JP2017503038A - 表面変性した粒子状金属酸化物 - Google Patents

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Abstract

本発明は、極めて高い増粘レベルが特徴であり、従って、レオロジー制御用の添加剤として特に良好な効果を有する金属酸化物を提供する。1〜24C原子のラジカルを有する一般式RSiO3/2のT基で変性され、T基の架橋度が低いことを特徴とし、変性された金属酸化物の表面上のT1基の画分は、(T1+T2+T3)の総計に対して、少なくとも15%であるか、またはT1基の画分は、変性された金属酸化物の表面上のT3基の画分より大きく、変性された金属酸化物の、溶剤で抽出可能な画分は、15重量%以下である金属酸化物を提供することにより、達成される。

Description

発明の分野
T1基の少なくとも15%の画分、またはT1基の、T3基の画分より大きな画分で表面変性された金属酸化物であって、変性された金属酸化物の、溶剤で抽出可能な画分が15重量%以下である、金属酸化物、およびこれらの金属酸化物の製造方法、並びに、接着剤、シーラント、およびコーティング材料、例えば塗料、インク、およびワニス、における粘度、降伏点、およびせん断−希釈およびチキソトロピー特性を調節するためのレオロジー添加剤としての該金属酸化物の使用に関する。
発明の背景
有機官能性を有する粒子状金属酸化物は、広範囲な用途に使用される材料の機械的特性を強化するための活性充填剤として一般的に使用されている。この手段により、例えば塗料、インク、およびワニスなどのコーティングの耐擦傷性を強化したり、接着剤やシーラントの機械的特性を調整することができる。さらに、マトリックス系の未架橋状態においても、ナノ構造化された充填剤は、極めて重要な機能を果たす。従って、分散液は、比較的高粘度を有し、多くの場合、事実、粘弾特性を有する。この疑似可塑的挙動は、問題とする材料の加工操作に特に重要な役割を果たす。粒子状充填剤の熟慮した化学的表面変性により、それらを取り囲むマトリックスとの相互作用を操作し、それによって分散液の粘弾性挙動を制御することができる。
現状技術水準
国際公開第2008/077814号パンフレットには、高比表面積の粒子状金属酸化物上に有機官能性を有する樹脂層の製造が開示され、変性された粒子状金属酸化物およびその使用が開示されている。開示されている金属酸化物の特徴は、有機官能性を有する限定されたシリコーン樹脂構造であり、その分光分析が与えられている。例1〜5で、T2およびT3基の強度の総計は、T1基の強度よりも、少なくとも5のファクターだけ大きい、つまり、変性された金属酸化物の表面上にあるT1基の画分は、T1+T2+T3の総計に対して、全ての場合で15%未満であり、T3基の画分よりも低い。対応して、金属酸化物は、高度に架橋したシリコーン樹脂層に対して顕著であり、液体媒体における増粘効果が低い。従って、国際公開第2008/077814号パンフレットに開示されている金属酸化物は、高レベルの充填に特に好適である。
一方、国際公開第2008/077814号パンフレットの比較例6および7では、T1基のより高い画分が、全てのT基の総計に対して測定され、これらの金属酸化物に対して、抽出可能な画分が高く、それぞれ19.5重量%および25.1重量%である。記載されている方法では、シリカの表面積に対して、使用する被覆剤物質の量から計算して9μmol/mのあたりにある高含有量の被覆剤が扱われている。この方法から得られる反応生成物は、低凝縮度で、著しい画分の、化学的意味で堅く付加していない、ケイ素含有化合物を有するため、これが表面処理した金属酸化物のさらなる使用には、例えばレオロジー制御用の添加剤として使用するには問題になる。
本発明の目的は、既存の現状技術水準の欠点を克服し、非常に高い増粘レベルを有し、従って、レオロジー制御用の添加剤として特に良好な効果を有する金属酸化物、およびこれらの金属酸化物の製造方法を提供することである。
本発明の目的は、一般式:RSi(OX)(OX')O1/2(T1)、R'Si(OX”)(O1/2)(T2)およびR”Si(O1/2)(T3);
(式中、
R、R'、R”は、脂肪族または芳香族の1〜24C原子を有する炭化水素基であり、
X、X'およびX”は、水素または脂肪族もしくは芳香族の1〜24C原子を有する炭化水素基であるが、
R、R'、R”、X、X'およびX”は、同一であってもまたは異なっていてもよい。)
を有する基の1つ以上から選択された基で変性された金属酸化物であって、
変性された金属酸化物の表面上のT1基の画分が、T1+T2+T3の総計に対して、少なくとも15%であるか、または前記変性された金属酸化物の前記表面上のT1基の画分が、前記変性された金属酸化物の前記表面上のT3基の画分より大きく、
前記変性された金属酸化物の、溶剤で抽出可能な画分が、15重量%以下である、金属酸化物を提供することにより達成される。
発明の具体的説明
本発明の粒子状ナノ構造化された金属酸化物は、その表面上に三官能基を有し、ケイ素原子が3個の酸素原子に結合している。この三官能単位は、Tとも呼ばれ、式:RSi(OX)(OX')O1/2を有するT1基、式:R'Si(OX”)(O1/2)を有するT2基、および、式:R”Si(O1/2)を有するT3基を含む。T基の全体は、一般式:RSiO3/2と呼ばれる。
基R、R’、R”は、一価の、所望によりモノまたはポリ不飽和化された、所望により分岐した、1〜24Cを有する炭化水素基の群から選択され、所望によりさらなる異原子および/または官能基を有する。これらの基は、好ましくはアルキル基またはアリール基、例えばメチル、エチル、プロピル、例えばn−プロピルまたはイソプロピル、ブチル、例えばn−ブチル、イソブチルまたはtert−ブチル、ヘキシル、例えばn−ヘキシルまたはイソヘキシル、オクチル、例えばn−オクチルまたはイソオクチル、ドデシル、テトラデシル、ヘキサデシル、オクタデシル、フェニル、トリル、例えばo−トリル、m−トリルまたはp−トリル、キシリル、メシチルまたはナフチル基である。
