JP2007204288A - Method for production of fibrous porous silica particle, and the fibrous porous silica particle - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method capable of producing a fibrous porous silica particle having a pore size of ≥8 nm without using an additive such as a fluoride. <P>SOLUTION: The production method comprises: mixing an aqueous alkali silicate solution with a liquid mixture of an acidic aqueous solution and a nonionic surfactant while agitating under the temperature condition of 30 to <50°C; continuing agitation at the temperature as it is to confirm white turbidity in a reaction solution after the lapse of a definite time; then heating a reaction vessel as it is or a reactor which is kept at a definite temperature and has the reaction vessel transferred thereto at a certain temperature of 50-200°C; and aging by leaving at rest or agitating for a given period of time to remove the nonionic surfactant in the obtained fibrous particle. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、ミクロンサイズの繊維状多孔質シリカ粒子の製造方法と、この方法により得られる繊維状多孔質シリカ粒子に関するものである。より詳細には、本発明は、非イオン性界面活性剤のロッド状分子集合体形成能に基づいて、アルカリ珪酸塩から生成するシリカ溶存種と非イオン性界面活性剤との繊維状高次規則構造体を形成させた後、この高次規則構造体の成長を、より高温下で熟成することを特徴とする繊維状多孔質シリカ粒子の製造方法と、規則配列したメソ孔を有すると同時に繊維状形態を持つ多孔質シリカ粒子に関するものである。さらに本発明は、耐熱性に優れた繊維状多孔質シリカ粒子並びに無孔性の繊維状シリカ粒子に関するものである。   The present invention relates to a method for producing micron-sized fibrous porous silica particles and the fibrous porous silica particles obtained by this method. More specifically, the present invention is based on the ability of the nonionic surfactant to form rod-like molecular aggregates, and is a fibrous high-order rule between a silica-dissolved species generated from an alkali silicate and a nonionic surfactant. After the structure is formed, the growth of the higher order ordered structure is aged at a higher temperature, and a method for producing fibrous porous silica particles characterized by having a mesopore arranged at the same time as the fibers. The present invention relates to porous silica particles having a shape. Furthermore, this invention relates to the fibrous porous silica particle excellent in heat resistance, and a nonporous fibrous silica particle.

1992年に多孔体MCM−41の合成法がNature誌上に発表されて以来、メソポーラス材料への関心が高まり、4級アンモニウム塩等のイオン系界面活性剤を使用した研究が数多く報告されている。その後、無毒性で、生分解性を有し、除去が容易であり、更には、安価なオリゴマー或はポリマー系の非イオン系界面活性剤をテンプレートとしてメソポーラス材料が合成可能なことが報告された(非特許文献1)。   Since the synthesis method of porous MCM-41 was published in Nature in 1992, interest in mesoporous materials has increased, and many studies using ionic surfactants such as quaternary ammonium salts have been reported. Later, it was reported that non-toxic, biodegradable, easy removal, and mesoporous materials could be synthesized using inexpensive oligomer or polymer nonionic surfactants as templates. (Non-Patent Document 1).

一方、メソポーラス材料の発見当初から、メソ細孔の規則構造のみならず、ミクロンからミリメートルサイズのマクロ形態まで制御した高次規則構造を有する多孔質材料の開発が注目されている(非特許文献2)。   On the other hand, since the discovery of a mesoporous material, development of a porous material having not only a regular structure of mesopores but also a high-order ordered structure controlled from micron to millimeter size macro form has been attracting attention (Non-Patent Document 2). ).

均一細孔を有する物質においては、細孔径を拡張することは、細孔を反応場とする化学反応において、従来不可能であった大きな分子を対象とすることを可能とするもので、学術的及び実用的に極めて重要な研究課題である。ゼオライト開発の経緯や、メソポア多孔体の発明とその後の高い関心、そして現在まで衰えぬ基礎研究並びに応用開発への期待がこのことを物語っている(非特許文献3)。また、メソポーラス材料の合成手法においては、使用する界面活性剤の種類等、反応条件によって細孔径が制御でき、特に疎水基が長くなる程、大きな細孔径を持つものが得られる傾向が認められている。さらにまた、ミセルを大きくする添加助剤1,3,5−トリメチルベンゼン、トリイソプロピルベンゼン等の有機化合物を使用することによって細孔径が拡張することが知られている。また、シリカメソ多孔体合成時におけるフッ化物添加効果として、シリカ骨格の形成を促進するばかりでなく(非特許文献4)、限られたフッ化物の細孔径拡張効果が報告されている(非特許文献5)。   For substances with uniform pores, expanding the pore diameter enables large molecules that were previously impossible in chemical reactions using pores as a reaction field. And it is a very important research subject for practical use. The background of the development of zeolite, the invention of the porous mesopores and the subsequent high interest, and the expectation for basic research and application development that have not faded up to the present (Non-Patent Document 3). In the synthesis method of mesoporous materials, the pore size can be controlled depending on the reaction conditions such as the type of surfactant to be used, and in particular, the longer the hydrophobic group, the greater the tendency to obtain a product with a larger pore size. Yes. Furthermore, it is known that the pore diameter is expanded by using an organic compound such as 1,3,5-trimethylbenzene or triisopropylbenzene, which is an additive aid that enlarges micelles. Further, as a fluoride addition effect during the synthesis of a silica mesoporous material, not only the formation of a silica skeleton is promoted (Non-Patent Document 4), but also a limited pore size expansion effect of fluoride has been reported (Non-Patent Document). 5).

しかしながら、これまでの多くの研究では、シリカ源としてアルコキシシラン等の有機シリカを、テンプレート剤には高価なイオン性界面活性剤を用いていることから、応用のための量産化には向かないという問題がある。そこで、より応用分野の拡大を可能とする量産化に向けて、アルカリ珪酸塩等の安価なシリカ源を出発原料とした研究が報告されている(非特許文献6)。だが、安価なシリカ源としてのアルカリ珪酸塩とともに非イオン性の界面活性剤を用いることが考えられてはいるものの、その検討はあまり進んでいない。その理由は、細孔径の制御とともにマクロ形態を制御することが大変に難しい点にある。実際、たとえば、アルカリ珪酸塩とポリマー系の非イオン系界面活性剤を同時に使用し、細孔径とともにマクロ形態をも制御した報告例は極めて少ない(非特許文献7および非特許文献8)。   However, in many studies so far, organic silica such as alkoxysilane is used as a silica source, and expensive ionic surfactant is used as a template agent, so it is not suitable for mass production for application. There's a problem. Then, research which started cheap silica sources, such as alkali silicate, as a starting material is reported for mass production which can expand an application field more (nonpatent literature 6). However, although it is considered to use a nonionic surfactant together with an alkali silicate as an inexpensive silica source, the investigation has not progressed so much. The reason is that it is very difficult to control the macro morphology together with the control of the pore diameter. Actually, for example, there are very few reports of using an alkali silicate and a polymer-based nonionic surfactant at the same time to control the macro form as well as the pore diameter (Non-Patent Document 7 and Non-Patent Document 8).

本発明者らは、このような背景において、メソポーラス材料の開発には、低コスト原料を使用した省エネ的合成方法によるマクロ形態の制御が重要なポイントであるとの考えのもとに検討を進め、その過程で得られた知見から新しい技術提案を行ってきている。例えば、アルカリ珪酸塩と非イオン系界面活性剤としてトリブロック共重合体を使用しての球状シリカ多孔体(特許文献1)やロッド状並びに繊維状多孔質シリカ粒子(特許文献2)の合成方法を提案している。後者のロッド状並びに繊維状多孔質シリカ粒子の合成方法では、製造に関する公知技術においては、珪酸ソーダとトリブロック共重合体(商品名 Pluronic P123)を塩酸酸性溶液中において反応させ、攪拌の有無によって、単分散ロッド状並びに繊維状のシリカメソ多孔体を選択的に合成している。さらに、トリブロック共重合体の性質、即ち反応温度を高くすることで疎水性を高めて細孔径の拡張を可能としており、反応温度を40℃に制御することで細孔径の最大ピークが6.4nmを有する繊維状シリカメソ多孔体の合成を実現している。   In such a background, the present inventors proceeded with investigations based on the idea that control of macro form by an energy-saving synthesis method using low-cost raw materials is an important point in developing mesoporous materials. New technical proposals have been made based on the knowledge obtained in the process. For example, a method of synthesizing a spherical silica porous body (Patent Document 1) or rod-like and fibrous porous silica particles (Patent Document 2) using an alkali silicate and a triblock copolymer as a nonionic surfactant. Has proposed. In the latter method for synthesizing rod-like and fibrous porous silica particles, in a known technique for production, sodium silicate and a triblock copolymer (trade name Pluronic P123) are reacted in an acidic hydrochloric acid solution, and the presence or absence of stirring is determined. A monodispersed rod-like and fibrous silica mesoporous material is selectively synthesized. Furthermore, the property of the triblock copolymer, that is, the reaction temperature is increased to increase the hydrophobicity by increasing the hydrophobicity, and by controlling the reaction temperature to 40 ° C., the maximum peak of the pore diameter is 6. Synthesis of fibrous silica mesoporous material having 4 nm is realized.

だが、本発明者らによるこの新しい合成方法でも、トリブロック共重合体の界面活性剤としての性質上50℃では長距離での規則性を持ったミセル構造体の形成は難しく、繊維状形態を保持したまま、実質的に7nm以上の細孔径の拡張は期待できないのが実情である。   However, even in this new synthesis method by the present inventors, it is difficult to form a micelle structure having regularity at a long distance at 50 ° C. due to the properties of the triblock copolymer as a surfactant, and the fibrous form is not obtained. In fact, it is not possible to expect expansion of the pore diameter of 7 nm or more while maintaining this.

前記の通り、細孔径の拡張は多孔質材料の応用範囲に新展開をもたらすもので、最近の報告においても、超臨界CO2を溶媒とすることによって細孔径の拡張が可能なことが報告されている(非特許文献9)が、細孔を拡張するための方法として複雑であり、前述の添加助剤の例では、有機化合物が高価な上、細孔の規則性の低下を引き起こし易い等の課題がある。 As described above, the expansion of the pore diameter brings about new developments in the application range of porous materials. In recent reports, it has been reported that the pore diameter can be expanded by using supercritical CO 2 as a solvent. (Non-Patent Document 9) is complicated as a method for expanding the pores. In the example of the additive aid described above, the organic compound is expensive, and the regularity of the pores is likely to be lowered. There is a problem.

一方、フッ化物はメソポーラス物質合成においても細孔径の拡張効果が報告されているが、シリカ骨格の縮合を促進することの作用が強く、ミクロンサイズの繊維状形態を有したまま大きな細孔径を賦与することは難しかった。発明者らにおいても、最近、フッ化物の添加方法を厳密に制御することで、ミクロンサイズの繊維状形態を有し、且つ平均細孔径が8nm以上で均一な細孔径分布を持った繊維状多孔質シリカ粒子の合成に成功し特許出願を行ったところである(特許文献3)。しかし、細孔径を拡張するためには多量のフッ化物を要すること、また反応温度は約45℃が限界で、10nm以上の細孔径を有する繊維状多孔質シリカ粒子を作製することは難しく、さらにシリカ中にF元素の残留が認められることなどの課題があった。
Bagshaw, S.A.; Prouzet, E.; Pinnavaia, T.J.Science 1995, 269, 1242. 1) Ciesla,U.; Schuth, F. Microporous Mesoporous Mater. 1999, 27, 131. 2) Stein, A.Adv. Mater. 2003, 15, 763. Davis, M.E. Nature 2002, 417, 813. Boissiere, C.; van der Lee, A.; El Mansouri,A.; Larbot, A.; Prouzet, E. C hem. Commun.1999, 2047. Bagshaw, S.A.J. Mater. Chem. 2001, 11, 831. 1) Sierra,L.; Guth, J-L. Microporous Mesoporous Mater. 1999, 28, 243. 2) Kim, S.S.; Pauly, T.R.; PinnavaiaT.J. Chem. Commun.2000, 835. 3) Kim, S.S.; Pauly, T.R.; PinnavaiaT.J. Chem. Commun.2000, 1661. Boissiere, C.; Larbot, A.; van der Lee, A.: Kooyman, P.J.; Prouzet,E. Chem. Mater. 2000, 12, 2902. Sun, Q.; Kooyman, P.J.; Grossmann, J.G.; Bomans, P.H.H.;Frederik, P.M.; Magusin,P.C.M.M.; Beelen, T.P.M.;van Santen, R.A.; Sommerdijk, N.A.J.M.Adv. Mater. 2003, 15, 1097. Hanrahan, J.P.; Copley, M.P.; Ryan, K.M.; Spalding, T.R.; Morris, M.A.; Holmes, J.D. Chem. Mater. 2004, 16, 424. 特開2004−143026 特開2003−342019 特願2004−311836
Fluoride, on the other hand, has been reported to expand pore size in the synthesis of mesoporous materials, but it has a strong effect of promoting the condensation of the silica skeleton and imparts a large pore size while maintaining a micron-sized fibrous form. It was difficult to do. Recently, the inventors have also closely controlled the method of adding fluoride to provide a fibrous pore having a micron-sized fibrous shape and an average pore size of 8 nm or more and a uniform pore size distribution. Has succeeded in the synthesis of porous silica particles and has filed a patent application (Patent Document 3). However, a large amount of fluoride is required to expand the pore diameter, and it is difficult to produce fibrous porous silica particles having a pore diameter of 10 nm or more with a reaction temperature of about 45 ° C. There existed problems, such as a residue of F element being recognized in a silica.
Bagshaw, SA; Prouzet, E .; Pinnavaia, TJScience 1995, 269, 1242. 1) Ciesla, U .; Schuth, F. Microporous Mesoporous Mater. 1999, 27, 131. 2) Stein, A. Adv. Mater. 2003, 15, 763. Davis, ME Nature 2002, 417, 813. Boissiere, C .; van der Lee, A .; El Mansouri, A .; Larbot, A .; Prouzet, E. C hem. Commun. 1999, 2047. Bagshaw, SAJ Mater. Chem. 2001, 11, 831. 1) Sierra, L .; Guth, JL. Microporous Mesoporous Mater. 1999, 28, 243. 2) Kim, SS; Pauly, TR; Pinnavaia T.J. Chem. Commun. 2000, 835. 3) Kim, SS; Pauly , TR; Pinnavaia T.J.Chem. Commun. 2000, 1661. Boissiere, C .; Larbot, A .; van der Lee, A .: Kooyman, PJ; Prouzet, E. Chem. Mater. 2000, 12, 2902. Sun, Q .; Kooyman, PJ; Grossmann, JG; Bomans, PHH; Frederik, PM; Magusin, PCMM; Beelen, TPM; van Santen, RA; Sommerdijk, NAJMAdv. Mater. 2003, 15, 1097. Hanrahan, JP; Copley, MP; Ryan, KM; Spalding, TR; Morris, MA; Holmes, JD Chem. Mater. 2004, 16, 424. JP2004-143026 JP2003-342019 Japanese Patent Application No. 2004-311836

上記のとおり、安価なアルカリ珪酸塩をシリカ源としてメソ孔およびマイクロ孔を有する多孔質材料を合成可能にするとのことは、多孔質材料の利用分野を拡大するためにもその着想において非常に優れたものであるが、その報告例は高価なアルコキシシラン等の有機シリコンを原料としたものに比べ極めて少なく、更に、非イオン性界面活性剤と組み合わせたマクロ形態制御に関する報告は極めて限られている。しかも、通常の反応系では使用する非イオン性界面活性剤の持つ高温での脱水和挙動に起因して7nm以上の大きな細孔径を有する純粋な繊維状多孔質シリカ粒子並びにその製造方法はこれまで全く報告されていない。   As described above, it is possible to synthesize porous materials having mesopores and micropores using inexpensive alkali silicate as a silica source, which is very excellent in the idea in order to expand the field of use of porous materials. However, the number of reported examples is very small compared to those using organic silicon such as expensive alkoxysilane as a raw material, and reports on macro form control in combination with nonionic surfactants are extremely limited. . Moreover, pure fibrous porous silica particles having a large pore diameter of 7 nm or more due to the dehydration behavior at a high temperature of a nonionic surfactant used in a normal reaction system and a method for producing the same have been heretofore known. Not reported at all.

