JP2013166851A - Polymer/silica composite and method of producing the same - Google Patents

Polymer/silica composite and method of producing the same Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of producing a polymer/silica composite capable of forming a silica particle having a high filling factor inside a closed cell of the polymer/silica composite.SOLUTION: A method of producing a polymer/silica composite 40, wherein silica particles 42 are contained inside closed cells 24 of a foam 20, includes the steps of: compatibilizing a polymer having a polyester structure, silicon alkoxide and carbon dioxide together under an optional pressure condition to prepare a uniform phase 10; decompressing the uniform phase 10 to make the polymer foam for forming the foam 20 having the closed cells 24; and newly adding water to the foam 20 to hydrolyze the silicon alkoxide exuded inside the closed cells 24 to form the silica particles 42.

Description

本発明は、ポリマー・シリカコンポジット及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a polymer-silica composite and a method for producing the same.

ポリマーの発泡体(以下、単に発泡体ということがある)は、樹脂使用量の低減、軽量化、断熱特性向上等を目的として、各種構造材料、機能材料に使用されている。このような発泡体は、一般的にポリマーにフロン、窒素、二酸化炭素等の高圧ガスを溶解させた後に減圧等により発泡させる、あるいはガスを発生する化合物を混合、混練して、熱分解等により発泡させる、等の手法により製造される。発泡により形成された気泡は一般的に独立気泡である。  Polymer foams (hereinafter sometimes simply referred to as foams) are used in various structural materials and functional materials for the purpose of reducing the amount of resin used, reducing weight, improving heat insulation properties, and the like. Such a foam is generally obtained by dissolving a high-pressure gas such as chlorofluorocarbon, nitrogen, carbon dioxide or the like in a polymer and then foaming it under reduced pressure or the like, or mixing and kneading a compound that generates a gas, by thermal decomposition or the like. Manufactured by a method such as foaming. Bubbles formed by foaming are generally closed cells.

独立気泡の内部に他の物質を含有させることで、発泡体には様々な機能を付与しうる。
例えば、ポリウレタン等の発泡ポリマー系の断熱材料においては、熱伝達性の低いフロンガスを用いて発泡させることにより、断熱性の向上が図られている。フロンガスは、徐々に空気と置換するため、フロンガスを用いた発泡体の断熱性は徐々に低下するという欠点がある。
Various functions can be imparted to the foam by incorporating other substances into the closed cells.
For example, in a foamed polymer-based heat insulating material such as polyurethane, the heat insulating property is improved by foaming using a fluorocarbon gas having low heat transfer properties. Since the chlorofluorocarbon gas is gradually replaced with air, the heat insulation property of the foam using the chlorofluorocarbon gas has a disadvantage that it gradually decreases.

こうした問題に対し、独立気泡内に無機超微粉末を有する発泡体が提案されている(特許文献1)。特許文献1の発明によれば、断熱性の向上が図られている。
また、例えば、独立気泡内に可動な粒子を有する発泡体が提案されている(特許文献2、3)。特許文献2〜3の発明によれば、遮音性、制振性の向上が図られている。
特許文献1ではウレタンフォーム基剤と発泡剤、無機粉末を混練し、発泡硬化させて、独立気泡内に微粒子を有する発泡構造を得ている。特許文献2〜3では、発泡剤とコーティングした無機粒子とポリマーとを混合後、発泡させることで、独立気泡内に微粒子を含包させている。しかし、特許文献1の発明では、微粒子が必ずしも独立気泡内に含包されるとは限らず、ポリマーマトリックス中にも分散され、独立気泡内における無機超微粉末の存在状態が均一ではない。また、特許文献2〜3の発明では、独立気泡の気泡径よりも十分に小さい無機粒子を独立気泡内に含包させるには適しているが、独立気泡の体積に対する無機粒子の体積の割合(充填率)を高めるのは容易ではない。
For such a problem, a foam having inorganic ultrafine powder in closed cells has been proposed (Patent Document 1). According to the invention of Patent Document 1, the heat insulation is improved.
In addition, for example, a foam having movable particles in closed cells has been proposed (Patent Documents 2 and 3). According to the inventions of Patent Documents 2 and 3, improvement in sound insulation and vibration damping is achieved.
In Patent Document 1, a urethane foam base, a foaming agent, and inorganic powder are kneaded and foam-cured to obtain a foam structure having fine particles in closed cells. In Patent Documents 2 to 3, fine particles are included in closed cells by mixing a foaming agent, coated inorganic particles, and a polymer, followed by foaming. However, in the invention of Patent Document 1, the fine particles are not necessarily included in the closed cells but are also dispersed in the polymer matrix, and the presence state of the inorganic ultrafine powder in the closed cells is not uniform. Further, in the inventions of Patent Documents 2 to 3, it is suitable for including the inorganic particles sufficiently smaller than the bubble diameter of the closed cells in the closed cells, but the ratio of the volume of the inorganic particles to the volume of the closed cells ( It is not easy to increase the filling rate.

独立気泡内に無機物を高い充填率で含包する発泡体の製造方法として、超臨界流体と金属化合物とポリマーからなる均一相を形成する工程、該均一相を減圧してポリマーを発泡させる発泡ポリマーの製造工程、さらに減圧することにより気泡内で超臨界流体と金属化合物を相分離させる工程、金属化合物を分解して該発泡ポリマーの気泡中に金属酸化物を充填する工程からなる、無機物・ポリマーコンポジット成形体の製造方法が提案されている(特許文献4)。特許文献4の発明によれば、無機物を含むコンポジットであり、発泡体の独立気泡内に金属酸化物を充填できる。
また、シリコンアルコキシドとポリマーと超臨界流体とを混合し、均一相を形成させる工程、該均一相を減圧して、ポリマーを発泡させると共に発泡セル内にシリコンアルコキシドを充填させる工程、内包されるシリコンアルコキシドを分解する工程を含む光透過性柔軟性断熱材の製造方法が提案されている(特許文献5)。特許文献5の発明によれば、発泡体の独立気泡内にシリカを充填できる。
As a method for producing a foam containing an inorganic substance in a closed cell at a high filling rate, a step of forming a uniform phase composed of a supercritical fluid, a metal compound and a polymer, a foamed polymer in which the uniform phase is decompressed to foam the polymer Inorganic / polymer comprising the steps of: a step of phase-separating the supercritical fluid and the metal compound in the bubbles by reducing the pressure; and a step of decomposing the metal compound to fill the bubbles of the foamed polymer with the metal oxide A method for producing a composite molded body has been proposed (Patent Document 4). According to invention of patent document 4, it is a composite containing an inorganic substance, and can fill a metal oxide in the closed cell of a foam.
In addition, a step of mixing a silicon alkoxide, a polymer, and a supercritical fluid to form a uniform phase, a step of decompressing the uniform phase to foam the polymer and filling the silicon alkoxide into a foam cell, A method for producing a light-transmitting flexible heat insulating material including a step of decomposing alkoxide has been proposed (Patent Document 5). According to the invention of Patent Document 5, silica can be filled into the closed cells of the foam.

特開昭63−238140号公報JP 63-238140 A 特許第2818862号公報Japanese Patent No. 2818862 特開2006−089555号公報JP 2006-089555 A 特開2007−332242号公報JP 2007-332242 A 特開2008−045013号公報JP 2008-045013 A

発泡体には、断熱性、防音性等の諸特性のさらなる向上が求められている。例えば、断熱性をさらに高めるには、対流伝熱を効果的に抑制するために、独立気泡内にシリカが一体的な粒子となって、高い充填率で含包されていることが好ましい。また、防音性の向上には、含包された粒子が独立気泡内で可動なことが好ましい。
しかしながら、従来の技術で製造された発泡体には、シリカが独立気泡内に微細な粒子として析出してしまい一体的な粒子とならず、独立気泡内でのシリカの充填率をさらに高めるのは困難であった。
そこで、本発明は、独立気泡内に充填率の高いシリカ粒子を形成できるポリマー・シリカコンポジットの製造方法を目的とする。
The foam is required to further improve various properties such as heat insulation and soundproofing. For example, in order to further enhance the heat insulation, it is preferable that silica be integrated into closed cells and included at a high filling rate in order to effectively suppress convective heat transfer. In order to improve soundproofing properties, it is preferable that the encapsulated particles are movable in closed cells.
However, in the foam manufactured by the conventional technology, silica is precipitated as fine particles in closed cells and does not become an integral particle, and the silica filling rate in closed cells is further increased. It was difficult.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing a polymer-silica composite capable of forming silica particles having a high filling rate in closed cells.

