JP2008120633A - 球状多孔質シリカ、その製造方法及びカラム充填剤 - Google Patents

Abstract

【課題】細孔径が４〜１０ｎｍであり、平均粒径が３〜１３μｍの球状多孔質シリカ及びその製造方法、ならびにそれを用いたカラム充填剤を提供する。
【解決手段】 平均粒径が３〜５０μｍである球状多孔質シリカであって、下記（Ａ）〜（Ｃ）の特徴を有する球状多孔質シリカ。
（Ａ）細孔径が４〜１０ｎｍ、（Ｂ）細孔容積が０．６０ｍｌ／ｇ以上、（Ｃ）シリカ粒子の球状換算として、走査型電子顕微鏡観察による短軸（Ｄ_Ｓ）と長軸（Ｄ_Ｌ）との長さの比（Ｄ_Ｓ／Ｄ_Ｌ）で表される真球度が０．９５以上。
【選択図】なし

Description

本発明は球状多孔質シリカ、その製造方法及びカラム充填剤に関し、特に球状多孔質シリカの粒径、細孔径と細孔構造の制御、カラム充填剤の分離能の改善に関する。

ＨＰＬＣ用カラム充填剤は有機担体（ポリマー系樹脂担体）を基材とするものと、無機担体（シリカ系担体）を基材とするものに大別することができる。しかし実際には、無機担体であるシリカゲルを基材とした充填剤の使用頻度が高く、ＨＰＬＣの全分離モードの６０％以上を占める逆相液体クロマトグラフィーではシリカゲル担体表面を化学修飾したアルキルシリル化シリカゲルが主に用いられている。シリカゲル基材のＨＰＬＣ用充填剤には、分離能および機械的強度の良好さが求められる。

近年、シリカゲル担体に様々なサイズの細孔を有するシリカ系多孔体の合成および機能研究が盛んに行われ、これらをカラム充填剤や触媒等として用いることが試みられている。前記シリカ系多孔体は、細孔のサイズによって３つのタイプ、マイクロポア多孔体（２ｎｍ以下）、メソポア多孔体（２〜５０ｎｍ）、マクロポア多孔体（５０ｎｍ以上）に分類される。吸着・分離を試みようとする目的物質の物性、分子サイズによって細孔の大きさが選択される。例えば、ＨＰＬＣ用を主体とする液体クロマトグラフィーによる有機物質の分離のために用いるカラム充填剤としては、メソポア多孔体が適している。

メソポア多孔体の合成の報告例として、例えばアルコキシシランと水とアルキルアミン塩等のカチオン性界面活性剤とを混合して得られる、中心細孔直径が１〜１０ｎｍのシリカ系多孔体がある（例えば、特許文献１を参照）。しかしながら、このシリカ系多孔体のシリカ粒子の形状は不定形であり、カラム充填剤として用いた場合に、分離能低下の要因となる。
また、アルコキシシランと水とアルキルアミン塩等のカチオン性界面活性剤とを混合させた後、アルカリによってゲル化させ、シリカ粒子を球状化させたメソポア多孔体（中心細孔直径が１〜１０ｎｍ）がある（例えば、特許文献２を参照）。しかしながら、アルカリを添加してゲル化し、その後に球状化を施すために必要とされるオイルセット法またはエマルション法は操作が煩雑であり、球状化工程を有する上記メソポア多孔体の製造方法は、工業化に適したものとはいえない。

さらに、シリカ源としてアルカリケイ酸塩、鉱酸、水及び非イオン性界面活性剤を室温付近の温度において反応させ、界面活性剤を含んだ有機無機複合体を形成させた後、界面活性剤を除去して得られる２種のマイクロポアを有する球状マイクロポア多孔質シリカ粒子（細孔２ｎｍ以下）、さらに前記条件において特に酸として硝酸を用い反応条件を変えることによって得られるメソポアとマイクロポアを併せ持つ球状多孔質シリカ粒子がある。（例えば、特許文献３および４を参照）。

特許第３４００２６２号公報 特許第３４１０６３４号公報 特開２００４−１８２４９２号公報 特開２００４−１４３０２６号公報

前記球状シリカ多孔質粒子の製造方法は球状化の工程を要さないものの、得られるシリカ粒子の粒径は１００μｍを超えるものであり、粒径の大きさを制御することは困難なものである。
本発明は、前述の従来技術の事情に鑑みなされたものであり、その目的はメソポアサイズの細孔を有し、平均粒径が数〜数十μｍオーダーであり、真球度が高く、カラム充填剤として使用した場合には優れた分離能を発揮することが可能である球状多孔質シリカ、その製造方法及びそれを用いたカラム充填剤を提供することにある。

