JP3520600B2 - Aerogel manufacturing method - Google Patents
Aerogel manufacturing methodInfo
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Description
【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、シリカの多孔質骨格か
らなるエアロゲルの製法に関し、詳しくは、例えば、採
光性、光透過性、透明性及び高断熱性等を同時に要求さ
れる、太陽光集熱に有用な光透過性断熱材、住宅用開口
部断熱材、炉等に代表される高温装置用のぞき窓等の様
々な用途に用いることができ、また、通常の液体、固体
では実現し得ない小さい屈折率(具体的には1.001
〜1.17)を有するため、高エネルギー物理学分野で
は、クオークを分析するためのチェレンコフ検出装置の
媒体として有用な材料でもあるエアロゲルの製法に関す
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing an airgel having a porous skeleton of silica, and more specifically, for example, sunlight which is required to have daylighting properties, light transmission properties, transparency and high heat insulation properties. It can be used for various applications such as light-transmitting heat insulating material useful for heat collection, housing opening heat insulating material, peep window for high temperature equipment typified by furnaces, etc. Small refractive index not obtained (specifically 1.001
˜1.17), it relates to a method for producing an airgel which is also a useful material in the field of high energy physics as a medium of a Cherenkov detector for analyzing quarks.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、屈折率、密度、熱伝導率などが非
常に小さく、かつ、光透過性を有する材料として、シリ
カからなるエアロゲルが知られている。このエアロゲル
は、アルコキシシラン(シリコンアルコキシド、アルキ
ルシリケート等とも称される)を加水分解、重合して得
られるシリカ骨格からなる湿潤状態のゲル状化合物を、
アルコ−ル、又は液化二酸化炭素等の溶媒(分散媒)の
存在下で、この溶媒の臨界点以上の超臨界状態で乾燥す
ることにより製造することができる。また、ケイ酸ナト
リウムを原料として同様にゲル状化合物を得、このゲル
状化合物を超臨界乾燥することによっても製造すること
ができる。このような製造方法により得られるエアロゲ
ルは、例えば、光透過性を有する断熱材料等として有用
な素材である。2. Description of the Related Art Conventionally, an airgel made of silica has been known as a material having extremely low refractive index, density, thermal conductivity and the like and having light transmittance. This airgel is obtained by hydrolyzing and polymerizing alkoxysilane (also referred to as silicon alkoxide, alkyl silicate, etc.) to obtain a gel compound in a wet state composed of a silica skeleton.
It can be produced by drying in the presence of a solvent (dispersion medium) such as alcohol or liquefied carbon dioxide in a supercritical state above the critical point of this solvent. It can also be produced by similarly obtaining a gel-like compound from sodium silicate as a raw material and supercritically drying this gel-like compound. The airgel obtained by such a manufacturing method is a material useful as, for example, a heat insulating material having light transmittance.
【0003】しかし、このようなエアロゲルを得るため
には、その製造過程で、ゲル状化合物の構造を破壊する
ことなく、その中の溶媒を除去する必要があり、そのた
め、上記の方法のように、溶媒の超臨界状態でこれを除
去する、いわゆる超臨界乾燥法が用いられている。とこ
ろが、前記のようなシリカエアロゲルは吸湿性に優れて
いるため、経時的に水分を吸着し、性能の劣化や収縮を
起こす傾向にあった。また、このようなエアロゲルは非
常に密度が小さく、強度が小さいため、取り扱いが非常
に困難で、割れたり壊れたりしやすいといった欠点も有
していた。このエアロゲルの強度を向上させることを目
的として、または、チェレンコフ検出装置における分析
範囲拡大を図り、エアロゲルの密度を大きくすることが
検討されてきたが、従来の方法では、密度で0.3g/
cc程度、屈折率で1.06程度が限界であった。ま
た、エアロゲルの作製段階の中で、ゲル状化合物を緩や
かに風乾させて収縮を起こさせることにより、高密度な
シリカキセロゲルを作製することも検討されたが、この
方法は、非常に多大な時間を要すること、また収縮やク
ラック発生を伴うため、製品設計が困難なことなど問題
点が多かった。However, in order to obtain such an airgel, it is necessary to remove the solvent therein without destroying the structure of the gel-like compound in the manufacturing process thereof, and therefore, as in the above method. A so-called supercritical drying method is used to remove the solvent in a supercritical state. However, since the silica airgel as described above has excellent hygroscopicity, it tends to adsorb moisture over time, causing deterioration of performance and shrinkage. Further, since such an airgel has a very low density and a low strength, it has a drawback that it is very difficult to handle and is easily broken or broken. For the purpose of improving the strength of the airgel or for increasing the analysis range in the Cherenkov detection device, it has been considered to increase the density of the airgel, but in the conventional method, the density is 0.3 g /
The limit was about cc and the refractive index was about 1.06. Further, in the airgel production stage, it was also studied to produce a high-density silica xerogel by gently air-drying the gel-like compound to cause contraction, but this method requires a very long time. In addition, there are many problems such as difficulty in product design due to shrinkage and cracking.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】本発明は前記の事実に
鑑みてなされたもので、その目的とするところは、透明
性、断熱性等を維持しつつ、密度及び屈折率の大きいエ
アロゲルの製法を提供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above facts, and an object thereof is to produce an airgel having a high density and a high refractive index while maintaining transparency, heat insulation and the like. To provide.
