JP2005022895A - Silica and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide silica having a large mode fine pore diameter, a controlled fine pore characteristics and excellent thermal resistance, water resistance or the like. <P>SOLUTION: The silica has the following properties: (a) a fine pore volume is ≥0.6 mL/g and ≤1.6 mL/g, (b) a specific surface area is 50-600 m<SP>2</SP>/g, (c) a mode fine pore diameter (Dmax) is ≥15 nm, (d) a value of Q<SP>4</SP>/Q<SP>3</SP>in a solid-state Si-NMR (nuclear magnetic resonance) spectrum of the silica is ≥3 and (e) the silica is amorphous. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規なシリカ及びその製造方法に関する。詳しくは、耐水熱性に優れ、且つ、比較的大きな細孔径の細孔を有する、新規なポーラス状シリカ及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
シリカは、古くから乾燥剤として広く用いられてきたポーラス材料であるが、最近ではその用途が触媒担体,分離剤,吸着剤等へと広がっており、こうした用途の広がりに応じて、シリカの性能に対する要求も多様化している。シリカの性能は、シリカの表面積、細孔径、細孔容積、細孔径分布等の物性によって決定されるが、これらの物性はシリカの製造条件によって大きく影響される。
【0003】
「シリカ」とは、無水ケイ酸と含水ケイ酸の両方を示す。例えば無水ケイ酸としては、石英、トリディマイト、クリストバル石、コーサイト、スティショフ石、石英ガラスなどが挙げられる。そして含水ケイ酸としては、シリカヒドロゾルをゲル化し乾燥させて得られる、いわゆる非晶質の「シリカゲル」以外に、コロイダルシリカ、シリケートオリゴマー、そして有機物等を鋳型として形成された、例えばモービル社製:MCM−41のようなタイプのシリカ(いわゆる、ミセルテンプレート型シリカ)等が挙げられる。また「シリカゲル」の原料としては、水ガラスやアルコキシシラン類が挙げられる。
【0004】
ポーラス材料であるシリカの製造方法としては、これまでシリカヒドロゲルを水熱処理して細孔特性を制御する方法等が広く知られている。このシリカヒドロゲルの原料としては、例えばケイ酸ソーダ、いわゆる水ガラスを用いる方法が広く行なわれてきた。
【0005】
最頻細孔直径(Dmax)が例えば15nm以上と、細孔直径が比較的大きなシリカを製造する際には、一般的に、シリカヒドロゲルを高温または高pHの条件下で水熱処理する方法等が知られている。シリカのアルカリ金属やアルカリ土類金属等の不純物(以下「アルカリ金属不純物」と総称する。)は、主として原料の水ガラスに由来するものであり、水ガラスを硫酸等の酸で中和し、中和塩を含んだヒドロゲルとした段階で水洗により洗浄除去される。しかし、完全に除去することは不可能であり、シリカヒドロゲル中には数十〜数百ppmのアルカリ金属不純物が残存してしまう。
【0006】
そして、この水洗の後に行なう細孔制御のための水熱処理のpH条件が、比較的小さな細孔直径のシリカを得る条件である酸性又は中性の時には、水熱処理時においても幾らかのアルカリ金属不純物が抽出除去され、製品であるポーラスシリカ中に残存するアルカリ金属不純物含有量は、数十ppm程度まで下げることが出来る。
【0007】
しかし、先述した様な、比較的大きな細孔直径のシリカを得る際の水熱処理のpH条件はアルカリ性である為、シリカヒドロゲル中のアルカリ金属不純物は抽出除去され難い。そして、この水熱処理時のpH調整にNaOH等のアルカリ成分が使用された場合、更にこの水熱処理系内にアルカリ金属やアルカリ土類金属が持ち込まれることになり、ポーラスシリカ製品中のアルカリ金属不純物量も非常に高くなるという課題があった。また、アンモニア水等のアルカリ金属を含まないpH調整剤を使用した場合でも、高温・高pHの水熱処理条件においてはシリカ表面の溶解析出反応が非常に活発となるために、シリカヒドロゲルに残存していた原料由来のアルカリ金属不純物がシリカヒドロゲルより溶出する前にシリカのミクロ細孔が封孔し、製品中にアルカリ金属不純物が残留してしまうという課題があった。
【0008】
なお、この不純物を、後にポーラスシリカ製品を酸洗浄するなどの方法によって除去しようとしても、アルカリ金属不純物をほぼ完全に除去することは非常に困難である。更に、水熱処理時のpH調整剤としてアルカリ金属やアルカリ土類金属の化合物を用いた場合の残留アルカリ金属不純物も、同様の方法による除去は困難である。
【0009】
このように、従来の細孔直径が比較的大きなポーラスシリカは、細孔直径の小さなポーラスシリカと比較して、アルカリ金属不純物量が多いという課題があった。アルカリ金属不純物は、高温・高圧等の厳しい条件下でポーラスシリカを使用した際に、シリカ骨格中のシロキサン結合を開裂・再結合させる触媒として作用し、焼結温度の低下や高水熱条件下でのシリカ溶解・析出を促進させる触媒として作用し、果ては細孔構造を変化させるため、結果的にアルカリ金属不純物の多いシリカは物性変化しやすくなり、細孔特性の早期の劣化を招くという課題があった。
【0010】
これに対し、金属不純物含有量の低い高純度なポーラスシリカを得る方法として、シリコンアルコキシドを加水分解してシリカヒドロゲルとし、これを水熱処理する方法が知られている(例:非特許文献1)。この方法だと、原料由来の不純物量を低く抑えることが可能となるので、先述のようなアルカリ金属不純物による影響も低減される。しかし、この様なシリコンアルコキシド由来のポーラスシリカの製造方法でも、細孔直径分布の広がりを抑えた、細孔制御されたポーラスシリカを得ることは出来ていなかった。
【0011】
また、その他、高純度のポーラスシリカの製造方法として、有機または無機テンプレートを使用する方法が知られており、この方法では細孔分布制御性に優れ、先述の様な、Dmaxが15nm以上のポーラスシリカ(ミセルテンプレートシリカ)が得られる(例:非特許文献2)。しかし、この方法によって得られたポーラスシリカは、細孔分布は制御されておりシャープであるものの、細孔壁が非常に薄く耐水熱性の面で課題があり、更には製造工程が複雑である為、生産性が低いという課題があった。
【0012】
【非特許文献1】
Colloids Surfaces 63, 33(1992)
【非特許文献2】
Langmuir 16(2), 356 (2000)
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
この様に、Dmaxが比較的大きく、細孔径分布が狭く制御され、高純度で且つ耐水熱性に優れたポーラス材料、とりわけポーラスシリカとその製造方法が望まれていたが、未だ満足のゆくポーラスシリカ及びその製造方法は提供されていなかった。
【0014】
本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、最頻細孔直径(Dmax)が15nm以上と比較的大きく、制御された細孔特性を有し、且つ耐水熱性にも優れたポーラスシリカ、及びその製造方法を提供することに存する。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意検討した結果、特定の細孔特性を有し、且つシリカ骨格に於ける固体Si−NMRでのQ/Q値の値が特定以上であるポーラスシリカが、上記課題を解決するとの知見を得た。更には、原料にシリコンアルコキシドを用い、これを加水分解して得られたヒドロを、実質的に熟成すること無しに、特定条件下の水熱処理工程へ供することにより、上述したような優れた性質を有する新規なシリカを、生産性良く工業的に提供出来ることを見出し、本発明を完成するに至った。
【0016】
すなわち、本発明の要旨は、以下の特性を備えたことを特徴とする、シリカに関する。
(a)細孔容積が0.6ml/g以上、1.6ml/g以下
(b)比表面積が50〜600m/g
(c)最頻細孔直径(Dmax)が15nm以上
(d)固体Si−NMRでのQ/Q値が3以上
(e)非結晶質であること
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明につき詳細に説明する。
(1) 本発明のシリカの特徴
本発明において「シリカ」とは含水ケイ酸のことを指す。含水ケイ酸は、SiO・nHOの示性式で表される。本発明では後述するように、シリカの中でもいわゆる「シリカゲル」やミセルテンプレート型シリカ等に於いて、その効果が顕著である。
【0018】
本発明のシリカは、細孔容積及び比表面積が通常の値よりも大きい範囲に存在することを特徴とする。具体的には、細孔容積の値が、通常0.6ml/g以上、中でも好ましくは0.7ml/g以上であり、また、通常1.6ml/g以下、中でも好ましくは1.5ml/g以下である。
【0019】
また、比表面積の値は、通常50m/g以上、更に好ましくは100m/g以上、中でも好ましくは200m/g以上、また、通常600m/g以下、更に好ましくは450m/g以下、中でも好ましくは350m/g以下、特に好ましくは290m/g以下である。これらの細孔容積及び比表面積は、窒素ガス吸脱着によるBET法で測定される。
【0020】
更に、本発明のシリカは、窒素ガス吸脱着法で測定した等温脱着曲線から、E.P. Barrett, L. G. Joyner, P. H. Haklenda, J. Amer. Chem. Soc., vol. 73,373 (1951) に記載のBJH法により算出される細孔分布曲線、即ち、細孔直径d(nm)に対して微分窒素ガス吸着量(ΔV/Δ(logd);Vは窒素ガス吸着容積)をプロットした図上での最頻細孔直径(Dmax)が、15nm以上であることを特徴とする。このことは、本発明のシリカゲルの最頻直径(Dmax)が、通常のシリカゲルより大きい範囲のものであることを意味する。中でも16nm以上が好ましく、特に17nm以上が好ましい。上限は特に制限されないが、通常は50nm以下、好ましくは40nm以下、特に好ましくは30nm以下である。
【0021】
加えて、本発明のシリカは、上記の最頻直径(Dmax)の値の±20%の範囲にある細孔の総容積が、全細孔の総容積の通常50%以上、好ましくは60%以上、更に好ましくは70%以上である。このことは、本発明のシリカが有する細孔の直径が、最頻直径(Dmax)付近の細孔で揃っていること、つまり細孔径の分布が極めて狭い(シャープである)ことを意味する。なお、この比の値の上限は特に制限されないが、通常は90%以下である。
【0022】
かかる特徴に関連して、本発明のシリカは、上記のBJH法により算出された最頻直径(Dmax)における微分細孔容積ΔV/Δ(logd)が、通常2ml/g以上、中でも3ml/g以上、特に5ml/g以上であることが好ましく、通常20ml/g以下、中でも12ml/g以下であることが好ましい(なお、上式において、dは細孔直径(nm)であり、Vは窒素ガス吸着容積である)。微分細孔容積ΔV/Δ(logd)が前記範囲に含まれるものは、最頻直径(Dmax)の付近に揃っている細孔の絶対量が極めて多いものと言える。