本発明者らは、鋭意検討した結果、ポリマーとシリコンアルコキシドと二酸化炭素とを均一相にすること、均一相を減圧してポリマーを発泡させた際に、ポリマー側にシリコンアルコキシドが多く含有されるようにすること、シリコンアルコキシドをポリマーと相分離させて気泡の内壁に滲出させた後に、アルコキシドの量に比して十分な量の水を加え、加水分解してシリカを生成させること、によって一体的なシリカ粒子を独立気泡内に形成できることを見出した。さらに、用いられる二酸化炭素が必ずしも超臨界状態でなくても、3成分の均一混合状態を実現できればよいことを確認した。
これらの知見に基づき、任意の圧力条件下でシリコンアルコキシドと特定のポリマーと二酸化炭素との均一相を形成させた後、該均一相を減圧してポリマーを発泡させ、次いで水の存在下でアルコキシドを加水分解して一体的なシリカ粒子を形成することで、独立気泡内におけるシリカ粒子の充填率が高められたポリマー・シリカコンポジットの製造方法を完成するに至った。
As a result of intensive studies, the present inventors have made a polymer, silicon alkoxide, and carbon dioxide into a homogeneous phase, and when the homogeneous phase is decompressed to cause the polymer to foam, a large amount of silicon alkoxide is contained on the polymer side. After the silicon alkoxide is phase-separated from the polymer and exuded on the inner wall of the bubble, a sufficient amount of water is added to the amount of the alkoxide and hydrolyzed to form silica. It has been found that typical silica particles can be formed in closed cells. Furthermore, even if the carbon dioxide used is not necessarily in a supercritical state, it was confirmed that a three-component homogeneous mixed state may be realized.
Based on these findings, after forming a homogeneous phase of silicon alkoxide, a specific polymer and carbon dioxide under an arbitrary pressure condition, the homogeneous phase is decompressed to foam the polymer, and then the alkoxide is present in the presence of water. As a result, the production of a polymer-silica composite in which the packing rate of silica particles in closed cells was increased was completed.

即ち、本発明のポリマー・シリカコンポジットの製造方法は、発泡体中の独立気泡内に、シリカ粒子が含包されたポリマー・シリカコンポジットの製造方法において、ポリエステル構造を有するポリマーとシリコンアルコキシドと二酸化炭素とを任意の圧力条件下で相溶させて均一相とする工程と、前記均一相を減圧して前記ポリマーを発泡させて、独立気泡を有する発泡体を形成する工程と、該発泡体に新たに水を加えて、前記独立気泡内に滲出した前記シリコンアルコキシドを加水分解して、前記シリカ粒子を形成する工程と、を備えることを特徴とする。
前記ポリマーは、ポリ乳酸及び/又はポリメタクリル酸メチルであることが好ましく、前記シリコンアルコキシドは、メトキシシラン構造を有することが好ましく、前記シリコンアルコキシドは、テトラメトキシシラン又はそのオリゴマーであることがより好ましい。
That is, the method for producing a polymer-silica composite of the present invention is a method for producing a polymer-silica composite in which silica particles are included in closed cells in a foam, in which the polymer having a polyester structure, silicon alkoxide, and carbon dioxide are used. And a step of forming a homogeneous phase by decompressing the homogeneous phase to foam the polymer to form a foam having closed cells, and adding a new phase to the foam. A step of hydrolyzing the silicon alkoxide exuded into the closed cells to form the silica particles.
The polymer is preferably polylactic acid and / or polymethyl methacrylate, the silicon alkoxide preferably has a methoxysilane structure, and the silicon alkoxide is more preferably tetramethoxysilane or an oligomer thereof. .

本発明のポリマー・シリカコンポジットは、ポリエステル構造を有するポリマーの発泡体の独立気泡内に、シリカ粒子が含包されたポリマー・シリカコンポジットにおいて、前記シリカ粒子の外径は、含包される前記独立気泡の気泡径の50〜100%であることを特徴とする。
前記独立気泡内に1つのシリカ粒子が含包されていることがより好ましい。
The polymer-silica composite of the present invention is a polymer-silica composite in which silica particles are included in closed cells of a polymer foam having a polyester structure. The outer diameter of the silica particles is included in the independent bubbles included in the polymer-silica composite. It is characterized by being 50 to 100% of the bubble diameter of the bubbles.
More preferably, one silica particle is included in the closed cell.

本発明によれば、ポリマー・シリカコンポジットの独立気泡内に充填率の高いシリカ粒子を形成できる。   According to the present invention, silica particles having a high filling rate can be formed in closed cells of a polymer-silica composite.

ポリマー・シリカコンポジットの製造方法を説明する工程図である。It is process drawing explaining the manufacturing method of a polymer silica composite. 実施例1のポリマー・シリカコンポジットのSEM写真である。2 is a SEM photograph of the polymer-silica composite of Example 1. 実施例1のポリマー・シリカコンポジットのSEM写真である。2 is a SEM photograph of the polymer-silica composite of Example 1. 実施例2のポリマー・シリカコンポジットのSEM写真である。2 is a SEM photograph of the polymer-silica composite of Example 2. 実施例2のポリマー・シリカコンポジットのSEM写真である。2 is a SEM photograph of the polymer-silica composite of Example 2. 実施例2のポリマー・シリカコンポジットのSEM写真である。2 is a SEM photograph of the polymer-silica composite of Example 2. 実施例3のポリマー・シリカコンポジットのSEM写真である。4 is a SEM photograph of the polymer-silica composite of Example 3. 実施例3のポリマー・シリカコンポジットのSEM写真である。4 is a SEM photograph of the polymer-silica composite of Example 3. 参考例2のポリマー・シリカコンポジットのSEM写真である。4 is a SEM photograph of the polymer-silica composite of Reference Example 2. 参考例2のポリマー・シリカコンポジットのSEM写真である。4 is a SEM photograph of the polymer-silica composite of Reference Example 2.

(ポリマー・シリカコンポジット)
本発明のポリマー・シリカコンポジットは、独立気泡を有する発泡体と、発泡体の独立気泡内に含包されたシリカ粒子とを有するものである。
(Polymer / silica composite)
The polymer-silica composite of the present invention has a foam having closed cells and silica particles encapsulated in the closed cells of the foam.

独立気泡の大きさは、特に限定されないが、例えば、気泡径1〜100μmの独立気泡を含むことが好ましい。気泡径が上記下限値以上であれば、ポリマー・シリカコンポジットの諸特性を高められ、上記上限値以下であれば、ポリマー・シリカコンポジットの強度を高めやすい。
なお、独立気泡の気泡径は、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて、ポリマー・シリカコンポジットの断面を観察して測定された値であり、観察画像において独立気泡が真円形でない場合、最も長い径を気泡径とした。
Although the magnitude | size of a closed cell is not specifically limited, For example, it is preferable that a closed cell with a bubble diameter of 1-100 micrometers is included. If the bubble diameter is not less than the above lower limit value, various properties of the polymer-silica composite can be enhanced, and if it is not more than the above upper limit value, the strength of the polymer-silica composite can be easily increased.
The cell diameter of the closed cell is a value measured by observing the cross section of the polymer-silica composite using a scanning electron microscope (SEM), and is the longest when the closed cell is not a true circle in the observed image. The diameter was taken as the bubble diameter.

発泡体には、独立気泡以外に、連通気泡が形成されていてもよい。ただし、ポリマー・シリカコンポジットの諸特性を高める観点からは、独立気泡が多く形成されていることが好ましい。
発泡体における空隙率は、ポリマー・シリカコンポジットの用途に応じて適宜決定される。
In the foam, in addition to closed cells, open cells may be formed. However, from the viewpoint of improving various properties of the polymer-silica composite, it is preferable that many closed cells are formed.
The porosity in the foam is appropriately determined according to the use of the polymer-silica composite.

シリカ粒子の形状は、シリカ粒子を含包する独立気泡の形状に応じたものとされる。
シリカ粒子の大きさは、特に限定されないが、例えば、外径0.1μm以上が好ましく、0.5〜50μmがより好ましい。
独立気泡の大きさに対するシリカ粒子の大きさは、ポリマー・シリカコンポジットの用途等を勘案して適宜決定され、例えば、シリカ粒子の外径は、シリカ粒子を含包する独立気泡の気泡径の50〜100%が好ましく、70〜100%がより好ましい。上記下限値以上であれば、独立気泡内におけるシリカ粒子の充填率がより高まって、ポリマー・シリカコンポジットの諸特性をより高められる。
なお、シリカ粒子の外径は、SEMを用いて、ポリマー・シリカコンポジットの断面を観察して測定された値であり、観察画像においてシリカ粒子が真円形でない場合、最も長い径を外径とした。
The shape of the silica particles is determined according to the shape of the closed cells containing the silica particles.
Although the magnitude | size of a silica particle is not specifically limited, For example, 0.1 micrometer or more in outer diameter is preferable, and 0.5-50 micrometers is more preferable.
The size of the silica particles relative to the size of the closed cells is appropriately determined in consideration of the use of the polymer-silica composite. For example, the outer diameter of the silica particles is 50 times the bubble size of the closed cells containing the silica particles. -100% is preferable, and 70-100% is more preferable. If it is more than the said lower limit, the filling rate of the silica particle in a closed cell will increase more, and the various characteristics of a polymer silica composite will be improved more.
The outer diameter of the silica particles is a value measured by observing the cross section of the polymer-silica composite using SEM, and when the silica particles are not true circles in the observed image, the longest diameter is taken as the outer diameter. .

