JP2018538420A - 球状ポリシルセスキオキサン粒子の製造方法 - Google Patents

球状ポリシルセスキオキサン粒子の製造方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、球状ポリシルセスキオキサン粒子の製造方法であって、第1の工程で、一般式(I):RSi(OR1)3(I)、(式中、Rは、炭素鎖が非隣接の−O−基によって中断され得る、1〜16個の炭素原子を有する炭化水素基を表し、R1は、C1−〜C4−アルキル基を表す)のトリアルコキシシランが、撹拌を伴って、6以下のpHを有する酸性化された水と反応し、加水分解物をもたらし、第2の工程で、前記加水分解物は、NaOHおよびKOHまたはこれらの混合物から選択されるアルカリ金属水酸化物の溶液と混合され、および、第3の工程で、ポリシルセスキオキサン粒子が分離される前に、前記混合物は少なくとも8時間保管される、球状ポリシルセスキオキサン粒子の製造方法、ならびに、この方法によって製造可能なポリシルセスキオキサン粒子を提供する。

Description

本発明は、トリアルコキシシランの加水分解、および加水分解物の縮合によるポリシルセスキオキサン粒子の製造方法に関する。
従来技術、例えば、JP3970449B2、JPH06248081AおよびJPH0488023Aでは、球状ポリメチルシルセスキオキサン粒子の様々な生成方法を開示している。JP3970449B2では、空時収量の最適化および粒径の制御を記載している。これまで、粒子の凝集挙動の制御を可能にする方法は記載されていない。
本発明は、球状ポリシルセスキオキサン粒子の製造方法であって、第1の工程で、一般式(I):
RSiOR (I)、
(式中、
Rは、炭素鎖が非隣接の−O−基によって中断され得る、1〜16個の炭素原子を有する炭化水素基を表し、
は、C−〜C−アルコキシ基を表す)
のトリアルコキシシランは、撹拌を伴って、6以下のpHを有する酸性化された水と反応し、加水分解物をもたらし、第2の工程で、加水分解物は、NaOHおよびKOHまたはこれらの混合物から選択されるアルカリ金属水酸化物の溶液と混合され、
および、第3の工程で、ポリシルセスキオキサン粒子が分離される前に、混合物は少なくとも8時間保管される、球状ポリシルセスキオキサン粒子の製造方法を提供する。
上記の方法のパラメーターの組み合わせにおいて、NaOHおよびKOHから選択されるアルカリ金属水酸化物の溶液の使用することにより、あまり大きく凝集しない球状ポリシルセスキオキサン粒子が得られることが見出された。粒子の粉砕は必要ではない。このような粒子は、特に美容用途に非常に有利な挙動を示す。それらは、底せん断であっても液体のような流動状態(流動化)に変換され、従って非常に展延しやすく、滑らかな肌触りを提供する。この挙動は、凝集粒子では見られない。これらは、肌に展延する時に、球状になってしまう。
流体、すなわち、液体のような挙動は、特にポリシルセスキオキサン粒子の振動直後に明白である。体積増加が大きいほど、流体挙動がより顕著である。50%の体積増加を示す材料は、例えば、(振動直後の)容器内の材料が容器の傾倒時に液体と同様に前後に流れるという流体挙動を既に示している。50%の体積増加を有する材料は、非常に急速に沈降し、初期段階の非流動性に戻り、これは不利である。球状ポリシルセスキオキサン粒子は、100%の体積増加を示すことが好ましい。
乾燥された未粉砕ポリシルセスキオキサン粒子は、少なくとも30重量%、好ましくは少なくとも40重量%、特に好ましくは少なくとも50重量%の、<20μmのふるい分級物を含んでなることが好ましい。
乾燥された未粉砕ポリシルセスキオキサン粒子は、少なくとも60重量%、好ましくは少なくとも70重量%の、<40μmのふるい分級物を含んでなることが好ましい。
乾燥された未粉砕ポリシルセスキオキサン粒子は、25重量%未満、好ましくは20重量%未満、特に好ましくは15重量%未満の、>100μmのふるい分級物を含んでなることが好ましい。
