JP4756040B2

JP4756040B2 - 微粒子状シリカ

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Publication number: JP4756040B2
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Inventors: 安浩長谷; 竜二石本; 正男有行
Original assignee: Tokuyama Corp
Current assignee: Tokuyama Corp
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Filing date: 2005-05-19
Publication date: 2011-08-24
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Description

本発明は、特定のミクロ構造部位において特異な粒子構造を有する新規な微粒子状シリカに関する。詳しくは、特定のミクロ構造部位において特異な粒子構造を有することにより、溶媒に添加した場合に、高分散性を示しながら、極めて高い増粘効果を安定して発揮し、また、乾燥後の吸液効果も高いという優れた特性を有する微粒子状シリカに関する。

乾式法によって製造され、ヒュームドシリカと称される微粒子状シリカは、液体に添加することにより、その液体に高い粘性やチクソトロピー性を付与する効果があることが知られている。そして、このような性質を利用して、水や液体状態の樹脂、塗料等の増粘剤として広く利用されている。
ところで、上記微粒子状シリカを増粘剤として使用するに際し、得られる製品の製造コストや作業性の面からその添加量を低減することが望まれており、少量で高い増粘効果を有する微粒子状シリカが要求される。
このような要求に対して、前記微粒子状シリカの増粘効果を改良するために種々の提案が成されている。
例えば、揮発性珪素化合物の火炎中で熱分解することによって微粒子状シリカを製造する方法において、原料の揮発性珪素化合物としてシロキサンを使用することにより、得られる微粒子状シリカの増粘効果を向上した微粒子状シリカの製造方法が提案されている（ＥＰ３８９００およびＥＰ９２０２４参照）。
また、上記特許文献には、シロキサンと共に、四塩化珪素（以下、テトラクロロシランとも言う。）等のハロゲン化珪素を併用してもよいことも記載されている。
上記微粒子状シリカは、液状樹脂等に添加した場合、高い増粘効果を示すが、攪拌機の能力によって得られる増粘効果が大きく異なることがあり、弱い攪拌では増粘効果が得られず、また、弱い攪拌での増粘効果を得るためには添加量を増やさなければならなかった。
上記の現象は、前記の特許文献に記載された方法が、火炎熱分解の際、主としてシロキサンの如き珪素化合物を原料として使用することによるものと推察される。即ち、シロキサンは、通常微粒子状シリカの製造に使用される四塩化珪素と比較して火炎長を長くする作用を有するので、長い火炎長により、微粒子状シリカの一次粒子の融着が強くなり、さらに、かかる融着による凝集が進むことにより塊状の凝集体が増えるので、攪拌等の剪断力が弱い場合は強い融着の凝集体が崩れ難くなり、十分な増粘効果を発揮することができず、安定した増粘作用を発揮することが困難であるという問題を有する。

従って、本発明の目的は、微粒子状シリカにおいて、水や液状樹脂、塗料等に添加した場合、攪拌等の条件に大きく影響されず、弱い分散領域においても優れた増粘効果を安定して発現することが可能な微粒子状シリカを提供することにある。
本発明者等は、上記技術課題を解決すべく、乾式法による微粒子状シリカの製造方法について、その条件と得られる微粒子状シリカの構造、更には、かかる構造による増粘作用について鋭意検討を行った。
その結果、揮発性珪素化合物の火炎分解を特定の条件下に、実施することによって、得られる微粒子状シリカは、特定のミクロ構造部位において特異性（フラクタル性）を有する一次粒子の凝集構造を持つことができ、前記シロキサンを使用する方法とは異なる作用により、優れた増粘効果を発揮することができるという知見を得た。
そして、かかる構造を有する微粒子状シリカは、一次粒子同士の融着が弱いために、水や液状樹脂、塗料等の分散媒の中で容易に分散し易いが、分散させた場合でも上記の特異的構造が崩れ難く、高い粘度を維持することができ、更には、上記の特異的構造を有する微粒子状シリカは、インクジェット記録用紙の塗工層に含有させることによって、良好な吸液特性をも発揮することを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明は、ＢＥＴ比表面積（Ｓ）が１３０〜３８０ｍ^２／ｇである微粒子状シリカであって、小角Ｘ線散乱解析において、α値解析対象範囲２０ｎｍ〜３０ｎｍにおけるフラクタル形状パラメータ（α１）が下記式（１）を満足し、且つα値解析対象範囲３０ｎｍ〜５０ｎｍにおけるフラクタル形状パラメータ（α２）が下記式（２）を満足することを特徴とする微粒子状シリカである。
α１＋０．００１７５Ｓ＜２．５１８・・・（１）
α２＋０．００１７４Ｓ＜２．１０５・・・（２）
また、上記微粒子状シリカは、添加する溶媒の種類によっては、疎水化することが可能である。
即ち、本発明は、前記微粒子状シリカの表面を疎水化せしめたことを特徴とする疎水化微粉状シリカをも提供する。
更に、本発明は、前記微粒子状シリカを水系溶媒に分散せしめてなる、安定した粘度を有する水性分散液をも提供する。