さらに、アルキル基またはアリール基は、さらなる異原子または官能基も有することができる。この状況下では、一般式:R=(CH)Yの一価の有機基が好ましく、式中、n=1〜24であり、基Yは、ビニル、アクリラート、メタクリラート、グリシジルオキシ、SHまたはOH基、第一級アミノ基−NH、第二級アミノ基−NHR、例えばN−モノメチル、N−モノエチル、N−モノプロピル、N−モノブチル、N−シクロヘキシル、またはアニリン基、第三級アミノ基−NR、例えばN,N−ジメチル、N,N−ジエチル、N,N−ジプロピル、N,N−ジブチル、N,N−メチルエチル、N,N-メチルプロピル、N,N−エチルプロピルまたはN,N−メチルフェニル基、モルホリノ、ピロリル、インドリル、ピラゾリル、イミダゾリルまたはピペリジルラジカル、第四級アミノ基、例えばN,N,N−トリメチルアンモニウム、N,N,N−トリエチルアンモニウムまたはN,N,N−トリプロピルアンモニウム基、ホスホナート、−P(O)(OR)(Rは、メチル、エチルまたはフェニル基から選択される)、イソシアナートまたは保護されたイソシアナート基−N(H)C(O)G(保護基Gは、H−Gとして熱露出により除去される(H−G=メチル2−ヒドロキシベンゾアート、2−ヒドロキシピリジン、1−ヒドロキシメチル−1,2,4−トリアゾール、N,N−ジエチルヒドロキシルアミン、2−ブタノンオキシム、ジメチルマロナート、エチルアセトアセタート、ジイソプロピルアミン、ベンジル−tert−ブチルアミン、tert−ブチルメチルアミン、tert−ブチルイソプロピルアミン、2−イソプロピルイミダゾール、3,5−ジメチルピラゾールおよびε-カプロラクタム)、またはジヒドロ−3−イル−2,5−フランジオンから選択される。
特に好ましくは、R、R’および/またはR”は、それぞれテトラデシル、ヘキサデシル、オクタデシル、メタクリロイルオキシプロピルまたはグリシジルオキシプロピル基である。
個々の基X、X'およびX”は、R、R’、R”に関して上に定義した基、または水素から選択され、同一でも、異なっていてもよい。酸素に結合したT基の基は、好ましくは同一である。より好ましくは、酸素に結合したT基の基は水素である。
金属酸化物の表面上にあるT基(一般式:RSiO3/2を有する、上記参照)は、異なる基Rを有することができ、例えば、表面に結合した2個のT1基は、C鎖の長さが異なっていてもよい。好ましくは、金属酸化物の表面は、上記の基Rの一種だけで変性される。
T1単位(RSi(OX)(OX')O1/2)の場合、1個の酸素原子が、別のケイ素原子に対するシロキサン結合を形成し、従って、金属酸化物の表面に、またはT2もしくはT3基に対する基の付加がある。他の2個の酸素原子は、XおよびX’と共に、水素原子または炭化水素基を有する。従って、T1基は、架橋していない末端基を表す。対照的に、T2基(R'Si(OX”)(O1/2))の場合、鎖構造を構築するための2個のO原子があり、T3基(R”Si(O1/2)RSiO3/2)の場合、3個のO原子が架橋反応のためにある。対応して、全てのT基の総計に対して、金属酸化物の表面上の、T1基の画分が高い程、T基の架橋程度は低い。本発明の変性された金属酸化物の表面上にあるT1基の画分は、T1+T2+T3の総計に対して、少なくとも15%、好ましくは少なくとも20%、より好ましくは少なくとも30%、またはT3基の画分より大きい。好ましくは、T1基の画分は、金属酸化物の表面上にある全てのT基の総計に対して、100%未満である。
従って、本発明の金属酸化物は、有機ケイ素変性層の凝縮程度が低いのが特徴である。実施例に示すように、これらの金属酸化物は、エポキシ樹脂等の極性有機系において高度の増粘効果を示す。金属酸化物の表面上にあるT1基の画分は、例えばG.E. Marciel et al. Journal of Chromatography, 1981, 205, 438ffに記載されているように、29Si CP/MAS NMR分光法により測定することができる。信号のケミカルシフトは、例えばG. Engelhardt et al. Polymer Bulletin, 1981, 5, 557ff、に記載されているように、信号に関連するケイ素含有基の結合に関する情報を与える。ケミカルシフトに基づいて、ここで使用する指定T1、T2およびT3は、それぞれの場合、それぞれ一般式:RSi(OX)(OX')O1/2、R'Si(OX”)(O1/2)、およびR”Si(O1/2)に割り当てられ、式中、R、R’、R”およびX、X'およびX”も上に定義した通りであり、X、X'およびX”は、同様に、一価のアルキル基またはアリール基もしくは水素を表し、基の遊離原子価(画分O1/2で表す)は、それぞれ、さらにケイ素原子へのシロキサン結合により満たされる。
本発明の金属酸化物は、例えば元素の周期律表の1〜5および13〜15族から選択することができ、注意すべきは、「金属酸化物」の表現は、簡潔にするために使用し、14族の半金属の酸化物も含むものとする。4族、13族および14族の三価および四価酸化物を使用するのが好ましい。特に好ましい使用は、シリカである。本発明の意味におけるシリカは、ケイ素のオキソ酸であり、沈殿シリカおよびヒュームド(焼成)シリカを含む。ケイ酸塩と呼ばれる酸の塩は、含まれない。より好ましくは、シリカはヒュームドシリカを含む。
本発明の金属酸化物は、比表面積が、1〜600m/g、好ましくは40〜400m/g、より好ましくは90〜270m/g(DIN 9277/66131および9277/66132により、BET法により測定)。
本発明の金属酸化物のタンピング(tamped density)は、10〜200g/l、好ましくは20〜100g/l、より好ましくは20〜60g/l(DIN ISO 787−11により測定)でよい。
本発明の金属酸化物の特徴は、変性により導入した基が、金属酸化物の表面に堅く結合していることである。堅い結合は、効果的な化学的付加を表し、本発明により、変性金属酸化物の、溶剤により抽出可能な画分が、15重量%未満の量であることにより、定量される。抽出可能な画分は、好ましくは6重量%未満、より好ましくは3重量%未満、特に好ましくは2重量%未満であり、本発明の特別な一実施態様では、1重量%未満である。変性の結合の堅さを評価するのに好適な方法は、抽出可能なシランの、即ち金属酸化物の表面に化学的に結合していないシランの定量的測定である。
従って、本発明の金属酸化物は、有機ケイ素変性層の凝縮程度が低いことのみならず、同時に、金属酸化物に対する表面基の化学的結合が堅いことも特徴である。
