JP2008094648A - Alkaline silica-dispersed liquid and production method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ヒュームドシリカをアルカリ性水溶液に分散した、新規なアルカリ性シリカ分散液に関する。詳しくは、経時的な粗粒の生成が極めて少なく、特に、半導体用研磨剤として使用した場合、長期間にわたり品質が安定し、スクラッチ等の問題を効果的に回避することが可能なアルカリ性シリカ分散液及びその製造方法を提供するものである。 The present invention relates to a novel alkaline silica dispersion in which fumed silica is dispersed in an alkaline aqueous solution. Specifically, the generation of coarse particles over time is extremely small, especially when used as a semiconductor abrasive, the quality is stable over a long period of time, and an alkaline silica dispersion that can effectively avoid problems such as scratches A liquid and a method for producing the same are provided.
従来、シリコンに代表される半導体ウェハーを研磨するときやIC製造工程中で絶縁層などを研磨するために、研磨剤として、pHがアルカリ性に調整されたシリカ分散液が使われている。 Conventionally, a silica dispersion whose pH is adjusted to be alkaline has been used as an abrasive to polish a semiconductor wafer typified by silicon or to polish an insulating layer in an IC manufacturing process.
特に、シリカとしてヒュームドシリカを使用した分散液はシリカの純度において有利であり、高純度であることが要求される半導体ウェハーの研磨剤やICの研磨剤に有用であると考えられる。 In particular, a dispersion using fumed silica as silica is advantageous in terms of silica purity, and is considered useful for semiconductor wafer abrasives and IC abrasives that are required to have high purity.
従来、上記ヒュームドシリカを使用した研磨剤として、ヒュームドシリカを高圧ホモジナイザーによって分散することによって保存安定性を改良したシリカ分散液よりなる研磨剤が提案されている(特許文献1)。 Conventionally, as an abrasive using the fumed silica, there has been proposed an abrasive made of a silica dispersion whose storage stability is improved by dispersing fumed silica with a high-pressure homogenizer (Patent Document 1).
上記研磨剤は、分散したヒュームドシリカ粒子が長期間沈降すること無く十分安定に分散状態を維持することはできる。ところが、本発明者らの確認によれば、上記シリカ分散液は経時的に、粒度分布における粗粒部分、例えば、0.6μm以上の粒子径を有する粒子が増加する傾向があることが判明した。このような粗粒の発生は、特に研磨剤としてシリカ分散液を使用する場合においては、研磨速度を調整するために、シリカ分散液をアルカリ性に調整した場合に起こり易い。 The abrasive can maintain the dispersed state sufficiently stably without the dispersed fumed silica particles settling for a long time. However, according to the confirmation of the present inventors, it has been found that the silica dispersion tends to increase over time in the coarse particle portion in the particle size distribution, for example, particles having a particle diameter of 0.6 μm or more. . Such coarse particles are likely to occur when the silica dispersion is adjusted to be alkaline in order to adjust the polishing rate, particularly when a silica dispersion is used as an abrasive.
そして、このようにして粗粒が増加したシリカ分散液を研磨剤として使用すると、粗粒による研磨面へのスクラッチが発生し易くなり、研磨後の製品の歩留りを低下させる原因となるという問題を有する。 And, when the silica dispersion liquid with increased coarse particles is used as an abrasive in this way, scratches on the polished surface due to the coarse particles are likely to occur, which causes a decrease in the yield of the product after polishing. Have.
また、アルカリ性シリカ分散液における粗粒は、一旦除去しても、経時的に生成して増加する。そのため、例えば、研磨剤を循環使用する工程の場合や、粗粒を除去後に暫く保管しておいた場合などにおいては、使用直前にフィルターによって粗粒を除去する粗粒除去工程を設ける必要があり、しかも、かかる粗粒除去工程における負担も多大なものとなるという問題があった。 Moreover, even if it removes once, the coarse particle in alkaline silica dispersion produces | generates and increases with time. Therefore, for example, in the case of a process in which abrasives are circulated and when stored for a while after removing coarse particles, it is necessary to provide a coarse particle removal step that removes coarse particles with a filter immediately before use. In addition, there is a problem that the burden in the coarse particle removing process becomes large.
従って、本発明の目的は、室温での環境において、前記粗粒の生成が極めて少なく抑えられ、特に、半導体用研磨剤として使用した場合、長期間にわたり粗粒の少ない安定した品質を維持できるアルカリ性シリカ分散液を提供することにある。 Therefore, the object of the present invention is to minimize the generation of the coarse particles in an environment at room temperature, and in particular, when used as a semiconductor polishing agent, it is alkaline that can maintain a stable quality with few coarse particles over a long period of time. The object is to provide a silica dispersion.
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、ヒュームドシリカを水系溶媒に分散した、アルカリ領域の特定のpHを有する水溶液を、特定の高温度で保持する加熱処理を行うことにより、室温下において、粗粒の生成が極めて少ない、安定したアルカリ性シリカ分散液を得ることに成功し、本発明を完成するに至った。 The inventors of the present invention have made extensive studies to solve the above problems. As a result, by performing a heat treatment in which fumed silica is dispersed in an aqueous solvent and an aqueous solution having a specific pH in the alkaline region is maintained at a specific high temperature, the generation of coarse particles is extremely low at room temperature. The present inventors have succeeded in obtaining a stable alkaline silica dispersion and have completed the present invention.