また、本発明は、前記微粒子状シリカの高い増粘効果を利用した用途として、微粒子状シリカよりなる液状樹脂用増粘剤及び液状樹脂用フィラーを提供する。
更にまた、本発明は、前記微粒子状シリカの吸液性能を利用した用途として、微粒子状シリカよりなるインクジェット記録紙用填料をも提供する。
また、本発明は、前記微粒子状シリカを得ることができる好適な製造方法として、揮発性珪素化合物を水素の存在下に火炎加水分解して微粒子状シリカを製造する方法において、上記揮発性珪素化合物としてトリクロロシラン２０〜９０容量％とテトラクロロシラン１０〜８０容量％とよりなる混合ガスを使用し、且つ、火炎加水分解に使用する水素の量を、理論量に対して１．２０〜２．２０倍となる量としたことを特徴とする微粒子状シリカの製造方法を提供する。

図１は、本発明の微粒子状シリカのフラクタル形状パラメーターを求めるための、Ｘ線小角散乱による散乱強度（Ｉ）と散乱ベクトル（ｋ）との関係の説明図である。
発明の好ましい実施形態
本発明において、フラクタル形状パラメータ（α値）は、下記の方法によって測定した値である。フラクタル形状パラメータの詳細は、Ｄ．Ｗ．ＳｃｈａｅｆｅｒらによるＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌｕｍｅ５２，Ｎｕｍｂｅｒ２６，ｐ．２３７１−ｐ．２３７４（１９８４）等に記載されている。
即ち、α値は、小角Ｘ線散乱測定により決定することができる。小角Ｘ線散乱測定によれば通常のＸ線回折では得ることのできないナノメーター以上の周期構造に関する情報（構造の周期及び頻度に関する情報）を得ることができるので、この情報に基づきα値を決定することができる。
つまり、微粒子状シリカを小角Ｘ線散乱測定した場合には、微粒子状シリカはその製造方法に由来して複数の一次粒子が互いに融着して種々の形状及び粒径を有する凝集粒子の集合体となっている。このため得られる小角Ｘ線散乱曲線は、種々の大きさの周期による散乱曲線の重ね合わせとなる。
従って、得られた小角Ｘ線散乱曲線を解析することにより、種々の大きさの周期構造の頻度に対応する“凝集粒子の形状の指標となるフラクタル性パラメータ（α値）”を決定することができる。すなわち、小角Ｘ線散乱におけるバックグラウンド補正後の散乱強度（Ｉ）、散乱ベクトル（ｋ）及びフラクタル形状パラメータ（α）との間には下記式の関係があるので、横軸をｋ、縦軸をＩとしてプロットした小角Ｘ線散乱曲線からα値を決定することができる。
Ｉ∝ｋ^−α
但し、ｋ＝４πλ^−１ｓｉｎθ
式中、Ｉ：散乱強度
ｋ：散乱ベクトル（単位はｎｍ^−１）
π：円周率
λ：入射Ｘ線の波長（単位はｎｍ）
θ：Ｘ線散乱角度（θは検出器の走査角度を０．５倍した値）
小角Ｘ線散乱曲線を得るためには、まず単色化されたＸ線をスリット及びブロックを用いて細く絞り試料に照射し、検出器の走査角度を変化させながら、試料によって散乱されたＸ線を検出する。そして、図１に示すように、Ｘ線散乱角度（θ）から上記式によって求めた散乱ベクトル（ｋ）を横軸に、バックグラウンドを補正した散乱強度（Ｉ）を縦軸にプロットした関係を求める。このとき両対数目盛りでプロットすれば、あるｋの値における小角Ｘ線散乱曲線の接線の傾きが−αに等しくなるのでα値を求めることができる。
なお、バックグラウンドの補正は、サンプルの散乱強度からサンプルのない測定セルのみの散乱強度を差し引くことによって行うことができる。
ここで、α値解析対象の大きさをＤ（ｎｍ）とすると、ＤとＸ線散乱角度θと入射Ｘ線波長λとの間には、ブラッグの式（２Ｄ×ｓｉｎθ＝λ）の関係があるので、ｋとＤの間には下記式の関係が成立する。
Ｄ＝２πｋ^−１
上記のα値解析対象の大きさは、本発明の微粒子状シリカの凝集構造を表すためには、２０〜３０ｎｍと３０〜５０ｎｍの範囲を採用する必要がある。解析対象の大きさが２０ｎｍ未満の場合は、シリカの一次粒子の表面形状を解析することになり、本発明の微粒子状シリカの凝集構造を表すことができない。また、解析対象の大きさが５０ｎｍを超える場合は、嵩密度の影響を受けるようになり、シリカの凝集構造を表すことができない。シリカの一次粒子の融着により形成される空隙（細孔の素）の大きさは、概ね数ｎｍ〜数十ｎｍであり、この空隙はシリカの増粘効果や吸液効果に深く関係することから、微粒子状シリカの凝集状態を的確に表すためには解析対象の大きさを２０〜３０ｎｍおよび３０〜５０ｎｍとする必要がある。
そこで、本発明におけるα値解析対象範囲２０ｎｍ〜３０ｎｍと３０ｎｍ〜５０ｎｍにおけるフラクタル形状パラメータを求めるには、上記で得られた散乱強度（Ｉ）と散乱ベクトル（ｋ）の両対数プロットにおいて、Ｄ＝２０〜３０ｎｍに相当するｋ＝０．２０９〜０．３１５の範囲、及び、Ｄ＝３０〜５０ｎｍに相当するｋ＝０．１２５〜０．２０９の範囲で散乱曲線を区切り、区切られた各々の範囲の散乱曲線の近似直線を最小二乗法により求め、その傾きを知ることによって、一次粒子径の各範囲のフラクタル形状パラメータであるα１及びα２を決定することができる。
本発明の微粒子状シリカの材質は、シリカ単独或いはシリカを主成分とするものであれば特に制限されない。具体的には、全組成がシリカよりなる態様、シリカと他の金属との複合酸化物である態様を含むものである。複合酸化物を更に具体的に示せば、シリカとシリカ以外の金属として、アルミナ、チタニア、ジルコニア、カルシア等の１種以上を使用した複合酸化物が挙げられる。この場合、他の金属の割合は、５０モル％以下、好ましくは、３０モル％以下であることが好ましい。