溶剤は、気体、液体または固体を溶解または希釈することができる物質であり、溶解した材料と溶媒材料との間に全く化学的反応が無い。本発明の金属酸化物を研究するのに使用した溶剤、テトラヒドロフランも、変性剤の、金属酸化物の表面に対する化学的結合に全く関与しない。従って、この溶剤で抽出可能な構成成分は、金属酸化物に、弱い相互作用、例えばファンデルワールス力によってのみ結合している。抽出可能な画分に関して測定された低い値は、変性剤の、金属酸化物の表面に対するより優れた化学的付加、換言すると、より堅い付加を意味する。
本発明の金属酸化物は、好ましくは、非常に大きく、完全な表面変性を特徴とする。完全とは、この状況下では、好ましい占有率が、金属酸化物の表面積の少なくとも2μmol/mである、つまり、金属酸化物の表面積の少なくとも2μmol/mが変性剤 (被覆剤と同義語) により占有されることである。変性または占有の程度の最初の考えは、認められる炭素含有量に由来する、即ち、変性の化学的構造およびBET法(上記参照)により測定した未変性金属酸化物の比表面積を知ることにより、金属酸化物の表面積のμmol/mにおける占有の程度を計算することができる。本発明の金属酸化物の占有程度は、金属酸化物の表面積の2〜6、好ましくは2〜4μmol/m、より好ましくは2.5〜3.5μmol/mである。
上記の金属酸化物がヒュームドシリカである場合、変性程度は、例えば、変性後の残留シラノール含有量を測定するための好適な方法により、例えばG.W. Sears et al. Analytical Chemistry 1956, 28, 1981ffに記載されているような、酸−塩基滴定により試験することができる。本発明の好ましい金属酸化物は、残留シラノール含有量が70%未満、より好ましくは40%未満、特に好ましくは25%未満である。
本発明のさらなる課題は、金属酸化物の表面変性方法であって、
先ず金属酸化物を変性剤としっかりと混合した後、前記金属酸化物を、前記変性剤と気相操作で反応させ、続いて過剰の変性剤および副生物を除去する、ことを含み、
変性剤が、一般式:RSiZ、RSiZおよび/またはRSiZ:
(式中、Zは、反応性基、例えばヒドロキシル、ハロゲン、アミノ基、OR、OC(O) R、O(CH)OH、またはO(CH)ORであり、RおよびRは、1〜24C原子を有する炭化水素基であり、mは1〜24である。)
のシラン単独またはそれらの望ましい混合物から選択され、
変性すべき前記金属酸化物の比表面積1mあたり、変性剤0.5〜7μmolを前記変性に使用し、かつ
前記金属酸化物と前記変性剤との反応において、補助成分を、変性すべき前記金属酸化物の表面積1mあたり3μmol未満の量で添加する、方法に関する。
本発明の金属酸化物に関して、すでに上に観察したように、RSiZ(RSiZと同義)、RSiZ(RSiZと同義)、およびRSiZ(RSiZと同義)に関する場合でも、RおよびZは、個々の基R〜R、およびZ〜Zも説明する。これらの基は、RおよびZに関して上に定義した群から選択され、同一でも、異なっていてもよい。Rおよび/またはZに関して選択した基は、好ましくは同一である。
より好ましくは、被覆剤は、モノアルキルトリアルコキシシラン、例えばテトラデシル−、ヘキサデシル−、オクタデシル−、メタクリロイルオキシプロピル−、グリシジルオキシプロピルトリメトキシシランまたは対応するエトキシ誘導体、テトラデシル−、ヘキサデシル−、オクタデシル−、メタクリロイルオキシプロピル-またはグリシジルオキシプロピルトリエトキシシランを含んでなる。さらに、本発明のさらなる好ましい変形では、アルキルトリクロロシラン、例えばテトラデシル−、ヘキサデシル−、オクタデシル−、メタクリロイルオキシプロピル−またはグリシジルオキシプロピルトリクロロシラン、を使用できる。
本発明のシリカは、上記の被覆剤の一種のみによって、または二種以上の上記被覆剤の混合物を使用して変性することができる。
本発明の方法では、変性すべき金属酸化物の比表面積1m当たり0.5〜7μmolの変性剤、好ましくは変性すべき金属酸化物の比表面積1m当たり1〜5μmol、より好ましくは2〜4μmol、および特に好ましくは2.4〜3.3μmolの変性剤を変性に使用できる。
表面変性した金属酸化物は、製造操作を別個の工程で行う方法により製造される。これらの工程は、(1)金属酸化物を変性剤(被覆)と強く混合すること、(2)金属酸化物と被覆剤を反応させること、および(3)変性された金属酸化物を処理し、過剰の変性剤および副生物を除去することが関与する。
本発明の目的には、用語「変性剤」および「被覆剤」または「隠蔽剤」は、同義語である。
表面変性(反応)は、好ましくは、表面変性された金属酸化物の酸化を引き起こさない大気中、即ち、好ましくは酸素10体積%未満、より好ましくは2.5体積%未満で行い、最適な結果は1体積%未満で得られる。
表面変性方法の工程中の圧力は、0.2barの僅かに大気圧未満から、100barの超大気圧であり、好ましくは標準的な圧力の技術的背景、つまり外部/大気圧に対して加圧していない操作である。
所望により、プロトン性溶剤を加えることができる。溶剤は、1個の分子が、分子内の水素原子がプロトンとして分裂(解離)し得る官能基を有する場合に、プロトン性と呼ばれる。OH結合の高い極性を鑑み、その様な分子は、比較的容易に分裂し、正に帯電した水素原子、即ちプロトンを放出する。
最も重要なプロトン性溶剤は水であり、水は、プロトンおよび水酸化物イオンに解離する(簡素化された用語で)。他のプロトン性溶剤の例は、アルコールおよびカルボン酸を含む。本発明により添加することができるプロトン性溶剤は、例えば液体または蒸気化し得るアルコール、例えばイソプロパノール、エタノールまたはメタノール、もしくは水である。上記のプロトン性溶剤の混合物も添加できる。好ましくは、金属酸化物に対して、1〜50重量%、より好ましくは5〜25重量%のプロトン性溶剤を加える。特に好ましくは、プロトン性溶剤として水を加える。
変性の際に比較的大量の水を加えることにより、Xが主として水素基および少量のアルキル基を含んでなる生成物が得られる。
本発明の変性反応は気相操作で起こる。すなわち、被覆剤は、純粋な非常に乾燥した(および、従って、粉末状の)金属酸化物に加えられる。液相操作では、対照的に、金属酸化物は液相で導入される。変性剤(被覆剤)は、金属酸化物に好ましくは液体形態で加えられる。変性剤は、ここでは純粋形態で、または工業的に使用される公知の溶剤中の溶液として混合され、その例は、例えばアルコール、例えばメタノール、エタノール、またはイソプロパノール、エーテル、例えばジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、またはジオキサン、または、ヘキサンまたはトルエン等の炭化水素である。ここで溶液中の変性剤の濃度は、5〜95重量%、好ましくは30〜95重量%、より好ましくは50〜95重量%である。
