JP5004492B2 - Silica-based composite oxide fine particles and method for producing the same - Google Patents
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Description
本発明は、シリカ系複合酸化物微粒子およびその製造方法に関する。特に、ナノレベルの粒子径を有するシリカ系複合酸化物微粒子およびその製造方法に関する。 The present invention relates to silica-based composite oxide fine particles and a method for producing the same. In particular, the present invention relates to silica-based composite oxide fine particles having a nano-level particle diameter and a method for producing the same.
原料として、シリコンのアルコキシドとシリコン以外の金属のアルコキシドとを併用して、ゾルゲル法により、シリカ−チタニア、シリカ−アルミナ、シリカ−ジルコニア等のいわゆるシリカ系複合酸化物微粒子を製造する方法が知られている。このようなシリカ系複合酸化物微粒子は、シリカのみでは得られない、様々な特徴ある性能を発揮することができる。例えば、シリカとシリカ以外の金属酸化物の配合比率を変えることにより、製造される粒子の屈折率を調節することができる。これにより、例えば、樹脂材料に添加するフィラーとして使用した場合、剛性を付与する、熱膨張係数を下げる等のフィラーとしての性能を付与しつつ、樹脂材料の屈折率とフィラーの屈折率とを揃えることによって、樹脂材料の透明性を保つことができる。 As a raw material, a method for producing so-called silica-based composite oxide fine particles such as silica-titania, silica-alumina, silica-zirconia, etc. by a sol-gel method using a combination of a silicon alkoxide and a metal alkoxide other than silicon is known. ing. Such silica-based composite oxide fine particles can exhibit various characteristics that cannot be obtained by silica alone. For example, the refractive index of the produced particles can be adjusted by changing the compounding ratio of silica and a metal oxide other than silica. Thereby, for example, when used as a filler to be added to a resin material, the refractive index of the resin material and the refractive index of the filler are aligned while providing performance as a filler such as imparting rigidity and lowering the thermal expansion coefficient. Thus, the transparency of the resin material can be maintained.
また、ポリマーとナノ粒子との複合体であるナノコンポジット、および、コーティング材の分野において、ナノ粒子が必要とされている。特許文献1には、所定のアルカリ濃度を有する反応媒体中に、アルキルシリケートを加え、加水分解、重合させることで、3〜100nmの粒子径を有するコロイダルシリカを溶媒中に生成させることを特徴とする水性シリカゾルの製造方法が記載されている。
特許文献1に記載の方法は、単一のアルキルシリケートを原料として、シリカ単独からなるナノ粒子を含有する水溶性シリカゾルを製造する方法であり、複合酸化物微粒子を製造することについては記載されていない。また、この方法において、原料としてシリコンのアルコキシドとシリコン以外の金属のアルコキシドとを用いたとしても、ナノレベルの粒子径を有する複合酸化物微粒子を得ることはできなかった。
The method described in
そこで、本発明は、ナノレベルの粒子径を有するシリカ系複合酸化物微粒子、および、その製造方法を提供することを課題とする。 Then, this invention makes it a subject to provide the silica type complex oxide microparticles | fine-particles which have a particle size of nano level, and its manufacturing method.
本発明者は、上記の課題について鋭意検討した結果、シリコンのアルコキシドとシリコン以外の金属のアルコキシドとの加水分解速度が異なっていることがナノレベルの粒子径を有する複合酸化物微粒子を形成する上での阻害要因となっていることを見出し、シリコンのアルコキシドとシリコン以外の金属のアルコキシドとの加水分解速度を揃えることにより、上記の課題を解決することができることを見出し、以下の本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies on the above-mentioned problems, the present inventor has found that composite oxide fine particles having a nano-level particle diameter are formed by different hydrolysis rates of silicon alkoxides and metal alkoxides other than silicon. And found that the above-mentioned problems can be solved by aligning the hydrolysis rate of silicon alkoxide and metal alkoxide other than silicon, and completed the following invention. It came to do.
第1の本発明は、シリカとシリカ以外の金属酸化物とを含有するシリカ系複合酸化物微粒子であって、シリカ以外の金属酸化物の含有率が、50モル%未満であり、シリカ以外の金属酸化物が、チタニア、ジルコニア、および、アルミナからなる群から選ばれる一種以上であり、平均粒径が1nm〜100nmであるシリカ系複合酸化物微粒子である。 1st this invention is silica type complex oxide microparticles | fine-particles containing silica and metal oxides other than silica, Comprising: The content rate of metal oxides other than a silica is less than 50 mol%, The metal oxide is one or more selected from the group consisting of titania, zirconia, and alumina, and is a silica-based composite oxide fine particle having an average particle diameter of 1 nm to 100 nm.
本発明の微粒子は、従来製造するのが困難であった、平均粒径が1nm〜100nmであるシリカ系複合酸化物微粒子である。本発明の微粒子は、シリカとシリカ以外の金属酸化物の含有率を調整することによって、その屈折率を調整することが可能である。この特性を生かして、例えば、透明樹脂材料のフィラーとして添加する場合、樹脂材料の屈折率と本発明の微粒子の屈折率とを揃えることによって、樹脂材料の透明性を保ちつつ、ナノレベルのフィラーとしての機能を付与することができる。具体的には、PETフィルム用コーティング剤、反射防止膜(高屈折率層)、眼鏡レンズ用ハードコート剤、インクジェット用透明インク受容層、複合高屈折率樹脂ビーズ、研磨剤等の材料として用いることができる。 The fine particles of the present invention are silica-based composite oxide fine particles having an average particle diameter of 1 nm to 100 nm, which have been difficult to produce conventionally. The refractive index of the fine particles of the present invention can be adjusted by adjusting the content of silica and a metal oxide other than silica. Taking advantage of this property, for example, when added as a filler of a transparent resin material, by aligning the refractive index of the resin material and the refractive index of the fine particles of the present invention, while maintaining the transparency of the resin material, nano-level filler The function as can be provided. Specifically, it is used as a material for a PET film coating agent, an antireflection film (high refractive index layer), a spectacle lens hard coating agent, an inkjet transparent ink receiving layer, a composite high refractive index resin bead, an abrasive, etc. Can do.
また、高性能材料として、ナノオーダーの微粒子とポリマーとの複合体であるナノコンポジットが開発されている。本発明の微粒子は、ナノコンポジットの屈折率を調節可能な微粒子として用いることができる。また、樹脂材料に加えるフィラーとして、大小の径を有する粒子を加えることにより、フィラーの充填率を高くすることができる。この場合において、小径のフィラーとして、樹脂マトリックスの屈折率と同程度の屈折率を有する本発明の微粒子を使用することにより、フィラーの充填率を高くして強度等を付与しつつ、樹脂材料の透明性を維持することができる。 In addition, nanocomposites, which are composites of nano-order fine particles and polymers, have been developed as high-performance materials. The fine particles of the present invention can be used as fine particles capable of adjusting the refractive index of the nanocomposite. Moreover, the filling rate of a filler can be made high by adding the particle | grains which have a large and small diameter as a filler added to a resin material. In this case, as the small-diameter filler, by using the fine particles of the present invention having a refractive index comparable to that of the resin matrix, the filler filling rate is increased to give strength and the like. Transparency can be maintained.
第2の本発明は、シリコンのアルコキシドを水で部分加水分解して部分加水分解物を形成する工程(S1)、チタン、ジルコニウム、および、アルミニウムからなる群から選ばれるシリコン以外の金属のアルコキシド、または該シリコン以外の金属のアルコキシドと錯化剤とを混合して調製した錯体と、前記部分加水分解物とを、該シリコン以外の金属の割合が50モル%未満となるようにして混合して複合アルコキシド原料を調製する工程(S2)、水の含有割合が60〜100質量%である溶媒または分散媒中で前記複合アルコキシド原料を加水分解・縮合させる工程(S3)を有する、平均粒径1nm〜100nmのシリカ系複合酸化物微粒子の製造方法である。 The second aspect of the present invention is a step (S1) of partially hydrolyzing a silicon alkoxide with water to form a partially hydrolyzed product, an alkoxide of a metal other than silicon selected from the group consisting of titanium, zirconium, and aluminum, Alternatively, a complex prepared by mixing an alkoxide of a metal other than silicon and a complexing agent and the partial hydrolyzate are mixed so that the ratio of the metal other than silicon is less than 50 mol%. The step of preparing the composite alkoxide raw material (S2), the step of hydrolyzing and condensing the composite alkoxide raw material in a solvent or dispersion medium having a water content of 60 to 100% by mass (S3), and an average particle diameter of 1 nm This is a method for producing silica composite oxide fine particles of ˜100 nm.
ゾルゲル法により粒子を合成する場合、一般には先ず核生成する核生成過程と、生成した核が成長する粒成長過程を経る。チタン、ジルコニウム、アルミニウム等の金属(以下、これらの金属を「特定異種金属」という場合がある。)のアルコキシドの加水分解速度はシリコンのアルコキシドの加水分解に比べて非常に速いため、特定異種金属のアルコキシドとシリコンのアルコキシドとの単なる混合物を用いてゾルゲル法により複合酸化物粒子を得ようとした場合には、特定異種金属の酸化物の核形成や粒成長が優先してしまう。このため、粒子の組成や粒子径を制御することは非常に困難である。特に、核形成や粒子成長の初期においては、加水分解化速度の違いによる影響を強く受けるため、平均粒径1nm〜100nmである所謂ナノ粒子として、均一な組成を有する「特定異種金属とシリコンとの複合酸化物粒子」を得ることはより一層困難である。 When particles are synthesized by the sol-gel method, generally, first, a nucleation process for nucleation and a grain growth process for growing the generated nuclei are performed. Since the hydrolysis rate of alkoxides of metals such as titanium, zirconium, and aluminum (hereinafter, these metals may be referred to as “special foreign metals”) is much faster than that of silicon alkoxides, specific foreign metals When composite oxide particles are obtained by a sol-gel method using a simple mixture of alkoxides of silicon and alkoxides of silicon, nucleation and grain growth of oxides of specific different metals are prioritized. For this reason, it is very difficult to control the particle composition and particle diameter. In particular, in the initial stage of nucleation and particle growth, since it is strongly influenced by the difference in hydrolysis rate, as a so-called nanoparticle having an average particle diameter of 1 nm to 100 nm, it has a uniform composition, “specific foreign metal and silicon. It is even more difficult to obtain “composite oxide particles”.
本発明者は、複合アルコキシド原料を調製し、これを特定の条件下で加水分解・縮合することにより、「特定異種金属とシリコンとの複合酸化物粒子」について組成の均一性を保ちながら核を形成し、これを成長させることに成功したものである。 The present inventor prepares a composite alkoxide raw material, and hydrolyzes and condenses it under specific conditions, thereby maintaining the uniformity of the composition of the “composite oxide particles of a specific different metal and silicon” while maintaining the uniformity of the composition. It has succeeded in forming and growing it.
上記複合アルコキシド原料の調製に関していえば、その調製方法は、得ようとする複合酸化物微粒子の組成によって異なる。特定異種金属の酸化物の含有割合が比較的低い場合、例えば25モル%未満の場合には、シリコンのアルコキシドの部分加水分解物と特定異種金属のアルコキシドとを単に混合することにより調製した複合アルコキシド原料を使用することができるが、特定異種金属の酸化物の含有割合が比較的高い場合、例えば25モル%以上50モル%未満の場合には、このような複合アルコキシド原料を用いても所期の目的を達成することができない。 Regarding the preparation of the composite alkoxide raw material, the preparation method varies depending on the composition of the composite oxide fine particles to be obtained. When the content of the oxide of the specific different metal is relatively low, for example, less than 25 mol%, a composite alkoxide prepared by simply mixing a partial hydrolyzate of silicon alkoxide with a specific different metal alkoxide The raw material can be used, but when the content ratio of the oxide of the specific dissimilar metal is relatively high, for example, when it is 25 mol% or more and less than 50 mol%, the composite alkoxide raw material can be used. Cannot achieve the goal.
