KR20110081380A - Organic silica particles and method of manufacturing the same - Google Patents

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KR20110081380A
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Abstract

PURPOSE: An organic silica fine particle containing an organic functional group and a method for preparing the same are provided to enhance pore size. CONSTITUTION: A method for preparing organic silica fine particles by a sol-gel method comprises a step of adding alkali metal salt catalyst and hydrogenation silane precursor to the water. The alkali metal salt catalyst is denoted by chemical formula 1(MX), In chemical formula 1, M is Li, Na, K, Rb, or Cs, and X is F, Cl, Br, or I. The alkali metal salt catalyst is added in 10-30 weight parts based on 100 weight parts of hydrogenation silane precursor. The method for further comprises polymerization, isolation, washing, drying, and pulerizing.

Description

유기실리카 미립자 및 이의 제조방법{Organic silica particles and Method of manufacturing the same}Organic silica particles and method of manufacturing the same

본 발명은 유기 관능기를 함유하는 유기실리카 미립자 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 기존의 방법에 비해 한 단계 반응으로 제조 공정이 간단하고, 경제적이며, 재현성이 있을 뿐만 아니라 친환경적이며, 유기실리카 미립자의 수율도 현격히 증진시킬 수 있는 새로운 유기실리카 미립자의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an organosilica fine particle containing an organic functional group and a method for producing the same, and the production process is simple, economical, reproducible, environmentally friendly, and yield of organosilica fine particles in a one-step reaction compared to the conventional method. It also relates to a method for producing new organosilica fine particles that can be significantly enhanced.

일반적으로 유기실리카 분말은 예를 들면, 기공크기, 세공용적 및 비표면적과 같은 기공율과 입자크기를 제어함으로써 오디오, 비디오, 포장용 등에 사용되는 각종 필름의 점착 방지제(안티-블록킹제), 도료의 소광제, 치약의 점증제 및 연마제, 플라스틱 및 고무의 보강재, 식품 및 의약품의 첨가제로서 널리 사용되고 있으며, 또한 열적, 전기적 특성 및 화학적 안전성이 우수하여 그 응용분야가 계속 늘어나는 추세이다.In general, organosilica powder is controlled by porosity and particle size such as pore size, pore volume and specific surface area, and anti-sticking agent (anti-blocking agent) of various films used for audio, video, packaging, etc. Secondly, it is widely used as a thickener and abrasive of toothpaste, reinforcement of plastics and rubber, additives of food and medicine, and also has excellent thermal, electrical properties and chemical safety, and its application field is continuously increasing.

종래 실리카 미립자의 제조방법으로는 사염화 실레인 등을 원료로 한 기상분해법(일본 특개소58-410,313호), 알콕시 실레인을 이용한 졸-겔 법(일본 특개소63-166,777호), 특정 조성의 붕산 유리를 만든 후 산 처리하여 알칼리를 추출시키는 방법(미국등록특허 제2,106,744호)과 알칼리 실리카 수용액과 산과의 중화반응에 의해 제조하는 방법(미국등록특허 제4,675,122호) 등이 있다. 그러나 종래기술에서 상기의 기상분해법은 기상 합성 시 발생하는 염소가스의 부식성 및 가연성으로 인해 장치의 부식을 초래하고, 인체에 해가 있어 취급에 어려움이 많으며, 형성되는 기공이 입자 표면에만 존재하여 용도에 제약이 있는 문제점이 있다. 또한, 종래기술에서 상기의 졸-겔 법은 생성된 미립자의 특성이 고순도이며, 기공제어는 가능하나 출발 원료가 고가인 관계로 생산비용이 높아 공업화가 어려워 일부 분야를 제외하고는 경제성이 없어 사용이 되지 않고 있는 실정이다. 또한 종래기술에서 상기 산 처리하여 알칼리를 추출하는 방법은 특정 조성의 붕산 유리를 용융 및 성형한 후 일정 온도 범위 내에서 열처리하여 상 분리를 시킨 다음, 산 처리, 수세 및 건조하여 제조하는 방법으로, 이 방법에 의해 제조된 실리카 미립자는 순도가 낮아 내약품성에 한계가 있으며, 일반적으로 기공크기가 극히 미세하고, 세공용적이 적어 특수 용도에만 사용되고 있다.Conventional methods for producing fine silica particles include vapor phase decomposition method using silane tetrachloride or the like (Japanese Patent Laid-Open No. 58-410,313), sol-gel method using alkoxy silane (Japanese Patent Laid-Open No. 63-166,777), and a specific composition. There is a method of making a boric acid glass, followed by acid treatment to extract alkali (US Patent No. 2,106,744), and a method of producing by neutralization reaction of aqueous alkali silica solution with acid (US Patent No. 4,675,122). However, in the prior art, the gas phase decomposition method causes corrosion of the device due to the corrosiveness and flammability of the chlorine gas generated during gas phase synthesis, and is harmful to the human body, which makes it difficult to handle the pores. There is a problem with the limitation. In addition, in the prior art, the above-mentioned sol-gel method has high purity characteristics of the produced fine particles, pore control is possible, but since the starting material is expensive, it is difficult to industrialize due to high production cost and is not economical except in some fields. This is not the case. In addition, the method of extracting the alkali by acid treatment in the prior art is a method of melting and molding the boric acid glass of a specific composition and then heat treatment within a predetermined temperature range to perform phase separation, followed by acid treatment, washing with water and drying, Silica fine particles produced by this method have a low purity and are limited in chemical resistance, and are generally used only for special applications due to their extremely fine pore size and low pore volume.