また、上記のとおりの本発明者らによる特許文献2の繊維状多孔質シリカ粒子の製造方法においては、繊維状形態を保持したままでさらなる細孔径の拡張を図るには限界がある。そして、上記特許文献3の繊維状多孔質シリカ粒子の製造方法においては、はじめて8nm以上の大きな細孔径を有する繊維状多孔質シリカ粒子を作製することを見いだしたが、大量のフッ化物を使用し、フッ化物の残留、繊維長が短くなることなど、排水処理や実質的な質的低下等の課題があり量産化は期待できない。   Moreover, in the manufacturing method of the fibrous porous silica particle of patent document 2 by the present inventors as mentioned above, there exists a limit in aiming at the expansion of the further pore diameter, maintaining a fibrous form. And in the manufacturing method of the fibrous porous silica particle of the said patent document 3, although it discovered that the fibrous porous silica particle which has a large pore diameter of 8 nm or more was produced for the first time, a large amount of fluoride was used. There are problems such as wastewater treatment and substantial quality deterioration, such as residual fluoride and shortening of fiber length, and mass production cannot be expected.

そこで、本発明は、以上のとおりの背景から、これら従来の問題点を解消し、安価なアルカリ珪酸塩をシリカ源とし、無毒性あるいは低毒性の非イオン性界面活性剤をテンプレートとするとの本発明者によりこれまでに開発された技術知識を踏まえ、新たな繊維状多孔質シリカ粒子の工業的な製造技術を提供すると共に、従来フッ素添加の方法以外では全く報告例のない8nm以上の細孔径を有する繊維状多孔質シリカ粒子等を提供することを課題としている。   Therefore, the present invention eliminates these conventional problems from the background as described above, uses inexpensive alkali silicate as a silica source, and uses a non-toxic or low-toxic nonionic surfactant as a template. Based on the technical knowledge developed so far by the inventor, the present invention provides industrial production technology for new fibrous porous silica particles, and has a pore diameter of 8 nm or more, which is not reported at all other than the conventional fluorine addition method. It is an object of the present invention to provide fibrous porous silica particles and the like having the above.

本発明者は、上記の課題を解決すべく鋭意検討を勧め、その過程において、添加物を加えることなく、高い反応温度においてトリブロック共重合体を使用しても、繊維状形態を保持するシリカ多孔体の製造方法を見いだした。さらには、本発明者は、たとえば3〜13nmという広い範囲で細孔径を均一に制御すること、そして繊維長を制御することに成功した。特に、従来全く報告のない、細孔径が10nm以上のメソチャンネルが規則配列し、しかも比表面積と細孔容積がそれぞれ600m2/g、1ml/g以上と極めて大きな繊維状多孔質シリカ粒子の製造にも成功した。 The present inventor recommended diligent studies to solve the above problems, and in the process, silica that maintains a fibrous form even when a triblock copolymer is used at a high reaction temperature without adding an additive. A method for producing a porous body has been found. Furthermore, the present inventors have succeeded in uniformly controlling the pore diameter in a wide range of, for example, 3 to 13 nm and controlling the fiber length. In particular, production of fibrous porous silica particles with extremely large mesochannels having a pore size of 10 nm or more, which has not been reported at all, and a specific surface area and pore volume of 600 m 2 / g and 1 ml / g or more, respectively. Also succeeded.

本発明は、このような結果を踏まえて完成されたものであって、本発明の製造方法は、常温付近、そして常圧下で生成する繊維状多孔質粒子の前駆体である界面活性剤を含んだ有機無機ナノ複合体の成長を、より高温下で熟成することをその本質的特徴としている。この方法により、これまでに本発明者が開示した繊維状多孔質シリカ粒子のうちの、細孔径で規定すれば10nm未満の繊維状多孔質シリカ粒子を全て製造できる。そして、細孔径が10nm以上の新規な繊維状多孔質シリカ粒子が製造できる。メソポーラス材料合成において、トリブロック共重合体を高温で使用することより細孔径の拡張が可能なことは一般に良く知られているが、ミクロンサイズの繊維状形態を保持したまま可能とすることは知られていない。また、得られる大細孔径繊維状多孔質シリカ粒子も従来報告例の無い新規物質である。   The present invention has been completed on the basis of such results, and the production method of the present invention includes a surfactant that is a precursor of fibrous porous particles generated at about normal temperature and under normal pressure. However, the growth of organic-inorganic nanocomposites is characterized by aging at higher temperatures. By this method, among the fibrous porous silica particles disclosed by the present inventor so far, all the fibrous porous silica particles having a diameter of less than 10 nm can be produced if defined by the pore diameter. And the novel fibrous porous silica particle whose pore diameter is 10 nm or more can be manufactured. In the synthesis of mesoporous materials, it is generally well known that the pore size can be expanded by using a triblock copolymer at a high temperature, but it is known that it can be maintained while maintaining a micron-sized fibrous form. It is not done. Further, the obtained large pore fibrous silica particles are also a novel substance that has not been reported in the past.

すなわち、本発明によって、従来の低コスト、低環境負荷な材料設計に基づいて、細孔構造、繊維状形態を制御するために、無毒性もしくは低毒性で、生分解性の非イオン性界面活性剤を使用し、更にシリカ源として安価なアルカリ珪酸塩を用いた反応系において、しかも細孔径の拡張に有用なフッ化物等の他物質の添加を必要としない単純な反応系で繊維状多孔質シリカ粒子が提供される。本発明の製造方法は、たとえば3から13nmの広範囲で均一細孔径を有する繊維状多孔質シリカ粒子を作製するための普遍的な方法であり、特に従来全く報告例の無い繊維状多孔質シリカ粒子であり、ミクロンサイズの繊維状形態を有しながらメソ孔が10nm以上と極めて大きい繊維状多孔質シリカ粒子をはじめて提供できる画期的な工業的製造方法と言える。   That is, according to the present invention, a non-toxic or low-toxic, biodegradable nonionic surfactant is used to control the pore structure and fibrous morphology based on the conventional low-cost, low environmental load material design. In a reaction system using an agent, and an inexpensive alkali silicate as a silica source, and a simple reaction system that does not require the addition of other substances such as fluoride useful for pore size expansion, it is a fibrous porous material. Silica particles are provided. The production method of the present invention is a universal method for producing fibrous porous silica particles having a uniform pore diameter in a wide range of, for example, 3 to 13 nm, and in particular, fibrous porous silica particles that have never been reported in the past. Thus, it can be said that this is an epoch-making industrial production method capable of providing for the first time fibrous porous silica particles having a very large mesopore of 10 nm or more while having a micron-sized fibrous form.

本発明は以上のとおりの、全く新しい、従来では予期することのできない知見を踏まえて完成されたものである。本発明の製造方法では、以下のことを特徴としている。   The present invention has been completed on the basis of the above-described completely new and unexpected knowledge. The manufacturing method of the present invention is characterized by the following.

1.酸性水溶液及び非イオン性界面活性剤の混合液に、アルカリ珪酸塩水溶液を30℃から50℃未満の温度条件下で攪拌しながら混合し、反応溶液に白濁が認められた後、50℃から200℃の範囲の温度に昇温して熟成した後に、生成固体を濾過、乾燥後、非イオン性界面活性剤を除去すること。   1. An aqueous alkali silicate solution was mixed with a mixed solution of an acidic aqueous solution and a nonionic surfactant while stirring under a temperature condition of 30 ° C. to less than 50 ° C. After the reaction solution was found to be cloudy, 50 ° C. to 200 ° C. After aging by raising the temperature to a temperature in the range of ° C., the produced solid is filtered and dried, and then the nonionic surfactant is removed.

2.非イオン性界面活性剤をアルカリ珪酸塩中のSiO2 1モル当たり0.002乃至0.25の量で用いること。 2. Use nonionic surfactants in amounts of 0.002 to 0.25 per mole of SiO 2 in the alkali silicate.

3.酸をアルカリ珪酸塩中のSiO2 1モル当たり0.6乃至15モルの量で用いること。 3. Use acid in an amount of 0.6 to 15 moles per mole of SiO 2 in the alkali silicate.

4.水をアルカリ珪酸塩中のSiO2 1モル当たり100乃至400モルの量で用いること。 4). Use water in an amount of 100 to 400 moles per mole of SiO 2 in the alkali silicate.

また、本発明の繊維状多孔質シリカ粒子においては、以下のことを特徴としている。、
1.フッ化物を含まない繊維状多孔質シリカ粒子であって、細孔径分布曲線のピーク値が10nm未満にあり、BET比表面積800m2/g以上、全細孔容積0.6ml/g以上を有すること。
The fibrous porous silica particles of the present invention are characterized by the following. ,
1. Fibrous porous silica particles containing no fluoride, the peak value of the pore size distribution curve is less than 10 nm, the BET specific surface area is 800 m 2 / g or more, and the total pore volume is 0.6 ml / g or more. .

2.繊維状多孔質シリカ粒子であって、細孔径分布曲線のピーク値が10nm以上にあり、BET比表面積600m2/g以上、全細孔容積1ml/g以上を有すること。 2. Fibrous porous silica particles having a pore size distribution curve peak value of 10 nm or more, a BET specific surface area of 600 m 2 / g or more, and a total pore volume of 1 ml / g or more.

3.繊維状多孔質シリカ粒子であって、1000℃以上においてBET比表面積100m2/g以上で、細孔径分布ピークが3から10nmの範囲にあり、0.1ml/g以上の全細孔容積を持つこと。 3. Fibrous porous silica particles having a BET specific surface area of 100 m 2 / g or more at 1000 ° C. or more, a pore size distribution peak in the range of 3 to 10 nm, and a total pore volume of 0.1 ml / g or more. thing.

4.前記繊維状粒子が、ロッド状ユニットの連鎖物もしくはその連鎖物の集合体からなり、ハニカム状に規則配列した一次元チャンネル状細孔が隣接するロッド状ユニット間を貫通して存在すること。   4). The fibrous particles are composed of a chain of rod-like units or an assembly of the chain-like ones, and one-dimensional channel-like pores regularly arranged in a honeycomb shape penetrate between adjacent rod-like units.

5.回折角0.5乃至5度(CuKα)に細孔の規則配列構造を示す複数のX線回折ピークを有すること。   5. It has a plurality of X-ray diffraction peaks showing a regular arrangement structure of pores at a diffraction angle of 0.5 to 5 degrees (CuKα).

6.ロッド状ユニットの連鎖物もしくはその連鎖物の集合体からなる繊維状シリカ粒子であって、BET比表面積5m2/g以下の無孔性であること。 6). Fibrous silica particles composed of a chain of rod-like units or aggregates of the chain, and non-porous with a BET specific surface area of 5 m 2 / g or less.

7.走査型顕微鏡観察による長軸の長さが10乃至2000μmの範囲にあり、アスペクト比が3乃至150であって、形状が繊維状であること。   7). The length of the major axis by scanning microscope observation is in the range of 10 to 2000 μm, the aspect ratio is 3 to 150, and the shape is fibrous.

本発明によれば、安価なアルカリ珪酸塩をシリカ源として用い、安全性の高い非イオン性界面活性剤をテンプレートとして使用し、更に比較的短時間で細孔径3から13nmの均一細孔径を有する繊維状多孔質シリカ粒子の製造方法が提供される。   According to the present invention, an inexpensive alkali silicate is used as a silica source, a highly safe nonionic surfactant is used as a template, and a uniform pore size of 3 to 13 nm is obtained in a relatively short time. A method for producing fibrous porous silica particles is provided.

そして、本発明によれば、細孔構造の制御剤として非イオン性界面活性剤を使用し、アルカリ珪酸塩水溶液と酸性水溶液を混合する極めて単純な反応系において、反応物質の混合時間、反応温度、さらには熟成温度と熟成時間を変化させることにより、繊維状多孔体の前駆体となる界面活性剤を含んだ有機無機ナノ複合体を比較的短時間で選択的に作製し、最終的に有機物を取除くことによる、ミクロンオーダーの繊維状多孔質シリカ粒子の製造方法が提供される。   According to the present invention, a nonionic surfactant is used as a pore structure control agent, and in a very simple reaction system in which an alkali silicate aqueous solution and an acidic aqueous solution are mixed, the mixing time of the reactants, the reaction temperature Furthermore, by changing the aging temperature and the aging time, an organic-inorganic nanocomposite containing a surfactant that becomes a precursor of the fibrous porous material is selectively produced in a relatively short time, and finally the organic matter A method for producing micron-order fibrous porous silica particles is provided.