このように特定異種金属の酸化物の含有割合が高いナノ粒子を得ようとする場合には、シリコンのアルコキシドの部分加水分解物と混合する前に、特定異種金属のアルコキシドと錯化剤とをあらかじめ混合して錯体を形成することにより、その加水分解速度を低減しておく必要がある。錯体とすることによって、その加水分解速度がシリコンのアルコキシドの加水分解速度と同程度になるように揃えて、これにより、平均粒径1nm〜100nmのシリカ系複合酸化物微粒子を得ることができる。 In order to obtain nanoparticles having a high content of the oxide of the specific foreign metal in this way, before mixing with the partial hydrolyzate of silicon alkoxide, the alkoxide of the specific foreign metal and the complexing agent are added. It is necessary to reduce the hydrolysis rate by mixing in advance to form a complex. By forming the complex, the hydrolysis rate is set to be approximately the same as the hydrolysis rate of the silicon alkoxide, whereby silica-based composite oxide fine particles having an average particle diameter of 1 nm to 100 nm can be obtained.
即ち、第2の本発明のシリカ系複合酸化物微粒子の製造方法は、(I)複合アルコキシド原料を調製する工程が、チタン、ジルコニウム、および、アルミニウムからなる群から選ばれるシリコン以外の金属のアルコキシドと、シリコンのアルコキシドの部分加水分解物とを、シリコン以外の金属の割合が25モル%未満となるようにして混合することにより複合アルコキシド原料を調製する工程である製造方法と、(II)複合アルコキシド原料を調製する工程が、チタン、ジルコニウム、および、アルミニウムからなる群から選ばれるシリコン以外の金属のアルコキシドと錯化剤とを混合して調製した錯体と、シリコンのアルコキシドの部分加水分解物とを、シリコン以外の金属の割合が25モル%以上50モル%未満となるようにして混合することにより複合アルコキシド原料を調製する工程である製造方法の2つの方法を含む。 That is, in the method for producing silica-based composite oxide fine particles of the second aspect of the present invention, (I) the step of preparing the composite alkoxide raw material is an alkoxide of a metal other than silicon selected from the group consisting of titanium, zirconium, and aluminum. And a partial hydrolyzate of silicon alkoxide so that the proportion of metal other than silicon is less than 25 mol%, and a production method that is a step of preparing a composite alkoxide raw material, and (II) composite The step of preparing the alkoxide raw material includes a complex prepared by mixing an alkoxide of a metal other than silicon selected from the group consisting of titanium, zirconium, and aluminum and a complexing agent, a partial hydrolyzate of the alkoxide of silicon, Is mixed so that the proportion of metal other than silicon is 25 mol% or more and less than 50 mol%. Includes two methods of the production method is a step of preparing a composite alkoxide raw material by.
なお、上記の第2の本発明の製造方法において、シリコン以外の金属(特定異種金属)の割合を「モル%」で特定しているが、当該「モル%」とは、部分加水分解物中のシリコンのモル数(ここでいうモル数とはSiのグラム原子数に相当する。)をSi、特定異種金属のアルコキシドあるいは錯体中の特定異種金属のモル数(ここでいうモル数とは特定異種金属のグラム原子数に相当する。)をMとした場合に、{M/(Si+M)}×100(%)で表される値を意味する。 In the production method of the second aspect of the present invention, the ratio of the metal other than silicon (specific foreign metal) is specified by “mol%”, and the “mol%” means in the partially hydrolyzed product. The number of moles of silicon (here, the number of moles corresponds to the number of gram atoms of Si) is the number of moles of the specified foreign metal in the alkoxide or complex of the different foreign metal. This corresponds to the value represented by {M / (Si + M)} × 100 (%), where M is equivalent to the number of gram atoms of a different metal.
以下本発明を図面に示す実施形態に基づき説明する。 Hereinafter, the present invention will be described based on embodiments shown in the drawings.
<シリカ系複合酸化物微粒子>
本発明のシリカ系複合酸化物微粒子は、シリカとシリカ以外の金属酸化物を含有している。シリカ以外の金属酸化物としては、チタニア、ジルコニア、アルミナを挙げることができる。中でも、チタニアが好ましい。チタンのアルコキシドは、他のジルコニウムやアルミニウムのアルコキシドに比べると、加水分解速度が遅い。よって、以下において説明する本発明の製造方法において、錯体とすることにより、シリコンのアルコキシドと加水分解速度を揃えることが、比較的容易である。
<Silica complex oxide fine particles>
The silica-based composite oxide fine particles of the present invention contain silica and a metal oxide other than silica. Examples of metal oxides other than silica include titania, zirconia, and alumina. Of these, titania is preferable. Titanium alkoxides have a slower hydrolysis rate than other zirconium and aluminum alkoxides. Therefore, in the production method of the present invention described below, it is relatively easy to make the hydrolysis rate uniform with that of silicon alkoxide by forming a complex.
シリカ以外の金属酸化物は、単独でシリカと複合化してもよいし、二種以上のシリカ以外の金属酸化物をシリカと複合化してもよい。例えば、シリカ以外の金属酸化物として、チタニアとジルコニアの両方を使用して、シリカ−チタニア−ジルコニアの3元系のシリカ系複合酸化物粒子としてもよいし、アルミナとチタニアの両方を使用して、シリカ−アルミナ−チタニアの3元系のシリカ系複合酸化物粒子としてもよい。 A metal oxide other than silica may be combined with silica alone, or two or more metal oxides other than silica may be combined with silica. For example, as a metal oxide other than silica, both titania and zirconia may be used to form silica-titania-zirconia ternary silica-based composite oxide particles, or both alumina and titania may be used. Alternatively, silica-alumina-titania ternary silica-based composite oxide particles may be used.
本発明のシリカ系複合酸化物粒子は、シリカ以外の金属酸化物の含有率が、50モル%未満、好ましくは0.1モル%以上50モル%未満、より好ましくは1モル%以上50モル%未満である。なお、ここでいう「シリカ以外の金属酸化物の含有率」とは、シリカを構成するシリコンのモル数をSi、シリカ以外の金属酸化物を構成する金属元素のモル数をMとすると、{M/(Si+M)}×100(%)で表される。なお、前述したような3元系のシリカ系複合酸化物粒子の場合は、Mはシリカ以外の金属元素の総モル数である。 In the silica-based composite oxide particles of the present invention, the content of metal oxides other than silica is less than 50 mol%, preferably 0.1 mol% or more and less than 50 mol%, more preferably 1 mol% or more and 50 mol%. Is less than. The “content ratio of metal oxides other than silica” here means that the number of moles of silicon constituting the silica is Si, and the number of moles of metal elements constituting the metal oxide other than silica is M. M / (Si + M)} × 100 (%). In the case of the ternary silica-based composite oxide particles as described above, M is the total number of moles of metal elements other than silica.
なお、本発明のシリカ系複合酸化物粒子の平均粒子径は、1nm〜100nmの範囲、好ましくは、5nm〜50nmの範囲、より好ましくは10nm〜50nmの範囲である。このような粒子径を有する複合酸化物微粒子はこれまで得られていなかった。 The average particle size of the silica-based composite oxide particles of the present invention is in the range of 1 nm to 100 nm, preferably in the range of 5 nm to 50 nm, more preferably in the range of 10 nm to 50 nm. A composite oxide fine particle having such a particle size has not been obtained so far.
本発明のシリカ系複合酸化物粒子は、走査型や透過型の電子顕微鏡等を用いることによって粒子形状を確認することができる。また、該粒子の平均粒子径は、前記電子顕微鏡像による解析、精度の高い粒度分布計などで計測することができる。好適には、上記の電子顕微鏡像を市販の画像解析装置を用いて解析することによって、平均粒子径を求めることができる。 The silica-based composite oxide particles of the present invention can be confirmed in particle shape by using a scanning or transmission electron microscope. Further, the average particle diameter of the particles can be measured by analysis using the electron microscope image, a highly accurate particle size distribution meter, or the like. Preferably, the average particle diameter can be determined by analyzing the above electron microscope image using a commercially available image analyzer.
本発明のシリカ系複合酸化物粒子は、シリカおよびシリカ以外の金属酸化物の構成成分が、一般には化学的に結合して存在するもので、これらの構成成分を物理的に分離することはできない。両成分が化学的に結合していることは、赤外スペクトルや屈折率(粒子の光学的な透明性)を測定することで確認できる。 In the silica-based composite oxide particles of the present invention, components of silica and metal oxides other than silica are generally chemically bonded, and these components cannot be physically separated. . The fact that both components are chemically bonded can be confirmed by measuring the infrared spectrum and refractive index (particle optical transparency).
本発明のシリカ系複合酸化物粒子は水を含んだ有機溶媒のスラリーとして合成されるが、一般にはこれを所望の溶媒に置換したスラリーとして使用される。溶媒置換の方法に特に制限はないが、限外ろ過による濃縮と希釈の繰り返しによるプロセスが好適に使用される。また、本粒子は必要に応じて乾燥および焼成して使用することもできる。乾燥、焼成の際の温度は100℃〜1300℃の範囲で適宜選択すればよい。なお本発明のシリカ系複合酸化物粒子の比表面積は、特に限定されない。高温で焼成すると比表面積は小さくなり、低温で乾燥したものは比表面積が大きくなる傾向にある。なお、1300℃を超えた温度で焼成すると、粒子同志が焼結する場合があり、単分散性を損なってしまうことが懸念される。 The silica-based composite oxide particles of the present invention are synthesized as a slurry of an organic solvent containing water, but are generally used as a slurry in which this is replaced with a desired solvent. There is no particular limitation on the method of solvent replacement, but a process by repeated concentration and dilution by ultrafiltration is preferably used. Further, the present particles can be used after drying and firing as required. What is necessary is just to select suitably the temperature in the case of drying and baking in the range of 100 to 1300 degreeC. The specific surface area of the silica-based composite oxide particles of the present invention is not particularly limited. When firing at a high temperature, the specific surface area decreases, and those dried at a low temperature tend to increase the specific surface area. When firing at a temperature exceeding 1300 ° C., the particles may sinter, and there is a concern that the monodispersibility may be impaired.
本発明の複合酸化物粒子は、そのほとんどが非晶質であるが、非晶質と一部結晶質との混合物になる場合もある。焼成前が非晶質であり前述した焼成温度が低い場合は非晶質のままであるが、焼成温度が高い場合はシリカ以外の金属酸化物の一部が結晶質となる場合がある。一般的にこれらの性質はX線回折等の手段で解析できる。なお、一般的に、本粒子の光学的に透明な性質を利用しようとする場合は非晶質である方が好ましく、特に粒子径が40nm以上である場合は、非晶質もしくは極一部のみが結晶質に転移した程度が好ましい。そのためには前述した焼成温度を1100℃以下とすることが好ましく、1050℃以下とすることがより好ましく、1000℃以下とすることがさらに好ましい。 Most of the composite oxide particles of the present invention are amorphous, but may be a mixture of amorphous and partially crystalline. When it is amorphous before firing and the above firing temperature is low, it remains amorphous, but when the firing temperature is high, part of the metal oxide other than silica may be crystalline. In general, these properties can be analyzed by means such as X-ray diffraction. In general, when the optically transparent properties of the particles are to be used, it is preferable that the particles are amorphous. Particularly, when the particle diameter is 40 nm or more, the particles are amorphous or only a part of the particles. It is preferable that the crystal is transformed into a crystalline state. For that purpose, the above-mentioned firing temperature is preferably 1100 ° C. or less, more preferably 1050 ° C. or less, and further preferably 1000 ° C. or less.