前記目的を達成するために本発明者等が鋭意研究を行った結果、シリカ源としてアルコキシシラン、酸性水溶液、特定の非イオン性界面活性剤を用いて製造することにより、望む粒径、細孔径、細孔構造を有する球状多孔質シリカが得られ、それをカラム充填剤として用いた場合には分離能に優れることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の第一の主題は、平均粒径が３〜５０μｍである球状多孔質シリカであって、
（Ａ）細孔径が４〜１０ｎｍ、
（Ｂ）細孔容積が０．６０ｍｌ／ｇ以上、
（Ｃ）シリカ粒子の球状換算として、走査型電子顕微鏡観察による短軸（Ｄ_Ｓ）と長軸（Ｄ_Ｌ）との長さの比（Ｄ_Ｓ／Ｄ_Ｌ）で表される真球度が０．９５以上、
の特徴を有する球状多孔質シリカである。
また、前記球状多孔質シリカにおいて、さらに下記（Ｄ）の特徴を有することが好適である。
（Ｄ）細孔形状が、シリンダー型棒状である。
前記球状多孔質シリカにおいて、走査型電子顕微鏡により観察される該シリカ粒子が単分散していることが好適である。

本発明の第二の主題は、ポリエチレンオキシド−ポリプロピレンオキシド−ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ−ＰＰＯ−ＰＥＯ）トリブロック共重合体を酸性水溶液と混合して溶解させた後、アルコキシシランを添加し５０〜８０℃にて熟成させて反応を行い、生成する球状粒子中のＰＥＯ−ＰＰＯ−ＰＥＯトリブロック共重合体を除去することを特徴とする球状多孔質シリカの製造方法である。
前記球状多孔質シリカの製造方法において、ポリエチレンオキシド−ポリプロピレンオキシド−ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ−ＰＰＯ−ＰＥＯ）トリブロック共重合体の曇点が５０℃以上で、分子量が１８００〜１５０００であることが好適である。

さらに、前記球状多孔質シリカの製造方法において、前記ポリエチレンオキシド−ポリプロピレンオキシド−ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ−ＰＰＯ−ＰＥＯ）トリブロック共重合体とアルコキシシランを０．００５：１〜０．０３：１のモル比で用いることが好適である。

また、前記球状多孔質シリカの製造方法において、さらに疎水化処理を施す球状多孔質シリカの製造方法を提供する。
前記疎水化処理が、球状シリカ表面上に存在するシラノール基への炭素数１〜３０の炭化水素基またはシアノ基から選択される１種または２種以上の基の導入であることが好適である。
さらに、前記疎水化処理が、球状シリカ表面上に存在するシラノール基へのオクタデシル基、オクチル基、フェニル基、シアノプロピル基、ブチル基、メチル基から選択される１種または２種以上の基の導入であることが好適である。

本発明の第三の主題は前記球状多孔質シリカを用いたカラム充填剤を提供することである。
また、本発明は、前記球状多孔質シリカの製造方法により得られる液体クロマトグラフィー用カラム充填剤を提供する。

本発明によれば、細孔径が４〜１０ｎｍであり、真球度の高い平均粒径が３〜５０μｍの球状多孔質シリカが得られるため、これをカラム充填剤として用いた場合には、充填のムラが少なく分離能に優れ、また機械的強度が良好なものとなる。

本発明の実施の形態について、以下に詳細に説明する。
球状多孔質シリカの構造
本発明の球状多孔質シリカの粒子は、平均粒径が３〜５０μｍの球状粒子を基本骨格とする。平均粒径が３〜５０μｍであると、液体クロマトグラフィー用カラム充填剤、特にＨＰＬＣ用カラム充填剤として用いる場合に適したものとなるため好ましい。平均粒径は、製造方法におけるシリカの熟成反応の条件を適宜調整することにより、所望のサイズとすることも可能である。
本発明にかかる球状多孔質シリカの平均粒径は、走査型電子顕微鏡の観察によって測定される。

さらに、走査型電子顕微鏡観察による、シリカ粒子の短軸（ＤＳ）と長軸（ＤＬ）との長さの比で表される真球度が０．９５以上であることが好ましい。真球度が１．０に近い球状粒子であると、カラム充填剤として用いた場合に充填のムラが抑えられる。また、ＨＰＬＣ用カラム充填剤として用いた場合には、分離能の低下の現象として見られるピークのブロード、テーリングなどを回避することに貢献する。
また、カラム充填剤、特にＨＰＬＣ用のカラム充填剤として用いる場合、圧力をかけて移動相を流すことが通常行われるが、従来技術として存在する不定形シリカと比較して、本発明の球状多孔質シリカは耐圧性にも優れ、機械的強度が改善されている。

図１に本発明にかかる球状多孔質シリカの顕微鏡写真を、図２に比較対象として、従来技術として存在する不定形のシリカを示す。本発明にかかる球状多孔質シリカは球状の粒子が凝集せずに単分散していることが走査型電子顕微鏡写真による観察（図１）より明らかである。単分散した状態で球状多孔質シリカ粒子が得られ、球状化などの煩雑な工程を要さず、効率的に製造することが可能である。

次に、本発明にかかる球状多孔質シリカが有する細孔の構造について説明する。
本発明にかかる球状多孔質シリカは、以下の特徴を示す細孔を有する。
（Ａ）細孔径が４〜１０ｎｍ、
（Ｂ）細孔容積が０．６０ｍｌ／ｇ以上、

本発明にかかる球状多孔質シリカが有する細孔の細孔径は好ましくは４〜１０ｎｍ、より好ましくは５〜１０ｎｍ、最も好ましくは６〜１０ｎｍである。細孔径が４ｎｍより小さい、あるいは１０ｎｍを超えるものであると液体用クロマトグラフィー用のカラム充填剤に用いた場合に、十分な分離性能が得られない場合がある。
本発明において、細孔径の測定は窒素吸着測定により、窒素吸着等温線を作成し、それから細孔分布曲線（ＢＪＨ法）を求めて実施している。細孔分布曲線において示される最大のピーク値を細孔径として採用するものとする。
また、本発明にかかる製造方法によると、球状多孔質シリカは前記の好ましい細孔径の範囲である細孔を有するものである。

