JP6980467B2 - Powder for spherical silica filler and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、フィラーとして、セラミックスガラスや樹脂材料に配合する際の流動性や充填性を高める目的で球状化した球状シリカフィラー用粉末に関する。本発明は、例えば、セラミックスガラスやプラスチック、ゴム等の材料中に配合して使用されることを特徴とする球状シリカフィラー用粉末に関する。 The present invention relates to a spheroidized powder for a spherical silica filler as a filler for the purpose of improving fluidity and filling property when blended in ceramic glass or a resin material. The present invention relates to a powder for a spherical silica filler, which is characterized in that it is used by blending it in a material such as ceramic glass, plastic or rubber, for example.
一般に、セラミックスガラスや樹脂材料等の物性や機能等を向上させることを目的として、様々なフィラーが使用されている。キータイトは、シリカの結晶構造の1つであり、高温・高圧・高水蒸気圧下での存在が確認されている[非特許文献1、2]。また、キータイトの屈折率は1.52、熱膨張率は−1ppm/K(0℃〜500℃)であり、広く使用されているフィラーの1つである非晶質シリカとは異なった特徴を有している。このため、セラミックスガラスや樹脂材料等の熱膨脹率や屈折率等を制御するために、フィラーとして多くの用途に使用されることが期待されている。 Generally, various fillers are used for the purpose of improving the physical properties and functions of ceramic glass, resin materials and the like. Keetite is one of the crystal structures of silica, and its existence under high temperature, high pressure, and high water vapor pressure has been confirmed [Non-Patent Documents 1 and 2]. In addition, the refractive index of keytite is 1.52 and the coefficient of thermal expansion is -1 ppm / K (0 ° C to 500 ° C), which are different from amorphous silica, which is one of the widely used fillers. Have. Therefore, it is expected to be used in many applications as a filler in order to control the coefficient of thermal expansion, the refractive index, etc. of ceramic glass, resin materials, and the like.
しかしながら、キータイトは、フィラーとしては一般的ではない。キータイトは、石英やクリストバライトのような一般的な結晶相では無く、安価に合成することが困難であり、フィラーとしての適用例はほとんどない。 However, keytite is not common as a filler. Keetite is not a general crystalline phase such as quartz and cristobalite, and it is difficult to synthesize it at low cost, and there are few examples of its application as a filler.
フィラーとしてより好適に使用するためには、セラミックスガラスや樹脂への充填性や加工性、溶融流動性を向上させる必要があり、キータイトの場合も球状で適当な粒度分布を持ち、且つ、凝集が少ないことが求められている。例えば、特許文献1では、合成樹脂に熱膨張係数の小さな無機充填材として、キータイトを20質量%充填しているが、キータイト粒子の充填率は低く、熱膨張低減効果は不十分であった。また、キータイト以外のフィラーも充填されており、熱膨張低減効果がキータイトによるものとはいいがたい。
In order to use it more preferably as a filler, it is necessary to improve the filling property, processability, and melt fluidity in ceramic glass and resin. Less is required. For example, in
キータイトの合成方法としては種々の方法が開示されている。 Various methods have been disclosed as methods for synthesizing keytite.
キータイトは、主に高温・高圧・高水蒸気圧下で合成されている。例えば、非特許文献1には、温度が380〜585℃の間で圧力が34〜124MPaの条件下で水熱結晶化に合成されることが例示されている。また、非特許文献2には、温度が300℃で圧力が1〜3kbarで処理時間が50時間以下の水熱処理により合成されることが例示されている。このような水熱法による合成では、高温・高圧に耐える容器が必要となり、安価に合成することは困難である。 Keetite is mainly synthesized under high temperature, high pressure and high steam pressure. For example, Non-Patent Document 1 exemplifies that it is synthesized for hydrothermal crystallization under the conditions of a temperature of 380 to 585 ° C. and a pressure of 34 to 124 MPa. Further, Non-Patent Document 2 exemplifies that it is synthesized by hydrothermal treatment at a temperature of 300 ° C., a pressure of 1 to 3 kbar, and a treatment time of 50 hours or less. Such hydrothermal synthesis requires a container that can withstand high temperatures and high pressures, and it is difficult to synthesize at low cost.
