JP4965442B2 - 多孔質シリカセラミックスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、多孔質シリカセラミックスの製造方法に関し、特に網目状の多孔質シリカセラミックスを得ることができる製造方法に関する。

網目構造を有する多孔質セラミックスの製造方法としては、例えば、特公昭５４−４１６１３号公報（US 3926851）に示された方法がある。これは、ポリオレフィンと、セラミック充填剤と、可塑剤とからなる組成物を成形し、得られた成形体から可塑剤を抽出し、加熱することによってポリオレフィンを除去して多孔性セラミック構造物とし、これを焼成する製造方法である。

また、特開平１１−７１１８８号公報には、セラミック粉末、無機バインダ及びアクリル酸系の高吸水性樹脂を混合し、得られた混合物を押出成形して成形体となし、その後、上記成形体を焼成する、多孔質体の製造方法が開示されている。

さらに、特開２００２−２６０９６１号公報には、ポリオレフィン系樹脂、無機粉体、可塑剤及び界面活性剤を混合した原料組成物をシート状に押出成形後、成形体から可塑剤を除去して得られる電気二重層コンデンサ用セパレータが開示されている。

なお、本明細書では、当該技術分野の慣例により、シリカ粒子を含む未焼成の成形体をグリーンと呼ぶことにする。また、シート状に成形されているグリーンをグリーンシートと呼ぶことにする。

多孔質シリカセラミックスの用途は、吸着剤、反応触媒、培養担体、隔膜、各種標識試薬の担体などが挙げられるが、いずれの用途においても均一な網目構造が要求される場合が多い。また、用途に応じて最適な細孔径も異なる。

しかし、上述の文献に記載されている製造方法では、均一な網目構造を有する多孔質セラミックを得ることが困難であったり、細孔径の制御が困難であったりする。

例えば、多孔質セラミックスの１つである多孔質ガラスにおいて、その製造方法は分相法が主流である。この多孔質ガラスにおける細孔径は、一般に熱処理温度と時間とによって決定される。しかし、細孔径の制御は、経験的に求められた次式による程度のことであり、満足できる技術水準に達していない。

（数１）
ｌｎ（ｒ）＝Ａ＋Ｂ・ｌｎ（ｔ）−Ｃ／Ｔ
ｒ：多孔質ガラスの細孔半径、Ｔ：分相温度（Ｋ）、ｔ：分相時間、
Ａ，Ｃ：ガラス組成によって決まる定数、Ｂ：分相の初期は１／２，通常は１／３

また、ゾルゲル法による多孔質ガラスにおいて、細孔径の制御はかなり困難とされる。さらに、粒子径を調整したガラス粉体を焼結する多孔質ガラスの製造では、細孔径の揃ったものは得にくい。

そこで本発明は、比較的低い焼成温度を採用しながらも、網目状で細孔径の揃った多孔質シリカセラミックスを容易に得ることが可能となる、多孔質シリカセラミックスの製造方法を提供する。また本発明は、細孔径を容易に制御しうる多孔質シリカセラミックスの製造方法を提供する。

本発明者は、可塑剤を抽出した後のグリーンに、焼結助剤を含浸させ焼成すると、網目状で細孔径の揃った多孔質シリカセラミックスが得られることを見出した。

すなわち、本発明は、
シリカ粒子とバインダと可塑剤とを含む混合物を成形する工程と、
混合物を成形して得たグリーンから可塑剤を抽出して、グリーンに多孔性を付与する工程と、
多孔性が付与されたグリーンに焼結助剤を含浸させる工程と、
焼結助剤を含浸させたグリーンを焼成する工程と、
を含む多孔質シリカセラミックスの製造方法を提供する。

上記製造方法によれば、グリーンから可塑剤を抽出させた後で、そのグリーンに焼結助剤を含浸させる工程を行うことにより、網目状で細孔径の揃った多孔質シリカセラミックスを得ることができる。

また、本発明による多孔質シリカセラミックスの製造方法は、同じ配合のグリーンを用いても、焼結助剤の含浸量を調整したり、焼成条件（温度、時間）を変化させたりするだけで、細孔径を容易に制御することができる。