また、球状多孔質シリカの細孔容積は０．６０ｍｌ／ｇ以上であることが好ましく、より好ましくは０．７０ｍｌ／ｇ以上である。細孔容積が０．６０ｍｌ／ｇより小さいと、特にカラム充填剤としたときに十分な分離性能が得られない場合がある。０．６０ｍｌ／ｇ、より好ましくは０．７０ｍｌ／ｇ以上であると試料混合物の吸着・脱着及び分離に適したものとなる。
本発明において、細孔容積は窒素吸着測定によって得られる窒素吸着等温線からＢＪＨ法により全細孔容積を求めている。全細孔容積（ｍｌ）をサンプル量（ｇ）で割ったものが前記細孔容積（ｍｌ／ｇ）として算出される。

なお、本発明における球状多孔質シリカの比表面積は窒素吸着等温線からＢＥＴ法により得られるものである。ＢＥＴ法とは、１９３８年にBrunauer、Emmett、Tellerの３名が単分子層吸着理論であるLangmuir理論を多分子層吸着に拡張した、比表面積の計算方法として知られている理論である。比表面積を求めようとする試料に吸着占有面積の分かっているガス分子（ここでは窒素）を吸着させその吸着量（Ｖ）と相対圧力（Ｐ／Ｐ_０）の関係を測定し、ＢＥＴプロットを作成して切片と勾配を求め、単分子量吸着量（Ｖ_ｍ）が決定される。試料の全表面積および比表面積は、次式により算出される。
（式１）
Ｓ_total=(Ｖ_m×Ｎ×Ａ_ｃｓ)Ｍ
（ここで、Ｓ_totalは全表面積（ｍ^２）、Ｖ_mは単分子吸着量、Ｎはアボガドロ数、Ａ_ｃｓは吸着断面積（ｍ^２）、Ｍは分子量。）
（式２）
Ｓ＝Ｓ_total／ｗ
（ここで、Ｓは比表面積（ｍ^２／ｇ）、ｗは試料のサンプル量。）
本発明にかかる球状多孔質シリカのＢＥＴ比表面積は、６００ｍ^２／ｇ以上であることが好ましく、さらに好ましくは６５０ｍ^２／ｇ以上、最も好ましくは７００ｍ^２／ｇ以上である。

また、本発明にかかる球状多孔質シリカが有する細孔は、おおよそ、（Ｄ）その形状がシリンダー型棒状であることを特徴とする。シリンダー型棒状とは、長径が４〜１０ｎｍとする断面を有する、ほぼ棒状構造であることを意味する。断面の形状は特に問わないが、円又は円に近似した形であることが好ましい。一般的に多孔質材料の細孔形状は、円柱型、インクつぼ型、スリット型などが知られている。本発明においては、シリンダー型棒状である細孔が球状シリカに存在することにより、試料混合物の分離性能に優れたものとすることが可能である。細孔の形状が、従来技術でみられるインクつぼ型である場合、本発明にかかる球状多孔質シリカと同等の細孔容積、細孔径を有するものであっても、試料混合物の吸着・脱着の効率が劣り、分離性能が低下する傾向がある。

本発明にかかる球状多孔質シリカが有する細孔の形状は、吸着等温線および脱着等温線のヒステリシスループの形状から推察することが可能である。ヒステリシスループの形状と細孔の形状に関する研究は、Pure&Appl. Chem., Vol.57, No.4, 603, 1985に示されている。

球状多孔質シリカの製造方法
次に、本発明にかかる球状多孔質シリカの製造方法について説明する。
（第１工程）
界面活性剤であるポリエチレンオキシド−ポリプロピレンオキシド−ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ−ＰＰＯ−ＰＥＯ）トリブロック共重合体を酸性水溶液と混合して攪拌して溶解させる。室温にて攪拌しながら、この界面活性剤溶液中にケイ素源であるアルコキシシランを滴下する。この混合液をテフロン（登録商標）容器に移し入れて密栓をし、５０〜８０℃で加熱しながら熟成させる。その結果、シリカゲル中に前記界面活性剤が複合してなる本発明にかかる球状多孔質シリカ前駆体が形成される。
（第２工程）
前工程で得られる球状多孔質シリカ前駆体をろ過し、水で洗浄後、乾燥させる。その後、前記前駆体に含まれる界面活性剤を除去し、本発明にかかる球状多孔質シリカを得る。

