JP2014227342A - Method for producing tetraalkoxysilane - Google Patents

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奥谷 猛
Takeshi Okuya
猛 奥谷
絵理 市川
Eri Ichikawa
絵理 市川
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method capable of producing a tetraalkoxysilane using silica in a silicicolous plant at a high reaction rate with high yield.SOLUTION: There is provided a method for producing a tetraalkoxysilane, the method comprising: a step of heating silica contained in a silicicolous plant in an alkaline solution to obtain silica containing silanol; and a step of reacting the silica containing silanol and a dialkyl carbonate under a closed system or pressure in the presence of a basic alkali metal hydroxide or a basic alkali metal salt to obtain a tetraalkoxysilane.

Description

本発明は、テトラアルコキシシランの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing tetraalkoxysilane.

有機ケイ素化合物であるシリコーンの合成は、従来、以下のような方法で行われている。   The synthesis of silicone, which is an organosilicon compound, has been conventionally performed by the following method.

まず、金属ケイ素と塩化メチルとを直接反応させ、ジクロロジメチルシランを得る。このジクロロジメチルシランのようなアルキルクロロシランを加水分解し、シリコーンを得る(例えば下記の非特許文献1の第33頁右欄第2行〜第6行など)。もっとも、金属ケイ素を塩化メチルなどで塩素化する方法では、塩素などのハロゲンを用いている。従って、環境負担が大きい。そこで、非特許文献1に記載のように、金属ケイ素に替えて、籾殻中のSiO2、すなわち籾殻シリカを利用してケイ素化合物を得ることが種々試みられている。   First, metal silicon and methyl chloride are directly reacted to obtain dichlorodimethylsilane. Alkylchlorosilane such as dichlorodimethylsilane is hydrolyzed to obtain silicone (for example, page 33, right column, lines 2 to 6 of Non-Patent Document 1 below). However, in the method of chlorinating metal silicon with methyl chloride or the like, halogen such as chlorine is used. Therefore, the environmental burden is large. Therefore, as described in Non-Patent Document 1, various attempts have been made to obtain silicon compounds using SiO 2 in rice husks, that is, rice husk silica, instead of metallic silicon.

(株)サイエンスフォーラム社「有機ケイ素戦略資料−第一集−」第一部 第1章 III.(奥谷猛著、第33頁〜第40頁、1991年5月発刊)Science Forum Co., Ltd. “Organic Silicon Strategic Materials-First Collection-” Part 1 Chapter 1 III. (Okutani Takeshi, pages 33-40, published in May 1991)

近年、ケイ酸植物中のシリカを用いたケイ素化合物の合成が種々試みられているが、特に有機ケイ素化合物を製造する方法が強く求められている。   In recent years, various attempts have been made to synthesize silicon compounds using silica in silicic acid plants. In particular, a method for producing an organosilicon compound is strongly demanded.

本発明の目的は、ケイ酸植物中のシリカを原料として、テトラアルコキシシランを高反応速度及び高収率で製造することを可能とする方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a method that makes it possible to produce tetraalkoxysilane with a high reaction rate and a high yield using silica in a silicate plant as a raw material.

本発明者は、ケイ酸植物中に含まれるシリカをアルカリ溶液中で加熱することで、シラノールを含むシリカを得た後、シラノールを含むシリカと、炭酸ジアルキルとを、密閉系又は加圧下にて触媒としての塩基性アルカリ金属水酸化物または塩基性アルカリ金属塩の存在下で反応させることで、テトラアルコキシシランを高反応速度及び高収率で製造することができることを見出した。   The present inventor obtains silica containing silanol by heating silica contained in the silicate plant in an alkaline solution, and then the silica containing silanol and the dialkyl carbonate are sealed in a closed system or under pressure. It has been found that tetraalkoxysilane can be produced at high reaction rate and high yield by reacting in the presence of a basic alkali metal hydroxide or basic alkali metal salt as a catalyst.

以上の知見を基礎として完成した本発明は、ケイ酸植物中に含まれるシリカをアルカリ溶液中で加熱することで、シラノールを含むシリカを得る工程と、前記シラノールを含むシリカと、炭酸ジアルキルとを、密閉系又は加圧下にて触媒としての塩基性アルカリ金属水酸化物または塩基性アルカリ金属塩の存在下で反応させてテトラアルコキシシランを得る工程と、を含むテトラアルコキシシランの製造方法である。   The present invention, which has been completed based on the above knowledge, comprises the steps of obtaining silica containing silanol by heating silica contained in a silicic acid plant in an alkaline solution, silica containing silanol, and dialkyl carbonate. And a step of reacting in the presence of a basic alkali metal hydroxide or a basic alkali metal salt as a catalyst in a closed system or under pressure to obtain a tetraalkoxysilane.

