JPH10194720A - バルク状シリカ多孔体の製造方法 - Google Patents
バルク状シリカ多孔体の製造方法Info
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Abstract
有し,かつ,均一かつ選択可能な細孔径を有し,光学機
能性材料,電子機能性材料等に利用可能なバルク状シリ
カ多孔体の製造方法を提供すること。 【解決手段】 原料であるアルコキシシラン,水及び界
面活性剤を混合,反応させ,シリカ/界面活性剤複合体
を形成する形成工程を行い,次いで,上記シリカ/界面
活性剤複合体を密閉容器中で放置し,該複合体中におけ
るシリカ骨格の発達と多孔構造の形成を行う熟成工程を
行い,次いで,上記シリカ/界面活性剤複合体を乾燥し
て,溶媒を除去し,該複合体を縮合させる乾燥工程を行
い,次いで,上記シリカ/界面活性剤複合体を焼成し,
該複合体より界面活性剤を除去し,シリカ多孔体となす
焼成工程を行うこと。
Description
料等として使用可能なバルク状シリカ多孔体の製造方法
に関する。
いては,細孔の直径を意味する。)が1〜10nmの範
囲にあり,かつ上記細孔径が特に狭い範囲に分布してい
る多孔体をメソ多孔体と称する。このようなメソ多孔体
は,これが保有する均一かつある程度の大きさを持った
細孔を利用して,ガス及び溶液の分離,吸着材料として
利用されている。また,上記細孔に,例えば,金属材
料,半導体材料等を充填して,光学機能素子,電子機能
性素子等の機能性材料として利用されている。
は,例えば層状珪酸塩の一種であるカネマイトと界面活
性剤とのイオン交換により製造する方法(特開平4−2
38810号)やシリカゲルと界面活性剤とを密封した
耐圧容器内で水熱合成することにより合成する方法等が
知られている。
法では,結晶子サイズが小さいメソ多孔体しか製造する
ことができなかった。そのため,上記メソ多孔体を光学
機能性材料として使用する際には,光の散乱が問題とな
り,その使用範囲が限定される。
して使用する際には,上記メソ多孔体の加工性が悪いこ
とから,電極コンタクトの取り方に特殊な方法を用いる
必要があり,使い勝手が悪いという問題がある。これら
のことより,従来の製造方法により得られたメソ多孔体
は,光学機能性材料及び電子機能性材料として利用する
ことが困難であった。
ルター,偏光素子,波長変換素子,光演算素子などの原
材料として使用されるものである。また,上記電子機能
性材料とは,量子演算素子,電子導波路素子,超高密度
メモリなどの原材料として使用されるものである。
生じ難い大きなサイズを有し,均一かつ選択可能な細孔
径を有し,光学機能性材料,電子機能性材料等に利用可
能なバルク状シリカ多孔体の製造方法を提供しようとす
るものである。
コキシシラン,水及び界面活性剤を混合,反応させ,シ
リカ/界面活性剤複合体を形成する形成工程を行い,次
いで,上記シリカ/界面活性剤複合体を密閉容器中で放
置し,該複合体中におけるシリカ骨格の発達と多孔構造
の形成を行う熟成工程を行い,次いで,上記シリカ/界
面活性剤複合体を乾燥して,溶媒を除去し,該複合体を
縮合させる乾燥工程を行い,次いで,上記シリカ/界面
活性剤複合体を焼成し,該複合体より界面活性剤を除去
し,シリカ多孔体となす焼成工程を行うことを特徴とす
るバルク状シリカ多孔体の製造方法にある。
トキシシラン,テトラエトキシシラン,テトラプロポキ
シシランを使用することができる。また,上記界面活性
剤としては,長鎖アルキル基及び親水基を有する化合物
を使用することができる。また,このような界面活性剤
としては,アルキルトリメチルアンモニウムを使用する
ことができる。なお,他の界面活性剤としては,ラウリ
ル酸,ドデシル硫酸ナトリウムという化合物を使用する
ことができる。
シラン,界面活性剤及び水を混合することにより上記複
合体が溶液中に発生するが,この時,アルコキシシラ
ン,界面活性剤中の一部の水溶性の成分が水に溶解す
る。乾燥工程において除去される溶媒とは,この水溶成
分と水とよりなる。
明にかかる製造方法においては,原料の混合,反応によ
り得られたシリカ/界面活性剤複合体を密閉容器中にお
いて放置し,該複合体中におけるシリカ骨格の発達と多
孔構造の形成を行う熟成工程を行う。
活性剤複合体より溶媒が急速に除去されることを防止で
きる。従って,上記複合体には急激な縮合が生じず,固
化による破壊が発生しない。よって,本発明によれば,
