KR100805257B1

KR100805257B1 - 저흡수성 실리카

Info

Publication number: KR100805257B1
Application number: KR1020047010195A
Authority: KR
Inventors: 발레로레미; 슈발리에이보닉
Original assignee: 로디아 쉬미
Priority date: 2001-12-26
Filing date: 2002-12-24
Publication date: 2008-02-20
Also published as: EP1458646A1; FR2833937B1; ATE533731T1; ES2377559T3; JP2005512935A; CN1617833A; CA2471416A1; BR0215357B1; AU2002364341A1; BR0215357A; KR20040076875A; FR2833937A1; CN100497171C; WO2003055801A1; EP1458646B1; CA2471416C; US20050074386A1; US7524478B2; JP4538224B2; MXPA04006240A

Abstract

본 발명은 하기 연속되는 단계를 포함하는 저흡수성 침전 실리카의 제조 방법에 관한 것이다: (a) 실리케이트를 포함하는 공급원료로서, 상기 공급원료 중의 실리케이트 농도가 SiO₂ 당량으로 표현하여 15g/l 미만인 초기 공급원료를 제조하는 단계; (b) 산성화제를 첨가함으로써 매체의 pH를 7∼8 범위의 값으로 조절하는 단계; (c) 얻어지는 상기 매체에 실리케이트와 산성화제를 동시에 첨가하되, 상기 실리케이트와 상기 산성화제 각각의 첨가량은 첨가 공정 전기간에 걸쳐 하기 조건을 충족하도록 선택되는 첨가 단계; (i) 반응 매체의 pH가 7 ∼8 범위로 유지되고, (ii) 상기 매체의 실리콘 농도가 SiO₂ 당량으로 표현하여 35g/l 이하로 유지됨; (d) 상기 단계 (c)에서 얻어지는 상기 매체의 pH가 3∼6.5 범위에 있도록 상기 매체에 산성화제를 첨가하는 단계; 및 (e) 얻어지는 수성 실리카 분산액을 여과한 후, 여과 단계 종료 시 얻어진 케익을 건조하는 단계. 본 발명은 또한 상기 방법에 의해 제조된 저흡수성 실리카 및 그의 용도, 특히 실리콘, 폴리머 또는 엘라스토머 매트릭스의 보강용으로 이용하는 방법에 관한 것이다.

침전 실리카, 실리케이트, 산성화제, 실리콘계 매트릭스, 흡수성, 오르가노폴리실록산, BET 비표면적, CTAB 비표면적,

Description

저흡수성 실리카{LOW WATER UPTAKE SILICAS}

본 발명은 낮은 흡수성을 가진 침전 실리카(precipitated silica), 특히 분말이나 과립 또는 실질적으로 구형인 펠릿 형태인 실리카의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 얻어진 침전 실리카 및 그 용도, 특히 실리콘 엘라스토머 또는 실리콘 페이스트를 기재로 한 매트릭스를 보강하기 위한 용도에 관한 것이다.

실리콘 엘라스토머 또는 실리콘 페이스트형 조성물에서, 흄드 실리카(fumed silica), 즉 예를 들면 Angewandte Chemie, Vol. 72, p.744(1960)에 기재되어 있는 바와 같이, 테트라클로로실란형 화합물을 고온에서 수소 및 산소와 반응시키는 공정에 의해 얻어지는 실리카는 보강 충전재(filler)로서 오래 전부터 사용되어 왔다.

그러나, 상기 획득 공정의 결과로서 얻어진 연소 실리카는 일반적으로 고가이다. 이 때문에, 보강용 실리콘 매트릭스에 대한 응용 분야에서, 이러한 고가의 실리카를, 적어도 부분적으로는, 적절한 pH 조건 하에서 실리케이트와 같은 전구체로부터 수성 매체 중에 실리카를 침전시킴으로써 얻어지는 이른바 '침전된' 실리카로 대체하기 위해 많은 노력이 경주되었다. 이러한 실리카는 상대적으로 저렴하며, 실리콘계(silicone-based) 매트릭스에서 요구되는 분산성(dispersibility)을 가진다.

그러나, 대부분의 일반적 경우에, 침전 실리카는 흔히 물에 대한 강한 친화력을 가진 것으로 나타났다. 이점은, 적어도 부분적으로는, 통상 복합체인 상기 실리카의 침전 과정에 사용되는 메커니즘이 일반적으로 불완전하게 제어되는 핵형성(nucleation), 성장, 응고 등의 현상을 동시에 수반하므로, 얻어지는 실리카 입자의 표면에 형성되는 흡습성(hygroscopic) Si-OH기를 초래하는 사실에서 유래하는 것으로 생각된다.

일반적으로, 물에 대한 실리카의 친화력은 특히, 물 분자가 표면 상에 흡착되는 다소 현저한 경향을 나타내는, 이른바 '흡수성(water-uptake)' 특징에 의해 나타난다. 일반적으로, 실리카의 '수분 흡수'는 사전 건조시킨 실리카 샘플을 매우 낮은 상대 습도 및 100℃ 이상의 온도에서 소정의 시간 동안 주어진 상대 습도 중에 방치하며, 그 결과 얻어지는 실리카 수화물로 하여금 샘플의 질량이 초기값 m(건조된 상태에서의 질량)으로부터 최종값(m + dm)으로 변동시키는 방식으로 이루어지는 시험법에 의해 측정된다. 건조 상태에서의 샘플 질량을 기준으로 샘플에 결합된 수분의 양에 해당하는 '수분 흡수'는 퍼센트로 표현된 비율, dm/m과 같다.

따라서, 실리카의 '수분 흡수'는 상대적 값으로서, 수행되는 흡수성 시험에서 사용된 건조 및 수화(hydration) 조건에 좌우된다. 본 발명의 측면에서 이러한 특성의 일의적 정의를 확립하기 위해서, '실리카의 수분 흡수'라는 용어는 구체적으로 본 명세서 전체를 통해, 시험 과정에서 하기 조건으로 처리되는 실리카 샘플에 대해 계산되어 퍼센트로 표현된 dm/m 비율을 지칭하도록 사용한다:

- 예비 건조: 105℃에서 8시간;

- 수화: 20℃ 및 상대 습도 70% 하에서 24시간.

본 발명의 측면에서 실리카의 '수분 흡수'를 판정하기 위해 사용되는 실험적 프로토콜은 일반적으로 다음과 같이 이루어질 수 있다:

- 시험하고자 하는 실리카 약 2g의 질량을 정확히 측정하는 단계;

- 질량이 측정된 실리카를 105℃로 설정된 인큐베이터 내에서 8시간 동안 건조시키는 단계;

- 상기 건조 단계를 통해 얻어진 건조 실리카의 질량 m을 측정하는 단계;

- 얻어진 건조 실리카를 물/글리세린의 질량비가 35/65인 물/글리세린 혼합물이 들어 있는 밀폐 용기(예를 들면, 데시케이터)에 넣고 20℃에서 24시간 유지하여 밀폐된 매체의 상대 습도가 70%가 되도록 하는 단계; 및

- 상대 습도 70% 하에 24시간 동안 처리하여 얻어진 실리카의 질량(m + dm)을 측정하는 단계, 단 이 때의 질량 측정은 상대 습도 70% 하의 매체와 실험실 대기 사이의 습도 변화의 효과로 인한 실리카 질량의 변동을 피하기 위해 실리카를 데시케이터에서 꺼낸 직후에 행한다.

본 발명의 정의에 따른 관점에서, 가장 통상적인 침전 실리카는 일반적으로 7% 이상, 보통은 9% 이상의 수분 흡수를 가진다. 따라서, 통상적인 침전 실리카의 수분 흡수는 일반적으로 약 8∼10%이며, 침전 실리카의 수분 흡수가 6.5% 미만인 경우는 드물다.

그러한 수분 친화력은 실리카를 실리콘 매트릭스의 보강에 사용할 경우에 바 람직하지 않은 점이다. 실제로, 실리콘 매트릭스의 보강용으로 사용하고자 하는 실리콘은 수분 친화력이 가능한 한 약한 특징을 가진 것이 일반적으로 바람직하다. 더욱이, 예를 들면 전기 배선과 같은 절연재로 사용되는 실리콘 엘라스토머의 경우에, 충전재로 사용되는 실리카는 특히 상기 재료의 유전특성(dielectric property)을 손상하지 않도록, 가능한 한 수분을 함유하지 않는 것이 필수적이다.

또한, 실리콘 매트릭스의 보강 충전재로서 사용되는 실리카 내 수분의 존재는 상기 매트릭스를 압출에 의해 성형할 때 기포의 형성을 초래하기 쉬우며, 이것은 압출 부품에서의 허용되지 않는 결함이다.

