JP2010143806A - Surface-treated silica-based particle and process of manufacturing same - Google Patents

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Hiroshi Kato
寛 加藤
Hajime Chisaka
一 千阪
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Tokuyama Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide surface-treated silica-based particles which have high hydrophobicity in spite of their nano order fine particle size and a very high dispersibility in a transparent resin. <P>SOLUTION: The particles are silica-based particles having an average particle size in the range of 1-50 nm as microscopically determined. Each of the particles are surface-treated with a hydrophobic silane coupling agent. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、表面処理シリカ系粒子及びその製造方法に関するものであり、より詳細には高い疎水性を示すように表面処理されたシリカ系粒子及びその製造方法に関する。   The present invention relates to surface-treated silica-based particles and a method for producing the same, and more particularly to silica-based particles that have been surface-treated so as to exhibit high hydrophobicity and a method for producing the same.

一般に、樹脂材料は、無機材料に比べて軽量かつ成形の自由度が大きいというメリットがあるが、その一方で、熱膨張係数が大きいとか、硬度が低いために表面が傷つき易いなどの欠点がある。このような樹脂材料の欠点を克服するために、一般に、シリカ等の無機酸化物の粒子を充填材として配合することが行われており、特に、透明な樹脂材料に配合する場合には、透明性を損なわずに、各種の機械的特性を改善するために、微細な粒径の無機酸化物粒子が使用されている。   In general, resin materials have the advantage of being lighter and more flexible in molding than inorganic materials, but on the other hand, they have disadvantages such as a large thermal expansion coefficient and a low hardness that makes the surface easily damaged. . In order to overcome the drawbacks of such resin materials, generally, particles of inorganic oxides such as silica are blended as fillers, especially when blended with transparent resin materials. In order to improve various mechanical properties without impairing the properties, inorganic oxide particles having a fine particle size are used.

ところで、平均粒子径が1〜50nmの範囲のナノオーダーの粒径を有する無機酸化物の微細粒子(ナノ粒子)は、一般に粒子表面が親水性のため、親水性の樹脂に対しては非常に分散性も良好であるが、工業的に利用されている樹脂の多くは疎水性のため、親水性のナノ粒子は透明樹脂との相溶性が悪く、十分に分散しないことが多く、期待していたような効果(透明性や表面硬度の向上)が発揮できないことが多い。そのため、分散剤を添加して無機酸化物のナノ粒子の樹脂に対する相溶性を向上させたり、シランカップリング剤を用いての表面処理によって疎水性が付与された無機酸化物のナノ粒子を用いることなどが提案されている(特許文献1〜6参照)。   By the way, fine particles (nanoparticles) of an inorganic oxide having a nano-order particle diameter in the range of 1 to 50 nm in average particle diameter are generally very hydrophilic for hydrophilic resins because the particle surface is hydrophilic. Dispersibility is also good, but since many of the industrially used resins are hydrophobic, hydrophilic nanoparticles have poor compatibility with transparent resins and are often not sufficiently dispersed. Effects (improved transparency and surface hardness) are often not exhibited. Therefore, use of inorganic oxide nanoparticles to which hydrophobicity is imparted by surface treatment using a silane coupling agent by adding a dispersant to improve the compatibility of the inorganic oxide nanoparticles with the resin. Etc. have been proposed (see Patent Documents 1 to 6).

特開2004−175915号公報JP 2004-175915 A 特開2003−73558号公報JP 2003-73558 A 特開2007−314484号公報JP 2007-314484 A 特開2008−7381号公報JP 2008-7381 A 特開平10−36415号公報JP 10-36415 A 特開2002−169007号公報JP 2002-169007 A

上記の特許文献のように分散剤やシランカップリング剤を用いる方法では、これらが使用されない場合と比較すると、ある程度は透明樹脂に対する相溶性が向上し、透明性の低下を回避することができるが、その程度は十分でない。   In the method using a dispersant or a silane coupling agent as in the above-mentioned patent document, compared with the case where these are not used, compatibility with a transparent resin is improved to some extent, and a decrease in transparency can be avoided. The degree is not enough.

従って、本発明の目的は、ナノオーダーの微細な粒径を有していながら、高い疎水性を示し、透明樹脂に対しての分散性が著しく高められた表面処理シリカ系粒子及びその製造方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a surface-treated silica-based particle having a nano-order fine particle size, exhibiting high hydrophobicity, and having significantly improved dispersibility in a transparent resin, and a method for producing the same. It is to provide.

本発明者等は、特に疎水性のシランカップリング剤により表面処理されたナノオーダーのシリカ系粒子について検討を重ねた結果、従来、公知の方法で表面処理されたシリカ系粒子は、その粒径がナノオーダーであるが故に、十分に表面処理が行われておらず、この結果、透明樹脂に対する分散性が効果的に向上されていないが、その表面処理を特定の方法で行うことにより、疎水性のシランカップリング剤により十分な表面処理が行われ、透明樹脂に対する分散性を著しく向上させ得ることを見出し、本発明を完成させるに至った。   As a result of repeated investigations on nano-order silica-based particles surface-treated with a hydrophobic silane coupling agent, the inventors of the present invention have conventionally reported that silica-based particles surface-treated by a known method have a particle size of However, the surface treatment is not sufficiently performed because of the nano-order, and as a result, the dispersibility to the transparent resin is not effectively improved. It has been found that a sufficient surface treatment can be performed with a functional silane coupling agent to significantly improve the dispersibility of the transparent resin, and the present invention has been completed.

即ち、本発明によれば、電子顕微鏡で測定して平均粒子径が1〜50nmの範囲あるシリカ系粒子であって、個々の粒子が、疎水性シランカップリング剤により表面処理され、且つ、イソプロピルアルコールとn−ヘプタンとの1:1(重量比)混合溶媒に3質量%の濃度で分散させたとき、該分散液が80%以上の可視光透過率を示すことを特徴とする表面処理シリカ系粒子が提供される。
本発明の表面処理シリカ系粒子においては、
(1)前記疎水性シランカップリング剤が、下記式(1):
−Si(OR …(1)
式中、Rは、アルキル基、アルケニル基またはアリール基であり、
は、アルキル基である、
で表されるトリアルコキシシランであること、
が好適である。
That is, according to the present invention, silica-based particles having an average particle diameter in the range of 1 to 50 nm as measured with an electron microscope, each particle being surface-treated with a hydrophobic silane coupling agent, and isopropyl A surface-treated silica characterized in that when dispersed in a 1: 1 (weight ratio) mixed solvent of alcohol and n-heptane at a concentration of 3% by mass, the dispersion exhibits a visible light transmittance of 80% or more. System particles are provided.
In the surface-treated silica-based particles of the present invention,
(1) The hydrophobic silane coupling agent has the following formula (1):
R 1 —Si (OR 2 ) 3 (1)
In the formula, R 1 is an alkyl group, an alkenyl group or an aryl group,
R 2 is an alkyl group,
A trialkoxysilane represented by:
Is preferred.

本発明によれば、また、
湿式法により、電子顕微鏡で測定して粒子径が1〜50nmのシリカ系粒子が分散した液を調製する工程;
疎水性シランカップリング剤を水の存在下で部分加水分解する工程;
前記部分加水分解物を含む液と、前記シリカ系微粒子が分散された液とを混合し、pHが9〜12において、該部分加水分解物を該シリカ系微粒子と反応させる工程;
前記部分加水分解物と該シリカ系微粒子との反応によって得られた分散液を限外ろ過法により溶媒置換を行い、未反応のカップリング剤などを除去して単一の溶媒に置換する工程;
を含むことを特徴とする表面処理シリカの製造方法が提供される。
本発明によれば、さらに、前記表面処理シリカ系粒子を1〜50質量%含有することを特徴とする樹脂コンポジットが提供される。
According to the invention,
A step of preparing a liquid in which silica-based particles having a particle diameter of 1 to 50 nm are dispersed by a wet method as measured with an electron microscope;
Partially hydrolyzing the hydrophobic silane coupling agent in the presence of water;
Mixing the liquid containing the partial hydrolyzate and the liquid in which the silica-based fine particles are dispersed, and reacting the partial hydrolyzate with the silica-based fine particles at a pH of 9 to 12;
A step of subjecting the dispersion obtained by the reaction of the partially hydrolyzed product and the silica-based fine particles to solvent replacement by ultrafiltration, removing unreacted coupling agent and the like and replacing with a single solvent;
A method for producing a surface-treated silica is provided.
According to the present invention, there is further provided a resin composite comprising 1 to 50% by mass of the surface-treated silica-based particles.

本発明の製造方法においては、
(1)前記疎水性シランカップリング剤として、前記式(1)で表されるトリアルコキシシランを使用すること、
(2)疎水性シランカップリング剤の部分加水分解を、該カップリング剤に対して1〜3倍当量の水によって行うこと、
が好適である。
In the production method of the present invention,
(1) using a trialkoxysilane represented by the formula (1) as the hydrophobic silane coupling agent;
(2) performing partial hydrolysis of the hydrophobic silane coupling agent with 1 to 3 equivalents of water relative to the coupling agent;
Is preferred.

本発明の表面処理シリカ系粒子は、平均粒径が1〜50nmと著しく微細であるばかりか、親水性有機溶媒(イソプロピルアルコール)と親油性有機溶媒(n−ヘプタン)との1:1(重量比)混合溶媒に分散させたときに、80%以上の高い可視光透過率を示すという点に顕著な特徴を有している。即ち、このような疎水性の高い混合溶媒に分散させたときにも高い透明性が確保されることは、この表面処理シリカ系粒子は、著しく微細な粒径を有しているにもかかわらず、粒子同士が結合しての凝集をほとんど生じておらず、実質上、所謂一次粒子の形態で存在しており、個々の粒子が疎水性のシランカップリング剤により効果的に表面処理されていること(即ち、シランカップリング剤による表面被覆率が極めて高いこと)を物語っている。即ち、粒子の一部が凝集していたり、粒子の一部が表面処理されていないような場合には、上記のような親水性溶媒(イソプロピルアルコール)と疎水性溶媒(n−ヘプタン)との混合溶媒に分散させたときの分散液が白濁してしまい、その可視光透過率が80%よりも低くなってしまうからである。   The surface-treated silica-based particles of the present invention are not only extremely fine with an average particle diameter of 1 to 50 nm, but also 1: 1 (weight) of a hydrophilic organic solvent (isopropyl alcohol) and a lipophilic organic solvent (n-heptane). Ratio) It has a remarkable feature in that it shows a high visible light transmittance of 80% or more when dispersed in a mixed solvent. That is, high transparency is ensured even when dispersed in such a highly hydrophobic mixed solvent, although the surface-treated silica-based particles have a remarkably fine particle size. The particles are bonded to each other and hardly agglomerate, substantially exist in the form of so-called primary particles, and each particle is effectively surface-treated with a hydrophobic silane coupling agent. (That is, the surface coverage by the silane coupling agent is extremely high). That is, when some of the particles are aggregated or some of the particles are not surface-treated, the hydrophilic solvent (isopropyl alcohol) and the hydrophobic solvent (n-heptane) as described above are used. This is because the dispersion liquid when dispersed in the mixed solvent becomes cloudy, and the visible light transmittance becomes lower than 80%.

従って、本発明の表面処理シリカ系粒子は、特に透明樹脂に対する分散性に優れており、例えば後述する実施例7及び8の実験結果から理解されるように、透明樹脂に配合した場合の透明度の低下を有効に回避し、透明度(可視光透過率)の高い樹脂コンポジットを得ることができる。   Therefore, the surface-treated silica-based particles of the present invention are particularly excellent in dispersibility with respect to the transparent resin. Reduction can be effectively avoided and a resin composite with high transparency (visible light transmittance) can be obtained.