その結晶子サイズが0.1mm〜10mmという,大き
なバルク状のシリカ多孔体を得ることができる。また,
複合体に急激な縮合が生じないことから,大きく均一な
細孔径を有するバルク状のシリカ多孔体を得ることがで
きる。
たバルク状シリカ多孔体は,従来方法により得られたシ
リカ多孔体と異なり,光の波長に対して大きな一次構造
を持つこととなる。このため,上記バルク状シリカ多孔
体においては光散乱が生じ難くなり,優れた透明性を発
揮することができる。
するが,一般にシリカは可視光域での吸収が殆どなく,
目視上は透明であるという特徴を有する。なお,透過率
を波長400nmから800nmまでの範囲において測
定し,得られた透過率が常に80%以上であり,かつ波
長の長短に関わらず透過率がほぼ一定であることをもっ
て可視光域で透明であるとした(図1参照)。
体は小さな結晶子からなるため,その結晶子サイズが光
の波長と同程度のものが存在する。従って,界面におけ
る光散乱が大きく,不透明であった。
ゆる粒径の小さな粉体であるため,そのままでは光学的
な特性の測定は困難であった。しかし,本発明によれ
ば,光学的な特性の測定に十分な大きさを持ったバルク
状シリカ多孔体を得ることができる。即ち,本発明によ
り得られたバルク状シリカ多孔体は通常の透過配置で透
過率等の光学特性測定が可能である。従って,上記バル
ク状シリカ多孔体は,光学機能性材料として利用する
際,その性能判定が容易である。更に,本発明により得
られたバルク状シリカ多孔体は,均一な細孔径を有する
ことからも,光散乱が生じ難い。
ク状シリカ多孔体は,可視光域において透明で,かつ光
散乱が少ない。よって,上記バルク状シリカ多孔体は光
学機能性材料として利用することが可能であり,例え
ば,光ファイバー,光学フィルター,偏光板等の光学材
料,光学装置に最適である。特に光ファイバーに利用し
た場合,在来の材料と比較して,機能性を持った材料を
ナノサイズで閉じ込めることが可能であるため,ファイ
バー型波長変換素子のような優れた性能を発揮する。
体レーザー媒質として利用した場合に,在来の材料と比
較して,細孔径の制御により発振波長の異なるレーザー
を設計可能である。
10mmの均一な細孔を持つシリカ多孔体であり,細孔
内に半導体あるいは金属材料を閉じ込めることにより量
子点あるいは量子細線として利用可能であることから,
電子機能性材料として利用することが可能であり,例え
ば,量子演算素子,電子導波路素子,超高密度メモリ等
の電子材料,電子装置に最適である。
の材料と比較して,細孔内に閉じ込められた材料に対す
る量子閉じ込め効果が大きいため,従来の半導体微細加
工技術では極低温でしか動作しなかった素子をより高温
域で動作可能とすることができる。
カ多孔体を包接化合物のホスト材として用いることによ
り,在来のゼオライト,メソ多孔体等と比較して,1m
m以上の大きな分子あるいは原子クラスターを高密度に
保持しうるという優れた性質を得ることができる。な
お,上記包接化合物とは,細孔内に機能性を持った有機
分子等を保持したもので,触媒材料等に応用することが
できる化合物である。
バルク状シリカ多孔体を構成するシリカ骨格は,原料で
あるアルコキシシラン,水,界面活性剤より得られたシ
リカ/界面活性剤複合体において,シリカが界面活性剤
よりなるミセル集合体を覆うことにより形成される。
において除去される。そして,シリカ/界面活性剤複合
体において,ミセル集合体が存在し,その後これが除去
された部分がバルク状シリカ多孔体の細孔となる。ま
た,上記界面活性剤の炭素鎖の長さにより,上記ミセル
集合体の大きさ,形状等は変化する。以上により,本発
明においては,使用する界面活性剤によって細孔の大き
さ等が変化する。
の構造の特徴を以下に述べる。上記バルク状多孔体は上
記ミセル集合体をテンプレートとして細孔が形成される
ため,極めて均一性の高い細孔径分布を持つ。上記テン
プレートは,上記界面活性剤が親水基と疎水基との相互
作用により形成されるものである。上記界面活性剤は棒
状の形態を持ち,シリカとの相互作用により,上記ミセ
ル集合体を形成する。そして,この結果生成するシリカ
/界面活性剤複合体が本発明にかかるバルク状シリカ多
孔体の前駆体となる。
下で有機物ミセルとなし,その後これを結晶化させるこ
とによりメソ多孔体を作成する。このため,上記有機物
ミセルは格子を組んだ形で六方晶の蜂の巣状構造となっ
ている。
時間かけて乾燥し,その後焼成することによりシリカ/
