JP2009203115A - Hollow silica particle and its manufacturing method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hollow silica particle having a small average particle diameter and a small specific surface area and its manufacturing method. <P>SOLUTION: (1) The hollow silica particle has an average particle diameter of 0.1-1 μm, at least 80% of its total particles have a particle diameter not more than the average particle diameter ±30%, and its BET specific surface area is less than 30 m<SP>2</SP>/g. (2) The manufacturing method of a hollow silica particle having a BET specific surface area less than 30 m<SP>2</SP>/g comprises firing a hollow silica particle (A) that exhibits a peak at a diffraction angle (2θ) corresponding to a plane distance (d) of between a range of 1-12 nm in a powder X-ray diffractometry and that contains air inside of the grains or a core shell type silica particle (B) enclosing a material that forms hollow sites by disappearing by fire at a temperature higher than 950°C. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、中空シリカ粒子及びその製造方法に関する。   The present invention relates to hollow silica particles and a method for producing the same.

平均粒子径が小さく、比表面積が小さい中空シリカ粒子は、その内部に空気や種々の化合物や材料を内包できるため、各種の材料として広範囲の用途に使用できる。
中空シリカ粒子の製造方法としては、O/W型又はW/O型乳化系を用いる方法が一般的であり、通常、低温で真空乾燥することにより多孔質の中空シリカ粒子を得ている。得られる中空シリカ粒子の粒子径は数μm以上であり、粒子径がより小さく、かつ比表面積が小さいものは得られていない。
例えば、特許文献1には、界面活性剤を含むケイ酸溶液から得られるシリカゲル粉末を高温下(1200℃程度)で発泡させ、ガラス化させることによる中空シリカ粒子の製造方法が開示されている。しかし、この方法で得られる中空シリカ粒子の平均粒子径は20〜70μm程度と大きいものである。
特許文献2には、O/W型乳化液をO/W/O型乳化液とした後、水溶性沈殿を形成することによる中空多孔質粒子の製造方法が開示されているが、得られる粒子の平均粒子径は1〜20μm程度である。
特許文献3には、O/W乳化系を用いて重縮合反応させることによる球状中空多孔質シリカ粒子の製造方法が開示されているが、得られる粒子の平均粒子径は3μm程度、比表面積は320m2/g程度である。
特許文献4には、W/O乳化系を用いる中空多孔質シリカ粒子の製造方法が開示されているが、得られる粒子の平均粒子径は3.5μm程度である。
The hollow silica particles having a small average particle diameter and a small specific surface area can contain air and various compounds and materials therein, and thus can be used for various applications as various materials.
As a method for producing the hollow silica particles, a method using an O / W type or W / O type emulsification system is common, and porous hollow silica particles are usually obtained by vacuum drying at a low temperature. The obtained hollow silica particles have a particle diameter of several μm or more, and particles having a smaller particle diameter and a small specific surface area have not been obtained.
For example, Patent Document 1 discloses a method for producing hollow silica particles by foaming and vitrifying silica gel powder obtained from a silicic acid solution containing a surfactant at a high temperature (about 1200 ° C.). However, the average particle diameter of the hollow silica particles obtained by this method is as large as about 20 to 70 μm.
Patent Document 2 discloses a method for producing hollow porous particles by forming an O / W type emulsion into an O / W / O type emulsion and then forming a water-soluble precipitate. The average particle size of is about 1 to 20 μm.
Patent Document 3 discloses a method for producing spherical hollow porous silica particles by polycondensation reaction using an O / W emulsification system. The average particle diameter of the obtained particles is about 3 μm, and the specific surface area is It is about 320 m 2 / g.
Patent Document 4 discloses a method for producing hollow porous silica particles using a W / O emulsification system, but the average particle diameter of the obtained particles is about 3.5 μm.

特公平1−51455号公報Japanese Patent Publication No. 1-51455 特公平5−9133号公報Japanese Patent Publication No. 5-9133 特許第2590428号明細書Japanese Patent No. 2590428 特開平11−29318号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-29318

本発明は、平均粒子径及び比表面積が小さい中空シリカ粒子、並びにその製造方法を提供することを課題とする。   This invention makes it a subject to provide the hollow silica particle with a small average particle diameter and a specific surface area, and its manufacturing method.

本発明者らは、中空メソポーラスシリカを高温焼成処理することにより、上記課題を解決しうることを見出した。
すなわち、本発明は、次の(1)及び(2)を提供する。
(1)平均粒子径が0.05〜1μmで、粒子全体の80%以上が平均粒子径±30%以内の粒子径を有し、かつBET比表面積が30m2/g未満である中空シリカ粒子。
(2)粉末X線回折測定において、面間隔(d)が1〜12nmの範囲に相当する回折角(2θ)にピークを示す、粒子内部に空気を含有する中空シリカ粒子(A)、又は焼成により消失して中空部位を形成する材料を内包するコアシェル型シリカ粒子(B)を、950℃を超える温度で焼成する、BET比表面積が30m2/g未満の中空シリカ粒子の製造方法。
The present inventors have found that the above-described problems can be solved by subjecting hollow mesoporous silica to a high-temperature baking treatment.
That is, the present invention provides the following (1) and (2).
(1) Hollow silica particles having an average particle size of 0.05 to 1 μm, 80% or more of the particles having a particle size within an average particle size of ± 30%, and a BET specific surface area of less than 30 m 2 / g .
(2) In powder X-ray diffractometry, hollow silica particles (A) containing air inside the particles that show a peak at a diffraction angle (2θ) corresponding to a surface spacing (d) in the range of 1 to 12 nm, or firing A method for producing hollow silica particles having a BET specific surface area of less than 30 m 2 / g, wherein the core-shell type silica particles (B) encapsulating a material that disappears and forms a hollow part are fired at a temperature exceeding 950 ° C.

本発明によれば、平均粒子径及び比表面積が小さい中空シリカ粒子、並びにその効率的な製造方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the hollow silica particle with a small average particle diameter and specific surface area, and its efficient manufacturing method can be provided.

[中空シリカ粒子]
本発明の中空シリカ粒子(以下、単に「中空シリカ粒子」ともいう)は、平均粒子径が0.05〜1μmで、粒子全体の80%以上が平均粒子径±30%以内の粒子径を有し、かつBET比表面積が30m2/g未満であることを特徴とする。
中空シリカ粒子の平均粒子径は、数平均粒子径であり、用途等を考慮して適宜調整しうるが、好ましくは0.1〜0.9μm、より好ましくは0.15〜0.8μm、更に好ましくは0.2〜0.7μmである。中空シリカ粒子は、好ましくは粒子全体の80%以上、より好ましくは85%以上、更に好ましくは90%以上、特に好ましくは95%以上が平均粒子径±30%以内の粒子径を有しており、非常に揃った粒子径の粒子群から構成されていることが望ましい。
また、中空シリカ粒子のBET比表面積は、内包物の安定保持等の観点から、好ましくは20m2/g以下、より好ましくは15m2/g以下であり、10m2/g以下であることが最も好ましい。
[Hollow silica particles]
The hollow silica particles of the present invention (hereinafter also simply referred to as “hollow silica particles”) have an average particle diameter of 0.05 to 1 μm, and 80% or more of the total particles have an average particle diameter within ± 30%. And the BET specific surface area is less than 30 m 2 / g.
The average particle diameter of the hollow silica particles is a number average particle diameter, and can be appropriately adjusted in consideration of the use etc., but is preferably 0.1 to 0.9 μm, more preferably 0.15 to 0.8 μm, and further Preferably it is 0.2-0.7 micrometer. The hollow silica particles preferably have a particle size of 80% or more, more preferably 85% or more, still more preferably 90% or more, and particularly preferably 95% or more of the whole particles within an average particle size of ± 30%. It is desirable that the particles are composed of a group of particles having a very uniform particle diameter.
In addition, the BET specific surface area of the hollow silica particles is preferably 20 m 2 / g or less, more preferably 15 m 2 / g or less, and most preferably 10 m 2 / g or less from the viewpoint of stable retention of inclusions. preferable.

本発明の中空シリカ粒子は、粉末X線回折(XRD)測定において、結晶格子面間隔(d)が1nm未満の範囲に相当する回折角(2θ)にピークを示さないものであることが好ましい。
本発明の中空シリカ粒子は、細孔径分布において、実質的に1nm以上に細孔分布を示さないことが好ましい。外殻部の平均厚みは、中空シリカ粒子が担体としての強度を維持できる範囲で薄い方が好ましく、中空部の平均直径(平均容積)は、内包物を多く保持する観点から大きい方が好ましい。これらの観点から、外殻部の平均厚みは、通常0.5〜500nm、好ましくは2〜400nm、より好ましくは3〜300nmである。
また、〔外殻部の平均厚み/中空シリカ粒子の平均粒子径〕の比は、通常0.01〜0.9、好ましくは0.05〜0.8、より好ましくは0.1〜0.7である。
中空シリカ粒子の平均粒子径、外郭部の平均厚みは、原料となる中空シリカ粒子(A)の製造条件、中空部位形成材料の粒子径、焼成条件等により適宜調製することができる。
The hollow silica particles of the present invention preferably do not show a peak at a diffraction angle (2θ) corresponding to a range of crystal lattice spacing (d) of less than 1 nm in powder X-ray diffraction (XRD) measurement.
It is preferable that the hollow silica particles of the present invention show substantially no pore distribution at 1 nm or more in the pore size distribution. The average thickness of the outer shell portion is preferably thin as long as the hollow silica particles can maintain the strength as a carrier, and the average diameter (average volume) of the hollow portion is preferably larger from the viewpoint of holding a large amount of inclusions. From these viewpoints, the average thickness of the outer shell is usually 0.5 to 500 nm, preferably 2 to 400 nm, more preferably 3 to 300 nm.
The ratio of [average thickness of outer shell portion / average particle diameter of hollow silica particles] is usually 0.01 to 0.9, preferably 0.05 to 0.8, more preferably 0.1 to 0. 7.
The average particle diameter of the hollow silica particles and the average thickness of the outer portion can be appropriately adjusted depending on the production conditions of the hollow silica particles (A) as a raw material, the particle diameter of the hollow part forming material, the firing conditions, and the like.