本発明のテトラアルコキシシランの製造方法は、一実施形態において、前記ケイ酸植物として、籾殻に含まれるシリカを用いる。   In one embodiment of the method for producing tetraalkoxysilane of the present invention, silica contained in rice husks is used as the silicic acid plant.

本発明のテトラアルコキシシランの製造方法は、別の一実施形態において、前記シラノールを含むシリカを得る工程の前に、酸性溶液で籾殻をリーチングすることで前記籾殻に含まれるシリカを得る工程を実施する。   In another embodiment of the method for producing tetraalkoxysilane of the present invention, before the step of obtaining the silica containing silanol, the step of obtaining the silica contained in the rice husk by leaching the rice husk with an acidic solution is performed. To do.

本発明のテトラアルコキシシランの製造方法は、更に別の一実施形態において、前記触媒としてNaOH、Na2CO3、KOH、K2CO3、RbOHもしくはRb2CO3を用いる。 In still another embodiment of the method for producing a tetraalkoxysilane of the present invention, NaOH, Na 2 CO 3 , KOH, K 2 CO 3 , RbOH or Rb 2 CO 3 is used as the catalyst.

本発明のテトラアルコキシシランの製造方法は、更に別の一実施形態において、前記密閉系又は加圧下における圧力を0.2MPa以上、10MPa以下とする。   In still another embodiment of the method for producing a tetraalkoxysilane of the present invention, the pressure in the closed system or under pressure is 0.2 MPa or more and 10 MPa or less.

本発明のテトラアルコキシシランの製造方法は、更に別の一実施形態において、前記密閉系又は加圧下における反応温度を200〜500℃とする。   In still another embodiment of the method for producing a tetraalkoxysilane of the present invention, the reaction temperature in the closed system or under pressure is 200 to 500 ° C.

本発明のテトラアルコキシシランの製造方法は、更に別の一実施形態において、前記炭酸ジアルキルが、炭酸ジメチルまたは炭酸ジエチルである。   In still another embodiment of the method for producing tetraalkoxysilane of the present invention, the dialkyl carbonate is dimethyl carbonate or diethyl carbonate.

本発明によれば、ケイ酸植物中のシリカを原料として、テトラアルコキシシランを高反応速度及び高収率で製造することを可能とする方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the method which makes it possible to manufacture tetraalkoxysilane with a high reaction rate and a high yield can be provided from the silica in a silicic acid plant as a raw material.

種々のシリカに係る、反応温度305℃におけるテトラメトキシシランの反応率を示すグラフである。It is a graph which shows the reaction rate of the tetramethoxysilane in the reaction temperature of 305 degreeC which concerns on various silica.

1.シラノールを含むシリカの生成
本発明に係るテトラアルコキシシランの製造方法は、まず、ケイ酸植物中に含まれるシリカをアルカリ溶液中で加熱することで、シラノールを含むシリカを得る。
1. Generation of Silanol-Containing Silica In the method for producing tetraalkoxysilane according to the present invention, silica containing silanol is first obtained by heating silica contained in a silicate plant in an alkaline solution.

(ケイ酸植物中のシリカ)
ケイ酸植物中のシリカとは、稲、麦、サトウキビ、トウモロコシ、竹、ススキ、トクサなどのケイ酸植物生体内に含まれるケイ酸イオンを源とするシリカを指す。特に、ケイ酸植物の一つである稲の籾殻には約20重量%、稲わらには約10重量%のシリカが含まれている。従って、ケイ酸植物中のシリカは、毎年、稲作などの耕作や自然サイクルによって生産される無尽蔵のシリカである。
(Silica in silicic acid plants)
Silica in silicic acid plants refers to silica originating from silicic acid ions contained in living organisms of silicic acid plants such as rice, wheat, sugarcane, corn, bamboo, Japanese pampas grass, and horsetail. In particular, rice husks of rice, which is one of the silicate plants, contain about 20% by weight of silica and rice straw contains about 10% by weight of silica. Therefore, silica in silicic acid plants is inexhaustible silica produced every year by cultivation such as rice cultivation and natural cycle.