界面活性剤複合体よりミセル集合体を取り除く。そし
て,上記シリカ/界面活性剤複合体より除去前のミセル
集合体は結晶化に至らない。即ち格子を組んだ形となっ
ていない。
り,本発明にかかるバルク状シリカ孔体においては,ミ
セル集合体の構造を反映した線状の細孔が絡み合い,ま
た上記シリカ/界面活性剤複合体においては隣接するミ
セル集合体であった細孔間の距離をほぼ均一に保ちなが
ら全体のバルク状シリカ多孔体が形成されている。
したごとく,上記有機物ミセルが六方晶に配列構造をと
る。しかし,この配列構造に比べてシリカ成分がより大
きくなるため,細孔容量は減少するが,全体の密度は大
きくなる傾向がある。
離を利用した多孔ガラスと,本発明にかかるバルク状シ
リカ多孔体とを比べた場合には,本発明にかかるバルク
状シリカ多孔体はミセル集合体より生成した細孔径の均
一性が高いこと,および細孔の形状が直線状であるとい
う特徴を有してなり,一方,上記多孔ガラスは網目状の
細孔を有するという特徴を有してなり,この点即ち細孔
形態において違いを認めることができる。
発明によれば,バルク状シリカ多孔体における細孔内部
に様々な金属,半導体,誘電体を閉じこめ,閉じ込め型
機能材料として利用する際に,その利用目的に応じた細
孔径を有するバルク状シリカ多孔体を容易に得ることが
できる。
カ多孔体は完全な単結晶ではなく,内部の細孔方向は異
方性を持たないため,細孔の連続性が確保されている。
このため,上記バルク状シリカ多孔体の一方の端面から
他方の端面へガス等の拡散を行うことが可能である。こ
れにより,本発明により得られたバルク状シリカ多孔体
は,その細孔径より大きな分子と小さな分子とを分離す
ることができる選択・分離材料として使用することがで
きる。
ルク状シリカ多孔体は,前駆体状態(ゾル状態)におい
て,所望の形状の型に入れる等の処理により,成形可能
であることから,より優れた形状加工性を有している。
このため,上記シリカ多孔体は各種機能材料として容易
に利用することができる。
生じ難い大きなサイズを有し,均一かつ選択可能な細孔
径を有し,光学機能性材料,電子機能性材料等に利用可
能なバルク状シリカ多孔体の製造方法を提供することが
できる。
する。まず,上記形成工程につき説明する。上記形成工
程において,『シリカ/界面活性剤のモル比』は,2か
ら10の範囲内にあることが好ましい。なお,上記『シ
リカ/界面活性剤のモル比』とは,上記原科の混合にお
いて添加した界面活性剤の総量に対する他の原料に含ま
れるSiの総量の比を表す。これにより,充分な細孔容
量を持ったバルク状シリカ多孔体を得ることができる。
0より大きい場合には,界面活性剤同士の相互作用が弱
まり,ミセル集合体によるシリカ骨格の多孔体化が起こ
らず,殆ど細孔容量を持たないガラス体が形成されてし
まうおそれがある。
比』が2未満である場合には,界面活性剤よりなるミセ
ル集合体を覆うだけのシリカが存在しないため,シリカ
骨格が十分に発達することができず,その後の界面活性
剤の除去工程と共に複合体の構造が崩壊し,透明性の失
われた,光機能性材料として不適当なバルク状シリカ多
孔体しか得られないおそれがある。なお,上記『シリカ
/界面活性剤のモル比』のより好ましい値は,下限が
3,上限が5である。
剤,水の混合方法としては,特に限定しないが,最初に
アルコキシシランに水を添加し,室温で30分〜3時間
攪拌した後に,界面活性剤を添加することが望ましい。
また,上記水は,上記アルコキシシランが含有する珪素
1モル当たり0.5〜10モル添加することが好まし
い。
容易に直鎖状のアルコキシシラン重合物となることがで
きる。そして,上記アルコキシシラン重合物と界面活性
剤よりなるミセル集合体との相互作用により,光学的欠
陥のない透明性を保ったバルク状シリカ多孔体を得るこ
とができる。
は,アルコキシシランの加水分解が不十分となり,これ
のゲル化が起こらず,バルク状シリカ多孔体が得られな
いおそれがある。一方,10モルより多く添加した場合
には,アルコキシシランの加水分解及び縮重合が急速に
進行し,界面活性剤のミセル集合体をシリカ骨格が取り
込むことができず,細孔を持たないガラス体が形成され
てしまうおそれがある。
添加することが望ましい。これにより,各成分が溶解し
やすくなり,均一なアルコキシシラン及び界面活性剤の
水溶液が調製しやすくなる。
に調整されることが望ましい。上記pHが1未満である
