JP4645884B2 - Silica-based mesostructure and method for producing the same - Google Patents

Silica-based mesostructure and method for producing the same Download PDF

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Description

本発明は、有機基を含むケイ素酸化物の骨格からなるシリカ系メソ構造体、並びにその製造方法に関する。   The present invention relates to a silica-based mesostructure comprising a silicon oxide skeleton containing an organic group, and a method for producing the same.

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メソ多孔体が注目されており、このようなメソ多孔体の合成及び機能開発に関する研究が積極的に行われてきた。   In recent years, 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 mesoporous materials has been actively conducted.

そのような研究の一つとして、特開2000−219770号公報(特許文献1)においては、シリカメソ多孔体の骨格内に有機基を組み込んで基本骨格そのものを有機と無機のハイブリッド構造にしたシリカ系メソ多孔体が報告されており、骨格内に導入された有機基の特性に応じた機能が期待されるため非常に注目されている。そして、特開2003−86676号公報(特許文献2)には、このようなシリカ系メソ多孔体からなる低誘電率膜が開示されており、また、特開2003−263999号公報(特許文献3)には、このようなシリカ系メソ多孔体からなる固体電解質膜が開示されている。しかしながら、従来得られている有機無機ハイブリッド構造を有するシリカ系メソ多孔体は、骨格構造が硬く柔軟性が乏しいため、単独で自立膜の状態を保持することはできず、基板上に被覆形成した薄膜(いわゆるコート膜)としてしか利用できないという問題があった。   As one of such studies, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-219770 (Patent Document 1), a silica system in which an organic group is incorporated in a skeleton of a silica mesoporous material to form a basic skeleton itself in an organic-inorganic hybrid structure. A mesoporous material has been reported, and has attracted much attention because it is expected to function in accordance with the characteristics of the organic group introduced into the skeleton. Japanese Patent Laid-Open No. 2003-86676 (Patent Document 2) discloses a low dielectric constant film made of such a silica-based mesoporous material, and Japanese Patent Laid-Open No. 2003-263999 (Patent Document 3). ) Discloses a solid electrolyte membrane made of such a silica-based mesoporous material. However, since the silica-based mesoporous material having an organic-inorganic hybrid structure obtained in the past has a hard skeleton structure and lacks flexibility, it cannot maintain the state of a self-supporting film alone, and is formed on a substrate. There was a problem that it could be used only as a thin film (so-called coat film).

一方、小川らは、テトラメトキシシラン(Si(−OMe):TMOS)とビニルトリメトキシシラン((CH=CH−)Si(−OMe):VTMOS)との混合物をシリカ原料として用い、いわゆるゾルゲル法を用いてシリカ系メソ多孔体からなる自立膜を得たことを報告している(M.Ogawa et al., Advanced Materials, 1998, 10, No.14, p.1077−1080(非特許文献1))。しかしながら、小川らによって得られた自立膜であっても、柔軟性が不十分で強度が低いという問題を有しており、また、導入される有機基により付与される機能が限定されてしまうという点においても未だ十分なものではなかった。
特開2000−219770号公報 特開2003−86676号公報 特開2003−263999号公報 M.Ogawa et al., Advanced Materials, 1998, 10, No.14, p.1077−1080
On the other hand, Ogawa et al. Used a mixture of tetramethoxysilane (Si (—OMe) 4 : TMOS) and vinyltrimethoxysilane ((CH 2 ═CH—) Si (—OMe) 3 : VTMOS) as a silica raw material, It has been reported that a self-supporting film composed of a silica-based mesoporous material was obtained by using a so-called sol-gel method (M. Ogawa et al., Advanced Materials, 1998, 10, No. 14, p. 1077-1080 (non- Patent Document 1)). However, even the free-standing film obtained by Ogawa et al. Has a problem that the flexibility is insufficient and the strength is low, and the function imparted by the introduced organic group is limited. In terms of points, it was still not enough.
JP 2000-219770 A JP 2003-86676 A JP 2003-263999 A M. Ogawa et al., Advanced Materials, 1998, 10, No. 14, p.1077-1080

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、有機基を含むケイ素酸化物の骨格からなる有機無機ハイブリッド構造を有するシリカ系メソ構造体であるにも拘らず、十分な柔軟性を有しており、柔軟性が高く強度に優れた自立膜を形成することができ、しかも機能性の高い種々の有機基を骨格内に導入することが可能なシリカ系メソ構造体、並びにその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and is a silica-based mesostructure having an organic-inorganic hybrid structure composed of a silicon oxide skeleton containing an organic group. A silica-based mesostructure having flexibility, capable of forming a self-supporting film having high flexibility and excellent strength, and capable of introducing various organic groups having high functionality into the skeleton; An object of the present invention is to provide a manufacturing method thereof.

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、シリカ原料として用いる有機基を有するアルコキシシランとして特定の条件を満たすものを用いることにより、上記目的が達成されることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have found that the above object can be achieved by using an alkoxysilane having an organic group used as a silica raw material that satisfies a specific condition. The present invention has been completed.

すなわち、本発明のシリカ系メソ構造体は、有機基を含むケイ素酸化物の骨格からなり、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X線回折パターンを示すシリカ系メソ構造体であって、
下記一般式(1)又は(2):
That is, the silica-based mesostructure of the present invention is composed of a silicon oxide skeleton containing an organic group and exhibits an X-ray diffraction pattern having one or more peaks at a diffraction angle corresponding to a d value of 1 nm or more. A mesostructure,
The following general formula (1) or (2):

[式(1)及び(2)中、Xは同一でも異なっていてもよく、それぞれ1価の加水分解性基を示し、Rメチレン基、エチレン基、トリメチレン基、テトラメチレン基、1,2−ブチレン基、1,3−ブチレン基、フェニレン基、ビフェニレン基、ジエチルフェニレン基、ビニレン基、プロペニレン基、ブテニレン基、アミド基、ジメチルアミノ基及びトリメチルアミン基からなる群から選択されるケイ素原子に結合した炭素原子を有する2価の有機基を示し、Rはケイ素原子に結合した炭素原子を有する1価の有機基を示す。]
で表される第一のアルコキシシランに由来するTサイト骨格成分の存在割合(Tモル%)と、下記一般式(3)又は(4):
[In formulas (1) and (2), X 1 may be the same or different and each represents a monovalent hydrolyzable group, and R 1 represents a methylene group, an ethylene group, a trimethylene group, a tetramethylene group, 1 , 2-butylene group, 1,3-butylene group, phenylene group, biphenylene group, diethylphenylene group, vinylene group, propenylene group, butenylene group, amide group, dimethylamino group and trimethylamine group R 2 represents a divalent organic group having a carbon atom bonded to a silicon atom, and R 2 represents a monovalent organic group having a carbon atom bonded to a silicon atom. ]
The presence ratio (T mol%) of the T site skeleton component derived from the first alkoxysilane represented by the following general formula (3) or (4):

[式(3)及び(4)中、X、R及びRはそれぞれ式(1)及び(2)中のX、R及びRと同義であり、Rは同一でも異なっていてもよい。]
で表される第二のアルコキシシランに由来するDサイト骨格成分の存在割合(Dモル%)と、下記一般式(5)又は(6):
Wherein (3) and (4), X 1, R 1 and R 2 have the same meanings as X 1, R 1 and R 2, respectively formula (1) and (2), R 2 is be the same or different It may be. ]
The existing ratio (D mol%) of the D site skeleton component derived from the second alkoxysilane represented by the following general formula (5) or (6):

[式(5)及び(6)中、X、R及びRはそれぞれ式(1)及び(2)中のX、R及びRと同義であり、Rは同一でも異なっていてもよい。]
で表される第三のアルコキシシランに由来するSサイト骨格成分の存在割合(Sモル%)とが、T≠0の場合は下記数式(F1)、T=0の場合は下記数式(F2):
0.3≦{(D+S)/(T+D+S)}≦0.9 (F1)
{S/(D+S)}≦0.6 (F2)
で表される条件を満たしていることを特徴とするものである。
Wherein (5) and (6), X 1, R 1 and R 2 have the same meanings as X 1, R 1 and R 2, respectively formula (1) and (2), R 2 is be the same or different It may be. ]
The following formula (F1) when the S site skeleton component abundance ratio (S mol%) derived from the third alkoxysilane represented by the following formula (F1) and T = 0: :
0.3 ≦ {(D + S) / (T + D + S)} ≦ 0.9 (F1)
{S / (D + S)} ≦ 0.6 (F2)
It is characterized by satisfying the condition represented by

上記本発明のシリカ系メソ構造体は、29Si−NMRにおける、前記Tサイト骨格成分に相当するシグナルの積分値(T)と、前記Dサイト骨格成分に相当するシグナルの積分値(D)と、前記Sサイト骨格成分に相当するシグナルの積分値(S)とが、T≠0の場合は前記数式(F1)、T=0の場合は前記数式(F2)で表される条件を満たしているものであることが好ましい。 The silica-based mesostructure of the present invention has an integrated value (T) of a signal corresponding to the T site skeleton component and an integrated value (D) of a signal corresponding to the D site skeleton component in 29 Si-NMR. The integral value (S) of the signal corresponding to the S site skeleton component satisfies the condition expressed by the formula (F1) when T ≠ 0, and the formula (F2) when T = 0. It is preferable that

また、本発明のシリカ系メソ構造体は、細孔径分布曲線における中心細孔直径が1〜30nmのメソ孔が規則的に形成されているシリカ系メソ多孔体であってもよい。 Further, silica mesostructure present invention, the center pore diameter in the pore diameter distribution curve may be a mesoporous silica material which mesopores 1~30nm are regularly formed.

さらに、本発明のシリカ系メソ構造体は、0.01〜2mmの膜厚を有する自立膜を構成していることが好ましく、それによって引張り破断強度が1MPa以上、かつ、引張り破断伸び率が5%以上である自立膜が好適に得られる。   Furthermore, the silica-based mesostructure of the present invention preferably constitutes a self-supporting film having a thickness of 0.01 to 2 mm, whereby the tensile breaking strength is 1 MPa or more and the tensile breaking elongation is 5 % Of the self-supporting film is preferably obtained.