따라서, 이러한 요소를 고려할 때, 실리콘계 매트릭스에서의 보강 충전재로 사용하고자 하는 침전 실리카는 상기 매트릭스 내에 높은 분산성뿐 아니라 가능한 한 최저의 수분 흡수 값을 가져야 한다.

그러나 종래의 침전 실리카는 그러한 특성을 가진 것이 거의 없다.

실리콘계 매트릭스에서의 분산성과 수분에 대한 낮은 친화력이라는 두 가지 요구조건에 합당한 실리카를 제공하기 위해서, 수분에 대한 친화력을 줄이기 위해 높은 흡수성 침전 실리카로 알려진 처리를 실행하는 것이 강구되었다.

이러한 측면에서, 특허문헌 FR 2 356 596에 제시된 바와 같이, 예를 들면, 구체적으로 실란 또는 실라잔 형태의 반응제에 의해 침전 실리카의 표면에 흡습성을 부여하는 것이 제안되었다. 그러나 이러한 형태의 흡습성 부여 처리는 비교적 고가인 것이 일반적이다.

높은 흡수성 침전 실리카를 처리하기 위한 또 다른 해법으로서, 특허문헌 EP 0 280 623에 개시된 방법은 침전 실리카를 700∼950℃에서, 바람직하게는 펠릿 형태인 초기 실리카를 경사진 회전로(tilted rotary furnace)에서 열처리하는 것이다. 이 방법은 상기 FR 2 356 596의 경우보다 저비용이기는 하지만, 여전히 침전 및 후속 처리라는 2개의 구별된 단계의 실행이 수반되며, 이것은 공정의 산업적 실시라는 측면에서 비용을 증가시킨다.

이에, 본 발명자들은 실리콘계 매트릭스의 보강용으로 특히 적합한, 분산성 및 흡수 특성을 가진 침전 실리카가, 후속 처리를 필요로 하지 않는 실리카 침전 프로세스에 의해 제조될 수 있음을 발견했다.

보다 엄밀하게, 본 발명자들의 작업은 실리카의 침전 반응을 제어된 조건 하에서 수행함으로써, 구체적으로는 침전 반응을 희석된 매체(medium) 중에서 수행하고 실리카가 형성되는 동안 반응 매체의 pH를 약 7.5의 값으로 유지시킴으로써, 실리콘계 매트릭스 내에 양호한 분산성을 나타내며, 6% 미만의 수분 흡수를 특징으로 하는 침전 실리카를 제조할 수 있는 것을 핵심으로 했다.

수분 흡수 값에 관해 본 발명자가 얻은 결과는 특히 놀라운 것이다. 사실상, 종래 기술의 침전 공정에 의해 얻어지는 가장 유리한 실리카는 적어도 6.5∼7%의 수분 흡수 값을 갖는다.

이러한 발견에 기초하여, 본 발명의 목적은 사용이 용이하고 경제적이며, 특히 실리콘계 매트릭스 내에서 양호한 분산성과 함께 물에 대한 매우 낮은 친화력을 나타내는 실리카를 얻을 수 있는 침전 실리카의 새로운 제조 방법을 제공하는 것이 다.

보다 구체적으로, 본 발명의 또 다른 목적은 실리콘계 폴리머 매트릭스, 특히 전기 배선의 코팅에서와 같이 절연체의 기능을 보장하도록 도모하는 실리콘계 엘라스토머 매트릭스에서의 보강제로 사용할 수 있는 침전 실리카를 제공하는 것이다.

이에 따라, 제1 측면에 따르면 본 발명은 하기 연속되는 단계를 포함하는, 저흡수성 침전 실리카의 제조 방법에 관한 것이다:

(a) 실리케이트를 포함하는 공급원료(feedstock)로서, 상기 공급원료의 실리케이트 농도가 SiO₂ 당량으로 표현하여 15g/l 미만인 초기 공급원료를 제조하는 단계;

(b) 산성화제(acidifying agent)를 첨가함으로써 매체의 pH를 7∼8 범위의 값, 바람직하게는 7.2∼7.8 범위의 값, 유리하게는 7.3∼7.7 범위의 값으로 조절하는 단계(일반적으로는, 실질적으로 7.5인 값에 맞춤);

(c) 얻어지는 매체에 실리케이트와 산성화제를 동시에 첨가하되, 첨가되는 실리케이트와 산성화제 각각의 양은 첨가 공정 전기간에 걸쳐 하기 조건을 충족하도록 선택되는 첨가 단계;

- 반응 매체의 pH가 7∼8, 유리하게는 7.2∼7.8 범위로 유지되고,

- 상기 매체의 실리콘 농도는 SiO₂ 당량으로 표현하여 35g/l 이하로 유지됨;

(d) 단계 (c)에서 얻어지는 매체의 pH가 3∼6.5 범위에 들어가도록 상기 매 체에 산성화제를 첨가하는 단계; 및

(e) 얻어지는 수성 실리카 분산액을 여과하고, 바람직하게는 건조 이전에 세척하고, 여과 단계 종료 시 얻어진 케익을 건조함으로써 저흡수성 침전 실리카를 고체 형태로 얻는 단계.

본 발명의 방법에 따른 상기 단계 (a) 및 (c)에서 사용되는 실리케이트는 모든 통상적 형태의 실리케이트, 특히 메타실리케이트(metasilicate) 또는 디실리케이트(disilicate)로부터 선택될 수 있다. 본 발명에 따라 사용되는 실리케이트는, 예를 들면, 소듐실리케이트 또는 포타슘실리케이트와 같은 알칼리 실리케이트인 것이 유리하다.

특히 바람직한 방식에서, 단계 (a)로부터 얻어지는 실리케이트는 단계 (c)에서 첨가되는 것과 같은 소듐실리케이트이다. 이 경우, 사용되는 소듐실리케이트는 일반적으로 SiO₂/Na₂O 중량비가 2∼4 범위, 유리하게는 3∼3.6 범위인 것을 특징으로 하며, 이 SiO₂/Na₂O 중량비가 3.3∼3.5 범위인 것이 바람직하다(일반적으로, 이 비율은 실질적으로 3.4임).

본 발명에 따른 방법의 단계 (a)에서의 초기 공급원료는 통상 실리케이트 수용액이며, 그 농도는 15g/l 이하인 것을 특징으로 한다. 일반적으로, 단계 (a)의 공급원료 중 실리케이트의 농도는 SiO₂ 당량으로 표현하여 1g/l∼15g/l 범위이다. 단계 (a)에서의 공급원료 중 실리케이트의 농도는 10g/l 이하인 것이 유리하고, 바람직하게는 9g/l 이하이다.

단계 (a)의 공급원료의 pH는 일반적으로 약 9∼13이다. 본 발명에 따른 방법의 단계 (b)는 매체의 pH를 7∼8 범위 내에 들어가도록 산성화제를 첨가함으로써 이러한 pH 값을 저하시키는 것이며, 본 발명자는 이러한 pH 범위에서 실리카 침전 반응이 최적 상태로 일어남을 입증했다.

본 발명의 관점에서 '산성화제'라 함은 상기 공급원료의 pH를 낮출 수 있는 임의의 무기산 또는 유기산 화합물을 의미한다. 따라서, 황산, 염화수소산 또는 질산과 같은 무기산, 또는 아세트산, 포름산 또는 탄산(carbonic acid)과 같은 유기산을 산성화제로서 유리하게 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 제조 방법을 행하는 동안, 특히 단계 (a)에서는 전해질을 첨가하지 않는 것이 유리하다. 여기서 '전해질'이라는 용어는 종래의 의미, 즉 용액 상태에 있을 때, 분해 또는 분할되어 이온이나 하전된 입자를 형성하는 임의의 이온 물질 또는 분자 물질을 칭한다. 전해질의 예로는, 예를 들면 출발 물질인 실리케이트 금속의 염과 같은 알칼리 금속과 알칼리토 금속, 및, 예를 들면, 소듐실리케이트와 염화수소산의 반응인 경우에 염화나트륨, 또는, 바람직하게, 소듐실리케이트와 황산의 반응인 경우에 황산나트륨 등이다.

본 발명에 따른 방법의 단계 (b)에서 사용되는 산성화제는 특히 초기 공급원료에 들어 있는 실리케이트가 알칼리 실리케이트인 경우에 황산인 것이 바람직하다. 일반적으로, 단계 (b)의 산성화제는 바람직하게는 희석된 수용액 형태로 통상 도입되며, 일반적으로 0.25N∼8N 범위의 노르말 농도를 갖는다. 따라서, 단계 (b)에서 매체의 pH는 10g/l∼350g/l의 농도, 바람직하게는 50g/l∼250g/l의 농도를 갖 는 황산 수용액을 첨가하여 낮추는 것이 유리하다.