【0005】[0005]
【課題を解決するための手段】本発明の請求項1に係る
エアロゲルの製法は、縮重合性を有するアルコキシシラ
ンのオリゴマーを加水分解したゾルを縮重合反応により
ゲル化させることによってゲル状化合物とし、このゲル
状化合物に超臨界乾燥を施すことによりエアロゲルを製
造するエアロゲルの製法において、前記ゾルの調製をす
る際に混合する水の量を、加水分解及び縮重合反応に必
要な理論量未満にすることを特徴とする。A method for producing an airgel according to claim 1 of the present invention is to prepare a gel compound by gelling a sol obtained by hydrolyzing an alkoxysilane oligomer having polycondensation property by a polycondensation reaction. In the method for producing an airgel by subjecting this gel-like compound to supercritical drying, the amount of water mixed when preparing the sol is less than the theoretical amount required for hydrolysis and polycondensation reaction. It is characterized by doing.
【0006】本発明の請求項2に係るエアロゲルの製法
は、前記ゾルの調製をする際に混合する水の量を、加水
分解及び縮重合反応に必要な理論量の0.3倍乃至1倍
未満にすることを特徴とする。In the method for producing an airgel according to claim 2 of the present invention, the amount of water mixed when preparing the sol is 0.3 to 1 times the theoretical amount required for the hydrolysis and polycondensation reaction. It is characterized in that it is less than.
【0007】本発明の請求項3に係るエアロゲルの製法
は、前記アルコキシシランのオリゴマーが平均分子量が
250〜700のテトラメトキシシランのオリゴマーで
あることを特徴とする。The method for producing an airgel according to claim 3 of the present invention is characterized in that the alkoxysilane oligomer is a tetramethoxysilane oligomer having an average molecular weight of 250 to 700.
【0008】本発明の請求項4に係るエアロゲルの製法
は、前記アルコキシシランのオリゴマーが平均分子量が
300〜900のテトラエトキシシランのオリゴマーで
あることを特徴とする。The method for producing an airgel according to a fourth aspect of the present invention is characterized in that the alkoxysilane oligomer is a tetraethoxysilane oligomer having an average molecular weight of 300 to 900.
【0009】本発明の請求項5に係るエアロゲルの製法
は、前記ゲル状化合物に疎水化剤を用いて疎水化処理を
も施すことを特徴とする。The method for producing an airgel according to a fifth aspect of the present invention is characterized in that the gel compound is also subjected to a hydrophobizing treatment using a hydrophobizing agent.
【0010】本発明の請求項6に係るエアロゲルの製法
は、前記疎水化剤が、アルキル基又はフェニル基を有す
るトリアルコキシシシラン、ジアルコキシシラン、トリ
クロロシラン及びジクロロシランの群から選択される少
なくとも1種である重合性を有する有機シランであるこ
とを特徴とする。In the method for producing an airgel according to claim 6 of the present invention, the hydrophobizing agent is at least selected from the group consisting of trialkoxysilane, dialkoxysilane, trichlorosilane and dichlorosilane having an alkyl group or a phenyl group. It is characterized in that it is a single type of polymerizable organic silane.
【0011】以下に本発明を詳細に説明する。本発明に
用いるアルコキシシランとは、下記の一般式で表され
るアルコキシシランのオリゴマーである。The present invention will be described in detail below. The alkoxysilane used in the present invention is an oligomer of alkoxysilane represented by the following general formula.
【0012】[0012]
【化1】 [Chemical 1]
【0013】前記の一般式で表されるアルコキシシラ
ンのオリゴマーとしては、重合度が10(以下重合度が
nのものはn量体と記す。)以下であることが好ましい
が、無色透明な液状であれば、これに限定されない。前
記アルコキシシランのオリゴマーは、この重合度が均一
な化合物である必要はなく、重合度の分布が存在したり
分子構造が鎖状、分岐状及び環状で混在していても構わ
ない。物質としての安定性や、ゲル状化合物を作製する
ための反応時間を考慮すれば、2〜6量体のものが好ま
しい。前記アルコキシシランのオリゴマー内のRはアル
キル基、フェニル基を表し、中でも、メチル基(−CH
3 )、エチル基(−C2 H5 )が好ましい。具体的には
メトキシシランのオリゴマーの場合には平均分子量が2
50〜700、エトキシシランのオリゴマーの場合には
平均分子量が300〜900のオリゴマーが好ましい。The alkoxysilane oligomer represented by the above general formula preferably has a degree of polymerization of 10 (hereinafter, a monomer having a degree of polymerization of n is referred to as an n-mer) or less, but is a colorless transparent liquid. If so, it is not limited to this. The above-mentioned alkoxysilane oligomer does not need to be a compound having a uniform degree of polymerization, and may have a distribution of the degree of polymerization or have a mixed molecular structure in the form of chain, branch or ring. Considering the stability as a substance and the reaction time for producing a gel-like compound, those having 2 to 6 mers are preferable. R in the alkoxysilane oligomer represents an alkyl group or a phenyl group, and among them, a methyl group (—CH
3), ethyl group (-C 2 H 5) are preferred. Specifically, in the case of an oligomer of methoxysilane, the average molecular weight is 2
In the case of an oligomer of ethoxysilane of 50 to 700, an oligomer having an average molecular weight of 300 to 900 is preferable.