即ち、本発明は、水系媒体にヒュームドシリカを分散したpH8〜12のシリカ分散液であって、25℃において1週間放置した後の0.6μm以上の粗粒の増加率が15%以下であることを特徴とするアルカリ性シリカ分散液である。 That is, the present invention is a silica dispersion having a pH of 8 to 12 in which fumed silica is dispersed in an aqueous medium, and the increase rate of coarse particles of 0.6 μm or more after standing at 25 ° C. for 1 week is 15% or less. It is an alkaline silica dispersion characterized by being.
また、本発明は、上記アルカリ性シリカ分散液を製造する好適な方法をも提供する。 The present invention also provides a suitable method for producing the alkaline silica dispersion.
即ち、本発明によれば、水系媒体にヒュームドシリカを分散したpH8〜12のシリカ分散液を、加熱温度(T℃)が40〜100℃の範囲で、且つ、該加熱温度(T℃)による加熱時間(t時間)が下記式(1)を満足する条件で加熱処理することを特徴とする、アルカリ性シリカ分散液の製造方法が提供される。 That is, according to the present invention, a silica dispersion liquid having a pH of 8 to 12 in which fumed silica is dispersed in an aqueous medium has a heating temperature (T ° C) in the range of 40 to 100 ° C and the heating temperature (T ° C). There is provided a method for producing an alkaline silica dispersion, wherein the heating time (t time) is subjected to heat treatment under the conditions satisfying the following formula (1).
t≧2×109T(−4.8) (1) t ≧ 2 × 10 9 T (−4.8) (1)
上記本発明のアルカリ性シリカ分散液は、ヒュームドシリカをアルカリ性水溶液に分散した従来のアルカリ性シリカ分散液に比べて、室温下での長期保存中における粗粒の発生が極めて少ないものである。 The alkaline silica dispersion liquid of the present invention is much less likely to generate coarse particles during long-term storage at room temperature than a conventional alkaline silica dispersion liquid in which fumed silica is dispersed in an alkaline aqueous solution.
従って、本発明のアルカリ性シリカ分散液は、必要に応じて希釈し、半導体用研磨剤として使用した場合、長期間にわたり粗粒の発生が少ないことにより、品質が安定し、スクラッチ等の問題を効果的に回避することが可能である。 Therefore, when the alkaline silica dispersion of the present invention is diluted as necessary and used as a semiconductor polishing agent, the generation of coarse particles is reduced over a long period of time, so that the quality is stabilized and problems such as scratches are effective. Can be avoided.
また、本発明のアルカリ性シリカ分散液は、上記特性より、新聞紙の内填剤、インクジェット用記録紙の塗工液等の調製にも使用することができる。 Further, the alkaline silica dispersion of the present invention can also be used for the preparation of a filler for newspapers, a coating liquid for inkjet recording paper, and the like due to the above characteristics.
また、本発明の製造方法は、前記加熱処理を行うことを特徴とするものであり、かかる方法によって、再現性良く本発明のアルカリ性シリカ分散液を得ることができる。 The production method of the present invention is characterized in that the heat treatment is performed, and the alkaline silica dispersion of the present invention can be obtained with good reproducibility by such a method.
尚、前記加熱処理によって、アルカリ性シリカ分散液の粗粒の生成が抑制できる機構は明らかではないが、本発明者らは、かかる加熱処理により、アルカリ性シリカ分散液におけるアルカリ性領域で経時的に溶解する微粒が減少することにより、該微粒が徐々に溶解して粗粒を生成する現象が防止できたことによるものと推定している。 Although the mechanism that can suppress the formation of coarse particles of the alkaline silica dispersion by the heat treatment is not clear, the present inventors can dissolve over time in the alkaline region of the alkaline silica dispersion by the heat treatment. It is presumed that the decrease in the fine particles prevented the phenomenon that the fine particles were gradually dissolved to form coarse particles.
(アルカリ性シリカ分散液)
本発明のアルカリ性シリカ分散液に分散せしめるヒュームドシリカとしては、公知の方法により得られるヒュームドシリカが特に制限なく使用される。例えば、四塩化珪素を酸水素炎中で燃焼させて得られるものが好適である。かかる方法によって得られるフュームドシリカは製造条件を変えることにより、比表面積がおよそ50〜500m2/gの範囲のシリカが得られる。比表面積より計算されるシリカの一次粒子径は、およそ5〜50nmの範囲であるが、通常は1μm以上の凝集体として存在している。
(Alkaline silica dispersion)
As the fumed silica dispersed in the alkaline silica dispersion of the present invention, fumed silica obtained by a known method is used without particular limitation. For example, those obtained by burning silicon tetrachloride in an oxyhydrogen flame are suitable. The fumed silica obtained by such a method can be obtained by changing the production conditions to obtain a silica having a specific surface area of approximately 50 to 500 m 2 / g. The primary particle diameter of silica calculated from the specific surface area is in the range of about 5 to 50 nm, but usually exists as an aggregate of 1 μm or more.