本発明の微粒子状シリカは、ＢＥＴ比表面積（Ｓ）が１３０〜３８０ｍ^２／ｇ、好ましくは、１４０〜３４０ｍ^２／ｇである。即ち、ＢＥＴ比表面積が１３０ｍ^２／ｇより小さい場合は、後記のフラクタルパラメーター値を特定の範囲としても、その効果が十分発揮されず、本発明の目的とする高い増粘効果を発揮することができない。また、ＢＥＴ比表面積が３８０ｍ^２／ｇを越える微粒子状シリカは、高い比表面積になると粒子同士の凝集力が強くなってくるので、弱い分散では高い増粘効果が得られないばかりでなく、製造も困難となる。
本発明の微粒子状シリカの最大の特徴は、α値解析対象範囲２０ｎｍ〜３０ｎｍにおけるフラクタル形状パラメータ（α１）が下記式（１）を満足し、且つ、α値解析対象範囲３０ｎｍ〜５０ｎｍにおけるフラクタル形状パラメータ（α２）が下記式（２）を満足することにある。
α１＋０．００１７５Ｓ＜２．５１８・・・（１）
α２＋０．００１７４Ｓ＜２．１０５・・・（２）
本発明者らは、本発明の微粒子状シリカと従来の乾式法によって得られた微粒子状シリカとの間の構造上の相違について種々の観点から分析を行ったところ、比表面積が同等の従来の微粒子状シリカと比べて、本発明の微粒子状シリカは、ミクロ構造部位において微小な一次粒子の凝集状態が特異的で、複雑になっていることを見出した。そして、かかる複雑さを示す２つのフラクタル形状パラメータ（α１及びα２）が特定の範囲にあるものは、増粘効果が極めて高いという特性を示すと共に、水等に分散した後に弱い分散領域においても優れた粘度特性を示すことを見出した。
従って、α１及びα２値が前記（１）及び（２）式で示される範囲をそれぞれ満足しない微粒子状シリカは、増粘効果が十分発揮されなかったり、前記従来技術のように大きな機械的分散力を必要としたり、分散媒に対して添加量を多くしなければならないという問題点がある。
また、前記α値は粉末の比表面積（Ｓ）の影響も受けるためＳの関数として表される。即ち、本発明者等は、本発明にかかる新規な微粒子状シリカ及び入手可能な多くの既存のシリカについてα値とＳとの関係をプロットしたところ、本発明の微粒子状シリカと従来のシリカとでは、α値解析対象範囲２０ｎｍ〜３０ｎｍ（Ｃｕ−Ｋα線を用いた場合のＸ線散乱角θ＝０．１４７度〜０．２２１度に相当する）の散乱パターンから求めたα値（α１）、及びα値解析対象範囲３０ｎｍ〜５０ｎｍ（Ｃｕ−Ｋα線を用いた場合のＸ線散乱角θ＝０．０８８度〜０．１４７度に相当する）の散乱パターンから求めたα値（α２）がそれぞれ異なる領域にプロットされることを確認した。
後記の実施例、比較例より理解されるように、本発明の微粒子状シリカは、火炎加水分解法によって得られた市販のシリカ、或いは、前記シロキサンを原料として得られるシリカよりも低いα値を示し、特定のミクロ構造部位において特異な粒子構造を有することが理解される。
本発明の微粒子状シリカにおいて、α１及びα２は、夫々下記式（３）及び（４）を満足することが特に好ましい。
２．３７９＜α１＋０．００１７５Ｓ＜２．５１８・・・（３）
１．９６５＜α２＋０．００１７４Ｓ＜２．１０５・・・（４）
本発明の微粒子状シリカは、透過型電子顕微鏡からの画像を解析することにより求めた一次粒子の平均粒子径Ｄ_５０が５．０ｎｍ〜２０．０ｎｍの範囲であることが好ましい。平均粒子径Ｄ_５０が上記範囲の場合、粒子同士の凝集力が適度であり、弱い分散でも高い増粘効果が得られる。
また、本発明の微粒子状シリカは、透過型電子顕微鏡からの画像を解析することにより求めた一次粒子の粒度分布が比較的均一であることが、増粘効果の観点から好ましい。一次粒子の粒度分布の均一性は、粒径の積算値が６０％となる粒径（Ｄ_６０）を１０％となる粒径（Ｄ_１０）で除した値（Ｄ_６０／Ｄ_１０、以下、粒度分布均一性ともいう）で表すことができる。この値が１に近いほど粒度分布の幅が狭くなる。本発明においては、上記の粒度分布均一性は２．０未満であることが好ましく、さらに、１．７０〜１．９５の範囲であることが好ましい。
さらに、本発明の微粒子状シリカは比較的大きい吸油量を有し、一般的には２４０〜３００ｍｌ／１００ｇの吸油量を示す。
本発明の微粒子状シリカは、揮発性珪素化合物を火炎加水分解する方法で製造される。詳細には、揮発性珪素化合物を火炎加水分解して微粒子状シリカを製造する方法において、上記揮発性珪素化合物としてトリクロロシラン２０〜９０容量％とテトラクロロシラン１０〜８０容量％とよりなる混合ガスを使用し、且つ、上記火炎加水分解に使用する水素の量を、理論量に対して１．２０〜２．２０倍となる量とする方法が挙げられる。
上述の方法は、火炎加水分解法（火炎熱分解法といわれることもある）における火炎の長さを短めに調節する技術を含む方法であり、これにより、微粒子状シリカの前記特定のミクロ構造部位に特異性を与えようとするものである。
前記製造方法において、トリクロロシランの割合が２０容量％より少ない場合は、火炎の長さが長くなり、微粒子状シリカの一次粒子の融着が強くなり、融着による凝集が進むことにより塊状の凝集体が増えることから特定のミクロ構造部位の複雑さが減少する。また、トリクロロシランの割合が９０容量％より多い場合は、トリクロロシランの燃焼速度が速いために火炎の長さが短かくなり過ぎて、生成する微粒子状シリカの密度が高くなるために凝集体が緻密化し易く、特定のミクロ構造部位に特異性が形成され難くなるので好ましくない。
トリクロロシランとテトラクロロシランの好ましい混合割合は、トリクロロシラン２０〜８０容量％とテトラクロロシラン２０〜８０容量％であり、更に好ましくは、トリクロロシラン３０〜７０容量％、テトラクロロシラン３０〜７０容量％である。
また、助燃性ガスとしては空気または酸素、可燃性ガスとしては水素がそれぞれ使用される。
