JP6597064B2 - Airgel composite - Google Patents
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Description
本発明は、エアロゲル複合体に関する。 The present invention relates to an airgel composite.
エアロゲルは、気孔率が高いために、優れた物理特性を有し、建築、自動車、家電製品、半導体、産業用設備等の分野における断熱材、音響調節材料、発光太陽光集光器、ガスフィルター、触媒及び支持体材料に適用できる可能性がある。これらの広い用途に対して好適に対応できるよう、エアロゲルには断熱性や柔軟性といった特性の他、さらに種々の化学的・物理的特性を付加することが望ましい。 Airgel has excellent physical properties due to its high porosity, and is used in the fields of architecture, automobiles, household appliances, semiconductors, industrial equipment, etc. It may be applicable to catalysts and support materials. It is desirable to add various chemical and physical properties to the airgel in addition to the properties such as heat insulation and flexibility so that the airgel can be suitably used for these wide applications.
ところで、エアロゲルの作製方法としては、アルコキシシランを加水分解し、重合して得られたゲル状化合物(アルコゲル)を、分散媒の超臨界条件下で乾燥する超臨界乾燥法が知られている(例えば特許文献1参照)。超臨界乾燥法は、アルコゲルと分散媒(乾燥に用いる溶媒)とを高圧容器中に導入し、分散媒をその臨界点以上の温度と圧力をかけて超臨界流体とすることにより、アルコゲルに含まれる溶媒を除去する方法である。しかし、超臨界乾燥法は高圧プロセスを要するため、超臨界に耐え得る特殊な装置等への設備投資が必要であり、なおかつ多くの手間と時間が必要である。 By the way, as a method for producing an airgel, a supercritical drying method is known in which a gel-like compound (alcogel) obtained by hydrolyzing and polymerizing alkoxysilane is dried under supercritical conditions of a dispersion medium ( For example, see Patent Document 1). In the supercritical drying method, an alcogel and a dispersion medium (solvent used for drying) are introduced into a high-pressure vessel, and the dispersion medium is applied to the supercritical fluid by applying a temperature and pressure above its critical point to form a supercritical fluid. It is a method of removing the solvent. However, since the supercritical drying method requires a high-pressure process, capital investment is required for a special apparatus that can withstand supercriticality, and much labor and time are required.
そこで、アルコゲルを、高圧プロセスを要しない汎用的な方法を用いて乾燥する手法が提案されている。このような方法としては、例えば、ゲル原料として、モノアルキルトリアルコキシシランとテトラアルコキシシランとを特定の比率で併用することにより、得られるアルコゲルの強度を向上させ、常圧で乾燥させる方法が知られている(例えば特許文献2参照)。しかしながら、このような常圧乾燥を採用する場合、アルコゲル内部の毛細管力に起因するストレスにより、ゲルが収縮する傾向がある。 Therefore, a technique for drying alcogel using a general-purpose method that does not require a high-pressure process has been proposed. As such a method, for example, a method of improving the strength of the resulting alcogel by using a monoalkyltrialkoxysilane and a tetraalkoxysilane in combination at a specific ratio as a gel material and drying at normal pressure is known. (See, for example, Patent Document 2). However, when such atmospheric pressure drying is employed, the gel tends to contract due to stress caused by the capillary force inside the alcogel.
一方、高圧プロセスを要さず、かつ化学的・物理的特性を付加したエアロゲルを作製する方法としては、金属アルコキシド及びSi−H結合を有するポリシロキサンを原料として使用する方法が挙げられる(例えば特許文献3参照)。具体的には、金属アルコキシド及びSi−H結合を有するポリシロキサンを塩基触媒下で反応させることにより、Si−Hの分解による水素ガスの発生とゲル化が同時に起こるため、収縮が抑制されかつ発泡体化したゲル体を得られるという技術である。しかしながら、この方法を用いても、エアロゲルの更なる取り扱い性向上に必要な柔軟性の付与は困難である。 On the other hand, as a method for producing an airgel that does not require a high-pressure process and has added chemical and physical properties, there is a method using a metal alkoxide and a polysiloxane having a Si—H bond as raw materials (for example, patents). Reference 3). Specifically, by reacting a metal alkoxide and a polysiloxane having a Si—H bond in the presence of a base catalyst, generation of hydrogen gas due to decomposition of Si—H and gelation occur simultaneously, so that shrinkage is suppressed and foaming is performed. It is a technique that can obtain a gel body. However, even if this method is used, it is difficult to impart flexibility necessary for further improving the handleability of the airgel.
このように、従来の製造プロセスが抱える問題点について様々な観点からの検討が行われている一方で、上記いずれのプロセスを採用したとしても、得られたエアロゲルは取り扱い性が悪く、大型化が困難であるため、生産性に課題がある。例えば、上記プロセスにより得られた塊状のエアロゲルは、手で触って持ち上げようとするだけで破損してしまう場合がある。これは、エアロゲルの密度が低いことと、エアロゲルが10nm程度の微粒子が弱く連結しているだけの細孔構造を有していることとに由来すると推察される。また、そのようなエアロゲルに対し、具体的に種々の好適な化学的・物理的特性を付与する方法等については、当然ながら十分な検討が進められていないのが現状である。 As described above, while the problems of the conventional manufacturing process have been studied from various viewpoints, even if any of the above processes is adopted, the obtained airgel is poor in handling and large in size. Because it is difficult, there is a problem in productivity. For example, the agglomerated airgel obtained by the above process may be broken simply by trying to lift it by hand. This is presumably due to the fact that the density of the airgel is low and that the airgel has a pore structure in which fine particles of about 10 nm are weakly connected. In addition, as for the method of imparting various suitable chemical and physical properties to such aerogel, it is a matter of course that sufficient studies have not been made.
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、柔軟性に優れるのみではなく紫外線遮蔽性にも優れるエアロゲル複合体を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of said situation, and it aims at providing the airgel composite which is not only excellent in a softness | flexibility but is excellent also in ultraviolet-ray shielding property.
本発明者は、上記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、エアロゲル成分中にシリカ粒子及び金属酸化物粒子を複合化したエアロゲル複合体であれば、優れた柔軟性を発現し、かつ所定の化学的・物理的特性として紫外線遮蔽性の付与が可能であることを見出した。 As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventor achieved excellent flexibility as long as it is an airgel composite in which silica particles and metal oxide particles are combined in an airgel component, and It has been found that ultraviolet shielding can be imparted as predetermined chemical and physical properties.
本発明は、エアロゲル成分、シリカ粒子及び金属酸化物粒子を含有するエアロゲル複合体を提供するものである。本発明のエアロゲル複合体は、従来技術により得られるエアロゲルとは異なり、柔軟性及び紫外線遮蔽性に優れる。 The present invention provides an airgel composite containing an airgel component, silica particles, and metal oxide particles. Unlike the airgel obtained by the prior art, the airgel composite of the present invention is excellent in flexibility and ultraviolet shielding properties.
エアロゲル複合体は、エアロゲル成分、シリカ粒子及び金属酸化物粒子より形成された三次元網目骨格と、細孔とを有することができる。これにより、柔軟性が向上され易くなる。 The airgel composite can have a three-dimensional network skeleton formed from an airgel component, silica particles, and metal oxide particles, and pores. Thereby, flexibility is easily improved.
本発明は、また、三次元網目骨格を構成する成分としてシリカ粒子及び金属酸化物粒子を含有するエアロゲル複合体を提供するものである。このようにして得られたエアロゲル複合体は、柔軟性及び紫外線遮蔽性に優れる。 The present invention also provides an airgel composite containing silica particles and metal oxide particles as components constituting a three-dimensional network skeleton. The airgel composite thus obtained is excellent in flexibility and ultraviolet shielding properties.
本発明は、また、シリカ粒子及び金属酸化物粒子と、分子内に加水分解性の官能基を有するシリコン化合物及び該シリコン化合物の加水分解生成物からなる群より選択される少なくとも一種と、を含有するゾルから生成された湿潤ゲルを乾燥してなるエアロゲル複合体を提供するものである。このようにして得られたエアロゲル複合体は、柔軟性及び紫外線遮蔽性に優れる。 The present invention also includes silica particles and metal oxide particles, and at least one selected from the group consisting of a silicon compound having a hydrolyzable functional group in the molecule and a hydrolysis product of the silicon compound. An airgel composite obtained by drying a wet gel generated from the sol is provided. The airgel composite thus obtained is excellent in flexibility and ultraviolet shielding properties.
本発明において、上記ゾルは、分子内に反応性基を有するポリシロキサン化合物及びポリシロキサン化合物の加水分解生成物からなる群より選択される少なくとも一種をさらに含有することができる。これにより、さらに優れた柔軟性を達成することができる。 In the present invention, the sol may further contain at least one selected from the group consisting of a polysiloxane compound having a reactive group in the molecule and a hydrolysis product of the polysiloxane compound. Thereby, the further outstanding softness | flexibility can be achieved.
また、シリカ粒子の平均一次粒子径は1〜500nmとすることができる。これにより、柔軟性をさらに向上し易くなる。 Moreover, the average primary particle diameter of a silica particle can be 1-500 nm. Thereby, it becomes easy to improve a softness | flexibility further.
この際、シリカ粒子の形状は球状とすることができる。また、シリカ粒子は溶融シリカ粒子、ヒュームドシリカ粒子及びコロイダルシリカ粒子からなる群より選択される少なくとも一種とすることができる。これにより、さらに優れた柔軟性を達成することができる。 At this time, the shape of the silica particles can be spherical. The silica particles may be at least one selected from the group consisting of fused silica particles, fumed silica particles, and colloidal silica particles. Thereby, the further outstanding softness | flexibility can be achieved.
また、金属酸化物粒子は酸化セリウム粒子、酸化チタン粒子及び酸化亜鉛粒子からなる群より選択される少なくとも一種とすることができる。これにより、さらに優れた紫外線遮蔽性を達成することができる。 The metal oxide particles can be at least one selected from the group consisting of cerium oxide particles, titanium oxide particles, and zinc oxide particles. Thereby, the further outstanding ultraviolet-ray shielding property can be achieved.
この際、金属酸化物粒子の平均一次粒子径は1〜500nmとすることができる。これにより、柔軟性を維持することができる。 At this time, the average primary particle diameter of the metal oxide particles can be 1 to 500 nm. Thereby, flexibility can be maintained.
なお、上記乾燥は、乾燥に用いられる溶媒の臨界点未満の温度及び大気圧下で行うことができる。これにより、柔軟性に優れるエアロゲル複合体をさらに得易くなる。 In addition, the said drying can be performed under the temperature and atmospheric pressure below the critical point of the solvent used for drying. Thereby, it becomes easier to obtain an airgel composite excellent in flexibility.
本発明によれば、柔軟性に優れるのみではなく、紫外線遮蔽性にも優れるエアロゲル複合体を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an airgel composite that is not only excellent in flexibility but also excellent in ultraviolet shielding properties.
以下、場合により図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as the case may be. However, the present invention is not limited to the following embodiments.
<エアロゲル複合体>
狭義には、湿潤ゲルに対して超臨界乾燥法を用いて得られた乾燥ゲルをエアロゲル、大気圧下での乾燥により得られた乾燥ゲルをキセロゲル、凍結乾燥により得られた乾燥ゲルをクライオゲルと称するが、本実施形態においては、湿潤ゲルのこれらの乾燥手法によらず、得られた低密度の乾燥ゲルをエアロゲルと称する。すなわち、本実施形態においてエアロゲルとは、広義のエアロゲルである「Gel comprised of a microporous solid in which the dispersed phase is a gas(分散相が気体である微多孔性固体から構成されるゲル)」を意味するものである。一般的にエアロゲルの内部は網目状の微細構造となっており、エアロゲル粒子が結合したクラスター構造を有している。このクラスターにより形成される骨格間には、微細な細孔が存在し、三次元的に微細な多孔性の構造をしている。なお、本実施形態におけるエアロゲルは、シリカを主成分とするシリカエアロゲルである。シリカエアロゲルとしては、メチル基等の有機基又は有機鎖を導入した、いわゆる有機−無機ハイブリッド化されたシリカエアロゲルが挙げられる。なお、本実施形態のエアロゲル複合体は、エアロゲル中にシリカ粒子及び金属酸化物粒子が複合化されながらも、上記エアロゲルの特徴であるクラスター構造を有しており、三次元的に微細な多孔性の構造を有している。
<Airgel composite>
In a narrow sense, dry gel obtained by using supercritical drying method for wet gel is aerogel, dry gel obtained by drying under atmospheric pressure is xerogel, dry gel obtained by freeze-drying is cryogel and However, in the present embodiment, the obtained low-density dried gel is referred to as an aerogel regardless of the drying method of the wet gel. That is, in the present embodiment, the airgel means “Gel composed of a microporous solid in which the dispersed phase is a gas”. To do. In general, the inside of an airgel has a network-like fine structure, and has a cluster structure in which airgel particles are bonded. There are fine pores between the skeletons formed by the clusters, and a three-dimensionally fine porous structure is formed. In addition, the airgel in this embodiment is a silica airgel which has a silica as a main component. Examples of the silica airgel include so-called organic-inorganic hybrid silica airgel into which an organic group such as a methyl group or an organic chain is introduced. The airgel composite of the present embodiment has a cluster structure that is characteristic of the above-mentioned aerogel while the silica particles and metal oxide particles are composited in the airgel, and has a three-dimensionally fine porosity. It has the structure of.
本実施形態において、必ずしもこれと同じ概念を意味するものではないが、本実施形態のエアロゲル複合体は、三次元網目骨格を構成する成分としてシリカ粒子及び金属酸化物粒子を含有するものである、と表現することも可能である。本実施形態のエアロゲル複合体は、後述するとおり柔軟性に優れている。特に、柔軟性が優れていることによりエアロゲル複合体としての取り扱い性が向上して大型化も可能となるため、生産性を高めることができる。なお、このようなエアロゲル複合体は、エアロゲルの製造環境中にシリカ粒子を存在させることにより得られるものである。そしてシリカ粒子を存在させることによるメリットは、複合体自体の柔軟性等を向上できることのみならず、後述する湿潤ゲル生成工程の時間短縮、あるいは洗浄及び溶媒置換工程から乾燥工程の簡略化が可能であることにもある。なお、この工程の時間短縮及び工程の簡略化は、柔軟性が優れるエアロゲル複合体を作製する上で必ずしも求められることではない。 In this embodiment, it does not necessarily mean the same concept as this, but the airgel composite of this embodiment contains silica particles and metal oxide particles as components constituting the three-dimensional network skeleton. It is also possible to express. The airgel composite of this embodiment is excellent in flexibility as described later. In particular, since the flexibility is excellent, the handling property as an airgel composite is improved and the size can be increased, so that the productivity can be increased. In addition, such an airgel composite is obtained by making silica particles exist in the airgel production environment. The merit of having silica particles is not only that the flexibility of the composite itself can be improved, but also the time for the wet gel generation process described later can be shortened, or the drying process can be simplified from the washing and solvent replacement process. There are also. In addition, shortening of the time of this process and simplification of a process are not necessarily calculated | required when producing the airgel composite which is excellent in a softness | flexibility.
本実施形態において、エアロゲル成分とシリカ粒子等との複合化態様は様々である。例えば、エアロゲル成分は膜状等の不定形であってもよく、粒子状(エアロゲル粒子)であってもよい。いずれの態様においても、エアロゲル成分が様々な形態になりシリカ粒子等の間に存在しているため、複合体の骨格に柔軟性が付与されていると推察される。 In this embodiment, the composite mode of the airgel component and the silica particles is various. For example, the airgel component may be in an indeterminate form such as a film or may be in the form of particles (aerogel particles). In any embodiment, since the airgel component takes various forms and exists between silica particles and the like, it is presumed that flexibility is imparted to the skeleton of the composite.
まず、エアロゲル成分とシリカ粒子等との複合化態様としては、不定形のエアロゲル成分がシリカ粒子等の間に介在する態様が挙げられる。このような態様としては、具体的には、例えばシリカ粒子等が膜状のエアロゲル成分(シリコーン)により被覆された態様(エアロゲル成分がシリカ粒子等を内包する態様)、エアロゲル成分がバインダーとなりシリカ粒子等同士が連結された態様、エアロゲル成分が複数のシリカ粒子等の間隙を充填している態様、これらの態様の組み合わせの態様(クラスター状に並んだシリカ粒子等がエアロゲル成分により被覆された態様等)、など様々な態様が挙げられる。このように、本実施形態においてエアロゲル複合体は、三次元網目骨格がシリカ粒子及び金属酸化物粒子とエアロゲル成分(シリコーン)とから構成されることができ、その具体的態様(形態)に特に制限はない。 First, as a composite aspect of an airgel component and silica particles, an aspect in which an amorphous airgel component is interposed between silica particles and the like can be mentioned. As such an embodiment, specifically, for example, an embodiment in which silica particles or the like are coated with a film-like airgel component (silicone) (an embodiment in which the airgel component encloses silica particles or the like), an airgel component serves as a binder and silica particles A mode in which the airgel component is filled with a plurality of gaps such as silica particles, a mode in which these modes are combined (a mode in which silica particles arranged in a cluster are covered with the airgel component, etc. ), And the like. As described above, in the present embodiment, the airgel composite has a three-dimensional network skeleton that can be composed of silica particles, metal oxide particles, and an airgel component (silicone), and is particularly limited in its specific mode (form). There is no.
一方、後述するように、本実施形態においてエアロゲル成分は、不定形ではなく図1のように明確な粒子状となってシリカ粒子等と複合化していてもよい。 On the other hand, as will be described later, in the present embodiment, the airgel component may be in the form of a clear particle as shown in FIG.
