JP4093822B2 - Modified silica dispersion and method for producing the same - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェット記録紙用の塗工液、金属表面処理剤等の各種コーティング剤の原料として有用な新規な変性シリカ分散液に関する。詳しくは、透明性が高く、平滑なコーティング層を形成することが可能であり、しかも分散液自体の粘度が低い変性シリカ分散液を提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シリカ分散液は、紙、フィルム、金属、樹脂、ガラス等の表面に吸液性、耐食性、光沢性、ガスバリア性、親水性等を付与するための各種コーティング剤として使用されている。
【０００３】
シリカ分散液中のシリカ粒子は、本来分散安定性に乏しいため、アミノ基含有シランカップリング剤やカチオン性樹脂を用いてシリカ表面をカチオン化し、分散安定性を高めた変性シリカ分散液が種々提案されている。
【０００４】
特に、インクジェット記録紙の分野においては、インクジェット記録用インクに含まれるアニオン性の染料を強固に定着できるため、該変性シリカ分散液が好適に使用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述した各種コーティング層を形成させる際には、該コーティング層の透明性や平滑さを要求される場合が多く、例えばインクジェット記録紙の用途においては、高い印字濃度を発揮させるため、インク吸収層が透明で平滑であることが必須となっている。
【０００６】
かかる透明で平滑なコーティング層を得るためには、分散液中のシリカの粒子径を小さくすることが重要である。
【０００７】
そのため、特開２０００−２３９５３６号公報に記載されているように、カチオン性樹脂でカチオン化したシリカを微粉砕して平均粒子径を２００ｎｍ未満としたシリカを含有するカチオン性樹脂変性シリカ分散液が提案されている。
【０００８】
しかしながら、カチオン性樹脂を用いてシリカ粒子をカチオン化した場合にはシリカ分散液が増粘する傾向にあり、特に該分散液中のシリカ濃度が高い場合にはかかる増粘が顕著になる場合があった。
【０００９】
一方、特開２００１−９７７１０号公報においては、アミノ基含有シランカップリング剤でカチオン化された低粘度なシリカ分散液が開示されているが、該分散液中のシリカ粒子は微粉砕されておらず、透明性が充分ではなかった。
【００１０】
すなわち、透明性等の品質に優れたコーティング層を得ることができ、且つシリカ濃度が高い場合においても分散液自体の粘度が低くハンドリングが容易な変性シリカ分散液はこれまでに無かった。
【００１１】
また、本発明者らによる実験の結果、特開２００１−９７７１０号公報に記載の分散液において、シリカ粒子を微分散させることは困難であることが分かった。
【００１２】
したがって、本発明の目的は、透明性が高く、平滑なコーティング層を形成することが可能であり、しかもシリカ濃度が高い場合においても分散液自体の粘度が低い変性シリカ分散液及びその製造方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、アミノ基含有シランカップリング剤で表面処理された５０〜４００ｍ ２ ／ｇのＢＥＴ比表面積を有する乾式シリカからなる変性シリカ分散液において、該分散液中のシリカ粒子のシリカ粒子の光散乱回折式の粒度分布測定装置によって求められる体積基準算術平均粒子径を１μｍ以下とすること及び表面処理を極性溶媒中で行うことによって、透明性が高く、しかも低粘度な変性シリカ分散液が容易に得られることを見出した。
【００１４】
すなわち、本発明は、極性溶媒中に５０〜４００ｍ ２ ／ｇのＢＥＴ比表面積を有する乾式シリカを分散せしめた分散液であって、該分散液中のシリカ粒子がアミノ基含有シランカップリング剤で表面処理されており、且つ、シリカ粒子の光散乱回折式の粒度分布測定装置によって求められる体積基準算術平均粒子径が１μｍ以下であることを特徴とする変性シリカ分散液およびその製造方法に関するものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明において用いるシリカは、乾式シリカである。
【００１６】
乾式シリカを用いることが、特に得られる変シリカ分散液の透明性等の特性を向上せしめることができるので好ましい。
【００１７】
本発明において用いられる乾式シリカは、四塩化珪素などのシラン系ガスを酸水素炎中で燃焼させて得られるものであり、フュームドシリカとも称されている。
【００１８】
該乾式シリカは、ＢＥＴ法による比表面積が５０〜４００ｍ２／ｇの範囲のものであり、コーティング層の透明性の点からは比表面積が５０ｍ２／ｇ以上、低粘度な変性シリカ分散液を得るためには４００ｍ２／ｇ以下である。特に好適な比表面積の範囲は１００〜３００ｍ２／ｇである。
【００１９】
また、本発明において、変性シリカ分散液中のシリカの濃度は好ましくは１０〜４０重量％、より好ましくは１５〜３０重量％である。
【００２０】
変性シリカ分散液中のシリカの濃度を１０重量％以上とすることによって、該分散液の貯蔵および輸送に関るコストを低減でき、４０重量％以下とすることによって、変性シリカ分散液の粘度の上昇を抑えることができる。
【００２１】
本発明においては、変性シリカ分散液のシリカ濃度が高い場合においても該分散液の粘度が低くなるように、シリカ粒子はアミノ基含有シランカップリング剤で表面処理されている。本発明において用いられるアミノ基含有シランカップリング剤は、特に限定されず、表面処理剤として従来公知のものを使用できる。
【００２２】
具体的に例示すれば、Ｎ−２（アミノエチル）３−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、Ｎ−２（アミノエチル）３−アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−２（アミノエチル）３−アミノプロピルトリエトキシシラン、３−アミノプロピルトリメトキシシラン、３−アミノプロピルトリエトキシシラン、３−トリエトキシシリル−Ｎ−（１、３―ジメチル―ブチリデン）プロピルアミン、Ｎ−フェニル−３−アミノプロピルトリメトキシシラン及びＮ−（ビニルベンジル）−２−アミノエチル−３−アミノプロピルトリメトキシシランの塩酸塩等が挙げられる。