高温・高圧・高水蒸気圧下での水熱合成法以外の方法も提案されている。例えば、非特許文献3では、金属アルコキシドの加水分解により調整したサブミクロンの球状シリカに、アルカリ金属の炭酸塩(炭酸リチウム)を0.5〜7質量%(酸化物換算)をメノウ乳鉢にて混合し、ラバーブレス法にて100MPaで成形した成形物を700〜800℃で6時間焼成することでキータイトが合成されることが例示されている。しかしながら、この方法ではキータイトは焼結体として得られるため、セラミックスガラスや樹脂等に混合可能な球状粒子として得ることは困難である。また、キータイト相の割合や得られた粒子の平均円形度、樹脂に充填時の効果が明記されていない。 Methods other than the hydrothermal synthesis method under high temperature, high pressure, and high steam pressure have also been proposed. For example, in Non-Patent Document 3, 0.5 to 7% by mass (oxide equivalent) of alkali metal carbonate (lithium carbonate) is added to a submicron spherical silica prepared by hydrolysis of a metal alkoxide in a Menou dairy pot. It is exemplified that keetite is synthesized by mixing and baking a molded product formed at 100 MPa by a rubber breath method at 700 to 800 ° C. for 6 hours. However, since keetite is obtained as a sintered body by this method, it is difficult to obtain it as spherical particles that can be mixed with ceramic glass, resin, or the like. In addition, the ratio of the keytite phase, the average circularity of the obtained particles, and the effect of filling the resin are not specified.
本発明の目的は、セラミックスガラスや樹脂に充填した場合に、低粘度・高流動性を有し、高充填することが可能なため、熱膨脹率を制御しやすい球状シリカフィラー用粉末を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a powder for a spherical silica filler whose thermal expansion coefficient can be easily controlled because it has low viscosity and high fluidity when filled in ceramic glass or resin and can be filled highly. It is in.
(1)平均円形度が0.80以上であり、且つ、キータイト相を80%以上含むことを特徴とする、球状シリカフィラー用粉末。
(2)セラミックスガラスまたは樹脂中に配合して使用されることを特徴とする(1)に記載の球状シリカフィラー用粉末。
(1) A powder for a spherical silica filler, which has an average circularity of 0.80 or more and contains 80% or more of a keetite phase.
( 2 ) The powder for spherical silica filler according to (1), which is used by blending in ceramic glass or resin .
本発明者によれば、セラミックスガラスや樹脂材料に充填した場合に、低粘度・高流動性を有する球状シリカフィラー用粉末を提供することができる。また、キータイト相含有率が高いため、セラミックスガラスや樹脂に充填した際に熱膨脹率制御効果が大きい。 According to the present inventor, it is possible to provide a powder for a spherical silica filler having low viscosity and high fluidity when filled in ceramic glass or a resin material. Further, since the keytite phase content is high, the effect of controlling the coefficient of thermal expansion is large when the ceramic glass or resin is filled.
本発明の球状シリカフィラー用粉末は、平均円形度が0.80以上であり、好ましくは0.85以上、さらに好ましくは0.90以上である。平均円形度が0.80未満であると、ガラスや樹脂と混合した際の粒子の転がり抵抗が大きくなり、流動性が低下する。また、本発明の球状シリカフィラー用粉末には、キータイト相が80質量%以上含まれる。キータイト相の含有率が80質量%未満であると、熱膨張率の低減効果が不十分となる。 The powder for spherical silica filler of the present invention has an average circularity of 0.80 or more, preferably 0.85 or more, and more preferably 0.90 or more. When the average circularity is less than 0.80, the rolling resistance of the particles when mixed with glass or resin increases, and the fluidity decreases. Further, the powder for spherical silica filler of the present invention contains 80% by mass or more of the keetite phase. If the content of the keytite phase is less than 80% by mass, the effect of reducing the coefficient of thermal expansion is insufficient.
本発明の球状シリカフィラー用粉末の平均粒子径は、特に規定されないが、フィラーとして使用されることを考慮すると、0.05μmから100μmであることが好ましく、0.2μmから50μmが特に好ましい。 The average particle size of the powder for spherical silica filler of the present invention is not particularly specified, but is preferably 0.05 μm to 100 μm, particularly preferably 0.2 μm to 50 μm in consideration of being used as a filler.
本発明の原料である球状非晶質シリカ粒子は、平均円形度が0.80以上であり、好ましくは、好ましくは0.85以上、さらに好ましくは0.90以上である。球状非晶質シリカ粒子の平均円形度が0.80未満であると、得られる球状キータイトの平均円形度が0.80未満となり、樹脂と混合した際の粒子の転がり抵抗が大きくなり、流動性が低下する。 The spherical amorphous silica particles which are the raw materials of the present invention have an average circularity of 0.80 or more, preferably 0.85 or more, and more preferably 0.90 or more. When the average circularity of the spherical amorphous silica particles is less than 0.80, the average circularity of the obtained spherical keytite is less than 0.80, the rolling resistance of the particles when mixed with the resin is increased, and the fluidity is increased. Decreases.
本発明の球状シリカフィラー用粉末の製造方法は、加熱結晶化法が用いられる。 As a method for producing a powder for a spherical silica filler of the present invention, a heat crystallization method is used.
加熱結晶化法は、原料粉末を高温で加熱して結晶化させる方法である。高温が得られればどの様な加熱装置を使用しても良いが、例えば、電気炉、ロータリーキルン、プッシャー炉、ローラーハースキルンなどが用いられる。 The heat crystallization method is a method of heating raw material powder at a high temperature to crystallize it. Any heating device may be used as long as a high temperature can be obtained, and for example, an electric furnace, a rotary kiln, a pusher furnace, a roller herskilln, and the like are used.
