JP2544633B2 - オルガノシリカの製造法 - Google Patents

オルガノシリカの製造法

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【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、ケイ酸アルカリとアルキルクロロシランと
の中和反応に基づくアルキル基を有するオルガノシリカ
の製造法に関する。
本発明に係るオルガノシリカは、分散性が良好のみな
らず、有機物との相溶性もよいので、各種合成樹脂や合
成ゴム等の充填剤、あるいは高純度シリカの原料として
適用できるものである。
〈従来の技術〉 ケイ酸アルカリ水溶液に硫酸や塩酸を作用させて沈降
性シリカを製造することは周知であり、この反応方法に
は多数の方式がこれまで提案され、かつ実施されてき
た。
他方、アルキルクロロシランは、代表的製法としてシ
リコンとクロロアルキルとの反応が知られており、この
反応により、得られるジアルキルジクロロシランが各種
有機珪素ポリマー用出発物質として工業的に有用である
が、通常、副反応を不可避的に伴って、アルキルトリク
ロロシランやトリアルキルモノクロロシランあるいは一
部重合したシラン化合物等が多量に副生する。
従って、これら副生するアルキルクロロシランの有効
利用の代表的な例として、水、アルコール、酸、又は苛
性アルカリによる加水分解によりアルキル化シリカゲル
を製造することが知られている。(特開昭61-241327号
公報、特開昭60-172991号公報、特開昭60-258189号公
報、特開昭58-126893号公報、特開昭58-69890号公報、
特開昭58-180494号公報) 他の例として、珪酸塩又は珪酸塩と珪酸との混合物と
有機基と水酸化基又は加水分解により水酸基を生じる基
とを有する珪酸化合物との混合物の水溶液を酸性水溶液
を用いてゲル化することを特徴とする有機基を持ったシ
リカゲルの製造法が知られている。(特開昭56-22621号
公報) 〈発明が解決しようとする問題点〉 しかしながら、従来のアルキルクロロシランの処理
は、いずれも有機基をもつ、シリカゲルの製法に関する
ものではあるが、これらの方法は、クロルの有効利用に
は至っておらず、加水分解による多量の塩酸の処理、即
ち、酸としての有効利用の考慮に欠けているために工業
的には問題が多い。
また、特開昭56-22621号公報は、専ら加水分解し易い
アルコオキシシランを用いており、酸の原料としてアル
キルクロロシランを用ることに関しては全く開示しては
いない。
他方、一般にケイ酸アルカリの鉱酸による中和反応で
生成するいわゆる湿式法の水和シリカは、各種合成樹脂
や合成ゴムの添加剤に利用されてはいるが、その性質
上、凝集粒子であるために、使用の際に常に分散性が問
題とされている。
従って、分散性の改善のため、多くの場合、シランカ
ップリング処理を行っている。
本発明は、上記の事実に鑑み、それぞれの欠点を補完
して珪酸アルカリと酸との中和による水和シリカの製造
法において酸の原料としてアルキルクロロシランを用い
ることにより、単に副生物の有効利用に止まらず、分散
性かつ高純度アルキル化シリカゲルが工業的に有利製造
できることを知見し本発明を完成した。
〈問題を解決するための手段〉 すなわち、本発明はケイ酸アルカリ水溶液と酸との中
和反応により沈降性シリカの製造法において、該水溶液
を中和するに必要な酸量の全量または1部の酸としてRn
SiCl 4−n(式中Rは低級アルキル基、nは1〜3を示
す)で表わされるアルキルクロロシランを用いて強力セ
ン断力が作用する分散処理の下で反応させることを特徴
とするオルガノシリカの製造法に係る。
以下本発明について詳述する。