[中空シリカ粒子の製造方法]
本発明の中空シリカ粒子の製造方法に特に制限はないが、下記の工程(I)及び(II)を含む方法によれば、効率的に製造することができる。
工程(I):粒子内部に空気を含有する中空シリカ粒子(A)(以下、単に「中空シリカ粒子(A)」ともいう)、又は焼成により消失して中空部位を形成する材料を内包するコアシェル型シリカ粒子(B)(以下、単に「シリカ粒子(B)」ともいう)を調製する工程。
工程(II):工程(I)で得られた中空シリカ粒子(A)又はシリカ粒子(B)を950℃を超える温度で焼成する工程。
以下、工程(I)、(II)の詳細とそこで用いる各成分等について説明する。
[Method for producing hollow silica particles]
Although there is no restriction | limiting in particular in the manufacturing method of the hollow silica particle of this invention, According to the method containing following process (I) and (II), it can manufacture efficiently.
Step (I): a hollow silica particle (A) containing air inside the particle (hereinafter also simply referred to as “hollow silica particle (A)”), or a core shell containing a material that disappears by firing to form a hollow part Step of preparing type silica particles (B) (hereinafter also simply referred to as “silica particles (B)”).
Step (II): A step of firing the hollow silica particles (A) or the silica particles (B) obtained in the step (I) at a temperature exceeding 950 ° C.
Hereinafter, details of the steps (I) and (II) and each component used therein will be described.

工程(I)
工程(I)は、中空シリカ粒子(A)又はシリカ粒子(B)を調製する工程である。中空シリカ粒子(A)又はシリカ粒子(B)を製造しうる方法であれば特に制限はないが、下記工程A〜Dを含む方法がより好ましい。
工程A:ポリマー粒子(a−1)を0.1〜50グラム/L、又は疎水性有機化合物(a−2)を0.1〜100ミリモル/Lと、下記一般式(1)及び(2)で表される第四級アンモニウム塩から選ばれる1種以上(b)を0.1〜100ミリモル/L、及び加水分解によりシラノール化合物を生成するシリカ源(c)を0.1〜100ミリモル/L含有する水溶液を調製する工程。
[R1(CH33N]+- (1)
[R12(CH32N]+- (2)
(式中、R1及びR2は、それぞれ独立に炭素数4〜22の直鎖状又は分岐状アルキル基を示し、Xは1価陰イオンを示す。)
工程B:工程Aで得られた水溶液を10〜100℃の温度で撹拌して、シリカから構成される外殻を有し、かつ核にポリマー粒子(a−1)又は疎水性有機化合物(a−2)を有するプロトコアシェル型シリカ粒子の水分散液を調製する工程
工程C:工程Bで得られた水分散液からコアシェル型シリカ粒子(B)を分離する工程
工程D:工程Cで得られたコアシェル型シリカ粒子(B)を焼成して、中空シリカ粒子(A)を得る工程
Process (I)
Step (I) is a step of preparing hollow silica particles (A) or silica particles (B). The method is not particularly limited as long as it is a method capable of producing hollow silica particles (A) or silica particles (B), but a method including the following steps AD is more preferable.
Step A: 0.1 to 50 g / L of the polymer particles (a-1) or 0.1 to 100 mmol / L of the hydrophobic organic compound (a-2), and the following general formulas (1) and (2) And 0.1 to 100 mmol / L of one or more (b) selected from quaternary ammonium salts represented by the formula (1)) and 0.1 to 100 mmol of silica source (c) that produces a silanol compound by hydrolysis. Step of preparing an aqueous solution containing / L.
[R 1 (CH 3 ) 3 N] + X (1)
[R 1 R 2 (CH 3 ) 2 N] + X (2)
(In the formula, R 1 and R 2 each independently represents a linear or branched alkyl group having 4 to 22 carbon atoms, and X represents a monovalent anion.)
Step B: The aqueous solution obtained in Step A is stirred at a temperature of 10 to 100 ° C., has an outer shell composed of silica, and has polymer particles (a-1) or a hydrophobic organic compound (a -2) Step of preparing an aqueous dispersion of proto-core-shell type silica particles Step C: Step of separating core-shell type silica particles (B) from the aqueous dispersion obtained in Step B Step D: Obtained in Step C Step of firing the core-shell type silica particles (B) to obtain hollow silica particles (A)

以下工程A〜Dについて説明する。
[工程A]
[ポリマー粒子(a−1)]
工程Aで用いられるポリマー粒子(a−1)としては、カチオン性ポリマー、ノニオン性ポリマー及び両性ポリマーから選ばれる1種以上のポリマーの粒子が好ましく、実質的に水不溶性のポリマーが好ましい。
工程A〜Dで用いられるポリマー粒子の平均粒子径は、本発明の中空シリカ粒子の特徴である、微小粒子径であってかつ粒子径分布が揃った化合物を得る目的の上で、好ましくは0.02μm〜1μm、より好ましくは0.05μm〜0.9μm、さらに好ましくは0.1μm〜0.8μm、特に好ましくは0.12μm〜0.7μmであることが望ましい。またポリマー粒子は、好ましくは粒子全体の80%以上、より好ましくは85%以上、更に好ましくは90%以上、特に好ましくは95%以上が平均粒子径±30%以内の粒子径を有しており、非常に揃った粒子径の粒子群から構成されていることが望ましい。
Hereinafter, steps A to D will be described.
[Step A]
[Polymer particles (a-1)]
As the polymer particles (a-1) used in the step A, particles of one or more polymers selected from a cationic polymer, a nonionic polymer and an amphoteric polymer are preferable, and a substantially water-insoluble polymer is preferable.
The average particle size of the polymer particles used in Steps A to D is preferably 0 for the purpose of obtaining a compound having a fine particle size and a uniform particle size distribution, which is a feature of the hollow silica particles of the present invention. It is desirable that the thickness is 0.02 μm to 1 μm, more preferably 0.05 μm to 0.9 μm, still more preferably 0.1 μm to 0.8 μm, and particularly preferably 0.12 μm to 0.7 μm. Further, the polymer particles preferably have a particle size of 80% or more, more preferably 85% or more, further preferably 90% or more, particularly preferably 95% or more of the whole particles within an average particle size of ± 30%. It is desirable that the particles are composed of a group of particles having a very uniform particle diameter.

[カチオン性ポリマー]
カチオン性ポリマーとしては、連続相を水系とする媒体中に、陽イオン界面活性剤の存在下で、ポリマーエマルジョンとなって分散可能であるポリマーが好ましく、陽イオン界面活性剤の存在下でカチオン性モノマー、特にはカチオン性基を有するエチレン性不飽和モノマーを含むモノマー混合物を、公知の方法で乳化重合して得られるものが好ましい。
カチオン性モノマーとしては、アミノ基を有する単量体の酸中和物、又は該単量体を4級化剤で4級化した第4級アンモニウム塩等が挙げられる。
カチオン性モノマーの具体例としては、ジアルキルアミノ基又はトリアルキルアンモニウム基を有する(メタ)アクリレートがより好ましく、ジアルキルアミノ基又はトリアルキルアンモニウム基を有する(メタ)アクリレートが最も好ましい。
なお、本明細書において、(メタ)アクリレートとは、アクリレート、メタクリレート又はそれらの両方を意味する。
[Cationic polymer]
The cationic polymer is preferably a polymer that can be dispersed as a polymer emulsion in a medium containing a continuous phase in an aqueous system in the presence of a cationic surfactant, and is cationic in the presence of a cationic surfactant. Those obtained by emulsion polymerization of a monomer mixture, particularly a monomer mixture containing an ethylenically unsaturated monomer having a cationic group, by a known method are preferred.
Examples of the cationic monomer include an acid neutralized product of a monomer having an amino group, or a quaternary ammonium salt obtained by quaternizing the monomer with a quaternizing agent.
As a specific example of the cationic monomer, a (meth) acrylate having a dialkylamino group or a trialkylammonium group is more preferable, and a (meth) acrylate having a dialkylamino group or a trialkylammonium group is most preferable.
In the present specification, (meth) acrylate means acrylate, methacrylate, or both.