以下に前記第１工程に関し、用いる合成原料とあわせて詳細に説明する。
前記第１工程において用いるＰＥＯ−ＰＰＯ−ＰＥＯトリブロック共重合体は、プルロニックの商品名で知られているが、本発明においては、分子量が１８００〜１５０００であり、曇点が５０℃以上であるものが好ましく用いられる。
市販品としては、例えば、プルロニックＰ１２３（ＰＥＯ_２０−ＰＰＯ_７０−ＰＥＯ_２０、分子量５８００、曇点８５℃、ＢＡＳＦ社製）、プルロニックＰ１０４（ＰＥＯ_２７−ＰＰＯ_６１−ＰＥＯ_２７、分子量５９００、曇点７５℃、ＢＡＳＦ社製）、プルロニックＰ１０５（ＰＥＯ_３７−ＰＰＯ_５６−ＰＥＯ_３７、分子量６５００、曇点９２℃、ＢＡＳＦ社製）等が挙げられる。本発明においては、曇点が５０〜１００℃の範囲にあるＰＥＯ−ＰＰＯ−ＰＥＯトリブロック共重合体が特に好ましく用いられる。

両親媒性物質であるＰＥＯ−ＰＰＯ−ＰＥＯトリブロック共重合体は、水溶液中において疎水性ブロックを中心として、親水性ブッロクが周囲の水と親媒するようにミセルを形成する。また、水溶液中におけるＰＥＯ−ＰＰＯ−ＰＥＯトリブロック共重合体濃度が上昇すると、このミセルは棒状ミセルを形成する。棒状ミセルが鉛筆を束ねたように最密充填し、その間隙でシリカ溶存種が縮合することにより、多孔質シリカ前駆体が形成される。
従って前記ＰＥＯ−ＰＰＯ−ＰＥＯトリブロック共重合体が形成する棒状ミセルが、球状多孔質シリカが有する細孔のテンプレートの役割を果たし、望む細孔径、細孔容積、細孔形状を作り出すことに寄与する。

また、前記第１工程で用いられる酸性水溶液は、酸として塩酸、硫酸、硝酸、リン酸、酢酸等の無機酸や有機酸などが挙げられるが、利便性等の点から本発明においては塩酸が好ましく用いられる。

本発明において、ケイ素源としてアルコキシシランが好ましく用いられる。アルコキシシランは、ケイ素原子上にアルコキシ基が４個、３個あるいは２個結合した、各々テトラアルコキシシラン、トリアルコキシシラン、ジアルコキシシランを用いることができる。トリアルコキシシラン、ジアルコキシシランである場合、ケイ素原子上には水酸基や有機基が結合してもよい。アルコキシ基はメトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、イソプロポキシ基、ブトキシ基などが挙げられるが、特に限定されるものではない。

具体的には、例えばテトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトライソプロポキシシラン、テトラプロポキシシラン、テトラブトキシシラン、ジメトキシジエトキシシラン等のテトラアルコキシシラン、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、ブチルトリエトキシシラン、シアノプロピルトリメトキシシラン、シアノプロピルトリエトキシシラン、３−アミノプロピルトリメトキシシラン、３−アミノプロピルトリエトキシシラン等のトリアルコキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、ジエチルジメトキシシラン、ジエチルジエトキシシラン等のジアルコキシシランが挙げられる。これらのアルコキシシランの１種または２種以上を組み合わせて用いてもよい。

アルコキシシランを酸性水溶液中に滴下すると、アルコキシ基が加水分解されてシラノール基が生じる。このシラノール基が縮合することによってシリカ酸化物が形成される。前記ＰＥＯ−ＰＰＯ−ＰＥＯトリブロック共重合体が形成する棒状ミセルの間隙を取り囲むようにして、シリカ酸化物が熟成し、本発明にかかる球状多孔質シリカの基本骨格が構築される。アルコキシシランは、１分子上に含まれるシラノール基の数が多いほど、縮合時の結合数が増し、機械的強度を有する球状多孔質シリカが得られる傾向にある。したがって本発明においては、テトラアルコキシシランが好ましく用いられる。特に、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシランが反応性の点からも好ましい。
さらに、前記ＰＥＯ−ＰＰＯ−ＰＥＯトリブロック共重合体とアルコキシシランをモル比で０．００５：１〜０．０３：１の比で用いることが好ましい。この範囲を逸脱するモル比であると、望む粒径のシリカ粒子が形成されない場合や、球状多孔質シリカの形成が十分に行われなくなる場合があり好ましくない。

製造方法の第１工程において、用いる合成原料の添加順序は、ＰＥＯ−ＰＰＯ−ＰＥＯトリブロック共重合体を先に酸性水溶液中に溶解させた後に、アルコキシシランを滴下することが好ましい。ＰＥＯ−ＰＰＯ−ＰＥＯトリブロック共重合体が他の成分を含まない酸性溶液中に十分に溶解されることにより、棒状ミセルを形成することが、より効率的になされると考えられる。そして最終的に得られる細孔形状の均質性の向上に寄与する。

また、アルコキシシランをＰＥＯ−ＰＰＯ−ＰＥＯトリブロック共重合体の酸性溶液に滴下した後の熟成時の反応温度は５０〜８０℃が好ましく、より好ましくは６０〜７０℃である。反応温度が室温付近であったり、前記範囲よりも低いと、反応の進行が遅くなり効率が悪くなる。また、反応温度が前記範囲よりも高いと、用いるトリブロック共重合体によっては、曇点を越えてしまうため、シリカの形成や粒径の均質性に劣る場合があるため好ましくない。また良好に単分散されたものとして本発明にかかる球状多孔質シリカを得るためには、前記範囲の温度で熟成されることが好ましい。
さらの上記のシリカの熟成にかける反応時間は、７２〜２００時間が好ましい。上記の反応温度にて、７２〜２００時間熟成させることにより、本発明にかかる球状多孔質シリカが、真球度が０．９５以上の球状であり、かつ均質性に富み単分散したものとして得られる。ただし、反応時間を上記範囲外にすることにより、多孔質シリカの粒径を目的に応じて適宜調整することも可能である。