【0014】本発明で前記アルコキシシランを効率よく
加水分解し、縮重合を行うためには、このアルコキシシ
ランを含む反応溶液に、予め触媒を添加しておくことが
好ましい。このような触媒としては、酸性触媒、塩基性
触媒等が挙げられる。具体的に述べると、酸性触媒とし
ては、塩酸、クエン酸、硝酸、硫酸、フッ化アンモニウ
ム等が用いられ、塩基性触媒としては、アンモニア、ピ
ペリジン等が用いられるが、これらに限定されるもので
はない。In the present invention, in order to efficiently hydrolyze the alkoxysilane to carry out polycondensation, it is preferable to add a catalyst to the reaction solution containing the alkoxysilane in advance. Examples of such catalysts include acidic catalysts and basic catalysts. Specifically, as the acidic catalyst, hydrochloric acid, citric acid, nitric acid, sulfuric acid, ammonium fluoride or the like is used, and as the basic catalyst, ammonia, piperidine or the like is used, but is not limited to these. Absent.
【0015】アルコキシシランの加水分解、縮重合に用
いられる溶媒としては、通常、原料となるアルコキシシ
ランと水とを均一に溶解混合するために、アルコ−ル、
アセトン等が用いられるが、これらに限定されるわけで
はなく、アルコキシシランと水との両方が溶解しやすい
溶媒であればよい。しかし、ゲル状化合物の生成過程の
加水分解反応でアルコ−ルが生成すること、また、超臨
界乾燥のことを考慮すると、溶媒としては、アルコール
が好ましい。The solvent used for the hydrolysis and polycondensation of the alkoxysilane is usually an alcohol, in order to uniformly dissolve and mix the starting alkoxysilane and water.
Acetone or the like is used, but the solvent is not limited to these and may be any solvent in which both alkoxysilane and water are easily dissolved. However, considering that alcohol is produced by the hydrolysis reaction in the production process of the gel-like compound and that supercritical drying is performed, alcohol is preferable as the solvent.
【0016】本発明に係るエアロゲルパネルの製法は、
前記ゾルの調製をする際に混合する水の量を、加水分解
及び縮重合反応に必要な理論量未満にする。すなわち、
前記の一般式で表されるアルコキシシランのオリゴマ
ー1モルに対して、水を(2n+2)未満の量だけ混合
し、さらにオリゴマーと水とを溶解する最小量の溶媒を
混合して上記オリゴマーの加水分解、重合によってゲル
状化合物を得る。The manufacturing method of the airgel panel according to the present invention is as follows.
The amount of water to be mixed when preparing the sol is less than the theoretical amount required for the hydrolysis and polycondensation reaction. That is,
Water is mixed in an amount of less than (2n + 2) with respect to 1 mol of the alkoxysilane oligomer represented by the above general formula, and a minimum amount of a solvent that dissolves the oligomer and water is further mixed to mix the oligomer with water. A gel compound is obtained by decomposition and polymerization.
【0017】ゾル調製の際のオリゴマー、水、溶媒の配
合比については、要求されるエアロゲルの密度、屈折
率、透明性など性能によって適宜選択される。一般に、
本発明で目的とするような透明性に優れたエアロゲルを
作製するためには、オリゴマーのアルコキシル基を加水
分解すべき量に相当する理論モル量よりやや多くの水を
添加することが好ましい。しかし、水とオリゴマーとを
溶解させるためにはこの両者の混合比に応じた量の溶媒
が不可欠であり、本発明の大きな目的である高密度化に
は限界があった。具体的には密度で0.3g/cc、屈
折率で1.07程度が作製できる限界であった。本発明
によるエアロゲルの製法においては、オリゴマーに対す
る水の添加量を前記理論量未満にし、さらに添加する溶
媒の量をオリゴマーと水とを溶解させるために必要な最
小量とする。さらには最終的に要求されるエアロゲルの
透明性に応じて、添加する触媒の量を調整するものであ
る。ここでオリゴマーに対する水の添加量は前記理論量
未満であれば特には限定されないが、好ましくは理論量
の0.3倍以上1.0倍未満程度が有効である。The mixing ratio of the oligomer, water and solvent in the preparation of the sol is appropriately selected according to the required properties such as the density, refractive index and transparency of the airgel. In general,
In order to produce an airgel excellent in transparency as intended in the present invention, it is preferable to add a little more water than the theoretical molar amount corresponding to the amount of the alkoxyl group of the oligomer to be hydrolyzed. However, in order to dissolve the water and the oligomer, an amount of solvent corresponding to the mixing ratio of the both is indispensable, and there is a limit to the high density, which is a major object of the present invention. Specifically, the density was 0.3 g / cc, and the refractive index was about 1.07, which was the limit of production. In the method for producing an airgel according to the present invention, the amount of water added to the oligomer is less than the theoretical amount, and the amount of the solvent added is the minimum amount necessary to dissolve the oligomer and water. Further, the amount of the catalyst to be added is adjusted according to the finally required transparency of the airgel. Here, the amount of water added to the oligomer is not particularly limited as long as it is less than the theoretical amount, but preferably about 0.3 times or more and less than 1.0 times the theoretical amount is effective.
