JP4488191B2 - Method for producing spherical silica-based mesoporous material - Google Patents

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Description

本発明は、ケイ素原子及び酸素原子を主成分として骨格が形成されているシリカ系材料からなる球状シリカ系メソ多孔体の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a spherical silica mesoporous material made of a silica-based material having a skeleton formed mainly of silicon atoms and oxygen atoms.

近年、様々な物質を吸着、貯蔵等するための材料として、孔径1〜50nm程度のメソサイズの細孔(メソ孔)が非常に規則的に配列したシリカ系メソ多孔体が注目されており、このようなシリカ系メソ多孔体の合成および機能開発の研究が積極的に行われてきた。   In recent years, silica-based mesoporous materials in which meso-sized pores (mesopores) having a pore diameter of about 1 to 50 nm are regularly arranged have attracted attention as materials for adsorbing and storing various substances. Research on the synthesis and functional development of such silica-based mesoporous materials has been actively conducted.

例えば、Grunらは、アルキルアミンとテトラエトキシシランから球状多孔体を製造する方法を報告している(M.Grun et al., Stud.Surf.Sci.Catal., 128, 155(2000)(非特許文献1))。また、特開平10−328558号公報(特許文献1)には、アルキルトリメチルアンモニウム塩等の界面活性剤を含む水溶液中で、アルコキシシランを酸性条件下で反応させることにより球状の多孔体が得られることが開示されている。更に、特開2002−29733号公報(特許文献2)には、特定構造のアルキルアンモニウムハライドを界面活性剤として用い、この界面活性剤とシリカ原料を特定の濃度となるように水に溶解させ、塩基性条件下で反応させる方法により、球状多孔体の含有比率および球状多孔体の粒径の均一性を向上させることが可能であると記載されている。   For example, Grun et al. Have reported a method for producing spherical porous bodies from alkylamine and tetraethoxysilane (M. Grun et al., Stud. Surf. Sci. Catal., 128, 155 (2000) (non- Patent Document 1)). In JP-A-10-328558 (Patent Document 1), a spherical porous body is obtained by reacting alkoxysilane under an acidic condition in an aqueous solution containing a surfactant such as an alkyltrimethylammonium salt. It is disclosed. Furthermore, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-29733 (Patent Document 2), an alkyl ammonium halide having a specific structure is used as a surfactant, and the surfactant and the silica raw material are dissolved in water so as to have a specific concentration. It is described that it is possible to improve the content ratio of the spherical porous body and the uniformity of the particle diameter of the spherical porous body by the method of reacting under basic conditions.

また、本発明の発明者である矢野及び福嶋は、界面活性剤として長鎖アルキル基を有するアルキルトリメチルアンモニウムクロライドを用いかつ反応溶媒として水とメタノールとの混合溶媒を用いて粒径均一性の高い球状シリカ系メソ多孔体を製造する方法を報告している(K.Yano and Y.Fukushima, J.Mater.Chem., 14, 1579-1584(April,2004)(非特許文献2))。   Inventors of the present invention, Yano and Fukushima, have high particle size uniformity using alkyltrimethylammonium chloride having a long-chain alkyl group as a surfactant and a mixed solvent of water and methanol as a reaction solvent. A method for producing a spherical silica-based mesoporous material has been reported (K. Yano and Y. Fukushima, J. Mater. Chem., 14, 1579-1584 (April, 2004) (non-patent document 2)).

しかしながら、上記従来の方法ではいずれも1種類の単分散粒子しか得ることができなかった。そのため、粒径が異なる2種類の球状シリカ系メソ多孔体を混合してパッキング性を向上させようとした場合、それぞれの粒径を有する球状シリカ系メソ多孔体を別々に合成した後にそれらを均一に混合する必要があり、手間がかかると共に、その際に粒子同士が凝集して再分散させることができなくなるといった問題があった。
特開平10−328558号公報 特開2002−29733号公報 M.Grun et al., Stud.Surf.Sci.Catal., 128, 155(2000) K.Yano and Y.Fukushima, J.Mater.Chem., 14, 1579-1584(April,2004)
However, in any of the above conventional methods, only one type of monodisperse particles can be obtained. Therefore, when two types of spherical silica-based mesoporous materials having different particle diameters are mixed to improve the packing property, the spherical silica-based mesoporous materials having the respective particle diameters are synthesized separately and then uniform. In this case, there is a problem that the particles are aggregated and cannot be redispersed.
JP-A-10-328558 JP 2002-29733 A M. Grun et al., Stud. Surf. Sci. Catal., 128, 155 (2000) K. Yano and Y. Fukushima, J. Mater. Chem., 14, 1579-1584 (April, 2004)

本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、粒径が異なる複数種類の球状シリカ系メソ多孔体を同時に製造することが可能な方法を提供することを目的とする。   This invention is made | formed in view of the subject which the said prior art has, and aims at providing the method which can manufacture simultaneously several types of spherical silica type mesoporous bodies from which a particle size differs.

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、反応開始から反応終了までの間の特定の添加時期にシリカ原料、水溶性ポリマー溶液又は誘電率33以上の極性溶媒のうちのいずれかを添加することにより上記目的が達成可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the inventors of the present invention have selected a silica raw material, a water-soluble polymer solution, or a polar solvent having a dielectric constant of 33 or more at a specific addition time from the start of the reaction to the end of the reaction. It was found that the above-described object can be achieved by adding any of the above, and the present invention has been completed.

すなわち、本発明は、
溶媒中でシリカ原料と界面活性剤とを混合し、前記シリカ原料中に前記界面活性剤が導入されてなる多孔体前駆体粒子を得る第1の工程と、
前記多孔体前駆体粒子に含まれる前記界面活性剤を除去して球状シリカ系メソ多孔体を得る第2の工程と、
を含む球状シリカ系メソ多孔体の製造方法であって、前記界面活性剤として炭素数8〜26の長鎖アルキル基を有する4級アンモニウム塩を用い、下記式(1):
<t<T (1)
[式(1)中、Tは析出開始時間、Tは反応終了時間、tは添加時期を示す。]
で表される条件を満たす添加時期tにシリカ原料、水溶性ポリマー溶液及び誘電率33以上の極性溶媒からなる群から選択されるいずれかの追加成分を添加することを特徴とする、粒径が異なる複数種類の球状シリカ系メソ多孔体の製造方法にある。
That is, the present invention
A first step of mixing a silica raw material and a surfactant in a solvent to obtain porous precursor particles obtained by introducing the surfactant into the silica raw material;
A second step of obtaining a spherical silica-based mesoporous material by removing the surfactant contained in the porous material precursor particles;
In which a quaternary ammonium salt having a long-chain alkyl group having 8 to 26 carbon atoms is used as the surfactant, the following formula (1):
T 1 <t <T 2 (1)
[In formula (1), T 1 represents the deposition start time, T 2 represents the reaction end time, and t represents the addition time. ]
In the addition time t satisfying the condition represented by the formula, any additional component selected from the group consisting of a silica raw material, a water-soluble polymer solution and a polar solvent having a dielectric constant of 33 or more is added. It exists in the manufacturing method of different types of spherical silica type mesoporous materials.

本発明の球状シリカ系メソ多孔体の製造方法において前記添加時期tに添加される前記シリカ原料としては、モノアルコキシシラン、ジアルコキシシラン及びトリアルコキシシランからなる群から選択される少なくとも一つが好ましい。また、前記添加時期tに添加される前記水溶性ポリマー溶液としては、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリアクリルアミド、ポリアクリルアミン、ポリビニルピロリドン、イソプレンスルホン酸、ポリアルギン酸、ヒドロキシエチルセルロース、タンパク質類、多糖類及びDNAからなる群から選択される少なくとも一つの水溶液が好ましい。更に、前記添加時期tに添加される前記極性溶媒としては、水、グリセリン、エチレングリコール及びアセトニトリルからなる群から選択される少なくとも一つが好ましい。   In the method for producing a spherical silica mesoporous material of the present invention, the silica raw material added at the addition time t is preferably at least one selected from the group consisting of monoalkoxysilane, dialkoxysilane and trialkoxysilane. Examples of the water-soluble polymer solution added at the addition time t include polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, polyacrylamide, polyacrylamine, polyvinylpyrrolidone, isoprene sulfonic acid, polyalginic acid, hydroxyethyl cellulose, and proteins. At least one aqueous solution selected from the group consisting of polysaccharides and DNA is preferred. Further, the polar solvent added at the addition time t is preferably at least one selected from the group consisting of water, glycerin, ethylene glycol and acetonitrile.

また、本発明の球状シリカ系メソ多孔体の製造方法において前記添加時期tに添加される前記シリカ原料の添加量は、初期のシリカ原料100重量部に対して10〜300重量部であることが好ましい。また、前記添加時期tに添加される前記水溶性ポリマー溶液の添加量は、固形分換算で、初期のシリカ原料100重量部に対して1〜500重量部であることが好ましい。更に、前記添加時期tに添加される前記極性溶媒の添加量は、初期のシリカ原料100重量部に対して50〜1000重量部であることが好ましい。   In the method for producing a spherical silica-based mesoporous material of the present invention, the addition amount of the silica raw material added at the addition time t is 10 to 300 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the initial silica raw material. preferable. Moreover, it is preferable that the addition amount of the said water-soluble polymer solution added at the said addition time t is 1-500 weight part with respect to 100 weight part of initial silica raw materials in conversion of solid content. Furthermore, it is preferable that the addition amount of the polar solvent added at the addition time t is 50 to 1000 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the initial silica raw material.

更に、本発明の球状シリカ系メソ多孔体の製造方法においては、前記溶媒中における前記界面活性剤の初期濃度を0.005〜0.02mol/Lとし、前記シリカ原料の初期濃度をSi濃度換算で0.005〜0.05mol/Lとすることが好ましい。また、前記シリカ原料と前記界面活性剤とを混合するための初期の溶媒として、アルコール含有量が80容量%以下である水とアルコールとの混合溶媒を用いることが好ましい。   Furthermore, in the method for producing a spherical silica mesoporous material of the present invention, the initial concentration of the surfactant in the solvent is 0.005 to 0.02 mol / L, and the initial concentration of the silica raw material is converted to Si concentration. And 0.005 to 0.05 mol / L. Moreover, it is preferable to use the mixed solvent of water and alcohol whose alcohol content is 80 volume% or less as an initial solvent for mixing the said silica raw material and the said surfactant.

なお、本発明において反応開始から反応終了までの間の特定の添加時期にシリカ原料、水溶性ポリマー溶液又は誘電率33以上の極性溶媒のうちのいずれかを添加することによって粒径が異なる複数種類の球状シリカ系メソ多孔体が同時に生成するようになる理由は必ずしも定かではないが、本発明者らは以下のように推察する。すなわち、溶媒中でシリカ原料と界面活性剤とを混合すると、界面活性剤とシリカ原料とが均一に溶解している溶液から、シリカ原料の縮合が進行すると共に、シリカ原料と界面活性剤との複合体として多孔体前駆体粒子が析出してくる。このような粒子の析出に関して本発明者らが詳細な検討を行った結果、多孔体前駆体粒子は、単分散粒子生成に関して一般的に考えられるように核が同時に発生し、成長速度が同じで同時に反応が終了するという課程で生成するのではなく、順次一定の大きさの粒子が時間の経過と共に逐次生成するという特殊なプロセスによって生成されることを見出した。そこで、反応開始から反応終了までの間の特定の添加時期にシリカ原料、水溶性ポリマー溶液又は誘電率33以上の極性溶媒のうちのいずれかを添加すると、添加前と添加後に生成する粒子の大きさが異なるため、粒径が異なる複数種類の単分散球状シリカ系メソ多孔体が同時に生成するようになると本発明者らは推察する。   In the present invention, a plurality of types having different particle diameters by adding any one of a silica raw material, a water-soluble polymer solution, and a polar solvent having a dielectric constant of 33 or more at a specific addition time from the start of reaction to the end of reaction. The reason why the spherical silica-based mesoporous material is simultaneously generated is not necessarily clear, but the present inventors speculate as follows. That is, when the silica raw material and the surfactant are mixed in a solvent, condensation of the silica raw material proceeds from a solution in which the surfactant and the silica raw material are uniformly dissolved, and the silica raw material and the surfactant are mixed. As a composite, porous precursor particles are deposited. As a result of detailed investigations by the present inventors regarding the precipitation of such particles, the porous body precursor particles have nuclei generated at the same time and the growth rate is the same as generally considered for the production of monodisperse particles. It was found that the particles are not produced in the course of completing the reaction at the same time but are produced by a special process in which particles of a certain size are successively produced as time passes. Therefore, when any one of a silica raw material, a water-soluble polymer solution, or a polar solvent having a dielectric constant of 33 or more is added at a specific addition time from the start of the reaction to the end of the reaction, the size of particles generated before and after the addition is increased. Therefore, the present inventors speculate that a plurality of types of monodispersed spherical silica-based mesoporous materials having different particle sizes are generated simultaneously.

