JP2020515489A - シリコーンオイルで処理されたヒュームドシリカ、及びその製造方法と応用 - Google Patents

シリコーンオイルで処理されたヒュームドシリカ、及びその製造方法と応用 Download PDF

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Abstract

本発明は一つのシリコーンオイル処理ヒュームドシリカとして、以下A)〜C)の物性を有するものを提供した。A)疎水度が68体積%以上;B)シリコーンオイル固定化率が60〜95質量%;C)トリメチロールプロパンポリオキシプロピレントリアミンと1,3−ビス(アミノメチル)シクロヘキサンとを質量比で95:5で含むアミン組成物100質量部に対して、6質量部の前記シリコーンオイル処理ヒュームドシリカを添加し、得られた組成物を25℃で1時間放置した後の粘度が、4000mPa・s以上である。好ましくは、150〜300℃の不活性ガス雰囲気下で、ヒュームドシリカの表面にシリコーンオイルの付着させた後、150〜300℃の酸素含有ガス雰囲気下で高温処理して得たものである。また、関連の製造方法及び応用も提供した。本発明のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカはアミン化合物と混合した際、良い増粘性及び増粘安定性が得られ、2液型エポキシ系接着剤のアミン組成物でも使用出来る。また、製造が簡単、コストが低い。【選択図】なし

Description

本発明はシリカ技術分野、特にヒュームドシリカ技術分野に関するものである。具体的は一つのシリコーンオイルで処理されたヒュームドシリカ、及びその製造方法と応用に関するものである。
接着剤は、電子材料用や建材用等様々な用途で使用されている。接着剤の中でもエポキシ樹脂接着剤は汎用性が高く、通常、エポキシ樹脂を主成分として含む主剤を、アミン化合物を主成分として含む硬化剤(以下、「アミン硬化剤」とも略する)と組み合わせて、2液型エポキシ系接着剤として使用される。接着剤に求められる性能として、塗工性の良さから、増粘、垂れ防止が挙げられ、アミン硬化剤にも、エポキシ樹脂との混和時の作業性からこれらの性状が求められる。このためアミン硬化剤には、増粘剤の配合が必要である。増粘剤としてはシリカが使用されるがその中でも特に、火炎熱分解法で得られる、いわゆる、ヒュームドシリカが汎用されている。
ところが、ヒュームドシリカは、表面に親水性のシラノール基が多く存在するため、そのままアミン硬化剤に配合しても、親水性の高いアミン硬化剤とはなじみやすいため、前記所望する良好な増粘効果及び垂れ防止効果は得られなかった。このためヒュームシリカを表面処理して疎水化し、該表面シラノール基の密度を減少させて、増粘性を高めることが行われている。係る表面処理剤としてはシリコーンオイルが好適である(例えば、特許文献1)。
これまでに提供されてきたヒュームドシリカのシリコーンオイル表面処理品は、ヒュームドシリカにシリコーンオイルを、高温下で噴霧し、一定時間加熱処理するものであった(特許文献2〜4参照)。ここで、上記ヒュームドシリカへのシリコーンオイルの噴霧処理は、ヒュームドシリカと結合していないシリコーンオイル量に対して加熱が過剰に及び、該シリコーンオイルが酸化分解して多量に揮発し、且つ易燃性物質の副生も生じ易い。従って、上記噴霧処理は安全面から、窒素等の不活性ガス雰囲気下で行われており、これに続く加熱処理もこのまま同不活性ガス雰囲気下で行われるのが常法である。(特許文献2、3参照)。また、不活性ガス雰囲気下で実施しない場合には、これら一連の表面処理を、150℃を下回る比較的低い処理温度で実施することも知られている(特許文献4(0067)参照)。
特開2004−99690号公報 中国特許出願公開第101755017号明細書 中国特許出願公開第103435056号明細書 特開平7−271087号公報
しかし、こうした従来の方法で得られたシリコーンオイル処理ヒュームドシリカを用いても、前記アミン硬化剤に対する分散性の改善効果は十分ではなく、所望の増粘性及び垂れ防止性を得ようとすると、シリコーンオイル処理ヒュームドシリカを製造時、多量のシリコーンオイルを添加する必要があった。また、アミン硬化剤との混合初期には一旦、高い増粘性が得られたとしても、時間の経過により徐々に粘度低下し、こうした増粘安定性を改善することも望まれていた。
本発明は上記事情等に鑑みてなされたものであり、アミン化合物を含むアミン系組成物に配合した際の増粘性及び増粘安定性に優れたシリコーンオイル処理ヒュームドシリカ、および、これを用いた2液型エポキシ系接着剤用硬化剤を提供することを課題とする。
本発明のもう一つの目的は、一つのシリコーンオイル処理ヒュームドシリカの製造方法を提供すること。その製造方法は簡単、コストが低い。
本発明のもう一つの目的は、シリコーンオイル処理ヒュームドシリカの応用を提供すること。アミン化合物を含むアミン系組成物に配合した際、良い増粘性及び増粘安定性が得られ、2液型エポキシ系接着剤のアミン組成物でも使用出来る。
上述目的に達するため、本発明は一つのシリコーンオイル処理ヒュームドシリカを提供した。その特徴は、上述シリコーンオイル処理ヒュームドシリカは以下のA)〜C)の物性を満足する。
A)疎水度が68体積%以上;
B)シリコーンオイル固定化率が60〜95質量%;
C)トリメチロールプロパンポリオキシプロピレントリアミンと1,3−ビス(アミノメチル)シクロヘキサンとを質量比で95:5で含むアミン組成物100質量部に対して、6質量部の前記シリコーンオイル処理ヒュームドシリカを添加し、得られた組成物を25℃で1時間放置した後の粘度が、4000mPa・s以上。
好ましくは、上述シリコーンオイル処理ヒュームドシリカの比表面積は50〜130m/gである。
好ましくは、上述シリコーンオイル処理ヒュームドシリカの総炭素量は5質量%〜8質量%である。
好ましくは、上述シリコーンオイル処理ヒュームドシリカは金属不純物としてNa、K、Ca、Mg、Fe、Alを含み、上述金属不純物の含有量はそれぞれ0.1ppm以下である。
好ましくは、上述シリコーンオイル処理ヒュームドシリカは更に以下の物性を有する。D)上述C)と同様にして得たアミン組成物を用いて測定した、25℃での恒温1時間後のチキソトロピーインデックス(TI)が4.8以上である。
最も好ましくは、上述シリコーンオイル処理ヒュームドシリカは更に以下の物性を有する。D’)上述C)と同様にして得たアミン組成物を用いて求めた、下記式で示されるTI残存率は45%以上である。
TI残存率(%)=上述アミン組成物が25℃での恒温開始から31時間後のTI÷上述アミン組成物が25℃での恒温開始から1時間後のTI×100
好ましくは、上述シリコーンオイル処理ヒュームドシリカは更に以下の物性を有する。C’)上述C)と同様にして得たアミン組成物を用いて求めた、下記式で示される粘度残存率が70%以上である。
粘度残存率(%)=上述アミン組成物が25℃での恒温31時間後の粘度÷上述アミン組成物が25℃での恒温1時間後の粘度×100
好ましくは、上述アミン組成物は接着剤のアミン硬化剤として使用される。
最も好ましくは、上述接着剤は2液型エポキシ系接着剤である。
好ましくは、上述シリコーンオイル処理ヒュームドシリカは以下の方法で製造される。150〜300℃の不活性ガス雰囲気下で、ヒュームドシリカの表面にシリコーンオイルの付着させた後、150〜300℃の酸素含有ガス雰囲気下で高温処理を施す。
最も好ましくは、上述酸素含有ガスの酸素濃度が、12体積%以上である。
最も好ましくは、上述不活性ガス雰囲気は窒素雰囲気である。
最も好ましくは、上述ヒュームドシリカの比表面積は30m/g〜420m/gである。
最も好ましくは、上述ヒュームドシリカの嵩密度は20g/L〜70g/Lである。
最も好ましくは、上述シリコーンオイルはジメチルシリコーンオイルである。
最も好ましくは、上述シリコーンオイルは25℃時の粘度が20cSt〜500cStである。
本発明は、上述シリコーンオイル処理ヒュームドシリカが添加剤として、アミン化合物を含むアミン系組成物の製造時に用いられる。
好ましくは、上述アミン系組成物は2液型エポキシ系接着剤中の硬化剤として使用される。
本発明は、一つのシリコーンオイル処理ヒュームドシリカの製造方法を提供した。その特徴は、上述シリコーンオイル処理ヒュームドシリカの製造方法は以下の手順を含む。150〜300℃の不活性ガス雰囲気下で、ヒュームドシリカの表面にシリコーンオイルの付着させた後、150〜300℃の酸素含有ガス雰囲気下で高温処理を施し、シリコーンオイル処理ヒュームドシリカを得ることにある。
好ましくは、上述酸素含有ガスの酸素濃度が、12体積%以上である。
好ましくは、上述不活性ガス雰囲気は窒素雰囲気である。
好ましくは、上述ヒュームドシリカの比表面積は30m/g〜420m/gである。
好ましくは、上述ヒュームドシリカの嵩密度は20g/L〜70g/Lである。
好ましくは、上述シリコーンオイルはジメチルシリコーンオイルである。
好ましくは、上述シリコーンオイルは25℃時の粘度が20cSt〜500cStである。
好ましくは、上述シリコーンオイル処理ヒュームドシリカは以下A)〜C)の物性に満足する。
A)疎水度が68体積%以上;
B)シリコーンオイル固定化率が60〜95質量%;