【００２３】
前記例示したアミノ基含有シランカップリング剤の中でも、価格や取り扱いの容易さ等を勘案すると、３−アミノプロピルトリメトキシシラン、３−アミノプロピルトリエトキシシラン等の３−アミノプロピルトリアルコキシシラン類が最も好ましい。
【００２４】
アミノ基含有シランカップリング剤によるシリカ粒子表面へのアミノ基の導入量は、特に限定されないが、シリカ粒子を充分にカチオン化し、シリカ濃度が高濃度であっても粘度の低い変性シリカ分散液とし、該分散液中のシリカ粒子の分散安定性、インクジェット記録用紙に用いた場合のインク定着性等の所期の効果を得るためには、アミノ基含有シランカップリング剤によるアミノ基の導入量をシリカ粒子の表面積に対して０．４μｍｏｌ／ｍ２以上とすることが好ましい。また、アミノ基含有シランカップリング剤は一般に高価であるため、変性シリカ分散液を安価に提供するためには、該アミノ基含有シランカップリング剤によるアミノ基の導入量をシリカ粒子の表面積に対して５μｍｏｌ／ｍ２以下とすることが好ましい。更に０．４〜２μｍｏｌ／ｍ２であることが特に好ましい。該アミノ基の導入量は５μｍｏｌ／ｍ２を超えても良いが、コストの割には顕著な効果の増大は見られない。
【００２５】
本発明において用いられる極性溶媒は、シリカが分散し易い極性溶媒が特に制限なく使用される。中でも、水が最も好ましい。勿論、水以外にもメタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等のアルコール類、エーテル類、ケトン類などの極性溶媒が使用できる。また、水と上記極性溶媒との混合溶媒も使用することができる。
【００２６】
なお、本発明において、変性シリカ分散液の安定性等の物性をさらに向上させるために、本発明の効果を損なわない範囲で、カチオン性樹脂や界面活性剤等の添加剤を添加してもよい。
【００２７】
本発明の変性シリカ分散液において、透明性が高く、平滑なコーティング層を得るためには、該分散液中のシリカ粒子の平均粒子径が１μｍ以下であることが必須であり、好ましくは０．５μｍ以下、特に好ましくは０．２μｍ以下である。
【００２８】
また、平均粒子径の下限値は特に限定されないが、微粉砕にかかるコストや、インクジェット記録用紙に用いた場合のインク吸収性を勘案すると、好ましくは０．０１μｍ以上、特に好ましくは０．０５μｍ以上とすることが望ましい。
【００２９】
なお、本発明における平均粒子径とは、光散乱回折式の粒度分布測定装置によって求められる体積基準算術平均径である。
【００３０】
本発明の変性シリカ分散液は、シリカ粒子を極性溶媒中に分散せしめる分散工程、シリカをアミノ基含有シランカップリング剤で表面処理する表面処理工程、及び分散液中のシリカ粒子の平均粒子径を１μｍ以下とする微粉砕工程からなる製造方法によって製造することができる。なお後述するように、分散工程と表面処理工程とが同時に行なわれてもよい。
【００３１】
上記分散工程においては、シリカ粒子を極性溶媒中に分散せしめる。その際に用いる分散機は特に制限されず、プロペラ羽根、タービン羽根、パドル翼を有する一般撹拌機、ディスパーミキサー等の高速回転遠心放射型撹拌機、ホモジナイザー、ホモミキサー、ウルトラミキサー等の高速回転せん断型撹拌機、コロイドミル、プラネタリーミキサー、吸引式分散機などの分散機を適宜用いることができる。
【００３２】
前記例示した分散機の中でも、強力なせん断力を有する分散機を用いることは、後の微粉砕工程にかかる負担を低減できるため好適である。強力なせん断力を有する分散機としては、高速せん断型撹拌機や、プロペラ羽根及びパドル翼に更に高速せん断型撹拌機を組み合わせた複合型分散機、プラネタリーミキサーと高速回転遠心放射型撹拌機又は高速回転せん断型撹拌機を組み合わせた複合型分散機等が挙げられる。
【００３３】
上記表面処理工程は、シリカ表面に均一にアミノ基を導入することが可能な方法であれば、特に制限なく採用できる。具体的には、シリカ粉末を容器に入れ、加熱・攪拌しながらアミノ基含有シランカップリング剤を導入して表面処理する乾式法、あるいは、極性溶媒中でシリカとアミノ基含有シランカップリング剤とを混合して表面処理する湿式法等が挙げられる。
【００３４】
上記表面処理方法の中でも、極性溶媒中でシリカとアミノ基含有シランカップリング剤とを接触・反応せしめて表面処理を施す湿式法が、平均粒子径１μｍ以下のシリカ粒子を含有する変性シリカ分散液を容易に得ることができるため、特に好適である。
【００３５】
上記の極性溶媒中に分散されているシリカ粒子を１μｍ以下とする微粉砕工程に用いる粉砕機は、特に制限されず、高圧ホモジナイザー、ビーズミル、サンドミル、超音波ホモジナイザー等などの湿式粉砕機を適宜用いることができる。
【００３６】
前記例示した湿式粉砕機の中でも、高圧ホモジナイザーは、１μｍ以下の平均粒子径を有する変性シリカ分散液を効率よく、しかも再現性良く得ることができ、好適である。高圧ホモジナイザーを用いる微粉砕方法としては、シリカ分散液を処理圧力３０ＭＰａ以上で対向衝突させる方法、或いはオリフィスの入口側と出口側の差圧が３０ＭＰａ以上の条件でオリフィスを通過させる方法が挙げられる。
【００３７】
上記したように、本発明の変性シリカ分散液を製造するには、表面処理を極性溶媒中で行う湿式法による表面処理工程とすることが好ましい。湿式法による表面処理工程とすることにより、平均粒子径１μｍ以下のシリカ粒子を含有する変性シリカ分散液を容易に得ることができる。かかる湿式法で表面処理を行う製造方法としては、粉末状のシリカを極性溶媒中に分散せしめ、該分散液とアミノ基含有シランカップリング剤とを混合して極性溶媒中でシリカを表面処理した後、乾燥させることなく該分散液中のシリカ粒子を微粉砕して平均粒子径を１μｍ以下とする方法、極性溶媒中に予めアミノ基含有シランカップリング剤を溶解せしめた溶液と、粉末状のシリカとを混合して極性溶媒中で表面処理を行うと共にシリカ粒子の分散を行った後、乾燥させることなく該分散液中のシリカ粒子を微粉砕して平均粒子径を１μｍ以下とする方法、あるいは、粉末状のシリカを極性溶媒中に分散せしめ、該分散液中のシリカ粒子を微粉砕して平均粒子径を１μｍ以下とした後、乾燥させることなく該微粉砕されたシリカ粒子を含む分散液とアミノ基含有シランカップリング剤とを混合してシリカを極性溶媒中で表面処理する方法を採用することができる。