シリカ粒子の形態は、ポリマー・シリカコンポジットの用途等を勘案して適宜決定され、中実構造であってもよいし、中空構造であってもよい。また、シリカ粒子は、固体であってもよいし、ゲル状であってもよい。  The form of the silica particles is appropriately determined in consideration of the use of the polymer / silica composite, and may be a solid structure or a hollow structure. Silica particles may be solid or gelled.

1つの独立気泡に含包されるシリカ粒子の数は、特に限定されないが、1つであることが好ましい。シリカ粒子の数が1つであれば、充填率をより高めて、ポリマー・シリカコンポジットの諸特性をより高められる。
なお、1つの独立気泡に含包されるシリカ粒子が1つであるとは、ポリマー・シリカコンポジットをSEMで観察(2000倍)した際に、独立気泡内に2つ以上のシリカ粒子の存在が認められないことを意味する。
The number of silica particles included in one closed cell is not particularly limited, but is preferably one. If the number of silica particles is one, the filling rate can be further increased and various properties of the polymer-silica composite can be further increased.
One silica particle included in one closed cell means that two or more silica particles are present in the closed cell when the polymer-silica composite is observed by SEM (2000 times). Means not allowed.

ポリマー・シリカコンポジット中のシリカ粒子の含有量は、ポリマー・シリカコンポジットの用途等を勘案して適宜決定される。例えば、ポリマー・シリカコンポジット中のシリカ含有量は、10〜50質量%とされる。上記下限値以上であれば、ポリマー・シリカコンポジットの諸特性をより高められ、上記上限値以下であれば、ポリマー・シリカコンポジットの機械的強度をより高められる。  The content of silica particles in the polymer-silica composite is appropriately determined in consideration of the use of the polymer-silica composite. For example, the silica content in the polymer-silica composite is 10 to 50% by mass. If it is more than the said lower limit, various characteristics of a polymer silica composite can be improved more, and if it is below the said upper limit, the mechanical strength of a polymer silica composite can be improved more.

(ポリマー・シリカコンポジットの製造方法)
まず、本発明のポリマー・シリカコンポジットの製造方法の原理について、以下に図1を参照して説明する。
ポリマー、金属化合物及び二酸化炭素は、それぞれを適宜選択することにより、高圧下で3成分が均一に混合された均一相10となる。この均一相10を形成する系では、温度、圧力を調節することにより、3成分が均一な状態、3成分の内の2成分が混合した状態、3成分が分離した状態等、様々な相に制御できる。
(Production method of polymer / silica composite)
First, the principle of the method for producing a polymer-silica composite of the present invention will be described below with reference to FIG.
A polymer, a metal compound, and carbon dioxide are appropriately selected to form a uniform phase 10 in which three components are uniformly mixed under high pressure. In the system that forms the homogeneous phase 10, by adjusting the temperature and pressure, the three components are in a uniform state, the two of the three components are mixed, the three components are separated, and so on. Can be controlled.

3成分が均一に混合された均一相10を減圧すると、相分離に伴って発泡体20が形成される。一般に、金属化合物であるシリコンアルコキシドと二酸化炭素との親和性は、それぞれのポリマーとの親和性よりも高いため、先にシリコンアルコキシド及び二酸化炭素の2成分がポリマーから相分離して独立気泡24を形成する。この状態でシリコンアルコキシドを加水分解すると、独立気泡24内にシリカ成分が凝集して、例えば、特許文献4に記載の構造が得られる。  When the uniform phase 10 in which the three components are uniformly mixed is decompressed, the foam 20 is formed along with the phase separation. Generally, since the affinity between silicon alkoxide, which is a metal compound, and carbon dioxide is higher than the affinity with each polymer, the two components of silicon alkoxide and carbon dioxide are first phase-separated from the polymer to form closed cells 24. Form. When the silicon alkoxide is hydrolyzed in this state, the silica component aggregates in the closed cells 24, and for example, the structure described in Patent Document 4 is obtained.

ポリエステル構造を有するポリマー(以下、単にポリマーということがある)とシリコンアルコキシドのように、相互の親和性が高い場合においては、平衡論的にはポリマーとシリコンアルコキシドとが相分離する条件となっていても、粘性等の影響により、相分離の進行に時間を要する場合がある。即ち、シリコンアルコキシドと二酸化炭素がポリマーより分離するべきところ、ポリマーマトリックス22からのシリコンアルコキシドの分離が遅いため、二酸化炭素の分離により生成された独立気泡24の内壁から、シリコンアルコキシドが徐々に滲出する状態(図1の符号30の状態)となる。
シリコンアルコキシドを加水分解し縮重合して、独立気泡24内にシリカ粒子を形成させる工程の制御により、異なる構造のシリカ粒子が得られる。シリコンアルコキシドを加水分解し縮重合する過程は、加える水分量と、酸、塩基等の触媒の添加量等によって制御できる。独立気泡24の内壁に滲出したシリコンアルコキシドを十分な量の水の存在下で加水分解することによって、独立気泡24の内壁に沿った形でシリカ粒子が成長し、例えば、一体的な球状のシリカ粒子42が形成されたポリマー・シリカコンポジット40が得られる。シリカ粒子42は、独立気泡24の気泡径とシリコンアルコキシドの滲出量、及び加水分解した後の乾燥工程の雰囲気により、中実構造、又はモノリス状もしくはカプセル状等の中空構造、あるいはゲル状等のいずれの構造を取ることができ、また収縮の程度によるが、独立気泡24に対して比較的高い充填率となる。
In the case where the affinity between each other is high, such as a polymer having a polyester structure (hereinafter sometimes simply referred to as a polymer) and a silicon alkoxide, the conditions for phase separation of the polymer and the silicon alkoxide are not balanced. However, the phase separation may take time due to the influence of viscosity and the like. That is, where the silicon alkoxide and carbon dioxide should be separated from the polymer, the separation of the silicon alkoxide from the polymer matrix 22 is slow, so that the silicon alkoxide gradually exudes from the inner wall of the closed cell 24 generated by the carbon dioxide separation. It becomes a state (state of reference numeral 30 in FIG. 1).
By controlling the process of hydrolyzing and polycondensing silicon alkoxide to form silica particles in closed cells 24, silica particles having different structures can be obtained. The process of hydrolyzing and polycondensing silicon alkoxide can be controlled by the amount of water added and the amount of catalyst such as acid or base added. By hydrolyzing the silicon alkoxide exuded on the inner wall of the closed cell 24 in the presence of a sufficient amount of water, silica particles grow along the inner wall of the closed cell 24. For example, an integral spherical silica The polymer-silica composite 40 in which the particles 42 are formed is obtained. Depending on the bubble diameter of the closed cells 24 and the amount of silicon alkoxide exuded, and the atmosphere of the drying step after hydrolysis, the silica particles 42 have a solid structure, a hollow structure such as a monolith or capsule, or a gel. Either structure can be adopted, and depending on the degree of shrinkage, the closed cell 24 has a relatively high filling rate.

ここで、独立気泡24が形成された後、塩基触媒等の利用等によってシリコンアルコキシドを急激に加水分解した場合には、シリコンアルコキシドはポリマーマトリックス22から十分に分離する前(図1中の符号30aの状態)に分解、固定化される。このため、シリコンアルコキシドを急激に加水分解した場合には、ポリマーマトリックス22内にシリカが分散し、ポリマーマトリックス22が多孔化された構造のポリマー・シリカコンポジット40aとなる。
また、例えば、特許文献4、5に記載の方法では、ポリマーの重合等で生じた水により、シリコンアルコキシドが加水分解される。特許文献4、5に記載の方法では、シリコンアルコキシドを加水分解するのに必要な水が不十分であるため、シリカが独立気泡24の内壁で成長することなく、微粒子として独立気泡24内に堆積する。
Here, when the silicon alkoxide is rapidly hydrolyzed by using a base catalyst or the like after the closed cells 24 are formed, the silicon alkoxide is sufficiently separated from the polymer matrix 22 (reference numeral 30a in FIG. 1). To be disassembled and immobilized. Therefore, when the silicon alkoxide is rapidly hydrolyzed, the silica is dispersed in the polymer matrix 22, and the polymer-silica composite 40a having a structure in which the polymer matrix 22 is made porous is obtained.
Further, for example, in the methods described in Patent Documents 4 and 5, silicon alkoxide is hydrolyzed by water generated by polymerization of a polymer or the like. In the methods described in Patent Documents 4 and 5, since the water required for hydrolyzing the silicon alkoxide is insufficient, silica does not grow on the inner wall of the closed cell 24 and accumulates in the closed cell 24 as fine particles. To do.