しかも、本発明の製造方法によれば、繊維状のマクロ形態ばかりでなく、8nm以上、さらには10nm以上の細孔が規則性をもって配列する従来報告例のない大細孔積繊維状多孔質シリカ粒子が提供される。   Moreover, according to the production method of the present invention, not only a fibrous macro form, but also a large pore volume fibrous porous silica having no regular report in which pores of 8 nm or more, further 10 nm or more are regularly arranged. Particles are provided.

また、高温における細孔構造の変化を詳細に検討した結果、1000℃以上でBET比表面積100m2/g以上を有する耐熱性繊維状多孔質シリカ粒子、さらには繊維形態を保持したまま無孔性の繊維状シリカ粒子が提供される。 Further, as a result of detailed examination of changes in the pore structure at high temperature, heat-resistant fibrous porous silica particles having a BET specific surface area of 100 m 2 / g or more at 1000 ° C. or more, and further, non-porous while maintaining the fiber form Of fibrous silica particles are provided.

本発明の製造方法は、安価な原料を使用し、ほとんどの反応時間が静置もしくは攪拌条件による熟成工程であることから工業規模への応用も容易であり、更に、製造される繊維状多孔質シリカ粒子は、高比表面積、細孔径の均一性、単分散性等の特徴を併せ持つことから、形状選択能を利用した分子篩、吸着剤や、高分散性繊維状粒子であることを利用した樹脂添加剤、ガス分離膜、加えて触媒担体、触媒、クロマトグラフ用担体としての利用に適する。また、繊維状多孔質シリカ粒子は、大きく、揃ったアスペクト比を有する非晶質シリカであることから、人体への毒性が問題となっている石綿の代替品や樹脂の強度を高める補強剤、さらには増粘剤として利用が可能である。   The production method of the present invention uses an inexpensive raw material, and most of the reaction time is an aging step under standing or stirring conditions, so that it can be easily applied to an industrial scale. Silica particles have characteristics such as high specific surface area, uniformity of pore diameter, and monodispersibility, so that they use molecular sieves, adsorbents, and highly dispersible fibrous particles that utilize shape selectivity. Suitable for use as additives, gas separation membranes, plus catalyst carriers, catalysts, and chromatographic carriers. In addition, fibrous porous silica particles are large, amorphous silica having a uniform aspect ratio, so asbestos substitutes that are toxic to the human body and reinforcing agents that increase the strength of the resin, Furthermore, it can be used as a thickener.

すなわち、本発明による繊維状多孔質シリカ粒子は、樹脂添加剤、インク吸着用フィラー、調湿剤、石綿代替材料、増粘剤等の用途に利用される。さらに、繊維状形態を利用して単独乃至他の無機物質および有機化合物と混合することによりフェルト様に加工成型し、各種フィルター素材として広く利用することが可能である。特に、大きな細孔径を有するものでは、酵素あるいは有機官能基を有する大きな分子の吸着・分離・吸蔵・固定剤等として利用することができる。さらに、メソ孔と連結して共存するマイクロ孔を利用して粒子内拡散能に優れた環境汚染排出ガス状物質等の浄化プロセスへの応用、あるいはゼオライトやシリカゲルに代わるマイクロポア多孔体として新規用途を導くことが期待される。また、細孔表面を金属及び金属酸化物等で化学修飾することによって種々の触媒の開発にも展開可能である。さらには、高耐熱環境下における多孔性材料や複合材料等として種々の用途が期待される。   That is, the fibrous porous silica particles according to the present invention are used for applications such as resin additives, ink adsorbing fillers, humidity control agents, asbestos substitute materials, and thickeners. Furthermore, it can be processed and molded in a felt-like manner by mixing it alone or with other inorganic substances and organic compounds using a fibrous form, and can be widely used as various filter materials. In particular, those having a large pore size can be used as an adsorbing / separating / occluding / fixing agent for large molecules having an enzyme or an organic functional group. In addition, using micropores that are connected to mesopores, they can be applied to purification processes for environmental pollutant exhaust gas substances with excellent intra-particle diffusivity, or new uses as micropore porous materials to replace zeolite and silica gel. Is expected to lead. It can also be developed in the development of various catalysts by chemically modifying the surface of the pores with metals and metal oxides. Furthermore, various uses are expected as a porous material and a composite material in a high heat-resistant environment.

本発明では、ミクロンオーダーの繊維状多孔質シリカ粒子の製造において、シリカ源としてアルカリ珪酸塩を用い、金属アルコキシド等の高価な有機シリカを使用する必要がないこと、テンプレートとして高価な4級アンモニウム塩等を使用せずに無毒性、生分解性、安価な非イオン性界面活性剤を使用できること、更に短時間で繊維状粒子を高収率で得られること、酸濃度、反応濃度、特に反応時間によりアスペクト比を調整できること等を基本的な特徴としている。そして何より細孔拡張剤であるフッ化物を添加することなく、繊維状形態を保持したまま8nm以上、特に10nm以上のメソ孔を有する繊維状多孔質シリカ粒子が提供できることを顕著な特徴としている。非イオン性界面活性剤は高温状態では親水性が極度に低下するため、安定な高次構造を有するミセル集合体の形成が難しいとされてきた。本発明ではまずロッド状ミセル構造体が生成しかつ攪拌状態でロッド状ミセル構造体の連続体が形成されつつあるか、ほぼ形成された時点で、より高温状態で静置もしくはゆっくりと攪拌しながら熟成することを顕著な特徴としている。これらの新規技術は、従来技術に比べて格段の進歩性を有している。   In the present invention, in the production of micron-order fibrous porous silica particles, alkali silicate is used as a silica source, it is not necessary to use expensive organic silica such as metal alkoxide, and expensive quaternary ammonium salt is used as a template. Non-toxic, biodegradable and inexpensive nonionic surfactants can be used without using other materials, and high yields of fibrous particles can be obtained in a short time. Acid concentration, reaction concentration, especially reaction time The basic feature is that the aspect ratio can be adjusted. What is remarkable is that fibrous porous silica particles having mesopores of 8 nm or more, particularly 10 nm or more can be provided while maintaining the fibrous form without adding a fluoride as a pore expanding agent. Since nonionic surfactants have extremely low hydrophilicity at high temperatures, it has been difficult to form micelle aggregates having a stable higher-order structure. In the present invention, a rod-like micelle structure is first formed and a continuous body of rod-like micelle structures is being formed in a stirred state, or at a time when it is almost formed, while still standing or slowly stirring at a higher temperature. It is characterized by aging. These new technologies have a remarkable inventive step compared to the prior art.

すなわち、本発明による繊維状多孔質シリカ粒子の製造方法では、酸性水溶液及び非イオン性界面活性剤の混合液に、アルカリ珪酸塩水溶液を30℃から50℃未満の温度条件下で攪拌しながら混合し、そのままの温度で攪拌し続け、一定時間経過し反応溶液に白濁が認められた後、そのまま反応容器を昇温するか、あるいは反応容器を一定温度に保った反応装置に移して、50℃から200℃の一定温度に昇温し、静置あるいは攪拌しながら一定時間熟成した後に、生成固体を濾過、乾燥後、非イオン性界面活性剤を除去することを特徴としている。このような本発明の製造方法でミクロンオーダーの繊維状の形状を呈すると同時に、メソ細孔が規則配列した繊維状多孔質粒子の生成機構は以下のように推定される。   That is, in the method for producing fibrous porous silica particles according to the present invention, an aqueous alkali silicate solution is mixed with a mixture of an acidic aqueous solution and a nonionic surfactant while stirring at a temperature of 30 ° C. to less than 50 ° C. Then, after stirring for a certain period of time and white turbidity was observed in the reaction solution, the temperature of the reaction vessel was increased as it was, or the reaction vessel was transferred to a reactor maintained at a constant temperature, The temperature is raised to a constant temperature of 200 ° C., and after aging for a certain time while standing or stirring, the produced solid is filtered and dried, and then the nonionic surfactant is removed. The production mechanism of the fibrous porous particles in which mesopores are regularly arranged at the same time as exhibiting a micron-order fibrous shape by the production method of the present invention is estimated as follows.

アルカリ珪酸塩は強酸性水溶液下でシリカ溶存種がプラスに帯電し[I+]、一方、強酸に溶解した非イオン性界面活性剤[N0]においても、界面活性剤表面の親水基部分がプロトン[H+]に覆われることでプラスの電荷を帯び、プラスに帯電したシリカ、界面活性剤の両表面間に陰イオン[X-]が介在することで、電気的に安定なメソ構造体[N0+][X-+]を形成すると推定される。 Alkali silicates have positively charged silica dissolved species in a strongly acidic aqueous solution [I + ], while nonionic surfactants [N 0 ] dissolved in strong acids also have hydrophilic groups on the surface of the surfactant. The mesostructure is electrically stable because it is positively charged by being covered with proton [H + ], and an anion [X ] is interposed between both surfaces of the positively charged silica and the surfactant. It is estimated to form [N 0 H + ] [X I + ].

更に、溶液中にはアルカリ珪酸塩と酸との反応により発生したアルカリイオン(P+)が存在し、このイオンにより表面が帯電したシリカ間同士の電荷は相殺されるため、徐々にゲル化が進行しシリカ骨格中に非イオン性界面活性剤を包含した有機無機メソ構造体が生成する。この有機無機メソ構造体がロッド状構造体として生成し易い非イオン性界面活性剤[N0]を選択することで、ミクロンオーダーの繊維状形態を有する粒子に成長すると推定される。すなわち、ロッド状構造体が連鎖して成長することで繊維状多孔質粒子前駆体が形成され、有機成分を焼成或は溶媒抽出等の処理により除去することで得られる最終生成物は、ミクロンオーダーの繊維状を呈すると同時に、1次元チャンネルが六方晶系に規則配列したメソ孔を併せ持ち、2つの異なるスケールで秩序構造を有していることになる。 Furthermore, the solution contains alkali ions (P + ) generated by the reaction between the alkali silicate and the acid, and the charges between the silica whose surfaces are charged by these ions cancel each other. It proceeds to produce an organic-inorganic mesostructure containing a nonionic surfactant in the silica skeleton. It is presumed that the organic-inorganic mesostructure grows into particles having a fibrous form on the order of microns by selecting a nonionic surfactant [N 0 ] that is easily generated as a rod-like structure. In other words, fibrous porous particle precursors are formed by growing rod-like structures in a chain, and the final product obtained by removing organic components by baking or solvent extraction is a micron order. The one-dimensional channel also has mesopores regularly arranged in a hexagonal system and has an ordered structure at two different scales.

しかし、反応温度が高くなる程、非イオン性界面活性剤内の親水基が疎水性に変化することで、ロッド状構造体の成長が妨げられ、繊維状形態は形成され難くなる。このことを比較例1に示した。非イオン性界面活性剤の酸性液に、アルカリ珪酸塩水溶液を混合し、反応を終始撹拌条件下で行う場合、45℃までは繊維状多孔質粒子が合成できるものの、50℃では全く繊維状粒子の生成は認められない(たとえば図13に示した比較例1)。マクロ形態は反応温度に著しく影響されることになり、通常の製造方法で得られる繊維状多孔質粒子の細孔径は7nmが限界と考えられる。一方、F-はシリカ骨格の縮重合を促進する効果に優れ、上記[X-]イオンの媒介を強力に推進することになる。従って、反応温度45℃でフッ化物の添加方法を厳密に制御することで細孔径の拡張が可能となり、比較例2に示す通り10nmに近い細孔径を有する繊維状多孔質粒子が製造できる(比較例2、図14)。しかし、フッ化物を使用しても攪拌をベースとする合成反応では、細孔径は10nmが限界で、生成物中にはフッ素元素が残留して純粋なシリカ多孔体を作製することはできない。 However, as the reaction temperature increases, the hydrophilic group in the nonionic surfactant changes to be hydrophobic, which prevents the growth of the rod-like structure and makes it difficult to form a fibrous form. This is shown in Comparative Example 1. When an alkali silicate aqueous solution is mixed with an acidic solution of a nonionic surfactant and the reaction is carried out under stirring conditions throughout, fibrous porous particles can be synthesized up to 45 ° C., but at 50 ° C., no fibrous particles. Is not recognized (for example, Comparative Example 1 shown in FIG. 13). The macro form is significantly affected by the reaction temperature, and it is considered that the limit of the pore diameter of the fibrous porous particles obtained by a normal production method is 7 nm. On the other hand, F is excellent in the effect of promoting the condensation polymerization of the silica skeleton, and strongly promotes the mediation of the [X ] ion. Therefore, the pore diameter can be expanded by strictly controlling the method of adding fluoride at a reaction temperature of 45 ° C., and fibrous porous particles having a pore diameter close to 10 nm can be produced as shown in Comparative Example 2 (Comparison) Example 2, FIG. 14). However, even in the case of using fluoride, in the synthesis reaction based on stirring, the pore diameter is limited to 10 nm, and a pure silica porous body cannot be produced with the fluorine element remaining in the product.

最近の報告(非特許文献10)によれば、Pluronic 123は塩酸溶液中で形成される球状ミセルが集合してフロックが認められるようになり、溶存シリカ種との相互作用でフロックが合体し始め(A)、中間体であるワームホール様のメソ構造体を経由して(B)、大きな(ミクロンオーダー)2次元ヘキサゴナル様の規則構造が形成される(C)ことが報告されている。
Flodstrom, K.; Wennerstrom, H.; Alfredsson, V.Langmuir, 2004, 20, 680. 2次元ヘキサゴナル構造をした有機無機メソ構造体を単分散状態に保持すれば最終的にロッド状シリカメソ多孔質粒子として得られることになる。本発明の繊維状粒子はロッド状粒子が連結して成長することによって形成されるもので、ワームホール様メソ構造体がヘキサゴナル様規則構造に変化する反応条件であれば、メソ構造体の連結が起こり(D)、その連結体が伸張すると同時に伸張しながら連結体が絡み合う過程(E)でそれぞれのロッド状粒子のメソ構造の規則性が高くなり、最終的に繊維状メソシリカ前駆体(F)が生成することになる。
According to a recent report (Non-Patent Document 10), Pluronic 123 begins to coalesce in flocs due to the aggregation of spherical micelles formed in a hydrochloric acid solution and interaction with dissolved silica species. (A) It is reported that a large (micron order) two-dimensional hexagonal-like ordered structure is formed (C) via a wormhole-like mesostructure which is an intermediate.
Flodstrom, K .; Wennerstrom, H .; Alfredsson, V. Langmuir, 2004, 20, 680. If the organic-inorganic mesostructure with a two-dimensional hexagonal structure is maintained in a monodispersed state, rod-like silica mesoporous particles will eventually be obtained Will be obtained as The fibrous particles of the present invention are formed by connecting and growing rod-like particles. If the reaction conditions are such that the wormhole-like mesostructure changes to a hexagonal-like ordered structure, the mesostructures are connected. Occurrence (D), the regularity of the mesostructure of each rod-like particle becomes high in the process (E) in which the connected body is entangled while the connected body is extended, and finally the fibrous mesosilica precursor (F) Will be generated.