上記のような特性を有する本発明の表面処理シリカ系粒子は、湿式法により得られたシリカ系粒子を原料として使用し、所定のナノオーダーの粒径を有する微細なシリカ系粒子が溶媒に分散した分散液を使用し、この分散液に、予め水により部分加水分解された疎水性シランカップリング剤の液を添加して反応させることにより製造される。   The surface-treated silica-based particles of the present invention having the above characteristics use silica-based particles obtained by a wet method as a raw material, and fine silica-based particles having a predetermined nano-order particle size are dispersed in a solvent. This dispersion is used, and the dispersion is prepared by adding a liquid of a hydrophobic silane coupling agent partially hydrolyzed with water in advance to cause a reaction.

即ち、無機酸化物ナノ粒子をシランカップリング剤で表面処理することは、極めて一般的に行われているが、従来の方法では、高度に表面処理を行うことが困難であり、特にナノオーダーの無機粒子に対し均一且つ高被覆率の処理を行うことができなかったのである。
例えば、一次粒子径がナノオーダーの粒子は、一旦乾燥させてしまうと粒子同士が極めて強固な凝集を起こすので、再分散がほぼ不可能となってしまう。このような凝集した乾燥粒子にカップリング剤を用いて表面処理を行うことはできるが、元々凝集した粉末を一次粒子まで解砕することが困難な上、カップリング剤自身が重合してしまったり、或いはカップリング剤により粒子同士が化学的に結合させてしまうこともある。従って、乾式法により得られたナノオーダーの微細な無機粒子について、シランカップリング剤により効果的に表面処理を行うことは事実上不可能であるといってよい。
一方、湿式法により得られる無機粒子では、一次粒子径が50nm以下のナノオーダーであったとしても、乾燥されず、液中に存在していれば、凝集せずに、一次粒子の形態が保持されるため、その状態でシランカップリング剤による処理が良好に実施できれば被覆率の高い表面処理が実現できる可能性がある。しかしながら、疎水性のシランカップリング剤は、当然のことながら、比較的疎水性の高い有機官能基(例えばアルキル基)を有しており、一方、湿式法による無機粒子は、一般的に親水性の高い溶媒中に分散した形で得られる。従って、親水性の溶媒中に分散しているナノオーダーの粒径を有する無機粒子を、疎水性のシランカップリング剤で表面処理することとなり、やはり、効果的に表面処理を行うことが困難となっている。
That is, surface treatment of inorganic oxide nanoparticles with a silane coupling agent is very commonly performed, but it is difficult to perform surface treatment with a conventional method to a high degree. It was not possible to carry out a uniform and high coverage treatment on the inorganic particles.
For example, once the particles having a primary particle size of nano-order are dried once, the particles are extremely strongly aggregated, so that redispersion is almost impossible. Although such agglomerated dry particles can be surface treated with a coupling agent, it is difficult to break up the originally agglomerated powder to primary particles, and the coupling agent itself may polymerize. Alternatively, the particles may be chemically bonded by a coupling agent. Therefore, it can be said that it is virtually impossible to effectively perform surface treatment with a silane coupling agent on fine inorganic particles of nano-order obtained by a dry method.
On the other hand, in the inorganic particles obtained by the wet method, even if the primary particle diameter is nano-order of 50 nm or less, if the particles are not dried and are present in the liquid, the form of the primary particles is maintained without aggregation. Therefore, if the treatment with the silane coupling agent can be performed satisfactorily in that state, there is a possibility that a surface treatment with a high coverage can be realized. However, as a matter of course, the hydrophobic silane coupling agent has a relatively hydrophobic organic functional group (for example, an alkyl group), whereas inorganic particles obtained by a wet method are generally hydrophilic. In a form dispersed in a high solvent. Therefore, the inorganic particles having a nano-order particle size dispersed in the hydrophilic solvent are surface-treated with the hydrophobic silane coupling agent, and it is difficult to effectively perform the surface treatment. It has become.

しかるに、本発明の製造方法においては、疎水性シランカップリング剤を水により部分加水分解した後に、シリカ系粒子の分散液に添加して表面処理を行うため、疎水性カップリング剤に適度の親水性が付与された状態で表面処理が行われることとなり、この結果、疎水性のシランカップリング剤による表面処理が高度に行われ、前述したように、ナノオーダーの微細な粒径を有していながら、個々の粒子が表面処理され、透明樹脂に配合された場合にも高い透明性を維持することが可能な表面処理シリカ系粒子が得られるのである。   However, in the production method of the present invention, since the hydrophobic silane coupling agent is partially hydrolyzed with water and then added to the dispersion of silica-based particles to perform surface treatment, the hydrophobic coupling agent has an appropriate hydrophilicity. As a result, the surface treatment is performed with a hydrophobic silane coupling agent and has a nano-order fine particle size as described above. However, surface-treated silica-based particles that can maintain high transparency even when the individual particles are surface-treated and blended with a transparent resin are obtained.

表面処理シリカ系粒子の製造;
本発明の表面処理シリカ系粒子は、湿式法により得られたシリカ系粒子(以下、原料シリカ系粒子と呼ぶことがある)が分散した分散液を使用し、この分散液に、疎水性のシランカップリング剤の部分加水分解物の液に添加して表面処理を行うことにより、製造される。
Production of surface-treated silica-based particles;
The surface-treated silica-based particles of the present invention use a dispersion in which silica-based particles obtained by a wet method (hereinafter sometimes referred to as raw material silica-based particles) are dispersed, and hydrophobic silane is used in the dispersion. It is manufactured by adding the liquid to the partially hydrolyzed product of the coupling agent and performing surface treatment.

<原料シリカ系粒子>
本発明において、表面処理に供する原料シリカ系粒子は、所定のナノサイズの平均粒子径、具体的には1〜50nm、好適には1〜35nm、最も好ましくは5〜25nmの平均粒子径を有するものであり、湿式法により得られたものであれば、シリカ粒子に限定されず、例えばシリカ−チタニアやシリカ−ジルコニアといったシリカ系複合酸化物の微細粒子であってもよい。
尚、粒径が上記範囲よりも小さいものは、製造が困難な上、シランカップリング剤による表面処理も難しく、また、上記範囲よりも大きな粒子は、可視光の散乱が大きくなるため、例えば、透明樹脂に配合したときに透明性を低下せしめてしまう。
<Raw silica particles>
In the present invention, the raw silica particles used for the surface treatment have a predetermined nano-sized average particle size, specifically 1 to 50 nm, preferably 1 to 35 nm, most preferably 5 to 25 nm. As long as it is obtained by a wet process, it is not limited to silica particles, and may be fine particles of silica-based composite oxide such as silica-titania or silica-zirconia.
In addition, those having a particle size smaller than the above range are difficult to produce and surface treatment with a silane coupling agent is difficult, and particles larger than the above range have a large scattering of visible light. When blended with a transparent resin, the transparency is lowered.

湿式法には、加水分解法、中和法、イオン交換法、沈殿法など多くの方法が提案、実施されているが、溶媒中に分散した微細なナノ粒子を容易に、しかも比較的粒径の揃った形態で得ることができるという観点から、シラン化合物を加水分解・縮合させるゾルゲル法を用いることが最も好適である。   Many methods such as hydrolysis method, neutralization method, ion exchange method and precipitation method have been proposed and implemented for the wet method, but the fine nanoparticles dispersed in the solvent are easily and relatively small in particle size. It is most preferable to use a sol-gel method in which a silane compound is hydrolyzed and condensed from the viewpoint that it can be obtained in a uniform form.

かかるゾルゲル法において、原料のシラン化合物としては、下記一般式:
Si(OR)
または、
SiR′(OR)4−n
式中、R及びR′は、アルキル基、好ましくは、メチル基、エチル基、イソプロピル
基、ブチル基等の炭素数が4以下の低級アルキル基であり、
nは1〜3の整数である、
で表されるアルコキシシランが好適であり、このようなアルコキシシランは、1種単独で使用することもできるし、2種以上を併用することもできる。本発明においては、テトラメトキシシランやテトラエトキシシランが最も好適である。
尚、上記のようなアルコキシシランは、部分的に加水分解した低縮合物の形で入手することもでき、このような縮合物を使用することもできる。
In the sol-gel method, the raw material silane compound has the following general formula:
Si (OR) 4
Or
SiR ′ n (OR) 4-n
In the formula, R and R ′ are alkyl groups, preferably a lower alkyl group having 4 or less carbon atoms such as a methyl group, an ethyl group, an isopropyl group, and a butyl group,
n is an integer of 1 to 3,
The alkoxysilane represented by these is suitable, and such an alkoxysilane can also be used individually by 1 type, and can also use 2 or more types together. In the present invention, tetramethoxysilane and tetraethoxysilane are most preferable.
The alkoxysilane as described above can be obtained in the form of a partially hydrolyzed low condensate, and such a condensate can also be used.

また、シリカ−チタニアやシリカ−ジルコニアなどのシリカ系複合酸化物粒子は、上記のようなアルコキシシランと共に、チタンやジルコニウムのアルコキシド、例えばチタンイソプロポキシドやチタンブトキシド、ジルコニウムブトキシドなどを併用することにより得られる。
このようなシリカ系複合酸化物粒子においては、シリカの特性が損なわれないように、少なくとも50モル%以上の量で前述したアルコキシシランを用いるのがよい。また、このようなチタンアルコキシドやジルコニウムアルコキシドの併用により、粒子の屈折率等の物性を調整することができる。
Silica-based composite oxide particles such as silica-titania and silica-zirconia can be obtained by using titanium or zirconium alkoxides such as titanium isopropoxide, titanium butoxide, zirconium butoxide, etc. together with the above alkoxysilanes. can get.
In such a silica-based composite oxide particle, it is preferable to use the alkoxysilane described above in an amount of at least 50 mol% or more so that the characteristics of the silica are not impaired. Moreover, physical properties, such as a refractive index of particle | grains, can be adjusted by combined use of such a titanium alkoxide and a zirconium alkoxide.

また、ゾルゲル法において、上記のシラン化合物は、触媒を含んだ水溶液に添加され、これにより該シラン化合物が加水分解・縮合して目的の微細なシリカ粒子が分散した液が得られる。   In the sol-gel method, the silane compound is added to an aqueous solution containing a catalyst, whereby the silane compound is hydrolyzed and condensed to obtain a liquid in which desired fine silica particles are dispersed.

上記の触媒としては、上記のようなアルコキシシランなどの金属アルコキシドの加水分解触媒として機能するもの、例えば、N(CHなどのアミン化合物、アンモニア、或いはLiOH、NaOH、KOH、N(CHOHなどの塩基が好適に使用される。これらの中でも、アンモニアは気化しやすく、合成後に容易に除去できるため、加水分解用の触媒として極めて好適である。 Examples of the catalyst include those that function as hydrolysis catalysts for metal alkoxides such as alkoxysilanes as described above, such as amine compounds such as N (CH 3 ) 3 , ammonia, or LiOH, NaOH, KOH, N (CH 3 ) A base such as 4 OH is preferably used. Among these, ammonia is very suitable as a catalyst for hydrolysis because it is easily vaporized and can be easily removed after synthesis.