本発明のポリマー・シリカコンポジットの製造方法は、上記の原理に基づき完成されたものであり、ポリマーとシリコンアルコキシドと二酸化炭素とを任意の圧力条件下で相溶させて均一相とする工程(相溶工程)と、前記均一相を減圧して前記ポリマーを発泡させて、独立気泡を有する発泡体を形成する工程(発泡工程)と、発泡体に新たに水を加えて、独立気泡内に滲出した前記シリコンアルコキシドを加水分解してシリカ粒子を形成する工程(加水分解工程)と、を備えるものである。
以下、本発明のポリマー・シリカコンポジットの製造方法の一例について説明する。
The method for producing a polymer-silica composite of the present invention has been completed based on the above-described principle, and is a step in which a polymer, silicon alkoxide, and carbon dioxide are mixed under an arbitrary pressure condition to form a homogeneous phase (phase). Melting step), depressurizing the homogeneous phase to foam the polymer to form a foam having closed cells (foaming step), and adding water to the foam to exude into the closed cells And a step of hydrolyzing the silicon alkoxide to form silica particles (hydrolysis step).
Hereinafter, an example of the method for producing the polymer-silica composite of the present invention will be described.

<相溶工程>
相溶工程は、ポリマーとシリコンアルコキシドと二酸化炭素とを任意の圧力条件下で相溶させて均一相とする工程である。例えば、相溶工程は、予め乾燥させたポリマーとシリコンアルコキシドとを任意の比率で温度調節可能な耐圧容器に入れ、耐圧容器内に二酸化炭素を導入し、ポリマーと二酸化炭素とシリコンアルコキシドが均一相を形成する圧力条件及び温度条件とするものが挙げられる。
<Compatibilization process>
The compatibility step is a step in which a polymer, silicon alkoxide, and carbon dioxide are mixed under an arbitrary pressure condition to form a uniform phase. For example, in the compatibility step, a polymer and silicon alkoxide, which have been dried in advance, are placed in a pressure-resistant container whose temperature can be adjusted at an arbitrary ratio, carbon dioxide is introduced into the pressure-resistant container, and the polymer, carbon dioxide, and silicon alkoxide are in a homogeneous phase. The pressure condition and the temperature condition for forming are included.

本発明のポリマーは、ポリエステル構造を有し、二酸化炭素及びシリコンアルコキシドの双方と親和性を有し、任意の圧力条件下で、ポリマーとシリコンアルコキシドと二酸化炭素との3成分が均一混合状態となるものであればよく、例えば、テレフタル酸、イソフタル酸、2,6−ナフタレンジカルボン酸、1,4−ナフタレンジカルボン酸、アジピン酸、セバシン酸等のジカルボン酸単量体と、エチレングリコール、プロピレングリコール、1,4−ブチレングリコール、1,4−シクロヘキサンジメタノール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリオキシテトラメチレングリコール、ビスフェノール化合物もしくはその誘導体のアルキレンオキサイド付加物、又はトリメチロールプロパン、グリセリン、ペンタエリスリトール等のジオールもしくは多価アルコール単量体との共重合体;乳酸、p−ヒドロキシ安息香酸や、2,6−ヒドロキシナフトエ酸等のヒドロキシカルボン酸等の(共)重合体;メタクリル酸メチル等のメタクリル酸アルキルエステルの(共)重合体;及びこれらの混合物等が挙げられる。これらのポリマーのうち、二酸化炭素及びシリコンアルコキシド双方との混和性がよいことから、ポリメタクリル酸メチル及びポリ乳酸が好適に用いられる。また、これらのポリマーにアクリルゴム等のエストラマーを混合したものは、空隙率及び気泡の安定性に優れ、さらに好適である。
なお、上記の(共)重合体の構造は、特に限定されず、ランダム重合、ブロック重合等のいずれであってもよい。また、ポリマーの立体規則性はアイソタクチック、アタクチック、シンジオタクチックのいずれでもよい。
これらのポリマーは、1種単独で用いられてもよいし、2種以上が組み合わされて用いられてもよい。
The polymer of the present invention has a polyester structure, has an affinity with both carbon dioxide and silicon alkoxide, and under a given pressure condition, the three components of polymer, silicon alkoxide, and carbon dioxide are in a uniform mixed state. Any dicarboxylic acid monomer such as terephthalic acid, isophthalic acid, 2,6-naphthalenedicarboxylic acid, 1,4-naphthalenedicarboxylic acid, adipic acid, sebacic acid, ethylene glycol, propylene glycol, 1,4-butylene glycol, 1,4-cyclohexanedimethanol, diethylene glycol, triethylene glycol, polypropylene glycol, polyoxytetramethylene glycol, alkylene oxide adducts of bisphenol compounds or derivatives thereof, or trimethylolpropane Copolymers with diols such as glycerin and pentaerythritol or polyhydric alcohol monomers; (Co) polymers such as lactic acid, p-hydroxybenzoic acid, and hydroxycarboxylic acids such as 2,6-hydroxynaphthoic acid; methacrylic (Co) polymers of methacrylic acid alkyl esters such as methyl acid; and mixtures thereof. Of these polymers, polymethyl methacrylate and polylactic acid are preferably used because of their good miscibility with both carbon dioxide and silicon alkoxide. Further, those obtained by mixing an elastomer such as acrylic rubber with these polymers are excellent in porosity and bubble stability, and are more preferable.
In addition, the structure of said (co) polymer is not specifically limited, Any of random polymerization, block polymerization, etc. may be sufficient. Further, the stereoregularity of the polymer may be any of isotactic, atactic, and syndiotactic.
These polymers may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type.

ポリマーには、通常使用される添加剤、例えば、可塑剤、安定剤、耐衝撃性向上剤、難燃剤、結晶核剤、滑剤、帯電防止剤、界面活性剤、顔料、染料、充填剤、酸化防止剤、加工助剤、紫外線吸収剤、防曇剤、防菌剤、防黴剤等が1種単独で又は2種以上加えられていてもよい。  For polymers, commonly used additives such as plasticizers, stabilizers, impact resistance improvers, flame retardants, crystal nucleating agents, lubricants, antistatic agents, surfactants, pigments, dyes, fillers, oxidation Inhibitors, processing aids, ultraviolet absorbers, antifogging agents, antibacterial agents, antifungal agents and the like may be used alone or in combination of two or more.

耐圧容器に入れられる際のポリマーの形態は、特に限定されず、成形体であってもよいし、溶融状態のものであってもよい。
ポリマーを乾燥させる方法としては、例えば、真空乾燥法等が挙げられる。
The form of the polymer when placed in the pressure vessel is not particularly limited, and may be a molded body or a molten state.
Examples of the method for drying the polymer include a vacuum drying method.

本発明のシリコンアルコキシドとしては、二酸化炭素及びポリマーに親和性を有するものであれば、特に限定されないが、メトキシシラン(CHOSi−)構造を有するものが好ましい。メトキシシラン構造を有するシリコンアルコキシドとしては、例えば、テトラメトキシシラン及びそのオリゴマーが好適に用いられる。必要により、シリコンアルコキシドには、表面張力や分解挙動を制御するための助剤が1種単独で又は2種以上加えられていてもよい。 The silicon alkoxide of the present invention is not particularly limited as long as it has an affinity for carbon dioxide and a polymer, but one having a methoxysilane (CH 3 OSi—) structure is preferable. As the silicon alkoxide having a methoxysilane structure, for example, tetramethoxysilane and its oligomer are preferably used. If necessary, the silicon alkoxide may contain one or more auxiliary agents for controlling the surface tension and the decomposition behavior.

本発明における二酸化炭素は、任意の圧力条件及び任意の温度条件で、ポリマー及びシリコンアルコキシドと均一相を形成できればよく、その状態は限定されず、例えば、超臨界流体、亜臨界流体、又は気体であってもよい。例えば、特許文献4、5では、二酸化炭素が超臨界流体として反応装置に供給されているが、本発明の二酸化炭素は反応装置に供給される際の形態によらず、任意の圧力条件及び任意の温度条件の下で、ポリマー及びシリコンアルコキシドと相溶すればよい。また、二酸化炭素は、均一相を形成しうる限り、窒素ガス等、他のガスとの混合ガスであってもよい。  The carbon dioxide in the present invention is not limited as long as it can form a homogeneous phase with the polymer and silicon alkoxide under any pressure condition and any temperature condition. For example, the state is not limited, and may be a supercritical fluid, subcritical fluid, or gas. There may be. For example, in Patent Documents 4 and 5, carbon dioxide is supplied to the reaction apparatus as a supercritical fluid. However, the carbon dioxide of the present invention is not limited to the form in which it is supplied to the reaction apparatus. It is sufficient to be compatible with the polymer and silicon alkoxide under the following temperature conditions. Carbon dioxide may be a mixed gas with other gases such as nitrogen gas as long as it can form a homogeneous phase.

均一相中のシリコンアルコキシドの量は、ポリマー・シリカコンポジットに求める諸特性に応じて決定され、例えば、[シリコンアルコキシド中のシリカ]/[ポリマー(モノマーユニット単位)]で表されるモル比(以下、シリカ/ポリマー比ということがある)が、好ましくは0.05〜0.7、より好ましくは0.1〜0.5とされる。シリカ/ポリマー比が上記下限値未満では、高い充填率のシリカ粒子を形成しにくく、上記上限値超では、ポリマー・シリカコンポジットが無機シリカの性質に近くなり、強度、柔軟性、靭性が損なわれるおそれがある。  The amount of silicon alkoxide in the homogeneous phase is determined according to various properties required for the polymer-silica composite, and for example, a molar ratio (hereinafter referred to as “silica in silicon alkoxide” / [polymer (monomer unit unit)]). , Sometimes referred to as silica / polymer ratio), preferably 0.05 to 0.7, more preferably 0.1 to 0.5. If the silica / polymer ratio is less than the above lower limit value, it is difficult to form silica particles with a high filling rate. If the silica / polymer ratio exceeds the above upper limit value, the polymer / silica composite becomes close to the properties of inorganic silica, and the strength, flexibility and toughness are impaired. There is a fear.