本発明によれば、粒径が異なる複数種類の球状シリカ系メソ多孔体を同時に製造することが可能となる。したがって、本発明の球状シリカ系メソ多孔体の製造方法によれば、粒径が異なる2種類の球状シリカ系メソ多孔体を混合してパッキング性を向上させる場合に、それらを別々に合成した後に均一に混合する従来の方法に比べて、得られる混合物の均一性を効率良くかつ確実に向上させることが可能となり、更に製造工程の短縮と製造コストの低減も達成されるようになる。   According to the present invention, it is possible to simultaneously produce a plurality of types of spherical silica mesoporous materials having different particle sizes. Therefore, according to the method for producing a spherical silica-based mesoporous material of the present invention, when two types of spherical silica-based mesoporous materials having different particle diameters are mixed to improve packing properties, they are synthesized separately. Compared to the conventional method of uniformly mixing, the uniformity of the resulting mixture can be improved efficiently and reliably, and the manufacturing process can be shortened and the manufacturing cost can be reduced.

以下、本発明をその好適な実施形態に即して詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to preferred embodiments thereof.

(第1の工程)
本発明の球状シリカ系メソ多孔体の製造方法においては、先ず、溶媒中でシリカ原料と界面活性剤とを混合し、前記シリカ原料中に前記界面活性剤が導入されてなる多孔体前駆体粒子を得る(第1の工程)。
(First step)
In the method for producing a spherical silica-based mesoporous material according to the present invention, first, a porous precursor particle obtained by mixing a silica raw material and a surfactant in a solvent and introducing the surfactant into the silica raw material. (First step).

本発明において用いられる初期のシリカ原料は、反応によりケイ素酸化物(ケイ素複合酸化物を含む)を形成可能なものであればよく特に制限されないが、反応効率や得られるケイ素酸化物の物性の観点から、アルコキシシラン、ケイ酸ナトリウム、層状シリケート、シリカ、またはこれらの任意の混合物を用いることが好ましく、中でもアルコキシシランを用いることがより好ましい。   The initial silica raw material used in the present invention is not particularly limited as long as it can form a silicon oxide (including a silicon composite oxide) by a reaction, but the viewpoint of the reaction efficiency and the physical properties of the obtained silicon oxide. Therefore, it is preferable to use alkoxysilane, sodium silicate, layered silicate, silica, or any mixture thereof, and it is more preferable to use alkoxysilane.

アルコキシシランとしては、アルコキシ基を4個有するテトラアルコキシシラン、アルコキシ基を3個有するトリアルコキシシラン、アルコキシ基を2個有するジアルコキシシランを用いることができる。アルコキシ基の種類は特に制限されないが、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基等のようにアルコキシ基中の炭素原子の数が比較的少ないもの(炭素数として1〜4程度のもの)が反応性の点から有利である。また、アルコキシシランが有するアルコキシ基が3または2個である場合は、アルコキシシラン中のケイ素原子には有機基、水酸基等が結合していてもよく、当該有機基はアミノ基やメルカプト基等の官能基をさらに有していてもよい。   As the alkoxysilane, tetraalkoxysilane having 4 alkoxy groups, trialkoxysilane having 3 alkoxy groups, or dialkoxysilane having 2 alkoxy groups can be used. The type of alkoxy group is not particularly limited, but those having a relatively small number of carbon atoms in the alkoxy group (such as those having about 1 to 4 carbon atoms) such as methoxy group, ethoxy group, propoxy group, butoxy group, etc. This is advantageous in terms of reactivity. Further, when the alkoxysilane has 3 or 2 alkoxy groups, an organic group, a hydroxyl group, or the like may be bonded to the silicon atom in the alkoxysilane, and the organic group is an amino group, a mercapto group, or the like. It may further have a functional group.

テトラアルコキシシランとしては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトライソプロポキシシラン、テトラブトキシシラン、ジメトキシジエトキシシラン等が挙げられ、トリアルコキシシランとしては、トリメトキシシラノール、トリエトキシシラノール、トリメトキシメチルシラン、トリメトキシビニルシラン、トリエトキシビニルシラン、3−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3−クロロプロピルトリメトキシシラン、3−(2−アミノエチル)アミノプロピルトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、γ−(メタクリロキシプロピル)トリメトキシシラン、β−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン等が挙げられる。また、ジアルコキシシランとしては、ジメトキシジメチルシラン、ジエトキシジメチルシラン、ジエトキシ−3−グリシドキシプロピルメチルシラン、ジメトキシジフェニルシラン、ジメトキシメチルフェニルシラン等が挙げられる。   Examples of tetraalkoxysilane include tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetraisopropoxysilane, tetrabutoxysilane, and dimethoxydiethoxysilane. Examples of trialkoxysilane include trimethoxysilanol, triethoxysilanol, and trimethoxymethylsilane. , Trimethoxyvinylsilane, triethoxyvinylsilane, 3-glycidoxypropyltriethoxysilane, 3-mercaptopropyltrimethoxysilane, 3-chloropropyltrimethoxysilane, 3- (2-aminoethyl) aminopropyltrimethoxysilane, phenyl Trimethoxysilane, phenyltriethoxysilane, γ- (methacryloxypropyl) trimethoxysilane, β- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane Orchids. Examples of dialkoxysilane include dimethoxydimethylsilane, diethoxydimethylsilane, diethoxy-3-glycidoxypropylmethylsilane, dimethoxydiphenylsilane, and dimethoxymethylphenylsilane.

上記アルコキシシランは、単独で用いることもできるが2種類以上を組み合わせて用いることも可能である。また、上記のアルコキシ基を2〜4個有するアルコキシシランは、アルコキシ基を1個有するモノアルコキシシランと組み合わせて使用することも可能である。このようにして用いることのできるモノアルコキシシランとしては、トリメチルメトキシシラン、トリメチルエトキシシラン、3−クロロプロピルジメチルメトキシシラン等が挙げられる。   Although the said alkoxysilane can also be used independently, it can also be used in combination of 2 or more types. Moreover, the alkoxysilane having 2 to 4 alkoxy groups described above can be used in combination with a monoalkoxysilane having one alkoxy group. Examples of the monoalkoxysilane that can be used in this way include trimethylmethoxysilane, trimethylethoxysilane, and 3-chloropropyldimethylmethoxysilane.

アルコキシシランは、加水分解によりシラノール基を生じ、生じたシラノール基同士が縮合することによりケイ素酸化物が形成される。この場合において、分子中のアルコキシ基の数が多いアルコキシシランは、加水分解および縮合で生じる結合が多くなる。したがって、本発明において、アルコキシ基の多いテトラアルコキシシランをアルコキシシランとして用いることが好ましく、テトラアルコキシシランとしては、反応速度の観点からテトラメトキシシランまたはテトラエトキシシランを用いることが特に好ましい。   Alkoxysilane generates a silanol group by hydrolysis, and the generated silanol groups are condensed to form a silicon oxide. In this case, an alkoxysilane having a large number of alkoxy groups in the molecule has many bonds generated by hydrolysis and condensation. Therefore, in the present invention, tetraalkoxysilane having a large number of alkoxy groups is preferably used as alkoxysilane, and tetramethoxysilane or tetraethoxysilane is particularly preferably used as tetraalkoxysilane from the viewpoint of reaction rate.

本発明において初期のシリカ原料として用いられるケイ酸ナトリウムとしては、メタケイ酸ナトリウム(Na2SiO3)、オルトケイ酸ナトリウム(Na4SiO4)、二ケイ酸ナトリウム(Na2Si25)、四ケイ酸ナトリウム(Na2Si49)等が挙げられる。ケイ酸ナトリウムとしては、このような単一物質の他、水ガラス(Na2O・nSiO2、n=2〜4)等のように組成が場合により異なるものを使用することもできる。 Examples of sodium silicate used as an initial silica raw material in the present invention include sodium metasilicate (Na 2 SiO 3 ), sodium orthosilicate (Na 4 SiO 4 ), sodium disilicate (Na 2 Si 2 O 5 ), four Examples thereof include sodium silicate (Na 2 Si 4 O 9 ). As the sodium silicate, in addition to such a single substance, water glass (Na 2 O · nSiO 2 , n = 2 to 4) or the like having a different composition depending on the case can be used.

層状シリケートとしては、カネマイト(NaHSi25・3H2O)、二ケイ酸ナトリウム結晶(α、β、γ、δ−Na2Si25)、マカタイト(Na2Si49・5H2O)、アイアライト(Na2Si817・xH2O)、マガディアイト(Na2Si1417・xH2O)、ケニヤイト(Na2Si2041・xH2O)等が挙げられる。また、セピオライト、モンモリロナイト、バーミキュライト、雲母、カオリナイト、スメクタイト等の粘土鉱物を酸性水溶液で処理してシリカ以外の元素を除去したものも層状シリケートとして使用可能である。 As the layered silicate, kanemite (NaHSi 2 O 5 .3H 2 O), sodium disilicate crystal (α, β, γ, δ-Na 2 Si 2 O 5 ), macatite (Na 2 Si 4 O 9 · 5H 2) O), Aia light (Na 2 Si 8 O 17 · xH 2 O), magadiite (Na 2 Si 14 O 17 · xH 2 O), kenyaite (Na 2 Si 20 O 41 · xH 2 O) , and the like . Further, a layer obtained by treating clay minerals such as sepiolite, montmorillonite, vermiculite, mica, kaolinite and smectite with an acidic aqueous solution to remove elements other than silica can be used as the layered silicate.

本発明において初期のシリカ原料として用いられるシリカとしては、Ultrasil(Ultrasil社)、Cab-O-Sil(Cabot社)、HiSil(Pittsburgh Plate Glass社)等の沈降性シリカ;コロイダルシリカ;Aerosil(Degussa-Huls社)等のフュームドシリカを挙げることができる。   Examples of silica used as an initial silica raw material in the present invention include precipitated silicas such as Ultrasil (Ultrasil), Cab-O-Sil (Cabot), HiSil (Pittsburgh Plate Glass); colloidal silica; Aerosil (Degussa- And fumed silica such as Huls).

上記の初期のシリカ原料は、単独で用いることもできるが2種類以上を組み合わせて用いることも可能である。   The above-mentioned initial silica raw materials can be used alone or in combination of two or more.

本発明において用いられる界面活性剤は、炭素数8〜26の長鎖アルキル基を有する4級アンモニウム塩であり、中でも下記一般式(2)で表されるアルキルアンモニウムハライドが好ましい。   The surfactant used in the present invention is a quaternary ammonium salt having a long-chain alkyl group having 8 to 26 carbon atoms. Among them, an alkyl ammonium halide represented by the following general formula (2) is preferable.