本発明のシリカ系メソ構造体の製造方法は、溶媒中でアルコキシシランと界面活性剤とを混合して前記アルコキシシランを重合せしめることにより、有機基を含むケイ素酸化物の骨格からなり、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X線回折パターンを示すシリカ系メソ構造体を製造する方法であって、
下記一般式(1)又は(2):
The method for producing a silica-based mesostructure according to the present invention comprises a silicon oxide skeleton containing an organic group by mixing alkoxysilane and a surfactant in a solvent to polymerize the alkoxysilane, and having a thickness of 1 nm or more. A method for producing a silica-based mesostructure showing an X-ray diffraction pattern having one or more peaks at a diffraction angle corresponding to a d value of
The following general formula (1) or (2):

[式(1)及び(2)中、Xは同一でも異なっていてもよく、それぞれ1価の加水分解性基を示し、Rメチレン基、エチレン基、トリメチレン基、テトラメチレン基、1,2−ブチレン基、1,3−ブチレン基、フェニレン基、ビフェニレン基、ジエチルフェニレン基、ビニレン基、プロペニレン基、ブテニレン基、アミド基、ジメチルアミノ基及びトリメチルアミン基からなる群から選択されるケイ素原子に結合した炭素原子を有する2価の有機基を示し、Rはケイ素原子に結合した炭素原子を有する1価の有機基を示す。]
で表される第一のアルコキシシランに由来するTサイト骨格成分の存在割合(Tモル%)と、下記一般式(3)又は(4):
[In formulas (1) and (2), X 1 may be the same or different and each represents a monovalent hydrolyzable group, and R 1 represents a methylene group, an ethylene group, a trimethylene group, a tetramethylene group, 1 , 2-butylene group, 1,3-butylene group, phenylene group, biphenylene group, diethylphenylene group, vinylene group, propenylene group, butenylene group, amide group, dimethylamino group and trimethylamine group R 2 represents a divalent organic group having a carbon atom bonded to a silicon atom, and R 2 represents a monovalent organic group having a carbon atom bonded to a silicon atom. ]
The presence ratio (T mol%) of the T site skeleton component derived from the first alkoxysilane represented by the following general formula (3) or (4):

[式(3)及び(4)中、X、R及びRはそれぞれ式(1)及び(2)中のX、R及びRと同義であり、Rは同一でも異なっていてもよい。]
で表される第二のアルコキシシランに由来するDサイト骨格成分の存在割合(Dモル%)と、下記一般式(5)又は(6):
Wherein (3) and (4), X 1, R 1 and R 2 have the same meanings as X 1, R 1 and R 2, respectively formula (1) and (2), R 2 is be the same or different It may be. ]
The existing ratio (D mol%) of the D site skeleton component derived from the second alkoxysilane represented by the following general formula (5) or (6):

[式(5)及び(6)中、X、R及びRはそれぞれ式(1)及び(2)中のX、R及びRと同義であり、Rは同一でも異なっていてもよい。]
で表される第三のアルコキシシランに由来するSサイト骨格成分の存在割合(Sモル%)とが、T≠0の場合は下記数式(F1)、T=0の場合は下記数式(F2):
0.3≦{(D+S)/(T+D+S)}≦0.9 (F1)
{S/(D+S)}≦0.6 (F2)
で表される条件を満たすように前記アルコキシシランを前記溶媒中に添加することを特徴とする方法である。
Wherein (5) and (6), X 1, R 1 and R 2 have the same meanings as X 1, R 1 and R 2, respectively formula (1) and (2), R 2 is be the same or different It may be. ]
The following formula (F1) when the S site skeleton component abundance ratio (S mol%) derived from the third alkoxysilane represented by the following formula (F1) and T = 0: :
0.3 ≦ {(D + S) / (T + D + S)} ≦ 0.9 (F1)
{S / (D + S)} ≦ 0.6 (F2)
The alkoxysilane is added to the solvent so as to satisfy the condition represented by:

上記本発明のシリカ系メソ構造体の製造方法は、前記溶媒中で前記アルコキシシランと前記界面活性剤とを混合して前記アルコキシシランを部分的に重合せしめて得られたゾル溶液を膜状とし、溶媒を除去すると共に前記アルコキシシランを更に重合せしめることにより前記シリカ系メソ構造体からなる自立膜を得る工程を更に含んでいることが好ましい。   In the method for producing a silica-based mesostructure according to the present invention, a sol solution obtained by mixing the alkoxysilane and the surfactant in the solvent and partially polymerizing the alkoxysilane is formed into a film. Preferably, the method further includes the step of obtaining a self-supporting film composed of the silica-based mesostructure by removing the solvent and further polymerizing the alkoxysilane.

また、本発明のシリカ系メソ構造体の製造方法は、前記シリカ系メソ構造体から界面活性剤を除去することにより、細孔径分布曲線における中心細孔直径が1〜30nmのメソ孔が規則的に形成されているシリカ系メソ多孔体を得る工程を更に含んでいてもよい。 The method for producing a silica-based mesostructure according to the present invention is such that the mesopores having a central pore diameter of 1 to 30 nm in the pore-size distribution curve are regularly removed by removing the surfactant from the silica-based mesostructure. The method may further include a step of obtaining a silica-based mesoporous material.

なお、本発明のシリカ系メソ構造体によって柔軟性が高く強度に優れた自立膜を形成することが可能と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、メソ構造骨格を構成するためのシリカ原料として上記のTサイト骨格成分、Dサイト骨格成分及びSサイト骨格成分の存在割合を上記の数式(F1)及び(F2)の条件を満たすようにすることにより、メソ構造の形成は妨げることなく、シロキサン結合(Si−O−Si)のサイトが減少して骨格の架橋密度が下がり、結果として得られるシリカ系メソ構造体に十分な柔軟性が付与されて優れた強度を有する自立膜の形成が可能となったものと本発明者らは推察する。   The reason why the silica-based mesostructure of the present invention makes it possible to form a self-supporting film having high flexibility and excellent strength is not necessarily clear, but the present inventors speculate as follows. That is, the presence ratio of the T site skeleton component, the D site skeleton component, and the S site skeleton component as the silica raw material for constituting the mesostructure skeleton satisfies the conditions of the above formulas (F1) and (F2). As a result, the formation of mesostructures is not hindered, and the number of siloxane bond (Si-O-Si) sites is reduced and the cross-linking density of the skeleton is reduced, and the resulting silica-based mesostructure is sufficiently flexible. The present inventors infer that the self-supporting film having excellent strength can be formed.

本発明によれば、有機基を含むケイ素酸化物の骨格からなる有機無機ハイブリッド構造を有するシリカ系メソ構造体であるにも拘らず、十分な柔軟性を有しており、柔軟性が高く強度に優れた自立膜を形成することができ、しかも機能性の高い種々の有機基を骨格内に導入することが可能なシリカ系メソ構造体、並びにその製造方法を提供することが可能となる。   According to the present invention, although it is a silica-based mesostructure having an organic-inorganic hybrid structure composed of a silicon oxide skeleton containing an organic group, it has sufficient flexibility, high flexibility and strength. It is possible to provide a silica-based mesostructure capable of forming a highly self-supporting film and introducing various organic groups having high functionality into the skeleton, and a method for producing the same.

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.

先ず、本発明のシリカ系メソ構造体について説明する。すなわち、本発明のシリカ系メソ構造体は、界面活性剤を鋳型(テンプレート)とし、シリカ源としての以下に詳述する第一、第二及び第三のアルコキシシランのうちの少なくとも一種を、それらに由来するTサイト、Dサイト及びSサイト骨格成分の存在割合が下記条件を満たすように重合せしめてなるものである。   First, the silica-based mesostructure of the present invention will be described. That is, the silica-based mesostructure of the present invention uses at least one of the first, second and third alkoxysilanes described below in detail as a silica source, using a surfactant as a template. Polymerization is performed so that the abundance ratios of the T site, D site, and S site skeleton components derived from the above conditions are satisfied.

本発明にかかる第一のアルコキシシランは、重合して得られるシリカ系メソ構造体においてTサイト骨格成分となるものであり、下記一般式(1)又は(2)で表されるものである。   The first alkoxysilane according to the present invention is a T-site skeleton component in a silica-based mesostructure obtained by polymerization, and is represented by the following general formula (1) or (2).

上記一般式(1)及び(2)中、Xは同一でも異なっていてもよく、それぞれ1価の加水分解性基を示す。このような加水分解性基としては、低級アルコキシ基(好ましくは炭素数1〜5のアルコキシ基)、水酸基、低級アシルオキシ基(好ましくは炭素数1〜5のアシルオキシ基)、ハロゲン原子(塩素原子、フッ素原子、臭素原子、沃素原子)等が挙げられ、中でも重合反応が制御し易いという観点から低級アルコキシ基及び/又は水酸基が好ましい。また、上記一般式(1)中、Rはケイ素原子に結合した炭素原子を有する2価の有機基を示し、メチレン基(−CH2−)、エチレン基(−CH2CH2−)、トリメチレン基(−CH2CH2CH2−)、テトラメチレン基(−CH2CH2CH2CH2−)、1,2−ブチレン基(−CH(C25)CH−)、1,3−ブチレン基(−CH(CH3)CH2CH2−)、フェニレン基(−C64−)、ビフェニレン基(−C64−C64−)、ジエチルフェニレン基(−C24−C64−C24−)、ビニレン基(−CH=CH−)、プロペニレン基(−CH2−CH=CH2−)、ブテニレン基(−CH2−CH=CH−CH2−)、アミド基(−CO−NH−)、ジメチルアミノ基(−CH2−NH−CH2−)、トリメチルアミン基(−CH2−N(CH3)−CH2−)等が挙げられ、中でも結晶性の高いシリカ系メソ構造体が得られる傾向にあることからメチレン基、エチレン基、フェニレン基、ビフェニレン基が好ましい。さらに、上記一般式(2)中、Rはケイ素原子に結合した炭素原子を有する1価の有機基を示し、炭素数1〜10のアルキル基(メチル基、エチル基等)、炭素数1〜10のアルケニル基(ビニル基等)、アリール基(フェニル基、ビフェニル基等)、メルカプトアルキル基(メルカプトプロピル基等)等が挙げられる。 In the general formulas (1) and (2), X 1 may be the same or different and each represents a monovalent hydrolyzable group. Examples of such a hydrolyzable group include a lower alkoxy group (preferably an alkoxy group having 1 to 5 carbon atoms), a hydroxyl group, a lower acyloxy group (preferably an acyloxy group having 1 to 5 carbon atoms), a halogen atom (a chlorine atom, Fluorine atom, bromine atom, iodine atom) and the like. Among them, a lower alkoxy group and / or a hydroxyl group is preferable from the viewpoint of easy control of the polymerization reaction. In the general formula (1), R 1 represents a divalent organic group having a carbon atom bonded to a silicon atom, and includes a methylene group (—CH 2 —), an ethylene group (—CH 2 CH 2 —), Trimethylene group (—CH 2 CH 2 CH 2 —), tetramethylene group (—CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 —), 1,2-butylene group (—CH (C 2 H 5 ) CH—), 1, 3-butylene group (—CH (CH 3 ) CH 2 CH 2 —), phenylene group (—C 6 H 4 —), biphenylene group (—C 6 H 4 —C 6 H 4 —), diethylphenylene group (— C 2 H 4 —C 6 H 4 —C 2 H 4 —), vinylene group (—CH═CH—), propenylene group (—CH 2 —CH═CH 2 —), butenylene group (—CH 2 —CH═) CH-CH 2 -), amide group (-CO-NH-), dimethylamino group (-CH 2 -NH-CH 2 - ), A trimethylamine group (—CH 2 —N (CH 3 ) —CH 2 —) and the like. Among them, a methylene group, an ethylene group, a phenylene group, and a biphenylene are preferred because a silica-based mesostructure having high crystallinity tends to be obtained. Groups are preferred. Furthermore, in the above general formula (2), R 2 represents a monovalent organic group having a carbon atom bonded to a silicon atom, an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms (methyl group, ethyl group, etc.), 1 carbon atoms -10 alkenyl groups (vinyl group etc.), aryl groups (phenyl group, biphenyl group etc.), mercaptoalkyl groups (mercaptopropyl group etc.) and the like.

このような第一のアルコキシシランとしては、比較的安定な構造を得やすいという観点から、以下に示すものが好ましいものとして挙げられる。   Preferred examples of the first alkoxysilane include those shown below from the viewpoint that a relatively stable structure is easily obtained.

また、このような第一のアルコキシシランに由来するTサイト骨格成分とは、単一のケイ素原子に結合する酸素原子(シロキサン結合又はシラノール基を構成する酸素原子)の数が3つのサイトであり、下記一般式(1’)又は(2’)で表されるものである。   The T site skeleton component derived from the first alkoxysilane is a site having three oxygen atoms (oxygen atoms constituting a siloxane bond or silanol group) bonded to a single silicon atom. These are represented by the following general formula (1 ′) or (2 ′).