C)トリメチロールプロパンポリオキシプロピレントリアミンと1,3−ビス(アミノメチル)シクロヘキサンとを質量比で95:5で含むアミン組成物100質量部に対して、6質量部の前記シリコーンオイル処理ヒュームドシリカを添加し、得られた組成物を25℃で1時間放置した後の粘度が、4000mPa・s以上である。
最も好ましくは、上述シリコーンオイル処理ヒュームドシリカの比表面積は15m/g〜210m/gである。
最も好ましくは、上述シリコーンオイル処理ヒュームドシリカの総炭素量は5質量%〜8質量%である。
最も好ましくは、上述シリコーンオイル処理ヒュームドシリカの金属不純物のNa、K、Ca、Mg、Fe、Alがそれぞれ0.1ppm以下である。
最も好ましくは、上述シリコーンオイル処理ヒュームドシリカは更に以下の物性を有する。D)上述C)と同様にして得たアミン組成物を用いて測定した、25℃での恒温1時間後のチキソトロピーインデックス(TI)が4.8以上である。
更に、上述シリコーンオイル処理ヒュームドシリカは以下の物性を有する。D’)上述C)と同様にして得たアミン組成物を用いて求めた、下記式で示されるTI残存率は45%以上である。
TI残存率(%)=上述アミン組成物が25℃での恒温開始から31時間後のTI÷上述アミン組成物が25℃での恒温開始から1時間後のTI×100
最も好ましくは、上述シリコーンオイル処理ヒュームドシリカは更に以下の物性を有する。C’)上述C)と同様にして得たアミン組成物を用いて求めた、下記式で示される粘度残存率が70%以上である。
粘度残存率(%)=上述アミン組成物が25℃での恒温31時間後の粘度÷上述アミン組成物が25℃での恒温1時間後の粘度×100
最も好ましくは、上述アミン組成物は接着剤用のアミン硬化剤である。
更に、上述接着剤は2液型エポキシ系接着剤である。
本発明は一つのシリコーンオイル処理ヒュームドシリカを提供した。その特徴は、上述のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカの製造方法により製造している。
本発明は、上述シリコーンオイル処理ヒュームドシリカが添加剤として、アミン化合物を含む2液型エポキシ系接着剤での応用を提供した。
本発明は以下を含む。
1、本発明のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカは以下のA)〜C)の物性を有する。A)疎水度が68体積%以上;B)シリコーンオイル固定化率が60〜95質量%;C)トリメチロールプロパンポリオキシプロピレントリアミンと1,3−ビス(アミノメチル)シクロヘキサンとを質量比で95:5で含むアミン組成物100質量部に対して、6質量部の前記シリコーンオイル処理ヒュームドシリカを添加し、得られた組成物を25℃で1時間放置した後の粘度が、4000mPa・s以上である。従って、アミン化合物に配合した際、良い増粘性及び増粘安定性が得られ、エポキシ樹脂のアミン組成物にも使用出来る。
2、本発明のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカの製造方法は以下の手順を含む。150〜300℃の不活性ガス雰囲気下で、ヒュームドシリカの表面にシリコーンオイルの付着させた後、150〜300℃の酸素含有ガス雰囲気下で高温処理を施す。従って、製造が簡単で、コストが低い。
3、本発明のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカは2液型エポキシ系接着剤に含まれるアミン硬化剤として使用でき、2液型エポキシ系接着剤のアミン硬化剤の中では増粘剤として使用される。従って、アミン化合物と混合する際、良い増粘性と増粘安定性が得られる。また、エポキシ樹脂のアミン組成物でも使用出来る。
本発明の目的、特徴及び良いところは、下記の詳細説明と特許請求の範囲とで十分表現できる。また、特許請求の範囲に記載した特定の手段、装置と組み合わせることにより、十分表現できる。
本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った。その結果、疎水度及びシリコーンオイル固定化率が共に高く、さらにアミン硬化剤に配合した際には優れた増粘性状が示される、特徴的なシリコーンオイル処理シリカの開発に成功し、本発明を完成するに至った。
本発明はシリコーンオイルにより表面処理されたヒュームドシリカであって、以下のA)〜C)の物性を満足してなるシリコーンオイル処理ヒュームドシリカである。
A)疎水度が68体積%以上;
B)シリコーンオイル固定化率が60〜95質量%;
C)トリメチロールプロパンポリオキシプロピレントリアミンと1,3−ビス(アミノメチル)シクロヘキサンとを質量比で95:5で含むアミン組成物100質量部に対して、6質量部の前記シリコーンオイル処理ヒュームドシリカを添加し、得られた組成物を25℃で1時間放置した後の粘度が、4000mPa・s以上である。
また、本発明は一つの150〜300℃の不活性ガス雰囲気下で、ヒュームドシリカの表面にシリコーンオイルの付着させた後、150〜300℃の酸素含有ガス雰囲気下で高温処理を施す上述シリコーンオイル処理ヒュームドシリカを生産する製造方法を提供した。
更なる発明は、2液型エポキシ系接着剤に用いられ、アミン化合物と上記シリコーンオイル処理ヒュームドシリカを含む2液型エポキシ系接着剤用硬化剤である。
本実施形態のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカにおいて、基材となるシリカは、含水量、及び金属不純物が少なく、且つ流動性に優れることから、ヒュームドシリカ、即ち、火炎熱分解法により得られたシリカを使用する。ここで、火炎熱分解法とは、珪素化合物や金属珪素を酸水素火炎中で燃焼してシリカ粒子を製造する方法をいう。特に、四塩化ケイ素等の珪素化合物を用いるのが一般的である。ヒュームドシリカは、沈殿法シリカ等の湿式法で製造されるシリカと区別するため、「乾式シリカ」或いは「気相法シリカ」とも呼ばれることもある。
上記ヒュームドシリカの中でも、比表面積が小さすぎた場合、増粘効果を出すために多量のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカの添加が必要となり、大きすぎた場合、樹脂への分散性が低下する傾向がある。このためBET1点法で測定される比表面積が30〜420m/g、好ましくは100〜350m/g、更に好ましくは120〜250m/gが好適である。
また、ヒュームドシリカの嵩密度は、増粘効果を有効に発揮するため、20〜70g/L、さらには25〜50g/Lが好ましい。なお、前記嵩密度は、1Lのシリンダーに重量を測定したヒュームドシリカを入れ、30分静置後の体積を計測することで算出した値である。
このような基材として使用するヒュームドシリカは、シリコーンオイルによる処理前は、表面にシラノール基を有しているため親水性であり、炭素を実質含んでいない。また、後述する疎水度の値は通常、0である。
表面処理に使用するシリコーンオイルは、特に限定はされないが、具体的に例示すると、ジメチルシリコーンオイル、メチルフェニルシリコーンオイル、メチルハイドロジェンシリコーンオイル、カルボキシ変性シリコーンオイル、カルビノール変性シリコーンオイル、ポリエーテル変性シリコーンオイル、アルキル変性シリコーンオイル、フッ素変性シリコーンオイル等が挙げられる。特にジメチルシリコーンオイルが好ましい。
上記シリコーンオイルの粘度は、25℃での測定値で、20〜500cStのものが好ましい。20cStを下回る場合には、シリコーンオイルが揮発し、表面処理が十分に行われず、500cStを超える場合には、粘度が高いため処理の均一性が低下する傾向にある。また、高いシリコーンオイル固定化率と高粘度とを両立できる粘度範囲として、特に50〜200cStが好適である。また、シリコーンオイルは2種以上を混合して使用しても良い。
本実施形態のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカは、ヒュームドシリカが、上記シリコーンオイルにより表面処理されてなる。そして、以下のA)〜C)の物性を満足している。
A)疎水度が68体積%以上
B)シリコーンオイル固定化率が60〜95質量%
C)トリメチロールプロパンポリオキシプロピレントリアミン(25℃での動粘度が72cSt)と1,3−ビス(アミノメチル)シクロヘキサンとを質量比で95:5で含むアミン組成物100質量部に対して、6質量部の本実施形態のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカを添加し、得られた組成物を25℃で1時間放置した後の粘度が、4000mPa・s以上である
ここで、A)疎水度は、68体積%以上であり、好ましくは70体積%以上である。このように高い疎水度を有することは、ヒュームドシリカの表面がシリコーンオイルで高度に表面処理されたことを意味し、各種のアミン系組成物への分散性の向上させるために必要である。シリカの疎水度が低いとアミン系組成物中での粘度が低くなり好ましくない。疎水度の上限は特に制限されるものではないが、通常は好適には80体積%以下であり、より好適には75体積%以下である。
本実施形態においてシリコーンオイル処理ヒュームドシリカのA)疎水度は、シリコーンオイル処理ヒュームドシリカ0.2gを容量250mlのビーカー中の50mlの水に加え攪拌下、これにメタノールを徐々に加え、シリコーンオイル処理ヒュームドシリカ粉末の全量がビーカー内の溶媒に濡れて懸濁した時点を終点として測定し、該終点におけるメタノール−水混合溶媒中のメタノール体積%をとして求める。