ケイ酸植物中のシリカが存在する個所には、根から吸収した水分や養分を上部に送る導管の壁や籾殻のように表皮細胞の外側のクチクラがある。ここではケイ酸植物中で最もシリカを多く含む籾殻(シリカ分は約20重量%)について説明する。籾殻とは、稲の籾の外皮をいう。稲は土壌や灌漑水からシリカを水溶性ケイ酸イオンとして根を通して取り込み、籾殻、茎及び葉に蓄積する。   Where silica exists in silicate plants, there are cuticles outside the epidermal cells, such as the walls of conduits and rice husks that feed moisture and nutrients absorbed from the roots. Here, the rice husk containing the most silica in the silicic acid plant (silica content is about 20% by weight) will be described. Rice husk is the hull of rice straw. Rice takes silica from soil and irrigation water as water-soluble silicate ions through roots and accumulates in rice husks, stems and leaves.

稲に蓄積されるシリカのうち、籾殻中のシリカは15重量%である。灌漑水から稲に取り込まれるシリカは稲に蓄積するシリカの20重量%、土壌から取り込まれるシリカは80重量%である。籾殻中のシリカのみを利用した場合、土壌中のシリカが減少することはなく、毎年の稲作に影響を与えない。   Of the silica accumulated in rice, the silica in rice husk is 15% by weight. Silica incorporated into rice from irrigation water is 20% by weight of silica accumulated in rice, and silica incorporated from soil is 80% by weight. When only silica in rice husk is used, silica in soil does not decrease and does not affect annual rice cultivation.

また、籾殻中のシリカは表皮細胞の外側のクチクラに蓄積する。従って、籾殻中のセルロースなどの有機質は腐食しにくく、肥料にもなりにくく、有効に利用されてはいない。さらに、籾殻中のシリカ分は籾殻の約20重量%であり、茎や葉部中より多く存在する。よって、ケイ酸植物中のシリカを得るのに、籾殻は好適である。   Silica in rice husk accumulates in the cuticle outside the epidermal cells. Therefore, organic substances such as cellulose in rice husks are difficult to corrode and become fertilizers and are not effectively used. Furthermore, the silica content in the rice husk is about 20% by weight of the rice husk and is present more in the stem and leaves. Thus, rice husks are suitable for obtaining silica in silicate plants.

なお、シリカの性状は、稲の種類に限定されず、ジャポニカ種またはインディカ種であっても差異はない。   In addition, the property of silica is not limited to the kind of rice, and there is no difference even if it is Japonica or Indica.

籾殻シリカは、籾殻中のセルロース、ヘミセルロースまたはリグニンなどの有機質、およびシリカ以外の無機質を取り除くことにより得られる。籾殻には約5重量%の不純物が含まれているが、そのまま500℃以上の温度で燃焼させることで籾殻シリカが得られる。この場合、炭素は5重量%、酸化カリウム、酸化カルシウム等の不純物は6重量%以下残り、籾殻シリカの純度は89重量%以上で、表面積は100m2/g以下となる。これに対し、塩酸等の酸性溶液で籾殻をリーチングし、不純物を取り除くと、炭素2重量%以下、酸化カリウム、酸化カルシウム等の不純物は0.1重量%以下残り、籾殻シリカの純度は99重量%以上と、より高純度となる。さらに、リーチングした籾殻で製造したSiO2表面積は燃焼温度で異なるが、100〜333m2/g以下と、より広い表面積となる。酸性溶液によるリーチングで不純物を除去したシリカは、より大きい表面積を有し、一次粒子径が20〜300nmの活性なシリカとなる。このため、籾殻から籾殻シリカを得るためには、酸性溶液で籾殻のリーチングを実施することが好ましい。 Rice husk silica can be obtained by removing organic substances such as cellulose, hemicellulose or lignin in the rice husk and inorganic substances other than silica. The rice husk contains about 5% by weight of impurities, but the rice husk silica can be obtained by burning it at a temperature of 500 ° C. or higher. In this case, carbon is 5% by weight, impurities such as potassium oxide and calcium oxide remain 6% by weight or less, the purity of rice husk silica is 89% by weight or more, and the surface area is 100 m 2 / g or less. On the other hand, when rice husk is leached with an acidic solution such as hydrochloric acid to remove impurities, carbon 2% or less, impurities such as potassium oxide or calcium oxide remain 0.1% or less, and the purity of rice husk silica is 99%. % And higher purity. Furthermore, the surface area of SiO 2 produced from the leached rice husk varies depending on the combustion temperature, but it is 100 to 333 m 2 / g or less, which is a wider surface area. Silica from which impurities have been removed by leaching with an acidic solution becomes active silica having a larger surface area and a primary particle size of 20 to 300 nm. For this reason, in order to obtain rice husk silica from rice husks, it is preferable to perform rice husk leaching with an acidic solution.