Rは、1〜6個の炭素原子を有するアルキル基、またはフェニル基、特にエチル基またはメチル基を表すことが好ましい。
は、メチル、エチル、またはn−プロピル基、特にメチル基を表すことが好ましい。
一般式(I)の好ましいトリアルコキシシランは、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、メチルトリ−n−プロポキシシラン、メチルトリイソプロポキシシランおよびメチルトリス(2−メトキシエトキシ)シラン、ならびにこれらの混合物である。
加水分解物をもたらす反応は、好ましくは5.5以下、特に好ましくは4.5以下、かつ、好ましくは少なくとも1、特に好ましくは少なくとも2、特に少なくとも2.3のpHを有する酸性化された水で行われる。
用いられた水は、好ましくは脱塩され、酸性化前には、いずれの場合でも20℃で測定して、50μS/cm以下、好ましくは30μS/cm以下、特に好ましくは20μS/cm以下、特別に好ましくは10μS/cm以下の伝導率を有することが好ましい。
用いられた水は、ブレンステッド酸またはルイス酸を使用して酸性化されてよい。
ルイス酸の例は、BF3、AlCl、TiCl、SnCl、SO、PCl、POCl、FeClおよびこれらの水和物、ならびにZnClである。ブレンステッド酸の例は、塩酸、臭酸、硫酸、硝酸、亜硝酸、クロロスルホン酸、オルト−、メタ−およびポリリン酸などのリン酸、ホウ酸、亜セレン酸、硝酸、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、クエン酸およびシュウ酸などのカルボン酸、トリクロロ酢酸およびトリフルオロ酢酸などのハロ酢酸、p−トルエンスルホン酸、酸性イオン交換体、酸性ゼオライト、ならびに酸活性化フラー土である。
塩酸、臭酸および酢酸が好ましい。
水の酸性化は、加水分解物に変換する前、変換と同時、または変換前および変換と同時の両方で行われてもよい。1つの特定の実施形態において、水は、加水分解物をもたらすために反応前に塩酸によってある程度まで酸性化され、一般式(I)のトリアルコキシシランによって、塩酸の更なる部分が取り入れられる。
トリアルコキシシランの加水分解は、弱い発熱反応である。好ましい実施形態において、第1の工程での温度は、場合によって、選択としては0℃〜60℃、好ましくは10℃〜50℃、特に好ましくは15℃〜40℃、非常に好ましくは15℃〜30℃、特に15〜25℃に、加熱または冷却することにより維持し、目標温度に達した後の温度変化は、選択としては10℃未満、好ましくは5℃未満である。トリアルコキシシランの計量添加は、所望として目標温度に達する前または達した後に開始されてもよい。
他の実施形態において、トリアルコキシシランは、一度に計量供給される。熱は、冷却によって、積極的ではないか、または部分的に除去される。この実施形態では、トリアルコキシシランの添加後に発熱性の温度上昇が起こる。第1の工程の反応温度は、20℃〜80℃、好ましくは最大で60℃である。
トリアルコキシシランは、好ましくは0.5〜5時間、特に好ましくは2時間以下をかけて計量供給される。迅速な添加と、計量添加との間に、本発明の実施形態の流体移行があり、すなわち、例えば、40℃以下まで熱を部分的に除去しながら、15分で急速に添加することが可能であるか、または、2時間かけて計量添加を行うことができるが、低レベルの冷却しか実施せず、この結果として最初は30℃まで温度を上昇させ、この温度を維持する。
一定の温度での計量添加が特に好ましい。
第1の工程では、水100重量部あたり、5〜43重量部、好ましくは11〜34重量部、特に13〜25重量部、のトリアルコキシシランが添加されることが好ましい。
第1の工程における混ぜ合わせは、静的ミキサーによって、または好ましくはスターラーによって行ってもよい。
トリアルコキシシランの計量添加後に、混合物は、5分〜5時間、特に好ましくは10分〜3時間、特に15分〜1.5時間、更なる撹拌に付されることが好ましい。更なる撹拌時間は、シランの添加時間と、更なる撹拌時間の合計が6時間を超えないように選択されることが好ましい。