【0018】以上のようにして調製したゾルを放置する
ことでゲル状化合物を得る。次に、このゲル状化合物に
対して、疎水化剤を用いて疎水化処理を行うことが望ま
しい。疎水化剤は、重合性を有する有機シラン化合物で
あり、ゲル状化合物が有するシラノール基に対して反応
する官能基と疎水基を有しているものを用いる。シラノ
ール基に対して反応する官能基としては、例えば、ハロ
ゲン、アルコキシル基及び水酸基が挙げられる。疎水基
としては、例えば、アルキル基、フェニル基、及びそれ
らのフッ化物等が挙げられる。下記の一般式で表され
る有機シラン化合物による疎水化処理を施した後に、分
散媒の存在下で、この分散媒の臨界点以上の超臨界条件
で乾燥することによりエアロゲルを得る。The gel compound is obtained by leaving the sol prepared as described above. Next, it is desirable that the gel compound is subjected to a hydrophobizing treatment using a hydrophobizing agent. The hydrophobizing agent is an organic silane compound having a polymerizing property, and a hydrophobizing agent having a functional group that reacts with the silanol group of the gel-like compound and a hydrophobic group is used. Examples of the functional group that reacts with the silanol group include halogen, an alkoxyl group, and a hydroxyl group. Examples of the hydrophobic group include an alkyl group, a phenyl group, and their fluorides. An airgel is obtained by performing a hydrophobizing treatment with an organic silane compound represented by the following general formula and then drying in the presence of a dispersion medium under supercritical conditions at or above the critical point of the dispersion medium.
【0019】[0019]
【化2】 [Chemical 2]
【0020】前記有機シラン化合物は、アルキル基又は
フェニル基を有するトリアルコキシシシラン、ジアルコ
キシシラン、トリクロロシラン及びジクロロシランの群
から選択される少なくとも1種であることが好ましい。
さらに疎水化剤の構造式としては前記一般式に記した
ような2官能又は3官能の有機シラン化合物を用いる。
具体的には、2官能のものとしては、ジメチルジメトキ
シシラン、ジメチルジクロロシラン、ジメチルジエトキ
シシラン、ジフェニルジエトキシシラン、ジフェニルジ
クロロシラン、ジフェニルジメトキシシラン、フェニル
メチルジクロロシラン、フェニルメチルジメトキシシラ
ン、ジフェニルシランジオールなどの有機シラン化合物
が挙げられ、3官能のものとしては、メチルトリメトキ
シシラン、メチルトリエトキシシラン、メチルトリクロ
ロシラン、エチルトリクロロシラン、フェニルトリクロ
ロシラン、イソブチルトリメトキシシラン、n−ヘキシ
ルトリメトキシシラン、n−デシルトリメトキシシラン
等の有機シラン化合物が挙げられる。ここで疎水化剤
は、1種のみを用いてもよいし、2種以上を用いてもよ
い。The organic silane compound is preferably at least one selected from the group consisting of trialkoxysilane, dialkoxysilane, trichlorosilane and dichlorosilane having an alkyl group or a phenyl group.
Further, as the structural formula of the hydrophobizing agent, a bifunctional or trifunctional organosilane compound as described in the above general formula is used.
Specifically, as the bifunctional one, dimethyldimethoxysilane, dimethyldichlorosilane, dimethyldiethoxysilane, diphenyldiethoxysilane, diphenyldichlorosilane, diphenyldimethoxysilane, phenylmethyldichlorosilane, phenylmethyldimethoxysilane, diphenylsilane. Examples of organic silane compounds such as diols include trifunctional compounds such as methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, methyltrichlorosilane, ethyltrichlorosilane, phenyltrichlorosilane, isobutyltrimethoxysilane, and n-hexyltrimethoxysilane. , Organic silane compounds such as n-decyltrimethoxysilane. Here, as the hydrophobizing agent, only one kind may be used, or two or more kinds may be used.
【0021】疎水化剤が上記のような重合性を有する有
機シラン化合物の場合、疎水化剤が、ゲル状化合物内の
シリカ表面と反応しながらシリカ表面において重合成長
するため、最終的に得られるエアロゲルの高密度化、高
屈折率化をさらに助長する。さらに、十分な疎水性をエ
アロゲルに付与させ、湿度による経時的な性能劣化のな
いエアロゲルが得られる効果がある。When the hydrophobizing agent is an organic silane compound having the above-described polymerizability, the hydrophobizing agent is finally obtained because the hydrophobizing agent polymerizes and grows on the silica surface while reacting with the silica surface in the gel-like compound. It further promotes high density and high refractive index of airgel. Further, there is an effect that a sufficient hydrophobic property is imparted to the airgel, and the airgel is obtained in which performance does not deteriorate with time due to humidity.
【0022】ここで、疎水化処理は、超臨界乾燥を行う
前に予め液体を媒体として行うか、後述する超臨界乾燥
中に超臨界流体を媒体として行う。これらの媒体として
は、疎水化剤との反応性が低く、かつ、疎水化剤を溶解
するものであればよく、特に限定されない。反応につい
ては必要に応じて加熱を行う。Here, the hydrophobization treatment is performed by using a liquid as a medium in advance before performing supercritical drying, or by using a supercritical fluid as a medium during supercritical drying which will be described later. The medium is not particularly limited as long as it has low reactivity with the hydrophobizing agent and dissolves the hydrophobizing agent. The reaction is heated if necessary.