上記一般式(2)におけるR1、R2、R3は同一でも異なっていてもよく、それぞれ炭素数1〜3のアルキル基を示す。このようなアルキル基としてはメチル基、エチル基、プロピル基が挙げられ、これらが一分子中に混在してもよいが、界面活性剤分子の対称性の観点からR1、R2、R3は全て同一であることが好ましい。界面活性剤分子の対称性が優れる場合は、界面活性剤同士の凝集(ミセルの形成等)が容易となる傾向にある。更に、R1、R2、R3のうち少なくとも1つはメチル基であることが好ましく、R1、R2、R3の全てがメチル基であることがより好ましい。 R 1 , R 2 and R 3 in the general formula (2) may be the same or different and each represents an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms. Examples of such an alkyl group include a methyl group, an ethyl group, and a propyl group, and these may be mixed in one molecule, but R 1 , R 2 , R 3 are used from the viewpoint of symmetry of the surfactant molecule. Are preferably the same. When the symmetry of the surfactant molecule is excellent, aggregation of the surfactants (formation of micelles, etc.) tends to be facilitated. Furthermore, R 1, it is preferable that at least one of R 2, R 3 is a methyl group, and more preferably all of R 1, R 2, R 3 is a methyl group.

また、一般式(2)におけるnは7〜25の整数を示し、9〜17の整数であることがより好ましい。前記nが6以下であるアルキルアンモニウムハライドでは、多孔体が得られにくくなる。他方、前記nが26以上のアルキルアンモニウムハライドでは、界面活性剤の疎水性相互作用が強すぎるため、層状の化合物が生成してしまい、球状の多孔体を得ることができなくなる。   Moreover, n in General formula (2) shows the integer of 7-25, and it is more preferable that it is an integer of 9-17. With the alkylammonium halide having n of 6 or less, it becomes difficult to obtain a porous body. On the other hand, in the case of the alkylammonium halide having n of 26 or more, the hydrophobic interaction of the surfactant is too strong, so that a layered compound is generated and a spherical porous body cannot be obtained.

更に、一般式(2)におけるXはハロゲン原子を示し、このようなハロゲン原子の種類は特に制限されないが、入手の容易さの観点からXは塩素原子または臭素原子であることが好ましい。   Furthermore, X in the general formula (2) represents a halogen atom, and the kind of such a halogen atom is not particularly limited, but X is preferably a chlorine atom or a bromine atom from the viewpoint of easy availability.

したがって、上記一般式(2)で表される界面活性剤としては、R1、R2、R3の全てがメチル基でありかつ炭素数8〜26の長鎖アルキル基を有するアルキルトリメチルアンモニウムハライドであることが好ましく、中でもオクチルトリメチルアンモニウムハライド、デシルトリメチルアンモニウムハライド、ドデシルトリメチルアンモニウムハライド、テトラデシルトリメチルアンモニウムハライド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムハライド、オクタデシルトリメチルアンモニウムハライド、エイコシルトリメチルアンモニウムハライド、ドコシルトリメチルアンモニウムハライドがより好ましい。 Therefore, as the surfactant represented by the general formula (2), alkyltrimethylammonium halides in which all of R 1 , R 2 and R 3 are methyl groups and have a long-chain alkyl group having 8 to 26 carbon atoms. Among them, octyltrimethylammonium halide, decyltrimethylammonium halide, dodecyltrimethylammonium halide, tetradecyltrimethylammonium halide, hexadecyltrimethylammonium halide, octadecyltrimethylammonium halide, eicosyltrimethylammonium halide, docosyltrimethylammonium halide are preferred. Is more preferable.

このような界面活性剤は、シリカ原料と共に溶媒中で複合体を形成する。複合体中のシリカ原料は反応によりケイ素酸化物へと変化するが、界面活性剤が存在している部分ではケイ素酸化物が生成しないため、界面活性剤が存在している部分に孔が形成されることになる。すなわち、界面活性剤はシリカ原料中に導入されて孔形成のためのテンプレートとして機能する。本発明において、界面活性剤は1種類もしくは2種類以上を組み合わせて用いることが可能である。   Such a surfactant forms a complex in a solvent together with the silica raw material. The silica raw material in the composite is changed to silicon oxide by the reaction, but silicon oxide is not generated in the part where the surfactant is present, so pores are formed in the part where the surfactant is present. Will be. That is, the surfactant is introduced into the silica raw material and functions as a template for pore formation. In the present invention, the surfactant can be used alone or in combination of two or more.

本発明において前記シリカ原料と前記界面活性剤とを混合するための反応溶媒として用いられる初期の溶媒は特に制限されず、水であってもよいが、水とアルコールとの混合溶媒を用いることが好ましい。このようなアルコールとしては、メタノール、エタノール、イソプロパノール、n−プロパノール、エチレングリコール、グリセリンが挙げられ、シリカ原料の溶解性の観点からメタノールまたはエタノールが好ましい。   In the present invention, the initial solvent used as a reaction solvent for mixing the silica raw material and the surfactant is not particularly limited and may be water, but a mixed solvent of water and alcohol may be used. preferable. Examples of such alcohol include methanol, ethanol, isopropanol, n-propanol, ethylene glycol, and glycerin, and methanol or ethanol is preferable from the viewpoint of solubility of the silica raw material.

また、このような水とアルコールとの混合溶媒を用いる場合、アルコールの含有量が80容量%以下の水/アルコール混合溶媒を用いることがより好ましい。このようにアルコールを含有する混合溶媒を使用することにより、より均一な球状体の発生及び成長が実現され、得られる球状シリカ系メソ多孔体の粒径が高度に均一に制御されることとなる傾向にある。アルコールの含有量が80容量%を超える場合は、粒径及び粒径分布の制御が困難となる傾向にある。   Further, when such a mixed solvent of water and alcohol is used, it is more preferable to use a water / alcohol mixed solvent having an alcohol content of 80% by volume or less. Thus, by using the mixed solvent containing alcohol, generation and growth of a more uniform spherical body is realized, and the particle diameter of the resulting spherical silica-based mesoporous body is highly uniformly controlled. There is a tendency. If the alcohol content exceeds 80% by volume, it tends to be difficult to control the particle size and particle size distribution.

また、このような水とアルコールとの混合溶媒を用いる場合、水とアルコールとの比率を変化させることにより、得られる球状シリカ系メソ多孔体の粒径を容易に制御することができる。すなわち、水の比率が高い場合は多孔体が析出し易くなるために粒径が小さくなり、逆にアルコールの比率が高い場合は大きい粒径の多孔体を得ることができる傾向にある。   When such a mixed solvent of water and alcohol is used, the particle diameter of the obtained spherical silica mesoporous material can be easily controlled by changing the ratio of water and alcohol. That is, when the ratio of water is high, the porous body is likely to precipitate, so the particle size becomes small. Conversely, when the ratio of alcohol is high, a porous body having a large particle size tends to be obtained.

本発明においては、前記シリカ原料および前記界面活性剤を前記溶媒中で混合して多孔体前駆体粒子を得る際に、上述した界面活性剤の初期濃度を溶液の全容量を基準として0.005〜0.02mol/L(より好ましくは、0.01〜0.02mol/L)とし、上述したシリカ原料の初期濃度を溶液の全容量を基準としてSi濃度換算で0.005〜0.05mol/L(より好ましくは、0.008〜0.03mol/L)とすることが好ましい。このように界面活性剤およびシリカ原料の濃度を厳密に制御することによって、より均一な球状体の発生及び成長が実現され、得られる球状シリカ系メソ多孔体の粒径が高度に均一に制御されることとなる傾向にある。界面活性剤の初期濃度が0.005mol/L未満の場合は、テンプレートとなるべき界面活性剤の量が不足するために良好な多孔体が得られなくなる傾向にあり、他方、界面活性剤の初期濃度が0.02mol/Lを超える場合は、形状が球状である多孔体を高比率で得ることができなくなる傾向にある。また、シリカ原料の初期濃度が0.005mol/L未満の場合は、形状が球状である多孔体を高比率で得ることがでなくなる傾向にあり、他方、シリカ原料の初期濃度が0.05mol/Lを超える場合は、テンプレートとなるべき界面活性剤の比率が不足するために良好な多孔体が得られなくなる傾向にある。   In the present invention, when the porous material precursor particles are obtained by mixing the silica raw material and the surfactant in the solvent, the initial concentration of the surfactant described above is 0.005 based on the total volume of the solution. To 0.02 mol / L (more preferably 0.01 to 0.02 mol / L), and the initial concentration of the silica raw material described above is 0.005 to 0.05 mol / in terms of Si concentration based on the total volume of the solution. L (more preferably 0.008 to 0.03 mol / L) is preferable. Thus, by strictly controlling the concentrations of the surfactant and the silica raw material, the generation and growth of a more uniform spherical body is realized, and the particle diameter of the resulting spherical silica-based mesoporous material is highly uniformly controlled. Tend to be. When the initial concentration of the surfactant is less than 0.005 mol / L, there is a tendency that a good porous body cannot be obtained due to a lack of the amount of the surfactant to be a template. When the concentration exceeds 0.02 mol / L, there is a tendency that a porous body having a spherical shape cannot be obtained at a high ratio. In addition, when the initial concentration of the silica raw material is less than 0.005 mol / L, there is a tendency that a porous body having a spherical shape cannot be obtained at a high ratio, while the initial concentration of the silica raw material is 0.05 mol / L. When it exceeds L, there is a tendency that a good porous body cannot be obtained because the ratio of the surfactant to be the template is insufficient.

更に、本発明においては、前記シリカ原料の初期濃度(Si濃度換算)に対する前記界面活性剤の初期濃度の比率(モル比)が、0.2〜3であることが好ましく、0.4〜2.6であることがより好ましく、0.5〜2.5であることが特に好ましい。この比率が前記下限未満では、テンプレートとなるべき界面活性剤の比率が不足するために良好な多孔体が得られなくなる傾向にあり、他方、この比率が前記上限を超えると、形状が球状である多孔体を高比率で得ることができなくなる傾向にある。   Furthermore, in the present invention, the ratio (molar ratio) of the initial concentration of the surfactant to the initial concentration (converted to Si concentration) of the silica raw material is preferably 0.2 to 3, preferably 0.4 to 2. .6 is more preferable, and 0.5 to 2.5 is particularly preferable. If this ratio is less than the lower limit, the ratio of the surfactant to be a template is insufficient, and thus a good porous body tends not to be obtained. On the other hand, if the ratio exceeds the upper limit, the shape is spherical. It tends to be impossible to obtain a porous material at a high ratio.

また、本発明においては、前記シリカ原料および前記界面活性剤を混合する際に、塩基性条件下で混合することが好ましい。シリカ原料は、一般に塩基性条件下においても酸性条件下においても反応が生じケイ素酸化物へと変化するが、シリカ原料と界面活性剤の濃度が低い場合には酸性条件下では反応がほとんど進行しない傾向にある。したがって、本発明においては塩基性条件下でシリカ原料を反応させることが好ましい。なお、シリカ原料は、酸性条件で反応させる場合よりも塩基性条件で反応させる場合の方がケイ素原子の反応点が増加し、耐湿性や耐熱性等の物性に優れたケイ素酸化物を得ることができるため、塩基性条件下で混合することはこの点においても有利である。   Moreover, in this invention, when mixing the said silica raw material and the said surfactant, it is preferable to mix on basic conditions. Silica raw materials generally react under basic and acidic conditions and change to silicon oxide, but the reaction hardly proceeds under acidic conditions when the concentration of silica raw material and surfactant is low. There is a tendency. Therefore, in the present invention, it is preferable to react the silica raw material under basic conditions. In addition, when the silica raw material is reacted under basic conditions, the reaction point of silicon atoms is increased when the reaction is performed under basic conditions, and a silicon oxide having excellent physical properties such as moisture resistance and heat resistance is obtained. In this respect, mixing under basic conditions is also advantageous.

