JPH03257010A - シリカ粒子及びその製造法 - Google Patents
シリカ粒子及びその製造法Info
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
[0001]
本発明は、樹脂やゴム等に添加する粒子表面に凹凸状の
突起を有するシリカ粒子及びその製造法に関する。本発
明のシリカ粒子は、半導体対土用樹脂組成物、ポリエス
テル、エンジニアリングプラスチックス、シリコーンゴ
ム用の充填材として有用なものである。 [0002]
突起を有するシリカ粒子及びその製造法に関する。本発
明のシリカ粒子は、半導体対土用樹脂組成物、ポリエス
テル、エンジニアリングプラスチックス、シリコーンゴ
ム用の充填材として有用なものである。 [0002]
高分子材料の諸物性改善を目的に各種無機充填材、特に
シリカが多用されている。例えば、IC封止材はエポキ
シ、ポリフェニレンスルフィド、ポリイミド等のマトリ
ックス樹脂に対し、熱膨張率の調整を目的に、シリカ充
填材を70%程度配合する。近年、半導体の高集積化と
チップの大型化に伴い、封止材料の高純度化、低応力化
、耐クラツク性の改良が要望されているカミ必ずしもこ
れらの性能を満足していない現状にある。 [0003] 従来のシリカ充填材は 1)天然石英の溶融粉砕法 2)珪曹法シリカゲルの焼成粉砕法 3)四塩化珪素の酸水素炎分解法 4)アルコキシシランからのゾルゲル法等により得られ
ている。 [0004] しかし、1)の方法は良質な天然石英の安定供給に問題
がある上、ICの誤動作(ソフト・エラー)の原因とな
るウラン、トリウム等の放射性元素の低減は不可能であ
る。また、2)の方法は原料の珪酸曹達や中和剤からの
ナトリウム、アルミニウム等の金属成分やイオン性不純
物が混入するため、高集積半導体用封止材シリカとして
は供しえない。3)の方法はコスト高、かつ粒径や形状
の制御が難しく、不純物としての塩素イオンの混入は避
けられない。更に4)の方法は原料の精製により高純度
のシリカが得られる反面、製造工程が複雑で、シリカは
相当なコスト高となり用途が限定される。 [0005] 他方、シリカ充填材の形状については、従来から溶融シ
リカの破砕法による角形シリカが主に使用されているが
、角形シリカを含有する組成物は流動性が低下する上、
鋭角先端の応力による配線の変形やパッケージのクラッ
ク等のハード・エラーを起こしやすいため、最近は流動
性改善と応力分散の目的から球状シリカも普及しつつあ
る。しかし、球状シリカは価格が割高な面と、製造時の
熱処理によりシリカ表面が溶融又は焼結により滑らかに
なる為、樹脂との密着性が不充分となり、成形したパッ
ケージの強度が低下するという問題点を有しており、新
規なシリカ充填材の開発が要望されている。 [0006] また、特殊形状を有するシリカ粒子に関する公知文献と
して、特開昭63−182212号公報には、ギザギザ
状の表面を有する真円状シリカ粒子が示され、米国特許
4,010,242号公報には5〜500mμのコロイ
ド粒子を原料とする微小球状粒子の製造法が開示されて
いるが、いずれも本発明のシリカ粒子とは、物性、純度
及び製造法が異なる。 [0007]
シリカが多用されている。例えば、IC封止材はエポキ
シ、ポリフェニレンスルフィド、ポリイミド等のマトリ
ックス樹脂に対し、熱膨張率の調整を目的に、シリカ充
填材を70%程度配合する。近年、半導体の高集積化と
チップの大型化に伴い、封止材料の高純度化、低応力化
、耐クラツク性の改良が要望されているカミ必ずしもこ
れらの性能を満足していない現状にある。 [0003] 従来のシリカ充填材は 1)天然石英の溶融粉砕法 2)珪曹法シリカゲルの焼成粉砕法 3)四塩化珪素の酸水素炎分解法 4)アルコキシシランからのゾルゲル法等により得られ
ている。 [0004] しかし、1)の方法は良質な天然石英の安定供給に問題
がある上、ICの誤動作(ソフト・エラー)の原因とな
るウラン、トリウム等の放射性元素の低減は不可能であ
る。また、2)の方法は原料の珪酸曹達や中和剤からの
ナトリウム、アルミニウム等の金属成分やイオン性不純
物が混入するため、高集積半導体用封止材シリカとして
は供しえない。3)の方法はコスト高、かつ粒径や形状
の制御が難しく、不純物としての塩素イオンの混入は避
けられない。更に4)の方法は原料の精製により高純度
のシリカが得られる反面、製造工程が複雑で、シリカは
相当なコスト高となり用途が限定される。 [0005] 他方、シリカ充填材の形状については、従来から溶融シ
リカの破砕法による角形シリカが主に使用されているが
、角形シリカを含有する組成物は流動性が低下する上、
鋭角先端の応力による配線の変形やパッケージのクラッ
ク等のハード・エラーを起こしやすいため、最近は流動
性改善と応力分散の目的から球状シリカも普及しつつあ
る。しかし、球状シリカは価格が割高な面と、製造時の
熱処理によりシリカ表面が溶融又は焼結により滑らかに
なる為、樹脂との密着性が不充分となり、成形したパッ
ケージの強度が低下するという問題点を有しており、新
規なシリカ充填材の開発が要望されている。 [0006] また、特殊形状を有するシリカ粒子に関する公知文献と
して、特開昭63−182212号公報には、ギザギザ
状の表面を有する真円状シリカ粒子が示され、米国特許
4,010,242号公報には5〜500mμのコロイ
ド粒子を原料とする微小球状粒子の製造法が開示されて
いるが、いずれも本発明のシリカ粒子とは、物性、純度
及び製造法が異なる。 [0007]
上託のように、従来のシリカでは種々の問題がある。そ
こで、本発明者等は、この問題を解決する目的で鋭意研
究を行い本発明を完成した。 即ち、本発明のシリカ粒子は、既存の破砕性角状シリカ
や球状シリカを充填材として用いた際の応力集中、流動
性低下、樹脂との密着性不良という技術的課題を解決す
る。また、本発明のシリカ粒子は金属不純物を実質的に
含まず、イオン性不純物や放射性元素も低減できること
から高純度シリカとして各種用途に使用できる。更に本
発明のシリカ粒子は、例えば珪弗化水素酸及び/又はそ
のアンモニウム塩を原料とする湿式法により製造可能で
あるから、製造コストや安定供給という面においても既
存シリカの問題点を解決できる。 [0008]
こで、本発明者等は、この問題を解決する目的で鋭意研
究を行い本発明を完成した。 即ち、本発明のシリカ粒子は、既存の破砕性角状シリカ
や球状シリカを充填材として用いた際の応力集中、流動
性低下、樹脂との密着性不良という技術的課題を解決す
る。また、本発明のシリカ粒子は金属不純物を実質的に
含まず、イオン性不純物や放射性元素も低減できること
から高純度シリカとして各種用途に使用できる。更に本
発明のシリカ粒子は、例えば珪弗化水素酸及び/又はそ
のアンモニウム塩を原料とする湿式法により製造可能で
あるから、製造コストや安定供給という面においても既
存シリカの問題点を解決できる。 [0008]
本発明はシリカ粒子表面に電子顕微鏡で観察して、0.