前記方法において、火炎加水分解に使用する前記水素は、理論量に対して１．２０〜２．２０倍となる量である必要がある。水素量が理論量に対して１．２０倍より少ない場合は、火炎の長さが長くなり、火炎加水分解によって生成したシリカの凝集体は熱により一次粒子同士が広い範囲で融着しており、特定のミクロ構造部位の特異性が減少する。一方、水素量を２．２０倍より多くすることは、それ以上、特定のミクロ構造部位の特異性が大きく変化しないため、経済的でない。水素の使用量は、揮発性珪素化合物の火炎加水分解に必要な理論量に対して１．３０〜１．８０倍の範囲であることが好ましい。
また、前記酸素の使用量は、一般に揮発性珪素化合物及び水素に対して理論量以上であればよく、上記使用量の範囲内で目的とする微粒子状シリカの比表面積を勘案して適宜調節すればよい。また、該微粒子状シリカの比表面積を調整するために、窒素等の不活性ガスを併用することも可能である。
本発明の微粒子状シリカの製造方法の詳細及びその他の条件については、公知の方法をそのまま採用することができる。
本発明の微粒子状シリカはその種類に応じて、水、塗料、液状不飽和ポリエステル樹脂、更にはエポキシ樹脂、ウレタン樹脂、酢酸ビニル等の粘度調節剤または増粘剤として使用することができる。
また、本発明の微粒子状シリカをエポキシ樹脂、液状不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、ウレタン樹脂、変性シリコーン樹脂、アクリル樹脂等の極性樹脂に対して増粘剤等の添加剤として使用する場合、表面を疎水化処理することが好ましい。
疎水化剤としては、公知の処理剤を使用することができる。具体的に例示すれば、シリル化剤として、メチルトリクロロシラン、ジメチルジクロロシラン、トリメチルクロロシラン、フェニルトリクロロシラン、ジフェニルジクロロシラン、ｔ−ブチルジメチルクロロシラン、ビニルトリクロロシラン等のクロロシラン類やテトラメトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、ジフェニルジメトキシシラン、ｏ−メチルフェニルトリメトキシシラン、ｐ−メチルフェニルトリメトキシシラン、ｎ−ブチルトリメトキシシラン、ｉ−ブチルトリメトキシシラン、ヘキシルトリメトキシシラン、オクチルトリメトキシシラン、デシルトリメトキシシラン、ドデシルトリメトキシシラン、テトラエトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、ジフェニルジエトキシシラン、ｉ−ブチルトリエトキシシラン、デシルトリエトキシシラン、ビ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、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、γ−クロロプロピルトリメトキシシラン、γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、γ−（２−アミノエチル）アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−（２−アミノエチル）アミノプロピルメチルジメトキシシラン等のアルコキシシラン類、ヘキサメチルジシラザン、ヘキサエチルジシラザン、ヘキサプロピルジシラザン、ヘキサブチルジシラザン、ヘキサペンチルジシラザン、ヘキサヘキシルジシラザン、ヘキサシクロヘキシルジシラザン、ヘキサフェニルジシラザン、ジビニルテトラメチルジシラザン、ジメチルテトラビニルジシラザン等のシラザン類等がある。また、ジメチルシリコーンオイル、メチルハイドロジェンシリコーンオイル、メチルフェニルシリコーンオイル、アルキル変性シリコーンオイル、クロロアルキル変性シリコーンオイル、クロロフェニル変性シリコーンオイル、脂肪酸変性シリコーンオイル、ポリエーテル変性シリコーンオイル、アルコキシ変性シリコーンオイル、カルビノール変性シリコーンオイル、アミノ変性シリコーンオイル、フッ素変性シリコーンオイル、及び、末端反応性シリコーンオイル等のシリコーンオイルや、ヘキサメチルシクロトリシロキサン、オクタメチルシクロテトラシロキサン、デカメチルシクロペンタシロキサン、ヘキサメチルジシロキサン、オクタメチルトリシロキサン等のシロキサン類も疎水化剤として好ましい。さらに、脂肪酸及びその金属塩も疎水化剤として用いられる。これらの例としては、ウンデシル酸、ラウリン酸、トリデシル酸、ドデシル酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ペンタデシル酸、ステアリン酸、ヘプタデシル酸、アラキン酸、モンタン酸、オレイン酸、リノール酸、アラキドン酸などの長鎖脂肪酸が挙げられ、その金属塩としては亜鉛、鉄、マグネシウム、アルミニウム、カルシウム、ナトリウム、リチウムなどの金属との塩が挙げられる。
これらのうち、シリル化剤が最も一般的であり、さらにアルコキシシラン類、シラザン類は処理を実施しやすいので好ましい。
本発明では、このような疎水化剤の１種類を単独で、あるいは、２種類以上の場合は混合するか、または、順次段階的に表面処理して、用途に応じて要求される疎水度を達成することができる。
上記疎水化剤の使用量は特に限定はされないが、十分な疎水化の効果を得るためには、微粒子状シリカに対し１〜５０重量％の処理量が好適である。
かかる疎水化処理は、公知の方法によって行なうことができる。例えば、連続式、バッチ式のいずれでもよい。有機珪素化合物は、液相で反応させてもよいが、好適には気相での反応が、反応性が高く好ましい。また、反応装置も、流動床式、固定床式のいずれでもよく、単なる混合機、圧力容器等を用いて実施してもよい。反応を促進するため、水やアンモニア等の塩基性物質を添加して反応を実施してもよい。反応前には有機珪素化合物が分解しないように、不活性なガス、例えば窒素等で、反応器内雰囲気をパージすることが望ましい。
