JP2000191318A - 疎水性シリカ及びその製造方法 - Google Patents
疎水性シリカ及びその製造方法Info
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Abstract
こと。 【解決手段】シリカとトリメチルシリル化剤とを、水蒸
気の存在下、250〜300℃の反応温度で、且つ該ト
リメチルシリル化剤の分圧が1.5〜4kg/cm2の
条件で反応させる。
Description
その製法に関する。
ており親水性を示す。そのため、シリカは、液体樹脂や
ゴム等の充填材として使用した際に、分散性が悪かった
り、加工後において吸湿し機械的強度を低下させること
があった。また、こうした吸湿性の高さから、保存時の
粘度の経時安定性が悪い問題もあった。従って、シリカ
の表面を各種有機化合物で処理して疎水化し、上記問題
点を改善することが広く試みられている。
で被覆すると、極めて疎水性の強いシリカが得られるこ
とが知られている。この方法によれば、水−メタノール
の比を変えて該溶液に対する粉体の浮遊割合を測定する
方法によって求められる疎水化度において、浮遊量が0
%となるメタノール濃度が70容量%程度という極めて
高い疎水性を有するシリカを得ることが可能である。し
かしながら、この方法では、シリコーンオイルの大部分
はシリカ表面に物理的な吸着により付着しているだけで
あるため、これらはシリカ表面から離脱し易く、樹脂の
充填材等として使用した際において、上記優れた疎水性
の効果が思うように発揮されないことが多かった。
ル基に有機化合物を反応させ、該有機化合物から導かれ
る疎水性基をシリカ表面に化学的に結合させることが、
有利な方法として行われている。例えば、特公昭38−
22129号公報には、シリカと低沸点のオルガノシロ
キサン類とを反応させることが記載され、その反応条件
として、加温や加圧下で該オルガノシロキサン類を気体
の状態で反応させることも記載されている。しかしなが
ら、こうしたシリカと有機珪素化合物との反応は反応性
が低く、得られるシリカは、十分な疎水性を有していな
いものであった。
応性を向上させるため、該反応を水の存在下で行うこと
が特開昭56−41263号公報等により提案されてい
る。この方法によれば、上記シリカと有機珪素化合物と
は、高い反応性で反応させることが可能である。しかし
ながら、かかる方法によっても、得られる疎水性シリカ
は、以下のように今一歩十分な疎水性を有するものでは
なかった。
いトリメチルシリル基が導入できるヘキサメチルジシラ
ザン等を用いて、上記疎水化反応を実施した場合、これ
らのトリメチルシリル化剤は、前記水の存在下では、極
めて高い反応性でシリカ表面に反応し、それほど反応温
度を高めずとも、トリメチルシリル基は短い反応時間で
ほぼ飽和量まで導入できる。従って、こうしたトリメチ
ルシリル化剤との反応は、あまり高温で実施しても熱膨
張により該処理剤の雰囲気濃度が希薄化するため有利で
はないと考えられ、通常、200℃以下の常圧、或いは
それに近い低圧下で反応が実施されており、オートクレ
ーブ等の加圧容器をわざわざ用いて、該トリメチルシリ
ル化剤を高い圧力で反応させるような例は全く知られて
いなかった。
の条件でトリメチルシリル化剤を反応させて製造される
疎水性シリカは、それ以上反応しない状態までトリメチ
ルシリル基が導入されたものであっても、前記方法によ
り測定される疎水化度は、浮遊量が0%となるメタノー
ル濃度が60容量%を少し越える程度のものでしかなか
った。そして、その場合、前記したような用途に疎水性
シリカを使用するに際して、今一歩満足できる疎水性の
強さではなかった。
疎水性基が化学結合する疎水性シリカにおいて、さらに
その疎水化度が高いものを開発することが大きな課題で
あった。
に鑑み鋭意研究を続けてきた。その結果、シリカとトリ
メチルシリル化剤とを、水蒸気の存在下、高温及び該疎
水化剤の高い圧力下で反応させることにより、今までに
ない極めて高い疎水化度を有する疎水性シリカが得られ
ることを見出し、本発明を完成するに至った。
面に化学結合されてなる疎水性シリカであって、水−メ