【００３８】
本発明において、変性シリカ分散液のｐＨは特に限定されないが、安全面、設備にかかる負担等を勘案するとｐＨを２以上、分散液の安定性を勘案するとｐＨを６以下に調整することが好ましい。特に好ましいｐＨの範囲は２．５〜５である。
【００３９】
しかしながら、アミノ基含有シランカップリング剤の多くは塩基性であって、該シランカップリング剤で処理された変性シリカ分散液は上記ｐＨ範囲よりも高いｐＨを呈する場合が多いため、ｐＨ調整剤により、分散液のｐＨを上記範囲内に調整することが望ましい。
【００４０】
かかるｐＨ調整剤は特に限定されないが、塩酸、硫酸、硝酸等の鉱酸が好適に使用できる。
【００４１】
また、該ｐＨ調整剤によりｐＨを調整する方法は、特に限定されないが、予めアミノ基含有シランカップリング剤、ｐＨ調整剤、及び極性溶媒を混合した混合液を調製しておき、表面処理の際に該混合液とシリカ分散液とを混合して表面処理すると同時にｐＨを調整すると、分散液のゲル化や凝集塊を生じることなく、安定して製造することができ、好適である。
【００４２】
【実施例】
以下に、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制限されるものではない。
【００４３】
変性シリカ分散液に関する物性の測定方法及び評価方法は、以下の通りである。
【００４４】
（１）変性シリカ分散液中のシリカ表面に導入されたアミノ基の定量
変性シリカ分散液を遠心分離機（シグマ社製、ＭＯＤＥＬ３６３０）によって、回転数１６５００ｒｐｍの条件で２時間遠心分離を行った。遠心分離後の沈殿を回収し、乾燥してシリカ粉末を得た。該シリカ粉末に含まれる窒素量（Ｎ）を、微量窒素分析装置（三菱化成工業製、ＴＮ−１０）を用いて測定し、下式によりシリカ表面に導入されたアミノ基の量を求めた。
【００４５】
Ａ＝Ｎ／（１４×Ｓ）
但し、Ａはシリカ表面に導入されたアミノ基の量（μｍｏｌ／ｍ２）を表し、Ｎはシリカに含まれる窒素量（ｐｐｍ）を表し、ＳはシリカのＢＥＴ法による比表面積（ｍ２／ｇ）を表す。
【００４６】
（２）粒度分布及び平均粒子径の測定
光散乱回折式の粒度分布測定装置（コールター製、コールターＬＳ−２３０）を用いて、シリカの屈折率１．４５８、分散媒として用いている水の屈折率１．３３２の条件で粒度分布を測定した。得られた粒度分布から体積基準算術平均径を算出し、この体積基準算術平均径を平均粒子径とした。
【００４７】
（３）変性シリカ分散液の粘度の測定
変性シリカ分散液３００ｍＬを３００ｍＬのトールビーカーに採取し、Ｂ型粘度計（トキメック製、ＢＬ）を用いて変性シリカ分散液の粘度を測定した。ローターの回転数は６０ｒｐｍ、測定温度は２５℃とした。
【００４８】
（４）変性シリカ分散液のｐＨの測定
変性シリカ分散液の２５℃におけるｐＨを、ｐＨ計（堀場製作所製、Ｆ−１２）を用いて測定した。
【００４９】
（５）変性シリカ分散液を用いたコーティング層の評価
変性シリカ分散液と、ポリビニルアルコール（クラレ社製、ＰＶＡ１１７）の１０重量％水溶液とを、シリカ１００重量部に対してポリビニルアルコール５０重量部となるように混合し、コーティング液を得た。
【００５０】
該コーティング液を、予め親水化処理した透明ＰＥＴフィルム（帝人デュポンフィルム社製、５３５−１００ミクロン）の表面に、バーコーターを用いて塗布し、乾燥させてコーティング層を得た。
【００５１】
該コーティング層の評価は、透明性及び光沢度を目視で観察することにより行った。
【００５２】
◎：透明性、光沢度共にきわめて良好である。
○：透明性、光沢度共に良好である。
△：透明性、光沢度が劣る。
×：コーティング層にざらつきがあり、透明感が無い。
【００５３】
実施例１
３−アミノプロピルトリエトキシシラン２１重量部と４．４重量％の塩酸７９重量部とを混合し、アミノ基含有シランカップリング剤及びｐＨ調整剤を含有する溶液を得た。以後、この溶液をＡ液と表す。
【００５４】
次に、比表面積が２００ｍ2／ｇの乾式シリカ（トクヤマ製、レオロシールＱＳ−１０２）とイオン交換水とを混合し、ホモジナイザー（イカ製、ウルトラタラックスＴ−５０）を用いて強攪拌し、シリカ濃度が２１重量％のシリカ分散液２０００ｇを得た（分散工程）。以後、この分散液をＢ液と表す。
【００５５】
Ｂ液をそのまま強攪拌しながら、Ａ液１４０ｇを滴下し、湿式法でシリカ粒子を表面処理した（表面処理工程）。
【００５６】
該表面処理されたシリカ分散液の全量を、高圧ホモジナイザー（ナノマイザー製、ナノマイザー、ＬＡ−３１）を用いて処理圧力８０ＭＰａでオリフィスを１回通過させ（微粉砕工程）、本発明の変性シリカ分散液を得た。
【００５７】
得られた変性シリカ分散液の物性を表１に示す。
【００５８】
実施例２
シリカとして、比表面積が３００ｍ2／ｇの乾式シリカ（トクヤマ製、レオロシールＱＳ−３０）を用いる以外は、実施例１と同様にして本発明の変性シリカ分散液を得た。
【００５９】
得られた変性シリカ分散液の物性を表１に示す。
【００６０】
実施例３
Ａ液の添加量を８０ｇとする以外は、実施例１と同様にして本発明の変性シリカ分散液を得た。
【００６１】
得られた変性シリカ分散液の物性を表１に示す。
【００６２】
実施例４
実施例１において、Ｂ液を高圧ホモジナイザーによる微粉砕工程に供した後、Ａ液を添加して表面処理する以外は、実施例１と同様にして本発明の変性シリカ分散液を得た。すなわち、本実施例では分散工程、微粉砕工程、表面処理工程の順で変性シリカ分散液を製造した。
【００６３】
得られた変性シリカ分散液の物性を表１に示す。