カチオン性ポリマーは、前記カチオン性モノマー由来の構成単位を含有するが、カチオン性モノマー構成単位以外に、疎水性モノマー、特にはアルキル(メタ)アクリレート、芳香環含有モノマー等の疎水性モノマーに由来する構成単位を含有することがより好ましい。その好適例としては、炭素数1〜30、好ましくは炭素数3〜22、より好ましくは炭素数3〜18のアルキル基を有するアルキル(メタ)アクリレート、スチレンもしくは2−メチルスチレン等のスチレン系モノマー、ベンジル(メタ)アクリレート等の(メタ)アクリル酸のアリールエステル、炭素数6〜22の芳香族基含有ビニルモノマー、又は酢酸ビニル等が挙げられる。これらの中ではアルキル(メタ)アクリレート、スチレンが最も好ましい。   The cationic polymer contains a structural unit derived from the cationic monomer, but in addition to the cationic monomer structural unit, the cationic polymer is derived from a hydrophobic monomer such as an alkyl (meth) acrylate or an aromatic ring-containing monomer. It is more preferable to contain a structural unit. Preferable examples thereof include styrenic monomers such as alkyl (meth) acrylate, styrene or 2-methylstyrene having an alkyl group having 1 to 30 carbon atoms, preferably 3 to 22 carbon atoms, more preferably 3 to 18 carbon atoms. , Aryl esters of (meth) acrylic acid such as benzyl (meth) acrylate, aromatic group-containing vinyl monomers having 6 to 22 carbon atoms, or vinyl acetate. Of these, alkyl (meth) acrylate and styrene are most preferred.

なお、疎水性モノマーとは、水に対する溶解性が低く、水と分相を形成する重合性の有機化合物を意味する。疎水性モノマーは、LogP値が0以上、好ましくは0.5以上、また25以下の化合物が挙げられる。ここで、LogPとは、化学物質の1−オクタノール/水の分配係数の対数値を意味し、SRC's LOGKOW / KOWWIN Programにより、フラグメントアプローチで計算された数値をいう。具体的には、化学物質の化学構造を、その構成要素に分解し、各フラグメントの有する疎水性フラグメント定数を積算して求められる(Meylan, W.M. and P.H. Howard. 1995. Atom/fragment contribution method for estimating octanol-water partition coefficients. J. Pharm. Sci. 84: 83-92参照)。
カチオン性ポリマーを構成するカチオン性モノマー構成単位は少量でよく、カチオン性ポリマーを構成する殆どが疎水性モノマー由来の構成単位によって構成されていてもよい。カチオン性ポリマーに占めるカチオン性モノマー構成単位と疎水性モノマー由来の構成単位の合計量は、70〜100質量%、より好ましくは80〜100質量%、特に好ましくは95〜100質量%である。特に〔(カチオン性モノマー由来の構成単位)/(疎水性モノマー由来の構成単位)〕の重量比は、粒子形成性の観点から、好ましくは0.001〜0.5、より好ましくは0.002〜0.3、特に好ましくは0.003〜0.1である。
The hydrophobic monomer means a polymerizable organic compound that has low solubility in water and forms a phase separation with water. Examples of the hydrophobic monomer include compounds having a LogP value of 0 or more, preferably 0.5 or more, and 25 or less. Here, LogP means a logarithmic value of a 1-octanol / water partition coefficient of a chemical substance, and is a numerical value calculated by a fragment approach by SRC's LOGKOW / KOWWIN Program. Specifically, the chemical structure of a chemical substance is decomposed into its constituent components, and the hydrophobic fragment constants of each fragment are integrated (Meylan, WM and PH Howard. 1995. Atom / fragment contribution method for octanol-water partition coefficients. See J. Pharm. Sci. 84: 83-92).
The cationic monomer constituting unit constituting the cationic polymer may be a small amount, and most constituting the cationic polymer may be constituted by a constituent unit derived from the hydrophobic monomer. The total amount of the cationic monomer constituent unit and the constituent unit derived from the hydrophobic monomer in the cationic polymer is 70 to 100% by mass, more preferably 80 to 100% by mass, and particularly preferably 95 to 100% by mass. In particular, the weight ratio of [(constituent unit derived from cationic monomer) / (constituent unit derived from hydrophobic monomer)] is preferably 0.001 to 0.5, more preferably 0.002 from the viewpoint of particle formation. It is -0.3, Most preferably, it is 0.003-0.1.

[ノニオン性ポリマー]
ノニオン性ポリマーは、水溶液中で荷電を有しないポリマーを意味する。ノニオン性ポリマーは、荷電を有しないモノマーすなわちノニオン性モノマーを由来とするポリマーであり、公知の乳化重合法、無乳化剤重合法等によりノニオン性モノマーを重合して得ることができる。
ノニオン性モノマーとしては、カチオン性ポリマーの説明で挙げた疎水性モノマー(段落〔0017〕)を挙げることができる。その好適例としては、炭素数1〜30、好ましくは炭素数3〜22、より好ましくは炭素数3〜18のアルキル基を有するアルキル(メタ)アクリレート、酢酸ビニル、及びスチレンから選ばれる一種以上が挙げられる。
ノニオン性ポリマーの具体例としては、ポリスチレン、エチルアクリレート・エチルメタクリレート共重合体、エチルアクリレート・メチルメタクリレート共重合体、オクチルアクリレート・スチレン共重合体、ブチルアクリレート・酢酸ビニル共重合体、メチルメタクリレート・ブチルアクリレート・オクチルアクリレート共重合体、酢酸ビニル・スチレン共重合体、ビニルピロリドン・スチレン共重合体、ブチルアクリレート、ポリスチレンアクリル酸樹脂等が挙げられる。
[Nonionic polymer]
Nonionic polymer means a polymer that has no charge in aqueous solution. The nonionic polymer is a polymer derived from a monomer having no charge, that is, a nonionic monomer, and can be obtained by polymerizing a nonionic monomer by a known emulsion polymerization method, non-emulsifier polymerization method or the like.
Nonionic monomers include the hydrophobic monomers (paragraph [0017]) mentioned in the description of the cationic polymer. Preferable examples thereof include one or more selected from alkyl (meth) acrylates having an alkyl group having 1 to 30 carbon atoms, preferably 3 to 22 carbon atoms, more preferably 3 to 18 carbon atoms, vinyl acetate, and styrene. Can be mentioned.
Specific examples of nonionic polymers include polystyrene, ethyl acrylate / ethyl methacrylate copolymer, ethyl acrylate / methyl methacrylate copolymer, octyl acrylate / styrene copolymer, butyl acrylate / vinyl acetate copolymer, methyl methacrylate / butyl. Examples thereof include acrylate / octyl acrylate copolymers, vinyl acetate / styrene copolymers, vinyl pyrrolidone / styrene copolymers, butyl acrylate, and polystyrene acrylate resins.

カチオン性ポリマー、ノニオン性ポリマー及び両性ポリマーの中では、カチオン性ポリマー及びノニオン性ポリマーが好ましく、中空シリカ粒子(A)の形成し易さの観点から、カチオン性ポリマーがより好ましい。
ポリマーは中空シリカ粒子(A)の製造上、実質的に水に溶解しないものが用いられ、そのために疎水性モノマーの重合比率を高める方法、架橋する方法等を採用できる。
かかるポリマーの好適例として、アルキル(メタ)アクリレート及びスチレンから選ばれる疎水性モノマーとカチオン性基を有する(メタ)アクリレートとのコポリマー、並びにアルキル(メタ)アクリレート及びスチレンから選ばれる一種以上の疎水性モノマーからなるノニオン性ポリマーを挙げることができる。
上記のポリマーは、単独で又は2種類以上を混合して用いることができる。
ポリマー粒子の形状、形態は特に制限はなく、複合シリカ粒子の使用目的に応じて、粒子の大きさを変えたり、真球状、卵状等に形成することができる。ポリマー粒子の大きさや粒径分布を変えることで、中空シリカ粒子(A)の粒径や中空部分の大きさを適宜調製することができる。
Among the cationic polymer, the nonionic polymer and the amphoteric polymer, the cationic polymer and the nonionic polymer are preferable, and the cationic polymer is more preferable from the viewpoint of easy formation of the hollow silica particles (A).
For the production of the hollow silica particles (A), a polymer that does not substantially dissolve in water is used. For this purpose, a method for increasing the polymerization ratio of a hydrophobic monomer, a method for crosslinking, and the like can be employed.
Preferred examples of such a polymer include a copolymer of a hydrophobic monomer selected from alkyl (meth) acrylate and styrene and a (meth) acrylate having a cationic group, and one or more hydrophobic properties selected from alkyl (meth) acrylate and styrene. Mention may be made of nonionic polymers composed of monomers.
Said polymer can be used individually or in mixture of 2 or more types.
The shape and form of the polymer particles are not particularly limited, and the size of the particles can be changed or the particles can be formed into a true spherical shape, an egg shape, or the like according to the purpose of use of the composite silica particles. By changing the size and particle size distribution of the polymer particles, the particle size of the hollow silica particles (A) and the size of the hollow part can be appropriately adjusted.