2〜5μmのサイズの連続的な凹凸状の奥起を有し、平
均粒子径が5〜100μm、BET法比法面表面積0m
2/g以下、且つ、細孔容積が、0.1mL/g以下で
あることを特徴とするシリカ粒子に関する。 [0009] 連続的な凹凸状突起とは、シリカ粒子全表面の約半分以
上の表面に適度の丸みをもった凹面及び/又は凸面を有
する突起を意味する。突起のサイズ0.2〜5μmとは
、隣接する突起との間のへこみ部分の低部からの高さの
半分の平均径についてである。突起の平均高さは0.2
〜4μm、好ましくは0.2〜3μmである。また、突
起の高さの半分の平均径は好ましくは0.3〜3μmで
ある。更にまた、突起の平均高さは、突起の高さ半分の
平均径の0.6〜1倍である。更に、突起の平均高さは
、好ましくはシリカ粒子の平均径の30%以下、より好
ましくは10%以下である。シリカ粒子1偏当たりの突
起の数は少なくとも100以上、好ましくは500以上
、より好ましくは1000以上である。 [00101 シリカ表面の突起は、シリカ充填材とマトリックス樹脂
との密着性向上に役立ち、その結果樹脂組成物としての
機械的強度が犬となる。 突起サイズが0.2μm未満では、突起による密着性向
上の効果が顕著とならず、また5μmを越えると、突起
数が制限されると同時に、マトリックス樹脂との接触面
積が小さくなり、既存の球状シリカと比較して密着性向
上の効果が顕著でなくなる。また、粒子表面の突起は、
例えば珪弗化水素酸及び/又はそのアンモニウム塩を原
料として用いた場合、適度の丸みを有しているので、既
存の破砕性角状シリカが先端部で応力集中するのに対し
、応力分散が可能となる。 [0011] 本発明のシリカ粒子の平均粒子径は5〜100μmであ
り、好ましくは5〜50Atmである。平均粒子径が5
μm未満であると、流動性や成形性が低下し、100/
imを越えると樹脂組成物としてシリカを高密度充填で
きず、樹脂の機械的強度も低下する。またシリカの粒径
分布として5μm未満の微細シリカや100μmを越す
粗粒シリカを大量に含むのは同様の理由で好ましくない
。 [0012] 本発明のシリカ粒子のBET法による比表面積は、20
m2/g以下であり、好ましくは10m/g以下である
。BET法比表面積が、20m2/gを越えると微細シ
リカを大量含有することにより弊害を生じたり、シリカ
粒子自身の機械的強度が不充分であったりする。IC封
止材用のシリカ充填材としては、BET法比表面積が1
0m2/g以下が好ましく〈特に5m2/g以下が好ま
しい。 [0013] 本発明のシリカ粒子の細孔容積は0.1mL/g以下で
あり、好ましくは0゜05mL/g以下である。0.1
mL/gを越えるとシリカ粒子自身の機械的強度が低下
したり、細孔内部に空気を包含することにより、樹脂と
の混線時や組成物としての実用場面において、脱泡やボ
イドの発生をもたらし、組成物や製品の品質に悪影響を
もたらす。 [0014] 本発明のシリカ粒子は、粒子表面に連続的な凹凸状突起
と前記物性を有するものであるが、特に、珪弗化水素酸
及び/又はそのアンモニウム塩とアンモニアとを水性媒
体中で反応させ、更に後工程を経ることにより得ること
ができる。また、上記原料を用いた場合には、粒子形状
やシリカ物性のみならず、純度面においても実質的に金
属不純物を含有しないの高純度なシリカ粒子の製造が可
能である[0015] 本発明のシリカの製造法の一例について説明すする。 本発明のシリカの製造法は、以下の工程A)珪弗化水素
酸及び/又はそのアンモニウム塩とアンモニアとを水性
媒体中で反応させてシリカスラリーを得る工程 B)前記スラリーより、シリカと副生弗化アンモニウム
の水溶液とを固液分離する工程 C)固液分離したシリカを乾燥及び/又は焼成する工程
よりなる。 [0016] 上記A)工程で用いる原料の珪弗化水素酸は市販の試薬
や、湿式性燐酸製造の際の副生品を使用できるが、4弗
化珪素含有ガスの水性液吸収により製造することも可能
である。珪弗化水素酸は通常5〜40%程度の水溶液と
して用いられるまた、珪弗化水素酸のアンモニウム塩、
即ち珪弗化アンモニウムは、珪弗化水素酸に気体もしく
は水性アンモニアを添加することにより容易に得られる
。また4弗化珪素含有ガスの弗化アンモニウム液吸収に
よっても得ることが出来る。 [0017] 本発明において、珪弗化水素酸と珪弗化アンモニウムは
、単独または同成分の混合物の形で原料として用いるこ
とができる。 アンモニアは、ガスでも良いし、水溶液を用いても良い
。 上記反応原料の純度は、シリカの使途に応じて適宜選択
すればよいが、より高純度なシリカ粒子を得るためには
、珪弗化水素酸は直接蒸留もしくは酸分解による4弗化
珪素含有ガスの水性液吸収により精製し、珪弗化アンモ
ニウムは再結晶法等により精製することが望ましい。ま
た、反応に用いるアンモニア及び水性媒体も必要に応じ
、純度良好なものを使用する。 [0018] 珪弗化水素酸及び/又はそのアンモニウム塩とアンモニ
アとの反応は以下の反応式で示される。 HSiF +2NH−一→(NH4)2SiF6(N
H) S iF +4NH+2H〇−−→ Si○
2+6NH4F珪弗化水素酸に対するアンモニアの量は
化学量論的にはモル比6だ力&通常はモル比3〜10、
好ましくは4〜8であり、低モル比の場合は、反応率が
低めとなり、最終反応スラリーのpHは酸性側ないし中
性付近となる。高モル比では反応率が高まり、最終反応
スラリーのpHは塩基性側となる。反応系のpHはシリ
カ粒子の形状や前記物性を制御する重要な因子である。 [0019] 珪弗化アンモニウムに対するアンモニアの量は、化学量