【0023】超臨界乾燥を行う際に用いられる溶媒とし
ては、特に限定されないが、例えば、エタノ−ル、メタ
ノ−ル、イソプロパノール、ジクロロジフルオロメタ
ン、二酸化炭素、水等の単独系または2種以上の混合系
を挙げることができる。混合系ではなく単一の溶媒で超
臨界乾燥を行う場合は、一般的にはオ−トクレ−ブ中に
溶媒と、同一の溶媒に溶媒置換を行ったゲル状化合物を
一緒に入れ、その溶媒の臨界点以上の温度、圧力まで上
昇させた後に溶媒を徐々に除き、最終的に常温常圧の状
態に戻すことによって乾燥を終了する。また、2種以上
の混合系で超臨界乾燥を行う場合は、乾燥容器内でその
混合系での超臨界状態になるよう設定した温度、圧力ま
で上昇させる方法、乾燥容器内でゲル状化合物の第1の
溶媒から超臨界状態にしたい第2の溶媒に置換し、ほぼ
溶媒置換を完結させてから、第2の溶媒の超臨界状態で
溶媒を除去する方法等がなされている。ここでは特に、
二酸化炭素が第2の溶媒として有用である。この様にし
て得たゲル状化合物を、分散媒の存在下で、この分散媒
の臨界点以上の超臨界条件で乾燥することによりエアロ
ゲルを得る。The solvent used for the supercritical drying is not particularly limited, but for example, ethanol, methanol, isopropanol, dichlorodifluoromethane, carbon dioxide, water or the like alone or in combination of two or more. Mention may be made of mixed systems. When supercritical drying is performed using a single solvent instead of a mixed system, generally, the solvent and the gel compound obtained by solvent substitution in the same solvent are put together in an autoclave, and the solvent is used. After the temperature and pressure are raised to the critical point or higher, the solvent is gradually removed, and finally the temperature and temperature are returned to the normal temperature and normal pressure to complete the drying. When supercritical drying is carried out in a mixed system of two or more kinds, a method of raising the temperature and pressure set in the drying container to a supercritical state in the mixed system, There is a method in which the first solvent is replaced with a second solvent desired to be in a supercritical state, the solvent replacement is almost completed, and then the solvent is removed in a supercritical state of the second solvent. Here in particular,
Carbon dioxide is useful as the second solvent. The gel compound thus obtained is dried in the presence of a dispersion medium under supercritical conditions at or above the critical point of the dispersion medium to obtain an airgel.
【0024】本発明に係るエアロゲルの製法による高密
度のエアロゲルは、従来のエアロゲルと同様、非常に微
細なシリカ粒子からなる構造体で、その粒子径は光の波
長よりもはるかに小さく空隙構造も非常に均質であるこ
とから、多孔体であるにもかかわらず透明性を有する。
ここで光透過性とは、例えば、可視光波長領域等に対す
る視覚的な透明性や、赤外領域に対する透過性である
が、これに限定されない。しかも疎水性を有するため耐
湿性に優れ、性能や寸法が経時的に安定な材料である。
さらに、本発明に係るエアロゲルの製法によれば、従来
では作製が困難であった大きな密度、具体的には0.3
〜0.7g/ccの高密度なエアロゲルが作製できる。
この高密度のエアロゲルは強度も優れるため取り扱い性
が容易であることに加え、高エネルギー物理学分野での
チェレンコフ検出器用媒体として有用な材料である。The high-density airgel produced by the method for producing an airgel according to the present invention is a structure composed of very fine silica particles, like the conventional airgel, and its particle diameter is much smaller than the wavelength of light and has a void structure. Since it is extremely homogeneous, it is transparent even though it is a porous body.
Here, the light transmissivity is, for example, visual transparency in the visible light wavelength region or the like, or transmissivity in the infrared region, but is not limited thereto. Moreover, since it is hydrophobic, it has excellent moisture resistance, and its performance and dimensions are stable over time.
Furthermore, according to the airgel manufacturing method of the present invention, a large density, which is difficult to manufacture in the past, specifically 0.3
A high density aerogel of ~ 0.7 g / cc can be produced.
This high-density airgel is excellent in strength and easy to handle, and is also a useful material as a medium for a Cherenkov detector in the field of high energy physics.
【0025】[0025]
【作用】本発明の請求項1乃至請求項4に係るエアロゲ
ルの製法は、例えば、平均分子量が250〜700のテ
トラメトキシシランのオリゴマー又は平均分子量が30
0〜900のテトラエトキシシランのオリゴマーのよう
なアルコキシシランのオリゴマーを用い、かつ、ゾルの
調製をする際に混合する水の量を、加水分解及び縮重合
反応に必要な理論量の例えば、0.3倍乃至1倍未満に
するので、溶媒量も減らすことができ、エアロゲルが高
密度になる。The method for producing an airgel according to any one of claims 1 to 4 of the present invention is, for example, an oligomer of tetramethoxysilane having an average molecular weight of 250 to 700 or an average molecular weight of 30.
An alkoxysilane oligomer such as 0-900 tetraethoxysilane oligomer is used, and the amount of water to be mixed when preparing the sol is set to a theoretical amount required for the hydrolysis and polycondensation reaction, for example, 0. Since the amount is from 0.3 to less than 1 time, the amount of the solvent can be reduced and the airgel has a high density.
【0026】本発明の請求項5及び請求項6に係るエア
ロゲルの製法は、前記ゲル状化合物に疎水化剤を用いて
疎水化処理をも施し、前記疎水化剤が、アルキル基又は
フェニル基を有するトリアルコキシシシラン、ジアルコ
キシシラン、トリクロロシラン及びジクロロシランの群
から選択される少なくとも1種である重合性を有する有
機シランであるので、エアロゲルが、疎水性を有し、さ
らに、高密度、高屈折率になる。In the method for producing an airgel according to claims 5 and 6 of the present invention, the gel-like compound is also subjected to a hydrophobizing treatment using a hydrophobizing agent, and the hydrophobizing agent is an alkyl group or a phenyl group. Since it is a polymerizable organic silane that is at least one selected from the group consisting of trialkoxysilane, dialkoxysilane, trichlorosilane, and dichlorosilane, the airgel has hydrophobicity and further high density, It has a high refractive index.
【0027】[0027]
【実施例】以下、本発明を実施例により具体的に説明す
る。EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to examples.