上記溶媒を塩基性にするためには、通常、水酸化ナトリウム水溶液等の塩基性物質を添加する。反応時の塩基性条件に関しては特に制限されないが、添加する塩基性物質のアルカリ当量を全シリカ原料中のケイ素原子モル数で除した値が0.1〜0.9となるようにすることが好ましく、0.2〜0.5となるようにすることがより好ましい。添加する塩基性物質のアルカリ当量を全シリカ原料中のケイ素原子モル数で除した値が0.1未満である場合は、収率が低下してしまう傾向があり、他方、0.9を超える場合は、多孔体の形成が困難となる傾向がある。   In order to make the solvent basic, a basic substance such as an aqueous sodium hydroxide solution is usually added. There are no particular restrictions on the basic conditions during the reaction, but the value obtained by dividing the alkali equivalent of the basic substance to be added by the number of moles of silicon atoms in the total silica raw material should be 0.1 to 0.9. Preferably, it is more preferably 0.2 to 0.5. When the value obtained by dividing the alkali equivalent of the basic substance to be added by the number of moles of silicon atoms in the total silica raw material is less than 0.1, the yield tends to decrease, and on the other hand, it exceeds 0.9. In such a case, the formation of the porous body tends to be difficult.

前述の第1の工程における反応条件(反応温度、反応時間等)は特に制限されず、反応温度としては、例えば−20℃〜100℃(好ましくは0℃〜80℃、より好ましくは10℃〜40℃)とすることができる。また、反応は攪拌状態で進行させることが好ましい。具体的な反応条件は、用いるシリカ原料の種類等に基づいて決定することが好ましい。   The reaction conditions (reaction temperature, reaction time, etc.) in the first step are not particularly limited, and the reaction temperature is, for example, −20 ° C. to 100 ° C. (preferably 0 ° C. to 80 ° C., more preferably 10 ° C. to 40 ° C.). Further, the reaction is preferably allowed to proceed with stirring. Specific reaction conditions are preferably determined based on the type of silica raw material used.

すなわち、シリカ原料としてアルコキシシランを用いる場合は、例えば、以下のようにして多孔体前駆体粒子を得ることができる。先ず、水とアルコールの混合溶媒に対して、界面活性剤および塩基性物質を添加して界面活性剤の塩基性溶液を調製し、この溶液にアルコキシシランを添加する。添加されたアルコキシシランは溶液中で加水分解(または、加水分解および縮合)するために、添加後数秒〜数十分で白色粉末が析出する。この場合において、反応温度は0℃〜80℃とすることが好ましく、10℃〜40℃とすることがより好ましい。また、溶液は攪拌することが好ましい。   That is, when using alkoxysilane as a silica raw material, for example, porous precursor particles can be obtained as follows. First, a surfactant and a basic substance are added to a mixed solvent of water and alcohol to prepare a basic solution of the surfactant, and alkoxysilane is added to this solution. Since the added alkoxysilane is hydrolyzed (or hydrolyzed and condensed) in the solution, a white powder is deposited several seconds to several tens of minutes after the addition. In this case, the reaction temperature is preferably 0 ° C to 80 ° C, more preferably 10 ° C to 40 ° C. The solution is preferably stirred.

沈殿物が析出した後、0℃〜80℃(好ましくは10℃〜40℃)で1時間〜10日、溶液をさらに攪拌してシリカ原料の反応を進行させる。攪拌終了後、必要に応じて室温で一晩放置して系を安定化させ、得られた沈殿物を必要に応じてろ過および洗浄することによって本発明にかかる多孔体前駆体粒子が得られる。   After the precipitate is deposited, the solution is further stirred at 0 ° C. to 80 ° C. (preferably 10 ° C. to 40 ° C.) for 1 hour to 10 days to advance the reaction of the silica raw material. After the completion of stirring, the porous precursor particles according to the present invention can be obtained by allowing the system to stand overnight at room temperature as necessary, stabilizing the system, and filtering and washing the resulting precipitate as necessary.

また、シリカ原料として、アルコキシシラン以外のシリカ原料(ケイ酸ナトリウム、層状シリケートまたはシリカ)を用いる場合は、シリカ原料を、界面活性剤を含有する水とアルコールの混合溶媒に添加し、シリカ原料中のケイ素原子と等モル程度になるように、水酸化ナトリウム水溶液等の塩基性物質をさらに添加して均一な溶液を調製する。その後、希薄酸溶液をシリカ原料中のケイ素原子に対して1/2〜3/4倍モル添加するという方法により本発明にかかる多孔体前駆体粒子を作製することができる。塩基性物質は、シリカ原料中に既に形成されているSi−(O−Si)4結合の一部を切断する目的のために過剰分必要となるが、その過剰分を酸により中和する必要がある。酸としては、塩酸、硫酸等の無機酸、酢酸等の有機酸のいずれを用いてもよい。 When silica raw material other than alkoxysilane (sodium silicate, layered silicate or silica) is used as the silica raw material, the silica raw material is added to a mixed solvent of water and alcohol containing a surfactant. A basic solution such as an aqueous sodium hydroxide solution is further added to prepare a uniform solution so as to have an equimolar amount with respect to the silicon atoms. Thereafter, the porous precursor particles according to the present invention can be produced by a method in which a dilute acid solution is added in a molar amount of 1/2 to 3/4 times the silicon atoms in the silica raw material. The basic substance requires an excessive amount for the purpose of breaking a part of the Si— (O—Si) 4 bond already formed in the silica raw material, but the excess must be neutralized with an acid. There is. As the acid, any of inorganic acids such as hydrochloric acid and sulfuric acid, and organic acids such as acetic acid may be used.

以上、シリカ原料中に前記界面活性剤が導入されてなる多孔体前駆体粒子を得るための第1の工程について説明したが、本発明においては、上記第1の工程において、下記式(1):
<t<T (1)
[式(1)中、Tは析出開始時間、Tは反応終了時間、tは添加時期を示す。]
で表される条件を満たす添加時期tにシリカ原料、水溶性ポリマー溶液及び誘電率33以上の極性溶媒からなる群から選択されるいずれかの追加成分を添加することが重要である。
The first step for obtaining the porous precursor particles in which the surfactant is introduced into the silica raw material has been described above. In the present invention, in the first step, the following formula (1) :
T 1 <t <T 2 (1)
[In formula (1), T 1 represents the deposition start time, T 2 represents the reaction end time, and t represents the addition time. ]
It is important to add any additional component selected from the group consisting of a silica raw material, a water-soluble polymer solution, and a polar solvent having a dielectric constant of 33 or more at an addition time t that satisfies the condition represented by:

このように反応開始から反応終了までの間の特定の添加時期に特定の追加成分を添加すると、添加前と添加後に生成する粒子の大きさが異なるため、粒径が異なる複数種類の単分散多孔体前駆体粒子が同時に生成するようになる。また、このような追加成分を添加する時期を変化させることにより、得られる球状シリカ系メソ多孔体の粒径を制御することが可能となる。すなわち、添加時期を早くすると、複数種類の粒子のうち粒径が大きい方の粒子の粒径は小さくなり、複数種類の粒子のうち粒径が小さい方の粒子の粒径は大きくなる傾向にある。他方、添加時期を遅くすると、複数種類の粒子のうち粒径が大きい方の粒子の粒径は大きくなり、複数種類の粒子のうち粒径が小さい方の粒子の粒径は小さくなる傾向にある。   In this way, when a specific additional component is added at a specific addition period from the start of the reaction to the end of the reaction, the size of the particles generated before and after the addition is different. The body precursor particles are generated at the same time. Moreover, it becomes possible to control the particle diameter of the obtained spherical silica-based mesoporous material by changing the timing of adding such additional components. That is, if the addition time is advanced, the particle size of the larger particle size among the plurality of types of particles becomes smaller, and the particle size of the smaller particle size among the plurality of types of particles tends to increase. . On the other hand, when the addition time is delayed, the particle size of the larger particle size among the plurality of types of particles increases, and the particle size of the smaller particle size among the plurality of types of particles tends to decrease. .

なお、上記追加成分を添加する時期(t)は、析出開始時間(T)より後であればよいが、析出開始時間(T)より(1/20)T以上後であることがより好ましい。また、上記追加成分を添加する時期(t)は、反応終了時間(T)より前であればよいが、反応終了時間(T)より(1/20)T以上前であることがより好ましい。すなわち、添加時期tは、下記式(3):
{T+(1/20)T}≦t≦{T−(1/20)T} (3)
を満たすことがより好ましい。
Note that timing of adding the additional component (t), which may be a later than deposition starting time (T 1), to be later than (1/20) T 1 or more deposition starting time (T 1) More preferred. Further, timing of addition of the additional component (t) is that it may be a pre-reaction end time (T 2), which is before the completion of the reaction time (T 2) (1/20) T 2 or more More preferred. That is, the addition time t is expressed by the following formula (3):
{T 1 + (1/20) T 1 } ≦ t ≦ {T 2 − (1/20) T 2 } (3)
It is more preferable to satisfy.

なお、ここでいう「析出開始時間(T)」とは、反応を開始させてから反応溶液の散乱強度が立ち上がるまでの時間をいい、具体的には例えば散乱強度の増加率が2%/secより大きくなった瞬間の時間に相当する。更に、「反応終了時間(T)」とは、反応を開始させてから反応溶液の散乱強度が一定になるまでの時間をいい、具体的には例えば散乱強度の増加率が1%/secとなった瞬間の時間に相当する。なお、反応を開始させた時間{反応開始時間(T)}とは、前記溶媒中に前記シリカ原料、前記界面活性剤等の反応に必要な全ての物質を添加して反応を開始させた時間をいう。また、このような反応溶液の散乱強度は、島津製作所製、SALD-7000 laser diffraction particle size analyzer等の光散乱光度計により測定することが可能である。 The “deposition start time (T 1 )” here refers to the time from the start of the reaction until the scattering intensity of the reaction solution rises. Specifically, for example, the increase rate of the scattering intensity is 2% / It corresponds to the time of the moment when it becomes larger than sec. Furthermore, “reaction completion time (T 2 )” refers to the time from the start of the reaction until the scattering intensity of the reaction solution becomes constant. Specifically, for example, the increase rate of the scattering intensity is 1% / sec. It corresponds to the time of the moment. The reaction start time {reaction start time (T 0 )} means that all substances necessary for the reaction such as the silica raw material and the surfactant were added to the solvent to start the reaction. Say time. Further, the scattering intensity of such a reaction solution can be measured by a light scattering photometer such as SALD-7000 laser diffraction particle size analyzer manufactured by Shimadzu Corporation.

本発明において前記添加時期tに添加されるシリカ原料は、前述の初期のシリカ原料と同一のものであっても異なったものであってもよいが、反応点を少なくするという観点から、モノアルコキシシラン、ジアルコキシシラン及びトリアルコキシシランからなる群から選択される少なくとも一つが好ましく、モノアルコキシシランが特に好ましい。このようなモノアルコキシシランとしては、トリメチルメトキシシラン、トリメチルエトキシシラン、3−クロロプロピルジメチルメトキシシラン等が挙げられる。   In the present invention, the silica raw material added at the addition time t may be the same as or different from the initial silica raw material described above, but from the viewpoint of reducing the number of reaction points, monoalkoxy At least one selected from the group consisting of silane, dialkoxysilane and trialkoxysilane is preferred, and monoalkoxysilane is particularly preferred. Examples of such monoalkoxysilane include trimethylmethoxysilane, trimethylethoxysilane, and 3-chloropropyldimethylmethoxysilane.

また、前記添加時期tに添加されるシリカ原料の添加量は、初期のシリカ原料100重量部に対して10〜300重量部であることが好ましい。追加成分としてのシリカ原料の添加量が上記下限未満では粒径が異なる複数種類の球状シリカ系メソ多孔体が得られにくくなる傾向にあり、他方、上記上限を超えると比表面積の小さな多孔体が生成する傾向がある。   Moreover, it is preferable that the addition amount of the silica raw material added at the said addition time t is 10-300 weight part with respect to 100 weight part of initial silica raw materials. If the addition amount of the silica raw material as an additional component is less than the above lower limit, a plurality of types of spherical silica mesoporous bodies having different particle sizes tend to be difficult to obtain. Tend to generate.