本実施形態のエアロゲル複合体においてこのような様々な態様が生じるメカニズムは必ずしも定かではないが、本発明者は、ゲル化工程におけるエアロゲル成分の生成速度が関与していると推察している。例えば、シリカ粒子のシラノール基数を変動させることによってエアロゲル成分の生成速度が変動する傾向がある。また、系のpHを変動させることによってもエアロゲル成分の生成速度が変動する傾向がある。 Although the mechanism by which such various aspects occur in the airgel composite of the present embodiment is not necessarily clear, the present inventor presumes that the generation rate of the airgel component in the gelation process is involved. For example, the production speed of the airgel component tends to vary by varying the number of silanol groups in the silica particles. Further, the production rate of the airgel component also tends to fluctuate by changing the pH of the system.
このことは、例えばシリカ粒子のサイズ、形状、シラノール基数、系のpH等を調整することにより、エアロゲル複合体の態様(三次元網目骨格のサイズ、形状等)を制御できることを示唆する。したがって、エアロゲル複合体の密度、気孔率等の制御が可能となり、エアロゲル複合体の断熱性と柔軟性を制御することができると考えられる。なお、エアロゲル複合体の三次元網目骨格は、上述した様々な態様の一種類のみから構成されていてもよいし、二種以上の態様から構成されていてもよい。 This suggests that the aspect of the airgel composite (size, shape, etc. of the three-dimensional network skeleton) can be controlled by adjusting the size, shape, silanol group number, system pH, etc. of the silica particles, for example. Therefore, it is considered that the density, porosity, etc. of the airgel composite can be controlled, and the heat insulating property and flexibility of the airgel composite can be controlled. In addition, the three-dimensional network skeleton of the airgel composite may be composed of only one kind of the various aspects described above, or may be composed of two or more kinds of aspects.
以下、図1を例にとり、本実施形態のエアロゲル複合体について説明するが、上述のとおり本発明は図1の態様に限定されるものではない。ただし、上記いずれの態様にも共通する事項(シリカ粒子等の種類、サイズ、含有量等)については、以下の記載を適宜参照することができる。 Hereinafter, the airgel composite of the present embodiment will be described using FIG. 1 as an example, but the present invention is not limited to the embodiment of FIG. 1 as described above. However, for matters common to any of the above-described aspects (type, size, content, etc. of silica particles and the like), the following descriptions can be referred to as appropriate.
図1は、本発明の一実施形態に係るエアロゲル複合体の微細構造を模式的に表す図である。図1に示されるように、エアロゲル複合体10は、エアロゲル成分であるエアロゲル粒子1が部分的にシリカ粒子2及び金属酸化物粒子4を介して三次元的にランダムに連なることにより形成される三次元網目骨格と、当該骨格に囲まれた細孔3とを有する。この際、シリカ粒子2及び金属酸化物粒子4はエアロゲル粒子1間に介在し、三次元網目骨格を支持する骨格支持体として機能していると推察される。したがって、このような構造を有することにより、エアロゲルとしての断熱性及び柔軟性を維持しつつ、適度な強度がエアロゲルに付与されることになると考えられる。なお、本実施形態においては、エアロゲル複合体は、シリカ粒子及び金属酸化物粒子がエアロゲル粒子を介して三次元的にランダムに連なることにより形成される三次元網目骨格を有していてもよい。また、シリカ粒子及び金属酸化物粒子はエアロゲル粒子により被覆されていてもよい。なお、上記エアロゲル粒子(エアロゲル成分)はシリコーンから構成されるため、シリカ粒子への親和性が高いと推察される。そのため、本実施形態においてはエアロゲルの三次元網目骨格中にシリカ粒子を導入することに成功したと考えられる。この点においては、シリカ粒子のシラノール基も、両者の親和性に寄与していると考えられる。 FIG. 1 is a diagram schematically showing the fine structure of an airgel composite according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the airgel composite 10 has a tertiary structure formed by airgel particles 1, which are airgel components, partially linked in a three-dimensional manner through silica particles 2 and metal oxide particles 4. It has an original mesh skeleton and pores 3 surrounded by the skeleton. At this time, it is assumed that the silica particles 2 and the metal oxide particles 4 are interposed between the airgel particles 1 and function as a skeleton support that supports the three-dimensional network skeleton. Therefore, it is thought that by having such a structure, moderate strength is imparted to the airgel while maintaining the heat insulation and flexibility as the airgel. In the present embodiment, the airgel composite may have a three-dimensional network skeleton formed by three-dimensionally connecting silica particles and metal oxide particles via airgel particles. Silica particles and metal oxide particles may be coated with airgel particles. In addition, since the said airgel particle (aerogel component) is comprised from silicone, it is guessed that the affinity to a silica particle is high. Therefore, in this embodiment, it is considered that the silica particles were successfully introduced into the three-dimensional network skeleton of the airgel. In this respect, it is considered that the silanol groups of the silica particles also contribute to the affinity between them.
エアロゲル粒子1は、複数の一次粒子から構成される二次粒子の態様を取っていると考えられており、概ね球状である。エアロゲル粒子1の平均粒子径(すなわち二次粒子径)は2nm〜50μmとすることができるが、5nm〜2μmであってもよく、又は10nm〜200nmであってもよい。エアロゲル粒子1の平均粒子径が2nm以上であることにより、柔軟性に優れるエアロゲル複合体が得易くなり、一方平均粒子径が50μm以下であることにより、微細な孔の形成が可能になり、高い気孔率のエアロゲル複合体が得易くなる。なお、エアロゲル粒子1を構成する一次粒子の平均粒子径は、低密度の多孔質構造の2次粒子を形成し易いという観点から、0.1nm〜5μmとすることができるが、0.5nm〜200nmであってもよく、又は1nm〜20nmであってもよい。 The airgel particle 1 is considered to be in the form of secondary particles composed of a plurality of primary particles, and is generally spherical. The average particle size (that is, the secondary particle size) of the airgel particles 1 can be 2 nm to 50 μm, but may be 5 nm to 2 μm, or 10 nm to 200 nm. When the airgel particle 1 has an average particle diameter of 2 nm or more, an airgel composite having excellent flexibility can be easily obtained. On the other hand, when the average particle diameter is 50 μm or less, fine pores can be formed, which is high. It becomes easy to obtain an airgel composite having a porosity. The average particle diameter of the primary particles constituting the airgel particles 1 can be 0.1 nm to 5 μm from the viewpoint of easily forming secondary particles having a low-density porous structure. It may be 200 nm, or 1 nm to 20 nm.
シリカ粒子2の表面構造は特に制限されず、表面に存在するシラノール基を修飾していない粒子、シラノール基をカチオン基、アニオン基、ノニオン基等で修飾したシリカ粒子、又は、シラノール基をアルコキシ基、ヒドロキシアルキル基に置換したシリカ粒子を使用することもできる。 The surface structure of the silica particle 2 is not particularly limited, and the particle in which the silanol group present on the surface is not modified, the silica particle in which the silanol group is modified with a cation group, an anion group, nonionic group, or the like, or the silanol group is an alkoxy group Silica particles substituted with a hydroxyalkyl group can also be used.
エアロゲルを作製する際に用いるシリカ粒子の形態は、特に制限されないが、例えば、溶融シリカ粒子、ヒュームドシリカ粒子及びコロイダルシリカ粒子からなる群より選択される少なくとも一種が挙げられる。 The form of the silica particles used for producing the airgel is not particularly limited, and examples thereof include at least one selected from the group consisting of fused silica particles, fumed silica particles, and colloidal silica particles.
前記シリカ粒子がコロイダルシリカの場合、スラリーのpHは8.0以下であるとよい。これにより、エアロゲルを作製する際にゲル化反応の制御が容易になる。 When the silica particles are colloidal silica, the pH of the slurry is preferably 8.0 or less. This facilitates control of the gelation reaction when producing the airgel.
前記コロイダルシリカが分散された溶媒としては、特に制限なく用いることができる。例えば、水、アルコール、ヘキサン、ベンゼン、トルエン等が挙げられる。 The solvent in which the colloidal silica is dispersed can be used without particular limitation. For example, water, alcohol, hexane, benzene, toluene and the like can be mentioned.
シリカ粒子2の形状は特に制限されず、球状、まゆ型、会合型等が挙げられる。これらのうち、シリカ粒子2として球状の粒子を用いることにより、ゾル中での凝集を抑制し易くなる。シリカ粒子2の平均一次粒子径は1〜500nmとすることができるが、5〜300nmであってもよく、又は20〜100nmであってもよい。シリカ粒子2の平均一次粒子径が1nm以上であることにより、適度な強度をエアロゲルに付与し易くなり、乾燥時の耐収縮性に優れるエアロゲル複合体が得易くなる。一方、平均一次粒子径が500nm以下であることにより、粒子の沈降が抑制され、均一に系内へ分散し易くなる。 The shape of the silica particle 2 is not particularly limited, and examples thereof include a spherical shape, an eyebrows type, and an association type. Of these, the use of spherical particles as the silica particles 2 makes it easy to suppress aggregation in the sol. The average primary particle diameter of the silica particles 2 can be 1 to 500 nm, but may be 5 to 300 nm, or 20 to 100 nm. When the average primary particle diameter of the silica particles 2 is 1 nm or more, it becomes easy to impart an appropriate strength to the airgel, and an airgel composite having excellent shrinkage resistance during drying is easily obtained. On the other hand, when the average primary particle diameter is 500 nm or less, sedimentation of the particles is suppressed and it becomes easy to disperse uniformly in the system.
エアロゲル粒子1(エアロゲル成分)とシリカ粒子2とは、水素結合及び/又は化学結合の態様を取って結合していると推測される。この際、水素結合及び/又は化学結合は、エアロゲル粒子1(エアロゲル成分)のシラノール基及び/又は反応性基と、シリカ粒子2のシラノール基により形成されると考えられる。そのため、結合の態様が化学結合であると、適度な強度をエアロゲルに付与し易いと考えられる。このことから考えると、エアロゲル成分と複合化させる粒子として、シリカ粒子に限らず、粒子表面にシラノール基を有する無機粒子又は有機粒子も用いることができる。 It is presumed that the airgel particle 1 (aerogel component) and the silica particle 2 are bonded in the form of hydrogen bonding and / or chemical bonding. At this time, hydrogen bonds and / or chemical bonds are considered to be formed by the silanol groups and / or reactive groups of the airgel particles 1 (aerogel components) and the silanol groups of the silica particles 2. Therefore, it is thought that moderate strength is easily imparted to the airgel when the bonding mode is chemical bonding. Considering this, the particles to be combined with the airgel component are not limited to silica particles, and inorganic particles or organic particles having a silanol group on the particle surface can also be used.
シリカ粒子2の1g当りのシラノール基数は、10×1018〜1000×1018個/gとすることができるが、50×1018〜800×1018個/gであってもよく、又は100×1018〜700×1018個/gであってもよい。シリカ粒子2の1g当りのシラノール基数が10×1018個/g以上であることにより、エアロゲル粒子1(エアロゲル成分)とのより良好な反応性を有することができ、耐収縮性に優れるエアロゲル複合体を得易くなる。一方、シラノール基数が1000×1018個/g以下であることにより、ゾル作製時における急なゲル化を抑制し易くなり、均質なエアロゲル複合体が得易くなる。 The number of silanol groups per gram of silica particles 2 can be 10 × 10 18 to 1000 × 10 18 pcs / g, but may be 50 × 10 18 to 800 × 10 18 pcs / g, or 100 × 10 18 ~700 may be a × 10 18 cells / g. The number of silanol groups per gram of silica particles 2 is 10 × 10 18 pieces / g or more, so that the airgel composite can have better reactivity with the airgel particles 1 (airgel component) and has excellent shrinkage resistance. It becomes easy to obtain a body. On the other hand, when the number of silanol groups is 1000 × 10 18 / g or less, it is easy to suppress abrupt gelation at the time of sol preparation, and it becomes easy to obtain a homogeneous airgel composite.
本実施形態において、粒子の平均粒子径(エアロゲル粒子の平均二次粒子径及びシリカ粒子の平均一次粒子径)は、走査型電子顕微鏡(以下「SEM」と略記する。)を用いてエアロゲル複合体の断面を直接観察することにより得ることができる。例えば、三次元網目骨格からは、その断面の直径に基づきエアロゲル粒子又はシリカ粒子個々の粒子径を得ることができる。ここでいう直径とは、三次元網目骨格を形成する骨格の断面を円とみなした場合の直径を意味する。また、断面を円とみなした場合の直径とは、断面の面積を同じ面積の円に置き換えたときの当該円の直径のことである。なお、平均粒子径の算出に当たっては、100個の粒子について円の直径を求め、その平均を取るものとする。 In the present embodiment, the average particle size of the particles (the average secondary particle size of the airgel particles and the average primary particle size of the silica particles) is measured using a scanning electron microscope (hereinafter abbreviated as “SEM”). It can be obtained by directly observing the cross section of. For example, the particle diameter of each airgel particle or silica particle can be obtained from the three-dimensional network skeleton based on the diameter of the cross section. The diameter here means the diameter when the cross section of the skeleton forming the three-dimensional network skeleton is regarded as a circle. The diameter when the cross section is regarded as a circle is the diameter of the circle when the area of the cross section is replaced with a circle having the same area. In calculating the average particle diameter, the diameter of a circle is obtained for 100 particles, and the average is taken.
なお、シリカ粒子については原料から平均粒子径を測定することが可能である。例えば、二軸平均一次粒子径は、任意の粒子20個をSEMにより観察した結果から、次のようにして算出される。すなわち、通常水に分散している固形分濃度5〜40質量%のコロイダルシリカ粒子を例にすると、コロイダルシリカ粒子の分散液にパターン配線付きウエハを2cm角に切ったチップを約30秒浸した後、当該チップを純水にて約30秒間すすぎ、窒素ブロー乾燥する。その後、チップをSEM観察用の試料台に載せ、加速電圧10kVを掛け、10万倍の倍率にて中空シリカ粒子を観察し、画像を撮影する。得られた画像から20個のシリカ粒子を任意に選択し、それらの粒子の粒子径の平均を平均粒子径とする。この際、選択したシリカ粒子が図2に示すような形状であった場合、シリカ粒子2に外接し、その長辺が最も長くなるように配置した長方形(外接長方形L)を導く。そして、その外接長方形Lの長辺をX、短辺をYとして、(X+Y)/2として二軸平均一次粒子径を算出し、その粒子の粒子径とする。 In addition, about a silica particle, it is possible to measure an average particle diameter from a raw material. For example, the biaxial average primary particle diameter is calculated as follows from the result of observing 20 arbitrary particles by SEM. That is, in the case of colloidal silica particles having a solid content concentration of 5 to 40% by mass normally dispersed in water, for example, a chip with a 2 cm square wafer with a pattern wiring immersed in a dispersion of colloidal silica particles for about 30 seconds. Thereafter, the chip is rinsed with pure water for about 30 seconds and blown with nitrogen. Thereafter, the chip is placed on a sample stage for SEM observation, an acceleration voltage of 10 kV is applied, the hollow silica particles are observed at a magnification of 100,000, and an image is taken. 20 silica particles are arbitrarily selected from the obtained image, and the average of the particle diameters of these particles is defined as the average particle diameter. At this time, when the selected silica particle has a shape as shown in FIG. 2, a rectangle (circumscribed rectangle L) circumscribing the silica particle 2 and arranged so that the long side is the longest is led. And the long side of the circumscribed rectangle L is X, the short side is Y, and the biaxial average primary particle diameter is calculated as (X + Y) / 2, and is defined as the particle diameter of the particle.
エアロゲル複合体に含まれるエアロゲル成分の含有量は、エアロゲル複合体の総量100質量部に対し、4〜25質量部とすることができるが、10〜20質量部であってもよい。含有量が4質量部以上であることにより適度な強度を付与し易くなり、25質量部以下であることにより反応を制御し易くなる。 Although content of the airgel component contained in an airgel composite can be 4-25 mass parts with respect to 100 mass parts of total amounts of an airgel composite, 10-20 mass parts may be sufficient. When the content is 4 parts by mass or more, an appropriate strength is easily imparted, and when the content is 25 parts by mass or less, the reaction is easily controlled.
エアロゲル複合体に含まれるシリカ粒子の含有量は、エアロゲル複合体の総量100質量部に対し、1〜25質量部とすることができるが、3〜15質量部であってもよい。含有量が1質量部以上であることにより適度な強度をエアロゲル複合体に付与し易くなり、25質量部以下であることによりエアロゲルを作製する際にゲル化反応の制御が容易になる。 Although content of the silica particle contained in an airgel composite can be 1-25 mass parts with respect to 100 mass parts of total amounts of an airgel composite, 3-15 mass parts may be sufficient. When the content is 1 part by mass or more, an appropriate strength is easily imparted to the airgel composite, and when the content is 25 parts by mass or less, the gelation reaction can be easily controlled when producing the airgel.
本発明のエアロゲル複合体は、これらエアロゲル成分及びシリカ粒子2の他に、化学的・物理的特性の付与を目的として、金属酸化物粒子4をさらに含んでいる。例えば、金属酸化物粒子4としては、紫外線遮蔽性の付与を目的として、酸化セリウム粒子、酸化チタン粒子及び酸化亜鉛粒子からなる群より選択される少なくとも一種をさらに含むことができる。本実施形態のエアロゲル複合体においてこのような様々な態様が生じるメカニズムは必ずしも定かではないが、本発明者は、これら金属酸化物粒子4は水中では水和が起こり、表面が水酸基(−OH)で覆われるため、シリカ粒子2表面のシラノール基と反応し、脱水縮合反応が起きている可能性を考えている。 The airgel composite of the present invention further includes metal oxide particles 4 for the purpose of imparting chemical and physical properties in addition to the airgel component and the silica particles 2. For example, the metal oxide particles 4 may further include at least one selected from the group consisting of cerium oxide particles, titanium oxide particles, and zinc oxide particles for the purpose of imparting ultraviolet shielding properties. Although the mechanism by which such various aspects occur in the airgel composite of the present embodiment is not necessarily clear, the present inventors have found that these metal oxide particles 4 are hydrated in water and the surface is a hydroxyl group (—OH). Therefore, it is considered that the dehydration condensation reaction may occur due to the reaction with the silanol groups on the surface of the silica particles 2.
