposed, altered, discolored, polymerized or the like.
  • the silica colloidal particles of the present invention are dispersed in a dicarboxylic acid anhydride such as methylhexahydrophthalic acid anhydride, hydrogenated methylnadic acid anhydride, hydrogenated trimellitic acid anhydride or the like. It is a stable silica sol that is resistant to decomposition, alteration, discoloration and the like of dicarboxylic acid anhydride.
  • the silica colloidal particles of the present invention or the organic solvent-dispersed silica sol thereof the polymerizable compound-dispersed silica sol, or the dicarboxylic acid-dispersed silica sol is used as a modifier for a resin or the like, imparting hardness without causing decomposition or coloring of the resin, It is useful for modifying resins such as imparting heat resistance.
  • a polymerizable compound-dispersed silica sol having an epoxy ring or a dicarboxylic acid anhydride-dispersed silica sol can be obtained at a high silica concentration.
  • the average content of the polyvalent metal element M which is at least one selected from the group consisting of iron, aluminum, zinc, zirconium, titanium, tin and lead, is 0.
  • the silica colloidal particles of the present invention are well dispersed in various organic solvents, polymerizable compounds, dicarboxylic acid anhydrides and the like.
  • the silica colloidal particles of the present invention are dense colloidal particles and have substantially no pores.
  • the average content of the polyvalent metal element M which is at least one selected from the group consisting of iron, aluminum, zinc, zirconium, titanium, tin and lead, is 0 as the M / Si molar ratio. 0.001 to 0.02, and the polyvalent metal element M has a larger negative charge than silica colloidal particles having an M / Si molar ratio of less than 0.001.
  • the polyvalent metal element M include iron, aluminum, zinc, zirconium, titanium, tin, and lead.
  • Examples of the method for measuring the charge of the silica colloidal particles include zeta potential measurement.
  • the silica colloidal particles of the present invention have a large negative charge of ⁇ 15 mV or less as the zeta potential measured at pH 3.5, for example, the dispersibility in the sol is good. Therefore, for example, a stable organic solvent-dispersed silica sol or polymerizable compound-dispersed silica sol can be obtained even at a high silica concentration of 30% by mass or more.
  • the zeta potential of silica colloid particles having an M / Si molar ratio of less than 0.001 at pH 3.5 is about ⁇ 5 to 0 mV.
  • the content of the polyvalent metal element M present in the outermost surface layer of the silica colloidal particles of the present invention is 0 to 0.003 per 1 nm 2 of the surface area of the silica colloidal particles, the surface solid acidity And the properties as a solid acid are very small.
  • the silica colloidal particles of the present invention are dispersed in various organic solvents, polymerizable compounds, dicarboxylic acid anhydrides and other organic compounds, the organic compounds are not decomposed, altered, discolored, polymerized, or the like.
  • the silica colloidal particles of the present invention are introduced into the cured epoxy resin, the heat resistance and strength of the cured body can be improved without causing coloring of the cured body.
  • the average content of the polyvalent metal element M in the silica colloidal particles is less than 0.001 as the M / Si molar ratio, the charge of the silica colloidal particles becomes small, and the electrostatic repulsion between the silica particles decreases. Therefore, an organic solvent-dispersed silica sol or a polymerizable compound-dispersed silica sol having a high silica concentration may not be obtained.
  • the average content of the polyvalent metal element M in the silica colloidal particles is larger than 0.02 as the M / Si molar ratio, the content of the polyvalent metal element M present in the outermost layer of the particles is silica colloid.
  • the average content of the polyvalent metal element M in the silica colloid particles is the total silica colloid particles, that is, the number of moles of the polyvalent metal element M contained from the center of the silica colloid particles to the outermost layer and the total silica.
  • the M / Si molar ratio is calculated from the number of moles of Si atoms in the colloidal particles.
  • the polyvalent metal element M present in the outermost layer of the silica colloidal particles of the present invention means that a part of Si in the —O—Si—O—Si—O— layer present on the outermost surface of the colloidal particles is a polyvalent metal.
  • the content of the polyvalent metal element M in the outermost layer of the silica colloid particles of the present invention can be analyzed by the following metal ion extraction method using an acid. From the specific gravity of silica colloid particles 2.2 and the molecular weight 60 of silica, the number of Si atoms present in the outermost layer of the silica colloid particles is calculated to be 7.9 per 1 nm 2 of the surface area of the silica colloid particles (THE COLORID CHEMISTRY). OF SILICA AND SILICATES, Chapter 6 Surface Chemistry p242 to p247, see Author: RALPH K. ILER).
  • the polyvalent metal element M present in the surface layer is calculated as 7.9 ⁇ M / Si per 1 nm 2 .
  • the inventor adjusted the pH of the aqueous sol containing colloidal silica particles to 1.9 with nitric acid and held it at 20 to 25 ° C. for 4.5 hours to cationize only the polyvalent metal element M on the outermost layer of the silica colloidal particles.
  • the polyvalent metal element M present in the outermost layer of the silica colloid particles was quantified using this method.
  • the content of the polyvalent metal element in the filtrate obtained by centrifugal filtration was measured.
  • the polyvalent metal element M present in the outermost surface layer of the silica colloidal particle having a surface area of 1 nm 2 can be determined.
  • the silica concentration of the aqueous silica sol adjusted to pH 1.9 is preferably 0.1 to 5% by mass.
  • Centrifugal filtration is not particularly limited as long as the filtrate can be collected sufficiently, but it can be performed at about 1000 to 10000 rpm using an ultrafiltration membrane having a molecular weight cut off of 5000 to 50000.
  • the polyvalent metal ion in the filtrate is measured by a general trace metal analysis method (for example, inductively coupled plasma emission spectroscopy). By dividing this measured value by the surface area of the silica colloid particles obtained by the nitrogen adsorption method, the content of the polyvalent metal element M present in the outermost surface layer of the silica colloid particles having a surface area of 1 nm 2 is calculated.
  • a general trace metal analysis method for example, inductively coupled plasma emission spectroscopy
  • the shape of the silica colloid particles of the present invention may be spherical, substantially spherical, or any other shape as long as the object of the present invention is achieved.
  • the organic solvent-dispersed silica sol of the present invention is obtained by dispersing the colloidal silica particles of the present invention in an organic solvent such as alcohols, ethers, ketones, esters, amides, hydrocarbons, and nitriles.
  • organic solvent such as alcohols, ethers, ketones, esters, amides, hydrocarbons, and nitriles.
  • Specific examples of the organic solvent used in the organic solvent-dispersed silica sol of the present invention are shown below.
  • Alcohols include methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, isobutyl alcohol, 2-butanol, ethylene glycol, glycerin, propylene glycol, triethylene glycol, polyethylene glycol, benzyl alcohol, 1,5 -Pentanediol, diacetone alcohol and the like.
  • ethers include diethyl ether, dibutyl ether, tetrahydrofuran, dioxane, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monopropyl ether, propylene glycol monomethyl ether, propylene glycol monoethyl ether, diethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monoethyl ether, diethylene glycol monobutyl ether, etc. Is mentioned.
  • ketones include acetone, methyl ethyl ketone, 2-pentanone, 3-pentanone, methyl isobutyl ketone, 2-heptanone, and cyclohexanone.
  • esters examples include ethyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, butyl acetate, ethylene glycol monoethyl ether acetate, ethylene glycol monobutyl ether acetate, propylene glycol monomethyl ether acetate and the like.
  • amides include acetamide, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone and the like.
  • hydrocarbons examples include n-hexane, cyclohexane, benzene, toluene, xylene, solvent naphtha, and styrene.
  • halogenated hydrocarbons examples include dichloromethane and trichloroethylene.
  • nitriles include acetonitrile, glutaronitrile, methoxyacetonitrile, propionitrile, benzonitrile and the like.
  • organic solvents include dimethyl sulfoxide.
  • the organic solvent-dispersed silica sol of the present invention has a silica concentration of 5 to 70% by mass, preferably 15 to 60% by mass.
  • the surface of the dispersed silica colloid particles may be subjected to a hydrophobic treatment.
  • the hydrophobizing agent include silazane, siloxane or alkoxysilane and a partial hydrolyzate thereof, or a polymerized dimer or pentamer oligomer.
  • silazane include hexamethyldisilazane and hexaethyldisilazane.
  • siloxane examples include hexamethyldisiloxane, 1,3-dibutyltetramethyldisiloxane, 1,3-diphenyltetramethyldisiloxane, 1,3-divinyltetramethyldisiloxane, hexaethyldisiloxane, and 3-glycidoxy. And propylpentamethyldisiloxane.
  • alkoxysilane examples include trimethylmethoxysilane, trimethylethoxysilane, trimethylpropoxysilane, phenyldimethylmethoxysilane, chloropropyldimethylmethoxysilane, dimethyldimethoxysilane, methyltrimethoxysilane, tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetrapropoxysilane, Tetrabutoxysilane, ethyltrimethoxysilane, dimethyldiethoxysilane, propyltriethoxysilane, n-butyltrimethoxysilane, n-hexyltrimethoxysilane, n-octyltriethoxysilane, n-octylmethyldiethoxysilane, n- Octadecyltrimethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, phenylmethyldime
  • the hydrophobization treatment of the silica colloidal particle surface is particularly effective for an organic solvent-dispersed silica sol using a hydrophobic organic solvent such as ethers, ketones, esters and hydrocarbons.
  • the organic solvent-dispersed silica sol of the present invention is a stable silica sol because the dispersed silica colloidal particles have a large negative charge and the properties as a solid acid are extremely weak, so that the organic solvent is not decomposed, altered or discolored. It is.
  • the polymerizable compound-dispersed silica sol of the present invention is a polymerizable compound such as a polymerizable compound having an ethylenically unsaturated bond, a polymerizable compound having an epoxy ring, a polymerizable compound having an oxetane ring, or a polymerizable compound having a vinyl ether structure.
  • the silica colloidal particles of the present invention are dispersed. Specific examples of the polymerizable compound used in the polymerizable compound-dispersed silica sol of the present invention are shown below.
  • Examples of the polymerizable compound having an ethylenically unsaturated bond include unsaturated carboxylic acid compounds such as acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid, crotonic acid, maleic acid and phthalic acid.
  • derived from these unsaturated carboxylic acid compounds, an alcohol compound, or an amine compound can be mentioned.
  • the alcohol compound is not particularly limited, and examples thereof include 2 to 6 hydroxyl groups such as ethylene glycol, triethylene glycol, tetraethylene glycol, tris (2-hydroxylethyl) isocyanuric acid, triethanolamine, and pentaerythritol.
  • the polyol compound which has.
  • the amine compound is not particularly limited, but ethylenediamine, diaminocyclohexane, diaminonaphthalene, 1,4-bis (aminomethyl) cyclohexane, 3,3 ′, 4,4′-tetraaminobiphenyl, tris (2-aminoethyl) And polyamine compounds having 2 to 6 primary or secondary amino groups, such as amines.
  • polymerizable compound having an ethylenically unsaturated bond examples include ethylene glycol di (meth) acrylate, diethylene glycol di (meth) acrylate, triethylene glycol di (meth) acrylate, tetraethylene glycol di (meth) acrylate, nona Ethylene glycol di (meth) acrylate, polyethylene glycol di (meth) acrylate, tripropylene glycol di (meth) acrylate, tetrapropylene glycol di (meth) acrylate, nonapropylene glycol di (meth) acrylate, polypropylene glycol di (meth) acrylate 2,2-bis [4-((meth) acryloxydiethoxy) phenyl] propane, 3-phenoxy-2-propanoyl acrylate, 1,6-bis (3-acrylate) Roxy-2-hydroxypropyl) -hexyl ether, trimethylolpropane tri (meth) acrylate, g
  • a urethane compound, a polyvalent epoxy compound and a hydroxyalkyl unsaturated compound which can be obtained by reacting a polyvalent isocyanate compound with a hydroxyalkyl unsaturated carboxylic acid ester compound are also used. Mention may also be made of compounds obtainable by reaction with carboxylic acid ester compounds, diallyl ester compounds such as diallyl phthalate and divinyl compounds such as divinyl phthalate.
  • a compound having 1 to 6 epoxy rings can be used as the polymerizable compound having an epoxy ring.
  • a polymerizable compound having 1 to 6 epoxy rings is produced from a compound having two or more hydroxyl groups or carboxyl groups such as a diol compound, a triol compound, a dicarboxylic acid compound, or a tricarboxylic acid compound, and a glycidyl compound such as epichlorohydrin. Mention may be made of compounds having two or more glycidyl ether structures or glycidyl ester structures.
  • polymerizable compound having an epoxy ring examples include 1,4-butanediol diglycidyl ether, 1,2-epoxy-4- (epoxyethyl) cyclohexane, glycerol triglycidyl ether, diethylene glycol diglycidyl ether, 2,6 Diglycidyl phenyl glycidyl ether, 1,1,3-tris [p- (2,3-epoxypropoxy) phenyl] propane, 1,2-cyclohexanedicarboxylic acid diglycidyl ester, 4,4′-methylenebis (N, N -Diglycidylaniline), 3,4-epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexanecarboxylate, trimethylolethane triglycidyl ether, triglycidyl-p-aminophenol, tetraglycidylmetaxylenediamine, Tragly
  • a compound having 1 to 6 oxetane rings can be used.
  • a compound having 1 to 6 vinyl ether structures can be used.
  • the polymerizable compound-dispersed silica sol of the present invention has a silica concentration of 5 to 70% by mass, preferably 15 to 60% by mass.
  • the surface of the dispersed silica colloid particles may be subjected to a hydrophobic treatment.
  • the hydrophobizing agent include silazane, siloxane or alkoxysilane and a partial hydrolyzate thereof, or a polymerized dimer or pentamer oligomer.
  • hydrophobizing agent examples include the same hydrophobizing agents contained in the organic solvent-dispersed silica sol.
  • the hydrophobizing agent containing a polymerizable group may improve the dispersibility in the polymerizable compound or may improve the resin performance by binding the silica colloid particles and the resin in the curing reaction. In some cases, it is preferably used.
  • the polymerizable compound-dispersed silica sol of the present invention may contain a small amount of an organic solvent for the purpose of adjusting the viscosity.
  • the dispersed silica colloid particles have a large negative charge, and the property as a solid acid is extremely weak, so that the polymerizable compound is not decomposed, discolored, polymerized, etc. It is a silica sol that is stable even in concentration.
  • the polymerizable compound-dispersed silica sol having an epoxy ring is a particularly useful silica sol in that coloring of a cured product using the same hardly occurs depending on silica. .
  • the cured product of the polymerizable compound having an epoxy ring has high transparency and strength
  • a colorless material having higher heat resistance and strength by combining this resin with the colloidal silica particles of the present invention, a colorless material having higher heat resistance and strength.
  • a transparent cured body can be obtained, and exhibits particularly excellent effects when used for sealing materials that require colorless transparency and heat resistance, such as LED sealing materials.
  • the polymerizable compound having an epoxy ring used in the present invention has the following formula (1): (Where R 1 and R 2 each independently represents an alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, an aryl group, an aralkyl group, a heterocyclic group, or a halogenated, aminated, or nitrated derivative thereof. It is preferable that it is an ester-modified epoxy compound containing the compound (i) having a functional group represented by () in the molecule and the compound (ii) having a glycidyl group in the molecule.
  • the compound (i) is a compound in which n (where n is an integer of 2 to 16) glycidyl groups in the molecule are replaced with 1 or more and n or less functional groups represented by the formula (1). It is.
  • Compound (ii) is a compound having n glycidyl groups in the molecule (where n is an integer of 2 to 16).
  • n is preferably 3 in the epoxy compound used as the raw material of the compound (i) and the epoxy compound represented by the compound (ii).
  • tris- (2,3-epoxypropyl) -isocyanurate can be preferably used as the epoxy compound used as the raw material of the compound (i) and the epoxy compound represented by the compound (ii).
  • the compound (i) is preferably obtained by replacing the glycidyl group of tris- (2,3-epoxypropyl) -isocyanurate with a functional group represented by the formula (1).
  • the compound (ii) is preferably tris- (2,3-epoxypropyl) -isocyanurate.
  • tris- (2,3-epoxypropyl) -isocyanurate will be described in detail as a compound having a glycidyl group in the molecule.
  • Tris- (2,3-epoxypropyl) -isocyanurate is a highly crystalline epoxy resin having three glycidyl groups in one molecule.
  • the reason why the tris- (2,3-epoxypropyl) -isocyanurate has high crystallinity is considered to be because a hydrogen bond is formed between oxygen atoms of three epoxy groups present in the molecule and another molecule.
  • the crystallinity can be lowered to make it liquid.
  • an epoxy group is necessary for the epoxy resin to cure by causing a curing reaction with the curing agent. Therefore, the liquid ester-modified epoxy compound needs to be a mixture of the compound (i) in which the epoxy group is partially converted and the compound (ii) in which the epoxy group is not converted.
  • a polymerizable compound having a liquid epoxy ring By containing -epoxypropyl) -isocyanurate, a polymerizable compound having a liquid epoxy ring can be obtained.
  • the compound (i) is actually a compound obtained by adding one acid anhydride represented by the formula (2) to a glycidyl group of tris- (2,3-epoxypropyl) -isocyanurate, a compound obtained by adding two compounds, and It is a mixture of three added compounds.
  • tris- (2,3-epoxypropyl) -isocyanurate and an acid anhydride are mixed with glycidyl of tris- (2,3-epoxypropyl) -isocyanurate.
  • Those obtained by reacting at a molar ratio of group: acid anhydride of 1: 0.1 to 0.5 are preferred.
  • the acid anhydride [formula (2)] used for the production of the compound (i) is an acid anhydride obtained from so-called two molecules of monocarboxylic acid. Unlike an acid anhydride obtained from a dicarboxylic acid used as a curing agent for an epoxy resin, it does not have a function as a curing agent for an epoxy resin.
  • the sum total of the glycidyl group of the synthesized compound (i) and the glycidyl group of the compound (ii) is 2 or more in terms of average (converted to the total number of glycidyl groups). Is preferred. If the total of the glycidyl groups is less than 2, it is not preferable because the physical properties of the cured product, particularly heat resistance, is lowered.
  • R 3 and R 4 are each independently an alkyl group, an alkenyl group, or an alkynyl group.
  • the alkyl group is an alkyl group having 1 to 18 carbon atoms, for example, methyl group, ethyl group, n-propyl group, i-propyl group, cyclopropyl group, n-butyl group, i-butyl group, s-butyl.
  • the alkenyl group is an alkenyl group having 2 to 6 carbon atoms, and examples thereof include a vinyl group, a 1-propenyl group, and a 2-propenyl group.
  • the alkynyl group is an alkynyl group having 2 to 6 carbon atoms, and examples thereof include an ethynyl group and a propargyl group.
  • the aryl group is an aryl group having 6 to 20 carbon atoms, and examples thereof include a phenyl group, a tolyl group, a naphthyl group, a methylnaphthyl group, an anthryl group, and an ethylanthryl group.