단계 (b)의 산성화제가 갖는 엄밀한 특성이 무엇이건 간에, 상기 산성화제는 그것을 첨가함으로써 매체의 pH가 7∼8 범위로 감소되도록 사용해야 한다. 사용할 산성화제의 양은 실행 시, 일반적으로, 첨가되는 동안 pH의 변화를 측정함으로써 판정되며, 단계 (b) 이후의 산성화제의 첨가는 pH가 원하는 값에 도달할 때까지 계속된다.

본 발명의 방법에서 pH는 공급원료에 산성화제를 첨가함으로써 단계 (b)에서 감소되며, 상기 공급원료는 사전에 50∼100℃ 범위의 온도, 바람직하게는 90℃ 이상의 온도로 조절된다.

그 외에, 단계 (b) 이후의 첨가 공정은 점진적으로, 일반적으로 3분∼60분 범위의 시간, 통상 적어도 5분간, 바람직하게는 적어도 10분에 걸쳐 행해진다. 그러나 이 첨가 기간은 30분 미만이 유리하다.

구상할 수 있는 단계 (b)의 특정 실시예에 따르면, 이 단계는 상기 매체를 5∼30분 범위의 기간에 걸쳐 바람직하게는 90∼100℃의 온도에서 반응이 진행되도록 유지함으로써 일어나는 숙성(maturation) 공정을 포함할 수 있으며, 이 숙성 공정 후, 필요할 경우 단계 (b)의 완료 시점에, 매체의 pH가 7∼8 범위에 있도록, 유리하게는 전술한 바람직한 범위에 있도록 산성화제의 첨가에 의해 반응 매체의 pH가 조절되는 것으로 이해된다.

반응 매체의 pH가 바람직한 범위인 7∼8, 바람직하게는 약 7.5에 맞추어지는 상기 단계 (b)에 이어서, 본 발명에 따른 방법의 단계 (c)는 추가 실리케이트를 도 입하고, 구체적으로는 매체의 pH를 7∼8 범위, 바람직하게는 실질적으로 일정한 값으로 유지함으로써 실리카 침전 공정을 계속하는 것으로 이루어지며, 이 경우 일정한 값은 7.5에 근접한 값, 즉 일반적으로 7.3∼7.7 사이의 값이다.

이를 위해, 단계 (c) 이후에, 실리케이트를 단독으로 첨가할 경우에 나타나는 pH의 증가를 상쇄하느 방법으로서 실리케이트를 산성화제와 함께 도입한다. 본 발명에 따른 방법의 단계 (c)는 단계 (b)에서 매체의 원하는 pH를 얻은 직후에 수행된다.

단계 (c) 동안에 행해지는 실리케이트와 산성화제의 '동시 첨가'는매체의 pH를 측정하여 산성화제를 도입하여 그 pH 값을 조절하면서 매체에 실리케이트를 연속적으로 첨가하여 이루어지며, 예를 들면, 매체의 pH가 시험값인 7∼8을 초과할 때 산성화제를 도입할 수 있으며, 이 시험값은 일반적으로 약 7.5에 고정된다. 이러한 방식으로, 일반적으로 7.3∼7.7 범위인 고정된 pH 값에 근접하게 ±0.2 pH 단위(바람직하게는 ±0.1 pH 단위) 만큼 변동하는 대체로 일정한 pH 값이 매체 내에 유지된다.

이와 다르게, 단계 (c) 이후의 동시 첨가는 매체에 산성화제를 연속적으로 첨가하고, 이 경우 pH는 상기 산성화제를 첨가하는 동안 실리케이트를 도입하여 이루어질 수도 있는데, 여기서도 예를 들면 매체의 pH가 대조값(통상 약 7.5에 고정됨)인 7∼8 범위 이하로 떨어질 때 실리케이트를 도입할 수 있다. 이러한 방식으로, 일반적으로 7.3∼7.7 범위인 고정된 pH 값에 근접하게 ±0.2 pH 단위(바람직하게는 ±0.1 pH 단위) 만큼 변동하는 대체로 일정한 pH 값이 매체 내에 유지된다.

또 다른 실시예에 따르면, 단계 (c)의 동시 첨가가 산성화제와 실리케이트 모두를 연속적으로 첨가하여 이루어지며, 이 때의 농도와 유량은 첨가 공정 전체를 통해 매체의 pH가 7∼8 범위, 바람직하게는 7.2∼7.8 범위로 유지되도록 하는 것이다. 이 경우, 매체의 pH는 일반적으로 단계 (c) 동안 전술한 범위 내에 잔류하는 가운데 변동되는 경향이 있지만, 경우에 따라서는 일정한 값, 유리하게는 약 7.5와 실질적으로 동일한 값으로 유지된다. 단계 (c) 전체를 통해, 순간 유량이 1초당 도입된(d_s로 표시됨) 실리케이트 함수(NaOH의 몰 당량으로 나타냄)의 양 및 1초당 도입된(d_A로 표시됨) 산 함수의 양(단위; 몰)에 대응하고, d_s/d_A 비가 영속적으로 1.01∼1.09 범위, 바람직하게는 1.02∼1.07 범위로 유지되는 것이 일반적으로 바람직하다.

단계 (c)를 수행하는 엄밀한 방법을 불문하고, 사용되는 실리케이트와 산성화제는 단계 (a) 및 (b)에서 사용된 것과 통상적으로 동일하다. 단계 (c) 이후의 실리케이트로는 알칼리 실리케이트가 바람직하고, 소듐실리케이트가 유리하며, 산성화제로는 강한 무기산이 바람직하고, 황산이 통상적이다.

매체 중 실리콘 농도(SiO₂ 당량으로 표현)가 특징적으로 단계 (c) 이후에 동시 첨가중에 35g/l 이하로 유지되어야 하는 한, 단계 (c)중에 반응 매체에 도입되는 실리케이트는 희석된 수용액, 즉 SiO₂ 당량으로 표현할 때, 10g/l∼360g/l 범위, 바람직하게는 300g/l 미만. 유리하게는 270g/l의 농도를 가진 용액 형태이며, 이것은 특히 소듐실리케이트와 같은 알칼리 실리케이트가 사용될 경우에 그러하다. 유 사하게, 산성화제는 희석된 수용액 형태인 것이 보통이며, 이것은 일반적으로 0.25N∼8N, 바람직하게는 0.5N∼4N 범위의 노르말 농도를 가진다. 따라서, 단계 (c) 이후에 사용되는 산성화제가 황산 수용액인 특별한 경우에, 상기 용액의 농도는 25g/l∼380g/l, 바람직하게는 50g/l∼300g/l 범위이다.

본 발명에 따른 방법에 의해 실리카의 침전용 매체에 묽은 농도가 사용되는 것으로 주어지면, 특히 실리케이트와 산성화제의 반응에 연결되어 있는 이 매체 중 염 농도는 매우 낮은 것을 특징으로 하며, 이것은 사용된 침전 매체 내의 낮은 이온 세기를 초래한다.

어떠한 방식으로든 특정 이론에 구속되고 싶지 않지만, 본 발명에 따라 사용되는 pH와 농도를 체크함으로써, 그러한 체크를 구현하지 못하는 종래의 방법에서 대부분이 일반적으로 형성되는 SiOH 표면기의 형성이 최소화될 수 있다. 따라서 본 발명은 매우 낮은 흡수성을 가진 침전 실리카를 얻을 수 있게 한다.

실리카의 형성을 더욱 효과적으로 모니터하기 위해, 본 발명자들은 단계 (c) 이후의 동시 첨가를 실리카와 산성화제의 상대적으로 낮은 유량, 즉 15∼300분 범위, 보다 바람직하게는 30∼100분 범위의 단계 (c) 첨가 기간에 걸쳐 수행하는 것이 특히 유리하다는 것을 입증했다. 이러한 형태의 첨가 기간은 일반적으로 매우 낮은 Si-OH 표면기 함량을 가진 실리카 입자를 생성한다.

일반적으로, 본 발명의 단계 (c)는 교반하면서, 바람직하게는 50∼100℃ 범위의 온도에서, 그리고 일반적으로 단계 (b)이후의 첨가 공정과 동일한 온도에서 수행된다. 단계 (c)를 실시하는 온도는 90∼100℃ 범위가 유리하고, 약 95℃가 바 람직하다.