実施例Ａ群のＳＥＭによる表面観察結果である。 実施例Ｂ群のＳＥＭによる表面観察結果である。 実施例Ｂ群のＳＥＭによる表面観察結果である。 実施例Ｃ群のＳＥＭによる表面観察結果である。 実施例Ｃ群のＳＥＭによる表面観察結果である。 実施例Ｄ群のＳＥＭによる表面観察結果である。 実施例Ｄ群のＳＥＭによる表面観察結果である。 実施例ＥのＳＥＭによる表面観察結果である。 比較例１のＳＥＭによる表面観察結果である。 グリーンシート（可塑剤抽出済み）のＳＥＭによる表面観察結果である。

本発明にかかる多孔質シリカセラミックスの製造方法をさらに詳しく説明する。

シリカ粒子に混合するバインダとしては、焼成により除去することができる可燃性の樹脂粉体が好適である。樹脂の種類は特に限定されるわけではないが、例えば、ポリエチレンやポリプロピレンのようなポリオレフィン系の熱可塑性樹脂を用いることができる。バインダとともにシリカ粒子に混合する可塑剤は、有機溶媒で容易に抽出でき、グリーンに多孔性を付与できるものであることが望ましく、例えば、鉱物オイル（パラフィン系、ナフテン系等の工業用潤滑油）を好適に用いることができる。有機溶媒を用いて可塑剤を抽出する工程は、例えば、グリーンを有機溶媒中に浸漬する操作を含む。その操作で用いることができる有機溶媒は、例えば、ハロゲン化物としてトリクロロエチレン、塩化メチレン、トリクロロエタン、ｎ−ブロモプロパン、さらに、炭化水素系として、ｎ−ヘキサン、ｎ−デカン、テトラリン、ケロシン、メチルエチルケトンである。

本発明に用いる焼結助剤には、アルカリ金属を含む化合物、アルカリ土類金属を含む化合物、ホウ素を含む化合物及びリンを含む化合物からなる群より選ばれる少なくとも１つを用いることができる。特に、上記した化合物群は、シリカ粒子の融点を低下させる機能を有するので好ましい。また、Ｎａを含む化合物とＫを含む化合物とを併用するというように、アルカリ金属を含む２種以上の化合物を組み合わせて用いてもよい。この点は、アルカリ土類金属を含む化合物、ホウ素を含む化合物、リンを含む化合物についても同様である。

まず、アルカリ金属を含む化合物は、シリカの網目構造に対して、網目修飾酸化物となり、シリカの粘性を低下させ、熔融を容易にする働きがある。アルカリ金属としては、Ｎａ、Ｋ、Ｌｉを挙げることができる。これらの化合物としては、塩化物、水酸化物、酢酸塩、硫酸塩、炭酸塩、硝酸塩、リン酸塩などの水溶性の化合物が好ましく、具体的な化合物としては、塩化ナトリウム、水酸化ナトリウム、酢酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、硝酸ナトリウム、塩化カリウム、水酸化カリウム、酢酸カリウム、硫酸カリウム、炭酸カリウム、硝酸カリウム、塩化リチウム、水酸化リチウム、酢酸リチウム、硫酸リチウム、炭酸リチウム、硝酸リチウム、リン酸ナトリウム、リン酸カリウム、リン酸リチウムを例示できる。

さらに、アルカリ金属を含む化合物として、珪酸ナトリウム（水ガラス）のような珪酸塩も水への溶解が良好であり、取り扱いやすいので好ましい。

次に、アルカリ土類金属を含む化合物は、シリカの網目構造に対して、網目修飾酸化物となり、シリカの高温粘性を低下させ、熔融を容易にする働きがある。アルカリ土類金属としては、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａを挙げることができる。これらの化合物としては、塩化物や水酸化物、酢酸塩、硫酸塩、炭酸塩、硝酸塩などの水溶性の化合物が好ましく、具体的な化合物としては、塩化マグネシウム、水酸化マグネシウム、酢酸マグネシウム、硫酸マグネシウム、炭酸マグネシウム、硝酸マグネシウム、塩化カルシウム、水酸化カルシウム、酢酸カルシウム、硫酸カルシウム、炭酸カルシウム（石灰石）、硝酸カルシウム、塩化ストロンチウム、水酸化ストロンチウム、酢酸ストロンチウム、硫酸ストロンチウム、炭酸ストロンチウム、硝酸ストロンチウム、塩化バリウム、水酸化バリウム、酢酸バリウム、硫酸バリウム、炭酸バリウム、硝酸バリウム、リン酸マグネシウム、リン酸カルシウム、リン酸ストロンチウム、リン酸バリウムなどを例示できる。