【００６４】
実施例５
Ａ液の組成を３−アミノプロピルトリエトキシシラン３２重量部、７．８重量％の塩酸６８重量部とし、Ｂ液中のシリカ濃度を３２重量％とする以外は、実施例１と同様にして本発明の変性シリカ分散液を得た。
【００６５】
得られた変性シリカ分散液の物性を表１に示す。
【００６６】
比較例１
高圧ホモジナイザーによる微粉砕工程を行わない以外は、実施例１と同様にして、変性シリカ分散液を得た。
【００６７】
得られた変性シリカ分散液の物性を表１に示す。
【００６８】
比較例２
比表面積が２００ｍ2／ｇの乾式シリカ（トクヤマ製、レオロシールＱＳ−１０２）４００ｇ、平均分子量が１００００のポリジアリルジメチルアンモニウムクロライド水溶液（濃度５０重量％）４０ｇ、及びイオン交換水１５６０ｇを混合し、ホモジナイザー（イカ製、ウルトラタラックスＴ−５０）を用いて強攪拌し、シリカ粒子をカチオン性樹脂でカチオン化した後に、実施例１と同様の微粉砕工程に供し、カチオン性樹脂でカチオン化されたシリカ分散液を得た。
【００６９】
得られたカチオン性樹脂でカチオン化されたシリカ分散液の物性を表１に示す。
【００７０】
比較例３
比表面積が２００ｍ2／ｇの乾式シリカ（トクヤマ製、レオロシールＱＳ−１０２）６００ｇ、平均分子量が１００００のポリジアリルジメチルアンモニウムクロライド水溶液（濃度５０重量％）６０ｇ、及びイオン交換水１３４０ｇを混合する以外は、比較例２と同様にして、カチオン性樹脂でカチオン化されたシリカ分散液を得た。
【００７１】
この分散液は、増粘が著しく、ゲル状であった。
【００７２】
得られたカチオン性樹脂でカチオン化されたシリカ分散液の物性を表１に示す。
【００７３】
比較例４
比表面積が２００ｍ2／ｇの乾式シリカ（トクヤマ製、レオロシールＱＳ−１０２）１００重量部を容器に入れ、窒素雰囲気下で攪拌しながら３−アミノプロピルトリエトキシシラン７重量部を滴下した。攪拌を継続しながら、１２０℃で１時間反応させ、乾式法で表面処理されたシリカ粉末を得た（表面処理工程）。
【００７４】
０．２１重量％の希塩酸８０重量部に、上記表面処理されたシリカ粉末２０重量部を添加し、ホモジナイザー（イカ製、ウルトラタラックスＴ−５０）を用いて強攪拌してシリカ濃度が２０重量％のシリカ分散液を得た（分散工程）。
【００７５】
該表面処理されたシリカ分散液を、高圧ホモジナイザー（ナノマイザー製、ナノマイザー、ＬＡ−３１）を用いて処理圧力８０ＭＰａでオリフィスを１回通過させ（微粉砕工程）、変性シリカ分散液を得た。
【００７６】
この変性分散液におけるシリカ粒子の平均粒子径は、８．０μｍであり、該分散液からなるコーティング層は透明性、光沢度が不充分であった。なお、該分散液中のシリカの平均粒子径を１μｍ以下とするためには、高圧ホモジナイザーによる処理を４回繰り返して行う必要があった。
【００７７】
得られた変性シリカ分散液の物性を表１に示す。
【００７８】
【表１】
表１から、本発明の変性シリカ分散液（実施例１〜５）はシリカが高濃度であっても粘度が低く、該変性シリカ分散液を用いることによって、透明性が高く、平滑なコーティング層を形成できることが理解される。
【００８０】
実施例１及び３と比較例１及び４との比較より、平均粒子径が１μｍ以下である本発明の変性シリカ分散液は、該変性シリカ分散液を用いて形成したコーティング層の透明性及び光沢度がきわめて良好であることが分かる。
【００８１】
また、実施例１と比較例２、及び実施例５と比較例３の比較より、アミノ基含有シランカップリング剤で表面処理された変性シリカ分散液は、シリカ濃度が高い場合においてもカチオン性樹脂を用いた変性シリカ分散液に比較して粘度が低く、ハンドリングが容易であることが分かる。
【００８２】
さらに、実施例１及び４と比較例４との比較より、本発明の変性シリカ分散液を製造する方法を、表面処理工程を極性溶媒中で行う製造方法とすることにより、高圧ホモジナイザーによる微粉砕を１回行っただけで、シリカ粒子の平均粒子径が１μｍ以下の本発明の変性シリカ分散液を効率よく製造できることが理解される。
【００８３】
【発明の効果】
以上の説明から理解されるように、本発明の変性シリカ分散液は従来のものと比較して、透明性が高く、平滑なコーティング層を形成することが可能であり、しかもシリカ濃度が高い場合においても分散液自体の粘度が低いためハンドリングが容易である。
【００８４】
このようなシリカ分散液は、特にインクジェット記録紙用の塗工液、金属表面処理用のコーティング剤に好適に使用することができる。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a novel modified silica dispersion useful as a raw material for various coating agents such as coating liquid for ink jet recording paper and metal surface treatment agent. Specifically, the present invention provides a modified silica dispersion liquid that can form a smooth coating layer with high transparency and that has a low viscosity of the dispersion liquid itself.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, silica dispersions are used as various coating agents for imparting liquid absorbency, corrosion resistance, glossiness, gas barrier properties, hydrophilicity, etc. to the surface of paper, film, metal, resin, glass and the like.