論的にはモル比4だが通常はモル比1〜8、好ましくは
2〜6が好ましい。 反応形式は回分式、連続式いずれも可能であり、原料の
添加方式としては、■ 珪弗化水素酸及び/又はそのア
ンモニウム塩の水性媒体中にアンモニア成分を添加する
方式 ■ ■の方法と逆に、アンモニア成分を予め仕込み、他
成分を添加する方式■ 水性媒体中に珪弗化水素酸及び
/又はそのアンモニウム塩とアンモニア成分とを同時添
加する方式 ■ 上記方法の組合せ がある。 [0020] ■の方式は、反応開始時は酸性側pH領域でシリカが生
成し、他の反応条件にもよるが概して粒子表面の突起サ
イズが小さく、比較的緻密かつ微細なシリカ粒子が得ら
れる。 ■の方式は高pH領域でシリカが生成し、突起サイズの
比較的大きく、粗大なシリカ粒子が得られる。 [0021] ■の方式は、反応系への原料の供給速度を制御すること
により一定のpH条件にてシリカの粒子成長を行うこと
ができる。 本発明のシリカ粒子を製造するに際しては、上記■の同
時添加方式が好ましく特に種シリカの存在下、原料の2
成分を連続供給することによりシリカの粒子成長が起こ
り、粒子表面に連続的な凹凸状突起を有するシリカを容
易に得るこが出来る。この際に種シリカは■の方法で得
ても良い。 [0022] 珪弗化水素酸及び/又はそのアンモニウム塩とアンモニ
アとの水性媒体中での反応は、通常O℃〜100℃の範
囲、特に室温付近で反応を開始し反応熱により10〜5
0℃程度の温度上昇を伴いつつ反応を進めることが多い
が、場合により80℃以上の高温で行うことも出来る。 上記反応は通常、常圧付近で行うカミ加圧下100℃以
上の温度条件や、減圧下80℃以下の温度で行っても良
い。反応温度を高めると生成するシリカ粒子の粒径や突
起のサイズは概して大きくなる傾向にある。 [0023] 反応のpHは通常4〜11の範囲、好ましくは5〜10
の範囲である。 反応時間は、反応形式、添加方式、及び他の反応条件等
により、−律に規定できないが、通常1分から10時間
の範囲内で、より好ましくは10分〜5時間である。反
応終了後、必要に応じ熟成反応をさせても良い。 反応系のシリカ濃度は通常0. 5〜13重量%程度の
範囲で行われ、好ましくは1〜10重量%、更に好まし
くは2〜7重量%である。シリカ濃度が低すぎるとシリ
カ粒子の生産性が低下し、高すぎると反応制御が難しく
なる。 [0024] また、上記反応に際し、反応系に原料以外、例えば、各
種塩(弗化アンモニウム、塩化アンモニウム、硫酸アン
モニウム等) ポリビニルアルコール、セルロース類等
の結合剤、界面活性剤等の添加剤を共存させることがで
きる。 以上述べた反応条件、即ち、原料種及びモル比、反応形
式、添加方式、pH1温度、シリカ濃度、添加剤などを
選択して、シリカスラリーを得、次のB)工程に進む。 [0025] 反応により得たシリカスラリーは副生する弗化アンモニ
ウム液と共存するのでこれを減圧濾過、加圧濾過、遠心
分離等の固液分離操作によりシリカケーキを得る。この
ケーキは、母液付着の形で少量の弗化アンモニウム成分
を含有するので、これを水洗又は有機溶剤洗浄処理等に
より除く。この際に共存するアンモニア成分を酸洗浄や
熱水抽出等により除去することも可能である。 [0026] この洗浄に用いる水、酸は実質的に不純分(特に金属成
分)を含有してないものを使用する。 次に、この固液分離した湿シリカをC)工程で乾燥及び
/又は焼成し前記形状を有する本発明のシリカ粒子を得
る。乾燥方法は、温度50〜200℃程度の範囲で、通
常良く用いられる熱風乾燥、真空乾燥、噴霧乾燥、気流
乾燥、流動乾燥等が適用できる。更に、必要に応じ50
0℃以上、好ましくは900℃以上の高温で焼成するが
、前記のシリカ粒子の形状と物性を保つには、過度の高
温は好ましくない。通常はシリカの融点以下、好ましく
は1500℃以下である。 [0027] 本発明のシリカ粒子は、特に珪弗化水素酸及び/又はそ
のアンモニウム塩とアンモニアとを水性媒体中で反応さ
せることにより樹脂、ゴム等の充填材として付加価値の
高い高純度品とすることができ、金属性不純分が金属酸
化物換算の総量として、11000pp以下、好ましく
は1100pp以下、更に好ましくは10ppm以下と
することが出来る。特に、本発明のシリカ粒子を電気部
品用の材料として用いる場合には、ナトリウム、カリウ
ム等のアルカリ金属は実質上含有しないことが望ましい
。また、IC封止材における低α線の要求に対しても、
本発明の製造法によれば、原料段階の精製により、ウラ
ン、トリウム等の放射性元素が10ppb以下、好まし
くは1ppb以下、更に好ましくは0.5ppb以下の
シリカ粒子とすることが出来る。 [0028] 本発明のシリカ粒子は、多種多用な用途が期待されるが
、特に前記の粒子形状と物性を生かして樹脂、ゴム等の
高分子材料の物性改良用の充填材として有用である。 シリカ粒子の配合量は、使用する高分子化合物及び、使
用目的により異なり限定できないカミ通常高分子化合物
材料とシリカ粒子の合計量中、シリカ粒子は1〜95重
量%、好ましくは5〜90重量%である。 [0029] 高分子化合物との複合材料において、マトリックス樹脂
の例を挙げれば、熱可塑性樹脂として、ポリ塩化ビニル
、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロ
エチレン、ポリスチレン、ポリ(メタ)アクリル酸エス
テル、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリアミド、