上記ヒュームドシリカは、水系溶媒に分散するに際し、加湿処理を行い、その表面のシラノール基濃度を上昇せしめることが分散の効率を向上させるために好ましい。上記加湿処理は、ヒュームドシリカを製造する工程において、ヒュームドシリカを捕集する前に、水蒸気と接触させる方法、ヒュームドシリカを貯蔵するタンク等において、水蒸気を適量導入する方法等が好適である。 When the fumed silica is dispersed in an aqueous solvent, it is preferable to perform a humidification treatment to increase the silanol group concentration on the surface in order to improve the dispersion efficiency. For the humidification process, in the process of producing fumed silica, before collecting fumed silica, a method of contacting with water vapor, a method of introducing an appropriate amount of water vapor in a tank for storing fumed silica, and the like are suitable. is there.
本発明のアルカリ性シリカ分散液は、上記ヒュームドシリカを後述の水系媒体中に分散したものであるが、シリカ粒子の沈降安定性を維持するために、その粒子径は、0.05〜0.3μm、特に、0.08〜0.2μmの大きさに微粒化して分散されたものであることが好ましい。 The alkaline silica dispersion of the present invention is obtained by dispersing the fumed silica in an aqueous medium, which will be described later. In order to maintain the sedimentation stability of the silica particles, the particle diameter is 0.05 to 0.00. It is preferable that the fine particles are dispersed to have a size of 3 μm, particularly 0.08 to 0.2 μm.
尚、上記平均粒子径は、シリカ分散液中のシリカ凝集粒子の平均粒子径を指しており、光散乱回折方式の粒度分布計で測定した時の体積基準算術平均径のことである。 In addition, the said average particle diameter has pointed out the average particle diameter of the silica aggregation particle | grains in a silica dispersion liquid, and is a volume reference | standard arithmetic average diameter when it measures with the particle size distribution meter of a light-scattering diffraction system.
また、ここで言う微粒化とは、強固な凝集粒子よりなるシリカ粒子を砕くという意味だけではなく、緩やかな凝集粒子よりなるシリカ粒子の凝集をほぐす意味での解砕や分散をも意味する。 The term “atomization” as used herein means not only the pulverization of silica particles composed of strong agglomerated particles, but also pulverization and dispersion in the sense of loosening the flocculation of silica particles composed of loose agglomerated particles.
本発明において、アルカリ性シリカ分散液を構成する水系溶媒としては、水が代表的である。また、水と共に、メタノールやエタノール、イソプロパノール等のアルコール類、エーテル類、ケトン類などの極性溶媒を併用することも可能である。 In the present invention, water is typical as the aqueous solvent constituting the alkaline silica dispersion. In addition to water, polar solvents such as alcohols such as methanol, ethanol and isopropanol, ethers and ketones may be used in combination.
更に、本発明のアルカリ性シリカ分散液には、シリカ粒子の安定性や分散性を向上させるために界面活性剤等を適宜添加しても良い。 Furthermore, a surfactant or the like may be appropriately added to the alkaline silica dispersion of the present invention in order to improve the stability and dispersibility of the silica particles.
本発明のアルカリ性シリカ分散液のpHは、8〜12、特に、8〜11が好ましい。即ち、pHが8未満の場合は、分散液が不安定となり、ゲル化を起こし易く、また、pHが12を超えると分散しているシリカ粒子の溶解が起こり易くなり、安定性が低下する。 The pH of the alkaline silica dispersion of the present invention is preferably 8 to 12, particularly 8 to 11. That is, when the pH is less than 8, the dispersion becomes unstable and easily gels, and when the pH exceeds 12, the dispersed silica particles are easily dissolved and the stability is lowered.
本発明において、アルカリ性シリカ分散液を上記pHに調整するためのアルカリとしては、KOH等の水酸化アルカリを始めとし、アンモニア、アミン、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイドなどの公知のものが特に制限なく使用される。 In the present invention, as an alkali for adjusting the alkaline silica dispersion to the above pH, known alkali hydroxides such as KOH, ammonia, amines, tetramethylammonium hydroxide and the like can be used without particular limitation. The
そのうち、後述の研磨剤としての使用において、シリコンウェハー用の研磨剤には、上記アルカリとして、モノエタノールアミン、イソプロピルアミン、エチレンジアミン、プロパンジアミン、ジエタノールアミン、ジプロピルアミン、ジブチルアミン、トリエタノールアミン、ピペラジン、2−メチルピペラジン、N−メチルピペラジン、ビスアミノプロピルピペラジン、2−アミノメチルピペリジン、2−ピペリジンエタノール、トリエチレンテトラミン、アミノエチルエタノールアミン、ヘキサメチレンジアミン、ジエチレントリアミンなどのアミン、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド、テトラエチルアンモニウムハイドロオキサイドなどのテトラアルキルアンモニウムハイドロオキサイドが好適に使用できる。また、IC製造工程中で絶縁膜を研磨するための研磨剤には、上記アルカリとして、KOH、アンモニア、又は、テトラアルキルアンモニウムハイドロオキサイドが好適に用いられる。 Among them, in the use as a polishing agent described later, the polishing agent for silicon wafer includes, as the alkali, monoethanolamine, isopropylamine, ethylenediamine, propanediamine, diethanolamine, dipropylamine, dibutylamine, triethanolamine, piperazine , 2-methylpiperazine, N-methylpiperazine, bisaminopropylpiperazine, 2-aminomethylpiperidine, 2-piperidineethanol, triethylenetetramine, aminoethylethanolamine, hexamethylenediamine, diethylenetriamine and other amines, tetramethylammonium hydroxide Tetraalkylammonium hydroxide such as tetraethylammonium hydroxide can be preferably used. In addition, KOH, ammonia, or tetraalkylammonium hydroxide is preferably used as the alkali for the polishing agent for polishing the insulating film during the IC manufacturing process.