また、反応後についても、未反応物や副生物を除去および乾燥させるために、不活性なガス、例えば窒素等でパージすることが望ましい。反応温度、時間については特に制限はないが、例えば常温〜６００℃、好ましくは５０〜４００℃の温度範囲で、例えば１０分以上、好ましくは６０〜１８０分保持し反応を行なえばよい。
本発明の微粒子状シリカは、ミクロ構造部位において溶液を包含する能力が高いことより、吸液担体としても優れている。そのため、例えば、インクジェット用記録紙の塗工層の填料として好適に使用することができる。
一般にインクジェット用記録紙は、支持体の片面又は両面にインク吸収を目的としたインク吸収層である塗工層が形成されており、その塗工層の填料としてシリカが使用されている。しかし、シリカ粒子自身には成膜性が無いため、シリカを含む塗工液は、シリカを水などの極性溶媒中に分散したシリカ分散液とポリビニルアルコール等のバインダーを混合して製造される。この塗工液を支持体上に塗工後、乾燥することにより支持体上にインク吸収層を設けたインクジェット用記録紙が得られる。
一方、インクジェット用のインクとしては一般にアニオン性化合物が使われていることが多い。しかし、シリカ粒子はアニオン性を呈するので、画像濃度や耐水性を向上させるために、シリカ分散液にカチオン性樹脂水溶液を混合することによりシリカ表面をカチオン変性していることが多い。
したがって、本発明の微粒子状シリカも、インクジェット用記録紙の填料として使用する場合は、カチオン性樹脂水溶液でシリカ表面をカチオン性に変性した変性シリカ分散液にすることが好ましい。
更に近年では、市場から写真並みの画像が得られるインクジェット用記録紙が求められていることから、シリカ分散液中のシリカ凝集粒子径を数１００ｎｍ程度まで微粒化する方法が採用されている。
本発明の微粒子状シリカは、極性溶媒中において、シリカ凝集粒子径を数１００ｎｍ程度まで微粒化しても、前述したような特定のミクロ構造部位において特異性（フラクタル性）を有する粒子構造を維持しているので、インクジェット用記録紙の塗工層の填料として使用した場合に、従来の方法で製造した微粒子状シリカと比較すると、塗工層の細孔容積が高くなる傾向がある。塗工層の細孔容積は、インク吸収性に関与しており、細孔容積が高くなるほど、インク吸収性も向上するので非常に好ましい。
本発明の微粒子状シリカを分散するのに使用する極性溶媒は、微粒子状シリカが分散しやすい極性溶媒であれば特に限定はない。かかる極性溶媒としては、例えば、水、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等のアルコール類、エーテル類、ケトン類などの極性溶媒および水と上記極性溶媒との混合溶媒を好適に使用できる。これらのうち水が最も好ましい。
本発明の微粒子状シリカをカチオン変性するのに使用するカチオン性樹脂は、極性溶媒中に溶解したときに解離してカチオン性を呈する樹脂であれば限定されるものではなく、公知のカチオン性樹脂が特に制限なく使用できる。
その中でも、第１〜３級アミン基又は４級アンモニウム塩基を有する樹脂が好適に使用できる。具体的に例示すると、ポリエチレンイミン、ポリビニルピリジン、ポリアミンスルホン、ポリジアルキルアミノエチルメタクリレート、ポリジアルキルアミノエチルアクリレート、ポリジアルキルアミノエチルメタクリルアミド、ポリジアルキルアミノエチルアクリルアミド、ポリエポキシアミン、ポリアミドアミン、ジシアンジアミド−ホルマリン縮合物、ジシアンジアミドポリアルキル−ポリアルキレンポリアミン縮合物、ポリビニルアミン、ポリアリルアミン等の化合物及びこれらの塩酸塩、更にポリジアリルジメチルアンモニウムクロライド及びそのアクリルアミド等の共重合物、ポリジアリルメチルアミン塩酸塩、ポリメタクリル酸エステルメチルクロライド４級塩等を挙げることができる。
本発明において、カチオン性樹脂の使用量は、変性シリカ分散液が製造途中でゲル化することなく安定に製造でき、且つ、得られた変性シリカ分散液の粘度を低くするために、微粒子状シリカ１００重量部に対して、２〜５０重量部、特に２〜１５重量部とすることが好ましい。変性シリカ分散液の粘度が低いと、塗工液を製造するための以降に続く製造工程においてハンドリング性が良くなるので非常に好ましい。
カチオン性樹脂の添加量に対する変性シリカ分散液の粘度は、シリカの比表面積及び添加するカチオン性樹脂の種類により異なるため、予め実験により、該分散液の粘度が一番低くなる最適な添加量を前記添加量より選択することが好ましい。
本発明の微粒子状シリカをカチオン性樹脂によりカチオン変性した変性シリカ分散液を製造する方法は特に制限されないが、極性溶媒、微粒子状シリカ及びカチオン性樹脂を予め混合・分散して、極性溶媒中に微粒子状シリカとカチオン性樹脂を含有している予備混合液を調製した後に、高性能の微粒化装置を使用して予備混合液中のシリカ粒子を数１００ｎｍ程度まで微粒化する方法が好適に採用される。
上記の極性溶媒、微粒子状シリカ及びカチオン性樹脂水溶液を予め混合・分散し、予備混合液を製造する方法は、特に制限されないが、所定のカチオン性樹脂濃度に調整したカチオン性樹脂水溶液中に微粒子状シリカを直接分散する方法、カチオン性樹脂水溶液に予め微粒子状シリカを極性溶媒に分散したシリカ分散液を混合する方法などが挙げられる。