本発明にかかる第二のアルコキシシランは、重合して得られるシリカ系メソ構造体においてDサイト骨格成分となるものであり、下記一般式(3)又は(4)で表されるものである。   The second alkoxysilane according to the present invention is a D-site skeleton component in a silica-based mesostructure obtained by polymerization, and is represented by the following general formula (3) or (4).

上記一般式(3)及び(4)中、X、R及びRはそれぞれ前記一般式(1)及び(2)中のX、R及びRと同義であり、Rは同一でも異なっていてもよい。 In the general formula (3) and (4), X 1, R 1 and R 2 are each the formula (1) and (2) in a X 1, same meaning as R 1 and R 2, R 2 is It may be the same or different.

このような第二のアルコキシシランとしては、比較的安定な構造を得やすいという観点から、以下に示すものが好ましいものとして挙げられる。   As such a second alkoxysilane, those shown below are preferable from the viewpoint of easily obtaining a relatively stable structure.

また、このような第二のアルコキシシランに由来するDサイト骨格成分とは、単一のケイ素原子に結合する酸素原子(シロキサン結合又はシラノール基を構成する酸素原子)の数が2つのサイトであり、下記一般式(3’)又は(4’)で表されるものである。   The D-site skeleton component derived from such a second alkoxysilane is a site where the number of oxygen atoms (oxygen atoms constituting a siloxane bond or silanol group) bonded to a single silicon atom is two. These are represented by the following general formula (3 ′) or (4 ′).

本発明にかかる第三のアルコキシシランは、重合して得られるシリカ系メソ構造体においてSサイト(Mサイト、Uサイト)骨格成分となるものであり、下記一般式(5)又は(6)で表されるものである。   The third alkoxysilane according to the present invention is an S site (M site, U site) skeleton component in the silica-based mesostructure obtained by polymerization, and is represented by the following general formula (5) or (6). It is expressed.

上記一般式(5)及び(6)中、X、R及びRはそれぞれ前記一般式(1)及び(2)中のX、R及びRと同義であり、Rは同一でも異なっていてもよい。 In the general formula (5) and (6), X 1, R 1 and R 2 are each the formula (1) and (2) in a X 1, same meaning as R 1 and R 2, R 2 is It may be the same or different.

このような第三のアルコキシシランとしては、比較的安定な構造を得やすいという観点から、以下に示すものが好ましいものとして挙げられる。   As such a third alkoxysilane, those shown below are preferable from the viewpoint of easily obtaining a relatively stable structure.

また、このような第三のアルコキシシランに由来するSサイト骨格成分とは、単一のケイ素原子に結合する酸素原子(シロキサン結合又はシラノール基を構成する酸素原子)の数が1つのサイトであり、下記一般式(5’)又は(6’)で表されるものである。   In addition, the S site skeleton component derived from such third alkoxysilane is a site where the number of oxygen atoms (oxygen atoms constituting a siloxane bond or silanol group) bonded to a single silicon atom is one. These are represented by the following general formula (5 ′) or (6 ′).

そして、本発明においては、上記第一のアルコキシシランに由来するTサイト骨格成分の存在割合(Tモル%)と、第二のアルコキシシランに由来するDサイト骨格成分の存在割合(Dモル%)と、第三のアルコキシシランに由来するSサイト骨格成分の存在割合(Sモル%)とが、
(i)T≠0の場合は、下記数式(F1):
{(D+S)/(T+D+S)}≧0.1 (F1)
で表される条件を満たし、
(ii)T=0の場合は、下記数式(F2):
{S/(D+S)}≦0.9] (F2)
で表される条件を満たすことが必要である。
In the present invention, the abundance ratio (T mol%) of the T site skeleton component derived from the first alkoxysilane and the abundance ratio (D mol%) of the D site skeleton component derived from the second alkoxysilane. And the existing ratio (S mol%) of the S site skeleton component derived from the third alkoxysilane,
(i) When T ≠ 0, the following formula (F1):
{(D + S) / (T + D + S)} ≧ 0.1 (F1)
Meets the conditions
(ii) When T = 0, the following formula (F2):
{S / (D + S)} ≦ 0.9] (F2)
It is necessary to satisfy the condition expressed by

上記数式(F1)における{(D+S)/(T+D+S)}の値が0.1未満では十分な柔軟性を有するシリカ系メソ構造体を得ることができない。また、より規則性の高いメソ構造が得られる傾向にあることから、この値が0.7以下であることがより好ましい。他方、より柔軟性が高くなる傾向にあるという観点から、{(D+S)/(T+D+S)}の値は0.3以上であることが好ましい。   When the value of {(D + S) / (T + D + S)} in the formula (F1) is less than 0.1, a silica-based mesostructure having sufficient flexibility cannot be obtained. In addition, since the mesostructure having higher regularity tends to be obtained, this value is more preferably 0.7 or less. On the other hand, from the viewpoint that flexibility tends to be higher, the value of {(D + S) / (T + D + S)} is preferably 0.3 or more.

また、上記数式(F2)における{S/(D+S)}の値が0.9を超えるとメソ構造を有するシリカ系メソ構造体を得ることができず、より規則性の高いメソ構造が得られる傾向にあることからこの値が0.6以下であることがより好ましい。   If the value of {S / (D + S)} in the above formula (F2) exceeds 0.9, a silica-based mesostructure having a mesostructure cannot be obtained, and a more ordered mesostructure can be obtained. Since it exists in the tendency, it is more preferable that this value is 0.6 or less.

このような本発明のシリカ系メソ構造体におけるTサイト、Dサイト及びSサイト骨格成分の存在割合は、シリカ源として用いるアルコキシシランの種類とその割合によって特定されるが、29Si−NMRによって解析することも可能である。すなわち、本発明のシリカ系メソ構造体としては、29Si−NMRにおける前記Tサイト骨格成分に相当するシグナルの積分値(T)と、前記Dサイト骨格成分に相当するシグナルの積分値(D)と、前記Sサイト骨格成分に相当するシグナルの積分値(S)とが、T≠0の場合は前記数式(F1)、T=0の場合は前記数式(F2)で表される条件を満たしているものであることが好ましい。 The existence ratio of the T site, D site, and S site skeleton components in the silica-based mesostructure of the present invention is specified by the type and ratio of the alkoxysilane used as the silica source, and analyzed by 29 Si-NMR. It is also possible to do. That is, the silica-based mesostructure of the present invention includes an integrated value (T) of a signal corresponding to the T site skeleton component in 29 Si-NMR and an integrated value (D) of a signal corresponding to the D site skeleton component. And the integral value (S) of the signal corresponding to the S-site skeleton component satisfies the condition expressed by the formula (F1) when T ≠ 0 and the formula (F2) when T = 0. It is preferable that

以上説明したように、本発明のシリカ系メソ構造体は、界面活性剤を鋳型として上記アルコキシシランを重合(加水分解及び縮合反応)せしめてなるものであり、有機基(R、R)を含むケイ素酸化物の骨格からなり、有機基に結合しているケイ素原子が酸素原子を介して高度に架橋した網目構造を有している。そして、本発明のシリカ系メソ構造体は、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X線回折パターンを示すメソ構造体である。X線回折(XRD)パターンでピークが現われる場合は、そのピーク角度に相当するd値の周期構造がシリカ系メソ構造体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、1nm以上の間隔で規則的に配列したメソ構造が形成されていることになり、1.5〜30.5nm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より好ましい。 As described above, the silica-based mesostructure of the present invention is obtained by polymerizing (hydrolyzing and condensing) the above alkoxysilane using a surfactant as a template, and an organic group (R 1 , R 2 ). It has a network structure in which silicon atoms bonded to organic groups are highly crosslinked through oxygen atoms. The silica-based mesostructure of the present invention is a mesostructure showing an X-ray diffraction pattern having one or more peaks at a diffraction angle corresponding to a d value of 1 nm or more. When a peak appears in an X-ray diffraction (XRD) pattern, it means that a periodic structure having a d value corresponding to the peak angle is present in the silica-based mesostructure. Therefore, the presence of one or more peaks at a diffraction angle corresponding to a d value of 1 nm or more means that mesostructures regularly arranged at intervals of 1 nm or more are formed. More preferably, it has one or more peaks at a diffraction angle corresponding to a d value of 5 nm.

また、本発明のシリカ系メソ構造体は、細孔径分布曲線における中心細孔直径が1〜30nmである複数のメソ孔が形成されているシリカ系メソ多孔体であってもよい。すなわち、界面活性剤を鋳型として上記アルコキシシランを重合せしめて得た本発明のシリカ系メソ構造体から、後述する方法により界面活性剤を除去することによって、中心細孔直径が1〜30nmのメソ孔が規則的に形成されたシリカ系メソ多孔体が得られる。   The silica-based mesostructure of the present invention may be a silica-based mesoporous material in which a plurality of mesopores having a center pore diameter of 1 to 30 nm in the pore size distribution curve are formed. That is, by removing the surfactant from the silica-based mesostructure of the present invention obtained by polymerizing the above alkoxysilane using the surfactant as a template by a method described later, a meso having a central pore diameter of 1 to 30 nm is obtained. A silica-based mesoporous material having regularly formed pores is obtained.

なお、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り、次に述べる方法により求めることができる。すなわち、多孔体を液体窒素温度(−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、Pollimore−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 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, and can be determined by the method described below. That is, the porous body is 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, The adsorption amount of nitrogen gas with respect to 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, Pollimore-Heal method, BJH method or the like.

このような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。この条件を満たすメソ多孔体は、細孔の直径が非常に均一であることを意味する。また、メソ多孔体の比表面積については特に制限はないが、200m2/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。 Such a silica-based mesoporous material preferably contains 60% or more of the total pore volume in a range of ± 40% of the center pore diameter in the pore diameter distribution curve. A mesoporous material satisfying this condition means that the pore diameter is very uniform. The specific surface area of the mesoporous material is not particularly limited but is preferably 200 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.

また、このような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。かかるメソ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。   Moreover, the pore which such a mesoporous body has is formed not only on the surface of the porous body but also inside. The arrangement state (pore arrangement structure or structure) of the pores in the mesoporous material 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、メソ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., p.680(1993)、S.Inagaki et al., Bull.Chem.Soc.Jpn., 69,p.1449(1996)、Q.Huo et al., Science, 268,p.1324(1995)参照)。また、メソ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,p.2317(1994)、Q.Huo et al., Nature, 368,p.317(1994)参照)。また、メソ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,p.865(1995)、S.A.Bagshaw et al., Science, 269,p.1242(1995)、R.Ryoo et al., J.Phys.Chem., 100,p.17718(1996)参照)。また、前記キュービック構造は、Pm−3n、Ia−3d、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。   Here, that the mesoporous material 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. , p. 680 (1993), S. Inagaki et al., Bull. Chem. Soc. Jpn., 69, p. 1449 (1996), Q. Huo et al., Science, 268, p. 1324 (1995) reference). The mesoporous material having a cubic pore arrangement structure means that the arrangement of the pores is a cubic structure (JCVartuli et al., Chem. Mater., 6, p. 2317 (1994)). Q. Huo et al., Nature, 368, p. 317 (1994)). Further, the mesoporous material having a disordered pore arrangement structure means that the arrangement of the pores is irregular (PTTanev et al., Science, 267, p.865 (1995), SA Bagshaw et al., Science, 269, p. 1242 (1995), R. Ryoo et al., J. Phys. Chem., 100, p. 17718 (1996)). The cubic structure is preferably Pm-3n, Ia-3d, Im-3m, or Fm-3m symmetry. The symmetry is determined based on a space group notation.