【0028】以下に、この発明の具体的な実施例及び比
較例を示すが、この発明は、下記実施例に限定されるも
のではない。Specific examples and comparative examples of the present invention will be shown below, but the present invention is not limited to the following examples.
【0029】(実施例1)平均分子量470、平均重合
度4及び平均1分子あたりメトキシ基を10個含有する
テトラメトキシシランのオリゴマー〔コルコート株式会
社製;商品名メチルシリケート51〕に、エタノール、
及び0.075Nアンモニア水とを室温で混合し、モル
比で前記オリゴマー:エタノール:水=1:3:5の、
混合比の反応溶液(以下、ゾルと称する)を得た。Example 1 An oligomer of tetramethoxysilane having an average molecular weight of 470, an average degree of polymerization of 4 and an average of 10 methoxy groups per molecule [made by Colcoat Co., Ltd .; trade name Methylsilicate 51], ethanol,
And 0.075N ammonia water at room temperature, and a molar ratio of the oligomer: ethanol: water = 1: 3: 5,
A reaction solution having a mixing ratio (hereinafter referred to as sol) was obtained.
【0030】前記ゾルを直径51mmの円形容器に流し
込んだ。その後、室温で約10分静置させて、ゾルがゲ
ル化するのを待った。さらに室温で1日間放置した後、
このゲル状化合物を容器から取り出して、直径51mm
で厚み10mmの円盤状ゲル状化合物を得た。The sol was poured into a circular container having a diameter of 51 mm. Then, it was allowed to stand at room temperature for about 10 minutes and waited for the sol to gel. After leaving it at room temperature for another day,
This gel compound was taken out of the container and had a diameter of 51 mm.
A discotic gel compound having a thickness of 10 mm was obtained.
【0031】次に、ゲル状化合物を高圧容器内に入れ、
エタノールを満たした。この容器内に18℃、55kg
/cm2 の二酸化炭素を添加し、ゲル内および容器内の
エタノ−ルを二酸化炭素に置換した。その後、容器内を
二酸化炭素の超臨界条件である、80℃、160kg/
cm2 にし、超臨界乾燥(溶媒除去) を2時間行った。
その後、超臨界状態の二酸化炭素を流通した後に減圧
し、ゲル状化合物に含まれるエタノールを除去し、直径
51mm厚み10mmの多孔質骨格からなる疎水性のエ
アロゲル試料を得た。Next, the gel compound was placed in a high-pressure container,
Filled with ethanol. 18 ℃, 55kg in this container
/ Cm 2 of carbon dioxide was added to replace the ethanol in the gel and in the container with carbon dioxide. After that, the inside of the container is under supercritical conditions of carbon dioxide, 80 ° C., 160 kg /
cm 2 and supercritical drying (solvent removal) was performed for 2 hours.
Then, after passing carbon dioxide in a supercritical state, the pressure was reduced to remove ethanol contained in the gel-like compound to obtain a hydrophobic airgel sample composed of a porous skeleton having a diameter of 51 mm and a thickness of 10 mm.
【0032】得られたエアロゲルの試料を用いて、エア
ロゲルの嵩密度、光屈折率及び可視光透過率を測定し、
その結果を表1に示した。Using the obtained airgel sample, the bulk density, light refractive index and visible light transmittance of the airgel were measured,
The results are shown in Table 1.
【0033】ここで、可視光透過率は、可視光域の光透
過率分布を測定し、可視光透過率をJIS−R3106
に基づいて求め、光屈折率は、波長534nmのレーザ
ー光で測定した。Here, the visible light transmittance is measured by measuring the light transmittance distribution in the visible light region, and the visible light transmittance is measured according to JIS-R3106.
The optical refractive index was measured with a laser beam having a wavelength of 534 nm.
【0034】(実施例2)実施例1において、直径51
mmで厚み10mmの円盤状ゲル状化合物を得た後に、
疎水化溶液として、疎水化剤処理媒体がエタノールであ
るメチルトリメトキシシラン〔トーレダウコーニングシ
リコーン株式会社製;商品名AY43−043〕の2.
4モル/リットルエタノール溶液を調製し、この疎水化
溶液中に上記ゲル状化合物を浸漬し、室温で1週間放置
し、さらにゲル状化合物を疎水化溶液から取り出し、エ
タノール洗浄を行った後に、このゲル状化合物を高圧容
器内に入れ、エタノールを満たした以外は、実施例1と
同様にして、直径51mm厚み10mmのエアロゲル試
料を得て、エアロゲルの嵩密度、光屈折率及び可視光透
過率を測定し、その結果を表1に示した。(Example 2) In Example 1, the diameter 51
mm to obtain a discotic gel compound having a thickness of 10 mm,
1. As the hydrophobizing solution, methyltrimethoxysilane [made by Toray Dow Corning Silicone Co., Ltd .; trade name AY43-043] in which the hydrophobizing agent treatment medium is ethanol is 2.
A 4 mol / liter ethanol solution was prepared, and the above gel compound was immersed in this hydrophobizing solution and allowed to stand at room temperature for 1 week. Further, the gel compound was taken out from the hydrophobizing solution and washed with ethanol. An airgel sample having a diameter of 51 mm and a thickness of 10 mm was obtained in the same manner as in Example 1 except that the gelled compound was placed in a high-pressure container and filled with ethanol, and the bulk density, light refractive index and visible light transmittance of the airgel were measured. The measurement was performed, and the results are shown in Table 1.