本発明のアルカリ性シリカ分散液中のヒュームドシリカの濃度は、用途によって適宜決定されるが、上限は40重量%であることが好ましい。すなわち、40重量%を越えると、シリカ分散液の流動性が極端に悪くなるため製造が困難になる傾向がある。 The concentration of fumed silica in the alkaline silica dispersion of the present invention is appropriately determined depending on the application, but the upper limit is preferably 40% by weight. That is, when it exceeds 40% by weight, the fluidity of the silica dispersion liquid is extremely deteriorated, so that the production tends to be difficult.
また、アルカリ性シリカ分散液のヒュームドシリカの濃度の下限は、0.1重量%程度である。例えば、研磨剤の用途においては、上記濃度未満では、研磨効率が低下する傾向にある。 Moreover, the minimum of the density | concentration of the fumed silica of an alkaline silica dispersion is about 0.1 weight%. For example, in the use of an abrasive, if the concentration is less than the above, the polishing efficiency tends to decrease.
本発明のアルカリ性シリカ分散液の最大の特徴は、25℃において1週間放置した後の0.6μm以上の粗粒の増加率が15%以下、好ましくは、10%以下であることにある。 The greatest feature of the alkaline silica dispersion of the present invention is that the rate of increase of coarse particles of 0.6 μm or more after standing at 25 ° C. for 1 week is 15% or less, preferably 10% or less.
尚、本発明において上記増加率は、下記(2)式によって算出された値である。 In the present invention, the increase rate is a value calculated by the following equation (2).
前記したように、pHが8〜12のヒュームドシリカの分散液は、室温においては、経時的な粗粒の生成は止まることがなく、一度粗粒を分離しても、また、該分散液として存在している間起こるものである。 As described above, the dispersion of fumed silica having a pH of 8 to 12 does not stop the formation of coarse particles over time at room temperature. Is what happens as it exists.
従って、上記「測定開始時」とは、アルカリ性シリカ分散液の調製後からの時間に関係なく、また、測定開始時のアルカリ性シリカ分散液は、分散液中に前記粗粒が存在していても、粗粒を除去した後であってもよい。 Therefore, “at the start of measurement” is not related to the time after the preparation of the alkaline silica dispersion, and the alkaline silica dispersion at the start of measurement is not limited even if the coarse particles are present in the dispersion. It may be after removing coarse particles.
但し、シリカ分散液の調製後時間が経過し過ぎたアルカリ性シリカ分散液は、他の特性も劣化するため、一般には、アルカリ性シリカ分散液の調製後、1ヶ月以内を測定開始時とすることが望ましい。 However, since the alkaline silica dispersion whose time has passed after the preparation of the silica dispersion has deteriorated in other characteristics, generally, within one month after the preparation of the alkaline silica dispersion, the measurement may be started. desirable.
本発明において、アルカリ性シリカ分散液中の0.6μm以上の粗粒の個数は、個数カウント粒度分布測定装置を使用して測定された値である。詳細は後述の実施例に示す。 In the present invention, the number of coarse particles of 0.6 μm or more in the alkaline silica dispersion is a value measured using a number count particle size distribution measuring apparatus. Details will be described in Examples described later.
また、アルカリ性シリカ分散液を25℃で一週間放置する方法は、該分散液中の水分が蒸発しないよう、密閉容器中で実施される。そして、放置後のアルカリ性シリカ分散液について、上記と同様にして0.6μm以上の粗粒の個数が測定される。 Further, the method of leaving the alkaline silica dispersion at 25 ° C. for one week is carried out in a closed container so that the water in the dispersion does not evaporate. Then, the number of coarse particles having a size of 0.6 μm or more is measured in the same manner as described above for the alkaline silica dispersion after standing.
後述の実施例より理解されるように、従来の方法によって調製されたpH8〜12のヒュームドシリカの分散液の増加率が20%を超えるのに対して、本発明のアルカリ性シリカ分散液は、その増加率が、15%以下、特に、10%以下と極めて少ないという極めて優れた安定性を有する。 As will be understood from the examples described below, the increase rate of the dispersion of fumed silica having a pH of 8 to 12 prepared by a conventional method exceeds 20%, whereas the alkaline silica dispersion of the present invention is The increase rate is extremely excellent such that the rate of increase is as small as 15% or less, particularly 10% or less.
また、本発明のアルカリ性シリカ分散液液は、これを水系媒体によって希釈した場合であっても、上記特性は変わることが無く、同等の特性を有する。 Further, the alkaline silica dispersion liquid of the present invention has the same characteristics without changing the above characteristics even when it is diluted with an aqueous medium.