【0023】
また、本発明のシリカは、以上の細孔構造の特徴に加えて、その三次元構造を見るに、非結晶質である、即ち、結晶性構造が認められないという特徴を有する。このことは、本発明のシリカがいわゆる「シリカゲル」に該当するものであって、X線回折で分析した場合に、結晶性ピークが実質的に認められないことを意味する。なお、本明細書において非結晶質でないシリカとは、X線回折パターンで6オングストローム(Å Units d−spacing)を越えた位置に、少なくとも一つの結晶構造のピークを示すものを指す。非結晶質のシリカは、結晶性のシリカに較べて、水中熱安定性が高い上に、極めて生産性に優れている。
【0024】
更に、本発明のシリカの構造に関しては、固体Si−NMR測定による分析でも特徴ある結果が得られる。即ち、固体Si−NMR測定では、本発明のシリカの、−OSiが3個結合したSi(Q)と−OSiが4個結合したSi(Q)とのモル比を示すQ/Qの値が、通常3以上、好ましくは3.5以上である。なお、上限値は特に制限されないが、通常は10以下である。一般に、この値が高い程、シリカの熱安定性が高いことが知られており、ここから本発明のシリカは、熱安定性に極めて優れていることが判る。これに対して、結晶性のミセルテンプレートシリカの中には、Q/Qの値が1.2を下回るものがあり、熱安定性、特に水熱安定性が低い。
【0025】
/Qの値は、実施例の説明において後述する方法を用いて固体Si−NMR測定を行ない、その結果に基づいて算出することができる。また、測定データの解析(ピーク位置の決定)は、例えば、ガウス関数を使用した波形分離解析等により、各ピークを分割して抽出する方法で行なう。
【0026】
また、本発明のシリカは、シリカの骨格を構成するケイ素を除いた金属元素(金属不純物)の合計の含有率の値が、特に限定される訳ではないが、低く抑えられ、高純度であることが好ましい。具体的には、通常100ppm以下、好ましくは50ppm以下、更に好ましくは10ppm以下、特に好ましくは5ppm以下、最も好ましくは1ppm以下の範囲が好適である。このように、金属不純物の含有率を低く抑え、その影響を少なくすることによって、本発明のシリカは高い耐熱性や耐水性などの優れた性質をより一層発現できるようになる。
【0027】
また、本発明のシリカは、水中での加熱処理(耐水熱試験)を施されても、細孔特性の変化が少ないことが、その特徴の一つとして挙げられる。耐水熱試験後におけるシリカの細孔特性の変化は、例えば比表面積、細孔容積、細孔径分布などの多孔性に関する物性の変化として観察される。例えば、本発明のシリカにおいては、280℃、24時間の耐水熱試験をした際、該試験後の比表面積が該試験前の比表面積に対して20%以上(比表面積残存率が20%以上)であることが好ましい。この様な特性を有する本発明のシリカは、例えば触媒担体等として長時間の厳しい使用条件下においても、多孔性の特徴が失われないので好ましい。この比表面積の残存率は、中でも35%以上、特に50%以上であることが好ましい。
【0028】
そして、本発明のシリカは、この耐水熱処理試験後においても、細孔径分布がシャープであるという特性の劣化が極めて少なく、且つ、細孔容積の変化が極めて少ないか、或いは、細孔容積が増加するという、従来のシリカにはない特徴を有する。
【0029】
なお、本発明に於ける耐水熱試験とは、密閉系内に於いて、特定温度(200℃)の水とシリカを一定時間(6時間)接触させることであり、本発明のシリカの全てが水中に存在するのであれば、密閉系内が全て水で満たされていても、また、系内の一部が加圧下の気相部を有し、この気相部に水蒸気があってもよい。この場合の気相部の圧力は、例えば60000hPa以上、好ましくは63000hPa以上であればよい。なお、特定温度の誤差は通常±5℃以内、中でも±3℃以内、特に±1℃以内とするのが好ましい。
【0030】
(2) 本発明のシリカの製造方法
以上説明した物性を有する本発明のシリカは、シリカヒドロゲルを実質的に熟成することなくそのまま水熱処理するとともに、後述する様な特定条件の下で水熱処理を行なうことによって得られる。
【0031】
本発明のシリカゲルを製造するに際し、その原料となるシリカヒドロゲルを得る方法としては、任意のものが使用できる。例えば、珪酸アルカリ塩を加水分解して得る方法、またはシリコンアルコキシドを加水分解して得る方法が挙げられる。中でも、シリコンアルコキシドを加水分解して得られるシリカヒドロゲルは、その原料であるシリコンアルコキシドの高純度化が可能であり、シリカヒドロゲルへの不純物の混入を容易に防止できるので好ましい。
【0032】
本発明のシリカの原料として使用されるシリコンアルコキシドの具体例としては、トリメトキシシラン、テトラメトキシシラン、トリエトキシシラン、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等の炭素数1〜4の低級アルキル基を有するトリ又はテトラアルコキシシラン或いはそれらのオリゴマーが挙げられる。中でも、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン及びそれらのオリゴマー、特にテトラメトキシシランやそのオリゴマーを用いると、良好な細孔特性を有するシリカが得られるので好ましい。その主な理由としては、シリコンアルコキシドは蒸留により容易に精製し、高純度品が得られるので、高純度のシリカの原料として好適であることが挙げられる。シリコンアルコキシド中のアルカリ金属又はアルカリ土類金属に属する金属元素(金属不純物)の総含有量は、通常100ppm以下、中でも50ppm以下、更には10ppm以下、特に1ppm以下が好ましい。これらの金属不純物の含有率は、一般的なシリカ中の不純物含有率の測定法と同じ方法で測定できる。
【0033】
本発明では、先ず、加水分解・縮合工程において、触媒の不存在下にシリコンアルコキシドを加水分解すると共に得られたシリカヒドロゾルを縮合してシリカヒドロゲルを形成する。
【0034】
シリコンアルコキシドの加水分解は、シリコンアルコキシド1モルに対して、通常2モル倍以上、好ましくは3モル倍以上、特に好ましくは4モル倍以上、また、通常20モル倍以下、好ましくは10モル倍以下、特に好ましくは8モル倍以下の水を用いて行なう。シリコンアルコキシドの加水分解により、シリカのヒドロゲルとアルコールとが生成し、生成したシリカヒドロゾルは逐次縮合してシリカヒドロゲルとなる。
【0035】
加水分解時の温度は、通常室温以上、100℃以下であるが、加圧下で液相を維持することで、より高い温度で行なうことも可能である。加水分解に要する反応時間は反応液組成(シリコンアルコキシドの種類や、水とのモル比)並びに反応温度に依存し、ゲル化するまでの時間が異なるので、一概には規定されない。この反応時間は、本発明のシリカのように細孔特性に優れたシリカを得る為には、ヒドロゲルの破壊応力が6MPaを越えない時間であることが好ましい。
【0036】
なお、この加水分解反応系に、触媒として、酸、アルカリ、塩類などを添加することで加水分解を促進させることができる。しかしながら、かかる添加物の使用は、後述のように、生成したヒドロゲルの熟成を引き起こすことになるので、本発明のシリカゲルの製造においてはあまり好ましいことではない。
【0037】
上述したシリコンアルコキシドの加水分解に際しては、攪拌を充分に行なうことが重要となる。例えば、回転軸に攪拌翼を備えた攪拌装置を用いた場合、その攪拌速度(回転軸の回転数)としては、攪拌翼の形状・枚数・液との接触面積等にもよるが、通常は30rpm以上、好ましくは50rpm以上である。
【0038】
また、この攪拌速度は、一般的に速過ぎると、槽内で生じた飛沫が各種のガスラインを閉塞させたり、また反応器内壁に付着して熱伝導を悪化させ、物性制御に重要な温度管理に影響を及ぼしたりする場合がある。更に、この内壁の付着物が剥離し、製品に混入して品質を悪化させる場合もある。この様な理由から、攪拌速度は2000rpm以下、中でも1000rpm以下であることが好ましい。
【0039】
本発明に於いて、分液している二液相(水相、及びシリコンアルコキシド相)の攪拌方法は、反応を促進させる方法であれば任意の攪拌方法を用いることが出来る。中でも、この二液相をより混合させるような装置としては、例えば以下の▲1▼、▲2▼が挙げられる。
【0040】
▲1▼:回転軸が液面に対し垂直又は僅かに角度を持って挿入され、上下に液の流動が生じる攪拌翼を有する装置。
▲2▼:回転軸方向を二液相の界面と略平行に設け、二液相間に攪拌を生じさせる攪拌翼を有する攪拌装置。
【0041】
上述した▲1▼、▲2▼の様な装置を用いた際の攪拌翼の回転速度は、攪拌翼の周速度(攪拌翼先端速度)で、0.05〜10m/s、中でも0.1〜5m/s、さらには0.1〜3m/sであることが好ましい。
【0042】
攪拌翼の形状や長さ等は任意であり、攪拌翼としては例えばプロペラ型、平羽根型、角度付平羽根型、ピッチ付平羽根型、平羽根ディスクタービン型、湾曲羽根型、ファウドラー型、ブルマージン型等が挙げられる。
【0043】
翼の幅、枚数、傾斜角等は反応器の形状、大きさ、目的とする攪拌動力に応じて適宜選定すればよい。たとえば反応器の槽内径(回転軸方向に対して垂直面を形成する液相面の最長径)に対する翼幅(回転軸方向の翼の長さ)の比率(b/D)は0.05〜0.2、傾斜角(θ)90゜±10゜、翼枚数3〜10枚の攪拌装置が好適な例として挙げられる。
【0044】
中でも、上述の回転軸を反応容器内の液面よりも上に設け、この回転軸から伸ばした軸の先端部分に攪拌翼を設ける構造が、攪拌効率及び設備メンテナンスの観点から好適に使用される。
【0045】
なお、結晶構造を有するシリカは、水中熱安定性に乏しくなる傾向にあり、ゲル中に細孔を形成するのに用いられる界面活性剤等のテンプレートの存在下でシリコンアルコキシドを加水分解すると、ゲルは容易に結晶構造を含むものとなる。従って、本発明においては、界面活性剤等のテンプレートの非存在下で、すなわち、これらがテンプレートとしての機能を発揮するほどの量は存在しない条件下で加水分解するのが好ましい。
【0046】
上記のシリコンアルコキシドの加水分解反応では、シリコンアルコキシドが加水分解してシリカヒドロゾルが生成するが、引き続いて該シリカヒドロゾルの縮合反応が起こり、反応液の粘度が上昇し、最終的にゲル化してシリカヒドロゲルとなる。
【0047】
次いで、本発明では、物性調節工程として、上記の加水分解により生成したシリカヒドロゲルの硬さが上昇しないように、実質的に熟成することなく、シリカヒドロゲルの水熱処理を行なう。シリコンアルコキシドを加水分解すると、軟弱なシリカヒドロゲルが生成する。従来技術にあるように、このヒドロゲルの物性を安定させるべく、熟成、あるいは乾燥させ、次いで水熱処理を施すという方法では、本発明のシリカを製造することは困難である。
【0048】
上記にある、加水分解により生成したシリカヒドロゲルを、実質的に熟成することなく、直ちに水熱処理を行なうということは、シリカヒドロゲルが生成した直後の軟弱な状態が維持されたままで、次の水熱処理に供するようにするということを意味する。
【0049】
具体的には、シリカヒドロゲルが生成した時点から、一般的には10時間以内に水熱処理することが好ましく、中でも8時間以内、更には6時間以内、特に4時間以内にシリカヒドロゲルを水熱処理することが好ましい。