タノールの比を変えて該溶液に対する粉体の浮遊割合を
測定する方法によって求められる浮遊量が0%となるメ
タノール濃度が65容量%以上である疎水性シリカであ
る。
方法として、シリカとトリメチルシリル化剤とを、水蒸
気の存在下、250〜300℃の反応温度で、且つ該ト
リメチルシリル化剤の分圧が1.5〜4kg/cm2の
条件で反応させることを特徴とする疎水性シリカの製造
方法も提供する。
チルシリル基が表面に化学結合されており、それにより
表面が疎水性を呈している。
下、酸素雰囲気でCO2に熱分解し微量炭素分析装置を
用いて求められる炭素含有量が1〜10重量%、好適に
は2〜5重量%であるのが好ましい。また、トリメチル
シリル基は、トリメチルシリル化剤をシリカにさらに反
応させても、上記炭素含有量がそれ以上増加しない飽和
量に実質的に達するまで、導入されているのが好まし
い。さらに、本発明の疎水性シリカは、単位面積当たり
の表面のOH基数が0.2〜0.5個/nm2程度であ
るのが一般的である。なお、本発明の疎水性シリカは、
上記トリメチルシリル基により、その表面がほとんど覆
われていると推定される。従って、上記数程度表面にO
H基が残存していたとしても、これは、該トリメチルシ
リル基によりブロックされ、前記した高い疎水化度には
殆ど影響を及ぼしていないと考えられる。
特に制限されるものではなく、通常、湿式法又は乾式法
により得られる無定型シリカが使用される。好適には、
ハロゲノシランの火炎分解や加水分解で製造される乾式
シリカであるのが好ましい。また、これらのシリカは溶
融されたものであっても良い。
2/g、好適には30〜200m2/gであり、見掛比重
が15〜200g/l、好適には35〜100g/lで
あり、平均一次粒子径が5〜500nm、好適には7〜
50nmであるのが好ましい。
記炭素含有量でトリメチルシリル基が表面に導入されて
いる一般的な疎水性シリカが有している値よりも、遥か
に高い疎水化度を有している点にある。なお、本発明に
おいて、疎水化度は、前記した方法、即ち、水−メタノ
ールの比を変えて該溶液に対する粉体の浮遊割合を測定
する方法によって求められる、浮遊量が0%となるメタ
ノール濃度によって評価される。本発明の疎水性シリカ
は、上記方法によって測定される疎水化度が65容量%
以上、好適には68容量%以上の高い値を有している。
また、本発明の疎水性シリカは、製造の容易さから、該
疎水化度が73容量%以下であるのが一般的である。こ
のような高い疎水化度を有する疎水性シリカは、本願発
明によって初めて提供されるものである。
リカは、シリカとトリメチルシリル化剤とを、水蒸気の
存在下、高温及び該疎水化剤の高い圧力下で反応させる
ことにより得られる。具体的には、シリカとトリメチル
シリル化剤とを、水蒸気の存在下、250〜300℃の
反応温度で、且つ該トリメチルシリル化剤の分圧が1.
5〜4kg/cm2の条件で反応させる方法により得ら
れる。
は、特に制限はないが、通常、比表面積が5〜500m
2/gであり、見掛比重や平均一次粒子径は前記した疎
水性シリカと同様の値を有するものが好適に使用でき
る。また、これらの原料シリカは、吸着水分が0.1〜
10重量%のものが好ましい。さらに、単位面積当たり
の表面のOH基が、1.0〜5.0個/nm2、好適に
は1.0〜2.5個/nm2のものを用いるのが好まし
い。
せるトリメチルシリル化剤は、シリカ表面にトリメチル
シリル基を導入可能なものが制限なく使用できる。沸点
が50〜250℃、好適には50〜150℃のものが好
適に使用される。具体的には、 ((CH3)3Si)2NR 〔式中、Rは水素又は低級アルキル基である〕、又は (CH3)3SiY 〔式中、Yはハロゲン原子、−OH、−OR、または−
NR2から選ばれる基(Rは上記と同じである)であ
る〕で示される化合物が好ましい。ここで、上記化合物
において、Rの低級アルキル基は、メチル基、エチル
基、プロピル基等の炭素数1〜5、好適には炭素数1〜
3のもの、特にメチル基が好ましい。また、Yのハロゲ
ン原子は、塩素、フッ素、臭素、ヨウ素等が挙げられ、
特に塩素が好ましい。
トリメチルシリル化剤を例示すれば、ヘキサメチルジシ