さらに、ホウ素を含む化合物は、珪酸塩ガラス中において、ガラスの粘性を低下させ、熔融を容易にする働きがある。具体的には、ホウ酸またはホウ砂を例示できる。

リンを含む化合物としては、リン酸またはリン酸塩を例示できる。具体的には、リン酸ナトリウム、リン酸カリウム、リン酸リチウム、リン酸マグネシウム、リン酸カルシウム、リン酸ストロンチウム、リン酸バリウム、リン酸（オルトリン酸）、リン酸アンモニウムなどを例示できる。

上述の材料を含む混合物を成形する工程は、得るべき多孔質シリカセラミックスの用途に応じて選択すればよい。例えば、押出成形法、射出成形法、印刷法、ドクターブレード法などの公知の成形方法を採用することができる。

可塑剤を抽出したグリーンに焼結助剤を含浸させる工程は、焼結助剤を含む液体にグリーンを接触させることによって実施できる。具体的には、焼結助剤を含む液体にグリーンを浸漬する方法、焼結助剤を含む液体をグリーンにスプレーする方法、または、焼結助剤を含む液体をグリーンに塗布する方法を採用できる。焼結助剤を含む液体は、焼結助剤の溶液であることが望ましい。

本発明の製造方法によれば、網目状で細孔径の揃った多孔質シリカセラミックスが製造可能である。網目状の骨格の太さや細孔径は、グリーンに含浸させる焼結助剤の条件および／またはグリーンの焼成条件により制御可能である。焼結助剤の条件とは、具体的には、焼結助剤の組成、グリーンの単位体積あたりに付着させる焼結助剤の量（質量）である。グリーンの単位体積あたりに付着させる焼結助剤の量は、例えば、焼結助剤を含む溶液の濃度を変化させることによって実現できる。焼成条件とは、具体的には、グリーンの焼成温度、焼成時間である。これらの条件を変化させる（調整する）ことにより、網目状の骨格の太さや細孔径を制御する、言い換えれば、多孔質シリカセラミックスの比表面積を制御することができる。場合によっては、焼成雰囲気（酸化、還元、不活性）を変化させることによっても、網目状の骨格の太さや細孔径を制御することができる。

可塑剤を抽出させたグリーンには、空隙が存在している。この空隙に、焼結助剤を含浸させる。このグリーンを焼成すると、その過程でシリカ粒子と焼結助剤が接することになり、焼結助剤はシリカ粒子の融剤として作用する。このため、焼成工程における焼成温度は、一般にシリカ粒子が焼結する温度に比べて、低くてよい。具体的には、１０００℃以下の温度で、場合によっては７００℃程度でも焼結可能である。

なお、シリカ粒子とバインダと可塑剤とを混合し成形する際に、アルキルスルホコハク酸塩などの親水性付与剤をグリーンに含ませ、グリーンに親水性を付与するとよい。こうすると焼結助剤を含浸しやすくする作用があり、具体例としては、アルキルスルホコハク酸塩のほか、ナフタリンスルホン酸塩ホルマリン縮合物等のアニオン系や、ポリオキシエチレンアルキルエーテル等のノニオン系の親水性付与剤が、単独でまたは混合して使用することができる。

また同様の効果を得るために、可塑剤を抽出した後のグリーン表面に、上述したアルキルスルホコハク酸塩などをコーティングするなどしてもよい。

さらに、本発明による多孔質シリカセラミックスの製造方法は、焼結助剤の含浸量をグリーンの部分によって異ならせるだけで、細孔径の分布を形成することができる。この細孔径の分布は、階段状であってもよいし、徐々に変化していてもよい。