また、B)シリコーンオイル固定化率は60〜95質量%であり、好ましくは70〜95質量%であり、最も好ましくは70〜90質量%である。ここで、シリコーンオイル処理したシリカ粒子の表面に存在するシリコーンオイルは、ヒュームドシリカ表面と結合しているもの(「固定化シリコーンオイル」)、及びヒュームドシリカ表面に物理吸着したもの(「遊離シリコーンオイル」)が存在する。従って、表面処理によりヒュームドシリカ表面を被覆するシリコーンオイル量が多く、前記疎水度がいくら高いものであっても、その多くが前記遊離シリコーンオイルにより占められている場合には、実際に、アミン系組成物に配合した場合には相当量が遊離してしまい、期待した増粘性や増粘安定性は得られなくなる。このためシリコーンオイル処理ヒュームドシリカは、上記シリコーンオイル固定化率が前記高い範囲にあることが必要になる。
本発明において、「シリコーンオイル固定化率FR[%]」は、下式(1)で表される値である。
式(1) FR=100×F(Oil)/T(Oil)
式(1)中、F(Oil)は、固定化シリコーンオイル量[g]を表し、T(Oil)は、総炭素量相当シリコーンオイル量[g]を表す。
式(1)に示す総炭素量相当シリコーンオイル量T(Oil)および固定化シリコーンオイル量F(Oil)は以下の手順で求めることができる。
<総炭素量相当シリコーンオイル量T(Oil)>
まず、シリコーンオイル処理シリカ0.1gを、燃焼法による炭素含有量測定装置(株式会社住化分析センター製スミグラフNC−22F)により測定することで、シリコーンオイル総炭素量T(Carbon)〔g〕を求める。次に、下式(2)により、総炭素量相当シリコーンオイル量T(Oil)[g]を求める。
式(2) T(Oil)=T(carbon)×使用したシリコーンオイルの分子量/使用したシリコーンオイル1分子中の炭素量
ここで、使用したシリコーンオイルの分子量、および、使用したシリコーンオイル1分子中の炭素量は、シリコーンオイルの主鎖の単位構造当りの値として計算できる。これは下式(3)も同様である。
なお、シリコーンオイル総炭素量Tが〔wt%〕で表される場合、この値は、シリコーンオイル処理シリカ0.1gに対するシリコーンオイル総炭素量T〔g〕の質量割合を意味する。
<固定化シリコーンオイル量F(Oil)>
まず、容量50ml遠心管に、シリコーンオイル処理シリカ0.5gとノルマルヘキサン32mlとを入れ、超音波洗浄(ヤマト科学製超音波洗浄器1510HMTH)にて90Wの強度で30分間超音波を印加することで懸濁液を得る。この懸濁液を遠心分離して、固相を分離回収する。回収した固相に対してノルマルヘキサン32mlを加えて超音波処理および遠心分離の操作を3回繰り返して固相(表面に結合した固定化シリコーンオイルのみが残留するシリカ)を得る。次にこの固相を減圧乾燥(120℃、12時間)して乾燥粉末を得、その重量を測定して前記固定化シリコーンオイルのみが残留するシリカの全重量[g]を測定する。この固定化シリコーンオイルのみが残留するシリカから0.1gをサンプリングし、その炭素含有量を、燃焼法による炭素含有量測定装置(株式会社住化分析センター製スミグラフNC−22F)により測定して、固定化シリコーンオイル炭素量F(Carbon)[g]を求める。次に、下式(3)により、固定化シリコーンオイル量F(Oil)[g]を求める。
式(3) F(Oil)=F(carbon)×使用したシリコーンオイルの分子量/使用したシリコーンオイル1分子中の炭素量×固定化シリコーンオイルのみが残留するシリカの全重量[g]/0.1g[g]×0.1[g]/0.5[g]
上記式(3)では、前段の、「F(carbon)×使用したシリコーンオイルの分子量/使用したシリコーンオイル1分子中の炭素量」で、固定化シリコーンオイルのみが残留するシリカ0.1gに対する、固定化シリコーンオイル量(暫定F(Oil))が算出される。しかし、この値は、前記「固定化シリコーンオイルのみが残留するシリカ0.1g」に対する固定化シリコーンオイル量であるため、これを「シリコーンオイル処理シリカ0.1g」に対する、固定化シリコーンオイル量に補正する必要がある。このため、式(3)の後段では、上記算出された暫定F(Oil)に、「固定化シリコーンオイルのみが残留するシリカの全重量[g]/0.1g[g]×0.1[g]/0.5[g]」を乗じ、目的とする固定化シリコーンオイル量F(Oil)を算出するものである。
なお、参考までに述べれば、遠心分離して得られた液相中には表面に物理吸着した遊離シリコーンオイルが含まれる。ここで、遊離シリコーンオイル量I(Oil)[g]は、下式(4)で表される。
式(4) I(Oil)=T(Oil)−F(Oil)
また、式(1)〜(4)中に示す数値パラメーター:T(Oil)、F(Oil)、I(Oil)、T(carbon)、F(carbon)は、燃焼法による測定に用いたシリコーンオイル処理シリカ0.1g当りの値[g]である。
これらの数値パラメーターの値[g]を、測定に用いたシリコーンオイル処理シリカの作製に使用した原料ヒュームドシリカの単位表面積当りの値[g/m]に換算する場合は、下式(5)に示す換算係数C[m]で割ればよい。また、値を[mg/m]に換算する場合は、[g/m]の数値に1000をかければよい。この換算係数Cは、燃焼法による測定に用いたシリコーンオイル処理シリカ0.1g当りにおけるヒュームドシリカ粒子本体の表面積を意味する。
式(5) C=Mb×S
式(5)中、Mbは、燃焼法による測定に用いたシリコーンオイル処理シリカの質量(0.1g)から総炭素量相当シリコーンオイル量T(Oil)[g]を差し引いた値(測定に用いたシリコーンオイル処理シリカ0.1gからシリコーンオイルを除外した後のシリカ粒子本体の質量)[g]を表し、Sは、測定に用いたシリコーンオイル処理シリカの作製に使用した原料ヒュームドシリカの比表面積[m/g]を表す。
原料ヒュームドシリカの比表面積Sが不明である場合には、以下の手順で求めることができる。まず、シリコーンオイル処理シリカを650℃以上で2時間以上加熱することにより、固定化シリコーンオイルおよび遊離シリコーンオイルを加熱分解させる。これにより、シリコーンオイルを表面から除去したシリカ粒子本体(すなわち、原料ヒュームドシリカ)を得る。続いて、加熱処理により得られたシリカ粒子本体について、その比表面積をBET1点法で測定することで原料ヒュームドシリカの比表面積Sが求められる。
なお、本発明のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカにおいて、上記総炭素量は、十分な疎水度を得る観点から、3〜8質量%の範囲であるのが好ましく、5〜8質量%の範囲であるのがより好ましい。
更に、本発明のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカは、以下の特徴を有する。
C)トリメチロールプロパンポリオキシプロピレントリアミン(25℃での動粘度が72cSt)と1,3−ビス(アミノメチル)シクロヘキサンとを質量比で95:5で含むアミン組成物100質量部に対して、6質量部添加し、得られた組成物を25℃で1時間放置した後の粘度が、4000mPa・s以上であり、好適には、4000〜10000mPa・sである。
上記アミン組成物は、2液型エポキシ系接着剤用硬化剤として使用されているものの典型的態様である(例えば、特表2015−524875号公報参照)。
このため、C)に示すアミン組成物に配合して高粘度になる性状は、本実施形態のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカが、2液型エポキシ系接着剤用硬化剤として用いるアミン硬化剤に適することを意味する。
詳述すれば、前記A)高い疎水度とB)高いシリコーンオイル固定化率になるよう、シリコーンオイルで表面処理されたヒュームドシリカであれば、アミン硬化剤に対して一定の良好さで分散し、ある程度の増粘効果は示される。しかし、電子材料用途等で使用されるエポキシ樹脂に対する作業の精巧さは年々高まり、アミン硬化剤の増粘性も一層に向上させることが求められている。この観点では、前記A)疎水度とB)シリコーンオイル固定化率とを高めたシリコーンオイル処理ヒュームドシリカでは十分に満足できておらず、このため本実施形態のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカでは、こうしたアミン硬化剤として用いられるC)に示すアミン組成物に配合した際の粘度の高さでこれを規定したものである。
シリコーンオイル処理ヒュームドシリカにおいて、A)疎水度とB)シリコーンオイル固定化率とが高い値にあっても、C)に示すアミン組成物の粘度が十分に高くならない理由は必ずしも定かではないが、ヒュームドシリカ粒子に対する表面処理の均一性が関与していると推察できる。即ち、シリコーンオイルによる表面処理は、粒子個々でみれば処理にバラツキが生じる。このため、たとえ粒子全体では前記高い疎水化度及びシリコーンオイル固定化率で処理されていても、部分的にみれば固定化処理が十分でない粒子が偏在し、これがC)に示すアミン組成物への分散を微妙に阻害し、前記粘度の向上を抑制すると考えられる。