[0003]
Since silica particles in silica dispersion are inherently poor in dispersion stability, various modified silica dispersions with improved dispersion stability by cationizing the silica surface with amino group-containing silane coupling agents and cationic resins are proposed. Has been.
[0004]
In particular, in the field of inkjet recording paper, the modified silica dispersion is preferably used because an anionic dye contained in the inkjet recording ink can be firmly fixed.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
When forming the various coating layers described above, the transparency and smoothness of the coating layer are often required. For example, in the application of ink jet recording paper, an ink absorbing layer is used to exhibit a high print density. It must be transparent and smooth.
[0006]
In order to obtain such a transparent and smooth coating layer, it is important to reduce the particle diameter of silica in the dispersion.
[0007]
Therefore, as described in JP 2000-239536 A, a cationic resin-modified silica dispersion containing silica containing fine particles of silica cationized with a cationic resin and having an average particle diameter of less than 200 nm is obtained. Proposed.
[0008]
However, when the silica particles are cationized using a cationic resin, the silica dispersion tends to thicken, and in particular, when the silica concentration in the dispersion is high, such thickening may become significant. there were.
[0009]
On the other hand, JP-A-2001-97710 discloses a low-viscosity silica dispersion cationized with an amino group-containing silane coupling agent, but the silica particles in the dispersion are not finely pulverized. In addition, the transparency was not sufficient.
[0010]
That is, there has been no modified silica dispersion that can provide a coating layer excellent in quality such as transparency and that is easy to handle even when the silica concentration is high and the viscosity of the dispersion itself is low.
[0011]
As a result of experiments by the present inventors, it has been found that it is difficult to finely disperse silica particles in the dispersion described in JP-A-2001-97710.
[0012]
Therefore, an object of the present invention is to provide a modified silica dispersion having a high transparency and a smooth coating layer, and having a low viscosity of the dispersion itself even when the silica concentration is high, and a method for producing the same. It is to provide.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have made a modified silica dispersion composed of dry silica having a BET specific surface area of 50 to 400 m 2 / g surface-treated with an amino group-containing silane coupling agent. In the liquid, by making the volume-based arithmetic average particle diameter of 1 μm or less determined by a light scattering diffraction type particle size distribution measuring device of the silica particles of the silica particles in the dispersion and performing the surface treatment in a polar solvent, It has been found that a modified silica dispersion having high transparency and low viscosity can be easily obtained.
[0014]
That is, the present invention is a dispersion in which dry silica having a BET specific surface area of 50 to 400 m 2 / g is dispersed in a polar solvent, and the silica particles in the dispersion are amino group-containing silane coupling agents. The present invention relates to a modified silica dispersion having a surface treatment and a volume-based arithmetic average particle diameter determined by a light scattering diffraction type particle size distribution measuring apparatus for silica particles of 1 μm or less and a method for producing the same. is there.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Silica used in the present invention is a dry-type silica.
[0016]
The use of a dry-type silica is preferable because it can of improving the characteristics such as transparency of varying silica dispersion especially obtained.
[0017]
The dry silica used in the present invention is obtained by burning a silane-based gas such as silicon tetrachloride in an oxyhydrogen flame, and is also called fumed silica.
[0018]
Wherein the drying type silica is intended BET specific surface area is in the range of 50-4 00m 2 / g, specific surface area in view of transparency co computing layer 50 m 2 / g or more, low viscosity modified silica dispersion Ru der 400 meters 2 / g or less in order to obtain a liquid. A particularly preferable range of the specific surface area is 100 to 300 m 2 / g.
[0019]
In the present invention, the concentration of silica in the modified silica dispersion is preferably 10 to 40% by weight, more preferably 15 to 30% by weight.
[0020]
By setting the concentration of silica in the modified silica dispersion to 10% by weight or more, the cost for storage and transportation of the dispersion can be reduced, and by making it 40% by weight or less, the viscosity of the modified silica dispersion can be reduced. The rise can be suppressed.
[0021]
In the present invention, the silica particles are surface-treated with an amino group-containing silane coupling agent so that the viscosity of the dispersion is low even when the silica concentration of the modified silica dispersion is high. The amino group-containing silane coupling agent used in the present invention is not particularly limited, and a conventionally known surface treatment agent can be used.
[0022]
Specifically, N-2 (aminoethyl) 3-aminopropylmethyldimethoxysilane, N-2 (aminoethyl) 3-aminopropyltrimethoxysilane, N-2 (aminoethyl) 3-aminopropyltriethoxy Silane, 3-aminopropyltrimethoxysilane, 3-aminopropyltriethoxysilane, 3-triethoxysilyl-N- (1,3-dimethyl-butylidene) propylamine, N-phenyl-3-aminopropyltrimethoxysilane and N- (vinylbenzyl) -2-aminoethyl-3-aminopropyltrimethoxysilane hydrochloride and the like.