均一相中の二酸化炭素の量は、ポリマーに十分量のシリコンアルコキシドを含浸させる観点から、発泡体を維持できる範囲でポリマーに対して十分量であることが好ましい。[二酸化炭素]/[ポリマー]で表される質量比(以下、CO/ポリマー比ということがある)は、ポリマーの種類に応じて適宜決定され、例えば、0.01〜2が好ましく、0.05〜1がより好ましい。CO/ポリマー比が上記下限値未満では、ポリマーへの二酸化炭素及びシリコンアルコキシドの含浸量が不十分で、発泡体を形成できないおそれがあり、上記上限値超では、発泡時に気泡が破泡したり、発泡体の成形が困難になるおそれがある。 From the viewpoint of impregnating the polymer with a sufficient amount of silicon alkoxide, the amount of carbon dioxide in the homogeneous phase is preferably a sufficient amount with respect to the polymer as long as the foam can be maintained. The mass ratio represented by [carbon dioxide] / [polymer] (hereinafter sometimes referred to as CO 2 / polymer ratio) is appropriately determined according to the type of polymer, and is preferably 0.01 to 2, for example, 0 0.05 to 1 is more preferable. If the CO 2 / polymer ratio is less than the above lower limit value, the amount of carbon dioxide and silicon alkoxide impregnated into the polymer may be insufficient, and foam may not be formed. If the above upper limit value is exceeded, bubbles may break during foaming. Or the foam may be difficult to mold.

相溶工程における圧力条件は、ポリマーとシリコンアルコキシドと二酸化炭素とが均一相を形成する条件である。均一相を形成する圧力条件は、多くの場合、二酸化炭素とシリコンアルコキシドとの2種均一相を形成する条件と同一である。二酸化炭素とシリコンアルコキシドとは、所定の圧力以上で、両者の組成にかかわらず2種均一相を形成することが知られており、例えば、テトラメトキシシランは、40℃で9MPa、又は120℃で16MPaの条件下で、二酸化炭素と2種均一相を形成する。
相溶工程における温度条件は、ポリマーのガラス転移温度以上かつシリコンアルコキシドの分解温度以下が好ましい。
The pressure conditions in the compatibility step are conditions under which a polymer, silicon alkoxide, and carbon dioxide form a homogeneous phase. In many cases, the pressure condition for forming the homogeneous phase is the same as the condition for forming the two kinds of homogeneous phases of carbon dioxide and silicon alkoxide. Carbon dioxide and silicon alkoxide are known to form two homogeneous phases regardless of their composition at a predetermined pressure or higher. For example, tetramethoxysilane is 9 MPa at 40 ° C. or 120 ° C. Under the condition of 16 MPa, carbon dioxide and two homogeneous phases are formed.
The temperature condition in the compatibility step is preferably above the glass transition temperature of the polymer and below the decomposition temperature of the silicon alkoxide.

相溶工程の時間、即ち、任意の圧力条件で保持する時間は、ポリマーの種類や形態等を勘案して適宜決定され、例えば、1〜48時間が好ましい。  The time of the compatibilizing step, that is, the time for holding at an arbitrary pressure condition is appropriately determined in consideration of the type and form of the polymer, and is preferably 1 to 48 hours, for example.

<発泡工程>
発泡工程は、相溶工程で得られた均一相を減圧して、ポリマーを発泡させる工程である。本工程を経ることで、独立気泡を有する発泡体が形成される。なお、ポリマーが発泡した直後においては、シリコンアルコキシドの一部又は全部が発泡体を構成するポリマーマトリックス中に分散した状態となっている。
<Foaming process>
The foaming step is a step of decompressing the homogeneous phase obtained in the compatibility step to foam the polymer. Through this step, a foam having closed cells is formed. Note that immediately after the polymer is foamed, part or all of the silicon alkoxide is dispersed in the polymer matrix constituting the foam.

発泡工程としては、例えば、耐圧容器内の温度を均一相が維持される温度に維持したまま、耐圧容器内から均一相を取り出し、任意の圧力条件の空間に放出して減圧したり、耐圧容器内の圧力を開放するものが挙げられる。この際、ポリマーとシリコンアルコキシドとの混合物は、これらの比率に応じた空隙率の発泡体となる。
減圧の速度は、独立気泡の大きさや空隙率等、発泡体の発泡構造を制御する上で最適な条件を選択できる。
発泡構造は、ポリマーの内部にどれだけの二酸化炭素及びシリコンアルコキシドが封じ込められているか、ならびに封じ込められた二酸化炭素及びシリコンアルコキシドがどのように相分離するかに依存する。
例えば、0.1MPa/min程度の緩慢な速度で減圧(低速減圧)すれば、ポリマーに溶解した二酸化炭素及びシリコンアルコキシドが、表面からポリマー外に拡散する時間がある。このため、ポリマー内部に封じ込められる二酸化炭素及びシリコンアルコキシドの量が少なくなって、発泡構造の成長は抑制される。
一方、例えば、1MPa/min以上の急激な速度で減圧(急速減圧)した場合(即ち、ポリマー外部への二酸化炭素及びシリコンアルコキシドの拡散が十分に抑制される条件)では、両者のポリマーへの溶解度を急激に変化させて過飽和度を高めることで、微細な気泡を数多く形成できる。
例えば、減圧速度が2MPa/minの条件と減圧速度が20MPa/minの条件とでは、両者共に発泡構造を形成できるが、減圧速度が20MPa/minの場合、急激に二酸化炭素及びシリコンアルコキシドの溶解度が低下して、過飽和度が高くなる。このため、減圧速度が20MPa/minの場合には、減圧速度が2MPa/minの場合に比べて微細な独立気泡が高い密度で含まれた構造を形成する。
これらの急速減圧と低速減圧とを適宜組み合わせて、例えば一旦常圧(大気圧)以上の圧力に急速減圧し、一定時間保持し、その後、低速減圧して独立気泡の大きさを抑制することで、シリコンアルコキシドの含有量及び発泡体の発泡構造を調節してもよい。さらに一定時間、圧力を保持する過程において、平行してシリコンアルコキシドを加水分解してもよい。
As the foaming step, for example, while maintaining the temperature in the pressure vessel at a temperature at which the uniform phase is maintained, the uniform phase is taken out from the pressure vessel and released into a space of any pressure condition to reduce the pressure, One that releases the pressure inside is mentioned. At this time, the mixture of the polymer and the silicon alkoxide becomes a foam having a porosity corresponding to these ratios.
The speed of depressurization can select optimum conditions for controlling the foam structure of the foam, such as the size of the closed cells and the porosity.
The foam structure depends on how much carbon dioxide and silicon alkoxide is contained within the polymer and how the contained carbon dioxide and silicon alkoxide phase separates.
For example, if the pressure is reduced (slow pressure reduction) at a slow rate of about 0.1 MPa / min, there is time for carbon dioxide and silicon alkoxide dissolved in the polymer to diffuse out of the polymer from the surface. For this reason, the amount of carbon dioxide and silicon alkoxide contained in the polymer is reduced, and the growth of the foam structure is suppressed.
On the other hand, for example, when the pressure is reduced (rapid pressure reduction) at a rapid rate of 1 MPa / min or more (that is, conditions under which diffusion of carbon dioxide and silicon alkoxide to the outside of the polymer is sufficiently suppressed), the solubility in both polymers By changing the abruptly to increase the degree of supersaturation, many fine bubbles can be formed.
For example, a foamed structure can be formed in both conditions under a reduced pressure rate of 2 MPa / min and under a reduced pressure rate of 20 MPa / min, but when the reduced pressure rate is 20 MPa / min, the solubility of carbon dioxide and silicon alkoxide rapidly increases. Decrease and increase supersaturation. For this reason, when the depressurization rate is 20 MPa / min, a structure is formed in which fine closed cells are included at a higher density than when the depressurization rate is 2 MPa / min.
By combining these rapid decompression and low-speed decompression as appropriate, for example, rapid decompression once to a pressure higher than normal pressure (atmospheric pressure), hold for a certain period of time, and then slow decompression to suppress the size of closed cells. The content of silicon alkoxide and the foam structure of the foam may be adjusted. Further, the silicon alkoxide may be hydrolyzed in parallel in the process of maintaining the pressure for a certain time.