上記(A)から(B)さらに(C)への変化は撹拌の有無に関わらず誘起されるが、繊維状多孔質シリカ粒子を得るためには、(A)から(B)、(C)、さらに(D)から(F)への変化を全て撹拌によって誘起することが必須の条件であり、従来の知見では繊維状メソシリカ前駆体を生成するためには反応中撹拌を継続しなければならなかった(特許文献2)。また、フッ化物を用いる場合にも、最終的に繊維状形態を保持させるためには、撹拌条件下において、(B)から(C)へ変化する段階以降にフッ化物を添加する必要があった(特許文献3)。   The change from (A) to (B) and (C) is induced regardless of the presence or absence of stirring. In order to obtain fibrous porous silica particles, (A) to (B), (C) In addition, it is an essential condition to induce all the changes from (D) to (F) by stirring. According to the conventional knowledge, stirring must be continued during the reaction in order to produce a fibrous mesosilica precursor. (Patent Document 2). In addition, when fluoride is used, in order to finally maintain the fibrous form, it is necessary to add fluoride after the stage of changing from (B) to (C) under stirring conditions. (Patent Document 3).

一方、前記した通り、細孔径を拡張するためには、高温状態において非イオン性界面活性剤の親水部が疎水的になることを利用することが考えられる。ただし、比較例1で明らかなように、単純に撹拌下で反応温度を高くしても繊維状に成長させることはできない。発明者は、種々の反応条件における検討結果から、(A)から(B)、(C)への変化は撹拌することが必要であるが、一旦(C)まで達したロッド状粒子を連鎖させるには、撹拌よりむしろ高温状態でより促進されることを確認し、(C)以降を撹拌せず単に静置するだけでも、高温で熟成することで繊維状粒子が成長することを見出した。特に、熟成温度が高い場合には、非イオン性の界面活性剤の疎水部が大きくなると共に、繊維状シリカメソ多孔体の前駆体である有機無機メソ構造体を形成するシリカ相の脱水縮合が迅速に進行し、シリカ相が収縮すると、内部のミセル相はより広い空間を誘起することになり、大きなメソ孔を持った繊維状シリカが得られることになる。なお、有機無機メソ構造体を構成する界面活性剤の親水基はシリカ骨格内に侵入しており、その除去に伴いマイクロ孔形成の要因となり、生成多孔体のメソ孔はマイクロ孔で連結されている。熟成温度を高くすると非イオン性界面活性剤の親水性部が極めて疎水的挙動を強め、マイクロ孔は形成されず、メソ孔の1次元チャンネルだけを持つことになる。   On the other hand, as described above, in order to expand the pore diameter, it is conceivable to utilize the fact that the hydrophilic part of the nonionic surfactant becomes hydrophobic in a high temperature state. However, as apparent from Comparative Example 1, even if the reaction temperature is simply increased under stirring, it cannot be grown in a fibrous form. The inventor found that the change from (A) to (B) and (C) needs to be agitated based on the examination results in various reaction conditions, but once the rod-like particles reaching (C) are chained together. In this case, it was confirmed that it was promoted more at a high temperature rather than stirring, and it was found that the fibrous particles grow by aging at a high temperature even if the (C) and after are not allowed to stir but simply allowed to stand. In particular, when the aging temperature is high, the hydrophobic portion of the nonionic surfactant becomes large, and the dehydration condensation of the silica phase forming the organic inorganic mesostructure, which is a precursor of the fibrous silica mesoporous material, is rapid. When the silica phase shrinks and the silica phase contracts, the internal micelle phase induces a wider space, and fibrous silica having large mesopores is obtained. The hydrophilic group of the surfactant that constitutes the organic / inorganic mesostructure has penetrated into the silica skeleton, and as a result of its removal, micropores are formed, and the mesopores of the resulting porous body are connected by micropores. Yes. When the ripening temperature is increased, the hydrophilic portion of the nonionic surfactant has an extremely strong hydrophobic behavior, and micropores are not formed, but only one-dimensional channels of mesopores are provided.

また、実施例に示すように、本製造方法は、熟成温度ばかりでなく、熟成前の撹拌混合時間あるいは熟成時間を制御することによって、細孔特性や繊維長を効果的に制御できることも大きな特徴である。   In addition, as shown in the examples, this production method is also characterized in that pore characteristics and fiber length can be effectively controlled by controlling not only the aging temperature but also the stirring and mixing time or aging time before aging. It is.

本発明の製造法で得られる繊維状多孔質シリカ粒子は、図1の走査型電子顕微鏡写真に示す通り、ミクロンサイズの繊維状形態を有している。図2は、本発明の繊維状多孔質シリカ粒子の電解放射型走査電子顕微鏡(FE―SEM)写真であり、一本の繊維状粒子は、より細かい繊維状シリカ粒子の集合体であり、当該集合体がロッド状粒子の連なった連鎖状物或いはその連鎖状物の絡み合ったものであることがわかる。これらの走査型電子顕微鏡写真から、本発明の繊維状多孔質シリカ粒子は、アスペクト比の揃った繊維状マクロ形態を有することがわかる。   The fibrous porous silica particles obtained by the production method of the present invention have a micron-sized fibrous form as shown in the scanning electron micrograph of FIG. FIG. 2 is an electron emission scanning electron microscope (FE-SEM) photograph of the fibrous porous silica particles of the present invention, where one fibrous particle is an aggregate of finer fibrous silica particles. It can be seen that the aggregate is a chain of rod-like particles or an intertwined chain. From these scanning electron micrographs, it can be seen that the fibrous porous silica particles of the present invention have a fibrous macro morphology with a uniform aspect ratio.

図3は、本発明の繊維状多孔質シリカ粒子の一例について、伸張方向の構造を示す高分解能電子顕微鏡(TEM)写真である。本発明の繊維状多孔質シリカ粒子は、図2の通り基本構造単位であるロッド状粒子の連続体であり、図3のTEM像によりロッド状粒子の長手方向に貫通して延びる1次元メソチャンネルが明確に認められ、メソ構造の規則性に顕著に優れていることが明らかである。   FIG. 3 is a high-resolution electron microscope (TEM) photograph showing the structure in the stretching direction of one example of the fibrous porous silica particles of the present invention. The fibrous porous silica particles of the present invention are a continuum of rod-shaped particles which are basic structural units as shown in FIG. 2, and are one-dimensional mesochannels extending through the longitudinal direction of the rod-shaped particles from the TEM image of FIG. Is clearly recognized, and it is clear that the regularity of the mesostructure is remarkably excellent.

さらに、本発明の繊維状多孔質シリカ粒子は、図4のXRD回折パターンに示すように、回折角2θ=0.5乃至5.0度にメソ孔の規則配列を示す複数のピークを有し、図3のTEM像に認められるチャンネルがハニカム状に積層していることを示している。   Furthermore, as shown in the XRD diffraction pattern of FIG. 4, the fibrous porous silica particles of the present invention have a plurality of peaks showing a regular arrangement of mesopores at a diffraction angle 2θ = 0.5 to 5.0 degrees. 3 shows that the channels recognized in the TEM image of FIG. 3 are stacked in a honeycomb shape.

また、図5は、熟成温度を変化させて得られた本発明の繊維状多孔質シリカ粒子の細孔径分布曲線で、いずれもシャープな細孔径分布を有し、熟成温度が高くなると細孔径ピークが大きくなることが明らかである。   FIG. 5 is a pore size distribution curve of the fibrous porous silica particles of the present invention obtained by changing the aging temperature. Each of the pore size distribution curves has a sharp pore size distribution. It is clear that becomes larger.

さらに、後述の実施例について示した表1から明らかなように、本製造方法は、熟成温度ばかりでなく、熟成前の撹拌混合時間あるいは熟成時間を制御することによって、細孔特性や繊維長を効果的に制御できることも大きな特徴である。図6はその一例であり、短繊維の繊維状多孔質シリカ粒子のSEM像を示している。   Further, as is apparent from Table 1 shown for the examples described later, the present production method can control not only the aging temperature but also the stirring and mixing time before aging or the aging time, thereby controlling the pore characteristics and fiber length. It is also a great feature that it can be controlled effectively. FIG. 6 shows an example of this, and shows an SEM image of short porous fibrous porous silica particles.

そして、既に指摘したとおり、本発明の製造方法は、3〜13nmの広い範囲の均一細孔径を有し、且つミクロンオーダーの繊維状の形状を呈する繊維状多孔質シリカ粒子を作製するための普遍的な方法であることが明らかである。さらに、細孔拡張剤を用いることなく単純な反応系で、フッ化物を用いて得られる8〜10nmの細孔を有する繊維状多孔質シリカ粒子、さらにはこれまで全く報告例のない10nm以上の細孔を有する繊維状多孔質シリカ粒子が合成でき、広い範囲で均一細孔径を有する繊維状多孔質シリカ粒子が提供できることが顕著な特徴である。すなわち、本発明においては、走査型顕微鏡観察による長軸の長さが5乃至2000μmの範囲にあり、アスペクト比が3乃至150であって、3〜13nmの広い範囲の均一細孔径を持つ、ミクロンサイズの多孔質シリカ粒子が提供される。   As already pointed out, the production method of the present invention is a universal method for producing fibrous porous silica particles having a uniform pore diameter in a wide range of 3 to 13 nm and exhibiting a fibrous shape on the order of microns. It is clear that this is a typical method. Furthermore, in a simple reaction system without using a pore expanding agent, fibrous porous silica particles having 8 to 10 nm pores obtained by using fluoride, and more than 10 nm which has never been reported so far It is a remarkable feature that fibrous porous silica particles having pores can be synthesized and fibrous porous silica particles having a uniform pore diameter in a wide range can be provided. That is, in the present invention, the length of the major axis by scanning microscope observation is in the range of 5 to 2000 μm, the aspect ratio is 3 to 150, and the micropore has a uniform pore diameter in a wide range of 3 to 13 nm. Sized porous silica particles are provided.

静置あるいは攪拌状態での熟成反応に基づく、本発明の製造法においては、熟成時間並びに熟成前の攪拌混合時間は、生成物のマクロ形態並びにメソ構造の規則性、さらにはメソ孔の大きさ等細孔特性に影響を及ぼす。さらに、これらの物理化学的特性は、2つの各段階での反応時間ばかりでなく、それぞれの反応温度によっても影響を受けることになる。熟成前の反応溶液の攪拌混合時間は、各段階での反応温度によって厳密に決定する必要があるが、10分以上であることが望ましく、短すぎると図15(比較例3)のように繊維状に成長することが難しい。一方、長い場合、攪拌混合操作は3時間を越えても繊維状多孔質シリカ粒子の合成は可能である。本発明の製造方法においては、攪拌混合時間を制御することの効果として、特に、細孔特性がほぼ同じでアスペクト比の異なる繊維状多孔質シリカ粒子が合成可能なことが挙げられる。例えば、図1(実施例2−3)と図6左(実施例3−1)から、攪拌混合時間を比較的短くすることによって、繊維長の短い粒子が効果的に合成できる。さらに、攪拌混合時間をわずかに長くすることで、図6右(実施例3−2)のように、長くしなやかな繊維状の多孔質シリカ粒子が得られ、攪拌混合時間を制御することで外観の異なるものが合成できる。   In the production method of the present invention based on the aging reaction in a stationary or stirred state, the aging time and the stirring and mixing time before aging depend on the macro form of the product, the regularity of the mesostructure, and the size of the mesopores. Affects equiporous properties. Furthermore, these physicochemical properties will be affected not only by the reaction time in each of the two stages, but also by the respective reaction temperatures. The stirring and mixing time of the reaction solution before aging needs to be strictly determined according to the reaction temperature at each stage, but is desirably 10 minutes or more, and if too short, the fiber as shown in FIG. 15 (Comparative Example 3). It is difficult to grow into a shape. On the other hand, in the case of a long period, the fibrous porous silica particles can be synthesized even if the stirring and mixing operation exceeds 3 hours. In the production method of the present invention, as an effect of controlling the stirring and mixing time, in particular, it is possible to synthesize fibrous porous silica particles having substantially the same pore characteristics and different aspect ratios. For example, from FIG. 1 (Example 2-3) and FIG. 6 left (Example 3-1), particles having a short fiber length can be effectively synthesized by relatively shortening the stirring and mixing time. Further, by slightly increasing the stirring and mixing time, long and supple fibrous porous silica particles are obtained as shown in the right of FIG. 6 (Example 3-2), and the appearance is controlled by controlling the stirring and mixing time. Can be synthesized.

さらに、熟成時間の制御によって、細孔径がコントロールできることも本発明の製造方法の大きな特徴である。攪拌混合後熟成時間を長くすると、細孔径の大きな繊維状多孔質シリカ粒子が合成できることが表1(たとえば実施例2−3、実施例3)から明らかである。アスペクト比が大きく良質な繊維状多孔質シリカ粒子を作製するには、熟成時間は熟成温度が高いほど短くてよい傾向が認められる。例えば、60℃の場合には、図16(比較例4)に示すように、30分では目的の繊維状粒子を得ることは難しい。100℃の場合には1時間では繊維長は短いものの繊維状多孔質シリカ粒子が合成できる。しかし、熟成時間を長くしても細孔径の拡張には限界があり、熟成時間は10時間以内で充分と考えられる。   Furthermore, it is a major feature of the production method of the present invention that the pore diameter can be controlled by controlling the aging time. It is clear from Table 1 (for example, Example 2-3 and Example 3) that the fibrous porous silica particles having a large pore diameter can be synthesized by increasing the aging time after stirring and mixing. In order to produce high-quality fibrous porous silica particles having a large aspect ratio, the aging time tends to be shorter as the aging temperature is higher. For example, at 60 ° C., as shown in FIG. 16 (Comparative Example 4), it is difficult to obtain the desired fibrous particles in 30 minutes. In the case of 100 ° C., fibrous porous silica particles can be synthesized although the fiber length is short in 1 hour. However, even if the aging time is lengthened, there is a limit to the expansion of the pore diameter, and the aging time is considered to be sufficient within 10 hours.