本発明において前記添加時期tに添加される水溶性ポリマー溶液としては、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリアクリルアミド、ポリアクリルアミン、ポリビニルピロリドン、イソプレンスルホン酸、ポリアルギン酸、ヒドロキシエチルセルロース、タンパク質類(ゼラチン、ペクチン等)、多糖類及びDNAからなる群から選択される少なくとも一つの水溶液が好ましく、反応系のpH変化が少ないという観点から、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコールが特に好ましい。   Examples of the water-soluble polymer solution added at the addition time t in the present invention include polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, polyacrylamide, polyacrylamine, polyvinyl pyrrolidone, isoprene sulfonic acid, polyalginic acid, hydroxyethyl cellulose, and proteins. At least one aqueous solution selected from the group consisting of (gelatin, pectin, etc.), polysaccharides and DNA is preferred, and polyethylene glycol and polyvinyl alcohol are particularly preferred from the viewpoint of little pH change in the reaction system.

また、前記添加時期tに添加される水溶性ポリマー溶液の添加量は、固形分換算で、初期のシリカ原料100重量部に対して1〜500重量部であることが好ましい。追加成分としての水溶性ポリマー溶液の添加量が上記下限未満では粒径が異なる複数種類の球状シリカ系メソ多孔体が得られにくくなる傾向にあり、他方、上記上限を超えると過剰なポリマーの存在により粘性が上がり、粒子を分離できなくなる傾向がある。なお、水溶性ポリマー溶液の濃度は特に制限されないが、通常、10〜200g/l程度の濃度のものが好適に用いられる。   Moreover, it is preferable that the addition amount of the water-soluble polymer solution added at the said addition time t is 1-500 weight part with respect to 100 weight part of initial silica raw materials in conversion of solid content. If the amount of the water-soluble polymer solution added as an additional component is less than the above lower limit, it tends to be difficult to obtain a plurality of types of spherical silica mesoporous materials having different particle diameters. Tends to increase the viscosity and make it impossible to separate the particles. The concentration of the water-soluble polymer solution is not particularly limited, but usually a concentration of about 10 to 200 g / l is preferably used.

本発明において前記添加時期tに添加される前記誘電率33以上の極性溶媒としては、水、グリセリン、エチレングリコール及びアセトニトリルからなる群から選択される少なくとも一つが好ましく、ケイ素酸化物表面との親和性を高くするという観点から、グリセリン、エチレングリコールが特に好ましい。なお、極性溶媒であっても誘電率が33未満のものを追加成分として用いた場合、十分に粒径が異なる複数種類の球状シリカ系メソ多孔体は得られない。   In the present invention, the polar solvent having a dielectric constant of 33 or more added at the addition time t is preferably at least one selected from the group consisting of water, glycerin, ethylene glycol and acetonitrile, and has an affinity for the silicon oxide surface. Glycerin and ethylene glycol are particularly preferable from the viewpoint of increasing the viscosity. In addition, even if it is a polar solvent and a thing with a dielectric constant of less than 33 is used as an additional component, the multiple types of spherical silica type mesoporous body from which particle diameters differ sufficiently will not be obtained.

また、前記添加時期tに添加される極性溶媒の添加量は、初期のシリカ原料100重量部に対して50〜1000重量部であることが好ましい。追加成分としての極性溶媒の添加量が上記下限未満では粒径が異なる複数種類の球状シリカ系メソ多孔体が得られにくくなる傾向にあり、他方、上記上限を超えると粒子形状が球状以外の粒子が得られる傾向にある。   Moreover, it is preferable that the addition amount of the polar solvent added at the said addition time t is 50-1000 weight part with respect to 100 weight part of initial silica raw materials. If the amount of the polar solvent added as an additional component is less than the above lower limit, it is difficult to obtain a plurality of types of spherical silica mesoporous materials having different particle diameters. Tends to be obtained.

(第2の工程)
次に、本発明の球状シリカ系メソ多孔体の製造方法においては、前記第1の工程で得られた多孔体前駆体粒子に含まれる界面活性剤を除去して球状シリカ系メソ多孔体を得る(第2の工程)。このように界面活性剤を除去する方法としては、例えば、焼成による方法、有機溶媒で処理する方法、イオン交換法等を挙げることができる。
(Second step)
Next, in the method for producing a spherical silica mesoporous material according to the present invention, the surfactant contained in the porous precursor particles obtained in the first step is removed to obtain a spherical silica mesoporous material. (Second step). Examples of the method for removing the surfactant as described above include a method by baking, a method of treating with an organic solvent, and an ion exchange method.

焼成による方法においては、多孔体前駆体粒子を300〜1000℃、好ましくは400〜700℃で加熱する。加熱時間は30分程度でもよいが、完全に界面活性剤を除去するには1時間以上加熱することが好ましい。また、焼成は空気中で行うことが可能であるが、多量の燃焼ガスが発生するため、窒素等の不活性ガスを導入して行ってもよい。また、有機溶媒で処理する場合は、用いた界面活性剤に対する溶解度が高い良溶媒中に多孔体前駆体粒子を浸漬して界面活性剤を抽出する。イオン交換法においては多孔体前駆体粒子を酸性溶液(少量の塩酸を含むエタノール等)に浸漬し、例えば50〜70℃で加熱しながら攪拌を行う。これにより、多孔体前駆体粒子の孔中に存在する界面活性剤が水素イオンでイオン交換される。なお、イオン交換により孔中には水素イオンが残存することになるが、水素イオンのイオン半径は十分小さいため孔の閉塞の問題は生じない。   In the method by firing, the porous precursor particles are heated at 300 to 1000 ° C, preferably 400 to 700 ° C. The heating time may be about 30 minutes, but it is preferable to heat for 1 hour or longer in order to completely remove the surfactant. The firing can be performed in the air, but since a large amount of combustion gas is generated, it may be performed by introducing an inert gas such as nitrogen. Moreover, when processing with an organic solvent, a porous body precursor particle is immersed in a good solvent with high solubility with respect to the used surfactant, and surfactant is extracted. In the ion exchange method, the porous precursor particles are immersed in an acidic solution (such as ethanol containing a small amount of hydrochloric acid) and stirred, for example, while heating at 50 to 70 ° C. Thereby, the surfactant existing in the pores of the porous precursor particles is ion-exchanged with hydrogen ions. In addition, although hydrogen ions remain in the hole by ion exchange, the problem of blockage of the hole does not occur because the ion radius of the hydrogen ion is sufficiently small.

上述した本発明の製造方法により、粒径が異なる複数種類の球状シリカ系メソ多孔体の均一混合物が同時に製造される。得られる複数種類の球状シリカ系メソ多孔体のそれぞれの平均粒径は特に制限されないが、平均粒径が0.01〜3μmの範囲内において複数種類の球状シリカ系メソ多孔体が好適に製造できるようになる。また、本発明の製造方法により得られる複数種類の球状シリカ系メソ多孔体の平均粒径の差も特に制限されないが、平均粒径の差が0.2μm以上である複数種類の球状シリカ系メソ多孔体が好適に製造できるようになる。   By the production method of the present invention described above, a homogeneous mixture of a plurality of types of spherical silica-based mesoporous materials having different particle diameters is produced simultaneously. The average particle size of each of the obtained plural types of spherical silica-based mesoporous materials is not particularly limited, but a plurality of types of spherical silica-based mesoporous materials can be suitably produced within the range of the average particle size of 0.01 to 3 μm. It becomes like this. Further, the difference in the average particle size of the plurality of types of spherical silica-based mesoporous materials obtained by the production method of the present invention is not particularly limited, but a plurality of types of spherical silica-based meso having an average particle size difference of 0.2 μm or more A porous body can be suitably manufactured.

更に、本発明の製造方法により得られる複数種類の球状シリカ系メソ多孔体は、それぞれが単分散、すなわち粒径の均一性が高く、それぞれの種類における粒径の標準偏差が15%以下である複数種類の球状シリカ系メソ多孔体が好適に製造できるようになる。   Furthermore, the plurality of types of spherical silica-based mesoporous materials obtained by the production method of the present invention are each monodispersed, that is, the particle size is highly uniform, and the standard deviation of the particle size in each type is 15% or less. A plurality of types of spherical silica-based mesoporous materials can be suitably produced.

また、本発明の製造方法により得られる複数種類の球状シリカ系メソ多孔体の中心細孔直径は特に制限されないが、ポルフィリン等の分子量の大きい色素を細孔内に導入し易くなるという観点からは、1.8〜5nm程度が好ましい。   In addition, the central pore diameter of the plurality of types of spherical silica-based mesoporous materials obtained by the production method of the present invention is not particularly limited, but from the viewpoint of facilitating introduction of a pigment having a large molecular weight such as porphyrin into the pores. About 1.8 to 5 nm is preferable.

なお、本発明でいう「球状」とは、真の球体に限定されるものではなく、最小直径が最大直径の80%以上(好ましくは90%以上)である略球体も包含するものである。また、略球体の場合、その粒径は原則として最小直径と最大直径との平均値をいう。更に、前記中心細孔直径とは、細孔容積(V)を細孔直径(D)で微分した値(dV/dD)を細孔直径(D)に対してプロットした曲線(細孔径分布曲線)の最大ピークにおける細孔直径である。なお、細孔径分布曲線は、次に述べる方法により求めることができる。すなわち、シリカ系メソ多孔体粒子を液体窒素温度(−196℃)に冷却して窒素ガスを導入し、定容量法あるいは重量法によりその吸着量を求め、次いで、導入する窒素ガスの圧力を徐々に増加させ、各平衡圧に対する窒素ガスの吸着量をプロットし、吸着等温線を得る。この吸着等温線を用い、Cranston−Inklay法、Dollimore−Heal法、BJH法等の計算法により細孔径分布曲線を求めることができる。   The term “spherical” as used in the present invention is not limited to a true sphere, but includes a substantially sphere having a minimum diameter of 80% or more (preferably 90% or more) of the maximum diameter. In the case of a substantially spherical body, the particle size is an average value of the minimum diameter and the maximum diameter in principle. Further, the central pore diameter is a curve (pore diameter distribution curve) in which a value (dV / dD) obtained by differentiating the pore volume (V) with respect to the pore diameter (D) is plotted against the pore diameter (D). ) At the maximum peak. The pore size distribution curve can be obtained by the method described below. That is, silica-based mesoporous particles are cooled to a liquid nitrogen temperature (-196 ° C.), nitrogen gas is introduced, the adsorption amount is determined by a constant volume method or a gravimetric method, and then the pressure of the introduced nitrogen gas is gradually increased. And the adsorption amount of nitrogen gas for each equilibrium pressure is plotted to obtain an adsorption isotherm. Using this adsorption isotherm, a pore size distribution curve can be obtained by a calculation method such as Cranston-Inklay method, Dollimore-Heal method, BJH method or the like.

本発明により得られる球状シリカ系メソ多孔体は、前記界面活性剤を鋳型として前記シリカ源を原料として作製されるものであり、ケイ素原子が酸素原子を介して結合した骨格−Si−O−を基本とし、高度に架橋した網目構造を有している。このようなシリカ系材料は、ケイ素原子及び酸素原子を主成分とするものであればよく、ケイ素原子の少なくとも一部が有機基の2箇所以上で炭素−ケイ素結合を形成しているものでもよい。このような有機基としては、例えば、アルカン、アルケン、アルキン、ベンゼン、シクロアルカン等の炭化水素から2以上の水素がとれて生じる2価以上の有機基が挙げられるが、これらに限定されるものではなく、有機基は、アミド基、アミノ基、イミノ基、メルカプト基、スルフォン基、カルボキシル基、エーテル基、アシル基、ビニル基等を有するものであってもよい。   The spherical silica-based mesoporous material obtained by the present invention is produced using the surfactant as a template and the silica source as a raw material, and has a skeleton —Si—O— in which silicon atoms are bonded through oxygen atoms. Basically, it has a highly crosslinked network structure. Such a silica-based material only needs to have silicon atoms and oxygen atoms as main components, and at least a part of the silicon atoms may form a carbon-silicon bond at two or more organic groups. . Examples of such an organic group include, but are not limited to, divalent or higher organic groups generated by removing two or more hydrogens from hydrocarbons such as alkanes, alkenes, alkynes, benzenes, and cycloalkanes. Instead, the organic group may have an amide group, amino group, imino group, mercapto group, sulfone group, carboxyl group, ether group, acyl group, vinyl group or the like.