エアロゲル複合体に含まれる金属酸化物粒子の含有量は、エアロゲル複合体の総量100質量部に対し、1〜25質量部とすることができるが、3〜15質量部であってもよい。含有量が1質量部以上であることにより適度な化学的・物理的特性(例えば紫外線遮蔽性)をエアロゲル複合体に付与し易くなり、25質量部以下であることにより粒子間の凝集を抑制できる。 Although content of the metal oxide particle contained in an airgel composite can be 1-25 mass parts with respect to 100 mass parts of total amounts of an airgel composite, 3-15 mass parts may be sufficient. When the content is 1 part by mass or more, appropriate chemical / physical properties (for example, ultraviolet shielding) can be easily imparted to the airgel composite, and when the content is 25 parts by mass or less, aggregation between particles can be suppressed. .
前記金属酸化物粒子がコロイダル粒子の場合、スラリーのpHは8.0以下であるとよい。これにより、エアロゲルを作製する際にゲル化反応の制御が容易になる。 When the metal oxide particles are colloidal particles, the pH of the slurry is preferably 8.0 or less. This facilitates control of the gelation reaction when producing the airgel.
前記金属酸化物粒子が分散された溶媒としては、特に制限なく用いることができる。例えば、水、アルコール、ヘキサン、ベンゼン、トルエン等が挙げられる。 The solvent in which the metal oxide particles are dispersed can be used without particular limitation. For example, water, alcohol, hexane, benzene, toluene and the like can be mentioned.
金属酸化物粒子4の形状は特に制限されず、球状、まゆ型、会合型等が挙げられる。これらのうち、金属酸化物粒子4として球状の粒子を用いることにより、ゾル中での凝集を抑制し易くなる。金属酸化物粒子4の平均一次粒子径は1〜500nmとすることができるが、5〜250nmであってもよく、又は10〜100nmであってもよい。金属酸化物粒子4の平均一次粒子径が1nm以上であることにより、適度な強度をエアロゲルに付与し易くなり、乾燥時の耐収縮性に優れるエアロゲル複合体が得易くなる。一方、平均一次粒子径が500nm以下であることにより、粒子の沈降が抑制され、均一に系内へ分散し易くなる。なお、金属酸化物粒子に関しても、上述のようにシリカ粒子を測定する場合と同様の手法で平均粒子径を測定することが可能である。 The shape of the metal oxide particles 4 is not particularly limited, and examples thereof include a spherical shape, an eyebrows type, and an association type. Of these, the use of spherical particles as the metal oxide particles 4 makes it easy to suppress aggregation in the sol. The average primary particle diameter of the metal oxide particles 4 can be 1 to 500 nm, but may be 5 to 250 nm, or 10 to 100 nm. When the average primary particle diameter of the metal oxide particles 4 is 1 nm or more, an appropriate strength is easily imparted to the airgel, and an airgel composite having excellent shrinkage resistance during drying is easily obtained. On the other hand, when the average primary particle diameter is 500 nm or less, sedimentation of the particles is suppressed and it becomes easy to disperse uniformly in the system. As for the metal oxide particles, the average particle diameter can be measured by the same method as that for measuring silica particles as described above.
[圧縮弾性率]
本実施形態のエアロゲル複合体において、25℃における圧縮弾性率は3MPa以下とすることができるが、2MPa以下であってもよく、1MPa以下であってもよく、又は0.5MPa以下であってもよい。圧縮弾性率が3MPa以下であることにより、取り扱い性が優れるエアロゲル複合体とし易くなる。なお、圧縮弾性率の下限値は特に限定されないが、例えば0.05MPaとすることができる。
[Compressive modulus]
In the airgel composite of the present embodiment, the compression modulus at 25 ° C. can be 3 MPa or less, but may be 2 MPa or less, 1 MPa or less, or 0.5 MPa or less. Good. When the compression elastic modulus is 3 MPa or less, it becomes easy to obtain an airgel composite having excellent handleability. In addition, the lower limit value of the compression elastic modulus is not particularly limited, but may be 0.05 MPa, for example.
圧縮弾性率は、小型卓上試験機「EZTest」(株式会社島津製作所製、製品名)を用いて測定することができる。小型卓上試験機を用いた圧縮弾性率の測定方法の概要は次の通りである。 The compression elastic modulus can be measured using a small desktop testing machine “EZTest” (manufactured by Shimadzu Corporation, product name). The outline of the measurement method of the compressive elastic modulus using a small desktop testing machine is as follows.
(測定サンプルの準備)
刃角約20〜25度の刃を用いて、エアロゲル複合体を7.0mm角の立方体(サイコロ状)に加工し、測定サンプルとする。次に、面の平行を確保するために、必要に応じて#1500以上の紙やすりで測定サンプルを整形する。そして、測定前に、定温乾燥機「DVS402」(ヤマト科学株式会社製、製品名)を用いて、大気圧下、100℃で30分間、測定サンプルを乾燥する。次いで測定サンプルをデシケータ中に移し、25℃まで冷却する。これにより、圧縮弾性率測定用の測定サンプルを得る。
(Preparation of measurement sample)
Using a blade with a blade angle of about 20 to 25 degrees, the airgel composite is processed into a 7.0 mm square cube (die shape) to obtain a measurement sample. Next, in order to ensure parallelism of the surface, the measurement sample is shaped with a sandpaper of # 1500 or more as necessary. Before measurement, the measurement sample is dried at 100 ° C. for 30 minutes under atmospheric pressure using a constant temperature dryer “DVS402” (manufactured by Yamato Scientific Co., Ltd., product name). The measurement sample is then transferred into a desiccator and cooled to 25 ° C. Thereby, a measurement sample for measuring the compression modulus is obtained.
(測定方法)
500Nのロードセルを使用する。また、ステンレス製の上圧盤(φ20mm)、下圧盤(φ118mm)を圧縮測定用冶具として用いる。測定サンプルをこれら冶具の間にセットし、1mm/minの速度で圧縮を行い、25℃における測定サンプルサイズの変位等を測定する。測定は、500N超の負荷をかけた時点又は測定サンプルが破壊した時点で終了とする。ここで、圧縮ひずみεは次式より求めることができる。
ε=Δd/d1
式中、Δdは負荷による測定サンプルの厚みの変位(mm)を示し、d1は負荷をかける前の測定サンプルの厚み(mm)を示す。
また、圧縮応力σ(MPa)は、次式より求めることができる。
σ=F/A
式中、Fは圧縮力(N)を示し、Aは負荷をかける前の測定サンプルの断面積(mm2)を示す。
(Measuring method)
A 500N load cell is used. A stainless upper platen (φ20 mm) and a lower platen plate (φ118 mm) are used as a compression measurement jig. A measurement sample is set between these jigs, compressed at a speed of 1 mm / min, and the displacement of the measurement sample size at 25 ° C. is measured. The measurement is terminated when a load exceeding 500 N is applied or when the measurement sample is destroyed. Here, the compressive strain ε can be obtained from the following equation.
ε = Δd / d1
In the formula, Δd represents the displacement (mm) of the thickness of the measurement sample due to the load, and d1 represents the thickness (mm) of the measurement sample before the load is applied.
The compressive stress σ (MPa) can be obtained from the following equation.
σ = F / A
In the formula, F represents the compressive force (N), and A represents the cross-sectional area (mm 2 ) of the measurement sample before applying a load.
圧縮弾性率E(MPa)は、例えば0.1〜0.2Nの圧縮力範囲において、次式より求めることができる。
E=(σ2−σ1)/(ε2−ε1)
式中、σ1は圧縮力が0.1Nにおいて測定される圧縮応力(MPa)を示し、σ2は圧縮力が0.2Nにおいて測定される圧縮応力(MPa)を示し、ε1は圧縮応力σ1において測定される圧縮ひずみを示し、ε2は圧縮応力σ2において測定される圧縮ひずみを示す。
The compression elastic modulus E (MPa) can be obtained from the following equation in a compression force range of 0.1 to 0.2 N, for example.
E = (σ 2 −σ 1 ) / (ε 2 −ε 1 )
In the formula, σ 1 indicates a compressive stress (MPa) measured at a compressive force of 0.1 N, σ 2 indicates a compressive stress (MPa) measured at a compressive force of 0.2 N, and ε 1 indicates a compressive stress. The compressive strain measured at σ 1 is shown, and ε 2 shows the compressive strain measured at the compressive stress σ 2 .
なお、この圧縮弾性率は、後述するエアロゲル複合体の製造条件、原料等を変更することにより適宜調整することができる。 In addition, this compression elastic modulus can be suitably adjusted by changing the manufacturing conditions, raw material, etc. of the airgel composite mentioned later.
<エアロゲル成分の具体的態様>
本実施形態のエアロゲル複合体におけるエアロゲル成分としては、以下の態様が挙げられる。これらの態様を採用することにより、エアロゲル複合体の断熱性及び柔軟性を所望の水準に制御することが容易となる。ただし、これらの態様の各々を採用することは、必ずしも本実施形態にて規定するエアロゲル複合体を得ることが目的ではない。各々の態様を採用することで、各々の態様に応じた圧縮弾性率を有するエアロゲル複合体を得ることができる。したがって、用途に応じた断熱性及び柔軟性を有するエアロゲル複合体を提供することができる。
<Specific embodiment of airgel component>
The following aspects are mentioned as an airgel component in the airgel composite of this embodiment. By adopting these aspects, it becomes easy to control the heat insulating property and flexibility of the airgel composite to a desired level. However, adopting each of these aspects is not necessarily the purpose of obtaining the airgel composite defined in the present embodiment. By employ | adopting each aspect, the airgel composite which has a compression elastic modulus according to each aspect can be obtained. Therefore, the airgel composite which has the heat insulation according to a use and a softness | flexibility can be provided.
(第一の態様)
本実施形態のエアロゲル複合体は、下記一般式(1)で表される構造を有することができる。
The airgel composite of this embodiment can have a structure represented by the following general formula (1).
式(1)中、R1及びR2はそれぞれ独立にアルキル基又はアリール基を示し、R3及びR4はそれぞれ独立にアルキレン基を示す。ここで、アリール基としてはフェニル基、置換フェニル基等が挙げられる。なお、置換フェニル基の置換基としては、例えばアルキル基、ビニル基、メルカプト基、アミノ基、ニトロ基、シアノ基等が挙げられる。 In formula (1), R 1 and R 2 each independently represent an alkyl group or an aryl group, and R 3 and R 4 each independently represent an alkylene group. Here, examples of the aryl group include a phenyl group and a substituted phenyl group. In addition, as a substituent of a substituted phenyl group, an alkyl group, a vinyl group, a mercapto group, an amino group, a nitro group, a cyano group etc. are mentioned, for example.
上記の構造をエアロゲル成分としてエアロゲル複合体の骨格中に導入することにより、柔軟なエアロゲル複合体となる。このような観点から、式(1)中、R1及びR2としてはそれぞれ独立に炭素数が1〜6のアルキル基、フェニル基等が挙げられ、当該アルキル基としてはメチル基等が挙げられる。また、式(1)中、R3及びR4としてはそれぞれ独立に炭素数が1〜6のアルキレン基等が挙げられ、当該アルキレン基としてはエチレン基、プロピレン基等が挙げられる。 By introducing the above structure as an airgel component into the skeleton of the airgel composite, a flexible airgel composite is obtained. From such a viewpoint, in formula (1), R 1 and R 2 are each independently an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, a phenyl group, or the like, and the alkyl group is a methyl group or the like. . In formula (1), R 3 and R 4 each independently include an alkylene group having 1 to 6 carbon atoms, and examples of the alkylene group include an ethylene group and a propylene group.
(第二の態様)
本実施形態のエアロゲル複合体は、支柱部及び橋かけ部を備えるラダー型構造を有するエアロゲル複合体であり、かつ橋かけ部が下記一般式(2)で表される構造を有するエアロゲル複合体であってもよい。このようなラダー型構造をエアロゲル成分としてエアロゲル複合体の骨格中に導入することにより、耐熱性と機械的強度を向上させることができる。なお、本実施形態において「ラダー型構造」とは、2本の支柱部(struts)と支柱部同士を連結する橋かけ部(bridges)とを有するもの(いわゆる「梯子」の形態を有するもの)である。本態様において、エアロゲル複合体の骨格がラダー型構造からなっていてもよいが、エアロゲル複合体が部分的にラダー型構造を有していてもよい。
The airgel composite of the present embodiment is an airgel composite having a ladder type structure including a support portion and a bridge portion, and the airgel composite having a structure in which the bridge portion is represented by the following general formula (2). There may be. By introducing such a ladder structure as an airgel component into the skeleton of the airgel composite, heat resistance and mechanical strength can be improved. In this embodiment, the “ladder structure” has two struts and bridges connecting the struts (having a so-called “ladder” form). It is. In this embodiment, the skeleton of the airgel composite may have a ladder structure, but the airgel composite may partially have a ladder structure.
式(2)中、R6及びR7はそれぞれ独立にアルキル基又はアリール基を示し、bは1〜50の整数を示す。ここで、アリール基としてはフェニル基、置換フェニル基等が挙げられる。また、置換フェニル基の置換基としては、例えばアルキル基、ビニル基、メルカプト基、アミノ基、ニトロ基、シアノ基等が挙げられる。なお、式(2)中、bが2以上の整数の場合、2個以上のR6は各々同一であっても異なっていてもよく、同様に2個以上のR7も各々同一であっても異なっていてもよい。 In formula (2), R 6 and R 7 each independently represent an alkyl group or an aryl group, and b represents an integer of 1 to 50. Here, examples of the aryl group include a phenyl group and a substituted phenyl group. Moreover, as a substituent of a substituted phenyl group, an alkyl group, a vinyl group, a mercapto group, an amino group, a nitro group, a cyano group etc. are mentioned, for example. In formula (2), when b is an integer of 2 or more, two or more R 6 s may be the same or different, and similarly two or more R 7 s are each the same. May be different.
上記の構造をエアロゲル成分としてエアロゲル複合体の骨格中に導入することにより、例えば、従来のラダー型シルセスキオキサンに由来する構造を有する(すなわち、下記一般式(X)で表される構造を有する)エアロゲルよりも優れた柔軟性を有するエアロゲル複合体となる。なお、下記一般式(X)にて示すように、従来のラダー型シルセスキオキサンに由来する構造を有するエアロゲルでは、橋かけ部の構造が−O−であるが、本実施形態のエアロゲル複合体では、橋かけ部の構造が上記一般式(2)で表される構造(ポリシロキサン構造)である。
式(X)中、Rはヒドロキシ基、アルキル基又はアリール基を示す。 In formula (X), R represents a hydroxy group, an alkyl group or an aryl group.
支柱部となる構造及びその鎖長、並びに橋かけ部となる構造の間隔は特に限定されないが、耐熱性と機械的強度とをより向上させるという観点から、ラダー型構造としては、下記一般式(3)で表される構造を有していてもよい。
式(3)中、R5、R6、R7及びR8はそれぞれ独立にアルキル基又はアリール基を示し、a及びcはそれぞれ独立に1〜3000の整数を示し、bは1〜50の整数を示す。ここで、アリール基としてはフェニル基、置換フェニル基等が挙げられる。また、置換フェニル基の置換基としては、例えばアルキル基、ビニル基、メルカプト基、アミノ基、ニトロ基、シアノ基等が挙げられる。なお、式(3)中、bが2以上の整数の場合、2個以上のR6は各々同一であっても異なっていてもよく、同様に2個以上のR7も各々同一であっても異なっていてもよい。また、式(3)中、aが2以上の整数の場合、2個以上のR5は各々同一であっても異なっていてもよく、同様にcが2以上の整数の場合、2個以上のR8は各々同一であっても異なっていてもよい。 In formula (3), R 5 , R 6 , R 7 and R 8 each independently represent an alkyl group or an aryl group, a and c each independently represent an integer of 1 to 3000, and b is 1 to 50 Indicates an integer. Here, examples of the aryl group include a phenyl group and a substituted phenyl group. Moreover, as a substituent of a substituted phenyl group, an alkyl group, a vinyl group, a mercapto group, an amino group, a nitro group, a cyano group etc. are mentioned, for example. In formula (3), when b is an integer of 2 or more, two or more R 6 s may be the same or different, and similarly two or more R 7 s are each the same. May be different. In Formula (3), when a is an integer of 2 or more, two or more R 5 s may be the same or different. Similarly, when c is an integer of 2 or more, 2 or more R 8 may be the same or different.
なお、より優れた柔軟性を得る観点から、式(2)及び(3)中、R5、R6、R7及びR8(ただし、R5及びR8は式(3)中のみ)としてはそれぞれ独立に炭素数が1〜6のアルキル基、フェニル基等が挙げられ、当該アルキル基としてはメチル基等が挙げられる。また、式(3)中、a及びcは、それぞれ独立に6〜2000とすることができるが、10〜1000であってもよい。また、式(2)及び(3)中、bは、2〜30とすることができるが、5〜20であってもよい。 From the viewpoint of obtaining more excellent flexibility, in formulas (2) and (3), R 5 , R 6 , R 7 and R 8 (however, R 5 and R 8 are only in formula (3)) Each independently includes an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, a phenyl group, and the like, and examples of the alkyl group include a methyl group. Moreover, in Formula (3), a and c can be independently 6-2000, but 10-1000 may be sufficient. Moreover, in formula (2) and (3), b can be 2-30, but 5-20 may be sufficient.