ポリスルホン、ポリフェニレンスルフィド、液晶ポリマ
ー等、また、熱硬化性樹脂として、例えばフェノール樹
脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミ
ド、不飽和ポリエステル樹脂等が挙げられる。また、天
然ゴム、合成ゴム、シリコーンゴム等の補強充填材とし
ての用途も重要である。 [0030] 本発明のシリカ粒子と高分子化合物よりなる組成物を通
常の方法で成形して複合材を得ることができる。シリカ
粒子と高分子化合物の粉末を混合するか、或いはシリカ
粒子と高分子化合物を混線後、粉化することにより前記
組成物を得ることができる。このシリカ粒子を含む組成
物は、流動性及び成形性が優れている。 尚、上記樹脂やゴム用の充填材として用いるに際しては
、マトリックス樹脂とシリカ粒子との密着性の更なる改
良、相容性の向上、系外からの水分が浸入(吸湿)防止
の目的でシリカ表面にシリコーン化合物、チタン化合物
等のカップリング剤処理や、表面グラフトポリマー化等
の処理を行いシリカ粒子の性能を高めることもできる。 [0031]
2〜5μmのサイズの連続的な凹凸状の奥起を有し、平
均粒子径が5〜100μm、BET法比法面表面積0m
2/g以下、且つ、細孔容積が、0.1mL/g以下で
あることを特徴とするシリカ粒子に関する。 [0009] 連続的な凹凸状突起とは、シリカ粒子全表面の約半分以
上の表面に適度の丸みをもった凹面及び/又は凸面を有
する突起を意味する。突起のサイズ0.2〜5μmとは
、隣接する突起との間のへこみ部分の低部からの高さの
半分の平均径についてである。突起の平均高さは0.2
〜4μm、好ましくは0.2〜3μmである。また、突
起の高さの半分の平均径は好ましくは0.3〜3μmで
ある。更にまた、突起の平均高さは、突起の高さ半分の
平均径の0.6〜1倍である。更に、突起の平均高さは
、好ましくはシリカ粒子の平均径の30%以下、より好
ましくは10%以下である。シリカ粒子1偏当たりの突
起の数は少なくとも100以上、好ましくは500以上
、より好ましくは1000以上である。 [00101 シリカ表面の突起は、シリカ充填材とマトリックス樹脂
との密着性向上に役立ち、その結果樹脂組成物としての
機械的強度が犬となる。 突起サイズが0.2μm未満では、突起による密着性向
上の効果が顕著とならず、また5μmを越えると、突起
数が制限されると同時に、マトリックス樹脂との接触面
積が小さくなり、既存の球状シリカと比較して密着性向
上の効果が顕著でなくなる。また、粒子表面の突起は、
例えば珪弗化水素酸及び/又はそのアンモニウム塩を原
料として用いた場合、適度の丸みを有しているので、既
存の破砕性角状シリカが先端部で応力集中するのに対し
、応力分散が可能となる。 [0011] 本発明のシリカ粒子の平均粒子径は5〜100μmであ
り、好ましくは5〜50Atmである。平均粒子径が5
μm未満であると、流動性や成形性が低下し、100/
imを越えると樹脂組成物としてシリカを高密度充填で
きず、樹脂の機械的強度も低下する。またシリカの粒径
分布として5μm未満の微細シリカや100μmを越す
粗粒シリカを大量に含むのは同様の理由で好ましくない
。 [0012] 本発明のシリカ粒子のBET法による比表面積は、20
m2/g以下であり、好ましくは10m/g以下である
。BET法比表面積が、20m2/gを越えると微細シ
リカを大量含有することにより弊害を生じたり、シリカ
粒子自身の機械的強度が不充分であったりする。IC封
止材用のシリカ充填材としては、BET法比表面積が1
0m2/g以下が好ましく〈特に5m2/g以下が好ま
しい。 [0013] 本発明のシリカ粒子の細孔容積は0.1mL/g以下で
あり、好ましくは0゜05mL/g以下である。0.1
mL/gを越えるとシリカ粒子自身の機械的強度が低下
したり、細孔内部に空気を包含することにより、樹脂と
の混線時や組成物としての実用場面において、脱泡やボ
イドの発生をもたらし、組成物や製品の品質に悪影響を
もたらす。 [0014] 本発明のシリカ粒子は、粒子表面に連続的な凹凸状突起
と前記物性を有するものであるが、特に、珪弗化水素酸
及び/又はそのアンモニウム塩とアンモニアとを水性媒
体中で反応させ、更に後工程を経ることにより得ること
ができる。また、上記原料を用いた場合には、粒子形状
やシリカ物性のみならず、純度面においても実質的に金
属不純物を含有しないの高純度なシリカ粒子の製造が可
能である[0015] 本発明のシリカの製造法の一例について説明すする。 本発明のシリカの製造法は、以下の工程A)珪弗化水素
酸及び/又はそのアンモニウム塩とアンモニアとを水性
媒体中で反応させてシリカスラリーを得る工程 B)前記スラリーより、シリカと副生弗化アンモニウム
の水溶液とを固液分離する工程 C)固液分離したシリカを乾燥及び/又は焼成する工程
よりなる。 [0016] 上記A)工程で用いる原料の珪弗化水素酸は市販の試薬
や、湿式性燐酸製造の際の副生品を使用できるが、4弗
化珪素含有ガスの水性液吸収により製造することも可能
である。珪弗化水素酸は通常5〜40%程度の水溶液と
して用いられるまた、珪弗化水素酸のアンモニウム塩、
即ち珪弗化アンモニウムは、珪弗化水素酸に気体もしく
は水性アンモニアを添加することにより容易に得られる
。また4弗化珪素含有ガスの弗化アンモニウム液吸収に
よっても得ることが出来る。 [0017] 本発明において、珪弗化水素酸と珪弗化アンモニウムは
、単独または同成分の混合物の形で原料として用いるこ
とができる。 アンモニアは、ガスでも良いし、水溶液を用いても良い