また、シリカ源として、籾殻中に20重量%含まれている活性なシリカを利用すると、上述の水酸基を導入しやすく、後述のシラノールの生成がより容易となり、テトラアルコキシシランの生成が促進される。   Further, when active silica contained in 20% by weight of rice husk is used as a silica source, the above-mentioned hydroxyl group can be easily introduced, the later-described silanol can be easily produced, and the production of tetraalkoxysilane is promoted. .

(シラノールの生成)
本発明では、ケイ酸植物中に含まれるシリカをアルカリ溶液中で加熱することで、シラノールを含むシリカを得るが、このように、シリカに水酸基が結合したシラノールを有する形態とすることで、後述のテトラアルコキシシランの生成が促進される。すなわち、シリカは、Si−O結合により構成された網目状構造を有しているが、本発明のように水酸基(−OH)を有するシリカの場合、ケイ素と水酸基との結合(Si−OH)を有している。ここで、Si−OH結合のほうが、網目状構造を構成するSi−O結合よりも切断しやすく、またOH基が存在していることで、切断するSiO2部も少なくなる。このため、当該シリカの活性化エネルギーが少なくなり、これを用いたテトラアルコキシシランの生成が促進される。
(Silanol production)
In the present invention, silica containing silanol is obtained by heating silica contained in a silicic acid plant in an alkaline solution. Thus, by having a silanol having a hydroxyl group bonded to silica, it is described later. Formation of tetraalkoxysilane is promoted. That is, silica has a network structure composed of Si—O bonds, but in the case of silica having a hydroxyl group (—OH) as in the present invention, a bond between silicon and a hydroxyl group (Si—OH). have. Here, the Si—OH bond is easier to cut than the Si—O bond constituting the network structure, and the presence of the OH group also reduces the SiO 2 part to be cut. For this reason, the activation energy of the said silica decreases, and the production | generation of the tetraalkoxysilane using this is accelerated | stimulated.

具体的には、例えば、籾殻シリカ2gと、0.01〜3mol/L、好ましくは0.01〜0.15mol/Lの水酸化ナトリウム等のアルカリ金属の水酸化物溶液40mLとをオートクレーブ中で、100〜200℃、好ましくは100〜125℃で反応させる。5分〜4時間、好ましくは5〜30分間処理後、オートクレーブ内に生じた固形物を取り出し、ろ液がpH8.0となるまで蒸留水で洗浄する。その後、60℃で真空乾燥することで、シランの一部がシラノールとなった籾殻シリカを得る。本発明では、このように、ケイ酸植物中のシリカである籾殻シリカとアルカリ溶液とを水熱反応条件下で反応させることで、シリカの一部もしくは大半をシラノールとする。   Specifically, for example, 2 g of rice husk silica and 40 mL of an alkali metal hydroxide solution such as sodium hydroxide of 0.01 to 3 mol / L, preferably 0.01 to 0.15 mol / L, in an autoclave. , 100 to 200 ° C., preferably 100 to 125 ° C. After treatment for 5 minutes to 4 hours, preferably 5 to 30 minutes, the solid matter produced in the autoclave is taken out and washed with distilled water until the filtrate reaches pH 8.0. Then, the rice husk silica which a part of silane became silanol is obtained by vacuum-drying at 60 degreeC. In the present invention, silanol is made part or most of silica by reacting rice husk silica, which is silica in silicic acid plants, with an alkaline solution under hydrothermal reaction conditions.

2.テトラアルコキシシランの生成
本発明に係るテトラアルコキシシランの製造方法は、上記の工程によって、シラノールを含むシリカを得た後、シラノールを含むシリカと、炭酸ジアルキルとを、密閉系又は加圧下にて触媒としての塩基性アルカリ金属水酸化物または塩基性アルカリ金属塩の存在下で反応させてテトラアルコキシシランを得る。
2. Production of Tetraalkoxysilane The method for producing a tetraalkoxysilane according to the present invention is a method in which silica containing silanol is obtained by the above process, and then silica containing silanol and dialkyl carbonate are catalyzed in a closed system or under pressure. Tetraalkoxysilane is obtained by reacting in the presence of a basic alkali metal hydroxide or basic alkali metal salt.