  • the aralkyl group is an aralkyl group having 7 to 22 carbon atoms, and examples thereof include a benzyl group, a phenethyl group, a naphthylmethyl group, a naphthylethyl group, an anthryl group, and an anthrylmethyl group.
  • the heterocyclic group include imidazole group, pyrazole group, pyridazine group, pyrimidine group, quinoline group, benzoxazole group, thiophene group, dithiol group, thiazole group, thiadiazole group, and benzothiazole group.
  • alkyl groups, alkenyl groups, alkynyl groups, aryl groups, aralkyl groups, and heterocyclic groups may be used as halogenated (eg, fluorinated, chlorinated, brominated or iodinated), aminated or nitrated derivative groups. it can. Examples thereof include a chloromethyl group, a dichloromethyl group, a trichloromethyl group, a trifluoromethyl group, an aminophenyl group, and a nitrobenzyl group.
  • R 3 and R 4 may be the same or different.
  • Acid anhydrides of formula (2) containing R 3 and R 4 are, for example, acetic anhydride, propionic anhydride, n-butyric anhydride, n-valeric anhydride, n-hexanoic anhydride, trifluoroacetic anhydride, cinnamon An acid anhydride, a benzoic acid anhydride, etc. are mentioned.
  • R 3 and R 4 in formula (2) are determined, and R 3 and R 4 are the number of carbon atoms from the viewpoint of the transparency of the resulting cured product. 1 to 5 linear hydrocarbon groups are preferred. Particularly preferred is propionic anhydride.
  • tris- (2,3-epoxypropyl) -isocyanurate When tris- (2,3-epoxypropyl) -isocyanurate is used as the highly crystalline epoxy resin, tris- (2,3-epoxypropyl) -isocyanurate, which is a low melting point type ( ⁇ -type) stereoisomer, is used. It is preferable to use it.
  • Tris- (2,3-epoxypropyl) -isocyanurate synthesized from isocyanuric acid and epichlorohydrin is a low-melting stereoisomer, tris- (2,3-epoxypropyl) -isocyanurate ( ⁇ -type crystal, 3) and a high melting point stereoisomer, tris- (2,3-epoxypropyl) -isocyanurate (which is a ⁇ -type crystal, called ⁇ -type) in a ratio of 3: 1 It is a mixture.
  • tris- (2,3-epoxypropyl) -isocyanurate which forms crystals by the combination of RRR and SSS forms, is ⁇ -type tris- (2,3-epoxypropyl) -isocyanurate, and six others. Since tris- (2,3-epoxypropyl) -isocyanurate in combination forms ⁇ -type tris- (2,3-epoxypropyl) -isocyanurate to form crystals, Generated. By the way, ⁇ -type tris- (2,3-epoxypropyl) -isocyanurate has a melting point of 98 to 107 ° C.
  • tris- (2,3-epoxypropyl) -isocyanurate when tris- (2,3-epoxypropyl) -isocyanurate is applied to the polymerizable compound having a liquid epoxy ring used in the present invention, unreacted tris- (2,3-epoxypropyl) -isocyanurate. It is preferable to use ⁇ -type tris- (2,3-epoxypropyl) -isocyanurate as a raw material because crystals are more difficult to precipitate when ⁇ is ⁇ -type.
  • the solvent used in the reaction may be any one that is inert to the reaction.
  • Typical examples of the solvent include ketones such as acetone and methyl ethyl ketone, nitriles such as acetonitrile, ethers such as tetrahydrofuran and dioxane, acetic acid.
  • examples thereof include esters such as ethyl, aromatic hydrocarbons such as chlorobenzene and toluene, and halogenated hydrocarbons such as chloroform and dichloroethane.
  • tris- (2,3-epoxypropyl) -isocyanurate may be used alone or as a mixed solvent to dissolve tris- (2,3-epoxypropyl) -isocyanurate.
  • tertiary amines such as triethylamine, tripropylamine, 1,8-diazabicyclo-5,4,0-undecan-7-ene, and halogens such as triphenylethylphosphonium bromide are used as catalysts.
  • Quaternary phosphonium salts such as triphenylmonoalkylphosphonium fluoride, imidazole compounds such as 2-ethyl-4-methylimidazole, quaternary ammonium salts such as tetraethylammonium bromide, and phosphorus compounds such as triphenylphosphine.
  • the reaction is performed at the reflux temperature of the solvent until the epoxy group content titrated with a 0.1N-perchloric acid / acetic acid solution reaches a theoretical value (a value at which the added acid anhydride disappears by the reaction). . After completion of the reaction, the solvent is distilled off to obtain a liquid ester-modified epoxy compound.
  • the obtained liquid ester-modified epoxy compound has an acid anhydride represented by the formula (2) on the glycidyl group of tris- (2,3-epoxypropyl) -isocyanurate.
  • the obtained liquid ester-modified epoxy compound includes a compound in which one acid anhydride represented by the formula (2) is added to the glycidyl group of tris- (2,3-epoxypropyl) -isocyanurate and two additions.
  • the obtained liquid ester-modified epoxy compound is a compound (compound i) in which one acid anhydride represented by the formula (2) is added to the glycidyl group of tris- (2,3-epoxypropyl) -isocyanurate.
  • the viscosity of the liquid ester-modified epoxy compound is about 500 to 5000 mPa ⁇ s as measured at 60 ° C.
  • the polymerizable compound-dispersed silica sol having an epoxy ring has a large negative charge and the property as a solid acid is extremely weak because the dispersed silica colloidal particles of the present invention have an epoxy cured composition.
  • the cured product can be filled with silica at a high concentration, and the cured product is hardly colored.
  • the cured product of the polymerizable compound having an epoxy ring itself has high transparency and strength, and by combining this resin with the colloidal silica particles of the present invention, extremely high heat resistance and colorless transparency.
  • a cured product having the properties and strength is obtained, and exhibits particularly excellent effects when used in applications requiring colorless transparency and heat resistance such as LED sealing materials.
  • the dicarboxylic acid anhydride-dispersed silica sol of the present invention is obtained by dispersing the silica colloidal particles of the present invention in a liquid dicarboxylic acid anhydride at 30 ° C.
  • the liquid state at 30 ° C. means a liquid state at an atmospheric pressure of 30 ° C.
  • dicarboxylic acid anhydride which is liquid at 30 ° C. used in the dicarboxylic acid anhydride-dispersed silica sol of the present invention include methyltetrahydrophthalic anhydride, methylhexahydrophthalic anhydride, methylnadic acid anhydride, hydrogenation Examples thereof include methylnadic acid anhydride, hydrogenated trimellitic acid, trialkylhydrophthalic acid anhydride, dodecenyl succinic acid anhydride, and the like.
  • dicarboxylic acid anhydrides from the viewpoint of colorless transparency, heat resistance, and high light resistance when cured into epoxy, methylhexahydrophthalic anhydride, hydrogenated methylnadic acid anhydride, hydrogenated trimellit Acid is particularly preferred. Moreover, if the mixture of solid dicarboxylic anhydrides, such as hexahydrophthalic anhydride, and the said liquid dicarboxylic anhydride is liquid at 30 degreeC, it can be used for this invention.
  • the dicarboxylic acid anhydride-dispersed silica sol of the present invention has a silica concentration of 5 to 70% by mass, preferably 15 to 60% by mass.
  • the surface of the dispersed silica colloid particles may be subjected to a hydrophobic treatment.
  • the hydrophobizing agent include silazane, siloxane or alkoxysilane and a partial hydrolyzate thereof, or a polymerized dimer or pentamer oligomer.
  • the hydrophobizing agent include the same hydrophobizing agents contained in the organic solvent-dispersed silica sol.
  • the dispersed silica colloidal particles have a large negative charge and the property as a solid acid is extremely weak. Therefore, when the silica sol is blended in an epoxy cured composition, The cured product can be filled with silica at a high concentration, and the cured product is hardly colored.
  • the silica colloidal particles are filled in the epoxy cured product with a high filling rate and while maintaining the colorless transparency of the resin. Therefore, when used in applications requiring colorless transparency and heat resistance, such as an LED encapsulant, it exhibits particularly excellent effects.
  • the average content of the polyvalent metal element M which is at least one selected from the group consisting of iron, aluminum, zinc, zirconium, titanium, tin and lead, is 0.
  • the average content of the polyvalent metal element M which is at least one selected from the group consisting of iron, aluminum, zinc, zirconium, titanium, tin and lead is 0.
  • An aqueous silica sol in which colloidal silica particles having an average primary particle diameter of 5 to 40 nm, which is 001 to 0.02, is dispersed can be obtained, for example, by the method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-123807. For example, a method is described in which silica sol is sized using as a raw material an aqueous solution obtained by mixing an aqueous solution of an aluminum compound with an aqueous solution of an alkali metal silicate such as sodium silicate.
  • an aluminum compound aqueous solution is added at the time of silica sol sizing, specifically, a silica-containing alkaline aqueous solution or an alkali metal hydroxide aqueous solution is mixed with an acidic silicate solution and an aluminum compound aqueous solution simultaneously or alternately.
  • the aluminum compound used is an aluminate represented by sodium aluminate, or an acidic aluminum salt represented by aluminum sulfate or aluminum chloride.
  • tin compounds, zinc compounds, lead compounds, and the like can be used. Specifically, sodium stannate, sodium zincate, sodium naminate, and the like can be used.
  • an acid is added to the obtained aqueous silica sol.
  • the silica concentration is extremely dilute (for example, less than 5% by mass), the production efficiency is lowered, so concentration is performed using an ultrafiltration membrane or the like, and the silica concentration is adjusted to 5% by mass or more. It is preferable to add.
  • the aqueous silica sol that can be used when the acid is added may be an alkaline silica sol, or an acidic silica sol obtained by removing alkali metal ions of the alkaline silica sol with a cation exchange resin or the like.
  • the kind of acid to be added is preferably a strong acid such as an inorganic acid or an organic acid in view of the effect of eluting polyvalent metal ions from silica colloidal particles. Specifically, hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, benzenesulfonic acid and the like are selected.
  • the acid When the acid is added to the aqueous silica sol, it is preferable to add the acid in an aqueous solution having an acid concentration of 1 to 20% by mass.
  • the acid is added so that the pH of the aqueous silica sol is in the range of 0 to 2.0.
  • the pH exceeds 2.0 the effect of eluting the polyvalent metal element as polyvalent metal ions from the vicinity of the surface of the silica colloidal particles becomes insufficient.
  • aging is performed at 0 ° C. to 40 ° C. for 30 minutes to 100 hours. When the aging temperature is below this range, the effect of eluting polyvalent metal ions from the vicinity of the surface of the silica colloidal particles becomes insufficient.
  • step (II) first, a hydrogen type strong acidic cation exchange resin is brought into contact with the acidic silica sol obtained in step (I) to remove polyvalent metal ions eluted from the vicinity of the surface of the silica colloid particles. At this time, it is confirmed that the pH of the acidic silica sol is 2.0 or less. When the pH exceeds 2.0, the elution of polyvalent metal ions is not sufficient, and some of the eluted polyvalent metal ions are not sufficiently adsorbed on the cation exchange resin, and the surface of the silica colloid particles May remain. Next, a hydroxyl group type strongly basic anion exchange resin is brought into contact to remove excess anion components.
  • Hydroxyl-type strongly basic anion exchange resins are usually regenerated with a strong base such as sodium hydroxide, so a trace amount of sodium ions, etc. remain, and after contact with the acidic silica sol, a trace amount in the acidic silica sol May leak sodium ions. In this case, it is preferable to remove sodium ions and the like again by contacting with a strong acid cation exchanger. Moreover, before making it contact with a hydrogen type strong acidic cation exchange resin and a hydroxyl group type strong basic anion exchange resin, you may adjust a silica concentration by adding a pure water to aqueous silica sol.
  • the silica colloidal particles of the present invention can be obtained by the method including the steps (I) and (II).
  • the organic solvent-dispersed silica sol of the present invention is produced by a method in which water contained in the aqueous silica sol in which the silica colloidal particles of the present invention obtained by the production method are dispersed is replaced with an organic solvent.
  • organic solvent substitution of the aqueous silica sol any method known in the art may be used, and examples thereof include a distillation substitution method and an ultrafiltration method.
  • the organic solvent is a hydrophobic organic solvent such as methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, ethyl acetate, or toluene
  • a method of hydrophobizing the surface of the colloidal silica particles of the aqueous silica sol and then substituting with the desired solvent can be applied.
  • a method for hydrophobizing treatment a method of esterifying silanol groups on the surface of colloidal silica particles by heating aqueous silica sol in the presence of excess alcohol (Japanese Patent Laid-Open No. 57-196717), silylating agent or silane Methods for treating the silica surface with a coupling agent (Japanese Patent Laid-Open Nos. 58-145614, 03-187913, 11-43319) are known.
  • the polymerizable compound-dispersed silica sol of the present invention is produced by substituting an organic solvent, which is a dispersion medium of the organic solvent-dispersed silica sol in which the silica colloidal particles of the present invention obtained by the above production method are dispersed, with a polymerizable compound. .
  • a polymerizable compound is added to the organic solvent-dispersed silica sol, and at least a part of the organic solvent is distilled off at room temperature or under reduced pressure or normal pressure while stirring to obtain the polymerizable compound-dispersed silica sol of the present invention.
  • the conditions for replacing the organic solvent with the polymerizable compound may be any conditions that allow the organic solvent to be distilled off without causing polymerization or decomposition of the polymerizable compound, and may be performed by appropriately adjusting the pressure and liquid temperature in the container to be replaced. Just do it.
  • the organic solvent may be distilled off or the organic solvent of the organic solvent-dispersed silica sol may be retained. While leaving, the polymerizable compound may be gradually added to the organic solvent-dispersed silica sol for substitution.
  • the polymerizable compound-dispersed silica sol of the present invention may be a silica sol in which almost all of the organic solvent of the organic solvent-dispersed silica sol of the present invention is distilled off to make only the polymerizable compound only a dispersion medium, and prevents an increase in viscosity.
  • a part of the organic solvent may be left and a sol of a mixed dispersion medium of the polymerizable compound and the organic solvent may be used.
  • the mass ratio of the polymerizable compound and the organic solvent in the mixed dispersion medium is preferably in the range of 100: 0 to 50:50.
  • the polymerizable compound-dispersed silica sol of the present invention can also be produced by directly substituting the polymerizable compound for water, which is a dispersion medium of the aqueous silica sol in which the silica colloidal particles of the present invention obtained by the production method are dispersed. be able to.
  • the dicarboxylic acid anhydride-dispersed silica sol of the present invention is an organic solvent-dispersed silica sol in which the silica colloidal particles of the present invention obtained by the above production method are dispersed. It can manufacture by substituting with an acid anhydride.
  • a dicarboxylic acid anhydride is added to the non-alcoholic organic solvent-dispersed silica sol, and at least a part of the organic solvent is distilled off at room temperature or under heating under reduced pressure or normal pressure while stirring to obtain a dicarboxylic acid anhydride-dispersed silica sol.
  • the organic solvent may be distilled off, While distilling off the organic solvent of the non-alcoholic organic solvent-dispersed silica sol, dicarboxylic acid anhydride may be gradually added to the organic solvent-dispersed silica sol for substitution.
  • dicarboxylic acid anhydride may be gradually added to the organic solvent-dispersed silica sol for substitution.
  • the dicarboxylic acid anhydride-dispersed silica sol of the present invention may be a silica sol in which almost all of the organic solvent of the non-alcoholic organic solvent-dispersed silica sol is distilled off to make only the dicarboxylic anhydride only a dispersion medium, or the viscosity increases.
  • a non-alcoholic organic solvent may be left and a mixed dispersion medium sol of a dicarboxylic anhydride and a non-alcoholic organic solvent may be used.
  • the mass ratio of the dicarboxylic acid anhydride and the non-alcoholic organic solvent in the mixed dispersion medium is preferably in the range of 100: 0 to 50:50.
  • the non-alcoholic organic solvent preferably has a low reactivity with a dicarboxylic anhydride, and examples thereof include ethers, esters, ketones and hydrocarbons.
  • ethers include diethyl ether, dipropyl ether, dibutyl ether, tetrahydrofuran and dioxane.
  • Esters include ethyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, butyl acetate, ethylene glycol monoethyl ether acetate and ethylene glycol monobutyl ether acetate.
  • ketones include acetone, methyl ethyl ketone, 2-pentanone, 3-pentanone, methyl isobutyl ketone, 2-heptanone, and cyclohexanone.
  • hydrocarbons include n-hexane, cyclohexane, benzene, toluene, xylene, solvent naphtha, dichloromethane and trichloroethylene.
  • Other organic solvents include acetonitrile, acetamide, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, N, N-dimethylacetamide and N-methylpyrrolidone.
  • the content of the polyvalent metal element in the filtrate obtained by centrifuging the silica sol adjusted to pH 1.9 with nitric acid was measured to determine the quantification of the polyvalent metal element present in the outermost layer of the silica colloid particles.
  • the acidic silica sol 1a was adjusted to pH 1.9 with nitric acid, held at 20 to 25 ° C. for 4.5 hours, and the content of polyvalent metal in the filtrate obtained by centrifugal filtration was determined to be 0.00 per 1 nm 2 by plasma emission spectroscopy. It was measured to be 020 and almost coincided with the calculated value.
  • a specific method for measuring the polyvalent metal element content in the outermost layer of the silica colloidal particles was as follows. 1.0 g of acidic silica sol was collected as SiO 2 , diluted to 50 g with pure water, adjusted to pH 1.9 with 10% by mass nitric acid (EL grade), and maintained at 23 ° C. for 4.5 hours.
  • the sol was charged into a centrifugal filter (Amicon Ultra-15, manufactured by MILLIPORE, molecular weight cut off 10,000), and centrifuged at 5000 rpm for 30 minutes.
  • the metal analysis was carried out.
  • the polyvalent metal element measured by this method is a polyvalent metal element present in the outermost layer of the silica colloidal particle, and this is divided by the surface area of the silica colloidal particle obtained by the nitrogen adsorption method.
  • the content of the polyvalent metal element M present in the outermost layer of 1 nm 2 was calculated.
  • Reference example 1 In a 100 L polycontainer, sodium silicate solution (manufactured by Fuji Chemical Co., Ltd., No. 3 sodium silicate, SiO 2 concentration 29.1% by mass, SiO 2 / Na 2 O molar ratio 3.2, Al 2 O 3 / SiO 2 mol (0.0003) 9.6 kg of pure water and 60.2 kg of pure water were charged and stirred to be uniform. 1.98 kg of sodium aluminate aqueous solution (Al 2 O 3 concentration 1.0 mass%, Na 2 O concentration 0.77 mass%) was added to the diluted sodium silicate solution while stirring with a disper, and the mixture was stirred for 30 minutes. Went.
