JP2008037700A - Aggregate of silica-based compound oxide particle and method for manufacturing the same - Google Patents

Aggregate of silica-based compound oxide particle and method for manufacturing the same Download PDF

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浩昭 平
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an aggregate of silica-based compound oxide particles in which the content of metal oxides except for silica can be increased as high as over 50 mol% and the refractive index can be controlled to a high refractive index, with the particle diameters of particles constituting the aggregate being uniform. <P>SOLUTION: The aggregate of silica-based compound oxide particles comprises a compound oxide of silicon and at least one kind of metal selected from a group consisting of titanium, zirconium and aluminum and is characterized in that: (A) the silica compound oxide particles are spherical or substantially spherical particles having a circularity of 0.8 or more; (B) the coefficient of variation in the particle diameter size of the silica-based compound oxide particles is 30% or less; and (C) the number M of total gram atoms of at least one kind of metal selected from the group consisting of titanium, zirconium and aluminum and the number Si of gram atoms of silicon included in the silica-based compound oxide particles satisfy a relation of 0.5<M/(M+Si)<1.0. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、シリカ系複合酸化物粒子の粉体などの粒子集合体およびその製造方法に関する。特に、シリコン以外の金属の含有率が高いシリカ系複合酸化物粒子集合体、その製造方法、および、該粒子集合体が分散媒に分散したゾルに関する。   The present invention relates to a particle aggregate such as a powder of silica-based composite oxide particles and a method for producing the same. In particular, the present invention relates to a silica-based composite oxide particle aggregate having a high content of metal other than silicon, a method for producing the same, and a sol in which the particle aggregate is dispersed in a dispersion medium.

無機酸化物微粒子を製造する方法として、金属や半金属のアルコキシドを加水分解、縮合させる方法が知られている。該方法は、ゾル−ゲル法とも呼ばれ、反応条件によっては球状の微粒子を、粒子の径を揃えて大量に製造することができる。たとえば、アルコキシシランを原料としたゾル−ゲル法により、コロイダルシリカやスペーサーシリカなど様々なゾルや粉体が製造されており、用途に応じてナノレベル〜数μmの範囲で任意に粒子径を揃えることが可能である。   As a method for producing inorganic oxide fine particles, a method of hydrolyzing and condensing a metal or metalloid alkoxide is known. This method is also called a sol-gel method, and depending on the reaction conditions, spherical fine particles can be produced in large quantities with the same particle diameter. For example, various sols and powders such as colloidal silica and spacer silica are manufactured by the sol-gel method using alkoxysilane as a raw material, and the particle size is arbitrarily adjusted in the nano-level to several μm range depending on the application. It is possible.

なお、ゾル−ゲル法(又はゾルゲル法)とは、広義には、ゾル形成プロセス及びゲル形成プロセスを有するガラスやセラミックスの製造法を意味するが、無機フィラーの分野においては金属や半金属のアルコキサイドを加水分解、縮合することにより無機酸化物粒子を製造する方法をゾル−ゲル法(又はゾルゲル法)と呼ぶことがある。本発明においては、後者の意でゾル−ゲル法(又はゾルゲル法)という用語を用いている。   The sol-gel method (or sol-gel method) broadly means a method for producing glass or ceramics having a sol-forming process and a gel-forming process. In the field of inorganic fillers, metal or metalloid alkoxides are used. A method for producing inorganic oxide particles by hydrolyzing and condensing azobenzene is sometimes called a sol-gel method (or sol-gel method). In the present invention, the term sol-gel method (or sol-gel method) is used for the latter meaning.

ゾル−ゲル法においては、原料として、シリコンのアルコキシドとシリコン以外の金属のアルコキシドとを併用して、シリカ−チタニア、シリカ−アルミナ、シリカ−ジルコニア等のいわゆるシリカ系複合酸化物粒子を製造することも可能であり、このようにして得られるシリカ系複合酸化物粒子は、シリカのみからなる粒子では得られない、様々な特徴ある性能を発揮することができる。例えば、シリカとシリカ以外の金属酸化物の配合比率を変えることにより、製造される粒子の屈折率を調節することができる。これにより、例えば、樹脂材料に添加するフィラーとして使用した場合、剛性を付与する、熱膨張係数を下げる等のフィラーを添加することにより発現する効果を付与しつつ、樹脂材料の屈折率とフィラーの屈折率とを揃えることによって、樹脂材料の透明性を保つことができる。   In the sol-gel method, as a raw material, silicon alkoxide and metal alkoxide other than silicon are used in combination to produce so-called silica-based composite oxide particles such as silica-titania, silica-alumina, silica-zirconia, etc. In addition, the silica-based composite oxide particles obtained in this manner can exhibit various characteristic performances that cannot be obtained with particles composed of only silica. For example, the refractive index of the produced particles can be adjusted by changing the compounding ratio of silica and a metal oxide other than silica. Thus, for example, when used as a filler to be added to a resin material, the refractive index of the resin material and the filler By aligning the refractive index, the transparency of the resin material can be maintained.

特許文献1には、シリカ以外の金属酸化物の含有率が30〜50モル%であって、粒子径の変動係数が30%以下の球状のシリカ系複合酸化物粒子が記載されている。   Patent Document 1 describes spherical silica-based composite oxide particles having a metal oxide content other than silica of 30 to 50 mol% and a particle diameter variation coefficient of 30% or less.

また、球状のシリカ系複合酸化物粒子を製造する別の方法としては、金属粉末の爆燃現象を利用したVMC法と呼ばれる方法(特許文献2参照)や金属アルコキサイドを液状で火炎中に導入する方法がある。該方法では、金属粉末を酸素の気流中に導入して燃焼分解する方法(特許文献3)が知られており、これら燃焼法によってもシリカ系複合酸化物粒子を製造することができる。
特開2003−252616号公報 特公平7−23202号公報 特公平7−61851号公報
In addition, as another method for producing spherical silica-based composite oxide particles, a method called a VMC method using a deflagration phenomenon of metal powder (see Patent Document 2) or a method of introducing metal alkoxide into a flame in a liquid state There is. In this method, there is known a method (Patent Document 3) in which metal powder is introduced into an oxygen stream and burned and decomposed, and silica-based composite oxide particles can also be produced by these combustion methods.
JP 2003-252616 A Japanese Patent Publication No. 7-23202 Japanese Examined Patent Publication No. 7-61851

樹脂系光学材料の分野においては、透明で高い屈折率を有する樹脂への要求があり、このような要求に応える樹脂の開発が行われている。例えば、ポリビニルナフタレン、ポリビニルカルバゾールは屈折率1.68であり、ポリエチレンナフタレートは屈折率1.75であり、今後さらに高屈折率の樹脂が開発されることも予想される。これら樹脂に無機フィラーを添加して透明性を損なわずに高機能化を図る場合、特に可視光の波長よりも長い粒子径を有するフィラーを使用する場合には、樹脂とフィラーとの屈折率を揃える必要があり、フィラーとしてより高屈折率のものが必要とされる。また、樹脂にナノ粒子を添加して複合化して複合体全体の透明性を損なわずに屈折率を変えることも可能であり、このような方法により高屈折率化を目指す場合にも、フィラーとしては、より高屈折率のものが必要とされる。しかし、特許文献1に記載のシリカ系複合酸化物粒子は、シリカ以外の金属酸化物の含有率が50モル%以下とされているので、フィラーの屈折率を高屈折率に調整するには限界があった。   In the field of resin-based optical materials, there is a demand for a resin that is transparent and has a high refractive index, and a resin that meets such a demand has been developed. For example, polyvinyl naphthalene and polyvinyl carbazole have a refractive index of 1.68, and polyethylene naphthalate has a refractive index of 1.75. It is expected that a resin having a higher refractive index will be developed in the future. When an inorganic filler is added to these resins to achieve high functionality without impairing transparency, particularly when a filler having a particle diameter longer than the wavelength of visible light is used, the refractive index of the resin and filler is set. It is necessary to align them, and a filler having a higher refractive index is required. It is also possible to change the refractive index by adding nanoparticles to the resin without compromising the transparency of the entire composite, and even when aiming to increase the refractive index by such a method, as a filler Is required to have a higher refractive index. However, since the silica-based composite oxide particles described in Patent Document 1 have a metal oxide content other than silica of 50 mol% or less, there is a limit to adjusting the refractive index of the filler to a high refractive index. was there.

また、無機酸化物粉体に関しては、用途によっては、粉体を構成する粒子の単分散性が高いことが要求される。たとえば、樹脂にナノ粒子を添加して複合化して複合体全体の透明性を損なわずに屈折率を変えようとした場合、粒径の大きな粒子が混在すると透明性を損なうことになる。また、樹脂やモノマーにフィラーを添加したときの粘度は添加するフィラーの粒度分布の影響を受けるが、単分散性の高い粉体を用いれば、種々の粒径の(単分散)粉体を混合することにより、安定して所期の粒度分布の粉体を得ることが可能となる。   Moreover, regarding the inorganic oxide powder, depending on the application, it is required that the monodispersity of the particles constituting the powder is high. For example, when adding nanoparticles to a resin to form a composite and changing the refractive index without impairing the transparency of the entire composite, if particles having a large particle size are mixed, the transparency is impaired. In addition, the viscosity when a filler is added to a resin or monomer is affected by the particle size distribution of the filler to be added. If a highly monodisperse powder is used, (monodisperse) powders of various particle sizes are mixed. By doing so, it is possible to stably obtain a powder having a desired particle size distribution.

ところが、前記特許文献2及び3に示される燃焼法では、生成する粒子の粒子径を厳密に制御するのが難しく、単分散性の高い粉体を得ることは困難であった。   However, in the combustion methods disclosed in Patent Documents 2 and 3, it is difficult to strictly control the particle diameter of the generated particles, and it is difficult to obtain a powder having high monodispersibility.

そこで、本発明は、シリカ以外の金属酸化物の含有率を、50モル%を越えるような高い含有率とすることができ、屈折率を高屈折率に調整することができるシリカ系複合酸化物粒子の集合体であって、該集合体を構成する粒子の粒子径が揃っている粒子集合体を提供することを課題とする。   Therefore, the present invention can make the content of metal oxides other than silica higher than 50 mol%, and can adjust the refractive index to a high refractive index. An object of the present invention is to provide a particle aggregate in which the particle diameters of the particles constituting the aggregate are uniform.

本発明者は、上記の課題について鋭意検討した結果、シリコンのアルコキシドとシリコン以外の金属のアルコキシドとの加水分解速度が異なっていることがシリカ以外の金属酸化物の含有率が高いシリカ系複合酸化物粒子を形成する上での阻害要因となっていることを見出した。シリコンのアルコキシドの加水分解速度とシリコン以外の金属のアルコキシドの加水分解速度とを同程度になるように揃えて、粒子の形成を行うことにより、上記の課題を解決することができることを見出し、以下の本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies on the above problems, the present inventors have found that the hydrolysis rate of silicon alkoxides and metal alkoxides other than silicon is different and that the content of metal oxides other than silica is high. It has been found that this is an obstacle to the formation of physical particles. It was found that the above problems can be solved by forming particles by aligning the hydrolysis rate of silicon alkoxide and the hydrolysis rate of metal alkoxide other than silicon so as to be approximately the same. The present invention has been completed.

第1の本発明は、チタン、ジルコニウム、および、アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の金属とシリコンとの複合酸化物からなるシリカ系複合酸化物粒子の集合体であって、
(A)シリカ系複合酸化物粒子が、円形度0.8以上である球状若しくは略球状の粒子であり、
(B)シリカ系複合酸化物粒子の粒子径の変動係数が、30%以下であり、
(C)シリカ系複合酸化物粒子に含まれるチタン、ジルコニウム、およびアルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の金属の合計グラム原子数をM、シリコンのグラム原子数をSiとしたときに、0.5<M/(M+Si)<1.0、の関係を満足することを特徴とする、シリカ系複合酸化物粒子集合体である。
The first aspect of the present invention is an aggregate of silica-based composite oxide particles composed of a composite oxide of at least one metal selected from the group consisting of titanium, zirconium, and aluminum and silicon,
(A) The silica-based composite oxide particles are spherical or substantially spherical particles having a circularity of 0.8 or more,
(B) The coefficient of variation of the particle diameter of the silica-based composite oxide particles is 30% or less,
(C) When the total gram atom number of at least one metal selected from the group consisting of titanium, zirconium, and aluminum contained in the silica-based composite oxide particles is M, and the gram atom number of silicon is Si. A silica-based composite oxide particle aggregate satisfying a relationship of 5 <M / (M + Si) <1.0.

本発明の粒子集合体は、チタン、ジルコニウム、および、アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の金属とシリコンとの複合酸化物からなる粒子の集合体からなるが、該集合体は、ゾル−ゲル法で製造することができるので、該集合体を構成する個々の粒子は、ゾル−ゲル法で得られる粒子の特徴、即ち、粒子が球状又は略球状であるという特徴、より具体的には粒子の円形度が0.8以上であるという特徴を有する。ここで、「円形度」とは、粒子の二次元映像から測定される値であり、粒子の球形度を表す尺度として用いられる。円形度が高い程、真球に近いことを示している(真球の円形度は、「1」である。)。本発明の粒子集合体を構成するシリカ系複合酸化物粒子の円形度は、0.9以上であることがより好ましい。   The particle aggregate of the present invention comprises an aggregate of particles composed of a composite oxide of at least one metal selected from the group consisting of titanium, zirconium and aluminum, and the aggregate is a sol-gel. The individual particles constituting the aggregate are characterized by the characteristics of the particles obtained by the sol-gel method, that is, the characteristics that the particles are spherical or substantially spherical, more specifically, the particles It has the characteristic that the circularity of is 0.8 or more. Here, “circularity” is a value measured from a two-dimensional image of a particle, and is used as a scale representing the sphericity of the particle. The higher the circularity, the closer to the true sphere (the circularity of the true sphere is “1”). The circularity of the silica-based composite oxide particles constituting the particle aggregate of the present invention is more preferably 0.9 or more.

また、本発明の粒子集合体は、ゾル−ゲル法で製造することができるので、単分散性が高く、該粒子集合体を構成する粒子の粒子径の変動係数は30%以下と小さい。粒子の変動係数は、20%以下であることがより好ましく、10%以下であることがさらに好ましい。   In addition, since the particle aggregate of the present invention can be produced by a sol-gel method, the monodispersity is high, and the coefficient of variation of the particle diameter of the particles constituting the particle aggregate is as small as 30% or less. The variation coefficient of the particles is more preferably 20% or less, and further preferably 10% or less.