ラザン、N−メチル−ヘキサメチルジシラザン、N−エ
チル−ヘキサメチルジシラザン、ヘキサメチル−N−プ
ロピルジシラザン等が挙げられ、反応性の良さからヘキ
サメチルジシラザンを用いるのが特に好適である。他
方、(CH3)3SiYで示されるトリメチルシリル化剤
を例示すれば、トリメチルクロロシラン、トリメチルシ
ラノール、メトキシトリメチルシラン、エトキシトリメ
チルシラン、プロポキシトリメチルシラン、ジメチルア
ミノトリメチルシラン、ジエチルアミノトリメチルシラ
ン等が挙げられ、反応性の良さからトリメチルシラノー
ルを用いるのが特に好適である。
チルシリル化剤以外の、さらに高炭素数のトリアルキル
シリル基を導入させるものの場合、シリカ表面への反応
性が低下し、十分な疎水化度を有するシリカを得ること
が難しくなる。
シリル化剤との反応は、水蒸気の存在下で実施する。水
蒸気の不存在下で反応を実施した場合は、トリメチルシ
リル化剤の反応性が低下し、得られるシリカの疎水化度
が大幅に低下する。
の、シリカとトリメチルシリル化剤との反応は、250
〜300℃、好適には260〜290℃の反応温度で実
施する。一般には、上記範囲において反応温度が高いほ
ど、得られるシリカの疎水性が高くなる傾向がある。こ
こで、反応温度が250℃より低い場合、得られるシリ
カの疎水化度が低下する。また、反応温度が300℃よ
りも高い場合、トリメチルシリル化剤の分解が生じるよ
うになる。
リメチルシリル化剤との反応は、雰囲気中におけるトリ
メチルシリル化剤の分圧が1.5〜4kg/cm2、好
適には1.5〜3kg/cm2なるような加圧条件下で
行う。それにより、前記したような高い疎水化度を有す
る疎水性シリカを製造することが可能になる。このよう
に、高温及びトリメチルシリル化剤の高い分圧下で反応
を行うことにより、ほぼ飽和量(炭素含有量)までトリ
メチルシリル基が導入された従来の疎水性シリカが有し
ているよりも、さらに高い疎水化度を有するシリカが得
られることは驚くべき知見である。
1.5kg/cm2より小さい場合、得られるシリカの
疎水化度が低下する。また、この分圧が4kg/cm2
より大きい場合、トリメチルシリル化剤の結露が発生し
易くなり、且つ混合機内の全圧が高くなり過ぎて、装置
への負荷が大きくなる。
において、水蒸気の分圧は、反応性の高さから0.02
〜1.5kg/cm2、好ましくは0.2〜1kg/c
m2であるのが好適である。ここで、水蒸気分圧が0.
02kg/cm2より小さい場合、トリメチルシリル化
剤の反応性が低下する傾向がある。また、この分圧が
1.5kg/cm2より大きい場合、反応器内の全圧が
高くなり過ぎて、装置への負荷が大きくなる。
記疎水化剤の気相と水蒸気のみからなる雰囲気で反応を
実施しても良いが、通常は、これらを、窒素、ヘリウム
等の不活性ガスにより希釈して反応に供するのが一般的
である。その場合、反応雰囲気の全圧は、2.5〜10
kg/cm2、好適には2.5〜5kg/cm2であるの
が一般的である。
より高めるため、必要に応じてアンモニア、メチルアミ
ン、ジメチルアミン等の塩基性ガス、好適にはアンモニ
アを、反応雰囲気中に共存させても良い。こうした塩基
性ガスの分圧は、0.01〜1kg/cm2であるのが
好適である。
ル化剤の気相の分圧の要件が、各々満足されていれば如
何なる形式で実施されても良く、予め、上記要件が満足
されるようにトリメチルシリル化剤と水とを、シリカが
充填された反応器に仕込み昇温昇圧してから反応を実施
しても良いし、上記要件が満足されるようにトリメチル
シリル化剤と水とを、シリカが充填された反応器に連続
的または間欠的に供給しながら反応を実施しても良い。
化剤の分圧の要件は、その反応期間の実質的全域に渡っ
て満足されていれば、該要件を外れる期間が短期間あっ
ても、本発明では許容される。好適には、反応開始から
炭素含有量がそれ以上増加しない飽和状態にほぼ達する
までの反応期間において、その80%以上、好適には9
0以上が上記条件で反応が行われるのが好ましい。特
に、前記炭素含有量の飽和量の50%まで反応が進んだ
段階から該飽和量にほぼ達する段階までの期間は、上記