[0023]
Among the amino group-containing silane coupling agents exemplified above, considering the price and ease of handling, 3-aminopropyltrialkoxysilanes such as 3-aminopropyltrimethoxysilane and 3-aminopropyltriethoxysilane are Most preferred.
[0024]
The amount of amino groups introduced to the surface of the silica particles by the amino group-containing silane coupling agent is not particularly limited, but the silica particles are sufficiently cationized to form a modified silica dispersion having a low viscosity even when the silica concentration is high. In order to obtain the desired effects such as dispersion stability of silica particles in the dispersion and ink fixability when used for inkjet recording paper, the amount of amino groups introduced by the amino group-containing silane coupling agent is It is preferable to set it as 0.4 micromol / m < 2 > or more with respect to the surface area of a silica particle. In addition, since amino group-containing silane coupling agents are generally expensive, in order to provide a modified silica dispersion at low cost, the amount of amino groups introduced by the amino group-containing silane coupling agent is set to the surface area of the silica particles. And preferably 5 μmol / m 2 or less. Furthermore, it is especially preferable that it is 0.4-2 micromol / m < 2 >. The introduction amount of the amino group may exceed 5 μmol / m 2 , but no significant increase in effect is seen for the cost.
[0025]
As the polar solvent used in the present invention, a polar solvent in which silica is easily dispersed is used without particular limitation. Of these, water is most preferable. Of course, in addition to water, polar solvents such as alcohols such as methanol, ethanol and isopropyl alcohol, ethers and ketones can be used. Moreover, the mixed solvent of water and the said polar solvent can also be used.
[0026]
In the present invention, in order to further improve the physical properties such as the stability of the modified silica dispersion, additives such as a cationic resin and a surfactant may be added within a range not impairing the effects of the present invention. .
[0027]
In the modified silica dispersion of the present invention, in order to obtain a highly transparent and smooth coating layer, it is essential that the average particle diameter of the silica particles in the dispersion is 1 μm or less, preferably 0. It is 5 μm or less, particularly preferably 0.2 μm or less.
[0028]
Further, the lower limit value of the average particle diameter is not particularly limited, but is preferably 0.01 μm or more, particularly preferably 0.05 μm or more in consideration of the cost for fine pulverization and the ink absorbency when used for inkjet recording paper. Is desirable.
[0029]
In addition, the average particle diameter in this invention is a volume reference | standard arithmetic average diameter calculated | required with the light-scattering diffraction type particle size distribution measuring apparatus.
[0030]
The modified silica dispersion of the present invention has a dispersion step in which silica particles are dispersed in a polar solvent, a surface treatment step in which silica is surface-treated with an amino group-containing silane coupling agent, and an average particle size of the silica particles in the dispersion. It can be produced by a production method comprising a fine pulverization step of 1 μm or less. As will be described later, the dispersing step and the surface treatment step may be performed simultaneously.
[0031]
In the dispersion step, silica particles are dispersed in a polar solvent. The disperser used in that case is not particularly limited, and a high-speed rotational shear such as a general stirrer having propeller blades, turbine blades, paddle blades, high-speed centrifugal radial stirrer such as disper mixer, homogenizer, homomixer, ultra mixer, etc. Dispersers such as a mold stirrer, colloid mill, planetary mixer, and suction disperser can be used as appropriate.
[0032]
Among the dispersers exemplified above, it is preferable to use a disperser having a strong shearing force because the burden on the subsequent pulverization step can be reduced. As a disperser having a strong shearing force, a high-speed shearing stirrer, a composite disperser in which a propeller blade and a paddle blade are further combined with a high-speed shearing stirrer, a planetary mixer and a high-speed rotating centrifugal radial stirrer, or Examples thereof include a composite disperser combined with a high-speed rotary shear type stirrer.
[0033]
The surface treatment step can be employed without any particular limitation as long as it is a method capable of uniformly introducing amino groups onto the silica surface. Specifically, the silica powder is put in a container, an amino group-containing silane coupling agent is introduced while heating and stirring, and a surface treatment is performed, or silica and an amino group-containing silane coupling agent in a polar solvent The wet method etc. which mix and surface-treat are mentioned.
[0034]
Among the above surface treatment methods, a modified silica dispersion containing silica particles having an average particle diameter of 1 μm or less is a wet method in which silica and an amino group-containing silane coupling agent are contacted / reacted in a polar solvent for surface treatment. Is particularly preferable because it can be easily obtained.
[0035]
The pulverizer used for the fine pulverization step in which the silica particles dispersed in the polar solvent are 1 μm or less is not particularly limited, and a wet pulverizer such as a high-pressure homogenizer, a bead mill, a sand mill, an ultrasonic homogenizer, or the like is appropriately used. be able to.
[0036]
Among the wet pulverizers exemplified above, the high-pressure homogenizer is suitable because it can efficiently obtain a modified silica dispersion having an average particle size of 1 μm or less and with good reproducibility. Examples of the fine pulverization method using a high-pressure homogenizer include a method in which a silica dispersion is caused to collide with each other at a treatment pressure of 30 MPa or more, or a method in which the differential pressure between the inlet side and the outlet side of the orifice is 30 MPa or more.