触媒の量は、用いる触媒の種類などによっても異なるために一概には言えないが、一般的には、反応系のpH、即ち、前述したシラン化合物が添加されたときの溶液のpHが8〜12、好ましくは9〜11.5、最も好適には10〜11の範囲に維持されるような量で上記触媒が使用される。例えば、触媒として最も好適なアンモニアでは、触媒水溶液中のNH含量が0.01〜5重量%、特に0.03〜3重量%の範囲が好適である。また、このような触媒量を変えることによって、最終的に得られるシリカ系ナノ粒子の粒子径を制御することもできる。一般に、触媒量が少ないほど、ナノ粒子径は小さくなる傾向がある。 Since the amount of the catalyst varies depending on the type of catalyst used and the like, it cannot generally be said. However, generally, the pH of the reaction system, that is, the pH of the solution when the silane compound described above is added is 8 to 8. The above catalyst is used in an amount such that it is maintained in the range of 12, preferably 9 to 11.5, most preferably 10 to 11. For example, in the most suitable ammonia as the catalyst, the NH 3 content in the catalyst aqueous solution is preferably 0.01 to 5% by weight, particularly 0.03 to 3 % by weight. Moreover, the particle diameter of the silica nanoparticle finally obtained can also be controlled by changing such a catalyst amount. In general, the smaller the catalyst amount, the smaller the nanoparticle diameter.

また、シラン化合物の加水分解のために水が必須であるため、溶媒としては水或いは水と水溶性有機溶媒との混合溶媒が使用される。この場合、用いるシラン化合物の種類等によっても異なるが、反応液中の水の量は、3重量%以上、特に5重量%以上とするのがよい。この場合、反応の継続中に反応液中の水がゼロにならないようにする必要がある。   Since water is essential for hydrolysis of the silane compound, water or a mixed solvent of water and a water-soluble organic solvent is used as the solvent. In this case, the amount of water in the reaction solution is preferably 3% by weight or more, particularly 5% by weight or more, although it depends on the type of silane compound used. In this case, it is necessary to prevent water in the reaction solution from becoming zero during the reaction.

また、水と混合する水溶性有機溶媒としては、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール、エチレングリコール、プロピレングリコールなどのアルコール類、アセトン、メチルエチルケトンなどのケトン類、ジオキサン、テトラヒドロフランなどのエーテル類、酢酸エチルなどのエステル類を挙げることができ、これらは、単独または複数混合して用いることができる。これらの中でもメタノール、エタノール、イソプロパノールのような低級アルコール類はアルコキシシランや水との相溶性も高く、また粘度も低いために、極めて好適に使用される。   Examples of water-soluble organic solvents to be mixed with water include alcohols such as methanol, ethanol, propanol, isopropanol, butanol, ethylene glycol, and propylene glycol, ketones such as acetone and methyl ethyl ketone, ethers such as dioxane and tetrahydrofuran, and acetic acid. Esters such as ethyl can be mentioned, and these can be used alone or in combination. Among these, lower alcohols such as methanol, ethanol, and isopropanol are extremely preferably used because they have high compatibility with alkoxysilane and water and low viscosity.

上記のような水溶性有機溶媒の使用は、生成するシリカ系粒子をナノオーダーの微粒子径に調節する上で有利であり、前述した水の量が確保できるような範囲の量で使用される。
なお、アルコキシシラン等のアルコキシドが加水分解するとアルコールが生成するので、合成終了後には反応液中のアルコールの比率は上昇する。初期の反応液は触媒と水だけであっても、合成終了後はアルコキシシラン等が加水分解して生成したアルコールを含むことになる。
The use of the water-soluble organic solvent as described above is advantageous in adjusting the generated silica-based particles to a nano-order fine particle diameter, and is used in an amount within a range that can ensure the amount of water described above.
In addition, since alcohol will produce | generate when alkoxides, such as alkoxysilane, hydrolyze, the ratio of the alcohol in a reaction liquid will increase after completion | finish of synthesis | combination. Even if the initial reaction liquid is only a catalyst and water, it contains alcohol produced by hydrolysis of alkoxysilane or the like after the synthesis is completed.

原料シラン化合物の加水分解縮合は、この原料シラン化合物を、反応槽に充填されている反応液(触媒水溶液或いは触媒水溶液/水溶性有機溶媒混合溶媒溶液)に、混合攪拌下に液中滴下することが好ましい。
この液中滴下とは、上記原料を反応液中に滴下する際、滴下ノズルの口先端(滴下口先端)が反応液中に浸されていることを意味する。滴下口先端の位置は、液中にあれば特に限定されないが、攪拌羽根の近傍などの十分に攪拌が行われる位置が望ましい。液中滴下をせずに、例えば、反応液の上部から液上滴下した場合には粒子の凝集を生じ易くなってしまうため好ましくない。
In the hydrolysis condensation of the raw material silane compound, this raw material silane compound is dropped into the reaction solution (catalyst aqueous solution or catalyst aqueous solution / water-soluble organic solvent mixed solvent solution) filled in the reaction vessel under mixing and stirring. Is preferred.
The dropping in the liquid means that the tip of the dropping nozzle (tip of the dropping port) is immersed in the reaction solution when the raw material is dropped into the reaction solution. The position of the tip of the dropping port is not particularly limited as long as it is in the liquid, but a position where stirring is sufficiently performed such as in the vicinity of the stirring blade is desirable. For example, when the liquid is dropped from the upper part of the reaction liquid without dropping in the liquid, it is not preferable because the particles are likely to aggregate.

加水分解を行うときの反応槽の温度は、0〜60℃の範囲であれば良く、用いるシラン化合物(アルコキシシラン)の種類によって適宜選択される。また、温度を変えることによってナノ粒子の粒子径を制御できる場合もある。
その他、加水分解に使用する反応容器、上記以外の反応条件等は公知のものが何ら制限なく採用される。
The temperature of the reaction tank when performing the hydrolysis may be in the range of 0 to 60 ° C., and is appropriately selected depending on the type of the silane compound (alkoxysilane) to be used. In some cases, the particle size of the nanoparticles can be controlled by changing the temperature.
In addition, a well-known thing is employ | adopted as a reaction container used for a hydrolysis, reaction conditions other than the above, without any limitation.

以上のようにして、アルコキシシラン等のケイ素化合物等が加水分解・縮合し、前述したナノオーダーの平均粒径(1〜50nm、好ましくは1〜35nmの範囲、最も好ましくは5〜25nm)を有しており、球形状のシリカナノ粒子が、反応液中に分散した分散液の形態で得られる。このようなナノ粒子は、一般的には可視光を散乱しないため、多くの場合、見た目には透明な分散液として得られる。   As described above, silicon compounds such as alkoxysilanes are hydrolyzed / condensed to have the above-mentioned nano-order average particle diameter (1 to 50 nm, preferably 1 to 35 nm, most preferably 5 to 25 nm). Thus, spherical silica nanoparticles are obtained in the form of a dispersion dispersed in the reaction solution. Since such nanoparticles generally do not scatter visible light, they are often obtained as transparent dispersions in appearance.

得られたナノ粒子の平均粒子径は、走査型電子顕微鏡や透過型電子顕微鏡の撮影像を解析することによって確認できる。また、乾燥させた粒子の比表面積を測定し、下記の式より平均粒子径を算出することもできる。
d=6/(S×D)
式中、dは平均粒子径(μm)
Sは比表面積(m/g)
Dは粒子の密度(g/cm
The average particle diameter of the obtained nanoparticles can be confirmed by analyzing a photographed image of a scanning electron microscope or a transmission electron microscope. Moreover, the specific surface area of the dried particle | grains can be measured, and an average particle diameter can also be computed from a following formula.
d = 6 / (S × D)
In formula, d is an average particle diameter (micrometer).
S is specific surface area (m 2 / g)
D is the density of the particles (g / cm 3 )

尚、上記では、ゾルゲル法を例にとってナノオーダーの粒径を有するシリカ系粒子の製造方法について記述したが、湿式法で製造され、ナノ粒子分散液として市販されている市販のシリカ系粒子を用いることも勿論可能である。   In the above description, a method for producing a silica-based particle having a nano-order particle size is described by taking the sol-gel method as an example. Of course it is also possible.

<シリカ系粒子の分散液>
上記のようにして得られたナノオーダーのシリカ系粒子が分散した分散液は、アンモニアなどの触媒や水、さらに金属アルコキシドの加水分解によって生成したアルコールや有機溶媒等が含まれているため、後述のシランカップリング剤による表面処理の操作を再現性良く行うためには、単一の溶媒で溶媒置換するのが好ましい。特に、親水性と疎水性の両方の溶媒と相溶性のある、メタノールなどのアルコール類で溶媒置換することが最適である。
<Dispersion of silica-based particles>
The dispersion liquid in which nano-order silica-based particles obtained as described above are dispersed contains a catalyst such as ammonia, water, and an alcohol or an organic solvent generated by hydrolysis of a metal alkoxide. In order to perform the surface treatment operation with a silane coupling agent with good reproducibility, it is preferable to perform solvent substitution with a single solvent. In particular, it is optimal to perform solvent substitution with alcohols such as methanol that are compatible with both hydrophilic and hydrophobic solvents.

溶媒置換の方法としては、蒸留法や限外ろ過法などが採用できる。蒸留法は、前記分散液の溶媒を留去しながら、置換しようとする単一溶媒を加え続け、溶媒置換する方法である。また、限外ろ過法は、前記分散液の溶媒を、ろ過膜を通過させて分離除去しながら、置換しようとする単一溶媒を該分散液側に添加する操作により、溶媒置換を行う方法である。   As a solvent replacement method, a distillation method, an ultrafiltration method, or the like can be employed. The distillation method is a method in which a single solvent to be replaced is continuously added while the solvent of the dispersion is distilled off, and the solvent is replaced. In addition, the ultrafiltration method is a method in which solvent replacement is performed by adding a single solvent to be replaced to the dispersion side while separating and removing the solvent of the dispersion solution through a filtration membrane. is there.

尚、溶媒置換して得られるシリカ系粒子の分散液におけるシリカ系粒子の濃度は、後述する表面処理に際して、シランカップリング剤の溶液(部分加水分解溶液)と均一に混合し得る程度であれば特に制限されないが、一般的には、1乃至15重量%程度の範囲、好適には2乃至8重量%程度の範囲とするのがよい。
また、上記分散液は、pHを、アンモニア、アミン、水酸化ナトリウム等の水酸化アルカリや炭酸ソーダ等の添加により、9〜12、特に10〜11の範囲に調節しておくことが好ましい。このようなpH調節により、シリカ系ナノ粒子の凝集が効果的に防止できる。なお、前記のpH調節剤としては、アンモニアが気化し易く、除去も容易なために好適である。
In addition, the concentration of the silica-based particles in the dispersion of silica-based particles obtained by solvent substitution is such that it can be uniformly mixed with the silane coupling agent solution (partial hydrolysis solution) in the surface treatment described later. Although not particularly limited, it is generally in the range of about 1 to 15% by weight, preferably in the range of about 2 to 8% by weight.
Moreover, it is preferable to adjust pH of the said dispersion to the range of 9-12, especially 10-11 by addition of alkali hydroxide, sodium carbonate, etc., such as ammonia, an amine, and sodium hydroxide. By such pH adjustment, aggregation of silica-based nanoparticles can be effectively prevented. The pH regulator is suitable because ammonia is easily vaporized and easily removed.