原料球状非晶質シリカ粒子を加熱する温度は650〜725℃が好ましい。加熱温度が650℃未満であると、結晶化に時間を要するし、また、結晶化が不十分となりキータイト相の比率が低くなり、熱膨張低減効果が不十分となる。加熱温度が725℃を超えると、キータイト以外の結晶相、例えば石英等が生成するため、熱膨張低減効果が不十分となる。また、加熱時間は3〜20時間が好ましい。加熱時間が3時間未満であると、キータイトへの結晶化が不十分となり、熱膨張低減効果が不十分となる。また、加熱時間が20時間を超えると、経済的では無く、キータイト以外の結晶相である石英等が生成するため、熱膨張低減効果が不十分となる。 The temperature for heating the raw material spherical amorphous silica particles is preferably 650 to 725 ° C. If the heating temperature is less than 650 ° C., crystallization takes time, crystallization is insufficient, the ratio of the keytite phase is low, and the effect of reducing thermal expansion is insufficient. If the heating temperature exceeds 725 ° C., a crystal phase other than keetite, for example, quartz or the like is formed, so that the effect of reducing thermal expansion is insufficient. The heating time is preferably 3 to 20 hours. If the heating time is less than 3 hours, the crystallization into keetite becomes insufficient, and the effect of reducing thermal expansion becomes insufficient. Further, if the heating time exceeds 20 hours, it is not economical and quartz or the like, which is a crystal phase other than keetite, is produced, so that the effect of reducing thermal expansion is insufficient.
加熱結晶化法で得られたキータイト相を含有するシリカの凝集体を解砕することで、粉末状とする。解砕方法は特に規定されないが、メノウ乳鉢、ボールミル、振動ミル、ジェットミル、湿式ジェットミルなどが使用される。解砕は乾式で解砕してもよいが、水やアルコール等の液体と混合して湿式で解砕してもよい。解砕前あるいは解砕後に水やアルコール類で洗浄することで、添加したリチウム化合物を除去することができる。洗浄後に乾燥することで粉末の球状キータイトが得られる。乾燥方法は特に規定しないが、加熱乾燥、真空乾燥、凍結乾燥、超臨界二酸化炭素乾燥などが挙げられる。 The agglomerates of silica containing the keetite phase obtained by the heat crystallization method are crushed into a powder. The crushing method is not particularly specified, but an agate mortar, a ball mill, a vibration mill, a jet mill, a wet jet mill, or the like is used. The crushing may be carried out by a dry method, or may be mixed with a liquid such as water or alcohol and crushed by a wet method. The added lithium compound can be removed by washing with water or alcohols before or after crushing. By drying after washing, a powdery spherical keetite can be obtained. The drying method is not particularly specified, but examples thereof include heat drying, vacuum drying, freeze drying, and supercritical carbon dioxide drying.
リチウム化合物と原料である球状非晶質シリカの混合方法は特に規定しないが、メノウ乳鉢やボールミル、振動ミル等の粉砕機、各種ミキサー類が挙げられる。混合の際には、リチウム化合物と原料の球状非晶質シリカを粉体のまま混合しても良いし、水やメタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等のアルコール類、アセトンやメチルエチルケトン等のケトン類等の有機溶剤と混合しても良い。なかでも、均一混合しやすいことから、水や有機溶媒にリチウム化合物を溶解させ、原料である球状非晶質シリカと湿式混合することが特に好ましい。 The method for mixing the lithium compound and the spherical amorphous silica as a raw material is not particularly specified, and examples thereof include agate mortars, ball mills, crushers such as vibration mills, and various mixers. At the time of mixing, the lithium compound and the raw material spherical amorphous silica may be mixed as a powder, or alcohols such as water, methanol, ethanol and isopropyl alcohol, and ketones such as acetone and methyl ethyl ketone may be mixed. It may be mixed with an organic solvent. Of these, it is particularly preferable to dissolve the lithium compound in water or an organic solvent and wet-mix it with spherical amorphous silica as a raw material because it is easy to uniformly mix.
リチウム化合物の添加量は酸化リチウム換算で0.01質量%から10質量%が好適である。0.01質量%未満であると、キータイトへの結晶化速度が遅く、結晶化に長時間を要し、また、結晶化が不十分であるため、セラミックスガラスや樹脂の物性制御効果、例えば熱膨張率低減効果が不十分となる。10質量%を超えると、得られるキータイト粒子が融着しやすくなり、平均円形度の高い球状粒子が得られなくなるため、セラミックスガラスや樹脂材料等に充填しにくくなる。さらに、キータイト以外の結晶相である石英等も生成するため、セラミックスガラスや樹脂の物性制御効果、例えば熱膨張率低減効果が不十分となる。 The amount of the lithium compound added is preferably 0.01% by mass to 10% by mass in terms of lithium oxide. If it is less than 0.01% by mass, the crystallization rate to keytite is slow, crystallization takes a long time, and crystallization is insufficient, so that the effect of controlling the physical properties of ceramic glass or resin, for example, heat. The effect of reducing the expansion rate becomes insufficient. If it exceeds 10% by mass, the obtained keetite particles are easily fused, and spherical particles having a high average circularity cannot be obtained, so that it becomes difficult to fill ceramic glass, a resin material, or the like. Further, since quartz or the like which is a crystal phase other than keetite is also produced, the effect of controlling the physical properties of the ceramic glass or the resin, for example, the effect of reducing the coefficient of thermal expansion is insufficient.