以上説明した本発明のシリカ系メソ構造体の形状は特に制限されず、粒子状であってもよいが、本発明のシリカ系メソ構造体は十分な柔軟性を有しているため自立膜を形成することができるという特徴を有しているため、自立膜を構成していることが好ましい。このように本発明のシリカ系メソ構造体(上記本発明のシリカ系メソ多孔体であってもよい)を自立膜とすることにより、引張り破断強度が1MPa以上、かつ、引張り破断伸び率が5%以上という強度に優れた自立膜が好適に得られる。なお、本発明のシリカ系メソ構造体を粒子状とする際の平均粒径や膜状とする際の膜厚は特に制限されないが、自立膜とする場合は0.01〜2mmの膜厚であることが好ましい。膜厚が0.01mm未満では自立しなくなる傾向にあり、他方、2mmを超えると膜としての利用におけるメリットが制限されてしまう傾向にある。   The shape of the silica-based mesostructure of the present invention described above is not particularly limited, and may be in the form of particles. However, since the silica-based mesostructure of the present invention has sufficient flexibility, a self-supporting film is formed. Since it has the characteristic that it can form, it is preferable to comprise the self-supporting film | membrane. Thus, by using the silica-based mesostructure of the present invention (which may be the silica-based mesoporous material of the present invention) as a self-supporting film, the tensile strength at break is 1 MPa or more and the tensile elongation at break is 5 A self-supporting film excellent in strength of at least% is suitably obtained. In addition, although the average particle diameter at the time of making the silica-based mesostructure of the present invention into a particulate form and the film thickness at the time of making it into a film form are not particularly limited, Preferably there is. When the film thickness is less than 0.01 mm, the film tends to be independence. When the film thickness exceeds 2 mm, the merit in use as a film tends to be limited.

また、本発明のシリカ系メソ構造体においては、その骨格中の有機基を化学修飾することによって、自立構造及びメソ構造を保持したままで、プロトン導電性等の種々の機能を付与させることが可能である。また、界面活性剤に添加剤として、高分子、貴金属、金属、金属酸化物、金属錯体等を加えて、導電性、光学特性等を付与させることも可能である。   Further, in the silica-based mesostructure of the present invention, various functions such as proton conductivity can be imparted by maintaining the self-supporting structure and the mesostructure by chemically modifying the organic group in the skeleton. Is possible. Moreover, it is also possible to add a polymer, a noble metal, a metal, a metal oxide, a metal complex, or the like as an additive to the surfactant to impart conductivity, optical characteristics, or the like.

次に、本発明のシリカ系メソ構造体の製造方法について説明する。すなわち、本発明のシリカ系メソ構造体の製造方法は、溶媒中で前述のアルコキシシランと界面活性剤とを混合してアルコキシシランを重合せしめることにより本発明のシリカ系メソ構造体を製造する方法であって、その際に前述の第一、第二及び第三のアルコキシシランのうちの少なくとも一種を前述の数式(F1)及び(F2)で表される条件を満たすように前記溶媒中に添加することを特徴とする方法である。   Next, the manufacturing method of the silica type mesostructure of this invention is demonstrated. That is, the method for producing the silica-based mesostructure according to the present invention is a method for producing the silica-based mesostructure according to the present invention by polymerizing the alkoxysilane by mixing the aforementioned alkoxysilane and surfactant in a solvent. In this case, at least one of the first, second and third alkoxysilanes is added to the solvent so as to satisfy the conditions represented by the mathematical formulas (F1) and (F2). It is the method characterized by doing.

上記アルコキシシランを界面活性剤の存在下で重合せしめる方法は特に制限されないが、有機溶媒又は有機溶媒と水との混合溶媒を溶媒として使用し、酸又は塩基触媒の存在下で前記アルコキシシランを加水分解及び縮合反応せしめることが好ましい。ここで好適に用いられる有機溶媒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、アセトン、テトラヒドロフラン、エチレングリコール、グリセリン等が挙げられ、シリカ原料の溶解性の観点からメタノール又はエタノールが好ましい。また、混合溶媒とする場合の有機溶媒の含有量は50質量%以上であることが好ましい。   The method for polymerizing the alkoxysilane in the presence of a surfactant is not particularly limited, but an organic solvent or a mixed solvent of an organic solvent and water is used as a solvent, and the alkoxysilane is hydrolyzed in the presence of an acid or a base catalyst. It is preferable to carry out decomposition and condensation reactions. Examples of the organic solvent suitably used here include methanol, ethanol, isopropanol, n-propanol, acetone, tetrahydrofuran, ethylene glycol, glycerin and the like, and methanol or ethanol is preferable from the viewpoint of solubility of the silica raw material. Moreover, it is preferable that content of the organic solvent in setting it as a mixed solvent is 50 mass% or more.

また、使用される酸触媒としては、塩酸、硝酸、硫酸といった鉱酸等が挙げられ、酸触媒を使用する場合の溶液はpHが6以下(より好ましくは1〜4)の酸性であることが好ましい。さらに、使用される塩基触媒としては、水酸化ナトリウム、水酸化アンモニウム、水酸化カリウム等が挙げられ、塩基触媒を使用する場合の溶液はpHが8以上(より好ましくは8〜10)の塩基性であることが好ましい。なお、アルコキシシランの含有量が少な過ぎると均一な自立膜が得られにくくなる傾向にあり、他方、多過ぎるとゾル溶液の安定性が低下し、取り扱いにくくなる傾向にある。   Examples of the acid catalyst used include mineral acids such as hydrochloric acid, nitric acid, and sulfuric acid, and the solution in the case of using the acid catalyst should be acidic with a pH of 6 or less (more preferably 1 to 4). preferable. Furthermore, examples of the basic catalyst used include sodium hydroxide, ammonium hydroxide, potassium hydroxide, and the like. When using the basic catalyst, the basic pH is 8 or more (more preferably 8 to 10). It is preferable that In addition, when there is too little content of alkoxysilane, it exists in the tendency for a uniform self-supporting film | membrane to become difficult to obtain, and on the other hand, when too much, stability of a sol solution will fall and it will tend to become difficult to handle.

前記シリカ系メソ構造体を得る際に用いられる界面活性剤は、特に限定されるものではなく、陽イオン性、陰イオン性、非イオン性のうちのいずれであってもよく、具体的には、アルキルトリメチルアンモニウム、アルキルトリエチルアンモニウム、ジアルキルジメチルアンモニウム、ベンジルアンモニウム等の塩化物、臭化物、ヨウ化物あるいは水酸化物;脂肪酸塩、アルキルスルホン酸塩、アルキルリン酸塩、ポリエチレンオキサイド系非イオン性界面活性剤、一級アルキルアミン等が挙げられる。これらの界面活性剤は、単独で又は二種以上混合して用いられる。   The surfactant used for obtaining the silica-based mesostructure is not particularly limited, and may be any of cationic, anionic and nonionic, specifically , Alkyltrimethylammonium, alkyltriethylammonium, dialkyldimethylammonium, benzylammonium chloride, bromide, iodide or hydroxide; fatty acid salt, alkylsulfonate, alkylphosphate, polyethylene oxide nonionic surfactant Agents, primary alkylamines and the like. These surfactants may be used alone or in combination of two or more.

上記の界面活性剤のうち、ポリエチレンオキサイド系非イオン性界面活性剤としては、疎水性成分として炭化水素基、親水性部分としてポリエチレンオキサイドをそれぞれ有するポリエチレンオキサイド系非イオン性界面活性剤等が挙げられる。このような界面活性剤としては、例えば、一般式Cn2n+1(OCH2CH2mOHで表され、nが10〜30、mが1〜30であるものが好適に使用できる。また、このような界面活性剤としては、オレイン酸、ラウリン酸、ステアリン酸、パルミチン酸等の脂肪酸とソルビタンとのエステル、あるいはこれらのエステルにポリエチレンオキサイドが付加した化合物を用いることもできる。 Among the above surfactants, examples of the polyethylene oxide nonionic surfactant include a polyethylene oxide nonionic surfactant having a hydrocarbon group as a hydrophobic component and polyethylene oxide as a hydrophilic portion. . Such surfactants, for example, is represented by the general formula C n H 2n + 1 (OCH 2 CH 2) m OH, n is 10 to 30, m can be used favorably those which are 30 . As such a surfactant, an ester of a fatty acid such as oleic acid, lauric acid, stearic acid, palmitic acid and sorbitan, or a compound obtained by adding polyethylene oxide to these esters can also be used.

さらに、このような界面活性剤としては、トリブロックコポリマー型のポリアルキレンオキサイドを用いることもできる。このような界面活性剤としては、ポリエチレンオキサイド(EO)とポリプロピレンオキサイド(PO)からなり、一般式(EO)x(PO)y(EO)xで表されるものが挙げられる。x、yはそれぞれEO、POの繰り返し数を表すが、xは5〜110、yは15〜70であることが好ましく、xは13〜106、yは29〜70であることがより好ましい。上記のトリブロックコポリマーとしては、(EO)19(PO)29(EO)19、(EO)13(PO)70(EO)13、(EO)5(PO)70(EO)5、(EO)13(PO)30(EO)13、(EO)20(PO)30(EO)20、(EO)26(PO)39(EO)26、(EO)17(PO)56(EO)17、(EO)17(PO)58(EO)17、(EO)20(PO)70(EO)20、(EO)80(PO)30(EO)80、(EO)106(PO)70(EO)106、(EO)100(PO)39(EO)100、(EO)19(PO)33(EO)19、(EO)26(PO)36(EO)26が挙げられる。これらのトリブロックコポリマーはBASF社、アルドリッチ社等から入手可能であり、また、小規模製造レベルで所望のx値とy値を有するトリブロックコポリマーを得ることができる。 Further, as such a surfactant, a triblock copolymer type polyalkylene oxide may be used. Examples of such surfactants include those composed of polyethylene oxide (EO) and polypropylene oxide (PO) and represented by the general formula (EO) x (PO) y (EO) x . x and y represent the number of repetitions of EO and PO, respectively, x is preferably 5 to 110, y is preferably 15 to 70, x is preferably 13 to 106, and y is more preferably 29 to 70. Examples of the triblock copolymer include (EO) 19 (PO) 29 (EO) 19 , (EO) 13 (PO) 70 (EO) 13 , (EO) 5 (PO) 70 (EO) 5 , (EO). 13 (PO) 30 (EO) 13 , (EO) 20 (PO) 30 (EO) 20 , (EO) 26 (PO) 39 (EO) 26 , (EO) 17 (PO) 56 (EO) 17 , ( EO) 17 (PO) 58 (EO) 17 , (EO) 20 (PO) 70 (EO) 20 , (EO) 80 (PO) 30 (EO) 80 , (EO) 106 (PO) 70 (EO) 106 , (EO) 100 (PO) 39 (EO) 100 , (EO) 19 (PO) 33 (EO) 19 , (EO) 26 (PO) 36 (EO) 26 . These triblock copolymers are available from BASF, Aldrich, etc., and triblock copolymers having desired x and y values can be obtained at a small scale production level.