상기의 종래기술에서 알칼리 실리카 수용액과 산과의 중화반응에 의해 제조하는 방법은 원료 가격이 낮고, 취급이 용이하여 공업적으로 가장 넓게 사용되고 있다. 또한 이 방법을 이용하여 실리카를 제조하는 경우 원료의 농도, 원료 및 산의 첨가 속도, 반응 온도, 반응 pH, 숙성 온도 및 시간 등 많은 변수가 있어서, 이러한 조건을 변화시켜 기공율을 제어 할 수 있다. 또한 상기 방법은 알칼리 실리카 수용액에 강산을 첨가하여 pH를 1.5까지 내려 강산성 분위기 하에 실리카졸을 생성시킨 다음, 겔화시켜 수세 및 건조 후 용도에 따라 분쇄 및 입도분리를 하여 실리카 미립자를 제조하고 있다. 그러나 이 방법에 의해 제조된 다공성 실리카 미립자는 구조가 치밀하여 기공크기가 작고(예를 들면, 20 ~ 40 Å), 세공용적도 적으며(예를 들면 0.25 ~ 0.4 mL/g), 비표면적이 500 ~ 800 ㎡/g 정도로 건조제 등 일부 용도로만 사용이 가능하다.In the above-mentioned prior art, the method of producing by neutralization reaction of aqueous alkali silica solution with acid has low raw material price, easy handling, and is widely used industrially. In addition, when manufacturing silica using this method, there are many variables such as concentration of raw materials, addition rate of raw materials and acids, reaction temperature, reaction pH, aging temperature, and time, so that porosity can be controlled by changing these conditions. In addition, in the above method, a strong acid is added to an aqueous alkaline silica solution to lower the pH to 1.5 to produce a silica sol under a strong acid atmosphere, and then gelled to pulverize and separate particles according to the intended use to prepare silica fine particles. However, the porous silica fine particles produced by this method have a compact structure and have a small pore size (for example, 20 to 40 mm 3), a small pore volume (for example, 0.25 to 0.4 mL / g), and a specific surface area. It can be used only for some applications such as desiccant, about 500 ~ 800 ㎡ / g.

상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위해서 합성된 실리카겔을 알카리성 용액으로 장시간(예를 들면, 10시간 이상) 세척하여 기공크기를 증가시키고, 세공용적을 1.2 mL/g 이상으로 만드는 방법(일본 특개평2-289,670호)이 제시되었다. 그러나 이 방법은 세척 시간이 많이 소요되며, 한공정이 2 ~ 3일 이상 소요되기 때문에 대량생산 시 장비의 규모가 커지고, 이로 인한 장비의 가격 및 소요 면적이 커지며, 제조비용이 높은 단점이 있다.In order to solve the problems of the prior art, the synthesized silica gel is washed with an alkaline solution for a long time (for example, 10 hours or more) to increase the pore size and make the pore volume 1.2 mL / g or more (Japanese Patent Laid-Open No. 2). -289,670). However, this method requires a lot of washing time, a process takes more than two to three days, the equipment is large in mass production, resulting in a large cost and area of the equipment, high manufacturing costs.

이외에도 알카리성 분위기 하에 겔화시켜 제조공정을 단축시키는 방법이 제시되었으나 원료 투입 시 산과 알칼리의 급격한 반응에 의해 반응의 제어가 어려워 균질한 실리카 미립자를 얻기 어렵고, 제품의 롯드별 균일도가 떨어지는 단점이 있다. 즉, 상기와 같은 종래기술에 의해 제조되는 실리카 미립자는 세공용적이 적어 용도에 제한이 있으며, 세공용적을 증가시키기 위해서는 장시간 세척이 필요하고, 제조비용이 상승되는 문제점이 있다.In addition, a method of shortening the manufacturing process by gelling in an alkaline atmosphere has been proposed, but it is difficult to control the reaction due to the rapid reaction of acid and alkali when inputting raw materials, so that it is difficult to obtain homogeneous silica fine particles, and the uniformity of each product of the lot is inferior. That is, the silica fine particles produced by the prior art as described above have a limited pore volume and thus have limitations in use. In order to increase the pore volume, the silica fine particles need to be washed for a long time and a manufacturing cost increases.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 실리카 원(silica source)으로 통상의 알콕시 실레인 대신에 매우 안정한 수소화 실레인을 전구체로 사용하고, 값싼 알칼리 금속염을 촉매로 사용함으로써 경제적이고, 친환경적이며, 알칼리 실리카 수용액과 산 용액의 원료 혼합 시 일어나는 급격한 반응이 발생되지 않는 조건 하에서 유기실리카 미립자의 균질도를 높일 수 있고, 보다 간단한 공정을 갖는 유기실리카 미립자의 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.The present invention is to solve the problems of the prior art as described above, the present invention uses a very stable hydrogenated silane as a precursor as a silica source (silica source), using a cheap alkali metal salt as a catalyst It is economical, environmentally friendly, and can improve the homogeneity of organosilica fine particles under the condition that rapid reaction occurs when mixing the alkali silica aqueous solution and the acid solution, and has a simpler process for producing organosilica fine particles. The purpose is to provide.