  • sodium silicate solution manufactured by Fuji Chemical Co., Ltd., No. 3 sodium silicate, SiO 2 concentration 29.1% by mass, SiO 2 / Na 2 O molar ratio 3.2, Al 2 O 3 / SiO 2 mol (0.0003) 9.6 kg of pure water and 60.2 kg of pure water were charged and stirred to be uniform. 1.98 kg of
  • aqueous solution was passed through a column filled with 24 L of a hydrogen-type strongly acidic cation exchange resin (Amberlite (registered trademark) IR-120B, manufactured by Organo Corp.) to obtain an active silicic acid solution (SiO 2 concentration of 3. 7 mass%, pH 2.8) 70.0 kg was obtained.
  • a hydrogen-type strongly acidic cation exchange resin Amberlite (registered trademark) IR-120B, manufactured by Organo Corp.
  • the obtained alkaline silica sol 1 was packed with 1.5 L of a hydrogen type strongly acidic cation exchange resin (Amberlite (registered trademark) IR-120B, manufactured by Organo Corp.), a hydroxyl type strongly basic anion exchange resin ( Amberlite (registered trademark) IR-410, manufactured by Organo Co., Ltd.) 1.0 L packed column, hydrogen-type strongly acidic cation exchange resin (Amberlite IR-120B) 300 mL packed in order, Acidic silica sol 1a (SiO 2 concentration 25.0% by mass, average primary particle diameter 12 nm, pH 2.8, at least one selected from the group consisting of iron, aluminum, zinc, zirconium, titanium, tin and lead in silica colloidal particles) Average content of polyvalent metal element M: M / Si molar ratio 0.0028, present in the outermost layer of silica colloidal particles M0.020 one polyvalent metal element / nm 2, to obtain a zeta potential -24mV) 1
  • Example 1 Acidic silica sol 1a obtained in Reference Example 1 (average primary particle diameter 12 nm, SiO 2 25.0 mass%, pH 2.8, average content of the polyvalent metal element M: M / Si molar ratio 0.0028, particles 2000 g of polyvalent metal element M0.020 / nm 2 on the surface, zeta potential ⁇ 24 mV) was collected in a 3 L polyethylene jar, and 96.0 g of 10 mass% sulfuric acid was added while stirring at 1000 rpm using a disper. The mixture was then stirred for 10 minutes. The resulting silica sol had a pH of 1.2. The sol was allowed to stand at 23 ° C.
  • Example 2 Acidic silica sol 2a obtained in Reference Example 2 (SiO 2 concentration 25.0 mass%, average primary particle size 22 nm, pH 2.5, average content of the polyvalent metal element M: M / Si molar ratio 0.0027, 2000 g of polyvalent metal element M0.038 particles / nm 2 on the particle surface, zeta potential ⁇ 28 mV) was collected in a 3 L polyethylene wide-mouthed bottle, and 96.0 g of 10 mass% sulfuric acid was added while stirring at 1000 rpm using a disper. Thereafter, the mixture was stirred for 10 minutes. The resulting silica sol had a pH of 1.2. The sol was allowed to stand at 23 ° C.
  • a column packed with 250 mL and a column packed with 50 mL of hydrogen-type strongly acidic cation exchange resin (Amberlite IR-120B) were passed in the order of 2 hours to pass acidic silica sol 2A (SiO 2 concentration 23.0% by mass, Average primary particle size 22 nm, pH 2.6, average content of polyvalent metal element M: M / Si molar ratio 0.0019, polyvalent metal element M0.001 present in the outermost layer of silica colloidal particles / nm 2 Less, zeta potential -28 mV) was obtained.
  • Comparative Example 1 Except that sulfuric acid was not added, the same procedure as in Example 1 was performed, and acidic silica sol 1C (average primary particle size 12 nm, SiO 2 23.4% by mass, pH 2.7, average content of polyvalent metal element M: M / Si molar ratio 0.0020, polyvalent metal element M0.018 / nm 2 present in the outermost layer of the silica colloidal particles, zeta potential ⁇ 23 mV).
  • acidic silica sol 1C average primary particle size 12 nm, SiO 2 23.4% by mass, pH 2.7, average content of polyvalent metal element M: M / Si molar ratio 0.0020, polyvalent metal element M0.018 / nm 2 present in the outermost layer of the silica colloidal particles, zeta potential ⁇ 23 mV.
  • Example 3 Charge 2000 g of acidic silica sol 1A into a 3 L glass reactor equipped with a stirrer, condenser, thermometer and two inlets, and in a separate boiler with the sol in the reactor boiled. The generated methanol vapor was continuously blown into the silica sol in the reactor, and the water was replaced with methanol while keeping the liquid level almost constant. The substitution was terminated when the volume of the distillate reached 20 L, and 1840 g of methanol-dispersed silica sol 1A was obtained.
  • the obtained methanol-dispersed silica sol has a SiO 2 concentration of 25.0% by mass, methanol 74.4% by mass, water 0.6% by mass, viscosity 2 mPa ⁇ s, pH 3.0 when the sol is diluted with an equal mass of water. there were.
  • Example 4 Except having used 2000 g of acidic silica sol 2A, it carried out similarly to Example 3 and obtained 1840g of methanol dispersion
  • the obtained methanol-dispersed silica sol has an SiO 2 concentration of 25.0% by mass, methanol 74.4% by mass, water 0.6% by mass, viscosity 2 mPa ⁇ s, and pH 3.2 when the sol is diluted with an equal mass of water. there were.
  • Comparative Example 2 Except having used 2000 g of acidic silica sol 1a, it carried out like Example 3 and obtained 1840g of methanol dispersion
  • the obtained methanol-dispersed silica sol has a SiO 2 concentration of 25.0% by mass, methanol 74.4% by mass, water 0.6% by mass, viscosity 2 mPa ⁇ s, pH 3.0 when the sol is diluted with an equal mass of water. there were.
  • Comparative Example 3 Except having used 2000 g of acidic silica sol 2a, it carried out like Example 4 and obtained 1840g of methanol dispersion
  • the obtained methanol-dispersed silica sol has an SiO 2 concentration of 25.0% by mass, methanol 74.4% by mass, water 0.6% by mass, viscosity 2 mPa ⁇ s, and pH 3.2 when the sol is diluted with an equal mass of water. there were.
  • Comparative Example 4 Except having used 2000 g of acidic silica sol 1C, it carried out similarly to Example 4 and obtained 1840g of methanol dispersion
  • the obtained methanol-dispersed silica sol has a SiO 2 concentration of 25.0% by mass, methanol 74.4% by mass, water 0.6% by mass, viscosity 2 mPa ⁇ s, pH 3.0 when the sol is diluted with an equal mass of water. there were.
  • Example 5 280 g of methanol-dispersed silica sol 1A was collected in a 500 mL eggplant-shaped flask, 7.6 g of phenyltrimethoxysilane was added while stirring with a magnetic stirrer, and the liquid temperature was maintained at 55 ° C. for 2 hours. Thereafter, under the conditions of 500 to 400 Torr and a bath temperature of 70 ° C.
  • methyl ethyl ketone is added to the sol while gradually lowering the liquid level, and the dispersion medium is replaced with methyl ethyl ketone, whereby transparent methyl ethyl ketone dispersed silica sol 1A (SiO 2 2 40.0% by mass, methyl ethyl ketone 59.7% by mass, methanol 0.2% by mass, moisture 0.1% by mass, viscosity 2 mPa ⁇ s).
  • transparent methyl ethyl ketone dispersed silica sol 1A SiO 2 2 40.0% by mass, methyl ethyl ketone 59.7% by mass, methanol 0.2% by mass, moisture 0.1% by mass, viscosity 2 mPa ⁇ s.
  • Comparative Example 5 A transparent methyl ethyl ketone dispersed silica sol 1a (SiO 2 40.0% by mass, methyl ethyl ketone 59.7% by mass, methanol 0.5% by mass) was carried out in the same manner as in Example 5 except that the methanol dispersed silica sol 1a was used instead of the methanol dispersed silica sol 1A. 2 mass%, water content 0.1 mass%, viscosity 2 mPa ⁇ s). When this sol was sealed in a 100 mL narrow glass bottle and kept at 50 ° C. for 1 month, the viscosity did not change, but the appearance turned yellow.
  • Example 6 200 g of methanol-dispersed silica sol 1A was collected in a 500 mL eggplant-shaped flask, 7.2 g of methacryloxypropyltrimethoxysilane was added while stirring with a magnetic stirrer, and the liquid temperature was maintained at 55 ° C. for 2 hours. Thereafter, 113 g of tetrahydrofurfuryl acrylate was added, and methanol and water were removed by a rotary evaporator under conditions of 200 to 40 Torr and a bath temperature of 50 ° C., whereby colorless and transparent tetrahydrofurfuryl acrylate-dispersed silica sol 1A (SiO 2 30.
  • Comparative Example 6 Although it carried out similarly to Example 6 except having used methanol dispersion
  • Comparative Example 7 The same procedure as in Example 6 was performed except that methanol-dispersed silica sol 1C was used instead of methanol-dispersed silica sol 1A. However, when about 60 g of methanol was distilled off, tetrahydrofurfuryl acrylate was polymerized to form a jelly. No tetrahydrofurfuryl acrylate-dispersed silica sol could be obtained.
  • the reaction solution was concentrated to confirm that the epoxy value was 5.65 eq / kg or less (theoretical value was 5.48 eq / kg), and then toluene was distilled off to obtain 1208 g of a liquid ester-modified epoxy resin. .
  • the composition of the obtained liquid ester-modified epoxy resin (2) was as follows.
  • Tris- (2,3-epoxypropyl) -isocyanurate obtained by adding one propionic anhydride to one epoxy group of compound (ii), tris- (2,3-epoxypropyl) -isocyanurate ( Compound (i-1), tris- (2,3-epoxypropyl) -isocyanurate having two epoxy groups added with two propionic anhydrides (two-adduct)
  • Compound (i-3) is a compound (i-3) obtained by adding three propionic anhydrides to three epoxy groups of i-2) and tris- (2,3-epoxypropyl) -isocyanurate.
  • the molar ratio of (ii) :( i-1) :( i-2) :( i-3) in the epoxy resin (2) was 35%: 45%: 17%: 3%.
  • the viscosity of the ester-modified epoxy resin (2) was 1300 mPa ⁇ s at 60 ° C.
  • Example 7 1000 g of methanol-dispersed silica sol 2A was charged into an eggplant-shaped flask having an internal volume of 2 L, and the solvent was distilled off while adding acetonitrile at 500 Torr and a bath temperature of 70 ° C. using a rotary evaporator. Evaporation and distillation was performed until the sol liquid level was substantially constant and the supply amount of acetonitrile was 750 g, and acetonitrile / methanol mixed solvent sol (SiO 2 26 mass%, acetonitrile 49 mass%, methanol 24 mass%, moisture 0.3 Mass%).
  • the solvent was evaporated and distilled while supplying 1500 g of acetonitrile, and acetonitrile-dispersed silica sol 2A (SiO 2 28 mass%, acetonitrile 72 mass%, methanol less than 0.1 mass%, 900 g of water (0.03% by mass) was obtained.
  • 80 g of the ester-modified epoxy resin (2) prepared in Reference Example 3 was charged into a separable flask having an internal volume of 500 mL, and 286 g of acetonitrile-dispersed silica sol 2A was added and stirred to make a uniform solution.
  • Comparative Example 8 The same procedure as in Example 7 was carried out except that methanol-dispersed silica sol 2a was used instead of methanol-dispersed silica sol 2A, and colorless and transparent ester-modified epoxy resin-dispersed silica sol 2a (SiO 2 46 mass%, ester-modified epoxy resin 46 mass%, acetonitrile 8% by mass and a B-type viscosity at 40 ° C. of 1150 mPa ⁇ s) was obtained.
  • methanol-dispersed silica sol 2a was used instead of methanol-dispersed silica sol 2A, and colorless and transparent ester-modified epoxy resin-dispersed silica sol 2a (SiO 2 46 mass%, ester-modified epoxy resin 46 mass%, acetonitrile 8% by mass and a B-type viscosity at 40 ° C. of 1150 mPa ⁇ s) was obtained.
  • Example 8 1000 g of methanol-dispersed silica sol 2A was charged into an eggplant-shaped flask having an internal volume of 2 L, and the solvent was distilled off while adding acetonitrile at 500 Torr and a bath temperature of 70 ° C. using a rotary evaporator. Evaporation and distillation were performed until the sol liquid level was substantially constant and the supply amount of acetonitrile was 750 g, and acetonitrile / methanol mixed solvent sol (SiO 2 26 mass%, acetonitrile 49 mass%, methanol mass 24%, moisture 0.3 Mass%).
  • the solvent was evaporated and distilled while supplying 1500 g of acetonitrile, and acetonitrile-dispersed silica sol 2A (SiO 2 28 mass%, acetonitrile 72 mass%, methanol less than 0.1 mass%, 900 g of water (0.03% by mass) was obtained.
  • 100 g of methylhexahydrophthalic anhydride (reagent manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) was charged into a separable flask having an internal volume of 500 mL, and 153 g of acetonitrile-dispersed silica sol 2A was added and stirred to make a uniform solution.
  • Comparative Example 9 A colorless and transparent methylhexahydrophthalic anhydride was obtained in the same manner as in Example 8 except that the methanol-dispersed silica sol 2a was used instead of the methanol-dispersed silica sol 2A and that the hexahydrophthalic anhydride was changed from 100 g to 117 g. Dispersed silica sol 2a (SiO 2 29 mass%, methyl hexahydrophthalic anhydride 67 mass%, acetonitrile 4 mass%, B-type viscosity at 30 ° C. of 310 mPa ⁇ s) was obtained.
  • Example 9 40.5 g of the ester-modified epoxy resin-dispersed silica sol 2A obtained in Example 7 and 15.03 g of methylhexahydrophthalic anhydride were placed in a 300 mL four-necked flask and mixed and stirred at 80 ° C. for 40 minutes. . Next, 209 mg of tetrabutylphosphonium O, O′-diethyldithiophosphate (manufactured by Nippon Chemical Industry Co., Ltd., product name: Hishicolin PX-4ET) as a curing accelerator is dissolved in 2.0 g of methylhexahydrophthalic anhydride.
  • tetrabutylphosphonium O, O′-diethyldithiophosphate manufactured by Nippon Chemical Industry Co., Ltd., product name: Hishicolin PX-4ET
  • the resulting epoxy resin curing composition was poured into a casting plate (3 mm thick glass plate treated with a release agent SR-2410 (manufactured by Toray / Daushi Recorning)), and the mixture was heated at 100 ° C. for 2 hours, 150 Heat treatment was performed at 5 ° C. for 5 hours to obtain a cured epoxy resin.
  • the physical properties of the obtained cured epoxy resin are shown in Tables 5 and 6.
  • MeHHPA is methylhexahydrophthalic anhydride
  • PX is tetrabutylphosphonium O, O'-diethyldithiophosphate
  • PX / MeHHPA is methylhexahydrophthalate containing tetrabutylphosphonium O, O'-diethyldithiophosphate.
  • the phthalic anhydride was shown and indicated by mass.
  • Example 10 and Comparative Examples 10 to 12 The same operation as in Example 9 was performed to obtain an epoxy resin composition.
  • Table 5 shows the blending ratio of the epoxy resin and the epoxy curing agent or the epoxy curing agent-dispersed silica sol and the curing accelerator.
  • the resulting epoxy resin curing composition was poured into a casting plate (3 mm thick glass plate treated with a release agent SR-2410 (manufactured by Toray / Daushi Recorning)), and the mixture was heated at 100 ° C. for 2 hours, 150 Heat treatment was performed at 5 ° C. for 5 hours to obtain a cured epoxy resin.
  • SR-2410 manufactured by Toray / Daushi Recorning
  • MeHHPA is methylhexahydrophthalic anhydride
  • PX is tetrabutylphosphonium O, O'-diethyldithiophosphate
  • PX / MeHHPA is methylhexahydrophthalate containing tetrabutylphosphonium O, O'-diethyldithiophosphate.
  • the phthalic anhydride was shown and indicated by mass.
  • the thickness of the test piece was measured accurately and measured with TMA (Thermal Mechanical Analysis) at a load of 0.05 N and a heating rate of 1 ° C./min.
  • the epoxy resin-dispersed silica sol and the dicarboxylic acid anhydride-dispersed silica sol in which the silica colloidal particles of the present invention are dispersed are less likely to cause discoloration during curing of the epoxy resin and hardly cause light scattering of the silica. There is almost no reduction in the colorless transparency of the film. Moreover, the thermal characteristics and physical characteristics of the cured resin body are improved by filling the silica particles in the resin.
  • the epoxy resin-dispersed silica sol and dicarboxylic anhydride-dispersed silica sol in which the silica colloidal particles of the present invention are dispersed are used for sealing materials such as LEDs (light emitting devices) that require high colorless transparency and heat resistance.
  • sealing materials such as LEDs (light emitting devices) that require high colorless transparency and heat resistance.
  • peeling and cracking due to a difference in coefficient of thermal expansion between the element and the resin can be prevented, which is very effective.
  • the silica colloidal particles of the present invention or the organic solvent-dispersed silica sol thereof, the polymerizable compound component silica sol, and the dicarboxylic acid-dispersed silica sol are used as a modifier such as a resin, the resin is not decomposed, colored, etc. Resin modification such as imparting heat resistance is possible. Added to the transparent resin hard coat film to impart hardness to the hard coat film, and internally added to the transparent resin to improve the bending strength, scratch resistance, heat resistance, etc. Useful for.

