JPH0791052B2 - 表面がアルコキシ化された多孔質シリカ粒子とその製造方法 - Google Patents

表面がアルコキシ化された多孔質シリカ粒子とその製造方法

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JPH0791052B2
JPH0791052B2 JP63229331A JP22933188A JPH0791052B2 JP H0791052 B2 JPH0791052 B2 JP H0791052B2 JP 63229331 A JP63229331 A JP 63229331A JP 22933188 A JP22933188 A JP 22933188A JP H0791052 B2 JPH0791052 B2 JP H0791052B2
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【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、プラスチックレンズのハードコートや繊維処
理剤として有用な、アルコール分散媒中での安定性に優
れた、表面がアルコシキ化された多孔質シリカ粒子およ
びその製造方法に関するものである。
(従来の技術) 従来、表面にアルコキシ基を持つシリカゾルは、その殆
どが水分散シリカゾルとアルコールとを原料として製造
されている。すなわち、アルコールを水分散シリカゾル
中に加えた後、共沸により水を除去し、最終的にアルコ
ール分散シリカゾルとする、シリカ表面のSi−OHとROM
とからSi−ORを形成する方法である。
通常水分散シリカゾルの表面は非常に多くの親水性のシ
ラノール基で覆われている。この水分散シリカゾルから
表面がアルコシキ化されたシリカを製造する場合、シリ
カ表面のシラノール基は次の式で示されるように、アル
コールと反応して疎水性のけい素に直結したアルコキシ
基(≡Si−OR)を形成する。
≡S:−OH+R−OH→≡Si−OR+H2O このアルコキシ基がシリカ表面を覆い、シリカ粒子の性
質を親水性から疎水性に変えるので、シリガゾルはアル
コール中でも凝集しにくくなる。
しかし原料の水分散シリカゾル中のシリカ粒子表面に
は、余りにも多くのシラノール基が存在するので、すべ
てのシラノール基がけい素に直結したアルコキシ基の変
わる訳ではなく、その殆どはシリカ粒子の表面にそのま
ま残存し、両者の割合は概ねシラノール基で5〜10μmo
l/m2、上記アルコキシ基で1〜3μmol/m2となる。
(発明が解決しようとする課題) このように水分散シリカゾルを原料として用い、これを
アルコキシ化して製造したシリカゾルでは、アルコシキ
基の密度が低く表面になお多くのシラノール基が残存す
るので、アルコール中での安定性が低く、シラノール基
同志の再結合反応が起こり、シリカの凝集、沈殿を起こ
し、アルコール分散シリカゾルの安定性を低下させてい
た。
本発明の目的はアルコール分散シリカゾルの安定性を向
上した、表面がアルコキシ化された多孔質シリカ粒子お
よびその製造方法を提供するにある。
(課題を解決するための手段) 本発明は、表面のけい素に直結したアルコキシ基の密度
が3.5μmol/m2以上、シラノール基の密度が2μmol/m2
以下で、比表面積S(m2/g)と平均粒子径D(nm)との
関係がS×D≧5,000である表面がアルコキシ化された
多孔質シリカ粒子、およびこれを溶媒中でコロイド状に
分散したシリカゾル、さらには、この多孔質シリカ粒子
を得るための、0.1〜5モル/の濃度のテトラアルコ
キシシランを、その2.5〜5.0倍モルの水と0.1〜10倍モ
ルのアルカリ触媒とを含有するアルコール中で加水分解
する方法に関するものである。
本発明者らは、上記多孔質シリカ粒子では、従来のアル
コキシ基が3μmol/m2以下のものに比べ、アルコール中
での安定性が非常に良好であることを見出し、本発明を
完成した。