[疎水性有機化合物(a−2)]
本発明において、疎水性有機化合物(a−2)とは、水に対する溶解性が低く、水と分相を形成する化合物を意味する。好ましくは、前記の第四級アンモニウム塩の存在下で分散可能な化合物である。このような疎水性有機化合物としては、LogP値が1以上、好ましくは2〜25の化合物が挙げられる。
(c)疎水性有機化合物としては、例えば、炭化水素化合物、エステル化合物、炭素数6〜22の脂肪酸、炭素数6〜22のアルコール及びシリコーンオイル等の油剤や、香料、農薬、医薬等の各種基材等を挙げることができる。
疎水性有機化合物を用いる場合、中空シリカ粒子(A)の粒径や中空部分の大きさは、疎水性有機化合物の液滴の大きさに影響されるので、疎水性有機化合物の融点、反応温度、攪拌速度、使用する界面活性剤等により適宜調整することができる。
[Hydrophobic organic compound (a-2)]
In the present invention, the hydrophobic organic compound (a-2) means a compound that has low solubility in water and forms a phase separation with water. Preferably, the compound is dispersible in the presence of the quaternary ammonium salt. Examples of such hydrophobic organic compounds include compounds having a LogP value of 1 or more, preferably 2 to 25.
(C) Examples of the hydrophobic organic compound include oils such as hydrocarbon compounds, ester compounds, fatty acids having 6 to 22 carbon atoms, alcohols having 6 to 22 carbon atoms, and silicone oils, and various kinds such as fragrances, agricultural chemicals, and pharmaceuticals. A base material etc. can be mentioned.
When a hydrophobic organic compound is used, the particle size of the hollow silica particles (A) and the size of the hollow part are affected by the size of the droplets of the hydrophobic organic compound, so the melting point and reaction temperature of the hydrophobic organic compound , And can be appropriately adjusted depending on the stirring speed, the surfactant used, and the like.

[第四級アンモニウム塩(b)]
第四級アンモニウム塩(b)は、メソ細孔の形成とポリマー粒子(a−1)又は疎水性有機化合物(a−2)の分散のために用いられる。
前記一般式(1)及び(2)におけるR1及びR2は、炭素数4〜22、好ましくは炭素数6〜18、更に好ましくは炭素数8〜16の直鎖状又は分岐状のアルキル基である。炭素数4〜22のアルキル基としては、各種ブチル基、各種ペンチル基、各種ヘキシル基、各種ヘプチル基、各種オクチル基、各種ノニル基、各種デシル基、各種ドデシル基、各種テトラデシル基、各種ヘキサデシル基、各種オクタデシル基、各種エイコシル基等が挙げられる。
一般式(1)及び(2)におけるXは、高い結晶性を得るという観点から、好ましくはハロゲンイオン、水酸化物イオン、硝酸化物イオン、硫酸化物イオン等の1価陰イオンから選ばれる1種以上である。Xとしては、より好ましくはハロゲンイオンであり、更に好ましくは塩素イオン又は臭素イオンであり、特に好ましくは臭素イオンである。
[Quaternary ammonium salt (b)]
The quaternary ammonium salt (b) is used for forming mesopores and dispersing the polymer particles (a-1) or the hydrophobic organic compound (a-2).
R 1 and R 2 in the general formulas (1) and (2) are linear or branched alkyl groups having 4 to 22 carbon atoms, preferably 6 to 18 carbon atoms, and more preferably 8 to 16 carbon atoms. It is. Examples of the alkyl group having 4 to 22 carbon atoms include various butyl groups, various pentyl groups, various hexyl groups, various heptyl groups, various octyl groups, various nonyl groups, various decyl groups, various dodecyl groups, various tetradecyl groups, and various hexadecyl groups. , Various octadecyl groups, various eicosyl groups, and the like.
X in the general formulas (1) and (2) is preferably one selected from monovalent anions such as halogen ions, hydroxide ions, nitrate ions, and sulfate ions from the viewpoint of obtaining high crystallinity. That's it. X is more preferably a halogen ion, still more preferably a chlorine ion or a bromine ion, and particularly preferably a bromine ion.

一般式(1)で表されるアルキルトリメチルアンモニウム塩としては、ブチルトリメチルアンモニウムクロリド、ヘキシルトリメチルアンモニウムクロリド、オクチルトリメチルアンモニウムクロリド、デシルトリメチルアンモニウムクロリド、ドデシルトリメチルアンモニウムクロリド、テトラデシルトリメチルアンモニウムクロリド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロリド、ステアリルトリメチルアンモニウムクロリド、ブチルトリメチルアンモニウムブロミド、ヘキシルトリメチルアンモニウムブロミド、オクチルトリメチルアンモニウムブロミド、デシルトリメチルアンモニウムブロミド、ドデシルトリメチルアンモニウムブロミド、テトラデシルトリメチルアンモニウムブロミド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド、ステアリルトリメチルアンモニウムブロミド等が挙げられる。
一般式(2)で表されるジアルキルジメチルアンモニウム塩としては、ジブチルジメチルアンモニウムクロリド、ジヘキシルジメチルアンモニウムクロリド、ジオクチルジメチルアンモニウムクロリド、ジヘキシルジメチルアンモニウムブロミド、ジオクチルジメチルアンモニウムブロミド、ジドデシルジメチルアンモニウムブロミド、ジテトラデシルジメチルアンモニウムブロミド等が挙げられる。
これらの第四級アンモニウム塩(b)の中では、規則的なメソ細孔を形成させる観点から、特に一般式(1)で表されるアルキルトリメチルアンモニウム塩が好ましく、アルキルトリメチルアンモニウムブロミド又はアルキルトリメチルアンモニウムクロリドがより好ましく、ドデシルトリメチルアンモニウムブロミド又はドデシルトリメチルアンモニウムクロリドが特に好ましい。
Examples of the alkyltrimethylammonium salt represented by the general formula (1) include butyltrimethylammonium chloride, hexyltrimethylammonium chloride, octyltrimethylammonium chloride, decyltrimethylammonium chloride, dodecyltrimethylammonium chloride, tetradecyltrimethylammonium chloride, hexadecyltrimethyl Ammonium chloride, stearyltrimethylammonium chloride, butyltrimethylammonium bromide, hexyltrimethylammonium bromide, octyltrimethylammonium bromide, decyltrimethylammonium bromide, dodecyltrimethylammonium bromide, tetradecyltrimethylammonium bromide, hexadecyltrimethylammonium bromide Bromide, stearyl trimethyl ammonium bromide, and the like.
Examples of the dialkyldimethylammonium salt represented by the general formula (2) include dibutyldimethylammonium chloride, dihexyldimethylammonium chloride, dioctyldimethylammonium chloride, dihexyldimethylammonium bromide, dioctyldimethylammonium bromide, didodecyldimethylammonium bromide, ditetradecyl. Examples thereof include dimethylammonium bromide.
Among these quaternary ammonium salts (b), from the viewpoint of forming regular mesopores, alkyltrimethylammonium salts represented by the general formula (1) are particularly preferred, and alkyltrimethylammonium bromide or alkyltrimethyl Ammonium chloride is more preferred, and dodecyltrimethylammonium bromide or dodecyltrimethylammonium chloride is particularly preferred.

[シリカ源(c)]
シリカ源(c)は、アルコキシシラン等の加水分解によりシラノール化合物を生成するものであり、下記一般式(3)〜(7)で示される化合物を挙げることができる。
SiY4 (3)
3SiY3 (4)
3 2SiY2 (5)
3 3SiY (6)
3Si−R4−SiY3 (7)
(式中、R3はそれぞれ独立して、ケイ素原子に直接炭素原子が結合している有機基を示し、R4は炭素原子を1〜4個有する炭化水素基又はフェニレン基を示し、Yは加水分解によりヒドロキシ基になる1価の加水分解性基を示す。)
より好ましくは、一般式(3)〜(7)において、R3がそれぞれ独立して、水素原子の一部がフッ素原子に置換していてもよい炭素数1〜22の炭化水素基であり、具体的には炭素数1〜22、好ましくは炭素数4〜18、より好ましくは炭素数6〜18、特に好ましくは炭素数8〜16のアルキル基、フェニル基、又はベンジル基であり、R4が炭素数1〜4のアルカンジイル基(メチレン基、エチレン基、トリメチレン基、プロパン−1,2−ジイル基、テトラメチレン基等)又はフェニレン基であり、Yが炭素数1〜22、より好ましくは炭素数1〜8、特に好ましくは炭素数1〜4のアルコキシ基、又はフッ素を除くハロゲン基である。
[Silica source (c)]
A silica source (c) produces | generates a silanol compound by hydrolysis of alkoxysilane etc., and can mention the compound shown by following General formula (3)-(7).
SiY 4 (3)
R 3 SiY 3 (4)
R 3 2 SiY 2 (5)
R 3 3 SiY (6)
Y 3 Si—R 4 —SiY 3 (7)
(In the formula, each R 3 independently represents an organic group in which a carbon atom is directly bonded to a silicon atom, R 4 represents a hydrocarbon group or a phenylene group having 1 to 4 carbon atoms, and Y represents A monovalent hydrolyzable group that becomes a hydroxy group by hydrolysis.)
More preferably, in the general formulas (3) to (7), each R 3 is independently a hydrocarbon group having 1 to 22 carbon atoms in which a part of hydrogen atoms may be substituted with fluorine atoms, Specifically, it is an alkyl group, a phenyl group, or a benzyl group having 1 to 22 carbon atoms, preferably 4 to 18 carbon atoms, more preferably 6 to 18 carbon atoms, and particularly preferably 8 to 16 carbon atoms, and R 4 Is an alkanediyl group having 1 to 4 carbon atoms (methylene group, ethylene group, trimethylene group, propane-1,2-diyl group, tetramethylene group, etc.) or phenylene group, and Y is more preferably 1 to 22 carbon atoms. Is a C1-C8, particularly preferably C1-C4 alkoxy group or a halogen group excluding fluorine.