加熱結晶化の際に、キータイトへの結晶化を促す助剤として、リチウム化合物を添加する。リチウム化合物としては、リチウム元素が含まれていれば特に規定しないが、酸化リチウム、水酸化リチウム、炭酸リチウム、塩化リチウム、硝酸リチウム、硫酸リチウム等の無機塩類、酢酸リチウム、シュウ酸リチウム、クエン酸リチウム等の有機酸塩類、オクチル酸リチウム、ステアリン酸リチウム等の金属石けん類、メチルリチウム、ブチルリチウム、フェニルリチウム等の有機リチウム類などが挙げられる。なかでも、水や有機溶媒に溶解させながら湿式混合により均一混合が可能であり、加熱後に不純物が残留しにくい点から、水酸化リチウムまたは酸化リチウムが特に好ましい。 At the time of heat crystallization, a lithium compound is added as an auxiliary agent for promoting crystallization to keytite. The lithium compound is not particularly specified as long as it contains a lithium element, but inorganic salts such as lithium oxide, lithium hydroxide, lithium carbonate, lithium chloride, lithium nitrate and lithium sulfate, lithium acetate, lithium oxalate and citric acid. Examples thereof include organic acid salts such as lithium, metallic soaps such as lithium octylate and lithium stearate, and organic lithiums such as methyl lithium, butyl lithium and phenyl lithium. Among them, lithium hydroxide or lithium oxide is particularly preferable because it can be uniformly mixed by wet mixing while being dissolved in water or an organic solvent, and impurities are less likely to remain after heating.
原料粉末である球状非晶質シリカは、ゾルゲル法や水ガラス法などの湿式合成法によって得られたものであれば特に規定しない。ゾルゲル法の合成条件は特に規定しないが、メタノール、エタノール、メトキシエタノール、エトキシエタノール等のアルコール類などの一般的に使用されている溶媒が使用される。シリカ源としては、テトラエトキシシランやテトラメトキシシランなどのアルコキシシラン類が用いられる。触媒には、アンモニア、メチルアミン、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム等の塩基性触媒、酢酸、塩酸、硫酸等の酸性触媒が使用される。アルコキシシランを加水分解させるため、水も添加される。球状非晶質シリカの粒径は添加するアルコキシシラン類の量により調整できる。小粒径の球状非晶質粒子はアルコキシシランの添加量を少なくし、大粒径の球状非晶質粒子はアルコキシシランの添加量を多くすることで調整できる。大粒形を得るためには、アルコキシシランを一度に添加するのではなく、徐々に添加する、あるいは、数回に分けて添加することで球状粒子が得られる。アルコキシシランを一度に多量に添加すると、凝集粒子が生成するため、球状粒子が得られにくくなる。触媒としてはアンモニアが好適であり、溶液のpHは8〜12が好適である。また、水の添加量は1〜30質量%が好適である。また、水ガラス(珪酸ナトリウム)の水溶液に塩酸や硫酸などの酸を添加することでも球状非晶質シリカが得られるが、不純物の残留量の少ないゾルゲル法により得られる球状非晶質シリカが好ましい。 The spherical amorphous silica as the raw material powder is not particularly specified as long as it is obtained by a wet synthesis method such as a sol-gel method or a water glass method. The synthetic conditions of the sol-gel method are not particularly specified, but commonly used solvents such as alcohols such as methanol, ethanol, methoxyethanol and ethoxyethanol are used. As the silica source, alkoxysilanes such as tetraethoxysilane and tetramethoxysilane are used. As the catalyst, a basic catalyst such as ammonia, methylamine, sodium hydroxide and lithium hydroxide, and an acidic catalyst such as acetic acid, hydrochloric acid and sulfuric acid are used. Water is also added to hydrolyze the alkoxysilane. The particle size of the spherical amorphous silica can be adjusted by adjusting the amount of alkoxysilanes to be added. The spherical amorphous particles having a small particle size can be adjusted by reducing the amount of alkoxysilane added, and the spherical amorphous particles having a large particle size can be adjusted by increasing the amount of alkoxysilane added. In order to obtain a large particle shape, the alkoxysilane is not added all at once, but is added gradually or in several batches to obtain spherical particles. When a large amount of alkoxysilane is added at one time, aggregated particles are generated, which makes it difficult to obtain spherical particles. Ammonia is suitable as the catalyst, and the pH of the solution is preferably 8 to 12. The amount of water added is preferably 1 to 30% by mass. Spherical amorphous silica can also be obtained by adding an acid such as hydrochloric acid or sulfuric acid to an aqueous solution of water glass (sodium silicate), but spherical amorphous silica obtained by the sol-gel method having a small residual amount of impurities is preferable. ..