본 발명의 특정 변형예에 따르면, 알루미늄계 화합물, 바람직하게는 황산알루미늄과 같은 본래 산성인 염 또는 알루민산나트륨과 같은 본래 염기성인 화합물을 단계 (c) 동안 이 단계의 종료 시점에(즉, 일반적으로 이 단계의 마지막 1/4에 해당하는 기간중에, 또한 일반적으로 이 단계의 최종 5분 내지 15분 기간중에) 반응 매체에 도입할 수 있다. 이러한 알루미늄계 화합물의 첨가는 특히 얻어지는 실리카의 흡수 특성을 향상시키며, 산성화제로서 황산을 사용하는 특별한 경우, 본 발명의 종료 시점에 얻어지는 실리카에서의 황산염 함량을 감소시킨다. 도입되는 알루미늄 화합물의 양은 일반적으로, 반응 매체 내에 Al/SiO₂ 비율이 0.1∼1 질량% 범위이며, 이 비율은 0.6 질량% 이하, 바람직하게는 0.5 질량% 이하이다.

단계 (c)의 엄밀한 실시예에 불문하고, 이 단계의 종료 시점에서 반응 매체의 pH는 7∼8이며 바람직하게는 약 7.5이다.

상기 매체가 3∼6.5의 pH 범위로 산성화되는 단계 (d)는 첨가되는 산성화제의 양에 관하여 본 발명의 방법에 의해 제조되는 실리카에 대해 상정되는 응용의 함수로서 변형될 수 있다. 바람직하게, 상기 매체는 단계 (d)의 종료 시점까지는 3.5∼5.5 범위의 pH에 도달했다.

단계 (d) 이후의 산성화제가 단계 (b) 및 (c)에서 사용된 것과 동일한지 여부는 중요하지 않다. 단계 (d) 이후의 산성화제는 0.25N∼8N 범위의 노르말 농도를 가진 수용액 형태로 매체에 도입되는 것이 바람직하다. 상기 산성화제는 25∼380g/l 범위의 농도를 갖는 황산 수용액인 것이 적합하다.

선택적인 단계 (d)가 수행되는 온도는 통상 50∼100℃ 범위이며, 따라서 선행 단계 (c)에서의 온도와 동일할 수 있다.

일반적으로, 본 발명에 따른 방법의 단계 (a), (b), (c) 및 (d) 모두가 90∼100℃ 범위의 온도, 유리하게는 93∼97℃ 범위의 온도, 더욱 유리하게는 실질적으로 95℃에서 수행되는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 단계 (c) 및 (d)로부터 얻어지는 수성 실리카 분산액은, 적절한 경우, 상기 매체를 교반하면서 15분 내지 240분, 바람직하게는 30분 이상의 시간 동안 90∼100℃ 범위의 온도로 유지시킴으로써 숙성 단계를 거치게 할 수 있고, 상기 숙성 과정중의 온도는 실질적으로 일정하게 유지하거나(적절할 경우 95℃의 온도), 또는 90∼100℃ 범위의 온도에서 승온(일반적으로 1단계 이상으로)시키는 것이 바람직하다.

강조해야 할 점은 단계 (c)의 종료 시점에 첨가될 수 있는 알루미늄 화합물, 특히 황산알루미늄 형태의 화합물을 단계 (d)과정중에 첨가할 수 있고, 또는 이 단계가 실행될 때 후속하는 숙성 단계중에 첨가할 수 있다. 알루미늄계 화합물은 일반적으로 단계 (c)와 단계 (e) 사이에 매체에 첨가될 수 있다.

본 발명에 따른 방법의 단계 (e)는 선행 단계에서 얻어지는 분산액으로부터 고체 형태의 실리카를 회수하는 것으로 이루어진다.

단계 (e)에서, 단계 (d) 및, 선택적으로, 후속하는 숙성 단계에서 얻어지는 분산액은 통상 필터 프레스 상에서 여과 처리되거나, 로터리 필터, 벨트 필터, 또 는 평판 필터를 이용한 진공 여과 처리되며, 이러한 여과 처리에 의해 "실리카 케익", 즉 비교적 수분 함량이 높은 실리카 펄프가 얻어진다. 얻어진 실리카 케익은 이어서, 염 함량을 줄이기 위해 일반적으로 물을 사용한 세척 단계를 거치고, 이어서 적합한 분무 형태, 및 예를 들면 터빈 스프레이 디스펜서, 노즐 스프레이 디스펜서, 액압식 스프레이 디스펜서 또는 2액형 스프레이 디스펜서를 이용하여 건조된다.

실리카 케익은 스프레이 디스펜서에 펌핑될 수 있도록 충분히 낮은 점도를 가진 실리카 펄프를 형성하도록 일반적으로 사전 분할된다. 이 펄프는 1,000℃에서 82 질량% 이하의 용융 손실(melting loss)을 나타내는 것이 바람직하다.

상기 분할 공정은 선택적으로, 예를 들면, 필터 케익을 콜로이드밀 또는 볼밀 형태의 연마밀에 넣거나, 초음파를 이용하여 분쇄함으로써 행해질 수 있다. 특히, 실리카 케익이 필터 프레스 상 여과에 의해 얻어지는 경우, 예를 들면 분할 단계중에 역회전형(contra-rotating type) 고전단력으로 교반 처리를 이용하는 것이 유리하다. 상기 분할 과정을 촉진하기 위해 알루미늄계 화합물을 첨가하는 것도 생각할 수 있다.

이러한 형태의 분할 처리를 통해 얻어지는 저점도 펄프는 통상 수성 실리카 분산액 형태로 되어 있어 단계 (e)를 위한 스프레이 디스펜서를 향해 직접 펌핑된다. 그러나, 단계 (e)는 또한 이어서, 특히 상이한 활성 자리(active site)에서 수행될 수도 있다. 분할 처리에 이어 얻어진 저점도 펄프는 대부분의 경우에 수성 실리카 조성물이며, 이것은 용이하게 수송 및 저장될 수 있고, 어느 때나 충분한 기계적 응력의 영향 하에 펌핑될 수 있는 충분한 유체 점도를 가진 실리카 분산액 형태로 되어 분무 처리에 의해 건조될 수 있다. 본 발명은 특히 이와 같은 특정한 수성 실리카 조성물에 관한 것이다.

본 발명의 방법에 의해 얻어진 침전 실리카는, 특히 용융 손실이 82% 미만인 분할 필터 케익의 건조에 의해 얻어진 경우, 평균 직경이 80∼350㎛, 유리하게는 150∼280㎛인 실질적으로 구형 펠릿 형태일 수 있다. 상기 펠릿의 평균 사이즈는 표준 NF X 11507(1970년 12월)에 따라, 건식 체질(dry sifting) 및 50%에서 축적된 반경에 대응하는 직경을 측정함으로써 판정된다. 표준 NF T 30 042에 따라 측정한 이 형태의 펠릿의 패킹 상태(DRT)에서의 충전 밀도는 일반적으로 적어도 0.2이고, 전형적으로는 0.25 내지 0.3이다. 또한, 이러한 펠릿은 통상 적어도 3㎤/g, 유리하게는 3.5∼4.5㎤/g의 총 기공 체적(pore volume)을 가지며, 여기서의 기공 체적은 수은식 공극률 측정기(mercury porosimeter)(테스트 샘플을 인큐베이터 내 200℃에서 2시간 동안 건조한 다음 즉시 진공 하에 탈기하고 5분 후에 인큐베이터에서 꺼냄)로 측정되고, 기공 직경은 접촉각 θ 140℃, 표면장력 γ는 484 dyne/cm로 하여 WASHBURN 비율을 이용하여 계산된다(MICROMETRITICS 9300 공극률 측정기).

미분 강도에 따라, 입자의 평균 사이즈가 3∼15㎛인 분말 형태의 침전 실리카를 얻기 위해, 상기 형태의 펠릿을 후속 미분 처리할 수 있다.

보다 일반적으로, 실행하는 건조 형태에 따라, 단계 (e)로부터 얻어지는 침전 실리카는 평균 치수가 3∼350㎛ 범위인 등방성(isotropic) 또는 이방성(anisotropic) 입자상 분말 형태일 수 있다. 표준 NF T 30 042에 따라 측정 한 이들 분말의 패킹 상태(DRT)에서의 충전 밀도는 일반적으로 0.1 내지 0.3이다. 또한, 이들 분말은 통상, 펠릿의 경우에 앞에서 정의한 바와 같이 3∼6㎤/g 범위의 총 기공 체적을 갖는다.