焼結助剤の含浸量を異ならせる方法としては、それぞれ希釈倍率の異なる水ガラスをグリーンの各部分に含浸させることを例示できる。具体的には、成形体としてのグリーンのある一部分には、焼結助剤の濃度が低い溶液を接触させて焼結助剤の含浸量を小さくする一方、そのグリーンの他の部分には、焼結助剤の濃度が高い溶液を接触させて焼結助剤の含浸量を大きくする。こうすることで、１つのグリーンの中で、網目状の骨格の太さや細孔径が異なる複数の領域を形成することができる。

なお、本発明の製造方法に用いるグリーンは可塑性を有しており、シート状や繊維状、ビーズ状などの様々な形状に加工することが容易である。例えば、その形状をシート状とすると、陶芸用等に用いられるセラミックスペーパーと同様に、折り曲げたり重ねたりして、自由に造形することができる。また、グリーンシートをプレスすることによって、波板形状とすることはもちろんのこと、エンボス加工を施したり、３次元的に成形されたシートとしたりすることも可能である。

［グリーンシートの作製］
まず、以下の実施例で用いるグリーンシートを、以下のようにして作製した。
シリカ粒子として、比表面積２００ｍ²／ｇのシリカ粉体を準備した。バインダとして、平均分子量２００万の高密度ポリエチレン樹脂粉体を準備した。可塑剤として鉱物オイルを準備した。

シリカ粉体７０質量部と、高密度ポリエチレン樹脂粉体３０質量部と、鉱物オイル１００質量部と、アルキルスルホコハク酸塩５質量部とを、押出機を用いて混合し、押出機から押出した混合物を成形ロールにて加圧成形して厚さ１００μｍのグリーンシートを得た。

続いて、該グリーンシート中の可塑剤（鉱物オイル）を有機溶媒で抽出除去して加熱乾燥して、可塑剤が抽出された厚さ１００μｍのグリーンシートを準備した。このグリーンシートには、抽出された可塑剤の存在していたところに、空隙が形成されていた。以下の実施例は、このグリーンシートを用いた。

（実施例Ａ−１〜Ａ−３）
まず、実施例Ａ群では、焼結助剤として珪酸ナトリウム（Ｎａ₂Ｏ・ｎＳｉＯ₂）である水ガラスを用いた。水ガラスは、日本工業規格（ＪＩＳ Ｋ １４０８）に規定された１号、２号及び３号を用い、それぞれ水で５０倍に希釈した液を、準備したグリーンシートに含浸させた。１号、２号及び３号の相違点は、Ｎａ₂ＯとＳｉＯ₂とのモル比にあり、１号、２号、３号の順番でＳｉＯ₂の比率が大きい。

水ガラスを含む液は、表面に満遍なく滴下することによってグリーンシートに含浸させた。表面の余剰な液を除去して、５０℃の乾燥温度で乾燥後、９００℃で１時間焼成して、多孔質シリカセラミックスを得た。焼成条件等を表１に示す。

なお、得られた多孔質シリカセラミックスの表面は、適宜以下の２種類の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて観察した。ＳＥＭ観察の結果より、骨格の有無を判断した。
・日本電子株式会社製走査型電子顕微鏡、型番：ＪＳＭ−Ｔ３３０Ａ
撮影条件：加速電圧１５ｋＶ、撮影倍率５万倍
・キーエンス株式会社製走査型電子顕微鏡、型番：ＶＥ−７８００
撮影条件：加速電圧５ｋＶ、撮影倍率５千倍

実施例Ａ群の多孔質シリカセラミックスにおけるＳＥＭ観察の結果を図１に示す。観察結果より、いずれの場合も骨格の存在が確認された。また、使用した水ガラスの違いにより、骨格の太さが異なる傾向が見受けられた。つまり、Ｎａ含有率の小さなＪＩＳ３号水ガラスを用いると、骨格が細くなり、Ｎａ含有率の大きなＪＩＳ１号水ガラスを用いると、骨格が太くなることが分かった。なお、各水ガラスにおけるＮａ含有率は、ＪＩＳ３号、ＪＩＳ２号、ＪＩＳ１号の順で大きくなっている。

（実施例Ｂ−１〜Ｂ−５）
次に、実施例Ｂ群では、焼結助剤としてＪＩＳ３号水ガラスを用い、その希釈度を１０倍から１００倍まで変化させた。なお、焼成温度は９００℃で、焼成時間は１．５時間とした。焼成条件等を表２に示す。