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Abstract

本発明は、鉄、アルミニウム、亜鉛、ジルコニウム、チタン、スズ及び鉛からなる群から選ばれる少なくとも1種である多価金属元素Mの平均含有率が、M/Siモル比として0.001ないし0.02である、5ないし40nmの平均一次粒子径を有するシリカコロイド粒子であって、前記コロイド粒子の最表層に存在する多価金属元素Mの含有量が、前記コロイド粒子の表面積1nm2 当たり0ないし0.003個であるシリカコロイド粒子、並びにその有機溶媒分散シリカゾル、重合性化合物分散シリカゾル及びジカルボン酸無水物分散シリカゾルに係る。 本発明のシリカコロイド粒子によれば、有機化合物に分散した際に、その表面の固体酸の作用により有機化合物の分解、着色等が引き起こされることがない。また、本発明のシリカゾルによれば、樹脂に配合しても樹脂の分解、着色等を引き起こさず、かつ分散媒への分散安定性が良好である。

Description

シリカコロイド粒子及びその製造方法、並びにその有機溶媒分散シリカゾル、重合性化合物分散シリカゾル及びジカルボン酸無水物分散シリカゾル
 本発明は、シリカコロイド粒子及びその製造方法、並びにその有機溶媒分散シリカゾル、重合性化合物分散シリカゾル及びジカルボン酸無水物分散シリカゾルに関する。
 数ないし100nm程度のシリカコロイド粒子が液体に分散したシリカゾルは透明性が高い。またシリカコロイド粒子は高い硬度を持つことから樹脂等に混合されて、樹脂の硬さや耐熱性の付与等を目的とした改質剤として使用される。シリカコロイド粒子を樹脂等と混合する際は、水性シリカゾルが用いられる場合があるが、樹脂等との相溶性や反応性を考慮して、有機溶媒分散シリカゾルや樹脂原料となり得る重合性化合物に分散したシリカゾル等、有機化合物にシリカコロイド粒子を分散させたゾルを用いる場合が多い。
 有機溶媒分散シリカゾルとしては、例えば特許文献1に水性シリカゾルと有機溶媒とを混合した後、限外濾過膜で脱水する有機溶媒分散シリカゾルの製造方法が記載されている。また、特許文献2には、水性シリカゾルに含まれている金属イオンをイオン交換によって除去し、ついで有機塩基を添加し、つづいてメタノールを混合した後、限外濾過法により濃縮脱水するメタノールシリカゾルの製造方法が記載されている。特許文献3には、シリカコロイド粒子の表面にアルカリ土類金属イオンを結合させた有機溶媒分散シリカゾルについて記載されている。また、重合性化合物分散シリカゾルとしては、特許文献4に分散媒の80モル%以上が分子中に重合性不飽和結合を有する反応性モノマーである酸化物ゾルについて記載されている。
 有機溶媒分散シリカゾルを、水性シリカゾルを原料として調製する場合、予め水性シリカゾルに含まれるNaイオン等のアルカリ金属イオンを陽イオン交換によって除去して、酸性水性シリカゾルとすることが行われる。アルカリ金属イオンが含まれているアルカリ性水性シリカゾルは、アルコール、エーテル等の多くの有機溶媒との相溶性が悪く、これらの有機溶媒を混合するとシリカコロイド粒子が凝集又はゲル化を起こすのである。
 上記の方法によって得られる酸性水性シリカゾルは、シリカコロイド粒子内に存在するアルカリ金属イオンが経時的に溶出することによってpHが上昇し、シリカゾルの粘度上昇や終局的にはゲル化を起こす性質があることが知られている。このため、アルカリ性水性シリカゾルを陽イオン交換した後、得られたゾルをそのまま又は少量の酸の共存下に熟成して、シリカコロイド粒子内のアルカリ金属イオンをコロイド分散媒中に拡散させ、その後更に陽イオン交換でアルカリ金属イオンを除去する酸性水性シリカゾルの安定化方法が開示されている(特許文献5)。また、シリカコロイド粒子の粒子成長工程にアルミニウム化合物を共存させることによりシリカコロイド粒子内にアルミニウム化合物を含有させて、シリカコロイド粒子内に存在するアルカリ金属イオンをこのアルミニウム化合物によって捕捉できるようにする安定な酸性水性シリカゾルの製造方法が開示されている(特許文献6)。
特開昭59-8614号公報 特開平2-167813号公報 特開2007-63117号公報 特開昭62-95130号公報 米国特許第3,342,747号明細書 特開昭63-123807号公報
 有機溶媒分散シリカゾルを溶媒置換法で得る場合、有機溶媒の置換効率を上げるために原料となる酸性水性シリカゾルのシリカ濃度はできるだけ高くすることが望ましい。酸性水性シリカゾルは、その安定性がアルカリ性シリカゾルに比較して充分ではなく、特許文献5に開示された方法で製造された平均一次粒子径5ないし40nm程度の酸性水性シリカゾルは、シリカコロイド粒子同士の静電反発が弱いためにシリカ濃度を高くすると粘度上昇やゲル化が起こることがあり、効率的ではない。
 また、特許文献6に開示された方法で製造された酸性水性シリカゾルは、シリカコロイド粒子に含有されたアルミニウム化合物の存在によりシリカコロイド粒子同士の静電反発が強まり、シリカ濃度を高くすることが容易になるが、通常のシリカコロイド粒子に比べて、その表面に固体酸点が多く存在することになる。この固体酸点の存在のために固体酸による触媒作用が高くなり、有機溶媒分散シリカゾルとした場合にケトンやエステル、アミド等の有機溶媒が分解又は変色を起こす場合がある。また、この有機溶媒分散シリカゾルを原料として重合性化合物分散シリカゾルを製造した場合、重合性化合物の分解が起こりやすく、更にこの重合性化合物分散シリカゾルを重合して得た樹脂組成物は、樹脂の分解や変色、クラックの発生等の不具合を生じやすいといった欠点を有するのである。
 本発明は上記のようなシリカコロイド粒子を有機化合物に分散した際に起こる、有機化合物の分解、着色等を引き起こさず、また、樹脂に配合しても樹脂の分解、着色等を引き起こさず、且つ分散媒への分散安定性が良好であるシリカコロイド粒子とその製造方法、並びにその有機溶媒分散シリカゾル、重合性化合物分散シリカゾル及びジカルボン酸無水物分散シリカゾルを提供するものである。
 本発明は第1観点として、鉄、アルミニウム、亜鉛、ジルコニウム、チタン、スズ及び鉛からなる群から選ばれる少なくとも1種である多価金属元素Mの平均含有率がM/Siモル比として0.001ないし0.02である5ないし40nmの平均一次粒子径を有するシリカコロイド粒子であって、前記コロイド粒子の最表層に存在する多価金属元素Mの含有量が前記コロイド粒子の表面積1nm2当たり0ないし0.003個であるシリカコロイド粒子、
 第2観点として、第1観点に記載のシリカコロイド粒子が有機溶媒に分散された有機溶媒分散シリカゾル、
 第3観点として、前記有機溶媒が、アルコール類、エーテル類、ケトン類、エステル類、アミド類、炭化水素類及びニトリル類からなる群から選ばれる少なくとも1種である第3観点に記載の有機溶媒分散シリカゾル、
 第4観点として、第1観点に記載のシリカコロイド粒子が、エチレン性不飽和結合を有する重合性化合物、エポキシ環を有する重合性化合物、オキセタン環を有する重合性化合物及びビニルエーテル構造を有する重合性化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物に分散された重合性化合物分散シリカゾル、
 第5観点として、前記エポキシ環を有する重合性化合物が、式(1):
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
(式中、
1及びR2は、それぞれ独立して、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、アラルキル基、複素環基、又はそれらのハロゲン化、アミノ化、若しくはニトロ化誘導体を表す。)で示される官能基を分子内に有する化合物(i)及び分子内にグリシジル基を有する化合物(ii)とを含むエステル変性エポキシ化合物である第4観点に記載の重合性化合物分散シリカゾル、
 第6観点として、前記化合物(i)が、分子内のn個(但し、nは2ないし16の整数である。)のグリシジル基の1個以上n個以下を、式(1)で示される官能基で置き換えた化合物である第5観点に記載の重合性化合物分散シリカゾル、
 第7観点として、前記化合物(ii)が、分子内のn個(但し、nは2ないし16の整数である。)のグリシジル基を有する化合物である第5観点に記載の重合性化合物分散シリカゾル、
 第8観点として、化合物(i):化合物(ii)のモル比が、1:0.3ないし1.5である第5観点に記載の重合性化合物分散シリカゾル、
 第9観点として、前記化合物(i)が、トリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアネートのグリシジル基を式(1)で示される官能基で置き換えたものである第5観点、第6観点及び第8観点のいずれか1つに記載の重合性化合物分散シリカゾル、
 第10観点として、前記化合物(ii)が、トリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアネートである第5観点、第7観点及び第8観点のいずれか1つに記載の重合性化合物分散シリカゾル、
 第11観点として、第1観点に記載のシリカコロイド粒子が、30℃で液状のジカルボン酸無水物に分散されたジカルボン酸無水物分散シリカゾル、
 第12観点として、前記ジカルボン酸無水物がメチルヘキサヒドロフタル酸無水物、水素化メチルナジック酸無水物及び水素化トリメリット酸無水物からなる群から選ばれる少なくとも1種を含む第11観点に記載のジカルボン酸無水物分散シリカゾル、
 第13観点として、下記工程(I)及び(II)を含む第1観点に記載のシリカコロイド粒子の製造方法:
(I):鉄、アルミニウム、亜鉛、ジルコニウム、チタン、スズ及び鉛からなる群から選ばれる少なくとも1種である多価金属元素Mの平均含有率がM/Siモル比として0.001ないし0.02である5ないし40nmの平均一次粒子径を有するシリカコロイド粒子を含むシリカゾルに、酸を加えてpH0ないし2.0とし、0ないし40℃で0.5ないし100時間熟成する工程、
(II):(I)で得られた酸性シリカゾルをpH0ないし2.0において水素型強酸性陽イオン交換樹脂と接触させ、更に水酸基型強塩基性陰イオン交換樹脂に接触させる工程。
 本発明のシリカコロイド粒子は、鉄、アルミニウム、亜鉛、ジルコニウム、チタン、スズ及び鉛からなる群から選ばれる少なくとも1種である多価金属元素Mの平均含有率がM/Siモル比として0.001ないし0.02である5ないし40nmの平均一次粒子径を有するシリカコロイド粒子であって、前記コロイド粒子の最表層に存在する多価金属元素Mの含有量が前記コロイド粒子の表面積1nm2当たり0ないし0.003個であるシリカコロイド粒子である。このため、本発明のシリカコロイド粒子は、シリカコロイド粒子表面の固体酸の作用が小さく、且つ静電反発の大きいシリカコロイド粒子であり、各種の有機溶媒、重合性化合物、ジカルボン酸無水物等の有機化合物に安定に分散したシリカゾルが得られ、また、これらの有機化合物と接触しても、有機化合物の分解、変質、変色等が起こりにくいのである。
 本発明の有機溶媒分散シリカゾルは、アルコール類、エーテル類、ケトン類、エステル類、アミド類、炭化水素類、ニトリル類等の有機溶媒に本発明のシリカコロイド粒子が分散されており、有機溶媒の分解、変質、変色等が起こりにくく、安定なシリカゾルである。
 本発明の重合性化合物分散シリカゾルは、エチレン性不飽和結合を有する重合性化合物、エポキシ環を有する重合性化合物、オキセタン環を有する重合性化合物、ビニルエーテル構造を有する重合性化合物等の重合性化合物に本発明のシリカコロイド粒子が分散されており、重合性化合物の分解、変質、変色、重合等が起こりにくく、安定なシリカゾルである。
 本発明のジカルボン酸無水物分散シリカゾルは、メチルヘキサヒドロフタル酸無水物、水素化メチルナジック酸無水物、水素化トリメリット酸無水物等のジカルボン酸無水物に本発明のシリカコロイド粒子が分散されており、ジカルボン酸無水物の分解、変質、変色等が起こりにくく、安定なシリカゾルである。
 本発明のシリカコロイド粒子又はその有機溶媒分散シリカゾル、重合性化合物分散シリカゾル、ジカルボン酸分散シリカゾルを樹脂等の改質剤に用いると、樹脂の分解、着色等を起こさずに、硬さの付与、耐熱性の付与等樹脂の改質に有用である。
 特に、本発明のシリカコロイド粒子を用いるとエポキシ環を有する重合性化合物分散シリカゾルやジカルボン酸無水物分散シリカゾルを高いシリカ濃度で得ることができる。そして、これらを用いてエポキシ硬化組成物を調製して硬化体にした場合、該硬化体中に高濃度でシリカを導入することができるためにエポキシ硬化体の耐熱性や強度を大幅に向上させることが可能であり、且つ本発明のシリカコロイド粒子の固体酸の作用が極めて低いために、硬化体の着色をほとんど起こさないのである。
 本発明のシリカコロイド粒子は、鉄、アルミニウム、亜鉛、ジルコニウム、チタン、スズ及び鉛からなる群から選ばれる少なくとも1種である多価金属元素Mの平均含有率がM/Siモル比として0.001ないし0.02である5ないし40nmの平均一次粒子径を有するシリカコロイド粒子であって、前記コロイド粒子の最表層に存在する多価金属元素Mの含有量が前記コロイド粒子の表面積1nm2当たり0ないし0.003個であるシリカコロイド粒子である。そして本発明のシリカコロイド粒子は、各種の有機溶媒、重合性化合物、ジカルボン酸無水物等に良好に分散する。本発明のシリカコロイド粒子は緻密なコロイド粒子であり、実質的に細孔を有さない。
 本発明のシリカコロイド粒子の平均一次粒子径は、該粒子径をD(nm)とした場合、窒素吸着法により測定される比表面積S(m2/g)から、D=2720/Sの式により計算される。本発明のシリカコロイド粒子の平均一次粒子径は、5ないし40nmである。平均一次粒子径が5nm未満では、該シリカコロイド粒子が分散されたシリカゾルの安定性が十分でない場合があり、40nmを超えると該シリカコロイド粒子を用いた樹脂被膜や硬化体の透明性が十分高くならない場合がある。
 本発明のシリカコロイド粒子は、鉄、アルミニウム、亜鉛、ジルコニウム、チタン、スズ及び鉛からなる群から選ばれる少なくとも1種である多価金属元素Mの平均含有率が、M/Siモル比として0.001ないし0.02であり、前記多価金属元素MがM/Siモル比として0.001未満のシリカコロイド粒子に比べて大きい負電荷を帯びている。多価金属元素Mには、鉄、アルミニウム、亜鉛、ジルコニウム、チタン、スズ及び鉛が挙げられる。シリカコロイド粒子の電荷を測定する方法としては、例えばゼータ電位測定が挙げられる。本発明のシリカコロイド粒子は、例えばpH3.5で測定したゼータ電位として-15mV以下という大きな負電荷をもつために、ゾル中での分散性が良好である。このために例えばシリカ濃度30質量%以上の高いシリカ濃度においても安定な有機溶媒分散シリカゾルや重合性化合物分散シリカゾルを得ることができる。M/Siモル比として0.001未満のシリカコロイド粒子のpH3.5におけるゼータ電位は、-5ないし0mV程度である。
 また本発明のシリカコロイド粒子は、粒子の最表層に存在する前記多価金属元素Mの含有量が、シリカコロイド粒子の表面積1nm2当たり0ないし0.003個であるために、表面の固体酸性が低く、固体酸としての性質が非常に小さい。そのために、本発明のシリカコロイド粒子が各種の有機溶媒、重合性化合物、ジカルボン酸無水物等の有機化合物に分散された場合、有機化合物の分解、変質、変色、重合等が起こらないのである。また、特に本発明のシリカコロイド粒子がエポキシ樹脂硬化体に導入された場合、硬化体の着色をほとんど起こさずに硬化体の耐熱性や強度を向上させることができる。
 上記シリカコロイド粒子の前記多価金属元素Mの平均含有率がM/Siモル比として0.001未満の場合は、シリカコロイド粒子の電荷が小さくなり、シリカ粒子同士の静電反発力が低下するため、高いシリカ濃度の有機溶媒分散シリカゾルや重合性化合物分散シリカゾルを得ることができない場合がある。また、上記シリカコロイド粒子の前記多価金属元素Mの平均含有率がM/Siモル比として0.02より大きい場合は、粒子の最表層に存在する多価金属元素Mの含有量がシリカコロイド粒子の表面積1nm2当たり0ないし0.003個である場合でもシリカコロイド粒子の電荷が強くなりすぎて、有機溶媒や重合性化合物の変色や重合を引き起こし、また、エポキシ樹脂のような樹脂硬化体中にて着色を引き起こす場合がある。
 本発明におけるシリカコロイド粒子の前記多価金属元素Mの平均含有率は、全シリカコロイド粒子、即ちシリカコロイド粒子の中心から最表層までに含まれる前記多価金属元素Mのモル数と該全シリカコロイド粒子のSi原子のモル数からM/Siモル比として算出される。
 本発明のシリカコロイド粒子の最表層に存在する多価金属元素Mとは、該コロイド粒子の最表面に存在する-O-Si-O-Si-O-層のSiの一部が多価金属元素Mに置換した-O-Si-O-M-O-からなる層に存在する多価金属元素M及び粒子最表面に吸着している多価金属元素Mの陽イオンを指す。
 本発明のシリカコロイド粒子の最表層の多価金属元素Mの含有量は、次の酸による金属イオン抽出方法により分析することができる。シリカコロイド粒子の比重2.2、シリカの分子量60から、シリカコロイド粒子の最表層に存在するSi原子数はシリカコロイド粒子の表面積1nm2当たり7.9個であると計算される(THE COLLOID CHEMISTRY OF SILICA AND SILICATES,Chapter 6 Surface Chemistry p242ないしp247,著者:RALPH K.ILERを参照)。
 シリカコロイド粒子中の多価金属元素Mの平均含有率がモル比M/Siであって、該シリカコロイド粒子の中心から最表層まで多価金属元素Mが存在する場合、該シリカコロイド粒子の最表層に存在する多価金属元素Mは1nm2当たり7.9×M/Si個と計算される。発明者は、シリカコロイド粒子を含む水性ゾルを硝酸でpH1.9に調整し、20ないし25℃で4.5時間保持することでシリカコロイド粒子の最表層の多価金属元素Mのみが陽イオン化されることを解明し、この方法を利用してシリカコロイド粒子の最表層に存在する多価金属元素Mの定量を行った。即ち、硝酸でpH1.9に調整されたシリカゾルを20ないし25℃で4.5時間の条件で保持した後、遠心濾過した濾液中の多価金属元素含有量を測定し、該シリカコロイド粒子の表面積で除することにより、シリカコロイド粒子の表面積1nm2の最表層に存在する多価金属元素Mを決定することができる。pH1.9に調整された水性シリカゾルのシリカ濃度は0.1ないし5質量%が好ましい。遠心濾過は、濾液が十分採取できる条件であれば特に制限されないが、分画分子量5000ないし50000の限外濾過膜を用いて、1000ないし10000rpm程度で行うことができる。濾液中の多価金属イオンは、一般的な微量金属分析方法(例えば誘導結合プラズマ発光分光分析法)で測定される。この測定値を窒素吸着法により得られるシリカコロイド粒子の表面積で除することにより、シリカコロイド粒子の表面積1nm2の最表層に存在する多価金属元素Mの含有量が算出される。
 本発明のシリカコロイド粒子の形状は、球状、略球状、その他本発明の目的を達成する限り、いかなる形状でもよい。
 本発明の有機溶媒分散シリカゾルは、アルコール類、エーテル類、ケトン類、エステル類、アミド類、炭化水素類、ニトリル類等の有機溶媒に本発明のシリカコロイド粒子が分散されたものである。本発明の有機溶媒分散シリカゾルに用いられる有機溶媒の具体例を以下に示す。
 アルコール類としては、メタノール、エタノール、1-プロパノール、2-プロパノール、1-ブタノール、イソブチルアルコール、2-ブタノール、エチレングリコール、グリセリン、プリピレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、ベンジルアルコール、1,5-ペンタンジオール、ジアセトンアルコール等が挙げられる。
 エーテル類としては、ジエチルエーテル、ジブチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジオキサン、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノプロピルエーテル、プロピ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エチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル等が挙げられる。
 ケトン類としては、アセトン、メチルエチルケトン、2-ペンタノン、3-ペンタノン、メチルイソブチルケトン、2-ヘプタノン、シクロヘキサノン等が挙げられる。