〈作用〉 本発明で用いられるケイ酸アルカリ水溶液は、モル比
SiO2/Me2 Oが1〜4(式中MeはNa又はKを表わす)で表
わされるケイ酸アルカリ水溶液であるが、多くの場合モ
ル比2〜3.5のケイ酸ソーダ水溶液が工業的と安値かつ
合理的である。
また、濃度は市販のJIS規格濃度から稀釈液まで特に
目的に応じて設定すべきことであるから限定はない。
他方、アルキルクロロシランは一般式RnSiCl 4−n
(式中Rは低級アルキル基、nは1〜3を表わす)で表
わされたもので、代表的にはRがメチル又はエチル体の
トリクロロシラン、ジクロロシラン、モリクロロシラン
から選ばれた1種又は2種以上の混合物である。
これらのうち、塩化メチルと珪素粉末との反応によっ
て副生するメチルトリクロロシラン、トリメチルモノク
ロロシラン又はそれらを含有する副生物が工業的に安値
で好ましい。
本発明は、かかるアルキルクロロシランをケイ酸アル
カリ水溶液からシリカゲルを製造する際の酸の原料とし
て用いるところにその特徴を有する。
アルキルクロロシランは加水分解すると塩化水素を発
生する。すなわち、本願発明はアルキルクロロシランを
塩酸供与体として、ケイ酸アルカリの中和反応に使用す
ることが重要な特徴となっている。したがってアルキル
クロロシランを酸の原料として用いる場合、必要に応じ
水又は塩酸水を適宜加えて加水分解された状態で使用す
ることも差支えない。
また、ケイ酸アルカリ水溶液の中和に用いるアルキル
クロロシランの使用量は、中和当量に必要な全量又は一
部の任意に設定することができる。
この理由は、目的物たるシリカの物性をアルキルクロ
ロシランの使用量によって変化させることができるの
で、その物性に応じた用途目的によって設定されるべき
である。
しかし、中和に用いる酸として多くの場合、中和当量
の10%以上好ましくは50%以上がアルキルクロロシラン
の使用でケイ酸アルカリと中和することが望ましい。
本発明において、ケイ酸アルカリ水溶液とアルキルク
ロロシランとの中和反応には、次のいくつかの態様が採
られる。
(1) ケイ酸アルカリ水溶液にアルキルクロロシラン
を添加する方法。
(2) アルキルクロロシランにケイ酸アルカリ水溶液
を添加する方法。
(3) ケイ酸アルカリ水溶液とアルキルクロロシラン
とを個別的かつ同時に添加する方法。
なお、(1)の方法において、反応操作上の問題と、
良質なゲルを生成するために、アルキルクロロシランの
添加は断続的に行うことが有利である。
例えば、好適な例としては、珪酸アルカリを中和する
に要する酸全量の25〜50重量%に相当する量のアルキル
クロロシランを実質的に沈澱が生成しない間に第1回目
の添加を行い、第2回目の添加を酸全量の30〜55重量%
に相当する量で行い、次いで第3回目の添加を残量で行
って反応系のpHを5〜7に調整して終了させる。
この場合、それぞれの添加回数の間は反応系が安定す
るまで所望の時間、多くの場合、0.1乃至3時間熟成操
作を行う。
このような方式を採ることにより、微細でかつ高分散
性のアルキル基を有するオルガノシリカを生成すること
ができる。
以上から判るようにアルキルクロロシランの断続的な
添加というのは、ケイ酸アルカリと酸との中和反応の過
程において、アルキルクロロシランの添加を中断させ、
その間熟成処理を施すような、不連続な反応方式をい
う。
(1)の方式は、アルカリ側からのシリカの析出であ
るが、(2)の方式は、その逆で酸側からのシリカの析
出であり、(3)はそれぞれの液量を調整することによ
り、(1)又は(2)の析出態様をとることができる。
本発明において、合成樹脂等の充填剤に好適なシリカ
は(1)の方式が望ましいが、高純度のシリカを製造し
た場合には(2)又は(3)による酸側からのシリカの