【0050】
また、工業用プラント等に於いては、大量に生成したシリカヒドロゲルを一旦サイロ等に貯蔵し、その後水熱処理を行なう場合が考えられる。この様な場合、シリカヒドロゲルは、シリカヒドロゲルが生成してから水熱処理に供されるまでの時間、いわゆる放置時間が、上述の範囲を超える場合が考えられる。この様な場合には、熟成が実質的に生じないように、サイロ内での静置中に、例えばシリカヒドロゲル中の液体成分が乾燥しないようにすればよい。
【0051】
具体的には、例えば、サイロ内を密閉したり、湿度を調節したりすればよい。また、水やその他の溶媒にシリカヒドロゲルを浸した状態で、シリカヒドロゲルを静置してもよい。
【0052】
静置の際の温度は、できるだけ低くすることが好ましく、例えば50℃以下、中でも35℃以下、特に30℃以下で静置することが好ましい。また、熟成が実質的に生じないようにする別の方法としては、シリカヒドロゲル中のシリカ濃度が低くなるように、予め原料組成を制御してシリカヒドロゲルを調製する方法が挙げられる。
【0053】
シリカヒドロゲルを実質的に熟成せずに水熱処理することにより奏する効果と、この効果が得られる理由を考察すると、以下のことが考えられる。
【0054】
まず、シリカヒドロゲルを熟成させると、−Si−O−Si−結合によるマクロ的網目構造が、シリカヒドロゲル全体に形成されると考えられる。この網目構造がシリカヒドロゲル全体に有ることで、水熱処理の際、この網目構造が障害となり、メソポーラスの形成が困難となることが考えられる。またシリカヒドロゲル中のシリカ濃度が低くなるように、予め原料組成を制御して得られたシリカヒドロゲルは、静置中に生ずるシリカヒドロゲルにおける架橋の進行を抑制できる。その為、シリカヒドロゲルが熟成しないと考える。
【0055】
よって、本発明では、シリカヒドロゲルを熟成することなく、水熱処理を行なうことが重要である。
【0056】
シリコンアルコキシドの加水分解反応系に酸、アルカリ、塩類等を添加すること、又は該加水分解反応の温度を厳しくし過ぎることなどは、ヒドロゲルの熟成を進行させるという点からも好ましくない。また、加水分解後の後処理における水洗、乾燥、放置などにおいて、必要以上に温度や時間をかけるべきではない。
【0057】
更に、シリコンアルコキシドの加水分解で得られたシリカヒドロゲルは、水熱処理を行なうまえに、これを平均粒径1mm以下、中でも0.5mm以下となるよう、粉砕処理等を施すことが好ましい。
【0058】
水熱処理に供するシリカヒドロゲルの粒子径が大きすぎると、水熱処理が均一に進行せず、細孔径分布がブロードになったり、また細孔容積が小さくなったりする場合がある。
【0059】
また、逆に粒子径が小さすぎると、粉砕によってシリカヒドロゲルの均一構造が破壊されるため、水熱処理の適正な効果が得られず、細孔径分布がブロードになったり、細孔容積が小さくなったりする場合がある。
【0060】
例えば、塔や管に本発明のシリカゲルを充填し、有害物質の吸着剤や触媒等の用途では、粒径1mm以上の粒子が、塔や管内部に気体や液体を流通させた際の流れを妨げず、例えば気体などの際には圧力損失を小さくできるので好ましい。
【0061】
この様に粒子径の大きなシリカゲルを所望する際には、先述したシリカヒドロゲルの粉砕処理によって、粉砕後の粒径を、所望の大きさとしておき、次いでこれを水熱処理することが好ましい。
【0062】
上述の通り、本発明のシリカの製造方法としては、シリカヒドロゲルの生成の直後に、直ちにこれを水熱処理する方法が重要である。但し、本発明の製造方法に於いては、水熱処理するシリカヒドロゲルが熟成していなければよいので、例えば暫時低温下で静置した後に水熱処理するなど、必ずしもシリカヒドロゲルの生成直後、直ちにこれを水熱処理することを必要としない。
【0063】
このように、シリカヒドロゲルの生成の直後、直ちにこれを水熱処理しない場合には、例えばシリカヒドロゲルの熟成状態を具体的に確認してから水熱処理を行なえばよい。ヒドロゲルの熟成状態を具体的に確認する手段は任意であるが、例えば、後述の実施例に示すような方法で測定したヒドロゲルの硬度を参考にする方法が挙げられる。即ち、先述したとおり、この破壊応力が通常6Mpa以下、好ましくは3MPa以下、特に好ましくは2MPa以下の柔らかい状態のヒドロゲルを水熱処理することで、本発明で規定する物性範囲のシリカを得ることができる。
【0064】
この水熱処理の条件としては、水の状態が液体、気体のいずれでもよいが、中でも、液体の水を使い、シリカヒドロゲルに加えてスラリー状として、水熱処理を行なうことが好ましい。水熱処理においては、まず、処理するシリカヒドロゲルに、シリカヒドロゲルの重量に対して通常0.1重量倍以上、好ましくは0.5重量倍以上、特に好ましくは1重量倍以上、また、通常10重量倍以下、好ましくは5重量倍以下、特に好ましくは3重量倍以下の水を加えてスラリー状とする。そしてこのスラリーを、通常150℃以上、好ましくは200℃以上、また、通常250℃以下、好ましくは240℃以下の温度で、通常0.1時間以上、好ましくは1時間以上、また、通常100時間以下、好ましくは10時間以下にわたって、水熱処理を行なう。水熱処理の温度が低すぎると、細孔径の分布がシャープになり難く、また、細孔径を大きくすることも困難となる場合がある。
【0065】
本発明においては、シリカの細孔径を大きなものとするために、水熱処理を行なう際の条件として、シリカ周辺の水濃度(水熱処理液における水濃度)を高くして水熱処理を行なうことが重要となる。
【0066】
本発明のシリカを得るための水熱処理条件としては、シリカ周辺の水濃度を、通常80%以上、好ましくは85%以上、より好ましくは90%以上、特に好ましくは95%以上と、通常よりも高い値とすることが好ましい。
【0067】
例えば、シリコンアルコキシドを用いて得られたヒドロゲルを水熱処理する場合、このようなヒドロゲルには、シリコンアルコキシドの加水分解によって生じたアルコール類がヒドロゲル中に存在する。よって、この様なヒドロゲルを水熱処理する際には、水熱処理前にこれらのアルコール類を除去することが好ましい。具体的には、この様なヒドロゲルを水洗した後に水熱処理に供すればよい。
【0068】
水熱処理液の水濃度が高いと細孔径が大きくなる理由は明らかではないが、大凡、以下の様に考えることができる。
水熱処理によってヒドロゲル中のシリカ成分は凝集し縮合する。この変化における水の働きは、シリカと液体成分を相分離させることにある。水は強い水素結合によってシリカ同士を結びつけて近づける働きがあるのに加え、水同士で集まる傾向がある。こうした水の働きによって、径の大きな細孔が形成されるものと推測される。
【0069】
但し、アルコールはこうした水の働きを阻害する働きがあるので、水熱処理液中にはこの様なアルコール類は出来る限り存在しない方が好ましい。具体的には、アルコールは通常20%以下、中でも15%以下の条件とすることが好ましい。
【0070】
また、メンブランリアクターなどを作る目的で、シリカを膜状あるいは層状に粒子、基板、あるいは管などの基体上に形成させた材料の場合にも、この水熱処理方法は適用される。なお、加水分解反応の反応器を用い、続けて温度条件変更により水熱処理を行なうことも可能であるが、加水分解反応とその後の水熱処理では最適条件が通常は異なっているため、この様に水を新たに加えないで行なう方法では、本発明のシリカを得ることは一般的には難しい。
【0071】
以上の水熱処理の条件において、温度を高くすると、得られるシリカの径、細孔容積が大きくなる傾向がある。水熱処理温度としては、100〜200℃の範囲であることが好ましい。また、処理時間とともに、得られるシリカの比表面積は、一度極大に達した後、緩やかに減少する傾向がある。以上の傾向を踏まえて、所望の物性値に応じて条件を適宜選択する必要があるが、水熱処理は、シリカの物性を変化させる目的なので、通常、前記の加水分解の反応条件より高温条件とすることが好ましい。
【0072】
なお、ミクロ構造的な均質性に優れる本発明のシリカを製造するためには、水熱処理の際に、反応系内の温度が5時間以内に目的温度に達する様に、速い昇温速度条件とすることが好ましい。具体的には、槽に充填して処理される場合、昇温開始から目標温度到達までの平均昇温速度として、0.1〜100℃/min、中でも0.1〜30℃/min、特に0.2〜10℃/minの範囲の値を採用するのが好ましい。
【0073】
熱交換器などを利用した昇温方法や、あらかじめ作っておいた熱水を仕込む昇温方法なども、昇温速度を短縮することができて好ましい。また、昇温速度が上記範囲であれば、段階的に昇温を行なってもよい。反応系内の温度が目的温度に達するまでに長時間を要した場合には、昇温中にシリカヒドロゲルの熟成が進み、ミクロ構造的な均質性が低下する恐れがある。
【0074】
上記の目的温度に達するまでの昇温時間は、好ましくは4時間以内、更に好ましくは3時間以内である。昇温時間の短縮化のため、水熱処理に使用する水を予熱することもできる。
【0075】
水熱処理の温度、時間を上記範囲外に設定すると、本発明のシリカを得ることが困難となる。例えば、水熱処理の温度が高すぎると、シリカの細孔径、細孔容積が大きくなりすぎ、また、細孔分布も広がる。逆に、水熱処理の温度が低過ぎると、生成するシリカは、架橋度が低く、熱安定性に乏しくなり、細孔分布にピークが発現しなくなったり、前述した固体Si−NMRにおけるQ/Q値が極端に小さくなったりする。
【0076】
なお、本発明に於いては、シリコンアルコキシドを原料とし、これを塩酸等の触媒を用いない条件下(触媒不存在下)で加水分解して得られたシリカヒドロゲルを、アンモニア水中にて水熱処理することでも、先述した様な、細孔径の大きい、本発明のシリカゲルを得ることが出来る。
【0077】
水熱処理をアンモニア水中で行なうと、純水中で行なう場合よりも低温で同様の効果が得られる。また、アンモニア水中で水熱処理すると、アンモニアを含まない水を用いた水熱処理と比較して、最終的に得られるシリカは一般に疎水性となる。この際、水熱処理の温度を30℃以上、好ましくは40℃以上、また、250℃以下、好ましくは200℃以下という比較的高温とすると、特に疎水性が高くなる。ここでのアンモニア水のアンモニア濃度としては、好ましくは0.001%以上、特に好ましくは0.005%以上、また、好ましくは10%以下、特に好ましくは5%である。
【0078】
得られたシリカは、通常40℃以上、好ましくは60℃以上、また、通常200℃以下、好ましくは120℃以下で乾燥する。乾燥方法は特に限定されるものではなく、バッチ式でも連続式でもよく、且つ、常圧でも減圧下でも乾燥することができる。中でも、真空乾燥を行なうことで、乾燥が迅速に行なえるのみならず、得られるシリカの細孔容積、比表面積が大きくなるので好ましい。
【0079】
必要に応じ、原料のシリコンアルコキシドに由来する炭素分が含まれている場合には、通常400〜600℃で焼成除去することができる。また、表面状態をコントロールするため最高900℃の温度で焼成することもある。更に、必要に応じて粉砕、分級することで、最終的に目的としていた本発明のシリカを得る。
【0080】
(3) 本発明のシリカの用途
本発明の新規なシリカは、従来のシリカと比較して、耐熱性、耐水性に優れることから安定性が高く、且つ好ましくは高純度である。また、本発明のシリカの製造方法によれば、シリコンアルコキシドを原料とした比較的簡単な工程で、且つ、所望の物性範囲に制御されたシリカを製造することができる。