更に、本発明の粒子集合体を構成する粒子は、チタン、ジルコニウム、及びアルミニウムからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属(以下、これらの金属を「特定異種金属」といい、その酸化物を「特定異種金属酸化物」という場合がある。)とシリコンとの複合酸化物からなる。そして、その組成は、前記式{M/(M+Si)}の値が0.5を超え1.0未満となる組成である。ゾル−ゲル法で得られるシリカ系複合酸化物粒子として、このような組成を有するものは、従来得られていなかった。   Furthermore, the particles constituting the particle aggregate of the present invention are composed of at least one metal selected from the group consisting of titanium, zirconium, and aluminum (hereinafter, these metals are referred to as “specific foreign metals”, and their oxides are It may be referred to as “specific foreign metal oxide”) and a complex oxide of silicon. The composition is such that the value of the formula {M / (M + Si)} exceeds 0.5 and is less than 1.0. No silica-based composite oxide particles obtained by the sol-gel method have such a composition.

本発明の粒子集合体は、その構成粒子であるシリカ系複合酸化物粒子が、このような組成を有することによって、その屈折率を高屈折率に調整することができる。これにより、高屈折率の樹脂材料のフィラーとして用いた場合、フィラーの屈折率と該樹脂材料の屈折率とを合わせて、樹脂材料の透明性を維持することができる。本発明の粒子集合体の具体的な用途としては、上記の透明樹脂の充填材としての用途の他、アンチグレアフィルム(AGフィルム)の光散乱粒子、高透明フィルムのアンチブロッキング材(AB材)としての用途を挙げることができる。   The particle aggregate of the present invention can adjust its refractive index to a high refractive index when the silica-based composite oxide particles, which are constituent particles, have such a composition. Thereby, when used as a filler of a resin material having a high refractive index, the transparency of the resin material can be maintained by combining the refractive index of the filler and the refractive index of the resin material. As a specific use of the particle aggregate of the present invention, in addition to the use as a filler of the above-mentioned transparent resin, as an anti-glare film (AG film) light scattering particle, as an anti-blocking material (AB material) of a highly transparent film Can be mentioned.

また、本発明の粒子集合体のうち、その平均粒子径が1〜1000nmであるものは、水やアルコール等の分散媒にコロイド分散するので、ゾルとして使用することも可能である。このようなゾルは、プラスチックフィルムやプラスチックレンズなどのハードコート液材料として有用である。   Further, among the particle aggregates of the present invention, those having an average particle diameter of 1 to 1000 nm are colloidally dispersed in a dispersion medium such as water or alcohol, and can be used as a sol. Such a sol is useful as a hard coating liquid material for plastic films and plastic lenses.

第2の本発明は、第1の本発明のシリカ系複合酸化物粒子集合体を製造する方法であって、
(S1)シリコンのアルコキシドを水で部分加水分解して部分加水分解物を形成する工程、
(S2)チタン、ジルコニウム、および、アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の金属のアルコキシドと錯化剤とを混合して調製した錯体と、前記部分加水分解物とを混合して複合アルコキシド原料を調製する工程、及び
(S3)水を含有する溶媒または分散媒中で前記複合アルコキシド原料を加水分解・縮合させる工程を含み、
且つ工程(S2)における錯体と部分加水分解物との混合を、得られる複合アルコキシド原料に含まれるチタン、ジルコニウム、および、アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の金属の合計グラム原子数をM、シリコンのグラム原子数をSiとしたときに、0.5<M/(M+Si)<1.0、の関係を満足するようにして混合することを特徴とする、シリカ系複合酸化物粒子集合体の製造方法である。
The second aspect of the present invention is a method for producing the silica-based composite oxide particle aggregate of the first aspect of the present invention,
(S1) a step of partially hydrolyzing silicon alkoxide with water to form a partially hydrolyzed product;
(S2) A composite alkoxide raw material obtained by mixing a complex prepared by mixing an alkoxide of at least one metal selected from the group consisting of titanium, zirconium, and aluminum with a complexing agent, and the partial hydrolyzate. And (S3) hydrolyzing and condensing the composite alkoxide raw material in a solvent or dispersion medium containing water,
In addition, the mixing of the complex and the partial hydrolyzate in the step (S2) is performed by adding M in total gram atoms of at least one metal selected from the group consisting of titanium, zirconium, and aluminum contained in the obtained composite alkoxide raw material. Silica-based composite oxide particle aggregate characterized by mixing so as to satisfy a relationship of 0.5 <M / (M + Si) <1.0 when the number of gram atoms of silicon is Si It is a manufacturing method.

ゾル−ゲル法により粒子を合成する場合、核が生成する核生成過程と、生成した核が成長する粒成長過程を経るのが一般的である。特定異種金属のアルコキシドの加水分解速度はシリコンのアルコキシドの加水分解に比べて非常に速いため、特定異種金属のアルコキシドとシリコンのアルコキシドとの単なる混合物を用いてゾル−ゲル法により複合酸化物粒子を得ようとした場合には、特定異種金属の酸化物の核生成や粒成長が優先してしまう。このため、特に特定異種金属の含有量が多い場合には、粒成長が均一に起こらず、円形度の高いシリカ系複合酸化物粒子を得ることができなかった。   When particles are synthesized by the sol-gel method, it is common to go through a nucleation process in which nuclei are generated and a grain growth process in which the generated nuclei grow. Since the hydrolysis rate of the alkoxide of the specific foreign metal is much faster than the hydrolysis of the alkoxide of silicon, the composite oxide particles are formed by a sol-gel method using a simple mixture of the alkoxide of the specific different metal and the alkoxide of silicon. When trying to obtain, priority is given to the nucleation and grain growth of the oxide of a specific different metal. For this reason, especially when the content of the specific dissimilar metal is large, grain growth does not occur uniformly, and silica-based composite oxide particles having a high degree of circularity cannot be obtained.

そこで、本発明においては、特定異種金属のアルコキシドと錯化剤とを混合して錯体とすることによって、その加水分解速度をシリコンのアルコキシドの加水分解速度と同程度に揃える方法を採用した。そして、シリコンのアルコキシドを部分加水分解物とし、これと上記の錯体とを混合して、あらかじめ複合アルコキシド原料を調製し、これを加水分解・縮合することにより、組成の均一性を保ちながら核を形成し、これを成長させることによって、シリコンと特定異種金属とが均一に分散され、式{M/(M+Si)}で定義される特定異種金属の含有率が0.5を超え1.0未満のシリカ系複合酸化物粒子を得ることができる。   Therefore, in the present invention, a method is adopted in which the alkoxide of a specific dissimilar metal and a complexing agent are mixed to form a complex so that the hydrolysis rate is made to be the same as the hydrolysis rate of the silicon alkoxide. Then, silicon alkoxide is used as a partial hydrolyzate, and this is mixed with the above complex to prepare a composite alkoxide raw material in advance, and this is hydrolyzed / condensed to maintain the uniformity of the composition while maintaining the nucleus. By forming and growing this, silicon and the specific dissimilar metal are uniformly dispersed, and the content of the specific dissimilar metal defined by the formula {M / (M + Si)} is more than 0.5 and less than 1.0 The silica-based composite oxide particles can be obtained.

なお、「水を含有する溶媒または分散媒」とは、溶媒または分散媒全体の質量を基準(100質量%)として、水を5〜100質量%含有している溶媒または分散媒である。中でも特に、粒子径が1nm〜100nmというナノ粒子を製造する場合は、水の含有量は60〜100質量%であることが好ましく、70質量%以上であることがより好ましく、75質量%以上であることがさらに好ましい。また、単分散性を有し、粒子径が100nm以上の球形度の高いシリカ系複合酸化物粒子を得る場合においては、水の含有量は5〜50質量%であることが好ましく、10〜40質量%であることがさらに好ましい。なお粒子径が50〜150nmである場合、水の含有量がそれぞれ5〜50質量%、60〜100質量%であっても、使用する有機溶媒、温度などの条件を適切に選択することで所望の粒子を得ることができる。   The “solvent or dispersion medium containing water” is a solvent or dispersion medium containing 5 to 100 mass% of water based on the mass of the entire solvent or dispersion medium (100 mass%). Among these, when producing nanoparticles having a particle diameter of 1 nm to 100 nm, the water content is preferably 60 to 100% by mass, more preferably 70% by mass or more, and 75% by mass or more. More preferably it is. Further, in the case of obtaining silica-based composite oxide particles having monodispersibility and a high sphericity with a particle diameter of 100 nm or more, the water content is preferably 5 to 50% by mass, and 10 to 40 More preferably, it is mass%. In addition, when the particle diameter is 50 to 150 nm, even if the water content is 5 to 50% by mass and 60 to 100% by mass, respectively, it is desirable to appropriately select the conditions such as the organic solvent to be used and the temperature. Particles can be obtained.

本発明の粒子集合体においては、その構成粒子であるシリカ系複合酸化物粒子は、球状若しくは略球状で単分散性が高いという従来のゾル−ゲル法で得られた粒子と同様の特徴を有すると共に、特定異種金属を前記含有率で表して0.5を越えるような高い含有率で含む。このため、従来のゾル−ゲル法で得られたシリカ系複合酸化物では実現不可能な高い屈折率を具備することが可能であり、このような複合粒子を用いることにより無機酸化物のゾルや粉体の用途を広げることができる。   In the particle aggregate of the present invention, the silica-based composite oxide particles, which are the constituent particles, have the same characteristics as particles obtained by a conventional sol-gel method that are spherical or substantially spherical and have high monodispersibility. In addition, the specific dissimilar metal is included at a high content rate exceeding 0.5 in terms of the content rate. For this reason, it is possible to have a high refractive index that cannot be realized with a silica-based composite oxide obtained by a conventional sol-gel method. By using such composite particles, an inorganic oxide sol or The use of powder can be expanded.

たとえば、本発明の粒子集合体を添加することにより、透明で高い屈折率を有する樹脂材料を提供することが可能となる。本発明の粒子集合体の構成粒子であるシリカ系複合酸化物粒子は、約1.4〜3の範囲で屈折率を制御することができるので、可視光の波長よりも長い粒子径を有する粒子を添加して高屈折率樹脂の高機能化(剛性の付与、熱膨張係数の低減等)を図る場合でも樹脂材料の屈折率とフィラーの屈折率とを揃えることによって、樹脂材料の透明性を保つことができる。また、樹脂にナノレベルのシリカ系複合酸化物粒子からなる本発明の粒子集合体を添加して複合化することにより、複合体全体の透明性を損なわずに屈折率を向上させることも可能である。また、低屈折率の樹脂と組み合わせて使用した場合には、屈折率差を大きくすることができるので、高い光散乱効果を得ることができる。このため、本発明のシリカ系複合酸化物粒子は、液晶ディスプレーの光拡散板などにも好適に使用することができる。   For example, by adding the particle aggregate of the present invention, it becomes possible to provide a resin material that is transparent and has a high refractive index. Since the silica-based composite oxide particles that are the constituent particles of the particle aggregate of the present invention can control the refractive index in the range of about 1.4 to 3, the particles have a particle diameter longer than the wavelength of visible light. Even when adding high-refractive-index resin to achieve high functionality (stiffness, reduction of thermal expansion coefficient, etc.), by aligning the refractive index of the resin material with the refractive index of the filler, the transparency of the resin material is improved. Can keep. It is also possible to improve the refractive index without compromising the transparency of the entire composite by adding the particle aggregate of the present invention consisting of nano-level silica-based composite oxide particles to the resin and compositing it. is there. Further, when used in combination with a low refractive index resin, the difference in refractive index can be increased, so that a high light scattering effect can be obtained. For this reason, the silica type complex oxide particle of this invention can be used conveniently also for the light diffusing plate of a liquid crystal display, etc.

以下本発明を図面に示す実施形態に基づき説明する。
<シリカ系複合酸化物粒子およびその集合体>
本発明の粒子集合体の構成粒子であるシリカ系複合酸化物粒子は、シリコンとシリコン以外の金属の複合酸化物からなる。ここで、シリコン以外の金属は、チタン、ジルコニウム、及びアルミニウムからなる群より選ばれる少なくとも一種(特定異種金属)である必要がある。シリコン以外の金属が特定異種金属であることにより、その屈折率をシリカより高くすることができる。特定異種金属は、チタンであることが好ましい。チタンのアルコキシドは、他のジルコニウムやアルミニウムのアルコキシドに比べると加水分解速度が遅い。よって、以下において説明する本発明の製造方法において、錯体とすることにより、シリコンのアルコキシドと加水分解速度を揃えることが比較的容易である。
Hereinafter, the present invention will be described based on embodiments shown in the drawings.
<Silica-based composite oxide particles and aggregates thereof>
Silica-based composite oxide particles that are constituent particles of the particle aggregate of the present invention are composed of silicon and a composite oxide of a metal other than silicon. Here, the metal other than silicon needs to be at least one (specific different metal) selected from the group consisting of titanium, zirconium, and aluminum. When the metal other than silicon is a specific dissimilar metal, its refractive index can be made higher than that of silica. The specific dissimilar metal is preferably titanium. Titanium alkoxides have a slower hydrolysis rate than other zirconium or aluminum alkoxides. Therefore, in the production method of the present invention described below, it is relatively easy to make the hydrolysis rate uniform with that of silicon alkoxide by forming a complex.

特定異種金属は、単独でシリコンと複合酸化物化してもよいし、二種以上の特定異種金属をシリコンと複合酸化物化してもよい。例えば、特定異種金属として、チタンとジルコニウムの両方を使用して、シリカ−チタニア−ジルコニアの3元系のシリカ系複合酸化物粒子としてもよいし、アルミニウムとチタンの両方を使用して、シリカ−アルミナ−チタニアの3元系のシリカ系複合酸化物粒子としてもよい。   The specific dissimilar metal may be formed into a composite oxide with silicon alone, or two or more specific dissimilar metals may be formed into a composite oxide with silicon. For example, both titanium and zirconium may be used as the specific dissimilar metal, and silica-titania-zirconia ternary silica-based composite oxide particles may be used, or both aluminum and titanium may be used as silica- Alumina-titania ternary silica-based composite oxide particles may be used.

前記シリカ系複合酸化物粒子において、シリコンおよび特定異種金属は複合酸化物の形で化学的に結合して存在する(別言すればシリコン同士、シリコンと特定異種金属、或いは特定異種金属同士が酸素との結合を介して互いに連結した構造を有する)ものであり、これらの構成成分を物理的に分離することはできない。両成分が化学的に結合していることは、赤外スペクトルや屈折率(粒子の光学的な透明性)を測定することで確認できる。なお、前記シリカ系複合酸化物粒子において、シリコンと特定異種金属の分散状態は任意であり、ランダムに均一に分散していても良いし、微視的に同一種類のもが集まっていても良い。後者の場合にはシリカや特定異種金属酸化物(具体的には、チタニア、ジルコニア、又はアルミナなど)の微小ドメインが形成されることになるが、該ドメインは結晶であってもアモルファスであっても、両者の混在であってもよい。粒子の結晶性については、X線回折等の手段で確認することができる。   In the silica-based composite oxide particles, silicon and a specific dissimilar metal are present in a chemically-combined form in the form of a composite oxide (in other words, silicon is silicon, a specific dissimilar metal, or a specific dissimilar metal is oxygen. These constituent components cannot be physically separated from each other. The fact that both components are chemically bonded can be confirmed by measuring the infrared spectrum and refractive index (particle optical transparency). In the silica-based composite oxide particles, the dispersion state of silicon and the specific dissimilar metal is arbitrary, and may be uniformly dispersed at random, or microscopically the same type may be gathered. . In the latter case, a fine domain of silica or a specific dissimilar metal oxide (specifically, titania, zirconia, or alumina) is formed, but the domain is amorphous even if it is a crystal. Or a mixture of both. The crystallinity of the particles can be confirmed by means such as X-ray diffraction.