<シランカップリング剤>
本発明において、上述した分散液中のシリカ系粒子に疎水性を付与するための表面処理剤としては、疎水性のシランカップリング剤が使用される。このシランカップリング剤は、アルキル基やアリール基などの本質的に疎水性の官能基と、シリカ系粒子表面のシラノール基などの親水性基と反応し得る基を生成する加水分解性の官能基とを有するものであり、シリカ系粒子表面との反応性及び疎水性の観点から、疎水性の官能基を1個有し、且つ加水分解性の官能基を3個有するシラン化合物が好適に使用される。
<Silane coupling agent>
In the present invention, a hydrophobic silane coupling agent is used as a surface treatment agent for imparting hydrophobicity to the silica-based particles in the dispersion. This silane coupling agent is a hydrolyzable functional group that generates an essentially hydrophobic functional group such as an alkyl group or an aryl group and a group capable of reacting with a hydrophilic group such as a silanol group on the surface of a silica-based particle. A silane compound having one hydrophobic functional group and three hydrolyzable functional groups is preferably used from the viewpoint of reactivity with the surface of the silica-based particle and hydrophobicity. Is done.

このような疎水性のシランカップリング剤の代表例としては、下記式(1):
−Si(OR …(1)
式中、Rは、アルキル基、アルケニル基またはアリール基であり、
は、アルキル基である、
で表されるトリアルコキシシランを挙げることができる。
As a typical example of such a hydrophobic silane coupling agent, the following formula (1):
R 1 —Si (OR 2 ) 3 (1)
In the formula, R 1 is an alkyl group, an alkenyl group or an aryl group,
R 2 is an alkyl group,
The trialkoxysilane represented by these can be mentioned.

上記のトリアルコキシシランにおいて、基Rが疎水性の基であり、アルキル基の例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、ドデシル基、ヘキサデシル基、オクタデシル基などを例示することができ、これらは、環状構造を有していてもよいし、分岐構造を有していてもよく、一般に、直鎖の炭素数が多いほど、疎水性の程度が大きい傾向がある。また、アルケニル基の例としては、ビニル基、アリル基、ブテニル基などを挙げることができ、アリール基の例としては、フェニル基、ナフチル基等を例示することができる。 In the trialkoxysilane, the group R 1 is a hydrophobic group, and examples of the alkyl group include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, a pentyl group, a hexyl group, an octyl group, a decyl group, and a dodecyl group. Group, hexadecyl group, octadecyl group and the like can be exemplified, and these may have a cyclic structure or may have a branched structure. There is a tendency for the degree of hydrophobicity to be large. Examples of alkenyl groups include vinyl groups, allyl groups, butenyl groups, and examples of aryl groups include phenyl groups, naphthyl groups, and the like.

また、上記のアルキル基、アルケニル基、アリール基は、その疎水性を阻害しない限り、各種の置換基を有していてもよく、例えばフッ素原子、臭素原子、塩素原子、ヨウ素原子等のハロゲン原子や、シアノ基、イソシアネート基、(メタ)アクリロキシ基などの疎水性基を置換基として有していてもよい。さらに上記のアルキル基は、疎水性の置換基として上記で例示したアリール基を有していてもよいし、上記のアリール基は、疎水性の置換基としてアルキル基を有していてもよい。   In addition, the above alkyl group, alkenyl group, and aryl group may have various substituents as long as the hydrophobicity is not inhibited, for example, a halogen atom such as a fluorine atom, a bromine atom, a chlorine atom, or an iodine atom Alternatively, it may have a hydrophobic group such as a cyano group, an isocyanate group, or a (meth) acryloxy group as a substituent. Furthermore, the alkyl group may have the aryl group exemplified above as a hydrophobic substituent, and the aryl group may have an alkyl group as a hydrophobic substituent.

さらに、上記のトリアルコキシシラン中のアルコキシ基(OR)は加水分解性の基であり、このアルコキシ基中のアルキル基Rの例としては、上記の基Rに関して例示したものを挙げることができるが、特に加水分解性の点や合成の容易さなどの点から炭素数が4以下の低級アルキル基が好適である。特に、アルコキシ基(OR)としてはメトキシ基とエトキシ基が最も好適に採用される。 Further, the alkoxy group (OR 2 ) in the trialkoxysilane is a hydrolyzable group, and examples of the alkyl group R 2 in the alkoxy group include those exemplified for the group R 1. However, a lower alkyl group having 4 or less carbon atoms is particularly preferred from the viewpoint of hydrolyzability and ease of synthesis. In particular, a methoxy group and an ethoxy group are most preferably employed as the alkoxy group (OR 2 ).

上述したトリアルコキシシランの好適例としては、
メチルトリメトキシシラン、
エチルトリメトキシシラン、
n−プロピルトリメトキシシラン、
イソプロピルトリメトキシシラン、
n−ブチルトリメトキシシラン、
イソブチルトリメトキシシラン、
ペンチルトリメトキシシラン、
n−ヘキシルトリメトキシシラン、
n−オクチルトリメトキシシラン、
イソオクチルトリメトキシシラン、
n−デシルトリメトキシシラン、
ドデシルトリメトキシシラン、
ヘキサデシルトリメトキシシラン、
n−オクタデシルトリメトキシシラン、
スチリルエチルトリメトキシシラン、
フェネチルトリメトキシシラン、
シクロヘキシルトリメトキシシラン、
シクロペンチルトリメトキシシラン、
フェニルトリメトキシシラン、
ベンジルトリメトキシシラン、
3−(ペンタフルオロフェニル)プロピルトリメトキシシラン、
(3,3,3−トリフルオロプロピル)トリメトキシシラン、
クロロフェニルトリメトキシシラン、
(クロロメチル)フェニルエチルトリメトキシシラン、
3−クロロプロピルトリメトキシシラン、
3−ブロモプロピルトリメトキシシラン、
3−ヨードプロピルトリメトキシシラン、
ビニルトリメトキシシラン、
アリルトリメトキシシラン、
ビニル−トリス(β−メトキシエトキシ)シラン、
3−アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、
3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、
3−イソシアネートプロピルトリメトキシシラン、
2−シアノエチルトリメトキシシラン、
3−シアノプロピルトリメトキシシラン、
等を挙げることができ、これらは1種単独で使用することもできるし、2種以上を組み合わせて使用することもできる。さらに、上記で例示した化合物中のメトキシ基をエトキシ基に置換した化合物(例えばメチルトリエトキシシランなど)も、疎水性のシランカップリング剤として、上記と同様に好適に使用できる。
As a suitable example of the trialkoxysilane mentioned above,
Methyltrimethoxysilane,
Ethyltrimethoxysilane,
n-propyltrimethoxysilane,
Isopropyltrimethoxysilane,
n-butyltrimethoxysilane,
Isobutyltrimethoxysilane,
Pentiltrimethoxysilane,
n-hexyltrimethoxysilane,
n-octyltrimethoxysilane,
Isooctyltrimethoxysilane,
n-decyltrimethoxysilane,
Dodecyltrimethoxysilane,
Hexadecyltrimethoxysilane,
n-octadecyltrimethoxysilane,
Styrylethyltrimethoxysilane,
Phenethyltrimethoxysilane,
Cyclohexyltrimethoxysilane,
Cyclopentyltrimethoxysilane,
Phenyltrimethoxysilane,
Benzyltrimethoxysilane,
3- (pentafluorophenyl) propyltrimethoxysilane,
(3,3,3-trifluoropropyl) trimethoxysilane,
Chlorophenyltrimethoxysilane,
(Chloromethyl) phenylethyltrimethoxysilane,
3-chloropropyltrimethoxysilane,
3-bromopropyltrimethoxysilane,
3-iodopropyltrimethoxysilane,
Vinyltrimethoxysilane,
Allyltrimethoxysilane,
Vinyl-tris (β-methoxyethoxy) silane,
3-acryloxypropyltrimethoxysilane,
3-methacryloxypropyltrimethoxysilane,
3-isocyanatopropyltrimethoxysilane,
2-cyanoethyltrimethoxysilane,
3-cyanopropyltrimethoxysilane,
These can be used alone or in combination of two or more. Furthermore, compounds obtained by substituting ethoxy groups for methoxy groups in the compounds exemplified above (for example, methyltriethoxysilane) can also be suitably used as the hydrophobic silane coupling agent in the same manner as described above.

本発明においては、上記で例示した化合物の中でも、特に、ナノ粒子に対する被覆率を高くでき、疎水性の高い表面処理が容易に行えるものとして、メチルトリメトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、プロピルトリメトキシシランなどが好適であり、最も疎水性を向上させるものとしては、(3,3,3−トリフルオロプロピル)トリメトキシシランなどのフッ素原子を疎水性置換基として有しているものが好適である。さらに、樹脂、特に透明樹脂との相溶性を直接的に向上させるという点で、樹脂を構成するモノマーとの共重合性を有する官能基、例えばアルケニル基や(メタ)アクリロキシ基などを有している3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシランなどが好適である。   In the present invention, among the compounds exemplified above, methyltrimethoxysilane, ethyltrimethoxysilane, propyltrimethoxy, and the like, can be used to increase the coverage of nanoparticles, and to facilitate surface treatment with high hydrophobicity. Silane and the like are preferable, and those having the fluorine atom as the hydrophobic substituent such as (3,3,3-trifluoropropyl) trimethoxysilane are preferable as the one that most improves the hydrophobicity. . Furthermore, it has a functional group having a copolymerizability with a monomer constituting the resin, such as an alkenyl group or a (meth) acryloxy group, in that the compatibility with a resin, particularly a transparent resin, is directly improved. Among them, 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane is preferable.

<シランカップリング剤の部分加水分解>
本発明においては、上記のような疎水性のシランカップリング剤を用いて表面処理に先立って、このシランカップリング剤を部分加水分解せしめることが重要である。即ち、この部分加水分解処理によって、シランカップリング剤として用いるシラン化合物中にシラノール基(SiOH基)が生成し、このシランカップリング剤を、水或いは親水性有機溶媒中に分散している微細なシリカ系粒子表面と効果的に反応させて表面処理を行うことが可能となる。この場合において、シランカップリング剤中の加水分解性基であるアルコキシ基が全て加水分解してしまうと、シランカップリング剤同士の脱水縮合反応が無視し得ないほど進行してカップリング剤のオリゴマー化が生じてしまい、この結果、表面処理を効果的に行うことが困難となる。即ち、ナノオーダーの粒径を有するシリカ系粒子の表面をシランカップリング剤で効果的に被覆することができず、特に透明樹脂に対する分散性が不十分となってしまう。
<Partial hydrolysis of silane coupling agent>
In the present invention, it is important to partially hydrolyze the silane coupling agent prior to the surface treatment using the hydrophobic silane coupling agent as described above. That is, by this partial hydrolysis treatment, a silanol group (SiOH group) is generated in the silane compound used as the silane coupling agent, and this silane coupling agent is dispersed in water or a hydrophilic organic solvent. Surface treatment can be performed by effectively reacting with the surface of the silica-based particles. In this case, when all the alkoxy groups, which are hydrolyzable groups in the silane coupling agent, are hydrolyzed, the dehydration condensation reaction between the silane coupling agents proceeds so that it cannot be ignored, and the oligomer of the coupling agent As a result, it is difficult to effectively perform the surface treatment. That is, the surface of the silica-based particle having a nano-order particle size cannot be effectively coated with the silane coupling agent, and the dispersibility particularly with respect to the transparent resin becomes insufficient.