更なる撹拌中の温度は、0℃〜60℃、好ましくは10℃〜50℃、特に好ましくは10℃〜40℃、非常に特に好ましくは10℃〜30℃、特に15℃〜25℃に維持される。第1の工程での反応温度と、更なる撹拌中の温度との差異は、20℃未満、好ましくは10℃未満、特に5℃未満であることが好ましい。
第2の工程において、水または1〜3個の炭素原子を有するアルカノールの、アルカリ金属水酸化物の溶液が用いられることが好ましい。アルカノールは、1−プロパノール、2−プロパノール、エタノール、および特にメタノールであることが好ましい。水のアルカリ金属水酸化物の溶液が、同様に好ましい。20℃で、0.001〜1100g/l、好ましくは0.01〜500g/l、特に好ましくは0.1〜500g/lのアルカリ金属水酸化物の希釈または濃縮された溶液が適している。
アルカノールのアルカリ金属水酸化物の溶液を使用すると、粒子は、相互に低減された接着性を示し、低減された凝集度を示し、凝集することに関してより低い傾向を有する。粒子は、化粧品用途に好まれた乾燥した肌触りを示す。
KOHが、アルカリ金属水酸化物として好ましい。
また、NaOHおよびKOHの代替として可能なのは、NaOH−またはKOH−形成剤の使用であり、これは、第2の工程において、加水分解物中に存在する水と直ちに反応して、NaOHまたはKOHをもたらす。これらの例は、ナトリウムエトキシド、カリウムメトキシド、NaHおよびKHである。この実施形態では、メタノール溶液でナトリウムエトキシドまたはカリウムメトキシドを使用することが好ましい。
アルカリ金属水酸化物の添加直後に、いずれの場合でも、少なくとも6、好ましくは少なくとも6.5、かつ、10以下、好ましくは9.5以下のpHが達成されることが確保されるように、十分な量のアルカリ金属水酸化物の溶液が添加される。粒径は、アルカリ金属水酸化物の添加量によって影響され得、pHが低いほど、より大きい粒子を生じる。特に好ましいpHは7.5〜9である。
アルカリ金属水酸化物の溶液は、好ましくは激しく短い撹拌を伴って、10秒〜10分をかけて、特に1〜3分をかけて添加されることが好ましい。
好ましい実施形態において、第2の工程でのアルカリ金属水酸化物の添加の温度は、選択としては0℃〜60℃、好ましくは10℃〜50℃、特に好ましくは10℃〜40℃、非常に特に好ましくは10℃〜30℃、特に15℃〜25℃に維持される。更なる撹拌中の温度と、アルカリ金属水酸化物の添加の温度との差異は、20℃未満、好ましくは10℃未満、特に5℃未満であることが好ましい。
第2の工程中の混ぜ合わせは、静的ミキサーによって、または好ましくはスターラーによって行ってもよい。
第2の工程後、混ぜ合わせは、10分以内、好ましくは5分以内で終了させることが好ましい。第2の工程後、混合物は、選択としては少なくとも1時間、好ましくは少なくとも1.5時間、特に好ましくは少なくとも2.5時間移動させない。その後、スターラーは、粒子の沈降を防ぐために低速で電源を入れられてもよい。沈降したポリシルセスキオキサン粒子は容易に撹拌され得るため、これは任意であり、必須ではない。
第2の工程後、混合物の温度は、少なくとも1時間、好ましくは少なくとも1.5時間、特に好ましくは少なくとも2.5時間、20℃以下、好ましくは10℃以下の変化であることが好ましい。
粒子の形成が行われる第3の工程において、初期相で混合物が移動されると、これは、奇形した、合体した、または凝集した、粒子の増加した発生率をもたらす。
好ましい実施形態において、第3の工程で、混合物は、ポリシルセスキオキサン粒子が分離するまで移動させない。
第3の工程において、ポリシルセスキオキサン粒子が分離される前に、混合物は、このましくは少なくとも12時間、特に好ましくは少なくとも14時間、特に少なくとも18時間保管される。最大で12週間の保管時間も可能である。
1〜30分後でも、大抵は曇って見える。