【0035】(実施例3)実施例2において、疎水化剤
としてメチルトリメトキシシランの代わりに、n−ヘキ
シルトリメトキシシランを用いた以外は、実施例2と同
様にして、直径51mm厚み10mmのエアロゲル試料
を得て、エアロゲルの嵩密度、光屈折率及び可視光透過
率を測定し、その結果を表1に示した。(Example 3) In the same manner as in Example 2 except that n-hexyltrimethoxysilane was used as the hydrophobizing agent instead of methyltrimethoxysilane, a diameter of 51 mm and a thickness of 10 mm were obtained. The airgel sample was obtained, and the bulk density, light refractive index, and visible light transmittance of the airgel were measured, and the results are shown in Table 1.
【0036】(実施例4)平均分子量470、平均重合
度4及び平均1分子あたりメトキシ基を10個含有する
テトラメトキシシランのオリゴマー〔コルコート株式会
社製;商品名メチルシリケート51〕に、エタノール、
及び0.015Nアンモニア水とを室温で混合し、モル
比で前記オリゴマー:エタノール:水=1:5:10
の、混合比のゾルを得た。Example 4 An oligomer of tetramethoxysilane having an average molecular weight of 470, an average degree of polymerization of 4 and an average of 10 methoxy groups per molecule [Colcoat Co., Ltd .; trade name: methyl silicate 51], ethanol,
And 0.015N aqueous ammonia are mixed at room temperature, and the oligomer: ethanol: water = 1: 5: 10 in molar ratio.
A sol having a mixing ratio of
【0037】前記ゾルを直径51mmの円形容器に流し
込んだ。その後、室温で約40分静置させて、ゾルがゲ
ル化するのを待った。さらに室温で1日間放置した後、
このゲル状化合物を容器から取り出して、直径51mm
で厚み10mmの円盤状ゲル状化合物を得た。The sol was poured into a circular container having a diameter of 51 mm. Then, it was allowed to stand at room temperature for about 40 minutes and waited for the sol to gel. After leaving it at room temperature for another day,
This gel compound was taken out of the container and had a diameter of 51 mm.
A discotic gel compound having a thickness of 10 mm was obtained.
【0038】次に、ゲル状化合物を高圧容器内に入れ、
エタノールを満たした。この容器内に18℃、55kg
/cm2 の二酸化炭素を添加し、ゲル内および容器内の
エタノ−ルを二酸化炭素に置換した。その後、容器内を
二酸化炭素の超臨界条件である、80℃、160kg/
cm2 にし、超臨界乾燥(溶媒除去) を2時間行った。
次いでこの高圧容器内に160kg/cm2 でジメチル
ジメトキシシラン〔トーレダウコーニングシリコーン株
式会社製;商品名AY43−004〕を注入し、80℃
のまま1夜間放置した。その後、超臨界状態の二酸化炭
素を流通した後に減圧し、ゲル状化合物に含まれるエタ
ノールを除去し、直径51mm厚み10mmの多孔質骨
格からなる疎水性のエアロゲル試料を得た。Next, the gel compound was placed in a high-pressure container,
Filled with ethanol. 18 ℃, 55kg in this container
/ Cm 2 of carbon dioxide was added to replace the ethanol in the gel and in the container with carbon dioxide. After that, the inside of the container is at a supercritical condition of carbon dioxide, 80 ° C., 160 kg /
cm 2 and supercritical drying (solvent removal) was performed for 2 hours.
Then, dimethyldimethoxysilane [Toray Dow Corning Silicone Co., Ltd .; trade name AY43-004] was injected into this high-pressure container at 160 kg / cm 2 , and the temperature was 80 ° C.
It was left as it was for one night. Then, after passing carbon dioxide in a supercritical state, the pressure was reduced to remove ethanol contained in the gel-like compound to obtain a hydrophobic airgel sample composed of a porous skeleton having a diameter of 51 mm and a thickness of 10 mm.
【0039】得られたエアロゲルの試料を用いて、エア
ロゲルの嵩密度、光屈折率及び可視光透過率を測定し、
その結果を表1に示した。Using the obtained airgel sample, the bulk density, light refractive index and visible light transmittance of the airgel were measured,
The results are shown in Table 1.
【0040】(比較例1)実施例1において、モル比で
オリゴマー:エタノール:水=1:9:20にした以外
は、実施例1と同様にして、直径51mm厚み10mm
のエアロゲル試料を得て、エアロゲルの嵩密度、光屈折
率及び可視光透過率を測定し、その結果を表1に示し
た。(Comparative Example 1) A diameter of 51 mm and a thickness of 10 mm were obtained in the same manner as in Example 1 except that the molar ratio of oligomer: ethanol: water was 1: 9: 20.
Was obtained, and the bulk density, light refractive index and visible light transmittance of the airgel were measured, and the results are shown in Table 1.
【0041】試料の主な内容及び測定結果を表1に示し
た。The main contents of the sample and the measurement results are shown in Table 1.
【0042】[0042]
【表1】 [Table 1]
【0043】表1の結果、実施例のエアロゲルは、光透
過性を有しており、かつ比較例に比べて、光屈折率及び
密度が大きいことが確認できた。From the results shown in Table 1, it was confirmed that the airgel of the example has light transmittance and has a larger optical refractive index and density as compared with the comparative example.