シリカ源(c)の好適例としては、次の化合物が挙げられる。
・一般式(3)において、Yが炭素数1〜3のアルコキシ基であるか、又はフッ素を除くハロゲン基であるシラン化合物。
・一般式(4)又は(5)において、Yが炭素数1〜3のアルコキシ基であるか、又はフッ素を除くハロゲン基であり、R3がフェニル基、ベンジル基、又は水素原子の一部がフッ素原子に置換されている炭素数1〜20、好ましくは炭素数1〜10、より好ましくは炭素数1〜5の炭化水素基であるトリアルコキシシラン又はジアルコキシシラン。
一般式(6)において、Yが炭素数1〜3のアルコキシ基であるか、又はフッ素を除くハロゲン基であり、R3がフェニル基、ベンジル基、又は水素原子の一部がフッ素原子に置換されている炭素数1〜20、好ましくは炭素数1〜10、より好ましくは炭素数1〜5の炭化水素基であるモノアルコキシシラン。
・一般式(7)において、Yがメトキシ基であって、R4がメチレン基、エチレン基又はフェニレン基である化合物。
これらの中では、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、1,1,1−トリフルオロプロピルトリエトキシシランが特に好ましい。
Preferable examples of the silica source (c) include the following compounds.
-The silane compound in which Y is a C1-C3 alkoxy group or a halogen group except a fluorine in General formula (3).
In general formula (4) or (5), Y is an alkoxy group having 1 to 3 carbon atoms or a halogen group excluding fluorine, and R 3 is a phenyl group, a benzyl group, or a part of a hydrogen atom Is a trialkoxysilane or dialkoxysilane, which is a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms, preferably 1 to 10 carbon atoms, more preferably 1 to 5 carbon atoms, substituted with a fluorine atom.
In General Formula (6), Y is an alkoxy group having 1 to 3 carbon atoms or a halogen group excluding fluorine, and R 3 is a phenyl group, a benzyl group, or a hydrogen atom partially substituted with a fluorine atom. Monoalkoxysilane which is a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms, preferably 1 to 10 carbon atoms, more preferably 1 to 5 carbon atoms.
A compound in which Y is a methoxy group and R 4 is a methylene group, an ethylene group or a phenylene group in the general formula (7).
Among these, tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, phenyltriethoxysilane, and 1,1,1-trifluoropropyltriethoxysilane are particularly preferable.

工程Aにおける水溶液中のポリマー粒子(a−1)又は疎水性有機化合物(a−2)(以下、両者を総称して「(a)成分」ともいう)、第四級アンモニウム塩(b)、及びシリカ源(c)の含有量は次のとおりである。
(a−1)成分の含有量は、好ましくは0.1〜50グラム/L、より好ましくは0.3〜40グラム/L、特に好ましくは0.5〜30グラム/Lである。
(a−2)成分の含有量は、0.1〜100ミリモル/L、より好ましくは1〜100ミリモル/L、特に好ましくは5〜80ミリモル/Lである。
(b)成分の含有量は、好ましくは0.1〜100ミリモル/L、より好ましくは1〜100ミリモル/L、特に好ましくは5〜80ミリモル/Lであり、(c)成分の含有量は、好ましくは0.1〜100ミリモル/L、より好ましくは1〜100ミリモル/L、特に好ましくは5〜80ミリモル/Lである。
(a)〜(c)成分を含有させる順序は特に制限はない。例えば、(i)水溶液を撹拌しながら(a)成分の懸濁液、(b)成分、(c)成分の順に投入する、(ii)水溶液を撹拌しながら(a)成分の懸濁液、(b)成分、(c)成分を同時に投入する、(iii)(a)成分の懸濁液、(b)成分、(c)成分の投入後に撹拌する、等の方法を採用することができるが、これらの中では(i)の方法が好ましい。
(a)〜(c)成分を含有する水溶液には、プロトコア−シェル粒子の形成を阻害しない限り、その他の成分として、メタノール等の有機化合物や、無機化合物等の他の成分を添加してもよく、前記のように、シリカや有機基以外の他の元素を担持したい場合は、それらの金属を含有するアルコキシ塩やハロゲン化塩等の金属原料を製造時又は製造後に添加することもできる。
Polymer particles (a-1) or hydrophobic organic compound (a-2) in the aqueous solution in step A (hereinafter, both are also collectively referred to as “component (a)”), quaternary ammonium salt (b), And the content of the silica source (c) is as follows.
The content of the component (a-1) is preferably 0.1 to 50 g / L, more preferably 0.3 to 40 g / L, and particularly preferably 0.5 to 30 g / L.
The content of the component (a-2) is 0.1 to 100 mmol / L, more preferably 1 to 100 mmol / L, and particularly preferably 5 to 80 mmol / L.
The content of component (b) is preferably 0.1 to 100 mmol / L, more preferably 1 to 100 mmol / L, particularly preferably 5 to 80 mmol / L, and the content of component (c) is And preferably 0.1 to 100 mmol / L, more preferably 1 to 100 mmol / L, and particularly preferably 5 to 80 mmol / L.
There is no restriction | limiting in particular in the order which contains (a)-(c) component. For example, (i) the suspension of the component (a), the component (b) and the component (c) are added in this order while stirring the aqueous solution, (ii) the suspension of the component (a) while stirring the aqueous solution, (B) Component and (c) component can be added simultaneously, (iii) Suspension of (a) component, (b) Component, (c) Stirring after addition of component, etc. can be employed. However, among these, the method (i) is preferable.
The aqueous solution containing the components (a) to (c) may contain other components such as an organic compound such as methanol and an inorganic compound as long as the formation of protocore-shell particles is not inhibited. As described above, when it is desired to carry other elements other than silica and organic groups, metal raw materials such as alkoxy salts and halide salts containing these metals can be added during or after production.

[工程B]
工程Bはプロトコアシェル型シリカ粒子の水分散液を調製する工程である。工程Aで得られる水溶液を10〜100℃、好ましくは10〜80℃の温度で所定時間撹拌した後、静置することで、ポリマー粒子(a−1)又は疎水性有機化合物(a−2)の表面に、第四級アンモニウム塩(b)とシリカ源(c)によりメソ細孔が形成され、内部にポリマー粒子(a−1)又は疎水性有機化合物(a−2)を包含したプロトコアシェル型シリカ粒子を析出させることができる。撹拌処理時間は温度によって異なるが、通常10〜80℃で0.1〜24時間でプロトコアシェル型シリカ粒子が形成される。なお、この時点で得られるプロトコアシェル型シリカ粒子のメソ細孔には製造の際に用いた界面活性剤が詰った状態にある。
得られたプロトコアシェル型シリカ粒子は、水中に懸濁した状態で得られる。用途によってはこれをそのまま使用することもできるが、好ましくはプロトコアシェル型シリカ粒子を分離して使用する。分離方法としは、ろ過法、遠心分離法等を採用することができる。
工程Bで得られたプロトコアシェル型シリカ粒子に陽イオン界面活性剤等を含む場合は、酸性溶液と1回又は複数回接触させることにより陽イオン界面活性剤等を除去することができる。用いる酸性溶液としては、塩酸、硝酸、硫酸等の無機酸;酢酸、クエン酸等の有機酸;陽イオン交換樹脂等を水やエタノール等に加えた液が挙げられるが、塩酸が特に好ましい。pHは通常1.5〜5.0に調整される。
上記の方法により細孔から界面活性剤が除去された粒子は、メソ細孔構造を表面に有し、BET比表面積の高い、ポリマー粒子(a−1)又は疎水性有機化合物(a−2)を包含するプロトコアシェル型シリカ粒子である。
[Step B]
Step B is a step of preparing an aqueous dispersion of protocore-shell type silica particles. The aqueous solution obtained in Step A is stirred for a predetermined time at a temperature of 10 to 100 ° C., preferably 10 to 80 ° C., and then allowed to stand to leave the polymer particles (a-1) or the hydrophobic organic compound (a-2). A protocore shell in which mesopores are formed on the surface of quaternary ammonium salt (b) and silica source (c), and polymer particles (a-1) or hydrophobic organic compound (a-2) are included inside Type silica particles can be deposited. Although the stirring treatment time varies depending on the temperature, protocore-shell type silica particles are usually formed at 10 to 80 ° C. for 0.1 to 24 hours. The mesopores of the protocore-shell type silica particles obtained at this time are in a state where the surfactant used in the production is clogged.
The obtained protocore-shell type silica particles are obtained in a state suspended in water. Depending on the application, it can be used as it is, but preferably the protocore-shell type silica particles are used separately. As a separation method, a filtration method, a centrifugal separation method, or the like can be employed.
When the protocore-shell type silica particles obtained in step B contain a cationic surfactant or the like, the cationic surfactant or the like can be removed by contacting the acidic solution once or a plurality of times. Examples of the acidic solution to be used include inorganic acids such as hydrochloric acid, nitric acid and sulfuric acid; organic acids such as acetic acid and citric acid; liquids obtained by adding a cation exchange resin or the like to water or ethanol. Hydrochloric acid is particularly preferable. The pH is usually adjusted to 1.5 to 5.0.
The particles from which the surfactant has been removed from the pores by the above method have a mesopore structure on the surface, and have a high BET specific surface area. Polymer particles (a-1) or hydrophobic organic compounds (a-2) Is a proto-core-shell type silica particle.

