JP2003252689A - シリカ発泡体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シリカゾルをアルカリ性条件下でゲル化させ
るにもかかわらず、発泡状態の良好な発泡体を製造可能
なシリカ発泡体の製造方法を提供すること。 【解決手段】 ケイ酸ソーダと硫酸とをアルカリ性とな
る混合比で混合してシリカゾルを生成し、このアルカリ
性のシリカゾルを空中に噴霧してゲル化させ、シリカヒ
ドロゲルの球状粒子を生成する。このシリカヒドロゲル
粒子に含まれる過剰なアルカリを酸で中和し、さらに水
洗重合処理を施して、乾燥することにより、比表面積５
００〜７５０ｍ²／ｇ、細孔容積０．３５〜０．５ｍｌ
／ｇ、平均粒子径０．５〜６ｍｍのシリカゲル粒子を作
製する。そして、このシリカゲル粒子を温度条件９７０
℃以上１２００℃以下で焼成することにより、シリカ発
泡体を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリカ発泡体に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、特公昭５１−４０５７２号公報に
は、ｐＨ７以下でゲル化させて得られたシリカゲルを、
１０００〜１６００℃で焼成することによって無機質軽
量発泡体を製造する技術が開示されている。

【０００３】同公報によれば、シリカゾルのゲル化はｐ
Ｈ７以下（すなわち、中性ないし酸性条件下）で行うこ
とが必須とされ、ｐＨが７よりも大きい状態（すなわ
ち、アルカリ性条件下）でゲル化すると発泡が不完全に
なる傾向が生じる旨の記載がある（同公報第２頁第３欄
第４２行〜同頁第４欄第３行参照）。

【０００４】また、焼成時の温度条件については、１０
００〜１６００℃とされている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記公
報記載の製法では、シリカゾルをｐＨ７以下でゲル化さ
せるため、ゲル化工程に要する時間が長く、工業的に生
産する上で不利な面があった。

【０００６】また、ゲル化工程に要する時間が長いこと
から、中間生成品として生成されるシリカゲルを球状品
とすることが容易ではないという問題もあった。ゲル化
工程に要する時間が長い場合に、シリカゲルを球状品と
する手段としては、オイルなどの液体中にシリカゾルを
分散または液滴化し、ゲル化を行うという方法もある
が、この場合は、ゲル中にオイルなどの不純物が入り込
みやすく、また、工業的に生産する際には、産業廃棄物
となるオイルが大量に発生してしまうという問題があっ
た。

【０００７】そこで、発明者らは、上記問題を解決する
ために鋭意検討を重ね、その結果、ゲル化後に所定の処
理を行うとともに、その後の焼成時の温度条件を最適に
制御すれば、シリカゾルをアルカリ性条件下でゲル化さ
せても、発泡状態の良好な所期の発泡体を得られること
を見いだし、本発明を完成させるに至った。

【０００８】本発明の目的は、シリカゾルをアルカリ性
条件下でゲル化させるにもかかわらず、発泡状態の良好
な所期の発泡体を製造可能なシリカ発泡体の製造方法を
提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段、および発明の効果】上述
の目的を達成するために、本発明のシリカ発泡体の製造
方法は、アルカリ金属ケイ酸塩と無機酸とを混合するこ
とによって生成するシリカゾルを、アルカリ性条件下で
ゲル化させてシリカヒドロゲルを生成し、該シリカヒド
ロゲルに含まれる過剰なアルカリを酸で中和し、さらに
水洗重合処理を施して、乾燥することにより、比表面積
４５０〜８００ｍ²／ｇ、細孔容積０．３０〜０．６０
ｍｌ／ｇ、平均粒子径０．５〜６．０ｍｍのシリカゲル
粒子を作製し、該シリカゲル粒子を温度条件９７０℃以
上１２００℃以下で焼成することにより、前記シリカゲ
ル粒子を発泡させることを特徴とする。