これに対して、本実施形態のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカでは、特異な製造方法を採択する等により、シリコーンオイルによる表面への固定化処理の均一性を、従前よりも一層に高めることができ、前記A)疎水度とB)シリコーンオイル固定化率だけでなく、C)に示すアミン組成物に配合した際の粘度も高度に改善できたのではないかと推察している。また、以上に説明した作用効果は、C)に示すアミン組成物以外の各種のアミン系組成物についても同様と推察される。
本発明において、C)要件の測定方法は、具体的には以下の方法による。まず、トリメチロールプロパンポリオキシプロピレントリアミン〔CAS番号:39423−51−3〕(25℃での動粘度が72cSt)190重量部、1,3−ビス(アミノメチル)シクロヘキサン〔CAS番号:2579−20−6〕10重量部からなるアミン組成物に、シリコーンオイル処理ヒュームドシリカを12重量部混合する。その後、高速分散機にて4000rpmで10分間分散を行う。得られた組成物を25℃で1時間恒温後、BL型粘度計(例えば:東機産業社製VISCOMERER BL)に入れ粘度測定を行う方法により測定すれば良い。この際、アミン組成物の粘度は、BL型粘度計60rpmでの測定値(mPa・s)として求める。
また、本実施形態のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカは、D)前記C)と同様にして得た組成物を用いて測定した、25℃での恒温1時間後のチキソトロピーインデックス(TI)が4.8以上であるのが好ましい。係るTIは、4.8〜6.0であるのがより好ましい。TIは下記式で求められ、値が1に近いとニュートン流体となり、値が高いほど増粘性が高く垂れにくいことを示す。
TI=6rpmでの粘度÷60rpmでの粘度×10
上記TIを求める式において、6rpm及び60rpmでの各粘度は、前記BL型粘度計による測定値である。
さらに、本実施形態シリコーンオイル処理ヒュームドシリカは、前記B)シリコーンオイル固定化率が高く増粘安定性に優れることに関し、C’)前記C)と同様にして得た組成物を用いて求めた、下記式で示される粘度残存率が好適には70%以上、より好適には72%以上であるのが好ましい。
粘度残存率(%)=25℃での恒温31時間後の粘度÷25℃での恒温1時間後の粘度×100
上記粘度残存率を求める式において、25℃での恒温31時間後及び25℃での恒温1時間後の各粘度は、前記BL型粘度計による測定値である。
同様に、本実施形態のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカは、
D’)前記C)と同様にして得た組成物を用いて求めた、下記式で示されるTI残存率が好適には45%以上であり、より好適には46%以上であるのが好ましい。
TI残存率(%)=25℃での恒温開始から31時間後のTI÷25℃での恒温開始から1時間後のTI×100
上記粘度残存率を求める式において、25℃での恒温31時間後及び25℃での恒温1時間後の各粘度は、前記BL型粘度計による測定値である。
なお、本実施形態シリコーンオイル処理ヒュームドシリカの比表面積は、基材として使用するヒュームドシリカの比表面積、及び使用するシリコーンオイルの量により変わり一概には決定できないが、通常は、15〜210m/gであり、好ましくは40〜180m/gであり、更に好ましくは50〜130m/gである。
前記の如くに基材がヒュームドシリカであるため、本実施形態のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカは、溶媒中で合成する沈降シリカと比べて、金属不純物が非常に少なく、配合するアミン系組成物が、電子材料用途等でのエポキシ樹脂接着剤用のアミン硬化剤である場合には有利である。金属不純物としては、通常、ナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウム、鉄、アルミニウムの含有量がそれぞれ0.1ppm以下である。
次に、このような性状を有する本実施形態のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカの製造方法について説明する。本実施形態のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカは、シリコーンオイルにより表面処理されたヒュームドシリカにおいて、前記A)〜C)の物性を満足して得られる限り、如何なる方法により製造されても良いが、好適な製造方法を示せば以下の方法が挙げられる。即ち、150〜300℃の不活性ガス雰囲気下で、ヒュームドシリカの表面にシリコーンオイルを付着させた後、150〜300℃の酸素含有ガス雰囲気下で高温処理を施す方法である。
この方法では、ヒュームドシリカの表面にシリコーンオイルを付着させた後の上記高温処理を、酸素含有ガス中で実施する。これによりヒュームドシリカ表面へのシリコーンオイル固定化の均一性が顕著に高まり、前記A)疎水度やB)シリコーンオイル固定化率が高いだけでなく、C)に示すアミン組成物に配合した際の粘度についても高い値を有するものが得られる。その理由は、次のように考えられる。
即ち、シリコーンオイルの付着後の高温処理では、ヒュームドシリカ表面に存在する遊離シリコーンオイルは、その一部は分解して揮発する。この揮発した遊離シリコーンオイルの中には再びヒュームドシリカ表面に作用し、残存するシラノール基と結合し固定化するものがある。この固定化が、前記高温処理を酸素含有ガス中で行うことにより活発化し、シリコーンオイルの固定化処理が不十分であったヒュームドシリカ粒子においても作用が及ぶものになる。この結果、処理の均一性が向上し、前記C)の物性も向上したシリコーンオイル処理シリカが得られるのではないかと推察される。
前記したように従来のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカの製造では、係るシリコーンオイル付着後の高温処理は窒素雰囲気で行われることが常法であり、この場合、ヒュームドシリカ表面に存在する遊離シリコーンオイルの揮発後の固定化は十分には作用しない。この結果、シリコーンオイルの表面処理の不均一さは維持されて、前記C)の物性が満足できないシリコーンオイル処理ヒュームドシリカしか得られないと考えられる。
他方で、前記製造方法において、上記高温処理に先立つ、ヒュームドシリカ表面へのシリコーンオイルの付着処理は、窒素ガス等の不活性ガス雰囲気下で実施することが必要であり、これに続く前記酸素含有ガス中での高温処理は、該シリコーンオイルの付着処理後、雰囲気をこれに置換することで施す。すなわち、ヒュームドシリカ表面へのシリコーンオイルの付着処理も、その効果をヒュームドシリカ表面に対して、より満遍なく施そうとすると、前記150〜300℃の高温で実施するのが有利になる。
しかし、前記したように噴霧して、或いは強い攪拌下等で実施される該表面処理操作において、これを該高温下で実施すると引火の危険性がある。すなわち、ヒュームドシリカへのシリコーンオイルの噴霧処理は、ヒュームドシリカと結合していないシリコーンオイル量に対して加熱が過剰に及び、該シリコーンオイルが酸化分解して多量に揮発し、且つ引火性物質の副生も生じ易い。従って、上記噴霧処理は安全面から、窒素等の不活性ガス雰囲気下で行われている。
ここで、上記ヒュームドシリカの表面へのシリコーンオイルの付着処理や、これに引き続く高温処理の温度は、それぞれ、200〜300℃であるのが特に好ましい。これらの処理温度が、150℃よりも低い場合、シリコーンオイルの均一な表面処理が行えなくなり、得られるシリコーンオイル処理ヒュームドシリカは前記C)に示すアミン組成物に配合した際の粘度が、本発明が規定する値を達成できなくなる。
ヒュームドシリカの表面へのシリコーンオイルの付着処理の具体的処理方法としては、ミキサーや流動層中で混合しながらヒュームドシリカ粒子に対してシリコーンオイルを噴霧する方法や、トルエン等の溶媒中にシリコーンオイルを溶解させ、該溶液中にシリカ粒子を分散させ、溶媒を蒸発させる方法等が挙げられ、コスト面、安全面、環境面において前者の噴霧による方法が好ましい。噴霧処理におけるミキサー中での攪拌においては、シリカ粒子が流動化し、且つ安定化した攪拌状態が得られるように、攪拌の回転数及び攪拌羽の形状を選定することが好ましい。これら方法によりヒュームドシリカ粒子とシリコーンオイルを接触させた後、ミキサーや流動層中で混合は、前記不活性ガス雰囲気下で30〜180分行うのが好ましい。
ヒュームドシリカへのシリコーンオイルの付着処理量は、原料として使用するヒュームドシリカの比表面積に応じて変わるため一概には言えないが、本実施形態のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカを製造する観点からは、原料のヒュームドシリカ100質量部に対して3〜50質量部が好ましく、10〜30質量部であるのが特に好ましい。
このシリコーンオイルの付着処理を行う不活性ガス雰囲気は、窒素が最も好適であるが、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスであってもよい。