<加水分解工程>
加水分解工程は、発泡体に新たに水を加えて、独立気泡内に滲出したシリコンアルコキシドを加水分解する工程である。発泡体のポリマーマトリックスには、シリコンアルコキシドがそのまま、あるいは部分的に分解した状態で含まれている。本工程では、ポリマーマトリックスから独立気泡内にシリコンアルコキシドを滲出させ、これに十分量の水を暴露して、シリコンアルコキシドを加水分解し縮重合してシリカ粒子とする。本工程を経ることで、独立気泡内でシリカ粒子が成長して、独立気泡内に高い充填率のシリカ粒子が形成される。
<Hydrolysis step>
The hydrolysis step is a step in which water is newly added to the foam to hydrolyze the silicon alkoxide exuded into the closed cells. The polymer matrix of the foam contains silicon alkoxide as it is or in a partially decomposed state. In this step, silicon alkoxide is leached from the polymer matrix into closed cells, and a sufficient amount of water is exposed to this to hydrolyze the silicon alkoxide and polycondensate to form silica particles. By passing through this step, silica particles grow in the closed cells, and silica particles with a high filling rate are formed in the closed cells.

加水分解する方法は特に限定されないが、発泡体の内部まで十分かつ均一に水を加え、シリコンアルコキシドを均一に加水分解するためには、任意の温度条件下で水蒸気雰囲気に暴露する方法が好ましい。
加水分解工程における温度条件は、ポリマーの加水分解を促進しない温度が好ましい。加水分解工程における温度条件は、ポリマーの種類に応じて適宜決定され、例えば、20〜50℃が好ましい。
The method for hydrolyzing is not particularly limited, but in order to uniformly and uniformly hydrolyze the silicon alkoxide by adding water sufficiently and evenly to the inside of the foam, a method of exposing to a water vapor atmosphere under any temperature condition is preferable.
The temperature condition in the hydrolysis step is preferably a temperature that does not promote hydrolysis of the polymer. The temperature condition in the hydrolysis step is appropriately determined according to the type of polymer, and is preferably 20 to 50 ° C., for example.

加水分解工程で新たに加えられる水(以下、添加水ということがある)は、必要に応じて、酸、塩基等の加水分解用又は縮重合用の触媒等の任意成分を含有できる。
ただし、上述のポリマー・シリカコンポジットの製造方法の原理で説明したように、加水分解する速度をシリカ粒子の形成に適切なものとする必要がある。触媒等を用いて、シリコンアルコキシドを急激に加水分解したり縮重合したりすることは好適でない場合がある。このため、添加水中の任意成分の含有量は、均一相中のシリコンアルコキシドの含有量や、ポリマーの種類、所望するシリカ粒子の大きさ等を勘案して、適宜決定される。
Water newly added in the hydrolysis step (hereinafter sometimes referred to as “added water”) can contain optional components such as a catalyst for hydrolysis or condensation polymerization such as acid and base, if necessary.
However, as explained in the principle of the polymer / silica composite production method described above, the hydrolysis rate needs to be appropriate for the formation of silica particles. It may not be suitable to rapidly hydrolyze or polycondense silicon alkoxide using a catalyst or the like. For this reason, the content of the optional component in the added water is appropriately determined in consideration of the content of silicon alkoxide in the homogeneous phase, the type of polymer, the desired size of silica particles, and the like.

添加水の量は、シリコンアルコキシドを加水分解するのに十分な量とされる。例えば、[添加水]/[シリコンアルコキシド(オリゴマーである場合にはモノマーユニット単位)]で表される、発泡体中のシリコンアルコキシドに対する添加水のモル比(以下、添加水/シリカ比ということがある)は、4〜20が好ましく、5〜10がより好ましい。添加水/シリカ比が上記下限値未満では、独立気泡内におけるシリカ粒子の充填率が小さくなりすぎるおそれがあり、上記上限値超としても、シリカ粒子の充填率のさらなる向上が図れず、またポリマーの加水分解を促進するおそれがある。   The amount of added water is sufficient to hydrolyze the silicon alkoxide. For example, the molar ratio of added water to silicon alkoxide in the foam represented by [added water] / [silicon alkoxide (monomer unit unit in the case of oligomer)] (hereinafter referred to as added water / silica ratio). 4) is preferable, and 5-10 is more preferable. If the ratio of added water / silica is less than the above lower limit value, the packing rate of silica particles in closed cells may be too small, and even if the upper limit value is exceeded, the packing rate of silica particles cannot be further improved, and the polymer There is a risk of promoting the hydrolysis of.

加水分解工程の時間は、特に限定されないが、例えば、6〜48時間とされる。上記下限値未満では、ポリマーマトリックスから独立気泡内に滲出するシリコンアルコキシドの量が不十分となって、シリカ粒子の充填率を十分に高められないおそれがあり、上記上限値超としても、シリカ粒子の充填率のさらなる向上が図れず、またポリマーの不要な加水分解を招くおそれがある。   Although the time of a hydrolysis process is not specifically limited, For example, it is 6 to 48 hours. If the amount is less than the lower limit, the amount of silicon alkoxide that oozes out from the polymer matrix into the closed cells may be insufficient, and the filling rate of the silica particles may not be sufficiently increased. Further improvement of the filling rate of the polymer may not be achieved, and unnecessary hydrolysis of the polymer may be caused.

<乾燥工程>
ポリマー・シリカコンポジットの製造方法には、加水分解工程の後に乾燥工程が設けられていてもよい。乾燥工程を設けることで、加水分解工程で加えられた添加水の内、シリコンアルコキシドを加水分解するのに利用されなった過剰分を除去できる。
乾燥方法としては、特に限定されず、例えば、真空乾燥法等が挙げられる。
<Drying process>
In the method for producing a polymer-silica composite, a drying step may be provided after the hydrolysis step. By providing the drying step, it is possible to remove an excess amount that has not been used to hydrolyze the silicon alkoxide in the added water added in the hydrolysis step.
It does not specifically limit as a drying method, For example, a vacuum drying method etc. are mentioned.

本実施形態によれば、ポリマーとシリコンアルコキシドと二酸化炭素との均一相を形成し、この均一相を減圧することで、独立気泡を有する発泡体を形成できる。
加えて、本実施形態によれば、発泡体に新たに水を加えてシリコンアルコキシドを加水分解することで、独立気泡内に高い充填率のシリカ粒子を形成できる。
According to this embodiment, a foam having closed cells can be formed by forming a homogeneous phase of polymer, silicon alkoxide, and carbon dioxide and reducing the pressure of the homogeneous phase.
In addition, according to this embodiment, silica particles having a high filling rate can be formed in the closed cells by newly adding water to the foam to hydrolyze the silicon alkoxide.

(その他の実施形態)
上述の実施形態では、相溶工程で耐圧容器を用いた製造方法について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、混練押出装置を用いてポリマーとシリコンアルコキシドとを溶融混練すると共に、混練押出装置内に超臨界流体又は亜臨界流体等の任意の圧力の二酸化炭素を導入し、次いで、一旦常圧以上の圧力に減圧し保持後、混練押出装置から押し出して常圧とすることで、相溶工程と発泡工程とを一連の操作で行ってもよい。
(Other embodiments)
In the above-described embodiment, the manufacturing method using the pressure vessel in the compatibility step has been described, but the present invention is not limited to this. For example, the polymer and silicon alkoxide are melt-kneaded using a kneading extrusion apparatus, carbon dioxide at an arbitrary pressure such as a supercritical fluid or a subcritical fluid is introduced into the kneading extrusion apparatus, and then once exceeds the normal pressure. After the pressure is reduced and maintained, the compatibilizing step and the foaming step may be performed by a series of operations by extruding from the kneading extruder to normal pressure.

以下、本発明について実施例を示して説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example is shown and demonstrated about this invention, this invention is not limited to an Example.

(評価方法)
<構造観察>
以下の実施例では、次のようにして、ポリマー・シリカコンポジットの構造を観察した。
各例のポリマー・シリカコンポジットを真空乾燥し、これを割断し、割断面に白金−パラジウムをスパッタリングで蒸着して試料とした。この試料をSEM(S−800、株式会社日立製作所製)にて観察した。独立気泡の気泡径及びシリカ粒子の外径について、無作為に試料の50カ所以上を観察し、実測した数値を0.5μm角毎に区分してヒストグラムを作成し、分布及び最頻値を求めた。なお最頻値は区分の中央値を代表値とした。
(Evaluation method)
<Structural observation>
In the following examples, the structure of the polymer-silica composite was observed as follows.
The polymer-silica composite of each example was vacuum-dried, cleaved, and platinum-palladium was deposited on the cut surface by sputtering to prepare a sample. This sample was observed with SEM (S-800, manufactured by Hitachi, Ltd.). Observe at least 50 locations of the sample about the cell diameter of closed cells and the outer diameter of the silica particles, create a histogram by dividing the measured values into 0.5μm squares, and obtain the distribution and mode. It was. For the mode, the median value of the category was used as the representative value.

<シリカ含有量>
以下の実施例では、次のようにして、シリカ含有量を測定した。
ポリマー・シリカコンポジットを真空乾燥して、試料とした。この試料を熱分析装置(TG/DTA6200、SIIナノテクノロジー株式会社製)にて、窒素雰囲気下で500℃まで加熱して500℃残留成分の質量を測定し、下記(1)式によりシリカ含有量を求めた。
<Silica content>
In the following examples, the silica content was measured as follows.
The polymer-silica composite was vacuum dried to prepare a sample. This sample was heated to 500 ° C. under a nitrogen atmosphere with a thermal analyzer (TG / DTA6200, manufactured by SII Nanotechnology Co., Ltd.), and the mass of the residual component at 500 ° C. was measured. Asked.