실리콘계 매트릭스의 보강용으로 사용하고자 하는 실리카의 제조 방법에서, 제조되는 실리카는 평균 사이즈가 3∼30㎛, 바람직하게는 5∼15㎛ 범위인 입자 형태인 것이 바람직하다. 이 형태의 그레인 사이즈를 얻기 위해, 본 발명에 따른 방법에 의해 얻어진 임의의 실리카 종류를 사용할 수 있고, 선택적인 미분 단계로 처리할 수 있고; 얻어지는 실리카 내에서 발견되는 상이한 사이즈의 그레인은, 필요할 경우, 적합한 메쉬 사이즈를 갖는 진동식 스트레이너를 이용하여 분리할 수 있고, 예를 들면 너무 큰 입자는 회수하여 미분 공정에 반송할 수 있다.

또한, 단계 (e)로부터 얻어지는 건조 실리카는 특히 직접 압축, 습식 과립(즉, 물과 같은 바인더 사용), 압출 및 건식 콤팩션(compaction)에 의한 응집 단계를 거칠 수 있다. 상기 건식 콤팩션 기법을 이용할 경우, 콤팩션을 시작하기 전에, 내부에 존재하는 공기를 제거하여 균일한 컴팩션을 제공하기 위해, 미분할 생성물을 탈기(예비 고밀도화 또는 탈가스로도 알려진 공정)시키는 것이 유리할 것이다. 응집 단계의 종료 시점에, 상기 생성물을, 예를 들면 체질에 의해 원하는 사이즈로 분급한 다음, 후속 용도를 위해 사이즈를 조정할 수 있다. 본 발명의 이러한 특정 실시예에 따라 제조할 수 있는 콤팩팅된 침전 실리카는 과립 형태인 것이 유리하다. 이들 과립은 선택적으로 매우 다양한 형상으로 되어 있을 수 있다. 예를 들면, 구형, 원통형, 평행육면체형, 마름모꼴, 정제와 펠릿 형상, 원형 또는 폴 리로브(polylobe)형 단면을 가진 압출 형상 등이 포함된다. 이들 과립의 평균 치수는 2mm 내지 20mm 범위가 바람직하다. 또한, 상기 과립의 패킹 상태에서의 충전 밀도는 표준 NF T 30 042에 따라 측정했을 때 일반적으로 적어도 0.15이고, 최대 0.35일 수 있으며, 이들 과립은 일반적으로 2.5∼4.5㎤/g 범위의 총 기공 체적을 가진다.

본 발명의 방법으로 얻어지는 침전 실리카는 그 형상에 관계 없이, 본 발명의 관점에서, 일반적으로 매우 낮은 흡수성을 가지며, 그와 함께 특히 비표면적이 크고 밀도가 낮아서, 특히 실리콘계 엘라스토머 매트릭스 내에 높은 분산성이 부여되며, 이러한 특징으로 인해 실리콘계 매트릭스에서의 보강용 충전재로서 이용하기에 특히 적합하다.

이와 같이, 본 발명의 방법은 6% 미만의 수분 흡수를 갖는 침전 실리카를 제공한다. 여기서 말하는 수분 흡수란 앞에서 정의된 건조/수화 테스트에 따라 측정된, 본 발명의 관점에서의 수분 흡수임을 상기해야 할 것이다. 대부분의 경우에, 본 발명의 방법에 의해 제조되는 실리카의 수분 흡수는 5.9% 이하이며, 일반적으로 5.8% 미만이다. 따라서, 본 발명의 방법에 의해 제조되는 실리카의 수분 흡수는 5.7% 이하, 더 나아가 5.5% 이하인 것이 특히 유리할 것이다. 5.4% 이하, 또는 더 나아가 5.3% 이하인 것이 더욱 유리하다. 그러나 가장 일반적인 경우에, 상기 실리카의 수분 흡수는 4% 이상, 보다 일반적으로는 4.5% 이상이다.

이와 같이 낮은 수분 흡수 이외에, 본 발명의 방법에 의해 제조되는 실리카는 105℃에서 8시간 동안 열처리된 후, 샘플 총 질량 기준으로, 2∼4 질량%, 바람 직하게는 3 질량% 미만, 유리하게는 2.7 질량% 이하의 잔류 수분 함량을 일반적으로 갖는다.

또한, 본 발명의 방법에 의해 제조되는 침전 실리카에 대해, Jurnal of the american Chemical Society, vol.60, p.309(1938년 2월)에 기재된 BRUNAUER-EMMET-TELLER 프로세스를 이용하여 측정한 BET 비표면적이 100㎡/g보다 크고, 바람직하게는 120㎡/g 이상이다. 상기 BET 비표면적은 150㎡/g 이상이 유리하지만, 일반적으로 200㎡/g 이하이다. 따라서 120∼185㎡/g 범위가 전형적이다.

본 발명의 방법에 의해 제조되는 실리카는 또한 표준 NFT 45007(1987년 11월)에 따라 세틸트리메틸 암모늄브로마이드(pH = 9)의 흡착에 의해 측정한 이른바 CTAB 비표면적을 특징으로 할 수 있다. 일반적으로, 본 발명의 방법에 의해 제조되는 실리카의 CTAB 비표면적은 100∼200㎡/g 범위이고, 110㎡/g 이상이 유리하며 130㎡/g 이상이 바람직하다. 전형적으로는 120∼185㎡/g 범위일 것이다.

또한, 본 발명의 방법에 의해 제조되는 실리카는 일반적으로, 디옥틸프탈레이트를 사용하여 표준 NF T 30-022(1953년 3월)에 따라 측정한 DOP 흡유성이 150ml/100g 내지 300ml/100g, 바람직하게는 200ml/100g 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 방법에 의해 제조되는 침전 실리카는 상기 실리케이트에 사용한 산성화제의 작용에 의해 생성된 염을 적어도 미량 상태로 함유한다. 따라서, 본 발명의 방법에서 특정적으로 알칼리 실리케이트를 실리카의 전구체로서 사용하고 산성화제로서 황산을 사용하는 경우에, 침전 실리카는 알칼리 황산염을 함유한다. 일반적으로, 얻어지는 실리카 내의 알칼리 황산염의 함량은 비교적 낮으며, 통상 존재하는 황산 이온의 질량은 건조체 총질량 기준으로 0.5 질량% 이하를 나타낸다(전형적으로는 건조체 총질량 기준으로 0.1∼0.5 질량% 범위). 이 황산 이온 함량은 또한 본 발명의 방법 중 단계 (e)에서 실리카 케익의 가압 세척 후 여과를 실시함으로써 감소될 수 있다. 이 경우에, 존재하는 황산 이온의 질량은 일반적으로 건조체 총질량 기준으로 0.05∼0.4 질량% 범위를 나타내며, 건조체 총질량 기준으로 0.3 질량% 미만이 유리하고, 0.2 질량% 미만이 바람직하며, 0.1 질량% 미만이 더욱 유리하다.

본 발명에 따른 방법에서 실리카의 전구체로서 소듐실리케이트가 사용되는 경우, 상기 방법에서 제조되는 실리카는 사용되는 산성화제의 형태에 불문하고 나트륨 이온을 함유한다. 일반적으로, 제조되는 실리카 내의 잔류 나트륨 함량은 300∼1,500 ppm 범위이고, 이 함량은 1,000 ppm 이하, 유리하게는 800 ppm 이하일 수 있다. 이러한 나트륨 함량은 측정된 질량을 가지며 플루오르화수소산에 용해한 실리카 샘플의 화염 스펙트럼 방출법(flame apectral emission)에 의해 측정된다.

또한, 본 발명의 실리카는 표준 ISO 787/9에 따라 측정한 pH(수중 실리카 5 질량%를 분산한 분산액의 pH)가 4.5∼7, 바람직하게는 4.8∼6 범위인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 방법에 의해 제조된 침전 실리카는 매우 양호한 분산성을 나타내며, 특히 실리콘계 매트릭스에서의 보강용 충전재로서 사용하기에 적합하고, 여기서 상기 실리카는 매우 양호한 유동학 성질을 발휘하는 한편, 매우 만족스러운 기 계적 성질을 제공한다. 본 발명은 또한, 특히, 본 발명의 방법으로 제조되는 실리카의 용도에 관한 것이다.

본 발명의 방법에 의해 제조된 실리카는, 예를 들면 냉간 또는 열간 가황(vulcanization)될 수 있는 엘라스토머 매트릭스와 같은 실리콘계 엘라스토머 매트릭스를 보강하는 데 유리하게 적용된다.

본 발명의 방법에 의해 제조된 실리카는 특히 오르가노실리콘 조성물용 충전재로서의 용도에 적합하다.

본 발명의 방법에 의해 제조된 침전 실리카로 보강될 수 있는 오르가노실리콘 조성물의 형태는 중요하지 않다. 일반적으로 이들 오르가노실리콘 조성물은 엘라스토머 또는 페이스트 형태일 수 있다.