(半導体用研磨剤としての使用)
本発明のアルカリ性シリカ分散液は、上記特性により、研磨剤として有用である。即ち、保管後、或いは、研磨工程での循環工程において、研磨機に供給される前に実施される粗粒の除去工程において、使用されるフィルターへの負荷を著しく軽減することができ、安定したプロセスを達成することができる。
(Use as an abrasive for semiconductors)
The alkaline silica dispersion of the present invention is useful as an abrasive due to the above properties. That is, the load on the filter used can be remarkably reduced in the coarse particle removal step that is performed after storage or in the circulation step in the polishing step and before being supplied to the polishing machine. Process can be achieved.
また、本発明のアルカリ性シリカ分散液は、原料が高純度であるヒュームドシリカを使用しているため、高純度が要求されるシリコンウェハー用研磨剤、IC用研磨剤等の各種の研磨剤等として好適に使用される。 Moreover, since the alkaline silica dispersion of the present invention uses fumed silica whose raw material is highly pure, various abrasives such as abrasives for silicon wafers and abrasives for ICs that require high purity, etc. Is preferably used.
上記研磨剤として使用される場合のアルカリ性シリカ分散液中のシリカの濃度は、前記範囲内で、目的の濃度に適宜調節すればよい。例えば、シリコンウェハーなどの超精密な仕上げ研磨などでは、0.5〜5重量%程度の低いシリカ濃度の分散液が用いられる。また、研磨剤を輸送する場合、輸送コストを軽減するために、20重量%以上の高濃度にシリカ濃度を調節する場合もある。この場合、使用時に水系溶媒で希望の濃度に希釈して使用される。勿論、研磨対象によっては、その様な高いシリカ濃度で使用してもよい。 What is necessary is just to adjust the density | concentration of the silica in the alkaline silica dispersion liquid in the case of using as said abrasive | polishing agent suitably to the target density | concentration within the said range. For example, in ultra-precise finish polishing such as a silicon wafer, a dispersion having a low silica concentration of about 0.5 to 5% by weight is used. When the abrasive is transported, the silica concentration may be adjusted to a high concentration of 20% by weight or more in order to reduce the transportation cost. In this case, it is diluted to a desired concentration with an aqueous solvent at the time of use. Of course, depending on the polishing target, such a high silica concentration may be used.
(アルカリ性シリカ分散液の製造方法)
本発明のアルカリ性シリカ分散液を製造する方法は、特に制限されるものではないが、代表的な方法を例示すれば、水系媒体にヒュームドシリカを分散したpH8〜12のシリカ分散液を、加熱温度(T℃)が40〜100℃の範囲で、且つ、該加熱温度(T℃)による加熱時間(t時間)が下記式(1)を満足する条件で加熱処理する方法を挙げることができる。
(Method for producing alkaline silica dispersion)
The method for producing the alkaline silica dispersion of the present invention is not particularly limited, but a typical method is exemplified by heating a silica dispersion having a pH of 8 to 12 in which fumed silica is dispersed in an aqueous medium. Examples include a method in which the temperature (T ° C.) is in the range of 40 to 100 ° C. and the heating time (t time) at the heating temperature (T ° C.) satisfies the following formula (1). .
t≧2×109T(−4.8) (1) t ≧ 2 × 10 9 T (−4.8) (1)
上記アルカリ性シリカ分散液の製造方法において、特徴的な手段は、水系媒体にヒュームドシリカを分散したpH8〜12のシリカ分散液を、40℃以上、好ましくは、50℃以上の高い温度において、所定の時間加熱処理を行うことにある。かかる処理により、前記0.6μm以上の粗粒の増加率が極めて低く抑えられたアルカリ性シリカ分散液を得ることができる。 In the method for producing the alkaline silica dispersion, a characteristic means is that a silica dispersion having a pH of 8 to 12 in which fumed silica is dispersed in an aqueous medium is predetermined at a high temperature of 40 ° C. or higher, preferably 50 ° C. or higher. The heat treatment is performed for a period of time. By this treatment, an alkaline silica dispersion in which the increase rate of the coarse particles of 0.6 μm or more is suppressed to be extremely low can be obtained.
即ち、加熱処理の温度が、上記範囲より低い場合、得られるアルカリ性シリカ分散液の0.6μm以上の粗粒の増加率を低くすることが困難である。 That is, when the temperature of the heat treatment is lower than the above range, it is difficult to reduce the rate of increase of coarse particles of 0.6 μm or more in the obtained alkaline silica dispersion.
本発明の製造方法において、加熱処理温度と共に加熱処理時間も重要である。即ち、前記加熱処理温度によって、得られるアルカリ性シリカ分散液を安定化するための処理時間の下限は変化し、処理時間がかかる時間未満の場合、たとえ温度を高くしても、本発明のアルカリ性シリカ分散液を得ることができない。そして、前記式(1)は、加熱処理温度(T℃)における処理時間(t時間)の下限を示す式である。 In the production method of the present invention, the heat treatment time is important as well as the heat treatment temperature. That is, the lower limit of the treatment time for stabilizing the obtained alkaline silica dispersion varies depending on the heat treatment temperature. If the treatment time is less than the time required for the treatment time, even if the temperature is increased, the alkaline silica of the present invention is used. Dispersion cannot be obtained. And said Formula (1) is a type | formula which shows the minimum of the processing time (t time) in heat processing temperature (T degreeC).
また、前記加熱処理時間の上限は、特に制限されないが、工業的には、50時間以内、好ましくは、10時間以内である。 The upper limit of the heat treatment time is not particularly limited, but industrially, it is within 50 hours, preferably within 10 hours.