また、本発明により得られる球状シリカ系メソ多孔体は、細孔径分布曲線における中心細孔直径の±40%の範囲に全細孔容積の60%以上が含まれることが好ましい。この条件を満たすシリカ系メソ多孔体粒子は、細孔の直径が非常に均一であることを意味する。また、かかる球状シリカ系メソ多孔体の比表面積については特に制限はないが、700m2/g以上であることが好ましい。比表面積は、吸着等温線からBET等温吸着式を用いてBET比表面積として算出することができる。 In addition, the spherical silica-based mesoporous material obtained by the present invention preferably contains 60% or more of the total pore volume in the range of ± 40% of the central pore diameter in the pore size distribution curve. The silica-based mesoporous particle satisfying this condition means that the pore diameter is very uniform. Moreover, there is no restriction | limiting in particular about the specific surface area of this spherical silica type mesoporous material, However, It is preferable that it is 700 m < 2 > / g or more. The specific surface area can be calculated as a BET specific surface area from the adsorption isotherm using the BET isotherm adsorption equation.

さらに、本発明により得られる球状シリカ系メソ多孔体は、そのX線回折パターンにおいて1nm以上のd値に相当する回折角度に1本以上のピークを有することが好ましい。X線回折ピークはそのピーク角度に相当するd値の周期構造が試料中にあることを意味する。したがって、1nm以上のd値に相当する回折角度に1本以上のピークがあることは、細孔が1nm以上の間隔で規則的に配列していることを意味する。   Furthermore, the spherical silica-based mesoporous material obtained by the present invention preferably has one or more peaks at a diffraction angle corresponding to a d value of 1 nm or more in its X-ray diffraction pattern. The X-ray diffraction peak means that a periodic structure having a d value corresponding to the peak angle is present in the sample. Therefore, having one or more peaks at a diffraction angle corresponding to a d value of 1 nm or more means that the pores are regularly arranged at intervals of 1 nm or more.

また、本発明にかかる球状シリカ系メソ多孔体が有する細孔は、多孔体の表面のみならず内部にも形成される。かかる多孔体における細孔の配列状態(細孔配列構造又は構造)は特に制限されないが、2d−ヘキサゴナル構造、3d−ヘキサゴナル構造又はキュービック構造であることが好ましい。また、このような細孔配列構造は、ディスオーダの細孔配列構造を有するものであってもよい。   In addition, the pores of the spherical silica-based mesoporous material according to the present invention are formed not only on the surface of the porous material but also inside. The arrangement state (pore arrangement structure or structure) of the pores in such a porous body is not particularly limited, but is preferably a 2d-hexagonal structure, a 3d-hexagonal structure, or a cubic structure. Such a pore arrangement structure may have a disordered pore arrangement structure.

ここで、多孔体がヘキサゴナルの細孔配列構造を有するとは、細孔の配置が六方構造であることを意味する(S.Inagaki,et al.,J.Chem.Soc.,Chem.Commun.,680,1993;S.Inagaki,et al.,Bull.Chem.Soc.Jpn.,69,1449;1996、Q.Huo,et al.,Science,268,1324,1995参照)。また、多孔体がキュービックの細孔配列構造を有するとは、細孔の配置が立方構造であることを意味する(J.C.Vartuli,et al.,Chem.Mater.,6,2317,1994;Q.Huo,et al.,Nature,368,317,1994参照)。また、多孔体がディスオーダの細孔配列構造を有するとは、細孔の配置が不規則であることを意味する(P.T.Tanev,et al.,Science,267,865,1995;S.A.Bagshaw,et al.,Science,269,1242,1995;R.Ryoo,et al.,J.Phys.Chem.,100,17718,1996参照)。また、前記キュービック構造は、Pm−3n、Im−3m又はFm−3m対称性であることが好ましい。前記対称性とは、空間群の表記法に基づいて決定されるものである。なお、本発明によれば、メソ細孔が規則性を保ちながら粒子中心から球状粒子の外側に向かって配置されている球状シリカ系メソ多孔体を得ることが可能となり、そのようなメソ多孔体を用いればエネルギー、電子の移動をその方向にだけ正確に起こさせることが可能となる。   Here, that the porous body has a hexagonal pore arrangement structure means that the arrangement of the pores is a hexagonal structure (S. Inagaki, et al., J. Chem. Soc., Chem. Commun. 680, 1993; S. Inagaki, et al., Bull. Chem. Soc. Jpn., 69, 1449; 1996, Q. Huo, et al., Science, 268, 1324, 1995). Further, the porous body having a cubic pore arrangement structure means that the arrangement of pores is a cubic structure (JCVartuli, et al., Chem. Mater., 6, 2317, 1994; Q. Huo, et al., Nature, 368, 317, 1994). Further, the porous body having a disordered pore arrangement structure means that the arrangement of the pores is irregular (PTTanev, et al., Science, 267,865, 1995; SABagshaw, et al. Science, 269, 1242, 1995; R. Ryoo, et al., J. Phys. Chem., 100, 17718, 1996). The cubic structure is preferably Pm-3n, Im-3m or Fm-3m symmetric. The symmetry is determined based on a space group notation. According to the present invention, it is possible to obtain a spherical silica-based mesoporous material in which mesopores are arranged from the particle center toward the outside of the spherical particles while maintaining regularity, and such mesoporous materials are obtained. If it is used, the movement of energy and electrons can be accurately caused only in that direction.

本発明により得られる球状シリカ系メソ多孔体は、粉末のまま使用してもよいが、必要に応じて成形して使用してもよい。成形する手段はどのようなものでも良いが、押出成形、打錠成形、転動造粒、圧縮成形、CIPなどが好ましい。その形状は使用箇所、方法に応じて決めることができ、たとえば円柱状、破砕状、球状、ハニカム状、凹凸状、波板状等が挙げられる。   The spherical silica-based mesoporous material obtained by the present invention may be used as a powder, but may be molded and used as necessary. Any molding means may be used, but extrusion molding, tablet molding, rolling granulation, compression molding, CIP and the like are preferable. The shape can be determined according to the place of use and method, and examples thereof include a columnar shape, a crushed shape, a spherical shape, a honeycomb shape, an uneven shape, and a corrugated plate shape.

以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely based on an Example and a comparative example, this invention is not limited to a following example.

(実施例1)
水4L及びメタノール4Lの混合溶媒に対して、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロリド(界面活性剤)35.2g(0.014mol/L)及び1規定水酸化ナトリウム22.8mLを添加した。そこにテトラメトキシシラン(シリカ原料)13.2g(0.011mol/L)を添加して攪拌を続けたところテトラメトキシシランは完全に溶解し、約180秒後に白色粉末が析出してきた。なお、反応溶液にテトラメトキシシランを添加した時間が反応開始時間(T=0)であり、析出開始時間(T)は3分(180秒)であった。
Example 1
To a mixed solvent of 4 L of water and 4 L of methanol, 35.2 g (0.014 mol / L) of hexadecyltrimethylammonium chloride (surfactant) and 22.8 mL of 1N sodium hydroxide were added. Then, 13.2 g (0.011 mol / L) of tetramethoxysilane (silica raw material) was added and stirring was continued. Tetramethoxysilane was completely dissolved, and a white powder was precipitated after about 180 seconds. The time when tetramethoxysilane was added to the reaction solution was the reaction start time (T 0 = 0), and the deposition start time (T 1 ) was 3 minutes (180 seconds).

そして、上記の反応開始時間(T)から4分後に、ポリエチレングリコール20gを含有するポリエチレングリコール水溶液(追加成分)500mLを反応溶液に添加した。なお、ポリエチレングリコール水溶液を添加した時間が添加時期(t=4分)であり、反応終了時間(T)は7分であった。 Then, after 4 minutes from the start of the reaction time (T 0), it was added aqueous polyethylene glycol solution (additional component) 500 mL containing polyethylene glycol 20g to the reaction solution. The time when the polyethylene glycol aqueous solution was added was the addition time (t = 4 minutes), and the reaction end time (T 2 ) was 7 minutes.

得られた反応溶液を室温で更に8時間撹拌して一晩(14時間)放置した後、ろ過と脱イオン水による洗浄を3回繰り返して白色粉末(多孔体前駆体粒子)を得た。この白色粉末を熱風乾燥機で3日間乾燥した後、550℃で6時間焼成することによって界面活性剤を含む有機成分を除去し、球状シリカ系メソ多孔体を得た。   The resulting reaction solution was further stirred at room temperature for 8 hours and allowed to stand overnight (14 hours), and then filtration and washing with deionized water were repeated three times to obtain a white powder (porous precursor particles). The white powder was dried with a hot air dryer for 3 days and then calcined at 550 ° C. for 6 hours to remove the organic components including the surfactant, thereby obtaining a spherical silica-based mesoporous material.

得られた球状シリカ系メソ多孔体のX線回折パターンを図1に示す。図1に示されたX線回折パターンより、得られた多孔体は高次のピークを有しており、この粉末が規則性の高いハニカム多孔体であり、ヘキサゴナルの細孔配列構造を有していることが確認された。また、中心細孔直径は2.3nmであった。   An X-ray diffraction pattern of the obtained spherical silica-based mesoporous material is shown in FIG. From the X-ray diffraction pattern shown in FIG. 1, the obtained porous body has high-order peaks, and this powder is a highly ordered honeycomb porous body having a hexagonal pore arrangement structure. It was confirmed that The central pore diameter was 2.3 nm.

次に、この球状シリカ系メソ多孔体の走査型電子顕微鏡(SEM)による観察を行った。得られたSEM写真を図2に示す。SEMにより観察された多孔体は粒子径が異なる2種類の単分散球状粒子であり、それぞれの種類の任意の100個の粒子の平均粒径及びその標準偏差は、0.65μm(標準偏差0.023μm)及び0.15μm(標準偏差0.01μm)であった。   Next, this spherical silica-based mesoporous material was observed with a scanning electron microscope (SEM). The obtained SEM photograph is shown in FIG. The porous bodies observed by SEM were two types of monodispersed spherical particles having different particle diameters, and the average particle diameter and standard deviation of any 100 particles of each kind were 0.65 μm (standard deviation 0. 0). 023 μm) and 0.15 μm (standard deviation 0.01 μm).

(実施例2)
追加成分としてトリメチルメトキシシラン4.52g(0.0055mol/L)を用い、反応開始時間(T)から5分後に追加成分を反応溶液に添加するようにしたこと以外は実施例1と同様にして球状シリカ系メソ多孔体を得た。なお、本実施例における析出開始時間(T)は3分(180秒)、添加時期(t)は5分、反応終了時間(T)は7分であった。
(Example 2)
As in Example 1, except that 4.52 g (0.0055 mol / L) of trimethylmethoxysilane was used as an additional component, and the additional component was added to the reaction solution 5 minutes after the reaction start time (T 0 ). Thus, a spherical silica-based mesoporous material was obtained. In this example, the deposition start time (T 1 ) was 3 minutes (180 seconds), the addition time (t) was 5 minutes, and the reaction end time (T 2 ) was 7 minutes.

得られた球状シリカ系メソ多孔体は粒子径が異なる2種類の単分散球状粒子の均一混合物であり、そのSEM写真から求めたそれぞれの種類の任意の100個の粒子の平均粒径及びその標準偏差は0.65μm(標準偏差0.023μm)及び0.125μm(標準偏差0.01μm)であった。   The obtained spherical silica-based mesoporous material is a uniform mixture of two types of monodispersed spherical particles having different particle sizes. The average particle size of any 100 particles of each type determined from the SEM photograph and its standard The deviations were 0.65 μm (standard deviation 0.023 μm) and 0.125 μm (standard deviation 0.01 μm).

