JP2007145710A - ナノ多孔性無機粉体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 低い密度、低い熱伝導係数および高い密度の孔隙のあるナノ多孔性無機粉体材料を形成すること。
【解決手段】
本発明のナノ多孔性無機粉体およびその製造方法は、ゾルゲル工程を介して前駆物からナノ多孔性無機粉体を製造することにある。前駆物は溶剤に均一に混合されてゲル粒子を形成する。次に、ゲル粒子はゲル粒子群に重合される。ゾル段階のゲル粒子を溶剤中に均一分布させると同時に、相対な活性を保持しつつ、ゲル粒子をより大きいゲルに形成して、異なる触媒条件でウェットゲルを形成した後、乾燥および熱処理を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ナノ粉体およびその製造方法に関し、特にナノ多孔性無機粉体およびその製造方法に関する。

環境の温度が上昇しつつ、またエネルギーの枯渇が問題になりつつあるため、断熱によるエネルギーの節約に関心を持たなければならないことは社会問題となっている。断熱塗料の発展は高い潜在力のある有望市場である。そのような塗料の基本的組成は染料、高分子粘着剤、溶剤および補助剤を含み、そして塗料の固有の性質は往々して添加された充填材によって決定される。ナノ多孔性無機粉体は、高い硬度、高い比表面積、軽量または低い熱伝導率などの優れた点を備えた充填材であり、そしてかかる粉体はドーピングまたは他の添加方式により、他の材料と共に固有の性質を有する複合材(composites)を構成する。

従来のナノ多孔性無機粉体の製造方法では、主に粉体材料である金属酸化物(metal oxides)を、種々の溶剤に均質に混合して、コロイド粒子を形成し、これを溶液内に分散させる。さらに、ゾルゲル法を通じてウェットゲルを合成し、表面改質を行い、常圧乾燥法で乾燥させ、さらに粉体に研磨して、低い密度、低い熱伝導係数のナノ多孔性無機材を形成する。その内、ゾルゲル法でウェットゲルを合成するときの時効（aging）処理は常に長
すぎて、ウェットゲルが凝結し難くなるので、その後表面改質を行って常圧乾燥法で乾燥させる際に、常圧乾燥に生じた高い表面張力により、乾燥されたゲル体が破砕しやすくなる。その上、このような製造方法では、断熱性能の良い三次元（３−Ｄ）チェーン状構造および二次元粒子（secondary particles）の断熱粉体を直接形成できず、さらには、研
磨またはその他の工程によるチェーン状構造の崩れや、形成された粉体の粒径大きさの不均一を生じさせる。

一般に言えば、ナノ多孔性無機粉体の大きさ、構造、架橋度などの特性は、加水分解および縮合の反応速度がソルゲル構造を制御するため、ゾル温度、溶剤の割合などの工程パラメータにより決定される。ゲルの作用期間内に、かかる工程パラメータを変更すると、初期の溶液の組成が変化する。本来の均一的溶液に相分離が生じ、反応が複雑化する。例えば、溶剤の使用量により、溶液中の反応物の濃度は変化するので、ゲル時間の長さ及びゲルのミクロ構造に顕著に影響を及ぼす。また、周知方法の工程パラメータはその制御が難しく、３−Ｄチェーン状構造及び二次元粒子(secondary particles)を有効に形成する
ことは困難である。

本発明は、主にナノ多孔性無機粉体およびその製造方法を提供することを目的とし、ゾル段階のゲル粒子を溶液中に均一に分布させると同時に、相対的な活性を保持しつつ、ゲル粒子を重合してより大きいゲル体を形成させ、異なる触媒条件でウェットゲルを形成した後、乾燥と熱処理とを行うことによって、低い密度、低い熱伝導係数および高い密度の孔隙のあるナノ多孔性無機粉体材料を形成することができる。

本発明の一態様によれば、ナノ多孔性無機粉体は、ゾルゲル工程を介して前駆物から製造され、ゾルゲル工程は、前駆物を溶剤に均一に混合してゲル粒子を形成することと、ゲル粒子をゲル粒子群に重合させることと、触媒を添加してゲル粒子に加水分解および縮合
反応させることと、を含む。ゾルゲル工程の後に得られたゲル粒子からウェットゲル（wet gel）を形成し、ウェットゲルを乾燥させることにより、ナノ多孔性無機粉体は製造さ
れる。

本発明の別の態様によれば、さらにナノ多孔性無機粉体の製造方法が含まれる。そのステップは、前駆物を溶剤に均一に混合させゲル粒子を形成するステップと、ゲル粒子をゲル粒子群に重合させるステップと、触媒を添加してゲル粒子に加水分解(hydrolysis)及び縮合(condensation)反応させるステップと、ゲル粒子のゲル化(gelation)を行ってウェットゲル(wet gel)を形成するステップと、最後にウェットゲルを乾燥させるステップとを
含む。