通常、ゾル−ゲル法により得られる複合酸化物粒子は、そのほとんどが非晶質であるが、非晶質と一部結晶質との混合物になる場合もある。また、これら粒子を焼成することによりその結晶性を変化させることもできる。焼成前の粒子が非晶質であっても、高温で焼成することにより構成成分の一部又は全部を結晶質とすることができる。   Usually, most of the composite oxide particles obtained by the sol-gel method are amorphous, but in some cases, they are a mixture of amorphous and partially crystalline. Moreover, the crystallinity can be changed by firing these particles. Even if the particles before firing are amorphous, some or all of the constituent components can be made crystalline by firing at a high temperature.

一般的に、光学的に透明であることが要求される場合には、本発明の粒子集合体を構成するシリカ系複合酸化物粒子は非晶質である方が好ましく、特に粒子径が40nm以上である場合は、全体が非晶質であるか、もしくは極一部の構成成分のみが結晶質に転化した程度であるのが好ましい。そのためには、粒子を焼成しないか、焼成するにしてもそのときの焼成温度を1100℃以下、特に1000℃以下とすることが好ましい。   In general, when it is required to be optically transparent, the silica-based composite oxide particles constituting the particle aggregate of the present invention are preferably amorphous, and the particle diameter is particularly 40 nm or more. In this case, it is preferable that the whole is amorphous or only a very small part of the constituent components are converted to crystalline. For that purpose, it is preferable that the firing temperature at that time is 1100 ° C. or lower, particularly 1000 ° C. or lower, even if the particles are not fired.

本発明の本発明の粒子集合体を構成するシリカ系複合酸化物粒子は、該複合酸化物粒子に含まれる特定異種金属の合計グラム原子数をM、シリコンのグラム原子数をSiとしたときにおける、M/(M+Si)で定義される特定異種金属の含有率が、0.5<M/(M+Si)<1.0、の範囲である。前述したような3元系のシリカ系複合酸化物粒子の場合は、Mは特定異種金属の総グラム原子数となる。特定異種金属の含有率は0.5を越え1.0未満であればよいが、組成の安定性の観点から0.51〜0.99、特に0.55〜0.95であるのが好ましい。   The silica-based composite oxide particles constituting the particle aggregate of the present invention according to the present invention are obtained when the total number of gram atoms of a specific different metal contained in the composite oxide particles is M and the number of gram atoms of silicon is Si. , M / (M + Si), the content of the specific different metal is in the range of 0.5 <M / (M + Si) <1.0. In the case of the ternary silica-based composite oxide particles as described above, M is the total number of grams of the specific dissimilar metal. The content of the specific dissimilar metal may be more than 0.5 and less than 1.0, but is preferably 0.51 to 0.99, particularly preferably 0.55 to 0.95 from the viewpoint of composition stability. .

上記Si及びMは、本発明のシリカ系複合酸化物粒子について構成元素の定量分析をすることにより決定することができる。定量分析法としては、例えば本発明のシリカ系複合酸化物粒子をフッ化水素酸、硝酸で溶解させ、得られた溶液についてICP発光分析する方法が挙げられる。また、蛍光X線分析やオージェ電子分光法(AES)により特定異種金属の含有率を求めることもできる。分析精度の観点からはICP発光分析を採用するのが好ましいが、蛍光X線分析やオージェ電子分光法(AES)でも前記含有率を±0.005程度の精度で測定することができる。   Si and M can be determined by quantitative analysis of constituent elements of the silica-based composite oxide particles of the present invention. Examples of the quantitative analysis method include a method in which the silica-based composite oxide particles of the present invention are dissolved with hydrofluoric acid and nitric acid, and the obtained solution is subjected to ICP emission analysis. Moreover, the content rate of a specific dissimilar metal can also be calculated | required by a fluorescent X ray analysis or Auger electron spectroscopy (AES). Although it is preferable to employ ICP emission analysis from the viewpoint of analysis accuracy, the content can be measured with an accuracy of about ± 0.005 even by fluorescent X-ray analysis or Auger electron spectroscopy (AES).

従来のゾル−ゲル法によるシリカ系複合酸化物粒子の製造方法においては、特定異種金属の含有率が0.5を越えるものを得ようとした場合、粒子径の単分散性が低下したり、粒子同士が凝集したりするため、このような組成を有する粒子を製造することができなかった。本発明においては、粒子の製造方法を改良することによって、この問題を解決し、従来得られていなかった特定異種金属の含有率が0.5を超え1.0未満のシリカ系複合酸化物粒子を得ることに成功した。   In the conventional method for producing silica-based composite oxide particles by the sol-gel method, when trying to obtain a specific dissimilar metal content exceeding 0.5, the monodispersity of the particle diameter decreases, Since the particles are aggregated, particles having such a composition could not be produced. In the present invention, this problem is solved by improving the method for producing particles, and the silica-based composite oxide particles having a specific foreign metal content of more than 0.5 and less than 1.0, which has not been obtained conventionally. Succeeded in getting.

本発明の粒子集合体を構成するシリカ系複合酸化物粒子は、特定異種金属酸化物を高含有率で有することによって、その屈折率を高屈折率に調整することができる。粒子の屈折率は、特定異種金属の種類や組成を調整することにより、1.4〜3の範囲で制御することができる。   The silica-based composite oxide particles constituting the particle aggregate of the present invention can have a refractive index adjusted to a high refractive index by having a specific dissimilar metal oxide at a high content. The refractive index of the particles can be controlled in the range of 1.4 to 3 by adjusting the kind and composition of the specific different metal.

たとえば、特定異種金属をチタンとした場合、粒子中のチタニア含有率を変化させると図1に示すように当該粒子の屈折率がほぼ直線的に変化する(後述の実施例においても図1の関係が成り立つことが確認されている)。チタン以外の特定異種金属についても図1と同様にして、あらかじめ特定異種金属の含有率と粒子の屈折率との関係を求めておき、所望の屈折率となるよう特定異種金属の含有率を決定できる。   For example, when the specific dissimilar metal is titanium, when the titania content in the particles is changed, the refractive index of the particles changes almost linearly as shown in FIG. 1 (the relationship shown in FIG. Has been confirmed to hold). For specific different metals other than titanium, as in FIG. 1, the relationship between the specific foreign metal content and the refractive index of the particles is obtained in advance, and the specific different metal content is determined so that the desired refractive index is obtained. it can.

シリカ−チタニア複合酸化物粒子に関しては、チタニアの含有率が50モル%を越え100モル%未満である(Tiの含有率が0.5を越え1.0未満である)場合において、屈折率を約1.8〜2.8において調整することができる。具体的には、各成分が非晶質である場合、屈折率1.84(チタンの含有率:0.51)、屈折率2.00(チタニンの含有率:0.7)、屈折率2.16(チタンの含有率:0.9モル%)と、添加する樹脂材料の屈折率に合わせて、種々の高い屈折率を有する複合酸化物粒子を形成することができる。これらを熱処理することにより、チタニアを結晶化させてルチル型とすることで屈折率をさらに上げることができる。この場合、最大で屈折率は2.8となる(チタン含有率0.99の場合)。   Regarding the silica-titania composite oxide particles, when the titania content is more than 50 mol% and less than 100 mol% (Ti content is more than 0.5 and less than 1.0), the refractive index is changed. Adjustments can be made at about 1.8 to 2.8. Specifically, when each component is amorphous, the refractive index is 1.84 (titanium content: 0.51), the refractive index is 2.00 (titanin content: 0.7), and the refractive index is 2. Depending on the .16 (titanium content: 0.9 mol%) and the refractive index of the resin material to be added, composite oxide particles having various high refractive indexes can be formed. By heat-treating these, the refractive index can be further increased by crystallizing titania into a rutile type. In this case, the maximum refractive index is 2.8 (when the titanium content is 0.99).

このように、本発明の粒子集合体を構成するシリカ系複合酸化物粒子は、通常のゾル−ゲル法で得られるシリカ系複合酸化物粒子では達成することができない高い屈折率を有することができるので、例えば、高屈折率を有する樹脂材料のフィラーとして用いた場合において、樹脂材料の屈折率とフィラーの屈折率とを揃えることにより、樹脂材料の透明性を維持することができる。また、このような特性を生かして、高屈折率であることが必要とされる種々の用途に用いることができる。必要とされる屈折率は当該粒子の用途によって異なり、透明性を保持しなければならない用途で当該粒子を使用する場合、粒子を混合する材料と粒子の屈折率差が小さくなるように特定異種金属の含有率を調節すればよい。一方、高い光散乱効果が必要な場合、粒子を混合する材料と粒子の屈折率差が大きくなるように特定異種金属の含有率を調節すればよい。   As described above, the silica-based composite oxide particles constituting the particle aggregate of the present invention can have a high refractive index that cannot be achieved by the silica-based composite oxide particles obtained by the usual sol-gel method. Therefore, for example, when used as a filler of a resin material having a high refractive index, the transparency of the resin material can be maintained by aligning the refractive index of the resin material and the refractive index of the filler. In addition, taking advantage of such characteristics, it can be used in various applications that require a high refractive index. The required refractive index varies depending on the application of the particle. When using the particle in an application where transparency must be maintained, a specific dissimilar metal is used so that the difference in refractive index between the material mixed with the particle and the particle becomes small. What is necessary is just to adjust the content rate of. On the other hand, when a high light scattering effect is required, the content of the specific dissimilar metal may be adjusted so that the difference in refractive index between the material mixed with the particles and the particles becomes large.

また、本発明の粒子集合体を構成するシリカ系複合酸化物粒子は、真密度についても、特定異種金属の種類や組成を調整すること、或いは粒子の焼成温度を変えることにより、1.5〜5g/cmの範囲で制御することができる。なお、前記シリカ系複合酸化物粒子の粒子径は、1nm〜50μmの範囲、好ましくは5nm〜5μmの範囲、さらに好ましくは10nm〜1μmの範囲である。 In addition, the silica-based composite oxide particles constituting the particle aggregate of the present invention can be adjusted to 1.5 to 1.5 by adjusting the kind and composition of the specific dissimilar metal or changing the firing temperature of the particles with respect to the true density. It can be controlled in the range of 5 g / cm 3 . The particle size of the silica-based composite oxide particles is in the range of 1 nm to 50 μm, preferably in the range of 5 nm to 5 μm, and more preferably in the range of 10 nm to 1 μm.

本発明の粒子集合体は、ゾル−ゲル法により製造することができるため、その構成粒子形状が球若しくは略球状となり、粒子の円形度は0.8以上となる。ここで、「円形度」とは、走査型や透過型の電子顕微鏡等を用いることによって粒子を観察し、その結果を画像処理したときの粒子の面積をS(μm)、粒子の周囲長をL(μm)とした場合において、「円形度」=(4πS)/(L)で定義される値を意味する。用途によっては、真球に近い形状を有する粒子が望まれることがあり、そのような用途に使用する場合には、本発明のシリカ系複合酸化物粒子の円形度は、0.9以上、特に0.95以上であることが好ましい。 Since the particle aggregate of the present invention can be produced by a sol-gel method, the shape of the constituent particles is spherical or approximately spherical, and the circularity of the particles is 0.8 or more. Here, the “circularity” means that the particle area is S (μm 2 ) when the particle is observed by using a scanning or transmission electron microscope or the like, and the result is image-processed. Is a value defined by “circularity” = (4πS) / (L 2 ). Depending on the application, particles having a shape close to a true sphere may be desired. When used in such applications, the circularity of the silica-based composite oxide particles of the present invention is 0.9 or more, particularly It is preferable that it is 0.95 or more.

また、前記粒子径は、走査型や透過型の電子顕微鏡等を用いることによって粒子を観察した場合における「円相当径」意味する。該「円相当径」は、走査型や透過型の電子顕微鏡等の観察結果を画像処理したときの粒子の面積をS(μm)、粒子の周囲長をL(μm)とすると、「円相当径」=(4S/π)1/2として定義されるものである。 The particle diameter means “equivalent circle diameter” when particles are observed by using a scanning or transmission electron microscope or the like. The “equivalent circle diameter” is defined as “circle” when S (μm 2 ) is the particle area when the observation result of a scanning or transmission electron microscope is image-processed, and L (μm) is the circumference of the particle. “Equivalent diameter” = (4S / π) 1/2 .

本発明のシリカ系複合酸化物粒子は、個々の粒子として前記したような優れた特徴を有するが、ゾル−ゲル法、具体的には後述する本発明の方法を採用することにより、粒子径を揃えて大量合成することができる。このため、本発明の粒子集合体を構成するシリカ系複合酸化物粒子の粒子径の変動係数を30%以下とすることができる。   The silica-based composite oxide particles of the present invention have excellent characteristics as described above as individual particles. However, by adopting the sol-gel method, specifically the method of the present invention described later, the particle size can be reduced. Can be synthesized in large quantities. For this reason, the variation coefficient of the particle diameter of the silica-based composite oxide particles constituting the particle aggregate of the present invention can be set to 30% or less.

ここで、粒子径の変動係数とは、粒子集合体に含まれる構成粒子の単分散性を示す尺度であり、次のようにして決定される。即ち、電子顕微鏡で200個の粒子を観察し、画像処理によりそれぞれの粒子についての粒子径を求め、得られた結果から変動係数を求める。なお、変動係数CVは、U1/2を粒子径分布における標準偏差、Xをすべての粒子についての粒子径の平均値としたとき(U1/2/X)×100(%)で表される。 Here, the variation coefficient of the particle diameter is a scale indicating the monodispersity of the constituent particles contained in the particle aggregate, and is determined as follows. That is, 200 particles are observed with an electron microscope, the particle diameter of each particle is obtained by image processing, and the coefficient of variation is obtained from the obtained result. Incidentally, the coefficient of variation CV is represented by when the average particle size of all particles the standard deviation, the X and U 1/2 in the particle size distribution (U 1/2 / X) × 100 (%) The

本発明の粒子集合体を構成する粒子の変動係数は、20%以下であることがより好ましく、10%以下であることがさらに好ましい。   The variation coefficient of the particles constituting the particle aggregate of the present invention is more preferably 20% or less, and further preferably 10% or less.