(実施例3)
溶媒として水3L及びメタノール1Lの混合溶媒、界面活性剤としてデシルトリメチルアンモニウムブロミド15.4g(0.0137mol/L)、追加成分としてポリビニルアルコール20gを含有するポリビニルアルコール水溶液200mLを用い、反応開始時間(T)から4分後に追加成分を反応溶液に添加するようにしたこと以外は実施例1と同様にして球状シリカ系メソ多孔体を得た。なお、本実施例における析出開始時間(T)は1.5分(90秒)、添加時期(t)は4分、反応終了時間(T)は6分であった。
(Example 3)
Using a mixed solvent of 3 L of water and 1 L of methanol as a solvent, 15.4 g (0.0137 mol / L) of decyltrimethylammonium bromide as a surfactant, and 200 mL of a polyvinyl alcohol aqueous solution containing 20 g of polyvinyl alcohol as an additional component, the reaction start time ( A spherical silica-based mesoporous material was obtained in the same manner as in Example 1 except that an additional component was added to the reaction solution 4 minutes after T 0 ). In this example, the deposition start time (T 1 ) was 1.5 minutes (90 seconds), the addition time (t) was 4 minutes, and the reaction end time (T 2 ) was 6 minutes.

得られた球状シリカ系メソ多孔体は粒子径が異なる2種類の単分散球状粒子の均一混合物であり、そのSEM写真から求めたそれぞれの種類の任意の100個の粒子の平均粒径及びその標準偏差は1.05μm(標準偏差0.06μm)及び0.35μm(標準偏差0.04μm)であった。   The obtained spherical silica-based mesoporous material is a uniform mixture of two types of monodispersed spherical particles having different particle sizes. The average particle size of any 100 particles of each type determined from the SEM photograph and its standard The deviations were 1.05 μm (standard deviation 0.06 μm) and 0.35 μm (standard deviation 0.04 μm).

(実施例4)
溶媒として水4.4L及びメタノール3.6Lの混合溶媒、界面活性剤としてテトラデシルトリメチルアンモニウムクロリド32.1g(0.0137mol/L)、追加成分としてグリセリン500mLを用い、反応開始時間(T)から4分後に追加成分を反応溶液に添加するようにしたこと以外は実施例1と同様にして球状シリカ系メソ多孔体を得た。なお、本実施例における析出開始時間(T)は3.3分(200秒)、添加時期(t)は4分、反応終了時間(T)は6.5分であった。
Example 4
A mixed solvent of 4.4 L of water and 3.6 L of methanol as a solvent, 32.1 g (0.0137 mol / L) of tetradecyltrimethylammonium chloride as a surfactant, 500 mL of glycerin as an additional component, and a reaction start time (T 0 ) 4 minutes later, a spherical silica-based mesoporous material was obtained in the same manner as in Example 1 except that an additional component was added to the reaction solution. In this example, the deposition start time (T 1 ) was 3.3 minutes (200 seconds), the addition time (t) was 4 minutes, and the reaction end time (T 2 ) was 6.5 minutes.

得られた球状シリカ系メソ多孔体は粒子径が異なる2種類の単分散球状粒子の均一混合物であり、そのSEM写真から求めたそれぞれの種類の任意の100個の粒子の平均粒径及びその標準偏差は0.50μm(標準偏差0.035μm)及び0.2μm(標準偏差0.02μm)であった。   The obtained spherical silica-based mesoporous material is a uniform mixture of two types of monodispersed spherical particles having different particle sizes. The average particle size of any 100 particles of each type determined from the SEM photograph and its standard The deviations were 0.50 μm (standard deviation 0.035 μm) and 0.2 μm (standard deviation 0.02 μm).

(実施例5)
反応開始時間(T)から6分後に追加成分を反応溶液に添加するようにしたこと以外は実施例1と同様にして球状シリカ系メソ多孔体を得た。なお、本実施例における析出開始時間(T)は3分(180秒)、添加時期(t)は6分、反応終了時間(T)は7分であった。
(Example 5)
A spherical silica-based mesoporous material was obtained in the same manner as in Example 1 except that an additional component was added to the reaction solution 6 minutes after the reaction start time (T 0 ). In this example, the deposition start time (T 1 ) was 3 minutes (180 seconds), the addition time (t) was 6 minutes, and the reaction end time (T 2 ) was 7 minutes.

得られた球状シリカ系メソ多孔体は粒子径が異なる2種類の単分散球状粒子の均一混合物であり、そのSEM写真から求めたそれぞれの種類の任意の100個の粒子の平均粒径及びその標準偏差は0.67μm(標準偏差0.025μm)及び0.1μm(標準偏差0.011μm)であった。   The obtained spherical silica-based mesoporous material is a uniform mixture of two types of monodispersed spherical particles having different particle sizes. The average particle size of any 100 particles of each type determined from the SEM photograph and its standard The deviations were 0.67 μm (standard deviation 0.025 μm) and 0.1 μm (standard deviation 0.011 μm).

(実施例6)
追加成分としてポリエチレングリコール5gを含有するポリエチレングリコール水溶液500mLを用い、反応開始時間(T)から4分後に追加成分を反応溶液に添加するようにしたこと以外は実施例1と同様にして球状シリカ系メソ多孔体を得た。なお、本実施例における析出開始時間(T)は3分(180秒)、添加時期(t)は4分、反応終了時間(T)は7分であった。
(Example 6)
Spherical silica was used in the same manner as in Example 1 except that 500 mL of an aqueous polyethylene glycol solution containing 5 g of polyethylene glycol was used as an additional component, and the additional component was added to the reaction solution 4 minutes after the reaction start time (T 0 ). A system mesoporous material was obtained. In this example, the deposition start time (T 1 ) was 3 minutes (180 seconds), the addition time (t) was 4 minutes, and the reaction end time (T 2 ) was 7 minutes.

得られた球状シリカ系メソ多孔体は粒子径が異なる2種類の単分散球状粒子の均一混合物であり、そのSEM写真から求めたそれぞれの種類の任意の100個の粒子の平均粒径及びその標準偏差は0.62μm(標準偏差0.025μm)及び0.1μm(標準偏差0.011μm)であった。   The obtained spherical silica-based mesoporous material is a uniform mixture of two types of monodispersed spherical particles having different particle sizes. The average particle size of any 100 particles of each type determined from the SEM photograph and its standard The deviations were 0.62 μm (standard deviation 0.025 μm) and 0.1 μm (standard deviation 0.011 μm).

(実施例7)
シリカ原料としてテトラエトキシシラン18.1g(0.011mol/L)を用い、析出開始時間(T)から更に4分後に追加成分を反応溶液に添加するようにしたこと以外は実施例1と同様にして球状シリカ系メソ多孔体を得た。なお、本実施例における析出開始時間(T)は13.7分(820秒)、添加時期(t)は17.7分、反応終了時間(T)は60分であった。
(Example 7)
Same as Example 1 except that 18.1 g (0.011 mol / L) of tetraethoxysilane was used as a silica raw material and an additional component was added to the reaction solution after 4 minutes from the deposition start time (T 1 ). Thus, a spherical silica-based mesoporous material was obtained. In this example, the deposition start time (T 1 ) was 13.7 minutes (820 seconds), the addition time (t) was 17.7 minutes, and the reaction end time (T 2 ) was 60 minutes.

得られた球状シリカ系メソ多孔体は粒子径が異なる2種類の単分散球状粒子の均一混合物であり、そのSEM写真から求めたそれぞれの種類の任意の100個の粒子の平均粒径及びその標準偏差は0.67μm(標準偏差0.025μm)及び0.25μm(標準偏差0.012μm)であった。   The obtained spherical silica-based mesoporous material is a uniform mixture of two types of monodispersed spherical particles having different particle sizes. The average particle size of any 100 particles of each type determined from the SEM photograph and its standard The deviations were 0.67 μm (standard deviation 0.025 μm) and 0.25 μm (standard deviation 0.012 μm).

(実施例8)
界面活性剤としてテトラデシルトリメチルアンモニウムクロリド32g(0.014mol/L)、追加成分としてポリエチレングリコール5gを含有するポリエチレングリコール水溶液500mLを用い、反応開始時間(T)から5分後に追加成分を反応溶液に添加するようにしたこと以外は実施例1と同様にして球状シリカ系メソ多孔体を得た。なお、本実施例における析出開始時間(T)は3.3分(200秒)、添加時期(t)は5分、反応終了時間(T)は6.5分であった。
(Example 8)
Using tetradecyltrimethylammonium chloride 32 g (0.014 mol / L) as a surfactant and 500 mL of an aqueous polyethylene glycol solution containing 5 g of polyethylene glycol as an additional component, the additional component was added to the reaction solution 5 minutes after the reaction start time (T 0 ). A spherical silica-based mesoporous material was obtained in the same manner as in Example 1 except that it was added to. In this example, the deposition start time (T 1 ) was 3.3 minutes (200 seconds), the addition time (t) was 5 minutes, and the reaction end time (T 2 ) was 6.5 minutes.

得られた球状シリカ系メソ多孔体は粒子径が異なる2種類の単分散球状粒子の均一混合物であり、そのSEM写真から求めたそれぞれの種類の任意の100個の粒子の平均粒径及びその標準偏差は0.50μm(標準偏差0.05μm)及び0.17μm(標準偏差0.02μm)であった。   The obtained spherical silica-based mesoporous material is a uniform mixture of two types of monodispersed spherical particles having different particle sizes. The average particle size of any 100 particles of each type determined from the SEM photograph and its standard The deviations were 0.50 μm (standard deviation 0.05 μm) and 0.17 μm (standard deviation 0.02 μm).

(比較例1)
追加成分を反応溶液に添加しないようにしたこと以外は実施例1と同様にして球状シリカ系メソ多孔体を得た。
(Comparative Example 1)
A spherical silica-based mesoporous material was obtained in the same manner as in Example 1 except that no additional component was added to the reaction solution.

得られた球状シリカ系メソ多孔体のSEM写真を図3に示す。SEMにより観察された多孔体は単一の粒子径を有する1種類の単分散球状粒子であり、任意の100個の粒子の平均粒径及びその標準偏差は0.65μm(標準偏差0.023μm)であった。   An SEM photograph of the obtained spherical silica-based mesoporous material is shown in FIG. The porous body observed by SEM is one kind of monodispersed spherical particles having a single particle size, and the average particle size of 100 arbitrary particles and the standard deviation thereof are 0.65 μm (standard deviation 0.023 μm). Met.

(比較例2)
水4L及びメタノール4Lの混合溶媒に対して、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロリド(界面活性剤)35.2g(0.014mol/L)、1規定水酸化ナトリウム22.8mL、及びポリエチレングリコール20gを含有するポリエチレングリコール水溶液(追加成分)500mLを添加した。そこにテトラメトキシシラン(シリカ原料)13.2g(0.011mol/L)を添加して攪拌を続けたところテトラメトキシシランは完全に溶解し、約170秒後に白色粉末が析出してきた。なお、本比較例における析出開始時間(T)は2.8分(170秒)、添加時期(t)は0分、反応終了時間(T)は6.5分であった。
(Comparative Example 2)
Polyethylene containing 35.2 g (0.014 mol / L) of hexadecyltrimethylammonium chloride (surfactant), 22.8 mL of 1N sodium hydroxide, and 20 g of polyethylene glycol with respect to a mixed solvent of 4 L of water and 4 L of methanol. 500 mL of an aqueous glycol solution (additional component) was added. Then, 13.2 g (0.011 mol / L) of tetramethoxysilane (silica raw material) was added and stirring was continued. Tetramethoxysilane was completely dissolved, and a white powder was precipitated after about 170 seconds. In this comparative example, the deposition start time (T 1 ) was 2.8 minutes (170 seconds), the addition time (t) was 0 minutes, and the reaction end time (T 2 ) was 6.5 minutes.

得られた反応溶液を室温で更に8時間撹拌して一晩(14時間)放置した後、ろ過と脱イオン水による洗浄を3回繰り返して白色粉末(多孔体前駆体粒子)を得た。この白色粉末を熱風乾燥機で3日間乾燥した後、550℃で6時間焼成することによって界面活性剤を含む有機成分を除去し、球状シリカ系メソ多孔体を得た。   The resulting reaction solution was further stirred at room temperature for 8 hours and allowed to stand overnight (14 hours), and then filtration and washing with deionized water were repeated three times to obtain a white powder (porous precursor particles). The white powder was dried with a hot air dryer for 3 days and then calcined at 550 ° C. for 6 hours to remove the organic components including the surfactant, thereby obtaining a spherical silica-based mesoporous material.