本発明において、前記水系媒体にヒュームドシリカを分散したpH8〜12のシリカ分散液は、公知の方法によって得られたシリカ分散液が特に制限なく使用されるが、シリカ粒子が沈降すること無く安定に分散したものであることが好ましい。例えば、前記したヒュームドシリカ、アルカリ及び水系溶媒を任意の順序で混合しヒュームドシリカを分散処理して得られるシリカスラリーを、シリカの平均粒子径が、0.05〜0.3μm、特に、0.08〜0.2μmとなるように微粒化処理することによって得られたものが好適である。 In the present invention, a silica dispersion having a pH of 8 to 12 in which fumed silica is dispersed in the aqueous medium is not particularly limited, and a silica dispersion obtained by a known method is used without any particular limitation. It is preferable to be dispersed in For example, a silica slurry obtained by dispersing fumed silica by mixing fumed silica, an alkali and an aqueous solvent in any order, and an average particle diameter of silica is 0.05 to 0.3 μm, in particular, What was obtained by atomizing so that it might become 0.08-0.2 micrometer is suitable.
尚、上記アルカリの添加量は用いるアルカリの種類によって異なるため一概には特定できない。通常はpHメーターでpHを確認しながら、目的のpHとなるように少量ずつアルカリを添加するか、或いは、予めアルカリの添加量に対するpHの検量線を作成しておけば良い。 In addition, since the addition amount of the said alkali changes with kinds of alkali to be used, it cannot be specified unconditionally. Usually, while confirming the pH with a pH meter, the alkali may be added little by little so as to achieve the target pH, or a calibration curve of pH with respect to the added amount of alkali may be prepared in advance.
上記の分散処理を行うための方法としては、特に制限されず、公知の分散装置を使用した方法が採用される。具体的には、プロペラ羽根、タービン羽根、パドル翼を有する一般撹拌機、ディスパーミキサー等の高速回転遠心放射型撹拌機、ホモジナイザー、ホモミキサー、ウルトラミキサー等の高速回転せん断型撹拌機、コロイドミル、プラネタリーミキサー、吸引式分散機などの分散機、更に、上記高速回転せん断型撹拌機とプロペラ羽根及びパドル翼を組み合わせた複合型分散機、プラネタリーミキサーと高速回転遠心放射型撹拌機又は高速回転せん断型撹拌機を組み合わせた複合型分散機等を使用した分散処理が挙げられる。 The method for performing the above-described dispersion processing is not particularly limited, and a method using a known dispersion device is employed. Specifically, a general agitator having a propeller blade, a turbine blade, a paddle blade, a high-speed rotary centrifugal type agitator such as a disper mixer, a high-speed rotary shear type agitator such as a homogenizer, a homomixer, and an ultra mixer, a colloid mill, Dispersers such as planetary mixers and suction dispersers, combined dispersers that combine the high-speed rotating shear type agitator with propeller blades and paddle blades, planetary mixers and high-speed centrifugal radial type agitators, or high-speed rotation Examples thereof include a dispersion treatment using a composite type disperser combined with a shear type stirrer.
また、上記の微粒化処理を行うための方法としては、特に制限されず、公知の微粒化装置を使用した方法が採用される。具体的には、サンドミル、ビーズミル等の湿式メディア型分散機、超音波ホモジナイザー、高圧ホモジナイザー等を使用した微粒化方法が挙げられる。中でも高圧ホモジナイザーを用いた微粒化方法が好ましい。 In addition, the method for performing the atomization process is not particularly limited, and a method using a known atomization apparatus is employed. Specifically, the atomization method using wet media type | mold dispersers, such as a sand mill and a bead mill, an ultrasonic homogenizer, a high-pressure homogenizer, etc. are mentioned. Among them, the atomization method using a high-pressure homogenizer is preferable.
高圧ホモジナイザーの代表例を具体的に例示すると、ナノマイザー製の商品名;ナノマイザー、マイクロフルイディクス製の商品名;マイクロフルイダイザー、及びスギノマシン製の商品名;アルティマイザー等を挙げることができる。 Specific examples of high-pressure homogenizers include nanomizer product names; nanomizer, microfluidics product names; microfluidizers, and Sugino Machine product names;
高圧ホモジナイザーとは、シリカスラリーを、処理圧力30MPa以上で対向衝突させるか、或いはオリフィスの入口側と出口側の差圧が30MPa以上の条件でオリフィスを通過させることによって、該スラリー中のシリカ凝集粒子を微粒化する装置である。 The high-pressure homogenizer means that the silica slurry collides with each other at a treatment pressure of 30 MPa or more, or the silica agglomerated particles in the slurry are passed through the orifice under a condition where the pressure difference between the inlet side and the outlet side of the orifice is 30 MPa or more. Is a device for atomizing.
このような高圧ホモジナイザーを使用した微粒化処理条件は、機種によって各種の装置定数や効率が異なるため、あるいは用いるシリカスラリーの種類によって微粒化効率が異なるため、一概にその処理条件を定めることはできない。 The atomization process conditions using such a high-pressure homogenizer cannot be generally determined because the various apparatus constants and efficiency differ depending on the model or the atomization efficiency varies depending on the type of silica slurry used. .