次に、前記本発明にかかる製造方法の第２工程について説明する。
第１工程において調製された球状多孔質シリカ前駆体の反応懸濁液をろ過して、固体生成物を分離し、水で洗浄する。その後、室温〜１００℃で乾燥させる。最終処理として、次の条件で焼成を行い、球状多孔質シリカ前駆体に含まれる、ＰＥＯ−ＰＰＯ−ＰＥＯトリブロック共重合体を除去し、放冷した後に本発明にかかる球状多孔質シリカが得られる。
焼成：２５℃〜５００℃まで４℃／minで昇温させ、５００℃付近で２時間以上、より好ましくは４時間以上行う。
また、ＰＥＯ−ＰＰＯ−ＰＥＯトリブロック共重合体の除去方法としては、前記の焼成以外に、メタノールやエタノール、アセトンなどの溶剤を用いた除去方法を用いてもよい。

球状多孔質シリカの利用
本発明にかかる球状多孔質シリカは、均質なメソポア多孔体であるため、それ自身で様々な分子の選択的な触媒担体、吸着剤、乾燥剤、ガスクロマトグラフィーまたはイオンクロマトグラフィーのためのカラム充填剤として用いることが可能である。
また、本発明にかかる球状多孔質シリカに疎水化処理を施すことも可能である。疎水化処理としては、球状多孔質シリカの粒子表面上に存在するシラノール基へのアルキル基、あるいはシアノ基等の導入が挙げられる。
アルキル基としては、炭素数１〜３０の直鎖、分岐、環状の炭化水素基などが好ましい。オクタデシル基、オクチル基、フェニル基、シアノプロピル基、ブチル基、メチル基が好ましく導入される。その中でも特にオクタデシル基が好ましく導入される。

前記アルキルの導入のためにシランカップリング剤が反応に用いられる。シランカップリング剤としては、オクタデシル基を持つものとしてはジメチルオクタデシルクロロシラン、メチルオクタデシルメトキシシラン、メチルオクタデシルジクロロシラン、メチルオクタデシルジメトキシシラン、オクタデシルトリクロロシラン、オクタデシルトリメトキシシラン、１，３，５，７−テトラオクタデシル−１，３，５，７−テトラメチルシクロテトラシロキサン、オクチル基を持つものとしては、ジメチルオクチルクロロシラン、メチルオクチルジクロロシラン、オクチルトリクロロシラン、１，３，５，７−テトラオクチル−１，３，５，７−テトラメチルシクロテトラシロキサン、ｎ−ブチル基を持つものとしては、ｎ−ブチルジメチルクロロシラン、ｎ−ブチルメチルジクロロシラン、ｎ−ブチルトリクロロシラン、１，３，５，７−テトラ−ｎ−ブチル−１，３，５，７−テトラメチルシクロテトラシロキサン、フェニル基を持つものとしてはトリフェニルクロロシラン、メチルジフェニルクロロシラン、ジメチルフェニルクロロシラン、ジフェニルジクロロシラン、メチルフェニルジクロロシラン、フェニルトリクロロシラン、ベンジルトリクロロシラン、１，３，５，７−テトラフェニル−１，３，５，７−テトラメチルシクロテトラシロキサン、シアノプロピル基を持つものとしては、３−シアノプロピルジメチルクロロシラン、３−シアノプロピルメチルジクロロシラン、３−シアノプロピルトリクロロシラン等が具体的に挙げられる。

前記シランカップリング剤の中でも、特にメチルオクタデシルジクロロシラン等のジクロロシラン化合物、オクタデシルトリクロロシラン等のトリクロロシラン化合物、メチルオクタデシルジメトキシシラン等のジアルコキシシラン化合物、オクタデシルトリメトキシシラン等のトリアルコキシシラン化合物、１，３，５，７−テトラオクタデシル−１，３，５，７−テトラメチルシクロテトラシロキサン等のシクロシロキサン化合物を用いることが好ましい。

前記アルキル基の導入の方法としては、シランカップリング剤を球状多孔質シリカと反応させることが挙げられる。反応は公知の方法、条件を採用することができ、例えば溶媒の存在下において５０〜３００℃、気相あるいは液相で２時間以上接触させることにより行うことができる。触媒としては、金属触媒すなわちルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム又は白金の化合物が適合している。

本発明にかかる球状多孔質シリカの疎水化処理方法としては、上記のアルキル基の導入の他に、特許第１９８７４７２号に開示されるＳｉ−Ｈ基を有するシリコーン化合物を球状多孔質シリカと接触させてシリコーンポリマー被膜を担持した粉体にアルキル基を導入する方法等が挙げられる。なお、これらに限定されるものではない。
疎水化処理された球状多孔質シリカは、試料混合物を分離する液体クロマトグラフィー用カラム充填剤として用いることができる。