[シリカ含有量(質量%)]={[500℃残留成分の質量]/[加熱前の試料の質量]}×100・・・(1)   [Silica content (mass%)] = {[mass of residual component at 500 ° C.] / [Mass of sample before heating]} × 100 (1)

(実施例1)
耐圧容器(容量50cm)に、テトラメトキシシラン5cm(5g)を入れた。非晶質ポリ乳酸(Biopolymer 4060D、分子量158,000、ネイチャーワークス製)をホットプレスにより直径5mm、厚さ1mmの板状に成形し、十分に真空乾燥して、板状ポリマーを得た。この板状ポリマー8枚(質量計0.18g)を、テトラメトキシシランと接触しないように、耐圧容器に入れた。ポリ乳酸:テトラメトキシシランの質量比は1:25であった。耐圧容器に高圧(6MPa)の二酸化炭素を導入後、加熱して80℃、20MPaとし、この状態を24時間保持した。この条件では、3成分が完全に相溶し、均一相が形成されていた(相溶工程)。その後、急速減圧(1.0MPa/min)にて常圧まで減圧し、ポリマーを発泡させた(発泡工程)。耐圧容器内が常圧に達した後、直ちに耐圧容器から発泡体を取り出した。密閉容器(内径80mm)に蒸留水100cmを入れ、この蒸留水に発泡体が直接触れないように、密閉容器内に設けられた台座に発泡体を載せ、密閉容器に蓋をした。その後、室温(25℃)で1日間静置してテトラメトキシシランを加水分解した(加水分解工程)。テトラメトキシシランを加水分解した後に、真空乾燥して本例のポリマー・シリカコンポジットを得た。
Example 1
Tetramethoxysilane 5 cm 3 (5 g) was placed in a pressure vessel (capacity 50 cm 3 ). Amorphous polylactic acid (Biopolymer 4060D, molecular weight 158,000, manufactured by Nature Works) was formed into a plate shape having a diameter of 5 mm and a thickness of 1 mm by hot pressing, and sufficiently dried in vacuum to obtain a plate polymer. Eight plate polymers (mass meter 0.18 g) were put in a pressure vessel so as not to contact with tetramethoxysilane. The mass ratio of polylactic acid: tetramethoxysilane was 1:25. After introducing high-pressure (6 MPa) carbon dioxide into the pressure vessel, it was heated to 80 ° C. and 20 MPa, and this state was maintained for 24 hours. Under these conditions, the three components were completely compatible, and a homogeneous phase was formed (compatibility process). Thereafter, the pressure was reduced to normal pressure by rapid pressure reduction (1.0 MPa / min) to foam the polymer (foaming step). Immediately after the pressure vessel reached normal pressure, the foam was taken out of the pressure vessel. Distilled water (100 cm 3 ) was placed in a sealed container (inner diameter: 80 mm), the foam was placed on a pedestal provided in the sealed container so that the foam did not directly touch the distilled water, and the sealed container was covered. Then, it left still at room temperature (25 degreeC) for 1 day, and hydrolyzed tetramethoxysilane (hydrolysis process). After tetramethoxysilane was hydrolyzed, it was vacuum dried to obtain the polymer-silica composite of this example.

本例のポリマー・シリカコンポジットのSEM観察写真を図2〜3に示す。本例のポリマー・シリカコンポジットは、一部に大きな気泡を含むものの、気泡径4.0〜13.5μm(最頻値9.75μm)の独立気泡を有していた。さらに大多数の独立気泡内には、外径3.0〜12.0μm(最頻値7.75μm)の球状のシリカ粒子が含包されていた。これらのシリカ粒子の多くは、独立気泡内で可動な状態であった。
また、本例のポリマー・シリカコンポジットのシリカ含有量は20.4質量%であった。
SEM observation photographs of the polymer-silica composite of this example are shown in FIGS. Although the polymer-silica composite of this example partially contained large bubbles, the polymer-silica composite had closed cells having a bubble diameter of 4.0 to 13.5 μm (mode value: 9.75 μm). Further, the majority of closed cells contained spherical silica particles having an outer diameter of 3.0 to 12.0 μm (mode value: 7.75 μm). Many of these silica particles were movable in closed cells.
The silica content of the polymer-silica composite of this example was 20.4% by mass.

(実施例2)
非晶質ポリ乳酸の代わりにポリメタクリル酸メチル(以下PMMA、平均重量分子量120,000、シグマアルドリッチ社製)を用いた以外は、実施例1と同様にして、ポリマー・シリカコンポジットを得た。
(Example 2)
A polymer / silica composite was obtained in the same manner as in Example 1, except that polymethyl methacrylate (PMMA, average weight molecular weight 120,000, manufactured by Sigma-Aldrich) was used instead of amorphous polylactic acid.

本例のポリマー・シリカコンポジットのSEM観察写真を図4〜6に示す。本例のポリマー・シリカコンポジットは、独立気泡の大部分が気泡径2.0〜6.5μm(最頻値3.75μm)の均質な発泡構造からなり、さらに70%程度の独立気泡内に、外径1.5〜5.0μm(最頻値3.75μm)の球状のシリカ粒子が含包されていた。これらのシリカ粒子の多くは、独立気泡内で可動な状態であった。
また一部のシリカ粒子は、潰れた状態であった(図6中の符号142)。この観察結果は、シリカ粒子が中空構造であることを示唆している。本例のポリマー・シリカコンポジットのシリカ含有量は15.1質量%であった。
SEM observation photographs of the polymer-silica composite of this example are shown in FIGS. The polymer-silica composite of this example has a homogeneous foam structure in which most of the closed cells have a bubble diameter of 2.0 to 6.5 μm (mode 3.75 μm). Spherical silica particles having an outer diameter of 1.5 to 5.0 μm (mode 3.75 μm) were included. Many of these silica particles were movable in closed cells.
Some silica particles were in a crushed state (reference numeral 142 in FIG. 6). This observation suggests that the silica particles have a hollow structure. The silica content of the polymer-silica composite of this example was 15.1% by mass.

(実施例3)
非晶質ポリ乳酸の代わりにアクリル樹脂(アクリペットIRK304、三菱レイヨン株式会社製)を用いた以外は、実施例1と同様にして、ポリマー・シリカコンポジットを得た。
(Example 3)
A polymer-silica composite was obtained in the same manner as in Example 1 except that an acrylic resin (Acrypet IRK304, manufactured by Mitsubishi Rayon Co., Ltd.) was used instead of the amorphous polylactic acid.

本例のポリマー・シリカコンポジットのSEM観察写真を図7〜8に示す。本例のポリマー・シリカコンポジットは、独立気泡の大部分が気泡径1.0〜9.5μmに分布し、1.75μm(最頻値)と5.25μmとに2つのピークを有するbimodal(双峰)な発泡構造を示した。大多数の独立気泡内には、球状のシリカ粒子が含包され、これらのシリカ粒子の外径は0.5〜9.5μmに分布し、独立気泡のbimodal構造に応じて、1.75μm(最頻値)と4.25μmとの2つのピークを示した。これらのシリカ粒子の多くは、独立気泡内で可動な状態であった。本例のポリマー・シリカコンポジットのシリカ含有量は22.6質量%であった。  SEM observation photographs of the polymer-silica composite of this example are shown in FIGS. In the polymer-silica composite of this example, most of the closed cells are distributed in a bubble diameter of 1.0 to 9.5 μm, and bimodal having two peaks at 1.75 μm (mode) and 5.25 μm. It showed a foamed structure. The majority of closed cells contain spherical silica particles, and the outer diameters of these silica particles are distributed in the range of 0.5 to 9.5 μm. Depending on the bimodal structure of closed cells, 1.75 μm ( Mode) and 4.25 μm. Many of these silica particles were movable in closed cells. The silica content of the polymer / silica composite of this example was 22.6% by mass.

(比較例1)
加水分解工程で新たに蒸留水を加えなかった以外は、実施例2と同様にして、本例のポリマー・シリカコンポジットを得た。得られたポリマー・シリカコンポジットをSEM観察したところ、独立気泡は、気泡径2.5〜9.5μm(最頻値6.25μm)の均質な発泡構造からなっていた。ただし、独立気泡内には、気泡径の50%以上となるような外径のシリカ粒子が形成されていなかった。一方、独立気泡の内壁にはシリカの微粒子が堆積していた。本例のポリマー・シリカコンポジットのシリカ含有量は10.5質量%であった。
(Comparative Example 1)
A polymer-silica composite of this example was obtained in the same manner as in Example 2 except that distilled water was not newly added in the hydrolysis step. When the obtained polymer-silica composite was observed by SEM, the closed cells had a homogeneous foam structure with a cell diameter of 2.5 to 9.5 μm (mode value 6.25 μm). However, silica particles having an outer diameter that would be 50% or more of the bubble diameter were not formed in the closed cells. On the other hand, silica fine particles were deposited on the inner wall of the closed cell. The silica content of the polymer-silica composite of this example was 10.5% by mass.