一般には、微粒化効率は処理圧力に依存するため、処理圧力が高いほど微粒化効率も高くなる。例えば、処理圧力は50MPa以上、好ましくは80MPa以上、さらに好ましくは120MPa以上の場合、微粒化効率の高い処理が可能である。 In general, since the atomization efficiency depends on the treatment pressure, the atomization efficiency increases as the treatment pressure increases. For example, when the treatment pressure is 50 MPa or more, preferably 80 MPa or more, more preferably 120 MPa or more, treatment with high atomization efficiency is possible.
対向衝突する際のシリカスラリーの衝突速度は、相対速度として50m/秒以上、好ましくは100m/秒以上、さらに好ましくは150m/秒以上であることが望ましい。 The collision speed of the silica slurry at the time of opposing collision is desirably 50 m / second or more, preferably 100 m / second or more, more preferably 150 m / second or more as a relative speed.
また、オリフィスを通過する際のシリカスラリーの線速度は、用いるオリフィスの孔径にも依存するため一概には決められないが、上記の対向衝突の際の衝突速度と同様に50m/秒以上、好ましくは100m/秒以上、さらに好ましくは150m/秒以上であることが望ましい。 Further, the linear velocity of the silica slurry when passing through the orifice depends on the hole diameter of the orifice to be used and cannot be determined unconditionally, but it is preferably 50 m / second or more, similarly to the collision velocity at the time of the above-described collision. Is preferably 100 m / second or more, more preferably 150 m / second or more.
なお、高圧ホモジナイザーでシリカスラリーを処理する回数は、目的とするシリカ分散液中のシリカ粒子の粒子径に応じて、1〜数十回の範囲から選ぶことができる。 In addition, the frequency | count of processing a silica slurry with a high pressure homogenizer can be selected from the range of 1 to several tens of times according to the particle diameter of the silica particle in the target silica dispersion.
上記のようにシリカスラリーを加速したり衝突させたりする部分を構成する材料としては、材料の摩耗を抑えるためにダイヤモンドが好適に採用される。 As a material constituting the portion where the silica slurry is accelerated or collided as described above, diamond is preferably employed in order to suppress wear of the material.
本発明において、上記の分散処理、微粒化処理の途中で増粘・ゲル化などを起こすことなく、より安定的に製造するために、分散処理及び微粒化処理中の液温は、40℃未満、特に15〜30℃の温度範囲に制御することが好ましい。 In the present invention, the liquid temperature during the dispersion treatment and atomization treatment is less than 40 ° C. in order to produce more stably without causing thickening and gelation during the dispersion treatment and atomization treatment. In particular, it is preferable to control to a temperature range of 15 to 30 ° C.
上記温度範囲に制御する方式は特に制限されず、液の組成に影響を与えない公知の冷却手段が特に制限なく採用される。例えば、各分散槽外部へのジャケット式冷却機の設置、各分散槽内部への冷却配管設置、各機器入口又は出口配管部への熱交換器の設置、等の冷却手段を、適宜選択して適用すれば良い。 The method for controlling the temperature range is not particularly limited, and a known cooling means that does not affect the composition of the liquid is employed without particular limitation. For example, by appropriately selecting cooling means such as installation of a jacket type cooler outside each dispersion tank, installation of cooling piping inside each dispersion tank, installation of a heat exchanger at each equipment inlet or outlet piping section, etc. Apply it.
上記方法によって得られるシリカ分散液のシリカ濃度は、前記シリカスラリーの調製時における各原料の配合割合で決定される。そして、上記シリカ濃度は、目的とするアルカリ性シリカ分散液のシリカ濃度を満足させるため、前記アルカリ性シリカ分散液のシリカ濃度の範囲内、即ち、0.1〜40重量%の範囲で決定される。 The silica concentration of the silica dispersion obtained by the above method is determined by the blending ratio of each raw material at the time of preparing the silica slurry. The silica concentration is determined within the range of the silica concentration of the alkaline silica dispersion, that is, in the range of 0.1 to 40% by weight in order to satisfy the silica concentration of the target alkaline silica dispersion.
しかし、前記シリカ分散液の微粒化時の効率を考慮すれば、かかるシリカ濃度は、ある程度濃い方が好ましく、5重量%以上、特に、10重量%以上の濃度が好ましい。また、前記加熱処理においても、上記濃度を採用することにより、加熱のための熱量を低減することができるため、工業的に有利であり、好ましい態様である。 However, considering the efficiency at the time of atomization of the silica dispersion, the silica concentration is preferably high to some extent, and is preferably 5% by weight or more, particularly preferably 10% by weight or more. Moreover, also in the said heat processing, since the calorie | heat amount for a heating can be reduced by employ | adopting the said density | concentration, it is industrially advantageous and is a preferable aspect.
尚、この場合、高いシリカ濃度の採用より、加熱処理により得られるアルカリ性シリカ分散液のシリカ濃度が目的とするシリカ濃度より高い場合は、前記水系溶媒或いは、他の添加剤を添加することにより希望する濃度に希釈すればよい。そして、希釈されたアルカリ性シリカ分散液においても、本発明の効果は変わりなく発揮することができる。 In this case, rather than adopting a high silica concentration, if the silica concentration of the alkaline silica dispersion obtained by heat treatment is higher than the target silica concentration, it may be desired to add the aqueous solvent or other additives. What is necessary is just to dilute to the concentration to be. Even in the diluted alkaline silica dispersion, the effects of the present invention can be exhibited without change.