上記のようなシランカップリング剤の部分加水分解処理は、このカップリング剤を1〜3倍当量、好ましくは1〜2倍当量の水と混合することにより行われる。必要以上の量の水を使用すると、加水分解が進行し過ぎてカップリング剤同士の脱水縮合反応が顕著となり、カップリング剤のオリゴマー化を生じ易くなってしまい、また、水の量が少なすぎると、シランカップリング剤の部分加水分解率が低く、このため、分散液中のシリカ系粒子の表面処理を効果的に行うことができず、この場合にも、透明樹脂に対する分散性を向上させることが困難となってしまう。部分加水分解処理は、原料のシランカップリング剤のアルコキシ基の少なくとも一つが、80%以上、好ましくは90%以上が部分的に加水分解してシラノール基が生成している状態が好適である。上記カップリング剤の部分加水分解率は、ガスクロマトグラフなどを用いて確認できる。   The partial hydrolysis treatment of the silane coupling agent as described above is carried out by mixing this coupling agent with 1 to 3 equivalents, preferably 1 to 2 equivalents of water. If an excessive amount of water is used, the hydrolysis proceeds too much and the dehydration condensation reaction between the coupling agents becomes remarkable, and the coupling agent is liable to be oligomerized, and the amount of water is too small. And, the partial hydrolysis rate of the silane coupling agent is low, so that the surface treatment of the silica-based particles in the dispersion cannot be effectively performed, and in this case also, the dispersibility to the transparent resin is improved. It becomes difficult. In the partial hydrolysis treatment, at least one of the alkoxy groups of the raw material silane coupling agent is preferably 80% or more, preferably 90% or more partially hydrolyzed to form a silanol group. The partial hydrolysis rate of the coupling agent can be confirmed using a gas chromatograph or the like.

また、上記の水には、酸又はアルカリの添加により、酸性或いはアルカリ性にpH調整されていることが好ましく、これにより、部分加水分解を迅速に進行させることが可能となる。例えば、酸性の場合には、硫酸、塩酸、硝酸などにより、pHが2〜5の範囲、特にpH4前後に調整されていることが好ましく、アルカリ性の場合には、アンモニア、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどにより、pHが9〜11の範囲、特にpH10前後に調整されていることが好ましい。この場合、加水分解に引き続く脱水・縮合反応を抑制するという観点からは、酸性サイドにpH調整されていることが好ましい。
部分加水分解処理の時間は、用いるシランカップリング剤の種類(反応性)や触媒の使用量などにも依存するので一概には言えないが、5分から数時間の範囲が好ましい。
また、部分加水分解に際しては、必要により加熱を行ってもよい。
Moreover, it is preferable that pH is adjusted to acidity or alkalinity by addition of an acid or an alkali to said water, Thereby, it becomes possible to advance partial hydrolysis rapidly. For example, in the case of acidity, the pH is preferably adjusted to a range of 2 to 5, particularly around pH 4, with sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, etc., and in the case of alkali, ammonia, sodium hydroxide, hydroxide It is preferable that the pH is adjusted in the range of 9 to 11, particularly around pH 10, with potassium or the like. In this case, from the viewpoint of suppressing the dehydration / condensation reaction subsequent to hydrolysis, it is preferable that the pH is adjusted to the acidic side.
The partial hydrolysis treatment time depends on the type (reactivity) of the silane coupling agent to be used and the amount of the catalyst used, so it cannot be generally stated, but it is preferably in the range of 5 minutes to several hours.
In the partial hydrolysis, heating may be performed as necessary.

<表面処理>
本発明においては、上記のように部分加水分解されたシランカップリング剤が分散乃至溶解している液と、前述したナノオーダーの大きさのシリカ系ナノ粒子が分散した分散液とを混合することにより、該粒子の表面処理が行われる。上記混合は、一般に、シリカ系ナノ粒子が分散した分散液に部分加水分解されたシランカップリング剤が分散乃至溶解している液を滴下して行なう方法が推奨される。
<Surface treatment>
In the present invention, the liquid in which the silane coupling agent partially hydrolyzed as described above is dispersed or dissolved is mixed with the dispersion liquid in which the silica-based nanoparticles having the nano-order size are dispersed. Thus, the surface treatment of the particles is performed. In general, the above mixing is preferably performed by dropping a liquid in which a partially hydrolyzed silane coupling agent is dispersed or dissolved in a dispersion liquid in which silica-based nanoparticles are dispersed.

尚、上記の表面処理に際しては、上記混合液のpHを、アンモニア、水酸化ナトリウム等の水酸化アルカリや炭酸ソーダ等の添加により、9〜12、特に10〜11の範囲に調節しておくことが好ましい。このようなpH調節により、シリカ系ナノ粒子の凝集が防止できると共に、カップリング剤の部分加水分解によって生成したシラノール基とシリカ系ナノ粒子表面のシラノール基との脱水縮合反応が促進され、個々のシリカ系ナノ粒子に対して効果的に表面処理を行うことができる。   In the above surface treatment, the pH of the mixed solution should be adjusted to a range of 9 to 12, particularly 10 to 11, by adding an alkali hydroxide such as ammonia or sodium hydroxide, or sodium carbonate. Is preferred. Such pH adjustment can prevent aggregation of silica-based nanoparticles and promotes dehydration condensation reaction between silanol groups generated by partial hydrolysis of the coupling agent and silanol groups on the surface of silica-based nanoparticles. Surface treatment can be effectively performed on silica-based nanoparticles.

尚、表面処理に際して用いるシランカップリング剤の量は、得られる表面処理シリカ系粒子(ナノ粒子)の所定の混合溶媒中での可視光透過率が80%以上となるような量で使用されるが、このナノ粒子をシランカップリング剤により均一に被覆するための理論使用量(g)は、下記式によって求めることができる。
[カップリング剤の理論使用量]=A・B/C
式中、Aは、表面処理すべきシリカ系ナノ粒子の重量(g)であり、
Bは、上記ナノ粒子の比表面積(m/g)であり、
Cは、カップリング剤の最小被覆面積(m/g)である。
また、上記のカップリング剤の最小被覆面積C(m/g)は下記式によって求められる。
最小被覆面積C
=(6.02×1023×13×10−20)/(シランカップリング剤の分子量)
The amount of the silane coupling agent used for the surface treatment is such an amount that the visible light transmittance of the obtained surface-treated silica-based particles (nanoparticles) in a predetermined mixed solvent is 80% or more. However, the theoretical use amount (g) for uniformly coating the nanoparticles with the silane coupling agent can be obtained by the following formula.
[Theoretical use amount of coupling agent] = A · B / C
In the formula, A is the weight (g) of silica-based nanoparticles to be surface-treated,
B is the specific surface area (m 2 / g) of the nanoparticles,
C is the minimum coating area (m 2 / g) of the coupling agent.
Further, the minimum covering area C (m 2 / g) of the above coupling agent is obtained by the following formula.
Minimum covering area C
= (6.02 × 10 23 × 13 × 10 −20 ) / (Molecular weight of silane coupling agent)

本発明において、所定の可視光透過率を得るためのシランカップリング剤の使用量は、上記で算出される理論使用量の1〜3倍量、好ましくは1〜2倍量、さらに好ましくは1.1〜1.5倍量とするのがよい。この使用量が上記範囲よりも少ない場合には、ナノ粒子に対するカップリング剤の被覆率が低くなり、付与される疎水性の程度が不十分となり、特に透明樹脂に対する分散性が低下し、上記範囲よりも多量に使用した場合は、カップリング剤同士の重合物やナノ粒子の凝集なども懸念されるので、好ましくない。   In this invention, the usage-amount of the silane coupling agent for obtaining a predetermined | prescribed visible light transmittance | permeability is 1-3 times amount of the theoretical usage-amount calculated above, Preferably it is 1-2 times amount, More preferably, it is 1 .1 to 1.5 times better. When the amount used is less than the above range, the coating ratio of the coupling agent to the nanoparticles becomes low, the degree of hydrophobicity imparted becomes insufficient, particularly the dispersibility with respect to the transparent resin decreases, and the above range. When used in a larger amount, there is a concern about polymerization of coupling agents and aggregation of nanoparticles, which is not preferable.

上記のようにして得られる表面処理シリカ系粒子は、水等を含む水溶性有機溶媒中に分散した状態で得られるが、かかる分散液は、限外ろ過法により溶媒置換を行い、単一の溶媒に置換する工程を実施することが必要である。即ち、限外ろ過法は、前記したように、分散液の溶媒を、ろ過膜を通過させて分離除去しながら、置換しようとする単一溶媒を該分散液側に添加する操作により、溶媒置換を行う方法であり、かかる操作を行うことにより、ろ過膜を通過する溶媒と共に、溶媒中に遊離しているカップリング剤を該溶媒と共に除去することができ、前記表面処理シリカ系粒子の再凝集を効果的に防止し、分散液において優れた透明性を有する本発明の表面処理シリカ粒子を得ることができる。   The surface-treated silica-based particles obtained as described above are obtained in a state of being dispersed in a water-soluble organic solvent containing water or the like. Such a dispersion is subjected to solvent replacement by ultrafiltration, It is necessary to carry out the step of substituting with a solvent. That is, as described above, in the ultrafiltration method, the solvent replacement is performed by adding the single solvent to be replaced to the dispersion side while separating and removing the solvent of the dispersion solution through the filtration membrane. By performing this operation, the coupling agent released in the solvent can be removed together with the solvent passing through the filtration membrane, and the surface-treated silica-based particles can be re-agglomerated. Can be effectively prevented, and the surface-treated silica particles of the present invention having excellent transparency in the dispersion can be obtained.

表面処理シリカ系粒子;
かくして得られる本発明の表面処理シリカ系粒子(ナノ粒子)は、前述した原料シリカ系粒子と同様、極めて微細なナノオーダーの粒径を有しており、電子顕微鏡で測定して平均粒子径が1〜50nm、好ましくは1〜35nmの範囲、最も好ましくは5〜25nmの範囲にあり、凝集しておらず、前述した疎水性のシランカップリング剤によって個々の粒子が被覆されており、従って、極めて高い疎水性を示す。
Surface-treated silica-based particles;
The surface-treated silica-based particles (nanoparticles) of the present invention thus obtained have an extremely fine nano-order particle size as in the case of the raw material silica-based particles described above, and the average particle size is measured by an electron microscope. 1 to 50 nm, preferably in the range of 1 to 35 nm, most preferably in the range of 5 to 25 nm, are not agglomerated and the individual particles are coated with the hydrophobic silane coupling agent described above, Very high hydrophobicity.

また、高い疎水性を示し、しかもナノオーダーの微細な粒径を有しており、凝集していないことから、重量比が1:1のイソプロピルアルコールとn−ヘプタンの混合溶媒に該粒子を3質量%含む分散液では、その可視光透過率が80%以上、特に85%以上、最も好ましくは90%以上となっており、該分散液は高い透明性を有している。   Further, since it exhibits high hydrophobicity and has a nano-order fine particle size and is not agglomerated, the particles are mixed in a mixed solvent of isopropyl alcohol and n-heptane having a weight ratio of 1: 1. In the dispersion containing mass%, the visible light transmittance is 80% or more, particularly 85% or more, and most preferably 90% or more, and the dispersion has high transparency.