第3の工程での温度は、選択としては0℃〜60℃、好ましくは10℃〜50℃、特に好ましくは10℃〜40℃、非常に好ましくは10℃〜30℃、特に15℃〜25℃である。低温ではより大きい粒子を形成し、温度が高いほど、より小さな粒子を形成する。
15℃〜25℃の温度では、外側領域に向かって反応混合物中の温度勾配はほとんどなく、従って、反応器壁と反応溶液との間の熱勾配は最小であり、この結果として粒子の沈殿時に熱対流が最小限になる。
本発明による方法は、回分式、半回分式または連続式の方法として実施してもよい。
第3の工程後に、粒子は、好ましくは濾過または遠心分離によって分離されることが好ましい。分離後に、粒子は、好ましくはDM水(DM water)またはアルコールによって洗浄され、好ましくは乾燥される。
乾燥は、好ましくは40℃〜250℃、特に好ましくは100℃〜240℃、特別に好ましくは140℃〜220℃で行われる。乾燥は、大気圧または減圧下で行われてもよい。乾燥中に、Si−OH基の縮合も起こり、動力学的測定によれば、好ましくは150℃超、より有利には180℃超、理想的には200℃超で起こる。100℃で長時間乾燥された粒子は乾燥するが、高いSi−OHの含有量も有する。150℃では、Si−OH含有量は著しく減少するが、まだ完全には除去されておらず、200℃では、Si−OH基は再度かなり減少する。減少したSi−OH含有量は、展延挙動および粒子の流動化における利点をもたらす。
粒子は、好ましくは0.5〜100時間、特に好ましくは0.5〜24時間、特に1〜14時間乾燥される。
ポリシルセスキオキサン粒子の特に高い凝集解除は、その後の粉砕によって達成され得る。
ポリシルセスキオキサン粒子は、電子顕微鏡で検査した時に球形状を示すことが好ましい。球状ポリシルセスキオキサン粒子は、少なくとも0.6、特に少なくとも0.7の平均真球度yを示すことが好ましい。球状ポリシルセスキオキサン粒子は、少なくとも0.6、特に少なくとも0.7の平均真円度xを有することが好ましい。真円度xおよび真球度yは、DIN EN ISO 13503−2、37ページ、付録B.3、特に図B.1に従って測定されて得る。
全てのプロセス工程が周囲雰囲気の圧力、すなわち、0.1MPa(abs.)で実施されることが好ましい。また、それらは、高圧または低圧下で実施されてもよい。少なくとも0.08MPa(abs.)の圧力であることが好ましく、さらに、特に好ましくは少なくとも0.09MPa(abs.)、特に好ましくは0.2MPa(abs.)以下、特に0.15MPa(abs.)以下の圧力であることが好ましい。
上記の式の上記の記号の全ては、互いに独立してそれぞれ定義される。ケイ素原子は全ての式において4価である。
以下の実施例では、特に明記しない限り、いずれの場合でも、全ての量およびパーセンテージは重量に基づくものであり、全ての圧力は0.10MPa(abs.)であり、全ての温度は20℃である。
体積で重み付けされた粒径分布 d 50
体積で重み付けされた粒径分布の測定は、分散媒体として2barの圧縮空気を有するRODOS乾燥分散機を備えたSympatec HELOS装置を用いた静的レーザー回折によるものである。d50は、メジアン粒径を表す。
ふるい分析
ふるい分析は、分析用Retsch AS 200ベーシックふるい機を100%の振幅で使用した乾式ふるいによるものであった。分析に関して、次のメッシュサイズを有するDIN ISO 3310に従った4つのふるいが積み重ねられた。200μm、100μm、40μm、20μm、底が積み重ねられた。いずれの場合でも、50gの物質が、第1のふるい(200μm)の上に適用され、10分間ふるい分けされた。
流動化および体積増加の測定
6.0gのポリシルセスキオキサン粒子が、50mlのPP遠心分離管に入れられ、30秒間激しく振動させ、水平面に1時間放置される。続いて、必要に応じて、軽くたたくことによって水平表面を生じさせる。試料の(安定させた)体積が読み取られる。容器が密閉され、全ての材料が分散するまで、少なくとも30秒間激しく振動させる。遠心分離管は平面上にまっすぐに戻され、直後に(振動させた)体積が読み取られる。振動および読み取りが合計3回繰り返えされ、測定値から平均体積(振動させた、3回の実験の平均)が測定される。次いで、体積増加は、以下の式を用いて算出される。