さらにまた、本発明のシリカ系複合酸化物粒子の密度や屈折率については、シリカ以外の金属酸化物の種類や含有率、さらには粒子の焼成温度等によって変わるため、一概には規定できない。最も一般的には、真密度は1.5〜5g/cm3の範囲、屈折率は1.4〜3の範囲である。なお、例えば、シリカ−チタニア複合酸化物粒子に関しては、チタニアの含有率が30〜50モル%の範囲のものを1000℃で焼成した場合には、真密度が2.6〜3.0g/cm3の範囲、屈折率は1.65〜1.85の範囲であった。 Furthermore, the density and refractive index of the silica-based composite oxide particles of the present invention cannot be generally specified because they vary depending on the type and content of the metal oxide other than silica and the firing temperature of the particles. Most commonly, the true density is in the range of 1.5-5 g / cm 3 and the refractive index is in the range of 1.4-3. For example, for silica-titania composite oxide particles, when the titania content is in the range of 30 to 50 mol%, the true density is 2.6 to 3.0 g / cm. The refractive index was in the range of 1.65 to 1.85.
本発明のシリカ系複合酸化物微粒子は、従来製造が不可能であったナノレベル(1nm〜100nm)の粒子径を有する複合酸化物微粒子であり、粒子中におけるシリカおよびシリカ以外の金属酸化物の含有率を調整することによって、得られる微粒子の屈折率を調整することができる。これにより、樹脂材料のフィラーとして使用する場合において、各樹脂材料の屈折率に合わせることによって、ナノフィラーとしての性能を付与しつつ、樹脂材料の透明性を確保することができる。また、ナノコンポジットの透明性を維持したまま、その屈折率を調整可能な微粒子としても使用することができる。 The silica-based composite oxide fine particles of the present invention are composite oxide fine particles having a nano-level (1 nm to 100 nm) particle size, which could not be produced conventionally, and the silica and metal oxides other than silica in the particles. By adjusting the content rate, the refractive index of the obtained fine particles can be adjusted. Thereby, when using as a filler of a resin material, the transparency of the resin material can be ensured while providing the performance as a nanofiller by matching the refractive index of each resin material. Moreover, it can be used as fine particles whose refractive index can be adjusted while maintaining the transparency of the nanocomposite.
<シリカ系複合酸化物微粒子の製造方法>
図1に本発明のシリカ系複合酸化物微粒子に関する製造方法の工程図を示した。本発明のシリカ系複合酸化物微粒子の製造方法は、シリコンのアルコキシドを水で部分加水分解し部分加水分解物を形成する工程S1、チタン、ジルコニウム、および、アルミニウムからなる群から選ばれるシリコン以外の金属(特定異種金属)のアルコキシド、または該シリコン以外の金属のアルコキシドと錯化剤とを混合して調製した錯体と、前記部分加水分解物とを、前記シリコン以外の金属の割合が50モル%未満となるようにして混合して複合アルコキシド原料を調製する工程S2、水の含有割合が60〜100質量%である溶媒または分散媒中で、複合アルコキシド原料を加水分解・縮合させる工程S3を有している。
<Method for producing silica-based composite oxide fine particles>
FIG. 1 shows a process diagram of a production method for silica-based composite oxide fine particles of the present invention. The method for producing silica-based composite oxide fine particles of the present invention includes a step S1 of partially hydrolyzing silicon alkoxide with water to form a partially hydrolyzed product, other than silicon selected from the group consisting of titanium, zirconium, and aluminum. Metal alkoxide of metal (specific different metal) or complex prepared by mixing alkoxide of metal other than silicon and complexing agent, and the partial hydrolyzate, the proportion of metal other than silicon is 50 mol% Step S2 for preparing a composite alkoxide raw material by mixing so as to be less than, and Step S3 for hydrolyzing and condensing the composite alkoxide raw material in a solvent or dispersion medium having a water content of 60 to 100% by mass. is doing.
本発明の製造方法は、金属アルコキシド原料を加水分解・縮合することによりナノ粒子を形成する方法である。本発明においては、原料として、シリコンのアルコキシドとシリコン以外の金属のアルコキシドとから所定の方法で複合アルコキシド原料をあらかじめ形成しておくと共に、該複合アルコシド原料を特定の条件下で加水分解・縮合することにより、従来製造することができなかった、ナノレベルの粒子径を有し、シリカとシリカ以外の金属酸化物とが均一に分散されたシリカ系複合酸化物微粒子を製造することができる方法である。以下、本発明における各工程について説明する。 The production method of the present invention is a method for forming nanoparticles by hydrolyzing and condensing a metal alkoxide raw material. In the present invention, as a raw material, a composite alkoxide raw material is formed in advance by a predetermined method from a silicon alkoxide and a metal alkoxide other than silicon, and the composite alkoxide raw material is hydrolyzed and condensed under specific conditions. By this method, it is possible to produce silica-based composite oxide fine particles having a nano-level particle diameter that could not be produced conventionally and in which silica and a metal oxide other than silica are uniformly dispersed. is there. Hereafter, each process in this invention is demonstrated.
(部分加水分解物の形成工程S1)
シリコンのアルコキシドを部分加水分解する(工程S1)。シリコンのアルコキシドとしては、以下において説明する水の含有割合が60〜100質量%である溶媒または分散媒中での加水分解・縮合反応により、シリコンの酸化物を形成するものであれば、特に制限なく公知の化合物を用いることができる。例えば、一般式Si(OR)4またはSiR’n(OR)4−nで示されるシリコンのアルコキシド、またはシリコンのアルコキシドを部分的に加水分解・縮合して得られる低縮合物が工業的に入手し易く、好ましく用いられる。これらシリコンのアルコキシドは、二種以上を混合して用いてもよい。なお、上記一般式において、RおよびR’は、アルキル基で、例えば、メチル基、エチル基、イソプロピル基、ブチル基等の低級アルキル基であることが好ましい。nは1〜3の整数である。
(Partial hydrolyzate formation step S1)
The silicon alkoxide is partially hydrolyzed (step S1). The alkoxide of silicon is not particularly limited as long as it forms a silicon oxide by hydrolysis / condensation reaction in a solvent or dispersion medium having a water content of 60 to 100% by mass described below. And known compounds can be used. For example, a silicon alkoxide represented by the general formula Si (OR) 4 or SiR ′ n (OR) 4-n , or a low condensate obtained by partially hydrolyzing and condensing silicon alkoxide is industrially available. It is easy to do and is preferably used. These silicon alkoxides may be used in combination of two or more. In the above general formula, R and R ′ are alkyl groups, and are preferably lower alkyl groups such as a methyl group, an ethyl group, an isopropyl group, and a butyl group. n is an integer of 1 to 3.
また、シリコンのアルコキシドを部分加水分解する際には、該アルコキシドと水の両方に対して相溶性のあるアルコール等の有機溶媒を併用することが好ましい。アルコール等の有機溶媒を使用しない場合は、シリコンのアルコキシドと水が相分離する傾向があり、部分加水分解が進行しなかったり、非常に反応が遅くなったりする場合がある。また、部分加水分解を迅速に進めるために、前記の水には、触媒を添加することが好ましい。触媒としては酸が好適で、具体的には、塩酸、硫酸、硝酸、シュウ酸等が挙げられるが、特に制限はない。酸の濃度としては、水のpHが1〜4の範囲のものを使用するのが好ましい。アルカリ触媒を用いた場合と異なり酸触媒を用いた場合には、加水分解物の縮合を起こし難いため、工程S2を行う前における粒子の形成を防止することができる。 When partially hydrolyzing the silicon alkoxide, it is preferable to use an organic solvent such as alcohol compatible with both the alkoxide and water. When an organic solvent such as alcohol is not used, the silicon alkoxide and water tend to phase separate, and partial hydrolysis may not proceed or the reaction may be very slow. Moreover, in order to advance partial hydrolysis rapidly, it is preferable to add a catalyst to the water. An acid is suitable as the catalyst, and specific examples include hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, oxalic acid and the like, but there is no particular limitation. As the acid concentration, it is preferable to use an acid having a pH in the range of 1 to 4. Unlike the case where an alkali catalyst is used, when an acid catalyst is used, it is difficult for condensation of the hydrolyzate to occur, so that the formation of particles before the step S2 can be prevented.
以下、部分加水分解の機構として、本発明者が考えている事項を説明する。シリコンのアルコキシド(アルコキシシラン)として、テトラメチルシリケートを使用した場合について説明する。部分加水分解により、シリコンのアルコキシドの一部が加水分解され、分子内にシラノール基(SiOH)が生成する(下記の式1参照。)。そして、このシラノール基は、工程S2において、シリコン以外の金属のアルコキシドと反応して、シリコンとシリコン以外の金属の複合アルコキシドを生成する。なお、アルコキシシランの加水分解反応は逐次的に進行し、使用した水の量に応じて下記式に従ったアルコキシヒドロキシシランが主要生成物として生成するものと考えられるが、実際の反応物は組成に分布を持った混合物(加水分解の程度の異なる化合物の混合物)となっていると考えられる。 Hereinafter, the matter considered by the present inventor as the mechanism of partial hydrolysis will be described. The case where tetramethyl silicate is used as the silicon alkoxide (alkoxysilane) will be described. Part of the alkoxide of silicon is hydrolyzed by partial hydrolysis, and a silanol group (SiOH) is generated in the molecule (see the following formula 1). In step S2, the silanol group reacts with an alkoxide of a metal other than silicon to generate a composite alkoxide of silicon and a metal other than silicon. The hydrolysis reaction of alkoxysilane proceeds sequentially, and it is considered that alkoxyhydroxysilane according to the following formula is generated as a main product according to the amount of water used. It is considered that the mixture has a distribution (mixture of compounds having different degrees of hydrolysis).
本発明の製造方法においては、組成が均一な複合酸化物粒子を得るために、シリコンのアルコキシドを水で部分加水分解する際に使用する水の量を制御するのが好ましい。前記式(1)からわかるように、アルコキシシラン部分加水分解反応で使用する水の量は生成するシラン化合物に導入されるシラノール基(Si−OH基)の数を決定する要因であり、アルコキシシラン部分加水分解物1分子が有するシラノール基の数は、工程S2で調製される複合アルコキシド原料の均一性に影響を与える。即ち、複合アルコキシド原料の調製工程S2においては、前記部分加水分解物を特定異種金属のアルコキシドと混合した際に、当該アルコキシドのアルコキシ基とシラノール基とが反応(脱アルコール反応)することによりSi−O−M(但し、Mは特定異種金属原子を表す)結合を形成し、Sia・Mb・(OR)c・(OH)d(但し、a、b、c、およびdは、夫々1分子中に含まれるSi原子、M原子、OR基、およびOH基の数を表す)で示されるような複合アルコキシド原料が形成される。 In the production method of the present invention, in order to obtain composite oxide particles having a uniform composition, it is preferable to control the amount of water used when the silicon alkoxide is partially hydrolyzed with water. As can be seen from the formula (1), the amount of water used in the alkoxysilane partial hydrolysis reaction is a factor that determines the number of silanol groups (Si—OH groups) introduced into the silane compound to be generated. The number of silanol groups in one molecule of the partial hydrolyzate affects the uniformity of the composite alkoxide raw material prepared in step S2. That is, in the preparation step S2 of the composite alkoxide raw material, when the partial hydrolyzate is mixed with an alkoxide of a specific dissimilar metal, the alkoxy group and silanol group of the alkoxide react (dealcoholization reaction) to cause Si- OM (wherein M represents a specific dissimilar metal atom) bond is formed, and Si a · M b · (OR) c · (OH) d (where a, b, c, and d are each 1 A composite alkoxide raw material is formed as shown by the number of Si atoms, M atoms, OR groups, and OH groups contained in the molecule.