これをさらに詳細に説明すると、本発明の多孔質シリカ
粒子の製造に際し出発物質として用いられるテトラアル
コキシシランは一般式Si(OR)で示される低級脂肪族
化合物で、Rで定義されるアルキル基が炭素原子数4以
下のメチル、エチル、プロピル、ブチル等のものが好ま
しい。このアルキル基の炭素数が増加すると、メチル基
では5〜500nm、エチル基では100〜1,800nm、プロピル
基では250〜2,500nm、ブチル基では500〜3,000nmという
ように、反応により生成するシリカの粒径が大きくな
る。そこで求める粒径に応じてアルキル基の炭素数の異
なるテトラアルコキシシラを選択使用するのがよい。
テトラアルコキシシランの、反応媒体としてのアルコー
ルに対する濃度は0.1〜5mol/、とくには0.2〜2mol/
であることが好ましい。濃度がこの範囲よりも低いと、
過大な反応容積を必要とし生産性が低く経済的に劣る。
また5mol/を越えると、濃すぎるために粒子間の解合
が起こり、分散性の低下、さらには凝集によるシリカの
分相を生ずる。
このアルコールは一般式ROHで示される低級脂肪族アル
コールで、Rで定義されるアルキル基が炭素原子数で4
以下のメタノール、エタノール、2−プロパノール、1
−ブタノールなどが好ましい。これらは通常市販品で充
分間に合うが、このアルコールの炭素原子数が増加する
と、生成するシリカの粒径が大きくなるので、希望する
シリカの粒径に応じてアルコールの種類を選択するのが
望ましい。
反応媒体系に添加使用されるアルカリ触媒としてはアン
モニア、またはそのアルキル基がメチル、エチル、プロ
ピル、ブチルなどであるアルキルアミン類、例えばモノ
アルキルアミン、ジアルキルアミン、トリアルキルアミ
ンなどが使用可能である。しかしアルキルアミンは加水
分解速度が遅く濃度によっては凝集剤としてシリカ粒子
の解合を促進する働きもあるため、このような作用を持
たず反応性に優れ揮発性が高く後工程での除去のし易い
アンモニアが好適である。
このアルカリ触媒のテトラアルコキシシランに対する濃
度、すなわちシリカに対するモル比(例えばアルカリ/S
i)は0.1〜10であり、とくには0.3〜5が好ましい。こ
れが0.1以下ではシリカがごく微細な粒子として分散
し、安定に存在し得るに必要な電荷を粒子表面に付与す
ることができず、反応中あるいは反応後しばらくして、
粒子同志が解合してゲル化してしまい、また10以上の添
加では触媒効果の向上が望めず経済的でない。
しかし、この触媒濃度を上記の範囲内で変化させると、
シリカの粒子径が変化するので、この性質を利用してシ
リカ粒子の大きさを調整することができる。
加水分解に必要な水の理論量(化学量論値)は、H2O/ア
ルコキシシラン=2である。本発明では表面にアルコシ
キ基を持つシリカを製造するため、水の量は理論値に近
い量でよい。その量はテトラアルコキシシランに対し2.
5〜5.0倍モルであり、3.0〜4.0倍モルが好ましい。これ
が2.5倍モル未満ではテトラアルコキシシランが充分に
加水分解されないため、未反応のモノマー(テトラアル
コキシシラン)が残存したり、部分加水分解物である可
溶性ポリマーが生成するので好ましくない。また5.0倍
モルを超えると、加水分解が充分に行われるため、表面
のシラノール基が増加し好ましくない。
アルコキシシランからシリカ粒子へ成長するときの加水
分解反応機構は次式で示される。
Si(OR)+XH2O→Si(OH)(OR)4-x+XROH … ≡Si−OH+HO−Si≡→≡Si−O−Si≡+H2O …… ≡Si−OH+HO−Si≡→≡Si−O−Si≡+ROH … 式で生成した加水分解モノマーが、そのシラノール基
同志(式)あるいはシラノール基とけい素に直結した
アルコキシ基とが(式)縮合することで、オリゴマー
→ポリマー→微細粒子と次第に分子量(縮合度)を高
め、最終的に粒子にまで成長する。このときの加水分解
温度は10〜50℃、とくには20〜40℃が好ましい。これが
10℃未満では加水分解反応速度や縮合反応速度を低下さ