以下、本発明の実施例を挙げて具体的に説明するが、本発明はこれら実施例によって何ら制限されるものではない。尚、アルカリ性シリカ分散液の物性測定は以下の方法によって行った。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples. The physical properties of the alkaline silica dispersion were measured by the following method.
(1)pH
アルカリ性シリカ分散液のpHを、pHメーター(堀場製作所製、F−22)を用いて測定した。
(1) pH
The pH of the alkaline silica dispersion was measured using a pH meter (H-22, F-22).
(2)平均粒子径測定
アルカリ性シリカ分散液のシリカ濃度が10重量%となるように、該分散液をイオン交換水で希釈した後、光散乱回折式の粒度分布測定装置(コールター製、コールターLS−230)を用いて、体積基準算術平均径を測定し、この値を平均粒子径として採用した。
(2) Measurement of average particle size After the dispersion was diluted with ion-exchanged water so that the silica concentration of the alkaline silica dispersion was 10% by weight, a light scattering diffraction type particle size distribution measuring device (Coulter, Coulter LS -230) was used to measure the volume-based arithmetic average diameter, and this value was adopted as the average particle diameter.
尚、測定に際しては、水(分散媒)の屈折率1.332及びシリカの屈折率1.458をパラメーターとして入力した。 In the measurement, the refractive index of water (dispersion medium) 1.332 and the refractive index of silica 1.458 were input as parameters.
(3)粗大粒子数測定
アルカリ性シリカ分散液中の0.6μm以上の粗大粒子数を、個数カウント粒度分布測定装置(パーティクルサイジングシステム製、アキュサイザー)を用いて測定し、シリカ粒子1g当たりの粗大粒子数を換算し、この値を粗大粒子数として採用した。
(3) Measurement of the number of coarse particles The number of coarse particles of 0.6 μm or more in the alkaline silica dispersion is measured using a number-count particle size distribution measuring apparatus (manufactured by Particle Sizing System, Accusizer), and the coarse particles per gram of silica particles. The number of particles was converted and this value was adopted as the number of coarse particles.
実施例1
比表面積が90m2/gのヒュームドシリカ(トクヤマ製、レオロシールQS−09)をpH調整剤として水酸化カリウムを添加したイオン交換水中で、高速回転せん断型分散機(みづほ工業製、ウルトラミキサーLR−2)を用いて分散処理することにより、シリカ濃度20重量%、pH10.1のシリカスラリーを得た。このシリカスラリーを高圧ホモジナイザー(ナノマイザー製、ナノマイザー、LA−31)を用いて、処理圧力80MPaの条件で微粒化処理することによりシリカ分散液を得た。尚、分散処理及び微粒化処理中の液温度は25℃に維持した。このシリカ分散液を表1に示した条件で加熱処理を行い、アルカリ性シリカ分散液を得た。得られたアルカリ性シリカ分散液の物性を表1に示した。
Example 1
A high-speed rotating shear type disperser (manufactured by Mizuho Kogyo Co., Ltd., Ultramixer LR) in ion-exchanged water to which potassium hydroxide is added using fumed silica (manufactured by Tokuyama, Leolosil QS-09) having a specific surface area of 90 m 2 / g as a pH adjuster. -2) to obtain a silica slurry having a silica concentration of 20% by weight and a pH of 10.1. The silica slurry was atomized using a high-pressure homogenizer (Nanomizer, Nanomizer, LA-31) under a treatment pressure of 80 MPa to obtain a silica dispersion. The liquid temperature during the dispersion treatment and atomization treatment was maintained at 25 ° C. This silica dispersion was heat-treated under the conditions shown in Table 1 to obtain an alkaline silica dispersion. The physical properties of the obtained alkaline silica dispersion are shown in Table 1.
実施例2〜3、比較例1〜3
表1に示した条件で加熱処理を行った以外は、実施例1と同様にして、アルカリ性シリカ分散液を得た。得られたアルカリ性シリカ分散液の物性を表1に示した。
Examples 2-3 and Comparative Examples 1-3
An alkaline silica dispersion was obtained in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment was performed under the conditions shown in Table 1. The physical properties of the obtained alkaline silica dispersion are shown in Table 1.
実施例4〜5、比較例4
シリカ分散液をろ過精度3μmのフィルターでフィルター処理を行った以外は、実施例1〜2、比較例1と同様にして、アルカリ性シリカ分散液を得た。得られたアルカリ性シリカ分散液の物性を表1に示した。
Examples 4-5, Comparative Example 4
An alkaline silica dispersion was obtained in the same manner as in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 except that the silica dispersion was filtered with a filter having a filtration accuracy of 3 μm. The physical properties of the obtained alkaline silica dispersion are shown in Table 1.
Claims (4)
t≧2×109T(−4.8) (1) A silica dispersion having a pH of 8 to 12 in which fumed silica is dispersed in an aqueous medium has a heating temperature (T ° C.) in the range of 40 to 100 ° C., and a heating time (t time) depending on the heating temperature (T ° C.). The manufacturing method of the alkaline silica dispersion liquid characterized by heat-processing on the conditions which satisfy following formula (1).
t ≧ 2 × 10 9 T (−4.8) (1)
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