組成が均一な複合酸化物微粒子を製造するという観点からは、工程S2においてゲルを形成させることなく目的物とする複合酸化物微粒子の組成に対応する組成を有する複合アルコキシド原料を調製することが好ましいが、そのためにはアルコキシシラン部分加水分解物1分子が有するシラノールの数、さらに部分加水分解反応の生成物全体に含まれるシラノール基の量を制御することが重要となる。例えば、特定異種金属のアルコキシドの量に比べてシラノール基の量が少ない場合には未反応の特定異種金属のアルコキシドが残ってしまうことになり、反対にシラノール基の量が多すぎる場合にはシラノール基同士、あるいは、シラノール基とSiに結合したアルコキシ基が反応してSi−O−Si結合が形成され、ゲル化や粒子形成が起こってしまう。 From the viewpoint of producing composite oxide fine particles having a uniform composition, it is preferable to prepare a composite alkoxide raw material having a composition corresponding to the composition of the composite oxide fine particles as a target product without forming a gel in step S2. However, for that purpose, it is important to control the number of silanols that one molecule of the alkoxysilane partial hydrolyzate has, and also the amount of silanol groups contained in the entire product of the partial hydrolysis reaction. For example, if the amount of silanol groups is small compared to the amount of alkoxides of specific foreign metal, unreacted alkoxides of specific foreign metal will remain, whereas if the amount of silanol groups is too large, silanol Alkyl groups or an alkoxy group bonded to Si react with each other or a Si-O-Si bond is formed, resulting in gelation or particle formation.
このような理由から、工程S1においては、下記式(2)で示される条件を満足するように使用する水の量を制御することが好ましい。 For this reason, in step S1, it is preferable to control the amount of water used so as to satisfy the condition represented by the following formula (2).
−0.06X+3.5<Y<−0.06X+4.5 (2)
{式(2)中、「X」は、目的物であるシリカ系複合酸化物微粒子中におけるシリカ以外の金属酸化物の含有率(モル%)を表し、「Y」は使用する水のモル数を工程S2において使用するシリコン以外の金属のアルコキシドのモル数で除した値を意味する。}
−0.06X + 3.5 <Y <−0.06X + 4.5 (2)
{In Formula (2), “X” represents the content (mol%) of a metal oxide other than silica in the target silica-based composite oxide fine particles, and “Y” is the number of moles of water used. Is a value obtained by dividing by the number of moles of alkoxide of a metal other than silicon used in step S2. }
なお、上記式(2)は、実験的に決定されたものであり、その根拠となるデータは特開平2003−252616号公報の図1に示されている。該公報では、原料アルコキシドの加水分解・縮合の条件が本発明における工程S3の条件とは異なるため、ナノ粒子を製造することには成功していないが、本発明と同様な方法で調製した複合アルコキシド原料を用いて組成が均一な複合酸化物粒子が製造できていることから、良好な複合アルコキシド原料を製造するための部分加水分解条件として上記条件を満足することが好ましいことが理解できる。 Note that the above equation (2) is determined experimentally, and data as the basis thereof is shown in FIG. 1 of JP-A-2003-252616. In this publication, since the conditions for hydrolysis / condensation of the raw material alkoxide are different from the conditions in step S3 in the present invention, the nanoparticle was not successfully produced, but the composite prepared by the same method as in the present invention was used. Since complex oxide particles having a uniform composition can be produced using an alkoxide raw material, it can be understood that the above conditions are preferably satisfied as partial hydrolysis conditions for producing a good composite alkoxide raw material.
事実本発明においても、シリコンのアルコキシドを部分加水分解する際に、水の量が上記範囲よりも少ない場合や多い場合には、水の含有割合が60〜100質量%である溶媒または分散媒中で複合アルコキシド原料を加水分解・縮合させてシリカ系複合酸化物粒子を得る際に、反応を制御することが難しくなり、融着粒子が多く生成したり、極端な場合は粒子合成中に粒子同志が凝集してしまう場合があることが確認されている。 In fact, also in the present invention, when the amount of water is smaller or larger than the above range when partially hydrolyzing silicon alkoxide, the content of water is in a solvent or dispersion medium of 60 to 100% by mass. When the composite alkoxide raw material is hydrolyzed / condensed to obtain silica-based composite oxide particles, it becomes difficult to control the reaction, so that many fused particles are formed, or in extreme cases, particles are synthesized during particle synthesis. Has been confirmed to aggregate.
また、工程S1における、部分加水分解の際の水の量は、下記式(3)で示される条件を満足することがより好ましい。 Moreover, it is more preferable that the amount of water in the partial hydrolysis in step S1 satisfies the condition represented by the following formula (3).
−0.06X+3.7<Y<−0.06X+4.3 (3)
(式(3)中の「X」および「Y」は、上記の式(2)と同じ意味を表す。)
−0.06X + 3.7 <Y <−0.06X + 4.3 (3)
(“X” and “Y” in formula (3) represent the same meaning as in formula (2) above.)
(複合アルコキシド原料の調製工程S2)
本発明の製造方法においては、工程S2において、チタン、ジルコニウム、および、アルミニウムからなる群から選ばれるシリコン以外の金属(特定異種金属)のアルコキシド、または該特定異種金属のアルコキシドと錯化剤とを混合して調製した錯体と、上記において調製した部分加水分解物とを、特定異種金属の割合が50モル%未満となるようにして混合して複合アルコキシド原料を調製する。
(Composite alkoxide raw material preparation step S2)
In the production method of the present invention, in step S2, an alkoxide of a metal other than silicon (specific foreign metal) selected from the group consisting of titanium, zirconium, and aluminum, or an alkoxide of the specific different metal and a complexing agent. The complex alkoxide raw material is prepared by mixing the complex prepared by mixing and the partial hydrolyzate prepared above so that the ratio of the specific different metal is less than 50 mol%.
前記したように、アルコキシシランの加水分解速度と特定異種金属のアルコキシドの加水分解速度とは大きく異なるため、両者を単に混合して加水分解・縮合を行った場合には均一な組成を有する複合酸化物微粒子を得ることは困難である。これに対し、一旦複合アルコキシドを形成した場合には両者の加水分解速度の違いが緩和されて均一な組成を有する複合酸化物粒子を得ることが可能となる。 As described above, the hydrolysis rate of alkoxysilane and the hydrolysis rate of alkoxides of specific dissimilar metals are greatly different. Therefore, when both are simply mixed and subjected to hydrolysis / condensation, the composite oxidation has a uniform composition. It is difficult to obtain physical fine particles. On the other hand, once the composite alkoxide is formed, the difference in hydrolysis rate between the two is relaxed, and composite oxide particles having a uniform composition can be obtained.
しかしながら、複合化による効果には限界があり、特定異種金属の酸化物の含有割合が比較的低い場合、例えば25モル%未満の場合には、シリコンのアルコキシドの部分加水分解物と特定異種金属のアルコキシドとを単に混合することにより調製した複合アルコキシド原料(以下、この複合アルコキシド原料を、後述する錯化させるタイプの複合アルコキシド原料と区別するために「通常複合アルコキシド原料」という。)でも十分な緩和効果を得ることができる。しかし、特定異種金属の酸化物の含有割合が比較的高い場合、例えば25モル%以上50モル%未満の場合には、「シリコンのアルコキシドの部分加水分解物と特定異種金属のアルコキシドとを混合することによる複合化」では、十分な緩和効果を得ることは難しい。 However, there is a limit to the effect of the composite, and when the content of the oxide of the specific foreign metal is relatively low, for example, less than 25 mol%, the partial hydrolyzate of silicon alkoxide and the specific foreign metal Even a composite alkoxide raw material prepared simply by mixing with an alkoxide (hereinafter referred to as a “normal composite alkoxide raw material” in order to distinguish this composite alkoxide raw material from a complex alkoxide raw material to be complexed as described later) is sufficient. An effect can be obtained. However, when the content of the oxide of the specific dissimilar metal is relatively high, for example, 25 mol% or more and less than 50 mol%, “a partial hydrolyzate of the silicon alkoxide and the alkoxide of the specific dissimilar metal are mixed. It is difficult to obtain a sufficient relaxation effect by “compositing by things”.
そこで、本発明では、特定異種金属の酸化物の含有割合が比較的高い場合には、特定異種金属のアルコキシドと錯化剤とを混合して調製した錯体と、シリコンのアルコキシドの部分加水分解物とを、特定異種金属の割合が25モル%以上50モル%未満となるようにして混合することにより複合アルコキシド原料(以下、この複合アルコキシド原料を、上記の通常複合アルコキシド原料と区別するために「錯化複合アルコキシド原料」という。)を調製するという方法を採用する。錯化することにより特定異種金属のアルコキシドの加水分解速度を低減し、アルコキシシランの加水分解速度に近づけることにより、特定異種金属の含有割合が高い場合でも均一な組成を有する複合酸化物微粒子を得ることが可能となる。 Therefore, in the present invention, when the content ratio of the oxide of the specific different metal is relatively high, a complex prepared by mixing the alkoxide of the specific different metal and the complexing agent, and a partial hydrolyzate of silicon alkoxide Are mixed so that the proportion of the specific different metal is 25 mol% or more and less than 50 mol%, in order to distinguish this composite alkoxide raw material from the above-mentioned normal composite alkoxide raw material “ A method of preparing a “complexed complex alkoxide raw material”) is employed. By reducing the hydrolysis rate of the alkoxide of the specific different metal by complexing and approaching the hydrolysis rate of the alkoxysilane, composite oxide fine particles having a uniform composition even when the content ratio of the specific different metal is high are obtained. It becomes possible.
なお、上記説明では、特定異種金属の含有割合について25モル%を境界として説明したが、25モル%を境に通常複合アルコキシド原料の反応性が急激に変化するというものではなく、例えば25%を越える通常複合アルコキシド原料を用いても条件を選べば所期のナノ粒子を得ることは可能である。また、錯化複合アルコキシド原料を使用する場合についても、25モル%を越える場合に限定されることはなく、25モル%未満の場合(例えば、特定異種金属のモル%が0.1〜25モル%の場合)でも何ら問題はなく所期のナノ粒子を得ることができる。 In the above description, the content ratio of the specific dissimilar metal has been described with 25 mol% as the boundary. However, the reactivity of the normal composite alkoxide raw material does not change suddenly at 25 mol%, for example, 25%. It is possible to obtain the desired nanoparticles if the conditions are selected even if more than the usual composite alkoxide raw material is used. Further, the case of using the complexed composite alkoxide raw material is not limited to the case where it exceeds 25 mol%, and is less than 25 mol% (for example, the mol% of the specific dissimilar metal is 0.1 to 25 mol%). %)), There is no problem and the desired nanoparticles can be obtained.
以下、通常複合アルコキシド原料の調製方法と錯化複合アルコキシド原料の調製方法について詳しく説明する。
(通常複合アルコキシド原料の調製方法)
通常複合アルコキシド原料は、チタン、ジルコニウム、および、アルミニウムからなる群から選ばれるシリコン以外の金属のアルコキシドと、アルコキシシランの部分加水分解物とを混合することにより調製するができる。
Hereinafter, the preparation method of the normal composite alkoxide raw material and the preparation method of the complexed composite alkoxide raw material will be described in detail.
(Normally a method for preparing composite alkoxide raw materials)
Usually, the composite alkoxide raw material can be prepared by mixing an alkoxide of a metal other than silicon selected from the group consisting of titanium, zirconium, and aluminum and a partial hydrolyzate of alkoxysilane.
特定異種金属のアルコキシドとしては、チタンのアルコキシド(Ti(OR)4)、ジルコニウムのアルコキシド(Zr(OR)4)、およびアルミニウムのアルコキシド(Al(OR)3)を用いることができる。Rは、アルキル基であり、例えば、メチル基、エチル基、イソプロピル基、ブチル基等の低級アルキル基であることが好ましい。 As the alkoxide of the specific different metal, titanium alkoxide (Ti (OR) 4 ), zirconium alkoxide (Zr (OR) 4 ), and aluminum alkoxide (Al (OR) 3 ) can be used. R is an alkyl group, and is preferably a lower alkyl group such as a methyl group, an ethyl group, an isopropyl group, or a butyl group.