また、多孔性材料及び繊維状物質の耐熱性の向上は一般的に、用途拡大、さらに新規用途展開を図る上で極めて重要なことである。図7及び図11はそれぞれ1000℃と1200℃で加熱処理して得られたものSEM写真で、高温焼成によっても形態は破壊されず、高耐熱性繊維状シリカ粒子が製造できることがわかる。その数例の細孔特性を表2に示しているが、1000℃では細孔径は小さくなるものの細孔径分布はシャープで、しかも図8及び図9から、細孔構造の規則性は全く失われず、600℃焼成の場合と同様(図3)隣接のロッド状粒子を1次元メソチャンネルが相互に貫通して存在していることが分かる。1100℃でも1000℃と全く同様な特徴が認められるが、1200℃では細孔構造は破壊され無孔質の繊維状シリカ粒子が製造可能である。図12に示す通り、1200℃ではロッド状粒子は確認できるものの、隣接の粒子が相互に溶融したような外観を示している。   In addition, improvement of the heat resistance of the porous material and the fibrous material is generally very important for expanding applications and developing new applications. 7 and 11 are SEM photographs obtained by heat treatment at 1000 ° C. and 1200 ° C., respectively. It can be seen that high heat-resistant fibrous silica particles can be produced without destruction of the form even by high-temperature baking. The pore characteristics of several examples are shown in Table 2. Although the pore diameter decreases at 1000 ° C., the pore diameter distribution is sharp, and from FIG. 8 and FIG. 9, the regularity of the pore structure is not lost at all. As in the case of firing at 600 ° C. (FIG. 3), it can be seen that the one-dimensional mesochannels penetrate through the adjacent rod-like particles. Even at 1100 ° C., exactly the same characteristics as 1000 ° C. are recognized, but at 1200 ° C., the pore structure is destroyed and nonporous fibrous silica particles can be produced. As shown in FIG. 12, rod-like particles can be confirmed at 1200 ° C., but the appearance is such that adjacent particles are melted together.

本発明の製造法における反応温度は、攪拌混合操作においては30℃乃至50℃未満の範囲が好ましい。これ以上高くなると非イオン性系面活性剤中の親水基部分の脱水和が起こりやすくなる為、撹拌によって繊維状粒子の基本構造体であるロッド状粒子の生成が阻害され、熟成によって繊維状多孔質シリカ粒子を合成することは難しい。熟成温度は、50℃以上が好ましく、効率的な反応条件としては、180℃以下であることが望ましい。   The reaction temperature in the production method of the present invention is preferably in the range of 30 ° C. to less than 50 ° C. in the stirring and mixing operation. If it is higher than this, dehydration of the hydrophilic group portion in the nonionic surfactant is likely to occur, so that stirring prevents the formation of rod-shaped particles, which are the basic structure of the fibrous particles, and the aging causes fibrous porous It is difficult to synthesize silica particles. The aging temperature is preferably 50 ° C. or higher, and the efficient reaction condition is desirably 180 ° C. or lower.

本発明の製造法においては、初期段階における撹拌反応で繊維状多孔質シリカ粒子前駆体が生成する条件を満たした上で、界面活性剤、酸、シリカ等の反応物質の混合割合、さらには撹拌温度と時間、および熟成温度と時間をコントロールすることによって繊維状粒子の長さ、アスペクト比、屈曲性等の形態並びに細孔特性の制御が可能である。特に、高温状態において非イオン性界面活性剤の親水部が疎水的になることを利用して、80℃以上で熟成するとフッ化物等の他物質を添加することなく8nm以上の細孔径を有し、規則性の高いメソ構造を有する繊維状多孔質シリカ粒子が作製でき、特に120℃を超える場合には10nm以上の細孔径を有する繊維状多孔質シリカ粒子が合成できる。   In the production method of the present invention, after satisfying the condition that the fibrous porous silica particle precursor is generated by the stirring reaction in the initial stage, the mixing ratio of the reactants such as surfactant, acid, silica and the like, and further stirring By controlling the temperature and time, and the aging temperature and time, it is possible to control the form of the fibrous particles such as length, aspect ratio, flexibility, and pore characteristics. In particular, utilizing the fact that the hydrophilic part of the nonionic surfactant becomes hydrophobic at high temperature, it has a pore size of 8 nm or more without adding other substances such as fluoride when it is aged at 80 ° C. or higher. In addition, fibrous porous silica particles having a highly regular mesostructure can be produced, and in particular when the temperature exceeds 120 ° C., fibrous porous silica particles having a pore diameter of 10 nm or more can be synthesized.

本発明の製造方法では、上記の通り、酸性水溶液及び非イオン性界面活性剤の混合液に、アルカリ珪酸塩水溶液を攪拌しながら一定時間混合し、反応溶液に白濁が認められた後、50℃以上の一定温度で熟成して得られた繊維状粒子中の非イオン性界面活性剤を除去することで作製される。   In the production method of the present invention, as described above, the alkali silicate aqueous solution was mixed with the mixed solution of the acidic aqueous solution and the nonionic surfactant for a predetermined time while stirring, and the reaction solution was found to be cloudy, It is produced by removing the nonionic surfactant in the fibrous particles obtained by aging at the above constant temperature.

本発明においては、上記原料の添加順序は極めて重要であり、繊維状形態を形成させるためには、水で希釈したアルカリ珪酸塩水溶液を、酸に溶解した非イオン性界面活性剤溶液に添加しなければならない。
[原料]
本発明で使用される、シリカ原料、非イオン性界面活性剤、及び酸について更に説明する。
In the present invention, the order of addition of the raw materials is extremely important, and in order to form a fibrous form, an aqueous alkali silicate solution diluted with water is added to a nonionic surfactant solution dissolved in an acid. There must be.
[material]
The silica raw material, nonionic surfactant, and acid used in the present invention will be further described.

本発明で使用されるシリカ原料としては、アルカリ珪酸塩を使用することが可能で、比較的廉価であるナトリウム珪酸塩が好ましい。ナトリウム珪酸塩としてはNa2O・mSiO2式中、mは1乃至5の数、特に1.5乃至4.5の数である組成を有するナトリウム珪酸塩水溶液を使用することが好ましい。 As the silica raw material used in the present invention, alkali silicate can be used, and sodium silicate which is relatively inexpensive is preferable. As the sodium silicate, a sodium silicate aqueous solution having a composition in which m is a number of 1 to 5, particularly 1.5 to 4.5 in the Na 2 O · mSiO 2 formula is preferably used.

非イオン性界面活性剤としては、ポリエチレンオキシド(PEO)を含む高分子界面活性剤が使用でき、特にPEOを含むトリブロック共重合体が好ましく、さらにはポリエチレンオキシド−ポリプロピレンオキシド−ポリエチレンオキシド(PEO−PPO−PEO)の使用が最適である。   As the nonionic surfactant, a polymer surfactant containing polyethylene oxide (PEO) can be used, and in particular, a triblock copolymer containing PEO is preferable, and further, polyethylene oxide-polypropylene oxide-polyethylene oxide (PEO-). The use of PPO-PEO) is optimal.

本発明で使用される、トリブロック共重合体の重合比、平均分子量並びに疎水基の重量割合が重要であり、その平均分子量は約4800以上で、疎水基の重量割合が、重量65%以上であることが望ましい。   The polymerization ratio, average molecular weight, and weight ratio of the hydrophobic group used in the present invention are important. The average molecular weight is about 4800 or more, and the weight ratio of the hydrophobic group is 65% or more. It is desirable to be.

酸としては、繊維状粒子の生成において最も効果的である塩酸が好ましい。   The acid is preferably hydrochloric acid, which is most effective in producing fibrous particles.

本発明の繊維状多孔質シリカ粒子の合成において、出発原料の混合モル比は、SiO2:非イオン性界面活性剤:Na2O:酸:水=1:0.002〜0.25:0.25〜1:0.6〜15:100〜400であるのが好ましい。 In the synthesis of the fibrous porous silica particles of the present invention, the mixing molar ratio of the starting materials is as follows: SiO 2 : nonionic surfactant: Na 2 O: acid: water = 1: 0.002-0.25: 0 .25 to 1: 0.6 to 15: 100 to 400 is preferable.

更に、出発原料の混合方式を詳細に記述すると、繊維状繊維状粒子合成においては、所定の濃度の酸に溶解した非イオン性界面活性剤溶液(1)に、水に希釈したアルカリ珪酸塩水溶液(2)を攪拌下で添加し、上記混合溶液(1及び2)の撹拌を、10分〜2時間後であって、反応溶液に白濁が認められた後に停止し、50℃以上というより高温下で30分以上好ましくは50分から12時間熟成する。反応後懸濁液から固体生成物を分離し、室温〜100℃で充分乾燥させる。最後に有機成分を除去して繊維状多孔質シリカ粒子を作製するために、200℃以上で2時間以上、好ましくは400℃以上で1時間加熱処理する。
[用途]
本発明の製造方法は、安価な原料を使用し、ほとんどの反応時間が熟成工程であることから工業規模への応用も容易であり、更に、製造される繊維状多孔質シリカ粒子は、高比表面積、細孔径の均一性、単分散性等の特徴を併せ持つことから、形状選択能を利用した分子篩、吸着剤や、高分散性繊維状粒子であることを利用した樹脂添加剤、ガス分離膜、加えて触媒担体、触媒、クロマトグラフ用担体としての利用に適する。また、繊維状多孔質シリカ粒子は、大きく、揃ったアスペクト比を有する非晶質シリカであることから、人体への毒性が問題となっている石綿の代替品や樹脂の強度を高める補強剤、さらには増粘剤として利用が可能である。
Further, the mixing method of the starting materials will be described in detail. In the synthesis of fibrous fibrous particles, an alkali silicate aqueous solution diluted in water in a nonionic surfactant solution (1) dissolved in a predetermined concentration of acid. (2) was added under stirring, and stirring of the mixed solution (1 and 2) was stopped after 10 minutes to 2 hours, and white turbidity was observed in the reaction solution, and the temperature was higher than 50 ° C or higher. Aging is performed for 30 minutes or longer, preferably 50 minutes to 12 hours. After the reaction, the solid product is separated from the suspension and sufficiently dried at room temperature to 100 ° C. Finally, in order to remove the organic component and produce fibrous porous silica particles, heat treatment is performed at 200 ° C. or higher for 2 hours or longer, preferably 400 ° C. or higher for 1 hour.
[Usage]
The production method of the present invention uses inexpensive raw materials, and since most of the reaction time is an aging process, it can be easily applied to an industrial scale. Furthermore, the produced fibrous porous silica particles have a high ratio. Since it has features such as surface area, uniformity of pore diameter, and monodispersity, it uses molecular sieves and adsorbents that utilize shape selectivity, and resin additives and gas separation membranes that use highly dispersible fibrous particles. In addition, it is suitable for use as a catalyst carrier, a catalyst, and a chromatographic carrier. In addition, fibrous porous silica particles are large, amorphous silica having a uniform aspect ratio, so asbestos substitutes that are toxic to the human body and reinforcing agents that increase the strength of the resin, Furthermore, it can be used as a thickener.

すなわち、本発明による繊維状多孔質シリカ粒子は、樹脂添加剤、インク吸着用フィラー、調湿剤、石綿代替材料、増粘剤等の用途に利用される。さらに、繊維状形態を利用して単独乃至他の無機物質および有機化合物と混合することによりフェルト様に加工成型し、各種フィルター素材として広く利用することが可能である。特に、大きな細孔径を有するものでは、酵素あるいは有機官能基を有する大きな分子の吸着・分離・吸蔵・固定剤等として利用することができる。さらに、メソ孔と連結して共存するマイクロ孔を利用して粒子内拡散能に優れた環境汚染排出ガス状物質等の浄化プロセスへの応用、あるいはゼオライトやシリカゲルに代わるマイクロポア多孔体として新規用途を導くことが期待される。また、細孔表面を金属及び金属酸化物等で化学修飾することによって種々の触媒の開発にも展開可能である。さらには、高耐熱環境下における多孔性材料や複合材料等として種々の用途が期待される。   That is, the fibrous porous silica particles according to the present invention are used for applications such as resin additives, ink adsorbing fillers, humidity control agents, asbestos substitute materials, and thickeners. Furthermore, it can be processed and molded in a felt-like manner by mixing it alone or with other inorganic substances and organic compounds using a fibrous form, and can be widely used as various filter materials. In particular, those having a large pore size can be used as an adsorbing / separating / occluding / fixing agent for large molecules having an enzyme or an organic functional group. In addition, using micropores that are connected to mesopores, they can be applied to purification processes for environmental pollutant exhaust gas substances with excellent intra-particle diffusivity, or new uses as micropore porous materials to replace zeolite and silica gel. Is expected to lead. It can also be developed in the development of various catalysts by chemically modifying the surface of the pores with metals and metal oxides. Furthermore, various uses are expected as a porous material and a composite material in a high heat-resistant environment.

次に、本発明を実施例によって更に具体的に説明するが、本発明はこの実施例によって限定されない。   EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention further more concretely, this invention is not limited by this Example.