本発明の目的、特徴およびその機能をより理解するため、以下のように詳しく説明する。

本発明のナノ多孔性無機粉体およびその製造方法は、断熱塗料の充填材およびその製造に適用される。

図１は本発明のナノ多孔性無機粉体の製造方法のステップの流れ図である。ステップ１１０で、前駆物を溶剤に均一に混合してゲル粒子を形成する。ステップ１２０で、ゲル粒子をゲル粒子群に重合させる。ステップ１３０で、触媒を加えてゲル粒子を発生および縮合反応させる。ステップ１４０で、ゲル化を行ってウェットゲルを形成する。さらに、ステップ１５０で、揮発性溶剤でウェットゲルの溶剤を洗浄し、ステップ１６０でウェットゲルを置換溶剤に入れ、ステップ１７０でウェットゲルを改質処理させ、最後に、ステップ１８０でウェットゲルを乾燥処理する。

ステップ１１０において、本発明の前駆物は、アルキルを含有するシラン化合物であってよく、その化学式をR-Si-(OC_２H_５)_３またはR_２-Si-(OC_２H_５)_２とすることができ、式中、Ｒは線状アルキルである。代替的には、本発明の前駆物はテトラエトキシシラン(Tetraethoxysilane)であってもよい。溶剤は、ジメチルメタノール、脱イオン水及び塩酸を
含む。
ステップ１２０で、前駆物を含む溶液をさらに撹拌混合する。
ステップ１３０において、触媒は好ましくは水酸化アンモニウム溶液である。触媒を加えた後の溶液のｐＨ値は、好ましくは８〜１０の間に制御する。
ステップ１４０において、ゲル化は、ゲル粒子溶液を室温に静止状態に置いて行う。
ステップ１５０において、揮発性溶剤は好ましくはエタノールである。
ステップ１６０において、置換溶剤は好ましくはヘキサンである。
ステップ１７０において、ウェットゲルは改質溶剤に入れられる。改質溶剤は好ましくはトリメチルクロロシランとヘキサンからなる。この場合、トリメチルクロロシランは改質溶剤の体積百分率（vol）の６％を占めることが好ましい。
ステップ１８０において、ウェットゲルは例えば室温に放置することで乾燥処理される。
本発明の製造方法のいずれのステップも、反応温度は特に限定しないが、常温ないし室温で行うことが可能である。

（実施例）
すべての工程は室温（本実施例では２５℃）で行った。
前駆物であるテトラエトキシシランをジメチルメタノールに溶解させたものを、脱イオン水で希釈した塩酸と混合した。この際、テトラエトキシシラン、ジメチルメタノール、脱イオン水及び塩酸のモル比は１：３：２：９×１０^−４となるようにした。次に、溶液
を１０分間、３００ｒｐｍにて湿式で撹拌混合させた。得られたストック溶液に、脱イオン水で希釈した水酸化アンモニウム溶液（モル濃度６．６×１０^{−１〜１．２}）を加え、溶液のｐＨ値を８〜１０に制御した。次に、ウェットゲルを１００時間以上静止状態で放置し（ゲル化および時効処理）、ウェットゲルを得た。このウェットゲルを過剰のエタノールで２０分間洗浄した後、３０ｍｌのｎ−ヘキサンで溶剤を置換し、７時間経過させた。次に、ウェットゲルを、トリメチルクロロシランが改質溶剤の体積百分率（vol）の６
％を占めるトリメチルクロロシランとヘキサンからなる改質溶剤に２４時間入れた。最後に、得られたウェットゲルを４８時間放置し、乾燥させた。

本実施例によって形成されたナノ多孔性無機粉体は、真鍮ネックレスの形に類似する３Ｄネット状の構造を有する。図２はかかるナノ多孔性無機粉体の実体顕微鏡写真である。さらに、本実施例では、アルカリ触媒により粒子表面のSiOH基にSi-O-Si結合を生じさせ
たため、二次粒子の完成に便利である。また、ナノ多孔性無機粉体の間にはメソ細孔(mesoporous)の微細孔が現れ、その直径は約２０〜５０ナノメートル(nm)を有するため、断熱性を効果に向上できる。

上記において掲げた本願のより好ましい実施例は、本発明を限定するものではなく、当業者は、本願の精神および範囲内を離脱しない前提においていかなる変更または修飾も行うことができる。したがって、本願が保護しようとする権利範囲は本明細書の特許請求の範囲に限定されるものとする。