本発明の粒子集合体は、粉体として使用できるばかりでなく、ゾルとして使用することもできる。ゾルとして使用する場合、本発明の粒子集合体の分散媒として好適なものを例示すれば、水;メチルアルコール、エチルアルコール、イソプロパノールなどのアルコール化合物;ペンタン、ヘキサン、シクロヘキサン、ヘプタンなどの飽和炭化水素系化合物;トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素系化合物;アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノンなどのケトン化合物;酢酸エチルなどのエステル化合物;ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミドなどのアミド化合物;ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、エチレングリコールジエチルエーテル、ジオキサンなどのエーテル化合物などを挙げることができるが、水又は、水と水溶性アルコールとの混合物が好適に使用される。これら分散媒は、通常、粒子成分の合計質量の3倍未満の量で使用される。   The particle aggregate of the present invention can be used not only as a powder but also as a sol. When used as a sol, examples of suitable dispersion media for the particle assembly of the present invention include water; alcohol compounds such as methyl alcohol, ethyl alcohol, and isopropanol; saturated hydrocarbons such as pentane, hexane, cyclohexane, and heptane. Compounds; aromatic hydrocarbon compounds such as toluene and xylene; ketone compounds such as acetone, methyl ethyl ketone and cyclohexanone; ester compounds such as ethyl acetate; amide compounds such as dimethylacetamide and dimethylformamide; diethyl ether, tetrahydrofuran and ethylene glycol diethyl Although ether compounds, such as ether and dioxane, can be mentioned, water or a mixture of water and a water-soluble alcohol is preferably used. These dispersion media are usually used in an amount of less than 3 times the total mass of the particle components.

また、ゾルにおいて、上記分散媒に分散する本発明の粒子集合体の平均粒子径は、通常、1nm〜1000nmである。平均粒子径が1nm未満の粒子を製造するのは困難であり、平均粒子径が1000nmを越える場合には分散性が低下し、沈降しやすくなる。ゾルの安定性の観点から、上記平均粒子径は、3nm〜800nm、特に5〜500nmの範囲であることが好ましい。   In the sol, the average particle diameter of the particle aggregate of the present invention dispersed in the dispersion medium is usually 1 nm to 1000 nm. It is difficult to produce particles having an average particle diameter of less than 1 nm. When the average particle diameter exceeds 1000 nm, the dispersibility is lowered and precipitation tends to occur. From the viewpoint of sol stability, the average particle diameter is preferably in the range of 3 nm to 800 nm, particularly 5 to 500 nm.

また、本発明の粒子集合体を粉体として使用する場合における平均粒子径は、通常、50nm〜5000nmである。平均粒子径が50nm未満のときは取り扱い難く、平均粒子径が5000nmを超えて大きいものは、これを製造しようとすると時間がかかり、得られる粒子の粒子径のばらつきが大きくなる(単分散性を維持するのが難しくなる)場合がある。取り扱いやすさ及び製造の容易さの観点から上記粉体の平均粒子径は70nm〜3000nm、特に100〜1000nmの範囲であるのが好ましい。   Moreover, the average particle diameter in the case of using the particle aggregate of the present invention as a powder is usually 50 nm to 5000 nm. When the average particle size is less than 50 nm, it is difficult to handle, and when the average particle size is larger than 5000 nm, it takes time to produce this, and the dispersion of the particle size of the obtained particles becomes large (monodispersity is increased). May be difficult to maintain). From the viewpoints of ease of handling and ease of production, the average particle size of the powder is preferably in the range of 70 nm to 3000 nm, particularly 100 to 1000 nm.

ここで、平均粒子径とは、走査型や透過型の電子顕微鏡によりゾル又は粉体を構成する粒子を粒子を観察し、任意の200個の粒子について円相当径を求め、これを平均した値である。   Here, the average particle diameter is a value obtained by observing the particles constituting the sol or powder with a scanning or transmission electron microscope, obtaining the equivalent circle diameter for any 200 particles, and averaging this. It is.

前記ゾル又は粉体においては、粒子の形状が球形であることによって、例えば樹脂等に充填する際に、複合樹脂の粘度を下げたり、樹脂中の粒子の充填率を上げたりすること等が可能である。また、粒子径の変動係数が30%以下であることによって、複合樹脂の粘度を制御しやすくなるという効果がある。   In the sol or powder, since the shape of the particles is spherical, it is possible to lower the viscosity of the composite resin or increase the filling rate of the particles in the resin, for example, when filling the resin. It is. Further, when the coefficient of variation of the particle diameter is 30% or less, there is an effect that the viscosity of the composite resin can be easily controlled.

<シリカ系複合酸化物粒子集合体の製造方法>
図2に本発明のシリカ系複合酸化物粒子集合体の製造方法の工程図を示した。本発明のシリカ系複合酸化物粒子集合体の製造方法は、シリコンのアルコキシドを水で部分加水分解し部分加水分解物を形成する工程S1、チタン、ジルコニウム、および、アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の金属(特定異種金属)のアルコキシドと錯化剤とを混合して調製した錯体と、前記部分加水分解物とを、所定の割合で混合して複合アルコキシド原料を調製する工程S2、水を含有する溶媒または分散媒中で、複合アルコキシド原料を加水分解・縮合させる工程S3を有している。
<Method for producing silica-based composite oxide particle aggregate>
FIG. 2 shows a process diagram of the method for producing a silica-based composite oxide particle aggregate of the present invention. The method for producing a silica-based composite oxide particle aggregate according to the present invention includes a step S1 of partially hydrolyzing a silicon alkoxide with water to form a partially hydrolyzed product, at least selected from the group consisting of titanium, zirconium, and aluminum. Step S2 of preparing a composite alkoxide raw material by mixing a complex prepared by mixing a alkoxide of a kind of metal (specific different metal) and a complexing agent and the partial hydrolyzate at a predetermined ratio, water It has process S3 which hydrolyzes and condenses a composite alkoxide raw material in the solvent or dispersion medium to contain.

本発明の製造方法では、金属アルコキシド原料を加水分解・縮合することにより粒子を形成するゾル−ゲル法を採用している。本発明の製造方法においては、特定異種金属のアルコキシドの加水分解速度と、シリコンのアルコキシドの加水分解速度とを同程度になるように揃え、シリコンのアルコキシドと特定異種金属のアルコキシドとから所定の方法で複合アルコキシド原料をあらかじめ形成して、該複合アルコシド原料を特定の条件下で加水分解・縮合することにより、特定異種金属の酸化物を高含有量で含有し、シリカと特定異種金属の酸化物とが均一に分散されたシリカ系複合酸化物粒子を製造することができる。以下、本発明の各工程について説明する。   The production method of the present invention employs a sol-gel method in which particles are formed by hydrolysis and condensation of a metal alkoxide raw material. In the production method of the present invention, the hydrolysis rate of the alkoxide of the specific dissimilar metal and the hydrolysis rate of the silicon alkoxide are set to be approximately the same, and a predetermined method is obtained from the silicon alkoxide and the specific dissimilar metal alkoxide. The composite alkoxide raw material is formed in advance, and the composite alkoxide raw material is hydrolyzed / condensed under specific conditions, so that it contains a high content of an oxide of a specific dissimilar metal, and an oxide of silica and a specific dissimilar metal Can be produced in which silica-based composite oxide particles are uniformly dispersed. Hereinafter, each process of the present invention will be described.

(部分加水分解物の形成工程S1)
シリコンのアルコキシドを部分加水分解する(工程S1)。シリコンのアルコキシドとしては、以下において説明する水を含有する溶媒または分散媒中での加水分解・縮合反応により、シリコンの酸化物を形成するものであれば、特に制限なく公知の化合物を用いることができる。例えば、一般式Si(OR)またはSiR’(OR)4−nで示されるシリコンのアルコキシド、またはシリコンのアルコキシドを部分的に加水分解・縮合して得られる低縮合物が工業的に入手し易く、好ましく用いられる。これらシリコンのアルコキシドは、二種以上を混合して用いてもよい。なお、上記一般式において、RおよびR’は、アルキル基で、例えば、メチル基、エチル基、イソプロピル基、ブチル基等の低級アルキル基であることが好ましい。nは1〜3の整数である。
(Partial hydrolyzate formation step S1)
The silicon alkoxide is partially hydrolyzed (step S1). As the silicon alkoxide, any known compound may be used without particular limitation as long as it forms a silicon oxide by hydrolysis / condensation reaction in a water-containing solvent or dispersion medium described below. it can. For example, a silicon alkoxide represented by the general formula Si (OR) 4 or SiR ′ n (OR) 4-n , or a low condensate obtained by partially hydrolyzing and condensing silicon alkoxide is industrially available. It is easy to do and is preferably used. These silicon alkoxides may be used in combination of two or more. In the above general formula, R and R ′ are alkyl groups, and are preferably lower alkyl groups such as a methyl group, an ethyl group, an isopropyl group, and a butyl group. n is an integer of 1 to 3.

また、シリコンのアルコキシドを部分加水分解する際には、該アルコキシドと水の両方に対して相溶性のあるアルコール等の有機溶媒を併用することが好ましい。有機溶媒としては公知のものが制限無く使用できるが、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール、エチレングリコール、プロピレングリコールなどのアルコール類、アセトン、メチルーエチルケトンなどのケトン類、ジオキサン、ジエチルエーテルなどのエーテル類、酢酸エチルなどのエステル類、その他水と相溶性のある有機溶媒との複数混合溶媒が好適に用いられる。アルコール等の有機溶媒を使用しない場合は、シリコンのアルコキシドと水とが相分離する傾向があり、部分加水分解が進行しなかったり、非常に反応が遅くなったりする場合がある。また、部分加水分解を迅速に進めるために、前記の水には、触媒を添加することが好ましい。触媒としては酸が好適で、具体的には、塩酸、硫酸、硝酸、シュウ酸等が挙げられるが、特に制限はない。酸の濃度としては、水のpHが1〜4の範囲のものを使用するのが好ましい。アルカリ触媒を用いた場合と異なり酸触媒を用いた場合には、加水分解物の縮合を起こし難いため、工程S2を行う前における粒子の形成を防止することができる。   When partially hydrolyzing the silicon alkoxide, it is preferable to use an organic solvent such as alcohol compatible with both the alkoxide and water. Known organic solvents can be used without limitation, but alcohols such as methanol, ethanol, propanol, isopropanol, butanol, ethylene glycol and propylene glycol, ketones such as acetone and methyl-ethyl ketone, dioxane, diethyl ether and the like A plurality of mixed solvents of ethers, esters such as ethyl acetate, and other organic solvents compatible with water are preferably used. When an organic solvent such as alcohol is not used, the silicon alkoxide and water tend to phase-separate, and partial hydrolysis may not proceed or the reaction may be very slow. Moreover, in order to advance partial hydrolysis rapidly, it is preferable to add a catalyst to the water. An acid is suitable as the catalyst, and specific examples include hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, oxalic acid and the like, but there is no particular limitation. As the acid concentration, it is preferable to use an acid having a pH in the range of 1 to 4. Unlike the case where an alkali catalyst is used, when an acid catalyst is used, it is difficult for condensation of the hydrolyzate to occur, so that the formation of particles before the step S2 can be prevented.

以下、部分加水分解の機構として、本発明者が考えている事項を説明する。シリコンのアルコキシド(アルコキシシラン)として、テトラメチルシリケートを使用した場合について説明する。部分加水分解により、アルコキシシランの一部が加水分解され、分子内にシラノール基(SiOH)が生成する(下記の式(1)参照。)。そして、このシラノール基は、工程S2において、シリコン以外の金属のアルコキシドから形成される錯体と反応して、シリコンとシリコン以外の金属の複合アルコキシドを生成する。なお、アルコキシシランの加水分解反応は逐次的に進行し、使用した水の量に応じて下記式に従ったアルコキシヒドロキシシランが主要生成物として生成するものと考えられるが、実際の反応物は組成に分布を持った混合物(加水分解の程度の異なる化合物の混合物)となっていると考えられる。   Hereinafter, the matter considered by the present inventor as the mechanism of partial hydrolysis will be described. The case where tetramethyl silicate is used as the silicon alkoxide (alkoxysilane) will be described. By partial hydrolysis, a part of alkoxysilane is hydrolyzed and a silanol group (SiOH) is generated in the molecule (see the following formula (1)). In step S2, the silanol group reacts with a complex formed from an alkoxide of a metal other than silicon to generate a composite alkoxide of a metal other than silicon and silicon. The hydrolysis reaction of alkoxysilane proceeds sequentially, and it is considered that alkoxyhydroxysilane according to the following formula is generated as a main product according to the amount of water used. It is considered that the mixture has a distribution (mixture of compounds having different degrees of hydrolysis).

Figure 2008037700
(式(1)において、「Me」はメチル基を表している(以下、同様である。)。また、「n」は1〜4の整数である。)
Figure 2008037700
(In formula (1), “Me” represents a methyl group (hereinafter the same). “N” is an integer of 1 to 4.)

本発明の製造方法においては、シリコンのアルコキシドを水で部分加水分解する際に使用する水の量はnが0.8〜1.5程度にとなるように制御するのが好ましい。水の量が上記範囲よりも少ない場合には粒子中のシリカおよび特定異種金属酸化物の分布が不均一になる場合があり、多い場合には複合アルコキシド原料を加水分解・縮合させてシリカ系複合酸化物粒子を得る際に反応を制御することが難しくなる傾向がある。このため、融着粒子が多く生成したり、極端な場合は粒子合成中に粒子同志が凝集してしまう場合がある。   In the production method of the present invention, the amount of water used when the silicon alkoxide is partially hydrolyzed with water is preferably controlled so that n is about 0.8 to 1.5. When the amount of water is less than the above range, the distribution of silica and specific dissimilar metal oxides in the particles may be non-uniform. When the amount is large, the composite alkoxide raw material is hydrolyzed and condensed to form a silica-based composite. When obtaining oxide particles, it tends to be difficult to control the reaction. For this reason, many fused particles are generated, or in extreme cases, particles may aggregate during particle synthesis.

一方、前記式(1)からわかるように、アルコキシシランの部分加水分解反応で使用する水の量は生成するシラン化合物に導入されるシラノール基(Si−OH基)の数を決定する要因であり、アルコキシシラン部分加水分解物1分子が有するシラノール基の数は、工程S2で調製される複合アルコキシド原料の均一性に影響を与える。即ち、複合アルコキシド原料の調製工程S2においては、前記部分加水分解物と特定異種金属のアルコキシドから形成される錯体と混合した際に、錯体中のアルコキシドのアルコキシ基とシラノール基とが反応(脱アルコール反応)することによりSi−O−M’(但し、M’は特定異種金属原子を表す)結合を形成し、Si・M’・(OR)・(OH)(但し、a、b、c、およびdは、夫々1分子中に含まれるSi(シリコン)原子、M’(特定異種金属)原子、OR基、およびOH基の数を表す。)で示されるような複合アルコキシド原料が形成される。 On the other hand, as can be seen from the above formula (1), the amount of water used in the partial hydrolysis reaction of alkoxysilane is a factor that determines the number of silanol groups (Si—OH groups) introduced into the silane compound to be produced. The number of silanol groups contained in one molecule of the alkoxysilane partial hydrolyzate affects the uniformity of the composite alkoxide raw material prepared in step S2. That is, in the preparation step S2 of the composite alkoxide raw material, when the partial hydrolyzate and the complex formed from the alkoxide of the specific different metal are mixed, the alkoxy group and silanol group of the alkoxide in the complex react (dealcoholate). Reaction) to form Si—O—M ′ (wherein M ′ represents a specific dissimilar metal atom) bond, and Si a · M ′ b · (OR) c · (OH) d (where a, b, c, and d each represent the number of Si (silicon) atom, M ′ (specific heterogeneous metal) atom, OR group, and OH group contained in one molecule)) Is formed.