[0037]
As described above, in order to produce the modified silica dispersion of the present invention, it is preferable to use a surface treatment step by a wet method in which the surface treatment is performed in a polar solvent. By performing the surface treatment step by a wet method, a modified silica dispersion containing silica particles having an average particle diameter of 1 μm or less can be easily obtained. As a manufacturing method for performing surface treatment by such a wet method, silica in a powder form is dispersed in a polar solvent, and the silica is surface-treated in the polar solvent by mixing the dispersion and an amino group-containing silane coupling agent. Thereafter, the silica particles in the dispersion liquid are finely pulverized without drying, and the average particle size is adjusted to 1 μm or less, a solution in which an amino group-containing silane coupling agent is dissolved in a polar solvent, A method of mixing silica with a surface treatment in a polar solvent and dispersing the silica particles, and then finely pulverizing the silica particles in the dispersion without drying to make the average particle size 1 μm or less, Alternatively, powdered silica is dispersed in a polar solvent, and the silica particles in the dispersion are finely pulverized to have an average particle size of 1 μm or less, and then include the finely pulverized silica particles without drying. How to surface treatment of the dispersion liquid and the amino group-containing silane coupling agent were mixed with the silica in a polar solvent can be employed.
[0038]
In the present invention, the pH of the modified silica dispersion is not particularly limited, but it is preferable to adjust the pH to 2 or more in consideration of safety and the burden on equipment, and to 6 or less in consideration of the stability of the dispersion. . A particularly preferred pH range is 2.5-5.
[0039]
However, many of the amino group-containing silane coupling agents are basic, and the modified silica dispersion treated with the silane coupling agent often exhibits a pH higher than the above pH range. It is desirable to adjust the pH of the dispersion within the above range.
[0040]
Such a pH adjuster is not particularly limited, but mineral acids such as hydrochloric acid, sulfuric acid and nitric acid can be preferably used.
[0041]
In addition, the method for adjusting the pH with the pH adjuster is not particularly limited, but a liquid mixture in which an amino group-containing silane coupling agent, a pH adjuster, and a polar solvent are mixed in advance is prepared for the surface treatment. When the mixture is mixed with the silica dispersion and subjected to surface treatment and the pH is adjusted at the same time, the dispersion can be stably produced without causing gelation or agglomeration.
[0042]
【Example】
In the following, examples and comparative examples are shown to specifically describe the present invention, but the present invention is not limited to these examples.
[0043]
The measurement method and evaluation method of the physical properties relating to the modified silica dispersion are as follows.
[0044]
(1) Quantitative determination of amino groups introduced on the silica surface in the modified silica dispersion The modified silica dispersion was centrifuged for 2 hours at 16500 rpm with a centrifuge (Model 3630, manufactured by Sigma). The precipitate after centrifugation was collected and dried to obtain silica powder. The amount of nitrogen (N) contained in the silica powder was measured using a trace nitrogen analyzer (manufactured by Mitsubishi Kasei Kogyo Co., Ltd., TN-10), and the amount of amino groups introduced on the silica surface was determined by the following equation.
[0045]
A = N / (14 × S)
However, A represents the amount of amino groups introduced into the silica surface (μmol / m 2 ), N represents the amount of nitrogen (ppm) contained in the silica, and S represents the specific surface area of the silica according to the BET method (m 2 / m g).
[0046]
(2) Measurement of particle size distribution and average particle size Using a light scattering diffraction type particle size distribution measuring device (manufactured by Coulter, Coulter LS-230), refractive index of silica 1.458, refraction of water used as a dispersion medium The particle size distribution was measured under the condition of a rate of 1.332. The volume-based arithmetic average diameter was calculated from the obtained particle size distribution, and the volume-based arithmetic average diameter was defined as the average particle diameter.
[0047]
(3) Measurement of Viscosity of Modified Silica Dispersion 300 mL of the modified silica dispersion was collected in a 300 mL tall beaker, and the viscosity of the modified silica dispersion was measured using a B-type viscometer (manufactured by Tokimec, BL). The rotation speed of the rotor was 60 rpm, and the measurement temperature was 25 ° C.
[0048]
(4) Measurement of pH of modified silica dispersion The pH of the modified silica dispersion at 25 ° C was measured using a pH meter (H-12, F-12).
[0049]
(5) Evaluation of Coating Layer Using Modified Silica Dispersion A modified silica dispersion and a 10% by weight aqueous solution of polyvinyl alcohol (manufactured by Kuraray Co., PVA117), 50 parts by weight of polyvinyl alcohol with respect to 100 parts by weight of silica, It mixed so that the coating liquid might be obtained.
[0050]
The coating solution was applied to the surface of a transparent PET film (manufactured by Teijin DuPont Films, 535-100 microns) previously hydrophilized using a bar coater and dried to obtain a coating layer.
[0051]
Evaluation of this coating layer was performed by observing transparency and glossiness visually.
[0052]
A: Both transparency and gloss are very good.
○: Both transparency and glossiness are good.
(Triangle | delta): Transparency and glossiness are inferior.
X: The coating layer is rough and has no transparency.
[0053]
Example 1
21 parts by weight of 3-aminopropyltriethoxysilane and 79 parts by weight of 4.4% by weight hydrochloric acid were mixed to obtain a solution containing an amino group-containing silane coupling agent and a pH adjuster. Hereinafter, this solution is referred to as A solution.
[0054]
Next, dry silica having a specific surface area of 200 m 2 / g (manufactured by Tokuyama, Leolosil QS-102) and ion-exchanged water are mixed, and vigorously stirred using a homogenizer (manufactured by Squid, Ultra Tarrax T-50). 2000 g of a silica dispersion having a silica concentration of 21% by weight was obtained (dispersing step). Hereinafter, this dispersion is referred to as B liquid.
[0055]
While strongly stirring the liquid B as it is, 140 g of the liquid A was dropped, and the silica particles were surface-treated by a wet method (surface treatment step).
[0056]
The total amount of the surface-treated silica dispersion was passed through the orifice once at a treatment pressure of 80 MPa using a high-pressure homogenizer (manufactured by Nanomizer, Nanomizer, LA-31) (a fine pulverization step), and the modified silica dispersion of the present invention Got.
[0057]
Table 1 shows the physical properties of the resulting modified silica dispersion.