本発明により、液体構成成分の量は、反応混合物が常に乾燥粉体床であるように選択される。乾燥粉体床は、この状況下では、混合物が実質的に固体(金属酸化物粒子)として気相中に存在することを意味する。液体は、液体が絶対的に必要である場合(例えば反応物として)、反応温度および/または時間を下げるための補助成分として、他の反応物または補助成分をスプレーするノズル用に必要な粘度を確立するための溶剤として、少量でのみ加える。これは、液相における操作様式、即ち液相に分散させた金属酸化物の反応と対照的である。
反応混合物が乾燥粉体床の形態を確実に取るために、使用する液体構成成分の重量による量は、使用する金属酸化物の重量による量を超えない。好ましくは、金属酸化物100部に対して、液体構成成分5〜50、より好ましくは25〜35重量部を使用する。
本発明の金属酸化物を製造するには、金属酸化物と変性剤との反応に必要な反応時間を短くすることができる、および/または必要な操作温度を下げることができる物質をさらに使用する。これらの物質は、以下、用語「補助成分」と呼ぶ。驚くべきことに、選択する補助成分の量は、非常に低くてよく、変性反応において、T1+T2+T3の総計に対して、変性された金属酸化物の表面上にあるT1基の高画分、またはT3基の画分より大きいT1基の画分が、発生し、基が、同時に金属酸化物の表面に堅く結合することが確認された。効果的な化学的付加が起きているという事実は、変性された金属酸化物の、溶剤により抽出し得る画分が低いという事実により立証することができる。
このことから、本発明の方法における補助成分の量は、変性すべき金属酸化物の(絶対)表面積1mあたり、3μmolまでである。好ましくは、変性すべき金属酸化物の表面積1mあたり、補助成分0.5〜2.5μmolを使用する。未変性金属酸化物の絶対表面積は、その質量から、およびBET法(上記参照)により測定される比表面積から計算することができる。
本発明の補助成分は、好ましくは、塩基性反応を与える官能基を有する物質を含んでなる。補助成分は、例えばアルカリ金属およびアルカリ土類金属の水酸化物、例えば水酸化カリウムおよび水酸化ナトリウム、およびそれらの、対応するアルコールまたはカルボン酸から誘導される塩、例えばナトリウムメトキシド、ナトリウムエトキシドまたは酢酸ナトリウムである。塩基性反応を与える化合物は、窒素含有化合物、例えばアンモニウム、または有機的に置換された第一級、第二級または第三級アミンからさらに選択することができる。上記アルコール、カルボン酸およびアミンの、一価の有機置換基は、飽和化された、および不飽和化された、分岐した、および分岐していない炭化水素ラジカルを含み、これらは、さらに他の異原子または官能基を有することができる。塩基性反応を与える化合物は、それら自体で、または不活性または反応性溶剤中の溶液として添加することができる。水性水酸化ナトリウムまたはカリウム溶液、水性アンモニア溶液、イソプロピルアミン、n−ブチルアミン、イソブチルアミン、tert−ブチルアミン、シクロヘキシルアミン、トリエチルアミン、モルホリン、ピペリジンまたはピリジンを使用するのが好ましい。
使用する補助成分の化学的性質およびそれらの、使用する金属酸化物の絶対表面積に対する量を変えることにより、シリコーン樹脂層の架橋程度を、非常に広い範囲内で制御することができる。実施例に示すように、補助成分の量を下げることにより、架橋態度の低い生成物が得られ、これは、生成物の増粘効果の増加になって現れる。例4を3と比較することにより、水性アンモニア溶液の場合、補助成分の量の低下は、T1基の画分が増加した生成物が得られ、増粘効果が強化される。この傾向は、他の被覆剤でも観察され(例6と比較した例7または例8に対する例9)、トリエチルアミンの場合の、他の補助試薬にも観察される(例10に対する例11)。
この状況下で、著しく化学量論を下回る量の補助成分を使用しても、金属酸化物に対する変性の、近定量的な、化学的に堅い付加が得られることは特に驚くべきことである。対照的に、補助成分を全く使用しない場合、抽出可能な画分の著しい増加、4.9重量%(例5)が見られたが、補助成分として水性アンモニア溶液を使用した場合、僅かに約1重量%(例1〜4)であり、例4に対して例5の場合、比較的低い増粘効果を含む違いとして現れ、他の技術的欠点も伴っている。従って、補助成分を添加しなかった分散液の粘度は6.92Pa・sであるのに対し、水性アンモニア溶液0.6μmolを添加した場合の粘度は8.57Pa・s(例4)である。例3から例4に補助成分、この場合は水性アンモニア溶液の量を減少させた場合、粘度増加が観察される。
被覆剤は、好ましくは超微粉に分割したエーロゾルの形態で添加し、エーロゾルは、沈降速度が0.1〜20cm/sである。エーロゾルは、固体または液体の浮遊粒子および気体の混合物(分散物)である。金属酸化物の、上記変性剤による被覆は、好ましくはノズル技術または同等の技術により達成される。効果的なジェット技術は、例えば圧力下(好ましくは5〜20bar)にある1液ノズルにおけるジェット、圧力下(好ましくは2〜20barにおける気体および液体による)にある2液ノズルにおけるジェット、噴霧装置による超微粉分割、または粉末金属酸化物により被覆剤を均質に分布させることができる、可動の回転式または静止内部構造物を有するガス/固体交換アセンブリーでよい。
エーロゾルは、移動している粉末状固体上に、上から、ノズルを経由して塗布され、その場合、ノズルは、液体レベルの上に位置し、均質な気相により取り囲まれているか、または流動している固体中に導入され、その場合、計量供給する開口部が液体レベルの下に位置し、従って、不均質な粒子/気体混合物により取り囲まれている。上からのジェットが好ましい。
シランおよび、補助成分として機能する塩基性反応化合物の添加は、同時に、または連続的に行われる。好ましくは、先ず金属酸化物を補助成分で均質に被覆し、続いてシランで被覆する。