(比較例2)
非晶質ポリ乳酸の代わりにポリスチレン樹脂(平均重量分子量192,000、アルドリッチ社製)を用いた以外は、実施例1と同様にして、本例のポリマー・シリカコンポジットを得た。本例のポリマー・シリカコンポジットをSEM観察したところ、不均質な発泡構造が形成され、ポリマーマトリックスとシリカ成分とが混然としており、独立気泡内にシリカ粒子が含包された構造は観察されなかった。本例のポリマー・シリカコンポジットのシリカ含有量は21質量%であった。
(Comparative Example 2)
A polymer-silica composite of this example was obtained in the same manner as in Example 1 except that polystyrene resin (average weight molecular weight 192,000, manufactured by Aldrich) was used instead of amorphous polylactic acid. SEM observation of the polymer / silica composite of this example revealed that a heterogeneous foam structure was formed, the polymer matrix and the silica component were mixed, and a structure in which silica particles were included in closed cells was not observed. It was. The silica content of the polymer-silica composite of this example was 21% by mass.

(比較例3)
非晶質ポリ乳酸の代わりに低密度ポリエチレン樹脂(アルドリッチ社製)を用いた以外は、実施例1と同様にして、本例のポリマー・シリカコンポジットを得た。本例のポリマー・シリカコンポジットをSEM観察したところ、独立気泡が極めて少なく、独立気泡内のシリカ粒子は観察されなかった。
(Comparative Example 3)
A polymer-silica composite of this example was obtained in the same manner as in Example 1 except that a low density polyethylene resin (manufactured by Aldrich) was used instead of amorphous polylactic acid. When the polymer-silica composite of this example was observed with an SEM, the number of closed cells was extremely small, and silica particles in the closed cells were not observed.

(参考例1)
蒸留水の代わりに0.1mol/Lアンモニア水を用いた以外は、実施例1と同様にして、本例のポリマー・シリカコンポジットを得た。本例のポリマー・シリカコンポジットをSEM観察したところ、ポリマーマトリックス内に外径10〜20μmのシリカ粒子が凝集した構造であった。さらにこのシリカ粒子は外径10〜30nmの微粒子から構成されるものであった。ただし、独立気泡内にシリカ粒子は観察されなかった。本例のポリマー・シリカコンポジット中のシリカ含有量は47.8質量%であった。
(Reference Example 1)
A polymer-silica composite of this example was obtained in the same manner as in Example 1 except that 0.1 mol / L aqueous ammonia was used instead of distilled water. When the polymer-silica composite of this example was observed by SEM, it was a structure in which silica particles having an outer diameter of 10 to 20 μm were aggregated in the polymer matrix. Further, the silica particles were composed of fine particles having an outer diameter of 10 to 30 nm. However, silica particles were not observed in the closed cells. The silica content in the polymer-silica composite of this example was 47.8% by mass.

(参考例2)
蒸留水の代わりに0.1mol/Lアンモニア水を用いた以外は、実施例2と同様にして、本例のポリマー・シリカコンポジットを得た。
本例のポリマー・シリカコンポジットのSEM観察写真を図9〜10に示す。本例のポリマー・シリカコンポジットは、独立気泡の気泡径2.0〜5.5μm(最頻値3.75μm)の均質な発泡構造であったが、ポリマーマトリックス内に気泡径が数十nmレベルの独立気泡を有する多孔構造となっていた。加えて、本例においては、独立気泡内にシリカ粒子が観察されず、独立気泡内にシリカの析出物142a(図10)が観察された。本例のポリマー・シリカコンポジットのシリカ含有量は13.6質量%であった。
(Reference Example 2)
A polymer / silica composite of this example was obtained in the same manner as in Example 2 except that 0.1 mol / L aqueous ammonia was used instead of distilled water.
SEM observation photographs of the polymer-silica composite of this example are shown in FIGS. The polymer-silica composite of this example had a homogeneous foam structure with a closed cell bubble diameter of 2.0 to 5.5 μm (mode: 3.75 μm), but the bubble diameter was several tens of nanometers in the polymer matrix. It was a porous structure having closed cells. In addition, in this example, no silica particles were observed in the closed cells, and silica precipitates 142a (FIG. 10) were observed in the closed cells. The silica content of the polymer-silica composite of this example was 13.6% by mass.

(参考例3)
蒸留水の代わりに0.1mol/Lアンモニア水を用いた以外は、実施例3と同様にして、本例のポリマー・シリカコンポジットを得た。
本例のポリマー・シリカコンポジットをSEM観察したところ、全体的に多孔化して外径0.3nm以下の粒子状物を含む多孔構造であり、独立気泡及び独立気泡の内部のシリカ粒子は、明確に観察されなかった。本例のポリマー・シリカコンポジットのシリカ含有量は34.2質量%であった。
(Reference Example 3)
A polymer-silica composite of this example was obtained in the same manner as in Example 3 except that 0.1 mol / L aqueous ammonia was used instead of distilled water.
SEM observation of the polymer-silica composite of this example shows a porous structure that is entirely porous and includes particulate matter having an outer diameter of 0.3 nm or less. The closed cells and the silica particles inside the closed cells are clearly Not observed. The silica content of the polymer-silica composite of this example was 34.2% by mass.

以上の結果から、本発明を適用することで、独立気泡内に充填率の高いシリカ粒子を形成できることが判った。
加えて、参考例1〜3の結果から、ポリ乳酸とテトラメトキシシランとの組み合わせ、PMMAとテトラメトキシシランとの組み合わせ、アクリル樹脂とテトラメトキシシランとの組み合わせにおいては、添加水としてアンモニア水を用いると、シリカ粒子の形成が阻害されることが判った。
From the above results, it was found that silica particles having a high filling rate can be formed in closed cells by applying the present invention.
In addition, from the results of Reference Examples 1 to 3, ammonia water is used as the additive water in the combination of polylactic acid and tetramethoxysilane, the combination of PMMA and tetramethoxysilane, and the combination of acrylic resin and tetramethoxysilane. It was found that the formation of silica particles was inhibited.

10 均一相
20 発泡体
24 独立気泡
40 ポリマー・シリカコンポジット
42 シリカ粒子
10 homogeneous phase 20 foam 24 closed cell 40 polymer-silica composite 42 silica particles

Claims (6)

発泡体中の独立気泡内に、シリカ粒子が含包されたポリマー・シリカコンポジットの製造方法において、
ポリエステル構造を有するポリマーとシリコンアルコキシドと二酸化炭素とを任意の圧力条件下で相溶させて均一相とする工程と、
前記均一相を減圧して前記ポリマーを発泡させて、独立気泡を有する発泡体を形成する工程と、
該発泡体に新たに水を加えて、前記独立気泡内に滲出した前記シリコンアルコキシドを加水分解して、前記シリカ粒子を形成する工程と、
を備えるポリマー・シリカコンポジットの製造方法。
In a method for producing a polymer-silica composite in which silica particles are included in closed cells in a foam,
A step in which a polymer having a polyester structure, silicon alkoxide, and carbon dioxide are mixed under an arbitrary pressure condition to form a homogeneous phase;
Decompressing the homogeneous phase to foam the polymer to form a foam having closed cells;
Adding water to the foam to hydrolyze the silicon alkoxide leached into the closed cells to form the silica particles;
A method for producing a polymer-silica composite comprising:
前記ポリマーは、ポリ乳酸及び/又はポリメタクリル酸メチルである請求項1に記載のポリマー・シリカコンポジットの製造方法。  The method for producing a polymer-silica composite according to claim 1, wherein the polymer is polylactic acid and / or polymethyl methacrylate. 前記シリコンアルコキシドは、メトキシシラン構造を有する請求項1又は2に記載のポリマー・シリカコンポジットの製造方法。  The method for producing a polymer-silica composite according to claim 1, wherein the silicon alkoxide has a methoxysilane structure. 前記シリコンアルコキシドは、テトラメトキシシラン又はそのオリゴマーである請求項1〜3のいずれか1項に記載のポリマー・シリカコンポジットの製造方法。  The method for producing a polymer-silica composite according to any one of claims 1 to 3, wherein the silicon alkoxide is tetramethoxysilane or an oligomer thereof. ポリエステル構造を有するポリマーの発泡体の独立気泡内に、シリカ粒子が含包されたポリマー・シリカコンポジットにおいて、
前記シリカ粒子の外径は、含包される前記独立気泡の気泡径の50〜100%であるポリマー・シリカコンポジット。
In a polymer-silica composite in which silica particles are included in closed cells of a polymer foam having a polyester structure,
The outer diameter of the silica particles is a polymer-silica composite having 50 to 100% of the bubble diameter of the enclosed closed cells.
前記独立気泡内に1つのシリカ粒子が含包されてなる請求項5に記載のポリマー・シリカコンポジット。  The polymer-silica composite according to claim 5, wherein one silica particle is included in the closed cell.
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