尚、実施例で行った各試験方法は次の方法により行った。
(測定法)
(1)走査型電子顕微鏡:日本電子株式会社製JSM5300を使用し、加速電圧10kV、WD10mmで観察した。
(2)比表面積・細孔径分布:日本ベル製BELSORP28を使用し、液体窒素温度で測定した窒素吸着等温線からBET比表面積を求め、細孔径分布はBJH法により解析した。
(3)形状:走査型電子顕微鏡写真から観察した。
(4)粒子サイズ:走査型電子顕微鏡写真で測定した。
(5)X線回折:リガク製ロータフレックスRU−300を使用し、CuKα線源、加速電圧40kV、80mAで測定した。
(6)高分解能電子顕微鏡:HITACHI製HF−2000を使用し、加速電圧200kVで観察した。
(7)電解放射型走査電子顕微鏡(FE−SEM):日本電子株式会社製JSM−6700Fを使用し、前処理Ptコーティング、加速電圧3kVで測定した。
(実施例1)
水を加えて希釈した市販のJIS3号珪酸ナトリウム(SiO:23.6%、NaO:7.59%)を、2Nの塩酸に溶解したトリブロック共重合体Pluronic P123 (PEO20PPO70PEO20)溶液に攪拌しながら添加した。両原料溶液は予め所定温度36℃に調整して混合し、両原料溶液を混合してから1時間後に攪拌を停止した。この混合溶液の入ったガラス製反応容器の開放口をガラス板で塞ぎ、そのまま60℃に調整した恒温水槽に素早く移し、300、120、および240分間、各々静置し熟成を行った。混合溶液のモル比はSiO:Pluronic P123:NaO:HCl:HO=1:0.017:0.312:5.88:202である。尚、HOには全ての原料由来の水が含まれている。反応後固体生成物を濾別し、洗浄後、65℃で十分乾燥させる。最終的に600℃の電気炉中で1時間焼成を行うことで有機成分を除去し繊維状多孔質シリカ粒子を得る。
In addition, each test method performed in the Example was performed by the following method.
(Measurement method)
(1) Scanning electron microscope: JSM5300 manufactured by JEOL Ltd. was used and observed at an acceleration voltage of 10 kV and a WD of 10 mm.
(2) Specific surface area and pore size distribution: BELSORP28 manufactured by Nippon Bell was used to determine the BET specific surface area from the nitrogen adsorption isotherm measured at the liquid nitrogen temperature, and the pore size distribution was analyzed by the BJH method.
(3) Shape: Observed from scanning electron micrograph.
(4) Particle size: measured by scanning electron micrograph.
(5) X-ray diffraction: Rigaku Rotorflex RU-300 was used and measured with a CuKα radiation source, an acceleration voltage of 40 kV, and 80 mA.
(6) High-resolution electron microscope: HI-2000 made by HITACHI was used and observed at an acceleration voltage of 200 kV.
(7) Electrolytic emission scanning electron microscope (FE-SEM): JSM-6700F manufactured by JEOL Ltd. was used, and measurement was performed with a pretreatment Pt coating and an acceleration voltage of 3 kV.
Example 1
Commercially available JIS No. 3 sodium silicate (SiO 2 : 23.6%, Na 2 O: 7.59%) diluted with water was dissolved in 2N hydrochloric acid, a triblock copolymer Pluronic P123 (PEO 20 PPO 70 Added to the PEO 20 ) solution with stirring. Both raw material solutions were adjusted in advance to a predetermined temperature of 36 ° C. and mixed, and stirring was stopped one hour after mixing both raw material solutions. The open mouth of the glass reaction vessel containing the mixed solution was closed with a glass plate, quickly transferred to a constant temperature water bath adjusted to 60 ° C., and allowed to stand for 300, 120 and 240 minutes for aging. The molar ratio of the mixed solution is SiO 2 : Pluronic P123: Na 2 O: HCl: H 2 O = 1: 0.017: 0.312: 5.88: 202. H 2 O contains water derived from all raw materials. After the reaction, the solid product is filtered off, washed and sufficiently dried at 65 ° C. Finally, the organic component is removed by baking in an electric furnace at 600 ° C. for 1 hour to obtain fibrous porous silica particles.

表1に、本実施例の繊維状多孔質シリカ粒子のBET比表面積、全細孔容積、マイクロ孔容積を示す。この結果から、本製造方法においては、熟成温度が一定の場合、熟成時間を長くすることにより、細孔径の大きな繊維状多孔質シリカ粒子が合成できることを示している。
(実施例2)
水を加えて希釈した市販のJIS3号珪酸ナトリウム(SiO:23.6%、NaO:7.59%)を、2Nの塩酸に溶解したトリブロック共重合体Pluronic P123 (PEO20PPO70PEO20)溶液に攪拌しながら添加した。両原料溶液は予め所定温度36℃に調整して混合し、両原料溶液を混合してから1時間後に攪拌を停止した。この混合溶液をテフロン(登録商標)製反応容器に移し、簡易型ステンレス製容器中に密閉して、予め60℃、80℃、100℃、120℃、150℃、160℃の各々に調整した定温恒温槽内で300分間、静置し熟成を行った。混合溶液のモル比はSiO:Pluronic P123:NaO:HCl:HO=1:0.017:0.312:5.88:202である。尚、HOには全ての原料由来の水が含まれている。反応後固体生成物を濾別し、洗浄後、65℃で十分乾燥させる。最終的に600℃の電気炉中で1時間焼成を行うことで有機成分を除去し繊維状多孔質シリカ粒子を得る。
Table 1 shows the BET specific surface area, total pore volume, and micropore volume of the fibrous porous silica particles of this example. This result shows that in this production method, when the aging temperature is constant, fibrous porous silica particles having a large pore diameter can be synthesized by extending the aging time.
(Example 2)
Commercially available JIS No. 3 sodium silicate (SiO 2 : 23.6%, Na 2 O: 7.59%) diluted with water was dissolved in 2N hydrochloric acid, a triblock copolymer Pluronic P123 (PEO 20 PPO 70 Added to the PEO 20 ) solution with stirring. Both raw material solutions were adjusted in advance to a predetermined temperature of 36 ° C. and mixed, and stirring was stopped one hour after mixing both raw material solutions. The mixed solution was transferred to a Teflon (registered trademark) reaction vessel, sealed in a simple stainless steel vessel, and adjusted to 60 ° C., 80 ° C., 100 ° C., 120 ° C., 150 ° C., and 160 ° C. in advance. Aging was carried out by standing for 300 minutes in a thermostatic bath. The molar ratio of the mixed solution is SiO 2 : Pluronic P123: Na 2 O: HCl: H 2 O = 1: 0.017: 0.312: 5.88: 202. H 2 O contains water derived from all raw materials. After the reaction, the solid product is filtered off, washed and sufficiently dried at 65 ° C. Finally, the organic component is removed by baking in an electric furnace at 600 ° C. for 1 hour to obtain fibrous porous silica particles.

表1に、熟成温度を変化させて得られた本実施例の繊維状多孔質シリカ粒子のBET比表面積、全細孔容積、マイクロ孔容積を示す。表1から、熟成温度が高くなるに従い細孔径は大きくなることがわかる。また、熟成温度が同一の本実施例2−1と実施例1−1との比較から、本実施例2−1では混合溶液をテコロン製反応容器に移していることから撹拌停止から熟成温度である60℃までの到達時間に遅れがあり、このことに起因して細孔径等も異っていることがわかる。   Table 1 shows the BET specific surface area, total pore volume, and micropore volume of the fibrous porous silica particles of this example obtained by changing the aging temperature. From Table 1, it can be seen that the pore diameter increases as the aging temperature increases. In addition, from comparison between Example 2-1 and Example 1-1 having the same aging temperature, in Example 2-1, the mixed solution was transferred to a reaction container made of Tecolon. It can be seen that there is a delay in the arrival time up to a certain 60 ° C., and as a result, the pore diameter and the like are also different.

以上のことからも、本発明によれば、簡単な温度制御によって、大きな細孔径ばかりでなく、細孔径の小さい繊維状多孔質シリカ粒子が作製できることがわかる。   From the above, it can be seen that according to the present invention, fibrous porous silica particles having not only large pore diameters but also small pore diameters can be produced by simple temperature control.

そして、図1に示す本実施例の数例(2−1,2−3および2−5)のSEM写真から、いずれの場合もアスペクト比が大きく、太さ及び長さの比較的揃った良質な繊維状粒子であることがわかる。図2は、実施例2−5の繊維状多孔質シリカ粒子の電解放射型走査電子顕微鏡(FE―SEM)写真であり、一本の繊維状粒子は、より細かい繊維状シリカ粒子の集合体であり、当該集合体がロッド状粒子の連なった連鎖状物或いはその連鎖状物の絡み合ったものであることが確認される。図3はそのTEM像であり、上記基本構造単位であるロッド状粒子の伸張方向にメソチャンネルが存在し、かつ隣接のロッド状粒子を連続的に貫通していることが明らかである。図4は、本実施例数例(2−3,2−4,および2−5)のXRD回折パターンであり、低角領域(1度乃至5度)に3本の明瞭なピークとブロードなピークが認められ、メソチャンネル孔が2次元六方晶に規則配列していることを示している。   And from the SEM photographs of several examples (2-1, 2-3, and 2-5) of this example shown in FIG. 1, in each case, the aspect ratio is large, and the high quality with relatively uniform thickness and length. It can be seen that these are fine fibrous particles. FIG. 2 is an electrolytic emission scanning electron microscope (FE-SEM) photograph of the fibrous porous silica particles of Example 2-5. One fibrous particle is an aggregate of finer fibrous silica particles. In other words, it is confirmed that the aggregate is a chain-like chain of rod-like particles or an entanglement of the chain-like bodies. FIG. 3 is a TEM image, and it is clear that mesochannels exist in the extending direction of the rod-shaped particles that are the basic structural units and continuously penetrate through the adjacent rod-shaped particles. FIG. 4 is an XRD diffraction pattern of several examples (2-3, 2-4, and 2-5) of this example. Three clear peaks and broad peaks are observed in the low angle region (1 to 5 degrees). Peaks are observed, indicating that the mesochannel pores are regularly arranged in a two-dimensional hexagonal crystal.

図5は、本実施例(2−1から2−6)の繊維状多孔質シリカ粒子の細孔径分布曲線で、いずれもシャープな細孔径分布を有し、熟成温度が高くなると細孔径ピークが大きくなることが明らかである。   FIG. 5 is a pore size distribution curve of the fibrous porous silica particles of this example (2-1 to 2-6), both having a sharp pore size distribution, and the pore size peak is increased when the aging temperature is increased. It is clear that it will grow.

本実施例の8nm以上に細孔径分布のピーク値を有するものは、従来の合成方法では製造不可能な純粋なシリカ成分の大細孔径繊維状多孔質シリカ粒子であり、特に10nm以上のものはフッ化物を使用しても製造不可能な新規繊維状多孔質シリカである。
(実施例3)
水を加えて希釈した市販のJIS3号珪酸ナトリウム(SiO:23.6%、NaO:7.59%)を、2Nの塩酸に溶解したトリブロック共重合体Pluronic P123 (PEO20PPO70PEO20)溶液に攪拌しながら添加した。両原料溶液は予め所定温度36℃に調整して混合し、両原料溶液を混合してから20分、および30分後の各々に攪拌を停止した。この混合溶液をテフロン(登録商標)製反応容器に移し、簡易型ステンレス製容器中に密閉して、予め100℃に調整した定温恒温槽内で340分間、および330分間、各々静置し熟成を行った。混合溶液のモル比はSiO:Pluronic P123:NaO:HCl:HO=1:0.017:0.312:5.88:202である。尚、HOには全ての原料由来の水が含まれている。反応後固体生成物を濾別し、洗浄後、65℃で十分乾燥させる。最終的に600℃の電気炉中で1時間焼成を行うことで有機成分を除去し繊維状多孔質シリカ粒子を得る。
In this example, those having a peak value of the pore size distribution at 8 nm or more are large porous fibrous silica particles of a pure silica component that cannot be produced by the conventional synthesis method. It is a novel fibrous porous silica that cannot be produced using fluoride.
(Example 3)
Commercially available JIS No. 3 sodium silicate (SiO 2 : 23.6%, Na 2 O: 7.59%) diluted with water was dissolved in 2N hydrochloric acid, a triblock copolymer Pluronic P123 (PEO 20 PPO 70 Added to the PEO 20 ) solution with stirring. Both raw material solutions were adjusted in advance to a predetermined temperature of 36 ° C. and mixed, and stirring was stopped at 20 minutes and 30 minutes after mixing of both raw material solutions. This mixed solution was transferred to a Teflon (registered trademark) reaction vessel, sealed in a simple stainless steel vessel, and allowed to stand for 340 minutes and 330 minutes in a constant temperature and temperature controlled bath adjusted in advance to 100 ° C. for aging. went. The molar ratio of the mixed solution is SiO 2 : Pluronic P123: Na 2 O: HCl: H 2 O = 1: 0.017: 0.312: 5.88: 202. H 2 O contains water derived from all raw materials. After the reaction, the solid product is filtered off, washed and sufficiently dried at 65 ° C. Finally, the organic component is removed by baking in an electric furnace at 600 ° C. for 1 hour to obtain fibrous porous silica particles.