本発明のナノ多孔性無機粉体の製造方法を示す流れ図。 本発明の実施例の製造方法により形成されたナノ多孔性無機粉体の実体顕微鏡写真。

符号の説明

ステップ１１０ 前駆物を溶剤に均一に混合してゲル粒子を形成する。
ステップ１２０ ゲル粒子をゲル粒子群に重合させる。
ステップ１３０ 触媒を添加してゲル粒子を生じさせ縮合反応させる。
ステップ１４０ ゲル化を行ってウェットゲルを形成する。
ステップ１５０ 揮発性溶剤でウェットゲルを洗浄する。
ステップ１６０ 置換溶剤を入れる。
ステップ１７０ ウェットゲルを改質処理する。
ステップ１８０ ウェットゲルを乾燥処理する。

Claims (20)

1. ゾルゲル工程を介して前駆物から製造されるナノ多孔性無機粉体であって、前記ゾルゲル工程は、
   前駆物を溶剤に均一に混合してゲル粒子を形成することと、
   前記ゲル粒子をゲル粒子群に重合させることと、
   触媒を添加してゲル粒子に加水分解および縮合反応させることと、を含み、
   前記ゾルゲル工程の後に得られたゲル粒子からウェットゲルを形成し、
   前記ウェットゲルを乾燥させることにより製造されることを特徴とするナノ多孔性無機粉体。
2. 前記前駆物はアルキルを含有するシラン化合物であることを特徴とする請求項１記載のナノ多孔性無機粉体。
3. 前記アルキルを含有するシラン化合物の化学式は、R-Si-(OC_２H_５)_３またはR_２-Si-(OC_２H_５)_２のいずれか一つで、Ｒは線状アルキルであることを特徴とする請求項２記載のナノ多孔性無機粉体。
4. 前記前駆物はテトラエトキシシランであることを特徴とする請求項２記載のナノ多孔性無機粉体。
5. 前記触媒はアルカリ触媒であり、前記前駆物はアルカリ触媒によりその表面のSiOH基にSi-O-Si結合を生ずることを特徴とする請求項２記載のナノ多孔性無機粉体。
6. 前記ナノ多孔性無機粉体の間にメソ細孔の微細孔を有し、その直径が２０〜５０ナノメートルを有することを特徴とする請求項２記載のナノ多孔性無機粉体。
7. 前記溶剤は、ジメチルメタノール、脱イオン水及び塩酸を含むことを特徴とする請求項１記載のナノ多孔性無機粉体。
8. 前駆物を溶剤に均一に混合してゲル粒子を形成するステップと、
   前記ゲル粒子をゲル粒子群に重合させるステップと、
   触媒を添加してゲル粒子に加水分解および縮合反応させるステップと、
   前記ゲル粒子のゲル化を行ってウェットゲルを形成するステップと、
   ウェットゲルを乾燥させるステップと、
   を含むナノ多孔性無機粉体の製造方法。
9. 前記前駆物はアルキルを含有するシラン化合物であることを特徴とする請求項８記載のナノ多孔性無機粉体の製造方法。
10. 前記アルキルを含有するシラン化合物の化学式は、R-Si-(OC_２H_５)_３またはR_２-Si-(OC_２H_５)_２のいずれか一つで、Ｒは線状アルキルであることを特徴とする請求項９記載のナノ多孔性無機粉体の製造方法。
11. 前記の前駆物はテトラエトキシシランであることを特徴とする請求項９記載のナノ多孔性無機粉体の製造方法。
12. 前記触媒はアルカリ触媒であり、前記前駆物はアルカリ触媒によりその表面のSiOH基にSi-O-Si結合を生ずることを特徴とする請求項９記載のナノ多孔性無機粉体の製造方法。
13. 前記触媒は水酸化アンモニウム溶液であることを特徴とする請求項９記載のナノ多孔性無機粉体の製造方法。
14. 前記水酸化アンモニウム溶液のモル濃度は６．６×１０^{−１〜１．２}間の範囲にあることを特徴とする請求項１３記載のナノ多孔性無機粉体の製造方法。
15. 前記溶剤は、ジメチルメタノール、脱イオン水及び塩酸を含むことを特徴とする請求項８記載のナノ多孔性無機粉体の製造方法。
16. 揮発性溶剤により前記ウェットゲルを洗浄するステップと、
    置換溶剤を添加するステップと、
    をさらに含むことを特徴とする請求項８記載のナノ多孔性無機粉体の製造方法。
17. 前記揮発性溶剤はエタノールであり、前記置換溶剤はヘキサンであることを特徴とする請求項１６記載のナノ多孔性無機粉体の製造方法。
18. 前記ウェットゲルを改質処理させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１６記載のナノ多孔性無機粉体の製造方法。
19. 前記ウェットゲルはトリメチルクロロシランとヘキサンからなる改質溶剤に添加されることを特徴とする請求項１８記載のナノ多孔性無機粉体の製造方法。
20. 前記トリメチルクロロシランは改質溶剤の体積百分率（vol）の６％を占めていることを
    特徴とする請求項１９記載のナノ多孔性無機粉体の製造方法。

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