また、エチレンジアミンの2個の窒素原子にそれぞれ2本のポリエチレンオキサイド(EO)鎖−ポリプロピレンオキサイド(PO)鎖が結合したスターダイブロックコポリマーも使用することができる。このようなスターダイブロックコポリマーとしては、一般式((EO)x(PO)y2NCH2CH2N((PO)y(EO)x2で表されるものが挙げられる。ここでx、yはそれぞれEO、POの繰り返し数を表すが、xは5〜110、yは15〜70であることが好ましく、xは13〜106、yは29〜70であることがより好ましい。 Also, a star diblock copolymer in which two polyethylene oxide (EO) chains-polypropylene oxide (PO) chains are bonded to two nitrogen atoms of ethylenediamine can be used. Examples of such star diblock copolymers include those represented by the general formula ((EO) x (PO) y ) 2 NCH 2 CH 2 N ((PO) y (EO) x ) 2 . Here, x and y represent the number of repetitions of EO and PO, respectively, x is preferably 5 to 110, y is preferably 15 to 70, x is 13 to 106, and y is 29 to 70. preferable.

このような界面活性剤の中では、結晶性の高いメソ多孔体を得ることができることから、アルキルトリメチルアンモニウム[Cp2p+1N(CH33]の塩(好ましくはハロゲン化物塩)を用いることが好ましい。また、その場合は、アルキルトリメチルアンモニウム中のアルキル基の炭素数は8〜22であることがより好ましい。このようなものとしては、塩化オクタデシルトリメチルアンモニウム、塩化ヘキサデシルトリメチルアンモニウム、塩化テトラデシルトリメチルアンモニウム、臭化ドデシルトリメチルアンモニウム、臭化デシルトリメチルアンモニウム、臭化オクチルトリメチルアンモニウム、塩化ドコシルトリメチルアンモニウム等が挙げられる。 Among such surfactants, a mesoporous material with high crystallinity can be obtained, and therefore a salt of alkyltrimethylammonium [C p H 2p + 1 N (CH 3 ) 3 ] (preferably a halide salt). Is preferably used. In that case, the alkyl group in the alkyltrimethylammonium preferably has 8 to 22 carbon atoms. Examples include octadecyltrimethylammonium chloride, hexadecyltrimethylammonium chloride, tetradecyltrimethylammonium chloride, dodecyltrimethylammonium bromide, decyltrimethylammonium bromide, octyltrimethylammonium bromide, docosyltrimethylammonium chloride, and the like. It is done.

前記溶液中の界面活性剤の濃度は0.05〜1mol/Lであることが好ましい。この濃度が前記下限未満であるとメソ構造の形成が不完全となる傾向にあり、他方、前記上限を超えると未反応で溶液中に残留する界面活性剤の量が増大してメソ構造の均一性が低下する傾向にある。   The concentration of the surfactant in the solution is preferably 0.05 to 1 mol / L. If this concentration is less than the lower limit, the mesostructure formation tends to be incomplete. On the other hand, if the concentration exceeds the upper limit, the amount of the unreacted surfactant remaining in the solution increases, resulting in a uniform mesostructure. Tend to decrease.

また、上記重合工程における諸条件(温度、時間、等)は特に制限されず、用いるアルコキシシラン等に応じて適宜選択されるが、一般的には0〜100℃程度の温度で1〜48時間程度の時間かけて前記有機ケイ素化合物を加水分解及び縮合反応せしめることが好ましい。   Further, various conditions (temperature, time, etc.) in the polymerization step are not particularly limited and are appropriately selected according to the alkoxysilane used, etc., but are generally 1 to 48 hours at a temperature of about 0 to 100 ° C. It is preferable to hydrolyze and condense the organosilicon compound over a period of time.

また、本発明のシリカ系メソ構造体からなる自立膜を製造する場合は、以下に説明するいわゆるゾルゲル法が好ましく採用される。すなわち、前記溶媒中で前記アルコキシシランと前記界面活性剤とを混合して前記アルコキシシランを部分的に重合(部分加水分解及び部分縮合反応)せしめて得られたゾル溶液を膜状とし、溶媒を除去すると共に前記アルコキシシランを更に重合せしめることにより前記シリカ系メソ構造体からなる自立膜を得ることが好ましい。   Moreover, when manufacturing the self-supporting film | membrane which consists of a silica type mesostructure of this invention, what is called a sol-gel method demonstrated below is employ | adopted preferably. That is, a sol solution obtained by mixing the alkoxysilane and the surfactant in the solvent and partially polymerizing the alkoxysilane (partial hydrolysis and partial condensation reaction) is formed into a film, It is preferable to obtain a self-supporting film made of the silica-based mesostructure by removing and further polymerizing the alkoxysilane.

なお、前記アルコキシシランを部分的に重合せしめる際の諸条件は特に制限されず、前述の重合条件と同様の条件であってもよいが、反応温度は0〜100℃程度、反応時間は5分〜24時間程度とすることができる。   The conditions for the partial polymerization of the alkoxysilane are not particularly limited, and may be the same as the polymerization conditions described above, but the reaction temperature is about 0 to 100 ° C. and the reaction time is 5 minutes. ˜24 hours.

また、上記のゾル溶液を膜状とする方法も特に制限されず、型にキャストする方法や各種コーティング方法で基板に塗布する方法が好適に採用される。なお、各種のコーティング方法としては、バーコーター、ロールコーター、グラビアコーター等を用いて塗布することができ、また、ディップコーティング、スピンコーティング、スプレーコーティング等も可能である。さらに、ゾル溶液をインクジェット法により塗布してもよい。   The method for forming the sol solution into a film is not particularly limited, and a method of casting into a mold or a method of applying to a substrate by various coating methods is suitably employed. In addition, as various coating methods, it can apply | coat using a bar coater, a roll coater, a gravure coater, etc. Moreover, dip coating, spin coating, spray coating, etc. are also possible. Further, a sol solution may be applied by an ink jet method.

さらに、膜状としたゾル溶液から溶媒を除去すると共にアルコキシシランを更に重合せしめる条件も特に制限されないが、室温又は必要に応じて50〜180℃程度に加熱し、1〜48時間程度の時間をかけて乾燥し、部分重合体の縮合反応を進めて三次元的な架橋構造を形成させることが好ましい。   Furthermore, the conditions for removing the solvent from the film-like sol solution and further polymerizing the alkoxysilane are not particularly limited, but it is heated to room temperature or about 50 to 180 ° C. as necessary, and the time is about 1 to 48 hours. It is preferable to dry the mixture and advance the condensation reaction of the partial polymer to form a three-dimensional crosslinked structure.

また、上記のゾル溶液を膜状とする際に、ゾル溶液に有機溶媒を添加して希釈してもよい。有機溶媒を添加することによりゾル溶液の粘度や固形分が低下するため、膜状化する過程における粘度変化を少なくすることができ、得られるシリカ系メソ構造体における細孔配列の均一性をより向上させることができる傾向にある。なお、このような有機溶媒としては、メタノール、エタノール、テトラヒドロフラン、CHCl3、CH2Cl2、C2H4Cl2等を用いることができる。 Further, when the sol solution is formed into a film, an organic solvent may be added to the sol solution for dilution. By adding an organic solvent, the viscosity and solid content of the sol solution are reduced, so that the viscosity change during the film-forming process can be reduced, and the uniformity of the pore arrangement in the resulting silica-based mesostructure can be further improved. It tends to be improved. As such an organic solvent, methanol, ethanol, tetrahydrofuran, CHCl 3 , CH 2 Cl 2 , C 2 H 4 Cl 2 or the like can be used.

また、本発明のシリカ系メソ構造体として前述のシリカ系メソ多孔体を得る場合は、このようにして得られたシリカ系メソ構造体に含まれる界面活性剤が除去される。このように界面活性剤を除去する方法としては、例えば、(i)界面活性剤に対する溶解度が高い有機溶媒(例えば、エタノール)中に前記シリカ系メソ構造体を浸漬して界面活性剤を除去する方法、(ii)前記シリカ系メソ構造体を200〜1000℃で焼成して界面活性剤を除去する方法、(iii)前記シリカ系メソ構造体を酸性溶液に浸漬して加熱し、界面活性剤を水素イオンに交換せしめるイオン交換法、等を挙げることができる。   Moreover, when obtaining the above-mentioned silica mesoporous body as the silica mesostructure of the present invention, the surfactant contained in the silica mesostructure thus obtained is removed. As a method for removing the surfactant in this manner, for example, (i) the surfactant is removed by immersing the silica-based mesostructure in an organic solvent (for example, ethanol) having high solubility in the surfactant. A method, (ii) a method of removing the surfactant by baking the silica-based mesostructure at 200 to 1000 ° C., and (iii) heating the silica-based mesostructure by immersing it in an acidic solution An ion exchange method in which is exchanged for hydrogen ions, and the like.

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1〜4及び比較例1)
表1に示す量の界面活性剤を、同表に示す配合割合でH2O、EtOH及び2N HClを混合した混合溶液に溶解させた。得られた溶液に、表1に示す量のアルコキシシランを添加し、室温で1時間攪拌した。1時間攪拌後、EtOH/H2O=1g/1gの混合溶媒を添加して希釈し、30分攪拌した。そして、その溶液にN,N−ジメチルホルムアミド20μlを添加して10分間攪拌した後、テフロン容器にキャストし、室温で24時間攪拌し、更に60℃で24時間攪拌して、膜状のシリカ系メソ構造体(膜厚:約0.5mm)を得た。なお、実施例2〜4及び比較例1においては、EtOH/H2O=1g/1gの混合溶媒による希釈並びにN,N−ジメチルホルムアミドの添加を行わなかった。また、表1中のC18TMAClは塩化オクタデシルトリメチルアンモニウムである。
(Examples 1-4 and Comparative Example 1)
The surfactants in the amounts shown in Table 1 were dissolved in a mixed solution in which H 2 O, EtOH and 2N HCl were mixed at the blending ratio shown in the same table. To the resulting solution, the amount of alkoxysilane shown in Table 1 was added and stirred at room temperature for 1 hour. After stirring for 1 hour, a mixed solvent of EtOH / H 2 O = 1 g / 1 g was added for dilution, and the mixture was stirred for 30 minutes. Then, 20 μl of N, N-dimethylformamide was added to the solution and stirred for 10 minutes, then cast into a Teflon container, stirred at room temperature for 24 hours, and further stirred at 60 ° C. for 24 hours to form a film-like silica system. A mesostructure (film thickness: about 0.5 mm) was obtained. In Examples 2 to 4 and Comparative Example 1, dilution with a mixed solvent of EtOH / H 2 O = 1 g / 1 g and addition of N, N-dimethylformamide were not performed. In Table 1, C 18 TMACl is octadecyltrimethylammonium chloride.

得られたシリカ系メソ構造体はいずれも、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X線回折パターンを示すものであり、Tサイト、Dサイト及びSサイト骨格成分の存在割合が表1に示すものであった。また、実施例1〜4で得られたシリカ系メソ構造体はいずれも自立膜の状態を保持したが、比較例1で得られたシリカ系メソ構造体は自立膜の状態を保持することができなかった。実施例1及び比較例1で得られたシリカ系メソ構造体の薄膜の写真を図1〜2に、比較例1で得られたシリカ系メソ構造体のX線回折パターンを図3にそれぞれ示す。 Each of the obtained silica-based mesostructures exhibits an X-ray diffraction pattern having one or more peaks at a diffraction angle corresponding to a d value of 1 nm or more, and includes T-site, D-site, and S-site skeleton components. The abundance ratio was as shown in Table 1. In addition, all of the silica-based mesostructures obtained in Examples 1 to 4 maintained the state of a self-supporting film, but the silica-based mesostructure obtained in Comparative Example 1 can maintain the state of a self-supporting film. could not. A photograph of a thin film of the silica-based mesostructure obtained in Example 1 and Comparative Example 1 is shown in FIGS. 1-2, and an X-ray diffraction pattern of the silica-based mesostructure obtained in Comparative Example 1 is shown in FIG. .