 エステル類としては、ギ酸エチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、エチレングリコールモノエチルエーテルアセタート、エチレングリコールモノブチルエーテルアセタート、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセタート等が挙げられる。
 アミド類としては、アセトアミド、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N-メチルピロリドン等が挙げられる。
 炭化水素類としては、n-ヘキサン、シクロヘキサン、ベンゼン、トルエン、キシレン、ソルベントナフサ、スチレン等があげられ、更にハロゲン化炭化水素類としてはジクロロメタン、トリクロロエチレン等が挙げられる。
 ニトリル類としては、アセトニトリル、グルタロニトリル、メトキシアセトニトリル、プロピオニトリル、ベンゾニトリル等が挙げられる。
 その他の有機溶媒としては、ジメチルスルホキシドが挙げられる。
 本発明の有機溶媒分散シリカゾルは、シリカ濃度が5ないし70質量%であり、好ましくは15ないし60質量%である。
 本発明の有機溶媒分散シリカゾルは、分散されているシリカコロイド粒子の表面が疎水化処理されていても良い。疎水化処理剤としては、シラザン、シロキサン又はアルコキシシラン及びその部分加水分解物若しくはその重合した2量体ないし5量体のオリゴマーが挙げられる。
 シラザンとしては、例えばヘキサメチルジシラザン及びヘキサエチルジシラザンが挙げられる。
 シロキサンとしては、例えばヘキサメチルジシロキサン、1,3-ジブチルテトラメチルジシロキサン、1,3-ジフェニルテトラメチルジシロキサン、1,3-ジビニルテトラメチルジシロキサン、ヘキサエチルジシロキサン及び3-グリシドキシプロピルペンタメチルジシロキサンが挙げられる。
 アルコキシシランとしては、例えばトリメチルメトキシシラン、トリメチルエトキシシラン、トリメチルプロポキシシラン、フェニルジメチルメトキシシラン、クロロプロピルジメチルメトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン、テトラブトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、プロピルトリエトキシシラン、n-ブチルトリメトキシシラン、n-ヘキシルトリメトキシシラン、n-オクチルトリエトキシシラン、n-オクチルメチルジエトキシシラン、n-オクタデシルトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルメチルジメトキシシラン、フェネチルトリメトキシシラン、ドデシルトリメトキシシラン、n-オクタデシルトリエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、ジフェニルジメトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリス(βメトキシエトキシ)シラン、γ-メタアクリルオキシプロピルトリメトキシシラン、γ-アクリルオキシプロピルトリメトキシシラン、γ-(メタアクリルオキシプロピル)メチルジメトキシシラン、γ-メタアクリルオキシプロピルメチルジエトキシシラン、γ-メタアクリルオキシプロピルトリエトキシシラン、β-(3,4-エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、γ-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ-グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、γ-グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、N-β(アミノエチル)γ-(アミノプロピル)メチルジメトキシシラン、N-β(アミノエチル)γ-(アミノプロピル)トリメトキシシラン、N-β(アミノエチル)γ-(アミノプロピル)トリエトキシシラン、γ-アミノプロピルトリメトキシシラン、γ-アミノプロピルトリエトキシシラン、N-フェニル-γ-アミノプロピルトリメトキシシラン、γ-メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3-イソシアネートプロピルトリエトキシシラン、トリフルオロプロピルトリメトキシシラン、ヘプタデカトリフルオロプロピルトリメトキシシラン、n-デシルトリメトキシシラン、ジメトキシジエトキシシラン、ビス(トリエトキシシリル)エタン及びヘキサエトキシジシロキサンが挙げられる。
 シリカコロイド粒子表面の疎水化処理は、エーテル類、ケトン類、エステル類、炭化水素類等の疎水性有機溶媒が用いられた有機溶媒分散シリカゾルについて特に有効である。
 本発明の有機溶媒分散シリカゾルは、分散されているシリカコロイド粒子が大きな負電荷を帯び、且つ固体酸としての性質が極めて弱いため、有機溶媒の分解、変質、変色等が起こらず、安定なシリカゾルである。
 本発明の重合性化合物分散シリカゾルは、エチレン性不飽和結合を有する重合性化合物、エポキシ環を有する重合性化合物、オキセタン環を有する重合性化合物、ビニルエーテル構造を有する重合性化合物等の重合性化合物に本発明のシリカコロイド粒子が分散されたものである。本発明の重合性化合物分散シリカゾルに用いられる重合性化合物の具体例を以下に示す。
 エチレン性不飽和結合を有する重合性化合物としては、例えばアクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、クロトン酸、マレイン酸及びフタル酸等の不飽和カルボン酸化合物が挙げられる。また、これらの不飽和カルボン酸化合物とアルコール化合物若しくはアミン化合物とから誘導される不飽和カルボン酸エステル化合物又は不飽和カルボン酸アミド化合物を挙げることができる。例えば、アクリル酸エステル化合物、メタクリル酸エステル化合物、イタコン酸エステル化合物、クロトン酸エステル化合物、マレイン酸エステル化合物、フタル酸エステル化合物、アクリル酸アミド化合物、メタクリル酸アミド化合物、イタコン酸アミド化合物、クロトン酸アミド化合物、マレイン酸アミド化合物及びフタル酸アミド化合物である。前記アルコール化合物としては特に制限はないが、エチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、トリス(2-ヒドロキシルエチル)イソシアヌル酸、トリエタノールアミン、ペンタエリスリトール等の、例えば2個ないし6個の水酸基を有するポリオール化合物が挙げられる。前記アミン化合物としては特に制限はないが、エチレンジアミン、ジアミノシクロヘキサン、ジアミノナフタレン、1,4-ビス(アミノメチル)シクロヘキサン、3,3’,4,4’-テトラアミノビフェニル、トリス(2-アミノエチル)アミン等の、例えば2個ないし6個の一級又は二級のアミノ基を有するポリアミン化合物が挙げられる。
 エチレン性不飽和結合を有する重合性化合物の具体例としては、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ジエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、テトラエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ノナエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、テトラプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、ノナプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、2,2-ビス〔4-((メタ)アクリロキシジエトキシ)フェニル〕プロパン、3-フェノキシ-2-プロパノイルアクリレート、1,6-ビス(3-アクリロキシ-2-ヒドロキシプロピル)-ヘキシルエーテル、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、グリセロールトリ(メタ)アクリレート、トリス-(2-ヒドロキシルエチル)-イソシアヌル酸エステル(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールペンタ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサ(メタ)アクリレート、トリペンタエリスリトールオクタ(メタ)アクリレート、トリペンタエリスリトールヘプタ(メタ)アクリレート、2-ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、2-エチルヘキシル(メタ)アクリレート、2-ノルボルニルメチルメタクリレート、2-ヒドロキシ-3-フェノキシプロピル(メタ)アクリレート、2-ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2,2-ジメチルブチルアクリレート、2-ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート、n-プロピル(メタ)アクリレート、n-ブチル(メタ)アクリレート、i-ブチル(メタ)アクリレート、t-ブチル(メタ)アクリレート、n-ヘキシル(メタ)アクリレート、n-ペンチル(メタ)アクリレート、n-オクチル(メタ)アクリレート、2-メトキシエチル(メタ)アクリレート、2-メトキシメトキシエチルアクリレート、3-ペンチル(メタ)アクリレート、3-メチル-2-ノルボルニルメチルメタクリレート、3-メトキシブチル(メタ)アクリレート、4-ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート、4-メチル-2-プロピルペンチルアクリレート、5-ノルボルネン-2-イルメチルメタクリレート、i-プロピル(メタ)アクリレート、n-オクタデシル(メタ)アクリレート、n-ノニル(メタ)アクリレート、sec-ブチル(メタ)クリレート、t-ペンチル(メタ)アクリレート、α-ヒドロキシメチルアクリル酸エチル、α-ヒドロキシメチルアクリル酸ブチル、α-ヒドロキシメチルアクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸、アクリル酸n-ステアリル、イソオクチルアクリレート、イソノニルアクリレート、イソボルニル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、エチルカルビトールアクリレート、エトキシエチル(メタ)アクリレート、エトキシエトキシエチル(メタ)アクリレート、エトキシジエチレングリコールアクリレート、シクロヘキシル(メタ)アクリレート、シクロヘキシルメチル(メタ)アクリレート、シクロペンチルアクリレート、ジシクロペンテニルオキシエチルアクリレート、セチルアクリレート、テトラヒドロフルフリル(メタ)アクリレート、フェノキシエチル(メタ)アクリレート、フタル酸水素(メタ)アクリロイルオキシエチル、ベンジル(メタ)アクリレート、メチル(メタ)アクリレート、メトキシエチル(メタ)アクリレート、メトキシエトキシエチル(メタ)アクリレート、メトキシポリエチレングリコール(メタ)アクリレート、ラウリル(メタ)アクリレート、1,3-ブタンジオールジ(メタ)アクリレート、1,4-ブタンジオールジ(メタ)アクリレート、1,6-ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、1,9-ノナンジオールジ(メタ)アクリレート、アリル化シクロヘキシルジ(メタ)アクリレート、グリセリンジ(メタ)アクリレート、ジシクロペンタニルジ(メタ)アクリレート、トリシクロデカンジメタノールジ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパンジ(メタ)アクリレート、ネオペンチルグリコールアジペートジ(メタ)アクリレート、ネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート、ネオペンチルグリコールヒドロキシピバリン酸エステルジアクリレート、エトキシ化トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、グリセリンプロポキシトリ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパンポリエトキシトリ(メタ)アクリレート、プロピオン酸変性ジペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、ジトリメチロールプロパンテトラ(メタ)アクリレート、プロピオン酸変性ジペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、プロポキシ化ペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、プロピオン酸変性ジペンタエリスリトールペンタ(メタ)アクリレート、グリシジルメタクリレート、N,N-ジメチルアクリルアミド、N,N-ジエチルアクリルアミド、ビニルベンゼン、ジビニルベンゼン、ビニルトルエン、スチレン、α-メチルスチレン、p-メチルスチレン等が挙げられる。なお、ここで例えばエチレングリコールジ(メタ)アクリレートとはエチレングリコールジアクリレートとエチレングリコールジメタクリレートとを意味する。
 本発明におけるエチレン性不飽和結合を有する重合性化合物としてはまた、多価イソシアネート化合物とヒドロキシアルキル不飽和カルボン酸エステル化合物との反応によって得ることができるウレタン化合物、多価エポキシ化合物とヒドロキシアルキル不飽和カルボン酸エステル化合物との反応によって得ることができる化合物、フタル酸ジアリル等のジアリルエステル化合物及びジビニルフタレート等のジビニル化合物を挙げることもできる。
 エポキシ環を有する重合性化合物としては、1ないし6個のエポキシ環を有する化合物を使用することができる。1ないし6個のエポキシ環を有する重合性化合物は、例えばジオール化合物、トリオール化合物、ジカルボン酸化合物、トリカルボン酸化合物等の2個以上の水酸基又はカルボキシル基を有する化合物と、エピクロルヒドリン等のグリシジル化合物から製造することができる、2個以上のグリシジルエーテル構造又はグリシジルエステル構造を有する化合物を挙げることができる。
 エポキシ環を有する重合性化合物の具体例としては、1,4-ブタンジオールジグリシジルエーテル、1,2-エポキシ-4-(エポキシエチル)シクロヘキサン、グリセロールトリグリシジルエーテル、ジエチレングリコールジグリシジルエーテル、2,6-ジグリシジルフェニルグリシジルエーテル、1,1,3-トリス[p-(2,3-エポキシプロポキシ)フェニル]プロパン、1,2-シクロヘキサンジカルボン酸ジグリシジルエステル、4,4’-メチレンビス(N,N-ジグリシジルアニリン)、3,4-エポキシシクロヘキシルメチル-3,4-エポキシシクロヘキサンカルボキシレート、トリメチロールエタントリグリシジルエーテル、トリグリシジル-p-アミノフェノール、テトラグリシジルメタキシレンジアミン、テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン、テトラグリシジル-1,3-ビスアミノメチルシクロヘキサン、ビスフェノール-A-ジグリシジルエーテル、ビスフェノール-S-ジグリシジルエーテル、ペンタエリスリトールテトラグリシジルエーテルレゾルシノールジグリシジルエーテル、フタル酸ジグリシジルエステル、ネオペンチルグリコールジグリシジルエーテル、ポリプロピレングリコールジグリシジルエーテル、テトラブロモビスフェノール-A-ジグリシジルエーテル、ビスフェノールヘキサフルオロアセトンジグリシジルエーテル、ペンタエリスリトールジグリシジルエーテル、水素化ビスフェノール-A-ジグリシジルエーテル、トリス-(2,3-エポキシプロピル)イソシアヌレート、1-{2,3-ジ(プロピオニルオキシ)}-3,5-ビス(2,3-エポキシプロピル)-1,3,5-トリアジン-2,4,6・(1H,3H,5H)-トリオン、1,3-ビス{2,3-ジ(プロピオニルオキシ)}-5-(2,3-エポキシプロピル)-1,3,5-トリアジン-2,4,6・(1H,3H,5H)-トリオン、モノアリルジグリシジルイソシアヌレート、ジグリセロールポリジグリシジルエーテル、ペンタエリスリトールポリグリシジルエーテル、1,4-ビス(2,3-エポキシプロポキシパーフルオロイソプロピル)シクロヘキサン、ソルビトールポリグリシジルエーテル、トリメチロールプロパンポリグリシジルエーテル、レゾルシンジグリシジルエーテル、1,6-へキサンジオールジグリシジルエーテル、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル、フェニルグリシジルエーテル、p-ターシャリーブチルフェニルグリシジルエーテル、アジピン酸ジグリシジルエーテル、o-フタル酸ジグリシジルエーテル、ジブロモフェニルグリシジルエーテル、1,2,7,8-ジエポキシオクタン、1,6-ジメチロールパーフルオロヘキサンジグリシジルエーテル、4,4’-ビス(2,3-エポキシプロポキシパーフルオロイソプロピル)ジフェニルエーテル、2,2-ビス(4-グリシジルオキシフェニル)プロパン、3,4-エポキシシクロヘキシルメチル-3’,4’-エポキシシクロヘキサンカルボキシレート、3,4-エポキシシクロヘキシルオキシラン、2-(3,4-エポキシシクロヘキシル)-3’,4’-エポキシ-1,3-ジオキサン-5-スピロシクロヘキサン、1,2-エチレンジオキシ-ビス(3,4-エポキシシクロヘキシルメタン)、4’,5’-エポキシ-2’-メチルシクロヘキシルメチル-4,5-エポキシ-2-メチルシクロヘキサンカルボキシレート、エチレングリコール-ビス(3,4-エポキシシクロヘキサンカルボキシレート)、ビス-(3,4-エポキシシクロヘキシルメチル)アジペート、ビス(2,3-エポキシシクロペンチル)エーテル等を挙げることができる。
 オキセタン環を有する重合性化合物としては、1ないし6個のオキセタン環を有する化合物を使用することができる。例えば、3-エチル-3-ヒドロキシメチルオキセタン、3-エチル-3-(フェノキシメチル)オキセタン、3,3-ジエチルオキセタン、及び3-エチル-3-(2-エチルヘキシロキシメチル)オキセタン、1,4-ビス(((3-エチル-3-オキセタニル)メトキシ)メチル)ベンゼン、ジ((3-エチル-3-オキセタニル)メチル)エーテル、及びペンタエリスリトールテトラキス((3-エチル-3-オキセタニル)メチル)エーテル等を挙げることができる。
 ビニルエーテル構造を有する重合性化合物としては、1ないし6個のビニルエーテル構造を有する化合物を使用することができる。例えば、ビニル-2-クロロエチルエーテル、ビニル-ノルマルブチルエーテル、1,4-シクロヘキサンジメタノールジビニルエーテル、ビニルグリシジルエーテル、ビス(4-(ビニロキシメチル)シクロヘキシルメチル)グルタレート、トリ(エチレングリコール)ジビニルエーテル、アジピン酸ジビニルエステル、ジエチレングリコールジビニルエーテル、トリス(4-ビニロキシ)ブチルトリメリレート、ビス(4-(ビニロキシ)ブチル)テレフタレート、ビス(4-(ビニロキシ)ブチルイソフタレート、エチレングリコールジビニルエーテル、1,4-ブタンジオールジビニルエーテル、テトラメチレングリコールジビニルエーテル、テトラエチレングリコールジビニルエーテル、ネオペンチルグリコールジビニルエーテル、トリメチロールプロパントリビニルエーテル、トリメチロールエタントリビニルエーテル、ヘキサンジオールジビニルエーテル、1,4-シクロヘキサンジオールジビニルエーテル、テトラエチレングリコールジビニルエーテル、ペンタエリスリトールジビニルエーテル、ペンタエリスリトールトリビニルエーテル、シクロヘキサンジメタノールジビニルエーテル等を挙げることができる。
 本発明の重合性化合物分散シリカゾルは、シリカ濃度が5ないし70質量%であり、好ましくは15ないし60質量%である。
 本発明の重合性化合物分散シリカゾルは、分散されているシリカコロイド粒子の表面が疎水化処理されていても良い。疎水化処理剤としては、シラザン、シロキサン又はアルコキシシラン及びその部分加水分解物若しくはその重合した2量体ないし5量体のオリゴマーが挙げられる。
 上記疎水化処理剤としては、前記した有機溶媒分散シリカゾルに含有される疎水化処理剤と同じものが例示される。これらのうち、重合性基を含む疎水化剤は、重合性化合物への分散性を向上させたり、硬化反応におけるシリカコロイド粒子と樹脂を結合をもたせて樹脂性能を向上させたりすることがあるため、好ましく使われる場合がある。