【００１０】このシリカ発泡体の製造方法において、ア
ルカリ金属ケイ酸塩としては、ケイ酸ソーダ、ケイ酸カ
リウム、またはケイ酸リチウムなどを考え得るが、工業
的にはケイ酸ソーダを用いるのが一般的である。また、
無機酸としては、硫酸、塩酸、または硝酸などを考え得
るが、工業的には硫酸を用いるのが一般的である。

【００１１】シリカゾルをゲル化させる処理は、本製造
方法においては、ｐＨ７を超えるアルカリ性条件下で行
う。シリカゾルをアルカリ性条件下でゲル化させるに
は、例えば、アルカリ金属ケイ酸塩と無機酸とをアルカ
リ性となる混合比で混合してアルカリ性のシリカゾルを
生成してゲル化させればよい。ゲル化処理を短時間で完
了させるには、ｐＨ７以上でゲル化処理を行うとよく、
好ましくはｐＨ７〜１０でゲル化処理を行うとよい。そ
して、このゲル化直後のシリカヒドロゲルは、ｐＨ７〜
１０になっていると望ましい。

【００１２】続いて、水洗重合処理を円滑に進めるた
め、シリカヒドロゲルに含まれる過剰なアルカリを酸で
中和する処理を行う。この処理には、どのような酸を利
用して実施してもよいが、通常は、上記無機酸を利用し
て実施すればよい。水洗重合処理は、シリカヒドロゲル
に含まれる無機酸塩を除去するとともに、ケイ酸の溶解
・析出の過程が行われ、これによって、シリカヒドロゲ
ルの微視的な構造を変化させ、乾燥後のシリカゲルの物
性を上記のような数値範囲内とするために実施する処理
である。この水洗重合処理は、通常、ｐＨ２．５〜１０
程度の水または水溶液中で実施すればよい。特に、ｐＨ
３．０〜６．０程度で実施した場合、容易に比表面積を
４５０ｍ²／ｇ以上とすることができシリカ発泡体の製
造に適したシリカゲルを得ることができる。

【００１３】シリカゲル粒子を焼成する処理は、９７０
℃以上１２００℃以下という温度条件で実施する。この
温度条件は、９７０℃を下回ると、発泡が不完全になる
傾向が現れ、一方、１２００℃を上回ると、発泡状態の
良好な所期の発泡体とともに、ほぼ外殻のみからなる中
空体ができてしまう傾向がある。この中空体は、より高
い温度で処理して外殻を強固にしない限り、所期の発泡
体に比べて耐圧性が低く、所期の発泡体であれば潰れな
い程度の圧力を加えた場合でも外殻が割れて簡単に潰れ
てしまう。そのため、このような中空体が混在している
と、例えば発泡体を耐圧性が要求される用途に利用した
際に、混在している中空体が潰れてしまい、中空体が潰
れる分だけみかけのかさが減ってしまう、といったこと
が起こるので好ましくない。

【００１４】以上のようなシリカ発泡体の製造方法によ
れば、上述の通りの特徴的な製造工程を採用しているた
め、上述の従来技術とは異なり、シリカゾルをアルカリ
性条件下でゲル化させるにもかかわらず、発泡状態の良
好な所期の発泡体を製造することができる。

【００１５】しかも、シリカゾルをアルカリ性条件下で
ゲル化させることから、上述の従来技術に比べ、短時間
でシリカヒドロゲルを生成することができる。したがっ
て、例えば、アルカリ金属ケイ酸塩と無機酸とをアルカ
リ性となる混合比で混合してアルカリ性のシリカゾルを
生成するとともに、そのシリカゾルを空間中に飛散させ
て液滴化することにより、液滴を空間中でゲル化させ
て、中間生成品として球状シリカゲル粒子を製造するこ
とも可能となる。このような方法で、中間生成品として
球状シリカゲル粒子を製造すれば、シリカゲル中にオイ
ルなどの不純物が入り込むこともなく、産業廃棄物とな
るオイルが発生することもなく、最終製品であるシリカ
発泡体の形態を容易に球状品とすることができる。