보다 구체적으로 본 발명은 알칼리 금속염을 촉매로 사용함으로써 가수분해와 중합을 동시에 진행할 수 있어 경제적인 비용절감은 물론 유해 화학물질로 인한 2차 오염의 원인을 방지할 수 있고, 친환경적이며, 수소화 실레인 전구체를 졸-겔 법에 의해 한 단계 공정으로 고수율 및 고순도를 갖는 유기실리카 미립자를 제조할 수 있는 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.More specifically, the present invention can simultaneously proceed with hydrolysis and polymerization by using an alkali metal salt as a catalyst, economical cost savings, can prevent the cause of secondary pollution due to harmful chemicals, environmentally friendly, hydrogenated silane It is an object of the present invention to provide a method for producing organosilica fine particles having high yield and high purity in one step by using a sol-gel method.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여 안출된 것으로, 유기 관능기를 함유하는 유기실리카 미립자 및 기존의 방법에 비해 간단하고, 경제적이며, 재현성이 있을 뿐만 아니라 친환경적이며, 유기실리카 미립자의 수율도 현격히 증진시킬 수 있는 새로운 유기실리카 미립자의 제조방법을 제공한다.The present invention has been made to achieve the above object, and is simple, economical, and reproducible as well as environmentally friendly, and significantly improves the yield of organosilica fine particles compared to organic silica fine particles containing organic functional groups and conventional methods. It provides a method for producing new organosilica fine particles that can be.

이때, 본 발명에서 사용되는 기술 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.At this time, if there is no other definition in the technical terms used in the present invention, it has a meaning commonly understood by those skilled in the art to which the present invention belongs, and in the following description unnecessarily obscure the subject matter of the present invention. Description of known functions and configurations that may be omitted.

본 발명은 유기 관능기를 함유하는 유기실리카 미립자 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 유기 관능기를 가지는 미립자는 고무, 세라믹, 센서, 약물 전달물질, 페인트 등의 다양한 분야에 유용하게 이용될 수 있어, 종래부터 이러한 유기 관능기 함유 미립자를 제조하려는 노력이 수행되어 왔다. 그 대표적인 예로서, 미립자의 표면에 목적하는 유기 관능기를 도입하기 위하여 독성이 있는 산, 염기 촉매를 사용하거나 값비싼 백금, 팔라듐 촉매를 사용하여 미립자의 표면을 개질시키는 방법이 일반적으로 수행되어 왔다. 그러나 상기 방법에 의하면, 미립자 내부와 외부에 관능기를 균질하게 도입하기 어려울 뿐만 아니라, 촉매제거가 어렵고, 새로운 물질의 도입에 기인하여 미립자 고유의 물성이 변한다는 문제점이 있다. The present invention relates to an organosilica fine particle containing an organic functional group and a method for producing the same, the fine particle having an organic functional group can be usefully used in various fields such as rubber, ceramics, sensors, drug delivery materials, paint, etc. Efforts have been made to produce such organic functional group-containing microparticles. As a representative example, a method of modifying the surface of the microparticles using toxic acids, base catalysts or expensive platinum, palladium catalysts has been generally performed to introduce desired organic functional groups onto the microparticles surface. However, according to the above method, it is difficult not only to introduce the functional groups homogeneously into and out of the fine particles, but also difficult to remove the catalyst and change the intrinsic properties of the fine particles due to the introduction of new materials.

따라서 본 발명은 졸-겔 법에 의한 유기실리카 미립자의 제조방법에 있어서, 물에 값싸고, 독성이 없는 알칼리 금속염 촉매와 구조적으로 안정한 수소화 실레인 전구체를 첨가하여 가수분해 및 중합 시키는 단계를 포함하는 친환경적인 유기실리카 미립자의 제조방법을 제공한다.
Accordingly, the present invention provides a method for preparing organosilica fine particles by the sol-gel method, which comprises hydrolyzing and polymerizing by adding an inexpensive, non-toxic alkali metal salt catalyst and structurally stable hydrogenated silane precursor to water. It provides a method for producing environmentally friendly organosilica fine particles.

이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명은 유기 관능기를 함유하는 유기실리카 미립자 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 졸-겔 법에 의한 유기실리카 미립자의 제조방법에 있어서, 물에 하기 화학식 1로 표시되는 알칼리 금속염 촉매와 하기 화학식 2로 표시되는 수소화 실레인 전구체를 첨가하여 가수분해 및 중합 시키는 단계를 포함하는 친환경적인 유기실리카 미립자의 제조방법을 제공한다.The present invention relates to an organosilica fine particle containing an organic functional group and a method for producing the same, and to a method for producing organosilica fine particles by a sol-gel method, wherein the alkali metal salt catalyst is represented by the following Chemical Formula 1 in water and It provides a method for producing an environmentally friendly organosilica microparticles comprising the step of hydrolysis and polymerization by adding the hydrogenated silane precursor.