(実施例5〜16)
表2に示す量の界面活性剤を、同表に示す配合割合でH2O、EtOH及び2N HClを混合した混合溶液に溶解させ、得られた溶液に同表に示す量のアルコキシシランを添加するようにした以外は実施例1と同様にして膜状のシリカ系メソ構造体を得た。なお、実施例8においては、EtOH/H2O=1g/1gの混合溶媒による希釈並びにN,N−ジメチルホルムアミドの添加を行わなかった。また、表2中のC16PClはヘキサデシルピリジウム塩化物、C16TEABrは臭化ヘキサデシルトリエチルアンモニウム、C16−3−1はC1633N(CHBr−(CH−N(CHBr、C16−3−2はC1633N(CHBr−(CH−N(CBr、C18−3−18はC1837N(CHBr−(CH−N(CH(C1837)Brである。
(Examples 5 to 16)
The amount of surfactant shown in Table 2 is dissolved in a mixed solution in which H 2 O, EtOH and 2N HCl are mixed in the mixing ratio shown in the same table, and the amount of alkoxysilane shown in the same table is added to the resulting solution. A membranous silica mesostructure was obtained in the same manner as in Example 1 except that this was done. In Example 8, dilution with a mixed solvent of EtOH / H 2 O = 1 g / 1 g and addition of N, N-dimethylformamide were not performed. Moreover, C 16 PCl in Table 2 hexadecyl pyridinium chloride, C 16 TEABr bromide hexadecyl triethylammonium, C16-3-1 is C 16 H 33 N (CH 3 ) 2 Br- (CH 2) 3 -N (CH 3) 3 Br , C16-3-2 is C 16 H 33 N (CH 3 ) 2 Br- (CH 2) 3 -N (C 2 H 5) 3 Br, the C18-3-18 C 18 H 37 N (CH 3 ) 2 Br- (CH 2) 3 -N (CH 3) a 2 (C 18 H 37) Br .

得られたシリカ系メソ構造体はいずれも、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X線回折パターンを示すものであり、Tサイト、Dサイト及びSサイト骨格成分の存在割合が表2に示すものであった。また、実施例5〜16で得られたシリカ系メソ構造体はいずれも自立膜の状態を保持した。実施例8、10、16で得られたシリカ系メソ構造体の薄膜の写真を図4〜6に、実施例5〜7、9〜16で得られたシリカ系メソ構造体のX線回折パターンを図7〜17にそれぞれ示す。   Each of the obtained silica-based mesostructures exhibits an X-ray diffraction pattern having one or more peaks at a diffraction angle corresponding to a d value of 1 nm or more, and includes T-site, D-site, and S-site skeleton components. The abundance ratio was as shown in Table 2. Moreover, all the silica type mesostructures obtained in Examples 5 to 16 maintained the state of free-standing films. Photographs of the thin films of the silica-based mesostructures obtained in Examples 8, 10, and 16 are shown in FIGS. 4 to 6, and X-ray diffraction patterns of the silica-based mesostructures obtained in Examples 5 to 7 and 9 to 16 are shown. Are shown in FIGS.

(実施例17〜18)
表3に示す量の界面活性剤を、同表に示す配合割合でH2O、EtOH及び2N HClを混合した混合溶液に溶解させ、得られた溶液に同表に示す量のアルコキシシランを添加するようにした以外は実施例2と同様にして膜状のシリカ系メソ構造体を得た。
(Examples 17 to 18)
The amount of surfactant shown in Table 3 is dissolved in a mixed solution of H 2 O, EtOH and 2N HCl in the mixing ratio shown in the same table, and the amount of alkoxysilane shown in the same table is added to the resulting solution. A membranous silica mesostructure was obtained in the same manner as in Example 2 except that this was done.

得られたシリカ系メソ構造体はいずれも、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X線回折パターンを示すものであり、Tサイト、Dサイト及びSサイト骨格成分の存在割合が表3に示すものであった。また、実施例17〜18で得られたシリカ系メソ構造体はいずれも自立膜の状態を保持した。実施例17〜18で得られたシリカ系メソ構造体のX線回折パターンを図18〜19にそれぞれ示す。   Each of the obtained silica-based mesostructures exhibits an X-ray diffraction pattern having one or more peaks at a diffraction angle corresponding to a d value of 1 nm or more, and includes T-site, D-site, and S-site skeleton components. Table 3 shows the abundance ratio. Moreover, all the silica type mesostructures obtained in Examples 17 to 18 maintained the state of free-standing films. X-ray diffraction patterns of the silica-based mesostructures obtained in Examples 17 to 18 are shown in FIGS.

(実施例19〜21)
気体導入管、排気管及び攪拌装置をつけた4つ口フラスコ(容量:200ml)に、表4に示す量のアルコキシシランを入れ、氷浴中で10分間攪拌し、続いてH2O、EtOH及び2N HClを同表に示す配合割合となるようにシリンジを用いてフラスコ内に投入した。そして、回転数150rpm、窒素流量360ml/min、室温の条件で1時間反応を進行せしめた後、さらに80℃で1.5時間反応を進行せしめた。反応終了後、10分間放冷して得られたゾル溶液に、表4に示す量の界面活性剤を20wt%アセトン−エタノール混合溶媒で希釈したものを加え、攪拌した後、テフロンシャーレに展開し、室温で24時間以上乾燥させた後、60℃以上で24時間以上攪拌し、膜状のシリカ系メソ構造体を得た。
(Examples 19 to 21)
Into a four-necked flask (volume: 200 ml) equipped with a gas introduction tube, an exhaust tube and a stirrer, the amount of alkoxysilane shown in Table 4 is placed, stirred in an ice bath for 10 minutes, and then H 2 O, EtOH. And 2N HCl were introduced into the flask using a syringe so that the mixing ratio shown in the table was obtained. The reaction was allowed to proceed for 1 hour under the conditions of a rotation speed of 150 rpm, a nitrogen flow rate of 360 ml / min, and room temperature, and then the reaction was further allowed to proceed at 80 ° C. for 1.5 hours. After completion of the reaction, the sol solution obtained by allowing to cool for 10 minutes was added with a surfactant diluted in the amount shown in Table 4 with a 20 wt% acetone-ethanol mixed solvent, stirred, and then developed on a Teflon petri dish. After drying at room temperature for 24 hours or more, the mixture was stirred at 60 ° C. or more for 24 hours or more to obtain a membranous silica mesostructure.

得られたシリカ系メソ構造体はいずれも、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X線回折パターンを示すものであり、Tサイト、Dサイト及びSサイト骨格成分の存在割合が表4に示すものであった。また、実施例19〜21で得られたシリカ系メソ構造体はいずれも自立膜の状態を保持した。実施例19〜21で得られたシリカ系メソ構造体のX線回折パターンを図20〜22にそれぞれ示す。   Each of the obtained silica-based mesostructures exhibits an X-ray diffraction pattern having one or more peaks at a diffraction angle corresponding to a d value of 1 nm or more, and includes T-site, D-site, and S-site skeleton components. Table 4 shows the abundance ratio. Moreover, all the silica type mesostructures obtained in Examples 19 to 21 maintained the state of a self-supporting film. The X-ray diffraction patterns of the silica mesostructures obtained in Examples 19 to 21 are shown in FIGS.

(実施例22)
表5に示す量の界面活性剤を、同表に示す配合割合でH2O、EtOH及び2N HClを混合した混合溶液に溶解させ、得られた溶液に同表に示す量のアルコキシシランを添加するようにした以外は実施例2と同様にして膜状のシリカ系メソ構造体を得た。
(Example 22)
The amount of surfactant shown in Table 5 is dissolved in a mixed solution of H 2 O, EtOH and 2N HCl in the blending ratio shown in the same table, and the amount of alkoxysilane shown in the same table is added to the resulting solution. A membranous silica mesostructure was obtained in the same manner as in Example 2 except that this was done.

得られたシリカ系メソ構造体はいずれも、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X線回折パターンを示すものであり、Tサイト、Dサイト及びSサイト骨格成分の存在割合が表5に示すものであった。また、実施例22で得られたシリカ系メソ構造体は自立膜の状態を保持した。実施例22で得られたシリカ系メソ構造体のX線回折パターンを図23に示す。   Each of the obtained silica-based mesostructures exhibits an X-ray diffraction pattern having one or more peaks at a diffraction angle corresponding to a d value of 1 nm or more, and includes T-site, D-site, and S-site skeleton components. Table 5 shows the abundance ratio. Further, the silica-based mesostructure obtained in Example 22 maintained the state of a self-supporting film. The X-ray diffraction pattern of the silica-based mesostructure obtained in Example 22 is shown in FIG.

(実施例23〜24)
表6に示す量の界面活性剤を、同表に示す配合割合でH2O、EtOH及び2N HClを混合した混合溶液に溶解させ、得られた溶液に同表に示す量のアルコキシシランを添加するようにした以外は実施例2と同様にして膜状のシリカ系メソ構造体を得た。なお、表6中のBrij−78はC1837−(O−CH−CH20−OHである。
(Examples 23 to 24)
The amount of surfactant shown in Table 6 is dissolved in a mixed solution in which H 2 O, EtOH and 2N HCl are mixed at the mixing ratio shown in the same table, and the amount of alkoxysilane shown in the same table is added to the resulting solution. A membranous silica mesostructure was obtained in the same manner as in Example 2 except that this was done. Incidentally, Brij-78 in Table 6 C 18 H 37 - is (O-CH 2 -CH 2) 20 -OH.

得られたシリカ系メソ構造体はいずれも、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X線回折パターンを示すものであり、Tサイト骨格成分の存在割合は0、Dサイト及びSサイト骨格成分の存在割合が表6に示すものであった。また、実施例23〜24で得られたシリカ系メソ構造体は自立膜の状態を保持した。実施例23〜24で得られたシリカ系メソ構造体の薄膜の写真を図24〜25に、実施例23〜24で得られたシリカ系メソ構造体のX線回折パターンを図26〜27にそれぞれ示す。   Each of the obtained silica-based mesostructures shows an X-ray diffraction pattern having one or more peaks at a diffraction angle corresponding to a d value of 1 nm or more, and the T site skeleton component is present at a ratio of 0, Table 6 shows the existing ratio of the D site and S site skeleton components. Moreover, the silica type mesostructure obtained in Examples 23-24 maintained the state of a self-supporting film. The photo of the thin film of the silica type mesostructure obtained in Examples 23-24 is shown in FIGS. 24-25, and the X-ray diffraction pattern of the silica type mesostructure obtained in Examples 23-24 is shown in FIGS. Each is shown.

(実施例25)
表7に示す量の界面活性剤を、同表に示す配合割合でH2O、EtOH及び2N HClを混合した混合溶液に溶解させ、得られた溶液に同表に示す量のアルコキシシランを添加するようにした以外は実施例2と同様にして膜状のシリカ系メソ構造体を得た。
(Example 25)
The amount of surfactant shown in Table 7 is dissolved in a mixed solution in which H 2 O, EtOH and 2N HCl are mixed at the mixing ratio shown in the same table, and the amount of alkoxysilane shown in the same table is added to the resulting solution. A membranous silica mesostructure was obtained in the same manner as in Example 2 except that this was done.