(複合アルコキシド原料の調製工程S2)
本発明の製造方法においては、工程S2において、チタン、ジルコニウム、および、アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の金属(特定異種金属)のアルコキシドと錯化剤とを混合して調製した錯体と、上記において調製した部分加水分解物とを、特定異種金属の含有率が0.5<M/(M+Si)<1.0となるようにして混合して複合アルコキシド原料を調製する。
(Composite alkoxide raw material preparation step S2)
In the production method of the present invention, in step S2, a complex prepared by mixing an alkoxide of at least one metal (specific heterogeneous metal) selected from the group consisting of titanium, zirconium, and aluminum with a complexing agent; A composite alkoxide raw material is prepared by mixing the partial hydrolyzate prepared above so that the content of the specific different metal is 0.5 <M / (M + Si) <1.0.

前記したように、アルコキシシランの加水分解速度と特定異種金属のアルコキシドの加水分解速度とは大きく異なるため、両者を単に混合して加水分解・縮合を行った場合には、特定異種金属の酸化物の含有率が高く、そして均一な組成を有する複合酸化物粒子を得ることは困難である。本発明においては、アルコキシシランの加水分解速度と特定異種金属のアルコキシドの加水分解速度とを揃えるために、特定異種金属のアルコキシドと錯化剤とを混合して錯体を形成させる。そして、この錯体とアルコキシシランの部分加水分解物とを混合して、複合アルコキシド原料を調製する。   As described above, the hydrolysis rate of the alkoxysilane and the hydrolysis rate of the alkoxide of the specific dissimilar metal are greatly different. Therefore, when both are simply mixed and subjected to hydrolysis / condensation, the oxide of the specific dissimilar metal It is difficult to obtain composite oxide particles having a high content of and having a uniform composition. In the present invention, in order to equalize the hydrolysis rate of alkoxysilane and the hydrolysis rate of alkoxide of a specific foreign metal, a complex is formed by mixing the alkoxide of a specific different metal and a complexing agent. And this complex and the partial hydrolyzate of alkoxysilane are mixed, and a composite alkoxide raw material is prepared.

特定異種金属のアルコキシドとしては、チタンのアルコキシド(Ti(OR))、ジルコニウムのアルコキシド(Zr(OR))、およびアルミニウムのアルコキシド(Al(OR))を用いることができる。Rは、アルキル基であり、例えば、メチル基、エチル基、イソプロピル基、ブチル基等の低級アルキル基であることが好ましい。 As the alkoxide of the specific different metal, titanium alkoxide (Ti (OR) 4 ), zirconium alkoxide (Zr (OR) 4 ), and aluminum alkoxide (Al (OR) 3 ) can be used. R is an alkyl group, and is preferably a lower alkyl group such as a methyl group, an ethyl group, an isopropyl group, or a butyl group.

錯化剤としては、(1)アルキレングリコール類(エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、グリセロール等)、(2)グリコールアルキルエーテル類(エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、テトラエチレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等)、(3)グリコールアリールエーテル類(エチレングリコールモノフェニルエーテル等)、(4)β−ジカルボニル化合物(アセチルアセトン等)、(5)アミン類(エチレンジアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン等)、(6)ヒドロキシアセトン、(7)アセタール類(アセトンジメチルアセタール等)、(8)カルボン酸類(酢酸、乳酸、クエン酸等)等が使用できる。この中でも、トリエタノールアミン等のアミン類、β−ジカルボニル化合物類、ヒドロキシアセトン、又はカルボン酸類を使用するのが好ましい。特に、比較的少量で加水分解速度を低下させることができるため、トリエタノールアミン、ジエタノールアミン、N−メチルジエタノールアミン、N−エチルジエタノールアミン、エタノールアミン、N−メチルエタノールアミン、N−エチルエタノールアミン、酢酸、ヒドロキシ酢酸、プロピオン酸、ヒドロキシプロピオン酸、及び乳酸からなる群より選ばれる少なくとも1種を使用するのが最も好ましい。   As complexing agents, (1) alkylene glycols (ethylene glycol, propylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, polyethylene glycol, polypropylene glycol, glycerol, etc.), (2) glycol alkyl ethers (ethylene glycol monoethyl ether, ethylene) Glycol monobutyl ether, diethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monoethyl ether, tetraethylene glycol monomethyl ether, propylene glycol monoethyl ether, etc.), (3) glycol aryl ethers (ethylene glycol monophenyl ether, etc.), (4) β-dicarbonyl Compound (acetylacetone, etc.), (5) Amines (ethylenediamine, diethanolamine) Triethanolamine), (6) hydroxy acetone, (7) acetals (acetone dimethyl acetal), (8) carboxylic acids (acetic, lactic, citric acid and the like) and the like can be used. Among these, amines such as triethanolamine, β-dicarbonyl compounds, hydroxyacetone, or carboxylic acids are preferably used. In particular, since the hydrolysis rate can be reduced with a relatively small amount, triethanolamine, diethanolamine, N-methyldiethanolamine, N-ethyldiethanolamine, ethanolamine, N-methylethanolamine, N-ethylethanolamine, acetic acid, Most preferably, at least one selected from the group consisting of hydroxyacetic acid, propionic acid, hydroxypropionic acid, and lactic acid is used.

錯化反応は、特定異種金属のアルコキシドと錯化剤とを極性溶媒、好ましくはアルコール中で混合することにより行うことができる。反応温度は5℃〜溶媒の沸点の温度で行えばよく、室温でも十分に錯化反応は進行する。また、反応時間は反応温度にもよるが通常10分〜2時間程度である。   The complexing reaction can be performed by mixing an alkoxide of a specific different metal and a complexing agent in a polar solvent, preferably an alcohol. The reaction temperature may be 5 ° C. to the boiling point of the solvent, and the complexing reaction proceeds sufficiently even at room temperature. Moreover, although reaction time is based also on reaction temperature, it is about 10 minutes-about 2 hours normally.

錯化反応において、特定異種金属のアルコキシドと錯化剤との量比は、特定異種金属のアルコキシドの加水分解速度を制御するという観点から重要である。組成が均一な複合酸化物粒子を得るためには、形成する錯体の加水分解速度をアルコキシシランの加水分解速度と同程度に調整することが好ましい。特定異種金属のアルコキシドと錯化剤との量比を変えることにより錯体の加水分解速度を制御することができるので、使用する特定異種金属のアルコキシドと錯化剤との組み合わせに応じて、上記観点から適宜好適な量比を決定すればよい。このような量比の決定は、簡単な実験により容易に行うことができる。   In the complexing reaction, the amount ratio between the alkoxide of the specific different metal and the complexing agent is important from the viewpoint of controlling the hydrolysis rate of the alkoxide of the specific different metal. In order to obtain composite oxide particles having a uniform composition, it is preferable to adjust the hydrolysis rate of the complex to be formed to the same level as the hydrolysis rate of the alkoxysilane. Since the hydrolysis rate of the complex can be controlled by changing the quantitative ratio between the alkoxide of the specific different metal and the complexing agent, the above viewpoints depend on the combination of the alkoxide of the specific different metal and the complexing agent to be used. From this, a suitable quantitative ratio may be determined as appropriate. Such a quantitative ratio can be easily determined by a simple experiment.

以下に、特定異種金属のアルコキシドとして、テトライソプロピルチタネート(テトライソプロポキシチタンともいう。以下、「TPT」と省略する場合がある。)を使用し、錯化剤として、トリエタノールアミン(以下、「TEA」と省略する場合がある。)を使用した場合における実験例を示す。   In the following, tetraisopropyl titanate (also referred to as tetraisopropoxytitanium; hereinafter sometimes abbreviated as “TPT”) is used as the alkoxide of a specific dissimilar metal, and triethanolamine (hereinafter, “ An example of an experiment using “TEA” may be abbreviated as “TEA”.

この実験は、TPTとTEAとの量比と、得られた錯体の加水分解速度との関係を確認するために行われたものであり、次のような手順により行われた。すなわち、所定量の0.3%アンモニア水に、該アンモニア水と同質量の別途調製した“TPTおよびTEAを種々の割合(モル比)にて混合した50質量%メタノール溶液”を、撹拌子を用いた撹拌(電磁撹拌)下に一気に添加し、添加終了直後から溶液がゲル化するまでの時間を測定することにより加水分解速度を評価した。なお、ゲル化時間は、溶液の粘度上昇により撹拌子の動きが停止した時点をゲル化した時点として求めた。その時の結果を表1に示す。なお、別の実験において、シリコンのアルコキシドとして、テトラメチルシリケートを使用し、同様の条件にて実験を行った場合は、ゲル化時間は、14分であった。   This experiment was conducted in order to confirm the relationship between the quantity ratio of TPT and TEA and the hydrolysis rate of the obtained complex, and was conducted according to the following procedure. That is, a 50 mass% methanol solution in which TPT and TEA were separately mixed in various proportions (molar ratio) of the same mass as the ammonia water was added to a predetermined amount of 0.3% ammonia water, It added at a stretch under the stirring (electromagnetic stirring) which was used, and the hydrolysis rate was evaluated by measuring the time from immediately after completion | finish of addition until a solution gelatinizes. In addition, the gelation time was calculated | required as the time of gelatinizing when the motion of the stirring bar stopped by the viscosity increase of the solution. The results at that time are shown in Table 1. In another experiment, when tetramethyl silicate was used as the silicon alkoxide and the experiment was performed under the same conditions, the gelation time was 14 minutes.

Figure 2008037700
Figure 2008037700

上記の結果より、TEA/TPT=0.5とした場合に、テトラメチルシリケートを使用した場合のゲル化時間(14分)に最も近いことがわかった。これより、以下において記載する実施例においては、TEA/TPT=0.5としている。しかし、本発明の思想は、特定異種金属のアルコキシドの加水分解速度と、シリコンのアルコキシド(アルコキシシラン)の加水分解速度とを、同程度に揃えることにある。よって、この思想を達成するものであれば、TEAとTPTの配合割合は、上記の値に限定されない。   From the above results, it was found that when TEA / TPT = 0.5, it was closest to the gelation time (14 minutes) when tetramethyl silicate was used. Thus, in the embodiment described below, TEA / TPT = 0.5. However, the idea of the present invention is to make the hydrolysis rate of an alkoxide of a specific different metal and the hydrolysis rate of a silicon alkoxide (alkoxysilane) at the same level. Therefore, if this idea is achieved, the blending ratio of TEA and TPT is not limited to the above value.

また、TEA/TPT=0.5として、TEAとTPTとを混合した場合には、以下の式(2)に示す錯体が形成されていると、本発明者は考えている。   In addition, when TEA / TPT = 0.5, when the TEA and TPT are mixed, the inventor believes that a complex represented by the following formula (2) is formed.

Figure 2008037700
(式(2)において、「iPr」はイソプロピル基を表している(以下、同様である。)。)
Figure 2008037700
(In Formula (2), “iPr” represents an isopropyl group (hereinafter the same).)

工程S2においては、上記のようにして調製された錯体と、アルコキシシランの部分加水分解物とを混合することにより複合アルコキシド原料が調製される。アルコキシシランの部分加水分解物と錯体との混合割合は、最終的に得られるシリカ系複合酸化物粒子における特定異種金属の含有率をどのような値にしたいかによって決定する。即ち、使用するアルコキシシランの部分加水分解物に含まれるSi原子のモル数(グラム原子数)に基づいて、得ようとする複合酸化物粒子の組成に応じて必要とされる特定異種金属(M’)のモル数(グラム原子数)を決定し、それに見合う量の錯体を使用すればよい。   In step S2, a composite alkoxide raw material is prepared by mixing the complex prepared as described above and a partially hydrolyzed product of alkoxysilane. The mixing ratio of the partially hydrolyzed alkoxysilane and the complex is determined depending on what value the content of the specific different metal in the finally obtained silica-based composite oxide particles is desired. That is, based on the number of moles of Si atoms (gram atoms) contained in the partial hydrolyzate of alkoxysilane to be used, a specific different metal (M) required depending on the composition of the composite oxide particles to be obtained The number of moles of ') (the number of gram atoms) should be determined, and an appropriate amount of the complex should be used.

例えば、チタンの含有率が0.8であるシリカ系複合酸化物粒子を製造する場合は、部分加水分解物中のシリコンのモル数をSi、錯体中のチタンのモル数をTiとして、{Ti/(Si+Ti)}=0.8となるようにして、部分加水分解物と錯体とを混合する。   For example, in the case of producing silica-based composite oxide particles having a titanium content of 0.8, assuming that the number of moles of silicon in the partial hydrolyzate is Si and the number of moles of titanium in the complex is Ti, {Ti The partial hydrolyzate and the complex are mixed so that /(Si+Ti)}=0.8.

複合アルコキシド原料の調製は、アルコキシシランの部分加水分解を行った反応液と、錯体の溶液とを撹拌下で混合することにより好適に行うことができる。混合時の液温は5〜50℃に保つのが好適である。また、撹拌時間は反応温度にもよるが、10分〜2時間程度で十分である。   The composite alkoxide raw material can be suitably prepared by mixing a reaction solution obtained by partial hydrolysis of alkoxysilane and a complex solution under stirring. The liquid temperature during mixing is preferably maintained at 5 to 50 ° C. The stirring time depends on the reaction temperature, but about 10 minutes to 2 hours is sufficient.

例えば、以下の式(3)に示すような部分加水分解反応を行って得た反応液と特定異種金属のアルコキシドであるテトライソプロピルチタネート(テトライソプロポキシチタン)とを混合した場合には、下記式(4)に示すような複合化反応が起こり、テトライソプロピルチタネートの一部または全部がアルコキシシランと複合化していると考えられる。   For example, when a reaction solution obtained by performing a partial hydrolysis reaction as shown in the following formula (3) and tetraisopropyl titanate (tetraisopropoxytitanium) which is an alkoxide of a specific different metal are mixed, the following formula It is considered that a complexing reaction as shown in (4) occurs and a part or all of tetraisopropyl titanate is complexed with alkoxysilane.