 また本発明の重合性化合物分散シリカゾルは、粘度調整等を目的として少量の有機溶媒が含まれていても良い。
 本発明の重合性化合物分散シリカゾルは、分散されているシリカコロイド粒子が大きな負電荷を帯び、且つ固体酸としての性質が極めて弱いため、重合性化合物の分解、変色、重合等が起こらず、高濃度でも安定なシリカゾルである。
 また、本発明の重合性化合物分散シリカゾルのうち、特にエポキシ環を有する重合性化合物分散シリカゾルは、それを用いた硬化体の着色がシリカによってはほとんど起こらないという点で非常に有用なシリカゾルである。また、このエポキシ環を有する重合性化合物の硬化体が高い透明性と強度を備えている場合は、この樹脂と本発明のコロイダルシリカ粒子を組み合わせることによって、更に高い耐熱性及び強度をもった無色透明性の硬化体を得ることができ、LED封止材等、無色透明性、耐熱性が必要とされる封止材等に使用されたときに特に優れた効果を発揮する。
 本発明で用いられるエポキシ環を有する重合性化合物は、次の式(1):
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000003
(式中、
1及びR2は、それぞれ独立して、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、アラルキル基、複素環基、又はそれらのハロゲン化、アミノ化、若しくはニトロ化誘導体を表す。)で示される官能基を分子内に有する化合物(i)及び分子内にグリシジル基を有する化合物(ii)とを含むエステル変性エポキシ化合物であることが好ましい。
 前記化合物(i)は、分子内のn個(但し、nは2ないし16の整数である。)のグリシジル基を1個以上n個以下の式(1)で示される官能基で置き換えた化合物である。また化合物(ii)は、分子内にn個(但し、nは2ないし16の整数である。)のグリシジル基を有する化合物である。
 本発明で用いられるエポキシ環を有する重合性化合物において、前記化合物(i)の原料となるエポキシ化合物及び前記化合物(ii)で示されるエポキシ化合物は、nが3であることが好ましい。更に、前記化合物(i)の原料となるエポキシ化合物及び前記化合物(ii)で示されるエポキシ化合物は、トリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレートを好ましく用いることができる。トリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレートを用いることにより、耐光性、耐侯性、耐熱性、透明性等に優れた硬化物を与える。即ち、前記化合物(i)は、トリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレートのグリシジル基を式(1)で示される官能基で置き換えたものが好ましい。また、前記化合物(ii)は、トリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレートであることが好ましい。
 本発明で用いられるエポキシ環を有する重合性化合物において、分子内にグリシジル基を有する化合物として、トリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレートを詳細に説明する。トリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレートは1分子中に3個のグリシジル基を有する結晶性の高いエポキシ樹脂である。トリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレートの結晶性が高い理由は、分子内に存在する3つのエポキシ基の酸素原子と別分子との間で水素結合を形成するためと考えられる。このエポキシ基の酸素原子を化学反応により変換させることにより結晶性を低下させ液状にすることができる。しかし、エポキシ樹脂が硬化剤との間で硬化反応を生じ硬化するためにはエポキシ基が必要である。従って液状のエステル変性エポキシ化合物は、部分的にエポキシ基が変換された化合物(i)とエポキシ基が変換されていない化合物(ii)との混合物であることが必要である。
 本発明で用いられるエポキシ環を有する重合性化合物においては、グリシジル基を式(1)で示される官能基で置き換えたトリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレートとトリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレートとを含むことにより、液状のエポキシ環を有する重合性化合物が得られる。前記化合物(i)は、実際にはトリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレートのグリシジル基に式(2)で示される酸無水物が1個付加した化合物、2個付加した化合物及び3個付加した化合物の混合物である。
 本発明で用いられるエポキシ環を有する重合性化合物においては、トリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレートと酸無水物とを、トリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレートのグリシジル基:酸無水物のモル比で1:0.1ないし0.5の割合で反応させて得られるものが好ましい。そして、トリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレートのグリシジル基に式(2)で示される酸無水物が1個付加した化合物、2個付加した化合物及び3個付加した化合物の混合物(前記化合物(i))と、トリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレート(前記化合物(ii))とが、前記化合物(i):前記化合物(ii)のモル比で1:0.3ないし1.5の割合で含有するエステル変性エポキシ化合物が得られることが好ましい。
 本発明で用いられるエポキシ環を有する重合性化合物において、前記化合物(i)の製造に用いられる酸無水物〔式(2)〕は、いわゆる2分子のモノカルボン酸から得られる酸無水物であって、エポキシ樹脂の硬化剤として用いられるジカルボン酸から得られる酸無水物とは異なり、エポキシ樹脂の硬化剤としての機能は有しない。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004
 合成された前記化合物(i)のグリシジル基と前記化合物(ii)のグリシジル基の総和は、平均して1分子に換算して(総グリシジル基数を総分子数で割る)2個以上であることが好ましい。前記グリシジル基の総和が2個未満では、硬化物の物性、特に耐熱性が低下するため好ましくない。
 本発明に用いられる酸無水物〔式(2)〕は特に限定されるものではないが、前記式(2)において、R3及びR4は、それぞれ独立してアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、アラルキル基、複素環基又はそれらのハロゲン化、アミノ化若しくはニトロ化誘導体基である。
 アルキル基としては炭素原子数1ないし18のアルキル基であり、例えばメチル基、エチル基、n-プロピル基、i-プロピル基、シクロプロピル基、n-ブチル基、i-ブチル基、s-ブチル基、t-ブチル基、シクロブチル基、1-メチル-シクロプロピル基、2-メチル-シクロプロピル基、n-ペンチル基、1-メチル-n-ブチル基、2-メチル-n-ブチル基、3-メチル-n-ブチル基、1,1-ジメチル-n-プロピル基、1,2-ジメチル-n-プロピル基、2,2-ジメチル-n-プロピル基、1-エチル-n-プロピル基、シクロペンチル基、1-メチル-シクロブチル基、2-メチル-シクロブチル基、3-メチル-シクロブチル基、1,2-ジメチル-シクロプロピル基、2,3-ジメチル-シクロプロピル基、1-エチル-シクロプロピル基、2-エチル-シクロプロピル基、n-ヘキシル基、1-メチル-n-ペンチル基、2-メチル-n-ペンチル基、3-メチル-n-ペンチル基、4-メチル-n-ペンチル基、1,1-ジメチル-n-ブチル基、1,2-ジメチル-n-ブチル基、1,3-ジメチル-n-ブチル基、2,2-ジメチル-n-ブチル基、2,3-ジメチル-n-ブチル基、3,3-ジメチル-n-ブチル基、1-エチル-n-ブチル基、2-エチル-n-ブチル基、1,1,2-トリメチル-n-プロピル基、1,2,2-トリメチル-n-プロピル基、1-エチル-1-メチル-n-プロピル基、1-エチル-2-メチル-n-プロピル基、シクロヘキシル基、1-メチル-シクロペンチル基、2-メチル-シクロペンチル基、3-メチル-シクロペンチル基、1-エチル-シクロブチル基、2-エチル-シクロブチル基、3-エチル-シクロブチル基、1,2-ジメチル-シクロブチル基、1,3-ジメチル-シクロブチル基、2,2-ジメチル-シクロブチル基、2,3-ジメチル-シクロブチル基、2,4-ジメチル-シクロブチル基、3,3-ジメチル-シクロブチル基、1-n-プロピル-シクロプロピル基、2-n-プロピル-シクロプロピル基、1-i-プロピル-シクロプロピル基、2-i-プロピル-シクロプロピル基、1,2,2-トリメチル-シクロプロピル基、1,2,3-トリメチル-シクロプロピル基、2,2,3-トリメチル-シクロプロピル基、1-エチル-2-メチル-シクロプロピル基、2-エチル-1-メチル-シクロプロピル基、2-エチル-2-メチル-シクロプロピル基、2-エチル-3-メチル-シクロプロピル基、n-ヘプチル基、シクロヘキシル基等が挙げられる。
 アルケニル基としては炭素原子数2ないし6のアルケニル基であり、例えばビニル基、1-プロペニル基、2-プロペニル基等が挙げられる。
 アルキニル基としては炭素原子数2ないし6のアルキニル基であり、例えばエチニル基、プロパルギル基等が挙げられる。
 アリール基としては炭素原子数6ないし20のアリール基であり、例えばフェニル基、トリル基、ナフチル基、メチルナフチル基、アントリル基、エチルアントリル基等が挙げられる。
 アラルキル基としては炭素原子数7ないし22のアラルキル基であり、例えばベンジル基、フェネチル基、ナフチルメチル基、ナフチルエチル基、アントリル基、アントリルメチル基等が挙げられる。
 複素環基としては、例えばイミダゾール基、ピラゾール基、ピリダジン基、ピリミジン基、キノリン基、ベンゾオキサゾール基、チオフェン基、ジチオール基、チアゾール基、チアジアゾール基、ベンゾチアゾール基等が挙げられる。
 これらのアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、アラルキル基、複素環基は、ハロゲン化(例えばフッ素化、塩素化、臭素化又はヨウ素化)、アミノ化又はニトロ化誘導体基として用いることもできる。例えば、クロロメチル基、ジクロロメチル基、トリクロロメチル基、トリフルオロメチル基、アミノフェニル基、ニトロベンジル基等が挙げられる。
 前記R3とR4とは、同一であっても異なっていても良い。R3とR4とを含む式(2)の酸無水物は、例えば無水酢酸、無水プロピオン酸、無水n-酪酸、無水n-吉草酸、無水n-へキサン酸、無水トリフルオロ酢酸、桂皮酸無水物、安息香酸無水物等が挙げられる。用いられる酸無水物〔式(2)〕の種類により、式(2)のR3、R4が決定されるが、R3、R4は得られる硬化物の透明性の点から炭素原子数1ないし5の直鎖炭化水素基が好ましい。特に無水プロピオン酸が好ましい。
 結晶性の高いエポキシ樹脂としてトリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレートを用いる場合、低融点型(α型)立体異性体であるトリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレートを使用することが好ましい。イソシアヌル酸とエピクロルヒドリンから合成されるトリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレートは低融点型立体異性体であるトリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレート(α型結晶であり、α型と呼ぶ)と、高融点型立体異性体であるトリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレート(β型結晶であり、β型と呼ぶ)とを、3:1の割合で含む混合物である。これは原料であるエピクロルヒドリンにR型、S型の光学異性体が等モル存在するためであり、合成されたトリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレートは、イソシアヌル酸1分子に3分子のエピクロルヒドリンが付加するためRRR、SSS、RSS、SSR、SRS、RRS、RSR、SRR配置の8種類のトリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレートがそれぞれ同じ割合で生成される。ここでRRR体とSSS体の組み合わせで結晶を形成するトリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレートが、β型トリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレートであり、その他6種類のトリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレートが組み合わされて結晶を形成するのがα型トリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレートであるため、上記の生成割合で結晶が生成される。ところでα型トリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレートは融点が98ないし107℃(自動融点測定法Mettlerを用いて昇温速度2℃/minによる測定値。以後同様)であり、融点152ないし158℃であるβ型トリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレートに比べて、溶剤に対する溶解性も著しく高い。これらの違いはα型とβ型結晶を形成するトリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレート分子間の相互作用の違いであり、β型結晶の結晶性が高いことを意味する。つまりトリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレートを本発明で用いられる液状のエポキシ環を有する重合性化合物に適用する場合、未反応のトリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレートがα型である方が結晶が析出し難いため、原料としてα型トリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレートを使用することが好ましい。
 次にトリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレートと酸無水物との反応について説明する。反応に用いられる溶媒は、反応に対し不活性であるものであればよく、代表的な溶媒を例示するとアセトン、メチルエチルケトン等のケトン類、アセトニトリル等のニトリル類、テトラヒドロフラン、ジオキサン等のエーテル類、酢酸エチル等のエステル類、クロロベンゼン、トルエン等の芳香族炭化水素類、クロロホルム、ジクロロエタン等のハロゲン化炭化水素類が挙げられる。これらは単独で又は混合溶媒として用いられ、トリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレートを溶解させる。必要に応じて触媒としてトリエチルアミン、トリプロピルアミン、1,8-ジアザビシクロ-5,4,0-ウンデカン-7-エン等の3級アミン類や、トリフェニルエチルホスフォニウムブロマイド等に代表されるハロゲン化トリフェニルモノアルキルホスフォニウム等の第4級ホスフォニウム塩、2-エチル-4-メチルイミダゾール等のイミダゾール系化合物、臭化テトラエチルアンモニウム等の第4級アンモニウム塩、トリフェニルホスフィン等のリン化合物を用いることができる。反応温度は溶媒の還流温度で行われ、0.1N-過塩素酸/酢酸溶液で滴定されるエポキシ基含有量が理論値(添加した酸無水物が反応により消滅する値)になるまで行われる。反応終了後、溶媒を留去して液状のエステル変性エポキシ化合物が得られる。
 得られた液状のエステル変性エポキシ化合物は、HPLC(高速液体クロマトグラフィー)分析の結果、トリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレートのグリシジル基に式(2)で示される酸無水物が1個付加した化合物、2個付加した化合物及び3個付加した化合物の混合物(化合物i)と、未反応のトリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレート(化合物ii)を含むものである。また、得られた液状のエステル変性エポキシ化合物は、トリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレートのグリシジル基に式(2)で示される酸無水物が1個付加した化合物及び2個付加した化合物の混合物(化合物i)と、未反応のトリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレート(化合物ii)を含むものである。そして、得られた液状のエステル変性エポキシ化合物は、トリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレートのグリシジル基に式(2)で示される酸無水物が1個付加した化合物(化合物i)と、未反応のトリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレート(化合物ii)とを含むものである。
 上記液状のエステル変性エポキシ化合物の粘度は、60℃の測定で約500ないし5000mPa・sである。
 前記エポキシ環を有する重合性化合物分散シリカゾルは、分散された本発明のシリカコロイド粒子が大きな負電荷を帯び、且つ固体酸としての性質が極めて弱いために、前記重合性化合物分散シリカゾルがエポキシ硬化組成物中に配合された場合、その硬化体中に高濃度にシリカを充填することができ、且つその硬化物はほとんど着色しない。また、前記エポキシ環を有する重合性化合物の硬化体は、それ自身が高い透明性と強度を備えており、この樹脂と本発明のコロイダルシリカ粒子を組み合わせることによって、非常に高い耐熱性、無色透明性及び強度を有する硬化体が得られ、LED封止材などの無色透明性や耐熱性が必要とされる用途に使用されたときに特に優れた効果を発揮する。
 本発明のジカルボン酸無水物分散シリカゾルは、30℃で液状のジカルボン酸無水物に本発明のシリカコロイド粒子が分散されたものである。ここで、30℃で液状とは、30℃の大気圧下で液体状態であることを意味する。
 本発明のジカルボン酸無水物分散シリカゾルに用いられる30℃で液状のジカルボン酸無水物の具体例としては、メチルテトラヒドロフタル酸無水物、メチルヘキサヒドロフタル酸無水物、メチルナジック酸無水物、水素化メチルナジック酸無水物、水素化トリメリット酸、トリアルキルヒドロフタル酸無水物、ドデセニルコハク酸無水物等が挙げられる。
 これらジカルボン酸無水物のうち、エポキシ硬化体にしたときの無色透明性、耐熱性、耐光性が高いという観点から、メチルヘキサヒドロフタル酸無水物、水素化メチルナジック酸無水物、水素化トリメリット酸が特に好ましい。また、ヘキサヒドロフタル酸無水物などの固体のジカルボン酸無水物と前記液状のジカルボン酸無水物との混合物が30℃で液状であれば、本発明に使用することができる。
 本発明のジカルボン酸無水物分散シリカゾルは、シリカ濃度が5ないし70質量%であり、好ましくは15ないし60質量%である。
 本発明のジカルボン酸無水物分散シリカゾルは、分散されているシリカコロイド粒子の表面が疎水化処理されていても良い。疎水化処理剤としては、シラザン、シロキサン又はアルコキシシラン及びその部分加水分解物若しくはその重合した2量体ないし5量体のオリゴマーが挙げられる。
 上記疎水化処理剤としては、前記した有機溶媒分散シリカゾルに含有される疎水化処理剤と同じものが例示される。
 本発明のジカルボン酸無水物分散シリカゾルは、分散されたシリカコロイド粒子が大きな負電荷を帯び、且つ固体酸としての性質が極めて弱いため、該シリカゾルがエポキシ硬化組成物中に配合された場合、その硬化体中に高濃度でシリカを充填することができ、且つその硬化物はほとんど着色しない。特に、本発明のエポキシ環を有する重合性化合物を分散媒とするシリカゾルと組み合わせることによって、エポキシ硬化体中にシリカコロイド粒子を高い充填率で、且つ樹脂の無色透明性を維持したまま充填することができるため、LED封止材などの無色透明性と耐熱性が必要とされる用途に使用されたときに特に優れた効果を発揮する。