本発明の微粒子状シリカ、極性溶媒及びカチオン性樹脂水溶液を予め混合・分散する装置は特に制限されない。例えば、プロペラ翼、タービン翼、パドル翼を有する一般撹拌機、ディスパーミキサー等の高速回転遠心放射型撹拌機、ホモジナイザー、ホモミキサー、ウルトラミキサー等の高速回転せん断型分散機、コロイドミル、プラネタリーミキサー、吸引式分散機等の分散装置、更に前記分散機を組み合わせた複合型分散機が挙げられる。
予備混合液を調製した後に、更にシリカ粒子を数１００ｎｍ程度まで微粒化する高性能の微粒化装置は特に制限されない。例えば、ビーズミル、サンドミル等の湿式メディア型粉砕機、高圧ホモジナイザー、超音波粉砕機等が挙げられる。前記高性能の微粒化装置の中でも、高圧ホモジナイザーが最も好適に使用できる。
高圧ホモジナイザーの代表的例を例示すると、ナノマイザー製「ナノマイザー」（商品名）、マイクロフルイディクス製「マイクロフルイダイザー」（商品名）、及びスギノマシン製「アルティマイザー」（商品名）などを挙げることができる。
上記の高圧ホモジナイザーを用いて、シリカ分散液を、処理圧力３０ＭＰａ以上で対向衝突させるか、或いはオリフィスの入口側と出口側の差圧が３０ＭＰａ以上の条件でオリフィスを通過させることにより、平均凝集粒子径が数１００ｎｍ程度の変性シリカ分散液を得ることができる。
尚、シリカ粒子の保存安定性や分散性を向上させるために、本発明の効果を損なわない範囲で、変性シリカ分散液に界面活性剤及び防カビ剤等を少量添加してもよい。
本発明の微粒子状シリカを使用して、変性シリカ分散液を製造する時の温度（以下、分散液製造温度という）は、製造途中で増粘・ゲル化などを起こすことなく安定的に製造するために、いずれの場合も４０℃以下の温度範囲で制御することが好ましい。
分散液製造温度を４０℃以下の温度範囲に制御する方法は特に制限されないが、４０℃以下の温度範囲において任意の一定温度となるように制御することが好ましい。
また、微粒子状シリカを極性溶媒中に分散したシリカ分散液は、カチオン性樹脂等の添加剤の有無に関わらず、微粒子状シリカを極性溶媒中に分散した直後のシリカ分散液とバインダーとを混合して得られた塗工液粘度と、微粒子状シリカを極性溶媒中に分散してから数日後のシリカ分散液とバインダーとを混合して得られた塗工液粘度が著しく異なるという現象が生じる。塗工液粘度が極端に異なると、塗工機により支持体に塗工する条件、即ち塗工条件が一定にできないことから、製造工程管理において大きな問題を生じる。そのため、微粒子状シリカを使用したシリカ分散液を塗工液原料として使用する場合は、微粒子状シリカを極性溶媒中に分散した後、一定の条件下で熟成期間を設けることが好ましい。
したがって、本発明の微粒子状シリカを使用した変性シリカ分散液も極性溶媒中にシリカを分散した後に一定の条件下で熟成期間を設けることが好ましい。
また、本発明の微粒子状シリカの他の用途として、シリコーンラバーやシーラントへの補強・充填剤、ＣＭＰ（化学機械研磨）の研磨剤等、従来からヒュームドシリカが使用されてきた分野において広く好適に使用できる。
発明の効果
本発明の微粒子状シリカは、フラクタル形状パラメーターによって示される特異な形状をミクロ部位構造に有する新規な微粒子状シリカであり、粒子の凝集を発達させた従来の微粒子状シリカとは、その凝集粒子構造が異なり、それに伴って増粘作用が異なると推察される。
そして、かかる構造の相違により、本発明の微粒子状シリカは、分散性が高く、その増粘効果が該微粒子状シリカを分散させるのに用いる攪拌機等の分散装置の能力に影響を受け難く、分散能力の低い分散装置を用いても高い増粘効果が得られるという特徴や、一次粒子の凝集の構造がより特異的な、複雑な三次元構造となっており、インク等の溶媒を取り込む空隙が大きくなっていることから、インクジェット記録紙の表面塗工剤として使用した場合にインク保持性等が向上して良好な印刷特性が得られるといった特徴がある。
従って、本発明の微粒子状シリカは、例えば、液状不飽和ポリエステル等の液状樹脂の増粘剤、また、シリコーンラバーやシーラントへの補強・充填剤、ＣＭＰ（化学機械研磨）の研磨剤やインクジェット記録紙の表面塗布剤等の用途に好適に使用することができる。

本発明をさらに具体的に説明するため、以下、実施例及び比較例を挙げて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
なお、以下の実施例及び比較例における各種の物性測定等は以下の方法による。
（１）小角Ｘ線散乱測定：微粒子状シリカを縦４０ｍｍ、横５ｍｍ、厚さ１ｍｍのサンプルホルダーの貫通孔に充填し、充填した試料の両側を厚さ６μｍのポリプロピレンフィルムで鋏み込むことで保持したものを測定に供した。ＫｒａｔｚｋｙＵ−ｓｌｉｔを装備したマック・サイエンス社製二軸小角Ｘ線散乱装置（Ｍ１８ＸＨＦ２２）を用いて、入射Ｘ線Ｃｕ−Ｋα線、管電圧４０ｋＶ、管電流３００ｍＡ、スリット幅１０μｍ、検出器走査角度０．０２５度から０．９００度で測定を行った。測定は、１サンプルに付き５回行い、その平均値を測定値とした。
（２）比表面積測定：柴田理化学社製比表面積測定装置（ＳＡ−１０００）を用いて、窒素吸着ＢＥＴ１点法により測定した。
（３）平均粒径、粒度分布均一性の測定：微粒子状シリカ１ｍｇと純水１０ｍｌをサンプル管瓶に入れ、水約１Ｌを張った超音波洗浄器（井内盛栄堂製ＭＯＤＥＬＶＳ−Ｄ１００）で３０分間超音波洗浄した。支持膜付グリッド（カーボン補強コロジオン膜、Ｃｕ１５０ｍｅｓｈ）に、ターゲットを外したＳＰＴＴＥＲＣＯＡＴＥＲで１０ｍＡ、６０秒間親水化処理した。微粒子シリカ懸濁液を、ろ紙上に置いたグリッドに滴下しグリッド上に残った液もろ紙で吸い取り、風乾したものを観察試料とした。透過型電子顕微鏡（ＪＥＯＬ製ＪＥＭ−２００ＣＸ）を用いて倍率１５万倍で観察し、１試料当り２５枚の画像を撮影し約５６．６万倍の最終倍率にした画像を画像解析装置（旭エンジニアリング社製ＩＰ−１０００Ｃ）で円形粒子解析を行い、粒度分布および粒度の積算値から平均粒径と粒度分布均一性を算出した。