【0044】本発明に係るエアロゲルの製法によって得
られるエアロゲルは、断熱性等、多孔質材料に特有の機
能を有しながら、かつ光透過性を有するというエアロゲ
ルの特徴を保持しており、さらに、従来になかった大き
な密度を有している。この高密度化は、従来のエアロゲ
ルの欠点のひとつであった取扱いの困難性を改善できる
ものである。特に高密度化による屈折率の増大は、高エ
ネルギー物理学分野でのチェレンコフ検出器用媒体とし
ての応用範囲を拡大できるものである。The aerogel obtained by the method for producing an aerogel according to the present invention retains the characteristic of an aerogel that it has a light-transmitting property while having functions peculiar to a porous material such as heat insulation. It has a large density never before seen. This densification can improve the handling difficulty, which is one of the drawbacks of conventional airgel. In particular, the increase in the refractive index due to the higher density can expand the range of application as a medium for Cherenkov detector in the field of high energy physics.
【0045】[0045]
【発明の効果】本発明の請求項1乃至請求項4に係るエ
アロゲルの製法によると、平均分子量が250〜700
のテトラメトキシシランのオリゴマー又は平均分子量が
300〜900のテトラエトキシシランのオリゴマーの
ようなアルコキシシランのオリゴマーを用い、かつ、ゾ
ルの調製をする際に混合する水の量を、加水分解及び縮
重合反応に必要な理論量の0.3倍乃至1倍未満にする
ので、溶媒量も減らすことができ、高密度のエアロゲル
が得られる。EFFECTS OF THE INVENTION According to the method for producing an airgel according to claims 1 to 4 of the present invention, the average molecular weight is 250 to 700.
Of tetramethoxysilane or an oligomer of alkoxysilane such as tetraethoxysilane having an average molecular weight of 300 to 900, and the amount of water mixed when preparing a sol is determined by hydrolysis and polycondensation. Since it is 0.3 to less than 1 time the theoretical amount required for the reaction, the amount of solvent can be reduced and a high density airgel can be obtained.
【0046】本発明の請求項5及び請求項6に係るエア
ロゲルの製法によると、前記ゲル状化合物に疎水化剤を
用いて疎水化処理をも施し、前記疎水化剤が、アルキル
基又はフェニル基を有するトリアルコキシシシラン、ジ
アルコキシシラン、トリクロロシラン及びジクロロシラ
ンの群から選択される少なくとも1種である重合性を有
する有機シランであるので、疎水性を有し、さらに、高
密度、高屈折率のエアロゲルが得られる。According to the method for producing an airgel according to claims 5 and 6 of the present invention, the gel compound is also subjected to a hydrophobizing treatment using a hydrophobizing agent, and the hydrophobizing agent is an alkyl group or a phenyl group. Since it is a polymerizable organic silane that is at least one selected from the group consisting of trialkoxysilane, dialkoxysilane, trichlorosilane and dichlorosilane, it has hydrophobicity, high density and high refractive index. A rate of airgel is obtained.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−135712(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C08L 83/00 - 83/16 C08G 77/00 - 77/62 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) Reference JP-A-6-135712 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) C08L 83/00-83/16 C08G 77 / 00-77/62
Claims (6)
リゴマーを加水分解したゾルを縮重合反応によりゲル化
させることによってゲル状化合物とし、このゲル状化合
物に超臨界乾燥を施すことによりエアロゲルを製造する
エアロゲルの製法において、前記ゾルの調製をする際に
混合する水の量を、加水分解及び縮重合反応に必要な理
論量未満にすることを特徴とするエアロゲルの製法。1. An aerogel is produced by subjecting a sol obtained by hydrolyzing an alkoxysilane oligomer having polycondensation property to a gel compound by gelation by a polycondensation reaction, and subjecting this gel compound to supercritical drying. In the method for producing an airgel, the amount of water mixed when preparing the sol is set to be less than the theoretical amount required for hydrolysis and polycondensation reaction.
量を、加水分解及び縮重合反応に必要な理論量の0.3
倍乃至1倍未満にすることを特徴とする請求項1記載の
エアロゲルの製法。2. The amount of water mixed when preparing the sol is set to 0.3 of the theoretical amount necessary for hydrolysis and polycondensation reaction.
The method for producing an airgel according to claim 1, wherein the airgel is made to be twice to less than one time.
均分子量が250〜700のテトラメトキシシランのオ
リゴマーであることを特徴とする請求項1又は請求項2
記載のエアロゲルの製法。3. The oligomer of tetramethoxysilane having an average molecular weight of 250 to 700, wherein the alkoxysilane oligomer is an oligomer of tetramethoxysilane.
The method for producing the airgel described.
均分子量が300〜900のテトラエトキシシランのオ
リゴマーであることを特徴とする請求項1又は請求項2
記載のエアロゲルの製法。4. The method according to claim 1, wherein the alkoxysilane oligomer is a tetraethoxysilane oligomer having an average molecular weight of 300 to 900.
The method for producing the airgel described.
水化処理をも施すことを特徴とする請求項1乃至請求項
4のいずれかに記載のエアロゲルの製法。5. The method for producing an airgel according to claim 1, wherein the gel compound is also subjected to a hydrophobizing treatment using a hydrophobizing agent.
ル基を有するトリアルコキシシシラン、ジアルコキシシ
ラン、トリクロロシラン及びジクロロシランの群から選
択される少なくとも1種である重合性を有する有機シラ
ンであることを特徴とする請求項5記載のエアロゲルの
製法。6. The organic silane having a polymerizable property, wherein the hydrophobizing agent is at least one selected from the group consisting of trialkoxysilane having an alkyl group or a phenyl group, dialkoxysilane, trichlorosilane and dichlorosilane. The method for producing an airgel according to claim 5, wherein
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