【0081】
本発明のシリカは、従来のシリカの各種用途において利用できるが、特に、触媒担体、メンブランリアクターなどとして用いた場合に、性能劣化が少なく、より安定に長時間使用することができる。
【0082】
本発明のシリカは、従来からのシリカの用途の他、いかなる用途においても利用することができる。このうち従来の用途としては、以下のようなものが挙げられる。
【0083】
例えば、産業用設備で製品の製造及び処理に用いられる用途分野においては、各種触媒及び触媒担体(酸塩基触媒、光触媒、貴金属触媒等)、廃水・廃油処理剤、臭気処理剤、ガス分離剤、工業用乾燥剤、バイオリアクター、バイオセパレーター、メンブランリアクター等の用途が挙げられる。建材用途では、調湿剤、防音・吸音材、耐火物、断熱材等の用途が挙げられる。また、空調分野の用途では、デシカント空調機用調湿剤、ヒートポンプ用蓄熱剤等が挙げられる。塗料・インク用途分野においては、艶消し剤、粘度調整剤、色度調整剤、沈降防止剤、消泡剤、インク裏抜け防止剤、スタンピングホイル用、壁紙用等の用途が挙げられる。樹脂用添加剤用途分野においては、フィルム用アンチブロッキング剤(ポリオレフィンフィルム等)、プレートアウト防止剤、シリコーン樹脂用補強剤、ゴム用補強剤(タイヤ用・一般ゴム用等)、流動性改良材、パウダー状樹脂の固結防止剤、印刷適性改良剤、合成皮革やコーティングフィルム用の艶消し剤、接着剤・粘着テープ用充填剤、透光性調整剤、防眩性調整剤、多孔性ポリマーシート用フィラー等の用途が挙げられる。また、製紙用途分野においては、感熱紙用フィラー(カス付着防止剤等)、インクジェット紙画像向上用フィラー(インク吸収剤等)、ジアゾ感光紙用フィラー(感光濃度向上剤等)、トレーシングペーパー用筆記性改良剤、コート紙用フィラー(筆記性、インク吸収性、アンチブロッキング性改良剤等)、静電記録用フィラー等の用途が挙げられる。食品用途分野においては、ビール用濾過助剤、醤油・清酒・ワイン等発酵製品のおり下げ剤、各種発酵飲料の安定化剤(混濁因子タンパクや酵母の除去等)、食品添加剤、粉末食品の固結防止剤等の用途が挙げられる。医農薬分野においては、薬品等の打錠助剤、粉砕助剤、分散・医薬用担体(分散・徐放・デリバリー性改善等)、農薬用担体(油状農薬キャリア・水和分散性改善、徐放・デリバリー性改善等)、医薬用添加剤(固結防止剤・粉粒性改良剤等)・農薬用添加剤(固結防止剤・沈降防止剤等)等が挙げられる。分離材料分野では、クロマトグラフィー用充填剤、分離剤、フラーレン分離剤、吸着剤(タンパク質・色素・臭等)、脱湿剤等の用途が挙げられる。農業用分野では、飼料用添加剤、肥料用添加剤が挙げられる。さらにその他の用途として、生活関連分野では、調湿剤、乾燥剤、化粧品添加剤、抗菌剤、消臭・脱臭・芳香剤、洗剤用添加剤(界面活性剤粉末化等)、研磨剤(歯磨き用等)、粉末消火剤(粉粒性改良剤・固結防止剤等)、消泡剤、バッテリーセパレーター等が挙げられる。
【0084】
特に、本発明のシリカは、従来のシリカと比較して細孔直径が大きいため、高い吸着・吸収容量を有する。従って、上に挙げた用途の中でも、特に大きな細孔直径や優れた耐水熱性が要求されるとともに、制御された細孔特性や、長期にわたって物性変化の少ないことが要求される分野において、好適に用いることができる。
【0085】
【実施例】
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例に制約されるものではない。
【0086】
(1) シリカの分析方法:
1−1) 細孔容積、比表面積、微分細孔容積:
カンタクローム社製AS−1にてBET窒素吸着等温線を測定し、細孔容積、比表面積を求めた。具体的には、細孔容積は相対圧P/P=0.98のときの値を採用し、比表面積はP/P=0.1,0.2,0.3の3点の窒素吸着量よりBET多点法を用いて算出した。また、BJH法で細孔分布曲線及び最頻直径(Dmax)における微分細孔容積を求めた。測定する相対圧の各点の間隔は0.025とした。
【0087】
1−2) 粉末X線回折:
理学電機社製RAD−RB装置を用いて、CuKαを線源として測定を行なった。発散スリット1/2deg、散乱スリット1/2deg、受光スリット0.15mmとした。
【0088】
1−3) 金属不純物の含有量:
試料2.5gにフッ酸を加えて加熱し、乾涸させたのち、水を加えて50mlとした。この水溶液を用いてICP発光分析を行った。なお、ナトリウム及びカリウムはフレーム炎光法で分析した。
【0089】
1−4) 固体Si−NMR測定:
Bruker社製固体NMR装置(「MSL300」)を使用するとともに、共鳴周波数59.2MHz(7.05テスラ)、7mmのサンプルチューブを用いたCP/MAS(Cross Polarization / Magic Angle Spinning)プローブの条件下で測定した。試料の回転数は5000rpsとした。
【0090】
測定データの解析(Qピーク位置の決定)は、ピーク分割によって各ピークを抽出する方法で行なう。具体的には、ガウス関数を使用した波形分離解析を行なう。この解析には、サーモガラテック(Thermogalatic)社製の波形処理ソフト「GRAMS386」を使用することができる。
【0091】
この様にピーク分割により求めたQ及びQの各ピークの面積を用い、その比(Q/Q)を求めた。
【0092】
1−5)平均粒子径
レーザー式粒度分布測定装置(セイシン企業社製 LMS−30)により測定した。
【0093】
1−6) 水中熱安定性試験:
試料に純水を加えて40重量%のスラリーを調製した。容積60mlのステンレススチール製のミクロボンベに、上記で調製したスラリー約40mlを入れて密封し、280±1℃のオイルバス中に24時間浸漬した。ミクロボンベからスラリーの一部を抜出し、濾紙(No.5A)で濾過した。濾滓を100℃で5時間真空乾燥した後、残った試料の比表面積を測定した。
【0094】
(2) シリカの製造及び評価:
・実施例1:
<加水分解・ゲル化反応>
ガラス製で、上部に大気開放の水冷コンデンサが取り付けてある5Lセパラブルフラスコ(ジャケット付き)に、純水1000gを仕込んだ。攪拌速度としては、攪拌翼先端速度2.5m/sで撹拌しながら、これにテトラメトキシシラン1400gを3分間かけて仕込んだ。用いたテトラメトキシシラン1モルに対する水のモル数(水/テトラメトキシシランのモル比)は6である。セパラブルフラスコのジャケットには50℃の温水を通水した。引き続き撹拌を継続し、内容物が沸点に到達した時点で、撹拌を停止した。引き続き約0.5時間、ジャケットに50℃の温水を通水して生成したゾルをゲル化させた。
【0095】
<粉砕反応>
その後、速やかにゲルを取り出し、目開き600ミクロンのナイロン製網を通してゲルを粉砕し、所定の平均粒子径を有する粉体状のウェットゲル(シリカヒドロゲル)を得た。
【0096】
<シリカヒドロゲルの水熱処理工程>
このシリカヒドロゲル450gと0.56%のアンモニア水450gを1Lのガラス製オートクレーブに仕込み、200℃、3時間の密閉系水熱処理を実施した。得られたシリカを濾紙(No.5A)で濾過し、濾滓を水洗することなく、100℃で恒量となるまで減圧乾燥して、実施例1のシリカとした。
【0097】
実施例1のシリカにおける金属不純物量は合計0.5ppm{うち:Na:0.2、カルシウム(Ca):0.2、カリウム(K):0.1、いずれも単位はppm}であった。
【0098】
・実施例2:
<加水分解・ゲル化反応・粉砕工程>
実施例1と同様の手順でシリカヒドロゲルを製造した後、やはり実施例1と同様の手順でシリカヒドロゲルを粉砕し、所定の平均粒子径を有する粉体状のシリカヒドロゲルを得た。
【0099】
<シリカヒドロゲルの水洗工程>
この粉砕後のシリカヒドロゲル450gと水675gをビーカーに入れて10分間攪拌後、デカンテーションによって固液分離した。この操作を合計2回繰り返した後、同量の水を加え室温で一昼夜静置し、デカンテーションによって固液分離した。
【0100】
<水熱処理工程>
このシリカヒドロゲルと水500gを、1Lのガラス製オートクレーブに仕込み、200℃で3時間の密閉系水熱処理を実施した。水熱処理後のスラリーをデカンテーションして固液分離し、液中のメタノール濃度をガスクロマトグラフィーで分析した。
【0101】
<乾燥工程>
水熱処理後、No.5A濾紙で濾過し、濾滓を水洗することなく100℃で恒量となるまで減圧乾燥し、得られたシリカ実施例2のシリカとした。このシリカにおける金属不純物量は合計0.9ppm{うち:Na:0.2、カルシウム(Ca):0.2、鉄(Fe)0.4、カリウム(K):0.1、いずれも単位はppm}であった。
【0102】
・実施例3:
実施例2の粉砕工程で、ナイロン網の目開きを8mmとした以外は、実施例2と同様の手順にてシリカ(実施例3のシリカ)を得た。このシリカにおける金属不純物量は合計0.3ppm{うち:Na:0.1、カルシウム(Ca):0.1、カリウム(K):0.1、いずれも単位はppm}であった。
【0103】
・実施例4:
実施例2の加水分解・ゲル化工程で、テトラメトキシシラン1モルに対する水のモル数を10倍とした以外は、実施例2と同様の手順にてシリカ(実施例4のシリカ)を得た。このシリカにおける金属不純物量は合計0.8ppm{うち:Na:0.2、カルシウム(Ca):0.2、 鉄(Fe):0.4、いずれも単位はppm}であった。
【0104】
得られた実施例1〜4のシリカについて、上述の分析方法により測定した諸物性を表1に示す。何れのシリカも粉末X線回折図には結晶性のピークは出現しておらず、また、周期的構造による低角度側(2θ≦5deg)のピークも認められなかった。
【0105】
・比較例1:
市販のシリカゲル[水澤化学社製:ゲルタイプシリカゲルP−707、金属不純物量は合計626ppm{うち:Na:120、マグネシウム(Mg):26、アルミニウム(Al):38、K:10、Ca:78、チタン(Ti):260、クロム(Cr):3、鉄(Fe):61、ジルコニウム(Zr):30、いずれも単位はppm}、粉末X線回折図に結晶性ピーク無し。周期的構造による低角度側ピークも認められず。]]を用いて実施例1と同様に水中熱安定性試験を行なった結果を表1に示す。
【0106】
【表1】

Figure 2005022895
【0107】
・結果:
表1より明らかな通り、本発明のシリカは、水熱安定性に優れており、様々な厳しい使用条件下でも比表面積の残存が多い(つまり減少が少ない)ので、安定した性能を長期に亘り維持できる。
【0108】
【発明の効果】
本発明のシリカは、従来からのシリカと比較して、細孔直径が大きいため、高い吸着・吸収容量を有する。また、シリコンアルコキシドを原料とした比較的簡単な工程で製造できる上に、所望の範囲に制御された望ましい物性を備えており、耐熱性や耐水性等に優れることから安定性が高い。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a novel silica and a method for producing the same. Specifically, the present invention relates to a novel porous silica having excellent hydrothermal resistance and having pores having a relatively large pore diameter and a method for producing the same.