。 上記反応原料の純度は、シリカの使途に応じて適宜選択
すればよいが、より高純度なシリカ粒子を得るためには
、珪弗化水素酸は直接蒸留もしくは酸分解による4弗化
珪素含有ガスの水性液吸収により精製し、珪弗化アンモ
ニウムは再結晶法等により精製することが望ましい。ま
た、反応に用いるアンモニア及び水性媒体も必要に応じ
、純度良好なものを使用する。 [0018] 珪弗化水素酸及び/又はそのアンモニウム塩とアンモニ
アとの反応は以下の反応式で示される。 HSiF +2NH−一→(NH4)2SiF6(N
H) S iF +4NH+2H〇−−→ Si○
2+6NH4F珪弗化水素酸に対するアンモニアの量は
化学量論的にはモル比6だ力&通常はモル比3〜10、
好ましくは4〜8であり、低モル比の場合は、反応率が
低めとなり、最終反応スラリーのpHは酸性側ないし中
性付近となる。高モル比では反応率が高まり、最終反応
スラリーのpHは塩基性側となる。反応系のpHはシリ
カ粒子の形状や前記物性を制御する重要な因子である。 [0019] 珪弗化アンモニウムに対するアンモニアの量は、化学量
論的にはモル比4だが通常はモル比1〜8、好ましくは
2〜6が好ましい。 反応形式は回分式、連続式いずれも可能であり、原料の
添加方式としては、■ 珪弗化水素酸及び/又はそのア
ンモニウム塩の水性媒体中にアンモニア成分を添加する
方式 ■ ■の方法と逆に、アンモニア成分を予め仕込み、他
成分を添加する方式■ 水性媒体中に珪弗化水素酸及び
/又はそのアンモニウム塩とアンモニア成分とを同時添
加する方式 ■ 上記方法の組合せ がある。 [0020] ■の方式は、反応開始時は酸性側pH領域でシリカが生
成し、他の反応条件にもよるが概して粒子表面の突起サ
イズが小さく、比較的緻密かつ微細なシリカ粒子が得ら
れる。 ■の方式は高pH領域でシリカが生成し、突起サイズの
比較的大きく、粗大なシリカ粒子が得られる。 [0021] ■の方式は、反応系への原料の供給速度を制御すること
により一定のpH条件にてシリカの粒子成長を行うこと
ができる。 本発明のシリカ粒子を製造するに際しては、上記■の同
時添加方式が好ましく特に種シリカの存在下、原料の2
成分を連続供給することによりシリカの粒子成長が起こ
り、粒子表面に連続的な凹凸状突起を有するシリカを容
易に得るこが出来る。この際に種シリカは■の方法で得
ても良い。 [0022] 珪弗化水素酸及び/又はそのアンモニウム塩とアンモニ
アとの水性媒体中での反応は、通常O℃〜100℃の範
囲、特に室温付近で反応を開始し反応熱により10〜5
0℃程度の温度上昇を伴いつつ反応を進めることが多い
が、場合により80℃以上の高温で行うことも出来る。 上記反応は通常、常圧付近で行うカミ加圧下100℃以
上の温度条件や、減圧下80℃以下の温度で行っても良
い。反応温度を高めると生成するシリカ粒子の粒径や突
起のサイズは概して大きくなる傾向にある。 [0023] 反応のpHは通常4〜11の範囲、好ましくは5〜10
の範囲である。 反応時間は、反応形式、添加方式、及び他の反応条件等
により、−律に規定できないが、通常1分から10時間
の範囲内で、より好ましくは10分〜5時間である。反
応終了後、必要に応じ熟成反応をさせても良い。 反応系のシリカ濃度は通常0. 5〜13重量%程度の
範囲で行われ、好ましくは1〜10重量%、更に好まし
くは2〜7重量%である。シリカ濃度が低すぎるとシリ
カ粒子の生産性が低下し、高すぎると反応制御が難しく
なる。 [0024] また、上記反応に際し、反応系に原料以外、例えば、各
種塩(弗化アンモニウム、塩化アンモニウム、硫酸アン
モニウム等) ポリビニルアルコール、セルロース類等
の結合剤、界面活性剤等の添加剤を共存させることがで
きる。 以上述べた反応条件、即ち、原料種及びモル比、反応形
式、添加方式、pH1温度、シリカ濃度、添加剤などを
選択して、シリカスラリーを得、次のB)工程に進む。 [0025] 反応により得たシリカスラリーは副生する弗化アンモニ
ウム液と共存するのでこれを減圧濾過、加圧濾過、遠心
分離等の固液分離操作によりシリカケーキを得る。この
ケーキは、母液付着の形で少量の弗化アンモニウム成分
を含有するので、これを水洗又は有機溶剤洗浄処理等に
より除く。この際に共存するアンモニア成分を酸洗浄や
熱水抽出等により除去することも可能である。 [0026] この洗浄に用いる水、酸は実質的に不純分(特に金属成
分)を含有してないものを使用する。 次に、この固液分離した湿シリカをC)工程で乾燥及び
/又は焼成し前記形状を有する本発明のシリカ粒子を得
る。乾燥方法は、温度50〜200℃程度の範囲で、通
常良く用いられる熱風乾燥、真空乾燥、噴霧乾燥、気流
乾燥、流動乾燥等が適用できる。更に、必要に応じ50
0℃以上、好ましくは900℃以上の高温で焼成するが
、前記のシリカ粒子の形状と物性を保つには、過度の高
温は好ましくない。通常はシリカの融点以下、好ましく
は1500℃以下である。 [0027] 本発明のシリカ粒子は、特に珪弗化水素酸及び/又はそ
のアンモニウム塩とアンモニアとを水性媒体中で反応さ
せることにより樹脂、ゴム等の充填材として付加価値の
高い高純度品とすることができ、金属性不純分が金属酸
化物換算の総量として、11000pp以下、好ましく
は1100pp以下、更に好ましくは10ppm以下と
することが出来る。特に、本発明のシリカ粒子を電気部
品用の材料として用いる場合には、ナトリウム、カリウ
ム等のアルカリ金属は実質上含有しないことが望ましい
。また、IC封止材における低α線の要求に対しても、