このとき、籾殻シリカとシラノールとの混合物1モルに対し、炭酸ジアルキルが2〜30モルの割合、好ましくは2.1〜3モルの割合で用いることが望ましい。この範囲内で炭酸ジアルキルを配合することにより、テトラアルコキシシランを高い収率で生成することができるとともに、炭酸ジアルキルの無駄な消費量を節減することができる。   At this time, it is desirable to use dialkyl carbonate in a proportion of 2 to 30 mol, preferably in a proportion of 2.1 to 3 mol, with respect to 1 mol of a mixture of rice husk silica and silanol. By blending dialkyl carbonate within this range, tetraalkoxysilane can be produced in high yield, and wasteful consumption of dialkyl carbonate can be reduced.

また、上述のように、密閉系又は加圧下にて、触媒として塩基性を示すアルカリ金属水酸化物またはアルカリ金属塩を用いるので、反応速度を高めることができ、且つ、テトラアルコキシシランの収率を効果的に高めることができる。   In addition, as described above, since an alkali metal hydroxide or alkali metal salt showing basicity is used as a catalyst in a closed system or under pressure, the reaction rate can be increased, and the yield of tetraalkoxysilane. Can be effectively increased.

上記密閉系又は加圧下における圧力は、好ましくは、0.2MPa以上、10MPa以下である。この場合には、炭酸ジアルキルや生成物であるテトラアルコキシシランの全量もしくは一部を液相に保つことができ、それによって触媒を融解してイオン状態に保ち、シリカに作用しやすくすることができる。このため、反応速度をより一層高めることができる。上記密閉系又は加圧下における圧力は、より好ましくは、0.4MPa以上、2MPa以下であり、この場合、テトラアルコキシシランをより高い反応速度で得ることができる。   The pressure in the closed system or under pressure is preferably 0.2 MPa or more and 10 MPa or less. In this case, all or part of the dialkyl carbonate and the product tetraalkoxysilane can be kept in a liquid phase, thereby melting the catalyst and keeping it in an ionic state, which can easily act on silica. . For this reason, the reaction rate can be further increased. The pressure in the closed system or under pressure is more preferably 0.4 MPa or more and 2 MPa or less. In this case, tetraalkoxysilane can be obtained at a higher reaction rate.

上記密閉系又は加圧下における反応に際しての温度は、200〜500℃であるのが好ましく、250〜350℃であるのがより好ましい。また、当該反応温度が280〜325℃であれば、テトラアルコキシシランの収率をより高くするとともに、分解を良好に抑制することができる。   The temperature during the reaction in the closed system or under pressure is preferably 200 to 500 ° C, more preferably 250 to 350 ° C. Moreover, if the said reaction temperature is 280-325 degreeC, while improving the yield of tetraalkoxysilane, decomposition | disassembly can be suppressed favorably.

上記密閉系又は加圧下における反応に際して用いる反応容器は、密閉系又は加圧下で籾殻シリカと炭酸ジアルキルとを上記触媒の存在下で反応させることができるものであれば、特に限定されず、バッチ反応系でも流通系でもよい。また、バッチ反応系を用いると、炭酸ジアルキルや籾殻シリカを無駄に消費することを抑制できるという利点がある。   The reaction vessel used for the reaction in the closed system or under pressure is not particularly limited as long as it can react rice husk silica and dialkyl carbonate in the presence of the catalyst under the closed system or under pressure, and batch reaction. System or distribution system may be used. Moreover, when a batch reaction system is used, there is an advantage that it is possible to suppress wasteful consumption of dialkyl carbonate and rice husk silica.

(炭酸ジアルキル)
本発明で用いられる炭酸ジアルキルとしては、特に限定されないが、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸ジノルマルプロピル、炭酸ジイソプロピルなどを挙げることができる。好ましくは、炭酸ジメチルまたは炭酸ジエチルが用いられる。その場合には、テトラメトキシシランやテトラエトキシシランを速やかにかつ高い収率で得ることができる。
(Dialkyl carbonate)
Although it does not specifically limit as dialkyl carbonate used by this invention, Dimethyl carbonate, diethyl carbonate, dinormal propyl carbonate, diisopropyl carbonate, etc. can be mentioned. Preferably, dimethyl carbonate or diethyl carbonate is used. In that case, tetramethoxysilane and tetraethoxysilane can be obtained quickly and with a high yield.