Figure 2008037700
Figure 2008037700

Figure 2008037700
なお、式(4)においては、チタンのアルコキシドから形成した錯体を、単にチタンのアルコキシド(Ti(O−iPr))として省略記載している。
Figure 2008037700
In the formula (4), a complex formed from titanium alkoxide is simply abbreviated as titanium alkoxide (Ti (O—iPr) 4 ).

(加水分解・縮合工程S3)
本発明の方法では、上記で調製された複合アルコキシド原料を、水を含有する溶媒または分散媒中で加水分解・縮合することによりシリカ系複合酸化物粒子を製造する。上記複合アルコキシドは加水分解されるとほぼ瞬時に縮合して複合酸化物となる。
(Hydrolysis / condensation step S3)
In the method of the present invention, silica-based composite oxide particles are produced by hydrolyzing and condensing the composite alkoxide raw material prepared above in a solvent or dispersion medium containing water. When the composite alkoxide is hydrolyzed, it is condensed almost instantaneously to form a composite oxide.

加水分解・縮合を行う際に使用する「水を含有する溶媒または分散媒」とは、溶媒全体の質量を基準(100質量%)として、水を5〜100質量%含有している溶媒または分散媒である。1nm〜100nmというナノ粒子を得るという点からは、水の含有量は60〜100質量%であることが好ましく、70質量%以上であることがより好ましく、75質量%以上であることがさらに好ましい。また、単分散性を有し、粒子径が100nm以上の球形度の高いシリカ系複合酸化物粒子を得るという点からは、水の含有量は5〜50質量%であることが好ましく、10〜40質量%であることがより好ましい。なお粒子径が50〜150nmである場合、水濃度の範囲がそれぞれ5〜50質量%、60〜100質量%であっても、使用する有機溶媒、温度などの条件を適切に選択することで所望の粒子を得ることができる。   The "water-containing solvent or dispersion medium" used for hydrolysis / condensation is a solvent or dispersion containing 5 to 100% by weight of water based on the mass of the entire solvent (100% by weight). It is a medium. From the viewpoint of obtaining nanoparticles of 1 nm to 100 nm, the water content is preferably 60 to 100% by mass, more preferably 70% by mass or more, and even more preferably 75% by mass or more. . In addition, the content of water is preferably 5 to 50% by mass from the viewpoint of obtaining silica-based composite oxide particles having monodispersity and having a particle size of 100 nm or more and high sphericity. More preferably, it is 40 mass%. In addition, when the particle size is 50 to 150 nm, even if the water concentration ranges from 5 to 50% by mass and 60 to 100% by mass, respectively, it is desirable to appropriately select conditions such as the organic solvent to be used and temperature. Particles can be obtained.

なお、複合アルコキシド原料の加水分解・縮合反応により水が消費されアルコールが副生するため、バッチで反応を行った場合、溶媒または分散媒中の水の濃度が低下するが、本発明においては、反応を開始してから終了するまでの間、溶媒または分散媒中の水の濃度を上記の範囲に保つように調整することが好ましい。   In addition, since water is consumed by the hydrolysis / condensation reaction of the composite alkoxide raw material and alcohol is produced as a by-product, the concentration of water in the solvent or dispersion medium decreases when the reaction is performed in batch, It is preferable to adjust so that the concentration of water in the solvent or dispersion medium is maintained in the above range from the start to the end of the reaction.

上記溶媒または分散媒の水濃度が100質量%未満の場合、これら溶媒または分散媒は有機溶媒を含むことになる。このときの有機溶媒としては、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン類、ジオキサン、テトラヒドロフラン等のエーテル類、酢酸エチル等のエステル類、その他水と相溶性のある有機溶媒が単独または複数混合して用いられる。これらの中でもメタノール、エタノール、イソプロパノールのような低級アルコール類が金属アルコキシドや水との相溶性も高く、また粘度も低いために、好ましい。   When the water concentration of the solvent or dispersion medium is less than 100% by mass, the solvent or dispersion medium contains an organic solvent. Examples of the organic solvent include alcohols such as methanol, ethanol, propanol, isopropanol, butanol, ethylene glycol and propylene glycol, ketones such as acetone and methyl ethyl ketone, ethers such as dioxane and tetrahydrofuran, and esters such as ethyl acetate. In addition, other organic solvents compatible with water are used alone or in combination. Among these, lower alcohols such as methanol, ethanol, and isopropanol are preferable because of high compatibility with metal alkoxides and water and low viscosity.

また、複合アルコキシドを加水分解するための触媒としては、N(CH等のアミン、アンモニア、LiOH、NaOH、KOH、N(CHOH等の塩基が好適に使用できる。特に、アンモニアやアミンの場合は、製造したシリカ系複合酸化物粒子を焼成すれば粒子中に塩基が残留しないために、加水分解用の触媒として極めて好適である。触媒の添加量は、用いる触媒の種類や含水有機溶媒中の水と有機溶媒の種類や配合比率によって異なるために一概にはいえないが、pHが10以上、好ましくは11以上になるように添加するのが好ましい。触媒として最も好適なアンモニアの場合は、反応液中のNH濃度が0.005〜10質量%、好ましくは0.01〜7質量%の範囲となるように添加するのが好適である。 Further, as a catalyst for hydrolyzing the composite alkoxide, an amine such as N (CH 3 ) 3, a base such as ammonia, LiOH, NaOH, KOH, N (CH 3 ) 4 OH can be suitably used. In particular, ammonia and amines are extremely suitable as a catalyst for hydrolysis because the produced silica-based composite oxide particles are calcined and no base remains in the particles. The amount of catalyst added varies depending on the type of catalyst used, the type of water and organic solvent in the water-containing organic solvent, and the blending ratio, but it cannot be said unconditionally, but added so that the pH is 10 or more, preferably 11 or more. It is preferable to do this. In the case of ammonia which is most suitable as a catalyst, it is preferable to add it so that the NH 3 concentration in the reaction solution is in the range of 0.005 to 10% by mass, preferably 0.01 to 7% by mass.

上記複合アルコキシド原料は、液中滴下することが好ましい。液中滴下とは、上記アルコキシド原料を水溶媒中に滴下する際、滴下口先端が水溶媒中に浸されていることをいう。滴下口先端の位置は、液中にあれば特に限定されないが、撹拌羽根の近傍等の充分に撹拌が行われる位置が望ましい。液中滴下をせずに、例えば、反応液の上部から液上滴下した場合には粒子が凝集しやすいため好ましくない。   The composite alkoxide raw material is preferably dropped in the liquid. Dropping in liquid means that the tip of the dropping port is immersed in an aqueous solvent when the alkoxide raw material is dropped in the aqueous solvent. The position of the tip of the dropping port is not particularly limited as long as it is in the liquid, but a position where stirring is sufficiently performed such as in the vicinity of the stirring blade is desirable. For example, when the liquid is dropped from above the reaction liquid without dropping in the liquid, it is not preferable because the particles easily aggregate.

また、上記複合アルコキシ原料と共に、別途調製されたアルカリ性水溶液を、溶媒または分散媒中に同時滴下しても良い。このアルカリ性水溶液としては、0.005〜30質量%のアンモニア水等が好適である。なお、上記原料中のシリコンと特定異種金属の総モル数に対して、該アルカリ性水溶液中の水のモル数が1〜6倍モル、好ましくは2〜5倍モルとなるような供給比でアルカリ性水溶液を滴下することが好ましい。   Moreover, you may add simultaneously the alkaline aqueous solution prepared separately with the said composite alkoxy raw material in a solvent or a dispersion medium. As the alkaline aqueous solution, 0.005 to 30% by mass of aqueous ammonia is suitable. In addition, it is alkaline with a supply ratio such that the number of moles of water in the alkaline aqueous solution is 1 to 6 times mole, preferably 2 to 5 times moles, with respect to the total number of moles of silicon and the specific foreign metal in the raw material. It is preferable to add the aqueous solution dropwise.

アルカリ性水溶液の滴下は、特に液中滴下する必要はないが、撹拌羽根近傍で液中滴下した方が、水溶媒中での撹拌が充分に行われるので好ましい。上記のようにアルカリ性水溶液を同時滴下することによって、固形分濃度を高くして粒子を合成できるので、収率の高い合成が可能となる。   Although it is not necessary to drop the alkaline aqueous solution in the liquid, dropping in the liquid near the stirring blade is preferable because stirring in the aqueous solvent is sufficiently performed. By simultaneously dropping the alkaline aqueous solution as described above, particles can be synthesized with a high solid content concentration, so that a synthesis with a high yield is possible.

複合アルコキシド原料は、それぞれ滴下を開始してから終了するまで連続的又は断続手に滴下することが好ましい。なお、断続的に添加する場合には、10分以上、特に3分以上の間隔を空けないことが好ましい。滴下速度は、必ずしも一定である必要はないが、滴下速度を変える場合には徐々に変えるのが望ましい。   The composite alkoxide raw material is preferably dropped continuously or intermittently from the start to the end of the dropping. In addition, when adding intermittently, it is preferable not to leave the space | interval of 10 minutes or more, especially 3 minutes or more. The dropping speed is not necessarily constant, but it is desirable to change gradually when changing the dropping speed.

加水分解・縮合を行うときの反応槽の温度は、0〜50℃の範囲であれば良く、用いるアルコキシドの種類によって適宜選択される。その他、加水分解・縮合に使用する反応容器、上記以外の反応条件等は公知のものが何ら制限なく採用される。   The temperature of the reaction vessel when performing hydrolysis / condensation may be in the range of 0 to 50 ° C., and is appropriately selected depending on the type of alkoxide used. In addition, a well-known thing is employ | adopted as a reaction container used for hydrolysis and condensation, reaction conditions other than the above, without any limitation.

加水分解・縮合において生成する粒子の粒子径を制御する方法は複数存在するが、一般的には、使用する原料の量を制御することにより粒径制御を行うことができる。例えば、ある条件(温度、撹拌速度、反応液の溶媒組成など)で予備的に合成した粒子の径をr、目的とする粒子径をrとし、このとき使用した全ての金属アルコキシドのモル数をMとすると、粒子径rの粒子を得るために必要な全ての金属アルコキシドのモル数はM×(r/rとなる。すなわち、M×(r/rモルの原料を使用して上記の予備的な合成に使用した条件下で反応させることで目的とする粒子径rの粒子を得ることができる。 There are a plurality of methods for controlling the particle size of the particles produced in the hydrolysis / condensation, but in general, the particle size can be controlled by controlling the amount of the raw material used. For example, r 0 is the diameter of the particles synthesized preliminarily under certain conditions (temperature, stirring speed, solvent composition of the reaction solution, etc.), r is the target particle diameter, and the number of moles of all metal alkoxides used at this time. the When M 0, the number of moles of all of the metal alkoxide required to obtain particles with a particle size r becomes M 0 × (r / r 0 ) 3. That is, particles having a target particle diameter r can be obtained by reacting under the conditions used in the preliminary synthesis using 3 mol of M 0 × (r / r 0 ) raw material.

また、反応開始時の反応液の量、反応温度、反応開始時における反応液の組成などの条件を調節することによって粒子径を制御することも可能である。一般に、反応液の量を減らせば粒子径は大きくなり、増加させれば小さくなる傾向がある。また、反応温度を上げると粒子径は大きくなる傾向がある。さらに、使用する有機溶媒の種類を変えることで粒子径が変化することがあるので、これを利用して粒径の制御をすることも可能である。   It is also possible to control the particle size by adjusting conditions such as the amount of the reaction solution at the start of the reaction, the reaction temperature, and the composition of the reaction solution at the start of the reaction. In general, if the amount of the reaction solution is reduced, the particle size tends to increase, and if it increases, it tends to decrease. Further, when the reaction temperature is increased, the particle size tends to increase. Furthermore, since the particle size may change by changing the type of organic solvent used, it is possible to control the particle size using this.

合成終了後の粒子は、反応液中に分散した粒子分散液として得られる。用途によっては、そのまま使用しても良いし、反応液の溶媒を水もしくはアルコール等の有機溶媒に溶媒置換した後に使用しても良い。また、粒子を合成した後、遠心分離、ろ過、蒸留、スプレードライ等の手法で固液分離し、粉末の形で取り出しても良い。取り出した粉末は乾燥させることができる。乾燥温度は50〜300℃の範囲が好適である。乾燥した粉末はさらに高い温度で焼成することができる。焼成温度は100〜1300℃の範囲が好適で、焼成時間は1〜24時間の範囲が好適である。高温で焼成すると粒子の比表面積は小さくなり、低温で乾燥したものは比表面積が大きくなる傾向にある。なお、1300℃を超えた温度で焼成すると、粒子同志が焼結する場合があり、単分散性を損なってしまうことが懸念される。乾燥または焼成後の粒子は、ボールミルやジェットミル等を使用して粒子ひとつひとつに解砕することができる。また、乾燥または焼成した粒子は適当な溶媒に、対向衝突型分散装置、ビーズミル等を用いて分散させて使用することもできる。   The particles after the synthesis are obtained as a particle dispersion dispersed in the reaction solution. Depending on the application, it may be used as it is, or after replacing the solvent of the reaction solution with an organic solvent such as water or alcohol. Further, after the particles are synthesized, they may be separated into solid and liquid by a method such as centrifugation, filtration, distillation, spray drying, etc. and taken out in the form of powder. The extracted powder can be dried. The drying temperature is preferably in the range of 50 to 300 ° C. The dried powder can be fired at higher temperatures. The firing temperature is preferably in the range of 100 to 1300 ° C., and the firing time is preferably in the range of 1 to 24 hours. When firing at a high temperature, the specific surface area of the particles tends to be small, and those dried at a low temperature tend to have a large specific surface area. When firing at a temperature exceeding 1300 ° C., the particles may sinter, and there is a concern that the monodispersibility may be impaired. The dried or fired particles can be crushed into individual particles using a ball mill, a jet mill or the like. The dried or fired particles can also be used after being dispersed in an appropriate solvent using a counter collision type dispersion device, a bead mill, or the like.