本発明の製造法によれば、原料段階の精製により、ウラ
ン、トリウム等の放射性元素が10ppb以下、好まし
くは1ppb以下、更に好ましくは0.5ppb以下の
シリカ粒子とすることが出来る。 [0028] 本発明のシリカ粒子は、多種多用な用途が期待されるが
、特に前記の粒子形状と物性を生かして樹脂、ゴム等の
高分子材料の物性改良用の充填材として有用である。 シリカ粒子の配合量は、使用する高分子化合物及び、使
用目的により異なり限定できないカミ通常高分子化合物
材料とシリカ粒子の合計量中、シリカ粒子は1〜95重
量%、好ましくは5〜90重量%である。 [0029] 高分子化合物との複合材料において、マトリックス樹脂
の例を挙げれば、熱可塑性樹脂として、ポリ塩化ビニル
、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロ
エチレン、ポリスチレン、ポリ(メタ)アクリル酸エス
テル、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリアミド、
ポリスルホン、ポリフェニレンスルフィド、液晶ポリマ
ー等、また、熱硬化性樹脂として、例えばフェノール樹
脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミ
ド、不飽和ポリエステル樹脂等が挙げられる。また、天
然ゴム、合成ゴム、シリコーンゴム等の補強充填材とし
ての用途も重要である。 [0030] 本発明のシリカ粒子と高分子化合物よりなる組成物を通
常の方法で成形して複合材を得ることができる。シリカ
粒子と高分子化合物の粉末を混合するか、或いはシリカ
粒子と高分子化合物を混線後、粉化することにより前記
組成物を得ることができる。このシリカ粒子を含む組成
物は、流動性及び成形性が優れている。 尚、上記樹脂やゴム用の充填材として用いるに際しては
、マトリックス樹脂とシリカ粒子との密着性の更なる改
良、相容性の向上、系外からの水分が浸入(吸湿)防止
の目的でシリカ表面にシリコーン化合物、チタン化合物
等のカップリング剤処理や、表面グラフトポリマー化等
の処理を行いシリカ粒子の性能を高めることもできる。 [0031]
以下、実施例により更に詳細に本発明を説明する。
実施例1
攪拌機を付した20Lの反応機に25%アンモニア水3
kgを仕込み、室温にて20%珪弗化水素酸11kgと
、25%アンモニア水4.5kgを定量ポンプを用い各
々0.37kg/時間、0.15kg/時間の流量で同
時添加した。得られたシリカスラリーは遠心分離機を用
い、弗化アンモニウム水溶液を母液として除き、シリカ
ケーキは純水100L及びメタノール5Lにて洗浄した
。これを105℃で12時間熱風乾燥後、電気マツフル
炉にて1200℃で2時間焼成することにより、焼成シ
リカ粒子A0.9kgを得た。 [0032] このシリカ粒子の走査型電子顕微鏡写真(図1、図2参
照)観察によれば、粒子表面全体にわたり、多数の丸み
をおびた凹凸状の突起を有している。この観察によると
突起の高さは0.3〜2.0μmで突起の高さの半分で
の半径は0.3〜2.0μmであった。平均粒子径はレ
ーザー式粒度分布計で25.8μm、BET法比表面積
は2.5m2/g、細孔容積0.01mL/gであった
。 [0033] 金属性不純物含量は酸化物換算で以下の通りであった。 (単位 ppm)AL OFe OCaONap2 0.6 3.3 3.0 0.2このシ
リカ粒子Aを用い下記配合物を加熱ロールで混線後、冷
却粉砕することによりエポキシ樹脂組成物を得た。 クレゾールノボラックエポキシ樹脂
19重量部フェノールノボラック樹脂
8アーグリシ
ドキシプロピルトリメトキシシラン(カップリング剤)
2離型剤
、シリカ粒子A
7
0また、比較データとして、破砕性角形シリカ(平均粒
径25μm)を用い上記配合にて同様に樹脂組成物を調
整し、両者の流動性を比較したところシリカ粒子Aを用
いた組成物の方が明らかに良好な流動性を示した。 実施例2 10Lの攪拌反応機に、精製した20%珪弗化水素酸3
.6kgを仕込み、25%アンモニア水2.65kgを
30分かけて添加した。反応温度は20℃から57℃に
上昇し、微細なシリカが生成した。得られたシリカスラ
リーを攪拌しながら均一にして、1.25kgを採取し
、別のIOL反応機に移し、この種シリカスラリー中に
精製した20%珪弗化水素酸3.6kgと25%アンモ
ニア水245kgを、各々1時間かげて同時添加した。 反応液の温度は21℃から38℃に上昇し、1次反応シ
リカのスラリー7.1kgを得た。 [0034] この1次反応シリカスラリー1.25kgを別の1OL
反応機に移し、1次反応と同様の条件にて珪弗化水素酸
とアンモニア水を同時添加し、2次反応シリカのスラリ
ー7.2kgを得た。 更に2次反応シリカスラリーを減圧濾過機を用いて固液
分離し、過剰アンモニアを含有する弗化アンモニウーム
母液を除きシリカケーキは大量の純水で洗浄後12.0
℃で熱風乾燥した。 [0035] 得られた乾燥シリカは1250℃で3時間焼成し、本発
明のシリカ粒子80゜33kgを得た。 金属・姓不純物含量は酸化物換算で以下の通りであった
。(単位 ppm)Al OFe OCaONa○
2 0.3 0.6 0.2 <0.1放射性
元素含有量(ppb)は、U<1.0.Th<1.0
であった。 [0036] このシリカ粒子Bの走査型電子顕微鏡写真(図3、図4
参照)によれば、粒子表面全体にわたり、多数の丸みを
おびた凹凸状の突起を有している。この観察によると突