[工程C、D]
工程Cは、工程Bで得られた水分散液からコアシェル型シリカ粒子(B)を分離する工程であり、工程Dは、工程Cで得られたコアシェル型シリカ粒子(B)を焼成して、中空シリカ粒子(A)を得る工程である。
工程Cでは、水分散液からコアシェル型シリカ粒子(B)を分離し、必要に応じて、酸性水溶液と接触、水洗、乾燥することができる。また、高温で処理した後、工程Dでは、電気炉等で好ましくは350〜800℃、より好ましくは450〜700℃で、1〜10時間焼成し、内部のポリマー(a−1)又は疎水性有機化合物(a−2)を除去する。得られる中空シリカ粒子(A)は、その外殻部の基本構成は変わらないが、内部のポリマー(a−1)又は疎水性有機化合物(a−2)は焼成により除去されている。
本発明においては、ポリマー(a−1)又は疎水性有機化合物(a−2)を包含するコアシェル型シリカ粒子を焼成するため、特に内包されるポリマー粒子(a−1)の形状、形態を所望の状態に予め制御しておくことにより、所望の形状、形態を有する中空シリカ粒子(A)を容易に製造することができる。例えば、内部に真球状のポリマーを有するコアシェル型シリカ粒子を焼成することにより、内部中空及び外形が真球状の中空シリカ粒子(A)を製造することができる。
[Steps C and D]
Step C is a step of separating the core-shell type silica particles (B) from the aqueous dispersion obtained in Step B. Step D is a step of firing the core-shell type silica particles (B) obtained in Step C. This is a step of obtaining hollow silica particles (A).
In step C, the core-shell type silica particles (B) can be separated from the aqueous dispersion, and contacted with an acidic aqueous solution, washed with water, and dried as necessary. Moreover, after processing at high temperature, in process D, it is preferably fired in an electric furnace or the like at 350 to 800 ° C., more preferably at 450 to 700 ° C. for 1 to 10 hours, and the inner polymer (a-1) or hydrophobic The organic compound (a-2) is removed. Although the basic structure of the outer shell part of the obtained hollow silica particles (A) is not changed, the inner polymer (a-1) or the hydrophobic organic compound (a-2) is removed by calcination.
In the present invention, since the core-shell type silica particles containing the polymer (a-1) or the hydrophobic organic compound (a-2) are fired, the shape and form of the polymer particles (a-1) to be included are particularly desired. By controlling in advance to the state, hollow silica particles (A) having a desired shape and form can be easily produced. For example, by firing core-shell type silica particles having a true spherical polymer inside, hollow silica particles (A) having an internal hollow shape and a true spherical shape can be produced.

上記のようにして得られた中空シリカ粒子(A)とコアシェル型シリカ粒子(B)のうち、粉末X線回折測定において、面間隔(d)が1nm〜12nmの範囲に相当する回折角(2θ)にピークを示すものが好ましい。
工程(I)で得られる中空シリカ粒子(A)のメソ細孔構造の平均細孔径は、好ましくは1〜8nm、より好ましくは1〜5nmであり、該メソ細孔径は、中空シリカ粒子(A)の70質量%以上、好ましくは75質量%以上、より好ましくは80質量%以上が平均細孔径の±30質量%以内に入ることが望ましい。
また、中空シリカ粒子(A)のBET比表面積は、好ましくは100〜1500m2/g、より好ましくは200〜1500m2/g、更に好ましくは300〜1500m2/gである。
中空シリカ粒子(A)の平均粒子径は、好ましくは0.05〜2μm、より好ましくは0.05〜1.5μm、更に好ましくは0.1〜1.2μmである。中空シリカ粒子は、好ましくは一次粒子全体の80%以上、より好ましくは85%以上、更に好ましくは90%以上、特に好ましくは95%以上が平均粒子径±30%以内の一次粒子径を有しており、非常に揃った粒子径の粒子群から構成されていることが望ましい。
外殻部(メソポーラスシリカ部)の平均厚みは、中空シリカ粒子が担体としての強度を維持できる範囲で薄い方が好ましく、中空部の平均直径(平均容積)は、内包物を多く保持する観点から大きい方が好ましい。これらの観点から、外殻部の平均厚みは、通常0.5〜500nm、好ましくは2〜400nm、より好ましくは3〜300nmである。
また、〔外殻部の平均厚み/中空シリカ粒子の平均粒子径〕の比は、通常0.01〜0.9、好ましくは0.05〜0.8、より好ましくは0.1〜0.7である。
中空シリカ粒子(A)の平均粒子径、平均外殻厚み、BET比表面積、平均細孔径、及び粉末X線回折(XRD)パターンの測定は、実施例記載の方法により行うことができる。
Of the hollow silica particles (A) and the core-shell type silica particles (B) obtained as described above, in the powder X-ray diffraction measurement, the diffraction angle (2θ corresponding to the range of the surface spacing (d) of 1 nm to 12 nm. ) Is preferred.
The average pore diameter of the mesopore structure of the hollow silica particles (A) obtained in the step (I) is preferably 1 to 8 nm, more preferably 1 to 5 nm, and the mesopore diameter is determined by the hollow silica particles (A 70 mass% or more, preferably 75 mass% or more, more preferably 80 mass% or more of the average pore diameter is within ± 30 mass%.
The BET specific surface area of the hollow silica particles (A) is preferably 100 to 1500 m 2 / g, more preferably 200 to 1500 m 2 / g, and still more preferably 300 to 1500 m 2 / g.
The average particle diameter of the hollow silica particles (A) is preferably 0.05 to 2 μm, more preferably 0.05 to 1.5 μm, still more preferably 0.1 to 1.2 μm. The hollow silica particles preferably have a primary particle size of 80% or more of the total primary particles, more preferably 85% or more, still more preferably 90% or more, and particularly preferably 95% or more within an average particle size of ± 30%. It is desirable that it is composed of a group of particles having a very uniform particle size.
The average thickness of the outer shell part (mesoporous silica part) is preferably as thin as the hollow silica particles can maintain the strength as a carrier, and the average diameter (average volume) of the hollow part is from the viewpoint of retaining a large amount of inclusions. Larger is preferable. From these viewpoints, the average thickness of the outer shell is usually 0.5 to 500 nm, preferably 2 to 400 nm, more preferably 3 to 300 nm.
The ratio of [average thickness of outer shell portion / average particle diameter of hollow silica particles] is usually 0.01 to 0.9, preferably 0.05 to 0.8, more preferably 0.1 to 0. 7.
The average particle diameter, average outer shell thickness, BET specific surface area, average pore diameter, and powder X-ray diffraction (XRD) pattern of the hollow silica particles (A) can be measured by the methods described in the examples.

工程(II)
工程(II)は、工程(I)で得られた中空シリカ粒子(A)又はシリカ粒子(B)を950℃を超える温度で焼成する工程である。
焼成温度は、細孔を適度に焼き締め、平均粒子径を0.05〜1μm、粒子全体の80質量%以上を平均粒子径±30%以内にし、かつBET比表面積を30m2/g未満にする観点から、好ましくは960℃〜1500℃であり、より好ましくは970〜1300℃であり、更に好ましくは980〜1200℃である。
焼成は電気炉等を用いて行うことができ、焼成時間は、焼成温度等により異なるが、通常0.5〜10時間、好ましくは1〜6時間である。
本発明においては、工程(I)で中空シリカ粒子(A)を一旦製造し、これを工程(II)で950℃を超える温度で焼成することにより、工程(I)で得られた中空シリカ粒子(A)の基本構成を変えないで、平均粒子径とBET比表面積を小さくした中空シリカ粒子を得ることができる。また工程(I)で得られたシリカ粒子(B)を直接950℃を超える温度で焼成して本発明の中空シリカ粒子を得てもよい。本発明では一旦中空シリカ粒子(A)を製造した後、更に焼成してBET比表面積の小さくした中空シリカ粒子を得る方法がより好ましい。
Process (II)
Step (II) is a step of firing the hollow silica particles (A) or silica particles (B) obtained in step (I) at a temperature exceeding 950 ° C.
The firing temperature is such that the pores are appropriately baked, the average particle size is 0.05 to 1 μm, 80% by mass or more of the whole particles is within the average particle size ± 30%, and the BET specific surface area is less than 30 m 2 / g. From this viewpoint, the temperature is preferably 960 ° C to 1500 ° C, more preferably 970 to 1300 ° C, and still more preferably 980 to 1200 ° C.
Firing can be performed using an electric furnace or the like, and the firing time varies depending on the firing temperature and the like, but is usually 0.5 to 10 hours, preferably 1 to 6 hours.
In the present invention, the hollow silica particles (A) are produced once in the step (I), and then fired at a temperature exceeding 950 ° C. in the step (II) to obtain the hollow silica particles obtained in the step (I). Without changing the basic structure of (A), hollow silica particles having a reduced average particle diameter and BET specific surface area can be obtained. Alternatively, the silica particles (B) obtained in the step (I) may be directly fired at a temperature exceeding 950 ° C. to obtain the hollow silica particles of the present invention. In the present invention, it is more preferable to obtain hollow silica particles having a small BET specific surface area by once producing the hollow silica particles (A) and then further firing.