表1に、本実施例の繊維状多孔質シリカ粒子のBET比表面積、全細孔容積、マイクロ孔容積を示す。図6左に示す本実施例3−1のSEM像と図1(実施例2―3)を比較することによって、熟成前の混合撹拌時間を短くすることで、短繊維の繊維状多孔質シリカ粒子が得られることがわ分かる。一方、図6右に示す本実施例3−2の場合の長さは、図1(実施例2−3)とほぼ同等であるが、外観はやや屈曲して、ややしなやかであると認められる。このことから本発明では、熟成前の混合撹拌時間を変化させることによって、繊維長並びに屈曲性を制御することが可能であり、ほぼ同一の細孔特性パラメータ径を持ち、且つアスペクト比の異なる様々な繊維状多孔質シリカ粒子が作製できることを示している。
(実施例4)
水を加えて希釈した市販のJIS3号珪酸ナトリウム(SiO:23.6%、NaO:7.59%)を、2Nの塩酸に溶解したトリブロック共重合体Pluronic P123 (PEO20PPO70PEO20)溶液に攪拌しながら添加した。両原料溶液は予め所定温度36℃に調整して混合し、両原料溶液を混合してから1時間後に攪拌を停止した。この混合溶液をテフロン(登録商標)製反応容器に移し、簡易型ステンレス製容器中に密閉して、予め100℃に調整した定温恒温槽内で60、90、150、および780分間、各々静置し熟成を行った。混合溶液のモル比はSiO:Pluronic P123:NaO:HCl:HO=1:0.017:0.312:5.88:202である。尚、HOには全ての原料由来の水が含まれている。反応後固体生成物を濾別し、洗浄後、65℃で十分乾燥させる。最終的に600℃の電気炉中で1時間焼成を行うことで有機成分を除去し繊維状多孔質シリカ粒子を得る。
Table 1 shows the BET specific surface area, total pore volume, and micropore volume of the fibrous porous silica particles of this example. By comparing the SEM image of Example 3-1 shown in the left of FIG. 6 and FIG. 1 (Example 2-3), the mixing and stirring time before aging is shortened, so that the fibrous porous silica of short fibers It can be seen that particles are obtained. On the other hand, the length in the case of Example 3-2 shown on the right side of FIG. 6 is almost the same as that in FIG. 1 (Example 2-3), but the appearance is slightly bent and is recognized as being somewhat supple. . Therefore, in the present invention, it is possible to control the fiber length and the flexibility by changing the mixing and stirring time before aging, and it has various pore characteristic parameter diameters with different aspect ratios. This shows that it is possible to produce simple fibrous porous silica particles.
Example 4
Commercially available JIS No. 3 sodium silicate (SiO 2 : 23.6%, Na 2 O: 7.59%) diluted with water was dissolved in 2N hydrochloric acid, a triblock copolymer Pluronic P123 (PEO 20 PPO 70 Added to the PEO 20 ) solution with stirring. Both raw material solutions were adjusted in advance to a predetermined temperature of 36 ° C. and mixed, and stirring was stopped one hour after mixing both raw material solutions. This mixed solution was transferred to a Teflon (registered trademark) reaction vessel, sealed in a simple stainless steel vessel, and allowed to stand for 60, 90, 150, and 780 minutes in a constant temperature and temperature controlled bath adjusted to 100 ° C. in advance. Then ripened. The molar ratio of the mixed solution is SiO 2 : Pluronic P123: Na 2 O: HCl: H 2 O = 1: 0.017: 0.312: 5.88: 202. H 2 O contains water derived from all raw materials. After the reaction, the solid product is filtered off, washed and sufficiently dried at 65 ° C. Finally, the organic component is removed by baking in an electric furnace at 600 ° C. for 1 hour to obtain fibrous porous silica particles.

表1に、本実施例の繊維状多孔質シリカ粒子のBET比表面積、全細孔容積、マイクロ孔容積を示す。本実施例から、熟成時間が長くなると細孔径が大きくなることがわかる。従って、本発明では、熟成時間を変化させることによって、細孔特性パラメータを制御することが可能で、異なる細孔径を持った繊維状多孔質シリカ粒子が作製できる。
(比較例1)
水を加えて希釈した市販のJIS3号珪酸ナトリウム(SiO2:23.6%、Na2O:7.59%)を、2Nの塩酸に溶解したトリブロック共重合体Pluronic P123(PEO20PPO70PEO20)(平均分子量5800)(Aldrich)溶液に攪拌しながら添加する。両原料溶液は予め所定温度45℃、および50℃に各々調整して混合し、6時間反応させた。混合溶液のモル比をSiO2:Pluronic P123 :Na2O:HCl:H2O=1:0.0169:0.312:5.88:202とした。尚、H2Oには全ての原料由来の水が含まれている。反応後固体生成物を濾別し、洗浄後、50℃で十分乾燥させる。最終的に600℃の電気炉中で1時間焼成を行うことで有機成分を除去し繊維状多孔質シリカ粒子を得る。
Table 1 shows the BET specific surface area, total pore volume, and micropore volume of the fibrous porous silica particles of this example. From this example, it can be seen that the pore size increases as the aging time increases. Therefore, in the present invention, the pore characteristic parameters can be controlled by changing the aging time, and fibrous porous silica particles having different pore diameters can be produced.
(Comparative Example 1)
Triblock copolymer Pluronic P123 (PEO 20 PPO 70 ) in which commercially available JIS No. 3 sodium silicate (SiO 2 : 23.6%, Na 2 O: 7.59%) diluted with water was dissolved in 2N hydrochloric acid. PEO 20 ) (average molecular weight 5800) (Aldrich) is added with stirring. Both raw material solutions were previously adjusted to a predetermined temperature of 45 ° C. and 50 ° C., mixed, and reacted for 6 hours. The molar ratio of the mixed solution was SiO 2 : Pluronic P123: Na 2 O: HCl: H 2 O = 1: 0.0169: 0.312: 5.88: 202. H 2 O contains water derived from all raw materials. After the reaction, the solid product is filtered off, washed and sufficiently dried at 50 ° C. Finally, the organic component is removed by baking in an electric furnace at 600 ° C. for 1 hour to obtain fibrous porous silica particles.

本比較例の多孔質シリカ粒子のSEM写真を図13に示す。表1には本比較例の比表面積と、細孔径分布曲線から求めた細孔径と細孔容積を示す。本比較例から、攪拌下原料溶液を混合して、そのまま攪拌を続け繊維状多孔質シリカ粒子を作製する場合、反応温度は形態に敏感に影響し、図13に示す通り50℃では全く繊維状粒子は認められ無いことが分かる。従って、単なる撹拌反応によって得られる繊維状多孔質シリカ粒子の細孔径は7nmが上限であることを示している。
(比較例2)
水を加えて希釈した市販のJIS3号珪酸ナトリウム(SiO2:23.6%、Na2O:7.59%)を、2Nの塩酸に溶解したトリブロック共重合体Pluronic P123 (PEO20PPO70PEO20)(平均分子量5800)(Aldrich)溶液に攪拌しながら添加する。両原料溶液は予め45℃、および50℃に各々調整して混合し、両原料溶液を混合してから1時間後にNaFを添加し、さらに5時間、計6時間反応させた。混合溶液のモル比はSiO2:Pluronic P123 :Na2O:HCl:NaF:H2O=1:0.0169:0.312:5.88:1.04:202である。尚、H2Oには全ての原料由来の水が含まれている。反応後固体生成物を濾別し、洗浄後、50℃で十分乾燥させる。最終的に600℃の電気炉中で1時間焼成を行うことで有機成分を除去し繊維状多孔質シリカ粒子を得る。
An SEM photograph of the porous silica particles of this comparative example is shown in FIG. Table 1 shows the specific surface area of this comparative example and the pore diameter and pore volume determined from the pore diameter distribution curve. From this comparative example, when the raw material solution is mixed under stirring and stirring is continued as it is to produce fibrous porous silica particles, the reaction temperature has a sensitive effect on the form, and as shown in FIG. It can be seen that no particles are observed. Therefore, the upper limit of the pore diameter of the fibrous porous silica particles obtained by simple stirring reaction is 7 nm.
(Comparative Example 2)
Commercial JIS3 No. sodium silicate diluted by adding water (SiO 2: 23.6%, Na 2 O: 7.59%) and tri-block copolymer Pluronic was dissolved in hydrochloric acid 2N P123 (PEO 20 PPO 70 PEO 20 ) (average molecular weight 5800) (Aldrich) is added with stirring. Both raw material solutions were previously adjusted to 45 ° C. and 50 ° C., mixed, and after mixing both raw material solutions, NaF was added 1 hour later, and further reacted for 5 hours for a total of 6 hours. The molar ratio of the mixed solution is SiO 2 : Pluronic P123: Na 2 O: HCl: NaF: H 2 O = 1: 0.0169: 0.312: 5.88: 1.04: 202. H 2 O contains water derived from all raw materials. After the reaction, the solid product is filtered off, washed and sufficiently dried at 50 ° C. Finally, the organic component is removed by baking in an electric furnace at 600 ° C. for 1 hour to obtain fibrous porous silica particles.

表1に混合温度45℃で作製した本比較例の繊維状多孔質シリカ粒子の比表面積と、細孔径分布曲線から求めた細孔径と細孔容積を示す。本比較例の反応温度45℃で作製した生成物は、図14の通り、繊維状形態を示すが、50℃では比較例1と同様全く繊維状粒子は認められなかった。   Table 1 shows the specific surface area of the fibrous porous silica particles of this comparative example prepared at a mixing temperature of 45 ° C., and the pore diameter and pore volume determined from the pore diameter distribution curve. The product produced at a reaction temperature of 45 ° C. in this Comparative Example showed a fibrous form as shown in FIG. 14, but no fibrous particles were observed at 50 ° C. as in Comparative Example 1.

本比較例によって、フッ化物の適正な添加方法により、細孔径が10nmに近い繊維状多孔質シリカ粒子を製造できるが、10nm以上に拡張することは難しいことが分かる。また、本比較例で明らかなようにフッ化物を多量に必要とすること、生成物中にはFが0.7wt%含まれていることで純粋なシリカ粒子ではない等の問題点がある。本発明の製造方法と比較すると、フッ化化合物を用いる方法は、合成に伴う排水処理コストから効率的な製造方法とは言えず、さらに細孔径の大きさ等の物理化学的性質においても課題がある。
(比較例3)
水を加えて希釈した市販のJIS3号珪酸ナトリウム(SiO:23.6%、NaO:7.59%)を、2Nの塩酸に溶解したトリブロック共重合体Pluronic P123 (PEO20PPO70PEO20)溶液に攪拌しながら添加した。両原料溶液は予め所定温度36℃に調整して混合し、両原料溶液を混合してから9分後に攪拌を停止した。この混合溶液をテフロン(登録商標)製反応容器に移し、簡易型ステンレス製容器中に密閉して、予め100℃に調整した定温恒温槽内で351分間、静置し熟成を行った。混合溶液のモル比はSiO:Pluronic P123:NaO:HCl:HO=1:0.017:0.312:5.88:201.5である。尚、HOには全ての原料由来の水が含まれている。反応後固体生成物を濾別し、洗浄後、65℃で十分乾燥させる。最終的に600℃の電気炉中で1時間焼成を行うことで有機成分を除去し繊維状多孔質シリカ粒子を得る。
According to this comparative example, fibrous porous silica particles having a pore diameter close to 10 nm can be produced by an appropriate method for adding fluoride, but it is difficult to expand to 10 nm or more. Further, as apparent from this comparative example, there are problems that a large amount of fluoride is required, and that the product contains 0.7 wt% of F, so that it is not pure silica particles. Compared with the production method of the present invention, the method using a fluorinated compound cannot be said to be an efficient production method because of wastewater treatment costs associated with the synthesis, and further has problems in physicochemical properties such as the size of the pore diameter. is there.
(Comparative Example 3)
Commercially available JIS No. 3 sodium silicate (SiO 2 : 23.6%, Na 2 O: 7.59%) diluted with water was dissolved in 2N hydrochloric acid, a triblock copolymer Pluronic P123 (PEO 20 PPO 70 Added to the PEO 20 ) solution with stirring. Both raw material solutions were adjusted in advance to a predetermined temperature of 36 ° C. and mixed, and stirring was stopped 9 minutes after mixing the raw material solutions. This mixed solution was transferred to a Teflon (registered trademark) reaction vessel, sealed in a simple stainless steel vessel, and allowed to stand for 351 minutes in a constant temperature and temperature controlled bath adjusted in advance to 100 ° C. for aging. The molar ratio of the mixed solution is SiO 2 : Pluronic P123: Na 2 O: HCl: H 2 O = 1: 0.017: 0.312: 5.88: 201.5. H 2 O contains water derived from all raw materials. After the reaction, the solid product is filtered off, washed and sufficiently dried at 65 ° C. Finally, the organic component is removed by baking in an electric furnace at 600 ° C. for 1 hour to obtain fibrous porous silica particles.

表1に、本実施例の繊維状多孔質シリカ粒子のBET比表面積、全細孔容積、マイクロ孔容積を示す。図15に示すSEM像から、熟成前の撹拌時間が短か過ぎると繊維状粒子が生成しにくいことがわかる。本比較例は、本発明の製造方法においては、熟成前の撹拌時間が繊維状粒子を形成されるための重要なファクターであることを示している。
(比較例4)
水を加えて希釈した市販のJIS3号珪酸ナトリウム(SiO:23.6%、NaO:7.59%)を、2Nの塩酸に溶解したトリブロック共重合体Pluronic P123 (PEO20PPO70PEO20)溶液に攪拌しながら添加した。両原料溶液は予め所定温度36℃に調整して混合し、両原料溶液を混合してから1時間後に攪拌を停止した。この混合溶液の入ったガラス製反応容器の開放口をガラス板で塞ぎ、そのまま60℃に調整した恒温水槽に移し、30分間、静置し熟成を行った。混合溶液のモル比はSiO:Pluronic P123:NaO:HCl:HO=1:0.017:0.312:5.88:201.5である。尚、HOには全ての原料由来の水が含まれている。反応後固体生成物を濾別し、洗浄後、65℃で十分乾燥させる。最終的に600℃の電気炉中で1時間焼成を行うことで有機成分を除去し繊維状多孔質シリカ粒子を得る。
Table 1 shows the BET specific surface area, total pore volume, and micropore volume of the fibrous porous silica particles of this example. From the SEM image shown in FIG. 15, it can be seen that if the stirring time before aging is too short, fibrous particles are not easily generated. This comparative example shows that the stirring time before aging is an important factor for forming fibrous particles in the production method of the present invention.
(Comparative Example 4)
Commercially available JIS No. 3 sodium silicate (SiO 2 : 23.6%, Na 2 O: 7.59%) diluted with water was dissolved in 2N hydrochloric acid, a triblock copolymer Pluronic P123 (PEO 20 PPO 70 Added to the PEO 20 ) solution with stirring. Both raw material solutions were adjusted in advance to a predetermined temperature of 36 ° C. and mixed, and stirring was stopped one hour after mixing both raw material solutions. The open mouth of the glass reaction vessel containing the mixed solution was closed with a glass plate, transferred to a constant temperature water bath adjusted to 60 ° C., and allowed to stand for 30 minutes for aging. The molar ratio of the mixed solution is SiO 2 : Pluronic P123: Na 2 O: HCl: H 2 O = 1: 0.017: 0.312: 5.88: 201.5. H 2 O contains water derived from all raw materials. After the reaction, the solid product is filtered off, washed and sufficiently dried at 65 ° C. Finally, the organic component is removed by baking in an electric furnace at 600 ° C. for 1 hour to obtain fibrous porous silica particles.

表1に、本実施例の繊維状多孔質シリカ粒子のBET比表面積、全細孔容積、マイクロ孔容積を示す。図16に示すSEM像から、熟成時間が短か過ぎると繊維状粒子を得ることが難しいことがわかる。本比較例は、本発明の製造方法においては、熟成時間は繊維状粒子が形成されるための重要なファクターであることを示している。   Table 1 shows the BET specific surface area, total pore volume, and micropore volume of the fibrous porous silica particles of this example. From the SEM image shown in FIG. 16, it can be seen that it is difficult to obtain fibrous particles if the aging time is too short. This comparative example shows that the aging time is an important factor for the formation of fibrous particles in the production method of the present invention.