湿式合法で得られた球状非晶質シリカを乾燥することで、粉末状とする。乾燥方法は特に規定しないが、加熱乾燥、真空乾燥、凍結乾燥、超臨界二酸化炭素乾燥などが挙げられる。また、乾燥前に濃縮することで、効率よく乾燥することができる。燥濃縮方法として、ろ過や遠心分離が上げられる。球状非晶質シリカの凝集を抑制するため、ろ過などで濃縮後、エタノール等で残留している触媒やアルコキシシラン類を洗浄除去し、乾燥することが好ましい。 The spherical amorphous silica obtained by the wet method is dried to obtain a powder. The drying method is not particularly specified, but examples thereof include heat drying, vacuum drying, freeze drying, and supercritical carbon dioxide drying. In addition, by concentrating before drying, it can be dried efficiently. Filtration and centrifugation are examples of dry concentration methods. In order to suppress the aggregation of spherical amorphous silica, it is preferable to concentrate by filtration or the like, and then wash and remove the residual catalyst and alkoxysilanes with ethanol or the like and dry them.
本発明で得られた球状シリカフィラー用粉末は、平均円形度が高いため、極めて流動性が良く、樹脂に充填する際に極めて良好な成形性を示し、又、充填率を高めることができる。得られた球状粒子は、必要に応じて、所望の平均粒子径が得られるよう分級したり、表面処理を施すことによって、更に充填率を上げることができる。表面処理剤としては、一般にシランカップリング剤が用いられるが、他にチタネートカップリング剤またはアルミネート系カップリング剤も用いることができる。 Since the powder for spherical silica filler obtained in the present invention has a high average circularity, it has extremely good fluidity, exhibits extremely good moldability when filled in a resin, and can increase the filling rate. The obtained spherical particles can be further increased in filling rate by classifying the obtained spherical particles so as to obtain a desired average particle diameter or by performing surface treatment, if necessary. As the surface treatment agent, a silane coupling agent is generally used, but a titanate coupling agent or an aluminate-based coupling agent can also be used.
本発明の球状シリカフィラー用粉末は、例えば、ガラス中に配合して使用される。ガラスの種類としては、例えば、PbO−B2O3 −ZnO系、PbO−B2O3−Bi2O3系、PbO−V2O5−TeO2 系、SiO2−ZnO−R2O系(R2Oはアルカリ金属酸化物)、SiO2−B2O3−R2O系、SiO2−B2O3−RO系(ROはアルカリ土類金属酸化物)等の組成を有するガラスが挙げられる。 The powder for spherical silica filler of the present invention is used, for example, by blending it in glass. Examples of the type of glass include PbO-B 2 O 3- ZnO system, PbO-B 2 O 3- Bi 2 O 3 system, PbO-V 2 O 5- TeO 2 system, SiO 2- ZnO-R 2 O. It has a composition of a system (R 2 O is an alkali metal oxide), a SiO 2- B 2 O 3- R 2 O system, a SiO 2- B 2 O 3- RO system (RO is an alkaline earth metal oxide), and the like. Glass is mentioned.
本発明の球状シリカフィラー用粉末は、例えば、樹脂中に配合して使用される。樹脂の種類としては、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、不飽和ポリエステル、フッ素樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド等のポリアミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル、ポリフェニレンスルフィド、全芳香族ポリエステル、ポリスルホン、液晶ポリマー、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネート、マレイミド変性樹脂、ABS樹脂、AAS(アクリロニトリル-アクリルゴム・スチレン)樹脂、AES(アクリロニトリル・エチレン・プロピレン・ジエンゴム-スチレン)樹脂等が挙げられる。 The powder for spherical silica filler of the present invention is used, for example, by blending it in a resin. Examples of the type of resin include polyamide resins such as epoxy resin, silicone resin, phenol resin, melamine resin, urea resin, unsaturated polyester, fluororesin, polyimide, polyamideimide and polyetherimide, polybutylene terephthalate and polyethylene terephthalate. Polyester, polyphenylene sulfide, total aromatic polyester, polysulfone, liquid crystal polymer, polyether sulfone, polycarbonate, maleimide modified resin, ABS resin, AAS (acrylonitrile-acrylic rubber, styrene) resin, AES (acrylonitrile, ethylene, propylene, diene rubber-styrene) ) Resin and the like can be mentioned.