即ち、本発明の表面処理シリカ系ナノ粒子は、疎水性が高いために、もはや水には分散しないが、メタノールなどの低分子量のアルコールには良く分散し、透明な状態を維持する。一方、n−ヘプタンのような疎水性の極めて高い飽和炭化水素類に対しては、完全に相溶する訳ではなく、分散液は白濁することがある。粒度分布計のデータなどから、ナノ粒子の疎水性の度合いが不十分な場合に起こる上記白濁の原因は、粒子同士が凝集し、粒径が大きくなったためであるが、本発明では、上記のように親水性の有機溶媒であるイソプロピルアルコールと疎水性有機溶媒であるn−ヘプタンとの1:1(重量比)で高い可視光透過率を示していることから、該ナノ粒子は高い疎水性を示すと同時に粒子同士の凝集が効果的に抑制され、所謂単分散の状態で存在しているものと言える。   That is, since the surface-treated silica-based nanoparticles of the present invention are highly hydrophobic, they are no longer dispersed in water, but are well dispersed in a low molecular weight alcohol such as methanol and remain transparent. On the other hand, saturated hydrocarbons with extremely high hydrophobicity such as n-heptane are not completely compatible, and the dispersion may become cloudy. From the data of the particle size distribution meter and the like, the cause of the white turbidity that occurs when the degree of hydrophobicity of the nanoparticles is insufficient is that the particles are aggregated and the particle size is increased. As described above, the nanoparticles have high hydrophobicity because of high visible light transmittance at 1: 1 (weight ratio) of isopropyl alcohol, which is a hydrophilic organic solvent, and n-heptane, which is a hydrophobic organic solvent. At the same time, aggregation of particles is effectively suppressed, and it can be said that the particles exist in a so-called monodispersed state.

樹脂コンポジット;
上述した本発明の表面処理シリカ系ナノ粒子は、粒子径が著しく微細なナノオーダーであり、しかも凝集をほとんど生じておらず、高い単分散性と同時に、極めて高い疎水性を示すため、各種樹脂に均一分散させることができ、これにより、樹脂の耐熱性(熱膨張係数)や表面硬度、強度などの機械的特性の調整を行うことができる。例えば、1〜50質量%の範囲、特に1〜30質量%、最も好ましくは3〜20質量%の範囲で、本発明の表面処理シリカ系ナノ粒子を含有する樹脂コンポジットは、樹脂の耐熱性や機械的特性が効果的に改善されている。さらに、透明樹脂が使用されている場合には、このナノ粒子が凝集せずに均一に分散されるため、その優れた透明性が維持されることとなる。
Resin composites;
The above-mentioned surface-treated silica-based nanoparticles of the present invention are nano-order particles having a remarkably fine particle diameter, and hardly cause aggregation, and exhibit high monodispersity and extremely high hydrophobicity. Thus, mechanical properties such as heat resistance (thermal expansion coefficient), surface hardness and strength of the resin can be adjusted. For example, the resin composite containing the surface-treated silica-based nanoparticles of the present invention in the range of 1 to 50% by mass, particularly 1 to 30% by mass, most preferably 3 to 20% by mass, The mechanical properties are effectively improved. Furthermore, when a transparent resin is used, the nanoparticles are uniformly dispersed without agglomeration, so that the excellent transparency is maintained.

尚、表面処理シリカ系ナノ粒子が混合される樹脂は、熱可塑性樹脂のみならず、硬化型樹脂であってもよい。   The resin with which the surface-treated silica-based nanoparticles are mixed may be not only a thermoplastic resin but also a curable resin.

また、表面処理シリカ系ナノ粒子と樹脂との混合手段としては、公知の手法が制限なく利用できる。
例えば、溶媒に可溶性の樹脂と混合する場合には、透明樹脂と表面処理ナノ粒子の双方に対して相溶性のある有機溶媒に両者を分散させ、両分散液を混合した後、溶媒を除去することにより、両者を均一に混合することができる。
また、樹脂を形成するモノマーと相溶性のある有機溶媒に分散させたナノ粒子を用い、該モノマーとナノ粒子とを混合した後、溶媒を除去して、ナノ粒子の分散したモノマーを重合させることができる。この場合、モノマーと共に、架橋剤や熱重合開始剤或いは光重合開始剤を使用することにより、硬化型樹脂にナノ粒子を均一分散させることも可能となる。特に、このようなモノマーと混合する場合、前述したシランカップリング剤としては、該モノマーと共重合可能な有機官能基(例えばビニル基や(メタ)アクリル基など)を有するシラン化合物が好適に使用される。
さらには、本発明の表面処理シリカ系ナノ粒子は、シランカップリング剤の被覆率が非常に高く、乾燥させても凝集し難いという特性を有しているため、溶媒を除去して乾燥させたナノ粒子と樹脂とを、溶融混練により混合することもできる。
In addition, as a means for mixing the surface-treated silica-based nanoparticles and the resin, a known method can be used without limitation.
For example, when mixing with a resin that is soluble in a solvent, both are dispersed in an organic solvent that is compatible with both the transparent resin and the surface-treated nanoparticles, the two dispersions are mixed, and then the solvent is removed. Thereby, both can be mixed uniformly.
Also, using nanoparticles dispersed in an organic solvent compatible with the monomer that forms the resin, mixing the monomer and nanoparticles, then removing the solvent and polymerizing the monomer in which the nanoparticles are dispersed Can do. In this case, the nanoparticles can be uniformly dispersed in the curable resin by using a crosslinking agent, a thermal polymerization initiator, or a photopolymerization initiator together with the monomer. In particular, when mixed with such a monomer, a silane compound having an organic functional group copolymerizable with the monomer (for example, a vinyl group or a (meth) acryl group) is preferably used as the silane coupling agent. Is done.
Furthermore, since the surface-treated silica-based nanoparticles of the present invention have a characteristic that the coverage of the silane coupling agent is very high and hardly aggregates even when dried, the solvent was removed and dried. The nanoparticles and the resin can be mixed by melt kneading.

上述したように、本発明の表面処理シリカ系ナノ粒子は、50nm以下のナノオーダーの微細な粒径を有しており、高い疎水性を示し、しかも凝集し難いという特性を有しているため、樹脂コンポジット、特に透明樹脂コンポジットとしての用途に極めて有用であるが、その特性を活かしてその他の用途に適用することもできる。例えば、透明性を維持したまま、各種の媒体や樹脂の粘度を調整したり、チキソトロピー性を発現させたり、耐熱性や補強性を向上させることなどの用途に適用することができる。   As described above, the surface-treated silica-based nanoparticle of the present invention has a fine particle size of nano-order of 50 nm or less, exhibits high hydrophobicity, and is difficult to aggregate. It is extremely useful for use as a resin composite, particularly as a transparent resin composite, but it can also be applied to other uses by utilizing its properties. For example, it can be applied to applications such as adjusting the viscosity of various media and resins, developing thixotropic properties, and improving heat resistance and reinforcing properties while maintaining transparency.

以下、本発明の実施例を挙げて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら制限されるものではない。
尚、以下の例において、各種の測定は以下の方法により行った。
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
In the following examples, various measurements were performed by the following methods.

(粒径の測定)
平均粒子径は、走査型電子顕微鏡または透過型電子顕微鏡の撮影像を用いて100個以上の粒子のデータを解析することにより求めた。
(Measurement of particle size)
The average particle diameter was obtained by analyzing data of 100 or more particles using a scanning image of a scanning electron microscope or a transmission electron microscope.

(可視光透過率)
表面処理したナノ粒子を、重量比1:1のイソプロピルアルコールとn−ヘプタンの混合溶媒に固形分濃度が3質量%になるように分散した。
該分散液を光路長1cmの石英セルに入れて分光光度計にセットし、波長593nmの透過率を測定して、可視光透過率とした。なお、純水を満たした光路長1cmの石英セルを参照セルとして用いた。
(Visible light transmittance)
The surface-treated nanoparticles were dispersed in a mixed solvent of isopropyl alcohol and n-heptane at a weight ratio of 1: 1 so that the solid content concentration was 3% by mass.
The dispersion was placed in a quartz cell having an optical path length of 1 cm and set in a spectrophotometer, and the transmittance at a wavelength of 593 nm was measured to obtain the visible light transmittance. A quartz cell with an optical path length of 1 cm filled with pure water was used as a reference cell.

(フロータビリティ)
疎水性の高い粉体は水に浮遊し、沈降しないという性質がある。この現象を下記のようにして数値で表すようにした。まず、表面処理したナノ粒子を乾燥させて粉末を得た。体積比を種々変えた、水とメタノールの混合溶媒を準備した。次に、各種の混合溶媒に、前記の粉末をゆっくりと加え、沈降するかどうかを確認した。粉末が沈降し始めたときの混合溶媒中のメタノールの含有率(体積分率)をフロータビリティと定義し、記録した。
具体的には、表面処理していない親水性の高い粉末(例えば、未処理のシリカ)は、水となじみが良いのでフロータビリティは0%であることが多い。例えば、テフロンのような極めて撥水性の高い粉末は水には沈まないのでフロータビリティはほぼ100%に近い値を示す。
(Floatability)
Highly hydrophobic powder has the property of floating in water and not precipitating. This phenomenon was expressed numerically as follows. First, the surface-treated nanoparticles were dried to obtain a powder. A mixed solvent of water and methanol with various volume ratios was prepared. Next, the powder was slowly added to various mixed solvents, and it was confirmed whether or not they settled. The content (volume fraction) of methanol in the mixed solvent when the powder began to settle was defined as floatability and recorded.
Specifically, a highly hydrophilic powder that is not surface-treated (for example, untreated silica) has a good flowability and is often 0% because it is compatible with water. For example, a powder having a very high water repellency such as Teflon does not sink in water, so that the flowability is almost 100%.

(原料シリカ系粒子の製造例1)
撹拌羽根付きの内容積4リットルのガラス製反応器に純水とアンモニア水(25質量%)をそれぞれ1776gおよび4.4g仕込み、反応液の温度を40℃に保持しつつ90rpmで撹拌した。
次に、2リットルの三角フラスコに、
テトラメトキシシラン[(Si(OMe)、多摩化学工業(株)製] 304g
メタノール152g
を仕込み、アルコキシシラン溶液を調製した。
この溶液を3g/minの速度で反応液中に液中滴下してシリカナノ粒子Aを合成した。滴下終了後60分間撹拌を続けた後、溶液を取り出した。取り出した溶液は透明であった。
続いて、限外ろ過装置(アドバンテック東洋(株)製、UHP−62Kに、同社製の分画分子量50,000のウルトラフィルターを装着)を用いて溶媒置換を行った。方法としては、メタノールによる希釈と限外ろ過装置による濃縮を繰り返し、上記のシリカナノ粒子Aを含んだ溶液の溶媒をメタノールに置換した。限外ろ過の条件は、圧力0.3MPaで10時間行った。最終的な溶液中のシリカの固形分濃度は5%になるように調整した。上記の条件で溶媒置換した分散液をガスクロマトグラフを用いて分析したところ、溶媒の99重量%以上がメタノールに置換していた。また、上記分散液のpHは、25℃で8.2であった。
また、得られたシリカナノ粒子Aを透過型電子顕微鏡で観察した結果、粒子形状はほぼ球状で、観察した視野の範囲では粗粒は観察されなかった。平均粒子径は8.1nm、粒子径の変動係数は9.6%であった。
(Production Example 1 of Raw Silica Particles)
1776 g and 4.4 g of pure water and ammonia water (25% by mass) were charged in a 4 liter glass reactor equipped with stirring blades, respectively, and stirred at 90 rpm while maintaining the temperature of the reaction solution at 40 ° C.
Next, in a 2 liter Erlenmeyer flask,
Tetramethoxysilane [(Si (OMe) 4 , manufactured by Tama Chemical Industry Co., Ltd.]] 304 g
152g of methanol
Was prepared to prepare an alkoxysilane solution.
This solution was dropped into the reaction solution at a rate of 3 g / min to synthesize silica nanoparticles A. Stirring was continued for 60 minutes after completion of dropping, and then the solution was taken out. The removed solution was clear.
Subsequently, the solvent was replaced using an ultrafiltration apparatus (Advantech Toyo Co., Ltd., UHP-62K equipped with an ultrafilter having a molecular weight cut off of 50,000 manufactured by the same company). As a method, dilution with methanol and concentration with an ultrafiltration device were repeated, and the solvent of the solution containing the silica nanoparticles A was replaced with methanol. The ultrafiltration conditions were 10 hours at a pressure of 0.3 MPa. The solid concentration of silica in the final solution was adjusted to 5%. When the dispersion substituted with the solvent under the above conditions was analyzed using a gas chromatograph, 99% by weight or more of the solvent was replaced with methanol. The pH of the dispersion was 8.2 at 25 ° C.
Further, as a result of observing the obtained silica nanoparticles A with a transmission electron microscope, the particle shape was almost spherical, and no coarse particles were observed in the range of the observed field of view. The average particle size was 8.1 nm, and the variation coefficient of the particle size was 9.6%.