場合には,加水分解及び縮合が急速に進行し,均一な細
孔の形成が妨げられるおそれがある。一方,上記pHが
4より大きい場合には,各成分の溶解が不十分となり,
必要な加水分解が行われないおそれがある。
規定)を用いることができるが,硫酸等他の酸でも良
い。なお,上記界面活性剤の混合方法としては,粉末の
まま水に添加することもできるが,少量の水に溶解した
後,添加することもできる。
成工程は,温度20〜110℃において行うことが好ま
しく,更にその熟成工程の継続時間は12時間以上が望
ましい。上記温度が110℃よりも高い場合にはアルコ
キシシランの縮重合反応が急速に進行し,多孔構造の形
成が阻害されるおそれがある。また,継続時間が12時
間未満である場合にはシリカ骨格が未発達となり,その
後の乾燥過程においてシリカ骨格に亀裂が生じ,得られ
たバルク状シリカ多孔体が可視光域における透明性を失
うおそれがある。
乾燥工程では,まず上記熟成工程で発生したメタノール
溶液の蒸発速度の制御が必要である。なお,上記メタノ
ール溶液は,上記形成工程,熟成工程において,(CH
3 O)4 Si+H2 O→(CH3 O)3 SiOH+CH
3 OHという現象により発生する。
うことが好ましい。これにより,徐々にメタノール及び
水を蒸発させることができる。更に好ましくは,上記乾
燥工程は,雰囲気中のメタノール及び水の分圧を飽和蒸
気圧の50〜80%に保ちながら乾燥するのが好まし
い。上記メタノール溶液の蒸発速度が速すぎる場合に
は,シリカ/界面活性剤複合体の縮重合に伴い,ここに
亀裂が発生し,可視光域の透明性が損なわれたバルク状
シリカ多孔体しか得られないおそれがある。
焼成工程は,温度500〜1000℃において行うこと
が好ましい。好ましくは,焼成工程における昇温速度
は,2〜10℃/分,空気気流下あるいは酸素気流下に
て行うことが望ましい。
孔内に未燃焼の有機成分が残留するおそれがあり,ま
た,1000℃以上の場合にはシリカ骨格が崩れ,多孔
構造が損なわれるおそれがある。
れたバルク状シリカ多孔体につき,以下に説明する。即
ち,上記製造方法によれば,細孔径分布曲線における最
大のピークを示す細孔径が1〜10nmの範囲内にあ
り,かつ,上記細孔径分布曲線における最大のピークを
示す細孔径の−40〜+40%の細孔径範囲内に,全細
孔容積の60%以上が含まれており,更に,結晶子サイ
ズがミリメートルからセンチメートルサイズで光学的に
可視光域(400nm〜800nm)で透過率80%以
上を有するバルク状シリカ多孔体を得ることができる。
項1において示した数々の結晶子サイズが大きい,また
細孔径が大きくかつ均一であるという特徴を有する,優
れた多孔体である。なお,上記細孔分布曲線とは,メソ
多孔体の細孔容積(V)を細孔径(D)で微分した値
(dV/dD)を細孔径(D)に対してプロットした曲
線を示している(図2参照)。上記細孔分布曲線は,例
えば,気体吸着法により作成することができる。なお,
上記気体吸着法において最もよく用いられる気体は窒素
である。
曲線における最大のピークを示す細孔径が1〜10nm
の範囲内にあり,かつ水蒸気吸着等温線において,相対
蒸気圧が0.2変化したときの吸着量変化が0.1g/
cc以上の部分を有するバルク状シリカ多孔体を得るこ
とができる。このようなバルク状シリカ多孔体は,請求
項1において示した数々の特徴を有する,優れた多孔体
である。
重量%以上が珪素及び酸素よりなるバルク状シリカ多孔
体を得ることができる。
造方法及び得られたバルク状シリカ多孔体の性能につき
説明する。本例にかかるシリカ多孔体の製造方法を以下
に説明する。まず,原料であるアルコキシシラン,水及
び界面活性剤を混合,反応させ,シリカ/界面活性剤複
合体を形成する形成工程を行い,次いで,上記シリカ/
界面活性剤複合体を密閉容器中で放置し,該複合体中に
おけるシリカ骨格の発達と多孔構造の形成を行う熟成工
程を行う。
乾燥して,溶媒を除去し,該複合体を縮合させる乾燥工
程を行い,次いで,上記シリカ/界面活性剤複合体を焼
成し,該複合体より界面活性剤を除去し,シリカ多孔体
となす焼成工程を行う。以上によりバルク状シリカ多孔
体を得ることができる。
る。アルコキシシランであるテトラメトキシシラン(T
MOS)15.2gに水3.6g及び2規定の塩酸約
0.1gを添加し,室温で1時間攪拌した。この添加と
攪拌とにより得られた溶液に,界面活性剤であるドデシ
ルトリメチルアンモニウムブロマイド(DDTA)7.