（４）吸油量測定方法：ＪＩＳ−Ｋ５１０１に準じて測定を行った。
（５）カーボン量の測定：疎水化処理剤により疎水化された微粒子状シリカのカーボン量（Ｃ量）を金属中炭素分析装置（堀場製作所製ＥＭＩＡ−１１０）により測定した。
（６）変性シリカ分散液の平均粒子径測定方法：変性シリカ分散液のシリカ濃度が１０重量％となるように、該分散液をイオン交換水で希釈した後、光散乱回折式の粒度分布装置（コールター製「コールターＬＳ２３０」（商品名））を用いて、体積基準算術平均径（Ｄ_６０）を測定し、この値を平均粒子径とした。
（７）塗工層の細孔容積測定方法：塗工シートの塗工層をカッターナイフで削り取って塗工層試料とした。この塗工層試料を１１０℃で１２時間乾燥させた後、水銀ポロシメーター（ユアサアイオニクス製「ポアマスター６０」（商品名））を用いて、細孔径５０ｎｍ以下の全細孔容積を測定した。
実施例１
トリクロロシラン３０容量％とテトラクロロシラン７０容量％の割合の原料ガスを理論水素量の１．４１倍となるように水素を供給し、二酸化珪素の融点（１６００℃）以上の温度下で加水分解させ微粒子状シリカを得た。得られた微粒子状シリカのα値解析対象範囲２０〜３０ｎｍにおけるフラクタル形状パラメータα１値は２．１１９、α値解析対象範囲３０〜５０ｎｍにおけるフラクタル形状パラメータα２値は１．７１１、比表面積は２２２ｍ^２／ｇであった。このα値は（１）式及び（２）式を同時に満足する。結果を表１に示した。
実施例２〜９及び比較例１〜９
トリクロロシラン及びテトラクロロシランの混合比、水素の理論必要量に対する過剰率を表１に示した値としたこと以外は、実施例１と同様にして本発明の微粒子状シリカ及び比較のためのシリカを製造した。なお、比較例５〜７及び比較例９は、市販のシリカを用いた。結果を表１にまとめて示した。

用途例１
実施例１〜９で得られた微粒子状シリカを液状不飽和ポリエステル樹脂（ジャパンコンポジット社製、ポリホープＰ２９０（商品名））１００重量部に対し、２．５重量部添加し、常温において特殊機化工業社製のディスパーにて１，０００ｒｐｍ（弱分散）および３，０００ｒｐｍ（中分散）で２分間分散させた後、２５℃の恒温槽に２時間放置し、ＢＬ型回転粘度計を用い６０ｒｐｍで粘度を測定した。この液状不飽和ポリエステル樹脂の粘度の測定結果を表２に示した。

比較用途例１
比較例１〜９で得られた微粒子状シリカを用いた以外は用途例１と同様にして液状不飽和ポリエステル樹脂の粘度の測定を行った。結果を表２に示した。
用途例２
実施例１〜９で得られた微粒子状シリカを超純水９０重量部に対し１０重量部添加し、常温において特殊機化工業社製のディスパーにて１，０００ｒｐｍで２分間分散させた後、２５℃の恒温槽に２時間放置し、ＢＬ型回転粘度計を用い６０ｒｐｍで粘度を測定した。この水スラリーの粘度の測定結果を表２に示した。
比較用途例２
比較例１〜９で得られた微粒子状シリカを用いた以外は用途例２と同様にして水スラリー粘度の測定を行った。結果を表２に示した。
用途例３
実施例７で得られた微粒子状シリカをイオン交換水に分散し、シリカ濃度１５重量％のシリカ分散液を得た。このシリカ分散液１００重量部とカチオン性樹脂濃度６０重量％のポリジアリルメチルアミン塩酸塩水溶液１．３重量部を混合して予備混合液を得た。この予備混合液を高圧ホモジナイザーで微粒化処理をした後、２５℃で７日間熟成を行い、変性シリカ分散液を得た。この変性シリカ分散液のシリカの平均粒子径は１００ｎｍであった。更にこの変性シリカ分散液１００重量部と４重量％のホウ酸水溶液１５重量部、及び１０重量％のポリビニルアルコール水溶液（クラレ製、ＰＶＡ１１７）７５重量部を混合して塗工液を得た。得られた塗工液をフィルムコーター（テスター産業製、ＰＩ−１２１０ＦｉｌｍＣｏａｔｅｒ）を用いて、乾燥重量の塗工量が２０ｇ／ｍ^２となるようにＰＥＴシート（アイ・シー・アイ・ジャパン製、メリネックス７０５）の表面に塗工後、乾燥して塗工シートを得た。得られた塗工層の細孔容積は、０．５１ｍｌ／ｇであった。
用途例４
実施例８で得られた微粒子状シリカを用いたこと以外は、用途例３と同様にして、変性シリカ分散液及び塗工シートを得た。得られた変性シリカ分散液のシリカの平均粒子径は１０５ｎｍであり、塗工層の細孔容積は、０．５３ｍｌ／ｇであった。
用途例５
実施例９で得られた微粒子状シリカを用いたこと以外は、用途例３と同様にして、変性シリカ分散液及び塗工シートを得た。得られた変性シリカ分散液のシリカの平均粒子径は１０２ｎｍであり、塗工層の細孔容積は、０．５５ｍｌ／ｇであった。
比較用途例３
比較例８で得られた微粒子状シリカおよび比較例９の市販シリカをそれぞれ用いたこと以外は、用途例３と同様にして、変性シリカ分散液及び塗工シートを得た。得られた変性シリカ分散液のシリカの平均粒子径はいずれも１００ｎｍであり、塗工層の細孔容積はそれぞれ０．４２ｍｌ／ｇ、０．４５ｍｌ／ｇであった。
用途例６
実施例１〜９で得られた微粒子状シリカ５ｋｇを内容積３００Ｌのミキサー中にて攪拌混合し、窒素雰囲気に置換を行なった。反応温度２４０℃において、疎水化剤としてヘキサメチルジシラザンを２５ｇ／分、水蒸気を５ｇ／分の供給量にて、８０分供給して１時間ほど疎水化処理を行なった。反応後、４０Ｌ／分の供給量にて窒素を２５分供給し、未反応物、反応副生物を除去して、疎水化処理された微粒子状シリカを得た。