製造例、実施例及び比較例で得られた中空シリカ粒子の各種測定は、以下の方法により行った。
(1)粉末X線回折(XRD)の測定
粉末X線回折装置(理学電機工業株式会社製、商品名:RINT2500VPC)を用いて、X線源:Cu-kα、管電圧:40mA、管電流:40kV、サンプリング幅:0.02°、発散スリット:1/2°、発散スリット縦:1.2mm、散乱スリット:1/2°、及び受光スリット:0.15mmの条件で粉末X線回折測定を行った。走査範囲を回折角(2θ)1〜70°、走査速度を4.0°/分とした連続スキャン法を用いた。なお、測定は、粉砕した試料をアルミニウム板に詰めて行った。
(2)粒子形状の観察
電解放射型高分解能走査型電子顕微鏡(株式会社日立製作所社製、商品名:FE−SEM S−4000)を用いて粒子形状の観察を行った。
(3)平均一次粒子径、平均中空部径、及び平均外殻部厚みの測定
透過型電子顕微鏡(TEM)(日本電子株式会社製、商品名:JEM−2100)を用いて加速電圧160kVで粒子の観察を行った。20〜30個の粒子が含まれる5視野中の全粒子の直径、中空部径、及び外殻部厚みを写真上で実測し、平均一次粒子径、平均中空部径、及び平均外殻部厚みを求めた。なお、観察は、高分解能用カーボン支持膜付きCuメッシュ(応研商事株式会社製、200−Aメッシュ)に付着させ、余分な試料をブローで除去したものを用いて行った。
(4)BET比表面積、及び平均細孔径の測定
比表面積・細孔分布測定装置(株式会社島津製作所製、商品名:ASAP2020)を用いて、液体窒素を用いた多点法でBET比表面積を測定し、パラメータCが正になる範囲で値を導出した。平均細孔径の導出にはBJH法を採用し、そのピーク値の細孔径を平均細孔径とした。試料には250℃で5時間の前処理を施した。
Various measurements of the hollow silica particles obtained in Production Examples, Examples and Comparative Examples were performed by the following methods.
(1) Measurement of powder X-ray diffraction (XRD) Using a powder X-ray diffraction apparatus (manufactured by Rigaku Denki Kogyo Co., Ltd., trade name: RINT2500VPC), X-ray source: Cu-kα, tube voltage: 40 mA, tube current: Powder X-ray diffraction measurement was performed under the conditions of 40 kV, sampling width: 0.02 °, divergence slit: 1/2 °, divergence slit length: 1.2 mm, scattering slit: 1/2 °, and light receiving slit: 0.15 mm. went. A continuous scanning method was used in which the scanning range was a diffraction angle (2θ) of 1 to 70 ° and the scanning speed was 4.0 ° / min. The measurement was performed by packing the pulverized sample in an aluminum plate.
(2) Observation of particle shape The particle shape was observed using an electrolytic emission type high resolution scanning electron microscope (manufactured by Hitachi, Ltd., trade name: FE-SEM S-4000).
(3) Measurement of average primary particle diameter, average hollow part diameter, and average outer shell part thickness Particles at an acceleration voltage of 160 kV using a transmission electron microscope (TEM) (trade name: JEM-2100, manufactured by JEOL Ltd.) Was observed. The diameter, hollow diameter, and outer shell thickness of all particles in five fields of view containing 20-30 particles were measured on a photograph, and the average primary particle diameter, average hollow diameter, and average outer shell thickness were measured. Asked. In addition, observation was performed using what attached to Cu mesh (200-A mesh by Oken Shoji Co., Ltd.) with the carbon support film for high resolution, and removed the excess sample by the blow.
(4) Measurement of BET specific surface area and average pore diameter Using a specific surface area / pore distribution measuring device (manufactured by Shimadzu Corporation, trade name: ASAP2020), the BET specific surface area is determined by a multipoint method using liquid nitrogen. Measurements were made and values were derived in the range where parameter C was positive. The BJH method was adopted to derive the average pore diameter, and the pore diameter at the peak value was defined as the average pore diameter. The sample was pretreated at 250 ° C. for 5 hours.

製造例1(中空シリカ粒子(A)及びシリカ粒子(B)の製造)
2L−セパラフルフラスコに、イオン交換水600部、メタクリル酸メチル99.5部、塩化メタクロイルオキシエチルトリメチルアンモニウム0.5部を入れ、内温70℃まで昇温させた。次いで、これに、水溶性開始剤として2,2’−アゾビス(2−アミノジプロパン)二塩酸塩(和光純薬株式会社製、商品名:V−50)0.5部をイオン交換水5部に溶かした溶液を添加し、3時間加熱撹拌(300rpm)を行った。
その後、さらに75℃で3時間加熱撹拌(300rpm)を行って冷却した後、得られた混合液から凝集物を200メッシュ(目開き約75μm)でろ過し、カチオン性ポリマー粒子の懸濁液(固形分(有効分)含有量14質量%、平均一次粒子径280nm、平均粒子径の±30%の占める割合が100質量%)を得た。
次に、10Lフラスコに、水6kg、メタノール2kg、1M水酸化ナトリウム水溶液45g、ドデシルトリメチルアンモニウムブロミド35g、及び上記で得られたカチオン性ポリマー粒子の懸濁液33gを入れて撹拌し、その水溶液に、テトラメトキシシラン34gをゆっくりと加え、5時間撹拌した後、12時間熟成させた。
次いで、得られた白色沈殿物を、孔径0.2μmのメンブランフィルターでろ過した後、10Lの水で洗浄し、100℃の温度条件で5時間乾燥し、プロトコアシェル型シリカ粒子であるシリカ粒子(B1)を得た。
得られた乾燥粉末を、焼成炉(株式会社モトヤマ製、商品名:SK−2535E)を用いて、エアーフロー(3L/min)しながら1℃/分の速度で600℃まで昇温し、600℃で2時間焼成することにより有機成分を除去し、中空シリカ粒子(A1)を得た。
この中空シリカ粒子(A1)とシリカ粒子(B1)の粉末について、粉末X線回折(XRD)測定を行った結果、中空シリカ粒子(A1)及びシリカ粒子(B1)ともに、結晶格子面間隔(d)=2.9nmの非常に強いピーク、d=1.7nm及びd=1.5nmの弱いピークにより、この中空シリカ粒子(A1)及びシリカ粒子(B1)のメソ細孔がヘキサゴナル配列を有することを確認した。d=1.0nm未満の領域にXRDピークは見られなかった。また、SEM観察により、この中空シリカ粒子(A1)及びシリカ粒子(B1)の粒子形状が球状であることを確認した。
さらに、TEM観察より、この中空シリカ粒子(A1)が中空構造を有し、平均一次粒子径が560nm、平均中空部径が280nm、平均外殻部厚みが140nmであり、外殻部がヘキサゴナル配列を示す均一なメソ細孔を有し、そのメソ細孔が粒子中心から外殻部の外側に向かって放射状に貫通していることを確認した。全ての一次粒子が平均一次粒子径±30%以内の一次粒子径を有していた。
また、この中空シリカ粒子(A1)粉末は、BET比表面積が1230m2/g、平均細孔径が1.48nmであった。
シリカ粒子(B1)はコアシェル構造を有し、平均一次粒子径が560nm、平均コア部径が280nm、平均外殻部厚みが140nmであり、外殻部がヘキサゴナル配列を示す均一なメソ細孔を有し、そのメソ細孔が粒子中心から外殻部の外側に向かって放射状に貫通していることを確認した。全ての一次粒子が平均一次粒子径±30%以内の一次粒子径を有していた。
Production Example 1 (Production of hollow silica particles (A) and silica particles (B))
In a 2 L-separafull flask, 600 parts of ion-exchanged water, 99.5 parts of methyl methacrylate and 0.5 part of methacryloyloxyethyltrimethylammonium chloride were added, and the temperature was raised to an internal temperature of 70 ° C. Next, 0.5 part of 2,2′-azobis (2-aminodipropane) dihydrochloride (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., trade name: V-50) is added to the ion-exchanged water 5 as a water-soluble initiator. The solution dissolved in the part was added and heated and stirred (300 rpm) for 3 hours.
Thereafter, the mixture is further cooled by heating and stirring (300 rpm) at 75 ° C. for 3 hours, and then the aggregate is filtered through a 200 mesh (aperture approximately 75 μm) from the obtained mixed solution to obtain a suspension of cationic polymer particles ( A solid (effective content) content of 14% by mass, an average primary particle size of 280 nm, and a proportion of ± 30% of the average particle size was 100% by mass).
Next, 6 kg of water, 2 kg of methanol, 45 g of 1M aqueous sodium hydroxide, 35 g of dodecyltrimethylammonium bromide, and 33 g of the cationic polymer particle suspension obtained above were stirred in a 10 L flask, and the aqueous solution was stirred. Then, 34 g of tetramethoxysilane was slowly added, stirred for 5 hours, and then aged for 12 hours.
Next, the obtained white precipitate was filtered through a membrane filter having a pore size of 0.2 μm, washed with 10 L of water, dried at 100 ° C. for 5 hours, and silica particles (protocore-shell type silica particles) B1) was obtained.
The obtained dry powder was heated to 600 ° C. at a rate of 1 ° C./min with an air flow (3 L / min) using a baking furnace (manufactured by Motoyama Co., Ltd., trade name: SK-2535E). The organic component was removed by baking at 2 ° C. for 2 hours to obtain hollow silica particles (A1).
As a result of performing powder X-ray diffraction (XRD) measurement on the powder of the hollow silica particles (A1) and the silica particles (B1), both of the hollow silica particles (A1) and the silica particles (B1) have a crystal lattice spacing (d ) = Very strong peak at 2.9 nm, weak peaks at d = 1.7 nm and d = 1.5 nm, the mesopores of the hollow silica particles (A1) and silica particles (B1) have a hexagonal arrangement It was confirmed. No XRD peak was observed in the region of d = 1.0 nm or less. Further, it was confirmed by SEM observation that the hollow silica particles (A1) and the silica particles (B1) had a spherical particle shape.
Further, from TEM observation, the hollow silica particles (A1) have a hollow structure, the average primary particle diameter is 560 nm, the average hollow part diameter is 280 nm, the average outer shell part thickness is 140 nm, and the outer shell part is a hexagonal array. It was confirmed that the mesopores showed a radial direction from the center of the particle toward the outside of the outer shell. All primary particles had a primary particle size within an average primary particle size of ± 30%.
Further, this hollow silica particle (A1) powder had a BET specific surface area of 1230 m 2 / g and an average pore diameter of 1.48 nm.
The silica particles (B1) have a core-shell structure, an average primary particle diameter of 560 nm, an average core part diameter of 280 nm, an average outer shell part thickness of 140 nm, and the outer shell part having uniform mesopores exhibiting a hexagonal arrangement. It was confirmed that the mesopores penetrated radially from the center of the particle toward the outside of the outer shell. All primary particles had a primary particle size within an average primary particle size of ± 30%.