通常複合アルコキシド原料の調製に際して、アルコキシシランの部分加水分解物と特定異種金属のアルコキシドとの混合割合は、最終的に得られるシリカ系複合酸化物微粒子においてシリカと、特定異種金属の酸化物とをどのような割合にて配合したいかによって決定する。即ち、使用するアルコキシシランの部分加水分解物に含まれるSi原子のモル数(グラム原子数)に基づいて、得ようとする複合酸化物微粒子の組成(目的とする特定異種金属のモル%)に応じて必要とされる特定異種金属(M)のモル数(グラム原子数)を決定し、それに見合う量の特定異種金属のアルコキシドを使用すればよい。 Usually, when preparing the composite alkoxide raw material, the mixing ratio of the partial hydrolyzate of alkoxysilane and the alkoxide of the specific dissimilar metal is such that the silica and the oxide of the specific dissimilar metal in the finally obtained silica-based composite oxide fine particles. It depends on what ratio you want to mix. That is, based on the number of moles of Si atoms (number of grams of atoms) contained in the partial hydrolyzate of alkoxysilane used, the composition of the composite oxide fine particles to be obtained (mol% of the desired specific dissimilar metal) Accordingly, the number of moles (gram atoms) of the specific foreign metal (M) required is determined, and an appropriate amount of the alkoxide of the specific foreign metal may be used.
例えば、シリカ80モル%、チタニア20モル%を含むシリカ系複合酸化物微粒子を製造する場合は、部分加水分解物中のシリコンのモル数をSi、チタンのアルコキシド中のチタンのモル数をTiとして、{Ti/(Si+Ti)}×100=20となるようにして、部分加水分解物とチタンのアルコキシドとを混合する。 For example, when producing silica-based composite oxide fine particles containing 80 mol% of silica and 20 mol% of titania, the number of moles of silicon in the partial hydrolyzate is Si, and the number of moles of titanium in the alkoxide of titanium is Ti. , {Ti / (Si + Ti)} × 100 = 20, and the partially hydrolyzed product and titanium alkoxide are mixed.
通常複合アルコキシド原料の調製は、アルコキシシランの部分加水分解を行った反応液と所定量の特定異種金属のアルコキシドとを撹拌下で混合することにより好適に行うことができる。混合時の液温は5〜50℃に保つのが好適である。また、撹拌時間は反応温度にもよるが、10分〜2時間程度で十分である。 Usually, the preparation of the composite alkoxide raw material can be suitably performed by mixing a reaction solution obtained by partial hydrolysis of alkoxysilane and a predetermined amount of the alkoxide of a specific different metal under stirring. The liquid temperature during mixing is preferably maintained at 5 to 50 ° C. The stirring time depends on the reaction temperature, but about 10 minutes to 2 hours is sufficient.
例えば、以下の式(4)に示すような部分加水分解反応を行って得た反応液と特定異種金属のアルコキシドであるテトライソプロピルチタネート(テトライソプロポキシチタン)とを混合した場合には、下記式(5)に示すような複合化反応が起こっていると考えられる。 For example, when a reaction solution obtained by performing a partial hydrolysis reaction as shown in the following formula (4) and tetraisopropyl titanate (tetraisopropoxy titanium) which is an alkoxide of a specific different metal are mixed, the following formula It is considered that the complexing reaction as shown in (5) occurs.
(錯化複合アルコキシド原料の調製方法)
錯化複合アルコキシド原料は、特定異種金属のアルコキシドと錯化剤とを混合し、錯体を形成させ、次いでこの錯体と上記で作製した部分加水分解物とを混合することにより調製する。特定異種金属のアルコキシドとしては、通常複合アルコキシド原料の調製方法のところで説明したものが使用できる。
(Method for preparing complexed complex alkoxide raw material)
The complexed composite alkoxide raw material is prepared by mixing an alkoxide of a specific different metal and a complexing agent to form a complex, and then mixing this complex and the partial hydrolyzate prepared above. As the alkoxide of the specific different metal, those described in the method for preparing the composite alkoxide raw material can be used.
錯化剤としては、(1)アルキレングリコール類(エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、グリセロール等)、(2)グリコールアルキルエーテル類(エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、テトラエチレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等)、(3)グリコールアリールエーテル類(エチレングリコールモノフェニルエーテル等)、(4)β−ジカルボニル化合物(アセチルアセトン等)、(5)アミン類(エチレンジアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン等)、(6)ヒドロキシアセトン、(7)アセタール類(アセトンジメチルアセタール等)、(8)カルボン酸類(酢酸、乳酸、クエン酸等)等が挙げられる。この中でも、トリエタノールアミン等のアミン類、β−ジカルボニル化合物類、ヒドロキシアセトン、カルボン酸類が好ましい。 As complexing agents, (1) alkylene glycols (ethylene glycol, propylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, polyethylene glycol, polypropylene glycol, glycerol, etc.), (2) glycol alkyl ethers (ethylene glycol monoethyl ether, ethylene) Glycol monobutyl ether, diethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monoethyl ether, tetraethylene glycol monomethyl ether, propylene glycol monoethyl ether, etc.), (3) glycol aryl ethers (ethylene glycol monophenyl ether, etc.), (4) β-dicarbonyl Compound (acetylacetone, etc.), (5) Amines (ethylenediamine, diethanolamine) Triethanolamine), (6) hydroxy acetone, (7) acetals (acetone dimethyl acetal), (8) carboxylic acids (acetic, lactic, and citric acid, etc.) and the like. Among these, amines such as triethanolamine, β-dicarbonyl compounds, hydroxyacetone, and carboxylic acids are preferable.
錯化反応は、特定異種金属のアルコキシドと錯化剤とを極性溶媒、好ましくはアルコール中で混合することにより行うことができる。反応温度は5℃〜溶媒の沸点の温度で行えばよく、室温でも十分に反応は進行する。また、反応時間は反応温度にもよるが通常10分〜2時間程度である。 The complexing reaction can be performed by mixing an alkoxide of a specific different metal and a complexing agent in a polar solvent, preferably an alcohol. The reaction temperature may be 5 ° C to the boiling point of the solvent, and the reaction proceeds sufficiently even at room temperature. Moreover, although reaction time is based also on reaction temperature, it is about 10 minutes-about 2 hours normally.
錯化反応において、特定異種金属のアルコキシドと錯化剤との量比は、特定異種金属のアルコキシドの加水分解速度を制御するという観点から重要である。均一組成の複合酸化物微粒子を得るためには、形成する錯体の加水分解速度をアルコキシシランの加水分解速度と同程度に調整することが好ましい。特定異種金属のアルコキシドと錯化剤との量比を変えることにより錯体の加水分解速度を制御することができるので、使用する特定異種金属のアルコキシドと錯化剤との組み合わせに応じて、上記観点から適宜好適な量比を決定すればよい。このような量比の決定は、簡単な実験により容易に行うことができる。 In the complexing reaction, the amount ratio between the alkoxide of the specific different metal and the complexing agent is important from the viewpoint of controlling the hydrolysis rate of the alkoxide of the specific different metal. In order to obtain composite oxide fine particles having a uniform composition, it is preferable to adjust the hydrolysis rate of the complex to be formed to the same level as the hydrolysis rate of the alkoxysilane. Since the hydrolysis rate of the complex can be controlled by changing the quantitative ratio between the alkoxide of the specific different metal and the complexing agent, the above viewpoints depend on the combination of the alkoxide of the specific different metal and the complexing agent to be used. From this, a suitable quantitative ratio may be determined as appropriate. Such a quantitative ratio can be easily determined by a simple experiment.
以下に、特定異種金属のアルコキシドとして、テトライソプロピルチタネート(テトライソプロポキシチタンともいう。以下、「TPT」と省略する場合がある。)を使用し、錯化剤として、トリエタノールアミン(以下、「TEA」と省略する場合がある。)を使用した場合における実験例を示す。 In the following, tetraisopropyl titanate (also referred to as tetraisopropoxytitanium; hereinafter sometimes abbreviated as “TPT”) is used as the alkoxide of a specific dissimilar metal, and triethanolamine (hereinafter, “ An example of an experiment using “TEA” may be abbreviated as “TEA”.
この実験は、TPTとTEAの量比と、得られた錯体の加水分解速度との関係を確認するために行われたものであり、次のような手順により行われた。すなわち、所定量の0.3%アンモニア水に、該アンモニア水と同質量の別途調製した“TPTおよびTEAを種々の割合にて混合した50質量%メタノール溶液”を、撹拌子を用いた撹拌(電磁撹拌)下に一気に添加し、添加終了直後から溶液がゲル化するまでの時間を測定することにより加水分解速度を評価した。なお、ゲル化時間は、溶液の粘度上昇により撹拌子の動きが停止した時点をゲル化した時点として求めた。そのときの結果を表1に示す。なお、別の実験において、シリコンのアルコキシドとして、テトラメチルシリケートを使用し、同様の条件にて実験を行った場合は、ゲル化時間は、14分であった。 This experiment was conducted in order to confirm the relationship between the amount ratio of TPT and TEA and the hydrolysis rate of the obtained complex, and was conducted according to the following procedure. That is, “50% by mass methanol solution in which TPT and TEA were mixed in various proportions” separately prepared in the same amount as the ammonia water in a predetermined amount of 0.3% ammonia water was stirred using a stirrer ( The rate of hydrolysis was evaluated by measuring the time from immediately after completion of addition until the solution was gelled. In addition, the gelation time was calculated | required as the time of gelatinizing when the motion of the stirring bar stopped by the viscosity increase of the solution. The results are shown in Table 1. In another experiment, when tetramethyl silicate was used as the silicon alkoxide and the experiment was performed under the same conditions, the gelation time was 14 minutes.
上記の結果より、TEA/TPT=0.5とした場合に、テトラメチルシリケートを使用した場合のゲル化時間(14分)に最も近いことがわかった。これより、以下において記載する実施例においては、TEA/TPT=0.5としている。しかし、本発明の思想は、特定異種金属のアルコキシドの加水分解速度と、シリコンのアルコキシド(アルコキシシラン)の加水分解速度とを、同程度に揃えることにある。よって、この思想を達成するものであれば、TEAとTPTの配合割合は、上記の値に限定されない。 From the above results, it was found that when TEA / TPT = 0.5, it was closest to the gelation time (14 minutes) when tetramethyl silicate was used. Thus, in the embodiment described below, TEA / TPT = 0.5. However, the idea of the present invention is to make the hydrolysis rate of an alkoxide of a specific different metal and the hydrolysis rate of a silicon alkoxide (alkoxysilane) at the same level. Therefore, if this idea is achieved, the blending ratio of TEA and TPT is not limited to the above value.
また、TEA/TPT=0.5として、TEAとTPTとを混合した場合には、以下に示す錯体が形成されていると、本発明者は考えている。 In addition, when TEA / TPT = 0.5, when the TEA and TPT are mixed, the present inventor believes that the complex shown below is formed.
このようにして調製された錯体と、アルコキシシランの部分加水分解物とを混合することにより錯化複合アルコキシド原料が調製される。このとき、錯体とアルコキシシランの部分加水分解物との混合は、通常複合アルコキシド原料を調製するときにおける、アルコキシシランの部分加水分解物と特定異種金属のアルコキシドとの混合と同様にして行うことができる。 A complexed composite alkoxide raw material is prepared by mixing the complex thus prepared and a partial hydrolyzate of alkoxysilane. At this time, the complex and the partial hydrolyzate of alkoxysilane are usually mixed in the same manner as the mixture of the partial hydrolyzate of alkoxysilane and the alkoxide of the specific dissimilar metal when preparing the composite alkoxide raw material. it can.