以下本発明を実施例により説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES The present invention will be described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

実施例1(チタン含有率0.51のシリカ系複合酸化物ナノ粒子の製造例)
2リットルの三角フラスコに、メチルシリケート(Si(OMe)、多摩化学工業(株)、商品名;正珪酸メチル)152.2gを仕込み、撹拌しながら、メチルアルコール76.1gと0.04質量%塩酸18.0gを加え、室温で約20分間撹拌することによってメチルシリケートを部分加水分解した(溶液A)。
上記とは別に、テトライソプロポキシチタン(Ti(OiPr)、日本曹達(株)、品名;A−1(TPT))295.8gとメタノール284.2gとトリエタノールアミン149.2gを加え室温で30分間撹拌した後、溶液Aと混合し、30分間撹拌した(溶液B)。
攪拌機付きのガラス製反応容器(内容積5リットル)に、イオン交換水1775.6g、アンモニア水(25質量%)4.4gを混合して反応液を調製し、反応液の温度を40℃に保持した。これに上記反応液Bを約5時間かけて液中滴下した。滴下終了後、更に1時間攪拌を続けた後、系内の溶液を取り出し、5リットルのビーカーに移して静置した。得られた溶液を逆浸透膜により2倍に濃縮したあと、水を加えて2倍に希釈した。この濃縮・希釈操作を5回繰り返し、微粒子の水分散液を得た。
得られた粒子について、SEM観察を行った。その結果、粒子径が0.02μm、円形度が0.92、変動係数が10%の粒子が得られた。また、上記水分散液を乾燥させて得られた粉末について蛍光X線分析を行ったところ、Tiの含有率が0.51であることがわかった。
Example 1 (Production example of silica-based composite oxide nanoparticles having a titanium content of 0.51)
A 2 liter Erlenmeyer flask was charged with 152.2 g of methyl silicate (Si (OMe) 4 , Tama Chemical Co., Ltd., trade name: normal methyl silicate), and 76.1 g of methyl alcohol and 0.04 mass with stirring. 18.0 g of% hydrochloric acid was added, and methyl silicate was partially hydrolyzed by stirring at room temperature for about 20 minutes (solution A).
Separately from the above, tetraisopropoxy titanium (Ti (OiPr) 4 , Nippon Soda Co., Ltd., product name: A-1 (TPT)) 295.8 g, methanol 284.2 g and triethanolamine 149.2 g were added at room temperature. After stirring for 30 minutes, it was mixed with Solution A and stirred for 30 minutes (Solution B).
A reaction solution is prepared by mixing 1775.6 g of ion exchange water and 4.4 g of ammonia water (25 mass%) in a glass reaction vessel (internal volume 5 liters) with a stirrer, and the temperature of the reaction solution is 40 ° C. Retained. The reaction solution B was dropped into the solution over about 5 hours. After completion of the dropwise addition, stirring was further continued for 1 hour, and then the solution in the system was taken out, transferred to a 5-liter beaker, and allowed to stand. The obtained solution was concentrated twice with a reverse osmosis membrane, and then diluted with water to double. This concentration / dilution operation was repeated five times to obtain an aqueous dispersion of fine particles.
SEM observation was performed about the obtained particle | grains. As a result, particles having a particle size of 0.02 μm, a circularity of 0.92, and a coefficient of variation of 10% were obtained. Moreover, when the fluorescent X-ray analysis was performed about the powder obtained by drying the said aqueous dispersion, it turned out that the content rate of Ti is 0.51.

実施例2(チタン含有率0.7のシリカ系複合酸化物ナノ粒子の製造例)
2リットルの三角フラスコに、メチルシリケート(Si(OMe)、多摩化学工業(株)、商品名;正珪酸メチル)91.3gを仕込み、撹拌しながら、メチルアルコール45.7gと0.04質量%塩酸10.8gを加え、室温で約20分間撹拌することによってメチルシリケートを部分加水分解した(溶液A)。
上記とは別に、テトライソプロポキシチタン(Ti(OiPr)、日本曹達(株)、品名;A−1(TPT))397.9gとイソプロピルアルコール795.8gとトリエタノールアミン208.8gを加え室温で30分間撹拌した後、溶液Aと混合し、30分間撹拌した(溶液B)。
攪拌機付きのガラス製反応容器(内容積5リットル)に、イオン交換水1775.6g、アンモニア水(25質量%)4.4gを混合して反応液を調製し、反応液の温度を40℃に保持した。これに上記反応液Bを約5時間かけて液中滴下した。滴下終了後、更に1時間攪拌を続けた後、系内の溶液を取り出し、5リットルのビーカーに移して静置した。得られた溶液を逆浸透膜により2倍に濃縮したあと、水を加えて2倍に希釈した。この濃縮・希釈操作を5回繰り返し、微粒子の水分散液を得た。
得られた粒子について、SEM観察を行った。その結果、粒子径が0.01μm、円形度が0.89、変動係数が14%の粒子が得られた。また、上記水分散液を乾燥させて得られた粉末について蛍光X線分析を行ったところ、Tiの含有率が0.70であることがわかった。
Example 2 (Production example of silica-based composite oxide nanoparticles having a titanium content of 0.7)
Into a 2 liter Erlenmeyer flask, 91.3 g of methyl silicate (Si (OMe) 4 , Tama Chemical Industry Co., Ltd., trade name: normal methyl silicate) was charged, and while stirring, 45.7 g of methyl alcohol and 0.04 mass 10.8 g of% hydrochloric acid was added, and methyl silicate was partially hydrolyzed by stirring at room temperature for about 20 minutes (solution A).
Separately from the above, tetraisopropoxytitanium (Ti (OiPr) 4 , Nippon Soda Co., Ltd., product name: A-1 (TPT)) 397.9 g, isopropyl alcohol 795.8 g and triethanolamine 208.8 g were added and room temperature was added. For 30 minutes and then mixed with solution A and stirred for 30 minutes (solution B).
A reaction solution is prepared by mixing 1775.6 g of ion exchange water and 4.4 g of ammonia water (25 mass%) in a glass reaction vessel (internal volume 5 liters) with a stirrer, and the temperature of the reaction solution is 40 ° C. Retained. The reaction solution B was dropped into the solution over about 5 hours. After completion of the dropwise addition, stirring was further continued for 1 hour, and then the solution in the system was taken out, transferred to a 5-liter beaker, and allowed to stand. The obtained solution was concentrated twice with a reverse osmosis membrane, and then diluted with water to double. This concentration / dilution operation was repeated five times to obtain an aqueous dispersion of fine particles.
SEM observation was performed about the obtained particle | grains. As a result, particles having a particle diameter of 0.01 μm, a circularity of 0.89, and a coefficient of variation of 14% were obtained. Further, when X-ray fluorescence analysis was performed on the powder obtained by drying the aqueous dispersion, it was found that the Ti content was 0.70.

実施例3(チタン含有率0.9のシリカ系複合酸化物ナノ粒子の製造例)
3リットルの三角フラスコに、メチルシリケート(Si(OMe)、多摩化学工業(株)、商品名;正珪酸メチル)17.6gを仕込み、撹拌しながら、メチルアルコール8.8gと0.04質量%塩酸2.0gを加え、室温で約20分間撹拌することによってメチルシリケートを部分加水分解した(溶液A)。
上記とは別に、テトライソプロポキシチタン(Ti(OiPr)、日本曹達(株)、品名;A−1(TPT))294.4gとイソプロピルアルコール588.4gとトリエタノールアミン154.4gを加え室温で30分間撹拌した後、溶液Aと混合し、30分間撹拌した(溶液B)。
攪拌機付きのガラス製反応容器(内容積5リットル)に、イオン交換水1775.6g、アンモニア水(25質量%)4.4gを混合して反応液を調製し、反応液の温度を40℃に保持した。これに上記反応液Bを約5時間かけて液中滴下した。滴下終了後、更に1時間攪拌を続けた後、系内の溶液を取り出し、5リットルのビーカーに移して静置した。得られた溶液を逆浸透膜により2倍に濃縮したあと、水を加えて2倍に希釈した。この濃縮・希釈操作を5回繰り返し、微粒子の水分散液を得た。
得られた粒子について、SEM観察を行った。その結果、粒子径が0.01μm、円形度が0.83、変動係数が22%の粒子が得られた。また、上記水分散液を乾燥させて得られた粉末について蛍光X線分析を行ったところ、Tiの含有率が0.90であることがわかった。
Example 3 (Production example of silica-based composite oxide nanoparticles having a titanium content of 0.9)
Into a 3 liter Erlenmeyer flask, 17.6 g of methyl silicate (Si (OMe) 4 , Tama Chemical Co., Ltd., trade name: normal methyl silicate) was charged, and 8.8 g of methyl alcohol and 0.04 mass were stirred. 2.0 g of hydrochloric acid was added, and methyl silicate was partially hydrolyzed by stirring at room temperature for about 20 minutes (solution A).
Separately from the above, tetraisopropoxytitanium (Ti (OiPr) 4 , Nippon Soda Co., Ltd., product name: A-1 (TPT)) 294.4 g, isopropyl alcohol 588.4 g and triethanolamine 154.4 g were added and room temperature was added. For 30 minutes and then mixed with solution A and stirred for 30 minutes (solution B).
A reaction solution is prepared by mixing 1775.6 g of ion exchange water and 4.4 g of ammonia water (25 mass%) in a glass reaction vessel (internal volume 5 liters) with a stirrer, and the temperature of the reaction solution is 40 ° C. Retained. The reaction solution B was dropped into the solution over about 5 hours. After completion of the dropwise addition, stirring was further continued for 1 hour, and then the solution in the system was taken out, transferred to a 5-liter beaker, and allowed to stand. The obtained solution was concentrated twice with a reverse osmosis membrane, and then diluted with water to double. This concentration / dilution operation was repeated five times to obtain an aqueous dispersion of fine particles.
SEM observation was performed about the obtained particle | grains. As a result, particles having a particle diameter of 0.01 μm, a circularity of 0.83, and a variation coefficient of 22% were obtained. Further, when the powder obtained by drying the aqueous dispersion was subjected to fluorescent X-ray analysis, it was found that the Ti content was 0.90.

実施例4〜6(錯化剤を変えた、チタン含有率0.7のシリカ系複合酸化物ナノ粒子の製造例)
トリエタノールアミンの代わりにジエタノールアミン、アセト酢酸メチル、乳酸を用いた以外は実施例2と同様にして粒子を合成した。得られた粒子の性状を表2に示す。
Examples 4 to 6 (Production examples of silica-based composite oxide nanoparticles having a titanium content of 0.7 with different complexing agents)
Particles were synthesized in the same manner as in Example 2 except that diethanolamine, methyl acetoacetate, and lactic acid were used instead of triethanolamine. Table 2 shows the properties of the obtained particles.

Figure 2008037700
Figure 2008037700

実施例7(ジルコニウム含有率0.7のシリカ系複合酸化物ナノ粒子の製造例)
テトライソプロポキシチタンの代わりにテトラ−n−ブトキシジルコニウムを用いた以外は実施例2と同様にして粒子を合成した。
得られた粒子について、SEM観察を行ったところ、粒子径が0.02μm、円形度が0.81、変動係数が28%の粒子が得られた。また、上記水分散液を乾燥させて得られた粉末について蛍光X線分析を行ったところ、Zrの含有率が0.70であることがわかった。
Example 7 (Production example of silica-based composite oxide nanoparticles having a zirconium content of 0.7)
Particles were synthesized in the same manner as in Example 2 except that tetra-n-butoxyzirconium was used instead of tetraisopropoxytitanium.
When the obtained particles were observed with an SEM, particles having a particle size of 0.02 μm, a circularity of 0.81, and a variation coefficient of 28% were obtained. Further, when X-ray fluorescence analysis was performed on the powder obtained by drying the aqueous dispersion, it was found that the Zr content was 0.70.

実施例8(アルミニウム含有率0.7のシリカ系複合酸化物ナノ粒子の製造例)
テトライソプロポキシチタンの代わりにアルミニウムsec−ブトキシドを用いた以外は実施例2と同様にして粒子を合成した。
得られた粒子についてSEM観察を行ったところ、粒子径が0.02μm、円形度が0.82、変動係数が24%の粒子が得られた。また、上記水分散液を乾燥させて得られた粉末について蛍光X線分析を行ったところ、Alの含有率が0.70であることがわかった。
Example 8 (Production example of silica-based composite oxide nanoparticles having an aluminum content of 0.7)
Particles were synthesized in the same manner as in Example 2 except that aluminum sec-butoxide was used instead of tetraisopropoxytitanium.
When the obtained particles were observed with an SEM, particles having a particle size of 0.02 μm, a circularity of 0.82, and a variation coefficient of 24% were obtained. Moreover, when the fluorescent X-ray analysis was performed about the powder obtained by drying the said water dispersion liquid, it turned out that the content rate of Al is 0.70.

実施例9(チタン含有率0.51のシリカ系複合酸化物0.2μm粒子の製造例)
2リットルの三角フラスコに、メチルシリケート(Si(OMe)、多摩化学工業(株)、商品名;正珪酸メチル)152.2gを仕込み、撹拌しながら、メチルアルコール76.1gと0.04質量%塩酸18.0gを加え、室温で約20分間撹拌することによってメチルシリケートを部分加水分解した(溶液A)。
上記とは別に、テトライソプロポキシチタン(Ti(OiPr)、日本曹達(株)、品名;A−1(TPT)295.8gとイソプロピルアルコール568.5gとトリエタノールアミン74.6gを加え室温で30分間撹拌した後、溶液Aと混合し、30分間撹拌した(溶液B)。
攪拌機付きのガラス製反応容器(内容積5リットル)に、アセトニトリル、およびアンモニア水(25質量%)をそれぞれ266.7g、133.3gを混合して反応液を調製し、反応液の温度を40℃に保持した。これに上記反応液Bとアンモニア水(25質量%)488.7gを反応液中にそれぞれ独立に液中同時滴下した。滴下を開始してから約10分後に反応液が白濁し始め、複合酸化物粒子が生成していることがわかった。約4時間かけて全ての原料を滴下し、滴下終了後、更に1時間攪拌を続けた後、系内の溶液を取り出し、5リットルのビーカーに移して静置した。溶媒として純水を用いて数回デカンテーションを繰り返して生成物を洗浄した。沈殿物を乾燥後、900℃で10時間、空気中で焼成し、無機酸化物粒子130gを得た。
得られた粒子について、SEM観察を行った。その結果、平均粒子径が0.2μm、変動係数が10%、電子顕微鏡の撮影像から求められる円形度が0.90の単分散性の高い球状粒子であることがわかった。
また、確認のためにオージェ電子分光法(AES)を用いて上記粒子の表面分析を行なったところ、粒子の表面層からはSiとTiが検出され、Tiの含有率が0.70であることがわかった。
Example 9 (Production example of silica-based composite oxide 0.2 μm particles having a titanium content of 0.51)
A 2 liter Erlenmeyer flask was charged with 152.2 g of methyl silicate (Si (OMe) 4 , Tama Chemical Co., Ltd., trade name: normal methyl silicate), and 76.1 g of methyl alcohol and 0.04 mass with stirring. 18.0 g of% hydrochloric acid was added, and methyl silicate was partially hydrolyzed by stirring at room temperature for about 20 minutes (solution A).
Separately from the above, tetraisopropoxy titanium (Ti (OiPr) 4 , Nippon Soda Co., Ltd., product name; 295.8 g of A-1 (TPT), 568.5 g of isopropyl alcohol, and 74.6 g of triethanolamine were added at room temperature. After stirring for 30 minutes, it was mixed with Solution A and stirred for 30 minutes (Solution B).
A reaction solution was prepared by mixing 266.7 g and 133.3 g of acetonitrile and aqueous ammonia (25 mass%) in a glass reaction vessel (internal volume of 5 liters) with a stirrer, respectively. Held at 0C. The reaction solution B and 488.7 g of aqueous ammonia (25% by mass) were simultaneously added dropwise to the reaction solution. About 10 minutes after the start of dropping, the reaction solution started to become cloudy, and it was found that composite oxide particles were generated. All the raw materials were added dropwise over about 4 hours. After completion of the addition, stirring was further continued for 1 hour, and then the solution in the system was taken out and transferred to a 5-liter beaker and allowed to stand. The product was washed by repeating decantation several times using pure water as a solvent. The precipitate was dried and then calcined in air at 900 ° C. for 10 hours to obtain 130 g of inorganic oxide particles.
SEM observation was performed about the obtained particle | grains. As a result, it was found that the particles were highly monodisperse spherical particles having an average particle size of 0.2 μm, a coefficient of variation of 10%, and a circularity of 0.90 obtained from an electron microscope image.
Moreover, when the surface analysis of the said particle | grain was performed using Auger electron spectroscopy (AES) for confirmation, Si and Ti were detected from the surface layer of particle | grains, and the content rate of Ti is 0.70. I understood.