得られた球状シリカ系メソ多孔体は単一の粒子径を有する1種類の単分散球状粒子であり、そのSEM写真から求めた任意の100個の粒子の平均粒径及びその標準偏差は0.60μm(標準偏差0.028μm)であった。   The obtained spherical silica-based mesoporous material is one type of monodispersed spherical particles having a single particle size, and the average particle size and standard deviation of any 100 particles determined from the SEM photograph are 0. It was 60 μm (standard deviation 0.028 μm).

(比較例3)
反応開始時間(T)から1分後に追加成分を反応溶液に添加するようにしたこと以外は実施例1と同様にして球状シリカ系メソ多孔体を得た。なお、本実施例における析出開始時間(T)は3.3分(200秒)、添加時期(t)は1分、反応終了時間(T)は7.5分であった。
(Comparative Example 3)
A spherical silica-based mesoporous material was obtained in the same manner as in Example 1 except that an additional component was added to the reaction solution 1 minute after the reaction start time (T 0 ). In this example, the deposition start time (T 1 ) was 3.3 minutes (200 seconds), the addition time (t) was 1 minute, and the reaction end time (T 2 ) was 7.5 minutes.

得られた球状シリカ系メソ多孔体は単一の粒子径を有する1種類の単分散球状粒子であり、そのSEM写真から求めた任意の100個の粒子の平均粒径及びその標準偏差は0.65μm(標準偏差0.024μm)であった。   The obtained spherical silica-based mesoporous material is one type of monodispersed spherical particles having a single particle size, and the average particle size and standard deviation of any 100 particles determined from the SEM photograph are 0. It was 65 μm (standard deviation 0.024 μm).

(比較例4)
比較例1で得られた球状シリカ系メソ多孔体粉末25gと、別途合成した平均粒径が0.15μm(標準偏差0.01μm)の球状シリカ系メソ多孔体粉末25gとを井内盛栄堂製マイクロミルグラインダにより混合して、粒子径が異なる2種類の単分散球状粒子の混合物を得た。
(Comparative Example 4)
25 g of spherical silica-based mesoporous powder obtained in Comparative Example 1 and 25 g of spherical silica-based mesoporous powder with an average particle size of 0.15 μm (standard deviation 0.01 μm) separately synthesized The mixture was mixed by a mill grinder to obtain a mixture of two types of monodispersed spherical particles having different particle sizes.

<水蒸気吸着性能試験>
実施例1〜4及び比較例1で得られた焼成前の白色粉末50gをそれぞれ塩化ビニル製の袋に密栓し、静水圧プレスにて1000kg/cmの圧力で1分間保持した。次いで、得られた試料を乳鉢中で粉砕して粒径0.2〜0.3mmの粒子に揃えた後、空気中550℃で6時間焼成することによって界面活性剤を含む有機成分を除去し、多孔質成形体を得た。
<Water vapor adsorption performance test>
50 g of the white powder before firing obtained in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 was sealed in a bag made of vinyl chloride, and held at a pressure of 1000 kg / cm 2 for 1 minute by a hydrostatic press. Next, the obtained sample was pulverized in a mortar to prepare particles having a particle size of 0.2 to 0.3 mm, and then the organic components including the surfactant were removed by baking in air at 550 ° C. for 6 hours. A porous molded body was obtained.

また、比較例4で得られた球状シリカ系メソ多孔体粉末の混合物50gを塩化ビニル製の袋に密栓し、静水圧プレスにて1000kg/cmの圧力で1分間保持した後、得られた試料を乳鉢中で粉砕して粒径0.2〜0.3mmの粒子に揃えることによって多孔質成形体を得た。 Further, 50 g of the mixture of spherical silica-based mesoporous powder obtained in Comparative Example 4 was sealed in a bag made of vinyl chloride, and obtained after being held at a pressure of 1000 kg / cm 2 for 1 minute by a hydrostatic press. The sample was pulverized in a mortar and aligned to particles having a particle size of 0.2 to 0.3 mm to obtain a porous molded body.

このようにして各多孔質成形体の嵩密度、並びに25℃相対湿度80%における単位体積当たりの水蒸気吸着容量を測定した。得られた結果を表1に示す。   In this way, the bulk density of each porous molded body and the water vapor adsorption capacity per unit volume at 25 ° C. and a relative humidity of 80% were measured. The obtained results are shown in Table 1.

表1に示した結果からも明らかな通り、本発明の製造方法によって得られた粒子径が異なる2種類の単分散球状粒子の均一混合物となっている球状シリカ系メソ多孔体を用いれば、嵩密度が高く、かつ水蒸気吸着容量が十分に大きい多孔質成形体を得ることができることが確認された。   As is apparent from the results shown in Table 1, if a spherical silica-based mesoporous material that is a uniform mixture of two types of monodispersed spherical particles having different particle sizes obtained by the production method of the present invention is used, the bulk is increased. It was confirmed that a porous molded body having a high density and a sufficiently large water vapor adsorption capacity can be obtained.

以上説明したように、本発明によれば、粒径が異なる複数種類の球状シリカ系メソ多孔体を同時に製造することが可能となる。したがって、本発明の球状シリカ系メソ多孔体の製造方法によれば、粒径が異なる2種類の球状シリカ系メソ多孔体を別々に合成した後に均一に混合する従来の方法に比べて、得られる混合物の均一性を効率良くかつ確実に向上させることが可能となり、更に製造工程の短縮と製造コストの低減も達成されるようになる。そのため、本発明の球状シリカ系メソ多孔体の製造方法は、吸着剤や触媒担体を得る際に粒径が異なる2種類の球状シリカ系メソ多孔体を混合してパッキング性を向上させる場合等に非常に有用な方法である。   As described above, according to the present invention, it is possible to simultaneously produce a plurality of types of spherical silica mesoporous materials having different particle sizes. Therefore, according to the method for producing a spherical silica-based mesoporous material of the present invention, it is obtained as compared with the conventional method in which two types of spherical silica-based mesoporous materials having different particle diameters are synthesized separately and then mixed uniformly. The uniformity of the mixture can be improved efficiently and reliably, and the manufacturing process can be shortened and the manufacturing cost can be reduced. Therefore, the method for producing a spherical silica-based mesoporous material of the present invention is to improve the packing property by mixing two types of spherical silica-based mesoporous materials having different particle sizes when obtaining an adsorbent or a catalyst carrier. This is a very useful method.

実施例1で得られた球状シリカ系メソ多孔体のX線回折パターンを示す図である。2 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of a spherical silica-based mesoporous material obtained in Example 1. FIG. 実施例1で得られた球状シリカ系メソ多孔体のSEM写真である。2 is a SEM photograph of a spherical silica-based mesoporous material obtained in Example 1. 比較例1で得られた球状シリカ系メソ多孔体のSEM写真である。3 is a SEM photograph of a spherical silica-based mesoporous material obtained in Comparative Example 1.

Claims (5)

溶媒中でシリカ原料と界面活性剤とを混合し、前記シリカ原料中に前記界面活性剤が導入されてなる多孔体前駆体粒子を得る第1の工程と、
前記多孔体前駆体粒子に含まれる前記界面活性剤を除去して球状シリカ系メソ多孔体を得る第2の工程と、
を含む球状シリカ系メソ多孔体の製造方法であって、前記界面活性剤として炭素数8〜26の長鎖アルキル基を有する4級アンモニウム塩を用い、下記式(1):
<t<T (1)
[式(1)中、Tは析出開始時間、Tは反応終了時間、tは添加時期を示す。]
で表される条件を満たす添加時期tにシリカ原料、水溶性ポリマー溶液及び誘電率33以上の極性溶媒からなる群から選択されるいずれかの追加成分を添加することを特徴とする、粒径が異なる複数種類の球状シリカ系メソ多孔体の製造方法。
A first step of mixing a silica raw material and a surfactant in a solvent to obtain porous precursor particles obtained by introducing the surfactant into the silica raw material;
A second step of obtaining a spherical silica-based mesoporous material by removing the surfactant contained in the porous material precursor particles;
In which a quaternary ammonium salt having a long-chain alkyl group having 8 to 26 carbon atoms is used as the surfactant, the following formula (1):
T 1 <t <T 2 (1)
[In formula (1), T 1 represents the deposition start time, T 2 represents the reaction end time, and t represents the addition time. ]
In the addition time t satisfying the condition represented by the formula, any additional component selected from the group consisting of a silica raw material, a water-soluble polymer solution and a polar solvent having a dielectric constant of 33 or more is added. A method for producing different types of spherical silica-based mesoporous materials.
前記添加時期tに添加される前記シリカ原料は、モノアルコキシシラン、ジアルコキシシラン及びトリアルコキシシランからなる群から選択される少なくとも一つであり、
前記添加時期tに添加される前記水溶性ポリマー溶液は、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリアクリルアミド、ポリアクリルアミン、ポリビニルピロリドン、イソプレンスルホン酸、ポリアルギン酸、ヒドロキシエチルセルロース、タンパク質類、多糖類及びDNAからなる群から選択される少なくとも一つの水溶液であり、
前記添加時期tに添加される前記極性溶媒は、水、グリセリン、エチレングリコール及びアセトニトリルからなる群から選択される少なくとも一つである、
ことを特徴とする請求項1に記載の球状シリカ系メソ多孔体の製造方法。
The silica raw material added at the addition time t is at least one selected from the group consisting of monoalkoxysilane, dialkoxysilane and trialkoxysilane,
The water-soluble polymer solution added at the addition time t is polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, polyacrylamide, polyacrylamine, polyvinyl pyrrolidone, isoprene sulfonic acid, polyalginic acid, hydroxyethyl cellulose, proteins, polysaccharides And at least one aqueous solution selected from the group consisting of DNA,
The polar solvent added at the addition time t is at least one selected from the group consisting of water, glycerin, ethylene glycol and acetonitrile.
The method for producing a spherical silica-based mesoporous material according to claim 1.
前記添加時期tに添加される前記シリカ原料の添加量が、初期のシリカ原料100重量部に対して10〜300重量部であり、
前記添加時期tに添加される前記水溶性ポリマー溶液の添加量が、固形分換算で、初期のシリカ原料100重量部に対して1〜500重量部であり、
前記添加時期tに添加される前記極性溶媒の添加量が、初期のシリカ原料100重量部に対して50〜1000重量部である、
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の球状シリカ系メソ多孔体の製造方法。
The addition amount of the silica raw material added at the addition time t is 10 to 300 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the initial silica raw material,
The addition amount of the water-soluble polymer solution added at the addition time t is 1 to 500 parts by weight in terms of solid content with respect to 100 parts by weight of the initial silica raw material,
The amount of the polar solvent added at the addition time t is 50 to 1000 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the initial silica raw material.
The method for producing a spherical silica-based mesoporous material according to claim 1 or 2.
前記溶媒中における前記界面活性剤の初期濃度を0.005〜0.02mol/Lとし、前記シリカ原料の初期濃度をSi濃度換算で0.005〜0.05mol/Lとすることを特徴とする請求項1〜3のうちのいずれか一項に記載の球状シリカ系メソ多孔体の製造方法。   The initial concentration of the surfactant in the solvent is 0.005 to 0.02 mol / L, and the initial concentration of the silica raw material is 0.005 to 0.05 mol / L in terms of Si concentration. The manufacturing method of the spherical silica type mesoporous material as described in any one of Claims 1-3. 前記シリカ原料と前記界面活性剤とを混合するための初期の溶媒として、アルコール含有量が80容量%以下である水とアルコールとの混合溶媒を用いることを特徴とする請求項1〜4のうちのいずれか一項に記載の球状シリカ系メソ多孔体の製造方法。   A mixed solvent of water and alcohol having an alcohol content of 80% by volume or less is used as an initial solvent for mixing the silica raw material and the surfactant. The manufacturing method of the spherical silica type mesoporous material as described in any one of these.
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