実施例1
製造例1で得られた中空シリカ粒子(A1)5gを焼成皿に移し、株式会社モトヤマ製の高速昇温電気炉、商品名:SK−2535Eを用いて、空気下1000℃で2時間焼成した。
得られた中空シリカ粒子の焼成前後の物性を表1に示す。焼成後の中空シリカ粒子の平均細孔径測定においては、1nm以上にピークがないことを確認した。また粉末X線回折測定において、結晶格子面間隔(d)が1nm未満の範囲に相当する回折角(2θ)にピークがないことを確認した。
実施例2
製造法1で得られたコアシェル型シリカ粒子(B1)を用い、実施例1と同様の条件で焼成を行った。
得られた中空シリカ粒子の焼成前後の物性を表1に示す。焼成後の中空シリカ粒子の平均細孔径測定においては、1nm以上にピークがないことを確認した。また粉末X線回折測定において、結晶格子面間隔(d)が1nm未満の範囲に相当する回折角(2θ)にピークがないことを確認した。
Example 1
5 g of the hollow silica particles (A1) obtained in Production Example 1 were transferred to a baking dish, and baked at 1000 ° C. for 2 hours in air using a high-speed heating electric furnace manufactured by Motoyama Co., Ltd., product name: SK-2535E. .
Table 1 shows the physical properties of the resulting hollow silica particles before and after firing. In the measurement of the average pore diameter of the hollow silica particles after firing, it was confirmed that there was no peak at 1 nm or more. Further, in the powder X-ray diffraction measurement, it was confirmed that there was no peak in the diffraction angle (2θ) corresponding to the range where the crystal lattice spacing (d) was less than 1 nm.
Example 2
Using the core-shell type silica particles (B1) obtained by the production method 1, firing was performed under the same conditions as in Example 1.
Table 1 shows the physical properties of the resulting hollow silica particles before and after firing. In the measurement of the average pore diameter of the hollow silica particles after firing, it was confirmed that there was no peak at 1 nm or more. Further, in the powder X-ray diffraction measurement, it was confirmed that there was no peak in the diffraction angle (2θ) corresponding to the range where the crystal lattice spacing (d) was less than 1 nm.

Figure 2009203115
Figure 2009203115

本発明の中空シリカ粒子は、その内部に空気や種々の化合物や材料を内包できるため、軽量材、補強用充填材、塗料の充填材、機能性素材内包カプセル等の用途に好適に使用できる。また、本発明の方法によれば、平均粒子径及び比表面積が小さい中空シリカ粒子を効率的に製造することができる。   Since the hollow silica particles of the present invention can enclose air and various compounds and materials therein, they can be suitably used for applications such as lightweight materials, reinforcing fillers, paint fillers, and functional material-containing capsules. Moreover, according to the method of the present invention, hollow silica particles having a small average particle size and specific surface area can be efficiently produced.

Claims (6)

平均粒子径が0.05〜1μmで、粒子全体の80%以上が平均粒子径±30%以内の粒子径を有し、かつBET比表面積が30m2/g未満である中空シリカ粒子。 Hollow silica particles having an average particle size of 0.05 to 1 μm, 80% or more of the particles having a particle size within an average particle size of ± 30%, and a BET specific surface area of less than 30 m 2 / g. 粉末X線回折測定において、結晶格子面間隔(d)が1nm未満の範囲に相当する回折角(2θ)にピークを示さない、請求項1に記載の中空シリカ粒子。   The hollow silica particles according to claim 1, wherein, in powder X-ray diffraction measurement, the silica lattice spacing (d) does not show a peak at a diffraction angle (2θ) corresponding to a range of less than 1 nm. 粉末X線回折測定において、面間隔(d)が1〜12nmの範囲に相当する回折角(2θ)にピークを示す、粒子内部に空気を含有する中空シリカ粒子(A)、又は焼成により消失して中空部位を形成する材料を内包するコアシェル型シリカ粒子(B)を、950℃を超える温度で焼成する、BET比表面積が30m2/g未満の中空シリカ粒子の製造方法。 In powder X-ray diffractometry, the hollow silica particles (A) containing air inside the particles exhibiting a peak at a diffraction angle (2θ) corresponding to a surface spacing (d) in the range of 1 to 12 nm, or disappeared by firing. A method for producing hollow silica particles having a BET specific surface area of less than 30 m 2 / g, wherein the core-shell type silica particles (B) enclosing the material forming the hollow part are fired at a temperature exceeding 950 ° C. 焼成温度が960〜1500℃である、請求項3に記載の中空シリカ粒子の製造方法。   The manufacturing method of the hollow silica particle of Claim 3 whose calcination temperature is 960-1500 degreeC. コアシェル型シリカ粒子(B)が、下記工程A〜Cを含む工程から得られるものである、請求項3又は4に記載の中空シリカ粒子の製造方法。
工程A:ポリマー粒子(a−1)を0.1〜50グラム/L、又は疎水性有機化合物(a−2)を0.1〜100ミリモル/Lと、下記一般式(1)及び(2)で表される第四級アンモニウム塩から選ばれる1種以上(b)を0.1〜100ミリモル/L、及び加水分解によりシラノール化合物を生成するシリカ源(c)を0.1〜100ミリモル/L含有する水溶液を調製する工程
[R1(CH33N]+- (1)
[R12(CH32N]+- (2)
(式中、R1及びR2は、それぞれ独立に炭素数4〜22の直鎖状又は分岐状アルキル基を示し、Xは1価陰イオンを示す。)
工程B:工程Aで得られた水溶液を10〜100℃の温度で撹拌して、シリカから構成される外殻を有し、かつ核にポリマー粒子(a−1)又は疎水性有機化合物(a−2)を有するプロトコアシェル型シリカ粒子の水分散液を調製する工程
工程C:工程Bで得られた水分散液からコアシェル型シリカ粒子(B)を分離する工程
The manufacturing method of the hollow silica particle of Claim 3 or 4 with which a core-shell type silica particle (B) is obtained from the process containing following process AC.
Step A: 0.1 to 50 g / L of the polymer particles (a-1) or 0.1 to 100 mmol / L of the hydrophobic organic compound (a-2), and the following general formulas (1) and (2) And 0.1 to 100 mmol / L of one or more (b) selected from quaternary ammonium salts represented by the formula (1)) and 0.1 to 100 mmol of silica source (c) that produces a silanol compound by hydrolysis. Of preparing an aqueous solution containing / L [R 1 (CH 3 ) 3 N] + X (1)
[R 1 R 2 (CH 3 ) 2 N] + X (2)
(In the formula, R 1 and R 2 each independently represents a linear or branched alkyl group having 4 to 22 carbon atoms, and X represents a monovalent anion.)
Step B: The aqueous solution obtained in Step A is stirred at a temperature of 10 to 100 ° C., has an outer shell composed of silica, and has polymer particles (a-1) or a hydrophobic organic compound (a Step 2 for preparing an aqueous dispersion of proto-core-shell type silica particles having -2) Step C: Step for separating the core-shell type silica particles (B) from the aqueous dispersion obtained in Step B
粒子内部に空気を含有する中空シリカ粒子(A)が、コアシェル型シリカ粒子(B)を焼成して得られるものである、請求項3〜5のいずれかに記載の中空シリカ粒子の製造方法。   The method for producing hollow silica particles according to any one of claims 3 to 5, wherein the hollow silica particles (A) containing air inside the particles are obtained by firing the core-shell type silica particles (B).
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