実施例10(チタン含有率0.7のシリカ系複合酸化物0.2μm粒子の製造例)
2リットルの三角フラスコに、メチルシリケート(Si(OMe)、多摩化学工業(株)、商品名;正珪酸メチル)91.3gを仕込み、撹拌しながら、メチルアルコール45.7gと0.04質量%塩酸10.8gを加え、室温で約20分間撹拌することによってメチルシリケートを部分加水分解した(溶液A)。
上記とは別に、テトライソプロポキシチタン(Ti(OiPr)、日本曹達(株)、品名;A−1(TPT))397.9gとイソプロピルアルコール795.8gとトリエタノールアミン104.4gを加え室温で30分間撹拌した後、溶液Aと混合し、30分間撹拌した(溶液B)。
攪拌機付きのガラス製反応容器(内容積5リットル)に、アセトニトリル、およびアンモニア水(25質量%)をそれぞれ266.7g、133.3gを混合して反応液を調製し、反応液の温度を40℃に保持した。これに上記反応液Bとアンモニア水(25質量%)600.9gを反応液中にそれぞれ独立に液中同時滴下した。滴下を開始してから約10分後に反応液が白濁し始め、複合酸化物粒子が生成していることがわかった。約4時間かけて全ての原料を滴下し、滴下終了後、更に1時間攪拌を続けた後、系内の溶液を取り出し、5リットルのビーカーに移して静置した。溶媒として純水を用いて数回デカンテーションを繰り返して生成物を洗浄した。沈殿物を乾燥後、900℃で10時間、空気中で焼成し、無機酸化物粒子140gを得た。
得られた粒子について、SEM観察を行った。その結果、平均粒子径が0.2μm、変動係数が17%、電子顕微鏡の撮影像から求められる円形度が0.87の単分散性の高い球状粒子であることがわかった。
また、確認のためにオージェ電子分光法(AES)を用いて上記粒子の表面分析を行なったところ、粒子の表面層からはSiとTiが検出されTiの含有率が0.70であることがわかった。
Example 10 (Production example of 0.2 μm particles of silica-based composite oxide having a titanium content of 0.7)
Into a 2 liter Erlenmeyer flask, 91.3 g of methyl silicate (Si (OMe) 4 , Tama Chemical Industry Co., Ltd., trade name: normal methyl silicate) was charged, and while stirring, 45.7 g of methyl alcohol and 0.04 mass 10.8 g of% hydrochloric acid was added, and methyl silicate was partially hydrolyzed by stirring at room temperature for about 20 minutes (solution A).
Separately from the above, tetraisopropoxytitanium (Ti (OiPr) 4 , Nippon Soda Co., Ltd., product name: A-1 (TPT)) 397.9 g, isopropyl alcohol 795.8 g and triethanolamine 104.4 g were added and room temperature was added. For 30 minutes and then mixed with solution A and stirred for 30 minutes (solution B).
A reaction solution was prepared by mixing 266.7 g and 133.3 g of acetonitrile and aqueous ammonia (25 mass%) in a glass reaction vessel (internal volume of 5 liters) with a stirrer, respectively. Held at 0C. To the reaction solution B and 600.9 g of ammonia water (25% by mass) were simultaneously added dropwise to the reaction solution. About 10 minutes after the start of dropping, the reaction solution started to become cloudy, and it was found that composite oxide particles were generated. All the raw materials were added dropwise over about 4 hours. After completion of the addition, stirring was further continued for 1 hour, and then the solution in the system was taken out and transferred to a 5-liter beaker and allowed to stand. The product was washed by repeating decantation several times using pure water as a solvent. The precipitate was dried and then fired in the air at 900 ° C. for 10 hours to obtain 140 g of inorganic oxide particles.
SEM observation was performed about the obtained particle | grains. As a result, it was found that the particles were highly monodisperse spherical particles having an average particle diameter of 0.2 μm, a coefficient of variation of 17%, and a circularity of 0.87 obtained from a photographed image taken by an electron microscope.
Moreover, when the surface analysis of the said particle | grain was performed using Auger electron spectroscopy (AES) for confirmation, Si and Ti were detected from the surface layer of particle | grains, and Ti content rate is 0.70. all right.

実施例11(チタン含有率0.9のシリカ系複合酸化物0.2μm粒子の製造例)
3リットルの三角フラスコに、メチルシリケート(Si(OMe)4、多摩化学工業(株)、商品名;正珪酸メチル)17.6gを仕込み、撹拌しながら、メチルアルコール8.8gと0.04質量%塩酸2.0gを加え、室温で約20分間撹拌することによってメチルシリケートを部分加水分解した(溶液A)。
上記とは別に、テトライソプロポキシチタン(Ti(OiPr)、日本曹達(株)、品名;A−1(TPT))294.4gとイソプロピルアルコール588.4gとトリエタノールアミン154.4gを加え室温で30分間撹拌した後、溶液Aと混合し、30分間撹拌した(溶液B)。
攪拌機付きのガラス製反応容器(内容積5リットル)に、アセトニトリル、およびアンモニア水(25質量%)をそれぞれ266.7g、133.3gを混合して反応液を調製し、反応液の温度を40℃に保持した。これに上記反応液Bとアンモニア水(25質量%)438.4gを反応液中にそれぞれ独立に液中同時滴下した。滴下を開始してから約10分後に反応液が白濁し始め、複合酸化物粒子が生成していることがわかった。約4時間かけて全ての原料を滴下し、滴下終了後、更に1時間攪拌を続けた後、系内の溶液を取り出し、5リットルのビーカーに移して静置した。溶媒として純水を用いて数回デカンテーションを繰り返して生成物を洗浄した。沈殿物を乾燥後、900℃で10時間、空気中で焼成し、無機酸化物粒子80gを得た。
得られた粒子について、SEM観察を行った。その結果、平均粒子径が0.2μm、変動係数が25%、電子顕微鏡の撮影像から求められる円形度が0.85の単分散性の高い球状粒子であることがわかった。
また、確認のためにオージェ電子分光法(AES)を用いて上記粒子の表面分析を行なったところ、粒子の表面層からはSiとTiが検出されTiの含有率が0.90であることがわかった。
Example 11 (Production example of silica-based composite oxide 0.2 μm particles having a titanium content of 0.9)
Into a 3 liter Erlenmeyer flask, 17.6 g of methyl silicate (Si (OMe) 4, Tama Chemical Co., Ltd., trade name: normal methyl silicate) was charged, and 8.8 g of methyl alcohol and 0.04 mass were stirred. 2.0 g of hydrochloric acid was added, and methyl silicate was partially hydrolyzed by stirring at room temperature for about 20 minutes (solution A).
Separately from the above, tetraisopropoxytitanium (Ti (OiPr) 4 , Nippon Soda Co., Ltd., product name: A-1 (TPT)) 294.4 g, isopropyl alcohol 588.4 g and triethanolamine 154.4 g were added and room temperature was added. For 30 minutes and then mixed with solution A and stirred for 30 minutes (solution B).
A reaction solution was prepared by mixing 266.7 g and 133.3 g of acetonitrile and aqueous ammonia (25 mass%) in a glass reaction vessel (internal volume of 5 liters) with a stirrer, respectively. Held at 0C. The reaction solution B and ammonia water (25% by mass) 438.4 g were simultaneously added dropwise to the reaction solution. About 10 minutes after the start of dropping, the reaction solution started to become cloudy, and it was found that composite oxide particles were generated. All the raw materials were added dropwise over about 4 hours. After completion of the addition, stirring was further continued for 1 hour, and then the solution in the system was taken out and transferred to a 5-liter beaker and allowed to stand. The product was washed by repeating decantation several times using pure water as a solvent. The precipitate was dried and then calcined in the air at 900 ° C. for 10 hours to obtain 80 g of inorganic oxide particles.
SEM observation was performed about the obtained particle | grains. As a result, it was found that the particles were highly monodisperse spherical particles having an average particle diameter of 0.2 μm, a coefficient of variation of 25%, and a circularity of 0.85 determined from a photographed image taken by an electron microscope.
Moreover, when the surface analysis of the said particle | grains was performed using Auger electron spectroscopy (AES) for confirmation, Si and Ti were detected from the surface layer of particle | grains, and Ti content rate is 0.90. all right.

比較例1
トリエタノールアミンを用いない以外は実施例1と同様にして粒子を合成した。得られた粒子についてSEM観察を行ったところ、円形度が0.5〜0.7の粒子を多量に含んでいることが明らかとなった。
Comparative Example 1
Particles were synthesized in the same manner as in Example 1 except that triethanolamine was not used. When SEM observation was performed on the obtained particles, it was revealed that the particles contained a large amount of particles having a circularity of 0.5 to 0.7.

比較例2
トリエタノールアミンを用いない以外は実施例9と同様にして粒子を合成した。得られた粒子についてSEM観察を行ったところ、円形度が0.5〜0.7の粒子を多量に含んでいることが明らかとなった。
Comparative Example 2
Particles were synthesized in the same manner as in Example 9 except that triethanolamine was not used. When SEM observation was performed on the obtained particles, it was revealed that the particles contained a large amount of particles having a circularity of 0.5 to 0.7.

以上、現時点において、最も、実践的であり、かつ、好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨あるいは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴うシリカ系複合酸化物粒子集合体、その製造方法、および、該粒子集合体が分散媒に分散したゾルもまた本発明の技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。   Although the present invention has been described with reference to the most practical and preferred embodiments at the present time, the invention is limited to the embodiments disclosed herein. However, it can be changed as appropriate without departing from the spirit or concept of the invention that can be read from the claims and the entire specification, and the silica-based composite oxide particle aggregate with such a change, its production method, and the A sol in which particle aggregates are dispersed in a dispersion medium should also be understood as being included in the technical scope of the present invention.

チタニア含有率と粒子の屈折率の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a titania content rate and the refractive index of particle | grains. 本発明のシリカ系複合酸化物粒子集合体の製造工程を示す概略図である。It is the schematic which shows the manufacturing process of the silica type complex oxide particle aggregate of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

S1 部分加水分解物の形成工程
S2 複合アルコキシド原料の調製工程
S3 加水分解・縮合工程
S1 Partial hydrolyzate formation process S2 Compound alkoxide raw material preparation process S3 Hydrolysis / condensation process

Claims (3)

チタン、ジルコニウム、および、アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の金属とシリコンとの複合酸化物からなるシリカ系複合酸化物粒子の集合体であって、
(A) 前記シリカ系複合酸化物粒子が、円形度0.8以上である球状若しくは略球状の粒子であり、
(B) 前記シリカ系複合酸化物粒子の粒子径の変動係数が、30%以下であり、
(C) 前記シリカ系複合酸化物粒子に含まれるチタン、ジルコニウム、およびアルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の金属の合計グラム原子数をM、シリコンのグラム原子数をSiとしたときに、0.5<M/(M+Si)<1.0、の関係を満足することを特徴とする、シリカ系複合酸化物粒子集合体。
An aggregate of silica-based composite oxide particles composed of a composite oxide of at least one metal selected from the group consisting of titanium, zirconium, and aluminum and silicon,
(A) The silica-based composite oxide particles are spherical or substantially spherical particles having a circularity of 0.8 or more,
(B) The coefficient of variation of the particle diameter of the silica-based composite oxide particles is 30% or less,
(C) When the total number of gram atoms of at least one metal selected from the group consisting of titanium, zirconium, and aluminum contained in the silica-based composite oxide particles is M and the number of gram atoms of silicon is Si, 0 .5 <M / (M + Si) <1.0, a silica-based composite oxide particle aggregate characterized by satisfying the relationship of
請求項1に記載のシリカ系複合酸化物粒子集合体であって、平均粒子径が1〜1000nmである粒子集合体が分散媒に分散したゾル。 The sol in which the silica-based composite oxide particle aggregate according to claim 1 is dispersed in a dispersion medium, the particle aggregate having an average particle diameter of 1 to 1000 nm. 請求項1に記載のシリカ系複合酸化物粒子集合体を製造する方法であって、
(S1) シリコンのアルコキシドを水で部分加水分解して部分加水分解物を形成する工程、
(S2) チタン、ジルコニウム、および、アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の金属のアルコキシドと錯化剤とを混合して調製した錯体と、前記部分加水分解物とを混合して複合アルコキシド原料を調製する工程、及び
(S3) 水を含有する溶媒または分散媒中で前記複合アルコキシド原料を加水分解・縮合させる工程を含み、
且つ前記工程(S2)における錯体と部分加水分解物との混合を、得られる複合アルコキシド原料に含まれるチタン、ジルコニウム、および、アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の金属の合計グラム原子数をM、シリコンのグラム原子数をSiとしたときに 0.5<M/(M+Si)<1.0 の関係を満足するようにして混合することを特徴とする、シリカ系複合酸化物粒子集合体の製造方法。
A method for producing the silica-based composite oxide particle aggregate according to claim 1,
(S1) a step of partially hydrolyzing silicon alkoxide with water to form a partially hydrolyzed product,
(S2) A composite alkoxide raw material is prepared by mixing a complex prepared by mixing an alkoxide of at least one metal selected from the group consisting of titanium, zirconium and aluminum with a complexing agent and the partial hydrolyzate. And (S3) hydrolyzing and condensing the composite alkoxide raw material in a solvent or dispersion medium containing water,
In addition, the mixing of the complex and the partial hydrolyzate in the step (S2) is performed by calculating the total number of grams of gram atoms of at least one metal selected from the group consisting of titanium, zirconium, and aluminum contained in the obtained composite alkoxide raw material. The silica-based composite oxide particle aggregate is characterized by being mixed so as to satisfy a relationship of 0.5 <M / (M + Si) <1.0 when the number of gram atoms of silicon is Si. Production method.
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