[화학식 1][Formula 1]

MXMX

[상기 화학식 1에서,[In Formula 1,

M은 Li, Na, K, Rb 또는 Cs이고, X는 F, Cl, Br 또는 I이다.] M is Li, Na, K, Rb or Cs and X is F, Cl, Br or I.]

[화학식 2][Formula 2]

R-SiH3 R-SiH 3

[상기 화학식 2에서 R은 C1 ~ C10의 알킬 또는 C3 ~ C10의 아릴이다.] [In Formula 2, R is C1 to C10 alkyl or C3 to C10 aryl.]

보다 구체적으로 본 발명은 물에 알칼리 금속염 촉매를 첨가하여 수소화 실레인 전구체의 가수분해를 수행하며, 상기 가수분해물을 함유하는 수용액에 다른 염기성 촉매의 첨가 없이 가수분해물의 중합 반응이 진행된다. 즉, 알칼리 금속염 촉매 하나로 가수분해와 중합을 동시에 진행할 수 있다. 또한 상기 알칼리 금속염 촉매를 사용할 경우 수열 안정에 미치는 염의 효과를 증진시켜주며, 백금 촉매 및 다른 촉매로 유기실리카를 합성한 경우 T1, T2, T3의 구조를 모두 포함한 불균일한 유기실리카가 형성되나 알칼리 금속염을 사용할 경우에는 대부분 T3구조로 비교적 균일한 유기실리카를 얻을 수 있는 큰 장점을 가지고 있다. 또한 상기 알칼리 금속염 촉매를 수열 반응 혼합물에 첨가하게 되면 끓는 물속에서 12시간 동안 처리하여도 그 구조가 많이 변하지 않으며, 최종 산물인 유기실리카 미립자의 수열 안정성이 매우 증가되는 효과가 있다.More specifically, the present invention performs hydrolysis of the hydrogenated silane precursor by adding an alkali metal salt catalyst to water, and the polymerization reaction of the hydrolyzate proceeds without addition of another basic catalyst to the aqueous solution containing the hydrolyzate. That is, hydrolysis and polymerization can proceed simultaneously with one alkali metal salt catalyst. In addition, when the alkali metal salt catalyst is used, it enhances the effect of salt on hydrothermal stability. When organosilica is synthesized by platinum catalyst and other catalysts, non-uniform organosilica including all structures of T 1 , T 2 , and T 3 is formed. However, when the alkali metal salt is used, most of the T 3 structure has a great advantage of obtaining a relatively uniform organosilica. In addition, when the alkali metal salt catalyst is added to the hydrothermal reaction mixture, the structure does not change much even after treatment for 12 hours in boiling water, and the hydrothermal stability of the organosilica fine particles, which is the final product, is greatly increased.

본 발명은 평형상태에 있기 때문에 수열 반응 중에 한 단계 반응으로 염효과 부가와 금속의 첨가가 용이한 새로운 합성법이다. 또한 본 발명에 따른 유기실리카 미립자는 수열 안정성의 증가로 타이어 제조 시 마모성 제어 첨가물로도 사용이 가능하다.The present invention is a novel synthesis method that is easy to add salt effect and metal addition in one step reaction during hydrothermal reaction because it is in equilibrium. In addition, the organosilica fine particles according to the present invention can be used as a wear control additive during tire manufacture due to an increase in hydrothermal stability.

본 발명에 있어서 상기 알칼리 금속염 촉매는 수소화 실레인 전구체 100 중량부에 대하여 10 ~ 30 중량부로 첨가되는 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 10 ~ 20 중량부로 첨가되는 것이다. 상기 알칼리 금속염 촉매의 첨가량이 상기 범위로 첨가될 경우에는 입자가 균일한 실리카 미립자를 얻을 수 있으며, 촉매 첨가량이 10 중량부 미만으로 첨가될 경우에는 실세스퀴옥산의 구조를 갖는 유기실리카 미립자를 얻을 수 없고, 올리고머인 실록세인 고분자만 생성된다.In the present invention, the alkali metal salt catalyst is preferably added in an amount of 10 to 30 parts by weight, more preferably 10 to 20 parts by weight, based on 100 parts by weight of the hydrogenated silane precursor. When the addition amount of the alkali metal salt catalyst is added in the above range, the silica particles can be uniformly obtained, and when the addition amount of the catalyst is less than 10 parts by weight, organosilica particles having a structure of silsesquioxane are obtained. And only siloxane polymers that are oligomers are produced.

또한 본 발명에 사용된 물은 증류수가 바람직하게 사용될 수 있으며, 수소화 실레인 전구체 대비 1 : 2 ~ 3의 중량비로 사용되는 것이 바람직하다.In addition, the water used in the present invention may be preferably used in distilled water, it is preferably used in a weight ratio of 1: 2 to 3 compared to the hydrogenated silane precursor.