得られたシリカ系メソ構造体におけるTサイト骨格成分の存在割合は0、Dサイト及びSサイト骨格成分の存在割合が表7に示すものであった。実施例25で得られたシリカ系メソ構造体は、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X線回折パターンを示すものであり、自立膜の状態を保持した。実施例25で得られたシリカ系メソ構造体のX線回折パターンを図28に示す。   The presence ratio of the T site skeleton component in the obtained silica-based mesostructure was 0, and the presence ratio of the D site and S site skeleton component was as shown in Table 7. The silica-based mesostructure obtained in Example 25 exhibited an X-ray diffraction pattern having one or more peaks at a diffraction angle corresponding to a d value of 1 nm or more, and maintained the state of a self-supporting film. The X-ray diffraction pattern of the silica-based mesostructure obtained in Example 25 is shown in FIG.

(実施例26〜27)
表8に示す量の界面活性剤を、同表に示す配合割合でH2O、EtOH及び2N HClを混合した混合溶液に溶解させ、得られた溶液に同表に示す量のアルコキシシランを添加するようにした以外は実施例2と同様にして膜状のシリカ系メソ構造体を得た。
(Examples 26 to 27)
The amount of surfactant shown in Table 8 is dissolved in a mixed solution in which H 2 O, EtOH and 2N HCl are mixed in the mixing ratio shown in the same table, and the amount of alkoxysilane shown in the same table is added to the resulting solution. A membranous silica mesostructure was obtained in the same manner as in Example 2 except that this was done.

得られたシリカ系メソ構造体はいずれも、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X線回折パターンを示すものであり、Tサイト骨格成分の存在割合は0、Dサイト及びSサイト骨格成分の存在割合が表8に示すものであった。また、実施例26〜27で得られたシリカ系メソ構造体は自立膜の状態を保持した。実施例26〜27で得られたシリカ系メソ構造体のX線回折パターンを図29〜30にそれぞれ示す。   Each of the obtained silica-based mesostructures shows an X-ray diffraction pattern having one or more peaks at a diffraction angle corresponding to a d value of 1 nm or more, and the T site skeleton component is present at a ratio of 0, Table 8 shows the ratio of the D site and S site skeleton components. Moreover, the silica type mesostructure obtained in Examples 26-27 maintained the state of a self-supporting film. 29 to 30 show X-ray diffraction patterns of the silica-based mesostructures obtained in Examples 26 to 27, respectively.

(比較例2)
表9に示す量の界面活性剤を、同表に示す配合割合でH2O、EtOH及び2N HClを混合した混合溶液に溶解させ、得られた溶液に同表に示す量のアルコキシシランを添加するようにした以外は実施例2と同様にして膜状のシリカ系メソ構造体を得た。
(Comparative Example 2)
The amount of surfactant shown in Table 9 is dissolved in a mixed solution in which H 2 O, EtOH and 2N HCl are mixed at the mixing ratio shown in the same table, and the amount of alkoxysilane shown in the same table is added to the resulting solution. A membranous silica mesostructure was obtained in the same manner as in Example 2 except that this was done.

得られたシリカ系メソ構造体におけるTサイト骨格成分の存在割合は0、Dサイト及びSサイト骨格成分の存在割合が表9に示すものであった。比較例2で得られたシリカ系メソ構造体は、1nm以上のd値に相当する回折角度に1本以上のピークが現れず、メソ構造が得られていなかった。   In the obtained silica-based mesostructure, the abundance ratio of the T site skeleton component was 0, and the abundance ratios of the D site and S site skeleton component were as shown in Table 9. In the silica-based mesostructure obtained in Comparative Example 2, one or more peaks did not appear at the diffraction angle corresponding to a d value of 1 nm or more, and no mesostructure was obtained.

<引張り試験>
実施例19〜21及び比較例1で得られた膜状のシリカ系メソ構造体について、以下のようにして引張り試験を行った。すなわち、実施例19〜21及び比較例1で得られた自立膜から5×50mm角の短冊状の試験片を切り取り、万能試験機(INSTRON社製、INSTRON-5564)を使用し、試験片の下端を固定した後に試験片の上端を引っ張り速度120mm/minで引き上げて、自立膜の引張り破断強度及び引張り破断伸び率を測定した。得られた結果は以下の通りである。
<Tensile test>
The film-like silica mesostructures obtained in Examples 19 to 21 and Comparative Example 1 were subjected to a tensile test as follows. That is, a 5 × 50 mm square test piece was cut from the self-supporting films obtained in Examples 19 to 21 and Comparative Example 1, and a universal tester (INSTRON-5564, manufactured by INSTRON) was used. After fixing the lower end, the upper end of the test piece was pulled up at a pulling speed of 120 mm / min, and the tensile breaking strength and tensile breaking elongation of the self-supporting film were measured. The results obtained are as follows.

(引張り破断強度)(引張り破断伸び率)
実施例19 3.0MPa 26%
実施例20 2.7MPa 18%
実施例21 2.3MPa 10%
比較例 1 測定不可 測定不可。
(Tensile breaking strength) (Tensile breaking elongation)
Example 19 3.0 MPa 26%
Example 20 2.7 MPa 18%
Example 21 2.3 MPa 10%
Comparative Example 1 Measurement not possible Measurement not possible.

以上の結果から明らかなように、本発明のシリカ系メソ構造体からなる膜状体は、柔軟性が高くかつ強度に優れた自立膜であることが確認された。   As is clear from the above results, it was confirmed that the film-like body composed of the silica-based mesostructure of the present invention is a self-supporting film having high flexibility and excellent strength.

<界面活性剤除去試験>
実施例4、7、13、14〜16で得られた膜状のシリカ系メソ構造体を、150℃で1時間以上加熱乾燥せしめた後、空気中、300℃に2時間維持して焼成することによって、シリカ系メソ構造体中の界面活性剤の除去を行った。得られた膜状体の比表面積を測定したところ、結果は表10に示す通りであった。
<Surfactant removal test>
The film-like silica-based mesostructures obtained in Examples 4, 7, 13, and 14 to 16 were heated and dried at 150 ° C. for 1 hour or longer, and then maintained at 300 ° C. for 2 hours in the air for baking. As a result, the surfactant in the silica-based mesostructure was removed. When the specific surface area of the obtained film was measured, the results were as shown in Table 10.

表10に示した結果から明らかなように、本発明の膜状のシリカ系メソ構造体から界面活性剤を除去して得られた膜状体は、いずれも300m/g以上の高い比表面積を示しており、界面活性剤の除去によりメソ細孔が構築されたシリカ系メソ多孔体からなる膜状体であることが確認された。 As is clear from the results shown in Table 10, the film-like bodies obtained by removing the surfactant from the film-like silica-based mesostructure of the present invention all have a high specific surface area of 300 m 2 / g or more. It was confirmed that the film was a membranous body composed of a silica-based mesoporous material in which mesopores were constructed by removing the surfactant.

以上説明したように、本発明によれば、有機基を含むケイ素酸化物の骨格からなる有機無機ハイブリッド構造を有するシリカ系メソ構造体であるにも拘らず、十分な柔軟性を有しており、柔軟性が高く強度に優れた自立膜を形成することができ、しかも機能性の高い種々の有機基を骨格内に導入することが可能なシリカ系メソ構造体(シリカ系メソ多孔体を含む)を提供することが可能となる。このような本発明のシリカ系メソ構造体を用いて得た自立膜は、電解質膜、ガス分離膜、選択的透過膜等としての応用が拡大される非常に有用な材料である。また、本発明の製造方法によれば、このように優れた特性を有するシリカ系メソ構造体(シリカ系メソ多孔体を含む)、並びにそれからなる自立膜を、効率良くかつ確実に製造することが可能となる。   As described above, according to the present invention, although it is a silica-based mesostructure having an organic-inorganic hybrid structure composed of a silicon oxide skeleton containing an organic group, it has sufficient flexibility. A silica-based mesostructure (including a silica-based mesoporous material) that can form a self-supporting film having high flexibility and excellent strength and can introduce various organic groups with high functionality into the skeleton. ) Can be provided. The self-supporting membrane obtained by using such a silica-based mesostructure of the present invention is a very useful material whose application as an electrolyte membrane, a gas separation membrane, a selective permeable membrane and the like is expanded. Further, according to the production method of the present invention, it is possible to efficiently and reliably produce a silica-based mesostructure (including a silica-based mesoporous material) having such excellent characteristics and a self-supporting film composed thereof. It becomes possible.

実施例1で得られたシリカ系メソ構造体の薄膜の状態を示す写真である。2 is a photograph showing a state of a thin film of a silica-based mesostructure obtained in Example 1. 比較例1で得られたシリカ系メソ構造体の薄膜の状態を示す写真である。2 is a photograph showing a state of a thin film of a silica-based mesostructure obtained in Comparative Example 1. 比較例1で得られたシリカ系メソ構造体のX線回折パターンを示すグラフである。4 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a silica-based mesostructure obtained in Comparative Example 1. 実施例8で得られたシリカ系メソ構造体の薄膜の状態を示す写真である。6 is a photograph showing a state of a thin film of a silica-based mesostructure obtained in Example 8. 実施例10で得られたシリカ系メソ構造体の薄膜の状態を示す写真である。6 is a photograph showing a state of a thin film of a silica-based mesostructure obtained in Example 10. 実施例16で得られたシリカ系メソ構造体の薄膜の状態を示す写真である。2 is a photograph showing a state of a thin film of a silica-based mesostructure obtained in Example 16. 実施例5で得られたシリカ系メソ構造体のX線回折パターンを示すグラフである。6 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a silica-based mesostructure obtained in Example 5. 実施例6で得られたシリカ系メソ構造体のX線回折パターンを示すグラフである。6 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a silica-based mesostructure obtained in Example 6. 実施例7で得られたシリカ系メソ構造体のX線回折パターンを示すグラフである。6 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a silica-based mesostructure obtained in Example 7. 実施例9で得られたシリカ系メソ構造体のX線回折パターンを示すグラフである。6 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a silica-based mesostructure obtained in Example 9. 実施例10で得られたシリカ系メソ構造体のX線回折パターンを示すグラフである。4 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a silica-based mesostructure obtained in Example 10. 実施例11で得られたシリカ系メソ構造体のX線回折パターンを示すグラフである。4 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a silica-based mesostructure obtained in Example 11. 実施例12で得られたシリカ系メソ構造体のX線回折パターンを示すグラフである。4 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a silica-based mesostructure obtained in Example 12. 実施例13で得られたシリカ系メソ構造体のX線回折パターンを示すグラフである。4 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a silica-based mesostructure obtained in Example 13. 実施例14で得られたシリカ系メソ構造体のX線回折パターンを示すグラフである。14 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a silica-based mesostructure obtained in Example 14. 実施例15で得られたシリカ系メソ構造体のX線回折パターンを示すグラフである。6 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a silica-based mesostructure obtained in Example 15. 実施例16で得られたシリカ系メソ構造体のX線回折パターンを示すグラフである。6 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a silica-based mesostructure obtained in Example 16. 実施例17で得られたシリカ系メソ構造体のX線回折パターンを示すグラフである。6 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a silica-based mesostructure obtained in Example 17. 実施例18で得られたシリカ系メソ構造体のX線回折パターンを示すグラフである。14 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a silica-based mesostructure obtained in Example 18. 実施例19で得られたシリカ系メソ構造体のX線回折パターンを示すグラフである。6 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a silica-based mesostructure obtained in Example 19. 実施例20で得られたシリカ系メソ構造体のX線回折パターンを示すグラフである。6 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a silica-based mesostructure obtained in Example 20. 実施例21で得られたシリカ系メソ構造体のX線回折パターンを示すグラフである。6 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a silica-based mesostructure obtained in Example 21. 実施例22で得られたシリカ系メソ構造体のX線回折パターンを示すグラフである。6 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a silica-based mesostructure obtained in Example 22. 実施例23で得られたシリカ系メソ構造体の薄膜の状態を示す写真である。6 is a photograph showing the state of a thin film of a silica-based mesostructure obtained in Example 23. 実施例24で得られたシリカ系メソ構造体の薄膜の状態を示す写真である。2 is a photograph showing a state of a thin film of a silica-based mesostructure obtained in Example 24. FIG. 実施例23で得られたシリカ系メソ構造体のX線回折パターンを示すグラフである。6 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a silica-based mesostructure obtained in Example 23. 実施例24で得られたシリカ系メソ構造体のX線回折パターンを示すグラフである。4 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a silica-based mesostructure obtained in Example 24. 実施例25で得られたシリカ系メソ構造体のX線回折パターンを示すグラフである。6 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a silica-based mesostructure obtained in Example 25. 実施例26で得られたシリカ系メソ構造体のX線回折パターンを示すグラフである。6 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a silica-based mesostructure obtained in Example 26. 実施例27で得られたシリカ系メソ構造体のX線回折パターンを示すグラフである。6 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a silica-based mesostructure obtained in Example 27.