【００１６】本製造方法によって、発泡状態の良好な所
期の発泡体を製造できる理由は、必ずしもすべてが明ら
かになってはいないが、次のような要因を考えることは
できる。まず、上述の従来技術によれば、アルカリ性条
件下でゲル化させて生成したシリカヒドロゲルは、発泡
体の製造には不適である旨の説明があったが、本製造方
法においては、アルカリ性条件下でシリカヒドロゲルを
生成した後に、シリカヒドロゲルに含まれる過剰なアル
カリを酸で中和し、さらに水洗重合処理を施して、乾燥
することにより、中間生成品として得られるシリカゲル
粒子の物性を、比表面積４５０〜８００ｍ²／ｇ、細孔
容積０．３０〜０．６０ｍｌ／ｇ、平均粒子径０．５〜
６．０ｍｍとなるように制御している。そのため、これ
らゲル化後から焼成前までの処理により、上述の従来技
術において指摘されていた焼成時に発泡が不完全になる
という傾向は抑制され、その結果、シリカゲル粒子を良
好に発泡させることができるものと考えられる。

【００１７】また、焼成工程においては、シリカゲル粒
子を９７０℃以上１２００℃以下という温度条件下で焼
成するため、これも発泡状態の良好な所期の発泡体を製
造するための重要な要因になっているものと考えられ
る。焼成工程において、焼成時の温度条件が１２００℃
を上回ると、上述の通り、耐圧性に欠ける中空体が混在
しはじめ、この温度条件がさらに上昇すると中空体の混
合比率も上昇する。この事実は、上述の従来技術におい
て、焼成時の温度条件の上限が１６００℃まで許容され
るのとは大きく相違する。このことから、本製造方法に
おいて中間生成品として得られるシリカゲル粒子と、上
述の従来技術において中間生成品として得られるシリカ
ゲル粒子とでは、何らかの物性が相違し、その物性の違
いが原因で、焼成時の温度条件の上限に違いが現れるの
ではないかと推察される。

【００１８】さらに、本製造方法では、上述の通り、焼
成時の温度条件を９７０℃以上１２００℃以下としてい
るが、１２００℃付近での焼成を行うと、隣接する発泡
体同士が表面でくっつき合って塊になることがある。こ
の塊は、簡単に崩すことができるので用途によっては問
題とならないが、焼成時の温度条件が、９７０℃以上１
１００℃以下であると、このような塊ができるのを防止
することもできる。すなわち、温度条件が１１００℃を
上回ると、隣接する発泡体同士が表面でくっつき合って
塊になる傾向が顕著になるので、１１００℃以下で焼成
を実施することにより、発泡体同士の相互付着を抑制で
きるのである。

【００１９】なお、本製造方法によって製造されたシリ
カ発泡体は、軽量化材、断熱材、吸音材、浮力体として
利用できる。また、各種触媒、酵素、消臭性物質などの
担体としても利用できる。また、中間生成物をとして生
成されるシリカゲル粒子を、例えば吸着材、吸湿材等と
いった用途で使用し、その後で使用済みシリカゲル粒子
を回収して、焼成処理を施すようにしてもよい。この場
合、使用済みシリカゲルに対して事前に乾燥処理を施す
ことにより、過剰な吸着水を除去して８％以下にしてお
くと望ましい。また、使用済みシリカゲルに吸着された
一般的な有機物等は、焼成処理時に燃焼、分解するので
問題はない。このようにすれば、シリカゲル粒子として
の利用と、シリカ発泡体としての利用ができるので、生
産品の利用効率が良くなる。さらに、シリカ発泡体をア
ルカリで溶かしてアルカリ金属ケイ酸塩にまで戻せば、
閉じた再利用サイクルを完成させることもできる。