(第三の態様)
本実施形態のエアロゲル複合体は、シリカ粒子及び金属酸化物粒子と、分子内に加水分解性の官能基を有するシリコン化合物及び該シリコン化合物の加水分解生成物からなる群より選択される少なくとも一種(以下、これらを総称して「シリコン化合物等」という場合がある)と、を含有するゾルから生成された湿潤ゲルを乾燥して得られるものであってもよい。なお、これまで述べてきたエアロゲル複合体も、このように、シリカ粒子及び金属酸化物粒子と、シリコン化合物等を含有するゾルから生成された湿潤ゲルを乾燥することで得られるものであってもよい。
(Third embodiment)
The airgel composite of this embodiment is at least one selected from the group consisting of silica particles and metal oxide particles, a silicon compound having a hydrolyzable functional group in the molecule, and a hydrolysis product of the silicon compound ( Hereinafter, these may be collectively referred to as “silicon compounds and the like”), and may be obtained by drying a wet gel produced from a sol containing the same. The airgel composite described so far may also be obtained by drying a wet gel generated from a sol containing silica particles, metal oxide particles, and a silicon compound. Good.
シリコン化合物における分子内のケイ素数は1又は2とすることができる。分子内に加水分解性の官能基を有するシリコン化合物としては、特に限定されないが、例えば、アルキルケイ素アルコキシドが挙げられる。アルキルケイ素アルコキシドは、耐水性を向上する観点から、加水分解性の官能基の数を3個以下とすることができ、具体的には、例えばメチルトリメトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン及びエチルトリメトキシシランが挙げられる。ここで、加水分解性の官能基としては、メトキシ基、エトキシ基等のアルコキシ基などが挙げられる。 The number of silicon atoms in the molecule of the silicon compound can be 1 or 2. Although it does not specifically limit as a silicon compound which has a hydrolyzable functional group in a molecule | numerator, For example, an alkyl silicon alkoxide is mentioned. Alkyl silicon alkoxide can reduce the number of hydrolyzable functional groups to 3 or less from the viewpoint of improving water resistance, and specifically includes, for example, methyltrimethoxysilane, dimethyldimethoxysilane, and ethyltrimethoxysilane. Is mentioned. Here, examples of the hydrolyzable functional group include alkoxy groups such as a methoxy group and an ethoxy group.
また、加水分解性の官能基の数が3個以下であり、分子内に反応性基を有するシリコン化合物であるビニルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシシラン、3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3−メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、N−フェニル−3−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−2−(アミノエチル)−3−アミノプロピルメチルジメトキシシラン等も用いることができる。 Further, the number of hydrolyzable functional groups is 3 or less, and vinyltrimethoxysilane, 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane, and 3-glycidoxypropyl which are silicon compounds having a reactive group in the molecule. Methyldimethoxysilane, 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane, 3-methacryloxypropylmethyldimethoxysilane, 3-acryloxypropyltrimethoxysilane, 3-mercaptopropyltrimethoxysilane, 3-mercaptopropylmethyldimethoxysilane, N- Phenyl-3-aminopropyltrimethoxysilane, N-2- (aminoethyl) -3-aminopropylmethyldimethoxysilane, and the like can also be used.
さらに、分子末端の加水分解性の官能基が3個以下のシリコン化合物であるビストリメトキシシリルメタン、ビストリメトキシシリルエタン、ビストリメトキシシリルヘキサン等も用いることができる。 Further, bistrimethoxysilylmethane, bistrimethoxysilylethane, bistrimethoxysilylhexane, etc., which are silicon compounds having 3 or less hydrolyzable functional groups at the molecular ends can also be used.
これらのシリコン化合物等は、単独で、又は2種類以上を混合して用いてもよい。 These silicon compounds may be used alone or in combination of two or more.
本実施形態のエアロゲル複合体を作製するにあたり、上記のシリコン化合物等を含有するゾルは、分子内に反応性基を有するポリシロキサン化合物及び該ポリシロキサン化合物の加水分解生成物からなる群より選択される少なくとも一種(以下、これらを総称して「ポリシロキサン化合物等」という場合がある)をさらに含有することができる。 In producing the airgel composite of this embodiment, the sol containing the silicon compound or the like is selected from the group consisting of a polysiloxane compound having a reactive group in the molecule and a hydrolysis product of the polysiloxane compound. At least one kind (hereinafter, these may be collectively referred to as “polysiloxane compounds and the like”).
ポリシロキサン化合物等における反応性基は、特に限定されないが、同じ反応性基同士で反応するか、あるいは他の反応性基と反応する基とすることができ、例えば、アルコキシ基、シラノール基、ヒドロキシアルキル基、エポキシ基、ポリエーテル基、メルカプト基、カルボキシル基、フェノール基等が挙げられる。これらの反応性基を有するポリシロキサン化合物は単独で、又は2種類以上を混合して用いてもよい。反応性基としては、例えば、エアロゲル複合体の柔軟性を向上する観点から、アルコキシ基、シラノール基、ヒドロキシアルキル基、ポリエーテル基等が挙げられ、これらのうち、アルコキシ基又はヒドロキシアルキル基はゾルの相溶性をより向上することができる。また、ポリシロキサン化合物の反応性の向上の観点から、アルコキシ基及びヒドロキシアルキル基の炭素数は1〜6とすることができるが、エアロゲル複合体の柔軟性をより向上する観点から2〜4であってもよい。 The reactive group in the polysiloxane compound or the like is not particularly limited, but may be a group that reacts with the same reactive group or a group that reacts with another reactive group. For example, an alkoxy group, a silanol group, a hydroxy group Examples thereof include an alkyl group, an epoxy group, a polyether group, a mercapto group, a carboxyl group, and a phenol group. You may use the polysiloxane compound which has these reactive groups individually or in mixture of 2 or more types. Examples of the reactive group include an alkoxy group, a silanol group, a hydroxyalkyl group, and a polyether group from the viewpoint of improving the flexibility of the airgel composite. Among these, the alkoxy group or the hydroxyalkyl group is a sol. The compatibility can be further improved. Moreover, from a viewpoint of the reactivity improvement of a polysiloxane compound, carbon number of an alkoxy group and a hydroxyalkyl group can be 1-6, but it is 2-4 from a viewpoint which improves the softness | flexibility of an airgel composite more. There may be.
分子内にヒドロキシアルキル基を有するポリシロキサン化合物としては、下記一般式(4)で表される構造を有するものが挙げられる。下記一般式(4)で表される構造を有するポリシロキサン化合物を使用することにより、前記一般式(1)で表される構造をエアロゲル複合体の骨格中に導入することができる。
式(4)中、R9はヒドロキシアルキル基を示し、R10はアルキレン基を示し、R11及びR12はそれぞれ独立にアルキル基又はアリール基を示し、nは1〜50の整数を示す。ここで、アリール基としてはフェニル基、置換フェニル基等が挙げられる。また、置換フェニル基の置換基としては、例えばアルキル基、ビニル基、メルカプト基、アミノ基、ニトロ基、シアノ基等が挙げられる。なお、式(4)中、2個のR9は各々同一であっても異なっていてもよく、同様に2個のR10は各々同一であっても異なっていてもよい。また、式(4)中、2個以上のR11は各々同一であっても異なっていてもよく、同様に2個以上のR12は各々同一であっても異なっていてもよい。 In formula (4), R 9 represents a hydroxyalkyl group, R 10 represents an alkylene group, R 11 and R 12 each independently represents an alkyl group or an aryl group, and n represents an integer of 1 to 50. Here, examples of the aryl group include a phenyl group and a substituted phenyl group. Moreover, as a substituent of a substituted phenyl group, an alkyl group, a vinyl group, a mercapto group, an amino group, a nitro group, a cyano group etc. are mentioned, for example. In the formula (4), two R 9 s may be the same or different from each other, and similarly two R 10 s may be the same or different from each other. In formula (4), two or more R 11 s may be the same or different, and similarly two or more R 12 s may be the same or different.
上記構造のポリシロキサン化合物等を含有するゾルから生成された湿潤ゲルを用いることにより、柔軟なエアロゲル複合体をさらに得やすくなる。このような観点から、式(4)中、R9としては炭素数が1〜6のヒドロキシアルキル基等が挙げられ、当該ヒドロキシアルキル基としてはヒドロキシエチル基、ヒドロキシプロピル基等が挙げられる。また、式(4)中、R10としては炭素数が1〜6のアルキレン基等が挙げられ、当該アルキレン基としてはエチレン基、プロピレン基等が挙げられる。また、式(4)中、R11及びR12としてはそれぞれ独立に炭素数が1〜6のアルキル基、フェニル基等が挙げられ、当該アルキル基としてはメチル基等が挙げられる。また、式(4)中、nは2〜30とすることができるが、5〜20であってもよい。 By using a wet gel generated from a sol containing a polysiloxane compound or the like having the above structure, it becomes easier to obtain a flexible airgel composite. From such a viewpoint, in formula (4), R 9 includes a hydroxyalkyl group having 1 to 6 carbon atoms, and the hydroxyalkyl group includes a hydroxyethyl group, a hydroxypropyl group, and the like. In Formula (4), R 10 includes an alkylene group having 1 to 6 carbon atoms, and examples of the alkylene group include an ethylene group and a propylene group. In formula (4), R 11 and R 12 each independently include an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, a phenyl group, and the like, and examples of the alkyl group include a methyl group. Moreover, in Formula (4), although n can be set to 2-30, 5-20 may be sufficient.
上記一般式(4)で表される構造を有するポリシロキサン化合物としては、市販品を用いることができ、X−22−160AS、KF−6001、KF−6002、KF−6003等の化合物(いずれも、信越化学工業株式会社製)、XF42−B0970、Fluid OFOH 702−4%等の化合物(いずれも、モメンティブ社製)などが挙げられる。 As the polysiloxane compound having the structure represented by the general formula (4), commercially available products can be used, and compounds such as X-22-160AS, KF-6001, KF-6002, KF-6003, etc. , Manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.), XF42-B0970, Fluid OFOH 702-4%, etc. (all manufactured by Momentive).
分子内にアルコキシ基を有するポリシロキサン化合物としては、下記一般式(5)で表される構造を有するものが挙げられる。下記一般式(5)で表される構造を有するポリシロキサン化合物を使用することにより、前記一般式(2)で表される橋かけ部を有するラダー型構造をエアロゲル複合体の骨格中に導入することができる。
式(5)中、R14はアルキル基又はアルコキシ基を示し、R15及びR16はそれぞれ独立にアルコキシ基を示し、R17及びR18はそれぞれ独立にアルキル基又はアリール基を示し、mは1〜50の整数を示す。ここで、アリール基としてはフェニル基、置換フェニル基等が挙げられる。また、置換フェニル基の置換基としては、例えばアルキル基、ビニル基、メルカプト基、アミノ基、ニトロ基、シアノ基等が挙げられる。なお、式(5)中、2個のR14は各々同一であっても異なっていてもよく、2個のR15は各々同一であっても異なっていてもよく、同様に2個のR16は各々同一であっても異なっていてもよい。また、式(5)中、mが2以上の整数の場合、2個以上のR17は各々同一であっても異なっていてもよく、同様に2個以上のR18も各々同一であっても異なっていてもよい。 In the formula (5), R 14 represents an alkyl group or an alkoxy group, R 15 and R 16 each independently represent an alkoxy group, R 17 and R 18 each independently represent an alkyl group or an aryl group, and m is An integer of 1 to 50 is shown. Here, examples of the aryl group include a phenyl group and a substituted phenyl group. Moreover, as a substituent of a substituted phenyl group, an alkyl group, a vinyl group, a mercapto group, an amino group, a nitro group, a cyano group etc. are mentioned, for example. In the formula (5), two R 14 s may be the same or different, and two R 15 s may be the same or different. Similarly, two R 14 Each 16 may be the same or different. In the formula (5), when m is an integer of 2 or more, two or more R 17 s may be the same or different, and similarly two or more R 18 are each the same. May be different.
上記構造のポリシロキサン化合物等を含有するゾルから生成された湿潤ゲルを用いることにより、柔軟なエアロゲル複合体をさらに得やすくなる。このような観点から、式(5)中、R14としては炭素数が1〜6のアルキル基、炭素数が1〜6のアルコキシ基等が挙げられ、当該アルキル基又はアルコキシ基としてはメチル基、メトキシ基、エトキシ基等が挙げられる。また、式(5)中、R15及びR16としてはそれぞれ独立に炭素数が1〜6のアルコキシ基等が挙げられ、当該アルコキシ基としてはメトキシ基、エトキシ基等が挙げられる。また、式(5)中、R17及びR18としてはそれぞれ独立に炭素数が1〜6のアルキル基、フェニル基等が挙げられ、当該アルキル基としてはメチル基等が挙げられる。また、式(5)中、mは2〜30とすることができるが、5〜20であってもよい。 By using a wet gel generated from a sol containing a polysiloxane compound or the like having the above structure, it becomes easier to obtain a flexible airgel composite. From such a viewpoint, in formula (5), R 14 includes an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 6 carbon atoms, and the like, and the alkyl group or alkoxy group includes a methyl group. , A methoxy group, an ethoxy group, and the like. In formula (5), R 15 and R 16 each independently include an alkoxy group having 1 to 6 carbon atoms, and examples of the alkoxy group include a methoxy group and an ethoxy group. In formula (5), R 17 and R 18 each independently include an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, a phenyl group, and the like, and examples of the alkyl group include a methyl group. Moreover, in Formula (5), m can be 2-30, but 5-20 may be sufficient.
上記一般式(5)で表される構造を有するポリシロキサン化合物は、例えば、特開2000−26609号公報、特開2012−233110号公報等にて報告される製造方法を適宜参照して得ることができる。 The polysiloxane compound having the structure represented by the general formula (5) can be obtained by appropriately referring to the production methods reported in, for example, JP-A Nos. 2000-26609 and 2012-233110. Can do.
なお、アルコキシ基は加水分解するため、分子内にアルコキシ基を有するポリシロキサン化合物はゾル中にて加水分解生成物として存在する可能性があり、分子内にアルコキシ基を有するポリシロキサン化合物とその加水分解生成物は混在していてもよい。また、分子内にアルコキシ基を有するポリシロキサン化合物において、分子中のアルコキシ基の全てが加水分解されていてもよいし、部分的に加水分解されていてもよい。 Since the alkoxy group is hydrolyzed, the polysiloxane compound having an alkoxy group in the molecule may exist as a hydrolysis product in the sol. The polysiloxane compound having an alkoxy group in the molecule and Decomposition products may be mixed. Further, in the polysiloxane compound having an alkoxy group in the molecule, all of the alkoxy groups in the molecule may be hydrolyzed or partially hydrolyzed.
これらのポリシロキサン化合物等は、単独で、又は2種類以上を混合して用いてもよい。 These polysiloxane compounds may be used alone or in admixture of two or more.
上記ゾルに含まれるシリコン化合物等の含有量は、ゾルの総量100質量部に対し、5〜50質量部とすることができるが、10〜30質量部であってもよい。5質量部以上にすることにより良好な反応性を得易くなり、また、50質量部以下にすることにより良好な相溶性を得易くなる。 Although content, such as a silicon compound contained in the said sol, can be 5-50 mass parts with respect to 100 mass parts of total amounts of sol, 10-30 mass parts may be sufficient. By making it 5 parts by mass or more, it becomes easy to obtain good reactivity, and by making it 50 parts by mass or less, it becomes easy to obtain good compatibility.
また、上記ゾルが、ポリシロキサン化合物等をさらに含有する場合、シリコン化合物等及びポリシロキサン化合物等の含有量の総和は、ゾルの総量100質量部に対し、5〜50質量部とすることができるが、10〜30質量部であってもよい。含有量の総和を5質量部以上にすることにより良好な反応性をさらに得易くなり、また、50質量部以下にすることにより良好な相溶性をさらに得易くなる。この際、シリコン化合物等の含有量とポリシロキサン化合物等の加水分解生成物の含有量との比は、0.5:1〜4:1とすることができるが、1:1〜2:1であってもよい。これらの化合物の含有量の比を0.5:1以上とすることにより良好な相溶性をさらに得易くなり、また、4:1以下とすることによりゲルの収縮をさらに抑制し易くなる。 Moreover, when the said sol further contains a polysiloxane compound etc., the sum total of content, such as a silicon compound etc. and a polysiloxane compound, can be 5-50 mass parts with respect to 100 mass parts of total amounts of sol. However, 10-30 mass parts may be sufficient. When the total content is 5 parts by mass or more, good reactivity is further easily obtained, and when it is 50 parts by mass or less, good compatibility is further easily obtained. At this time, the ratio of the content of the silicon compound or the like and the content of the hydrolysis product such as the polysiloxane compound can be 0.5: 1 to 4: 1, but is 1: 1 to 2: 1. It may be. When the ratio of the content of these compounds is 0.5: 1 or more, good compatibility is further easily obtained, and when the ratio is 4: 1 or less, gel shrinkage is further easily suppressed.