(実施例5)
実施例2に記載の一部の反応生成物を1000℃まで2時間で昇温し、さらに1000℃で1時間保持し加熱生成物を作製した。表2に得られた繊維状多孔質シリカ粒子の構造特性パラメータを示す。1000℃加熱処理生成物のBET比表面積、全細孔容積並びに細孔径は、600℃焼成(表1)の場合と比較すると、いずれも減少し、マイクロ孔の存在は認められなくなる。しかし、図7(実施例5−4)に示すように、繊維状形態は加熱処理温度によって変わらず、1000℃処理生成物は図1と同様なマクロ形態を有していることが確認される。図8には本実施例5−4(表1の実施例2−5に対応)のTEM写真であり、細孔径は減少するものの、図3と同様に1次元メソチャンネルが規則配列し、隣接のロッド状粒子を貫通して存在することが明瞭である。この規則配列構造は図9に示すXRD回折パターンの低角に存在する複数のピークとして認められる。また、図10は本実施例の細孔径分布曲線であり、1000℃においても細孔径は小さくなるものの、シャープな分布であることを示している。
(実施例6)
実施例2に記載の一部の反応生成物を1200℃まで2時間で昇温し、さらに1200℃で1時間保持し加熱生成物を作製した。1200℃加熱処理生成物のBET比表面積は装置の測定限界であり、5m/g以下と推定される。XRD回折パターンの低角には、図4、図9で認められた回折ピークが存在せず、細孔構造が破壊されたことがわかる。しかし、図11に示すように、繊維状形態は保持され、無孔性のシリカ繊維が合成できることになる。図12は、本実施例の繊維状シリカ粒子の電解放射型走査電子顕微鏡(FE―SEM)写真であり、細孔構造が破壊されても、低温でのマクロ形態を引き継ぎ、一本の繊維状粒子は、より細かい繊維状シリカ粒子の集合体であり、当該集合体がロッド状粒子の連なった連鎖状物或いはその連鎖状物の絡み合ったものであることがわかる。しかし、図2と比較すると、低温ではそれぞれのロッド状粒子は明確に認められるが、細孔構造が破壊される高温での処理においてはロッド状粒子の境界が曖昧で一見融着しているような状態である。
(Example 5)
A part of the reaction products described in Example 2 was heated to 1000 ° C. in 2 hours, and further maintained at 1000 ° C. for 1 hour to prepare a heated product. Table 2 shows structural characteristic parameters of the obtained fibrous porous silica particles. The BET specific surface area, total pore volume, and pore diameter of the 1000 ° C. heat-treated product are all reduced as compared with the case of firing at 600 ° C. (Table 1), and the presence of micropores is not recognized. However, as shown in FIG. 7 (Example 5-4), the fibrous form does not change with the heat treatment temperature, and it is confirmed that the 1000 ° C. treated product has the same macro form as in FIG. . FIG. 8 is a TEM photograph of the present Example 5-4 (corresponding to Example 2-5 in Table 1). Although the pore diameter decreases, one-dimensional mesochannels are regularly arranged and adjacent to each other as in FIG. It is clear that they exist through the rod-shaped particles. This regular arrangement structure is recognized as a plurality of peaks existing at a low angle of the XRD diffraction pattern shown in FIG. FIG. 10 is a pore size distribution curve of this example, which shows a sharp distribution even at 1000 ° C., although the pore size becomes small.
(Example 6)
A part of the reaction product described in Example 2 was heated to 1200 ° C. in 2 hours, and further maintained at 1200 ° C. for 1 hour to prepare a heated product. The BET specific surface area of the 1200 ° C. heat-treated product is the measurement limit of the apparatus, and is estimated to be 5 m 2 / g or less. At the low angle of the XRD diffraction pattern, the diffraction peaks observed in FIGS. 4 and 9 do not exist, indicating that the pore structure has been destroyed. However, as shown in FIG. 11, the fibrous form is maintained, and nonporous silica fibers can be synthesized. FIG. 12 is a photograph of an electrolytic emission scanning electron microscope (FE-SEM) of the fibrous silica particles of this example. Even if the pore structure is destroyed, the macro form at low temperature is taken over, and a single fibrous shape is obtained. The particles are aggregates of finer fibrous silica particles, and it can be seen that the aggregates are a chain of continuous rod-shaped particles or entanglements of the chain. However, when compared with FIG. 2, each rod-like particle is clearly recognized at a low temperature, but in the treatment at a high temperature at which the pore structure is destroyed, the boundary of the rod-like particle is vague and seemingly fused. It is a state.

本発明の製造方法で合成した繊維状多孔質シリカ粒子数例(実施例2−1,2−3および2−5)の走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning electron micrograph of several examples (Examples 2-1, 2-3, and 2-5) of the fibrous porous silica particle synthesize | combined with the manufacturing method of this invention. 本発明の繊維状多孔質シリカ粒子一例(実施例2−5)の電解放射型走査電子顕微鏡(FE−SEM)写真である。It is an electrolysis type | mold scanning electron microscope (FE-SEM) photograph of an example (Example 2-5) of the fibrous porous silica particle of this invention. 本発明の繊維状多孔質シリカ粒子の一例(実施例2−5)について、伸長方向の構造を示す高分解能電子顕微鏡(TEM)写真である。It is a high-resolution electron microscope (TEM) photograph which shows the structure of an extending | stretching direction about an example (Example 2-5) of the fibrous porous silica particle of this invention. 本発明の実施例2−3、2−4および2−5で合成した繊維状多孔質シリカ粒子数例のX線回折パターンである。It is an X-ray diffraction pattern of several examples of fibrous porous silica particles synthesized in Examples 2-3, 2-4 and 2-5 of the present invention. 本発明の実施例2で合成した繊維状多孔質シリカ粒子数例の細孔径分布曲線である。It is a pore diameter distribution curve of several examples of fibrous porous silica particles synthesized in Example 2 of the present invention. 本発明の実施例3−1,3−2で合成した繊維状多孔質シリカ粒子数例の走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning electron micrograph of several examples of fibrous porous silica particles synthesized in Examples 3-1 and 3-2 of the present invention. 本発明の実施例5−4で合成した繊維状多孔質シリカ粒子一例の走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning electron micrograph of an example of the fibrous porous silica particle synthesize | combined in Example 5-4 of this invention. 本発明の耐熱性繊維状多孔質シリカ粒子一例(実施例5−4)について、伸長方向の構造を示す高分解能電子顕微鏡(TEM)写真である。It is a high-resolution electron microscope (TEM) photograph which shows the structure of an extending | stretching direction about an example (Example 5-4) of the heat resistant fibrous porous silica particle of this invention. 本発明の耐熱性繊維状多孔質シリカ粒子一例(実施例5−4)のX線回折パターンである。It is an X-ray-diffraction pattern of an example (Example 5-4) of the heat-resistant fibrous porous silica particle of this invention. 本発明の耐熱性繊維状多孔質シリカ粒子数例(実施例5)の細孔径分布曲線である。It is a pore diameter distribution curve of several examples (Example 5) of the heat-resistant fibrous porous silica particles of the present invention. 本発明の無孔性繊維状シリカ粒子一例(実施例6)の走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning electron micrograph of an example (Example 6) of the nonporous fibrous silica particle of this invention. 本発明の無孔性繊維状シリカ粒子一例(実施例6)の電解放射型走査電子顕微鏡(FE−SEM)写真である。It is an electrolysis emission scanning electron microscope (FE-SEM) photograph of an example of nonporous fibrous silica particles of the present invention (Example 6). 比較例1−1,1−2の2種類のシリカ多孔質粒子のSEM像である。It is a SEM image of two types of porous silica particles of Comparative Examples 1-1 and 1-2. 比較例2のNaFを添加して得られたシリカ多孔質粒子のSEM像である。It is a SEM image of the silica porous particle obtained by adding NaF of the comparative example 2. 比較例3の一例のシリカ多孔質粒子のSEM像である。10 is a SEM image of an example of porous silica particles of Comparative Example 3. 比較例4の一例のシリカ多孔質粒子のSEM像である。6 is an SEM image of an example of porous silica particles of Comparative Example 4.

Claims (16)

酸性水溶液及び非イオン性界面活性剤の混合液に、アルカリ珪酸塩水溶液を30℃から50℃未満の温度条件下で攪拌しながら混合し、反応溶液に白濁が認められた後、50℃から200℃の範囲の温度に昇温して熟成した後に、生成固体を濾過、乾燥後、非イオン性界面活性剤を除去することを特徴とする繊維状多孔質シリカ粒子の製造方法。 An aqueous alkali silicate solution was mixed with a mixed solution of an acidic aqueous solution and a nonionic surfactant while stirring under a temperature condition of 30 ° C. to less than 50 ° C. After the reaction solution was found to be cloudy, 50 ° C. to 200 ° C. A method for producing fibrous porous silica particles, wherein after heating to a temperature in the range of ° C. and aging, the produced solid is filtered and dried, and then the nonionic surfactant is removed. 非イオン性界面活性剤をアルカリ珪酸塩中のSiO2 1モル当たり0.002乃至0.25の量で用いることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。 The method according to claim 1, wherein the nonionic surfactant is used in an amount of 0.002 to 0.25 per mole of SiO 2 in the alkali silicate. 酸をアルカリ珪酸塩中のSiO2 1モル当たり0.6乃至15モルの量で用いることを特徴とする請求項1または2に記載の製造方法。 3. The process according to claim 1, wherein the acid is used in an amount of 0.6 to 15 mol per mol of SiO 2 in the alkali silicate. 水をアルカリ珪酸塩中のSiO2 1モル当たり100乃至400モルの量で用いることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の製造方法。 The method according to any one of claims 1 to 3, wherein water is used in an amount of 100 to 400 mol per mol of SiO 2 in the alkali silicate. フッ化物を含まない繊維状多孔質シリカ粒子であって、細孔径分布曲線のピーク値が10nm未満にあり、BET比表面積800m2/g以上、全細孔容積0.6ml/g以上を有することを特徴とする繊維状多孔質シリカ粒子。 Fibrous porous silica particles containing no fluoride, the peak value of the pore size distribution curve is less than 10 nm, the BET specific surface area is 800 m 2 / g or more, and the total pore volume is 0.6 ml / g or more. Fibrous porous silica particles characterized by 繊維状多孔質シリカ粒子であって、細孔径分布曲線のピーク値が10nm以上にあり、BET比表面積600m2/g以上、全細孔容積1ml/g以上を有することを特徴とする繊維状多孔質シリカ粒子。 Fibrous porous silica particles having a pore size distribution curve having a peak value of 10 nm or more, a BET specific surface area of 600 m 2 / g or more, and a total pore volume of 1 ml / g or more. Silica particles. 繊維状多孔質シリカ粒子であって、1000℃以上においてBET比表面積100m2/g以上で、細孔径分布ピークが3から10nmの範囲にあり、0.1ml/g以上の全細孔容積を持つことを特徴とする耐熱性繊維状多孔質シリカ粒子。 Fibrous porous silica particles having a BET specific surface area of 100 m 2 / g or more at 1000 ° C. or more, a pore size distribution peak in the range of 3 to 10 nm, and a total pore volume of 0.1 ml / g or more. Heat-resistant fibrous porous silica particles characterized by the above. 前記繊維状粒子が、ロッド状ユニットの連鎖物もしくはその連鎖物の集合体からなり、ハニカム状に規則配列した一次元チャンネル状細孔が隣接するロッド状ユニット間を貫通して存在することを特徴とする請求項5から7のいずれかの記載の繊維状多孔質シリカ粒子。 The fibrous particle is composed of a chain of rod-shaped units or an assembly of the chain, and one-dimensional channel-shaped pores regularly arranged in a honeycomb form exist between adjacent rod-shaped units. The fibrous porous silica particles according to any one of claims 5 to 7. 回折角0.5乃至5度(CuKα)に細孔の規則配列構造を示す複数のX線回折ピークを有することを特徴とする請求項5から8のいずれかに記載の繊維状多孔質シリカ粒子。 The fibrous porous silica particle according to any one of claims 5 to 8, which has a plurality of X-ray diffraction peaks showing a regular arrangement structure of pores at a diffraction angle of 0.5 to 5 degrees (CuKα). . ロッド状ユニットの連鎖物もしくはその連鎖物の集合体からなる繊維状シリカ粒子であって、BET比表面積5m2/g以下の無孔性であることを特徴とする繊維状シリカ粒子。 A fibrous silica particle comprising a chain of rod-like units or an aggregate of the chain, and nonporous with a BET specific surface area of 5 m 2 / g or less. 走査型顕微鏡観察による長軸の長さが10乃至2000μmの範囲にあり、アスペクト比が3乃至150であって、形状が繊維状であることを特徴とする請求項5から10のいずれかに記載の繊維状シリカ粒子。 The length of the long axis by scanning microscope observation is in the range of 10 to 2000 μm, the aspect ratio is 3 to 150, and the shape is fibrous. Fibrous silica particles. 請求項5から11のいずれかの記載の繊維状多孔質シリカ粒子からなることを特徴とする樹脂添加剤。 A resin additive comprising the fibrous porous silica particles according to any one of claims 5 to 11. 請求項5から11のいずれかの記載の繊維状多孔質シリカ粒子からなることを特徴とするインク吸着用フィラー。 An ink adsorbing filler comprising the fibrous porous silica particles according to any one of claims 5 to 11. 請求項5から11のいずれかに記載の繊維状多孔質シリカ粒子からなることを特徴とする石綿代替材料。 An asbestos substitute material comprising the fibrous porous silica particles according to any one of claims 5 to 11. 請求項5から11のいずれかに記載の繊維状多孔質シリカ粒子からなることを特徴とする増粘剤。 A thickener comprising the fibrous porous silica particles according to any one of claims 5 to 11. 請求項5から11のいずれかに記載の繊維状多孔質シリカ粒子からなることを特徴とする触媒もしくは触媒担体。 A catalyst or catalyst carrier comprising the fibrous porous silica particles according to any one of claims 5 to 11.
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