シリコーンオイルの付着後のヒュームドシリカの高温処理は、前記不活性ガス雰囲気から置換された酸素含有ガス雰囲気中で、シリコーンオイル噴霧時の操作と同様に、攪拌しながら行うのが好ましい。このヒュームドシリカの高温処理では、すでに噴霧したシリコーンオイルの半分以上がヒュームドシリカ表面と結合しているため、シリコーンオイル付着処理の時のような引火の危険性は低く、攪拌処理は可能である。
酸素含有ガスにおいて酸素濃度は、揮発した遊離シリコーンオイルのヒュームドシリカ表面への固定化を促進するのに有意量以上であれば制限はないが、12体積%以上であるのが好ましく、18体積%以上であるのが好ましい。安全面を考慮すると、酸素の濃度は30体積%以下であるのが好ましい。
酸素含有ガスにおいて、酸素以外のガス成分は、前記した不活性ガス等であればよい。また、該酸素含有ガスは、酸素を21体積%含有することから、空気も好適に使用できる。
こうしたシリコーンオイル付着後の高温処理は、30分以上実施するのが好ましく、特に好ましい処理時間は60〜180分である。
本実施形態のシリコーンオイルヒュームド処理シリカは、疎水性のシリカとして、電子材料用や建材用など様々な用途において、機能材料への配合用として制限なく使用できる。前記アミン系組成物への優れた増粘効果を勘案すれば、アミン化合物を(主成分として)含むアミン系組成物に配合される添加剤用途が望ましい。より好適には、エポキシ樹脂(特に、電子材料用途等での2液型エポキシ系接着剤用)のアミン硬化剤への配合用の添加剤として本実施形態のシリコーンオイル処理シリカを用いることであり、この用途に本実施形態のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカを用いれば、高粘度で垂れ難く作業性に優れるものが得られ有利である。
2液型エポキシ系接着剤のアミン硬化剤としては、本実施形態のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカにおいて、その増粘性の良好さを規定したC)要件で、その典型態様として採択した、前記C)トリメチロールプロパンポリオキシプロピレントリアミン(25℃での動粘度が72cSt):1、3−ビス(アミノメチル)シクロヘキサン=95:5質量比、からなるものが最も好ましい。また、これ以外でも、アミン化合物を主成分とする、アミン硬化剤であれば公知のものが制限なく本実施形態のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカの配合対象にできる。また、2液型エポキシ系接着剤のアミン硬化剤以外の各種用途で利用できるアミン系組成物にも本実施形態のシリコーンオイル処理シリカを適宜配合できる。
具体的には、エチレンジアミン、1,2−プロパンジアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラアミン、ポリエチレンポリアミン、ヘキサメチレンジアミン、ポリエチレンジアミン、トリメチロールプロパンポリオキシプロピレントリアミン、アミノエチルピペラジン、1、3−ビス(アミノメチル)シクロヘキサン等の各種のアミン化合物を少なくとも1種類以上含むアミン硬化剤、あるいは、当該アミン硬化剤も含む各種用途で利用されるアミン系組成物が挙げられる。これらアミン系組成物は、上記アミン化合物の他に顔料や染料等を配合していても良い。
こうしたアミン系組成物、特に、アミン硬化剤において、本実施形態のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカの配合量は、アミン化合物100質量部に対して2〜15質量部が一般的である。25℃1時間放置した時の粘度が4000mPa・s以上、より好適には4500〜10000mPa・sになる配合量であるのが好ましい。この観点で本実施形態のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカは、アミン系組成物の増粘効果に優れるため、その配合量をアミン化合物100質量部に対して2〜10質量部の少ない量に抑えて、各種の用途、特にアミン硬化剤用途に所望される粘度を達成することも可能であり、好都合である。
なお、本実施形態のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカは、アミン硬化剤だけでなく、アミン硬化剤と混合されるエポキシ樹脂を(主成分として)含む主剤側に配合しても好ましい。優れた疎水性状を有する、本実施形態のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカは、もともと上記エポキシ樹脂に対しても良好な増粘性を示し、さらに、このものは使用時にアミン硬化剤と混合した際に、混和性に優れるものになり、得られる混和組成物も、高粘度で垂れ難く作業性に優れるものになり好ましい。
以下、本発明を具体的に説明するため、実施例及び比較例を示すが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
(比表面積の測定)
ヒュームドシリカおよびシリコーンオイル処理ヒュームドシリカの比表面積は、柴田科学器械工業製比表面積測定装置SA−1000を用い、窒素吸着量によるBET1点法により測定した。
(疎水度の測定)
シリコーンオイル処理シリカ0.2gを容量250mlのビーカー中の50mlの水に加え、マグネティックスターラーで攪拌した。これにビュレットを使用してメタノールを加え、粉末性状のシリコーンオイル処理シリカの全量がビーカー内の溶媒に濡れて懸濁した時点を終点として測定した。この際、メタノールが直接、シリコーンオイル処理シリカに触れないように、チューブで溶液内に導いた。終点におけるメタノール−水混合溶媒中のメタノールの体積%を疎水度とした。
(シリコーンオイル固定化率FR[%]の測定)
下式(1)で表される値として求めた。
式(1) FR=100×F(Oil)/T(Oil)
式(1)中、F(Oil)は、固定化シリコーンオイル量[g]を表し、T(Oil)は、総炭素量相当シリコーンオイル量[g]を表す。ここで、F(Oil)及びT(Oil)は以下の測定により求めた。
式(1)に記載の総炭素量相当シリコーンオイル量T(OIL)及び固定化シリコーンオイル量F(OIL)は以下の測定により求めた。
<総炭素量相当シリコーンオイル量T(Oil)>
まず、シリコーンオイル処理シリカ0.1gを、燃焼法による炭素含有量測定装置(株式会社住化分析センター製スミグラフNC−22F)により測定することで、シリコーンオイル総炭素量T(Carbon)〔g〕を求めた。次に、下式(2)により、総炭素量相当シリコーンオイル量T(Oil)[g]を求めた。
式(2) T(Oil)=T(carbon)×使用したシリコーンオイルの分子量/使用したシリコーンオイル1分子中の炭素量
ここで、使用したシリコーンオイルの分子量、および、使用したシリコーンオイル1分子中の炭素量は、シリコーンオイルの主鎖の単位構造当りの値として計算した。具体的には、各実施例において、シリカの表面処理に使用されたシリコーンオイルは、ジメチルシロキサンを主鎖とするシリコーンオイルであったため、単位構造式:−(Si(CH−O)−当りの値として、
T(Oil)=T(carbon)×(Si〔28〕+C〔12〕×2+H〔1〕×6+O〔16〕)÷(C〔12〕×2)
により求めた。
<固定化シリコーンオイル量F(Oil)>
まず、容量50ml遠心管に、シリコーンオイル処理シリカ0.5gとノルマルヘキサン32mlとを入れ、超音波洗浄(ヤマト科学製超音波洗浄器1510HMTH)にて90Wの強度で30分間超音波を印加することで懸濁液を得た。この懸濁液を遠心分離して、固相を分離回収した。回収した固相に対してノルマルヘキサン32mlを加えて超音波処理および遠心分離の操作を3回繰り返して固相(表面に結合した固定化シリコーンオイルのみが残留するシリカ)を得た。次にこの固相を減圧乾燥(120℃、12時間)して乾燥粉末を得、その重量を測定して前記固定化シリコーンオイルのみが残留するシリカの全重量[g]を測定した。この固定化シリコーンオイルのみが残留するシリカから0.1gをサンプリングし、その炭素含有量を、燃焼法による炭素含有量測定装置(株式会社住化分析センター製スミグラフNC−22F)により測定して、固定化シリコーンオイル炭素量F(Carbon)[g]を求めた。次に、下式(3)により、固定化シリコーンオイル量F(Oil)[g]を求めた。
式(3) F(Oil)=F(carbon)×使用したシリコーンオイルの分子量/使用したシリコーンオイル1分子中の炭素量×固定化シリコーンオイルのみが残留するシリカの全重量[g]/0.1g[g]×0.1[g]/0.5[g]
(嵩密度測定)
1Lのプラスチック製シリンダーに溢れないようにヒュームドシリカを入れ、30分静置後の容積を確認する。投入したヒュームドシリカの重量と、容積から嵩密度を算出した。
(粘度、TI測定)
トリメチロールプロパンポリオキシプロピレントリアミン(HUNTSMAN社製 JEFAMIN T−403、25℃での動粘度が72cSt)190質量部と、1,3−ビス(アミノメチル)シクロヘキサン(三菱瓦斯化学社製)10質量部(質量比95:5)とを含むアミン組成物にシリコーンオイル処理ヒュームドシリカを12質量部(アミン組成物100質量%に対し、6質量%)をガラス棒にて混合し、3分間放置した。その後、高速分散機(PREMIX社ホモディスパー モデル2.5、分散盤径40mm)にて4000rpmで10分間分散を行った。25℃で1時間恒温後、BL型粘度計(東機産業社製 VISCOMETER BL)にサンプルを入れ粘度測定を行った。恒温開始から31時間後についても測定を実施した。粘度は、BL型粘度計60rpmでの測定値(mPa・s)であり、TIは下記式で求めた。