上記ゾルに含まれるシリカ粒子の含有量は、ゾルの総量100質量部に対し、1〜20質量部とすることができるが、4〜15質量部であってもよい。含有量を1質量部以上にすることにより適度な強度をエアロゲルに付与し易くなり、乾燥時の耐収縮性に優れるエアロゲル複合体が得易くなる。また、含有量を20質量部以下にすることによりシリカ粒子の固体熱伝導を抑制し易くなり、断熱性に優れるエアロゲル複合体が得易くなる。一方、上記ゾルに含まれる金属酸化物粒子の含有量は、ゾルの総量100質量部に対し、1〜20質量部とすることができるが、2〜10質量部であってもよい。含有量を1質量部以上にすることにより紫外線遮蔽性に優れるエアロゲルを得やすくなる。また、含有量を20質量部以下にすることにより高い気孔率のエアロゲルが得やすくなる。 Although content of the silica particle contained in the said sol can be 1-20 mass parts with respect to 100 mass parts of total amounts of sol, 4-15 mass parts may be sufficient. By setting the content to 1 part by mass or more, it becomes easy to impart an appropriate strength to the airgel, and it becomes easy to obtain an airgel composite having excellent shrinkage resistance during drying. Moreover, it becomes easy to suppress the solid heat conduction of a silica particle by making content 20 mass parts or less, and it becomes easy to obtain the airgel composite excellent in heat insulation. On the other hand, the content of the metal oxide particles contained in the sol may be 1 to 20 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the sol, but may be 2 to 10 parts by mass. By setting the content to 1 part by mass or more, it becomes easy to obtain an airgel excellent in ultraviolet shielding property. Moreover, it becomes easy to obtain an airgel with a high porosity by making content 20 mass parts or less.
(その他の態様)
本実施形態のエアロゲル複合体は、下記一般式(6)で表される構造を有することができる。
The airgel composite of this embodiment can have a structure represented by the following general formula (6).
式(6)中、R19はアルキル基を示す。ここで、アルキル基としては炭素数が1〜6のアルキル基等が挙げられ、当該アルキル基としてはメチル基等が挙げられる。 In the formula (6), R 19 represents an alkyl group. Here, examples of the alkyl group include an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, and examples of the alkyl group include a methyl group.
本実施形態のエアロゲル複合体は、下記一般式(7)で表される構造を有することができる。
式(7)中、R20及びR21はそれぞれ独立にアルキル基を示す。ここで、アルキル基としては炭素数が1〜6のアルキル基等が挙げられ、当該アルキル基としてはメチル基等が挙げられる。 In formula (7), R 20 and R 21 each independently represents an alkyl group. Here, examples of the alkyl group include an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, and examples of the alkyl group include a methyl group.
本実施形態のエアロゲル複合体は、下記一般式(8)で表される構造を有することができる。
式(8)中、R22はアルキレン基を示す。ここで、アルキレン基としては炭素数が1〜10のアルキレン基等が挙げられ、当該アルキレン基としてはエチレン基、ヘキシレン基等が挙げられる。 In formula (8), R 22 represents an alkylene group. Here, examples of the alkylene group include an alkylene group having 1 to 10 carbon atoms, and examples of the alkylene group include an ethylene group and a hexylene group.
<エアロゲル複合体の製造方法>
次に、エアロゲル複合体の製造方法について説明する。エアロゲル複合体の製造方法は、特に限定されないが、例えば以下の方法により製造することができる。
<Method for producing airgel composite>
Next, the manufacturing method of an airgel composite is demonstrated. Although the manufacturing method of an airgel composite is not specifically limited, For example, it can manufacture with the following method.
すなわち、本実施形態のエアロゲル複合体は、ゾル生成工程と、ゾル生成工程で得られたゾルをゲル化し、その後熟成して湿潤ゲルを得る湿潤ゲル生成工程と、湿潤ゲル生成工程で得られた湿潤ゲルを洗浄及び(必要に応じ)溶媒置換する工程と、洗浄及び溶媒置換した湿潤ゲルを乾燥する乾燥工程とを主に備える製造方法により製造することができる。なお、ゾルとは、ゲル化反応が生じる前の状態であって、本実施形態においては上記シリコン化合物等と、場合によりポリシロキサン化合物等と、中空シリカ粒子と、金属酸化物粒子とが溶媒中に溶解若しくは分散している状態を意味する。また、湿潤ゲルとは、液体媒体を含んでいながらも、流動性を有しない湿潤状態のゲル固形物を意味する。 That is, the airgel composite of the present embodiment was obtained in the sol generation step, the wet gel generation step in which the sol obtained in the sol generation step was gelled and then aged to obtain a wet gel, and the wet gel generation step. The wet gel can be produced by a production method mainly comprising a step of washing and (if necessary) replacing the solvent with a solvent and a drying step of drying the wet gel after washing and solvent substitution. The sol is a state before the gelation reaction occurs, and in the present embodiment, the silicon compound and the like, the polysiloxane compound and the like, the hollow silica particles, and the metal oxide particles are in a solvent. Means dissolved or dispersed. The wet gel means a gel solid in a wet state that contains a liquid medium but does not have fluidity.
以下、本実施形態のエアロゲル複合体の製造方法の各工程について説明する。 Hereinafter, each process of the manufacturing method of the airgel composite of this embodiment is demonstrated.
(ゾル生成工程)
ゾル生成工程は、上述のシリコン化合物と、場合によりポリシロキサン化合物と、シリカ粒子及び/又はシリカ粒子を含む溶媒と、金属酸化物粒子及び/又は金属酸化物粒子を含む溶媒とを混合し、加水分解させてゾルを生成する工程である。本工程においては、加水分解反応を促進させるため、溶媒中にさらに酸触媒を添加してもよい。また、特許第5250900号に示されるように、溶媒中に界面活性剤、熱加水分解性化合物等を添加することもできる。
(Sol generation process)
The sol generation step is performed by mixing the above-described silicon compound, optionally a polysiloxane compound, a silica particle and / or a solvent containing silica particles, and a metal oxide particle and / or a solvent containing metal oxide particles, and adding water. It is a process of generating sol by decomposing. In this step, an acid catalyst may be further added to the solvent in order to promote the hydrolysis reaction. Further, as shown in Japanese Patent No. 5250900, a surfactant, a thermally hydrolyzable compound, and the like can be added to the solvent.
溶媒としては、例えば、水、又は、水及びアルコール類の混合液を用いることができる。アルコール類としては、メタノール、エタノール、n−プロパノール、2−プロパノール、n−ブタノール、2−ブタノール、t−ブタノール等が挙げられる。これらの中でも、ゲル壁との界面張力を低減させる点で、表面張力が低くかつ沸点の低いアルコールとしては、メタノール、エタノール、2−プロパノール等が挙げられる。これらは単独で、又は2種類以上を混合して用いてもよい。 As the solvent, for example, water or a mixed solution of water and alcohols can be used. Examples of alcohols include methanol, ethanol, n-propanol, 2-propanol, n-butanol, 2-butanol, and t-butanol. Among these, methanol, ethanol, 2-propanol etc. are mentioned as alcohol with a low surface tension and a low boiling point at the point which reduces the interfacial tension with a gel wall. You may use these individually or in mixture of 2 or more types.
例えば溶媒としてアルコール類を用いる場合、アルコール類の量は、シリコン化合物及びポリシロキサン化合物の総量1モルに対し、4〜8モルとすることができるが、4〜6.5であってもよく、又は4.5〜6モルであってもよい。アルコール類の量を4モル以上にすることにより良好な相溶性をさらに得やすくなり、また、8モル以下にすることによりゲルの収縮をさらに抑制しやすくなる。 For example, when alcohol is used as the solvent, the amount of alcohol can be 4 to 8 mol with respect to 1 mol of the total amount of the silicon compound and the polysiloxane compound, but it may be 4 to 6.5, Or 4.5-6 mol may be sufficient. By making the amount of alcohols 4 mol or more, it becomes easier to obtain good compatibility, and by making it 8 mol or less, it becomes easier to suppress gel shrinkage.
酸触媒としては、フッ酸、塩酸、硝酸、硫酸、亜硫酸、リン酸、亜リン酸、次亜リン酸、臭酸、塩素酸、亜塩素酸、次亜塩素酸等の無機酸類;酸性リン酸アルミニウム、酸性リン酸マグネシウム、酸性リン酸亜鉛等の酸性リン酸塩類;酢酸、ギ酸、プロピオン酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、クエン酸、リンゴ酸、アジピン酸、アゼライン酸等の有機カルボン酸類などが挙げられる。これらの中でも、得られるエアロゲル複合体の耐水性をより向上する酸触媒としては有機カルボン酸類が挙げられる。当該有機カルボン酸類としては酢酸が挙げられるが、ギ酸、プロピオン酸、シュウ酸、マロン酸等であってもよい。これらは単独で、又は2種類以上を混合して用いてもよい。 Acid catalysts include hydrofluoric acid, hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, sulfurous acid, phosphoric acid, phosphorous acid, hypophosphorous acid, odorous acid, chloric acid, chlorous acid, hypochlorous acid and other inorganic acids; acidic phosphoric acid Acidic phosphates such as aluminum, acidic magnesium phosphate and acidic zinc phosphate; organic carboxylic acids such as acetic acid, formic acid, propionic acid, oxalic acid, malonic acid, succinic acid, citric acid, malic acid, adipic acid and azelaic acid Etc. Among these, an organic carboxylic acid is mentioned as an acid catalyst which improves the water resistance of the airgel composite obtained more. Examples of the organic carboxylic acids include acetic acid, but may be formic acid, propionic acid, oxalic acid, malonic acid and the like. You may use these individually or in mixture of 2 or more types.
酸触媒を用いることで、シリコン化合物及びポリシロキサン化合物の加水分解反応を促進させて、より短時間でゾルを得ることができる。 By using an acid catalyst, the hydrolysis reaction of the silicon compound and the polysiloxane compound is promoted, and a sol can be obtained in a shorter time.
酸触媒の添加量は、シリコン化合物及びポリシロキサン化合物の総量100質量部に対し、0.001〜0.1質量部とすることができる。 The addition amount of an acid catalyst can be 0.001-0.1 mass part with respect to 100 mass parts of total amounts of a silicon compound and a polysiloxane compound.
界面活性剤としては、非イオン性界面活性剤、イオン性界面活性剤等を用いることができる。これらは単独で、又は2種類以上を混合して用いてもよい。 As the surfactant, a nonionic surfactant, an ionic surfactant, or the like can be used. You may use these individually or in mixture of 2 or more types.
非イオン性界面活性剤としては、例えば、ポリオキシエチレン等の親水部と主にアルキル基からなる疎水部とを含むもの、ポリオキシプロピレン等の親水部を含むものなどを使用できる。ポリオキシエチレン等の親水部と主にアルキル基からなる疎水部とを含むものとしては、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルエーテル等が挙げられる。ポリオキシプロピレン等の親水部を含むものとしては、ポリオキシプロピレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンとポリオキシプロピレンのブロック共重合体等が挙げられる。 Examples of the nonionic surfactant include those containing a hydrophilic part such as polyoxyethylene and a hydrophobic part mainly composed of an alkyl group, and those containing a hydrophilic part such as polyoxypropylene. Examples of those containing a hydrophilic part such as polyoxyethylene and a hydrophobic part mainly composed of an alkyl group include polyoxyethylene nonyl phenyl ether, polyoxyethylene octyl phenyl ether, polyoxyethylene alkyl ether and the like. As what contains hydrophilic parts, such as polyoxypropylene, the polyoxypropylene alkyl ether, the block copolymer of polyoxyethylene and polyoxypropylene, etc. are mentioned.
イオン性界面活性剤としては、カチオン性界面活性剤、アニオン性界面活性剤、両イオン性界面活性剤等が挙げられる。カチオン性界面活性剤としては、臭化セチルトリメチルアンモニウム、塩化セチルトリメチルアンモニウム等が挙げられ、アニオン性界面活性剤としては、ドデシルスルホン酸ナトリウム等が挙げられる。また、両イオン性界面活性剤としては、アミノ酸系界面活性剤、ベタイン系界面活性剤、アミンオキシド系界面活性剤等が挙げられる。アミノ酸系界面活性剤としては、例えば、アシルグルタミン酸等が挙げられる。ベタイン系界面活性剤としては、例えば、ラウリルジメチルアミノ酢酸ベタイン、ステアリルジメチルアミノ酢酸ベタイン等が挙げられる。アミンオキシド系界面活性剤としては、例えばラウリルジメチルアミンオキシドが挙げられる。 Examples of the ionic surfactant include a cationic surfactant, an anionic surfactant, and an amphoteric surfactant. Examples of the cationic surfactant include cetyltrimethylammonium bromide and cetyltrimethylammonium chloride, and examples of the anionic surfactant include sodium dodecylsulfonate. Examples of amphoteric surfactants include amino acid surfactants, betaine surfactants, amine oxide surfactants, and the like. Examples of amino acid surfactants include acyl glutamic acid. Examples of betaine surfactants include lauryldimethylaminoacetic acid betaine, stearyldimethylaminoacetic acid betaine, and the like. Examples of the amine oxide surfactant include lauryl dimethylamine oxide.
これらの界面活性剤は、後述する湿潤ゲル生成工程において、反応系中の溶媒と、成長していくシロキサン重合体との間の化学的親和性の差異を小さくし、相分離を抑制する作用をすると考えられている。 These surfactants have the effect of reducing the difference in chemical affinity between the solvent in the reaction system and the growing siloxane polymer and suppressing phase separation in the wet gel formation process described later. It is considered to be.
界面活性剤の添加量は、界面活性剤の種類、あるいはシリコン化合物及びポリシロキサン化合物の種類並びに量にも左右されるが、例えばシリコン化合物及びポリシロキサン化合物の総量100質量部に対し、1〜100質量部とすることができる。なお、同添加量は5〜60質量部であってもよい。 The addition amount of the surfactant depends on the kind of the surfactant, or the kind and amount of the silicon compound and the polysiloxane compound, but for example, 1 to 100 with respect to 100 parts by mass of the total amount of the silicon compound and the polysiloxane compound. It can be a mass part. In addition, 5-60 mass parts may be sufficient as the addition amount.
熱加水分解性化合物は、熱加水分解により塩基触媒を発生して、反応溶液を塩基性とし、後述する湿潤ゲル生成工程でのゾルゲル反応を促進すると考えられている。よって、この熱加水分解性化合物としては、加水分解後に反応溶液を塩基性にできる化合物であれば、特に限定されず、尿素;ホルムアミド、N−メチルホルムアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、アセトアミド、N−メチルアセトアミド、N,N−ジメチルアセトアミド等の酸アミド;ヘキサメチレンテトラミン等の環状窒素化合物などを挙げることができる。これらの中でも、特に尿素は上記促進効果を得られやすい。 The thermohydrolyzable compound is considered to generate a base catalyst by thermal hydrolysis to make the reaction solution basic, and to promote the sol-gel reaction in the wet gel generation process described later. Therefore, the thermohydrolyzable compound is not particularly limited as long as it is a compound that can make the reaction solution basic after hydrolysis. Urea; formamide, N-methylformamide, N, N-dimethylformamide, acetamide, N -Acid amides such as methylacetamide and N, N-dimethylacetamide; cyclic nitrogen compounds such as hexamethylenetetramine and the like. Among these, urea is particularly easy to obtain the above-mentioned promoting effect.
熱加水分解性化合物の添加量は、後述する湿潤ゲル生成工程でのゾルゲル反応を十分に促進することができる量であれば、特に限定されない。例えば、熱加水分解性化合物として尿素を用いた場合、その添加量は、シリコン化合物及びポリシロキサン化合物の総量100質量部に対して、1〜200質量部とすることができる。なお、同添加量は2〜150質量部であってもよい。添加量を1質量部以上とすることにより、良好な反応性をさらに得やすくなり、また、200質量部以下とすることにより、結晶の析出及びゲル密度の低下をさらに抑制しやすくなる。 The amount of the thermally hydrolyzable compound added is not particularly limited as long as it is an amount that can sufficiently promote the sol-gel reaction in the wet gel generation step described later. For example, when urea is used as the thermally hydrolyzable compound, the amount added can be 1 to 200 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the total amount of the silicon compound and the polysiloxane compound. The added amount may be 2 to 150 parts by mass. By making the addition amount 1 mass part or more, it becomes easier to obtain good reactivity, and by making it 200 mass parts or less, it becomes easier to further suppress the precipitation of crystals and the decrease in gel density.
ゾル生成工程の加水分解は、混合液中のシリコン化合物、ポリシロキサン化合物、シリカ粒子、金属酸化物粒子、酸触媒、界面活性剤等の種類及び量にも左右されるが、例えば20〜60℃の温度環境下で10分〜24時間行ってもよく、50〜60℃の温度環境下で5分〜8時間行ってもよい。これにより、シリコン化合物及びポリシロキサン化合物中の加水分解性官能基が十分に加水分解され、シリコン化合物の加水分解生成物及びポリシロキサン化合物の加水分解生成物をより確実に得ることができる。 The hydrolysis in the sol production step depends on the type and amount of silicon compound, polysiloxane compound, silica particles, metal oxide particles, acid catalyst, surfactant, etc. in the mixed solution, but for example 20 to 60 ° C. May be performed for 10 minutes to 24 hours under a temperature environment of 5 minutes to 8 hours under a temperature environment of 50 to 60 ° C. Thereby, the hydrolyzable functional group in a silicon compound and a polysiloxane compound is fully hydrolyzed, and the hydrolysis product of a silicon compound and the hydrolysis product of a polysiloxane compound can be obtained more reliably.