또한 본 발명에 따른 제조방법을 통하여 RSi(OSi)x(OH)3-x 사면체 위치에 해당되는 실세스퀴옥산의 초유전 물질(k<2.2)을 제공한다. 실세스퀴옥산은 3개의 작용기와 1개의 치환기(R)를 갖는 물질로서 R은 수소, 치환 또는 비치환된 C1 ~ C10의 알킬, 치환 또는 비치환된 C2 ~ C10의 알킬렌, 치환 또는 비치환된 C4 ~ C10의 알릴 또는 치환 또는 비치환된 C4 ~ C10의 알릴렌에서 선택된다. 실세스퀴옥산은 랜덤, 사다리형, cage 및 부분적인 cage 등의 다양한 구조를 가지고 있다.In addition, the method according to the present invention provides a superelectric material of silsesquioxane (k <2.2) corresponding to the position of RSi (OSi) x (OH) 3-x tetrahedron. Silsesquioxane is a substance having three functional groups and one substituent (R), wherein R is hydrogen, substituted or unsubstituted C1 to C10 alkyl, substituted or unsubstituted C2 to C10 alkylene, substituted or unsubstituted C4 to C10 allyl or substituted or unsubstituted C4 to C10 allylene. Silsesquioxanes have a variety of structures, including random, ladder, cage, and partial cages.

이 중 본 발명에서는 cage 구조의 실세스퀴옥산을 제공할 수 있으며, 상기 cage 구조의 실세스퀴옥산은 유-무기가 혼합된 그물 구조를 이루고 있으며, 안쪽으로는 실록산 결합으로 이루어진 무기 frame network를 가지며, 바깥쪽으로는 반응성 또는 비반응성 유기화합물로 구성되어 있다. 따라서 실세스퀴옥산은 그물 구조를 가짐으로써 상호 연결로 인해 말단 유기기만을 포함하는 금속 산화물에 비해 훨씬 높은 기계적 강성 및 강도를 갖는다.Among them, the present invention may provide a silsesquioxane having a cage structure, and the silsesquioxane having a cage structure forms a net structure in which organic-inorganic mixtures are formed, and an inorganic frame network having a siloxane bond is formed therein. It consists of a reactive or non-reactive organic compound on the outside. The silsesquioxanes thus have a net structure which, due to their interconnection, has much higher mechanical stiffness and strength compared to metal oxides containing only terminal organic groups.

따라서 본 발명은 Si와 같은 금속 원자의 상호 연결을 위한 유기기를 포함하는 유기실리카 미립자를 보다 간단하며 친환경적으로 제조하는 방법을 제공할 수 있다. Accordingly, the present invention can provide a method for producing organic silica fine particles containing organic groups for interconnection of metal atoms such as Si more simply and environmentally friendly.

종래기술들을 살펴보면 유기실리카 미립자의 제조 시 중합 반응을 위해 형판을 사용하거나 400 ℃ 이상의 높은 열처리를 수반한다. 그러나 본 발명에서는 어떠한 형판도 필요치 않으며, 높은 열처리 또한 필요치 않다.Looking at the prior art, the use of a template for the polymerization reaction in the preparation of the organosilica fine particles or involves a high heat treatment of 400 ℃ or more. However, no template is needed in the present invention and no high heat treatment is required.

본 발명에서 중합 반응을 위해 필요로 하는 온도는 30 ~ 70 ℃인 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 40 ~ 60 ℃이다. 본 발명은 종래기술에 비해 상대적으로 저온에서 중합 반응이 이루어지며, 상기 온도 범위인 경우에는 안정한 구조의 실세스퀴옥산의 구조를 얻을 수 있는 이점이 있으며, 온도가 30 ℃ 미만인 경우에는 실세스퀴옥산 구조의 실리카가 형성되지 않고, 올리고머인 실록세인만 생성된다.In the present invention, the temperature required for the polymerization reaction is preferably 30 to 70 ° C, more preferably 40 to 60 ° C. The present invention has a polymerization reaction at a relatively low temperature compared to the prior art, in the case of the temperature range has the advantage of obtaining a structure of silsesquioxane of a stable structure, when the temperature is less than 30 ℃ silsesqui Silica of the oxane structure is not formed, and only siloxane which is an oligomer is produced.

본 발명에 있어서 가수분해 및 중합을 위한 반응 시간은 5 ~ 50시간 정도가 바람직하다. In the present invention, the reaction time for hydrolysis and polymerization is preferably about 5 to 50 hours.

또한 본 발명의 유기실리카 미립자의 제조방법은 상기 중합 후 분리, 세척, 건조 및 분쇄하는 단계를 더 포함한다. 상기 세척은 증류수, 다이에틸에테르, 알코올, 아세톤에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합 용매로 수회 반복적으로 세척하는 것이 바람직하며, 건조는 30 ~ 70 ℃, 더 바람직하게는 40 ~ 60 ℃의 온도에서 이루어지는 것이 바람직하다. 또한 상기 분쇄는 당업계에서 사용되는 통상의 방법을 이용할 수 있다. In addition, the method for preparing organosilica fine particles of the present invention further includes the step of separating, washing, drying and pulverizing after the polymerization. The washing is preferably repeated washing several times with one or two or more mixed solvents selected from distilled water, diethyl ether, alcohol, acetone, drying is 30 ~ 70 ℃, more preferably a temperature of 40 ~ 60 ℃ It is preferred to be made from. In addition, the grinding may use a conventional method used in the art.