엘라스토머 조성물의 경우에, 가황 처리될 수 있는 오르가노실리콘 폴리머는, 실리콘 원자에 결합된 탄화수소형 라디칼을 R이라 할 때, 라디칼 R의 총수와 실리콘 원자의 총수의 비율은 0.5∼3 범위이다. 오르가노실리콘 폴리머의 조성물인 경우에, 그 밖에 활용할 수 있는 실리콘의 원자가(valencies)는 산소나 질소와 같은 헤테로 원자, 또는 다가성(multivalent) 탄화수소 라디칼에 결합된다.

본 발명의 방법에 의해 제조된 실리카로 충전된 오르가노실리콘계 조성물은 오르가노폴리실록산 조성물이며, 여기서의 오르가노폴리실록산은 선형 또는 분지형일 수 있고, 선택적으로는, 예를 들면 하이드록실기, 가수분해성(hydrolyzable) 기, 알케닐기와 같은 반응성 기의 탄화수소 라디칼 또는 수소 원자를 포함할 수도 있다.

보다 엄밀하게, 이들 조성물의 주성분인 오르가노폴리실록산은 하기 일반식을 갖는 실록산 단위를 포함하고:

선택적으로, 하기 일반식을 갖는 실록산 단위와 관련되어 있다:

상기 식에서, 표기된 여러 가지 문자는 다음과 같은 의미를 가진다:

R은 비가수분해성 탄화수소기를 나타내며, 이 라디칼은

- 탄소 원자 1∼5개를 가지며 염소 원자 및/또는 플루오르 원자 1∼6개를 포함하는 알킬 또는 할로게노알킬 라디칼;

- 탄소 원자 3∼8개를 가지며 염소 원자 및/또는 플루오르 원자 1∼4개를 함유하는 사이클로알킬 또는 할로게노사이클로알킬 라디칼;

- 탄소 원자 6∼8개를 가지며 염소 원자 및/또는 플루오르 원자 1∼4개를 함유하는 아릴 및 할로게노아릴 라디칼;

- 탄소 원자 3∼4개를 가진 시아노알킬 라디칼.

- Z는 수소 원자, 알케닐기, 하이드록실기, 가수분해성 원자 및 가수분해성 기를 나타낸다.

- n은 0, 1, 2, 또는 3인 정수를 나타내고;

- x는 0, 1, 2, 또는 3인 정수를 나타내고;

- y는 2 이하의 정수를 나타낸다.

실리콘 원자에 직접 결합되어 있는 유기 라디칼 R의 예로는 다음 기가 포함된다: 메틸, 에틸, 프로필, 이소프로필, 부틸, 이소부틸, α-펜틸, t-부틸, 클로로메틸, 디클로로메틸, α-클로로에틸, α,β-디클로로에틸, 플루오로메틸, 디플루오로메틸, α,β-디플루오로에틸, 트리플루오로-3,3,3-프로필, 트리플루오로사이클로프로필, 사이클로프로필, 트리플루오로-4,4,4-부틸, 헵타플루오로-3,3,4,4,5,5-펜틸, β-시아노에틸, γ-시아노프로필, 페닐, p-클로로페닐, m-클로로페닐, 디클로로-3,5-페닐, 트리클로로페닐, 테트라클로로페닐, o-, p-, m-토틸, α,α,α-트리플루오로토틸, 디메틸-2,3-페닐과 같은 크실릴, 디메틸-3,4-페닐.

실리콘 원자에 결합되어 있는 유기 라디칼은 메틸, 페닐 또는 비닐 라디칼인 것이 바람직하고, 이들 라디칼은 선택적으로 할로겐화되거나, 그렇지 않으면 시아노알킬 라디칼일 수 있다.

z는, 유리하게, 수소 또는 염소 원자, 비닐기, 하이드록실기 또는 아미노, 아미도, 아미녹시, 옥심, 알콕시, 알콕시알콕시, 알케닐옥시, 아실옥시 라디칼과 같은 가수분해성 기를 나타낸다.

오르가노폴리실록산의 형태, 및 그에 따라 실록산 단위 (I)과 (II) 사이의 비율, 및 상기 단위들의 분배는 일반적으로 의도하는 응용의 함수로서, 그리고 조성물에 대해 실행되는 가황 처리의 함수로서 선택된다.

따라서, 그것들은 디클로로-2,4-벤조일 퍼옥사이드, 벤조일 퍼옥사이드, t-부틸 퍼벤조에이트, 큐밀 퍼옥사이드 및 디-t-부틸 퍼옥사이드와 같은 유기 과산화물의 작용 하에 고온에서 가황 처리될 수 있는 조성물일 수 있다.

이 형태의 조성물에 들어가는 오르가노폴리실록산은 기본적으로 실록산 단위 (I)을 포함하며, 가수분해성 기나 원자는 일체 함유하지 않는다.

트리메틸실릴기로 채워진 폴리메틸 폴리실록산은 산업적으로 이 범주의 예로서 특히 중요한 것이다.

가황 처리는 비닐실릴기와 하이드로게노실릴기 사이에 가교 결합을 생성함으로써 주변 온도 또는 보통의 온도에서 수행될 수도 있으며, 하이드로실릴화(hydrosilylation) 반응은 백금 유도체와 같은 촉매의 존재 하에 수행된다. 사용하는 오르가노폴리실록산은 가수분해성 원자 또는 기를 함유하지 않는다.

가황 처리는 수분 작용 하에 수행될 수 있다. 이 형태의 조성물 중에 함유되어 있는 오르가노폴리실록산은 앞에서 정의된 바와 같은 가수분해성 원자 또는 기를 함유한다. 이러한 형태의 기를 함유하는 실록산 단위 (II)는 사용된 오르가노폴리실록산의 총질량에 대해 15 중량% 이하를 나타낸다. 이 형태의 오르가노폴리실록산 조성물은 일반적으로 주석염과 같은 촉매를 함유한다.

가황 처리는 최종적으로 가교제의 존재 하에 수행될 수 있다. 이들 조성물에 들어가는 오르가노폴리실록산은 일반적으로 단위 (I) 및 (II)를 포함하는 선형, 분지형 또는 가교 결합형 폴리실록산이고, z는 하이드록실기이고 x는 1 이상이다. 가교 결합제는 메틸트리아세톡시실란, 이소프로필트리아세톡시실란, 비닐트리아세톡시실란, 또는 메틸트리스(디에틸아미녹시)실란과 같은 다작용성 실란일 수 있다. 가교제로서는 그 외에 실리케이트와 같은 여러 가지 화합물을 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 오르가노실리콘 조성물은 앞에서 정의한 바와 같은, 선택적으로 처리된 침전 실리카를 5∼50%, 바람직하게는 10∼40% 함유한다. 실리콘 페이스트의 경우, 본 발명의 실리카 비율은 일반적으로 3∼20% 범위이다.

폴리실록산, 선택적으로 처리된 침전 실리카, 가교제 및 가교 촉매 이외에도, 상기 조성물은 석영 분말, 규조토, 탈크, 카본블랙, 또는 카보네이트와 같은 종래의 충전재를 함유할 수 있다. 상기 조성물은 또한 항-구조제(anti-structure agent), 열 안정화제, 요변성제(thixotropic agent), 안료, 및 부식 억제제와 같은 다양한 종래의 보조제를 함유할 수 있다.

가소제로도 알려져 있는 항-구조제는 특성상 일반적으로 오르가노실리콘이며, 오르가노실리콘 검 100부당 0∼20부의 비율로 도입된다. 항-구조제는 저장되어 있는 동안 상기 조성물이 경화되는 것을 방지한다. 항-구조제의 예로는 가수분해성 기를 가진 실란, 또는 저분자량의 하이드록실화 또는 알콕실화 디오르가노폴리실록산 오일이 포함된다. 이 형태의 조성물은, 예를 들면, 프랑스특허 FR-A-1,111,969에 개시되어 있다.

열 안정화제로서 당업자에게 잘 알려진 예로는 철, 세륨 또는 망간의 염, 산화물 및 수산화물이 포함된다. 이들 첨가제는 단독으로 또는 혼합물로 사용될 수 있으며, 일반적으로 사용된 오르가노폴리실록산 검의 중량 기준으로 0.01∼5%의 비율로 도입된다.

오르가노폴리실록산 조성물은 전술한 바와 같은, 조성물의 여러 가지 성분을 혼합함으로써 제조된다. 혼합 공정은 주변 온도에서 또는 가열하여 이루어질 수 있다.

실리콘계 매트릭스는 가교 결합되기 전에 압출에 의해 성형될 수 있다. 본 발명에 따라 얻어진 실리카는 낮은 수분 함량으로 인해 기포 형성을 제한하기 때문에 압출에 의해 성형된 실리콘계 매트릭스에서의 보강 충전재로서 특히 유용하다는 것이 입증되었다.