ガラスや樹脂中における球状シリカフィラー用粉末の割合は、目標とする熱膨脹率等の物性に応じて適宜選択される。例えば、樹脂の使用量は、キータイト相含有球状シリカ100質量部に対して、好ましくは1〜100質量部、より好ましくは10〜50質量部の範囲で適宜選択される。 The ratio of the powder for spherical silica filler in the glass or resin is appropriately selected according to the physical properties such as the target coefficient of thermal expansion. For example, the amount of the resin used is appropriately selected in the range of preferably 1 to 100 parts by mass, more preferably 10 to 50 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the keytite phase-containing spherical silica.
以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to the Examples.
[実施例1]
(球状非晶質シリカの合成)
エタノール:528g、水:48g、アンモニア水(28質量%):122gの混合溶液にテトラエトキシシラン:21gを添加し、撹拌しながら室温で3時間反応させた。遠心沈降とエタノール洗浄を3回繰り返した後、乾燥させた。走査型電子顕微鏡で球状粒子の生成を確認し、粉末X線回折にて非晶質であることを確認した。また、平均円形度は0.97、平均粒子径は0.4μmであった。
[Example 1]
(Synthesis of spherical amorphous silica)
Tetraethoxysilane: 21 g was added to a mixed solution of ethanol: 528 g, water: 48 g, and ammonia water (28% by mass): 122 g, and the mixture was reacted at room temperature for 3 hours with stirring. Centrifugal sedimentation and ethanol washing were repeated 3 times and then dried. The formation of spherical particles was confirmed with a scanning electron microscope, and it was confirmed that they were amorphous by powder X-ray diffraction. The average circularity was 0.97 and the average particle size was 0.4 μm.
(球状シリカフィラー用粉末の合成)
球状非晶質シリカ:1gに、エタノール:10gに溶解させた水酸化リチウム:14.1mg(酸化リチウムとして5.0mg)を添加し、メノウ乳鉢にて1時間混合した。電気炉にて675℃で5時間加熱し、冷却後にメノウ乳鉢にて解砕した。走査型電子顕微鏡にて球状粒子の生成を確認した(図1参照)。粉末X線回折にてキータイトが生成していることを確認した(図2参照)。平均円形度は0.91、平均粒子径は0.3μmであった。
(Synthesis of powder for spherical silica filler)
To 1 g of spherical amorphous silica, 14.1 mg of lithium hydroxide dissolved in 10 g of ethanol (5.0 mg as lithium oxide) was added, and the mixture was mixed in an agate mortar for 1 hour. The mixture was heated at 675 ° C. for 5 hours in an electric furnace, cooled, and then crushed in an agate mortar. The formation of spherical particles was confirmed with a scanning electron microscope (see FIG. 1). It was confirmed by powder X-ray diffraction that keytite was generated (see FIG. 2). The average circularity was 0.91 and the average particle size was 0.3 μm.
実施例及び比較例にて作製した粒子組成物の特性を、以下の方法で評価した。 The characteristics of the particle compositions prepared in Examples and Comparative Examples were evaluated by the following methods.
[キータイト相の同定及び定量]
キータイト相の同定及び定量は、粉末X線回折測定およびリートベルト法によりおこなった。使用装置は、リガク社製 RINT−UltimaIV、X線源はCuKα、管電圧40kV、管電流40mA、スキャン速度5.0°/min、2θスキャン範囲10°〜80°の条件で測定した。定量分析は、リートベルト法ソフトウェア(リガク社製、統合粉末X線ソフトウェアPDXL)を使用した。キータイト相の含有率は、内標準物質として NIST製X線回折用標準試料α−アルミナ50質量%を各試料に添加し、キータイト相の含有率を測定した。結果を表1、2に示す。
[Identification and quantification of keytite phase]
The identification and quantification of the keytite phase was performed by powder X-ray diffraction measurement and Rietveld method. The equipment used was RINT-Ultima IV manufactured by Rigaku Co., Ltd., the X-ray source was CuKα, the tube voltage was 40 kV, the tube current was 40 mA, the scan speed was 5.0 ° / min, and the 2θ scan range was 10 ° to 80 °. For the quantitative analysis, Rietveld method software (integrated powder X-ray software PDXL manufactured by Rigaku Co., Ltd.) was used. As for the content of the keetite phase, 50% by mass of NIST standard sample α-alumina for X-ray diffraction was added to each sample as an internal standard substance, and the content of the keetite phase was measured. The results are shown in Tables 1 and 2.