TI=6rpmでの粘度÷60rpmでの粘度×10
なお、粘度残存率、TI残存率については下記式で求めた。なお、恒温とは25℃を保つことである。
粘度残存率(%)=恒温開始から31時間後の粘度÷恒温開始から1時間後の粘度×100
TI残存率(%)=恒温開始から31時間後のTI÷恒温開始から1時間後のTI×100
(垂れ試験)
エポキシ樹脂(HEXION Specialty Chemicals,Inc.社製エピコート828)1kgにシリコーンオイル処理ヒュームドシリカ53gを添加し、シリコーンオイル処理シリカが分散するまで約1時間攪拌した。また、アミン硬化剤(HUNTSMAN社製 JEFAMIN T−403)1kgにシリコーンオイル処理ヒュームドシリカ53gを添加し、シリカが分散するまで約1時間攪拌した。調整したエポキシ樹脂とアミン硬化剤を体積比1:1で混合し、スプレーガンを通して壁に対して左から右へ水平方向に30cm塗布し、垂れ具合を確認した。垂れ防止効果が低いものは重力に逆らえず下に垂れるが、垂れ防止効果が高いものは垂れずに塗布した状態の保持が可能であった。
(金属不純物濃度測定)
シリコーンオイル処理ヒュームドシリカを2g計量し、白金容器に入れ、濃硝酸10mlとフッ酸10mlを添加した。次に200℃のホットプレートで加熱し、液体を蒸発させた。その後、更に濃硝酸を2ml添加し、200℃で3分間加熱後、冷却した。次に超純水で25mlまで希釈した。それを試料として、ICP発光分析装置(VARIAN製、型番715−ES Radial)により金属不純物濃度を測定した。
実施例1
<ヒュームドシリカ合成>
中心管内径100mmの密閉型三重管バーナーを密閉型反応器中に設置し、中心管に原料ガスとしてシリコンテトラクロライド(STC)と水素、助燃ガスとして空気を予混合した混合ガスを供給した。第一環状管には水素と空気を供給し、パイロット炎を形成した。第二環状管には空気を流通させバーナーへのヒュームドシリカ粒子封着を防止した。中心管に入れる原料ガス量と助燃ガス量を調整することにより、所望の比表面積が得られる。
<シリコーンオイル処理>
容量35Lのミキサーに、上記ヒュームドシリカ400gを入れ、攪拌し、窒素雰囲気に置換すると同時に、260℃に加熱した。そこへシリコーンオイルとして粘度50cStのポリジメチルシロキサンを、原料のヒュームドシリカに対して、80g(ヒュームドシリカ100質量部に対して20質量部)を噴霧した。1時間260℃で保持した後に、容器内を空気で置換して酸素濃度を20.5体積%にした。その後更に260℃で1時間保持し、シリコーンオイル処理ヒュームドシリカを得た。得られたシリコーンオイル処理ヒュームドシリカとその製造に用いたヒュームドシリカおよびシリコーンオイルの物性は表1及び表2に、得られたシリコーンオイル処理ヒュームドシリカの金属不純物量を表3に記載した。
実施例2〜4
実施例1において、使用するシリコーンオイルの粘度、及びヒュームドシリカの比表面積を、表1に示したように変更する以外は、実施例1と同様の方法で実施した。得られたシリコーンオイル処理シリカの物性は表1及び表2に、金属不純物量を表3に記載した。
実施例5
実施例1において、容器内の置換を酸素濃度15体積%とした以外は、実施例1と同様に操作を実施した。得られたシリコーンオイル処理シリカ等の物性は表1及び表2に、金属不純物量を表3に記載した。
比較例1
実施例1において、シリコーンオイル噴霧後の空気置換を行わず、噴霧後、1時間260℃で保持してからそのまま窒素雰囲気中で260℃で1時間保持した以外は、実施例1と同様の操作を実施した。得られたシリコーンオイル処理シリカ等の物性は表1及び表2に、金属不純物量を表3記載した。
比較例2
比較例1において、表面処理で使用するシリコーンオイル量を160g(ヒュームドシリカ100質量部に対して40質量部)に変更する以外は、比較例1と同様の操作を実施した。得られたシリカのシリコーンオイル処理シリカ等の物性は表1及び表2に、金属不純物量を表3に記載した。
比較例3
比較例1において、シリコーンオイルの噴霧後、1時間260℃での保持してからの窒素雰囲気中での高温処理を、310℃で2時間とした以外、比較例1と同様の操作を実施した。得られたシリコーンオイル処理シリカ等の物性は表1及び表2に、金属不純物量を表3に記載した。
比較例4
実施例1において、ヒュームドシリカの比表面積を表1の通りに変更した以外、実施例1と同様にしてシリコーンオイル処理シリカを得た。得られたシリコーンオイル処理シリカ等の物性は表1及び表2に、金属不純物量を表3に記載した。
以上の実施例、及び比較例より、シリコーンオイル処理ヒュームドシリカを製造する際、シリコーンオイル処理後に酸素共存下で加熱処理を行うことで、疎水度が上昇し、アミン系組成物中の粘度、TIが上昇し、かつ保存安定性にもすぐれることが分かる。比較例3より、アミン系組成物中の増粘効果、安定性を得るには、酸素存在下での加熱処理が極めて好適であることが分かる。
Figure 2020515489
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本発明は、従来技術と比べ、一つのエポキシ樹脂及びアミン硬化剤の樹脂組成物に使用する際、より良い増粘効果が得られるシリコーンオイル処理ヒュームドシリカを提供した。シリコーンオイルで親水性ヒュームドシリカを処理時、酸素共存下で行い、増粘効果に優れたシリコーンオイル処理ヒュームドシリカが得られる。
本発明は以下の内容を含む。
本発明のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカは、高い疎水度及び高いシリコーンオイル固定化率を持ち、アミン化合物に良い増粘効果を与え、良い増粘安定性を持っている。
本発明のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカは、エポキシ樹脂に使われるアミン硬化剤に適用でき、高粘度、垂れ防止、操作が簡単の特徴を持っている。原料のヒュームドシリカは、金属不純物が極めて少ない為、特に電子材料用等のエポキシ樹脂接着剤に適用する。
従って、本発明のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカはアミン化合物に混合する際、良い増粘性及び増粘安定性が得られ、エポキシ樹脂のアミン組成物にも使用出来る。製造が簡単、コストが低い。
本技術分野の技術者は、前記に記載の本発明の実施例はただの例で、本発明はそれに限らないことを理解する必要がある。
本発明の目的は有効的に実現でき、本発明の機能及び構造原理は既に実施例で説明した。上述原理から離れなければ、実施方式は任意の修正が出来る。従って、本発明は特許請求の範囲の精神及び特許請求の範囲に開示された範囲に基づいた全ての変形実施方式を含む。
好ましくは、上述シリコーンオイル処理ヒュームドシリカは更に以下の物性を有する。D)上述C)と同様にして得た組成物を用いて測定した、25℃での恒温1時間後のチキソトロピーインデックス(TI)が4.8以上である。
最も好ましくは、上述シリコーンオイル処理ヒュームドシリカは更に以下の物性を有する。D’)上述C)と同様にして得た組成物を用いて求めた、下記式で示されるTI残存率は45%以上である。
TI残存率(%)=上述組成物が25℃での恒温開始から31時間後のTI÷上述組成物が25℃での恒温開始から1時間後のTI×100
好ましくは、上述シリコーンオイル処理ヒュームドシリカは更に以下の物性を有する。C’)上述C)と同様にして得た組成物を用いて求めた、下記式で示される粘度残存率が70%以上である。
粘度残存率(%)=上述組成物が25℃での恒温開始から31時間後の粘度÷上述組成物が25℃での恒温開始から1時間後の粘度×100
最も好ましくは、上述シリコーンオイル処理ヒュームドシリカは更に以下の物性を有する。D)上述C)と同様にして得た組成物を用いて測定した、25℃での恒温1時間後のチキソトロピーインデックス(TI)が4.8以上である。
更に、上述シリコーンオイル処理ヒュームドシリカは以下の物性を有する。D’)上述C)と同様にして得た組成物を用いて求めた、下記式で示されるTI残存率は45%以上である。
TI残存率(%)=上述組成物が25℃での恒温開始から31時間後のTI÷上述組成物が25℃での恒温開始から1時間後のTI×100
最も好ましくは、上述シリコーンオイル処理ヒュームドシリカは更に以下の物性を有する。C’)上述C)と同様にして得た組成物を用いて求めた、下記式で示される粘度残存率が70%以上である。
粘度残存率(%)=上述組成物が25℃での恒温開始から31時間後の粘度÷上述組成物が25℃での恒温開始から1時間後の粘度×100
ここで、A)疎水度は、68体積%以上であり、好ましくは70体積%以上である。このように高い疎水度を有することは、ヒュームドシリカの表面がシリコーンオイルで高度に表面処理されたことを意味し、各種のアミン系組成物への分散性の向上させるために必要である。シリカの疎水度が低いとアミン系組成物の粘度が低くなり好ましくない。疎水度の上限は特に制限されるものではないが、通常は好適には80体積%以下であり、より好適には75体積%以下である。