 本発明のシリカコロイド粒子は、鉄、アルミニウム、亜鉛、ジルコニウム、チタン、スズ及び鉛からなる群から選ばれる少なくとも1種である多価金属元素Mの平均含有率がM/Siモル比として0.001ないし0.02である5ないし40nmの平均一次粒子径を有するシリカコロイド粒子であって、前記コロイド粒子の最表層に存在する多価金属元素Mの含有量が前記コロイド粒子の表面積1nm2当たり0ないし0.003個であるシリカコロイド粒子であり、下記工程(I)及び(II)を含む方法により製造することができる。
(I):鉄、アルミニウム、亜鉛、ジルコニウム、チタン、スズ及び鉛からなる群から選ばれる少なくとも1種である多価金属元素Mの平均含有率がM/Siモル比として0.001ないし0.02である5ないし40nmの平均一次粒子径を有するシリカコロイド粒子を含むシリカゾルに、酸を加えてpH0ないし2.0とし、0ないし40℃で0.5ないし100時間熟成する工程、
(II):(I)で得られた酸性シリカゾルをpH0ないし2.0において水素型強酸性陽イオン交換樹脂と接触させ、更に水酸基型強塩基性陰イオン交換樹脂に接触させる工程。
 前記工程(I)において、鉄、アルミニウム、亜鉛、ジルコニウム、チタン、スズ及び鉛からなる群から選ばれる少なくとも1種である多価金属元素Mの平均含有率が、M/Siモル比として0.001ないし0.02である5ないし40nmの平均一次粒子径を有するコロイダルシリカ粒子が分散した水性シリカゾルは、例えば特開昭63-123807号公報に開示されている方法によって得ることができる。例えば、ケイ酸ナトリウム等のアルカリ金属ケイ酸塩の水溶液にアルミニウム化合物水溶液を混合した水溶液を原料としてシリカゾルを整粒する方法が記載されている。また、別の方法として、シリカゾルの整粒時にアルミニウム化合物水溶液を添加する方法、具体的にはシリカ含有アルカリ性水溶液又はアルカリ金属水酸化物水溶液に酸性ケイ酸液とアルミニウム化合物水溶液とを、同時又は交互に添加してシリカゾルを整粒する製造方法が記載されている。用いられるアルミニウム化合物としては、アルミン酸ナトリウムで代表されるアルミン酸塩、又は硫酸アルミニウム、塩化アルミニウムで代表される酸性アルミニウム塩である。上記アルミニウム化合物以外に、スズ化合物、亜鉛化合物、鉛化合物等を使用することができ、具体的にはスズ酸ナトリウム、亜鉛酸ナトリウム、亜ナマリ酸ナトリウム等を使用することができる。
 次いで得られた水性シリカゾルに酸を添加する。水性シリカゾルは、シリカ濃度を40質量%以下、好適には30質量%以下としたものを使用する。40質量%を超える場合にはシリカゾルの増粘やゲル化を生じる場合がある。また、シリカ濃度が著しく希薄である(例えば5質量%未満)場合は、製造効率が低下するため限外濾過膜等を使用して濃縮を行って、シリカ濃度5質量%以上とした後に酸を添加することが好ましい。酸を添加する際に使用できる水性シリカゾルはアルカリ性シリカゾルでも良いし、アルカリ性シリカゾルのアルカリ金属イオンを陽イオン交換樹脂等によって除去した酸性シリカゾルでも良い。添加する酸の種類は、シリカコロイド粒子から多価金属イオンを溶出させる効果を考慮すると、無機酸又は有機酸の強酸が好ましい。具体的には、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸、ベンゼンスルホン酸等が選ばれる。なお、酸を水性シリカゾルに添加する際は、酸濃度が1ないし20質量%の水溶液にして添加することが好ましい。酸の添加量については、水性シリカゾルのpHが0ないし2.0の範囲になるように添加される。pHが2.0を超えた場合、シリカコロイド粒子の表面近傍から前記多価金属元素を多価金属イオンとして溶出させる効果が不十分となる。酸の添加により水性シリカゾルのpHが0ないし2.0の範囲になった後に、0℃ないし40℃で30分ないし100時間の熟成を行う。熟成温度がこの範囲を下回ると、シリカコロイド粒子の表面近傍からの多価金属イオン溶出効果が不十分になる。
 次の工程(II)では、まず工程(I)によって得られた酸性シリカゾルに水素型強酸性陽イオン交換樹脂を接触させて、シリカコロイド粒子の表面近傍から溶出した多価金属イオンを除去する。この際、酸性シリカゾルのpHが2.0以下であることを確認する。pHが2.0を越えている場合、多価金属イオンの溶出が十分ではなく、また溶出された一部の多価金属イオンは陽イオン交換樹脂に十分に吸着されず、シリカコロイド粒子の表面に残留する場合がある。次に水酸基型強塩基性陰イオン交換樹脂を接触させ、余剰の陰イオン成分を除去する。水酸基型強塩基性陰イオン交換樹脂は、通常、水酸化ナトリウム等の強塩基で再生されるため、微量のナトリウムイオン等が残留しており、酸性シリカゾルが接触した後は、酸性シリカゾル中に微量のナトリウムイオン等がリークされる場合がある。この場合は再度、強酸型陽イオン交換体に接触させてナトリウムイオン等を除くと良い。また、水素型強酸性陽イオン交換樹脂及び水酸基型強塩基性陰イオン交換樹脂に接触させる前に、水性シリカゾルに純水を加えてシリカ濃度を調整しても良い。前記工程(I)及び工程(II)を含む方法により、本発明のシリカコロイド粒子を得ることができる。
 本発明の有機溶媒分散シリカゾルは、前記製造方法によって得られた本発明のシリカコロイド粒子が分散した水性シリカゾルに含まれている水を有機溶媒に置換する方法によって製造される。水性シリカゾルの有機溶媒置換は、公知技術のいずれの方法を用いても良く、例えば、蒸留置換法や限外ろ過法が挙げられる。有機溶媒がメチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、酢酸エチル又はトルエンのような疎水性有機溶媒の場合には、水性シリカゾルのコロイダルシリカ粒子の表面を疎水化処理した後、所望の溶媒へ置換する方法が適用できる。疎水化処理の方法としては、水性シリカゾルを過剰のアルコールの共存下で加熱することによりコロイダルシリカ粒子表面のシラノール基をエステル化する方法(特開昭57-196717号公報)やシリル化剤又はシランカップリング剤でシリカ表面を処理する方法(特開昭58-145614号公報、特開平03-187913号公報、特開平11-43319号公報)が知られている。
 本発明の重合性化合物分散シリカゾルは、前記製造方法によって得られた本発明のシリカコロイド粒子が分散した有機溶媒分散シリカゾルの分散媒である有機溶媒を、重合性化合物に置換することによって製造される。前記有機溶媒分散シリカゾルに重合性化合物を添加し、攪拌しながら減圧下又は常圧下、室温又は加熱下において有機溶媒の少なくとも一部を留去して本発明の重合性化合物分散シリカゾルを得る。有機溶媒を重合性化合物に置換する条件は、重合性化合物の重合や分解を起こさずに有機溶媒を留去できる条件であればよく、置換する容器内の圧力と液温を適宜調整して行えばよい。有機溶媒を重合性化合物に置換する際、必要な量の重合性化合物の全量を有機溶媒分散シリカゾルに添加した後、有機溶媒を留去してもよいし、有機溶媒分散シリカゾルの有機溶媒を留去しながら、重合性化合物を徐々に該有機溶媒分散シリカゾルに添加して置換を行ってもよい。有機溶媒を留去する際は、シリカゾルのシリカ濃度が高くなりすぎてゲル化を起こさないよう留意する。本発明の重合性化合物分散シリカゾルは、本発明の有機溶媒分散シリカゾルの有機溶媒をほとんどすべて留去して、ほぼ重合性化合物のみを分散媒とするシリカゾルにしてもよいし、粘度の上昇を防ぐことを目的として有機溶媒の一部を残して、重合性化合物と有機溶媒との混合分散媒のゾルとしても良い。この混合分散媒における重合性化合物と有機溶媒との質量比は、100:0ないし50:50の範囲であることが好ましい。
 また、本発明の重合性化合物分散シリカゾルは、前記製造方法によって得られた本発明のシリカコロイド粒子が分散した水性シリカゾルの分散媒である水を、重合性化合物に直接置換することによっても製造することができる。
 本発明のジカルボン酸無水物分散シリカゾルは、前記製造方法によって得られた本発明のシリカコロイド粒子が分散した有機溶媒分散シリカゾルのうち、有機溶媒が非アルコール性のゾルについて、30℃で液状のジカルボン酸無水物に置換することによって製造することができる。非アルコール性有機溶媒分散シリカゾルにジカルボン酸無水物を添加し、攪拌しながら減圧下又は常圧下、室温又は加熱下において有機溶媒の少なくとも一部を留去してジカルボン酸無水物分散シリカゾルを得る。
 非アルコール性有機溶媒をジカルボン酸無水物に置換する際、必要な量のジカルボン酸無水物の全量を非アルコール性有機溶媒分散シリカゾルに添加した後、該有機溶媒を留去してもよいし、非アルコール性有機溶媒分散シリカゾルの有機溶媒を留去しながら、ジカルボン酸無水物を徐々に該有機溶媒分散シリカゾルに添加して置換を行ってもよい。有機溶媒を留去する際は、シリカゾルのシリカ濃度が高くなりすぎてゲル化を起こさないよう留意する。
 本発明のジカルボン酸無水物分散シリカゾルは、非アルコール性有機溶媒分散シリカゾルの有機溶媒をほとんどすべて留去して、ほぼジカルボン酸無水物のみを分散媒とするシリカゾルにしてもよいし、粘度の上昇を防ぐことを目的として非アルコール性有機溶媒を残して、ジカルボン酸無水物と非アルコール性有機溶媒との混合分散媒のゾルとしても良い。この混合分散媒におけるジカルボン酸無水物と非アルコール性有機溶媒との質量比は、100:0ないし50:50の範囲であることが好ましい。
 前記非アルコール性有機溶媒は、ジカルボン酸無水物と反応性が低いものが好ましく、エーテル類、エステル類、ケトン類及び炭化水素類を挙げることができる。エーテル類としては、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジブチルエーテル、テトラヒドロフラン及びジオキサンが挙げられる。エステル類としては、ギ酸エチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、エチレングリコールモノエチルエーテルアセタート及びエチレングリコールモノブチルエーテルアセタートが挙げられる。ケトン類としては、アセトン、メチルエチルケトン、2-ペンタノン、3-ペンタノン、メチルイソブチルケトン、2-ヘプタノン及びシクロヘキサノンが挙げられる。炭化水素類としては、n-ヘキサン、シクロヘキサン、ベンゼン、トルエン、キシレン、ソルベントナフサ、ジクロロメタン及びトリクロロエチレンが挙げられる。その他の有機溶媒としては、アセトニトリル、アセトアミド、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルフォキシド、N,N-ジメチルアセトアミド及びN-メチルピロリドンが挙げられる。
(分析方法)
〔SiO2濃度〕
シリカゾルを坩堝に取り、130℃で乾燥後、得られたゲルを800℃焼成し、焼成残分を計量して算出した。
〔平均一次粒子径(窒素吸着法粒子径)〕
酸性シリカゾルの300℃乾燥粉末の比表面積を比表面積測定装置モノソーブ(登録商標)MS-16(ユアサアイオニクス(株)製)を用いて測定した。
〔ゼータ電位〕
酸性シリカゾルを純水で希釈し、0.1N塩酸水溶液でpHを3.5に調製した後、シリカコロイド粒子のゼータ電位をレーザーゼータ電位計ELS-6000(大塚電子(株)製)を用いて測定した。
〔水分〕
カールフィッシャー滴定法にて求めた。
〔有機溶媒含有量〕
ガスクロマトグラフィーにて求めた。
ガスクロマトグラフィー条件:
カラム:3mm×1mガラスカラム、充填剤:ポーラパックQ、カラム温度:130ないし230℃(昇温8℃/min)、キャリアー:N2 40mL/min、 検出器:FID注入量:1μL、内部標準:メチルエチルケトン又はアセトニトリルを採用した。
〔粘度〕
シリカゾルの粘度はB型回転粘度計(東機産業(株)製)を用いて測定した。
〔シリカコロイド粒子の最表層の多価金属元素含有量の分析〕
シリカコロイド粒子最表層に存在するSi原子を1nm2当たり7.9個として、多価金属元素Mの平均含有率がモル比M/Siの場合、シリカコロイド粒子の最表層に存在する多価金属元素Mは1nm2当たり7.9×M/Si個と計算される。シリカコロイド粒子最表層の多価金属元素を定量するため鋭意検討の結果、シリカコロイド粒子を含む水性ゾルを硝酸でpH1.9に調製し、20ないし25℃で4.5時間保持することで最表層の多価金属元素のみが陽イオン化されることが分かった。硝酸でpH1.9に調整された該シリカゾルを遠心分離した濾液中の多価金属元素含有量を測定して、シリカコロイド粒子の最表層に存在する多価金属元素を定量が決定された。例えば、参考例1のシリカコロイド粒子中には、多価金属元素が粒子中にほぼ均一に存在しているといえ、M/Siモル比は0.0028である。この値から、最表層の多価金属元素は1nm2当たり7.9×0.0028=0.022個と算出された。一方、酸性シリカゾル1aを硝酸でpH1.9に調製し、20ないし25℃で4.5時間保持し、遠心濾過した濾液の多価金属元素含有量をプラズマ発光分光分析法で1nm2当たり0.020個と測定され、計算値とほぼ一致した。
シリカコロイド粒子の最表層の多価金属元素含有量の具体的な測定方法は以下の通り行った。
酸性シリカゾルをSiO2として1.0g採取し純水で50gに希釈した後、10質量%硝酸(ELグレード)でpH1.9に調製し、23℃で4.5時間保持した。このゾルを遠心濾過器(Amicon Ultra-15,MILLIPORE社製、分画分子量1万)に仕込み、5000rpmで30分間遠心分離し、得られた濾液をプラズマ発光分光分析装置(SPS7800、セイコーインスツルメンツ(株)製)にて金属分析を行った。この方法によって測定された多価金属元素は、シリカコロイド粒子の最表層に存在する多価金属元素であり、これを窒素吸着法によって得られるシリカコロイド粒子の表面積で除することにより、シリカコロイド粒子1nm2の最表層に存在する多価金属元素Mの含有量を算出した。
 参考例1
 100Lポリ容器に、珪酸ソーダ溶液(富士化学(株)製、3号珪酸ソーダ、SiO2濃度29.1質量%、SiO2/Na2Oモル比3.2、Al2О3/SiO2モル比0.0003)9.6kgと純水60.2kgとを仕込み、均一になるよう攪拌した。この希釈珪酸ソーダ溶液に、ディスパーにて攪拌を行いながらアルミン酸ソーダ水溶液(Al23濃度1.0質量%、Na2O濃度0.77質量%)1.98kgを添加し、30分間攪拌を行った。得られた水溶液を水素型強酸性陽イオン交換樹脂(アンバーライト(登録商標)IR-120B、オルガノ(株)製)24Lが充填されたカラムに通過させて、活性珪酸溶液(SiO2濃度3.7質量%、pH2.8)70.0kgを得た。還流器、攪拌機、加熱部及び一つの注液口を供えた100Lのステンレス製容器に、0.31kgの前記珪酸ソーダ溶液と9.1kgの純水とを仕込み、これを90℃に加熱してヒール液とした。該ヒール液を90℃に維持しつつ、これに注液口から前記活性珪酸溶液69.6kgを一定流量で6時間かけて添加した。添加終了後、90℃で4時間保持した後、限外濾過法により濃縮を行い、SiO2濃度28.5質量%のアルカリ性シリカゾル1(平均一次粒子径(窒素吸着法粒子径)12nm、pH9.8)9.0kgを得た。得られたアルカリ性シリカゾル1を水素型強酸性陽イオン交換樹脂(アンバーライト(登録商標)IR-120B、オルガノ(株)製)1.5Lを充填したカラム、水酸基型強塩基性陰イオン交換樹脂(アンバーライト(登録商標)IR-410、オルガノ(株)製)1.0Lを充填したカラム、水素型強酸性陽イオン交換樹脂(アンバーライトIR-120B)300mLを充填したカラムの順に通液し、酸性シリカゾル1a(SiO2濃度25.0質量%、平均一次粒子径12nm、pH2.8、シリカコロイド粒子中における鉄、アルミニウム、亜鉛、ジルコニウム、チタン、スズ及び鉛からなる群から選ばれる少なくとも1種である多価金属元素Mの平均含有率:M/Siモル比0.0028、シリカコロイド粒子の最表層に存在する多価金属元素M0.020個/nm2、ゼータ電位-24mV)10.0kgを得た。
 参考例2
 参考例1で得られた酸性シリカゾル1aの4000gに10質量%水酸化ナトリウム水溶液74.0gを添加して、ゾルをアルカリ性(pH9.2)とした後、3Lステンレス製オートクレーブ容器を用いて、205℃で2.5時間水熱処理を行って、アルカリ性シリカゾル2を製造した。水熱処理は、前記アルカリ性にしたゾルを2000gづつ2回に分けて行った。得られたアルカリ性シリカゾル2は、SiO2濃度25.0質量%、平均一次粒子径22nm、pH10.3であった。アルカリ性シリカゾル2の4000gを、水素型強酸性陽イオン交換樹脂(アンバーライトIR-120B)500mLを充填したカラムに通液し、酸性シリカゾル2a(SiO2濃度25.0質量%、平均一次粒子径22nm、pH2.5、前記多価金属元素Mの平均含有率:M/Siモル比0.0027、シリカコロイド粒子の最表層に存在する多価金属元素M0.038個/nm2、ゼータ電位-28mV)4000gを得た。
 参考例1ないし2で得られたシリカゾルの物性を表1に示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
 実施例1
 参考例1で得られた酸性シリカゾル1a(平均一次粒子径12nm、SiO225.0質量%、pH2.8、前記多価金属元素Mの平均含有率:M/Siモル比0.0028、粒子表面の多価金属元素M0.020個/nm2、ゼータ電位-24mV)2000gを3Lポリエチレン製広口瓶に採取し、ディスパーを用いて1000rpmで攪拌しながら10質量%硫酸96.0gを添加し、その後10分間攪拌した。得られたシリカゾルのpHは1.2であった。このゾルを23℃で24時間静置した後、水素型強酸性陽イオン交換樹脂(アンバーライトIR-120B)100mLを充填したカラム、水酸基型強塩基性陰イオン交換樹脂(アンバーライトIR-410)250mLを充填したカラム、水素型強酸性陽イオン交換樹脂(アンバーライトIR-120B)50mLを充填したカラムの順に2時間をかけて通液して酸性シリカゾル1A(平均一次粒子径12nm、SiO223.0質量%、pH2.8、前記多価金属元素Mの平均含有率:M/Siモル比0.0020、シリカコロイド粒子の最表層に存在する多価金属元素M0.001個/nm2未満、ゼータ電位-23mV)が得られた。
 実施例2
 参考例2で得られた酸性シリカゾル2a(SiO2濃度25.0質量%、平均一次粒子径22nm、pH2.5、前記多価金属元素Mの平均含有率:M/Siモル比0.0027、粒子表面の多価金属元素M0.038個/nm2、ゼータ電位-28mV)2000gを3Lポリエチレン製広口瓶に採取し、ディスパーを用いて1000rpmで攪拌しながら10質量%硫酸96.0g添加し、その後10分攪拌した。得られたシリカゾルのpHは1.2であった。このゾルを23℃で24時間静置した後、水素型強酸性陽イオン交換樹脂(アンバーライトIR-120B)100mLを充填したカラム、水酸基型強塩基性陰イオン交換樹脂(アンバーライトIR-410)250mLを充填したカラム、水素型強酸性陽イオン交換樹脂(アンバーライトIR-120B)50mLを充填したカラムの順に2時間をかけて通液して酸性シリカゾル2A(SiO2濃度23.0質量%、平均一次粒子径22nm、pH2.6、前記多価金属元素Mの平均含有率:M/Siモル比0.0019、シリカコロイド粒子の最表層に存在する多価金属元素M0.001個/nm2未満、ゼータ電位-28mV)が得られた。
 比較例1
 硫酸を添加しなかった以外は実施例1と同様に行い、酸性シリカゾル1C(平均一次粒子径12nm、SiO223.4質量%、pH2.7、前記多価金属元素Mの平均含有率:M/Siモル比0.0020、シリカコロイド粒子の最表層に存在する多価金属元素M0.018個/nm2、ゼータ電位-23mV)が得られた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
 実施例3
 酸性シリカゾル1Aの2000gを撹拌機、コンデンサー、温度計及び注入口2個を備えた内容積3Lのガラス製反応器に仕込み、反応器内のゾルを沸騰させたままの状態で、別のボイラーで発生させたメタノールの蒸気を反応器内のシリカゾル中に連続的に吹き込んで、液面をほぼ一定に保ちながらメタノールによる水の置換を行った。留出液の体積が20Lになったところで置換を終了して、メタノール分散シリカゾル1Aを1840g得た。得られたメタノール分散シリカゾルはSiO2濃度25.0質量%、メタノール74.4質量%、水分0.6質量%、粘度2mPa・s、ゾルを等質量の水で希釈したときのpH3.0であった。