また、本発明にかかる球状多孔質シリカを前述の目的で利用する際、使用目的に応じてサイズの均質性をさらに向上させるために、分級を行ってもよい。分級の方法は、例えば、乾式分級や湿式分級の重力、遠心力を利用した方法等がある。

以下、本発明の好適な実施例についてさらに詳しく説明する。なお、本発明はこれにより限定されるものではない。
多孔質シリカの製造例
＜多孔質シリカの実施例１＞
１．ポリエチレンオキシド−ポリプロピレンオキシド−ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ−ＰＰＯ−ＰＥＯ）トリブロック共重合体（ＰＥＯ_２０ＰＰＯ_７０ＰＥＯ_２０、分子量５８００、曇点８５℃、ＢＡＳＦ社製）７０ｇを塩酸水溶液（濃度１０％）５０００ｍｌと攪拌混合し溶解させた。室温にて攪拌しながら、前記界面活性剤溶液中にテトラエトキシシランを純分で２０８ｇ滴下し、テフロン（登録商標）容器に入れて密栓をして、５日間６０〜７０℃で加熱しながら熟成させ、球状多孔質シリカ前駆体を得た。
混合した（ＰＥＯ−ＰＰＯ−ＰＥＯ）トリブロック共重合体：テトラエトキシシランのモル比は、０．０１２：１。
２．前工程で得られる球状多孔質シリカ前駆体をろ過し、水で洗浄後、７０℃にて１２時間乾燥させた。その後２５℃から５００℃まで４℃／minで昇温させて、５００℃にて４時間焼成し、放冷して球状多孔質シリカを得た。

＜多孔質シリカの実施例２＞
１．ポリエチレンオキシド−ポリプロピレンオキシド−ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ−ＰＰＯ−ＰＥＯ）トリブロック共重合体（ＰＥＯ_３７ＰＰＯ_５６ＰＥＯ_３７、分子量６５００、曇点９２℃、ＢＡＳＦ社製）７８ｇを塩酸水溶液（濃度１０％）１００００ｍｌと攪拌混合し溶解させた。室温にて攪拌しながら、前記界面活性剤溶液中にテトラプロポキシシランを純分で２６４ｇ滴下し、テフロン（登録商標）容器に入れて密栓をして、５日間６０〜７０℃で加熱しながら熟成させ、球状多孔質シリカ前駆体を得た。
混合した（ＰＥＯ−ＰＰＯ−ＰＥＯ）トリブロック共重合体：テトラエトキシシランのモル比は、０．０１２：１
２．前工程で得られる球状多孔質シリカ前駆体をろ過し、水で洗浄後、７０℃にて１２時間乾燥させた。その後２５℃から５００℃まで４℃／minで昇温させて、５００℃にて４時間焼成し、放冷して球状多孔質シリカを得た。

＜多孔質シリカの実施例３＞
１．ポリエチレンオキシド−ポリプロピレンオキシド−ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ−ＰＰＯ−ＰＥＯ）トリブロック共重合体（ＰＥＯ_２０ＰＰＯ_７０ＰＥＯ_２０、分子量５８００、曇点８５℃、ＢＡＳＦ社製）１４０ｇを塩酸水溶液（濃度１０％）５０００ｍｌと攪拌混合し溶解させた。室温にて攪拌しながら、前記界面活性剤溶液中にテトラエトキシシランを純分で２０８ｇ滴下し、テフロン（登録商標）容器に入れて密栓をして、５日間６０〜７０℃で加熱しながら熟成させ、球状多孔質シリカ前駆体を得た。
混合した（ＰＥＯ−ＰＰＯ−ＰＥＯ）トリブロック共重合体：テトラエトキシシランのモル比は、０．０２４：１
２．前工程で得られる球状多孔質シリカ前駆体をろ過し、水で洗浄後、７０℃にて１２時間乾燥させた。その後２５℃から５００℃まで４℃／minで昇温させて、５００℃にて４時間焼成し、放冷して球状多孔質シリカを得た。

＜多孔質シリカの比較例１＞
テトラエトキシシラン純分で２１２ｇを塩酸水溶液（濃度３％）３６ｍｌと混合攪拌した後、界面活性剤としてヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロライド９３ｇを添加し、数分間激しく攪拌させ粘性を生じさせた。その後テフロン（登録商標）容器に入れて密栓をして、５日間室温にて熟成させ、多孔質シリカ前駆体を得た。これをろ過し、水で洗浄後、７０℃にて１２時間乾燥させた。その後２５℃から５００℃まで４℃／minで昇温させて、５００℃にて４時間焼成し、放冷して多孔質シリカを得た。

＜多孔質シリカの比較例２＞
テトラエトキシシランを純分で２１２ｇを塩酸水溶液（濃度３％）３６ｍｌと混合攪拌した後、界面活性剤としてヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロライド９３ｇを添加し、１時間室温にて激しく攪拌させ粘性を有する溶液Ａを得た。一方、ｎ−ヘキサン５００ｍｌ中にトリエチルアミン１０ｍｌ加えた混合溶液を長さ５００ｍｍのガラスカラムに入れた。このガラスカラムの上部から、前記粘性溶液Ａをシリンジにて圧力をかけながら注入して、溶液Ａをカラム中に分散させゲル化させて球状多孔質シリカ前駆体を得た。これをろ過し、水で洗浄後、７０℃にて１２時間乾燥させた。その後２５℃から５００℃まで４℃／minで昇温させて、５００℃にて４時間焼成し、放冷して多孔質シリカを得た。