<総炭素量相当シリコーンオイル量T(Oil)>
まず、シリコーンオイル処理ヒュームドシリカ0.1gを、燃焼法による炭素含有量測定装置(株式会社住化分析センター製スミグラフNC−22F)により測定することで、シリコーンオイル総炭素量T(Carbon)〔g〕を求める。次に、下式(2)により、総炭素量相当シリコーンオイル量T(Oil)[g]を求める。
式(2) T(Oil)=T(carbon)×使用したシリコーンオイルの分子量/使用したシリコーンオイル1分子中の炭素量
ここで、使用したシリコーンオイルの分子量、および、使用したシリコーンオイル1分子中の炭素量は、シリコーンオイルの主鎖の単位構造当りの値として計算できる。これは下式(3)も同様である。
なお、シリコーンオイル総炭素量Tが〔wt%〕で表される場合、この値は、シリコーンオイル処理ヒュームドシリカ0.1gに対するシリコーンオイル総炭素量T〔g〕の質量割合を意味する。
<固定化シリコーンオイル量F(Oil)>
まず、容量50ml遠心管に、シリコーンオイル処理ヒュームドシリカ0.5gとノルマルヘキサン32mlとを入れ、超音波洗浄(ヤマト科学製超音波洗浄器1510HMTH)にて90Wの強度で30分間超音波を印加することで懸濁液を得る。この懸濁液を遠心分離して、固相を分離回収する。回収した固相に対してノルマルヘキサン32mlを加えて超音波処理および遠心分離の操作を3回繰り返して固相(表面に結合した固定化シリコーンオイルのみが残留するシリカ)を得る。次にこの固相を減圧乾燥(120℃、12時間)して乾燥粉末を得、その重量を測定して前記固定化シリコーンオイルのみが残留するシリカの全重量[g]を測定する。この固定化シリコーンオイルのみが残留するシリカから0.1gをサンプリングし、その炭素含有量を、燃焼法による炭素含有量測定装置(株式会社住化分析センター製スミグラフNC−22F)により測定して、固定化シリコーンオイル炭素量F(Carbon)[g]を求める。次に、下式(3)により、固定化シリコーンオイル量F(Oil)[g]を求める。
式(3) F(Oil)=F(carbon)×使用したシリコーンオイルの分子量/使用したシリコーンオイル1分子中の炭素量×固定化シリコーンオイルのみが残留するシリカの全重量[g]/0.1[g]×0.1[g]/0.5[g]
上記式(3)では、前段の、「F(carbon)×使用したシリコーンオイルの分子量/使用したシリコーンオイル1分子中の炭素量」で、固定化シリコーンオイルのみが残留するシリカ0.1gに対する、固定化シリコーンオイル量(暫定F(Oil))が算出される。しかし、この値は、前記「固定化シリコーンオイルのみが残留するシリカ0.1g」に対する固定化シリコーンオイル量であるため、これを「シリコーンオイル処理ヒュームドシリカ0.1g」に対する、固定化シリコーンオイル量に補正する必要がある。このため、式(3)の後段では、上記算出された暫定F(Oil)に、「固定化シリコーンオイルのみが残留するシリカの全重量[g]/0.1[g]×0.1[g]/0.5[g]」を乗じ、目的とする固定化シリコーンオイル量F(Oil)を算出するものである。
また、式(1)〜(4)中に示す数値パラメーター:T(Oil)、F(Oil)、I(Oil)、T(carbon)、F(carbon)は、燃焼法による測定に用いたシリコーンオイル処理ヒュームドシリカ0.1g当りの値[g]である。
これらの数値パラメーターの値[g]を、測定に用いたシリコーンオイル処理ヒュームドシリカの作製に使用した原料ヒュームドシリカの単位表面積当りの値[g/m]に換算する場合は、下式(5)に示す換算係数C[m]で割ればよい。また、値を[mg/m]に換算する場合は、[g/m]の数値に1000をかければよい。この換算係数Cは、燃焼法による測定に用いたシリコーンオイル処理ヒュームドシリカ0.1g当りにおけるヒュームドシリカ粒子本体の表面積を意味する。
式(5) C=Mb×S
式(5)中、Mbは、燃焼法による測定に用いたシリコーンオイル処理ヒュームドシリカの質量(0.1g)から総炭素量相当シリコーンオイル量T(Oil)[g]を差し引いた値(測定に用いたシリコーンオイル処理ヒュームドシリカ0.1gからシリコーンオイルを除外した後のシリカ粒子本体の質量)[g]を表し、Sは、測定に用いたシリコーンオイル処理ヒュームドシリカの作製に使用した原料ヒュームドシリカの比表面積[m/g]を表す。
原料ヒュームドシリカの比表面積Sが不明である場合には、以下の手順で求めることができる。まず、シリコーンオイル処理ヒュームドシリカを650℃以上で2時間以上加熱することにより、固定化シリコーンオイルおよび遊離シリコーンオイルを加熱分解させる。これにより、シリコーンオイルを表面から除去したシリカ粒子本体(すなわち、原料ヒュームドシリカ)を得る。続いて、加熱処理により得られたシリカ粒子本体について、その比表面積をBET1点法で測定することで原料ヒュームドシリカの比表面積Sが求められる。
さらに、本実施形態シリコーンオイル処理ヒュームドシリカは、前記B)シリコーンオイル固定化率が高く増粘安定性に優れることに関し、C’)前記C)と同様にして得た組成物を用いて求めた、下記式で示される粘度残存率が好適には70%以上、より好適には72%以上であるのが好ましい。
粘度残存率(%)=25℃での恒温開始から31時間後の粘度÷25℃での恒温開始から1時間後の粘度×100
上記粘度残存率を求める式において、25℃での恒温開始から31時間後及び25℃での恒温開始から1時間後の各粘度は、前記BL型粘度計による測定値である。
上記TI残存率を求める式において、25℃での恒温開始から31時間後及び25℃での恒温開始から1時間後の各TIは、前記BL型粘度計による測定値である。
本実施形態のシリコーンオイル処ヒュームド理シリカは、疎水性のシリカとして、電子材料用や建材用など様々な用途において、機能材料への配合用として制限なく使用できる。前記アミン系組成物への優れた増粘効果を勘案すれば、アミン化合物を(主成分として)含むアミン系組成物に配合される添加剤用途が望ましい。より好適には、エポキシ樹脂(特に、電子材料用途等での2液型エポキシ系接着剤用)のアミン硬化剤への配合用の添加剤として本実施形態のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカを用いることであり、この用途に本実施形態のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカを用いれば、高粘度で垂れ難く作業性に優れるものが得られ有利である。
2液型エポキシ系接着剤のアミン硬化剤としては、本実施形態のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカにおいて、その増粘性の良好さを規定したC)要件で、その典型態様として採択した、前記C)トリメチロールプロパンポリオキシプロピレントリアミン(25℃での動粘度が72cSt):1、3−ビス(アミノメチル)シクロヘキサン=95:5質量比、からなるものが最も好ましい。また、これ以外でも、アミン化合物を主成分とする、アミン硬化剤であれば公知のものが制限なく本実施形態のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカの配合対象にできる。また、2液型エポキシ系接着剤のアミン硬化剤以外の各種用途で利用できるアミン系組成物にも本実施形態のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカを適宜配合できる。
(シリコーンオイル固定化率FR[%]の測定)
下式(1)で表される値として求めた。
式(1) FR=100×F(Oil)/T(Oil)
式(1)中、F(Oil)は、固定化シリコーンオイル量[g]を表し、T(Oil)は、総炭素量相当シリコーンオイル量[g]を表す。ここで、F(Oil)及びT(Oil)は以下の測定により求めた。
<総炭素量相当シリコーンオイル量T(Oil)>
まず、シリコーンオイル処理ヒュームドシリカ0.1gを、燃焼法による炭素含有量測定装置(株式会社住化分析センター製スミグラフNC−22F)により測定することで、シリコーンオイル総炭素量T(Carbon)〔g〕を求めた。次に、下式(2)により、総炭素量相当シリコーンオイル量T(Oil)[g]を求めた。
式(2) T(Oil)=T(carbon)×使用したシリコーンオイルの分子量/使用したシリコーンオイル1分子中の炭素量
<固定化シリコーンオイル量F(Oil)>
まず、容量50ml遠心管に、シリコーンオイル処理ヒュームドシリカ0.5gとノルマルヘキサン32mlとを入れ、超音波洗浄(ヤマト科学製超音波洗浄器1510HMTH)にて90Wの強度で30分間超音波を印加することで懸濁液を得た。この懸濁液を遠心分離して、固相を分離回収した。回収した固相に対してノルマルヘキサン32mlを加えて超音波処理および遠心分離の操作を3回繰り返して固相(表面に結合した固定化シリコーンオイルのみが残留するシリカ)を得た。次にこの固相を減圧乾燥(120℃、12時間)して乾燥粉末を得、その重量を測定して前記固定化シリコーンオイルのみが残留するシリカの全重量[g]を測定した。この固定化シリコーンオイルのみが残留するシリカから0.1gをサンプリングし、その炭素含有量を、燃焼法による炭素含有量測定装置(株式会社住化分析センター製スミグラフNC−22F)により測定して、固定化シリコーンオイル炭素量F(Carbon)[g]を求めた。次に、下式(3)により、固定化シリコーンオイル量F(Oil)[g]を求めた。