(原料シリカ系粒子の製造例2)
純水の代わりにメタノールを使用し、メタノールとアンモニア水の仕込み量をそれぞれ、2091gおよび249gとし、反応液の温度を50℃、原料のテトラメトキシシランの使用量を124g、メタノールを62gとした以外は前記製造例1と同様にしてシリカナノ粒子Bを合成し、メタノールに溶媒置換した分散液を調製した。
分析の結果、粒子形状はほぼ球状で、観察した視野の範囲では粗粒は観察されず、平均粒子径は23nm、粒子径の変動係数は11.2%であった。
(Production Example 2 of Raw Material Silica Particles)
Use methanol instead of pure water, charge methanol and ammonia water to 2091 g and 249 g, respectively, set the reaction liquid temperature to 50 ° C., use the raw material tetramethoxysilane to 124 g, and methanol to 62 g. Prepared silica nanoparticles B in the same manner as in Production Example 1, and prepared a dispersion in which the solvent was replaced with methanol.
As a result of analysis, the particle shape was almost spherical, no coarse particles were observed in the range of the observed field of view, the average particle size was 23 nm, and the variation coefficient of the particle size was 11.2%.

(原料シリカ系粒子の製造例3)
純水の代わりにメタノールを使用し、メタノールとアンモニア水の仕込み量をそれぞれ、1161gおよび139gとし、反応液の温度を40℃、原料のテトラメトキシシランの使用量を242g、メタノールを121gとした以外は前記製造例1と同様にしてシリカナノ粒子Cを合成し、メタノールに溶媒置換した分散液を調製した。
分析の結果、粒子形状はほぼ球状で、観察した視野の範囲では粗粒は観察されなかった。平均粒子径は66nm、粒子径の変動係数は8.5%であった。
(Production Example 3 of Raw Material Silica Particles)
Methanol is used in place of pure water, the charge amounts of methanol and ammonia water are 1161 g and 139 g, respectively, the temperature of the reaction solution is 40 ° C., the amount of raw material tetramethoxysilane used is 242 g, and methanol is 121 g. Prepared silica nanoparticles C in the same manner as in Production Example 1 and prepared a dispersion in which the solvent was replaced with methanol.
As a result of analysis, the particle shape was almost spherical, and no coarse particles were observed in the range of the observed field of view. The average particle size was 66 nm, and the variation coefficient of the particle size was 8.5%.

(実施例1)
製造例1で得られたシリカナノ粒子Aのメタノール分散液を用いて、シランカップリング剤による表面処理を行った。シランカップリング剤としては、分子内にアルコキシ基を3個有するトリアルコキシシランの一種である、メチルトリメトキシシランを使用した。
まず、撹拌羽根付きの内容積2リットルのガラス製反応器に、
固形分濃度が5%のシリカナノ粒子Aのメタノール分散液700g、
アンモニア水(25質量%)40g
を仕込み、反応液の温度を40℃に保持しつつ200rpmで撹拌した。なお、上記の組成の反応液のpHは、25℃で10.9であった。
シリカナノ粒子Aの平均粒子径(一次粒子径)は8.1nmであるので、理論比表面積は前記式を用いて370m/gと計算される。なお、シリカの密度は2.0g/cm3とした。メチルトリメトキシシランの最小被覆面積は前記の式を用いて計算すると575m/gであるので、カップリング剤の理論使用量は22.5gと計算される。
上記理論使用量の1.2倍のカップリング剤を準備し、重量比で2倍のメタノールで希釈して撹拌した。続いて、カップリング剤に対して1倍当量の水を含むpH4の塩酸水溶液を加え、約60分間撹拌した。
なお、1時間後の上記液をGC/MSで分析したところ、原料のシランカップリング剤の94%が、アルコキシ基が加水分解してシラノール基が生成していることが確認された。
Example 1
Using the methanol dispersion of silica nanoparticles A obtained in Production Example 1, surface treatment with a silane coupling agent was performed. As the silane coupling agent, methyltrimethoxysilane, which is a kind of trialkoxysilane having three alkoxy groups in the molecule, was used.
First, in a 2 liter glass reactor with stirring blades,
700 g of a methanol dispersion of silica nanoparticles A having a solid content concentration of 5%,
Ammonia water (25% by mass) 40 g
Was stirred at 200 rpm while maintaining the temperature of the reaction solution at 40 ° C. The pH of the reaction solution having the above composition was 10.9 at 25 ° C.
Since the average particle diameter (primary particle diameter) of the silica nanoparticles A is 8.1 nm, the theoretical specific surface area is calculated as 370 m 2 / g using the above formula. The density of silica was 2.0 g / cm3. Since the minimum covering area of methyltrimethoxysilane is 575 m 2 / g calculated using the above formula, the theoretical usage of the coupling agent is calculated to be 22.5 g.
A coupling agent 1.2 times the theoretical amount used was prepared, diluted with methanol 2 times by weight, and stirred. Subsequently, a pH 4 aqueous hydrochloric acid solution containing 1 equivalent of water to the coupling agent was added and stirred for about 60 minutes.
In addition, when the said liquid of 1 hour after was analyzed by GC / MS, it was confirmed that 94% of the raw material silane coupling agent hydrolyzed the alkoxy group and produced | generated the silanol group.

続いて、カップリング剤を含む溶液を前記の反応器に、2時間かけて液中滴下した。滴下終了後、24時間以上撹拌し続けてから溶液を取り出した。
取り出した溶液は前出の限外ろ過装置を用いて溶媒をメタノールに置換した。
上記溶液をエバポレータ装置に移し、メタノールを蒸留しながら、溶媒にイソプロピルアルコールを少しずつ添加し、溶媒をメタノールからイソプロピルアルコールに置換した。このときナノ粒子の固形分濃度は15%であった。
次に、上記固形分濃度が15%のイソプロピルアルコール分散液とイソプロピルアルコールとn−ヘプタンを用いて、イソプロピルアルコールとn−ヘプタンの重量比が1:1、且つ、固形分濃度が3%になるようにして、3つの溶液を混合した。その結果、イソプロピルアルコールとn−ヘプタンとの1:1(重量比)混合溶媒に3質量%の濃度で表面処理シリカ粒子が分散された分散液が準備できた。
上記分散液の可視光透過率を測定したところ、96%であった。また、フロータビリティは30%であった。透過型電子顕微鏡で分散液中の粒子を観察したところ、前記のナノ粒子Aの製造例1で記載したのと同じ結果であった。
Subsequently, a solution containing a coupling agent was dropped into the reactor over 2 hours. After completion of the dropwise addition, the solution was taken out after stirring for 24 hours or more.
The extracted solution was replaced with methanol by using the above ultrafiltration apparatus.
The said solution was moved to the evaporator apparatus, isopropyl alcohol was added little by little to the solvent, distilling methanol, and the solvent was substituted from methanol to isopropyl alcohol. At this time, the solid content concentration of the nanoparticles was 15%.
Next, using the isopropyl alcohol dispersion having a solid content concentration of 15%, isopropyl alcohol and n-heptane, the weight ratio of isopropyl alcohol to n-heptane is 1: 1 and the solid content concentration is 3%. In this way, the three solutions were mixed. As a result, a dispersion liquid in which the surface-treated silica particles were dispersed at a concentration of 3% by mass in a 1: 1 (weight ratio) mixed solvent of isopropyl alcohol and n-heptane was prepared.
The visible light transmittance of the dispersion was measured and found to be 96%. Further, the floatability was 30%. When the particles in the dispersion were observed with a transmission electron microscope, the results were the same as those described in Production Example 1 for Nanoparticle A.

(実施例2)
シランカップリング剤として、メチルトリメトキシシランの代わりに、分子内にアルコキシ基を3個有するトリアルコキシシランの一種である、n−プロピルトリメトキシシランを用い、カップリング剤に対して2倍当量の水を含むpH4の塩酸水溶液を加え、約10分間撹拌した以外は実施例1と同様にして表面処理を行った。
その結果、可視光透過率は93%、フロータビリティは35%であった。
(実施例3)
シランカップリング剤として、メチルトリメトキシシランの代わりに、分子内にアルコキシ基を3個有するトリアルコキシシランの一種である、(3,3,3−トリフルオロプロピル)トリメトキシシランを用い、カップリング剤に対して2倍当量の水を含むpH4の塩酸水溶液を加え、約60分間撹拌した以外は実施例1と同様にして表面処理を行った。
その結果、可視光透過率は88%、フロータビリティは55%であった。
(Example 2)
As the silane coupling agent, n-propyltrimethoxysilane, which is a kind of trialkoxysilane having three alkoxy groups in the molecule, is used instead of methyltrimethoxysilane. Surface treatment was performed in the same manner as in Example 1 except that an aqueous hydrochloric acid solution having a pH of 4 containing water was added and stirred for about 10 minutes.
As a result, the visible light transmittance was 93% and the flowability was 35%.
(Example 3)
As the silane coupling agent, (3,3,3-trifluoropropyl) trimethoxysilane, which is a kind of trialkoxysilane having three alkoxy groups in the molecule, is used instead of methyltrimethoxysilane. Surface treatment was performed in the same manner as in Example 1 except that an aqueous hydrochloric acid solution having a pH of 4 containing 2 equivalents of water to the agent was added and stirred for about 60 minutes.
As a result, the visible light transmittance was 88% and the flowability was 55%.

(比較例1)
カップリング剤に対して0.7倍当量の水を含むpH4の塩酸水溶液を加えた以外は実施例1と同様にして表面処理ナノ粒子を調製し、評価した。
その結果、分散液は見た目にも白濁しており、可視光透過率は28%、フロータビリティは10%であった。
(Comparative Example 1)
Surface-treated nanoparticles were prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that an aqueous hydrochloric acid solution having a pH of 4 containing 0.7 times equivalent water relative to the coupling agent was added.
As a result, the dispersion was visually cloudy, visible light transmittance was 28%, and flowability was 10%.

(比較例2)
カップリング剤に対して3.5倍当量の水を含むpH4の塩酸水溶液を加えた以外は実施例1と同様にして表面処理ナノ粒子を調製し、評価した。
その結果、可視光透過率は54%、フロータビリティは35%であった。
(Comparative Example 2)
Surface-treated nanoparticles were prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that an aqueous hydrochloric acid solution having a pH of 4 containing 3.5 times the equivalent amount of water relative to the coupling agent was added.
As a result, the visible light transmittance was 54% and the flowability was 35%.

(比較例3)
反応液にアンモニア水(25質量%)を加えなかった以外は実施例1と同様にして表面処理ナノ粒子を調製し、評価した。なお、このときの反応液のpHは、25℃で8.2であった。
その結果、分散液は見た目にも白濁しており、可視光透過率は21%、フロータビリティは10%であった。
(Comparative Example 3)
Surface-treated nanoparticles were prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that ammonia water (25% by mass) was not added to the reaction solution. The pH of the reaction solution at this time was 8.2 at 25 ° C.
As a result, the dispersion liquid was also white turbid, visible light transmittance was 21%, and flowability was 10%.