＜多孔質シリカの比較例３＞
１．ポリエチレンオキシド−ポリプロピレンオキシド−ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ−ＰＰＯ−ＰＥＯ）トリブロック共重合体ＰＥＯ_１００ＰＰＯ_４０ＰＥＯ_１００、分子量１１４００、曇点＞１００℃、ＢＳＡＦ社製）７３ｇを塩酸水溶液（濃度５％）３９００ｍｌと攪拌混合し溶解させた。前記界面活性剤溶液中にケイ酸ナトリウム６０ｇに水４０ｇを加えたケイ酸ナトリウム水溶液を滴下し、室温にて２時間、攪拌しながら反応させ（６００rpm）、球状多孔質シリカ前駆体を得た。
２．前工程で得られる球状多孔質シリカ前駆体をろ過し、水で洗浄後、７０℃にて１２時間乾燥させた。その後２５℃から６００℃まで４℃／minで昇温させて、６００℃にて１時間焼成し、放冷して球状多孔質シリカを得た。

上記実施例１および比較例１〜３の多孔質シリカの各試験方法は以下のように行った。
（１）平均粒径および真球度の測定
走査型電子顕微鏡(ＪＳＭ６３００，日本電子株式会社製)を用いて、２０個の粒子径を測定し、平均値を算出した。また、１０個の粒子の短軸（Ｄ_Ｓ）と長軸（Ｄ_Ｌ）との長さの比（Ｄ_Ｓ／Ｄ_Ｌ）を測定し、真球度の平均値を算出した。

（２）細孔の比表面積、細孔容積、細孔径の測定
自動窒素吸着測定装置（Autosorb、Quantachrome社製）を用いて、多孔質シリカの窒素吸着等温線を作成し、ＢＥＴ比表面積を求めた。また、細孔径分布はＢＪＨ法により解析し、最大ピーク値を細孔径として求めた。細孔容積は、窒素吸着等温線からＢＪＨ法により全細孔容積を求めた。

下記表１に、上記実施例１〜３および従来技術の比較例１〜３で得た、多孔質シリカの特性を示す。
なお、図３に、実施例１で得た球状多孔質シリカの窒素吸着・脱着等温線を示す。図３の等温線はＩＵＰＡＣのIV型であり、本発明にかかる球状多孔質シリカがメソポアを有することを示唆するものである。また、細孔形状がシリンダー型棒状であることが推察される。
また図４に、実施例１で得た球状多孔質シリカの窒素吸着等温線から求めた細孔分布曲線（ＢＪＨ法）を示す。

上記表１の結果より明らかなように、比較例１および２で得られた多孔質シリカは、細孔径が２ｎｍ付近のものであり、ほぼマイクロポアの領域の多孔体である。またこれらは、界面活性剤としてアルキルアミン塩を用いて製造されており、比較例１においては粒子が不定形であり真球度が低いものであった。比較例２においては、アルカリ処理を施しているため、若干真球度が向上しているものの、この球状化処理は操作が煩雑であり実使用するには不適切なものと判断される。
比較例３で得られた多孔質シリカは球状化処理を要することなく、真球度が高い球状を有するものであるが、シリカ粒子の粒径が１００μｍを超えるものであった。そのために比表面積は７００ｍ^２／ｇを超えているものの、細孔容積は０．３６ｍｌ／ｇであることから、多孔体であるシリカ粒子としての特性を十分に生かしているものとはいえない。また、この多孔質シリカも比較例１および２と同様に、マイクロポアの領域の多孔体である。

一方、実施例１〜３で得られた多孔質シリカは、真球度が０．９５以上の値である球状を有するものである。製造に用いる界面活性剤を、前記比較例３と類似の化合物（親水性割合が異なる）を用いたことにより球状化が図れたとものと推測される。しかしながら、比較例３と異なり、実施例１〜３の多孔質シリカの細孔は５．８〜７．３ｎｍとメソポア領域のものであり、細孔容積、比表面積共に、カラム充填剤として適しており固有の特性を有していると認められた。シリカ粒径も数μｍオーダーのものであり、その値と細孔容積、比表面積との相関から、多孔体としてのシリカ粒子の特性を十分に発揮するものと期待される。

次に、本発明にかかる球状多孔質シリカを用いたＨＰＬＣ用カラム充填剤について具体的に説明する。
ＨＰＬＣ用カラム充填剤の製造例
前記実施例１で調製した、本発明にかかる球状多孔質シリカ２．０ｇ（平均粒径１２．７μｍ、均等係数（Ｄ４０／Ｄ９０）＝１．８３）を水でデカンテーションすることにより分級処理を施し、球状多孔質シリカ０．４５ｇを採取した。分級後の球状多孔質シリカは平均粒径が６．１μｍ、均等係数（Ｄ４０／Ｄ９０）＝１．５３であった。
前記分級後の球状多孔質シリカ０．４５ｇをトルエン２２．５ｍＬとピリジン１０mmolと混合し、加熱還流をさせた混合懸濁液中へ、ｎ−オクタデシルジメチルクロロシラン１０mmolを滴下した。懸濁液を３時間加熱還流させた後、シリカ粒子をろ過し、洗浄、減圧乾燥（１２０℃にて１３時間）して目的のオクタデシル基が導入された（Ｃ１８化）球状多孔質シリカ充填剤を得た（実施例２）。なお、このようにして得られた充填剤の物性データは以下の通りであった。
元素分析装置による炭素含有量測定：Ｃ％１５．７５％