起の高さは0.5〜3.0μmで突起の高さの半分での
半径は0.5〜3.0μmであった。平均粒子径はレー
ザー式粒度分布計で26.0μm、BET法比表面積は
0.6m27g、細孔容積0.003mL/gであった
。 [0037] 上記シリカ粒子Bを用い実施例1と同一の配合割合のエ
ポキシ樹脂組成物を得た。また、比較のため平均粒子径
25μmの球状シリカを用い同様のエポキシ樹脂組成物
を得た。 上記組成物を各々加熱した金型に注型し、硬化体を作成
し、曲げ強度を測定したところシリカ粒子Bを用いた組
成物は球状シリカに比べ約30%の強度向上を認めた。 実施例3 20Lの攪拌反応機に25%アンモニア水7.5kgを
仕込み、精製した20%珪弗化水素酸11kgを60分
かけて添加することによりシリカスラリーを得た。この
シリカスラリーを減圧濾過して得たシリカケーキを純水
150L及びILのメタノールにて洗浄後、105℃で
熱風乾燥し、乾燥シリカ粒子C′ を得た。この乾燥シ
リカ粒子C′ を電気炉中1200℃で2時間焼成する
ことにより本発明のシリカ粒子Co、9kgを得た。 [0038] このシリカ粒子Cの走査型電子顕微鏡写真(図5、図6
参照)によれば、粒子表面全体にわたり、多数の丸みを
おびた凹凸状の突起を有している。この観察によると突
起の高さは領 2〜1.0μmで突起の高さの半分での
半径は0.2〜1.0μmであった。 また、シリカC及びシリカ粒子C′の物性データを以下
に示す。 [0039] C粒子 C′粒子 平均粒子径(μm) 30.5 (注
1)BET法比法面表面積/g) 1.8 31
4細孔容積(mL/g) 0.005 0.
16乾燥減量(重量%) 0.01 6.
9注1;粒子破壊の為、測定不可 金属性不純物含量は酸化物換算で以下の通りであった。 (単位 ppm)AL OFe OCaONap2 0.5 0.2 0.5 <0.1尚、実
施例1と同様にシリカ粒子C及びシリカ粒子C′ を用
いてエポキシ樹脂組成物を調製したところシリカ粒子C
を用いた組成物は、流動性、曲げ強度、充填性ともに良
好であったが、乾燥シリカ粒子C′ を用いた場合には
、樹脂との混線の際に、脱泡と同時に粒子の破壊が生じ
、流動性も極端に低下した。
kgを仕込み、室温にて20%珪弗化水素酸11kgと
、25%アンモニア水4.5kgを定量ポンプを用い各
々0.37kg/時間、0.15kg/時間の流量で同
時添加した。得られたシリカスラリーは遠心分離機を用
い、弗化アンモニウム水溶液を母液として除き、シリカ
ケーキは純水100L及びメタノール5Lにて洗浄した
。これを105℃で12時間熱風乾燥後、電気マツフル
炉にて1200℃で2時間焼成することにより、焼成シ
リカ粒子A0.9kgを得た。 [0032] このシリカ粒子の走査型電子顕微鏡写真(図1、図2参
照)観察によれば、粒子表面全体にわたり、多数の丸み
をおびた凹凸状の突起を有している。この観察によると
突起の高さは0.3〜2.0μmで突起の高さの半分で
の半径は0.3〜2.0μmであった。平均粒子径はレ
ーザー式粒度分布計で25.8μm、BET法比表面積
は2.5m2/g、細孔容積0.01mL/gであった
。 [0033] 金属性不純物含量は酸化物換算で以下の通りであった。 (単位 ppm)AL OFe OCaONap2 0.6 3.3 3.0 0.2このシ
リカ粒子Aを用い下記配合物を加熱ロールで混線後、冷
却粉砕することによりエポキシ樹脂組成物を得た。 クレゾールノボラックエポキシ樹脂
19重量部フェノールノボラック樹脂
8アーグリシ
ドキシプロピルトリメトキシシラン(カップリング剤)
2離型剤
、シリカ粒子A
7
0また、比較データとして、破砕性角形シリカ(平均粒
径25μm)を用い上記配合にて同様に樹脂組成物を調
整し、両者の流動性を比較したところシリカ粒子Aを用
いた組成物の方が明らかに良好な流動性を示した。 実施例2 10Lの攪拌反応機に、精製した20%珪弗化水素酸3
.6kgを仕込み、25%アンモニア水2.65kgを
30分かけて添加した。反応温度は20℃から57℃に
上昇し、微細なシリカが生成した。得られたシリカスラ
リーを攪拌しながら均一にして、1.25kgを採取し
、別のIOL反応機に移し、この種シリカスラリー中に
精製した20%珪弗化水素酸3.6kgと25%アンモ
ニア水245kgを、各々1時間かげて同時添加した。 反応液の温度は21℃から38℃に上昇し、1次反応シ
リカのスラリー7.1kgを得た。 [0034] この1次反応シリカスラリー1.25kgを別の1OL
反応機に移し、1次反応と同様の条件にて珪弗化水素酸
とアンモニア水を同時添加し、2次反応シリカのスラリ
ー7.2kgを得た。 更に2次反応シリカスラリーを減圧濾過機を用いて固液
分離し、過剰アンモニアを含有する弗化アンモニウーム
母液を除きシリカケーキは大量の純水で洗浄後12.0
℃で熱風乾燥した。 [0035] 得られた乾燥シリカは1250℃で3時間焼成し、本発
明のシリカ粒子80゜33kgを得た。 金属・姓不純物含量は酸化物換算で以下の通りであった
。(単位 ppm)Al OFe OCaONa○
2 0.3 0.6 0.2 <0.1放射性
元素含有量(ppb)は、U<1.0.Th<1.0
であった。 [0036] このシリカ粒子Bの走査型電子顕微鏡写真(図3、図4
参照)によれば、粒子表面全体にわたり、多数の丸みを
おびた凹凸状の突起を有している。この観察によると突
起の高さは0.5〜3.0μmで突起の高さの半分での
半径は0.5〜3.0μmであった。平均粒子径はレー
ザー式粒度分布計で26.0μm、BET法比表面積は