ただし、溶媒中に熱加水分解性化合物を添加する場合は、ゾル生成工程の温度環境を、熱加水分解性化合物の加水分解を抑制してゾルのゲル化を抑制する温度に調節してもよい。この時の温度は、熱加水分解性化合物の加水分解を抑制できる温度であれば、いずれの温度であってもよい。例えば、熱加水分解性化合物として尿素を用いた場合は、ゾル生成工程の温度環境は0〜40℃とすることができるが、10〜30℃であってもよい。 However, when a thermohydrolyzable compound is added to the solvent, the temperature environment of the sol generation step may be adjusted to a temperature that suppresses hydrolysis of the thermohydrolyzable compound and suppresses gelation of the sol. . The temperature at this time may be any temperature as long as the hydrolysis of the thermally hydrolyzable compound can be suppressed. For example, when urea is used as the thermohydrolyzable compound, the temperature environment of the sol generation step can be 0 to 40 ° C, but may be 10 to 30 ° C.
(湿潤ゲル生成工程)
湿潤ゲル生成工程は、ゾル生成工程で得られたゾルをゲル化し、その後熟成して湿潤ゲルを得る工程である。本工程では、ゲル化を促進させるため塩基触媒を用いることができる。
(Wet gel production process)
The wet gel generation step is a step in which the sol obtained in the sol generation step is gelled and then aged to obtain a wet gel. In this step, a base catalyst can be used to promote gelation.
塩基触媒としては、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化セシウム等のアルカリ金属水酸化物;水酸化アンモニウム、フッ化アンモニウム、塩化アンモニウム、臭化アンモニウム等のアンモニウム化合物;メタ燐酸ナトリウム、ピロ燐酸ナトリウム、ポリ燐酸ナトリウム等の塩基性燐酸ナトリウム塩;アリルアミン、ジアリルアミン、トリアリルアミン、イソプロピルアミン、ジイソプロピルアミン、エチルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミン、2−エチルヘキシルアミン、3−エトキシプロピルアミン、ジイソブチルアミン、3−(ジエチルアミノ)プロピルアミン、ジ−2−エチルヘキシルアミン、3−(ジブチルアミノ)プロピルアミン、テトラメチルエチレンジアミン、t−ブチルアミン、sec−ブチルアミン、プロピルアミン、3−(メチルアミノ)プロピルアミン、3−(ジメチルアミノ)プロピルアミン、3−メトキシアミン、ジメチルエタノールアミン、メチルジエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン等の脂肪族アミン類;モルホリン、N−メチルモルホリン、2−メチルモルホリン、ピペラジン及びその誘導体、ピペリジン及びその誘導体、イミダゾール及びその誘導体等の含窒素複素環状化合物類などが挙げられる。これらの中でも、水酸化アンモニウム(アンモニア水)は、揮発性が高く、乾燥後のエアロゲル複合体中に残存し難いため耐水性を損なわないという点、さらには経済性の点で優れている。上記の塩基触媒は単独で、又は2種類以上を混合して用いてもよい。 Base catalysts include alkali metal hydroxides such as lithium hydroxide, sodium hydroxide, potassium hydroxide, and cesium hydroxide; ammonium compounds such as ammonium hydroxide, ammonium fluoride, ammonium chloride, and ammonium bromide; sodium metaphosphate Basic sodium phosphates such as sodium pyrophosphate and sodium polyphosphate; allylamine, diallylamine, triallylamine, isopropylamine, diisopropylamine, ethylamine, diethylamine, triethylamine, 2-ethylhexylamine, 3-ethoxypropylamine, diisobutylamine, 3 -(Diethylamino) propylamine, di-2-ethylhexylamine, 3- (dibutylamino) propylamine, tetramethylethylenediamine, t-butylamine, sec- Aliphatic amines such as tilamine, propylamine, 3- (methylamino) propylamine, 3- (dimethylamino) propylamine, 3-methoxyamine, dimethylethanolamine, methyldiethanolamine, diethanolamine, triethanolamine; morpholine, N -Nitrogen-containing heterocyclic compounds such as methylmorpholine, 2-methylmorpholine, piperazine and derivatives thereof, piperidine and derivatives thereof, imidazole and derivatives thereof, and the like. Among these, ammonium hydroxide (ammonia water) is excellent in that it has high volatility and does not remain in the airgel composite after drying, and thus does not impair water resistance, and is economical. You may use said base catalyst individually or in mixture of 2 or more types.
塩基触媒を用いることで、ゾル中のシリコン化合物等、ポリシロキサン化合物等、及びシリカ粒子の脱水縮合反応及び/又は脱アルコール縮合反応を促進することができ、ゾルのゲル化をより短時間で行うことができる。また、これにより、強度(剛性)のより高い湿潤ゲルを得ることができる。特に、アンモニアは揮発性が高く、エアロゲル複合体中に残留し難いので、塩基触媒としてアンモニアを用いることで、より耐水性の優れたエアロゲル複合体を得ることができる。 By using a base catalyst, it is possible to accelerate the dehydration condensation reaction and / or dealcoholization condensation reaction of the silicon compound, polysiloxane compound, etc., and silica particles in the sol, and the sol is gelled in a shorter time. be able to. Thereby, a wet gel with higher strength (rigidity) can be obtained. In particular, ammonia has high volatility and hardly remains in the airgel composite. Therefore, by using ammonia as a base catalyst, an airgel composite having better water resistance can be obtained.
塩基触媒の添加量は、シリコン化合物等及びポリシロキサン化合物等の総量100質量部に対し、0.5〜5質量部とすることができるが、1〜4質量部であってもよい。0.5質量部以上とすることにより、ゲル化をより短時間で行うことができ、5質量部以下とすることにより、耐水性の低下をより抑制することができる。 Although the addition amount of a base catalyst can be 0.5-5 mass parts with respect to 100 mass parts of total amounts, such as a silicon compound etc. and a polysiloxane compound, 1-4 mass parts may be sufficient. By setting it as 0.5 mass part or more, gelatinization can be performed in a short time, and a water resistance fall can be suppressed more by setting it as 5 mass part or less.
湿潤ゲル生成工程におけるゾルのゲル化は、溶媒及び塩基触媒が揮発しないように密閉容器内で行ってもよい。ゲル化温度は、30〜90℃とすることができるが、40〜80℃であってもよい。ゲル化温度を30℃以上とすることにより、ゲル化をより短時間に行うことができ、強度(剛性)のより高い湿潤ゲルを得ることができる。また、ゲル化温度を90℃以下にすることにより、溶媒(特にアルコール類)の揮発を抑制しやすくなるため、体積収縮を抑えながらゲル化することができる。 The gelation of the sol in the wet gel generation step may be performed in a sealed container so that the solvent and the base catalyst do not volatilize. The gelation temperature can be 30-90 ° C, but it may be 40-80 ° C. By setting the gelation temperature to 30 ° C. or higher, gelation can be performed in a shorter time, and a wet gel with higher strength (rigidity) can be obtained. Moreover, since it becomes easy to suppress volatilization of a solvent (especially alcohols) by making gelation temperature into 90 degrees C or less, it can gelatinize, suppressing volume shrinkage.
湿潤ゲル生成工程における熟成は、溶媒及び塩基触媒が揮発しないように密閉容器内で行ってもよい。熟成により、湿潤ゲルを構成する成分の結合が強くなり、その結果、乾燥時の収縮を抑制するのに十分な強度(剛性)の高い湿潤ゲルを得ることができる。熟成温度は、30〜90℃とすることができるが、40〜80℃であってもよい。熟成温度を30℃以上とすることにより、強度(剛性)のより高い湿潤ゲルを得ることができ、熟成温度を90℃以下にすることにより、溶媒(特にアルコール類)の揮発を抑制しやすくなるため、体積収縮を抑えながらゲル化することができる。 The aging in the wet gel generation step may be performed in a sealed container so that the solvent and the base catalyst do not volatilize. By aging, the components of the wet gel are strongly bonded, and as a result, a wet gel having a high strength (rigidity) sufficient to suppress shrinkage during drying can be obtained. The aging temperature can be 30 to 90 ° C, but it may be 40 to 80 ° C. By setting the aging temperature to 30 ° C. or higher, a wet gel with higher strength (rigidity) can be obtained, and by setting the aging temperature to 90 ° C. or lower, volatilization of the solvent (especially alcohols) can be easily suppressed. Therefore, it can be gelled while suppressing volume shrinkage.
なお、ゾルのゲル化終了時点を判別することは困難な場合が多いため、ゾルのゲル化とその後の熟成とは、連続して一連の操作で行ってもよい。 Since it is often difficult to determine the sol gelation end point, sol gelation and subsequent aging may be performed in a series of operations.
ゲル化時間と熟成時間は、ゲル化温度及び熟成温度により異なるが、本実施形態においてはゾル中に中空シリカ粒子が含まれていることから、従来のエアロゲルの製造方法と比較して特にゲル化時間を短縮することができる。この理由は、ゾル中のシリコン化合物等、ポリシロキサン化合物等が有するシラノール基及び/又は反応性基が、中空シリカ粒子のシラノール基と水素結合及び/又は化学結合を形成するためであると推察する。なお、ゲル化時間は10〜120分間とすることができるが、20〜90分間であってもよい。ゲル化時間を10分間以上とすることにより均質な湿潤ゲルを得易くなり、120分間以下とすることにより後述する洗浄及び溶媒置換工程から乾燥工程の簡略化が可能となる。なお、ゲル化及び熟成の工程全体として、ゲル化時間と熟成時間との合計時間は、4〜480時間とすることができるが、6〜120時間であってもよい。ゲル化時間と熟成時間の合計を4時間以上とすることにより、強度(剛性)のより高い湿潤ゲルを得ることができ、480時間以下にすることにより熟成の効果をより維持しやすくなる。 Although the gelation time and the aging time differ depending on the gelation temperature and the aging temperature, in this embodiment, since the sol contains hollow silica particles, the gelation is particularly performed as compared with the conventional airgel manufacturing method. Time can be shortened. The reason for this is presumed that the silanol groups and / or reactive groups possessed by the polysiloxane compounds and the like in the sol form hydrogen bonds and / or chemical bonds with the silanol groups of the hollow silica particles. . The gelation time can be 10 to 120 minutes, but may be 20 to 90 minutes. By setting the gelation time to 10 minutes or more, it becomes easy to obtain a homogeneous wet gel, and by setting it to 120 minutes or less, the drying process can be simplified from the washing and solvent replacement process described later. In addition, as a whole process of gelation and aging, the total time of the gelation time and the aging time can be 4 to 480 hours, but may be 6 to 120 hours. By setting the total gelation time and aging time to 4 hours or more, a wet gel with higher strength (rigidity) can be obtained, and by setting it to 480 hours or less, the effect of aging can be more easily maintained.
得られるエアロゲル複合体の密度を下げたり、平均細孔径を大きくするために、ゲル化温度及び熟成温度を上記範囲内で高めたり、ゲル化時間と熟成時間の合計時間を上記範囲内で長くしてもよい。また、得られるエアロゲル複合体の密度を上げたり、平均細孔径を小さくするために、ゲル化温度及び熟成温度を上記範囲内で低くしたり、ゲル化時間と熟成時間の合計時間を上記範囲内で短くしてもよい。 In order to decrease the density of the obtained airgel composite or increase the average pore diameter, the gelation temperature and the aging temperature are increased within the above range, or the total time of the gelation time and the aging time is increased within the above range. May be. Further, in order to increase the density of the obtained airgel composite or to reduce the average pore diameter, the gelation temperature and the aging temperature are reduced within the above range, or the total time of the gelation time and the aging time is within the above range. It can be shortened.
(洗浄及び溶媒置換工程)
洗浄及び溶媒置換工程は、上記湿潤ゲル生成工程により得られた湿潤ゲルを洗浄する工程(洗浄工程)と、湿潤ゲル中の洗浄液を乾燥条件(後述の乾燥工程)に適した溶媒に置換する工程(溶媒置換工程)を有する工程である。洗浄及び溶媒置換工程は、湿潤ゲルを洗浄する工程を行わず、溶媒置換工程のみを行う形態でも実施可能であるが、湿潤ゲル中の未反応物、副生成物等の不純物を低減し、より純度の高いエアロゲル複合体の製造を可能にする観点からは、湿潤ゲルを洗浄してもよい。なお、本実施形態においては、ゲル中にシリカ粒子が含まれていることから、後述するように溶媒置換工程は必ずしも必須ではない。
(Washing and solvent replacement process)
The washing and solvent replacement step is a step of washing the wet gel obtained by the wet gel generation step (washing step), and a step of replacing the washing liquid in the wet gel with a solvent suitable for the drying conditions (the drying step described later). It is a process which has (solvent substitution process). The washing and solvent replacement step can be performed in a form in which only the solvent replacement step is performed without performing the step of washing the wet gel, but the impurities such as unreacted substances and by-products in the wet gel are reduced, and more From the viewpoint of enabling the production of a highly pure airgel composite, the wet gel may be washed. In the present embodiment, since the silica particles are contained in the gel, the solvent replacement step is not necessarily essential as described later.
洗浄工程では、上記湿潤ゲル生成工程で得られた湿潤ゲルを洗浄する。当該洗浄は、例えば水又は有機溶媒を用いて繰り返し行うことができる。この際、加温することにより洗浄効率を向上させることができる。 In the washing step, the wet gel obtained in the wet gel production step is washed. The washing can be repeatedly performed using, for example, water or an organic solvent. At this time, washing efficiency can be improved by heating.
有機溶媒としては、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、アセトン、メチルエチルケトン、1,2−ジメトキシエタン、アセトニトリル、ヘキサン、トルエン、ジエチルエーテル、クロロホルム、酢酸エチル、テトラヒドロフラン、塩化メチレン、N、N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、酢酸、ギ酸等の各種の有機溶媒を使用することができる。上記の有機溶媒は単独で、又は2種類以上を混合して用いてもよい。 As organic solvents, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, acetone, methyl ethyl ketone, 1,2-dimethoxyethane, acetonitrile, hexane, toluene, diethyl ether, chloroform, ethyl acetate, tetrahydrofuran, methylene chloride , N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, acetic acid, formic acid, and other various organic solvents can be used. You may use said organic solvent individually or in mixture of 2 or more types.
後述する溶媒置換工程では、乾燥によるゲルの収縮を抑制するため、低表面張力の溶媒を用いることができる。しかし、低表面張力の溶媒は、一般的に水との相互溶解度が極めて低い。そのため、溶媒置換工程において低表面張力の溶媒を用いる場合、洗浄工程で用いる有機溶媒としては、水及び低表面張力の溶媒の双方に対して高い相互溶解性を有する親水性有機溶媒が挙げられる。なお、洗浄工程において用いられる親水性有機溶媒は、溶媒置換工程のための予備置換の役割を果たすことができる。上記の有機溶媒の中で、親水性有機溶媒としては、メタノール、エタノール、2−プロパノール、アセトン、メチルエチルケトン等が挙げられる。なお、メタノール、エタノール、メチルエチルケトン等は経済性の点で優れている。 In the solvent replacement step described below, a low surface tension solvent can be used to suppress gel shrinkage due to drying. However, low surface tension solvents generally have very low mutual solubility with water. Therefore, when using a low surface tension solvent in the solvent replacement step, examples of the organic solvent used in the washing step include hydrophilic organic solvents having high mutual solubility in both water and a low surface tension solvent. Note that the hydrophilic organic solvent used in the washing step can serve as a preliminary replacement for the solvent replacement step. Among the above organic solvents, examples of the hydrophilic organic solvent include methanol, ethanol, 2-propanol, acetone, methyl ethyl ketone, and the like. Methanol, ethanol, methyl ethyl ketone and the like are excellent in terms of economy.
洗浄工程に使用される水又は有機溶媒の量としては、湿潤ゲル中の溶媒を十分に置換し、洗浄できる量とすることができる。当該量は、湿潤ゲルの容量に対して3〜10倍の量とすることができる。洗浄は、洗浄後の湿潤ゲル中の含水率が、シリカ質量に対し、10質量%以下となるまで繰り返すことができる。 The amount of water or organic solvent used in the washing step can be set to an amount that can sufficiently wash the solvent in the wet gel and wash it. The amount can be 3 to 10 times the amount of wet gel volume. The washing can be repeated until the moisture content in the wet gel after washing is 10% by mass or less with respect to the silica mass.
洗浄工程における温度環境は、洗浄に用いる溶媒の沸点以下の温度とすることができ、例えば、メタノールを用いる場合は、30〜60℃程度の加温とすることができる。 The temperature environment in the washing step can be set to a temperature equal to or lower than the boiling point of the solvent used for washing. For example, when methanol is used, it can be heated to about 30 to 60 ° C.
溶媒置換工程では、後述する乾燥工程における収縮を抑制するため、洗浄した湿潤ゲルの溶媒を所定の置換用溶媒に置き換える。この際、加温することにより置換効率を向上させることができる。置換用溶媒としては、具体的には、乾燥工程において、乾燥に用いられる溶媒の臨界点未満の温度にて、大気圧下で乾燥する場合は、後述の低表面張力の溶媒が挙げられる。一方、超臨界乾燥をする場合は、置換用溶媒としては、例えば、エタノール、メタノール、2−プロパノール、ジクロロジフルオロメタン、二酸化炭素等、又はこれらを2種以上混合した溶媒が挙げられる。 In the solvent replacement step, the solvent of the washed wet gel is replaced with a predetermined replacement solvent in order to suppress shrinkage in the drying step described later. At this time, the replacement efficiency can be improved by heating. Specific examples of the solvent for substitution include a low surface tension solvent described later in the drying step when drying is performed under atmospheric pressure at a temperature lower than the critical point of the solvent used for drying. On the other hand, when performing supercritical drying, examples of the substitution solvent include ethanol, methanol, 2-propanol, dichlorodifluoromethane, carbon dioxide, and the like, or a solvent obtained by mixing two or more of these.