71gを更に添加し,数分間激しく攪拌し,均一な前駆
体溶液を得た。これが形成工程である。次に,上記前駆
体溶液を密封状態で45℃保温下にて24時間の熟成工
程を行った。以上により,透明度の高いシリカ/界面活
性剤複合体を得た。
格の縮重合を完了させるため,以下に示す乾燥工程を行
った。乾燥時雰囲気におけるメタノール分圧を約50%
に保ちながら,45℃にて36時間乾燥処理を行った。
以上により,亀裂のない透明性を保ったシリカ/界面活
性剤複合体の乾燥体を得ることができた。
燥体を酸素/窒素比が1:4の混合気流中にて昇温速度
2℃/分で550℃まで昇温し,6時間保持した後,室
温まで冷却,焼成工程を行った。この工程により,シリ
カ/界面活性剤複合体は界面活性剤を除去されると共に
シリカ骨格の縮重合が完了し,バルク状シリカ多孔体と
なる。得られたバルク状シリカ多孔体の大きさは,1〜
10mm角であった。
可視光域での透過率曲線(波長300〜800nmにお
ける可視−紫外透過率スペクトル)を測定し,図1に示
した。なお,上記透過率曲線は,日立330形自記分光
光度計を用いて,スポット径5mmにて測定した。同図
より,本例にかかるバルク状シリカ多孔体が可視光域に
おける透過率が常に80%以上であり,かつその値が一
定であることが分かった。即ち,本例にかかるバルク状
シリカ多孔体が可視光域で透明であることが分かった。
細孔分布曲線を,液体窒素温度において定容量法を用い
て測定した窒素吸着等温線からCranston−In
caly法を用いて計算した。以上により,得られた窒
素吸着等温線から求めた細孔分布曲線を図2に示す。同
図によれば,本例にかかるバルク状シリカ多孔体の細孔
径は大きさが揃っていることが分かった。
本例の製造方法により得られたバルク状シリカ多孔体
は,その結晶子の大きさが1〜10mm,可視光域で透
明である。また,1.5nmの細孔径を有する細孔が最
も多い(図2参照)。以上により,上記バルク状シリカ
多孔体は,半導体,金属を閉じ込め,量子効果素子ある
いは半導体レーザー媒質として利用することができ,ま
た,この場合には,高温動作が可能になるあるいは細孔
径制御によりレーザー発振波長が設計可能になるという
優れた性能を発揮することができる。
生じ難い大きなサイズを有し,かつ,均一かつ選択可能
な細孔径を有し,光学機能性材料,電子機能性材料等に
利用可能なバルク状シリカ多孔体の製造方法を提供する
ことができる。
リカ多孔体の可視光域での透過率曲線を示す線図。
リカ多孔体の細孔分布曲線を示す線図。
Claims (1)
- 【請求項1】 原料であるアルコキシシラン,水及び界
面活性剤を混合,反応させ,シリカ/界面活性剤複合体
を形成する形成工程を行い,次いで,上記シリカ/界面
活性剤複合体を密閉容器中で放置し,該複合体中におけ
るシリカ骨格の発達と多孔構造の形成を行う熟成工程を
行い,次いで,上記シリカ/界面活性剤複合体を乾燥し
て,溶媒を除去し,該複合体を縮合させる乾燥工程を行
い,次いで,上記シリカ/界面活性剤複合体を焼成し,
該複合体より界面活性剤を除去し,シリカ多孔体となす
焼成工程を行うことを特徴とするバルク状シリカ多孔体
の製造方法。
Priority Applications (2)
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---|---|---|---|
JP01463497A JP3436037B2 (ja) | 1997-01-10 | 1997-01-10 | バルク状シリカ多孔体の製造方法 |
US09/003,461 US5958577A (en) | 1997-01-10 | 1998-01-06 | Transparent bulk silica porous material with uniform pore size and distribution |
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Family Applications (1)
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