反応(工程2)は、好ましくは、温度30℃〜350℃、好ましくは40℃〜250℃、より好ましくは50℃〜150℃で行い、特別な変形では、反応工程は、100℃〜120℃で行われる。温度プロファイルは、反応中は一定に維持するか、または欧州特許第1845136号に記載されているように、上昇していく勾配を有することができる。
反応(工程2)の滞留時間は、好ましくは、1分間〜24時間、より好ましくは15分間〜300分間、および、空時収量の理由から、特に好ましくは15分間〜240分間である。被覆(1)および反応(2)は、好ましくは機械的またはガスによる流動化で行われる。機械的流動化の場合、粒子状粉体は、床または液体中の物体(例えば撹拌パドル)の運動により、液状になるが、これは、ガスによる流動化の場合、単純にガスを下から導入することにより達成される(例えば、流動床における)。ガスによる流動化は、変性剤、金属酸化物および変性された金属酸化物と反応しない不活性ガスにより達成される。したがって、副反応、分解反応、酸化事象、および火炎および爆発現象を引き起こさない。ここで、窒素、アルゴンおよび他の希ガス、および二酸化炭素を使用するのが好適である。流動化ガスは、好ましくは見掛けガス速度0.05〜5cm/s、より好ましくは0.05〜2. 5cm/sの範囲内で供給する。
用語「見掛けガス速度」とは、(1)被覆、(2)反応および/または(3)精製の工程が行われる範囲内に存在する流動化ガスの体積流量と、流れが通過する、対応する区域の自由断面積との比を意味する。特に好ましくは、不活性化を超えるガスを追加使用せずに、パドル攪拌機、アンカー攪拌機、および他の好適な撹拌手段により、行われる機械的流動化である。
精製工程(3)は、好ましくは運動を特徴とし、ゆっくりとした運動および低レベルの混合が特に好ましい。この場合の撹拌部材は、好ましくは調節し、混合および流動化が起こるが、完全な渦が生じないように運動させる。
未反応の出発材料および得られた副生物も除去するための精製工程の際、操作温度は、所望により上昇させることができる。精製工程は、好ましくは温度100℃〜350℃、より好ましくは105℃〜180℃、非常に好ましくは110℃〜140℃で行う。
酸化を回避し、精製をより効果的に行うために、精製工程は、比較的大量の不活性ガス、好ましくは窒素、アルゴン、および他の希ガス、および二酸化炭素も、好ましくは0.001〜10cm/s、より好ましくは0.01〜1cm/sの見掛けガス速度に対応して供給する。
被覆、反応、および精製は、バッチ様式(不連続的またはバッチ)で行うか、または連続的に操作することができる。技術的な理由から、欧州特許第1845136号に記載されている種類の連続的反応様式が好ましい。
変性の際(即ち、被覆および/または反応)または精製に続いて、シリカの機械的圧縮を行うための連続または不連続的方法、例えばプレス、圧縮ロール、粉砕アセンブリー、例えばエッジランナーミルまたはボールミル、スクリューまたはスクリューミキサーによる圧縮、スクリューコンプレッサー、ブリケッティング機械、または適切な真空技術を使用する、吸引下での空気または気体含有量の排気による圧縮を使用することができる。
工程(1)における被覆の際、圧縮ロール、粉砕アセンブリー、例えばボールミル、スクリュー、スクリューミキサー、スクリューコンプレッサーまたはブリケッティング機械による機械的圧縮が特に好ましい。従って、被覆および機械的圧縮は、1つのアセンブリーで同時に行い、空時収量の理由からおよび別の操作工程を節約するために、これが好ましい。
さらなる特に好ましい手順では、精製に続いて、適切な真空技術による、吸引下での空気または気体含有量の排気による圧縮、または圧縮ロール、または両方法の組合せの様な方法を金属酸化物の機械的圧縮に使用する。
さらに、特に好ましい手順では、精製に続いて、金属酸化物を粉砕することができる。この場合、ピンディスクミル、ハンマーミル、対向するジェットミル、インパクトミル、または摩砕/分類を行うための装置を使用することができる。
本発明のさらなる課題は、本発明の表面変性したナノ構造化された金属酸化物の、または本発明の方法により製造された表面変性したナノ構造化された金属酸化物の、媒体、例えば接着剤、シーラント、およびコーティング材料、の流動特性を調整するための、エラストマーの機械的特性を改良するための、および粉体、例えばトナー、または粉体コーティング材料の帯電および流動特性を調整するための使用である。本発明の金属酸化物は、例えば極性有機樹脂における強力な増粘効果が優れている。液体媒体のレオロジー特性を調整するための使用が好ましい。
驚くべきことに、変性した金属酸化物の、分散液濃度として測定した増粘効果は、低くないが、その代わりに、少量の補助成分を方法に加えた場合に(それぞれ水性アンモニア溶液を補助成分として加えた、例4を例1〜3と、例7を例6と、および例9を例8と比較)、事実、高くなることが分かった。同じことが、補助成分としてトリエチルアミンを使用した場合にも当てはまる(例11と例10とを比較)。
本発明の方法により、表面上に低密度の架橋を有すると共に、堅い化学的付加を有し、従って、添加剤として、液体媒体において良好な増粘効果を達成する金属酸化物を提供する。本発明の方法は、反応パラメーター、例えば使用する補助成分の量および気相プロセスにおける反応、の最適な組合せを備え、この非常に高い増粘効果と、効果的な化学的付加を達成する。
分析方法
1.炭素含有量の測定(%C)
炭素の元素分析は、DIN ISO 10694により、Eltra GmbH(D−41469 Neuss、独国)から市販のCS−530元素分析機を使用して行った。得られた数値から、変性のタイプの知識(即ち、%Cおよびモル質量Mを含むファクターの決定要素であるので、RSiO3/2からのRの知識)を使用し、金属酸化物の占有率をμmol/mで、次の様に計算することができる。
Figure 2017503038
式中、
%C(exp):実験的に測定した炭素含有量、重量%
m(総量):表面変性した金属酸化物の合計質量、g
%C(RSiO3/2):変性のタイプの、官能基RSiO3/2の対応する実験式から理論的に計算できる炭素含有量、重量%
M(RSiO3/2):官能基RSiO3/2のモル質量、g/mol
spec:金属酸化物の比表面積、m/g
m(金属酸化物):表面変性していない金属酸化物の質量、g
ここで、
Figure 2017503038
簡潔にするために、ここで表面変性に関連する重量増加を無視し、大まかな近似でm(金属酸化物)=m(総量)とすると、等式は大きく簡素化される。