본 발명의 저흡수성 실리카는 실리콘계 매트릭스에서의 충전재 용도 이외에도 유기 폴리머계 매트릭스, 특히 천연 또는 합성품일 수 있는 하나 이상의 엘라스토머계 매트릭스, 특히 고무계 매트릭스, 더욱 특별히 SBR이나 부틸 고무형으로 이루어진 천연 또는 합성 고무계 매트릭스에서 보강 충전재로서 유리하게 이용될 수 있다. 본 발명의 방법에 의해 얻어진 실리카는 폴리머 및 엘라스토머 매트릭스 내에서 양호한 분산성 및 보강성을 나타내며, 특히 마모에 대한 내성을 증가시킬 수 있으며, 이점은 공기 역학(pneumatics)의 조성물에서 유리하다고 입증될 수 있다.

엘라스토머 매트릭스 보강 측면에서, 본 발명자들은 또한 본 발명의 방법에 의해 얻어진 실리카는, 특히 투명 또는 반투명 고무 신발 부품(예; 밑창(sole))의 제조에 사용되는 것과 같은 투명 또는 반투명 매트릭스를 보강하는 데 적합하며, 이러한 용도로 사용되는 종래 공지된 대부분의 실리보다 투명도 또는 반투명도의 특성에 대해 훨씬 적은 영향을 갖는 사실을 입증했다.

본 발명의 저흡수성 실리카는 또한 유기 또는 수성 매체, 바람직하게는 수성 매체 내에서, 특히 치약 내에서 증점제로서 유리하게 사용될 수 있다.

또한, 본 발명에 따라 얻어진 실리카는 종래 침전 실리카의 여러 가지 이용 분야, 예를 들면 페인트, 종이 등의 분야에서 유용할 수 있다. 본 발명의 실리카는 식품 또는 화장품 조성물에서의 지지물(support)로서 특히 유리한 것으로 입증되었다.

본 발명에 따라 얻어진 실리카는 염 함량이 낮기 때문에 생약성 약리학 분야에도 특히 적합하다. 이와 같이, 본 발명에 따라 얻어진 실리카는 약제학적 조성물 내의 충전재, 지지물 및/또는 보조제로서 특히 적합하다. 본 발명은 또한 이 측면에서 본 발명의 실리카의 이용 및 그 결과 얻어지는 약제학적 조성물에 관한 것이다.

본 발명의 특징 및 이점은 이하에 제시되는 여러 가지 실제적 예를 통해 더욱 맹백해질 것이다.

실시예 1

물 14,000g 및 SiO₂ 당량으로 236g/l의 소듐실리케이트 수용액 630g을, 온도와 pH 제어 시스템 및 3-날개 프로펠러를 구비한 교반 시스템이 장착된 반응기에 투입하였다. 이 때 사용한 소듐실리케이트의 SiO₂/Na₂O 중량비(wr)는 3.46이었다.

교반(250 rpm)을 시작한 후, 이와 같이 형성된 공급원료를 95℃로 가열하고, 황산 수용액을 80g/l로 첨가하여(평균 유량은 1분당 61g) 11분 내에 pH를 7.5로 맞추었다.

pH가 7.5에 도달했을 때, SiO₂ 당량으로 236g/l의 소듐실리케이트 수용액 4,320g(wr = 3.46)을 48g/분의 일정한 유량으로 연속적으로 첨가하고(첨가 지속시간: 90분), 매체의 pH에서의 측정된 전개에 대한 함수로서 유량을 모니터하면서 황산 수용액을 80g/l로 첨가하여 매체의 pH를 7.5(0.1 pH 단위 이내)로 유지했다. 총량으로 4,770g의 황산 용액이 매체에 첨가되었는데, 이것은 1분당 황산 용액 53g 첨가의 평균 유량에 해당한다.

첨가 후 90분 경과 시, 실리케이트의 첨가를 중지하고 반응 매체의 pH가 3.4에서 안정화될 때까지 산을 첨가했다. 다음에, 반응 용액을 교반하면서 5분간 유지시켰다.

이상과 같이 얻어진 펄프를 평면 필터 상에 여과하고, 얻어진 케익을 pH 5에서 기계적으로 분리한 다음 분무 건조시켰다.

얻어진 건조 실리카는 다음과 같은 물리화학적 특성을 나타냈다:

분말의 pH: 5.5

NaSO₄ 함량: 0.2 질량%(건조 상태의 총질량 기준)

CTAB 비표면적: 160 ㎡/g

BET 비표면적: 160 ㎡/g

1,000℃에서의 용융 손실: 4.9%

1,000℃에서 2시간 처리 후 잔류 수분 함량: 2.6%

수분 흡수(본 발명의 정의에 따름): 5.5%

실시예 2

물 14,000g 및 SiO₂ 당량으로 236g/l의 소듐실리케이트 수용액 450g을, 온도와 pH 제어 시스템 및 3-날개 프로펠러를 구비한 교반 시스템이 장착된 반응기에 투입하였다. 이 때 사용한 소듐실리케이트의 SiO₂/Na₂O 중량비(wr)는 3.46이었다.

교반(250 rpm)을 시작한 후, 이와 같이 형성된 공급원료를 98℃로 가열하고, 황산 수용액을 80g/l로 첨가하여(평균 유량은 1분당 61g) 11분 내에 pH를 7.5로 맞추었다.

pH가 7.5에 도달했을 때, SiO₂ 당량으로 236g/l의 소듐실리케이트 수용액 3,150g(wr = 3.46)을 35g/분의 일정한 유량으로 연속적으로 첨가하고(첨가 지속시간: 90분), 매체의 pH에서의 측정된 전개에 대한 함수로서 유량을 모니터하면서 황산 수용액을 80g/l로 첨가하여 매체의 pH를 7.5(0.1 pH 단위 이내)로 유지했다. 총량으로 3,510g의 황산 용액이 매체에 첨가되었는데, 이것은 1분당 황산 용액 39g 첨가의 평균 유량에 해당한다.

분말의 pH: 5.2

NaSO4 함량: 0.3 질량%(건조 상태의 총질량 기준)

CTAB 비표면적: 164 ㎡/g

BET 비표면적: 165 ㎡/g

1,000℃에서의 용융 손실: 4.8%

1,000℃에서 2시간 처리 후 잔류 수분 함량: 2.6%

수분 흡수(본 발명의 정의에 따름): 5.5%

실시예 3

물 11,000g 및 SiO₂ 당량으로 236g/l의 소듐실리케이트 수용액 630g을, 온도와 pH 제어 시스템 및 3-날개 프로펠러를 구비한 교반 시스템이 장착된 반응기에 투입하였다. 이 때 사용한 소듐실리케이트의 SiO₂/Na₂O 중량비(wr)는 3.46이었다.

분말의 pH: 5.4

NaSO4 함량: 0.2 질량%(건조 상태의 총질량 기준)

CTAB 비표면적: 110 ㎡/g

BET 비표면적: 126 ㎡/g

1,000℃에서의 용융 손실: 5.1%

1,000℃에서 2시간 처리 후 잔류 수분 함량: 2.7%

수분 흡수(본 발명의 정의에 따름): 5.2%

실시예 4

교반(250 rpm)을 시작한 후, 이와 같이 형성된 공급원료를 95℃로 가열하고, 황산 수용액을 80g/l로 첨가하여(평균 유량은 1분당 61g) 11분 내에 pH를 7.5로 맞 추었다.

pH가 7.5에 도달했을 때, SiO₂ 당량으로 236g/l의 소듐실리케이트 수용액 3,150g(wr = 3.46)을 35g/분의 일정한 유량으로 연속적으로 첨가하고(첨가 지속시간: 90분), 매체의 pH에서의 측정된 전개에 대한 함수로서 유량을 모니터하면서 황산 수용액을 80g/l로 첨가하여 매체의 pH를 7.5(0.1 pH 단위 이내)로 유지했다. 총량으로 3,500g의 황산 용액이 매체에 첨가되었는데, 이것은 1분당 황산 용액 40g 첨가의 평균 유량에 해당한다.

분말의 pH: 5.4

NaSO4 함량: 0.2 질량%(건조 상태의 총질량 기준)

CTAB 비표면적: 121 ㎡/g

BET 비표면적: 131 ㎡/g

1,000℃에서의 용융 손실: 5.4%

1,000℃에서 2시간 처리 후 잔류 수분 함량: 2.7%

수분 흡수(본 발명의 정의에 따름): 5.2%

실시예 5

물 950ℓ 및 SiO₂ 당량으로 236g/l의 소듐실리케이트 수용액 33ℓ를, 온도와 pH 제어 시스템 및 3-날개 프로펠러를 구비한 교반 시스템이 장착된 반응기에 투입하였다. 이 때 사용한 소듐실리케이트의 SiO₂/Na₂O 중량비(wr)는 3.46이었다.