본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 유기실리카 미립자는 기공크기 20 ~ 500 Å, 세공용적 0.3 ~ 0.6 mL/g, 비표면적 600 ~ 1200 m2/g를 갖는다.Organosilica fine particles produced by the production method according to the invention has a pore size of 20 ~ 500 mm 3, pore volume 0.3 ~ 0.6 mL / g, specific surface area 600 ~ 1200 m 2 / g.

본 발명은 졸-겔 법에 의한 유기실리카 미립자의 제조방법에 있어서, 실리카 원(silica source)으로 통상의 알콕시 실레인 대신에 구조적으로 매우 안정한 수소화 실레인 전구체를 사용하고, 촉매로는 값싸고 친환경적인 알칼리 금속염 촉매를 이용하여 가수분해 및 중합 반응을 통해 기공크기와 세공용적이 증가된 유기실리카 미립자를 제조할 수 있다. The present invention is a method for producing organosilica fine particles by the sol-gel method, using a structurally very stable hydrogenated silane precursor as a silica source, instead of the usual alkoxy silane, and is a cheap and environmentally friendly catalyst. The organosilica microparticles having increased pore size and pore volume can be prepared through hydrolysis and polymerization using an alkali metal salt catalyst.

또한 본 발명은 기존의 방법에 비해 한 단계 반응으로 제조 공정이 간단하고, 경제적이며, 재현성이 있을 뿐만 아니라 친환경적이며, 유기실리카 미립자의 수율도 현격히 증진시킬 수 있는 새로운 유기실리카 미립자의 제조방법을 제공함으로써 고수율 및 고순도를 갖는 유기실리카 미립자를 제조 할 수 있다.In addition, the present invention provides a method for producing new organosilica fine particles, which is simple, economical, and reproducible as well as environmentally friendly, and can significantly improve the yield of organosilica fine particles with a one-step reaction compared to the existing method. By doing so, organic silica fine particles having high yield and high purity can be produced.

도 1은 본 발명의 실시예 1에서 수득한 유기실리카 미립자의 적외선 분광기의 분석 결과를 나타낸 그래프이고, 도 2의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시예 1에서 수득한 유기실리카 미립자의 전자현미경 사진(각각 ×15,000, ×50,000)을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에서 수득한 유기실리카 미립자의 29Si Solid NMR 분석 결과를 나타낸 그래프이고, 도 4는 본 발명의 실시예 1에서 수득한 유기실리카 미립자의 X선회절분석기의 분석 결과를 나타낸 그래프이며, 도 5는 본 발명의 실시예 1에서 수득한 유기실리카 미립자의 열분석 결과를 나타낸 그래프이다.
1 is a graph showing the analysis results of the infrared spectroscopy of the organosilica fine particles obtained in Example 1 of the present invention, Figure 2 (a) and (b) of the organosilica fine particles obtained in Example 1 of the present invention Electron micrographs (x15,000 and x50,000, respectively) are shown.
3 is a graph showing the 29 Si Solid NMR analysis results of the organosilica fine particles obtained in Example 1 of the present invention, Figure 4 is an X-ray diffractometer analysis of the organosilica fine particles obtained in Example 1 of the present invention 5 is a graph showing a thermal analysis result of the organosilica fine particles obtained in Example 1 of the present invention.

이하, 본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것으로서 본 발명의 보호 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention may be better understood by the following examples, which are intended to illustrate the present invention and are not intended to limit the protection scope of the present invention.

[시험예] [Test Example]

1) 핵자기 공명법( NMR ; Nuclear magnetic resonance )에 의한 구조 분석 1) nuclear magnetic resonance (NMR; Nuclear magnetic structure analysis by resonance )

모든 고체 상태의 NMR 실험은 브루커 DSX 400 NMR 분광계로 수행하였다. 29Si MAS-NMR 스펙트라는 5 kHz의 스핀 속도 및 5초의 펄스 지연에서 기록하였다.All solid state NMR experiments were performed with a Bruker DSX 400 NMR spectrometer. The 29 Si MAS-NMR spectra were recorded at a spin rate of 5 kHz and a pulse delay of 5 seconds.

2) 퓨리에 변환 적외선 분광법(FT-IR; Fourier transform-infrared spectrometry)에 의한 구조 분석 2) Structural Analysis by Fourier Transform Infrared Spectrometry (FT-IR)

FT-IR 실험은 퍼킨 엘머 스펙트럼 GX은 KBr pellet으로 시료를 제작하였으며, 1150 cm-1에서 si-O-si 구조의 진동성 흡착 스펙트라를 특성화하기 위해 사용되었다. The FT-IR experiments were made from Perkin Elmer Spectrum GX KBr pellets and used to characterize the vibratory adsorption spectra of si-O-si structures at 1150 cm −1 .