条件で反応を行うのが好適である。また、炭素含有量で
みれば反応はほぼ飽和量に達するまで進行しているよう
にみえても、さらに上記条件での処理を継続すれば、ご
く少量ながらトリメチルシリル化剤はシリカ表面にまだ
反応すると考えられ、これが疎水化度のさらなる向上に
効果的であるため、該炭素含有量はほぼ飽和量に達っし
た後も10〜60分程度は、上記条件で反応を継続する
のが好ましい。全反応時間は、通常、15〜120分、
好適には20〜90分から採択される。
クレーブ等の加圧できる密閉容器を用いて反応を行うの
が好適である。また、シリカは、固定床式で反応させて
も良いが、好適には撹拌により流動させた状態で反応さ
せるのが好ましい。反応終了後、過剰の処理剤及び副生
物は、反応器を開放脱圧して、チッソガス洗浄するのが
好ましい。
リル基が表面に化学結合することにより固定化されてお
り安定性に優れている。そして、その疎水化度は、従来
にない極めて高い値を有している。このように高い疎水
化度が得られる原因は定かではないが、シリカとトリメ
チルシリル化剤とを、前記の如く高温及び該疎水化剤の
高い分圧下で反応させることにより、トリメチルシリル
基が規則性良く配列してシリカ表面に結合するようにな
り、その導入量(炭素含有量)はほぼ同程度であって
も、シリカ表面を疎水性基でブロックする効果が大きく
向上するためではないかと推定される。
疎水性シリカは、液体樹脂やゴム等、特にエポキシ樹脂
やシリコーンゴムの増粘剤や補強充填剤として有用であ
り、分散性がよく、吸湿性の低さから保存時の粘度の経
時安定性が改善される。また、粉体塗料や電子写真用ト
ナー等の粉体系においても、混合することにより、当該
粉体の流動性の改善、固結防止、帯電調整等に優れた効
果を発揮する。
体的に説明するが、本発明は、これらの実施例に限定さ
れるものではない。なお、以下の実施例及び比較例にお
ける各種の物性の測定は以下の方法により実施した。
シリカ表面に化学結合する疎水性基をCO2に熱分解し
た後、微量炭素分析装置(Horiba製「EMIAー110」)によ
り、シリカの含有する炭素含有量を求めた。なお、疎水
化反応の再現性からみた炭素含有量の有効数字は0.1
重量%である。
100mlを加え、シエーカーで30分間振り混ぜた後
1晩静置し該溶液に対する粉体の浮遊割合を測定する。
水−メタノールの比を変えて上記操作を行い、浮遊量が
0%となるメタノール濃度(容量%)を疎水化度として求
めた。
た。エポキシ樹脂「エピコートR819」(油化シエル
社製)180gに、疎水性シリカ7.2gを3000回
転/分で2分間、デイソルバーを用いて分散させ、分散
直後の初期粘度と30日後の粘度を、25℃でブルック
フイールド粘度計(スピンドル4)により測定した。
に50gの乾式シリカ「レオロシールQS30」(比表
面積300m2/g、吸着水分0.4重量%、表面OH
数1.5個/nm2、見掛比重50g/l、平均一次粒
子径7nm、(株)トクヤマ製)を装入し、撹拌による
流動化状態において、260℃、275℃及び290℃
に加熱した。反応器内部を窒素ガスで置換した後、水を
水蒸気分圧が0.2kg/cm2となるように供給(窒
素ガスの分圧0.8kg/cm2)して反応器を密閉
し、さらにヘキサメチルジシラザンを分圧が2.0kg
/cm2になるように内部に噴霧し、シリカの流動化状
態でトリメチルシリル化反応を開始した。なお、上記反
応において、反応開始当初の雰囲気の全圧は3.0kg
/cm2であり、水蒸気及びヘキサメチルジシラザンの
分圧は各々表1に示した値であった。この反応は、反応
温度が260℃の場合反応開始5分で、反応温度が27
5℃の場合反応開始3分で、反応温度が290℃の場合
反応開始2分で、それぞれシリカの炭素含有量がそれ以
上ほとんど増加しない飽和量にほぼ達した。
了した。反応終了時のヘキサメチルジシラザンの分圧は
1.6kg/cm2であり、水蒸気の分圧及び全圧はほ
とんど変化なかった。
キサメチルジシラザン及び副生物の除去は、オートクレ
ーブを開放脱圧した後、チッソ気流による洗浄を行うこ
とにより実施した。得られた疎水性シリカの物性を測定
し表1に示した。
シラザンの分圧、及び反応時間を表2に示す条件に変え