(加水分解・縮合工程S3)
本発明の方法では、上記で調製された複合アルコキシド原料を、触媒を含む溶媒中で加水分解・縮合することによりシリカ系複合酸化物粒子を製造する。このとき、平均粒径1nm〜100nmのシリカ系複合酸化物微粒子を得るためには、上記加水分解・縮合を水の含有割合が60〜100質量%である溶媒または分散媒中で行う必要がある。加水分解・縮合を水の含有割合が60質量%未満である溶媒または分散媒中で行った場合には、核形成が遅く、一旦形成された核は急激に成長してしまうため平均粒径1nm〜100nmの粒子を得ることはできない。このような粒子径の微粒子を再現性よく効率的に得るという観点から、溶媒または分散媒における水の含有割合は70質量%以上、特に75質量%以上であることが好ましい。
(Hydrolysis / condensation step S3)
In the method of the present invention, silica-based composite oxide particles are produced by hydrolyzing and condensing the composite alkoxide raw material prepared above in a solvent containing a catalyst. At this time, in order to obtain silica-based composite oxide fine particles having an average particle diameter of 1 nm to 100 nm, the hydrolysis / condensation must be performed in a solvent or dispersion medium having a water content of 60 to 100% by mass. . When hydrolysis / condensation is carried out in a solvent or dispersion medium having a water content of less than 60% by mass, the nucleation is slow and the nuclei once formed grow rapidly, so the average particle size is 1 nm. ˜100 nm particles cannot be obtained. From the viewpoint of obtaining fine particles having such a particle size efficiently with good reproducibility, the content of water in the solvent or dispersion medium is preferably 70% by mass or more, particularly preferably 75% by mass or more.
なお、複合アルコキシド原料の加水分解・縮合反応により水が消費されアルコールが副生するため、バッチで反応を行った場合、溶媒または分散媒中の水の濃度が低下するが、本発明においては、反応を開始してから終了するまでの間、溶媒または分散媒中の水の濃度を60質量%以上、特に70質量%以上とするのが好ましい。 In addition, since water is consumed by the hydrolysis / condensation reaction of the composite alkoxide raw material and alcohol is produced as a by-product, the concentration of water in the solvent or dispersion medium decreases when the reaction is performed in batch, From the start to the end of the reaction, the concentration of water in the solvent or dispersion medium is preferably 60% by mass or more, particularly 70% by mass or more.
上記溶媒または分散媒の水濃度が100質量%未満の場合、これら溶媒または分散媒は有機溶媒を含むことになる。このとき有機溶媒としては、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン類、ジオキサン、テトラヒドロフラン等のエーテル類、酢酸エチル等のエステル類、その他水と相溶性のある有機溶媒が単独または複数混合して用いられる。これらの中でもメタノール、エタノール、イソプロパノールのような低級アルコール類が金属アルコキシドや水との相溶性も高く、また粘度も低いために、好ましい。 When the water concentration of the solvent or dispersion medium is less than 100% by mass, the solvent or dispersion medium contains an organic solvent. At this time, as an organic solvent, alcohols such as methanol, ethanol, propanol, isopropanol, butanol, ethylene glycol and propylene glycol, ketones such as acetone and methyl ethyl ketone, ethers such as dioxane and tetrahydrofuran, esters such as ethyl acetate, Other organic solvents that are compatible with water are used alone or in combination. Among these, lower alcohols such as methanol, ethanol, and isopropanol are preferable because of high compatibility with metal alkoxides and water and low viscosity.
また、金属アルコキシドを加水分解するための触媒としては、N(CH3)3などのアミン、アンモニア、LiOH、NaOH、KOH、N(CH3)4OHなどの塩基が好適に使用できる。特に、アンモニアやアミンの場合は、製造したシリカ系複合酸化物粒子を焼成すれば粒子中に塩基が残留しないために、加水分解用の触媒として極めて好適である。触媒の添加量は、用いる触媒の種類や含水有機溶媒中の水と有機溶媒の種類や配合比率によって異なるために一概にはいえないが、pHが10以上、好ましくは11以上になるように添加するのが好ましい。触媒として最も好適なアンモニアの場合は、NH3としての重量分率で0.005%〜10%、好ましくは0.01%〜7%の範囲となるように添加するのが好適である。 Further, a metal alkoxide as a catalyst to hydrolysis, N (CH 3) amines such as 3, ammonia, LiOH, NaOH, KOH, a base such as N (CH 3) 4 OH can be suitably used. In particular, ammonia and amines are extremely suitable as a catalyst for hydrolysis because the produced silica-based composite oxide particles are calcined and no base remains in the particles. The amount of the catalyst added varies depending on the type of catalyst used, the type of water and organic solvent in the water-containing organic solvent, and the blending ratio. It is preferable to do this. In the case of ammonia most suitable as a catalyst, it is suitable to add so that the weight fraction as NH 3 is 0.005% to 10%, preferably 0.01% to 7%.
上記複合アルコキシド原料は、液中滴下することが好ましい。液中滴下とは、上記アルコキシド原料を水溶媒中に滴下する際、滴下口先端が水溶媒中に浸されていることをいう。滴下口先端の位置は、液中にあれば特に限定されないが、撹拌羽根の近傍等の充分に撹拌が行われる位置が望ましい。液中滴下をせずに、例えば、反応液の上部から液上滴下した場合には粒子が凝集しやすいため好ましくない。 The composite alkoxide raw material is preferably dropped in the liquid. Dropping in liquid means that the tip of the dropping port is immersed in an aqueous solvent when the alkoxide raw material is dropped in the aqueous solvent. The position of the tip of the dropping port is not particularly limited as long as it is in the liquid, but a position where stirring is sufficiently performed such as in the vicinity of the stirring blade is desirable. For example, when the liquid is dropped from above the reaction liquid without dropping in the liquid, it is not preferable because the particles easily aggregate.
また、上記複合アルコキシ原料と共に、別途調製されたアルカリ性水溶液を、触媒を含む水溶媒中に同時滴下しても良い。このアルカリ性水溶液としては、0.005〜10質量%のアンモニア水等が好適である。なお、上記原料中のシリコンと特定異種金属の総モル数に対して、該アルカリ性水溶液中の水のモル数が1〜6倍モル、好ましくは2〜5倍モルとなるような供給比でアルカリ性水溶液を滴下することが好ましい。 Further, an alkaline aqueous solution prepared separately together with the composite alkoxy raw material may be simultaneously dropped into an aqueous solvent containing a catalyst. As this alkaline aqueous solution, 0.005 to 10% by mass of ammonia water or the like is suitable. In addition, it is alkaline with a supply ratio such that the number of moles of water in the alkaline aqueous solution is 1 to 6 times mole, preferably 2 to 5 times moles, with respect to the total number of moles of silicon and the specific foreign metal in the raw material. It is preferable to add the aqueous solution dropwise.
アルカリ性水溶液の滴下は、特に液中滴下する必要はないが、撹拌羽根近傍で液中滴下した方が、水溶媒中での撹拌が充分に行われるので好ましい。上記のようにアルカリ性水溶液を同時滴下することによって、固形分濃度を高くして粒子を合成できるので、収率の高い合成が可能となる。 Although it is not necessary to drop the alkaline aqueous solution in the liquid, dropping in the liquid near the stirring blade is preferable because stirring in the aqueous solvent is sufficiently performed. By simultaneously dropping the alkaline aqueous solution as described above, particles can be synthesized with a high solid content concentration, so that a synthesis with a high yield is possible.
アルコキシドからなる原料は、それぞれ滴下を開始してから終了するまで連続的に滴下することが好ましい。なお、ここでいう連続的とは、好ましくは10分以上、さらに好ましくは3分以上の間隔を空けないことをいう。滴下速度は、必ずしも一定である必要はないが、滴下速度を変える場合には連続的に変えた方が望ましい。 It is preferable that the raw material made of alkoxide is continuously dropped from the start to the end of the dropping. The term “continuous” as used herein means that an interval of preferably 10 minutes or longer, more preferably 3 minutes or longer is not left. The dropping speed is not necessarily constant, but it is desirable to change continuously when changing the dropping speed.
加水分解を行うときの反応槽の温度は、0〜50℃の範囲であれば良く、用いるアルコキシドの種類によって適宜選択される。その他、加水分解に使用する反応容器、上記以外の反応条件等は公知のものが何ら制限なく採用される。 The temperature of the reaction vessel when performing the hydrolysis may be in the range of 0 to 50 ° C., and is appropriately selected depending on the type of alkoxide used. In addition, a well-known thing is employ | adopted as a reaction container used for a hydrolysis, reaction conditions other than the above, without any limitation.
上記のように合成された粒子は、シリカ以外の金属酸化物の含有率が50モル%未満であって、平均粒子径が1nm〜100nm、好ましくは5nm〜50nm、より好ましくは10nm〜50nmの球状のシリカ系複合酸化物微粒子である。 The particles synthesized as described above have a content of metal oxides other than silica of less than 50 mol%, and have an average particle diameter of 1 nm to 100 nm, preferably 5 nm to 50 nm, more preferably 10 nm to 50 nm. This is a silica-based composite oxide fine particle.
合成終了後の粒子は、反応液中に分散したコロイド状の粒子分散液として得られる。用途によっては、そのまま使用しても良いし、反応液の溶媒を水もしくはアルコール等の有機溶媒に溶媒置換した後に使用しても良い。 The particles after the synthesis are obtained as a colloidal particle dispersion dispersed in the reaction solution. Depending on the application, it may be used as it is, or after replacing the solvent of the reaction solution with an organic solvent such as water or alcohol.
また、粒子を合成した後、遠心分離、ろ過、蒸留、スプレードライ等の手法で固液分離し、粉末の形で取り出しても良い。取り出した粉末は乾燥させることができる。乾燥温度は50〜300℃の範囲が好適で、乾燥時間は数時間から数日間が好適である。乾燥した粉末はさらに高い温度で焼成することができる。焼成温度は100〜1300℃の範囲が好適で、焼成時間は1〜24時間の範囲が好適である。乾燥または焼成後の粒子は、ボールミルやジェットミル等を使用して粒子ひとつひとつに解砕することができる。また、乾燥または焼成した粒子は適当な溶媒に、対向衝突型分散装置、ビーズミルなどを用いて分散させて使用することもできる。 Further, after the particles are synthesized, they may be separated into solid and liquid by a method such as centrifugation, filtration, distillation, spray drying, etc. and taken out in the form of powder. The extracted powder can be dried. The drying temperature is preferably in the range of 50 to 300 ° C., and the drying time is preferably several hours to several days. The dried powder can be fired at higher temperatures. The firing temperature is preferably in the range of 100 to 1300 ° C., and the firing time is preferably in the range of 1 to 24 hours. The dried or fired particles can be crushed into individual particles using a ball mill, a jet mill or the like. The dried or fired particles can also be used after being dispersed in an appropriate solvent using a counter collision type dispersion device, a bead mill, or the like.
以下本発明を実施例により説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
実施例1(SiO2―TiO2系ナノ粒子、Ti含有率:45モル%)
2リットルの三角フラスコに、メチルシリケート(Si(OMe)4、多摩化学工業社製、商品名:正珪酸メチル)167.4gを仕込み、撹拌しながら、メチルアルコール76.1gと0.04質量%の塩酸18.0gを加え、室温で約20分間撹拌することによってメチルシリケートを部分加水分解した(この調製した溶液を「溶液A1」という。)。
EXAMPLES The present invention will be described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
Example 1 (SiO 2 —TiO 2 nanoparticles, Ti content: 45 mol%)
Into a 2 liter Erlenmeyer flask, 167.4 g of methyl silicate (Si (OMe) 4 , manufactured by Tama Chemical Industry Co., Ltd., trade name: normal methyl silicate) was charged, and while stirring, 76.1 g of methyl alcohol and 0.04% by mass 18.0 g of hydrochloric acid was added, and methyl silicate was partially hydrolyzed by stirring at room temperature for about 20 minutes (this prepared solution is referred to as “solution A1”).