Figure 2017503038
2.未変性シリカシラノール基の残留量の測定
残留シラノール含有量は、G.W. Sears et al. Analytical Chemistry 1956, 28, 1981ffと同様に、水とメタノールの1:1混合物中の分散液で、シリカの酸−塩基滴定により、測定した。滴定は、等電点の上およびシリカの解離pH範囲の下の区域で行った。残留シラノール含有量、%は、下記の等式により計算することができる。
SiOH=SiOH(シリル)/SiOH(phil)*100%
式中、
SiOH(phil):未処理シリカの滴定から得た滴定体積
SiOH(シリル):シリル化したシリカの滴定から得た滴定体積
3.抽出可能なシリル化剤画分の測定
研究用シリカ2.50gを、へらで、スクリュートップPE容器中で、テトラヒドロフラン47.50g中に撹拌しながら入れ、次いで容器を閉じた。氷浴中、30分間の休止時間後、混合物を、氷冷却しながら超音波浴(Sonorex Digitec DT 156, BANDELIN electronic GmbH & Co. KG, D-12207 ベルリン、独国)中で30分間処理し、次いでPTFEメンブランフィルター(細孔径0.2μm、直径47mm、Sartorius AG, Gottingen、独国)を通し、圧力ろ過(5bar窒素)により透明ろ液を得た。正確にこのろ液10.00mlを分析物として取り、原子吸光分析(Atom Absorption Spectrometer 2100, Perkin Elmer Waltham, MA, USA)を使用してケイ素含有量を測定し、秤量した。抽出可能な構成成分、重量%は、下記の様にして計算できる。
Figure 2017503038
式中、
m(THF):テトラヒドロフランの初期質量(=47.50g)
V(分析物):分析物の体積(=10.00ml)
m(金属酸化物):表面変性した金属酸化物の初期質量(=2.50g)
M(Si):ケイ素のモル質量(=28.09g/mol)
c(分析物):分析物のケイ素含有量、mg/l
m(分析物):分析物の最終質量、g
M(RSiO3/2):官能基RSiO3/2のモル質量、g/mol
4.NMR分光法による特性
29Si固体NMRスペクトルを、7mm二重共鳴MASプローブ(電界強度9.4テスラ、共鳴振動数29Siに対して79.51MHzおよびHに対して400.23MHz)を備えたAVANCE 400 WB NMR spectrometer(Bruker Corporation, Billerica, MA, USA)を使用し、クロス分極(CP)およびマジックアングルスピニング(CP/MAS)により検出した。MAS回転振動数5kHzでクロス分極の際のプロトンRF振幅に対して、直線傾斜80〜100%を使用した。接触時間は5msであった。20000スキャンまでを、実験反復時間3s(さらなる記録パラメーター:90°Siパルス=5μs、TD=1662、SWH=23809、ol=−5566Hz、デカップリング:TPPM15、処理パラメーター:SI=16384、LB=−5HzおよびGB=0.03によるガウス乗法)で記録した。全ての測定は、室温で行った。29Si化学シフトは、外部標準としてテトラメチルシラン(TMS)=0ppmを基準とし、オクタキス(トリメチルシロキシ)シルセスキオキサン(Q、最も強く遮蔽したQ基は、TMSに対して−109ppmに位置した)。
表2に報告したようなT1、T2およびT3信号の相対的比率は、下記式により、デコンボルーション(deconvolution)により得た信号強度から計算した。
Figure 2017503038
式中、
n=1、2、3
Int(T1):T1基の信号の強度
Int(T2):T2基の信号の強度
Int(T3):T3基の信号の強度
5.金属酸化物のレオロジー挙動の研究
例1〜9から得た反応生成物それぞれ3g、または例10および11から得た反応生成物8gを、外界圧力の下で、VMA-Getzmann GmbH(D-51580 Reichshof, 独国)から市販の、40mmディソルバーディスクを備えた、DISPERMAT(登録商標)真空ディソルバーで、1〜2分間、750rpmで、例10および11に対して97gまたは92gのEpikote RIM135、Hexion Specialty Chemicals Inc. (Duisburg、独国)に配合し、次いで、6000rpmで5分間、0.3barの減圧下で分散させる。
1時間の休止時間の後、分散液の粘度を、空気クッションを付けたHaake RheoStress 600レオメーター(Thermo Fisher Scientific Inc., Waltham, MA, USA)により、コーン/プレート幾何学的構造(35mm、2°)で25℃で測定した。粘度を決定するために、測定プロファイルを使用したが、この場合、せん断を、最初に120s、1s−1(測定部分1)、次いでさらに120s、10s−1(測定部分2)からなる2つの部分でかける。表2に報告する粘度は、第二測定部分の最後に集めた10回のデータ地点の平均値として、計算した。
例1
DIN 66131および66132に従ってBET法により測定して比表面積200m/gを有する親水性シリカ(Wacker Chemie AG, Munich、独国からHDK(登録商標)N20の名称で市販)100gに、窒素雰囲気下で、2液ノズル(中空コーンノズル、モデル121、Dusen-Schlick GmbH, D-96253 Untersiemau/Coburg、独国から市販、30°スプレー角度、0.1mm孔、5bar窒素で操作)を通して噴射することにより、アンモニア1.85gおよび水3.75gからなる混合物を加える。続いて、同様に、ヘキサデシルトリメトキシシラン21gを加える(中空コーンノズル、モデル121、Dusen-Schlick GmbH, D-96253 Untersiemau/Coburg、独国から市販、30°スプレー角度、0.2mm孔、5bar窒素で操作)。反応混合物を100℃に3時間、強く撹拌しながら、加熱し、次いで室温に冷却してから分析した。実験および分析データは、表1および2にまとめる。
例2