[0002]
[Prior art]
Silica is a porous material that has been widely used as a desiccant for a long time, but recently its use has expanded to catalyst carriers, separating agents, adsorbents, etc. The demand for is also diversifying. The performance of silica is determined by physical properties such as the surface area, pore diameter, pore volume, and pore size distribution of silica, but these physical properties are greatly influenced by the production conditions of silica.
[0003]
“Silica” refers to both silicic anhydride and hydrous silicic acid. Examples of silicic acid anhydride include quartz, tridymite, cristobalite, corsite, stishovite, and quartz glass. In addition to the so-called amorphous "silica gel" obtained by gelling and drying silica hydrosol, the hydrous silicic acid was formed using colloidal silica, silicate oligomer, and organic matter as a template, for example, manufactured by Mobil Corporation. : Silica of a type such as MCM-41 (so-called micelle template type silica). Examples of the raw material for “silica gel” include water glass and alkoxysilanes.
[0004]
As a method for producing silica as a porous material, a method of controlling pore characteristics by hydrothermally treating silica hydrogel has been widely known. For example, sodium silicate, so-called water glass, has been widely used as a raw material for this silica hydrogel.
[0005]
Most frequent pore diameter (D max For example, when producing silica having a relatively large pore diameter of 15 nm or more, a method of hydrothermally treating silica hydrogel under high temperature or high pH conditions is generally known. Impurities such as alkali metals and alkaline earth metals of silica (hereinafter collectively referred to as “alkali metal impurities”) are mainly derived from the raw water glass, neutralize the water glass with an acid such as sulfuric acid, The hydrogel containing a neutralized salt is removed by washing with water. However, it cannot be completely removed, and tens to hundreds of ppm of alkali metal impurities remain in the silica hydrogel.
[0006]
When the pH condition of hydrothermal treatment for pore control performed after washing with water is acidic or neutral, which is a condition for obtaining silica having a relatively small pore diameter, some alkali metal is used even during hydrothermal treatment. Impurities are extracted and removed, and the content of alkali metal impurities remaining in the product porous silica can be lowered to about several tens of ppm.
[0007]
However, since the pH condition of the hydrothermal treatment for obtaining silica having a relatively large pore diameter as described above is alkaline, alkali metal impurities in the silica hydrogel are hardly extracted and removed. When an alkali component such as NaOH is used for pH adjustment during the hydrothermal treatment, an alkali metal or an alkaline earth metal is further brought into the hydrothermal treatment system, and an alkali metal impurity in the porous silica product. There was a problem that the amount became very high. Even when a pH adjuster containing no alkali metal such as ammonia water is used, the dissolution and precipitation reaction on the silica surface becomes very active under hydrothermal treatment conditions of high temperature and high pH, so that it remains in the silica hydrogel. Before the alkali metal impurities derived from the raw materials were eluted from the silica hydrogel, the micropores of the silica were sealed, and there was a problem that the alkali metal impurities remained in the product.
[0008]
Note that it is very difficult to remove the alkali metal impurities almost completely even if this impurity is later removed by a method such as acid cleaning of the porous silica product. Furthermore, residual alkali metal impurities when using an alkali metal or alkaline earth metal compound as a pH adjuster during hydrothermal treatment are difficult to remove by the same method.
[0009]
As described above, the conventional porous silica having a relatively large pore diameter has a problem that the amount of alkali metal impurities is larger than that of the porous silica having a small pore diameter. Alkali metal impurities act as a catalyst to cleave and recombine siloxane bonds in the silica skeleton when porous silica is used under severe conditions such as high temperature and high pressure. It acts as a catalyst to promote silica dissolution and precipitation at the end, and eventually changes the pore structure. As a result, silica with a large amount of alkali metal impurities tends to change its physical properties, leading to early deterioration of pore characteristics. was there.
[0010]
On the other hand, as a method for obtaining high-purity porous silica having a low metal impurity content, there is known a method in which silicon alkoxide is hydrolyzed to form a silica hydrogel and hydrothermally treated (eg, Non-Patent Document 1). . With this method, the amount of impurities derived from the raw material can be kept low, so that the influence of alkali metal impurities as described above is also reduced. However, even with such a method for producing porous silica derived from silicon alkoxide, it has not been possible to obtain porous silica with controlled pores in which the spread of pore diameter distribution is suppressed.
[0011]
In addition, as a method for producing high-purity porous silica, a method using an organic or inorganic template is known, and this method has excellent pore distribution controllability, and as described above, D max A porous silica (micelle template silica) having a thickness of 15 nm or more is obtained (example: Non-patent document 2). However, although the porous silica obtained by this method has sharp pores with controlled pore distribution, the pore walls are very thin and there are problems in terms of hydrothermal resistance, and the manufacturing process is complicated. There was a problem of low productivity.
[0012]
[Non-Patent Document 1]
Colloids Surfaces 63, 33 (1992)
[Non-Patent Document 2]
Langmuir 16 (2), 356 (2000)
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
In this way, D max Is a relatively large porous material with a narrow pore size distribution, high purity and excellent hydrothermal resistance, especially porous silica and a method for producing the same, but satisfactory porous silica and a method for producing the same are still desired. Was not provided.
[0014]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and its purpose is to provide the most frequent pore diameter (D max ) Is relatively large at 15 nm or more, has a controlled pore characteristic, and is excellent in hydrothermal resistance, and to provide a method for producing the same.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have a specific pore characteristic and Q in solid Si-NMR in a silica skeleton. 4 / Q 3 The knowledge that the porous silica whose value is more than a specific value can solve the above-mentioned problems was obtained. Furthermore, by using a silicon alkoxide as a raw material and hydrolyzing it, the resulting hydro is subjected to a hydrothermal treatment step under specific conditions without substantially aging, thereby providing excellent properties as described above. The present inventors have found that a novel silica having the above can be industrially provided with high productivity, and have completed the present invention.
[0016]
That is, the gist of the present invention relates to silica characterized by having the following characteristics.
(A) Pore volume is 0.6 ml / g or more and 1.6 ml / g or less
(B) Specific surface area of 50 to 600 m 2 / G
(C) Most frequent pore diameter (D max ) 15nm or more
(D) Q in solid-state Si-NMR 4 / Q 3 Value is 3 or more
(E) Be amorphous
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
(1) Features of the silica of the present invention
In the present invention, “silica” refers to hydrous silicic acid. Hydrous silicic acid is SiO 2 ・ NH 2 It is represented by the characteristic formula of O. In the present invention, as will be described later, the effect is remarkable in so-called “silica gel” or micelle template type silica among silica.
[0018]
The silica of the present invention is characterized in that the pore volume and the specific surface area are in a range larger than usual values. Specifically, the value of the pore volume is usually 0.6 ml / g or more, preferably 0.7 ml / g or more, and usually 1.6 ml / g or less, preferably 1.5 ml / g. It is as follows.
[0019]
The specific surface area is usually 50 m. 2 / G or more, more preferably 100 m 2 / G or more, preferably 200 m 2 / G or more, usually 600m 2 / G or less, more preferably 450 m 2 / G or less, preferably 350 m 2 / G or less, particularly preferably 290 m 2 / G or less. These pore volume and specific surface area are measured by the BET method by nitrogen gas adsorption / desorption.
[0020]
Furthermore, the silica of the present invention is obtained from the isothermal desorption curve measured by the nitrogen gas adsorption / desorption method. P. Barrett, L.M. G. Joyner, P.M. H. Hacklenda, J.H. Amer. Chem. Soc. , Vol. 73, 373 (1951), the pore distribution curve calculated by the BJH method, that is, the differential nitrogen gas adsorption amount (ΔV / Δ (logd)) with respect to the pore diameter d (nm); The most frequent pore diameter (D) on the plot of volume) max ) Is 15 nm or more. This is because the mode diameter of the silica gel of the present invention (D max ) Is larger than that of ordinary silica gel. Among these, 16 nm or more is preferable, and 17 nm or more is particularly preferable. The upper limit is not particularly limited, but is usually 50 nm or less, preferably 40 nm or less, particularly preferably 30 nm or less.
[0021]
In addition, the silica of the present invention has the above-mentioned mode diameter (D max The total volume of pores in the range of ± 20% of the value of) is usually 50% or more, preferably 60% or more, more preferably 70% or more of the total volume of all pores. This means that the diameter of the pores of the silica of the present invention is the mode diameter (D max ) Means that the pores in the vicinity are aligned, that is, the pore size distribution is extremely narrow (sharp). The upper limit of this ratio value is not particularly limited, but is usually 90% or less.
[0022]
In relation to such characteristics, the silica of the present invention has a mode diameter (D calculated by the above BJH method (D max The differential pore volume ΔV / Δ (logd) is usually 2 ml / g or more, especially 3 ml / g or more, particularly preferably 5 ml / g or more, usually 20 ml / g or less, especially 12 ml / g or less. (In the above formula, d is the pore diameter (nm) and V is the nitrogen gas adsorption volume). The differential pore volume ΔV / Δ (logd) included in the above range is the mode diameter (D max It can be said that the absolute amount of pores aligned in the vicinity of) is extremely large.
[0023]
Further, in addition to the above-described features of the pore structure, the silica of the present invention has a feature that it is amorphous, that is, a crystalline structure is not recognized in view of its three-dimensional structure. This means that the silica of the present invention corresponds to a so-called “silica gel”, and the crystallinity peak is not substantially observed when analyzed by X-ray diffraction. In the present specification, the non-amorphous silica refers to a silica having at least one crystal structure peak at a position exceeding 6 angstroms (Å Units d-spacing) in the X-ray diffraction pattern. Amorphous silica has high thermal stability in water and extremely excellent productivity compared to crystalline silica.
[0024]
Furthermore, regarding the structure of the silica of the present invention, a characteristic result can be obtained even by analysis by solid-state Si-NMR measurement. That is, in the solid-state Si-NMR measurement, the silica of the present invention, Si (Q 3 ) And four -OSi bonded Si (Q 4 Q showing the molar ratio with 4 / Q 3 Is usually 3 or more, preferably 3.5 or more. The upper limit is not particularly limited, but is usually 10 or less. In general, it is known that the higher this value, the higher the thermal stability of the silica. From this, it can be seen that the silica of the present invention is extremely excellent in thermal stability. In contrast, some of the crystalline micelle template silica contains Q 4 / Q 3 Is less than 1.2, and the thermal stability, particularly hydrothermal stability, is low.
[0025]
Q 4 / Q 3 The value of can be calculated based on the result of solid Si-NMR measurement using the method described later in the description of Examples. Further, analysis of measurement data (determination of peak position) is performed by a method of dividing and extracting each peak by, for example, waveform separation analysis using a Gaussian function.
[0026]
The silica of the present invention is not particularly limited in the total content of metal elements (metal impurities) excluding silicon constituting the skeleton of the silica, but is low and highly pure. It is preferable. Specifically, the range is usually 100 ppm or less, preferably 50 ppm or less, more preferably 10 ppm or less, particularly preferably 5 ppm or less, and most preferably 1 ppm or less. Thus, by suppressing the content of metal impurities to a low level and reducing the influence thereof, the silica of the present invention can further exhibit excellent properties such as high heat resistance and water resistance.