 実施例4
 酸性シリカゾル2Aの2000gを用いた以外は実施例3と同様に行い、メタノール分散シリカゾル2Aを1840g得た。得られたメタノール分散シリカゾルはSiO2濃度25.0質量%、メタノール74.4質量%、水分0.6質量%、粘度2mPa・s、ゾルを等質量の水で希釈したときのpH3.2であった。
 比較例2
 酸性シリカゾル1aの2000gを用いた以外は実施例3と同様に行い、メタノール分散シリカゾル1aを1840g得た。得られたメタノール分散シリカゾルはSiO2濃度25.0質量%、メタノール74.4質量%、水分0.6質量%、粘度2mPa・s、ゾルを等質量の水で希釈したときのpH3.0であった。
 比較例3
 酸性シリカゾル2aの2000gを用いた以外は実施例4と同様に行い、メタノール分散シリカゾル2aを1840g得た。得られたメタノール分散シリカゾルはSiO2濃度25.0質量%、メタノール74.4質量%、水分0.6質量%、粘度2mPa・s、ゾルを等質量の水で希釈したときのpH3.2であった。
 比較例4
 酸性シリカゾル1Cの2000gを用いた以外は実施例4と同様に行い、メタノール分散シリカゾル1Cを1840g得た。得られたメタノール分散シリカゾルはSiO2濃度25.0質量%、メタノール74.4質量%、水分0.6質量%、粘度2mPa・s、ゾルを等質量の水で希釈したときのpH3.0であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
 実施例5
 メタノール分散シリカゾル1Aの280gを500mLナス型フラスコに採取し、マグネチックスターラーで攪拌しながらフェニルトリメトキシシラン7.6gを添加し、液温を55℃で2時間保持した。その後、ロータリーエバポレーターにて500ないし400Torr、浴温70℃の条件で、液面を徐々に下げながらゾルにメチルエチルケトンを添加して分散媒をメチルエチルケトンに置換することにより、透明なメチルエチルケトン分散シリカゾル1A(SiO240.0質量%、メチルエチルケトン59.7質量%、メタノール0.2質量%、水分0.1質量%、粘度2mPa・s)を得た。このゾルを100mL細口ガラス瓶に密閉し、50℃で1ヶ月間保持したところ、粘度及び外観に変化は無かった。
 比較例5
 メタノール分散シリカゾル1Aの代わりにメタノール分散シリカゾル1aを用いた以外は実施例5と同様に行って、透明なメチルエチルケトン分散シリカゾル1a(SiO240.0質量%、メチルエチルケトン59.7質量%、メタノール0.2質量%、水分0.1質量%、粘度2mPa・s)を得た。このゾルを100mL細口ガラス瓶に密閉し、50℃で1ヶ月間保持したところ、粘度は変化しなかったが、外観が黄色に変色した。
 実施例6
 メタノール分散シリカゾル1A200gを500mLナス型フラスコに採取し、マグネチックスターラーで攪拌しながらメタクリロキシプロピルトリメトキシシラン7.2gを添加し、液温を55℃で2時間保持した。その後、テトラヒドロフルフリルアクリレート113gを投入し、ロータリーエバポレーターにて200ないし40Torr、浴温50℃の条件でメタノールと水を除去することにより、無色透明のテトラヒドロフルフリルアクリレート分散シリカゾル1A(SiO230.0質量%、テトラヒドロフルフリルアクリレート68.9質量%、メタノール1.0質量%、水分0.1質量%、粘度12mPa・s)を得た。このゾルを100mL細口褐色ガラス瓶中に密閉し、23℃で1ヶ月保持したところ、外観、粘度に変化は無かった。
 比較例6
 メタノール分散シリカゾル1Aの代わりにメタノール分散シリカゾル1aを用いた以外は実施例6と同様に行ったが、メタノールを約50g留去した時点でテトラヒドロフルフリルアクリレートが重合してゼリー状になったため、安定なテトラヒドロフルフリルアクリレート分散シリカゾルを得ることができなかった。
 比較例7
 メタノール分散シリカゾル1Aの代わりにメタノール分散シリカゾル1Cを用いた以外は実施例6と同様に行ったが、メタノールを約60g留去した時点でテトラヒドロフルフリルアクリレートが重合してゼリー状になったため、安定なテトラヒドロフルフリルアクリレート分散シリカゾルを得ることができなかった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
 参考例3(エステル変性エポキシ樹脂の調製)
 α型トリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレート(日産化学工業(株)製、エポキシ価は9.95eq/kg)894.7gとトルエン400gを冷却管、温度計、攪拌装置付きの反応フラスコに仕込み、リフラックス温度まで加熱して完全に溶解した。次に反応触媒としてトリフェニルホスホニウムブロマイド0.38gを溶解させた無水プロピオン酸溶液313.3gを上記反応系に60分間かけて滴下した。滴下終了後、リフラックス温度で2時間反応させた。反応液を濃縮してエポキシ価が5.65eq/kg以下(理論値は5.48eq/kg)になったことを確認してからトルエンを留去して液状のエステル変性エポキシ樹脂を1208g得た。得られた液状のエステル変性エポキシ樹脂(2)の組成は次のとおりであった。トリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレートを化合物(ii)、トリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレートの1個のエポキシ基に1個の無水プロピオン酸が付加したもの(1付加体)を化合物(i-1)、トリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレートの2個のエポキシ基に2個の無水プロピオン酸が付加したもの(2付加体)を化合物(i-2)、トリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアヌレートの3個のエポキシ基に3個の無水プロピオン酸が付加したもの(3付加体)を化合物(i-3)とすると、エポキシ樹脂(2)における(ii):(i-1):(i-2):(i-3)のモル比は35%:45%:17%:3%であった。このエステル変性エポキシ樹脂(2)の粘度は60℃で1300mPa・sであった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000009
実施例7
 メタノール分散シリカゾル2Aの1000gを内容積2Lのナス型フラスコに仕込み、ロータリーエバポレーターにて500Torr、浴温70℃でアセトニトリルを添加しながら溶媒を蒸発留去した。ゾルの液面をほぼ一定でアセトニトリルの供給量が750gになるまで蒸発留去を行い、アセトニトリル・メタノール混合溶媒ゾル(SiO226質量%、アセトニトリル49質量%、メタノール24質量%、水分0.3質量%)を得た。次いで大気圧下で攪拌しながら、得られたゾルにフェニルトリメトキシシラン5.0g添加し、浴温65℃で5時間加熱した。このゾルに5.0質量%ジアザビシクロウンデセンメタノール溶液を5.0g添加し、2時間攪拌した。その後、ロータリーエバポレーターで500ないし350Torr、浴温70℃でアセトニトリルを添加しながら溶媒を蒸発留去した。ゾルの液面をほぼ一定に保つように、アセトニトリル1500gを供給しながら溶媒の蒸発留去を行い、アセトニトリル分散シリカゾル2A(SiO228質量%、アセトニトリル72質量%、メタノール0.1質量%未満、水分0.03質量%)900gを得た。内容積500mLのセパラブルナス型フラスコに参考例3で調製したエステル変性エポキシ樹脂(2)80gを仕込み、アセトニトリル分散シリカゾル2Aの286gを添加、攪拌して均一な溶液にした。これを、ロータリーエバポレーターで200ないし100Torr、浴温60℃で脱溶媒を行い、無色透明のエステル変性エポキシ樹脂分散シリカゾル2A(SiO247質量%、エステル変性エポキシ樹脂47質量%、アセトニトリル6質量%、40℃におけるB型粘度3760mPa・s)を得た。
 比較例8
 メタノール分散シリカゾル2Aの代わりにメタノール分散シリカゾル2aを用いた以外は実施例7と同様に行い、無色透明のエステル変性エポキシ樹脂分散シリカゾル2a(SiO246質量%、エステル変性エポキシ樹脂46質量%、アセトニトリル8質量%、40℃におけるB型粘度1150mPa・s)を得た。
 実施例8
 メタノール分散シリカゾル2Aの1000gを内容積2Lのナス型フラスコに仕込み、ロータリーエバポレーターにて500Torr、浴温70℃でアセトニトリルを添加しながら溶媒を蒸発留去した。ゾルの液面をほぼ一定でアセトニトリルの供給量が750gになるまで蒸発留去を行い、アセトニトリル・メタノール混合溶媒ゾル(SiO226質量%、アセトニトリル49質量%、メタノール質量24%、水分0.3質量%)を得た。次いで大気圧下で攪拌しながら、得られたゾルにフェニルトリメトキシシラン5.0g添加し、浴温65℃で5時間加熱した。このゾルに5.0質量%ジアザビシクロウンデセンメタノール溶液を7.5g添加し、攪拌した。その後、ロータリーエバポレーターで500ないし350Torr、浴温70℃でアセトニトリルを添加しながら溶媒を蒸発留去した。ゾルの液面をほぼ一定に保つように、アセトニトリル1500gを供給しながら溶媒の蒸発留去を行い、アセトニトリル分散シリカゾル2A(SiO228質量%、アセトニトリル72質量%、メタノール0.1質量%未満、水分0.03質量%)900gを得た。内容積500mLのセパラブルナス型フラスコにメチルヘキサヒドロフタル酸無水物(東京化成(株)製試薬)100gを仕込み、アセトニトリル分散シリカゾル2Aの153gを添加、攪拌して均一な溶液にした。これを、ロータリーエバポレーターで200ないし40Torr、浴温60℃で脱溶媒を行い、無色透明のメチルヘキサヒドロフタル酸無水物分散シリカゾル2A(SiO239質量%、メチルヘキサヒドロフタル酸無水物59質量%、アセトニトリル2質量%、30℃におけるB型粘度120mPa・s)を得た。
 比較例9
 メタノール分散シリカゾル2Aの代わりにメタノール分散シリカゾル2aを用いたことと、ヘキサヒドロフタル酸無水物を100gから117gに変更した以外は実施例8と同様に行い、無色透明のメチルヘキサヒドロフタル酸無水物分散シリカゾル2a(SiO229質量%、メチルヘキサヒドロフタル無水物67質量%、アセトニトリル4質量%、30℃におけるB型粘度310mPa・s)を得た。
 実施例9
 300mLの四つ口フラスコに実施例7で得られたエステル変性エポキシ樹脂分散シリカゾル2Aの40.5gとメチルヘキサヒドロフタル酸無水物15.03gを入れ、80℃で40分間の混合攪拌を行った。次いでこの混合物に硬化促進剤としてテトラブチルホスホニウムO,O'-ジエチルジチオホスフェート(日本化学工業(株)製、製品名:ヒシコーリンPX-4ET)209mgをメチルヘキサヒドロフタル酸無水物2.0gに溶解したものを加えて更に減圧下で2分間脱泡を行い、エポキシ樹脂硬化用組成物を得た。得られたエポキシ樹脂硬化用組成物には残留溶媒は検出されなかった。得られたエポキシ樹脂硬化用組成物を注型板(離型剤SR-2410(東レ・ダウシリコーニング(株)製)で処理されたガラス板3mm厚)に流し込み、100℃で2時間、150℃で5時間の硬化条件で加熱処理を行い、エポキシ樹脂硬化体を得た。得られたエポキシ樹脂硬化体の物性は表5及び表6に示した。表5においてMeHHPAはメチルヘキサヒドロフタル酸無水物を、PXはテトラブチルホスホニウムO,O'-ジエチルジチオホスフェートを、PX/MeHHPAはテトラブチルホスホニウムO,O'-ジエチルジチオホスフェートを含有したメチルヘキサヒドロフタル酸無水物を示し、それぞれの質量で示した。
 実施例10及び比較例10ないし12
 実施例9と同様の操作を行って、エポキシ樹脂組成物を得た。表5にはエポキシ樹脂とエポキシ硬化剤又はエポキシ硬化剤分散シリカゾル、硬化促進剤の配合割合を示した。得られたエポキシ樹脂硬化用組成物を注型板(離型剤SR-2410(東レ・ダウシリコーニング(株)製)で処理されたガラス板3mm厚)に流し込み、100℃で2時間、150℃で5時間の硬化条件で加熱処理を行い、エポキシ樹脂硬化体を得た。表5においてMeHHPAはメチルヘキサヒドロフタル酸無水物を、PXはテトラブチルホスホニウムO,O'-ジエチルジチオホスフェートを、PX/MeHHPAはテトラブチルホスホニウムO,O'-ジエチルジチオホスフェートを含有したメチルヘキサヒドロフタル酸無水物を示し、それぞれの質量で示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
 前記実施例9、10及び比較例10ないし12で得られたエポキシ樹脂硬化体について、3点曲げ試験(曲げ強度、曲げ弾性率)、透過率及び線膨張率を測定した。測定結果は表6に示した。
(曲げ特性の測定)
引張り試験機によりJIS K-6911に基づき測定した。
試験片の高さ及び幅を測定し、試験片を支え、その中央に加圧くさびで荷重を加え、試験片が折れたときの荷重を測定し、曲げ強度(σ)を算出した。曲げ強度σ:(MPa){kgf/mm2}、P:試験片が折れたときの荷重(N){kgf}、L:支点間距離(mm)、W:試験片の幅(mm)、h:試験片の高さ(mm)とした。
  σ=(3PL)/(2Wh2
 曲げ弾性率(E):(MPa){kgf/mm2}は、F/Y:荷重-たわみ曲線の直線部分のこう配(N/mm){kgf/mm}とすると、
  E=〔L3/(4Wh3)〕×〔F/Y〕
(透過率の測定)
分光光度計(型式UV-3600、(株)島津製作所製)を用いて200-800nmの透過率を測定した。
(線膨張率の測定)
線膨張率の測定の測定は、JIS K-6911に基づき測定した。試験片の厚みを正確に測定してTMA(Thermal Mechanical Analysis)で荷重0.05N、昇温速度1℃/分で測定した。線膨張係数α1は30-80℃の長さの変化量(ΔL1)/試験片の初期の長さ(L)×50=α1で求めた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000011
 実施例9及び10のように、本発明のシリカコロイド粒子が分散したエポキシ樹脂分散シリカゾルやメチルヘキサヒドロフタル酸無水物分散シリカゾルを用いてエポキシ硬化組成物中に配合させたことにより、その硬化体は高い光線透過率を維持しつつ、高い充填率でシリカコロイド粒子を充填することができた。
 一方、比較例10及び11のように、シリカコロイド粒子表面に前記多価金属元素がコロイド粒子の表面積1nm2当たり0.003個を超えて含有するシリカコロイド粒子では、エポキシ樹脂分散シリカゾルやジカルボン酸無水物分散シリカゾルは得られるものの、それらを用いたエポキシ樹脂硬化体が黄色に着色したため、光線透過率が低下した。結果として、実施例9及び10の硬化物は、比較例12のシリカコロイド粒子を含まない硬化物に比べて、光線透過率の低下を殆ど起こさせずに、且つ、線膨張率の低下や曲げ強度の向上をさせることができた。
 上記の通り、本発明のシリカコロイド粒子が分散されたエポキシ樹脂分散シリカゾル、ジカルボン酸無水物分散シリカゾルは、エポキシ樹脂の硬化時の変色が起こりにくく且つシリカの光散乱が殆どないため、樹脂硬化体の無色透明性を低下させることが殆どない。また、シリカ粒子を樹脂中に充填することによって樹脂硬化体の熱特性や物理特性が向上する。これらの理由から、本発明のシリカコロイド粒子が分散されたエポキシ樹脂分散シリカゾル、ジカルボン酸無水物分散シリカゾルは、高い無色透明性と耐熱性が求められるLED(発光素子)等の封止材に用いた場合に、素子と樹脂の熱膨張率差による剥離やクラックの発生を防止することができるため、非常に有効である。
 本発明のシリカコロイド粒子又はその有機溶媒分散シリカゾル、重合性化合物分シリカゾル、ジカルボン酸分散シリカゾルを樹脂等の改質剤に用いると、樹脂の分解、着色等を起こさずに、硬さの付与、耐熱性の付与等樹脂の改質が可能である。透明性の樹脂ハードコート膜に添加されてハードコート膜に硬さを付与し、また、透明性樹脂に内添されて曲げ強度、耐擦傷性の向上、耐熱性の向上等、樹脂の改質に有用である。
                                                                        

Claims (13)

  1. 鉄、アルミニウム、亜鉛、ジルコニウム、チタン、スズ及び鉛からなる群から選ばれる少なくとも1種である多価金属元素Mの平均含有率がM/Siモル比として0.001ないし0.02である5ないし40nmの平均一次粒子径を有するシリカコロイド粒子であって、前記コロイド粒子の最表層に存在する多価金属元素Mの含有量が前記コロイド粒子の表面積1nm2当たり0ないし0.003個であるシリカコロイド粒子。
  2. 請求項1に記載のシリカコロイド粒子が有機溶媒に分散された有機溶媒分散シリカゾル。
  3. 前記有機溶媒が、アルコール類、エーテル類、ケトン類、エステル類、アミド類、炭化水素類及びニトリル類からなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項2に記載の有機溶媒分散シリカゾル。
  4. 請求項1に記載のシリカコロイド粒子が、エチレン性不飽和結合を有する重合性化合物、エポキシ環を有する重合性化合物、オキセタン環を有する重合性化合物及びビニルエーテル構造を有する重合性化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物に分散された重合性化合物分散シリカゾル。
  5. 前記エポキシ環を有する重合性化合物が、式(1):
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
    (式中、
    1及びR2は、それぞれ独立して、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、アラルキル基、複素環基、又はそれらのハロゲン化、アミノ化、若しくはニトロ化誘導体を表す。)で示される官能基を分子内に有する化合物(i)及び分子内にグリシジル基を有する化合物(ii)とを含むエステル変性エポキシ化合物である請求項4に記載の重合性化合物分散シリカゾル。
  6. 前記化合物(i)が、分子内のn個(但し、nは2ないし16の整数である。)のグリシジル基の1個以上n個以下を、式(1)で示される官能基で置き換えた化合物である請求項5に記載の重合性化合物分散シリカゾル。
  7. 前記化合物(ii)が、分子内にn個(但し、nは2ないし16の整数である。)のグリシジル基を有する化合物である請求項5に記載の重合性化合物分散シリカゾル。
  8. 前記化合物(i):化合物(ii)のモル比が、1:0.3ないし1.5である請求項5に記載の重合性化合物分散シリカゾル。
  9. 前記化合物(i)が、トリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアネートのグリシジル基を式(1)で示される官能基で置き換えたものである請求項5、6及び8のいずれか1項に記載の重合性化合物分散シリカゾル。
  10. 前記化合物(ii)が、トリス-(2,3-エポキシプロピル)-イソシアネートである請求項5、7及び8のいずれか1項に記載の重合性化合物分散シリカゾル。
  11. 請求項1に記載のシリカコロイド粒子が、30℃で液状のジカルボン酸無水物に分散されたジカルボン酸無水物分散シリカゾル。
  12. 前記ジカルボン酸無水物が、メチルヘキサヒドロフタル酸無水物、水素化メチルナジック酸無水物及び水素化トリメリット酸無水物からなる群から選ばれる少なくとも1種を含む請求項11に記載のジカルボン酸無水物分散シリカゾル。
  13. 下記工程(I)及び(II)を含む請求項1に記載のシリカコロイド粒子の製造方法:
    (I):鉄、アルミニウム、亜鉛、ジルコニウム、チタン、スズ及び鉛からなる群から選ばれる少なくとも1種である多価金属元素Mの平均含有率がM/Siモル比として0.001ないし0.02である5ないし40nmの平均一次粒子径を有するシリカコロイド粒子を含むシリカゾルに、酸を加えてpH0ないし2.0とし、0ないし40℃で0.5ないし100時間熟成する工程、
    (II):(I)で得られた酸性シリカゾルをpH0ないし2.0において水素型強酸性陽イオン交換樹脂と接触させ、更に水酸基型強塩基性陰イオン交換樹脂に接触させる工程。
                                                                            
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