(触媒)
上記触媒としては、塩基性を示すアルカリ金属の水酸化物もしくは塩が用いられる。アルカリ金属のうち、原子番号が大きいほど、そのアルカリ金属の水酸化物や塩は塩基性が強くなる。塩基性が強いアルカリ金属の水酸化物もしくは炭酸塩を用いることにより、高い収率でテトラアルコキシシランを得ることができる。より好ましくは、NaOH、Na2CO3、KOH、K2CO3、RbOHもしくはRb2CO3が用いられ、その場合には、反応速度をより一層高めることができるとともに、より高い収率でテトラアルコキシシランを得ることができる。触媒添加量は、シリカに対してアルカリ金属イオンとして0.1〜10原子%(原子基準濃度)で、好ましくは1〜7原子%添加することが望ましい。
(catalyst)
As the catalyst, a basic alkali metal hydroxide or salt is used. Among alkali metals, the higher the atomic number, the stronger the alkali metal hydroxides and salts. By using a strongly basic alkali metal hydroxide or carbonate, tetraalkoxysilane can be obtained in high yield. More preferably, NaOH, Na 2 CO 3 , KOH, K 2 CO 3 , RbOH or Rb 2 CO 3 is used. In this case, the reaction rate can be further increased, and tetramer is obtained in a higher yield. An alkoxysilane can be obtained. The addition amount of the catalyst is 0.1 to 10 atomic% (atomic reference concentration), preferably 1 to 7 atomic% as alkali metal ions with respect to silica.

(テトラアルコキシシラン)
本発明では、上記反応により、テトラアルコキシシランとして、例えばテトラメトキシシランやテトラエトキシシランを得ることができる。このようにして得られたテトラアルコキシシランは、無機物質の表面処理やセラミックの合成、ゾルゲル法による球状シリカの合成、樹脂のシリコーン変性によるハイブリッド化、触媒や担体などに使用することができる。
(Tetraalkoxysilane)
In the present invention, for example, tetramethoxysilane or tetraethoxysilane can be obtained as the tetraalkoxysilane by the above reaction. The tetraalkoxysilane thus obtained can be used for surface treatment of inorganic substances, synthesis of ceramics, synthesis of spherical silica by a sol-gel method, hybridization by silicone modification of a resin, catalyst, carrier and the like.

次に、本発明に係る実施例を以下に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。   Next, examples according to the present invention will be described below, but the present invention is not limited thereto.

(実施例1)
籾殻シリカとして、以下の手順で調製されたものを用意した。
水洗した籾殻に3%(v/v)の塩酸溶液を加え、2時間還流リーチングを行い、不純物を除去した後、窒素100mL/分の気流中、昇温速度5℃/分で昇温させ、600℃で1時間保持して炭化させた。さらに、炭化の際と同じ温度において、空気中で3時間加熱して籾殻シリカを製造した。得られた籾殻シリカの純度は99.8重量%で、表面積は333m2/gであった。
Example 1
As the rice husk silica, one prepared by the following procedure was prepared.
After adding 3% (v / v) hydrochloric acid solution to the washed rice husk and performing reflux leaching for 2 hours to remove impurities, the temperature was raised at a heating rate of 5 ° C./min in a stream of nitrogen 100 mL / min, It was carbonized by holding at 600 ° C. for 1 hour. Further, rice husk silica was produced by heating in air for 3 hours at the same temperature as that during carbonization. The purity of the obtained rice husk silica was 99.8% by weight, and the surface area was 333 m 2 / g.

次に、上記のようにして調製された籾殻シリカに、シリカに対してアルカリ金属分で5at%となるように触媒(炭酸カリウム)を添加し、40分間めのう乳鉢を用いて混合した後、110℃、2時間の真空乾燥によって水分を除去することで反応試料を得た。シリカの種類による反応性の違いについて比較検討するために、ケイ砂、ケイ酸ナトリウム溶液に塩酸溶液を添加し、シリカヒドロゾルを生成させ、ゾルを乾燥することで、径が20μmの真球状のアモルファスシリカ、ヒュームドリシカであるAEROSIL(登録商標):アエロジル、アエロジルを空気中、600℃で3時間加熱したもの(アエロジル600)の4種類を用い、シリカに対してアルカリ金属分で5at%となるように触媒(炭酸カリウム)を添加し、反応試料とした。   Next, a catalyst (potassium carbonate) is added to the rice husk silica prepared as described above so that the alkali metal content is 5 at% with respect to silica, and after mixing for 40 minutes using an agate mortar, 110 A reaction sample was obtained by removing moisture by vacuum drying at 2 ° C. for 2 hours. In order to compare and examine the difference in reactivity depending on the type of silica, a hydrochloric acid solution is added to a silica sand or sodium silicate solution to form a silica hydrosol, and the sol is dried. AEROSIL (registered trademark), which is amorphous silica and fume deerica: Aerosil and four types of those heated at 600 ° C. for 3 hours in the air (Aerosil 600) are used, and the alkali metal content is 5 at% with respect to silica. A catalyst (potassium carbonate) was added so that a reaction sample was obtained.