体積増加=体積(振動させた、3回の実験の平均)×100/体積(安定させた)
顕微鏡検査は、Zeiss SUPRA 55 VP スキャニング電子顕微鏡を用いて実施された。試験前に、試料は、Safematic CCU−010スパッタコーターを使用して、金でスパッタリングされ、帯電現象が防止された。
実施例1〜3の球状ポリシルセスキオキサン粒子は、DIN EN ISO 13503−2、37ページ、付録B.3、図B.1に従って、0.8の平均真球度yおよび0.85の平均真円度xを有する。
実施例1
最初に、0.1μS/cmの伝導率を有する1328gの脱塩水が、ガラスフラスコに充填され、20℃に温度制御される。フラスコの含有物は、300rpmで撹拌される。pHは、0.1モルの塩酸の添加によって、4.40の値に調整される。291.6gのメチルトリメトキシシランが、1時間をかけて計量添加され、温度は20℃に維持される。計量添加の終了後、フラスコの含有物は20℃で1時間撹拌される。65.49gの0.1モルのKOH水溶液が20℃で1分をかけて添加され、全部で3分間混合され、均質混合物が形成される。次いで、スターラーは電源が切られる。21時間後、沈殿粒子が濾過され、DM水によって洗浄され、150℃において、18時間乾燥キャビネットで乾燥される。
実施例2
この例は、65.84gの0.1モルのNaOH水溶液が添加され、沈殿が達成された以外は、実施例1の方法に従って実施された。
実施例3
この例は、65.49gの0.1モルのKOHメタノール溶液が添加され、沈殿が達成された以外は、実施例1の方法に従って実施された。
比較例1(本発明ではない)
この例は、実施例1の方法に従って実施された。同じ塩基が使用され、沈殿が達成されたが、沈殿粒子が、塩基の添加後、4時間のみの静止時間の後に濾過され、DM水によって洗浄され、150℃において、18時間乾燥キャビネットで乾燥された。
比較例2(本発明ではない)
この例は、実施例2の方法に従って実施された。同じ塩基が使用され、沈殿が達成されたが、沈殿粒子は、塩基の添加後、4時間のみの静止時間の後に濾過され、DM水によって洗浄され、150℃において、18時間乾燥キャビネットで乾燥された。
比較例3(本発明ではない)
この例は、7.96gの0.1モルのアンモニア水溶液が添加され、沈殿が達成された以外は、実施例1の方法に従って実施された。
比較例4(本発明ではない)
この例は、例3の方法に従って実施された。同じ塩基が使用され、沈殿が達成されたが、沈殿粒子は、塩基の添加後、4時間のみの静止時間の後に濾過され、DM水によって洗浄され、150℃において、18時間乾燥キャビネットで乾燥された。
比較例5(本発明ではない)
この例は、71.73gの0.1モルのジエチレンアミン水溶液が添加され、沈殿が達成された以外は、実施例1の方法に従って実施された。
比較例6(本発明ではない)
この例は、243.99gの0.1モルの水酸化カルシウム水溶液が添加され、沈殿が達成された以外は、実施例1の方法に従って実施された。
比較例7(本発明ではない)
比較例V3に従って製造された本発明ではない粒子が、Alpine 100AFG流動床対向ジェットミルを用いて、7barの圧力および12000rpmのふるい速度で分散された。
Figure 2018538420
実施例4:知覚特性の評価
実施例1および3の本発明の球状ポリシルセスキオキサン粒子、ならびに比較例V3の本発明ではないポリシルセスキオキサン粒子の知覚特性の評価は、熟練された5人の試験者のパネルによって実施された。粒子の展延性、および展延中の合体または凝集の傾向が評価された。評価は、0〜2の尺度に従い、2は最良の展延性および最も低い凝集傾向を示す。
Figure 2018538420