0.6m27g、細孔容積0.003mL/gであった
。 [0037] 上記シリカ粒子Bを用い実施例1と同一の配合割合のエ
ポキシ樹脂組成物を得た。また、比較のため平均粒子径
25μmの球状シリカを用い同様のエポキシ樹脂組成物
を得た。 上記組成物を各々加熱した金型に注型し、硬化体を作成
し、曲げ強度を測定したところシリカ粒子Bを用いた組
成物は球状シリカに比べ約30%の強度向上を認めた。 実施例3 20Lの攪拌反応機に25%アンモニア水7.5kgを
仕込み、精製した20%珪弗化水素酸11kgを60分
かけて添加することによりシリカスラリーを得た。この
シリカスラリーを減圧濾過して得たシリカケーキを純水
150L及びILのメタノールにて洗浄後、105℃で
熱風乾燥し、乾燥シリカ粒子C′ を得た。この乾燥シ
リカ粒子C′ を電気炉中1200℃で2時間焼成する
ことにより本発明のシリカ粒子Co、9kgを得た。 [0038] このシリカ粒子Cの走査型電子顕微鏡写真(図5、図6
参照)によれば、粒子表面全体にわたり、多数の丸みを
おびた凹凸状の突起を有している。この観察によると突
起の高さは領 2〜1.0μmで突起の高さの半分での
半径は0.2〜1.0μmであった。 また、シリカC及びシリカ粒子C′の物性データを以下
に示す。 [0039] C粒子 C′粒子 平均粒子径(μm) 30.5 (注
1)BET法比法面表面積/g) 1.8 31
4細孔容積(mL/g) 0.005 0.
16乾燥減量(重量%) 0.01 6.
9注1;粒子破壊の為、測定不可 金属性不純物含量は酸化物換算で以下の通りであった。 (単位 ppm)AL OFe OCaONap2 0.5 0.2 0.5 <0.1尚、実
施例1と同様にシリカ粒子C及びシリカ粒子C′ を用
いてエポキシ樹脂組成物を調製したところシリカ粒子C
を用いた組成物は、流動性、曲げ強度、充填性ともに良
好であったが、乾燥シリカ粒子C′ を用いた場合には
、樹脂との混線の際に、脱泡と同時に粒子の破壊が生じ
、流動性も極端に低下した。
【図1】 実施例1で得たシリカ粒子Aの粒子構造を示
す走査型電子顕微鏡写真(倍率200倍)である。
す走査型電子顕微鏡写真(倍率200倍)である。
【図2】 実施例1で得たシリカ粒子Aの粒子構造を示
す走査型電子顕微鏡写真(倍率1000倍)である。
す走査型電子顕微鏡写真(倍率1000倍)である。
【図3】 実施例2で得たシリカ粒子Bの粒子構造を示
す走査型電子顕微鏡写真(倍率200倍)である。
す走査型電子顕微鏡写真(倍率200倍)である。
【図4】 実施例2で得たシリカ粒子Bの粒子構造を示
す走査型電子顕微鏡写真(倍率1000倍)である。
す走査型電子顕微鏡写真(倍率1000倍)である。
【図5】 実施例3で得たシリカ粒子Cの粒子構造を示
す走査型電子顕微鏡写真(倍率200倍)である。
す走査型電子顕微鏡写真(倍率200倍)である。
【図6】 実施例3で得たシリカ粒子Cの粒子構造を示
す走査型電子顕微鏡写真(倍率1000倍)である。
す走査型電子顕微鏡写真(倍率1000倍)である。
図面
Claims (7)
- 【請求項1】シリカ粒子表面に電子顕微鏡で観察して、
0.2〜5μmのサイズの連続的な凹凸状の突起を有し
、平均粒子径が5〜100μm、BET法比表面積が2
0m^2/g以下、且つ、細孔容積が、0.1mL/g
以下であることを特徴とするシリカ粒子。 - 【請求項2】金属性不純物含量が金属酸化物換算で10
00ppm以下である請求項1記載のシリカ粒子。 - 【請求項3】珪弗化水素酸及び/又はそのアンモニウム
塩とを水性媒体中で反応させて得られる請求項1記載の
シリカ粒子。 - 【請求項4】下記の工程 A)珪弗化水素酸及び/又はそのアンモニウム塩とアン
モニアとを水性媒体中で反応させてシリカスラリーを得
る工程 B)前記スラリーより、シリカと副生弗化アンモニウム
の水性液とを固液分離する工程 C)固液分離したシリカを乾燥及び/又は焼成する工程
からなる請求項1記載のシリカ粒子の製造法。 - 【請求項5】500℃以上の温度で焼成することを特徴
とする請求項4記載のシリカ粒子の製造法。 - 【請求項6】水性媒体に、珪弗化水素酸及び/又はその
アンモニウム塩とアンモニアとを同時添加して反応させ
ることを特徴とする請求項4記載のシリカ粒子の製造法
。 - 【請求項7】種シリカを含有する水性媒体に、珪弗化水
素酸及び/又はそのアンモニウム塩とアンモニアとを同
時添加して反応させることを特徴とする請求項4記載の
シリカ粒子の製造法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2410342A JPH03257010A (ja) | 1989-12-14 | 1990-12-13 | シリカ粒子及びその製造法 |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP32444789 | 1989-12-14 | ||
JP1-324447 | 1989-12-14 | ||
JP2410342A JPH03257010A (ja) | 1989-12-14 | 1990-12-13 | シリカ粒子及びその製造法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH03257010A true JPH03257010A (ja) | 1991-11-15 |
Family
ID=18165913
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