せる以上にシリカ粒子表面へのアルカリイオンの配位速
度を低下させ、粒子のイオン的安定性を減少させ、粒子
同志の融合を促進するので好ましくなく、また50℃を超
えると加水分解反応速度や縮合反応速度を増加させる以
上にシリカ粒子表面へのアルカリイオンの配位速度を増
加し、縮合度の低い状態で安定化してしまい、小さすぎ
るシリカ粒子が生成し好ましくない。
しかし、この範囲内で反応温度を変化させると、シリカ
の粒子径を変えることができるので、この条件によって
もシリカ粒子の大きさの調整が可能である。
以上のように、本発明では原料として用いられるテトラ
アルコキシシランおよびアルコールの炭素原子数、アル
カリ触媒の濃度、反応系への水の添加量、および反応温
度により、シリカ粒子径の制御が可能である。この制御
は一般には求める粒子径に応じて、まずテトラアルコキ
シシランの中から適当な炭素数を持つものを選び、これ
によって前述したシリカ粒子径の範囲、例えばテトラメ
トキシシランでは5〜500nmの範囲を決める。この範囲
内での、より精密な粒径制御が要求される場合には、第
1表の諸条件での傾向にしたがって各条件を選択すれ
ば、任意の粒子径のシリカを製造することができる。
無孔質、真球状、単分散シリカ粒子の比表面積S(m2/
g)と平均粒子径D(nm)との関係は、Watson〔Anal.Ch
em.20,576(1948)〕によれば、S×D=2,720である。
このときS×D≧2,720である場合、このシリカは細孔
を持つ多孔質体である。そして、この数値(S×D)が
大きいほど、より多孔質である。
従来の水ガラスから合成されているアルコール分散シリ
カゾルでは、S×D=3,000〜4,000と多孔質性が低い。
しかし本発明で得られるシリカではS×D≧5,000とな
り、非常に多孔質なシリカが得られる。
本発明によるシリカの製造は、所定の温度に保持され充
分に撹拌されている、水−アルコール−アルカリ触媒混
合溶液中に、テトラアルコキシシランまたはこれのアル
コール溶液を、徐々に導入することによって行われる。
このとき撹拌が不足すると、沈降性のシリカ粒子が生成
するので好ましくない。また水−アルコール−アルカリ
触媒混合溶液は開放しておくと、アルコールやアルカリ
触媒が揮発し、それらの濃度が時々刻々と変化し再現性
のある製品を製造しにくくなるので密閉系で行うのが望
ましい。テトラアルコキシシラン導入後15〜30分、シリ
カが求める最終粒子径になるまでの間、温度と撹拌を維
持するのが望ましい。
以上の手順により、表面のけい素に直結したアルコキシ
基の密度が3.5μmol/m2以上、シラノール基の密度が2
μmol/m2以下で、比表面積S(m2/g)と平均粒子径D
(nm)との関係がS×D≧5,000である、本発明による
表面がアルコキシ化された多孔質シリカ粒子が得られ
る。
(作 用) 本発明によって得られる表面がアルコキシ化された多孔
質シリカ粒子は、テトラアルコキシシランを出発原料と
し、反応系に加える水に対して圧倒的にアルコールの多
い系で加水分解されるため、表面にシラノール基は少し
しか存在せず、多量のけい素に直結したアルコキシ基で
覆われたシリカが得られる。このシリカの表面は表面密
度で3.5μmol/m2以上の上記アルコキシ基と、2μmol/m
2以下のシラノール基で覆われ、比表面積S(m2/g)と
平均粒子径D(nm)との関係がS×D≧5,000のもので
ある。このシリカはシラノール基が少なく多孔質である
ため、アルコール分散媒中においても均一に分散し、非
常に安定なシリカゾルを形成する。
(実施例) つぎに、本発明の具体的態様を実施例および比較例によ
り説明する。なお各例においてシラノール基および上記
アルコキシ基の定量は以下の方法で行った。
シラノール基: シリカ表面のシラノール基にメタノールをオートクレー
ブ中で反応させ、得られたシリカの炭素量を測定し、そ
の増加分からシラノール基の量を次式で求めた。