次に、標準物質としてn−ヘプタンを用い、触媒(炭酸カリウム)を添加したシリカ0.1gと、炭酸ジメチル:n−ヘプタン=5:2(体積比)に調整した混合溶液0.5mLを50ccのオートクレーブに入れた。続いて、不活性ガス0.6078MPaでオートクレーブ内部を5回置換して不活性ガス雰囲気とし、電気炉を用いて305℃で加熱を行い、シリカと炭酸ジメチルとを反応させた。反応前後の液体試料をガスクロマトグラフィーで分析し、反応率を求めた。   Next, n-heptane was used as a standard substance, 0.1 g of silica to which a catalyst (potassium carbonate) was added, and 50 cc of a mixed solution 0.5 mL adjusted to dimethyl carbonate: n-heptane = 5: 2 (volume ratio). In an autoclave. Subsequently, the inside of the autoclave was replaced five times with an inert gas 0.6078 MPa to form an inert gas atmosphere, and heating was performed at 305 ° C. using an electric furnace to react silica and dimethyl carbonate. The liquid sample before and after the reaction was analyzed by gas chromatography to obtain the reaction rate.

表1に、各シリカの結晶形、二次粒子径、比表面積を示した。表2に、各種シリカに含まれるOH基のモル%を示した。TG−DTA曲線より、120℃までの急激な減量(付着水)を、また、5℃/分の昇温速度で120℃以上の1000℃までの昇温した場合の減量を、それぞれ、シラノールに含まれるOH基による減量とし、当該減量から、シリカ中のOH基のモル%を求めた。図1に、種々のシリカに係る、反応温度305℃におけるテトラメトキシシランの反応率を示すグラフを示す。   Table 1 shows the crystal form, secondary particle diameter, and specific surface area of each silica. Table 2 shows the mol% of OH groups contained in various silicas. From the TG-DTA curve, the sudden weight loss (adhesion water) up to 120 ° C, and the weight loss when the temperature rises to 120 ° C or higher and 1000 ° C at a temperature rising rate of 5 ° C / min, The amount of OH groups contained in the silica was determined as the weight loss due to the contained OH groups. In FIG. 1, the graph which shows the reaction rate of the tetramethoxysilane in the reaction temperature of 305 degreeC concerning various silica is shown.

籾殻シリカ、アエロジル、アモルファスシリカ、ケイ砂の反応率を比較すると、ケイ砂は反応せず、アモルファスシリカ、籾殻シリカ、アエロジルの順に反応率は高くなった。この反応性の違いは、粒子径、表面積には関連が無く、表2に示したシリカ中のOH基の量に相関があることが認められた。   Comparing the reaction rates of rice husk silica, aerosil, amorphous silica, and silica sand, silica sand did not react, and the reaction rate increased in the order of amorphous silica, rice husk silica, and aerosil. This difference in reactivity was not related to the particle diameter and surface area, and it was recognized that there was a correlation in the amount of OH groups in silica shown in Table 2.

一方、アエロジルを600℃で3時間加熱処理した場合(アエロジル600)、シリカ中のOH基のモル%は9.6モル%とアエロジルより60%も少なくなっているが、表1によると、粒子径が小さくなっていることがわかる。このため、この場合は粒子径が反応性の違いに関係することが認められる。   On the other hand, when Aerosil was heat-treated at 600 ° C. for 3 hours (Aerosil 600), the mol% of OH groups in the silica was 9.6 mol%, which is 60% less than that of Aerosil. It can be seen that the diameter is small. For this reason, in this case, it is recognized that the particle size is related to the difference in reactivity.