DIN 66131および66132に従ってBET法により測定して比表面積200m/gを有する親水性シリカ(Wacker Chemie AG, Munich、独国からHDK(登録商標)N20の名称で市販)100gに、窒素雰囲気下で、2液ノズル(中空コーンノズル、モデル121、Dusen-Schlick GmbH, D-96253 Untersiemau/Coburg、独国から市販、30°スプレー角度、0.1mm孔、5bar窒素で操作)を通して噴射することにより、アンモニア1.25gおよび水3.75gからなる混合物を加える。続いて、同様に、ヘキサデシルトリメトキシシラン21gを加える(中空コーンノズル、モデル121、Dusen-Schlick GmbH, D-96253 Untersiemau/Coburg、独国から市販、30°スプレー角度、0.2mm孔、5bar窒素で操作)。反応混合物を100℃に3時間、強く撹拌しながら、加熱し、次いで室温に冷却してから分析した。
例3
DIN 66131および66132に従ってBET法により測定して比表面積200m/gを有する親水性シリカ(Wacker Chemie AG, Munich、独国からHDK(登録商標)N20の名称で市販)100gに、窒素雰囲気下で、2液ノズル(中空コーンノズル、モデル121、Dusen-Schlick GmbH, D-96253 Untersiemau/Coburg、独国から市販、30°スプレー角度、0.1mm孔、5bar窒素で操作)を通して噴射することにより、アンモニア0.66gおよび水3.75gからなる混合物を加える。続いて、同様に、ヘキサデシルトリメトキシシラン21gを加える(中空コーンノズル、モデル121、Dusen-Schlick GmbH, D-96253 Untersiemau/Coburg、独国から市販、30°スプレー角度、0.2mm孔、5bar窒素で操作)。反応混合物を100℃に3時間、強く撹拌しながら、加熱し、次いで室温に冷却してから分析した。
例4
DIN 66131および66132に従ってBET法により測定して比表面積200m/gを有する親水性シリカ(Wacker Chemie AG, Munich、独国からHDK(登録商標)N20の名称で市販)100gに、窒素雰囲気下で、2液ノズル(中空コーンノズル、モデル121、Dusen-Schlick GmbH, D-96253 Untersiemau/Coburg、独国から市販、30°スプレー角度、0.1mm孔、5bar窒素で操作)を通して噴射することにより、アンモニア0.22gおよび水3.75gからなる混合物を加える。続いて、同様に、ヘキサデシルトリメトキシシラン21gを加える(中空コーンノズル、モデル121、Dusen-Schlick GmbH, D-96253 Untersiemau/Coburg、独国から市販、30°スプレー角度、0.2mm孔、5bar窒素で操作)。反応混合物を100℃に3時間、強く撹拌しながら、加熱し、次いで室温に冷却してから分析した。
例5
DIN 66131および66132に従ってBET法により測定して比表面積200m/gを有する親水性シリカ(Wacker Chemie AG, Munich、独国からHDK(登録商標)N20の名称で市販)100gに、窒素雰囲気下で、2液ノズル(中空コーンノズル、モデル121、Dusen-Schlick GmbH, D-96253 Untersiemau/Coburg、独国から市販、30°スプレー角度、0.1mm孔、5bar窒素で操作)を通して噴射することにより、水3.75gを加える。続いて、同様に、ヘキサデシルトリメトキシシラン21gを加える(中空コーンノズル、モデル121、Dusen-Schlick GmbH, D-96253 Untersiemau/Coburg、独国から市販、30°スプレー角度、0.2mm孔、5bar窒素で操作)。反応混合物を100℃に3時間、強く撹拌しながら、加熱し、次いで室温に冷却してから分析した。
例6
DIN 66131および66132に従ってBET法により測定して比表面積200m/gを有する親水性シリカ(Wacker Chemie AG, Munich、独国からHDK(登録商標)N20の名称で市販)100gに、窒素雰囲気下で、2液ノズル(中空コーンノズル、モデル121、Dusen-Schlick GmbH, D-96253 Untersiemau/Coburg、独国から市販、30°スプレー角度、0.1mm孔、5bar窒素で操作)を通して噴射することにより、アンモニア1.26gおよび水3.78gからなる混合物を加える。続いて、同様に、オクタデシルトリメトキシシラン18.4gおよびトルエン15gの混合物を加える(中空コーンノズル、モデル121、Dusen-Schlick GmbH, D-96253 Untersiemau/Coburg、独国から市販、30°スプレー角度、0.2mm孔、5bar窒素で操作)。反応混合物を120℃に3時間、強く撹拌しながら、加熱し、次いで室温に冷却してから分析した。
例7
DIN 66131および66132に従ってBET法により測定して比表面積200m/gを有する親水性シリカ(Wacker Chemie AG, Munich、独国からHDK(登録商標)N20の名称で市販)100gに、窒素雰囲気下で、2液ノズル(中空コーンノズル、モデル121、Dusen-Schlick GmbH, D-96253 Untersiemau/Coburg、独国から市販、30°スプレー角度、0.1mm孔、5bar窒素で操作)を通して噴射することにより、アンモニア0.28gおよび水3.9gからなる混合物を加える。続いて、同様に、オクタデシルトリメトキシシラン18.6gおよびトルエン15gの混合物を加える(中空コーンノズル、モデル121、Dusen-Schlick GmbH, D-96253 Untersiemau/Coburg、独国から市販、30°スプレー角度、0.2mm孔、5bar窒素で操作)。反応混合物を120℃に3時間、強く撹拌しながら、加熱し、次いで室温に冷却してから分析した。
例8
DIN 66131および66132に従ってBET法により測定して比表面積200m/gを有する親水性シリカ(Wacker Chemie AG, Munich、独国からHDK(登録商標)N20の名称で市販)100gに、窒素雰囲気下で、2液ノズル(中空コーンノズル、モデル121、Dusen-Schlick GmbH, D-96253 Untersiemau/Coburg、独国から市販、30°スプレー角度、0.1mm孔、5bar窒素で操作)を通して噴射することにより、アンモニア1.40gおよび水5.03gからなる混合物を加える。続いて、同様に、テトラデシルトリメトキシシラン21.9gを加える(中空コーンノズル、モデル121、Dusen-Schlick GmbH, D-96253 Untersiemau/Coburg、独国から市販、30°スプレー角度、0.2mm孔、5bar窒素で操作)。反応混合物を120℃に3時間、強く撹拌しながら、加熱し、次いで室温に冷却してから分析した。