実施例Ｂ群の多孔質シリカセラミックスにおけるＳＥＭ観察の結果を、図２Ａと図２Ｂに示す。観察結果より、いずれの場合も骨格の存在が確認された。希釈度が小さい、すなわち水ガラスの含有率が大きい場合（希釈度：１０倍）は、焼結が進みすぎ、一部の空隙が潰れてしまっていた。希釈率が大きくなる、すなわち水ガラスの含有率が小さくなるに従って、多孔質シリカセラミックスの骨格が細くなることが分かった。

（実施例Ｃ−１〜Ｃ−５）
続いて、実施例Ｃ群では、焼結助剤としてＪＩＳ３号水ガラスを用い、その希釈度を５０倍に、焼成温度を９００℃に固定して、焼成時間を２分から３０分まで変化させた。焼成条件等を表３に示す。

実施例Ｃ群の多孔質シリカセラミックスにおけるＳＥＭ観察の結果を、図３Ａと図３Ｂに示す。焼結時間が２分〜１５分までの場合（Ｃ−１〜Ｃ−４）は、撮影倍率５万倍での観察結果から、骨格の存在が確認された。また、多孔質シリカセラミックスシートの表裏を連通している孔の存在も確認された。焼成時間が３０分の場合（Ｃ−５）は、撮影倍率５千倍での観察結果から、骨格の存在が確認された。焼成時間が長くなるほど、骨格が太くなることが分かった。なお、連通孔の有無は、多孔質シリカセラミックスシートの表面に水を滴下して裏面から水が染み出てくるかどうかを調べた結果、および、ＳＥＭ観察の結果から判断した。

（実施例Ｄ−１〜Ｄ−５）
実施例Ｄ群では、水ガラス以外の焼結助剤を用いた。ホウ酸は５質量％水溶液を用いた。ＮａＣｌは５質量％水溶液を用いた。ＮａＯＨは０．０１規定の水溶液を用いた。ＫＣｌは３．７質量％水溶液を用いた。ＣａＣｌ₂は５．６質量％水溶液を用いた。焼成条件は表４に示す通りである。

実施例Ｄ群の多孔質シリカセラミックスにおけるＳＥＭ観察の結果を図４Ａと図４Ｂに示す。観察結果より、焼結助剤として、ホウ酸、ＮａＣｌ、ＮａＯＨ、ＫＣｌ、ＣａＣｌ₂のいずれを用いた場合でも、骨格の存在が確認された。なお、ホウ酸とＮａＣｌの場合については撮影倍率５万倍での観察結果から、また、ＮａＯＨ、ＫＣｌ、ＣａＣｌ₂については撮影倍率５千倍での観察結果から、骨格の存在が確認された。また、焼結助剤の種類の違いにより、骨格に太さに違いのあることも確認された。

このことから、本発明に用いる焼結助剤は、ガラス中において網目修飾酸化物となりうる成分や珪素に対するホウ素のようにシリカ粒子よりも網目形成能が低い成分を含んでおり、グリーンシートに含浸させるために、水やアルコールなどの溶媒に室温で溶解させて溶液とすることが可能であれば、化合物の形態は問わないといえる。なお、網目修飾酸化物となりうる成分とは、焼結の過程で網目形成酸化物に変化することが可能な成分を意味する。

（実施例Ｅ）
実施例Ｅは、水ガラスとホウ酸を混合して用いた例である。３号水ガラスを水で２倍に希釈し、ホウ酸を２．５質量％となるようにして、焼結助剤を含む溶液を調整した。焼成温度は６５０℃で、焼成時間は１．５時間とした。得られた多孔質シリカセラミックスをＳＥＭ観察した結果（図５参照）、骨格の存在が認められた。

（比較例１）
比較例１は、上述の実施例で用いたグリーンシートを、水ガラスの希釈液を含浸させず、９００℃で１．５時間、焼成して、多孔質シリカセラミックスを得た。その表面の観察結果を、図６に示す。撮影条件は実施例１と同様とした。また比較のために、グリーンシートの観察結果を、図７に示す。撮影条件は実施例１と同様とした。