교반(250 rpm)을 시작한 후, 이와 같이 형성된 공급원료를 95℃로 가열하고, 황산 수용액을 80g/l로 첨가하여(평균 유량은 1시간당 219ℓ) 11분 내에 pH를 7.5로 맞추었다.

pH가 7.5에 도달했을 때, SiO₂ 당량으로 236g/l의 소듐실리케이트 수용액 290ℓ(wr = 3.46)를 1시간당 205ℓ의 일정한 유량으로 연속적으로 첨가하고(첨가 지속시간: 85분), 매체의 pH에서의 측정된 전개에 대한 함수로서 유량을 모니터하면서 황산 수용액을 80g/l로 첨가하여 매체의 pH를 7.5(0.2 pH 단위 이내)로 유지했다. 총량으로 375ℓ의 황산 용액이 매체에 첨가되었는데, 이것은 1시간당 황산 용액 265ℓ 첨가의 평균 유량에 해당한다.

첨가 후 85분 경과 시, 실리케이트의 첨가를 중지하고 반응 매체의 pH가 3.4에서 안정화될 때까지 산을 첨가했다. 다음에, 반응 용액을 교반하면서 5분간 유지시켰다.

이상과 같이 얻어진 펄프를 평면 필터 상에 여과하고, 얻어진 케익을 pH 5에서 기계적으로 분리한 다음 분무 건조시켰다(노즐 스프레이 장치 사용).

분말의 pH: 5.1

NaSO4 함량: 0.28 질량%(건조 상태의 총질량 기준)

CTAB 비표면적: 157 ㎡/g

BET 비표면적: 165 ㎡/g

1,000℃에서의 용융 손실: 5.4%

1,000℃에서 2시간 처리 후 잔류 수분 함량: 3.1%

수분 흡수(본 발명의 정의에 따름): 5.7%

Claims

(a) 실리케이트를 포함하는 공급원료(feedstock)로서, 상기 공급원료 중의 실리케이트 농도가 SiO₂ 당량으로 표현하여 15g/l 미만인 초기 공급원료를 제조하는 단계;

(b) 산성화제(acidifying agent)를 첨가함으로써 매체(medium)의 pH를 7∼8 범위의 값으로 조절하는 단계;

(c) 얻어지는 상기 매체에 실리케이트와 산성화제를 동시에 첨가하되, 상기 실리케이트와 상기 산성화제 각각의 첨가량은 첨가 공정 전기간에 걸쳐 하기 조건을 충족하도록 선택되는 첨가 단계;

- 반응 매체의 pH가 7 ∼8 범위로 유지되고,

- 상기 매체의 실리콘 농도가 SiO₂ 당량으로 표현하여 35g/l 이하로 유지됨;

(d) 상기 단계 (c)에서 얻어지는 상기 매체의 pH가 3∼6.5 범위에 있도록 상기 매체에 산성화제를 첨가하는 단계; 및

(e) 얻어지는 수성 실리카 분산액을 여과하고, 여과 단계 종료 시 얻어진 여과 케익을 건조하는 단계

로 이루어지는 연속되는 단계를 포함하는 저흡수성(low water-uptake) 침전 실리카(precipitated silica)의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 단계 (a) 및 (c)에서 사용되는 상기 실리케이트가 알칼리 실리케이트인 것을 특징으로 하는 저흡수성 침전 실리카의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 단계 (b), (c) 및 (d)에서 사용되는 상기 산성화제가 황산, 염화수소산, 질산, 아세트산, 포름산 및 탄산 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 저흡수성 침전 실리카의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 단계 (a)의 상기 공급원료가, SiO₂ 당량으로 표현된 농도로서, 10g/l 이하의 농도를 갖는 실리케이트 수용액 형태인 것을 특징으로 하는 저흡수성 침전 실리카의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 단계 (b)의 상기 산성화제가 0.25N 내지 8N 범위의 노르말 농도(normality)를 가진 수용액 형태로 도입되는 것을 특징으로 하는 저흡수성 침전 실리카의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 단계 (b)의 상기 산성화제가 10g/l 내지 350g/l 범위의 농도를 가진 수용액 형태로 도입되는 황산인 것을 특징으로 하는 저흡수성 침전 실리카의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 단계 (c)의 상기 실리케이트와 상기 산성화제의 동시 첨가 공정이 상기 매체에 상기 실리케이트를 연속적으로 첨가함으로써 이루어지고, 상기 매체의 pH가 설정된 제어 값인 7∼8 범위보다 커질 경우에 상기 산성화제를 도입함으로써 상기 첨가 공정중에 pH가 조절되는 것을 특징으로 하는 저흡수성 침전 실리카의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 단계 (c)의 상기 실리케이트와 상기 산성화제의 동시 첨가 공정이 상기 매체에 상기 실리케이트를 연속적으로 첨가함으로써 이루어지고, 상기 매체의 pH가 설정된 제어 값인 7∼8 범위 미만으로 될 경우에 상기 실리케이트를 도입함으로써 상기 첨가 공정중에 pH가 조절되는 것을 특징으로 하는 저흡수성 침전 실리카의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 단계 (c)의 상기 실리케이트와 상기 산성화제의 동시 첨가 공정이, 상기 첨가 공정 전기간에 걸쳐 상기 매체의 pH가 7∼8 범위로 유지되도록 계산된 농도와 유량으로 상기 산성화제와 상기 실리케이트를 연속적으로 첨가하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 저흡수성 침전 실리카의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 단계 (c)의 동시 첨가 공정중에 도입되는 상기 실리케이트가 10g/l∼360g/l 범위의 농도를 갖는 수용액 형태인 것을 특징으로 하는 저흡수성 침전 실리카의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 단계 (c)의 동시 첨가 공정중에 도입되는 상기 산성화제가 0.25N∼8N 범위의 노르말 농도를 갖는 수용액 형태인 것을 특징으로 하는 저흡수성 침전 실리카의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 단계 (c)의 첨가 공정을 15분 내지 300분 동안 지속하는 것을 특징으로 하는 저흡수성 침전 실리카의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 단계 (c)의 종료 시점 및/또는 단계 (c)와 (e) 사이에 알루미늄 화합물을 도입하는 것을 특징으로 하는 저흡수성 침전 실리카의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 단계 (d)에서 상기 산성화제가 0.25N∼8N 범위의 노르말 농도를 갖는 수용액 형태로 상기 매체에 도입되는 것을 특징으로 하는 저흡수성 침전 실리카의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 단계 (a), (b), (c) 및 (d)를 90∼100℃ 범위의 온도에서 실행하는 것을 특징으로 하는 저흡수성 침전 실리카의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 단계 (d)로부터 얻어지는 수성 실리카 분산액을 상기 단계 (e) 이전에 숙성(maturation) 단계로 처리하는 것을 특징으로 하는 저흡수성 침전 실리카의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 단계 (e)가 상기 침전물 케익의 분할 공정(splitting process)을 포함하는 것을 특징으로 하는 저흡수성 침전 실리카의 제조 방법.
제17항의 분할 공정에 의해 얻어지는 실리카의 수성 조성물.
제1항 내지 제17항 중 어느 한 항의 공정 또는 제18항에 따른 실리카 조성물의 분무 건조에 의해 얻어지는, 수분 흡수량이 6% 미만인 침전 실리카.
제1항의 공정에 의해 얻어지는 침전 실리카를 포함하는, 실리콘계 매트릭스에서의 보강용 충전재.
제20항에 있어서,

상기 실리콘계 매트릭스가 압출에 의해 성형되는 것을 특징으로 하는 보강용 충전재.
제1항의 공정에 의해 얻어지는 침전 실리카를 포함하는, 하나 이상의 엘라스토머를 기재(基材)로 한 매트릭스에서의 보강용 충전재.
제21항에 있어서,

상기 하나 이상의 엘라스토머를 기재로 한 매트릭스가 투명 또는 반투명 매트릭스인 것을 특징으로 하는 보강용 충전재.
제1항의 공정에 의해 얻어지는 침전 실리카를 포함하는, 유기 매체 또는 수성 매체 내의 증점제.
제1항의 공정에 의해 얻어지는 침전 실리카를 포함하는, 식품 또는 화장품 조성물에서의 지지물(support).
제1항의 공정에 의해 얻어지는 침전 실리카를 포함하는, 약제학적 조성물 내의 충전재.
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