上記とは別に、テトライソプロポキシチタン(Ti(O−iPr)4、日本曹達社製、商品名:A−1(TPT))255.8gとメタノール255.8gとトリエタノールアミン134.3gを加え室温で30分間撹拌した後、溶液A1と混合し、30分間撹拌した(この調製した溶液を「溶液B1」という。)。 In addition to the above, 255.8 g of tetraisopropoxy titanium (Ti (O-iPr) 4 , manufactured by Nippon Soda Co., Ltd., trade name: A-1 (TPT)), 255.8 g of methanol, and 134.3 g of triethanolamine were added. After stirring at room temperature for 30 minutes, it was mixed with Solution A1 and stirred for 30 minutes (this prepared solution is referred to as “Solution B1”).
撹拌機付きのガラス製反応容器(内容積5リットル)に、イオン交換水1775.6g、アンモニア水(25質量%)4.4gを混合して反応液を調製し、反応液の温度を40℃に保持した。この反応液に上記の溶液B1を約5時間かけて液中滴下した。滴下終了後、さらに1時間撹拌を続けた後、系内の溶液を取り出し、5リットルのビーカーに移して静置した。得られた溶液を逆浸透膜により2倍に濃縮した後、水を加えて2倍に希釈した。この濃縮・希釈操作を5回繰り返し、微粒子の水分散液を得た。 A reaction solution was prepared by mixing 1775.6 g of ion-exchanged water and 4.4 g of aqueous ammonia (25% by mass) in a glass reaction vessel (with an internal volume of 5 liters) equipped with a stirrer. Held on. The solution B1 was dropped into the reaction solution over about 5 hours. After completion of the dropwise addition, stirring was further continued for 1 hour, and then the solution in the system was taken out, transferred to a 5 liter beaker, and allowed to stand. The resulting solution was concentrated twice with a reverse osmosis membrane, and then diluted with water to double. This concentration / dilution operation was repeated five times to obtain an aqueous dispersion of fine particles.
得られた粒子について、SEM観察を行った。その結果、粒子径が0.02μmの粒子が得られた。また、上記水分散液を乾燥させて得られた粉末について蛍光X線分析を行ったところ、SiとTiの比率がSi:Ti=55:45であることがわかった。 SEM observation was performed about the obtained particle | grains. As a result, particles having a particle diameter of 0.02 μm were obtained. Further, when X-ray fluorescence analysis was performed on the powder obtained by drying the aqueous dispersion, it was found that the ratio of Si and Ti was Si: Ti = 55: 45.
実施例2(SiO2―TiO2ナノ粒子、Ti含有率:10モル%)
2リットルの三角フラスコに、メチルシリケート(Si(OMe)4、多摩化学工業社製、商品名:正珪酸メチル)548.0gを仕込み、撹拌しながら、メチルアルコール274.0gと0.04質量%の塩酸28.8gを加え、室温で約20分間撹拌することによってメチルシリケートを部分加水分解した(この調製した溶液を「溶液A2」という。)。
Example 2 (SiO 2 —TiO 2 nanoparticles, Ti content: 10 mol%)
In a 2 liter Erlenmeyer flask, 548.0 g of methyl silicate (Si (OMe) 4 , manufactured by Tama Chemical Industry Co., Ltd., trade name: normal methyl silicate) was charged, and while stirring, 274.0 g of methyl alcohol and 0.04 mass% 28.8 g of hydrochloric acid was added, and the methyl silicate was partially hydrolyzed by stirring at room temperature for about 20 minutes (this prepared solution is referred to as “Solution A2”).
上記とは別に、テトライソプロポキシチタン(Ti(O−iPr)4、日本曹達社製、商品名;A−1(TPT))113.6gとイソプロピルアルコール227.2gを加え室温で30分間撹拌した後、溶液A2と混合し、30分間撹拌した(この調製した溶液を「溶液B2」という。)。 Separately from the above, 113.6 g of tetraisopropoxy titanium (Ti (O-iPr) 4 , Nippon Soda Co., Ltd., trade name: A-1 (TPT)) and 227.2 g of isopropyl alcohol were added and stirred at room temperature for 30 minutes. Thereafter, it was mixed with the solution A2 and stirred for 30 minutes (this prepared solution is referred to as “solution B2”).
撹拌機付きのガラス製反応容器(内容積5リットル)に、イオン交換水1184.0g、アンモニア水(25質量%)4.4gを混合して反応液を調製し、反応液の温度を40℃に保持した。この反応液に上記の溶液B2を約5時間かけて液中滴下した。滴下終了後、さらに1時間撹拌を続けた後、系内の溶液を取り出し、5リットルのビーカーに移して静置した。得られた溶液を逆浸透膜により2倍に濃縮した後、水を加えて2倍に希釈した。この濃縮・希釈操作を5回繰り返し、微粒子の水分散液を得た。 A reaction solution is prepared by mixing 1184.0 g of ion-exchanged water and 4.4 g of ammonia water (25% by mass) in a glass reaction vessel (with an internal volume of 5 liters) equipped with a stirrer. Held on. The solution B2 was dropped into the reaction solution over about 5 hours. After completion of the dropwise addition, stirring was further continued for 1 hour, and then the solution in the system was taken out, transferred to a 5 liter beaker, and allowed to stand. The resulting solution was concentrated twice with a reverse osmosis membrane, and then diluted with water to double. This concentration / dilution operation was repeated five times to obtain an aqueous dispersion of fine particles.
得られた粒子について、SEM観察を行った。その結果、粒子径が0.01μmの粒子が得られた。また、上記水分散液を乾燥させて得られた粉末について蛍光X線分析を行ったところ、SiとTiの比率がSi:Ti=9:1であることがわかった。 SEM observation was performed about the obtained particle | grains. As a result, particles having a particle diameter of 0.01 μm were obtained. Further, when X-ray fluorescence analysis was performed on the powder obtained by drying the aqueous dispersion, it was found that the ratio of Si and Ti was Si: Ti = 9: 1.
実施例3(SiO2−ZrO2系ナノ粒子、Zr含有率:45モル%)
溶液B1を調製する際に、テトライソプロポキシチタンの代わりに、テトラーtert−ブトキシジルコニウム(Zr(O−tBu)4、和光純薬社製)345.3gを用い、メタノールの量を345.3gとした以外は実施例1と同様にしてSiO2−ZrO2系微粒子を得た。
Example 3 (SiO 2 -
In preparing the solution B1, instead of tetraisopropoxy titanium, 345.3 g of tetra-tert-butoxyzirconium (Zr (O-tBu) 4 , manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used, and the amount of methanol was 345.3 g. Except that, SiO 2 —ZrO 2 -based fine particles were obtained in the same manner as in Example 1.
得られた粒子について、SEM観察を行った。その結果、粒子径が0.01μmの粒子が得られた。また、上記水分散液を乾燥させて得られた粉末について蛍光X線分析を行ったところ、SiとZrの比率がSi:Zr=55:45であることがわかった。 SEM observation was performed about the obtained particle | grains. As a result, particles having a particle diameter of 0.01 μm were obtained. Further, when X-ray fluorescence analysis was performed on the powder obtained by drying the aqueous dispersion, it was found that the ratio of Si and Zr was Si: Zr = 55: 45.
実施例4(SiO2−Al2O3系ナノ粒子、Al含有率:45モル%)
溶液B1を調製する際に、テトライソプロポキシチタンの代わりに、トリイソプロピルアルミニウム(Al(O−iPr)3、和光純薬社製)183.8gを用い、メタノールの量を183.8gとした以外は実施例1と同様にしてSiO2−Al2O3系微粒子を得た。
Example 4 (
When preparing solution B1, instead of tetraisopropoxy titanium, 183.8 g of triisopropylaluminum (Al (O-iPr) 3 , manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used, except that the amount of methanol was 183.8 g. Obtained SiO 2 —Al 2 O 3 -based fine particles in the same manner as in Example 1.
得られた粒子について、SEM観察を行った。その結果、粒子径が0.02μmの粒子が得られた。また、上記水分散液を乾燥させて得られた粉末について蛍光X線分析を行ったところ、SiとAlの比率がSi:Al=55:45であることがわかった。 SEM observation was performed about the obtained particle | grains. As a result, particles having a particle diameter of 0.02 μm were obtained. Further, when X-ray fluorescence analysis was performed on the powder obtained by drying the aqueous dispersion, it was found that the ratio of Si and Al was Si: Al = 55: 45.
実施例5(SiO2−TiO2系ナノ粒子、Ti含有率:45モル%、65質量%水溶液中で加水分解・縮合を行った例)
2リットルの三角フラスコに、メチルシリケート(Si(OMe)4、多摩化学工業社製、商品名:正珪酸メチル)167.4gを仕込み、撹拌しながら、メチルアルコール76.1gと0.04質量%の塩酸18.0gを加え、室温で約20分間撹拌することによってメチルシリケートを部分加水分解した(この調製した溶液を「溶液A5」という。)。
Example 5 (Examples of hydrolysis and condensation in an aqueous solution of SiO 2 —TiO 2 -based nanoparticles, Ti content: 45 mol%, 65 mass%)
Into a 2 liter Erlenmeyer flask, 167.4 g of methyl silicate (Si (OMe) 4 , manufactured by Tama Chemical Industry Co., Ltd., trade name: normal methyl silicate) was charged, and while stirring, 76.1 g of methyl alcohol and 0.04% by mass 18.0 g of hydrochloric acid was added, and the methyl silicate was partially hydrolyzed by stirring at room temperature for about 20 minutes (this prepared solution is referred to as “solution A5”).
上記とは別に、テトライソプロポキシチタン(Ti(O−iPr)4、日本曹達社製、商品名:A−1(TPT))255.8gとメタノール255.8gとトリエタノールアミン134.3gを加え室温で30分間撹拌した後、溶液A5と混合し、30分間撹拌した(この調製した溶液を「溶液B5」という。)。 In addition to the above, 255.8 g of tetraisopropoxy titanium (Ti (O-iPr) 4 , manufactured by Nippon Soda Co., Ltd., trade name: A-1 (TPT)), 255.8 g of methanol, and 134.3 g of triethanolamine were added. After stirring at room temperature for 30 minutes, it was mixed with solution A5 and stirred for 30 minutes (this prepared solution is referred to as “solution B5”).
撹拌機付きのガラス製反応容器(内容積5リットル)に、イオン交換水1153g、メタノール621g、アンモニア水(25質量%)4.4gを混合して反応液を調製し、反応液の温度を40℃に保持した。この反応液に上記の溶液B5を約5時間かけて液中滴下した。滴下終了後、さらに1時間撹拌を続けた後、系内の溶液を取り出し、5リットルのビーカーに移して静置した。得られた溶液を逆浸透膜により2倍に濃縮した後、水を加えて2倍に希釈した。この濃縮・希釈操作を5回繰り返し、微粒子の水分散液を得た。 A reaction liquid is prepared by mixing 1153 g of ion-exchanged water, 621 g of methanol, and 4.4 g of aqueous ammonia (25% by mass) in a glass reaction vessel (with an internal volume of 5 liters) equipped with a stirrer. Held at 0C. The solution B5 was dropped into the reaction solution over about 5 hours. After completion of the dropwise addition, stirring was further continued for 1 hour, and then the solution in the system was taken out, transferred to a 5 liter beaker, and allowed to stand. The resulting solution was concentrated twice with a reverse osmosis membrane, and then diluted with water to double. This concentration / dilution operation was repeated five times to obtain an aqueous dispersion of fine particles.