式(3) F(Oil)=F(carbon)×使用したシリコーンオイルの分子量/使用したシリコーンオイル1分子中の炭素量×固定化シリコーンオイルのみが残留するシリカの全重量[g]/0.1[g]×0.1[g]/0.5[g]
(粘度、TI測定)
トリメチロールプロパンポリオキシプロピレントリアミン(HUNTSMAN社製 JEFAMIN T−403、25℃での動粘度が72cSt)190質量部と、1,3−ビス(アミノメチル)シクロヘキサン(三菱瓦斯化学社製)10質量部(質量比95:5)とを含むアミン組成物にシリコーンオイル処理ヒュームドシリカを12質量部(アミン組成物100質量%に対し、6質量%)をガラス棒にて混合し、3分間放置した。その後、高速分散機(PRMIX社ホモディスパー モデル2.5、分散盤径40mm)にて4000rpmで10分間分散を行った。25℃で1時間恒温後、BL型粘度計(東機産業社製 VISCOMETER BL)にサンプルを入れ粘度測定を行った。恒温開始から31時間後についても測定を実施した。粘度は、BL型粘度計60rpmでの測定値(mPa・s)であり、TIは下記式で求めた。
TI=6rpmでの粘度÷60rpmでの粘度×10
(垂れ試験)
エポキシ樹脂(HEXION Specialty Chemicals,Inc.社製エピコート828)1kgにシリコーンオイル処理ヒュームドシリカ53gを添加し、シリコーンオイル処理ヒュームドシリカが分散するまで約1時間攪拌した。また、アミン硬化剤(HUNTSMAN社製 JEFAMIN T−403)1kgにシリコーンオイル処理ヒュームドシリカ53gを添加し、シリカが分散するまで約1時間攪拌した。調整したエポキシ樹脂とアミン硬化剤を体積比1:1で混合し、スプレーガンを通して壁に対して左から右へ水平方向に30cm塗布し、垂れ具合を確認した。垂れ防止効果が低いものは重力に逆らえず下に垂れるが、垂れ防止効果が高いものは垂れずに塗布した状態の保持が可能であった。
実施例2〜4
実施例1において、使用するシリコーンオイルの粘度、及びヒュームドシリカの比表面積を、表1に示したように変更する以外は、実施例1と同様の方法で実施した。得られたシリコーンオイル処理ヒュームドシリカの物性は表1及び表2に、金属不純物量を表3に記載した。
実施例5
実施例1において、容器内の置換を酸素濃度15体積%とした以外は、実施例1と同様に操作を実施した。得られたシリコーンオイル処理ヒュームドシリカ等の物性は表1及び表2に、金属不純物量を表3に記載した。
比較例1
実施例1において、シリコーンオイル噴霧後の空気置換を行わず、噴霧後、1時間260℃で保持してからそのまま窒素雰囲気中で260℃で1時間保持した以外は、実施例1と同様の操作を実施した。得られたシリコーンオイル処理ヒュームドシリカ等の物性は表1及び表2に、金属不純物量を表3記載した。
比較例2
比較例1において、表面処理で使用するシリコーンオイル量を160g(ヒュームドシリカ100質量部に対して40質量部)に変更する以外は、比較例1と同様の操作を実施した。得られたシリカのシリコーンオイル処理ヒュームドシリカ等の物性は表1及び表2に、金属不純物量を表3に記載した。
比較例3
比較例1において、シリコーンオイルの噴霧後、1時間260℃での保持してからの窒素雰囲気中での高温処理を、310℃で2時間とした以外、比較例1と同様の操作を実施した。得られたシリコーンオイル処理ヒュームドシリカ等の物性は表1及び表2に、金属不純物量を表3に記載した。
比較例4
実施例1において、ヒュームドシリカの比表面積を表1の通りに変更した以外、実施例1と同様にしてシリコーンオイル処理ヒュームドシリカを得た。得られたシリコーンオイル処理ヒュームドシリカ等の物性は表1及び表2に、金属不純物量を表3に記載した。
Figure 2020515489
本発明のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカは、2液型エポキシ系接着剤に使われるアミン硬化剤に適用でき、高粘度、垂れ防止、操作が簡単の特徴を持っている。原料のヒュームドシリカは、金属不純物が極めて少ない為、特に電子材料用等のエポキシ樹脂接着剤に適用する。
従って、本発明のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカはアミン化合物に混合する際、良い増粘性及び増粘安定性が得られ、2液型エポキシ系接着剤のアミン組成物にも使用出来る。製造が簡単、コストが低い。

Claims (13)

  1. シリコーンオイル処理ヒュームドシリカであって、
    A)疎水度が、68体積%以上であり、
    B)シリコーンオイルの固定化率が、60質量%〜95質量%であり、
    C)トリメチロールプロパンポリオキシプロピレントリアミンと1,3−ビス(アミノメチル)シクロヘキサンとを質量比で95:5で含むアミン組成物100質量部に対して、6質量部の前記シリコーンオイル処理ヒュームドシリカを添加し、得られた組成物を25℃で1時間放置した後の粘度が、4000mPa・s以上である、
    という物性を有することを特徴とする、シリコーンオイル処理ヒュームドシリカ。
  2. 比表面積が、50m/g〜130m/gであることを特徴とする、請求項1に記載のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカ。
  3. 総炭素量が、5質量%〜8質量%であることを特徴とする、請求項1又は2に記載のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカ。
  4. 金属不純物として、Na、K、Ca、Mg、Fe、Alを含み、前記金属不純物の含有量が、それぞれ0.1ppm以下であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカ。
  5. D)前記C)と同じ方法によって得られたアミン組成物を用いて測定し、25℃での恒温1時間後のチキソトロピーインデックス(TI)が、4.8以上であるという物性を更に有することを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一項に記載のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカ。
  6. C’)前記C)と同じ方法によって得られたアミン組成物を用いて計算し、下記式における粘度残存率が、70%以上であるという物性を更に有することを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカ。
    粘度残存率(%)=前記アミン組成物の25℃での恒温31時間後の粘度÷前記アミン組成物の25℃での恒温1時間後の粘度×100
  7. D’)前記C)と同じ方法によって得られたアミン組成物を用いて計算し、下記式におけるTI残存率が、45%以上であるという物性を更に有することを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一項に記載のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカ。
    TI残存率(%)=前記アミン組成物の25℃での恒温開始から31時間後のTI÷前記アミン組成物の25℃での恒温開始から1時間後のTI×100
  8. アミン化合物を含むアミン系組成物を調製する添加剤として用いられる、請求項1〜7のいずれか一項に記載のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカ。
  9. 前記アミン系組成物が、2液型エポキシ系接着剤の硬化剤として用いられることを特徴とする、請求項8に記載のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカ。
  10. 請求項1〜9のいずれか一項に記載のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカの製造方法であって、
    150℃〜300℃の不活性ガス雰囲気下でヒュームドシリカの表面にシリコーンオイルを付着させた後、150℃〜300℃の酸素含有ガス雰囲気下で高温処理を施して、シリコーンオイル処理ヒュームドシリカを得るステップを含むことを特徴とする、方法。
  11. 前記酸素含有ガスの酸素濃度が、12体積%以上であることを特徴とする、請求項10に記載の方法。
  12. 請求項10又は11に記載のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカの製造方法によって製造されることを特徴とする、請求項1〜9のいずれか一項に記載のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカ。
  13. アミン化合物を含む2液型エポキシ系接着剤を調製する硬化剤として用いられる、請求項1〜9のいずれか一項に記載のシリコーンオイル処理ヒュームドシリカ。
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