この疎水化処理微粒子状シリカをビニルエステル樹脂（ジャパンコンポジット社製、ポリホープＨ６７００（商品名））１００重量部に対し、３重量部添加し、常温において特殊機化工業社製のディスパーにて１，０００ｒｐｍ（弱分散）で２分間分散させた後、２５℃の恒温槽に２時間放置し、ＢＬ型回転粘度計を用い６０ｒｐｍでの粘度を測定した。疎水化処理微粒子状シリカのカーボン量とビニルエステル樹脂粘度の測定結果を表３に示した。
比較用途例４
比較例１〜９で得られた微粒子状シリカを用いた以外は、用途例６と同様の方法で、微粒子状シリカの疎水化処理を行った。さらに、この疎水化処理微粒子状シリカを用いて用途例６と同様な方法でビニルエステル樹脂粘度の測定を行った。疎水化処理微粒子状シリカのカーボン量とビニルエステル樹脂粘度の測定結果を表３に示した。
用途例７
用途例６で得られた疎水化処理微粒子状シリカをシリコーンオイル（東レ・ダウ・コーニングシリコーン製、ＳＨ−２００１０００ｃｓ（商品名））１００重量部に対して５．５重量部添加し、常温において特殊機化工業社製のディスパーにて１，０００ｒｐｍ（弱分散）で２分間分散させた後、２５℃の恒温槽に２時間放置し、ＢＬ型回転粘度計を用い６０ｒｐｍでの粘度を測定した。疎水化処理微粒子状シリカのカーボン量とシリコーンの粘度の測定結果を表３に示した。
比較用途例５
比較用途例４で得られた疎水化処理微粒子状シリカを用いて用途例７と同様な方法でシリコーンオイル粘度の測定を行った。疎水化処理微粒子状シリカのカーボン量とシリコーンオイル粘度の測定結果を表３に示した。
用途例８
用途例６で得られた疎水化処理微粒子状シリカをシリコーンオイル（東レ・ダウ・コーニングシリコーン製、ＳＨ−２００１００００ｃＳｔ（商品名））１００重量部に対して、５０重量部添加し、ラボプラストミル（ＴＯＹＯＳＥＩＫＩ社製ＭＯＤＥＬ２０Ｒ２００）において６０ｒｐｍで３０分間混練した後のシリコーントルク値を測定した。疎水化処理微粒子状シリカのカーボン量とシリコーントルク値の測定結果を表３に示した。
比較用途例６
比較用途例４で得られた疎水化処理微粒子状シリカを用いて用途例８と同様な方法でシリコーントルク値の測定を行った。疎水化処理微粒子状シリカのカーボン量とシリコーントルク値の測定結果を表３に示した。

用途例９
実施例１〜９で得られた微粒子状シリカ５ｋｇを内容積３００Ｌのミキサー中にて攪拌混合し、窒素雰囲気に置換を行なった。反応温度２４０℃において、疎水化剤として液状のポリジメチルシロキサン（２０ｃｓ）を、５０ｇ／分、水蒸気を５ｇ／分の供給量にて、２０分供給して１時間ほど疎水化処理を行なった。反応後、４０Ｌ／分の供給量にて窒素を２５分供給し、未反応物、反応副生物を除去して、疎水化処理された微粒子状シリカを得た。この疎水化処理微粒子状シリカをエポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン社製エピーコート８１９（商品名））１００重量部に対し、微粒子状シリカを４重量部添加し、常温において特殊機化工業社製のディスパーにて１，０００ｒｐｍ（弱分散）で２分間分散させた後、２５℃の恒温槽に２時間放置し、ＢＨ型回転粘度計を用い２０ｒｐｍでの粘度を測定した。疎水化処理微粒子状シリカのカーボン量とエポキシ樹脂の粘度の測定結果を表４に示した。
比較用途例７
比較例１〜９で得られた微粒子状シリカを用いた以外は、用途例９と同様の方法で、微粒子状シリカの疎水化処理を行った。さらに、この疎水化処理微粒子状シリカを用いて用途例９と同様な方法でエポキシ樹脂の測定を行った。疎水化処理微粒子状シリカのカーボン量とエポキシ樹脂粘度の測定結果を表４に示した。
用途例１０
用途例９で得た疎水化処理微粒子状シリカをシリコーンオイル（東レ・ダウ・コーニングシリコーン製、ＳＨ−２００１０００ｃｓ（商品名））１００重量部に対して５．５重量部添加し、常温において特殊機化工業社製のディスパーにて１，０００ｒｐｍ（弱分散）で２分間分散させた後、２５℃の恒温槽に２時間放置し、ＢＬ型回転粘度計を用い６０ｒｐｍでの粘度を測定した。疎水化処理微粒子状シリカのカーボン量とシリコーンの粘度の測定結果を表４に示した。
比較用途例８
比較用途例７で得られた疎水化処理微粒子状シリカを用いて用途例１０と同様な方法でシリコーンオイル粘度の測定を行った。疎水化処理微粒子状シリカのカーボン量とシリコーンオイル粘度の測定結果を表４に示した。

Claims

ＢＥＴ比表面積（Ｓ）が１３０〜３８０ｍ^２／ｇである微粒子状シリカであって、小角Ｘ線散乱解析において、α値解析対象範囲２０ｎｍ〜３０ｎｍにおけるフラクタル形状パラメータ（α１）が下記式（１）を満足し、且つα値解析対象範囲３０ｎｍ〜５０ｎｍにおけるフラクタル形状パラメータ（α２）が下記式（２）を満足することを特徴とする微粒子状シリカ。
α１＋０．００１７５Ｓ＜２．５１８・・・（１）
α２＋０．００１７４Ｓ＜２．１０５・・・（２）
請求項１記載の微粒子状シリカの表面に疎水化剤を存在せしめたことを特徴とする疎水化微粒子状シリカ。
請求項１記載の微粒子状シリカを水系溶媒に分散せしめてなる水性分散液。
請求項１記載の微粒子状シリカよりなる液状樹脂用増粘剤。
請求項１記載の微粒子状シリカよりなる樹脂用フィラー。
請求項１記載の微粒子状シリカよりなるインクジェット記録紙用填料。
揮発性珪素化合物を水素の存在下に火炎加水分解して微粒子状シリカを製造する方法において、揮発性珪素化合物としてトリクロロシラン２０〜９０容量％とテトラクロロシラン１０〜８０容量％とよりなる混合ガスを使用し、且つ、火炎加水分解に使用する水素の量を、理論量に対して１．２０〜２．２０倍となる量としたことを特徴とする微粒子状シリカの製造方法。