得られた粒子について、SEM観察を行った。その結果、粒子径が0.05μmの粒子が得られた。また、上記水分散液を乾燥させて得られた粉末について蛍光X線分析を行ったところ、SiとTiの比率がSi:Ti=55:45であることがわかった。 SEM observation was performed about the obtained particle | grains. As a result, particles having a particle size of 0.05 μm were obtained. Further, when X-ray fluorescence analysis was performed on the powder obtained by drying the aqueous dispersion, it was found that the ratio of Si and Ti was Si: Ti = 55: 45.
比較例1(50質量%水溶液中で加水分解・縮合を行った、実施例1の比較例)
2リットルの三角フラスコに、メチルシリケート(Si(OMe)4、多摩化学工業社製、商品名:正珪酸メチル)167.4gを仕込み、撹拌しながら、メチルアルコール76.1gと0.04質量%の塩酸18.0gを加え、室温で約20分間撹拌することによってメチルシリケートを部分加水分解した(この調整した溶液を「溶液A1’」という。)。
Comparative Example 1 (Comparative Example of Example 1 in which hydrolysis and condensation were performed in a 50% by mass aqueous solution)
Into a 2 liter Erlenmeyer flask, 167.4 g of methyl silicate (Si (OMe) 4 , manufactured by Tama Chemical Industry Co., Ltd., trade name: normal methyl silicate) was charged, and while stirring, 76.1 g of methyl alcohol and 0.04% by mass 18.0 g of hydrochloric acid was added, and methyl silicate was partially hydrolyzed by stirring at room temperature for about 20 minutes (this adjusted solution is referred to as “solution A1 ′”).
上記とは別に、テトライソプロポキシチタン(Ti(O−iPr)4、日本曹達社製、商品名:A−1(TPT))255.8gとメタノール255.8gとトリエタノールアミン134.3gを加え室温で30分間撹拌した後、溶液A1’と混合し、30分間撹拌した(この調製した溶液を「溶液B1’」という。)。 In addition to the above, 255.8 g of tetraisopropoxy titanium (Ti (O-iPr) 4 , manufactured by Nippon Soda Co., Ltd., trade name: A-1 (TPT)), 255.8 g of methanol, and 134.3 g of triethanolamine were added. After stirring at room temperature for 30 minutes, it was mixed with solution A1 ′ and stirred for 30 minutes (this prepared solution is referred to as “solution B1 ′”).
撹拌機付きのガラス製反応容器(内容積5リットル)に、イオン交換水885g、メタノール885g、アンモニア水(25質量%)4.4gを混合して反応液を調製し、反応液の温度を40℃に保持した。この反応液に上記の溶液B1’を約5時間かけて液中滴下した。滴下終了後、さらに1時間撹拌を続けた後、系内の溶液を取り出し、5リットルのビーカーに移して静置した。得られた溶液を逆浸透膜により2倍に濃縮した後、水を加えて2倍に希釈した。この濃縮・希釈操作を5回繰り返し、微粒子の水分散液を得た。 A reaction solution is prepared by mixing 885 g of ion-exchanged water, 885 g of methanol, and 4.4 g of aqueous ammonia (25% by mass) in a glass reaction vessel (with an internal volume of 5 liters) equipped with a stirrer. Held at 0C. The solution B1 'was dropped into the reaction solution over about 5 hours. After completion of the dropwise addition, stirring was further continued for 1 hour, and then the solution in the system was taken out, transferred to a 5 liter beaker, and allowed to stand. The resulting solution was concentrated twice with a reverse osmosis membrane, and then diluted with water to double. This concentration / dilution operation was repeated five times to obtain an aqueous dispersion of fine particles.
得られた粒子について、SEM観察を行った。その結果、粒子径が0.1μm以上の粒子が多量に含まれていることが明らかとなった。 SEM observation was performed about the obtained particle | grains. As a result, it was revealed that a large amount of particles having a particle size of 0.1 μm or more was contained.
比較例2(50質量%水溶液中で加水分解・縮合を行った、実施例2の比較例)
2リットルの三角フラスコに、メチルシリケート(Si(OMe)4、多摩化学工業社製、商品名:正珪酸メチル)548.0gを仕込み、撹拌しながら、メチルアルコール274.0gと0.04質量%の塩酸28.8gを加え、室温で約20分間撹拌することによってメチルシリケートを部分加水分解した(この調製した溶液を「溶液A2’」という。)。
Comparative Example 2 (Comparative Example of Example 2 in which hydrolysis and condensation were performed in a 50% by mass aqueous solution)
In a 2 liter Erlenmeyer flask, 548.0 g of methyl silicate (Si (OMe) 4 , manufactured by Tama Chemical Industry Co., Ltd., trade name: normal methyl silicate) was charged, and while stirring, 274.0 g of methyl alcohol and 0.04 mass% 28.8 g of hydrochloric acid was added, and the methyl silicate was partially hydrolyzed by stirring at room temperature for about 20 minutes (this prepared solution is referred to as “Solution A2 ′”).
上記とは別に、テトライソプロポキシチタン(Ti(O−iPr)4、日本曹達社製、商品名:A−1(TPT))113.6gとイソプロピルアルコール227.2gを加え室温で30分間撹拌した後、溶液A2’と混合し、30分間撹拌した(この調製した溶液を「溶液B2’」という。)。 Separately from the above, 113.6 g of tetraisopropoxy titanium (Ti (O-iPr) 4 , Nippon Soda Co., Ltd., trade name: A-1 (TPT)) and 227.2 g of isopropyl alcohol were added and stirred at room temperature for 30 minutes. Thereafter, it was mixed with the solution A2 ′ and stirred for 30 minutes (this prepared solution is referred to as “solution B2 ′”).
撹拌機付きのガラス製反応容器(内容積5リットル)に、イオン交換水590g、メタノール590g、アンモニア水(25質量%)4.4gを混合して反応液を調製し、反応液の温度を40℃に保持した。この反応液に上記の溶液B2’を約5時間かけて液中滴下した。滴下終了後、さらに1時間撹拌を続けた後、系内の溶液を取り出し、5リットルのビーカーに移して静置した。得られた粒子について、SEM観察を行った。その結果、粒子径が0.1μm以上の粒子が多量に含まれていた。 A reaction liquid was prepared by mixing 590 g of ion-exchanged water, 590 g of methanol, and 4.4 g of aqueous ammonia (25% by mass) in a glass reaction vessel (internal volume of 5 liters) equipped with a stirrer. Held at 0C. The solution B2 'was dropped into the reaction solution over about 5 hours. After completion of the dropwise addition, stirring was further continued for 1 hour, and then the solution in the system was taken out, transferred to a 5 liter beaker, and allowed to stand. SEM observation was performed about the obtained particle | grains. As a result, a large amount of particles having a particle diameter of 0.1 μm or more was contained.
比較例3
トリエタノールアミンを用いない以外は実施例1と同様にして粒子を合成した。得られた粒子についてSEM観察を行ったところ、0.1μm以上の粒子を多量に含んでいることが明らかとなった。
Comparative Example 3
Particles were synthesized in the same manner as in Example 1 except that triethanolamine was not used. As a result of SEM observation of the obtained particles, it was revealed that the particles contained a large amount of particles of 0.1 μm or more.
比較例4(複合アルコシド原料を使用しない例)
2リットルの三角フラスコに、メチルシリケート(Si(OMe)4、多摩化学工業社製、商品名:正珪酸メチル)548.0gを仕込み、撹拌しながら、メチルアルコール274.0gと0.04質量%の塩酸28.8gを加え、室温で約20分間撹拌することによってメチルシリケートを部分加水分解した(この調整した溶液を「溶液A4’」という。)。
Comparative Example 4 (example in which no composite alcoside raw material is used)
In a 2 liter Erlenmeyer flask, 548.0 g of methyl silicate (Si (OMe) 4 , manufactured by Tama Chemical Industry Co., Ltd., trade name: normal methyl silicate) was charged, and while stirring, 274.0 g of methyl alcohol and 0.04 mass% 28.8 g of hydrochloric acid was added, and the methyl silicate was partially hydrolyzed by stirring at room temperature for about 20 minutes (this adjusted solution is referred to as “Solution A4 ′”).
上記とは別に、テトライソプロポキシチタン(Ti(OiPr)4、日本曹達社製、商品名:A−1(TPT))113.6gとイソプロピルアルコール227.2gを加え室温で30分間撹拌した(この調製した溶液を「溶液C4’」という。)。 Separately from the above, 113.6 g of tetraisopropoxy titanium (Ti (OiPr) 4 , Nippon Soda Co., Ltd., trade name: A-1 (TPT)) and 227.2 g of isopropyl alcohol were added and stirred at room temperature for 30 minutes (this The prepared solution is referred to as “Solution C4 ′”).
撹拌機付きのガラス製反応容器(内容積5リットル)に、イオン交換水1184.0g、アンモニア水(25質量%)4.4gを混合して反応液を調製し、反応液の温度を40℃に保持した。この反応液に上記の溶液A4’と溶液C4’を別々の供給ラインからそれぞれ約5時間かけて液中滴下した。滴下終了後、さらに1時間撹拌を続けた後、系内の溶液を取り出し、5リットルのビーカーに移して静置した。得られた粒子は粒子径100μm以上の粗大粒子を多量に含んでいた。 A reaction solution is prepared by mixing 1184.0 g of ion-exchanged water and 4.4 g of ammonia water (25% by mass) in a glass reaction vessel (with an internal volume of 5 liters) equipped with a stirrer. Held on. The solution A4 'and the solution C4' were dropped into the reaction solution over about 5 hours from separate supply lines. After completion of the dropwise addition, stirring was further continued for 1 hour, and then the solution in the system was taken out, transferred to a 5 liter beaker, and allowed to stand. The obtained particles contained a large amount of coarse particles having a particle diameter of 100 μm or more.
以上、現時点において、最も、実践的であり、かつ、好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨あるいは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴うシリカ系複合酸化物微粒子およびその製造方法もまた本発明の技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。 Although the present invention has been described with reference to the most practical and preferred embodiments at the present time, the invention is limited to the embodiments disclosed herein. However, the silica-based composite oxide fine particles and the method for producing the same can be changed as appropriate without departing from the spirit or idea of the invention that can be read from the claims and the entire specification. Should be understood as being included in the scope.
S1 部分加水分解物の形成工程
S2 複合アルコキシド原料の調製工程
S3 加水分解・縮合工程
S1 Partial hydrolyzate formation process S2 Compound alkoxide raw material preparation process S3 Hydrolysis / condensation process
Claims (3)
チタン、ジルコニウム、および、アルミニウムからなる群から選ばれるシリコン以外の金属のアルコキシド、または、該シリコン以外の金属のアルコキシドと錯化剤とを混合して調製した錯体と、前記部分加水分解物とを、該シリコン以外の金属の割合が50モル%未満となるようにして混合して複合アルコキシド原料を調製する工程、
水の含有割合が60〜100質量%である溶媒または分散媒中で前記複合アルコキシド原料を加水分解・縮合させる工程を有する、平均粒径1nm〜100nmのシリカ系複合酸化物微粒子の製造方法。 A step of partially hydrolyzing silicon alkoxide with water to form a partially hydrolyzed product,
An alkoxide of a metal other than silicon selected from the group consisting of titanium, zirconium, and aluminum, or a complex prepared by mixing an alkoxide of a metal other than silicon and a complexing agent, and the partial hydrolyzate A step of preparing a composite alkoxide raw material by mixing so that the proportion of metal other than silicon is less than 50 mol%,
A method for producing silica-based composite oxide fine particles having an average particle diameter of 1 nm to 100 nm, comprising a step of hydrolyzing and condensing the composite alkoxide raw material in a solvent or dispersion medium having a water content of 60 to 100% by mass.
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