[0027]
One of the characteristics of the silica of the present invention is that there is little change in pore characteristics even when it is subjected to heat treatment in water (hydrothermal resistance test). Changes in the pore characteristics of silica after the hydrothermal resistance test are observed as changes in physical properties related to porosity such as specific surface area, pore volume, and pore size distribution. For example, in the silica of the present invention, when a hydrothermal resistance test at 280 ° C. for 24 hours is performed, the specific surface area after the test is 20% or more with respect to the specific surface area before the test (the specific surface area residual ratio is 20% or more). ) Is preferable. The silica of the present invention having such characteristics is preferable because, for example, the porous characteristics are not lost even under severe use conditions for a long time as a catalyst carrier or the like. The residual ratio of the specific surface area is preferably 35% or more, particularly 50% or more.
[0028]
The silica of the present invention has very little deterioration of the characteristic that the pore diameter distribution is sharp and the change in the pore volume is very small or the pore volume is increased even after the hydrothermal treatment test. It has a characteristic that is not found in conventional silica.
[0029]
In addition, the hydrothermal resistance test in the present invention means that water at a specific temperature (200 ° C.) is brought into contact with silica for a certain time (6 hours) in a closed system. If present in water, the inside of the closed system may be completely filled with water, or a part of the system may have a gas phase part under pressure, and the gas phase part may have water vapor. . In this case, the pressure in the gas phase part may be, for example, 60000 hPa or more, preferably 63000 hPa or more. The error of the specific temperature is usually within ± 5 ° C., preferably within ± 3 ° C., particularly preferably within ± 1 ° C.
[0030]
(2) Method for producing silica of the present invention
The silica of the present invention having the physical properties described above can be obtained by subjecting the silica hydrogel to hydrothermal treatment as it is without substantially aging and performing hydrothermal treatment under specific conditions as described later.
[0031]
In producing the silica gel of the present invention, any method can be used as a method for obtaining a silica hydrogel as a raw material. Examples thereof include a method obtained by hydrolyzing an alkali silicate salt, or a method obtained by hydrolyzing silicon alkoxide. Among them, silica hydrogel obtained by hydrolyzing silicon alkoxide is preferable because it can increase the purity of silicon alkoxide as a raw material and can easily prevent impurities from being mixed into silica hydrogel.
[0032]
Specific examples of the silicon alkoxide used as a raw material of the silica of the present invention include lower ones having 1 to 4 carbon atoms such as trimethoxysilane, tetramethoxysilane, triethoxysilane, tetraethoxysilane, tetrapropoxysilane, and tetrabutoxysilane. Examples thereof include tri- or tetraalkoxysilanes having an alkyl group or oligomers thereof. Among these, tetramethoxysilane, tetraethoxysilane and oligomers thereof, particularly tetramethoxysilane and oligomers thereof are preferable because silica having good pore characteristics can be obtained. The main reason is that silicon alkoxide is easily purified by distillation to obtain a high-purity product, and is therefore suitable as a raw material for high-purity silica. The total content of metal elements (metal impurities) belonging to the alkali metal or alkaline earth metal in the silicon alkoxide is usually 100 ppm or less, preferably 50 ppm or less, more preferably 10 ppm or less, and particularly preferably 1 ppm or less. The content of these metal impurities can be measured by the same method as the method for measuring the impurity content in general silica.
[0033]
In the present invention, first, in the hydrolysis / condensation step, the silicon alkoxide is hydrolyzed in the absence of a catalyst and the silica hydrosol obtained is condensed to form a silica hydrogel.
[0034]
Hydrolysis of silicon alkoxide is usually 2 mol times or more, preferably 3 mol times or more, particularly preferably 4 mol times or more, and usually 20 mol times or less, preferably 10 mol times or less with respect to 1 mol of silicon alkoxide. Particularly preferably, it is carried out using 8 mol times or less of water. Hydrolysis of the silicon alkoxide produces a silica hydrogel and an alcohol, and the produced silica hydrosol is successively condensed into a silica hydrogel.
[0035]
The temperature at the time of hydrolysis is usually room temperature or higher and 100 ° C. or lower, but it can also be performed at a higher temperature by maintaining the liquid phase under pressure. The reaction time required for hydrolysis depends on the composition of the reaction solution (type of silicon alkoxide and molar ratio with water) and the reaction temperature, and since the time until gelation differs, it is not generally specified. This reaction time is preferably a time at which the fracture stress of the hydrogel does not exceed 6 MPa in order to obtain a silica having excellent pore characteristics such as the silica of the present invention.
[0036]
In addition, hydrolysis can be accelerated | stimulated by adding an acid, an alkali, salts, etc. to this hydrolysis reaction system as a catalyst. However, the use of such additives is not very preferable in the production of the silica gel of the present invention because it causes aging of the produced hydrogel, as will be described later.
[0037]
In the hydrolysis of the above-mentioned silicon alkoxide, it is important to sufficiently stir. For example, when a stirrer equipped with a stirring blade on the rotating shaft is used, the stirring speed (the number of rotations of the rotating shaft) depends on the shape, the number of the stirring blades, the contact area with the liquid, etc. 30 rpm or more, preferably 50 rpm or more.
[0038]
In general, if the stirring speed is too high, droplets generated in the tank block various gas lines or adhere to the inner wall of the reactor to deteriorate the heat conduction, which is an important temperature control property. It may affect management. Furthermore, the deposits on the inner wall may be peeled off and mixed into the product to deteriorate the quality. For these reasons, the stirring speed is preferably 2000 rpm or less, and more preferably 1000 rpm or less.
[0039]
In the present invention, any stirring method can be used as the stirring method for the two liquid phases (aqueous phase and silicon alkoxide phase) which are separated, as long as the method promotes the reaction. Among them, examples of the apparatus for further mixing the two liquid phases include the following (1) and (2).
[0040]
{Circle around (1)} A device having an agitating blade in which a rotating shaft is inserted perpendicularly or slightly at an angle with respect to the liquid surface and the liquid flows up and down.
{Circle around (2)} A stirrer having a stirring blade provided with a rotation axis direction substantially parallel to the interface between the two liquid phases and causing stirring between the two liquid phases.
[0041]
The rotational speed of the stirring blade when using the devices as described in (1) and (2) above is 0.05 to 10 m / s, especially the peripheral speed (stirring blade tip speed) of the stirring blade. -5 m / s, more preferably 0.1-3 m / s.
[0042]
The shape and length of the agitating blade is arbitrary, and examples of the agitating blade include a propeller type, a flat blade type, an angled flat blade type, a pitched flat blade type, a flat blade disk turbine type, a curved blade type, a fiddler type, Examples include a bull margin type.
[0043]
The width, number of blades, inclination angle, etc. of the blades may be appropriately selected according to the shape and size of the reactor and the target stirring power. For example, the ratio (b / D) of the blade width (blade length in the rotation axis direction) to the tank inner diameter (the longest diameter of the liquid phase surface forming a plane perpendicular to the rotation axis direction) of the reactor is 0.05 to A suitable example is 0.2, an inclination angle (θ) of 90 ° ± 10 °, and a stirring device of 3 to 10 blades.
[0044]
Among these, the structure in which the above-described rotating shaft is provided above the liquid level in the reaction vessel and the stirring blade is provided at the tip of the shaft extending from the rotating shaft is preferably used from the viewpoint of stirring efficiency and equipment maintenance. .
[0045]
In addition, silica having a crystal structure tends to have poor thermal stability in water. When silicon alkoxide is hydrolyzed in the presence of a template such as a surfactant used to form pores in the gel, the gel Easily includes a crystal structure. Therefore, in the present invention, it is preferable to hydrolyze in the absence of a template such as a surfactant, that is, in a condition where there is no such an amount that it functions as a template.
[0046]
In the above hydrolysis reaction of silicon alkoxide, silicon alkoxide is hydrolyzed to form silica hydrosol. Subsequently, condensation reaction of the silica hydrosol occurs, the viscosity of the reaction solution increases, and finally gelation occurs. Silica hydrogel.
[0047]
Next, in the present invention, as a physical property adjusting step, hydrothermal treatment of the silica hydrogel is performed without substantially aging so that the hardness of the silica hydrogel generated by the above hydrolysis does not increase. Hydrolysis of silicon alkoxide produces a soft silica hydrogel. As in the prior art, it is difficult to produce the silica of the present invention by a method of aging or drying and then hydrothermal treatment to stabilize the physical properties of the hydrogel.
[0048]
The hydrothermal treatment immediately performed without substantially aging the silica hydrogel produced by hydrolysis as described above means that the next hydrothermal treatment is performed while maintaining the soft state immediately after the silica hydrogel is produced. It means to be used for.
[0049]
Specifically, it is preferable that the hydrothermal treatment is generally performed within 10 hours from the time when the silica hydrogel is formed, and the hydrothermal treatment is preferably performed within 8 hours, more preferably within 6 hours, particularly within 4 hours. It is preferable.
[0050]
Moreover, in an industrial plant etc., the case where the silica hydrogel produced | generated in large quantities is once stored in a silo etc. and hydrothermal treatment is performed after that can be considered. In such a case, the silica hydrogel is considered to have a case where the time from when the silica hydrogel is formed to when it is subjected to hydrothermal treatment, the so-called standing time, exceeds the above range. In such a case, for example, the liquid component in the silica hydrogel may be prevented from drying during standing in the silo so that aging does not substantially occur.
[0051]
Specifically, for example, the inside of the silo may be sealed or the humidity may be adjusted. Alternatively, the silica hydrogel may be allowed to stand in a state where the silica hydrogel is immersed in water or another solvent.
[0052]
The temperature at the time of standing is preferably as low as possible, for example, 50 ° C. or less, particularly 35 ° C. or less, particularly preferably 30 ° C. or less. Further, as another method for preventing aging substantially from occurring, there is a method of preparing a silica hydrogel by controlling the raw material composition in advance so that the silica concentration in the silica hydrogel is lowered.
[0053]
Considering the effect obtained by hydrothermal treatment without substantially aging the silica hydrogel and the reason why this effect is obtained, the following can be considered.
[0054]
First, when the silica hydrogel is aged, a macroscopic network structure due to —Si—O—Si— bonds is considered to be formed in the entire silica hydrogel. It is considered that this network structure is present in the entire silica hydrogel, so that this network structure becomes an obstacle during hydrothermal treatment, and it becomes difficult to form mesoporous materials. Moreover, the silica hydrogel obtained by previously controlling the raw material composition so that the silica concentration in the silica hydrogel is low can suppress the progress of crosslinking in the silica hydrogel that occurs during standing. Therefore, it is considered that the silica hydrogel does not age.
[0055]
Therefore, in the present invention, it is important to perform hydrothermal treatment without aging the silica hydrogel.
[0056]
Adding an acid, alkali, salt, or the like to the silicon alkoxide hydrolysis reaction system or making the temperature of the hydrolysis reaction too strict is not preferable from the standpoint of aging the hydrogel. Also, temperature and time should not be taken more than necessary in washing, drying, leaving, etc. in post-treatment after hydrolysis.
[0057]
Further, the silica hydrogel obtained by hydrolysis of silicon alkoxide is preferably subjected to a pulverization treatment or the like so as to have an average particle size of 1 mm or less, particularly 0.5 mm or less, before hydrothermal treatment.
[0058]
If the particle size of the silica hydrogel subjected to the hydrothermal treatment is too large, the hydrothermal treatment does not proceed uniformly, and the pore size distribution may be broadened or the pore volume may be reduced.
[0059]
On the other hand, if the particle size is too small, the uniform structure of the silica hydrogel is destroyed by pulverization, so the appropriate effect of hydrothermal treatment cannot be obtained, the pore size distribution becomes broad, and the pore volume becomes small. Sometimes.