例9
DIN 66131および66132に従ってBET法により測定して比表面積200m/gを有する親水性シリカ(Wacker Chemie AG, Munich、独国からHDK(登録商標)N20の名称で市販)100gに、窒素雰囲気下で、2液ノズル(中空コーンノズル、モデル121、Dusen-Schlick GmbH, D-96253 Untersiemau/Coburg、独国から市販、30°スプレー角度、0.1mm孔、5bar窒素で操作)を通して噴射することにより、アンモニア0.73gおよび水4.96gからなる混合物を加える。続いて、同様に、テトラデシルトリメトキシシラン21.9gを加える(中空コーンノズル、モデル121、Dusen-Schlick GmbH, D-96253 Untersiemau/Coburg、独国から市販、30°スプレー角度、0.2mm孔、5bar窒素で操作)。反応混合物を120℃に3時間、強く撹拌しながら、加熱し、次いで室温に冷却してから分析した。
例10
DIN 66131および66132に従ってBET法により測定して比表面積200m/gを有する親水性シリカ(Wacker Chemie AG, Munich、独国からHDK(登録商標)N20の名称で市販)60gに、窒素雰囲気下で、2液ノズル(中空コーンノズル、モデル121、Dusen-Schlick GmbH, D-96253 Untersiemau/Coburg、独国から市販、30°スプレー角度、0.1mm孔、5bar窒素で操作)を通して噴射することにより、トリエチルアミン1.2gおよび水0.75gからなる混合物を加える。続いて、同様に、メタクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン2.4gを加える(中空コーンノズル、モデル121、Dusen-Schlick GmbH, D-96253 Untersiemau/Coburg、独国から市販、30°スプレー角度、0.2mm孔、5bar窒素で操作)。反応混合物を120℃に3時間、強く撹拌しながら、加熱し、次いで室温に冷却してから分析した。
例11
DIN 66131および66132に従ってBET法により測定して比表面積200m/gを有する親水性シリカ(Wacker Chemie AG, Munich、独国からHDK(登録商標)N20の名称で市販)60gに、窒素雰囲気下で、2液ノズル(中空コーンノズル、モデル121、Dusen-Schlick GmbH, D-96253 Untersiemau/Coburg、独国から市販、30°スプレー角度、0.1mm孔、5bar窒素で操作)を通して噴射することにより、トリエチルアミン0.45gおよび水0.75gからなる混合物を加える。続いて、同様に、メタクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン2.4gを加える(中空コーンノズル、モデル121、Dusen-Schlick GmbH, D-96253 Untersiemau/Coburg、独国から市販、30°スプレー角度、0.2mm孔、5bar窒素で操作)。反応混合物を120℃に3時間、強く撹拌しながら、加熱し、次いで室温に冷却してから分析した。
Figure 2017503038
Figure 2017503038

Claims (7)

  1. 一般式:RSi(OX)(OX')O1/2(T1)、R'Si(OX”)(O1/2)(T2)、およびR”Si(O1/2)(T3);
    (式中、
    R、R'、R”は、脂肪族または芳香族の1〜24C原子を有する炭化水素基であり、
    X、X'およびX”は、水素または脂肪族もしくは芳香族の1〜24C原子を有する炭化水素基であるが、
    R、R'、R”、X、X'およびX”は、同一であってもまたは異なっていてもよい。)
    を有する基の1つ以上から選択された基で変性された金属酸化物であって、
    前記変性された金属酸化物の表面上のT1基の画分が、T1+T2+T3の総計に対して、少なくとも15%であるか、または前記変性された金属酸化物の前記表面上のT1基の画分が、前記変性された金属酸化物の前記表面上のT3基の画分より大きく、
    前記変性された金属酸化物の、溶剤で抽出可能な画分が、15重量%以下である、金属酸化物。
  2. 前記基Rが、アルキル基またはアリール基を含む、請求項1に記載の金属酸化物。
  3. 前記金属酸化物がシリカを含む、請求項1または2に記載の金属酸化物。
  4. 前記シリカがヒュームドシリカを含む、請求項3に記載の金属酸化物。
  5. 占有程度が、前記金属酸化物の前記表面積の少なくとも2μmol/mである、請求項1〜4のいずれか1項に記載の金属酸化物。
  6. 金属酸化物の表面変性方法であって、
    先ず金属酸化物を変性剤としっかりと混合した後、前記金属酸化物を、前記変性剤と気相操作で反応させ、続いて過剰の変性剤および副生物を除去する、ことを含み、
    前記変性剤が、一般式:RSiZ、RSiZおよび/またはRSiZ:
    (式中、Zは、反応性基、例えばヒドロキシル、ハロゲン、アミノ基、OR、OC(O) R、O(CH)OH、またはO(CH)ORであり、RおよびRは、1〜24C原子を有する炭化水素基であり、mは1〜24である。)
    のシラン単独またはそれらの望ましい混合物から選択され、
    変性すべき前記金属酸化物の比表面積1mあたり、変性剤0.5〜7μmolを前記変性に使用し、かつ
    前記金属酸化物と前記変性剤との反応において、補助成分を、変性すべき前記金属酸化物の表面積1mあたり3μmol未満の量で添加する、方法。
  7. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の、または請求項6で製造される金属酸化物の、液体媒体のレオロジー特性を制御するための使用。
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