低表面張力の溶媒としては、20℃における表面張力が30mN/m以下のものが挙げられる。なお、当該表面張力は25mN/m以下であっても、又は20mN/m以下であってもよい。低表面張力の溶媒としては、例えば、ペンタン(15.5)、ヘキサン(18.4)、ヘプタン(20.2)、オクタン(21.7)、2−メチルペンタン(17.4)、3−メチルペンタン(18.1)、2−メチルヘキサン(19.3)、シクロペンタン(22.6)、シクロヘキサン(25.2)、1−ペンテン(16.0)等の脂肪族炭化水素類;ベンゼン(28.9)、トルエン(28.5)、m−キシレン(28.7)、p−キシレン(28.3)等の芳香族炭化水素類;ジクロロメタン(27.9)、クロロホルム(27.2)、四塩化炭素(26.9)、1−クロロプロパン(21.8)、2−クロロプロパン(18.1)等のハロゲン化炭化水素類;エチルエーテル(17.1)、プロピルエーテル(20.5)、イソプロピルエーテル(17.7)、ブチルエチルエーテル(20.8)、1,2−ジメトキシエタン(24.6)等のエーテル類;アセトン(23.3)、メチルエチルケトン(24.6)、メチルプロピルケトン(25.1)、ジエチルケトン(25.3)等のケトン類;酢酸メチル(24.8)、酢酸エチル(23.8)、酢酸プロピル(24.3)、酢酸イソプロピル(21.2)、酢酸イソブチル(23.7)、エチルブチレート(24.6)等のエステル類などが挙げられる(かっこ内は20℃での表面張力を示し、単位は[mN/m]である)。これらの中で、脂肪族炭化水素類(ヘキサン、ヘプタン等)は低表面張力でありかつ作業環境性に優れている。また、これらの中でも、アセトン、メチルエチルケトン、1,2−ジメトキシエタン等の親水性有機溶媒を用いることで、上記洗浄工程の有機溶媒と兼用することができる。なお、これらの中でも、さらに後述する乾燥工程における乾燥が容易な点で、常圧での沸点が100℃以下のものを用いてもよい。上記の溶媒は単独で、又は2種類以上を混合して用いてもよい。 Examples of the low surface tension solvent include those having a surface tension at 20 ° C. of 30 mN / m or less. The surface tension may be 25 mN / m or less, or 20 mN / m or less. Examples of the low surface tension solvent include pentane (15.5), hexane (18.4), heptane (20.2), octane (21.7), 2-methylpentane (17.4), 3- Aliphatic hydrocarbons such as methylpentane (18.1), 2-methylhexane (19.3), cyclopentane (22.6), cyclohexane (25.2), 1-pentene (16.0); (28.9), toluene (28.5), m-xylene (28.7), p-xylene (28.3) and other aromatic hydrocarbons; dichloromethane (27.9), chloroform (27.2) ), Carbon tetrachloride (26.9), 1-chloropropane (21.8), 2-chloropropane (18.1) and other halogenated hydrocarbons; ethyl ether (17.1), propyl ether (20.5) ), Isop Ethers such as pyrether (17.7), butyl ethyl ether (20.8), 1,2-dimethoxyethane (24.6); acetone (23.3), methyl ethyl ketone (24.6), methyl propyl ketone (25.1), ketones such as diethyl ketone (25.3); methyl acetate (24.8), ethyl acetate (23.8), propyl acetate (24.3), isopropyl acetate (21.2), Examples include esters such as isobutyl acetate (23.7), ethyl butyrate (24.6), etc. (in parentheses indicate surface tension at 20 ° C., and the unit is [mN / m]). Among these, aliphatic hydrocarbons (hexane, heptane, etc.) have a low surface tension and an excellent working environment. Among these, by using a hydrophilic organic solvent such as acetone, methyl ethyl ketone, or 1,2-dimethoxyethane, it can be used as the organic solvent in the washing step. Among these, those having a boiling point of 100 ° C. or less at normal pressure may be used because they can be easily dried in the drying step described later. You may use said solvent individually or in mixture of 2 or more types.
溶媒置換工程に使用される溶媒の量としては、洗浄後の湿潤ゲル中の溶媒を十分に置換できる量とすることができる。当該量は、湿潤ゲルの容量に対して3〜10倍の量とすることができる。 The amount of the solvent used in the solvent replacement step can be an amount that can sufficiently replace the solvent in the wet gel after washing. The amount can be 3 to 10 times the amount of wet gel volume.
溶媒置換工程における温度環境は、置換に用いる溶媒の沸点以下の温度とすることができ、例えば、ヘプタンを用いる場合は、30〜60℃程度の加温とすることができる。 The temperature environment in the solvent replacement step can be set to a temperature not higher than the boiling point of the solvent used for the replacement. For example, when heptane is used, the temperature can be set to about 30 to 60 ° C.
なお、本実施形態においては、ゲル中に中空シリカ粒子が含まれていることから、上述のとおり溶媒置換工程は必ずしも必須ではない。推察されるメカニズムとしては次のとおりである。すなわち、従来であれば乾燥工程における収縮を抑制するため、湿潤ゲルの溶媒を所定の置換用溶媒(低表面張力の溶媒)に置き換えていたが、本実施形態においては中空シリカ粒子(及び金属酸化物粒子)が三次元網目状の骨格の支持体として機能することにより、当該骨格が支持され、乾燥工程におけるゲルの収縮が抑制される。そのため、洗浄に用いた溶媒を置換せずに、ゲルをそのまま乾燥工程に付すことができると考えられる。このように、本実施形態においては、洗浄及び溶媒置換工程から乾燥工程の簡略化が可能である。ただし、本実施形態は溶媒置換工程を行うことを何ら排除するものではない。 In the present embodiment, since the hollow silica particles are contained in the gel, the solvent replacement step is not necessarily essential as described above. The inferred mechanism is as follows. That is, conventionally, in order to suppress shrinkage in the drying process, the solvent of the wet gel is replaced with a predetermined replacement solvent (a low surface tension solvent), but in this embodiment, the hollow silica particles (and metal oxides) are replaced. The product particles) function as a support for a three-dimensional network-like skeleton, whereby the skeleton is supported and gel shrinkage in the drying process is suppressed. Therefore, it is considered that the gel can be directly subjected to the drying step without replacing the solvent used for washing. Thus, in this embodiment, the drying process can be simplified from the washing and solvent replacement process. However, this embodiment does not exclude performing the solvent substitution step at all.
(乾燥工程)
乾燥工程では、上記の通り洗浄及び(必要に応じ)溶媒置換した湿潤ゲルを乾燥させる。これにより、最終的にエアロゲル複合体を得ることができる。
(Drying process)
In the drying step, the wet gel washed and solvent-substituted (if necessary) is dried as described above. Thereby, an airgel composite can be finally obtained.
乾燥の手法としては特に制限されず、公知の常圧乾燥、超臨界乾燥又は凍結乾燥を用いることができる。これらの中で、低密度のエアロゲル複合体を製造しやすいという観点からは、常圧乾燥又は超臨界乾燥を用いることができる。また、低コストで生産可能という観点からは、常圧乾燥を用いることができる。なお、本実施形態において、常圧とは0.1MPa(大気圧)を意味する。 The drying method is not particularly limited, and known atmospheric pressure drying, supercritical drying, or freeze drying can be used. Among these, atmospheric drying or supercritical drying can be used from the viewpoint of easy production of a low-density airgel composite. Further, from the viewpoint that production is possible at low cost, atmospheric pressure drying can be used. In the present embodiment, the normal pressure means 0.1 MPa (atmospheric pressure).
本実施形態のエアロゲル複合体は、洗浄及び(必要に応じ)溶媒置換した湿潤ゲルを、乾燥に用いられる溶媒の臨界点未満の温度にて、大気圧下で乾燥することにより得ることができる。乾燥温度は、置換された溶媒(溶媒置換を行わない場合は洗浄に用いられた溶媒)の種類により異なるが、特に高温での乾燥が溶媒の蒸発速度を速め、ゲルに大きな亀裂を生じさせる場合があるという点に鑑み、20〜150℃とすることができる。なお、当該乾燥温度は60〜120℃であってもよい。また、乾燥時間は、湿潤ゲルの容量及び乾燥温度により異なるが、4〜120時間とすることができる。なお、本実施形態において、生産性を阻害しない範囲内において臨界点未満の圧力をかけて乾燥を早めることも、常圧乾燥に包含されるものとする。 The airgel composite of this embodiment can be obtained by drying a wet gel that has been washed and (if necessary) solvent-substituted at a temperature below the critical point of the solvent used for drying under atmospheric pressure. The drying temperature varies depending on the type of substituted solvent (the solvent used for washing if solvent substitution is not performed), but especially when drying at a high temperature increases the evaporation rate of the solvent and causes large cracks in the gel. In view of that there is, it can be 20-150 degreeC. The drying temperature may be 60 to 120 ° C. Moreover, although drying time changes with the capacity | capacitances and drying temperature of a wet gel, it can be 4 to 120 hours. In the present embodiment, it is also included in the atmospheric pressure drying that the drying is accelerated by applying a pressure less than the critical point within a range not inhibiting the productivity.
本実施形態のエアロゲル複合体は、また、洗浄及び(必要に応じ)溶媒置換した湿潤ゲルを、超臨界乾燥することによっても得ることができる。超臨界乾燥は、公知の手法にて行うことができる。超臨界乾燥する方法としては、例えば、湿潤ゲルに含まれる溶媒の臨界点以上の温度及び圧力にて溶媒を除去する方法が挙げられる。あるいは、超臨界乾燥する方法としては、湿潤ゲルを、液化二酸化炭素中に、例えば、20〜25℃、5〜20MPa程度の条件で浸漬することで、湿潤ゲルに含まれる溶媒の全部又は一部を当該溶媒より臨界点の低い二酸化炭素に置換した後、二酸化炭素を単独で、又は二酸化炭素及び溶媒の混合物を除去する方法が挙げられる。 The airgel composite of this embodiment can also be obtained by supercritically drying a wet gel that has been washed and (if necessary) solvent-substituted. Supercritical drying can be performed by a known method. Examples of the supercritical drying method include a method of removing the solvent at a temperature and pressure higher than the critical point of the solvent contained in the wet gel. Alternatively, as a method of supercritical drying, all or part of the solvent contained in the wet gel is obtained by immersing the wet gel in liquefied carbon dioxide, for example, under conditions of about 20 to 25 ° C. and about 5 to 20 MPa. And carbon dioxide having a lower critical point than that of the solvent, and then removing carbon dioxide alone or a mixture of carbon dioxide and the solvent.
このような常圧乾燥又は超臨界乾燥により得られたエアロゲル複合体は、さらに常圧下にて、105〜200℃で0.5〜2時間程度追加乾燥してもよい。これにより、密度が低く、小さな細孔を有するエアロゲル複合体をさらに得やすくなる。追加乾燥は、常圧下にて、150〜200℃で行ってもよい。 The airgel composite obtained by such normal pressure drying or supercritical drying may be additionally dried at 105 to 200 ° C. for about 0.5 to 2 hours under normal pressure. This makes it easier to obtain an airgel composite having a low density and having small pores. The additional drying may be performed at 150 to 200 ° C. under normal pressure.
次に、下記の実施例により本発明を更に詳しく説明するが、これらの実施例は本発明を制限するものではない。 Next, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but these examples do not limit the present invention.
本実施例で用いるシリカ粒子含有原料(コロイダルシリカ)及びセリア粒子含有原料(コロイダルセリア)を表1に示す。 Table 1 shows the silica particle-containing raw material (colloidal silica) and ceria particle-containing raw material (colloidal ceria) used in this example.
(合成例1)
撹拌機、温度計及びジムロート冷却管を備えた1リットルの3つ口フラスコにて、ヒドロキシ末端ジメチルポリシロキサン「XC96−723」(モメンティブ社製、製品名)を100.0質量部、メチルトリメトキシシランを181.3質量部及びt−ブチルアミンを0.50質量部混合し、30℃で5時間反応させた。その後、この反応液を、1.3kPaの減圧下、140℃で2時間加熱し、揮発分を除去することで、上記一般式(5)で表される両末端2官能アルコキシ変性ポリシロキサン化合物(ポリシロキサン化合物A)を得た。
(Synthesis Example 1)
In a 1 liter three-necked flask equipped with a stirrer, a thermometer and a Dimroth condenser, 100.0 parts by mass of hydroxy-terminated dimethylpolysiloxane “XC96-723” (product name, manufactured by Momentive), methyltrimethoxy 181.3 parts by mass of silane and 0.50 parts by mass of t-butylamine were mixed and reacted at 30 ° C. for 5 hours. Thereafter, this reaction solution was heated at 140 ° C. for 2 hours under a reduced pressure of 1.3 kPa to remove volatile components, whereby a bifunctional alkoxy-modified polysiloxane compound represented by the above general formula (5) ( Polysiloxane compound A) was obtained.
[エアロゲルの作製]
(実施例1)
水を201.7質量部、イオン性界面活性剤としてヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド(和光純薬工業株式会社製、以下「CTAB」と略記)を20.0質量部混合した水溶液に、シリカ1を106.5質量部(シリカ粒子:21.3質量部、水:85.2質量部)、セリア1を92.3質量部(セリア粒子:21.3質量部、水:71.0質量部)、シリコン化合物としてメチルトリメトキシシラン(製品名:KBM−13、信越化学工業株式会社製、以下「MTMS」と略記)を60.0質量部及びジメトキシジメチルシラン(東京化成工業株式会社製、以下「DMDMS」と略記)を20.0質量部、ポリシロキサン化合物として上記ポリシロキサン化合物Aを20.0質量部加え、25℃で30分攪拌してゾルを得た。得られたゾルを60℃でゲル化した後、60℃で60時間熟成して湿潤ゲルを得た。
[Production of airgel]
Example 1
Silica 1 is added to an aqueous solution obtained by mixing 201.7 parts by mass of water and 20.0 parts by mass of hexadecyltrimethylammonium bromide (Wako Pure Chemical Industries, Ltd., hereinafter abbreviated as “CTAB”) as an ionic surfactant. 0.5 parts by mass (silica particles: 21.3 parts by mass, water: 85.2 parts by mass), 92.3 parts by mass of ceria 1 (ceria particles: 21.3 parts by mass, water: 71.0 parts by mass), 60.0 parts by mass of methyltrimethoxysilane (product name: KBM-13, manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., hereinafter abbreviated as “MTMS”) and dimethoxydimethylsilane (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd., hereinafter “DMDMS”) 20.0 parts by mass) and 20.0 parts by mass of the polysiloxane compound A as a polysiloxane compound were added and stirred at 25 ° C. for 30 minutes to obtain a sol. The obtained sol was gelled at 60 ° C. and then aged at 60 ° C. for 60 hours to obtain a wet gel.
その後、得られた湿潤ゲルを水1000.0質量部及びメタノール1500.0質量部の混合液に浸漬し、60℃で3時間かけて洗浄を行った。この洗浄操作を、新しいメタノール2500.0質量部に交換しながら1回行った。次に、洗浄した湿潤ゲルを、低表面張力溶媒であるメチルエチルケトン2500.0質量部に浸漬し、60℃で3時間かけて溶媒置換を行った。この溶媒置換操作を、新しいメチルエチルケトンに交換しながら2回行った。洗浄及び溶媒置換された湿潤ゲルを、常圧下にて、25℃で48時間乾燥し、その後さらに150℃で2時間乾燥することで、エアロゲル1を得た。 Then, the obtained wet gel was immersed in a mixed solution of 1000.0 parts by mass of water and 1500.0 parts by mass of methanol, and washed at 60 ° C. for 3 hours. This washing operation was performed once while exchanging with 2500.0 parts by mass of new methanol. Next, the washed wet gel was immersed in 2500.0 parts by mass of methyl ethyl ketone, which is a low surface tension solvent, and solvent substitution was performed at 60 ° C. for 3 hours. This solvent replacement operation was performed twice while exchanging with new methyl ethyl ketone. The washed and solvent-substituted wet gel was dried at 25 ° C. for 48 hours under normal pressure, and then further dried at 150 ° C. for 2 hours to obtain Aerogel 1.
(実施例2)
水を211.2質量部、イオン性界面活性剤としてCTABを20.0質量部混合した水溶液に、シリカ1を142.0質量部(シリカ粒子:28.4質量部、水:113.6質量部)、セリア1を47.3質量部(セリア粒子:14.2質量部、水:33.1質量部)、シリコン化合物としてMTMSを60.0質量部及びDMDMSを20.0質量部、ポリシロキサン化合物として上記ポリシロキサン化合物Aを20.0質量部加え、25℃で30分攪拌してゾルを得た。得られたゾルを60℃でゲル化した後は、実施例1と同様にしてエアロゲル2を得た。
(Example 2)
In an aqueous solution in which 21.2 parts by mass of water and 20.0 parts by mass of CTAB as an ionic surfactant are mixed, 142.0 parts by mass of silica 1 (silica particles: 28.4 parts by mass, water: 113.6 parts by mass) Part), 47.3 parts by weight of ceria 1 (ceria particles: 14.2 parts by weight, water: 33.1 parts by weight), 60.0 parts by weight of MTMS and 20.0 parts by weight of DMDMS as a silicon compound, As the siloxane compound, 20.0 parts by mass of the above polysiloxane compound A was added and stirred at 25 ° C. for 30 minutes to obtain a sol. After the obtained sol was gelled at 60 ° C., an airgel 2 was obtained in the same manner as in Example 1.