3) 열분석기 (TGA; Thermogravimetric analysis)에 의한 구조 분석 3) Structural analysis by thermogravimetric analysis (TGA)

TGA-50A(Shimadzu, Japan)을 이용하여 N2 분위기 하에서 10 ℃/min의 속도로 1000 ℃까지 측정하였다.Using TGA-50A (Shimadzu, Japan) was measured to 1000 ℃ at a rate of 10 ℃ / min in N 2 atmosphere.

4) X선회절분석기(PXRD; Powder X-ray diffractometer)에 의한 구조 분석 4) Structure analysis by PXRD (Powder X-ray diffractometer)

하기 실시예에서 제조한 유기실리카의 결정성을 확인하기 위해서 PXRD 패턴은 Rigaku사의 D/MAX Ultima Ⅲ X-선(λ=0.1542 nm)으로 회절무늬를 측정하였다. In order to confirm the crystallinity of the organosilica prepared in the following examples, the diffraction pattern of the PXRD pattern was measured by D / MAX Ultima III X-ray (λ = 0.1542 nm) of Rigaku Corporation.

5) 주사전자현미경(SEM; Scanning electron microscope)에 의한 구조 분석 5) Structural analysis by scanning electron microscope (SEM)

분말의 입자크기 및 형태는 JSM-7500F를 이용하여 관찰하였다.
The particle size and shape of the powder were observed using JSM-7500F.

[실시예 1]Example 1

100 mL 둥근바닥 플라스크에 증류수 2.5 g(46.3 mmol)을 넣고, LiCl 0.135 g(2.3 mmol)을 첨가하여 용해시킨 후, 여기에 단량체 페닐실레인(phenylsilane) 1 g(46.3 mmol)을 서서히 적가하였다. 이렇게 만들어진 혼합물을 50 ℃에서 24시간 동안 교반 한 후 분리, 세척 및 건조 시켰다.2.5 g (46.3 mmol) of distilled water was added to a 100 mL round bottom flask, and 0.135 g (2.3 mmol) of LiCl was added to dissolve it, and then 1 g (46.3 mmol) of monomer phenylsilane was slowly added dropwise thereto. The resulting mixture was stirred at 50 ° C. for 24 hours and then separated, washed and dried.

상기 세척 단계는 잔존하는 염과 실레인(silane) 제거를 위해 증류수로 2번, 다이에틸에테르(diethylether)로 3번 세척하였다. 또한 상기 건조 단계는 50 ℃에서 진공오븐에 24시간 동안 건조 시킨 후, 마노유발에 곱게 갈아 유기실리카 미립자를 제조하였다.The washing step was washed twice with distilled water and three times with diethylether to remove the remaining salt and silane. In addition, the drying step was dried for 24 hours in a vacuum oven at 50 ℃, and finely ground to agate induction to produce organosilica fine particles.

도 1은 실시예 1에서 수득한 유기실리카 미립자의 적외선 분광기의 분석 결과를 나타낸 그래프이고, 도 1을 통하여 Si-O-Si의 비대칭 신축이동에 의해 나타나는 흡수띠가 1150 cm-1에서 큰 세기를 보이는 것으로 Si-H가 Si-O-Si로 변환됨을 확인하였다. 또한 도 2의 (a) 및 (b)는 실시예 1에서 수득한 유기실리카 미립자의 전자현미경 사진(각각 ×15,000, ×50,000)을 나타낸 것으로, 도 2를 통하여 겉표면이 부드런운 입자의 형태로 비교적 균일한 크기의 유기실리카 미립자를 확인하였다. 도 3은 실시예 1에서 수득한 유기실리카 미립자의 29Si Solid NMR 분석 결과를 나타낸 그래프이고, 도 3을 통하여 -50 ppm과 -80 ppm에서 폴리실세스퀴옥산 구조 중 하기 화학식 1 및 화학식 2와 같은 T1, T3의 구조(폴리실세스퀴옥산의 구조 중에는 D-위치, T-위치, Q-위치가 있으며, 이는 29Si Solid NMR에서 화학적 이동이 나타낸 위치에 의해서 결정된다. 본 발명에 따른 유기실리카 미립자의 경우, 각각 - 50 ppm과 - 80 ppm에서 화학적 이동을 보였으므로 T1과 T3의 위치를 나타냄)가 나타남을 확인하였다. FIG. 1 is a graph showing an analysis result of an infrared spectrometer of organosilica fine particles obtained in Example 1, and the absorption band exhibited by asymmetric stretching of Si-O-Si through FIG. 1 exhibits high intensity at 1150 cm −1 . It was confirmed that the Si-H is converted to Si-O-Si. 2 (a) and 2 (b) show electron micrographs (x15,000 and x50,000, respectively) of the organosilica microparticles obtained in Example 1, and the outer surface of the organosilica microparticles is soft in the form of particles. Organosilica fine particles of relatively uniform size were identified. FIG. 3 is a graph showing the results of 29 Si Solid NMR analysis of the organosilica microparticles obtained in Example 1, and of the polysilsesquioxane structure at -50 ppm and -80 ppm through FIG. The structures of the same T 1 , T 3 (the structures of polysilsesquioxane include D-position, T-position, and Q-position, which are determined by the position indicated by chemical shift in 29 Si Solid NMR. According to the organic silica particles, the chemical shift was shown at-50 ppm and-80 ppm, respectively, indicating the positions of T 1 and T 3 ).