上記製造例で調製した充填剤を、４００kg/cm²の充填圧力で内径２．０mm、長さ３５mmのステンレス製カラムに平衡スラリーで充填し、ＨＰＬＣ用カラムを作成した。このカラムを用い、試料混合物の分離性能の評価試験を行った。分離すべき試料混合物は、ウラシル、安息香酸メチル、トルエン、ナフタレンである。
なお、比較のために、前記比較例３で調製した多孔質シリカを上記と同様にＣ１８化し、ステンレス製カラムに充填して評価試験を行った（比較例４）。
なお、測定条件は以下の通りである。
移動相：アセトニトリル：水＝４：６
温度：３５℃
流速：２００μL／min
検出：ＵＶ、２５４ｎｍ
試料量：２μＬ

ＨＰＬＣによる測定結果を、実施例２および比較例４を用いた場合について各々図５、図６に示した。
図５の結果から明らかなように、本発明にかかる球状多孔質シリカを用いたカラム充填剤を用いた場合には、各成分に対応したピークが観測された。一方、図６に関しては、ピークが図５に比べてシャープさに欠けるものであった。

本発明にかかる球状多孔質シリカの走査型電子顕微鏡の写真図である。 従来品の不定形多孔質シリカの走査型電子顕微鏡の写真図である。 実施例１の球状多孔質シリカの窒素吸着等温線を示す図である。 実施例１の球状多孔質シリカの窒素吸着等温線から求めた細孔分布曲線（ＢＪＨ法）を示す図である。 実施例２のカラム充填剤のＨＰＬＣによる測定結果を示す図である。 比較例４のカラム充填剤のＨＰＬＣによる測定結果を示す図である。

Claims (11)

1. 平均粒径が３〜５０μｍである球状多孔質シリカであって、下記（Ａ）〜（Ｃ）の特徴を有する球状多孔質シリカ。
   （Ａ）細孔径が４〜１０ｎｍ、
   （Ｂ）細孔容積が０．６０ｍｌ／ｇ以上、
   （Ｃ）シリカ粒子の球状換算として、走査型電子顕微鏡観察による短軸（Ｄ_Ｓ）と長軸（Ｄ_Ｌ）との長さの比（Ｄ_Ｓ／Ｄ_Ｌ）で表される真球度が０．９５以上。
2. 請求項１に記載の球状多孔質シリカにおいて、さらに下記（Ｄ）の特徴を有する球状多孔質シリカ。
   （Ｄ）細孔形状が、シリンダー型棒状である。
3. 請求項１または２に記載の球状多孔質シリカにおいて、走査型電子顕微鏡により観察される該シリカ粒子が単分散していることを特徴とする球状多孔質シリカ。
4. ポリエチレンオキシド−ポリプロピレンオキシド−ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ−ＰＰＯ−ＰＥＯ）トリブロック共重合体を酸性水溶液と混合して溶解させた後、アルコキシシランを添加し５０〜８０℃にて熟成させて反応を行い、生成する球状粒子中のＰＥＯ−ＰＰＯ−ＰＥＯトリブロック共重合体を除去することを特徴とする球状多孔質シリカの製造方法。
5. 請求項４に記載の球状多孔質シリカの製造方法において、前記ポリエチレンオキシド−ポリプロピレンオキシド−ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ−ＰＰＯ−ＰＥＯ）トリブロック共重合体の曇点が５０℃以上で、分子量が１８００〜１５０００であることを特徴とする球状多孔質シリカの製造方法。
6. 請求項４または５に記載の球状多孔質シリカの製造方法において、前記ポリエチレンオキシド−ポリプロピレンオキシド−ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ−ＰＰＯ−ＰＥＯ）トリブロック共重合体とアルコキシシランを０．００５：１〜０．０３：１のモル比で用いることを特徴とする球状多孔質シリカの製造方法。
7. 請求項４〜６のいずれかに記載の球状多孔質シリカの製造方法において、さらに疎水化処理を施すことを特徴とする球状多孔質シリカの製造方法。
8. 請求項７に記載の球状多孔質シリカの製造方法において、前記疎水化処理が、球状シリカ表面上に存在するシラノール基への炭素数１〜３０の炭化水素基またはシアノ基から選択される１種または２種以上の基の導入であることを特徴とする球状多孔質シリカの製造方法。
9. 請求項７または８に記載の球状多孔質シリカの製造方法において、前記疎水化処理が、球状シリカ表面上に存在するシラノール基へのオクタデシル基、オクチル基、フェニル基、シアノプロピル基、ブチル基、メチル基から選択される１種または２種以上の基の導入であることを特徴とする球状多孔質シリカの製造方法。
10. 請求項１〜３のいずれかに記載の球状多孔質シリカを用いたカラム充填剤。
11. 請求項４〜９のいずれかに記載の球状多孔質シリカの製造方法により得られることを特徴とする液体クロマトグラフィー用カラム充填剤。