【００２０】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態につい
て、いくつかの例を挙げて説明する。 ［実施例１］二酸化ケイ素として２０重量％のケイ酸ソ
ーダ水溶液１ｍ³と、２５００ｍｏｌ／ｍ³の硫酸０．５
ｍ³とを混合機中に投入して、撹拌、混合することによ
り、ｐＨ９のシリカゾルを調製した後、直ちに空気中に
噴霧、飛散させて液滴化し、液滴となったシリカゾルを
空中でゲル化させ、球状粒子を得た。

【００２１】この球状粒子を３５０ｍｏｌ／ｍ³の硫酸
水溶液１．５ｍ³中に投入し、過剰のアルカリ分を酸で
中和処理した。続いて、ｐＨ４、２０℃の硫酸水溶液４
ｍ³を用いて水洗重合処理を実施した。

【００２２】続いて、温風乾燥機１５０℃により１２時
間乾燥処理を施した。その結果、比表面積６５０ｍ²／
ｇ、細孔容積０．７３ｍｌ／ｇの球状シリカゲル粒子を
得ることができた。できたシリカゲルを、ふるいにより
４．００〜１．７０ｍｍ、２．３６〜１．１８ｍｍ、お
よび１．７０〜０．８５ｍｍに調整した。

【００２３】この球状シリカゲル粒子を、電気炉におい
て１０５０℃までの昇温時間を１０時間とし、昇温後同
温度で２時間焼成を行い、球状シリカ発泡体を得た。こ
のシリカ発泡体を５００ｍｌメスシリンダーに充填して
充填密度の測定を行った。その結果、充填密度は下記表
１に示すような結果となった。

【００２４】

【表１】

【００２５】また、上記シリカ発泡体をカッターでカッ
トし、その断面を電子顕微鏡により確認した。その結
果、このシリカ発泡体の内部全体が均一に発泡して三次
元的な網目状構造を形成している良好な発泡体であるこ
とを確認した。 ［実施例２］上記実施例１において、焼成時の温度条件
を１０５０℃としていたところを、１０００℃に変更
し、それ以外は、上記実施例１と同条件、同手順でシリ
カ発泡体を製造した。

【００２６】実施例１と同様の方法で充填密度の測定を
行った結果、充填密度は下記表２に示すような結果とな
った。

【００２７】

【表２】

【００２８】また、上記シリカ発泡体の断面を電子顕微
鏡により確認した結果、このシリカ発泡体の内部全体が
均一に発泡して三次元的な網目状構造を形成している良
好な発泡体であることを確認した。 ［実施例３］上記実施例１において、焼成時の温度条件
を１０５０℃としていたところを１１００℃に、１１０
０℃までの昇温時間を８時間に変更し、それ以外は、上
記実施例１と同条件、同手順でシリカ発泡体を製造し
た。

【００２９】実施例１と同様の方法で充填密度の測定を
行った結果、充填密度は下記表３に示すような結果とな
った。

【００３０】

【表３】

【００３１】また、上記シリカ発泡体の断面を電子顕微
鏡により確認した結果、このシリカ発泡体の内部全体が
均一に発泡して三次元的な網目状構造を形成している良
好な発泡体であることを確認した。 ［実施例４］上記実施例１において製造した球状シリカ
ゲルを使用し、窯業用トンネル炉（重油炉）で焼成時の
温度条件を１０１０〜１０５０℃および１０３０〜１０
７０℃、各焼成時の温度条件までの昇温時間を１１時間
とし、昇温後同温度で３時間焼成を行った。