展延後、各残余の知覚特性が評価された。実施例1および3の本発明のポリシルセスキオキサン粒子の残余は、それぞれ好ましくは絹のように滑らかなものとして評価され、実施例3は、比較的、化粧品用途に特に好ましく、より顕著な乾燥した肌触りを示した。比較例V3の本発明ではないポリシルセスキオキサン粒子の残余は、不適切なすべすべ感(waxy)/粉っぽさ(chalky)があると評価された。
本発明は、球状ポリシルセスキオキサン粒子の製造方法であって、第1の工程で、一般式(I):
RSiOR (I)、
(式中、
Rは、炭素鎖が非隣接の−O−基によって中断され得る、1〜16個の炭素原子を有する炭化水素基を表し、
は、C−〜Cアルキル基を表す)
のトリアルコキシシランは、撹拌を伴って、6以下のpHを有する酸性化された水と反応し、加水分解物をもたらし、第2の工程で、加水分解物は、NaOHおよびKOHまたはこれらの混合物から選択されるアルカリ金属水酸化物の溶液と混合され、
および、第3の工程で、ポリシルセスキオキサン粒子が分離される前に、混合物は少なくとも8時間保管される、球状ポリシルセスキオキサン粒子
の製造方法を提供する。

Claims (12)

  1. 球状ポリシルセスキオキサン粒子の製造方法であって、第1の工程で、一般式(I):
    RSiOR (I)、
    (式中、
    Rは、炭素鎖が非隣接の−O−基によって中断され得る、1〜16個の炭素原子を有する炭化水素基を表し、
    は、C−〜C−アルコキシ基を表す)
    のトリアルコキシシランが、撹拌を伴って、6以下のpHを有する酸性化された水と反応し、加水分解物をもたらし、第2の工程で、前記加水分解物が、NaOHおよびKOHまたはこれらの混合物から選択されるアルカリ金属水酸化物の溶液と混合され、
    および、第3の工程で、前記ポリシルセスキオキサン粒子が分離される前に、前記混合物が少なくとも8時間保管される、球状ポリシルセスキオキサン粒子の製造方法。
  2. Rが、エチル基またはメチル基を表す、請求項1に記載の方法。
  3. が、エチル基またはメチル基を示す、請求項1または2に記載の方法。
  4. 前記加水分解物をもたらす反応が、4.5〜2のpHで行われる、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記第1の工程での反応温度が、0℃〜60℃である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記第1の工程で、水100重量部あたり、5〜43重量部のトリアルコキシシランが添加される、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記第2の工程で、水または1〜3個の炭素原子を有するアルカノールの、アルカリ金属水酸化物の溶液が用いられる、請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。
  8. アルカリ金属水酸化物の添加直後に、いずれの場合でも、6.5〜9.5のpHが達成されることが確保されるよう、十分な量のアルカリ金属水酸化物が添加される、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記第2の工程でのアルカリ金属水酸化物の添加の温度が、10〜40℃である、請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法。
  10. 前記第3の工程で、前記ポリシルセスキオキサン粒子が分離される前に、前記混合物が少なくとも14時間保管される、請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法。
  11. 前記第3の工程後に、前記粒子が、濾過または遠心分離によって分離される、請求項1〜10のいずれか一項に記載の方法。
  12. 請求項1〜11のいずれか一項に記載の方法によって製造可能なポリシルセスキオキサン粒子。
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