析出方式が採られる。
この場合、反応当初から終結に至るまで常に反応系を
pH1以下の酸側でシリカの析出を行った場合には、Na,F
e,Al等の不純金属元素は1ppm以下、U,Th等のα−放射性
元素は1ppb以下の実質的に不純物を含まない高純度のオ
ルガノシリカを製造することができる。
本反応において、アルカリ側からシリカゲルを析出さ
せる場合には温度60℃以上好ましくは70〜90℃の条件で
行い酸側からのシリカゲルの析出では、常温乃至90℃の
範囲で行うのがよく、また、反応に際しては、いずれの
場合にも通常撹拌は勿論のこと、高速撹拌、コロイドミ
ル、ホモジナイザーあるいはポンプ循環下で適宜混合分
散手段が採られる。
このような分散処理下では、反応系で発生するシリカ
粒子間に強力セン断力が作用して脱アグロメレーション
を生じ粒子のオルガノシラン化と相俊って、極めて分散
性良好なスラリーを形成する。
かくして、中和反応を終了した後は、適宜熟成処理を
行ってから固液分離し、回収した沈澱ゲルは、クロルイ
オンをはじめ不純物イオンが実質的に除去されるまで水
洗又は酸処理洗浄を行い、次いで、常法により乾燥およ
び粉砕して製品とする。
なお、酸処理において、シュウ酸、クエン酸の如きキ
レート剤や、過酸化水素水の存在下で一層洗浄効果をあ
げることができる。
また、乾燥手段は、静還式乾燥あるいは、ロータリー
ドライヤーまたは、ゲルスラリーを噴霧乾燥などがあげ
られ、熱量の問題がなければ、噴霧乾燥することによ
り、一層自由流動性の球状アルキル化シリカか得られる
ので好適である。
かくして、得られるシリカはアルキルクロロシランと
ケイ酸アルカリとの中和と併行して重合反応が生じてR
−Si−O結合を有する微粉末オルガノシリカであり、こ
れは従来の微粉末シリカと比べて、高分散性又は高純度
のものであり、その用途は多用で期待できるものであ
る。
実施例1 図に示すような主撹拌機(4)を付設した反応槽
(3)にJIS3号ケイ酸ソーダ(MR:3.15)63.5重量部を
ポンプ(2)より仕込み、次いで水200重量部を仕込ん
だ後、主撹拌機(4)による撹拌下85℃に加温した。
次いで、循環ポンプ(6)を稼働して反応系内を循環
させた。
次いで、タンク(8)にあるメチルトリクロロシラン
を34.5重量部をポンプ(9)を経て反応槽へ添加した。
添加終了後、反応系は粘度が上昇し、青味を帯びた孔
光色から白濁液と変化し温度が上昇したので約90℃にお
いて、90分間循環ポンプおよび攪拌機の稼働状態で熟成
した。
次いで、メチルトリクロルシラン50重量部を添加した
後、50分間ポンプ循環を止めて撹拌下熟成した。
更に、メチルトリクロロシランを反応系のpHが5.5に
なるまで添加して中和反応を終了させた。
得られたシリカゲルスラリーについて200メッシュ篩
を通して粒度をみたところ、篩残分は、0.1重量%以下
で微細であり、固液分離して、Cl-が実質的に除去でき
るまで水洗いした後、乾燥および粉砕して、メチル基を
有する微粉末オルガノシリカを得た。
このものは、極めて自由流動性のある微粉末であっ
た。
実施例2 攪拌機付き反応槽に、水370gをとり、撹拌しながらメ
チルトリクロロシラン40gを滴下した。滴下と同時にメ
チルトリクロロシランは水と激しく反応し、発熱を伴い
ながらシリカの含水ゲルが生成した。滴下終了時の反応
スラリーの液温は25℃から55℃に上昇した。
次に、この反応スラリーに蓚酸0.3gを添加して溶解し
た後、JIS3号珪酸ソーダ120を高速攪拌下で滴下してシ
リカゲルの沈澱を生成させた。滴下終了後55〜60℃で2
時間反応スラリーを撹拌した。
次いで、反応スラリーに30%過酸化水素水2mlを加
え、5分間撹拌した後、この反応スラリーからシリカゲ
ルの沈澱を分離、洗浄、回収した。回収したシリカゲル