【００３２】実施例１と同様の方法で充填密度の測定を
行った結果、充填密度は下記表４に示すような結果とな
った。

【００３３】

【表４】

【００３４】また、上記シリカ発泡体の断面を電子顕微
鏡により確認した結果、このシリカ発泡体の内部全体が
均一に発泡して三次元的な網目状構造を形成している良
好な発泡体であることを確認した。 ［実施例５］上記実施例１において、シリカゲルの粒子
径を１．００〜０．５０ｍｍに調整した物を使用して、
１０５０℃までの昇温時間を５時間に変更し、昇温後同
温度で３時間焼成を行った。

【００３５】実施例１と同様の方法で充填密度の測定を
行った結果、充填密度は下記表５に示すような結果とな
った。

【００３６】

【表５】

【００３７】また、上記シリカ発泡体の断面を電子顕微
鏡により確認した結果、このシリカ発泡体の内部全体が
均一に発泡して三次元的な網目状構造を形成している良
好な発泡体であることを確認した。ただ、ほんのわずか
ではあるが、隣接する発泡体同士が表面でくっつき合っ
て塊になった物が見受けられた。

【００３８】［実施例６］上記実施例１において、焼成
時の温度条件を１０５０℃としていたところを、１２０
０℃に変更し、それ以外は、上記実施例１と同条件、同
手順でシリカ発泡体を製造した。

【００３９】実施例１と同様の方法で充填密度の測定を
行った結果、充填密度は下記表６に示すような結果とな
った。

【００４０】

【表６】

【００４１】また、上記シリカ発泡体の断面を電子顕微
鏡により確認した結果、このシリカ発泡体の内部全体が
均一に発泡して三次元的な網目状構造を形成していた
が、隣接する発泡体同士が表面でくっつき合って塊にな
った物が見受けられるようになった。

【００４２】［比較例］上記実施例１において、焼成時
の温度条件を１０５０℃としていたところを、１２５０
℃および１３５０℃に変更し、昇温時間を１１時間、昇
温後同温度で３時間焼成を行った。

【００４３】得られたシリカ発泡体は、隣接する発泡体
同士が表面でくっつき合った塊が顕著になったため、充
填密度の測定は不可能となった。また、中空体の発現頻
度は、焼成温度が１２５０℃の時より１３５０℃の方が
多くなった。以上、本発明の実施形態について、いくつ
かの実施例を挙げて説明したが、本発明は上述の実施例
に限定されず、この他にも種々の形態で実施することが
できる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 春日井 八郎 岐阜県恵那郡山岡町原1532番地の80 カネ キ工業株式会社内 Ｆターム(参考） 4G019 GA02 4G072 AA25 AA28 BB02 BB15 CC04 CC10 GG03 HH17 HH18 HH19 HH22 JJ13 MM01 MM23 MM31 MM36 PP17

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】アルカリ金属ケイ酸塩と無機酸とを混合す
   ることによって生成するシリカゾルを、アルカリ性条件
   下でゲル化させてシリカヒドロゲルを生成し、 該シリカヒドロゲルに含まれる過剰なアルカリを酸で中
   和し、さらに水洗重合処理を施して、乾燥することによ
   り、比表面積４５０〜８００ｍ²／ｇ、細孔容積０．３
   ０〜０．６０ｍｌ／ｇ、平均粒子径０．５〜６．０ｍｍ
   のシリカゲル粒子を作製し、 該シリカゲル粒子を温度条件が９７０℃以上１２００℃
   以下で焼成することにより、前記シリカゲル粒子を発泡
   させることを特徴とするシリカ発泡体の製造方法。
2. 【請求項２】前記焼成時の温度条件が、９７０℃以上１
   １００℃以下であることを特徴とする請求項１に記載の
   シリカ発泡体の製造方法。
3. 【請求項３】前記アルカリ金属ケイ酸塩と前記無機酸と
   をアルカリ性となる混合比で混合してアルカリ性のシリ
   カゾルを生成するとともに、該シリカゾルを空間中に飛
   散させて液滴化することにより、該液滴を前記空間中で
   ゲル化させることを特徴とする請求項１または請求項２
   に記載のシリカ発泡体の製造方法。