[0060]
For example, when the silica gel of the present invention is packed in a tower or a tube, and a harmful substance adsorbent or a catalyst is used, a particle having a particle size of 1 mm or more flows when a gas or liquid is circulated inside the tower or the tube. For example, in the case of gas or the like, the pressure loss can be reduced.
[0061]
When silica gel having such a large particle size is desired, it is preferable to set the particle size after pulverization to a desired size by the above-described pulverization treatment of silica hydrogel, and then hydrothermally treat it.
[0062]
As described above, as a method for producing the silica of the present invention, a method of immediately hydrothermally treating the silica hydrogel immediately after the production of the silica hydrogel is important. However, in the production method of the present invention, it is sufficient that the hydrothermally-treated silica hydrogel is not aged. Does not require hydrothermal treatment.
[0063]
As described above, when the hydrothermal treatment is not performed immediately after the formation of the silica hydrogel, the hydrothermal treatment may be performed after specifically confirming the aging state of the silica hydrogel. The means for specifically confirming the ripening state of the hydrogel is arbitrary, and examples thereof include a method of referring to the hardness of the hydrogel measured by a method as shown in Examples described later. That is, as described above, silica having a physical property range defined in the present invention can be obtained by hydrothermally treating a soft hydrogel having a fracture stress of usually 6 MPa or less, preferably 3 MPa or less, particularly preferably 2 MPa or less. .
[0064]
As conditions for this hydrothermal treatment, the state of water may be either liquid or gas, but it is preferable to perform hydrothermal treatment using liquid water as a slurry in addition to silica hydrogel. In the hydrothermal treatment, first, the silica hydrogel to be treated is usually 0.1 times or more, preferably 0.5 times or more, particularly preferably 1 or more times, and usually 10 times the weight of the silica hydrogel. Double or less, preferably 5 times or less, particularly preferably 3 times or less of water is added to form a slurry. The slurry is usually 150 ° C. or higher, preferably 200 ° C. or higher, and usually 250 ° C. or lower, preferably 240 ° C. or lower, usually 0.1 hour or longer, preferably 1 hour or longer, and usually 100 hours. Hereinafter, hydrothermal treatment is preferably performed for 10 hours or less. If the temperature of the hydrothermal treatment is too low, the pore size distribution is difficult to be sharp, and it may be difficult to increase the pore size.
[0065]
In the present invention, in order to increase the pore diameter of silica, it is important to perform hydrothermal treatment by increasing the water concentration around the silica (water concentration in the hydrothermal treatment liquid) as a condition for performing hydrothermal treatment. It becomes.
[0066]
As hydrothermal treatment conditions for obtaining the silica of the present invention, the water concentration around the silica is usually 80% or more, preferably 85% or more, more preferably 90% or more, and particularly preferably 95% or more. A high value is preferable.
[0067]
For example, when a hydrogel obtained using silicon alkoxide is hydrothermally treated, in such a hydrogel, alcohols produced by hydrolysis of silicon alkoxide are present in the hydrogel. Therefore, when hydrothermally treating such a hydrogel, it is preferable to remove these alcohols before hydrothermal treatment. Specifically, such a hydrogel may be washed with water and then subjected to hydrothermal treatment.
[0068]
The reason why the pore diameter increases when the water concentration of the hydrothermal treatment liquid is high is not clear, but can be considered as follows.
The silica component in the hydrogel is aggregated and condensed by hydrothermal treatment. The action of water in this change is to phase separate silica and liquid components. In addition to having the function of bringing silica together by strong hydrogen bonds, water tends to gather together. It is presumed that pores having a large diameter are formed by the action of such water.
[0069]
However, since alcohol has a function of inhibiting the function of water, it is preferable that such alcohols are not present in the hydrothermal treatment liquid as much as possible. Specifically, the alcohol is preferably 20% or less, particularly preferably 15% or less.
[0070]
The hydrothermal treatment method is also applied to a material in which silica is formed on a substrate such as a particle, a substrate, or a tube in the form of a film or a layer for the purpose of making a membrane reactor or the like. It is also possible to perform hydrothermal treatment by changing the temperature conditions using a hydrolysis reaction reactor, but the optimum conditions are usually different between the hydrolysis reaction and the subsequent hydrothermal treatment. In general, it is difficult to obtain the silica of the present invention by a method carried out without newly adding water.
[0071]
In the above hydrothermal treatment conditions, when the temperature is increased, the diameter and pore volume of the resulting silica tend to increase. The hydrothermal treatment temperature is preferably in the range of 100 to 200 ° C. Further, with the treatment time, the specific surface area of the obtained silica tends to gradually decrease after reaching a maximum once. Based on the above tendency, it is necessary to appropriately select the conditions according to the desired physical property values, but since hydrothermal treatment is the purpose of changing the physical properties of silica, it is usually at a higher temperature than the hydrolysis reaction conditions described above. It is preferable to do.
[0072]
In order to produce the silica of the present invention having excellent microstructural homogeneity, a fast heating rate condition is set so that the temperature in the reaction system reaches the target temperature within 5 hours during the hydrothermal treatment. It is preferable to do. Specifically, when the tank is filled and processed, the average rate of temperature increase from the start of temperature increase until reaching the target temperature is 0.1 to 100 ° C./min, especially 0.1 to 30 ° C./min. A value in the range of 0.2 to 10 ° C./min is preferably adopted.
[0073]
A temperature raising method using a heat exchanger or the like or a temperature raising method in which hot water prepared in advance is used is preferable because the temperature raising rate can be shortened. Moreover, if the temperature increase rate is in the above range, the temperature may be increased stepwise. When it takes a long time for the temperature in the reaction system to reach the target temperature, the aging of the silica hydrogel progresses during the temperature rise, which may reduce the microstructural homogeneity.
[0074]
The temperature raising time until the above target temperature is reached is preferably within 4 hours, more preferably within 3 hours. In order to shorten the temperature raising time, the water used for the hydrothermal treatment can be preheated.
[0075]
When the hydrothermal treatment temperature and time are set outside the above ranges, it is difficult to obtain the silica of the present invention. For example, if the hydrothermal treatment temperature is too high, the pore diameter and pore volume of silica become too large, and the pore distribution is also widened. On the other hand, when the temperature of the hydrothermal treatment is too low, the generated silica has a low degree of cross-linking, poor thermal stability, no peak in the pore distribution, or Q in the above-described solid Si-NMR. 4 / Q 3 The value becomes extremely small.
[0076]
In the present invention, a silica hydrogel obtained by hydrolyzing silicon alkoxide as a raw material and using no catalyst such as hydrochloric acid (in the absence of a catalyst) is hydrothermally treated in aqueous ammonia. By doing so, the silica gel of the present invention having a large pore diameter as described above can be obtained.
[0077]
When the hydrothermal treatment is performed in ammonia water, the same effect can be obtained at a lower temperature than in pure water. In addition, when hydrothermal treatment is performed in ammonia water, the finally obtained silica generally becomes hydrophobic as compared with hydrothermal treatment using water not containing ammonia. At this time, when the temperature of the hydrothermal treatment is a relatively high temperature of 30 ° C. or higher, preferably 40 ° C. or higher, 250 ° C. or lower, preferably 200 ° C. or lower, the hydrophobicity is particularly high. The ammonia concentration here is preferably 0.001% or more, particularly preferably 0.005% or more, and preferably 10% or less, particularly preferably 5%.
[0078]
The obtained silica is usually dried at 40 ° C. or higher, preferably 60 ° C. or higher, and usually 200 ° C. or lower, preferably 120 ° C. or lower. The drying method is not particularly limited, and it may be a batch type or a continuous type, and can be dried under normal pressure or reduced pressure. Among these, vacuum drying is preferable because not only drying can be performed quickly, but also the pore volume and specific surface area of the resulting silica are increased.
[0079]
If necessary, when carbon content derived from the raw material silicon alkoxide is contained, it can be usually removed by baking at 400 to 600 ° C. Moreover, in order to control a surface state, it may bake at the temperature of a maximum of 900 degreeC. Furthermore, the final silica of the present invention is obtained by pulverizing and classifying as necessary.
[0080]
(3) Use of the silica of the present invention
The novel silica of the present invention is superior in heat resistance and water resistance compared to conventional silica, and thus has high stability and preferably high purity. Further, according to the method for producing silica of the present invention, it is possible to produce silica controlled in a desired physical property range by a relatively simple process using silicon alkoxide as a raw material.
[0081]
The silica of the present invention can be used in various applications of conventional silica, but particularly when used as a catalyst carrier, a membrane reactor, etc., performance degradation is small and it can be used more stably for a long time.
[0082]
The silica of the present invention can be used in any application other than the conventional use of silica. Among these, conventional applications include the following.
[0083]
For example, in application fields used for manufacturing and processing products in industrial facilities, various catalysts and catalyst carriers (acid-base catalysts, photocatalysts, noble metal catalysts, etc.), wastewater / waste oil treatment agents, odor treatment agents, gas separation agents, Applications include industrial desiccants, bioreactors, bioseparators, membrane reactors and the like. Examples of building materials include humidity control agents, soundproofing / absorbing materials, refractories, and heat insulating materials. Moreover, in applications in the air conditioning field, desiccant air conditioners, heat pump heat storage agents, and the like. In the paint / ink application field, matting agents, viscosity adjusting agents, chromaticity adjusting agents, anti-settling agents, antifoaming agents, ink back-through preventing agents, stamping foils, and wallpapering applications may be mentioned. In the field of resin additives, anti-blocking agents for films (polyolefin films, etc.), plate-out inhibitors, silicone resin reinforcing agents, rubber reinforcing agents (for tires, general rubbers, etc.), fluidity improvers, Anti-caking agent for powdered resin, printability improver, matting agent for synthetic leather and coating film, filler for adhesive / adhesive tape, translucency adjuster, antiglare adjuster, porous polymer sheet Uses for fillers and the like. In the papermaking field, thermal paper fillers (such as residue adhesion inhibitors), ink jet paper image enhancement fillers (ink absorbers, etc.), diazo photosensitive paper fillers (photosensitive density improvers, etc.), and tracing paper Uses such as a writing property improving agent, a filler for coated paper (writing property, ink absorbability, anti-blocking property improving agent, etc.), a filler for electrostatic recording and the like can be mentioned. In food applications, beer filter aids, soy sauce, sake, wine and other fermented product lowering agents, various fermented beverage stabilizers (such as turbidity factor protein and yeast removal), food additives, and powdered foods Uses such as anti-caking agents are mentioned. In the medical and agrochemical field, tableting aids for pharmaceuticals, grinding aids, dispersion / pharmaceutical carriers (dispersion, sustained release, improved delivery, etc.), agrochemical carriers (oily agrochemical carrier, improved hydration dispersibility, sustained release) -Delivery improvement etc.), Additives for medicine (anti-caking agent / powdering improver, etc.), additives for agricultural chemicals (anti-caking agent, anti-settling agent, etc.), etc. In the field of separation materials, there are applications such as chromatographic fillers, separation agents, fullerene separation agents, adsorbents (proteins, dyes, odors, etc.), and dehumidifiers. In the agricultural field, feed additives and fertilizer additives can be mentioned. As other applications, in life-related fields, humidity control agent, desiccant, cosmetic additive, antibacterial agent, deodorant / deodorant / fragrance, detergent additive (surfactant powder, etc.), abrasive (toothpaste) Etc.), powder fire extinguishing agents (powdering property improver, anti-caking agent, etc.), antifoaming agents, battery separators and the like.