Claims (6)

有機基を含むケイ素酸化物の骨格からなり、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X線回折パターンを示すシリカ系メソ構造体であって、
下記一般式(1)又は(2):
[式(1)及び(2)中、Xは同一でも異なっていてもよく、それぞれ1価の加水分解性基を示し、Rメチレン基、エチレン基、トリメチレン基、テトラメチレン基、1,2−ブチレン基、1,3−ブチレン基、フェニレン基、ビフェニレン基、ジエチルフェニレン基、ビニレン基、プロペニレン基、ブテニレン基、アミド基、ジメチルアミノ基及びトリメチルアミン基からなる群から選択されるケイ素原子に結合した炭素原子を有する2価の有機基を示し、Rはケイ素原子に結合した炭素原子を有する1価の有機基を示す。]
で表される第一のアルコキシシランに由来するTサイト骨格成分の存在割合(Tモル%)と、下記一般式(3)又は(4):
[式(3)及び(4)中、X、R及びRはそれぞれ式(1)及び(2)中のX、R及びRと同義であり、Rは同一でも異なっていてもよい。]
で表される第二のアルコキシシランに由来するDサイト骨格成分の存在割合(Dモル%)と、下記一般式(5)又は(6):
[式(5)及び(6)中、X、R及びRはそれぞれ式(1)及び(2)中のX、R及びRと同義であり、Rは同一でも異なっていてもよい。]
で表される第三のアルコキシシランに由来するSサイト骨格成分の存在割合(Sモル%)とが、T≠0の場合は下記数式(F1)、T=0の場合は下記数式(F2):
0.3≦{(D+S)/(T+D+S)}≦0.9 (F1)
{S/(D+S)}≦0.6 (F2)
で表される条件を満たしていることを特徴とするシリカ系メソ構造体。
A silica-based mesostructure comprising a silicon oxide skeleton containing an organic group and having an X-ray diffraction pattern having one or more peaks at a diffraction angle corresponding to a d value of 1 nm or more,
The following general formula (1) or (2):
[In formulas (1) and (2), X 1 may be the same or different and each represents a monovalent hydrolyzable group, and R 1 represents a methylene group, an ethylene group, a trimethylene group, a tetramethylene group, 1 , 2-butylene group, 1,3-butylene group, phenylene group, biphenylene group, diethylphenylene group, vinylene group, propenylene group, butenylene group, amide group, dimethylamino group and trimethylamine group R 2 represents a divalent organic group having a carbon atom bonded to a silicon atom, and R 2 represents a monovalent organic group having a carbon atom bonded to a silicon atom. ]
The presence ratio (T mol%) of the T site skeleton component derived from the first alkoxysilane represented by the following general formula (3) or (4):
Wherein (3) and (4), X 1, R 1 and R 2 have the same meanings as X 1, R 1 and R 2, respectively formula (1) and (2), R 2 is be the same or different It may be. ]
The existing ratio (D mol%) of the D site skeleton component derived from the second alkoxysilane represented by the following general formula (5) or (6):
Wherein (5) and (6), X 1, R 1 and R 2 have the same meanings as X 1, R 1 and R 2, respectively formula (1) and (2), R 2 is be the same or different It may be. ]
The following formula (F1) when the S site skeleton component abundance ratio (S mol%) derived from the third alkoxysilane represented by the following formula (F1) and T = 0: :
0.3 ≦ {(D + S) / (T + D + S)} ≦ 0.9 (F1)
{S / (D + S)} ≦ 0.6 (F2)
A silica-based mesostructure characterized by satisfying the condition represented by:
29Si−NMRにおける、前記Tサイト骨格成分に相当するシグナルの積分値(T)と、前記Dサイト骨格成分に相当するシグナルの積分値(D)と、前記Sサイト骨格成分に相当するシグナルの積分値(S)とが、T≠0の場合は前記数式(F1)、T=0の場合は前記数式(F2)で表される条件を満たしていることを特徴とする、請求項1に記載のシリカ系メソ構造体。 In 29 Si-NMR, the integrated value (T) of the signal corresponding to the T site skeleton component, the integrated value (D) of the signal corresponding to the D site skeleton component, and the signal corresponding to the S site skeleton component The integral value (S) satisfies the condition represented by the mathematical formula (F1) when T ≠ 0 and the mathematical formula (F2) when T = 0, wherein: The silica-based mesostructure described above. 細孔径分布曲線における中心細孔直径が1〜30nmのメソ孔が規則的に形成されているシリカ系メソ多孔体であることを特徴とする、請求項1又は2に記載のシリカ系メソ構造体。 The silica-based mesostructure according to claim 1 or 2, which is a silica-based mesoporous material in which mesopores having a central pore diameter of 1 to 30 nm in the pore diameter distribution curve are regularly formed. . 溶媒中でアルコキシシランと界面活性剤とを混合して前記アルコキシシランを重合せしめることにより、有機基を含むケイ素酸化物の骨格からなり、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X線回折パターンを示すシリカ系メソ構造体を製造する方法であって、
下記一般式(1)又は(2):
[式(1)及び(2)中、Xは同一でも異なっていてもよく、それぞれ1価の加水分解性基を示し、Rメチレン基、エチレン基、トリメチレン基、テトラメチレン基、1,2−ブチレン基、1,3−ブチレン基、フェニレン基、ビフェニレン基、ジエチルフェニレン基、ビニレン基、プロペニレン基、ブテニレン基、アミド基、ジメチルアミノ基及びトリメチルアミン基からなる群から選択されるケイ素原子に結合した炭素原子を有する2価の有機基を示し、Rはケイ素原子に結合した炭素原子を有する1価の有機基を示す。]
で表される第一のアルコキシシランに由来するTサイト骨格成分の存在割合(Tモル%)と、下記一般式(3)又は(4):
[式(3)及び(4)中、X、R及びRはそれぞれ式(1)及び(2)中のX、R及びRと同義であり、Rは同一でも異なっていてもよい。]
で表される第二のアルコキシシランに由来するDサイト骨格成分の存在割合(Dモル%)と、下記一般式(5)又は(6):
[式(5)及び(6)中、X、R及びRはそれぞれ式(1)及び(2)中のX、R及びRと同義であり、Rは同一でも異なっていてもよい。]
で表される第三のアルコキシシランに由来するSサイト骨格成分の存在割合(Sモル%)とが、T≠0の場合は下記数式(F1)、T=0の場合は下記数式(F2):
0.3≦{(D+S)/(T+D+S)}≦0.9 (F1)
{S/(D+S)}≦0.6 (F2)
で表される条件を満たすように前記アルコキシシランを前記溶媒中に添加することを特徴とするシリカ系メソ構造体の製造方法。
By mixing alkoxysilane and a surfactant in a solvent to polymerize the alkoxysilane, it is composed of a silicon oxide skeleton containing an organic group, and has a diffraction angle corresponding to a d value of 1 nm or more. A method for producing a silica-based mesostructure showing an X-ray diffraction pattern having a peak,
The following general formula (1) or (2):
[In formulas (1) and (2), X 1 may be the same or different and each represents a monovalent hydrolyzable group, and R 1 represents a methylene group, an ethylene group, a trimethylene group, a tetramethylene group, 1 , 2-butylene group, 1,3-butylene group, phenylene group, biphenylene group, diethylphenylene group, vinylene group, propenylene group, butenylene group, amide group, dimethylamino group and trimethylamine group R 2 represents a divalent organic group having a carbon atom bonded to a silicon atom, and R 2 represents a monovalent organic group having a carbon atom bonded to a silicon atom. ]
The presence ratio (T mol%) of the T site skeleton component derived from the first alkoxysilane represented by the following general formula (3) or (4):
Wherein (3) and (4), X 1, R 1 and R 2 have the same meanings as X 1, R 1 and R 2, respectively formula (1) and (2), R 2 is be the same or different It may be. ]
The existing ratio (D mol%) of the D site skeleton component derived from the second alkoxysilane represented by the following general formula (5) or (6):
Wherein (5) and (6), X 1, R 1 and R 2 have the same meanings as X 1, R 1 and R 2, respectively formula (1) and (2), R 2 is be the same or different It may be. ]
The following formula (F1) when the S site skeleton component abundance ratio (S mol%) derived from the third alkoxysilane represented by the following formula (F1) and T = 0: :
0.3 ≦ {(D + S) / (T + D + S)} ≦ 0.9 (F1)
{S / (D + S)} ≦ 0.6 (F2)
The method for producing a silica-based mesostructure is characterized in that the alkoxysilane is added to the solvent so as to satisfy the condition represented by:
前記溶媒中で前記アルコキシシランと前記界面活性剤とを混合して前記アルコキシシランを部分的に重合せしめて得られたゾル溶液を膜状とし、溶媒を除去すると共に前記アルコキシシランを更に重合せしめることにより前記シリカ系メソ構造体からなる自立膜を得る工程を更に含むことを特徴とする、請求項に記載のシリカ系メソ構造体の製造方法。 A sol solution obtained by mixing the alkoxysilane and the surfactant in the solvent and partially polymerizing the alkoxysilane is formed into a film to remove the solvent and further polymerize the alkoxysilane. The method for producing a silica-based mesostructure according to claim 4 , further comprising a step of obtaining a self-supporting film composed of the silica-based mesostructure by the method described above. 前記シリカ系メソ構造体から界面活性剤を除去することにより、細孔径分布曲線における中心細孔直径が1〜30nmのメソ孔が規則的に形成されているシリカ系メソ多孔体を得る工程を更に含むことを特徴とする、請求項又はに記載のシリカ系メソ構造体の製造方法。 A step of obtaining a silica-based mesoporous material in which mesopores having a central pore diameter of 1 to 30 nm in the pore-size distribution curve are regularly formed by removing the surfactant from the silica-based mesostructure. The method for producing a silica-based mesostructure according to claim 4 or 5 , wherein
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