（比較例の多孔質シリカセラミックスの表面状態）
まず、グリーンシート（図７）では、シリカ粒子をつなぐ形で樹脂が複合され、２００ｎｍ前後の細孔ができている様子が観察される。

次に、比較例１（図６）では、焼結助剤を用いず焼成しただけなので、全体的にはシリカ粒子が凝集した状態となっているが、ところどころシリカ粒子の存在しない部分がある。このシリカ粒子の存在しない部分は、元々グリーンシートに存在していた２００ｎｍ前後の細孔に由来していると考えられる。つまり、グリーンシートの細孔状態が、焼成後の多孔質シリカセラミックスの細孔状態を決めているものと思われる。したがって、グリーンの状態、特に可塑剤の配合比率によって、最終的な多孔質シリカセラミックスの細孔状態が決まると考えられる。

これに対して、多孔性のグリーンシートに、焼結助剤を含浸させた本発明（実施例Ａ群〜実施例Ｅ）では、いずれも、シリカ粒子が相互に結合し、網目状骨格が形成されていた。

実施例Ｂ群とＣ群の結果を総合すると、焼成条件、すなわち温度や時間を変化させると、骨格の太さが変化していることが分かった。さらに、実施例Ａ群の結果より、焼結助剤の含有率の違いによっても、骨格の太さが変化していることが認められる。つまり、同じグリーンシートを用いても、焼結助剤の条件（溶液の組成）や焼成条件を変更するだけで、種々の骨格形状を有する多孔質シリカセラミックスを得ることができる。したがって、本発明の製造方法によれば、多孔質シリカセラミックスにおける細孔径の制御が可能である。

また、焼結助剤は、ガラス中で網目修飾酸化物となりうる物質の化合物であり、グリーンシートに含浸させるために、水やアルコールなどの溶媒に室温で溶解することが可能な化合物であれば、焼結助剤として使用することができる。また、焼結助剤は、複数種類を併用することができる。

以上説明したように、本発明による多孔質シリカセラミックスは、網目状の骨格を有する多孔質体であり、連通孔も存在することから、気体・液体が孔全体に行き渡りやすい。このため、例えば、吸着剤、反応触媒、培養担体、隔膜、各種標識試薬の担体として利用可能である。

Claims (9)

1. シリカ粒子とバインダと可塑剤とを含む混合物を成形する工程と、
   前記混合物を成形して得たグリーンから前記可塑剤を抽出して、前記グリーンに多孔性を付与する工程と、
   多孔性が付与された前記グリーンに焼結助剤を含浸させる工程と、
   前記焼結助剤を含浸させた前記グリーンを焼成する工程と、
   を含む多孔質シリカセラミックスの製造方法。
2. 前記焼結助剤を含む液体を前記グリーンに接触させることにより、前記グリーンに前記焼結助剤を含浸させる請求項１に記載の多孔質シリカセラミックスの製造方法。
3. 前記焼結助剤が、アルカリ金属を含む化合物、アルカリ土類金属を含む化合物、ホウ素を含む化合物及びリンを含む化合物からなる群より選ばれる少なくとも１つである請求項１に記載の多孔質シリカセラミックスの製造方法。
4. 前記アルカリ金属を含む化合物が、水ガラスである請求項３に記載の多孔質シリカセラミックスの製造方法。
5. 前記アルカリ金属を含む化合物が、塩化物、水酸化物、炭酸塩、酢酸塩、硫酸塩、硝酸塩及びリン酸塩からなる群より選ばれる少なくとも１つである請求項３に記載の多孔質シリカセラミックスの製造方法。
6. 前記アルカリ土類金属を含む化合物が、塩化物、水酸化物、炭酸塩、酢酸塩、硫酸塩、硝酸塩及びリン酸塩からなる群より選ばれる少なくとも１つである請求項３に記載の多孔質シリカセラミックスの製造方法。
7. 前記ホウ素を含む化合物が、ホウ酸またはホウ砂である請求項３に記載の多孔質シリカセラミックスの製造方法。
8. 前記リンを含む化合物が、リン酸またはリン酸塩である請求項３に記載の多孔質シリカセラミックスの製造方法。
9. 前記焼結助剤を含浸させた前記グリーンを１０００℃以下で焼成する請求項１に記載の多孔質シリカセラミックスの製造方法。