[0084]
In particular, since the silica of the present invention has a larger pore diameter than conventional silica, it has a high adsorption / absorption capacity. Therefore, among the applications listed above, particularly in fields where large pore diameters and excellent hydrothermal resistance are required, controlled pore characteristics, and changes in physical properties over a long period are required. Can be used.
[0085]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention still in detail, this invention is not restrict | limited to a following example, unless the summary is exceeded.
[0086]
(1) Analysis method of silica:
1-1) Pore volume, specific surface area, differential pore volume:
The BET nitrogen adsorption isotherm was measured with AS-1 manufactured by Cantachrome, and the pore volume and specific surface area were determined. Specifically, the pore volume is relative pressure P / P 0 = 0.98 is adopted, and the specific surface area is P / P 0 = Calculated using the BET multipoint method from three points of nitrogen adsorption amounts of 0.1, 0.2, and 0.3. Also, pore distribution curve and mode diameter (D max ) Differential pore volume was determined. The interval between each point of the relative pressure to be measured was 0.025.
[0087]
1-2) Powder X-ray diffraction:
Using a RAD-RB apparatus manufactured by Rigaku Corporation, measurement was performed using CuKα as a radiation source. The divergence slit was ½ deg, the scattering slit was ½ deg, and the light receiving slit was 0.15 mm.
[0088]
1-3) Content of metal impurities:
Hydrofluoric acid was added to 2.5 g of the sample and heated to dryness, and then water was added to make 50 ml. ICP emission analysis was performed using this aqueous solution. Sodium and potassium were analyzed by flame flame light method.
[0089]
1-4) Solid Si-NMR measurement:
Conditions of CP / MAS (Cross Polarization / Magic Angle Spinning) probe using a Bruker solid-state NMR apparatus (“MSL300”) and a resonance frequency of 59.2 MHz (7.05 Tesla) and a 7 mm sample tube Measured with The rotation speed of the sample was 5000 rps.
[0090]
Analysis of measurement data (Q 4 The determination of the peak position is performed by a method of extracting each peak by peak division. Specifically, waveform separation analysis using a Gaussian function is performed. For this analysis, waveform processing software “GRAMS386” manufactured by Thermogalatic can be used.
[0091]
Q obtained by peak division in this way 4 And Q 3 Using the area of each peak, and the ratio (Q 4 / Q 3 )
[0092]
1-5) Average particle diameter
It measured with the laser type particle size distribution analyzer (LMS-30 by Seishin Enterprise Co., Ltd.).
[0093]
1-6) Underwater thermal stability test:
Pure water was added to the sample to prepare a 40 wt% slurry. About 40 ml of the slurry prepared above was sealed in a stainless steel microbomb having a capacity of 60 ml, and immersed in an oil bath at 280 ± 1 ° C. for 24 hours. A part of the slurry was extracted from the microbomb and filtered with a filter paper (No. 5A). The filter cake was vacuum-dried at 100 ° C. for 5 hours, and then the specific surface area of the remaining sample was measured.
[0094]
(2) Production and evaluation of silica:
Example 1:
<Hydrolysis / gelation reaction>
1000 g of pure water was charged into a 5 L separable flask (with a jacket) made of glass and fitted with a water-cooled condenser open to the atmosphere at the top. As the stirring speed, 1400 g of tetramethoxysilane was charged over 3 minutes while stirring at a stirring blade tip speed of 2.5 m / s. The number of moles of water relative to 1 mole of tetramethoxysilane used (water / tetramethoxysilane molar ratio) is 6. Warm water at 50 ° C. was passed through the jacket of the separable flask. Stirring was continued, and the stirring was stopped when the contents reached the boiling point. Subsequently, hot water of 50 ° C. was passed through the jacket for about 0.5 hour to gel the sol produced.
[0095]
<Crushing reaction>
Thereafter, the gel was quickly taken out, and the gel was pulverized through a nylon net having an opening of 600 microns to obtain a powdery wet gel (silica hydrogel) having a predetermined average particle size.
[0096]
<Hydrothermal treatment process of silica hydrogel>
450 g of this silica hydrogel and 450 g of 0.56% ammonia water were charged into a 1 L glass autoclave and subjected to a closed hydrothermal treatment at 200 ° C. for 3 hours. The obtained silica was filtered with a filter paper (No. 5A), and the filter cake was dried under reduced pressure at 100 ° C. until it became a constant weight without washing the filter cake with water to obtain the silica of Example 1.
[0097]
The total amount of metal impurities in the silica of Example 1 was 0.5 ppm (of which: Na: 0.2, calcium (Ca): 0.2, potassium (K): 0.1, all in ppm). .
[0098]
Example 2:
<Hydrolysis / gelation reaction / grinding process>
After producing a silica hydrogel by the same procedure as in Example 1, the silica hydrogel was pulverized by the same procedure as in Example 1 to obtain a powdery silica hydrogel having a predetermined average particle size.
[0099]
<Washing process of silica hydrogel>
450 g of this crushed silica hydrogel and 675 g of water were placed in a beaker and stirred for 10 minutes, and then solid-liquid separation was performed by decantation. After repeating this operation twice in total, the same amount of water was added, and the mixture was allowed to stand at room temperature for a whole day and night, followed by solid-liquid separation by decantation.
[0100]
<Hydrothermal treatment process>
This silica hydrogel and 500 g of water were charged into a 1 L glass autoclave and subjected to a closed hydrothermal treatment at 200 ° C. for 3 hours. The slurry after hydrothermal treatment was decanted and separated into solid and liquid, and the methanol concentration in the liquid was analyzed by gas chromatography.
[0101]
<Drying process>
After hydrothermal treatment, no. The resultant was filtered through 5A filter paper, and dried under reduced pressure at 100 ° C. until it became a constant weight without washing the filter cake with water, whereby the silica of Example 2 was obtained. The total amount of metal impurities in this silica is 0.9 ppm {of which: Na: 0.2, calcium (Ca): 0.2, iron (Fe) 0.4, potassium (K): 0.1, all units are ppm}.
[0102]
Example 3:
In the crushing step of Example 2, silica (silica of Example 3) was obtained in the same procedure as Example 2 except that the opening of the nylon mesh was 8 mm. The total amount of metal impurities in the silica was 0.3 ppm (of which Na: 0.1, calcium (Ca): 0.1, potassium (K): 0.1, all in ppm).
[0103]
Example 4:
In the hydrolysis / gelation step of Example 2, silica (silica of Example 4) was obtained in the same procedure as Example 2 except that the number of moles of water relative to 1 mole of tetramethoxysilane was 10 times. . The total amount of metal impurities in the silica was 0.8 ppm (of which Na: 0.2, calcium (Ca): 0.2, iron (Fe): 0.4, all in ppm).
[0104]
Table 1 shows various physical properties of the obtained silicas of Examples 1 to 4 measured by the above analytical methods. In any of the silicas, no crystalline peak appeared in the powder X-ray diffraction pattern, and no peak on the low angle side (2θ ≦ 5 deg) due to the periodic structure was observed.
[0105]
Comparative example 1:
Commercially available silica gel [manufactured by Mizusawa Chemical Co., Ltd .: gel type silica gel P-707, total amount of metal impurities is 626 ppm {of which: Na: 120, magnesium (Mg): 26, aluminum (Al): 38, K: 10, Ca: 78 , Titanium (Ti): 260, chromium (Cr): 3, iron (Fe): 61, zirconium (Zr): 30, all in ppm}, no crystallinity peak in the powder X-ray diffraction diagram. There is no low-angle peak due to the periodic structure. Table 1 shows the results of a hydrothermal stability test conducted in the same manner as in Example 1.
[0106]
[Table 1]
Figure 2005022895
[0107]
·result:
As is apparent from Table 1, the silica of the present invention is excellent in hydrothermal stability, and the residual specific surface area remains large (that is, the decrease is small) even under various severe use conditions. Can be maintained.
[0108]
【The invention's effect】
The silica of the present invention has a high adsorption / absorption capacity because it has a larger pore diameter than conventional silica. In addition, it can be produced by a relatively simple process using silicon alkoxide as a raw material, and has desirable physical properties controlled within a desired range, and is excellent in heat resistance, water resistance and the like, and thus has high stability.

Claims (9)

以下の特性を備えたことを特徴とする、シリカ。
(a)細孔容積が0.6ml/g以上、1.6ml/g以下
(b)比表面積が50〜600m/g
(c)最頻細孔直径(Dmax)が15nm以上
(d)固体Si−NMRでのQ/Q値が3以上
(e)非結晶質であること
Silica having the following characteristics:
(A) The pore volume is 0.6 ml / g or more and 1.6 ml / g or less (b) The specific surface area is 50 to 600 m 2 / g
(C) The most frequent pore diameter (D max ) is 15 nm or more. (D) The Q 4 / Q 3 value in solid Si-NMR is 3 or more. (E) It is amorphous.
比表面積が100m/g以上、450m/g以下であることを特徴とする、請求項1記載のシリカ。 2. The silica according to claim 1, wherein the specific surface area is 100 m 2 / g or more and 450 m 2 / g or less. 最頻細孔直径(Dmax)が50nm以下であることを特徴とする、請求項1又は請求項2に記載のシリカ。Silica according to claim 1 or 2, characterized in that the mode pore diameter ( Dmax ) is 50 nm or less. 細孔直径が最頻細孔直径(Dmax)の±20%の範囲に存在する細孔の容積が、全細孔容積の50%以上であることを特徴とする、請求項1〜3の何れか一項に記載のシリカ。The volume of the pores having a pore diameter in the range of ± 20% of the mode pore diameter (D max ) is 50% or more of the total pore volume, Silica as described in any one. 金属不純物含有量が100ppm以下であることを特徴とする、請求項1〜4の何れか一項に記載のシリカ。The silica according to any one of claims 1 to 4, wherein the metal impurity content is 100 ppm or less. 最頻細孔直径(Dmax)における微分細孔容積が2ml/g以上、20ml/g以下であることを特徴とする、請求項1〜5の何れか一項に記載のシリカ。The silica according to any one of claims 1 to 5, wherein the differential pore volume at the most frequent pore diameter ( Dmax ) is 2 ml / g or more and 20 ml / g or less. 280℃、24時間の条件下での密閉水中熱処理後の比表面積残存率が20%以上であることを特徴とする、請求項1〜6の何れか一項に記載のシリカ。The silica according to any one of claims 1 to 6, wherein the residual ratio of specific surface area after heat treatment in sealed water under conditions of 280 ° C and 24 hours is 20% or more. シリコンアルコキシドを加水分解し、得られたヒドロゲルを実質的に熟成することなしに水熱処理することにより、請求項1〜7の何れか一項に記載のシリカを製造する方法であって、該水熱処理を、アルコール濃度20%以下、150℃以上の条件下にて行なうことを特徴とする、シリカの製造方法。A method for producing silica according to any one of claims 1 to 7, comprising hydrolyzing silicon alkoxide and subjecting the resulting hydrogel to hydrothermal treatment without substantially aging. A method for producing silica, wherein the heat treatment is performed under conditions of an alcohol concentration of 20% or less and 150 ° C or more. シリコンアルコキシドを触媒不存在下で加水分解し、得られたヒドロゲルをアンモニア水を用いて水熱処理することにより、請求項1〜7の何れか一項に記載のシリカを製造することを特徴とする、シリカの製造方法。The silica according to any one of claims 1 to 7 is produced by hydrolyzing a silicon alkoxide in the absence of a catalyst and hydrothermally treating the resulting hydrogel with aqueous ammonia. A method for producing silica.
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