(実施例3)
水を201.7質量部、イオン性界面活性剤としてCTABを20.0質量部混合した水溶液に、シリカ1を106.5質量部(シリカ粒子:21.3質量部、水:85.2質量部)、セリア2を92.3質量部(セリア粒子:21.3質量部、水:71.0質量部)、シリコン化合物としてMTMSを60.0質量部及びDMDMSを20.0質量部、ポリシロキサン化合物として上記ポリシロキサン化合物Aを20.0質量部加え、25℃で30分攪拌してゾルを得た。得られたゾルを60℃でゲル化した後は、実施例1と同様にしてエアロゲル3を得た。
(Example 3)
106.5 parts by mass of silica 1 (silica particles: 21.3 parts by mass, water: 85.2 parts by mass) in an aqueous solution in which 201.7 parts by mass of water and 20.0 parts by mass of CTAB as an ionic surfactant were mixed. Part), 92.3 parts by mass of ceria 2 (ceria particles: 21.3 parts by mass, water: 71.0 parts by mass), 60.0 parts by mass of MTMS and 20.0 parts by mass of DMDMS as a silicon compound, poly As the siloxane compound, 20.0 parts by mass of the above polysiloxane compound A was added and stirred at 25 ° C. for 30 minutes to obtain a sol. After the obtained sol was gelled at 60 ° C., an airgel 3 was obtained in the same manner as in Example 1.
(実施例4)
水を211.2質量部、イオン性界面活性剤としてCTABを20.0質量部混合した水溶液に、シリカ1を142.0質量部(シリカ粒子:28.4質量部、水:113.6質量部)、セリア2を47.3質量部(セリア粒子:14.2質量部、水:33.1質量部)、シリコン化合物としてMTMSを60.0質量部及びDMDMSを20.0質量部、ポリシロキサン化合物として上記ポリシロキサン化合物Aを20.0質量部加え、25℃で30分攪拌してゾルを得た。得られたゾルを60℃でゲル化した後は、実施例1と同様にしてエアロゲル4を得た。
Example 4
In an aqueous solution in which 21.2 parts by mass of water and 20.0 parts by mass of CTAB as an ionic surfactant were mixed, 142.0 parts by mass of silica 1 (silica particles: 28.4 parts by mass, water: 113.6 parts by mass) Part), 47.3 parts by weight of ceria 2 (ceria particles: 14.2 parts by weight, water: 33.1 parts by weight), 60.0 parts by weight of MTMS and 20.0 parts by weight of DMDMS as silicon compounds, poly As the siloxane compound, 20.0 parts by mass of the above polysiloxane compound A was added and stirred at 25 ° C. for 30 minutes to obtain a sol. After the obtained sol was gelled at 60 ° C., an airgel 4 was obtained in the same manner as in Example 1.
(比較例1)
水を258.8質量部、イオン性界面活性剤としてCTABを20.0質量部混合した水溶液に、セリア1を141.7質量部(セリア粒子:42.5質量部、水:99.2質量部)、シリコン化合物としてMTMSを60.0質量部及びDMDMSを20.0質量部、ポリシロキサン化合物として上記ポリシロキサン化合物Aを20.0質量部加え、25℃で30分攪拌してゾルを得た。得られたゾルを60℃でゲル化した後は、実施例1と同様にしてエアロゲル5を得た。
(Comparative Example 1)
In an aqueous solution in which 258.8 parts by mass of water and 20.0 parts by mass of CTAB as an ionic surfactant are mixed, 141.7 parts by mass of ceria 1 (ceria particles: 42.5 parts by mass, water: 99.2 parts by mass) Part), 60.0 parts by mass of MTMS as a silicon compound and 20.0 parts by mass of DMDMS, 20.0 parts by mass of the above polysiloxane compound A as a polysiloxane compound, and stirred at 25 ° C. for 30 minutes to obtain a sol It was. After the obtained sol was gelled at 60 ° C., an airgel 5 was obtained in the same manner as in Example 1.
(比較例2)
水を258.8質量部、イオン性界面活性剤としてCTABを20.0質量部混合した水溶液に、セリア2を141.7質量部(セリア粒子:42.5質量部、水:99.2質量部)、シリコン化合物としてMTMSを60.0質量部及びDMDMSを20.0質量部、ポリシロキサン化合物として上記ポリシロキサン化合物Aを20.0質量部加え、25℃で30分攪拌してゾルを得た。得られたゾルを60℃でゲル化した後は、実施例1と同様にしてエアロゲル6を得た。
(Comparative Example 2)
In an aqueous solution obtained by mixing 258.8 parts by mass of water and 20.0 parts by mass of CTAB as an ionic surfactant, 141.7 parts by mass of ceria 2 (ceria particles: 42.5 parts by mass, water: 99.2 parts by mass) Part), 60.0 parts by mass of MTMS as a silicon compound and 20.0 parts by mass of DMDMS, 20.0 parts by mass of the above polysiloxane compound A as a polysiloxane compound, and stirred at 25 ° C. for 30 minutes to obtain a sol It was. After the obtained sol was gelled at 60 ° C., an airgel 6 was obtained in the same manner as in Example 1.
(比較例3)
水を200.0質量部、酸触媒として酢酸を0.10質量部、カチオン系界面活性剤としてCTABを20.0質量部及び熱加水分解性化合物として尿素を120.0質量部混合し、これにシリコン化合物としてMTMSを100.0質量部加え、25℃で2時間反応させてゾルを得た。得られたゾルを60℃でゲル化した後、80℃で24時間熟成して湿潤ゲルを得た。その後、得られた湿潤ゲルを用いて、実施例1と同様にしてエアロゲル7を得た。
(Comparative Example 3)
200.0 parts by mass of water, 0.10 parts by mass of acetic acid as an acid catalyst, 20.0 parts by mass of CTAB as a cationic surfactant, and 120.0 parts by mass of urea as a thermohydrolyzable compound were mixed. 100.0 parts by mass of MTMS as a silicon compound was added and reacted at 25 ° C. for 2 hours to obtain a sol. The obtained sol was gelled at 60 ° C. and then aged at 80 ° C. for 24 hours to obtain a wet gel. Then, airgel 7 was obtained like Example 1 using the obtained wet gel.
各実施例及び比較例における、乾燥方法、Si原料(シリコン化合物及びポリシロキサン化合物)の種類及び添加量、シリカ粒子、セリア粒子の添加量を表2にまとめて示す。 Table 2 summarizes the drying method, the types and addition amounts of Si raw materials (silicon compounds and polysiloxane compounds), the addition amounts of silica particles and ceria particles in each Example and Comparative Example.
[耐収縮性、圧縮弾性率の評価]
各実施例で得られた湿潤ゲル、エアロゲル複合体、並びに各比較例で得られた湿潤ゲル、エアロゲルについて、以下の条件に従って測定又は評価をした。メタノール置換ゲルの常圧乾燥におけるエアロゲル複合体及びエアロゲルの状態、並びにエアロゲル複合体の圧縮弾性率の評価結果をまとめて表3に示す。
[Evaluation of shrinkage resistance and compression modulus]
The wet gel and airgel composite obtained in each example, and the wet gel and airgel obtained in each comparative example were measured or evaluated according to the following conditions. Table 3 summarizes the evaluation results of the airgel composite and the airgel in the atmospheric pressure drying of the methanol-substituted gel, and the compression elastic modulus of the airgel composite.
(1)メタノール置換ゲルの常圧乾燥におけるエアロゲル複合体及びエアロゲルの状態
各実施例及び比較例で得られた湿潤ゲル30.0質量部を、メタノール150.0質量部に浸漬し、60℃で12時間かけて洗浄を行った。この洗浄操作を、新しいメタノールに交換しながら3回行った。次に、洗浄された湿潤ゲルを、刃角約20〜25度の刃を用いて、100mm×100mm×100mmのサイズに加工し、乾燥前サンプルとした。得られた乾燥前サンプルを安全扉付き恒温器「SPH(H)−202」(エスペック株式会社製、製品名)を用い、60℃で2時間、100℃で3時間乾燥し、その後さらに150℃で2時間乾燥することで乾燥後サンプルを得た(特に溶媒蒸発速度等は制御していない)。ここで、サンプルの乾燥前後の体積収縮率SVを次式より求めた。そして、体積収縮率SVが5%以下であるときを「収縮なし」と評価し、5%以上であるときを「収縮」と評価した。なお、乾燥後にサンプルが粉砕してしまっていたときを「粉砕」と評価した。
SV=(V0−V1)/V0×100
式中、V0は乾燥前サンプルの体積を示し、V1は乾燥後サンプルの体積を示す。
(1) State of airgel composite and airgel in atmospheric pressure drying of methanol-substituted gel 30.0 parts by mass of wet gel obtained in each Example and Comparative Example was immersed in 150.0 parts by mass of methanol at 60 ° C. Washing was performed for 12 hours. This washing operation was performed 3 times while exchanging with fresh methanol. Next, the washed wet gel was processed into a size of 100 mm × 100 mm × 100 mm using a blade having a blade angle of about 20 to 25 degrees, and used as a sample before drying. The obtained pre-drying sample was dried at 60 ° C. for 2 hours and at 100 ° C. for 3 hours using an incubator with a safety door “SPH (H) -202” (product name, manufactured by ESPEC CORP.), And then further 150 ° C. And dried for 2 hours to obtain a sample after drying (especially the solvent evaporation rate is not controlled). Here, the volume shrinkage ratio SV before and after drying of the sample was obtained from the following equation. When the volume shrinkage ratio SV was 5% or less, it was evaluated as “no contraction”, and when it was 5% or more, it was evaluated as “shrinkage”. When the sample had been crushed after drying, it was evaluated as “crushed”.
SV = (V 0 −V 1 ) / V 0 × 100
In the formula, V 0 represents the volume of the sample before drying, and V 1 represents the volume of the sample after drying.
(2)圧縮弾性率の測定
刃角約20〜25度の刃を用いて、エアロゲル複合体及びエアロゲルを7.0mm角の立方体(サイコロ状)に加工し、測定サンプルとした。次に、面の平行を確保するために、必要に応じて#1500以上の紙やすりで測定サンプルを整形した。得られた測定サンプルを、測定前に、定温乾燥機「DVS402」(ヤマト科学株式会社製、製品名)を用いて、大気圧下、100℃で30分間乾燥した。次いで測定サンプルをデシケータ中に移し、25℃まで冷却した。これにより、圧縮弾性率測定用の測定サンプルを得た。
(2) Measurement of compression elastic modulus Using a blade having a blade angle of about 20 to 25 degrees, the airgel composite and the airgel were processed into a 7.0 mm square cube (die shape) to obtain a measurement sample. Next, in order to ensure parallelism of the surfaces, the measurement sample was shaped with sandpaper of # 1500 or more as necessary. The obtained measurement sample was dried at 100 ° C. for 30 minutes under atmospheric pressure using a constant temperature dryer “DVS402” (manufactured by Yamato Scientific Co., Ltd., product name) before measurement. The measurement sample was then transferred into a desiccator and cooled to 25 ° C. Thereby, the measurement sample for compression elastic modulus measurement was obtained.
測定装置としては、小型卓上試験機「EZTest」(株式会社島津製作所製、製品名)を用いた。なお、ロードセルとしては500Nを使用した。また、ステンレス製の上圧盤(φ20mm)及び下圧盤(φ118mm)を圧縮測定用冶具として用いた。平行に配置した上圧盤及び下圧盤の間に測定サンプルをセットし、1mm/minの速度で圧縮を行った。測定温度は25℃とし、測定は、500N超の負荷をかけた時点又は測定サンプルが破壊した時点で終了とした。ここで、ひずみεは次式より求めた。
ε=Δd/d1
式中、Δdは負荷による測定サンプルの厚みの変位(mm)を示し、d1は負荷をかける前の測定サンプルの厚み(mm)を示す。
また、圧縮応力σ(MPa)は、次式より求めた。
σ=F/A
式中、Fは圧縮力(N)を示し、Aは負荷をかける前の測定サンプルの断面積(mm2)を示す。
As a measuring apparatus, a small tabletop testing machine “EZTest” (manufactured by Shimadzu Corporation, product name) was used. In addition, 500N was used as a load cell. Further, an upper platen (φ20 mm) and a lower platen (φ118 mm) made of stainless steel were used as compression measurement jigs. A measurement sample was set between an upper platen and a lower platen arranged in parallel, and compression was performed at a speed of 1 mm / min. The measurement temperature was 25 ° C., and the measurement was terminated when a load exceeding 500 N was applied or when the measurement sample was destroyed. Here, the strain ε was obtained from the following equation.
ε = Δd / d1
In the formula, Δd represents the displacement (mm) of the thickness of the measurement sample due to the load, and d1 represents the thickness (mm) of the measurement sample before the load is applied.
The compressive stress σ (MPa) was obtained from the following equation.
σ = F / A
In the formula, F represents the compressive force (N), and A represents the cross-sectional area (mm 2 ) of the measurement sample before applying a load.
圧縮弾性率E(MPa)は、0.1〜0.2Nの圧縮力範囲において、次式より求めた。
E=(σ2−σ1)/(ε2−ε1)
式中、σ1は圧縮力が0.1Nにおいて測定される圧縮応力(MPa)を示し、σ2は圧縮力が0.2Nにおいて測定される圧縮応力(MPa)を示し、ε1は圧縮応力σ1において測定される圧縮ひずみを示し、ε2は圧縮応力σ2において測定される圧縮ひずみを示す。
The compression modulus E (MPa) was determined from the following formula in the compression force range of 0.1 to 0.2N.
E = (σ 2 −σ 1 ) / (ε 2 −ε 1 )
In the formula, σ 1 indicates a compressive stress (MPa) measured at a compressive force of 0.1 N, σ 2 indicates a compressive stress (MPa) measured at a compressive force of 0.2 N, and ε 1 indicates a compressive stress. The compressive strain measured at σ 1 is shown, and ε 2 shows the compressive strain measured at the compressive stress σ 2 .
実施例1〜4では、耐収縮性、圧縮弾性率に優れるエアロゲル複合体を得ることができた。 In Examples 1-4, the airgel composite excellent in shrinkage resistance and compression elastic modulus could be obtained.
[紫外線遮蔽性の評価]
上記の測定で粉砕せずに作製できたエアロゲル複合体について、下記の測定方法で紫外線遮蔽性の評価をした。表4に結果を示す。
[Evaluation of UV shielding properties]
The airgel composite produced without being pulverized by the above measurement was evaluated for ultraviolet shielding property by the following measurement method. Table 4 shows the results.
(3)紫外線遮蔽性の評価
新聞紙を10cm×10cmに切りだし、室内の東側に位置する、自然光が射し込む窓際に置いた。その上に3cm×3cm×0.5cmに加工したエアロゲル複合体を置き、40日間そのままの状態を保持した。40日後、エアロゲル複合体を取り除き、エアロゲル複合体が置かれていた部分の新聞紙の色を確認した。実験前後で新聞紙に変色が無い場合はA、新聞紙が黄色く変色した場合はBとした。
(3) Evaluation of UV shielding property Newspaper was cut into 10 cm × 10 cm and placed on the east side of the room, on the window where natural light shines. The airgel composite processed into 3 cm x 3 cm x 0.5 cm was put on it, and the state as it was was maintained for 40 days. After 40 days, the airgel composite was removed, and the color of the newspaper on the part where the airgel composite was placed was confirmed. When there was no discoloration of the newspaper before and after the experiment, it was A, and when the newspaper discolored yellow, it was B.
表3、表4より、実施例で得られたエアロゲル複合体は、耐収縮性に優れ、柔軟性があり、かつ紫外線遮蔽性も確認できた。 From Tables 3 and 4, the airgel composites obtained in the examples were excellent in shrinkage resistance, flexible, and ultraviolet shielding properties.
一方、比較例1〜2はメタノールで溶媒置換をしている最中に粉砕してしまったため、ブロック体のゲルを得ることが困難であった。また、比較例3は耐収縮性、柔軟性、紫外線遮蔽性の効果を得ることはできなかった。 On the other hand, since Comparative Examples 1 and 2 were crushed during solvent substitution with methanol, it was difficult to obtain a block gel. Further, Comparative Example 3 could not obtain the effects of shrinkage resistance, flexibility and ultraviolet shielding properties.
1…エアロゲル粒子、2…シリカ粒子、3…細孔、4…金属酸化物粒子、10…エアロゲル複合体、L…外接長方形。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Airgel particle, 2 ... Silica particle, 3 ... Fine hole, 4 ... Metal oxide particle, 10 ... Airgel composite, L ... circumscribed rectangle.
Claims (6)
前記エアロゲル成分が支柱部及び橋かけ部を備えるラダー型構造を有し、かつ前記橋かけ部が下記一般式(2)で表される構造を有し、
前記金属酸化物粒子が酸化セリウム粒子、酸化チタン粒子及び酸化亜鉛粒子からなる群より選択される少なくとも一種である、エアロゲル複合体。
[式(2)中、R6及びR7はそれぞれ独立にアルキル基又はアリール基を示し、bは1〜50の整数を示す。式(2)中、bが2以上の整数の場合、2個以上のR6は各々同一であっても異なっていてもよく、同様に2個以上のR7も各々同一であっても異なっていてもよい。] Containing airgel components, silica particles and metal oxide particles,
The airgel component has a ladder type structure including a column part and a bridge part, and the bridge part has a structure represented by the following general formula (2),
An airgel composite, wherein the metal oxide particles are at least one selected from the group consisting of cerium oxide particles, titanium oxide particles, and zinc oxide particles.
[In Formula (2), R 6 and R 7 each independently represent an alkyl group or an aryl group, and b represents an integer of 1 to 50. In the formula (2), when b is an integer of 2 or more, two or more R 6 s may be the same or different, and similarly two or more R 7 s may be the same or different. It may be. ]
The airgel composite according to any one of claims 1 to 5 , wherein an average primary particle diameter of the metal oxide particles is 1 to 500 nm.
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