[0058]
Example 2
A modified silica dispersion of the present invention was obtained in the same manner as in Example 1 except that dry silica (manufactured by Tokuyama, Leoroseal QS-30) having a specific surface area of 300 m 2 / g was used as the silica.
[0059]
Table 1 shows the physical properties of the resulting modified silica dispersion.
[0060]
Example 3
A modified silica dispersion of the present invention was obtained in the same manner as in Example 1 except that the amount of liquid A added was 80 g.
[0061]
Table 1 shows the physical properties of the resulting modified silica dispersion.
[0062]
Example 4
In Example 1, the modified silica dispersion of the present invention was obtained in the same manner as in Example 1, except that the liquid B was subjected to a fine pulverization step using a high-pressure homogenizer, and then the liquid A was added to perform surface treatment. That is, in this example, a modified silica dispersion was produced in the order of a dispersion process, a fine grinding process, and a surface treatment process.
[0063]
Table 1 shows the physical properties of the resulting modified silica dispersion.
[0064]
Example 5
The composition of the liquid A was 32 parts by weight of 3-aminopropyltriethoxysilane, 68 parts by weight of 7.8% hydrochloric acid, and the silica concentration in the liquid B was 32% by weight. A modified silica dispersion of the present invention was obtained.
[0065]
Table 1 shows the physical properties of the resulting modified silica dispersion.
[0066]
Comparative Example 1
A modified silica dispersion was obtained in the same manner as in Example 1 except that the pulverization step using a high-pressure homogenizer was not performed.
[0067]
Table 1 shows the physical properties of the resulting modified silica dispersion.
[0068]
Comparative Example 2
400 g of dry silica having a specific surface area of 200 m 2 / g (manufactured by Tokuyama, Leolosil QS-102), 40 g of polydiallyldimethylammonium chloride aqueous solution (concentration 50% by weight) having an average molecular weight of 10,000, and 1560 g of ion-exchanged water are mixed together, and homogenizer After vigorously stirring using squid (Ultra Turrax T-50), the silica particles were cationized with a cationic resin, and then subjected to the same pulverization step as in Example 1 and cationized with a cationic resin. A silica dispersion was obtained.
[0069]
Table 1 shows the physical properties of the silica dispersion cationized with the obtained cationic resin.
[0070]
Comparative Example 3
Except for mixing 600 g of dry silica having a specific surface area of 200 m 2 / g (manufactured by Tokuyama, Leolosil QS-102), 60 g of polydiallyldimethylammonium chloride aqueous solution (concentration 50% by weight) having an average molecular weight of 10,000, and 1340 g of ion-exchanged water. In the same manner as in Comparative Example 2, a silica dispersion cationized with a cationic resin was obtained.
[0071]
This dispersion was remarkably thickened and gelled.
[0072]
Table 1 shows the physical properties of the silica dispersion cationized with the obtained cationic resin.
[0073]
Comparative Example 4
100 parts by weight of dry silica having a specific surface area of 200 m 2 / g (manufactured by Tokuyama, Leolosil QS-102) was placed in a container, and 7 parts by weight of 3-aminopropyltriethoxysilane was added dropwise with stirring in a nitrogen atmosphere. While continuing stirring, the reaction was performed at 120 ° C. for 1 hour to obtain silica powder surface-treated by a dry method (surface treatment step).
[0074]
20 parts by weight of the above-mentioned surface-treated silica powder is added to 80 parts by weight of dilute hydrochloric acid of 0.21% by weight, and the silica concentration is 20% by vigorously stirring using a homogenizer (Ultra Turrax T-50 manufactured by Squid). % Silica dispersion was obtained (dispersing step).
[0075]
The surface-treated silica dispersion was passed through the orifice once at a treatment pressure of 80 MPa using a high pressure homogenizer (Nanomizer, Nanomizer, LA-31) to obtain a modified silica dispersion.
[0076]
The average particle diameter of the silica particles in this modified dispersion was 8.0 μm, and the coating layer made of the dispersion was insufficient in transparency and gloss. In order to make the average particle size of silica in the dispersion liquid 1 μm or less, it was necessary to repeat the treatment with a high-pressure homogenizer four times.
[0077]
Table 1 shows the physical properties of the resulting modified silica dispersion.
[0078]
[Table 1]
From Table 1, the modified silica dispersions of the present invention (Examples 1 to 5) have a low viscosity even when the silica is at a high concentration. By using the modified silica dispersion, a highly transparent and smooth coating layer is obtained. It is understood that can be formed.
[0080]
From the comparison between Examples 1 and 3 and Comparative Examples 1 and 4, the modified silica dispersion of the present invention having an average particle diameter of 1 μm or less is the transparency and gloss of the coating layer formed using the modified silica dispersion. It can be seen that the degree is very good.
[0081]
Further, from the comparison between Example 1 and Comparative Example 2, and Example 5 and Comparative Example 3, the modified silica dispersion surface-treated with the amino group-containing silane coupling agent was found to be a cationic resin even when the silica concentration was high. It can be seen that the viscosity is lower than that of the modified silica dispersion using, and handling is easy.
[0082]
Furthermore, from the comparison between Examples 1 and 4 and Comparative Example 4, the method for producing the modified silica dispersion of the present invention is a production method in which the surface treatment step is performed in a polar solvent, whereby fine pulverization with a high-pressure homogenizer is performed. It is understood that the modified silica dispersion of the present invention having an average particle diameter of silica particles of 1 μm or less can be produced efficiently only by performing once.
[0083]
【The invention's effect】
As can be understood from the above explanation, the modified silica dispersion of the present invention has a higher transparency and can form a smooth coating layer than the conventional one, and the silica concentration is high. However, since the viscosity of the dispersion itself is low, handling is easy.
[0084]
Such a silica dispersion can be suitably used particularly for a coating liquid for ink jet recording paper and a coating agent for metal surface treatment.
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