て(反応開始当初の雰囲気の窒素ガスの分圧は、全圧か
ら水蒸気及びヘキサメチルジシラザンの分圧を除いた
値)、実施例2と同様に実施した。各反応は、反応開始
3分で、シリカの炭素含有量がそれ以上増加しない飽和
量にほぼ達した。
に示した。
チルシラノールを用い、水蒸気の供給時に反応器にアン
モニアを0.2kg/cm2の分圧になるように供給し
て反応器を密閉(窒素ガスの分圧0.6kg/cm2)
する以外は、実施例2と同様に実施した。反応開始10
分で、シリカの炭素含有量がそれ以上増加しない飽和量
にほぼ達した。
に示した。
例2と同様に実施した。この反応は、反応開始30分
で、シリカの炭素含有量がそれ以上増加しない飽和量に
達した。
に示した。
圧を1.0kg/cm2に変えて反応開始当初の雰囲気
の全圧を2.0kg/cm2とする以外は、実施例1と
同様に実施した。この反応は、反応開始3分で、シリカ
の炭素含有量がそれ以上増加しない飽和量に達した。
に示した。
S10」(比表面積130m2/g、吸着水分0.3重
量%、表面OH数1.5個/nm2、見掛比重50g/
l、平均一次粒子径16nm、(株)トクヤマ製)及び
「レオロシールQS40」(比表面積380m2/g、
吸着水分0.5重量%、表面OH数1.5個/nm2、
見掛比重50g/l、平均一次粒子径7nm、(株)ト
クヤマ製)を用いて、実施例2と同様に実施した。「レ
オロシールQS10」を用いた反応は、反応開始3分
で、シリカの炭素含有量がそれ以上増加しない飽和量に
ほぼ達した。いずれの反応も、反応開始3分で、シリカ
の炭素含有量がそれ以上増加しない飽和量にほぼ達し
た。
に示した。
Claims (4)
- 【請求項1】トリメチルシリル基が表面に化学結合され
てなる疎水性シリカであって、水−メタノールの比を変
えて該溶液に対する粉体の浮遊割合を測定する方法によ
って求められる浮遊量が0%となるメタノール濃度が6
5容量%以上である疎水性シリカ。 - 【請求項2】シリカとトリメチルシリル化剤とを、水蒸
気の存在下、250〜300℃の反応温度で、且つ該ト
リメチルシリル化剤の分圧が1.5〜4kg/cm2の
条件で反応させることを特徴とする疎水性シリカの製造
方法。 - 【請求項3】トリメチルシリル化剤が、 ((CH3)3Si)2NR 〔式中、Rは水素又は低級アルキル基である〕、又は (CH3)3SiY 〔式中、Yはハロゲン原子、−OH、−OR、または−
NR2から選ばれる基(Rは上記と同じである)であ
る〕で示される化合物である請求項2記載の疎水性シリ
カの製造方法。 - 【請求項4】トリメチルシリル化剤が、トリメチルシラ
ノールまたはヘキサメチルジシラザンからなる請求項3
記載の疎水性シリカの製造方法。
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---|---|---|---|
JP36972798A JP4093660B2 (ja) | 1998-12-25 | 1998-12-25 | 疎水性シリカ及びその製造方法 |
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000264621A (ja) * | 1999-03-19 | 2000-09-26 | Tokuyama Corp | 疎水性シリカの製造方法 |
JP2003261321A (ja) * | 2002-03-06 | 2003-09-16 | Denki Kagaku Kogyo Kk | 高疎水性シリカ微粉体の製造方法 |
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JP2020075845A (ja) * | 2018-11-09 | 2020-05-21 | 株式会社トクヤマ | 六方晶窒化ホウ素粉末 |
-
1998
- 1998-12-25 JP JP36972798A patent/JP4093660B2/ja not_active Expired - Lifetime
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