(実施例4)
反応液に加えるアンモニア水(25質量%)の量が4gである以外は実施例1と同様にして表面処理ナノ粒子を調製し、評価した。なお、このときの反応液のpHは、25℃で10.2であった。
その結果、分散液は透明で、可視光透過率は90%、フロータビリティは30%であった。
Example 4
Surface-treated nanoparticles were prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the amount of ammonia water (25% by mass) added to the reaction solution was 4 g. In addition, the pH of the reaction liquid at this time was 10.2 at 25 degreeC.
As a result, the dispersion was transparent, the visible light transmittance was 90%, and the flowability was 30%.

(比較例4)
シランカップリング剤として、メチルトリメトキシシランの代わりに、分子内にアルコキシ基を2個有するジアルコキシシランの一種である、ジメチルジメトキシシランを用いた以外は実施例1と同様にして表面処理を行った。なお、このとき、カップリング剤の最小被覆面積は651m/gであるので、理論使用量の1.2倍のカップリング剤を準備し、重量比で2倍のメタノールで希釈し、撹拌した。続いて、カップリング剤の1.5倍当量の水を含むpH4の塩酸水溶液を加え、約60分間撹拌した。
その結果、可視光透過率は58%、フロータビリティは15%であった。
(Comparative Example 4)
Surface treatment was performed in the same manner as in Example 1 except that dimethyldimethoxysilane, which is a kind of dialkoxysilane having two alkoxy groups in the molecule, was used as the silane coupling agent instead of methyltrimethoxysilane. It was. At this time, since the minimum coating area of the coupling agent is 651 m 2 / g, a coupling agent 1.2 times the theoretical amount used was prepared, diluted with methanol twice the weight ratio, and stirred. . Subsequently, a pH 4 aqueous hydrochloric acid solution containing 1.5 times the equivalent of water as the coupling agent was added, and the mixture was stirred for about 60 minutes.
As a result, the visible light transmittance was 58% and the flowability was 15%.

(実施例5および比較例5)
シリカナノ粒子Aの代わりに、製造例2のシリカナノ粒子B(実施例5)および製造例3のシリカナノ粒子C(比較例5)を用いた以外は、実施例1と同様にして表面処理を行った。
その結果、実施例5の可視光透過率は90%と良好であったが、比較例5の可視光透過率は53%であった。また、フロータビリティは両方とも30%であった。
比較例5の粒子のフロータビリティは30%を示したので、実施例1や実施例5とほぼ同じ程度のカップリング剤による疎水化処理がなされていると考えられるが、ナノ粒子の粒子径が50nmよりもかなり大きいので可視光透過率が低かったものと考えられる。
(Example 5 and Comparative Example 5)
Surface treatment was performed in the same manner as in Example 1 except that silica nanoparticle B of Example 2 (Example 5) and silica nanoparticle C of Example 3 (Comparative Example 5) were used instead of silica nanoparticle A. .
As a result, the visible light transmittance of Example 5 was as good as 90%, but the visible light transmittance of Comparative Example 5 was 53%. Further, both floatability were 30%.
Since the flowability of the particles of Comparative Example 5 was 30%, it is considered that the hydrophobization treatment was carried out with almost the same coupling agent as in Example 1 and Example 5, but the particle size of the nanoparticles was It is considered that the visible light transmittance was low because it was considerably larger than 50 nm.

(実施例7)
実施例2で得られた表面処理シリカナノ粒子を用いて、ナノコンポジットの実験を行った。
ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート(新中村化学工業製) 20g
光重合開始剤(イルガキュア−184) 0.2g
を混合して紫外線硬化性樹脂を用意した。
実施例2で得られたn−プロピルトリメトキシシランで表面処理されたシリカナノ粒子のイソプロピルアルコール分散液を用いて、前記紫外線硬化性樹脂に対して、重量比でナノ粒子の含有量が10%になるように添加し、十分に撹拌した。エバポレータを用いて溶媒のイソプロピルアルコールを留去し、ナノ粒子添加の紫外線硬化性樹脂組成物を得た。該樹脂組成物は透明であった。
次に、透明なポリエステルフィルムにバーコーターを用いて上記紫外線硬化性樹脂組成物をコーティングし、80Wの高圧水銀ランプを30秒間照射して樹脂を硬化させ、コーティングフィルムを得た。
上記フィルムは透明で、鉛筆硬度は2Hであった。
(Example 7)
Using the surface-treated silica nanoparticles obtained in Example 2, experiments on nanocomposites were conducted.
Dipentaerythritol hexaacrylate (manufactured by Shin-Nakamura Chemical Co., Ltd.) 20g
Photopolymerization initiator (Irgacure-184) 0.2g
Were mixed to prepare an ultraviolet curable resin.
Using the isopropyl alcohol dispersion of silica nanoparticles surface-treated with n-propyltrimethoxysilane obtained in Example 2, the content of nanoparticles was 10% by weight with respect to the ultraviolet curable resin. Were added and stirred well. The solvent isopropyl alcohol was distilled off using an evaporator to obtain an ultraviolet curable resin composition with nanoparticles added. The resin composition was transparent.
Next, the UV curable resin composition was coated on a transparent polyester film using a bar coater, and the resin was cured by irradiation with an 80 W high pressure mercury lamp for 30 seconds to obtain a coating film.
The film was transparent and the pencil hardness was 2H.

(実施例8)
シランカップリング剤として、3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシランを使用した以外は、実施例3と同様にして高疎水性の表面処理シリカナノ粒子を得た。実施例1と同様にして可視光透過率を測定したところ、88%、フロータビリティは45%であった。
上記のナノ粒子を用いた以外は、実施例7と同様に紫外線硬化性樹脂組成物を調製し、コーティングフィルムを作製した。
その結果、上記の樹脂組成物は透明であり、また上記フィルムも透明で、鉛筆硬度は3Hであった。紫外線硬化樹脂の主成分が重合性のアクリル基を有しており、ナノ粒子の表面処理剤も重合性のアクリル基を有しているため、実施例7に比べて表面硬度が向上したものと推測される。
(Example 8)
A highly hydrophobic surface-treated silica nanoparticle was obtained in the same manner as in Example 3 except that 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane was used as the silane coupling agent. When the visible light transmittance was measured in the same manner as in Example 1, it was 88% and the flowability was 45%.
An ultraviolet curable resin composition was prepared in the same manner as in Example 7 except that the above nanoparticles were used, and a coating film was produced.
As a result, the resin composition was transparent, the film was also transparent, and the pencil hardness was 3H. Since the main component of the ultraviolet curable resin has a polymerizable acrylic group, and the surface treatment agent for the nanoparticles also has a polymerizable acrylic group, the surface hardness is improved as compared with Example 7. Guessed.

(比較例6)
ナノ粒子として、表面処理を施していない製造例1のシリカナノ粒子Aを使用した以外は、実施例7と同様に紫外線硬化性樹脂組成物を調製し、コーティングフィルムを作製した。
その結果、上記の紫外線硬化性樹脂組成物は、顕著な白濁が見られ、ナノ粒子が凝集していることが確認された。コーティングフィルムも完全な透明なものは得られず、濁りが観察された。
(Comparative Example 6)
An ultraviolet curable resin composition was prepared in the same manner as in Example 7 except that the silica nanoparticles A of Production Example 1 that had not been subjected to surface treatment were used as nanoparticles, and a coating film was produced.
As a result, it was confirmed that the above-mentioned ultraviolet curable resin composition was markedly clouded and the nanoparticles were aggregated. The coating film was not completely transparent, and turbidity was observed.

Claims (6)

電子顕微鏡で測定して平均粒子径が1〜50nmの範囲あるシリカ系粒子であって、個々の粒子が、疎水性シランカップリング剤により表面処理され、且つ、イソプロピルアルコールとn−ヘプタンとの1:1(重量比)混合溶媒に3質量%の濃度で分散させたとき、該分散液が80%以上の可視光透過率を示すことを特徴とする表面処理シリカ系粒子。   Silica-based particles having an average particle diameter in the range of 1 to 50 nm as measured with an electron microscope, each particle is surface-treated with a hydrophobic silane coupling agent, and 1 of isopropyl alcohol and n-heptane 1: Surface-treated silica-based particles, wherein the dispersion exhibits a visible light transmittance of 80% or more when dispersed in a mixed solvent at a concentration of 3% by mass (by weight). 前記疎水性シランカップリング剤が、下記式(1):
−Si(OR …(1)
式中、Rは、アルキル基、アルケニル基またはアリール基であり、
は、アルキル基である、
で表されるトリアルコキシシランである請求項1に記載の表面処理シリカ系粒子。
The hydrophobic silane coupling agent has the following formula (1):
R 1 —Si (OR 2 ) 3 (1)
In the formula, R 1 is an alkyl group, an alkenyl group or an aryl group,
R 2 is an alkyl group,
The surface-treated silica-based particle according to claim 1, which is a trialkoxysilane represented by the formula:
湿式法により、電子顕微鏡で測定して粒子径が1〜50nmのシリカ系粒子が分散した液を調製する工程;
疎水性シランカップリング剤を水の存在下で部分加水分解する工程;
前記部分加水分解物を含む液と、前記シリカ系微粒子が分散された液とを混合し、pHが9〜12において、該部分加水分解物を該シリカ系微粒子と反応させる工程;
前記部分加水分解物と該シリカ系微粒子との反応によって得られた分散液を限外ろ過法により溶媒置換を行い、未反応のカップリング剤などを除去して単一の溶媒に置換する工程;
を含むことを特徴とする表面処理シリカ系粒子の製造方法。
A step of preparing a liquid in which silica-based particles having a particle diameter of 1 to 50 nm are dispersed by a wet method as measured with an electron microscope;
Partially hydrolyzing the hydrophobic silane coupling agent in the presence of water;
Mixing the liquid containing the partial hydrolyzate and the liquid in which the silica-based fine particles are dispersed, and reacting the partial hydrolyzate with the silica-based fine particles at a pH of 9 to 12;
A step of subjecting the dispersion obtained by the reaction of the partially hydrolyzed product and the silica-based fine particles to solvent replacement by ultrafiltration, removing unreacted coupling agent and the like and replacing with a single solvent;
A method for producing surface-treated silica-based particles, comprising:
前記疎水性シランカップリング剤として、下記式(1):
−Si(OR …(1)
式中、Rは、アルキル基、アルケニル基またはアリール基であり、
は、アルキル基である、
で表されるトリアルコキシシランを使用する請求項3に記載の製造方法。
As the hydrophobic silane coupling agent, the following formula (1):
R 1 —Si (OR 2 ) 3 (1)
In the formula, R 1 is an alkyl group, an alkenyl group or an aryl group,
R 2 is an alkyl group,
The manufacturing method of Claim 3 using the trialkoxysilane represented by these.
疎水性シランカップリング剤の部分加水分解を、該カップリング剤に対して1〜3倍当量の水によって行う請求項3又は4に記載の製造方法。   The manufacturing method of Claim 3 or 4 which performs the partial hydrolysis of a hydrophobic silane coupling agent with 1-3 times equivalent water with respect to this coupling agent. 請求項1又は2に記載の表面処理シリカ系粒子を1〜50質量%含有することを特徴とする樹脂コンポジット。   A resin composite comprising 1 to 50% by mass of the surface-treated silica-based particles according to claim 1 or 2.
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