を500mlビーカーに入れ、水と塩酸を加えて酸濃度を1
規定となるよう調整し、更に蓚酸0.3gを加えて85℃で2
時間、酸処理を行なった。
酸処理終了後、反応スラリーを70℃まで冷却してから
30%過酸化水素水2mlを加え5分間撹拌した後、この反
応スラリーからシリカゲルの沈澱を分離、洗浄、回収し
た。回収したシリカは110℃で乾燥し、次いで粉砕して
微粉末オルガノシリカを得た。
なお、このシリカを900℃で2時間加熱焼成したもの
のシリカ中の不純物を分析したところ、次表の結果が得
られ、極めて高純度のシリカであることが判った。
上記の結果から、このシリカは、半導体封止材用溶融
シリカの原料として充分に利用できるほどの高純度シリ
カであることが判明した。
実施例3 JIS3号ケイ酸ソーダ350gと水1000gを攪拌機付き2lビ
ーカーに秤量し、撹拌しながら80℃に昇温した。次い
で、高速攪拌下ここへメチルトリクロロシラン20gを滴
下し、滴下終了後、80℃で30分攪拌しながら熟成を続け
た。次いで、再びCH3 SiCl3 20gを高速攪拌下滴下し、
滴下終了後、80℃で30分攪拌熟成した。次いで、更にCH
3 SiCl3 15gを滴下し、滴下終了後、15分間撹拌して反
応を終了した。
反応終了スラリーのpHは6.0であった。スラリーを濾
別した後、濾過ケーキを水でリパルプ洗浄して再び濾過
し、以下常法通り乾燥、粉砕して、メチル基を有するシ
リカ粉末を得た。
この粉末は、非常に微細でかつ自由流動性のある微粉
末であった。
〈発明の効果〉 本発明に係る方法によれば、ケイ酸アルカリ水溶液の
酸による中和反応による水和シリカの製造法において、
酸の原料としてアルキルトリクロロシランを用いること
により、塩酸の代替になるのみならず水和シリカの改質
効果を有するR−Si−O結合付与剤として作用できるた
め、アルキルトリクロロシランを効果的な原料として有
効利用できる。
しかも得られる微粉末シリカはアルキル基を有する改
質されたオルガノシリカであって高分散性又は高純度の
ものであるために、各種合成樹脂やゴムの充填材、その
他体質顔料として利用できると共に、高純度品は、半導
体封止剤用のフィラー原料など高純度シリカガラスの原
料として有用である。
【図面の簡単な説明】
図は本発明の1実施態様を示す工程図である。 図中1……ケイ酸ソーダ計量槽 2……ケイ酸ソーダ仕込みポンプ 3……反応槽 4……主撹拌機 5……補助攪拌機 6……循環ポンプ 7……溶量計 8……メチルトリクロロシラン計量槽 9……メチルトリクロロシラン仕込みポンプ 10……蒸気加熱ジャケット

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ケイ酸アルカリ水溶液と酸との中和反応に
    より沈降性シリカの製造法において、該水溶液を中和す
    るに必要な酸量の全量または一部の酸としてRnSiCl4-n
    (式中Rは低級アルキル基、nは1〜3を示す)で表さ
    れるアルキルクロロシラン又はその加水分解物を用いて
    強力セン断力が作用する分散処理の下で反応させること
    を特徴とするオルガノシリカの製造法。
  2. 【請求項2】ケイ酸アルカリ水溶液の中和反応は、ケイ
    酸アルカリ水溶液にアルキルクロロシランを少なくとも
    2回断続的に添加して行う請求項1記載のオルガノシリ
    カの製造法。
  3. 【請求項3】ケイ酸アルカリ水溶液の中和反応は、アル
    キルクロロシランの加水分解物にケイ酸アルカリ水溶液
    を添加して行う請求項1記載のオルガノシリカの製造
    法。
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