[平均円形度]
試料をカーボンテープで試料台に固定後、オスミウムコーティングを行い、日本電子社製走査型電子顕微鏡「JSM−7001F SHL」で撮影した倍率10万倍、解像度2048×1356ピクセルの画像をパソコンに取り込んだ。この画像を、マウンテック社製画像解析装置「MacView Ver.4」を使用し、簡単取り込みツールを用いて粒子を認識させ、粒子の投影面積(S)と粒子の投影周囲長(L)を算出し、式(1)より円形度を測定した。撮影した粒子が、複数の一次粒子が凝集して二次粒子となっている形状の場合、二次粒子を単一の粒子とみなし、投影面積(S)は二次粒子全体の面積、周囲長(L)は、二次粒子の界面に沿って測定した長さとする。このようにして得られた任意の投影面積円相当径50nm以上の粒子100個の円形度を求め、その平均値を平均円形度とした。
円形度=4πS/L2 (1)
[Average circularity]
After fixing the sample to the sample table with carbon tape, osmium coating was applied, and an image with a magnification of 100,000 times and a resolution of 2048 x 1356 pixels taken with a scanning electron microscope "JSM-7001F SHL" manufactured by JEOL Ltd. was captured in a personal computer. .. Using the image analysis device "MacView Ver.4" manufactured by Mountech Co., Ltd., the particles are recognized using a simple capture tool, and the projected area (S) of the particles and the projected peripheral length (L) of the particles are calculated. , The circularity was measured from the formula (1). When the photographed particles have a shape in which a plurality of primary particles are aggregated to form secondary particles, the secondary particles are regarded as a single particle, and the projected area (S) is the area and peripheral length of the entire secondary particles. (L) is the length measured along the interface of the secondary particles. The circularity of 100 particles having an arbitrary projected area equivalent circle diameter of 50 nm or more obtained in this manner was determined, and the average value thereof was taken as the average circularity.
Circularity = 4πS / L 2 (1)
[密度]
実施例1で得られた粉末5gを測定用試料セルに入れ、乾式密度計(島津製作所社製「アキュピックII1340」)を用い、気体置換法により測定した。
[density]
5 g of the powder obtained in Example 1 was placed in a sample cell for measurement, and measured by a gas substitution method using a dry densitometer (“Accupic II 1340” manufactured by Shimadzu Corporation).
[平均粒子径]
ベックマンコールター製「レーザー回折式粒度分布測定装置LS 13 320」を用いて測定を行った。試料はガラスビーカーに50ccの純水と、実施例1で得られた粉末0.1g添加して、超音波ホモジナイザー(BRANSON社製「SFX250」)で1分間、分散処理を行った。分散処理を行った球状シリカフィラー用粉末の分散液をスポイトでレーザー回折式粒度分布測定装置に一滴ずつ添加し、所定量添加してから30秒後に測定を行った。レーザー回折式粒度分布測定装置内のセンサで検出した粒子による回折/散乱光の光強度分布のデータから粒度分布を計算した。平均粒子径は測定される粒子径の値に相対粒子量(差分%)を乗じて、相対粒子量の合計(100%)で割って求めた。ここでの%は体積%である。
[Average particle size]
The measurement was performed using a "laser diffraction type particle size distribution measuring device LS 13 320" manufactured by Beckman Coulter. As a sample, 50 cc of pure water and 0.1 g of the powder obtained in Example 1 were added to a glass beaker, and the sample was dispersed with an ultrasonic homogenizer (“SFX250” manufactured by BRANSON) for 1 minute. The dispersion liquid of the powder for spherical silica filler that had been subjected to the dispersion treatment was added drop by drop to the laser diffraction type particle size distribution measuring device with a dropper, and the measurement was performed 30 seconds after the predetermined amount was added. The particle size distribution was calculated from the data of the light intensity distribution of the diffracted / scattered light by the particles detected by the sensor in the laser diffraction type particle size distribution measuring device. The average particle size was obtained by multiplying the measured particle size value by the relative particle amount (difference%) and dividing by the total relative particle amount (100%). The% here is a volume%.
[粘度]
実施例1で得られた粉末が全体の50体積%になるように、ビスフェノールA型液状エポキシ樹脂(三菱化学社製「JER828」)と混合し、遊星式撹拌機(シンキー社「あわとり練太郎AR−250」、回転数2000rpm)にて混練し、樹脂組成物を作製した。得られた樹脂組成物を、レオメーター(日本シイベルヘグナー社製「MCR−300」)を用い下記条件にて粘度を測定した。
プレート形状:円形平板25mmφ
試料厚み:1mm
温度:25±1℃
剪断速度:1s−1
[viscosity]
Mix with bisphenol A type liquid epoxy resin (“JER828” manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) so that the powder obtained in Example 1 accounts for 50% by volume of the whole, and use a planetary stirrer (Shinky Co., Ltd. “Awatori Rentaro”). AR-250 ”, rotation speed 2000 rpm) was kneaded to prepare a resin composition. The viscosity of the obtained resin composition was measured under the following conditions using a rheometer (“MCR-300” manufactured by Nippon Sibel Hegner).