ΔC0:反応前後の炭素量の差(重量%) S:N2吸着による比表面積(m2/g) けい素に直結したアルコキシ基: シリカに含まれている炭素量と比表面積から上記アルコ
キシ基の量を次式で求めた。
ΔC1:シリカに含まれている炭素量(重量%) S:N2吸着による比表面積(m2/g) n:シリカ表面に結合しているアルコキシ基に含まれて
いる炭素数 実施例 1. 撹拌モーター、滴下ロート、および温度計の付いた10
のガラス製反応フラスコに、29%アンモニア水182ml、
イオン交換水110ml、およびエタノール5542mlをそれぞ
れ仕込み、激しく撹拌しながら反応フラスコ内温を38℃
に保ちながら、テトラメトキシシラン518mlとエタノー
ル648mlの溶液を約1時間で滴下した。反応終了後、ロ
ータリーエバポレーターでシリカ濃度が10%になるよう
に45℃、80mmHgで濃縮した。得られたエタノール分散シ
リカゾルの粒径をサブミクロンアナライザー(N4−64SD
型、コールター)で測定したところ40nmであった。この
シリカゾルを乾燥させた後、比表面積を比表面積自動測
定装置(2200型、島津製作所)で測定したところ256m2/
gであった。また、これをCP−MAS法による13CのNMRをFT
−NMR測定装置(GSX−270型、日本電子)で測定した結
果を第1図に示す。
この結果より、多量のけい素に直結したエトキシ基がシ
リカ表面で結合していることが判明した。このときの上
記エトキシ基の量は12μmol/m2、シラノール基は1.8μm
ol/m2であった。
比較例 1. 前例と同じ装置に29%アンモニア水182ml、イオン交換
水1358ml、およびエタノール4294mlを仕込んで同様に反
応させ、粒径130nmのエタノール分散シリカゾルを得
た。このときの上記エトキシ基の量は3.1μmol/m2、シ
ラノール基は10μmol/m2であった。
比較例 2. 市販のメタノールシリカゾルおよびイソブチルアルコー
ルシリカゾル(以上いずれも日産化学工業(株)製)の
けい素に直結したアルコキシ基とシラノール基を測定し
た。メタノールシリカゾルでは上記メトキシ基が2.5μm
ol/m2、シラノール基が8.0μmol/m2であり、イソブチル
アルコールゾルでは上記ブトキシ基が2.0μmol/m2、シ
ラノール基が5.8μmol/m2であった。
各例の以上の結果とシリカの比表面積の測定結果を第2
表に示す。
(発明の効果) 本発明による表面がアルコキシ化されたシリカは、シラ
ノール基が少なく多孔質であるため、アルコール分散媒
中においても均一に分散し、非常に安定なシリカゾルを
形成する。
【図面の簡単な説明】
第1図は実施例1において得られたシリカを、CP−MAS
法により13C−NMRで測定した結果を示すグラフである。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】表面のけい素に直結したアルコキシ基の密
    度が3.5μmol/m2以上、シラノール基の密度が2μmol/m
    2以下で、比表面積S(m2/g)と平均粒子径D(nm)と
    の関係がS×D≧5,000である表面がアルコキシ化され
    た多孔質シリカ粒子。
  2. 【請求項2】請求項1記載の多孔質シリカ粒子が、溶媒
    中でコロイド状に分散してなるシリカゾル。
  3. 【請求項3】0.1〜5モル/の濃度のテトラアルコシ
    シランを、その2.5〜5.0倍モルの水と0.1〜10倍モルの
    アルカリ触媒とを含有するアルコール中で加水分解する
    ことを特徴とする請求項1記載の表面がアルコキシ化さ
    れた多孔質シリカ粒子の製造方法。
JP63229331A 1988-09-13 1988-09-13 表面がアルコキシ化された多孔質シリカ粒子とその製造方法 Expired - Lifetime JPH0791052B2 (ja)

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