Figure pat00001
Figure pat00001

또한 도 4는 본 발명의 실시예 1에서 수득한 유기실리카 미립자의 X선회절분석기의 분석 결과를 나타낸 그래프로서 입자의 구조는 2θ값에서 나타나는 피크의 위치로 정형적인 실세스퀴옥산의 패턴을 나타내었다. 도 5는 실시예 1에서 수득한 유기실리카 미립자의 열분석 결과를 나타낸 그래프이고, 도 5를 통하여 1000 ℃까지 무게감소가 약 40% 일어났음을 확인하였다.4 is a graph showing an analysis result of the X-ray diffractometer of the organosilica fine particles obtained in Example 1 of the present invention, the structure of the particle shows the pattern of the typical silsesquioxane at the position of the peak appearing in the 2θ value It was. Figure 5 is a graph showing the thermal analysis results of the organosilica microparticles obtained in Example 1, it was confirmed that the weight loss occurred about 40% to 1000 ℃ through FIG.

상기 실시예 1에서 제조된 유기실리카 미립자는 기공크기 200 Å, 세공용적 0.5 mL/g, 비표면적 900 m2/g를 갖는다.The organosilica microparticles prepared in Example 1 have a pore size of 200 mm 3 , a pore volume of 0.5 mL / g, and a specific surface area of 900 m 2 / g.

[비교예 1]Comparative Example 1

100 mL 둥근바닥 플라스크에 증류수 2.5 g(46.3 mmol)을 넣고, 여기에 단량체 페닐실레인(phenylsilane) 1 g(46.3 mmol)을 서서히 적가하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.2.5 g (46.3 mmol) of distilled water was added to a 100 mL round bottom flask, and 1 g (46.3 mmol) of monomer phenylsilane was slowly added dropwise thereto, followed by the same procedure as in Example 1.

상기 비교예 1에서는 실록세인이 형성될 뿐 유기실리카는 제조되지 않았다.
In Comparative Example 1, only siloxane was formed, but organosilica was not produced.

Claims (7)

졸-겔 법에 의한 유기실리카 미립자의 제조방법에 있어서,
물에 알칼리 금속염 촉매와 수소화 실레인 전구체를 첨가하여 가수분해 및 중합 시키는 단계를 포함하는 유기실리카 미립자의 제조방법.
In the method for producing organosilica fine particles by the sol-gel method,
A method for producing organosilica fine particles comprising adding an alkali metal salt catalyst and a hydrogenated silane precursor to water to hydrolyze and polymerize.
제 1항에 있어서,
상기 알칼리 금속염 촉매는 하기 화학식 1인 것을 특징으로 하는 유기실리카 미립자의 제조방법.
[화학식 1]
MX
[상기 화학식 1에서,
M은 Li, Na, K, Rb 또는 Cs이고, X는 F, Cl, Br 또는 I이다.]
The method of claim 1,
The alkali metal salt catalyst is a method for producing organosilica fine particles, characterized in that the following formula (1).
[Formula 1]
MX
[In the above formula (1)
M is Li, Na, K, Rb or Cs and X is F, Cl, Br or I.]
제 2항에 있어서,
상기 수소화 실레인 전구체는 하기 화학식 2인 것을 특징으로 하는 유기실리카 미립자의 제조방법.
[화학식 2]
R-SiH3
[상기 화학식 2에서 R은 C1 ~ C10의 알킬 또는 C3 ~ C10의 아릴이다.]
The method of claim 2,
The hydrogenated silane precursor is a method for producing organosilica fine particles, characterized in that the following formula (2).
(2)
R-SiH 3
[In Formula 2, R is C1 to C10 alkyl or C3 to C10 aryl.]
제 1항에 있어서,
상기 알칼리 금속염 촉매는 수소화 실레인 전구체 100 중량부에 대하여 10 ~ 30 중량부로 첨가되는 유기실리카 미립자의 제조방법.
The method of claim 1,
The alkali metal salt catalyst is 10 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the hydrogenated silane precursor method for producing organosilica fine particles.
제 1항에 있어서,
상기 중합은 30 ~ 70 ℃의 저온에서 이루어지는 유기실리카 미립자의 제조방법.
The method of claim 1,
The polymerization method of producing organosilica fine particles made at a low temperature of 30 ~ 70 ℃.
제 1항에 있어서,
상기 중합 후 분리, 세척, 건조 및 분쇄하는 단계를 더 포함하는 유기실리카 미립자의 제조방법.
The method of claim 1,
Separating, washing, drying and pulverizing after the polymerization method of producing organosilica fine particles.
제 1항 내지 제 6항에서 선택되는 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 유기실리카 미립자.
Organosilica microparticles prepared by the method of any one of claims 1 to 6.
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