Plate shape: Circular flat plate 25 mmφ
Sample thickness: 1 mm
Temperature: 25 ± 1 ° C
Shear rate: 1s -1
[熱膨張係数]
実施例1で得られた粉末が全体の50体積%になるように、低融点ガラス(旭硝子社製「TNS062」、熱膨張係数:13ppm/K)と混合して溶融・成型した後、TMA(ブルカー社製「DIL402C」)にて熱膨張率を評価した。昇温条件は、5℃/min、測定温度は−10℃〜280℃、雰囲気は、ヘリウム雰囲気で測定し、得られた結果から0℃〜100℃の熱膨張係数を算出した。
[Coefficient of thermal expansion]
After mixing with low melting point glass (“TNS062” manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., coefficient of thermal expansion: 13 ppm / K) so that the powder obtained in Example 1 accounts for 50% by volume of the whole, TMA ( The coefficient of thermal expansion was evaluated with "DIL402C" manufactured by Bruker. The temperature rise condition was 5 ° C./min, the measurement temperature was −10 ° C. to 280 ° C., and the atmosphere was a helium atmosphere. From the obtained results, the coefficient of thermal expansion of 0 ° C. to 100 ° C. was calculated.
実施例2−5、比較例1−6
実施例1で得られた球状非晶質シリカを、表1、2に示す加熱温度、加熱時間で処理した以外は実施例1と同様に行った。
Example 2-5, Comparative Example 1-6
The spherical amorphous silica obtained in Example 1 was treated in the same manner as in Example 1 except that it was treated at the heating temperature and heating time shown in Tables 1 and 2.
実施例6
実施例1で得られた球状非晶質シリカを、球状非晶質シリカ1gに炭酸リチウム12.3mg(酸化リチウムとして5.0mg)を添加し、メノウ乳鉢にて1時間混合した以外は、実施例1と同様に行った。
Example 6
The spherical amorphous silica obtained in Example 1 was mixed with 1 g of spherical amorphous silica with 12.3 mg of lithium carbonate (5.0 mg as lithium oxide) for 1 hour in an agate mortar. The procedure was the same as in Example 1.
比較例7
実施例1で得られた球状非晶質シリカを比較例7とし、実施例1と同様に評価を行った。結果を表2に示す。
Comparative Example 7
The spherical amorphous silica obtained in Example 1 was designated as Comparative Example 7, and evaluation was performed in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 2.
比較例8
水:48g、アンモニア水(28質量%):122gの混合溶液にテトラエトキシシラン:21gを添加し、撹拌せず室温で1日反応させた。遠心沈降とエタノール洗浄を3回繰り返した後、得られた凝集物を乳鉢で湿式解砕し、スギノマシン社製高圧ホモジナイザー(湿式微粒化装置「スターバーストミニ」)を用いて、微粉化処理を行い、得られた分散溶液を、遠心沈降・乾燥させ、粉末を得た。走査型電子顕微鏡で破砕形状粒子の生成を確認し、粉末X線回折にて非晶質であることを確認した。また、平均円形度は0.78、平均粒子径は0.5μmであった。得られた非晶質シリカを実施例1と同様に加熱処理及び評価を行った。結果を表2に示す。
Comparative Example 8
Tetraethoxysilane: 21 g was added to a mixed solution of water: 48 g and ammonia water (28% by mass): 122 g, and the mixture was reacted at room temperature for 1 day without stirring. After repeating centrifugal sedimentation and ethanol washing three times, the obtained aggregates are wet-crushed in a mortar and atomized using a high-pressure homogenizer manufactured by Sugino Machine Limited (wet atomizer "Starburst Mini"). The obtained dispersion solution was centrifuged and dried to obtain a powder. The formation of crushed particles was confirmed with a scanning electron microscope, and it was confirmed that they were amorphous by powder X-ray diffraction. The average circularity was 0.78 and the average particle size was 0.5 μm. The obtained amorphous silica was heat-treated and evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 2.
本発明の球状シリカフィラー用粉末を含有する樹脂組成物は、平均円形度が小さい球状シリカフィラー用粉末を含有する樹脂組成物と比較して、粘度が低く抑えられ、高充填できるという結果になった。また、本発明の球状シリカフィラーを含有するガラス組成物は、キータイト含有率が小さい球状シリカフィラー用粉末を含有するガラス組成物と比較して、熱膨脹率が低く抑えられるという結果になった。 The resin composition containing the powder for spherical silica filler of the present invention has a lower viscosity than the resin composition containing powder for spherical silica filler having a small average circularity, resulting in high filling. rice field. Further, the glass composition containing the spherical silica filler of the present invention has a result that the coefficient of thermal expansion can be suppressed to be lower than that of the glass composition containing the powder for spherical silica filler having a small keytite content.
本発明の球状シリカフィラー用粉末は、セラミックスガラスや樹脂に充填した場合に、低粘度・高流動性を有し、高充填することが可能であり、キータイト相含有率が高いため、熱膨脹率を制御しやすいフィラーとして利用可能である。 The powder for spherical silica filler of the present invention has low viscosity and high fluidity when filled in ceramic glass or resin, can be highly filled, and has a high coefficient of thermal expansion due to its high keytite phase content. It can be used as a filler that is easy to control.
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