(実施例2)
籾殻シリカ0.033mol、水酸化ナトリウム0.03mol、蒸留水40mLをオートクレーブに入れ、100℃で15分間の加熱処理を行い、得られた固形物をろ液がpH=8になるまで温水で洗浄した。続いて、洗浄後の固形物を60℃で120分間真空乾燥した。この籾殻シリカに含まれるOH基は、表2の「水熱条件下で処理した籾殻シリカ」に示すように、シリカに対し、38モル%含まれていた。このOH基を導入した籾殻シリカを実施例1と同様にして炭酸ジメチルと反応させると、30分の反応後、反応率98%となり、OH基が多く含まれれば含まれるほど、炭酸ジメチルとの反応が著しく促進されることが認められた。
(Example 2)
Put 0.033 mol of rice husk silica, 0.03 mol of sodium hydroxide, and 40 mL of distilled water in an autoclave, perform heat treatment at 100 ° C. for 15 minutes, and wash the resulting solid with warm water until the filtrate reaches pH = 8. did. Subsequently, the washed solid was vacuum-dried at 60 ° C. for 120 minutes. The OH groups contained in the rice husk silica were contained in 38 mol% with respect to the silica as shown in Table 2 “Cow husk silica treated under hydrothermal conditions”. When this rice husk silica introduced with OH groups was reacted with dimethyl carbonate in the same manner as in Example 1, the reaction rate was 98% after the reaction for 30 minutes, and the more OH groups were contained, the more OH groups were contained. It was observed that the reaction was significantly accelerated.

Claims (7)

ケイ酸植物中に含まれるシリカをアルカリ溶液中で加熱することで、シラノールを含むシリカを得る工程と、
前記シラノールを含むシリカと、炭酸ジアルキルとを、密閉系又は加圧下にて触媒としての塩基性アルカリ金属水酸化物または塩基性アルカリ金属塩の存在下で反応させてテトラアルコキシシランを得る工程と、を含むテトラアルコキシシランの製造方法。
A step of obtaining silica containing silanol by heating silica contained in the silicate plant in an alkaline solution;
A step of reacting silica containing silanol and dialkyl carbonate in a closed system or under pressure in the presence of a basic alkali metal hydroxide or basic alkali metal salt as a catalyst to obtain a tetraalkoxysilane; The manufacturing method of the tetraalkoxysilane containing this.
前記ケイ酸植物として、籾殻に含まれるシリカを用いる請求項1に記載のテトラアルコキシシランの製造方法。   The method for producing tetraalkoxysilane according to claim 1, wherein silica contained in rice husk is used as the silicic acid plant. 前記シラノールを含むシリカを得る工程の前に、酸性溶液で籾殻をリーチングすることで前記籾殻に含まれるシリカを得る工程を実施する請求項2に記載のテトラアルコキシシランの製造方法。   The method for producing tetraalkoxysilane according to claim 2, wherein the step of obtaining silica contained in the rice husk by leaching the rice husk with an acidic solution is performed before the step of obtaining silica containing the silanol. 前記触媒としてNaOH、Na2CO3、KOH、K2CO3、RbOHもしくはRb2CO3を用いる請求項1〜3のいずれかに記載のテトラアルコキシシランの製造方法。 The method for producing tetraalkoxysilane according to claim 1, wherein NaOH, Na 2 CO 3 , KOH, K 2 CO 3 , RbOH or Rb 2 CO 3 is used as the catalyst. 前記密閉系又は加圧下における圧力を0.2MPa以上、10MPa以下とする請求項1〜4のいずれかに記載のテトラアルコキシシランの製造方法。   The method for producing tetraalkoxysilane according to any one of claims 1 to 4, wherein the pressure in the closed system or under pressure is 0.2 MPa or more and 10 MPa or less. 前記密閉系又は加圧下における反応温度を200〜500℃とする請求項1〜5のいずれかに記載のテトラアルコキシシランの製造方法。   The method for producing tetraalkoxysilane according to any one of claims 1 to 5, wherein a reaction temperature in the closed system or under pressure is 200 to 500 ° C. 前記炭酸ジアルキルが、炭酸ジメチルまたは炭酸ジエチルである請求項1〜6のいずれかに記載のテトラアルコキシシランの製造方法。   The method for producing tetraalkoxysilane according to any one of claims 1 to 6, wherein the dialkyl carbonate is dimethyl carbonate or diethyl carbonate.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115518629A (en) * 2022-09-27 2022-12-27 中触媒新材料股份有限公司 Catalyst for synthesizing tetraalkoxysilane, preparation method and use method thereof

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